本發(fā)明涉及直流風(fēng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體地，是一種低壓多模塊多相永磁發(fā)電機(jī)模塊化電能變換高壓直流風(fēng)機(jī)及其高壓直流集群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

海上風(fēng)場(chǎng)采用直流輸電比交流輸電更有優(yōu)勢(shì)，為此提出了各種海上風(fēng)電場(chǎng)直流風(fēng)機(jī)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)有的海上風(fēng)電場(chǎng)，通常采用多個(gè)直流風(fēng)機(jī)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)通常存在如下缺陷：

1、直流風(fēng)機(jī)串聯(lián)使得各直流風(fēng)機(jī)電氣耐壓與串聯(lián)風(fēng)機(jī)數(shù)目成正比升高，對(duì)于發(fā)電機(jī)和功率變換器電氣絕緣提出更高的要求。

2、直流風(fēng)機(jī)因風(fēng)速分布不均和串聯(lián)支路電流相同的限制，使得串聯(lián)支路中各直流風(fēng)機(jī)出口電壓需要調(diào)整，以滿(mǎn)足總電壓平衡和功率傳輸，造成控制系統(tǒng)復(fù)雜和困難，而且存在棄風(fēng)現(xiàn)象，降低了風(fēng)力資源的利用。

目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)同本發(fā)明類(lèi)似技術(shù)的說(shuō)明或報(bào)道，也尚未收集到國(guó)內(nèi)外類(lèi)似的資料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保證各直流風(fēng)機(jī)獨(dú)立，輸出電壓相同，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可靠性高，直流風(fēng)機(jī)內(nèi)部模塊化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了電氣控制的復(fù)雜性，低壓永磁同步發(fā)電機(jī)和功率變換器不需要額外增加絕緣要求，有效地解決了串并聯(lián)直流風(fēng)機(jī)帶來(lái)的諸多問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括多條永磁直流風(fēng)機(jī)并聯(lián)支路，其中每一條永磁直流風(fēng)機(jī)并聯(lián)支路均包括多臺(tái)并聯(lián)連接的永磁直流風(fēng)機(jī)組件，多條永磁直流風(fēng)機(jī)并聯(lián)支路之間并聯(lián)連接構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)；每一臺(tái)所述永磁直流風(fēng)機(jī)組件均輸出高壓直流，所述閉環(huán)結(jié)構(gòu)上設(shè)有高壓直流匯聚點(diǎn)。

優(yōu)選地，每一臺(tái)所述永磁直流風(fēng)機(jī)組件均包括：相互連接的風(fēng)力機(jī)和永磁直流風(fēng)機(jī)；所述永磁直流風(fēng)機(jī)包括依次連接的永磁同步發(fā)電機(jī)、AC/DC整流器、DC/AC高頻逆變器、AC/AC磁集成高頻變壓器和AC/DC高頻高壓整流器。

優(yōu)選地，所述永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)有N相繞組，所述AC/DC整流器包括與N相繞組相對(duì)應(yīng)的N個(gè)單向可控整流器模塊，所述DC/AC高頻逆變器包括與N個(gè)單向可控整流器模塊相對(duì)應(yīng)的N個(gè)雙向逆變器模塊，所述AC/AC磁集成高頻變壓器設(shè)有與N個(gè)雙向逆變器模塊相對(duì)應(yīng)的N個(gè)低壓繞組端和1個(gè)高壓繞組端；其中：

所述永磁同步發(fā)電機(jī)的每一相繞組的兩個(gè)輸出端分別與一個(gè)對(duì)應(yīng)的單向可控整流器模塊的輸入端連接，每一個(gè)單向可控整流器模塊的輸出端分別與一個(gè)對(duì)應(yīng)的雙向逆變器模塊的輸入端連接，每一個(gè)雙向逆變器模塊的輸出端分別與一個(gè)對(duì)應(yīng)的低壓繞組端連接，N個(gè)低壓繞組端集成共享1個(gè)高壓繞組端，高壓繞組端與AC/DC高頻高壓整流器的交流側(cè)連接。

優(yōu)選地，所述永磁同步發(fā)電機(jī)包括8個(gè)電樞模塊，其中每一個(gè)電樞模塊均為3相，每一相均設(shè)有1個(gè)繞組，共計(jì)24個(gè)繞組，其中每一個(gè)繞組均包括12個(gè)串聯(lián)線(xiàn)圈。

