CN106787803A - 用于风力发电机组的全功率变流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于风力发电机组的全功率变流器，包括：机舱变流系统，位于风力发电机组的机舱平台，被配置为将风力发电机组发出的低频交流电能转换为直流电能；直流电能传输单元，位于风力发电机组的塔筒内，被配置为将直流电能从机舱变流系统传输到塔底变流系统；以及塔底变流系统，位于风力发电机组的塔底平台，被配置为将直流电能转换成符合电网要求的工频交流电能。

Description

用于风力发电机组的全功率变流器

技术领域

本发明涉及风力发电领域，更具体地涉及一种用于风力发电机组的全功率变流器。

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。风力发电机组因风量不稳定，故其输出的低频交流电的电压也不稳定，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采用集中布局、一体化结构的全功率变流器进行能量的传送与转换。变流器整体位于风力发电机组的塔底部位，采用背靠背结构型式的交流-直流-交流的形式进行电能的传送与变换。这样的变流器模块集成化程度高，整套变流器系统均位于风力发电机组的塔底位置，空间占比大、设备集中、运维空间狭小，并且电能在风力发电机组内部传输过程中采用交流形式，这使得塔筒内使用的电缆数量多、损耗大。

发明内容

针对以上的一个或多个问题，本发明提供了一种新的全功率变流器空间排列结构，主要对整流单元与逆变单元进行了空间上的分离：机侧整流单元位于机舱平台，网侧逆变单元位于塔底平台，从而整体优化了风力发电机组的布局，改善了变流器目前体积庞大、结构集中、模块维护更换空间狭小的问题，从根本上改变了变流器的结构与形式；并且在风力发电机组的塔筒内使用直流形式进行电能的传输，从而减小了线路能量损耗，降低了机组电缆的使用成本，简化了机组塔筒内的接线工艺。

根据本发明实施例的用于风力发电机组的全功率变流器，包括：机舱变流系统，位于风力发电机组的机舱平台，被配置为将风力发电机组发出的低频交流电能转换为直流电能；直流电能传输单元，位于风力发电机组的塔筒内，被配置为将直流电能从机舱变流系统传输到塔底变流系统；以及塔底变流系统，位于风力发电机组的塔底平台，被配置为将直流电能转换成符合电网要求的工频交流电能。

在一个实施例中，机舱变流系统包括：机侧整流单元，被配置为通过对低频交流电能进行整流，将低频交流电能变换为直流电能；以及机侧滤波单元，被配置为滤除机侧整流单元中的IGBT高频开关产生的谐波，以避免机侧整流单元中的IGBT高频开关产生的谐波对风力发电机组产生影响。

在一个实施例中，机侧滤波单元是dU/dt滤波器。

在一个实施例中，直流电能传输单元包括：直流电能传输回路，被配置为将直流电能从机舱变流系统传输到塔底变流系统；以及传输回路稳压单元，被配置为对直流电能传输回路进行稳压。

在一个实施例中，直流电能传输回路是直流母线连接单元。

在一个实施例中，传输回路稳压单元是直流母线稳压电容单元。

在一个实施例中，塔底变流系统包括：网侧逆变单元，被配置为将直流电能转换为工频交流电能；以及网侧滤波单元，被配置为滤除网侧逆变单元中的IGBT高频开关产生的谐波，以避免网侧逆变单元中的IGBT高频开关产生的谐波对电网产生影响。

在一个实施例中，网侧滤波单元是LCL滤波器。

在一个实施例中，该全功能变流器还包括：传输回路制动单元，位于塔底平台，被配置为在风力发电机组处于低压穿越状态时吸收直流电能传输单元上传输的直流电能。

在一个实施例中，该全功率变流器，还包括：第一变流器可编程逻辑控制单元，位于塔底平台，被配置为控制传输回路制动单元和网侧逆变单元；以及第二变流器可编程逻辑控制单元，位于机舱平台，被配置为控制机侧整流单元。

在一个实施例中，第一变流器可编程逻辑控制单元和第二变流器可编程逻辑控制单元通过光纤进行通信。

在一个实施例中，直流电能是±600V直流电能。

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，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是目前用于风力发电机组的典型变流器的结构及位置的示意图；

