CN102651558A - 风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机。风力涡轮机(1)包括生成一定量的电功率的至少一个发电机(2)以及至少两个电转换器单元(3、4),其中,每个电转换器单元(3、4)与发电机(2)和公用电网(5)相关,并且,每个电转换器单元(3、4)适于转换多达所定义的可容许最大容量的电功率,其中,由发电机(2)生成的电功率的量被均等地分发给所有相应电转换器单元(3、4),从而如果至少一个电转换器单元(3、4)发生故障,则将由发电机(2)生成的电功率的量分发给操作中的剩余电转换器单元(3、4),从而所述剩余电转换器单元(3、4)中的每一个转换多达其相应可容许最大容量的电功率的相应量。

Description

风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机,其包括生成一定量的电功率的至少一个发电机以及至少两个电转换器单元,其中,每个电转换器单元与发电机和公用电网相关,并且,每个电转换器单元适于转换多达所定义的可容许的最大容量的电功率。 
背景技术
由于风能的量(即,空气动力学条件)可以变化,因此间接电网连接是已知的,从而风力涡轮机发电机独立地运行单独的交流电(AC)电网。该电网通常由逆变器控制,使得发电机的定子中的交流电的频率可以适于风力涡轮机的转子轮毂的当前旋转速度,即,风力涡轮机将精确地在应用于定子的可变频率下生成交流电。 
由于具有可变频率的交流电无法应用于公用电网,因此需要将其整流或转换为直流电(DC)。例如,从可变频率AC至DC的转换可以由晶闸管或晶体管执行。此外,将直流电重新转换为具有可应用于公用电网的频率的交流电。再次,晶闸管或晶体管可以被用于将直流电转换为交流电。从而,在将所获得的交流电供应至公用电网之前,通常需要对该所获得的交流电进行平滑。因此,例如,可以使用利用适当电感和电容器的AC滤波器机构。 
为了改进应用于电网的功率的功率质量,已经提出了包括发电机和多个电转换器单元的现代风力涡轮机,由于通过使用多个转换器单元,对无功功率的更好控制是可行的。 
然而,使用间接电网连接的现有技术的缺陷在于:由于功率电子装置(即主要是电转换器单元)中的故障,与具有直接电网连接的风力涡轮机相比,上述风力涡轮机的可用率通常更低。 
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,尤其是关于其可用率。 
这是由之前所述的风力涡轮机实现的,其中,由发电机生成的电功率的量被均等地分发给所有相应电转换器单元,从而如果至少一个电转换器单元发生故障,则将由发电机生成的电功率的量分发给操作中的剩余电转换器单元,从而所述剩余电转换器单元中的每一个转换多达其相应可容许最大容量的电功率的相应量。 
根据本发明,以均等的方式将所述至少一个发电机的当前电功率输出分发给相应数目的电转换器单元,使得一般地在风力涡轮机的操作期间始终操作所有电转换器单元。即,在两个电转换器单元的情况下,每个电转换器单元转换由发电机生成的当前电功率的一半,在三个电转换器单元的情况下,每个电转换器单元转换由发电机生成的当前电功率的三分之一,等等。由相应电转换器单元转换的绝对电功率由其相应可容许最大转换容量限制。即,每个电转换器单元适于仅转换从发电机供应的电功率的特定或所定义的量。电转换器单元的相应可容许最大容量可以考虑特定或所定义的最大转换容量,从而确保避免了由于过载而引起的对相应电转换器单元的损坏以及相应缓冲区等等。优选地,所有电转换器单元具有相同的可容许最大容量。 
在至少一个电转换器单元发生故障的情况下,本风力涡轮机(即优选地为相应中央控制单元,诸如风力涡轮机控制器等)将由发电机当前生成的电功率重新分发给仍在操作中的电转换器单元的剩余电转换器单元,使得仍然保证风力涡轮机的操作。因此,本发明的风力涡轮机的所有可操作的电转换器单元始终处于操作中,从而,可以从转换由发电机供应的功率来检测并排除故障电转换器单元,即,风力涡轮机或相应风力涡轮机控制单元适于将故障电转换器单元从操作中的电转换器单元隔离开,使得风力涡轮机准备好进行操作,直到最后的电转换器单元发生故障为止。 
