CN217406199U - 一种双馈风力发电系统和双馈变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种双馈风力发电系统和双馈变流器，该双馈变流器，使电机的定子绕组通过其定子接触器连接电网，而电机的转子绕组依次通过机侧变流器、网侧变流器及框架断路器连接电网；也即，本实用新型将现有技术中处于定子电能传输支路与转子电能传输支路并联后支路上的框架断路器，转移到转子电能传输支路中，降低了框架断路器的电流等级，进而降低了变流器的整机成本和结构尺寸。而且，简化了该双馈变流器的启停机操作过程，利于推广应用。

Description

一种双馈风力发电系统和双馈变流器

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，特别涉及一种双馈风力发电系统。

背景技术

双馈电机是一种绕线式异步电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈异步风力发电机是应用最为广泛的风力发电机，其定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过相应的变流器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，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。

目前双馈变流器系统拓扑如图1所示，电机G的定子绕组直接通过定子接触器KM1连接电网，其转子依次通过机侧变流器、网侧变流器及网侧接触器 KM2供电，定子接触器KM1与网侧接触器KM2共同通过框架断路器Q1连接电网；因此，流过框架断路器Q1的电流为流过定子接触器KM1与流过网侧接触器KM2的电流之和，从而导致选用框架断路器Q1的电流等级较大。随着双馈风力发电机组功率的提升，定子接触器KM1可以通过多只并联的方式来实现，然而框架断路器Q1并联使用的话，一方面增加了变流器系统的整体尺寸，另外一方面也增加了变流器系统的成本。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种双馈风力发电系统和双馈变流器，以减小双馈变流器的体积，并降低双馈变流器的成本。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型第一方面提供了一种双馈变流器，包括：机侧变流器、网侧变流器、定子接触器、框架断路器和控制器；其中：

