[发明专利]用于风力发电机组上的塔内变流器分布式布置结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于直驱式风力发电机组，特别是MW级大型风力发电机组上的塔内变流器布置结构。 

背景技术

如图1所示，为直驱式风力发电机组的塔内变流器布置结构的主电路布置方式，这种布置方式中，塔底变流器根据机侧部分的整流方式不同分为被动整流或主动整流两种拓扑结构。

如图2所示，被动整流采用二极管整流桥实现将发电机的交流电转换为直流电，机侧电压不会出现由于电缆过长产生的过电压问题，但由于二极管整流固有的低功率因数缺点，在整流桥的交流输入端需额外增加功率补偿电容。另外，由于被动整流变流器通过斩波升压电路实现对机侧扭矩的实现控制，对机组的转速适应性不宽，低风速机组需要更多的功率补偿电容，而高风速机组则会发生有功功率失控的问题。

如图3所示，主动整流机侧，采用例如IGBT之类的全控开关器件通过PWM整流技术，实现将发电机的交流电转换为直流电，由于能够通过控制算法实现对电机的弱磁和强磁，对机组的转速范围适应性宽，且不需要机侧功率补偿电容，但是由于在PWM整流模式下电机侧变流器电压波形有很大的du/dt(在母线电压为1100V时，对于IGBT器件，du/dt值可以达到几万伏/微秒)，且由于发电机到变流器整流桥的电缆长度过长（约100m)，在PWM整流模式下由于阻抗失配的导线波导效应会在电机侧产生很大的过电压，对电机的绝缘系统存在产生很大威胁。因此，目前采用图1的布置方式下主动整流变流器的电机侧一定需要增加du/dt滤波器。

对于du/dt滤波器的选型存在两个互相制约的因素：滤波器的体积和滤波器的效果，由于受到风机塔筒空间限制，滤波器的体积不能过大，也就是目前MW级机组发电机千安级的额定电流情况下的电抗值上限取值明显受到限制，这样滤波器对du/dt电压的滤波效果也就会受到影响，很可能无法满足发电机绝缘要求。

从本质上产生du/dt电压有三个必要条件：具有较高du/dt值的PMW波、一定长度的电缆和电机端的阻抗失配。采用主动整流方案必然会有PWM波，且电机阻抗和电缆特征阻抗之间的失配也是必然的。

最后，由于采用图1所示的布置方式，风力发电机组包括塔顶部分6、塔筒部分5和塔底部分7，塔顶部分6有发电机开关柜3和发电机1相连，开关柜3和变流器4之间通过主电缆2连接，塔底部分设有变流器4和并网箱变8连接，发电机1发出的电能通过低压交流方式（线电压通常为690V左右），因此MW级机组发电机1输出相电流会达到几百甚至上千安培，这样对于就需要用多根大电缆才能实现电能的传输。譬如，对于1.5MW的直驱风冷变流器，采用双三相结构的发电机，满载时电机的额定相电流达到700A左右，采用12根185mm²（每相两根并联）的电缆，对于近80m的套筒高度，仅电缆一项成本就需要约19万元（以200-250元/米计算）。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种用于风力发电机组上的塔内变流器分布式布置结构，在无需专门的du/dt滤波器情况下，避免发电机端出现du/dt引起的过电压问题，同时减少塔筒内电缆的用量，节约电缆成本。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于风力发电机组上的塔内变流器分布式布置结构，风力发电机组包括塔顶部分、塔筒部分和塔底部分，塔顶部分设有相互连接的发电机和发电机开关柜，塔底部分设有并网箱变；所述塔内变流器布置结构还包括有设置在所述塔顶部分的塔顶变流柜且通过开关柜连接在所述发电机上，以及设置在塔底部分的塔底变流柜连接至所述并网箱变，该塔顶变流柜和塔底变流柜通过主电缆或母排连接。

进一步，所述塔顶变流柜到发电机开关柜之间主电缆长度至多10m。

进一步，所述主电缆或母排设有正负两相，采用电缆时，每相采用多根并联。

本发明的布置结构具有以下两个优点：

1．本发明的布置装置，避免发电机端出现du/dt引起的过电压，而无需专门的du/dt滤波器。本发明改变了整流柜和发电机之间电缆的长度来消除du/dt过电压，发电机到整流桥的电缆可以控制在10m以内，不需du/dt滤波器，就能避免发电机端出现du/dt引起的过电压。

2．本发明的布置结构，减少了塔筒内电缆的用量，节约资源，降低成本。

附图说明

图1为现有的直驱式风力发电机主电路的布置方式；

图2为被动整流变流器拓扑结构示意图；

图3为主动整流变流器拓扑结构示意图；