CN110635505A - 变流器及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种变流器及风力发电机组，变流器包括：整流组件，将风力发电机组输出的交流电转换为直流电；电子变压组件，电连接于整流组件，电子变压组件将整流组件输出的直流电转变为满足预设电压条件的直流电；逆变组件，电连接于电子变压组件，逆变组件将电子变压组件输出的直流电转换为满足预设电压条件的交流电。在本发明实施例中，由变流器输出的电能为满足预设电压条件的交流电，能够直接并入电网，无需设置变电箱，能够极大的降低风力发电机组的设计难度和施工难度，同时由风力发电机组输出的低压交流电只需经过整流组件、电子变压组件和逆变组件即可并入电网，简化了风力发电机组的输电流程。

Description

变流器及风力发电机组

技术领域

本发明涉及风力发电设备技术领域，尤其涉及一种变流器及风力发电机组。

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。风力发电机组是一种将风的机械动能转化为电能的电子设备。风力发电机组的叶轮吸收风能，并将风的动能转化为机械能，并带动发电机转动，发电机将叶轮的机械能转化为电能。自然界的风是不稳定的，风力发电机组为了最大吸收风能，一般采用变转速控制，因此发电机的输出电压不稳定，通常需要通过整流将交流电转变成电压稳定的直流电，再经过逆变电路将直流电转变成中压交流电，最后经过升压器升压为交流市电，保证稳定使用。

现有技术中，一般通过全功率整流和逆变将风机发出的电能转换成低压工频电，再通过升压箱升压处理变为可长距离传输的电能。为了将逆变电路的直流电转变成中压交流电，风力发电机组一般会设置专门升压的变电箱，变电箱设置在风力发电机组的塔筒内部或者外部。当变电箱设置在塔筒外部时，不仅会增加占地面积，而且处于安全考虑，还需要对变电箱进行特殊设计，增加了设计难度和施工难度。当变电箱设置在塔筒内部时，由于变电箱占地面积大，会严重影响塔筒内部其他零部件的设置，且会对塔筒内部的散热提出更高的要求，增加设计难度和施工难度。

因此，亟需一种新的变流器及风力发电机组。

发明内容

本发明实施例提供一种变流器及风力发电机组，旨在简化风力发电机组的输电流程，减小风力发电机组的设计难度和施工难度。

本发明实施例一方面提供了一种变流器，包括：整流组件，将风力发电机组输出的交流电转换为直流电；电子变压组件，电连接于整流组件，电子变压组件将整流组件输出的直流电转变为满足预设电压条件的直流电；逆变组件，电连接于电子变压组件，逆变组件将电子变压组件输出的直流电转换为满足预设电压条件的交流电。