所述定子接触器的第一侧与电机的定子绕组相连，所述定子接触器的第二侧用于连接电网；

所述机侧变流器的交流侧与所述电机的转子绕组相连，所述机侧变流器的直流侧连接直流母线；

所述网侧变流器的直流侧连接所述直流母线，所述网侧变流器的交流侧通过所述框架断路器连接所述定子接触器的第二侧；

所述机侧变流器、所述网侧变流器、所述定子接触器及所述框架断路器均受控于所述控制器。

可选的，还包括：网侧熔断器；

所述网侧熔断器设置于：所述框架断路器与所述定子接触器的第二侧之间，或者，所述框架断路器与所述网侧变流器的交流侧之间。

可选的，所述网侧变流器包括：网侧滤波器和网侧功率变换器NPC；

所述网侧滤波器的一侧作为所述网侧变流器的交流侧；

所述网侧滤波器的另一侧与所述NPC的交流侧相连；

所述NPC的直流侧作为所述网侧变流器的直流侧；

所述机侧变流器包括：机侧滤波器和机侧功率变换器MPC；

所述机侧滤波器的一侧作为所述机侧变流器的交流侧；

所述机侧滤波器的另一侧与所述MPC的交流侧相连；

所述MPC的直流侧作为所述机侧变流器的直流侧。

可选的，所述网侧滤波器包括：网侧滤波电容模块和网侧滤波电感模块；

所述网侧滤波电感模块的第一侧连接所述NPC的交流侧；

所述网侧滤波电感模块的第二侧与所述网侧滤波电容模块相连，连接点作为所述网侧变流器的交流侧。

可选的，在所述网侧滤波器包括：网侧滤波电容模块和网侧滤波电感模块时，所述双馈变流器还包括：网侧接触器；

所述网侧接触器设置于所述网侧滤波电容模块与所述网侧滤波电感模块的第二侧之间。

可选的，在所述网侧滤波器包括：网侧滤波电容模块和网侧滤波电感模块时，所述双馈变流器还包括：定子滤波电容模块；

所述定子滤波模块连接于所述定子接触器与所述定子绕组之间的连接线。

可选的，在所述网侧滤波器包括：网侧滤波电感模块时，所述双馈变流器还包括：定子滤波电容模块，其连接于所述定子接触器与所述定子绕组之间的连接线。

可选的，还包括：软启支路；

所述软启支路设置于电网与所述直流母线之间，受控于所述控制器。

可选的，所述软启支路包括：软启熔断器、软启接触器、限流电阻以及整流桥；

所述软启熔断器、所述软启接触器及所述限流电阻，串联连接于电网与所述整流桥的交流侧之间；

所述整流桥的直流侧连接所述直流母线。

可选的，还包括：设置于所述直流母线正负极之间的泄放电路，用于在停机后对所述直流母线进行放电。

本实用新型第二方面提供了一种双馈风力发电系统，包括：风力发电机组和如上述第一方面任一种所述的双馈变流器；

所述风力发电机组通过所述双馈变流器和相应的变压器连接电网。

本实用新型提供的双馈变流器，使电机的定子绕组通过其定子接触器连接电网，而电机的转子绕组依次通过机侧变流器、网侧变流器及框架断路器连接电网；也即，本实用新型将现有技术中处于定子电能传输支路与转子电能传输支路并联后支路上的框架断路器，转移到转子电能传输支路中，降低了框架断路器的电流等级，进而降低了变流器的整机成本和结构尺寸。而且，简化了该双馈变流器的启停机操作过程，利于推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的双馈变流器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的双馈变流器的结构示意图；

图3a和图3b分别为本实用新型实施例提供的双馈变流器的器件动作顺序示意图；

图4至图6分别为本实用新型实施例提供的双馈变流器的三种具体结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本申请中，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“包括一个……”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。

对于图1所示的双馈变流器的现有结构，由于定子通过定子接触器KM1 连接电网，而转子采用机侧变流器和网侧变流器来对电网进行供电，因此，系统中的变流器容量仅仅取决于发电机运行时的最大转差功率；一般发电机最大转差功率为25％～35％，因而转子侧变流器的最大容量仅为发电机容量的 1/4～1/3。也即，在该变流器系统中，定子接触器KM1需要过很大的电流，而转子变流器及网侧接触器KM2上流过的电流较小，仅为网侧断路器Q1上电流的1/4～1/3。

基于此，本实用新型提供一种双馈变流器，将网侧断路器Q1转移到网侧接触器KM2的位置，以减小双馈变流器的体积，并降低双馈变流器的成本。

具体的，参见图2，该双馈变流器，包括：机侧变流器101、网侧变流器 102、定子接触器KM1、框架断路器Q1和控制器(图中未展示)；其中：

定子接触器KM1的第一侧与电机G的定子绕组相连，定子接触器KM1 的第二侧用于连接电网；也即，电机G的定子绕组通过定子接触器KM1连接电网。

机侧变流器101的交流侧与电机G的转子绕组相连，机侧变流器101的直流侧连接直流母线；网侧变流器102的直流侧连接直流母线，网侧变流器 102的交流侧通过框架断路器Q1连接定子接触器KM1的第二侧；也即，电机G的转子绕组依次通过机侧变流器101、网侧变流器102及框架断路器Q1 连接电网。

由图2中可以看出，电机G的定子电能传输支路中，主要包括定子接触器KM1；而其转子电能传输支路中，主要包括机侧变流器101、网侧变流器 102及框架断路器Q1。这两个支路并联之后，一般会通过相应的变压器来连接电网，但不再需要现有技术中的框架断路器。

