PL201882B1

PL201882B1 - Układ elektrowni wiatrowej

Info

Publication number: PL201882B1
Application number: PL360631A
Authority: PL
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Aloys Wobben
Priority date: 2000-08-14
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2009-05-29
Also published as: CN100468922C; DK1312153T3; KR20030027022A; BRPI0113242B1; ATE421793T1; PL206461B1; MXPA03001315A; TR200300191T2; NO20030701D0; NO20090524L; CA2417384A1; DE50114677D1; US20060103137A1; CN1462502A; JP2011160657A; DE10040273A1; NO336660B1; KR100557740B1; BR0113242A; JP4976151B2

Abstract

Aby ograniczy c szkody na skutek awarii cz esci sk lado- wych elektrowni wiatrowej i umo zliwi c stosowanie znormali- zowanych cz esci o mniejszej mocy, uk lad elektrowni wia- trowej z generatorem zawieraj acym wirnik i co najmniej dwa stojany, ka zdy z co najmniej jednym uzwojeniem stojana, przy czym z ka zdym stojanem skojarzony jest co najmniej jeden system zawieraj acy prostownik, przemiennik i trans- formator, tak ze tworz a si e niezale zne od siebie systemy zawieraj ace w ka zdym z nich prostownik, przemiennik i transformator charakteryzuje si e tym, ze oddzielne linie przyporz adkowane s a oddzielnym transformatorom (181, 182, 183, 184), przy czym pomi edzy przewodami wej- sciowymi poszczególnych elementów zainstalowane s a laczniki (130, 131, 132) sterowalne w taki sposób, ze two- rz a polaczenia pomi edzy poszczególnymi elementami co najmniej dwóch systemów (101, 102, 103, 104) tak, ze linie wej sciowe dwóch podobnych elementów s a za pomoc a ka zdego lacznika zawsze po laczone równolegle. W szcze- gólnie korzystnym przyk ladzie realizacji wynalazku pro- stowniki, przemienniki i transformatory s a przewymiarowa- ne. Wspomniane laczniki w razie uszkodzenia cz esci sk la- dowej umozliwiaj a jej zbocznikowanie. Dzi eki przewymia- rowaniu pozosta le cz esci mog a przynajmniej tymczasowo przejmowa c zadanie uszkodzonej cz esci bez przeci azenia. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Wynalazek ten dotyczy układu elektrowni wiatrowej z generatorem zawierającym wirnik i co najmniej dwa stojany, każdy z co najmniej jednym uzwojeniem stojana, przy czym z każdym stojanem skojarzony jest co najmniej jeden system zawierający prostownik, przemiennik i transformator.

Układ elektrowni wiatrowej składający się z skojarzonego ze stojanem prostownika, przemiennika i transformatora zasilających np. trzy gałęzie sieci znany jest ze stanu techniki. Według zgłoszenia patentowego WO 99/29025 wyeliminowano jednak przejściowy transformator podwyższający napięcie, a przynajmniej transformator rozdzielczy przy układzie zasilającym sieć podwyższonego napięcia. Z opisu patentowego DE 422356 znany jest układ elektrowni wiatrowej z co najmniej dwoma parami prostownik-przemiennik, zaś pomiędzy napięciem wyjściowym a siecią jest transformator podwyższający napięcie. Układ elektrowni wiatrowej, jak na wstępie jest znany z opisu patentowego DE 196 20 906.4. Wadą tego układu elektrowni wiatrowej jest jednak to, że w razie uszkodzenia generatora i/lub transformatora, elektrownia wiatrowa nie może już wytwarzać albo dostarczać energii elektrycznej. W razie uszkodzenia prostownika i/lub przemiennika w każ dym razie tracona jest jeszcze w przybliż eniu połowa zdolności produkcyjnej mocy, tak że potrzebna jest szybka naprawa, aby ograniczyć przynajmniej straty ekonomiczne przedsiębiorstwa eksploatującego elektrownię powodowane przez stratę zdolności produkcyjnej energii.

Ta znana elektrownia wiatrowa ma dwa przesunięte w fazie uzwojenia stojana, które są umieszczone razem na tym samym stojanie. Uzwojenia te są jednakże elektrycznie izolowane od siebie i kąt fazowy pomiędzy nimi wynosi 30°. W razie uszkodzenia uzwojenia stojana do dyspozycji jest jeszcze połowa zdolności produkcyjnej mocy wyjściowej.

Aby wyeliminować usterkę i naprawić elektrownię wiatrową, pracownicy serwisu jadą do uszkodzonej elektrowni wiatrowej i usuwają usterkę albo naprawiając uszkodzone lub wadliwe części albo, jeśli naprawa nie jest możliwa, wymieniając uszkodzone części.

Należy zauważyć, że szybka naprawa wymaga między innymi, by do elektrowni wiatrowej można było szybko dojechać i w razie potrzeby szybko dostarczyć potrzebne części zamienne.

Jeśli można jeszcze przy tym założyć, że do elektrowni wiatrowych, które są ustawione na lądzie, można szybko się dostać, sytuacja wygląda inaczej przy instalacjach morskich, to znaczy instalacjach umieszczonych nie na brzegu, a na morzu. Z jednej strony trzeba posiadać odpowiedni transport, umożliwiający przewóz i przeładunek nawet dużych i/lub ciężkich części zamiennych, a z drugiej strony pogoda i stan morza muszą pozwalać na bezpieczne dostanie się do instalacji z załadowanymi częściami zamiennymi. Nawet w przypadku, gdy można dostać się do elektrowni, nie ma pewności, czy fale morskie i pogoda umożliwią natychmiastowe przeprowadzenie naprawy.

Widać zatem, że jeśli fale są duże lub jeśli pogoda jest zła, na przykład podczas sztormu, wówczas przez długi czas nie można się dostać do instalacji morskich ani ich naprawić, a więc takie instalacje morskie nie mogą wytwarzać ani dostarczać energii nieprzerwanie przez długi czas.

