一个风力发电厂和其控制方法 【发明领域】
本发明涉及一个包括至少一个风力发电站的风力发电厂，该风力发电站包括一个风力涡轮机，一个由该风力涡轮机驱动的发电机，和一个用于连接该风力发电站和一个传输网络或分配网络的电交流电压连接。本发明还涉及一个用于在这种风力发电厂中控制的方法。
本发明优选地适用于这样一些情形，其中在发电机和传输或分配网络之间的连接包括一个打算浸入水中的电缆。因此，换言之，它主要涉及这种应用，其中一个或几个涡轮机与有关的发电机打算放置在大海或湖中，其中该电缆连接装置延伸到放置于陆地上的传输或分配网络。即使本发明随后的优点主要涉及到涡轮机放置在在海或湖中的情形，然而，本发明还可以指在涡轮机和发电机被放置于陆地上而该连接装置用于连接这样几个涡轮机/发电机与传输或分配网络的情形，其中该连接装置不必是电缆，而可以是以天线或电缆的形式。
发明背景和现有技术
当要求将风力发电机放置在海中时，为了获得在项目中的经济性而使得大量组风力发电站被放置在有限的区域中。海基的风力发电厂要求相对较大的风力发电站(3MW及以上)和期望有一个适当的总系统功率50-100MW。至今，这种风场的计划已经预先设想到该电能传输将由在三相交流电压海底电缆系统中的传统的交流电传输来实现。在此情形中，该发电机几乎总是三相异步发电机。虽然所示的例子是直接连接到该网络的同步发电机，但是作为一条原则，这会导致必须在发电机和引擎外壳之间安装以减弱由于风力负载的变化特征引起地功率变化的负载的机械式弹簧悬挂装置。这依赖于同步发电机转子的动力学特征的机械表现类似于一个紧靠在一个刚性交流电压网络上的弹簧的事实，从而一个异步发电机表现类似一个阻尼器。一个3MW的传统异步发电机可以假定是为3-6kV的电压所制成的并与一个在第一步将电压提升到，让我们说，24kV的变压器相串联。在具有30-40个风力发电站的风力发电场中，可以配置一个进一步将电压提升到130kV的中央变压器。这种系统的优点是便宜并且不要求复杂的子系统。其缺点部分在于技术上在高压交流电缆中长程传输能量的困难度。这依赖于电缆产生容性反作用能量的事实，这将增大长度。通过导体和电缆屏蔽层的电流增加得如此之大使得该电缆不可能长距离地实现。其他缺点在于变化的风力负载导致在传输线上的电压变化，该电压变化会影响就近连接的电力用户。这具体适用于如果该网络为“弱”，即该网络具有一个低的短路功率时的情形。由于与长电缆传输距离有关的上述技术问题，一个人可能会被迫将该风场连接到一个“弱”的网络。根据某个导论，电压变化不能超过4％。不同的国际具有不同的规定，原则上，这些规定在传输线的更低电平的情形中被减轻。电压的变化还可能必须根据时间间隔来不同地对待。快速的电压变化导致“闪烁”，即在发光灯中的光变化，它原则上被调整。
一个本发明的涉及上述长电缆距离问题的解决方案是高压直流电压来传输电能。该电缆可以直接拉至一个强的网络。另一优点是该DC传输具有一个比AC传输更低的损耗。由技术观点看，该电缆距离可以是无限的。一个HVDC链路包括一个整流站，一个传输线(电缆或天线)，一个反向转换器站(inverter station)和一个用于去除在转换过程中产生的谐波成分的滤波器。在一个更老的HVDC链路的变型中，一个热阻器(thyristor)被用于整流和反向转换。该热阻器可以导通，但是不能断开：该连通发生在电压的零交点处，这由交流电压决定，而该变压器因此被称为线通。这种技术的缺点在于变压器消耗反作用能量并引起电流谐波，该电流谐波在网络中被发出。在一个更现代的直流电压解决方案中，IGBT：s被用于替代变压器中的热阻器。一个IGBT(绝缘的栅而极型晶体管)可以导通以及断开并且进一步地具有高开关频率。这意味着该变压器可以根据一个完全不同的原理来产生，所谓的自连通变压器。总之，自连通变压器的优点在于它们可以释放以及消耗反作用能量，这使得如果一个网络为弱，则在网络一端的电压电平的有源补偿称为可能。因此，这使得这种类型的变压器在可以连接到更靠近风能的网络方面优于更老的技术。高交换频率还导致与更老的HVDC相比谐波问题的减少。然而，一个缺点是在该变压器站中的损耗以及价格都较高。该自连通变压器的特征在于该电压是由一个快脉冲图形所建立的，该脉冲图形由该变压器所产生。在该脉冲图案和正弦网络电压之间的差别在于网络一端的感应。这有两类自连通反向转换器：一个电压稳定(stiff)，VSI(电压源反向转换器)和一个电流稳定，CSI(电流源反向转换器)，它们之间稍微具有一些不同的特征，至少在DC端具有一个电容器的VSI具有最好的功率调节因子。
