DK175645B1

DK175645B1 - Elektrisk kredslöb til drevet generator med segmenteret stator

Info

Publication number: DK175645B1
Authority: DK
Inventors: Henrik Stiesdal
Original assignee: Bonus Energy As
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2005-01-03
Also published as: EP1416604B1; DK1416604T3; EP1416604A2; DK200201682A; EP1416604A3

Description

DK 175645 B1

Den foreliggende opfindelse angår et elektrisk kredsløb for et strømproducerende anlæg, fortrinsvis en vindmølle, og en fremgangsmåde til konvertering af vindenergi til elektrisk effekt.

5 WO 00/60719 omhandler en generator primært til anvendelse i vindmøller, hvor generatoren er en type, der bliver tilkoblet direkte til vindmøllens hovedaksel, hvor generatorens stator er opbygget af et antal statormoduler, hvor statormoduleme er både mekanisk og elektrisk er opbygget som selvstændige moduler. Opbygningen af en stator i moduler kan betyde hurtigere og lettere reparation i tilfælde af fejl men også en stor 10 pålidelighed, idet en generator principielt kan fortsætte operation, selv om der er fejl på en enkelt statorsektion.

Det ovennævnte skrift refererer endvidere til en anden stator, nævnt i US 5 844 341, som også er opbygget modulært.

15

Med alle generatortyper, der opererer med adskilte viklinger, vil der på de forskellige viklinger eller sektioners udgangsstrøm og spænding ofte optræde en forskel. Denne forskel i spænding og strøm kan betyde, at de enkelte viklinger eller sektioner af stato-ren ikke producerer samme effekt, hvor effektproduktionen derved koncentreres om de 20 viklinger eller sektioner, der producerer den højeste spænding og dermed tvinges til at levere den største strøm. Derved kan generatorens virkningsgrad være reduceret betragteligt, samtidig med at der kan ske lokal effektafsættelse i viklinger eller sektioner af en rotor, der kan være uheldig, fordi en generators temperaturovervågning måske ikke bemærker en lokal overopvarmning.

25

Formålet med opfindelsen er, at frembringe et elektrisk kredsløb og en fremgangsmåde til drift at vindmøller, hvor den elektriske virkningsgrad forøges. Et andet formål er samtidig at opnå større pålidelighed af vindmøllens elektriske kredsløb.

30 Dette kan opnås ved et elektrisk kredsløb til et strømproducerende anlæg, fortrinsvis en vindmølle, omfattende en drevet generator med rotor og stator, hvor generatorens elektriske udgange er forbundet til mindst én ensretter, hvor den mindst ene ensretter over mindst én jævnstrøms forbindelse er forbundet med mindst én inverter der er forbundet til et forsyningsnet, hvor yderligere generatorens stator er opdelt i mindst to 35 adskilte sektioner, der hver er forbundet til mindst ét selvstændigt ensretterkredsløb,

I DK 175645 B1 I

I I

I hvor hvert ensretterkredsløb er forbundet til mindst ét selvstændigt jævnstrømskreds- I

løb, hvor hvert selvstændige jævnstrømskredsløb er forbundet til indgangen på mindst I

I én selvstændig inverter, hvor den mindst ene selvstændige invertere udgange er for- I

I bundet til et forsyningsnet. I

I 5 I

I Det strømproducerende anlæg kan være drevet af eksempelvis vandturbiner, men i det I

følgende forudsættes det for simplificeringens skyld, at det drejer sig om en vindmøl- I

I I

I 10 Ved opfindelsen opnås, at der dannes et antal uafhængige, selvstændige, elektriske I

I kredsløb, der overfører en del af den afsatte vindenergi i form af elektrisk effekt fra I

I generatoren helt frem, indtil den elektriske effekt er omdannet til trefaset vekselstrøm, I

I før der sker en sammenblanding af de deleffekter, der behandles i de selvstændige I

I kredsløb. Herved reduceres og bortelimineres de spændingsforskelle, der kan optræde I

I 15 på en generators forskellige kredsløb, idet den efterfølgende inverter optager effekt fra I

sin egen forsyningskreds, hvor inverteren ved sin modulation kan udnytte den afsatte I

I effekt fra den tilhørende stator sektion optimalt, hvorved der opnås en højere virk- I

I ningsgrad. Samtidig kan opnås en stor pålidelighed, idet et nedbrud af en enkel gene- I

ratoreektion kun medføre en mindre reduktion af den afsatte, hvor denne reduktion i I

20 den afsatte effekt kun har indflydelse, hvis en vindmølle opererer med maksimal ef- I

fektafsættelse, hvilket imidlertid kun sker i ganske korte perioder af gangen. I

Ved at en vindmølles elektriske kredsløb er omdannet til uafhængige delkredsløb, kan I

delkredsløb udkobles, og en vindmølles elektriske produktion reduceres, hvorved I

