ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2221165

ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ

ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ

Имя изобретателя: ЛЕЙЁН Матс (SE); КЮЛАНДЕР Гуннар (SE) 
Имя патентообладателя: АББ АБ (SE)
Адрес для переписки: 193036, Санкт-Петербург, а/я 24, НЕВИНПАТ, пат.пов. А.В.Поликарпову
Дата начала действия патента: 1999.05.28 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэлектрическим станциям. Технический результат, заключающийся в создании простыми и дешевыми средствами системы с переменной частотой вращения, обеспечивающей хорошую передачу энергии от установок в наземную сеть и достижение высокого напряжения передачи по постоянному току, обеспечивается за счет того, что ветроэлектрическая станция включает по меньшей мере одну ветроэлектрическую установку, которая содержит ветротурбину, электрический генератор, приводимый в движение этой ветротурбиной, и выпрямитель, и электрическую соединительную линию постоянного напряжения между выпрямителем, установленным в ветроэлектрической установке, и инвертором, который со стороны переменного тока соединен с магистральной или распределительной сетью и установлен в станции со стороны сети. Соединительная линия постоянного напряжения включает подводный кабель или подобную ему линию передачи. Станция содержит преобразователь постоянного тока, который со стороны низкого напряжения соединен с выпрямителем, а со стороны высокого напряжения - с инвертором. Преобразователь подключен к подводному кабелю со стороны ветроэлектрической установки. Предпочтительно, чтобы к низковольтной стороне преобразователя постоянного тока были параллельно подключены несколько ветроэлектрических установок.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к ветроэлектрической станции, включающей по меньшей мере одну ветроэлектрическую установку, содержащую ветротурбину, электрический генератор, приводимый в действие этой ветротурбиной, и выпрямитель, и соединительную линию постоянного напряжения между выпрямителем, установленным в ветроэлектрической установке, и инвертором, который со стороны переменного тока связан с магистральной или распределительной сетью и установлен в станции со стороны сети.

Изобретение предназначено главным образом для использования в таких ситуациях, когда соединение между генератором и магистральной или распределительной сетью включает кабель, предназначенный для погружения в воду. Следовательно, изобретение относится прежде всего к таким применениям, в которых одна или несколько ветротурбин с соответствующими генераторами предназначены для размещения в море или на озере, а кабельное соединение идет к магистральной или распределительной сети, расположенной на суше. Хотя преимущества изобретения прежде всего проявляются при его использовании вместе с ветротурбинами, установленными в море или на озере, тем не менее изобретение дает выигрыш и при его использовании в ситуациях, когда ветротурбины и генераторы расположены на суше, а соединительная линия, которая в этом случае не обязательно представляет собой кабель, но может быть выполнена в виде воздушных линий или кабелей, связывает с распределительной или магистральной сетью несколько таких ветротурбин/генераторов.

При установке ветроэлектрических станций в море для удешевления проекта необходимо располагать большие группы ветроэлектрических установок в пределах ограниченной площади. Для морской ветроэнергетики требуются относительно большие ветроэлектрические установки (3 МВт и более) при полной мощности системы 50-100 МВт. До настоящего времени проектирование таких ветроэнергетических систем исходит из предположения, что передача произведенной электроэнергии осуществляется традиционно на переменном токе с использованием трехфазных кабельных систем, проложенных в море. В этом случае генератор почти всегда представляет собой трехфазный асинхронный генератор. Следует отметить, что имеются примеры использования синхронных генераторов, непосредственно связанных с сетью, но при этом, как правило, между генератором и корпусом двигателя приходится устанавливать сложную механическую пружинную подвеску для сглаживания колебаний мощности, обусловленных изменением силы ветра. Это является следствием того факта, что динамически ротор синхронного генератора ведет себя как пружина, "сжатая" жесткой сетью переменного тока, в то время как асинхронный генератор ведет себя подобно демпферу. Обычный асинхронный генератор мощностью 3 МВт может быть рассчитан на напряжение приблизительно 3-6 кВ и соединен с трансформатором, который на первом этапе повышает напряжение, например, до 24 кВ. В ветроэнергетической системе с парком из 30-40 ветроэлектрических станций имеется центральный трансформатор, который дополнительно повышает напряжение до 130 кВ. Преимущество такой системы состоит в том, что она является дешевой и не требует никаких сложных подсистем. Ее недостаток, в частности, заключается в технических трудностях передачи энергии на большие расстояния по высоковольтному кабелю переменного напряжения. Это обусловлено тем фактом, что кабель вносит емкостную реактивную мощность, которая увеличивается с увеличением его длины. При этом ток через проводник и в экранной оболочке кабеля возрастает настолько, что невозможно создать кабель, рассчитанный на большие расстояния. Другой недостаток заключается в том, что изменение силы ветра вызывает изменение напряжения в линии электропередачи, которое может затрагивать ближайших потребителей электроэнергии. Это особенно актуально для "слабых" сетей, то есть имеющих низкую мощность короткого замыкания. Из-за вышеупомянутых технических проблем, связанных с передачей электроэнергии по кабелю на большие расстояния, приходится подключать парк ветроэлектрических станций к "слабой" сети. Согласно некоторым основополагающим принципам изменения напряжения не могут превышать 4%. Разные страны имеют различные регламентирующие инструкции и, как правило, ограничения не столь строги для более низких напряжений в линиях электропередачи. Кроме того, ограничения на изменения напряжения могут быть различными в зависимости от их продолжительности. Быстрые изменения напряжения вызывают "мерцание", то есть изменение яркости ламп накаливания, что регламентируется соответствующими положениями.

