CN105556780A - 具有扩展的电压范围的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括一个风力转子(12)、被其驱动而用于产生电能的一个发电机(14)、以及用于任选地经由一个系统变压器(2)来馈送该电能的一条连接线。该风力涡轮机配备有一个电压扩展器(3)，该电压扩展器借助于一个辅助电压源将该风力涡轮机的电压范围扩展。该电压扩展器(3)包括其本身的一个小型变压器(30)并且包括一个切换机构(33)，该小型变压器具有一个初级绕组和一个次级绕组(31，32)。该小型变压器(30)以该次级绕组(32)在该连接线(17)中成圈，并且该切换机构(33)连接至该小型变压器(30)的初级绕组(31)上，从而以可切换的多级方式来致动该初级绕组(31)。因此，实现了该风力涡轮机的电压范围的多级扩展，其中归因于该小型变压器在该连接线中的纵向安排，该小型变压器仅需要具有该风力涡轮机的一部分额定功率。

Description

具有扩展的电压范围的风力涡轮机

本发明涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括一个风力转子、被其驱动而用于产生电能的一个发电机以及用于输出该电能的一条连接线。

随着这些风力涡轮机变得越来越普遍并且同时其性能逐渐提高，优选地在存在良好风力条件的位置、尤其在海岸线上、在海边或在山区建立风力发电场。在许多情况下，有些区域的基础设施不足，这具体适用于海边的风力发电场(所谓的海上风力发电场)，在海边一般根本没有基础设施。这要求到耗能装置或到高容量的分布网络具有比较长的线路。因此，在具有相对高功率供给的风力发电场的情况下通常存在电压偏差。电网运营商对此作出响应并且在日益增大的程度上要求来自风力涡轮机的相对于与额定电压的偏差更大的电压强度，其中在以cosphi＝1的功率因素运行的情况下也提供这个电压强度。

为了扩大风力涡轮机的电压范围，已知的是向所述风力涡轮机提供分接头切换变压器。在这种情况下，该变压器的变压系数可以通过一个开关来改变，这样使得该风力涡轮机可以用此方式与上游电网的不同电压相匹配。因此，虽然可以覆盖比较大的电压范围，但是这些有载分接开关的切换时间比较长(高达几分钟)，这被认为太慢。另外，这些有载分接开关易受磨损。为了避免这个问题，原则上可以提供一种基于半导体元件的解决方案。但是，这具有以下缺点：半导体元件的大小需要格外大并且因此需要精心设计，因为总功率是经由所述半导体元件来传输的。对兆瓦范围内的现代强大风力涡轮机而言，这实际上是几乎不可能的。

基于上述的具有有载分接开关的现有技术，本发明基于的目的是扩展风力涡轮机的电压范围，其中旨在以低复杂性来实现更快的切换时间。

根据本发明的解决方案在于独立权利要求的特征。有利的发展是从属权利要求的主题。

在以下这种风力涡轮机中：该风力涡轮机包括一个风力转子、被其驱动而用于产生电能的一个发电机、以及用于准确而言可能经由涡轮机变压器来输出该电能的一条连接线，提供了根据本发明的、用于借助于一个额外电压源将该风力涡轮机的电压范围扩展的一种电压扩展器，其中该电压扩展器包括一个专用的小型变压器以及一个切换机构，该小型变压器具有初级绕组和次级绕组，并且其中该小型变压器以该次级绕组在该连接线中成圈，并且该切换机构连接至该小型变压器的初级绕组上并且以多分接头的方式致动所述初级绕组使之具有转接能力。

本发明是基于引起电压范围的扩展这个概念，其中该风力涡轮机可以通过由额外的小型变压器与一个切换机构组成的电压扩展器进行操作。借助于该切换机构，该小型变压器在这种情况下是以多分接头方式连接的，其中取决于这种分接头转换，实现了或多或少大的或方向性不同的电压变动。由于根据本发明的小型变压器在该风力涡轮机与电网之间在连接线中成圈，以此方式它可以通过感应出与该风力涡轮机输出的电压具有相同数学符号的额外电压来增大该风力涡轮机的电压，或者它可以通过感应出与该风力涡轮机具有相反数学符号的电压来减小该风力涡轮机的电压。

