专利名称：风电设备和包括复数个风电设备的风电场的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风电设备和一种由复数个这种风电设备构成的风电场。
背景技术：
风电场的风电设备的作用是利用风这种随机的一次能源载体产生电能并将这些 电能馈入区域电网。DE 19620906A1揭示一种如图1所示的风电场2的方案。这种已知方案是一种 分布式三相方案，因为风电场2中每一个风电设备4所产生的电能都被馈入区域电网6。 由于区域电网6任何一个风电场馈电点8上的升压幅度都不得超过4%，这就会使得最高 风电产能取决于风电场馈电点8与电网6的变电站之间的距离。图示风电场2具有三个 风电设备4，这些风电设备各具有一个机舱12和一个塔架14。机舱12以可旋转的方式 安装在塔架14上，具有发电机16、发电机侧滤波器18、发电机侧换流器20、网侧换流 器22、网侧滤波器24和变压器26。两个换流器20和22在直流电压侧通过电压中间电 路彼此导电相连。这样，两个换流器20和22和该电压中间电路就共同构成一个电压中 间电路变换器。Bjorn Andresen和Jens Birk在其发表于奥尔堡EPE 2007会议论文集的“ A high power density converter system fort the Gamesa G10x4,5MW Windturbine (用于 Gamesa G10x4.5MW风力涡轮机的高功率密度转换系统)” 一文描述了布置在风电设备4的机舱 12中的电压中间电路变换器的一种结构。在该文所描述的电压中间电路变换器中，两个 换流器20和22实施为自换相脉冲换流器。为了将换流器20、22所产生的谐波分别与发 电机16或电网6隔离，发电机侧和网侧各设有一个滤波器18、24。网侧变压器26的作 用则是使产生的变换器输出电压与区域电网的额定电压相匹配。如该文所述，发电机16的转子侧直接或通过传动装置与风电设备4的转子相 连。如果发电机16采用的是同步发电机，就不必使用该传动装置，这样可以减轻机舱12 的重量。为清楚起见，本案图1对转子未予图示。图2展示的是风电场2三相电流方案的第二实施方式。这种实施方式与图1所示 实施方式之间的区别在于，风电设备4的电气设备布置在塔架14而非机舱12中。风电设 备4的这种实施方式公开在发表于www.abb.com/powerelectronics网站的“ABB Advanced Power Electronics-MV full power wind converter for Multibrid M5000 turbine (ABB 先进电力 电子技术一用于Multibrid M5000涡轮机的中压全功率风能转换器)” 一文中。设备组 件18、20、22、24和26布置在风电设备4的塔架14的底部区域内。这样，风电场2每 一个风电设备4的机舱12中只剩下了发电机16。DE 19620906A1揭示一种包含有η个风电设备4的风电场2。这种已知风电场2 的每个风电设备4均具有转子叶片可调的转子28、同步发电机30、整流器32和滤波扼流 圈34。同步发电机30与转子28直接耦合且具有两个彼此成30°导电偏置的定子绕组， 这些定子绕组分别与整流器32的一个子整流器36导电相连。同步发电机30可具有永磁
4激励系统或压控激励系统。整流器32实施为多脉冲式，例如12脉冲。滤波扼流圈34 例如布置在正极输出线38中。这条正极输出线38和一负极输出线40可分别借助一个断 路器42从正极母线和负极母线44和46上断开。这两个母线44和46在风电场2的η个 风电设备的直流侧将其并联起来。在风电场2如图所示的这种直流方案中，网侧换流站48紧邻区域电网6的变电 站50布置。这个网侧换流站48具有滤波扼流圈52、逆变器54、匹配变压器56和滤波 器58。逆变器54和任何一个风电设备4的整流器32—样由两个子逆变器60构成。逆 变器54的脉冲数与整流器32的脉冲数一致。每个子逆变器60在交流电压侧均与匹配变 压器56的一个二次绕组导电相连，其中，该匹配变压器的一次绕组与变电站50的母线62 导电相连。滤波器58也连接在这个母线62上。滤波扼流圈52例如布置在逆变器54的 正极输入线64中。正极输入线64和负极输入线66通过直流传输设备68与并联风电设 备4的正、负极母线44和46导电相连。直流传输设备68可以是两条直流传输线或一个 直流电缆。每个风电设备4的整流器32的换流阀和网侧换流站48的逆变器54的换流阀均 采用晶闸管。整流器32的作用是调节功率，逆变器54的作用是调节三相电压。这种η 个换流站的连接方案相当于一个多点高压直流输电网络。“Offen fiir Offshore-HVDC Light-Baustein einer nachhaltigen elektrischen Energieversorgung(海上风电——轻型高压直流输电——影响深远的供电模块)，，一文揭示
