具有扩展的电压范围的风力涡轮机的制作方法
【专利说明】具有扩展的电压范围的风力涡轮机
[0001]本发明涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括一个风力转子、被其驱动而用于产生电能的一个发电机以及用于输出该电能的一条连接线。
[0002]随着这些风力涡轮机变得越来越普遍并且同时其性能逐渐提高，优选地在存在良好风力条件的位置、尤其在海岸线上、在海边或在山区建立风力发电场。在许多情况下，有些区域的基础设施不足，这具体适用于海边的风力发电场(所谓的海上风力发电场)，在海边一般根本没有基础设施。这要求到耗能装置或到高容量的分布网络具有比较长的线路。因此，在具有相对高功率供给的风力发电场的情况下通常存在电压偏差。电网运营商对此作出响应并且在日益增大的程度上要求来自风力涡轮机的相对于与额定电压的偏差更大的电压强度，其中在以cos Phi = I的功率因素运行的情况下也提供这个电压强度。
[0003]为了扩大风力涡轮机的电压范围，已知的是向所述风力涡轮机提供分接头切换变压器。在这种情况下，该变压器的变压系数可以通过一个开关来改变，这样使得该风力涡轮机可以用此方式与上游电网的不同电压相匹配。因此，虽然可以覆盖比较大的电压范围，但是这些有载分接开关的切换时间比较长(高达几分钟)，这被认为太慢。另外，这些有载分接开关易受磨损。为了避免这个问题，原则上可以提供一种基于半导体元件的解决方案。但是，这具有以下缺点:半导体元件的大小需要格外大并且因此需要精心设计，因为总功率是经由所述半导体元件来传输的。对兆瓦范围内的现代强大风力涡轮机而言，这实际上是几乎不可能的。
[0004]基于上述的具有有载分接开关的现有技术，本发明基于的目的是扩展风力涡轮机的电压范围，其中旨在以低复杂性来实现更快的切换时间。
[0005]根据本发明的解决方案在于独立权利要求的特征。有利的发展是从属权利要求的主题。
[0006]在以下这种风力涡轮机中:该风力涡轮机包括一个风力转子、被其驱动而用于产生电能的一个发电机、以及用于准确而言可能经由涡轮机变压器来输出该电能的一条连接线，提供了根据本发明的、用于借助于一个额外电压源将该风力涡轮机的电压范围扩展的一种电压扩展器，其中该电压扩展器包括一个专用的小型变压器以及一个切换机构，该小型变压器具有初级绕组和次级绕组，并且其中该小型变压器以该次级绕组在该连接线中成圈，并且该切换机构连接至该小型变压器的初级绕组上并且以多分接头的方式致动所述初级绕组使之具有转接能力。
[0007]本发明是基于引起电压范围的扩展这个概念，其中该风力涡轮机可以通过由额外的小型变压器与一个切换机构组成的电压扩展器进行操作。借助于该切换机构，该小型变压器在这种情况下是以多分接头方式连接的，其中取决于这种分接头转换，实现了或多或少大的或方向性不同的电压变动。由于根据本发明的小型变压器在该风力涡轮机与电网之间在连接线中成圈，以此方式它可以通过感应出与该风力涡轮机输出的电压具有相同数学符号的额外电压来增大该风力涡轮机的电压，或者它可以通过感应出与该风力涡轮机具有相反数学符号的电压来减小该风力涡轮机的电压。
[0008]本发明的尤其强调的是，由于其纵向安排在该连接线中，其功率大小可以明显小于该风力涡轮机的功率的一个变压器就是足够的。该变压器因此被称为“小型变压器”。这种小型变压器的额定大小仅取决于该电压扩展器的希望电压阶跃。例如，如果相对于额定值扩展10%就够了，则该小型变压器同样只需要量级为该风力涡轮机的额定功率的约10%的功率。因此通过根据本发明的安排，不仅产生了多分接头的并且因此匹配的风力涡轮机电压范围扩展，并且这还是以异常容易的方式成功的、即通过使用以下这种电压扩展器，该电压扩展器的小型变压器仅需要具有该风力涡轮机的额定功率的一部分。因此，该风力涡轮机的电压范围的显著扩展可以以非常小的额外复杂性实现。
[0009]以下将解释一些术语:
[0010]小型变压器被理解为是指具有内部电源的额外变压器，该额外变压器一方面在风力涡轮机与其涡轮机变压器之间的连接线中并且另一方面在该风力涡轮机的电网连接点中成圈。
