| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2221165
спеціальні станції
Ім'я винахідника: ЛЕЙЁН Матс (SE); КЮЛАНДЕР Гуннар (SE)
Ім'я патентовласника: АББ АБ (SE)
Адреса для листування: 193036, Санкт-Петербург, а / я 24, НЕВІНПАТ, пат.пов. А.В.Полікарпову
Дата початку дії патенту: 1999.05.28
Винахід відноситься до вітроенергетики, а саме до вітроелектричних станцій. Технічний результат, що полягає в створенні простими і дешевими засобами системи зі змінною частотою обертання, що забезпечує хорошу передачу енергії від установок в наземну мережу і досягнення високої напруги передачі по постійному струму, забезпечується за рахунок того, що вітроелектрична станція включає щонайменше одну вітроелектричних установку, яка містить вітротурбіну, електричний генератор, що приводиться в рух цієї вітротурбін, і випрямляч, і електричну сполучну лінію постійної напруги між випрямлячем, встановленим в вітроелектричної установці, і інвертором, який з боку змінного струму з'єднаний з магістральної або розподільною мережею і встановлений в станції з боку мережі. Сполучна лінія постійної напруги включає підводний кабель або подібну йому лінію передачі. Станція містить перетворювач постійного струму, який з боку низької напруги з'єднаний з випрямлячем, а з боку високої напруги - з інвертором. Перетворювач підключений до підводного кабелю з боку вітроелектричної установки. Переважно, щоб до низьковольтної стороні перетворювача постійного струму були паралельно підключені декілька вітроелектричних установок.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до вітроелектричної станції, що включає щонайменше одну вітроелектричних установку, яка містить вітротурбіну, електричний генератор, що приводиться в дію цієї вітротурбін, і випрямляч, і сполучну лінію постійної напруги між випрямлячем, встановленим в вітроелектричної установці, і інвертором, який з боку змінного струму пов'язаний з магістральної або розподільною мережею і встановлений в станції з боку мережі.
Винахід призначений головним чином для використання в таких ситуаціях, коли з'єднання між генератором і магістральної або розподільною мережею включає кабель, призначений для занурення в воду. Отже, винахід відноситься перш за все до таких застосувань, в яких одна або кілька вітротурбін з відповідними генераторами призначені для розміщення в море або на озері, а кабельне з'єднання йде до магістральної або розподільчої мережі, розташованої на суші. Хоча переваги винаходу насамперед проявляються при його використанні разом з вітротурбінами, встановленими в море або на озері, проте винахід дає виграш і при його використанні в ситуаціях, коли вітротурбіни і генератори розташовані на суші, а сполучна лінія, яка в цьому випадку не обов'язково є кабель, але може бути виконана у вигляді повітряних ліній або кабелів, пов'язує з розподільною або магістральною мережею кілька таких вітротурбін / генераторів.
При установці вітроелектричних станцій в море для здешевлення проекту необхідно мати у своєму розпорядженні великі групи вітроелектричних установок в межах обмеженій площі. Для морської вітроенергетики потрібні відносно великі вітроелектричні установки (3 МВт і більше) при повній потужності системи 50-100 МВт. До теперішнього часу проектування таких вітроенергетичних систем виходить з припущення, що передача виробленої електроенергії здійснюється традиційно на змінному струмі з використанням трифазних кабельних систем, прокладених в море. У цьому випадку генератор майже завжди є трифазний асинхронний генератор. Слід зазначити, що є приклади використання синхронних генераторів, безпосередньо пов'язаних з мережею, але при цьому, як правило, між генератором і корпусом двигуна доводиться встановлювати складну механічну пружинну підвіску для згладжування коливань потужності, зумовлених зміною сили вітру. Це є наслідком того факту, що динамічно ротор синхронного генератора поводиться як пружина, "стиснута" жорсткої мережею змінного струму, в той час як асинхронний генератор поводиться подібно демпфера. Звичайний асинхронний генератор потужністю 3 МВт може бути розрахований на напругу приблизно 3-6 кВ і з'єднаний з трансформатором, який на першому етапі підвищує напругу, наприклад, до 24 кВ. У вітроенергетичної системі