一种基于十二相发电机的交直流电力系统及其供电方法与流程

本技术主要涉及电力，尤其涉及一种基于十二相发电机的交直流电力系统及其供电方法。

背景技术：

1、在各种产业和生活领域中，需要使用各种不同的电力。供电所用的公共电网，即提供标准电压和标准频率的单相或三相交流电的电网，可以认为现有社会共用的最大能源系统，也成为船检、航空器等局部电网的电力供电电源系统，本发明所述的交直流电力系统广义上是指机舰、移动体、海岛、算力中心、局域电网乃至国家或区域电网级的各种电力系统。

2、交流电制的优越性能使其成为电力驱动的首选设备，但除了交流供电外，如目前船舰上所有的电子设备、通讯设备、数码设备都更适合于直流供电，直流电比交流电更稳定可靠更清洁，也更适合于储能。从节能和减少碳排放的发展趋势看，新能源上船受到各国重视，而光伏所发电力更是直流电，直流电的使用范围将越来越广，直流电正在不断扩展到传统交流电力供电的领域，例如，照明系统中的led灯、变频空调等的变速电机驱动，都有趋势采用直流供电，而先进船检中的直流供电比例，近来更是发展迅速。目前国外先进船检、航空器均采用了交直流多电制供电技术。我国的船检航空器也开始建立了中压直流综合电力系统，原先的交流供电制式正在向直流供电制式的方向发展，我国的许多船舰采用了多相数交流整流发电机的直流供电制式。

3、我国于2017年发布《船舶中压直流电力系统通用要求》（gb/t 35719-2017）国家标准，为其设计制造新电力系统提供了规范。2024年，由七〇四研究所章以刚等专家编著出版的《舰船中压直流综合电力系统》专著，系统性整合了该领域从发电机组并网、混合储能控制到故障保护等前沿研究成果，成为重要的技术指南。目前，以多相发电机为技术核心的、比较先进的船检交直流电力系统主要有两大类型。

4、第一类为基于永磁多相发电机的变速交流整流发电系统。该系统的动力源为高转速的涡轮机，发电机为4组三相绕组的变速交流整流发电机，4组独立的三相电分别经整流和直流稳压后串联获得3000v高压直流。交流电则为从直流输出端经dc/ac功率电子逆变器所获得的恒频恒压工频交流电。该技术方案的优点是永磁电机的高效率以及高速电机较小的体积重量，缺点是功率电子逆变器的高成本和不耐电压电流冲击的脆弱性，且发电本体输出为交流电，却需经过直流再回到交流的二次电力变换，技术合理性差、电能多次变换还影响到总电力效率。

5、第二类交直流电力系统，则是采用双绕组交流整流发电机，发电机为恒频恒压励磁型发电机，其中，一个为大于3的多相绕组，发出的交流电经过整流器获得稳定的直流电；另一个为三相绕组，直接输出标准的工频三相电。其优点为，免除了dc/ac功率电子逆变器，系统经济性、可靠性高；另外，交直流系统间无电气连接，安全性高。但缺点是，两个绕组间有绝缘隔离，且多出的第二层绝缘占据一定的电机磁路有限的槽内绕组面积，电机输出功率有所缩减；更为不利的是，电机的交直流输出功率比例已为预设的电机结构所锁定，缺乏交直流功率的直接替补性和灵活应用性，电力系统的通用性不足。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种基于十二相发电机的交直流电力系统及其供电方法，用以解决现有技术中系统供电效率低、输出功率缩减、交直流功率比例无法灵活调配以及系统通用性不足的问题。

2、根据本技术的一个方面，提供了一种基于十二相发电机的交直流电力系统，包括动力机和十二相发电机，所述十二相发电机为有刷同步电机或者无刷同步电机，所述动力机用于驱动所述十二相发电机输出十二相交流电；所述系统还包括整流器、滤波单元以及变相变压器；

3、所述十二相发电机的定子上沿圆周均匀布置有单套十二相电枢绕组，转子上设置有励磁绕组，用于通入励磁电流以建立转子磁场；

4、所述十二相电枢绕组的输出端分为相互并联的两路，一路依次连接所述整流器和所述滤波单元，用于输出直流电；

5、另一路连接所述变相变压器，所述变相变压器通过一组三相端点将包含有4组三相电的十二相交流电变换为一路全功率的交流电输出。

6、可选地，所述十二相电枢绕组采用星形接法，所述星形接法的中性点经电阻接地，用于限制所述十二相电枢绕组或直流输出端因故障接地而产生的短路电流。

7、可选地，所述变相变压器设有六个铁芯以及绕制于每一铁芯上的初级绕组，所述六个铁芯划分为第一铁芯组和第二铁芯组，每一铁芯组中的初级绕组包括两组三相端点，每组三相端点用于接入所述十二相交流电中的一组三相电，各组三相电压的中心端以中性点相连接，且其中任意一组三相端点被用作输出端点，以输出一路全功率的交流电；

8、所述第一铁芯组的每一铁芯上还绕制有两个相互电气隔离的次级绕组，所述次级绕组与同一铁芯上的初级绕组对应相电磁耦合；

9、所述第一铁芯组上的初级绕组接入奇数相电压或偶数相电压中的一种，所述第二铁芯组上的初级绕组接入另一种，各所述初级绕组的中心端共接，其中，所述奇数相电压和所述偶数相电压基于所述十二相交流电进行划分得到。

