模块化风电变流器、风电变流系统和风力发电机组的制作方法

本申请涉及风电变流器技术领域，具体而言，本申请涉及一种模块化风电变流器、风电变流系统和风力发电机组。

背景技术：

在直驱风力发电系统中，一般采用全功率风电变流器实现将风力发电机组发出的低频交流电转换为工频交流电并网的功能。由于全功率风电变流器的容量与风力发电机组的容量基本相等，并且风电变流器为电力电子装置，所以全功率风电变流器的尺寸及重量较大，一般会被放置在风力发电机塔筒的底层平台上。然而塔筒受到成本因素的影响，塔筒内部的直径宽度尺寸非常受限，造成了全功率风电变流器需要压缩柜体宽度方向尺寸才能放置内塔筒的内部。特别是在塔筒的底层平台上一般还会排布有上下爬梯、检修通道、安全设备等，造成风电变流器的实际可以利用宽度尺寸远小于塔筒直径尺寸。

现有技术中的全功率风电变流器方案一般采用功率柜、控制柜、滤波柜、进出线柜、机网侧开关柜、冷却柜组合的功能柜体设计方案；在一些其它的风电变流器方案中，将一个整体的结构柜体划分为多个具有独立功能的腔室，腔室之间相互隔离；另外一种方案中直接采用多个独立功能的柜体并柜组合成完整的风电变流器。

采用上述方案虽然可以带来直观的功能定位区分，但是对于空间狭小的塔筒，现有的风电变流器设计依然会造成塔筒空间利用不足，风电变流器结构不够紧凑，不利于在塔筒内部的布局摆放。

技术实现要素：

本申请针对现有方式的缺点，提出一种模块化风电变流器、风电变流系统和风力发电机组，用以解决现有技术存在塔筒内部空间利用不足、风电变流器结构不够紧凑等缺点。

第一个方面，本申请实施例提供了一种模块化风电变流器，包括：

包括柜体、机侧组件、功率组件、网侧组件、风冷通道以及液冷管路；

所述柜体内具有容置空间，所述容置空间包括第一空间、第二空间以及第三空间，且所述第一空间、第二空间及第三空间从上至下依次连通分布；

所述机侧组件、功率组件以及网侧组件依次分别设置于所述第一空间、第二空间及第三空间，并且所述机侧组件、功率组件及网侧组件依次电连接；

所述风冷通道的第一端设置于所述第一空间，另一端与所述第三空间连通；

所述液冷管路包括主进液管路及主回液管路，所述主进液管路位于所述第三空间内，所述主回液管路位于所述第一空间内，并且所述主进液管路及所述主回液管路连通设置。

第二个方面，本申请实施例提供了一种风电变流系统，包括至少一个上述的模块化风电变流器，还包括液冷柜和连接管，液冷柜通过连接管与至少一个模块化风电变流器的液冷管路连通设置。

第三个方面，本申请实施例提供了一种风力发电机组，包括至少一个上述的模块化风电变流器，各模块化风电变流器设置于风力发电机组的塔筒内部。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果是：

本申请通过将风电变流器模块化设计，并且在容置空间设置为三个空间，以便将各组件依次分别设置于各空间内，不仅达到良好的功能分区，而且采用模块化设置还可以使得本申请的结构更加紧凑合理；另外本申请还具备风冷及液冷的功能，可以进一步优化冷却效果；采用模块化设计还可以有效提高塔筒空间的利用率，使风电变流器的灵活性更强，便在在塔筒内布局摆放。

本申请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，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/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1A为本申请实施例提供的一种模块化风电变流器的整体结构的主视示意图；

图1B为本申请实施例提供的一种模块化风电变流器的整体结构的右视示意图；

图2A为本申请实施例提供的一种柜体的整体结构的主视示意图；

图2B为本申请实施例提供的一种柜体的整体结构的立体示意图；

图3为本申请实施例提供的一种风电变流系统的整体框架示意图；

具体实施方式

下面详细描述本申请，本申请的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部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

首先对本申请涉及的几个名词进行介绍和解释：

模块化：一般指通过封装整合部分电路，实现特定功能的部件；

标准化：一般指通过不同个体之间具有结构、功能、性能等完全一致的组成单元；

风电变流器：指实现机侧低频交流电转换为工频交流电并网，并控制风力发电机运行的机器；

功率组件单元：一般指具备DC/AC，或AC/DC，或AC/DC/AC功能的，主要由全控型半导体和直流电容器组构成的模块化单元；

机/网侧开关：一般指受控实现机/网侧电气回路接通和分断的开关器件；

机/网侧滤波单元：一般机侧滤波单元指du/dt，实现机侧du/dt斜率的降低，抑制共模电压峰值和差模电压峰值，进而保护电机的设备，网侧滤波单元指网侧低通滤波器，实现网侧电流高频谐波分量的滤除，满足并网电能质量的设备；