Одно из решений вышеупомянутой проблемы, касающейся длинных кабелей, состоит в передаче электроэнергии с помощью постоянного тока при высоком напряжении. Тогда кабель можно протянуть непосредственно до мощной сети. Другое преимущество этого решения состоит в том, что передача на постоянном токе характеризуется меньшими потерями, нежели передача на переменном токе. При этом с технической точки зрения длина кабеля не ограничена. Высоковольтная вставка постоянного тока включает выпрямляющую станцию, линию электропередачи (кабель или воздушную линию), инверторную станцию и фильтры для устранения высших гармоник, возникающих в результате преобразования. Ранее в высоковольтных вставках постоянного тока для выпрямления и обратного преобразования использовались тиристоры, которые можно включить, но нельзя выключить, коммутация при этом осуществляется при прохождении переменного напряжения через нуль и поэтому такие преобразователи называются коммутируемыми сетью. Недостатком такого технического решения является то, что эти преобразователи потребляют реактивную мощность и вносят в сеть высшие гармоники. В более современном решении в преобразователях вместо тиристоров используются так называемые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Биполярный транзистор с изолированным затвором можно как включать, так и выключать; кроме того, он характеризуется высокой частотой переключения. Это означает, что преобразователи можно выполнить на основе совершенно другого принципа и создать так называемые самокоммутирующиеся преобразователи. В целом преимущества самокоммутирующихся преобразователей состоят в том, что последние могут как вносить, так и отбирать реактивную мощность, что позволяет активно компенсировать колебания уровня напряжения со стороны слабой сети. Следовательно, такие преобразователи обладают преимуществом перед прежними преобразователями, поскольку новые преобразователи можно подсоединять к сети, расположенной ближе к ветроэнергетической станции. Благодаря высокой частоте переключения снимается проблема, связанная с высшими гармониками, имевшая место в прежних высоковольтных вставках постоянного тока. Однако имеются недостатки, состоящие в том, что потери в преобразовательной станции возрастают, так же как и ее стоимость. Самокоммутирующийся преобразователь характеризуется тем, что напряжение образуется из быстрой импульсной последовательности, которая генерируется преобразователем. Разность между напряжением в форме импульсов и синусоидальным напряжением сети будет падать на индуктивностях со стороны сети. Существуют два типа самокоммутирующихся инверторов: жесткие по напряжению (инвертор - источник напряжения) и жесткие по току (инвертор - источник тока) с несколько различными характеристиками. Наилучшим для регулировки мощности является инвертор - источник напряжения, в котором со стороны постоянного тока включен по меньшей мере один конденсатор.

Были построены экспериментальные ветроэлектрические установки с использованием концепции, аналогичной высоковольтной вставке постоянного тока, но с совершенно другой целью, а именно для обеспечения переменной частоты вращения отдельных ветроэлектрических установок. В этом случае генератор ветроэлектрической установки отсоединяется от сети посредством вставки постоянного тока при низком напряжении, обычно 400 или 660 В. Переменная частота вращения турбины дает энергетический выигрыш и в то же время изменение частоты вращения можно, как правило, использовать для устранения быстрых пульсаций мощности, вызывающих "мерцание". Однако, конечно же, невозможно устранить медленные изменения мощности, которые присущи ветряным двигателям. Можно отметить, что момент инерции турбины выполняет роль промежуточного накопителя кинетической энергии. В такой системе использование синхронного генератора не является недостатком, а скорее дает выигрыш, поскольку для асинхронного генератора необходим более дорогой и сложный выпрямитель. Если желательно иметь генератор с непосредственным приводом и, следовательно, устранить потребность в зубчатой передаче между турбиной и генератором, генератор должен быть синхронным, поскольку в нем может быть много полюсов. Другими словами, генератор с непосредственным приводом требует использования вставки постоянного тока. При этом, если используется управляемый выпрямитель, можно также активно регулировать момент, изменяя угол запуска. В большинстве устройств, использующих переменную частоту вращения, внешнее активное управление частотой вращения обеспечивается, кроме того, так называемым управлением шагом, что подразумевает изменение угла лопатки турбины. В данной концепции недостатком использования переменной частоты вращения является высокая стоимость элементов силовой электроники и, кроме того, обслуживание такой электронной системы в море является сложным и дорогостоящим.

