CN103095053A - 风力涡轮发电机和风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及并提供一种风力涡轮发电机（118），风力涡轮发电机（118）包括：定子（120），定子（120）包括至少一个定子段（120，121）；转子（122），转子（122）可旋转地安装在定子（120，121）中；以及一个或多个转换组件（210，220，222）。一个或多个功率转换组件（210，220）连接至至少一个定子段（120，121）。还公开了一种用于将一个或多个转换组件连接至风力涡轮发电机的定子的方法。

Description

风力涡轮发电机和风力涡轮机
技术领域
本发明发明总体涉及用于风力涡轮机的方法和***，并且更具体地涉及关于风力涡轮机的发电机的方法和***，甚至更具体地涉及风力发电机的定子以及功率转换器的定位。
背景技术
向供电电网供给电功率的大型风力涡轮机近年来已经快速增长。该增长率能够追溯到风能技术的许多环境、技术和经济效益以及改进。风能使得能够减少使用矿物燃料作为能源，从而必然减少温室气体的产生。此外，风能是能够广泛获得、可再生和清洁的。技术发展已经对使得能够以较低成本制造稳健和高效的风力涡轮机的风力涡轮机的设计、制造、工艺、材料和电力电子装置进行了改进。
总体而言，风力涡轮机包括具有转子的涡轮，该转子包括具有多个叶片的可旋转毂组件。叶片将风能转换成机械旋转转矩，该机械旋转转矩通过转子对一个或多个发电机进行驱动。发电机有时但不总是通过齿轮箱旋转联接至转子。齿轮箱为发电机提高转子的固有低转速，以将旋转机械能高效地转化成电能，该电能通过至少一个电气连接被供给至公用电网。也存在无齿轮直接驱动风力涡轮机。转子、发电机、齿轮箱和其它部件典型地安装在定位于基部顶上的壳体、或机舱内，该基部可以是桁架或管状塔架。
一些风力涡轮机构造包括双馈感应发电机（DFIG）。这种构造还可以包括功率转换器，所述功率转换器用于将所产生的电力的频率转换成与公用电网频率基本相似的频率。此外，这种与DFIG相结合的转换器还在公用电网与发电机之间传输电力并且从连接到公用电网电连接的其中一个连接将发电机励磁功率传输至绕线发电机转子。备选地，一些风力涡轮机构造包括但不限于备选类型的感应发电机、永磁（PM）同步发电机和电励磁同步发电机以及开关磁阻发电机。这些备选构造也可以包括功率转换器，所述功率转换器用于如上发明所描述地转换频率并且在公用电网与发电机之间传输电功率。
在一些已知的风力涡轮机中，风力涡轮机的机舱容纳使得风能能够高效转化成电能的基本机械设备和电力电子装置，例如发电机和可能的功率转换器。有时，转换器位于风力涡轮机塔架的下部中。作为风力涡轮机的心脏，机舱必须在风力涡轮机的整个服务寿命期间可靠和成本高效地运行。通常，机舱内侧的空间是有限的并且使用数量很高的电力电缆或母线来连接单独的电力电子部件，从而增加了成本。
此外，已知的风力涡轮机具有多个机械部件和电气部件，所述多个机械部件和电气部件相比其它部件可能具有独立或不同的操作限制，例如电流、电压、功率、和/或温度限制。由于电气部件和/或机械部件中的许多部件都是在被安装到风力涡轮机中之后首次集合在一起，因此已知的风力涡轮机典型地以预定额定功率限制进行设计和/或组装。为了在这种额定功率限制下进行操作，电气部件和/或机械部件可能由于操作限制而以大裕度进行操作。这种操作可能导致低效的风力涡轮机操作，并且风力涡轮机的发电能力可能未得到充分利用。
为此目的，应当理解，期望在安装之前方便地测试机械部件和电力电子部件，以保证部件之间的最佳能力以及风力涡轮机的高效、协调、持久和无故障的操作。此外，期望方便地修复和更换故障部件以及降低机舱内侧的材料成本和提高风力涡轮机的总体效率。
因此，本发明尤其关于发电机和功率转换器的改进的组装方法和***，以便实现上述成本、可靠性、空间、材料和维护效益。
发明内容
在一个方面中，提供一种风力涡轮发电机，该风力涡轮发电机包括：定子，该定子具有至少一个定子段；转子，该转子可旋转地安装在定子中；以及一个或多个转换组件。该发电机包括一个或多个转换组件，所述一个或多个转换组件机械连接至至少一个定子段。一个或多个转换组件还可以整体连接至至少一个定子段。此外，一个或多个转换组件可以预组装至至少一个定子段。
在另一个方面中，提供一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括由塔架支承的机舱、用于捕获风能的至少一个转子叶片、以及发电机，该发电机用于将动能转化成电能，该发电机包括：定子，该定子具有至少一个定子段；转子，该转子可旋转地安装在定子中；以及一个或多个转换组件。该发电机包括一个或多个转换组件，所述一个或多个转换组件整体连接至至少一个定子段。一个或多个转换组件还可以机械连接至至少一个定子段。此外，一个或多个转换组件可以预组装至至少一个定子段。
在又一个方面中，提供一种用于将一个或多个转换组件连接至风力涡轮发电机的定子的方法，其中所述发电机包括至少一个定子段。该方法包括以下步骤：提供一个或多个转换组件和至少一个定子段；将一个或多个转换组件机械连接至至少一个定子段；以及，将预组装有一个或多个转换组件的发电机安装到风力涡轮机的机舱中。此外，一个或多个转换组件可以整体连接或预组装至至少一个定子段。
通过从属权利要求、描述和附图，本发明的进一步的方面、优点和特征是显而易见的。
附图说明
参照附图，说明书的其余部分中更具体地阐述了面向本领域普通技术人员的完整公开，这种公开使得本领域普通技术人员能够实现本发明，包括本公开的最佳模式，在附图中：
图1是示例性风力涡轮机的透视图。
图2是适于与图1中所述的风力涡轮机一起使用的示例性电气和控制***的示意图。
