专利名称：风电变流器结构及包含其的风力发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电系统，尤其涉及该风力发电系统中的风电变流器结构。
背景技术：
当前，随着风电机组的额定功率不断增大，风轮桨叶的长度逐渐增加而转速降低。例如，额定功率为5MW的风电机组，桨叶长度超过60米，转子额定转速为IOrpm左右。当发电机为两对极时，为了使5MW的风机以交流方式直接与50Hz工频的电网相连，机械齿轮箱的变速比应当设为150。然而，齿轮箱变速比的增加，会给兆瓦级风电机组的变速箱设计和制造提出多重挑战，因为风电机组的额定功率和变速箱的变速比增加时，其尺寸、重量及摩擦磨损也在增加。因而，对于兆瓦级风电机组，现有技术中逐渐采用全功率风电变流器以交流-直流-交流的方式与电网相连，以解决齿轮箱的变速比不断增加所造成的困扰。具体而言，全功率风电变流器是一种由直流环节连接两组电力电子变换器所组成的背靠背变频系统，其中，背靠背的变频系统包括电网侧变换器(或称为“网侧变流器”)和发电机侧变换器(或称为“机侧变流器”)，该机侧变流器接收感应发电机产生的有功功率，并通过直流环节送往该网侧变流。此外，该机侧变流器也用来通过感应发电机的定子端对感应发电机励磁。然后，网侧变流器接收从直流环节输送过来的有功功率，并将其送到电网，亦即，使直流环节两侧的电压达到平衡。在现有技术中，全功率风电变流器随风机容量增大而增大。以当前主流功率等级1-3MW(未来可将该功率等级提升至5-8MW)为例，风电变流器在整个风电机组的摆放位置大致分为两种，其一是将风电变流器放在塔上，其二是将风电变流器放在塔下。但是，若风电变流器摆放在塔上，塔架顶部的机舱空间较为有限，同时还会增加机舱的承重设计，一旦风电变流器出现故障，维护人员必须爬到塔上进行维护，由于塔高一般为100米左右，不仅存在安全隐患，而且维护成本较高。此外，若风电变流器摆放在塔下，此时，虽然维护人员不必爬到塔顶进行维护，但从塔上的电机到塔下的风电变流器间的电缆成本会随着风机功率的增大而增加，尤其是对于多相电机来说，需要更多数量的传输电缆，会加剧电缆的购置成本，进而增加了风电机组的系统安装成本。有鉴于此，如何设计一种更加合理的风电变流器结构，既可平衡塔架顶部的机舱承重设计，又可确保风电变流器的可靠运行，降低传输电缆的装设成本，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
针对现有技术中的风电变流器结构在设计和安装时所存在的上述缺陷，本发明提供了 一种风电变流器结构及包含该风电变流器的风力发电系统。依据本发明的一个方面，提供了一种用于风电系统的变流器结构，该风电系统包括一塔架，其中，该变流器结构包括:多个机侧变流器，设置于所述塔架顶部的机舱内，每一机侧变流器具有一交流输入侧和一直流输出侧，其中，所述交流输入侧连接至风机的一三相绕组，以及所述直流输出侧输出一直流电压；多个网侧变流器，设置于所述塔架的底部或外部，每一网侧变流器具有一直流输入侧和一交流输出侧，其中，所述直流输入侧耦接至所述机侧变流器的直流输出侧；至少一直流母线，跨接于所述机侧变流器的直流输出侧和所述网侧变流器的直流输入侧之间；以及一隔离变压器，其原边电性连接至所述网侧变流器的交流输出侧，其副边电性连接至一电网，所述隔离变压器用于将所述交流输出侧输出的一交流电压经升压后传送至所述电网。优选地，每一机侧变流器为一三相PWM整流器，用于将来自所述风机的交流电压整流为所述直流电压。更优选地，每一网侧变流器为一三相PWM逆变器，用于将来自所述三相PWM整流器的直流电压逆变为所述交流电压。优选地，多个机侧变流器包括第一组机侧变流器和第二组机侧变流器，多个网侧变流器包括第一组网侧变流器和第二组网侧变流器，其中，该第一组机侧变流器的直流输出侧藉由一直流母线连接至所述第一组网侧变流器的直流输入侧，以及该第二组机侧变流器的直流输出侧藉由另一直流母线连接至所述第二组网侧变流器的直流输入侧。在一具体实施例中，第一组机侧变流器和第二组机侧变流器中的每一组均包括一第一机侧变流器和一第二机侧变流器，所述第一机侧变流器的交流输入侧电性连接至一三相绕组，所述第二机侧变流器的交流输入侧电性连接至另一三相绕组。