Dalszą wadą znanych elektrowni wiatrowych, jest to, że oparte są na koncepcji, zgodnie z którą wymiary i ciężar poszczególnych części składowych rosną wraz z mocą generatora.

Aby ograniczyć szkody na skutek awarii części składowych elektrowni wiatrowej i umożliwić stosowanie znormalizowanych części mniejszej mocy, układ elektrowni wiatrowej według wynalazku, z generatorem zawierającym wirnik i co najmniej dwa stojany, każdy z co najmniej jednym uzwojeniem stojana, przy czym z każdym stojanem skojarzony jest co najmniej jeden system zawierający prostownik, przemiennik i transformator tworząc niezależne od siebie systemy zawierające w każdym z nich prostownik, przemiennik i transformator charakteryzuje się tym, że oddzielne linie przyporządkowane są oddzielnym transformatorom, przy czym pomiędzy przewodami wejściowymi poszczególnych elementów zainstalowane są łączniki sterowalne w taki sposób, że tworzą połączenia pomiędzy poszczególnymi elementami co najmniej dwóch systemów tak, że linie wejściowe dwóch podobnych elementów są za pomocą każdego łącznika zawsze połączone równolegle.

Stojany mają korzystnie postać segmentów kołowego pierścienia.

Korzystniej stojany są usytuowane wokół obrotowo zamontowanego wirnika generatora przybierając kształt kołowego pierścienia.

Układ według wynalazku ma korzystnie cztery stojany.

Układ ma korzystniej co najmniej jeden stojan z dwoma uzwojeniami.

Układ ma najkorzystniej po dwa uzwojenia na każdym stojanie.

Korzystnie co najmniej jedno uzwojenie stojana jest uzwojeniem trójfazowym.

PL 201 882 B1

Korzystniej co najmniej jedno uzwojenie każdego stojana jest uzwojeniem trójfazowym.

Najkorzystniej układ ma uzwojenia stojana, które bez wyjątku mają postać uzwojenia trójfazowego.

Korzystnie jest, gdy dwa uzwojenia co najmniej jednego stojana są przesunięte względem siebie w fazie o 30°.

Korzystniej jest, gdy uzwojenia każdego stojana są przesunięte względem siebie w fazie o 30°.

Układ ma korzystnie co najmniej jeden prostownik współpracujący z każdym stojanem.

Korzystniej układ ma prostownik współpracujący z każdym uzwojeniem stojana.

Co najmniej jeden prostownik jest korzystnie przewymiarowany w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z pozostałych prostowników, działające prostowniki mogą przynajmniej tymczasowo pracować bez przeciążenia.

Korzystniej wszystkie prostowniki są przewymiarowane, w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z nich, pozostałe prostowniki mogą przynajmniej tymczasowo przejmować jego zadanie bez przeciążenia.

Przewody wejściowe prostowników są korzystnie połączone ze sobą i/lub przewody wyjściowe prostowników są połączone ze sobą.

Układ ma korzystnie co najmniej jeden łącznik w przewodzie wejściowym i/lub w przewodzie wyjściowym każdego prostownika.

Korzystnie połączone jest uruchomienie łączników na przewodzie wejściowym i na przewodzie wyjściowym prostownika, który ma być odłączony.

Korzystnie, łączniki oddzielają wszystkie zaciski prostownika, który ma być odłączony.

Korzystnie, co najmniej jeden przemiennik współpracuje z każdym stojanem.

Co najmniej jeden przemiennik współpracuje z każdym uzwojeniem stojana.

Korzystnie, co najmniej jeden przemiennik zawiera co najmniej dwa moduły przemiennika.

Korzystniej, wszystkie przemienniki zawierają co najmniej dwa moduły przemiennika.

Każdy przemiennik jest korzystnie złożony z co najmniej trzech modułów przemiennika.

Co najmniej jeden przemiennik jest korzystnie przewymiarowany, w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z pozostałych przemienników, działające przemienniki mogą przynajmniej tymczasowo pracować bez przeciążenia.

Korzystniej wszystkie przemienniki są przewymiarowane w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z nich, pozostałe przemienniki mogą przynajmniej tymczasowo przejmować jego zadanie bez przeciążenia.

Przewody wejściowe przemienników są korzystnie połączone ze sobą i/lub przewody wyjściowe przemienników są połączone ze sobą.

Korzystnie, na przewodzie wejściowym i/lub na przewodzie wyjściowym każdego przemiennika znajduje się co najmniej jeden łącznik.

Korzystnie, połączone jest uruchomienie łączników na przewodzie wejściowym i na przewodzie wyjściowym przemiennika, który ma być odłączony.

Łączniki korzystnie oddzielają wszystkie zaciski przemiennika, który ma być odłączony.

Układ ma korzystnie co najmniej jeden transformator współpracujący z każdym stojanem.

Korzystnie, co najmniej jeden transformator współpracuje z każdym uzwojeniem stojana.

Korzystnie, co najmniej jeden transformator jest w postaci transformatora trójfazowego.

Korzystniej, wszystkie transformatory są transformatorami trójfazowymi.

Korzystnie jest, gdy co najmniej jeden transformator, jest przewymiarowany w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z pozostałych transformatorów, transformatory mogą przynajmniej tymczasowo pracować bez przeciążenia.

Korzystniej, wszystkie transformatory są przewymiarowane, w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z nich, pozostałe transformatory mogą przynajmniej tymczasowo przejmować jego zadanie bez przeciążenia.

Przewody wejściowe transformatorów są korzystnie połączone ze sobą i/lub przewody wyjściowe transformatorów są połączone ze sobą.

Korzystnie po stronie pierwotnej i po stronie wtórnej każdego transformatora są łączniki.

Korzystnie jest, gdy połączone jest uruchamianie łącznika po stronie pierwotnej transformatora, który ma być odłączony i łącznika po stronie wtórnej tego transformatora.

