风力发电厂 【技术领域】
本发明涉及一种包括至少一个风力发电站的风力发电厂，所述风力发电站包括风力涡轮机，由该风力涡轮机和整流器驱动的发电机，以及设置在风力发电站的所述整流器和反相器之间的直流电压连接电路，该反相器的交流电压侧连接至传输或配电网，反相器设置在该电厂的电网一侧。
本发明优选用于以下情况，其中发电机和传输或配电网之间的连接包括会浸没在水中的电缆。因此换句话说，本发明主要涉及这样一种应用，其中一个或多个风力涡轮机及相关的发电机会被放置在海中或湖中，而延伸至传输或配电网的电缆被置于陆地上。尽管本发明下述优点主要是关于位于海中或湖中的风力涡轮机的，但是本发明在以下的情况中也会发挥其优势，即风力涡轮机和发电机位于陆地上，而在该情况下可以不必由电缆而是由架空线路或电缆形成的连接可以将几个这样的风力涡轮机/发电机与传输或配电网相连接。
本发明的背景技术和现有技术
当风力发电站位于海中时，为了实现该设计地经济性，需要使大量的风力发电站处于一个有限的区域内。这种基于海水的风力发电需要较大的风力发电站(3兆瓦以上)，因此期望适合的总体系统功率为50-100兆瓦。迄今为止，这种风力安置场的设计的前提条件是，在三相交流电压海洋电缆系统中由传统交流传输来有效地进行电能传输。在这种情况下，发电机基本总是三相非同步发电机。虽然的确存在所用同步发电机直接连接至配电网的实例，但是通常会导致必须在发电机和机器房之间安装复杂的机械弹簧悬浮件，以缓冲因风负载的变化特性导致的功率变化。这一点依赖于这样一个事实，即同步电机的转子动力学作用为类似一个抵抗钢性交流电压网络的弹簧，而非同步电机作用为类似一个缓冲器。传统的3千瓦的非同步发电机可推测是为约3-6千伏制造的，并可串联一个变压器，它在第一步骤将电压提升至例如24千伏。在有30-40个风力发电站的风力安置场中可以设置一个中央变压器，它将电压进一步提升至130千伏。这种系统的优点在于其廉价并且不需要任何复杂的子系统。其缺点部分是因为在高压交流电压电缆中长距离传输电力的技术上的困难。这依赖于这样一个事实，即电缆产生的电容性无功功率随长度而增加。然后穿过导体并处于电缆屏蔽中的电流升高，而使得电缆不能用于长距离使用。另一个缺点在于，风负载变化而导致传输线上的电压变化，这会影响连接在附近的电力用户。这尤其是电网是“弱”的情况，即具有低的短路功率。由于前述的长途电缆传输的技术问题，人们可能被迫将风力电场连接至“弱”的电网。根据特定的指导原则，电压变化不能大于4％。不同的国家有不同的规定，通常在传输线上电压电平较低的情况下，该规定值小。必须根据时间间隔对电压变化进行不同的处理。快速的电压变化会导致“闪烁”，即辉光灯亮度变化，这也是在规则的调整之中的。
上述长距离电缆问题的一个解决办法是利用高压直流电压传输电能。这样该电缆可以被直接拉至强的电网。另一个优势在于直流传输的损耗比交流传输的低。从技术角度而言，这样电缆长度可以是无限的。由整流站、传输线(电缆或架空线路)、反相站、和除去在转换过程中产生的倍频的滤波器组成HVDC联接。在HVDC联接的旧形式中，半导体闸流管被用于整流和反相。半导体闸流管可被切换为开，但是不能切换为关；在零交叉电压时发生交换，这是由交流电压决定的，因此转换器被称为线交换。这种技术的缺点在于变换器消耗无功功率，并导致会送出至电网的电流倍频。在一个较现代的直流电压解决方案中，IGBT被用来代替转换器中的半导体闸流管。IGBT(绝缘门双极晶体管)可被切换为开，以及切换为关，并具有高切换频率。这意味着转换器可以根据完全不同的原理来制造，即所谓的自交换转换器。总之，自交换转换器的优点在于它们可以发出和消耗无功功率，这使得它在电网弱时可以在电网侧进行电压电平的有源补偿。因此这种转换器优于旧的技术，因为它可以被连接至更靠近风力发电的配电网。与旧的HVDC发电机相比，高的切换频率也导致了倍频问题的减少。但其缺点在于在转换站的损耗更高，价格也更高。自交换转换器的特点在于电压是由转换器产生的快速脉冲图形建立的。在脉冲图形和正弦电网电压之间的电压差会位于电网侧的电感应之上。有两种类型的自交换反相器：电压钢性VSI(电压源反相器)和电流钢性CSI(电流源反相器)，其特性略有不同。VSI在直流侧具有至少一个电容，具有最好的功率调节。
