[发明专利]海上大型直驱开关磁阻风力发电机功率变换器及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及海上风力发电领域，具体涉及海上风电场大型直驱开关磁阻风力发电机功率变换器及其系统。

背景技术

相对陆地风能，海上风能的优点是风速更高、风力更持续，在我国，开放性海域的风速平均比陆地风速要高30％-40％，近海区域要高15％-20％，用于发电能够多发50％-70％的电能。

虽然人们对风电的开发已有五十年之久，但主要集中在陆地上，建设大型海上风电场的经验比较缺乏；海上风电的主要缺点是在海水中建设塔架和平台(海上变电站)以及发电机组安装等成本颇高，维护运行的成本也远高于陆地，从而对风电机组及其电力传输的高效、稳定、可靠要求更高，同时在变流、输电等多项技术上也有着不同的特点和要求。

鉴于海上风电开发成本远高于陆地，降低成本在海上风电发展初期就成为要面临的重要现实问题，虽然选用更大功率的发电机组能节省单位功率投资额，但风电系统越来越大的体积和重量使得安装成本持续上升；简化结构是一个方向，如采用直驱型的永磁同步发电机组，省去了齿轮箱，但永磁同步发电机的制造工艺复杂，造价高，海上安装成本更高，同时随着机组容量的不断增大，配套的大功率变频器价格昂贵更增加了其使用成本，高性能的永磁材料的应用也使得发电机本身的价格昂贵。

开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator，简称：SRG)结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体；其运行时相当于一个电流源，这样在一定转速范围内，输出端电压不会随着转速的变化而变化，这非常适合于当前主流的变速运行的风力机，可提高风能的利用效率；更重要的是它直接发出为直流电，适应了当前海上风电以高效的直流方式进行电力传输趋势的需要，省去了整流环节；由于这些特性，开关磁阻发电机可以在风力直接驱动下实现较高的发电效率，从而省去了齿轮箱，使整个发电系统结构更加简洁、可靠，这也正是风力发电系统的发展趋势；而在运行过程中，开关磁阻发电机可控参数多，如开关角控制、电流斩波控制、PWM控制等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流，也大大降低了低电压穿越的技术压力；可见，开关磁阻发电机引入海上风电，完全符合安装困难、成本高、维护保养困难的海上风电发展的需要，即高效率的实现风能的转换，结构的简洁化意味着更高的可靠性更少的维护以及更低的安装成本和设备采购成本。

关于大型开关磁阻发电机用于大型风力发电场的研究和实践至今已有一些，其中，专利：CN102223034B，大型直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统，2013.04.10，提出了一种内外双定子结构的开关磁阻发电机，提高了开关磁阻发电机的功率密度，这是一个重要的方向，即单位功率下的重量和体积减小，或者说单位重量或体积下的功率增大，非常适合于海上风电发展的需要。

国内外研究表明，采用高压直流(High-Voltage Direct Current，简称：HVDC)的方式传输电力对于海上风电最为方便经济，但是，如果采用传统的双馈异步或者永磁同步交流发电机，大多要通过每台交流发电机组连接的交流变压器先升压至中压，然后集中到海上变电站转换成直流输送，由岸上变电站的逆变器逆变后连接交流电网；其结构复杂，电能需要经过多次交流和直流之间的转换；而开关磁阻发电机直接发出直流电，至少省去了一个整流环节。