10、可选地，所述第二铁芯组的每一铁芯上还绕制有一个次级绕组，所述第二铁芯组的次级绕组包括一组三相端点，该组三相端点被用作所述输出端点，以输出所述一路全功率的交流电。

11、可选地，绕制于每一铁芯上的所述初级绕组接入同一种相电压中相位相反的两个相电压，所述中心端将该初级绕组分为两个半绕组，各所述半绕组分别对应所述两个相位相反的相电压中的一个；

12、所述第一铁芯组中每一铁芯上的两个所述次级绕组，分别对应于同一铁芯上初级绕组所接入的所述两个相位相反的相电压；

13、在所述第一铁芯组中，分处于两个不同铁芯上且分别对应相位差为60°的两个相电压的次级绕组两两串联，通过相量合成生成另一组相电压中的三个等值相电压，并将各所述等值相电压分别连接至所述第二铁芯组中对应铁芯的初级绕组的同名端，以建立所述第一铁芯组与所述第二铁芯组相电压之间的电气连接。

14、可选地，所述第一铁芯组的每一所述次级绕组的匝数为对应初级半绕组匝数n的倍。

15、可选地，所述变相变压器包括第一变压器和第二变压器；

16、所述第一变压器包括所述第一铁芯组的三个铁芯，所述第二变压器包括所述第二铁芯组的三个铁芯。

17、可选地，所述第一变压器和所述第二变压器均为三相平面型变压器，所述三相平面型变压器的三个铁芯并列布置于同一平面内并由共用磁轭相连接。

18、可选地，所述第一变压器和所述第二变压器均为三相立体型变压器，所述三相立体型变压器的三个铁芯按等边三角形布置，并分别插入上磁轭和下磁轭的槽中。

19、可选地，所述变相变压器为单台六相立体型变压器，所述六个铁芯沿圆周依次按顺时针或逆时针方向等距离排列，并分别插入上磁轭和下磁轭的槽中；

20、所述六个铁芯沿所述圆周的排列顺序与其所接入的相电压的相位顺序相一致，使得接入奇数相电压的初级绕组与接入偶数相电压的初级绕组沿所述圆周按c1-c6的顺序交替间隔排列。

21、可选地，所述系统还包括第一熔断器组和第二熔断器组；

22、所述第一熔断器组中的各熔断器分别串联于所述十二相电枢绕组的各输出端与所述整流器的对应正端整流支路之间；

23、所述第二熔断器组中的各熔断器分别串联于所述十二相电枢绕组的各输出端与所述整流器的对应负端整流支路之间；

24、所述变相变压器的各输入端分别连接于所述第一或第二熔断器组与所述整流器的正或负端整流支路之间的连接点。

25、可选地，所述系统还包括调速器和自动电压调节器；

26、所述调速器用于根据所述动力机的转速变化自动调节所述动力机的供能量，以使所述动力机恒速运行；

27、所述自动电压调节器用于根据所述十二相发电机的输出电压与预设值之间的偏差调节所述励磁绕组中的励磁电流，以使所述十二相发电机恒压输出。

28、根据本技术又一个方面，还提供了一种基于十二相发电机的交直流电力供电方法，应用于如上述任一项所述的系统，该方法包括：

29、由所述动力机恒速驱动所述十二相发电机，并向所述转子上的励磁绕组通入励磁电流，使所述十二相电枢绕组输出恒频恒压的十二相交流电；

30、将所述十二相电枢绕组的输出端分为相互并联的两路，其中一路输出的十二相交流电经所述整流器整流、并经所述滤波单元滤波后输出直流电；

31、将另一路输出的十二相交流电输入所述变相变压器，将所述十二相交流电的各相电压按相位顺序划分为两个相电压组，通过所述变相变压器内同一组中两个相邻相电压的相量合成，生成另一组中的等值相电压，并将所生成的等值相电压电气连接至所述另一组中的同名相电压，以在两组相电压所对应的绕组之间建立电气连接，并结合所述变相变压器内的磁场耦合，使所述十二相电枢绕组的全部绕组实现电磁链接和电磁耦合，则即使只有一组三相绕组接到输出端时，仍能使全体发电机绕组共同分担交流功率的输出；

32、由所述变相变压器的输出端点输出整体绕组共担的三相交流电，所述输出端点为初级绕组的任意一组三相端点以实现输入输出端点共享，或者为第二铁芯组的次级绕组的一组三相端点以实现电气隔离。

33、可选地，所述十二相交流电的两个相电压组分别为由奇数相电压构成的奇数相电压组和由偶数相电压构成的偶数相电压组，所述两个相邻相电压之间的相位差为60°；

34、所述相量合成由所述变相变压器中分别对应所述两个相邻相电压、且匝数均为对应初级半绕组匝数n的倍的两个次级绕组相互串联实现，所生成的等值相电压与所述两个相邻相电压之间的相位差均为30°。

35、与现有技术相比，本技术通过基于十二相发电机的交直流电力系统及供电方法，立足于单套多相电枢绕组的结构设计，配合电磁耦合型变相变压器实现交直流双路输出，在提升发电机功率密度与运行效率的同时，实现交直流输出功率的灵活调配，兼具高可靠性与高经济性。从而获得更大的发电机输出功率和更高的发电机效率；获得更广泛的通用性，不存在交直流电的使用比例限制；获得更大的系统可靠性和冗余性；获得更大的系统技术经济效益。