CN111431204A

CN111431204A - 风力发电设备

Info

Publication number: CN111431204A
Application number: CN201910024112.3A
Authority: CN
Inventors: 官二勇
Original assignee: ABB Beijing Drive Systems Co Ltd
Current assignee: ABB Beijing Drive Systems Co Ltd
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2020-07-17

Abstract

本公开的实施例涉及一种风力发电设备，包括：发电机；第一变流电路，包括第一发电机侧整流器、第一直流链路以及第一电网侧逆变器；第二变流电路，与第一变流电路并联连接并且包括第二发电机侧整流器、第二直流链路以及第二电网侧逆变器；以及三绕组变压器，包括第一初级绕组、第二初级绕组以及次级绕组，第一初级绕组被耦合至第一电网侧逆变器的三相交流输出，第二初级绕组被耦合至第二电网侧逆变器的三相交流输出，并且次级绕组被耦合至电网。在根据本公开的实施例中，可以通过三绕组变压器将由并联连接的第一变流电路和第二变流电路转换的交流电传送到电网中。以此方式，能够实现更高的功率等级，诸如8到12MW，例如10MW。

Description

风力发电设备

技术领域

本公开的实施例总体上涉及风力发电领域，更具体地，涉及一种风力发电设备。

背景技术

风能作为一种清洁、无污染的可再生能源越来越受到人们的关注，风力发电将成为21世纪最大规模开发的新能源之一。

常规的风力发电设备所能提供的功率等级是有限的，通常最高只能达到5至7兆瓦(MW)的范围。目前，已经提出了对于能够提供更高功率等级的风力发电设备的需求，诸如8到12MW，例如10MW。然而，常规的风力发电设备无法实现这样的高功率等级。

发明内容

本公开的目的是提供一种风力发电设备，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种风力发电设备，包括：发电机；第一变流电路，包括第一发电机侧整流器、第一直流链路以及第一电网侧逆变器，所述第一发电机侧整流器包括电耦合至所述发电机的三相交流输入，所述第一直流链路被耦合在所述第一发电机侧整流器与所述第一电网侧逆变器之间，所述第一电网侧逆变器包括三相交流输出；第二变流电路，与所述第一变流电路并联连接并且包括第二发电机侧整流器、第二直流链路以及第二电网侧逆变器，所述第二发电机侧整流器包括电耦合至所述发电机的三相交流输入，所述第二直流链路被耦合在所述第二发电机侧整流器与所述第二电网侧逆变器之间，所述第二电网侧逆变器包括三相交流输出；以及三绕组变压器，包括第一初级绕组、第二初级绕组以及次级绕组，所述第一初级绕组被耦合至所述第一电网侧逆变器的三相交流输出，所述第二初级绕组被耦合至所述第二电网侧逆变器的三相交流输出，并且所述次级绕组被耦合至电网。

在根据本公开的实施例中，可以通过三绕组变压器将由并联连接的第一变流电路和第二变流电路转换的交流电传送到电网中。以此方式，能够实现更高的功率等级，诸如8到12MW，例如10MW。

此外，通过在三绕组变压器的第一初级绕组与第二初级绕组之间产生一定的相移，可以用来消除一些谐波，因而无需在变流电路中设置电网侧滤波器。以此方式，既能够降低风力发电设备的成本，又能够提高风力发电设备的效率。

另外，利用三绕组变压器的短路阻抗能够提供足够大的限流等效阻抗，因而能够在电网侧逆变器短路的情况下对风力发电设备进行保护。而且，三绕组变压器还能将电网与变流电路隔离，从而避免对电网产生不期望的干扰。

在一个实施例中，所述第一初级绕组与所述第二初级绕组相差大致30°的电角度。在这样的实施例中，由第一变流电路和第二变流电路输出的交流电流的5次、7次、17次、19次等谐波在通过三绕组变压器后，能够通过谐波对消原理而被消除。

在一个实施例中，所述第一初级绕组和所述第二初级绕组中的一个初级绕组是星型接法，并且所述第一初级绕组和所述第二初级绕组中的另一个初级绕组是角型接法。通过上述接法，能够容易地实现第一初级绕组与第二初级绕组之间相差大致30°的电角度，并且这样的三绕组变压器的成本较低。

在一个实施例中，所述第一初级绕组和所述第二初级绕组均为Z型接法。在这样的实施例中，可以在确保第一初级绕组和第二初级绕组之间相差大致30°的电角度的情况下，根据需要任意地设置它们的相位角。