本发明的尤其强调的是，由于其纵向安排在该连接线中，其功率大小可以明显小于该风力涡轮机的功率的一个变压器就是足够的。该变压器因此被称为“小型变压器”。这种小型变压器的额定大小仅取决于该电压扩展器的希望电压阶跃。例如，如果相对于额定值扩展10％就够了，则该小型变压器同样只需要量级为该风力涡轮机的额定功率的约10％的功率。因此通过根据本发明的安排，不仅产生了多分接头的并且因此匹配的风力涡轮机电压范围扩展，并且这还是以异常容易的方式成功的、即通过使用以下这种电压扩展器，该电压扩展器的小型变压器仅需要具有该风力涡轮机的额定功率的一部分。因此，该风力涡轮机的电压范围的显著扩展可以以非常小的额外复杂性实现。

以下将解释一些术语：

小型变压器被理解为是指具有内部电源的额外变压器，该额外变压器一方面在风力涡轮机与其涡轮机变压器之间的连接线中并且另一方面在该风力涡轮机的电网连接点中成圈。

该电网连接点可以是该风力涡轮机与发电场内部电网的连接点或者是到高级能量输电电网的传递点。

多分接头应理解为是指单极和双极分接头转换两者。这意味着多分接头可以包括在1，2，3，...意义上的分接头转换以及在-1，0，+1意义上的分接头转换。

如果多分接头的致动是以不同的极化发生，则这是尤其优选的。这提供了以下可能性：不仅借助于该电压扩展器将该风力涡轮机的电压范围向上扩展到相对高的电压而且也向下扩展到相对低的电压。适宜地，还提供了零分接头。

为了实现对该电压扩展器的相对大的调整范围，优选地在该连接线中串联安排多个小型变压器。因此，对应于小型变压器的数量，可以提供相应大数量的分接头，其结果是一方面，借助于该电压扩展器的电压范围匹配可以在相对大的范围上进行并且另一个方面更精细的分级并且因此与相应条件的匹配也是可能的。在这种情况下，这些小型变压器可以各自相同地配置，其结果是它们各自产生相同的额外电压。于是，需要仅一种类型的小型变压器和可能的切换机构，这简化了储存和生产。为了可以随意切换所述这些小型变压器，优选地对这些小型变压器各自提供一个专用的切换机构。特别有利的是，这些切换机构是以一种方式实施成使得它们具有功率触点和/或晶闸管来作为切换元件。因此可以实现稳健的切换，与此同时这也是快速的、优选地在最多0.1s的切换时间范围内。然而，不应该排除以下可能性：将这些小型变压器配置成具有不同的大小，使得它们产生不同水平的电压。在这种情况下，通过一种组合可以覆盖甚至更大的电压范围；例如在以1:2:4安排了三个小型变压器的情况下，可以对该电压扩展器提供八个不同的电压阶跃(0至7)。

根据本发明的小型变压器的特征在于，它的大小仅被确定成用于比该风力涡轮机的额定功率小得多的功率。出于已经提及的原因，这完全足以使得该电压扩展器能够实现风力涡轮机的电压范围的对应扩展。因此避免了由于过大的尺寸而造成的关于安装空间的高成本或不必要的要求。优选地，该小型变压器具有的功率最多为该风力涡轮机的额定功率的1/4。通过这样的用于根据本发明的小型变压器的小型设计，不仅获得了明显的成本节约，而且因此将对安装空间和该小型变压器的冷却的要求最小化。根据本发明的电压扩展器因此以最小的额外复杂性(准确地说在安装空间方面的成本和需求两方面)得以胜任。因此，根据本发明的电压扩展器还特别适合用于改造现有风力涡轮机或风力发电场，并且这在已经存在的众多风力发电场情况下是很重要的。在本发明中，已经证明取决于该电压扩展器将提供的额外电压来设计小型变压器的功率是成功的。优选地，该小型变压器的功率的大小是与该额外电压成比例的，其中该额外电压是基于额定电压。因此，例如为了实现量级是额定电压的十分之一的额外电压，适宜地将该小型变压器的功率设计成最多是该风力涡轮机的额定功率的十分之一。这意味着，对具有3MW的额定功率的风力涡轮机，仅需要一个被设计用于不多于0.3MW的功率的变压器。

