CN117748789A - 一种风力发电机绕组、风力发电机及直流风电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及远海风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机绕组、风力发电机及直流风电系统，包括铜导体，所述铜导体之间的空隙填充有环氧树脂；所述铜导体的外侧依次设置有聚丙烯绝缘层和半导体材料层。采用环氧树脂填充铜导体间的空隙，不仅有利于铜导体产生的热量向外传导，还减少了线圈的振动、增加了线圈的绝缘强度和长期运行的可靠性；聚丙烯作为主绝缘材料，降低了对冷却系统的冷却要求，而且可有效降低发电机的重量和维护成本，解决现有技术中存在的高压线圈绝缘工作温度低，发电机散热系统要求高，体积大，成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及远海风力发电技术领域，具体为一种风力发电机绕组、风力发电机及直流风电系统。
背景技术
目前，近海风电的开发利用已经接近饱和，而离岸距离60～100km以上的远海区域风能资源更为丰富，成为未来风电发展的必然趋势和方向。如图1所示，目前远海风电场多采用中压交流汇集和高压直流送出的方式向岸上远距离输送电能。然而，由于交流汇集点频率为50Hz，需要背靠背AC/DC和DC/AC转换器来将发电机输出的某一频率的交流电进行转换。此外，由于永磁同步发电机(PMSG)的输出电压通常不超过12kV，因此需要采用机组升压变压器将50Hz定频的交流电提升至中压等级，典型电压，如35kV，以便降低电能传输损耗。此外，汇集的电能在海上换流站还要进行二次升压和换流才能最终送出至岸上换流站。可见，在电能送出的过程中，经历了三次换流和两次升压，不仅系统效率低，而且价格昂贵的海上建设和维护成本，又进一步降低了海上风电商业化运行的经济性。
一类可能的解决方案是在发电机级直接升高电压，以此消除升压变压器和海上换流站。例如，在公开号为CN1225755A的发明公开了一种具有磁路的高压旋转电机及其制造方法，其采用基于交联聚乙烯材料的电缆技术来绕制定子线圈实现高压绝缘。但是这种方式造成了线圈的匝间绝缘厚度几乎是对地绝缘厚度的两倍，使得发电机体积和成本远高于传统发电机，且这种绝缘的工作温度最高仅90℃，而同功率等级的传统大型发电机的绝缘等级一般为H级，180℃。因此，上述发电机并不适用于在离岸远距离的海上风电场中应用。
发明内容
针对现有技术中存在的高压线圈绝缘工作温度低，发电机散热系统要求高，体积大，成本高的问题，本发明提供一种风力发电机绕组、风力发电机及直流风电系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供一种风力发电机绕组，包括铜导体，所述铜导体之间的空隙填充有环氧树脂；所述铜导体的外侧依次设置有聚丙烯绝缘层和半导体材料层。
优选地，所述铜导体采用漆包铜扁绕组线绕制。
进一步地，所述聚丙烯绝缘层的厚度满足以下条件：
其中，K1为击穿强度的冗余系数，K2为击穿强度的老化系数，Umax是线圈中导体对地的最大电压，Epp为聚丙烯在温度130℃时的介电强度，δPP为聚丙烯绝缘层的厚度。
进一步地，半导体材料层按质量百分比计包括：65％～75％聚丙烯基料和25％～35％的炭黑。
进一步地，所述聚丙烯基料包括等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体，所述等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体的质量比为65:35。
一种包括上述绕组的风力发电机，还包括定子铁心、转子铁心和永磁磁极；
所述永磁磁极设置于转子铁心上，与转子铁心构成转子，用于产生旋转的励磁磁场；
所述绕组为多相绕组，相数为三相的倍数；绕组设置为若干组，各个绕组间隔设置于定子铁心内部，与定子铁心构成定子，用于电机机电能量转换。
进一步地，所述绕组采用单层分数槽集中绕组。
进一步地，所述绕组中两相之间的电角度为120°，相邻绕组依次错开的电角度满足以下条件：
θELEC＝120/x (2)
或θELEC＝60/x (3)
其中，θELEC为错开的电角度，x为三相绕组的数量，x为大于等于2的整数。
优选地，所述永磁磁极为钕铁硼材料，充磁方式为平行充磁或径向充磁。