图3是根据本发明的实施例的示意图，示出了具有分段定子的发电机，其中每个定子段都设置有转换组件。
图4是根据本发明的实施例的示意图，其中示出了具有分段定子和四个转换组件的发电机。
图5是根据本发明发明的实施例的示意图，其中示出了具有未分段定子和四个转换组件的发电机。
图6是根据本发明的实施例的示意图，示出了具有分段定子的发电机，其中每个定子段都设置有转换组件的一部分，转换组件的一部分可以串联连接至转换组件的另一部分。
图7是根据本发明的实施例的示意图，其中示出了具有分段定子和转换组件的四个部分的发电机。
图8是根据本发明的实施例的示意图，其中示出了具有未分段定子和转换组件的四个部分的发电机。
图9是根据本发明的实施例的示意图，示出了具有分段定子的发电机，其中每个定子段都设置有转换组件的多个部分。
图10是根据本发明的实施例的示意图，其中示出了发电机，该发电机具有分段定子和定位在定子段的径向表面上的两个转换组件。
图11是根据本发明的实施例的示意图，其中示出了风力涡轮机，转换组件的一部分定位在塔架内侧。
图12是根据本发明的实施例的示意图，其中示出了风力涡轮机，转换组件的一部分定位在塔架外侧。
图13是根据本发明的实施例的方框图，其中示出了将转换组件连接至风力涡轮发电机的定子段的方法。
具体实施方式
现在将详细地参照各实施例，其中的一个或多个示例示于每幅附图中。每个示例都以解释的方式给出，并不构成限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或者进行描述的特征能够用于或结合其它实施例，从而产生又一个实施例。期望本发明包括这样的改型和变型。
如本发明中所使用的，术语“转换组件”意在代表AC-DC-AC功率转换器，该AC-DC-AC功率转换器任选地包括DC环节（DC link）。此外，术语“转换组件”也可以代表AC-DC功率转换器或DC-AC功率转换器，所述AC-DC功率转换器或DC-AC功率转换器都任选地具有DC环节的一部分。如本文中所使用的，术语“全频转换器”意在代表能够转换处于0到200Hz或更大频率的范围中的频率的转换器。
如本文中所使用的，术语“发电机侧转换器”意在代表与发电机的转子或定子联结的功率转换器的部分，并且通常包括AC-DC转换器且可选地包括DC环节的一部分。如本文中所使用的，术语“线路侧转换器”意在代表与供电电网联结的功率转换器的部分，并且通常包括DC-AC转换器且可选地包括DC环节的一部分。
如本文中所使用的，术语“叶片”意在代表能够在相对于周围流体处于运动时提供反作用力的任何装置。如本文中所使用的，术语“风力涡轮机”意在代表能够从风能产生旋转能量的任何装置，并且更具体地，代表能够将风的动能转化成机械能的任何装置。
如本文中所使用的，术语“风力发电机”意在代表能够从由风能所产生的旋转能量产生电功率的任何风力涡轮机，并且更具体地，代表能够将由风的动能转化而来的机械能转化为电功率的任何风力涡轮机。
如本文中所使用的，术语“定子”意在代表转子***的固定部分（典型存在于电力发电机中）。如本文中所使用的，术语“至少一个定子段”意在代表定子段，该定子段也可以包括由一个段构成的定子（例如，未分段定子）。如本文中所使用的，术语“定子袋（statorpocket）”意在代表发电机的定子内的腔或空心空间。
如本文所使用的，术语“塔架内侧”意在代表风力涡轮机基部、塔架或机舱内侧的任何位置。如本文中所使用的，术语“塔架外侧”意在代表风力涡轮机外侧的任何位置。
本发明中所描述的实施例包括风力涡轮机***，该风力涡轮机***能够通过将一个或多个转换组件连接或整体连接/整体集成在多兆瓦级发电机的至少一个定子段上或多兆瓦级发电机的至少一个定子段中而使机舱尺寸减小。其中，所述的连接方式包括但不限于机械连接或者替他类似方式。因此，一个或多个功率转换组件可以机械连接或整体连接至多兆瓦级发电机的至少一个定子段，该至少一个定子段可以接着机械连接至风力涡轮机。多兆瓦级发电机典型地是具有1与10MW之间的发电能力（以及更大）的发电机。
可以通过若干功率转换组件或发电机单元实现更高的冗余度，从而提高发电机可靠性。不限于任何特定实施例，例如，发电机的至少一个定子段中的每一个定子段都可以包括一个或多个定子绕组或定子绕组集（sets），所述一个或多个定子绕组或定子绕组集可以单独或成组地连接至相同的转换组件、任选地彼此串联或并联连接、或者单独或成组地连接至不同的功率转换组件或者以其任何组合连接。
在至少一个定子段的一个或多个定子绕组单独或成组地连接至相同的转换组件的实施例中，在一个或多个定子绕组发生电故障或不正常工作的情况下，来自其余定子绕组的功率能够防止传输至转换组件的功率中断。类似地，当至少一个定子段的一个或多个定子绕组单独或成组地彼此连接时（优选地并联），在一个或多个定子绕组无法提供电力的情况下，其余定子绕组能够保证功率不中断地输送至转换组件。
在进一步的实施例中，至少一个定子段的一个或多个定子绕组可以单独或成组地连接至不同的转换组件。在一个或多个定子绕组或功率转换组件在发电机操作期间发生故障的情况下，其余定子绕组和功率转换组件提供用于传输所产生的功率的通道。
可以向本发明中的实施例中的任何一个实施例提供一个或多个电熔丝或电路断路器。电路断路器使得能够保证定子绕组、定子段或转换组件的安全替换，而无需中断发电机的操作。此外，这种电路断路器使得能够仅关闭发电机的特定部段。
将一个或多个转换组件或其一部分连接到至少一个定子段中或者至少一个定子段上能够允许***的集成包装、保证从转换组件到发电机的电缆或母线连接的安全并且释放空间。此外，由于一个或多个转换组件与发电机之间的连接很短，因此在靠近永磁发电机处不需要额外保护。此外，当一个或多个功率转换组件仅有一部分机械连接或整体连接至至少一个定子段时，线路滤波器可以免于机械连接或整体连接至至少一个定子段，从而可以减少至少一个定子段的重量。
