CN103887812A - 具有多相高温超导发电机的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

具有多相高温超导发电机的风力涡轮机。本发明涉及一种风力涡轮机，其具有塔架，在顶塔架端设置机舱，带有若干片叶片的转子轮毂通过转轴安装至机舱。发电机在机舱内，当转子旋转时，超导转子线圈在定子线圈处产生电流，定子线圈至少为四相。若干转换器模块将来自发电机的电力转换成匹配电网的电力。转换器模块的发电机端包括若干个等于发电机相数的整流电路，而电网端包括若干个等于电网相数的反相电路。相对发电机的标称电磁转矩，电磁制动转矩的瞬时值降低。因为转换器切换频率上升，电磁转矩波动也降低。当其中一个转换器模块出现故障时，会减小传动系统的机械应力。本发明还涉及运行这种风力涡轮机的方法，故障转换器模块会被选择性地切断，风力涡轮机再次投入低运行水平的状态。

Description

具有多相高温超导发电机的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，包括：

‐风力涡轮机塔架，其具有顶部和底部；

‐机舱，该机舱设置在风力涡轮机塔架的顶部；

‐转子轮毂，该转子轮毂可旋转地安装至机舱；

‐一片或多片风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片安装在转子轮毂上，其中风力涡轮机叶片确定旋转平面；

‐轴，该轴联接至转子轮毂；

‐发电机，该发电机联接至轴上，其中该发电机包括转子，该转子相对定子可旋转地设置，其中该转子包括至少一个超导转子线圈，以及该定子包括至少一个导电定子线圈，当转子旋转时，该超导转子线圈和该定子线圈设置为具有相互作用的磁场以引起定子线圈产生电流；以及

‐至少一个转换器，该转换器电联接至该发电机，其中该转换器包括电网端和发电机端，该电网端电连接至发电机端，该电网端设置为电联接至具有预定电网代码的电网，以及该发电机端设置为电联接至该发电机，其中该转换器设置为转换发电机的输出功率，使得该输出功率匹配该电网的功率，以及其中在发电机中设置定子线圈以形成两套或多套定子线圈以减小相对发电机标称电磁转矩的瞬时电磁制动转矩，其中每一套形成预定的相数。

本发明还涉及操作风力涡轮机的方法，其中该风力涡轮机的操作方法包括以下步骤：

‐使用一个或多个测量单元检测风力涡轮机的错误，该测量单元电联接至设置在风力涡轮机内部的控制器；

‐开启切换装置，该转换装置通过控制器电联接至风力涡轮机中的转换器，使得该转换器隔绝于电网；

‐开启变桨距装置，该变桨距装置联接至风力涡轮机叶片的至少一部分，使得可变桨距叶片部分迎向进风方向。

技术背景

众所周知，现今的风力涡轮机包括机舱，该机舱联接至转子轮毂和风力涡轮机叶片，在该机舱中设置有发电机和转换器。该发电机将转子轴的机械能转换成电能，然后转至转换器。该转换器联接至电网，并将发电机的电力输出转换至与电网相匹配的电力输出。

直到最近，在风力涡轮机中使用永磁发电机（PMGs）才为人所知，其中风力涡轮机近年来在尺寸和输出功率方面均有提高。这意味着风力涡轮机的发电机也必须增加尺寸和重量，这导致发电机更昂贵并且在安装时更难以操作。由于风力涡轮机功率增至6兆瓦以上，传统发电机或永磁发电机由于其所要求的尺寸和重量，不再适用于如此大型的风力涡轮机。如此大而重的发电机将意味着风力涡轮机塔架必须显著加强，并/或由于用于安装风力涡轮机的起重机的起重能力有限，发电机必须逐部分安装。

近年来，高温超导体可以在市场上买到，使得最新一代的风力涡轮机发电机（高温超导（HTS）发电机）用于大型风力涡轮机。了解永磁发电机的问题并想改进大型风力涡轮机发电机设计的本领域技术人员将会趋向于使用高温超导发电机取而代之。

这样的高温超导发电机使得定子线圈的电流密度大大增加，这随即意味着发电机的功率密度也增加。这使得高温超导发电机的尺寸和重量减小，而同时保持高输出功率并减少此类大型风力涡轮机的成本。通过使用直接传动可以进一步增加传动系的稳定性和保养周期，该直接传动取代变速箱联接，联接至转子轮毂，变速箱联接易受阵风和传动系中的机械应力影响。

