CN208112251U - 功率组件、风力发电机组及风电场 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功率组件、风力发电机组及风电场，用以降低电力传输系统的成本。所述功率组件包括支撑件；二极管，多个所述二极管设置于所述支撑件，并且相互同向串联连接以形成主路，所述主路包括输入端和输出端；充电二极管，设置于所述支撑件，所述充电二极管包括阳极和阴极，所述充电二极管通过所述阳极连接至所述主路所述输出端；充电电阻组件，包括第一端子和第二端子，所述充电电阻组件通过所述第一端子连接于所述充电二极管的所述阴极，通过所述第二端子连接于所述主路的所述输入端。

Description

功率组件、风力发电机组及风电场

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种功率组件、风力发电机组及风电场。

背景技术

风力发电机组中风力发电机所产生的电能需要经过传输并入电网，当所产生的电能传输到电网时，通常采用基于直流断路器的电力传输系统。

如图1所示，基于直流断路器的电力传输系统，由依次连接的汇流母线11、直流断路器12、直流平波电抗器13、模块化多电平(Modular Multilevel Converter，MMC)换流阀14、软启动开关电路15、中压断路器16以及网侧变压器17组成。其中，汇流母线11与风电场10中的每个风力发电机组相连接，用于汇聚风电场10中多个直流风力发电机(直流风力发电机1～直流风力发电机N)所产生的电能，并通过电力传输系统将电能传输到电网18。

在上述电力传输系统中，若汇流母线12短路或者汇流母线12与直流断路器13之间的连接线短路，则电力传输系统通过断开直流断路器13，对整个电力传输系统进行短路保护，但是目前直流断路器的成本较高，导致整个电力传输系统的成本较高。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种功率组件、风力发电机组及风电场，用以降低电力传输系统的成本。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种功率组件，功率组件包括：

支撑件；

二极管，多个二极管设置于支撑件，并且相互同向串联连接以形成主路，主路包括输入端和输出端；

充电二极管，设置于支撑件，充电二极管包括阳极和阴极，充电二极管通过阳极连接至主路输出端；

充电电阻组件，包括第一端子和第二端子，充电电阻组件通过第一端子连接于充电二极管的阴极，通过第二端子连接于主路的输入端。

在第一方面的一些实施例中，充电二极管与主路中多个串联连接的二极管反向连接。

在第一方面的一些实施例中，进一步包括多个水冷板，设置于支撑件；

每相邻两个二极管之间设置有至少一个水冷板，以及充电二极管和与该充电二极管相邻的二极管之间也设置有至少一个水冷板。

在第一方面的一些实施例中，支撑件为长条形支撑组件，多个二极管、多个水冷板及充电二极管沿支撑件的长度方向分布；

功率组件进一步包括均压组件，沿长度方向延伸并且设置在支撑件一侧，均压组件包括多个均压模块，主路中每个二极管并联连接至少一个均压模块。

在第一方面的一些实施例中，水冷板为导电水冷板，均压模块连接在每个二极管两端的水冷板上。

在第一方面的一些实施例中，每个水冷板均包括进水口和出水口，相邻两个水冷板中一者的进水口与另一者的出水口相连，以使多个水冷板的水路串联连接。

在第一方面的一些实施例中，充电电阻组件包括多个以串联方式和/或并联方式连接的电阻。

在第一方面的一些实施例中，充电电阻组件包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，第一电阻、第二电阻和第三电阻均包括第一连接端子和第二连接端子，第一电阻的第一连接端子连接于主路的输入端，第一电阻的第二连接端子连接于第二电阻的第一连接端子，第二电阻的第二连接端子连接于第三电阻的第一连接端子，第三电阻的第二连接端子连接于充电二极管的阴极。

在第一方面的一些实施例中，进一步包括绝缘支撑架，支撑件及充电电阻组件固定于绝缘支撑架，二极管及充电二极管通过支撑件固定于绝缘支撑架。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种风力发电机组，风力发电机组设置有如本实用新型实施例第一方面提供的功率组件。

第三方面，本实用新型实施例提供了一种风电场，风电场包括多个如本实用新型实施例第二方面提供的风力发电机组；或者，

风电场包括多个直流风力发电机组成的风力发电机阵列、汇流母线及如本实用新型实施例第一方面提供的功率组件，其中，

汇流母线与风力发电机阵列中的每个直流风力发电机相连接；

功率组件与汇流母线相连接。

本实用新型实施例提供了一种功率组件、风力发电机组及风电场，其中，所述功率组件包括并联连接的主路和充电支路；主路包括多个同向串联连接的二极管；充电支路包括串联连接的充电电阻组件和充电二极管。