此外，可以先于将其安装到风力涡轮机的机舱中在输送时或输送之前方便地对作为一个***的多兆瓦级的功率发电机以及一个或多个转换组件进行测试。此外，在存在缺陷或磨损部分的情况下，易于在具有或不具有至少一个定子段的情况下更换一个或多个转换组件，并且无需中断发电机的操作，从而防止了发电机的停机时间。
此外，由于与至少一个发电机段相比，转换组件在重量方面不是很大，因此现有的机械结构典型地能够承受额外的重量。因此，通常不需要用于一个或多个转换组件的其它结构，从而产生了进一步的成本和空间优势。
通过紧凑和集成设计，冷却***连接也能够非常短，并且单个冷却***对于发电机以及一个或多个转换组件而言都可以是足够的。此外，可以对例如控制一个或多个转换组件的驱动器的主驱动器实现材料节约。最后，由于发电机以及一个或多个转换组件***包括数量很高的相同的件，因此可以将批量生产的优势应用于数量低得多的***。
在本发明中的一些实施例中，风力发电机的定子可以分段，每段根据发电机的功率输出具有5至15吨之间的重量。定子段中的一个或多个定子段可以包括具有开口的定子袋，转换组件或转换组件的一部分可以放置在该开口中。转换组件的重量可以典型地处于350至750kg之间或者等于一个定子段的重量的大约5至15%。由于转换组件的重量可以根据风力涡轮机尺寸、发电能力和转换组件的具体构造（可以包括其它的电力电子装置，例如滤波器或接触器）而发生变化，因此这些取值范围并不是排他的。腔所具有的尺寸使得能够获得足够的空心空间，以部分或完全地封闭转换组件（包括电缆或母线连接）。
根据实施例，定子袋以不与发电机的磁通量相干涉的方式进行定位。通向定子袋的开口可以以这样的方式进行定位：可以从前侧或后侧、或者从沿发电机壳体的径向表面和围绕发电机壳体的径向表面到达转换组件，使得能够在不正常工作或故障的情况下进行转换组件的简单和方便的更换。
定子袋和盖可以进一步具有绝缘材料内衬，该绝缘材料保护转换组件不受例如发电机所产生的热的影响。此外，盖可以封闭开口，以便保护转换组件不受外侧作用的影响。盖可以设计成能够使得电力电缆，母线连接以及冷却***进入或离开、。盖的特定形状可以包括充气狭缝或开口，以允许空气循环至转换组件和从转换组件循环。
典型地，冷却***采用用于发电机的可旋转转子部分的空气冷却（例如开放式通风（OV））以及/或者用于发电机的至少一个定子段的水冷却（例如全封闭式水空冷却（TEWAC））。总体而言，以下冷却方法的不同组合能够对发电机进行冷却：直接水冷却、水空冷却、水水冷却、空水冷却、空空冷却、或者直接空气冷却。由于发电机和转换组件可以具有相似的工作温度，因此发电机的水空换热器还可以调节转换组件或转换组件的至少一部分的温度。可以采用单个冷却***同时用于发电机和转换组件。通常，水空换热器可以定位成靠近发电机或者定位在发电机内侧。因此，可以使冷却***到转换组件的连接和从转换组件的连接最小化。
在本发明申请中进一步的实施例中，一个或多个转换组件可以连接至至少一个定子段的前侧或后侧、连接到至少一个定子段的径向表面上、或者沿径向表面以及围绕径向表面的某处连接、连接至发电机壳体的前侧或后侧。因此，能够易于到达一个或多个转换器。不限于特定实施例，一个或多个转换组件可以机械地、物理地、或者整体地连接至至少一个定子段或发电机壳体，例如通过焊接、螺钉连接、螺栓连接或者例如能够包括磁力或粘着力的任何其它的摩擦配合/形状配合（form fit）。总体而言，功率转换组件的数量可以小于定子段的数量或者功率转换组件的数量可以大于定子段的数量。
不限于本发明中的一个特定实施例，发电机的至少一个定子段可以包括一个或多个转换组件。此外，一个或多个转换组件可以包括通常具有DC环节的全频AC-DC-AC转换器。然而，一个或多个转换组件还可以包括全频AC-DC转换器和单独的全频DC-AC转换器，所述全频AC-DC转换器和单独的全频DC-AC转换器可以通过DC环节彼此连接。通常，在使用通过DC环节连接的两个在空间上分开的全频AC-DC转换器和DC-AC转换器的情况下，AC-DC转换器可以机械连接至通常定位在风力涡轮机的机舱中的发电机，而将电能传输至供电电网中的DC-AC转换器可以定位在风力涡轮机塔架内侧或外侧。
典型地，本发明中的实施例所描述的转换组件布局中的任何一种转换组件布局都可以采用断路器或熔丝。例如，在每定子段包括一个转换组件的实施例中，每个定子段也可以包括断路器以用于保护。通常，每个断路器或熔丝都可以定位在转换组件与变压器之间，例如连接在定子段中的每一个定子段内侧或者连接在定子段中的每一个定子段上。本发明中的DC环节和转换组件的一部分不连接至发电机定子段的实施例可以包括至少一个断路器或熔丝，所述断路器或熔丝也可以不连接至定子段。
在本发明中的实施例中，一个或多个分离的全频AC-DC转换器和DC-AC转换器的单独DC环节可以直接连接至DC集电器（collector）***。DC集电器***优选地将发电机侧转换器的DC环节串联连接至至少一个线路侧转换器，以增大***电压。增大***电压可以使功率损耗降低。类似地，一个或多个全频AC-DC-AC转换器可以优选地串联连接，以在最终被供给至供电电网之前增大***电压并且降低功率损耗。
此外，DC集电器***可以将例如陆上或海上风电场的多于一个的风力涡轮机的AC-DC发电机侧转换器的单独的DC环节串联或并联连接至一个或多个中央全频DC-AC线路侧转换器。以相似的方式，例如陆上或海上风电场的多于一个的风力涡轮机的一个或多个全频AC-DC-AC转换器可以在最终被供给到供电电网中之前串联或并联连接。