此外，第一机侧变流器和第二机侧变流器均为一桥式电路，并且所述桥式电路由两电平桥臂、三电平桥臂或维也纳电路组成。在另一具体实施例中，第一组网侧变流器和第二组网侧变流器中的每一组均包括一第一网侧变流器和一第二网侧变流器。优选地，隔离变压器为一多绕组变压器，其中，所述隔离变压器原边侧的多个绕组分别耦接至所述第一网侧变流器和第二网侧变流器各自的交流输出侧，所述隔离变压器的副边侧连接至所述电网。第一网侧变流器和第二网侧变流器各自的交流输出侧经由滤波单元连接至所述隔离变压器。优选地，隔离变压器为一两绕组变压器，其中，所述隔离变压器原边侧的单个绕组分别经由一环流抑制单元连接至所述第一网侧变流器和第二网侧变流器各自的交流输出侦U。环流抑制单元与所述隔离变压器之间还包括一滤波单元。优选地，该变流器结构还包括一直流中点母线，当所述机侧变流器和所述网侧变流器均为三电平桥臂时，所述直流中点母线跨接于所述机侧变流器的直流中点和所述网侧变流器的直流中点之间。当然，用于连接机侧变流器和网侧变流器的该直流中点母线也可以取消，直流电压中点电位的平衡分别由机侧变流器和网侧变流器的控制实现。在一具体实施例中，变流器结构还包括一第一环流控制模块，设置于所述多个机侧变流器中，包括:一转矩控制器，用于接收所述风机的电机转矩；机侧控制模块包括机侧电流控制单元和环流控制单元，所述机侧电流控制单元电性连接至所述转矩控制器和所述机侧变流器，用于根据流入所述机侧变流器的电流信号和一给定信号来控制电流；以及一电流比较器，用于接收流入所述第一机侧变流器的电流信号和流入所述第二机侧变流器的电流信号，并将二者进行比较从而输出一比较信号；其中，所述比较信号传送至相应的环流控制单元，以控制所述第一机侧变流器和第二机侧变流器之间形成的环流。在另一具体实施例中，该变流器结构还包括一第二环流控制模块，设置于所述多个网侧变流器，其直流侧连接到来自机侧变流器的公共直流母线，且交流侧通过环流控制单元连接在一起，包括:一电压控制器，用于接收经所述直流母线传送的直流电压；网侧控制模块包括网侧电流控制单元和环流控制单元，所述网侧电流控制单元电性连接至所述电压控制器和所述网侧变流器，用于根据流入所述网侧变流器的电流信号和一给定信号来控制电流；以及一电流比较器，用于接收流入所述第一网侧变流器的电流信号和流入所述第二网侧变流器的电流信号，并将二者进行比较从而输出一比较信号；其中，所述比较信号传送至相应的环流控制单元，以控制所述第一网侧变流器和第二网侧变流器之间形成的环流。优选地，所述风机为三相全功率风力发电机。更优选地，该三相全功率风力发电机为永磁同步发电机或电励磁同步发电机。依据本发明的又一个方面，提供了一种全功率风力发电系统，包括一风机和一全功率风电变流器，其中，该全功率风电变流器采用如上述本发明的一个方面所述的变流器结构。优选地，该风机为永磁风力发电机或电励磁风力发电机。采用本发明的风电变流器结构及包含该风电变流器的风力发电系统，将风电变流器的机侧变流器设置在塔架顶部的机舱内而将风电变流器的网侧变流器设置在塔架的底部或外部，根据跨接于机侧变流器的直流输出侧和网侧变流器的直流输入侧之间的直流母线来传输功率，不仅可降低塔上与塔下之间传送信号所需的电缆成本，而且还可均衡塔上的承重负荷。所述全功率风力发电机可在塔上设置多个三相PWM整流器，并将这些PWM整流器的输出端并联连接，以及在塔下设置多个三相PWM逆变器，并将这些PWM逆变器的输入端并联连接，以接收经由直流母线传输的直流电压。因此，三相PWM整流器之间以及三相PWM逆变器之间可实现互为冗余的安全运行机制，提升风电变流器的运行可靠性和稳定性。当其中一个PWM整流器单元或一个三相PWM逆变器单元发生故障时，其他的PWM整流器单元或PWM逆变器单元仍然可以正常工作。此外，多个三相PWM整流器各自的直流侧也可不必并联连接，而采用各自独立的直流母线从塔上到塔下。
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式
