CN104912736B - 用于从离岸风力涡轮机获取电力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于从离岸风力涡轮机获取电力的方法和装置，公开了各种馈线连接布置和架构，以用于从离岸采集电网中的风力涡轮机采集电力，所述离岸采集电网以固定低频率操作，例如是目标公用电网频率的三分之一。本文的实施例详述了各种馈线布置，例如使用并联馈线连接和基于集群的馈线布置，其中的中央变电站包括用于以经升压的电压输出电力的公共升压变压器，以用于低频传输到岸上设备。进一步的方面涉及有利的发电布置，例如基于塔的布置，用于将风能转换成电力，例如使用中速或高速齿轮箱驱动发电机，其具有用于全功率输出范围从大约50Hz至大约150Hz的额定电频率，随后转化为用于离岸采集的固定低频率。

Description

用于从离岸风力涡轮机获取电力的方法和装置

相关申请

本申请根据35U.S.C§119要求以2014年3月14日提交的美国临时专利申请No.61/953,111为优先权，所述申请的内容在此全文引入。

技术领域

本发明总体上涉及离岸风力涡轮机，具体涉及从离岸风力涡轮机获取电力。

背景技术

典型的大规模离岸风力场架构包括多个风力涡轮机，以及发电机和采集网络，以用于采集所产生的电力，并将其传输到岸上，例如，通过高压DC、HVDC、或高压AC、HVAC、传输系统。HVAC或HVDC传输的选择主要取决于从离岸风力场到岸上电网连接点的距离。

使用高压下的低频AC、LFAC传输到岸上电网连接点也已经被考虑过。虽然从离岸风场的LFAC传输需要在岸上电网连接点处具有额外的频率转换设备，但是其使用能够延长离岸风场和岸上电网连接点之间的HVAC连接的经济距离。

在已知的离岸风场的电力低频采集和传输的方法中，低速发电机产生具有标称频率为16.7Hz或20Hz的AC输出。使用一个或多个升压变压器将所产生的电力耦合到LFAC传输系统中。然而，本文已经认识到，该方法具有许多缺点，包括必须使用不合意的大设备。

发明内容

根据本文教导的一个方面，公开了各种馈线连接布置和架构，以用于在操作在固定的低频率(例如目标公用电网频率的三分之一)处的离岸采集电网中采集来自风力涡轮机的电力。本文的实施例详述了各种馈线布置，例如使用并联的馈线连接和基于集群的馈线布置，其中的中央变电站包括用于以经升压的电压输出电力的公共升压变压器，以用于低频传输到岸上设备。其他的方面涉及有利的发电布置，例如基于塔的布置，用于将风能转换成电力，使用例如中速或高速齿轮箱驱动发电机，其具有额定的电频率以用于范围从大约50Hz至大约150Hz的全功率输出，随后转化为固定的低频率。

在示例实施例中，系统被配置为用于在离岸风力涡轮机场中获取电力。该系统包括至少一个第一布置，所述第一布置包括齿轮箱、发电机、和AC到AC转换器。齿轮箱被配置为机械地将风力涡轮机的第一可变转速转换为对应的更高的第二可变转速。该发电机具有额定的电频率以用于范围从约50Hz至约150Hz的全功率输出，并且配置为由齿轮箱的输出以可变第二转速来驱动。发电机从而以对应的可变第一频率发电，并且AC到AC转换器被配置为以固定的低频率将来自发电机的电力转换为从AC到AC转换器输出的电力，用于以固定的低频率在离岸采集。固定的低频率低于公用电网频率，例如，目标岸上公用电网频率的三分之一。

在一些实施例中，第一布置还包括连接在发电机和AC到AC转换器之间的升压变压器。该升压变压器具有对应于发电机额定电频率的额定频率，并且被配置为提高从发电机输出的电力的电压，并且从而以经升压的电压输出电力。相应地，AC到AC转换器被配置为转换从升压变压器输出的经升压的电压的电力。因此，将要理解的是，在一些实施例中，AC到AC转换器操作在从发电机直接输出的可变频率的电力，以及在其它实施例中其作用于从变压器输出的电力，该变压器连接在AC到AC转换器和发电机之间。

