CN108631356B - 用于风电场输电系统的变流器和风电场输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风电场输电系统的变流器和风电场输电系统。该变流器包括三个级联功率串；其中，每个级联功率串包括第一输出端子和第二输出端子，每个级联功率串的第一输出端子之间形成星点连接，每个级联功率串的第二输出端子形成变流器的三相输出；每个级联功率串的三相输入与风力发电机组的双馈发电机的转子绕组连。根据本发明实施例提供的变流器，可以升高变流器的输出电压，降低输出电流，减少整机系统的损耗，提高风电场输电系统稳定性。

Description

用于风电场输电系统的变流器和风电场输电系统

技术领域

本发明涉及风电并网技术领域，尤其涉及一种用于风电场输电系统的变流器和风电场输电系统。

背景技术

随着能源危机的加剧，新能源的开发与利用已成为研究的热点，风电是目前具有大规模开发潜能的可再生能源。风力发电机组是将风能转换为机械能，机械能带动发电机转子旋转，最终输出交流电的电力设备。由于我国风资源分布比较集中，风电开发采用了大规模、高度集中接入和远距离传输的模式。为了保证风力发电机组输出的低频交流电的电压稳定性，通常将风力发电机组输出的低频交流电能经过整流转变成直流电能，再经过逆变电路将直流电能转变成交流市电，才能保证稳定使用。

目前的风力发电机组输电系统中，通常利用变流器实现上述电能的传送与变换过程。实际应用时，在输送同等功率的条件下，变流器输出的电压较低，且输出电流较大，在传输线缆上造成的损耗较大，风力发电机组的效率较低。

另外，随着风力发电机组的容量越来越大，低压变流器往往通过并联扩大容量。然而，低压变流器并联得到的变流器并联系统易引起严重的环流问题，环流问题会导致该低压变流器并联系统输出电流的均流特性达不到理想的效果，对风力发电机系统的可靠性造成影响。

发明内容

本发明实施例提供一种用于风电场输电系统的变流器和风电场输电系统，可以升高变流器的输出电压，降低输出电流，减少整机系统的损耗，并可以减少大量低压电缆的使用，缓解风机系统的解缆压力。

根据本发明实施例的一方面，提供一种用于风电场输电系统的变流器，包括三个级联功率串；其中，每个级联功率串包括第一输出端子和第二输出端子，每个级联功率串的第一输出端子之间形成星点连接，每个级联功率串的第二输出端子形成变流器的三相输出；每个级联功率串的三相输入与风力发电机组的双馈发电机的转子绕组连接。

根据本发明实施例的另一方面，提供一种风电场输电系统，包括并联的多个双馈风力发电机组，每个双馈风力发电机组包括双馈发电机和上述实施例描述的变流器；双馈发电机包括定子和转子，定子包括定子三相绕组，转子包括多个转子绕组，多个转子绕组的数量为3N，并且每三个转子绕组形成双馈发电机的转子三相绕组，其中，N为大于等于3的整数，双馈发电机的转子三相绕组连接于变流器。

根据本发明实施例中的用于风电场输电系统的变流器和风电场输电系统，可以通过模块化级联的方式，通过变流器中的级联功率串，升高变流器的输出电压，降低输出电流，减小了大批量低压电缆的使用，减小整机系统的损耗。同时，本发明实施例中的变流器可以避免目前低压大容量变流器必须进行并联提升容量的选择，从而避免了并联电缆的均流及环流等技术问题，提升了风机系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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是示出现有技术一种风电场输电系统的拓扑结构示意图；

图2是示出根据本发明一实施例提供的用于风电场输电系统的变流器的结构示意图；

图3是示出根据本发明一些示例性实施例的变流器的详细结构示意图；

图4是示出根据本发明一实施例的功率单元的具体结构示意图；

图5是示出根据本发明一实施例提供的风电场输电系统的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，标记说明如下：

10-双馈交流风力发电机组；20-汇流母线；11-风力发电机；12-双馈发电机；13-低压变流器；14-升压变压器；

300-变流器；310-第一级联功率串；320-第二级联功率串；330-第三级联功率串；

3111-三相整流器模块；3112-母线电容及放电电阻；3113-斩波电路模块；3114-H式桥臂逆变器模块；

510-双馈风力发电机组；520-中压供电母线；

511-双馈发电机；512-升压变压器。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1是示出现有技术一种风电场输电系统的拓扑结构示意图。如图1所示，传统的基于风电场的输电系统由多组双馈交流风力发电机组10和中压35KV汇流母线20构成，每组双馈交流风力发电机组10包括风力发电机11、双馈发电机12、低压变流器13和升压变压器14。其中，双馈发电机包含三相定子绕组1201和三相转子绕组1202；双馈发电机12的三相定子绕组1201与升压变压器14的低压侧连接；双馈电机的转子绕组与低压变流器13的风力发电机侧的三相电缆相连接，低压变流器13的电网侧的三相电缆可以接入电网或电网中的其他电气设备例如升压变压器14。

