专利名称：一种同步发电机和全功率变流器试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电气试验系统，尤其是涉及一种适用于风力发电机出厂测试的定子多绕组同步发电机和全功率变流器试验系统。
背景技术：
在风力发电机组中，同步发电机需经全功率变流器将电能送往电网。目前，同步发电机的定子输出形式主要有两种单套绕组输出和多套绕组输出，每套绕组三相(或多相) 输出。随着风力发电整机容量的不断增大，同步发电机容量要求也不断增大，同步发电机定子将更倾向于采用多绕组形式。在目前的风电变流器开发和出厂试验过程中，需要建立地面试验台，对变流器的功能进行全面的测试，要完成满负荷功能试验。风电变流器的试验应在与实际工作等效的电气条件下进行。在现有技术中，驱动定子双绕组或多绕组同步发电机的全功率变流器通常使用的试验系统方案如附图1所示。该试验系统为一个能量回馈系统，试验系统可由原动机拖动机组(由原动机侧隔离适配变压器，原动机驱动变流器和原动机组成，模拟风机特性)、同步发电机、全功率变流器、发电机侧隔离适配变压器、外部电网和上位机控制台及相关配电设备组成。试验时，控制台协调原动机驱动变流器和全功率变流器的动作，由原动机驱动变流器启动原动机运行，原动机拖动同步发电机运转，同步发电机的电能经被试全功率变流器和隔离适配变压器回馈到电网。现有全功率变流器试验系统方案的缺点是需要两台电机(一台是同步发电机，一台是原动机)，一台驱动原动机的变流器，原动机和发电机间需要联轴器。因此组建一个这样的地面试验台，需要的设备多，占地空间大，系统运行可靠性低，设备投资成本大，因为多了一个原动机的机械损耗和原动机变流器的损耗，系统虽是能量回馈系统，但能耗还是不小。
发明内容
本发明的目的是提供一种同步发电机和全功率变流器试验系统，在不影响功能试验和满载考核需求的情况下，减少设备投资成本和降低系统试验耗能，同时减少场地占用需求和提高系统可靠性。为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种同步发电机和全功率变流器试验系统的技术实现方案，一种同步发电机和全功率变流器试验系统，包括同步发电机、全功率变流器和并网变压器，全功率变流器的一端通过并网变压器与电网相连，全功率变流器的另一端与同步发电机相连，全功率变流器包括两个或两个以上的子变流器，同步发电机包括两套或两套以上的定子绕组，全功率变流器的一个或一个以上的子变流器分别控制同步发电机相对应的一套定子绕组工作于电动机模式，维持同步发电机的转速，实现电能向机械能的转换；全功率变流器的其他子变流器分别控制同步发电机相对应的一套定子绕组工作于发电机模式，实现机械能向电能的转换。
作为本发明一种同步发电机和全功率变流器试验系统技术方案的进一步改进，同步发电机的两套或两套以上的定子绕组参数相同，各个定子绕组之间相互独立，无电气连接。作为本发明一种同步发电机和全功率变流器试验系统技术方案的进一步改进，全功率变流器包括两个子变流器，同步发电机包括两套定子绕组，全功率变流器的一个子变流器控制同步发电机的一套定子绕组工作于电动机模式，维持同步发电机的转速，实现电能向机械能的转换；全功率变流器的另一个子变流器控制同步发电机的另一套定子绕组工作于发电机模式，实现机械能向电能的转换。作为本发明一种同步发电机和全功率变流器试验系统技术方案的进一步改进，当同步发电机的定子绕组工作在电动机模式时，所述同步发电机的其中一套定子绕组在与其相连的子变流器输入的驱动电流和同步发电机转子永磁铁的磁场作用下，产生电磁转矩驱动同步发电机转子转动，实现电能向机械能的转换；当同步发电机的定子绕组工作在发电机模式时，同步发电机的转子在转动过程中，转子磁场随转子转动，磁力线切割定子另一套定子绕组产生感应电势和电流，并经过与其相连的子变流器，将同步发电机转子的机械能又转化为电能送回电网。作为本发明一种同步发电机和全功率变流器试验系统技术方案的进一步改进，全功率变流器中的一个子变流器控制同步发电机按恒转速控制模式运行，使同步发电机转速控制为给定值；全功率变流器中的另一个子变流器根据给定的指令按恒转矩或恒功率控制模式运行，将同步发电机发出的电能回馈到电网。作为本发明一种同步发电机和全功率变流器试验系统技术方案的进一步改进，全功率变流器的各子变流器输出连接并网变压器二次侧的同一绕组端子，并网变压器的二次侧为一个绕组；并网变压器也可以采用多绕组变压器，全功率变流器的各子变流器输出分别连接并网变压器二次侧的一套绕组端子。作为本发明一种同步发电机和全功率变流器试验系统技术方案的进一步改进，同步发电机和全功率变流器试验系统还包括驱动电机，驱动电机与同步发电机的轴相连，驱动电机在同步发电机启动时协助同步发电机启动，之后再与同步发电机断开连接。通过实施上述本发明一种同步发电机和全功率变流器试验系统，具有以下技术效果
