频率转换器
阅读：653发布：2020-05-12
专利汇可以提供频率转换器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种用于调节来自 涡轮 机的功率的系统，所述 涡轮机 包括连接到旋转 轮毂 (2)的至少一个涡轮 叶片 (1)，所述旋 转轮 毂(2)被布置成驱动发 电动机 (5)。所述发 电机 是经由多个 电隔离 的三相 电缆 (11)连接到多电平 频率 转换器(25)的多极 同步发电机 (5)，所述发电机(5)也被布置成通过三相电缆(11)将 电流 提供到频率转换器(25)。多电平频率转换器(25)由以列排列并以级联顺序耦合以将反向 电压 相加的多个元件构成。，下面是频率转换器专利的具体信息内容。
1.一种用于调节来自涡轮机的功率的系统，包括：
可变速涡轮机，其包括连接到旋转轮毂的至少一个涡轮叶片，
多极同步发电机，其由所述旋转轮毂驱动，
多电平频率转换器，其经由多个电隔离的三相电缆连接到所述多极同步发电机，其中，所述多极同步发电机被布置成通过所述多个电隔离的三相电缆将电流馈送到所述多电平频率转换器，且其中，所述多电平频率转换器由以列排列并以级联顺序耦合以将反向电压相加的多个元件构成；以及
变压器，其被连接到所述多电平频率转换器并被布置成将相加的反向电压转换到连接到所述变压器的次级侧的电网电平，其中，所述多极同步发电机具有经由所述多个电隔离的三相电缆连接到多电平整流器拓扑的至少12个极和电隔离的定子绕组，所述多电平整流器拓扑馈送公共中间DC电压电平，所述公共中间DC电压电平适于连接到所述多电平频率转换器的远程定位的逆变器，所述逆变器通过所述变压器馈送出功率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多极同步发电机具有转子磁场绕组或永久磁铁。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括齿轮。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多极同步发电机的定子绕组布置在D、Y和Z变化形式中的至少两个的组合中。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述可变速涡轮机是风力涡轮机。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述变压器选自由标准变压器和旋转变压器组成的组。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述多极同步发电机包括由多轴齿轮解决方案驱动的或安装在公共轴上的多个电机。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述多极同步发电机具有数量为p/2或更少的电隔离的三相电缆，其中p表示所述极的数量，且其中p至少为12。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述可变速涡轮机为自启动风力涡轮机和至少一个非自启动风力涡轮机，且所述自启动风力涡轮机被布置成通过具有朝着所述电网电平的AC侧来启动所述至少一个非自启动风力涡轮机。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统是无齿轮的。
频率转换器
发明领域
[0002] 发明背景及现有技术
[0003] 当化石能源达到其最高产量和其可用性衰退时，与人类的不断增加的消费并驾齐驱，对可再生能的需要增加了。在很大程度上，容易可用的可再生能源已经如化石能源一样被开发。这是事实，特别是对于水力发电。换句话说，需要是针对新的可再生能源，例如，风能、太阳能、潮汐能或波浪能。这些能源的共同特点是它们是内在地周期性的或不可预测的，如潮汐流以及可能的太阳辐射，开发昂贵并且有时是易变的。
