CN104334874B - 开关器件在风力涡轮机塔架中的布置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种包括新式开关器件布置的风力涡轮机。风力涡轮机包括塔架、被支撑在塔架上端处的转子、发电机、用于在对集电电网供电之前使发电机的电压输出增加的变压器、以及设置在变压器与集电电网之间的开关器件。开关器件包括第一开关装置和第二开关装置，所述第一开关装置与所述变压器相关联，所述第二开关装置与将风力涡轮机同集电电网中另一风力涡轮机连接的一条或多条缆线相关联。第一开关装置连接至第二开关装置但被定位成远离所述第二开关装置。

Description

开关器件在风力涡轮机塔架中的布置
技术领域
本发明涉及用于风力涡轮机的开关器件，并且尤其涉及用于定位开关器件、容置开关器件和连接开关器件的新方案。本发明还涉及一种构建包含所述开关器件的风力发电厂的方法。
背景技术
风力发电厂或“风电场”大体上包括多个风力涡轮机，所述多个风力涡轮机电连接在一起以形成集电电网(collector grid)。来自该集电电网的输出通常连接至包括升压变压器的变电站，所述升压变压器用于将电压增加至用于对配电网供电的适当等级。
集电电网中的每个风力涡轮机包括其自身的升压变压器，本文中也称作为“主变压器”，所述升压变压器将来自风力涡轮发电机的电压输出增加至用于对集电电网供电的更高等级。每个风力涡轮机还包括开关器件，诸如断路器或开关熔断器装置，所述开关器件用于在故障状况下保护风力涡轮机中的电气设备。开关器件大体上还包括一个或多个缆线开关装置，所述一个或多个缆线开关装置包括脱离器开关并且与集电电网的引入和/或引出缆线相关联。这些所谓的“脱离器”允许风力涡轮机为了维护目的或是其它目的而与集电电网断开连接。
用于风力涡轮机的开关设备大体为“面板”的形式。通常存在连接至主变压器的断路器面板，以及将风力涡轮机连接至集电电网中下一个风力涡轮机的一个或多个“脱离器”面板(也称为“缆线面板”)。在实践中，面板还可结合其它保护装置，包括接地开关和/或电涌放电器。断路器面板还可包括脱离器开关。
形成开关器件的各种面板并排地布置并且经由直接母线连接器连接在一起。开关器件可作为紧凑型单元提供，面板在所述紧凑型单元中已经以该方式连接在一起，或开关器件可以分离型模块的形式提供，所述分离型模块经由整合式母线现场连接在一起。在现有的风力涡轮机中，开关器件被定位在风力涡轮机塔架的基座以内。
存在用以增加风力涡轮机尺寸和输出的连续驱动器。继而，风电场中的额定电压等级近些年来已稳定增加。现在设想到36kV、40.5kV和72kV的电压等级用于将来。达到更高的电压导致风力涡轮机设备(诸如变压器)在尺寸上必需增加，以及还有保护该设备所需的开关器件在尺寸上必需增加。在风力涡轮机塔架以内的受限空间中容置这样巨大的设备于是成为挑战，并且存在开发布置开关器件的创造性新方式的需要。
发明内容
针对该背景技术作出本发明。
根据本发明，提供一种风力涡轮机，其包括：塔架；被支撑在塔架上端处的转子；发电机；变压器，其用于在对集电电网供电之前增加发电机的电压输出；以及设置在变压器与集电电网之间的开关器件，所述开关器件包括第一开关装置和第二开关装置，所述第一开关装置与变压器相关联，所述第二开关装置与将风力涡轮机同集电电网中另一风力涡轮机连接的一条或多条缆线相关联，其中第一开关装置连接至第二开关装置但被定位成远离所述第二开关装置。
通过将开关器件分离成能够设置在风力涡轮机附近不同物理位置处的电连接的装置，本发明提供在定位开关器件方面增加的灵活性。例如，开关器件的一部分可被定位在塔架以内且开关器件的一部分可被定位在塔架以外。替代地，开关器件的多个部分可设置在塔架内的不同位置处。例如开关器件的一部分可被定位在塔架的基座处，且另一部分可被定位在塔架以内的平台上。开关器件的各个部分可通过电缆线连接在一起。相比于现有技术中需要开关面板并排且在同一物理位置定位的母线连接，本发明提供更灵活的解决方案。
