CN102710201B - 三次谐波供电、受控旋变的风力发电机组及无刷励磁方法 - Google Patents

Abstract

一种三次谐波供电、受控旋变的风力发电机组无刷励磁方法，涉及的是三次谐波绕组供电、受控旋转变压器的兆瓦级风力发电机组结构及励磁方法的设计。主要特征在于：主发电机的三相基波绕组（9）作为风力发电输出端，该绕组还经PI调节器（24）接至驱动脉冲发生电路（25），脉冲输出作为中频逆变器（22）的控制信号，控制发电机的励磁。三次谐波绕组（8）经三相整流桥（26）和中频逆变器（22）输入单相输入三相输出的中频旋转变压器（21），旋变副边的三相绕组经旋转整流器（15）接至励磁绕组（10），实现无刷励磁；蓄电池充电模块（23）接至逆变器输入端，初始励磁时供电。该方案适用于大功率风力发电机组无刷励磁，系统具有较强稳定性。

Description

三次谐波供电、受控旋变的风力发电机组及无刷励磁方法

技术领域

本发明所涉及的是采用三次谐波绕组供电、受控旋转变压器无刷励磁的MW级同步风力发电机组结构及励磁方法的设计。

背景技术

同步发电机采用直流电流励磁，它的有功功率和无功功率可以根据需要进行调节，可满足各种负载的需要，并且由于励磁绕组和电枢绕组分开，易于实现高性能控制。这些特点使得同步发电机应用广泛。并且随着人们对新能源的关注，风力发电技术得到了快速发展，从国内外的研究状况来看，目前应用于高压直流风电场的直驱发电机主要采用的也是同步电机。它的励磁形式包括电励磁和永磁两种。励磁系统是同步发电机的一个重要组成部分，采用什么样的励磁方式和励磁控制方式将直接影响到发电机的性能、可靠性和技术要求。为了提高发电机的可靠性，减小维护工作量，特别是要适合海上风力发电的需要，采用无刷励磁技术越来越受到人们的重视。目前，用于同步电机无刷励磁的方案已有多种，包括永磁励磁、旋转整流器式励磁方式、附加非同步旋转磁场感应耦合无刷励磁技术等。采用三次谐波绕组供电、受控中频旋转变压器无刷励磁的方案为无刷励磁同步风力发电机组提供了一种新颖的励磁方法及电机机组结构形式。

从国内外文献来看，对三次谐波绕组供电、受控中频旋转变压器无刷励磁方案的同步风力发电机的研究尚处于起步阶段。之前，发明者设计的利用旋转变压器结构对同步发电机进行无刷励磁时，采用了高频无刷励磁方案，该无刷励磁系统以罐形磁芯形式的旋转变换器构成非接触式电能传递环节的主要部分，实现同步电机的无刷励磁。但是，此类高频方案理论上适用于同步风力发电机的无刷励磁，而对于需要较大励磁容量的大型风力发电系统，罐形磁芯结构的高频旋转变压器的制作从成本和工艺上都具有不合理性；同时，该类方案采用外部直流电源励磁，对于大功率系统，降低了系统稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于大功率风力发电场的电机机组结构，及一种具有较强系统稳定性的同步风力发电机无刷励磁方案。

为实现上述目的，需要从无刷结构以及励磁方法等方面进行研究和改进，从而使得利用非接触式能量传递方式进行无刷励磁的方案适用于大型同步风力发电系统，这将拓展无刷励磁风力发电系统的应用竞争力，带来较大的经济和社会效应。

这种三次谐波供电、受控旋变的风力发电机组，其特征由以下方式组成：

凸极同步主发电机由：三相基波绕组、三次谐波绕组和励磁绕组组成；其中三相基波绕组的三相输出端与系统外部相连；同时三相基波绕组的三相输出端通过PI调节器与驱动脉冲发生电路的输入端相连，驱动脉冲发生电路的输出端与中频逆变器的控制端相连；三次谐波绕组的三相输出端经过三相整流桥与中频逆变器的输入端相连；中频逆变器的输出端与单相输入三相输出的中频旋转变压器的输入端相连，单相输入三相输出的中频旋转变压器的输出端经过旋转整流器与励磁绕组相连；中频逆变器的输入端还与蓄电池充电模块相连。

