DE69828644T2

DE69828644T2 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE69828644T2
Application number: DE69828644T
Authority: DE
Inventors: Mats Leijon; Gunnar Kylander
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2018-12-01
Also published as: GB2331858A9; IL136068A0; KR20010032215A; AR017705A1; OA11418A; IS5498A; ATE287137T1; EP1034604B1; GB2331858A; NO20002736D0; CU22757A3; ZA9810936B; EP1034604A1; DK199801565A; US7061133B1; DK175357B1; PE65699A1; AU1672199A; AU737074B2; EA002958B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft eine Windkraftanlage von der Art, welche im Oberbegriff von Patentanspruch 1 beschrieben wird und welche zur Verbindung mit Verteilungs- oder Übertragungsnetzen, im Folgenden Leistungsnetze genannt, bestimmt ist. Die Erfindung betrifft auch einen Elektrogenerator für Hochspannung in einem Windkraftwerk, das für den zuvor erwähnten Zweck bestimmt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein drehzahlveränderliches System, das den zuvor erwähnten Generator enthält.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine Windkraftanlage kann zwar eine einzelne netzverbundene Einheit sein, besteht aber für gewöhnlich aus etlichen Windturbinen, die eine Windkraftanlagengruppe bilden. Jede Windturbine ist mit einem Elektrogenerator ausgestattet, der sich in einer Nabe befindet. Der Generator kann synchron oder von der Induktionsart sein. Induktionsgeneratoren sind heutzutage gebräuchlicher, weil sie billiger und robuster sind. Der synchrone Generator kann Blindleistung erzeugen, was ein Vorteil gegenüber der Induktionsmaschine ist. Die Größe der Windturbine beträgt heutzutage normalerweise 100 bis 3.000 kW und bei vielen gewerblichen Turbinen um die 500 kW. Die Tendenz geht hin zu höherer Leistung und Spannung des Generators. Die Spannungspegel von heute betragen von 400 V bis zu ein paar kV. Bei den meisten Windkraftanlagengruppen ist es notwendig, jede Windturbine mit einem Transformator auszustatten, der die Spannung zu einer örtlichen Verteilungsspannung aufwärts transformiert, die normalerweise 10 bis 30 kV betragen kann. Demnach bilden dieser Transformator und der Generator wesentliche Bestandteile einer Anlage. Einzelne Einheiten werden in Baumzweig- oder Ringnetzen mit Hochspannungskabeln miteinander verbunden. Das Verteilungsnetz kann durch einen einzigen Leistungstransformator oder durch ein Paar von Leistungstransformatoren mit einem Übertragungsnetz verbunden werden. Die Transformatoren verursachen Zusatzkosten und weisen außerdem den Nachteil auf, dass der Gesamtwirkungsgrad des Systems verringert wird. Außerdem besteht bei ihnen Brandgefahr, da sie Transformatorenöl enthalten, welches im Fall eines Bruchs oder von Vandalismus austreten kann.
Wenn es daher möglich wäre, Elektrogeneratoren für wesentlich höhere Spannungen zu erzeugen, könnte wenigstens der Verteilungstransformator beseitigt werden. Zwar ist es mit der heutigen Generatorentechnologie möglich, einen 10-kV-Generator herzustellen und somit den Verteilungstransformator zu beseitigen, aber die Kosten wären wesentlich höher als bei einer typischeren 660-V-Maschine. Außerdem ist die heutige Statorwicklungsisoliertechnologie empfindlich für Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und Salz, denen ein Windturbinengenerator ausgesetzt sein kann. Das macht es bei der heutigen Technologie unrealistisch, sich der Verteilungstransformatoren zu entledigen.
Ein Hochspannungsgenerator weist einen Magnetkreis auf, der einen Schichtkern, z.B. aus Stahlblech mit einer geschweißten Konstruktion, umfasst. Um Lüftung und Kühlung bereitzustellen, wird der Kern oft in Stapel mit radialen und/oder axialen Lüftungskanälen unterteilt. Die Wicklung des Magnetkreises wird in Schlitzen im Kern angeordnet, wobei die Schlitze im Allgemeinen einen Querschnitt in Form eines Rechtecks oder eines Trapezoids aufweisen.