将基于风力涡轮机的以下示例来解释这一点,该风力涡轮机具有最大输出为1 MW的发电机和每个均具有250 kW的最大转换容量的四个电转换器单元。在给定的空气动力学条件下,发电机将输出500 kW的量(即其最大输出的一半),使得电转换器单元中的每一个将转换发电机的电功率输出的四分之一(即125 kW),使得电转换器单元中的每一个达到其相应最大转换容量的50%。在电转换器单元中的一个发生故障的情况下,将发电机的500 kW输出分发给剩余三个电转换器单元,即,向每个电转换器单元供应约166 kW,即,剩余电转换器单元中的每一个达到相应最大转换容量的约66%。 
原理上,如果风力涡轮机包括多于两个电转换器单元并且相应电转换器单元中的至少一个发生故障,则将由发电机生成的电功率均等地分发给剩余仍可操作的电转换器单元。 
一般地,以下情形是能想到的。 
在第一实施例中,(一个或多个)发电机的电功率的当前或当前可能的输出低于或等于相应剩余电转换器单元的相应最大可容许转换容量或多个最大可容许转换容量,即,(一个或多个)发电机生成相应剩余电转换器单元至多可转换的电功率的相应量或者比相应剩余电转换器单元可转换的更少的电功率。从而,以上述方式将(一个或多个)发电机的电功率的输出均等地分发给相应剩余电转换器单元。刚好达到或并未达到相应剩余电转换器单元的相应最大可容许转换容量。 
在第二实施例中,(一个或多个)发电机的电功率的当前或当前可能的输出超过相应剩余电转换器单元的相应最大可容许转换容量之和,即,(一个或多个)发电机生成比相应剩余电转换器单元可转换的电功率更多的电功率。再次,以上述方式将(一个或多个)发电机的电功率的输出均等地分发给相应剩余电转换器单元。在这种情况下,达到相应剩余电转换器单元的相应最大可容许转换容量,即,相应剩余电转换器单元在满载下工作。 
在第三实施例中,(一个或多个)发电机的电功率的当前或当前可能的输出也超过相应剩余电转换器单元的相应最大可容许转换容量之和,即,(一个或多个)发电机生成比相应剩余电转换器单元可转换的电功率更多的电功率。再次,以上述方式将(一个或多个)发电机的电功率的输出均等地分发给相应剩余电转换器单元。相应剩余电转换器单元在满载下工作。然而,在该实施例中,有可能的是:(一个或多个)发电机的功率输出可以适于由相应剩余电转换器单元总共可转换的电功率的最大可能的量,即,在考虑到由相应剩余电转换器单元总共可转换的电功率的最大可能的量的情况下,可以减小发电机的功率输出。 
应当理解,这三个实施例也可应用于仅剩一个可操作的电转换器单元的情况。因此,根据第一实施例,发电机的输出将低于相应电转换器单元的最大可容许转换容量,使得电转换器单元不在满载下工作。根据第二实施例,发电机的输出将超过相应电转换器单元的最大可容许转换容量,即,相应电转换器单元在满载下工作。根据第三实施例,发电机的输出也将超过相应电转换器单元的最大可容许转换容量,即,相应电转换器单元在满载下工作。然而,发电机的功率输出将适于相应电转换器单元的相应最大可容许转换容量,即,(一个或多个)发电机的输出与相应电转换器单元的最大可容许转换容量相对应。 
将以下述这种方式来适配风力涡轮机,即在发电机在满载下进行操作的情况下,相应电转换器单元也在满载下工作,即,所有电转换器单元的最大可容许转换容量之和与相应(一个或多个)发电机的最大功率输出相对应。 
因此,本风力涡轮机被适配成执行如稍后将描述的新颖操作方法。 
根据本发明的优选实施例,每个相应电转换器单元的要转换的电功率的可容许最大容量低于由发电机生成的电功率的最大输出。因此,将相应数目的电转换器单元调整为所述至少一个发电机的最大功率输出。因此,如之前已经描述的那样,相应电转换器单元(每个均具有相应可容许最大容量)总共的总最大转换容量与所述至少一个发电机的最大功率输出相对应。因此,如果发电机在满载下工作,则相应电转换器单元也在满载下工作。 