[0004] 在以上提到的可再生能源中，风能到目前为止被证明为最可能有竞争力的。然而，它有大的安装成本和低的输出的负担。因此，趋势是朝着安装的每个单独的风力涡轮机的更高额定功率，以便最大化生产和因而最大化收入。因为风力涡轮机的最大理论功率与其翼梢形成的圆面积成比例，风车的功率与其物理尺寸成比例。这导致涉及将大和重的部件放置到高结构的顶部上、经历来自强风的难对付的猛推的结构挑战。此外，风车吊舱内的可用空间的量被限制。风力涡轮机可被放置在岸上或离岸放置。最近，研究和开发的焦点转移到离岸风力涡轮机。
[0005] 涉及风能的另一个挑战是与风速相关的不可预测性。现今普通的大多数可变速风力涡轮机具有2-4m/s的所需风速、12-16m/s的最高产量风速，以及在25m/s范围内的切出速度。这个宽范围的操作条件使在电网和发电机之间的某种功率调节单元的使用成为必要。这对于本领域技术人员是明显的，因为直接连接到电网的例如在50Hz操作的同步发电机根据其结构仅能以3000、1500、1000、750rpm等旋转——参考还包括一些其它频率和速度替代项的图15。涡轮传动装置风速顺应的普通方式由Vestas Wind Systems公司在专利申请号EP1908163A1中被描述。频率转换器位于栅极变压器和发电机之间，其控制频率侧在发电机侧。这种解决方案实现了在被称为再生中断的模式中的机器的速度控制：风试图使发电机转子旋转得快于对应于所应用的控制频率的速度的发电机转子，感生出通过转换器馈送并经由DC链和逆变器进入电网的电流。如果来自叶片的转矩对于机器变得太大，转换器可提高频率并因此提高转子速度。
[0006] EP1416604A2公开了风车的电路。该电路包括具有转子和定子的驱动发电机。发电机的定子被分为单独的部分，并且每个部分被连接到独立的并联整流器电路，以及每个整流器电路被连接到独立的直流电路，该直流电路又被连接到至少一个独立逆变器的输入。最后，独立逆变器的输出被连接到供电网络。定子和独立的整流器以及逆变器的分割性给系统提供超静定性，这使在不必停止风车的整个操作的情况下执行对电路的维护成为可能，以及也提供更大的可靠性。
[0007] 频率转换器被本领域技术人员所熟知，以及它们存在于具有不同特点、优点和缺点的许多种类的拓扑中。一种这样的频率转换器是由西门子取得专利权的在图1中说明的“完美和谐系列(Perfect harmony series)”。其特征在于包括单独的电池8，电池8包括三相整流器6和单相脉宽调制逆变器7。电池然后串联以形成如图1所示的因而产生的相之一的输出。每一列串联电池8为120°相移，并且因而产生的十分平稳的三相AC驱动同步或异步机器9。频率转换器25从具有一倍或多倍的三到五个引脚的隔离变压器10被馈电。在图1的情况中，它具有被分为四个组的12个三相“低压”绕组，每组包括到三个隔离的电池的二极管整流器的单独三相连接。在图1中示出的12个三相“低压”绕组具有不同的相移，以便提供“干净的功率输入”。电池组的脉宽调制通常被相移一些角度，以便对三相输出的因而产生的合成限制谐波含量。
[0008] 另外一个频率转换器的例子为ABB的ACS5000，其被开发以满足被高达6.9KV的标准电动机驱动的增长数量的应用的要求。这类频率转换器在图2中被说明并且包括连接到主转换器部分的可选地集成的输入变压器15。主转换器部分包括串联连接的并连接到电动机的二极管整流器6、DC链电容器16和逆变器7。电动机可为具有永久磁铁或磁场绕组的感应或同步电动机。逆变器7具有电压源逆变器多电平无熔断(VSI-MF)拓扑(9电平线到线)，并使用集成栅极换向晶闸管(IGCT)半导体技术。在图2中示出的典型的变压器绕组相移和二极管整流器6都集中起来成为36脉冲二极管整流器，其最小化从电网引出的谐波。控制器17也包括在ACS5000中。
[0009] Alstom的多电平型逆变器(典型的ALSPA VDM6000)具有利用公共中间dc电路的“飞电容器”的逆变器拓扑。更高的公共中间dc电压电平26如图7所示通过在整流之后增加dc电压来达到。电压由电容器组和反向的多个电平变平稳。VDM具有带有反向平行的二极管的级联IGBT模块以确保双向功率流。CDM8000为同一族的电流源逆变器。CDM利用GTO或IGCT。
[0010] 在WO 00/60719中，描述了用来基于耦合到定子绕组使用普通电缆被集中的系统从涡轮机提供能的解决方案。在US 6014323中，多电平转换器被描述为使用连接到电源的普通变压器被布置成列。
