CN201606193U - 风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有谐波滤波器的风力涡轮机，该风力涡轮机包括：发电机；连接在所述发电机的转子和电网变压器之间的变换器，所述变换器包括整流器和电网逆变器；电网逆变器滤波器，连接于所述变换器和电网变压器之间，用于过滤从电网逆变器进入电网的谐波；以及定子滤波器，设置于发电机的定子和电网变压器之间，用于过滤从定子进入电网的谐波。本实用新型可以有效地将变换器产生的谐波限制在标准允许的范围内。

Description

风力涡轮机

技术领域

本实用新型涉及风力发电***的辅助设备技术领域，具体地，涉及一种具有谐波滤波器的风力涡轮机。

背景技术

风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，具有占地少、无污染、建设周期短、装机规模灵活等优点，因此受到了世界各国的重视。风力涡轮机是将能转变为电能的能量转换装置，其中变速恒频风力涡轮机是近年来发展起来的一种新型涡轮机。变速恒频风力涡轮机允许发电机的转速根据风速的变化而变化。通过改变发电机的转速，可以在很大的风速范围内优化能量的转换效率。在变速恒频风力涡轮机中，有一种类型为具有双馈感应发电机(double fed induction generator，DFIG)的双馈感应式风力涡轮机，其风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动，是一种比较先进的风力涡轮机。双馈感应式风力涡轮机中发电机的定子绕组连接电网，转子绕组由具有可调节的三相电源激励，一般采用交流-交流变换器或交流-直流-交流变换器供电。双馈感应发电机可以在不同转速下运行，其转速随风速的变化可作适当的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，以提高风能的利用率。当发电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不仅能保持输出的电压和频率不变，而且还能调节发电机的功率因数。

当前变速恒频风力涡轮机的变换器采用的功率开关器件多是IGBT(绝缘三双极型功率管)，可以实现很高的开关频率，一般开关频率为2kHz～15kHz。然而功率开关器件的高开通关断频率却会产生高次谐波(即开关谐波)，注入到电网中，产生谐波污染，这将对电网上的其他电磁敏感的设备产生干扰。为了使电能质量达到国家或组织(如德国电力工业协会VDEW)规定的标准，就需要在电网和变换器之间接上谐波滤波器。图1为现有的一种双馈感应式风力涡轮机的示意图。图1中，连接转子绕组100和电网变压器120之间的变换器包括两个背靠背PWM变换器，分别为发电机侧变换器(本文也称为发电机侧整流器、转子逆变器)142和电网侧变换器(本文也称为电网逆变器)143，发电机侧变换器和电网侧变换器之间通过一个直流链电容(DC link Capacitor)连接。当能量沿着从电网到转子绕组的方向来激励发电机时，发电机侧整流器用作逆变器，电网侧逆变器则用作整流器。所述风力涡轮机还设置有风力涡轮机控制器(未示出)，连接变换器和其他部件，用于控制各部件的运行。变换器机箱140内的EMC滤波器141设置在发电机和变换器之间，用于抑制转子绕组上出现的电压尖峰和快速瞬变电压，有效延缓电机的绕组老化。在变换器和电网变压器之间连接的电网逆变器滤波器144为一个简单的LC滤波器或C滤波器，用于过滤发电机和变换器产生的谐波。针对图1所示的电路，通过在公共耦合点(PCC)进行的谐波电流发射测量发现：当图1的结构用于风力涡轮机组时，由于在风力涡轮机组中各个风力涡轮机之间的转子谐波和开关谐波是不同步的，在PCC没有发现明显的转子谐波和开关谐波，因而能够满足各种谐波限制标准。但当图1中的结构用于单个风力涡轮机时，在PCC发现了明显的2.5kHz转子逆变器开关谐波、5kHz电网逆变器开关谐波及7.5kHz的开关谐波，并且其幅度能够超过VDEW的参考限值，因此图1的结构并不能有效的过滤变换器开关频率产生的谐波，因此如何使单风力涡轮机产生的谐波处于可接受的水平，是一个有待解决的问题。

实用新型内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种风力涡轮机，以使风力涡轮机的谐波保持在可接受的水平。

