CN107565727B - 可变速内燃机发电机组-变速恒频交直流凸极同步发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型可变速内燃机(柴油机、燃气轮机)发电机组，它包括可变速柴油机‑发电机机组及可变速燃气轮机‑发电机组，新型可变速凸极同步电机，具备可变速恒频及其交直流供电特性，属于基础性的原始创新发明。它是构建新型可变速内燃机(柴油机、燃气轮机)发电机组的基础。它是在新型移动式可变速内燃机发电机组、大型舰船综合电力系统、新型多电大飞机系统，以及在新能源风电‑柴电综合系统中的发明和应用。它所要解决的关键是在孤立电力系统中，实现系统变速恒频，目的是改善内燃机发电机组的运行特性，节省燃油消耗，提高经济效益，减少废气排放，改善环境污染。

Description

可变速内燃机发电机组-变速恒频交直流凸极同步发电机组

技术领域

本发明属于新型可变速内燃机(柴油机、燃气轮机)发电机组。是一种具备可变速恒频特性及可交直流供电的发电机组，它能使机组可变速，使能改善内燃机发电机组的运行特性，节省燃油消耗，提高经济效益，减少废气排放，改善环境污染。它特别涉及一种新颖变速恒频交直流凸极同步电机原理、特性及结构范畴，属于基础性的原始创新发明。

背景技术

新型可变速恒频内燃机发电机组(Internal Combustion Engine GeneratorsSet with Variable Speed Constant Frequency)，是近年来在移动式柴油发电机组、大型舰船通信、航空航天大型多电飞机、新能源风电及其分布式电网、微电网技术等领域的研究热点，它能够有效提高发电设备的燃料利用率和改进输出电能品质，同时降低设备的重量和体积，提高电力系统经济性和可靠性。新型内燃机组被认为是新一代内燃机(柴油发动机、燃气轮机)发电机组的发展趋势。无论是军品，还是民用，它是新一代现代技术的发展趋势，具有广泛的应用前景和巨大的经济效益。

1、新型移动式可变速内燃机-发电机组及其系统

传统内燃机-发电机组，它包括柴油机发电机组和燃气轮机发电机组二大类。鉴于电力系统恒频恒压的基本要求，其发电机，一般为凸极同步发电机，转速固定不变。由于同步电机的频率和转速限制，迫使内燃机转速固定不变。因此，一般情况下，传统内燃机-发电机组是转速固定不变。

现代内燃机-发电机组，具有结构紧凑、轻便灵活、投资小、建设快、效益高、移动性好、适应性强等一系列优点。因此，在国民经济中，特别是在边远地区、孤岛荒郊、野战移动、重要负荷、通信枢纽、医疗中心、指挥中心等为适应环境需求，得到广泛应用。在现代化战争中，现代军用移动式柴油发电机组(Military Mobile Diesel Generator Set MMDGS)，即电源车，成为军队不可或缺的重要的后勤装备，是现代战争重要的保障装备之一。

首先，现代军用移动式柴油发电机组(Military Mobile Diesel Generator SetMMDGS)，美军军用发电机已经历经军用标准化发电机(Military Standard Generators，MIL_STD)、战术静音发电机(Tactical Quiet Generators，TQG)两代的发展，正在向第三代高级中型移动电源(Advanced Medium-sized Mobile Power Sources，AMMPS)发展。当前，正在发展中的第三代发电设备(AMMPS)，仍然由柴油机来驱动，美国康明斯(Cummins)公司的已研发的AMMPS产品，在同等容量条件下的第三代(AMMPS)相对于第二代(TQG)而言，在重量、体积、油耗等方面均有所减小。第三代(AMMPS)具有的典型特点有智能控制、故障诊断、可变速控制、先进的结构和原材料、先进的结构部件等。

研究指出，变速恒频柴油发电机组(VSCFDG)是第三代移动发电机组的显著特征。第一代、第二代移动发电机组具有相同的结构，区别在于第一代(MMDGS)中的发动机采用老式柴油内燃机或汽油内燃机，发电机是传统的电励磁的同步交流发电机，整机运行效率低、噪声大、比较笨重、难于操控。第二代(MMDGS)的发动机采用现代内燃机，发电机采用异步交流发电机、无刷电机以及采用永磁激磁方式的交流同步发电机等新型发电机。相对于第一代移动发电机组，第二代移动发电机组降低了重量、提高了发电效率。但第一代、第二代移动发电机组具有相同的运行方式，即以恒速恒频运行，输出是稳定转速和恒定电压。相对于第一、二代移动发电机组而言，VSCFDG在组成上采用先进的现代发动机，其结构紧凑、热效率高、排放污染小、具有更高的可靠性；采用现代发电机(多是永磁发电机)，具有更高的能量转换效率和可靠性、并且能够实现高速运行；引入电能变换装置，使得在发电机组变速运行时，能将发电机发出的变频变压的电能转换为负载所需的高品质恒压恒频的电能；VSCFDG采用集成安装技术，有效降低了重量、缩小了体积、提高了设备的机动性能；VSCFDG采用变速恒频运行方式，能够根据负载对电能的需求，采用优化的燃油喷射控制，调整运行转速，从而降低了燃油消耗和运行噪声，增加了对负载的适应性。第三代移动发电机组的核心是可变速柴油发电机组和控制技术。

在总后勤部西安建筑工程研究所的支持下，以某型重点装备预研项目子课题为支撑，以GJB235A-97中的I类军用交流移动电站的技术指标为基准，对提高VSCFDG电气性能和战术性能的控制系统及相关运行控制技术进行了研究。

在2001年，美国陆军训练与条令司令部(the US Army Training and DoctrineCommand，TRADOC)和美国陆军装备部(the US Army Materiel Command，AMC)在讨论未来战争所需科技时，认为移动电力供应是现代战争必不可少的重要保障，并为此TRADOC、美国陆军通讯电子司令部(The US Army Communications-Electronics Command，CECOM)联合美国诸兵种合成保障司令部(the US Army Combined Army Support Command，CASCOM)发布了具有技术前瞻性的指导性报告——《移动电力供应研究和开发2015-2025年时间框架前端分析》(《Front End Analysis of Mobile E1ectric Power Research and Developmentfor the 2015-2025Time Frame》)。报告认为以燃料驱动的内燃发电机或涡轮发电机是72小时无人干预发电机的主要形式。同时，报告对发电领域的各种相关技术进行了详细分析，并认为通过引入先进技术，将使内燃机发电继续保持至少二十年的领先优势。为此，美国政府和军方联合各内燃机、发电机公司、高等院校对移动供电设备进行全面技术改进研究，如资助弗吉尼亚理工大学进行发电机噪声控制技术研究、资助普度大学进行小型发电机功率密度提高和噪声抑制方面的研究、资助华盛顿大学进行发电机的流体力学建模和试验研究等；联合康明斯(Cummins)公司进行AMMPS研究。这引起各国科研人员对MDGS的先进技术的关注^[7-9]。

其次，在边远地区，柴油发电机组(Diesel Generators set)通常作为孤岛独立电源系统，提供具有恒频恒压的交流输出特性。对于一般相对较小的社区、团体的边远地区，一般来说，白昼峰值负荷与夜间最小负荷之间负荷容量变化大。对于柴油发电机组容量选策是依据峰值负荷确定。因此，柴油发电机组必须依据通常的负荷条件过容量确定机组容量。一般情况，柴油发电机组在平均负荷下运行，要低于满负荷下30％的状态运行是通常的。然而，对于轻载运行时，由于在内燃机内，所有燃油在燃烧过程中不可能完全燃烧，燃料燃烧的经济性差。未完全燃烧的燃油在内燃机汽缸内壁上稀释为油，引起在内燃机的缸体壁上引起过度的摩损和碳排放积累。这些有害的和破坏性的条件对内燃机发电机的特性和设备造成严峻的破坏和故障。为了防止这种状态运行，制造厂坚持要求，柴油发电机组必须具有超过50％以上负荷恒速运行，以保护设备和安全运行。