W stanie rozłączonym łączników strona pierwotna i strona wtórna transformatora jest korzystnie na wszystkich zaciskach galwanicznie odłączona.

PL 201 882 B1

Układ ma korzystnie urządzenie do sterowania łącznikami, zależnie od tego, który człon jest uszkodzony.

Korzystniej, urządzenie do sterowania łącznikami uwzględnia wytwarzaną lub przełączaną moc wyjściową.

Korzystnie, co najmniej niektóre łączniki są łącznikami elektromechanicznymi.

Korzystniej, co najmniej niektóre łączniki są łącznikami elektronicznymi.

Jak wspomniano wyżej, układ ma co najmniej dwa stojany, dwa prostowniki, dwa przemienniki i dwa transformatory tworzą c odpowiednio, zaczynają c od stojana, specyficzny i kompletny ukł ad do wytwarzania energii elektrycznej, do przetwarzania na przykład na sinusoidalne napięcie przemienne i do zasilania nim sieci napię cia przemiennego.

Korzystny przykład realizacji wynalazku ma cztery stojany w układzie kołowego pierścienia i które mają kształt segmentów pierścienia, z których każdy ma co najmniej jedno własne uzwojenie. W rezultacie wymiary i ciężar każ dego stojana mieszczą się w zakresie, w którym transport i przeł adunek stojana można realizować normalnie dostępnymi środkami. W korzystnym rozwinięciu elektrowni wiatrowej według wynalazku każdy stojan ma dwa trójfazowe uzwojenia, które są elektrycznie oddzielone od siebie i które są przesunięte względem siebie w fazie o kąt 30°. Dzięki temu część prądu wzbudzenia wirnika może być wytwarzania w uzwojeniu stojana.

W szczególnie korzystnym rozwinięciu wynalazku z każdym stojanem są związane prostownik, przemiennik i transformator. Układ ten wymaga czterech oddzielnych systemów wytwarzania energii niezależnie od wspólnego wirnika. Każdy system wytwarza zatem jedną czwartą mocy wyjściowej. Z tego wynika, ż e w razie uszkodzenia jednego elementu składowego nastę puje awaria tylko jednego systemu, a więc brak będzie jednej czwartej chwilowej całkowitej energii wyjściowej. Trzy czwarte mocy wyjściowej nadal będzie do dyspozycji.

Jeżeli dla elektrowni wiatrowej rozważana jest całkowita mocy wyjściowa 6 MW, każdy system odpowiednio zapewnia moc wyjściową 1,5 MW. Taka moc wyjściowa umożliwia stosowanie znormalizowanych części składowych - takich jak prostowniki, przemienniki i transformatory - które są dostępne i są wytwarzane obecnie w dużych ilościach. W rezultacie prawdopodobieństwo awarii jest znacznie zmniejszone dzięki zastosowaniu technicznie dojrzałych części składowych, co przekłada się na osiąganie, z elektrowni wiatrowej według wynalazku, znacznego zysku.

Według korzystnego przykładu realizacji wynalazku każdemu uzwojeniu stojana przypisane są prostownik, przemiennik i transformator. System wytwarzania energii jest odpowiednio utworzony z uzwojenia stojana, prostownika, przemiennika i transformatora. Konstrukcja taka oznacza, że każ dy z systemów odpowiada tylko za jedną ósmą chwilowo dostę pnej energii wyjś ciowej. W razie uszkodzenia jakiejś części składowej, a zatem systemu, brak jest tylko jednej ósmej mocy, ale siedem ósmych jest nadal wytwarzane.

Pomysł ten umożliwia z kolei wytwarzanie jeszcze większej liczby znormalizowanych części, a przez to zmniejszenie kosztu. Ponadto dla takich części dostępne są procedury, środki i sposoby transportu i przeładunku wypróbowane w wielu sytuacjach.

W szczególnie korzystnym przykł adzie realizacji wynalazku prostowniki, przemienniki i transformatory są przewymiarowane, korzystnie o około 20%, a pomiędzy każdymi dwoma prostownikami, każdymi dwoma przemiennikami i każdymi dwoma transformatorami usytuowane są łączniki, które w razie uszkodzenia części składowej umożliwiają jej zbocznikowanie.

Dzięki przewymiarowaniu pozostałe części mogą przynajmniej tymczasowo przejmować zadanie uszkodzonej części bez przeciążenia. Jeżeli na przykład uszkodzeniu ulegnie prostownik, mogą zostać uruchomione łączniki pomiędzy uszkodzonym prostownikiem, a jednym lub wieloma działającymi prostownikami. W ten sposób działające prostowniki przenoszą odpowiednio większą moc wyjściową i prostują również napięcie przemienne z systemu zawierającego uszkodzony prostownik.

W szczególnie korzystnym wykonaniu, sterowanie łączników przeprowadzane jest w zależ noś ci od przełączanej mocy wyjściowej, tak że tylko jedno łącznik dokonuje przełączania, kiedy poziom mocy wyjściowej jest niski. Jeżeli przełączana moc wyjściowa jest większa, uruchamiane jest więcej łączników, aby dzięki temu rozłożyć obciążenie na wiele części składowych i uniknąć przeciążenia.

W szczególnie korzystnym rozwinięciu wynalazku łączniki są umieszczone na przewodzie wejściowym i/lub na przewodzie wyjściowym każdej części składowej za wyjątkiem stojanów. Przez uruchomienie odpowiednich łączników możliwe jest niezawodne uniknięcie jakiegokolwiek oddziaływania na część bocznikowanego członu, jeżeli człon ten jest całkowicie odłączony przez łączniki.

PL 201 882 B1

W alternatywnym przykładzie wykonania wynalazku przewody wejś ciowe i wyjś ciowe poszczególnych części są połączone równolegle. Oszczędza to łączniki, a w razie uszkodzenia pewnej części wszystkie inne części są zawsze uruchamiane automatycznie i układ sterowania jest uproszczony, ponieważ jedynie uszkodzony człon jest odłączany za pomocą łączników na przewodach wejściowych i/lub na przewodach wyjściowych.

