一种高温超导励磁磁通切换电机构成的直驱型风力发电系统

摘要

一种高温超导励磁磁通切换电机构成的直驱型风力发电系统，包括风力机、高温超导励磁磁通切换电机、不可控整流器模块、电池组模块、直流变换模块、逆变器模块、并网变压器、运行模式控制模块和中央控制单元。本发明体积小，重量轻，效率高，运行模式多，适应性好，由于采用高温超导励磁磁通切换电机作为发电机，既发挥了高温超导绕组适合直流电流的特性，又避免了传统转子励磁型高温超导电机中所必需的转动连接；本发明结构简单，发电机定子采用模块化结构，便于运输及现场安装；由于本发明可运行于开关磁阻电机发电模式，因此能够有效的预防高温超导材料失超现象的发生，有效地提高了系统的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，为一种高温超导电机构成的直驱型风力发电系统。

背景技术

随着全社会对能源和环境问题的持续关注，可再生能源的开发利用正呈现出加速发 展的趋势。风能作为目前人类所掌握的开发应用技术最为成熟的可再生能源之一，凭借 其可开发量大、分布区域广、安全环保等优点，在社会经济可持续发展中发挥着重要的 作用。综观目前国内外已投运和正在研发的风力发电系统，基本可归为两大类。第一类 是以机械式增速齿轮箱为中间环节的高速风电系统。通常，由风能驱动的风力机工作在 较低的转速(几十转/分)，而传统的同步或异步发电机由于极数限制，转速都较高，因 此该类型系统必须采用多级齿轮箱对风力机转速进行增速，使之接近异步电机的额定转 速。但增速齿轮箱不仅体积大、笨重，而且故障率较高，需要经常维护，是风力发电系 统中最薄弱的环节；第二类是近年出现的直驱风力发电系统，取消了增速齿轮，因此具 有效率高、动态响应快、维护费用低等优点。然而，直驱发电机通常在每分钟几十转的 低速下工作，为保证其输出电压和频率在正常的范围内，发电机需要采用较大的定转子 直径和较多的极对数，体积大，质量重，给发电机的设计、制造、运输和安装等增加了 难度。

可见，高速风力发电系统和直驱风力发电系统具有各自的优缺点：前者具有技术成 熟、变流器控制容量较小、变速运行范围较宽等优点，但齿轮箱和转子滑环的使用增加 了机械故障发生的概率；后者具有效率高、无增速齿轮箱等优点，但大型直驱风力发电 机体积庞大而且笨重，使得机组的运输、安装困难。而且，直驱发电机的气隙磁场调节 困难，其输出电压随风速的波动很大，增加了全功率双向PWM并网变流器的控制难度 及其所采用大功率电力电子器件的成本。因此，将高速风电系统的输出电压稳定与直驱 风电系统的无增速齿轮箱相结合，集二者之优点，开发无增速齿轮箱、体积小、重量轻， 并且输出电压幅值随风速的波动基本保持不变或能够稳定在一定范围内，从而使得控制 简单的直驱型风力发电系统，已成为当前大功率风力发电系统的研究热点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有大型永磁直驱风力发电机体积庞大、笨重，使得 机组的运输、安装困难；而且，永磁直驱发电机的气隙磁场调节困难，其输出电压随风 速的波动很大，增加了全功率双向PWM并网变流器的控制难度及其所采用大功率电力 电子器件的成本；需要一种克服现有永磁直驱风力发电系统弊端，能够高功率密度、高 效率、控制方便、运行稳定的直驱型风力发电系统。