图2是目前用于风力发电机组的全功率变流器的组成部分的示意图。

图3是根据本发明实施例的用于风力发电机组的全功率变流器的示意图。

图4是根据本发明实施例的用于风力发电机组的全功率变流器的电能流通示意图。

图5是根据本发明实施例的用于风力发电机组的全功率变流器的控制系统的示意图。

附图标记说明：200全功率变流器、210机侧滤波单元、220整流单元、221机侧控制单元、222机侧IGBT功率核心单元、223直流母线支撑电容单元、230直流母线及制动单元、240逆变单元、241网侧控制单元、242网侧IGBT功率核心单元、243直流母线支撑电容单元、250网侧滤波单元、260低频交流电能传输电缆、270风力发电机、280电网。

300全功率变流器、310机舱变流系统NCS、311机侧整流单元、312机侧滤波单元、320直流电能传输单元、321直流电能传输回路、322传输回路稳压单元、330塔底变流系统TCS、331网侧逆变单元(TCI)、332网侧滤波单元、340传输回路制动单元。

410机舱变流系统、411机侧控制单元、412机侧IGBT功率模块单元、413机侧滤波单元、420直流电能传输单元、421直流电能传输回路、422传输回路稳压单元、430塔底变流系统、431网侧控制单元、432网侧IGBT功率模块单元、433网侧滤波单元、440传输回路制动单元、450塔筒、460塔底平台、470机舱平台。

500控制系统、510塔底控制系统、511网侧变流控制单元、512传输回路制动控制单元、513网侧IGBT功率模块单元、514制动IGBT功率模块单元、515机组PLC、520机舱控制系统、521机舱变流控制单元、522机侧IGBT功率模块单元、523机舱控制系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明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，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，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。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的主要技术创意。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是目前用于风力发电机组的典型变流器的结构及位置的示意图。如图1所示，风力发电机组采用集中布局、一体化结构的全功率变流器进行能量的传送与转换。变流器整体位于风力发电机组的塔底部位，采用背靠背结构型式的交流-直流-交流的形式进行电能的传送与变换。该变流器以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为主要功率元件，并且采用主动整流的方式进行电能的变换。

这样的变流器的缺陷在于：模块集成化程度高、模块独立空间小；电能在风力发电机组内部传输过程中采用交流形式，这使得塔筒内使用的电缆数量多、损耗大；整套变流器系统均位于风力发电机组的塔底位置，空间占比大、设备集中、运维空间狭小。

图2是目前用于风力发电机组的全功率变流器的组成部分的示意图。如图2所示，全功率变流器200包括：机侧滤波单元210、整流单元220、直流母线及制动单元230、逆变单元240和网侧滤波单元250。整流单元220包括：机侧控制单元221、机侧IGBT功率核心单元222、直流母线支撑电容单元223。逆变单元240包括：网侧控制单元241、网侧IGBT功率核心单元242、直流母线支撑电容单元243。从风力发电机270到全功率变流器200的整流单元220之间，电能以交流低频形式传输，即通过低频交流电能传输电缆260传输。传输电缆主要以多股铜质电缆为主要介质材料，电缆安装布局位于机组塔筒之中。风力发电机270发出的低频交流电能通过全功率变流器200进行变换之后，转变为适用的交流电能供应给电网280。

这种典型全功率变流器200的拓扑形式及组成结构存在以下缺点与不足：全功率变流器200采用集中布局，虽然可增加结构紧凑性，但整体体积大、空间占比高，导致风力发电机组塔底冗余空间较小，并且模块集成程度高，使得维护难度大、维护空间小，且易发连锁性损坏现象；全功率变流器200在整流单元220和逆变单元240中分别部署有直流母线支撑电容单元，因此使得直流母线支撑电容数量多，在功率模块单元内的比重大，易对功率单元产生不良影响；采用全功率变流器200的拓扑形式及组成结构，风力发电机组塔筒内电能以低频交流形式通过多股铜质电缆进行传输，电缆损耗大、发热量大、用料成本高、接线工艺要求高、耗用工时长。