在大系统中，为了克服由于轻载负荷引起产生的问题，提出了一些解决方案，如采用多台柴油发电机组恒速并联运行，根据负荷要求，通过调节并联运行的柴油发电机组台数，或联网或关断，以使柴油发电机组同时满负荷运行。在中小系统中，采用多台柴油发电机组并联运行是不实际的和不经济的。与新能源组合的传统的柴油发电机组能源系统，常常是在边远地区。遗憾的是，新能源系统同样地也会导致传统的柴油发电机组处于更长周期的低负荷运行。近来，新型变速柴油发电机组已经提出，使柴油机转速为可调节，以使它的输出功率与负荷的要求相匹配。这种新型可变速柴油发电机组系统，通常采用由内燃机驱动的永磁同步电机，通过全功率PWM逆变器技术实现柴油发电机组的变速恒频。文献报道，新型可变速柴油发电机组较传统的柴油发电机组，节省燃油，稳定性高，更加高效、节能、环保和安全可靠。在孤岛电力系统，新型可变速柴油发电机组与传统固定速柴油发电机组相比较，燃油消耗可减少高达40％以上，特别是当柴油发电机组运行在轻载负荷时，尤为突出。

恒速柴油发电机组的最小负荷大约是40％左右，其值相当于可变速柴油发电机组负荷的23％左右。可变速柴油发电机组能使内燃机在它的整个运行范围内更加高效地应用。可变速柴油发电机组运行的主要优点是它能减少燃油消耗，而又不超过它的额定转矩产生更多的电能。考虑到内燃机严格的额定转矩的限制和最佳燃油消耗，柴油发电机组的转速能够达到(或接近)额定转速，同时取得最佳的燃油消耗工作点。即使柴油发电机组无论负荷如何变化，能使机组始终处于最优工作点状态，高效节油，安全可靠运行。

近年来，可变速柴油发电机组发展很快，有二种方式。首先，它采用由内燃机驱动的永磁同步电机(Diesel-PMSM or IC-PMSM)组成系统，采用全功率电力电子PWM逆变器实现变速恒频。其结构简单，价格昂贵，可靠性差，易失磁等缺陷，它是当前的主流系统。其次，它采用由内燃机驱动的双馈异步发电机(IC-DFIG or Diesel-DFIG)组成系统，它采用部分功率(滑差功率)电力电子PWM逆变器和双馈异步电机实现变速恒频，其特点是滑差功率电力电子PWM逆变器，仅其为额定功率的部分，约为30％左右。但是，它实质为绕线式异步电机，为异步电机的特性和特点^[6，10]。在电力系统并联运行中，与其他常规同步电机并联运行，功率匹配和稳定性，不够理想。

2、大型舰船综合电力系统-可变速内燃机发电机组

在现代大型舰船中，大型舰船综合电力系统，它由大型柴油发动机、燃气轮机作为动力源，大型凸极同步发电机作为电力源，二者组成大型舰船综合电力系统，构建现代舰船综合电力系统。其中舰船推力系统，由电力推进电动机及变频装置组成，构建舰船电力推进系统。

传统舰船的动力系统和电力系统是独立的。动力系统通常由常规的热机和其他机械装置(诸如柴油发动机、燃气轮机等)构成。舰船推进是由大型内燃机，主机完成。电力系统，一般是作为辅助能源，是另外一个相对独立的系统。传统舰船推进方式是由内燃机(柴油发动机、燃气轮机)、齿轮减速器、螺旋桨推进等组成。机浆转轴连接，主机和推进器齿轮箱等传动。将电力系统与推进系统相结合形成舰船动力系统，其中大型柴油发电机(燃气轮机)组是其关键设备之一。目前，无论是民船，还是舰艇上，现代综合电力系统是将舰船发电、供电与推进用电、舰载设备用电集成在一个统一的系统内。其中动力部分由大型柴油发动机、燃气轮机作为动力源，发电部分由大型凸极同步电机作为电力源，二者组成舰船系统综合电力系统源。其中舰船推力系统，由电力推进(永磁或电励磁)电动机及其变频调速技术组成。从而实现舰船系统发电、配电、供电与电力推进用电及其它设备用电统一调度和集中控制。鉴于电能传输的优越性，易实现集成和灵活控制，使各系统高效率运行，必将大大简化舰船动力系统的结构。

综上所述，无论是传统，还是现代舰船综合动力系统中，它是以柴电联合动力装置、大型燃气轮机发电机组是关键核心设备。其中大型凸极同步发电机是其电力系统的核心，在动力系统中占据重要的地位。同时，应当指出，由于舰船的特殊性，作为电力系统而言，它是一个孤岛运行的独立的电力系统，而非大电网系统。

众所周知，鉴于电力系统恒频恒压的要求和特性，传统的大型柴油发电机组的转速基本上是不变的。分析指出，无论是大型水电机组中的水轮机转轮、大型风电机组中风轮螺旋桨转轮、舰船推进螺旋桨叶片，同为流体机械的转轮叶片特性，存在一个相似的转轮运行特性，存在一个最优工作点。同样，内燃机工作特性，在转矩-转速曲线中，从燃油消耗出发，也存在一个最优工作点。在电力推进中，螺旋桨推进系统也存在一个最优工作点，即电机和内燃机也同样存在一个最优工作点。因此，如何寻找内燃机和电机最优匹配，使机组始终运行在最优工作点，成为重要的课题。

对于大型舰船，当舰船负荷变化，船速变化，顺水或逆水，海况变化等工况变化时，柴油机和螺旋桨推进系统工况也必然变化，即必然会偏离固有特性的工作点，使工况恶化。如果同步电机能够转速可调，能具有保持变速恒频恒压的特性，使舰船电力系统安全可靠运行。即无论使柴电机组在任何工况下，使机组始终处于最优工况下运行。这是该课题命题的必要性、和可行性的基础。该技术的核心和关键是必须具有能够实现变速恒频的可调速大型凸极同步发电机。它是使能创建新型可变速恒频柴油发电机组成为可行的基础。这是新世纪大型发电设备的发展方向和关键技术。

对于现代大型舰船综合电力系统中，其中柴电动力系统，大型柴油发电机组是核心。特别是对于大型远洋船舶，大多为中低速的大型柴油发动机组，即多极凸极同步电机；对于大型舰船，大多为中高速的大型内燃机组(柴油发动机或燃气轮机)，即4极凸极同步电机。一般多采用大型凸极同步发电机，而绝不会采用异步发电电机组。本课题研究的重点是以新颖大型可变速恒频凸极同步发电机为基础，构建新型可变速恒频柴油发电机组。(对于大型高速燃气轮机发电机组，额定容量超过10MW以上的高速燃气轮机，额定转速为3000转/分(50Hz)者，将另案处理)

综上所述，对于大型舰船系统，开发和研究新颖大型可变速凸极同步柴油发电机组，使它始终工作在最优工况下，节能减排，节省燃油，提高经济效益，改善环境污染是合理的、必要的和可行的。

现代大型舰船电力推进系统，它是将电力系统与推进系统相结合，形成舰船动力系统。它是由电力推进(永磁或电励磁)电动机及其变频调速技术组成。舰船新颖电力推进系统，也可由大型变速恒频凸极同步电机作为推进螺旋桨，即电励磁可变速同步电机，类似国外的新型异步感应电机。从而在舰船上，以新颖变速恒频凸极同步电机为核心，构建新颖电力推进系统及控制。本专利拟将大型内燃机与大型可变速凸极同步电机结合，在大型舰船领域，开发和研究新颖大型可变速凸极同步柴油发电机组。开发研究新型电力推进机组。

3、现代大型多电飞机(MEA)

近年来，人们更多地研究焦注多电飞机(MEA)(more electric aircraft)，多电飞机的发展和趋势，已成为实现。其目的在于改进环境污染，减低气体排放和降低燃料消耗，节能减排，提高经济效益。

在传统飞机中，它采用一种或几种能源，它包括电气、液压、机械及气动等能源形式的多路系统组合，但所有能源形式均存在着各自不同的缺陷。当前大部分飞机采用的是非电动力，如环境控制和发动机启动等。未来飞机的目标是使用新型电气系统，取代非电系统，诸如以前使用液压、机械和气动的动力系统，已经全部或局部地被电气系统所取代。长期以来，综合驱动发电机组(IDG Integrated Drive Generators)一直用于喷气发动机，通过机械方式，以实现引擎变速驱动为恒速驱动。对飞机电源系统，它要求提供变速恒频功率。