高温超导发电机通常包括三相，该三相在发电机内部会引起强磁场，这是由于转子线圈内的高电流密度会依次在转子以及转子轴上形成强电磁转矩。英国专利2416566A公开了一种风力涡轮机，其中高温超导发电机联接至转子轮毂。然后，该高温超导发电机通过三相耦合器直接联接至转换器。转换器包括联接至发电机的整流单元以及联接至使用三相电网的整流电路，其中直流电联接设置在整流单元和整流电路之间。Xiaohang Li的“风电场的超导设备”公开了类似的风力涡轮机，该风力涡轮机具有混合动力传动系统，该系统包括联接至高温超导发电机的简单齿轮系统。高温超导发电机通过三相联接器连接至转换器，该三相联接器匹配电网的相。

这些结构具有以下缺点，当检测到转换器失效时，例如至少一个绝缘栅双极型晶体管发生短路，风力涡轮机必须停止传动系统的运行和风力涡轮机叶片的旋转。短路将会引起发电机启动制动扭矩，该制动扭矩比发电机正常扭矩大9‐10倍。由于旋转部件的急剧减速，这会引起传动系统的严重损坏，特别是发电机、转子轴、转子轮毂和风力涡轮机叶片。

当本领域技术人员想通过使用高温超导发电机改进用于大型风力涡轮机的发电机时，这种问题出现了，因为永磁发电机由于其定子线圈相对低的电流密度并不会出现同样的问题。

美国专利2009/0295168A1公开了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括具有定子总成和相对定子设置的转子总成的超导发电机。定子总成包括若干个形成定子线圈的双螺旋绕组，该定子线圈彼此相对串联形成6或12个相。此文件未提及多个相如何联接至风力涡轮机传动系统的其余部分。

德国专利4032492A1公开了一种电机，其包括通过转换单元，该转换单元通过切换装置联接至具有至少两组定子绕组的发电机。该切换装置用于选择组成定子线圈的若干定子绕组之间的不同结构。当切换装置断开，每一组与另外两组同步形成至少三相。当开启切换装置，各绕组组合形成具有6或12相的混合结构。在此结构中，每组定子线圈联接至同一转换器单元，其中切换装置用于控制发电机与转换器单元之间的相数。

发明目的

本发明的目的是提供一种发电机结构，该发电机结构使得发电机的电磁制动转矩减小。

本发明的目的是提供一种发电机结构，该发电机结构使得短路电流、以及不同相之间的影响都会减小。

本发明的目的是提供一种发电机结构，该发电机结构使得电磁转矩的波动减小。

发明内容

本发明的目的通过风力涡轮机实现，其特征在于：

转换器包括两个或多个转换器模块，该模块包括发电机端和电网端，其中每个模块的发电机端包括若干个整流电路，该整流电路电联接至设置在发电机内的其中一套定子线圈。

这使得当检测到转换器失效，例如绝缘栅双极型晶体管短路时，发电机启动的电磁转矩减小。当检测到这样的失效时，风力涡轮机将会执行应急程序，其中旋转部件在若干转之内停止。这种设置将会显著地减小传动系统的机械应力，例如转子轴、转子轮毂、以及风力涡轮机叶片处，否则可能在此程序期间造成风力涡轮机失效。设置发电机和转换器之间的电联接，使得其多于三相，例如6、9、12或更多相。可设置发电机，使得定子线圈可分别地以与相数对应的数个连接或绕组的形式设置。定子线圈可电连接至若干个终端、或位于发电机的切换单元，该切换单元使得该数个连接或绕组、以及相的数目可改变。相比传统发电机，这使得电磁转矩分布在更多的相上，如此减小了通过每相的交流电流。这也使得电磁转矩的波动显著减小，这是由于转换器的切换频率显著上升。这依次减小在满载荷期间的旋转部件的应力，并提高了传动系统的可靠性。

这种结构使得将转换器设置成全程转换器，从而允许风力涡轮机在最大输出功率下运行，并提供有功和无功输出功率的更佳控制方式。这使得风力涡轮机特别适用于联接至智能电网。

发电机定子线圈与转换器整流电路之间的电联接可设置为减小制动转矩的瞬时值到发电机标称转矩的100‐800%之间，优选为200‐600%之间，更优为200‐400%之间。这使得发电机在绝缘栅双极型晶体管短路时，启动的电磁转矩减小至可接受的水平，其中导入传动系统的应力不会造成风力涡轮机的失效。

定子线圈可设置两组或多组，例如3、4、5或6组，每组可包括至少两相，例如3、4、5、6或甚至9相。每组的每一相确定绕组，该绕组可由定子线圈的单独结构形成。所有组可形成相同的相数，例如均为3相或6相，或形成不同的相数，例如分别为3相和6相。这使得联接至转换器的电联接在有需要时，可在不同组之间切换，或使得每一组联接至不同的转换器模块。每一组的相总数确定发电机与转换器之间的电联接的相数。每一组的相或绕组可相对相邻的定子线圈和/或相对转子的磁极或转子线圈设置，以形成平衡结构。两相邻组之间的相位角可通过定子绕组或相的总数确定，例如30°、40°、60°、72°、90°或120°。可设置额外绕组，使得发电机的安全性提高。

