CN102171921A - 发电单元以及用于产生电能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发电单元。该单元具有涡轮机(3)、发电机(8)以及将发电机(6)连接至电力网(2)的电连接装置(9-12)。根据本发明，发电机(8)为永磁同步发电机，其具有低负载角。电连接装置包括用于提供DC电压的二极管整流器(9)。本发明还涉及发电单元的应用以及用于产生电能的方法。

Description

发电单元以及用于产生电能的方法
技术领域
本发明第一方面涉及一种发电单元，其包括涡轮机、由涡轮机驱动的发电机、用于将发电机连接至电力网以及涡轮速度控制装置的电连接装置。
在第二方面，本发明涉及这种发电单元的应用。
在第三方面，本发明涉及用于产生电能的方法，其中，涡轮机暴露于流动的流体，涡轮机驱动发电机并且发电机连接至电力网以及涡轮速度控制装置。
背景技术
在多种用于产生电能的方法中，涡轮机由快速流动的流体(例如，传统的水电站中的水或者蒸汽)驱动。因此发电机以基本上恒定的速度被驱动，并且所产生的能量与被提供能量的电力网相匹配。
近年来对电能持续增长的需求导致在商业上努力使用可替代能源(例如慢速水流以及风力)来产生电能。这些能源的流速通常更低并且是波动的。特别是风速相当多变。
因此，由水流或者风力驱动的涡轮机通常以相当低的转速(rpm)旋转。此外，涡轮机的转速会变化。这在向电力网供应能量时产生了问题，因为只有以特定的转速产生的能量才能与电力网匹配，而以其他的转速产生的能量则会产生失配。
这个问题可通过机械地中断涡轮机的旋转或者通过调节涡轮机叶片以保持基本恒定的转速来解决。然而，这些用于控制涡轮机速度的措施很昂贵。并且这些机械措施常会失败。
因此，本发明的目的是以更简单和可靠的方式控制涡轮机。
发明内容
本发明的目的得以实现在于一种如初始描述的发电单元，其包括以下具体特征，发电机为具有低负载角的永磁同步发电机，并且电连接装置包括用于提供DC(直流电)电压的二极管整流器，其中涡轮机的转速由DC-电压-电平控制。
当发电机通过如权利要求所述的DC链连接至强电力网时，该电力网可用来控制涡轮机的转速。在转速趋向于改变的情况下，这意味着电能与机械能彼此不协调，并且将产生朝向新的工作点(operation point)的振动以适应于新的情况。借助根据权利要求的电连接并借助低负载角，在涡轮机趋向于增加其转速的情况下，发电机将充当制动器(brake)，而如果涡轮机趋向于减少其能量，发电机则减少能量输出(outtake)。这消除了用外部设备来保持来自涡轮机的机械能与提供给电力网的电能之间的匹配的必要性。因此，根据本发明的发电单元将特别适用于其中涡轮机暴露于速度变化的驱动流体的应用，并且在具有强电力网的情况下，工作点将基本上处于所保持的涡轮机转速处。
根据一个优选实施例，电控制装置包括用于调节DC电平的装置。
由于涡轮机的转速与DC电平直接相关，该实施例允许以简单的方式调节该速度，从而消除对机械调节的任何需求。
根据进一步优选的实施例，用于调节DC电平的装置包括具有逆变器控制装置27的逆变器和/或具有比率控制装置的变压器12。
因而，通过通常存在于电控制装置中的部件提供了调节DC电平的简单可靠的方式。
根据进一步优选的实施例，发电机包括用于改变发电机中的有效绕组的数目的装置。
由于电压由
Figure BDA0000053790990000031
决定，绕组的数目直接影响电压电平。因而，改变发电机中有效绕组的数目提供了对由DC电平控制的转速的安全而精确的控制。这种布置消除了应用用于调节涡轮转速的可变比变压器或者逆变器控制装置的必要性。因此，电控制装置变得更为简单并且对干扰不那么敏感。在有些应用中，基于发电机的控制在这方面可作为控制逆变器或者变压器的补充。优选地，用于改变发电机内的有效绕组圈数的装置包括抽头变换器(tap changer)。
根据本发明进一步优选的实施例，涡轮机为风力涡轮机。
风力涡轮机是驱动涡轮机的流体的速度波动的很重要的例子。因此，所发明的用于控制涡轮机转速的单元特别适用于这种应用。
根据进一步优选的实施例，该风力涡轮机具有竖直轴线。
竖直轴线风力涡轮机相对于水平轴线类型具有很多优点。对于竖直轴线涡轮机来说，控制涡轮机转速的需求也相当突出。对于这种类型的涡轮机来说，机械地控制转速更为复杂，因此，本发明对这种应用特别重要。
