海上大型直驅(qū)開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率變換器及其系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體設(shè)及海上風(fēng)電場(chǎng)大型直驅(qū)開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電 機(jī)功率變換器及其系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 相對(duì)陸地風(fēng)能，海上風(fēng)能的優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)速更高、風(fēng)力更持續(xù)，在我國(guó)，開(kāi)放性海域 的風(fēng)速平均比陸地風(fēng)速要高30% -40%，近海區(qū)域要高15% -20%，用于發(fā)電能夠多發(fā) 50% -70 %的電能。
[0003] 雖然人們對(duì)風(fēng)電的開(kāi)發(fā)已有五十年之久，但主要集中在陸地上，建設(shè)大型海上風(fēng) 電場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)比較缺乏；海上風(fēng)電的主要缺點(diǎn)是在海水中建設(shè)塔架和平臺(tái)（海上變電站）W 及發(fā)電機(jī)組安裝等成本頗高，維護(hù)運(yùn)行的成本也遠(yuǎn)高于陸地，從而對(duì)風(fēng)電機(jī)組及其電力傳 輸?shù)母咝?、穩(wěn)定、可靠要求更高，同時(shí)在變流、輸電等多項(xiàng)技術(shù)上也有著不同的特點(diǎn)和要求。
[0004] 鑒于海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)成本遠(yuǎn)高于陸地，降低成本在海上風(fēng)電發(fā)展初期就成為要面臨 的重要現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，雖然選用更大功率的發(fā)電機(jī)組能節(jié)省單位功率投資額，但風(fēng)電系統(tǒng)越來(lái) 越大的體積和重量使得安裝成本持續(xù)上升；簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)是一個(gè)方向，如采用直驅(qū)型的永磁同 步發(fā)電機(jī)組，省去了齒輪箱，但永磁同步發(fā)電機(jī)的制造工藝復(fù)雜，造價(jià)高，海上安裝成本更 高，同時(shí)隨著機(jī)組容量的不斷增大，配套的大功率變頻器價(jià)格昂貴更增加了其使用成本，高 性能的永磁材料的應(yīng)用也使得發(fā)電機(jī)本身的價(jià)格昂貴。
[0005] 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（Switched Reluctance Generator,簡(jiǎn)稱；SRG)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子 上無(wú)刷、無(wú)繞組、無(wú)永久磁體；其運(yùn)行時(shí)相當(dāng)于一個(gè)電流源，該樣在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，輸出端 電壓不會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，該非常適合于當(dāng)前主流的變速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)，可提高風(fēng) 能的利用效率；更重要的是它直接發(fā)出為直流電，適應(yīng)了當(dāng)前海上風(fēng)電W高效的直流方式 進(jìn)行電力傳輸趨勢(shì)的需要，省去了整流環(huán)節(jié)；由于該些特性，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可W在風(fēng)力直 接驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)較高的發(fā)電效率，從而省去了齒輪箱，使整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔、可靠， 該也正是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)；而在運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可控參數(shù)多，如開(kāi)關(guān) 角控制、電流斬波控制、PWM控制等，可方便的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略，靈活的控制輸出 直流電壓和電流，也大大降低了低電壓穿越的技術(shù)壓力；可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)引入海上風(fēng) 電，完全符合安裝困難、成本高、維護(hù)保養(yǎng)困難的海上風(fēng)電發(fā)展的需要，即高效率的實(shí)現(xiàn)風(fēng) 能的轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔化意味著更高的可靠性更少的維護(hù)W及更低的安裝成本和設(shè)備采購(gòu) 成本。
[0006] 關(guān)于大型開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用于大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的研究和實(shí)踐至今已有一些，其 中，專利；CN 102223034 B，大型直驅(qū)開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其機(jī)組系統(tǒng)，2013. 04. 10,提出 了一種內(nèi)外雙定子結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，提高了開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的功率密度，該是一個(gè) 重要的方向，即單位功率下的重量和體積減小，或者說(shuō)單位重量或體積下的功率增大，非常 適合于海上風(fēng)電發(fā)展的需要。