以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，图1绘示依据本发明的一实施方式的风电变流器的结构框图；图2绘示图1的风电变流器的一优选实施例的电路结构示意图；图3绘示图2的风电变流器的一可替换实施例的电路结构示意图；图4绘示依据本发明的另一实施方式的风电变流器在风机为三相全功率电机时的电路结构不意图；图5绘示依据本发明的又一实施方式的风电变流器在风机为六相全功率电机的一优选实施例的电路结构示意图6绘示图5的风电变流器的一可替换实施例的电路结构示意图；图7绘示依据本发明的再一实施方式的风电变流器在风机为九相全功率电机时的一优选实施例的电路结构示意图；图8绘示依据本发明的一实施方式的风电变流器在风机为十二相全功率电机时的一优选实施例的电路结构示意图；图9绘示图1 图8中的风电变流器的机侧变流器对环流进行控制的结构框图；图10绘示图1 图8中的风电变流器的网侧变流器对环流进行控制的结构框图。
具体实施例方式为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式
作进一步的详细描述。图1绘示依据本发明的一实施方式的风电变流器的结构框图。参照图1，该风电变流器包括机侧变流器110和120、网侧变流器210和220、直流母线30和一隔离变压器40。机侧变流器110和120设置于塔架的塔顶部分(诸如塔架顶部的机舱内)，并且每一机侧变流器具有一交流输入侧和一直流输出侧，其中，机侧变流器的交流输入侧连接至风机，以及机侧变流器的直流输出侧输出一直流电压。在一实施例中，风机为三相电机，机侧变流器110和120的交流输入侧均电连接至该三相电机的三相绕组。在另一实施例中，风机为多相电机，机侧变流器110和120各自的交流输入侧分别电连接至该多相电机中不同的三相绕组。网侧变流器210和220设置于塔架的底部或外部，每一网侧变流器具有一直流输入侧和一交流输出侧，其中，网侧变流器的直流输入侧藉由直流母线30耦接至机侧变流器的直流输出侧，以及网侧变流器的交流输出侧耦接至隔离变压器40。在一实施例中，隔离变压器40为一双绕组变压器，其原边仅包括一套绕组，并且该隔离变压器的原边电性连接至网侧变流器210和220各自的交流输出侧。在另一实施例中，隔离变压器40为一多绕组变压器，其原边包括多个绕组，并且该隔离变压器40原边中的不同绕组分别电性连接至网侧变流器210的交流输出侧和网侧变流器220的交流输出侧。需要说明的是，图1中所示出的两条水平方向上的虚线用以区分塔架的顶部和底部，即，第一条水平虚线以上的称为塔顶部分，例如，距离地面100米的塔架顶部，第二条水平虚线以下的称为塔底部分。本领域的技术人员应当理解，网侧变流器210和220不仅可设置于塔底，而且还可设置于塔外，并经由传输线缆与位于塔顶的机侧变流器110和120来传递功率。本领域的技术人员应当理解，在图1所示的风电变流器中，机侧变流器110的直流输出侧与机侧变流器120的直流输出侧并联连接，然而本发明并不只局限于此。在其他实施例中，机侧变流器110的直流输出侧可藉由一直流母线连接至塔底部分的网侧变流器，而机侧变流器120的直流输出侧藉由另一直流母线连接至塔底部分的网侧变流器，并且机侧变流器110的直流输出侧不必与机侧变流器120的直流输出侧并联连接。
图2绘示图1的风电变流器的一优选实施例的电路结构示意图。参照图2，该风电变流器包括机侧变流器110和120、网侧变流器210和220、至少一直流母线30和一隔离变压器40，其中，机侧变流器110和120均为一三电平电路。具体地，机侧变流器110和120设置于塔顶部分，如塔架顶部的机舱内，每一机侧变流器具有一交流输入侧和一直流输出侧，该交流输入侧连接至风机的一三相绕组，该直流输出侧输出一直流电压。以机侧变流器110为例，其交流输入侧接收来自风机的三相绕组所输出的3.3kV交流电压，其直流输出侧输出一直流电压。网侧变流器210和220设置于塔架的底部或外部，每一网侧变流器具有一直流输入侧和一交流输出侧，该直流输入侧耦接至机侧变流器的直流输出侧。以网侧变流器210为例，其直流输入侧接收来自直流母线30的直流电压，并将该直流电压逆变为交流电压。隔离变压器40包括一原边侧和一副边侧，该原边侧电性耦接至网侧变流器210和220的交流输出侧，以及该副边侧电性连接至一交流电网。