CN108768119A - 永磁同步发电机和永磁同步风力发电系统 - Google Patents

永磁同步发电机和永磁同步风力发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种永磁同步发电机和永磁同步风力发电系统，所述永磁同步发电机包括：定子和转子，所述定子的槽内绕置N套绕组；每套绕组包括中性点隔离的三个三相绕组，所述三个三相绕组互差预定电角度，其中，N为大于或者等于1的整数。本发明的永磁同步发电机和永磁同步风力发电系统，可以降低电流谐波，解决并联扩容带来的环流问题，提高发电机的容量，增强运行可靠性。

Description

永磁同步发电机和永磁同步风力发电系统
技术领域
本发明总体说来涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种永磁同步发电机和永磁同步风力发电系统。
背景技术
永磁同步发电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步发电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。由于永磁同步发电机具有发电效率高且不需要额外的励磁设备等特点，近年来被广泛应用于风力发电领域。
传统的永磁同步发电机在并联扩容时易产生环流问题、且电流谐波较多、可靠性较差。因此，多相永磁同步发电机近年来得到广泛研究与应用。然而，现有的多相永磁同步发电机难以扩大电机容量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁同步发电机和永磁同步风力发电系统，可以降低电流谐波，解决并联扩容带来的环流问题，还可以提高发电机的容量，增强运行可靠性。
本发明的一方面提供一种永磁同步发电机，包括：定子和转子，所述定子的槽内绕置N套绕组；每套绕组包括中性点隔离的三个三相绕组，所述三个三相绕组互差预定电角度，其中，N为大于或者等于1的整数。
可选地，第一个三相绕组包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，第二个三相绕组包括第四相绕组、第五相绕组和第六相绕组，第三个三相绕组包括第七相绕组、第八相绕组和第九相绕组；所述第一相绕组与所述第四相绕组相差20度电角度，所述第四相绕组与所述第七相绕组相差20度电角度；所述第二相绕组与所述第五相绕组相差20度电角度，所述第五相绕组与所述第八相绕组相差20度电角度；所述第三相绕组与所述第六相绕组相差20度电角度，所述第六相绕组与所述第九相绕组相差20度电角度。
可选地，每个三相绕组采用星形连接，所述每个三相绕组的三相之间互差120度电角度。
本发明的另一方面还提供一种永磁同步风力发电系统，包括：如上所述的永磁同步发电机和整流器；其中，所述整流器包括与所述N套绕组一一对应的N个整流模块，每个整流模块连接到对应的一套绕组。
可选地，所述每个整流模块包括：并联连接的与所述一套绕组中的三个三相绕组一一对应的三个三相整流桥，其中，每个三相整流桥连接到对应的一个三相绕组。
可选地，所述三个三相整流桥均为可控三相整流桥；或者，所述三个三相整流桥均为不可控三相整流桥。
可选地，所述N个整流模块之间采用并联连接和/或串联连接。
可选地，所述整流器还包括：与所述N个整流模块一一对应的N个断路器，每个断路器并联连接到对应的一个整流模块。
可选地，所述永磁同步风力发电系统还包括：增速齿轮箱、风力涡轮机和滤波器；其中，所述风力涡轮机和所述永磁同步风力发电机之间连接所述增速齿轮箱；所述滤波器连接所述整流器。
可选地，所述永磁同步风力发电系统还包括：直流升压站，所述直流升压站连接所述滤波器。