将通过风力涡轮机的以下示例来进一步解释这一点,该风力涡轮机具有最大输出为1 MW的发电机和每个均具有500 kW的最大转换容量的两个电转换器单元。当发电机在满载下工作时,其生成1 MW电功率。相应地,每个电转换器单元转换来自发电机的500 kW的电功率供应。因此,在这种情况下,这两个电转换器单元均已达到其相应可容许最大容量。如果由于例如不同的空气动力学条件而使得发电机仅生成500 kW的电功率,则每个电转换器单元转换由发电机供应的250 kW的电功率。在这两种情况下,将由发电机生成的电功率的整个量转换成可应用于公用电网的相应电功率。 
优选地,相应电转换器单元适于彼此通信。此外,优选地,每个电转换器单元适于与风力发电场控制单元进行通信。因此,相应电转换器单元准备好彼此通信和/或与表示包括例如多个风力涡轮机的风力发电场的高级控制设备(诸如SCADA系统(管理控制和数据获取系统))的一部分的相应外部控制单元(诸如,风力发电场控制器等)进行通信。 
在本发明的另一实施例中,风力涡轮机可以包括:中央控制单元,其适于与电转换器单元中的每一个进行通信,从而将与电转换器单元的操作有关的信息发送至所有电转换器单元,从而相应电转换器单元中的仅一个适于处理与电转换器单元的操作有关的信息。因此,相应电转换器单元被配置在分层结构中,因此,电转换器单元之一被视为主电转换器单元,而剩余电转换器单元被视为从电转换器单元。尽管中央控制单元(即,风力涡轮机控制器等)冗余地(redundancy)将与电转换器单元的操作有关的信息发送至所有电转换器单元,但是仅主电转换器单元能够处理该信息,即,仅主电转换器单元能够作用于该信息。应当理解,至少被视为主电转换器单元的相应电转换器单元自身包括至少一个控制单元。在示例性情况下,仅主电转换器单元能够从中央控制单元和/或风力发电场控制器接收功率设置点。因此,例如,仅主电转换器单元可以计算必要的有功和无功电流矢量。 
从而,实际上,处理与电转换器单元的操作有关的信息的相应电转换器单元适于在考虑到相应信息的情况下控制剩余电转换器单元。因此,根据与电转换器单元的操作有关的信息,被视为主电转换器单元的相应电转换器单元将相应控制信号发送至被视为从电转换器单元的剩余电转换器单元。即,例如,被视为主电转换器单元的电转换器单元的控制单元将相应控制信号发送至被视为从电转换器单元的电转换器单元的相应控制单元。 
每个电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、至少一个公用电网侧整流器、至少一个发电机侧逆变器、至少一个公用电网侧逆变器、至少一个DC链路和至少一个控制单元。因此,向相应电转换器单元提供了间接电网连接所需的必要电组件,即,相应电转换器单元准备好将在发电机的操作期间从该发电机供应的具有可变频率的AC转换为可应用于公用电网的具有固定频率的AC。以相同的方式,相应电转换器单元准备好例如通过相应控制单元或相应通信单元来彼此通信和/或与外部组件(诸如,风力发电场控制器)进行通信。 
有利地,电转换器单元并联连接。然而,在例外的情况下,也可想到相应电转换器单元的串联连接,从而电桥接可能是必要的,以便在需要时桥接故障电转换器单元。 
此外,本发明涉及一种用于操作风力涡轮机(尤其是之前所述的风力涡轮机)的方法。风力涡轮机包括生成一定量的电功率的至少一个发电机以及至少两个电转换器单元,其中,每个电转换器单元与发电机和公用电网相关,并且,每个电转换器单元适于转换多达所定义的可容许最大容量的电功率。所述方法的特征在于以下步骤:将由发电机生成的电功率的量均等地分发给所有电转换器单元;以及如果至少一个电转换器单元发生故障,则将由发电机生成的电功率的量分发给操作中的剩余电转换器单元,从而所述剩余电转换器单元中的每一个转换多达其相应可容许最大容量的电功率的相应量。 
因此,本发明的方法允许:即使风力涡轮机的电转换器单元中的至少一个发生故障,仍确保风力涡轮机的操作,这是由于由发电机生成的电功率被均等地分发给仍可操作的剩余电转换器单元。 