з парком з 30-40 вітроелектричних станцій є центральний трансформатор, який додатково підвищує напругу до 130 кВ. Перевага такої системи полягає в тому, що вона є дешевою і не вимагає ніяких складних підсистем. Її недолік, зокрема, полягає в технічних труднощах передачі енергії на великі відстані по високовольтному кабелю змінної напруги. Це обумовлено тим фактом, що кабель вносить емкостную реактивну потужність, яка збільшується зі збільшенням його довжини. При цьому струм через провідник і в екранній оболонці кабелю зростає настільки, що неможливо створити кабель, розрахований на великі відстані. Інший недолік полягає в тому, що зміна сили вітру викликає зміна напруги в лінії електропередачі, яка може зачіпати найближчих споживачів електроенергії. Це особливо актуально для "слабких" мереж, тобто тих хто має низьку потужність короткого замикання. Через вищезазначені технічних проблем, пов'язаних з передачею електроенергії по кабелю на великі відстані, доводиться підключати парк вітроелектричних станцій до "слабкої" мережі. Згідно деяким основним принципам зміни напруги не можуть перевищувати 4%. Різні країни мають різні регламентують інструкції і, як правило, обмеження не такі суворі для більш низьких напруг в лініях електропередачі. Крім того, обмеження на зміни напруги можуть бути різними в залежності від їх тривалості. Швидкі зміни напруги викликають "мерехтіння", тобто зміна яскравості ламп розжарювання, що регламентується відповідними положеннями.
Одне з рішень вищезгаданої проблеми, що стосується довгих кабелів, полягає в передачі електроенергії за допомогою постійного струму при високій напрузі. Тоді кабель можна простягнути безпосередньо до потужної мережі. Інша перевага цього рішення полягає в тому, що передача на постійному струмі характеризується меншими втратами, ніж передача на змінному струмі. При цьому з технічної точки зору довжина кабелю не обмежена. Високовольтна вставка постійного струму включає випрямляє станцію, лінію електропередачі (кабель або повітряну лінію), інверторну станцію і фільтри для усунення вищих гармонік, що виникають в результаті перетворення. Раніше в високовольтних вставках постійного струму для випрямлення і зворотного перетворення використовувалися тиристори, які можна включити, але не можна виключити, комутація при цьому здійснюється при проходженні змінного напруги через нуль і тому такі перетворювачі називаються комутованими мережею. Недоліком такого технічного рішення є те, що ці перетворювачі споживають реактивну потужність і вносять в мережу вищі гармоніки. У більш сучасному вирішенні в перетворювачах замість тиристорів використовуються так звані біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT). Біполярний транзистор з ізольованим затвором можна як включати, так і вимикати; крім того, він характеризується високою частотою перемикання. Це означає, що перетворювачі можна виконати на основі зовсім іншого принципу і створити так звані самокоммутірующіеся перетворювачі. В цілому переваги самокоммутірующіхся перетворювачів полягають у тому, що останні можуть як вносити, так і відбирати реактивну потужність, що дозволяє активно компенсувати коливання рівня напруги з боку слабкої мережі. Отже, такі перетворювачі мають перевагу перед колишніми перетворювачами, оскільки нові перетворювачі можна приєднувати до мережі, розташованої ближче до вітроенергетичної станції. Завдяки високій частоті перемикання знімається проблема, пов'язана з вищими гармоніками, що мала місце в колишніх високовольтних вставках постійного струму. Однак є недоліки, які полягають у тому, що втрати в перетворювальної станції зростають, так само як і її вартість. Самокоммутірующійся перетворювач характеризується тим, що напруга утворюється з швидкою імпульсної послідовності, яка генерується перетворювачем. Різниця між напругою в формі імпульсів і синусоїдальною напругою мережі буде падати на індуктивностях з боку мережі. Існують два типи самокоммутірующіхся інверторів: жорсткі по напрузі (інвертор - джерело напруги) і жорсткі по току (інвертор - джерело струму) з дещо різними характеристиками. Найкращим для регулювання потужності є інвертор - джерело напруги, в якому з боку постійного струму включений щонайменше один конденсатор.