适宜地，该电压扩展器的设计方式为使得它及其小型变压器是经由切换触点而与该连接线可断开的。因此，能够实现以下这种情形：在正常操作过程中当在位于额定电压周围区域内的电压下不需要该电压扩展器时，该电压扩展器停用并且因此减少了损失、尤其是由于该小型变压器造成的输电损失。虽然这些损失在任何情况下由于根据本发明的小型变压器的已经很小的尺寸而是低的，但是避免这些低损失也意味着该风力涡轮机的效率的提高。

为了在根据本发明的电压扩展器的小型变压器的多分接头致动的情况下避免小型变压器在转接过程中变为无负载(不论这是否只是瞬时的)的情况，优选地提供了一个单独的负载分接头。这确保了，甚至在转接过程中负载也始终连接至该小型变压器上。因此，消除了在转接过程中的不允许的高压峰值的风险。

该电压扩展器适宜地以一种方式配置成使得该小型变压器以一种方式安装成与该涡轮机变压器相结合。优选地，在这种情况下，该小型变压器仍处于专用(可能是可替换的)部件的形式，其电连接是在该涡轮机变压器中成圈的。尤其优选的设计是：由该小型变压器形成的额外电压源连接至涡轮机变压器的高压侧。优选地，这在中压水平下准确而言发生的方式为使得该小型变压器连接在该涡轮机变压器的中压绕组内。作为替代方案，还可以提供的是使得该小型变压器在中压侧上连接至该涡轮机变压器的中性点。这两个实施例都提供了以下优点：该小型变压器是与中压侧相组合。这不仅节省了安装空间、还意味着在没有任何进一步结构措施的情况下对该小型变压器提供了有效的短路保护，因为短路保护已经被该涡轮机变压器的中压绕组完成。

小型变压器的一个优选实施例是高漏电抗变压器，该变压器具有的短路电压uk为至少0.10、优选地至少0.15。在这种情况下，如果该小型变压器的初级绕组缠绕在次级绕组上则是有利的。已经证明向该高漏电抗变压器提供多个扁平线圈是特别成功的，这些扁平线圈优选地安排在具体该涡轮机变压器的一个变压器内芯的远枝上、和/或是处于该变压器内芯中的多个腹板的形式。优选地，将带有硬饱和特征的磁性钢片用于该内芯。另外，这些内芯适宜地以一种方式安排成使得它们不形成空气-内芯变压器。因此避免了不希望的磁性联接。

适宜地提供的是使得该电压扩展器的切换机构取决于电压和/或无功功率地致动。已经证明如果该切换机构是取决于这两个参数致动的则是特别成功的。优选地，为此目的提供了用于电压和/或无功功率的一个调节器，该调节器作为一个控制变量检测该连接线中的电压和/或无功功率。有利的是，这个检测在相对于根据本发明的电压扩展器而言远离该风力涡轮机的那侧上(即，电网侧上)进行。因此，在所希望的扩展的电压范围的设定方面实现了高度准确性。为了避免根据本发明的电压扩展器的切换机构与现有的电压调节装置(尤其该风力涡轮机或者风力发电场的)之间的不希望相互影响，适宜地提供的是使得该电压扩展器的切换机构的一个切换状态适用于这样的现有调节、精确地尤其是干扰变量前馈控制。这意味着已经在该切换机构致动的情况下该调节器已经被预设到如此改变的电压水平并且因此不再需要调整。因此借助于根据本发明的电压扩展器消除了已经存在的调节器与该电压范围扩展相悖地运行的风险。

另外，本发明扩展到一种风力发电场，该风力发电场包括连接至一个发电场电网上的多个风力涡轮机，该发电场电网进而经由联接线连接至一个输电电网，其中根据本发明，提供了一个中央电压扩展器，该中央电压扩展器借助于一个额外电压源和一个切换机构确保了该风力发电场的电压范围整体的扩展。适宜地，为此目的提供了用于电压和/或无功功率的发电场调节器，该发电场调节作为一个控制变量检测该连接线中的电压和/或无功功率并且借助于该中央电压扩展器调整所述电压或无功功率。优选地，这个检测优选地是在该电压扩展器的、远离该发电场的那一侧，即朝向该输电电网的那一侧上进行的。为了更详细的描述并且为了有利的发展的配置，参考了以上相应适用的描述。

