SE519430C2 - Vindkraftanläggning - Google Patents

Description

25 30 519 450 Redogörelse för uppfinningen Detta syfte uppnås med en vindkraftanläggning av inledningsvis angivet slag med i patentkravet 1 angivna kännetecken.

Genom att växellådan elimineras reduceras kostnaden för anläggningen liksom anläggningens vikt. Genom att vidare hopkoppla vindturbin och generator via en elastisk koppling begränsas påkänningarna vid snabba avvikelser från medelvindhastigheten i form av vindbyar eller andra variationer.

Genom att synkrongeneratorn är utförd för alstring av lågfrekvent växel- strömsenergi, uppnår man fördelen att förlusterna i växelströmsförbindelsen mel- lan vindkraftverk och nät minskar och överföring över längre avstånd än vid kon- ventionella växelströmsöverföringar möjliggörs.

Vidare genom att en frekvensomformare är anordnad i en mottagande station vid transmissions- eller distributionsnätet för att omvandla frekvensen hos den av vindkraftverket genererade spänningen till nätets frekvens, vilken frekvens- omformare är en roterande frekvensomvandlare av motor och generator, undviker man förlusterna i, i en statisk omvandlare ingående elektronik. Genom att frek- vensen är given på vardera sidan om frekvensomformaren kan såväl motor som generator utgöras av synkronmaskiner.

Enligt en fördelaktig utföringsform av anläggningen enligt uppfinningen är ett flertal, till ett motsvarande flertal vindturbiner hörande generatorer parallellt hopkopplade på generatorsidan av växelströmsförbindelsen. Denna elektriska hopkoppling kan göras i parken av vindkraftverk, varvid växelströmsförbindelsen kan realiseras med en gemensam växelströmskabel från samtliga generatorer, alternativt kan parallellkopplingen göras vid en mottagande station vid det motta- gande nätet, varvid växelströmsförbindelsen realiseras med en individuell växel- strömskabel från varje generator till denna mottagande station.

Enligt en annan fördelaktig utföringsform av anläggningen enligt upp- finningen uppvisar synkrongeneratorn i varje vindkraftverk och/eller frekvens- omformarens synkronmaskiner en lindning innefattande en böjlig högspännings- kabel. En sådan synkrongenerator kan konstrueras för spänningar upp mot 800 kV, d v s direktkoppling, utan transformator, är möjlig till varje typ av kraftnät. Vind- kraftanläggningar har konstruerats för spänningar upp till 24 kV men ingenting hindrar att spänningen vid denna utföringsform höjs avsevärt vid bibehållet varvtal. 20 25 30 519 430 3 Genom att överföringen från vindkraftverk till mottagande nät sålunda kan ske på mycket hög spänning och vid låg frekvens, frekvensomformaren är lämpligen placerad nära transmissions- eller distributionsnätet, blir växelströmsförbindelsens överföringskapacitet mycket hög. Vidare, växelspänningarna i näten på vardera sidan om omformaren är med stor sannolikhet olika och spänningen i det mot- tagande nätet kan självfallet skilja sig från fall till fall. Av den anledningen måste också spänningsanpassning ske. Genom att utforma frekvensomformarens syn- kronmaskiner såsom angivits kan således på fördelaktigt sätt den levererade spänningen anpassas till varje nätspänning utan användning av systemtrans- formatorer. En på detta sätt utformad omformare möjliggör således på fördelaktigt sätt såväl frekvensomformning som spänningsanpassning.

Enligt andra fördelaktiga utföringsformer av anläggningen enligt upp- finningen innefattar kabeln en ledande kärna och ett kärnan omslutande isolations- system med två halvledande skikt anbringade på vardera sidan om en fast isola- tion, vilka halvledande skikt utgör väsentligen ekvipotentialytor. Härigenom inne- sluts det elektriska fältet. Det inre av det halvledande skikten har väsentligen sam- ma potential som den innanför detta skikt befintliga elektriskt ledande kärnan, och är lämpligen i elektrisk ledande kontakt med kärnan eller en del av denna. Det yttre av de halvledande skikten är förbundet med en förutbestämd potential, företrädesvis jordpotential, eller en relativt låg potential. På detta sätt kan hela längden av kabelns yttre halvledande skikt, liksom andra delar av anläggningen, hållas på i huvudsak jordpotential, och det elektriska fältet utanför det yttre halv- ledande skiktet är nära noll också i härvändområdena. Det betyder att inga fält- koncentrationer kommer att uppträda varken i maskinernas kärna, i härvänd- områdena eller i övergången mellan dem.

