CN110311413B - 一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对*** - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***，包括：新能源发电场、多绕组同步电机对、本地负载和电网；多绕组同步电机对由多绕组同步电动机和同步发电机构成，多绕组同步电动机的转子和同步发电机的转子同轴连接，两者的容量、转速相匹配；新能源发电场通常包含多个驱动电源，多绕组同步电动机的定子侧分别接入多个驱动电源；每个驱动电源包含变流器，且每一个变流器为多绕组同步电动机的每套绕组独立供电。本发明的***可以显著降低设备成本和减小开关损耗，提高***整体运行可靠性，适合于大功率应用场合，并且消除了多变流器并联驱动电机时的环流问题。

Description

一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***

技术领域

本发明属于新能源电力***与电机应用技术领域，尤其涉及一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***。

背景技术

随着微电网和分布式发电技术的广泛应用，以风能、太阳能等为代表的新能源在电力***中所占的比例逐渐增加，超高占比新能源并网将成为我国未来新能源电网的重要结构。在高比例新能源接入背景下的电力***逐渐呈现出低惯性、低阻尼的特点，而这对电力***的稳定运行带来了不利影响。同步电机对***(或称作新能源同步机***)是针对未来超高占比新能源电力***提出的新能源接入电网的一种新的配置方式，同步电机对***由两台同步电机构成，两台同步电机的机械转轴相互连接，新能源通过变流器驱动同步电动机，同步电动机再通过机械转轴拖动同步发电机，同步发电机发电和实现并网。由于同步电机的惯性、阻尼特性和机械隔离作用，同步电机对***的接入对电力***的电压、频率的稳定以及故障隔离等方面具有良好的提升作用，且通过仿真和实验均已证明了上述作用。

现有文献中对于新能源同步机的研究主要集中在新能源通过单个变流器驱动的方式，他们虽然提到了多变流器驱动，但是并没有对多变流器驱动的环流问题给出任何有效的解决方案。图1为单变流器驱动的同步电机对***的示意图，单变流器驱动的同步电机对***由新能源3、变流器4、控制器5、测量装置6、同步电机对***200、本地负载7和电网8共同组成。图1中三相同步电动机201和三相同步发电机202通过机械转轴的相互连接构成同步电机对***200，三相同步发电机202可以接入电网8或连接负载7。同步电机对***200的驱动电源100由新能源3、变流器4和控制器5组成，驱动电源100的三相交流输出直接接入同步电动机201。测量装置6、控制器5和变流器4的协同作用和控制使得新能源3产生的电能能够驱动同步电机对***并使之稳定并网运行。当新能源3的容量较大时，变流器4也应该配置为相应等级的容量。

由于常规新能源的接入容量通常较大，配置单个大容量变流器的方式便呈现出一系列的问题：如增加变流器中功率器件如IGBT等的功率等级会导致成本的显著增加，当变流器故障时会直接导致与之连接的新能源发电设备的完全脱网等，因此新能源通过单个大容量变流器驱动的方式是不经济的且可靠性较低。面对大容量的新能源电场时，采用多变流器并联技术会是更经济、可靠的方式。

图2为多变流器并联驱动的同步电机对***的示意图，多变流器并联驱动的同步电机对***由新能源发电场400、同步电机对***200、测量装置611、本地负载7和电网8组成，其中新能源发电场400由多个驱动电源100组成，驱动电源100由新能源发电设备3和基本的电力电子装置单元301构成，基本的电力电子装置301(或302、303)由控制器5、变流器4组成，每个驱动电源100的交流输出211、212和213等分别并联到交流母线214后再接入三相同步电动机201中。图2中测量装置611测量同步电机对***中电机转子的速度、位置信息，并网点的电压、电流信息和同步电动机源端的电压、电流等信息。测量装置611将测量值送到各个电力电子装置的控制器5中，控制器5通过计算得到控制变流器4中功率器件的开关信号。不同控制器之间可能需要信号联络以达到协同运行。

通过变流器直接并联的方式，虽然比单个大容量变流器接入的方式在经济性上更有优势也可以增加***的可靠性，但由于常规的变流器并联是交流侧的直接并联，当各变流器出口处电压幅值和相位不同时容易造成变流器之间的环流，并且在故障情况下***的无功环流较大。环流不仅会造成***能量转化效率的降低，也容易造成新能源设备的脱网而不利于***的稳定运行。

