用于風力發電機組的全功率變流器的制作方法

本發明涉及風力發電領域，更具體地涉及一種用于風力發電機組的全功率變流器。

背景技術：

隨著能源危機的加劇，新能源的開發與利用已成為研究的熱點。風力發電機組是將風能轉換為機械能，機械能帶動發電機轉子旋轉，最終輸出交流電的電力設備。風力發電機組因風量不穩定，故其輸出的低頻交流電的電壓也不穩定，通常將風力發電機組輸出的低頻交流電能經過整流轉變成直流電能，再經過逆變電路將直流電能轉變成交流市電，才能保證穩定使用。

目前的風力發電機組采用集中布局、一體化結構的全功率變流器進行能量的傳送與轉換。變流器整體位于風力發電機組的塔底部位，采用背靠背結構型式的交流-直流-交流的形式進行電能的傳送與變換。這樣的變流器模塊集成化程度高，整套變流器系統均位于風力發電機組的塔底位置，空間占比大、設備集中、運維空間狹小，并且電能在風力發電機組內部傳輸過程中采用交流形式，這使得塔筒內使用的電纜數量多、損耗大。

技術實現要素：

針對以上的一個或多個問題，本發明提供了一種新的全功率變流器空間排列結構，主要對整流單元與逆變單元進行了空間上的分離：機側整流單元位于機艙平臺，網側逆變單元位于塔底平臺，從而整體優化了風力發電機組的布局，改善了變流器目前體積龐大、結構集中、模塊維護更換空間狹小的問題，從根本上改變了變流器的結構與形式；并且在風力發電機組的塔筒內使用直流形式進行電能的傳輸，從而減小了線路能量損耗，降低了機組電纜的使用成本，簡化了機組塔筒內的接線工藝。

根據本發明實施例的用于風力發電機組的全功率變流器，包括：機艙變流系統，位于風力發電機組的機艙平臺，被配置為將風力發電機組發出的低頻交流電能轉換為直流電能；直流電能傳輸單元，位于風力發電機組的塔筒內，被配置為將直流電能從機艙變流系統傳輸到塔底變流系統；以及塔底變流系統，位于風力發電機組的塔底平臺，被配置為將直流電能轉換成符合電網要求的工頻交流電能。

在一個實施例中，機艙變流系統包括：機側整流單元，被配置為通過對低頻交流電能進行整流，將低頻交流電能變換為直流電能；以及機側濾波單元，被配置為濾除機側整流單元中的IGBT高頻開關產生的諧波，以避免機側整流單元中的IGBT高頻開關產生的諧波對風力發電機組產生影響。

在一個實施例中，機側濾波單元是dU/dt濾波器。

在一個實施例中，直流電能傳輸單元包括：直流電能傳輸回路，被配置為將直流電能從機艙變流系統傳輸到塔底變流系統；以及傳輸回路穩壓單元，被配置為對直流電能傳輸回路進行穩壓。

在一個實施例中，直流電能傳輸回路是直流母線連接單元。

在一個實施例中，傳輸回路穩壓單元是直流母線穩壓電容單元。

在一個實施例中，塔底變流系統包括：網側逆變單元，被配置為將直流電能轉換為工頻交流電能；以及網側濾波單元，被配置為濾除網側逆變單元中的IGBT高頻開關產生的諧波，以避免網側逆變單元中的IGBT高頻開關產生的諧波對電網產生影響。

在一個實施例中，網側濾波單元是LCL濾波器。

在一個實施例中，該全功能變流器還包括：傳輸回路制動單元，位于塔底平臺，被配置為在風力發電機組處于低壓穿越狀態時吸收直流電能傳輸單元上傳輸的直流電能。

在一個實施例中，該全功率變流器，還包括：第一變流器可編程邏輯控制單元，位于塔底平臺，被配置為控制傳輸回路制動單元和網側逆變單元；以及第二變流器可編程邏輯控制單元，位于機艙平臺，被配置為控制機側整流單元。