已经建立了某些采用类似HVDC概念的实验性风力发电站，但是完全是为了不同的原因，即为了实现各风力发电站的可变旋转速度。然后该风力发电站的发电机借助于一般为400V或660V电平的低压上的直流联接而脱离电网。在导致旋转速度的变化可以被用来消除会引起“闪烁”的快速功率脉动的同时，涡轮机的可变旋转速度提供能量增益。但是当然不可能消除慢的功率变化，这是风载荷的性质中所固有的。涡轮机的惯性矩可用作动能的中间存储。在这种系统中，同步发电机不会产生任何不利，反倒是具有优点，因为非同步电机需要更昂贵和更复杂的整流器。如果需要有直流驱动的发电机，并因此省略在涡轮机和发电机之间的传动齿轮，那么发电机就必须是同步的，因为它可以设有许多电极。换句话说，直流驱动的发电机需要直流中间联接。在该概念中，如果使用受控的整流器，那么可以通过改变触发角而主动地调整力矩。在具有可变旋转速度的大多数概念中，通过所谓的间距控制而进一步提供外部主动旋转速度控制，这意味着叶片角在涡轮机上改变。根据相关概念的可变旋转速度的缺点在于所需功率电子设备的价格昂贵，并且这种功率电子设备在海洋之外的维护是困难而且昂贵的。
在W097/45908中提出了一种技术方案，其中结合了可变旋转速度系统良好特性以及旧模式的HVDC联接的优势。通过将已经在直流中间联接之中的风力发电站并联(见该文件的图3)，省略了数个N低压反相器和一个高压整流器。根据这种方案，带有扼流圈的整流器被用在风力发电涡轮机一侧，带有相关扼流圈的中央反相器被用在电网一侧。该系统看起来是直接为线交换的、或任何情况中的电流钢性、整流器和反相器而设计的，因为直流电压联接中的扼流圈使得该电流钢性。这具有一个优点，即整流器之后的直流电压可以在大的范围内变化。这在可变旋转速度的操作中是必要的，因为风力发电站中的发电机在低旋转速度下只能发出低的输出电压。但是电流钢性反相器的缺点在于它不能通过电网而与电压刚性反相器一样有效地调整无功功率。另外，在直流方式中的反相器要与风力发电站中的并联的整流器串联。这意味着从风力电场输出的直流电流与输入陆地上的反相器的是一样的。另外，该电压的先决条件是为6-10千伏，这是用于传统发电机的典型电压。这意味着直流电压约为12千伏，这对于50兆瓦的总功率传输来说是不现实的低直流电压。在电缆中的损失会非常大。而对于50-100兆瓦规模的风力安置场来说，需要在约100千伏电压电平上传输电力。如果变压器被连至每个发电机，并且足够数量的阀被串联在所有的整流器中，那么这一点就的确是可能的。但是如果可以避免风力发电站中的变压器，会具有很大的优点。另外，将多个用于为N个风力发电站整流N个输出电压所需的阀串联至100KV的直流电压会关系到大的问题。发明目的
本发明的目的是，利用用于可变旋转速度的更简单和更廉价的系统，获得与现代HVDC系统所提供的相同的从基于海洋的风力电场至基于陆地的电网的良好功率传输，并可以免除风力发电站中的变压器和受控功率电子设备的需要。这是非常有价值的，因为在海洋之外进行的所有维护是昂贵和难以进行的。本发明的另一个目的是，可以具有直流传输上的如此高的电压从而也为例如50-100兆瓦的大电场获得低损耗。发明概述
本发明的目的主要是通过后面的权利要求1特征部分的特征来实现的。现有技术未解决的直流电压过低的技术问题也因此通过将直流/直流转换器在海洋之外将其低压侧电连接至整流器而其高压侧电连接至反相器来获得解决。这种直流/直流转换器与用于直流的变压器作用方式类似；它以系数n：1而提升直流电压，以1：n来降低直流电流，n代表转换。这意味着反相器和整流器不再串联连接。