[0007] 國(guó)內(nèi)外研究表明，采用高壓直流化i曲-Voltage Direct化rrent，簡(jiǎn)稱；HVDC)的 方式傳輸電力對(duì)于海上風(fēng)電最為方便經(jīng)濟(jì)，但是，如果采用傳統(tǒng)的雙饋異步或者永磁同步 交流發(fā)電機(jī)，大多要通過(guò)每臺(tái)交流發(fā)電機(jī)組連接的交流變壓器先升壓至中壓，然后集中到 海上變電站轉(zhuǎn)換成直流輸送，由岸上變電站的逆變器逆變后連接交流電網(wǎng)；其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電 能需要經(jīng)過(guò)多次交流和直流之間的轉(zhuǎn)換；而開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)直接發(fā)出直流電，至少省去了 一個(gè)整流環(huán)節(jié)。
[000引如前所述，既然傳統(tǒng)海上風(fēng)電場(chǎng)海上變電站的存在增加了其成本，可否省去 海上變電站呢？該方面國(guó)內(nèi)外近年來(lái)也有諸多研究；l、Amir Parastar，化1-Ki Seok. High-Power-Density Power Conversion Systems for HVDC-Connected Offshore Wind Farms[J]. Journal of Power Electronics，2013,13巧）；737-745. 2、N. Holtsmark， 比J. Bahirat，M. Molinas，et al. An all-DC offshore wind farm with series-connected turbines ；An alternative to the classical parallel AC model. IEEE Trans. Ind. Electron, 2013,60巧）；242〇-2428. 3 Jhanh Hai Nguyen，Dong-Qioon Lee, Qian-Ki Kim. A Series-Connected Topology of a Diode Rectifier and a Voltage-Source Converter for an HVDC Transmission System[J]. I邸E TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2014,29(4)；1579-1584. 4、Etienne Veilleux，Peter W.Lehn.Interconnection of Direct-Drive Wind Turbines Using a Series-Connected DC Grid[J]. IEEE TRANSACTIONS SUSTAINABLE E肥RGY，2014,5(1) ;139-147. 5、李響，韓民曉.，海上風(fēng)電串聯(lián) 多端VSC-HVDC協(xié)調(diào)控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013,28巧）；42-48,57.等，它們聚焦于 直流風(fēng)電場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方面的研究和實(shí)踐，風(fēng)場(chǎng)所有機(jī)組串并聯(lián)后獲得直流高電壓 傳輸?shù)桨渡献冸娬?，但是，它們大多針?duì)永磁同步發(fā)電機(jī)。
[0009] 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)由于其直接輸出脈動(dòng)的直流電的特點(diǎn)，完全不同于其他主流風(fēng)力 發(fā)電機(jī)，所W其功率變換器部分亦多有不同，在開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率變換器的研究和實(shí)踐 方面，大多針對(duì)中小功率等級(jí)的功率變換器，但也具有一定的借鑒意義，目前開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電 機(jī)的功率變換器主電路大多采用不對(duì)稱半橋式結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所用電氣元件過(guò) 多，文獻(xiàn)；彭寒梅，易靈芝等.開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)他勵(lì)模式下的簡(jiǎn)易功率變換器控制[J].太 陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012, 33巧).提出了一種簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)的功率變換器主電路結(jié)構(gòu)，具有重要的實(shí)用價(jià) 值，但是，它只能任何瞬時(shí)保證一相繞組工作。
[0010] 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中分為勵(lì)磁和發(fā)電兩個(gè)階段，并且是分時(shí)進(jìn)行，勵(lì)磁方 式又分為他勵(lì)和自勵(lì)方式，鑒于提高勵(lì)磁電壓有利于提高后續(xù)續(xù)流發(fā)電時(shí)的繞組電流進(jìn)而 提高輸出功率，一改傳統(tǒng)的勵(lì)磁電壓不能在線調(diào)節(jié)的問(wèn)題，近年來(lái)出現(xiàn)了一些可W根據(jù)控 制系統(tǒng)需求在線調(diào)整勵(lì)磁輸入電壓的新型的功率變換器勵(lì)磁部分電路結(jié)構(gòu)，如；1、彭寒梅， 易靈芝等.基于Buck變換器的開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)新型勵(lì)磁模式[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，， 33(3). 2、段麗華.基于變發(fā)電電壓功率變換器的海上鉆井平臺(tái)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的 研究[J].船電技術(shù)，2012,32(2).有力的促進(jìn)了開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率變換器系統(tǒng)的發(fā)展； 但是，他們普遍針對(duì)中小功率的場(chǎng)合下。
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