在一个实施例中，所述次级绕组为星型接法、角型接法或Z型接法。在这样的实施例中，次级绕组可以采用各种类型的接法，形式灵活多样。

在一个实施例中，所述三绕组变压器包括第一双绕组变压器部分和第二双绕组变压器部分，所述第一双绕组变压器部分的初级绕组被形成为所述第一初级绕组，所述第二双绕组变压器部分的初级绕组被形成为所述第二初级绕组，并且所述第一双绕组变压器部分的三相次级绕组分别与所述第二双绕组变压器部分的三相次级绕组串联连接以形成所述次级绕组。在这样的实施例中，可以容易地采用两个双绕组变压器部分来组合形成三绕组变压器，这可以通过改造常规的风力发电设备来完成，因而在功能上很容易实现。

在一个实施例中，所述发电机包括两组单独的绕组，所述第一发电机侧整流器和所述第二发电机侧整流器的三相交流输入分别电耦合至所述两组单独的绕组。在这样的实施例中，可以通过在单个发电机中提供两组单独的绕组来分别为第一变流电路和第二变流电路提供功率。

在一个实施例中，所述发电机包括一组绕组，所述第一发电机侧整流器和所述第二发电机侧整流器的三相交流输入均电耦合至所述一组绕组。在这样的实施例中，可以通过一组绕组同时为第一变流电路和第二变流电路提供功率。

在一个实施例中，所述发电机包括分别电耦合至所述第一发电机侧整流器和所述第二发电机侧整流器的三相交流输入的两个单绕组发电机。在这样的实施例中，可以通过两个单绕组发电机来分别为第一变流电路和第二变流电路提供功率。

在一个实施例中，所述第一变流电路还包括第一发电机侧滤波器，所述第一发电机侧滤波器被耦合在所述发电机与所述第一发电机侧整流器的三相交流输入之间，并且所述第二变流电路还包括第二发电机侧滤波器，所述第二发电机侧滤波器被耦合在所述发电机与所述第二发电机侧整流器的三相交流输入之间。在这样的实施例中，发电机侧滤波器能够滤除由发电机所产生的交流电中的高频成分，诸如毛刺、尖峰等。

在一个实施例中，所述第一发电机侧整流器和所述第二发电机侧整流器分别为三相三电平整流器，并且所述第一电网侧逆变器和所述第二电网侧逆变器分别为三相三电平逆变器。在这样的实施例中，能够利用三相三电平整流器和三相三电平逆变器以很高的转换效率来提供恒频、恒幅值的电压。

在一个实施例中，所述第一变流电路与所述第二变流电路具有相同的结构。在这样的实施例中，第一变流电路和第二变流电路能够稳定地输出恒频、恒幅值的电压。

提供发明内容部分是为了简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开内容的关键特征或主要特征，也无意限制本公开内容的范围。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开的实施例的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例而非限制性的方式示出了本公开的若干实施例，其中：

图1示出了常规的风力发电设备的电路原理图；

图2示出了根据本公开的实施例的风力发电设备的电路原理图；

图3示出了根据本公开的一个实施例的三绕组变压器；

图4示出了图3所示的三绕组变压器的示例性接线方式；

图5示出了根据本公开的另一实施例的三绕组变压器；

图6示出了图5所示的三绕组变压器的示例性接线方式；以及

图7A至图7C示出了根据本公开的实施例的发电机的三种示例性实现方式。

在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。

在下文中将参考附图结合示例性实施例来详细描述本公开的原理。

图1示出了常规的风力发电设备1000的电路原理图。如图1所示，风力发电设备1000总体上包括风车10、发电机9、变流电路7以及双绕组变压器8。

风车10可以在风的推动下转动。当风车10转动时，发电机9能够感应产生交流电。由于风车10的转动速度会随风速的大小而变化，因此发电机9所产生的交流电的大小和频率也是变化的。变流电路7可以用来将发电机9所产生的交流电转化成具有恒频、恒幅值的电压的交流电，以便提供给电网4。

变流电路7可以包括发电机侧滤波器704、发电机侧整流器701、直流链路702、电网侧逆变器703以及电网侧滤波器705。发电机侧滤波器704能够滤除由发电机9所产生的交流电中的高频成分，诸如毛刺、尖峰等。发电机侧整流器701能够把经滤波的交流电转变为直流电，并对直流链路702中的电容器进行充电。电网侧逆变器703能够将直流电逆变为具有恒频、恒幅值的电压的交流电。在经电网侧滤波器705滤波之后，可以采用双绕组变压器8来将交流电耦合到电网4中。

