專利名稱：可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機、風場、傳輸電力的方法以及檢修或檢查可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及權(quán)利要求1前序部分所指定的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機、 風場、從可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機向市電網(wǎng)傳輸電力的方法以及檢修(service)或檢查可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪才幾的方法。
技術(shù)背景力渦輪才A^幾搶(nacelle)。如圖1所示，包含三個風力渦輪機葉片的風力 渦輪機轉(zhuǎn)子被連接到機搶內(nèi)的AC發(fā)電機。AC發(fā)電機通常通過市電升壓 變換器(transformer)連接到AC市電網(wǎng)。然而，AC發(fā)電機也可以為可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機的一部分，并因 此通過電力電子轉(zhuǎn)換器連接到市電網(wǎng)。風力渦輪機在過去的十年里已從對市電網(wǎng)幾乎無影響的小且筒單的發(fā) 電單元進化到對市電網(wǎng)具有實質(zhì)性進入的先進的小型電廠。因此，對風力 渦輪機、特別是電力部件的性能和特性的要求變得越來越重要、越來越具 有限制性。為了處理更高的AC功率額定值(rating)(這是由于對各種下一代風 力渦輪機的增長的開發(fā)時間引起的)，必須對前一代發(fā)電風力渦輪機的大 部分電力部件重新進行設(shè)計。由JP-A2003-881卯，具有通過電力電子轉(zhuǎn)換器連接到市電網(wǎng)的AC發(fā) 電機的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機是已知的。該日本文獻建議與電力電子轉(zhuǎn) 換器協(xié)同使用變換器以便在風速下降到低于限制值時動態(tài)地升高發(fā)電機的 所產(chǎn)生的電壓輸出，該限制值通常表示風力渦輪機由于低的發(fā)電機電壓必 須從市電網(wǎng)斷開，即變換器比此后變得遠離一 (unity)。另外，使用由上面介紹的類型的風力渦輪機AC電力到高電壓DC的 轉(zhuǎn)換是已知的。DC電力傳輸在例如從海上風場到岸上的海底電纜等長距 離時提供了某些優(yōu)點。本發(fā)明的目的在于建立滿足現(xiàn)代風力渦輪機、特別AX力渦輪機電力 部件(其建立將被傳輸?shù)绞须娋W(wǎng)中的AC電力)的要求的技術(shù)。本發(fā)明的另一目標在于建立允許更為自由、特別是更加免于電力部件 間 一般限制地選擇電力部件的技術(shù)。本發(fā)明的又一 目標在于建立一種風力渦輪機系統(tǒng)，可在該系統(tǒng)仍在運 行的同時對之在某些方面進行檢查和維護。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種向AC市電網(wǎng)傳輸電力的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪 機，其中，所述風力渦輪機還包含至少一個標稱輸出值變喚器，該變換器 用于將所述發(fā)電機的至少一個標稱輸出值變換到所述至少一個電力電子轉(zhuǎn) 換器單元的至少一個不同的標稱輸入值。由此，可以建立滿足特別是對風力渦輪機電力部件(其建立將被傳輸 到市電網(wǎng)的AC電力)的要求的技術(shù)。這種變換允許更為自由地選擇電力 部件，且能夠大大避免部件間的一般限制。另外，可以以單獨的額定值和位置來最優(yōu)地選擇發(fā)電機和電力電子轉(zhuǎn) 換器等電力部件。額定值和位置的自由度越高，建立的風力渦輪機的可靠 性、可維護性、可檢修性越大。術(shù)語"標稱值"應(yīng)被理解為制造者給定的電力部件的額定值和/或數(shù)量。術(shù)語"電力部件，，應(yīng)被理解為與風力渦輪機中的發(fā)電相關(guān)聯(lián)的任何電 氣部件，例如AC發(fā)電機、電力電子轉(zhuǎn)換器單元、開關(guān)裝置(switchgear) 和任何變換器。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，所述AC發(fā)電機為高電壓多相同步或異步AC 發(fā)電機，即具有M乘三相的AC發(fā)電機。輸出自AC發(fā)電機的高電壓減小 了發(fā)電機到標稱輸出值變換器的電纜連接中的損耗。同步AC發(fā)電機的使用建立了高效率的發(fā)電系統(tǒng)，異步或感應(yīng)AC發(fā) 電機的4吏用建立了較為簡單但魯棒性更大的發(fā)電系統(tǒng)。在本發(fā)明的實施形態(tài)中，所述AC發(fā)電機為電氣勵磁或通過永磁體勵 磁的同步發(fā)電機。由此，可與例如電力電子轉(zhuǎn)換器單元發(fā)電機側(cè)中的無源 整流器相結(jié)合建立起高效(包括節(jié)約)且可靠的發(fā)電系統(tǒng)。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，所述AC發(fā)電機是低速、高極數(shù)同步發(fā)電機。 由此，可以回避風力渦輪機中的齒輪(gear)，即最小化風力渦輪機中的 機械部件的數(shù)量。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，所述AC發(fā)電機通過所述標稱輸出值變換器 被連接到所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元。