根据本发明的一个方面，还包括第一直流传输组件，电连接于整流组件和电子变压组件之间，第一直流传输组件将整流组件输出的直流电传输至电子变压组件。

根据本发明的一个方面，还包括第二直流传输组件，电连接于电子变压组件和逆变组件之间，第二直流传输组件将电子变压组件输出的满足预设电压条件的直流电传输至逆变组件。

根据本发明的一个方面，电子变压组件包括：

调频单元，电连接于整流组件，调频单元将整流组件输出的直流电调制成高频方波；

高频变压单元，电连接于调频单元，高频变压单元将调频单元输出的高频方波耦合为满足预设电压条件的直流电。

根据本发明的一个方面，电子变压组件还包括整流单元，整流单元电连接于高频变压单元，用于对高频变压单元输出的满足预设电压条件的直流电进行整流处理。

本发明第二实施例还提供一种风力发电机组，包括：

机组组件，包括相连接的机舱和塔筒，塔筒底部设置有塔底平台；

变流器，置于机组组件，变流器为上述的变流器。

根据本发明的一个方面，整流组件设置于机舱。

根据本发明的一个方面，电子变压组件和逆变组件设置于塔底平台；

当整流组件和电子变压组件之间采用第一直流传输组件传输直流电时，第一直流传输组件沿塔筒的延伸方向布置。

根据本发明的一个方面，电子变压组件设置于机舱，逆变组件设置于塔底平台；

当电子变压组件和逆变组件之间采用第二直流传输组件传输满足预设电压条件的直流电时，第二直流传输组件沿塔筒的延伸方向布置。

根据本发明的一个方面，电子变压组件和逆变组件均设置于机舱。

在本发明实施例中，变流器的整流组件将风力发电机组输出的交流电转换为直流电，电子变压组件将整流组件输出的直流电转变为满足预设电压条件的直流电，逆变组件将电子变压组件输出的直流电转换为满足预设电压条件的交流电，因此由变流器输出的电能为满足预设电压条件的交流电，能够直接输入电网，无需设置变电箱，能够极大的降低风力发电机组的设计难度和施工难度，同时由风力发电机组输出的低压交流电只需经过整流组件、电子变压组件和逆变组件即可流入电网，简化了风力发电机组的输电流程。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显,其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是现有技术中风力发电机组的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种变流器的拓扑结构示意图；

图3是本发明实施例的一种变流器的电子变压组件的结构示意图；

图4是本发明实施例的一种风力发电机组的结构示意图；

图5是本发明另一实施例的一种风力发电机组的结构示意图；

图6是本发明再一实施例的一种风力发电机组的结构示意图。

附图标记说明：

100、现有的风力发电机组；

110、全功率变流器；111、整流模块；112、逆变模块；

120、升压器；

200、变流器；

210、整流组件；

220、电子变压组件；221、调频单元；222、高频变压单元；223、整流单元；

230、逆变组件；

240、第一直流传输组件；

250、第二直流传输组件；

300、发电机；

400、电网；410、输入端；

500、机舱；

600、塔筒；

700、塔底平台。

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。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，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的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了现有的风力发电机组100的主电路拓扑图。现有技术中，为了将风力发电机组输出的电能传输至电网，通常需要全功率变流器110和升压器120两个变压器件。如图1所示，现有技术的风力发电机组包括：风力发电机组的发电机300，用于将机械能转变为电能；全功率变流器110，包括相互连接的整流模块111和逆变模块112，整流模块111连接于风力发电机组的发电机300，整流模块111用于将发电机300输出的交流电整流为直流电，逆变模块112用于将整流模块111输出的直流电逆变为交流电；升压器120，连接于逆变模块112，用于将逆变模块112输出的交流电升压为满足电网400需求的中压交流电。

其中，全功率变流器110常见的为690V的低压变流器或3300V的中压变流器。升压器120将全功率变流器110输出的690V或3300V的交流电升压为10kV或35kV的满足电网400需求的交流电。通常升压器120需要设置在专门的变电箱内，变电箱位于风力发电机组塔筒的内部或外部。

当变电箱设置在塔筒外部时，不仅会增加占地面积，而且处于安全考虑，还需要对变电箱进行特殊设计，增加了设计难度和施工难度。当变电箱设置在塔筒内部时，由于变电箱占地面积大，会严重影响塔筒内部其他零部件的设置，且会对塔筒内部的散热提出更高的要求，增加设计难度和施工难度。

本发明实施例的变流器200采用了全新的拓扑结构，采用本发明实施例的变流器200无需设置变电箱，能够有效简化风力发电机组的结构，并降低风力发电机组的设计难度和施工难度。

为了更好地理解本发明，下面结合图2至图6根据本发明实施例的变流器及风力发电机组进行详细描述。

图2为本发明第一实施例提供的一种变流器200，变流器200包括：整流组件210，将风力发电机组输出的交流电转换为直流电；电子变压组件220，电连接于整流组件210，电子变压组件220将整流组件210输出的直流电转变为满足预设电压条件的直流电；逆变组件230，电连接于电子变压组件220，逆变组件230将电子变压组件220输出的直流电转换为满足预设电压条件的交流电。

