一種風力發電機組的製作方法

2023-08-10 11:09:36 2

本發明涉及一種風力發電機組。

背景技術：

大功率(兆瓦級)風力發電機組一般分為雙饋型風力發電機組和全功率型風力發電機組。

如圖1所示，現有雙饋型風力發電機組一般包括依次連接的變壓器、變流器、發電機、風力機以及塔筒(圖中未示出)。風力機包括葉片和齒輪箱，發電機與風力機機械連接，均安裝於塔筒頂部。變壓器一般包括高壓側開關、變壓器本體和低壓側開關；變壓器本體由一個高壓側繞組和一個低壓側繞組組成，高壓側繞組通過高壓側開關與外部電網相連接，低壓側繞組通過低壓側開關與變流器相連。變流器一般包含控制器、網側變換器、機側變換器、低壓側開關、網側濾波器以及定子開關等，其中，網側變換器和機側變換器通過直流母線連接，網側濾波器由濾波電感和濾波電容構成，網側變換器通過網側濾波器和低壓側開關與變壓器相連，機側變換器連接雙饋發電機的轉子繞組，雙饋發電機的定子繞組經接觸器和低壓側開關也與變壓器相連。為給風力發電機組的內部設備供電，變流器往往還需配置輔助變壓器。

如圖2所示，現有全功率型風力發電機組一般包括依次連接的變壓器、變流器、發電機、風力機以及塔筒(圖中未示出)。風力機包括葉片，發電機與風力機機械連接，均安裝於塔筒頂部。變壓器一般包括高壓側開關、變壓器本體和低壓側開關；變壓器本體由一個高壓側繞組和一個低壓側繞組組成，高壓側繞組通過高壓側開關與外部電網相連接；低壓側繞組通過低壓側開關與變流器相連。變流器一般包含控制器、網側變換器、機側變換器、低壓側開關以及網側濾波器等，其中，網側變換器和機側變換器通過直流母線連接，網側濾波器由濾波電感和濾波電容構成，網側變換器通過網側濾波器和低壓側開關與變壓器相連，機側變換器連接同步或異步發電機的定子繞組。為給風力發電機組的內部設備供電，變流器往往還需配置輔助變壓器。

現有大功率風力發電機組存在如下缺陷：

首先，變壓器和變流器在電路上彼此獨立，分別擁有各自的配電開關，不僅造成一些電路元件重複設置，也無法利用變壓器和變流器各自的電路特點，達到簡化電路結構，減少電路元件，降低電路成本的目的。

其次，由於變壓器和變流器在物理布局上分別彼此獨立安裝，通常變流器安裝於塔筒內部，變壓器安裝於塔筒外部，形成箱式變壓器，從而造成變壓器與變流器之間的連接往往需要鋪設較長的大電流電纜，增加風力發電機組的建設成本。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於，提供一種風力發電機組，克服現有大功率風力發電機組存在的變壓器、變流器電路成本高、建設成本高的缺陷。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：構造一種風力發電機組，包括依次連接的變壓器、變流器、發電機、風力機和塔筒；該變流器包括控制器、與該控制器控制連接並通過直流母線相連接的網側變換器和機側變換器，該網側變換器與該變壓器電氣連接，該機側變換器與該發電機電氣連接，該發電機與該風力機機械連接，該風力機安裝於該塔筒頂部，該變壓器的高壓側繞組通過高壓側開關與外部電網相連接；

其特徵在於，該變壓器的低壓側繞組包括至少一套提供功率接口的低壓側繞組A，各所述低壓側繞組A對應的漏感標么值大於等於5％，並通過其功率接口經低壓側開關與所述網側變換器連接；

該變流器包括與所述控制器連接的電壓採樣電路；該電壓採樣電路設置在該變壓器的高壓側繞組上，或該變壓器的低壓側繞組包括至少一套提供信號接口的低壓側繞組B，該電壓採樣電路設置在該低壓側繞組B的信號接口上。

在本發明的風力發電機組中，所述發電機為雙饋式發電機；

所述變壓器包括一套所述低壓側繞組A，該低壓側繞組A的功率接口通過低壓側開關連接所述變流器的網側變換器，並經併網開關連接所述雙饋式發電機的定子繞組；

或所述變壓器包括兩套所述低壓側繞組A，一套所述低壓側繞組A1的功率接口通過低壓側開關一與所述變流器的網側變換器連接，另一套所述低壓側繞組A2的功率接口通過低壓側開關二經併網開關與所述雙饋式發電機的定子繞組連接。