图3为多变流器并联驱动方式下各变流器之间的环流示意图。在图中，多个变流器的交流输出211、212和213等通过交流侧母线直接并联的方式接入三相同步电动机，其中由于各变流器输出电压的差异容易导致交流母线之间环流的产生，如环流220和221等。任意两个变流器的电压输出不均衡都会导致环流的流通，环流的存在使得通过交流母线214的输出功率降低，并且可能存在谐波分量，同时该驱动方式下的控制算法较为复杂。

虽然有研究尝试通过控制算法的改进来抑制环流，但是这些方法所带来的效果改善有限，达不到未来高比例新能源并网的更高要求。

图4为同步电机对***中的同步电机的传统绕组连接示意图，星型接法是交流同步电机中常用的一种接线形式，三相同步电动机和三相同步发电机的定子绕组采用相同的结构，并分别由绕组ABC和绕组XYZ共同构成，绕组ABC构成同步电动机定子中的一套绕组，绕组XYZ构成同步电动机定子中的一套绕组。

实际上，一套绕组ABC也是由多个小绕组构成的，图5为同步电机对***中的同步电机的常规绕组结构示意图，以上所述同步电机对***由两台三相交流同步电机构成，两台同步电机可以采用多种绕组结构的电机，例如图5所示的12槽2极同步电机，电机的定子上嵌放有一套三相绕组。其中绕组311、312、313、314、315、316、317、318、319、320、321、322分别依次嵌放在定子的12个槽内，对应各段绕组中的有效边，绕组的四段311，312，317和318共同组成电机的A相绕组，其中组成A+端的绕组段311，312中电流方向相同，组成A-端的绕组段317，318中电流方向也相同，A+和A-端绕组的电流方向是相反的，311，312，317，318四段绕组之间都是串联的关系。311段可作为A相绕组的首端，连接绕组段318，绕组段318连接绕组段312，最后连接到绕组段317作为A相绕组的末端。绕组313，314，319，320组成电机的B相绕组，绕组315，316，321，322组成电机的C相绕组，B相和C相的绕组构成与A相一致。

绕组311，312，313，314，315，316构成电机定子的一个极，其余绕组构成另外一极，形成这个电机定子的一个极的方法就是控制各个绕组段的电流的相位，这个同样可以通过电力电子的控制实现。同步电机的这种绕组构造方式和各绕组段的电流的控制方法，就提供了一种采用多个小变流器分别给各个绕组段供电的电机结构和控制方法。

综上所述，无论是单个大容量变流器直接接入还是多个小容量变流器交流并联接入以驱动三相交流同步电机的方式均不利于***高效率、高可靠性的运行。因此这就需要不仅仅从变流器并联方式上，也需要从电机结构本体出发构建一种兼顾经济性、可靠性和高效率的针对多变流器驱动的同步电机的绕组构造和相应的***。

参考文献：

[1]CN105244911A，高渗透率的新能源电力并网***及稳定性控制方法

[2]Wei S,Zhou Y,Li S,et al.A possible configuration with motor-generator pair for renewable energy integration[J].CSEE Journal of Power andEnergy Systems,2017,3(1):93-100.

[3]Zhou Y,Xu G,Wei S,et al.Experiment Study on the Control Method ofMotor-Generator Pair System[J].IEEE Access,2018,6:925-936.

[4]CN105958543A，一种提升新能源并网稳定性的控制、实验和仿真方法

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，包括：新能源发电场、多绕组电励磁同步电机对、测量装置、本地负载和电网；其特征在于：所述多绕组电励磁同步电机对由多绕组电励磁同步电动机和电励磁同步发电机构成，所述多绕组电励磁同步电动机的转子和所述电励磁同步发电机的转子同轴连接，两者的容量、转速相匹配；所述新能源发电场包含多个驱动电源；所述多绕组电励磁同步电动机的定子侧分别接入多个所述驱动电源；每个所述驱动电源包含变流器，且每一个所述变流器为所述多绕组电励磁同步电动机的定子的每套绕组独立供电。

进一步，所述驱动电源还包括新能源发电设备和控制器。

进一步，所述测量装置负责测量所述多绕组电励磁同步电机对***的电气参数和机械参数。

进一步，所述机械参数包括所述多绕组电励磁同步电机对的电机转子转速和位置，所述电气参数包括所述电励磁同步电机对***在驱动电源侧和并网点的电压、电流。

进一步，所述控制器连接所述变流器和所述测量装置，所述控制器接收所述测量装置测量和所述变流器采样的输出结果，并将通过反馈控制算法计算得到的PWM信号输出到所述变流器中的IGBT等开关器件的信号端口；所述变流器通过控制器给定的PWM信号将所述新能源发电设备的直流输入或交流输入变换为交流输出，每个所述变流器的交流输出分别连接到所述多绕组电励磁同步电动机的定子的一套绕组中。