第一开关装置优选包括断路器，所述断路器用于在故障状况的情况下，例如短路、过电流或接地故障(接地错误)的情况下保护变压器。第一开关装置优选还包括与断路器串联连接的脱离器开关。第一保护装置优选为“断路器面板”的形式。第二开关装置优选包括与输入和/或输出电网缆线相关联以用于将风力涡轮机与集电电网连接和断开连接的至少一个脱离器。
在本发明的优选实施例中，第一开关装置被定位在塔架以内且第二开关装置被定位在塔架以外。开关器件的在塔架以外的定位部分解放塔架以内用于其它设备的空间，或以其它方式为维护人员增加塔架以内设备的可访问性。这在开关设备的物理尺寸增加以适应更高额定电压时变得愈加重要。
第一开关装置可被定位在塔架的基座处或被定位在塔架基座上方或下方的平台上。第二开关装置可被定位在塔架以外的平台上。平台可以是塔架的外廊平台(galleryplateform)或者是地基(诸如离岸型地基)的一部分，塔架被支撑在所述地基上。地基可包括过渡件，塔架立在所述过渡件上，并且第二开关装置可被定位在过渡件内。第二保护装置可被预安装在过渡件以内，这有助于安装，因为第二保护装置然后可与过渡件一起提升到地基上，并且于是不再需要单独的提升阶段。
对开关器件的大多数维护操作在与缆线脱离器面板相对的断路器面板上执行。因此便于将断路器面板定位在风力涡轮机以内，其中断路器面板将相对靠近风力涡轮机的其它操作设备。这有助于维护操作。由于脱离器面板不需要频繁维护，所以这些脱离器面板能够被定位在不易访问的空间中或者被定位在远离进行通常维护操作的空间中，诸如举例而言被定位在风力涡轮机以外。此外，对脱离器面板的大多数操作远程地进行，通常经由SCADA(数据采集与监视控制系统)进行，并且因此这些组件的位置没有断路器面板的位置重要。
优选地，第一开关装置被定位成与变压器相邻。第一开关装置可包括附加的保护设备(诸如电涌放电器)，以及期望的是使这些电涌放电器尽可能接近变压器。如果第一开关装置被定位在风力涡轮机以外且例如通过长缆线连接至变压器，那么该缆线将易受雷击影响。尽管这样的雷击是罕见的，然而将第一开关装置定位成与变压器相邻避免该风险。
第二开关装置可方便地被定位在容器以内。如果容器将被定位在塔架以外，那么可采用基本上防风雨影响的容器。将开关设备定位在容器中产生多个优点。例如容器以内的设备能够在现场安装之前被连接在一起并被测试。以下所讨论的容器的各种可选且有利的特征有助于快速且简易地将容器式设备连接至风力涡轮机以内的设备并且连接至集电电网。在容器式设备发生故障的情况下，能够更换整个容器而不是更换或维修容器以内的设备。容器式设备基本上可在现场外维修。这具有显著的益处，尤其是在环境状况能够是极端的且总体上期望的是使现场维护时间最小化的离岸型环境中具有益处。更换整个容器还减少风力涡轮机的停机时间。
在同一发明构思下本发明还提供一种防风雨影响的容器，所述防风雨影响的容器配制成容置用于风力涡轮机的开关部件。
为了促进容器式开关设备的连接性，所述容器优选地包括至少一个舱口，所述舱口用于提供通向第二开关装置的一个或多个缆线连接点的入口。风力涡轮机缆线以及输入和输出电网缆线连接至相应的连接点。连接点优选包括插口，并且缆线的端部优选配备有允许快速且易与插口连接的互补形状的插头式连接器。
舱口或每个舱口可设置在容器的底座中。从而舱口是可访问的，容器可利用其底座被抬升到平台上方而被支撑在平台上。为此，容器可被支撑在腿部上或其它这样的支撑物上。容器可包括可收缩或可拆卸的腿部，所述腿部能够在输运所述容器期间为便利起见而被收缩或拆卸，并且就地延伸或附接以允许访问舱口。可收缩的腿部还可在需要时专门地延伸以提供对舱口的访问，腿部在其它时间保持收缩以使得容器的底座直接地被支撑在平台上。替代地，腿部可以是平台的一部分，容器被支撑在所述平台上。该方案相比于将腿部与容器整合的方案更加便宜。
