CN110234870A - 具有辅助电源的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有辅助电源（APU）的风力涡轮机。风力涡轮机还包括发电机（G）、主转换器（MCONV）和变压器（TR）。发电机（G）与主转换器（MCONV）连接。主转换器（MCONV）与变压器（TR）连接。变压器（TR）与电网（GR）连接。因此，由发电机（G）产生的具有变化频率的电功率通过主转换器（MCONV）转换成具有限定频率的电功率，并且具有限定频率的电功率通过变压器（TR）变换并提供到电网（GR），同时根据电网规范要求完成变换。提供辅助功率的辅助电源（APU）经由辅助转换器（AUXC1）而与变压器（TR）连接，因此辅助电源（APU）通过辅助转换器（AUXC1）而与变压器（TR）以及与电网（GR）解耦。

Description

具有辅助电源的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种具有辅助电源的风力涡轮机。
背景技术
需要辅助功率以用于操作风力涡轮机的辅助设备或辅助电路。
辅助功率能够用于保持以及用于保证风力涡轮机的基本功能。辅助功率可以用于实现轴承的润滑、用于保证警示灯的功能、用于加热风力涡轮机的专用部件、用于确保内部功率设备（如转换器）的除湿、用于确保风力涡轮机和控制器之间的通信或用于确保风力涡轮机部件之间的通信等。
甚至已知使用辅助功率以用于电网支持。该电网支持功能受相应辅助电源的容量限制。
已知如果风力涡轮机未与功率网（power grid）连接或者如果电网显示故障或干扰等，则通过柴油发电机或通过其它合适的功率源向风力涡轮机供应辅助功率。
柴油发电机可以放置在给定风力涡轮机的塔架的外部，从而为风力涡轮机提供辅助功率塔架。因为仅一个风力涡轮机需要通过发电机供应有辅助功率，相应的发电机能够在其电容量、尺寸和成本方面进行优化。在包括一组风力涡轮机的风电场中，相应的柴油发电机的数量将总计达给定成本。由此产生的数量的柴油发电机所需要的维护工作也增加了。特别是考虑到近岸场地，在短时间间隔内并且定期为一定数量的柴油发电机补充燃料可以是非常昂贵的。如果天气恶劣，补充燃料工作可以变得不可能。此外，补充燃料过程对于“环境健康和节约，EHS”规定（regulations）是敏感的。
柴油发电机可以以中心方式放置在给定风电场中，因此向风电场的一组风力涡轮机供应辅助功率。作为上面所描述的解决方案，相应的发电机将具有增加的电容量、增加的尺寸和甚至增加的成本。因为仅一台柴油发电机被陈述，该柴油发电机所需要的维护工作将减少。特别是考虑到近岸场地，在短时间间隔内为风电场的柴油发电机补充燃料是非常昂贵的。如果天气太恶劣，补充燃料工作也可以变得不可能。考虑到“环境健康和节约，EHS”规定，甚至补充燃料过程也是一个非常重要的问题。
图4示出了已知的根据现有技术的具有辅助电源的风力涡轮机并且以原理的方式示出。
风力涡轮发电机G经由发电机断路器GB联接到主转换器MCONV。
发电机G基于风产生电功率，从而作用在风力涡轮机叶片上。电功率显示可变频率。
主转换器MCONV包括AC/DC转换部分和DC/AC转换部分。主转换器MCONV将由发电机G提供的电功率转换为具有限定频率的电功率。
主转换器MCONV可以经由主电抗器MR而与主断路器MB连接。
主电抗器MR用于过滤以及用于影响由主转换器MCONV提供的电功率。
PWM滤波器PWMF可以布置成并联连接到主电抗器MR。该滤波器仅被示出以用于提供信息。
主断路器MB与风力涡轮机的变压器TR连接。如果在主断路器MB和发电机G之间的部件中检测到故障，则主断路器MB断开。
如果风力涡轮机在操作中或者如果风力涡轮机将准备其操作，则主断路器MB闭合。
风力涡轮机的变压器TR经由中压或高压断路器（未详细示出）而与电网GR连接。
变压器TR将电功率变换为符合电网的电功率，其显示具有给定和允许偏差的限定电压和限定频率。
主转换器MCONV和主电抗器MR可以提供690 V的输出电压作为用于变压器TR的输入，该690 V的输出电压具有例如±10％的允许偏差并且显示具有例如±3％的允许偏差的50 Hz或60 Hz的频率。
电网GR能够是风电场内部电网。电网GR甚至能够是电网运营商的外部功率网。
