CN102651556A - 风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机（1），包括适合于产生电功率的至少一个发电机（2）和适合于转换由发电机（2）产生的电功率且可电连接或被电连接到发电机（2）和公共电网（7）的许多电气转换器单元（5、6、21），由此发电机（2）包括在定子段（4、4'）中分段的定子(3)，每个定子段（4、4'）包括许多定子绕组（4a-c、4'a-c），其中，各个定子段（4、4'）的定子绕组（4a-c、4'a-c）被划分成至少第一（4A、4'A）和第二组（4B、4'B）的定子绕组，每组（4A、4B、4'A、4'B）包括至少一个定子绕组（4a-c、4'a-c），由此，第一组（4A、4'A）的定子绕组（4a、4'a）中的多个或全部被电连接到第一电气转换器单元（5）且第二组（4B、4'B）的定子绕组（4b、4'b）中的多个或全部被电连接到第二电气转换器单元（6）。

Description

风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机，包括适合于产生电功率的至少一个发电机和适合于转换由发电机产生的电功率且可电连接或被电连接到发电机和公共电网(utility grid)的许多电气转换单元。
背景技术
通常，风力涡轮机用直接电网连接以几乎恒定的旋转速度运行。然而，由于风能的量、即气动状态可以改变，间接的电网连接是已知的，由此风力涡轮发电机在其自己的单独交流（AC）电网中运行。此电网通常由逆变器(inverter)来控制，使得发电机的定子中的交流电的频率可以适合于风力涡轮机的转子轮毂(rotor hub)的当前旋转速度，即风力涡轮机将精确地以施加于定子的可变频率生成交流电。
由于不能向公共电网施加具有可变频率的交流电，所以需要将其整流或转换成直流电（DC）。可以例如由闸流晶体管(thyristor)或晶体管来执行从可变频率AC至DC的转换。此外，直流电被重新转换成具有可施加于公共电网的频率的交流电。再次地，可以使用闸流晶体管或晶体管来将直流电转换成交流电。从而，在将获得的交流电供应给公共电网之前，通常需要对其进行平滑化。因此，例如可以使用使用适当电感和电容器的AC滤波器机制。
为了改善施加于电网的功率的功率质量，已经提出了包括发电机和许多电气转换器单元的现代风力涡轮机，因为通过使用多个转换器单元，无功功率的更好控制是可行的。在示出以并联配置具有许多转换器模块的风力涡轮机的EP 1 768 223 A2中公开了一种典型示例。
然而，使用间接电网连接的现有技术的缺点是由于功率电子设备、亦即主要是电气转换器单元中的故障，与具有直流电网连接的风力涡轮机相比，所述风力涡轮机的可用率(availability rate)常常较低。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的风力涡轮机，特别是关于其可用率。
这由如前所述的风力涡轮机来实现，其中，发电机包括以定子段(stator segment)分段的定子，每个定子段包括许多定子绕组，其中，各个(respective)定子段的定子绕组被划分成至少第一和第二组定子绕组，每组包括至少一个定子绕组，由此，第一组定子绕组中的多个或全部被电连接到第一电气转换器单元，并且第二组定子绕组中的多个或全部被电连接到第二电气转换器单元。
本发明的风力涡轮机具有带有分段定子(亦即该分段定子由许多的各个定子段构成)的发电机。每个定子段的各个定子绕组被以各个组定子绕组划分或布置。从而，优选地，每组包括相同数目的定子绕组，亦即绕组优选地相等地分布在各个组中。每个定子段的组的数目为至少两个，亦即定子段包括至少第一和第二组定子绕组。从而，本发明的原理提出将第一组定子绕组中的多个或全部电连接到第一电气转换器单元，并将第二组定子绕组中的多个或全部电连接到第二电气转换器单元。因此，各个定子段的各个组定子绕组被电连接到各个单独电气转换器单元，亦即遍及定子的所有定子段的各个第一组定子绕组与第一电气转换器单元相关，遍及定子的所有定子段的各个第二组定子绕组与第二电气转换器单元相关等。将相对于附图给出本发明原理的其它示例性实施例。
本发明的原理允许可以将电气转换器单元中的故障隔离，由此，仍可以操作电气转换器单元的剩余部分。因此，即使在第一电气转换器单元中发生故障，本发明的风力涡轮机仍可以向公共电网供应功率，因为仍可以操作所有其它电气转换器单元。以这种方式，本发明克服了来自现有技术的缺点，因为即使在电气转换器单元的故障的情况下，风力涡轮机仍准备操作，即使是以减少的功率输出。
