專利名稱：一個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠和其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)包括至少一個(gè)風(fēng)力發(fā)電站的風(fēng)力發(fā)電廠，該風(fēng)力發(fā)電站包括一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)，一個(gè)由該風(fēng)力渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，和一個(gè)用于連接該風(fēng)力發(fā)電站和一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)或分配網(wǎng)絡(luò)的電交流電壓連接。本發(fā)明還涉及一個(gè)用于在這種風(fēng)力發(fā)電廠中控制的方法。
本發(fā)明優(yōu)選地適用于這樣一些情形，其中在發(fā)電機(jī)和傳輸或分配網(wǎng)絡(luò)之間的連接包括一個(gè)打算浸入水中的電纜。因此，換言之，它主要涉及這種應(yīng)用，其中一個(gè)或幾個(gè)渦輪機(jī)與有關(guān)的發(fā)電機(jī)打算放置在大?；蚝?，其中該電纜連接裝置延伸到放置于陸地上的傳輸或分配網(wǎng)絡(luò)。即使本發(fā)明隨后的優(yōu)點(diǎn)主要涉及到渦輪機(jī)放置在在?；蚝械那樾?，然而，本發(fā)明還可以指在渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)被放置于陸地上而該連接裝置用于連接這樣幾個(gè)渦輪機(jī)/發(fā)電機(jī)與傳輸或分配網(wǎng)絡(luò)的情形，其中該連接裝置不必是電纜，而可以是以天線或電纜的形式。
背景技術(shù)：
和現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)要求將風(fēng)力發(fā)電機(jī)放置在海中時(shí)，為了獲得在項(xiàng)目中的經(jīng)濟(jì)性而使得大量組風(fēng)力發(fā)電站被放置在有限的區(qū)域中。海基的風(fēng)力發(fā)電廠要求相對(duì)較大的風(fēng)力發(fā)電站(3MW及以上)和期望有一個(gè)適當(dāng)?shù)目傁到y(tǒng)功率50-100MW。至今，這種風(fēng)場(chǎng)的計(jì)劃已經(jīng)預(yù)先設(shè)想到該電能傳輸將由在三相交流電壓海底電纜系統(tǒng)中的傳統(tǒng)的交流電傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此情形中，該發(fā)電機(jī)幾乎總是三相異步發(fā)電機(jī)。雖然所示的例子是直接連接到該網(wǎng)絡(luò)的同步發(fā)電機(jī)，但是作為一條原則，這會(huì)導(dǎo)致必須在發(fā)電機(jī)和引擎外殼之間安裝以減弱由于風(fēng)力負(fù)載的變化特征引起的功率變化的負(fù)載的機(jī)械式彈簧懸掛裝置。這依賴于同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特征的機(jī)械表現(xiàn)類似于一個(gè)緊靠在一個(gè)剛性交流電壓網(wǎng)絡(luò)上的彈簧的事實(shí)，從而一個(gè)異步發(fā)電機(jī)表現(xiàn)類似一個(gè)阻尼器。一個(gè)3MW的傳統(tǒng)異步發(fā)電機(jī)可以假定是為3-6kV的電壓所制成的并與一個(gè)在第一步將電壓提升到，讓我們說(shuō)，24kV的變壓器相串聯(lián)。在具有30-40個(gè)風(fēng)力發(fā)電站的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中，可以配置一個(gè)進(jìn)一步將電壓提升到130kV的中央變壓器。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是便宜并且不要求復(fù)雜的子系統(tǒng)。其缺點(diǎn)部分在于技術(shù)上在高壓交流電纜中長(zhǎng)程傳輸能量的困難度。這依賴于電纜產(chǎn)生容性反作用能量的事實(shí)，這將增大長(zhǎng)度。通過(guò)導(dǎo)體和電纜屏蔽層的電流增加得如此之大使得該電纜不可能長(zhǎng)距離地實(shí)現(xiàn)。其他缺點(diǎn)在于變化的風(fēng)力負(fù)載導(dǎo)致在傳輸線上的電壓變化，該電壓變化會(huì)影響就近連接的電力用戶。這具體適用于如果該網(wǎng)絡(luò)為“弱”，即該網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)低的短路功率時(shí)的情形。由于與長(zhǎng)電纜傳輸距離有關(guān)的上述技術(shù)問(wèn)題，一個(gè)人可能會(huì)被迫將該風(fēng)場(chǎng)連接到一個(gè)“弱”的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)某個(gè)導(dǎo)論，電壓變化不能超過(guò)4％。不同的國(guó)際具有不同的規(guī)定，原則上，這些規(guī)定在傳輸線的更低電平的情形中被減輕。電壓的變化還可能必須根據(jù)時(shí)間間隔來(lái)不同地對(duì)待?？焖俚碾妷鹤兓瘜?dǎo)致“閃爍”，即在發(fā)光燈中的光變化，它原則上被調(diào)整。
