一种变流器及风力发电机组的制作方法

本实用新型涉及变流器领域，具体涉及一种变流器及风力发电机组。

背景技术：

如图1所示，变流器主回路主要由网侧断路器、网侧滤波器、网侧模块、机侧模块、机侧滤波器和机侧开关组成。网侧开关和机侧开关的设计主要按照整机容量的大小来计算最大的短路电流，根据短路电流的大小来选择开关的分断能力，用开关的高分断能力来保护异常工况下的变流器。但断路器的分断时间在50ms～70ms，若故障工况下依靠断路器来分断电路保护变流器，在断路器的分断过程中，变流器的内部器件将承受大电流的冲击，电力电子器件将很容易失效。若设置大容量断路器，再增加相应的保护器件，将造成成本的提高与资源的浪费。随着风电变流器单机功率的加大，主回路理论短路电流大幅增加，则主回路开关需求标称电流增加、分断电流能力增加，开关的成本越来越高，但大电流主回路开关的动作次数却越来越少。随着海上风机的大批量装机，现有设计方案的缺陷将会更加的突出。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种低成本的变流器和采用上述变流器的风力发电机组。

本实用新型为了解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种变流器，其包括由相互串联的网侧滤波器和网侧模块形成的网侧回路和由机侧模块形成的机侧回路，所述网侧模块和所述机侧模块相连接，其特征在于，所述网侧回路还包括串联在所述网侧回路中的网侧开关单元，所述网侧开关单元包括至少一个由相互串联的开关和熔断器组成的开关电路。

进一步地，所述网侧开关单元的熔断器实际熔断的焦耳积分小于网侧模块在同等工况下的标称焦耳积分；所述网侧开关单元的开关的分断电流能力大于等于熔断器的截断电流；或者网侧开关单元的开关的通流电流能力大于等于熔断器的截断电流。

进一步地，所述开关和熔断器串联于所述网侧滤波器与外部电网之间；或者所述开关串联于所述网侧滤波器与外部电网之间，所述熔断器串联于所述网侧滤波器与网侧模块之间；或者所述开关串联于所述网侧滤波器与外部电网之间，所述熔断器串联于所述网侧滤波器内。

进一步地，所述网侧开关单元的开关电路为至少两个，各开关电路并联连接。

进一步地，所述开关为接触器、框架断路器或者塑壳断路器。

进一步地，所述机侧回路还包括机侧开关单元，串联连接在机侧模块的主回路与风力发电机之间，所述机侧开关单元包括至少一个由相互串联的开关和熔断器组成的开关电路。

进一步地，所述机侧开关单元的熔断器实际熔断的焦耳积分小于机侧模块在同等工况下的标称焦耳积分；所述机侧开关单元的开关的分断电流能力小于等于熔断器的截断电流；或者机侧开关单元的开关的通流电流能力大于等于熔断器的截断电流。

进一步地，所述机侧开关单元的开关电路为至少两个，各开关电路并联连接。

本实用新型还提供一种变流器，由多个上述的变流器并联组成。

本实用新型还提供一种变流器，一种风力发电机组，包括风力发电机以及上述变流器，所述变流器连接于所述风力发电机和外部电网之间。

与现有技术相比较，本实用新型的变流器通过采用开关与熔断器组成的网侧开关单元，替换现有技术中的单机大功率变流器中的高分断能力的断路器，从而可以采用具有低分断能力的开关，大大的降低了开关的成本，还可以满足安规和正常使用的需求，又可在极端的异常工况下，通过熔断器的动作来保护变流器，其保护的时间亦远小于开关的动作时间，保护效果更佳。

附图说明

图1现有技术的变流器主回路示意图。

图2本实用新型实施例一的变流器的结构示意图。

图3本实用新型实施例二的变流器的结构示意图。

图4本实用新型实施例三的变流器的结构示意图。

图5本实用新型实施例四的变流器的结构示意图。

图6是本实用新型实施例五的变流器的结构示意图。

图7本实用新型实施例六的变流器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细描述。

实施例一

如图2所示，本实用新型实施例提供一种变流器，包括由相互串联的网侧滤波器和网侧模块形成的网侧回路和由机侧模块形成的机侧回路，所述网侧模块和所述机侧模块相连接，所述网侧回路还包括串联在所述网侧回路中的网侧开关单元，所述网侧开关单元包括至少一个由相互串联的开关S1和熔断器F1组成的开关电路。

本实施例中，所述所述开关和熔断器串联于所述网侧滤波器与外部电网之间，用于对网侧回路进行保护。所述开关S1可以为自动控制开关，如接触器、框架断路器或者塑壳断路器。

在上述变流器中，所述机侧回路与风机相连接，用于输出风机提供的电能。所述网侧网侧回路，用于将机侧模块输出的电能并到电网上。

需要说明的是，理论上变流器故障主要可以分为短路故障和非短路故障。在非短路故障时，主回路电流不超过变流器的过流点电流，若所述开关S1动作，保护变流器，则开关对分断能力的要求在变流器的过流点电流。短路故障时，变流器网侧模块封波，网侧不控整流，工频工况下10ms内熔断器熔断，而大电流高分断能力的断路器脱扣分闸至少需要50ms的时间，熔断器的保护速度相对开关S1的断开快了40ms的时间。根据熔断器的特性，熔断器在燃弧过程中将电路中的电流限制在截断电流，而截断电流的大小远小于短路电流的大小。开关F1在断开的前10ms中，开关F1的分断电流能力大于等于熔断器的截断电流即可，而后40ms的分断是在熔断器已切断电路的状态下分断，基本处于零电流状态，对分断能力无要求。因此，当开关S1与熔断器F1配合使用时，可选择低分断能力的开关来替换高分断开关，满足实际需求即可。