本发明的技术方案是：一种高温超导励磁磁通切换电机构成的直驱型风力发电系 统，包括风力机、高温超导励磁磁通切换电机、不可控整流器模块、电池组模块、直流 变换模块、逆变器模块、并网变压器，运行模式控制模块和中央控制单元，风力机连接 高温超导励磁磁通切换电机，不可控整流器模块、电池组模块、逆变器模块，连接在高 温超导励磁磁通切换电机与并网变压器之间，直流变换模块跨接在电池组模块两端，中 央控制单元分别与电池组模块、逆变器模块、风力机、运行模式控制模块和直流变换模 块相连；其中高温超导励磁磁通切换电机由电枢绕组、高温超导励磁绕组、凸极转子、 模块化定子组成。

其中，运行模式控制模块由高温超导励磁发电运行控制模块和开关磁阻发电运行控 制模块并联组成，电池组模块连接开关磁阻发电运行控制模块和高温超导励磁发电运行 控制模块，并提供电能，开关磁阻发电运行控制模块和高温超导励磁发电运行控制模块 分别与中央控制单元相连。

本发明的高温超导励磁磁通切换电机的电枢绕组可以为常规电枢绕组或高温超导 绕组。

本发明具备高温超导励磁发电运行和开关磁阻发电运行两种运行模式：

(1)高温超导励磁发电运行模式工作时，高温超导励磁磁通切换电机的转子速度ω 介于转速下限值ω_min与转速上限值ω_max之间，中央控制单元关断开关磁阻发电运行控制 模块，打开高温超导励磁发电运行控制模块，风力机驱动高温超导励磁磁通切换电机的 转子以角速度ω旋转，通过电磁耦合作用，将风能转化为电能，高温超导励磁磁通切换 电机发出的电能，由定子电枢绕组传输到不可控整流器模块，将交流电能转换为直流电 能，在中央控制单元的控制下，再经电池组模块和逆变器模块转换为交流电能，经并网 变压器将电能传输到电网。在此过程中，中央控制单元实时检测高温超导励磁磁通切换 电机的转子角速度ω，当ω低于高温超导励磁磁通切换电机的额定角速度ω_e(ω _min＜ω_e＜ω_max)时，并网变压器的端电压U低于其额定电压U_e，在中央控制单元的控制 下，高温超导励磁发电运行控制模块增大励磁电流I_f，使得并网变压器的端电压U达到 其额定电压U_e；当ω高于高温超导励磁磁通切换电机的额定角速度ω_e时，并网变压器的 端电压U大于其额定电压U_e，在中央控制单元的控制下，高温超导励磁发电运行控制 模块减小励磁电流I_f，使得并网变压器的端电压U达到其额定电压U_e。因此，系统可以 保持并网变压器的端电压幅值稳定，可以减小逆变器模块的控制难度，而且由于励磁绕 组为高温超导绕组，其励磁损耗接近零损耗，提高了系统的效率。

(2)开关磁阻发电运行模式工作时，中央控制单元关断高温超导励磁发电运行控 制模块，并打开开关磁阻发电运行控制模块，电池组模块为其提供额定励磁电流I_fe。由 于高温超导励磁绕组此时已经被断开，发电机的结构也相应的由高温超导励磁磁通切换 电机结构变为开关磁阻电机结构。此时，电机的转子速度ω低于其转速下限值ω_min，风 力机驱动开关磁阻电机的转子以角速度ω旋转，通过电磁耦合作用，将风能转化为电能， 开关磁阻电机发出的电能，由定子电枢绕组传输到不可控整流器模块，将交流电能转换 为直流电能，在中央控制单元的控制下，再经直流变换模块和逆变器模块转换为达到并 网变压器的额定端电压U_e的交流电能，经并网变压器将电能传输到电网。开关磁阻发电 运行模式主要运行于微风条件下，此时的风场风速较低，使得高温超导励磁磁通切换电 机的转子角速度ω低于其设计下限值ω_min，从而并网变压器的端电压U远低于其额定值U _e，因此必须大幅度提高励磁电流的幅值才能保持并网变压器的端电压稳定在其额定值U _e，而过大的励磁电流极易导致高温超导励磁绕组发生失超现象，严重影响高温超导材料 的性能，系统切换到开关磁阻发电运行模式，可以有效避免失超现象的发生。

