專利名稱：一種高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)構(gòu)成的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域,為一種高溫超導(dǎo)電機(jī)構(gòu)成的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著全社會(huì)對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題 的持續(xù)關(guān)注，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用正呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢(shì)。風(fēng)能作為目前人類所掌握的開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù)最為成熟的可再生能源之一，憑借其可開(kāi)發(fā)量大、分布區(qū)域廣、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。綜觀目前國(guó)內(nèi)外已投運(yùn)和正在研發(fā)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，基本可歸為兩大類。第一類是以機(jī)械式增速齒輪箱為中間環(huán)節(jié)的高速風(fēng)電系統(tǒng)。通常，由風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的風(fēng)力機(jī)工作在較低的轉(zhuǎn)速(幾十轉(zhuǎn)/分)，而傳統(tǒng)的同步或異步發(fā)電機(jī)由于極數(shù)限制，轉(zhuǎn)速都較高，因此該類型系統(tǒng)必須采用多級(jí)齒輪箱對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行增速，使之接近異步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。但增速齒輪箱不僅體積大、笨重，而且故障率較高，需要經(jīng)常維護(hù)，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)；第二類是近年出現(xiàn)的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，取消了增速齒輪，因此具有效率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。然而，直驅(qū)發(fā)電機(jī)通常在每分鐘幾十轉(zhuǎn)的低速下工作，為保證其輸出電壓和頻率在正常的范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)需要采用較大的定轉(zhuǎn)子直徑和較多的極對(duì)數(shù)，體積大，質(zhì)量重，給發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和安裝等增加了難度?？梢?jiàn),高速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)前者具有技術(shù)成熟、變流器控制容量較小、變速運(yùn)行范圍較寬等優(yōu)點(diǎn)，但齒輪箱和轉(zhuǎn)子滑環(huán)的使用增加了機(jī)械故障發(fā)生的概率；后者具有效率高、無(wú)增速齒輪箱等優(yōu)點(diǎn)，但大型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)體積龐大而且笨重，使得機(jī)組的運(yùn)輸、安裝困難。而且，直驅(qū)發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)困難，其輸出電壓隨風(fēng)速的波動(dòng)很大，增加了全功率雙向PWM并網(wǎng)變流器的控制難度及其所采用大功率電力電子器件的成本。因此，將高速風(fēng)電系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定與直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的無(wú)增速齒輪箱相結(jié)合，集二者之優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)無(wú)增速齒輪箱、體積小、重量輕，并且輸出電壓幅值隨風(fēng)速的波動(dòng)基本保持不變或能夠穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，從而使得控制簡(jiǎn)單的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，已成為當(dāng)前大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)體積龐大、笨重，使得機(jī)組的運(yùn)輸、安裝困難；而且，永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)困難，其輸出電壓隨風(fēng)速的波動(dòng)很大，增加了全功率雙向PWM并網(wǎng)變流器的控制難度及其所采用大功率電力電子器件的成本；需要一種克服現(xiàn)有永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)弊端，能夠高功率密度、高效率、控制方便、運(yùn)行穩(wěn)定的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)構(gòu)成的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)、高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)、不可控整流器模塊、電池組模塊、直流變換模塊、逆變器模塊、并網(wǎng)變壓器，運(yùn)行模式控制模塊和中央控制單元，風(fēng)力機(jī)連接高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)，不可控整流器模塊、電池組模塊、逆變器模塊，連接在高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)與并網(wǎng)變壓器之間，直流變換模塊跨接在電池組模塊兩端，中央控制單元分別與電池組模塊、逆變器模塊、風(fēng)力機(jī)、運(yùn)行模式控制模塊和直流變換模塊相連；其中高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)由電樞繞組、高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組、凸極轉(zhuǎn)子、模塊化定子組成。其中，運(yùn)行模式 控制模塊由高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊和開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊并聯(lián)組成，電池組模塊連接開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊和高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊，并提供電能，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊和高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊分別與中央控制單元相連。本發(fā)明的高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的電樞繞組可以為常規(guī)電樞繞組或高溫超導(dǎo)繞組。本發(fā)明具備高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行和開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行兩種運(yùn)行模式(I)高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行模式工作時(shí)，高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度 介于轉(zhuǎn)速下限值《min與轉(zhuǎn)速上限值之間，中央控制單元關(guān)斷開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊，打開(kāi)高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊，風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的轉(zhuǎn)子以角速度《旋轉(zhuǎn)，通過(guò)電磁耦合作用，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)發(fā)出的電能，由定子電樞繞組傳輸?shù)讲豢煽卣髌髂K，將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，在中央控制單元的控制下，再經(jīng)電池組模塊和逆變器模塊轉(zhuǎn)換為交流電能，經(jīng)并網(wǎng)變壓器將電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。