[0011] 当电力需要在长距离上被传送并且架空线为不实际的时，高压直流电(HVDC)是可行的替代物。图13示出了基于DC的风力涡轮机组。这里，来自每个涡轮机的电输出在最初的升压变压器之后立即被整流，在普通的海底电缆中被聚集并被馈送到岸上。在着陆时电力转化到电网中。图14示出了轻型HVDC系统或增强型HVDC系统的一般示意图。它示出了位于每个风力涡轮机处或充当几个单元的集中点的离岸转换器站、在着陆时的岸上逆变器站、以及互连的海底DC电缆。
[0012] 图16示出了可选的基于DC的风力涡轮机组的拓扑。
[0013] 前面给出了多电平逆变器的三个例子的大致的介绍。在下文中，任何种类的适合的多电平逆变器的都可被使用。
[0014] 发明目的
[0015] 本解决方案的目的是提供能够以环境友好的方式帮助满足人类不断增长的功率消耗的解决方案。本发明的目的也是提供问题的解决方案，这些问题是关于现今的风力涡轮机的大安装成本和低输出，以及还关于涉及将大和重的部件放置在高结构的顶部上的结构挑战以及在风力涡轮机吊舱内的有限量的可用空间。
[0017] 发明的简要概述
[0019] 发电机是经由多个电隔离的三相电缆连接到多电平频率转换器25或可选地连接到类似的多电平整流器拓扑的多极同步发电机，用于与适于连接转换器7的公共中间dc电压电平26的任何dc功率互连。发电机被布置成通过三相电缆将电流馈送到频率转换器25。多电平频率转换器25由以列排列并以级联顺序耦合以将反向电压相加的多个元件构成。变压器被连接到多电平频率转换器的输出并被布置成将相加的反向电压转换成连接到变压器的次级侧的电网电平。
[0020] 在根据本发明的系统的可选的实施方式中，发电机具有转子磁场绕组或永久磁铁。
[0022] 在根据本发明的系统的另一个可选的实施方式中，系统包括齿轮。
[0023] 在根据本发明系统的另一可选的实施方式中，发电机的定子绕组被布置在D、Y和/或Z变化形式的组合中。
[0024] 在根据本发明的系统的再一可选的实施方式中，涡轮机为可变速风力涡轮机。
[0026] 在本发明的第二个方面，提供包括至少一个自启动风力涡轮机和至少一个非自启动风力涡轮机的风力涡轮机组。自启动风力涡轮机包括用于调节来自风力涡轮机的功率的系统，风力涡轮机包括连接到旋转轮毂的至少一个涡轮叶片。旋转轮毂被布置成驱动发电机，并且发电机是经由多个电隔离的三相电缆连接到多电平功率转换器的多极同步发电机。发电机被布置成通过三相电缆将感应电流馈送到所述多电平频率转换器。多电平频率转换器由以列排列并以级联顺序耦合以将反向电压相加的多个元件构成。变压器被连接到多电平频率转换器并被布置成将相加的反向电压转换成连接到变压器的电网电平。至少一个自启动风力涡轮机被布置成通过具有朝着电网的AC侧来启动至少一个非自启动风力涡轮机。
[0027] 在根据本发明的第二方面的风力涡轮机组的可选的实施方式中，发电机具有转子磁场绕组或永久磁铁。
[0028] 在根据本发明的风力涡轮机组的又一可选的实施方式中，自启动风力涡轮机是无齿轮的。
[0029] 在根据本发明的风力涡轮机组的再一可选的实施方式中，自启动风力涡轮机包括齿轮。
[0030] 在根据本发明的风力涡轮机组的另一可选的实施方式中，发电机的定子绕组被布置在D、Y和/或Z变化形式的组合中。
[0031] 在根据本发明的风力涡轮机组的又一可选的实施方式中，涡轮机为可变速风力涡轮机。
[0032] 在根据本发明的风力涡轮机组的另一可选的实施方式中，变压器为标准变压器或旋转变压器。
[0033] 在本发明的第三方面中，提供一种用于在根据第二方面的风力涡轮机组中用至少一个自启动风力涡轮机启动至少一个非自启动风力涡轮机的方法，至少一个自启动风力涡轮机被连接到紧急电源单元。该方法包括以下步骤：
[0034] -通过使用所述紧急电源单元将至少一个自启动风力涡轮机的至少一个叶片倾斜到启动位置，
[0035] -释放在至少一个自启动风力涡轮机上的中断器(break)以旋转至少一个涡轮叶片，
[0036] -通过使用由紧急电源单元激励的永久磁铁或磁场绕组当转子速度增加时在多电平频率发电机的定子中感应电压，
[0037] -启动多电平频率转换器并增加感应电压以在风力涡轮机组中增加局部电网电压，
