CN103259252A - 一种用于保护永磁电机的方法及永磁风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于保护永磁电机的方法及永磁风力发电机组，该方法包括以下步骤：将所述永磁电机和电网建立电连接；在用于连接永磁电机和电网的电路中串接保护单元；当用于连接所述永磁电机和所述电网的所述电路中出现短路电流时，所述保护单元限制所述永磁电机的短路电流的大小，以避免所述短路电流导致所述永磁电机的永磁体的退磁。该保护方法可以有效地防止永磁体退磁，进而提高永磁风力发电机组的安全性和可靠性，而且可以降低永磁风力发电机组的成本。

Description

一种用于保护永磁电机的方法及永磁风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电技术，具体涉及一种用于保护永磁电机的方法及永磁风力发电机组。
背景技术
直驱永磁机组和双馈发电机组是两种典型的风力发电机组，而且直驱永磁机组具有能耗低、效率高以及免转子励磁的优点，同时，直驱永磁机组还具有优良的低电压穿越能力，这为电网友好运行以及风电机组的大面积并网提供了良好的基础。因此，相关企业不断地增大了对直驱永磁机组的研究。
众所周知，直驱永磁机组在运行过程中的发热会使永磁体的温度升高，从而导致永磁体性能的下降；而且直驱永磁机组在运行过程中可能出现短路工况，如发电机内部的定子短路或外部变流器的直流母线短路，短路电流产生的退磁场会导致永磁体退磁。当变流器的直流母线发生短路时，短路电流峰值可能大于4000A，此时的退磁场将会导致永磁体发生严重的退磁。
然而，通用的熔断装置也被用于电机的短路防护，但是用于励磁电机的防护以防止电机由于短路造成的热效应和机械冲击故障，且该方法响应速度较慢，响应时间通常需要几百毫秒以上，无法用于保护永磁电机或永磁风力发电机组以防止短路电流对永磁体造成的退磁影响。
因此，目前是通过提高永磁体的矫顽力来防止永磁电机在短路情况下发生退磁，这需要提高永磁体中能提高矫顽力的稀土元素，这就增加了永磁体的成本，从而使得风力发电机的成本上升。
为此，申请人认为有必要提出一种新的保护永磁电机的方法和装置，用以避免短路电流对永磁体造成损坏。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是针对永磁风力发电机组中存在的上述缺陷，提供一种用于保护永磁电机的方法，其可以有效地防止永磁体的退磁，从而提高永磁风力发电机组的安全性能。
为此，本发明还提供一种永磁风力发电机组，其安全性和稳定性高。
解决上述技术问题所采用的技术方案是提供一种用于保护永磁电机的方法，其用于保护永磁电机的永磁体，包括以下步骤：
将所述永磁电机和电网建立电连接；在用于连接永磁电机和电网的电路中串接保护单元；当用于连接所述永磁电机和所述电网的所述电路中出现短路电流时，所述保护单元限制所述永磁电机的短路电流的大小，以避免所述短路电流导致所述永磁电机的永磁体的退磁。
其中，所述保护单元是通过断开短路电流的方式来限制所述永磁电机的所述短路电流的大小。
其中，所述保护单元是通过限制短路电流的峰值来限制所述永磁电机的短路电流的大小。
本发明还提供一种永磁风力发电机组，包括永磁电机、变流器以及变压器，所述永磁电机的输出端与所述变流器的输入端连接，所述变流器的输出端与所述变压器的输入端连接，所述变压器的输出端连接电网，在所述永磁电机的输出端与所述电网之间的电路中设有用于限制所述永磁电机的短路电流大小的保护单元，以避免所述短路电流导致所述永磁电机的永磁体的退磁。
