一种大功率风力发电机组专用多相永磁同步发电机

摘要

本发明公开了一种大功率风力发电机组专用多相永磁同步发电机，所述多相永磁同步发电机为6相12绕组直驱永磁同步发电机，12个绕组被分为四套三相对称的绕组，且四套三相对称绕组的中性点不相连接，该电机在每相绕组的同一定子槽内均安装两套绕组，两套绕组有180°相位差。本发明的大功率风力发电机组专用多相永磁同步发电机，功率等级较小，电机的设计和制造难度也相对降低。本发明的多相发电机本身提供了多组相互独立的电源，不需要额外的隔离。因此对于发电机和变流器的制造商而言，不需要提供太多功率等级，这有利于实现发电机和变流器的最优设计。

说明书

技术领域

本发明涉及风电领域，尤指一种大功率风力发电机组专用多相永磁同步发电机。

背景技术

风电机组更新速度加快和单机容量大型化是一种全球性的趋势。目前国际上商业化风电机组的主流机型是单机容量1.5兆瓦左右的机组，但也有2-3兆瓦的机组投入商业化运行。国内市场则正在发生主流机型由兆瓦级以下机组向兆瓦级机组的转换。预计2009年以后，2兆瓦以上机组有可能成为市场的主力机型，而海上风电的兴起和发展则会促进更大容量机型的商业化。MW级以上的风电机组是当前风力发电技术的主流，目前单机功率已经达到5MW，并进一步向更高的等级发展，以适应未来海上风电的要求。

目前，直驱风电机组方案由于不需要变速箱，可大大提高系统的效率，并缩短故障平均维护时间(MTTR)，改善其可靠性。但是直驱方案需要全功率电力电子变流器实现风机的变速控制。由于风力发电机的常规电压等级仅为690V(或960V)，这使得全功率变流器必须处理比较大的电流，不仅造成滤波电抗等无源元件的体积庞大，另外也引起效率的问题非常突出。为了降低功率半导体器件和无源元件的开销，常规的解决方案是采用传统的两电平变流器并联来分摊容量，但这是一种效率不高的做法。最近的一些研究已经表明，多电平变流器不仅拥有比两电平变流器更优越的谐波性能，而且还具有更高的效率。因此在风力发电的低压系统中采用多电平变流器成为当前的一个研究热点。由于多电平变流器的拓扑结构比较复杂，需要的半导体器件较多，因此直接应用于低压系统其成本开销很大。另外，在低压大电流的场合下，多电平变流器的直流母线电容存在较大的电压波动，而且还需要进行电容电压的平衡控制，特别是在风电系统中，强风或者湍流等瞬变风能影响对于电容电压的平衡控制是很不利的。因此，需要一种与多电平电流器互相适应的多相永磁同步发电机。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种风力发电专用多相永磁同步发电机。

为实现上述目的，本发明的大功率风力发电机组专用多相永磁同步发电机为6相12绕组直驱永磁同步发电机，12个绕组被分为四套三相对称的绕组，且四套三相对称绕组的中性点不相连接，该电机在每相绕组的同一定子槽内均安装了两套绕组，该两套绕组有180°相位差。

进一步，所述四套三相对称的绕组两两依次有30°相位差。

进一步，所述两套绕组中的一套绕组放在定子槽的上层边，另一套绕组放在定子槽的下层边。

进一步，所述6相12绕组直驱永磁同步发电机为6相凸极径向式永磁同步发电机。

进一步，所述6相12绕组直驱永磁同步发电机的功率等级为2.5MW，电压等级为690V，6相12绕组直驱永磁同步发电机的永磁体材料为钕铁硼B_r＝1.3T，H_c＝987kA/m，电机极对数p＝20，总槽数Q＝288，每极每相槽数单元电机数t＝4，单元电机槽数Z₀＝72，单元电机极对数p₀＝5，绕组循环数：2-1-1-1-1。

进一步，所述6相12绕组直驱永磁同步发电机的功率等级为3KW，电压等级为690V，电机总槽数Q＝72，相数m＝6，极对数p＝15，每极每相槽数单元电机数单元电机槽数绕组循环数为1-0-1-0-0。

