适合高压直流输电的发电系统
阅读说明：本技术 适合高压直流输电的发电系统 (Power generation system suitable for high-voltage direct-current transmission ) 是由 范文童 范家闩 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明提出的适合高压直流输电的发电系统,具有成本低、体积小、效率高等优点,特别适合在采用高压直流方式输电的场合,比如海上风力发电场、远离负荷中心的火电厂或核电厂、大型水电站等,作为现有技术的工频发电机的替代,以实现提升效率、降低成本、减小体积等目的。本发明的发电系统如此工作：通过配置发电机转子励磁极对数(比如20对以上)、发电机定子电枢的位置和形状、调整励磁电流的频率,使得发电机的输出电压波形为方波或者梯形波,频率大于1000赫兹。该高频交流电通过高频变压器变压,再整流后,形成直流高压,连接到高压直流输电线路上。(The power generation system suitable for high-voltage direct-current power transmission has the advantages of low cost, small size, high efficiency and the like, and is particularly suitable for occasions adopting a high-voltage direct-current power transmission mode, such as an offshore wind power generation field, a thermal power plant or a nuclear power plant far away from a load center, a large hydropower station and the like, and the power generation system is used as a substitute for a power frequency generator in the prior art to achieve the purposes of improving the efficiency, reducing the cost, reducing the size and the like. The power generation system of the present invention operates as follows: the output voltage waveform of the generator is a square wave or a trapezoidal wave by configuring the number of pairs of excitation pole pairs (for example, more than 20 pairs) of the rotor of the generator, the position and the shape of the armature of the stator of the generator and adjusting the frequency of the excitation current, wherein the frequency is more than 1000 hertz. The high-frequency alternating current is transformed by a high-frequency transformer and then rectified to form direct current high voltage which is connected to a high-voltage direct current transmission line.)
技术领域
本发明涉及一种发电系统，尤其涉及一种针对高压直流输电而进行适配性优化的发电系统，也就是：适合高压直流输电的发电系统。
背景技术
为方便叙述，先将部分符号、单位、简称等含义简单说明如下：
Hz(赫兹)，kHz(千赫兹)，频率单位；kg(千克)，重量单位；W(瓦)，kW(千瓦)，功率单位；m3(立方米)，dm3(立方分米)，体积单位；T(特斯拉)，mT(毫特)，磁感应强度单位；π(圆周率，数值约为3.14)；f(工作频率)；N(绕组匝数)；B(工作磁感应强度，简称磁感)；S(磁芯截面积)；工频(即当前交流电网的工作频率，中国用50Hz，有些国家用60Hz)；铁损(导磁材料在交变磁场中的损耗，因导磁材料常常含铁磁元素而得名)；铜损(电流通过导线电阻导致的损耗，因导线常常使用铜质导体而得名)；高频，是相对于中频400赫兹而言的，此处为不小于1千赫兹的频率。
除了为防止歧义和有不同的表征外，后续将直接使用上述符号、单位和简称，不再给出详细的中文说明。
高压直流输电相比同电压等级高压交流输电，具有输电容量增加，输电走廊占地面积减小，全有功传输，不存在容性电流损失等突出优点。所以，在大容量远距离输电、使用电缆输电等场合，更适合采用高压直流输电方式，比如我国诸多的“西电东输”高压直流输电工程、海上风电直流并网工程等，都是把发电厂站输出的交流电转换为高压直流，通过输电线路把巨量的电能输送到远端的负荷中心。