已经有了一些使用组合了HVDC原理的技术的实验性风力发电站，但是由于完全不同的原因，即为了实现不同风力发电站的一个可变旋转速度。在低压，通常为400或600V电平时，风力发电站的发电机断开经由DC链路的与网络的连接。在涡轮机上的可变旋转速度在它通常导致旋转速度的变化可以被用于消除快速功率脉冲的同时给出能量增益，该脉冲引起“闪光”。然而，它当然不会慢的功率变化，这是在风力负载的特性中所固有的。该涡轮机的惯量运动可以被说为功能为运动能量的一个中间存储器。在这种系统中，一个同步发电机不涉及任何缺点，而涉及一个优点，因为该异步发电机要求一个更昂贵和更复杂的整流器。如果希望具有一个直流驱动的发电机并因此而消除在涡轮机和发电机之间必需的齿轮单元，发电机必须是同步的，因为它将配置这样多的极。换言之，一个直流驱动的发电机要求一个DC之间的链接。概念上，如果使用受控整流器，还可能有源地通过改变触发角来调整该运动。在多数具有可变旋转速度的概念中，一个外部的有源旋转速度控制由一个所谓的螺距(pitch)控制来提供，这意味着在涡轮机上的叶片角度被改变。根据相关原理的一个可变旋转速度的缺点是速要求的功率电子设备的价格和进一步的维持这种在海上的功率电子设备是困难和成本高昂的。
发明目的
本发明的目的是为了实现，在与上述直流电压连接相背离的，在一个特定的海基风场和一个特定的陆基传输或分配网络之间的交流电压连接，它与传统的交流电压连接所提供的相比，具有较长传输距离和较低损耗可能性，并且同时产生了一个以一可变旋转速度来操作而无需任何都露出在海外的功率电子设备的可能性。因为所有在海上发生的维护都是昂贵并且难于操作的。本发明的另一个目的是实现与一个现代的HVDC系统所提供的一样好的与反作用功率有关的调节概率。
发明概述
本发明的目的主要是实现在其中一个频率转换器被连接到一个在发电场网络端的电交流电压连接的情形下，该频率转换器被安排来将在风力发电站和变压器之间的连接的频率固定在基本上低于网络频率并将该连接的低频率转换为与该网络的高频率相对应。所谓“在发电场的网络端”因此指该频率转换器位于相对靠近传输或分配网络处，从而该连接的主要部分在频率转换器和风力发电站之间延伸，例如以地下电缆的形式。因此，这意味着在连接中的传输基本以低频发生，并且因此与具有规则的网络频率的传统交流电压连接相比，产生一个相对更长传输距离的先决条件和更低的损耗。通常产生的网络频率为50-60Hz的水平。如果在率变压器和风力发电站之间的交流电压连接中的网络频率例如为10Hz，在一根电缆中的容性电流与对于在50Hz网络中相同的电压而言减少五倍。这意味着例如可以用地下电缆连接五倍长的距离。
本发明的一个优点是该频率转换器经常位于靠近传输或分配网络，即通常在地上，这显著地减少了维护和监测费用并且还减少了在损毁的情况中服务中断的间隔。
根据本发明的一个优选实施例，具有异步发电机的几个风力发电站用该交流电压连接装置相互连接。该交流电压连接装置的适合频率和电压依赖于风场的尺寸和与陆地的距离，但是对于50MW风场，一个在130kV下的10-20Hz频率是适合的。
