CN101702582A - 基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电技术，特别涉及多相发电机与变流器级联输出技术。本发明针对现有技术风力发电装置传动机构结构复杂，需要安装升压变压器的缺点，公开了一种由多相发电机与级联式变流器组合构成的风力发电装置。本发明的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，利用多相发电机输出的多路交流电(可以是单相或三相交流电)，作为变流器的输入电压，采用多级变流器进行串联组合，通过控制***的协调控制，直接输出标准的三相正弦波电压，输出电压可以达到22kV以上，能够直接并入电网。本发明可用于风力发电设备。

Description

基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术，特别涉及多相发电机与变流器级联输出技术。
背景技术
目前基于风力发电的发电机多数采用了变速恒频技术和变浆矩技术。发电机与变流器的匹配主要有以下三种：
1、三相异步双馈发电机与一台背靠背整流/逆变器(即变流器)进行组合，直接输出690V三相交流电，三相异步双馈发电机需要100倍左右的三级升速齿轮箱与风力机的转速匹配。
2、多相同步永磁发电机与一台变流器进行组合，直接输出690V或者1400V交流电，由于使用了多个绕组结构，不需要使用齿轮箱就可以与风力机的转速匹配。该技术可以参见2007年2月28日公开的，公开号为CN2874907Y的中国专利。
3、介于1、2之间的方案，一级齿轮箱升速，直接输出690V交流电。
上述三种主流技术都需要一台三相发电机，输出电压在690～1400V，然后通过本地变压器进行升压至10～22kV后并网。现有风力发电设备的缺点是：
一般需要齿轮箱如1、3方案，使风力发电***的可靠性和维护性均较差；输出电压较低，每一套风力发电***都需要一台本地升压变压器；低压侧电流大，发热大，线损高，造成能量损耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术风力发电装置传动机构结构复杂，需要安装升压变压器的缺点，提供一种利用多相发电机与级联式变流器组合构成的风力发电装置。
本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，包括风力机、发电机、控制***和变流器，所述风力机与发电机连接，驱动发电机运转，将风能转换为电能；所述变流器与发电机连接，在所述控制***控制下对发电机输出的电流进行变换；
所述发电机具有N个定子绕组，能够输出N路交流电；N＝3k，k为≥2的自然数；
所述变流器共有N个，每个变流器输出电压为单向交流电；N个变流器分为3组，构成3条支路；每个变流器输入端分别与发电机的1个绕组连接，每条支路中k个变流器输出端串联，3条支路输出三相正弦波交流电。
具体的，所述发电机为永磁同步发电机。
具体的，所述发电机为异步感应发电机。
进一步的，所述N个定子绕组均为三相绕组，输出交流电为三相交流电；所述N个定子绕组在空间均匀分布，其同相绕组之间的相位差为2π/N。
具体的，所述三相绕组采用Y型连接输出。
具体的，所述三相绕组采用△型连接输出。
进一步的，所述N个变流器具有相同结构。
进一步的，3条支路采用△型连接输出。
进一步的，3条支路采用Y型连接输出。
本发明的有益效果是，采用多相发电机与变流器级联技术，不需要升压变压器就可以直接输出10kV～22kV的正弦波交流电，节约了制作升压变压器的钢材、铜材，简化了风力发电装置的结构，降低了成本，提高了可靠性，可以进一步提高输出交流电的质量。
附图说明
图1本发明风力发电装置结构示意图；
图2实施例的发电机定子绕组Y型连接示意图；
图3实施例的发电机定子绕组△型连接示意图；
图4实施例的发电机A相绕组的输出电压波形；
图5实施例的级联式中压变流器连接关系示意图；
图6变流器结构示意图；
图7整流器电路结构示意图；
图8单相全桥逆变器电路结构示意图。
具体实施方式
多相发电机是一种具有多个输出绕组的发电机。相对于传统的单相、三相发电机，具有更高的能量转换效率，并有利于抑制输出电压的谐波失真，提高电磁兼容性能。特别是对于需要进行逆变处理的***，多相发电机输出电流经过整流电路后，其输出直流电压的脉动系数可以更低。有关多相发电机的技术，请参阅有关资料这里不作详细描述。
变流器，一般包括整流电路和逆变电路，是一种对交流电进行处理和控制的装置，可以对输入交流电进行电压、频率调整。变流器的多级串联组合，可以输出更高的交流电压。关于变流器的级联技术请参阅公开号为CN101291129的中国专利。
本发明利用多相发电机输出的多路交流电(可以是单相或三相交流电)，作为变流器的输入电压，采用多级变流器进行串联组合，通过控制***的协调控制，直接输出标准的三相正弦波电压，输出电压可以达到22kV以上，能够直接并入电网。
实施例
本例风力发电装置结构见图1。它由风力机1，将风能转变为机械能，通过轴2带动发电机3的转子旋转，发电机3将机械能转换成电能由定子连接电缆4传送给级联式变流器5，级联式变流器5的输出端6，输出U、V、W三相50Hz正弦波中压，该电压可以达到10～22kV。U、V、W三相交流电通过电网连接***与电网并网，向电网输送能量。控制***7控制发电机3和级联式变流器5，协调风力发电装置工作。
图1中，发电机3既可以设计成永磁同步方式，也可以设计成异步感应方式，其定子绕组具有3k个三相绕组，这里k是大于2的自然数。图2是k＝3共9个三相绕组的连接示意图：9个三相绕组(A1～A9；B1～B9；C1～C9)采用Y型连接输出三相交流电，这些绕组中同相绕组在空间互相差360°/9＝40°，均匀分布在360°内。图3是采用△型连接的示意图。
发电机转子旋转一周，上述9个三相绕组各发电一个周期。图4是图2中9个A相绕组(A1～A9)输出的A相电压波形。B相绕组和C相绕组输出的B相电压、C相电压与A相电压分别相差120°和240°。
图5是图1中级联式变流器5的结构示意图，由3k个变流器501组成。3k个变流器分成3组，构成3条支路，每条支路由k个变流器串联构成，这里也表示了一个k＝3的例子。每一个变流器501都有一组交流输入端子502，通过连接电缆4与9个三相绕组连接，两个交流输出端子503，其输出为单向交流电，可以实现串联输出。本例中所有的变流器501都是结构完全相同的变流器，可以互换使用。交流输入端子502连接的是三相交流电(当然也可以是单相交流电)，这完全取决于发电机3定子绕组的结构，本例发电机3的9个定子绕组均为三相绕组。
在图5中每一个变流器501的一个输出端子503与另一个变流器501的一个输出端子503串联，三个变流器501组成一条支路；三条支路组成三相结构。三条支路的一端连接成中性点504，外三个端子就是整个发电装置的输出端6，输出U、V、W三相50Hz正弦波交流电。这就是三条支路采用Y型连接的例子，根据需要也可以连接成△型。
图6是变流器501的结构示意图。它包括整流器50101，逆变器50102，滤波电容器50103和控制接口50104。
图6中的整流器50101可以是三相整流器，也可以是单相整流器，取决于多相发电机定子绕组的结构。整流器50101可以是由二极管、可控硅、IGBT或者IGCT组成的不控整流电路、半控整流电路或者全控整流电路，具体的电路拓扑例子见图7之中的(a)、(b)、(c)、(d)和(e)，可以选用其中的任何一种。整流器50101通过交流输入端子502与发电机3的一个定子绕组连接。
图6中的逆变器50102可以是由IGBT或者IGCT组成的简单单相全桥，多电平单相全桥，电路拓扑例子见图8之中的(f)、(g)和(h)，可以选用其中的任何一种。逆变器50102的输出端子就是变流器501的两个交流输出端子503。
图6中的滤波电容器50103可以使用电解电容器，也可以使用无极性薄膜电容器。
图6中的控制接口50104是由嵌入式***组成，并且设有光纤通信功能，用于与控制***7的通讯。控制接口50104在控制***7的指挥之下控制变流器501的各项工作，同时将变流器501的状态返回控制***7。
控制***7由高级嵌入式***组成，通过来自风力机1、发电机3以及变流器等部位上传感器的信息以及内部光纤通信，来控制发电机3和级联式变流器5。控制***7进行变流器输出波形计算、并网、监测、功率因数调整以及保护策略实施等工作，完成风力发电装置的变速恒频运行。
上述实施例以变流器级联级数为3(即k＝3)进行了描述，本领域技术人员完全能够根据上述描述，采用2级级联或多级级联组成级联式变流器。级数的增加可以在器件相同耐压等级的条件下，输出更高的交流电压，但多相发电机、控制***等将会变得更复杂。