Redundancja poszczególnych części składowych jest traktowana jako „zewnętrzna redundancja i oznacza możliwość przejmowania zadania uszkodzonego członu przez przewidziany nadmiarowo inny człon składowy. W razie uszkodzenia jakiegoś prostownika inne prostowniki przejmują jego zadanie, w razie uszkodzenia przemiennika inne przemienniki przejmują jego zadanie, a w razie uszkodzenia transformatora inne transformatory przejmują jego zadanie.

Dla porównania istnieje również wewnętrzna redundancja. Oznacza to skonstruowanie członu z wieloma modułami, które są względem siebie nadmiarowe, a na zewnątrz tworzą pewien człon, na przykład przemiennik. W razie uszkodzenia jednego z wielu modułów przemiennika może on nadal działać, ponieważ pozostałe moduły tego przemiennika mogą nadal realizować potrzebne zadanie.

Stojan z dwoma uzwojeniami ma również wewnętrzną redundancję, ponieważ w razie uszkodzenia jednego uzwojenia drugie uzwojenie nadal wytwarza energię, tak że stojan daje jeszcze połowę możliwej mocy wyjściowej.

Elektrownia wiatrowa według wynalazku może zatem dostarczać całą chwilową dostępną energię wyjściową nawet w razie uszkodzenia poszczególnych członów lub modułów z wyjątkiem stojana lub uzwojenia stojana.

Wynalazek zostanie wyjaśniony w przykładach wykonania przedstawionych na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia uproszczony widok układu elektrowni wiatrowej według wynalazku, fig. 2 przedstawia widok układu z fig. 1 uzupełnionego o łączniki, fig. 3 przedstawia przykład stojana z dwoma uzwojeniami przesuniętymi w fazie o kąt 30° z dołączonym na wyjściu prostownikiem, fig. 4 przedstawia przykład przemiennika według wynalazku, fig. 5 przedstawia przykład redundancyjnego transformatora z łącznikami, fig. 6 przedstawia drugi przykład realizacji przedmiotowego wynalazku, fig. 7 przedstawia przykład redundancyjnie zastosowanych transformatorów w drugim przykładzie realizacji przedmiotowego wynalazku, a fig. 8 przedstawia znany układ ze stanu techniki.

Fig. 8 przedstawia znany układ elektryczny elektrowni wiatrowej. Zawiera on generator, który w tym przykładzie ma posta ć generatora pierś cieniowego, który posiada wirnik (nie pokazano) i dwa uzwojenia 111, 112 stojana, które są elektrycznie odizolowane od siebie i są przesunięte w fazie względem siebie o 30°.

Każde z tych uzwojeń 111, 112 stojana jest dołączone do wejścia odpowiedniego specjalnego prostownika 14. Wyjście każdego prostownika 14 jest dołączone do wejścia odpowiedniego przemiennika 16. Wyjścia przemienników 16 są połączone równolegle z transformatorem 18.

Uszkodzenie transformatora 18 nieuchronnie powoduje ekonomicznie nie opłacalne całkowite zatrzymanie elektrowni wiatrowej, ponieważ nie może ona już dostarczać żadnej energii.

W rezultacie przedsiębiorca ponosi znaczne straty zależnie od czasu trwania awarii.

Uszkodzenie uzwojenia stojana 111, 112, prostownika 14 i/lub przemiennika 16 powoduje w każdym z tych przypadków brak połowy możliwej do wytworzenia energii, więc również znaczne szkody ekonomiczne.

Fig. 1 przedstawia uproszczony przykład elektrowni wiatrowej według wynalazku. W tej elektrowni wiatrowej większość części składowych zastosowano redundancyjnie. Taka redundancja dotyczy części generatora, mianowicie stojanów 121, 122, 123, 124, prostowników 141, 142, 143 144, przemienników 161, 162, 163, 164 oraz transformatorów 181, 182, 183,184.

Redundancja, która wynika z równoległego połączenia członów redundancyjnych, jest redundancją zewnętrzną. Ponadto pewne człony składowe mają również redundancję wewnętrzną, która wynika z wewnętrznej budowy takiego członu złożonego z wielu podobnych modułów połączonych równolegle. Taka redundancja wewnętrzna występuje na przykład w przypadku przemienników, które opisano bardziej szczegółowo w odniesieniu do fig. 4. Dla celów dalszego opisu, w sposób podobny do powyższego rozważania zagadnienia, każdy element stojana, który ma postać segmentu pierścienia i który ma co najmniej jedno uzwojenie, w którym napięcie jest indukowane przez obracający się wirnik (nie pokazano) nazywany jest stojanem 121, 122, 123, 124, nawet jeśli są cztery elementy6

PL 201 882 B1

-stojany 121, 122, 123, 124, które mają postać segmentu pierścienia i są umieszczone w taki sposób, że razem tworzą w przybliżeniu kształt jednoczęściowego stojana generatora pierścieniowego, jak w przypadku przedmiotowego przykładu realizacji.

Stojany 121, 122, 123, 124, które są wykonane w postaci kołowego pierścienia i które mają kształt segmentów pierścienia, tworzą razem w przybliżeniu kołowy pierścień, w którym wirnik (nie pokazano) generatora jest obracany centralnie przez piastę (nie pokazano) wirnika elektrowni wiatrowej z przymocowanymi do niej łopatami wirnika. Ponieważ poszczególne stojany 121, 122, 123, 124 są oddzielone od siebie nie tylko mechanicznie, ale również elektrycznie, na uzwojeniach na stojanach 121, 122, 123, 124 indukowane są odpowiednie napięcia.