在本發明的風力發電機組中，所述低壓側繞組A2的電壓額定值高於所述低壓側繞組A1的電壓額定值；所述低壓側繞組A的功率接口通過低壓側開關經過流保護裝置連接所述變流器的網側變換器。

在本發明的風力發電機組中，所述發電機為同步發電機或異步發電機；所述變壓器包括一套所述低壓側繞組A，該低壓側繞組A的功率接口通過低壓側開關經過流保護裝置連接所述變流器的網側變換器，該變流器的機側變換器連接所述發動機定子。

在本發明的風力發電機組中，所述發電機為同步發電機或異步發電機；所述變壓器包括至少兩套所述低壓側繞組A，所述變流器包含與所述變壓器的低壓側繞組A的相同數量的網側變換器；所述變壓器的低壓側繞組A與所述變流器的網側變換器一一對應相連接。

在本發明的風力發電機組中，所述變流器的網側變換器在直流側串聯連接或並列連接後，與所述機側變換器的直流側相連接。

在本發明的風力發電機組中，所述低壓側繞組B還提供功率接口，為風力發電機組的內部設備供電。

在本發明的風力發電機組中，所述變壓器的低壓側漏感標么值大於等於高壓側漏感標么值。

在本發明的風力發電機組中，所述變壓器和所述變流器分層布置安裝在所述塔筒內；或所述變壓器和所述變流器分層布置或同層布置安裝在一個機櫃內。

在本發明的風力發電機組中，所述低壓側開關設置在所述變流器內或設置在所述變壓器內；所述電壓採樣電路為電壓互感器、電壓霍爾傳感器、電阻分壓電路或者線性光耦。

實施本發明的風力發電機組，與現有技術比較，其有益效果是：

1.將風力發電機組的變壓器和變流器電路進行集成，充分利用變壓器低壓側繞組漏感實現變流器網側變換器交流側的濾波，無需設置變流器濾波電路，同時減少了低壓側開關的使用數量，降低了風力發電機組的電路成本；

2.將風力發電機組的變壓器和變流器共同安裝在塔筒或機櫃內，縮短了變壓器與變流器之間的連接距離，大大降低了安裝所需的大電流電纜用量，降低了風力發電機組的建設成本。

附圖說明

圖1是現有雙饋型風力發電機組的系統組成示意圖。

圖2是現有全功率型風力發電機組的系統組成示意圖。

圖3是本發明風力發電機組的基本組成示意圖。

圖4是本發明風力發電機組實施例一的系統組成示意圖(雙饋型)。

圖5是本發明風力發電機組實施例二的系統組成示意圖(雙饋型)。

圖6是本發明風力發電機組實施例三的系統組成示意圖(全功率型)。

圖7是本發明風力發電機組實施例四的系統組成示意圖(全功率型)。

圖8是本發明風力發電機組實施例五的系統組成示意圖(全功率型)。

具體實施方式

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明：

如圖3所示，本發明的風力發電機組包括依次連接的變壓器、變流器、發電機、風力機和塔筒(圖中未示出)。

變流器包括控制器、網側變換器和機側變換器。網側變換器與機側變換器通過直流母線相連接，並分別與控制器控制連接。網側變換器與變壓器電氣連接，機側變換器與發電機電氣連接。

發電機與風力機機械連接，風力機安裝於塔筒頂部。

變壓器的高壓側繞組通過高壓側開關與外部電網相連接。變壓器低壓側繞組包括低壓側繞組A與低壓側繞組B，低壓側繞組A提供功率接口，低壓側繞組B提供信號接口。設計時保證低壓側繞組A對應的漏感標么值大於等於5％，通過低壓側繞組A的功率接口經低壓側開關與網側變換器連接。低壓側繞組B通過其信號接口與控制器連接。

變流器包括電壓採樣電路，該電壓採樣電路設置在該低壓側繞組B的信號接口上，並與控制器連接。

電壓採樣電路是獲取電壓信息的元件，包括但不限於電壓互感器、電壓霍爾傳感器、電阻分壓電路或線性光耦等。

在其他實施例中，可以不設置低壓側繞組B，將變壓器的電壓採樣電路設置在變壓器高壓側繞組上，並與控制器連接。

實施例一

如圖4所示，本發明的風力發電機組包括依次連接的變壓器、變流器、雙饋發電機、風力機和塔筒(圖中未示出)。其中：

變流器包括控制器、低壓側開關、接觸器、熔斷器、通過直流母線連接的網側變換器和機側變換器。變流器的網側變換器通過熔斷器及低壓側開關與變壓器電氣連接，變流器的機側變換器與雙饋發電機的轉子繞組電氣連接。雙饋發電機的定子繞組通過接觸器及低壓側開關與變壓器電氣連接，雙饋發電機的轉子與風力機機械連接。風力機包括葉片和齒輪箱，安裝於塔筒的頂部。其中，接觸器、採用晶閘管、斷路器等併網開關可以互換，熔斷器、斷路器等過流保護裝置可以互換。