優(yōu)選地，所述單向可控整流器模塊包括：不可控器件D_1n、不可控器件D_2n、不可控器件D_3n、不可控器件D_4n、可控器件S_1n、可控器件S_2n和濾波電容器C_1n，所述不可控器件D_1n～D_4n兩兩串聯(lián)后并聯(lián)構(gòu)成H橋a，所述可控器件S_1n和可控器件S_2n分別與H橋a的兩個(gè)下橋臂并聯(lián)，所述濾波電容器C_1n與H橋a的輸出端并聯(lián)，所述永磁同步發(fā)電機(jī)的每一相繞組的兩個(gè)輸出端分別連接于構(gòu)成H橋a的兩個(gè)串聯(lián)支路上，所述濾波電容器C_1n作為雙向逆變器模塊的輸入直流電源與雙向逆變器模塊的輸入端并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述雙向逆變器模塊包括：不可控器件D_5n、不可控器件D_6n、不可控器件D_7n、不可控器件D_8n、可控器件S_3n、可控器件S_4n、可控器件S_5n、可控器件S_6n、引出端LW_n1和引出端LW_n2，所述不可控器件D_5n～D_8n兩兩串聯(lián)后并聯(lián)構(gòu)成H橋b，所述可控器件S_3n～S_6n分別與不可控器件D_5n～D_8n并聯(lián)；所述引出端LW_n1和引出端LW_n2分別連接于構(gòu)成H橋b的兩個(gè)串聯(lián)支路上，引出端LW_n1和引出端LW_n2的輸出端分別與低壓繞組端的接線(xiàn)端連接。

優(yōu)選地，所述AC/AC磁集成高頻變壓器包括N個(gè)低壓繞組、N個(gè)鐵芯和1個(gè)高壓繞組，所述N個(gè)低壓繞組分別纏繞于N個(gè)鐵芯上，形成N個(gè)低壓繞組端，所述N個(gè)鐵芯集成共享1個(gè)高壓繞組，形成1個(gè)高壓繞組端；

每一個(gè)鐵芯均包括偶數(shù)個(gè)可分離磁芯，偶數(shù)個(gè)可分離磁芯按照軸對(duì)稱(chēng)空間排列；其中，偶數(shù)個(gè)可分離磁芯均分為開(kāi)口向上的磁芯和開(kāi)口向下的磁芯，開(kāi)口向上的磁芯排列固定，構(gòu)成高壓繞組的高壓線(xiàn)圈套裝在開(kāi)口向上的磁芯中間磁集成的磁芯柱上，構(gòu)成低壓繞組的低壓線(xiàn)圈套裝在開(kāi)口向下的磁芯的周?chē)鞔判旧希_(kāi)口向下的磁芯放置在開(kāi)口向上的磁芯上。

優(yōu)選地，低壓線(xiàn)圈的接線(xiàn)端從AC/AC磁集成高頻變壓器的側(cè)面引出，高壓線(xiàn)圈的出線(xiàn)端從AC/AC磁集成高頻變壓器的中間引出。

優(yōu)選地，所述鐵芯還包括下部絕緣壓緊板和上部絕緣壓緊板，所述下部絕緣壓緊板和上部絕緣壓緊板設(shè)置于開(kāi)口向上的磁芯和開(kāi)口向下的磁芯之間。

優(yōu)選地，所述AC/DC高頻高壓整流器包括不可控器件D₁、不可控器件D₂、不可控器件D₃、不可控器件D₄、不可控器件D₅、不可控器件D₆、可控器件S₁、可控器件S₂和高壓濾波電容器C_Hv，所述不可控器件D₁～D₄兩兩串聯(lián)后并聯(lián)構(gòu)成H橋c，所述不可控器件D₅和不可控器件D₆分別與可控器件S₁和可控器件S₂串聯(lián)后反并聯(lián)，形成AC/DC高頻高壓整流器的交流側(cè)，所述交流側(cè)的輸入端與高壓繞組端的兩個(gè)出線(xiàn)端連接，所述交流側(cè)的輸出端分別連接于構(gòu)成H橋c的兩個(gè)串聯(lián)支路上，H橋c的兩個(gè)輸出直流端接高壓濾波電容器C_HV的兩端。

