直流风机输电系统的制作方法

本发明涉及风电输电技术领域，尤其涉及一种直流风机输电系统。

背景技术：

传统的低压直驱交流风机交流输电拓扑由图1和图2所示，由n组低压交流风机，中压35kv汇流交流母线构成。其中，低压交流风机内部由风力机，直驱电机，低压变流器和升压变压器组成。低压变流器通过与一个风机配套的升压变压器把690v低电压大电流的电能，转换成35kv较高电压等级的中压交流电压向三相交流母线传输。

然而，实际应用中，采用三相交流输电存在以下缺陷：

(1)变流器输出的电压较低，电流较大，需要使用大量的贵金属低压电缆，造成整机系统的损耗较大；

(2)发电机在塔顶的机舱，变流器一般在塔底的塔筒内，大量的低压电缆需要通过高塔筒，传输到塔底的变流器，对风机系统的解缆造成很大的压力；

(3)随着风机容量的越来越大，变流器的容量越来越大，低压变流器需要通过并联扩大容量，造成均流及环流等技术问题，对风机系统的可靠性造成影响。

(4)输电线路为三相线缆输电，输电线路造价高，输电距离近，并且容易由于风速的变化会造成电网电压的波动。

技术实现要素：

本发明的目的旨在提供一种直流风机输电系统，将位于塔顶的直驱电机所转换的三相交流电转化为直流电进行输电，以减小风机系统的解缆压力、降低系统损耗及成本。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种直流风机输电系统，包括多组直流风机及与每组所述直流风机输出端连接的直流输电母线；每组所述直流风机包括依次串接的风力机、多绕组直驱电机、变流器、单相变压器、单相整流器，其中，所述变流器用于将所述多绕组直驱电机所输出的三相交流电转换为单相交流电向所述单相变压器的原边输出；所述直流风机中的单相整流器的输出端与所述直流输电母线相连。

优选地，所述多绕组直驱电机的转子与风力机同轴连接，定子设有3n个绕组，每三个绕组构成一组三相交流系统，其中n≥3。

优选地，所述变流器由多个依次级联的ac/dc/ac电路组成；其中，每个ac/dc/ac电路的输入端与所述多绕组直驱电机的一组三相绕组连接，每个ac/dc/ac电路具有两个输出端子，上一级所述ac/dc/ac电路的第二输出端子与下一级ac/dc/ac电路的第一输出端子连接，而第一级ac/dc/ac电路的第一输出端子和最后一级ac/dc/ac电路的第二输出端子一一对应与所述单相变压器原边的两个输入端连接。

优选地，所述ac/dc/ac电路包括依次串接的三相pwm整流器、直流电容、放电电阻、斩波器及h桥逆变器，其中，所述ac/dc/ac电路的第一输出端子和第二输出端子分别为所述h桥逆变器的两个输出端子。

优选地，所述ac/dc/ac电路还包括泄放电阻；所述斩波器包括两个相互串联的功率器件；所述泄放电阻的一端连接于两个所述功率器件之间的传输线，另一端连接到所述ac/dc/ac电路内的正母线上。

优选地，所述ac/dc/ac电路为一体化功率单元。

优选地，所述单相整流器为具有四个桥臂的h桥结构，每个桥臂上设有mmc模块及一个储能电感，上下对称分布的两个桥臂经由所述储能电感串联而电连接，每个所述mmc模块经由所述储能电感与所述单相变压器副边的一个端口连接，所述单相整流器的两个输出端子与两条直流输电母线一一对应连接。

优选地，所述mmc模块由多个级联的子模块构成，上一级所述子模块的第二端子与下一级所述子模块的第一端子连接，其中，第一级子模块的第一端子与所述储能电感电连接，最后一级子模块的第二端子与直流输电母线连接。

进一步地，所述mmc模块还包括多个与所述多个所述子模块一一对应连接的旁路开关，用于在对应的所述子模块发生故障时，旁路开关动作，将电路切换到旁路开关所在的回路，以保证mmc模块的正常工作。

优选地，所述子模块包括由两个串联的功率器件构成的半桥电路及跨接于所述半桥电路的母线的直流支撑电容。

相比现有技术，本发明的方案具有以下优点：

1.本发明的直流风机输电系统由多组并联的直流风机和直流输电母线组成，其中，多绕组直驱电机所转化的低频三相交流电经变流器转化为单相交流电、继而经单相变压器升压、单相整流器整流并升压后向直流输电母线汇流，通过所述多组直流风机实现将风力机产生的低压交流电转换为直流中压电输送到输送母线中，避免了直流风机采用串联结构时易出现的任一组风机出现故障时引起输电母线的电压故障问题，解决风速变化时造成的电网电压波动问题，并降低输电线路的造价，提升输电距离。

2.由于变流器输出的电压较高，电流较小，只需要数量极少的中压电缆，使得整机系统的损耗减小。

3.发电机和变流器都集中设计在机舱内，数量极少的中压电缆通过高塔筒，传输到塔底的变流器，大大减小了风机系统的解缆压力。

4.通过升高电压等级扩大容量，避免了均流及环流等技术问题，提升了风机系统的可靠性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有的低压直驱交流风机交流输电系统的电路图；

图2为图1所示系统中交流风机的结构示意图；

图3为本发明的直流风机输电系统的电路图；

图4为图3所示直流风机输电系统中直流风机的结构示意图；

图5为本发明的一种实施方式的变流器的结构示意图；

图6为本发明的一种实施方式的单相整流器的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图3至图6所示，本发明提供一种直流风机输电系统，包括多组并联的直流风机1和直流输电母线2，多组所述直流风机1输出的电流汇流到所述直流输电母线2。所述直流风机1设有p组，p≥2。通过将直流风机1以并联的方式汇流到直流输电母线2，通过两根直流输电母线2输电，可降低输电系统的成本、提升输电距离。同时，由于直流输电母线2的电压可控，能够避免在风速变化时引起的电网电压波动的问题。