该系统针对双绕组(或多绕组)同步发电机的技术特点，提出一种全功率变流器和配套同步发电机的试验系统方案，本试验系统方案相比于现有其他类似试验系统方案，可大大简化设备组成，占地空间相对较�。匝橄低惩蹲食杀疽步系停笨杉跣∠低衬芎暮吞岣呦低吃诵锌煽啃�。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是现有技术驱动定子双绕组或多绕组同步发电机和全功率变流器试验系统的系统结构框图2是本发明同步发电机和全功率变流器试验系统一种具体实施方式
的系统结构框
图中，1-同步发电机，2-全功率变流器，3-子变流器一，4-子变流器二，5-并网变压器， Ql-变流�？橐唬琎2-变流�？槎琎3-变流�？槿琎4-变流�？樗模琇l-滤波器一，L2-滤波器二，L3-滤波器三，L4-滤波器四，Tl-接触器一，T2-接触器二，Kl-开关一，K2-开关二，Rl-电阻一，R2-电阻二，Cl-电容一，C2-电容二。
具体实施例方式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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如附图2所示，给出了本发明一种定子多绕组同步发电机和全功率变流器试验系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。如附图2所示的一种同步发电机和全功率变流器试验系统的具体实施方式
，包括同步发电机1、全功率变流器2和并网变压器5，全功率变流器2的一端通过并网变压器 5与电网相连，全功率变流器2的另一端与同步发电机1相连，全功率变流器2包括两个或两个以上的子变流器，同步发电机1包括两套或两套以上的定子绕组，全功率变流器2的一个或一个以上的子变流器分别控制同步发电机1相对应的一套定子绕组工作于电动机模式，维持同步发电机1的转速，实现电能向机械能的转换；全功率变流器2的其他子变流器分别控制同步发电机1相对应的一套定子绕组工作于发电机模式，实现机械能向电能的转换。同步发电机1进一步为永磁同步发电机或电励磁同步发电机。其中，同步发电机1的两套或两套以上的定子绕组参数相同，各个定子绕组之间相互独立，无电气连接。作为一种典型的实施方式，如附图2所示的与定子双绕组(或多绕组)同步发电机相匹配的全功率变流器2由两个子变流器组成，分别是子变流器一 3和子变流器二 4，每个子变流器平均分配全功率变流器2的总容量。子变流器一 3和子变流器二 4分别连接同步发电机1的一套定子三相绕组。如果按附图1所示的传统试验方式，试验中，同步发电机的每套定子绕组都工作于发电机模式，分别经相应的子变流器向隔离适配变压器侧输出能量，发电机的转速必须由外部原动机驱动来维持。全功率变流器2是指变流器的容量大小与同步发电机1的容量相当。在风力发电中，采用同步发电机的风电机组要求发电机所发的电全部经变流器送到电网，因此这里的变流器叫全功率变流器。而采用双馈异步发电机的风电机组，所需变流器的容量只需发电机容量的1/3左右。全功率变流器2的子变流器一 3进一步包括滤波器一 Li、滤波器二 L2、 变流�？橐� Q1、变流�？槎� Q2、开关一 K1、电容一 Cl和电阻一 Rl ；子变流器二 4进一步包括滤波器三L3、滤波器四L4、变流�？槿齉3、变流�？樗腝4、开关二 K2、电容二 C2和电阻二 R2。其中，变流�？橐� Ql和变流�？槿齉3为电网侧变流器，与电网侧连接，实现交流与直流间电力变换的功能。变流�？槎� Q2和变流�？樗腝4为电机侧变流器，与同步发电机端子连接，实现直流与交流电力变换的功能。