在另一个实施例中，一种从离岸风力涡轮机场获得电力的方法包括机械地将风力涡轮机的可变第一转速转换为相应的更高的可变第二转速，并使用发电机以可变第一频率发电，所述发电机具有用于全功率输出范围从约50Hz至约150Hz的额定电频率。发电机以可变第二转速被驱动，并且所述方法还包括将从发电机输出的可变频率的电力转换为固定低频率，以用于以低频进行离岸采集。转换成固定的低频率可以从发电机的输出直接地操作，或者可以操作在由发电机输出所驱动的升压变压器的输出。例如，固定的低频率的范围从大约16Hz至大约20Hz。

在其他的示例实施例中，系统被配置为在包括多个风力涡轮机的离岸风力涡轮机场中获取电力。该系统包括对应于每个风力涡轮机的布置。每个布置包括齿轮箱、发电机、和AC到AC转换器。该齿轮箱被配置为机械地将相应风力涡轮机的可变第一低转速转换为更高的可变第二转速。该发电机具有用于全功率输出的范围从约50Hz至约150Hz的额定电频率，并且基于由齿轮箱以可变第二转速所驱动，以可变第一频率输出电力。相应地，AC到AC转换器被配置为将直接地取自发电机的电力或者通过升压变压器来自发电机的电力转换为低于目标岸上电网的电网频率的固定低频率的输出电力，所述来自发电机的电力。

此外，示例系统包括离岸低频采集电网，其包括一个或多个馈线。每个馈线与所述布置的一个或多个布置相关联，并且被配置为以固定的低频率采集从相关联的布置输出的电力。

当然，本发明不限于上述特征和优点。本领域的普通技术人员通过阅读下面的详细说明书并查看附图，将认识到额外的特征和优点。

附图说明

图1是用于从离岸风力涡轮机场获取电力的系统和布置的一个实施例的模块图。

图2是从离岸风力涡轮机获取电力的方法的一个实施例的逻辑流程图。

图3A-3C是离岸低频采集电网中的馈线网络的可替换实施例的模块图，所述离岸低频采集电网用于从多个风力涡轮机采集电力。

图4是用于从各个离岸风力涡轮机获取电力的布置的另一实施例以及针对离岸低频采集电网的相应实施例的模块图。

具体实施方式

图1示出了多个类似布置10-1、10-2、……、和10-N，所述布置的每一个被配置为获取离岸风场的电力。更具体地，每个布置与给定的风力涡轮机8相关联，并且包括齿轮箱12、发电机14、可选的升压变压器16、以及AC到AC转换器18。除非为了清楚需要后缀，附图标记“10”将被用来以单数形式表示任何给定布置10，并且以复数形式表示任何(多个)给定布置10。

多个布置10连接到低频离岸采集电网20，低频离岸采集电网20包括一个或多个馈线22，在此示为馈线22-1、22-2、……、22-M。该M的值为整数，通常小于N的值，N即布置10的数量，因为每个馈线22通常与多于一个的布置10相关联。然而，广泛意义上，每个馈线22被耦接到多个布置10中的一个或多个布置10，并且从其相关联的布置10采集电流至低频离岸采集电网20。

该图还示出了数个保护装置24，其设置在风力涡轮机8处，以用于将对应的布置10耦接到低频离岸采集电网20。另外的保护装置24被用在中央变电站30内，中央变电站30被包括在低频离岸采集电网20中，以用于将馈线22和低频采集变压器28与母线26相耦接。更详细地，可以看到，来自采集变压器28(也称为“升压变压器28”)的输出耦接到低频高压传输系统32，低频高压传输系统32包括承载从低频离岸采集电网20输出到岸上设备36的电力的一个或多个传输线34。进而，岸上设备36将来自离岸风力的电力转换为用于耦接到岸上电网38的正确频率，其具有或不具有另外的电压调节。

岸上电网38包括例如岸上传输系统，其操作于50Hz或60Hz。在一些实施例中，低频离岸采集电网20被配置为操作在岸上电网38的频率的三分之一，例如对于50Hz公用电网频率来说为约16Hz，对于60Hz公用电网频率来说为约20Hz。