25 vindmøller udformet ifølge opfindelsen vil være egnet til at tilpasse strømforholdene i I

forbindelse med et net, hvor der periodisk kan forekomme en overbelastning, idet eh I

neddrosling af vindmøllen kan ske ved udkobling af ét eller flere af de elektriske del- I

kredsløb. I

30 De selvstændige invertere kan indeholde midler, der tilpasser strøm og spænding til I

forsyningsnettets strøm og spænding. Herved kan opnås, at de enkelte invertere selv- I

stændigt sørger for at tilpasse den leverede effekt til de faktiske frekvens- og fasefor- I

3 DK 175645 B1 hold på forsyningsnettet. Den enkelte inverter kan være udformet til altid at levere strøm og spænding i samme fase, og hvis strøm og fase leveres synkront med frekvens* og faseforhold på forsyningsnettet, vil der kunne ske en optimal effektoverførsel. Ved at de selvstændige invertere opererer helt uafhængigt at hinanden kan inver-• 5 terne opnå en delvis gensidig udkompensering af den støj, der genereres i inverteren ved at skifte halvleder komponenterne mellem on/off. Ved at blande signalerne for selvstændigt virkende invertere vil en del af denne støj blive undertrykket og krav til filtrering af den afgivne trefasede effekt kan evt. reduceres.

10 Med fordel kan kredsløbet udformes med mindst et første styrekredsløb, hvor styre-kredsløbet har forbindelse til et antal detektorer, der fastlægger vindmøllens driftstilstand. Herved kan opnås, at styrekredsløbet foretager en regulering ved styring af invertere ud fra de aktuelle vindforhold og ud fra måske akslens aktuelle rotationshastighed, hvorved der bliver mulighed for at foretage en egentlig effektregulering. Sty-15 rekredsløber kan ligeledes indeholde midler til overvågning af evt. fejltilstande og styrekredsløbet kan ved ekstreme fejltilstande foretage en nødnedbremsning af vindmøllen.

Kredsløbet kan indeholde mindst et andet styrekredsløb, der på basis af målinger på 20 forsyningsnettet forsyner inverteme med synkroniseringssignaler. Herved kan opnås, at der kan anvendes enkle og billige invertere, idet de ude fra modtager et synkroniseringssignal, der leveres fra det centrale kredsløb. De enkelte invertere kan være udformet på en måde, så de automatisk synkroniseres til det modtagne synkroniserings-signal. Det andet styrekredsløb kan indeholde et reguleringssystem, der er i stand til at 25 foretage en tilpasning af fasevinklen mellem strøm og spænding ved at påvirke synkroniseringssignalet ud fra målinger af de faktiske faseforhold på forsyningsnettet.

Den stillede opgave kan ligeledes løses med en fremgangsmåde til konvertering af vindenergi til elektrisk effekt, hvor en rotor der drives af vinden står i forbindelse med 30 mindst en generator, hvor generatorens udgangsstrøm omdannes til jævnstrøm, hvor jævnstrømmen konverteres til vekselstrøm af mindst en inverter, hvor inverteren er forbundet til et forsyningsnet, og hvor yderligere generatoren frembringer mindst to

DK 175645 B1 I

adskilte udgangsstrømme: Udgangsstrømmene ensrettes til mindst to adskilte jævn- H

strømme, der tilføres mindst to adskilte invertere, der er tilkoblet forsyningsnettet og H

inverteme indeholder midler til fasesynkronisering med forsyningsnettet. H

5 Herved kan som tidligere anført opnås en højre effektafsættelse og dermed en større . H

pålidelighed af en vindmølle. H

I det følgende forklares opfindelsen nærmere med henvisning til figuren, der viser en H

mulig udførelsesform for et elektrisk kredsløb for en vindmølle. Kredsløbet 1 indehol-

10 der en generator 2, der har en rotor 3, der er omgivet af en stator 4. Statoren 4 har H

selvstændige sektioner 5. Hver af disse sektioner 5 indeholder selvstændige generator- H

udgange 6, hvor disse udgange 6 uafhængigt af hinanden er forbundet til ensretter- H

kredsløb 7. Ensretterkredsløbene er forbundet til selvstændige DC-strømveje 8. De H

selvstændige DC-strømveje 8 danner forbindelse til uafhængige invertere 9, hvor in- H

15 vertemes 9 udgangsterminaler 10 er forbundet til et forsyningsnet 11. H

Et første styrekredsløb 12 har forbindelse 13 til et antal detektorer 14, der overvåger H

tekniske funktioner i og omkring vindmøllen, herunder for eksempel måling af vind- H

hastighed, måling af rotorhastighed, vindmøllevingemes hældning i forhold til vinden . H

20 og overvågning af diverse temperaturer i henholdsvis generator, gearkasse osv. Et an- H

det styrekredsløb 15 har en forbindelse 16 til en detektor 17, der måler frekvens og H

fase på forsyningsnettet 11. De to styrekredsløb 12, 15 er gensidigt forbundet med en H

elektrisk sammenkobling 18, hvor kredsløbet 15 danner et synkroniseringssignal, der H

via en signalledning 19 tilføres de enkelte invertere 9. H

Idet strømvejene 6, 8, 10 forløber helt uafhængigt fra de strømproducerende, adskilte H

statorsektioner 5, opstår der selvstændige elektriske kredsløb, der kan overføre effekt i H

hvert enkelt kredsløb totalt uafhængigt at de forhold, der hersker på de andre strømve- H

je. Det betyder, at en evt. fejl på en enkelt komponent i en strømvej ikke får indflydel- H