常规的风力发电设备1000的变流电路7的输出处能够提供3kV的电压等级，并且变流电路7中所采用的晶体管的工作电压通常为4500V。在这种情况下，风力发电设备1000所能向电网4提供的功率等级最大只能达到7MW。为了实现更高的功率等级(诸如8MW到12MW，例如10MW)，一种可行的方式是在发电机9与电网4之间再并联一条与变流电路7和双绕组变压器8相同的支路。然而，这种方式会使得风力发电设备1000的成本基本上翻倍，并且其效率也会有所降低。

图2示出了根据本公开的实施例的风力发电设备100的电路原理图。如图2所示，总体上，在此描述的风力发电设备100包括发电机9、第一变流电路1、第二变流电路2以及三绕组变压器3。

在一个实施例中，如图2所示，第一变流电路1包括第一发电机侧整流器101、第一直流链路102以及第一电网侧逆变器103。第一发电机侧整流器101包括电耦合至发电机9的三相交流输入。由发电机9所产生的交流电可以经由该三相交流输入而被提供给第一发电机侧整流器101。第一发电机侧整流器101能够把交流电转变为直流电。第一直流链路102被耦合在第一发电机侧整流器101与第一电网侧逆变器103之间。由第一发电机侧整流器101产生的直流电能够对直流链路102中的电容器进行充电。第一电网侧逆变器103能够将直流电逆变为具有恒频、恒幅值的电压的交流电，并且经由三相交流输出被提供给三绕组变压器3。

第二变流电路2与第一变流电路1并联连接并且可以具有类似的结构。例如，第二变流电路2可以包括第二发电机侧整流器201、第二直流链路202以及第二电网侧逆变器203。第二发电机侧整流器201包括电耦合至发电机9的三相交流输入。第二直流链路202被耦合在第二发电机侧整流器201与第二电网侧逆变器203之间。第二电网侧逆变器203包括三相交流输出。

三绕组变压器3包括第一初级绕组N2、第二初级绕组N3以及次级绕组N1。第一初级绕组N2被耦合至第一电网侧逆变器103的三相交流输出，以接收由第一变流电路1输出的交流电。第二初级绕组N3被耦合至第二电网侧逆变器203的三相交流输出，以接收由第二变流电路2输出的交流电。次级绕组N1被耦合至电网4。通过电磁感应，三绕组变压器3可以将由第一变流电路1和第二变流电路2输出的交流电转换成符合电网4的要求的具有恒频、恒幅值的电压的交流电，并且提供给电网4。

在根据本公开的实施例中，可以通过三绕组变压器3将由并联连接的第一变流电路1和第二变流电路2转换的交流电传送到电网4中。以此方式，能够实现更高的功率等级，诸如8到12MW，例如10MW。

此外，通过在三绕组变压器3的第一初级绕组N2与第二初级绕组N3之间产生一定的相移，可以用来消除一些谐波，因而无需在变流电路100中设置如图1中所示的电网侧滤波器705。以此方式，既能够降低风力发电设备100的成本，又能够提高风力发电设备100的效率。

另外，利用三绕组变压器3的短路阻抗能够提供足够大的限流等效阻抗，因而能够在电网侧逆变器103或203短路的情况下对风力发电设备100进行保护。而且，三绕组变压器3还能将电网4与变流电路1和2隔离，从而避免对电网4产生不期望的干扰。

在一个实施例中，如图2所示，第一变流电路1还包括第一发电机侧滤波器104。第一发电机侧滤波器104被耦合在发电机9与第一发电机侧整流器101的三相交流输入之间。类似地，第二变流电路2还包括第二发电机侧滤波器204。第二发电机侧滤波器204被耦合在发电机9与第二发电机侧整流器201的三相交流输入之间。在这样的实施例中，发电机侧滤波器104和204能够滤除由发电机9所产生的交流电中的高频成分，诸如毛刺、尖峰等。

在一个实施例中，如图2所示，第一发电机侧整流器101和第二发电机侧整流器201分别为三相三电平整流器，并且第一电网侧逆变器103和第二电网侧逆变器203分别为三相三电平逆变器。在这样的实施例中，能够利用三相三电平整流器和三相三电平逆变器以很高的转换效率来提供恒频、恒幅值的电压。