这使得在定子中形成的相邻的相之间的互感系数减小，从而减小了这些相邻的相之间的感应电流。这使得在发电机产生的谐波失真减小，因为励磁场电流的频率上升。

转换器可由一个或多个转换器模块组成，这些模块电联接至发电机的定子线圈组。每个转换器模块可包括若干个整流电路，这些整流电路设置在发电机端并可将源自发电机的交流电流整流为直流电流。每个整流电路可电联接至线圈组的其中一相，该线圈组连接至转换器模块。转换器模块的电网端可通过若干个，例如：3个，反相电路电联接至电网端，这些反相电路设置在电网端。

这使得转换器设置为模块化转换器，其中电力输出被分配到每个单独的转换器模块上，从而减小每个转换器模块的电力输出。这使得每个转换器模块设置成低压或中压模块，使得每个模块的尺寸和重量减小。转换器的安全性可通过设置至少两个备用模块来提高。

根据一个实施例，转换器电联接到至少一个控制器，该控制器用于控制转换器的运行，其中控制器包括至少一个副控制器，该副控制器电联接至转换器并用于控制转换器的至少一端。

转换器的运行可由电联接至转换器的控制器，并基于一个或多个测量到或感测到的参数控制或驱动。设置在发电机端的整流电路可联接至副控制器，该副控制器基于一个或多个参数，例如转移至或来自发电机的电流或电压、来风速度、转子轴的角速度或转矩、或其他相关参数，以控制或驱动这些运行。这使得整流电路保持近似正弦波，从而提高驱动发电机的效率。

转换器可包括若干个设置在电网端的反相电路，该反相电路用于将来自发电机端的直流电流（DC）转换为可匹配电网电流的交流电流。反相电路可联接至另一个副控制器，该副控制器可基于一个或多个参数，例如转移至或来自电网的电流或电压、由电网代码定义的电网功率规格、参考功率、或其他相关参数，以控制或驱动这些电路的运行。每个反相电路可包括晶体管，例如绝缘栅双极型晶体管、或二极管。在保持大功率特性时，这使得供给电网的（无功和有功）功率可以受控。

根据一个特殊实施例，控制器电联接至切换装置，该切换装置电联接至每个转换器模块，且其中该控制器控制切换装置的运行。

每个转换器模块可电联接至开关式或接触式切换装置，其中控制器单独控制这些开关或触点的运作。切换装置可设置在发电机绕组和转换器模块之间，并/或设置在转换器模块和电网之间。这使得当检测到风力涡轮机内的错误或紧急情况时，例如其中一个整流电路短路，控制器可切断转换器。控制器可设置为将控制信号发送至另一个控制器或副控制器，之后该控制器或副控制器开启风力涡轮机叶片的变桨距装置，这样叶片的可变桨距部分桨距角调整或与旋转平面平行。然后，控制器可设置为：可与有错误的转换器模块断开连接，并切换连接到其余的转换器模块。然后，控制器可将至少一个控制参数，例如参考功率，设置成另一个对比值，例如标称功率输出值的40‐60%之间，优选为50%。然后，其他的控制器或副控制器开启风力涡轮机叶片的变桨距装置，使得该装置基于从控制器接收到的控制信号进行运行或使叶片变桨距或使叶片与旋转平面平行。

这使得可以去除有缺陷的转换器模块，并由还没有执行风力涡轮机的运行的新转换器模块代替。这减少了停机时间，并在其中一个转换器模块出现故障的情况下允许对转换器的简单快捷维修。

根据一个特殊实施例，设置其中一组定子线圈，这样它们形成多相联接，并电联接至整流电路，该整流电路设置在转换器模块的其中一个发电机端中。

这使得发电机和转换器之间的电联接形成单个的多相联接，包括多于三相，优选为6、9、12或这些数值内的任何相数联接。定子线圈设置在定子外边缘，其面向设置转子线圈的转子外边缘。定子和转子线圈通过预定气隙彼此分隔开，这样磁场强度得以提升。定子包括若干个定子线圈和/或磁极，其彼此相互连接，以形成数个绕组，该绕组的数目与多相联接中的相数相对应。转换器的每个整流电路将来自发电机的交流电整流成直流电，然后输送至直流电链路。每个单独的整流电路电连接至多相联接的其中一相。整流电路可设置为由晶体管，例如绝缘栅双极型晶体管、或二极管组成。

