CN102971959B - 变量发电机 - Google Patents

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Abstract

一种变量发电机（20），能够将机械运动转化为电能。发电机（20）至少包括定子组件（60）和具有线圈（320）及磁体（90）的转子组件（50）。发电机（20）包括：包括线圈（320）的模块（80）结构，用以响应与磁体（90）的磁性相互作用的线圈（320）而生成子波（30）；以及控制装置（70），用以组合子波（30）以生成复合合成的发电机（20）的电能输出。一种维护变量发电机（20）的方法，包括以下步骤：（a）确定发电机（20）的模块（80）的运行状态；（b）拔下并更换步骤（a）中识别出的一个或者多个损坏的模块（80）。发电机（20）适于使用在可再生能源系统中，例如潮汐水轮机、风力涡轮机、振荡风力叶片、海洋漂浮、水力发电涡轮机、蒸汽涡轮机。

Description

变量发电机
技术领域
本发明涉及变量发电机，该变量发电机用于将机械旋转和/或位移能量转化为电能，例如涉及一种变量发电机，该变量发电机能够可操作地动态地改变电能输出以及处理动态变化的机械输入旋转和/或往复速度。另外，本发明还涉及操作这些变量发电机的方法。另外，本发明涉及构造这些变量发电机的方法。另外，本发明涉及用于实施本发明的方法的可在计算机硬件上执行的软件产品。
背景技术
由于化石原料的消耗，以及考虑到因人类活动导致的气候变化，近年来，注意力已经集中到可再生能源系统。传统的发电方法通常涉及到储器（reservoir）的形式，例如，水电设备包括水坝，该水坝提供能够通过水阀调节的稳定的水流以驱动涡轮机；热核反应堆核心能够储存大量的热能，用以提供能够通过蒸汽阀调节的高压下的稳定的蒸汽流以驱动涡轮机。相比较而言，多数通过风、潮汐流和海浪运动驱动的可再生能源系统承受很宽范围的振幅运动、速度运动、频率运动和/或方向运动。另外，在整个一年的不同时段极端天气条件往往导致很大的动态范围的运动。其结果是，这些可再生能源系统的能源传感器通常在技术上很难实施。应对能源传感器的这些问题的传统方法是应用液压装置，例如在美国专利US 6 476 511 B1(Yemm et al.)中描述的液压缸泵装置，或者在国际PCT专利申请WO 2007/016120A2中描述的液压泵装置。然而，液压系统容易磨损，并且由于在其所应用的液压机液体（hydraulic fluids）中发生粘滞阻力导致能源效率相对低下。
作为应用液压传感器的替代方式，应用变速发电机是可行的。若干类型的变速发电机已经公知，但这些发电机通常是很粗糙的设备，并不能真正理想地应用在诸如风能或者潮汐能发电中。用于发电的大型风力涡轮机以相当低的转速（rpm）旋转，并且所设计与的供这些涡轮机使用的电流发生器还需要利用：
（ⅰ）风力涡轮机转子和发电机之间的多级齿轮系统；其中，通过调整风力涡轮机的叶片间距控制旋转速度；
（ⅱ）直接连接到风力涡轮机的转子的宽直径发电机；其中，该发电机设计为在低转速下运行。
发电机的输出功率通常进行整流，并且通过运行在高开关频率（例如几千赫兹的频率）的动力电子设备形成相位。（ⅰ）和（ⅱ）的这些方法实现起来相对较昂贵，尤其是对于整流所需的电力设备和由发电机提供的电能产生相位形式而言。
发明内容
本发明旨在提供一种变量发电机，该变量发电机能够更好地适用于应对可变的机械输入速度和各种输入旋转方向和/或线性移动方向。
本发明旨在提供一种先进形式的变量发电机，该变量发电机更适合于批量生产，并且还提供较大的发电能力和稳固的运行。
根据本发明的第一方面，提供一种如独立权利要求1所述的变量发电机：提供一种变量发电机，该变量发电机用于将机械运动转化为电能，其中，发电机至少包括定子组件和具有线圈及磁体的转子组件；其特征在于，发电机包括：模块结构，该模块结构包括所述线圈，用以响应与所述磁体的磁性相互作用的线圈而生成子波（30）；以及控制装置，用以组合子波以生成复合合成的发电机的电能输出。
在上述的所述输出中的本发明的优点在于能够通过控制方式快速地动态地进行调整，在控制方式中子波组合在一起合成所述输出。
可选地，在发电机中，模块与其所对应的线圈空间并列配置（spatiallycollocated），以在发电机中的早期阶段提供电能信号变形。该空间并列配置潜在地避免了后续对昂贵的和复杂的高频电子开关单元的需求，该高频电子开关单元在传统中应用于传统的发电机的状态输出以合适的形式反馈至电力配电网。可选地，有利地，变量发电机的实施使得模块能够产生子波，该子波的周期（d）短于发电机的输出的交流波形的周期（D）持续时间。方便地，当构造发电机时，所述定子包括所述线圈，并且安装成在运行中基本保持静止；所述转子包括所述磁体，并且安装成在运行中相对于所述定子（60）转动和/或往复运动，以在线圈中感应子波信号。可选地，变量发电机的实施使得模块以二维开关矩阵的方式电连接在一起，该二维开关矩阵包括：至少一个串联支路，用以叠加子波的电势（potentials）；以及至少一个并联支路，用以在述子波之间分配电流（current preading），以生成输出。可选地，变量发电机的实施使得模块能够在运行中响应于控制装置提供的控制信号在非导通状态、短路状态、负子波状态和正子波状态之间切换。可选地，控制装置分布在控制单元外部至模块之间，并且微控制器位于模块中。可选地，当实施变量发电机时，模块与控制装置通过光学数据总线通信连接。此外，可选地，当实施变量发电机时，光学数据总线能够以波分复用（wavelengthdivision multiplexing）的方式选择性地指引控制装置和模块之间的数据。可选地，实施变量发电机，使得模块能够将关于其运行状态的诊断信号传输至控制装置，并且从控制装置接收相对于模块各自的子波的关于计时信息和/或极性信息的控制信号。