参见图4，优选地，所述直流风机1包括依次串接的风力机11、多绕组直驱电机12、变流器13、单相变压器14及单相整流器15。

具体地，所述多绕组直驱电机12优选为永磁直驱式风力发电机，发电机的转子与风力机11同轴连接，发电机的定子设有3n(n≥3)个绕组，每三个绕组构成一组abc三相交流系统。由此，可通过限制多绕组直驱电机12的绕组数量来约束电压，进而可控制向直流输电母线2输出的电压。

请结合图5，对应地，所述变流器13由n个ac/dc/ac电路级联而成，所述ac/dc/ac电路为一体化功率单元。每个所述ac/dc/ac电路包括依次串接的三相pwm整流器131、母线电容、放电电阻、斩波器132及h桥逆变器133。所述三相pwm整流器131的输入端子为所述ac/dc/ac电路的输入端，与所述多绕组直驱电机12的一组三相绕组连接。上一级ac/dc/ac电路的h桥逆变器133的第二输出端子与下一级ac/dc/ac电路的h桥逆变器133的第一输出端子连接，第一级ac/dc/ac电路的h桥逆变器133的第一输出端子和最后一级ac/dc/ac电路的h桥逆变器133的第二输出端子一一对应连接到所述单相变压器14原边的两个端子上。从而，可通过变流器13将所述多绕组直驱电机12所转化的三相交流电经整流、逆变而转换成单相交流电，减小电流、升高了电压。

优选地，所述斩波器132包括两个串联的晶体管及两个与所述晶体管一一对应反并联的续流二极管。

进一步地，所述ac/dc/ac电路还包括泄放电阻，所述泄放电阻的一端连接于两个所述晶体管之间的传输线，另一端连接到所述ac/dc/ac电路内的正母线上。

本发明的直流风机输电系统中，采用多个ac/dc/ac电路级联而成的中压变流器13，输出的电压高，电流小，只需要数量极少的中压电缆，整机系统的损耗较小。

请结合图6，优选地，所述单相整流器15为单相mmc(modularmulti-levelconverter，模块化多电平换流器)整流器，用于将单相变压器14副边的交流电整流并升压后汇流至直流输电母线2。所述单相整流器15设为具有四个桥臂的h桥结构，每个桥臂上设有mmc模块151及一个储能电感152，上下对称分布的两个桥臂经由所述储能电感152串联而电连接，每个所述mmc模块151经由所述储能电感152与所述单相变压器14副边的一个端口连接，所述单相整流器15的两个输出端子与两条直流输电母线2一一对应连接。

其中，所述储能电感152作为电压源换流阀与交流系统之间功率传输的纽带，决定了换流阀的功率输送能力，有功功率和无功功率的控制，同时，还具有抑制换流阀输出电流和电压中的开关频率谐波量，在短路时，还可抑制电流上升率和抑制短路电流峰值。

其中，所述mmc模块151由多个级联的子模块1511构成。所述子模块1511的第二端子与下一级子模块1511的第一端子连接，其中，第一级子模块1511的第一端子与所述储能电感152电连接，最后一级子模块1511的第二端子与直流输电母线2连接。其中，所述子模块1511的数量由技术人员根据直流输电母线2的电压等级设置，mmc模块151中全部子模块1511的电压值之和为直流输电母线2的电压等级。

进一步地，所述mmc模块151还包括多个与所述多个所述子模块1511一一对应连接的旁路开关，用于在所述子模块1511发生故障时，将电路切换到对应的所述旁路开关所在的回路，保障mmc模块的正常工作，进而避免由于子模块发生故障而导致母线电压发生故障。

优选地，所述子模块1511包括由两个串联的晶体管、两个与所述晶体管一一对应反并联的续流二极管构成的半桥电路及跨接于所述半桥电路高压侧的直流支撑电容。

优选地，上述晶体管为绝缘栅双极型晶体管。在其他实施方式中，所述晶体管还可替换为其他具有可控开关功能的功率器件。

在电能由整流器15向电机方向传输时，单相中压级联整流器15变成单相中压级联逆变器，将直流电能变为交流电，实现电能的双向传输。所述整流器15通过级联的形式扩大容量，避免均流或环流等问题，提升了风机输电系统的可靠性。

本发明中，直流风机1并联接入输电系统，直流输电母线2电压经级联的h桥逆变器级联、通过单相变压器、再通过对应的单相mmc整流器整流级联而成，即使一个或多个风机出现故障，也不会引起直流输电母线2电压的故障，提高了系统的稳定性。

本发明的直流风机输电系统，可将发电机和变流器13都集中设于机舱内，通过少量的中压电缆通过高筒塔，传输到塔底的单相整流器15，大大减小了风机系统的解缆压力。本发明中的直流风机输电系统中，还通过控制发电机绕组的数量来限制电压、通过变流器13、单相变压器14及整流器15来升高电压等级进而扩大容量，避免了均流及环流的问题，提升了风机系统的可靠性。

综上，本发明采用并联结构的多组风力发电机组将风力机产生的低频交流电转换为直流中压电输送到直流输电母线中，实现降低电能在输送过程中的功率损耗及输电成本，而且避免采用风力发电机组的串联结构时引起的输电母线出现电压故障的问题。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。