根据本发明的优选实施方案，整流器形成为与本地提升直流电压转换器串联的无源二极管整流器。它比线交换的整流器更简单，并被认为可以在高压下更好的操作。本地提升直流电压转换器适合由扼流圈、串联的IGBT阀和串联的二极管构成。这也可以是直流/直流转换器的基本设计。
另外，优选的是反相器是由电压钢性的自交换系统构成，其特征就功率调整的观点而言是优于行交换系统的。这种系统的特征在于，在本发明的一个实施方案中，至少一个电容器在直流联接上的反相器之上并联，而感应器在电网侧与每个相串联连接。在优选实施方案中，阀由串联的IGBT构成。
利用目前关于风力发电站的发电机技术，可以制造出能够处理10千伏并且更理想的是处理更高电压的发电机。另外，用于定子线圈的传统绝缘技术对风力涡轮发电机所面对的温度变化、湿度和盐敏感。
根据本发明的特别优选实施方案，为发电机中的至少一个线圈使用固体绝缘，该绝缘优选根据权利要求14而进行。更具体地说，该线圈具有高压电缆的特性。以这种方式制造的发电机，就构成了获得比传统发电机大大高出的电压的先决条件。可以获得的电压高达400千伏。另外该线圈中的这种绝缘系统意味着对盐、湿度和温度变化不敏感。该高输出电压意味着变压器可以完全省略，这就避免了前述的缺点，例如成本的提高，效率的降低、起火的风险和环境的风险。后者是由于传统的变压器中含有油脂而导致的。
具有由电缆形成的这种线圈的发电机可以通过在用于该目的而在定子中预先形成的槽中传穿缆而来制造，因此线圈电缆的柔软性就意味着传穿电缆的工作可以容易地进行。
绝缘系统的两个半导体层具有电势补偿功能，并因此减少了表面发光的危险。内侧半导体层与位于该层内部的电导体或其一部分导电接触，以获得与之相同的电势。该内侧层被紧密的固定在位于其外部的固体绝缘体上，这也适用于将外侧半导体层固定在该固体绝缘体上。外侧的半导体层倾向于包括固体绝缘体内的电场。
为了确保半导体层和固体绝缘体之间在温度变化过程中也保持粘附，该半导体层和固体绝缘体要有基本上同样的热膨胀系数。
绝缘系统中的外侧半导体层接地或连接至较低的电势。
为了获得能够具有非常高压的发电机，该发电机具有前面提到的数个特征，并与传统技术明显不同。另外的特征定义在从属 中，将在下面予以讨论：
-磁路中的线圈是由具有一个或几个永久绝缘的电导体的电缆
制成，其中在导体处和在固体绝缘体的外侧具有半导体层。典
型的这种电缆是具有交联聚乙烯或乙烯-丙烯绝缘体的电
缆，它用于此处所讨论的问题，并关于电导体以及绝缘系统的
特性而进一步发展。
-具有圆形横截面的电缆是优选的，但是也可以使用具有其它截
面形状的电缆，例如在为了获得更好的堆积密度的时候。
-这种电缆使得它可以在关于槽和齿方面以新的和最佳的方式
设计磁路的层状芯。
-有利的是，利用分段式提高的绝缘或层状芯最佳的利用而形成
线圈。
-有利的是，该线圈可以形成为同心电缆线圈，这使得它可以减
少线圈末端交叉的数量。
-槽的形状与线圈电缆的横截面相适应，从而该槽是多个相互轴
向和/或径向向外延伸的圆筒形开口的形式，并在定子线圈的
层之间具有收缩部分。
-槽的形状与所讨论的电缆横截面相适应，并适合于线圈绝缘部
分的厚度分段式变化。该分段式绝缘部分使得它对于磁芯来说
可以具有与径向延伸无关的基本恒定的齿宽度。
-上述关于芯的进一步改进意味着由多个层在一起构成的线圈
导体、即绝缘的导线束不必正确的换位，以及彼此非绝缘和/
或绝缘。
-上述关于外侧半导体层的进一步改进意味着外半导体层在沿
着电缆长度方向的适当位置处被切掉，并且每一个切掉的局部
长度直接接地。
上述类型电缆的使用使得它可以将电缆外侧半导体的空穴长度，以及该电厂的其它部分保持在地电势。一个重要的优点在于在外侧半导体外部的线圈端部内的电场接近于0。利用外侧半导体层上的地电势，可以不必控制该电场。这意味着既不会在芯部、也不会在线圈端部区域或在它们之间的过渡区域产生无电场集中的问题。
