CN116365570A - 输变电系统和包括该输变电系统的风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种输变电系统和包括该输变电系统的风力发电机组，所述输变电系统包括：第一变流器，在风力发电机组的发电机侧连接到所述发电机，并且被配置为将所述发电机输出的交流电转变为直流电；第二变流器，布置在电网侧；以及直流母线，连接在所述第一变流器的直流侧与所述第二变流器的直流侧之间，并且用于传输直流电，其中，所述第二变流器被配置为将从电网接收的交流电转变为直流电以传输到所述直流母线，或者将通过所述直流母线接收的直流电转变为交流电。通过采用本公开，能够有利于构建风力发电机组的电压原型变流系统并且能够实现风储一体化，使风力发电机组具备多种运行模式，具有较好的并网或离网运行的友好性。

Description

输变电系统和包括该输变电系统的风力发电机组

技术领域

本公开属于风力发电技术领域，更具体地，涉及一种用于风力发电机组的输变电系统和包括该输变电系统的风力发电机组。

背景技术

在风力发电机组市场上，现有主流的变流方案为背靠背一体化交直交变流方案，其中，将变流器布置在风力发电机组的塔底。在应用这种变流方案的风力放电机组中，从塔顶到塔底的电能传输方式为交流传输方式。

然而，随着功率提升，采用这种变流方案的风力发电机组的机侧电缆数量会显著增加，导致成本增高和电缆敷设困难。特别地，随着电缆数量的增加，扭缆段可靠性问题日益突出。此外，由于机侧电缆长度、数量和敷设方式变化，导致塔底PWM变流机侧du/dt滤波器设计变得困难，经常出现共模峰值超标问题，对电机绝缘带来潜在危险，绝缘设计成本也增加。

同时，风储一体化的市场需求逐步提上日程，支撑弱电网的电压源型变流器成为研究热点，但目前尚无成熟的方案和产品推出及应用。

发明内容

鉴于上述问题而提出本公开。本公开的一个目的在于提供一种用于风力发电机组的输变电系统，所述输变电系统能够提高传输电能效率、降低电压损耗、减少塔筒段电缆的数量并且降低电能传输成本。

本公开的另一目的在于提供一种用于风力发电机组的输变电系统，所述输变电系统能够提供风力发电机组的备用电源，实现风力发电机组的风储一体化，从而为电压原型变流器提供电源支撑，增强对弱电网的适应性。

本公开的另一目的在于构建于风力发电机组的电压原型变流系统。

根据本公开的第一方面，提供一种用于风力发电机组的输变电系统，所述输变电系统包括：第一变流器，在风力发电机组的发电机侧连接到所述发电机，并且被配置为将所述发电机输出的交流电转变为直流电；第二变流器，布置在电网侧；以及直流母线，连接在所述第一变流器的直流侧与所述第二变流器的直流侧之间，并且用于传输直流电，其中，所述第二变流器被配置为将从电网接收的交流电转变为直流电以传输到所述直流母线，或者将通过所述直流母线接收的直流电转变为交流电。

优选地，所述输变电系统还可包括直流储能单元，所述直流储能单元连接到所述直流母线。

优选地，所述输变电系统还可包括：断路器开关，连接在所述第二变流器与电网变压器之间；第一开关，连接在所述第二变流器的交流侧与风力发电机组的自用变压器之间；以及第二开关，连接在所述电网变压器与所述自用变压器之间。

优选地，所述输变电系统还可包括控制器，所述控制器被配置为响应于电网无故障且风力发电机组满足并网条件而执行以下操作：接通所述第一变流器和所述第二变流器，并且闭合所述断路器开关，以将风力发电机组并入电网；闭合所述第一开关或所述第二开关，所述发电机或电网向风力发电机组的辅助系统供电；同时接通所述直流储能单元，以将经由所述第一变流器转变的直流电的一部分存储在所述直流储能单元中。

优选地，所述控制器可被进一步配置为响应于电网故障且风力发电机组满足发电条件而执行以下操作：接通所述第一变流器，并且断开所述断路器开关，以使风力发电机组离网运行；接通所述直流储能单元，以将经由所述第一变流器转变的直流电的至少一部分存储在所述直流储能单元中；断开所述第二开关，接通所述第二变流器并且闭合所述第一开关，以利用所述发电机为所述辅助系统供电。