在传统飞机中，通常使用频率为400Hz的115V的交流电源。在系统中，主发电机是经机械装置与主引擎发动机直接相连接，发电机保持原动机的转速。因此，在飞机上电气系统的频率是恒定的。由于在飞机上的许多重要功能，包括主引擎的启动、环境控制系统、除冰作业、液压系统和气动系统等均不是由电气系统提供能源。因此，要求每台引擎发动机为发电机所提供的的容量要比现代多电大飞机小得多。在传统飞机的恒压恒频系统中，电功率主要使用于风扇系统，即飞机的座舱的空气循环系统。同样，电功率也使用于各种电气设备，如照明、座舱负荷及电视TV等。大多数风扇是典型的400Hz直接启动，而无功率电子转换。因此，三相交流感应电机直接启动，高达6-10倍的启动电流，使电气系统承受巨大冲击。

在传统飞机中，由变速驱动产生交流恒频的最常用的方法是采用具有同步发电机集成液压恒速驱动(CSD)，调节驱动转速。然而，这种系统笨重庞大，昂贵的维护要求和低效率。当然，可以采用全功率能量转换器，在发电机的输出侧，调节发电机的频率，能够实现变速恒频。显然，与液压恒速驱动(CSD)系统相比，也可以提高一些效率，但是，重量和成本要大大增加。由于为了提供恒频技术的缺陷，变频技术已经在一些新型大飞机上实施。最简单的方法是采用绕线式同步发电机，在可靠性方面，它能超越恒频的(CF)液压恒速驱动(CSD)系统。

在大飞机中，新近发展的变化之一是综合驱动发电机组(IDG Integrated DriveGenerators)已经逐步被淘汰，以改进飞机的多种特性，诸如效率、环境排放、可靠性、维护和成本等。美国国家航空和宇航局(NASA)提出未来飞机的目标和趋势是多电飞机。在新型民航大飞机组，如波音B-787、空客A380、A350，传统的恒压恒频系统为恒压变频系统所取代。经发电机控制系统，恒压为115V或230V，频率变化取决于引擎的转速，频率变化为350-800Hz。在军机标准MIL-STD-704和DO-160中，在新型民航大飞机和军用飞机上，新型恒压变频系统已经被标准化。因此，在传统飞机中，在恒频电源400Hz下，具有驱动发电机(IDG)系统运行的多种负荷，现在要求具备多种能量转换功能，即交流-直流(AC-DC)，或直流-交流(DC-AC)。这种发展趋势对于航空工业和新型飞机来说，功率电子转换器和交流电机的容量、重量、体积、可靠性和特性等是极为重要的。

在最近的民用航空大飞机中，包括波音B-787和空客A-380等，引擎直驱发电机，或发电机经由变速齿轮箱是直接与引擎相连接。因此，在这种飞机上，电力系统的频率是直接正比于引擎的转速。引擎的特性和齿轮箱的速比确定了电力系统的频率变化。大飞机已经具备燃气轮机(GT Gas Turbine)驱动的发电机，其容量为每台引擎功率高达500KVA。燃气轮机(GT)主要是为飞行提供推力要求，在飞行阶段中，推力是变化的。驱动发电机的转速是变化的，其变化范围大约是2∶1。鉴于交流恒频(AC CF)系统能使系统中各种电磁装置的容量和重量达最优化，具有优越性。

对于波音B-787，主电源系统规定频率范围为360-720Hz，速比为2∶1。对于空客A-380，频率范围为370-770Hz，速比为2.08∶1。美国空军标准704F规定，对于变频系统，频率范围为360-800Hz，速比为2.22∶1。在发电机与燃气轮机之间，存在一个固定的转速比，这意味着在变频系统中，系统的频率是直接同燃气轮机的转速有关，而燃气轮机转速本身与推力有关，它与飞机飞行状态有关。显然，在一定的飞行阶段，诸如续航、滑行、着陆时，飞机的推力要求是很低的。飞行速度减小，推力减小。然而，由于维持电气系统的频率，燃气轮机转速必须保持高转速状态。这些超出的推力是被浪费掉，并且，在滑行和着陆时，还会引起高成本的制动刹车磨损，增加燃料消耗和成本。降低飞机燃料消耗，是一个十分有意义的问题。

双馈异步发电机(DFIG Doubly fed induction generator)，它为变速驱动的恒频发电机提供了效益，它仅要求具有部分额定容量的逆变器，同时无需其他的机械调速装置。双馈异步发电机(DFIG)已经在风力发电系统中得到广泛地应用，取得了明显的经济效益和社会效益。在风电系统中，典型的速比范围是1.86∶1(电机同步转速的±30％左右)，比飞机的转速范围要窄。当风力发电机(DFIG)与强大的恒频电网连接时，它能够实现以获得最大功率传输控制，并且尽可能实现功率因数的修正为目标。当风速变化时，风电的速度变化约为3∶1，它的重点是风电机组的最大风能捕获。

在新型飞机电气网络中，它是一个相对弱电网，而又有大量的高动态负荷，但却仅有单个的发电机。因此。对于民航和军机飞机，双馈异步发电机组(DFIG)必须作为孤立电源系统运行，控制调节网络的电压和频率。对于飞机系统而言，在整个速度范围，飞机系统要求其电功率是恒定不变的。因为燃气轮机的速度是由飞行状态的推力要求所确定的，对原动机控制是不可能的。如果变频网络被考虑为对于特定的速比2∶1范围，燃气轮机的机械速比范围能够拓宽超过2.5∶1的比值，而对逆变器容量仅为系统额定容量的18％左右。对于飞机系统，为了从效率和可靠性方面考虑，逆变器的额定值应当最小化，这种潜在的能力，使它能大大地改进燃气轮机的特性，特别是减小在最小附加电气系统部件，功率电子装置的重量、体积和成本，以获得新型大飞机的综合效益和经济性，尤为重要^[13，14]。

4、在新能源基地和微电网中，风电-柴电机组(wind-diesel system)联合系统

在新能源和分布式电网(DER distributed energy resource)、微电网中，风电具有突出的意义及广阔的前景。风电由于受环境及气候等因素影响和干扰，给风电运行带来一些问题，为了保证安全可靠供电和经济运行，往往采用风电-柴电机组(wind-dieselsystem)联合系统，成为一种新模式。一般来说，风电电网或微电网均装备柴油发电机组，它以固定速运行，提供所要求的功率和稳定的电压输出，当风电电力系统要求功率增加时，柴油发动机的燃料消耗也随之增加，然而柴油发电机组的效率将下降。因此，这种系统消耗大量燃料，电网效率下降。鉴于可调速发电机组技术的发展，它将替代固定速发电机组。

对于风电-柴电机组系统，至少存在三种运行模式，第一种模式，当风场风速很高时，风电系统捕获的风能足够供给负荷的能源，风电机组(WECS DFIG)单独运行。柴油发电机组(DGS)脱网，风电机组系统(WECS)作为孤立电网运行；第二种运行模式，当风场风速很低时，风电机组(DFIG)脱网，柴油发电机组(DGS)对系统提供所要求的能源；最后，第三种模式，风电-柴电机组(wind-diesel system)联合运行，风电系统机组(WECS DFIG)连接电网系统，但风电机组(DFIG)捕获的风能不足以供给负荷的能量。因此，负荷要求必须由风电系统(WECS)和柴油发电机组(DGS)联合供电。其中第二、三种运行方式，均涉及柴油发电机组运行。