进一步，所述6相12绕组直驱永磁同步发电机通过多相绕组产生多组隔离三相电源。

进一步，所述6相12绕组直驱永磁同步发电机在每相绕组的同一定子槽内的两套绕组用于与两个三电平整流器并联，以消除或削弱其直流母线电容中点的电压波动。

本发明的大功率风力发电机组专用多相永磁同步发电机，功率等级较小，电机的设计和制造难度也相对降低。在现有单发电机风电系统中，电力电子变流器也可采用多个相同结构的变流器并联实现，但是这需要对每台变流器进行隔离；而本发明的多相发电机本身提供了多组相互独立的电源，不需要额外的隔离。因此对于发电机和变流器的制造商而言，不需要提供太多功率等级，这有利于实现发电机和变流器的最优设计。这种技术能够充分适应我国大功率风电机组要求国产化的市场期望和我国现有的技术能力。

附图说明

图1为2.5MW 6相12绕组直驱永磁同步发电机的绕组结构；

图2a、图2b、图2c和图2d为四套绕组轴线空间位置分布图；

图3为本发明的6相12绕组直驱永磁同步发电机和三电平混合式变流器风电技术方案原理图；

图4a为3L-NPC逆变器单组运行的相电流与电容中点电压脉动仿真波形；

图4b为两组3L-NPC逆变器并联运行的相电流与电容中点电压脉动仿真波形；

图5a为单组3L-NPC的输出波形；

图5b为两组3L-NPC反相并联前后的输出波形。

具体实施方式

实施例1：

本发明采用功率等级为2.5MW，电压等级为690V组成的6相12绕组直驱永磁同步发电机，该电机在每相绕组的定子槽内均安装了两套绕组。

如图1所示，本图只画出了一对极。图中A-a、B-b、C-c与D-d、E-e、F-f分别为电角度相差120°的三相绕组，这两套三相绕组之间则相差30°。同理X-x、Y-y、Z-z与U-u、M-m、N-n为相差120°的三相绕组，而两套三相绕组之间也相差30°。A-a、B-b、C-c与X-x、Y-y、Z-z为两套相差180°的绕组；D-d、E-e、F-f与U-u、M-m、N-n也相差180°。两套相差180°的绕组放在同一个定子槽中，其中一套绕组放在槽的上层边，另一套绕组放在槽的下层边，6相12绕组直驱永磁同步发电机的永磁体材料为钕铁硼B_r＝1.3T，H_c＝987kA/m，电机极对数p＝20，总槽数Q＝288，每极每相槽数单元电机数t＝4，单元电机槽数Z₀＝72，单元电机极对数p₀＝5，绕组循环数：2-1-1-1-1。6相12绕组直驱永磁同步发电机通过多相绕组产生多组隔离三相电源。6相12绕组直驱永磁同步发电机的单相参数，如下表1所示：

表1

2.5MW 6相12绕组直驱永磁同步发电机的结构参数，如下表2所示：

表2

  容量S_N(kW)  2500  发电机频率f(Hz)  10  转速n_N(rmp)  30  有效体积V(m³)  13.021  永磁体(钕铁硼)质量  m_m(kg)  4047  效率η(％)  96.77  电压调整率ΔU(％)  2.59  定子绕组(铜)质量  m_Cu(kg)  2521.56  定子轭部质量m_j(kg)  5247.4  转子极靴质量m_p(kg)  8554  机座质量G₂(kg)  9101  电机总质量M(kg)  35139

如图3所示，本发明的永磁同步发电机通过多相绕组设计产生多组隔离三相电源，在上述发电机的结构中，12个对称绕组中每三组连接成Y形(相位相差120度)，这样即可构成一组三相电源。所以，12个绕组总共可以形成4组三相电源，由于各组三相电源之间没有电气连接，因此它们构成互相隔离的电源。不仅可以简化变流器的并联，也能够实现变流器的串联。在图3的方案中，通过直接利用发电机的定子漏抗，多相并联的变流器不需要Boost电感，这可以大大降低无源元件的成本和体积，提高系统的效率。

发电机被设计成6相，每相包括一对空间相差180°的反向绕组(在图3中分别标注为0°和180°以及30°和210°)。反向绕组被用于两个三电平VIENNA整流器的并联，用以消除或削弱其直流母线电容中点的电压波动。

直流母线电压通过VIENNA整流器串联提高到中压范围，逆变器部分可采用一组或两组并联的三电平逆变器(可采用3L-NPC或3L-FLC)。提高母线电压可以充分利用三电平变流器在中压范围的应用优势，一方面降低输出变流器的电流等级，另一方面也能简化并网滤波器的设计。从输出容量上考虑，一组中压3L变流器相当于两组低压2L变流器的并联。

在大功率直驱风电系统中采用多相永磁同步发电机和三电平混合式全功率变流器可以实现高效率的电能变换。与传统的两电平并联方案相比较，其半导体器件损耗可以降低50％，而由于滤波电抗的数目可以减少一半，故滤波电抗的损耗也能降低50％。两种变流方案的成本则接近，因此随着风机功率等级的不断提高，三电平混合式变流器替代两电平变流器并联将是非常有前景的应用方式，本发明的多相永磁同步发电机为三电平混合式变流器在风力发电机组中的应用提供了基础。