随着未来风力发电机组容量的逐步增大，全功率变流器的体积、容量都会不断增大与提高，进而带来的塔底空间的设计、规划与利用问题会愈加突出与严峻，而与风力发电机组连接的传输电缆的选型、成本、寿命也会成为制约变流器甚至整机发展一个因素。

本发明提供了一种新的全功率变流器的空间配置结构，改变了传统变流器的空间布局。本发明提出的全功率变流器采用开放式布局以降低变流器在风力发电机组塔底空间的占比比例，从而优化了机组塔底的空间配置结构。

图3是根据本发明实施例的用于风力发电机组的全功率变流器的示意图。如图3所示，全功率变流器300包括机舱变流系统(NCS)310、直流电能传输单元320和塔底变流系统(TCS)330。

机舱变流系统310位于风力发电机组的机舱平台，并且被配置为将风力发电机组发出的低频交流电能转换为直流电能。直流电能传输单元320位于风力发电机组的塔筒内，并且被配置为将直流电能从机舱变流系统310传输到塔底变流系统330。塔底变流系统330位于风力发电机组的塔底平台，并且被配置为将直流电能传输单元320传输的直流电能转换成符合电网要求的工频交流电能。

全功率变流器300采用开放式布局以降低变流器在风力发电机组塔底空间的占比比例，从而优化了机组塔底的空间配置结构，改善了变流器目前体积庞大、结构集中、模块维护更换空间狭小的问题。此外，在风力发电机组的塔筒内使用直流形式进行电能的传输，从而减小了线路能量损耗，降低了机组电缆的使用成本，简化了机组塔筒内的接线工艺。

在一个实施例中，机舱变流系统310包括机侧整流单元311和机侧滤波单元312。机侧整流单元311被配置为通过对风力发电机组发出的低频交流电能进行整流，将低频交流电能变换为直流电能。机侧滤波单元312被配置为滤除机侧整流单元311中的IGBT高频开关产生的谐波，以避免机侧整流单元311中的IGBT高频开关产生的谐波对风力发电机组产生影响。在一个实施例中，直流电能可以是±600V直流电能。在一个实施例中，机侧滤波单元312可以是dU/dt(电压对时间的导数)滤波器。

全功率变流器300将变流器机侧整流单元311和机侧滤波单元312置于机舱平台系统中，增加了机舱配重，从而整体优化了风力发电机组的布局。

在一个实施例中，直流电能传输单元320包括：直流电能传输回路321和传输回路稳压单元322。直流电能传输回路321被配置为将直流电能从机舱变流系统310传输到塔底变流系统330。传输回路稳压单元322被配置为对直流电能传输回路321进行稳压。在一个实施例中，直流电能传输回路321可以是±600V直流母线连接单元(DC-link)。在一个实施例中，传输回路稳压单元322可以是直流母线稳压电容单元，即直流母线电压支撑电容单元。

全功率变流器300可以将传输回路稳压单元集中配置，将IGBT功率单元与稳压单元部分进行分隔，减小了它们的空间关联性，从而可以降低对功率模块的维护难度。

在一个实施例中，塔底变流系统330包括：网侧逆变单元(TCI)331和网侧滤波单元332。网侧逆变单元331被配置为将流电能传输单元320传输的直流电能转换为工频交流电能。网侧滤波单元332被配置为滤除网侧逆变单元331中的IGBT高频开关产生的谐波，以避免网侧逆变单元331中的IGBT高频开关产生的谐波对电网产生影响。在一个实施例中，网侧滤波单元332可以是LCL滤波器。

在一个实施例中，全功率变流器300还包括传输回路制动单元340，其位于风力发电机组的塔底平台，并且被配置为在风力发电机组处于低压穿越状态时吸收直流电能传输单元上传输的直流电能。对于并网型风力发电机组，当电网电压发生瞬时跌落，供电系统要求并网的风电机组必须保持并网至规定时间，而不是立即保护停机，此即低压穿越。为实现低压穿越，需要在变流器安装制动电路，用以吸收低压穿越期间无法送出的能量。

全功率变流器300的工作原理如下：风力发电机组发出的低频交流电能，首先经过机舱变流系统310进行整流，变换成例如±600V的直流电能，该直流电能经过塔筒内的直流电能传输单元320(例如，直流母线连接单元)传输到达塔底变流系统330，在塔底变流系统330中，网侧逆变单元331与网侧滤波单元332将直流电能转换成符合电网要求的工频交流电能(例如，220V正弦电能)。

