CN1227797C - 风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

风力发电设备中发电机的磁性电路设计为直接提供2-50kV的高压电，最好高于10kV。发电机带有固体绝缘体，其绕组包括一个电缆(6)，电缆包括一个或多个带有多股导线(36)的载流导体(31)，载流导体被至少一个外半导体层和一个内半导体层(34，32)及中间绝缘层(33)所围绕。外半导体层(34)和地面等势。定子绕组可以制造为全部或部分带狭槽的绕组，绕组的相是Y型连接的。Y点可以被绝缘，并通过振荡捕获器装置来防止过电压，或Y点可以通过一个抑制滤波器接地。本发明也涉及一种风力发电设备、包括在该设备中的一种发电机和用于该设备的可变转速系统。

Description

风力发电设备
技术领域
本发明涉及一种风力发电设备，用来联接供应或传输电网，此后称为电网。本发明也涉及一种在风力发电站中获得高压的发电机，以实现上述目标。本发明进一步涉及一种包括上述发电机的可变转速系统。
技术背景
风力发电设备可以是一个单一的高压输电网联接单元，但通常包括多个风力涡轮，以形成一个风力发电场所。每个风力涡轮都配有一个位于轴心的发电机。发电机可为同步或感应类型。当今感应发电机更为普遍，因为其更便宜、更耐用。同步发电机能够制造出无功电力，这是其相对于感应式机器的一个优势。当今风力涡轮的容量一般为100-3000kW，许多商用涡轮约为500kW。趋势是得到更高功率和电压的发电机。当今的电压水平从400V至几个kV。在大多数风力场所，为每个风力涡轮配备一个变压器是必需的，变压器将电压升高至当地的供应电压，其一般为10-30kV。因此这种变压器和发电机组成了一个发电设备的完整部分。单个单元用高压线以树枝形或环形电网互相联接。供应电网可以和一个传输电网通过单个或几个变压器联接。变压器需要额外的成本，并有降低系统总效率的缺陷。它们还有发生火灾的危险，因为其含有变压器油，在发生故障或遭到破坏时可能泄漏出来。
因此，如果制造出高得多的电压的发电机是可能的，至少可以去除供应变压器。对于当今的发电机技术来说，制造一个10kV的发电机是可能的，但其成本远高于一个更典型的660V的机器。此外，当今定子绕组的绝缘技术对温度变化、湿度和盐分很敏感，这些是一个风力涡轮发电机可能遇到的。对于当今技术来说，这使得去除供应变压器是不现实的。
一个高压发电机带有一个磁性电路，其包括一个薄片状的磁芯，比如带有焊接结构的钢片。为提供通风和冷却，磁芯通常被分成带有径向和/或轴向通风管的几堆。磁性电路的绕组分布在磁芯的狭槽中，狭槽通常带有一个矩形或梯形形状的截面。
在多相高压发电机中，绕组为单层或双层绕组。对于单层绕组，每个狭槽只有一个线圈边，而对于双层绕组，每个狭槽有两个线圈边。“线圈边”的意思是：一个或多个导体垂直或水平联接，并提供有一个普通的线圈绝缘体，即一个绝缘体被设计来承受发电机与地面之间的额定电压。
双层绕组通常制造为菱形绕组，而本上下文中的单层绕组可以制造为菱形或扁平绕组。在菱形绕组中只存在一种(可能两种)线圈宽度，而扁平绕组被制造为同心绕组，即带有变化较大的线圈宽度。“线圈宽度”的意思是在绕于同一磁芯的两个线圈边之间的弧形尺寸的距离。
通常所有大的机器被制造得带有相同尺寸的双层绕组和线圈。每个线圈的一条边置于一个层中，另一条边置于另一层中。这意味着所有线圈在线圈端部彼此交叉。如果有两个以上的层，这些交叉使绕组工作变得复杂，线圈端部令人不满。
用于旋转发电机的线圈，被认为能够在3-20kV的电压范围内，可以制造得较好。
理论上知道如何得到更大的电压水平。比如，在US-A-4429244、US-A-4164672和US-A-3743867中描述了这样的发电机。然而，根据上述文献的机器设计不能最佳利用定子中的电磁材料。