根据上述的三次谐波供电、受控旋变的风力发电机组的励磁方法，其特征包括以下过程：主发电机定子槽中安装的三相基波绕组作为风力发电输出端口，向外部电网或用电设备提供电能；同时，三相基波绕组需经过PI调节器接驱动脉冲发生电路，驱动脉冲发生电路的脉冲输出作为中频逆变器的控制信号，从而控制主发电机励磁及输出电压。主发电机定子槽中的剩余空间安放三次谐波绕组，绕组感应出的电能经三相整流桥和中频逆变器变换后产生单相中频交流电，接至单相输入三相输出的中频旋转变压器原边绕组，通过旋转变压器非接触式能量传递的方式将电能传递至其副边转子三相绕组，该三相绕组经旋转整流器整流后接至主发电机的转子励磁绕组，实现主发电机的无刷励磁；蓄电池充电模块为初始激励时提供电能，并联在中频逆变器的输入端，蓄电池与二极管串联，当电压建立后由二极管阻断。 

本发明提出的新拓扑结构与现有的拓扑结构相比，最大的不同是改变了无刷励磁环节中非接触式能量传递的拓扑结构。原设计方案中，采用了高频罐形磁芯形式的旋转变换器构成非接触式电能传递环节的主要部分，实现同步发电机的无刷励磁。但是，此类高频方案对于需要较大励磁容量的大型风力发电系统，罐形旋转磁芯的制作从成本和工艺上都具有不合理性。同时，该类方案采用外部直流电源励磁，励磁容量受到限制，并且降低了系统稳定性。而本发明采用类似于绕线式异步电机的单相输入三相输出的中频旋转变压器作为非接触式能量传递的拓扑结构，使得励磁容量可以设计至几十千瓦，并且保持90%左右的电能传递效率，同时，本发明采用了三次谐波绕组励磁这种具有反馈负载特性的发电机自励方案，使得该无刷励磁风力发电方案适用于大功率风力发电机组，这将拓展无刷励磁同步风力发电机组的应用竞争力。

附图说明  

图1 基于旋转变压器无刷励磁MW级同步风力发电系统结构框图

图2 基于旋转变压器无刷励磁MW级同步风力发电系统机械结构图

图中标号名称：1、主转轴，2、主发电机轴承，3、主发电机端盖，4、主发电机出线盒，5、主发电机转子铁芯，6、主发电机定子铁芯，7、主发电机机壳，8、三次谐波绕组，9、三相基波绕组，10、励磁绕组，11、主发电机风扇，12、电机定子联接机壳，13、旋转变压器定子铁芯，14、旋转变压器转子铁芯，15、旋转整流器，16、旋转变压器风扇，17、旋转变压器端盖，18、旋转变压器出线盒，19、旋转变压器转子轴承，20、旋转变压器与主发电机转子键槽联接，21、单相输入三相输出的中频旋转变压器，22、中频逆变器，23、蓄电池充电模块，24、PI调节器，25驱动脉冲发生电路，26、三相整流桥。

具体实施方式

根据附图叙述本发明的具体实施方式、工作原理和机械结构： 

    由图1可知，本文提出的无刷风力发电系统新方案中的主发电机，结构形式采用凸极电励磁同步发电机，主发电机设计容量可达MW级，在主发电机中除三相基波绕组外，还安装独立的三次谐波绕组，其容量通常为主发电机绕组的2%左右，采取三次谐波绕组供电自励方式，而非通常的发电机功率绕组并励方式，可避免外部故障（如短路）引起供电中断而造成不能励磁的问题；除励磁磁场的三次谐波分量，三次谐波绕组还能感应电枢反应磁场的三次谐波磁场，当主发电机所带负载越大，电枢反应越强，气隙磁场波形畸变就越大，三次谐波分量也越大，所以感应的三次谐波电势经整流后提供的电能的带负载能力越强，且电势大小能基本反映主发电机所带负载的变化情况。要强调的是：与从主绕组并励供电相比，三次谐波绕组不受输出故障的影响（指线路短路等原因造成的电压跌落），比采用主绕组进行自励供电方案更加可靠，更适合风力发电场合，且所供励磁电能能随发电机负载电流增加而增加，有助提高励磁调节快速性。