由定子中相互连接的定子线圈组成的绕组可，例如以预定角度，和/或相对磁极或转子中的转子线圈彼此相对设置，以形成平衡结构。相邻绕组间的相位角可为30°、40°、60°、72°、90°或120°。这使得定子相邻相之间的互感系数降低，从而降低相邻相之间的感应电流。这也使得发电机产生的谐波失真减小，因为多相联接使得脉动磁场电流的频率上升。

根据一个实施例，定子包括若干条槽，定子线圈设置在该槽中，且其中线圈设置为至少两层。

这使得定子线圈在槽中设置为多层，以使定子线圈结构中的相或绕组之间的相位移减小。定子线圈可设置为使得发电机的每相或每绕组位于每一层。设置在第一层的相或绕组的顺序与第二层的顺序相反。如果定子线圈设置多于两层，那么每一层的顺序将会不同于，或反向于相邻层的顺序，或者定子线圈可设置为具有相同顺序的组合。

根据一个实施例，直流电链路电连接至转换器内发电机侧输出端与电网侧输入端之间。

以一个或多个电容器的形式组成的直流电链路可设置在转换器的两端之间。这使得电能存储在电容器内，这样输送至电网端的电压水平可保持在近似恒定的水平并使得电压波动减小。这使得风力涡轮机可使用软启动联接至电网，因为在风力涡轮机联接至电网之前，电容器会被充电至所需的电压水平。测量单元可联接至直流电链路和控制器，其中该测量单元可用于测量链路的电压水平。电压水平可用于控制转换器发电机端和电网端的运行。斩波电路式的保护电路可联接至直流电链路，以便从电网短路中保护传动系统。

根据一个实施例，变压器包括初级侧和次级侧，该变压器电连接于转换器和电网之间。

变压器可用于升高或降低转换器的电压水平，以匹配电网电压。变压器保护传动系统远离任何可损坏传动系统的电网故障。一个或多个电容器和/或电感器的滤波电路可设置在转换器和变压器之间，以及/或发电机和转换器之间。这使得供给电网的输出电流中的谐波以及输出电流的波动降低。

本发明的目的还可通过操作风力涡轮机的方法实现，其特征在于：

‐控制器选择性地与转换器中检测到有错误的某部分断开连接，并切换连接到转换器的其余部分；以及

‐开启相连的变桨距装置，使得桨距角可调的叶片部分迎向进风方向。

这个方法使得紧急状况下的风力涡轮机在再次进入运行状态之前，可以快速脱离运行，从而减少了风力涡轮机的停机时间。当检测到紧急状况时，控制区将转换器从电网断开（切断）。紧急状况可以是其中一个转换器模块短路。然后控制器开启风力涡轮机叶片的变桨距装置，且叶片的桨距角可调部分变桨距或迎向进风。控制器还可开启机械制动器和/或使用发电机，通过将能量返回发电机，以制动风力涡轮机叶片。然后通过控制器再次开启变桨距装置，且叶片桨距角可调部分变桨距或迎向进风。如果控制器采用软启动，那么当直流电链路充电至预定电压水平，转换器会再次首先接通。

根据一个特殊实施例，控制器改变至少一个控制参数，例如参考功率，该参数用于控制风力涡轮机的运行达到另一预定值，例如标称功率输出值的40‐60%之间，低于其正常运行期间的值。

当检测到紧急状况时，风力涡轮机在较低运行状态下运行，这样在风力涡轮机中的，例如在其传动系统中的机械应力和张力都将会降低。这可通过以下方式完成：当使用控制器检测到转换器模块有错误时，在其余的转换器模块再次连接（接通）至电网后，断开该有错误的转换器模块与电网的连接。然后控制器将会设定至少一个用于控制风力涡轮机运行的控制参数，达到另一较低的值。