了一种用直流电缆代替三相电缆的海上风电场。这个直流电缆两端各设一功率换流器， 其交流电压侧各配一电力变压器。功率换流器采用由中压型电压中间电路变换器构成的 已知IGBT换流器。中间电路电容器由两部分构成且分别与一个IGBT换流器的直流电压 接点并联。这种风电场中总有一个风电设备具有发电机侧IGBT换流器，该风电设备的网 侧IGBT换流器则整合在网侧换流站的IGBT换流器中。这种风电场的风电设备的IGBT 换流器在直流电压侧通过直流电缆与网侧换流站的IGBT换流器相连。这种直流方案可 以使风电场(尤其是海上风电场)的风电设备与网侧换流站之间的距离超过140km。Lena Max和Torbjorn Thiringer发表于奥尔堡EPE 2007会议论文集的 “Control method and snubber selection for a 5MW wind turbine single active bridge DC/DC
converter (5MW风力涡轮机单有源电桥DC/DC转换器的控制方法和缓冲器选择)，，一文 揭示了风电场直流电压方案的另一种实施方式。在这种实施方式中，每个风电设备均具 有发电机、发电机侧换流器和直流电压转换器。多个风电设备通过其他直流电压转换器 与一直流电压转换器相连，这个直流电压转换器在区域电网的风电场馈电点上通过直流 电缆与网侧逆变器相连。每个风电设备的发电机侧换流器采用的不是二极管整流器就是 自换相IGBT换流器。
发明内容
本发明的目的是对风电设备和由复数个这种风电设备构成的风电场进行改进， 以便减少设备组件数量。根据本发明，这个目的通过权利要求1和权利要求8所包含的区别特征而达成。根据本发明，风电设备的网侧换流器采用包含复数个分布式储能器的换流器。
5这种换流器的每个阀臂均具有至少两个两极子系统，这些两极子系统各具有一储能器且 彼此串联。为了能够不再使用输出滤波器，每阀臂各设至少十个串联的两极子系统。根 据两极子系统的数量，换流器输出电压也会上升。这样就可以视情况而无需使用匹配变 压器。这种包含复数个分布式储能器的换流器的另一优点是，该换流器的每个阀臂均 可具有冗余两极子系统。当部分两极子系统发生故障时，这样可以确保正常工作完全不 受影响，从而使所述风电设备的可用性得到改善。在电压中间电路变换器的负载侧换流器采用包含复数个分布式储能器的换流器 的情况下，该电压中间电路变换器的电压中间电路不再具有任何储能器。因此，这个电 压中间电路不必再采用低电感设计，风电设备发电机侧换流器与网侧换流器的直流电压 侧连接可以采用直流电缆。此外与电压中间电路具有储能器的电压中间电路变换器相 比，上述电压中间电路变换器发生中间电路短路的概率极低，借此可确保故障情况下设 备的性能稳定。此外，所述风电设备的电压中间电路变换器的发电机侧换流器的换流阀 不必再针对低电阻中间电路短路所引起的短路电流而采取相应设计。也就是说，可以大 幅降低这些换流阀的ft要求。用复数个如本发明所述的这种风电设备建立风电场时，将所有风电设备包含复 数个分布式储能器的网侧换流器都合并成布置在一网侧换流站中的一个包含复数个分布 式储能器的换流器，其中，所述网侧换流站有利地紧邻风电场馈电点布置。在此情况 下，本发明风电场的每个风电设备仅具有发电机和连接在该发电机下游的换流器，并且 该发电机侧换流器有利地布置在每个风电设备的塔架的底部区域。借此可大幅减轻本发 明风电场的风电设备每一个机舱的重量。另外，借此还能简化所述风电场每个风电设备 的塔架结构。根据本发明风电设备的一种有利实施方式，所述发电机侧换流器采用包含复数 个分布式储能器的换流器。通过在所述风电设备的电压中间电路变换器的发电机侧使用 包含复数个分布式储能器的换流器且该换流器的每个阀臂均使用复数个两极子系统，可 以使用绕组绝缘要求相对较低的发电机。通过减小发电机绕组绝缘层的厚度，可使绕组 的冷却性能得到改善。所述风电设备的其他有利实施方式可从从属权利要求4至7中获得，所述风电场 的其他有利实施方式可从从属权利要求9至14中获得。下文将借助附图所示的风电场风电设备的几种实施方式对本发明予以进一步说明。