熔断器F1和开关S1配合使用时，在短路工况下，熔断器F1除切断主回路外，还需要能够有效的保护功率单元。因此，熔断的选择在满足正常工况下运行的需求外，还需要在异常工况下保护功率单元的器件，以下以IGBT模块为例。对IGBT模块的保护主要是考虑熔断器F1在实际熔断过程中的I²t(焦耳积分)与IGBT模块标称I²t的大小，若熔断器F1动作过程中实际的I²t大于IGBT模块二极管所能承受的I²t，即使熔断器动作，IGBT模块二极管损坏的概率亦较大。因此，熔断器F1的选择需满足正常工况下的运行需求，在异常工况下熔断器F1在熔断过程中的I²t要小于IGBT模块二极管在这段时间内所能承受的I²t，在满足要求的前提下熔断器的I²t越小越好或者IGBT模块二极管的I²t越大越好。

实施例二

与实施例一不同的是，本实施例中，所述网侧开关单元包括多个相互并联的开关电路，每一所述开关电路包括一低分断开关S1和一与所述低分段开关S1串联的熔断器F1。

本实施例中，通过多路由低分断开关与熔断器的组成的开关电路进行并联，从而可以满足大电流的使用需求。

下面以具体实例来说明本实施例的有益效果。

以一台6.0MW的海上风电变流器为例，若使用单开关方案，网侧需要6300A的断路器，目前市面上仅有ABB能够提供需要的断路器，一台断路器的市面价格在12万以上。同时在变流器母线短路时，断路器至少需要50ms的断开时间，而在这50ms内功率单元中的电力电子器件很可能将失效，断路器不足以有效的保护变流器中的电力电子器件。

若在主回路中设计合适的熔断器，在变流器母线短路时，大电流瞬间流入变流器，电流通过熔断器，熔断器熔体发热、燃弧，电压过零点灭弧。由于电网频率为50Hz，10ms后主回路被切断，而10ms的时间内主回路开关尚未完成分断。只要熔断器设计的合理，功率单元将被很好的保护，且保护速度比断路器更快，主回路的开关只需要具备10ms内的通流能力即可，不需要较大的分断能力，则完全可用小分断能力的开关替换现有的主回路断路器的设计方案。选择大电流大分断开关的方案在成本上是个极大的浪费，亦不能在最短的时间内保护电路，综合可得，此方案并不是最佳的方案。

若选择4个1600A的低分断开关并联使用，满足6.0MW的变流器需求。在变流器正常工作过程中，并网时刻可一次性投切全部开关或者可根据实际的需求投切部分开关，在功率逐渐增大时增加开关的投切数量，直至全部投切完毕，停机时需在同一时间内一次性断开全部开关。非短路故障时，开关需在最短的时间内同时断开以保护变流器。在短路故障时，若选择的开关分断能力大于等于熔断器的截断电流，则在故障时即可同时断开开关；若开关的分断能力小于熔断器的截断电流则开关需要在故障发生后延时10ms，再断开开关,则开关在10ms的通流电流能力大于等于熔断器的截断电流。4个1600A的低分断开关和对应的熔断器的成本在5万～5.5万的区间，相对配套6.0MW整机的6300A断路器，成本大幅度降低。

实施例三

如图4所示，与实施例一不同的是，本实施例中，所述机侧回路还包括机侧开关单元，所述机侧开关单元串联连接在机侧模块的主回路与风力发电机之间，所述机侧开关单元包括至少一个由相互串联的开关S2和熔断器F2组成的开关电路。

所述网侧开关单元的熔断器实际熔断的焦耳积分小于网侧模块在同等工况下的标称焦耳积分；所述网侧开关单元的开关的分断电流能力大于等于熔断器的截断电流；或者网侧开关单元的开关的通流电流能力大于等于熔断器的截断电流。

实施例四

如图5所示，与实施例一不同的是，本实施例中，所述变流器由多个实施例一所述的变流器并联组成，从而实现大功率的应用。

实施例五

如图6所示，与实施例一不同的是，本实施例中，所述开关S1串联于所述网侧滤波器与外部电网之间，所述熔断器F1串联于所述网侧滤波器与网侧模块之间。

实施例六

如图7所示，与实施例一不同的是，本实施例中，所述开关S1串联于所述网侧滤波器与外部电网之间，所述熔断器F1串联于所述网侧滤波器内。

综上所述，本实用新型的变流器通过采用开关与熔断器组成的网侧开关单元，替换现有技术中的单机大功率变流器中的高分断能力的断路器，从而可以采用具有低分断能力的开关，大大的降低了开关的成本，还可以满足安规和正常使用的需求，又可在极端的异常工况下，通过熔断器的动作来保护变流器，其保护的时间亦远小于开关的动作时间，保护效果更佳。

进一步地，本实用新型实施例还提供一种风力发电机组，其包括风力发电机以及实施例一至实施例四所述的变流器，所述变流器连接于所述风力发电机和外部电网之间。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。