本發(fā)明提供的永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用任意相數(shù)和模塊數(shù)的低壓永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)(永磁同步發(fā)電機(jī))、模塊化繞組可控整流器(AC/DC整流器)、模塊化DC/AC高頻逆變器(DC/AC高頻逆變器)、磁集成高頻變壓器(AC/AC磁集成高頻變壓器)、高頻高壓可控整流器(AC/DC高頻高壓整流器)，構(gòu)成永磁直流風(fēng)機(jī)組件。

本發(fā)明提供的永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各永磁直流風(fēng)機(jī)組件輸出高壓直流并聯(lián)，若干臺(tái)永磁直流風(fēng)機(jī)組件組成一條永磁直流風(fēng)機(jī)并聯(lián)支路，多條永磁直流風(fēng)機(jī)并聯(lián)支路場(chǎng)形成徑向匯聚拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并將末端形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。各永磁直流風(fēng)機(jī)組件獨(dú)立、電壓一致，避免了串聯(lián)直流風(fēng)機(jī)需要增加電氣耐壓等級(jí)的額外絕緣要求。任何一臺(tái)永磁直流風(fēng)機(jī)組件發(fā)生故障，都可以從系統(tǒng)切除而不影響其它機(jī)組的運(yùn)行，增加了系統(tǒng)的可靠性。

本發(fā)明提供的永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用模塊化低壓永磁發(fā)電機(jī)PMSG、各模塊單向可控整流器、各直流模塊DC/AC高頻逆變器、獨(dú)立磁路集成高頻變壓器、高頻高壓可控整流器，其中高壓與低壓電氣隔離，永磁發(fā)電機(jī)低壓絕緣材料厚度薄，可提高散熱效果；各直流支路獨(dú)立，獨(dú)立磁路集成高頻變壓器可以通過(guò)磁路截面積和線(xiàn)圈匝數(shù)兩方面形成高變比升壓；可控整流既可以實(shí)現(xiàn)功率控制，又能簡(jiǎn)化系統(tǒng)高壓側(cè)的控制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

第一，針對(duì)串并聯(lián)直流風(fēng)機(jī)控制的復(fù)雜性，解決了直流風(fēng)機(jī)控制的獨(dú)立性和輸出高壓直流的一致性。

第二，永磁同步發(fā)電機(jī)多極、低速、低壓、多模塊和多相獨(dú)立磁路結(jié)構(gòu)，解決了風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)直接機(jī)械耦合，消除了齒輪箱帶來(lái)的故障問(wèn)題，為模塊化功率變換和容錯(cuò)控制創(chuàng)造了有利條件。

第三，永磁同步發(fā)電機(jī)各相繞組單獨(dú)與可控整流器、濾波、雙向逆變構(gòu)成功率變換，使得繞組控制增加了獨(dú)立性，繞組故障容錯(cuò)能力增強(qiáng)。

第四，磁集成高頻變壓器通過(guò)磁路截面積倍增和高低壓繞組匝數(shù)倍增實(shí)現(xiàn)電壓雙重倍增，解決了一般升壓電路和共磁路變壓器升壓比的限制問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為傳統(tǒng)串并聯(lián)直流風(fēng)機(jī)集群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明永磁直流風(fēng)機(jī)組件結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為本發(fā)明AC/DC整流器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明DC/AC高頻逆變器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明AC/AC磁集成高頻變壓器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明AC/DC高頻高壓整流器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例

圖2為本實(shí)施例提供的永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，圖3為本實(shí)施例提供的永磁直流風(fēng)機(jī)組件結(jié)構(gòu)框圖。

其中：

本實(shí)施例提供的永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括多條永磁直流風(fēng)機(jī)并聯(lián)支路，其中每一條永磁直流風(fēng)機(jī)并聯(lián)支路均包括多臺(tái)并聯(lián)連接的永磁直流風(fēng)機(jī)組件，多條永磁直流風(fēng)機(jī)并聯(lián)支路之間并聯(lián)連接構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)；每一臺(tái)所述永磁直流風(fēng)機(jī)組件均輸出高壓直流，所述閉環(huán)結(jié)構(gòu)上設(shè)有高壓直流匯聚點(diǎn)。