本实施例提供的该双馈变流器，将图1所示现有技术中处于定子电能传输支路与转子电能传输支路并联后支路上的框架断路器，转移到转子电能传输支路中，使得正常工作时，流经框架断路器Q1的电流很小，具体可以为现有技术中的1/4～1/3，因此降低了框架断路器Q1的电流等级，进而降低了变流器的整机成本和结构尺寸。对于双馈风力发电机组功率提升的情况，当定子接触器KM1通过多只并联的方式来实现时，本实施例中可以通过采用合适型号的框架断路器Q1，比如现有技术中相应电流等级的框架断路器Q1，来提升转子电能传输支路的功率，避免了框架断路器Q1的并联使用，既能满足功率需求，也无需增加整机成本和尺寸。而且，还减少了一个受控的开关器件，进而简化了该双馈变流器的启停机操作过程，利于推广应用。

另外，该双馈变流器中还可以设置有一个软启支路103，其具体设置于电网与直流母线之间，以在双馈变流器初次启机时，从电网取电，为直流母线进行预充电。

而且，机侧变流器101、网侧变流器102、定子接触器KM1、框架断路器 Q1及软启支路103均受控于控制器，进而实现启机、并网、离网和停机等操作。通过控制器的控制，在系统启机时，软启支路103首先为直流母线进行预充电；在直流母线充电完成后，各器件的动作顺序是：框架断路器Q1吸合，网侧变流器102运行，机侧变流器101运行，以及，定子接触器KM1吸合；在系统离网时，各器件的动作顺序是：定子接触器KN1断开，机侧变流器101 停止运行，网侧变流器102停止运行，以及，框架断路器Q1断开，进而实现离网停机。具体的：

如图3a所示，在接收到启机指令后，控制器先控制软启支路103为直流母线进行预充电；在直流母线充电完成后，再控制框架断路器Q1吸合；然后，先控制网侧变流器102调制运行，以稳定直流母线上的电压；再在电机G达到并网要求转速时，控制机侧变流器101运行，为电机G的转子提供励磁电流；最后，当电机G的定子电压与电网同步时，控制定子接触器KM1吸合，进而实现并网。

如图3b所示，在接收到离网指令后，控制器先在机侧变流器101撤载后，控制定子接触器KM1断开；然后控制机侧变流器101停止调制运行；再在机侧变流器101停止调制后，控制网侧变流器102停止调制运行；最后，控制框架断路器Q1断开，进而实现离网停机。

实际应用中，为了实现短路过流保护，在转子电能传输支路中，还可以设置有网侧熔断器FU1；其具体可以设置于框架断路器Q1的前级或者后级，也即，该网侧熔断器FU1可以设置于框架断路器Q1与定子接触器KM1的第二侧之间(如图2中所示)，或者，也可以设置于框架断路器Q1与网侧变流器102的交流侧之间(未进行图示)；视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

在上一实施例的基础之上，具体的，如图4至图6所示，该双馈变流器中：

其网侧变流器102中至少包括：网侧滤波器和NPC(Net Power Converter，网侧功率变换器)；其中，网侧滤波器的一侧作为网侧变流器102的交流侧；网侧滤波器的另一侧与NPC的交流侧相连；NPC的直流侧作为网侧变流器的直流侧。

实际应用中，在该双馈变流器初次启机时，可以在软启支路103为直流母线进行预充电之后，再通过该NPC逆变运行，来稳定直流母线上的电压。

该网侧滤波器可以是LC滤波器，参见图4，具体包括：网侧滤波电容模块C1和网侧滤波电感模块L1，网侧滤波电感模块L1的第一侧连接NPC的交流侧；网侧滤波电感模块L1的第二侧与网侧滤波电容模块C1相连，连接点作为网侧变流器102的交流侧。

当然，该网侧滤波器的结构并不仅限于图4中所示，比如，其具体也可以如图5中所示，仅包括网侧滤波电感模块L1，而在定子接触器KM1与定子绕组之间的连接线上，还连接有定子滤波电容模块C1.1，其也能够实现相应的网侧滤波功能。

又或者，如图6所示，网侧滤波电容模块C1与定子滤波电容模块C1.1 同时存在，也即，结合图4和图5所示的结构，在网侧和定子侧分别设置相应的滤波电容模块，这样可以减小网侧滤波电容模块C1的容量。