其中，所述保护单元设置在所述永磁电机的输出端与所述变流器的输入端之间，或者设置在所述变流器的输出端与所述变压器的输入端之间，或者设置在所述变压器的输出端与所述电网之间，或设置在所述变流器的转子侧和网侧之间。
其中，在用于连接所述永磁电机与所述变流器的每个回路中均设置一个或多个所述保护单元。
其中，所述保护单元的响应时间小于10ms。
其中，所述保护单元将所述永磁电机的短路电流限制在2000A以下。
其中，所述保护单元为高速开断器，所述高速开断器通过断开短路电流的方式来限制所述永磁电机的短路电流的大小。
其中，其特征在于，所述保护单元为超导限流器，所述超导限流器通过限制短路电流的峰值来限制所述永磁电机的短路电流的大小。
其中，所述超导限流器包括并联的超导部件和限流电阻，当出现短路电流时，所述超导部件失效，所述限流电阻限制所述永磁电机的所述短路电流的大小。
本发明具有以下有益效果：
相对于传统的采用高矫顽力的永磁材料的方式而言，本发明提供的用于保护永磁电机的方法是通过限制永磁电机的短路电流的大小来来控制退磁场的大小，避免短路电流导致永磁电机的永磁体的退磁，可以避免短路电流对发电机组的损害，从而有效地防止永磁体退磁，进而可以提高永磁风力发电机组的安全性。
本发明提供的永磁风力发电机组，在永磁电机的输出端与电网之间串接用于限制永磁电机的短路电流大小的保护单元，从而可以有效地避免短路电流导致永磁电机的永磁体的退磁，进而使永磁风力发电机组的安全性和可靠性提高。
附图说明
图1为本发明实施例一永磁风力发电机组原理示意图；
图2为本发明实施例一提供的高速开断器的原理图；
图3为本发明实施例一安装高速开断器后永磁电机的短路电流的峰值模拟曲线图；
图4为本发明实施例二提供的超导限流器的原理图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的用于保护永磁电机的保护方法及永磁风力发电机组进行详细描述。
图1为本发明实施例一永磁风力发电机组原理示意图。请参阅图1，永磁风力发电机组包括永磁电机1、变流器2和变压器3，永磁电机1的输出端与变流器2的输入端连接，而且永磁电机1和变流器2的连接位置形成连接点A；变流器2的输出端与变压器3的输入端连接，而且变流器2和变压器3的连接位置形成连接点C；变压器3的输出端与电网4连接，而且变压器3和电网4的连接位置形成连接点D。另外，在变流器2内部的网侧与转子侧的连接位置形成连接点B。
在永磁风力发电机组的运行过程中，永磁电机外侧电路的短路故障可能对永磁电机1造成损害，如短路电流引起的退磁场导致永磁体的退磁，因此，需要对永磁电机外侧电路产生的短路电流进行限制。本实施例是在连接点A位置设置保护单元5，借助保护单元5来限制永磁电机1的短路电流的大小。
本实施例将保护单元5设置在连接点A位置。但这并不表明，保护单元5仅能设置在连接点A位置，保护单元5也可以设置在连接点B、连接点C或连接点D位置。实际上，在永磁风力发电机组运行时，连接点A到连接点D任何位置的短路故障都可能产生短路故障该短路故障产生的短路电流可能导致永磁电机1的永磁体退磁。因此，可以理解，当保护单元5设置在连接点A位置时，保护单元5可以避免电网4以及连接点A和连接点D之间任何位置处的短路电流；当保护单元5设置在连接点B位置时，保护单元5可以避免电网4以及连接点B和连接点D之间任何位置处的短路电流；当保护单元5设置在连接点C位置时，保护单元5可以避免电网4以及连接点C和连接点D之间任何位置处的短路电流；当保护单元5设置在连接点D位置时，保护单元5仅可以避免电网4的短路电流。
本实施例中，保护单元5为高速开断器。图2为本发明实施例一提供的高速开断器的原理图。请参阅图2，高速开断器包括故障感应器13、高速开断桥14、灭弧熔断器15以及隔离变压器16。其中，故障感应器13与高速开断桥14处于同一支路，隔离变压器16的一端与故障感应器13连接，另一端与高速开断桥14连接；灭弧熔断器15处于并联支路。