当同步发电机1的定子绕组工作在电动机模式时，同步发电机1的其中一套定子绕组在与其相连的子变流器输入的驱动电流和同步发电机1转子永磁铁(或电励磁)的磁场作用下，产生电磁转矩驱动同步发电机1转子转动，实现电能向机械能的转换；当同步发电机1的定子绕组工作在发电机模式时，同步发电机1的转子在转动过程中，转子磁场随转子转动，磁力线切割定子另一套定子绕组产生感应电势和电流，并经过与其相连的子变流器， 将同步发电机1转子的机械能又转化为电能送回电网。
具体实施方式
采用的全功率变流器 2的一个子变流器控制同步发电机1的一套定子绕组工作于电动机模式，维持同步发电机的转速，实现电能向机械能的转换，另一个子变流器控制同步发电机1的另一套定子绕组工作于发电机模式，实现机械能向电能的转换。对各子变流器而言，都可以满功率运行。在同步发电机运行中，部分定子绕组工作于电动机运行模式，吸收外部电源(或变流器)提供的电功率，将其转化为转子的机械动能，而其他部分定子绕组工作于发电机运行模式，将转子的机械动能转化为电功率向外部电源或经变流器输出。全功率变流器2中的一个子变流器控制同步发电机1按恒转速控制模式运行，使同步发电机1转速控制为给定值；全功率变流器2中的另一个子变流器根据给定的指令按恒转矩或恒功率控制模式运行，将同步发电机1发出的电能回馈到电网。当全功率变流器2的各子变流器输出连接并网变压器5 二次侧的同一绕组时，可以减小并网变压器5的容量需求；当并网变压器采用多绕组变压器时，全功率变流器2的各子变流器输出分别连接并网变压器5 二次侧的一套绕组端子，此时对并网变压器5的容量要求加大。并网变压器5的电网连接侧称为一次侧，变流器连接侧称为二次侧，一次侧到二次侧的电压变化根据实际需要可设计成高压变低压，也可是低压变高压。针对具体实施方式
所描述的技术方案，对于同步发电机1采用大容量同步发电机的情况，如果在全功率变流器2的子变流器一 3和子变流器二 4的控制算法不完善，启动同步发电机较困难的情况下，同步发电机和全功率变流器试验系统还进一步包括驱动电机， 驱动电机与同步发电机1的轴相连，驱动电机在同步发电机1启动时，协助同步发电机1启动，之后再与同步发电机1断开连接，再让全功率变流器2的子变流器一 3和子变流器二 4 控制同步发电机1的转速。整个定子多绕组同步发电机和全功率变流器试验系统适用的电机主要为定子双绕组(或多绕组)同步发电机(含永磁或电励磁同步发电机)，可以省去专门用于拖动发电机以维持转速的原动机。试验系统的技术方案不仅针对变流器专门进行的试验(若发电机是成熟产品的情况下，只对变流器进行各项功能试验或完成满负荷出厂生产试验等)，也可专门针对发电机进行的试验(若变流器已为成熟可靠产品，需要对发电机进行功能测试或完成满负荷出厂生产试验等)。其中，具体实施方式
中所指的定子多绕组同步发电机，“定子多绕组”的概念包括二绕组或二绕组以上的所有永磁同步发电机或电励磁同步发电机。而全功率变流器2的各子变流器，可以是分开的电柜。当全功率变流器2只包括一个整体电柜时，则是指内部按功能划分的独立的变流器单元，每单元连接同步发电机的定子不同绕组。本发明具体实施方式
所描述的定子多绕组同步发电机和全功率变流器试验系统技术方案，由于采用能量回馈方式，可大大简化设备组成，不需要原动机和原动机的驱动变流器，系统损耗较�。硗饣故∪チ肆崞鳎啾韧ǔ５氖笛榉桨福璞竿蹲手徽纪ǔ７桨�
7的一半。同时，试验系统的占地空间较小，维护费用进一步减少，因为省去了原动机和驱动变流器，系统试验运行可靠性大为提高，而系统能耗则大为减小。本发明所描述的试验系统虽然主要针对风力发电领域所用的变流器和同步发电机，但也适用于凡是需要采用定子多绕组同步发电机和相应变流器的其它应用领域。 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种同步发电机和全功率变流器试验系统，其特征在于，包括同步发电机(1)、全功率变流器(2)和并网变压器(5)，所述全功率变流器(2)的一端通过并网变压器(5)与电网相连，全功率变流器(2)的另一端与同步发电机(1)相连，所述的全功率变流器(2)包括两个或两个以上的子变流器，所述的同步发电机(1)包括两套或两套以上的定子绕组，所述全功率变流器(2)的一个或一个以上的子变流器分别控制同步发电机(1)相对应的一套定子绕组工作于电动机模式，维持同步发电机(1)的转速，实现电能向机械能的转换；全功率变流器(2)的其他子变流器分别控制同步发电机(1)相对应的一套定子绕组工作于发电机模式，实现机械能向电能的转换。