优选地，所述控制器可被进一步配置为响应于电网故障且风力发电机组不满足发电条件而执行以下操作：使所述发电机停止工作，断开所述第一变流器、所述断路器开关和所述第二开关，接通所述第二变流器并且闭合所述第一开关，以利用所述直流储能单元为所述辅助系统供电。

优选地，所述控制器可被进一步配置为响应于电网无故障且风力发电机组不满足发电条件而执行以下操作：断开所述第一变流器，接通所述第二变流器和所述直流储能单元，并且闭合所述断路器开关，以将经由所述第二变流器转变的直流电存储在所述直流储能单元中；断开所述第一开关，并且闭合所述第二开关，以利用电网为所述辅助系统供电。

优选地，所述控制器可被进一步配置为响应于电网无故障并且风力发电机组满足发电但不满足并网条件而执行以下操作：接通所述第一变流器，并且断开所述第二变流器和所述断路器开关，接通所述直流储能单元，以将经由所述第一变流器转变的直流电存储在所述直流储能单元中；断开所述第一开关，并且闭合所述第二开关，以利用电网为所述辅助系统供电。

优选地，所述直流储能单元可以为直流储能逆变单元，并且可布置在风力发电机组的塔筒内或塔筒外。

优选地，所述输变电系统还可包括防扭缆装置，所述防扭缆装置布置在所述第一变流器与所述直流母线之间。

根据本公开的第二方面，提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括如上所述的输变电系统。

优选地，所述第一变流器可布置在所述风力发电机组的机舱内，所述直流母线可布置在所述风力发电机组的塔筒内，并且所述第二变流器可布置在所述风力发电机组的塔底。

根据本公开的示例性实施例的用于风力发电机组的输变电系统将用于整流的第一变流器布置在塔顶的机舱处、将用于逆变的第二变流器布置在塔底、并且在塔筒部分采用直流传输方式传输电能，提高了直流传输电能效率，降低了风力发电机组侧的能耗和电压损失，同时减少了塔筒段电缆的数量，从而降低了风力发电机组侧电能传输成本。

根据本公开的示例性实施例的用于风力发电机组的输变电系统设置有直流传输部分，提高了传输电能效率、降低电压损耗、减少塔筒段电缆的数量并且降低电能传输成本。

根据本公开的示例性实施例的用于风力发电机组的输变电系统设置有直流储能逆变单元，使得第一变流器(即，机侧变流器)和第二变流器(即，网侧变流器)均可独立运行，并且有利于构建电压原型变流系统。

此外，根据本公开的示例性实施例的包括输变电系统的风力发电机组实现了发电、储能、机组备电一体化，具备多种运行模式，具有较好的并网或离网运行的友好性。

附图说明

通过下面结合附图对示例性实施例进行的详细描述，本发明的上述和其他方面、特点及其他优点将会变得清楚和更加容易理解，在附图中：

图1是示出根据本公开的示例性实施例的输变电系统及其在风力发电机组中的布置的示意图。

附图标记说明：10-输变电系统；110-第一变流器；120-第二变流器；130-直流母线；132-电容器；140-直流储能单元；20-叶轮；30-自用变压器；40-电网变压器；150-防扭缆装置；S0-断路器开关；S1-第一开关；S2-第二开关；G-发电机。

具体实施方式

下面结合附图，提供具体实施方式的描述以帮助读者获得对在此描述的方法、装置和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开之后，在此描述的方法、装置和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定的顺序发生的操作之外，可如在理解本申请的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，本领域已知的特征的描述可被省略。

在此描述的特征可以以不同的形式来实现，而不应被解释为限于在此描述的实施例。相反，已提供在此描述的实施例，以仅示出实现在此描述的方法、装置和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式，所述许多可行方式在理解本申请的公开之后将是清楚的。

在此使用的术语仅用于描述各种实施例，并不将用于限制公开。除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。术语“包含”、“包括”和“具有”说明存在叙述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。