进一步，所述多绕组电励磁同步电动机的定子侧布置有多套独立的三相绕组，每套绕组在定子上分别按照一定的空间位置放置；在三相交流电源模式下，所述多绕组电励磁同步电动机定子侧布置的每套绕组中的各相绕组依次间隔120度电角度。

进一步，所述每套绕组的布置方式为径向放置、角向放置或两种布置方式的组合。

进一步，所述径向放置方式为每套绕组沿多绕组电励磁同步电动机定子磁钢的径向放置，所述各套绕组产生的电磁转矩可以相互叠加。

进一步，所述角向放置方式为根据多绕组电励磁同步电动机定子侧绕组的套数，不同套绕组依次相互间隔固定的电角度放置在不同的定子槽内，不同的驱动电源产生的三相交流电在所述控制器的作用下形成与绕组间隔电角度对应相同的相位差。

进一步，所述多绕组的套数和变流器数量取决于所述新能源发电设备的实际数量和需求，且所述多绕组电励磁同步电动机的容量和接入所述新能源发电设备的所述变流器的总容量相匹配。

进一步，所述新能源发电设备可以是风电机组、光伏机组或是两者的组合。

本发明的有益效果在于：

(1)多个小容量变流器共同接入的驱动方式，相比于单个大容量变流器接入的方式可以显著降低设备成本和减小开关损耗，适合于大功率应用场合。

(2)将现有电励磁同步电机对***中三相电励磁同步电动机替换为多绕组电励磁同步电机，可以实现多变流器接入运行，且前述的每个小变流器分别连接相应的子绕组，消除了多变流器并联驱动电机时的环流问题。

(3)采用多绕组电励磁同步电动机使得电励磁同步电机对***具备的冗余结构可以使该***具有较高的可靠性，当与电机定子绕组连接的某台变流器发生故障时，也能便于采取容错控制策略，保证***继续运行。

(4)多绕组电机定子各套绕组仅具有磁场上的耦合，可以起到有效的机械隔离作用和减轻常规逆变器并联驱动固有的环流问题。

(5)多绕组电机定子上分别独立地布置有多套绕组，相比于常规变流器交流侧直接并联的方式，其分析和控制方法得以简化。

附图说明

图1为现有技术的单变流器驱动的同步电机对***的示意图；

图2为现有技术的多变流器并联驱动的同步电机对***的示意图；

图3为现有技术的多变流器并联驱动方式下各变流器之间的环流示意图；

图4为现有技术的同步电机对***中的同步电机的传统绕组连接示意图；

图5为现有技术的同步电机对***中的同步电机的传统绕组结构示意图；

图6为本发明的一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***示意图；

图7为本发明的一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***中的多绕组同步电机的驱动电源的结构示意图；

图8a为本发明的一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***中的电机绕组的第一种结构方式示意图；

图8b为本发明的一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***中的电机绕组的第二种结构方式示意图；

图8c为本发明的一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***中的电机绕组的第三种结构方式示意图；

图8d为本发明的一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***中的电机绕组的第四种结构方式示意图；

图9为本发明的一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***中的同步电动机的定子绕组细节图。

具体实施方式

本发明提出了一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***，下面结合附图，对本发明的技术内容作进一步详细说明。

图6是本发明提供的适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***示意图，该多绕组交流同步电机对***是由新能源发电场400、多绕组同步电机对500、测量装置601以及电网8和本地负载7组成。多绕组同步电机对500由多绕组同步电动机511和三相同步发电机512组成，多绕组同步电动机511和三相同步发电机512的转子同轴连接，其中多绕组同步电机对500可以直接接入电网8及连接本地负载7。

新能源发电场400包括多个驱动电源100，各个驱动电源100输出的三相交流电分别接入多绕组同步电动机511定子侧的各套绕组中，如图7所示。三相同步发电机512可以与电网8和本地负载7连接。其中多个驱动电源构成的新能源发电场可以是整个大规模新能源发电场，也可以是新能源发电场的一部分，即一部分并列运行的新能源机组组成的新能源发电单元。

驱动电源100由风电、光伏等新能源发电设备3、变流器4及其控制器5组成，新能源发电设备3接入变流器4后驱动多绕组同步电动机511，多绕组同步电动机511通过机械转轴的连接拖动三相同步发电机512接入电网8或者连接负载7。测量装置601负责测量同步电机对500的转子参数、驱动电源的电气量以及同步发电机512并网点的电气量，并将测量结果送入控制器5中参与***的调节过程。