Enligt ännu en fördelaktig utföringsform av anläggningen enligt uppfinningen är frekvensomformarens motor- generatorset försett med extra roterande massa. En starkt varierande vind åstadkommer effektpulsationer som kan vara störande i det mottagande nätet. Den extra tröghet som en sådan roterande massa utgör skapar emellertid ett energilager, som ger stabilitet mot effektpulsationer, och tillsammans med den elastiska kopplingen mellan vindturbin och generator levererar sålunda anläggningen enligt uppfinningen vindel med hög spänningskvalitet. 10 15 20 25 30 519 430 4 Temporära smärre avvikelser i generatorvarvtalet på grund av olika stör- ningar kan uppträda. För den skull är enligt ytterligare en fördelaktig utföringsform av anläggningen enligt uppfinningen, dämplindningar anordnade i generatorns ro- tor för att korrigera av störningar orsakade temporära avvikelser från det synkrona varvtalet. Avvikelser eller pendlingar i varvtalet, typiskt med en frekvens av några Hz, dämpas snabbt med sådana kortslutna s.k. dämplindningari rotorn genom att strömmar induceras i de kortslutna lindningarna, vilka med luftgapsflödet strävar att återföra generatorn till den ”synkrona läget”.

Figurbeskrivning För att förklara uppfinningen närmare kommer nu en, såsom exempel vald utföringsform av anläggningen enligt uppfinningen att beskrivas närmare med hän- visning till bifogade ritningar, på vilka Figur 1 schematiskt illustrerar en vindkraftanläggning enligt uppfinningen och Figur 2 visar i tvärsektion en kabel lämpad för användning ide i anläggning- en ingående kabellindade maskinerna.

Beskrivning av utföringsexempel I figur 1 illustreras den principiella uppbyggnaden av ett utföringsexempel av vindkraftanläggningen enligt uppfinningen med ett flertal parallellkopplade vind- kraftverk. Vart och ett av vindkraftverken innefattar en vindturbin 12, som via en elastisk, momentupptagande koppling 4, är hopkopplad med en synkrongenerator 6, utan mellanliggande växellåda. Kopplingen 4 kan vara t ex en sllrkoppling eller gummikoppling. Via lämpliga brytare och frånskiljare, schematiskt visade vid 8, är vindkraftsverken i en park parallellkopplade och anslutna till en växelströmsförbin- delse 10.

Generatorerna 6 vid anläggningen enligt uppfinningen utgörs av synkron- generatorer utförda för låg frekvens. Med låg frekvens menas i detta sammanhang att frekvensen ligger under 20 Hz, företrädesvis vid ca 10 Hz. Generatorerna leve- rerar således en lågfrekvent växelström för överföring på förbindelsen 10, vilket är gynnsamt ur förlustsynpunkt. Om den låga frekvensen i växelströmsförbindelsen 10 är exempelvis 10 Hz minskar den kapacitiva strömmen iväxelströmsförbindel- sens 10 kabel fem gånger för samma spänning jämfört med vid normal nätfre- kvens av 50 Hz. 10 15 20 25 30 519 430 5 Synkrongeneratorn 6 är vidare lämpligen utförd i s k kabelteknologi, vilket innebär att för åtminstone en lindning utnyttjas en kabel av högspännigstyp med fast isolation av det slag som visas i figur 2. Denna kabel 1 är en högspännings- kabel av väsentligen samma slag som den som används för kraftdistribution, d v s PEX-kabel med isolation av tvärbunden polyeten eller etenpropen. Kabeln 1 inne- fattar en ledande kärna med ett flertal kardeler 2. Kardelarna 2 är omslutna av ett isolationssystem med två halvledande skikt 3,5 anbringade på vardera sidan om en fast isolation 4. Det är väsentligt att de halvledande skikten är anordnade i intim kontakt med den mellanliggande isolationen, och för att säkerställa denna intima kontakt även vid varierande temperaturer uppvisar de halvledande skikten och den fasta isolationen väsentligen samma termiska utvidgningskoefficienter.