本实用新型实施例提供的功率组件，应用在电力传输系统中时，能够通过二极管、电阻等组件实现对电力传输系统的短路保护，与现有电力传输系统中使用直流断路器进行短路保护相比，能够降低电力传输系统的成本。

附图说明

从下面结合附图对本实用新型的具体实施方式的描述中可以更好地理解本实用新型其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1为现有技术中基于直流断路器的电力传输系统的电路拓扑的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种功率组件的电路拓扑的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种功率组件的电路拓扑的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种功率组件的结构示意图；

图5本实用新型实施例提供的一种功率组件的各部件连接关系的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的另一种功率组件的各部件连接关系的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的另一种功率组件的结构示意图；

图8本实用新型实施例提供的风力发电机组的电路拓扑的结构示意图；

图9本实用新型实施例提供的风电场的电路拓扑的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型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，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型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实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。本实用新型决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本实用新型的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊。

需要说明的是，本实用新型实施例中所提到的网侧是指电网侧，例如，本实用新型实施例中所提到的网侧逆变模块是指设置在电网侧的逆变模块。

下面结合图2～图9对本实用新型实施例提供的功率组件、风力发电机组及风电场进行详细说明。

如图2所示，本实用新型实施例提供的功率组件，包括并联连接的主路21和充电支路22，主路21包括多个同向串联连接的二极管；充电支路22包括串联连接的充电电阻组件221和充电二极管222。

在一个实施方式中，主路21包括的多个同向串联连接的二极管，其中，第一个二极管的阳极连接功率组件对外的第一电气接口，第一个二极管的阴极连接第二个二极管的阳极，第二个二极管的阴极连接第三个二极管的阳极，依次的，第N个二极管的阴极连接功率组件对外的第二电气接口。

其中，N为主路21中同向串联连接的二极管的数量，该数量N由电力传输系统中母线的电压值决定。具体来说，将本实用新型实施例提供的功率组件应用在电力传输系统中时，主路21中N个二极管的反向耐压值之和，与电力传输系统母线上的电压值之差大于预设电压阈值。预设电压阈值可以根据经验值设定，例如，预设电压阈值为4500V。

在一个实施方式中，充电支路22中的充电二极管222与主路21中多个串联连接的二极管反向连接。充电二极管222，用于在功率组件主路21出现故障不能正向导通时，充电二极管222起到截止的作用，避免大电流通过充电支路22，烧毁充电电阻组件221，造成器件损坏。

在一个实施方式中，充电支路22中的充电电阻组件221包括多个以串联方式连接的电阻，或者包括多个以并联方式连接的电阻，或者包括多个以串联和并联混合连接方式连接的电阻。充电电阻组件221用于分担功率容量，其耐压值需要大于主路21中多个二极管实际工作的反向电压值。

在一个实施方式中，功率组件还包括：并联连接在主路中每个二极管两端的均压模块23。

在一个实施方式中，均压模块23包括并联连接的第一均压支路和第二均压支路，其中，第一均压支路包括第一均压电阻组件，第二均压支路包括串联连接的第二均压电阻组件和吸收电容。

需要说明的是，第一均压支路和第二均压支路，仅用于区分两个不同的均压支路，并不用于具体限定。第一均压支路用于静态均压，第二均压支路用于动态均压。其中，静态是指主路21中二极管处于稳定导通状态或者稳定截止状态，动态是指主路21中二极管处于瞬间关断状态。

具体来说，第一均压支路的作用是：当主路21中多个二极管均处于稳定导通状态或者稳定截止状态时，第一均压电阻组件并联在二极管的阴极和阳极之间，保证主路21中每个二极管分担的压降或者反向耐压值相等，防止主路21中二极管反向电压不均，使单个二极管出现反向过电压超过其最大耐压值，造成二极管反向击穿损坏的情况。

第二均压支路的作用是：当主路21中多个二极管均处于瞬间关断状态时，在二极管的反向端会出现过压关断的动态电压尖峰，第二均压支路并联在二极管的阴极和阳极之间，保证主路21中每个二极管分担的反向耐压值相等，防止主路21中二极管反向电压不均，使单个二极管出现反向过电压超过其最大耐压值，造成二极管反向击穿损坏的情况。