一個(gè)本發(fā)明的涉及上述長(zhǎng)電纜距離問(wèn)題的解決方案是高壓直流電壓來(lái)傳輸電能。該電纜可以直接拉至一個(gè)強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)。另一優(yōu)點(diǎn)是該DC傳輸具有一個(gè)比AC傳輸更低的損耗。由技術(shù)觀點(diǎn)看，該電纜距離可以是無(wú)限的。一個(gè)HVDC鏈路包括一個(gè)整流站，一個(gè)傳輸線(電纜或天線)，一個(gè)反向轉(zhuǎn)換器站(inverter station)和一個(gè)用于去除在轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的諧波成分的濾波器。在一個(gè)更老的HVDC鏈路的變型中，一個(gè)熱阻器(thyristor)被用于整流和反向轉(zhuǎn)換。該熱阻器可以導(dǎo)通，但是不能斷開(kāi)該連通發(fā)生在電壓的零交點(diǎn)處，這由交流電壓決定，而該變壓器因此被稱為線通。這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于變壓器消耗反作用能量并引起電流諧波，該電流諧波在網(wǎng)絡(luò)中被發(fā)出。在一個(gè)更現(xiàn)代的直流電壓解決方案中，IGBTs被用于替代變壓器中的熱阻器。一個(gè)IGBT(絕緣的柵而極型晶體管)可以導(dǎo)通以及斷開(kāi)并且進(jìn)一步地具有高開(kāi)關(guān)頻率。這意味著該變壓器可以根據(jù)一個(gè)完全不同的原理來(lái)產(chǎn)生，所謂的自連通變壓器?？傊?，自連通變壓器的優(yōu)點(diǎn)在于它們可以釋放以及消耗反作用能量，這使得如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)為弱，則在網(wǎng)絡(luò)一端的電壓電平的有源補(bǔ)償稱為可能。因此，這使得這種類型的變壓器在可以連接到更靠近風(fēng)能的網(wǎng)絡(luò)方面優(yōu)于更老的技術(shù)。高交換頻率還導(dǎo)致與更老的HVDC相比諧波問(wèn)題的減少。然而，一個(gè)缺點(diǎn)是在該變壓器站中的損耗以及價(jià)格都較高。該自連通變壓器的特征在于該電壓是由一個(gè)快脈沖圖形所建立的，該脈沖圖形由該變壓器所產(chǎn)生。在該脈沖圖案和正弦網(wǎng)絡(luò)電壓之間的差別在于網(wǎng)絡(luò)一端的感應(yīng)。這有兩類自連通反向轉(zhuǎn)換器一個(gè)電壓穩(wěn)定(stiff)，VSI(電壓源反向轉(zhuǎn)換器)和一個(gè)電流穩(wěn)定，CSI(電流源反向轉(zhuǎn)換器)，它們之間稍微具有一些不同的特征，至少在DC端具有一個(gè)電容器的VSI具有最好的功率調(diào)節(jié)因子。
已經(jīng)有了一些使用組合了HVDC原理的技術(shù)的實(shí)驗(yàn)性風(fēng)力發(fā)電站，但是由于完全不同的原因，即為了實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)力發(fā)電站的一個(gè)可變旋轉(zhuǎn)速度。在低壓，通常為400或600V電平時(shí)，風(fēng)力發(fā)電站的發(fā)電機(jī)斷開(kāi)經(jīng)由DC鏈路的與網(wǎng)絡(luò)的連接。在渦輪機(jī)上的可變旋轉(zhuǎn)速度在它通常導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)速度的變化可以被用于消除快速功率脈沖的同時(shí)給出能量增益，該脈沖引起“閃光”。然而，它當(dāng)然不會(huì)慢的功率變化，這是在風(fēng)力負(fù)載的特性中所固有的。該渦輪機(jī)的慣量運(yùn)動(dòng)可以被說(shuō)為功能為運(yùn)動(dòng)能量的一個(gè)中間存儲(chǔ)器。在這種系統(tǒng)中，一個(gè)同步發(fā)電機(jī)不涉及任何缺點(diǎn)，而涉及一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵摦惒桨l(fā)電機(jī)要求一個(gè)更昂貴和更復(fù)雜的整流器。如果希望具有一個(gè)直流驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)并因此而消除在渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)之間必需的齒輪單元，發(fā)電機(jī)必須是同步的，因?yàn)樗鼘⑴渲眠@樣多的極。換言之，一個(gè)直流驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)要求一個(gè)DC之間的鏈接。概念上，如果使用受控整流器，還可能有源地通過(guò)改變觸發(fā)角來(lái)調(diào)整該運(yùn)動(dòng)。在多數(shù)具有可變旋轉(zhuǎn)速度的概念中，一個(gè)外部的有源旋轉(zhuǎn)速度控制由一個(gè)所謂的螺距(pitch)控制來(lái)提供，這意味著在渦輪機(jī)上的葉片角度被改變。根據(jù)相關(guān)原理的一個(gè)可變旋轉(zhuǎn)速度的缺點(diǎn)是速要求的功率電子設(shè)備的價(jià)格和進(jìn)一步的維持這種在海上的功率電子設(shè)備是困難和成本高昂的。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是為了實(shí)現(xiàn)，在與上述直流電壓連接相背離的，在一個(gè)特定的?；L(fēng)場(chǎng)和一個(gè)特定的陸基傳輸或分配網(wǎng)絡(luò)之間的交流電壓連接，它與傳統(tǒng)的交流電壓連接所提供的相比，具有較長(zhǎng)傳輸距離和較低損耗可能性，并且同時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)以一可變旋轉(zhuǎn)速度來(lái)操作而無(wú)需任何都露出在海外的功率電子設(shè)備的可能性。因?yàn)樗性诤Ｉ习l(fā)生的維護(hù)都是昂貴并且難于操作的。本發(fā)明的另一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)與一個(gè)現(xiàn)代的HVDC系統(tǒng)所提供的一樣好的與反作用功率有關(guān)的調(diào)節(jié)概率。