堆积在一起的绝缘和/或非绝缘导线束的混合体或换位的导线束导致了低的涡流电流损耗。该电缆可以具有的外侧直径为10-40mm的量级，导体面积为10-200mm2的量级。
根据本发明的另一个实施方案，带有可变传输的变压器被设置在反相器的高压侧。
本发明的其它优点和特征将在以下的描述和独立权利要求中了解得更加清楚。附图的简要说明
参考附图，对本发明的实施方案作更详细的描述来作为示例。
图1是本发明风力发电厂的发电机中的定子扇区的轴向端部示意图。
图2是图1定子线圈中使用的电缆的部分切割侧视图。
图3是本发明一个实施方案的风力发电机的部分剖面示意图。
图4是本发明风力发电厂的实施方案的示意图。
图5是具有可变变压的变压器的实施方案透视示意图。优选实施方案的详细说明
参考图1-3首先解释本发明实施方案的优选发电机1的设计。图1表示穿过定子2扇区的示意端部视图。发电机的转子表示为3。定子2是由层状芯以传统方式形成的。图1表示发电机对应于极距的扇区。从芯部的磁轭部分看，位于径向最远处，多个齿5朝向转子3径向向内延伸，这些齿由槽6分开，其中设置了定子线圈。形成该定子线圈的电缆7是高压电缆，它与配电所使用的是基本相同的类型，即PEX电缆(PEX＝交联聚乙烯)。其差别在于通常围绕着这种配电电缆的外部机械保护PVC层和金属屏蔽被省略了，这样，用于本发明的电缆只包括导电体和在绝缘层两侧的至少一个半导体层。在图1中示意性的显示了电缆7，其中只显示了每个电缆部分或线圈侧的中央导电部分。可以看出每个槽6具有可变的截面，并具有交替的宽部分8和窄部分9。宽部分8基本是圆形的，并围绕着电缆，宽部分之间的腰部形成该窄部分9。该腰部用于将每个电缆的位置径向固定。槽6的截面径向向内变窄。这是因为在电缆越接近定子1径向最内侧部分时电缆部分内的电压越低。因此在内侧可以使用更细的电缆，而更粗的电缆是在较外侧使用。在所示的实施例中，使用具有三个不同尺寸并设置在槽6的三个相应尺寸部分10、11、12内的电缆。用于辅助电力的线圈13被设置在槽6的最外侧。
图2表示用于发电机的高压电缆的分段切割侧视图。高压电缆7包括一个或多个导电体14，每个导电体包括多股导线束15，它们共同形成圆形截面。导体可以例如是铜的。这些导体14设置在高压电缆的中部，在所示的实施方案中，每个导体被局部绝缘体16所包围。但是可以在其中的一个导电体14上省略局部绝缘体16。在所示的实施方案中，导体14被第一半导体层17包围。在该第一半导体层17周围是例如PEX绝缘体的绝缘层18，其上包围着第二半导体层19。因此在该应用中，“高压电缆”的概念不必包括通常围绕配电电缆的任何金属屏蔽或任何外部保护层。
在图3中的风力发电站带有参考图1和图2所描述类型的磁路。发电机1被风力涡轮机20借助于轴21而驱动。尽管发电机1可以被风力涡轮机20直接驱动，即发电机的转子与涡轮机20的轴旋转耦合固定，但是在涡轮机20和发电机1之间可以有齿轮装置22。例如可以由单级行星齿轮构成，其目的是相对于涡轮机的旋转速度而改变发电机的旋转速度。发电机的定子2带有定子线圈23，该线圈是由电缆7绕成的。该电缆7可以经由电缆接头25而抽出和进入带护套的电缆24。
图4是以示意的形式概括显示了风力发电厂，其中显示了两个并联的风力发电站26，每个发电站有一个发电机1。当然风力发电站的数量可以大于2。另外每个风力发电站26中包括整流器27。风力发电站的并联是在28所示的点处进行的。
在设置在风力发电站26处的整流器27和反相器30之间有直流电压连接，反相器的交流电压侧连接至传输或配电网。反相器30设置在电厂的电网侧。这一般意味着反相器位于相对靠近传输或配电网31的陆地。但是包括发电机和整流器27的风力发电站26位于海洋中适合的地基上。直流电压连接29包括图4中32所示的部分，该部分实际上是非常长的。沿着该部分的是连接部33，它在损耗方面是关键因素。在本发明的优选实施方案中，该连接部33应该是由水下电缆形成的，即用于风力发电站26位于海洋外或湖水中的情况。但是连接部33也可以由一个或多个架空导线或电缆形成。
