CN207559584U - 风力发电机组的发电输电系统和风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种风力发电机组的发电输电系统和风力发电机组，该发电输电系统包括：设置于机舱(11)与风轮(12)之间的发电机系统(31)、设置于塔筒(14)内的变流系统(32)、和设置于机舱(11)和塔筒(14)内的电缆组(33)；发电机系统(31)包括发电机(13)和交直流转换模块(311)；交直流转换模块(311)的输入端、输出端分别与发电机(13)的输出端、电缆组(33)电连接，用于将发电机(13)输出的交流电转换为直流电，并通过电缆组(33)传输至变流系统(32)；变流系统(32)用于将接收的直流电转换为交流电。由于电缆组传输的是直流电，相对于传输交流电，减少了电缆的使用数量。

Description

风力发电机组的发电输电系统和风力发电机组

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组的发电输电系统和风力发电机组。

背景技术

随着风力发电行业的不断发展，优秀的风资源已被瓜分殆尽，低风区的发展已成为未来发展的趋势，永磁传动技术将快速发展，永磁传动技术是利用磁力驱动负载工作，实现了电机与负载之间非接触的扭力传递。电机驱动的主动转子高速旋转，在从动转子产生的磁场中切割磁力线，从而产生感应磁场，通过磁场之间相互作用力，驱动负载工作，实现扭力的传递。

伴随着永磁传动技术的发展，全功率变流器将越来越普遍，同时，大功率风电设备也将是风电发展的趋势。风力发电机组是将风能转化为机械能，机械能带动发电机转子旋转，最终输出交流电的电力设备。

目前，整个电力传输通过发电机发出交流电，通过传输电缆接入位于塔底的变流器内，在变流器内经过整流、逆变、滤波等过程，将发电机发出的交流电转换成符合并网条件的电能，在此过程中，现有技术中存在以下问题：

第一、现有技术使用的传输电缆数量较多，损耗大，系统效率低。

第二、变流器空间占比大，设备集中，运维空间狭小。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的旨在提供一种风力发电机组的发电输电系统和风力发电机组，用以解决现有技术传输电缆数量较多，以及变流器空间占比大的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种风力发电机组的发电输电系统，包括：设置于所述风力发电机组的机舱与风轮之间的发电机系统、设置于所述风力发电机组的塔筒内的变流系统、和设置于所述机舱和所述塔筒内的电缆组；

所述发电机系统包括发电机和交直流转换模块；

所述交直流转换模块的输入端、输出端分别与所述发电机的输出端、所述电缆组电连接，用于将所述发电机输出的交流电转换为直流电，并通过所述电缆组传输至所述变流系统；

所述变流系统用于将接收的直流电转换为交流电。

优选地，所述交直流转换模块包括整流器，所述变流系统包括直流斩波升压模块和逆变器；

所述整流器的输入端与所述发电机的输出端电连接，输出端与所述电缆组电连接；

所述直流斩波升压模块的输入端与所述电缆组电连接，输出端与所述逆变器的输入端电连接。

优选地，所述交直流转换模块包括整流器和直流斩波升压模块；

所述整流器的输入端与所述发电机的输出端电连接，输出端与所述直流斩波升压模块的输入端电连接；

所述直流斩波升压模块的输出端与所述电缆组电连接。

优选地，所述发电机系统还包括冷却系统，所述冷却系统用于通过风道或者水道对所述交直流转换模块进行冷却。

优选地，所述发电机为永磁直驱发电机。

优选地，所述永磁直驱发电机包括至少一套绕组，每一套绕组均对应一所述交直流转换模块。

优选地，每一套绕组输出三相交流电，每相交流电通过三根发电机内部引线与该套绕组对应的所述交直流转换模块的三相输入端一一对应电连接，该交直流转换模块的两输出端与所述电缆组中的两根电缆一一对应电连接。