当柴油发电机组(DGS)被连接时，为了调节负荷的电压和频率，柴油发电机组(DGS)始终能够被控制。当风电系统(WECS DFIG)被连接电网运行时，因为柴油发电机组(DGS)对于风电系统(WECS)形成为一个虚拟电网，而风电系统中，风力发电机组(WECSDFIG)对于电网是同步运行的，即控制系统是以定子磁链定向控制。如果控制是按照电网运行，而不是使用柴油发电机组系统运行，则定子磁链根据电网电压和定子电流估计定向控制，否则，用于控制柴油发电机组的相同的磁链矢量位置能够用于控制风力发电机。因此，为了驱动风力透平机获得最大气动效率系数，由风力透平机捕获最优风能，风力发电机组(WECS DFIG)电磁转矩能够被控制以获得最大风能。当风电系统(WECS)和柴油发电机组(DGS)二者联合供电负荷时，由二者发电机提供电网系统总功率。如当由风电系统捕获的风能增加时，而由柴油发电机组提供的能量将会减少，为了节身燃料和提高效率，柴油发电机组的转速将会减少；相反，当由风电系统捕获的风能减少时，那么柴油发电机组不得不提供更多的的能量给电网。柴油发电机组的转速将会增加。系统所要求的无功功率能够由柴油发电机组供电，风电系统发电机或由网端逆变器按照控制规律，即由整个发电机系统减少损耗和增加效率确定最优无功功率控制。整个系统的无功功率控制是十分重要的，它涉及系统的电压稳定和波动性。

在风电-柴电机组(wind-diesel system)联合系统中，当柴油发动机和风力透平机均是可变速机组时，能使风电机组从风场捕获最优风能，从柴电机组获得最优燃料消耗。对于系统中的每种发电机系统使用矢量控制，使风电-柴电机组(wind-diesel system)系统能够提供变速恒频恒压。柴油发电机组平衡系统的功率，根据功率要求，调节转速，以获得最小的燃料消耗，柴油发电机组最优运行方式。通过调节风力透平机从风场捕获最大风能，控制风电机组的电磁转矩。对于风电系统，风电-柴电机组(wind-diesel system)运行中，动态、稳态运行，其中包括电压、频率控制，有功、无功控制分析^[15，16]。

5、新型可变速内燃机发电机组-新型可变速交直流凸极同步电机

鉴于上述分析，新型可变速内燃机发电机组，它在移动式柴油发电机组、大型舰船综合电力系统、航空航天多电飞机、新能源技术、分布式电网及微电网等领域中，无论是军品，或是民用，可变速内燃机-发电机组能够得到广泛的应用，成为热点趋势，已逐步成为现实。在可变速内燃机(柴油发动机、大型燃气轮机)-发电机组中，其关键在于与之匹配的同步发电机，必须具备可变速的功能和特性，并能提供多种能源形式，以凸极同步电机为佳。当前，为实现大功率可变速发电机，主要采用二种方式，首先，采用永磁同步发电机(PMSM)，采用全功率PWM逆变器，实现变速恒频技术；其次，采用双馈绕线式异步电机(DFIG)，采用部分功率PWM逆变器，实现变速恒频技术，但均仅只能提供交流电源。显然，现有技术不能完满地满足要求。

本专利提出新型可变速交直流凸极同步电机，它采用新型可变速凸极同步电机，具备交直流电输出，采用部分功率PWM逆变器，实现变速恒频技术和多种电能形式灵活、多样的(交直流电)供电，为凸极同步电机。

它与永磁同步发电机(PMSM)相比，采用部分功率PWM逆变器，交流励磁容量大大地减小，降低成本，提高可靠性，同时克服永磁材料和永磁电机的问题和缺陷，大大地降低了成本和提高可靠性。它与双馈绕线式异步电机(DFIG)相比，均采用部分容量PWM逆变器，但双馈绕线式异步电机(DFIG)实质上是绕线式异步电机，为异步电机的特性，结构困难，不具备同步电机特性和功能。新型可变速交直流凸极同步电机，它具备同步电机特性和功能，为凸极同步电机结构。在运行中，新型电机具备同步电机特性，明显优于异步电机特性，与内燃机机械特性更加匹配。三者相较，新型电机无论是技术特性，还是经济性和效益上，更具优越性^[1-5]。

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13、Tom Feehally，Judith Apsley The Doubly Fed Induction Machine as anAero Generator IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS，VOL.51，NO.4，JULY/AUGUST2015pp 3462-3471

14、Bulent Sarlioglu，Senior Member，IEEE，and Casey T.Morris MoreElectric Aircraft：Review，Challenges，and Opportunities for CommercialTransport Aircraft IEEE TRANSACTIONS ON TRANSPORTATION ELECTRIFICATION，VOL.1，NO.1，JUNE 2015pp，65-64

15、W.Koczara，T.Balkowiec Smart Microgrid Grid Power QualityImprovement and Reduction of Fuel Consumption by Application of AdjustableSpeed Generation System Clean Electrical“Power”(ICCEP)，2015International Conference on pp.743-748

16、Ruben Pena，Member，IEEE，Roberto Cardenas，Senior Member，IEEE，JoseProboste，Jon Clare，Senior Member，IEEE，and Greg Asher，Fellow，IEEE Wind-DieselGeneration Using Doubly Fed Induction Machines IEEE TRANSACTIONS ON ENERGYCONVERSION，VOL.23，NO.1，MARCH 2008pp 202-214

发明内容

本专利的目的是构建新型可变速内燃机发电机组，关键是本专利必须提出具备可变速恒频及其交直流供电特性的新型凸极同步电机，它是新型可变速内燃机发电机组的核心和主体，是该发明的基础。以具备变速恒频和可交流直供电的新型内燃机(柴油机、燃气轮机)-发电机组为特征。本专利另一个目的是将所提出的新型可变速恒频及可交直流供电的内燃机发电机组，使它能在新型移动式可变速内燃机(柴油机、燃气轮机)发电机组、大型舰船可变速综合电力系统、大型多电飞机系统以及新能源风电-内燃机发电机综合电力系统等领域中得到发展和应用。

本专利提出的新型可变速凸极同步电机，它所要解决的关键是在孤立电力系统中，实现凸极同步电机变速恒频特性，同时为满足在移动式电源、大型舰船、多电大飞机及其风电-柴电综合系统中多种负荷的要求和应用。

1.新型可变速交直流凸极同步电机

首先，本发明的可变速交直流凸极同步电机，包括定子和转子。定子由电枢铁芯和定子绕组构成。定子具有m相P对极二套绕组，转子为凸极结构。

·定子绕组具有二套绕组，其特征为：

1)定子交流绕组

定子绕组，其中一套为对称m相工频交流绕组(简称交流绕组)，一般为三相交流绕组，(m＝3)。交流绕组为双层或单层绕组(优选采用双层)，可为星形连接，或三角形连接。一般处于定子槽的上部；

2)定子整流绕组

定子绕组，另一套为单相(m＝1)，或多相m相(m＝3，6，9，12，…)，供整流用绕组(简称整流绕组)，整流绕组为单层或双层绕组(优选采用单层)，一般处于定子槽的下部。对于整流绕组，无论单相或多相整流绕组，均采用整距绕组，可为星形连接，或三角形连接，一般优选为星形连接，线圈采用全节距(整距)绕组，即线圈节距y1等于极距τ(y1＝τ)。对于整流绕组，其正相带的q个线圈，采用正序连接。对于负相带的q个线圈，采用逆序反连接。

3)定子交流绕组与整流绕组相互独立、正交

定子交流绕组与整流绕组，二者电路上无连接，空间上相差90度电角度，成正交系统。即交流绕组与整流绕组，彼此既无电连接，又无磁联系。

·转子为凸极结构，转子磁极装有励磁绕组。其特征在于：

1)在空间上，所述转子磁极绕组由具有m相p对凸极磁极组成，m相励磁绕组在空间上相差360°/m电角度分布，一般取m＝3；

2)在时间上，所述m相转子磁极绕组，分别由相差360°/m电角度的交流励磁电源励磁，从而产生圆形的旋转磁场。一般三相转子励磁绕组为凸极磁极集中绕组，在时间上和空间上彼此相差120°电角度。

3)在磁路上，对于三相p对磁极，在极对数为p＝1的单元电机中，磁路可采用并联或串联结构，本专利采用并联磁路，每相磁极的磁路N-S-S-N相连，相当于反串。三相的磁极数为3。对于新型可变速凸极同步电机，p对凸极磁极，优先采用并联磁路方式，即1对磁极，磁极数似乎仅只有1个磁极。这是一种新型凸极同步电机转子磁极结构特征，是本发明变速恒频的基础和创新点。