根据一个特殊实施例，控制参数为参考功率，且其预定值为标称功率输出值的40至60%之间。

控制参数可以是参考功率、最大允许风速、功率效率或其他合适的控制参数。在优选实施例中，参考功率设定为对比值，例如标称功率输出值的40‐60%之间，优选为50%。

附图说明

本发明仅通过实施例，并参照附图进行描述，其中：

图1示出了风力涡轮机的实施例；

图2示出了发电机的实施例，该发电机联接至电网和转子轮毂；

图3示出了传动系统的第一实施例，该传动系统设置在风力涡轮机中；

图4示出了传动系统的第二实施例，该传动系统设置在风力涡轮机中；

图5示出了传动系统的第三实施例，该传动系统设置在风力涡轮机中；

图6示出了绕组结构的实施例，该绕组结构设置在定子内；

图7示出了电磁转矩的图表，该电磁转矩在发电机内产生；以及

图8示出了当检测到转换器故障时，控制风力涡轮机的运行的实施例方法的流程图。

在下文中，将逐一描述附图，在附图中看到的不同部件和位置将被编号，在不同附图中的同一部件和位置，将标以相同的编号。具体某一附图中的所有部件和位置，并非都必须与该附图一并讨论。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机1的实施例，包括风力涡轮机塔架2和机舱3，该机舱3安装在风力涡轮机塔架2的顶端。风力涡轮机塔架2可包括一节或多节塔节，该塔节彼此在顶端相互连接组装。转子轮毂4通过转子轴可旋转地安装至机舱3。一片或多片风力涡轮机叶片5安装至转子轮毂4，转子轮毂4与轴相连，该轴从转子轮毂的中心向外延伸。两片或三片风力涡轮机叶片5可安装至转子轮毂4，其中风力涡轮机叶片5形成旋转平面。风力涡轮机塔架2可安装在地基6上，该地基6凸起于地平面7之上。

风力涡轮机叶片5可包括叶根8，该叶根8安装至转子轮毂4。风力涡轮机叶片5可包括尖端9，该尖端9设置在叶片5的自由端。风力涡轮机叶片5具有沿叶片长度的流线型的外形。风力涡轮机叶片5可由纤维强化塑料或复合材料制成，例如具有由玻璃纤维、碳纤维或有机纤维制成的纤维，该纤维形成层压体。该层压体可使用树脂，例如环氧树脂，通过外部系统，例如真空注射系统供给注射成型。

图2示出了发电机10的实施例，该发电机10是以高温超导（HTS）发电机的形式联接至电网11和转子轮毂4。转子轮毂4可联接至发电机10，该发电机10通过可旋转的转子轴12设置在机舱3内部。转子轴12确定为转动轴，转子轮毂4和风力涡轮机叶片5围绕该轴旋转。风力涡轮机叶片5将进入旋转平面的风力动能转化为机械能，机械能通过转子轴12传送到发电机10。发电机10将机械能转化为电能，电能转移至转换器13。

发电机10可包括发电机外壳14，该外壳14将定子15和转子16封装于其内。如图2所示，发电机外壳14可为筒状外壳形状，该外壳在末端由两个端板封闭。如图2所示，转子轴12可延伸进发电机10内，并可选地穿过发电机10。一个或多个支承装置17可设置在发电机外壳14内和/或上，其中支承装置17可在旋转时容纳并支承转子轴12。转子轴12可由支承装置17支承，该支承装置17可以为轴承的形式，其可设置于端板上，并/或直接由发电机外壳14支承。定子15可包括若干个定子线圈（未示出），该定子线圈由导体材料制成，例如铜，同时转子16可包括若干个转子线圈（未示出）。定子15和转子16可彼此相对设置，这样转子线圈引入磁场，该磁场与定子线圈相互感应。

转子16可设置为超导体转子，其包括至少若干个由高温超导材料制成的转子线圈，例如铋‐锶‐钙‐铜‐氧（BSCCO）、钇‐钡‐铜‐氧（YBCO）、铊‐钡‐钙‐铜‐氧、汞‐钡‐钙‐铜‐氧、稀土‐钡‐铜‐氧（（RE）BCO）、或其他合适的材料。术语“超导”定义为这样的状态，即所选用作导体的材料的电阻为零。转子16可包括或可联接至冷却系统（未示出），该冷却系统用于冷却转子线圈，使其达到超导状态。

可设置定子15中的定子线圈，使其形成预设数目的绕组，每个绕组定义一相，该相电联接至预设数目的设置在转换器13内的整流电路。转换器13可用于转换来自定子15的电力，使其匹配用于电网11的电网代码所定义的规格（频率、相、电压和电流）。

图3示出了传动系统18的第一实施例，该传动系统18设置在风力涡轮机1内。传动系统18可包括转子，该转子由风力涡轮机叶片5和转子轮毂4组成，转子轮毂4通过转子轴12机械联接至发电机10。然后发电机10电联接至转换器13的发电机端19，然后该转换器13通过链路21电联接至电网端20。然后电网端20电联接至变压器22，然后该变压器22电联接至电网11。

定子15中每个独立的定子线圈可设置为多个相互连接，使其形成多个绕组。每个绕组确定发电机10的一个相。可设置定子线圈，使得其形成多相结构，包括由6个绕组确定的6相23（仅示出其中三相）。发电机10与转换器13之间的电联接可设置为多相联接，联接至发电机10的相23和整流电路，该整流电路设置在转换器13的发电机端19。定子15内通过定子线圈相互连接形成的绕组可彼此相对设置，以形成平衡结构。两个相邻绕组之间的相位角可为0°、30°或60°，取决于其所需结构。