作为一个示例，升压变压器14可以将在双馈发电机12的定子侧的70％的690V交流电压的功率，和双馈发电机120的转子侧的30％的690V交流电压的功率，转换成35KV风电场的中压母线。

但是，该变流器输出电压较低且电流较大，在输送同等功率的条件下，传输线缆的损耗很大，风机发电机组的效率得不到提高。需要大量的贵金属的低压电缆的使用，造成整机系统的损耗较大。随着风力发电机组的容量越来越大，低压变流器需要通过并联扩大容量。然而，低压变流器并联得到的变流器并联系统易引起严重的环流问题，环流问题会导致该低压变流器并联系统输出电流的均流特性达不到理想的效果，对风机系统的可靠性造成影响。

基于上述原因，本发明实施例提供了一种用于风电场输电系统的变流器，改变了变流器的内部电气结构，可以升高变流器的输出电压，降低输出电流，减少整机系统的损耗，并可以提高风机系统的可靠性。

为了更好的理解本发明，下面将结合附图，详细描述根据本发明实施例的变流器和风电场输电系统，应注意，这些实施例并不是用来限制本发明公开的范围。

图2示出了根据本发明一实施例提供的风电变流器的结构示意图。如图2所示，变流器300具体可以包括三个级联功率串，其中，每个级联功率串可以包括第一输出端子和第二输出端子，每个级联功率串的第一输出端子之间形成星点连接，每个级联功率串的第二输出端子形成变流器300的三相输出；每个级联功率串的三相输入与风力发电机组的双馈发电机的一组转子绕组连接。

在该实施例中，该三个级联功率串被配置为可以将双馈发电机转子输出的交流电转换成符合电网要求的工频交流电能。

作为一个示例，如图2所示，变流器300可以包括第一级联功率串310、第二级联功率串320、以及第三级联功率串330。

继续参考图2，第一级联功率串310的第一输出端子、第二级联功率串320的第一输出端子、以及第三级联功率串330的第一输出端子之间形成星点连接；第一级联功率串310的第二输出端子、第二级联功率串320的第二输出端子、以及第三级联功率串330的第二输出端子形成变流器的三相输出端。

本发明实施例的变流器分别由第一级联功率串310、第二级联功率串320、以及第三级联功率串330一起构成三相系统。改变了传统变流器中单个变流器可以直接构成变流系统的设计，通过模块化级联的方式，升高变流器的输出电压，大大降低了输出电流，减小了大批量低压电缆的使用，减小了损耗，提高了效率；同时，避免了目前低压大容量变流器必须进行并联提升容量的选择，避免了均流及环流等技术问题，提升了风机系统的可靠性。

图3示出了根据本发明一些示例性实施例的变流器的详细结构示意图，图3与图2相同或等同的结构使用相同的标号。如图3所示，变流器300包括第一级联功率串310、第二级联功率串320、以及第三级联功率串330，其中，第一级联功率串310包括多个功率单元例如功率单元_a1、功率单元_a2、……、功率单元_aN；第二级联功率串320包括多个功率单元例如功率单元_b1、功率单元_b2、……、功率单元_bN；第三级联功率串330包括多个功率单元例如功率单元_c1、功率单元_c2、……、功率单元_cN。但本发明并不局限于以上描述的，以及在图3中示出的特定的模块，在一些实施例中，变流器300中的级联功率串可以包含更灵活的配置，下面结合具体的实施例进行说明。

在一个实施例中，变流器300的每个级联功率串包括多个功率单元，其中，多个功率单元中的每个功率单元的三相输入一一对应地与双馈发电机的一组转子三相绕组连接；每个级联功率串所包括的多个功率单元之间串行连接；每个功率单元包括第一交流输出端子和第二交流输出端子，每个级联功率串中相邻两个功率单元中上一个功率单元的第二交流端子与下一个功率单元的第一交流端子连接，每个级联功率串的串行连接的第一个功率单元的第一交流端子作为每个级联功率串的第一输出端子，每个级联功率串的串行连接的最后一个功率单元的第二交流端子作为每个级联功率串的第二输出端子。