从而,所使用的电转换器单元可以具有低于由发电机生成的电功率的最大输出的要转换的电功率的可容许最大容量。以这种方式,在至少一个电转换器单元发生故障的情况下,风力涡轮机仍产生电功率,尽管功率输出减小。当然,相应电转换器单元的相应可容许最大容量之和与(一个或多个)发电机的最大功率输出相对应,使得可以将由(一个或多个)发电机在满载下生成的电功率的量转换成可应用于公用电网的相应电功率。 
有利地,相应电转换器单元彼此通信。此外,每个电转换器单元实际上与风力发电场控制单元进行通信。即,例如风力涡轮机允许相应电转换器单元的内部通信和/或相应电转换器单元与物理上的外部设备(诸如,风力发电场控制单元)的外部通信。 
可能的是:中央控制单元与电转换器单元中的每一个进行通信,从而将与电转换器单元的操作有关的信息发送至所有电转换器单元,从而,与电转换器单元的操作有关的信息被相应电转换器单元中的仅一个处理。因此,在分层结构中配置相应电转换器单元,从而一个电转换器单元可以被视为主电转换器单元,而剩余电转换器单元被视为从电转换器单元。从而,仅主电转换器单元能够处理与电转换器单元的操作有关的相应信息,然而,该相应信息被冗余地发送至所有相应电转换器单元。 
在另一实施例中,优选地,处理与电转换器单元的操作有关的信息的相应电转换器单元在考虑到相应信息的情况下控制剩余电转换器单元的操作。因此,被视为主电转换器单元的相应电转换器单元用作剩余电转换器单元的控制器,即,其依照控制信号来分发与被视为从电转换器单元的电转换器单元的操作有关的信息,因此剩余电转换器单元可以做出反应。 
附图说明
在下文中,参照附图来详细描述本发明,由此: 
图1示出了根据本发明示例性实施例的风力涡轮机的原理截面视图;
图2示出了根据本发明示例性实施例的风力涡轮机的原理截面视图;
图3示出了指示风力涡轮机在正常操作期间的功率输出的图;以及
图4示出了指示风力涡轮机在有一个故障电转换器单元的操作期间的功率输出的图。
具体实施方式
图1示出了由矩形表示的风力涡轮机1的原理截面视图,从而仅描绘了依据本发明相关的风力涡轮机1的组件。风力涡轮机1包括适于在风力涡轮机1的操作期间生成电功率的发电机2。发电机2以已知的方式机械连接至风力涡轮机1的转子轮毂(未示出)。 
风力涡轮机1包括多个(即,两个)电转换器单元3、4,所述电转换器单元3、4适于将由发电机2生成的电功率转换为可应用于公用电网5的电功率。电转换器单元3、4具有并联配置,即,电转换器单元3、4并联连接。每个电转换器单元3、4是相关的,即,电连接至发电机2和公用电网5。由于发电机2优选地被构建为三相发电机,因此发电机2通过三条相应输出线路连接至每个电转换器单元3、4。 
向风力涡轮机1提供了间接电网连接,即,电转换器单元3、4包括允许将从发电机2供应的具有可变频率的AC转换为可应用于公用电网5的具有固定频率的AC的相应组件。相应地,每个电转换器单元3、4包括电断路器6、发电机侧整流器7、公用电网侧整流器8、发电机侧逆变器9、公用电网侧逆变器10、DC链路11和控制单元12。 
相应控制单元12与风力涡轮机1的相应整流器7、8,相应转换器9、10和中央控制单元13(风力涡轮机控制器)进行通信。中央控制单元13适于与被用于调节包括多个相应风力涡轮机1的风力发电场的发电场控制单元14进行通信,即,发电场控制单元14允许控制各个风力涡轮机(诸如,本风力涡轮机1以及风力发电场内的风力涡轮机群集)的有功和无功功率。发电场控制单元14还通过标准网络开关15(诸如以太网开关)来与电转换器单元3、4的相应控制单元12进行通信。此外,电转换器单元3、4的相应控制单元12准备好彼此通信。 
如从图2中还可辨别的那样,这两个电转换器单元3、4与中央控制单元13以及发电场控制单元14之间的物理接口是重复的,即,这两个电转换器单元3、4具有例如到中央控制单元13以及作为外部控制系统19(诸如SCADA系统)的一部分的风力发电场控制单元14的分离连接或接口。 
在下文中将描述风力涡轮机1的操作。 