В заявке WO 97/45908 было предложено техническое решение, объединяющее хорошие характеристики системы с переменной частотой вращения с преимуществами высоковольтного соединения по постоянному току, использовавшегося в прежних устройствах. Путем параллельного соединения ветроэлектрических установок уже в промежуточной вставке постоянного тока (см. фиг.3 указанного документа) устраняются N низковольтных инверторов и один высоковольтный выпрямитель. Согласно этому предложению следует использовать выпрямитель с дросселем со стороны ветротурбины, а центральный инвертор с соответствующим дросселем следует использовать со стороны сети. Такая система прежде всего предназначена для выпрямителей и инверторов, коммутируемых сетью, или во всяком случае жестких по току, поскольку наличие дросселей во вставке постоянного тока стабилизирует ток. Это является преимуществом, поскольку при этом постоянное напряжение после выпрямителя может изменяться в широких пределах. Это необходимо в случае работы с переменной частотой вращения, так как генератор в ветроэлектрической установке при низких частотах вращения может выдавать лишь низкое выходное напряжение. Однако недостаток жесткого по току инвертора состоит в том, что он не может регулировать подачу реактивной мощности в сеть так же эффективно, как инвертор, жесткий по напряжению. Кроме того, оказывается, что в ветроэлектрических установках инвертор должен быть включен последовательно с параллельно соединенными выпрямителями. Это означает, что выходной ток парка ветроэлектрических установок равен постоянному току, поступающему на вход инвертора, расположенного на суше. Кроме того, предполагается, что напряжение равно 6-10 кВ, то есть типичному напряжению обычных генераторов. Это означает, что постоянное напряжение будет равно приблизительно 12 кВ, что является слишком низким для передачи полной мощности 50 МВт. Потери в кабеле будут очень велики. Для парка ветроэлектрических установок мощностью 50-100 МВт необходимо передавать мощность на уровне напряжений около 100 кВ. Понятно, что это можно сделать с использованием трансформатора, соединенного с каждым генератором, и с использованием последовательного соединения соответствующего числа вентилей во всех выпрямителях. Однако, если бы оказалось возможным избежать использования трансформатора в ветроэлектрической установке, это было бы большим преимуществом. Кроме того, последовательное включение множества вентилей, необходимого для выпрямления N выходных напряжений от N ветроэлектрических установок при постоянном напряжении 100 кВ, связано со значительными трудностями.

Цель изобретения состоит в создании более простыми и дешевыми средствами системы с переменной частотой вращения, которая обеспечивает такую же хорошую передачу энергии от парка ветроэлектрических установок морского базирования в наземную сеть, какая обеспечивается современной системой с высоковольтной вставкой постоянного тока, с возможностью устранения трансформаторов и управляемой силовой электроники в ветроэлектрических установках. Это особенно важно, поскольку любое обслуживание в море является дорогостоящим и сложным в осуществлении. Дополнительная цель изобретения состоит в достижении такого высокого напряжения передачи по постоянному току, чтобы даже для парка ветроэлектрических установок большой мощности, например 50-100 МВт, потери при передаче были низкими.

Цель изобретения достигается прежде всего с помощью признаков, указанных в отличительной части п. 1 формулы изобретения. Проблема, характерная для существующего уровня техники, то есть низкое значение постоянного напряжения, решается путем размещения в море преобразователя постоянного тока, причем с низковольтной стороны он связан с выпрямителем, а с высоковольтной стороны - с инвертором. Такой преобразователь постоянного тока действует как трансформатор, но для постоянного тока; он усиливает постоянное напряжение в отношении n:1 раз и уменьшает постоянный ток в отношении 1:n, где n - коэффициент преобразования. Это означает, что инвертор и выпрямитель больше не соединены последовательно.

Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения выпрямитель выполнен как пассивный диодный выпрямитель, последовательно соединенный с местным повышающим преобразователем постоянного напряжения. Такой выпрямитель является более простой системой, чем выпрямитель с сетевой коммутацией, и лучше работает при высоких напряжениях. Местный повышающий преобразователь постоянного напряжения предпочтительно состоит из дросселя, последовательно соединенного вентиля на биполярных транзисторах с изолированным затвором и последовательно соединенного диода. Такой же может быть и базовая конструкция преобразователя постоянного тока.