根据本实用新型的一方面，本实用新型提供一种风力涡轮机，包括：发电机；连接在所述发电机的转子和电网变压器之间的变换器，所述变换器包括整流器和电网逆变器；电网逆变器滤波器，连接于所述变换器和电网变压器之间，用于过滤从电网逆变器进入电网的谐波；以及定子滤波器，设置于发电机的定子和电网变压器之间，用于过滤从定子进入电网的谐波。

优选地，所述电网逆变器滤波器包括：调谐LC滤波器，用于抑制与所述变压器和上述定子滤波器产生的谐振；以及基本滤波器，用于过滤开关谐波和开关频率的倍数对应的谐波。

优选地，所述电网逆变滤波器还包括：短路保护电路。

优选地，所述短路保护短路包括：与所述电网逆变器滤波器串联的保险丝和与所述保险丝并联的继电器控制开关。

优选地，所述电网逆变滤波器还包括：过载保护电路。

优选地，所述过载保护电路包括：与所述电网逆变器滤波器的电感线圈或电容串联设置的温度继电器。

优选地，所述过载保护电路包括：温度测量单元，用于测量所述电网逆变器滤波器的电感线圈或电容器的温度；以及控制开关，该控制开关与所述电网逆变器滤波器串联设置，并连接所述温度测量单元，用于根据所述温度测量单元的温度值控制所述电网逆变器滤波器的开启与关闭。

优选地，所述定子滤波器包括：至少一个调谐LC滤波器，用于过滤开关频率对应的谐波；以及基础滤波器，用于过滤开关频率的倍数对应的谐波。

优选地，所述定子滤波器还包括：短路保护电路。

优选地，所述短路保护短路包括：与所述定子滤波器串联的保险丝和与所述保险丝并联的继电器控制开关。

优选地，所述定子滤波器还包括：过载保护电路。

优选地，所述过载保护电路包括：与所述定子滤波器的电感线圈或电容串联设置的温度继电器。

优选地，所述过载保护电路包括：温度测量单元，用于测量所述定子滤波器的电感线圈或电容的温度；以及控制开关，该控制开关与所述定子滤波器串联设置，并连接所述温度测量单元，用于根据所述温度测量单元的温度值控制所述定子滤波器的开启与关闭。

根据本实用新型提供的设置有电网逆变器滤波器和定子滤波器的风力涡轮机，可以有效地将变换器产生的谐波限制在标准允许的范围内。

为了实现前述和相关目的，本实用新型包括此后充分描述并且在权利要求中具体指出的特征。以下描述和附图详细地阐述了本实用新型的特定示例性实施方式。然而，这些实施方式仅仅表示可以使用本实用新型的原理各种方式中的几个。根据本实用新型的结合附图所考虑的以下详细描述，本实用新型的其他目的、优点和新颖特征将变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中，相同或相对应的技术特征或部件将采用相同或相对应的附图标记来表示。

图1示出了现有的具有电网逆变器滤波器的风力涡轮机结构示意图；

图2示出了本实用新型一实施方式中风力涡轮机的结构示意图；

图3示出了本实用新型一实施方式中电网逆变器滤波器的一个等效电路示意图；

图4示出了本实用新型一实施方式中定子滤波器的一个等效电路示意图；

图5示出了本实用新型另一实施方式中电网逆变器滤波器的一个等效电路示意图；

图6示出了本实用新型另一实施方式中定子滤波器的一个等效电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的设备结构，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

针对图1所示的风力涡轮机结构，用于风力涡轮机组时，由于风力涡轮机组的各风力涡轮机中的开关谐波是不同步的，因此开关谐波并不与风力涡轮机的数目成比例，因此滤波器可以满足对谐波的过滤要求，但在用于单风力涡轮机时，却仍然存在超出了可接受标准的谐波。

因此，本实用新型实施例提供了一种风力涡轮机的过滤技术，以解决现有技术中存在的问题。

在本实用新型的一实施方式中，如图2所示，在风力涡轮机中不仅设置了电网逆变器滤波器144，还在定子和电网变压器之间连接了一个定子滤波器130，以进一步过滤从定子进入电网的谐波。图2中电网逆变器滤波器例如可设置在靠近低压变压器的风力涡轮机变换器的机箱140中，定子滤波器130例如可设置在靠近母线的位置。