考虑到这些示例的详细说明，接下来，图1可以理解为公开了被配置为用于在离岸风力涡轮机获取电力的系统40。在最低配置中，系统40包括先前所描述的布置10的至少第一个布置。在一些实施例中，第一布置10包括齿轮箱12，齿轮箱12被配置成机械地将风力涡轮机8的可变第一转速转换为更高的可变第二转速。作为非限制性的示例，齿轮箱提供了从约10比1到100比1的输入-输出匝数比。

该第一布置10还包括发电机14，所述发电机具有用于全功率输出范围从约50Hz至约150Hz的额定电频率。例如，发电机14的额定电频率为75Hz，以用于全功率输出。本文期望产生频率比风力涡轮机8的转速高得多的电力，并且要理解的是，这些较高的频率可以通过齿轮箱12中的机械齿轮传动和/或通过配置发电机14中的电磁极数量来获得。然而，从发电机14输出的电力在任何给定时刻下的实际频率将与风力涡轮机8的转速成比例，并随风力涡轮机8的转速变化。

从发电机14输出的电力在此被认为具有可变第一频率，在图中表示为f1。在实际操作的非限制性示例中，第一可变频率范围可以从约20Hz到约150Hz，其取决于实际风速。更详细地，随着风速的变化，所产生的电力的可变第一频率可能从发电机的额定电频率偏离或改变。例如，根据风速的变化，具有50Hz额定电频率以用于全功率输出的发电机14可以在约20Hz和约50Hz之间的范围内以相应的可变频率产生电力。在较低风速时，发电机可以操作在约20Hz，而在较高风速时，其可以操作在约50Hz。

该示例的第一布置10还包括AC到AC转换器18，其被配置为以固定低频率将来自发电机14的电力转换为从AC到AC转换器18输出的电力，所述固定低频率在图中表示为f2，用于以固定低频率进行离岸采集。固定低频率低于目标公用电网频率。在某些情况下，可能有利的是，这种固定低频率的数值选择为公用电网频率的约1/3，在图中其被表示为f3。注意，AC到AC转换器18直接或间接操作于从发电机14输出的电力，直接操作的情况是升压变压器16被省略，间接操作的情况是包括升压变压器16。

在后一种情况中，第一布置10还包括升压变压器16，其设置或连接在发电机14与AC到AC转换器18之间。升压变压器16具有额定频率，其匹配或对应于该第一布置中的发电机14的额定电频率。也就是说，变压器16的额定频率补充了发电机14的额定频率，而且如果变压器16是额定的，例如，用于工作在20Hz或更低，利用所公开布置10的结构获得的通常更高的电频率有利地使该升压变压器16具有比实际中更轻并且更紧凑的构造。

该升压变压器16被配置为提高从发电机14输出的电力的电压，并因此以经升压的电压输出电力。相应地，AC到AC转换器被配置为转换从升压变压器16以经升压的电压输出的电力。也就是说，AC到AC转换器18操作在经升压的电压的电力。然而，该电力仍被认为是来自发电机14，因为它是通过提高发电机14的输出电压而直接获得的。

在这一实施例的示例中，发电机14被配置为输出电压范围为约690V至约13KV的电力，并且升压变压器16被配置为输出电压范围为约13KV至约72KV的电力。在相同或其它实施例中，AC到AC转换器18被配置为以约16Hz至约20Hz的范围内的固定低频率输出电力。参见图1中的圆圈号码注释作为参考。

参考这些圆圈注释号码作为“项目”号码，项目1表示风力涡轮机8的可变第一转速。项目2表示齿轮箱输出的更高的可变第二转速，随着齿轮箱输出从风力涡轮机输入机械地获得。项目3表示从发电机14输出的电力，其具有第一电压和可变第一频率。