Були побудовані експериментальні вітроелектричні установки з використанням концепції, аналогічної високовольтної вставці постійного струму, але з абсолютно іншою метою, а саме для забезпечення змінної частоти обертання окремих вітроелектричних установок. У цьому випадку генератор вітроелектричної установки від'єднується від мережі за допомогою вставки постійного струму при низькій напрузі, зазвичай 400 або 660 В. Мінлива частота обертання турбіни дає енергетичний виграш і в той же час зміна частоти обертання можна, як правило, використовувати для усунення швидких пульсацій потужності, викликають "мерехтіння". Однак, звичайно ж, неможливо усунути повільні зміни потужності, які притаманні вітряним двигунів. Можна відзначити, що момент інерції турбіни виконує роль проміжного накопичувача кінетичної енергії. У такій системі використання синхронного генератора не є недоліком, а скоріше дає виграш, оскільки для асинхронного генератора необхідний більш дорогий і складний випрямляч. Якщо бажано мати генератор з безпосереднім приводом і, отже, усунути потребу в зубчастої передачі між турбіною і генератором, генератор повинен бути синхронним, оскільки в ньому може бути багато полюсів. Іншими словами, генератор з безпосереднім приводом вимагає використання вставки постійного струму. При цьому, якщо використовується керований випрямляч, можна і активно регулювати момент, змінюючи кут запуску. У більшості пристроїв, що використовують змінну частоту обертання, зовнішнє активне управління частотою обертання забезпечується, крім того, так званим управлінням кроком, що має на увазі зміна кута лопатки турбіни. У даній концепції недоліком використання змінної частоти обертання є висока вартість елементів силової електроніки і, крім того, обслуговування такої електронної системи в море є складним і дорогим.
У заявці WO 97/45908 було запропоновано технічне рішення, що поєднує хороші характеристики системи зі змінною частотою обертання з перевагами високовольтного з'єднання по постійному струму, що використовувався в колишніх пристроях. Шляхом паралельного з'єднання вітроелектричних установок уже в проміжній вставці постійного струму (див. Фіг.3 зазначеного документа) усуваються N низьковольтних інверторів і один високовольтний випрямляч. Згідно з цією пропозицією слід використовувати випрямляч з дроселем з боку вітротурбіни, а центральний інвертор з відповідним дроселем слід використовувати з боку мережі. Така система перш за все призначена для випрямлячів і інверторів, комутованих мережею, або у всякому разі жорстких по току, оскільки наявність дроселів у вставці постійного струму стабілізує струм. Це є перевагою, оскільки при цьому постійна напруга після випрямляча може змінюватися в широких межах. Це необхідно в разі роботи зі змінною частотою обертання, так як генератор в вітроелектричної установки при низьких частотах обертання може видавати лише низька вихідна напруга. Однак недолік жорсткого по току інвертора полягає в тому, що він не може регулювати подачу реактивної потужності в мережу так само ефективно, як інвертор, жорсткий по напрузі. Крім того, виявляється, що в вітроелектричних установках інвертор повинен бути включений послідовно з паралельно з'єднаними випрямлячами. Це означає, що вихідний струм парку вітроелектричних установок дорівнює постійному струму, що надходить на вхід інвертора, розташованого на суші. Крім того, передбачається, що напруга дорівнює 6-10 кВ, тобто типовому напрузі звичайних генераторів. Це означає, що постійна напруга дорівнюватиме приблизно 12 кВ, що є занадто низьким для передачі повної потужності 50 МВт. Втрати в кабелі будуть дуже великі. Для парку вітроелектричних установок потужністю 50-100 МВт необхідно передавати потужність на рівні напруг близько 100 кВ. Зрозуміло, що це можна зробити з використанням трансформатора, сполученого з кожним генератором, і з використанням послідовного з'єднання відповідного числа вентилів у всіх випрямлячах. Однак, якби виявилося можливим уникнути використання трансформатора в вітроелектричної установці, це було б великою перевагою. Крім того, послідовне включення безлічі вентилів, необхідного для випрямлення N вихідних напруг від N вітроелектричних установок при постійній напрузі 100 кВ, пов'язане зі значними труднощами.