辅助功率单元APU甚至经由辅助断路器AB以及经由EMI滤波器EMIF（可选的），经由变压器TR联接到电网G。
辅助断路器AB用作辅助功率单元APU的过载和短路保护。
辅助断路器AB将在辅助功率单元APU中的过载的情况下或短路的情况下自动断开。
在维修辅助部件的情况下，辅助断路器AB可以被手动断开。
辅助功率单元APU包括一个或多个辅助功率源。如所示出的，辅助功率单元APU包括不间断电源UPS，如果需要，其提供电辅助功率。
不间断电源UPS优选地包括一组电池或电容器组或类似物，其设计用于最终通过不间断电源UPS提供显示50 Hz或60 Hz的230 V的电压。
EMI滤波器EMIF（其是可选的部件）用于过滤辅助功率，该辅助功率从电网GR经由变压器TR提供并且提供到辅助功率单元APU。
辅助功率单元APU直接通过主断路器MB和变压器TR之间存在的电功率充电。因此，来自电网GR的功率经由变压器TR、辅助断路器AB和EMI滤波器EMIF而被提供到辅助功率单元APU。
如由辅助功率单元APU的虚线框内的供应线路所示的，从电网GR接收的功率被传递到风力涡轮机的马达（即，桨距马达、风扇马达、泵马达）。由于直接供应，用于马达的功率显示具有例如±10％的允许偏差的690 V的电压（在该特定情况下，其也可以是另一电压）以及具有例如±3％的允许偏差的50 Hz或60 Hz的频率。
如所示出的，电网GR和（辅助）电子设备（即，所供应的辅助断路器AB、滤波器EMIF、不间断电源UPS、马达和控制器）以某种方式“硬连线”在一起。
必须注意的是，马达（桨距马达、风扇马达、泵马达）或对应的其它设备需要根据国际标准和/或当地标准进行设计，从而显示最大公差。
由于硬连线，期望的（辅助）电子设备的电压和频率需要与从电网GR经由变压器TR提供的电压和频率息息相关。因此，系统架构中存在一种限制。
这导致对从主转换器MCONV提供到电网GR的电压和频率的一些多余的约束。
如果需要，也能够从辅助功率单元APU的不间断电源UPS向230 V部件（即，风力涡轮机的控制单元等）供应辅助功率。该辅助功率将相应地显示230 V以及50 Hz或60 Hz的电压。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的具有辅助电源的风力涡轮机，从而减少或甚至避免上面所陈述的问题。
该目的通过独立权利要求的特征解决。优选配置由相应的从属权利要求陈述。
根据本发明，风力涡轮机包括辅助电源。风力涡轮机还包括发电机、主转换器和变压器。发电机与主转换器连接。主转换器与变压器连接。变压器与电网连接。因此，由发电机产生的具有变化频率的电功率通过主转换器转换成具有限定频率的电功率，并且具有限定频率的电功率通过变压器变换并提供到电网。根据电网规范要求（grid coderequirements）完成变换。提供辅助功率的辅助电源经由辅助转换器而与变压器连接，因此辅助电源通过辅助转换器而与变压器以及与电网解耦（decouple）。
通过在辅助电源单元和变压器之间实施辅助转换器，实现了“解耦的辅助电源”。因此，能够利用满标度功率转换器（full scale power converter）的全部潜力（例如，对电网的改进的无功功率支持、改进的电压和频率范围）。
由于该解耦，主转换器和主电抗器可以提供输出电压作为用于变压器的输入，该输出电压具有扩展允许偏差并且显示具有扩展允许偏差的频率。
对整个系统中的电压和频率的多余的约束（如上面由图4所描述的）能够被避免。
甚至可以将主转换器以恒定的更高电压电平运行，因此主转换器的有功功率容量在没有任何重新设计的情况下增加了（即，能够实现高达+10％的增加）。
附图说明
借助于附图更详细地示出了本发明。附图示出了优选配置并且不限制本发明的范围。
图1以原理的方式示出了根据本发明的风力涡轮机的第一实施例，
图2以原理的方式示出了根据本发明的风力涡轮机的第二实施例，
图3以原理的方式示出了根据本发明的风力涡轮机的第三实施例，以及
图4以原理的方式示出了如上面在该说明书的引言中所描述而已知的根据现有技术的具有辅助电源的风力涡轮机。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的风力涡轮机的第一实施例。