也就是说，对于每个级联功率串中串行连接的多个功率单元，可以将除串联连接的第一个功率单元和串联连接的最后一个功率单元以外的每个功率单元的第一交流端子与和其串行连接的上一个功率单元的第二交流端子连接，并将其第二交流端子与和其串行连接的下一个功率单元的第一交流端子连接。

作为一个示例，当变流器300的每个级联功率串包括三个功率单元时，即级联功率串中的第一级联功率串310包括的功率单元为功率单元_a1、功率单元_a2和功率单元_a3，第二级联功率串320包括的功率单元为功率单元_b1、功率单元_b2和功率单元_b3，以及第三级联功率串330包括的功率单元为功率单元_c1、功率单元_c2和功率单元_c3。

在该示例中，功率单元_a1的三相输入、功率单元_a2的三相输入、功率单元_a3的三相输入、功率单元_b1的三相输入、功率单元_b2的三相输入、功率单元_b3的三相输入、功率单元_c1的三相输入、功率单元_c2的三相输入、以及功率单元_c3的三相输入分别于双馈发电机的一组转子三相绕组连接；

在第一级联功率串310中，功率单元_a1、功率单元_a2和功率单元_a3之间串行连接，在第二级联功率串320中，功率单元_b1、功率单元_b2和功率单元_b3之间串行连接，在第三级联功率串330中，功率单元_c1、功率单元_c2和功率单元_c3之间串行连接。

功率单元_a1的第一交流输出端子作为第一级联功率串310的第一输出端子，功率单元_b1的第一交流输出端子作为第二级联功率串320的第一输出端子，以及功率单元_c1的第一交流输出端子作为第三级联功率串330的第一输出端子，且每个级联功率串的第一输出端子即功率单元_a1的第一交流输出端子、功率单元_b1的第一交流输出端子、以及功率单元_c1的第一交流输出端子之间形成星点连接；

功率单元_a3的第二交流输出端子作为第一级联功率串310的第二输出端子，功率单元_b3的第二交流输出端子作为第二级联功率串320的第二输出端子，以及功率单元_c3的第二交流输出端子作为第三级联功率串330的第二输出端子，且每个级联功率串的第二输出端子即功率单元_a3的第二交流输出端子、功率单元_b3的第二交流输出端子、以及功率单元_c3的第二交流输出端子形成变流器300的三相输出。

在该示例中，第一级联功率串310中，功率单元_a1的第二交流输出端子与功率单元_a2的第一交流输出端子连接，功率单元_a2的第二交流输出端子与功率单元_a3的第一交流输出端子连接；

第二级联功率串320中，功率单元_b1的第二交流输出端子与功率单元_b2的第一交流输出端子连接，功率单元_b2的第二交流输出端子与功率单元_b3的第一交流输出端子连接；

第三级联功率串330中，功率单元_c1的第二交流输出端子与功率单元_c2的第一交流输出端子连接，功率单元_c2的第二交流输出端子与功率单元_c3的第一交流输出端子连接。

在一些实施例中，变流器300中的每个级联功率串可以包括更多数量的功率单元，即每个级联功率串中功率单元的数量可以为大于等于3。

作为一个示例，变流器300包括三个级联功率串，每个级联功率串包括N个功率单元，每个功率单元有一组三相输入端，双馈发电机包括定子和转子，其中，该双馈发电机的转子上设置的转子绕组数量为3N个，其中，每3个绕组构成双馈发电机的一组三相输出，双馈发电机的N组三相输出分别与每个级联功率串的N个功率单元的三相输入端对应连接。

如图3所示，本发明实施例中的双馈发电机包括定子和转子，双馈发电机的定子和转子均可以向电网输出交流电能，双馈发电机定子侧通过定子绕组输出的交流电能可以通过并网开关直接并入电网，而双馈发电机转子侧通过转子绕组输出的交流电能可以通过变流器和并网开关接入电网，且该双馈发电机的转子包括3N个绕组，N为3的整数倍，每三个转子绕组形成一组ABC三相交流系统。

在本发明实施例中，变流器模块化多电平中压变流器，通过限制双馈发电机中转子的绕组数量可以约束变流器的输出电压。因此，本发明实施例的变流器可以通过将每个级联功率串中的功率单元进行模块化级联的方式，叠加输出较高的电压，大大降低了输出电流，并具有输出去谐波少、模块化程度高的优点；同时，不同于目前低压大容量变流器进行并联以提升变流器容量的选择，从而避免了均流及环流等技术问题，提升了风机系统的可靠性。