Мета винаходу полягає в створенні більш простими і дешевими засобами системи зі змінною частотою обертання, яка забезпечує таку ж хорошу передачу енергії від парку вітроелектричних установок морського базування в наземну мережу, яка забезпечується сучасною системою з високовольтної вставкою постійного струму, з можливістю усунення трансформаторів і керованої силовий електроніки в вітроелектричних установках. Це особливо важливо, оскільки будь-яке обслуговування в море є дорогим і складним в здійсненні. Додаткова мета винаходу полягає в досягненні такої високої напруги передачі по постійному струму, щоб навіть для парку вітроелектричних установок великої потужності, наприклад 50-100 МВт, втрати при передачі були низькими.
Мета винаходу досягається насамперед за допомогою ознак, зазначених у відмітної частини п. 1 формули винаходу. Проблема, характерна для існуючого рівня техніки, тобто низьке значення постійної напруги, вирішується шляхом розміщення в море перетворювача постійного струму, причому з низьковольтної боку він пов'язаний з випрямлячем, а з високовольтної боку - з інвертором. Такий перетворювач постійного струму діє як трансформатор, але для постійного струму; він підсилює постійна напруга щодо n: 1 раз і зменшує постійний струм в співвідношенні 1: n, де n - коефіцієнт перетворення. Це означає, що інвертор і випрямляч більше не з'єднані послідовно.
Згідно з переважним варіантом виконання винаходу випрямляч виконаний як пасивний діодний випрямляч, послідовно з'єднаний з місцевим підвищує перетворювачем постійної напруги. Такий випрямляч є більш простою системою, ніж випрямляч з мережевою комутацією, і краще працює при високій напрузі. Місцевий підвищує перетворювач постійної напруги переважно складається з дроселя, послідовно сполученого вентиля на біполярних транзисторах з ізольованим затвором і послідовно з'єднаного діода. Такий же може бути і базова конструкція перетворювача постійного струму.
Крім того, бажано, щоб інвертор був самокоммутірующуюся систему, жорстку по напрузі, характеристики якої перевершують систему з мережевою комутацією з точки зору регулювання потужності. В одному з варіантів виконання винаходу така система відрізняється тим, що у вставці постійного струму паралельно инвертору встановлений щонайменше один конденсатор, а індуктивності включені послідовно в кожній фазі з боку мережі. У кращому варіанті виконання винаходу вентилі виконані з послідовно з'єднаних біполярних транзисторів з ізольованим затвором.
Сучасний рівень технології створення генераторів для вітроелектричних установок дозволяє створити генератор, який здатний виробляти напругу 10 кВ, але бажані вищі напруги. Крім того, звичайна ізоляція для обмоток статора чутлива до коливань температури, вологості і солоності середовища, в якій знаходиться генератор вітротурбіни.
Відповідно до одного з особливо кращих варіантів виконання винаходу щонайменше в одній обмотці генератора використовується тверда ізоляція, яка переважно виконана відповідно до п.14 формули винаходу. Більш конкретно, обмотка виконана як високовольтний кабель. Генератор, виконаний таким способом, здатний виробляти більш високу напругу, ніж звичайні генератори, до 400 кВ. Крім того, така система ізоляції обмотки забезпечує нечутливість до коливань солоності, вологості і температури. Завдяки високому вихідній напрузі трансформатори можна повністю виключити, що усуває вищезазначені недоліки, такі як зростання витрат, зниження ефективності, небезпека пожежі та небезпеку забруднення навколишнього середовища. Останнє є наслідком того. що звичайні трансформатори містять масло.
Генератор, що має обмотку з такого кабелю, можна виготовити, укладаючи кабель в пази, виконані для цієї мети в статорі, причому гнучкість кабелю полегшує його укладання в пази.
Два полупроводящіх шару в системі ізоляції виконують функцію вирівнювання потенціалу і, отже, знижують ризик виникнення поверхневого розряду. Внутрішній напівпровідний шар повинен перебувати в електричному контакті з електричним провідником або його частиною, розташованими під цим шаром, щоб їх потенціали були однакові. Внутрішній шар щільно прикріплений до твердої ізоляції, розташованої зовні від нього, і це ж справедливо по відношенню до кріплення зовнішнього напівпровідний шару до твердої ізоляції. Зовнішній напівпровідний шар утримує електричне поле в межах твердої ізоляції.