Bei Mehrphasenelektrogeneratoren für Hochspannung sind die Wicklungen entweder als Einschicht- oder Zweischichtwicklungen ausgeführt. Bei Einschichtwicklungen gibt es nur eine Spulenseite je Schlitz, wohingegen bei Zweischichtwicklungen zwei Spulenseiten je Schlitz vorhanden sind. Mit „Spulenseite" sind ein oder mehr Leiter gemeint, welche vertikal oder horizontal zusammengeschlossen und mit einer gewöhnlichen Spulenisolierung, d.h. einer Isolierung, die so ausgelegt ist, dass sie der Nennspannung des Generators an Erde widersteht, versehen sind.
Zweischichtwicklungen sind im Allgemeinen als Gleichspulenwicklungen ausgeführt, wohingegen Einschichtwicklungen im vorliegenden Zusammenhang als Gleichspulen- oder Flachwicklungen ausgeführt sein können. Bei Gleichspulenwicklungen gibt es nur eine (möglicherweise zwei) Spulenweiten, wohingegen Flachwicklungen als konzentrische Wicklungen, d.h. mit einer weitgehend variierenden Spulenweite, ausgeführt sind. Mit „Spulenweite" ist der Abstand im Bogenmaß zwischen zwei Spulenseiten, die zu derselben Spule gehören, gemeint.
Normalerweise sind alle großen Maschinen mit Zweischichtwicklungen und Spulen derselben Größe ausgeführt. Jede Spule wird mit einer Seite in einer Schicht und der anderen Seite in der anderen Schicht angeordnet. Dies bedeutet, dass alle Spulen einander im Spulenkopf kreuzen. Wenn mehr als zwei Schichten vorhanden sind, komplizieren diese Kreuzungen die Wicklungsarbeit, und der Spulenkopf ist weniger zufrieden stellend.
Es wird angenommen, dass Spulen für rotierende Generatoren innerhalb eines Spannungsbereichs von 3 bis 20 kV mit guten Ergebnissen hergestellt werden können.
Theoretisch ist bekannt, wie höhere Spannungspegel zu erhalten sind. Solche Generatoren werden zum Beispiel in US-A-4429244, US-A-4164672 und US-A-3743867 beschrieben. Die Maschinenentwürfe gemäß den zuvor erwähnten Schriften erlauben jedoch keine optimale Nutzung des elektromagnetischen Materials im Stator.
Es gibt auch Windturbinen, die mit veränderlicher Turbinendrehzahl funktionieren. Diese Betriebsart ist vorteilhaft, weil der aerodynamische Wirkungsgrad maximiert werden kann. Drehzahlveränderliche Systeme setzen zwei Generatoren mit verschiedenen Polzahlen oder Generatoren mit Wicklungen ein, die für polumschaltbaren Betrieb angeschlossen werden können. Eine veränderliche Drehzahl kann auch mithilfe eines Frequenzwandlers erreicht werden. Ein drehzahlveränderliches System wird vereinfacht, wenn ein synchroner Generator verwendet wird, da ein einfacher Diodengleichrichter zwischen dem Generator und dem Gleichstromzwischenkreis verwendet werden kann. Die zwei gebräuchlichsten Wechselrichterarten sind der leitungskommutierte und der zwangskommutierte Wechselrichter. Diese beiden Arten von Wechselrichtern erzeugen verschiedene Arten von Oberschwingungen und benötigen infolgedessen verschiedene Leitungsfilter. Der leitungskommutierte Wechselrichter ist mit Thyristoren ausgestattet, welche Oberschwingungsstrom erzeugen, der im Verbundnetz in Spannungsoberschwingungen umgesetzt wird. Um diese Oberschwingungen zu beseitigen, muss ein großer Verbundnetzfilter verwendet werden. Ein anderer Nachteil liegt darin, dass der leitungskommutierte Wechselrichter Blindleistung verbraucht. Ein zwangskommutierter Wechselrichter kann sein eigenes Dreiphasenspannungssystem aufbauen und, wenn der Wechselrichter an das Verbundnetz angeschlossen wird, kann er frei wählen, welchen Leistungsfaktor er verwendet und in welche Richtung die Leistung geleitet werden sollte. Durch die Verwendung der Pulsweitenmodulation PWM werden die Niederfrequenzoberschwingungen beseitigt, und die ersten Oberschwingungen weisen eine Frequenz um die Schaltfrequenz des Wechselrichters auf. Das interessanteste Ventil für einen PWM-Wechselrichter ist der Bipolartransistor mit integriertem Gate, IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor). Bei den letzten IGBT-Ventilen würde eine Schaltfrequenz von 5 bis 10 kHz verwendet werden. Heutige IGBT-Ventile sind in der Spannung und in der Leistung begrenzt, so dass ein einziger Sechspulswechselrichter etwa 1 MVA bei 1 bis 2 kV verarbeiten kann.