根据本发明的一个实施例，该频率转换器包括一个具有一个AC/DC变压器和一个反向转换器配置的直流电压中间链路。这使得它可以将一个可变频率以及一个可变电压用于该低频交流电压连接装置。具体地，优选是一个DC/DC变压器被包括在该直流电压中间连接装置中。即使在一个优选实施例中，在频率转换器中的阀(valve)包括串联连接的IGBT：s，其他类型的阀也可以使用。还有，其他类型的频率转换器也可以与本发明一起使用，例如直流变压器，也被称为“轮型变压器”，它缺少一个直流电压链路，还有除了静态变压器之外的其他类型的频率转换器，即还有旋转频率转换器。根据本发明，下面将更详细地提及，至少一个变压器可以被安置在该连接的发电机一端用于将在发电机和频率转换器中间的交流电压连接的电压减低到一个适合的发电机电压水平。在此，每一个产生的发电机可以配置其自身的变压器，另外作为其补充和替换，可以配置一个对于所有发电机通用的变压器。因此，这种发电机使得可能将在该交流电压连接中的电压增大到一个比传统发电机可能有的更高的电压水平。这种变压器的一个缺点是它们意味着一个额外的成本并且使得系统的总效率降低。它们还意味着着火的危险和因为它们包含变压器油，该变压器油在损毁或被破坏的情况下可能泄漏，所以还意味着环境污染的危险。
随着与风力发电站有关的今天的发电机技术，可以生产一个可以处理10kV的发电机，但是希望处理它更高的电压。此外，用于定子绕组的传统绝缘技术对于温度，湿度和盐度的变化敏感，这些是一个风力涡轮发电机所暴露的环境因素。
根据本发明的一个具体实施例，一个固态绝缘被用于在发电机中的至少一个绕组，该绝缘优选地是根据随后的权利要求14来实施的。该绕组更具体地具有一个高压电缆的特征。以此方式生产的发电机产生一个实现比传统发电机的相对更高的电压的先决条件。此外，在此绕组中的这种绝缘系统意味着对于盐度，湿度和温度的变化不敏感。高输出电压意味着变压器可以完全被排除在外，这意味着可以避免这种变压器上述的缺点。
一个具有这种由电缆形成的绕组的发电机可以通过将该电缆线化(threading)在定子中为此目的而形成的线槽中，于是该绕组电缆的柔软度意味着该线化工作可以容易地实现。
该绝缘系统的两个半导体层具有一个电位补偿功能并因此减少了表面发热的危险。内部半导体层将与位于该层内面的电导体，或其部分导电地接触以获得与此相同的电位。该内部层紧密地固定在位于此层外面的固态绝缘处而这还适于将外部半导体层固定在该固定绝缘上。该外部半导体层将电场包含在该固态绝缘中。
为了保证当温度变化时，在半导体层和固态绝缘之间的维持粘合，该半导体层和该固态绝育具有基本相同的热膨胀系数。
在绝缘系统的外部半导体层被连接到地电位或一个相对较低的电位。
为了实现非常高电压的发电机，该发电机具有上述的并且与传统技术明显不同的几个特征。另外几个特征将由从属权利要求来限定并在随后进行讨论。
该发电机的上述特征和其他基本特征和因此根据本发明一个实施例的风力发电场的特征在于：
-在该磁路中的绕组由一个具有一个或几个永久绝缘电导体的电缆制成，在该导体和该固态绝缘外面具有一个半导体层。典型的这种电缆可以具有一个交叉结合的聚乙烯或乙烯-prpene的绝缘，用于此目的的绝缘被相对于电导体的支架还有绝缘系统的特征被发展。
-具有一个圆形横截面的电缆是优选的，但是具有其他截面形状的电缆也可以使用以实现更好的封装密度。
-这种电缆使得当考虑线槽和齿(tooth)时，可以以新和最佳方法设计一种磁路的叠层磁芯。
-有利的，绕组是与一个用于叠芯的最佳实现的逐级增加的绝缘一起制成的。
-有利的，该绕组是作为一个同心电缆绕组而制成的，这使得可以减少线圈末端交叉的数目。
-该线槽叠芯形状适合于该绕组电缆的截面形状使得该线槽为多个圆柱型开孔的形式，这些开孔是由其他每个的外向沿轴向和/或沿径向延伸的并具有在定子绕组各层之间行进的压缩。
-该线槽的形状适于所讨论的电缆截面形状和适合于该绕组的绝育的逐级改变厚度。该逐级变化的绝缘使得磁芯可以具有一个与径向延伸无关的基本恒定的齿宽。
-上述考虑到支架(stand)的进一步发展意味着包括多个被带至6一起的层，即绝缘的股绳的该绕组导体不必被校正地颠倒，彼此不绝缘和绝缘。
-上述考虑到外部半导体层的进一步发展意味着外部半导体层在适当的点沿电缆长度被切割，而每一个被切断的部分长度被直接连接到地电位。
上述类型电缆的使用使得该电缆的外部半导体层的孔长度，以及该发电厂的其他部分可以被保持在地电位。一个重要的优点是电场在外部半导体层外向的线圈端部区域处接近为零。由于在外部半导体层上的地电位，该电场不必受到控制。这意味着在磁芯和在线圈端部和在它们之间的过渡部分中将不产生场的集中。