在一个实施方式中，如图3所示，本实用新型实施例提供的功率组件，其主路21中的二极管，也可以替换为同规格的受控晶闸管。功率组件主路21中的二极管替换为同规格的受控晶闸管时，功率组件还包括触发装置24，用于提供开启受控晶闸管的触发信号。所有受控晶闸管的控制端均与触发装置24相连接。

本实用新型实施例提供的功率组件的结构，如图4所示，包括：支撑件41；二极管42，多个二极管设置于支撑件41，并且相互同向串联连接以形成主路，主路包括输入端和输出端；充电二极管43，设置于支撑件41，充电二极管43包括阳极和阴极，充电二极管43通过阳极连接至主路输出端；充电电阻组件，包括第一端子和第二端子，充电电阻组件通过第一端子连接于充电二极管43的阴极，通过第二端子连接于主路的输入端。其中，充电二极管43与主路中多个串联连接的二极管42反向连接。

在一个实施方式中，充电电阻组件包括多个以串联方式连接的电阻，或者包括多个以并联方式连接的电阻，或者包括多个以串联和并联混合连接方式连接的电阻。

在图4示出的功率组件的结构中，充电电阻组件包括三个电阻，分别为第一电阻441、第二电阻442和第三电阻443。第一电阻441、第二电阻442和第三电阻443均包括第一连接端子和第二连接端子，且第一电阻441的第一连接端子连接于主路的输入端，第一电阻441的第二连接端子连接于第二电阻442的第一连接端子，第二电阻442的第二连接端子连接于第三电阻443的第一连接端子，第三电阻443的第二连接端子连接于充电二极管的阴极。

特别的，所述充电电阻组件连接数量及形式包括但不限于此，所述充电电阻组件可包括N个电阻，且电阻连接方式可为串联和/或并联相连接，所述第N电阻的第二连接端子连接于所述充电二极管的所述阴极。其中，N为大于1的正整数。

在一个实施方式中，如图5所示，多个二极管42设置于支撑件41，并且相互同向串联连接以形成主路，主路包括输入端421和输出端422；充电二极管43设置于支撑件41，充电二极管43包括阳极431和阴极432，充电二极管43通过阳极431连接至主路输出端422，充电二极管43通过阴极432连接至充电电阻组件的一端。

在一个实施方式中，功率组件进一步包括多个水冷板，设置于支撑件41；每相邻两个二极管42之间设置有至少一个水冷板，以及充电二极管43和与该充电二极管43相邻的二极管42之间也设置有至少一个水冷板。如图5所示，主路的输入端421和输出端422均设置于水冷板上，充电二极管43的阳极431和阴极432均设置于水冷板上，且主路的输出端422和充电二极管43的阳极431设置于同一块水冷板上。

在图5示出的功率组件的结构中，支撑件41为长条形支撑组件，多个二极管42、多个水冷板及充电二极管43沿支撑件41的长度方向分布。

需要说明的是，在本实用新型其它实施例中支撑件41也可以是其它形状的支撑组件，此处并不用于具体限定。例如，在本实用新型其它实施例中，支撑件41可以是圆柱形支撑组件。

在一个实施方式中，功率组件进一步包括均压组件44，沿支撑件41长度方向延伸并且设置在支撑件41一侧，均压组件44包括多个均压模块，主路中每个二极管42并联连接一个均压模块。

在功率组件的结构中，水冷板、二极管、充电二极管以及均压模块的具体连接关系，如图6所示，支撑件41的一端连接第一水冷板的第一接触面，第一水冷板的第二接触面连接第一二极管的阳极，第一二极管的阴极连接第二水冷板的第一接触面；第二水冷板的第二接触面连接第二二极管的阳极，第二二极管的阴极连接第三水冷板的第一接触面；依次类推，第N水冷板的第二接触面连接第N二极管的阳极，第N二极管的阴极连接第N+1水冷板的第一接触面；第N+1水冷板的第二接触面连接第充电二极管的阳极，充电二极管的阴极连接第N+2水冷板的第一接触面，第N+2水冷板的第二接触面连接支撑件41的另一端。

其中，水冷板均为导电水冷板，第一水冷板连接功率组件中主路的输入端421，第N+1水冷板连接功率组件中主路的输出端422和充电二极管的阳极431，第N+2水冷板连接充电二极管的阴极432。