还有以可变涡轮速度运转的风力涡轮。这种运转方式是有利的，因为可以将空气动力学的效率最大化。可变转速系统采用两个带有不同数目电极的发电机，或采用带有能够按两速运转来联接的绕组的发电机。可变转速也可以通过频率变换器装置来得到。当使用一个同步发电机时，可以简化可变转速系统，因为可以在发电机与直流联接之间使用一个简单的二极管整流器。两种最普通的逆变器类型为线性整流和强制整流。这两种类型的逆变器输出不同类型的谐波，因此需要不同的线滤波器。线整流逆变器带有闸流晶体管，其产生的谐波电流会成为高压输电网中的电压谐波。为去除这些谐波，必须使用一个大的高压输电网滤波器。另一个缺陷是：线整流逆变器消耗无功电力。力整流逆变器能建立其自身的三相电压系统，并且如果逆变器与高压输电网相联的话，可以自由选择使用的功率系数和功率的流向。通过使用脉冲宽度调制(PWM)，去除了低频谐波，且第一阶谐波有一个逆变器转换频率附近的频率。用于PWM逆变器的最值得关注的晶体管是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。对于最新的IGBT晶体管，将使用5至10kHz的转换频率。当今的IGBT晶体管在电压和功率方面有局限，使得一个单一的六脉冲逆变器能在1-2kV时处理约1MVA。
发明详述
因此本发明的目标是：提供一种能用于高压的风力发电设备的发电机，可省去供应变压器，即用于这样的发电设备，其中发电机比相应类型的传统机器可得到高得多的电压，以能够按所有高压类型与电网直接相联，尤其是以超过20kV的高压，其被认为是当今的上限。本发明的另一个目标是：提供一种发电机，其不象现在所谓的高压绕组那样对盐分、湿度或温度的变化敏感。本发明的第三个目标是：如果去除供应变压器，为所形成的高压提供一个可变转速的选择。
根据本发明的一个方面，提供了一个风力发电设备，其包括至少一个高压旋转的发电机，该发电机与风力涡轮通过轴耦合连接，并带有一个至少有一绕组的磁芯轭部和一转子，其特征在于，绕组包括一个高压电缆，用于高压并包括导体和围绕导体的固体绝缘体装置，固体绝缘装置包括两个隔开的第一、第二半导体层和一个位于第一、第二半导体层之间的固体绝缘层，定子绕组被设计得通过隔离开关直接连接到传输或供应电网，电网的电压在2至50kV之间，最好高于10kV，最内侧的第一半导体层和所述导体装置基本等势。
固体绝缘层和第一、第二半导体层中的至少一个具有基本相同的热膨胀系数。
外侧的第二半导体层被安排得基本上形成一个围绕导体的等势面。所述外侧的第二半导体层与一个预定的电势相连。预定的电势为地势。
导体包括多个电绝缘的导线和至少一个未绝缘的导线。
转子备有一个短路的绕组，形成感应类型的发电机。
转子备有一个直流电流通的电场绕组，形成同步类型的发电机。
高压电缆有一个10至200mm2的导体面积，并有一个10至40mm的外电缆直径。
所述发电机为高压设计，并被安排得不通过任何中间变压器连接而直接给外流的电网供电。
所述发电机通过一个阻抗接地。所述发电机直接接地。
发电机被设计得可产生多种电压水平的电。
其中一个所述电压水平被设计为产生辅助电力，且辅助电力被设计为从发电机中的辅助电力绕组来产生。
包括多个发电机，每个发电机都不带有单独的升压变压器，但通过一个发电机共用的系统变压器与传输或供应电网相连。
发电机的绕组被设计成自我调节电场控制的，不需要辅助装置来控制电场。
发电机或每个发电机的绕组能够被连接以用于多速运转，使用不同数目的电极，如Dahlander-耦合。
至少一个绕组涡轮带有两个或更多个带有不同数目电极的发电机，使得多速运转成为可能。
发电机与一个频率转换器相连，频率转换器包括一个整流器、一个直流联接和一个逆变器。
在逆变器和整流器中使用了串联的晶体管。
逆变器通过直流联接被网络整流。