在风力涡轮机1的正常操作期间,将由发电机2生成的电功率均等地分发给所有电转换器单元3、4,即,每个电转换器单元3、4转换处于发电机2的相应可容许最大容量的限制内的从该发电机2输出的电功率的一半。从而,确保由电转换器单元3、4可转换的电功率的总量与发电机2的最大功率输出相对应。作为示例,发电机2可以具有1 MW的最大功率输出,因此,电转换器单元3、4二者均能够转换多达500 kW的电功率的量。即,电转换器单元3、4具有低于由发电机2生成的电功率的最大输出的要转换的电功率的可容许最大容量。 
在图3中描绘了这一点,图3示出了指示风力涡轮机1在正常操作期间依赖于风速(x轴)的功率输出(y轴)的图。从而,线16表示整个风力涡轮机1的功率输出,而线17表示电转换器单元3、4之一的功率输出,其始终为风力涡轮机1的功率输出的一半。 
在风力涡轮机1的正常操作期间,中央控制单元13与电转换器单元3、4中的每一个进行通信,从而将与电转换器单元3、4的操作有关的信息冗余地发送至这两个电转换器单元3、4。然而,与电转换器单元3、4的操作有关的信息仅由电转换器单元3处理,这是由于电转换器单元3、4是在分层结构中配置的,其中,电转换器单元3被视为主电转换器单元,而电转换器单元4被视为从电转换器单元。因此,例如,仅电转换器单元3可以从中央控制单元13和/或发电场控制器14接收功率控制信号(诸如功率设置点)并对该功率控制信号进行处理。即,尽管这两个电转换器单元3、4适于接收相应控制信号,但是仅电转换器单元3(即,主电转换器单元)能够作用于它,即,例如,将计算必要的有功和无功电流矢量。 
处理与电转换器单元3、4的操作有关的信息的相应电转换器单元3还在考虑到相应信息的情况下控制电转换器单元4的操作。即,电转换器单元3(主电转换器单元)将分发功率设置点等或与电转换器单元4(从电转换器单元)共享功率设置点等,使得电转换器单元4可以对其做出反应。 
如果在电转换器单元3、4中的一个(即,例如电转换器单元4)中发生故障,则中央控制单元13将检测该故障并隔离相应的故障电转换单元4。在这种情况下,风力涡轮机1仍可操作。然而,风力涡轮机1的功率输出将减小,即,在发电机2于满载下工作的情况下,该输出仅为原始值的一半。 
在图4中描绘了这一点,图4示出了指示风力涡轮机1在仅有一个可操作的电转换器单元(电转换器单元3)的情况下在风力涡轮机1的操作期间依赖于风速(x轴)的功率输出(y轴)的图。风力涡轮机1仍能够将电功率供应至公用电网5,然而,风力涡轮机1的最大功率输出减小,即,最大输出在大于被指示为k的临界值的风速以上为原始值的一半。对于低于k的风速,控制单元12准备好将电转换器单元3的功率曲线(参见线18)适配为遵循在具有两个可操作的电转换器单元3、4的情况下进行工作的风力涡轮机1的功率曲线(参见图3的线16)。以这种方式,即使在故障电转换器单元4的情况下,也可以优化由风力涡轮机1输出的电功率的量。 
如果电转换器单元3(即,主电转换器单元)遇到故障,则中央控制单元13能够重新配置电转换器单元3、4的分层结构,即,最初被视为从电转换器单元的电转换器单元4会将其状态改变为变成主电转换器单元。 
本发明分别提供了一种新颖风力涡轮机和一种用于操作风力涡轮机的新颖方法,即使在相应电转换器单元3、4中的一个发生故障的情况下也允许风力涡轮机1进行操作。这主要基于以下事实:电转换器系统3、4是冗余的,即,一个电转换器单元3、4中的故障不会对剩余电转换器单元3、4以及作为整体的风力涡轮机1的操作造成负面影响。 
参考标记列表 
1   风力涡轮机
2   发电机
3   电转换器单元
4   电转换器单元
5   公用电网
6   电断路器
7    发电机侧整流器
8    公用电网侧整流器
9    发电机侧逆变器
10   公用电网侧逆变器
11    DC链路
12    控制单元
13    中央控制单元
14    发电场控制单元
15    网络开关
16    线
17    线
18    线
19    外部控制系统。 

Claims (14)