Кроме того, предпочтительно, чтобы инвертор представлял собой самокоммутирующуюся систему, жесткую по напряжению, характеристики которой превосходят систему с сетевой коммутацией с точки зрения регулировки мощности. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения такая система отличается тем, что во вставке постоянного тока параллельно инвертору установлен по меньшей мере один конденсатор, а индуктивности включены последовательно в каждой фазе со стороны сети. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения вентили выполнены из последовательно соединенных биполярных транзисторов с изолированным затвором.

Современный уровень технологии создания генераторов для ветроэлектрических установок позволяет создать генератор, который способен вырабатывать напряжение 10 кВ, но желательны более высокие напряжения. Кроме того, обычная изоляция для обмоток статора чувствительна к колебаниям температуры, влажности и солености среды, в которой находится генератор ветротурбины.

Согласно одному из особо предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения по меньшей мере в одной обмотке генератора используется твердая изоляция, которая предпочтительно выполнена согласно п.14 формулы изобретения. Более конкретно, обмотка выполнена как высоковольтный кабель. Генератор, выполненный таким способом, способен вырабатывать более высокое напряжение, чем обычные генераторы, до 400 кВ. Кроме того, такая система изоляции обмотки обеспечивает нечувствительность к колебаниям солености, влажности и температуры. Благодаря высокому выходному напряжению трансформаторы можно полностью исключить, что устраняет вышеупомянутые недостатки, такие как рост затрат, снижение эффективности, опасность пожара и опасность загрязнения окружающей среды. Последнее является следствием того. что обычные трансформаторы содержат масло.

Генератор, имеющий обмотку из такого кабеля, можно изготовить, укладывая кабель в пазы, выполненные для этой цели в статоре, причем гибкость кабеля облегчает его укладывание в пазы.

Два полупроводящих слоя в системе изоляции выполняют функцию выравнивания потенциала и, следовательно, снижают риск возникновения поверхностного разряда. Внутренний полупроводящий слой должен находиться в электрическом контакте с электрическим проводником или его частью, расположенными под этим слоем, чтобы их потенциалы были одинаковы. Внутренний слой плотно прикреплен к твердой изоляции, расположенной снаружи от него, и это же справедливо в отношении крепления внешнего полупроводящего слоя к твердой изоляции. Внешний полупроводящий слой удерживает электрическое поле в пределах твердой изоляции.

Для обеспечения сцепления между полупроводящими слоями и твердой изоляцией при температурных изменениях, полупроводящий слой и твердая изоляция имеют по существу одинаковый коэффициент теплового расширения.

Внешний полупроводящий слой в системе изоляции соединен с потенциалом земли или с другим относительно низким потенциалом.

Для создания очень высокого напряжения генератор имеет ряд особенностей, которые были упомянуты выше и которые значительно отличаются от известной технологии. Дополнительные особенности определены в зависимых пунктах формулы изобретения и рассмотрены ниже.

Вышеупомянутые особенности и другие существенные характеристики генератора и, следовательно, ветроэлектрической станции согласно одному из вариантов выполнения изобретения включают следующее:

- Обмотки в магнитной цепи выполнены из кабеля, содержащего один или несколько электрических проводников с постоянной изоляцией и с полупроводящим слоем на проводнике и снаружи от твердой изоляции. Типичными кабелями этого типа являются кабели, имеющие изоляцию из сшитого полиэтилена или этиленпропена, которые для целей настоящего изобретения дополнительно доработаны в отношении жил электрического проводника, а также в отношении системы изоляции.

- Предпочтительно использование кабелей с круглым поперечным сечением, однако могут использоваться и кабели, имеющие другое поперечное сечение, например с целью достижения лучшей плотности упаковки.

- Такой кабель позволяет конструировать пластинчатый сердечник магнитной цепи новым и оптимальным способом в отношении пазов и зубцов.

- Для лучшего использования пластинчатого сердечника предпочтительно, чтобы обмотка была выполнена со ступенчато увеличивающейся толщиной изоляции.

- Предпочтительно, чтобы обмотка представляла собой концентрическую кабельную обмотку, что позволяет уменьшить число пересечений концов катушек.

- Форма пазов соответствует поперечному сечению кабеля обмотки, причем пазы выполнены в форме множества цилиндрических отверстий, идущих в осевом и/или в радиальном направлении и имеющих сужения, проходящие между слоями статорной обмотки.

- Форма пазов соответствует поперечному сечению рассматриваемого кабеля и учитывает ступенчатое изменение толщины изоляции обмотки. Ступенчатая по толщине изоляция позволяет выполнить зубцы магнитного сердечника по существу постоянной ширины, независимо от радиального расстояния.

- Вышеупомянутая дополнительная доработка, касающаяся жил проводника, означает, что проводник обмотки образован множеством собранных вместе жил, которые не обязательно должны быть регулярно транспонированы друг относительно друга, изолированы и/или не изолированы друг от друга.

