风力涡轮机的制作方法

背景技术：

1、风能发电厂(例如，具有许多风力涡轮机的海上风电场)将输出功率馈送入传输线路中。这通常分几个阶段完成。来自各个风力涡轮机的输出功率贡献被共同馈送入传输线路中。

2、在一种相对普遍的方法中，经由多个导体(每相一个导体)传递来自风力涡轮机的ac功率，这些导体从机舱悬挂并延伸穿过塔架以便(在塔架基部附近的水平面处)连接到传输线路。由于铜的高导电性，导体通常由铜制成。在ac传输中，每个导体可被提供为分开的电缆，或者多个导体可布置在单条电缆中。

3、替代地，能够使用dc电缆来将风力涡轮机输出功率传递到传输线路。在这种方法中，风力涡轮机配备有以下各者：第一功率转换器(在机舱中)，其用于将发电机ac输出转换为dc；dc传输电缆，其从机舱延伸到塔架基部；以及第二功率转换器(例如，在塔架基部处或附近)，其用于将dc电压转换为所期望的输出形式(ac或dc)。第一功率转换器能够将发电机ac功率变换为合适的dc电压水平，以便在塔架电缆中传输到第二功率转换器。通过塔架实施dc传输的优点是，由于阻抗、集肤效应和电气绝缘要求所致，与ac传输相比，在导体横截面积相同的情况下能够传递更多的功率。

4、dc传输电缆或“塔架dc电缆”是第一功率转换器和第二功率转换器之间的链路。任何dc传输电缆都需要两个导体来完成两端之间(即，源和负载之间)的电路。在通常类型的dc传输电缆中，正导体和负导体以同轴构型布置，并且介电绝缘层将两个导体分开。

5、替代地，dc传输链路可使一条电缆用于向外电流且使一条单独的电缆用于返回电流。

6、然而，期望最小化塔架电缆中的损耗。这能够通过以更高的dc电压进行传输来完成，从而导致铜损耗减少。然而，具有高dc输出的功率转换器通常成本更高。替代地或另外地，能够通过增加dc塔架电缆中的可用导体面积来减少损耗，因为电导体的电阻与其横截面积成反比。然而，具有更粗导体的dc电缆需要更多的铜，并且比横截面积小的导体更昂贵。

7、因此，本发明的目的是提供一种将dc功率传输通过风力涡轮机的改进的方式。

8、该目的通过权利要求1所述的风力涡轮机以及根据权利要求12所述的将风力涡轮发电机的输出功率传输到传输链路的方法来实现。

技术实现思路

1、在本发明的上下文中，风力涡轮机应被理解为包括由空气动力学转子驱动的发电机。可假设风力涡轮机的部件受到安装在塔架顶部上的机舱的保护。可假设风力涡轮机的各个区域(转子叶片、毂、机舱、塔架等)各自包括到电气地面的接地连接，例如满足相关要求的接地连接。塔架应被理解为安装在支撑结构(诸如，混凝土基础、过渡件、单桩式基础、架式基础(jack foundation)等)上，并且可假设任何塔架接地连接都经由支撑结构通向电接地。

2、风力涡轮机进一步包括：第一功率转换器，其布置在机舱中并被构造成将发电机输出功率转换为dc电压；以及第二功率转换器，其布置在塔架的基部处并被构造成将风力涡轮机dc功率转换为适合于风力涡轮机所连接的传输链路的形式。

3、根据本发明，风力涡轮机还包括dc布置结构，其中dc传输链路或电缆连接在第一功率转换器和第二功率转换器之间。该dc电缆从塔架的顶部延伸到塔架基部，并且在下文中可被称为“dc塔架电缆”。dc塔架电缆能够包括单个导体，或者它能够包括两个电隔离的导体(例如，同轴电缆，其具有通过介电层与围封的外导体分开的内导体)。

4、发明性风力涡轮机的特征在于，通过在dc塔架电缆的上端处将第一功率转换器的第一端子连接到dc塔架电缆，在功率转换器之间提供了穿过dc塔架电缆的第一电流路径，并且第二功率转换器的第一端子在dc塔架电缆的下端处连接到dc塔架电缆。

5、此外，通过将第一功率转换器的第二端子电连接到地并且通过将第二功率转换器的第二端子电连接到地，在功率转换器之间提供穿过塔架的电接地金属的第二电流路径。

6、应理解，第一功率转换器的第一端子和第二端子是dc输出侧处的端子对。类似地，应理解，第二功率转换器的第一端子和第二端子是dc输入侧处的端子对。

7、风力涡轮机塔架通常具有高的金属含量以便满足结构要求。例如，塔架能够主要由堆叠的型钢(steel section)制成。本发明基于对以下内容的洞悉，即塔架的金属能够为dc电路中的dc电流提供路径，并且发明人已认识到dc塔架电缆没有必要沿向外方向和返回方向两者传送电流，而是代替地整条dc塔架电缆(例如，同轴电缆的两个导体)能够用于仅沿一个方向传送电流，并且接地的塔架金属能够沿另一方向携载dc电流。利用机舱和塔架基部之间的dc链路的发明性方法，接触任何接地的塔架金属仍然是安全的，因为塔架金属和地之间的电势差为零。

8、本发明的优点是，功率转换器之间的电流回路的一个部分能够由dc塔架电缆提供，且另一部分能够由塔架提供，由此完成电路。例如，dc塔架电缆能够用于携载输出电流(相对于地面为正)，并且接地的塔架金属用于携载返回电流(处于零电位)。返回电流的大小基本上与输出电流的大小相同。替代地，dc塔架电缆能够用于携载返回电流(相对于地面为负)，并且接地的塔架金属用于携载输出电流(处于零电位)。以这种方式，dc塔架电缆的(多个)导体的总面积被利用来仅沿一个方向传送电流。这种新颖方法的显著优点是，与常规方法(其中dc塔架电缆具有用于输出电流的一个导体以及用于返回电流的另一个导体)相比，通过将有效电缆横截面积加倍，能够将dc塔架电缆的电缆损耗减半。