在一個實施例中，第一變流器可編程邏輯控制單元和第二變流器可編程邏輯控制單元通過光纖進行通信。

在一個實施例中，直流電能是±600V直流電能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面所描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是目前用于風力發電機組的典型變流器的結構及位置的示意圖；

圖2是目前用于風力發電機組的全功率變流器的組成部分的示意圖。

圖3是根據本發明實施例的用于風力發電機組的全功率變流器的示意圖。

圖4是根據本發明實施例的用于風力發電機組的全功率變流器的電能流通示意圖。

圖5是根據本發明實施例的用于風力發電機組的全功率變流器的控制系統的示意圖。

附圖標記說明：200全功率變流器、210機側濾波單元、220整流單元、221機側控制單元、222機側IGBT功率核心單元、223直流母線支撐電容單元、230直流母線及制動單元、240逆變單元、241網側控制單元、242網側IGBT功率核心單元、243直流母線支撐電容單元、250網側濾波單元、260低頻交流電能傳輸電纜、270風力發電機、280電網。

300全功率變流器、310機艙變流系統NCS、311機側整流單元、312機側濾波單元、320直流電能傳輸單元、321直流電能傳輸回路、322傳輸回路穩壓單元、330塔底變流系統TCS、331網側逆變單元(TCI)、332網側濾波單元、340傳輸回路制動單元。

410機艙變流系統、411機側控制單元、412機側IGBT功率模塊單元、413機側濾波單元、420直流電能傳輸單元、421直流電能傳輸回路、422傳輸回路穩壓單元、430塔底變流系統、431網側控制單元、432網側IGBT功率模塊單元、433網側濾波單元、440傳輸回路制動單元、450塔筒、460塔底平臺、470機艙平臺。

500控制系統、510塔底控制系統、511網側變流控制單元、512傳輸回路制動控制單元、513網側IGBT功率模塊單元、514制動IGBT功率模塊單元、515機組PLC、520機艙控制系統、521機艙變流控制單元、522機側IGBT功率模塊單元、523機艙控制系統。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

下面將詳細描述本發明的各個方面的特征和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對于本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限于下面所提出的任何具體配置和算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。

現在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限于在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本發明更全面和完整，并將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。在圖中，為了清晰，可能夸大了區域和層的厚度。在圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。

此外，所描述的特征、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施例中。在下面的描述中，提供許多具體細節從而給出對本發明的實施例的充分理解。然而，本領域技術人員將意識到，可以實踐本發明的技術方案而沒有所述特定細節中的一個或更多，或者可以采用其它的方法、組元、材料等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結構、材料或者操作以避免模糊本發明的主要技術創意。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本申請。

圖1是目前用于風力發電機組的典型變流器的結構及位置的示意圖。如圖1所示，風力發電機組采用集中布局、一體化結構的全功率變流器進行能量的傳送與轉換。變流器整體位于風力發電機組的塔底部位，采用背靠背結構型式的交流-直流-交流的形式進行電能的傳送與變換。該變流器以IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)作為主要功率元件，并且采用主動整流的方式進行電能的變換。

這樣的變流器的缺陷在于：模塊集成化程度高、模塊獨立空間小；電能在風力發電機組內部傳輸過程中采用交流形式，這使得塔筒內使用的電纜數量多、損耗大；整套變流器系統均位于風力發電機組的塔底位置，空間占比大、設備集中、運維空間狹小。

圖2是目前用于風力發電機組的全功率變流器的組成部分的示意圖。如圖2所示，全功率變流器200包括：機側濾波單元210、整流單元220、直流母線及制動單元230、逆變單元240和網側濾波單元250。整流單元220包括：機側控制單元221、機側IGBT功率核心單元222、直流母線支撐電容單元223。逆變單元240包括：網側控制單元241、網側IGBT功率核心單元242、直流母線支撐電容單元243。從風力發電機270到全功率變流器200的整流單元220之間，電能以交流低頻形式傳輸，即通過低頻交流電能傳輸電纜260傳輸。傳輸電纜主要以多股銅質電纜為主要介質材料，電纜安裝布局位于機組塔筒之中。風力發電機270發出的低頻交流電能通過全功率變流器200進行變換之后，轉變為適用的交流電能供應給電網280。