- Вышеупомянутая дополнительная доработка в отношении внешнего полупроводящего слоя означает, что внешний полупроводящий слой разрезан в подходящих точках вдоль кабеля и каждый отрезок непосредственно соединен с потенциалом земли.

Использование вышеописанного кабеля обеспечивает то, что по всей своей длине внешний полупроводящий слой кабеля, а также другие части станции находятся под заземляющим потенциалом. Важное преимущество состоит в том, что в лобовых областях катушки снаружи от внешнего полупроводящего слоя электрическое поле близко к нулю. При наличии заземляющего потенциала на внешнем полупроводящем слое отпадает необходимость в управлении электрическим полем. Это означает, что не произойдет усиления поля ни в сердечнике, ни в лобовых областях катушки или в области перехода между ними.

Использование изолированных и/или неизолированных жил, собранных в пакет или переплетенных, обеспечивает малые потери на вихревые токи. Внешний диаметр кабеля может быть порядка 10-40 мм, а площадь проводника - порядка 10-200 мм2.

Согласно еще одному варианту выполнения настоящего изобретения к инвертору со стороны высокого напряжения подключен трансформатор с регулируемым коэффициентом трансформации.

Другие преимущества и особенности изобретения будут понятны из последующего описания и формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Ниже со ссылками на сопровождающие чертежи дано более подробное описание вариантов выполнения настоящего изобретения. На чертежах:

схематично показан вид вдоль оси на сектор статора электрического генератора в ветроэлектрической станции согласно изобретению показан вид, с частичным разрезом, отрезка кабеля, используемого в обмотке статора
   
ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ представлена схема варианта выполнения ветроэлектрической станции согласно изобретению
   
в перспективе схематично показан вариант выполнения трансформатора с переменным коэффициентом трансформации.

на фиг. 1 схематично показан вид вдоль оси на сектор статора электрического генератора в ветроэлектрической станции согласно изобретению,

на фиг. 2 показан вид, с частичным разрезом, отрезка кабеля, используемого в обмотке статора, показанного на фиг.1,

на фиг.3 схематично представлен вид, с частичным сечением, варианта выполнения генератора ветроэлектрической станции согласно изобретению,

на фиг. 4 представлена схема варианта выполнения ветроэлектрической станции согласно изобретению,

на фиг. 5 в перспективе схематично показан вариант выполнения трансформатора с переменным коэффициентом трансформации.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Прежде всего со ссылками на фиг.1-3 будет описана конструкция генератора 1 в предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения. На фиг.1 схематично показан вид с торца на сектор статора 2. Ротор генератора обозначен позицией 3. Статор 2 выполнен известным способом с использованием пластинчатого сердечника. На фиг.1 показан сектор генератора, соответствующий полюсному делению. От ярма сердечника, расположенного дальше всего от центра в радиальном направлении, множество зубцов 5 идут внутрь в радиальном направлении к ротору 3, и эти зубцы разделены пазом 6, в котором помещена обмотка статора. Кабели 7, образующие эту обмотку статора, представляют собой высоковольтные кабели, которые могут быть по существу того же типа, который используется в силовых распределительных системах, то есть с изоляцией из сшитого полиэтилена. Отличие состоит в том, что внешний защитный слой из поливинилхлорида и металлический экран, обычно окружающие такой силовой распределительный кабель, отсутствуют, поэтому кабель содержит только электрический проводник и по меньшей мере один полупроводящий слой с каждой стороны от изолирующего слоя. Кабели 7 показаны на фиг.1 схематично, т.е. показана только электрически проводящая центральная часть каждого участка кабеля или стороны обмотки. Видно, что каждый паз 6 имеет переменное поперечное сечение с чередованием широких частей 8 и узких частей 9. Широкие части 8 по существу круглые и окружают кабель, а сужения между широкими частями формируют узкие части 9. Суженные участки предназначены для фиксации каждого кабеля в радиальном направлении. Поперечное сечение паза 6 уменьшается по направлению внутрь в радиальном направлении. Это является следствием того, что напряжение на участках кабеля тем ниже, чем ближе они расположены в радиальном направлении к самой внутренней части статора 1. Поэтому во внутренней части обмотки можно использовать более тонкие кабели, а при перемещении к внешней части обмотки требуются более толстые кабели. В иллюстрируемом примере используются кабели трех различных размеров, расположенные в трех секциях 10, 11, 12 с соответствующими размерами паза 6. Вспомогательные обмотки 13 расположены дальше всего в пазе 6.