2.根据权利要求1所述的一种同步发电机和全功率变流器试验系统，其特征在于所述同步发电机(1)的两套或两套以上的定子绕组参数相同，各个定子绕组之间相互独立，无电气连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种同步发电机和全功率变流器试验系统，其特征在于 所述的全功率变流器(2)包括两个子变流器，所述的同步发电机(1)包括两套定子绕组，所述全功率变流器(2)的一个子变流器控制同步发电机(1)的一套定子绕组工作于电动机模式，维持同步发电机(1)的转速，实现电能向机械能的转换；全功率变流器(2)的另一个子变流器控制同步发电机(1)的另一套定子绕组工作于发电机模式，实现机械能向电能的转换。
4.根据权利要求3所述的一种同步发电机和全功率变流器试验系统，其特征在于当同步发电机(1)的定子绕组工作在电动机模式时，所述同步发电机(1)的其中一套定子绕组在与其相连的子变流器输入的驱动电流和同步发电机(1)转子永磁铁的磁场作用下，产生电磁转矩驱动同步发电机(1)转子转动，实现电能向机械能的转换；当同步发电机(1)的定子绕组工作在发电机模式时，所述同步发电机(1)的转子在转动过程中，转子磁场随转子转动，磁力线切割定子另一套定子绕组产生感应电势和电流，并经过与其相连的子变流器， 将同步发电机(1)转子的机械能又转化为电能送回电网。
5.根据权利要求3所述的一种同步发电机和全功率变流器试验系统，其特征在于所述全功率变流器(2)中的一个子变流器控制同步发电机(1)按恒转速控制模式运行，使同步发电机(1)转速控制为给定值；所述全功率变流器(2)中的另一个子变流器根据给定的指令按恒转矩或恒功率控制模式运行，将同步发电机(1)发出的电能回馈到电网。
6.根据权利要求1、2、4、5中任一权利要求所述的一种同步发电机和全功率变流器试验系统，其特征在于所述的同步发电机(1)为永磁同步发电机或电励磁同步发电机。
7.根据权利要求6所述的一种同步发电机和全功率变流器试验系统，其特征在于所述并网变压器(5)与电网的连接侧为一次侧，与全功率变流器(2)的连接侧为二次侧，从一次侧到二次侧的电压变化为高压变低压或为低压变高压。
8.根据权利要求7所述的一种同步发电机和全功率变流器试验系统，其特征在于所述全功率变流器(2)的各子变流器输出连接并网变压器(5) 二次侧的同一绕组，所述并网变压器(5)的二次侧为一个绕组。
9.根据权利要求7所述的一种同步发电机和全功率变流器试验系统，其特征在于所述的并网变压器(5)采用多绕组变压器，所述全功率变流器(2)的各子变流器输出分别连接并网变压器(5) 二次侧的一套绕组端子。
10.根据权利要求7所述的一种同步发电机和全功率变流器试验系统，其特征在于所述同步发电机和全功率变流器试验系统还包括驱动电机，所述驱动电机与同步发电机(1) 的轴相连，驱动电机在同步发电机(1)启动时协助同步发电机(1)启动，之后再与同步发电机(1)断开连接。
全文摘要
本发明公开了一种同步发电机和全功率变流器试验系统，包括同步发电机、全功率变流器和并网变压器，全功率变流器的一端通过并网变压器与电网相连，另一端与同步发电机相连，全功率变流器包括不少于两个的子变流器，同步发电机包括不少于两套的定子绕组，全功率变流器的一个或一个以上的子变流器分别控制同步发电机相对应的一套定子绕组工作于电动机模式，维持同步发电机的转速，实现电能向机械能的转换；全功率变流器的其他子变流器分别控制同步发电机相对应的一套定子绕组工作于发电机模式，实现机械能向电能的转换。该装置在不影响功能试验和满载考核需求的情况下，减少了设备投资成本和场地占用需求，降低了系统试验耗能，提高了系统可靠性。
文档编号G01R31/00GK102508160SQ20111037123
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者佘岳, 刘憾宇, 尚敬, 王继丽, 盛建科, 胡家喜, 赵建伟, 赵燕峰 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司
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