优选地，所述交直流转换模块被封装在柜体结构或箱体结构中。

优选地，所述变流系统还包括滤波器，所述滤波器的输入端与所述逆变器的输出端电连接；

风力发电机组的发电输电系统还包括变压器，所述变压器的输入端与所述变流系统的输出端电连接，输出端连接至电网。

一种风力发电机组，包括上述的风力发电机组的发电输电系统。

相比于现有技术，本实用新型的方案具有以下有益效果：

本实用新型实施例提供的风力发电机组的发电输电系统，由于该发电输电系统包括设置于风力发电机组的机舱与风轮(叶轮)之间的发电机系统、设置于风力发电机组的塔筒内的变流系统、和设置于机舱和塔筒内的电缆组；发电机系统包括发电机和交直流转换模块；交直流转换模块用于将发电机输出的交流电转换为直流电，并通过电缆组传输至变流系统；变流系统用于将接收的直流电转换为交流电。与现有技术相比，本实用新型实施例中将交直流转换模块与发电机集成在一起，电缆组传输的是经过交直流转换模块转换后的直流电，而并非现有技术传输的交流电，若发电机发出的电能为三相交流电，现有技术需要采用三组传输电缆进行电能的传输，而本实用新型实施例由于电缆组传输的是直流电，因此电缆组中只需要两组电缆进行电能的传输，电缆使用量可降低33％；进而能够降低系统的电能损耗，提升系统效率；另外，本实用新型实施例中的变流系统由于不再进行将交流电转换为直流电的整流功能，与现有技术相比，从一定程度上剥离了现有技术变流器的部分功能，因此本实用新型实施例中的变流系统的空间占比较小，从而提升了运维空间和可操作性。

并且，本实用新型实施例随着器件的小型化，交直流转换模块包括整流器和直流斩波升压模块；这样，本实用新型具体实施例的发电机系统中不仅集成有整流器，进一步还集成有直流斩波升压模块，能够进一步剥离现有技术中变流器的部分功能，与现有技术相比，变流系统的空间占比能够进一步减小，从而能够进一步提升运维空间和可操作性。

此外，由于本实用新型实施例提供的发电机系统还包括冷却系统，冷却系统用于通过风道或者水道对交直流转换模块进行冷却；这样，由于冷却系统集成在发电机系统内，能够快速的对交直流转换模块工作过程中产生的热量进行冷却，从而提高交直流转换模块的使用寿命。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有技术风力发电机组的电能传输系统结构示意图；

图2是现有技术风力发电机组的电能传输系统的组成部分示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种风力发电机组的发电输电系统结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种风力发电机组的发电输电系统的组成部分示意图；

图5是本实用新型实施例提供的风力发电机组的发电输电系统的一种具体组成部分示意图；

图6是本实用新型实施例提供的风力发电机组的发电输电系统的另一具体组成部分示意图；

图7是本实用新型实施例提供的风力发电机组的发电输电系统的又一具体组成部分示意图；

图8是本实用新型实施例提供的发电机系统结构示意图。

下面说明本实用新型实施例各附图标记表示的含义：

11-机舱；12-风轮；13-发电机；14-塔筒；15-变流器；16-传输电缆；17-电网；151-整流器；152-直流斩波升压模块；153-逆变器；154-滤波器；21-变压器。

31-发电机系统；32-变流系统；33-电缆组；311-交直流转换模块；81-冷却系统；91-永磁直驱发电机；92-内部引线；93-电缆组中的电缆。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实用新型的发明人对现有进行研究，发现如下问题。

如图1所示，图1为现有技术风力发电机组的电能传输系统结构示意图，包括：设置于风力发电机组的机舱11与风轮12之间的发电机13，设置于风力发电机组的塔筒14内的变流器15，以及设置于机舱11和塔筒14内的传输电缆16。其中，变流器15将发电机13发出的交流电转换成符合并网条件的电能后并入电网17。

如图1所示，现有技术发电机13发出的电能为三相交流电，需要三组传输电缆16进行电能的传输，每一组传输电缆16传输的均为交流电。

如图2所示，图2为现有技术风力发电机组的电能传输系统的组成部分的示意图，该电能传输系统的工作过程包括：发电机13发出交流电，交流电通过传输电缆16接入位于塔底的变流器15内，变流器15将发电机13发出的交流电转换成符合并网条件的电能，然后通过变压器21并入电网17，或用于内部设备的用电。