Для забезпечення зчеплення між напівпровідними шарами і твердою ізоляцією при температурних змінах, напівпровідний шар і тверда ізоляція мають по суті однаковий коефіцієнт теплового розширення.
Зовнішній напівпровідний шар в системі ізоляції з'єднаний з потенціалом землі або з іншим відносно низьким потенціалом.
Для створення дуже високої напруги генератор має ряд особливостей, які були згадані вище і які значно відрізняються від відомої технології. Додаткові особливості визначені в залежних пунктах формули винаходу і розглянуті нижче.
Вищезазначені особливості та інші суттєві характеристики генератора і, отже, вітроелектричної станції відповідно до одного з варіантів виконання винаходу включають таке:
- Обмотки в магнітному колі виконані з кабелю, що містить один або кілька електричних провідників з постійною ізоляцією і з напівпровідний шаром на провіднику і зовні від твердої ізоляції. Типовими кабелями цього типу є кабелі, що мають ізоляцію із зшитого поліетилену або етіленпропена, які для цілей цього винаходу додатково доопрацьовані щодо жив електричного провідника, а й по відношенню до системи ізоляції.
- Переважно використання кабелів з круглим поперечним перерізом, однак можуть використовуватися і кабелі, що мають інше поперечний переріз, наприклад з метою досягнення кращої щільності упаковки.
- Такий кабель дозволяє конструювати пластинчастий сердечник магнітної ланцюга новим і оптимальним способом щодо пазів і зубців.
- Для кращого використання пластинчастого сердечника переважно, щоб обмотка була виконана зі східчасто збільшується товщиною ізоляції.
- Переважно, щоб обмотка була концентричну кабельну обмотку, що дозволяє зменшити кількість перетинів кінців котушок.
- Форма пазів відповідає поперечним перерізом кабелю обмотки, причому пази виконані у формі безлічі циліндричних отворів, що йдуть в осьовому і / або в радіальному напрямку і мають звуження, що проходять між шарами обмотки статора.
- Форма пазів відповідає поперечним перерізом розглянутого кабелю і враховує поетапне зміна товщини ізоляції обмотки. Ступінчаста по товщині ізоляція дозволяє виконати зубці магнітного сердечника по суті постійної ширини, незалежно від радіального відстані.
- Вищезазначена додаткова доробка, що стосується жив провідника, означає, що провідник обмотки утворений безліччю зібраних разом жив, які не обов'язково повинні бути регулярно транспоновану один щодо одного, ізольовані і / або не ізольовані один від одного.
- Вищезазначена додаткова доопрацювання щодо зовнішнього напівпровідний шару означає, що зовнішній напівпровідний шар розрізаний у відповідних точках вздовж кабелю і кожен відрізок безпосередньо з'єднаний з потенціалом землі.
Використання вищеописаного кабелю забезпечує те, що по всій своїй довжині зовнішній напівпровідний шар кабелю, а й інші частини станції знаходяться під заземляющим потенціалом. Важлива перевага полягає в тому, що в лобових областях котушки зовні від зовнішнього напівпровідний шару електричне поле близько до нуля. При наявності заземлення потенціалу на зовнішньому напівпровідний шарі відпадає необхідність в управлінні електричним полем. Це означає, що не відбудеться посилення поля ні в осерді, ні в лобових областях котушки або в області переходу між ними.
Використання ізольованих і / або неізольованих жив, зібраних в пакет або переплетених, призводить до незначного погіршення на вихрові струми. Зовнішній діаметр кабелю може бути порядку 10-40 мм, а площа провідника - близько 10-200 мм 2.
Згідно ще одному варіанту виконання винаходу до инвертору з боку високої напруги підключений трансформатор з регульованим коефіцієнтом трансформації.
Інші переваги і особливості винаходу будуть зрозумілі з подальшого опису і формули винаходу.