由此為本發(fā)明所實現(xiàn)的有利 實施例。在本發(fā)明 一實施形態(tài)中，所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元包含一個 以上的單元。由此，可以創(chuàng)建模塊化且冗余的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中， 一個故障 單元可作為N-l運行形式被替換而不斷開或停止風力渦輪機。另外，單元 的檢查和維護也可在其他單元繼續(xù)其正常功能的同時進行。因此，由于電 力電子轉(zhuǎn)換器為關(guān)鍵性較低的部件，可建立具有高可用性的風力渦輪機。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，所述一個以上的電力電子轉(zhuǎn)換器單元均具有 相同的標稱值和/或?qū)儆谕瑯拥念愋?。由此，可以增強風力渦輪機的可檢修 性，特別是減小必須的備件的貯存數(shù)量。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，所述標稱輸出值變換器包含固定變換比。由 此為本發(fā)明實現(xiàn)的有利實施例。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，所述標稱輸出值變換器對標稱發(fā)電機電壓額 定值和/或相數(shù)進行變換。由此可以以其最優(yōu)值使用不同的電力部件而沒有 限制。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，所述標稱輸出值變換器將AC發(fā)電機的標稱 電壓輸出值變換為所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元的不同的標稱電壓輸 入值。由此，可以以其最優(yōu)電壓值使用不同的電力部件而沒有包括部件間
可接受距離在內(nèi)的限制。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，所述標稱輸出值變換器將高電壓變?yōu)檩^低電壓，例如從范圍超過3.300伏AC的值到電力電子轉(zhuǎn)換器單元的小于3.300 伏AC的值，例如AC發(fā)電機的3.300與15.000伏之間的較高電壓以及每 電力電子轉(zhuǎn)換器單元的6卯與3.300伏之間的較低電壓。在本發(fā)明另一實施形態(tài)中，所述高電壓是在這些值之間選取的3.300， 4.160， 6.600， 10.000， 11.000, 13.200伏，所述較低電壓是在每電力電子 轉(zhuǎn)換器單元690、 1.000、 2.200、 3.300伏之間選取的。對AC發(fā)電機的高電壓和每電力電子轉(zhuǎn)換器單元的較低電壓進行有利 的匹配，例如3.300/690和13.200/3.300 (AC發(fā)電機電壓/電力電子轉(zhuǎn)換器 單元的電壓)。匹配值優(yōu)選為最低AC發(fā)電機電壓到最低電力電子轉(zhuǎn)換器 單元電壓，反之亦然。然而，所提到的AC發(fā)電機電壓/電力電子轉(zhuǎn)換器單 元電壓值的任何有關(guān)組合是可行的。電力電子轉(zhuǎn)換器中的較低電壓等級使得轉(zhuǎn)換器設(shè)計者能夠克服當前功 率半導體技術(shù)的限制。特別是使設(shè)計者能夠使用具有較低標稱電壓額定值 的功率半導體而不是價格明顯較高的高電壓功率半導體。由于安全要求在 較低電壓等級下較為寬松，電力電子轉(zhuǎn)換器單元的可檢修性也得到增強。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，所述標稱輸出值變換器將AC發(fā)電機的相數(shù) 變換為所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元的不同的相數(shù)。4吏得轉(zhuǎn)換器詔:計 者可以通過不同的相數(shù)減少傳送到AC發(fā)電機的電力中的諧波含量。諧波 可通過變換器相繞組間仔細選擇的角位移減小或消除。在本發(fā)明 一實施形態(tài)中，所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元為至少一 個AC-DC-AC轉(zhuǎn)換器。由此為本發(fā)明實現(xiàn)的有利實施例。在本發(fā)明的實施形態(tài)中，所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元通過至少 一個市電網(wǎng)變換器連接到市電網(wǎng)，且所述至少一個市電網(wǎng)變換器將所述至 少 一個轉(zhuǎn)換器單元的輸出電壓和/或相數(shù)變換到市電網(wǎng)。變換允許更為自由地選取電力電子轉(zhuǎn)換器單元的部件，且風力渦輪機 因此可被連接到具有給定高電壓值的市電網(wǎng)而沒有限制。 市電網(wǎng)變換器相數(shù)可用于通過仔細選擇的相間角位移減小傳送到市電 網(wǎng)的電力中的諧波含量。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，所述標稱輸出值變換器通過至少兩個并聯(lián)的三相電力電子轉(zhuǎn)換器單元(例如三個三相電力電子轉(zhuǎn)換器單元)將AC發(fā) 電機的三相變換為市電網(wǎng)的三相。多個電力電子轉(zhuǎn)換器單元的并聯(lián)使得電 力電子轉(zhuǎn)換器高度冗余，并使得一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元故障的情況下在 減小電力的運行過程中的檢修成為可能。