在其他實施例中，不設置熔斷器等過流保護裝置，變流器網側變換器直接通過低壓側開關與變壓器電氣連接，不影響本發明基本發明目的的實現。

在本實施例中，變壓器包括高壓側繞組和三類低壓側繞組，其中，高壓側繞組通過高壓側開關與外部電網相連接。三類低壓側繞組中：低壓側繞組A提供功率接口，通過低壓側開關與變流器的網側變換器相連接；低壓側繞組B提供信號接口，通過電壓採樣電路與變流器的控制器相連接；第三類低壓側繞組也採用低壓側繞組A提供功率接口，專對風力發電機組的內部設備供電。

在其他實施例中，變壓器可以不設置第三類低壓側繞組；風力發電機組的內部設備可以採用其他方式供電，例如，採用蓄電池方式供電等。

變壓器高壓側繞組的電壓等級根據風力發電機組的需要設置，例如，變壓器高壓側繞組電壓可設置在10kV，各類低壓側繞組的電壓等級可設置在690V。

為了減少變壓器和變流器安裝使用的大電流電纜的用量，可將變壓器和變流器按分層布置或同層布置方式集成安裝在同一個櫃體內，以降低安裝成本。

變壓器的低壓側繞組A連接變流器的網側變換器，其間只需設置一級低壓側開關，節省了配電成本。同時，可將變壓器的低壓側繞組A對應的漏感設計得較高，例如，將其對應感抗標么值設置在5％以上，這樣，變流器的網側變換器就可利用該低壓側繞組的功率接口和漏感實現交流-直流能量變換與網側電流濾波，無需設置原有的獨立濾波器(包含濾波電感和濾波電容)。

網側變換器利用變壓器的低壓側繞組對應的漏感作為其實現交流-直流能量變換的濾波電感時，網側變換器在控制上必須採集該漏感之前即靠近電網一側的電網電壓，實現方式包括：1、將電壓採樣電路設置在變壓器高壓側繞組上(此時，可不設置低壓側繞組B。)；2、將電壓採樣電路設置在變壓器低壓側繞組B的信號接口上。電壓採樣電路與控制器連接。

本實施例中的低壓側繞組B和第三類低壓側繞組還可以共用，即不設置第三類低壓側繞組，利用低壓側繞組B輸出對風力發電機組的內部設備供電。

實施例二

如圖5所示，本實施例的風力發電機組包括依次連接的變壓器、變流器、雙饋發電機、風力機和塔筒(圖中未示出)。其中：

變流器包括控制器、接觸器以及通過直流母線連接的網側變換器和機側變換器。變流器的網側變換器通過低壓側開關II與變壓器電氣連接，變流器的機側變換器與雙饋發電機的轉子繞組電氣連接；雙饋發電機的定子繞組通過接觸器及低壓側開關I與變壓器電氣連接；雙饋發電機的轉子與風力機機械連接；風力機包括葉片和齒輪箱，安裝於塔筒頂部。

本實施例中，變壓器包括高壓側繞組，低壓側繞組A和低壓側繞組B兩類低壓側繞組，及與低壓側繞組A對應的低壓側開關I和低壓側開關II。其中，高壓側繞組通過高壓側開關與外部電網相連接；低壓側繞組A包括兩套提供功率接口的繞組，第一套低壓側繞組A1輸出電壓等級一，並通過低壓側開關II與變流器的網側變換器相連接；第二套低壓側繞組A2輸出電壓等級二，通過低壓側開關I及接觸器與雙饋發電機的定子繞組相連接。低壓側繞組B提供信號接口及功率接口，一方面提供信號接口，與變流器的控制器相連接；另一方面提供功率接口，對風力發電機組的內部設備供電。

作為示例，根據風力發電機組的需要，變壓器高壓側繞組的電壓等級可設置在35kV，第一套低壓側繞組A1的電壓等級可設置在690V，第二套低壓側繞組A2的電壓等級可設置在3000V，低壓側繞組B的電壓等級可設置在690V。這裡，第二套低壓側繞組A2由於連接雙饋發電機的定子繞組，不需要經過對電壓等級相對較為敏感的變流器的網側變換器和機側變換器，故其電壓等級可設置得比第一套低壓側繞組A1的電壓等級高，從而減小雙饋發電機的定子支路的電流，以及相應的接觸器、低壓側開關I的電流等級，提升系統的經濟性。