使用时，将高速开断器安装在永磁电机1和变流器2间的电路中，故障感应器13用于感应电路中的短路故障。当故障感应器13感应到电路中出现短路故障时，将短路信号发送至高速开断桥14，高速开断桥14将迅速断开，再将电流转移到灭弧熔断器15支路，最后灭弧熔断器15彻底切断电路，即将永磁电机1与外电路断开，以避免永磁电机1的短路电流较大，从而避免短路电流在永磁电机1产生较大的退磁场，进而可以防止短路电流造成永磁体的退磁。
本实施例中高速开断器优选满足表1中的性能参数要求。需要说明的是，高速开断器的额定电压、额定电流、工作频率、短时耐受电流、分段特性、冷态电阻、海拔高度、工作环境等性能参数可以根据实际工况需要确定，表1中的性能参数并不是高速开断器的唯一的性能参数要求。
表1
Figure BDA0000136959680000051
本实施例在电路中出现短路故障时，高速开断器在小于10ms(毫秒)的时间内将永磁电机1与外电路断开，并将短路电流的峰值限制在2000A以下，以控制退磁场的大小，从而避免因过大的短路电流引起的退磁场而导致永磁电机1的永磁体的退磁。
图3为本发明实施例一安装高速开断器前后永磁电机的短路电流的峰值模拟曲线图。在图3中，(a)曲线为未安装高速开断器时永磁电机的短路电流的峰值曲线，(b)曲线为安装高速开断器时永磁电机的短路电流的峰值曲线。请参阅图3，永磁风力发电机组中未安装高速开断器时，永磁电机的短路电流的峰值约为4500A，而安装高速开断器后永磁电机的短路电流的峰值小于2000A。由此可知，高速开断器可以降低永磁电机的短路电流的峰值，从而可以控制短路造成的退磁场的大小，进而有效地避免永磁体的退磁。
实施例二
实施例二采用不同于实施例一的方式来避免短路电流对永磁电机造成的损伤，实施例二是通过限制短路电流的峰值来避免短路电流对永磁电机造成损伤。
在实施例二中使用的保护单元5为超导限流器。图4为本发明实施例二提供的超导限流器的原理图。请参阅图4，超导限流器包括并联的超导部件51和限流电阻52。使用时，将超导限流器串接在连接永磁电机和电网的电路中。当电路中出现短路故障时，超导部件51失效，限流电阻52限制永磁电机的短路电流的大小。通过调节限流电阻的大小，将永磁电机1的短路电流在10ms内的时间内快速地限制在2000A以内，从而限制退磁场的大小。
实施例二除采用的保护单元5不同于实施例一外，其它结构完全相同，这里不再赘述。在用于连接永磁电机1和电网4的电路中串接超导限流器前后永磁电机的短路电流的峰值模拟曲线与图3相似。因此，借助超导限流器来永磁电机1的短路电流的峰值，从而限制了短路电流引起的退磁场的大小，进而可以避免短路电流引起的永磁体的退磁。
在实施例一和实施例二中，永磁电动机1与变流器2是通过三套绕组、六个回路相连。因此，在变流器2中，网侧和转子侧共包括六个回路。当将保护单元5设置在连接点B位置时，为了限制永磁电机1的短路电流的大小，需要在每个回路中设置至少一个保护单元5。
上述实施例提供的永磁风力发电机组，在永磁电机的输出端与电网之间串接用于限制永磁电机的短路电流大小的保护单元，借助保护单元可以在10ms内将永磁电机的短路电流限制在安全范围内，从而有效地控制退磁场的大小，避免永磁电机外部短路导致永磁电机的永磁体的退磁，进而可以提高永磁风力发电机组的安全性和可靠性。相对于传统的采用高矫顽力的永磁材料的方式而言，还可以降低永磁风力发电机组的成本，而且方便维护。
针对上述实施例提供的永磁风力发电机组，本实施例还提供一种用于保护永磁电机的方法，其用于保护永磁电机的永磁体。该用于保护永磁电机的方法包括以下步骤：