图3示出了本实用新型一实施方式中电网逆变器滤波器的一个等效电路示意图。在图3中，左边和右边的虚框分别表示电网逆变器和MV电网。其中，Zgen为发电机侧电感，Xtr为变压器漏电感，Zgrid为电网漏电感。电网逆变器过滤器包括2部分：至少一个调谐LC滤波器和至少一个基础滤波器(base filter)，如C滤波器。所述至少一个调谐LC滤波器和至少一个基础滤波器并联连接。

其中，所述调谐LC滤波器可以用于抑制5kHz的开关频率对应的谐波，同时，还用于抑制与变压器的漏电感、MV电网电感以及与定子滤波器谐振产生的谐波，即用于抑制与变压器、电网和定子滤波器的谐振。所述调谐LC滤波器中电感和电容的值可以调节以得到想要的调谐频率值。例如，如果在调谐LC滤波器中使用86μH的电感线圈，同时使用55.8μF的电容器，则根据如下公式可得到谐振频率为1326Hz：

$f_{\mathrm{Resonance}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

其中C＝3×55.8＝167.4μF。在此列举的数据仅为举例，并非用于限制本实用新型。

所述基础滤波器用于过滤开关谐波，即滤波的频率为开关频率及开关频率的倍数。具体地，所述基础滤波器可以衰减5kHz以及高于5kHz的频率上的谐波。

现有的电网逆变器滤波器单独集中于电网逆变器，大多是与变压器和中压(MV)电网电感谐振的大的C滤波器。而在本实用新型的一个实施方式中，所述电网逆变器滤波器不仅包括C滤波器，还包括调谐LC滤波器，因此电网逆变器滤波器不仅用于过滤开关谐波，还用于抑制滤波器电容与电网变压器的漏电感、MV电网电感以及与定子滤波器形成的谐振。

并且，在图3所示的电网逆变器滤波器等效电路中，利用了MV变压器的漏电感Xtr，基础滤波器和Zgen(例如为400μH)及Xtr实际上构成了一个LCL滤波器电路，用于过滤开关谐波。

在本实用新型的一个实施方式中，定子滤波器的等效电路示意图如在图4中所示。在图4中，左边和右边的虚框分别表示转子逆变器和MV电网。其中，Zgen为发电机侧电感，Xtr为变压器漏电感，Zgrid为电网漏电感。定子滤波器例如可包括3部分：第一调谐LC滤波器、第二调谐LC滤波器以及基础滤波器(如C滤波器)。

其中，所述第一调谐LC滤波器用于过滤第一开关谐波，例如2.5kHz的开关频率对应的开关谐波。在图4的第一调谐LC滤波器中，例如可使用86μH的电感线圈，以及48.7μF的电容器。在此列举的数据仅为举例，并非用于限制本实用新型。

所述第二调谐LC滤波器用于过滤第二开关谐波，例如5kHz的开关频率对应的开关谐波。在图4的第二调谐LC滤波器中，例如可使用13.5μH的电感线圈，以及75μF的电容器。在此列举的数据仅为举例，并非用于限制本实用新型。

所述基础滤波器用于过滤频率为开关频率的倍数的谐波。在图3所示的基础滤波器中，使用的电容器的电容例如为95.6μF，在此，数据仅为举例，并非用于限制本实用新型。

经过仿真测试，具有如图3和图4的滤波器结构的风力涡轮机可以有效地将发电机和变换器产生的谐波限制在标准允许的范围内。

图5示出了本实用新型另一实施方式中，风力涡轮机的包含的电网逆变器滤波器部分的等效电路示意图。本实施方式中，所述电网逆变器滤波器还设置有短路保护电路1、控制开关2和过载保护电路8。图5中，标记3、4、6表示滤波器的电容，5表示滤波器的电感。