逆变器是自整流的，并由串联的IGBT所组成。
通过与所限定的其他特征的结合使用固体绝缘体，即使在电网电压远大于20kV时，可以提供不使用中间的升压变压器的电网。此外，该绝缘体对盐分、湿度和温度的变化完全不敏感。去除变压器带来了很大的节约，还导致很多其他的简化和节约。
风力发电设备经常位于农田中，接近人口密集区域。在传统的风力发电设备中，变压器必须被保护起来，防止爆炸的危险或泄漏油所导致的风险。在每个风力涡轮单元的基座，不得不建造一个混凝土的变压器站。在将来的离岸位置，修理和维护变压器将是很困难和昂贵的。因此如果去除了变压器，就可去除变压器壳，使用更细电缆连接发电机也是可能的。此外，还去除了变压器的无功电力消耗和电力损耗。变压器的去除还去除了一套断路器单元，以前在变压器和发电机之间是必需的。
根据本发明所述的发电设备还能够和所设置的不同电压水平进行多个连接，即本发明能在电站中使用来得到所有的辅助动力。另一种为每个风力涡轮提供辅助动力的方法是：带有一个与供应电网并行的廉价低压电网。
根据本发明的另一个方面，提供一个高压发电机，包括在一个风力发电设备内，发电机在发电设备内通过轴与一个风力涡轮连接，所述发电机包括一个带有至少一绕组的磁芯轭部和一转子，其特征在于，绕组包括一个电缆，用于高压并包括导体和围绕导体的固体绝缘体装置，固体绝缘装置包括两个隔开的第一、第二半导体层和一个位于第一、第二半导体层之间的固体绝缘层，绕组被设计得通过连接元件直接连接到传输或供应电网，电网的电压在2至50kV之间，最内侧的第一半导体层和所述导体基本等势。。
在发电设备和发电机各自的特定优选实施例中，固体绝缘体系统包括至少两个被隔开的层和一个位于其之间的中间固体绝缘体；被隔开的层即半导体层，每个层基本上是一个等势面，至少其中一个层与固体绝缘体具有基本相同的热膨胀系数。
该实施例组成了一个固体绝缘体的有利的实施例，其以一种最佳的方式使绕组能与高压电网直接相联，其中热膨胀系数的一致性避免了在绕组中发生热运动所带来的缺陷、裂纹等类似风险。
很明显，绕组和绝缘层是弹性的，这使得它们能够弯曲。还应指出，符合本发明的发电设备可以由水平或垂直发电机构成。
限定了本发明的上述及其他优选实施例。
已知技术和符合本发明的实施例之间的一个主要的和本质的区别是：带有一个磁性电路的发电机被安排得只通过断路器和绝缘体与高压直接连接，高压一般在2至50kV的范围附近，最好高于10kV。磁性电路包括一个薄片状的磁芯，其带有至少一个绕组，绕组含有一股细丝状的电缆，带有一个或多个被永久绝缘的导体，在导体上和绝缘体外有一个半导体层，外半导体层与地势相连。
为解决电机与所有类型的高压电网直接相连所带来的问题，符合本发明的发电设备中的发电机带有多个上述的特征，其鲜明地不同于已知技术。其他特征和进一步的实施例中限定，将随后讨论。
发电机的上述这些特征和其他本质的特性、以及符合本发明的风力发电设备的种种特征，包括：
*磁性电路的绕组由一条电缆制成，电缆带有一个或多个永久绝缘的导体，在导体和外壳上有一个半导体层。一些典型的该类型的导体为XLPE电缆或带有EP橡胶绝缘体的电缆，出于本目的的考虑，其又进一步发展了导体中的导线和外壳本身。
*电缆最好带有圆形截面，但带有其他截面的电缆也可使用，比如，为了实现更好的包装密度。
*这种电缆允许薄片状的磁芯可按照本发明、以一种新的最佳的与狭槽和齿有关的方式来设计。
*绕组最好制造得带有逐级的绝缘性，以最好地利用薄片状磁芯。
*绕组最好制成为一个多层的同心电缆绕组，这样可以减少线圈端部的交叉的数目。
*狭槽设计与绕组电缆的截面相对应，使得狭槽的形式为多个圆柱开口，轴向和/或径向地绕在彼此外侧，并有一段开口的腰部绕在定子绕组的层之间。
*狭槽的设计根据相关的电缆截面和绕组分级的绝缘性来调整。分级的绝缘性允许磁性磁芯带有基本恒定的齿宽，而与径向延伸无关。