1.风力涡轮机(1),其包括生成一定量的电功率的至少一个发电机(2)以及至少两个电转换器单元(3、4),其中,每个电转换器单元(3、4)与发电机(2)和公用电网(5)相关,并且,每个电转换器单元(3、4)适于转换多达所定义的可容许最大容量的电功率,其中,由发电机(2)生成的电功率的量被均等地分发给所有相应电转换器单元(3、4),从而如果至少一个电转换器单元(3、4)发生故障,则将由发电机(2)生成的电功率的量分发给操作中的剩余电转换器单元(3、4),从而所述剩余电转换器单元(3、4)中的每一个转换多达其相应可容许最大容量的电功率的相应量。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机,其中,每个相应电转换器单元(3、4)的要转换的电功率的可容许最大容量低于由发电机(2)生成的电功率的最大输出。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机,其中,相应电转换器单元(3、4)适于彼此通信。
4.根据前述权利要求之一所述的风力涡轮机,包括:中央控制单元(13),其适于与电转换器单元(3、4)中的每一个进行通信,从而将与电转换器单元(3、4)的操作有关的信息发送至所有电转换器单元(3、4),从而相应电转换器单元中的仅一个电转换器单元(3)适于处理与电转换器单元(3、4)的操作有关的信息。
5.根据权利要求3和4所述的风力涡轮机,其中,处理与电转换器单元(3、4)的操作有关的信息的相应电转换器单元(3)适于在考虑到相应信息的情况下控制剩余电转换器单元(4)。
6.根据前述权利要求之一所述的风力涡轮机,其中,每个电转换器单元(3、4)适于与风力发电场控制单元(14)进行通信。
7.根据前述权利要求之一所述的风力涡轮机,其中,每个电转换器单元(3、4)包括至少一个电断路器(6)、至少一个发电机侧整流器(7)、至少一个公用电网侧整流器(8)、至少一个发电机侧逆变器(9)、至少一个公用电网侧逆变器(10)、至少一个DC链路(11)和至少一个控制单元(12)。
8.根据前述权利要求之一所述的风力涡轮机,其中,电转换器单元(3、4)并联连接。
9.用于操作风力涡轮机、特别是根据前述权利要求之一所述的风力涡轮机的方法,所述风力涡轮机包括生成一定量的电功率的至少一个发电机以及至少两个电转换器单元,其中,每个电转换器单元与发电机和公用电网相关,并且,每个电转换器单元适于转换多达所定义的可容许最大容量的电功率,所述方法包括以下步骤:
- 将由发电机生成的电功率的量均等地分发给所有电转换器单元;以及
- 如果至少一个电转换器单元发生故障,则将由发电机生成的电功率的量分发给操作中的剩余电转换器单元,从而所述剩余电转换器单元中的每一个转换多达其相应可容许最大容量的电功率的相应量。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所使用的电转换器单元具有低于由发电机生成的电功率的最大输出的要转换的电功率的可容许最大容量。
11.根据权利要求9或10所述的方法,其中,相应电转换器单元彼此通信。
12.根据权利要求9至11之一所述的方法,其中,中央控制单元与电转换器单元中的每一个进行通信,从而将与电转换器单元的操作有关的信息发送至所有电转换器单元,从而与电转换器单元的操作有关的信息被相应电转换器单元中的仅一个处理。
13.根据权利要求11和12所述的方法,其中,处理与电转换器单元的操作有关的信息的相应电转换器单元在考虑到相应信息的情况下控制剩余电转换器单元的操作。
14.根据权利要求9至13之一所述的方法,其中,每个电转换器单元均与风力发电场控制单元进行通信。
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Assignor: SIEMENS wind power

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Denomination of invention: High-efficiency wind turbomachine

License type: Common License

Record date: 20130426

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