图1是示例性风力涡轮机100的一部分的透视图。风力涡轮机100包括机舱102，机舱102能够容纳发电机（图1中未示出）。机舱102安装在塔架104（塔架104的一部分示于图1中）上。塔架104可以具有能够有利于如本发明中所描述的风力涡轮机100的操作的任何合适的高度。风力涡轮机100还包括转子106，转子106包括连接至旋转毂110的三个叶片108。备选地，风力涡轮机100包括能够有利于如本发明中所描述的风力涡轮机100的操作的任何数量的叶片108。在示例性实施例中，风力涡轮机100包括操作性地联接至转子106和发电机（图1中未示出）的齿轮箱（图1中未示出）。
图2是可以与风力涡轮机100一起使用的示例性电气和控制***200的示意图。转子106包括叶片108，叶片108联接至毂110。转子106还包括低速轴112，低速轴112可旋转地联接至毂110。低速轴112联接至提速齿轮箱（step-up gearbox）114，提速齿轮箱114构造成使低速轴112的转速提高并且将速度传输至高速轴116。在示例性实施例中，齿轮箱114具有大约70:1的提速比。例如，以大约70:1的提速比联接至齿轮箱114的在大约20转每分钟的转数（rpm）下旋转的低速轴112能够产生高速轴116的大约1400rpm的速度。备选地，齿轮箱114具有能够有利于如本发明中所描述的风力涡轮机100的操作的任何合适的提速比。作为进一步的备选，风力涡轮机100包括直接驱动发电机，该直接驱动发电机可旋转地联接至转子106而无需任何介入齿轮箱（intervening gearbox）。
高速轴116可旋转地联接至发电机118。在示例性实施例中，发电机118是包括发电机定子120的绕线转子、三相、双馈感应（异步）发电机（DFIG），发电机定子120磁性联接至发电机组转子122。在备选实施例中，发电机转子122包括代替转子绕组的多个永磁体。因此，总体而言，不限于特定实施例，发电机可以是具有电励磁的任何类型的同步发电机。
电气和控制***200包括涡轮控制器202。涡轮控制器202包括至少一个处理器和存储器、至少一个处理器输入通道、至少一个处理器输出通道，并且可以包括至少一个计算机（图2中均未示出）。如本发明中所使用的，术语计算机并不限于本领域内称作计算机的集成电路，而是广义地指处理器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、专用集成电路、以及其它的可编程电路（图2中均未示出），并且这些术语在本发明中是可以互换使用的。在示例性实施例中，存储器可以包括但不限于例如随机存取存储器（RAM）的计算机可读介质（图2中均未示出）。备选地，也可以使用例如软盘、光盘只读存储器（CD-ROM）、磁光盘（MOD）、和/或数字通用光盘（DVD）的一个或多个存储装置（图2中均未示出）。此外，在示例性实施例中，其它的输入通道（图2中未示出）可以是但不限于与例如鼠标和键盘（图2中均未示出）的操作者接口相关的计算机***设备。此外，在示例性实施例中，其它的输出通道可以包括但不限于操作者接口监测器（图2中未示出）。
用于涡轮控制器202的对从多个电气和电子装置传输的信息进行处理的处理器可以包括但不限于电压和电流换能器。RAM和/或存储装置对将由处理器执行的信息和指令进行储存和传输。RAM和/或存储装置还能够用于在处理器执行指令期间存储并且向处理器提供临时变量、静态（即不发生改变的）信息和指令、或者其它的中间信息。所执行的指令包括但不限于常驻转换和/或比较器算法。指令的执行顺序并不限于硬件电路和软件指令的任何具体组合。
发电机定子120通过定子总线208电气联接至定子同步开关206。在示例性实施例中，为了能够有利于DFIG构造，发电机转子122通过转子总线212电气联接至双向功率转换组件210。备选地，发电机转子122通过能够有利于如本发明中所描述的电气和控制***200的操作的任何其它装置电气联接至转子总线212。作为进一步的备选，电气和控制***200构造成全功率转换***（未示出），该全功率转换***包括全功率转换组件（图2中未示出），该全功率转换组件在设计和操作方面与功率转换组件210相似并且电气联接至发电机定子120。全功率转换组件有利于在发电机定子120与电力传输和分配电网（未示出）之间引导电力。在示例性实施例中，定子总线208将三相功率从发电机定子120传输至定子同步开关206。转子总线212将三相功率从发电机转子122传输至功率转换组件210。在示例性实施例中，定子同步开关206通过***总线216电气联接至主变压器电路断路器214。在备选实施例中，使用一个或多个熔丝（未示出）代替主变压器电路断路器214。在另一个实施例中，既不使用熔丝也不使用主变压器电路断路器214。
功率转换组件210包括转子滤波器218，转子滤波器218通过转子总线212电气联接至发电机转子122。转子滤波器总线219将转子滤波器218电气联接至发电机侧功率转换器220并且发电机侧功率转换器220电气联接至线路侧功率转换器222。发电机侧功率转换器220和线路侧功率转换器222是功率转换器桥，所述功率转换器桥包括功率半导体（未示出）。在示例性实施例中，发电机侧功率转换器220和线路侧功率转换器222构造成三相、脉宽调制（PWM）构造，该三相、脉宽调制（PWM）构造包括像本领域内已知地那样进行操作的绝缘栅双极晶体管（IGBT）开关装置（图2中未示出）。备选地，发电机侧功率转换器220和线路侧功率转换器222具有使用有利于如本发明中所描述的电气和控制***200的操作的任何开关装置的任何构造。功率转换组件210以电子数据通信的方式与涡轮控制器202联接，以控制发电机侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的操作。