Kabeln är böjlig och de halvledande skiften 3,5 utgör väsentligen ekvipo- tentialytor, vilka möjliggör inneslutning av det elektriska fältet så att kabelns 1 yt- teryta kan hållas på i huvudsakjordpotential. Den fasta isolationen och dess omgi- vande halvledande skift 3,5 är utformade med en elektrisk isolationshållfasthet överstigande 3 kV/mm, företrädesvis överstigande 5 kV/mm. På detta sätt blir ka- beln väl lämpad för användning som lindning i en statorkärna för höga spänningar med bibehållen kontroll av det elektriska fältet och utan risk för förstörande elek- triska urladdningar, PD (Partial Discharges). Kabeln kan företrädesvis vara dimen- sionerad för spänningar i området 10-50 kV, men inget hindrar att den dimensio- neras för högre spänningar. Härigenom kommer vindkraftverken således att kunna producera en lågfrekvent, högspänd växelspänning för överföring på förbindelsen 10, vilket ger förbindelsen en mycket hög överföringskapacitet. Behovet av trans- formatorer för upptransformering av spänningen elimineras likaledes. Vindkraft- verk har idag konstruerats för spänningar upp till 24 kV men inget hindrar att spän- ningen höjs vid bibehållet varvtal. Generatorerna är lämpligen dimensionerade för en effekt överstigande 1 MW, företrädesvis över 1.5 MW, och helst för effekteri området 3-6 MW.

Då turbinerna 12 i en vindkraftpark normalt roterar med samma rota- tionshastighet, typiskt 10-25 rpm, vilket i sin tur innebär att de direktdrivna rotorer- na hos generatorerna 6 roterar med samma varvtal, möjliggörs synkron drift ge- nom parallellkoppling av vindkraftverken i ett växelströmsystem med gemensam utspänning. Spänningen från varje generator måste således följa denna gemen- samma utspänning med avseende på amplitud, fasläge och frekvens. 10 15 20 25 30 519 430 6 Generatorernas 6 rotorer är lämpligen av permanentmagnettyp, så att ing- en reglering på rotorn erfordras.

För överföringsförbindelsen 10 till ett ställverk vid mottagande nät 14 an- vänds växelströmskabel. l anslutning till figur 1 har ett utföringsexempel beskrivits, vid vilket ett fler- tal vindkraftverk 12, 4, 6, 8 växelströmsmässigt parallellkopplats i en vindkraftpark, från vilken en gemensam växelströmsförbindelse 10 leder till en mottagande sta- tion vid kraftnätet 14. Alternativt kan självfallet en växelströmsförblndelse löpa från vart och ett av vindkraftverken och parallellkopplas först framme vid den mottagan- de stationen.

Det mottagande nätet 14 kan vara vilket kommersiellt kraftnät som helst.

Omformningen av den lågfrekventa växelspänningen från vindkraftanlägg- ningen sker i en roterande omformare 16 i form av ett motor-generatorset 18, 20.

Genom att frekvensen både på förbindelsen 10 och på nätet 14 är given kan så- väl motor 18 som generator 20 utgöras av synkronmaskiner lämpligen utförda i kabelteknologi, d v s vardera maskinen innefattar en lindning av högspänningska- bel, såsom beskrivits ovan. Med omformaren 16 sker såväl frekvensomformning som spänningsanpassning till det mottagande nätet 14. Poltalen i vardera maski- nen 18, 20 är så anpassade att de motsvarar det frekvensförhållande som råder mellan den låga frekvensen hos den från vindkraftverken levererade spänningen och det mottagande nätets 14 frekvens, normalt 50 eller 60 Hz. Vidare, eftersom spänningen från vindkraftverken och spänningen på nätet 14 normalt ligger på oli- ka nivåer måste även en spänningsanpassning ske. Genom att utforma omforma- rens 16 maskiner 18,20 i kabelteknologi, såsom beskrivits, kan dessa dimensione- ras så att en till nätspänningen anpassad utspänning erhålls direkt från generatorn 20, d v s inga systemtransformatorer erfordras.

Anläggningen jordas lämpligen - högohmigt eller direktjordat - via mittuttag hos den roterande omformarens motor. Detta är särskilt fördelaktigt i fallet med vindkraftverk placerade till havs, varvid omformaren normalt är landbaserad där jordningen kan göras enklare. Vidare, om lämpliga kopplingsarrangemang är an- ordnade, kan vid fel i en del av anläggningen den felaktiga delen frånkopplas och anläggningen för övrigt drivas vidare.