由於變壓器和變流器的物理距離較近，可以分層布置的方式同時安裝在塔筒內，以節省安裝成本。

變壓器的第一套低壓側繞組A1連接變流器的網側變換器，其間只需設置一級低壓側開關II，變壓器的第二套低壓側繞組A2連接雙饋發電機的定子繞組，其間也只需設置一級低壓側開關I，這些都節省了配電成本。

同時，將變壓器的第一套低壓側繞組A1對應的漏感設計得較高，例如，將其對應感抗標么值設置在5％以上。這樣，變流器的網側變換器就可利用該低壓側繞組的功率接口和漏感實現交流-直流能量變換與網側電流濾波，無需設置獨立的濾波器(包含濾波電感、濾波電容)。

網側變換器利用變壓器的低壓側繞組對應的漏感作為其實現交流-直流能量變換的濾波電感時，網側變換器在控制上必須採集該漏感之前即靠近電網一側的電網電壓，實現方式包括：1、將電壓採樣電路設置在變壓器高壓側繞組上(此時，可不設置低壓側繞組B)；2、將電壓採樣電路設置在變壓器低壓側繞組B的信號接口上。電壓採樣電路與控制器連接，控制器實現電壓採樣和網側變換器的控制。

實施例三

如圖6所示，本實施例的風力發電機組包括依次連接的變壓器、變流器、發電機、風力機和塔筒(圖中未示出)。其中：

變流器包括控制器、低壓側開關、通過直流母線連接的網側變換器和機側變換器。變流器的網側變換器通過低壓側開關與變壓器電氣連接，變流器的機側變換器與發電機的定子繞組電氣連接；發電機為同步或異步發電機，其轉子與風力機機械連接；風力機包括葉片，安裝於塔筒頂部。

本實施例中，變壓器包括高壓側繞組和兩類低壓側繞組。其中，高壓側繞組通過高壓側開關與外部電網相連接；低壓側繞組A提供功率接口，通過低壓側開關與變流器的網側變換器相連接；低壓側繞組B提供信號接口及功率接口，一方面提供信號接口，與變流器的控制器相連接，另一方面提供功率接口，對風力發電機組的內部設備供電。

作為示例，根據風力發電機組的需要，變壓器的高壓側繞組的電壓等級可設置在10kV，各類低壓側繞組的電壓等級可設置在690V。

由於變壓器和變流器的物理距離較近，可集成安裝(同層布置或分層布置)在同一個櫃體內，以節省安裝成本。

變壓器的低壓側繞組A連接變流器的網側變換器，其間只需設置一級低壓開關，以節省配電成本。同時，將變壓器的低壓側繞組A對應的漏感設計得較高，例如，將其對應感抗標么值設置在5％以上。這樣，變流器的網側變換器就可利用該低壓側繞組的功率接口和漏感實現交流-直流能量變換與網側電流濾波，無需設置獨立的濾波器(包括濾波電感、濾波電容)。

網側變換器利用變壓器的低壓側繞組對應的漏感作為其實現交流-直流能量變換的濾波電感時，網側變換器在控制上必須採集該漏感之前即靠近電網一側的電網電壓，實現方式包括：1、將電壓採樣電路設置在變壓器高壓側繞組上(此時，可不設置低壓側繞組B)；2、將電壓採樣電路設置在變壓器低壓側繞組B的信號接口上。電壓採樣電路與控制器連接，控制器實現電壓採樣和網側變換器的控制。

實施例四

如圖7所示，本實施例的風力發電機組包括依次連接的變壓器、變流器、發電機、風力機和塔筒(圖中未示出)。其中：

變流器包括控制器以及通過直流母線連接的兩個網側變換器和兩個機側變換器，變流器的兩個網側變換器在直流側並聯，交流側則分別通過低壓側開關I和低壓側開關II與變壓器電氣連接；變流器的兩個機側變換器在直流側、交流側並聯，交流側與發電機的定子繞組電氣連接；發電機為同步或異步發電機，其轉子與風力機機械連接；風力機包括葉片，安裝於塔筒頂部。

在其他實施例中，變流器的網側變換器和機側變換器數量相等並分別為多個，連接方式亦如上所述。

本實施例中，變壓器包括高壓側繞組、兩類低壓側繞組(低壓側繞組A和低壓側繞組B)和與低壓側繞組A對應的低壓側開關。其中，高壓側繞組通過高壓側開關與外部電網相連接；低壓側繞組A包括兩套提供功率接口的繞組，其輸出電壓等級相當，且分別通過低壓側開關I、II與變流器的兩個網側變換器相連接；低壓側繞組B提供信號接口，與變流器的控制器相連接。