Napięcia prądu przemiennego, są podawane przewodami prostownikowymi 201, 202, 203, 204 do prostowników 141, 142, 143, 144. Te przewody prostownikowe 201, 202, 203, 204 mogą być na przykład aluminiowymi prętami o polu przekroju 4000 mm². W związku z tym każdemu stojanowi 121, 122, 123, 124 przyporządkowany jest oddzielny prostownik. Dzięki temu, nawet jeśli jakiś prostownik zawiedzie, brakować będzie tylko jednej czwartej możliwej energii. Trzy czwarte możliwej energii jest nadal wytwarzane.

Do wyjścia każdego prostownika 141, 142, 143, 144 dołączony jest za pomocą przewodu przemiennikowego 205, 206, 207, 208, przemiennik 161, 162, 163, 164. Przewody przemiennikowe 205, 206, 207, 208 mogą również być aluminiowymi prętami o polu przekroju 4000 mm².

Do wyjścia każdego przemiennika 161, 162, 163, 164 dołączony jest transformator 181, 182, 183, 184, za pomocą którego napięcie przemienne wytwarzane przez przemienniki 161,162, 163, 164 jest podwyższane na przykład do 20 kV i oddawane na przykład do sieci średniego napięcia. W ten sposób zaczynając od uzwojenia stojana, w którym napięcie jest indukowane przez wirnik generatora, mamy wzajemnie niezależne systemy 101, 102, 103, 104 z prostownikami 141, 142, 143, 144, przemiennikami 161, 162, 163, 164 transformatorami 181, 182, 183, 184, tak że uszkodzenie jakiegoś członu uniemożliwia co najwyżej wytworzenie jednej czwartej możliwej mocy wyjściowej.

Fig. 2 rozszerzono w porównaniu z fig. 1 o łączniki 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 146, 147, 148, 149, 150, 156, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 196, 187, 188, 189. Są one oznaczane dalej w całości jako 130-136, 146-156, 166-176 i 186-189. Aby zachować przejrzystość rysunku, pominięto na nim oznaczenia przewodów pomiędzy stojanami 121, 122, 123, 124, prostownikami 141, 142, 143, 144 i przemiennikami 161, 162, 163, 164 oraz oznaczenia systemów 101, 102, 103, 104.

W normalnym działaniu łączniki 130, 131, 132, 150, 151, 152, 170, 171, 172 pomiędzy wejściami poszczególnych części składowych są normalnie rozwarte, łączniki 133, 134, 135, 136, 146, 147, 148, 149, 153, 154, 155, 156, 166, 167, 168, 169, 173, 174, 175, 176, 186, 187, 188, 189 na przewodach wejściowych wyjściowych, połączonych szeregowo z odpowiednim członami, są normalnie zwarte, tak że każdy system 101, 102, 103, 104 (fig. 1) działa niezależnie od innych systemów.

Łączniki 130-136, 146-156, 166-176, 186-189 są teraz sterowane w taki sposób, że realizują połączenia pomiędzy poszczególnymi członami co najmniej dwóch systemów 101, 102, 103, 104. Połączenia te są tworzone w taki sposób, że przewody wejściowe dwóch podobnych członów są zawsze połączone równolegle za pomocą łączników 130, 131, 132, 150, 151, 152, 170, 171, 172.

Na przykład przewody wejściowe prostowników 141 i 142 są połączone równolegle dzięki zadziałaniu łącznika 130, wejścia przemienników 161 i 162 dzięki zadziałaniu łącznika 150, a wejścia przemienników 162 i 163 dzięki zadziałaniu łącznika 151. Należy zauważyć, że możliwe są również kombinacje. Aby uniknąć wpływu uszkodzonych członów na te człony, które jeszcze działają, na przewodach wejściowych i na przewodach wyjściowych poszczególnych części składowych są umieszczone łączniki 133, 146; 134, 147; 135, 148; 136, 149; 153, 166; 154, 167, 155, 168, 156, 169, 173, 186, 174, 187, 175, 188, 176, 189, które korzystnie rozłączają odpowiedni człon na wszystkich przewodach.

W przypadku uszkodzenia jakiegoś członu jest on bocznikowany przez odpowiednie zadziałanie łączników 130-136, 146-156, 166-176 i 186-189, tak że pomimo uszkodzenia, elektrownia wiatrowa nadal wytwarza większą część lub nawet całą przewidzianą energię.

Aby uniknąć przeciążenia sprawnych elementów, które pozostały, a zatem uniknąć ich przedwczesnego uszkodzenia elementy te są korzystnie przewymiarowane o około 20%, tak że nawet kiedy te pozostałe elementy są obciążone mocą wyjściową uszkodzonego elementu, nie powoduje to przeciążenia.

PL 201 882 B1

Łączniki 130-136, 146-156, 166-176, 186-189 są w tym przypadku tak zbudowane i sterowane w taki sposób, że wprawdzie możliwe jest obejście jakiegoś elementu, takiego jak na przykład prostownik 141, 142, 143, 144 lub przemiennik 161, 162, 163, 164, ale nie można przeskoczyć zadania realizowanego przez takie elementy. W razie uszkodzenia na przykład przemiennika 162 normalnie rozwarte łączniki 150, 151, 152 mogą zostać zwarte w celu połączenia reszty przemienników 161, 163, 164 z przewodem wejściowym przemiennika 162. Równocześnie normalnie zwarte łączniki 154 167 zostają rozwarte, aby odłączyć uszkodzony przemiennik 162.

Wreszcie normalnie rozwarte łączniki 170, 171, 172, w stanie zwartym zwierają wyjścia trzech przemienników 161, 163, 164, aby znów działały wszystkie cztery transformatory 181, 182, 183, 184.

W ten sposób uszkodzony przemiennik 162 został zbocznikowany i pomimo uszkodzenia przemiennika 162 elektrownia wiatrowa może wytwarzać całą dostępną moc.

Fig. 3 przedstawia szczególnie korzystny przykład realizacji uzwojeń stojana i prostownika dołączonego za nim, wykorzystując przykład systemu 101. Przedstawiono tu uzwojenia stojana 1211 i 1212 z dołączonym za nim prostownikiem 141. Taki opisany przykładowo system jest identyczny jak w innych redundancyjnych systemach 102, 103, 104.