图4是根据本发明实施例的用于风力发电机组的全功率变流器的电能流通示意图。如图4所示，电能按照箭头方向从发电机传输至电网。

首先，风力发电机组发出的低频交流电能通过机舱变流系统410，机舱变流系统410位于机舱平台470。机舱变流系统410包括机侧控制单元411、机侧IGBT功率模块单元412和机侧滤波单元413，其中机侧控制单元411和机侧IGBT功率模块单元412被包括在图3中的机侧整流单元311中。通过机侧控制单元411和机侧IGBT功率模块单元412，风力发电机组发出的低频交流电能经整流变换为直流电能。机侧滤波单元413滤除机侧IGBT功率模块单元412产生的谐波，以避免机侧IGBT功率模块单元412产生的谐波对风力发电机组产生影响。

然后，直流电能经直流电能传输单元420传输至塔底变流系统430，直流电能传输单元420位于塔筒450。其中，直流电能通过直流电能传输回路421进行传输。传输回路稳压单元422可以对直流电能传输回路421进行稳压。

接着，位于塔底平台460的塔底变流系统430接收由直流电能传输单元420传输的直流电能，并将其变换为符合电网要求的工频交流电能。塔底变流系统430包括网侧控制单元431、网侧IGBT功率模块单元432和网侧滤波单元433，其中网侧控制单元431和网侧IGBT功率模块单元432被包括在图3中的网侧逆变单元331中。通过网侧控制单元431和网侧IGBT功率模块单元432，由直流电能传输单元420传输的直流电能经逆变被变换为工频交流电能。网侧滤波单元433可以滤除网侧IGBT功率模块单元432产生的谐波，以避免网侧IGBT功率模块单元432产生的谐波对电网产生影响。

此外，位于塔底平台460的传输回路制动单元440可以在风力发电机组处于低压穿越状态时吸收直流电能传输单元420上传输的直流电能。

图5是根据本发明实施例的用于风力发电机组的全功率变流器的控制系统的示意图。控制系统500包括塔底控制系统510和机舱控制系统520。塔底控制系统510位于塔底平台，并且包括第一变流器可编程逻辑控制(PLC)单元(变流器PLC1#)，变流器PLC1#可以控制网侧变流控制单元511和传输回路制动控制单元512，网侧变流控制单元511和传输回路制动控制单元512分别控制图3中的网侧逆变单元331和传输回路制动单元340。机舱控制系统520位于机舱平台，并且包括第二PLC单元(变流器PLC2#)，变流器PLC2#可以控制机舱变流控制单元521，机舱变流控制单元521可以控制图3中的机侧整流单元311。

在一个实施例中，机舱变流控制单元521、网侧变流控制单元511和传输回路制动控制单元512分别与机侧IGBT功率模块单元522、网侧IGBT功率模块单元513和制动IGBT功率模块单元514相关联。

在一个实施例中，变流器PLC1#和变流器PLC2#可以彼此通信，例如，通过光纤进行通信。在一个实施例中，机舱变流控制单元521、网侧变流控制单元511和传输回路制动控制单元512可以彼此通信，例如，通过光纤进行通信。

在一个实施例中，塔底控制系统510还包括机组PLC 515，机组PLC515可以分别与比变流器PLC1#和变流器PLC2#进行通信。在一个实施例中，机舱控制系统520也可以不单独设置变流器PLC控制单元(即，变流器PLC2#)，而是可以通过连接机舱控制系统523来实现与机组PLC 515的通信功能。本发明中机组PLC 515与变流器PLC及各控制单元之间使用的通信总线类型可以具有多种方案。