图4示出了根据本发明一实施例的功率单元的具体结构示意图。如图4所示，作为变流器300的其中一个级联功率串的其中一个功率单元，该功率单元可以包括依次连接的三相整流器模块3111、母线电容及放电电阻3112、斩波电路模块3113、以及H式桥臂逆变器模块3114。

如图4所示，三相整流器模块3111，被配置为经由三相电缆与双馈发电机的其中一组三相绕组连接，并且被配置为对双馈发电机输出的低频交流电能进行整流，将低频交流电能转换为直流电能。

作为一个示例，三相整流器模块例如可以是三相PWM整流器。具体地，三相整流器模块3111可以是三桥六臂结构，且包括三个并联的桥臂，每个桥臂包括两个串联的功率管单元，该功率管单元例如可以是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)。

母线电容及放电电阻3112，被配置为连接于三相整流器模块的两个输出端，在图5中，母线电容可以被配置为对转换得到的直流电能进行滤波以及存储该直流电能，放电电阻可以被配置为对母线电容中储存的电量进行放电。

斩波电路模块3113，被配置为在直流母线电压超过预设的直流母线电压阈值时，通过斩波电路模块3113中的卸能电阻，卸放超过直流母线电压阈值的直流母线中的能量。

如图4所示，斩波电路模块3113可以包括串联连接在直流母线之间的开关管Q1和卸能电阻R。作为一个示例，该开关管Q1可以IGBT晶体管。在该示例中，斩波电路模块3113还可以包括与卸能电阻R并联的开关管Q2，该开关管Q2可以是包含二极管的IGBT、带二极管的MOS管或二极管中的任意一种，在斩波电路模块3113中，开关管Q2可以作为二极管使用。

在该实施例中，当风电场的电网发生例如低压穿越等工况导致直流母线电压泵升，直流母线电压超过预设直流母线电压阈值时，可以通过控制该斩波电路模块3113中与卸能电阻串联的开关管Q1导通，使直流母线中泵升的能量经该开关管Q1和卸能电阻R进行卸放，以防止直流母线过压。

H式桥臂逆变器模块3114，用于将电压可调的直流电能转换成符合电网要求的工频交流电能。

如图4所示，在一个实施例中，H式桥臂逆变器模块(下述描述中可以简称为H桥)包括两个并联的桥臂，每个桥臂包括两个串联的功率管单元；H式桥臂逆变器模块的两个输出端为第一交流端子和所述第二交流端子。

在本发明实施例中，变流器中的级联功率串的每个功率单元的三相输入与双馈发电机的一组转子三相绕组连接，该功率单元的输出为H式桥臂逆变器模块的两路交流输出端子，其中，该H桥的第一交流端子与串行连接的上一个功率单元的第二交流端子相连接，该H桥的第二交流端子与串行连接的下一个功率单元的第一交流端子相连接。

图5示出了根据本发明一实施例提供的风电场输电系统的结构示意图。如图5所示，在一个实施例中，风电场输电系统500可以包括：

并联的多个双馈风力发电机组510，每个双馈风力发电机组包括双馈发电机511，每个双馈风力发电机组510包括双馈发电机511和上述实施例中结合图2至图4描述的变流器300。

该双馈发电机511包括定子和转子，定子包括定子三相绕组，转子包括多个转子绕组，多个转子绕组的数量为3N，并且每三个转子绕组形成双馈发电机的转子三相绕组，其中，N为大于等于3的整数，双馈发电机511的转子三相绕组连接于变流器300。

在该实施例中，与直驱风机的输出功率完全由定子通过全功率变频器并网不同，双馈发电机511的定子和转子都能向电网馈电，双馈发电机定子侧的交流电能可以直接并入电网，而双馈发电机转子侧的交流电能可以通过变流器300并入电网，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位可以按风机发电机组的运行要求由变流器自动调节，风力发电机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。

本发明实施例的双馈发电机为中压双馈发电机，通过提升双馈发电机的定子端口电压等级可以降低转子侧的并网成本，例如可以将双馈发电机定子侧的输出电压提升到10kV。与此同时，利用变流器中的级联功率串，通过模块化级联的方式，提升变流器的输出电压，降低输出电流，减小整机系统的损耗，并避免目前低压大容量变流器必须进行并联提升容量的选择，提升了风机系统的可靠性。

继续参考图5，在一个实施例中，每个双馈风力发电机组500还可以包括升压变压器512，风电场输电系统还可以包括中压供电母线520；升压变压器512的低压侧与双馈发电机511的定子三相绕组连接，并且升压变压器512的低压侧与变流器300的三相输出连接；升压变压器512被配置用于将双馈发电机511的定子输出的交流电能和变流器300输出的交流电能转换成符合电网要求的中压交流电能，并将转换得到的中压交流电能接入中压供电母线520。