這種典型全功率變流器200的拓撲形式及組成結構存在以下缺點與不足：全功率變流器200采用集中布局，雖然可增加結構緊湊性，但整體體積大、空間占比高，導致風力發電機組塔底冗余空間較小，并且模塊集成程度高，使得維護難度大、維護空間小，且易發連鎖性損壞現象；全功率變流器200在整流單元220和逆變單元240中分別部署有直流母線支撐電容單元，因此使得直流母線支撐電容數量多，在功率模塊單元內的比重大，易對功率單元產生不良影響；采用全功率變流器200的拓撲形式及組成結構，風力發電機組塔筒內電能以低頻交流形式通過多股銅質電纜進行傳輸，電纜損耗大、發熱量大、用料成本高、接線工藝要求高、耗用工時長。

隨著未來風力發電機組容量的逐步增大，全功率變流器的體積、容量都會不斷增大與提高，進而帶來的塔底空間的設計、規劃與利用問題會愈加突出與嚴峻，而與風力發電機組連接的傳輸電纜的選型、成本、壽命也會成為制約變流器甚至整機發展一個因素。

本發明提供了一種新的全功率變流器的空間配置結構，改變了傳統變流器的空間布局。本發明提出的全功率變流器采用開放式布局以降低變流器在風力發電機組塔底空間的占比比例，從而優化了機組塔底的空間配置結構。

圖3是根據本發明實施例的用于風力發電機組的全功率變流器的示意圖。如圖3所示，全功率變流器300包括機艙變流系統(NCS)310、直流電能傳輸單元320和塔底變流系統(TCS)330。

機艙變流系統310位于風力發電機組的機艙平臺，并且被配置為將風力發電機組發出的低頻交流電能轉換為直流電能。直流電能傳輸單元320位于風力發電機組的塔筒內，并且被配置為將直流電能從機艙變流系統310傳輸到塔底變流系統330。塔底變流系統330位于風力發電機組的塔底平臺，并且被配置為將直流電能傳輸單元320傳輸的直流電能轉換成符合電網要求的工頻交流電能。

全功率變流器300采用開放式布局以降低變流器在風力發電機組塔底空間的占比比例，從而優化了機組塔底的空間配置結構，改善了變流器目前體積龐大、結構集中、模塊維護更換空間狹小的問題。此外，在風力發電機組的塔筒內使用直流形式進行電能的傳輸，從而減小了線路能量損耗，降低了機組電纜的使用成本，簡化了機組塔筒內的接線工藝。

在一個實施例中，機艙變流系統310包括機側整流單元311和機側濾波單元312。機側整流單元311被配置為通過對風力發電機組發出的低頻交流電能進行整流，將低頻交流電能變換為直流電能。機側濾波單元312被配置為濾除機側整流單元311中的IGBT高頻開關產生的諧波，以避免機側整流單元311中的IGBT高頻開關產生的諧波對風力發電機組產生影響。在一個實施例中，直流電能可以是±600V直流電能。在一個實施例中，機側濾波單元312可以是dU/dt(電壓對時間的導數)濾波器。

全功率變流器300將變流器機側整流單元311和機側濾波單元312置于機艙平臺系統中，增加了機艙配重，從而整體優化了風力發電機組的布局。

在一個實施例中，直流電能傳輸單元320包括：直流電能傳輸回路321和傳輸回路穩壓單元322。直流電能傳輸回路321被配置為將直流電能從機艙變流系統310傳輸到塔底變流系統330。傳輸回路穩壓單元322被配置為對直流電能傳輸回路321進行穩壓。在一個實施例中，直流電能傳輸回路321可以是±600V直流母線連接單元(DC-link)。在一個實施例中，傳輸回路穩壓單元322可以是直流母線穩壓電容單元，即直流母線電壓支撐電容單元。

