【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及远海风力发电，具体为一种风力发电机绕组、风力发电机及直流风电系统。
技术介绍
1、目前，近海风电的开发利用已经接近饱和，而离岸距离60～100km以上的远海区域风能资源更为丰富，成为未来风电发展的必然趋势和方向。如图1所示，目前远海风电场多采用中压交流汇集和高压直流送出的方式向岸上远距离输送电能。然而，由于交流汇集点频率为50hz，需要背靠背ac/dc和dc/ac转换器来将发电机输出的某一频率的交流电进行转换。此外，由于永磁同步发电机(pmsg)的输出电压通常不超过12kv，因此需要采用机组升压变压器将50hz定频的交流电提升至中压等级，典型电压，如35kv，以便降低电能传输损耗。此外，汇集的电能在海上换流站还要进行二次升压和换流才能最终送出至岸上换流站。可见，在电能送出的过程中，经历了三次换流和两次升压，不仅系统效率低，而且价格昂贵的海上建设和维护成本，又进一步降低了海上风电商业化运行的经济性。
2、一类可能的解决方案是在发电机级直接升高电压，以此消除升压变压器和海上换流站。例如，在公开号为cn1225755a的专利技术公开了一种具有磁路的高压旋转电机及其制造方法，其采用基于交联聚乙烯材料的电缆技术来绕制定子线圈实现高压绝缘。但是这种方式造成了线圈的匝间绝缘厚度几乎是对地绝缘厚度的两倍，使得发电机体积和成本远高于传统发电机，且这种绝缘的工作温度最高仅90℃，而同功率等级的传统大型发电机的绝缘等级一般为h级，180℃。因此，上述发电机并不适用于在离岸远距离的海上风电场中应用。
1、针对现有技术中存在的高压线圈绝缘工作温度低，发电机散热系统要求高，体积大，成本高的问题，本专利技术提供一种风力发电机绕组、风力发电机及直流风电系统。
2、为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
3、本专利技术提供一种风力发电机绕组，包括铜导体，所述铜导体之间的空隙填充有环氧树脂；所述铜导体的外侧依次设置有聚丙烯绝缘层和半导体材料层。
4、优选地，所述铜导体采用漆包铜扁绕组线绕制。
5、进一步地，所述聚丙烯绝缘层的厚度满足以下条件：
6、
7、其中，k1为击穿强度的冗余系数，k2为击穿强度的老化系数，umax是线圈中导体对地的最大电压，epp为聚丙烯在温度130℃时的介电强度，δpp为聚丙烯绝缘层的厚度。
8、进一步地，半导体材料层按质量百分比计包括：65％～75％聚丙烯基料和25％～35％的炭黑。
9、进一步地，所述聚丙烯基料包括等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体，所述等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体的质量比为65:35。
10、一种包括上述绕组的风力发电机，还包括定子铁心、转子铁心和永磁磁极；
11、所述永磁磁极设置于转子铁心上，与转子铁心构成转子，用于产生旋转的励磁磁场；
12、所述绕组为多相绕组，相数为三相的倍数；绕组设置为若干组，各个绕组间隔设置于定子铁心内部，与定子铁心构成定子，用于电机机电能量转换。
13、进一步地，所述绕组采用单层分数槽集中绕组。
14、进一步地，所述绕组中两相之间的电角度为120°，相邻绕组依次错开的电角度满足以下条件：
15、θelec＝120/x (2)
16、或θelec＝60/x (3)
17、其中，θelec为错开的电角度，x为三相绕组的数量，x为大于等于2的整数。
18、优选地，所述永磁磁极为钕铁硼材料，充磁方式为平行充磁或径向充磁。
19、一种包括上述的风力发电机的直流风电系统，所述风力发电机的动力输入端连接有风力涡轮机，用于将风能转换为机械能，带动风力发电机的转子旋转产生电能；所述风力发电机的电能输出端依次连接有保护开关、整流器和旁路开关；所述风力涡轮机、风力发电机、保护开关、整流器和旁路开关共同构成风力发电机组；所述风力发电机组的高压电输出端依次连接的海上换流站、hvdc线路和岸上换流站。
20、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
21、本专利技术提供一种风力发电机绕组，包括铜导体，所述铜导体之间的空隙填充有环氧树脂；所述铜导体的外侧依次设置有聚丙烯绝缘层和半导体材料层。采用环氧树脂填充铜导体间的空隙，不仅有利于铜导体产生的热量向外传导，还减少了线圈的振动、增加了线圈的绝缘强度和长期运行的可靠性；聚丙烯作为主绝缘材料，不仅降低了对冷却系统的冷却要求，而且可有效降低发电机的重量和维护成本，这是由于聚丙烯材料的介电强度大于300kv/mm，远远大于交联聚乙烯材料150kv/mm的介电强度，因此，聚丙烯的使用降低了近一半的绝缘厚度，有效减少了发电机体积和重量，并带来输出性能上的改善，降低了发电机的运行成本；此外，聚丙烯材料的最高工作温度可达130℃，也高于交联聚乙烯材料的最高工作温度90℃，这意味着，采用聚丙烯作为主绝缘可以在更高温度的环境中工作，进而可以降低冷却系统的要求，采用更简单经济的冷却方式，进一步降低了维护成本和运行成本。