综上所述，根据本发明的全功率变流器改变了传统全功率变流器的配置结构，将整流单元、直流传输单元、逆变单元分散安装与配置，减小了变流器系统整体空间占比，有利于优化机组布局，更利于机组的故障处理及分析，同时有利于后期机组的运维保养工作，同时增加了变流器不同单元之间的电气距离，有效地防止模块的关联性损坏，节约机组的维护成本，对于未来更大MW级容量的机组发展大有裨益。根据本发明的全功率变流器可以将传输回路稳压单元集中配置，将IGBT功率单元与稳压单元部分进行分隔，可以降低对功率模块的维护难度。对于传统全功率变流器的功率模块单元而言，单个功率模块重量可达80KG-120KG，而采用本发明所描述的全功率变流器，可将单个功率模块重量降至50％，同等条件下可提升工作效率至少30％，将维护工时缩短至少50％，对于大容量MW级机组，估算单台年发电量可提升1％-3％，有利于提高风电场收益。此外，根据本发明的全功率变流器在塔筒内采用直流(例如，±600VDC)形式进行电能的传输，采用与交流形式传输的同样截面积的同类材料的电缆只需要两组母排，可节省电缆材料80％，与相同电压等级的交流低频电能传输形式相比，可完全消除电缆容抗与感抗的影响，降低电缆损耗，减小电缆的发热量，有利于提升机组的运行年限。

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。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

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 (12)

1.一种用于风力发电机组的全功率变流器，包括：

机舱变流系统(310)，位于风力发电机组的机舱平台(470)，被配置为将所述风力发电机组发出的低频交流电能转换为直流电能；

直流电能传输单元(320)，位于所述风力发电机组的塔筒(450)内，被配置为将所述直流电能从所述机舱变流系统(310)传输到塔底变流系统(330)；以及

塔底变流系统(330)，位于所述风力发电机组的塔底平台(460)，被配置为将所述直流电能转换成符合电网要求的工频交流电能。

2.根据权利要求1所述的全功率变流器，其中，所述机舱变流系统(310)包括：

机侧整流单元(311)，被配置为通过对所述低频交流电能进行整流，将所述低频交流电能变换为所述直流电能；以及

机侧滤波单元(312)，被配置为滤除所述机侧整流单元(311)中的IGBT高频开关(412)产生的谐波，以避免所述机侧整流单元(311)中的IGBT高频开关(412)产生的谐波对所述风力发电机组产生影响。

3.根据权利要求2所述的全功率变流器，其中，所述机侧滤波单元(312)是dU/dt滤波器。

4.根据权利要求1所述的全功率变流器，其中，所述直流电能传输单元(320)包括：

直流电能传输回路(321)，被配置为将所述直流电能从所述机舱变流系统(310)传输到所述塔底变流系统(330)；以及

传输回路稳压单元(322)，被配置为对所述直流电能传输回路(321)进行稳压。

5.根据权利要求4所述的全功率变流器，其中，所述直流电能传输回路(321)是直流母线连接单元。

6.根据权利要求4所述的全功率变流器，其中，所述传输回路稳压单元(322)是直流母线稳压电容单元。

7.根据权利要求1所述的全功率变流器，其中，所述塔底变流系统(330)包括：

网侧逆变单元(331)，被配置为将所述直流电能转换为所述工频交流电能；以及

网侧滤波单元(332)，被配置为滤除所述网侧逆变单元(331)中的IGBT高频开关(432)产生的谐波，以避免所述网侧逆变单元(331)中的IGBT高频开关(432)产生的谐波对电网产生影响。

8.根据权利要求7所述的全功率变流器，其中，所述网侧滤波单元(332)是LCL滤波器。

9.根据权利要求1所述的全功能变流器，还包括：

传输回路制动单元(340)，位于所述塔底平台(460)，被配置为在所述风力发电机组处于低压穿越状态时吸收所述直流电能传输单元(320)上传输的所述直流电能。

10.根据权利要求2、7、9中任一项所述的全功率变流器，还包括：

第一变流器可编程逻辑控制单元，位于所述塔底平台(460)，被配置为控制所述传输回路制动单元(340)和所述网侧逆变单元(331)；以及

第二变流器可编程逻辑控制单元，位于所述机舱平台(470)，被配置为控制所述机侧整流单元(311)。

11.根据权利要求10所述的全功率变流器，其中，所述第一变流器可编程逻辑控制单元和所述第二变流器可编程逻辑控制单元通过光纤进行通信。

12.根据权利要求1所述的全功率变流器，其中，所述直流电能是±600V直流电能。