不论采用哪种结构，网侧滤波电容模块C1与定子滤波电容模块C1.1，均可以为星型接法，也可以是三角型接法，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

该NPC具体是如图4中所示的DCAC变换器，其拓扑实现形式也不作限定；实际应用中，该网侧滤波器和NPC的实现形式，均可以根据具体环境而定，现有技术中的任何实现形式均可，均在本申请的保护范围内。

更进一步的，对于图4和图6所示的结构，该网侧滤波电容模块C1和网侧滤波电感模块L1的第二侧之间，还可以设置有一个网侧接触器KM2，进而在待机时，只需分断网侧接触器KM2即可，而框架断路器Q1可以保持闭合；当启机并网时，可以用网侧接触器KM2吸合，来代替框架断路器Q1的吸合动作；进而减少了框架断路器Q1的分合次数，增加其寿命。

对应的，该机侧变流器101中至少包括：机侧滤波器和MPC(Motor PowerConverter，机侧功率变换器)；该机侧变流器103中，机侧滤波器的一侧作为机侧变流器103的交流侧；机侧滤波器的另一侧与MPC的交流侧相连；MPC的直流侧作为机侧变流器的直流侧。

该机侧滤波器可以是LRC滤波器，参见图4至图6，其具体包括：机侧滤波电容模块C3、机侧滤波电阻模块R2和机侧滤波电感模块L2，当然并不仅限于此；该MPC具体是如图中所示的ACDC变换器，其拓扑实现形式不作限定；实际应用中两者的实现形式可以根据具体环境而定，现有技术中的任何实现形式均可，均在本申请的保护范围内。

图4至图6中所示的变流器，具体可以是两电平也可以是三电平，视其应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

另外，如图4至图6中所示，该软启支路103包括：软启熔断器FU2、软启接触器KM3、限流电阻R1以及整流桥D1；其中，软启熔断器FU2、软启接触器KM3及限流电阻R1，串联连接于电网与整流桥D1的交流侧之间；该整流桥D1的直流侧连接直流母线。在双馈变流器初次启机时，控制器控制软启接触器KM3吸合，整流桥D1通过限流电阻R1从电网取电，为直流母线进行预充电；直流母线上的电压达到一定值时，控制器将会控制软启接触器KM3断开。

以图4所示结构为例，该双馈变流器的启机逻辑是：

首先进行直流侧的缓启预充电，当直流侧电压升至一定电压时，满足并网条件时吸合网侧接触器KM2，断开缓启接触器KM3，网侧变流器102开始调制运行，稳定直流侧电压；当电机G达到并网要求转速时，机侧变流器101 开始工作，为电机G转子提供励磁电流；当定子电压与电网同步时，自动吸合定子接触器KM1，完成并网运行。

该双馈变流器的停机逻辑是：

在收到主控停机命令后，机侧变流器101迅速撤载，之后定子接触器KM1 断开脱网，机侧变流器101停止调制运行；当机侧变流器101停止调试后，网侧变流器102立即停止调制运行，网侧接触器KM2断开脱网，自此网侧变流器102停止运行。

实际应用中，该双馈变流器中，还可以进一步包括：设置于直流母线正负极之间的泄放电路，用于在停机后对直流母线进行放电；其具体可以包括串联连接于直流母线正负极之间的开关管和泄放电阻，还可以采用现有技术中的其他形式，此处不再赘述。

而且，当停机结束后，控制器内的软件在几秒后，可以对该双馈变流器进行复位操作，之后等待主控新的命令。

本实用新型另一实施例还提供了一种双馈风力发电系统，其如图2至图6 所示，包括：风力发电机组和如上述任一实施例所述的双馈变流器；该双馈变流器的结构及工作原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

