TW201418574A

TW201418574A - 風力發電廠

Info

Publication number: TW201418574A
Application number: TW102130672A
Authority: TW
Inventors: Alfred Beekmann
Original assignee: Wobben Properties Gmbh
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2014-05-16
Also published as: RU2627230C1; EP2890890A1; IN2015DN01225A; US20150226185A1; NZ705010A; JP2015532697A; TWI524004B; CN104603456A; WO2014033073A1; MX2015002259A; BR112015003374A2; AU2013307405B2; CL2015000409A1; AU2013307405A1; MX357020B; KR20150042862A; DE102012215422A1; CA2881998A1; AR092391A1

Abstract

本發明係關於一種用於從風力產生電能之風力發電廠，其包含：至少2個風力渦輪機，用於產生該電能，及；一集體式注入器件，用於將產生之該電能或該電能之部分注入至一供電電網中，藉此該等風力渦輪機經由一DC電壓電網連接至該注入器件，以將使用該等風力渦輪機產生之該電能作為直流電供應至該注入器件。

Description

風力發電廠

本發明係關於用於從風力產生電能且用於將產生之電能注入至一供電電網中之一風力發電廠。本發明亦係關於一種用於注入藉由多個風力渦輪機在一風力發電廠上產生之電能之方法。

一般已知電能藉由風力渦輪機從風力產生，其中術語「產生」用於描述來自風力之能量轉換為電能。經常，多個風力渦輪機在一風力發電廠中集合在一起。接著此風力發電廠具有一集體式注入點，該集體式注入點用於將電能注入至附接至該集體式注入點之一供電電網中。因此，風力發電廠中之所有風力渦輪機經由此集體式注入點將電能注入至供電電網中。

例如，注入係按以下方式發生：每個風力渦輪機將其電力作為一交流電以適當頻率、電壓振幅及相位來提供至供電電網。以此方式，從多個風力渦輪機提供之電流在集體式注入點或在集體式注入點前不久相疊加，因此可一起注入至供電電網中。

以此方式，因為每個風力渦輪機根據正確值調節其提供之電流，所以一風力發電廠中之任何風力渦輪機可一起操作。接著有必要針對所提供之所有電力來予以協調。

但是，此情況下之缺點係損耗可發生於每個風力渦輪機及一內部風力發電廠電網中，此在風力渦輪機與集體式電網注入點之間產生一耦合，結果可能會損及風力發電廠之總效率。

德國專利商標局已調查此申請案：DE 101 45 346 A1及DE 196 20 906 A1之優先權申請中之以下先前技術。

因此，本發明之目的係盡可能減少上文提及之缺點。特定言之，應減少風力發電廠內部之效能損耗且應增加風力發電廠之效率。應提出至少一替代解決方案。

根據本發明，提出根據技術方案1之一風力發電廠。此風力發電廠被準備以用於從風力產生電能且其包含：至少兩個風力渦輪機，其等用於電能之產生及；一集體式注入器件，其用於將產生之電能注入至一連接之供電電網中。若(例如)此為所需以支援供電電網及/或基於來自供電電網操作員之規範，則亦有必要的是(尤其係臨時)僅已產生或可產生之電能之一部分被注入至供電電網中。否則，從本發明之基礎解釋省略任何功耗。為了基本理解之目的，假設中間產生之電力亦可注入至供應電網中。若存在效能損耗且當存在效能損耗時，將會明確提及。

在提出之解決方案中，風力渦輪機經由亦可稱作一DC電壓風力發電廠電網之一DC電壓電網連接至注入器件。以此方式，若考慮任何瞬時狀態，則風力渦輪機將其等電能或其等電力作為電DC電流供應至DC電壓電網且來自涉及之所有風力渦輪機之此DC電壓或此等組合之DC電壓供應至注入器件。現在注入器件從風力發電廠接收總電輸出且可將此注入至供電電網中。