在示例性实施例中，线路侧功率转换器总线223将线路侧功率转换器222电气联接至线路滤波器224。此外，线路总线225将线路滤波器224电气联接至线路接触器226。此外，线路接触器226通过转换电路断路器总线230电气联接至转换电路断路器228。此外，转换电路断路器228通过***总线216和连接总线232电气联接至主变压器电路断路器214。备选地，线路滤波器224通过连接总线232直接电气联接至***总线216并且包括任何合适的保护配置（未示出），所述保护配置构造成替代从电气和控制***200移除线路接触器226和转换电路断路器228。主变压器电路断路器214通过发电机侧总线236电气联接至电力主变压器234。主变压器234通过断路器侧总线240电气联接至电网电路断路器238。电网电路断路器238通过电网总线242连接至电力传输和分配电网。在备选实施例中，主变压器234通过断路器侧总线240电气联接至一个或多个熔丝（未示出），而不是联接至电网电路断路器238。在另一个实施例中，既不使用熔丝也不使用电网电路断路器238，而是主变压器234通过断路器侧总线240和电网总线242联接至电力传输和分配电网。
在示例性实施例中，发电机侧功率转换器220通过单个直流（DC）环节244以电气通信的方式与线路侧功率转换器222联接。备选地，发电机侧功率转换器220和线路侧功率转换器222通过单独和分离的DC环节（图2中未示出）电气联接。DC环节244包括正极246、负极248、和联接在正极246与负极248之间的至少一个电容250。备选地，电容250包括一个或多个电容，所述一个或多个电容在正极246与负极248之间串联和/或并联构造。
涡轮控制器202构造成能够接收来自第一组电压和电流传感器252的多个电压和电流测量信号。此外，涡轮控制器202构造成能够监测和控制与风力涡轮机100相关的至少一些操作变量。在示例性实施例中，三个电压和电流传感器252中的每一个电压和电流传感器252都电气联接至电网总线242中的三相中的每一相。备选地，电压和电流传感器252电气联接至***总线216。作为进一步的备选，电压和电流传感器252电气联接至能够有利于如本发明所描述的电气和控制***200的操作的电气和控制***200的任何部分。作为再进一步的备选，涡轮控制器202构造成能够从任何数量的电压和电流传感器252接收任何数量的电压和电流测量信号，其中包括但不限于从一个换能器接收一个电压和电流测量信号。
如图2中所示，电气和控制***200还包括转换控制器262，转换控制器262构造成能够接收多个电压和电流测量信号。例如，在一个实施例中，转换控制器262从第二组电压和电流传感器254接收电压和电流测量信号，第二组电压和电流传感器254以电子数据通信的方式与定子总线208联接。转换控制器262从第三组电压和电流传感器256接收第三组电压和电流测量信号，第三组电压和电流传感器256以电子数据通信的方式与转子总线212联接。转换控制器262还从第四组电压和电流传感器264接收第四组电压和电流测量信号，第四组电压和电流传感器264以电子数据通信的方式与转换电路断路器总线230联接。第二组电压和电流传感器254与第一组电压和电流传感器252基本相似，并且第四组电压和电流传感器264与第三组电压和电流传感器256基本相似。转换控制器262与涡轮控制器202基本相似并且以电子数据通信的方式与涡轮控制器202联接。此外，在示例性实施例中，转换控制器262物理集成在功率转换组件210内。备选地，转换控制器262具有能够有利于如本发明所描述的电气和控制***200的操作的任何构造。
在操作期间，风冲击叶片108并且叶片108将风能转化成机械旋转转矩，该机械旋转转矩通过毂110可旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，齿轮箱114随后使低速轴112的转速提高，以在提高的转速下驱动高速轴116。高速轴116可旋转地驱动发电机转子122。由发电机转子122感应产生旋转磁场并且在磁性联接至发电机转子122的发电机定子120内感应产生电压。发电机118将旋转机械能转换成发电机定子120中的正弦、三相交流（AC）电能信号。相关电功率通过定子总线208、定子同步开关206、***总线216、主变压器电路断路器214和发电机侧总线236传输至主变压器234。主变压器234使电功率的电压幅值增大并且经过变换的电功率通过断路器侧总线240、电网电路断路器238和电网总线242进一步输送至电网。
在示例性实施例中，提供第二电功率传输路径。电气、三相、正弦、AC功率产生在发电机转子122内并且通过转子总线212输送至功率转换组件210。在功率转换组件210内，电功率传输至转子滤波器218并且针对与发电机侧功率转换器220相关的PWM信号的变化率而对电功率进行修改。发电机侧功率转换器220起到整流器的作用并且将正弦、三相AC功率整流成DC功率。DC功率传输到DC环节244中。通过有利于减轻与AC整流相关的DC纹波，电容250有利于减轻DC环节244电压幅值的变化。
DC功率随后从DC环节244传输至线路侧功率转换器222并且线路侧功率转换器222起到逆变器的作用，该逆变器构造成能够将来自DC环节244的DC电功率逆变成具有预定电压、电流、和频率的三相、正弦AC电功率。通过转换控制器262对该转换进行监测和控制。经过转换的AC功率通过线路侧功率转换器总线223和线路总线225、线路接触器226、转换电路断路器总线230、转换电路断路器228、和连接总线232从线路侧功率转换器222传输至***总线216。线路滤波器224补偿或调节从线路侧功率转换器222传输的电力中的谐波电流。定子同步开关206构造成能够闭合，以有利于连接来自发电机定子120的三相功率与来自功率转换组件210的三相功率。