由于被单独地连接到各个电气转换器单元的各个独立组的定子绕组中的每个定子段的定子绕组的划分，所以确保在一个或多个电气转换器单元的故障的情况下，每个定子段中的相同的各个组定子绕组对风力涡轮机的功率输出没有贡献。因此，减少了定子中的转矩不对称以及所产生的谐波和子谐波频率。
优选的是每个定子段的定子绕组的组的数目对应于电气转换器单元的数目。以这种方式，各个定子段的各个第一、第二、第三等组的定子绕组与各个第一、第二、第三等电气转换器单元的直接相关是可能的 。
其优点在于各组定子绕组被相互电气（电(galvanic)）绝缘。以这种方式，抑制了定子段内的各个组定子绕组之间的类似于短路等的任何非期望电气交互作用，使得保证各个定子段、定子和发电机的工作安全。由允许电绝缘(galvanic insulation)的适当绝缘装置来提供电绝缘，亦即主要是如例如由变压器提供的电感或电容绝缘。
在本发明的另一实施例中，一组定子绕组中的定子绕组被相互电连接。因此，每组定子绕组中的定子绕组被电连接。从而，优选地由电耦合来实现电连接，由此，有利地使用能够将任意数目的定子绕组电连接的星点连接。
可能的是被电连接到相同电气转换器单元的不同定子段的各组定子绕组被相互电绝缘。替换地，可能的是被电连接到相同电气转换器单元的不同定子段的各组定子绕组被相互电连接。在后一种情况下，不同定子段的各个组定子绕组的电连接是可实现的。再次地，优选地由电绝缘/耦合来提供电绝缘/连接。因此，如果需要的话，提供诸如变压器等各个电子部件。
电气转换器单元被有利地并联连接。然而，在例外情况下，各个电气转换器单元的串联连接同样是可想象的，由此，可能需要电桥接以便在需要的情况下桥接有故障的电气转换器单元。
每个电气转换器单元可以包括至少一个电断路器、至少一个发电机侧整流器、至少一个公共电网侧整流器、至少一个发电机侧逆变器、至少一个公共电网侧逆变器、至少一个DC链路以及至少一个控制单元。因此，为各个电气转换器单元提供间接电网连接所需的必需电气部件，亦即各个电气转换器单元准备将在发电机的操作期间从其供应的具有可变频率的AC转换为具有可适用于公共电网的固定频率的AC。
定子段可以包括单层或双层配置，双层配置具有槽，每个槽适合于容纳第一和第二定子绕组，由此，第一定子绕组被布置在第二定子绕组的顶部上。在后一种情况下，优选的是第一定子绕组构成第一组定子绕组且第二定子绕组构成第二组定子绕组，其中，第一和第二组定子绕组被电连接至单独的电气转换器单元。
因此，各个定子段的每个槽中的两个单独绕组与单独的各组定子绕组相关并进一步地被电连接至单独的、亦即各个第一和第二电气转换器单元。以这种方式，本发明的原理可容易地适用于也具有双层绕组配置的定子段。
附图说明
下面，随着对附图进行参考来详细地描述本发明，由此： 
图1示出根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机的原理剖视图(cut-out view)； 
图2示出根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机的原理剖视图； 
图3示出根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机的原理剖视图；以及 
图4示出根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机的原理剖视图。
具体实施方式
图1示出如用矩形表示的风力涡轮机1的原理剖视图，由此，仅描绘了就本发明而言具有相关性的风力涡轮机1的部件。风力涡轮机1包括适合于在风力涡轮机1的操作期间产生电功率的发电机2。发电机2包括分段定子3，亦即分段定子3由每个包括许多定子绕组（参考图2-4）的许多定子段4、4'构成。发电机2被以已知方式机械地连接到风力涡轮机1的转子轮毂（未示出）。
风力涡轮机1还包括许多电气转换器单元5、6，其适合于将由发电机2产生的电功率转换成可应用于公共电网7的电功率。电气转换器单元5、6具有被并联地连接的并联配置。每个电气转换器单元5、6可电连接或被电连接到发电机3和公共电网7。由于发电机3优选地被构造为三相发电机，所以发电机3被三个各个输出线连接到每个电气转换器单元5、6。
风力涡轮机1提供有间接电网连接，亦即电气转换器单元5、6包括允许从发电机2供应的具有可变频率的AC到具有可应用于公共电网7的固定频率的AC的转换的各个部件。因此，每个电气转换器单元5、6包括电断路器8、发电机侧整流器9、公共电网侧整流器10、发电机侧逆变器11、公共电网侧逆变器12、DC链路13以及控制单元14。