封装在一起的绝缘的和/或不绝缘的股绳，或颠倒顺序的股绳的混合导致低的涡流损耗。该电缆可以具有为10-40mm量级的外部直径而一个导体区域具有10-200mm2的量级。
此外，本发明包括一个用于根据后续权利要求来控制一个风力发电场的运行的方法。
附图简述
参照后续的附图，下面将以实例形式给出本发明的实施例的一个更接近的描述：
图1为在根据本发明的风力发电场中的一个发电机中定子的一部分的示意性轴向端面图。
图2是一个在根据图1所示的定子绕组中使用的电缆的部分切割的端面图。
图3是一个根据本发明的风力发电机的一个实施例的部分剖面示意图。
图4是一个根据本发明的风力发电场的实施例的示意图。
图5是一个示出该发电场的另一实施例的同样的示意图。
图6是与图5类似的一个变型图，和
图7示出包括在该发电场中的频率转换器的一个可能实施例。
优选实施例的详细描述
参照图1-3的，首先示出了在本发明的一个实施例中优选的发电机1的设计。图1示出穿过定子2的一部分的示意性轴向图。发电机的转子被称为3。该定子2以一种传统方式由叠层磁芯形成。图1显示了相对应于一个孔轴距的发电机的一部分。多个齿5由在径向上位于该磁芯最外面的磁轭部分径向向里延伸到转子3而这些齿5由一个线槽分开，其中放置有定子绕组。形成该定子绕组的电缆7为高压电缆，它基本上与那些在功率分配中使用的电缆，即PEX-电缆(PEX＝交叉结合聚乙烯)类型相同。一个差别在于该外部机械式保护的PVC层和通常围绕这种功率分配电缆的金属屏蔽已经被消除，使得用于本发明的电缆仅仅包括一个电导体和在一个绝缘层的每一端上至少一个半导电层。图1中示意性地示出电缆7，其中仅显示了每一个电缆部分或线圈端的导电中央部分。它显示出每个线槽6具有一个具有胶体的宽部分8共和窄部分9的变化的截面部分。宽的部分8基本上是圆形并围绕电缆，在宽的部分之间的腰部形成一个窄的部分9。该腰部用于径向固定每一根电缆的位置。线槽6的截面径向向内变得更窄。这是因为这些电缆部分越靠近定子1的径向最内部分，则它们的电压越低。因此，更细的电缆可以用在内部，而更粗的电缆可以被要求在更外面一些。在图示例子中，使用具有三个不同尺度并安排在相应的三个尺度部分10，11，12的电缆。用于辅助功率的绕组13被安排在线槽6的最外面。
图2示出了一个用于发电机中的高压电缆的逐级切割的端面图。该高压电缆7包括一个或几个电导体，每一个电导体包括多个股绳15，这些股绳一起给出了一个圆的剖面。这些导体例如可以是铜所制成的。这些导体14可以被安排在高压电缆7的中部而在所示实施例中，每一导体可以被局部的绝缘16所围绕。然而，可省略在一个导体14上的局部绝缘。在所示实施例中，导体14被半导电层17所围绕。在这个半导电层17周围有一个绝缘层18。例如是PEX绝缘的，该绝缘层18依次被一个第二半导电层19所围绕。因此，“高压电缆”的概念在本申请中必须包括任何金属屏蔽或这种类型的任何外部保护层，它们通常围绕一个功率分配电缆。
在图3中示出一个具有参照图1和2所描述类型的磁路风力发电站。该发电机1由一个风力涡轮机20经由一个轴来驱动。即使该发电机1可以由涡轮机20直接驱动，即发电机的转子被旋转固定地连接到涡轮机20的轴上。在此可以是在涡轮机20和发电机之间的齿轮传动装置22。例如，这可以由单级平面型齿轮传动装置所构成，其目的是为了改变发电机相对于涡轮机旋转速度的旋转速度。该发电机的定子2装载该定子绕组，该绕组可以如上所述地构成。该电缆7可以被抽出并经一个电缆接合点通过进入一个带鞘电缆24。
在广义地示出该风力发电厂的图4中，示出两个并联连接的风力发电站29，每一个发电站具有一个发电机。该发电机具有一个场绕组26和一个(或几个)辅助功率绕组27。在图示实施例中，发电机是Y型连接而中性点经由一个相应阻抗28接地。