進(jìn)一步地，每一臺(tái)所述永磁直流風(fēng)機(jī)組件均包括：相互連接的風(fēng)力機(jī)和永磁直流風(fēng)機(jī)；所述永磁直流風(fēng)機(jī)包括依次連接的永磁同步發(fā)電機(jī)、AC/DC整流器、DC/AC高頻逆變器、AC/AC磁集成高頻變壓器和AC/DC高頻高壓整流器。

進(jìn)一步地，所述永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)有N相繞組，所述AC/DC整流器包括與N相繞組相對(duì)應(yīng)的N個(gè)單向可控整流器模塊，所述DC/AC高頻逆變器包括與N個(gè)單向可控整流器模塊相對(duì)應(yīng)的N個(gè)雙向逆變器模塊，所述AC/AC磁集成高頻變壓器設(shè)有與N個(gè)雙向逆變器模塊相對(duì)應(yīng)的N個(gè)低壓繞組端和1個(gè)高壓繞組端；其中：

所述永磁同步發(fā)電機(jī)的每一相繞組的兩個(gè)輸出端分別與一個(gè)對(duì)應(yīng)的單向可控整流器模塊的輸入端連接，每一個(gè)單向可控整流器模塊的輸出端分別與一個(gè)對(duì)應(yīng)的雙向逆變器模塊的輸入端連接，每一個(gè)雙向逆變器模塊的輸出端分別與一個(gè)對(duì)應(yīng)的低壓繞組端連接，N個(gè)低壓繞組端集成共享1個(gè)高壓繞組端，高壓繞組端與AC/DC高頻高壓整流器的交流側(cè)連接。

進(jìn)一步地，所述永磁同步發(fā)電機(jī)包括8個(gè)電樞模塊，其中每一個(gè)電樞模塊均為3相，每一相均設(shè)有1個(gè)繞組，共計(jì)24個(gè)繞組，其中每一個(gè)繞組均包括12個(gè)串聯(lián)線(xiàn)圈。

進(jìn)一步地，所述單向可控整流器模塊包括：不可控器件D_1n、不可控器件D_2n、不可控器件D_3n、不可控器件D_4n、可控器件S_1n、可控器件S_2n和濾波電容器C_1n，所述不可控器件D_1n～D_4n兩兩串聯(lián)后并聯(lián)構(gòu)成H橋a，所述可控器件S_1n和可控器件S_2n分別與H橋a的兩個(gè)下橋臂并聯(lián)，所述濾波電容器C_1n與H橋a的輸出端并聯(lián)，所述永磁同步發(fā)電機(jī)的每一相繞組的兩個(gè)輸出端分別連接于構(gòu)成H橋a的兩個(gè)串聯(lián)支路上，所述濾波電容器C_1n作為雙向逆變器模塊的輸入直流電源與雙向逆變器模塊的輸入端并聯(lián)。

進(jìn)一步地，所述雙向逆變器模塊包括：不可控器件D_5n、不可控器件D_6n、不可控器件D_7n、不可控器件D_8n、可控器件S_3n、可控器件S_4n、可控器件S_5n、可控器件S_6n、引出端LW_n1和引出端LW_n2，所述不可控器件D_5n～D_8n兩兩串聯(lián)后并聯(lián)構(gòu)成H橋b，所述可控器件S_3n～S_6n分別與不可控器件D_5n～D_8n并聯(lián)；所述引出端LW_n1和引出端LW_n2分別連接于構(gòu)成H橋b的兩個(gè)串聯(lián)支路上，引出端LW_n1和引出端LW_n2的輸出端分別與低壓繞組端的接線(xiàn)端連接。

進(jìn)一步地，所述AC/AC磁集成高頻變壓器包括N個(gè)低壓繞組、N個(gè)鐵芯和1個(gè)高壓繞組，所述N個(gè)低壓繞組分別纏繞于N個(gè)鐵芯上，形成N個(gè)低壓繞組端，所述N個(gè)鐵芯集成共享1個(gè)高壓繞組，形成1個(gè)高壓繞組端；

每一個(gè)鐵芯均包括偶數(shù)個(gè)可分離磁芯，偶數(shù)個(gè)可分離磁芯按照軸對(duì)稱(chēng)空間排列；其中，偶數(shù)個(gè)可分離磁芯均分為開(kāi)口向上的磁芯和開(kāi)口向下的磁芯，開(kāi)口向上的磁芯排列固定，構(gòu)成高壓繞組的高壓線(xiàn)圈套裝在開(kāi)口向上的磁芯中間磁集成的磁芯柱上，構(gòu)成低壓繞組的低壓線(xiàn)圈套裝在開(kāi)口向下的磁芯的周?chē)鞔判旧?，開(kāi)口向下的磁芯放置在開(kāi)口向上的磁芯上。