[0038] -使用局部电网电压来将电压提供到至少一个非自启动风力涡轮机，[0039] -将至少一个非自启动风力涡轮机的至少一个叶片倾斜到启动位置，[0040] -释放在非自启动风力涡轮机上的至少一个断路器以旋转至少一个涡轮叶片。
[0041] 在根据本发明的第三方面的方法的可选的实施方式中，该方法还包括以下步骤：
[0042] -在自启动风力涡轮机中将DC链电压增大到操作电平，
[0043] -启动多电平频率转换器并将DC链电压相加以在风力涡轮机组中增大局部电网电压，
[0044] -在非自启动风力涡轮机中将DC链电压增大到操作电平。
[0047] 现在将参照附图更详细地描述本发明，其中：
[0048] 图1说明现有技术的电池和频率转换器。
[0049] 图2说明现有技术的频率转换器的第二实例。
[0050] 图3说明本发明在风力涡轮机中的应用的实例。
[0051] 图4为根据本发明的系统的示意图。
[0053] 图5b说明了发动机具有24个极的系统的第一可选的实施方式。
[0054] 图5c说明了发动机具有36个极的系统的第一可选的实施方式。
[0055] 图5d说明了发动机具有72个极的系统的第一可选的实施方式。
[0056] 图5e说明了发动机具有144个极和并联的Y形定子绕组对的系统的第一可选的实施方式。
[0057] 图5f说明了发动机具有144个极和串联连接的Y-Y形定子绕组对的系统的第二可选的实施方式。
[0058] 图5g说明了发动机具有144个极和串联连接的D-Y形定子绕组对的系统的第三可选的实施方式。
[0059] 图5h说明了发动机具有144个极和并联的Y形对的系统的第一可选的实施方式的典型的定子绕组识别。
[0060] 图6说明了根据本发明的系统(其中发动机具有12个极)的第二可选的实施方式。
[0061] 图7说明了根据本发明的系统(其中发动机具有12个极)的第三可选的实施方式。
[0062] 图8说明了根据本发明的系统(其中发动机具有12个极)的第四可选的实施方式。
[0063] 图9说明了包括一个自启动和一个非自启动风车的风力涡轮机组。
[0065] 图11说明了系统的第六可选的实施方式，其适用于任何dc接口，也就是说，到适合的逆变器或HVDC系统的接口。
[0066] 图12说明了系统的第七可选的实施方式，其适用于任何dc接口，也就是说，到适合的逆变器或HVDC系统的接口。
[0067] 图13说明 了现 有技 术individual connection of wind turbines to a multi-terminal HVDC power system.ISBN 87-550-2745-8Ris -R-1205(EN)。
[0068] 图14说明了ABB的现有技术HVDC系统拓扑和信息。
[0069] 图15说明了构成发电机速度和相对于转子极数的频率之间的一些一般关系的数字表。
[0070] 图16说明了现有技术individual connection of wind turbines to a HVDC power system。
[0071] 图17为根据本发明的系统的可选的示意图。
[0072] 图18a-c说明了根据已知技术(18a)的输入和到根据本发明的转换器的分相输入。
[0073] 发明详述
[0074] 系统预期连接到涡轮机，例如风力涡轮机。典型的风力涡轮机在图3中被说明并且包括连接到旋转轮毂2的至少一个涡轮叶片1。轮毂被连接到安装在塔的顶上的涡轮机罩/吊舱3，并且吊舱3通过控制伺服电动机旋转以面向风。
[0075] 图4示出了根据本发明的系统的示意图。图4示出了系统的主要部件，该系统包括具有旋转轮毂2的涡轮机1、2、3、4，旋转轮毂2驱动位于吊舱3内的多极同步发电机5。发电机5可具有永久磁铁或转子磁场绕组。多极发电机5具有对应于转子极的数量的电隔离定子绕组以及因此适用于可从不同组的定子绕组增加电压的类型的频率转换器接口，其一般将是多电平频率转换器25。多电平电压源逆变器可提供在6-7kV范围内或更高的电压。电流源逆变器接口也可适于增加来自多极发电机传动装置的分离的定子绕组的电压电平。变压器12通过AC电缆被连接到频率转换器25。该变压器12可连接高达大约132kV范围的电压，将风电场到连接地区电网。多极同步发电机5的定子段被连接到多电平频率转换器25的不同电平，该多电平频率转换器使用这些电平以增加和增大更高的电压。