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung ist es demnach, einen Elektrogenerator bereitzustellen, der in einer Windkraftanlage für eine so hohe Spannung verwendet werden kann, dass der Verteilungstransformator weggelassen werden kann, d.h. einer Anlage, in welcher die Elektrogeneratoren für wesentlich höhere Spannungen als herkömmliche Maschinen der entsprechenden Art bestimmt sind, um eine direkte Verbindung mit Leistungsnetzen bei allen Arten von Hochspannungen ausführen zu können, welche insbesondere die 20 kV, die heutzutage als eine obere Grenze gelten, überschreiten. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Elektrogenerator bereitzustellen, der für Salz, Feuchtigkeit oder Temperaturschwankungen nicht empfindlich ist, wie es zurzeit bekannte Hochspannungswicklungen sind. Eine dritte Aufgabe der Erfindung ist es, eine drehzahlveränderliche Alternative für die resultierende Hochspannung bereitzustellen, wenn der Verteilungstransformator beseitigt wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Windkraftanlage gemäß dem nachfolgenden Patentanspruch 1 bereitgestellt.
Durch die Verwendung einer festen Isolierung zusammen mit anderen definierten Merkmalen kann das Netz selbst bei Netzspannungen von erheblich mehr als 20 kV ohne die Verwendung eines Aufwärtszwischentransformators versorgt werden. Außerdem ist diese Isolierung völlig unempfindlich für Salz, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen. Die Beseitigung des Transformators bringt große Einsparungen mit sich und führt auch zu mehreren anderen Vereinfachungen und Einsparungen.
Windkraftanlagen werden oft in landwirtschaftlichen Gebieten und in der Nähe von besiedelten Gebieten angeordnet. In einer herkömmlichen Windkraftanlage muss der Transformator gegen die Verursachung von Risiken durch Explosionsgefahr oder Ölaustritt geschützt werden. Es kann sein, dass eine Transformatorstation aus Beton am Fundament jeder Windturbineneinheit gebaut werden muss. Bei zukünftigen Offshore-Standorten wäre es schwierig und kostspielig, den Transformator instand zu setzen und instand zu halten. Wenn daher der Transformator beseitigt wird, wird auch das Transformatorgehäuse beseitigt, und es ist außerdem möglich, dünnere Kabel zum Generator zu verwenden. Außerdem werden der Blindleistungsverbrauch und die elektrischen Verluste des Transformators beseitigt. Die Entfernung des Transformators beseitigt auch einen Satz von Unterbrechereinheiten, die früher zwischen dem Transformator und dem Generator nötig waren.
Die Anlage gemäß der Erfindung ermöglicht es auch, mehrere Verbindungen mit verschiedenen Spannungspegeln aufzubauen, d.h. die Erfindung kann für die gesamte Hilfsleistung im Kraftwerk verwendet werden. Eine andere Möglichkeit, jeder Windturbine Hilfsleistung zuzuführen, ist, über ein billiges Niederspannungsnetz parallel zum Verteilungsnetz zu verfügen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Elektrogenerator gemäß dem nachfolgenden Patentanspruch 25 bereitgestellt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Anlage beziehungsweise des Generators weist das feste Isolierungssystem wenigstens zwei beabstandete Schichten, z.B. halbleitende Schichten, wobei die Schichten im Wesentlichen eine Äquipotenzialfläche bilden, und eine feste Zwischenisolierung dazwischen auf, wobei wenigstens eine der Schichten im Wesentlichen denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die feste Isolierung aufweist.
Diese Ausführungsform stellt eine zweckdienliche Ausführungsform der festen Isolierung dar, welche es auf eine optimale Art und Weise ermöglicht, die Wicklungen direkt mit dem Hochspannungsnetz zu verbinden, und bei welcher die Harmonisierung der Wärmeausdehnungskoeffizienten die Gefahr von Defekten, Rissen oder dergleichen bei Wärmebewegung in der Wicklung ausschaltet.