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的主要是實(shí)現(xiàn)在其中一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器被連接到一個(gè)在發(fā)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)端的電交流電壓連接的情形下，該頻率轉(zhuǎn)換器被安排來(lái)將在風(fēng)力發(fā)電站和變壓器之間的連接的頻率固定在基本上低于網(wǎng)絡(luò)頻率并將該連接的低頻率轉(zhuǎn)換為與該網(wǎng)絡(luò)的高頻率相對(duì)應(yīng)。所謂“在發(fā)電場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)端”因此指該頻率轉(zhuǎn)換器位于相對(duì)靠近傳輸或分配網(wǎng)絡(luò)處，從而該連接的主要部分在頻率轉(zhuǎn)換器和風(fēng)力發(fā)電站之間延伸，例如以地下電纜的形式。因此，這意味著在連接中的傳輸基本以低頻發(fā)生，并且因此與具有規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)頻率的傳統(tǒng)交流電壓連接相比，產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)更長(zhǎng)傳輸距離的先決條件和更低的損耗。通常產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)頻率為50-60Hz的水平。如果在率變壓器和風(fēng)力發(fā)電站之間的交流電壓連接中的網(wǎng)絡(luò)頻率例如為10Hz，在一根電纜中的容性電流與對(duì)于在50Hz網(wǎng)絡(luò)中相同的電壓而言減少五倍。這意味著例如可以用地下電纜連接五倍長(zhǎng)的距離。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該頻率轉(zhuǎn)換器經(jīng)常位于靠近傳輸或分配網(wǎng)絡(luò)，即通常在地上，這顯著地減少了維護(hù)和監(jiān)測(cè)費(fèi)用并且還減少了在損毀的情況中服務(wù)中斷的間隔。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，具有異步發(fā)電機(jī)的幾個(gè)風(fēng)力發(fā)電站用該交流電壓連接裝置相互連接。該交流電壓連接裝置的適合頻率和電壓依賴于風(fēng)場(chǎng)的尺寸和與陸地的距離，但是對(duì)于50MW風(fēng)場(chǎng)，一個(gè)在130kV下的10-20Hz頻率是適合的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該頻率轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)具有一個(gè)AC/DC變壓器和一個(gè)反向轉(zhuǎn)換器配置的直流電壓中間鏈路。這使得它可以將一個(gè)可變頻率以及一個(gè)可變電壓用于該低頻交流電壓連接裝置。具體地，優(yōu)選是一個(gè)DC/DC變壓器被包括在該直流電壓中間連接裝置中。即使在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在頻率轉(zhuǎn)換器中的閥(valve)包括串聯(lián)連接的IGBTs，其他類型的閥也可以使用。還有，其他類型的頻率轉(zhuǎn)換器也可以與本發(fā)明一起使用，例如直流變壓器，也被稱為“輪型變壓器”，它缺少一個(gè)直流電壓鏈路，還有除了靜態(tài)變壓器之外的其他類型的頻率轉(zhuǎn)換器，即還有旋轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明，下面將更詳細(xì)地提及，至少一個(gè)變壓器可以被安置在該連接的發(fā)電機(jī)一端用于將在發(fā)電機(jī)和頻率轉(zhuǎn)換器中間的交流電壓連接的電壓減低到一個(gè)適合的發(fā)電機(jī)電壓水平。在此，每一個(gè)產(chǎn)生的發(fā)電機(jī)可以配置其自身的變壓器，另外作為其補(bǔ)充和替換，可以配置一個(gè)對(duì)于所有發(fā)電機(jī)通用的變壓器。因此，這種發(fā)電機(jī)使得可能將在該交流電壓連接中的電壓增大到一個(gè)比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)可能有的更高的電壓水平。這種變壓器的一個(gè)缺點(diǎn)是它們意味著一個(gè)額外的成本并且使得系統(tǒng)的總效率降低。它們還意味著著火的危險(xiǎn)和因?yàn)樗鼈儼儔浩饔?，該變壓器油在損毀或被破壞的情況下可能泄漏，所以還意味著環(huán)境污染的危險(xiǎn)。
隨著與風(fēng)力發(fā)電站有關(guān)的今天的發(fā)電機(jī)技術(shù)，可以生產(chǎn)一個(gè)可以處理10kV的發(fā)電機(jī)，但是希望處理它更高的電壓。此外，用于定子繞組的傳統(tǒng)絕緣技術(shù)對(duì)于溫度，濕度和鹽度的變化敏感，這些是一個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)所暴露的環(huán)境因素。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，一個(gè)固態(tài)絕緣被用于在發(fā)電機(jī)中的至少一個(gè)繞組，該絕緣優(yōu)選地是根據(jù)隨后的權(quán)利要求14來(lái)實(shí)施的。該繞組更具體地具有一個(gè)高壓電纜的特征。以此方式生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的相對(duì)更高的電壓的先決條件。此外，在此繞組中的這種絕緣系統(tǒng)意味著對(duì)于鹽度，濕度和溫度的變化不敏感。高輸出電壓意味著變壓器可以完全被排除在外，這意味著可以避免這種變壓器上述的缺點(diǎn)。
一個(gè)具有這種由電纜形成的繞組的發(fā)電機(jī)可以通過(guò)將該電纜線化(threading)在定子中為此目的而形成的線槽中，于是該繞組電纜的柔軟度意味著該線化工作可以容易地實(shí)現(xiàn)。