[0076] 图5和图6示出了根据本发明的系统的两种可选的实施方式。这两种可选的实施方式的区别是多电平频率转换器25的拓扑，其再次影响发电机5上的极数。半导体的选择也是不同的，ACS5000是基于IGCT的，以及完美和谐系列是基于IGBT的。
[0077] 如在图5a和图5b中所示的，同步发电机5具有电隔离的定子绕组，并通过电隔离的三相电缆11将感应电流馈送到多电平频率转换器25的拓扑。例如，如果发电机5为12个极的机器，六组三相发电机定子绕组13给六根电隔离的三相电缆11馈电，电缆11从发电机5延伸到多电平频率转换器25，如图5中所示的。这些三相电缆11的每一根给产生单相AC的一个电池8馈电。电池8以列排列，并以级联顺序耦合以增加单相AC电压。如以上提到的，电池8包括三相整流器6和单相脉宽调制(PWM)逆变器7。电池8的列通过PWM控制被相移120°并被连接到公共中性线。以这种方式，单相AC的三列在变压器内被连接在一起或连接到AC电缆，以产生三相功率用于传输。电网接口变压器14被连接到电池8以连接地区电网12。
[0078] 在图5a给出的可选实施方式中，发电机具有12个极，然而发电机可具有对应于p/2组三相绕组的任意偶数p个极，每个极通过电隔离的三相电缆11给电池8馈电。
[0079] 24个极或12对极给出12个分离的三相定子绕组，其适用于4160伏AC输出的9电平完美和谐拓扑结构，如图5b所示，也就是说，额定为在50Hz时250rpm的发电机的适当接口。电网接口变压器12对于这种情况可一般为22/4.2kV YNd或Dyn。
[0080] 36个极或18对极给出18个分离的三相定子绕组，其适用于6600-7200伏的完美和谐拓扑结构，如图5c所示，也就是说，额定为在50Hz时166.67rpm或在60Hz时200rpm的发电机的适当接口。电网接口变压器12对于这种情况可一般为22/6.6kV YNd或Dyn。
[0081] 72个极或36对极给出36个分离的三相定子绕组，其适用于11000-13800伏的完美和谐拓扑结构，如图5d所示，也就是说，额定为在50Hz时83.3rpm或在60Hz时100rpm的发电机的适当接口。电网接口变压器12对于这种情况可一般为132/11kV YNd或Dyn。
[0082] 注意，在图5a和图5b中所示的实施方式的当前标准范围包括高达13.8kV的电压，其适于具有大约60-72个极的发电机传动装置，使转子速度下降到在50Hz时83.33rpm，并且这可能没有技术限制。
[0083] 144个极或72对极给出72个分离的三相定子绕组，如果这些定子绕组成对互连则适用于11000-13800伏的完美和谐拓扑结构，如图5e(类似于在图5d中的72个极的传动装置的电池拓扑)所示，也就是说，适用于额定为在50Hz时41.7rpm或在60Hz时50rpm的发电机的适当接口。类似的发电机一般可适用于在15Hz至30Hz的范围内大约12rpm和25rpm的可变速度操作。电网接口变压器12对于这种情况可一般为132/11kV YNd或Dyn。
[0084] 144极的风力涡轮传动装置被用作典型以示出可适于各种目的的定子绕组的组的一些可能的互连。图5f示出了定子绕组的Y-Y形串联对，其可在不影响频率转换器接口的情况下容易地被再布置成Z配置。
[0085] 图5f示出了也匹配类似的频率转换器接口的定子绕组的D-Y形串联对。
[0086] 此外，图5h示出了144个极的风力涡轮传动系统的一部分的典型的定子绕组识别编号。144个极的发电机的各组定子绕组可被识别如下：U1V1W1、U2V2W2、U3V3W3、........、U71V71W71、U72V72W72。
[0087] 一般，U71V71W71在整个给定的周期中与具有一个北极和一个南极的一个转子磁铁相互作用，并且这三个单相如果具有相同的相移则可平行于在整个同一周期中与另一个转子磁铁相互作用的U72V72W72。