容器可具有一个或多个门或可移除的面板(例如可移除的侧面板)以允许为了维护目的而访问容器式设备。可使用螺栓或其它紧固件以将侧面板固定至容器，所述螺栓或其它紧固件可被移除或以其它方式解除紧固以便移除面板。面板可替代地侧向滑动或向上提升，而并非是可移除的。以这些方式中的任一种来移动面板提供在需要时对容器式设备的维护访问并且意味着维护空间不必考虑容器尺寸的因素。因此，可使用相对小的容器，仅仅大到足以容置所述设备，而不存在对容器以内的围绕设备的附加维护空间的要求。
如果容器将仅仅容置脱离器设备，那么可以使用非常小的容器，所述容器有利地可比标准运输用容器显著更小。这再次允许在定位容器方面更大的灵活度，并且允许容器易于装配在离岸型风力涡轮机的过渡件内。小的容器相比于例如被定位成紧靠风力涡轮机的大型运输用容器还更美观。容器可大体上是立方体的，例如具有约2m3或更小的尺寸。替代地，容器可被拉长并具有近似1.5×2×2.5m(即近似7.5m3的体积)或1.5×2×3m(即近似9m3的体积)的尺寸。因此，容器优选地具有近似9m3或更小的体积，该体积显著地小于标准20ft型ISO运输用容器的体积。容器可被预安装在过渡件以内以有助于如上所述的安装。
容器以内的开关部件可以是气体绝缘的。通常地采用六氟化硫(SF6)气体。容器可包括用于在容器内发生过压的情况下卸压的卸压装置。卸压装置优选地包括至少一个卸压片。
本发明的风力涡轮机优选地具有7.0MW(兆瓦)或以上的额定值。主变压器优选地配置成将电压从3.3kV增加至33kV或66kV。第一和第二开关装置优选地在36kV布置中具有630A(安培)或1250A的额定值或者在72kV布置中具有1250A或2000A的额定值。
在同一发明构思下，本发明提供一种包括多个如上所述风力涡轮机的风力发电站。风力涡轮机优选地连接在一起以形成集电电网。至集电电网的连接优选地经由相应的第二开关装置作出，所述第二开关装置可配置成接收相应的输入和输出电网缆线。
容器式开关器件的另一优点在于，可在将风力涡轮机竖立之前将容器安装在离岸型风力涡轮机地基上。经常在构建涡轮机前一年或更多建造所述地基，并且因而这便于允许在将风力涡轮机竖立之前对将风力涡轮机在集电电网中互连的缆线进行测试。这引起增加的效率并且可减少构建风力发电厂所需的时间。
因此，本发明还包括构建离岸型风力发电站的方法，所述方法包括：将多个离岸型地基成阵列地安装；在每个相应的地基上设置容器式开关器件；以及在将风力涡轮机竖立在相应地基上之前经由电缆线将相应地基上的容器式开关器件与阵列中另一地基上的容器式开关器件连接。所述方法优选地包括在将风力涡轮机竖立之前对所述容器式开关器件和互连缆线进行电测试。
所述方法可进一步包括将风力涡轮机竖立在地基上；提供风力涡轮机以内的开关部件；以及将开关部件与所述地基上的容器式开关器件电连接。风力涡轮机以内的开关部件可以在塔架已竖立在地基上之后安装。替代地，塔架可围绕开关部件建造。作为又一替代例，开关部件可被预安装在塔架一区段以内并且所述方法可包括将包括预安装开关部件的所述区段运输至地基以便与其它塔架区段组装以形成塔架。容器可被预安装在过渡件以内。以该方式预安装开关设备有助于安装，是因为该方式免除对将开关设备提升到地基上的单独离岸提升过程的要求。
风力涡轮机以内的开关部件优选为被配置成保护风力涡轮机电气设备的断路器或等同装置。所述组件优选地连接在风力涡轮机的主变压器与风力涡轮机以外的容器式开关器件之间。出于以上已经描述的原因，开关部件优选地被定位成与主变压器相邻。所述方法可有利地包括将开关部件与主变压器电连接并且在将设备与其它风力涡轮机设备以及容器式开关器件连接之前将已连接的设备作为组合式单元进行测试。这些电测试可在设备被运输至离岸型地基之前方便地在异地执行。所述方法可包括在将塔架区段运输至地基之前将变压器与开关部件一起预安装在塔架区段中。