本发明的永磁同步发电机和永磁同步风力发电系统，通过至少一套绕组降低电流的谐波含量，提高发电机的容量，同时也降低了发电机负载运行时的转矩脉动，从而增强了运行稳定性；还通过中性点隔离有效地解决了并联扩容带来的环流问题。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1示出根据本发明的实施例的永磁同步发电机中的每套绕组的分布示意图；
图2示出根据本发明的实施例的永磁同步风力发电系统的框图；
图3示出根据本发明的一个实施例的一套绕组和一个整流模块连接的电路示意图；
图4示出根据本发明的另一实施例的一套绕组和一个整流模块连接的电路示意图；
图5示出根据本发明的实施例的永磁同步风力发电系统的容错电路示意图；
图6示出根据本发明的实施例的直流升压站的示意图。
具体实施方式
现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例，其中，一些示例性实施例在附图中示出。
下面参照图1至图6描述根据本发明的实施例的永磁同步发电机和永磁同步风力发电系统。
根据本发明的实施例的永磁同步发电机可包括：定子和转子，所述定子的槽内绕置N套绕组，N为大于或者等于1的整数。
图1示出根据本发明的实施例的永磁同步发电机中的每套绕组的分布示意图。
参照图1，每套绕组可包括中性点隔离的三个三相绕组，三个三相绕组互差预定电角度。
第一个三相绕组可包括第一相绕组A1、第二相绕组B1和第三相绕组C1，第二个三相绕组可包括第四相绕组A2、第五相绕组B2和第六相绕组C2，第三个三相绕组可包括第七相绕组A3、第八相绕组B3和第九相绕组C3。
中性点隔离可表示中性点互不相连，即中性点相互独立，可以有效地解决并联扩容带来的环流问题。
优选地，每个三相绕组采用星形连接(即，Y接)，每个三相绕组的三相之间互差120度电角度。
作为示例，第一相绕组A1和第二相绕组B1相差120度电角度(即，相位差120度)，第二相绕组B1和第三相绕组C1相差120度电角度，第三相绕组C1和第一相绕组A1相差120度电角度。第四相绕组A2和第五相绕组B2相差120度电角度，第五相绕组B2和第六相绕组C2相差120度电角度，第六相绕组C2和第四相绕组A2相差120度电角度。第七相绕组A3和第八相绕组B3相差120度电角度，第八相绕组B3和第九相绕组C3相差120度电角度，第九相绕组C3和第七相绕组A3相差120度电角度。
例如，第一相绕组A1与第四相绕组A2相差20度电角度，第四相绕组A2与第七相绕组A3相差20度电角度；第二相绕组B1与第五相绕组B2相差20度电角度，第五相绕组B2与第八相绕组B3相差20度电角度；第三相绕组C1与第六相绕组C2相差20度电角度，第六相绕组C2与第九相绕组C3相差20度电角度，即，每套绕组可为九相移20度绕组。
也就是说，永磁同步发电机可包括至少一套九相移20度绕组，可以降低电流的谐波含量，提高发电机的容量，同时也降低了发电机负载运行时的转矩脉动，从而增强了运行稳定性。
下面结合图2至图5来详细描述根据本发明的实施例的永磁同步风力发电系统。
图2示出根据本发明的实施例的永磁同步风力发电系统的框图，图3示出根据本发明的一个实施例的一套绕组和一个整流模块连接的电路示意图，图4示出根据本发明的另一实施例的一套绕组和一个整流模块连接的电路示意图。
参照图2至图4，根据本发明的实施例的永磁同步风力发电系统可包括：如上所述的永磁同步发电机100和整流器200。
整流器200可包括与N套绕组一一对应的N个整流模块210，N个整流模块之间采用并联连接和/或串联连接，从而使整流器200输出预定直流电流(即，用户需要的直流电流)。
每个整流模块210连接到对应的一套绕组110。
在一个实施例中，每个整流模块210可包括：并联连接的与该一套绕组110中的三个三相绕组120、130、140一一对应的三个三相整流桥220、230、240。
每个三相整流桥连接到对应的一个三相绕组。
参照图3，作为一个示例，三个三相整流桥220、230、240可均为不可控三相整流桥。第一个三相整流桥220连接第一个三相绕组120，第二个三相整流桥230连接第二个三相绕组130，第三个三相整流桥240连接第三个三相绕组140。