Es sollte klar sein, dass die Wicklungen und die Isolierschichten biegsam sind, so dass sie gebogen werden können. Es ist auch zu erwähnen, dass die Anlage gemäß der Erfindung entweder unter Verwendung von horizontalen oder vertikalen Generatoren konstruiert werden kann.
Die zuvor erwähnte und andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Ein wichtiger und wesentlicher Unterschied zwischen der bekannten Technologie und der Ausführungsform gemäß der Erfindung liegt darin, dass ein Elektrogenerator mit einem Magnetkreis derart ausgelegt wird, dass er nur über Unterbrecher und Isolatoren direkt mit einer hohen Versorgungsspannung – normalerweise im Bereich von zwischen 2 und 50 kV und vorzugsweise über 10 kV – verbunden wird. Der Magnetkreis umfasst einen Schichtkern mit wenigstens einer Wicklung, bestehend aus einem eingezogenen Kabel mit einem oder mehr permanent isolierten Leitern, das sowohl am Leiter als auch außerhalb der Isolierung eine halbleitende Schicht aufweist, wobei die halbleitende Außenschicht an Erdpotenzial angeschlossen wird.
Um die Probleme zu lösen, welche bei der direkten Verbindung von Elektromaschinen mit allen Arten von Hochspannungsleistungsnetzen entstehen, weist der Generator in der Anlage gemäß der Erfindung etliche Merkmale auf, wie bereits erwähnt, welche sich von der bekannten Technologie deutlich unterscheiden. Zusätzliche Merkmale und weitere Ausführungsformen werden in den abhängigen Patentansprüchen definiert und im Folgenden erörtert.
Diese zuvor erwähnten Merkmale und andere wesentliche Eigenschaften des Generators und infolgedessen der Windkraftanlage gemäß der Erfindung umfassen Folgende:

– Die Wicklung des Magnetkreises wird aus einem Kabel mit einem oder mehr permanent isolierten Leitern mit einer halbleitenden Schicht sowohl am Leiter als auch am Mantel hergestellt. Einige typische Leiter dieser Art sind ein XLPE-Kabel oder ein Kabel mit einer EP-Gummiisolierung, welche jedoch für den vorliegenden Zweck sowohl hinsichtlich der Stränge im Leiter als auch der Beschaffenheit des äußeren Mantels weiter entwickelt werden.
– Kabel mit kreisförmigem Querschnitt werden zwar bevorzugt, aber es können auch Kabel mit irgendeinem anderen Querschnitt verwendet werden, um zum Beispiel eine bessere Packungsdichte zu erlangen.
– Solch ein Kabel ermöglicht es, den Schichtkern hinsichtlich der Schlitze und Zähne auf eine neue und optimale Art und Weise gemäß der Erfindung zu konstruieren.
– Die Wicklung wird zur besten Nutzung des Schichtkerns vorzugsweise mit einer Isolierung in Stufen hergestellt.
– Die Wicklung wird vorzugsweise als eine mehrlagige, konzentrische Kabelwicklung hergestellt, wodurch die Anzahl von Spulenkopfkreuzungen verringert werden kann.
– Die Schlitzkonstruktion wird dem Querschnitt des Wicklungskabels derart angepasst, dass die Schlitze die Form einer Anzahl von zylindrischen Öffnungen aufweisen, axial und/oder radial außerhalb voneinander verlaufen und eine offene Einschnürung aufweisen, welche zwischen den Schichten der Statorwicklung verläuft.
– Die Konstruktion der Schlitze wird an den entsprechenden Kabelquerschnitt und an die abgestufte Isolierung der Wicklung angepasst. Die abgestufte Isolierung erlaubt es, dass der Schichtkern ungeachtet der radialen Ausdehnung eine im Wesentlichen konstante Zahnbreite aufweist.
– Die zuvor erwähnte Weiterentwicklung hinsichtlich der Stränge bringt es mit sich, dass die Wicklungsleiter aus einer Anzahl von zusammengepressten, unisolierten und/oder voneinander isolierten Schichten/Lagen, d.h. isolierten Strängen, welche vom Gesichtspunkt einer Elektromaschine nicht unbedingt korrekt verdrillt sind, bestehen.