該絕緣系統(tǒng)的兩個(gè)半導(dǎo)體層具有一個(gè)電位補(bǔ)償功能并因此減少了表面發(fā)熱的危險(xiǎn)。內(nèi)部半導(dǎo)體層將與位于該層內(nèi)面的電導(dǎo)體，或其部分導(dǎo)電地接觸以獲得與此相同的電位。該內(nèi)部層緊密地固定在位于此層外面的固態(tài)絕緣處而這還適于將外部半導(dǎo)體層固定在該固定絕緣上。該外部半導(dǎo)體層將電場(chǎng)包含在該固態(tài)絕緣中。
為了保證當(dāng)溫度變化時(shí)，在半導(dǎo)體層和固態(tài)絕緣之間的維持粘合，該半導(dǎo)體層和該固態(tài)絕育具有基本相同的熱膨脹系數(shù)。
在絕緣系統(tǒng)的外部半導(dǎo)體層被連接到地電位或一個(gè)相對(duì)較低的電位。
為了實(shí)現(xiàn)非常高電壓的發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)具有上述的并且與傳統(tǒng)技術(shù)明顯不同的幾個(gè)特征。另外幾個(gè)特征將由從屬權(quán)利要求來(lái)限定并在隨后進(jìn)行討論。
該發(fā)電機(jī)的上述特征和其他基本特征和因此根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的特征在于
-在該磁路中的繞組由一個(gè)具有一個(gè)或幾個(gè)永久絕緣電導(dǎo)體的電纜制成，在該導(dǎo)體和該固態(tài)絕緣外面具有一個(gè)半導(dǎo)體層。典型的這種電纜可以具有一個(gè)交叉結(jié)合的聚乙烯或乙烯-prpene的絕緣，用于此目的的絕緣被相對(duì)于電導(dǎo)體的支架還有絕緣系統(tǒng)的特征被發(fā)展。
-具有一個(gè)圓形橫截面的電纜是優(yōu)選的，但是具有其他截面形狀的電纜也可以使用以實(shí)現(xiàn)更好的封裝密度。
-這種電纜使得當(dāng)考慮線槽和齒(tooth)時(shí)，可以以新和最佳方法設(shè)計(jì)一種磁路的疊層磁芯。
-有利的，繞組是與一個(gè)用于疊芯的最佳實(shí)現(xiàn)的逐級(jí)增加的絕緣一起制成的。
-有利的，該繞組是作為一個(gè)同心電纜繞組而制成的，這使得可以減少線圈末端交叉的數(shù)目。
-該線槽疊芯形狀適合于該繞組電纜的截面形狀使得該線槽為多個(gè)圓柱型開(kāi)孔的形式，這些開(kāi)孔是由其他每個(gè)的外向沿軸向和/或沿徑向延伸的并具有在定子繞組各層之間行進(jìn)的壓縮。
-該線槽的形狀適于所討論的電纜截面形狀和適合于該繞組的絕育的逐級(jí)改變厚度。該逐級(jí)變化的絕緣使得磁芯可以具有一個(gè)與徑向延伸無(wú)關(guān)的基本恒定的齒寬。
-上述考慮到支架(stand)的進(jìn)一步發(fā)展意味著包括多個(gè)被帶至6一起的層，即絕緣的股繩的該繞組導(dǎo)體不必被校正地顛倒，彼此不絕緣和絕緣。
-上述考慮到外部半導(dǎo)體層的進(jìn)一步發(fā)展意味著外部半導(dǎo)體層在適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)沿電纜長(zhǎng)度被切割，而每一個(gè)被切斷的部分長(zhǎng)度被直接連接到地電位。
上述類型電纜的使用使得該電纜的外部半導(dǎo)體層的孔長(zhǎng)度，以及該發(fā)電廠的其他部分可以被保持在地電位。一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是電場(chǎng)在外部半導(dǎo)體層外向的線圈端部區(qū)域處接近為零。由于在外部半導(dǎo)體層上的地電位，該電場(chǎng)不必受到控制。這意味著在磁芯和在線圈端部和在它們之間的過(guò)渡部分中將不產(chǎn)生場(chǎng)的集中。
封裝在一起的絕緣的和/或不絕緣的股繩，或顛倒順序的股繩的混合導(dǎo)致低的渦流損耗。該電纜可以具有為10-40mm量級(jí)的外部直徑而一個(gè)導(dǎo)體區(qū)域具有10-200mm2的量級(jí)。
此外，本發(fā)明包括一個(gè)用于根據(jù)后續(xù)權(quán)利要求來(lái)控制一個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的運(yùn)行的方法。
附圖簡(jiǎn)述參照后續(xù)的附圖，下面將以實(shí)例形式給出本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)更接近的描述

圖1為在根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中的一個(gè)發(fā)電機(jī)中定子的一部分的示意性軸向端面圖。
圖2是一個(gè)在根據(jù)圖1所示的定子繞組中使用的電纜的部分切割的端面圖。
圖3是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的部分剖面示意圖。
圖4是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的實(shí)施例的示意圖。
圖5是一個(gè)示出該發(fā)電場(chǎng)的另一實(shí)施例的同樣的示意圖。
圖6是與圖5類似的一個(gè)變型圖，和圖7示出包括在該發(fā)電場(chǎng)中的頻率轉(zhuǎn)換器的一個(gè)可能實(shí)施例。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述參照?qǐng)D1-3的，首先示出了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中優(yōu)選的發(fā)電機(jī)1的設(shè)計(jì)。圖1示出穿過(guò)定子2的一部分的示意性軸向圖。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子被稱為3。該定子2以一種傳統(tǒng)方式由疊層磁芯形成。圖1顯示了相對(duì)應(yīng)于一個(gè)孔軸距的發(fā)電機(jī)的一部分。多個(gè)齒5由在徑向上位于該磁芯最外面的磁軛部分徑向向里延伸到轉(zhuǎn)子3而這些齒5由一個(gè)線槽分開(kāi)，其中放置有定子繞組。