Stojan 121, którego nie pokazano na fig. 3, ma dwa uzwojenia stojana 1211, 1212, które są względem siebie przesunięte w fazie o 30°. Oba uzwojenia stojana 1211, 1212 są wykonane w postaci uzwojenia trójfazowego, a więc każde z nich ma uzwojenia trzech faz 1213, 1214, 1215, 1216, 1217, 1218. Razem sześć fazowych uzwojeń 1213, 1214, 1215, 1216, 1217, 1218 jest dołączone do sześciofazowego prostownika 141.

Kąt przesunięcia pomiędzy poszczególnymi fazami 1213, 1214, 1215 i 1216, 1217, 1218 uzwojenia wynosi 120°. Jeżeli przyjąć, że wirnik (nie pokazano) obraca się zgodnie z ruchem zegara, wtedy fazy napięć indukowanych uzwojeniu 1211 są opóźnione w stosunku do faz napięć indukowanych w uzwojeniu 1212 o 30°. Ponieważ fazy uzwojenia są przesunięte względem siebie o 120°, na przykład napięcie fazy 1214 w uzwojeniu 1211 opóźnia się względem napięcia fazy 1217 w uzwojeniu 1212 o 30°, ale wyprzedza fazę 1218 w uzwojeniu 1212 o 90°. W ten sposób część energii wzbudzenia potrzebna dla fazy 1218 może być wytwarzana w fazie 1214.

Ponieważ oba trójfazowe uzwojenia 1211, 1212 są umieszczone na stojanie 121, jest tu już przewidziana wewnętrzna redundancja, tak że po uszkodzeniu uzwojenia 1211, 1212 drugie uzwojenie 1212, 1211 może wytwarzać moc wyjściową podawaną na prostownik 141.

Korzystny przykład realizacji przemiennika 161, 162, 163, 164 według wynalazku pokazano na fig. 4. Zastosowanie wielu przemienników 161,162, 163, 164 zapewnia zewnętrzną redundancję.

Na fig. 4 pokazano przykład przemiennika 161, którego struktura jest taka sama, jak struktura innych przemienników 162, 163, 164, przy czym jest on złożony z trzech modułów 1611, 1612, 1613 które mają rezystancję wewnętrzną. Struktura indywidualnych modułów 1611, 1612, 1613 jest taka sama. W przedmiotowym przypadku mają one jako elementy przełączające elementy IGBT (tranzystory bipolarne z izolowaną bramką), które przy odpowiednim działaniu wytwarzają napięcie przemienne z doprowadzonego napięcia prądu stałego +Ud i -Ud. Ponieważ budowa i sposób działania takich modułów są znane ze stanu techniki nie zamieszczono tu dokładnego opisu działania.

Każdy moduł 1611, 1612, 1613 wytwarza trójfazowe napięcie przemienne z doprowadzonego napięcia stałego i może być dołączony poprzez łączniki 1615, 1615, 1616 do wyjść L1, L2, L3 przemiennika 161.

Liczba modułów w przemienniku 161, 162, 163, 164 nie jest jednakże ograniczona do trzech. Równie dobrze można wybrać inną liczbę modułów 1611, 1612, 1613 korzystnie większą liczbę, aby oprócz redundancji zewnętrznej zrealizować również potrzebną redundancję wewnętrzną.

Liczba modułów umożliwia osiągnięcie przewymiarowania, aby w razie uszkodzenia innego przemiennika 161, 162, 163, 164 również uniknąć przeciążenia i na skutek tego przedwczesnego uszkodzenia.

Fig. 5 przedstawia redundancyjny układ transformatorów 181, 182, 183, 184, które są korzystnie w postaci transformatorów trójfazowych, które po stronie pierwotnej otrzymują na przykład w każdym przypadku 3x400 V z przemienników 161, 162, 163, 164, a po stronie wtórnej oddają na przykład do sieci średniego napięcia napięcie przemienne, które jest transformowane na przykład do 3x20 kV.

Te transformatory 181, 182, 183, 184 korzystnie są również przewymiarowane, aby mogły działać niezawodnie nawet po doprowadzeniu dodatkowej mocy wyjściowej uszkodzonego transformatora 181, 182, 183, 184.

PL 201 882 B1

Fig. 5 przedstawia łączniki 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 186, 187, 188, 189, które umożliwiają bocznikowanie uszkodzonego transformatora 181, 182, 183, 184. W tym przypadku łączniki 173, 186; 174, 187; 175, 188; 176, 189 umożliwiają odłączenie uzwojeń pierwotnych i wtórnych uszkodzonych transformatorów 181, 182, 183, 184 w celu uniknięcia zmiany impedancji na skutek równoległego połączenia uzwojenia pierwotnego i/lub uzwojenia wtórnego transformatorów 181, 182, 183, 184 po zwarciu łączników 170, 171, 172.

W tym celu łączniki 173, 174, 175, 176 usytuowane po stronie pierwotnej i łączniki 186, 187, 188, 189 umieszczone po stronie wtórnej są skonstruowane tak, że oddzielają one galwanicznie wszystkie zaciski odpowiedniego uzwojenia transformatora.

W związku z tym sterowanie korzystnie przeprowadza się taki sposób, że zarówno łączniki 173, 186; 174, 187; 175, 188; 176, 189 przy transformatorze 181, 182, 183, 184, czyli na przykład łącznik 174 po stronie pierwotnej, jak i łącznik 187 po stronie wtórnej transformatora 182 są zawsze uruchamiane równocześnie, aby niezawodnie odłączyć transformator 182.