图1为风电设备已知三相方案的第一实施方式；图2为图1所示已知三相方案的第二实施方式；图3为风电场已知直流方案的一种实施方式；图4为本发明风电设备的第一实施方式；图5为包含复数个分布式储能器的换流器的电路图；图6和图7为图5所示换流器的两极子系统的实施方式；
图8为本发明用于风电场的风电设备的第二实施方式；以及图9为本发明用于该风电场的风电设备的第三实施方式。
具体实施例方式图1对本发明用于一风电场2的风电设备4的第一实施方式进行了详细图示。 本发明的这种风电设备4，其机舱12中仅布置了发电机16和发电机侧换流器20。机舱 12以可旋转的方式安装在这个风电设备4的塔架14上，网侧换流器22和又称为“匹配 变压器”的交流侧变压器26布置在该塔架中。这两个设备组件22和26布置在塔架14 的底部区域内。风电设备4通过这个变压器26连接在区域电网6的风电场馈电点8上。 本发明的网侧换流器22采用的是包含复数个分布式储能器的换流器70。图5对这种换 流器70的电路图予以了详细展示。在将包含复数个分布式储能器的换流器70至少用作 网侧换流器22的情况下，由发电机侧换流器和网侧换流器20和22构成的电压中间电路 变换器的电压中间电路不再具有电容器特别是电解电容器形式的储能器。因此，这个电 压中间电路不必再采用低电感设计，两个换流器20和22的直流电压侧连接采用直流电缆 72。在最简单的情况下，发电机侧换流器20是二极管整流器。有利方案是将该发电机 侧换流器设计为四象限换流器。如果发电机侧换流器20也采用包含复数个分布式储能器的换流器70，就可使用 绕组绝缘要求相对较低的发电机16。这样可以改善该发电机16的绕组冷却性能。当这 个发电机侧换流器20实施为包含复数个分布式储能器的换流器70时，如果其具有数量较 大的分布式储能器，例如该换流器70的相位模块每阀臂各设至少十个储能器，就不必再 使用发电机侧滤波器18。这样还能提高发电机电压，从而达到减小每个风电设备4布置 于其塔架14中的直流电缆72的导线设计电流这一目的。这个包含复数个分布式储能器 的发电机侧换流器70也可进一步具有可以提高风电设备4可用性的冗余储能器。图5展示的是包含复数个分布式储能器的换流器70的电路图。这个换流器70 具有三个直流电压侧并联的相位模块74。这些相位模块74借助正极和负极直流电压母线 P。和Ntl实现并联。在这两个直流电压母线Pc^PNci之间存在直流电压Ud。直流电缆72 的两条导线连接在该换流器70的这些直流电压母线Ptl和Ntl上。图6为两极子系统76的第一实施方式。这个两极子系统76具有两个可断半导 体开关78和80、两个二极管82和84以及一个单极存储电容器86。两个可断半导体开 关78和80串联，这一串联电路又与存储电容器86并联。每个可断半导体开关78和80 各与所述两个二极管82和84中的一个并联，使得每个二极管均与对应的可断半导体开关 78和80反向并联。两极子系统76的单极存储电容器84由一个电容器构成，或者由复 数个这样的电容器所组成的具有总电容Ctl的电容器组构成。可断半导体开关78的发射 极与二极管82的阳极的连接点构成子系统76的第一接线端子XI。两个可断半导体开关 78和80以及两个二极管82和84的连接点构成两极子系统76的第二接线端子X2。在子系统76如图7所示的实施方式中，这个连接点构成第一接线端子XI。可 断半导体开关80的漏极与二极管84的阴极的连接点构成两极子系统76的第二接线端子 X2。根据Rainer Marquardt、Anton Lesnicar 和 Jiirgen Hildinger 发表于 2002ETG 会