转换电路断路器228、主变压器电路断路器214、和电网电路断路器238构造成能够在例如过量电流可能损坏电气和控制***200的部件时断开相应的总线。也提供额外的保护部件，其中包括线路接触器226，线路接触器226可以受到控制，以通过打开与线路总线225中的每一条线路相对应的开关（图2中未示出）而形成断开。
功率转换组件210用于补偿或调节来自发电机转子122的三相功率的频率，其由于例如毂110和叶片108处的风速而改变。因此，通过该方式，机械和电气转子频率与定子频率解耦。
在一些情况下，功率转换组件210的双向特性（并且更具体地，发电机侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的双向特性）能够有利于将至少一些所产生的电功率反馈到发电机转子122中。更具体地，电功率从***总线216传输至连接总线232并且随后通过转换电路断路器228和转换电路断路器总线230传输到功率转换组件210中。在功率转换组件210内，电功率通过线路接触器226、线路总线225、和线路侧功率转换器总线223传输到线路侧功率转换器222中。线路侧功率转换器222起到整流器的作用并且将正弦、三相AC功率整流成DC功率。DC功率传输到DC环节244中。通过有利于减轻有时与三相AC整流相关的DC纹波，电容250有利于减轻DC环节244电压幅值的变化。
DC功率随后从DC环节244传输至发电机侧功率转换器220并且发电机侧功率转换器220起到逆变器的作用，该逆变器构造成能够将从DC环节244传输的DC电功率转换成具有预定电压、电流、和频率的三相、正弦AC电功率。通过转换控制器262对该转换进行监测和控制。经过转换的AC功率通过转子滤波器总线219从发电机侧功率转换器220传输至转子滤波器218并且随后通过转子总线212传输至发电机转子122，由此有利于次同步操作。
功率转换组件210构造成能够从涡轮控制器202接收控制信号。控制信号基于所感测到的风力涡轮机100以及电气和控制***200的状况或操作特性。控制信号由涡轮控制器202接收并且用于控制功率转换组件210的操作。电气和控制***200可以使用来自一个或多个传感器的反馈来通过转换控制器262（其中包括例如转换电路断路器总线230）对功率转换组件210进行控制，并且定子总线和转子总线电压或电流通过第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256、和第四组电压和电流传感器264进行反馈。使用该反馈信息，并且可以以任何已知的方式来产生例如开关控制信号、定子同步开关控制信号和***电路断路器控制（停机）信号。例如，对于具有预定特性的电网电压瞬变而言，转换控制器262将至少暂时地使IGBT基本中止（suspend）在线路侧功率转换器222内导电。这种线路侧功率转换器222的操作中止将使通过功率转换组件210引导的电力基本减小到大约为零。
图3至图5是示出了具有定子120的风力发电机118的本发明中所描述的实施例，定子120可以包括一个或多个定子段121。此外，图3至图5包括转子122，转子122可旋转地安装在定子120或定子段121内侧。此外，一个或多个功率转换组件210安装至定子120，定子120可以包括一个或多个定子段121。转换组件210典型地是全频AC-DC-AC功率转换器，该全频AC-DC-AC功率转换器包括DC环节、发电机侧AC-DC功率转换器和线路侧DC-AC功率转换器，所述发电机侧AC-DC功率转换器和线路侧DC-AC功率转换器都可以根据操作模式起到逆变器或整流器的作用。
本发明中所描述和图3中所示的实施例示出了风力涡轮发电机118和分段定子121，每个定子段121具有至少一个功率转换组件210。功率转换组件210可移除地安装至每一个定子段121的前侧或后侧，或者同时可移除地安装至前侧和后侧。
典型地，不限于该实施例，定子段的电力电缆沿径向方向从发电机分支；因此，安装至定子段的功率转换组件的电力电缆也可以沿这样的方向分支（附图中未示出）。以这种方式布置的电力电缆束更加紧凑并且能够保证机舱或风力涡轮机中更多空间的安全。可以以相似方式来布置冷却***连接，以释放机舱中的空间并且缩短冷却***连接（附图中同样未示出）。在这种情况下，特别是当一个或多个全频AC-DC-AC功率转换器连接至发电机时，可以通过将一个或多个转换组件直接机械连接至发电机来实现的其它的与主驱动器有关材料节约。
根据图4中所示的本发明中的实施例，风力涡轮发电机118可以具有可移除地连接至定子段121的前侧或后侧的十二个定子段121和/或四个功率转换组件210。不限于任何特定实施例，功率转换组件的数量小于定子段的数量或者功率转换组件的数量大于定子段的数量通常都是可能的。然而，多于一个的定子段121可以连接至一个功率转换组件210。
图5示出了根据本发明中所描述的实施例具有定子120和四个功率转换组件210的风力涡轮发电机118。功率转换组件210可移除地安装至定子120的前侧或后侧，从而以对称布置包绕转子122。然而，并且不限于该特定实施例，两个或更多个转换组件可以以不对称方式布置在风力涡轮发电机的定子或定子段上。
图6至图8示出了本发明中所描述的实施例，其中示出了风力涡轮发电机118，风力涡轮发电机118具有定子120或多于一个的定子段121并且进一步包括转子122，转子122可旋转地安装在定子120或定子段121内侧。发电机侧功率转换器220（典型地为AC-DC转换器）包括DC环节244的一部分。包括DC环节244的其它部分的线路侧功率转换器222（典型地为DC-AC转换器）通过DC环节244连接至发电机侧功率转换器220，DC环节244包括正极246和负极248。