Claims (9)

1.基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，包括风力机、发电机、控制***和变流器，所述风力机与发电机连接，驱动发电机运转，将风能转换为电能；所述变流器与发电机连接，在所述控制***控制下对发电机输出的电流进行变换；其特征在于：
所述发电机具有N个定子绕组，能够输出N路交流电；N＝3k，k为≥2的自然数；
所述变流器共有N个，每个变流器输出电压为单向交流电；N个变流器分为3组，构成3条支路；每个变流器输入端分别与发电机的1个绕组连接，每条支路中k个变流器输出端串联，3条支路输出三相正弦波交流电。
2.根据权利要求1所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在于，所述发电机为永磁同步发电机。
3.根据权利要求1所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在于，所述发电机为异步感应发电机。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在于，所述N个定子绕组均为三相绕组，输出交流电为三相交流电；所述N个定子绕组在空间均匀分布，其同相绕组之间的相位差为2π/N。
5.根据权利要求4所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在于，所述三相绕组采用Y型连接输出。
6.根据权利要求4所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在于，所述三相绕组采用△型连接输出。
7.根据权利要求4所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在于，所述N个变流器具有相同结构。
8.根据权利要求7所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在于，3条支路采用△型连接输出。
9.根据权利要求7所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在于，3条支路采用Y型连接输出。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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