目前，发电功率达到兆瓦级的发电厂站中的发电机组，如水电站水轮发电机组、核电厂及火电厂的汽轮发电机组、风力发电机组等，都是将原动力的机械能，通过旋转发电机转变为三相工频交流电，接着通过工频变压器升压，再整流、滤波后，接入高压直流输电线路。
根据电磁感应定律，变压器线包的两端电压V＝2×π×f×N×B×S；在f是工频时，导磁材料使用高饱和磁感应强度的硅钢，而硅钢的电阻率低，导致变压器铁损大；而且线包匝数N、磁芯截面积S等也需要不小的数值，大的N、S导致变压器体积大，线包绕组的单匝长度和总长度大而铜损大。所以工频变压器存在体积大、用料多、效率低等缺点。
根据电机学的相关原理，电动机相当于旋转变压器，发电机和电动机本质一样，仅仅是能量的流动方向相反，所以，输出工频交流电的发电机和同频率的变压器一样，存在体积庞大，电枢绕组的铜损大，导磁材料铁损大等缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提出一种适合高压直流输电的发电系统，减小发电机、变压器等的体积，降低二者的铜损、铁损，提高发电系统的效率；同时减少贵重的磁性材料、绕组铜材的使用量，降低原材料成本。
本发明采用的技术方案是，包括原动机、传动机构、发电机、高频变压器和多个整流滤波器、励磁变流器等，其中原动机的输出轴通过传动机构连接发电机的转子轴，发电机的定子电枢的两端连接高频变压器的初级，该高频变压器的多个次级分别连接各自的整流滤波器，其中一个整流滤波器的输出作为励磁变流器的工作电源，其它的整流滤波器的输出按照电压数值递增的原则串联后，按照电压极性相同的原则连接到高压直流输电线路上；其中，发电机的转子电枢两端(通过集电器)连接到励磁变流器的输出上；每个整流滤波器都是由整流桥和并接在该整流桥直流输出端的滤波电容组成。
本发明的适合高压直流输电的发电系统这样工作：首先，发电机转子电枢上通有励磁电流(即励磁变流器的输出电流)，通过转子磁芯产生磁场，原动机在外部动力的作用下，产生旋转运动，通过传动机构带动同轴的发电机转子旋转，这样就建立了旋转磁场；接着，发电机的定子电枢因为旋转磁场的作用，导致其包围面积的磁通交替变化，在两端产生交变的感应电动势；最后，该感应电动势通过高频变压器变压，再通过整流滤波器，形成直流高压，连接到高压直流输电线路上。通过配置发电机转子励磁极对数(比如20对)、发电机定子电枢的位置和形状、调整励磁电流的频率，使得定子电枢两端产生的感应电动势的频率大于1千赫兹。
本发明的进一步技术方案是：传动机构是变速机构，其中原动机的输出轴和变速机构的输入轴同轴，变速机构的输出轴和发电机的转子同轴，变速机构的作用是把原动机的转速变换为发电机需要的转速。
本发明的进一步技术方案，定子电枢产生的感应电动势的波形是方波或者梯形波，频率不小于1千赫兹。
本发明的进一步技术方案是：高频变压器、发电机转子、发电机定子等的导磁材料是电阻率高的铁氧体，优选低损耗、高磁通铁氧体。
本发明的进一步技术方案是：调节输出功率的方法，可以是调节励磁电流的幅度、频率(对于风电)，也可以是调节驱动原动机运转的原动力的大小(对于火电、水电)，或者是联合调节前述的二者。
本发明的进一步技术方案是：在发电机的输出侧，增加电压、电流、功率等参数的监控器，利用前述的调节措施，使实际输出(与监控器得到的结果成正比)符合期望值。
本发明的进一步技术方案是：高压直流输电线路是有中心接地极的双极输电线路情况下，高频变压器的次级，除为励磁变流器供电的绕组外，平均分成两大组；其中大组1的多个次级分别连接各自的整流滤波器，所述的整流滤波器的输出按照电压数值递增的原则串联后，形成的总整流输出1，按照电压极性相同的原则，对应连接到输电线路正极、中心接地极等两端；同样地，大组2对应的总整流输出2对应连接到输电线路负极、中心接地极等两端。
本发明的进一步技术方案是：高频变压器是由2个同样的高频变压器组成，其初级都连接到发电机定子电枢的两端，除为所述的励磁变流器供电的次级绕组外，其中高频变压器1的其它次级构成大组1，高频变压器2的其它次级构成大组2。
本发明的进一步技术方案是：按照电压极性相同的原则，总整流输出1可以受控改接到到输电线路负极、中心接地极等两端，总整流输出2也可以受控改接到输电线路正极、中心接地极等两端；在输电线路某一极故障时，电能可以通过另一正常极输送。
本发明的进一步技术方案是：根据实际需求，在效率和体积之间折衷，可以降低导线的直径，牺牲一点效率，可以进一步压缩发电系统的体积；也可以加大导线的直径，增大一点体积，带来发电系统效率的更大提升。
附图说明
图1为本发明实施例一的适合高压直流输电的发电系统的构成图。
图2为本发明实施例一中的发电机的输出电压波形图(上)和发电机的励磁电流波形图(下)。
图3是本发明实施例二的另一种适合高压直流输电的发电系统中的变速机构的连接图。
图4是资料《宝武钢铁公司电工硅钢铁损与磁感典型值》节录。
图5是资料《南京新康达公司的LP3S低功耗铁氧体的损耗与频率曲线图》。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的技术方案作进一步说明。
(一)本发明实施例一的适合高压直流输电的发电系统