一种包括上述的风力发电机的直流风电系统，所述风力发电机的动力输入端连接有风力涡轮机，用于将风能转换为机械能，带动风力发电机的转子旋转产生电能；所述风力发电机的电能输出端依次连接有保护开关、整流器和旁路开关；所述风力涡轮机、风力发电机、保护开关、整流器和旁路开关共同构成风力发电机组；所述风力发电机组的高压电输出端依次连接的海上换流站、HVDC线路和岸上换流站。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种风力发电机绕组，包括铜导体，所述铜导体之间的空隙填充有环氧树脂；所述铜导体的外侧依次设置有聚丙烯绝缘层和半导体材料层。采用环氧树脂填充铜导体间的空隙，不仅有利于铜导体产生的热量向外传导，还减少了线圈的振动、增加了线圈的绝缘强度和长期运行的可靠性；聚丙烯作为主绝缘材料，不仅降低了对冷却系统的冷却要求，而且可有效降低发电机的重量和维护成本，这是由于聚丙烯材料的介电强度大于300kV/mm，远远大于交联聚乙烯材料150kV/mm的介电强度，因此，聚丙烯的使用降低了近一半的绝缘厚度，有效减少了发电机体积和重量，并带来输出性能上的改善，降低了发电机的运行成本；此外，聚丙烯材料的最高工作温度可达130℃，也高于交联聚乙烯材料的最高工作温度90℃，这意味着，采用聚丙烯作为主绝缘可以在更高温度的环境中工作，进而可以降低冷却系统的要求，采用更简单经济的冷却方式，进一步降低了维护成本和运行成本。
所述聚丙烯绝缘层的厚度满足以下条件：
其中，K1为击穿强度的冗余系数，K2为击穿强度的老化系数，Umax是线圈中导体对地的最大电压，Epp为聚丙烯在温度130℃时的介电强度，δPP为聚丙烯绝缘层的厚度。可实现对绕组的对地绝缘的同时，避免因绝缘厚度增加过多而增加发电机的重量和体积。
半导体材料层按质量百分比计包括：65％～75％聚丙烯基料和25％～35％的炭黑，作为外屏蔽，保证了其足够的导电性能、加工性能和机械性能。
本发明还提供一种包括上述绕组的风力发电机，还包括定子铁心、转子铁心和永磁磁极；所述永磁磁极设置于转子铁心上，与转子铁心构成转子，用于产生旋转的励磁磁场；所述绕组为多相绕组，相数为三相的倍数，绕组设置为若干组，各个绕组间隔设置于定子铁心内部，与定子铁心构成定子，用于电机机电能量转换。该风力发电机能够构建新型的直流风电系统，即在第一转换级后增加DC/DC变换器以进一步提高电压，实现远距离的电能传输。
本发明还提供一种上述的风力发电机的直流风电系统，还包括与风力发电机依次连接的换上换流站、HVDC线路和岸上换流站。该直流风电系统的HVDC母线具有更高的送出电压，降低了远距离电能传输的损耗。有利于将基于超高压风力发电机的直流风电系统扩展部署至离岸远的风能资源更丰富的海域。
附图说明
图1为现有技术中传统远海风电场用基于中压交流汇集和高压直流送出方式的示意图。
图2为本发明的一种风力发电机绕组的剖面示意图。
图3为本发明的风力发电机的定子和转子组装结构剖面图。
图4为本发明的一种风力发电机组拓扑结构图。
图5为本发明的直流风电系统示意图。
其中，1-半导体材料层，2-聚丙烯绝缘层，3-铜导体，4-环氧树脂，5-定子铁心，6-绕组，7-永磁磁极，8-转子铁心，9-风力发电机组，10-海上换流站，11-HVDC线路，12-岸上换流站，13-风力涡轮机，14-风力发电机，15-保护开关，16-整流器，17-旁路开关。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图2，本发明公开了一种风力发电机绕组，包括铜导体3，所述铜导体3之间压紧，铜导体3的空隙填充有环氧树脂4；所述铜导体3的外侧依次设置有聚丙烯绝缘层2和半导体材料层1。
所述铜导体3采用漆包铜扁绕组线绕制，所述线圈整体为跑道形，线圈截面也为跑道形；
所述聚丙烯绝缘层2的厚度满足以下条件：
其中，K1为击穿强度的冗余系数，K2为击穿强度的老化系数，Umax是线圈中导体对地的最大电压，Epp为聚丙烯在温度130℃时的介电强度，δPP为聚丙烯绝缘层2的厚度；
填充的环氧树脂4内部无气泡，能够确保铜导体被完全固定以减少振动，同时有效提高传热效率。
所述半导体材料层1按质量百分比计包括：65％～75％聚丙烯基料和25％～35％的炭黑。所述聚丙烯基料包括等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体，所述等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体的质量比为65:35。所述聚丙烯基料中还包括有适量的润滑剂和抗氧剂等助剂，以保证其良好的机械性能。
参见图3，本发明还提供一种上述绕组的风力发电机，还包括定子铁心5、转子铁心8和永磁磁极7；
所述永磁磁极7为钕铁硼材料，充磁方式为平行充磁或径向充磁；所述永磁磁极7设置于转子铁心8上，与转子铁心8构成转子，用于产生旋转的励磁磁场；
该发电机采用单层分数槽集中绕组，即每隔一个齿放置一个线圈，所述绕组6为多相绕组，相数为三相的倍数，每相绕组6包括若干串联的线圈，所述绕组6中两相之间的电角度为120°，相邻绕组6依次错开的电角度满足以下条件：
θELEC＝120/x (2)
或θELEC＝60/x(3)
其中，θELEC为错开的电角度，x为三相绕组的数量，x为大于等于2的整数。
绕组6设置为若干组，各个绕组6间隔设置于定子铁心5内部，与定子铁心5构成定子，用于电机机电能量转换。