所述控制开关2用于控制滤波器的开启及关闭。在滤波器未开启时，发电机和变换器不能运行，否则就会因为谐波污染而给电网带来安全隐患，所以本实施方式中所述控制开关还可连接风力涡轮机控制器，以由风力涡轮机控制器通过所述控制开关监视滤波器的运行从而控制发电机及变换器等装置的运行。

所述过载保护电路8包括：温度测量单元(如温度传感器或热电偶等)，用于测量电网逆变器滤波器的一个或多个感应线圈或电容的温度，以及控制开关，用于根据所述温度测量单元测量的温度控制电网逆变器滤波器的运行(开启与关闭)，电感线圈允许最高温度例如为180℃，可以设定临界温度为170℃。由于有可能存在来自发电机或变换器的具有类似于谐振电路的频率的外部来源使谐振电路过载，因此需要对滤波器设置过载保护。例如，如果温度测量单元检测到感应线圈的温度达到或超过170℃，则可向控制开关和风力涡轮机控制器发送关闭信号，所述控制开关可根据接收的关闭信号立即切断或在预定时间间隔(如500ms)切断网逆变器滤波器，风力涡轮机控制器也可根据接收的信号关闭发电机和变换器。在此，所述最高温度值和温度临界值进仅为示例，可以根据实际需要而选择其它的值。如果电网逆变器滤波器的一个或多个感应线圈或电容的温度下降了一定温度(如10℃)后，所述温度测量单元可以向所述控制开关和风力涡轮机控制器发送开启信号，控制开关和风力涡轮机控制器可分别进行滤波器和变换器等的开启。优选地，所述温度测量单元可以和所述控制开关设置在一起，例如是与滤波器的感应线圈串联的温度继电器。

所述短路保护电路1包括串联在电网逆变器线路上的保险丝，例如100A gG保险丝。该保险丝例如可通过与保险丝并联的过载继电器进行监视。所述继电器可连接风力涡轮机控制器，在保险丝有缺陷、熔断或即将熔断的情况下，继电器就会反馈信号至风力涡轮机控制器，并立即或在预定时间间隔内跳闸，风力涡轮机控制器会根据接收的反馈信号关闭发电机和变换器。

在本实用新型的一实施方式中，所述过载保护电路开关(如过载继电器)和短路保护开关(如温度继电器)都由风力涡轮机控制器进行监视，以根据过载保护开关和短路保护开关的状态来控制风力涡轮机的运行。

在本实用新型另一个实施方式中，所述风力涡轮机控制器中还设置有报警器或指示器，用于根据过载保护电路开关和短路保护开关的状态来进行报警或指示，以提示管理者及时进行故障的排除。

图6示出了本实用新型另一实施方式中，定子滤波器的等效电路示意图。如图6所示，定子滤波器电路中除了调谐LC滤波器(图6中一个调谐LC滤波器包括电感50和电容30，另一个调谐LC滤波器包括电感70和电容40)和C滤波器60外，还设置有控制开关20、短路保护电路10和过载保护电路80、90。

所述控制开关20用于控制滤波器的开启及关闭。在滤波器未开启时，发电机和变换器不能运行，否则就会因为谐波污染而给电网带来安全隐患，所以本实施方式中所述控制开关还可连接风力涡轮机控制器，以由风力涡轮机控制器通过所述控制开关监视滤波器的运行从而控制发电机及变换器等装置的运行。

所述过载保护电路80、90可分别包括：温度测量单元(如温度传感器或热电偶等)，用于测量定子滤波器的一个或多个感应线圈或电容的温度，以及控制开关，用于根据所述温度测量单元测量的温度控制定子滤波器的运行(开启与关闭)，电感线圈允许最高温度例如为180℃，可以设定临界温度为170℃。由于有可能存在来自发电机或变换器的具有类似于谐振电路的频率的外部来源使谐振电路过载，因此需要对滤波器设置过载保护。例如，如果温度测量单元检测到感应线圈的温度达到或超过170℃，则可向控制开关和风力涡轮机控制器发送关闭信号，所述控制开关可根据接收的关闭信号立即切断或在预定时间间隔(如500ms)切断网逆变器滤波器，风力涡轮机控制器也可根据接收的信号关闭发电机和变换器。在此，所述最高温度值和温度临界值进仅为示例，可以根据实际需要而选择其它的值。如果定子滤波器的一个或多个感应线圈或电容的温度下降了一定温度(如10℃)后，所述温度测量单元可以向所述控制开关和风力涡轮机控制器发送开启信号，控制开关和风力涡轮机控制器可分别进行滤波器和变换器等的开启。优选地，所述温度测量单元可以和所述控制开关设置在一起，例如是与滤波器的感应线圈串联的温度继电器。