7议论文集中的"Modulares Stromrichterkonzept furNetzkupplungsanwendung bei hohen Spannungen (高压联网用模块化换流器方案)，，一文所述，两极子系统76可呈现三种操作 状态。在操作状态I下，可断半导体开关78接通，可断半导体开关80断开。在这种操 作状态I下，两极子系统76的端电压Ux21等于零。在操作状态II下，可断半导体开关 78断开，可断半导体开关80接通。在这种操作状态II下，两极子系统76的端电压Ux21 等于存储电容器86上的电压Uc。在无故障的正常工作时只会使用到上述两种操作状态I 和II。在操作状态III下，两个可断半导体开关78和80都断开。图8对本发明用于一风电场2的风电设备4的第二实施方式进行了详细图示。这 种实施方式与图4中第一实施方式之间的区别在于，设有一个用于该风电场2所有风电设 备4的网侧换流器88，这个网侧换流器包括交流电压侧变压器26且布置在区域电网6的 变电站50中的网侧换流站48内。也就是说，风电场2所有风电设备4的网侧换流器22 都合并成布置在换流站48中的这一个网侧换流器88。在此情况下，风电场2的风电设备 4不再是在交流电压侧与风电场馈电点8耦合，而是在直流电压侧与风电场馈电点90耦 合。这样，每个风电设备4的直流电缆70均经由风电场馈电点90通过一其他直流电缆 92与网侧换流站48相连。这个直流电缆92可以长达好几百千米。亦即，风电场2的 建立不再受限于电网馈入点的所在位置。风况是唯一的决定因素。此外，通过直流电缆 92还可以将海上风电场与陆地上的区域电网连接起来。图9对本发明用于一风电场2的风电设备4的第三实施方式进行了详细图示。这 种第三实施方式与图8中第二实施方式之间的区别在于，该风电场2每一个风电设备4的 发电机侧换流器20均从机舱12转移到了相应塔架14的底部区域内。在此情况下，风电 场2每一个风电设备4的机舱12中仅布置了发电机16和视情况需要使用的传动装置，如 果发电机16采用的是永磁同步发电机，那么这个传动装置也可以予以去除。借此可大幅 减轻风电设备4的机舱12的重量。由于机舱12以可旋转的方式安装在其塔架14上，因 此随着机舱12的重量得到减轻，也可以使塔架14的结构得到简化。如此便可降低风电 设备4的成本，进而降低用这种风电设备4建立起来的风电场2的成本。通过将包含复数个分布式储能器的换流器70用作每个风电设备4的网侧换流器 22和发电机侧换流器20或者用作风电场2的网侧换流站48的网侧换流器88，可实现一 种比已知直流方案更为灵活机动的直流方案，从而能更好地满足风电场2的运营商的要 求。此外，这种风电场2的成本大幅削减。另外还可以延长风电场2与区域电网6的变 电站50之间的距离，这样在选择风电场2的建立地点时，只需考虑随机风能分布这一因
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权利要求
1.一种风电设备(4)，由一布置在一塔架(14)上的机舱(12)构成且包括一转子 (28)、一发电机(16)、一发电机侧换流器(20)、一网侧换流器(22)和一变压器(26)，其 中，所述这两个换流器(20，22)在直流电压侧彼此电性相连，所述网侧换流器(22)在交 流电压侧通过所述变压器(26)与一接收电能的网络(6)的一馈电点(8)相连，其特征在 于，所述网侧换流器(22)的每个相位模块(74)均具有一上阀臂和一下阀臂(Tl，T3， T5 ； T2, T4，T6)，所述上阀臂和所述下阀臂各具有至少两个串联的两极子系统(76)， 以及所述发电机侧换流器(20)和所述网侧换流器(22)在直流电压侧通过一直流电缆(72) 彼此相连。
2.根据权利要求1所述的风电设备(4)，其特征在于，所述发电机侧换流器(20)采用二极管整流器。
3.根据权利要求1所述的风电设备(4)，其特征在于，所述发电机侧换流器(20)的每个相位模块(74)均具有一上阀臂和一下阀臂(Tl， T3，T5 ； T2, T4，T6)，所述上阀臂和所述下阀臂各具有至少两个串联的两极子系统 (76)。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的风电设备(4)，其特征在于，每个两极子系统(76)均具有两个串联的可断半导体开关(78，80)和一存储电容器 (86)，其中，所述这个串联电路与所述存储电容器(86)并联，所述两个可断半导体开关 (78，80)的一连接点构成所述两极子系统(76)的一接线端子(X2，XI)，所述存储电容 器(86)的一个极构成所述两极子系统(76)的一其他接线端子(XI，X2)。