Короткий опис креслень
Нижче з посиланнями на супроводжуючі креслення дано більш докладний опис варіантів виконання винаходу. На кресленнях:
 |
 |
||
 |
 |
||
| |||
Переважному варіанті ВИКОНАННЯ ВИНАХОДИ
Перш за все з посиланнями на фіг.1-3 буде описана конструкція генератора 1 в кращому варіанті виконання винаходу. На фіг.1 схематично показаний вигляд з торця на сектор статора 2. Ротор генератора позначений позицією 3. Статор 2 виконаний відомим способом з використанням пластинчастого сердечника. На фіг.1 показаний сектор генератора, відповідний полюсного поділу. Від ярма сердечника, розташованого найдалі від центру в радіальному напрямку, безліч зубців 5 йдуть всередину в радіальному напрямку до ротора 3, і ці зубці розділені пазом 6, в якому вміщена обмотка статора. Кабелі 7, що утворюють цю обмотку статора, є високовольтні кабелі, які можуть бути по суті того ж типу, який використовується в силових розподільних системах, тобто з ізоляцією із зшитого поліетилену. Відмінність полягає в тому, що зовнішній захисний шар з полівінілхлориду і металевий екран, звичайно оточення такою силовою розподільний кабель, відсутні, тому кабель містить тільки електричний провідник і щонайменше один напівпровідний шар з кожного боку від ізолюючого шару. Кабелі 7 показані на фіг.1 схематично, тобто показана тільки електрично проводить центральна частина кожної ділянки кабелю або боку обмотки. Видно, що кожен паз 6 має змінне поперечний переріз з чергуванням широких частин 8 і вузьких частин 9. Широкі частини 8 по суті круглі і оточують кабель, а звуження між широкими частинами формують вузькі частини 9. Звужені ділянки призначені для фіксації кожного кабелю в радіальному напрямку . Поперечний переріз паза 6 зменшується у напрямку всередину в радіальному напрямку. Це є наслідком того, що напруга на ділянках кабелю тим нижче, чим ближче вони розташовані в радіальному напрямку до самої внутрішньої частини статора 1. Тому у внутрішній частині обмотки можна використовувати більш тонкі кабелі, а при переміщенні до зовнішньої частини обмотки потрібні більш товсті кабелі. У иллюстрируемое прикладі використовуються кабелі трьох різних розмірів, розташовані в трьох секціях 10, 11, 12 з відповідними розмірами паза 6. Допоміжні обмотки 13 розташовані найдалі в пазі 6.
На фіг. 2 показаний вигляд з торця, із ступінчастим розрізом, відрізка високовольтного кабелю, призначеного для використання в генераторі. Високовольтний кабель 7 містить один або кілька електричних провідників 14, кожен з яких включає безліч жив 15, які разом забезпечують створення круглого поперечного перерізу. Провідники можуть бути, наприклад, мідними. Ці провідники 14 розташовані в середині високовольтного кабелю 7, і в иллюстрируемое варіанті виконання винаходу кожен з провідників оточений часткової ізоляцією 16. Однак на одному з провідників 14 часткова ізоляція 16 може бути відсутнім. У иллюстрируемое варіанті виконання винаходу провідники 14 оточені першим напівпровідний шаром 17. Навколо цього першого напівпровідний шару 17 є ізолюючий шар 18, наприклад із зшитого поліетилену, який в свою чергу оточений другим напівпровідний шаром 19. Отже, поняття "високовольтний кабель" в рамках даного винаходу не обов'язково включає використання будь-якого металевого екрану або зовнішнього захисного шару, які зазвичай оточують силовий розподільний кабель.
На фіг. 3 показана вітроелектрична установка з магнітною ланцюгом, аналогічної описаної в зв'язку з фіг.1 і 2. Генератор 1 приводиться в обертання вітротурбіни 20 за допомогою вала 21. Хоча генератор 1 може приводитися в дію турбіною 20 безпосередньо, тобто ротор генератора може бути жорстко з'єднаний з валом турбіни 20, між турбіною 20 і генератором 1 може бути левередж 22. Вона може являти собою, наприклад, одноступенчатую планетарну передачу, мета якої - підвищити частоту обертання генератора щодо частоти обертання турбіни. На статорі 2 генератора знаходяться обмотки 23 статора, які виконані з вищеописаного кабелю 7. Кабель 7 може не мати екрану і з'єднуватися з екранованим кабелем 24 через кабельну муфту 25.