進(jìn)一步地，低壓線(xiàn)圈的接線(xiàn)端從AC/AC磁集成高頻變壓器的側(cè)面引出，高壓線(xiàn)圈的出線(xiàn)端從AC/AC磁集成高頻變壓器的中間引出。

進(jìn)一步地，所述鐵芯還包括下部絕緣壓緊板和上部絕緣壓緊板，所述下部絕緣壓緊板和上部絕緣壓緊板設(shè)置于開(kāi)口向上的磁芯和開(kāi)口向下的磁芯之間。

進(jìn)一步地，所述AC/DC高頻高壓整流器包括不可控器件D₁、不可控器件D₂、不可控器件D₃、不可控器件D₄、不可控器件D₅、不可控器件D₆、可控器件S₁、可控器件S₂和高壓濾波電容器C_HV，所述不可控器件D₁～D₄兩兩串聯(lián)后并聯(lián)構(gòu)成H橋c，所述不可控器件D₅和不可控器件D₆分別與可控器件S₁和可控器件S₂串聯(lián)后反并聯(lián)，形成AC/DC高頻高壓整流器的交流側(cè)，所述交流側(cè)的輸入端與高壓繞組端的出線(xiàn)端HW1和出線(xiàn)端HW2連接，所述交流側(cè)的輸出端分別連接于構(gòu)成H橋c的兩個(gè)串聯(lián)支路上，H橋c的輸出直流端HV_1n和輸出直流端HV_2n接高壓濾波電容器C_HV的兩端。

在本實(shí)施例中：

永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用每臺(tái)永磁直流風(fēng)機(jī)組件輸出高壓直流，若干臺(tái)并聯(lián)成一條支路，若干條支路并聯(lián)構(gòu)成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并在環(huán)上選取一個(gè)高壓直流匯聚點(diǎn)，該匯聚點(diǎn)可以是直流換流站或者直流輸電端。

永磁直流風(fēng)機(jī)組件獨(dú)立控制，輸出直流電壓相同，功率根據(jù)風(fēng)力資源利用率確定，其環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以提高風(fēng)資源的利用率并增強(qiáng)供電的可靠性，即使存在直流風(fēng)機(jī)故障，只要切除該風(fēng)機(jī)而不會(huì)影響其他風(fēng)機(jī)和輸電電壓。

所述永磁直流風(fēng)機(jī)組件包括相互連接的風(fēng)力機(jī)和永磁直流風(fēng)機(jī)(包括永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)、AC/DC整流器、DC/AC高頻逆變器、AC/AC磁集成高頻變壓器、AC/DC高頻高壓整流器)，將永磁同步發(fā)電機(jī)輸出低壓交流變換為高壓直流，且永磁同步發(fā)電機(jī)各繞組電氣絕緣保持低電壓狀態(tài)，中間經(jīng)過(guò)多路低壓直流、高頻交流、高頻磁集成變壓器升壓和高頻整流實(shí)現(xiàn)高壓直流輸出。

所述永磁同步發(fā)電機(jī)是多極低速風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)低壓、多模塊、多相結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊含有相同相數(shù)，每相磁路相對(duì)獨(dú)立，模塊與模塊之間、相與相之間的電路和磁路是獨(dú)立沒(méi)有相互耦合的。

所述永磁同步發(fā)電機(jī)每相繞組(引出端L_1n、L_2n)采用一個(gè)獨(dú)立的功率單向可控整流模塊，如圖3所示，整流模塊包括四個(gè)不可控器件(D_1n～D_4n)構(gòu)成的H橋，以及兩個(gè)下橋臂(D_3n和D_4n)分別并聯(lián)的可控器件(S_1n和S_2n)，使得繞組電流可以雙向可控，利用繞組自身電感組成AC/DC升壓整流模塊，輸出并聯(lián)濾波電容器C_1n穩(wěn)定直流電壓。由于多模塊、多相永磁同步發(fā)電機(jī)共有N個(gè)繞組，因此有N個(gè)整流器模塊。