图6中，变流器4和与其配套的控制器5组成基本的电力电子装置单元，驱动电源100由新能源发电设备3、电力电子装置单元组成，各套电力电子装置的控制算法和作用等均基本相同。每个驱动电源100均可视作独立的驱动电源，这些电源单元共同组成同步电机对的新能源发电场400，即该***的总驱动电源。各个驱动电源100的输出均为独立的三相交流电，通过交流母线501、502、503等可以直接接入多绕组同步电机对500，多绕组同步电机对500的多绕组同步电动机511设计为多绕组电机。各套电力电子装置中控制器5与测量装置601分别连接，用于获取多绕组同步电机对500中的转子参数、驱动电源的电气量以及同步发电机512并网点的电气量。控制器5与变流器4之间具有双向连接，控制器5可以获取变流器4输入侧、输出侧电气量，同样也可以通过测量装置的反馈信息将计算得到的信号指令下达给变流器4调节***的运行。不同控制器5之间可能也具有通讯上的连接，用于驱动电源之间的协调运行。

测量装置601负责测量多绕组同步电动机对500的转子参数如转速、位置参数，驱动电源侧的电压、电流量以及同步发电机512并网点的电压、电流量。注意测量装置测量得到的电压、电流参数，输出到控制器5中同时可以计算得到频率、功率等必要信息参与***调节。测量装置601与驱动电源100中各个控制器5分别连接，将测量信号处理计算发送至控制器5中，其中控制器5中也可以集成一定的采样功能，对驱动电源输出端的电气量进行采样，从而可以不需要测量装置601具备该测量项。

多绕组同步电机对***中的新能源发电设备3可以通过多个变流器4输出多路电源驱动多绕组同步电机对500，此时多绕组同步电动机511的定子中被激励的绕组的套数与驱动电源的数量相同。多绕组同步电动机511的绕组套数根据实际的新能源接入容量以及经济性、控制复杂度等综合考虑，电机定子的绕组套数理论上可以很多。

测量装置601和不同电源的控制器5可以集成在一个装置内，该装置可以完成整个***的参数测量和各个变流器开关信号的计算，该装置与***硬件进行双向的信息交互，这种方式可以简化***控制***的布线和体积，但是对处理器具有更高的要求。当电源数量不多的时候，采用这种方式更有优势。当电源数量较多时，可能受限于处理器的运算能力和信号端口的数量。

图7示出了本发明提供的多绕组同步电机对***中的驱动电源的结构。为便于说明，图中仅示出三套绕组，则对应图6中新能源发电场400。新能源发电场400可以包括多个驱动单元，每一个驱动单元的结构都是相同的，由电力供给装置301、测量装置601、变流器405、控制器504和三相绕组a_n、b_n、c_n共同组成，因此可以一个驱动电源为例进行说明。电力供给装置301是驱动多绕组同步电机对的能量来源，其可以是新能源发电设备如风机和光伏，或者直流和交流电源等。电力供给装置301直接接入变流器405的输入端。变流器405的输出为三相交流，输出三相通过交流母线441、442和443分别连接多绕组同步电动机511任一套绕组的三相。变流器405与控制器504之间可以进行双向通讯，变流器405通过控制线505接收控制器504的功率器件的开关信号，控制器504通过信号线506得到变流器405的输入输出电气量相关信息。控制器之间可能存在的通讯线507用于不同控制器之间的通信以实现驱动电源的协调运行。对于该同步电机对***可以采用如图6中所示集中式的测量装置，也可以将测量装置分布到每个电力电子装置中，对于控制***而言两种测量方式获取的电气和机械参数相同，仅仅是外部结构形式上存在差异，为了更直观地说明，图7所示驱动电源结构为采用分布式测量装置的示意图。测量装置601通过测量信号线603测量发电机402并网点某一相的电压、电流量，测量信号线605等测量并网点其它相的电压、电流量；通过信号线602测量多绕组同步电动机对500的转子转速、转子位置信息。测量装置601通过输出信号线604将测量信号发送至控制器504。

图7所示的多绕组同步电机对中驱动电源具有如下特点：

1)变流器405与控制器504是***正常运行的关键，变流器是能量的转换单元，而控制器则起到控制其电能正常变换的作用。由于新能源具有间歇性、波动性等特点，容易导致电力供给装置301供给多绕组电动机511的电能出现波动，控制器504可以根据新能源发电能力的变化实时调整发送给变流器405中功率器件的开关信号，同时检测变流器405的输出作反馈，控制电动机的输出转矩抑制新能源发电的波动，维持***负荷平衡。同时控制器应具有常规的过压过流检测，***状态异常检测等保护功能。

