[发明专利]风力涡轮机发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及风力涡轮机发电机系统，并且还涉及并入一个或多个这样的发电机系统的风力涡轮机发电厂或风电场。

背景技术

常见类型的风力涡轮发电机是三叶片逆风水平轴风力涡轮发电机(HAWT)，其中涡轮机转子位于机舱前方并面向其支撑涡轮机塔架上游的风。叶片捕获风能，并在转子处将风能转换成机械转矩，其然后通过传动系传输到发电机。发电机将机械功率转换成电功率，然后将电功率注入到电网中，其可以利用考虑电网要求的功率电子频率转换器。

存在功率电子频率转换器的若干已知拓扑结构，其中之一被称为满量程频率转换器。尽管在技术上很复杂，但这样的转换器拓扑结构为风力涡轮发电机的输出电压频率提供了完全控制，这对于大规模风力涡轮机和风电场是至关紧要的以便遵守电网规范。

然而，尽管由于其技术复杂性，基于满量程转换器拓扑结构的风力涡轮发电机成本更高，但由于技术复杂性，其效率很低。这对能量产生成本具有影响，能量产生成本是风力涡轮机发电效率中的关键性度量。

因此需要一般地降低风力涡轮发电机频率转换器设备的成本，并且更具体地，降低以满量程转换器拓扑结构为特征的发电设备的成本。正是针对这一背景提出了本发明。

发明内容

在一个方面中，本发明的实施例提供了一种风力涡轮机发电系统，包括：耦合到发电机的转子轴，所述发电机在第一AC电压电平下产生功率输出；转换器系统，所述转换器系统将所述发电机在所述第一AC电压电平下的功率输出转换成第二AC电压电平下的转换器功率输出；变压器，所述变压器将所述第二AC电压电平下的所述转换器系统功率输出转换成第三AC电压电平下的发电系统功率输出；其中，所述转换器系统包括机器侧转换器、线路侧转换器和DC链路。该机器侧转换器是线路换向整流器，并且该变压器是在线分接开关变压器。所述在线分接开关变压器还以有载分接开关(OLTC)变压器的替代名称公知。

有益地，变压器提供的可调节匝数比允许改变线路侧转换器的AC电压，其可以用于将有功和无功功率能力扩展到具有固定匝数比的能力外围之外，并改进线路侧转换器的可操作性。与线路换向整流器组合，本发明还实现了优于利用基于IGBT的FSC架构的常规系统的成本降低。

在本发明的这方面中，变压器位于由风力涡轮机设施自身的发电机系统限定的边界之内。典型地，可以在包括多个风力涡轮发电机的风力涡轮机发电厂中将这样的发电机分组到一起。可以通过如下方式实现类似的益处：将在线分接开关变压器的功能转移到风力发电厂自身，亦即，转移到发电厂的变电站，替代地或另外地转移到每个风力涡轮发电机系统的变压器。

相应地，在第二方面中，本发明涉及一种风力发电厂，其包括至少一个风力发电系统，该风力发电系统电耦合到变电站，以用于向前输电到电网，其中该发电系统包括：耦合到发电机的转子轴，所述发电机在第一AC电压电平下产生功率输出；转换器系统，所述转换器系统将所述发电机在所述第一AC电压电平下的功率输出转换成第二AC电压电平下的转换器功率输出；变压器，所述变压器将所述第二AC电压电平下的所述转换器系统功率输出转换成第三AC电压电平下的发电系统功率输出；其中，所述转换器系统包括机器侧转换器、线路侧转换器和DC链路；并且其中，所述机器侧转换器是线路换向整流器。该变电站包括所述一个或多个发电系统所电连接到的公共连接点以及变压器，其中该变压器是在线分接开关变压器。因此将要理解，本发明的这一方面在某种意义上向第一方面的风力涡轮发电机提供了替代构造，其中具有可调节匝数比的变压器的功能主要处于变电站水平而不是处于每个风力涡轮机发电系统的水平。

在以上风力发电厂中，尽管发电系统的变压器可以是具有固定匝数比的变压器，但在一个实施例中，发电系统的变压器是在线分接开关变压器。

在这两个方面中，线路换向整流器可以是六脉冲电桥构造，其相应地适用于三相发电系统。此外，线路换向整流器可以基于晶闸管器件，并且如此可以是相控的。

与机器侧转换器相比，线路侧转换器可以是强制换向转换器，其可以替代地称为“电压源转换器”。尽管本发明适用于单相发电系统，但如有必要，这也可以是三相系统，。

参考本发明以上方面的发电系统，该在线分接开关变压器可以被配置成在所述DC链路上提供低于所述第一AC电压电平的峰值的电压。

在该实施例中，可以根据发电机速度、风速和电网电压中的至少一个来控制在线分接开关变压器，并可以使用这些因素的组合控制该变压器。