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，所述標稱輸出值變換器通過至少兩個并聯(lián)的 三相電力電子轉(zhuǎn)換器單元將AC發(fā)電機的M乘三相變換為市電網(wǎng)的三相， 例如九相AC發(fā)電機到三個三相電力電子轉(zhuǎn)換器單元。由此可以用相數(shù)來 減小或避免發(fā)電機中的諧波并因此實現(xiàn)發(fā)電機中的更高的轉(zhuǎn)矩密度。短語"并聯(lián)……電力電子轉(zhuǎn)換器單元"理解為直接并聯(lián)連接或通過一 個或一個以上變換器的繞組連接并聯(lián)連接的電力電子轉(zhuǎn)換器單元。在本發(fā)明的實施形態(tài)中，AC發(fā)電機與所述標稱輸出值變換器之間的連接包含使得連接能夠伸到機艙之外的最小電纜或匯流排距離，且至少所 述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元位于機搶外部。電力電子轉(zhuǎn)換器單元在枳4艙外部的定位給出了機搶重量和尺寸的實質(zhì)性減小，因此減小了組裝成本。 將電力電子轉(zhuǎn)換器移出機搶允許制造者獨立于本地市電條件地生產(chǎn)風力渦 輪機本身，因為機艙的配置不受電力系統(tǒng)變化的影響。在本發(fā)明 一實施形態(tài)中，至少所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元^L定 位在風力渦輪機的塔架中，例如在塔架的下部，例如在塔架基座上或接近 塔架基座。塔架在基座上的寬度允許容易地安裝電力電子轉(zhuǎn)換器單元。在本發(fā)明 一實施形態(tài)中，至少所述至少 一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元^L定 位在風力渦輪機的機艙與塔架外。由此，可以將電力電子轉(zhuǎn)換器單元定位 在具有對于單元的最優(yōu)環(huán)境的、地面上的單獨的地方，例如，具有更大的 空間和更好的氣候控制的地方。另外，地面定位可降低變換器和電力電子 轉(zhuǎn)換器單元的價格，因為這些電力部件不需要與將之放在機艙中時同樣的 機械穩(wěn)定性。
性。強調(diào)的是，除上述地方外，可為相關(guān)的電力部件選擇機艙外的其他地 方。例如，電力部件可被定位在或懸掛在機輪的外表面或高于地平面的塔 架表面上。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，電力電子轉(zhuǎn)換器單元的組織和定位通過N-l 運行使得所述風力渦輪機的冗余性成為可能。所建立的風力渦輪機因此更 具有可靠性、可維護性和可檢修性，因為N-1個轉(zhuǎn)換器單元可在最后一個 單元被檢查、維護或在存在故障的情況下更換的同時繼續(xù)傳送電力。在本發(fā)明 一實施形態(tài)中，每個所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元包含 開關(guān)裝置，例如在各單元前的連接中的第 一開關(guān)裝置以及在各單元后的連 接中的第二開關(guān)裝置。這里，可以對單元進行檢查、維護或在單元故障情況下對之進行更換，同時，任何其余單元可繼續(xù)傳送電力。標稱輸出值變 換器與市電網(wǎng)變換器可允許關(guān)于AC發(fā)電機和市電網(wǎng)使用較低電壓開關(guān)裝 置。因此，電力電子轉(zhuǎn)換器單元的檢查、維護或更換可由工人在較為寬柏^ 的預防措施下進行。在本發(fā)明一實施形態(tài)中，至少一個標稱輸出值變換器、至少一個電力 電子轉(zhuǎn)換器單元以及至少一個市電網(wǎng)變換器構(gòu)成電力模塊。每個電力模塊 可在適合本地市電網(wǎng)條件的一個容器中制造和運送到風力渦輪機的現(xiàn)場。在本發(fā)明另一實施形態(tài)中，電力電子轉(zhuǎn)換器單元的數(shù)量(N)在2和 IO個并聯(lián)單元之間。由此，可以通過N-1運行以及每電力電子轉(zhuǎn)換器單元 的傳輸電力控制在所述風力渦輪機中建立冗余性。本發(fā)明還涉及例如海上風場等風場，所述場包含至少兩個根據(jù)權(quán)利要 求l-26中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機，在一個實施形態(tài)中，不同 風力渦輪機的電力電子轉(zhuǎn)換器單元位于共用封裝中。電力電子轉(zhuǎn)換器單元 的集中封裝進一步通過易于由檢修人員接觸增強了風力渦輪機的可檢修 性。本發(fā)明還涉及從可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機向AC市電網(wǎng)傳輸電力的方
法，該方法包含以下步驟用至少一個AC發(fā)電機產(chǎn)生AC電力，用至少 一個標稱輸出值變換器將所述AC發(fā)電機的至少一個標稱值變換為至少一 個電力電子轉(zhuǎn)換器單元的至少一個不同的標稱輸入值，用所述至少一個電 力電子轉(zhuǎn)換器單元將電力轉(zhuǎn)換到所述AC市電網(wǎng)。在本發(fā)明的實施形態(tài)中，至少一個所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器用開 關(guān)裝置連接或斷開，且其余電力電子轉(zhuǎn)換器單元的每單元所傳輸電力受到 控制，例如被控制為接近所述單元的標稱功率額定值的值。由此，可以檢 查或檢修斷開的單元，并保持來自其余電力電子轉(zhuǎn)換器單元的電力傳輸， 例如通過被控制為接近于單元標稱功率額定值的值的單元。本發(fā)明還涉及檢修或檢查向市電網(wǎng)傳輸AC電力的可變轉(zhuǎn)子速度風力 渦輪機的方法，該方法包含以下步驟用至少一個標稱輸出值變換器將所 述AC發(fā)電機的至少一個標稱值變換為至少兩個電力電子轉(zhuǎn)換器單元的至 少 一個不同的標稱輸入值，用至少 一個市電網(wǎng)變換器對所述至少兩個電力 電子轉(zhuǎn)換器單元的至少一個標稱值進行變換，用開關(guān)裝置將處于所述單元 檢修或檢查的一個轉(zhuǎn)換器單元從標稱輸出值和市電網(wǎng)變換器斷開，以N-l 運行來運行風力渦輪機的其余單元。由此為關(guān)于檢修或檢查可變轉(zhuǎn)子速度 風力渦輪機獲得的本發(fā)明的有利實施例。