可选地，实施变量发电机，使得模块设置为插拔到所述模块在定子和/或转子上的其对应的位置，例如为了维护和/或检修目的。
可选地，实施变量发电机，使得模块包括固态开关装置，该固态开关装置用以在运行中在所述线圈中感应的感应电信号的至少半个周期中开关。
可选地，变量发电机的实施使得控制装置包括输入，该输入在运行过程中合成和/或调整输出的振幅和/或相位时用作参考的输入。
根据本发明的第二方面，提供一种用于在根据本发明的第一方面的变量发电机中使用的模块，其中，模块包括：微控制器，用以提供模块的本地控制；线圈，该线圈连接至开关装置，用以生成微控制器控制下的子波；以及光学通信接口，用以接收控制数据以控制模块和/或从模块传输诊断信息。
根据本发明的第三方面，提供一种使用变量发电机的方法，该变量发电机用于将机械运动转化为电能，其中，发电机至少包括一个定子组件，和一个具有线圈和磁体的转子组件；其特征在于，该方法包括：
（a）在模块结构中生成子波，所述模块结构包括所述线圈，用以响应与所述磁体的磁性相互作用的所述线圈而生成子波；
（b）使用控制装置组合子波，用以生成复合合成的发电机的电能输出。
根据本发明的第四方面，提供一种可再生的能源系统，该能源系统用于将机械设备的线性和/或旋转运动转化为电能，其中，设备能够产生根据本发明的第一方面的变量发电机的转子和定子之间的相对移动，用以生成系统的电能输出。可选地，系统的运行通过由变量发电机产生的诊断数据确定。可选地，实施可再生的能源系统，使得机械设备包括潮汐水轮机、风力涡轮机、振荡风力叶片、海洋漂浮、水力发电涡轮机、蒸汽涡轮机中的至少一者。
根据本发明的第五方面，提供一种维护变量发电机的方法，该变量发电机根据本发明的第一方面，该方法包括以下步骤：
（a）确定发电机的模块的运行状态；
（b）拔下并且更换步骤（a）中识别出的一个或者多个损坏的模块。
根据本发明的第六方面，提供一种向电力配电网提供响应负载稳定化的方法，该方法使用根据本发明的第一方面的变量发电机，该发电机连接至配电网，其特征在于，该方法包括：
（a）感测指示配电网所经受的电气负载的程度的一个或者多个参数；
（b）在发电机中选择性地调整子波，以吸收或者注入电能至配电网，以协助稳定配电网，调整由电气负载的程度造成的配电网的电压和/或频率的偏差。
可以理解地，本发明的特征很容易以多种组合方式组合。
附图说明
以下将通过实例并参考附图对本发明的实施方式进行描述；其中：
图1是显示根据本发明的变量发电机的实施方式，并通过在不同的组合中合成子波来表示输出波形的合成；
图2A是显示根据本发明的变量发电机的实施方式，其中，发电机实施为宽直径的形式；
图2B是显示根据本发明的变量发电机的实施方式，其中，发电机实施为长窄直径；
图2C是显示根据本发明的变量发电机的实施方式，其中，发电机实施为包括具有相关联的模块的中心固定定子，和环绕在定子周围的可转动的转子；
图3是显示通过使用子波合成的波形输出，该子波位于相位和正交相位以实现合成质量的改善，由此减少了对输出过滤的需求，该输出过滤能够从发电机输出中去除存在的谐波分量；
图4是显示根据本发明的变量发电机的实施方式的中心定子；
图5是显示根据本发明的变量发电机的实施方式的沿着定子螺旋形分布的模块；
图6A是显示根据本发明的变量发电机的实施方式的转子的环形转子部件；
图6B是显示根据本发明的变量发电机的实施方式的形成为转子的一部分的转子部件，这些环形的转子部件以相位补偿的方式安装；
图7是示意性地显示适用于构造根据本发明的发电机的定子的模块；
图8A是示意性地显示用于本发明的模块的电源电路的实施方式；
图8B是示意性地显示本发明的模块的矩阵电连接装置（arrangement）；
图9是离岸风力涡轮机系统，即“风力农场”的示意图，该系统包括装配有根据本发明的变量发电机的多个风力涡轮机；以及
图10是根据本发明的用于以多种方式将线性运动（例如往复线性运动）转化为电能的实施方式的示意图。
在附图中，带下划线的数字用于表示上面带有该带下划线的数字的部件或者与带下划线的数字相毗邻的部件。无下划线的数字指示通过将无下划线的数字连接到部件的连接线标示的部件。当一个数字没有下划线并且伴随着相关的箭头时，该没有下划线的数字通常用于标示箭头所指向的部件。
具体实施方式