继续该项目的参考，项目4表示从升压变压器16输出的电力，其具有相对于发电机电压的经升压的电压。经升压的电压可以被称为第二电压水平，其高于由发电机14提供的第一电压水平。因为升压变压器16被包括在一些实施例中而没有被包括在另一些实施例中，至AC到AC转换器18的输入被标记为项目3或项目4，这表示AC到AC转换器18可以接收第一或第二电压水平的电力。在任一情况下，AC到AC转换器18输出具有固定低频率的电力，其表示为项目5。要理解的是，AC到AC转换器18输出的电力在省略升压变压器16的实施例中可以是发电机的电压，或者在包括升压变压器16的实施例中可以是升压变压器16的经升压的电压。

进一步看到，馈线22操作在从被连接到各个馈线22的AC到AC转换器18输出的任何电压下。由此，项目5的指代物被传播到低频离岸采集电网20中，并被承载穿过低频离岸采集电网20中的母线或多个母线26，以用于输入到变电站升压变压器28中。相应地，升压变压器28将采集电网电压提高至更高的电压，其可以被称为第三电压水平或传输电压，用项目6表示。后者的这一指代物表示，从升压变压器28输出的电压是低频高压传输系统32所使用的电压。

尽管设想了具有仅包括如上所述的第一布置10的系统40，系统40的其它实施例包括多个类似的布置10，包括第一布置10。每个布置10都与离岸风力场中的相应一个风力涡轮机8相关联，每个布置都包括齿轮箱12、发电机14、和AC到AC转换器18。在这种实施例中的“整体”系统40还包括一个或多个馈线22，其包括离岸低频采集电网20。每个这种馈线22被配置为采集从每个布置10的AC到AC转换器18所输出的电力。也就是说，每个馈线22与一个或多个布置10相连，并且被配置为以固定的低频率“采集”从相关联的布置10所输出的电力。

离岸低频采集电网20包括变电站30，所述变电站30具有公共升压变压器28，其被配置为提高一个或多个馈线22所采集的电力。此外，正如前面指出的那样，离岸低频采集电网被配置为以经升压的电压输出电力，以用于通过低频高压传输系统32传输到岸上电网38。在一些实施例中，每个馈线22被配置为用于并联采集多个布置10中耦接到馈线的那些布置10所输出的电力。

图2示出了从离岸风力涡轮机场获取电力的相关方法200。该方法200包括机械地将风力涡轮机8的可变第一转速转换(模块202)为相应的更高的可变第二转速，并基于以可变第二转速驱动发电机14以可变第一频率发电(模块204)。该发电机14具有用于全功率输出范围从约50Hz至约150Hz的额定的电频率。因此，虽然从发电机14输出的电力的标称频率可以作为其额定频率，实际电力将具有风速的函数的可变第一频率。

因此，方法200包括将从发电机14输出的电力转换(模块208)为固定的低频率，用于以低频进行离岸采集。固定的低频率低于岸上电网38的电网频率。

一些实施例包括另外的步骤或操作，即在模块208中的转换操作之前，提高(模块206)从发电机14输出的电力的电压。例如，每个布置10包括连接在同一布置10的发电机14与AC到AC转换器18之间的升压变压器16。当被包括在其中时，升压变压器16具有匹配或以其它方式对应于发电机14的额定电频率的额定电频率。

在一些实施例中，该方法200包括另外的步骤或操作，即经由低频离岸采集电网20，采集(模块210)从模块208中所使用的AC到AC转换器所输出的电力，以固定的低频率获取电力，以及采集从任何类似转换器18所产生的电力，所述任何类似转换器18与离岸风力场中的其它风力涡轮机8相关联，以及提高(模块212)从低频离岸采集电网20输出的电力的电压，以用于经由低频高压传输系统32传输到岸上设备36。不管岸上设备36提供了任何频率和/或电压，都需要关于岸上电网38进行调节。