在此過(guò)程中，中央控制單元實(shí)時(shí)檢測(cè)高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的轉(zhuǎn)子角速度W，當(dāng)O低于高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的額定角速度COe < Omax)時(shí)，并網(wǎng)變壓器的端電壓U低于其額定電壓Uy在中央控制單元的控制下，高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊增大勵(lì)磁電流If，使得并網(wǎng)變壓器的端電壓U達(dá)到其額定電壓比；當(dāng)Co高于高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的額定角速度《6時(shí)，并網(wǎng)變壓器的端電壓U大于其額定電壓隊(duì)，在中央控制單元的控制下，高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊減小勵(lì)磁電流If，使得并網(wǎng)變壓器的端電壓U達(dá)到其額定電壓Ue。因此，系統(tǒng)可以保持并網(wǎng)變壓器的端電壓幅值穩(wěn)定，可以減小逆變器模塊的控制難度，而且由于勵(lì)磁繞組為高溫超導(dǎo)繞組，其勵(lì)磁損耗接近零損耗，提聞了系統(tǒng)的效率。(2)開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行模式工作時(shí)，中央控制單元關(guān)斷高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊，并打開(kāi)開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊，電池組模塊為其提供額定勵(lì)磁電流。由于高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組此時(shí)已經(jīng)被斷開(kāi)，發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)的由高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)變?yōu)殚_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)。此時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度《低于其轉(zhuǎn)速下限值《min，風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子以角速度《旋轉(zhuǎn)，通過(guò)電磁耦合作用，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)出的電能，由定子電樞繞組傳輸?shù)讲豢煽卣髌髂K，將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，在中央控制單元的控制下，再經(jīng)直流變換模塊和逆變器模塊轉(zhuǎn)換為達(dá)到并網(wǎng)變壓器的額定端電壓U6的交流電能，經(jīng)并網(wǎng)變壓器將電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行模式主要運(yùn)行于微風(fēng)條件下，此時(shí)的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速較低，使得高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的轉(zhuǎn)子角速度《低于其設(shè)計(jì)下限值《min，從而并網(wǎng)變壓器的端電壓U遠(yuǎn)低于其額定值U6,因此必須大幅度提高勵(lì)磁電流的幅值才能保持并網(wǎng)變壓器的端電壓穩(wěn)定在其額定值Ue，而過(guò)大的勵(lì)磁電流極易導(dǎo)致高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組發(fā)生失超現(xiàn)象，嚴(yán)重影響高溫超導(dǎo)材料的性能，系統(tǒng)切換到開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行模式，可以有效避免失超現(xiàn)象的發(fā)生。本發(fā)明將高溫超導(dǎo)材料引入磁通切換電機(jī)作為勵(lì)磁繞組，既發(fā)揮了高溫超導(dǎo)繞組適合直流電流的特性，又避免了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁型高溫超導(dǎo)電機(jī)中所必需的轉(zhuǎn)動(dòng)連接，進(jìn)而提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、高效率的高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)及其構(gòu)成的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，能夠有效降低直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)的體積和重量，而且可使輸出電壓保持穩(wěn)定，降低了系統(tǒng)的控制難度，同時(shí)本發(fā)明可以運(yùn)行于高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行和開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行兩種運(yùn)行模式，提高了系統(tǒng)可靠性。


圖I為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I，本發(fā)明包括風(fēng)力機(jī)I、高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)2、不可控整流器模塊3、電池組模塊4、直流變換模塊11、逆變器模塊5、并網(wǎng)變壓器6、運(yùn)行模式控制模塊10和中央控制單元9，風(fēng)力機(jī)I連接高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)2，不可控整流器模塊3、電池組模塊4、逆變器模塊5，連接在高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)2與并網(wǎng)變壓器6之間，直流變換模塊11跨接在電池組模塊4兩端，運(yùn)行模式控制模塊10連接在高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)2與電池組模塊4之間，中央控制單元9分別連接電池組模塊4、逆變器模塊5、風(fēng)力機(jī)I、運(yùn)行模式控制模塊10和直流變換模塊11 ;其中高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)2由電樞繞組2. I、高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組2. 2、凸極轉(zhuǎn)子2. 3和模塊化定子2. 4組成，高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組2. 2聯(lián)接高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊8，電樞繞組2. I聯(lián)接開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊7 ;運(yùn)行模式控制模塊10由開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊7、高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊8并聯(lián)組成，電樞繞組2. I與開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊7相連，高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組2. 2與高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊8相連，電池組模塊4連接開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊7和高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊8，并提供電能。以一套基于高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，風(fēng)力機(jī)I與高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)2相連，整流器模塊3采用三相二極管不控整流橋，逆變器模塊5采用IGBT為功率元件，中央控制單元9采用DSP微處理器。本發(fā)明的運(yùn)行模式包括I).高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行模式高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度《介于轉(zhuǎn)速下限值COmin與轉(zhuǎn)速上限值 之間時(shí)，風(fēng)能所轉(zhuǎn)換的電功率的流通路徑為高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)2-不可控整