转换器13的发电机端19可设置为多相结构，其包括多个整流电路，该整流电路对应于发电机10的绕组数目。转换器13可设置为全程转换器。发电机端19可包括6个整流电路，每个整流电路都电连接至相23的其中一相。转换器13的每个整流电路可用于将来自发电机10的交流电整流转换成直流电。整流电路可由晶体管，例如绝缘栅双极型晶体管组成，其包括第一部分及第二部分，第一部分又和第二部分连接。第一部分可用于对交流电的正半周整流，而第二部分可用于对交流电的负半周整流。每一相可连接至整流电路两部分的相互连接处。

然后，第一和第二部分的输出口电连接至链路21，使得整流电流输出至链路21。链路21为直流电链路，其可设置为一个或多个储能电容式的储能器。链路21可用于保持供往电网端20的电压水平在近似恒定的水平，并减小发电机的电磁转矩电压波动。

然后，平整的直流电输送到电网端20，该电网端20包括若干个反相电路。反相电路可用于将传输自链路21的直流电转化为供往电网11的交流电。电网端20可用于将直流电转化为匹配电网11的规格的电压和电流。电网端20可包括三个反相电路，其对应于电网11的相24的数量。反相电路可由晶体管，例如绝缘栅双极型晶体管组成，其包括第三部分和第四部分，第三部分又和第四部分连接。第三部分可用于产生交流电的正半周，而第四部分可用于产生交流电的负半周。每一相可连接至反相电路两部分的相互连接处。

转换器13和/或发电机10可电连接至控制器（未示出）。控制器可通过一个或多个电连接至转换器13输出端的感应器，检测并控制输送至电网11的输出电压和/或电流。控制器可通过一个或多个电连接至发电机10输出端的感应器，检测并控制来自发电机10的输出电压和/或电流。控制器可使用电连接至链路21的测量单元测量链路21的电压水平。该电压水平可用于控制转换器13的发电机端19和电网端20的运行。

图4示出了传动系统25的第二实施例，该传动系统25设置在风力涡轮机1内。传动系统25在发电机10’和转换器13’结构上不同于图3的传动系统18。

定子15的定子线圈可设置为至少有两组定子线圈26和27，其中每一组26、27包括预设数量的绕组。每组定子线圈26、27可设置为有三个单独绕组。在定子线圈组26、27中的绕组总数确定发电机10’和转换器13’之间的相数，在此实施例中，相数为6。每个绕组确定了定子线圈组26、27的一相。在定子15内，由定子线圈组成的独立绕组可彼此相对设置，以形成平衡结构。两个相邻绕组之间的相位角可为0°、30°或60°，这取决于其所需结构。定子线圈组26、27可被设置，使其组成合成的相组，这样增加了风力涡轮机1的安全性和可靠性。

每个定子线圈组26、27的相可通过具有与定子线圈组26、27相同相数的两组电联接，电联接至转换器13’。转换器13’可设置为模块化转化器，该转换器包括至少两个转换器模块29、30。转换器模块29、30分别电连接至定子线圈组26、27的相。每个转换器模块29、30可包括通过链路35、36电连接至电网端33、34的发电机端31、32。发电机端31、32可包括与每个定子线圈组26、27的相数相同，例如3个的整流电路。转换器模块31、32内的每个整流电路可用于将来自发电机10’的交流电整流转换成直流电。整流电路可由晶体管，例如绝缘栅双极型晶体管组成，其包括第一部分和第二部分，第一部分又和第二部分连接。第一部分可用于对交流电的正半周整流，而第二部分可用于对交流电的负半周整流。定子线圈组26、27的各相可连接至整流电路两部分的相互连接处。电网端33、34和链路35、36可具有与电网端20和链路21相同的结构。

图5示出了传动系统37的第三实施例，该传动系统37设置在风力涡轮机1内。传动系统37不同于图4的传动系统25，其中发电机10”包括三组相26、27、38，并且转换器13”包括三个转换器模块31、32、39。

由定子线圈组成的绕组组38可具有与其他定子线圈组26、27相同的结构，并包括相同的相数。转换器模块39可具有与其他转换器模块29、30相同的结构。链路42可具有与其他链路35、36相同的结构。在可选实施例中，第三线圈组38可包括比起其他定子线圈组26、27更多的绕组或相，例如6相。第三转换器模块的发电机端40可设置为使得整流电路的数量与第三线圈组38的数量相同，例如数量均为6。电网端41可具有与其他电网端33、34相同的结构。第三链路42可具有与其他链路35、36不同的结构。这使得驱动路径和相的数目适应于传动系统所需的设计。