2)与稳态运行不同，多绕组同步电动机对500的启动可能需要控制策略的切换，在启动过程中可以通过新能源直接启动或者其它备用电源启动，启动过程中控制器通过测量装置601获取多绕组同步电动机对500转子转速和位置信息，实现该电机***的平稳启动。多绕组同步电动机对500中同步电机达到同步速后通过并网点的自动检同期装置完成该***的并网，之后***进入稳态运行。

3)多绕组同步电动机511中各套绕组之间是相互独立的，并且可以存在多个独立的中性点，因此每套绕组和其它绕组之间可以没有电气上的直接联系，仅仅具有磁场上的耦合关系。图6中多绕组电动机的绕组实际上可以存在三套或三套以上，因此这种结构具有普适性。各套绕组的作用是相同的，从形式上看都是间接的并联关系，能够单独进行分析，因此也便于控制算法的实现。

4)由于采用脉宽调制技术，一般经过逆变直接产生的不是标准的正弦波，因此需要附加一定的滤波电路，可以是L、LC或LCL滤波电路，因此变流器405中会包含滤波设备。

图6所示的***是由新能源发电场400、多绕组同步电机对500、相关的测量装置601以及本地负载7和电网8共同组成的适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对***，以上装置的协同使得该***处于稳态运行。本发明在现有同步电机对***的基础上将传统的三相同步电动机201替换为多绕组同步电动机511，因此可以在电源侧同时接入多个新能源变流器4，从而替代了传统多逆变器交流侧直接并联的方式，可以有效地避免交流并联带来的环流问题。并且由于多绕组电动机定子侧布置有多套独立的三相绕组，不同绕组之间仅仅具有磁场上的联系，可以在新能源侧起到较好的电气隔离作用。通过这种方式驱动同步电机对***也较变流器的直接交流并联驱动效率更高、运行更可靠。

图8a所示是适用于多变流器驱动的同步电机对***中的电机绕组的第一种结构方式示意图。图8a所示多绕组同步电动机511为2极6槽电机，其定子9的槽内布置有两套三相绕组，定子上的各槽内依次缠绕有绕组411、412、413、414、415、416，各个槽内的绕组均由多股导线组成，其中绕组a1和a2共同组成绕组411。其中绕组411、414构成电机的A相绕组，且绕组411和414的绕向相反。同样地，绕组412和415构成电机的B相绕组，绕组413和416构成电机的C相绕组，且构成各相的在定子9中处于相对位置的绕组绕向是相反的。

转子10为电励磁方式，绕组的绕制方向均相同，可以根据实际需要选用不同的极对数。

三相同步发电机512仍然采用典型的三相交流电机的绕组结构，由于同步发电机的作用是发电和并网，与现有传统的同步电机的绕组结构是相同的，图8a中所示三相同步发电机512为2极12槽三相电机，三组槽内的绕组分别构成U、V、W三相。

图8a中多绕组同步电机对是最基本的一种形式，即同步电动机定子上有两套绕组，通过两个独立电源驱动。采用该布置方式时，从整体上看所有绕组的布置和常规三相同步电机绕组的布置相同，每套绕组按照三相交流电机的绕组布置原则放置。各套绕组可以沿定子磁钢的径向放置，两套绕组产生的电磁转矩可以相互叠加。其中每一相的绕组都由两套相同的子绕组构成，如绕组a1和a2分别是A相的两套绕组，两套绕组的布置方式完全相同，导线中电流方向均相同。从整体上看，绕组整体布置原则与常规三相交流电动机类似，但这种方式两套绕组是分别独立的，各套绕组分别对应三相交流电源输入。

图8b所示出的是适用于多变流器驱动的同步电机对***中的电机绕组的第二种结构方式示意图。图8b所示多绕组同步电动机511为2极6槽电机，其定子9的槽内布置有两套三相绕组，定子上的各槽内依次缠绕有绕组411、412、413、414、415、416，绕组均由多股导线绕制。其中绕组411、414共同构成电机的A相绕组，且绕组411和414的绕向相反。同样地，绕组412和415构成电机的B相绕组，绕组413和416构成电机的C相绕组，且构成各相的在定子9中处于相对位置的绕组绕向是相反的。