根据本发明中的一些实施例，图6示出了具有一个发电机侧功率转换器220的风力涡轮发电机118，该发电机侧功率转换器220可移除地连接至十二个定子段121中的每一个定子段121的前侧或后侧。两个或多个发电机侧功率转换器220可以串联连接至DC集电器***245，DC集电器***245使***电压增大。DC集电器***245通过正极246和负极248连接至线路侧功率转换器222。通过多个DC集电器***连接至多个发电机侧功率转换器的线路侧功率转换器的数量可以发生变化（示于图9中）。
图7示出了包括风力涡轮发电机118的本发明中所描述的实施例，风力涡轮发电机118具有定子段121和可旋转的转子122，其中四个发电机侧功率转换器220包括DC环节244的一部分对称安装于十二个定子段121的前侧或后侧。两个或更多个发电机侧功率转换器220可以通过DC环节244（其中包括正极246和负极248）连接至一个线路侧功率转换器222或者多于一个的线路侧功率转换器222（示于图9中），线路侧功率转换器222包括DC环节244的其它部分。
图8示出了具有风力涡轮发电机118、定子120和转子122的实施例，该实施例进一步包括移除地对称布置于跨过定子120的前侧或后侧可的四个发电机侧功率转换器220。发电机侧功率转换器220中的每一个发电机侧功率转换器220都包括DC环节244的一部分。四个发电机侧功率转换器220连接至一个线路侧功率转换器222（或者如图9中所示的多于一个的线路侧功率转换器），线路侧功率转换器222包括DC环节244的另一部分。正极246和负极248连接发电机侧功率转换器220与线路侧功率转换器222。
图9示出了根据本发明中所描述的实施例将连接至定子段121的多个发电机侧转换器220通过DC环节244连接至多个线路侧转换器222。不限于图6中所示的实施例，本发明中所描述的实施例中的任何一个实施例都可以采用多个DC集电器***245。
图10示出了根据本发明中所描述的实施例的风力涡轮发电机118、定子段121和机械连接在定子的径向表面上的全频功率转换组件210。总体而言，功率转换组件的数量可以发生变化并且不必与定子段的数量相关。在实施例中，至少一个转换组件可以安装在定子的或发电机壳体的径向表面（附图中未示出）上。转换组件可以包括AC-DC-AC全频功率转换器或发电机侧AC-DC全频功率转换器和DC环节的一部分。
图11和图12示出了根据本发明中所描述的实施例的包括DC环节244的一部分的线路侧DC-AC功率转换器222的不同位置。典型地，AC-DC发电机侧转换器和DC环节的一部分保持连接至发电机定子并且定位在风力涡轮机机舱内侧。
在图11中，DC-AC线路侧功率转换器222可以定位在风力涡轮机100的塔架104内侧的任何位置处，通常靠近表面265。然而，在本发明的实施例中，线路侧功率转换器222还可以定位在机舱102内侧。此外，能够想到线路侧功率转换器222在表面265下方部分或完全地嵌入或浸入支承结构231内。
图12示出了将DC-AC线路侧功率转换器222定位在风力涡轮机100的塔架外。线路侧功率转换器222可以定位在表面265的上方或下方。在该情况下，表面265可以代表陆上地面。然而，在进一步的实施例中，表面265例如可以是海上环境中的水。
此外，不限于本文中所描述的特定实施例，单个中央DC-AC线路侧功率转换器可以连接至一个或多个风力涡轮机的多个AC-DC发电机侧功率转换器。这种布局使得多个风力涡轮机能够相互连接，以例如形成具有更多冗余度的陆上或海上风电场，并且进一步降低空间和材料需要。
图13是用于将一个或多个转换组件连接至风力涡轮发电机的至少一个定子段的方法的流程图。在步骤310中，提供了一个或多个功率转换组件以及包括至少一个定子段的风力涡轮发电机。在步骤320中，一个或多个转换组件机械连接至至少一个定子段。典型地，现在可以测试至少一个定子段与一个或多个转换组件之间的电能量流。最后，在步骤330中，将预组装有一个或多个转换组件的发电机安装在风力涡轮机的机舱中。
上文所描述的***和方法有利于发电机和转换组件的更紧凑的组装，并且还使得能够在将两个部件安装到风力涡轮机的机舱中之前对这两个部件进行测试和彼此协调。更具体地，更紧凑的组装释放了机舱中的空间，从而使得机舱能够建造得更小或者允许将其它设备集成到机舱中，例如主变压器或中压开关设备。此外，通过缩短冷却***连接、减少电缆和传统的发电机连接而降低了材料成本。最后，由于减少了布线和连接，因此在使用过程中不正常工作或正常磨损的情况下，易于更换转换组件。
上文中详细描述了用于风力涡轮发电机的***和方法的示例性实施例，该风力涡轮发电机包括具有至少一个定子段的定子、可旋转地安装在定子中的转子以及一个或多个功率转换组件。所述***和方法不限于本发明中所描述的具体实施例，相反，能够相对于本发明中所描述的其它部件和/或步骤独立和单独地利用***的部件和/或方法的步骤。例如，将转换组件连接到至少一个定子的径向表面或发电机壳体的径向表面上并且将部件安装在竖直风力涡轮机中，并且因此不限于仅通过如本发明中所描述的风力涡轮机***实现。相反，能够结合例如其它的转子叶片应用中的许多其它的发电机或转换器应用来实施和利用示例性实施例。
尽管本发明的各实施例的具体特征可能会示于一些附图中而未示于其他附图中，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，一幅附图中的任何特征都可以结合任何其它附图的任何特征进行参考以及/或者要求保护。