如图1所示，本发明的实施例，适合高压直流输电的发电系统，其特征在于：包括原动机E1、传动机构、发电机G1、高频变压器T1、多个整流滤波器和励磁变流器BLQ，其中原动机E1的输出轴通过前述的传动机构和发电机G1的转子轴连接，发电机G1的定子电枢两端连接高频变压器T1的初级，该高频变压器T1的多个次级分别连接各自的整流滤波器，其中一个整流滤波器的输出作为所述的励磁变流器BLQ的工作电源，其它的整流滤波器的输出(按照电压数值递增的原则)串联后，(按照电压极性相同的原则)连接到高压直流输电线路XL上；其中，所述的发电机G1的转子电枢两端(通过集电器)连接到所述的励磁变流器BLQ的输出上；所述的每个整流滤波器都是由整流桥和并接在整流桥直流输出端的滤波电容组成。
本发明的适合高压直流输电的发电系统这样工作：首先，发电机G1的转子电枢上通有励磁电流(即励磁变流器BLQ的输出电流)，通过导磁体产生磁场，原动机E1在外部动力的作用下，产生旋转运动，通过前述的传动机构带动发电机G1的转子旋转，这样就建立了旋转磁场；接着，发电机G1的定子电枢因为旋转磁场的作用，导致其包围面积的磁通交替变化，产生交变的感应电动势；最后，该感应电动势通过高频变压器T1变压，再整流滤波后，形成直流高压，连接到高压直流输电线路上。通过配置发电机G1转子励磁极对数(比如20对)、发电机G1定子电枢的位置和形状、调整励磁电流的频率，使得发电机G1定子电枢产生的交变感应电动势的频率大于1千赫兹。
图2上部是本发明实施例中发电机G1的输出电压波形，其是高频，图2下部是发电机的励磁电流波形，其是低频，根据需要调节。在原动机的拖动和励磁电流的共同作用下，转子电枢产生的旋转磁场的变化频率是：转子转速折算的频率和励磁电流频率的和，再和转子的极对数相乘。正是旋转磁场的作用，在定子电枢上产生交变的高频感应电动势。
下面举例对比一下现有技术的工频发电机和本发明的高频发电机的损耗、体积等性能。
假设现有的工频发电机，导磁材料使用图4中损耗最低的电工硅钢，即磁畴细化HiB钢K系列23RK080品类，该硅钢密度为7.65kg/dm3，折合7650kg/m3，在频率50Hz、峰值磁感1.5T下，损耗P1.5/50为0.56W/kg。
假设本发明的高频发电机的输出电压频率为2500Hz，导磁材料使用南京新康达公司的LP3S低功耗铁氧体，根据图5所示，其在频率30kHz，峰值磁感150mT下，损耗为20kW/m3，按照铁氧体密度4800kg/m3、损耗与频率成正比的关系来粗略计算，在频率2500Hz、峰值磁感150mT条件下，该型号铁氧体的单位重量的损耗为0.35W/kg(＝20k/4800*2500/30k)，明显低于硅钢在频率50Hz、1.5T峰值磁感下的损耗0.56W/kg。
根据电磁感应定律，可知发电机G1定子电枢产生的交变感应电动势e＝2×π×f×N×B×S；其中f为工作频率，N为定子电枢匝数，B为工作磁感应强度，S为定子电枢包围的磁芯截面积。
对于两种不同频率的发电机，如果保持感应电动势e相等，则有f1×N1×B1×S1＝f2×N2×B2×S2，推导出S2/S1＝f1/f2×N1/N2×B1/B2。
现有技术的输出50Hz的发电机，对应的参数为f1、N1、B1、S1，本发明中输出2500Hz的高频发电机，对应的参数为f2、N2、B2、S2，在输出交变感应电动势e不变的条件下，选择定子电枢匝数N2＝N1，工作磁感应强度B2＝B1/10，则前述两种不同频率的发电机定子电枢包围的磁芯截面积比S2/S1＝f1/f2×N1/N2×B1/B2＝50/2500×1/1×10/1＝1/5，因为定子电枢包围的磁芯截面积S2与定子的轴向长度成正比，可见在发电机G1定子、转子直径不变的情况下，高频发电机G1轴向长度可以缩短到现有技术的工频发电机的1/5。
由于电枢导体的长度、磁性材料的长度、体积等，均与发电机G1定子和转子的轴向长度成线性关系，所以本发明的高频发电机相对于工频发电机，因为电枢导体的长度缩短到1/5，则铜阻损耗减小到1/5左右；因为磁性材料的长度、体积减小到1/5左右，则铁损减小到0.078(＝1/5*4800/7650*0.35/0.56)左右。
同理，2500赫兹的高频变压器相比50赫兹的工频变压器，线包匝数减少到1/5，工作磁感应强度降低到1/10，磁芯截面积不变，体积减小到1/5左右，铜阻损耗减小到1/5左右，铁损则下降到0.078左右。
可见，本发明的发电系统具有体积大幅度减小、功耗大幅度降低，导磁材料、导线材料等均大幅度减少，成本明显降低的优点。
本发明的优选的技术方案是：高频变压器、发电机转子、发电机定子等的导磁材料是电阻率高的铁氧体，优选低损耗、高磁通铁氧体。
(二)本发明实施例二的另一种实现适合高压直流输电的发电系统
如图3所示，本发明的进一步技术方案是：在原动机E2、发电机G2之间的传动机构是变速机构ST，其中原动机E2的输出轴和变速机构ST的输入轴同轴，变速机构ST的输出轴和发电机G2的转子同轴，变速机构ST的作用是把原动机E2的转速变换为发电机G2需要的转速。对于原动机转速偏小的场合，如风力发电机，适合如此配置。
(三)本发明实施例的适合高压直流输电的发电系统的其它实施方式
本发明的进一步技术方案是：定子电枢两端产生的感应电动势的波形是高频方波或者梯形波，使得整流滤波器输出端并接的电容容量可以大幅度减小，甚至不接，直接利用输电线路电缆的分布电容来实现滤波。
本发明的其它进一步技术方案，在“发明内容”章节已经清晰描述，此处不再赘述。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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