作為示例，根據風力發電機組的需要，變壓器的高壓側繞組的電壓等級可設置在20kV，各類低壓側繞組的電壓等級可設置在690V。

由於變壓器和變流器的物理距離較近，可以分層布置的方式同時安裝在塔筒內，以節省安裝成本。

變壓器的低壓側繞組A連接變流器的網側變換器，其間只需設置一級低壓側開關，以節省配電成本。同時，將變壓器的低壓側繞組A對應的漏感設計得較高，例如，將其對應感抗標么值設置在5％以上，這樣，變流器的網側變換器就可利用該低壓側繞組的功率接口和漏感實現交流-直流能量變換與網側電流濾波，無需設置獨立的濾波器。

網側變換器利用變壓器的低壓側繞組對應的漏感作為其實現交流-直流能量變換的濾波電感時，網側變換器在控制上必須採集該漏感之前即靠近電網一側的電網電壓，實現方式包括：1、將電壓採樣電路設置在變壓器高壓側繞組上(此時，可不設置低壓側繞組B)；2、將電壓採樣電路設置在變壓器低壓側繞組B的信號接口上。電壓採樣電路與控制器連接，控制器實現電壓採樣和網側變換器的控制。

本實施中，變流器的兩個網側變換器在控制上可採用相同的調製信號以及相位相差180度的載波信號來實現對其功率半導體器件的驅動，從而利用變壓器中兩套低壓側繞組A之間的漏感實現開關紋波電流的內部對消，提升併網電能質量。

實施例五

如圖8所示，本實施例的風力發電機組包括依次連接的變壓器、變流器、發電機、風力機和塔筒(圖中未示出)。其中：

變流器包括控制器及通過直流母線連接的兩個網側變換器和一個機側變換器。變流器的兩個網側變換器在直流側串聯，交流側則分別通過低壓側開關I、II與變壓器電氣連接。變流器的機側變換器，一端與兩個網側變換器直流側串聯後的直流母線電氣連接，另一端與發電機的定子繞組電氣連接。發電機為同步或異步發電機，其轉子與所述風力機機械連接；風力機包括葉片，安裝於所述塔筒的頂部。

在其他實施例中，變流器的網側變換器數量可以是兩個以上，機側變換器也可以是兩個或多個，網側變換器串聯連接後再與機側變換器連接。

本實施例中，變壓器包括高壓側繞組、兩類低壓側繞組(低壓側繞組A和低壓側繞組B)和與低壓側繞組A對應的低壓側開關I、II。其中，高壓側繞組通過高壓側開關與外部電網相連接；低壓側繞組A包括兩套提供功率接口的繞組，其輸出電壓等級相當，且分別通過低壓側開關I、II與變流器的兩個網側變換器相連接。低壓側繞組B提供信號接口，與變流器的控制器相連接，另一方面提供功率接口，對風力發電機組的內部設備供電。

作為示例，根據風力發電機組的需要，變壓器的高壓側繞組的電壓等級可設置在35kV，低壓側繞組A的電壓等級可設置在3000V，低壓側繞組B的電壓等級可設置在100V。

由於變壓器和變流器的物理距離較近，可以同層布置或分層布置的方式同時安裝在同一機櫃內，以節省安裝成本。變壓器的低壓側繞組A連接變流器的網側變換器，其間只需設置一級低壓側開關，以節省配電成本。同時，將變壓器的低壓側繞組A對應的漏感設計得較高，例如，將其對應感抗標么值設置在5％以上，這樣，變流器的網側變換器就可利用該低壓側繞組的功率接口和漏感實現交流-直流能量變換與網側電流濾波，無需設置獨立的濾波器。

網側變換器利用變壓器的低壓側繞組對應的漏感作為其實現交流-直流能量變換的濾波電感時，網側變換器在控制上必須採集該漏感之前即靠近電網一側的電網電壓，實現方式包括：1、將電壓採樣電路設置在變壓器高壓側繞組上(此時，可不設置低壓側繞組B)；2、將電壓採樣電路設置在變壓器低壓側繞組B的信號接口上。電壓採樣電路與控制器連接，控制器實現電壓採樣和網側變換器的控制。

本實施中，本實施中變流器的兩個網側變換器在控制上可採用相同的調製信號以及相位相差180度的載波信號來實現對其功率半導體器件的驅動，從而利用變壓器中兩套低壓側繞組A之間的漏感實現開關紋波電流的內部對消，提升併網電能質量。