轴向磁通式旋转型电能变换装置及其工作方法和电网结构

1.本发明属于变压变频器技术领域，涉及一种轴向磁通式旋转型电能变换装置及其工作方法和电网结构。


背景技术：

2.近年来，海上风力发电发展十分迅速，海上风机的比重逐年增加，作为海上风电发展的重要一环，海上风电并网与输送方案一直有着多种形态，包括高压交流技术、高压直流技术以及分频输电等。不同输电方案，适用于不同输电距离、不同规模的风电场。
3.分频输电技术是由王锡凡院士于上世纪末提出的，其通过降低电网频率来提高输电线路的容量，进而提高技术和经济性能。随着相关研究不断进行，一批分频输电试验项目也逐步落地，分频输电也被认为是解决未来海上风电并网传输问题的一种很有前途的方案，成为海上输电领域的重要研究对象。
4.分频输电技术的实现关键是变频设备，其中旋转式电能变换装置是变频设备的一条重要新兴技术路线。但目前的旋转式电能变换装置均为双定子、双气隙结构，转子轭部尺寸受限容易产生饱和，同时内定子上放置绕组的结构不利于散热，难以进一步提高绕组电流密度，这都使得旋转式电能变换装置的功率密度和效率不能进一步提高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种轴向磁通式旋转型电能变换装置及其工作方法和电网结构，该装置、方法及结构具有功率密度及效率较高的特点。
6.为达到上述目的，本发明所述的轴向磁通式旋转型电能变换装置，设置于工频电网与分频电网之间，包括定子及转子；
7.定子位于转子的上方，且转子包括转子铁心以及设置于定子铁心上的转子永磁体，所述转子永磁体正对所述定子，所述定子包括定子铁心以及缠绕于所述定子铁心上定子槽内的定子原边绕组及定子副边绕组，其中，定子原边绕组与定子副边绕组有间隙，所述定子原边绕组与分频电网相连接，定子副边绕组与工频电网相连接。
8.转子永磁体通过粘结剂和保护套固定在转子铁心表面。
9.所述转子永磁体的轴向厚度函数为hm(θ)＝h1sin(θ)+h3sin(3θ)，满足1/3≤h3/h1≤1。
10.定子原绕组及定子副边绕组的极对数和频率的变换关系为
11.本发明所述轴向磁通式旋转型电能变换装置的工作方法包括以下步骤：
12.1)利用辅助设备将转子驱动到同步转速；
13.2)通过自整步法将定子原边绕组接入分频电网；
14.3)断开辅助设备与旋转式电能变换装置的连接，使得转子由分频电网驱动；
15.4)观测定子副边绕组的电势相位，应用自整步法将定子副边绕组接入工频电网。
16.辅助设备为逆变器或者辅助电动机。
17.定子原边绕组和定子副边绕组产生转速相同、转向一致的旋转磁场，对转子施加方向相反、转矩大小相等的电磁转矩，转子受到的电磁转矩和为0，转子上无功率输出。
18.本发明所述的海上分频输电电网结构包括海上分频电网、海上变压器、海上风机、海上交直交变频设备、工频电网、分频电网以及轴向磁通式旋转型电能变换装置；
19.工频电网与定子副边绕组相连接，定子原边绕组经海上变压器与分频电网的总线相连接，海上风机经海上交直交变频设备与分频电网的总线相连接。
20.本发明具有以下有益效果：
21.本发明所述的轴向磁通式旋转型电能变换装置及其工作方法和电网结构在具体操作时，定子位于转子的上方，且转子包括转子铁心以及设置于定子铁心上的转子永磁体，所述转子永磁体正对所述定子，定子包括定子铁心以及缠绕于所述定子铁心上定子槽内的定子原边绕组及定子副边绕组，所述定子原边绕组与分频电网相连接，定子副边绕组与工频电网相连接，在工作时，采用轴向磁通的方式，将定子原边绕组输入的电磁功率输入到转子，再经转子输出全部输出至定子副边绕组，转子受到的电磁转矩和为0，转子上无功率输出，相当于转子全部输出至定子副边绕组，功率密度及效率较高。
附图说明
22.图1为本发明的轴向磁通式旋转型电能变换装置1000的结构示意图；
23.图2为本发明轴向磁通式旋转型电能变换装置1000应用于分频输电电网的示意图；
24.图3为本发明的轴向磁通式旋转型电能变换装置1000的转子永磁体11示意图；
25.图4为本发明的轴向磁通式旋转型电能变换装置1000负载稳定运行下原副边绕组三相电动势仿真结果；
26.图5为本发明轴向磁通式旋转型电能变换装置1000并网启动过程流程图；
27.其中，1000为轴向磁通式旋转型电能变换装置、100为转子、200为定子、11为转子永磁体、12为转子铁心、21为定子铁心、22为定子原边绕组、23为定子副边绕组、2000为工频电网、3000为海底分频电缆、4000为海上变压器、5000为总线、6000为海上交直交变频设备、7000为海上风机、8000为海陆分界线。