优选地，该中央电压扩展器的切换机构的一个切换状态是适用于该发电场调节器的干扰变量前馈控制的。因此，实现了顺利的切换行为，其结果是该风力发电场的现有电压调节与根据本发明的中央电压扩展器协调地相互作用。

优选地，该风力发电场具有一个或多个如以上所描述的带有电压扩展器的风力涡轮机。因此，进一步优化了电压范围和调整范围。

将参照附图在下文中更相详细地说明本发明并且在本发明的多个有利的示例性实施例中展示本发明。在附图中：

图1：示出了根据本发明的风力涡轮机的一个示例性实施例；

图2：示出了图1中所展示的、具有电压扩展器的风力涡轮机的电路图；

图3：示出了电压扩展器的切换机构的详细展示；

图4：示出了根据本发明的第二示例性实施例的、具有一个双分接头电压扩展器的电路；

图5：示出了涡轮机变压器的一个示例性实施例，该涡轮机变压器包括该电压扩展器的组合设计的小型变压器；

图6：示出了该涡轮机变压器带有另一中压水平的小型变压器安排的另外一个示例性实施例；

图7：示出了该涡轮机变压器的带有低压水平上的小型变压器安排的另外一个示例性实施例；

图8：示出了该涡轮机变压器的带有另一低压水平上的小型变压器安排的另外一个示例性实施例；

图9：示出了一个图解，示出了包括多个根据本发明的风力涡轮机的一个风力发电场中的调节结构；

图10：示出了与如图9所示的设备的控制相关的细节；

图11：示出了通过使用根据本发明的电压调制器来操作该风力涡轮机的特征曲线图；并且

图12：示出了高漏电抗变压器的细节展示。

图1所展示并且整体由参考数字1表示的风力涡轮机包括被安排在塔架10上、在塔架10的上端处在方位角方向上可枢转的的一个机舱11。机舱11具有一个可旋转地安装的风力转子12，该风力转子在所述机舱的端侧之一上具有多个转子叶片13。所述风力转子经由一个轴(未示出)来驱动一个发电机14，该发电机包括用于产生电能的一个变换器15，该电能经由线17通过该风力涡轮机的涡轮机变压器2向发电场内部电网9输出。风力涡轮机1的操作是由安排在机舱11中的一个控制系统8来监测的。所述控制系统经由通信线路(未示出)连接至发电场主机7和/或连接至高级控制装置(未示出)上、具体连接至该电网运营商。

风力涡轮机1输出低压水平(典型地在600至1000V的范围内)的电能。然而为了输电并且这也已经适用于发电场内部电网9上输电，总体上需要相对高的电压，即处于中压范围内的电压，例如20kV。

为此目的，涡轮机变压器2被提供在风里涡轮机1之上或之中。发电场内部电网9上的电压可能波动，并且风力涡轮机1必须相应地经由其变压器2跟从该电压波动。此外，该风力涡轮机需要提供所要求的无功功率，无论这是感应性或电容性的无功功率。原则上，已知的风力涡轮机1可以提供这点、但是不总是在整个需要的电压范围上。为了扩展可用于风力涡轮机1的电压范围，根据本发明的电压扩展器3在将风力涡轮机1连接至电网9上的连接线17中成圈。在图1所示的示例性实施例中，所示电压扩展器被定位在变压器2的中压侧上、即在变压器2与电网9之间。然而，它还可以安排在变压器2的低压侧上、即在风力涡轮机1与变压器2之间。扩展器3的电压范围用于扩展风力涡轮机1在电网9上的电压范围的目的，以便因此在风力涡轮机承受电压波动的能力方面还满足电网运营商的更严格要求、同时提供无功功率。

电压扩展器3包括一个小型变压器30和一个切换机构33，该小型变压器具有初级绕组31和次级绕组32。在图1和图2所示的示例性实施例中，次级绕组32在风力涡轮机1与电网9之间的连接线17中、准确而言在电网侧上(即在中压水平上)成圈，如以上已经提及。初级绕组31连接至切换机构33上，并且电能被该切换机构供应至所述初级绕组，该电能经由连接件34被供应至切换机构33。到连接件34的功率供应进而可以是从电网9、从风力涡轮机1自身或者从任何其他所希望的来源发生的，其中这个来源接着需要在其频率和相位角方面与电网上的电压相匹配。