本发明是基于图1中所显示的构思，即，通过选择性地开关（switch）大量较小的子波30，能够易于合成发电机20所提供的交流电源输出10，所述较小的子波30的幅值p远小于发电机20所提供的交流电源输出10的幅值M，所述较小的子波30的周期（duration）d远短于发电机20所提供的交流电源输出10的周期D。如果需要，可以应用滤波器40（例如，通过电感和电容的组合来实现）来过滤发电机20的输出10中存在的高次谐波信号分量（high-order harmonic signal components）。该方法的优点在于，响应于发电机20的转子50的动态变化的输入旋转方向和旋转速度，子波30能够快速地开关。另外，可以使用批量生产的固态电子模块80，该固态电子模块80专用于开关其各自的子波30。另外，有利地，模块80实施为能够单独地控制，例如，可操作的控制单元70通过普通的光学数据总线直接操作发电机10。这种操作方式是有利的，因为，一些模块80的失效通常不会导致发电机10无法运行，而只是会潜在地导致所合成的输出10更加地粗糙。另外，可以将模块80安装成沿着转子50和/或定子60层叠的装置，以确保在运行中产生更加均匀的和易控制的潜在的梯度，从而降低电击穿或者闪络（flash-over）的风险。通过应用围绕转子50和与其相关联的定子60设置的相对较小的磁极和相关联的磁体90，以在转子50相对于定子60的各个不同的角度位置产生子波30，从而生成前文中提及的子波30。电绝缘冷却流体（例如合成硅油或者强制气体）穿过模块80流通，以驱除运行时在其中产生的热量。可选地，转子50和定子60安装有诸如光电编码器的位置传感器，以向控制单元70提供转子50相对于定子60的旋转角度的指示。在运行中，图1中的发电机选择性地接收外部的同步信号S，并且能够在合适的时间与模块80产生的子波耦合以生成与信号S同步的输出10。不过，应该理解，子波能够以如下的方式开关以使得图1中的发电机能够产生直流电（DC）输出10，也能够产生交流电（AC）输出10。
可以以直接驱动的方式应用发电机20，例如，发电机20直接连接到涡轮机，或者发电机20与涡轮机一体形成。可替代地，发电机20可以通过变速箱（例如，定比变速箱）连接到涡轮机。因此，发电机20（也称作可变电压发电机“VVG”）能够作为直接驱动装置运行。发电机20可以具体地设计为用于直接驱动的应用，其中发电机20的输入速度和转矩变化（例如响应于潮汐或者风力条件的变化）很大。发电机20的示例性实施方式可以为在岸或者离岸风力涡轮机或者水下潮汐涡轮机。另外，发电机20也易于以无曲轴结构的自由汽缸往复式内燃机（free-cylinder reciprocating combustionmachines devoid of a crankshaft structure）的方式应用。现在将更加详细地描述图1的发电机20。
由于发电机20的构造的模块化形式和运行，发电机20实质上能够提供另外的一些优点。例如，发电机20能够在以下模式之间调整其运行：
（a）单机运行模式；以及
（b）协作运行模式，该运行模式允许发电机20与其他单元相结合发挥作用；
因此能够构造高稳固性的系统，该系统可以耐受发电机20中的多个元件失效。这种程度的稳固性使得发电机20能够理想地应用于可再生能源的应用中，例如，在离岸风力涡轮机的应用中，由于为了维护目的的入口通道的限制（诸如在风雪交加的条件下），因此高稳固性很重要。在运行中，发电机20能够产生的输出具有任何所期望的频率、完整的波形、相对于参考信号的电压幅值和相位；发电机还能够产生直流（DC），因此不再需要发电机外部的整流元件。
虽然图1中显示的子波30同相位并且具有彼此相似的幅值，但应该理解，发电机20可以构造成使得子波30具有彼此不同的极性，彼此不同的相对相位，和彼此不同的幅值。有利地，磁体90和与其相关联的模块80设置为图1中所示的螺旋形方式，以使得子波30获得多种不同的相对相位，从而使得控制单元70能够很好地控制输出10，例如使输出10与电力配电网（electrical power distribution grid）同步。举例而言，可以以诸如二进制序列1、2、4、8……的方式将子波30设置为二进制数列的幅值，以能够很好地调整输出10的幅值和波形。
发电机20可以构造为使用宽直径结构，例如图2A中所示的煎饼形布置。为了实现“宽直径”发电机，转子50的直径应该比其轴向有效长度至少大1.5倍，定子60也相似地设置。可替代地，发电机20可以实施为图2B中所示的长窄直径的结构。为了实现“长转子”发电机，转子50的长度至少比其直径长1.5倍，而定子60的长度依转子50的长度而定。在图2C中，发电机20实施为使得转子50围绕定子60，其中，定子60在运行中是静止的，并且位于发电机20的中心。有利地，每个模块80设置为具有一个或者多个相连接（associated）的拾取线圈（pickup coils）的集成子单元（integratedsubunit）。另外，有利地，相对于发电机20的转轴而言，模块80配置为几行或者几个螺旋线。磁体90和模块80的线圈的数量决定了发电机的产生电能输出的能力。另外，有利地，可以针对就发电机而言所期望的运行速度的预定范围的每一种情况来调整发电机20的波形输出分辨率。
