专利名称：基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电技术，特别涉及多相发电机与变流器级联输出技术。
背景技术：
目前基于风力发电的发电机多数采用了变速恒频技术和变浆矩技术。发电机与变 流器的匹配主要有以下三种 1、三相异步双馈发电机与一台背靠背整流/逆变器(即变流器)进行组合，直接 输出690V三相交流电，三相异步双馈发电机需要IOO倍左右的三级升速齿轮箱与风力机的 转速匹配。 2、多相同步永磁发电机与一台变流器进行组合，直接输出690V或者1400V交流
电，由于使用了多个绕组结构，不需要使用齿轮箱就可以与风力机的转速匹配。该技术可以
参见2007年2月28日公开的，公开号为CN2874907Y的中国专利。 3、介于1、2之间的方案，一级齿轮箱升速，直接输出690V交流电。 上述三种主流技术都需要一台三相发电机，输出电压在690 1400V，然后通过本
地变压器进行升压至10 22kV后并网。现有风力发电设备的缺点是 —般需要齿轮箱如1、3方案，使风力发电系统的可靠性和维护性均较差；输出电
压较低，每一套风力发电系统都需要一台本地升压变压器；低压侧电流大，发热大，线损高，
造成能量损耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术风力发电装置传动机构结构复 杂，需要安装升压变压器的缺点，提供一种利用多相发电机与级联式变流器组合构成的风 力发电装置。 本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，基于多相发电机和级联式变流器 的风力发电装置，包括风力机、发电机、控制系统和变流器，所述风力机与发电机连接，驱动 发电机运转，将风能转换为电能；所述变流器与发电机连接，在所述控制系统控制下对发电 机输出的电流进行变换； 所述发电机具有N个定子绕组，能够输出N路交流电；N = 3k，k为> 2的自然数；
所述变流器共有N个，每个变流器输出电压为单向交流电；N个变流器分为3组， 构成3条支路；每个变流器输入端分别与发电机的l个绕组连接，每条支路中k个变流器输 出端串联，3条支路输出三相正弦波交流电。
具体的，所述发电机为永磁同步发电机。
具体的，所述发电机为异步感应发电机。
进一步的，所述N个定子绕组均为三相绕组，输出交流电为三相交流电；所述N个 定子绕组在空间均匀分布，其同相绕组之间的相位差为2 Ji /N。
具体的，所述三相绕组采用Y型连接输出。
具体的，所述三相绕组采用A型连接输出。
进一步的，所述N个变流器具有相同结构。
进一步的，3条支路采用A型连接输出。
进一步的，3条支路采用Y型连接输出。 本发明的有益效果是，采用多相发电机与变流器级联技术，不需要升压变压器就 可以直接输出10kV 22kV的正弦波交流电，节约了制作升压变压器的钢材、铜材，简化了 风力发电装置的结构，降低了成本，提高了可靠性，可以进一步提高输出交流电的质量。
图1本发明风力发电装置结构示意图； 图2实施例的发电机定子绕组Y型连接示意图； 图3实施例的发电机定子绕组A型连接示意图； 图4实施例的发电机A相绕组的输出电压波形； 图5实施例的级联式中压变流器连接关系示意图； 图6变流器结构示意图； 图7整流器电路结构示意图； 图8单相全桥逆变器电路结构示意图。
具体实施例方式
多相发电机是一种具有多个输出绕组的发电机。相对于传统的单相、三相发电机，
具有更高的能量转换效率，并有利于抑制输出电压的谐波失真，提高电磁兼容性能。特别是
对于需要进行逆变处理的系统，多相发电机输出电流经过整流电路后，其输出直流电压的
脉动系数可以更低。有关多相发电机的技术，请参阅有关资料这里不作详细描述。 变流器， 一般包括整流电路和逆变电路，是一种对交流电进行处理和控制的装置，
可以对输入交流电进行电压、频率调整。变流器的多级串联组合，可以输出更高的交流电
压。关于变流器的级联技术请参阅公开号为CN101291129的中国专利。 本发明利用多相发电机输出的多路交流电(可以是单相或三相交流电)，作为变
流器的输入电压，采用多级变流器进行串联组合，通过控制系统的协调控制，直接输出标准
的三相正弦波电压，输出电压可以达到22kV以上，能够直接并入电网。 实施例 本例风力发电装置结构见图1。它由风力机1，将风能转变为机械能，通过轴2带动 发电机3的转子旋转，发电机3将机械能转换成电能由定子连接电缆4传送给级联式变流 器5，级联式变流器5的输出端6，输出U、V、W三相50Hz正弦波中压，该电压可以达到10 22kV。 U、 V、 W三相交流电通过电网连接系统与电网并网，向电网输送能量。控制系统7控 制发电机3和级联式变流器5，协调风力发电装置工作。 图1中，发电机3既可以设计成永磁同步方式，也可以设计成异步感应方式，其定 子绕组具有3k个三相绕组，这里k是大于2的自然数。图2是k = 3共9个三相绕组的连 接示意图9个三相绕组(Al A9 ;B1 B9 ;C1 C9)采用Y型连接输出三相交流电，这些 绕组中同相绕组在空间互相差360。