На фиг. 2 показан вид с торца, со ступенчатым разрезом, отрезка высоковольтного кабеля, предназначенного для использования в генераторе. Высоковольтный кабель 7 содержит один или несколько электрических проводников 14, каждый из которых включает множество жил 15, которые вместе обеспечивают создание круглого поперечного сечения. Проводники могут быть, например, медными. Эти проводники 14 расположены в середине высоковольтного кабеля 7, и в иллюстрируемом варианте выполнения настоящего изобретения каждый из проводников окружен частичной изоляцией 16. Однако на одном из проводников 14 частичная изоляция 16 может отсутствовать. В иллюстрируемом варианте выполнения изобретения проводники 14 окружены первым полупроводящим слоем 17. Вокруг этого первого полупроводящего слоя 17 имеется изолирующий слой 18, например из сшитого полиэтилена, который в свою очередь окружен вторым полупроводящим слоем 19. Следовательно, понятие "высоковольтный кабель" в рамках данного изобретения не обязательно включает использование какого-либо металлического экрана или внешнего защитного слоя, которые обычно окружают силовой распределительный кабель.

На фиг. 3 показана ветроэлектрическая установка с магнитной цепью, аналогичной описанной в связи с фиг.1 и 2. Генератор 1 приводится во вращение ветротурбиной 20 посредством вала 21. Хотя генератор 1 может приводиться в действие турбиной 20 напрямую, то есть ротор генератора может быть жестко соединен с валом турбины 20, между турбиной 20 и генератором 1 может иметься зубчатая передача 22. Она может представлять собой, например, одноступенчатую планетарную передачу, цель которой - повысить частоту вращения генератора относительно частоты вращения турбины. На статоре 2 генератора находятся обмотки 23 статора, которые выполнены из вышеописанного кабеля 7. Кабель 7 может не иметь экрана и соединяться с экранированным кабелем 24 через кабельную муфту 25.

На фиг.4, где схематично иллюстрируется ветроэлектрическая станция, показаны две ветроэлектрические установки 29, соединенные параллельно, каждая из них содержит генератор 1. Количество ветроэлектрических установок может, очевидно, быть более двух. В каждой ветроэлектрической установке 26 имеется выпрямитель 27. Параллельное соединение ветроэлектрических установок имеет место в точке 28.

Электрическая соединительная линия постоянного напряжения проходит между выпрямителями 27, установленными в ветроэлектрических установках 26, и инвертором 30, который со стороны переменного тока связан с распределительной или магистральной сетью. Инвертор 30 установлен в станции со стороны сети. Это обычно подразумевает, что инвертор 30 расположен на суше, сравнительно близко к магистральной или распределительной сети 31. Однако ветроэлектрические установки 26, включая генераторы и выпрямители 27, расположены в море на подходящих опорах. Соединительная линия 29 постоянного напряжения включает участок, обозначенный на фиг.4 позицией 32, который на практике может иметь очень большую протяженность. Следовательно, этот участок представляет собой ту часть 33 соединительной линии, которая является критичной в отношении потерь. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения эта часть 33 соединительной линии образована подводным кабелем, то есть ветроэлектрические установки 26 расположены в море или на озере. Однако часть 33 соединительной линии может также быть сформирована из одной или нескольких воздушных линий или кабелей.

Станция содержит преобразователь 34 постоянного тока, низковольтная сторона которого электрически соединена с выпрямителями 27, а высоковольтная сторона - с инвертором 30. Преобразователь 34 постоянного тока установлен в станции со стороны ветроэлектрических установок. Другими словами, подразумевается, что вышеупомянутая часть 33 соединительной линии проходит между преобразователем 34 постоянного тока и инвертором 30. На практике преобразователь 34 может быть установлен на одной из тех опор, на которых расположены ветроэлектрические установки 26, или, альтернативно, на опоре, специально предназначенной для преобразователя 34. Независимо от того, на какой опоре установлен преобразователь 34, на этой опоре имеются шины для параллельного соединения имеющихся ветроэлектрических установок.

Преобразователь 34 выполнен так, что он действует как усилитель постоянного напряжения, то есть постоянное напряжение в части 33 соединительной линии между преобразователем 34 и инвертором 30 будет значительно выше, чем напряжение на входной стороне преобразователя 34.

Предпочтительно, чтобы инвертор 30 был жестким по напряжению самокоммутирующимся инвертором. Параллельно цепи постоянного тока инвертора 30 включен конденсатор 35.

Индуктивности 36 сети в инверторе 30 включены последовательно в каждую фазу со стороны сети. Предпочтительно, чтобы инвертор включал биполярные транзисторы с изолированным затвором, соединенные последовательно.

Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения генераторы являются синхронными генераторами с постоянно намагниченными роторами.

