具有擴展的電壓范圍的風(fēng)力渦輪機的制作方法
【專利說明】具有擴展的電壓范圍的風(fēng)力渦輪機
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機，該風(fēng)力渦輪機包括一個風(fēng)力轉(zhuǎn)子、被其驅(qū)動而用于產(chǎn)生電能的一個發(fā)電機以及用于輸出該電能的一條連接線。
[0002]隨著這些風(fēng)力渦輪機變得越來越普遍并且同時其性能逐漸提高，優(yōu)選地在存在良好風(fēng)力條件的位置、尤其在海岸線上、在海邊或在山區(qū)建立風(fēng)力發(fā)電場。在許多情況下，有些區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施不足，這具體適用于海邊的風(fēng)力發(fā)電場(所謂的海上風(fēng)力發(fā)電場)，在海邊一般根本沒有基礎(chǔ)設(shè)施。這要求到耗能裝置或到高容量的分布網(wǎng)絡(luò)具有比較長的線路。因此，在具有相對高功率供給的風(fēng)力發(fā)電場的情況下通常存在電壓偏差。電網(wǎng)運營商對此作出響應(yīng)并且在日益增大的程度上要求來自風(fēng)力渦輪機的相對于與額定電壓的偏差更大的電壓強度，其中在以cos Phi = I的功率因素運行的情況下也提供這個電壓強度。
[0003]為了擴大風(fēng)力渦輪機的電壓范圍，已知的是向所述風(fēng)力渦輪機提供分接頭切換變壓器。在這種情況下，該變壓器的變壓系數(shù)可以通過一個開關(guān)來改變，這樣使得該風(fēng)力渦輪機可以用此方式與上游電網(wǎng)的不同電壓相匹配。因此，雖然可以覆蓋比較大的電壓范圍，但是這些有載分接開關(guān)的切換時間比較長(高達幾分鐘)，這被認為太慢。另外，這些有載分接開關(guān)易受磨損。為了避免這個問題，原則上可以提供一種基于半導(dǎo)體元件的解決方案。但是，這具有以下缺點:半導(dǎo)體元件的大小需要格外大并且因此需要精心設(shè)計，因為總功率是經(jīng)由所述半導(dǎo)體元件來傳輸?shù)摹φ淄叻秶鷥?nèi)的現(xiàn)代強大風(fēng)力渦輪機而言，這實際上是幾乎不可能的。
[0004]基于上述的具有有載分接開關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明基于的目的是擴展風(fēng)力渦輪機的電壓范圍，其中旨在以低復(fù)雜性來實現(xiàn)更快的切換時間。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的解決方案在于獨立權(quán)利要求的特征。有利的發(fā)展是從屬權(quán)利要求的主題。
[0006]在以下這種風(fēng)力渦輪機中:該風(fēng)力渦輪機包括一個風(fēng)力轉(zhuǎn)子、被其驅(qū)動而用于產(chǎn)生電能的一個發(fā)電機、以及用于準(zhǔn)確而言可能經(jīng)由渦輪機變壓器來輸出該電能的一條連接線，提供了根據(jù)本發(fā)明的、用于借助于一個額外電壓源將該風(fēng)力渦輪機的電壓范圍擴展的一種電壓擴展器，其中該電壓擴展器包括一個專用的小型變壓器以及一個切換機構(gòu)，該小型變壓器具有初級繞組和次級繞組，并且其中該小型變壓器以該次級繞組在該連接線中成圈，并且該切換機構(gòu)連接至該小型變壓器的初級繞組上并且以多分接頭的方式致動所述初級繞組使之具有轉(zhuǎn)接能力。