实施例2：

本发明还可以根据实际需求选用功率等级为3KW，电压等级为690V组成的6相12绕组直驱永磁同步发电机，该电机12个绕组被分为四套三相对称的绕组，且四套三相对称绕组的中性点不相连接。四套三相对称绕组的轴线在电机内部的空间位置分布如图2a、2b、2c、2d所示。从图2a、2b可以看出，如果将这两套绕组的中性点相连，便组成了双Y移30°六相电机。还可以看出图2c、2d中的两套绕组分别与图2a、2b的两套绕组有180°相位差。在电机内部，图2a所示绕组与图2c所示绕组是放在同一个槽中的，只是当图2a所示绕组放在槽的上层边时，图2c所示绕组便放在同一个槽的下层边，反之，当图2c所示绕组放在槽的上层边时，图2a所示绕组便放在同一个槽的下层边。图2b所示绕组与图2d所示绕组按照同样的原则安放。电机总槽数Q＝72，相数m＝6，极对数p＝15，每极每相槽数单元电机数单元电机槽数绕组循环数为1-0-1-0-0。绕组循环数是为了描述单元电机的每个槽中安装哪个相的绕组。例如，本设计中每个单元电机的槽-相关系为：

A₁-C₃-B₂-A₄-B₃-A₁-C₄-B₂-C₁-B₃-A₂-C₄-A₃-C₁-B₄-A₂-B₁-A₃-C₂-B₄-C₃-B₁-A₄-C₂。

上面的序列表示本设计中单元电机的24个槽中依次安放的相绕组的标号，相的标号可以参考图2a、2b、2c、2d所示。其它两个单元电机也存在同样的槽与相的对应关系，这样，通过绕组循环数便可以得出所有的槽与相的关系。

发电机被设计成6相，每相包括一对空间相差180°的反向绕组(在图3中分别标注为0°和180°以及30°和210°)。反向绕组被用于两个三电平整流器的并联，用以消除或削弱其直流母线电容中点的电压波动。

二极管钳位式的三电平整流器(或逆变器)采用空间矢量调制的方法，其电容中点会产生基波频率三倍的电压脉动，其原因是调制器中中间矢量会造成相电流注入电容中点，进而引起电容电压脉动或电容中点电位失衡，中点电压的脉动与调制度、负载功率因数以及相电流的大小相关。对于两组并联的三电平变流器，由于结构完全对称，如果其输出电压(电流相位)彼此反相，那么第一组变流器引起电容中点电位升高的时候，第二组变流器则刚好相反，引起电容电位下降，因此并联后会产生脉动抵消效果。下面的仿真和实验波形给出了脉动抵消的原理。

图5a给出了单组3L-NPC的输出波形，图5b给出了反相并联的两组3L-NPC逆变器自动抵消直流母线电容中点脉动的实验波形。图4a给出了单组3L-NPC逆变器输出的线电压(CH2)、电网A相的相电压(CH1)以及A、B两相的相电流(CH3和CH4)；图4b给出了两组逆变器直流侧并联前后各自的电容中点电压(CH1和CH2)以及相电流(CH3和CH4)波形。可见，当控制两组变流器均流的时候，直流母线电容中点的电压脉动被很好的抵消。

现有的风力发电机大多为三相电机，而我们提出的是多相永磁同步发电机方案，多相永磁同步发电机除了具有较高的可靠性(例如，当其中的一相短路或断路时，可以将故障相所在的三相绕组切除，其它各套绕组仍然可以正常运行，而三相电机不能如此)，而且还能为变流器并联提供隔离，这会消除三相发电机连接并联变流器所产生的环流问题，即无需进行复杂的环流控制。另外，由于发电机各相的漏感可以充当整流器的Boost电感，因此多相发电机可以使得整流器实现无电感设计(这类似于变频器可以直接连接电动机，而不需要提供额外的电抗器)，这大大优于三相发电机中整流器必须通过电感来实现并联的缺点。第三，多相发电机的隔离绕组还能提供变流器实现串联，串联能够提高整流输出电压，也是分摊发电机容量的重要方式，提高电压也有利于逆变器部分的设计(例如我们提出的采用3L-NPC逆变器两组并联可实现4组2L变流器并联的效果)。

尽管上文对本发明专利的具体实施方式通过实例进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，本领域的技术人员可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和权利要求所记载的范围。