由于本发明广泛地涉及将开关器件分离的构思，所以本发明还可在不直接参照风力涡轮机的情况下对开关器件方面进行表述。因此，本发明还提供用于定位在风力涡轮机的主变压器与集电电网中另一风力涡轮机之间的开关器件，开关器件包括第一开关装置和第二开关装置，所述第一开关装置用于与主变压器相关联，所述第二开关装置用于与将风力涡轮机同集电电网中另一风力涡轮机连接的一条或多条缆线相关联，其中第一开关装置连接至第二开关装置但被定位成远离第二开关装置。
附图说明
为了使本发明可更易于理解，现在将仅以非限制性示例的方式参照接下来的附图来描述本发明的示例，在所述附图中：
图1为根据本发明第一实施例的离岸型风力涡轮机的示意图；
图2为根据本发明第二实施例的离岸型风力涡轮机的示意图；；
图3为根据本发明的装入容器中的开关器件的示意图；
图4为示出用于风力涡轮机的多个离岸型地基的示意图，其中容器式开关器件被定位在相应的平台上并且在将风力涡轮机竖立在平台上之前被连接；以及
图5示出图4的平台在风力涡轮机已经竖立之后的示意图。
具体实施方式
首先参照图1，根据本发明第一实施例的离岸型风力涡轮机10包括塔架12，所述塔架于其上端16处支撑转子14。转子14包括多个转子叶片18，所述多个转子叶片安装至毂部20。毂部安装至机舱22，所述机舱容置在图1中通过箱24示意性表示的发电机以及其它电气设备。
风力涡轮机10被定位在离岸型地基26上，所述离岸型地基包括平台28，所述平台被支撑在打桩到海床中的多个桩柱30上。过渡件32设置在平台28上，以及塔架12立在过渡件32的顶部上。
充油的主变压器34被定位在塔架12的基座36以内并且经由一组缆线38电连接至机舱22以内的设备24，所述一组缆线在塔架12以内竖直延伸。第一开关装置40(在这种情况下为SF6绝缘的断路器面板)也被定位在塔架12的基座36中且与变压器34相邻，并且经由缆线或母线42连接至变压器34。在实践中，其它电气设备(诸如整流器)以及监测和控制设备也将被定位在塔架12以内，然而为清楚的原因这些设备没有在附图中示出。
第二开关装置44容置在防风雨的容器46中，所述第二开关装置在塔架以外被定位在平台上。第二开关装置44包括一对脱离器开关，所述一对脱离器开关分别与输入电网缆线48和输出电网缆线50相关联。电网缆线48、50如稍后进一步详细描述地将风力涡轮机10连接至集电电网，并且脱离器44允许风力涡轮机10例如在对风力涡轮机10采取维护操作和/或发生故障时与集电电网断开连接。
脱离器44经由电缆线52(本文称作为“风力涡轮机缆线”)连接至风力涡轮机塔架12以内的断路器面板40。在本实施例中容器46远离断路器面板40最多五十米。传统上，包括风力涡轮机开关器件的断路器和脱离器被定位在同一物理位置，并排布置并经由母线连接器连接。正常地，这样的组合式开关器件单元被定位在塔架12以内。根据本发明将开关器件40、44分开代表与现有技术的显著差别并且允许开关器件的一些部分如图1中所示地被定位成远离其它部分，这为定位开关器件40、44提供更大的灵活性。
图2示出本发明的第二实施例，其中容器式开关器件44被定位在地基26的过渡件32内。这为容器46提供在塔架12下方的方便定位，并且至少部分地使得容器46从观看上遮蔽以便从风力涡轮机10的可视外观上较少地减色。过渡件32在本实施例中具有开放的侧部，但是在其它示例中过渡件32可限定大体上封闭或部分封闭的内部，这将进一步使得容器46从观看上遮蔽。将容器定位在过渡件内还为容器46提供针对各种因素的附加保护，并且在维护容器式开关设备44期间为维护人员提供遮蔽。