22、所述聚丙烯绝缘层的厚度满足以下条件：
23、
24、其中，k1为击穿强度的冗余系数，k2为击穿强度的老化系数，umax是线圈中导体对地的最大电压，epp为聚丙烯在温度130℃时的介电强度，δpp为聚丙烯绝缘层的厚度。可实现对绕组的对地绝缘的同时，避免因绝缘厚度增加过多而增加发电机的重量和体积。
25、半导体材料层按质量百分比计包括：65％～75％聚丙烯基料和25％～35％的炭黑，作为外屏蔽，保证了其足够的导电性能、加工性能和机械性能。
26、本专利技术还提供一种包括上述绕组的风力发电机，还包括定子铁心、转子铁心和永磁磁极；所述永磁磁极设置于转子铁心上，与转子铁心构成转子，用于产生旋转的励磁磁场；所述绕组为多相绕组，相数为三相的倍数，绕组设置为若干组，各个绕组间隔设置于定子铁心内部，与定子铁心构成定子，用于电机机电能量转换。该风力发电机能够构建新型的直流风电系统，即在第一转换级后增加dc/dc变换器以进一步提高电压，实现远距离的电能传输。
27、本专利技术还提供一种上述的风力发电机的直流风电系统，还包括与风力发电机依次连接的换上换流站、hvdc线路和岸上换流站。该直流风电系统的hvdc母线具有更高的送出电压，降低了远距离电能传输的损耗。有利于将基于超高压风力发电机的直流风电系统扩展部署至离岸远的风能资源更丰富的海域。
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1.一种风力发电机绕组，其特征在于，包括铜导体(3)，所述铜导体(3)之间的空隙填充有环氧树脂(4)；所述铜导体(3)的外侧依次设置有聚丙烯绝缘层(2)和半导体材料层(1)。
2.根据权利要求1所述的风力发电机绕组，其特征在于，所述铜导体(3)采用漆包铜扁绕组线绕制。
3.根据权利要求1所述的风力发电机绕组，其特征在于，所述聚丙烯绝缘层(2)的厚度满足以下条件：
4.根据权利要求1所述的风力发电机绕组，其特征在于，半导体材料层(1)按质量百分比计包括：65％～75％聚丙烯基料和25％～35％的炭黑。
5.根据权利要求4所述的风力发电机绕组，其特征在于，所述聚丙烯基料包括等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体，所述等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体的质量比为65:35。
6.一种包括权利要求1-5任一项所述绕组的风力发电机，其特征在于，
7.根据权利要求6所述的风力发电机，其特征在于，所述绕组(6)采用单层分数槽集中绕组。
8.根据权利要求6所述的风力发电机，其特征在于，所述绕组(6)中两相之间的电角度
9.根据权利要求6所述的风力发电机，其特征在于，所述永磁磁极(7)为钕铁硼材料，充磁方式为平行充磁或径向充磁。
10.一种包括权利要求6-9任一项所述的风力发电机的直流风电系统，其特征在于，所述风力发电机(14)的动力输入端连接有风力涡轮机(13)，用于将风能转换为机械能，带动风力发电机(14)的转子旋转产生电能；所述风力发电机(14)的电能输出端依次连接有保护开关(15)、整流器(16)和旁路开关(17)；所述风力涡轮机(13)、风力发电机(14)、保护开关(15)、整流器(16)和旁路开关(17)共同构成风力发电机组(9)；所述风力发电机组(9)的高压电输出端依次连接的海上换流站(10)、HVDC线路(11)和岸上换流站(12)。
...【技术特征摘要】
1.一种风力发电机绕组，其特征在于，包括铜导体(3)，所述铜导体(3)之间的空隙填充有环氧树脂(4)；所述铜导体(3)的外侧依次设置有聚丙烯绝缘层(2)和半导体材料层(1)。
2.根据权利要求1所述的风力发电机绕组，其特征在于，所述铜导体(3)采用漆包铜扁绕组线绕制。
3.根据权利要求1所述的风力发电机绕组，其特征在于，所述聚丙烯绝缘层(2)的厚度满足以下条件：
4.根据权利要求1所述的风力发电机绕组，其特征在于，半导体材料层(1)按质量百分比计包括：65％～75％聚丙烯基料和25％～35％的炭黑。
5.根据权利要求4所述的风力发电机绕组，其特征在于，所述聚丙烯基料包括等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体，所述等规聚丙烯和乙烯-辛烯共聚物弹性体的质量比为65:35。
6.一种包括权利要求1-5任一项所述绕组的风力发电机，其特征在于，
7.根据权利要求6所述的风力发电机，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭鑫，张骞，王鹏昭，赵博浩，曾翔君，骆一萍，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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