隔离变压器40用于将网侧变流器210和220各自的交流输出侧输出的交流电压经升压后传送至交流电网。在图2中，隔离变压器40为一多绕组变压器，其原边侧包括多个绕组，这些绕组中的一绕组耦接至网侧变流器210的交流输出侧，并且另一绕组耦接至网侧变流器220的交流输出侧。此外，为了对网侧变流器210和220所输出的交流电压进行滤波处理，还可在网侧变流器210和220各自的交流输出侧与隔离变压器40的原边侧之间设置一滤波单元，例如，该滤波单元为一电容器。在一具体实施例中，每一机侧变流器，如机侧变流器110和120,均为一三相PWM(Pulse Width Modulation)整流器，该三相PWM整流器用于将来自风机的交流电压整流为直流电压。在另一实施例中，每一网侧变流器，如网侧变流器210和220，均为一三相PWM逆变器，用于将来自上述机侧变流器的直流电压逆变为交流电压。在一具体实施例中，机侧变流器110和机侧变流器120可设置成一机侧变流器组(或机侧变流器对)，并且机侧变流器110的直流输出侧与机侧变流器120的直流输出侧并联连接。类似地，网侧变流器210和网侧变流器220亦可设置成一网侧变流器组(或网侧变流器对)，并且网侧变流器210的直流输入侧与网侧变流器220的直流输入侧并联连接。需要指出的是，在图2所示的三电平风电变流器中，机侧变流器110或120的直流输出侧的两个输出端子的电位电压极性相反，并通过直流中点进行箝位，因此，在机侧变流器110、120和网侧变流器210、220之间还跨接有一直流中点母线，藉由该直流中点母线将机侧变流器的直流中点和网侧变流器的直流中点电性连接。此外，上述与三电平风电变流器相连接的风机为三相全功率风力发电机。例如，该三相全功率风力发电机为永磁同步发电机或电励磁同步发电机。图3绘示图2的风电变流器的一可替换实施例的电路结构示意图。类似于图2，该三电平风电变流器也包括机侧变流器110和120、网侧变流器210和220、至少一直流母线30。由于图2已经分别对机侧变流器、网侧变流器和直流母线进行了详细说明，为描述方便起见，此处不再赘述。将图3与图2进行比较，不同之处是在于，该三电平风电变流器包括一隔离变压器50，该隔离变压器50为一两绕组变压器，即，原边侧具有单个绕组且副边侧也具有单个绕组。如图3所示，隔离变压器50的原边侧的单个绕组经由一环流抑制单元610电性耦接至网侧变流器210的交流输出侧，与此同时，该隔离变压器50的原边侧的该单个绕组经由另一环流抑制单元620电性耦接至网侧变流器220的交流输出侧，以便藉由环流抑制单元610和620来抑制网侧变流器210和220各自的交流输出侧的环流电流。在一具体实施例中，环流抑制单元610(或环流抑制单元620)与隔离变压器50的原边侧之间还包括一滤波单元，用以对输入到隔离变压器50的交流电压进行滤波。图4绘示依据本发明的另一实施方式的风电变流器在风机为三相全功率电机时的电路结构示意图。参照图4，该风电变流器包括机侧变流器110’和120’、网侧变流器210’和220’、至少一直流母线30’和一隔离变压器50’，其中，机侧变流器110’和120’均为一两电平电路。在此，图4中的机侧变流器110，和120’、网侧变流器210，和220’、直流母线30’和隔离变压器50’分别与图3中的机侧变流器110和120、网侧变流器210和220、直流母线30和隔离变压器50相同或相似，为描述简便起见，不再赘述。需要指出的是，在图4所示的风电变流器中，其风机为三相全功率电机，只包含一套三相绕组。因而，该风机的三相绕组应当分别电连接至机侧变流器110’和机侧变流器120’各自的交流输入侧。较佳地，该三相电机的三相绕组分别经由一环流抑制单元电连接至机侧变流器110’和机侧变流器120’各自的交流输入侧。此外，隔离变压器50’为一两绕组变压器，其原边侧的单个绕组分别经由该环流抑制单元连接至第一网侧变流器210’的交流输出侧和第二网侧变流器220’的交流输出侧。图5绘示依据本发明的又一实施方式的风电变流器在风机为六相全功率电机的一优选实施例的电路结构示意图。