[发明专利]直流风力发电机组以及永磁半直驱直流发电系统

说明书

提供一种直流风力发电机组以及永磁半直驱直流发电系统，所述直流风力发电机组包括叶片、齿轮箱、永磁同步发电机、升压变压器和整流器，其中，叶片用于带动齿轮箱转动，齿轮箱通过传动轴驱动永磁同步发电机动作，升压变压器的连接永磁同步发电机，对永磁同步发电机输出的交流电压进行升压，整流器连接升压变压器，对升压后的交流电压进行整流得到直流电压。基于本发明示例性实施例的直流风力发电机组以及永磁半直驱直流发电系统所提出的直流风力发电机组的拓扑方案，可以实现高效输送电能，同时有效降低综合成本。

技术领域

本发明总体说来涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及直流风力发电机组以及包括所述直流风力发电机组的永磁半直驱直流发电系统。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的物质基础，是促进社会经济可持续发展的关键基石。随着人类社会经济的快速发展，人类社会对能源的需求与日俱增，能源短缺问题日益突出。与此同时，归因于目前的能源消费结构特征(大多数为化石能源)，过多的化石能源消费已开始产生严峻的环境污染等生态问题，雾霾、温室效应等诸多问题正影响着人类的正常生活或发展。

在此情况下，为了解决能源短缺、环境污染等问题，风能等清洁、可再生、绿色能源开始受到大力重视，并得到了快速发展。其中，风力发电作为风能最为成熟的应用方式，已得到广泛应用，并开始快速发展。

目前，对于风力发电这一风能的开发利用场景包括陆地风电场、海上风电场和分散式风电场。然而，无论是陆地风电场、海上风电场还是分散式接入的风电场，通常是采用交流汇集、交流升压、交流并网的方式，系统拓扑图如图1所示。

从图1所示可知，对于风电场而言，风力发电机组1通过变流器2进行换流，将发电机输出的变频交流电转换成50Hz恒频交流电，并通过升压单元变压器3汇入集电线路，n个集电线路通过风电场升压变电站4进一步升压后并入电网。这里，n的数量取决于风电场额定容量，一般而言，每一条馈线的额定容量小于30MW。从图1所示可知，整个系统为交流发电系统，即，交流风力发电机组、交流集电、交流升压、交流并网。

目前在市场上已被批量投运的交流风电机组型式主要有三种，分别如图 2、图3、图4所示。

从图2所示可知，叶片1直接带动永磁同步发电机2动作，实现风能对机械能和电能的转换，全功率变流器3将永磁同步发电机2所输出的变频变压交流电换流成恒频恒压交流电，升压变压器4再把全功率变流器3所输出的恒频恒压交流电升压并汇入风电场内部馈线上。

从图3所示可知，叶片1带动齿轮箱2转动，实现风能对机械能的转换，齿轮箱2带动异步发电机3动作，实现机械能对电能的转换，异步发电机3 的定子侧通过升压变压器5升压，并并入风电场内部馈线上，异步发电机3 的转子侧电能通过变流器4和升压变压器5分别进行换流和升压，最终汇入风电场内部馈线上。

从图4所示可知，叶片1带动齿轮箱2转动，实现风能对机械能的转换，齿轮箱2又带动永磁同步发电机3，实现机械能对电能的转换，全功率变流器4将永磁同步发电机3所输出的变频变压交流电换流成恒频恒压交流电，升压变压器5将全功率变流器4所输出的恒频恒压交流电升压并汇入风电场内部馈线上。

从上述图2、图3、图4可知，交流风电机组设计方案无论采用哪一种设计方案，均存在如下的客观不足：

(1)无法适用于具备更多技术优势和经济优势的全直流风电场的应用场景中；

(2)由于主回路电能的“交流”特性，使得交流风电机组的损耗高、效率低；

(3)主回路的变压器因为是感性元件，会产生一定的无功损耗，且由于交流谐波等因素的影响，还会产生噪音等问题。

除上述交流风电机组之外，还存在直流风电机组设计方案，目前已有的直流风电机组拓扑方式主要有以下几类，如图5～图7(针对直驱型直流风电机组)、图8(针对双馈型直流风电机组)，存在的不足有：