防雷装置：指浪涌电压吸收器件；

预充电装置：一般指在闭合主回路之前，提前对直流母线电容进行充电的设备；

水冷系统：水冷系统包括变流器外部冷却换热系统以及变流器内部冷却换热系统，将经过外部冷却系统的冷却水，与变流器柜体内部发热源进行热交换，进而带出柜体内部热量。

本申请提供一种模块化风电变流器、风电变流系统和风力发电机组，旨在解决现有技术的如上技术问题。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。

本申请实施例提供了一种模块化风电变流器，该模块化风电变流器结构示意图如图1A至图2B所示，包括：柜体1、机侧组件2、功率组件3、网侧组件4、风冷通道6以及液冷管路7：

柜体1内具有容置空间，容置空间包括第一空间11、第二空间12以及第三空间13，且第一空间11、第二空间12及第三空间13从上至下依次连通分布；

机侧组件2、功率组件3以及网侧组件4依次分别设置于第一空间11、第二空间12及第三空间13，并且机侧组件2、功率组件3及网侧组件4依次电连接；

风冷通道6的第一端设置于第一空间11，另一端与第三空间13连通；

液冷管路7包括主进液管路71及主回液管路72，主进液管路71位于第三空间13内，主回液管路72位于第一空间11内，并且主进液管路71及主回液管路72连通设置。

本申请通过将风电变流器模块化设计，并且在容置空间设置为三个空间，以便将各组件依次分别设置于各空间内，不仅达到良好的功能分区，而且采用模块化设置还可以使得本申请的结构更加紧凑合理，还极大的提升了风电变流器的功率密度；另外本申请还具备风冷及液冷的功能，可以进一步优化冷却效果；采用模块化设计还可以有效提高塔筒空间的利用率，使风电变流器的灵活性更强，便在在塔筒内布局摆放。

如图2A及图2B所示，柜体1具体来说可以是由金属材质制成，其可以是由四块侧板、底板、顶板以及框架14合围而成的立方体结构。为了便于理解本申请的所有附图中仅显示了框架结构，其它部件均未在附图中示出。柜体1的内部可以形成有容置空间，容置空间可以用隔板15分隔为第一空间11、第二空间12以及第三空间13，多个空间是由上至下进行排列，并且其相互之间是连通设置，以便于风冷通道6及液冷管路7对容置空间内进行更好的冷却，从而达到较好的冷却效果。隔板15还可以用于安装种组件，以使得本申请的结构更加紧凑合理。可选地，柜体1的内部容置空间可以是密闭的。

如图1A及图1B所示，机侧组件2、功率组件3以及网侧组件4依次分别设置于第一空间11、第二空间12及第三空间13，并且机侧组件2、功率组件3及网侧组件4依次电连接。机侧组件2设置于上部的第一空间11内，以便于与风力发电机的动力电缆进行电连接；网侧组件4设置位于下部的第三空间13内，以便于风力发电机组与电网进行并网。使得本申请与风力发电机组的整体布局保持一致，从而有效避免了电气回路的折叠环绕，有效降低了从发电机侧经过风电变流器至电网侧的电缆长度，使得本申请的结构更加的紧凑合理，并且还可以有效节省布线的成本。

在一个示例中，模块化风电变流器还包括风机(图中未示出)，优选地，风机设置于第一空间11的顶部，风冷通道6可以与风机的出风口连通，以便于将风机吹出的冷却气流自上而下导引至第三空间内，使冷却气流可以自下而上的对各组件进行冷却，使网侧组件4及功率组件3可以优先接触到冷却气流，从而达到较佳的冷却效果。

液冷管路7可以包括主进液管路71及主回液管路72，主进液管路71位于第三空间13内，主回液管路72位于第一空间11内，并且主进液管路71及主回液管路72连通设置。采用上述设置可以使得液冷管路7可以均匀的分布于容置空间内部，从而可以达到良好的冷却效果。另外主进液管路71位于第三空间13内，可以对的网侧组件4及功率组件3优先进行冷却，从而可以达到较佳的冷却效果。