其中，满足预设电压条件的直流电是指满足电网400电压要求的直流电，当电网400的电压要求为10kV时，满足预设条件的直流电为电压为10kV的直流电；当电网400的电压要求为35kV时，满足预设条件的直流电为电压为35kV的直流电。满足预设电压条件的交流电是指满足电网400电压要求的交流电，即可以直接接入电网400的交流电。电网400的电压条件可以为10kV或35kV等。

在本发明实施例中，变流器200的整流组件210将风力发电机组输出的交流电转换为直流电，风力发电机输出的交流电一般为1kV以下的低压交流电，整流组件210对风力发电机组输出的交流电进行整流处理，因此整流组件210输出的一般为小于或等于1kV的低压直流电，电子变压组件220将整流组件210输出的直流电转变为满足预设电压条件的直流电，即电子变压组件220对低压直流电进行升压处理，使得低压直流电升压为满足预设电压条件的直流电，逆变组件230将电子变压组件220输出的直流电转换为满足预设电压条件的交流电，因此由变流器200输出的电能为满足预设电压条件的交流电，能够直接输入电网400，无需设置变电箱，能够极大的降低风力发电机组的设计难度和施工难度，同时由风力发电机组输出的低压交流电只需经过整流组件210、电子变压组件220和逆变组件230即可并入电网400，简化了风力发电机组的输电流程。

这里的风力发电机组包括发电机300，发电机300的输出端连接于整流组件210，整流组件210将发电机300输出的交流电转换为直流电。可以理解的是，发电机300的具体设置方式在此不做限定，发电机300可以为低速永磁同步电机、电励磁同步电机、高速永磁同步电机、电励磁异步电机、以及高速异步电机等。

请一并参阅图3，图3示出了电子变压组件220的一种可选的实施方式的结构示意图。可以理解的是，电子变压组件220将整流组件210输出的直流电转换成满足预设电压条件的直流电的实施方式有多种，作为一种可选的实施例，电子变压组件220包括：调频单元221，电连接于整流组件210，调频单元221将整流组件210输出的直流电调制成高频方波；高频变压单元222，电连接于调频单元221，高频变压单元222将调频单元221输出的高频方波耦合为满足预设电压条件的直流电。

在这些可选的实施例中，调频单元221首先将直流电调频为高频方波，使得直流电的频率提高，然后通过高频变压单元222将高频方波电能耦合为满足预设电压条件的直流电。由于高频变压单元222的工作频率较高，且相同功率容量下，体积远小于一般的工频变压器，因此能够有效降低电子变压组件220的体积，并提高电子变压组件220的工作效率。

但是高频变压单元222输出的电能很可能会不稳定，因此在一些可选的实施例中，电子变压组件220还包括整流单元223，整流单元223电连接于高频变压单元222，用于对高频变压单元222输出的满足预设电压条件的直流电进行整流处理。通过整流单元223的整流处理，使得电子变压组件220输出的满足预设电压条件的直流电更加稳定，提高电能传输的稳定性。

在一些可选的实施例中，变流器200还包括第一直流传输组件240，电连接于整流组件210和电子变压组件220之间，第一直流传输组件240将整流组件210输出的直流电传输至电子变压组件220。

在这些可选的实施例中，整流组件210通过第一直流传输组件240将其输出的直流电传输至电子变压组件220，从而完成电能由整流组件210至电子变压组件220的传输，且直流传输和交流传输相比，传输过程中几乎没有能量损失，能够有效提高传输效率。其中，由于整流组件210输出的直流电一般为1kV以下的低压直流电，第一直流传输组件240可以为低压直流传输母线。

可以理解的是，此处对整流组件210输出的低压直流电的电压不做限定，为了进一步提高传输效率及传输的稳定性，整流组件210将风力发电机组输出的交流电整流变换为1kV左右的直流电。此时，第一直流传输组件240选用传输能力为1kV的低压直流传输母线，由于1kV的低压直流传输母线传输的电压较高，相同功率下电流较低，因此使用较少的低压直流传输母线即可完成整流组件210和电子变压组件220之间电能的传输。