本发明将高温超导材料引入磁通切换电机作为励磁绕组，既发挥了高温超导绕组适 合直流电流的特性，又避免了传统转子励磁型高温超导电机中所必需的转动连接，进而 提出了一种结构简单、体积小、重量轻、高效率的高温超导励磁磁通切换电机及其构成 的直驱型风力发电系统，能够有效降低直驱型风电系统的体积和重量，而且可使输出电 压保持稳定，降低了系统的控制难度，同时本发明可以运行于高温超导励磁发电运行和 开关磁阻发电运行两种运行模式，提高了系统可靠性。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明高温超导励磁磁通切换电机结构示意图。

具体实施方式

如图1，本发明包括风力机1、高温超导励磁磁通切换电机2、不可控整流器模块3、 电池组模块4、直流变换模块11、逆变器模块5、并网变压器6、运行模式控制模块1 0和中央控制单元9，风力机1连接高温超导励磁磁通切换电机2，不可控整流器模块3、 电池组模块4、逆变器模块5，连接在高温超导励磁磁通切换电机2与并网变压器6之 间，直流变换模块11跨接在电池组模块4两端，运行模式控制模块10连接在高温超导 励磁磁通切换电机2与电池组模块4之间，中央控制单元9分别连接电池组模块4、逆 变器模块5、风力机1、运行模式控制模块10和直流变换模块11；其中高温超导励磁磁 通切换电机2由电枢绕组2.1、高温超导励磁绕组2.2、凸极转子2.3和模块化定子2.4 组成，高温超导励磁绕组2.2联接高温超导励磁发电运行控制模块8，电枢绕组2.1联接 开关磁阻发电运行控制模块7；运行模式控制模块10由开关磁阻发电运行控制模块7、 高温超导励磁发电运行控制模块8并联组成，电枢绕组2.1与开关磁阻发电运行控制模 块7相连，高温超导励磁绕组2.2与高温超导励磁发电运行控制模块8相连，电池组模 块4连接开关磁阻发电运行控制模块7和高温超导励磁发电运行控制模块8，并提供电 能。

以一套基于高温超导励磁磁通切换电机的直驱型风力发电系统为例，风力机1与高 温超导励磁磁通切换电机2相连，整流器模块3采用三相二极管不控整流桥，逆变器模 块5采用IGBT为功率元件，中央控制单元9采用DSP微处理器。

本发明的运行模式包括：

1).高温超导励磁发电运行模式：

高温超导励磁磁通切换电机的转子速度ω介于转速下限值ω_min与转速上限值ω_max之 间时，风能所转换的电功率的流通路径为：高温超导励磁磁通切换电机2-不可控整流 器模块3-电池组模块4-逆变器模块5-并网变压器6，将电能传输到电网。

2).开关磁阻发电运行模式：

开关磁阻电机的转子速度ω低于转速下限值ω_min，风能所转换的电功率的流通路径 为：开关磁阻电机2-不可控整流器模块3-直流变换模块11-逆变器模块5-并网变 压器6，将电能传输到电网。

本发明的特征是取消了常规风力发电用高温超导电机所必需的转动联接，采用高温 超导励磁磁通切换电机作为发电机，其优点主要体现在两个方面，一方面，高温超导励 磁绕组和电枢绕组都置于电子侧，既发挥了高温超导绕组适合直流电流的特性，又避免 了传统转子励磁型高温超导电机中所必需的转动连接，而且，高温超导材料的强磁场特 性能够有效提高发电机的功率密度，从而降低整个风电系统的重量，同时，其模块化的 定子结构也便于机组的运输及现场的安装调试；另一方面，由于定子侧具有高温超导励 磁绕组和电枢绕组两套绕组，故可以在微风时运行于开关磁阻电机发电模式，能够有效 的预防高温超导材料失超现象的发生，提高了系统的可靠性。