除非另有定义，否则在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与由本公开所属领域的普通技术人员在理解本公开之后通常理解的含义相同的含义。除非在此明确地如此定义，否则术语(诸如，在通用词典中定义的术语)应被解释为具有与它们在相关领域的上下文和本公开中的含义一致的含义，并且不应被理想化或过于形式化地解释。此外，在示例的描述中，当认为公知的相关结构或功能的详细描述将引起对本公开的模糊解释时，将省略这样的详细描述。

在以下描述中，参照图1以将输变电系统应用于风力发电机组的布置作为示例性实施例进行详细描述。

图1是示出根据本公开的示例性实施例的输变电系统及其在风力发电机组中的布置的示意图。

如图1所示，输变电系统10可包括第一变流器110、第二变流器120和直流母线130。第一变流器110可布置在风力发电机组的位于塔顶的机舱内，直流母线130可布置在风力发电机组的塔筒内，并且第二变流器120可布置在风力发电机组的塔底。

第一变流器110可在风力发电机组的发电机侧连接到发电机G，并且被配置为将发电机输出的交流电(AC)转变为直流电(DC)。具体地，第一变流器110可用于在发电机G被驱动输出交流电之后将来自发电机G的交流电主动整流成具有正负极性的直流电。尽管未示出，但是在第一变流器110的直流侧可设置有开关，该开关可安装在机舱内。第一变流器110可经由该开关连接到直流母线130或者与直流母线130断开连接。

直流母线130可连接在第一变流器110的直流侧与第二变流器120的直流侧之间，并且用于传输直流电。换言之，从风力发电机组的塔顶到塔底采用直流母线传输线路。作为示例，直流母线130可以是铜电缆、铝合金电缆或管母线，但不限于此，只有其具有优异的直流传输特性即可。此外，在直流母线130的正极P+与负极P-之间可连接有电容器132，以从补偿电抗的角度来改善系统电压，从而减少电能损耗，提高系统的稳定性。

第二变流器120可布置在电网侧，并且可被配置为将从电网接收的交流电转变为直流电以传输到直流母线130，或者将通过直流母线130接收的直流电转变为交流电。与第一变流器110类似，第二变流器120在直流侧可设置有开关。第二变流器120可经由该开关连接到直流母线130或者与直流母线130断开连接。

如上所述，根据本示例性实施例的输变电系统可将变流器的整流部分(即，第一变流器110)布置在风力发电机组塔顶的机舱，而将变流器的逆变部分(即，第二变流器120)布置在塔底，并且在塔筒部分采用直流传输电能。由于直流传输电能效率较高，因此根据本示例性实施例的输变电系统可降低传输线路的能耗和电压损失。

在现有技术中，风力发电机组从塔顶到塔底传输电能采用的是交流传输方式，随着功率的提高，电缆数量会大大增加，导致成本增高。与之相比，本示例性实施例的直流输变电系统可减少塔筒段的电缆的数量，从而降低从塔顶到塔底的电能传输的成本。

此外，由于根据本示例性实施例的输变电系统将整流部分布置在风力发电机组塔顶的机舱内并且在塔筒段采用直流传输电能的方式，因此可避免防止在塔底设置整流用变流器时出现的共模峰值超标问题，从而提高风力发电机组的可靠性和稳定性，并有利于降低绝缘设计成本。

如图1所示，输变电系统10还可包括防扭缆装置150，防扭缆装置150布置在第一变流器110与直流母线130之间。具体地，作为示例，防扭缆装置150可以是直流偏航集电环，该直流偏航集电环可安装在偏航平台上。可选地，防扭缆装置150可以是风电机组传统的扭缆方案。

继续参照图1，输变电系统10还可包括连接到直流母线130的直流储能单元140。

直流储能单元140可用于储存从发电机G或从电网接收并被转换的直流电。尽管图1中示出了三个直流储能单元，但不限于此。例如，根据实际需要以及直流储能单元的容量，输变电系统10可包括仅一个直流储能单元，或者可包括两个或者多于三个的直流储能单元。具体地，直流储能单元可以是直流储能逆变单元。可选地，直流储能单元可包括但不限于电池组。作为示例，直流储能单元布置在风力发电机组的塔筒内，但不限于此，根据需要，直流储能单元可独立地布置在塔筒外或者其他合适的位置。