各个控制单元14与风力涡轮机1的各个整流器9、10、各个转换器11、12和中央控制单元15通信。中央控制单元15适合于与用于调节包括许多各个风力涡轮机1的风场(wind park)的场地控制单元(park control unit)16通信，亦即场地控制单元16允许控制单独风力涡轮机的有功和无功功率，诸如本风力涡轮机1以及风场内的风力涡轮机群集。场地控制单元16还借助于诸如以太网交换机的标准网络交换机17与电气转换器单元5、6的各个控制单元14通信。此外，电气转换器单元5、6的各个控制单元14准备相互通信。
如从示出根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机1的原理剖视图的图2可辨别的，定子段4的定子绕组4a、4b以及定子段4'的定子绕组4'a、4'b被划分成各个第一和第二组4A、4B和4'A、4'B的定子绕组，由此，定子段4包括由三个各个定子绕组4a组成的组4A和由三个各个定子绕组4b组成的组4B。因此，定子段4'包括由三个各个定子绕组4'a组成的组4'A和由三个各个定子绕组4'b组成的组4'B。因此，每个第一组4A、4'A和第二组4B、4'B包括三个定子绕组。也就是说，每个组4A、4B、4'A、4'B具有三相发电机输出，因为每个组4A、4B、4'A、4'B包括如前所述的三个定子绕组。
如进一步可辨别的，遍及定子段4、4'的所有第一组4A、4'A被电连接到电气转换器单元5，而各个定子段4、4'的所有第二组4B、4'B被电连接到电气转换器单元6。因此，各个定子段4、4'的定子绕组4a、4b、4'a、4'b到各个组4A、4B、4'A、4'B的划分允许各个第一组4A、4'A和第二组4B、4'B与电气转换器单元5、6的单独连接。也就是说，由于每个定子段4、4'的组4A、4B、4'A、4'B的数目对应于电气转换器单元5、6的数目，每个定子段4、4'被电耦合到电气转换器单元5、6两者。以这种方式，保证风力涡轮机1的可用率。也就是说，即使在电气转换器单元5、6中的一个的故障的情况下，仍可以操作各个其它电气转换器单元5、6。
如基于组4A将解释的，定子绕组4a借助于星点连接18被相互电连接。同样应用于被连接到相同电气转换器单元5、6的组4B和4'A、以及4'B的各个定子绕组4b、4'a和4'b。各个定子段4、4'的所有组4A、4B和4'A、4'B被相互电绝缘。
当然，本发明的原理同样适用于具有含有多于两个段4、4'的定子3的发电机2。在这种情况下，各个其它定子段的定子绕组的各个划分还可以是两个、亦即第一和第二组，由此，第一组定子绕组将被电连接到电气转换器单元5且各个第二组定子绕组将被电连接到电气转换器单元6。
与根据图2的实施例相反，图2描绘被电连接到相同电气转换器单元5、6的不同定子段4、4'的组4A、4'A和4B、4'B被相互电绝缘，图3示出还可能的是可以如连接线19、20所指示地将被电连接到相同电气转换器单元5、6的不同定子段4、4'的各个组4A、4'A和4B、4'B可以相互电连接。从而，连接线19建立定子段4的组4A与定子段4'的组4'A的连接，并且连接线20建立定子段4的组4B与定子段4'的组4'B的连接。
图4示出根据本发明的另一示例性实施例的风力涡轮机1的原理剖视图。从而，每个定子段4、4'包括九个定子绕组，亦即定子段4由定子绕组4a、4b和4c组成，而定子段4'由定子绕组4'a、4'b和4'c组成。定子段4的各个定子绕组4a、4b和4c因此被分组成三个组4A、4B、4C，由此，每个组4A、4B、4C包括三个各个定子绕组4a、4b、4c。同样适用于具有三个组4'A、4'B、4'C(每个包括三个定子绕组、即定子绕组4'a、4'b、4'c)的定子段4'。
由于每个定子段4、4'包括三个组4A、4B、4C、4'A、4'B、4'C，所以提供各个数目、亦即三个转换器单元5、6、21，使得每个定子段4、4'的组的数目对应于电气转换器单元5、6、21的数目。
本发明的风力涡轮机1可以包括具有单层或双层配置的定子段4、4'等，由此，关于双层配置，各个定子段包括适合于容纳第一和第二定子绕组的槽，由此，第一定子绕组被布置在第二定子绕组的顶部上。在这种情况下，第一定子绕组构成第一组定子绕组且第二定子绕组构成第二组定子绕组，使得本发明的原理仍是适用的，亦即每组定子绕组被单独地连接到各电气转换器单元。