可选地，如图1A及图1B所示，本申请实施例的模块化风电变流器中，风冷通道6位于柜体1的后部，液冷管路7位于柜体1的前部；风冷通道6可以设置于柜体1的后部，液冷管路7位于柜体的前部，两种冷却方式分别设置于柜体的前后部，其不仅可以使得本申请结构更为紧凑合理，同时还可以有效降低本申请的维护成本。

可选地，如图1A及图1B所示，液冷管路7还可以包括中间管路(图中未出)，中间管路位于第二空间12内，主进液管路71通过中间管路与主回液管路72连通设置。设置中间管路即可以使主进液管路71及主回液管路72的冷却液更好的循环，以达到较佳的冷却效果。可选地，功率组件3中的功率组件单元与中间管路相接触。

可选地，功率组件单元的冷却管路与中间管路连通设置。

本实施例中，一种实施方式为功率组件单元可以通过与中管路接触以达到较佳的冷却效果；另一种实施方式中功率组件单元可以具有冷却管路(图中未示出)，功率组件单元的冷却管路可以直接与中间管路连通设置，使得中间管路内的冷却液可以直接对功率组件单元进行冷却，可以进一步提高本申请对功率组件单元的冷却效果。上述两种实施方式可以分别单独使用或者组合使用，本申请对此并不进行限定，本领域技术人员可以根据需求自行调整。

可选的，本申请的模块化风电变流器，还包括风机。

风机设置于第一空间11的顶部；风冷通道6的第一端与风机的出风口连通。

可选的，如图1A及图1B所示，主回液管路72与风机均设置于第一空间11的顶部，由于第一空间11内的机侧组件2发热量及占用空间相对较小，将风机及主回液管路72设置于第一空间11内，不仅冷却效果比较均衡，而空间利用也更为合理紧凑。

需要说明的是，本申请并不限定上述风冷通道及液冷管路的具体布置方式，在一些其它实施例中也可以采用其它的布局方式，本申请并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整。

可选地，如图1A及图1B所示，风机产生的冷却气流通过风冷通道6自上而下进入第三空间13，冷却气流从第三空间13依次流经第二空间12和第一空间11以吸收热量，风机还用于从第一空间11回收冷却气流。

根据上述实施例及附图所示，冷却气流在柜体1的后部进入第三空间13后，可以先从最下部开始进行冷却，然后流经第二空间12和第一空间11分别进行冷却。冷却气流的散热回路遵循热空气较轻，冷空气较重的物理规律，提高了柜体1内部的换热效率，柜体内部冷却气流首先经过发热量较小的网侧电抗器41(网侧电抗器的主要热量已通过水冷带走)，然后直接经过功率组件3，为功率组件3单元提供了非常理想的环境温度，从而使得本申请能具有较佳散热效果。

可选地，如图1A及图1B所示，本申请的模块化风电变流器还包括换热器8，换热器8设置于风冷通道6中，换热器8连通在主回液管路72中，用于使得风冷通道6中的气流与主回液管路72中的冷却液进行热交换，以使得冷却液对风冷通道6中的气流进行冷却。换热器8可以设置于风机的进风口或者出风口，本申请并不限定其具体的设置，但是换热器8可以设置于风冷通道6中，从而可以达到较佳的换热效果。本申请采用液冷管路7对柜体1进行冷却，在柜体1的内部构成冷却气流的一个完整循环，冷却气流经过各组件后吸收热量，在经过换热器8后重新冷却释放热量，将热量传递给液冷管路6中的冷却液(冷却液通过液冷管路传递给外部冷换热器)，然后冷却气流继续在柜体1的内部循环。采用液冷及风冷相互配合的方式可以进一步提高本申请的换热效果。

需要说明的是，风机的安装位置不限于第一空间11，也可设置于柜体1中的其他位置，只要能够实现柜体内部冷却气流的循环流动即可。

可选地，如图1A及图1B所示，主进液管路71设置于第三空间13的顶部，主回液管路72设置于第一空间11的顶部。液冷管路7的设置方式可以使得多个模块化风电变流器在组合使用时，便于各模块化风电变流器之间相互连接组合使用，进一步提高了本申请的结构合理性，使得应用更加的方便。另外主进液管路71设置于第三空间13的顶部，使其可以同时兼顾第三空间13及第二空间12的散热效果的同时，还使得本申请的结构更加的合理紧凑。