/9 = 40° ，均匀分布在360。内。图3是采用A型连接的示意图。 发电机转子旋转一周，上述9个三相绕组各发电一个周期。图4是图2中9个A 相绕组(Al A9)输出的A相电压波形。B相绕组和C相绕组输出的B相电压、C相电压与 A相电压分别相差120。和240° 。 图5是图1中级联式变流器5的结构示意图，由3k个变流器501组成。3k个变流 器分成3组，构成3条支路，每条支路由k个变流器串联构成，这里也表示了一个k = 3的 例子。每一个变流器501都有一组交流输入端子502，通过连接电缆4与9个三相绕组连 接，两个交流输出端子503，其输出为单向交流电，可以实现串联输出。本例中所有的变流 器501都是结构完全相同的变流器，可以互换使用。交流输入端子502连接的是三相交流 电(当然也可以是单相交流电)，这完全取决于发电机3定子绕组的结构，本例发电机3的 9个定子绕组均为三相绕组。 在图5中每一个变流器501的一个输出端子503与另一个变流器501的一个输出 端子503串联，三个变流器501组成一条支路；三条支路组成三相结构。三条支路的一端连 接成中性点504，外三个端子就是整个发电装置的输出端6，输出U、V、W三相50Hz正弦波交 流电。这就是三条支路采用Y型连接的例子，根据需要也可以连接成A型。
图6是变流器501的结构示意图。它包括整流器50101，逆变器50102，滤波电容 器50103和控制接口 50104。 图6中的整流器50101可以是三相整流器，也可以是单相整流器，取决于多相发 电机定子绕组的结构。整流器50101可以是由二极管、可控硅、IGBT或者IGCT组成的不控 整流电路、半控整流电路或者全控整流电路，具体的电路拓扑例子见图7之中的(a)、 (b)、 (c) 、 (d)和(e)，可以选用其中的任何一种。整流器50101通过交流输入端子502与发电机 3的一个定子绕组连接。 图6中的逆变器50102可以是由IGBT或者IGCT组成的简单单相全桥，多电平单 相全桥，电路拓扑例子见图8之中的(f)、 (g)和(h)，可以选用其中的任何一种。逆变器 50102的输出端子就是变流器501的两个交流输出端子503。 图6中的滤波电容器50103可以使用电解电容器，也可以使用无极性薄膜电容器。
图6中的控制接口 50104是由嵌入式系统组成，并且设有光纤通信功能，用于与控 制系统7的通讯。控制接口 50104在控制系统7的指挥之下控制变流器501的各项工作， 同时将变流器501的状态返回控制系统7。 控制系统7由高级嵌入式系统组成，通过来自风力机1、发电机3以及变流器等部 位上传感器的信息以及内部光纤通信，来控制发电机3和级联式变流器5。控制系统7进行 变流器输出波形计算、并网、监测、功率因数调整以及保护策略实施等工作，完成风力发电 装置的变速恒频运行。 上述实施例以变流器级联级数为3(即k = 3)进行了描述，本领域技术人员完全 能够根据上述描述，采用2级级联或多级级联组成级联式变流器。级数的增加可以在器件 相同耐压等级的条件下，输出更高的交流电压，但多相发电机、控制系统等将会变得更复 杂。
权利要求
基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，包括风力机、发电机、控制系统和变流器，所述风力机与发电机连接，驱动发电机运转，将风能转换为电能；所述变流器与发电机连接，在所述控制系统控制下对发电机输出的电流进行变换；其特征在于所述发电机具有N个定子绕组，能够输出N路交流电；N＝3k，k为≥2的自然数；所述变流器共有N个，每个变流器输出电压为单向交流电；N个变流器分为3组，构成3条支路；每个变流器输入端分别与发电机的1个绕组连接，每条支路中k个变流器输出端串联，3条支路输出三相正弦波交流电。
2. 根据权利要求1所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在 于，所述发电机为永磁同步发电机。
3. 根据权利要求1所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在 于，所述发电机为异步感应发电机。
4. 根据权利要求1、2或3所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其 特征在于，所述N个定子绕组均为三相绕组，输出交流电为三相交流电；所述N个定子绕组 在空间均匀分布，其同相绕组之间的相位差为2 Ji /N。
5. 根据权利要求4所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在 于，所述三相绕组采用Y型连接输出。
6. 根据权利要求4所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在 于，所述三相绕组采用A型连接输出。
7. 根据权利要求4所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在 于，所述N个变流器具有相同结构。
8. 根据权利要求7所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在 于，3条支路采用A型连接输出。
9. 根据权利要求7所述的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，其特征在 于，3条支路采用Y型连接输出。
全文摘要
本发明涉及风力发电技术，特别涉及多相发电机与变流器级联输出技术。本发明针对现有技术风力发电装置传动机构结构复杂，需要安装升压变压器的缺点，公开了一种由多相发电机与级联式变流器组合构成的风力发电装置。本发明的基于多相发电机和级联式变流器的风力发电装置，利用多相发电机输出的多路交流电(可以是单相或三相交流电)，作为变流器的输入电压，采用多级变流器进行串联组合，通过控制系统的协调控制，直接输出标准的三相正弦波电压，输出电压可以达到22kV以上，能够直接并入电网。本发明可用于风力发电设备。
文档编号H02M5/44GK101702582SQ20091031010
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者崔杨, 梁之龙 申请人:梁之龙;崔杨