Claims (11)

1.一种风力涡轮机（1），包括适合于产生电功率的至少一个发电机（2）和适合于转换由发电机（2）产生的电功率且可电连接或被电连接到发电机（2）和公共电网（7）的许多电气转换器单元（5、6、21），由此发电机（2）包括在定子段（4、4'）中分段的定子(3)，每个定子段（4、4'）包括许多定子绕组（4a-c、4'a-c），其中，各个定子段（4、4'）的定子绕组（4a-c、4'a-c）被划分成至少第一（4A、4'A）和第二组（4B、4'B）的定子绕组，每组（4A、4B、4'A、4'B）包括至少一个定子绕组（4a-c、4'a-c），由此，第一组（4A、4'A）的定子绕组（4a、4'a）中的多个或全部被电连接到第一电气转换器单元（5）且第二组（4B、4'B）的定子绕组（4b、4'b）中的多个或全部被电连接到第二电气转换器单元（6）。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，每个定子段（4、4'）的定子绕组（4a-c、4'a-c）的组（4A、4B、4C、4'A、4'B、4'C）的数目对应于电气转换器单元（5、6、21）的数目。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机，其中，各组（4A、4B、4C、4'A、4'B、4'C）的定子绕组被相互电绝缘。
4.根据前述权利要求中的一项所述的风力涡轮机，其中，一组（4A、4B、4C、4'A、4'B、4'C）定子绕组中的定子绕组（4a-c、4a'-c）被相互电连接。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其中，用星点连接（18）来建立所述连接。
6.根据前述权利要求中的一项所述的风力涡轮机，其中，被电连接到相同电气转换器单元（5、6、21）的不同定子段（4、4'）的各组（4A、4B、4C、4'A、4'B、4'C）定子绕组被相互电绝缘。
7.根据前述权利要求中的一项所述的风力涡轮机，其中，被电连接到相同电气转换器单元（5、6、21）的不同定子段（4、4'）的各组（4A、4B、4C、4'A、4'B、4'C）定子绕组被相互电连接。
8.根据前述权利要求中的一项所述的风力涡轮机，其中，所述电气转换器单元（5、6、21）被并联连接。
9.根据前述权利要求中的一项所述的风力涡轮机，其中，每个电气转换器单元（5、6、21）包括至少一个电断路器（8）、至少一个发电机侧整流器（9）、至少一个公共电网侧整流器（10）、至少一个发电机侧逆变器（11）、至少一个公共电网侧逆变器（12）、至少一个DC链路（13）以及至少一个控制单元（14）。
10.根据前述权利要求中的一项所述的风力涡轮机，其中，所述定子段（4、4'）包括单层或双层配置，双层配置具有槽，每个槽适合于容纳第一和第二定子绕组，由此，第一定子绕组被布置在第二定子绕组的顶部上。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机，其中，如果定子段（4、4'）包括双层配置，则第一定子绕组构成第一组定子绕组且第二定子绕组构成第二组定子绕组，其中，所述第一和第二组定子绕组被电连接至单独的电气转换器单元（5、6、21）。
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PB01 Publication
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Application publication date: 20120829

Assignee: SIEMENS WIND POWER EQUIPMENT (SHANGHAI) CO.,LTD.

Assignor: SIEMENS wind power

Contract record no.: 2013990000176

Denomination of invention: High-efficiency wind turbomachine

License type: Common License

Record date: 20130426

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TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20190805

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Patentee before: Siemens AG