如图2所示，现有技术中的变流器15包括整流器151、直流斩波升压模块152、逆变器153和滤波器154。

在研究过程中，发现，现有技术发电机13产生的电能在发电机13向变流器15的传输过程中采用交流形式，使得传输电缆16数量较多，损耗大，系统效率低。

另外，现有技术的变流器15由于实现的功能包括：整流、逆变、滤波等多种功能，使得变流器15空间占比大，设备集中，运维空间狭小。

下面结合附图介绍本实用新型实施例的技术方案。

本实用新型的发明人，鉴于现有技术存在的不足，提供一种风力发电机组的发电输电系统。

如图3所示，图3为本实用新型具体实施例提供的一种风力发电机组的发电输电系统结构示意图，包括：设置于风力发电机组的机舱11与风轮12之间的发电机系统31、设置于风力发电机组的塔筒14内的变流系统32、和设置于机舱11和塔筒14内的电缆组33；另外，图3中的电缆组33在实际设计时还可以设置有电缆扭缆机构，图3中的电缆组33仅是省略的示意图。

如图4所示，图4为本实用新型实施例提供的一种风力发电机组的发电输电系统的组成部分示意图，本实用新型具体实施例中的发电机系统31包括发电机13和交直流转换模块311；交直流转换模块311的输入端与发电机13的输出端电连接，交直流转换模块311的输出端与电缆组33电连接，用于将发电机13输出的交流电转换为直流电，并通过电缆组33传输至变流系统32；变流系统32用于将接收的直流电转换为交流电。

可见，与现有技术相比，本实用新型具体实施例中将交直流转换模块311与发电机13集成在一起，电缆组33传输的是经过交直流转换模块311转换后的直流电，而并非现有技术传输的交流电，若发电机13发出的电能为三相交流电，由于现有技术传输电缆传输的是交流电，因此现有技术需要采用三组传输电缆进行电能的传输，而本实用新型具体实施例由于电缆组33传输的是直流电，因此电缆组33中只需要两组电缆进行电能的传输，电缆使用量可降低33％，可降低电缆使用成本；进而能够降低系统的电能损耗，提升系统效率；另外，与现有技术的变流器15相比，本实用新型具体实施例中的变流系统32削减了部分功能，例如将交流电转换为直流电的整流功能，自然不再需要这些削减功能对应的硬件，简化了结构，缩小了体积，因此本实用新型具体实施例中的变流系统32的空间占比较小，从而提升了塔筒内的运维空间和可操作性。

优选地，如图5所示，图5为本实用新型实施例提供的风力发电机组的发电输电系统的一种具体组成部分示意图，本实用新型具体实施例中的交直流转换模块311包括整流器151，变流系统32包括直流斩波升压模块152和逆变器153；整流器151的输入端与发电机13的输出端电连接，输出端与电缆组33电连接；直流斩波升压模块152的输入端与电缆组33电连接，输出端与逆变器153的输入端电连接。

本实用新型具体实施例中整流器151是把交流电转换成直流电的装置；直流斩波升压模块152的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器；逆变器153是把直流电转换成交流电的装置；整流器151、直流斩波升压模块152和逆变器153的具体工作原理与现有技术类似，这里不再赘述。

进一步地，随着器件的小型化，如图6所示，图6为本实用新型实施例提供的风力发电机组的发电输电系统的另一具体组成部分示意图，本实用新型具体实施例中交直流转换模块311包括整流器151和直流斩波升压模块152；整流器151的输入端与发电机13的输出端电连接，输出端与直流斩波升压模块152的输入端电连接；直流斩波升压模块152的输出端与电缆组33电连接。这样，本实用新型具体实施例的发电机系统31中不仅集成有整流器151，进一步还集成有直流斩波升压模块152，能够进一步剥离现有技术中变流器15的部分功能，能够进一步减小变流系统32的空间占比，进一步提升运维空间和可操作性。

本实用新型具体实施例中集成整流器的发电机系统，随着变流技术的发展，整流器还可以采用其它形式的整流模块替代，整流模块只要能够实现将发电机发出的交流电转化为直流电的功能即可。

较佳地，如图6所示，本实用新型具体实施例中的变流系统32还包括滤波器154，滤波器154的输入端与逆变器153的输出端电连接；滤波器154是由电容、电感和电阻组成的滤波电路，滤波器154可以对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电信号，或消除一个特定频率后的电信号，这样，本实用新型具体实施例中滤波器154的设置能够使得变流系统32输出的电信号更加稳定。