所述短路保护电路10包括串联在定子线路上的保险丝，例如100A gG保险丝。该保险丝例如可通过与保险丝并联的过载继电器进行监视。所述继电器可连接风力涡轮机控制器，在保险丝有缺陷、熔断或即将熔断的情况下，继电器就会反馈信号至风力涡轮机控制器，并立即或在预定时间间隔内跳闸，风力涡轮机控制器会根据接收的反馈信号关闭发电机和变换器。另选地，保险丝的状态也可以通过其他的元件进行监视，本实用新型并不限于此。

经过仿真测试，本实用新型的具有如上结构的风力涡轮机，能够有效的滤除开关谐波和，从而有效防止了对电网的谐波污染。

尽管以上已经针对几个例示的实施方式中的仅一个或更多个描述了本实用新型的具体特征，但是可以根据需要以及从对任意给定或具体应用有利的方面考虑，将这种特征与其他实施方式的一个或更多个其他特征相结合。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、要件或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、要件或者设备所固有的要素。

由于本实用新型可通过多种形式来实现而不脱离其特性，应当理解上述实施方式不受限于上述描述的任何细节，除非另有规定，而应在所附权利要求限定的范围内宽泛地进行理解，并且因此落入权利要求的边界和范围内的或落入所述边界和范围的等同物内的全部变化和修改由所附权利要求包含。

Claims (13)

1.一种风力涡轮机，包括：

发电机；

连接在所述发电机的转子和电网变压器之间的变换器，所述变换器包括整流器和电网逆变器；以及

电网逆变器滤波器，连接于所述变换器和电网变压器之间，用于过滤从电网逆变器进入电网的谐波；

其特征在于，所述风力涡轮机还包括：

定子滤波器，设置于发电机的定子和电网变压器之间，用于过滤从定子进入电网的谐波。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述电网逆变器滤波器包括：调谐LC滤波器，用于抑制与所述变压器和上述定子滤波器产生的谐振；以及基本滤波器，用于过滤开关谐波和开关频率的倍数对应的谐波。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述电网逆变滤波器还包括：短路保护电路。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其中，所述短路保护短路包括：与所述电网逆变器滤波器串联的保险丝和与所述保险丝并联的继电器控制开关。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述电网逆变滤波器还包括：过载保护电路。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中，所述过载保护电路包括：与所述电网逆变器滤波器的电感线圈或电容串联设置的温度继电器。

7.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中，所述过载保护电路包括：

温度测量单元，用于测量所述电网逆变器滤波器的电感线圈或电容器的温度；以及

控制开关，该控制开关与所述电网逆变器滤波器串联设置，并连接所述温度测量单元，用于根据所述温度测量单元的温度值控制所述电网逆变器滤波器的开启与关闭。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述定子滤波器包括：至少一个调谐LC滤波器，用于过滤开关频率对应的谐波；以及

基础滤波器，用于过滤开关频率的倍数对应的谐波。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，所述定子滤波器还包括：短路保护电路。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其中，所述短路保护短路包括：与所述定子滤波器串联的保险丝和与所述保险丝并联的继电器控制开关。

11.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述定子滤波器还包括：过载保护电路。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其中，所述过载保护电路包括：与所述定子滤波器的电感线圈或电容串联设置的温度继电器。

13.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其中，所述过载保护电路包括：

温度测量单元，用于测量所述定子滤波器的电感线圈或电容的温度；以及

控制开关，该控制开关与所述定子滤波器串联设置，并连接所述温度测量单元，用于根据所述温度测量单元的温度值控制所述定子滤波器的开启与关闭。

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