На фіг.4, де схематично ілюструється вітроелектрична станція, показані дві вітроелектричні установки 29, з'єднані паралельно, кожна з них містить генератор 1. Кількість вітроелектричних установок може, очевидно, бути більше двох. У кожній вітроелектричної установці 26 міститься випрямляч 27. Паралельне з'єднання вітроелектричних установок має місце в точці 28.
Електрична сполучна лінія постійної напруги проходить між випрямлячами 27, встановленими в вітроелектричних установках 26, і інвертором 30, який з боку змінного струму пов'язаний з розподільною або магістральною мережею. Інвертор 30 встановлений в станції з боку мережі. Це зазвичай має на увазі, що інвертор 30 розташований на суші, порівняно близько до магістральної або розподільчої мережі 31. Однак вітроелектричні установки 26, включаючи генератори і випрямлячі 27, розташовані в море на відповідних опорах. Сполучна лінія 29 постійної напруги включає ділянку, позначений на фіг.4 позицією 32, який на практиці може мати дуже велику протяжність. Отже, ця ділянка є тією частиною 33 сполучної лінії, яка є критичною щодо втрат. У кращому варіанті виконання винаходу ця частина 33 сполучної лінії утворена підводним кабелем, тобто вітроелектричні установки 26 розташовані в морі або на озері. Однак частина 33 сполучної лінії може і бути сформована з однієї або декількох повітряних ліній або кабелів.
Станція містить перетворювач 34 постійного струму, низьковольтна сторона якого електрично з'єднана з випрямлячами 27, а високовольтна сторона - з інвертором 30. Перетворювач 34 постійного струму встановлений в станції з боку вітроелектричних установок. Іншими словами, мається на увазі, що вищезгадана частина 33 сполучної лінії проходить між перетворювачем 34 постійного струму і інвертором 30. На практиці перетворювач 34 може бути встановлений на одній з тих опор, на яких розташовані вітроелектричні установки 26, або, альтернативно, на опорі, спеціально призначеної для перетворювача 34. Незалежно від того, на який опорі встановлений перетворювач 34, на цій опорі є шини для паралельного з'єднання наявних вітроелектричних установок.
Перетворювач 34 виконаний так, що він діє як підсилювач постійної напруги, тобто постійна напруга в частині 33 сполучної лінії між перетворювачем 34 і інвертором 30 буде значно вище, ніж напруга на вхідній стороні перетворювача 34.
Переважно, щоб інвертор 30 був жорстким по напрузі самокоммутірующімся інвертором. Паралельно ланцюга постійного струму інвертора 30 включений конденсатор 35.
Індуктивності 36 мережі в инверторе 30 включені послідовно в кожну фазу з боку мережі. Переважно, щоб інвертор включав біполярні транзистори з ізольованим затвором, з'єднані послідовно.
Згідно з переважним варіантом виконання винаходу генератори є синхронними генераторами з постійно намагніченими роторами.
Переважно, щоб випрямлячі 27 були пасивними випрямлячами. Це усуває потребу в розміщенні в море елементів активної електроніки для регулювання потужності. Як пасивних випрямлячів кращі діодні випрямлячі. Ці діодні випрямлячі 27 включені послідовно з місцевим підвищує перетворювачем 37 постійної напруги. У кращому варіанті виконання винаходу кожен окремий перетворювач 37 містить дросель, послідовно з'єднаний вентиль 39 на біполярних транзисторах з ізольованим затвором і послідовно з'єднаний діод 40. Перетворювач 34 може бути виконаний аналогічно такому що підвищує перетворювача постійної напруги.