[0088] 具有288个极或144对极的风力涡轮传动装置给出144个分离的三相定子绕组，如果该定子绕组以四个为一组互连则适用于11000-13800伏的完美和谐拓扑结构，(类似于在图5d和图5e中示出的72个极或144个极的传动装置的电池拓扑)，也就是说，额定为在50Hz时20.8rpm或在60Hz时25rpm的发电机的适当接口。电网接口变压器12对于这种情况可一般为132/11kV YNd或Dyn。
[0089] 类似地，由6组并联的和/或串联的3相定子绕组构成的具有432个极的发电机将匹配与具有36组分离的3相定子绕组的72个极的发电机相同的频率转换器接口。具有432个极的发电机在50Hz为13.9rpm，这可适用于标称额定值可被表示为22.2rpm和80Hz的大的风力涡轮传动装置，也就是说，对发电机和总吊舱安装应节省重量。
[0090] 图6示出了根据本发明的系统的另一可选的实施方式。如以上讨论的，多极发电机5(12、18、24、...、432个极的发电机)构造有六组电隔离的定子绕组，转子侧18连接到旋转轮毂2以及定子侧19连接到功率转换器。这几组定子绕组通过电隔离的三相电缆11将感应电流馈送到功率转换器拓扑。这些三相电缆11的每一个给产生单相AC的一个电池8馈电。在图6中简单示出的实施方式中的“电池8”包括二极管整流器6、DC链电容器16和逆变器7。“电池8”以列排列，并以极联顺序耦合以增加电压。这些增加的电压提供如厂商描述的超静定性和更高的输出电压，更高的输出电压暗示更高的电流和整个系统的增加的效率。
[0091] 12脉冲或更高的整流拓扑具有优点，因为二极管桥整流器的使用将造成定子电流波形上的谐波。定子绕组可布置在D、Y和各种其它绕组连接的组合中。对于12个极的发电机，如果要求便于12脉冲整流，它可以一般为3个三角连接的和3个星形连接的定子绕组，并且因此限制更高谐波的磁场，也就是说，如果转子设计不包括任一种“阻尼绕组”，限制转子中的涡电流损耗并在相对小的负载下减少永久磁铁退磁的风险。
[0092] 对于永久磁铁发电机，DC链电压的值通常与轴速度直接相关，除非控制整流器被使用。控制整流器可将定子电流控制为正弦的并通过无效功率控制影响发电机输出电压的振幅，以匹配部分地独立于轴速度，也就是说，风力涡轮机速度的电网电压。
[0093] 至于图5a，在图6中给出的可选的实施方式，发电机具有12个极，然而发电机可具有对应于p/2组三相绕组的任意偶数数量p的极，每个极通过电隔离的三相电缆11给电池8馈电。
[0094] 在图5和在图6中都示出的实施方式的极数的实际限制对于风力涡轮发电机传动装置可以在200至400个极的范围内，也就是说，对于非常大的风力涡轮传动装置高达大约200对极，因为200对极和15rpm给出50Hz的发电机输出，导致60m的涡轮叶片的大约94m/s的翼梢速度。另一方面，结合相似速度的更高的极数将从发电机产生更高的端子频率，该频率可减小发电机的重量和尺寸。
[0095] 传统的风力涡轮机具有位于吊舱3中的变速箱。然而，包括根据本发明的系统的风力涡轮机可在没有变速箱的情况下操作。这减小了吊舱3的重量以及去除了倾向于磨损和腐蚀的部件。如果额定在MW范围内的风力涡轮发电机5的传动装置应在没有变速箱的情况下操作，那么选择具有24或30个极或更多的发电机5将是有利的。对于没有变速箱的5MW风力涡轮传动装置，假定具有大约50到70对极的发电机5与频率转换器25联合是有竞争性的。如果这个极数应证明是不切实际的，本发明的解决方案应通过引入单级行星齿轮来与现有技术结合。因而产生的解决方案到目前为止仍然比例如用于它们的3NW V90风车的Vestas的解决方案更健全、更轻并需要更少的维修，该风车具有三级行星齿轮和一级螺旋面。
[0096] 定子绕组以4个为一组互连的48个极的发电机5可使用与12个极的同步发电机5相同的可变频率传动装置拓扑。类似地，定子绕组以4个为一组互连的144个极的发电机
5可使用与36个极的同步发电机5相同的可变频率传动装置拓扑。类似地，定子绕组以2个为一组互连的144个极的发电机5可使用与72个极的同步发电机5相同的可变频率穿动装置拓扑，如在图5e中示出的。请注意，两个并联的三相Y或Z连接的定子绕组适用于通过两个中性星点直接水冷却。
5可使用与36个极的同步发电机5相同的可变频率传动装置拓扑。类似地，定子绕组以2个为一组互连的144个极的发电机5可使用与72个极的同步发电机5相同的可变频率穿动装置拓扑，如在图5e中示出的。请注意，两个并联的三相Y或Z连接的定子绕组适用于通过两个中性星点直接水冷却。