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
29.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造
公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
30.参考图1，本发明所述的轴向磁通式旋转型电能变换装置包括定子200及转子100；
31.定子200位于转子100的上方，且转子100包括转子铁心12以及设置于定子铁心21上的转子永磁体11，所述转子永磁体11正对所述定子200，通过转子永磁体11在气隙中同时产生基波和三次谐波气隙磁场；所述定子200包括定子铁心21以及缠绕于所述定子铁心21上定子槽内的定子原边绕组22及定子副边绕组23，其中，所述定子原边绕组22及定子副边绕组23共用所有定子槽，且定子原边绕组22与定子副边绕组23的极对数之比为1:3，同时所述定子原边绕组22位于定子槽的内侧，定子原边绕组22与基波气隙磁场耦合，定子副边绕组23与三次谐波气隙磁场耦合，定子原边绕组22与分频电网相连，定子副边绕组23和工频电网2000相连。依据旋转电机理论，向定子原边绕组22输入电磁功率到转子100，转子100再全部输出到定子副边绕组23，实现在不同频率电网间进行能量传递的目的。
32.本实施例中，转子永磁体11通过粘结剂和保护套固定在转子铁心12表面。
33.本发明提出转子永磁体11特殊的形状设计如图3所示，所述转子永磁体11的轴向厚度函数为hm(θ)＝h1sin(θ)+h3sin(3θ)，满足1/3≤h3/h1≤1，可以在气隙中同时产生基波和三次谐波气隙磁场。
34.如图4所示，在负载情况下，定子原副边绕组的电势正弦度好，输出波形质量较高。
35.根据本发明的旋转式电能变换装置，定子原副边绕组的极对数和频率的变换关系为通过更改原副边绕组的极对数比值，可以设计得到不同的变频比的旋转式电能变换装置。
36.参考图2，本发明所述的海上分频输电电网结构包括分频电网、轴向磁通式旋转型电能变换装置1000及工频电网2000，其中，所述工频电网2000与轴向磁通式旋转型电能变换装置1000中定子副边绕组23相连接；分频电网与轴向磁通式旋转型电能变换装置1000中定子原边绕组22相连接。
37.其中，轴向磁通式旋转型电能变换装置1000中的定子原边绕组22依次经海底分频电缆3000、海上变压器4000与海上分频电网的总线5000相连接，海上风机7000经海上交直交变频设备6000与海上分频电网的总线5000相连接。
38.参考图5，本发明所述的轴向磁通式旋转型电能变换装置1000的工作方法包括以下步骤：
39.1)利用逆变器或者辅助电动机将旋转式电能变换装置的转子100驱动到同步转速；
40.2)通过自整步法将定子原边绕组22接入分频电网；
41.3)断开逆变器或辅助电动机与旋转式电能变换装置的连接，使得转子100由分频电网驱动；
42.4)观测定子副边绕组23的电势相位，应用自整步法将定子副边绕组23接入工频电网2000，进入稳态工作。
43.基于以上，定子原边绕组22和定子副边绕组23产生转速相同、转向一致的旋转磁场，对转子100施加方向相反、转矩大小相等的电磁转矩，转子100受到的电磁转矩和为0，转
子100上无功率输出，系统等效于定子原边绕组22输入电磁功率到转子100，转子100全部输出至定子副边绕组23，通过旋转电机的方式实现在不同频率电网间进行能量传递的目的。
44.本发明所示旋转式电能变换装置依据旋转电机理论设计，将电磁功率由一侧定子绕组输入到转子100，再全部输出到另一侧定子绕组，通过控制工频电网2000侧和三分频电网侧定子绕组的极对数之比为3，可以实现三倍频或三分频变化；通过控制设计内外定子绕组的匝数可以确定该变压器三倍频电能变换装置的额定功率和变比，实现变压变频功能。
45.需要说明的是，本发明所述轴向磁通式旋转型电能变换装置1000结构得到进一步简化，装置稳定性好，对风电场和主网进行隔离，可以有效抑制输入主网的谐波含量；永磁同步电机设计制造技术成熟，工艺先进，效率较高，可靠性好。本发明在包括但不限于各种类型的分频输电系统、区域电网互联等应用场合将具有广泛的应用前景。相关制造工艺成熟，能有效实现变频变压的功能，在各种类型的分频输电系统、区域电网互联等应用场合将具有广泛的应用前景。
46.以上实施例仅表达了本发明的较佳实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
47.应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