与图4相类似的是，图5中的两电平风电变流器也包括机侧变流器110’和120’、网侧变流器210’和220’、至少一直流母线30’，其中，机侧变流器110’和120’均为一两电平电路。与图4不同的是，在图5的风电变流器中，其风机为六相全功率电机，具有两套三相绕组，因而，可将其中的一套三相绕组电连接至机侧变流器110’的交流输入侧，而将另一套三相绕组电连接至机侧变流器120’的交流输入侧。参照图5，机侧变流器110’的直流输出侧与机侧变流器120’的直流输出侧并联连接，网侧变流器210’的直流输入侧与网侧变流器220’的直流输入侧并联连接，并且机侧变流器110’和120’的直流输出侧藉由直流母线30’连接至网侧变流器210’和220’的直流输入侧。当然，机侧变流器110’的直流输出侧与机侧变流器120’的直流输出侧也可不必并联连接，而改由通过各自独立的直流母线从塔上到塔下。因此，即使机侧变流器110’出现运行故障，本发明的风电变流器也可通过机侧变流器120 ’将输出的直流电压传送至网侧变流器210’和220’。另一方面，即使网侧变流器210’出现运行故障，本发明的风电变流器也可将机侧变流器110’和120’所输出的直流电压通过网侧变流器220’传送至隔离电压器40’，从而提高了风电变流器运行时的可靠性和稳定性，降低了维护成本。图6绘示图5的风电变流器的一可替换实施例的电路结构示意图。将图6与图5进行比较，不同之处是在于，该两电平风电变流器包括一隔离变压器50’，该隔离变压器50’为一两绕组变压器，S卩，原边侧具有单个绕组且副边侧也具有单个绕组。如图6所示，隔离变压器50’的原边侧的单个绕组经由一环流抑制单元610’电性耦接至网侧变流器210’的交流输出侧，与此同时，该隔离变压器50’的原边侧的该单个绕组经由另一环流抑制单元620’电性耦接至网侧变流器220’的交流输出侧，以便藉由环流抑制单元610’和620’来抑制网侧变流器210’和220’各自交流输出侧的环流电流。在一具体实施例中，环流抑制单元610’(或环流抑制单元620’ )与隔离变压器50’的原边侧之间还包括一滤波单元，用以对输入到隔离变压器50’的交流电压进行滤波。图7绘示依据本发明的再一实施方式的风电变流器在风机为九相全功率电机时的电路结构示意图。参照图7，该风电变流器包括两组机侧变流器和两组网侧变流器，即，第一组机侧变流器Genl和第二组机侧变流器Gen2，以及第一组网侧变流器Gridl和第二组网侧变流器Grid2。其中，第一组机侧变流器Genl包括单个的机侧变流器，而第二组机侧变流器Gen2包括一第一机侧变流器和一第二机侧变流器。类似地，第一组网侧变流器Gridl包括单个的网侧变流器，而第二组网侧变流器Grid2包括一第一网侧变流器和一第二网侧变流器。其中，第一组机侧变流器Genl的机侧变流器的交流输入侧连接至九相电机的第一套三相绕组，第二组机侧变流器Gen2的第一机侧变流器的交流输入侧连接至第二套三相绕组，以及第二组机侧变流器Gen2的第二机侧变流器的交流输入侧连接至第三套三相绕组。在一具体实施例中，第一组机侧变流器Genl的直流输出侧藉由一直流母线电连接至第二组机侧变流器Gen2的直流输出侧，即，第二组机侧变流器Gen2中的第一机侧变流器和第二机侧变流器彼此并联的直流输出侧。类似地，第一组网侧变流器Gridl的直流输入侧藉由一直流母线电连接至第二组网侧变流器Grid2的直流输入侧，即，第二组网侧变流器Grid2中的第一网侧变流器和第二网侧变流器彼此并联的直流输入侧。并且，第二组机侧变流器Gen2的直流输出侧藉由另一直流母线连接至第一组网侧变流器Gridl的直流输入侧。或者，第一组机侧变流器Genl的直流输出侧藉由一直流母线连接至第一组网侧变流器Gridl的直流输入侧。图8绘示依据本发明的一实施方式的风电变流器在风机为十二相全功率电机时的一优选实施例的电路结构示意图。参照图8，该风电变流器包括两组机侧变流器和两组网侧变流器，即，第一组机侧变流器Genl和第二组机侧变流器Gen2，以及第一组网侧变流器Gridl和第二组网侧变流器Grid2。其中，第一组机侧变流器Genl包括一第一机侧变流器和一第二机侧变流器，而第二组机侧变流器Gen2也包括一第一机侧变流器和一第二机侧变流器。