传统的变量发电机设计能够对由发电机拾取线圈产生的功率信号进行整流，以生成经过整流的输出，然后将该输出利用电力电子元件形成相位，从而生成具有所期望的频率、相位和电压幅值的最终的输出功率信号。这种电力电子元件价格昂贵，不够灵活，并且会引起很多局部能量损失，即，会导致严重失效的单个点（a single point of critical failure）的“热点”。电力电子元件通常实施为诸如功率场效应晶体管（FETS）、可控硅、达林顿晶体管（Darlington transistors）等类似的高频开关装置，该电力电子元件能够以诸如脉冲宽度调制（PWM）方式切断整流信号，从而合成振幅、频率和相位可调整的输出功率信号。
比较而言，根据本发明实施的发电机与前文所述的传统的发电机设计相比呈现出很大的不同。因此，传统的变量发电机执行两个相分离的操作，将交流线圈信号整流成直流状态（DC），然后利用电子装置生成随后的波形，以生成传统应用的合成输出信号。根据本发明的发电机20（“VVS”）包括多个模块80产生子波30，然后该子波30通过二进制开关可选择地结合，从而合成输出功率波形。根据本发明的这种方法可以提供如下的优点：
（a）可以在很低的频率下开关子波30，由此降低开关损耗，并提高效能，并且能够因此而使用低效能硅开关装置；
（b）一个子波30的供给丢失不会引起发电机20的灾难性的故障；在一个或者多个模块80发生故障使得其子波30无法输出波形合成的情况下，控制单元70能够操作为：在其他可用的子波30中进行选择，以提供输出10的下一个最好的可能的合成。
控制单元70的自适应控制系统在发电机20中引导功率流动，从而单个线圈80的输出与所有的其他线圈80相配合实时地重新排列，以生成所期望的输出10，不受由转子50的旋转速率决定的输入频率的影响。由于每个模块80的控制电子元件只与其自身相关联的拾取线圈80关联，例如每个拾取线圈80所具有的最大的功率范围是5kw到10kw，因此利用简单地批量生产的现成的电子开关元件就能够控制和调制发电机20中数量可观的功率。因此，根据本发明的发电机20取消了传统的发电机系统的传统的整流和相位形成阶段，从而节约了成本，并提供更高效的操作和更可靠的操作。
图3中显示子波30的合成（即，通过应用相互正交相位的子波30）以为输出10合成正弦的输出波形。由此，通过一个同相子波30A、两个正交子波30B和三个同相子波相结合，生成图3的顶部区域所显示的接近半个正弦信号110，其中，子波具有相同的极性。通过将在图3的底部区域显示的更多的子波30D、30E、30F、30G相结合，易于合成相对周期更长的半正弦信号。通过将这些单个的子波相结合，可以在输出10提供几乎任何范围的频率、电压和电流，即，相互独立的输入频率只取决于转子50的旋转速率，而不再需要整流或者通过线圈生成相位形式的信号。
在图4中，示出了定子60的可行的实施方式，其中，转子50（图4中未示出）以图2c中所显示的外围的方式（peripheral manner）设置；因此，有利地，定子60可以在运行中保持静止，从而连接到定子60的渲染电缆（rendering cable）可以不再需要使用滑环。应该理解，当发电机20设计为生成兆瓦（MW）数量级的电功率时，发电机20要承受相当大的机械应力，因此磁体90和模块80需要机械的稳固性和适当的机械支撑，例如用以耐受离心力。例如，有利地，磁体90由钕材料制造而成，并且由转子50的由兼容的聚合物或者橡胶制成的减震架支撑，用以分散应力从而避免运行中永久磁体90弹响（snapping）或者断裂；例如，可以选择应用聚氨酯层理的（polyurethane bedding）永久磁体90。模块80被牢固地机械地支撑，并且向模块80提供冷却。另外，有利地，模块80为层叠在一起的方式，以确保在运行中沿着模块80产生渐进式的电位梯度；当发电机20提供的输出10的幅值在千伏（KV）的数量级时，这种电位分布很重要以防止任何出现闪络的趋势。有利地，模块80安装在绝缘中心管150上，在运行中，强制冷却空气（force air cooling）或者冷却流体（cooling liquid）穿过绝缘中心管150循环；例如，有利地，电绝缘和基本上光学透明的硅油可以用作液体冷却剂。有利地，模块80安装在自中心管150凸起的轴向叶片160上，其中，叶片160与中心管150热交换。对于叶片，可以有利地安装模块80的磁极片170，该磁极片170由诸如层叠硅钢制成，与叶片同样坚固，能够耐受应力，并且具有一定程度的柔韧性，以应对可能损坏发电机20的机械振动。有利地，模块80彼此相同，以能够批量地生产定子60从而降低其成本。另外，当发电机20需要维护时，可以很容易地将故障的模块80诊断出来，然后将故障的模块80从叶片160和/或中心管150拔下，并替换上相应的新的功能模块80。有利地，模块80可以设置成共享光学通信总线，例如以以太网的方式实施，用以控制从控制单元70发送到模块80的信号，从而控制模块80开闭，并且将指示模块80的运行的反馈信号从模块80传递返回至控制单元70。如果有必要，可以应用光波分复用（optical wavelength divisionmultiplexing）（WDM），用以在模块80和控制单元70之间对不同类别的控制信号和反馈信号进行交换。另外，可以使用由光学总线传递的光学辐射来提供动力，用以控制包括在每一个模块80中电子元件，例如，使用发电光电管（power-generating photocell），该发电光电管容纳在提供电绝缘的模块中。使用光学辐射具有特别的优越性，因为：
