本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變流器，尤其是涉及了一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高溫超導(dǎo)直流母線的變流器。

背景技術(shù)：

在大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中，由于全功率變流器具有非常好的可控性，得到了廣泛應(yīng)用。如圖1所示為這樣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)過變流器將隨風(fēng)變動(dòng)的頻率變換為工頻，然后將電能輸送到變壓器，升壓后送到電網(wǎng)。

大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是安裝在很高的塔架上。而塔架上的空間非常有限，所以更為經(jīng)濟(jì)的方案是把變壓器放在塔底，或者把變壓器和變流器都放在塔底。這樣發(fā)電機(jī)到變壓器之間的電纜很長(zhǎng)，存在嚴(yán)重的缺陷，電纜需要穿過整個(gè)塔架，會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，從而降低了風(fēng)機(jī)的產(chǎn)出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中的塔架內(nèi)傳輸電纜高損耗的問題，本發(fā)明提供了一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高溫超導(dǎo)直流母線的變流器，該技術(shù)方案能有效降低電纜的傳輸損耗。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括整流器、逆變器和超導(dǎo)電纜，整流器的交流端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端連接，整流器的直流端與逆變器的直流端通過超導(dǎo)電纜相連，以超導(dǎo)電纜作為直流母線實(shí)現(xiàn)低損耗長(zhǎng)距離的能量傳輸，逆變器的交流端與變壓器連接，經(jīng)變壓器輸出電能。

所述變流器采用多整流器架構(gòu)或者多逆變器架構(gòu)或者上述兩者的結(jié)合。

對(duì)于多整流器架構(gòu)，包括多個(gè)并聯(lián)的整流器，兩根超導(dǎo)電纜連接到多個(gè)整流器并聯(lián)后的兩端。

對(duì)于多逆變器架構(gòu)，包括多個(gè)并聯(lián)的逆變器，兩根超導(dǎo)電纜連接到多個(gè)逆變器并聯(lián)后的兩端。

對(duì)于多整流器和多逆變器結(jié)合的架構(gòu)，包括并聯(lián)的多個(gè)整流器和并聯(lián)的多個(gè)逆變器，兩根超導(dǎo)電纜一端分別連接到多個(gè)整流器并聯(lián)后的兩端，兩根超導(dǎo)電纜另一端分別連接到多個(gè)逆變器并聯(lián)后的兩端。

所述的整流器置于風(fēng)機(jī)塔架頂部的機(jī)艙中，所述的逆變器和變壓器置于風(fēng)機(jī)塔架底部，所述超導(dǎo)電纜置于風(fēng)機(jī)塔架內(nèi)部的密封冷卻裝置中，密封冷卻裝置內(nèi)通入冷卻介質(zhì)維持超導(dǎo)電纜的低溫和超導(dǎo)狀態(tài)。

所述的冷卻介質(zhì)可采用液氮。

所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)內(nèi)的線圈置于超導(dǎo)冷卻裝置中。

所述的超導(dǎo)電纜的密封冷卻裝置和超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的超導(dǎo)冷卻裝置共用同一個(gè)冷卻制冷系統(tǒng)。

所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯上均勻布置有極性交替的永磁磁極，定子外殼固定有定子鐵芯，定子鐵芯上均勻布置有多個(gè)定子槽，定子槽中置有超導(dǎo)線圈，超導(dǎo)線圈置于冷卻裝置中，冷卻裝置中通入冷卻介質(zhì)以維持超導(dǎo)線圈的低溫和超導(dǎo)狀態(tài)。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明以超導(dǎo)電纜作為直流母線實(shí)現(xiàn)低損耗長(zhǎng)距離的能量傳輸，能有效降低塔架中的傳輸損耗。并且其中的整流器和逆變器能安裝在距離較遠(yuǎn)的位置，適用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，特別適合于具有超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)中的超導(dǎo)線圈和變流器超導(dǎo)直流母線可以共用制冷系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)繞組的低損耗和塔架中的電纜傳輸損耗。

附圖說(shuō)明

圖1是傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的例子圖。

圖4是本發(fā)明的一種實(shí)施例子。

圖5是本發(fā)明的另一種實(shí)施例子。

圖6是本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)例圖。

圖7是風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)的超導(dǎo)線圈結(jié)構(gòu)圖。

圖中：風(fēng)力發(fā)電機(jī)10，變流器11，風(fēng)機(jī)機(jī)艙12，塔架13，變壓器14，電纜15-1、15-2和15-3，整流器11-1，逆變器11-2，超導(dǎo)電纜16-1，超導(dǎo)電纜16-2，定子鐵芯1、定子槽2、超導(dǎo)線圈3、超導(dǎo)冷卻裝置4和定子外殼5。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

現(xiàn)有技術(shù)中，變壓器和變流器放在塔底的情況分別如圖2(a)和圖2(b)所示。如圖2(a)所示為變壓器放在塔底的例子，圖中風(fēng)力發(fā)電機(jī)10為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)10的轉(zhuǎn)子由葉片驅(qū)動(dòng)，機(jī)械能由風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能后，輸送到變流器11。風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，所以發(fā)電機(jī)10的轉(zhuǎn)速也隨風(fēng)速變化，發(fā)電機(jī)的輸出電能頻率也隨風(fēng)速變化，變流器11將頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為固定頻率的電能，再輸送到變壓器14。經(jīng)過變壓器14的升壓，輸送到電網(wǎng)。風(fēng)機(jī)機(jī)艙12在塔架13的頂部，其空間非常寶貴，內(nèi)部需要放置很多必備的設(shè)備，同時(shí)還需要留出設(shè)備維護(hù)人員的工作空間。所以在圖2(a)的方案中，只將變流器11放置在機(jī)艙12中，而變壓器14放置在塔架13的底部。