容器46在本实施例中优选大体为立方体并且具有近似2×2×2m3的尺寸，将认识到的是，该尺寸显著地小于标准ISO运输用容器。容器46设计成以脱离器44与容器壁之间相对小的间隙容纳脱离器44。这确保容器46尽可能紧凑，这在运输方面提供效率并且最小化对风力涡轮机10的任何感知到的负面视觉冲击。如上所讨论的，若有需要，小尺寸的容器46还允许其便利地装配在过渡件32内。
为了有助于维护，紧凑的容器46具有能够移除的侧面板54。可移除的侧面板54提供至脱离器44的维护访问而不必将该维护空间建造在容器46的内部体积中。容器46的其它特征现在将参照图3讨论，该图示出容器46，其中侧面板54被移除。
参照图3，容器46设计成允许电网缆线48、50快速且简易地连接至风力涡轮机10。因此，形式为插头56的末端端子装配至风力涡轮机缆线52的端部并且装配至输入和输出电网缆线48、50的端部。这些插头56简单地插入到脱离器44的相对应插口58中。在图3中示出为打开的舱口60设置在容器46的底座62中以提供到插口58的访问。缆线48、50、52在平台28下方被引导至容器46以避免平台28上的绊倒隐患。
容器46被支撑在腿部64上，所述腿部用于将容器46的底座62抬升到平台28上方从而使舱口60易于访问。腿部64是可从容器46拆卸的以有助于容器46的运输。安装容器式开关器件44是直截了当的，并且仅仅需要打开舱口60并连接缆线48、50、52。在设备44中发生故障的情况下，整个容器46能快速地断开连接并用易于以相同方式重新连接的类似容器更换。故障容器46然后可在异地维修。
如果对容器式开关器件44现场执行维护操作，那么容器46的一个或多个侧面板可被移除以提供至开关器件44的维护访问。如上所提及的，图3示出侧面板被移除的容器46。容器46还包括侧壁68中的卸压片66，如有需要，所述卸压片自动打开以卸除容器46中的过剩压力。
如上所述将开关器件或开关器件的一部分定位在容器46以内允许在定位开关器件方面更大的灵活度，并且易于更换开关器件，而其还能提供在构建风力发电厂方面进一步的优点，所述优点现在将参照图4和图5解释。
参照图4，该图示出了离岸型地基26a、26b、26c的阵列，风力涡轮机将被建造在所述离岸型地基上。在本实施例中示出三个地基，但通常将具有超出本实施例很多的地基以用于典型的离岸型风电场。通常在安装风力涡轮机之前一年或多年构建地基26a、26b、26c。过渡件32也大体上在构建风力涡轮机之前安装。如图4中所示，在安装风力涡轮机之前将容器式开关器件44a、44b、44c布置在地基26a、26b、26c的每一个上。这允许在安装风力涡轮机之前将输入和输出电网缆线48a-c、50a-c进行连接和测试。电网缆线48a-c、50a-c连接至变电站68，所述变电站包括用于在对配电网(未示出)供电之前增加电压的升压变压器70。变电站包括其自身的开关器件72，所述开关器件允许变电站根据需要与集电电网连接或断开连接。应理解的是，容器式开关器件44a、44b、44c提供超出现有技术布置方式(其中整个开关器件被定位在风力涡轮机以内)的优点，是因为其允许在安装风力涡轮机之前对集电电网布线进行安装和测试。
参照图5，该图示出风力涡轮机10a-c被安装在相应的离岸型地基26a-c上以形成集电电网74。风力涡轮机10a-c各自包括塔架12a-c以内的断路器面板40a-c，所述断路器面板以上述关于图1至3讨论的相同方式经由风力涡轮机缆线52a-c连接至容器式开关部件的地基26a-c上的相应容器式开关部件44a-c。
以上述方式将开关器件40、44分开还允许断路器40和变压器34在被运输至风力涡轮机地点之前在异地作为组合式单元被一起测试。
将认识到在不背离本发明由以下权利要求限定的范围的情况下可对上述实施例作出许多改型和变型。例如，尽管以上示例中的容器式开关器件包括一对脱离器开关，然而在其它示例中容器式开关器件可具有仅仅单一的与输入或输出电网缆线相关联的脱离器开关。

