一種用于風力發電機的高溫超導直流母線的變流器的制作方法

本發明涉及一種風力發電機的變流器，尤其是涉及了一種用于風力發電機的高溫超導直流母線的變流器。

背景技術：

在大容量風力發電機組系統中，由于全功率變流器具有非常好的可控性，得到了廣泛應用。如圖1所示為這樣的風力發電系統的簡圖。風力發電機經過變流器將隨風變動的頻率變換為工頻，然后將電能輸送到變壓器，升壓后送到電網。

大容量風力發電機都是安裝在很高的塔架上。而塔架上的空間非常有限，所以更為經濟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。這樣發電機到變壓器之間的電纜很長，存在嚴重的缺陷，電纜需要穿過整個塔架，會產生很大的損耗，從而降低了風機的產出。

技術實現要素：

為克服現有技術中的塔架內傳輸電纜高損耗的問題，本發明提供了一種用于風力發電機的高溫超導直流母線的變流器，該技術方案能有效降低電纜的傳輸損耗。

本發明采用的技術方案是：

本發明包括整流器、逆變器和超導電纜，整流器的交流端與風力發電機的輸出端連接，整流器的直流端與逆變器的直流端通過超導電纜相連，以超導電纜作為直流母線實現低損耗長距離的能量傳輸，逆變器的交流端與變壓器連接，經變壓器輸出電能。

所述變流器采用多整流器架構或者多逆變器架構或者上述兩者的結合。

對于多整流器架構，包括多個并聯的整流器，兩根超導電纜連接到多個整流器并聯后的兩端。

對于多逆變器架構，包括多個并聯的逆變器，兩根超導電纜連接到多個逆變器并聯后的兩端。

對于多整流器和多逆變器結合的架構，包括并聯的多個整流器和并聯的多個逆變器，兩根超導電纜一端分別連接到多個整流器并聯后的兩端，兩根超導電纜另一端分別連接到多個逆變器并聯后的兩端。

所述的整流器置于風機塔架頂部的機艙中，所述的逆變器和變壓器置于風機塔架底部，所述超導電纜置于風機塔架內部的密封冷卻裝置中，密封冷卻裝置內通入冷卻介質維持超導電纜的低溫和超導狀態。

所述的冷卻介質可采用液氮。

所述的風力發電機為超導發電機，超導發電機內的線圈置于超導冷卻裝置中。

所述的超導電纜的密封冷卻裝置和超導發電機的超導冷卻裝置共用同一個冷卻制冷系統。

所述的風力發電機的轉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定子槽，定子槽中置有超導線圈，超導線圈置于冷卻裝置中，冷卻裝置中通入冷卻介質以維持超導線圈的低溫和超導狀態。

本發明的有益效果是：

本發明以超導電纜作為直流母線實現低損耗長距離的能量傳輸，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的位置，適用于大型風力發電機組，特別適合于具有超導發電機的風力發電系統。發電機中的超導線圈和變流器超導直流母線可以共用制冷系統，同時實現發電機繞組的低損耗和塔架中的電纜傳輸損耗。

附圖說明

圖1是傳統發電系統結構圖。

圖2是傳統風力發電系統結構圖。

圖3是本發明風力發電系統的例子圖。

圖4是本發明的一種實施例子。

圖5是本發明的另一種實施例子。

圖6是本發明風力發電機結構實例圖。

圖7是風力發電機內的超導線圈結構圖。

圖中：風力發電機10，變流器11，風機機艙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，超導電纜16-1，超導電纜16-2，定子鐵芯1、定子槽2、超導線圈3、超導冷卻裝置4和定子外殼5。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

現有技術中，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，圖中風力發電機10為直驅風力發電機，發電機10的轉子由葉片驅動，機械能由風力發電機轉換為電能后，輸送到變流器11。風機葉片的轉速隨風速而變化，所以發電機10的轉速也隨風速變化，發電機的輸出電能頻率也隨風速變化，變流器11將頻率變化的電能轉換為固定頻率的電能，再輸送到變壓器14。經過變壓器14的升壓，輸送到電網。風機機艙12在塔架13的頂部，其空間非常寶貴，內部需要放置很多必備的設備，同時還需要留出設備維護人員的工作空間。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，從而可以進一步節省機艙12的空間。

因此現有技術中的方案中，發電機到變壓器之間的電纜很長，其中電纜15-1、15-2和15-3需要穿過整個塔架，會產生很大的損耗，從而降低了風機的產出，存在嚴重的缺陷。

本發明采用技術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和超導電纜16-1、16-2在內的變換結構，整流器11-1的交流端與風力發電機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，經變壓器14輸出電能。

如圖4所示，發電機的電能首先輸送到整流器，變成直流后通過超導電纜輸送到遠方的逆變器，變換成工頻，再經過變壓器送到電網。如圖3所示，這樣的系統架構能將整流器11-1放置在離發電機最近的位置，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，中間的長距離傳輸通過超導電纜16-1和16-2，從而有效降低塔架中的傳輸損耗。

實施例1

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

整流器11-1置于風機塔架13頂部的機艙12中，逆變器11-2和變壓器14置于風機塔架13底部，超導電纜16-1、16-2置于風機塔架13內部的密封冷卻裝置中，密封冷卻裝置內通入冷卻介質維持超導電纜的低溫和超導狀態。

圖6給出了一種風力發電機的例子。這是一臺內轉子架構的超導和永磁混合的風力發電機。轉子轉軸6上分布放置交替極性的永磁磁極7。永磁磁極提供勵磁可以免除勵磁的損耗。發電機轉子的外側是發電機的定子，定子由定子鐵芯1、定子槽2、超導線圈3、超導冷卻裝置4和定子外殼5組成。定子鐵芯1上分布有數個定子槽2，定子槽2中安裝超導線圈3，為了維持超導材料的超導狀態，需要冷卻系統維持其低溫狀態。如圖7所示，超導材料3放置在密封的超導冷卻裝置4中，超導冷卻裝置4中通入冷卻介質，如液氮，帶走超導線圈的損耗，維持其低溫。上述的密封冷卻裝置和超導冷卻裝置4共用一個冷卻制冷系統。

發電機轉子和定子間有一層氣隙，轉子永磁磁極7產生勵磁磁場，勵磁磁場穿過氣隙進入定子鐵芯，然后從定子鐵芯周向上的另一位置再次穿過氣隙回到轉子側，所以勵磁磁場與定子超導線圈3形成交鏈。發電機由風機葉片推動旋轉，所以永磁磁極產生的勵磁磁場也隨之旋轉，形成超導線圈中的交變磁鏈。這個交變磁鏈就可以形成反電動勢，給電網提供電能。

本發明具體實施的風力發電機可以有多種形式，結合圖6的超導發電機后，因為發電機超導線圈和變流器直流母線超導電纜可以共用制冷系統，優勢更加明顯。

實施例2

實施例2和實施例1的區別是在于變流器采用多逆變器架構或者多整流器架構，包括多個并聯的逆變器11-2或者整流器11-1，兩根超導電纜16-1、16-2連接到多個逆變器11-2或者多個整流器11-1并聯后的兩端，多整流器架構如圖5所示。

實施例3

實施例3和實施例1的區別是在于變流器采用多整流器和多逆變器結合的架構，包括并聯的多個整流器11-1和并聯的多個逆變器11-2，兩根超導電纜16-1、16-2一端分別連接到多個整流器11-1并聯后的兩端，兩根超導電纜16-1、16-2另一端分別連接到多個逆變器11-2并聯后的兩端。

上述具體實施方式用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。