暂时回到图1，风力涡轮机8可以被分组并且被连接到低频离岸采集电网20的不同馈线22。在实施例中，每个布置10包括在发电机14与AC到AC转换器18之间的升压变压器16，与每个这种布置10相关联的风力涡轮机8的输出被设为“匹配”采集电网20的期望电压和频率。换句话说，操作在变化的风速下的每个发电机14的可变频率和可变电压输出被转换为低频离岸采集电网20的额定频率和额定电压—例如，额定频率为20Hz并且额定电压为33KV。而且，有利地，这种布置10允许多个风力涡轮机8并联连接到给定的馈线22。操作在比如33KV的馈线22可以经济地传输30-50MW的电力功率。在预期的实例中，多至十个风力涡轮机8与给定的馈线22相关联，每个涡轮机具有额定容量5MW，附加的馈线22从其他的多个风力涡轮机8获取电力。电力在每个这种馈线22上是并联“采集”的，并聚集在变电站30处。

作为其它预期架构的非限制性示例，图3A-3C示出了各种基于集群的采集架构，其在各种不同的实施例中是由低频离岸采集电网20实现的。为了了解这些结构，考虑系统40，其中多个布置10中的发电机14被配置为输出电压范围为比如6.6KV至13.8KV的电力。当然，也可以设置更高的输出电压。在这样的电压下，将每个发电机14的输出耦接到同一布置10中的AC到AC转换器18，而不使用中间的升压变压器16是经济的。

在这样的情况下，图3A-3C的基于集群的采集架构是特别令人感兴趣的。例如，图3A示出了示例集群，包括八个布置10—每个布置与风力涡轮机8相连—这些装置被直接连接到一个集群平台变电站30。在低频离岸采集电网20中可能有多个这样的集群。

图3B示出了类似的集群，但其中集群中包括了九个布置10，由于包括风力涡轮机8以及直接在用于支撑变电站30的相同平台上的相应的布置10。图3C提供了另一种变型，其中十五个风力涡轮机8(未明确示出)具有它们各自的布置10，其直接或通过短馈线连接到一个集群平台变电站30。

风力涡轮机的集群采集可能更适合于中型大小的风场。采集的风能被聚集在集群平台变电站。升压变压器(例如，作为集群的公共升压变压器的升压变压器28)被用于将低频离岸采集电网20的电压升高到更高的传输电压，以用于传输到岸上设备36。

图4示出了集群架构的另一变型，其中每个布置10省略了AC到AC转换器18，取而代之，到固定低频率的AC到AC转换是由位于中央的一个或多个AC到AC转换器50来处理的，优选位于用于支撑变电站30的相同平台上。注意，在基于集群的架构中，对应于故障风力涡轮机8或故障布置10的保护装置24，可以被用于从受影响的布置10断开连接。

值得注意的是，所公开的(一个或多个)发明的修改和其它实施例对于本领域技术人员来说是可以想到的，其具有前述说明和相关附图中所呈现教导的优点。因此，需要理解的是，本发明不局限于所公开的特定实施例，修改和其它实施例旨在包括于本发明的范围内。尽管本文中可以使用特定的术语，但是这些术语仅用在一般和描述性的意义上，而不是为了限制的目的。

Claims (13)

1.一种系统，被配置用于在离岸风力涡轮机场中获取电力，并且包括第一布置，所述第一布置包括：

齿轮箱，所述齿轮箱被配置为机械地将风力涡轮机的可变第一转速转换为更高的可变第二转速；

发电机，所述发电机具有额定电频率以用于范围从50Hz至150Hz的全功率输出，并且被配置为由所述齿轮箱的输出在所述可变第二转速处驱动，并且从而产生对应的可变第一频率的电力；

AC到AC转换器，所述AC到AC转换器被配置为以固定低频率将来自所述发电机的电力转换为从所述AC到AC转换器输出的电力，以用于以所述固定低频率离岸采集，其中所述固定低频率低于公用电网频率；以及

升压变压器，所述升压变压器具有对应于所述发电机的所述额定电频率的额定电频率，其中所述升压变压器连接在所述发电机和所述AC到AC转换器之间，其中所述升压变压器被配置为升高从所述发电机输出的电力的电压，并且从而以经升压的电压输出电力，并且其中所述AC到AC转换器被配置为转换从所述升压变压器输出的经升压的电压的电力。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述发电机被配置为输出电压范围为690V至13KV的电力，而且其中所述升压变压器被配置为输出电压范围为13KV至72KV的电力。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述AC到AC转换器被配置为以频率范围为16Hz至20Hz的固定低频率输出电力。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括：