全功率變流器300可以將傳輸回路穩壓單元集中配置，將IGBT功率單元與穩壓單元部分進行分隔，減小了它們的空間關聯性，從而可以降低對功率模塊的維護難度。

在一個實施例中，塔底變流系統330包括：網側逆變單元(TCI)331和網側濾波單元332。網側逆變單元331被配置為將流電能傳輸單元320傳輸的直流電能轉換為工頻交流電能。網側濾波單元332被配置為濾除網側逆變單元331中的IGBT高頻開關產生的諧波，以避免網側逆變單元331中的IGBT高頻開關產生的諧波對電網產生影響。在一個實施例中，網側濾波單元332可以是LCL濾波器。

在一個實施例中，全功率變流器300還包括傳輸回路制動單元340，其位于風力發電機組的塔底平臺，并且被配置為在風力發電機組處于低壓穿越狀態時吸收直流電能傳輸單元上傳輸的直流電能。對于并網型風力發電機組，當電網電壓發生瞬時跌落，供電系統要求并網的風電機組必須保持并網至規定時間，而不是立即保護停機，此即低壓穿越。為實現低壓穿越，需要在變流器安裝制動電路，用以吸收低壓穿越期間無法送出的能量。

全功率變流器300的工作原理如下：風力發電機組發出的低頻交流電能，首先經過機艙變流系統310進行整流，變換成例如±600V的直流電能，該直流電能經過塔筒內的直流電能傳輸單元320(例如，直流母線連接單元)傳輸到達塔底變流系統330，在塔底變流系統330中，網側逆變單元331與網側濾波單元332將直流電能轉換成符合電網要求的工頻交流電能(例如，220V正弦電能)。

圖4是根據本發明實施例的用于風力發電機組的全功率變流器的電能流通示意圖。如圖4所示，電能按照箭頭方向從發電機傳輸至電網。

首先，風力發電機組發出的低頻交流電能通過機艙變流系統410，機艙變流系統410位于機艙平臺470。機艙變流系統410包括機側控制單元411、機側IGBT功率模塊單元412和機側濾波單元413，其中機側控制單元411和機側IGBT功率模塊單元412被包括在圖3中的機側整流單元311中。通過機側控制單元411和機側IGBT功率模塊單元412，風力發電機組發出的低頻交流電能經整流變換為直流電能。機側濾波單元413濾除機側IGBT功率模塊單元412產生的諧波，以避免機側IGBT功率模塊單元412產生的諧波對風力發電機組產生影響。

然后，直流電能經直流電能傳輸單元420傳輸至塔底變流系統430，直流電能傳輸單元420位于塔筒450。其中，直流電能通過直流電能傳輸回路421進行傳輸。傳輸回路穩壓單元422可以對直流電能傳輸回路421進行穩壓。

接著，位于塔底平臺460的塔底變流系統430接收由直流電能傳輸單元420傳輸的直流電能，并將其變換為符合電網要求的工頻交流電能。塔底變流系統430包括網側控制單元431、網側IGBT功率模塊單元432和網側濾波單元433，其中網側控制單元431和網側IGBT功率模塊單元432被包括在圖3中的網側逆變單元331中。通過網側控制單元431和網側IGBT功率模塊單元432，由直流電能傳輸單元420傳輸的直流電能經逆變被變換為工頻交流電能。網側濾波單元433可以濾除網側IGBT功率模塊單元432產生的諧波，以避免網側IGBT功率模塊單元432產生的諧波對電網產生影響。

此外，位于塔底平臺460的傳輸回路制動單元440可以在風力發電機組處于低壓穿越狀態時吸收直流電能傳輸單元420上傳輸的直流電能。

圖5是根據本發明實施例的用于風力發電機組的全功率變流器的控制系統的示意圖。控制系統500包括塔底控制系統510和機艙控制系統520。塔底控制系統510位于塔底平臺，并且包括第一變流器可編程邏輯控制(PLC)單元(變流器PLC1#)，變流器PLC1#可以控制網側變流控制單元511和傳輸回路制動控制單元512，網側變流控制單元511和傳輸回路制動控制單元512分別控制圖3中的網側逆變單元331和傳輸回路制動單元340。機艙控制系統520位于機艙平臺，并且包括第二PLC單元(變流器PLC2#)，變流器PLC2#可以控制機艙變流控制單元521，機艙變流控制單元521可以控制圖3中的機側整流單元311。