下面參照附圖介紹本發(fā)明。在附圖中 圖1示出了大型現(xiàn)代風力渦輪機；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明連接到置于機搶外部的電力部件的風力渦輪機 的AC發(fā)電機；圖3示出了本發(fā)明的風力渦^^機，伴隨的曲線示出了標稱電壓變換； 圖4示出了本發(fā)明的風力渦輪機，伴隨的曲線示出了相數(shù)變換； 圖5原理性地示出了根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機的市電網(wǎng)連接； 圖6原理性地示出了包含多個電力電子轉(zhuǎn)換器單元的風力渦輪機的第 一優(yōu)選實施例；
圖7原理性地示出了包含多相標稱輸出值變換器的風力渦輪機的第二 優(yōu)選實施例；圖8原理性地示出了包含多相市電網(wǎng)變換器的風力渦輪機的第三優(yōu)選 實施例；圖9更為詳細地示出了根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機的優(yōu)選實施例；以及 圖10示出了包含具有共用封裝中的電力模塊的多個風力渦輪機的第 四優(yōu)選實施例。
具體實施方式
圖1示出了現(xiàn)代可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機1，其具有塔架2和位于塔 架頂端的風力渦輪才/l4幾搶3。包含三個風力渦輪機葉片5的風力渦輪才幾轉(zhuǎn) 子4通過伸出機搶前面的軸連接到位于機艙3內(nèi)的至少一個AC發(fā)電機。如圖所示，由于在葉片上導致的提升(lift)，超過某個水平的風將致 動風力渦輪機轉(zhuǎn)子，并允許其以垂直于風的方向旋轉(zhuǎn)。在AC發(fā)電機中，旋轉(zhuǎn)運動被轉(zhuǎn)換為電力。由機搶3中的AC發(fā)電機， 電力通過電力電子轉(zhuǎn)換器4皮饋送并^皮傳輸?shù)绞须娋W(wǎng)。在有或無齒輪的情況 下，風力渦輪機可以為滿標度(full scale)或雙饋送轉(zhuǎn)換器(double fed converter)類型的風力渦輪才幾。風力渦輪機中的發(fā)電可通過一個以上的AC發(fā)電機進行，例如在兩個 和四個AC發(fā)電機之間。圖2示出了風力渦輪機l的AC發(fā)電機7被連接到多個進一步的電力 部件的本發(fā)明。電力部件包含標稱輸出值變換器10和包括開關(guān)裝置的至少 一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元11。例如，變換器10可將AC發(fā)電機7的標稱 電壓或相數(shù)變換到電力電子轉(zhuǎn)換器單元11的不同的標稱電壓或相數(shù)。該圖還顯示出，電力電子轉(zhuǎn)換器單元通過市電網(wǎng)變換器12被連接到市 電網(wǎng)13。例如，市電網(wǎng)變換器可將電力電子轉(zhuǎn)換器單元的標稱電壓或相數(shù) 變換為市電網(wǎng)的不同的標稱電壓或相數(shù)。該圖還顯示出渦輪機l與市電網(wǎng)13之間的三個距離。 第一距離一一距離I一一為機艙3的AC發(fā)電機與標稱輸出值變換器 10的原方繞組之間的距離。第一距離為至少伸出機搶3外的最小電纜或匯 流排距離。第二距離一一距離II—一為標稱輸出值變換器10的副方繞組與市電 網(wǎng)變換器12的原方繞組之間的距離。第三距離——距離III——為市電網(wǎng)變換器12的副方繞組與市電網(wǎng)13 之間的距離。第二距離通常為最短的距離，因為與第一距離和/或第三距離相比該距 離的電壓額定值較低。圖3示出了風力渦4^機1，伴隨的曲線示出了風力渦輪機電力部件的 距離上的標稱電壓變換。該曲線示出了從AC發(fā)電機7到市電網(wǎng)13上風力 渦輪才幾連接點的電力部件的變化的標稱電壓等級。AC發(fā)電機7的標稱電壓值可在3.300到15.000伏AC的范圍內(nèi)，例 如優(yōu)選實施例中的3.300、 4.160、 6.600、 10.000、 11.000或13.200伏。電力電子轉(zhuǎn)換器單元的標稱電壓值可小于3.300伏AC,例如在優(yōu)選實 施例中的接近6卯到3.300伏AC的范圍內(nèi)，例如每電力電子轉(zhuǎn)換器單元 6卯、1.000、 2.200或3.300伏。市電網(wǎng)的標稱電壓值可在50或60Hz的市電網(wǎng)頻率下在10到36kV AC 的范圍內(nèi)，例如10kV、 llkV、 20kV、 22kV、 24kV、 30kV、 33kV或36kV AC。因此，曲線一開始顯示出AC發(fā)電^L電壓、轉(zhuǎn)換器單元上的電壓下降 到對市電網(wǎng)的風力渦輪機連接上的最終電壓上升。圖4示出了風力渦輪才幾1，伴隨的曲線顯示出風力渦輪機距離上的相 數(shù)變換。該曲線顯示出從AC發(fā)電機7到市電網(wǎng)13的電力部件的變化的相 數(shù)。AC發(fā)電機7的相數(shù)至少為三，例如在優(yōu)選實施例中為三或九相。 電力電子轉(zhuǎn)換器單元的相數(shù)在優(yōu)選實施例中為每單元三相。 市電網(wǎng)的相數(shù)通常為三相，但可以為二乘三相。