图6示出了定子15内的绕组结构的实施例，其中绕组结构设置在定子15的槽43中。定子15可包括若干条槽43，定子线圈44设置在其中。定子线圈44安置于槽43内，使其形成若干个绕组，每个绕组确定了发电机10、10’、10”的相。定子线圈44可设置为至少两层；第一层45a和第二层45b。安置于层45a、45b的绕组数可对应于发电机10、10’、10”内设置的相数，或定子线圈组26、27、38的其中一组。如图6所示，设置在每一层45a、45b的绕组或定子线圈44的顺序可与相邻层的顺序相反。通过将绕组分为两层45a、45b或多层，使得定子15的绕组或相的宽度缩窄。图6示出了分为两部分或副绕组的6个相，标记为1‐6，其中该副绕组标记为，例如1，定义为发电机10、10’、10”的其中一个绕组或相。

发电机10、10’、10”的绕组或相可设置在单层45a中。或者，如图6所示的6个相可设置在单层45a内。这使得设置在定子15的绕组或相不需分为两部分或更多部分或副绕组。

图7示出了发电机10产生的电磁转矩的图表。图表示出了包括6个相的发电机10、10’产生的电磁转矩46。图表还示出了包括三相的传统发电机产生的电磁转矩47。

如图所示，传统发电机产生具有严重波动的电磁转矩47，该波动定义为峰‐峰值，该波动导致在发电机形成谐波失真。如图表所示，传统发电机三相形成的电磁转矩47的交换频率相对低。根据本发明的发电机10、10’、10”产生电磁转矩46，如图表所示，其中波动的峰‐峰值降低，因为电磁转矩分布于多个相上。波动的波峰‐波峰的值和谐波失真可以根据发电机10、10’、10”的结构降低高达40%或更多。如图表所示，由于相数增多，发电机10、10’、10”还增大电磁转矩46的切换频率。

发电机10、10’、10”和转换器13、13’之间的电联接可用于将瞬时制动转矩降低至发电机标称转矩的100‐800%之间，这取决于电联接的所需结构和相数。在每相及其整流电路产生的场电流降低，使得由于转换器13、13’中的错误而在发动机产生的制动转矩降至可接受的水平。

图8示出了当检测到转换器13’故障时，控制风力涡轮机1的运行的示例方法的流程图。电联接至控制器模块31、32、39的控制器可电联接至切换装置（未示出），该切换装置连接至每个转换器模块31、32、39。切换装置可基于传输至控制器的控制信号，接通或切断交换器模块31、32、39。切换装置可设置在发电机10’、10”的定子线圈组26、27、38与转换器模块31、32、39之间，并/或转换器模块31、32、39与电网11之间。控制器可电联接至另一控制器，该另一控制器用于控制风力涡轮机叶片5的可变桨距部分的桨距角。一个或多个测量单元可用于监测发电机10’、10”和/或转换器模块31、32、39的执行状况。

当风力涡轮机1的控制器，在步骤48，检测到转换器模块31、32、39中的一个或多个的错误或故障，那么控制器发送控制信号到切换装置。然后在步骤49，切换装置被开启，使得转换器13’从电网11断开。然后另一控制信号发送至另一控制器，该另一控制器连接至风力涡轮机叶片5的变桨距系统。然后在步骤50，变桨距系统开启风力涡轮机叶片5的变桨距装置，使得可变桨距部分不迎向进风方向。然后在步骤51，风力涡轮机1可停止，例如，这可通过使用一个或多个制动器实现，该制动器连接至传动系统25、37的转子。控制器可将能量，从其他电源或电网11传送回发电机，使得发电机10’、10”可用于制动转子。

然后，在步骤52，当在转换器模块31、32、39检测到错误或故障，控制器可选择性地切断转换器模块31、32、39。然后其余转换器模块31、32、39可接入，使得转换器13’再次电连接至电网11。控制器可使用软启动来启动风力涡轮机1的运行，其中当链路35、36、42充电到预定水平时，转换器13’首先接入。

然后，在步骤53，控制器可改变一个或多个控制参数的值，该控制参数用于在正常运行模式下，控制风力涡轮机1。控制参数可为参考功率。参考功率可设定为正常运行模式下的标称值的90‐100%之间。控制器可以在紧急状况时，例如其中一个转换器模块31、32、39出现错误或故障时，将控制参数设定为另一个值，该值可为低于正常运行模式下的值。在转换器模块31、32、39其中一个故障或错误的情况下，参考功率可设定为标称值的40‐60%之间。

