[實用新型]開關磁阻風力發電機直流輸出Sepic升降壓型電能變換系統

有效

• 申請號: 201420778298.4
• 申請日: 2014-12-11
• 公開（公告）號: CN204258687U
• 公開（公告）日: 2015-04-08
• 發明（設計）人: 孫冠群
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: H02P9/00
• 分類號: H02P9/00;H02P9/02;H02M3/10;H02P101/15;H02P103/00
• 代理公司: 暫無信息
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技術領域

本發明涉及風力發電領域，尤其是海上風力發電領域，具體涉及采用直接輸出直流電能的開關磁阻發電機(Switched?Reluctance?Generator，簡稱：SRG)為風力發電機，開關磁阻發電機直流輸出接口端采用Sepic升降壓型斬波電路的系統。

背景技術

清潔、綠色、環保為標志的風力發電是多年來國內外重點發展的可再生能源發電形式。

我國陸地風電開發已經比較成熟，海上風電剛剛起步，但技術上有別于陸地風電；歐洲的開發經驗告訴我們，海上風電大有可為！

海上風能相對陸地來說，風速更高更穩定，開發價值更高；目前我國已啟動海上風電場的規劃和建設，預期未來海上風電的開發將成為風能利用的主要方向。

但是，海上風電技術上更復雜，成本更高，目前大多需要在海上建設海上變電站，并與岸上變電站連接；特別是，不同于陸地風電，海上風電利用高壓直流傳輸成為發展和應用趨勢，效果極佳。

目前風電機組主要以雙饋型異步風力發電機組和直驅全功率變換型永磁同步風力發電機組為主；雙饋型異步風力發電機組有較好的性價比，但對電網故障的穿越能力和支撐能力較弱，它的傳動鏈必須要有大型齒輪箱，這對機組的可靠性和可維護性提出了更苛刻的要求；直驅全功率變換型永磁同步風力發電機組通過變頻器并網，對電網故障的穿越能力較強，有一定的支撐電網能力，避免了齒輪箱的維護工作量，可靠性有所提高，但由于其轉速很低，隨著功率的增大，多極數永磁同步發電機的制造工藝復雜，技術難度大，電機體積大，造價高，海上安裝成本更高，同時隨著機組容量的不斷增大，配套的變頻器價格昂貴更增加了其使用成本。

開關磁阻發電機結構簡單，轉子上無刷、無繞組、無永久磁體；其運行時相當于一個電流源，這樣在一定轉速范圍內，輸出端電壓不會隨著轉速的變化而變化，這非常適合于當前主流的變速運行的風力機，可提高風能的利用效率；更重要的是它直接發出為直流電，適應了當前海上風電以高效的直流方式進行電力傳輸趨勢的需要，省去了整流環節；由于這些特性，開關磁阻發電機可以在風力直接驅動下實現較高的發電效率，從而省去了齒輪箱，使整個發電系統結構更加簡潔、可靠，這也正是風力發電系統的發展趨勢；而在運行過程中，開關磁阻發電機可控參數多，如開通角、關斷角控制，電流斬波控制等，可方便的實現比較復雜的控制策略，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壓力；可見，開關磁阻發電機引入海上風電，完全符合安裝困難、成本高、維護保養困難的海上風電發展的需要，即高效率實現風能的轉換，結構的簡潔化意味著更高的可靠性更少的維護以及更低的安裝成本和設備采購成本。

近年來，關于開關磁阻發電機用于風力發電的研究和實踐也有一些，重點在：高功率密度開關磁阻發電機、開關磁阻風力發電最大功率跟蹤控制方法、以及開關磁阻發電機用于風力發電工況下的控制器設計等；但是，就開關磁阻發電機系統直流輸出變換的研究或實踐很少。

國內外研究表明，采用高壓直流(High-Voltage?Direct?Current，簡稱：HVDC)的方式傳輸電力對于海上風電最為方便經濟，而電壓源型變流器(Voltage?Source?Converter，簡稱：VSC)的HVDC(VSC-HVDC)以其控制靈活，體積小、具備黑啟動能力等特點，特別適合被應用于海上風電場與電網的連接；現有利用HVDC與電網連接的風場都采用在海上建立一個變電站的方式，因目前的海上發電機全部為交流發電機，要通過每臺交流發電機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；其結構復雜，電能需要經過多次交流和直流之間的轉換。

有些研究則考慮到風電機組本身的結構特點，可以在一次變流后直接組成直流網絡，由直流并聯網絡將電能集中到海上直流升壓變電站，然后由直流傳輸到岸上變電站，最后再逆變連接交流電網，這樣就降低了系統復雜度，但僅僅是省去了升壓變壓器。

進一步研究表明，直接串聯連接經過電能變換為直流的各風電機組則更加經濟，可無需升壓變壓器和海上變電站，多個低壓風電機組直接串聯后成為所需的高壓直流，然后直接通過海底直流電纜傳輸到陸地變電站，此種方式目前已成為海上風電場電能匯聚的研究熱點。

發明內容

根據以上的背景技術，本實用新型結合風電場尤其是海上風電場，針對直流串聯型風場結構，提出采用開關磁阻發電機作為風力發電機的單機輸出電能的簡單易行的Sepic升降壓型變換系統。

本實用新型的技術方案為：