CN114123217A - 半直驱直流风力发电机组及风电场 - Google Patents

半直驱直流风力发电机组及风电场 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种半直驱直流风力发电机组及风电场。所述半直驱直流风力发电机组包括：齿轮箱、发电机、机侧变压器、整流器、无功补偿装置、以及高压开关装置；发电机的输入端连接到齿轮箱，发电机的输出端经由连接点分别连接到机侧变压器的原边和无功补偿装置；机侧变压器的副边依次经由整流器和高压开关装置连接到所述半直驱直流风力发电机组的输出端，其中，所述无功补偿装置用于调节所述连接点处的电压。

Description

半直驱直流风力发电机组及风电场
技术领域
本公开总体说来涉及风电技术领域，更具体地讲，涉及一种半直驱直流风力发电机组及风电场。
背景技术
海上风电场正吸引越来越多的关注，高压直流电(HVDC)是远距离海上风电场输电的一个合适选择。现有海上升压站为交直升压站，风力发电机组输出交流电后经过升压变压器交流汇集，再经过大型变压器和海上升压站，施工难度大，且经济性差。
发明内容
本公开的示例性实施例在于提供一种半直驱直流风力发电机组及风电场，能够解决现有技术存在的海上风电场需要大型变压器和海上升压站等问题。
根据本公开的示例性实施例，提供一种半直驱直流风力发电机组，所述半直驱直流风力发电机组包括：齿轮箱、发电机、机侧变压器、整流器、无功补偿装置、以及高压开关装置；发电机的输入端连接到齿轮箱，发电机的输出端经由连接点分别连接到机侧变压器的原边和无功补偿装置；机侧变压器的副边依次经由整流器和高压开关装置连接到所述半直驱直流风力发电机组的输出端，其中，所述无功补偿装置用于调节所述连接点处的电压。
可选地，所述整流器包括至少一组二极管整流桥，每组二极管整流桥包括三个二极管整流桥，每组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第一连接端作为该组二极管整流桥的交流输入端，各组二极管整流桥的交流输入端连接到机侧变压器的副边；其中，当所述整流器包括多组二极管整流桥时，所述多组二极管整流桥依次串联。
可选地，所述机侧变压器包括n台移相变压器，每台移相变压器包括三台三绕组变压器，n为大于1的整数；所述n台移相变压器共用相同的公共原边，所述公共原边连接到所述机侧变压器的输入端，且按星型接法接地；每台移相变压器的副边采用延边三角形接法，并连接到整流器。
可选地，所述整流器包括n组二极管整流桥，所述n台移相变压器与所述n组二极管整流桥一一对应，每组二极管整流桥包括三个二极管整流桥；每台移相变压器的副边分别连接到与其对应的一组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第一连接端；第一组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第二连接端均连接到所述整流器的直流正输出端，第n组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第三连接端均连接到所述整流器的直流负输出端，第一组至第n-1组之中的每组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第三连接端连接到其下一组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第二连接端以使所述n组二极管整流桥依次串联。
可选地，所述机侧变压器包括三台三绕组变压器，所述三台三绕组变压器的原边连接到所述机侧变压器的输入端，且按星型接法接地；所述三台三绕组变压器的副边采用延边三角形接法，并连接到整流器。
可选地，所述整流器包括三个二极管整流桥，各个三绕组变压器的副边分别连接到各个二极管整流桥的第一连接端，各个二极管整流桥的第二连接端均连接到所述整流器的直流正输出端，各个二极管整流桥的第三连接端均连接到所述整流器的直流负输出端。
可选地，所述高压开关装置包括：第一开关装置、第二开关装置、以及第三开关装置；整流器的直流正输出端经由第一开关装置分别连接到第三开关装置的一个连接端和所述半直驱直流风力发电机组的直流正输出端，整流器的直流负输出端经由第二开关装置分别连接到第三开关装置的另一个连接端和所述半直驱直流风力发电机组的直流负输出端。
可选地，所述无功补偿装置为以下项之一：模块化多电平换流器、静止无功发生器、以及静止同步补偿器。