此外，输变电系统10在风力发电机组的塔底还包括断路器开关S0、第一开关S1和第二开关S2。

具体地，断路器开关S0连接在第二变流器120的交流侧与电网变压器40之间，第一开关S1连接在第二变流器120的交流侧与风力发电机组的自用变压器30之间，并且第二开关S2连接在电网变压器40与自用变压器30之间。

尽管未在图1中示出，但风力风电机组还包括用于监测、保护、故障诊断、偏航、变桨、抗涡激振动等的辅助系统。该辅助系统需要相对低的电压，因此连接到自用变压器30的低压侧。如上所述，可经由第一开关S1和第二开关S2的通断而将辅助系统用的自用变压器30的高压侧选择性地连接到第二变流器120或电网。

输变电系统10还可包括用于控制输变电系统10的一个或更多个控制器或者计算模块(未示出)。在下文中，将以控制器为例进行描述，将详细描述控制器根据风力发电机组的不同工况和电网的不同运行状况对输变电系统的控制操作。

具体地，可根据电网是否故障以及风力发电机组的工况来控制输变电系统，其中，风力发电机组的工况包括：第一工况-风力发电机组满足发电条件，即满足并网条件；第二工况-风力发电机组满足发电但不满足并网条件；以及第三工况-风力发电机组不满足发电条件。

当电网无故障时，可通过控制器选择性地断开或闭合断路器开关S0和第二开关S2，具体地，可按照如下方式来根据风力发电机组的工况控制输变电系统。

当风力发电机组在第一工况下(即，风力发电机组满足发电条件)时，叶轮20旋转并驱动发电机G输出交流电，可通过控制器接通第一变流器110和第二变流器120，使得所输出的交流电经过第一变流器110被整流成直流电，然后直流电通过直流母线130传输到第二变流器120，并且通过第二变流器120逆变为交流电。此时，由于电网无故障，因此还可通过控制器将断路器开关S0闭合，以将从第二变流器120逆变的交流电传输至电网变压器40，继而传输到电网，从而将风力发电机组并入电网。在这种情况下，根据对辅助系统的供电需求，可通过控制器闭合第一开关S1，断开第二开关S2，以利用发电机G向风力发电机组的辅助系统供电；可选地，可通过控制器闭合第二开关S2，断开第一开关S1，以利用电网向风力发电机组的辅助系统供电。同时，在该工况下，根据储能需求，可通过驱动发电机G同步给直流母线130上的直流储能单元140供电。具体地，可通过控制器接通直流储能单元140，以将经由第一变流器110转变的直流电的一部分存储在直流储能单元140中。也就是说，当电网无故障且风力发电机组在第一工况下时，输变电系统可使风力发电机组并网运行、可利用电网或发电机G向辅助系统供电并且可利用发电机G对直流储能单元进行充电。

当风力发电机组在第二工况下(即，风力发电机组满足发电但不满足并网条件)时，叶轮20旋转并驱动发电机G输出交流电，但是由于风力发电机组不满足并网条件，因此可通过控制器断开断路器开关S0，以使风力发电机组离网运行。此时，还可通过控制器断开第二变流器120。同时，可通过控制器接通第一变流器110并且接通直流储能单元140，以通过第一变流器110将发电机G输出的交流电转变为直流电，并将该直流电的至少一部分存储在直流储能单元140中，从而为风力发电机组备电。在这种情况下，根据对辅助系统的供电需求，还可通过控制器闭合第二开关S2，以利用电网为辅助系统供电，此时，第一开关S1处于断开状态。也就是说，当电网无故障且风力发电机组在第二工况下时，输变电系统可使风力发电机组离网运行、可利用电网向辅助系统供电并且可利用发电机G对直流储能单元进行充电。