[0007]本發(fā)明是基于引起電壓范圍的擴展這個概念，其中該風(fēng)力渦輪機可以通過由額外的小型變壓器與一個切換機構(gòu)組成的電壓擴展器進行操作。借助于該切換機構(gòu)，該小型變壓器在這種情況下是以多分接頭方式連接的，其中取決于這種分接頭轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了或多或少大的或方向性不同的電壓變動。由于根據(jù)本發(fā)明的小型變壓器在該風(fēng)力渦輪機與電網(wǎng)之間在連接線中成圈，以此方式它可以通過感應(yīng)出與該風(fēng)力渦輪機輸出的電壓具有相同數(shù)學(xué)符號的額外電壓來增大該風(fēng)力渦輪機的電壓，或者它可以通過感應(yīng)出與該風(fēng)力渦輪機具有相反數(shù)學(xué)符號的電壓來減小該風(fēng)力渦輪機的電壓。
[0008]本發(fā)明的尤其強調(diào)的是，由于其縱向安排在該連接線中，其功率大小可以明顯小于該風(fēng)力渦輪機的功率的一個變壓器就是足夠的。該變壓器因此被稱為“小型變壓器”。這種小型變壓器的額定大小僅取決于該電壓擴展器的希望電壓階躍。例如，如果相對于額定值擴展10%就夠了，則該小型變壓器同樣只需要量級為該風(fēng)力渦輪機的額定功率的約10%的功率。因此通過根據(jù)本發(fā)明的安排，不僅產(chǎn)生了多分接頭的并且因此匹配的風(fēng)力渦輪機電壓范圍擴展，并且這還是以異常容易的方式成功的、即通過使用以下這種電壓擴展器，該電壓擴展器的小型變壓器僅需要具有該風(fēng)力渦輪機的額定功率的一部分。因此，該風(fēng)力渦輪機的電壓范圍的顯著擴展可以以非常小的額外復(fù)雜性實現(xiàn)。
[0009]以下將解釋一些術(shù)語:
[0010]小型變壓器被理解為是指具有內(nèi)部電源的額外變壓器，該額外變壓器一方面在風(fēng)力渦輪機與其渦輪機變壓器之間的連接線中并且另一方面在該風(fēng)力渦輪機的電網(wǎng)連接點中成圈。
[0011]該電網(wǎng)連接點可以是該風(fēng)力渦輪機與發(fā)電場內(nèi)部電網(wǎng)的連接點或者是到高級能量輸電電網(wǎng)的傳遞點。
[0012]多分接頭應(yīng)理解為是指單極和雙極分接頭轉(zhuǎn)換兩者。這意味著多分接頭可以包括在1，2，3，...意義上的分接頭轉(zhuǎn)換以及在_1，0，+1意義上的分接頭轉(zhuǎn)換。
[0013]如果多分接頭的致動是以不同的極化發(fā)生，則這是尤其優(yōu)選的。這提供了以下可能性:不僅借助于該電壓擴展器將該風(fēng)力渦輪機的電壓范圍向上擴展到相對高的電壓而且也向下擴展到相對低的電壓。適宜地，還提供了零分接頭。
[0014]為了實現(xiàn)對該電壓擴展器的相對大的調(diào)整范圍，優(yōu)選地在該連接線中串聯(lián)安排多個小型變壓器。因此，對應(yīng)于小型變壓器的數(shù)量，可以提供相應(yīng)大數(shù)量的分接頭，其結(jié)果是一方面，借助于該電壓擴展器的電壓范圍匹配可以在相對大的范圍上進行并且另一個方面更精細的分級并且因此與相應(yīng)條件的匹配也是可能的。在這種情況下，這些小型變壓器可以各自相同地配置，其結(jié)果是它們各自產(chǎn)生相同的額外電壓。于是，需要僅一種類型的小型變壓器和可能的切換機構(gòu)，這簡化了儲存和生產(chǎn)。為了可以隨意切換所述這些小型變壓器，優(yōu)選地對這些小型變壓器各自提供一個專用的切換機構(gòu)。特別有利的是，這些切換機構(gòu)是以一種方式實施成使得它們具有功率觸點和/或晶閘管來作為切換元件。