第一个三相整流桥220可包括：第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5和第六二极管VD6。
第一相绕组A1连接第一二极管VD1的阳极和第四二极管VD4的阴极，第二相绕组B1连接第二极管VD2的阳极和第五二极管VD5的阴极，第三相绕组C1连接第三二极管VD3的阳极和第六二极管VD6的阴极，第一二极管VD1的阴极、第二二极管VD2的阴极和第三二极管VD3的阴极连接，第四二极管VD4的阳极、第五二极管VD5的阳极和第六二极管VD6的阳极连接。
第二个三相整流桥230可包括：第七二极管VD7、第八二极管VD8、第九二极管VD9、第十二极管VD10、第十一二极管VD11和第十二二极管VD12。
第四相绕组A2连接第七二极管VD7的阳极和第十二极管VD10的阴极，第五相绕组B2连接第八二极管VD8的阳极和第十一二极管VD11的阴极，第六相绕组C2连接第九二极管VD9的阳极和第十二二极管VD12的阴极，第七二极管VD7的阴极、第八二极管VD8的阴极和第九二极管VD9的阴极连接，第十二极管VD10的阳极、第十一二极管VD11的阳极和第十二二极管VD12的阳极连接。
第三个三相整流桥240可包括：第十三二极管VD13、第十四二极管VD14、第十五二极管VD15、第十六二极管VD16、第十七二极管VD17和第十八二极管VD18。
第七相绕组A3连接第十三二极管VD13的阳极和第十六二极管VD16的阴极，第八相绕组B3连接第十四二极管VD14的阳极和第十七二极管VD17的阴极，第九相绕组C3连接第十五二极管VD15的阳极和第十八二极管VD18的阴极，第十三二极管VD13的阴极、第十四二极管VD14的阴极和第十五二极管VD15的阴极连接，第十六二极管VD16的阳极、第十七二极管VD17的阳极和第十八二极管VD18的阳极连接。
第一个三相整流桥220、第二个三相整流桥230和第三个三相整流桥240并联连接后输出直流电流。
例如，第一二极管VD1的阴极、第二二极管VD2的阴极、第三二极管VD3的阴极、第七二极管VD7的阴极、第八二极管VD8的阴极、第九二极管VD9的阴极、第十三二极管VD13的阴极、第十四二极管VD14的阴极和第十五二极管VD15的阴极连接，第四二极管VD4的阳极、第五二极管VD5的阳极、第六二极管VD6的阳极、第十二极管VD10的阳极、第十一二极管VD11的阳极、第十二二极管VD12的阳极、第十六二极管VD16的阳极、第十七二极管VD17的阳极和第十八二极管VD18的阳极连接，从而实现三个三相整流桥并联连接。
第一个三相绕组120的中性点O1、第二个三相绕组130的中性点O2、第三个三相绕组140的中性点O3互不连接。
参照图4，作为又一示例，三个三相整流桥220、230、240可均为可控三相整流桥。三个三相整流桥可包括十八个二极管和与二极管一一对应的十八个三极管，一个二极管的阴极连接对应的三极管的集电极，该二极管的阳极连接对应的三极管的发射极。
应当理解，上述可控三相整流桥和不可控三相整流桥仅是示例性的，还可采用其他可行的三相整流桥进行整流，本发明对此不作具体限定。
图5示出根据本发明的实施例的永磁同步风力发电系统的容错电路示意图。
参照图5，在一个实施例中，整流器200可还包括与N个整流模块210一一对应的N个断路器250，
每个断路器250并联连接到对应的一个整流模块210。
当整流模块210正常工作时，断路器250开路；当整流模块210发生故障时，断路器250短路，从而切除故障的整流模块210，避免影响永磁同步风力发电系统的正常运转，有效提高系统的容错性能。
参照图2和图5，根据本发明的实施例的永磁同步风力发电系统可还包括：滤波器300。
滤波器300连接整流器200。
作为示例，滤波器300可为电力电容器滤波器。