形成該定子繞組的電纜7為高壓電纜，它基本上與那些在功率分配中使用的電纜，即PEX-電纜(PEX＝交叉結(jié)合聚乙烯)類型相同。一個(gè)差別在于該外部機(jī)械式保護(hù)的PVC層和通常圍繞這種功率分配電纜的金屬屏蔽已經(jīng)被消除，使得用于本發(fā)明的電纜僅僅包括一個(gè)電導(dǎo)體和在一個(gè)絕緣層的每一端上至少一個(gè)半導(dǎo)電層。圖1中示意性地示出電纜7，其中僅顯示了每一個(gè)電纜部分或線圈端的導(dǎo)電中央部分。它顯示出每個(gè)線槽6具有一個(gè)具有膠體的寬部分8共和窄部分9的變化的截面部分。寬的部分8基本上是圓形并圍繞電纜，在寬的部分之間的腰部形成一個(gè)窄的部分9。該腰部用于徑向固定每一根電纜的位置。線槽6的截面徑向向內(nèi)變得更窄。這是因?yàn)檫@些電纜部分越靠近定子1的徑向最內(nèi)部分，則它們的電壓越低。因此，更細(xì)的電纜可以用在內(nèi)部，而更粗的電纜可以被要求在更外面一些。在圖示例子中，使用具有三個(gè)不同尺度并安排在相應(yīng)的三個(gè)尺度部分10，11，12的電纜。用于輔助功率的繞組13被安排在線槽6的最外面。
圖2示出了一個(gè)用于發(fā)電機(jī)中的高壓電纜的逐級(jí)切割的端面圖。該高壓電纜7包括一個(gè)或幾個(gè)電導(dǎo)體，每一個(gè)電導(dǎo)體包括多個(gè)股繩15，這些股繩一起給出了一個(gè)圓的剖面。這些導(dǎo)體例如可以是銅所制成的。這些導(dǎo)體14可以被安排在高壓電纜7的中部而在所示實(shí)施例中，每一導(dǎo)體可以被局部的絕緣16所圍繞。然而，可省略在一個(gè)導(dǎo)體14上的局部絕緣。在所示實(shí)施例中，導(dǎo)體14被半導(dǎo)電層17所圍繞。在這個(gè)半導(dǎo)電層17周圍有一個(gè)絕緣層18。例如是PEX絕緣的，該絕緣層18依次被一個(gè)第二半導(dǎo)電層19所圍繞。因此，“高壓電纜”的概念在本申請(qǐng)中必須包括任何金屬屏蔽或這種類型的任何外部保護(hù)層，它們通常圍繞一個(gè)功率分配電纜。
在圖3中示出一個(gè)具有參照?qǐng)D1和2所描述類型的磁路風(fēng)力發(fā)電站。該發(fā)電機(jī)1由一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)20經(jīng)由一個(gè)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)。即使該發(fā)電機(jī)1可以由渦輪機(jī)20直接驅(qū)動(dòng)，即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子被旋轉(zhuǎn)固定地連接到渦輪機(jī)20的軸上。在此可以是在渦輪機(jī)20和發(fā)電機(jī)之間的齒輪傳動(dòng)裝置22。例如，這可以由單級(jí)平面型齒輪傳動(dòng)裝置所構(gòu)成，其目的是為了改變發(fā)電機(jī)相對(duì)于渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)速度。該發(fā)電機(jī)的定子2裝載該定子繞組，該繞組可以如上所述地構(gòu)成。該電纜7可以被抽出并經(jīng)一個(gè)電纜接合點(diǎn)通過(guò)進(jìn)入一個(gè)帶鞘電纜24。
在廣義地示出該風(fēng)力發(fā)電廠的圖4中，示出兩個(gè)并聯(lián)連接的風(fēng)力發(fā)電站29，每一個(gè)發(fā)電站具有一個(gè)發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)具有一個(gè)場(chǎng)繞組26和一個(gè)(或幾個(gè))輔助功率繞組27。在圖示實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)是Y型連接而中性點(diǎn)經(jīng)由一個(gè)相應(yīng)阻抗28接地。
在圖4中，包括發(fā)電機(jī)1以及(未示出)風(fēng)力渦輪機(jī)的兩個(gè)風(fēng)力發(fā)電站一般由數(shù)字29所示。一個(gè)電交流電壓連接30將該兩個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)29連接到傳輸或分配網(wǎng)絡(luò)31。這種網(wǎng)絡(luò)在此為一個(gè)三相類型。這種網(wǎng)絡(luò)的正常頻率為50或60Hz。該連接30包括，沿32所標(biāo)識(shí)的部分，打算浸入水中的電纜33。然而，除了被浸入水中的電纜，還可以考慮一個(gè)或幾個(gè)天線/電纜。該部分32事實(shí)上可以非常大。
在該發(fā)電廠的網(wǎng)絡(luò)端，一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器34被連接到電交流電壓連接30上，該頻率轉(zhuǎn)換器被安排以將在風(fēng)力發(fā)電站29和變壓器34之間的連接的頻率固定為基本低于網(wǎng)絡(luò)31的頻率并將該連接的低頻率轉(zhuǎn)換為具有網(wǎng)絡(luò)31更高頻率的相應(yīng)頻率。
由前面描述可以清楚看到，該發(fā)電機(jī)1為示例性的異步類型。
頻率轉(zhuǎn)換器34適合于位于在接近網(wǎng)絡(luò)31的合適的發(fā)電站中的地上。該風(fēng)力發(fā)電站29位于在合適基礎(chǔ)上的海或湖外。在這樣一個(gè)基礎(chǔ)上，或在具體用于此目的的基礎(chǔ)上，來(lái)自發(fā)電機(jī)1的外出電纜被在35所標(biāo)識(shí)的點(diǎn)中經(jīng)由例如匯流排(bus-bar)來(lái)互連。
在圖4中，電路斷路器(circuit breaker)被配置在頻率轉(zhuǎn)換器34和網(wǎng)絡(luò)31之間，在該斷路器的每一端分別有多組斷開(kāi)器(disconnector)。
在根據(jù)圖4所示的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)1被直接連接到頻率轉(zhuǎn)換器34。這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)1被假定是如上參照?qǐng)D1和2所述的設(shè)計(jì)，即可以產(chǎn)生非常高的電壓。