当风力发电机组在第三工况下(即，风力发电机组不满足发电条件)时，叶轮20不旋转并且发电机G不工作，因此可通过控制器断开第一变流器110。此时，由于电网无故障，因此可通过控制器接通第二变流器120和直流储能单元140并且闭合断路器开关S0，以将来自电网的交流电经由第二变流器120转变为直流电，并将该直流电存储在直流储能单元140中。在这种情况下，根据对辅助系统的供电需求，还可通过控制器闭合第二开关S2，以利用电网为辅助系统供电，此时，第一开关S1处于断开状态。也就是说，当电网无故障且风力发电机组在第三工况下时，输变电系统可利用电网向辅助系统供电并且可利用电网对直流储能单元进行充电。

此外，当电网故障时，通过控制器断开断路器开关S0和第二开关S2，此时可按照如下方式来根据风力发电机组的工况控制输变电系统。

具体地，当风力发电机组在第一工况下时，风力发电机组离网运行。此时，叶轮20旋转并驱动发电机G输出交流电，因此可通过控制器接通第一变流器110并且接通直流储能单元140，以将通过第一变流器110将发电机G输出的交流电转变为直流电，并将该直流电的至少一部分存储在直流储能单元140中，从而为风力发电机组备电。在这种情况下，根据对辅助系统的供电需求，还可通过控制器接通第二变流器120并且闭合第一开关S1，以利用发电机G为辅助系统供电。也就是说，当电网故障且风力发电机组在第一工况下时，输变电系统可使风力发电机组离网运行、可利用发电机G向辅助系统供电并且可利用发电机G对直流储能单元进行充电。此外，风力发电机组以上述方式离网运行，待电网恢复正常运行时，风力发电机组将并入电网以并网运行模式运行。

当风力发电机组在第二工况下时，叶轮20旋转并驱动发电机G输出交流电，因此可通过控制器接通第一变流器110并且接通直流储能单元，以通过第一变流器110将发电机G输出的交流电转变为直流电，并将该直流电的至少一部分存储在直流储能单元140中，从而为风力发电机组备电。在这种情况下，根据对辅助系统的供电需求，还可通过控制器接通第二变流器120并且闭合第一开关S1，以利用发电机G或直流储能单元为辅助系统供电。也就是说，当电网故障且风力发电机组在第二工况下时，输变电系统可使可利用发电机G或直流储能单元向辅助系统供电，并且可利用发电机G对直流储能单元进行充电。

当风力发电机组在第三工况下时，由于叶轮20不旋转并且发电机G不工作，因此可通过控制器接通断开第一变流器110。在这种情况下，辅助系统仍存在供电需求，但是无法利用电网或发电机G来充电。因此，可通过控制器接通第二变流器120并且闭合第一开关S1，以利用直流储能单元140为辅助系统供电。也就是说，当电网故障且风力发电机组在第三工况下时，输变电系统可使可利用直流储能单元向辅助系统供电。

如上所述，通过根据示例性实施例的输变电系统，可实现风力发电、储能、机组备电(例如，抗涡激用备电、抗台风用备电等)一体化。此外，利用根据示例性实施例的输变电系统的风力发电机组具备多种运行模式，具有较好的并网、离网运行的友好性。

如以上所阐述的，根据本公开的示例性实施例的用于风力发电机组的输变电系统可提高传输电能效率、降低电压损耗、减少塔筒段电缆的数量并且降低电能传输成本。

根据本公开的示例性实施例的用于风力发电机组的输变电系统可设置有直流储能逆变单元，使得第一变流器和第二变流器均可独立运行，并且有利于构建电压原型变流系统。

此外，根据本公开的示例性实施例的包括输变电系统的风力发电机组可实现发电、储能、机组备电一体化，具备多种运行模式，具有较好的并网或离网运行的友好性。

尽管本公开包括具体示例性实施例，但是对本领域普通技术人员来说将明显的是，在不脱离权利要求及其等同物的精神和范围的情况下，可在这些示例中做出形式上和细节上的各种改变。在此描述的示例将仅被认为是描述性的意义，而不是出于限制的目的。每个示例中的特征或方面的描述将被认为是可适用于其他示例中的类似的特征或方面。如果按照不同的顺序执行描述的技术，和/或如果以不同的方式组合描述的系统、架构、装置或电路中的组件和/或用其他组件或它们的等同物替换或补充描述的系统、架构、装置或电路中的组件，则可获得合适的结果。因此，本公开的范围不由具体实施方式限定，而是由权利要求及其等同物来限定，并且在权利要求及其等同物的范围内的所有变型将被解释为包括在本公开中。