参见图4，包括上述风力发发电机14的风力发电机组9采用风力涡轮机13捕获的风能，并将风能转换为机械能，风力涡轮机13带动风力发电机14的转子旋转从而产生电能，所述风力发电机14每相绕组6单独连接一个保护开关15，在保护开关15后连接有整流器16和旁路开关17实现高压输出，由于功率仅单向流动，整流器16采用控制相对简单的三电平维也纳整流器。所述保护开关15用于控制相绕组6和整流器之间的通断。在正常工作状态下保护开关15导通，在发生故障时保护开关15断开，起到保护作用。接地点位于直流输出侧的中点，在本示例中接地点位于整流器16和保护开关15之间。接地点的作用是降低超高压风力发电机需要承受的绝缘电压等级。
参见图5，本发明提供一种包括上述的风力发电机的直流风电系统，还包括与风力发电机组9依次连接的海上换流站10、HVDC线路11和岸上换流站12，所述海上换流站10采用具有重量轻、功率密度大、效率高优点的DC/DC变换器。该直流风电系统显著提高了HVDC母线的送出电压，降低了远距离电能传输的损耗。有利于将基于超高压风力发电机的直流风电系统扩展部署至离岸远的风能资源更丰富的海域。
综上所述，本发明提供了一种风力发电机绕组、风力发电机及直流风电系统，该风力发电机绕组采用新型绝缘结构和聚丙烯绝缘材料，在实现发电机高压绝缘的同时，显著降低所需绝缘厚度，提高了槽满率和发电机的输出性能；采用环氧树脂填充铜导体间空气，增加了导体间的绝缘，同时，由于环氧树脂的导热系数是空气的10倍左右，因此也有利于降低线圈的温度，提升了运行可靠性。基于采用上述绕组的超高压发电机，能够构建新型的直流风电系统，即在第一转换级后增加DC/DC变换器以进一步提高电压，实现远距离的电能传输。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种风力发电机绕组，其特征在于，包括铜导体(3)，所述铜导体(3)之间的空隙填充有环氧树脂(4)；所述铜导体(3)的外侧依次设置有聚丙烯绝缘层(2)和半导体材料层(1)。
2.根据权利要求1所述的风力发电机绕组，其特征在于，所述铜导体(3)采用漆包铜扁绕组线绕制。
3.根据权利要求1所述的风力发电机绕组，其特征在于，所述聚丙烯绝缘层(2)的厚度满足以下条件：
其中，K1为击穿强度的冗余系数，K2为击穿强度的老化系数，Umax是线圈中导体对地的最大电压，Epp为聚丙烯在温度130℃时的介电强度，δPP为聚丙烯绝缘层(2)的厚度。
4.根据权利要求1所述的风力发电机绕组，其特征在于，半导体材料层(1)按质量百分比计包括：65％～75％聚丙烯基料和25％～35％的炭黑。
5.根据权利要求4所述的风力发电机绕组，其特征在于，所述聚丙烯基料包括等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体，所述等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体的质量比为65:35。
6.一种包括权利要求1-5任一项所述绕组的风力发电机，其特征在于，
还包括定子铁心(5)、转子铁心(8)和永磁磁极(7)；
所述永磁磁极(7)设置于转子铁心(8)上，与转子铁心(8)构成转子，用于产生旋转的励磁磁场；
所述绕组(6)为多相绕组，相数为三相的倍数；绕组(6)设置为若干组，各个绕组(6)间隔设置于定子铁心(5)内部，与定子铁心(5)构成定子，用于电机机电能量转换。
7.根据权利要求6所述的风力发电机，其特征在于，所述绕组(6)采用单层分数槽集中绕组。
8.根据权利要求6所述的风力发电机，其特征在于，所述绕组(6)中两相之间的电角度为120°，相邻绕组(6)依次错开的电角度满足以下条件：
θELEC＝120/x (2)
或θELEC＝60/x (3)
其中，θELEC为错开的电角度，x为三相绕组的数量，x为大于等于2的整数。
9.根据权利要求6所述的风力发电机，其特征在于，所述永磁磁极(7)为钕铁硼材料，充磁方式为平行充磁或径向充磁。
10.一种包括权利要求6-9任一项所述的风力发电机的直流风电系统，其特征在于，所述风力发电机(14)的动力输入端连接有风力涡轮机(13)，用于将风能转换为机械能，带动风力发电机(14)的转子旋转产生电能；所述风力发电机(14)的电能输出端依次连接有保护开关(15)、整流器(16)和旁路开关(17)；所述风力涡轮机(13)、风力发电机(14)、保护开关(15)、整流器(16)和旁路开关(17)共同构成风力发电机组(9)；所述风力发电机组(9)的高压电输出端依次连接的海上换流站(10)、HVDC线路(11)和岸上换流站(12)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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