9、根据本发明，将风力涡轮发电机的输出功率传递通过风力涡轮机塔架的方法包括以下步骤：提供第一功率转换器，以将发电机输出功率转换为dc输出电压；提供第二功率转换器，以接收dc输入电压；以及将dc传输链路布置成在功率转换器之间基本上竖直地延伸穿过风力涡轮机塔架。dc传输链路可包括围封单个导体的电缆。替代地，dc传输链路可以是同轴电缆(例如，已经安装的电缆)，使得同轴电缆的两个导体都用于沿一个方向携载电流。发明性方法以如下的步骤为特征：通过dc塔架电缆将第一功率转换器的第一端子连接到第二功率转换器的第一端子；以及将这些功率转换器的第二端子连接到风力涡轮机的接地连接，使得塔架金属提供dc电路的一个电流“支路”。

10、发明性方法能够用于升级配备有两个这种功率转换器和具有两个导体的dc塔架电缆的已有风力涡轮机。转换器端子能够如上文那样进行连接，使得dc塔架电缆的两个导体现在共同提供一条电流路径，并且塔架金属(经由接地连接器)现在提供另一条电流路径。

11、本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出，如以下描述中所揭示的。不同权利要求类别的特征可在适当时进行组合以给出本文中未描述的另外的实施例。

12、风力涡轮机能够安装在陆地或近海上。这种风力涡轮机可以是风电场的一部分，或者能够是独立的风能发电厂。下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可假设风力涡轮发电机被构建成产生ac功率，例如具有双馈型感应发电机的变速风力涡轮机。

13、功率转换器能够以任何合适的方式实现，例如发电机侧整流器可被实现为电压源转换器(vsc)。取决于从风力涡轮机引出的传输线路，第二功率转换器能够是任何合适的dc-ac逆变器，如技术人员将已知的。

14、在本发明的实施例中，电解器单元连接到第二功率转换器。电解器单元被构造成从水产生氢气和氧气，其中，电解器单元由风力涡轮机的发电机供电。

15、有利地，第二功率转换器被构造为dc-dc转换器。因此，第二功率转换器有利地被构造成使得其将从第一功率转换器接收到的dc输入功率转换为具有对于电解器单元来说最佳的电压水平的直流电流。

16、第一功率转换器能够被构造成将发电机输出ac功率转换为低、中或高dc电压。如在本发明的上下文中所使用的并且考虑到目前部署的风能发电厂的能力，“低”、“中”和“高”dc电压水平应被理解成分别为大约1.5kv、35kv和400kv的电压水平。这些值仅具有示例性的性质，并且如技术人员所意识到的，这种量是相对的并且可根据技术发展来重新解释。

17、在下文中，功率转换器可简单地被称为“转换器”。表述“第一功率转换器”、“第一转换器”、“上转换器”和“发电机侧转换器”可互换地使用，以指代在塔架的顶部处(通常安装在机舱中)的执行ac-dc转换的模块；类似地，表述“第二功率转换器”、“第二转换器”、“下转换器”和“电网侧转换器”可互换地使用，以指代在塔架的基部处的执行dc-ac转换的模块。

18、表述“导电塔架路径”指代电流将采取的穿过塔架的导电金属的路径。在由金属(例如，由堆叠的型钢)制成的塔架的情况下，“导电塔架路径”能够是整个塔架结构。在包括混凝土结构的塔架的情况下，“导电塔架路径”指代嵌入混凝土结构中的导电增强元件，例如加强筋(“钢筋”)的网状物。术语“接地连接(ground connection)”、“接地连接(earthingconnection)”、“塔架接地(towerground)”和“塔架接地(tower earth)”可全部都在下文中可互换地换使用。

19、在本发明的优选实施例中，来自第一转换器的dc输出电流流过dc塔架电缆。在本发明的这种实施例中，返回电流的路径从第二转换器的负输出端子穿过导电塔架金属到达第一转换器的负输入端子。

20、在替代性实施例中，来自第一转换器的dc输出电流流过导电塔架路径，并且返回电流流过dc塔架电缆。

21、上文提到的类型的风力涡轮机(即，在近海风电场中使用的vsig)可具有大约若干mw的额定功率输出。在本发明的优选实施例中，第一功率转换器被构造成输出至少1kv的dc电压。dc电缆的导体优选地被实现为共同携载至少14ka的输出电流。

22、风力涡轮机塔架的接地连接能够以通常的方式来实现，如技术人员将已知的，例如通过确保与所有金属部分的等电位接合。类似地，发电机侧转换器的第二端子能够以任何合适的方式连接到机舱接地系统；并且电网侧转换器的第二端子能够以任何合适的方式连接到转换器壳体接地。例如，发电机侧转换器的第二端子能够连接到机舱的接地导体，因为任何这种接地导体也电连接到塔架接地系统作为风力涡轮机雷电保护系统(lps)的一部分。

23、上文所描述的安装存在若干经济益处：dc塔架电缆能够更轻且更廉价，因为单条电流路径仅需要一个导体；能够部署更经济的发电机侧转换器，因为dc塔架电缆传送更高电流的能力意味着发电机侧转换器的输出电压能够低于在相当的现有技术风力涡轮机中将需要的输出电压。风电场能够包括任何数量的如上文所描述的那样配备的风力涡轮机，例如一百个或更多，使得节省和益处甚至更加相关。