本文提出的无刷风力发电系统新方案中的中频旋转变压器类似于绕线式感应电机结构，与传统感应电机的主要区别在于：1、转轴不再作为输出动能的端口，而是由主发电机的转轴带动，其转速与主发电机转速一致，由于转子转速与中频磁场的转差很大，所以可基本不考虑转速变化；2、转子绕组感应输出中频三相电压，接到后级的旋转整流器，为主发电机励磁绕组供电；3、旋转变压器由中频逆变器供电，两者的设计容量与主发电机的三次谐波绕组容量相近，单相输入三相输出的旋转变压器采用适应中频工作的0.35mm硅钢片，定子采用单相交流绕组，转子采用三相对称交流绕组，而不用类似普通控制用旋变那样定转子均采用单相交流绕组，如此设计可以增加功率密度、减小体积。 

本文提出的无刷风力发电系统新方案中的控制系统以中频逆变器作为励磁控制的主电路，控制策略选择PWM控制，控制系统根据给定发电机指令电压，同时检测发电机输出电压，闭环调节中频逆变器脉宽调制输出电压等效幅值的大小，从而改变中频旋转变压器内部脉振磁场大小，从而改变旋转变压器感应输出电压经整流后输出的励磁电压的大小，从而达到控制主发电机励磁电流的目的。蓄电池为初始激励时提供电能，当电压建立后由二极管阻断，变换器的控制板（弱电部分）也由蓄电池供电。

如图2所示，由于本系统是利用旋转变压器进行电能变换的，所以作为无刷励磁系统的一部分，旋转变压器的转子安装在主发电机的转轴的延伸端上，使得主发电机与励磁旋转变压器转子转速同步，在旋转变压器侧的轴端放置旋转整流器的二极管电路板，随轴一起旋转，旋转整流器输出导线沿轴表面预先铣出的槽布置，连接到主发电机励磁绕组。打开端盖即方便检查维护旋转整流器，在设计端盖时还需给旋转整流器螺栓式二极管预留一定的轴向空间。在轴承方面，安装旋转变压器的轴端采用双轴承，主发电机按要求采用大功率轴承，旋转变压器定子通过自身端盖和转轴处也设置一轴承，其定子与主发电机固定连接，旋转变压器转轴伸入主发电机转轴内部，通过花键槽与主发电机联接，同时两电机转轴上的线槽也通过圆形导孔相导通，使得旋转变压器转子绕组与主发电机励磁绕组能连接，导孔外部套有保护套。以上机械设计可以防止因轴承磨损旷量过大，主发电机轴的跳动对小气隙的旋变造成可能的扫膛故障。

Claims (2)

1.一种三次谐波供电、受控旋变的风力发电机组，其特征由以下方式组成：

凸极同步主发电机由：三相基波绕组（9）、三次谐波绕组（8）和主转轴（1）组成；其中三相基波绕组（9）的三相输出端与系统外部相连；同时三相基波绕组（9）的三相输出端通过PI调节器（24）与驱动脉冲发生电路（25）的输入端相连，驱动脉冲发生电路（25）的输出端与中频逆变器（22）的控制端相连；三次谐波绕组（8）的三相输出端经过三相整流桥（26）与中频逆变器（22）的输入端相连；中频逆变器（22）的输出端与单相输入三相输出的中频旋转变压器（21）的输入端相连，单相输入三相输出的中频旋转变压器（21）的输出端经过旋转整流器（15）与励磁绕组（10）相连；中频逆变器（22）的输入端还与蓄电池充电模块（23）相连。

2.根据权利要求1所述的三次谐波供电、受控旋变的风力发电机组的励磁方法，其特征包括以下过程：主发电机定子槽中安装的三相基波绕组（9）作为风力发电输出端口，向外部电网或用电设备提供电能；同时，三相基波绕组（1）需经过PI调节器（24）接驱动脉冲发生电路（25），驱动脉冲发生电路（25）的脉冲输出作为中频逆变器（22）的控制信号，从而控制主发电机励磁及输出电压,主发电机定子槽中的剩余空间安放三次谐波绕组（8），该三次谐波绕组感应出的电能经三相整流桥（26）和中频逆变器（22）变换后产生单相中频交流电，接至单相输入三相输出的中频旋转变压器（21）原边绕组，通过旋转变压器非接触式能量传递的方式将电能传递至其副边转子三相绕组，该三相绕组经旋转整流器（15）整流后接至主发电机的转子励磁绕组（10），实现主发电机的无刷励磁；蓄电池充电模块（23）为初始激励时提供电能，并联在中频逆变器（22）的输入端，蓄电池与二极管串联，当电压建立后由二极管阻断。