根据本公开的另一示例性实施例，提供一种风电场，所述风电场包括至少一个机组串，每个机组串的输出端连接到电网；每个机组串包括至少一台如上所述的半直驱直流风力发电机组。
可选地，所述风电场为海上风电场，其中，每个机组串的输出端经由海缆连接到岸上换流器，岸上换流器经由网侧变压器连接到电网。
可选地，所述岸上换流器为模块化多电平换流器，其中，所述模块化多电平换流器为全桥模块化多电平换流器、或全桥半桥混合模块化多电平换流器。
根据本公开示例性实施例的半直驱直流风力发电机组及风电场，机组造价低且***传输效率高，风电场不需要大型变压器和海上升压站。
将在接下来的描述中部分阐述本公开总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本公开总体构思的实施而得知。
附图说明
通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本公开示例性实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出根据本公开的示例性实施例的半直驱直流风力发电机组的结构示意图；
图2示出根据本公开的示例性实施例的MMC的结构示意图；
图3示出根据本公开的示例性实施例的STATCOM的结构示意图；
图4示出根据本公开的示例性实施例的SVG的结构示意图；
图5示出根据本公开的另一示例性实施例的半直驱直流风力发电机组的结构示意图；
图6和图7示出根据本公开的示例性实施例的移相变压器的结构示意图；
图8示出根据本公开的示例性实施例的机侧变压器和整流器的结构示意图；
图9示出根据本公开的另一示例性实施例的半直驱直流风力发电机组的结构示意图；
图10示出根据本公开的示例性实施例的风电场的结构示意图；
图11示出根据本公开的另一示例性实施例的风电场的结构示意图。
具体实施方式
现将详细参照本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本公开。
图1示出根据本公开的示例性实施例的半直驱直流风力发电机组的结构示意图。
如图1所示，根据本公开的示例性实施例的半直驱直流风力发电机组10包括：齿轮箱100、发电机200、机侧变压器300、整流器400、无功补偿装置500、以及高压开关装置600。应该理解，根据本公开的示例性实施例的半直驱直流风力发电机组10也可包括作为风力发电机组所需的其他部件，例如，叶轮，本公开对此不作限制。
发电机200的输入端连接到齿轮箱100，发电机200的输出端经由连接点分别连接到机侧变压器300的原边和无功补偿装置500；机侧变压器300的副边依次经由整流器400和高压开关装置600连接到半直驱直流风力发电机组10的输出端。
这里，所述连接点用于使发电机200的输出端在直接连接到机侧变压器300的同时还能够直接连接到无功补偿装置500。
无功补偿装置500用于调节所述连接点处的电压。作为示例，无功补偿装置500可调节所述连接点处的三相交流电压幅值和相位。作为示例，无功补偿装置500可通过向所述连接点处输出无功，来提升所述连接点处的电压(例如，在由于风速低而导致所述连接点处的电压低的情况)，使得发电机输出的有功功率经升压变压和整流(例如，不控整流)后能够经半直驱直流风力发电机组10的输出端被输送出去。根据本公开的示例性实施例，由于在机侧增加无功补偿装置而无需设置变流器，无功补偿装置因补偿无功所需的容量仅相当于背靠背变流器的1/4容量，且造价相较于全功率变流器便宜，降低了风力发电机组的造价。
作为示例，无功补偿装置500可为以下项之一：模块化多电平换流器MMC(例如，如图2所示，MMC包括多个子模块SM)、静止同步补偿器STATCOM(例如，如图3所示)、以及静止无功发生器SVG(例如，如图4所示)。应该理解，也可为其他类型的无功补偿装置，本公开对此不作限制。
作为示例，整流器400可包括多个二极管整流桥。作为示例，整流器400可包括至少一组二极管整流桥，每组二极管整流桥包括三个二极管整流桥，每组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第一连接端作为该组二极管整流桥的交流输入端，各组二极管整流桥的交流输入端连接到机侧变压器300的副边。作为示例，当整流器400包括多组二极管整流桥时，所述多组二极管整流桥可依次串联。根据本公开的示例性实施例，使用二极管整流桥而非IGBT来实现整流器400，使得导通关断损耗降低，能够提升***效率。
作为示例，发电机200可为永磁同步发电机。
图5示出根据本公开的另一示例性实施例的半直驱直流风力发电机组的结构示意图。