30 se på, hvad der foregår i de andre strømveje. En fejl, der opstår i én strømvej, kan så- H

ledes ikke sætte de andre strømveje ud af spillet, og en vindmølle vil kunne fortsætte H

normal drift, og med mindre vindmøllen kører i maksimum belastning, vil vindmøllen H

5 DK 175645 B1 kunne køre videre uden overhovedet noget bemærkelsesværdigt produktionstab. Dermed vil en evt. service på vindmøllen kunne udsættes til der opstår en hensigtsmæssig situation. Specielt for hav placerede vindmøller vil den øgede pålidelighed have meget stor betydning.

• 5

Vindmøllens pålidelighed kan i øvrigt forbedres væsentligt, idet strømvejene kan udformes således, at en indkobling af reservekomponenter vil kunne foregå automatisk.

Således vil en vindmølle måske kunne indeholde en reserve-inverter og en reserve-ensretter, mens udskiftning af statorsektioner muligvis vil kræve manuelt indgreb.

10

En anden fordel ved et kredsløb, som det der er beskrevet på figuren er, at evt. forskelle i den spænding, der frembringes i de enkelte generatorsektioner 5 får minimal betydning, idet der ikke sker nogen sammenblanding af den producerede effekt før efter passage af en inverter 9, hvor en inverters 9 effektafsættelse automatisk kan tilpasses 15 størrelsen af den tilførte DC. Det vil sige, at det bliver muligt at optage optimalt produceret effekt på hver af statorsektioneme 5. Derved vil statoren 4 opnå en ensartet elektrisk og termisk belastning, og den samlede effekt, der kan optages ved opfindelsen, vil øges væsentligt i forhold til effektoptagelse fra de eksisterende vindmøller.

Claims

1. Elektrisk kredsløb (1) til et strømproducerende anlæg, fortrinsvis en vindmølle, H I 5 omfattende en drevet generator (2) med rotor (3) og stator (4), hvor generatorens elek- I I triske udgange (6) er forbundet til mindst én ensretter (7), hvor den mindst ene ensret- ' I I . ter (7) over mindst én jævnstrøms forbindelse (8) er forbundet med mindst én inverter I I (9) der er forbundet til et forsyningsnet (11), I I kendetegnet ved, I 10. at generatorens stator (4) er opdelt i mindst to adskilte sektioner (5), der hver er for- I I bundet til mindst ét selvstændigt ensretterkredsløb (7), I I - hvor hvert ensretterkredsløb (7) er forbundet til mindst ét selvstændigt jævnstrøms- I I kredsløb (8), I I - hvor hvert selvstændige jævnstrømskredsløb (8) er forbundet til indgangen på mindst I 15 én selvstændig inverter (9), M - hvor den mindst ene selvstændige inverters (9) udgange er forbundet til et forsy- I I ningsnet (11). I

2. Elektrisk kredsløb ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det strømproducerende anlæg I 20 er en vindmølle. I

3. Elektrisk kredsløb ifølge ét af kravene 1 eller 2, kendetegnet ved, at de selvstændi- I I ge invertere (9) indeholder midler, der tilpasser strøm og spænding til forsyningsnet- I tets (11) strøm og spænding. I B 25 I

4. Elektrisk kredsløb ifølge ét af kravene 1-3, kendetegnet ved, at kredsløbet (1) in- I deholder et første styrekredsløb (12), hvor styrekredsløbet (12) har forbindelse til et I antal detektorer (14), der fastlægger det strømproducerende anlægs driftstilstand. I

5. Elektrisk kredsløb ifølge ét af kravene 1-4, kendetegnet ved, at kredsløbet (1) in- I deholder et andet styrekredsløb (15), der på basis af målinger på forsyningsnettet (11) I forsyner inverteme (9) med synkroniserings signaler. I --—--—------1 DK 175645 B1

6. Fremgangsmåde til konvertering af vindenergi til elektrisk effekt, hvor en rotor der drives af vinden står i forbindelse med mindst en generator (4), - hvor generatorens udgangsstrøm omdannes til jævnstrøm, 5. hvor jævnstrømmen konverteres til vekselstrøm af mindst en inverter, - hvor inverteren er forbundet til et forsyningsnet (11), kendetegnet ved, - at generatoren (2) frembringer mindst to adskilte udgangsstrømme, - at udgangsstrømmene ensrettes til mindst to adskilte jævnstrømme, der tilføres 10 mindst to adskilte invertere (9), der er tilkoblet forsyningsnettet (11), - at inverteme (9) indeholder midler til fasesynkronisering med forsyningsnettet (11). k !