对于该图，参考如借助于图4所示出和描述的等效部件和功能。
根据本发明，辅助电源APU经由辅助转换器AUXC1而与辅助断路器AB连接。
因此，辅助电源APU与辅助断路器AB及其从属部件电解耦（electricallydecouple）。
由于该解耦，主转换器MCONV和主电抗器MR可以提供690 V的输出电压（在该示例中，其也可以是参考其它制造商的其它电压）作为用于变压器TR的输入，该690 V的输出电压具有XX％的扩展允许偏差并且显示具有±XX％的扩展允许偏差的50 Hz或60 Hz的频率。
因此，对电压和频率的多余的约束（如上面所描述的）能够被避免。
辅助转换器AUXC1包括AC/DC转换部分和随后的DC/AC转换部分。
在优选配置中，辅助转换器AUXC1是满标度功率转换器。
辅助转换器AUXC1用于使电网GR和辅助电源APU之间的电压和频率依赖性解耦。
在优选配置中，EMF滤波器EMF布置在辅助断路器AB和辅助转换器AUXC1之间。
EMF滤波器EMF1用于在辅助转换器AUXC1之前过滤电网GR上的谐波。
在优选配置中，辅助变压器AUXT1布置在辅助断路器AB和辅助转换器AUXC1之间。因此，辅助变压器AUXT1是可选的。
辅助变压器AUXT1能够包括这些功能：升压或降压/隔离或自耦。
辅助变压器AUXT1用于在辅助转换器AUXC1之前升高或降低电网GR的电压。
发电机G优选地为“永磁发电机，PMG”。
图2示出了根据本发明的风力涡轮机的第二实施例。
对于该图，参考如借助于图1以及借助于图4所示出和描述的等效部件和功能。
根据本发明，辅助电源APU经由辅助转换器AUXC2而与辅助断路器AB连接。
辅助转换器AUXC2包括AC/DC转换部分和随后的DC/AC转换部分。
能量存储器ENS与辅助转换器AUXC2的DC部分连接。
能量存储器ENS能够是任何种类的电池、超级电容器等。
在优选配置中，辅助转换器AUXC2是满标度功率转换器。
能量存储器ENS能够用于向辅助转换器AUXC2提供短时间能量或功率。
在时间有限的一段时间内，不间断电源UPS能够停止从电网GR或从配置“发电机G- 主转换器MCONV”提取功率。因此，代替这样做，功率从能量存储器ENS被提取并被供应到辅助电源APU。
如果不间断电源UPS被配备并且与有源电网侧（active grid side）连接，则（在时间有限的时段内）不间断电源UPS将可以停止从电网GR或从配置“发电机G - 主转换器MCONV”提取功率。代替此，功率可以从能量存储器ENS被提取并且可以被供应到辅助电源APU以及还供应到发电机G。
例如，这可以用于改进的“电网故障穿越（grid fault ride through），GFRT”能力、用于改进的惯性响应、用于改进的频率控制、用于改进的无功容量（reactivecapability）或用于所需要的其它辅助服务。
辅助转换器AUXC2的作用类似于“不间断电源，UPS”并且能够用有源电网侧或者用无源电网侧（passive grid side）操作。
图3示出了根据本发明的风力涡轮机的第三实施例。
对于该图，参考如由图2所示出和描述的等效部件和功能。
根据本发明，辅助电源APU经由辅助转换器AUXC2而与辅助断路器AB连接。
辅助转换器AUXC2经由断路器B-EMF-B而与发电机G以及与发电机断路器GB附加地连接。
在电网失效、电网故障或者在电网干扰的情况下，可以断开辅助断路器AB和发电机断路器GB。
接下来，使发电机G达到一转速，该转速在0 RPM和标称RPM之间。接下来，断路器B-EMF-B闭合并且直接从发电机G供应辅助转换器AUXC2。
因此，辅助功率能够被提供到风力涡轮机部件并且在那里被用于保持以及用于保证风力涡轮机的基本功能。辅助功率可以用于实现轴承的润滑、用于保证警示灯的功能、用于加热风力涡轮机的专用部件、用于确保内部功率设备（如转换器）的除湿、用于确保风力涡轮机和控制器之间的通信或用于确保风力涡轮机部件之间的通信等。
甚至“快速空转”也将启用。“快速空转”是指减少塔架负载的方法，如果风力涡轮机没有电网连接，则该塔架负载由波（waves）引起。这大大减少了用于塔架和基础的钢材。