（a）光学辐射相对而言不受电气干扰的影响；
（b）光学辐射提供至模块或者自模块的相对的高通信数据传输速率；并且
（c）光学辐射在模块80之间提供到电绝缘的内部通路，这在其他的应用电控制信号的结构中是不可能实现的。
可选地，模块80以图5所示的略微的螺旋方式设置在定子60上，用于改善波形合成，以通过提供一系列具有略微不同的相位特征的子波30从而在运行中实现更大的相位分辨率。
当如图1中所示那样应用发电机20的配置时，有利地，转子50由图6A中标注为300的一系列环形件构造而成。每个环形件200包括永久磁体210（例如钕陶瓷永久磁体），该永久磁体210围绕环状支撑件220设置，在运行中，该环状支撑件220能够牢固地安装至支撑杆。磁体210设置成如图所示的彼此之间具有气隙的径向的叶片状。另外，自支撑件220的叶片状凸起有助于机械地支撑磁体210，当发电机20在运行中提供大量的输出功率（例如几百千瓦甚至几兆瓦的数量级）时，该磁体210承受大部分的应力。
如图6B所示，可以将一些环形件220沿轴向安装在一起并且彼此之间具有角位移，用以向控制单元70提供更多选择的子波30，这些子波30相结合生成输出10。因此，转子50易于由多个牢固地组装在一起的环形件220构造而成。在一个或者更多的环形件220损坏（例如其磁体90断裂）的情形中，可以在发电机20的日常维护中，简单地将损坏的环形件220整个更换掉。有利地，环形件220可以由以下的一种或者多种材料构造而成：金属、碳纤维、复合材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料。转子50和定子60可以一起安装在壳体中并具有适当的轴承布置，使得转子50能够相对于定子60旋转，以在输出10生成电功率。可以应用机械和/或磁轴承和/或流体轴承，取决于发电机20的应用和发电机20的设计发电能力。
现在将参考图7更加详细地描述模块80。每个模块80都是独立的子波30发电机，每个模块80可以安装成倚靠其他相同的模块80层叠地构造，或者安装到如前所述的定子60的支撑结构的支撑件。模块80设置有冷却装置300，例如能够循环的绝缘硅冷却油和/或强制冷却空气。另外，模块80也可以包括可拆卸的安装装置310，以使得在运行中经受各种机械应力时，模块80能够获得足够的机械支撑；有利地，安装装置310包括螺钉、定位销、橡胶衬套等等。模块80包括线圈320，用以与转子50的磁体90产生的磁通相互作用。线圈320的输出连接至整流装置330，然后通过开关网络340连接至子波输出30；开关网络340设计为在相对较低的开关频率下操作以对应子波30的周期d。这种操作与传统的高频脉冲宽度调制器（PWM）电功率调节电路有很大的不同，传统的高频脉冲宽度调制器（PWM）电功率调节电路因在KHz数量级的高频发生高频开关损失（switching losses）而导致成本高并且能源效率低。另外，模块80还包括双向光学接口360，用以接收来自控制单元70的控制指令，并且向控制单元输出诊断数据和/或确认数据。接口360能够提供快速的数据传输率，同时以最稳固和具有成本效益的方式与模块80之间保持电绝缘。微控制器350在局域级（local level）控制模块80的运行；在实践中，有利地，以控制单元70和模块80的微控制器350之间的分布式方式（distributed manner）实施发电机20的控制。另外，接口360方便地设置为使用高速光侦测器和数据调制固态激光设备。如前所述，接口360设计为接收和传输各种不同的光载波辐射波长（例如以波分复用（WDM）的方式），以能够在发电机20中使用单一普通光学数据总线（single generaloptical data highway），用以控制发电机20的所有模块80的运行。可选地，可以在发电机20中应用多个光学数据总线，例如用于在因各种原因导致发电机的主光学数据总线变得难以处理的情况下出于紧急备份的目的。每个线圈320及其相关联的电子元件都是独立的批量生产的单元，该单元能够方便地更换，例如，即使是在运行时也能够更换。发电机20能够构造成宽直径装置，或者长窄直径装置，使得该发电机20能够与多种传统的和外来的涡轮机设计相匹配，而无需进行重新设计其基本元件部分。如前所述，发电机20的所有构造具有由内部或者外部的旋转的磁体建立的单级或者偶极磁场，如图2A、图2B和图2C所示。