该风力发电机组通过双馈变流器和相应的变压器连接电网；而且，该双馈变流器中的控制器用于控制其他器件，使该双馈变流器能够实现启机、并网、离网和停机等操作。

本实施例通过将网侧框架断路器Q1移到内侧，可以降低现有技术方案使用框架断路器的电流等级，降低了双馈变流器的整机成本，而且框架断路器作为较大器件，更换为小电流等级的型号，能够减小结构尺寸，便于结构兼容设计，使整机结构设计上更灵活。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种双馈变流器，其特征在于，包括：机侧变流器、网侧变流器、定子接触器、框架断路器和控制器；其中：

所述定子接触器的第一侧与电机的定子绕组相连，所述定子接触器的第二侧用于连接电网；

所述机侧变流器的交流侧与所述电机的转子绕组相连，所述机侧变流器的直流侧连接直流母线；

所述网侧变流器的直流侧连接所述直流母线，所述网侧变流器的交流侧通过所述框架断路器连接所述定子接触器的第二侧；

所述机侧变流器、所述网侧变流器、所述定子接触器及所述框架断路器均受控于所述控制器。

2.根据权利要求1所述的双馈变流器，其特征在于，还包括：网侧熔断器；

所述网侧熔断器设置于：所述框架断路器与所述定子接触器的第二侧之间，或者，所述框架断路器与所述网侧变流器的交流侧之间。

3.根据权利要求1所述的双馈变流器，其特征在于，所述网侧变流器包括：网侧滤波器和网侧功率变换器NPC；

所述网侧滤波器的一侧作为所述网侧变流器的交流侧；

所述网侧滤波器的另一侧与所述NPC的交流侧相连；

所述NPC的直流侧作为所述网侧变流器的直流侧；

所述机侧变流器包括：机侧滤波器和机侧功率变换器MPC；

所述机侧滤波器的一侧作为所述机侧变流器的交流侧；

所述机侧滤波器的另一侧与所述MPC的交流侧相连；

所述MPC的直流侧作为所述机侧变流器的直流侧。

4.根据权利要求3所述的双馈变流器，其特征在于，所述网侧滤波器包括：网侧滤波电容模块和网侧滤波电感模块；

所述网侧滤波电感模块的第一侧连接所述NPC的交流侧；

所述网侧滤波电感模块的第二侧与所述网侧滤波电容模块相连，连接点作为所述网侧变流器的交流侧。

5.根据权利要求4所述的双馈变流器，其特征在于，还包括：网侧接触器；

所述网侧接触器设置于所述网侧滤波电容模块与所述网侧滤波电感模块的第二侧之间。

6.根据权利要求4或5所述的双馈变流器，其特征在于，还包括：定子滤波电容模块；

所述定子滤波模块连接于所述定子接触器与所述定子绕组之间的连接线。

7.根据权利要求3所述的双馈变流器，其特征在于，还包括：定子滤波电容模块，其连接于所述定子接触器与所述定子绕组之间的连接线；

且所述网侧滤波器包括：网侧滤波电感模块。

8.根据权利要求1至5、7中的任一项所述的双馈变流器，其特征在于，还包括：软启支路；

所述软启支路设置于电网与所述直流母线之间，受控于所述控制器。

9.根据权利要求8所述的双馈变流器，其特征在于，所述软启支路包括：软启熔断器、软启接触器、限流电阻以及整流桥；

所述软启熔断器、所述软启接触器及所述限流电阻，串联连接于电网与所述整流桥的交流侧之间；

所述整流桥的直流侧连接所述直流母线。

10.根据权利要求1至5、7中的任一项所述的双馈变流器，其特征在于，还包括：设置于所述直流母线正负极之间的泄放电路，用于在停机后对所述直流母线进行放电。

11.一种双馈风力发电系统，其特征在于，包括：风力发电机组和如权利要求1至10任一项所述的双馈变流器；

所述风力发电机组通过所述双馈变流器和相应的变压器连接电网。

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