以下将参照附图3所示的示例性实施例来更详细地说明该切换机构的设计和操作模式。所述图中示出了切换机构33，该切换机构使用三个分接头即切换分接头MINUS、ZERO和PLUS进行切换。在切换分接头PLUS处，用于小型变压器3的额外电压与电压扩展器3连接，使得风力涡轮机1的总电压增大。相反，在MINUS位置中，风力涡轮机1输出的电压被减小了相应的幅度。在ZERO设置中，没有变化。由小型变压器30额外施加的电压U₂的幅度是由初级线圈31与次级线圈32之间的变压系数确定的。由切换机构33向初级线圈31施加电压U₁，该切换机构进而从供应变压器4中引出其电能，该供应变压器连接至其供应连接件34上，其中电压U₃进而被风力涡轮机1自身经由供应线路17馈送至所述供应变压器4(为清晰起见，图3中未示出该馈送)。

为了在这三个不同的分接头MINUS、ZERO和PLUS处致动初级绕组31，提供了多对开关35、36和35’、36’以及37。对分接头PLUS而言，开关对35、36开启，而开关对35’、36’和开关37断开。在这种情况下，被施加到供应连接件34的电压U₃是从切换机构33以相同极性输出至初级绕组31的。取决于初级绕组31与次级绕组32之间的变压系数，小型变压器30相应地将额外电压U₂馈送至连接线17。在分接头MINUS处，开关对35’、36’闭合，而开关对35、36和开关37断开。在这种情况下，未改变地施加到供应连接件34的供应电压U₃以相反极性(-U₁)被输出至初级绕组31。相应地，该小型变压器在所述小型变压器的次级绕组32处将电压-U₂馈送至连接线17中。在ZERO位置中，开关37闭合，而开关对35、36和35’、36’断开。初级绕组31因此经由开关37而短路。这意味着切换机构33不向初级绕组31施加任何电压。相应地，小型变压器30也不向供应线路17额外地馈送任何电压。因此，取决于这些开关在切换机构33和小型变压器30中的位置，正电压+U₂、负电压-U₂或甚至没有电压(U＝0)额外地从小型变压器30被馈送至风力涡轮机的连接线17。相应地，取决于开关位置，电压范围可以扩大、减小或保持恒定。

为了确保甚至在这些分接头的转接过程中初级绕组31始终带有负载，负载分接头5被致动。负载分接头5包括一个致动开关50和一个负载电阻器51。在这些分接头的转接过程中，在开关对35、36和35’、36’或开关37被致动之前，将致动开关50闭合并且因此电阻器51作为负载被连接至初级绕组31上。开关对35、36和35’、36’或开关37接着可以被致动，而初级绕组31没有变成无负载的或者其电路没有被中断。一旦已经到达切换机构33的新切换状态，致动开关50再次断开并且因此负载电阻器51脱离联接。

图4示出了另外一个示例性实施例，该实施例基本上与图3所展示的实施例的不同之处在于，小型变压器30’配备有第二对初级线圈31’和次级线圈32’。切换机构33’是相应地类似修改的。因此，由电压扩展器3增加的额外电压可以在5个阶跃中改变。这使得能够获得相对粗或相对细的调整。

在之前展示的这些示例性实施例中，该电压扩展器的小型变压器30、30’处于单独元件的形式。然而，这不是必要的。可能适宜的是将小型变压器整合在风力涡轮机1的涡轮机变压器2中。图5中通过使用三相图展示了这方面的第一示例性实施例。变压器2具有切换组Dyn5。这些初级绕组21(风力涡轮机1连接至其上)被安排在该图解的左半部分。这些次级绕组被安排在中心或右半部分中，其中这些次级绕组以两个部分、即22、22’这两个部分形成。在各相中，该电压扩展器的小型变压器30’的两个次级线圈32、32’被安排在次级绕组的这两个部分22、22’之间的区域中。这不仅产生了更紧凑的设计，还同时实现了小型变压器的更高水平的内在安全性。这是因为在外部故障的情况下，短路电流被在两侧上存在的次级绕组22、22’的阻抗所限制。