转子10为电励磁方式，绕组的绕制方向均相同，可以根据实际需要选用不同的极对数。

三相同步发电机512仍然采用典型的三相交流电机的绕组结构，由于同步发电机的作用是发电和并网，与现有传统的同步电机的绕组结构是相同的，图8b中所示三相同步发电机512为2极12槽三相电机，三组槽内的绕组分别构成U、V、W三相。

图8b中所示电机***的工作原理和结构与图8a类似，其差异体现在多绕组同步电动机511的定子侧布置有4套三相绕组a1、a2、a3和a4，四套绕组均布置在电动机的同一个槽内，沿定子磁钢的径向放置。四套绕组中通入的电流方向均相同，各套绕组产生的电磁转矩叠加为多绕组同步电动机511的总电磁转矩。各套绕组之间是分别独立的，各套绕组分别对应各自三相交流电源的输入。

多绕组同步电动机511的定子上理论上可以布置有多套绕组，不仅仅局限于图8b所示的四套绕组。具体的布置要考虑到接入电源的容量，实际运行需求等因素。

图8c所示出的是适用于多变流器驱动的同步电机对***中的电机绕组的第三种结构方式示意图。图8c所述多绕组同步电机对500是由多绕组同步电动机511和三相同步发电机512构成，图8c所示多绕组同步电动机511具有比图8a和图8b中的多绕组同步电动机更多的定子槽数，图8c所示仅为其中一种形式——2极12槽电机。其定子上布置有四套三相绕组，定子上的各槽内依次缠绕有绕组411、412、413、414、415、416、417、418、419、420、421和422，其中绕组411、412、417和418共同构成电机的A相绕组，且绕组411和412的绕向相同，417和418的绕向也相同，但这两对绕组各自的方向相反。同样地，绕组413，414，419和420构成电机的B相绕组，绕组415、416、421和422构成电机的C相绕组，且构成各相的处于定子上相对位置的绕组绕向是相反的。图8c所示的定子绕组布置方式包含两种布置方式，以A相为例，绕组a1、a2、a3和a4分别对应四套绕组，其中子绕组a1、a2和a3、a4分别位于两个不同的槽内，两槽沿定子圆周间隔30度电角度。则绕组a1、a2和a3、a4各自的布置原则和图8b中相同，同理其它各相绕组的布置也按照这一原则。

由于不同套绕组在空间中的布置存在差异，因此采用不同槽内的布置方式时，对应驱动电源产生的三相交流电也需要形成与绕组间隔电角度对应相同的相位差。其中各个槽内的绕组都是可以拆分的，即可以根据需要拆分成不同套的绕组，与如下的布置方式相对应。

多绕组同步电动机511的定子上可以布置有多套三相绕组，绕组可以有以下三种布置方式：

1、从整体上看，所有绕组的布置和常规三相电机绕组的布置相同，每套绕组按照三相交流电机的绕组布置原则放置。各套绕组可以沿定子9磁钢的径向放置，所有套绕组产生的电磁转矩可以相互叠加；

2、各套绕组位于不同的槽内，且依次互相间隔固定的电角度。绕组可以有对称和不对称两种类型，如图8c中绕组a1是电动机A相的一套绕组，a3是电动机A相的另一套绕组，两套绕组由于在不同的槽内，两套绕组对称布置时间隔60度电角度，不对称时间隔30度电角度，其它各相绕组的规律相同。同时采用该方式时，两路驱动电源产生的三相交流电也需要形成与绕组间隔电角度对应相同的相位差。

3、同样可以结合上述两种方式，图8c就是在定子中同时采用上述两种方式布置绕组，这种布置方式是上述两种方式的线性组合，各套绕组可以分别采用角向和径向分布方式。组合的结果需要结合具体的应用场景和指标要求。

图8d所示出的是适用于多变流器驱动的同步电机对***中的电机绕组的第四种结构方式示意图。图8d所述多绕组同步电机对500是由多绕组同步电动机511和三相同步发电机512构成，图8d所示多绕组同步电动机511具有比图8c中的多绕组同步电动机更多的定子绕组套数。与图8c类似，为了便于说明仍然采用2极12槽电机的结构。图8d中多绕组同步电动机定子上布置有八套三相绕组，定子上的各槽内依次缠绕有绕组411、412、413、414、415、416、417、418、419、420、421和422，其中绕组411、412、417和418共同构成电机的A相绕组，且绕组411和412的绕向相同，417和418的绕向也相同，但这两对绕组各自的方向相反。同样地，绕组413，414，419和420构成电机的B相绕组，绕组415、416、421和422构成电机的C相绕组，且构成各相的处于定子上相对位置的绕组绕向是相反的。