在一些可选的实施例中，变流器200还包括第二直流传输组件250，电连接于电子变压组件220和逆变组件230之间，第二直流传输组件250将电子变压组件220输出的满足预设电压条件的直流电传输至逆变组件230。

在这些可选的实施例中，电子变压组件220通过第二直流传输组件250将其输出的满足预设电压条件的直流电传输至逆变组件230，从而完成电能由电子变压组件220至逆变组件230的传输，满足预设电压条件的直流电通常为10kV至35kV的中压电，因此第二直流传输组件250可以为中压直流传输母线。由于第二直流传输组件250传输的是中压电，电压较高，相同频率下电流较低，因此使用较少的第二直流传输组件250即可完成电子变压组件220和逆变组件230之间电能的传输，有效减少第二直流传输组件250的用量，降低生产成本，且直流传输能够降低传输过程中电能的损耗。

请一并参阅图4至图6，图4至图6示出了一种风力发电机组的结构示意图。本发明第二实施例还提供一种风力发电机组，包括：机组组件，包括相连接的机舱500和塔筒600；变流器200，置于所述机组组件，所述变流器200为上述第一实施例所述的变流器200。

在本发明实施例中，变流器200设置于机组组件，变流器200的结构简单，且变流器200能够直接输出满足电网400要求的交流电，风力发电机组无需设置变电箱，能够极大的降低风力发电机组的设计难度和施工难度。

塔筒600的底部设置有塔底平台700，电网400的输入端410设置于塔底平台700，变流器200的逆变组件230的输出端输出的交流电由塔底平台700送入电网400。

可以理解的是，变流器200的设置位置有多种，例如，如图4所示，变流器200的整流组件210位于机舱500，电子变压组件220和逆变组件230设置于塔筒600底部的塔底平台700。

在这些可选的实施例中，由于整流组件210和电子变压组件220为直流传输，使用两根低压直流传输母线即可完成整流组件210和电子变压组件220之间的电能传输，可以减少低压直流传输母线的用量，同时电子变压组件220和逆变组件230同时位于塔底平台700，采用较短的中压直流传输母线即可完成电子变压组件220和逆变组件230之间电能的传输，逆变组件230位于塔底平台700，因此逆变组件230和同样位于塔底平台700的电网400的输入端410的距离较近，使用较短的电缆即可将逆变组件230输出的交流电传输至电网400。

其中，当整流组件210和电子变压组件220之间采用第一直流传输组件240传输直流电时，第一直流传输组件240沿塔筒600的延伸方向布置，使得第一直流传输组件240尽量沿竖直方向延伸，防止第一直流传输组件240在塔筒600内部弯曲打折卷绕等，减小第一直流传输组件240长度，降低第一直流传输组件240的生产成本。

在另一些可选的实施例中，如图5所示，电子变压组件220和整流组件210均设置于机舱500，逆变组件230设置于塔底平台700。

在这些可选的实施例中，电子变压组件220和整流组件210均设置于机舱500，因此电子变压组件220和整流组件210之间的距离较近，使用较短的低压直流传输母线即可完成电子变压组件220和整流组件210之间的电能传输。电子变压组件220输出的是满足预设条件的直流电，即满足电网400电压要求的直流电，因此电子变压组件220输出的电压较高，相同功率下，电子变压组件220和逆变组件230之间的传输电流较小，使用较少的中压直流传输母线即可完成电子变压组件220和逆变组件230之间的电能传输，且电子变压组件220和逆变组件230之间为直流传输，使用两根中压直流传输母线即可。逆变组件230位于塔底平台700，因此逆变组件230和同样位于塔底平台700的电网400的输入端410的距离较近，使用较短的电缆即可将逆变组件230输出的交流电传输至电网400。

其中，当电子变压组件220和逆变组件230之间采用第二直流传输组件250传输满足预设电压条件的直流电时，第二直流传输组件250沿塔筒600的延伸方向布置。使得第二直流传输组件250尽量沿竖直方向延伸，防止第二直流传输组件250在塔筒600内部弯曲打折卷绕等，减小第二直流传输组件250长度。

