[发明专利]用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器和采用所述变流器的风力发电站

说明书

技术领域

本发明涉及用于风力发电机的能量转换系统，尤其涉及用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器，以及采用这种变流器的相应的风力发电站。

背景技术

为了易于理解以下的描述，在此提供文中所采用的缩写词的全称列表：

a.c.-交流电；

d.c.-直流电；

DCBUS-直流中间电路；

LV-低压；

MV-中压；

HV-高压；

HVDC-高压直流电，高压直流传输；

DDPMSG-直驱式永磁同步发电机

DFIG-双馈感应式发电机

IGBT-绝缘栅双极晶体管

MMSC-多级模块静态变流器

SCM-静态变流器模块

DC-数字控制器

MDC-主数字控制器

SDC-从数字控制器

N_m-SCM的数量

N_ms-串联的SCM的数量

N_mp-并联的SCM的数量

V_mac-SCM输入侧的交流电压

V_mdc-SCM输出侧的直流电压

V_dcn-直流中间电路的总直流电压

现有技术中用于产生电流的风力涡轮(通常也称为“风力发电机”)的当前发展都在寻求电力的不断提高；尤其是，如海上风力发电站，即，将这些发电站安装在离海岸或湖岸若干英里的地方，以便用于让它们充分地暴露在这些区域的气流之中以达到更好的效果。

如图1所示，风力发电机1包括风力涡轮2，其配有叶片2a和包含主体4内的具有齿轮2b、2c的系统，主体4安装在支撑塔5上。风力发电机1还包括，仍旧位于主体4中的发电机3，其设计成将风冲击在涡轮叶片上所产生的机械能转换成电能。

大多数情况下，风力发电机1还具有制动器6，其设计成在风力过强的情况下降低涡轮2的叶片2a的旋转速度。

在这些发电机中，最适于用于风力涡轮的是：

-感应式发电机，具有双电源并典型地配有与连在风力涡轮2自身上的轴7耦接的转速倍增器；和

-直驱式永磁同步发电机(DDPMSG)，在这种情况下，其直接与涡轮的轴耦接。

图2中具体示出的是带有永磁体11的同步发电机10的截面，此时永磁体相对彼此以90°的角度定位。永磁体11与缠绕在永磁体11自身上的、由导电材料制成的线圈12一起，构成了发电机10的转子13。所述转子连接到风力涡轮的轴7上并安装在导磁性金属定子14的内部，旋转时转子13所产生的磁场线15不断传播(propagate)。

当前，对于这种特殊应用类型，DDPMSG没有感应式发电机普遍。然而，DDPMSG还是在效率、可靠性、控制的简易性方面表现出了相当的优势，从而代表了风力发电机1领域中机械动能转换成电能的技术前沿。

另外，当前开发的风力发电机1具有高于3MW的电力，其带有通过静态变频器连接至50/60Hz公共电网的可变速发电机。

现今，风力发电机1典型地配有400-V或690-V的发电机，其采用了双级变流器，带有中间直流电路，公知的缩写为DCBUS，如具有典型的650Vdc或1100Vdc的输出电压，通过采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)来获得该DCBUS并设计成用于驱动高电压。

近来，一些公司开始引入中压发电机变流器系统，DCBUS上具有3000Vac和5000Vdc的级联电压。

提高发电机/变流器的电压的需要是为了能够获得大型风力发电机。基于现有的解决方案，对于690V的电压，实际上是易于获得的，风力发电机具有高达3MW的功率；为了更高的功率，需要提高电压，从而提高系统的电效率。

目前，风力发电机是借助于LV-MV变压器(其中，LV-MV变压器将电压从低压LV，也就是低于20kV，转换至中压MV)通过中压(MV)电站(这里的“通过中压(MV)电站”表示20-kV至36-kV范围内的电压)内部的网络连至公共主电网，所述LV-MV变压器安装在风力发电机自身的内部，并将电压提高到MV网的20-kV至36-kV水平。

风力发电机1，典型地位于风力发电站的内部，并且风力发电站包含特定多数个风力发电机，其通过如下方式连接至国家电网：

1.通过多条电缆通过交流中压传输的交流中压配电；