多个如所述第一布置的布置；以及

一个或多个馈线，所述一个或多个馈线包括离岸低频采集电网；

其中每个馈线被配置为采集从耦接到所述馈线的每个布置的所述AC到AC转换器输出的电力。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述离岸低频采集电网包括变电站，所述变电站具有公共升压变压器，所述公共升压变压器被配置为升高由所述馈线中的一个或多个馈线所采集的电力，并且相应地以经升压的电压输出电力，以用于通过低频高压传输系统传输到岸上电网。

6.根据权利要求4所述的系统，其中每个馈线被配置为并行采集由多个布置中耦接到所述馈线的那些布置所输出的电力。

7.一种从离岸风力涡轮机场获得电力的方法包括：

机械地将风力涡轮机的可变第一转速转换为相应的更高的可变第二转速；

通过发电机以可变第一频率发电，所述发电机具有用于全功率输出的范围从50Hz至150Hz的额定电频率，并且以所述可变第二转速被驱动；

将从所述发电机输出的电力转换为固定低频率的电力，以用于以所述固定低频率在离岸采集，其中所述固定低频率低于公用电网频率；以及

通过变压器以所述可变第一频率升高从所述发电机输出的电力的电压，所述变压器具有对应于所述发电机的所述额定电频率的额定电频率，以获取经升压的电压和所述可变第一频率的电力，并且其中将从所述发电机输出的电力转换为所述固定低频率的电力的步骤包括将在所述经升压的电压和所述可变第一频率的电力转换为所述固定低频率的电力。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括从多个风力涡轮机以所述固定低频率获取电力，并且通过操作为离岸低频率采集电网的一个或多个馈线来从所述多个风力涡轮机以所述固定低频率采集这一电力。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括升高通过所述一个或多个馈线采集的电力的电压，以输出在经升压的电压和所述固定低频率的电力，以用于通过低频高压传输系统传输到岸上电网。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括，对于所述一个或多个馈线中的每个馈线，针对每个与所述馈线相关联的风力涡轮机使用并联电连接。

11.一种系统，被配置为用于在包括多个风力涡轮机的离岸风力涡轮机场中获取电力，其中所述系统包括：

布置，所述布置对应于每个风力涡轮机，每个布置包括：

齿轮箱，所述齿轮箱被配置为机械地将所述风力涡轮机的可变第一转速转换为相应的更高的可变第二转速；

发电机，所述发电机具有额定电频率以用于范围从50Hz至150Hz的全功率输出，并且被配置为由所述齿轮箱以所述可变第二转速驱动，并且从而以可变第一频率输出电力；以及

AC到AC转换器，所述AC到AC转换器被配置为以固定低频率将来自所述发电机的电力转换为从所述AC到AC转换器输出的电力，所述固定低频率低于公用电网频率；

连接在所述发电机和所述AC到AC转换器之间的升压变压器，并且其中所述升压变压器具有对应于同一布置中的所述发电机的所述额定电频率的额定电频率，并且被配置为升高从所述发电机输出的电力的电压，并且从而以经升压的电压和所述可变第一频率输出电力，并且其中以所述固定低频率从所述AC到AC转换器输出的电力是从所述升压变压器输出的电力获取的；以及

离岸低频采集电网，所述离岸低频采集电网包括一个或多个馈线，每个馈线与所述布置的一个或多个布置相关联，并且被配置为采集以所述固定低频率从相关联的所述布置输出的电力。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述离岸低频采集电网包括升压变压器，所述升压变压器被配置为升高由所述一个或多个馈线采集的电力，并且从而输出经升压的电压和所述固定低频率的电力，以用于通过低频高压传输系统传输到岸上设备。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述离岸低频采集电网包括变电站，所述变电站具有公共升压变压器，所述公共升压变压器被配置为升高由所述馈线的一个或多个馈线所采集的电力，并且相应地以经升压的电压输出电力，以用于通过低频高压传输系统传输到岸上电网。