Предпочтительно, чтобы выпрямители 27 были пассивными выпрямителями. Это устраняет потребность в размещении в море элементов активной электроники для регулировки мощности. В качестве пассивных выпрямителей предпочтительны диодные выпрямители. Эти диодные выпрямители 27 включены последовательно с местным повышающим преобразователем 37 постоянного напряжения. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения каждый отдельный преобразователь 37 содержит дроссель, последовательно соединенный вентиль 39 на биполярных транзисторах с изолированным затвором и последовательно соединенный диод 40. Преобразователь 34 может быть выполнен аналогично такому повышающему преобразователю постоянного напряжения.

На фиг. 5 показан предпочтительный вариант выполнения трансформатора с регулируемым коэффициентом трансформации согласно изобретению. Преимущество такого трансформатора заключается в том, что его обмотки имеют твердую изоляцию, аналогичную обмоткам генератора, описанным в связи с фиг.1 и 2. Таким образом, трансформаторные обмотки выполнены с системой изоляции, включающей по меньшей мере два полупроводящих слоя 17, 19, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, а твердая изоляция 18 расположена между этими полупроводящими слоями. Следовательно, в трансформаторе на фиг.5 обмотки выполнены в виде гибких кабелей. В целом все особенности обмоточного кабеля, изображенного на фиг.2 и используемого в генераторе, имеют место и здесь, за исключением того, что внешний полупроводящий слой 19 в случае трансформатора не разрезан на участки длины для раздельного заземления этих участков. Преимущество такого трансформатора с твердой изоляцией заключается в значительном повышении эффективности, поскольку электрическое поле по существу находится внутри внешнего полупроводящего слоя, а кроме того, важным преимуществом является то, что огнеопасное и экологически вредное масло, которое имеется в обычных трансформаторах, здесь не используется.

На фиг.5 схематично показан трансформатор для одной из фаз. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в случае многофазного варианта выполнения сердечник может иметь более двух стержней, соединенных ярмом, и все фазные обмотки могут быть расположены на одном сердечнике. Однако очевидно, что в трансформаторе этого типа можно использовать и отдельный сердечник для каждой фазы.

Итак, как показано на фиг.5, сердечник трансформатора состоит из ярма и двух стержней, главная обмотка 43 намотана вокруг одного из стержней, а регулирующая обмотка 44 - вокруг другого стержня. Главная обмотка может быть первичной обмоткой или вторичной обмоткой. Регулирующая обмотка 44 используется для изменения коэффициента трансформации. Регулирующая обмотка 44 выполнена в виде витков на барабане 45, который выполнен с возможностью вращения относительно соответствующего стержня. Перемещением барабана 45 управляют с помощью подходящего двигателя (не показан), например посредством ременного привода. Следовательно, регулирующая обмотка 44 функционирует как катушка с изменяемым числом витков. Количество витков регулирующей обмотки на барабане 45 меняют с помощью поворотного накопительного барабана 46. Барабаном 46 также управляют подходящим способом с помощью двигателя. На фиг.5 показано, что концевой участок 47 регулирующей обмотки заземлен. Этот концевой участок 47 неподвижен и электрически контактирует с регулирующей обмоткой 44, расположенной на барабане 45, посредством известного устройства со скользящим контактом. Участок 48 обмотки связан с накопительным барабаном 46, этот участок неподвижен и предназначен для соединения с рассматриваемым электрическим оборудованием. Для электрического соединения участка 48 обмотки с частью регулирующей обмотки, принимаемой на барабан, имеется соответствующее устройство со скользящим контактом.

Из приведенного описания понятно, что коэффициент трансформации такого трансформатора можно быстро изменить в необходимой степени путем вращения барабанов 45 и 46 так, чтобы на барабане 45 находилось требуемое число витков регулирующей обмотки. При этом необходимым условием является выполнение регулирующей обмотки 44 из вышеописанного гибкого высоковольтного кабеля с твердой изоляцией.

Изобретение не ограничено описанными вариантами его выполнения. Специалистам в данной области техники понятно, что возможны различные модификации при сохранении главной концепции настоящего изобретения. Такие модификации и эквивалентные варианты выполнения охватываются формулой изобретения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Ветроэлектрическая станция, включающая по меньшей мере одну ветроэлектрическую установку (26), которая содержит ветротурбину (20), электрический генератор (1), приводимый в движение этой ветротурбиной, и выпрямитель (27), и электрическую соединительную линию (29) постоянного напряжения между выпрямителем (27), установленным в ветроэлектрической установке, и инвертором (30), который со стороны переменного тока соединен с магистральной или распределительной сетью (31) и установлен в станции со стороны сети, отличающаяся тем, что она содержит преобразователь (34) постоянного тока, который со стороны низкого напряжения соединен с выпрямителем (27), а со стороны высокого напряжения – с инвертором (30), и установлен в станции со стороны ветроэлектрической установки.

2. Ветроэлектрическая станция по п.1, отличающаяся тем, что инвертор (30) является жестким по напряжению самокоммутирующимся инвертором.