4)转子绕组的出线与集电环相连接，集电环的个数为m+1个，m相每个绕组的进线分别与m个集电环相连接，m相每个绕组的出线与另1个集电环连接在一起。当m＝3，则集电环数为4。

新型变速凸极同步电机结构，转子m相p对磁极单元电机(m＝3，p＝1)，串联磁路方式结构，如图1所示。转子m相p对磁极单元电机(m＝3，p＝1)，并联磁路方式结构，如图2所示。本专利采用并联磁路结构。

2、可变速恒频及交直流供电的内燃机发电机组在新型移动式可变速柴油发电机组中的应用

现代内燃机发电机组，它包括柴油机发电机组和燃气轮机发电机组。在国民经济中，特别是在边远地区、孤岛荒郊、野战移动、重要负荷、通信、医院、指挥中心等为适应环境需求，得到广泛应用。现代军用移动式柴油发电机组(Military Mobile Diesel GeneratorSet MMDGS)，即电源车。在现代战争中，为陆军野战提供重要作用。在边远地区，柴油发电机组(Diesel Generators set)通常作为孤岛独立电源系统，提供具有恒频恒压的交流输出。

新型可变速柴油发电机组，它属于美国第三代高级中型移动电源(AdvancedMedium-sized Mobile Power Sources，AMMPS)。VSCFDG采用变速运行方式，能够根据负载对电能的需求，采用优化的燃油喷射控制，调整运行转速，从而降低了燃油消耗和运行噪声，增加了对负载的适应性。新型可变速柴油发电机组，它是基于孤岛独立电源系统，当负荷变化时，特别是对于轻载负荷，通过可调节柴油发电机组的转速，实现内燃机发电机组的最优运行方式，以节能减排，节省燃油消耗为目标。

本专利所提出的新型移动式可变速柴油发电机组及其系统，它由柴油发动机、可变速交直流凸极同步电机及其控制系统组成。对于一般负荷系统，由于大多数系统，无直流负荷需求，其可变速交直流凸极同步电机中，定子绕组中，可无整流绕组，仅需交流绕组。

本专利所提出的新型移动式可变速柴油发电机组及其系统，其结构和组成如图3所示。

新型移动式可变速柴油发电机组及其系统，原动机为柴油发动机1，可变速交直流凸极同步发电机3，它与原动机1直轴相连，其发电机定子4，发电机转子5，发电机输出为三相交流电源，由发电机定子三相交流绕组6与三相交流电网14相连接，发电机转子励磁绕组8，由交流励磁电源-PWM逆变器9供电，使能实现机组的变速恒频和能量转换，可变速柴油发电机组控制系统10，它对新型移动式可变速柴油发电机组及其系统实施控制，即对机组转速(频率)控制17，实现机组的有功功率和无功功率控制18，为了保证机组的安全和可靠运行，在控制系统中，还应包括机组黑启动控制11，系统最优转速、最优功率设置及控制13及突加负荷动态响应控制12构成。

3、可变速恒频及交直流供电的内燃机发电机组在大型舰船综合电力系统-可变速内燃机发电机组中的应用

在现代舰船及通信中，大型舰船综合电力系统，它由大型柴油发动机、燃气轮机作为动力源，大型凸极同步发电机作为电力源，构建舰船综合电力系统。其中舰船推力系统，由电力推进电动机及变频装置组成，构建舰船电力推进系统。

在大型舰船综合电力系统中，其原动机可由大型柴油发动机、燃气轮机作为动力源。一般大型舰船，采用中高速大型柴油发动机，民用远洋船舶多采用中低速大型柴油发动机，均可采用新型可变速交直流凸极同步电机为发电机，构建新型大型舰船综合电力系统-可变速柴油发电机组。现代大型舰船，特别是大型航母、舰艇，多采用大型燃气轮机作为动力源，对于容量在10MW以下，即中小型燃气轮机，其燃气轮机额定转速为1500转/分(50Hz)，对于容量在10MW以上，即大型燃气轮机，其燃气轮机额定转速为3000转/分(50Hz)。本专利提出的新型可变速内燃机发电机组，适用于额定转速为1500转/分(50Hz)或以下为宜。对于超大型燃气轮机组，即额定转速为3000转/分(50Hz)以上者，其可变速凸极同步发电机原理相同，但其转子结构需作进一步改进和调整，将由新型发电机转子实施，另案处理。

对于大型舰船综合电力系统，其内燃机发电机组输出为具有三相交流电和经整流输出的直流电，即具备交直流供电能力的可变速凸极同步电机。

在大型舰船电力推力系统，本专利提出的可变速凸极同步电机及其变频装置组成，可构建新型舰船电力推进系统。

3.1、大型舰船综合电力系统-可变速内燃机发电机组，其结构和组成如图4所示。

柴油发动机1(或燃气轮机2)，为原动机。其发电机为可变速交直流凸极同步发电机3，它与原动机1或2直轴相连。新型可变速内燃机发电机组，其发电机定子4，转子5。发电机输出为三相交流电源和整流绕组输出直流电源，发电机定子三相交流绕组6与三相交流电网14相连接。发电机定子整流绕组7，经整流为直流电，与舰船直流网络15相连接，为构建舰船直流系统。发电机转子励磁绕组8，由交流励磁电源-PWM逆变器9供电，使能实现机组的变速恒频和能量转换。可变速内燃机-发电机组控制系统10，它对新型舰船可变速内燃机-发电机组及其系统实施控制，对机组转速(频率)控制17，实现机组的有功功率和无功功率控制18。为了保证机组的安全和可靠运行，在控制系统中，还应包括机组黑启动控制11及系统的最优转速、最优功率控制设置及控制13构成。

3.2、大型舰船新型可变速电力推进

传统舰船的动力系统和电力系统是独立的。舰船推进是由大型内燃机，主机完成。电力系统一般是作为辅助能源，是另外一个相对独立的系统。传统舰船推进方式是由内燃机(柴油发动机、燃气轮机)、齿轮减速器、螺旋桨推进等组成，机浆转轴连接，主机和推进器齿轮箱等传动。

现代大型舰船电力推进，无论是民船，还是舰艇上，将综合电力系统与推进系统相结合形成舰船动力系统，其中大型柴油发电机(或燃气轮机)组是其关键设备之一。现代舰船电力推进系统由电力推进(永磁或电励磁)电动机及其变频调速技术组成。国外亦采用新型异步感应电机。新颖舰船电力推进也可由大型变速恒频凸极同步电机推进螺旋桨，从而在舰船上，以新颖变速恒频凸极同步电机为核心，构建新颖电力推进系统及控制。

本专利提出现代舰船新型可变速电力推进，它有二种方式，首先，由大型舰船综合电力系统，柴电发电机组(或燃气轮机发电机组)提供电源，作为动力源，输出三相交流电，为新型可变速内燃机-发电机组供电，其发电机组作为电动机运行，推进船舶螺旋桨。简称为新型可变速电力推进。其次，传统舰船推进方式是由内燃机(柴油发动机、燃气轮机)、齿轮减速器、螺旋桨推进等组成。机浆转轴连接，主机和齿轮箱等传动推进螺旋桨。内燃机的另一端与新型可变速凸极同步发电机相连接，其冗余功率为可变速凸极同步电机的动力，即构成新型可变速轴带发电机组。

·大型舰船新型可变速电力推进系统，其结构和组成如图5所示。

大型舰船综合电力系统三相交流电网14，与可变速交流凸极同步电机3的定子绕组5相连接，三相交流电源为可变速交流凸极同步电机馈电。可变速交直流凸极同步发电机3，与舰船推进螺旋浆19直轴相连。一般情况下，其可变速交直流凸极同步发电机3，定子无整流绕组，仅存其交流绕组6，机组作为电动机运行，推进船舶螺旋浆19。可变速交流凸极同步电机转子绕组8，它由交流励磁电源PWM逆变器9供电。机组控制系统由有功功率、无功功率控制18、转速(频率)控制17、机组电力推进系统最优转速、最优功率设置及控制13、可变速电力推进控制系统10构成，它对舰船可变速电力推进系统实施控制，对机组转速和系统实现恒压恒频控制，实现机组的有功功率和无功功率控制。

