海上风力发电场的定子双绕组异步电机矩阵式集电发电系统

摘要

一种海上风力发电场的定子双绕组异步电机矩阵式集电发电系统，属高压直流异步电机发电系统。该矩阵式集电系统由若干个定子双绕组异步发电系统经串并联方式的矩阵式连接而成。而这些定子双绕组异步电机发电系统单元包括定子双绕组异步电机、励磁变换器、控制器，交流电容、整流器、滤波电容。电机在定子上有两套绕组，一个是主绕组，外接整流桥，变换为直流电，向外输送功率；另一个是励磁绕组，调节励磁电流，这两个绕组在电路上没有直接的连接。若干发电单元的输出直流电压相串联构成矩阵集电系统的行，再由若干行并联形成完整的矩阵集电系统。因此该矩阵式集电发电系统能提供高压大功率直流电，安全可靠，建造容易，造价低廉，维护方便，特别适用于三相电网难以到达的海上、草原、沙漠等地区风力发电场。

说明书

一、技术领域：

本发明的海上风力发电场的定子双绕组异步电机矩阵式集电发电系统，属高压直流异步电机发电系统

二、背景技术：

风力发电正在成为各国努力发展的热门技术，因为它在克服能源缺乏和防止环境污染方面，有着非常重要的意义。风力发电中大量使用异步电机，当前最通用的发电技术是三相交流双馈异步电机发电技术，它的特点是定子绕组输出直接连接到三相交流电网，转子绕组由变频器供电，利用变速恒频技术，直接发出电压稳定的三相50Hz交流电。近年来，在国外又兴起了海上风力发电，1998年ABB公司开发了单机容量为3～5MW，电压为1.2KV的高压同步发电机，计划安装于瑞典的一个近海风场，以期对海上风电场做出评价。它的系统机构如附图1。从图中可以看到，这种海上风电场由于铺设电缆特别困难，它特地将电机设计成高压永磁电机(1.2KV)，并整流输出高压直流电。这样，馈电的电缆就变成二根较细的电缆，在海底容易铺设。如果要发出大功率风电，则一是加大单机容量(ABB公司试验的样机3～5MW)，二是并联输出。这种海上风电场造价高，很难建造，而且，永磁电机灭磁困难，一旦发生事故，安全性很成问题。

三、发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提出一种安全可靠，建造容易，造价低廉，维护方便，能提供高压大功率直流电的海上风力发电场的定子双绕组异步电机矩阵式集电发电系统。

本发明的海上风力发电场的定子双绕异步电机矩阵式集电发电系统，是将定子双绕组异步电机发电系统作为单元，进行串并联的连接方式组成向外输出高压直流电的矩阵式集电发电系统。即将定子双绕组异步电机发电系统的发电单元所输出的直流电压相串联成矩阵式集电系统的行，将定子双绕组异步电机发电系统的发电单元输出的直流电压并联成列构成向外输出高压直流电的矩阵式集电发电系统。

定子双绕组异步电机发电系统，包括定子双绕组异步电机，励磁变换器，控制器，整流器和滤波电容。其中定子双绕组异步电机的转子是普遍笼型转子，定子上有两套绕组，一套为主绕组，其输出端接有交流电容，向外传递电功率，由整流器和滤波电容组成的整流滤波电路输出恒压直流电；另一套绕组为励磁绕组，连接于与控制器相连的励磁变换器，由励磁变换器提供所需的补偿无功电流，通过控制器的控制，实现主绕组输出电压的恒定。

本发明具有如下明显的优点：

1.异步电机造价低廉，无电刷滑环，可靠性高。

2.用定子双绕组异步电机系统为组成单元，进行串并联连接方式的矩阵集电后，能够很容易得到高压大功率直流电输出，而每个组成单元的功率不大，电压不高，造价进一步低廉。

3.定子双绕组异步电机的特点是在定子上有二个绕组，主绕组参加集电连接，主回路中，除功率二极管外，无电力电子开关器件和控制部分；而包含电力电子开关器件的控制部分，全在和主回路没有电路直接连接的励磁回路中，励磁电路比主回路功率更小，电压也不高，因此这种单元可靠性极高，且造价低廉，在海上建造容易。