在其它实施例中，第一发电机侧整流器101和第二发电机侧整流器201还可以为其他类型，例如三相双电平整流器。类似地，第一电网侧逆变器103和第二电网侧逆变器203可以为三相双电平逆变器。本领域技术人员理解，整流器101和201以及逆变器103和逆变器203可以采用其他已知或未来可用的结构，本公开的范围在此方面不受限制。

在一个实施例中，第一变流电路1与第二变流电路2具有相同的结构，从而稳定地输出具有恒频、恒幅值的电压的交流电。在其他实施例中，第一变流电路1与第二变流电路2也可以具有不同的结构，本公开的范围在此方面不受限制。

在一个实施例中，如图3和图4所示，三绕组变压器3的第一初级绕组N2是星型接法，第二初级绕组N3是角型接法，并且第二初级绕组N3接到C相。以此方式，第一初级绕组N2可以具有0°的相位角，而第二初级绕组N3可以具有30°的相位角。因而，可以使得第一初级绕组N2与第二初级绕组N3相差大致30°的电角度。利用这样的布置，三绕组变压器3可以消除一些谐波。下面将具体描述采用三绕组变压器3来消除谐波的原理。

三绕组变压器3的次级侧电流(对于相A，电流i_A)可以分成两部分，分别是正序谐波和负序谐波，它们与初级侧电流(i_a和

)分别相差0°和30°的相位角δ。

假设初级侧电流i_a和

为：

其中

为n次谐波电流的幅值，ω为频率，t为时间。

下面，将由等式(1)表示的初级侧电流转换为次级侧电流i′_a和

即为：

其中Kv是三绕组变压器3的变比。

因此，根据等式(2)，对于相A，次级侧电流i_A为：

可以看出，在三绕组变压器3的次级侧电流的谐波中，只剩下12n±1(n＝1,2,3…)次特征谐波，而5次、7次、17次、19次等谐波通过三绕组变压器3后，完全实现了利用谐波对消原理而被消除。

因此，在第一变流电路1和第二变流电路2的输出电流相差大约30°的电角度的情况下，可以很大程度地消除谐波。与相A类似，相B和相C的一些谐波电流也可以利用上述谐波对消原理而被消除。

在另一实施例中，不同于图4所示的三绕组变压器3，第二初级绕组N3可以接到B相。以此方式，第一初级绕组N2可以具有0°的相位角，而第二初级绕组N3可以具有-30°的相位角。因而，同样可以使得第一初级绕组N2与第二初级绕组N3相差大致30°的电角度。在其他实施例中，第一初级绕组N2和第二初级绕组N3可以均为Z型接法。利用Z型接法，可以在确保第一初级绕组N2和第二初级绕组N3之间相差大致30°的电角度的情况下，根据需要任意地设置它们的相位角。

在一个实施例中，如图3所示，次级绕组N1可以为星型接法或角型接法。在其他实施例中，次级绕组N1可以为其他类型的接法，例如Z型接法。实际上，次级绕组N1可以采用各种类型的接法，本公开的范围在此方面不受限制。

图5示出了根据本公开的另一实施例的三绕组变压器3，并且图6示出了图5所示的三绕组变压器3的示例性接线方式。如图5和图6所示，三绕组变压器3包括第一双绕组变压器部分301和第二双绕组变压器部分302。第一双绕组变压器部分301的初级绕组3011被形成为第一初级绕组N2。第二双绕组变压器部分302的初级绕组3021被形成为第二初级绕组N3。第一双绕组变压器部分301的三相次级绕组3012分别与第二双绕组变压器部分302的三相次级绕组3022串联连接以形成星型接法的次级绕组N1。在这样的实施例中，可以容易地采用两个双绕组变压器部分301和302来组合形成三绕组变压器3，这可以通过改造常规的风力发电设备来完成，因而在功能上很容易实现。

图7A至图7C示出了根据本公开的实施例的发电机9的三种示例性实现方式。

在一个实施例中，如图7A所示，发电机9包括两组单独的绕组。第一发电机侧整流器101和第二发电机侧整流器201的三相交流输入分别电耦合至两组单独的绕组。在一个实施例中，如图7B所示，发电机9包括一组绕组。第一发电机侧整流器101和第二发电机侧整流器201的三相交流输入均电耦合至该组绕组。在一个实施例中，如图7C所示，发电机9包括分别电耦合至第一发电机侧整流器101和第二发电机侧整流器201的三相交流输入的两个单绕组发电机。在其他实施例中，发电机9还可以以其他方式向第一发电机侧整流器101和第二发电机侧整流器201提供交流电，本公开在此方面不受限制。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims

1.一种风力发电设备(100)，包括：

发电机(9)；

第一变流电路(1)，包括第一发电机侧整流器(101)、第一直流链路(102)以及第一电网侧逆变器(103)，所述第一发电机侧整流器(101)包括电耦合至所述发电机(9)的三相交流输入，所述第一直流链路(102)被耦合在所述第一发电机侧整流器(101)与所述第一电网侧逆变器(103)之间，所述第一电网侧逆变器(103)包括三相交流输出；

第二变流电路(2)，与所述第一变流电路(1)并联连接并且包括第二发电机侧整流器(201)、第二直流链路(202)以及第二电网侧逆变器(203)，所述第二发电机侧整流器(201)包括电耦合至所述发电机(9)的三相交流输入，所述第二直流链路(202)被耦合在所述第二发电机侧整流器(201)与所述第二电网侧逆变器(203)之间，所述第二电网侧逆变器(203)包括三相交流输出；以及

三绕组变压器(3)，包括第一初级绕组(N2)、第二初级绕组(N3)以及次级绕组(N1)，所述第一初级绕组(N2)被耦合至所述第一电网侧逆变器(103)的三相交流输出，所述第二初级绕组(N3)被耦合至所述第二电网侧逆变器(203)的三相交流输出，并且所述次级绕组(N1)被耦合至电网(4)。

2.根据权利要求1所述的风力发电设备(100)，其中所述第一初级绕组(N2)与所述第二初级绕组(N3)相差大致30°的电角度。

3.根据权利要求2所述的风力发电设备(100)，其中所述第一初级绕组(N2)和所述第二初级绕组(N3)中的一个初级绕组是星型接法，并且所述第一初级绕组(N2)和所述第二初级绕组(N3)中的另一个初级绕组是角型接法。

4.根据权利要求2所述的风力发电设备(100)，其中所述第一初级绕组(N2)和所述第二初级绕组(N3)均为Z型接法。

5.根据权利要求2所述的风力发电设备(100)，其中所述次级绕组(N1)为星型接法、角型接法或Z型接法。

6.根据权利要求1所述的风力发电设备(100)，其中所述三绕组变压器(3)包括第一双绕组变压器部分(301)和第二双绕组变压器部分(302)，所述第一双绕组变压器部分(301)的初级绕组(3011)被形成为所述第一初级绕组(N2)，所述第二双绕组变压器部分(302)的初级绕组(3021)被形成为所述第二初级绕组(N3)，并且所述第一双绕组变压器部分(301)的三相次级绕组(3012)分别与所述第二双绕组变压器部分(302)的三相次级绕组(3022)串联连接以形成所述次级绕组(N1)。

7.根据权利要求1所述的风力发电设备(100)，其中所述发电机(9)包括两组单独的绕组，所述第一发电机侧整流器(101)和所述第二发电机侧整流器(201)的三相交流输入分别电耦合至所述两组单独的绕组。

8.根据权利要求1所述的风力发电设备(100)，其中所述发电机(9)包括一组绕组，所述第一发电机侧整流器(101)和所述第二发电机侧整流器(201)的三相交流输入均电耦合至所述一组绕组。

9.根据权利要求1所述的风力发电设备(100)，其中所述发电机(9)包括分别电耦合至所述第一发电机侧整流器(101)和所述第二发电机侧整流器(201)的三相交流输入的两个单绕组发电机。

10.根据权利要求1所述的风力发电设备(100)，其中所述第一变流电路(1)还包括第一发电机侧滤波器(104)，所述第一发电机侧滤波器(104)被耦合在所述发电机(9)与所述第一发电机侧整流器(101)的三相交流输入之间，并且所述第二变流电路(2)还包括第二发电机侧滤波器(204)，所述第二发电机侧滤波器(204)被耦合在所述发电机(9)与所述第二发电机侧整流器(201)的三相交流输入之间。

11.根据权利要求1所述的风力发电设备(100)，其中所述第一发电机侧整流器(101)和所述第二发电机侧整流器(201)分别为三相三电平整流器，并且所述第一电网侧逆变器(103)和所述第二电网侧逆变器(203)分别为三相三电平逆变器。

12.根据权利要求1所述的风力发电设备(100)，其中所述第一变流电路(1)与所述第二变流电路(2)具有相同的结构。