·大型舰船新型可变速轴带发电机组及其系统，其结构和组成如图6所示。

柴油发动机1，作为原动机，其传动端输出经与齿轮减速箱19相连接，齿轮减速箱19与船舶螺旋桨16相连接，为船舶螺旋桨推进系统。柴油发动机1的另一端与新型可变速凸极同步发电机3相连接，形成可变速轴带发电机组及其系统。可变速凸极同步电机定子三相交流绕组6，与三相交流电网14连接，可变速凸极同步电机转子绕组8，由交流励磁PWM逆变器9馈电，为实现可变速交流凸极同步电机变速恒频。大型可变速轴带发电机系统控制10，为机组的最优转速、最优功率设置及控制13、转速(频率)控制17和有功功率、无功功率控制18构成。

4、可变速恒频及交直流供电的内燃机发电机组在大型多电飞机(MEA moreelectric aircraft)变频恒压系统中的应用

近年来，在航空航天领域，美国国家航空和宇航局(NASA)提出未来飞机的目标是多电飞机，大型多电飞机(MEA more electric aircraft)令世人瞩目。新近发展的变化之一是综合驱动发电机组(IDG Integrated Drive Generators)已经逐步被淘汰。在最近民用航空大飞机中，包括波音B-787和空客A-380等，已经成为现实。

本专利提出新型可变速交直流凸极同步电机，作为新型大飞机的航空发电机，由图7所示。

新型可变速内燃机发电机组，可变速交直流凸极同步电机3，经由变速齿轮箱直接与燃气轮机引擎2相连接，或飞机引擎燃气轮机2直驱可变速交直流凸极同步发电机3，可变速燃气轮机-发电机组恒压变频控制系统10，实施飞机系统转速、功率、电压及其频率控制，构建新型可变速燃气轮机-发电机组。

新型可变速燃气轮机-发电机组，为大型多电飞机的航空发电机组，提供多种能源形式，提供交直流供电，具备多种能量转换功能，即交流-直流(AC-DC)，或直流-交流(DC-AC)，使能实现新型变频恒压系统技术，频率能满足350-800Hz变化，使交流电压变为恒定值，为115伏或230伏，构建变频恒压系统。它能节身燃油，减低排放，降低成本，提高效益。

5、可变速恒频及交直流供电的内燃机发电机组在新能源基地和微电网中，风电-柴电机组(wind-diesel system)联合系统中的应用

在风电和分布式电网(DER distributed energy resource)、微电网中，本专利提出采用新型可变速柴油发电机组，与风电系统并联运行。本专利提出构建新型可变速风电-柴电系统，如图8所示。

新型可变速柴油发电机组，它由柴油发动机1，与可变速交直流凸极同步电机3相连接，柴油发电机组三相交流输出与风电电网14并联运行，风电-柴电控制系统10，实施对机组转速、有功功率、无功功率及其频率控制，构建新型可变速柴油发电机组。改进风电系统的无功功率控制和电压调节能力，提高系统稳定性。节身燃油，降低成本，提高经济效益。

6、本发明技术方案的基本原理和效益

6.1新型可变速交直流凸极同步电机

本专利提出的新型可变速交直流凸极同步电机，它是基于电机定转子结构和基本理论研究和发展的基础。可变速凸极同步电机的转子结构是基于本专利申请人申请的发明专利：新颖变速凸极同步电机及巨型旋转频率变换器(国家发明专利“新颖变速凸极同步电机及巨型旋转频率变换器(CN 102223037B)”)，在该专利基础上的深入研究和发展，经实践检验，它是该专利中最精准和最经济的技术方案，是凸极同步电机实现可变速的基础和最佳技术方案的发展，是本专利的基础。可变速凸极同步电机的定子结构，提出定子双绕组理论，即交流绕组和整流绕组方案。国家发明专利“三相交流和多相整流同时供电的同步发电机(CN1116370A)”，也提出双绕组结构，但本专利与以往双绕组结构有所不同。首先，特别是提出整流绕组与交流绕组正交，在空间上，二者相差90度电角度，在电气上，不连接。因此，交流绕组与整流绕组在电路上和磁路上正交，互感为零，电磁干扰大大减少。其次，整流绕组采用整距单层绕组，提高绕组利用率，在槽内布置也不同。其三，提出正相带正序正连接，负相带逆序反连接。该连接方式，减少了整流绕组电枢反应对气隙磁场的影响，改善整流绕组的电压波形。基于新型电机定转子结构的改进和变化，定子双绕组结构，转子磁极并联磁路结构，定转子新型结构，二者缺一不可，仅当二者定转子结构变化，重新架构组合，才能够构建新型可变速交直流凸极同步电机。如果仅定子双绕组结构，它仅可能实现交直流供电，不可能实现可变速凸极同步电机特性。如果仅转子磁极结构变化，它不可能实现交直流供电特性。仅当定转子结构同时变化，二者同时存在，重新组合，缺一不可，才可能实现凸极同步电机的可变速和交直流供电特性，以期达到实现可变速交直流凸极同步电机。它使凸极同步电机具有可变速和交直流供电的特性和功能，是本专利的核心和基础。

6.2、新型可变速内燃机发电机组-新型变速恒频交直流凸极同步发电机组

本专利提出的新型可变速内燃机发电机组，它是基于新型可变速交直流凸极同步电机为基础。鉴于电力系统恒频恒压基本要求，同步电机转速固定不变，不能调速。因此，传统内燃机发电机组，转速是固定不变的。原动机内燃机，它包括柴油机及其燃气轮机，根据原动机能源形式以及容量、设备及其用户等需求，与新型电机匹配，构建新型可变速内燃机发电机组-新型变速恒频交直流凸极同步发电机组。根据内燃机转矩-转速特性和功率-燃油特性，内燃机存在转矩、功率、燃油及转速最优工况点。根据内燃机功能特性，特别是在低速、轻载时，使内燃机在任何工况下，经变速均能始终运行在最优工况，节身燃油，降低成本，节能减排，减少环境污染，提高经济效益。新型可变速交直流凸极同步电机，它为构建新型可变速内燃机发电机组提供了基础和条件，使机组能可变速。新型电机交直流供电，是为了适应大型舰船、大型多电飞机等系统要求，提供多种能源形式，为适应交直流电源以及电力电子需求。特别是在大型舰船、潜艇上，为适应交直流供电需求，减少电磁干扰和避免电压波动和功率震荡。

6.3可变速内燃机发电机组最优运行原理

可变速内燃机发电机组，它包括可变速柴油发电机组和可变速燃气轮机发电机组。可变速柴油发电机组与可变速燃气轮机发电机组最优运行原理相同，仅二者工作特性形状略有不同，但原理相通，现以可变速柴油发电机组为例说明原理，可变速燃气轮机发电机组类同。

传统的柴电动力系统，它是由柴油机驱动固定转速的同步电机，对于4极同步电机为例，同步转速为1500rpm(50Hz)或1800rpm(60Hz)。对于柴油机，是期望转速可调。文献^[6，7]指出，以康明斯发动机为例，如图9所示，图中给出了柴油机的工作特性，最大转矩-转速特性TD-max＝f(Ω)，燃油曲线-转速特性和恒功率曲线-转速特性。对柴油机(4极，60Hz)转速的特性曲线，最大转矩Td_max(蓝线)和燃油区(黑线)特性曲线，同时给出了特定的燃油曲线(SFCM)和恒功率曲线(Peng(Peng1-Peng8))(粗红线)。由柴油发动机工作特性可以看出，最优燃油区，燃油消耗为213G/KWH，最差的燃油区，燃油消耗为400-500G/KWH。对于固定速柴油发电机组(1500rpm，50Hz，4极机)，其运行特性曲线Sconst(粗红线)。对于可调速柴油发电机组，转矩是转速的函数，其运行特性曲线Svar(粗绿线)。即可使柴油发电机组始终运行在最优工作区。说明研究可变速柴油发电机是可行的、正确的。