如图5所示，机侧变压器300可包括n台移相变压器，每台移相变压器包括三台三绕组变压器；所述n台移相变压器共用相同的公共原边(即，所述n台移相变压器的原边均为同一公共原边)，所述公共原边连接到所述机侧变压器300的输入端，且按星型接法接地；每台移相变压器的副边采用延边三角形接法，并连接到整流器400。n为大于1的整数，可根据风力发电机组输出的直流电压大小进行设置。
作为示例，移相变压器可为移相-θ的移相变压器(如图6所示)或移相+θ的移相变压器(如图7所示)。
图8示出根据本公开的示例性实施例的机侧变压器和整流器的结构示意图。
如图8所示，机侧变压器300可包括n台移相变压器，每台移相变压器包括三台三绕组变压器，每台三绕组变压器具有单个原边绕组W1和两个副边绕组W2和W3，虽然图8中示出每台移相变压器具有各自的原边，但值得注意的是，所述n台移相变压器共用同一原边，也即，所述n台移相变压器共用三个原边绕组W1。
整流器400可包括n组二极管整流桥，所述n台移相变压器与所述n组二极管整流桥一一对应，每组二极管整流桥包括三个二极管整流桥，且这三个二极管整流桥分别与三相交流电的各个相(即，a相、b相以及c相)一一对应。
每台移相变压器的副边分别连接到与其对应的一组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第一连接端(即，交流输入端)。具体说来，每台移相变压器中的各台三绕组变压器的副边分别与三相交流电的各个相(即，a相、b相以及c相)一一对应，即，基于所对应的三相交流电的相，每台移相变压器中的各台三绕组变压器的副边与对应的一组二极管整流桥中的各个二极管整流桥一一对应，相应地，每台三绕组变压器的副边连接到对应的二极管整流桥的第一连接端。
第一组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第二连接端均连接到整流器400的直流正输出端，第n组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第三连接端均连接到整流器400的直流负输出端，第一组至第n-1组之中的每组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第三连接端连接到其下一组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第二连接端以使所述n组二极管整流桥依次串联形成高压直流电。
如图8所示，每个二极管整流桥包括整流桥上桥和整流桥下桥，整流桥上桥和整流桥下桥分别包括m个串联连接的二极管，m为大于0的整数。
此外，在另一个实施例中，机侧变压器300可包括三台三绕组变压器，所述三台三绕组变压器的原边连接到机侧变压器300的输入端，且按星型接法接地；所述三台三绕组变压器的副边采用延边三角形接法，并连接到整流器400。作为示例，机侧变压器300可包括单台移相变压器，也可包括单台非移相变压器，即，该单台移相变压器或单台非移相变压器包括三台三绕组变压器。相应地，作为示例，整流器400可包括三个二极管整流桥，各个三绕组变压器的副边分别连接到各个二极管整流桥的第一连接端，各个二极管整流桥的第二连接端均连接到整流器400的直流正输出端，各个二极管整流桥的第三连接端均连接到整流器400的直流负输出端。
图9示出根据本公开的另一示例性实施例的半直驱直流风力发电机组的结构示意图。
如图9所示，高压开关装置600包括：第一开关装置S1+、第二开关装置S1-、以及第三开关装置S2。
整流器400的直流正输出端经由第一开关装置S1+分别连接到第三开关装置S2的一个连接端和半直驱直流风力发电机组10的直流正输出端，整流器400的直流负输出端经由第二开关装置S1-分别连接到第三开关装置S2的另一个连接端和半直驱直流风力发电机组10的直流负输出端。
图10示出根据本公开的示例性实施例的风电场的结构示意图。
如图10所示，根据本公开的示例性实施例的风电场包括至少一个机组串(图中仅作为示例示出x个机组串，x由***容量决定)，每个机组串的输出端连接到电网；每个机组串包括至少一台(图中仅作为示例示出k台)如上述示例性实施例所述的半直驱直流风力发电机组10。作为示例，每个机组串可由至少一台如上述示例性实施例所述的半直驱直流风力发电机组10级联构成，也即，至少一台半直驱直流风力发电机组10级联形成单串高压直流电。
图11示出根据本公开的另一示例性实施例的风电场的结构示意图。
如图11所示，所述风电场可为海上风电场，每个机组串的输出端经由海缆连接到岸上换流器20，岸上换流器20经由网侧变压器30连接到电网。