图6中通过使用处于切换组YNd7yn0的变压器展示了另外一个替代的示例性实施例。该变压器具有针对每个相的、在左半部分所展示的低压侧上的一个初级绕组21。在中心的右边上展示的中压侧上，该变压器同样具有针对每个相的一个次级绕组22，这些次级绕组经由中性点24相组合。在每个相位中，小型变压器30’的两个次级线圈32、32’被安排在次级线圈22与中性点24之间。另外，该变压器具有一个补偿绕组25。以与图5中所展示的示例性实施例相同的方式，在这个实施例中，实现了小型变压器30’的次级绕组22、22’在涡轮机变压器2中的整合。同样提供了归因于涡轮机变压器2的阻抗而对该小型变压器的短路保护。

图7再次使用具有切换组Dyn5的变压器的实例示出了替代性的电路概念。在这种情况下，小型变压器30’连接在低压侧上(在该图的左半部分上展示)。该变压器具有在低压侧上的初级绕组21以及在中压侧上的次级绕组22。在各相中，小型变压器30’的两个次级线圈32、32’被安排在初级绕组21与向所述初级绕组供电的风力涡轮机1之间。包括针对每个相具有初级绕组和次级绕组的二绕组变压器的这个示例性实施例可以被扩展从而给出一种三绕组变压器，该三绕组变压器针对每个相都具有两个初级绕组和一个次级绕组。图8中展示了包括变压器的一个示例性实施例，该变压器具有切换组Dyn5yn5。在这种情况下，提供了两组初级绕组21、23，例如这两组初级绕组处于660V和950V的不同电压水平下。这使得能够运行风力涡轮机1的发电机14的定子，该定子以比发电机14的转子更高的电压水平来传输大部分的功率，该转子仅传输相对小比例的功率的。由于对初级绕组21和额外的初级绕组23两者提供了小型变压器30’的一组专用第二线圈32、32’和34、34’，在这个实施例中因此也可以实现根据本发明的电压范围的扩展。

图9中一方面展示了电压扩展器3的相互作用并且另一方面展示了包括多个风力涡轮机1的一个风力发电场中的电压调节。该图的左手边示出了风力涡轮机1，该风力涡轮机经由其涡轮机变压器2通过被安排在其上的电压扩展器3将电能输出到发电场内部电网9上，另外的多个风力涡轮机(图9中未示出)连接至该发电场内部电网上。发电场内部电网9另外连接至一个高压变压器2*上以便将电功率传输至广域输电电网99。同样对高压变压器2*提供了电压扩展器3*。

可以对这些风力涡轮机各自提供电压调节，该电压调节是该风力涡轮机的控制系统8的一部分。这个电压调节包括该电压实际值的输入80以及相应设定点值的输入81。这些实际值是借助于针对电压和电流的传感器83来检测的。在所展示的示例性实施例中，这些传感器是安排在涡轮机变压器2的低压侧上的。但是作为替代方案，还可以提供的是使得所述传感器安排在涡轮机变压器2的中压侧上来作为传感器83’。

另外，该风力发电场在所述风力发电场的发电场主机7中具有对整个风力发电场的电压调节。此电压调节同样具有两个输入：用于实际值的一个输入70以及用于设定点值的一个输入71。该风力发电场中电压和电压的实际值是借助于针对电压和电流的传感器73检测的，这些传感器被安排在高压变压器2*的中压侧上。作为替代方案，还可以提供的是替代地使得多个传感器73’安排在高压变流器2*的高压侧上。

在输电电网99或发电场内部电网9上的电压波动的事件中，就在变压器2、2*的相应另一侧上产生了对应的波动。由于在涡轮机变压器2上安排了电压扩展器3并且还在高压变压器2*上安排了另外一个中央电压扩展器3*，变压器2、2*的相应初级侧上的电压另外也在连接至涡轮机变压器2上的电压扩展器3或连接至发电场变压器2*上的中央电压扩展器3*被致动时发生改变。这是因为在这种情况下，由所述电压扩展器额外施加的电压逐步改变。这导致在传感器73、83被安排在该初级侧上的情况下发生突然的变化。这些变化将通过电压调节7、8被识别并且将尝试校正所述变化。然而，这是不希望的，因为电压的连接是借助于电压扩展器3、3*而进行的以便扩展该电压范围。这将不被由风力涡轮机或风力发电场的整合的电压调节7所形成的相应对策所抵消。