此亦係指將DC電壓注入至DC電壓發電廠電網中，使得注入器件從DC電壓風力發電廠電網汲取電力。為了避免與供電電網混淆，此處將使用術語饋送至DC電壓電網中。

因此，提議應提供一DC電壓風力發電廠電網，且連接至其之風力渦輪機亦僅將DC電流及DC電壓饋送至此DC電壓風力發電廠電網。因此，用於風力發電廠且因此用於多個風力渦輪機之注入由一單個注入器件管理。此僅為產生交流電所需之元件，該交流電在其頻率、電壓振幅及相位上適應於供電電網。包含已在供電電網中迅速改變之需求的任何需求僅需由此注入器件提供。僅此單個注入器件需要偵測電網狀況，即，僅此注入器件需要自發地容許適當值。亦應注意，必須可能將注入器件定位於緊鄰旁邊或緊密接近於注入點處(即，緊密接近於供電電網處)。因為(例如)在注入器件與供電電網之間不發生或僅發生輕微電壓損耗，所以此容許任何量測值之一更直接應用。

因此，在注入時，不再需要考慮各自風力渦輪機與注入點之間的任何電壓損耗。僅注入器件需要將其產生之電流信號的電壓調整為供電電網的電壓。歸因於此注入器件與供電電網之間較短的距離(相較於風力發電廠中之一風力渦輪機與供電電網之間的距離)，電壓振幅亦更佳地適應於供電電網的要求。

最後，不再需要先前在風力渦輪機中所需之變頻器。現在，僅需要一注入器件。事實上，此單個注入器件必須轉變來自風力發電廠之整個輸出且因此必須對應地在尺寸上較大。但是，此意謂可更有效且因此在相對較低的功耗下操作。

根據一實施例，提議DC電壓電網中的DC電壓範圍從1kV至50kV，且明確言之，從5kV至10kV。此係指一單一雙極配置中之兩個電纜之間之電壓。

因此，風力渦輪機將其等一對應地高電壓(即，一中電壓)下之電力供應至風力發電廠之DC電壓電網。可藉由風力發電廠之DC電壓電網中之此對應地高電壓來減少傳輸損耗。而且，電壓已可用於某個振幅下之集體式注入器件，且因此可免除使用用以提高風力發電廠電力網內部之電壓的變壓器。因此，其可在使用一中電壓換流器之注入器件中操作，即，集體式注入器件可為一中電壓換流器，該中電壓換流器僅需要較少材料且亦可免除中電壓變壓器之使用。

較佳的是，風力渦輪機之至少一者，但是特定言之，風力發電廠中之風力渦輪機之所有將具有一發電機、一整流器及一升壓轉換器。發電機與風力渦輪機上之一空氣動力轉子耦合，且因此可從風力產生電力，該發電機將電力作為交流電傳遞。交流電由整流器整流為具有一初始DC電壓之一初始直流電。升壓轉換器將初始直流電及初始DC電壓升高至一第二直流電及一第二DC電壓，因此第二DC電壓高於初始DC電壓。接著較佳的是，第二DC電壓饋送至風力發電廠之DC電壓電網中。因此，明確言之，升壓轉換器用於將初始直流電提高至DC電壓電網中所需之電壓振幅。同時，升壓轉換器可執行盡可能穩定之一第二DC電壓之功能。當然，初始DC電壓可因風力波動而變化，且在低風速下其可產生低於較高風速下，或更特定言之，一標稱風速下之一值。

整流器較佳地位在緊鄰發電機處，明確言之，處於風力渦輪機短艙內部且接著產生之初始直流電將向下傳送通過一風力渦輪機塔或類似地，傳送至一塔底座或類似地，升壓轉換器定位之處。此意謂可在使用DC電壓傳輸下發生從短艙至塔底座或類似地方之電輸出。但是，同時，可避免在任何情況下在高位提供之高中電壓，其中該等高中電壓設想於風力發電廠之DC電壓電網中。

根據另一設計，提出風力渦輪機之至少一者且較佳地風力發電廠中之風力渦輪機之所有具有一同步發電機以產生一或該交流電。此類型之同步發電機能夠可靠地產生一交流電且供應一整流器。同步發電機將較佳地設計為一環式發電機且因此其電磁主動元件將僅處於外部三分之一處或甚至更遠之外。較佳的是，此同步發電機可裝備有高數量之極，諸如(例如)48、72、96或144個極。此容許一無齒輪設計，其中發電機中之一葉輪可直接由一空氣動力轉子操作(即，在無互連齒輪下)且傳輸至整流器之交流電可直接產生。較佳的是，此亦可為具有6個相位(即，具有兩批三個相位)之一同步發電機。可更簡單地以較窄諧波將此類型之六相位交流電整流，即，較小濾波器可足夠。較佳的是，風力渦輪機將為可變速渦輪機，使得空氣動力轉子之旋轉速度繼續適應於盛行風速。