– Die zuvor erwähnte Weiterentwicklung hinsichtlich des äußeren Mantels bringt es mit sich, dass der äußere Mantel an geeigneten Punkten entlang der Länge des Leiters abgeschnitten wird, wobei jede abgeschnittene Teillänge direkt an Erdpotenzial angeschlossen wird.

Die Verwendung eines Kabels der zuvor beschriebenen Art ermöglicht es, die gesamte Länge des äußeren Mantels, sowie andere Teile der Anlage an Erdpotenzial zu halten. Ein wichtiger Vorteil liegt darin, dass das elektrische Feld innerhalb der Spulenkopfregion außerhalb der halbleitenden Außenschicht nahe bei Null ist. Mit Erdpotenzial auf dem äußeren Mantel braucht das elektrische Feld nicht geregelt zu werden. Dies bedeutet, dass weder im Kern noch in den Spulenkopfregionen noch im Übergang zwischen ihnen Feldkonzentrationen auftreten.
Die Mischung von isolierten und/oder unisolierten zusammengepressten Strängen oder verdrillten Strängen führt zu geringen Streuverlusten. Das Kabel für Hochspannung, das in der Magnetkreiswicklung verwendet wird, ist aus einem inneren Kern/Leiter mit einer Mehrzahl von Strängen und wenigstens zwei halbleitenden Schichten aufgebaut, wobei die innerste von einer Isolierschicht umgeben ist, welche ihrerseits von einer äußeren halbleitenden Schicht umgeben ist, und weist einen Außendurchmesser in der Größenordnung von 10 bis 40 mm und eine Leiterfläche in der Größenordnung von 10 bis 200 mm² auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter besonderer Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen lediglich zu Veranschaulichungszwecken ausführlicher beschrieben, wobei
1 eine schematische axiale Endansicht eines Sektors des Stators eines Elektrogenerators einer Windkraftanlage gemäß der Erfindung ist,
2 eine teilweise abgestreifte Endansicht eines Kabels ist, das in der Wicklung des Stators gemäß 1 verwendet wird,
3 eine vereinfachte Ansicht teilweise im Schnitt einer Windkraftgeneratoranordnung gemäß der Erfindung ist und
4 ein Schaltbild für die Windkraftanlage gemäß der Erfindung ist.
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 stellt einen Teil eines Stators 1 und eines Rotors 2 eines Generators 100 (siehe 3) einer Windkraftanlage gemäß der Erfindung dar. Der Stator 1 weist auf herkömmliche Weise einen Schichtkern auf. 1 stellt einen Sektor des Generators dar, der einer Polteilung entspricht. Von einem Jochteil 3 des Kerns, das sich radial ganz außen befindet, erstrecken sich etliche Zähne 4 radial zum Rotor 2 hinein und sind durch Schlitze 5 getrennt, in welchen die Statorwicklung angeordnet ist. Die Kabel 6, welche diese Statorwicklung bilden, sind Hochspannungskabel, welche im Wesentlichen von derselben Art sein können wie jene, die zur Leistungsverteilung verwendet werden, d.h. Kabel aus vernetztem Polyethylen oder XLPE (für engl. crosslinked polyethylene). Ein Unterschied liegt darin, dass die mechanisch schützende PVC-Außenschicht und der Metallschirm, welche normalerweise solche Leistungsverteilungskabel umgeben, beseitigt sind, so dass das Kabel für die vorliegende Anwendung nur den Leiter, eine Isolierschicht und wenigstens eine halbleitende Schicht auf jeder Seite der Isolierschicht aufweist. Die Kabel 6 sind in 1 schematisch veranschaulicht, wobei nur der leitende Mittelteil jedes Kabelteils oder jeder Spulenseite dargestellt ist. Wie zu sehen ist, weist jeder Schlitz 5 einen veränderlichen Querschnitt mit abwechselnden breiten Teilen 7 und schmalen Teilen 8 auf. Die breiten Teile 7 sind im Wesentlichen kreisförmig und umgeben die Verkabelung, wobei die Einschnürungsteile zwischen diesen die schmalen Teile 8 bilden. Die Einschnürungsteile dienen dazu, die Position jedes Kabels radial zu fixieren. Der Querschnitt des Schlitzes 5 wird radial nach innen ebenfalls schmaler. Dies ist so, da die Spannung an den Kabelteilen umso niedriger ist, je näher sie zum radial inneren Teil des Stators 1 angeordnet sind. Hier kann daher eine dünnere Verkabelung verwendet werden, wohingegen radial weiter außen eine breitere Verkabelung notwendig ist. In dem veranschaulichten Beispiel werden Kabel dreier verschiedener Abmessungen verwendet, die in drei entsprechend bemessenen Sektionen 51, 52 und 53 der Schlitze 5 angeordnet sind. Eine Hilfsleistungswicklung 119 ist ganz außen im Schlitz 5 angeordnet.