Synkronmaskinerna i den roterande omformaren har också med fördel ka- pacitet att både producera och konsumera reaktiv effekt, dvs effektfaktorn (cos (p) 10 15 519 450 7 < 1. Vardera maskin kan då reglera växelspänningen på "sit " nät, nämligen växel- strömsförbindelsen med vindkraftverken, respektive det mottagande transmis- sions- eller distributionsnätet.

Jämfört med statiska omformare uppvisar den beskrivna roterande om- formaren de ytterligare fördelarna med mindre förluster och, till stor del, undvikan- de av övertonsgenerering.

En starkt varierande vind resulterar i effektpulsationer, som kan vara stö- rande i ett mottagande kraftnät. Den roterande omformaren 16 förses därför lämp- ligen med en extra roterande massa, vilken genom sin tröghet stabiliserar system- et, så att vindel med hög spänningskvalitet erhålls. Den extra roterande massan kan exempelvis ha formen av ett svänghjul.

Temporära, smärre varvtalsavvikelser hos generatorerna 6, på grund av störningar, kan alltid förekomma. För den skull är på vanligt sätt kortslutna dämp- lindningar inlagda i rotorernas poler för att påskynda utdämpningen av sådana va- riationer och återföra varvtalet till det synkrona varvtalet.

Claims (10)

10 15 20 25 30 519 430;ffå?fiš.2U s NYA PATENTKRAV

1. Vindkraftanläggning innefattande minst ett vindkraftverk, som inkluderar en vindturbin (12) och en av denna driven elektrisk synkrongenerator (6), direkt hopkopplad med vindturbinen via en elastisk koppling (4), samt en elektrisk växel- strömsförbindelse (10), som förbinder vindkraftverket med ett transmissions- eller distributionsnät (14), kännetecknad av att synkrongeneratorn (6) är utförd för alst- ring av lågfrekvent växelströmsenergi, samt att en frekvensomformare (16) är an- ordnad i en mottagande station vid transmissions- eller distributionsnätet (14) för att omvandla frekvensen hos den av vindkraftverket genererade spänningen till nätets frekvens, vilken frekvensomformare (16) är en roterande frekvensomvand- lare innefattande ett motor- generatorset (18, 20), vars motor (18) och generator (20) är synkronmaskiner.

2. Anläggning enligt patentkrav 1 , kännetecknad av att ett flertal, till ett motsvarande flertal vindturbiner (12) hörande generatorer (6) är parallellt hopkopp- Iade på generatorsidan av växelströmsförbindelsen (10).

3. Anläggning enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att vindkraftver- kets synkrongenerator (6) och/eller frekvensomformarens (16) synkronmaskiner (18, 20) vardera uppvisar en lindning, innefattande en böjlig högspänningskabel (1)-

4. Anläggning enligt patentkrav 3, kännetecknad av att kabeln (1) innefattar en ledande kärna (2) och ett kärnan omslutande isolationssystem med två halvle- dande skikt (3,5) anbringade på vardera sidan om en fast isolation (4), vilka halv- ledande skikt utgör väsentligen ekvipotentialytor.

5. Anläggning enligt patentkrav 4, kännetecknad av att det inre (3) av de halvledande skikten har väsentligen samma potential som den innanför detta skikt befintliga, elektriskt ledande kärnan (2). 10 15 519 450 i 9 SE p ans 0000872-2

6. Anläggning enligt patentkravet 5, kännetecknad av att det inre (3) av de halvledande skikten är i elektriskt ledande kontakt med den ledande kärnan (2) el- ler en del av denna.

7. Anläggning enligt något av patentkraven 4-6, kännetecknad av att det ytt- re (5) av de halvledande skikten är förbundet med en förutbestämd potential.

8. Anläggning enligt patentkrav 7, kännetecknad av att den förutbestämda potentialen ärjordpotential eller en relativt låg potential.

9. Anläggning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att frekvensomformarens (16) motor-generatorset (18, 20) är försett med extra rote- rande massa.

10. Anläggning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att dämplindningar är anordnade i synkrongeneratorns (6) rotor för att korrigera för av störningar orsakade temporära avvikelser från det synkrona varvtalet.