所述單向可控整流器模塊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)整流模塊)輸出直流電壓經(jīng)過(guò)雙向H橋雙向逆變器模塊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)逆變器模塊)，如圖4所示，所述逆變器模塊包含四個(gè)不可控器件(D_5n～D_8n)和與其并聯(lián)的可控器件(S_3n～S_6n)構(gòu)成，控制輸出方波電壓(引出端LW_n1、LW_n2)，該方波電壓輸入高頻變壓器低壓線(xiàn)圈(LW_n)。由于共有N個(gè)整流模塊，因此有N個(gè)獨(dú)立的逆變模塊和N個(gè)獨(dú)立的AC/AC磁集成高頻變壓器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)高頻變壓器)低壓線(xiàn)圈。當(dāng)永磁直流風(fēng)機(jī)內(nèi)部永磁同步發(fā)電機(jī)繞組發(fā)生故障需要切除該繞組工作狀態(tài)時(shí)，一方面AC/DC整流器側(cè)斷開(kāi)，另一方面雙向逆變器模塊下橋臂可控器件S_4n和S_6n導(dǎo)通使AC/AC磁集成高頻變壓器中對(duì)應(yīng)的低壓線(xiàn)圈(構(gòu)成低壓繞組)短路，消除該磁路磁通量，同時(shí)避免低壓線(xiàn)圈開(kāi)路時(shí)高壓線(xiàn)圈(構(gòu)成高壓繞組)勵(lì)磁反向磁通引起高電壓侵入低壓電路。永磁同步發(fā)電機(jī)其他繞組和系統(tǒng)可以正常工作。故障嚴(yán)重時(shí)，可以將高壓直流側(cè)與直流電網(wǎng)斷開(kāi)，整臺(tái)永磁直流風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)斷開(kāi)。

所述高頻變壓器各低壓繞組磁路相互獨(dú)立，通過(guò)磁集成使得各低壓繞組與高壓繞組耦合，如圖5所示，前端各雙向逆變器模塊輸出電壓在各低壓繞組(LW₁～LW_N)磁路引起的磁通量經(jīng)過(guò)磁集成疊加增強(qiáng)，使得磁集成后的磁通量在高壓繞組側(cè)(HW)倍增，這樣通過(guò)磁通量倍增和高頻變壓器高、低壓繞組匝數(shù)比倍增共同作用產(chǎn)生高電壓。

所述高頻變壓器輸出(引出端HW₁、HW₂)經(jīng)過(guò)可控高壓整流構(gòu)成高壓AC/DC升壓，在經(jīng)過(guò)高壓濾波電容器C_HV濾波成穩(wěn)定的高壓直流電壓，如圖6所示。所述AC/DC高頻高壓整流器采用四個(gè)不可控器件(D₁～D₄)構(gòu)成的H橋臂，中間根據(jù)高壓線(xiàn)圈電壓極性實(shí)現(xiàn)電流雙向控制的AC/DC升壓電路(反并聯(lián)S₁和D₅，S₂和D₆)。

本實(shí)施例提供的永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用永磁直流風(fēng)機(jī)組件并聯(lián)構(gòu)成多回路環(huán)形集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

下面以永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)有24個(gè)繞組為例，具體描述如下：

永磁同步發(fā)電機(jī)5MW，轉(zhuǎn)速10rpm，280極，分為8個(gè)電樞模塊，每個(gè)電樞模塊3相，每一相均設(shè)有一個(gè)繞組，即24個(gè)繞組，每個(gè)繞組12個(gè)線(xiàn)圈串聯(lián)，繞組電壓960V。每臺(tái)永磁直流風(fēng)機(jī)組件共有24個(gè)如圖4所示的AC/DC整流器模塊，24個(gè)如圖5所示的雙向逆變器模塊，24個(gè)AC/AC磁集成高頻變壓器的低壓繞組和鐵芯，每個(gè)鐵芯由偶數(shù)個(gè)可分離磁芯構(gòu)成，24個(gè)鐵芯集成共享1個(gè)高壓繞組，AC/AC磁集成高頻變壓器高、低壓繞組示意圖如圖6所示，以及1個(gè)如圖7所示的AC/DC高頻高壓整流器。