在一個實施例中，機艙變流控制單元521、網側變流控制單元511和傳輸回路制動控制單元512分別與機側IGBT功率模塊單元522、網側IGBT功率模塊單元513和制動IGBT功率模塊單元514相關聯。

在一個實施例中，變流器PLC1#和變流器PLC2#可以彼此通信，例如，通過光纖進行通信。在一個實施例中，機艙變流控制單元521、網側變流控制單元511和傳輸回路制動控制單元512可以彼此通信，例如，通過光纖進行通信。

在一個實施例中，塔底控制系統510還包括機組PLC 515，機組PLC515可以分別與比變流器PLC1#和變流器PLC2#進行通信。在一個實施例中，機艙控制系統520也可以不單獨設置變流器PLC控制單元(即，變流器PLC2#)，而是可以通過連接機艙控制系統523來實現與機組PLC 515的通信功能。本發明中機組PLC 515與變流器PLC及各控制單元之間使用的通信總線類型可以具有多種方案。

綜上所述，根據本發明的全功率變流器改變了傳統全功率變流器的配置結構，將整流單元、直流傳輸單元、逆變單元分散安裝與配置，減小了變流器系統整體空間占比，有利于優化機組布局，更利于機組的故障處理及分析，同時有利于后期機組的運維保養工作，同時增加了變流器不同單元之間的電氣距離，有效地防止模塊的關聯性損壞，節約機組的維護成本，對于未來更大MW級容量的機組發展大有裨益。根據本發明的全功率變流器可以將傳輸回路穩壓單元集中配置，將IGBT功率單元與穩壓單元部分進行分隔，可以降低對功率模塊的維護難度。對于傳統全功率變流器的功率模塊單元而言，單個功率模塊重量可達80KG-120KG，而采用本發明所描述的全功率變流器，可將單個功率模塊重量降至50％，同等條件下可提升工作效率至少30％，將維護工時縮短至少50％，對于大容量MW級機組，估算單臺年發電量可提升1％-3％，有利于提高風電場收益。此外，根據本發明的全功率變流器在塔筒內采用直流(例如，±600VDC)形式進行電能的傳輸，采用與交流形式傳輸的同樣截面積的同類材料的電纜只需要兩組母排，可節省電纜材料80％，與相同電壓等級的交流低頻電能傳輸形式相比，可完全消除電纜容抗與感抗的影響，降低電纜損耗，減小電纜的發熱量，有利于提升機組的運行年限。

需要明確的是，本發明并不局限于上文所描述并在圖中示出的特定配置和處理。為了簡明起見，這里省略了對已知方法的詳細描述。在上述實施例中，描述和示出了若干具體的步驟作為示例。但是，本發明的方法過程并不限于所描述和示出的具體步驟，本領域的技術人員可以在領會本發明的精神后，作出各種改變、修改和添加，或者改變步驟之間的順序。

以上所述的結構框圖中所示的功能塊可以實現為硬件、軟件、固件或者它們的組合。當以硬件方式實現時，其可以例如是電子電路、專用集成電路(ASIC)、適當的固件、插件、功能卡等等。當以軟件方式實現時，本發明的元素是被用于執行所需任務的程序或者代碼段。程序或者代碼段可以存儲在機器可讀介質中，或者通過載波中攜帶的數據信號在傳輸介質或者通信鏈路上傳送。“機器可讀介質”可以包括能夠存儲或傳輸信息的任何介質。機器可讀介質的例子包括電子電路、半導體存儲器設備、ROM、閃存、可擦除ROM(EROM)、軟盤、CD-ROM、光盤、硬盤、光纖介質、射頻(RF)鏈路，等等。代碼段可以經由諸如因特網、內聯網等的計算機網絡被下載。

本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特征。例如，特定實施例中所描述的算法可以被修改，而系統體系結構并不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的范圍由所附權利要求而非上述描述定義，并且，落入權利要求的含義和等同物的范圍內的全部改變從而都被包括在本發明的范圍之中。