然后，控制器可发送控制信号至其他控制器，其他控制器连接至风力涡轮机叶片5的可变桨距部分。然后在步骤54，变桨距系统开启风力涡轮机叶片5的变桨距装置，使得可变桨距部分再次迎向风向。控制器还可以松开夹紧转子的制动器。然后，在步骤55，风力涡轮机再次进入运行状态，但是在较低水平的运行状态，使得风力涡轮机中的，例如在传动系统中的机械应力和张力都减小。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机（1），包括：

‐风力涡轮机塔架（2），所述塔架具有顶部和底部；

‐机舱（3），所述机舱设置在风力涡轮机塔架（2）的顶部；

‐转子轮毂（4），所述转子轮毂可转动地安装至机舱（3）；

‐一片或多片风力涡轮机叶片（5），所述风力涡轮机叶片安装在转子轮毂（4）上，其中风力涡轮机叶片（5）确定旋转平面；

‐轴（12），所述轴联接至所述转子轮毂（4）；

‐发电机（10），所述发电机联接至所述轴（12），其中所述发电机（10）包括转子（16），所述转子相对定子（15）可旋转地设置，其中所述转子（16）包括至少一个超导转子线圈，以及所述定子（15）包括至少一个超导定子线圈，其中当转子（16）旋转时，所述超导转子线圈和所述定子线圈具有相互作用的磁场以引起所述定子线圈的电流；以及

‐至少一个转换器（13），所述转换器电联接至所述发电机（10），其中所述转换器（10）包括电网端（20）和发电机端（19），所述电网端电连接至发电机端（19），所述电网端（20）用于电联接至具有预设电网代码的电网（11），以及所述发电机端（19）用于电联接至所述发电机（10），其中所述转换器（13）用于转换发电机（10）的输出电力，使得所述输出电力匹配所述电网（11）的电力；

其中，设置发电机（10）的定子线圈以形成两组或多组定子线圈（26、27、38），以减小相对于发电机（10）标称电磁转矩的瞬时电磁制动转矩，其中每一组定子线圈（26、27、38）形成预设的相数；

其特征在于：

所述转换器（13’）包括两个或多个转换器模块（29、30、39），每个所述模块包括发电机端（31、32、40）和电网端（33、34、41），其中每个模块（29、30、39）的发电机端（31、32、40）包括若干个整流电路，所述整流电路电联接至设置在发电机（10’、10”）内的其中一组定子线圈（26、27、38）。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述转换器（13）电联接至至少一个控制器，所述控制器用于控制转换器（13）的运行，其中所述控制器包括至少一个副控制器，所述副控制器电联接至转换器（13）并用于控制转换器（13）的至少一端（19、20）。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述控制器电联接至切换装置，所述切换装置电联接至每个转换器模块（29、30、39），且其中所述控制器控制切换装置的运行。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，设置其中一组所述定子线圈（26、27、38），使其形成多相联接（23），所述多相联接电联接至设置在转换器模块（13）的其中一个发电机端（31、32、40）的整流电路。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述定子（15）包括若干条槽（43），所述定子线圈（44）设置在所述槽（43）中，且其中所述线圈（44）设置在至少两层（45a、45b）。

6.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，直流电链路（21）电联接至转换器（13）内发电机输出口（19）与电网输入口（20）。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，变压器（22）包括初级侧和次级侧，该变压器电联接至转换器（13）和电网（11）。

8.一种运行根据前述任一权利要求所述的风力涡轮机（1）的方法，其中风力涡轮机（1）的运行包括以下步骤：

‐步骤48，使用一个或多个测量单元检测风力涡轮机（1）的错误，所述测量单元电联接至设置在风力涡轮机（1）内部的控制器；

‐步骤49，开启切换装置，所述切换装置通过控制器电联接至风力涡轮机（1）的转换器（13），使得所述转换器（13）隔绝于电网（11）；

‐步骤50，开启变桨距装置，所述变桨距装置联接至风力涡轮机叶片（5）的至少一部分，使得可变桨距叶片部分迎向进风方向；

其特征在于：

‐步骤52，所述控制器选择性地切断转换器（13）的某部分，所述部分检测到错误，并切换到转换器（13）的其余部分；以及

‐步骤54，开启联接的变桨距装置，使得可变桨距叶片部分迎向进风方向。

9.根据权利要求8所述的运行风力涡轮机（1）的方法，其特征在于，有步骤53，所述控制器改变至少一个控制参数，所述控制参数用于控制风力涡轮机（1）的运行达到另一预设值，所述预定值低于其正常运行值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制参数为参考功率，且其预定值为标称功率输出的40至60%之间。

Images