在图4中，包括发电机1以及(未示出)风力涡轮机的两个风力发电站一般由数字29所示。一个电交流电压连接30将该两个风力发电机29连接到传输或分配网络31。这种网络在此为一个三相类型。这种网络的正常频率为50或60Hz。该连接30包括，沿32所标识的部分，打算浸入水中的电缆33。然而，除了被浸入水中的电缆，还可以考虑一个或几个天线/电缆。该部分32事实上可以非常大。
在该发电厂的网络端，一个频率转换器34被连接到电交流电压连接30上，该频率转换器被安排以将在风力发电站29和变压器34之间的连接的频率固定为基本低于网络31的频率并将该连接的低频率转换为具有网络31更高频率的相应频率。
由前面描述可以清楚看到，该发电机1为示例性的异步类型。
频率转换器34适合于位于在接近网络31的合适的发电站中的地上。该风力发电站29位于在合适基础上的海或湖外。在这样一个基础上，或在具体用于此目的的基础上，来自发电机1的外出电缆被在35所标识的点中经由例如汇流排(bus-bar)来互连。
在图4中，电路断路器(circuit breaker)被配置在频率转换器34和网络31之间，在该断路器的每一端分别有多组断开器(disconnector)。
在根据图4所示的实施例中，发电机1被直接连接到频率转换器34。这是因为发电机1被假定是如上参照图1和2所述的设计，即可以产生非常高的电压。
在根据图5的变型中，它显示了一个对于发电机1们所公用的变压器31，被安排在对于发电机1和频率转换器34的并联连接点35之间，该变压器打算在位于变压器和频率转换器34之间的连接部分实现一个高电压而在所述变压器38和发电机之间实现一个相对低的电压。这种公用的变压器38位于该连接30的风力发电一端，即接近风力发电站29，从而使得连接30的主要部分位于变压器38和频率转换器34之间。变压器38可以适合地被防止在风力发电站29的一个基础上或可能在战略位置的其自身的基础上。
图6中的变型示出了与在图5中的一个相对应的另一个实例，其中除了一个特殊的变压器在此被为每一个发电机1来安排。因此，该风力发电站在点35中仅在这些变压器之后被互连。在这种实施例中，可以省略变压器38，这已经参照图5更接近地进行了描述。此外，还可以保持该变压器38以使得来自单个风力发电站的电压在两级中被提升，即首先经由变压器39，然后借助公用变压器38。
在图7中示出了频率转换器34的可能实施例。在此它还包括一个具有一个AC/DC变压器40和一个反向转换器41的。在直流电压中间链路中有利地还包括DC/DC变压器42。该反向转换器41是一个电压稳定自连通反向转换器。在该反向转换器的DC链路上，一个电容器被并联连接。在反向转换器41的交流电压端上的每一相中的网络阻抗44被串联连接。
该反向转换器41适合包括一个IGBT45。
该AC/DC变压器可以类似反向转换器41来构建并且在每一相中的AC端的网络阻抗被串联。该变压器40可以包括IGBT47。在DC端具有一个与IGBT并联的电容器48。
该发电厂具有用于测量来自于风力发电厂的有源功率的装置和用于测量现有风速的装置。这些测量装置被连接到一个被包含于频率转换器34中的控制单元，该控制单元根据主要的测量值来控制频率的调整。在该连接中，该控制单元可以被安排来相应于作为风速函数的风力涡轮机的旋转速度上的理想特性来控制该连接30的频率。这种频率控制可以被标识为“慢”。它是基于该风力发电站的旋转速度优选地随着风速的增加而增大到最大旋转速度。通过对于风速的知识，一个相对较慢的频率控制经常发生在连接30处从而使得可以确保最有利的条件。
此外，该控制单元被安排来通过对所测量的传输的有源功率与一个作为风速函数的旋转速度上的理想特征的比较来控制连接30的频率。这种频率控制通常可以标识为“快”。它可以借助快速功率变化来管理而这例如可以用PI调整和经由DC链路的传输功率的再生来实现，如参照图7所述的。
直至考虑在连接30中的电压调整时，这以最简单的方式来适当地实施，使得该控制单元可以被安排来控制该频率转换器34以维持该连接在频率范围主要部分上的一个稳定的电压/频率比。
本发明当然不限于所述实施例。一旦有了本发明的构思，本领域技术人员可以相应设计和实现几个具体的变型。这种具体的变型和等同实施例被包括在下附权利要求的范围中。