图6示出根据本发明的实施例的直流升压站的示意图。
参照图2和图6，根据本发明的实施例的永磁同步风力发电系统可还包括：直流升压站400。
直流升压站400连接滤波器300。
直流升压站400采用直流/交流/直流(DC/AC/DC)的升压方式，先将直流电逆变成交流电，经过高频变压器410升压，再整流成直流电，从而提高直流电压等级。
返回图2，根据本发明的实施例的永磁同步风力发电系统可还包括：增速齿轮箱500和风力涡轮机600。
风力涡轮机600和永磁同步风力发电机100之间连接增速齿轮箱500。
作为示例，风力涡轮机600和永磁同步风力发电机100之间可通过柔性联轴器连接增速齿轮箱500，从而方便增速齿轮箱500的吊装维护。
作为示例，增速齿轮箱500可为一级低转速比齿轮箱，用于将风力涡轮机600的转速提高到与永磁同步风力发电机100匹配的转速。
此外，本发明的实施例的永磁同步发电机和永磁同步风力发电系统，通过至少一套绕组降低电流的谐波含量，提高发电机的容量，同时也降低了发电机负载运行时的转矩脉动，从而增强了运行稳定性；还通过中性点隔离有效地解决了并联扩容带来的环流问题。此外，该永磁同步风力发电系统采用直流输电的方式向外供电，还通过对整流模块进行冗余设计，实现故障隔离的功能，提高了系统的容错性能。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (10)

1.一种永磁同步发电机，其特征在于，包括：定子和转子，所述定子的槽内绕置N套绕组；
每套绕组包括中性点隔离的三个三相绕组，所述三个三相绕组互差预定电角度，
其中，N为大于或者等于1的整数。
2.如权利要求1所述的永磁同步发电机，其特征在于，第一个三相绕组包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，第二个三相绕组包括第四相绕组、第五相绕组和第六相绕组，第三个三相绕组包括第七相绕组、第八相绕组和第九相绕组；
所述第一相绕组与所述第四相绕组相差20度电角度，所述第四相绕组与所述第七相绕组相差20度电角度；
所述第二相绕组与所述第五相绕组相差20度电角度，所述第五相绕组与所述第八相绕组相差20度电角度；
所述第三相绕组与所述第六相绕组相差20度电角度，所述第六相绕组与所述第九相绕组相差20度电角度。
3.如权利要求2所述的永磁同步发电机，其特征在于，每个三相绕组采用星形连接，所述每个三相绕组的三相之间互差120度电角度。
4.一种永磁同步风力发电系统，其特征在于，包括：如权利要求1至3任意一项所述的永磁同步发电机和整流器；
其中，所述整流器包括与所述N套绕组一一对应的N个整流模块，每个整流模块连接到对应的一套绕组。
5.如权利要求4所述的永磁同步风力发电系统，其特征在于，所述每个整流模块包括：并联连接的与所述一套绕组中的三个三相绕组一一对应的三个三相整流桥，
其中，每个三相整流桥连接到对应的一个三相绕组。
6.如权利要求5所述的永磁同步风力发电系统，其特征在于，所述三个三相整流桥均为可控三相整流桥；
或者，所述三个三相整流桥均为不可控三相整流桥。
7.如权利要求4所述的永磁同步风力发电系统，其特征在于，所述N个整流模块之间采用并联连接和/或串联连接。
8.如权利要求4所述的永磁同步风力发电系统，其特征在于，所述整流器还包括：与所述N个整流模块一一对应的N个断路器，每个断路器并联连接到对应的一个整流模块。
9.如权利要求8所述的永磁同步风力发电系统，其特征在于，所述永磁同步风力发电系统还包括：增速齿轮箱、风力涡轮机和滤波器；
其中，所述风力涡轮机和所述永磁同步风力发电机之间连接所述增速齿轮箱；
所述滤波器连接所述整流器。
10.如权利要求9所述的永磁同步风力发电系统，其特征在于，所述永磁同步风力发电系统还包括：直流升压站，所述直流升压站连接所述滤波器。
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