根據一設計，注入器件可具有連接至DC電壓電網之一換流器，即，注入器件係一換流器。此換流器產生注入至供電電網中之交流電。較佳的是，此處將使用一中電壓換流器。

有利的是在注入器件與供電電網之間使用一變壓器以提高由注入器件產生之AC電壓。若使用一中電壓換流器，則不需要一中電壓變壓器。取決於連接之供電電網及其間之配置，此處有用的是使用一高電壓變壓器。當一中電壓換流器已經產生具有一中電壓(明確言之，具有從5kV至10kV之一電壓)之一交流電時及/或若使用產生至多50kV之最高可能中電壓之一中電壓變壓器，則一高電壓變壓器特別有用。

根據本發明，亦根據技術方案7提出用於將電能注入至一供電電網中之一程序。根據該程序，使用一風力渦輪機中之一發電機產生交流電且該交流電由一整流器整流為一初始直流電及一初始DC電壓。此初始DC電壓可在振幅上變化。因此，此初始直流電及初始DC電壓藉由一升壓轉換器提高至具有一第二DC電壓之一第二直流電。明確言之，此第二DC電壓具有大於初始DC電壓之振幅且適應於DC電壓風力發電廠電網中之電壓(即，風力發電廠中之總DC電壓電網)。

此第二直流電及第二DC電壓對應地饋送至DC電壓風力發電廠電網中。此DC電壓風力發電廠電網將此饋入能量供應至亦稱作風力發電廠換流器之一集體式換流器，該集體式換流器轉換供應為直流電之此能量且將此作為交流電注入至供電電網中。

較佳的是，多個風力渦輪機將產生交流電，將該交流電轉換為初始直流電，將初始直流電提高至一第二直流電，且最後將第二直流電饋送至DC電壓風力發電廠電網中。術語「初始直流電」、「初始DC電壓」及「第二直流電」在此上下文中應理解為系統術語，且初始直流電、初始DC電壓及第二直流電之振幅因風力渦輪機不同而變化。即使使用相同風力渦輪機，值可(例如)取決於盛行風及/或風力發電廠內部所關注之風力渦輪機的位置而變化。但是，對於所有風力渦輪機，在任何情況下，第二DC電壓應在初始近似值方面相同且對應於DC電壓風力發電廠電網中之DC電壓。

現在將使用實施例且參考作為實例之附圖來更詳細地解釋本發明。

圖1展示具有一塔102及短艙104之一風力渦輪機100。具有三個轉子葉片108及一旋轉器110之一空氣動力轉子106位於短艙104上。轉子106係設定成藉由風力在一旋轉運動中操作，且藉此驅動短艙104中之一發電機。

圖2展示一風力發電廠1，作為一實例，其具有兩個風力渦輪機2，更詳細地註釋該等風力渦輪機中之一者。為了簡單起見且亦因為另一渦輪機之細節可不同，所以對於另一渦輪機並不重複此等細節。兩個風力渦輪機2藉由一DC電壓線4及一DC電壓匯電條6連接至一集體式換流器8。集體式換流器8在其輸出10處從來自匯電條6之DC電壓或直流電產生具有一AC電壓之交流電，且經由一變壓器12(其在此處設計為一中電壓變壓器)將此注入至一供電電網14中。

在任何情況下，根據基於展示之詳細風力渦輪機2之一實施例來解釋基本功能性及必要元件。風力渦輪機2具有一空氣動力轉子16，其藉由風力轉動，因此使一同步發電機18中之一葉輪轉動，使得同步發電機產生交流電且將此供應至整流器20。整流器20位於風力渦輪機2之短艙22中，且在該處產生一初始直流電及一初始DC電壓。初始直流電及初始DC電壓經由一直流電連接電纜24從短艙22經由塔26供應至塔底座28。因此，直流電連接電纜24亦稱作一直流電塔電纜。

在塔底座28中，直流電連接電纜24耦合至一升壓轉換器30。升壓轉換器30將初始直流電及初始AC電壓轉變為一第二直流電及一第二DC電壓。此第二直流電及第二DC電壓在升壓轉換器30之輸出32產生且經由單個DC電壓電纜4饋入匯電條6中。