图8d所示的定子绕组布置方式包含两种布置方式，以A相为例，绕组a1、a2、a3和a4构成411的四套子绕组，绕组a5、a6、a7和a8构成412的四套子绕组。其中绕组a1、a2、a3、a4和a5、a6、a7、a8分别位于两个不同的槽内，两槽沿定子圆周间隔30度电角度。同理其它各相绕组的布置也按照这一原则。

图8d中绕组的布置方式可以视为图8c中绕组布置数量的扩充。图8d中的绕组可以有多套，绕组的布置可以有以下三种方式：

1、从整体上看，所有绕组的布置和常规三相电机绕组的布置相同，每套绕组按照三相交流电机的绕组布置原则放置。各套绕组可以沿定子9磁钢的径向放置，所有套绕组产生的电磁转矩可以相互叠加；

2、各套绕组依次互相间隔固定的电角度τ，电机的相数为m。绕组可以有对称和不对称两种类型，采用对称绕组时，所有绕组在定子上按相同的电角度τ＝2π/m均匀分布；采用不对称绕组时，对于每一套绕组，各相绕组间隔120度电角度，不同套绕组的同一相绕组间隔电角度为τ＝π/m。同时采用该方式时，两路驱动电源产生的三相交流电也需要形成与绕组间隔电角度对应相同的相位差。

3、同样可以结合上述两种方式，即在定子中同时采用上述两种方式布置绕组，这种布置方式是上述两种方式的线性组合，各套绕组可以分别采用角向和径向的分布方式。组合的结果需要结合具体的应用场景和指标要求。

图8d所示的多绕组同步电机对500中多绕组同步电动机的定子绕组具有如下特点：

1)多绕组同步电动机511的定子上布置有多套三相绕组，但应注意绕组的数量具体应用应考虑到实际电场容量需求、控制策略的实现和工业上电机的制造水平等因素；

2)绕组最基本的布置方式有两种，可以采取沿定子9径向向外叠加绕组，也可以沿定子9圆周方向按规律间隔一定的角度放置绕组。采用第一种布置方式时各个驱动电源的相位是相同的，而采取第二种布置方式时，各套绕组的驱动电源也需要形成与绕组布置间隔电角度相对应的相位差。第一种布置方式较简单，且对驱动电源的要求较低，便于实现。但是绕组数量较多时会使定子槽端部较厚；第二种布置方式可以提高槽的利用率，但是有对驱动电源的相位要求，会增加控制的复杂度。因此两种布置方式需要考虑具体的使用场景和实际的电机制造水平。甚至可以采用两种布置原则相结合的方式，图8d所示结构图仅用于绕组布置方式的定性说明，如绕组a1(a2/a3/a4)和a5(a6/a7/a8)的相对位置对应第二种布置方式，同一槽内的绕组a1、a2、a3、a4(a5、a6、a7、a8)分层布置对应第一种布置方式。当电机的绕组数量增多时，可以按照该原则适当扩充。

3)一般沿角向的绕组分布都是均匀的，即每一套绕组相对于电机转子的轴心分布是一样的，但是也可能存在不均匀的分布结构，但这些绕组对应变流器的控制将会变得非常复杂才能保证电动机的稳定运转。

4)对于不同的绕组布置方式，只是形式上存在差异，本质上各相绕组的布置和传统电机绕组的布置类似。各套绕组中各段绕组按照一定的串联结构构成各相绕组，其中各相绕组按照电流流向将首、末端分别引出便于外部连接和控制，这对工业上电机制造来说也是便于实现的。

5)多绕组同步电动机511的每套三相绕组可以采用星型接法或三角形接法，采用星型接法时，每套绕组都有不同的中性点，其中中性点N可以连接也可以不连接，一般正常运行时不连接，以便于***的分析和控制；如在容错处理时可以连接。

图9为本发明提出的多绕组同步电机对***中的电动机定子绕组细节图。以图8a-8d中描述的各种多绕组同步电机的定子绕组结构为基础，图9是C相绕组一种结构的局部放大图。其中C+绕组由多股导线组成，且该多股导线可以根据需要拆分。

当采用第一种布置方式时，绕组沿定子磁钢径向外按照类似a1、a2和a3的方式分层布置，则a1、a2和a3为电机同一相的不同套绕组，且a4和a5为与a3对应套绕组的其它股导线，并与a3流通相同的相电流。同理，槽中其它导线的作用相同。

当采用第二种布置方式时，a1、a2、a3等线圈可以部分或全部组成多绕组电机的某一相绕组，a4、a5等线圈分开一定的电角度τ放置，即放置在定子其它槽内，此时对应相的其它套绕组同样应按照前述要求的电角度τ的间隔缠绕在其它槽内。这样就使得同一相的子绕组分布在不同的定子槽内。