[0011]该电网连接点可以是该风力涡轮机与发电场内部电网的连接点或者是到高级能量输电电网的传递点。
[0012]多分接头应理解为是指单极和双极分接头转换两者。这意味着多分接头可以包括在1，2，3，...意义上的分接头转换以及在_1，0，+1意义上的分接头转换。
[0013]如果多分接头的致动是以不同的极化发生，则这是尤其优选的。这提供了以下可能性:不仅借助于该电压扩展器将该风力涡轮机的电压范围向上扩展到相对高的电压而且也向下扩展到相对低的电压。适宜地，还提供了零分接头。
[0014]为了实现对该电压扩展器的相对大的调整范围，优选地在该连接线中串联安排多个小型变压器。因此，对应于小型变压器的数量，可以提供相应大数量的分接头，其结果是一方面，借助于该电压扩展器的电压范围匹配可以在相对大的范围上进行并且另一个方面更精细的分级并且因此与相应条件的匹配也是可能的。在这种情况下，这些小型变压器可以各自相同地配置，其结果是它们各自产生相同的额外电压。于是，需要仅一种类型的小型变压器和可能的切换机构，这简化了储存和生产。为了可以随意切换所述这些小型变压器，优选地对这些小型变压器各自提供一个专用的切换机构。特别有利的是，这些切换机构是以一种方式实施成使得它们具有功率触点和/或晶闸管来作为切换元件。因此可以实现稳健的切换，与此同时这也是快速的、优选地在最多0.1 s的切换时间范围内。然而，不应该排除以下可能性:将这些小型变压器配置成具有不同的大小，使得它们产生不同水平的电压。在这种情况下，通过一种组合可以覆盖甚至更大的电压范围；例如在以1:2:4安排了三个小型变压器的情况下，可以对该电压扩展器提供八个不同的电压阶跃(O至7)。
[0015]根据本发明的小型变压器的特征在于，它的大小仅被确定成用于比该风力涡轮机的额定功率小得多的功率。出于已经提及的原因，这完全足以使得该电压扩展器能够实现风力涡轮机的电压范围的对应扩展。因此避免了由于过大的尺寸而造成的关于安装空间的高成本或不必要的要求。优选地，该小型变压器具有的功率最多为该风力涡轮机的额定功率的1/4。通过这样的用于根据本发明的小型变压器的小型设计，不仅获得了明显的成本节约，而且因此将对安装空间和该小型变压器的冷却的要求最小化。根据本发明的电压扩展器因此以最小的额外复杂性(准确地说在安装空间方面的成本和需求两方面)得以胜任。因此，根据本发明的电压扩展器还特别适合用于改造现有风力涡轮机或风力发电场，并且这在已经存在的众多风力发电场情况下是很重要的。在本发明中，已经证明取决于该电压扩展器将提供的额外电压来设计小型变压器的功率是成功的。优选地，该小型变压器的功率的大小是与该额外电压成比例的，其中该额外电压是基于额定电压。因此，例如为了实现量级是额定电压的十分之一的额外电压，适宜地将该小型变压器的功率设计成最多是该风力涡轮机的额定功率的十分之一。这意味着，对具有3MW的额定功率的风力涡轮机，仅需要一个被设计用于不多于0.3MW的功率的变压器。
[0016]适宜地，该电压扩展器的设计方式为使得它及其小型变压器是经由切换触点而与该连接线可断开的。因此，能够实现以下这种情形:在正常操作过程中当在位于额定电压周围区域内的电压下不需要该电压扩展器时，该电压扩展器停用并且因此减少了损失、尤其是由于该小型变压器造成的输电损失。虽然这些损失在任何情况下由于根据本发明的小型变压器的已经很小的尺寸而是低的，但是避免这些低损失也意味着该风力涡轮机的效率的提尚O
[0017]为了在根据本发明的电压扩展器的小型变压器的多分接头致动的情况下避免小型变压器在转接过程中变为无负载(不论这是否只是瞬时的)的情况，优选地提供了一个单独的负载分接头。这确保了，甚至在转接过程中负载也始终连接至该小型变压器上。因此，消除了在转接过程中的不允许的高压峰值的风险。
[0018]该电压扩展器适宜地以一种方式配置成使得该小型变压器以一种方式安装成与该涡轮机变压器相结合。优选地，在这种情况下，该小型变压器仍处于专用(可能是可替换的)部件的形式，其电连接是在该涡轮机变压器中成圈的。尤其优选的设计是:由该小型变压器形成的额外电压源连接至涡轮