圖5原理性地示出了根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機的市電網(wǎng)連接。 電力部件通過被連接到標稱輸出值變換器10的風力渦輪機的AC發(fā)電機7以及電力電子轉(zhuǎn)換器單元11示出。電力電子轉(zhuǎn)換器單元11通過市電網(wǎng)變換器12連接到市電網(wǎng)13。電力電子轉(zhuǎn)換器單元11被示為多個并聯(lián)的電力電子轉(zhuǎn)換器單元(lla，llb，……，11N),即至少兩個單元。每個單元被進一步示為包含開關(guān)裝置。該圖還示出了在AC發(fā)電機7和市電網(wǎng)13上的高電壓開關(guān)裝置25a、 25b，例如，用于使得AC發(fā)電機或市電網(wǎng)的斷開成為可能。圖6原理性地示出了風力渦輪機的第一優(yōu)選實施例，其包含多個電力 電子轉(zhuǎn)換器單元11。電力電子轉(zhuǎn)換器單元lla、 lib的數(shù)量被原理性地示為兩個并聯(lián)單元， 其各自包含開關(guān)裝置19a、 19b以及分別到標稱輸出值變換器10與市電網(wǎng) 變換器12的共用連接。單元的第一開關(guān)裝置19a位于到標稱輸出值變換器 10的連接中，并可將該單元與變換器10連接或斷開。笫二開關(guān)裝置19b 位于從該單元到市電網(wǎng)變換器12的連接中，并可將該單元與變換器12連 接或斷開。開關(guān)裝置19a、 19b允許各電力電子轉(zhuǎn)換器單元lla、 lib電氣 連接到其它電力部件或從其它電力部件斷開，并因此建立或終止通過電力 電子轉(zhuǎn)換器單元的電力傳輸。變換器被連接到AC發(fā)電機7和市電網(wǎng)13。 AC發(fā)電機7與標稱輸出 值變換器10之間的連接距離被示為相當大，例如至少超出機搶限制。另外的并聯(lián)電力電子轉(zhuǎn)換器單元可被用于例如增強轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的冗余 性以及限制各單元的功率額定值。并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器單元的數(shù)量可為例如在2 與10之間，其中，這些單元一起建立起與一個大轉(zhuǎn)換器一樣的功率額定值。另外，并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器單元可被連接和斷開，以便與單元功率額定值有 關(guān)地增強各單元的利用。圖7原理性地示出了風力渦輪機的第二優(yōu)選實施例，其包含多相標稱 輸出值變換器10。
該變換器的原方繞組的數(shù)量被原理性地示為三個三相繞組，其將AC 電力變換到電力電子轉(zhuǎn)換器側(cè)的兩個三相副方繞組。每個副方繞組通過不 同的連接^皮連接到電力電子轉(zhuǎn)換器單元。兩個并聯(lián)單元lla、 llb具有如圖 6所示到市電網(wǎng)變換器12的共用連接。可使用變換器繞組的不同的組合和數(shù)量，例如，用于減小供到市電網(wǎng) 的電力中的諧波含量。圖8原理性地示出了風力渦輪機的第三優(yōu)選實施例，其包含多相市電 網(wǎng)變換器。變換器原方繞組的數(shù)量被原理性地示為兩個三相繞組，其將AC電力 變換到三個三相副方繞組。各原方繞組通過獨立的連接被連接到電力電子 轉(zhuǎn)換器單元。各副方繞組例如通過磁學構(gòu)造被連接到市電網(wǎng)13，以便獲得 相之間的角位移。如上所述，另外的并聯(lián)電力電子轉(zhuǎn)換器單元可用于例如增強轉(zhuǎn)換器系 統(tǒng)的冗余性以及限制各單元的功率額定值。圖9更為詳細地示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其包含AC發(fā)電機7、 第一變換器10、電力電子轉(zhuǎn)換器單元11以及市電網(wǎng)變換器12的耦合。AC發(fā)電機7可為八極、三乘三相高電壓鼠籠感應(yīng)發(fā)電機，但也可以 為其它數(shù)量或類型的發(fā)電機，例如至少兩個感應(yīng)發(fā)電機。電力電子轉(zhuǎn)換器單元11 ;f皮細分到三個并聯(lián)的AC/DC/AC三相電力電 子轉(zhuǎn)換器單元中，用于處理所產(chǎn)生的電力，每個電力電子轉(zhuǎn)換器單元具有 發(fā)電機側(cè)有源整流器21a、 DC鏈路以及市電網(wǎng)側(cè)逆變器21b。來自AC發(fā)電機的九相借助電纜14被連接到標稱輸出值變換器10的 原方側(cè)的不同組繞組。變換器10的副方側(cè)被連接到三個并聯(lián)三相電力電子 轉(zhuǎn)換器單元11的發(fā)電機側(cè)。變換器的原方側(cè)具有通過各組原方繞組的適當角位移獲得的九相。在變換器的副方側(cè)，三個三相AC/DC/AC轉(zhuǎn)換器電力單元用于對所產(chǎn) 生的電力進行處理。在另 一優(yōu)選實施例中，九相AC發(fā)電機被在標稱輸出值變換器10原方側(cè)具有對應(yīng)相數(shù)的三相AC發(fā)電積取代。圖10示出了第四優(yōu)選實施例，其包括具有共用封裝內(nèi)的電力才莫塊的多 個風力渦輪機。每個風力渦輪機被如上所述地構(gòu)建為具有電力部件AC發(fā)電機7，標 稱輸出值變換器10、電力電子轉(zhuǎn)換器單元ll、市電網(wǎng)變換器12。發(fā)電機 外的風力渦輪機各電力部件作為電力模塊21a彼此相鄰地定位，并優(yōu)選為 與其他風力渦輪機的類似電力模塊21b —起在共用封裝23中。風力渦輪機 與共用封裝可以為向市電網(wǎng)1傳輸AC電力的風場24的一部分。上面參照具體實例闡明了本發(fā)明。然而，應(yīng)當明了，本發(fā)明不限于上 面介紹的特定實例，而是可以與多種應(yīng)用結(jié)合使用，這些應(yīng)用包括所示出 的實施例的不同組合。 列表1. 可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機2. 風力渦輪才幾塔架3. 包含AC發(fā)電機的風力渦輪;M^艙4. 風力渦輪機穀5. 