可选地，网侧组件4中的网侧电抗器与主进液管路71相接触。

可选地，网侧电抗器的冷却管路与主进液管路71连通设置。

本实施例中，一种实施方式为网侧电抗器可以通过与主进液管路71接触以达到较佳的冷却效果；另一种实施方式中网侧电抗器同样也具有冷却管路(图中未示出)，网侧电抗器的冷却管路可以直接与主进液管路71连通设置，使得主进液管路71内的冷却液可以直接对网侧电抗器进行冷却，可以进一步提高本申请对网侧电抗器的冷却效果。上述两种实施方式可以分别单独使用或者组合使用，本申请对此并不进行限定，本领域技术人员可以根据需求自行调整。

可选地，如图1A及图1B所示，机侧组件2、功率组件3以及网侧组件4通过铜排电连接，并且铜排垂直设置；机侧组件2包括机侧接触器21、机侧滤波单元22、机侧进线位23；

功率组件3包括功率组件单元31以及制动电阻单元32；

网侧组件4包括网侧电抗器41、网侧滤波单元42、网侧接触器43、网侧快熔器44及网侧出线位45。

机侧接触器21主要起到受控接通或分断机侧电气回路的作用；机侧滤波单元，起到抑制从变流器到发电机的du/dt斜率，抑制差模电压峰值，抑制共模电压峰值，进而保护发电机绝缘的目的；机侧进线位23主要用于与风力发电机的动力电缆进行电连接。

功率组件单元31，起到将发电机的低频交流电转换为工频交流电并网，且控制发电机转矩，提供电机保护的功能；制动电阻32，起到卸放机侧能量，保护风力发电设备的作用；网侧电抗器41及网侧滤波单元42的主要作用在于，起到抑制并网谐波的作用；网侧接触器43，起到受控接通或分断网侧电气回路的作用；网侧快熔器44，起保护变流器短路的作用；网侧出线位45于柜体最下部，直接向下连接至箱式变压器。

上述各部件的类型均可以采用现有技术中的各种类型的部件，只要其可以实现各部件对应的功能即可，本申请对此并不进行限定。另外本申请集成全功率风电变流器的所有功能，其不仅集成度较高易用使用，而且结构紧凑合理，并且散热效果较佳。

可选地，如图1A及图1B所示，模块化风电变流器还包括控制单元5，该控制单元5设置在机侧接触器21的一侧。控制单元5具体来说可以是二次元器件，控制单元5可以控制各组件以及为各组件进供电。控制单元5设置于柜体内，其不仅进一步提高了本申请的集成度，而且提高了柜体内的空间利率，进而提高了塔筒内空间的利用率。

基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种风电变流系统，如图3所示，风电变流系统可以包括至少一个上述各实施例中的模块化风电变流器100，还包括液冷柜200和连接管300，液冷柜200通过连接管300与至少一个模块化风电变流器100的液冷管路7连通设置。

如图3所示，连接管300可以为连接软管，连接软管将各模块化风电变流器100的主进液管路71及主回液管路72串连设置。各模块化风电变流器100设置于风力发电机组的塔筒内部，液冷柜200设置于塔筒的内部或外部。当塔筒内部的空间较小时，液冷柜200则可以放置于塔筒的外部；而当塔筒内部空间在较大时，液冷柜200则可以放置于塔筒的内部。采用上述设置可以使得本申请根据塔筒内部的实际情况自由摆放，最大限度的利用塔筒内部的空间，并带来非常大的塔筒布局的灵活性。

基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种风力发电机组，其可以包括至少一个如上述各实施例中的模块化风电变流器，各模块化风电变流器100设置于风力发电机组的塔筒内部。

应用本申请实施例，至少能够实现如下有益效果：

本申请通过将风电变流器模块化设计，并且在容置空间设置为三个空间，以便将各组件依次分别设置于各空间内，不仅达到良好的功能分区，而且采用模块化设置还可以使得本申请的结构更加紧凑合理，还极大的提升了风电变流器的功率密度；另外本申请还具备风冷及液冷的功能，可以进一步优化冷却效果；采用模块化设计还可以有效提高塔筒空间的利用率，使风电变流器的灵活性更强，便在在塔筒内布局摆放。

本申请的模块化风电变流器构从机侧进到网侧出线直上直下，结构布局非常合理，没有绕弯的现象；另外本方案并没有像其它变流器一样严格区分各功能区，各器件之间的连接和耦合很顺畅，没有隔离现象；由于柜体内集成了风电变流器的所有部件，充分利用了柜体的各个方向的尺寸，高度方向规划为主电路连接方向，宽度方向充分利用，避免影响风电变流器对于塔筒宽度的影响，深度方向定义为后部风冷，前部水冷的形式，充分利用结构空间布局。

本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

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