Fig. 6 przedstawia drugi przykład realizacji przedmiotowego wynalazku. Ten przykład realizacji odpowiada w dużej części przykładowi realizacji z fig. 2, a różni się od niego ze względu na oszczędność łączników 130, 131, 132, 150, 151, 152, 170, 171, 172 z fig. 2 pomiędzy każdymi dwoma członami, tak że podobne człony oddzielnych systemów 101, 102, 103, 104 na fig. 1 są połączone równolegle i w normalnych warunkach każdy pracuje przy jednej czwartej wytwarzanej mocy wyjściowej.

W sposób odpowiadający układowi w pierwszym przykładzie realizacji, łączniki 133, 134, 135, 136, 146, 147, 148, 149, 153, 154, 155, 156, 166, 167, 168, 169, 173, 174, 175, 176, 186, 187, 188, 189 są normalnie zwarte, tak że wszystkie systemy 101, 102, 103, 104 działają.

Jeżeli nastąpi teraz uszkodzenie jakiegoś członu, wówczas człon ten jest odłączany przez rozwarcie łączników 133, 146; 134, 147; 135, 148; 136, 149; 153, 166; 154, 167; 155, 168; 156, 169; 173, 186; 174, 187, 175, 188; 176, 189, usytuowanych na przewodzie wejściowym i na przewodzie wyjściowym danego członu, a inne człony innych systemów 101, 102, 103, 104 (fig. 1) automatycznie pracują przy większej mocy wyjściowej.

Ilustruje to przejrzyście fig. 7, gdzie transformatory 181, 182, 183, 184 są połączone równolegle przez normalnie zwarte łączniki 173, 174, 175, 176, 186, 187, 188, 189. Jeśli zostanie stwierdzone uszkodzenie transformatora 181, 182, 183, 184, wówczas odpowiadające łączniki 173, 186; 174, 187; 175, 188; 176, 189 zostają rozwarte i dany transformator zostaje odłączony, natomiast do pozostałych transformatorów 181, 182, 183, 184 doprowadzona jest odpowiednio większa moc wyjściowa i elektrownia wiatrowa nadal wytwarza całą przewidzianą moc.

Korzystnie prostowniki 141, 142, 143, 144, pokazane przykładowo na fig. 1, są umieszczone w obudowie maszyny, czyli w gondoli elektrowni wiatrowej. Przemienniki 161, 162, 163, 164 są korzystnie umieszczone w obszarze podstawy wieży elektrowni wiatrowej, przy czym przemienniki i prostowniki są połączone ze sobą szynami stałoprądowymi 205, 206, 207, 208. Transformator przekazujący wytworzoną moc wyjściową do sieci, w przypadku morskiej elektrowni wiatrowej może być również umieszczony w najniższej części wieży, czyli poniżej poziomu wody.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ elektrowni wiatrowej z generatorem zawierającym wirnik i co najmniej dwa stojany, każdy z co najmniej jednym uzwojeniem stojana, przy czym z każdym stojanem skojarzony jest co najmniej jeden system zawierający prostownik, przemiennik i transformator, tak że tworzą się niezależne od siebie systemy zawierające w każdym z nich prostownik, przemiennik i transformator, znamienny tym, że oddzielne linie przyporządkowane są oddzielnym transformatorom (181, 182, 183, 184), przy czym pomiędzy przewodami wejściowymi poszczególnych elementów zainstalowane są łączniki (130, 131, 132) sterowalne w taki sposób, że tworzą połączenia pomiędzy poszczególnymi elementami co najmniej dwóch systemów (101, 102, 103, 104) tak, że linie wejściowe dwóch podobnych elementów są za pomocą każdego łącznika zawsze połączone równolegle.
2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera stojany (121, 122, 123, 124), które mają postać segmentów kołowego pierścienia.
3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że stojany (121, 122, 123, 124) są usytuowane wokół obrotowo zamontowanego wirnika generatora przybierając kształt kołowego pierścienia.
4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że ma cztery stojany (121,122, 123, 124).

PL 201 882 B1
5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że ma co najmniej jeden stojan (121, 122, 123, 124) z dwoma uzwojeniami (1211,12121).
6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że ma po dwa uzwojenia (1211, 1212) na każdym stajanie (121, 122, 123, 124).
7. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jedno uzwojenie (1211, 1212) stojana jest uzwojeniem trójfazowym.
8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jedno uzwojenie (1211, 1212) każdego stojana (121,122, 123, 124) jest uzwojeniem trójfazowym.
9. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że ma uzwojenia (1211, 1212) stojana, które bez wyjątku mają postać uzwojenia trójfazowego.
10. Układ według zastrz. 5 albo 6 albo 7 albo 8 albo 9, znamienny tym, że dwa uzwojenia (1211, 1212) co najmniej jednego stojana (121, 122, 123, 124) są przesunięte względem siebie w fazie o 30°.
11. Układ według zastrz. 6 albo 7 albo 8 albo 9, znamienny tym, że uzwojenia (1211, 1212) każdego stojania (121, 122, 123, 124) są przesunięte względem siebie w fazie o 30°.
12. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że ma co najmniej jeden prostownik (141, 142, 143, 144) współpracujący z każdym stojanem (121, 122, 123, 124).
13. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że ma prostownik (141, 142, 143, 144) współpracujący z każdym uzwojeniem (1211, 1212) stojana.
14. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden prostownik (141, 142, 143, 144) jest przewymiarowany w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z pozostałych prostowników, działające prostowniki mogą przynajmniej tymczasowo pracować bez przeciążenia.
15. Układ według zastrz. 14, znamienny tym, że wszystkie prostowniki (141, 142, 143, 144) są przewymiarowane, w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z nich, pozostałe prostowniki mogą przynajmniej tymczasowo przejmować jego zadanie bez przeciążenia.
16. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że przewody wejściowe prostowników (141, 142, 143, 144) są połączone ze sobą i/lub przewody wyjściowe prostowników (141, 142, 143, 144) są połączone ze sobą.
17. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że ma co najmniej jeden łącznik (133, 146; 134, 147; 135, 148; 136, 149) w przewodzie wejściowym i/lub w przewodzie wyjściowym każdego prostownika (141, 142, 143, 144).
18. Układ według zastrz. 19, znamienny tym, że połączone jest uruchomienie łączników (133, 146; 134, 147; 135, 148; 136, 149) na przewodzie wejściowym i na przewodzie wyjściowym prostownika (141, 142, 143, 144), który ma być odłączony.
19. Układ według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że łączniki (133, 146; 134, 147; 135, 148, 136, 149) oddzielają wszystkie zaciski prostownika (141,142, 143, 144), który ma być odłączony.
20. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden przemiennik (161, 162, 163, 164) współpracuje z każdym stojanem (121, 122, 123, 124).
21. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden przemiennik (161, 162, 163, 164) współpracujące z każdym uzwojeniem (1211, 1212) stojana.
22. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden przemiennik (161, 162, 163, 164) zawiera co najmniej dwa moduły (1611, 1612, 1613) przemiennika.
23. Układ według zastrz. 22, znamienny tym, że wszystkie przemienniki (161, 162, 163, 164) zawierają co najmniej dwa moduły (1611, 1612, 1613) przemiennika.
24. Układ według zastrz. 22 albo 23, znamienny tym, że każdy przemiennik (161, 162, 163, 164) jest złożony z co najmniej trzech modułów (1611, 1612, 1613) przemiennika.
25. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden przemiennik (161, 162, 163, 164) jest przewymiarowany, w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z pozostałych przemienników, działające przemienniki mogq przynajmniej tymczasowo pracować bez przeciążenia.
26. Układ według zastrz. 25, znamienny tym, że wszystkie przemienniki (161, 162, 163, 164) są przewymiarowane w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z nich, pozostałe przemienniki mogą przynajmniej tymczasowo przejmować jego zadanie bez przeciążenia.
27. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że przewody wejściowe przemienników (161, 162, 163, 164) są połączone ze sobą i/lub przewody wyjściowe przemienników (161, 162, 163, 164) są połączone ze sobą.