*关于导线的上述进一步发展导致绕组导体包括多个压紧的层，即从电机的角度来看，绝缘导线未必被正确地调换了，以彼此不绝缘和/或绝缘。
*关于外壳的上述进一步发展，使得在沿导体长度方向的合适的点上，外壳被切断，切开的每一个部分长度都与地势直接相连。
上述类型电缆的使用，允许绕组外壳的整个长度以及发电设备的其他部分与地面保持等势。一个重要的优点是：在外半导体层外侧的线圈端部区域，电场接近于零。在外壳保持地势时，电场不需要控制。这意味着在磁芯中、在线圈端部区域或在这两者的过渡中不会发生电场集中。
绝缘和/或未绝缘的压紧的导线的混合、或调换的导线，导致较低的杂电损失。用于磁性电路绕组的高压电缆被制造得带有一个含多根导线的内磁芯/导体、至少两个半导体层，最内侧的层被一绝缘层所围绕，绝缘层又被一外半导体层所围绕，外半导体层有一个10-40mm量级的外径和一个10-200mm2的导体面积。
附图说明
现在将特别参考附图、只通过例子来更详细地描述本发明的实施例，在附图中
图1是一个符合本发明的风力发电设备的发电机定子扇形体的轴向端部的示意性简图，
图2是图1中的定子绕组使用的电缆的一个部分裸露的端面视图，
图3是一个符合本发明的风力发电机布置的简图，部分为截面图，及
图4是一个符合本发明的风力发电设备的电路图。
优选实施例描述
图1显示了符合本发明的风力发电设备的发电机100(见图3)的定子1和转子2的一部分。定子1按传统方式包括一个薄片状的磁芯。图1显示了与一个极间距相应的发电机的一个扇形体。从位于径向最外侧的磁芯的轭部3，多个齿4沿径向朝转子2延伸，并被狭槽5隔开，定子绕组置于狭槽中。形成该定子绕组的电缆6是高压电缆，其可以是与供电使用的电缆基本相同的类型，即XLPE(交叉结合的聚乙烯)电缆。一个区别是：去除了外侧的机械保护的聚氯乙烯层和通常环绕这些供电电缆的金属屏蔽层，使得用于本申请的电缆只包括导体、一个绝缘层和在绝缘层的每个边上至少有一个半导体层。电缆6示意性地图解于图1中，只显示了每个电缆部分或线圈边的导体中心部分。正如能看见的，每个狭槽5有一个变化的截面，宽的部分7和窄的部分8相交替。宽的部分7基本是圆形的，并环绕电缆，宽的部分之间的腰部形成了窄的部分8。腰部用于径向固定每个电缆的位置。狭槽5的截面也沿径向向内变窄。这是因为越接近放置电缆的定子1的径向内侧，电缆部分的低压越低。因此可以在内侧使用较细的电缆，但较粗的电缆对于径向外侧是必需的。在所阐述的例子中，使用了三种不同尺寸的电缆，分布于狭槽5的三个相应尺寸的部分51、52和53。一个辅助电力绕组119安置于狭槽5的最远端。
图2显示了一个本发明中所使用的高压电缆逐步裸露的端面视图。高压电缆6包括一个或多个导体31，每个导体都包括多股导线36，即铜导线，其合起来形成一个通常为圆形截面的中心导电装置。这些导体31安置于高压电缆6的中间，在所示的实施例中，每个导体被一个部分绝缘体35所围绕。然而，省去其中一个导体31上的部分绝缘体35是可行的。在本发明的本实施例中，导体31被一个第一半导体层32所一起围绕。环绕该第一半导体层32的是固体绝缘层33，即XLPE绝缘体，其又被一个第二半导体层34所围绕。因此本申请中的“高压电缆”的概念不需要包括任何金属屏蔽层或外侧的聚氯乙烯层，这些类型的层通常围绕用于供电的电缆。
图3显示了带有上述类型的磁性电路的风力发电设备，其中发电机100由风力涡轮102通过轴101和齿轮箱114来驱动。发电机100的定子1载有定子绕组10，其由上述电缆6所构成。电缆6未加屏蔽，在电缆结合点9处转变为屏蔽电缆11。