Claims (16)

1.一种风力涡轮机(10)，其包括：
塔架(12)；
被支撑在所述塔架的上端处的转子(14)；
发电机；
变压器(34)，其用于在对集电电网供电之前增加发电机的电压输出；以及
设置在变压器(34)与集电电网之间的开关器件，
其特征在于，
开关器件包括第一开关装置(40)和第二开关装置(44)，所述第一开关装置与变压器(34)相关联，所述第二开关装置与将风力涡轮机同集电电网中另一风力涡轮机连接的一条或多条第一缆线(48，50)相关联，
其中第一开关装置(40)连接至第二开关装置(44)但被定位成远离第二开关装置，以使得第一开关装置(40)和第二开关装置(44)被定位在风力涡轮机附近不同物理位置。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，第一开关装置(40)包括断路器面板。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，第二开关装置(44)包括用于将风力涡轮机(10)与集电电网连接和断开连接的至少一个缆线隔离器面板。
4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，第一开关装置(40)和第二开关装置(44)经由第二缆线(52)连接在一起。
5.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，第一开关装置(40)被定位在塔架(12)以内。
6.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，第一开关装置被定位成与变压器(34)相邻。
7.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，第二开关装置(44)被定位在容器(46)以内。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，容器(46)大体上是防风雨的。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，容器(46)被定位在塔架(12)以外。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，容器(46)被定位在平台(28)上。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，平台(28)是地基(26a-c)的一部分，塔架(12)被支撑在所述地基上。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，地基(26a-c)包括结构性的过渡件(32)，塔架(12)被支撑在所述过渡件上，并且容器被定位在过渡件(32)内。
13.根据权利要求7所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述容器(46)包括在其底座中的接入点，所述接入点用于将第一缆线(48，50)连接至所述第二开关装置。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，容器(46)被支撑在一个或多个腿部(64)上以使得容器的底座(62)与支撑表面隔开。
15.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，风力涡轮机(10)被定位成离岸。
16.一种风力发电站，其包括多个如权利要求1-15中任一所述的风力涡轮机。
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