因此可以實現(xiàn)穩(wěn)健的切換，與此同時這也是快速的、優(yōu)選地在最多0.1 s的切換時間范圍內(nèi)。然而，不應(yīng)該排除以下可能性:將這些小型變壓器配置成具有不同的大小，使得它們產(chǎn)生不同水平的電壓。在這種情況下，通過一種組合可以覆蓋甚至更大的電壓范圍；例如在以1:2:4安排了三個小型變壓器的情況下，可以對該電壓擴展器提供八個不同的電壓階躍(O至7)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的小型變壓器的特征在于，它的大小僅被確定成用于比該風(fēng)力渦輪機的額定功率小得多的功率。出于已經(jīng)提及的原因，這完全足以使得該電壓擴展器能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力渦輪機的電壓范圍的對應(yīng)擴展。因此避免了由于過大的尺寸而造成的關(guān)于安裝空間的高成本或不必要的要求。優(yōu)選地，該小型變壓器具有的功率最多為該風(fēng)力渦輪機的額定功率的1/4。通過這樣的用于根據(jù)本發(fā)明的小型變壓器的小型設(shè)計，不僅獲得了明顯的成本節(jié)約，而且因此將對安裝空間和該小型變壓器的冷卻的要求最小化。根據(jù)本發(fā)明的電壓擴展器因此以最小的額外復(fù)雜性(準(zhǔn)確地說在安裝空間方面的成本和需求兩方面)得以勝任。因此，根據(jù)本發(fā)明的電壓擴展器還特別適合用于改造現(xiàn)有風(fēng)力渦輪機或風(fēng)力發(fā)電場，并且這在已經(jīng)存在的眾多風(fēng)力發(fā)電場情況下是很重要的。在本發(fā)明中，已經(jīng)證明取決于該電壓擴展器將提供的額外電壓來設(shè)計小型變壓器的功率是成功的。優(yōu)選地，該小型變壓器的功率的大小是與該額外電壓成比例的，其中該額外電壓是基于額定電壓。因此，例如為了實現(xiàn)量級是額定電壓的十分之一的額外電壓，適宜地將該小型變壓器的功率設(shè)計成最多是該風(fēng)力渦輪機的額定功率的十分之一。這意味著，對具有3MW的額定功率的風(fēng)力渦輪機，僅需要一個被設(shè)計用于不多于0.3MW的功率的變壓器。
[0016]適宜地，該電壓擴展器的設(shè)計方式為使得它及其小型變壓器是經(jīng)由切換觸點而與該連接線可斷開的。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)以下這種情形:在正常操作過程中當(dāng)在位于額定電壓周圍區(qū)域內(nèi)的電壓下不需要該電壓擴展器時，該電壓擴展器停用并且因此減少了損失、尤其是由于該小型變壓器造成的輸電損失。雖然這些損失在任何情況下由于根據(jù)本發(fā)明的小型變壓器的已經(jīng)很小的尺寸而是低的，但是避免這些低損失也意味著該風(fēng)力渦輪機的效率的提尚O
[0017]為了在根據(jù)本發(fā)明的電壓擴展器的小型變壓器的多分接頭致動的情況下避免小型變壓器在轉(zhuǎn)接過程中變?yōu)闊o負載(不論這是否只是瞬時的)的情況，優(yōu)選地提供了一個單獨的負載分接頭。這確保了，甚至在轉(zhuǎn)接過程中負載也始終連接至該小型變壓器上。因此，消除了在轉(zhuǎn)接過程中的不允許的高壓峰值的風(fēng)險。
[0018]該電壓擴展器適宜地以一種方式配置成使得該小型變壓器以一種方式安裝成與該渦輪機變壓器相結(jié)合。優(yōu)選地，在這種情況下，該小型變壓器仍處于專用(可能是可替換的)部件的形式，其電連接是在該渦輪機變壓器中成圈的。尤其優(yōu)選的設(shè)計是:由該小型變壓器形成的額外電壓源連接至渦輪