在直流電連接電纜24(即，直流電塔電纜24)上且因此在換流器20之輸出發生之初始直流電之初始DC電壓大約為5kV。施加至匯電條6處之DC電壓電纜4(即，DC電壓連接4)之DC電壓將較佳為5kV至10kV。此值相應地亦在匯電條6施加且因此在輸入施加至集體式換流器8。因此，實例展示用於將一直流電從5kV轉變為10kV之集體式換流器。因此本質上為一注入器件之集體式換流器8因此展示為一中電壓換流器。

藉由使用所示之配置，可省略每個風力渦輪機2中之一換流器。特別當使用一中電壓換流器(如亦在圖2中提出且具有比可能具有較低電壓之許多個別換流器更大效率)時，可操作正使用之集體式換流器8。圖2總共展示兩個風力渦輪機2，此僅意欲繪示多個風力渦輪機2呈現於風力發電廠1中。但是，此風力發電廠將較佳地具有多於兩個風力渦輪機2(明確言之50個風力渦輪機或更多)，其等全部經由一DC電壓電纜4連接至匯電條6。因此，DC電壓電纜4之整體可稱作DC電壓風力發電廠電網4或簡而言之，風力發電廠中之DC電壓電網4。因此，不需要DC電壓風力發電廠電網4在個別風力渦輪機之間實現任何直接連接，但是此意謂可存在(諸如)經由圖2中之匯電條6所示之一間接連接。

取決於風力發電廠1及/或供電電網14之設計，可省略中電壓變壓器12。由風力渦輪機2產生之所有電力在最高可能電壓下供應至DC電壓電網4且因此，使用集體式換流器8以最大有效方式注入至供電電網 14中。

此意謂明確言之藉由減少損耗，風力發電廠1之效率之總增加係可行的。此外，可能解決電網之一些未來需求。例如，此等電網需求可為一風力發電廠必須以一非常確定性方式對供電電網中之特定條件作出反應或必須以一特別確定性及清楚之方式對來自供電電網之操作員之需求作出反應。此等需求亦可透過適當信號非常迅速指定。藉由使用此集體式換流器8，風力發電廠1可描述為一風力發電廠發電站，其僅由供電電網感知為一主要發電機。風力發電廠1中之風力渦輪機2中之任何差異不對供電電網14有影響或對供電電網14而言非必要或不一定要由供電電網14感知。此等在以供電網路中之不同狀況及/或來自供電網路14之不同需求操作時，特別包含不同時間行為。

因此，明確言之，提出所有風力發電廠佈線應使用DC電壓技術及中電壓範圍(明確言之，從大約5kV至10kV)中之一電壓範圍。風力渦輪機將不會裝備有換流器。將在使用DC電壓下發生能量至圖2中繪示為換流器8及匯電條6之一電網傳輸站之傳送。因此，將在電網傳輸站使用用於注入至AC電壓電網(即，供電電網14)中之一中電壓換流器。此中電壓換流器符合所有電網需求(即，供電電網之需求)且亦符合任何無功功率需求(即，基於將注入之一定比例之無功功率之需求)。

因此，提出一種亦符合以最具成本效益之方式且以最高可能效率等級建構風力發電廠之目標之解決方案。

1‧‧‧風力發電廠

2‧‧‧風力渦輪機

4‧‧‧DC電壓線/DC電壓電纜/DC電壓連接

6‧‧‧DC電壓匯電條

8‧‧‧集體式換流器

10‧‧‧集體式換流器之輸出

12‧‧‧變壓器

14‧‧‧供電電網

16‧‧‧空氣動力轉子

18‧‧‧同步發電機

20‧‧‧整流器/換流器

22‧‧‧短艙

24‧‧‧直流電連接電纜/直流電塔電纜

26‧‧‧塔

28‧‧‧塔底座

30‧‧‧升壓轉換器

32‧‧‧升壓轉換器之輸出

100‧‧‧風力渦輪機

102‧‧‧塔

104‧‧‧短艙

106‧‧‧空氣動力轉子

108‧‧‧轉子葉片

110‧‧‧旋轉器

圖1在一透視圖中展示將在一風力發電廠中使用之一風力渦輪機。

圖2展示一風力發電廠。