均压模块连接在每个二极管两端的水冷板上。具体来说，第一均压模块连接第一水冷板的固定端子和第二水冷板的固定端子，第二均压模块连接第二水冷板的固定端子和第三水冷板的固定端子，依次类推，第N均压模块连接第N水冷板的固定端子和第N+1水冷板的固定端子。

在一个实施方式中，每个水冷板均包括进水口和出水口，相邻两个水冷板中一者的进水口与另一者的出水口相连，以使多个水冷板的水路串联连接。

在一个实施方式中，如图7所示，功率组件进一步包括绝缘支撑架，支撑件41及充电电阻组件44固定于绝缘支撑架，二极管及充电二极管通过支撑件41固定于绝缘支撑架。

在一个实施方式中，绝缘支撑架包括安装框架451和至少四个支撑柱452，支撑件41及充电电阻组件44固定于安装框架451，二极管及充电二极管通过支撑件41固定于安装框架451，至少四个支撑柱452支撑安装框架451。

其中，支撑柱452，可以是柱状，也可以是棱状，本实用新型实施例对此不做限定。支撑柱452的高度及规格，可以在将该功率组件应用在电力传输系统中时，根据电力传输系统中母线的电压规格确定。

如图8所示，本实用新型实施例还提供一种风力发电机组，风力发电机组中设置有本实用新型上述实施例提供的功率组件82。其中，功率组件82设置于风力发电机组的电力传输系统中。

在一个实施方式中，风力发电机组中的电力传输系统还包括：网侧逆变模块83和并网模块84，功率组件82、网侧逆变模块83和并网模块84依次连接；其中，风力发电机组中直流风力发电机80所产生的电能通过功率组件82、网侧逆变模块83以及并网模块84传输至电网81。

在一个实施方式中，并网模块84包括：依次连接的软启动开关电路841、中压断路器842以及网侧变压器843，并网模块84用于连接电网81和网侧逆变模块83。

在一个实施方式中，风力发电机组中的电力传输系统还包括：直流平波电抗器85，连接于直流风力发电机80和网侧逆变模块83之间，用于对直流风力发电机80输出的直流电进行滤波。

在一个实施方式中，风力发电机组中的电力传输系统还包括：取电模块88，连接于风力发电机组的直流母线，用于从直流母线取电以启动直流风力发电机80。

实际应用中，启动风力发电机组时，闭合并网模块84中的中压断路器842，电网81通过网侧变压器843向风力发电机组送电。

具体来说，由于中压断路器842闭合，电网81中的交流电通过软启开关电路841中的充电电阻对网侧逆变模块83(或者模块化多电平换流阀)的母线充电，当充电完成时，软启动开关电路841中的开关组件吸合，断开软启动开关电路841中充电电阻的交流充电回路。

网侧逆变模块83(或者模块化多电平换流阀)母线中存储的电能通过直流平波电抗器85和功率组件82，向直流母线送电，取电模块88从直流母线取电，并将获取到的电能输送至直流风力发电机80，以启动直流风力发电机80。

直流风力发电机80启动工作之后，直流风力发电机80所产生的电能依次通过功率组件82和直流平波电抗器85传输至网侧逆变模块83(或者模块化多电平换流阀)。

网侧逆变模块83(或者模块化多电平换流阀)将直流电转换为交流电，并通过网侧变压器843将交流电转换为220KV的交流电，然后并入电网81，实现将直流风力发电机80所产生的电能传输至电网81。

本实用新型实施例提供的风力发电机组中，若直流母线(DC+和DC-)短路，短路电流依次通过中压断路器842、软启动开关电路841中的开关组件、直流平波电抗器85、功率组件82的充电支路形成短路回路。

当短路故障发生在可接受短路时间之内时，风力发电机组中的电力传输系统通过直流平波电抗器85和功率组件82充电支路中的充电电阻对短路电流进行限流，避免短路电流过大对系统造成损坏；当短路电流超过可接受短路时间之后，通过断开中压断路器842，切断短路回路，有效保护系统安全。

本实用新型实施例提供的风力发电机组，风力发电机组中包括本实用新型上述实施例提供的功率组件，也即在将风力发电机组中直流风力发电机所产生的电能传输至电网时，使用本实用新型上述实施例提供的功率组件对风力发电机组中的电力传输系统进行短路保护，与现有电力传输系统中使用直流断路器进行短路保护相比，能够通过二极管、电阻等组件实现对电力传输系统的短路保护，降低电力传输系统的成本。