永磁同步發(fā)電機(jī)的每個(gè)繞組的兩個(gè)出線(xiàn)端(L_1n和L_2n)與對(duì)應(yīng)單向可控整流器模塊輸入端連接，每個(gè)單向可控整流器模塊輸出端并聯(lián)有濾波電容器C_1n穩(wěn)壓，該濾波電容器C_1n同時(shí)作為雙向逆變器模塊的輸入直流電源，雙向逆變器模塊的輸出交流方波與AC/AC磁集成高頻變壓器的低壓線(xiàn)圈(構(gòu)成低壓繞組)接線(xiàn)端(LW_n1和LW_n2)連接，AC/AC磁集成高頻變壓器的高壓線(xiàn)圈(構(gòu)成高壓繞組)出線(xiàn)端(HW₁和HW₂)與AC/DC高頻高壓整流器的交流側(cè)連接，AC/DC高頻高壓整流器輸出直流端(HV_1n和HV_2n)接有高壓濾波電容器C_HV。

AC/AC磁集成高頻變壓器的可分離磁芯按照軸對(duì)稱(chēng)空間排列，磁芯開(kāi)口向上或向下，開(kāi)口向上的磁芯排列固定好后，放置下部絕緣壓緊板，將帶絕緣的高壓線(xiàn)圈套裝在中間磁集成磁芯柱上，將帶絕緣的各低壓線(xiàn)圈套裝在周?chē)髯缘拇判旧?，放置上部絕緣壓緊板，再將開(kāi)口向下的磁芯放置在開(kāi)口向上的磁芯上，最后將開(kāi)口向下的磁芯固定，低壓線(xiàn)圈從AC/AC磁集成高頻變壓器側(cè)面引出，高壓線(xiàn)圈從AC/AC磁集成高頻變壓器中間引出。

本實(shí)施例提供的永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括任意相數(shù)和模塊數(shù)的低壓永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)、模塊化繞組可控整流器、模塊化DC/AC高頻逆變器、磁集成高頻變壓器、高頻高壓可控整流器組成的永磁直流風(fēng)機(jī)，以及直流風(fēng)機(jī)集群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

永磁直流風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，各永磁直流風(fēng)機(jī)組件輸出高壓直流并聯(lián)，若干臺(tái)永磁直流風(fēng)機(jī)組件組成一條支路，多條支路場(chǎng)形成徑向匯聚拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并將末端并聯(lián)形成多回路環(huán)形結(jié)構(gòu)。各直流風(fēng)機(jī)獨(dú)立控制、直流電壓一致，避免了串聯(lián)直流風(fēng)機(jī)需要額外增加電氣耐壓等級(jí)的絕緣要求。任何一臺(tái)直流風(fēng)機(jī)發(fā)生故障可以從系統(tǒng)切除而不影響其它機(jī)組的運(yùn)行，增加了系統(tǒng)的可靠性。

每臺(tái)永磁直流風(fēng)機(jī)的框圖結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括模塊化低壓永磁發(fā)電機(jī)PMSG、各模塊單向可控整流器(單向可控整流器模塊)、各直流模塊DC/AC高頻逆變器(雙向逆變器模塊)、獨(dú)立磁路集成高頻變壓器(AC/AC磁集成高頻變壓器)、高頻高壓可控整流器(AC/DC高頻高壓整流器)。高壓與低壓電氣隔離，永磁同步發(fā)電機(jī)低壓絕緣材料厚度薄，可提高散熱效果。各直流支路獨(dú)立，磁集成高頻變壓器可以通過(guò)磁路截面積和線(xiàn)圈匝數(shù)兩方面形成高電壓比升壓。可控整流既可以實(shí)現(xiàn)功率控制，又能簡(jiǎn)化系統(tǒng)高壓側(cè)的控制。

綜上，本實(shí)施例針對(duì)直流風(fēng)機(jī)串并聯(lián)控制復(fù)雜，故障處理困難的缺陷，利用磁集成高頻變壓器和高頻高壓整流器解決了直流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高壓直流、多風(fēng)機(jī)集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和故障容錯(cuò)，避免了因直流風(fēng)機(jī)串聯(lián)引起的額外電氣絕緣問(wèn)題，克服了因風(fēng)速不同或故障引起的風(fēng)機(jī)功率分配和復(fù)雜的電壓穩(wěn)定控制。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。