为了避免这种情况，适宜地实施了前馈控制、准确而言是呈干扰变量补偿单元6的形式。用于实际值和用于设定点值的信号被施加至干扰变量补偿单元6并且施加至电压调节8、施加至相应输入60、61。由这些信号，借助于干扰变量补偿单元6来确定一个校正值，所述校正值被应用到调节器8的干扰变量补偿86的输入。干扰变量补偿单元6优选地具有一个微分元件62，该微分元件确定输入端60处的实际电压与输入端61处的设定点电压之间的电压偏差。所得的差分电压值ΔU被施加于一个特征元件63，根据电压偏差该特征元件确定根据所提供的风力涡轮机操作范围18而要设定的无功电流的值。这个值由特征模块63输出并且被施加于风力涡轮机1的电压调节器8的干扰变量补偿86的输入。对该发电场主机的电压调节器7可以提供一个相应的电路。

图11中展示了根据本发明的电压扩展器的作用。所述图中示出了由电网运营商所限定的要求谱图的一个实例，即，关于风力涡轮机需要在哪个电压范围内胜任哪个电容性或感应性无功功率的输出(由粗虚线98展示)。无功功率绘制在x轴上并且相应的无功功率所需的电压范围绘制在y轴上。与电网运营商的这个要求相比，(用连续线)展示了根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机1的操作范围18。可以看到，该连续线所界定的操作范围18没有完全覆盖由虚线98所限定的要求范围。这意味着风力涡轮机1以其初始形式不足以满足如虚线区域98所建立的这些要求。因此，左下象限中的低压范围不能被充分地遵循，并且此外该高压范围就电容性和感应性无功功率而言没有被充分地覆盖。

如果风力涡轮机1在左下象限中运行，例如，即在低压下并且在电容性无功功率的要求下，就借助于MINUS分接头转换操作连接电压扩展器3。因此，该风力涡轮机的电压被减小了该电压扩展器所施加的电压U₂(对这种情况为负)，因此阴影区使电压下限向下偏移。可以看到，风力涡轮机1因此可以维持所需要的低压范围。

这同样适用于高压范围中的电容性范围(参见左上象限)。同样在这种情况下，风力涡轮机1在要求电容性无功功率的情况下不能产生所需要的过电压(根据要求98的虚线在风力涡轮机1的实质操作范围18上方)。根据本发明，如果所需要的电压扩展器3借助于切换机构33被切换到这个象限中的PLUS位置，则增加了额外电压U₂(在这种情况下为正)。该电压范围因此相应地向上偏移，正如左上象限的阴影区所证实的。

在右上象限中遵循相应的进程。然而，可以看到，分接头的添加(如用带角度的阴影区展示)不足以满足粗虚线98所展示的要求。在这种情况下，根据本发明的多分接头性质是在激活额外分接头的意义上起作用。在这种情况下，该额外电压相应地增大，其结果是风力涡轮机的电压范围向上扩展的程度使得这些要求最终借助于两个分接头的连接而得到满足(参见交叉阴影线区域)或者在对感应性无功功率具有更大要求的情况下甚至通过添加三个分接头而得到满足。

图12示出了作为小型变压器30的可能实施例的高漏电抗变压器的详细展示。该高漏电抗变压器包括由具有硬饱和特征的磁性钢片构成的一个内芯39，其中次级绕组32首先缠绕到所述内芯上并且进而初级绕组31接着缠绕在所述次级绕组上。在该图的下半部分的图表中示意性地展示了产生该过程的磁化轮廓以及在次级线圈32与初级线圈31之间的磁场中所储存能量。因此，在短路事件中实现了电流限制，准确地说尤其相对于该切换机构而言。不言而喻，这也可以用其他设计来实现。

Claims (21)

1.一种风力涡轮机，包括一个风力转子(12)、被其驱动而用于产生电能的一个发电机(14)、以及用于可能经由一个涡轮机变压器(2)来输出电能的一条连接线，

其特征在于，

提供了一个电压扩展器(3)，该电压扩展器借助于一个额外电压源将该风力涡轮机的电压范围扩展，其中该电压扩展器(3)包括一个专用的小型变压器(30)以及一个切换机构(33)，该小型变压器具有一个初级绕组和一个次级绕组(31，32)，并且其中该小型变压器(30)以该次级绕组(32)在该连接线(17)中成圈，并且该切换机构(33)连接至该小型变压器(30)的初级绕组(31)上并且以多分接头的方式致动所述初级绕组使之具有转接能力。