在另一些可选的实施例中，如图6所示，整流组件210、电子变压组件220和逆变组件230均设置于机舱500。

在这些可选的实施例中，整流组件210、电子变压组件220和逆变组件230均设置于机舱500，因此整流组件210和电子变压组件220之间的距离较短，使用较短的第一直流传输母线240即可完成整流组件210和电子变压组件220之间电能的传输，同理，只用较短的第二直流传输组件250即可完成电子变压组件220和逆变组件230之间电能的传输。同时，由于整个变流器200均设置于机舱500，因此变流器200不占据塔筒600内部的空间，为塔筒600内部其他零部件的布置流出足够的空间，并能够有效增大塔筒600内部的散热空间，提高其散热效果。除此之外，逆变组件230输出的电能电压较高，通常为10kV或35kV，相同功率下电流较小，从而能够减少逆变组件230和电网400之间传输电缆的用量。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (10)

1.一种变流器(200)，用于风力发电机组，其特征在于，包括：

整流组件(210)，将所述风力发电机组输出的交流电转换为直流电；

电子变压组件(220)，电连接于所述整流组件(210)，所述电子变压组件(220)将所述整流组件(210)输出的直流电转变为满足预设电压条件的直流电；

逆变组件(230)，电连接于所述电子变压组件(220)，所述逆变组件(230)将所述电子变压组件(220)输出的直流电转换为满足所述预设电压条件的交流电。

2.根据权利要求1所述的变流器(200)，其特征在于，还包括第一直流传输组件(240)，电连接于所述整流组件(210)和所述电子变压组件(220)之间，所述第一直流传输组件(240)将所述整流组件(210)输出的直流电传输至所述电子变压组件(220)。

3.根据权利要求1或2所述的变流器(200)，其特征在于，还包括第二直流传输组件(250)，电连接于所述电子变压组件(220)和所述逆变组件(230)之间，所述第二直流传输组件(250)将所述电子变压组件(220)输出的满足所述预设电压条件的直流电传输至所述逆变组件(230)。

4.根据权利要求1所述的变流器(200)，其特征在于，所述电子变压组件(220)包括：

调频单元(221)，电连接于所述整流组件(210)，所述调频单元(221)将所述整流组件(210)输出的直流电调制成高频方波；

高频变压单元(222)，电连接于所述调频单元(221)，所述高频变压单元(222)将所述调频单元(221)输出的高频方波耦合为满足所述预设电压条件的直流电。

5.根据权利要求4所述的变流器(200)，其特征在于，所述电子变压组件(220)还包括整流单元(223)，所述整流单元(223)电连接于所述高频变压单元(222)，用于对所述高频变压单元(222)输出的满足所述预设电压条件的直流电进行整流处理。

6.一种风力发电机组，其特征在于，包括：

机组组件，包括相连接的机舱(500)和塔筒(600)，所述塔筒(600)底部设置有塔底平台(700)；

变流器(200)，置于所述机组组件，所述变流器(200)为上述权利要求1至5任一项所述的变流器(200)。

7.根据权利要求6所述的风力发电机组，其特征在于，所述整流组件(210)设置于所述机舱(500)。

8.根据权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于，

所述电子变压组件(220)和所述逆变组件(230)设置于所述塔底平台(700)；

当所述整流组件(210)和所述电子变压组件(220)之间采用第一直流传输组件(240)传输所述直流电时，所述第一直流传输组件(240)沿所述塔筒(600)的延伸方向布置。

9.根据权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于，

所述电子变压组件(220)设置于所述机舱(500)，所述逆变组件(230)设置于所述塔底平台(700)；

当所述电子变压组件(220)和所述逆变组件(230)之间采用第二直流传输组件(250)传输满足所述预设电压条件的直流电时，所述第二直流传输组件(250)沿所述塔筒(600)的延伸方向布置。

10.根据权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于，所述电子变压组件(220)和所述逆变组件(230)均设置于所述机舱(500)。

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