2 stellt eine stufenweise abgestreifte Endansicht eines Hochspannungskabels zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung dar. Das Hochspannungskabel 6 weist einen oder mehr Leiter 31 auf, welche jeweils eine Anzahl von Strängen 36, z.B. aus Kupfer, umfassen, welche zusammen ein zentrales Leitmittel mit einem im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt bilden. Diese Leiter 31 sind in der Mitte des Hochspannungskabels 6 angeordnet und in der dargestellten Ausführungsform jeweils von einer Teilisolierung 35 umgeben. Es ist jedoch möglich, die Teilisolierung 35 auf einem der Leiter 31 wegzulassen. In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sind die Leiter 31 zusammen von einer ersten halbleitenden Schicht 32 umgeben. Um diese erste halbleitende Schicht 32 herum ist eine feste Isolierschicht 33, z.B. eine XLPE-Isolierung, welche ihrerseits von einer zweiten halbleitenden Schicht 34 umgeben ist. Demnach braucht das Konzept „Hoch spannungskabel" in dieser Anwendung keinerlei Metallschirm oder PVC-Außenschicht von der Art aufzuweisen, die normalerweise solch ein Kabel zur Leistungsverteilung umgibt.
Eine Windkraftanlage mit einem Magnetkreis der zuvor beschriebenen Art ist in 3 dargestellt, wobei der Generator 100 durch eine Windturbine 102 über eine Welle 101 und ein Getriebe 114 angetrieben wird. Der Stator 1 des Generators 100 trägt Statorwicklungen 10, welche aus dem zuvor beschriebenen Kabel 6 aufgebaut sind. Das Kabel 6 ist ungeschirmt und wechselt an der Kabelspleißung 9 zu einem geschirmten Kabel 11.
4 veranschaulicht eine Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Generator weist auf herkömmliche Weise eine Erregerwicklung 112 und eine (oder mehr) Hilfsleistungswicklung(en) 113 auf. In der veranschaulichten Ausführungsform der Anlage gemäß der Erfindung ist der Generator 100 sterngeschaltet, und der Neutralleiter ist über eine Impedanz 103 geerdet. Aus 4 ist auch zu entnehmen, dass der Generator 100 über die Kabelspleißung 9 mit dem geschirmten Kabel 11 elektrisch verbunden ist (siehe auch 3). In manchen Fällen wäre es möglich, die Kabelspleißung wegzulassen und zu erlauben, dass sich das Generatorkabel den Turm der Windturbine nach unten erstreckt. Das Kabel 11 ist auf herkömmliche Weise mit Stromtransformatoren 104 versehen und endet bei 105. Nach diesem Punkt 105 geht die elektrische Anlage in der dargestellten Ausführungsform mit Sammelschienen 106 weiter, welche Verzweigungen mit Spannungstransformatoren 107 und Überspannungsableitern 108 aufweisen. Die elektrische Hauptversorgung erfolgt jedoch über die Sammelschienen 106 über den Isolator 109 und den Unterbrecher 111 direkt zum Verteilungs- oder Übertragungsnetz 110.
Obwohl der Generator und die Anlage, in welcher dieser Generator enthalten ist, in Verbindung mit einer Ausführungsform als Beispiel beschrieben und veranschaulicht wurden, sollte für einen Fachmann ersichtlich sein, dass mehrere Modifikationen möglich sind, ohne sich vom erfinderischen Konzept zu entfernen. Das Getriebe kann weggelassen werden, wenn ein Generator mit niedriger Drehzahl verwendet wird. Der Generator kann ohne jegliche Impedanz direkt geerdet werden. Die Hilfswicklungen können, ebenso wie auch andere dargestellte Komponenten, weggelassen werden. Obwohl die Erfindung anhand einer Dreiphasenanlage erläutert wurde, kann die Phasenanzahl höher oder niedriger sein. Der Generator kann über einen Frequenzwandler, der einen Gleichrichter, einen Gleichstromzwischenkreis und einen Wechselrichter enthält, an ein Verbundnetz angeschlossen werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen drehzahlveränderlichen Systemen müssten die Ventile des Gleichrichters und des Wechselrichters auf Grund der hohen Spannung wahrscheinlich hintereinander geschaltet werden.
