[发明专利]风电变流器结构及包含其的风力发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电系统，尤其涉及该风力发电系统中的风电变流器结构。

背景技术

当前，随着风电机组的额定功率不断增大，风轮桨叶的长度逐渐增加而转速降低。例如，额定功率为5MW的风电机组，桨叶长度超过60米，转子额定转速为10rpm左右。当发电机为两对极时，为了使5MW的风机以交流方式直接与50Hz工频的电网相连，机械齿轮箱的变速比应当设为150。然而，齿轮箱变速比的增加，会给兆瓦级风电机组的变速箱设计和制造提出多重挑战，因为风电机组的额定功率和变速箱的变速比增加时，其尺寸、重量及摩擦磨损也在增加。因而，对于兆瓦级风电机组，现有技术中逐渐采用全功率风电变流器以交流-直流-交流的方式与电网相连，以解决齿轮箱的变速比不断增加所造成的困扰。

具体而言，全功率风电变流器是一种由直流环节连接两组电力电子变换器所组成的背靠背变频系统，其中，背靠背的变频系统包括电网侧变换器(或称为“网侧变流器”)和发电机侧变换器(或称为“机侧变流器”)，该机侧变流器接收感应发电机产生的有功功率，并通过直流环节送往该网侧变流。此外，该机侧变流器也用来通过感应发电机的定子端对感应发电机励磁。然后，网侧变流器接收从直流环节输送过来的有功功率，并将其送到电网，亦即，使直流环节两侧的电压达到平衡。

在现有技术中，全功率风电变流器随风机容量增大而增大。以当前主流功率等级1-3MW(未来可将该功率等级提升至5-8MW)为例，风电变流器在整个风电机组的摆放位置大致分为两种，其一是将风电变流器放在塔上，其二是将风电变流器放在塔下。但是，若风电变流器摆放在塔上，塔架顶部的机舱空间较为有限，同时还会增加机舱的承重设计，一旦风电变流器出现故障，维护人员必须爬到塔上进行维护，由于塔高一般为100米左右，不仅存在安全隐患，而且维护成本较高。此外，若风电变流器摆放在塔下，此时，虽然维护人员不必爬到塔顶进行维护，但从塔上的电机到塔下的风电变流器间的电缆成本会随着风机功率的增大而增加，尤其是对于多相电机来说，需要更多数量的传输电缆，会加剧电缆的购置成本，进而增加了风电机组的系统安装成本。

有鉴于此，如何设计一种更加合理的风电变流器结构，既可平衡塔架顶部的机舱承重设计，又可确保风电变流器的可靠运行，降低传输电缆的装设成本，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。

发明内容

针对现有技术中的风电变流器结构在设计和安装时所存在的上述缺陷，本发明提供了一种风电变流器结构及包含该风电变流器的风力发电系统。

依据本发明的一个方面，提供了一种用于风电系统的变流器结构，该风电系统包括一塔架，其中，该变流器结构包括：

多个机侧变流器，设置于所述塔架顶部的机舱内，每一机侧变流器具有一交流输入侧和一直流输出侧，其中，所述交流输入侧连接至风机的一三相绕组，以及所述直流输出侧输出一直流电压；

多个网侧变流器，设置于所述塔架的底部或外部，每一网侧变流器具有一直流输入侧和一交流输出侧，其中，所述直流输入侧耦接至所述机侧变流器的直流输出侧；

至少一直流母线，跨接于所述机侧变流器的直流输出侧和所述网侧变流器的直流输入侧之间；以及

一隔离变压器，其原边电性连接至所述网侧变流器的交流输出侧，其副边电性连接至一电网，所述隔离变压器用于将所述交流输出侧输出的一交流电压经升压后传送至所述电网。

优选地，每一机侧变流器为一三相PWM整流器，用于将来自所述风机的交流电压整流为所述直流电压。更优选地，每一网侧变流器为一三相PWM逆变器，用于将来自所述三相PWM整流器的直流电压逆变为所述交流电压。

优选地，多个机侧变流器包括第一组机侧变流器和第二组机侧变流器，多个网侧变流器包括第一组网侧变流器和第二组网侧变流器，其中，该第一组机侧变流器的直流输出侧藉由一直流母线连接至所述第一组网侧变流器的直流输入侧，以及该第二组机侧变流器的直流输出侧藉由另一直流母线连接至所述第二组网侧变流器的直流输入侧。

在一具体实施例中，第一组机侧变流器和第二组机侧变流器中的每一组均包括一第一机侧变流器和一第二机侧变流器，所述第一机侧变流器的交流输入侧电性连接至一三相绕组，所述第二机侧变流器的交流输入侧电性连接至另一三相绕组。此外，第一机侧变流器和第二机侧变流器均为一桥式电路，并且所述桥式电路由两电平桥臂、三电平桥臂或维也纳电路组成。

在另一具体实施例中，第一组网侧变流器和第二组网侧变流器中的每一组均包括一第一网侧变流器和一第二网侧变流器。