[0097] 利用根据本发明的系统，大约在400-2000V范围的典型的多极发电机端子电压可然后在频率转换器25中增加到大约在4-13kV范围或更高的输出，并且然后对于大约为22-132kV的电压电平实现具有标准匝数比的另外的单级变压器安装。
[0098] 图7和图8中示出了使用来自Alstom的多电平逆变器vdm和cdm的本发明的第三和第四实施方式。图7示出了具有vdm多电平逆变器的发明，以及图8中示出了cdm多电平逆变器。
[0099] 在传统的风力涡轮机中，变压器位于吊舱3的后部，根据本发明的系统将不需要该吊舱3。这个“变压器空间”可由频率转换器安装使用，根据本发明，替代地适于连接优选地没有变速箱的多极发电机。另外，位于风力涡轮机中的可选的滑动环之前的变压器可通过使用根据本发明的系统被消除。通过有无齿轮的系统，维修量将减少。无论如何，通过本发明的解决方案提供的电压是足够高的，以使第一升压变压器在有或没有ac功率转环(power swivel)的情况下向下移动得更接近地面或海平面。这是本发明的传动链的关键优势。
[0100] 对吊舱3的空间和重量容量要求可通过增加来自连接到3相定子绕组的每一个的整流器的dc电压来进一步减少，以便增大适于通过dc功率转环传送的dc电压电平，如果位于塔结构中更向下或更远的某处的逆变器需要该dc电压电平。该方法也可被用于直接连接多端子HVDC系统，特别是如果基于动力重整设备技术的多极发电机被包括在系统设计中。如果需要，涡轮机组中的涡轮传动装置的一半可然后被连接在“+”和“0”之间，而涡轮传动装置的另一半连接在“-”和“0”之间，以便形成双极dc功率系统接口。
[0101] 图10示出了本发明的实施方式，其中来自每组定子绕组的电流由串联的(一般为六脉冲)整流器桥整流，风车连接在“+”和“0”之间。
[0102] 图11示出了本发明的实施方式，其中若干组定子绕组被并联地耦合，以便匹配在双极dc功率系统接口中的每个半导体模块的电流容量。
[0103] 图12示出了本发明的实施方式，其中一些整流器被并联地耦合，以便抑制每个半导体模块的电流负荷。另外，在图10、图11以及图12中说明的实施方式可便于风力涡轮传动装置的串联或并联连接。这样的风力涡轮机组在图13或图16中被说明。
[0104] 连接公共中间dc电压电平26的多极同步发电机的更示意性的概述在图17中被示出。
[0105] 如本领域技术人员所知道的，现今的风力涡轮机组的问题是它们依靠现存的电网，以便启动。这是因为传统的不同类型的风车通常在被称为再生中断模式的模式下运行。在再生中断模式下，全桥开关电源被放置在电网和发电机之间，其控制频率侧面向发电机。
当风使涡轮叶片运动时，发电机以对应于开关电源的频率输出的速度旋转。当叶片被倾斜以便产生额外的转矩时，涡轮叶片加速发电机并且开关电源中断发电机。中断能通过全桥开关电源被传送，并通过简单的不受控制的逆变器被馈送到电网，在该全桥开关电源内中断能被整流。于是对本领域技术人员很明显，如果电网出故障，在电网和开关电源之间没有dc链，因此可能没有控制频率AC侧来电力地中断发电机。涡轮机将空转或优选地通过使叶片倾斜并应用机械中断器控制地停止。
当风使涡轮叶片运动时，发电机以对应于开关电源的频率输出的速度旋转。当叶片被倾斜以便产生额外的转矩时，涡轮叶片加速发电机并且开关电源中断发电机。中断能通过全桥开关电源被传送，并通过简单的不受控制的逆变器被馈送到电网，在该全桥开关电源内中断能被整流。于是对本领域技术人员很明显，如果电网出故障，在电网和开关电源之间没有dc链，因此可能没有控制频率AC侧来电力地中断发电机。涡轮机将空转或优选地通过使叶片倾斜并应用机械中断器控制地停止。