如图5和图6所示，本实用新型具体实施例提供的发电输电系统包括变压器21，变压器21的输入端与变流系统32的输出端电连接，输出端连接至电网17；变压器21是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件包括初级线圈、次级线圈和铁芯；主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压等；变压器21的具体工作原理与现有技术类似，这里不再赘述。当然，本实用新型具体实施例中变流系统32输出的交流电还可以不经过变压器21的升压，而直接与其它内部设备电连接，为电连接的内部设备供电。

为了更好的对交直流转换模块进行冷却，较佳地，如图7所示，图7为本实用新型实施例提供的风力发电机组的发电输电系统的又一具体组成部分示意图，本实用新型具体实施例中的发电机系统31还包括冷却系统81，冷却系统81用于通过风道或者水道对交直流转换模块311进行冷却；这样，由于冷却系统81集成在发电机系统31内，能够快速的对交直流转换模块311工作过程中产生的热量进行冷却，从而提高交直流转换模块311的使用寿命。

具体地，本实用新型具体实施例中的交直流转换模块311被封装在柜体结构或箱体结构中；在实际设计时，本实用新型具体实施例优选将交直流转换模块311封装在箱体结构中，这样交直流转换模块311所占空间较小，当然，在空间允许的情况下，本实用新型具体实施例也可以将交直流转换模块311封装在柜体结构中。

较佳地，本实用新型具体实施例中的发电机为永磁直驱发电机，直驱式发电机，是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮发电机，这种发电机采用多级电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件，由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式发电机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等优点。

较佳地，本实用新型具体实施例中永磁直驱发电机包括至少一套绕组，每一套绕组均对应一交直流转换模块311；如图8所示，图8为本实用新型实施例提供的发电机系统结构示意图，本实用新型具体实施例中永磁直驱发电机91包括的每一套绕组输出三相交流电，每相交流电通过三根发电机内部引线92与该套绕组对应的交直流转换模块311的三相输入端一一对应电连接，该交直流转换模块311的两输出端与电缆组33中的两根电缆93一一对应电连接，其中一根电缆3用于传输正的直流电，另一根电缆93用于传输负的直流电。图8中内部引线92和电缆93示出的数量仅仅是示例性的，本实用新型实施例中的内部引线92和电缆93实际的数量不受此例的限制。

本实用新型具体实施例以永磁直驱发电机包括两套绕组为例，每一套绕组为独立的三相交流电，每相交流电通过三根电缆传输，故每套绕组引入交直流转换模块311前为九根电缆，经过交直流转换模块311后则只需要六根电缆即可，本实用新型具体实施例中的交直流转换模块311的相位为六相；相应的，针对两套独立的绕组，永磁直驱发电机中集成的六相交直流转换模块311亦为两组。

另外，本实用新型具体实施例中的交直流转换模块311的相位还可以为三相、九相等以三为倍数的相位；具体地，正常交流电为三相交流电，若发电机采用两套绕组，则交直流转换模块311的相位为六相，而随着发电机功率的增加，发电机可能会采用三套、四套或者更多套三相绕组，则交直流转换模块311的相位为九相、十二相等以三为倍数的相位。

本实用新型具体实施例中风力发电机组的发电输电系统的整个工作过程包括：首先，由于本实用新型具体实施例中的发电机系统将发电机和交直流转换模块集成在一起，发电机发出的交流电经交直流转换模块整流后输出给电缆组；然后电缆组以直流电的形式传输，将直流电由机舱内传输至塔底的变流系统；接着，变流系统将发电机系统发出并整流后形成的直流电经过逆变、滤波等环节，将电能转换成符合电网要求的交流电；最后，通过变压器升压后并入电网。

基于同一发明构思，本实用新型具体实施例还提供了一种风力发电机组，包括本实用新型具体实施例提供的上述风力发电机组的发电输电系统。该风力发电机组具备上述风力发电机组的发电输电系统所能达到的全部有益效果。