在根據(jù)圖5的變型中，它顯示了一個(gè)對(duì)于發(fā)電機(jī)1們所公用的變壓器31，被安排在對(duì)于發(fā)電機(jī)1和頻率轉(zhuǎn)換器34的并聯(lián)連接點(diǎn)35之間，該變壓器打算在位于變壓器和頻率轉(zhuǎn)換器34之間的連接部分實(shí)現(xiàn)一個(gè)高電壓而在所述變壓器38和發(fā)電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)低的電壓。這種公用的變壓器38位于該連接30的風(fēng)力發(fā)電一端，即接近風(fēng)力發(fā)電站29，從而使得連接30的主要部分位于變壓器38和頻率轉(zhuǎn)換器34之間。變壓器38可以適合地被防止在風(fēng)力發(fā)電站29的一個(gè)基礎(chǔ)上或可能在戰(zhàn)略位置的其自身的基礎(chǔ)上。
圖6中的變型示出了與在圖5中的一個(gè)相對(duì)應(yīng)的另一個(gè)實(shí)例，其中除了一個(gè)特殊的變壓器在此被為每一個(gè)發(fā)電機(jī)1來(lái)安排。因此，該風(fēng)力發(fā)電站在點(diǎn)35中僅在這些變壓器之后被互連。在這種實(shí)施例中，可以省略變壓器38，這已經(jīng)參照?qǐng)D5更接近地進(jìn)行了描述。此外，還可以保持該變壓器38以使得來(lái)自單個(gè)風(fēng)力發(fā)電站的電壓在兩級(jí)中被提升，即首先經(jīng)由變壓器39，然后借助公用變壓器38。
在圖7中示出了頻率轉(zhuǎn)換器34的可能實(shí)施例。在此它還包括一個(gè)具有一個(gè)AC/DC變壓器40和一個(gè)反向轉(zhuǎn)換器41的。在直流電壓中間鏈路中有利地還包括DC/DC變壓器42。該反向轉(zhuǎn)換器41是一個(gè)電壓穩(wěn)定自連通反向轉(zhuǎn)換器。在該反向轉(zhuǎn)換器的DC鏈路上，一個(gè)電容器被并聯(lián)連接。在反向轉(zhuǎn)換器41的交流電壓端上的每一相中的網(wǎng)絡(luò)阻抗44被串聯(lián)連接。
該反向轉(zhuǎn)換器41適合包括一個(gè)IGBT45。
該AC/DC變壓器可以類似反向轉(zhuǎn)換器41來(lái)構(gòu)建并且在每一相中的AC端的網(wǎng)絡(luò)阻抗被串聯(lián)。該變壓器40可以包括IGBT47。在DC端具有一個(gè)與IGBT并聯(lián)的電容器48。
該發(fā)電廠具有用于測(cè)量來(lái)自于風(fēng)力發(fā)電廠的有源功率的裝置和用于測(cè)量現(xiàn)有風(fēng)速的裝置。這些測(cè)量裝置被連接到一個(gè)被包含于頻率轉(zhuǎn)換器34中的控制單元，該控制單元根據(jù)主要的測(cè)量值來(lái)控制頻率的調(diào)整。在該連接中，該控制單元可以被安排來(lái)相應(yīng)于作為風(fēng)速函數(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度上的理想特性來(lái)控制該連接30的頻率。這種頻率控制可以被標(biāo)識(shí)為“慢”。它是基于該風(fēng)力發(fā)電站的旋轉(zhuǎn)速度優(yōu)選地隨著風(fēng)速的增加而增大到最大旋轉(zhuǎn)速度。通過(guò)對(duì)于風(fēng)速的知識(shí)，一個(gè)相對(duì)較慢的頻率控制經(jīng)常發(fā)生在連接30處從而使得可以確保最有利的條件。
此外，該控制單元被安排來(lái)通過(guò)對(duì)所測(cè)量的傳輸?shù)挠性垂β逝c一個(gè)作為風(fēng)速函數(shù)的旋轉(zhuǎn)速度上的理想特征的比較來(lái)控制連接30的頻率。這種頻率控制通常可以標(biāo)識(shí)為“快”。它可以借助快速功率變化來(lái)管理而這例如可以用PI調(diào)整和經(jīng)由DC鏈路的傳輸功率的再生來(lái)實(shí)現(xiàn)，如參照?qǐng)D7所述的。
直至考慮在連接30中的電壓調(diào)整時(shí)，這以最簡(jiǎn)單的方式來(lái)適當(dāng)?shù)貙?shí)施，使得該控制單元可以被安排來(lái)控制該頻率轉(zhuǎn)換器34以維持該連接在頻率范圍主要部分上的一個(gè)穩(wěn)定的電壓/頻率比。
本發(fā)明當(dāng)然不限于所述實(shí)施例。一旦有了本發(fā)明的構(gòu)思，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以相應(yīng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)幾個(gè)具體的變型。這種具體的變型和等同實(shí)施例被包括在下附權(quán)利要求的范圍中。
權(quán)利要求
1.一個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠，它包括至少一個(gè)風(fēng)力發(fā)電站(29)，該發(fā)電站包括一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)(20)和一個(gè)由該風(fēng)力渦輪機(jī)所驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，和一個(gè)將風(fēng)力發(fā)電站與傳輸或分配網(wǎng)絡(luò)(31)相連接的電交流電壓連接(30)，其特征在于一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器(34)被連接在該發(fā)電廠的網(wǎng)絡(luò)端上的交流電壓連接(30)上，該頻率轉(zhuǎn)換器被安排來(lái)將在風(fēng)力發(fā)電站和變壓器中間的連接(30)的頻率固定在基本低于該網(wǎng)絡(luò)頻率并將該連接的低頻率轉(zhuǎn)換為與該網(wǎng)絡(luò)的高頻率相應(yīng)的頻率。