流器模塊3-電池組模塊4-逆變器模塊5-并網(wǎng)變壓器6，將電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。2).開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行模式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度《低于轉(zhuǎn)速下限值Omin，風(fēng)能所轉(zhuǎn)換的電功率的流通路徑為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)2-不可控整流器模塊3-直流變換模塊11-逆變器模塊5-并網(wǎng)變壓器6,將電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。本發(fā)明的特征是取消了常規(guī)風(fēng)力發(fā)電用高溫超導(dǎo)電機(jī)所必需的轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接，采用高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面，高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組和電樞繞組都置于電子側(cè)，既發(fā)揮了高溫超導(dǎo)繞組適合直流電流的特性，又避免了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁型高溫超導(dǎo)電機(jī)中所必需的轉(zhuǎn)動(dòng)連接，而且，高溫超導(dǎo)材料的強(qiáng)磁場(chǎng)特性能夠有效提高發(fā)電機(jī)的功率密度，從而降低整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的重量，同時(shí)，其模塊化的定子結(jié)構(gòu)也便于機(jī)組的運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)的安裝調(diào)試；另一方面，由于定子側(cè)具有高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組和電樞 繞組兩套繞組，故可以在微風(fēng)時(shí)運(yùn)行于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電模式，能夠有效的預(yù)防高溫超導(dǎo)材料失超現(xiàn)象的發(fā)生，提高了系統(tǒng)的可靠性。
權(quán)利要求
1.高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)構(gòu)成的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)(I)、不可控整流器模塊(3)、電池組模塊(4)、直流變換模塊(11)、逆變器模塊(5)、并網(wǎng)變壓器(6)，其特征是還包括高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)(2)、運(yùn)行模式控制模塊(10)和中央控制單元(9)。風(fēng)力機(jī)(I)連接高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)(2)，不可控整流器模塊(3)、電池組模塊(4)、逆變器模塊(5)，連接在高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)(2)與并網(wǎng)變壓器(6)之間，直流變換模塊(11)跨接在電池組模塊(4)兩端，運(yùn)行模式控制模塊(10)連接在高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)(2)與電池組模塊(4)之間，中央控制單元(9)分別連接電池組模塊(4)、逆變器模塊(5)、風(fēng)力機(jī)(I)、運(yùn)行模式控制模塊(10)和直流變換模塊(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)構(gòu)成的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征是高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)(2)由電樞繞組(2. I)、高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組(2. 2)、凸極 轉(zhuǎn)子(2. 3)和模塊化定子(2. 4)組成，電樞繞組(2. I)、高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組(2. 2)均位于靜止的定子側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)構(gòu)成的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征是運(yùn)行模式控制模塊(10)由開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊(7)、高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊(8)并聯(lián)組成，電樞繞組(2. I)與開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊(7)相連，高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組(2. 2)與高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊(8)相連，電池組模塊(4)連接開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電運(yùn)行控制模塊(7)和高溫超導(dǎo)勵(lì)磁發(fā)電運(yùn)行控制模塊(8)，并提供電能。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)，其特征是電樞繞組(2.I)可以為常規(guī)電樞繞組或高溫超導(dǎo)繞組。
全文摘要
一種高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)構(gòu)成的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)、高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)、不可控整流器模塊、電池組模塊、直流變換模塊、逆變器模塊、并網(wǎng)變壓器、運(yùn)行模式控制模塊和中央控制單元。本發(fā)明體積小，重量輕，效率高，運(yùn)行模式多，適應(yīng)性好，由于采用高溫超導(dǎo)勵(lì)磁磁通切換電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，既發(fā)揮了高溫超導(dǎo)繞組適合直流電流的特性，又避免了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁型高溫超導(dǎo)電機(jī)中所必需的轉(zhuǎn)動(dòng)連接；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)電機(jī)定子采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)安裝；由于本發(fā)明可運(yùn)行于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電模式，因此能夠有效的預(yù)防高溫超導(dǎo)材料失超現(xiàn)象的發(fā)生，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號(hào)H02P9/14GK102710200SQ20121016098
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者孫建鑫, 孫永興, 王玉彬 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)