具有風力渦輪機轂與多個風力渦輪機葉片的風力渦輪機轉(zhuǎn)子6. 旋轉(zhuǎn)的葉片7. AC發(fā)電機8. 電力電子轉(zhuǎn)換器10. 標稱輸出值變換器，其用于將AC發(fā)電機的至少一個標稱輸 出額定值或數(shù)量變換為轉(zhuǎn)換器單元的至少一個不同的標稱輸入額定值 或數(shù)量11. 電力電子轉(zhuǎn)換器與開關(guān)裝置單元 llx. 電力電子轉(zhuǎn)換器與開關(guān)裝置單元12. 市電網(wǎng)變換器13. 市電網(wǎng)14. AC發(fā)電機與標稱輸出值變換器之間的連接15. 標稱輸出值變換器，其用于將AC發(fā)電機的標稱電壓輸出額 定值變換為電力電子轉(zhuǎn)換器單元的不同的電壓輸入額定值16. 標稱輸出值變換器與電力電子轉(zhuǎn)換器單元之間的連接17. 電力電子轉(zhuǎn)換器單元與AC市電網(wǎng)變換器之間的連接18. 市電網(wǎng)變換器與AC市電網(wǎng)之間的連接19x. 用于連接/斷開電力電子轉(zhuǎn)換器單元的開關(guān)裝置20. 標稱輸出值變換器，其用于將AC發(fā)電機的相數(shù)變換為電力電子轉(zhuǎn)換器單元的不同的相數(shù)21a，21b.電力電子轉(zhuǎn)換器單元的發(fā)電機側(cè)有源或無源整流器，DC鏈路以及市電網(wǎng)側(cè)逆變器22. 電力才莫塊 22x. 電力模塊23. 電力模塊的封裝24. 風場25a, 25b.高電壓開關(guān)裝置，例如AC發(fā)電機和市電網(wǎng)開關(guān)裝置 n. 相數(shù) M. 整數(shù)值N.電力電子轉(zhuǎn)換器和開關(guān)裝置的數(shù)量 Ugrid. 標稱市電網(wǎng)電壓 Uc。nverter.電力電子轉(zhuǎn)換器單元標稱電壓 Ugenerat。r.AC發(fā)電才幾標稱電壓
權(quán)利要求
1.一種向市電網(wǎng)(13)傳輸AC電力的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，所述風力渦輪機包含至少一個AC發(fā)電機(7)，以及至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)，其特征在于所述風力渦輪機還包含至少一個標稱輸出值變換器(10，15，20)，該變換器用于將所述發(fā)電機的至少一個標稱輸出值變換為所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元的至少一個不同的標稱輸入值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1),其特征在于所 述AC發(fā)電機(7)為多相同步或異步AC發(fā)電機。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，其特征在于所 述AC發(fā)電機(7)為電氣或永磁體勵磁的同步發(fā)電機。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，其特征在 于所述AC發(fā)電機(7)為低速高極數(shù)同步發(fā)電機。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1), 其特征在于所述AC發(fā)電機通過所述標稱輸出值變換器(10， 15， 20 )被 連接到所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(10)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)， 其特征在于所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)包含一個以上的單元(lla， lib)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，其特征在于所 述一個以上的電力電子轉(zhuǎn)換器單元(lla， lib)具有同樣的標稱額定值或 數(shù)量和/或?qū)儆谕活愋汀?br> 8. 根據(jù)1-7中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，其特征在 于所述標稱輸出值變換器(10， 15, 20)包含固定變換比。
9. 根據(jù)1-8中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，其特征在 于所述標稱輸出值變換器(10， 15， 20)變換標稱發(fā)電機電壓和/或相數(shù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，其特征在于 所述標稱輸出值變換器(15)將所述AC發(fā)電機(7)的標稱電壓輸出值變 換為所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)的不同的標稱電壓輸入值。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，其特征在于 所述標稱輸出值變換器(15)將高電壓變換為較低電壓，例如由超過3.300 伏AC范圍的值到小于3.300伏AC的值，例如AC發(fā)電機的5.000與15.000 伏間的高電壓和每電力電子轉(zhuǎn)換器單元(lla, lib, 11N)的6卯與3.300 伏間的較低電壓。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，其特征在于 所述高電壓是在這些值之間選取的3.300、 4.160、 6.600、 10.000、 11.000 和13.200伏，所述較低電壓是在每電力電子轉(zhuǎn)換器單元690、 1.000、 2.200 和3.300伏之間選取的。