当采用第二种布置方式时，绕组可以有对称和不对称两种类型，采用对称绕组时，所有绕组在定子上按相同的电角度τ＝2π/m均匀分布；采用不对称绕组时，对于每一套绕组，各相绕组间隔τ＝π/m度电角度，如对于六相电机则不同套绕组的同一相绕组应间隔60度电角度，其它各相绕组的规律相同。同时采用该方式时，不同的驱动电源产生的三相交流电也需要形成与绕组间隔电角度τ对应的相位差。

多绕组同步电机对中的多绕组电动机定子绕组中每个槽由多股导线组成，由于导线可以进行拆分，因此不同套绕组存在两种基本的布置方式，但应注意这两种布置方式本质上还是定子槽内绕组沿径向和圆周方向布置的区别。第一种布置方式是在三相电机绕组布置原则的基础上，将对应相的不同套绕组放置在相同槽内，且沿定子磁钢的径向排列；第二种布置方式是对应相的绕组沿圆周方向布置，即在空间上分隔固定的电角度，这种方式使得对应相的不同套绕组摆放在不同槽内。如a4和a5绕组如果和绕组a3放置在不同槽内，则构成第二种布置方式。两种绕组布置方式对驱动电源相位的要求也是不同的。绕组的布置方式选择需要结合具体的使用场景和实际的电机制造水平。

以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，包括：新能源发电场、多绕组电励磁同步电机对、测量装置、本地负载和电网；其特征在于：所述多绕组电励磁同步电机对由多绕组电励磁同步电动机和电励磁同步发电机构成，所述多绕组电励磁同步电动机的转子和所述电励磁同步发电机的转子同轴连接，两者的容量、转速相匹配；所述新能源发电场包含多个驱动电源；所述多绕组电励磁同步电动机的定子侧分别接入多个所述驱动电源；每个所述驱动电源包含变流器，且每一个所述变流器为所述多绕组电励磁同步电动机的定子的每套绕组独立供电；所述多绕组电励磁同步电动机的定子侧布置有多套独立的绕组，每套绕组在定子上分别按照一定的空间位置放置；在三相交流电源模式下，所述多绕组电励磁同步电动机定子侧布置的每套绕组中的三相绕组依次间隔120度电角度。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，其特征在于：所述驱动电源还包括新能源发电设备和控制器。

3.根据权利要求1所述的一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，其特征在于：所述测量装置负责测量所述多绕组电励磁同步电机对***的电气参数和机械参数。

4.根据权利要求3所述的一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，其特征在于：所述机械参数包括所述多绕组电励磁同步电机对的电机转子的转速和位置，所述电气参数包括所述电励磁同步电机对***在驱动电源侧和并网点的电压、电流。

5.根据权利要求2所述的一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，其特征在于：所述控制器连接所述变流器和所述测量装置，所述控制器接收所述测量装置测量和所述变流器采样的输出结果，并将通过反馈控制算法计算得到的PWM信号输出到所述变流器中的IGBT开关器件的信号端口；所述变流器通过控制器给定的PWM信号将所述新能源发电设备的直流输入或交流输入变换为交流输出，每个所述变流器的交流输出分别连接到所述多绕组电励磁同步电动机的定子的一套绕组中。

6.根据权利要求2所述的一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，其特征在于：所述每套绕组的布置方式为径向放置、角向放置或两种布置方式的组合。

7.根据权利要求6所述的一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，其特征在于：所述径向放置的方式为每套绕组沿多绕组电励磁同步电动机定子磁钢的径向放置，所述每套绕组产生的电磁转矩相互叠加。

8.根据权利要求6所述的一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，其特征在于：所述角向放置的方式为根据多绕组电励磁同步电动机定子侧绕组的套数，不同套绕组依次相互间隔固定的电角度放置在不同的定子槽内，不同的驱动电源产生的三相交流电在所述控制器的作用下形成与绕组间隔电角度对应相同的相位差。

9.根据权利要求2所述的一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，其特征在于：所述多绕组的套数和变流器数量取决于所述新能源发电设备的实际数量和需求，且所述多绕组电励磁同步电动机的容量和接入的所述新能源发电设备的所述变流器的总容量相匹配。

10.根据权利要求2所述的一种适用于多变流器驱动的多绕组电励磁同步电机对***，其特征在于：所述新能源发电设备是风电机组、光伏机组或是两者的组合。

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