根据柴油机的转矩-转速特性TD-max＝f(Ω)和最优工况的要求，构建新型可变速的凸极同步柴油发电机组。从柴油机的运行工况(负荷)要求，根据柴油机功率、转矩特性，确定调速范围，实现机组变速恒频。即使柴油机从任一工作点，使机组始终运行在最优工作点，实现机组始终恒频恒压变速。可调速柴电机组的最优工作特性及节油效益，主要取决于内燃机的工作特性、运行状态以及同步发电机的特性。为了减少燃油消耗，可变速柴油发电机组转速是根据最佳燃油消耗曲线(最佳转速与负荷曲线)确定。

对于柴电动力系统，节油增效，提高经济效益，改善运行工况，是新型机组的目标。可调速柴电机组的最优工作特性，主要取决于内燃机的工作特性、运行状态以及同步发电机的特性。

6.4可变速内燃机发电机组效益

本发明专利的目的是构建新型可变速内燃机发电机组，提出具备可变速恒频及交直流供电的新型可变速交直流凸极同步电机，使它能在新型移动式可变速内燃机(柴油机、燃气轮机)发电机组、大型舰船可变速综合电力系统、大型多电飞机系统及新能源风电-内燃机发电机综合电力系统等领域中得到发展和应用。使它在孤立电力系统中，实现凸极同步电机变速恒频特性，使它能在系统中满足多种负荷的要求和应用。其关键在于它能使内燃机(柴油机、燃气轮机)发电机组实现可变速和电力系统变速恒频。因此，无论机组负荷如何变化，转速如何调节，新型机组能够始终运行在最优工况下运行，特别是在低速、轻负荷下，新型机组能够可变速达到最优工况点运行。根据柴油发动机特性分析，一般认为在低负荷下，可变速运行可节省燃油消耗约30％左右。在最优工况下，节省燃油，降低成本，提高经济效益；减少排放，节能减排，改善环境污染；改进设备，优化性能，提高系统稳定性。必将产生经济效益和社会效益。

新型可变速内燃机发电机组，它在新型移动式可变速内燃机(柴油机、燃气轮机)发电机组、大型舰船可变速综合电力系统、大型多电飞机系统及新能源风电-内燃机发电机综合电力系统等领域中的发明和应用。首先，近年来，鉴于科学技术的进步和发展，国际上，提出“可变速”内燃机发电机组的概念和要求，是现代新技术发展和趋势，成为热点技术。但该技术尚不够成熟和完满，关键在于大型凸极同步电机变速恒频问题没有解决，没有突破，以致“可变速”内燃机，与凸极同步电机无法完满匹配。本发明关键是在于提出新型凸极同步电机，解决大型凸极同步电机的变速恒频技术，是该现代技术的发展和需求，是应运而生。其次，在上述各领域中，由于其任务、应用范围、技术要求、容量、负荷、运行工况等不同，似乎同为内燃发电机组，但实际上各领域的情况和要求是有所不同，各有千秋，特别是控制系统是千差万别，互不相同。因此，在各领域研究中，并不是简单的重复和推广，而是各领域的近现代技术的发展和趋势，是热点研究。

5附图说明

图1为本发明新型可变速交直流凸极同步电机，磁极为串联磁路单元电机示意图；

图2为本发明新型可变速交直流凸极同步电机，磁极为并联磁路单元电机示意图；

图3为本发明新型移动式可变速柴油发电机组及其系统；

图4为大型舰船综合电力系统-可变速内燃机发电机组及其系统；

图5为大型舰船新型可变速电力推进系统；

图6为大型舰船新型可变速轴带发电机组及其系统；

图7大型多电飞机(MEA more electric aircraft)变频恒压系统；

图8风电-柴电机组(wind-diesel system)联合系统；

图9为康明斯柴油发动机转矩-转速特性[6，7]；

图10为本发明新型可变速内燃机发电机组-新型变速恒频交直流凸极同步电机具体实施方式示意图，详见其后具体实施方式所述。

其中1为柴油发动机，2为燃气轮机，3为可变速交流凸极同步电机，4为可变速交流同步电机定子(m＝3，p＝1)，5为可变速交流同步电机转子，6为定子三相交流绕组，7为定子整流绕组，8为转子励磁绕组(N_ar、S_ar、N_br、S_br、N_cr、S_cr)分别为转子三相磁极绕组的正向假定)，9为为可变频交流励磁PWM逆变器，10为可变速内燃机-发电机组控制系统，11为可变速柴油发电机组系统黑启动控制，12为可变速柴油发电机组系统突加负荷动态响应控制，13为机组系统的最优转速、最优功率设置及控制，14为三相交流电网，15为直流电网，16为螺旋桨，17为转速(频率)控制，18为有功功率、无功功率控制，19为齿轮减速箱。

图10，其中最大转矩Td_max(蓝线)，燃油区(黑线)，特定的燃油曲线(SFCM)(粗绿线)，恒功率曲线(Peng(Peng1-Peng8))(粗红线)

6具体实施方式

以图10所示的新型可变速恒频交直流凸极同步电机为例，进行具体实施说明。新型电机，其相数m＝3，极对数为P＝2，定子具有槽数为Z＝36，定子为三相交流对称绕组UVW绕组，并联支路数为a，定子整流绕组(直流绕组)Dabc绕组。转子磁极对数为2P＝4，其中N_ar、S_ar、N_br、S_br、N_cr、S_cr分别为转子三相磁极绕组的正向假定，三相磁极绕组在空间上相差120°度电角度，在时间上相差120°度电角度。定子由对称三相交流电源供电，转子三相磁极绕组，由低频交流变频电源馈电。

定子绕组：交流绕组，UVW三相绕组分别为

U相绕组正相带槽号为：1-2-3，19-20-21；

U相绕组负相带槽号为：-10--11--12，-28--29--30；

V相绕组正相带槽号为：7-8-9，25-26-27；

V相绕组负相带槽号为：-16--17--18，-34--35--36；

W相绕组正相带槽号为：13-14-15，31-32-33；

W相绕组负相带槽号为：-4--5--6，-22--23--24；

定子绕组：整流绕组，Dabc三相绕组分别为

Da相绕组正相带槽号为：5，23；

Da相绕组负相带槽号为：-13--15，-31--33；

Db相绕组正相带槽号为：11，29；

Db相绕组负相带槽号为：-1--3，-19--21；

Dc相绕组正相带槽号为：17，35；

Dc相绕组负相带槽号为：-7--9，-25--27；

整流绕组，节距y1＝9。因此，Da相绕组，正相带槽号5，另一边槽号为偶数槽14；Da相绕组，负相带槽号13，另一边槽号，顺接为偶数槽22，逆接为偶数槽4；如此类推。

并联支路数可以为a＝1，2；

转子磁极对数为2P＝4：

N_a1、S_a1、N_b1、S_b1、N_c1、S_c1分别为转子第1对磁极三相磁极绕组的正向假定。N_a2、S_a2、N_b2、S_b2、N_c2、S_c2分别为转子第2对磁极三相磁极绕组的正向假定。

Claims (10)

1.新型可变速交直流凸极同步电机，包括定子和转子组成，成为新型可变速交直流凸极同步电机，从而构建可变速内燃机发电机组；定子由电枢铁芯和定子绕组构成，其特征在于，定子绕组具有m相P对极二套绕组，其中一套为对称三相工频交流绕组，简称交流绕组，交流绕组为双层，星形连接，处于定子槽的上部；另一套为单相，即相数m为1，或多相m相，即相数m为3，6，9，12，…3k，k为整数，供整流用绕组，简称整流绕组，为单层，星形连接，处于定子槽下部；对于整流绕组，线圈采用全节距，即为整距，即线圈节距y1等于极距t；对于整流绕组，其正相带的q个线圈，采用正序连接，对于负相带的q个线圈，采用逆序反连接；定子交流绕组与整流绕组电路上无连接，二者空间上相差90度电角度，成正交系统，即交流绕组与整流绕组，彼此既无电连接，又无磁联系。