综上所述，本实用新型具体实施例提供的风力发电机组的发电输电系统，具有如下有益效果：

第一、传统的风力发电机组发出电能为三相交流电，需要三组电缆进行传输电能，而采用本实用新型实施例提供的发电输电系统，电缆传输的是直流电，传输直流电时只需要两组电缆即可传输电能，电缆使用量可降低33％；同时，三相交流电经过整流后电压提升为原来的1.35倍，在功率不变的情况下，电流可降低1.35倍。

第二、在保证电缆载流量的情况下，由于电流降低了1.35倍，因此在选择电缆时，可以适当降低电缆的选择规格，从而可减少电缆材料的用量(如电缆的材料选择铜，铜的用量将会减少)，能够降低生产成本。

第三、电缆在传输交流电的过程中，由于集肤效应，使得传输电缆的电阻较大，而采用本实用新型实施例提供的发电输电系统，电缆传输的是直流电，因此本实用新型实施例中电缆的电阻较小。

第四、由于本实用新型实施例中的电缆组的电流降低，电阻降低，因此使得电缆组传输损耗较低，从而提升了风力发电机组的发电效率。

第五、由于采用本实用新型实施例提供的发电输电系统包括的变流系统从一定程度上剥离了现有技术变流器的部分功能，因此本实用新型实施例中的变流系统的空间占比相对较小，从而提升了运维空间和可操作性。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力发电机组的发电输电系统，其特征在于，包括：设置于所述风力发电机组的机舱(11)与风轮(12)之间的发电机系统(31)、设置于所述风力发电机组的塔筒(14)内的变流系统(32)、和设置于所述机舱(11)和所述塔筒(14)内的电缆组(33)；

所述发电机系统(31)包括发电机(13)和交直流转换模块(311)；

所述交直流转换模块(311)的输入端、输出端分别与所述发电机(13)的输出端、所述电缆组(33)电连接，用于将所述发电机(13)输出的交流电转换为直流电，并通过所述电缆组(33)传输至所述变流系统(32)；

所述变流系统(32)用于将接收的直流电转换为交流电。

2.根据权利要求1所述的发电输电系统，其特征在于，所述交直流转换模块(311)包括整流器(151)，所述变流系统(32)包括直流斩波升压模块(152)和逆变器(153)；

所述整流器(151)的输入端与所述发电机(13)的输出端电连接，输出端与所述电缆组(33)电连接；

所述直流斩波升压模块(152)的输入端与所述电缆组(33)电连接，输出端与所述逆变器(153)的输入端电连接。

3.根据权利要求1所述的发电输电系统，其特征在于，所述交直流转换模块(311)包括整流器(151)和直流斩波升压模块(152)；

所述整流器(151)的输入端与所述发电机(13)的输出端电连接，输出端与所述直流斩波升压模块(152)的输入端电连接；

所述直流斩波升压模块(152)的输出端与所述电缆组(33)电连接。

4.根据权利要求2或3所述的发电输电系统，其特征在于，所述发电机系统(31)还包括冷却系统(81)，所述冷却系统(81)用于通过风道或者水道对所述交直流转换模块(311)进行冷却。

5.根据权利要求4所述的发电输电系统，其特征在于，所述发电机(13)为永磁直驱发电机(91)。

6.根据权利要求5所述的发电输电系统，其特征在于，所述永磁直驱发电机(91)包括至少一套绕组，每一套绕组均对应一所述交直流转换模块(311)。

7.根据权利要求6所述的发电输电系统，其特征在于，每一套绕组输出三相交流电，每相交流电通过三根发电机内部引线(92)与该套绕组对应的所述交直流转换模块(311)的三相输入端一一对应电连接，该交直流转换模块(311)的两输出端与所述电缆组(33)中的两根电缆(93)一一对应电连接。

8.根据权利要求7所述的发电输电系统，其特征在于，所述交直流转换模块(311)被封装在柜体结构或箱体结构中。

9.根据权利要求2所述的发电输电系统，其特征在于，所述变流系统(32)还包括滤波器(154)，所述滤波器(154)的输入端与所述逆变器(153)的输出端电连接；

还包括变压器(21)，所述变压器(21)的输入端与所述变流系统(32)的输出端电连接，输出端连接至电网(17)。

10.一种风力发电机组，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的风力发电机组的发电输电系统。