2.權(quán)利要求1的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該頻率轉(zhuǎn)換器(34)被安排來(lái)改變?cè)撨B接的頻率和電壓。
3.權(quán)利要求1或2的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該頻率轉(zhuǎn)換器(34)被安排來(lái)將該連接(30)的頻率固定于20Hz或更低，優(yōu)選地在2-20Hz中間。
4.權(quán)利要求2的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該頻率轉(zhuǎn)換器(34)被安排來(lái)將該連接(30)的電壓固定到在10-400Hz中間的一個(gè)值。
5.前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該頻率轉(zhuǎn)換器(34)包括一個(gè)具有一個(gè)AC/DC變壓器(40)和一個(gè)反向轉(zhuǎn)換器(41)的直流電壓中間鏈路。
6.權(quán)利要求5的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于一個(gè)DC/DC變壓器(42)被包括在該直接電壓中間鏈路中。
7.權(quán)利要求5或6的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該反向轉(zhuǎn)換器(41)是一個(gè)電壓穩(wěn)定自連通反向轉(zhuǎn)換器而至少有一個(gè)電容(43)與該反向轉(zhuǎn)換器的DC鏈路相并聯(lián)。
8.權(quán)利要求7的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該網(wǎng)絡(luò)阻抗(44)被串聯(lián)在反向轉(zhuǎn)換器(41)的交流電壓端的每一相中。
9.前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于在頻率轉(zhuǎn)換器(34)中的閥包括串聯(lián)的IGBTs
10.前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于一些與對(duì)應(yīng)數(shù)目的風(fēng)力渦輪機(jī)相關(guān)的發(fā)電機(jī)在連接(30)的發(fā)電機(jī)端被并聯(lián)互連。
11.前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)們是異步類型。
12.前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該風(fēng)力渦輪機(jī)(20)經(jīng)由一個(gè)齒輪傳動(dòng)裝置(22)連接到發(fā)電機(jī)(1)，該齒輪傳動(dòng)裝置優(yōu)選是單級(jí)平面型齒輪傳動(dòng)裝置。
13.前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其中該發(fā)電機(jī)(1)包括至少一個(gè)繞組，其特征在于該繞組配置有固態(tài)的絕緣(18)。
14.權(quán)利要求13的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該繞組包括一個(gè)絕緣系統(tǒng)，該絕緣系統(tǒng)包括至少兩個(gè)半導(dǎo)電層(17，19)，每一個(gè)半導(dǎo)電層構(gòu)成一個(gè)基本上等電位的表面，而該固態(tài)絕緣(18)位于這些半導(dǎo)電層之間。
15.權(quán)利要求14的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于至少一個(gè)半導(dǎo)電層(17，19)具有與該固態(tài)絕緣(18)相同的熱膨脹系數(shù)。
16.權(quán)利要求13-15中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該繞組由高壓電纜(7)形成。
17.權(quán)利要求14-16中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該半導(dǎo)體多層最內(nèi)部具有與位于該層內(nèi)面的電導(dǎo)體(14)相等的電位。
18.權(quán)利要求17的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于這些半導(dǎo)電層的內(nèi)部的一個(gè)與該導(dǎo)體(14)或其一部分電接觸。
19.權(quán)利要求14-18中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該半導(dǎo)電層的外面一個(gè)(19)連接在之前被固定的一個(gè)電位上。
20.權(quán)利要求19的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于所固定的電位是一個(gè)地電位或者是一個(gè)相對(duì)低的電位。
21.前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于用于將在發(fā)電機(jī)(1)和頻率轉(zhuǎn)換器(34)之間的連接的電壓向下轉(zhuǎn)換到一個(gè)合適的發(fā)電機(jī)電壓電平的至少一個(gè)變壓器(38，39)被安排在該連接(30)的發(fā)電機(jī)端。
22.權(quán)利要求21的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該變換器(22)是對(duì)于所有出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)所公用的。
23.權(quán)利要求21中的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于為每一個(gè)發(fā)電機(jī)安排一個(gè)特定的變壓器(39)。