作为示例，岸上换流器20可为模块化多电平换流器。
作为示例，岸上换流器20可为全桥模块化多电平换流器、或全桥半桥混合模块化多电平换流器。
虽然已表示和描述了本公开的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (11)

1.一种半直驱直流风力发电机组，其特征在于，所述半直驱直流风力发电机组包括：齿轮箱、发电机、机侧变压器、整流器、无功补偿装置、以及高压开关装置；
发电机的输入端连接到齿轮箱，发电机的输出端经由连接点分别连接到机侧变压器的原边和无功补偿装置；
机侧变压器的副边依次经由整流器和高压开关装置连接到所述半直驱直流风力发电机组的输出端，
其中，所述无功补偿装置用于调节所述连接点处的电压。
2.根据权利要求1所述的半直驱直流风力发电机组，其特征在于，所述整流器包括至少一组二极管整流桥，每组二极管整流桥包括三个二极管整流桥，每组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第一连接端作为该组二极管整流桥的交流输入端，各组二极管整流桥的交流输入端连接到机侧变压器的副边；
其中，当所述整流器包括多组二极管整流桥时，所述多组二极管整流桥依次串联。
3.根据权利要求1所述的半直驱直流风力发电机组，其特征在于，所述机侧变压器包括n台移相变压器，每台移相变压器包括三台三绕组变压器，n为大于1的整数；
所述n台移相变压器共用相同的公共原边，所述公共原边连接到所述机侧变压器的输入端，且按星型接法接地；
每台移相变压器的副边采用延边三角形接法，并连接到整流器。
4.根据权利要求3所述的半直驱直流风力发电机组，其特征在于，所述整流器包括n组二极管整流桥，所述n台移相变压器与所述n组二极管整流桥一一对应，每组二极管整流桥包括三个二极管整流桥；
每台移相变压器的副边分别连接到与其对应的一组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第一连接端；
第一组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第二连接端均连接到所述整流器的直流正输出端，第n组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第三连接端均连接到所述整流器的直流负输出端，第一组至第n-1组之中的每组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第三连接端连接到其下一组二极管整流桥中的各个二极管整流桥的第二连接端以使所述n组二极管整流桥依次串联。
5.根据权利要求1所述的半直驱直流风力发电机组，其特征在于，所述机侧变压器包括三台三绕组变压器，所述三台三绕组变压器的原边连接到所述机侧变压器的输入端，且按星型接法接地；所述三台三绕组变压器的副边采用延边三角形接法，并连接到整流器。
6.根据权利要求5所述的半直驱直流风力发电机组，其特征在于，所述整流器包括三个二极管整流桥，各个三绕组变压器的副边分别连接到各个二极管整流桥的第一连接端，各个二极管整流桥的第二连接端均连接到所述整流器的直流正输出端，各个二极管整流桥的第三连接端均连接到所述整流器的直流负输出端。
7.根据权利要求1所述的半直驱直流风力发电机组，其特征在于，所述高压开关装置包括：第一开关装置、第二开关装置、以及第三开关装置；
整流器的直流正输出端经由第一开关装置分别连接到第三开关装置的一个连接端和所述半直驱直流风力发电机组的直流正输出端，整流器的直流负输出端经由第二开关装置分别连接到第三开关装置的另一个连接端和所述半直驱直流风力发电机组的直流负输出端。
8.根据权利要求1所述的半直驱直流风力发电机组，其特征在于，所述无功补偿装置为以下项之一：模块化多电平换流器、静止无功发生器、以及静止同步补偿器。
9.一种风电场，其特征在于，所述风电场包括至少一个机组串，每个机组串的输出端连接到电网；
每个机组串包括至少一台如权利要求1至8中的任一权利要求所述的半直驱直流风力发电机组。
10.根据权利要求9所述的风电场，其特征在于，所述风电场为海上风电场，
其中，每个机组串的输出端经由海缆连接到岸上换流器，岸上换流器经由网侧变压器连接到电网。
11.根据权利要求10所述的风电场，其特征在于，所述岸上换流器为模块化多电平换流器，
其中，所述模块化多电平换流器为全桥模块化多电平换流器、或全桥半桥混合模块化多电平换流器。
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