根据进一步优选的实施例，涡轮机被设置成由海浪或水流提供动力。
通过海浪或慢速水流运转的涡轮机相对缓慢地转动并且暴露于水速的变化。因此，本发明的优点特别适用于这些应用。
根据进一步优选的实施例，负载角小于12°。
虽然本发明在诸如直到15°或20°的稍微高的负载角的情况下也能起到满意的效果，但是如果将负载角设置的低于12°，根据本发明的控制变得最优化。如果负载角小于10°达到最好的结果。
根据进一步优选的实施例，电连接装置被设置成提供至少10kV的电压。
该电压水平表示该单元连接至强电力网。电力网越强，根据本发明的转速控制将更为有效。
根据进一步优选的实施例，电连接装置包括接地电容器。
该连接将对当发电机相应于转速改变的趋势时所发生的振动具有抑制效果，从而使得回复到正常转速的过渡周期缩短。这使得控制系统更有效率。
根据进一步优选的实施例，发电机的定子绕组包括电缆。
根据进一步优选的实施例，该电缆包括被绝缘系统围绕的导电材料的中心芯，该绝缘系统包括内半导电层和外半导电层以及固体绝缘材料的中间层。
这种类型的电缆具有能够容忍待感应出的非常高的电压的优点。
根据进一步优选的实施例，电连接装置包括用于测量、控制以及/或管理发电单元的运行的监控系统。
这样的系统提供了使发电单元的特征适应实际状况并对其进行调节的可能性，因而优化了其操作。
根据进一步优选的实施例，该监控系统包括用于测量电流、电压以及/或负载角的装置。
这些都是与发电单元的操作相关的十分重要的参数，这些值的持续更新有助于获得符合普通(prevailing)条件的操作。
根据进一步优选的实施例，监控系统包括使发电单元的电压与电力网的电压同步的装置。
同步化增加了转速控制的精度。
根据进一步优选的实施例，监控系统包括保护继电器。
由此增加了发电单元的安全性，并减少了故障状况损害其部件的风险。
根据进一步优选的实施例，监控系统包括控制有功功率和无功功率的装置。
有功功率和无功功率之间的关系对于在转化及分配感应能量方面获得高效率很重要。
根据进一步优选的实施例，监控系统包括测量所输送的能量的量的装置。
这种装置允许将直接计费系统(direct billing system)连接至发电单元。
根据进一步优选的实施例，监控系统包括多种用于特定功能的进一步的装置，例如分别为
-用于电制动涡轮机的装置，
-用于电锁涡轮机的装置，以及
-用于控制涡轮机的启动的装置。
因此，获得了与电的速度控制相关的进一步的优势，因为与必须机械地执行这些功能的情况相比较，这些功能能在更有效率并且损耗更少能量的情况下实现。
根据进一步优选的实施例，监控系统包括微处理器，该微处理器具有用于接受代表来自监控系统的数据的输入信号的装置、用于处理所接收到的信号的装置以及用于将代表操作指令的输出信号提供给监控系统的装置。
监控系统的这样的计算机化将进一步增加其可靠性、精确性以及效率。
根据多个进一步优选的实施例，电连接装置包括多种优选类型的部件，例如分别为：
-星形-三角形-变压器
-可控功率半导体元件，例如IGBT：s、GTO：s以及/或晶闸管(tyristor)，以及
-6脉冲或12脉冲逆变器。
上面提到的部件类型特别适合用于根据本发明的发电单元，因此有助于优化整个系统。
根据本发明进一步的方面，发电装置(power plant，发电厂，发电系统)包括多个根据本发明(特别是根据本发明的任意优选实施例)的发电单元，该发电单元连接至相同的DC电平。
这样的装置获得了像前面所述的本发明的发电单元一样的相应的优点。通过将发电单元连接到同样的DC电平，获得了该装置均匀而稳定的运行。
通过使用本发明的用于产生电能并将该能量供应给电力网的发电单元进一步实现了本发明的目的。
最后，本发明的目的得以实现还在于如初始所描述的方法，该方法包括以下具体措施：给发电机提供永磁体，像同步发电机一样操作发电机并使其处于低负载角，提供二极管整流器以供应DC电压并因此将涡轮机的转速控制成在短时间内基本上恒定的。
根据本发明的方法的优选的实施例，其通过使用根据本发明、特别是根据本发明的任意优选实施例的发电单元实施。
本发明的应用及本发明的方法具有类似于本发明及其优选实施例的发电单元的优点，这些优点在上面已经描述过。
下面将通过结合附图对根据本发明的发电单元的实例的详细描述来进一步说明本发明。