本书面描述使用示例对本发明进行了公开（其中包括最佳模式），并且还使本领域技术人员能够实施本发明（其中包括制造和使用任何装置或***并且执行所包含的任何方法）。尽管上文中已经公开了各种具体实施例，但是本领域技术人员将意识到，权利要求的精神和范围允许同等有效的改型。尤其是，上文所述的实施例的相互不排他的特征可以彼此结合。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这种其它的示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的示例落入权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种风力涡轮发电机，所述风力涡轮发电机包括：
a)定子，所述定子包括至少一个定子段；
b)转子，所述转子可旋转地安装在所述定子中；以及
c)一个或多个转换组件，
其中所述一个或多个转换组件机械连接至所述至少一个定子段。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述定子包括两个或更多个定子段。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述至少一个定子段中的每一个定子段都包括转换组件。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述定子段中的每一个定子段都包括断路器。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述一个或多个转换组件的数量小于所述至少一个定子段的数量。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述一个或多个转换组件的数量大于所述至少一个定子段的数量。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述一个或多个转换组件在所述至少一个定子段的至少一个元件处连接至所述至少一个定子段，所述至少一个元件选自包括前侧、后侧、径向表面、和内侧的列表。
8.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述一个或多个转换组件包括通过DC环节彼此连接的发电机侧转换器和线路侧转换器。
9.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述一个或多个功率转换组件包括发电机侧转换器和DC环节的一部分。
10.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述一个或多个转换组件包括发电机侧转换器和线路侧转换器，其中线路侧转换器的数量等于或小于发电机侧转换器的数量。
11.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述一个或多个转换组件包括发电机侧转换器，所述发电机侧转换器串联连接以增大***电压。
12.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述一个或多个转换组件包括并联连接的发电机侧转换器。
13.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：
a)机舱，所述机舱由塔架支承；
b)至少一个转子叶片，所述至少一个转子叶片用于捕获风能；以及
c)发电机，所述发电机用于将风能转化成电能，所述发电机包括：
i.定子，所述定子包括至少一个定子段；
ii.转子，所述转子可旋转地安装在所述定子中；以及
iii.一个或多个转换组件，
其中所述一个或多个转换组件整体连接至所述至少一个定子段。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，所述定子包括两个或更多个定子段。
15.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，所述至少一个定子段中的每一个定子段都包括转换组件。
16.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个或多个转换组件在所述至少一个定子段的至少一个元件处连接至所述至少一个定子段，所述至少一个元件选自包括前侧、后侧、径向表面、和内侧的列表。
17.一种用于将一个或多个转换组件连接至风力涡轮发电机的定子的方法，其中所述发电机包括至少一个定子段，所述方法包括以下步骤：
a)提供所述一个或多个转换组件和所述至少一个定子段；
b)将所述一个或多个转换组件机械连接至所述至少一个定子段；以及
c)将所述发电机安装到风力涡轮机的机舱中，所述发电机包括预组装的所述一个或多个转换组件。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述一个或多个转换组件在所述至少一个定子段的至少一个元件处连接至所述至少一个定子段，所述至少一个元件选自包括前侧、后侧、径向表面、和内侧的列表。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述一个或多个转换组件包括发电机侧转换器和DC环节的一部分。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述一个或多个转换组件包括全频转换器，所述全频转换器包括发电机侧转换器、线路侧转换器和DC环节。
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