4.整个矩阵式集电输出的总电压和容量，可随串并联的支路而方便的变化，也就是说，串联单元多，输出电压可以很高；并联支路多，输出容量可以很大。

5.维护非常方便，如果其中有一个单元有故障，可以带电切除，并调整其他单元的输出，保持原有的总输出数据不变。切除下来的单元维修好后，又可以随时进入矩阵群，即有热插拔功能。

四、附图说明

图1是采用高压发电机技术的风电场电气连接示意图。

图2是海上风力发电场的定子双绕组异步电机矩阵式集电发电系统示意图。

图3是定子双绕组异步电机发电系统原理图。

图3中标号名称，1.定子双绕组异步电机，2.励磁变换器，3.电容C₁，4.控制器，5.主绕组输出端交流电容C₂，6.整流器，7.滤波电容C₃，8.电流传感器，9与10.电压传感器。

五、具体实施方式

本发明提出的定子双绕组异步电机矩阵式集电发电系统由若干个定子双绕组异步发电系统经串并联方式的矩阵式连接而成(如附图2所示)。定子双绕组异步电机发电系统如附图3所示，电机1的转子也是普通笼型转子，但定子具有两套绕组，一套为主绕组，向外传递电功率，输出端接有交流电容5、整流器6和滤波电容7输出恒压直流，另一套为励磁绕组，接有励磁变换器2，电容3和控制器4，由励磁变换器提供所需的补偿无功电流，采用一定的控制策略，可以有效地调节主绕组输出电压保持恒定。二套定子绕组的级数相同。由于两套定子绕组在电气上没有直接连接，只是通过磁耦合，无需并联式异步电机发电系统所需要的隔离电感，减小了系统的体积重量；另外励磁回路和功率回路没有电路连接，便于实现高性能的控制。

该系统的一大优势在于异步发电机在转速和负载在较大范围变化时，供给无功功率的励磁变换器容量比发电机额定容量要小得多，从而大大降低了系统的成本。

利用这种优秀的定子双绕组异步电机发电系统为单元，根据海上风电场设计的容量和输出高压，选择合适的串联支路和并联支路，组成矩阵式集电方式向外供电。

选择的原则是：每个单元在容量和输出电压这二个指标留有10％～20％的余量，以使在有故障时做出调整。设计举例：要设计一个20MW输出电压5000V，输出电流4000A的海上风力电场，每个定子双绕组异步电机发电系统单元为输出功率720KW，输出最大电压600V，输出最大电流为1200A。这个海上风电场则利用四个并联支路，每个支路由10台720KW，600V的异步发电机单元组成，即整个矩阵式集电网由40台720KW，600V的异步电机单元组成，它能向外供给20MW，5000V的直流电。

对每一个单元的实时运行数据，经隔离送入管理中心，管理中心管理整个矩阵式集电群的运行情况，一旦发现有个别单元运行有异常，主动切除此单元，并调节其他单元，使输出电压适当升高，使该电路的整流电压不变；切除单元修复后，重新进入矩阵群，修复单元的电压从零逐步上升，该支路其他单元的输出电压逐步下调，整个调整过程保持支路整电压不变，最终达到支路各单元输出电压均匀。

该系统的特点是各单元串联后，能向外输送高压大功率直流电。由于它电压高，又总是直流，因此输送电能可采用二根较细的输电电缆，特别适用于三相电网没有达到的地区，铺设电缆较困难的场合，如海上、草原和沙漠深处的风力发电场。

另外，由于各单元是串联、并联，因此，尽管传递的直流电压高，功率大，但是每个单元的电压并不高，功率也不大，便于建造。特别是励磁绕组和主电网没有电路上的直接连接，而系统的控制部分如励磁变换器、控制器等均在励磁绕组侧，各个单元的励磁系统独立形成电路，这大大保证了系统的安全和降低了系统的造价。