附图说明
图1为本发明的发电单元的第一实例的示意图；
图2为与图1的相对应但示出了第二实例的图示；
图3为示出根据图1或图2中的实例的发电单元的控制的结构图；
图4为示出根据本发明的装置的结构图；以及
图5为穿过根据本发明的实例的发电机的定子绕组中的电缆的剖面图。
具体实施方式
图1示意性示出了连接至电力网2的风力发电组件1。该风力发电组件1具有竖直轴线风力涡轮机4，其通过竖直轴4a连接至发电机6的转子5。该涡轮机具有多个竖直叶片7，每个叶片7通过一对臂连接至轴。通常，叶片的数目为3个。涡轮机暴露于速度为v的风力。
发电机6为同步发电机，并且其转子5设置有永磁体。来自发电机的电压被提供给二极管整流器9以获得DC。该DC链通过电容器10接地。之后，逆变器通过诸如具有10kV的输出电压的变压器12将电压提供给电力网。
如果风速v发生变化，其会引起涡轮机的转速的相应变化。通过所示出的发电机6至电力网2的连接并通过约为10°的负载角，该转速的变化被发电机6电力地抵消。如果风速增加，发电机6将在涡轮机轴4上提供制动转矩。如果风俗减小，发电机将在涡轮机轴上提供加速转矩，其结果是，短暂的过渡周期之后，转速将保持其正常值。
变压器12为三角形-星形-类型(delta-wye-type)并具有比率控制。逆变器11设置有逆变器控制装置27。通过变压器12的比率控制或者通过逆变器控制装置27，能够设置固定的DC电平。
图2示出了根据本发明的发电单元的替代实例。在该实例中，发电机6设置有抽头变换器13，从而能够选择定子绕组中的有效圈数。通过选择绕组圈数的合适数目，可将DC电平预设为所需的电平。因而，在该实例中，变压器12可为固定变压器(fixed transformer)。
图3以结构图示出了图1或图2的实例并且示出了用于测量、控制以及管理如图1或图2所示的发电单元的运行的监控系统14。
监控系统14设置有：用于测量电流、电压以及负载角的测量装置15，用于使发电单元的电压与电力网2的电压同步的同步装置16，保护继电器17，用于控制有功功率和无功功率的装置18，用于测量所输送的能量的装置19，用于电制动涡轮机的装置20，用于电锁定涡轮机的装置21以及用于控制涡轮机的启动的装置22。
监控系统设置有微处理器23。该微处理器23具有用于接受来自监控系统14的输入信号的装置24。这些信号代表监控系统所获得的数据并在处理单元25中被处理。微处理器还具有用于向监控系统14提供输出信号的装置26，操作指令为所处理信息的结果。
图4为示出具有四个发电单元(1a-1d)的发电装置的结构图。它们都以上述方式连接至普通的DC电平。
图5示出了穿过高压电缆的剖面图，该高压电缆可能有利于应用于本发明的某些应用中的定子绕组。该电缆由具有一个或多个铜股(strand)部分31的核心组成。该核心由内半导体层32围绕。在这外面为固体绝缘层33，例如PEX绝缘体。围绕该绝缘体的是外半导体层34。每一个半导体层形成等位面。

Claims (29)

1.一种发电单元，包括涡轮机(3)、由所述涡轮机(3)驱动的发电机(6)、用于将所述发电机(6)连接至电力网(2)以及涡轮速度控制装置的电连接装置(9-12)，其特征在于，所述涡轮速度控制装置为电控制装置，并且所述发电机(6)为具有低负载角的永磁同步发电机，并且所述电连接装置(9-12)包括用于供应DC电压的二极管整流器(9)，由此所述涡轮机的转速由DC电压电平控制。
2.根据权利要求1所述的发电单元，其特征在于，所述电控制装置包括用于调节DC电平的装置(11，12，13)。
3.根据权利要求2所述的发电单元，其特征在于，所述用于调节DC电平的装置包括具有逆变器控制装置(27)的逆变器和/或具有比率控制装置的变压器(12)。
4.根据权利要求2所述的发电单元，其特征在于，所述用于调节DC电平的装置包括用于改变所述发电机中的有效绕组圈数的装置(13)，优选为抽头变换器。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述涡轮机(3)为风力涡轮机。