类似地，第一组网侧变流器Gridl包括一第一网侧变流器和一第二网侧变流器，而第二组网侧变流器Grid2也包括一第一网侧变流器和一第二网侧变流器。其中，第一组机侧变流器Genl的第一机侧变流器的交流输入侧连接至第一个三相绕组，第一组机侧变流器Genl的第二机侧变流器的交流输入侧连接至第二个三相绕组，以及第二组机侧变流器Gen2的第一机侧变流器的交流输入侧连接至第三个三相绕组，第二组机侧变流器Gen2的第二机侧变流器的交流输入侧连接至第四个三相绕组。在一具体实施例中，第一组机侧变流器Genl的直流输出侧藉由一直流母线连接至第一组网侧变流器Gridl的直流输入侧，第二组机侧变流器Gen2的直流输出侧藉由另一直流母线连接至第二组网侧变流器Grid2的直流输入侧。在另一具体实施例中，第一组机侧变流器Genl的直流输出侧藉由一直流母线连接至第二组网侧变流器Grid2的直流输入侧，第二组机侧变流器Gen2的直流输出侧藉由另一直流母线连接至第一组网侧变流器Gridl的直流输入侧。由此可知，第一组机侧变流器Genl与第二组机侧变流器Gen2可互为冗余，第一组网侧变流器Gridl与第二组网侧变流器Grid2可互为冗余。当第一组机侧变流器Genl出现故障时，可藉由第二组机侧变流器Gen2将所输出的直流电压传送至网侧变流器，或者，当第一组网侧变流器Gridl出现故障时，可藉由第二组网侧变流器Grid2将所输出的交流电压传送至隔离变压器。本领域的技术人员应当理解，图8中的单绕组隔离变压器仅为示意性的实施例，而本发明并不只局限于此。例如，在其他实施例中，该风电变流器包括一多绕组隔离变压器，并且该多绕组隔离变压器原边侧的每一绕组分别连接至不同的网侧变流器的交流输出侧。图9绘示图1 图8中的风电变流器中的机侧变流器对环流进行控制的结构框图。参照图9，该风电变流器结构还包括一第一环流控制模块，由于该第一环流控制模块设置于多个机侧变流器一侧，因而也可称为机侧环流控制模块。具体地，该机侧环流控制模块包括一转矩控制器72、两机侧控制模块70和71、一电流比较器73。转矩控制器72用于接收风机的电机转矩，并输出与该电机转矩相对应的一电流给定信号。机侧控制模块70和71中的每一机侧控制模块包括一机侧电流控制单元和一环流控制单元。更详细地，该机侧电流控制单元701电性连接至转矩控制器72和相应的机侧变流器(如第一机侧变流器)，用于根据流入该机侧变流器的电流信号Il和转矩控制器72所输出的电流给定信号来控制电流。该机侧电流控制单元711电性连接至转矩控制器72和相应的机侧变流器(如第二机侧变流器)，用于根据流入该机侧变流器的电流信号12和转矩控制器72所输出的电流给定信号来控制电流。电流比较器73电性连接至环流控制单元703和713，用于接收流入第一机侧变流器的电流信号Il和流入第二机侧变流器的电流信号12，并将二者进行比较从而输出一比较信号(如11-12或I2-1I)，其中，该比较信号传送至环流控制单元703以及环流控制单元713，以控制第一机侧变流器和第二机侧变流器之间形成的环流。当电流信号Il与12相等时，进入环流控制单元703和713的比较信号为零值，亦即第一机侧变流器和第二机侧变流器之间的环流已消除。图10绘示图1 图8的风电变流器中的网侧变流器对环流进行控制的结构框图。参照图10，该风电变流器结构还包括一第二环流控制模块，由于该第二环流控制模块设置于多个网侧变流器一侧，因而也可称为网侧环流控制模块。具体地，该网侧环流控制模块包括一电压控制器82、两网侧控制模块80和81、一电流比较器83。电压控制器82用于接收经直流母线传送的直流电压，并输出与该直流电压相对应的一电流给定信号。网侧控制模块80和81中的每一网侧控制模块包括一网侧电流控制单元和一环流控制单元。更详 细地，该网侧电流控制单元801电性连接至电压控制器82和相应的网侧变流器(如第一网侧变流器)，用于根据流入该网侧变流器的电流信号ΙΓ和电压控制器82所输出的电流给定信号来控制电流。该网侧电流控制单元811电性连接至电压控制器82和相应的网侧变流器(如第二网侧变流器)，用于根据流入该网侧变流器的电流信号12’和电压控制器82所输出的电流给定信号来控制电流。