一种内置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，涉及一种内置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，提供了一种内置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，本发明所述的内置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.定子套接于所述转子上，所述转子包括转子铁心，所述转子铁心的外壁缠绕有鼠笼绕组，所述转子铁心内设置有第一永磁体及第二永磁体；
8.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。
9.第一永磁体与第二永磁体的极性相反。
10.所述第一永磁体及第二永磁体均采用w型结构。
11.所述第一永磁体及第二永磁体均由四块永磁块组成。
12.本发明所述内置式旋转型电能变换装置的工作方法包括以下步骤：
13.1)将定子原边绕组接入分频电网，利用鼠笼绕组将转子驱动至同步转速；
14.2)鼠笼绕组提供的转矩下降后，转子在第一永磁体、第二永磁体及定子原边绕组的作用下达到同步速；
15.3)观测定子副边绕组的电势相位，通过接入电抗器调整定子副边绕组的电势相位，使得定子副边绕组的电势相位与工频电网保持一致，再将定子副边绕组接入工频电网，
进入稳态工作；
16.步骤3)中应用自整步法将定子副边绕组接入工频电网。
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、分频电网以及权利要求所述的内置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.本发明所述的内置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，所述转子铁心的外壁缠绕有鼠笼绕组，可以辅助装置进行异步启动，并且在同步运行时起到阻尼绕组的作用，有利于提高运行稳定，转子铁心在第一永磁体及第二永磁体直轴方向去除了部分转子齿，有利于减重和优化磁路，在工作时，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，通过第一永磁体及第二永磁体作用于转子上，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，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为本发明的内置式旋转型电能变换装置1000的结构示意图；
23.图2为本发明内置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为本发明的内置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势仿真结果图；
25.图4为本发明的内置式旋转型电能变换装置1000并网启动过程流程图。
26.其中，1000为内置式旋转型电能变换装置、100为转子、200为定子、11为第一永磁体、12为转子铁心、13为鼠笼绕组、14为第二永磁体、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
27.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。
28.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。
29.参考图1，本发明所述的内置式旋转型电能变换装置包括定子200及转子100；
30.定子200套接于所述转子100上，所述转子100包括转子铁心12，所述转子铁心12的外壁缠绕有鼠笼绕组13，可以辅助装置进行异步启动，并且在同步运行时起到阻尼绕组的作用，有利于提高运行稳定，所述转子铁心12内设置有第一永磁体11及第二永磁体14，其中，所述第一永磁体11及第二永磁体14分别位于转子铁心12的两侧，且第一永磁体11与第二永磁体14的极性相反，具体的，所述第一永磁体11及第二永磁体14均采用w型结构，且均由四块永磁块组成，通过该特殊结构，可以在气隙中同时产生基波和三次谐波气隙磁场，转子铁心12在第一永磁体11及第二永磁体14直轴方向去除了部分转子齿，有利于减重和优化磁路。
31.本实施例中，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.如图3所示，在负载情况下，原副边绕组电势正弦度好，输出波形质量较高。
33.参考图2，本发明所述的海上分频输电电网结构包括分频电网、内置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与内置式旋转型电能变换装置1000中定子副边绕组23相连接；分频电网与内置式旋转型电能变换装置1000中定子原边绕组22相连接。
34.其中，内置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。
35.参考图4，本发明所述的内置式旋转型电能变换装置1000的工作方法包括以下步骤：
36.1)将定子原边绕组22接入分频电网，利用鼠笼绕组13将转子100驱动至同步转速；
37.2)鼠笼绕组13提供的转矩下降后，转子100在第一永磁体11、第二永磁体14及定子原边绕组22的作用下达到同步速；
38.3)观测定子副边绕组23的电势相位，通过接入电抗器调整定子副边绕组23的电势相位，使得定子副边绕组23的电势相位与工频电网2000保持一致，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。
39.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。
40.需要说明的是，本发明所示内置式旋转型电能变换装置1000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。
41.应用本发明，可以基于电机能量转换工作原理，实现了电能到机械能再到电能的变频能量转换，解决了分频输电系统的电网互联问题，实现可控联网和功率交换，在确保电网稳定的条件下，提高海上分频输电变频换流的效率及稳定性。
42.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种内置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套接于所述转子(100)上，所述转子(100)包括转子铁心(12)，所述转子铁心(12)的外壁缠绕有鼠笼绕组(13)，所述转子铁心(12)内设置有第一永磁体(11)及第二永磁体(14)；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所述的内置式旋转型电能变换装置，其特征在于，第一永磁体(11)与第二永磁体(14)的极性相反。3.根据权利要求2所述的内置式旋转型电能变换装置，其特征在于，所述第一永磁体(11)及第二永磁体(14)均采用w型结构。4.根据权利要求2所述的内置式旋转型电能变换装置，其特征在于，所述第一永磁体(11)及第二永磁体(14)均由四块永磁块组成。5.一种权利要求1所述内置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)将定子原边绕组(22)接入分频电网，利用鼠笼绕组(13)将转子(100)驱动至同步转速；2)鼠笼绕组(13)提供的转矩下降后，转子(100)在第一永磁体(11)、第二永磁体(14)及定子原边绕组(22)的作用下达到同步速；3)观测定子副边绕组(23)的电势相位，通过接入电抗器调整定子副边绕组(23)的电势相位，使得定子副边绕组(23)的电势相位与工频电网(2000)保持一致，再将定子副边绕组(23)接入工频电网(2000)，进入稳态工作。6.根据权利要求5所述的内置式旋转型电能变换装置的工作方法，其特征在于，步骤3)中应用自整步法将定子副边绕组(23)接入工频电网(2000)。7.根据权利要求5所述的内置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所述的内置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
本发明公开了一种内置式旋转型电能变换装置及其工作方法和电网结构，设置于工频电网与分频电网之间，包括定子及转子；定子套接于所述转子上，所述转子包括转子铁心，所述转子铁心的外壁缠绕有鼠笼绕组，所述转子铁心内设置有第一永磁体及第二永磁体；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。较高的特点。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：2023/7/27