На фіг. 5 показаний кращий варіант виконання трансформатора з регульованим коефіцієнтом трансформації відповідно до винаходу. Перевага такого трансформатора полягає в тому, що його обмотки мають тверду ізоляцію, аналогічну обмоткам генератора, описаним в зв'язку з фіг.1 і 2. Таким чином, трансформаторні обмотки виконані з системою ізоляції, що включає щонайменше два полупроводящіх шару 17, 19, кожен з яких утворює по суті еквіпотенціальною поверхнею, а тверда ізоляція 18 розташована між цими напівпровідними шарами. Отже, в трансформаторі на фіг.5 обмотки виконані у вигляді гнучких кабелів. В цілому всі особливості обмоточного кабелю, зображеного на Фіг.2 і використовуваного в генераторі, мають місце і тут, за винятком того, що зовнішній напівпровідний шар 19 в разі трансформатора не розрізаний на ділянки довжини для роздільного заземлення цих ділянок. Перевага такого трансформатора з твердою ізоляцією полягає в значному підвищенні ефективності, оскільки електричне поле по суті знаходиться всередині зовнішнього напівпровідний шару, а крім того, важливою перевагою є те, що вогненебезпечна і екологічно шкідливе масло, яке є в звичайних трансформаторах, тут не використовується.
На фіг.5 схематично показаний трансформатор для однієї з фаз. Фахівцям в даній галузі техніки повинне бути зрозуміло, що в разі багатофазного варіанти виконання сердечник може мати більше двох стержнів, з'єднаних ярмом, і все фазні обмотки можуть бути розташовані на одному сердечнику. Однак очевидно, що в трансформаторі цього типу можна використовувати і окремий сердечник для кожної фази.
Отже, як показано на фіг.5, сердечник трансформатора складається з ярма і двох стрижнів, головна обмотка 43 намотана навколо одного зі стрижнів, а регулююча обмотка 44 - навколо іншого стрижня. Головна обмотка може бути первинною обмоткою або вторинною обмоткою. Регулююча обмотка 44 використовується для зміни коефіцієнта трансформації. 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 и 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 ВИНАХОДУ
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. Електростанції станція за допомогою одного з пп.14-16, що відрізняється тим, що самий внутрішній (17) з полупроводящіх шарів має по суті такий же потенціал, що і електричний провідник (14), розташований під цим шаром.
18. Електростанції станція по п.17, що відрізняється тим, що самий внутрішній (17) з полупроводящіх шарів знаходиться в електричному контакті з провідником (14) або його частиною.
19. Електростанції станція за допомогою одного з пп.14-18, що відрізняється тим, що зовнішній (19) з полупроводящіх шарів з'єднаний з наперед заданим постійним потенціалом.
20. Електростанції станція по п.19, що відрізняється тим, що зазначений постійний потенціал є потенціалом землі або іншим відносно низьким потенціалом.
21. Електростанції станція за допомогою одного з попередніх пунктів, що відрізняється тим, що сполучна лінія (30) постійної напруги включає кабель (33), призначений для занурення в воду, або одну або кілька повітряних ліній або кабелів.
22. Електростанції станція за допомогою одного з попередніх пунктів, що відрізняється тим, що з боку мережі до инвертору (30) підключений трансформатор (41) зі змінним коефіцієнтом трансформації.
23. Електростанції станція по п.22, що відрізняється тим, що трансформатор зі змінним коефіцієнтом трансформації містить щонайменше один сердечник (41) і регулюючу обмотку (44), намотану навколо сердечника, а й засоби переміщення змінної частини регулюючої обмотки щонайменше в одне накопичувальне засіб (46) і назад.
24. Електростанції станція по п.23, що відрізняється тим, що регулююча обмотка розміщена на поворотному барабані (45).
25. Електростанції станція по п.23 або 24, яка відрізняється тим, що накопичувальне засіб (46) включає накопичувальний поворотний барабан.
26. Електростанції станція за допомогою одного з пп.22-25, що відрізняється тим, що обмотка (обмотки) (43, 44) трансформатора виконана (виконані) з гнучкого кабелю з твердою ізоляцією.
27. Електростанції станція по п.26, що відрізняється тим, що зазначена тверда ізоляція входить до складу системи ізоляції, яка, крім того, включає щонайменше два полупроводящіх шару, кожен з яких утворює по суті еквіпотенціальною поверхнею, а тверда ізоляція розташована між цими напівпровідними шарами.
Версія для друку
Дата публікації 02.02.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.