电流比较器83电性连接至环流控制单元803和813，用于接收流入第一网侧变流器的电流信号Ir和流入第二网侧变流器的电流信号12’，并将二者进行比较从而输出一比较信号(如11’ -12’或12’ -11’)，其中，该比较信号传送至环流控制单元803以及环流控制单元813，以控制第一网侧变流器和第二网侧变流器之间形成的环流。当电流信号ΙΓ与12’相等时，进入环流控制单元803和813的比较信号为零值，亦即第一网侧变流器和第二网侧变流器之间的环流已消除。采用本发明的风电变流器结构及包含该风电变流器的风力发电系统，将风电变流器的机侧变流器设置在塔架顶部的机舱内而将风电变流器的网侧变流器设置在塔架的底部或外部，根据跨接于机侧变流器的直流输出侧和网侧变流器的直流输入侧之间的直流母线来传输功率，不仅可降低塔上与塔下之间传送信号所需的电缆成本，而且还可均衡塔上的承重负荷。此外，当全功率风力发电机采用多绕组电机时，可在塔上设置多个三相PWM整流器，并将这些PWM整流器的输出端并联连接，以及在塔下设置多个三相PWM逆变器，并将这些PWM逆变器的输入端并联连接，以接收经由直流母线传输的直流电压。因此，三相PWM整流器之间以及三相P WM逆变器之间可实现互为冗余的安全运行机制，提升风电变流器的运行可靠性和稳定性。当其中一个PWM整流器单元或一个三相PWM逆变器单元发生故障时，其他的PWM整流器单元或PWM逆变器单元仍然可以正常工作。上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式
。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式
作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
权利要求
1.一种用于风电系统的变流器结构，该风电系统包括一塔架，其特征在于，所述变流器结构包括: 多个机侧变流器，设置于所述塔架顶部的机舱内，每一机侧变流器具有一交流输入侧和一直流输出侧，其中，所述交流输入侧连接至风机的一三相绕组，以及所述直流输出侧输出一直流电压； 多个网侧变流器，设置于所述塔架的底部或外部，每一网侧变流器具有一直流输入侧和一交流输出侧，其中，所述直流输入侧耦接至所述机侧变流器的直流输出侧； 至少一直流母线，跨接于所述机侧变流器的直流输出侧和所述网侧变流器的直流输入侧之间；以及 一隔离变压器，其原边电性连接至所述网侧变流器的交流输出侧，其副边电性连接至一电网，所述隔离变压器用于将所述交流输出侧输出的一交流电压经升压后传送至所述电网。
2.根据权利要求1所述的变流器结构，其特征在于，所述每一机侧变流器为一三相PWM整流器，用于将来自所述风机的交流电压整流为所述直流电压。
3.根据权利要求1所述的变流器结构，其特征在于，所述每一网侧变流器为一三相PWM逆变器，用于将来自所述机侧变流器的直流电压逆变为所述交流电压。
4.根据权利要求1所述的变流器结构，其特征在于，所述多个机侧变流器包括一第一组机侧变流器和一第二组机侧变流器，所述多个网侧变流器包括一第一组网侧变流器和一第二组网侧变流器， 其中，所述第一组机 侧变流器的直流输出侧藉由一直流母线连接至所述第一组网侧变流器的直流输入侧，以及所述第二组机侧变流器的直流输出侧藉由另一直流母线连接至所述第二组网侧变流器的直流输入侧。
5.根据权利要求1所述的变流器结构，其特征在于，所述多个机侧变流器包括一第一组机侧变流器和一第二组机侧变流器，所述多个网侧变流器包括一第一组网侧变流器和一第二组网侧变流器， 其中，所述第一组机侧变流器的直流输出侧与所述第二组机侧变流器的直流输出侧藉由一直流母线并联连接，所述第一组网侧变流器的直流输入侧与所述第二组网侧变流器的直流输入侧并联连接，并且所述直流母线还电性连接至所述第一组网侧变流器的直流输入侧或所述第二组网侧变流器的直流输入侧。
6.根据权利要求4或5所述的变流器结构，其特征在于，所述风机为3N相全功率风力发电机，N为自然数。
7.根据权利要求6所述的变流器结构，其特征在于，所述全功率风力发电机为永磁同步发电机或电励磁同步发电机。