技术特征：
1.一种轴向磁通式旋转型电能变换装置，设置于工频电网(2000)与分频电网之间，其特征在于，包括定子(200)及转子(100)；定子(200)位于转子(100)的上方，且转子(100)包括转子铁心(12)以及设置于定子铁心(21)上的转子永磁体(11)，所述转子永磁体(11)正对所述定子(200)，所述定子(200)包括定子铁心(21)以及缠绕于所述定子铁心(21)上定子槽内的定子原边绕组(22)及定子副边绕组(23)，其中，定子原边绕组(22)与定子副边绕组(23)有间隙，所述定子原边绕组(22)与分频电网相连接，定子副边绕组(23)与工频电网(2000)相连接。2.根据权利要求1所述的轴向磁通式旋转型电能变换装置，其特征在于，转子永磁体(11)通过粘结剂和保护套固定在转子铁心(12)表面。3.根据权利要求2所述的轴向磁通式旋转型电能变换装置，其特征在于，所述转子永磁体(11)的轴向厚度函数为h
m
(θ)＝h1sin(θ)+h3sin(3θ)，满足1/3≤h3/h1≤1。4.根据权利要求2所述的轴向磁通式旋转型电能变换装置，其特征在于，定子原绕组及定子副边绕组(23)的极对数和频率的变换关系为5.一种权利要求1所述轴向磁通式旋转型电能变换装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用辅助设备将转子(100)驱动到同步转速；2)通过自整步法将定子原边绕组(22)接入分频电网；3)断开辅助设备与旋转式电能变换装置的连接，使得转子(100)由分频电网驱动；4)观测定子副边绕组(23)的电势相位，应用自整步法将定子副边绕组(23)接入工频电网(2000)。6.根据权利要求5所述的轴向磁通式旋转型电能变换装置的工作方法，其特征在于，辅助设备为逆变器或者辅助电动机。7.根据权利要求5所述的轴向磁通式旋转型电能变换装置的工作方法，其特征在于，定子原边绕组(22)和定子副边绕组(23)产生转速相同、转向一致的旋转磁场，对转子(100)施加方向相反、转矩大小相等的电磁转矩，转子(100)受到的电磁转矩和为0，转子(100)上无功率输出。8.一种海上分频输电电网结构，其特征在于，包括海上分频电网、海上变压器(4000)、海上风机(7000)、海上交直交变频设备(6000)、工频电网(2000)、分频电网以及权利要求1所述的轴向磁通式旋转型电能变换装置(1000)；工频电网(2000)与定子副边绕组(23)相连接，定子原边绕组(22)经海上变压器(4000)与分频电网的总线(5000)相连接，海上风机(7000)经海上交直交变频设备(6000)与分频电网的总线(5000)相连接。

技术总结
本发明公开了一种轴向磁通式旋转型电能变换装置及其工作方法和电网结构，所述轴向磁通式旋转型电能变换装置，设置于工频电网与分频电网之间，包括定子及转子；定子位于转子的上方，且转子包括转子铁心以及设置于定子铁心上的转子永磁体，所述转子永磁体正对所述定子，所述定子包括定子铁心以及缠绕于所述定子铁心上定子槽内的定子原边绕组及定子副边绕组，其中，定子原边绕组与定子副边绕组有间隙，所述定子原边绕组与分频电网相连接，定子副边绕组与工频电网相连接，该装置、方法及结构具有功率密度及效率较高的特点。有功率密度及效率较高的特点。有功率密度及效率较高的特点。


技术研发人员：贾少锋 刘禹良 梁得亮 王秀丽 王曙鸿 王锡凡
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/7/22