图4阐述了一个符合本发明的风力发电设备。在传统方式中，发电机100带有一个激励绕组112和一个(或多个)辅助电力绕组113。在所阐述的符合本发明的发电设备的实施例中，发电机100是Y型连接的，中点通过阻抗103接地。从图4还可看出，发电机100是通过电缆结合点9与屏蔽电缆11(还见图3)进行电连接的。在一些情况下，省去电缆结合点并让发电机电缆从风力涡轮架向下延伸将是可能的。电缆11带有传统方式的当今的变压器104，并在105处终止。在点105之后，所示实施例中的电力设备在母线106处延续，母线带有有电压变压器107和振荡捕获器108的分支。然而，主要的电力供给通过母线106经过隔离开关109和电路断路器111直接进入供应或传输电网110。
虽然发电机和包括该发电机的发电设备已通过例子并结合实施例进行了描述和阐述，对本发明所属技术领域的普通技术人员，很显然，在不偏离本发明概念的情况下，作出多种变动是可能的。如果使用一个低速发电机，可以省去齿轮装置。发电机可以不通过任何阻抗而直接接地。可以省去辅助绕组，还可省去所示的其他部件。虽然本发明利用一个三相发电设备作为例子，但相数可多可少。发电机可以通过一个含有整流器、直流连接和逆变器的频率转换器与高压输电网相连。与传统的可变转速系统不同，由于高压，整流器和逆变器的晶体管也可为串联。
虽然用于绕组的电力绝缘系统最好在适当的位置突出，从紧绕的、重叠的膜或片状材料的层来形成一个电力绝缘系统是可能的。半导体层和电力绝缘层都可以用这种方式来形成。一个绝缘系统可以用一个完全合成的膜来制成，其带有内和外半导体层或由聚合薄膜制成的部分，聚合薄膜如PP、PET、LDPE(低密度聚乙烯)或HDPE(高密度聚乙烯)，薄膜上含有导电颗粒，如碳黑或金属颗粒，并在半导体层或部分之间带有一个绝缘层或部分。
基于重叠的概念，一个足够薄的膜将带有小于所谓的Paschenminima的粗大间隙，因此不需要液体注入。一个干的、卷绕的多层薄膜绝缘体也有很好的热特性。
另一个电力绝缘体系统的例子与传统的基于纤维的电缆相似，其中一个薄的基于纤维的或合成的纸或非纺织的材料卷绕于导体周围。在这种情况下，位于绝缘层两侧的半导体层可以由纤维纸或非纺织材料制成，这些材料由绝缘材料的纤维和嵌入的导电颗粒制成。绝缘层可以由相同基底的材料或使用另外的材料制成。
通过作为片状或共同重叠而将薄膜和纤维绝缘材料结合在一起，可以得到另一个绝缘体系统的例子。该绝缘体系统的一个例子是商用的所谓纸聚丙烯片(PPLP)，但薄膜和纤维部分的多种其他组合是可能的。在这些系统中，可以使用多种注入，如矿物油。
在该说明书中，“半导体材料”指这样的物质，其传导率比电导体低得多，但又保险电绝缘体有如此低的传导率。半导体材料的合适的但不是本质的电阻系数为1-105欧姆·厘米，最好为10-500欧姆·厘米，从10至100欧姆·厘米更好，一般为20欧姆·厘米。

Claims (25)

1.一种风力发电设备，其包括至少一个高压旋转的发电机，该发电机与风力涡轮(102)通过轴(101)耦合连接，并带有一个至少有一绕组的磁芯轭部(3)和一转子，其特征在于，每个所述绕组包括一个高压电缆(6)，用于高压并包括导体(31)和围绕导体的固体绝缘体装置，固体绝缘装置包括两个隔开的第一、第二半导体层(32，34)和一个位于第一、第二半导体层之间的固体绝缘层(33)，绕组被设计得通过隔离开关(109)直接连接到传输或供应电网(110)，电网的电压在2至50kV之间，最内侧的第一半导体层(32)和所述导体(31)基本等势。
2.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于，电网的电压高于10kV。
3.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于，固体绝缘层和所述第一、第二半导体层中的至少一个具有相同的热膨胀系数。
4.根据权利要求1、2或3所述的发电设备，其特征在于，第二半导体层(34)被安排得形成一个围绕导体(31)的等势面。