Obwohl bevorzugt wird, dass das elektrische Isoliersystem für die Wicklung in Position extrudiert werden sollte, ist es möglich, ein elektrisches Isoliersystem aus eng gewickelten, sich überlappenden Schichten aus folien- oder blattähnlichem Material herzustellen. Sowohl die halbleitenden Schichten als auch die elektrisch isolierende Schicht können auf diese Weise gebildet werden. Ein Isoliersystem kann aus einer vollsynthetischen Folie mit halbleitenden Innen- und Außenschichten hergestellt werden, oder es können Abschnitte aus dünner Polymerfolie, zum Beispiel aus PP, PET, LDPE oder HDPE, mit eingebetteten leitenden Partikeln, wie beispielsweise Ruß oder Metallpartikeln, und mit einer Isolierschicht oder einem Isolierabschnitt zwischen den halbleitenden Schichten oder Abschnitten hergestellt werden.
Für das Überlappungskonzept weist eine ausreichend dünne Folie Stoßspalte auf, die kleiner als die so genannten Paschen-Minima sind, wodurch eine flüssige Imprägnierung unnötig gemacht wird. Eine trockene, gewickelte, dünne Mehrschichtfolienisolierung weist auch gute Wärmeeigenschaften auf.
Ein anderes Beispiel für ein elektrisches Isoliersystem ist ähnlich einem herkömmlichen cellulosebasierten Kabel, wobei ein dünnes cellulosebasiertes oder Kunststoffpapier oder Vliesstoffmaterial um einen Leiter schleifengewickelt wird. In diesem Fall können die halbleitenden Schichten auf jeder Seite einer Isolierschicht aus Cellulosepapier oder Vliesstoffmaterial hergestellt werden, das aus Fasern von Isoliermaterial und mit eingebetteten leitenden Partikeln hergestellt ist. Die Isolierschicht kann aus demselben Grundmaterial hergestellt werden, oder es kann ein anderes material verwendet werden.
Ein anderes Beispiel für ein Isoliersystem wird durch Kombinieren einer Folie mit einem faserigen Isoliermaterial, entweder als ein Laminat oder mischüberlappt, erhalten. Ein Beispiel für dieses Isoliersystem ist das im Handel erhältliche so genannte Papierpolypropylenlaminat, PPLP, aber es sind auch mehrere andere Kombinationen von Folien- und Faserteilen möglich. In diesen Systemen können verschiedene Imprägnierungen, wie beispielsweise Mineralöl, verwendet werden.
In dieser Spezifikation bezieht sich „halbleitendes Material" auf eine Substanz, welche eine wesentlich geringere Leitfähigkeit als ein elektrischer Leiter besitzt, welche aber keine so geringe Leitfähigkeit besitzt, dass es ein elektrischer Isolator wäre. Geeigneter-, aber nicht notwendigerweise weist das halbleitende Material einen spezifischen Widerstand von 1 bis 10⁵ Ohm·cm, vorzugsweise 10 bis 500 Ohm·cm und insbesondere von 10 bis 100 Ohm·cm, normalerweise 20 Ohm·cm auf.

Claims

Windkraftanlage, umfassend wenigstens einen rotierenden Generator, der über Wellenmittel (101) mit einer Turbine (102) verbunden ist und einen Stator (3) mit wenigstens einer Wicklung und einen Rotor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Statorwicklung ein Kabel (6) umfasst, das für Hochspannung bestimmt ist und Strom führende Leitermittel (31) und feste Isoliermittel (32–34), welche die Strom führenden Leitermittel umgeben, umfasst, dadurch, dass das oder jedes feste Isoliermittel zwei beabstandete halbleitende Schichten (32, 34) und eine isolierende Zwischenschicht (33) zwischen den halbleitenden Schichten umfasst, und dadurch, dass die oder jede Statorwicklung so ausgelegt ist, dass sie über Koppelelemente (109) direkt mit einem Übertragungs- oder Verteilungsnetz (110) mit einer Spannung von zwischen 2 und 50 kV, vorzugsweise über 10 kV, verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Zwischenschicht im Wesentlichen denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie wenigstens eine der halbleitenden Schichten aufweist.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innerste halbleitende Schicht (32) im Wesentlichen auf demselben Potenzial wie die Leitermittel (31) ist.
Anlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere halbleitende Schicht (34) so ausgelegt ist, dass sie im Wesentlichen eine Äquipotenzialfläche bildet, welche die Leitermittel (31) umgibt.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere halbleitende Schicht (34) an ein vordefiniertes Potenzial angeschlossen ist.
Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das vordefinierte Potenzial Erdpotenzial ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strom führende Leitermittel eine Mehrzahl von elektrisch isolierten Strängen und wenigstens einen unisolierten Strang umfasst.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) mit einer kurzgeschlossenen Wicklung ausgestattet ist, was einen Generator der Induktionsart ergibt.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) mit einer Feldwicklung ausgestattet ist, in welcher Gleichstrom fließt, was einen Generator der synchronen Art ergibt.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Kabel (6) eine Leiterfläche von zwischen 10 und 200 mm² aufweist und einen Kabelaußendurchmesser von zwischen 10 und 40 mm aufweist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (100) für Hochspannung bestimmt und so ausgelegt ist, dass er das abgehende elektrische Netz (110) ohne jegliche Zwischenverbindung eines Transformators direkt speist.
Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (100) über eine Impedanz (103) geerdet ist.
Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (100) direkt geerdet ist.
Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator so ausgelegt ist, dass er Leistung zu verschiedenen Spannungspegeln erzeugt.
Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Spannungspegel so ausgelegt ist, dass er eine Hilfsleistung erzeugt, und dass die Hilfsleistung so ausgelegt ist, dass sie von einer getrennten Wicklung (119; 113) im Generator (100) erzeugt wird.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Generatoren umfasst, von welchen keiner einen individuellen Aufwärtstransformator hat, aber jeder über einen Systemtransformator, der allen Generatoren gemeinsam ist, mit dem Übertragungs- oder Verteilungsnetz verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung des oder jedes Generators für selbstregelnde Feldregelung ausgelegt ist und keine Hilfsmittel zur Regelung des Feldes hat.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen des oder jedes Generators für polumschaltbaren Betrieb unter Verwendung von verschiedenen Polzahlen, z.B. Dahlander-Kopplung, angeschlossen werden können.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Windturbine mit zwei oder mehr Generatoren mit verschiedenen Polzahlen ausgestattet ist, so dass ein polumschaltbarer Betrieb möglich ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Generator an einen Frequenzwandler, welcher einen Gleichrichter, einen Gleichstromzwischenkreis und einen Wechselrichter umfasst, angeschlossen ist.
Anlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wechselrichter und in dem Gleichrichter hintereinander geschaltete Ventile verwendet werden.
Anlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter mit einem stromstarren DC-Gleichstromzwischenkreis netzkommutiert wird.
Anlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter selbstkommutiert wird und hintereinander geschaltete IGBTs umfasst.
Elektrogenerator (100), der in einer Windkraftanlage enthalten ist, in welcher der Generator über Wellenmittel (101) mit einer Turbine (102) verbunden ist, wobei der Generator (100) einen Stator mit wenigstens einer Statorwicklung und einen Rotor umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Statorwicklung ein Kabel (6) umfasst, das für Hochspannung bestimmt ist und Strom führende Leitermittel (31) und feste Isoliermittel (32–34), welche die Strom führenden Leitermittel umgeben, umfasst, dadurch, dass das oder jedes feste Isoliermittel zwei beabstandete halbleitende Schichten (32, 34) und eine isolierende Zwischenschicht (33) zwischen den halbleitenden Schichten umfasst, und dadurch, dass die oder jede Statorwicklung so ausgelegt ist, dass sie über Koppelelemente (109) direkt mit einem Übertragungs- oder Verteilungsnetz (110) mit einer Spannung von zwischen 2 und 50 kV, vorzugsweise über 10 kV, verbunden ist.
Generator nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass er die Merkmale umfasst, die für den Generator definiert sind, der in der Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 24 enthalten ist.