6.根据权利要求5所述的发电单元，其特征在于，所述风力涡轮机(3)具有竖直轴线。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述涡轮机被设置成由海浪或者水流提供动力。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述负载角小于12°，优选为小于10°。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述电连接装置(9-12)被设置成提供至少10kV的电压。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述电连接装置(9-12)包括接地的电容器(10)。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述发电机的定子绕组包括电缆。
12.根据权利要求11所述的发电单元，其特征在于，所述电缆包括由绝缘系统围绕的导电材料的中心芯(31)，所述绝缘系统包括内半导体层(32)和外半导体层(34)以及固体绝缘材料的中间层(33)。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述电连接装置包括用于测量、控制以及/或管理所述发电单元的运行的监控系统(14)。
14.根据权利要求13所述的发电单元，其特征在于，所述监控系统包括用于测量电流、电压以及/或负载角的测量装置(15)。
15.根据权利要求13所述的发电单元，其特征在于，所述监控系统包括用于使所述发电单元的电压与所述电力网的电压同步的同步装置(16)。
16.根据权利要求13所述的发电单元，其特征在于，所述监控系统包括保护继电器(17)。
17.根据权利要求13所述的发电单元，其特征在于，所述监控系统包括用于控制有功功率和无功功率的装置(18)。
18.根据权利要求13所述的发电单元，其特征在于，所述监控系统包括用于测量所输送能量的量的装置(19)。
19.根据权利要求13所述的发电单元，其特征在于，所述监控系统包括用于电制动所述涡轮机的装置(20)。
20.根据权利要求13所述的发电单元，其特征在于，所述监控系统包括用于电锁定所述涡轮机的装置(21)。
21.根据权利要求13所述的发电单元，其特征在于，所述监控系统包括用于控制所述涡轮机的启动的装置(22)。
22.根据权利要求13-21中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述监控系统包括微处理器(23)，所述微处理器(23)具有用于接收代表来自所述监控系统的数据的输入信号的装置(24)、用于处理所述接收到的信号的装置(25)以及用于将代表操作指令的输出信号提供给所述监控系统的装置(26)。
23.根据权利要求1-22中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述电控制装置包括星形-三角形-变压器(12)。
24.根据权利要求1-22中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述电控制装置包括可控功率半导体元件，例如IGBT:s，GTO:s以及/或晶闸管。
25.根据权利要求1-23中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述电控制装置包括6脉冲或者12脉冲逆变器(11)。
26.一种发电装置，其特征在于，所述发电装置包括多个根据权利要求1-25中任一项所述的发电单元(1a-1d)，并且在于，这些发电单元(1a-1d)连接至相同的DC电平。
27.根据权利要求1-25中任一项所述的发电单元的应用，用于产生电能并将能量提供给电力网。
28.一种用于产生电能的方法，其中，涡轮机暴露于流动的流体，所述涡轮机驱动发电机并且所述发电机连接至电力网，其特征在于，所述方法包括以下步骤：给所述发电机的转子提供永磁体，将所述发电机操作为同步发电机并使其处于低负载角，提供二极管整流器以提供DC电压并由此电控制所述涡轮机的转速使其基本上恒定。
29.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过使用根据权利要求1-25中任一项所述的发电单元实施所述方法。
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