该实施例的优点在于，在短期电网停电的情况下或者在长期电网停电的情况下，风力涡轮机能够产生所需要的以及上面所陈述的其自己的辅助功率。

Claims (15)

1.具有辅助电源（APU1）的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括发电机（G）、主转换器（MCONV）和变压器（TR），
- 其中，所述发电机（G）与所述主转换器（MCONV）连接，所述主转换器（MCONV）与所述变压器（TR）连接，所述变压器（TR）与电网（GR）连接，
- 因此，由所述发电机（G）产生的具有变化频率的电功率通过所述主转换器（MCONV）转换成具有限定频率的电功率，并且具有限定频率的所述电功率通过所述变压器（TR）变换并提供到所述电网，同时根据电网规范要求完成变换，并且
- 其中，提供辅助功率的辅助电源（APU）经由辅助转换器（AUXC1）而与所述变压器（TR）连接，因此所述辅助电源（APU）通过所述辅助转换器（AUXC1）而与所述变压器（TR）以及与所述电网（GR）解耦。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述辅助转换器（AUXC1）包括AC/DC转换部分和随后的DC/AC转换部分。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述辅助转换器（AUXC1）是满标度功率转换器。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的风力涡轮机，其中，能量存储器（ENS）与所述辅助转换器（AUXC2）的DC部分连接。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述辅助转换器（AUXC2）与所述发电机（G）连接，优选地经由断路器（B-EMF-B）连接，因此辅助功率被提供到风力涡轮机的基本功能所需要的风力涡轮机部件。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述发电机（G）经由发电机断路器（GB）而与所述主转换器（MCONV）连接。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述主转换器（MCONV）经由主断路器（MB）而与所述变压器（TR）连接。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中，所述主断路器（MB）是高压主断路器。
9.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中，所述主转换器（MCONV）经由所述主断路器（MB）而与所述辅助转换器（AUXC1）连接。
10.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，主电抗器（MR）连接在所述主转换器（MCONV）和主断路器（MB）之间。
11.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述变压器（TR）经由断路器而与所述电网（GR）连接，所述断路器优选地为低压断路器。
12.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述电网（GR）是风电场内部电网或电网运营商的电源电网。
13.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中，所述主断路器（MB）经由辅助断路器（AB）而与所述辅助转换器（AUXC1）连接。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中，EMI滤波器（EMIF）和/或辅助变压器（AUXT1）连接在所述辅助断路器（AB）和所述辅助转换器（AUXC1）之间。
15.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，辅助功率单元（APU）包括不间断电源（UPS）。
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