5.根据权利要求4所述的风电设备(4)，其特征在于，所述可断半导体开关(78，80)采用绝缘栅双极晶体管IGBT。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的风电设备(4)，其特征在于，所述网侧换流器(22)与所述交流电压侧变压器(26) —起布置在所述风电设备(4)的 塔架(14)中。
7.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的风电设备(4)，其特征在于，所述发电机侧换流器(20)与所述交流电压侧发电机(16) —起布置在所述风电设备(4)的机舱(12)中。
8.—种风电场(2)，其包括至少两个风电设备(4)和一网侧换流站(48)，所述风电设 备(4)各具有一转子(28)、一发电机(16)、一发电机侧换流器(20)，所述网侧换流站具 有一自换相换流器(88)和一在交流电压侧连接在所述自换相换流器下游的变压器(26)， 其中，所述这些风电设备(4)和所述网侧换流站(48)在直流电压侧彼此相连，其特征在 于，所述网侧换流站(48)的自换相换流器(88)的每个相位模块(76)均具有一上阀臂和 一下阀臂(Tl，T3，T5 ； T2, T4，T6)，所述上阀臂和所述下阀臂各具有至少两个串联 的两极子系统(76)，所述发电机侧换流器(20)和所述网侧换流站(48)的自换相换流器 (88)通过直流电缆(72，92)彼此相连。
9.根据权利要求8所述的风电场(2)，其特征在于，每个风电设备(4)的发电机侧换流器(22)均采用二极管整流器。
10.根据权利要求8所述的风电场(2)，其特征在于，每个风电设备(4)的一发电机侧换流器(20)的每个相位模块(76)均具有一上阀臂和 一下阀臂(Tl，T3，T5 ； T2, T4，T6)，所述上阀臂和所述下阀臂各具有至少两个串联 的两极子系统(76)。
11.根据权利要求8至10中任一项权利要求所述的风电场(2)，其特征在于，每个两极子系统(76)均具有两个串联的可断半导体开关(78，80)和一存储电容器 (86)，其中，所述这个串联电路与所述存储电容器(86)并联，所述两个可断半导体开关 (78，80)的一连接点构成所述两极子系统(76)的一接线端子(X2，XI)，所述存储电容 器(86)的一极构成所述两极子系统(76)的一其他接线端子(XI，X2)。
12.根据权利要求11所述的风电场(2)，其特征在于， 所述可断半导体开关(78，80)采用绝缘栅双极晶体管。
13.根据权利要求8至12中任一项权利要求所述的风电场(2)，其特征在于， 每个风电设备(4)的一发电机侧换流器(20)均与一对应的交流电压侧发电机(16) —起布置在一风电设备(4)的一机舱(12)中。
14.根据权利要求8至12中任一项权利要求所述的风电场(2)，其特征在于， 每个风电设备(4)的一发电机侧换流器(20)均布置在一风电设备(4)的塔架(14)中，每个风电设备⑷的一发电机(16)则均布置在一风电设备⑷的一机舱(12)中。
全文摘要
本发明涉及一种风电设备(4)，由一布置在一塔架(14)上的机舱(12)构成且包括一转子(28)、一发电机(16)、一发电机侧换流器(20)、一网侧换流器(22)和一变压器(26)，其中，所述这两个换流器(20，22)在直流电压侧彼此电性相连，所述网侧换流器(22)在交流电压侧通过所述变压器(26)与一接收电能的网络(6)的一馈电点(8)相连。根据本发明，所述网侧换流器(22)的每个相位模块(74)均具有一上阀臂和一下阀臂(T1，T3，T5；T2，T4，T6)，所述上阀臂和所述下阀臂各具有至少两个串联的两极子系统(76)，所述发电机侧换流器(20)和所述网侧换流器(22)在直流电压侧通过一直流电缆(72)彼此相连。由此获得一种由复数个风电设备(4)构成的风电场(2)，与已知的直流方案相比，这种风电场结构灵活，并且每个风电设备(4)的机舱(12)的自重更轻。
文档编号F03D9/00GK102016301SQ200980116177
公开日2011年4月13日 申请日期2009年3月26日 优先权日2008年5月7日
发明者特奥多尔·扎尔茨曼, 诺贝特·克拉斯森, 赖纳·佐默, 马克·希勒 申请人:西门子公司