3. Ветроэлектрическая станция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что параллельно цепи постоянного тока инвертора (30) включен конденсатор (35).

4. Ветроэлектрическая станция по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что со стороны сети в каждую фазу инвертора (30) последовательно включены индуктивности (36) сети.

5. Ветроэлектрическая станция по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что инвертор (30) содержит последовательно соединенные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGВT).

6. Ветроэлектрическая станция по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что генератор (1) представляет собой синхронный генератор с постоянно намагниченным ротором.

7. Ветроэлектрическая станция по п.6, отличающаяся тем, что генератор (1) приводится в действие непосредственно ветротурбиной без зубчатой передачи.

8. Ветроэлектрическая станция по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что выпрямитель представляет собой пассивный диодный выпрямитель.

9. Ветроэлектрическая станция по п.7 или 8, отличающаяся тем, что последовательно с пассивным выпрямителем (27) на низковольтной стороне преобразователя (34) постоянного тока включен повышающий преобразователь (37) постоянного напряжения.

10. Ветроэлектрическая станция по п.9, отличающаяся тем, что повышающий преобразователь (37) постоянного напряжения содержит дроссель (38), по меньшей мере один последовательно соединенный вентиль (39) на биполярных транзисторах с изолированным затвором и по меньшей мере один последовательно соединенный диод (40).

11. Ветроэлектрическая станция по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что с низковольтной стороной преобразователя (34) постоянного тока параллельно соединены несколько ветроэлектрических установок (26), каждая из которых содержит ветротурбину (20), генератор (1) и выпрямитель (27).

12. Ветроэлектрическая станция по любому из пп.9-10, отличающаяся тем, что каждая ветроэлектрическая установка (26) содержит местный повышающий преобразователь (37) постоянного напряжения.

13. Ветроэлектрическая станция по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что генератор (1) содержит по меньшей мере одну обмотку (7), которая имеет твердую изоляцию (18).

14. Ветроэлектрическая станция по п.13, отличающаяся тем, что указанная обмотка имеет систему изоляции, включающую по меньшей мере два полупроводящих слоя (17, 19), каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, а твердая изоляция (18) расположена между этими полупроводящими слоями.

15. Ветроэлектрическая станция по п.14, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из полупроводящих слоев (17, 19) имеет по существу такой же коэффициент теплового расширения, что и твердая изоляция (18).

16. Ветроэлектрическая станция по любому из пп.13-15, отличающаяся тем, что обмотка выполнена из высоковольтного кабеля (7).

17. Ветроэлектрическая станция по любому из пп.14-16, отличающаяся тем, что самый внутренний (17) из полупроводящих слоев имеет по существу такой же потенциал, что и электрический проводник (14), расположенный под этим слоем.

18. Ветроэлектрическая станция по п.17, отличающаяся тем, что самый внутренний (17) из полупроводящих слоев находится в электрическом контакте с проводником (14) или его частью.

19. Ветроэлектрическая станция по любому из пп.14-18, отличающаяся тем, что внешний (19) из полупроводящих слоев соединен с заранее заданным постоянным потенциалом.

20. Ветроэлектрическая станция по п.19, отличающаяся тем, что указанный постоянный потенциал является потенциалом земли или другим относительно низким потенциалом.

21. Ветроэлектрическая станция по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что соединительная линия (30) постоянного напряжения включает кабель (33), предназначенный для погружения в воду, или одну или несколько воздушных линий или кабелей.

22. Ветроэлектрическая станция по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что со стороны сети к инвертору (30) подключен трансформатор (41) с переменным коэффициентом трансформации.

23. Ветроэлектрическая станция по п.22, отличающаяся тем, что трансформатор с переменным коэффициентом трансформации содержит по меньшей мере один сердечник (41) и регулирующую обмотку (44), намотанную вокруг сердечника, а также средства перемещения переменной части регулирующей обмотки по меньшей мере в одно накопительное средство (46) и обратно.

24. Ветроэлектрическая станция по п.23, отличающаяся тем, что регулирующая обмотка размещена на поворотном барабане (45).

25. Ветроэлектрическая станция по п.23 или 24, отличающаяся тем, что накопительное средство (46) включает накопительный поворотный барабан.

26. Ветроэлектрическая станция по любому из пп.22-25, отличающаяся тем, что обмотка (обмотки) (43, 44) трансформатора выполнена (выполнены) из гибкого кабеля с твердой изоляцией.

27. Ветроэлектрическая станция по п.26, отличающаяся тем, что указанная твердая изоляция входит в состав системы изоляции, которая, кроме того, включает по меньшей мере два полупроводящих слоя, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, а твердая изоляция расположена между этими полупроводящими слоями.

Версия для печати
Дата публикации 02.02.2007гг


вверх