如图5所示，在本发明实施例中，升压变压器512的低压侧与双馈发电机511的定子三相绕组连接，并且升压变压器512的低压侧与变流器300的三相输出连接；升压变压器512的高压侧与中压供电母线520三相连接。

根据本发明实施例的变流器和风电场输电系统，通过变流器模块化级联的方式，升高变流器的输出电压，大大降低了输出电流，减小了大批量低压电缆的使用，减小了损耗，提高了效率。同时，避免了目前低压大容量变流器必须进行并联提升容量的选择，避免了均流及环流等技术问题，提升了风机系统的可靠性。

根据本发明实施例的变流器的其他细节与以上结合图1至图5描述的根据本发明实施例的变流器类似，在此不再赘述。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于风电场输电系统的变流器，其特征在于，所述变流器包括三个级联功率串；其中，

每个级联功率串包括第一输出端子和第二输出端子，所述每个级联功率串的第一输出端子之间形成星点连接，所述每个级联功率串的第二输出端子形成所述变流器的三相输出；

所述每个级联功率串的三相输入与风力发电机组的双馈发电机的转子绕组连接；

所述每个级联功率串包括多个功率单元，所述每个功率单元包括依次连接的三相整流器模块、母线电容、放电电阻、斩波电路模块、以及H式桥臂逆变器模块；

所述每个级联功率串的所述多个功率单元之间串行连接。

2.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，

每个功率单元的三相输入一一对应地与所述双馈发电机的一组转子三相绕组连接；

所述每个功率单元包括第一交流输出端子和第二交流输出端子，每个级联功率串中相邻两个功率单元中上一个功率单元的第二交流端子与下一个功率单元的第一交流端子连接，所述每个级联功率串的串行连接的第一个功率单元的第一交流端子作为所述每个级联功率串的第一输出端子，所述每个级联功率串的串行连接的最后一个功率单元的第二交流端子作为所述每个级联功率串的第二输出端子。

3.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，

所述变流器的三相输出连接于所述风力发电机组的升压变压器。

4.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，

所述三相整流器模块，被配置为经由三相电缆与所述双馈发电机的其中一组三相绕组连接，并且被配置为对所述双馈发电机输出的低频交流电能进行整流，将所述低频交流电能转换为直流电能；

所述母线电容及所述放电电阻，被配置为连接于所述三相整流器模块的两个输出端；

所述斩波电路模块，被配置为在所述直流母线电压超过预设的直流母线电压阈值时，通过所述斩波电路模块中的卸能电阻，卸放超过所述直流母线电压阈值的直流母线中的能量；

所述H式桥臂逆变器模块，用于将所述电压可调的直流电能转换成符合电网要求的工频交流电能。

5.根据权利要求2所述的变流器，其特征在于，

所述H式桥臂逆变器模块包括两个并联的桥臂，每个桥臂包括两个串联的功率管单元；

所述H式桥臂逆变器模块的两个输出端为所述第一交流端子和所述第二交流端子。

6.一种风电场输电系统，其特征在于，所述风电场输电系统包括并联的多个双馈风力发电机组，每个双馈风力发电机组包括双馈发电机和如权利要求1-5中任一项所述的变流器；

所述双馈发电机包括定子和转子，所述定子包括定子三相绕组，所述转子包括多个转子绕组，所述多个转子绕组的数量为3N，并且每三个转子绕组形成所述双馈发电机的转子三相绕组，其中，N为大于等于3的整数，所述双馈发电机的转子三相绕组连接于所述变流器。

7.根据权利要求6所述的风电场输电系统，其特征在于，所述每个双馈风力发电机组还包括升压变压器，所述风电场输电系统还包括中压供电母线；

所述升压变压器的低压侧与所述双馈发电机的定子三相绕组连接，并且所述升压变压器的低压侧与所述变流器的三相输出连接；

所述升压变压器被配置用于将所述双馈发电机的定子输出的交流电能和所述变流器输出的交流电能转换成符合电网要求的中压交流电能，并将所述转换得到的中压交流电能接入所述中压供电母线。

8.根据权利要求7所述的风电场输电系统，其特征在于，

所述升压变压器的低压侧与所述双馈发电机的定子三相绕组连接，并且所述升压变压器的低压侧与所述变流器的三相输出连接；

所述升压变压器的高压侧与所述中压供电母线三相连接。

9.根据权利要求6所述的风电场输电系统，其特征在于，

所述双馈发电机为中压双馈发电机。