24.權(quán)利要求21-23中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于每一個(gè)出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)具有其自己的變壓器(39)，該變壓器(39)的初級(jí)端連接到相應(yīng)的發(fā)電機(jī)(1)而次級(jí)端并聯(lián)到另一個(gè)變壓器(38)的初級(jí)端，該變壓器(38)的次級(jí)端被連接到該頻率轉(zhuǎn)換器(34)。
25.權(quán)利要求23或24的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該變壓器(38)對(duì)于被安排在該連接(30)的發(fā)電機(jī)端上的幾個(gè)發(fā)電機(jī)是公用的。
26.前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該連接(30)包括一個(gè)打算被浸入水中的電纜(33)，或一個(gè)或幾個(gè)天線或電纜。
27.前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于它具有一個(gè)用于測(cè)量來(lái)自風(fēng)力發(fā)電廠的有源功率的裝置和一個(gè)用于測(cè)量現(xiàn)有風(fēng)速的裝置，這些測(cè)量裝置被連接到被包括于該頻率轉(zhuǎn)換器(34(中的控制單元，該控制單元根據(jù)主要測(cè)量值來(lái)控制頻率的調(diào)整。
28.權(quán)利要求27的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該控制單元被安排來(lái)相應(yīng)于作為風(fēng)速函數(shù)的旋轉(zhuǎn)速度上的理想特性控制該連接的頻率。
29.權(quán)利要求27或28的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該控制單元(31)被安排來(lái)通過(guò)對(duì)所測(cè)量的傳輸?shù)挠性垂β逝c一個(gè)作為風(fēng)速函數(shù)的旋轉(zhuǎn)速度上的理想特征的比較來(lái)控制連接30的頻率。
30.權(quán)利要求27-29中任何一項(xiàng)的風(fēng)力發(fā)電站，其特征在于該控制單元可以被安排來(lái)控制該頻率轉(zhuǎn)換器34以維持該連接在頻率范圍主要部分上的一個(gè)穩(wěn)定的電壓/頻率比。
31.一個(gè)用于控制一個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠運(yùn)作的方法，該風(fēng)力發(fā)電廠包括至少一個(gè)風(fēng)力發(fā)電站，該發(fā)電站包括一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)和一個(gè)由該風(fēng)力渦輪機(jī)所驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，和一個(gè)將風(fēng)力發(fā)電站與傳輸或分配網(wǎng)絡(luò)相連接的電交流電壓連接，其特征在于一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器被連接在該發(fā)電廠的網(wǎng)絡(luò)端上的交流電壓連接上，借助于該頻率轉(zhuǎn)換器，在風(fēng)力發(fā)電站和變壓器中間的連接的頻率被固定在基本低于該網(wǎng)絡(luò)頻率，而該連接的低頻率被轉(zhuǎn)換為與該網(wǎng)絡(luò)的高頻率相應(yīng)的頻率。
32.權(quán)利要求31的方法，其特征在于該連接的頻率通過(guò)對(duì)所測(cè)量的傳輸?shù)挠性垂β逝c一個(gè)作為風(fēng)速函數(shù)的旋轉(zhuǎn)速度上的理想特征的比較而被調(diào)整到一個(gè)值。
33.權(quán)利要求31或32的方法，其特征在于該連接的頻率借助于該頻率轉(zhuǎn)換器，基于所測(cè)量的傳輸?shù)挠性垂β逝c一個(gè)作為風(fēng)速函數(shù)的旋轉(zhuǎn)速度上的理想特征的比較而被調(diào)整。
34.權(quán)利要求31-33中任何一項(xiàng)的方法，其特征在于該連接中的電壓借助于該頻率轉(zhuǎn)換器以這樣一種方式被調(diào)整，使得可以維持該連接在頻率范圍主要部分上的一個(gè)穩(wěn)定的電壓/頻率比。
全文摘要
一個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠,它包括至少一個(gè)風(fēng)力發(fā)電站(29),該發(fā)電站包括一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)(20)和一個(gè)由該風(fēng)力渦輪機(jī)所驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī),和一個(gè)將風(fēng)力發(fā)電站與傳輸或分配網(wǎng)絡(luò)(31)相連接的電交流電壓連接(30)。一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器(34)被連接在該發(fā)電廠的網(wǎng)絡(luò)端上的交流電壓連接(30)上,該頻率轉(zhuǎn)換器被安排來(lái)將在風(fēng)力發(fā)電站和變壓器中間的連接(30)的頻率固定在基本低于該網(wǎng)絡(luò)頻率并將該連接的低頻率轉(zhuǎn)換為與該網(wǎng)絡(luò)的高頻率相應(yīng)的頻率。此外,本發(fā)明還包括一個(gè)用于控制的相應(yīng)方法。
文檔編號(hào)F03D7/04GK1352731SQ99816679
公開(kāi)日2002年6月5日 申請(qǐng)日期1999年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月28日
發(fā)明者M·萊永, G·基蘭德 申請(qǐng)人:Abb股份有限公司