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1-12中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)， 其特征在于所述標稱輸出值變換器(20 )將AC發(fā)電機(7)的相數(shù)變換為 所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)的不同的相數(shù)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1-13中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1), 其特征在于所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)為至少一個AC-DC-AC轉(zhuǎn)換器(21a-21c)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1-14中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)， 其特征在于所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)通過至少一個市電網(wǎng) 變換器(12)連接到市電網(wǎng)(13)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，其特征在于 所述標稱輸出值變換器(20)和所述市電網(wǎng)變換器(12)通過至少兩個三 相電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11) 一一例如三個三相電力電子轉(zhuǎn)換器單元(lla， lib, 11N)——將AC發(fā)電機(7)的三相變換到市電網(wǎng)(13)的三相。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1),其特征在于 所述標稱輸出值變換器(20)和所述市電網(wǎng)變換器(12)通過至少兩個三相電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11， lla， lib)將AC發(fā)電機(7)的M乘三相 變換為市電網(wǎng)(13)的三相，例如九相AC發(fā)電機到三個三相電力電子轉(zhuǎn) 換器單元(lla， lib, 11N)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15-17中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)， 其特征在于所述至少一個市電網(wǎng)變換器(12)將所述至少一個電力電子轉(zhuǎn) 換器單元(11)的輸出電壓額定值和/或相數(shù)變換到市電網(wǎng)(13)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15-18中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)， 其特征在于所述至少一個市電網(wǎng)變換器(12)對所述至少一個電力電子轉(zhuǎn) 換器單元(11)的標稱輸出電壓進行升壓。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1-19中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1), 其特征在于所述AC發(fā)電機(7)與所述標稱輸出值變換器(10, 15, 20) 之間的連接(14 )包括使得連接能夠伸出所述機艙(3 )外的最小電纜或匯 流排距離(距離I)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1-20中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1), 其特征在于所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)位于所述機槍(3 )外部。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1-21中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1), 其特征在于所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)位于所述風力渦輪機 的塔架(2)中，例如在所述塔架的下部，例如在塔架基座上或塔架基座附 近。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1-22中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)， 其特征在于所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)位于所述風力渦輪機 的機搶(3)和塔架(2)外。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1-23中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)， 其特征在于所述電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)的組織和定位通過N-l運行4吏 得所述風力渦輪機中的冗余性成為可能。