PL 201 882 B1
28. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że na przewodzie wejściowym i/lub na przewodzie wyjściowym każdego przemiennika (161, 162, 163, 164) znajduje się co najmniej jeden łącznik (153, 166, 154, 167; 155, 168; 156, 169).
29. Układ według zastrz. 27, znamienny tym, że połączone jest uruchomienie łączników (153, 166; 154, 167; 155, 168; 156, 169) na przewodzie wejściowym i na przewodzie wyjściowym przemiennika (161,162, 163, 164), który ma by odłączony.
30. Układ według zastrz. 28, znamienny tym, że łączniki (153, 166; 154, 167; 155, 168; 156, 169) oddzielają wszystkie zaciski przemiennika (161,162, 163, 164), który ma być odłączony.
31. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że ma co najmniej jeden transformator (181, 182, 183, 184) współpracujący z każdym stojanem (121,122, 123, 124).
32. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden transformator (181, 182, 183, 184) współpracuje z każdym uzwojeniem (1211, 1212) stojana.
33. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden transformator (181, 182, 183, 184) jest w postaci transformatora trójfazowego.
34. Układ według zastrz. 33, znamienny tym, że wszystkie transformatory (181, 182, 183, 184) są transformatorami trójfazowymi.
35. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden transformator (181, 182, 183, 184), jest przewymiarowany w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z pozostałych transformatorów, transformatory mogą przynajmniej tymczasowo pracować bez przeciążenia.
36. Układ według zastrz. 35, znamienny tym, że wszystkie transformatory (181, 182, 183, 184) są przewymiarowane, w takim stopniu, że po odłączeniu jednego z nich, pozostałe transformatory mogą przynajmniej tymczasowo przejmować jego zadanie bez przeciążenia.
37. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że przewody wejściowe transformatorów (181, 182, 183, 184) są połączone ze sobą i/lub przewody wyjściowe transformatorów (181, 182, 183, 184) są połączone ze sobą.
38. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że po stronie pierwotnej i po stronie wtórnej każdego transformatora (181, 182, 183, 184), są łączniki (173, 174, 175, 176, 186, 187, 188, 189).
39. Układ według zastrz. 38, znamienny tym, że połączone jest uruchamianie łącznika (173,

174, 175, 176) po stronie pierwotnej transformatora (181, 182, 183, 184), który ma być odłączony i łącznika (186, 187, 188, 189) po stronie wtórnej tego transformatora (181, 182, 183, 184).
40. Układ według zastrz. 38, znamienny tym, że w stanie rozłączonym łączników (173, 174,

175, 176, 186, 187, 188, 189) strona pierwotna i strona wtórna transformatora (181, 182, 183, 184) jest na wszystkich zaciskach galwanicznie odłączona.
41. Układ według zastrz. 17 albo 18 albo 28 albo 29 albo 30 albo 38 albo 39 znamienny tym, że ma urządzenie do sterowania łącznikami (130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 146, 147, 148, 149,

150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 186, 187, 188, 189) zależnie od tego, który człon jest uszkodzony.
42. Układ według zastrz. 17 albo 18 albo 28 albo 29 albo 30 albo 38 albo 39 albo 40, znamienny tym, że ma urządzenie do sterowania łącznikami (130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 186, 187, 188, 189) uwzględniające wytwarzaną lub przełączaną moc wyjściową.
43. Układ według zastrz. 17 albo 18 albo 28 albo 29 albo 30 albo 38 albo 39 albo 40, znamienny tym, że co najmniej niektóre łączniki (130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 146, 147, 148, 149, 150,

151, 152, 153, 154, 155, 156, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 186, 187, 188, 189) są łącznikami elektromechanicznymi.
44. Układ według zastrz. 17 albo 18 albo 28 albo 29 albo 30 albo 38 albo 39 albo 40, znamienny tym, że co najmniej niektóre łączniki (130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 123, 174, 175, 176, 186, 187, 188, 189) są łącznikami elektronicznymi.