本实用新型实施例还提供一种风电场，风电场包括多个本实用新型上述实施例提供的风力发电机组。

本实用新型实施例提供的风电场中，在将风力发电机组中直流风力发电机所产生的电能传输至电网时，使用本实用新型上述实施例提供的功率组件对风力发电机组中的电力传输系统进行短路保护，与现有电力传输系统中使用直流断路器进行短路保护相比，能够通过二极管、电阻等组件实现对电力传输系统的短路保护，降低电力传输系统的成本。

另外，本实用新型实施例还提供另一种风电场，如图9所示，风电场包括多个直流风力发电机(直流风力发电机1～直流风力发电机N)组成的风力发电机阵列90、汇流母线91及本实用新型上述实施例提供的功率组件92，其中，汇流母线91，与风力发电机阵列90中的每个直流风力发电机组相连接，功率组件92与汇流母线91相连接。

本实用新型实施例提供的风电场中，在将风力发电机组中直流风力发电机所产生的电能传输至电网时，使用本实用新型上述实施例提供的功率组件进行短路保护，与现有电力传输系统中使用直流断路器进行短路保护相比，能够通过二极管、电阻等组件实现短路保护，降低成本。

同时，通过使用汇流母线汇聚多个直流风力发电机所产生的电能，使得仅通过一个系统，即可将风电场中多个直流风力发电机所产生的电能传输至电网，进一步降低了成本。

本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；不定冠词“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。权利要求中出现的多个部分的功能可以由一个单独的硬件或软件模块来实现。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。

Claims (11)

1.一种功率组件，其特征在于，所述功率组件包括：

支撑件；

二极管，多个所述二极管设置于所述支撑件，并且相互同向串联连接以形成主路，所述主路包括输入端和输出端；

充电二极管，设置于所述支撑件，所述充电二极管包括阳极和阴极，所述充电二极管通过所述阳极连接至所述主路所述输出端；

充电电阻组件，包括第一端子和第二端子，所述充电电阻组件通过所述第一端子连接于所述充电二极管的所述阴极，通过所述第二端子连接于所述主路的所述输入端。

2.根据权利要求1所述的功率组件，其特征在于，所述充电二极管与所述主路中多个串联连接的所述二极管反向连接。

3.根据权利要求1所述的功率组件，其特征在于，进一步包括多个水冷板，设置于所述支撑件；

每相邻两个所述二极管之间设置有至少一个所述水冷板，以及所述充电二极管和与该充电二极管相邻的所述二极管之间也设置有至少一个所述水冷板。

4.根据权利要求3所述的功率组件，其特征在于，所述支撑件为长条形支撑组件，多个所述二极管、多个所述水冷板及所述充电二极管沿所述支撑件的长度方向分布；

所述功率组件进一步包括均压组件，沿所述长度方向延伸并且设置在所述支撑件一侧，所述均压组件包括多个均压模块，所述主路中每个二极管并联连接一个均压模块。

5.根据权利要求4所述的功率组件，其特征在于，所述水冷板为导电水冷板，所述均压模块连接在每个二极管两端的所述水冷板上。

6.根据权利要求3所述的功率组件，其特征在于，每个水冷板均包括进水口和出水口，相邻两个所述水冷板中一者的进水口与另一者的出水口相连，以使多个所述水冷板的水路串联连接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的功率组件，其特征在于，所述充电电阻组件包括多个以串联方式和/或并联方式连接的电阻。

8.根据权利要求7所述的功率组件，其特征在于，所述充电电阻组件包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻均包括第一连接端子和第二连接端子，所述第一电阻的第一连接端子连接于所述主路的所述输入端，所述第一电阻的第二连接端子连接于所述第二电阻的第一连接端子，所述第二电阻的第二连接端子连接于所述第三电阻的第一连接端子，所述第三电阻的第二连接端子连接于所述充电二极管的所述阴极。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的功率组件，其特征在于，进一步包括绝缘支撑架，所述支撑件及所述充电电阻组件固定于所述绝缘支撑架，所述二极管及所述充电二极管通过所述支撑件固定于所述绝缘支撑架。

10.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组设置有如权利要求1-9中任一项所述的功率组件。

11.一种风电场，其特征在于，所述风电场包括多个如权利要求10所述的风力发电机组；或者，

所述风电场包括多个直流风力发电机组成的风力发电机阵列、汇流母线及如权利要求1-9所述的功率组件，其中，

所述汇流母线与所述风力发电机阵列中的每个直流风力发电机相连接；

所述功率组件与所述汇流母线相连接。