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1-24中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1), 其特征在于所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)各自包含開關(guān)裝置(19),例如各單元之前的連接(16)中的第一開關(guān)裝置(19a)以及各單 元之后的連接(17)中的第二開關(guān)裝置(19b)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，其特征在于 至少一個標稱輸出值變換器(10， 15， 20)、至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單 元、開關(guān)裝置(19， 19a， 19b)和至少一個市電網(wǎng)變換器構(gòu)成電力模塊(22， 22a, 22b)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1-26中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)， 其特征在于所述電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11， lla， llb， 11N)的數(shù)量(N) 為2和10個并聯(lián)單元之間。
28. 風場(24)，例如海上風場，所述場包含至少兩個根據(jù)權(quán)利要求 1-27中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28的風場(24)，其特征在于不同風力渦輪機的電 力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)位于共用封裝(23)中。
30. 從可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)向AC市電網(wǎng)(13)傳輸電力的 方法，該方法包含以下步驟用至少一個AC發(fā)電機(7)產(chǎn)生AC電力，用至少一個標稱輸出值變換器(10， 15， 20)將所述AC發(fā)電機(7) 的至少一個標稱值變換為至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元的至少一個不同的 標稱輸入值，以及用所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)將電力轉(zhuǎn)換到所述AC市 電網(wǎng)(13)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求29的向AC市電網(wǎng)(13)傳輸電力的方法，其使用 根據(jù)權(quán)利要求1-27中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30或31的向AC市電網(wǎng)(13)傳輸電力的方法， 其中，用到所述單元的連接(16, 17)中的開關(guān)裝置(19)連接或斷開所 述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11)中的至少一個。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32的向AC市電網(wǎng)(13)傳輸電力的方法，其中， 其余電力電子轉(zhuǎn)換器單元的每單元所傳輸電力受到控制，例如被控制為接近于所述單元的標稱功率額定值的值。
34. 檢修或檢查向市電網(wǎng)(13)傳輸AC電力的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦 輪機(1)的方法，該方法包含以下步驟用至少一個標稱輸出值變換器(10， 15， 20)將所述AC發(fā)電機(17) 的至少一個標稱值變換為至少兩個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(11， lla， llb， 11N)的至少一個不同的標稱輸入值，用至少一個市電網(wǎng)變換器(12)對所述至少兩個電力電子轉(zhuǎn)換器單元 的至少一個標稱值進行變換，用開關(guān)裝置(19)將處于所述單元的檢修或檢查的一個轉(zhuǎn)換器單元從 標稱輸出值和市電網(wǎng)變換器(10, 12, 15， 20)斷開，以及以N-l運行來運行所述風力渦輪機的其余單元。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中，所述風力渦輪機為根據(jù)權(quán)利要求 l-27中任意一項的可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)，其向市電網(wǎng)(13)傳輸AC電力。風力渦輪機包含至少一個AC發(fā)電機(7)和至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元(10)。另外，其包含用于將所述發(fā)電機的至少一個標稱輸出值變換為所述至少一個電力電子轉(zhuǎn)換器單元的至少一個不同的標稱輸入值的裝置(10，15，20)。本發(fā)明還涉及風場和從可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機(1)向市電網(wǎng)(13)傳輸AC電力的方法以及檢修或檢查可變轉(zhuǎn)子速度風力渦輪機的方法。
文檔編號H02M5/458GK101213732SQ200580050938
公開日2008年7月2日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者L·赫勒, P·R·J·C·卡耶爾 申請人:維斯塔斯風力系統(tǒng)有限公司