[0106] 然而，如果涡轮机组中的一个或多个风车为根据本发明的类型，则以下的程序可被用于黑启动包括若干传统风车的风力涡轮机组。传统风车的黑启动将根据风车的设计而变化。不管设计如何，所有传统风车都需要具有电压的局部电网以能够启动。需要该电网的原因根据风车的设计而变化。传统的非自启动风力涡轮机21以任意方式使用由根据本发明的自启动风力涡轮机20提供的局部电网电压。图9示出了包括两个风车20、21的风力涡轮机组的简单例子。这说明了局部电网和地区电网之间的区别。局部负载23位于变压器22的风车侧，以及断路器24位于变压器22的网侧。包括开关电源的根据本发明的风车可通过移除机械制动器和控制具有UPS(不间断电源)紧急电源的叶片距来启动，开关电源的控制AC侧面向电网。在风车包括外部激励的同步发电机的情况下，这也可通过UPS紧急电源来通电。当涡轮机因此发电机加快速度时，电压被感应以给开关电源馈电。该频率转换器25可然后在孤岛式风力涡轮机组建立弱的但充足的局部电网。当来自根据本发明的风车的电压增大时，传统风车可每次被启动一个。这些传统风车在被启动之后，将然后有助于局部电网。在黑启动期间，将需要局部负载或电阻器组/电极-锅炉，以便转储额外的功率，以及在节距控制不充足时为自启动风车传送所需要的中断转矩。
[0107] 频率转换器系统可配备有适于各种拓扑结构的电压限制器单元或中断斩波器。这些dc中断斩波器如果被安装可在各种电网故障期间消耗来自涡轮机的有效功率。
[0108] 到转换器的分相输入
[0109] 如果假设例如在WO 00/60719中讨论的和在图18a中说明的分段发电机定子，每个定子段产生至少一个电隔离的三相输出，将所有的输出聚集到公共三相“母线”要求每个输出彼此不能被相移。在图18a中，假定发电机具有三个段和从每段有一个输出，这意味着U1、U2和U3同相。如果它们不同相，循环电流将出现在电路之间并造成损耗。
[0110] 在本发明中，相应的段的输出通过多电平转换器的分开的电缆11被馈送给分开的输入，并由整流器6独立地整流，如在图18b中说明的。在这种情况下，电压U1、U2和U3的相移可能不是有害的。事实上，使用整流的合适的相移可帮助抵消发电机中的谐波、减少损耗和对绝缘的需要。当建立定子绕组时，这也给出更多的自由度。例如，发电机可以被分为九段输出，每段彼此相移360/9＝40°。图18b示出了示意性的转换器接口，指示独立的整流。如果若干三相输出被提供，那么每个转换器电平可与一组电绝缘的相端子互连，相端子专用于多电平频率转换器拓扑中的每个电平。
[0111] 这将实现比所产生的线对线输入电压更高的转换器输出电压的增大，而没有强调定子绕组绝缘的高共模电压。
[0112] 根据在图18c中说明的本发明的实施方式，本发明可使用来自各组电绝缘的定子绕组的电流来控制在多电平频率转换器中的多组电容器之间的电荷平衡。
[0113] 在图18c中的示意图中，多电平NPC被示为连接绝缘的三相发电机输出。不是将整流的电压Vd馈送到NPC转换器的端子，Vd/4被供应到电容。这确保了平衡的电容器电压。
[0114] 总之，根据本发明的系统便利了在风力涡轮机中的大的多极发电机，以便在不使用或最少得使用齿轮传动的情况下增加风力涡轮机的功率并减小转速。本发明使用以电子绕组互相隔离为特征的多极同步发电机5以及通过增大来自电隔离的定子绕组的电压来增加输出电压的频率转换器拓扑。因此，通常位于吊舱3中的功率变压器可被忽略，释放出空间和重量并且因此便利了在直接传动的风力涡轮机或风车中需要的大的多极发电机。本发明可被用在若干类型的涡轮机例如风力涡轮机、潮汐发电机等中。
[0115] 参考数字：
[0116] 1.涡轮叶片
[0117] 2.旋转轮毂
[0118] 3.吊舱
[0119] 4.塔
[0120] 5.发电机
[0121] 6.整流器/转换器
[0122] 7.逆变器/转换器
[0123] 8.电池
[0124] 9.同步或异步机器
[0125] 10.隔离变压器
[0126] 11.电隔离的三相电缆
[0127] 12.电网接口变压器
[0128] 13.三相发电机绕组
[0129] 14.电网
[0130] 15.输入变压器
[0131] 16.电容器
[0132] 17.控制器
[0133] 18.转子
[0134] 19.定子
[0135] 20.自启动风车
[0136] 21.非自启动风车
[0137] 22.变压器
[0138] 23.局部负载
[0139] 24.断路器
[0140] 25.频率转换器
[0141] 26.中间dc电压电平
[0142] M.电动机
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