下面参考图8A，示出一种具有代表性的实施模块80所应用的电子开关元件。可以使用多种电子开关元件来实施模块80，例如场效应晶体管（FET），双极型晶体管（BJT），三端双向可控硅开关，可控硅整流器（SCR），达林顿晶体管，碳化硅晶体管，硅锗晶体管，等等。最优选地，考虑到低成本和稳固性，如图所示使用可控硅整流器SCR1至SCR8来实施模块80。可以购买具有2KV耐压特性、几千安培的电流导通性能、被封装在扁平的陶瓷腔体中的可控硅整流器SCR，该陶瓷腔体便于以机械方式置入模块80中。可控硅整流器SCR包括由模块80的微控制器350触发的门终端（gateterminal）；有利地，可控硅整流器SCR的触发由光触发和/或通过隔离铁氧体脉冲变压器实现。在运行中，只有触发可控硅整流器SCR的门终端时，可控硅整流器SCR才会导通。另外，当潜在的跨过（potential thereacross）小于阈值幅值或者可控硅整流器SCR在主要的两端形成反向偏置时，可控硅整流器SCR停止导通。图8A中模块80具有四种导通模式，即：
（a）第一模式，其中，模块80在其端部T1和T2之间提供有效的短路电路；
（b）第二模式，其中，端部T1和T2之间开路；
（c）第三模式，其中，负子波30半周期定向为从线圈320至端部T1和T2；
（d）第四模式，其中，正子波30半周期定向为从线圈320至端部T1和T2。
有利地，模块80包括：第一保险丝FS1，用以在严重故障的情形下将整个模块80隔离；以及第二保险丝FS2，用以在严重故障的情形下保护线圈320。可控硅整流器SCR1至SCR8安装成图8A中所示的桥式结构。在第一模式中，触发可控硅整流器SCR3、SCR4、SCR7和SCR8为导通状态，而可控硅整流器SCR1、SCR2、SCR5和SCR6为非导通状态。在第二模式中，可控硅整流器SCR1至SCR8都不导通，即，都处于开路状态。在第三模式中，可控硅整流器SCR2和SCR7处于导通状态，可控硅整流器SCR1、SCR3至SCR6、以及SCR8处于非导通状态。在第四模式中，可控硅整流器SCR1和SCR8处于导通状态，可控硅整流器SCR2至SCR7处于非导通状态。
如图8B中所示，有利地，在一个包括m×n个模块80的二维矩阵中，模块80电连接在一起。若干模块80可选地从矩阵中去除。通过这种安装方式，电流负载能够在并联连接的模块80之间分配，并且通过将模块80串联连接能够在输出10提供较大的电势。例如，如果需要，输出10能够达到数千伏的数量级，这样就有可能避免将发电机20经过变压器接合至电力配电网的需要，由此节省安装成本和降低能量损耗。可选地，矩阵包括几百个模块80，用以合成谐波含量相对较少的正弦信号输出10，例如谐波含量小于1%。如前所述，矩阵的模块80选择性地提供彼此不同振幅的子波30，从而能够更加精确地合成输出10的合成波形。不过，应该理解，可以控制矩阵以提供直流电DC输出，该直流电DC输出能够直接加载到长距离的海底电缆（submerged ocean cable），用以降低长距离电能输送损耗。
与以传统方式构造的发电机相比，变量发电机20（“VVG”）提供很多内在的优点。从概念上讲，变量发电机20（例如适用于用以发电的离岸风力涡轮机的变量发电机）可以看作是小型发电厂的空间配置（spatialcollocation），这些小型发电厂能够动态重组以各种连接方式整合其电能输出，以从电网（electrical power network）吸收电能或者向电网输送电能；该吸收或者输送可以通过相对于发电机20所连接的电网的相位调整输出10的相位来实现，即，通过子波30选择性地叠加在一起以生成发电机输出10时选择时间实例（time instance）来实现。可替代地，或者另外地，通过调制输出10的幅值，即通过控制单元70选择子波30的数量以进行组合从而在输出10合成其输出波形，也可以控制电能的吸收和电能的输出。当电网短暂过载，以及需要从电网吸收电能以储存到风力涡轮机的转子的旋转惯量中时，这种情形下吸收电能的需求增大。当多个用户从电力配电网吸收电能时，这种情形下需要将电能输送到电网。由此，当应用于离岸风力涡轮机时，发电机20可能在一个电源电力周期以内响应时间内能够提供电能输出，并且非常快速使电网需求响应稳定化。该需求响应稳定化比传统使用的用于电网稳定化的任何泵蓄能系统要快速得多；泵蓄能需求响应稳定化设备的一个实例是英国的威尔士的Dinorwig。发电机20因此非常适合应用于智能电网（smart grids；美国表述为"supergrid"）。
通常，通过微控制器350和/或控制单元70，使用各种测试参数控制发电机20，或者是控制以协作方式一起运行的若干台发电机20的配置。测试参数的实施例是给定模块80中的温度，或者给定发电机20已经在风力农场中运行的小时数（例如，为了在发电机20中均匀分布磨损（wear-and-tear）以在服务操作之间提高整体运行可靠性）。
例如，参考图9，系统500包括装配有根据本发明的变量发电机20的若干离岸风力涡轮机510。有利地，系统500根据如下方法运行：其中，如果风首先从西部方向吹来，那么系统500的控制中心520决定（通过独立决定）启动系统500的位于西部区域530的风力涡轮机510，即风力“农场”；换句话说，系统500首先驱动那些能够最有效地发电的风力涡轮机510。有利地，应用在系统500中的发电机20的控制单元70可操作地对从发电机20累积输出的功率进行时间记录（temporal log），例如，为了在系统500中分散磨损（spreading wear-and-tear）和/或为了确定系统500的维护时间表。