2.如权利要求1所述的新型可变速交直流凸极同步电机，其特征在于，转子为凸极结构，转子由磁极铁心和转子励磁绕组构成；转子励磁绕组由具有m相p对凸极磁极组成，取m＝3，m相转子励磁绕组在空间上相差360°/m电角度分布；在时间上，所述m相转子励磁绕组，分别由相差360°/m电角度的交流励磁电源励磁，从而产生圆形的旋转磁场；三相转子励磁绕组为凸极磁极集中绕组，在时间上和空间上彼此相差120°电角度；在磁路上，对于三相p对磁极，采用并联磁路方式，在极对数为p＝1的单元电机中，每相磁极的磁路N-S-S-N相连，相当于反串，即磁极数仅只为3个磁极，即1对磁极，每相磁极数为1个磁极，这是一种新型凸极同步电机转子磁极结构特征；即为一种可变速内燃机发电机组中的新型可变速交直流凸极同步电机。

3.如权利要求2所述的新型可变速交直流凸极同步电机，其特征在于，转子为m相p对凸极磁极电机，转子励磁绕组的出线与集电环相连接，集电环的个数为m+1个，m相每个绕组的进线分别与m个集电环相连接，m相每个绕组的出线与另1个集电环连接在一起；当m＝3，则集电环数为4。

4.如权利要求1或2所述的新型可变速交直流凸极同步电机，其特征在于，所述的可变速内燃机发电机组中的新型可变速交直流凸极同步电机指的是：新型移动式可变速柴油发电机组及其系统中的新型可变速交直流凸极同步电机、或是大型舰船综合电力系统-新型可变速内燃机-发电机组中新型可变速交直流凸极同步电机、或是大型舰船新型可变速电力推进系统中的新型可变速交直流凸极同步电机、或是大型舰船新型可变速轴带发电机组及其系统中的新型可变速交直流凸极同步电机，或是大型多电飞机变频恒压系统中的新型可变速内燃机发电机组，或是在风电、或分布式电网、或微电网中的新型可变速柴油发电机组；鉴于具有变速恒频交直流凸极同步电机的可变速特性，使恒速内燃机组能成为可变速内燃机组，提出可变速内燃机发电机组，改善内燃机发电机组的运行特性，通过对可变速内燃机发电机组的最优转速控制、最优功率控制，使内燃机始终运行在最佳工作状态，节省燃油消耗，以获得最佳经济效益，从而构成可变速内燃机发电机组。

5.如权利要求4所述的新型可变速交直流凸极同步电机，其特征在于，在新型移动式可变速柴油发电机组及其系统中，其结构和组成是：新型可变速交直流凸极同步电机，是新型移动式可变速柴油发电机组及其系统的主体和核心；新型移动式可变速柴油发电机组及其系统，原动机为柴油发动机(1)，其与可变速交直流凸极同步电机(3)直轴相连接；所述可变速交直流凸极同步电机(3)，其电机定子(4)，电机转子(5)，电机输出为三相交流电源，由电机定子交流绕组(6)与三相交流电网(14)相连接；电机转子励磁绕组(8)，由交流励磁电源-PWM逆变器(9)供电，使能实现机组的变速恒频和能量转换，使可变速交直流凸极同步电机成为可变速交直流凸极同步发电机；可变速柴油发电机组控制系统(10)，对新型移动式可变速柴油发电机组及其系统实施控制，即对机组转速或频率控制(17)，实现机组的有功功率和无功功率控制(18)；在控制系统中，还应包括机组黑启动控制(11)，系统最优转速控制、最优功率设置及控制(13)及突加负荷动态响应控制(12)构成，使构成可变速柴油发电机机组。

6.如权利要求4所述的新型可变速交直流凸极同步电机，其特征在于，在大型舰船综合电力系统-新型可变速内燃机-发电机组中，其结构和组成是：新型可变速交直流凸极同步电机，是大型舰船综合电力系统-新型可变速内燃机发电机组的主体和核心；柴油发动机(1)或燃气轮机(2)为原动机，原动机与可变速交直流凸极同步电机(3)直轴相连接；所述可变速交直流凸极同步电机输出为三相交流电源和整流绕组输出直流电源，电机定子交流绕组(6)与三相交流电网(14)相连接；电机定子整流绕组(7)，其输出经整流为直流电，与舰船直流网络(15)相连接，为构建舰船直流系统；电机转子励磁绕组(8)，由交流励磁电源-PWM逆变器(9)供电，使能实现机组的变速恒频和能量转换，使可变速交直流凸极同步电机成为可变速交直流凸极同步发电机；新型可变速内燃机-发电机组控制系统(10)，它对新型可变速内燃机-发电机组及其系统实施控制，对机组转速或频率控制(17)，实现机组的有功功率和无功功率控制(18)，在控制系统中，还应包括机组黑启动控制(11)及系统的最优转速控制、最优功率控制设置及控制(13)构成，使构成新型可变速内燃机-发电机组。

7.如权利要求4所述的新型可变速交直流凸极同步电机，其特征在于，在大型舰船新型可变速电力推进系统中，其结构和组成是：新型可变速交直流凸极同步电机，是新型可变速电力推进系统的核心和主体；大型舰船综合电力系统三相交流电网(14)，与可变速交直流凸极同步电机(3)的定子交流绕组(6)相连接，三相交流电源为可变速交直流凸极同步电机馈电；可变速交直流凸极同步电机(3)，与舰船螺旋浆(16)直轴相连接；其可变速交直流凸极同步电机(3)，定子交流绕组(6)由电力推进系统馈电，推进舰船螺旋浆(16)，机组作为电动机运行，使可变速交直流凸极同步电机成为可变速交直流凸极同步电动机；鉴于所述的可变速交直流凸极同步电动机作电动机运行，可仅对定子三相交流绕组(6)馈电，为提高电机利用系数和经济性，简化结构；电机转子励磁绕组(8)，它由交流励磁电源-PWM逆变器(9)供电；机组控制系统由有功功率、无功功率控制(18)、转速或频率控制(17)、机组电力推进系统最优转速控制、最优功率设置及控制(13)、可变速电力推进控制系统(10)构成，它对舰船可变速电力推进系统实施控制，对机组转速和系统实现恒压恒频控制，实现机组的有功功率和无功功率控制，使构成新型可变速电力推进系统。

8.如权利要求4所述的新型可变速交直流凸极同步电机，其特征在于，在大型舰船新型可变速轴带发电机组及其系统中，其结构和组成是：新型可变速交直流凸极同步电机，是新型可变速轴带发电机组的核心和主体；柴油发动机(1)，作为原动机，其所述柴油发动机(1)的传动端输出经与齿轮减速箱(19)相连接，齿轮减速箱(19)与舰船螺旋桨(16)相连接，为舰船螺旋桨推进系统；柴油发动机(1)的另一端与新型可变速交直流凸极同步电机(3)相连接，形成可变速轴带发电机组及其系统；新型可变速交直流凸极同步电机定子交流绕组(6)，与三相交流电网(14)连接；新型可变速交直流凸极同步电机转子励磁绕组(8)，由交流励磁电源-PWM逆变器(9)馈电，为实现新型可变速交直流凸极同步电机变速恒频，使能实现机组的变速恒频和能量转换，使可变速交直流凸极同步电机成为可变速交直流凸极同步发电机；大型可变速轴带发电机系统控制(10)，为机组的最优转速控制、最优功率设置及控制(13)、转速或频率控制(17)和有功功率、无功功率控制(18)构成，使构成新型可变速轴带发电机组。

9.如权利要求4所述的新型可变速交直流凸极同步电机，其特征在于，在大型多电飞机变频恒压系统的中，其结构和组成是：新型可变速内燃机发电机组，是大型多电飞机变频恒压系统的核心和主体；新型可变速内燃机发电机组中，可变速交直流凸极同步电机(3)，经由变速齿轮箱直接与燃气轮机(2)相连接；或飞机燃气轮机(2)直驱可变速交直流凸极同步电机(3)；可变速燃气轮机-发电机组恒压变频控制系统(10)，实施飞机系统转速、功率、电压及其频率控制，构建新型可变速内燃机发电机组。

10.如权利要求4所述的新型可变速交直流凸极同步电机，其特征在于，在风电、或分布式电网、或微电网中，其结构和组成是：新型可变速柴油发电机组，由柴油发动机(1)，与可变速交直流凸极同步电机(3)相连接；柴油发电机组三相交流输出与风电电网(14)并联运行；风电-柴电控制系统(10)，实施对机组转速、有功功率、无功功率及其频率控制，构建新型可变速柴油发电机组。

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