将所述永磁电机和电网建立电连接；
在用于连接永磁电机和电网的电路中串接保护单元；
当用于连接所述永磁电机和所述电网的电路中出现短路电流时，所述保护单元限制所述永磁电机的短路电流的大小，从而控制退磁场的大小，进而避免所述短路电流导致所述永磁电机的永磁体的退磁。
在本实施例中，可以通过断开短路电流的方式来限制所述永磁电机的短路电流的大小，如采用实施例一所述的高速开断器；也可以通过限制短路电流的峰值来限制所述永磁电机的短路电流的大小，如采用实施例二所述的超导限流器。不管采用哪种限制短路电流的方式，均可以在10ms内将永磁电机的短路电流限制在2000A以内。
本实施例通过限制通过永磁电机的短路电流的大小来控制退磁场的大小，以避免短路电流导致永磁电机的永磁体的退磁，可以避免短路电流对永磁风力发电机组的损害，从而提高永磁风力发电机组的安全性和可靠性，还可以降低永磁风力发电机组的成本，而且方便维护。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于保护永磁电机的方法，其用于保护永磁电机的永磁体，其特征在于，包括以下步骤：
将所述永磁电机和电网建立电连接；
在用于连接永磁电机和电网的电路中串接保护单元；
当用于连接所述永磁电机和所述电网的所述电路中出现短路电流时，所述保护单元限制所述永磁电机的短路电流的大小，以避免所述短路电流导致所述永磁电机的永磁体的退磁。
2.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述保护单元是通过断开短路电流的方式来限制所述永磁电机的所述短路电流的大小。
3.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述保护单元是通过限制短路电流的峰值来限制所述永磁电机的短路电流的大小。
4.一种永磁风力发电机组，包括永磁电机、变流器以及变压器，所述永磁电机的输出端与所述变流器的输入端连接，所述变流器的输出端与所述变压器的输入端连接，所述变压器的输出端连接电网，其特征在于，在所述永磁电机的输出端与所述电网之间的电路中设有用于限制所述永磁电机的短路电流大小的保护单元，以避免所述短路电流导致所述永磁电机的永磁体的退磁。
5.根据权利要求4所述永磁风力发电机组，其特征在于，所述保护单元设置在所述永磁电机的输出端与所述变流器的输入端之间，或者设置在所述变流器的输出端与所述变压器的输入端之间，或者设置在所述变压器的输出端与所述电网之间，或设置在所述变流器的转子侧和网侧之间。
6.根据权利要求4所述永磁风力发电机组，其特征在于，在用于连接所述永磁电机与所述变流器的每个回路中均设置一个或多个所述保护单元。
7.根据权利要求4所述的永磁风力发电机组，其特征在于，所述保护单元的响应时间小于10ms。
8.根据权利要求4所述的永磁风力发电机组，其特征在于，所述保护单元将所述永磁电机的短路电流限制在2000A以下。
9.根据权利要求4-8任意一项所述的永磁风力发电机组，其特征在于，所述保护单元为高速开断器，所述高速开断器通过断开短路电流的方式来限制所述永磁电机的短路电流的大小。
10.根据权利要求4-8任意一项所述的永磁风力发电机组，其特征在于，所述保护单元为超导限流器，所述超导限流器通过限制短路电流的峰值来限制所述永磁电机的短路电流的大小。
11.根据权利要求10所述永磁风力发电机组，其特征在于，所述超导限流器包括并联的超导部件和限流电阻，当出现短路电流时，所述超导部件失效，所述限流电阻限制所述永磁电机的所述短路电流的大小。
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