在另一种运行方法中，控制中心520旨在设置为在运行中首先启动那些迄今产生最少输出的风力涡轮机510，例如为了分散磨损和/或为了防止在腐蚀性的离岸环境中不常用的结构无法正常运转）。控制中心520选择性地设置为自动装置，该自动装置无需人为干涉地控制系统500。可选地，基于风力涡轮机510的基于对输出10进行监测和从维修活动中接收信息获得的反馈，控制中心520能够自适应和更新风力涡轮机510的操作程序。
有利地，应用于系统500的控制程序基于自组织神经中枢控制（self-organizing neural control）；该类型的神经中枢控制意味着，系统500自身可以根据由系统500的操作人员预先设定的值在任意给定的时间确定单个发电机20或者发电机20的组合的最佳的操作方案。操作人员的任何所期望的值都能够结合到应用于单个单元或者整个系统500中的控制算法中。在一个实施例中，可以将系统500以这种方式操作：使输出最大化，使维护最小化，另外，使电子子单元的单个元件的温度最小化，等等。例如，可以使用其他手段优化系统500的发电机20的电能输出或者整个系统500，但允许系统500所连接的电网所显示的响应负载需求优先于所述的经过优化的电能。有利地，在因经历季节变换等原因使得一个或者多个发电机20或者与其相关联的风力涡轮机510失效的情形下，系统500采用自动系统补偿。
有利地，做决定的方法可以基于系统500的操作人员的决定和加权的标准；这些方法允许系统500以任何期望的系统运行效果为依据独立地及时地行使优先。例如，可以指示系统500在任何给定时间在其传输点保持绝对电压和频率控制，或者如果有需要可以补偿/抵消电网上的噪音。有利地，发电机20易于适用于智能单元和智能电网方案中。
如果单独的风力涡轮机510突然经受阵风，可能会产生短暂的不期望的功率升高至涡轮机510所连接的电网，有利地，通过使风力涡轮机510的转子加速以将阵风的能量转化为转子的旋转动能，风力涡轮机510的发电机20可操作地抵消因功率升高导致的电力激增。该操作特征使得向电网输出更加稳定的电能成为可能。在协作方案中，在电网的基本负荷突然下降100MW的情形下，例如每个用户都将其电能驱动设备退出，此时，通过将风力涡轮机510的转子减速，应用发电机20并且产生100MW电能的风力涡轮机农场能够瞬时开关并且实际上瞬时产生100MW的附加电能。该方法降低了对于电网内实施的短时卸载的需求。有利地，系统500能够不断地自调，从而其中任何单独的元件或者单元的失效对于系统500的整体性能而言只能产生微不足道的影响。如果系统500中的一个元件失效，其负面影响仅在于失效的元件的功率丢失。这是非常有用的特征，尤其是如果生产单位位于偏远地区的情况下，例如离岸或者水下并且接下来的计划维护间隔很长的情况下。发电机20不仅能够及时地适应噪音或者不平衡负载，并且能够充当瞬时卸载体（instantaneous load shedder），等于在任何给定的时间由系统500产生的瞬时电能或者在单独生产单元中，或者分布在多个独立生产单元。
可选地，发电机20易于变换为作为线性发电机的部件发挥作用，用以将由燃烧过程产生的往复的线性运动转换成电能，例如作为授权的欧洲专利EP0772735B1所描述的设备的部件。在可再生能源系统中，往复的线性运动可以上升为由海浪上由于漂浮导致的上下摆动而产生，和在振动叶片风能设备中产生；有利地，该运动也可以使用发电机20转化为电能。在图10中，显示定子60设置在线性平面矩阵（可选地，倾斜或者不规则的矩阵）中，用以接口至装配有多个磁体90的线性往复“转子”50。
虽然已经在前文中描述了在转子50中包括磁体90和在定子60中包括线圈320，但应该理解，在混合型装置中，每个定子60和转子50可选择地包括磁体90和线圈320。可选地，电感耦合的滑环和/或磁体可以用于传输所产生的电能。
虽然在前文中主要描述了在可再生能源系统中的发电机20的使用，但应该理解，发电机20也可以适用于使用在更多的常规安装中，例如：
（a）在水电设备中；
（b）与煤炭、核能、天然气、太阳能和地热发电站中的汽轮机相连接。
在未脱离由所附的权利要求限定的本发明的保护范围的前提下，可以对前文所述的本发明的实施方式进行的改变。用来描述和宣称本发明的诸如“包括”、“包含”、“合并”、“组成”、“具有”、“是”的表述，目的在于以非排他性的方式进行解释，即，允许未明确描述部件，元件或组件也受到保护。所提及的单数也应该解释为还包括复数。在所附的权利要求中，包含在括号中的数字是为了帮助理解权利要求，不应该被解释为以任何方式限制这些所宣称的权利要求的主题。

Claims (17)