2.如权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，借助于该切换机构(33)进行的多分接头致动是以不同的极化发生的。

3.如权利要求1或2所述的风力涡轮机，其特征在于，在该连接线(17)上串联安排了多个小型变压器(30，30’)，其中优选地对所述多个小型变压器中的每一个都提供了一个专用的切换机构(33)。

4.如以上权利要求之一所述的风力涡轮机，其特征在于，该小型变压器(30)具有的功率最多是该风力涡轮机(1)的额定功率的1/4。

5.如权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，该小型变压器(30)的功率的大小被确定成使得它与该额外电压是成比例的、在该额外电压的量级是该额定电压的十分之一的情况下优选地最大为该风力涡轮机的额定功率的十分之一。

6.如以上权利要求之一所述的风力涡轮机，其特征在于，该电压扩展器(3)是经由多个切换接触器而与该连接线(17)可断开的。

7.如以上权利要求之一所述的风力涡轮机，其特征在于，该切换机构(33)具有一个负载分接头(5)，该负载分接头在转接过程中被连接成使得该小型变压器(30)始终连接至一个负载上。

8.如以上权利要求之一所述的风力涡轮机，其特征在于，该电压扩展器(3)是在高压侧上连接至一个涡轮机变压器(2)的、准确而言优选地是以中压水平连接的。

9.如权利要求8所述的风力涡轮机，其特征在于，该小型变压器(30)是连接在该涡轮机变压器(2)的一个中压绕组(22)内。

10.如权利要求8所述的风力涡轮机，其特征在于，该小型变压器(30)在中压侧上连接在该涡轮机变压器(2)的中性点处。

11.如以上权利要求之一所述的风力涡轮机，其特征在于，该小型变压器(30)处于高漏电抗变压器的形式，该高漏电抗变压器具有的短路电压uk为至少0.10、优选地至少0.15。

12.如权利要求11所述的风力涡轮机，其特征在于，该高漏电抗变压器具有带有硬饱和特征的磁性钢片。

13.如权利要求11或12所述的风力涡轮机，其特征在于，该小型变压器(30)的初级绕组(31)缠绕在其次级绕组(32)上。

14.如权利要求11至13之一所述的风力涡轮机，其特征在于，该高漏电抗变压器配备有多个扁平线圈，这些扁平线圈优选地安排在一个变压器内芯的远枝上、和/或处于该变压器内芯中的多个腹板的形式。

15.如以上权利要求之一所述的风力涡轮机，其特征在于，该切换机构(33)是根据电压和/或无功功率来致动的。

16.如权利要求15所述的风力涡轮机，其特征在于，针对该电压和/或无功功率提供了一个调节器(8)，该调节器作为一个控制变量检测该连接线中的、优选地该电压扩展器(3)的远离该风力涡轮机的那侧上的电压和/或无功功率。

17.如权利要求16所述的风力涡轮机，其特征在于，该电压扩展器(3)与用于该调节器(8)的干扰变量前馈控制(6)相互作用。

18.一种风力发电场，包括连接至一个发电场电网(9)上的多个风力涡轮机(1，1’)，该发电场电网经由联接线(18)连接至一个输电电网(99)，其特征在于，提供了一个中央电压扩展器(3*)，该中央电压扩展器借助于一个额外电压源将该风力发电场的电压范围扩展，其中该额外电压源包括一个小型变压器(30’)以及一个切换机构(33’)，该小型变压器具有一个初级绕组(31’)和一个次级绕组(32’)，并且其中该小型变压器(30’)以该次级绕组(32’)在该联接线(18)中成圈，并且该切换机构(33)连接至该小型变压器(30’)的初级绕组(31’)上并且以多分接头的方式致动所述初级绕组使之具有转接能力。

19.如如权利要求18所述的风力发电场，其特征在于，针对电压和/或无功功率提供了一个发电场调节器(7)，该发电场调节器作为一个控制变量检测该联接线(18)中的、优选地该电压扩展器(3*)的远离该发电场的那侧上的电压和/或无功功率。

20.如权利要求19所述的风力发电场，其特征在于，该电压扩展器(3*)与用于发电场调节器(7)的干扰变量前馈控制相互作用。

21.如权利要求18至20之一所述的风力发电场，其特征在于，该风力发电场具有多个如权利要求1至17之一所述的风力涡轮机。