8.根据权利要求6所述的变流器结构，其特征在于，所述第一组机侧变流器和第二组机侧变流器中的至少一组包括一第一机侧变流器和一第二机侧变流器，当N为I时，所述第一机侧变流器的交流输入侧以及所述第二机侧变流器的交流输入侧均电性连接至所述三相全功率风力发电机的三相绕组。
9.根据权利要求6所述的变流器结构，其特征在于，所述第一组机侧变流器和第二组机侧变流器中的至少一组包括一第一机侧变流器和一第二机侧变流器，当N大于I时，所述第一机侧变流器的交流输入侧电性连接至所述风机的一三相绕组，所述第二机侧变流器的交流输入侧电性连接至所述风机的另一三相绕组。
10.根据权利要求8或9所述的变流器结构，其特征在于，所述第一机侧变流器和第二机侧变流器均为一桥式电路，并且所述桥式电路由两电平桥臂、三电平桥臂或维也纳电路组成。
11.根据权利要求4或5所述的变流器结构，其特征在于，所述第一组网侧变流器和第二组网侧变流器中的至少一组包括一第一网侧变流器和一第二网侧变流器。
12.根据权利要求11所述的变流器结构，其特征在于，所述隔离变压器为一多绕组变压器，其中，所述隔离变压器原边侧的多个绕组分别耦接至所述第一网侧变流器和第二网侧变流器各自的交流输出侧，所述隔离变压器的副边侧连接至所述电网。
13.根据权利要求12所述的变流器结构，其特征在于，所述第一网侧变流器和第二网侧变流器各自的交流输出侧经由滤波单元连接至所述隔离变压器。
14.根据权利要求11所述的变流器结构，其特征在于，所述隔离变压器为一两绕组变压器，其中，所述隔离变压器原边侧的单个绕组分别经由一环流抑制单元连接至所述第一网侧变流器和第二网侧变流器各自的交流输出侧。
15.根据权利要求8或9所述的变流器结构，其特征在于，所述变流器结构还包括一第一环流控制模块，设置于所述多个机侧变流器中，包括: 一转矩控制器，用于接收所述风机的电机转矩； 机侧控制模块，包括机侧电流控制单元和环流控制单元，所述机侧电流控制单元电性连接至所述转矩控制器和所述机侧变流器，用于根据流入所述机侧变流器的电流信号和一给定信号来控制电流；以及 一电流比较器，用于接收流入所述第一机侧变流器的电流信号和流入所述第二机侧变流器的电流信号，并将二者进行比较从而输出一比较信号； 其中，所述比较信号传送至相应的环流控制单元，以控制所述第一机侧变流器和第二机侧变流器之间形成的环流。
16.根据权利要求11所述的变流器结构，其特征在于，所述变流器结构还包括一第二环流控制模块，设置于所述多个网侧变流器中，包括: 一电压控制器，用于接收经所述直流母线传送的直流电压； 网侧控制模块，包括网侧电流控制单元和环流控制单元，所述网侧电流控制单元电性连接至所述电压控制器和所述网侧变流器，用于根据流入所述网侧变流器的电流信号和一给定信号来控制电流；以及 一电流比较器，用于接收流入所述第一网侧变流器的电流信号和流入所述第二网侧变流器的电流信号，并将二者进行比较从而输出一比较信号； 其中，所述比较信号传送至相应的环流控制单元，以控制所述第一网侧变流器和第二网侧变流器之间形成的环流。
17.—种全功率风力发电系统,包括一风机和一全功率风电变流器,其特征在于， 所述全功率风电变 流器采用如权利要求1至16中任意一项所述的变流器结构。
全文摘要
本发明提供了一种风电变流器结构及包含该结构的风力发电系统，该变流器结构包括多个机侧变流器，设置于所述塔架顶部的机舱内；多个网侧变流器，设置于所述塔架的底部或外部，网侧变流器的直流输入侧耦接至机侧变流器的直流输出侧；至少一直流母线，跨接于机侧变流器和网侧变流器之间；以及一隔离变压器，其原边连接至网侧变流器的交流输出侧，其副边电性连接至一电网。采用本发明，将风电变流器的机侧变流器设置在塔架顶部的机舱内而将风电变流器的网侧变流器设置在塔架的底部或外部，利用跨接其间的直流母线来传输功率，不仅可降低塔上与塔下之间传送功率所需的电缆成本，而且还可均衡塔上的承重负荷。
文档编号H02J3/38GK103208812SQ20121001433
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者王长永, 陆岩松, 曲树笋 申请人:台达电子企业管理(上海)有限公司