圖2(b)給出的例子是將變流器11和變壓器14都放置在塔架13的底部，從而可以進(jìn)一步節(jié)省機(jī)艙12的空間。

因此現(xiàn)有技術(shù)中的方案中，發(fā)電機(jī)到變壓器之間的電纜很長(zhǎng)，其中電纜15-1、15-2和15-3需要穿過整個(gè)塔架，會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，從而降低了風(fēng)機(jī)的產(chǎn)出，存在嚴(yán)重的缺陷。

本發(fā)明采用技術(shù)方案解決了上述問題，具體是采用了包括整流器11-1、逆變器11-2和超導(dǎo)電纜16-1、16-2在內(nèi)的變換結(jié)構(gòu)，整流器11-1的交流端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)10的輸出端連接，整流器11-1的直流端與逆變器11-2的直流端通過超導(dǎo)電纜16-1、16-2相連，逆變器11-2的交流端與變壓器14連接，經(jīng)變壓器14輸出電能。

如圖4所示，發(fā)電機(jī)的電能首先輸送到整流器，變成直流后通過超導(dǎo)電纜輸送到遠(yuǎn)方的逆變器，變換成工頻，再經(jīng)過變壓器送到電網(wǎng)。如圖3所示，這樣的系統(tǒng)架構(gòu)能將整流器11-1放置在離發(fā)電機(jī)最近的位置，將逆變器11-2放置在離升壓變壓器最近的位置，逆變器11-2和變壓器14放置在塔架13的底部，中間的長(zhǎng)距離傳輸通過超導(dǎo)電纜16-1和16-2，從而有效降低塔架中的傳輸損耗。

實(shí)施例1

如圖4所示，變流器采用單個(gè)整流器和單個(gè)逆變器架構(gòu)，包括一個(gè)整流器和一個(gè)逆變器，兩根超導(dǎo)電纜16-1、16-2連接到整流器和逆變器并聯(lián)后的兩端。

整流器11-1置于風(fēng)機(jī)塔架13頂部的機(jī)艙12中，逆變器11-2和變壓器14置于風(fēng)機(jī)塔架13底部，超導(dǎo)電纜16-1、16-2置于風(fēng)機(jī)塔架13內(nèi)部的密封冷卻裝置中，密封冷卻裝置內(nèi)通入冷卻介質(zhì)維持超導(dǎo)電纜的低溫和超導(dǎo)狀態(tài)。

圖6給出了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的例子。這是一臺(tái)內(nèi)轉(zhuǎn)子架構(gòu)的超導(dǎo)和永磁混合的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸6上分布放置交替極性的永磁磁極7。永磁磁極提供勵(lì)磁可以免除勵(lì)磁的損耗。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的外側(cè)是發(fā)電機(jī)的定子，定子由定子鐵芯1、定子槽2、超導(dǎo)線圈3、超導(dǎo)冷卻裝置4和定子外殼5組成。定子鐵芯1上分布有數(shù)個(gè)定子槽2，定子槽2中安裝超導(dǎo)線圈3，為了維持超導(dǎo)材料的超導(dǎo)狀態(tài)，需要冷卻系統(tǒng)維持其低溫狀態(tài)。如圖7所示，超導(dǎo)材料3放置在密封的超導(dǎo)冷卻裝置4中，超導(dǎo)冷卻裝置4中通入冷卻介質(zhì)，如液氮，帶走超導(dǎo)線圈的損耗，維持其低溫。上述的密封冷卻裝置和超導(dǎo)冷卻裝置4共用一個(gè)冷卻制冷系統(tǒng)。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子間有一層氣隙，轉(zhuǎn)子永磁磁極7產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，勵(lì)磁磁場(chǎng)穿過氣隙進(jìn)入定子鐵芯，然后從定子鐵芯周向上的另一位置再次穿過氣隙回到轉(zhuǎn)子側(cè)，所以勵(lì)磁磁場(chǎng)與定子超導(dǎo)線圈3形成交鏈。發(fā)電機(jī)由風(fēng)機(jī)葉片推動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所以永磁磁極產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)也隨之旋轉(zhuǎn)，形成超導(dǎo)線圈中的交變磁鏈。這個(gè)交變磁鏈就可以形成反電動(dòng)勢(shì)，給電網(wǎng)提供電能。

本發(fā)明具體實(shí)施的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以有多種形式，結(jié)合圖6的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)后，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)超導(dǎo)線圈和變流器直流母線超導(dǎo)電纜可以共用制冷系統(tǒng)，優(yōu)勢(shì)更加明顯。

實(shí)施例2

實(shí)施例2和實(shí)施例1的區(qū)別是在于變流器采用多逆變器架構(gòu)或者多整流器架構(gòu)，包括多個(gè)并聯(lián)的逆變器11-2或者整流器11-1，兩根超導(dǎo)電纜16-1、16-2連接到多個(gè)逆變器11-2或者多個(gè)整流器11-1并聯(lián)后的兩端，多整流器架構(gòu)如圖5所示。

實(shí)施例3

實(shí)施例3和實(shí)施例1的區(qū)別是在于變流器采用多整流器和多逆變器結(jié)合的架構(gòu)，包括并聯(lián)的多個(gè)整流器11-1和并聯(lián)的多個(gè)逆變器11-2，兩根超導(dǎo)電纜16-1、16-2一端分別連接到多個(gè)整流器11-1并聯(lián)后的兩端，兩根超導(dǎo)電纜16-1、16-2另一端分別連接到多個(gè)逆變器11-2并聯(lián)后的兩端。

上述具體實(shí)施方式用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。