Claims (12)

1.一种用于风力发电机组的输变电系统，其特征在于，所述输变电系统包括：

第一变流器，在风力发电机组的发电机侧连接到所述发电机，并且被配置为将所述发电机输出的交流电转变为直流电；

第二变流器，布置在电网侧；以及

直流母线，连接在所述第一变流器的直流侧与所述第二变流器的直流侧之间，并且用于传输直流电，

其中，所述第二变流器被配置为将从电网接收的交流电转变为直流电以传输到所述直流母线，或者将通过所述直流母线接收的直流电转变为交流电。

2.根据权利要求1所述的输变电系统，其特征在于，所述输变电系统还包括直流储能单元，所述直流储能单元连接到所述直流母线。

3.根据权利要求2所述的输变电系统，其特征在于，所述输变电系统还包括：

断路器开关，连接在所述第二变流器与电网变压器之间；

第一开关，连接在所述第二变流器的交流侧与风力发电机组的自用变压器之间；以及

第二开关，连接在所述电网变压器与所述自用变压器之间。

4.根据权利要求3所述的输变电系统，其特征在于，所述输变电系统还包括控制器，所述控制器被配置为响应于电网无故障且风力发电机组满足并网条件而执行以下操作：

接通所述第一变流器和所述第二变流器，并且闭合所述断路器开关，以将风力发电机组并入电网；

闭合所述第一开关或所述第二开关，所述发电机或电网向风力发电机组的辅助系统供电；

同时接通所述直流储能单元，以将经由所述第一变流器转变的直流电的一部分存储在所述直流储能单元中。

5.根据权利要求4所述的输变电系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置为响应于电网故障且风力发电机组满足发电条件而执行以下操作：

接通所述第一变流器，并且断开所述断路器开关，以使风力发电机组离网运行；

接通所述直流储能单元，以将经由所述第一变流器转变的直流电的至少一部分存储在所述直流储能单元中；

断开所述第二开关，接通所述第二变流器并且闭合所述第一开关，以利用所述发电机为所述辅助系统供电。

6.根据权利要求4所述的输变电系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置为响应于电网故障且风力发电机组不满足发电条件而执行以下操作：

使所述发电机停止工作，断开所述第一变流器、所述断路器开关和所述第二开关，接通所述第二变流器并且闭合所述第一开关，以利用所述直流储能单元为所述辅助系统供电。

7.根据权利要求4所述的输变电系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置为响应于电网无故障且风力发电机组不满足发电条件而执行以下操作：

断开所述第一变流器，接通所述第二变流器和所述直流储能单元，并且闭合所述断路器开关，以将经由所述第二变流器转变的直流电存储在所述直流储能单元中；

断开所述第一开关，并且闭合所述第二开关，以利用电网为所述辅助系统供电。

8.根据权利要求7所述的输变电系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置为响应于电网无故障并且风力发电机组满足发电但不满足并网条件而执行以下操作：

接通所述第一变流器，并且断开所述第二变流器和所述断路器开关，接通所述直流储能单元，以将经由所述第一变流器转变的直流电存储在所述直流储能单元中；

断开所述第一开关，并且闭合所述第二开关，以利用电网为所述辅助系统供电。

9.根据权利要求2所述的输变电系统，其特征在于，所述直流储能单元为直流储能逆变单元，并且布置在风力发电机组的塔筒内或塔筒外。

10.根据权利要求1所述的输变电系统，其特征在于，所述输变电系统还包括防扭缆装置，所述防扭缆装置布置在所述第一变流器与所述直流母线之间。

11.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括如权利要求1至10中任一项所述的输变电系统。

12.根据权利要求11所述的风力发电机组，其特征在于，所述第一变流器布置在所述风力发电机组的机舱内，所述直流母线布置在所述风力发电机组的塔筒内，并且所述第二变流器布置在所述风力发电机组的塔底。

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