该电厂包括直流/直流转换器，它具有与整流器27电连接的低压侧和与反相器30电连接的高压侧。该直流/直流转换器设置在电厂的风力发电站侧。换句话说，这意味着前面讨论的连接部33位于直流/直流转换器34和反相器30之间。实际上，转换器34应当放在承载其中一个风力发电站的一个地基上，或者放在该转换器34专用的地基上。与放置转换器34的地基类型无关，所讨论的地基也设有汇流条，以和所存在的风力发电站并联。
转换器34的设置方式使得它可以操作为直流电压增压器，即在转换器34和反相器30之间的连接部33内的直流电压经过转换器会变得更高，并适宜的显著高于转换器34输入侧的电压。
优选的是，反相器30是电压钢性自交换反相器。电容35在反相器30的直流联接之上并联。
反相器30适宜的具有电网感应器36，它在其电网侧与每个相串联。优选的是反相器包括串联的IGBT。
根据优选实施方案，发电机是具有永磁体转子的同步发电机。
有利的是，整流器27是无源整流器。这样避免了在海洋之外的有源电力控制电子设备的需要。作为无源整流器，二极管整流器是优选的。这些二极管整流器27与本地提升直流电压转换器37串联。在优选实施方案中，每个单独的转换器37包括扼流圈、串联的IGBT阀39和串联的二极管40。转换器34可以类似这种提升直流电压转换器而形成。
图5中显示了根据本发明优选实施方案的具有可变传输的变压器。利用该变压器的优势在于它的线圈设有固体绝缘体，其方式类似前面参考图1和2对发电机所作的描述。因此该变压器线圈相应的形成，并具有包括至少两个半导体层17，19的绝缘系统，每个半导体层构成基本等电势的表面，固体绝缘体18位于这些半导体层之间。因此在图5所示的变压器中，线圈也具有柔性电缆的特征。整体而言，在变压器相中，除外侧半导体层19之外，与上述发电机应用相关的根据图2的线圈电缆的所有特征不必都沿着电缆的长度分成部分，以使这些部分通过其自身而接地。这种带有固体绝缘的变压器的优点在于在电场基本保持在外侧半导体层内部的效率方面的显著改进，并且实现了重要的优点，即避免了在传统的变压器中使用的易燃和生态有害的油脂。
在图5中，以原理电路图的形式显示了用于所讨论的相之一的变压器。该领域的技术人员当然会意识到，在多相实施方案的情况下，具有多于两个的磁铁心和相关的扼流圈的铁心要求所有的相线圈被放置在一个相同的心上。但是当然在这种类型的变压器可以对每个相使用分开的心。
因此在图5中显示了由扼流圈和两个磁铁心构成的变压器心，主线圈43围绕其中的一个磁铁心设置，控制线圈44围绕另一个磁铁心设置。主线圈可以由第一线圈或第二线圈构成。因此控制线圈44用于改变变压器的变压。控制线圈44以围绕鼓45的线圈匝的形式设置，该鼓围绕着所述的心部磁铁心旋转。鼓45被适合的未示出的电机所驱动，例如借助于带驱动。因此控制线圈44起到可变线圈的作用。在控制线圈鼓45上的线圈匝数通过用于线圈44的可旋转存储鼓而改变。线圈鼓46也是以适合的方式电机驱动的。图5中表示了控制线圈的端部47是如何接地的。该端部47是静止的，并与鼓45上的控制线圈44借助于已知类型的滑动接触设备而导电连接。有一个线圈部分48也与存储鼓46相连，该线圈部分是静止的，并倾向于和所讨论的电设备相连。为了将线圈部分48和容纳在线圈鼓中的控制线圈部分相电连接，设有相应的滑动接触设备。
从以上的描述可以看出，变压器的传输可以迅速的变化，并通过鼓45和46的旋转变至理想的程度，从而在鼓45上存在理想数量的控制线圈匝数。该连接中的前提条件是控制线圈44是由前述的具有固体绝缘的柔性高压电缆形成的。
当然本发明不限于上述实施方案。因此只要本发明的基本精神存在，可以改变一些细节，并可以由该技术领域的技术人员来实现。这种细节的改变和等效的实施方案包括在所附权利要求的范围内。