5.根据权利要求4所述的发电设备，其特征在于，所述第二半导体层(34)与一个预定的电势相连。
6.根据权利要求5所述的发电设备，其特征在于，预定的电势为地势。
7.根据权利要求1、2或3所述的发电设备，其特征在于，导体包括多个电绝缘的导线和至少一个未绝缘的导线。
8.根据权利要求1、2或3所述的发电设备，其特征在于，转子(2)备有一个短路的绕组，形成感应类型的发电机。
9.根据权利要求1、2或3所述的发电设备，其特征在于，转子(2)备有一个直流电流通的电场绕组，形成同步类型的发电机。
10.根据权利要求1、2或3所述的发电设备，其特征在于，高压电缆(6)有一个10至200mm2的导体面积，并有一个10至40mm的外电缆直径。
11.根据权利要求1、2或3所述的发电设备，其特征在于，所述发电机(100)为高压设计，并被安排得不通过任何中间变压器连接而直接给外流的电网(110)供电。
12.根据权利要求11所述的发电设备，其特征在于，所述发电机(100)通过一个阻抗(103)接地。
13.根据权利要求11所述的发电设备，其特征在于，所述发电机(100)直接接地。
14.根据权利要求11所述的发电设备，其特征在于，发电机被设计得可产生多种电压水平的电。
15.根据权利要求14所述的发电设备，其特征在于，其中一个所述电压水平被设计为产生辅助电力，且辅助电力被设计为从发电机(100)中的辅助电力绕组(119)来产生。
16.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于，其包括多个发电机，每个发电机都不带有单独的升压变压器，但通过一个发电机共用的系统变压器与传输或供应电网相连。
17.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于，发电机的绕组被设计成自我调节电场控制的，不需要辅助装置来控制电场。
18.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于，发电机的绕组能够被连接以用于多速运转，使用不同数目的电极。
19.根据权利要求1中所述的发电设备，其特征在于，至少一个风力涡轮带有两个或更多个带有不同数目电极的发电机，使得多速运转成为可能。
20.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于，发电机与一个频率转换器相连，频率转换器包括一个整流器、一个直流联接和一个逆变器。
21.根据权利要求20所述的发电设备，其特征在于，在逆变器和整流器中使用了串联的晶体管。
22.根据权利要求21所述的发电设备，其特征在于，逆变器通过直流联接被网络整流。
23.根据权利要求21所述的发电设备，其特征在于，逆变器是自整流的，并由串联的绝缘栅双极型晶体管所组成。
24.一种高压发电机(100)，包括在一个风力发电设备内，发电机在发电设备内通过轴(101)与一个风力涡轮(102)连接，所述发电机(100)包括一个带有至少一绕组的磁芯轭部和一转子，其特征在于，每个绕组包括一个高压电缆(6)，用于高压并包括导体(31)和围绕导体的固体绝缘体装置，每个固体绝缘装置包括两个隔开的第一、第二半导体层(32，34)和一个位于第一、第二半导体层之间的固体绝缘层(33)，每个绕组被设计得通过连接元件(109)直接连接到传输或供应电网(110)，电网的电压在2至50kV之间，最内侧的第一半导体层(32)和所述导体(31)基本等势。
25.根据权利要求24所述的发电机，其特征在于，固体绝缘层和所述第一、第二半导体层中的至少一个具有相同的热膨胀系数。
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