1.一种变量发电机(20)，该变量发电机(20)用于将机械运动转化为电能，其中，所述发电机(20)至少包括定子组件(60)和具有线圈(320)及磁体(90)的转子组件(50)；其特征在于，所述发电机(20)包括：模块(80)结构，该模块(80)结构包括所述线圈(320)，用以响应与所述磁体(90)的磁性相互作用的所述线圈(320)而生成子波(30)，其中，所述模块(80)能够生成子波(30)，该子波(30)的周期(d)短于运行输出(10)供给的交流波形的周期(D)持续时间；以及控制装置(70)，用以选择性地组合所述子波(30)以生成复合合成的所述发电机(20)的电能输出。
2.根据权利要求1所述的变量发电机(20)，其中，所述模块(80)与其所对应的线圈(320)空间并列配置。
3.根据权利要求1所述的变量发电机(20)，其中，所述定子(60)包括所述线圈(320)，并且安装成在运行中基本保持静止；所述转子(50)包括所述磁体(90)，并且安装成在运行中相对于所述定子(60)转动和/或往复运动。
4.根据权利要求1所述的变量发电机(20)，其中，所述模块(80)以二维开关矩阵的方式电连接在一起，该二维开关矩阵包括：至少一个串联支路，用以叠加所述子波(30)的电势；以及至少一个并联支路，用以在所述子波(30)之间分配电流，以生成所述输出(10)。
5.根据权利要求1所述的变量发电机(20)，其中，所述模块(80)能够在运行中响应于所述控制装置(70，80)提供的控制信号在非导通状态、短路状态、负子波状态和正子波状态之间切换。
6.根据权利要求1所述的变量发电机(20)，其中，所述模块(80)与所述控制装置(70，80)通过光学数据总线(360)通信连接。
7.根据权利要求6所述的变量发电机(20)，其中，所述光学数据总线能够以波分复用的方式选择性地指引所述控制装置(70)和所述模块(80)之间的数据。
8.根据权利要求6或7所述的变量发电机(20)，其中，所述模块(80)能够将关于其运行状态的诊断信号传输至所述控制装置(70)，并且从所述控制装置(70)接收相对于所述模块(80)各自的子波的关于计时信息和/或极性信息的控制信号。
9.根据权利要求1所述的变量发电机(20)，其中，所述模块(80)设置为插拔到所述模块(80)在所述定子(60)和/或转子(50)上的对应的位置。
10.根据权利要求1所述的变量发电机(20)，其中，所述模块(20)包括固态开关装置(330,340)，该固态开关装置(330,340)用以在运行中在所述线圈(320)中感应的感应电信号的至少半个周期中开关。
11.根据权利要求1所述的变量发电机(20)，其中，所述控制装置(70)包括输入，该输入在运行过程中合成和/或调整输出(10)的振幅和/或相位时用作参考。
12.一种用于在权利要求1-11中任意一项所述的变量发电机(20)中使用的模块(80)，其中，所述模块(80)包括：微控制器(350)，用以提供所述模块(80)的本地控制；线圈(320)，该线圈(320)连接至开关装置(330,340)，用以生成所述微控制器(350)控制下的子波(30)；以及光学通信接口(260)，用以接收控制数据以控制所述模块(80)和/或从所述模块(80)传输诊断信息。
13.一种使用变量发电机(20)的方法，该变量发电机(20)用于将机械运动转化为电能，其中，所述发电机(20)至少包括定子组件(60)和具有线圈(320)及磁体(90)的转子组件(50)；其特征在于，该方法包括：
(a)在模块(80)结构中生成子波(30)，该子波(30)的周期(d)短于运行输出(10)供给的交流波形的周期(D)持续时间，所述模块(80)结构包括所述线圈(320)，用以响应与所述磁体(90)的磁性相互作用的所述线圈(320)而生成子波(30)；
(b)使用控制装置(70)选择性地组合所述子波(30)，用以生成复合合成的所述发电机(20)的电能输出。
14.一种可再生的能源系统(500)，该能源系统(500)用于将机械设备(510)的线性和/或旋转运动转化为电能，其中，所述设备(500)能够产生如权利要求1中所述的变量发电机(20)的转子(50)和定子(60)之间的相对移动，用以生成系统(500)的电能输出(10)。
15.根据权利要求14所述的可再生的能源系统(500)，其中，所述机械设备包括潮汐水轮机、风力涡轮机、振荡风力叶片、海洋漂浮、水力发电涡轮机、蒸汽涡轮机中的至少一者。
16.一种维护如权利要求1中所述的变量发电机(20)的方法，该方法包括以下步骤：
(a)确定所述发电机(20)的模块(80)的运行状态；
(b)拔下并且更换步骤(a)中识别出的一个或者多个损坏的模块(80)。
17.一种向电力配电网提供响应负载稳定化的方法，该方法使用如权利要求1所述的变量发电机(20)，该发电机(20)连接至所述电网，其特征在于，该方法包括：
(a)感测指示所述电网所经受的电气负载的程度的一个或者多个参数；
(b)在所述发电机(20)中选择性地调整子波(30)，以吸收或者注入电能至所述电网，以协助稳定所述电网，调整由所述电气负载的程度造成的所述电网的电压和/或频率的偏差。
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