专利名称：用于离岸风力发电机的电力备用系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括电缆护套和至少两根置于电缆护套内用于
传输中压电流的中压导线的电缆以及具有用于发电的发电机的风力
涡轮机。本发明还涉，
park)。
背景技术：
风力涡轮机一般用于将气流的动能转化为电能。它们包括 将产生的低压电转换为中压以通过中压电缆将能量传递至中压输电 线路(grid)的变压器。正常条件下，风力涡轮机产生足够的能量用于其 内部使用，如向风力涡轮机塔架内的升降机、吊车或照明提供电力， 以便为检查风力涡轮机的工程师或技术人员提供足够的光。但是，风 力涡轮机常常因检查而停止并且不得不中断变压器与输电线路的连 接。因维修或维护作业而与中压集电器系统断开的离岸风力涡轮机不 能提供电能。在这些情况下，必须提供辅助电源以用于大部分作业， 如向升降机、吊车或照明提供动力。例如，在离岸风力涡轮机的情况下，辅助电力必须适当地 产生，例如通过置于塔架内靠常规燃料提供动力的小发电机。在离岸 应用中使用基于燃料的移动式发电机是昂贵的，并且离岸风力涡轮机 常常置于受保护的景观/环境中(如果完全被允许)，以便对其实施有关 处理燃料的严格规定。另一可能为在船上放置辅助发电机并将风力涡 轮机中的辅助电力电路与在船上的发电机相连接。在此情况下，在所 有天气状况下连接电路是困难的，而这限制了操作和维修作业的可能 性。如果^f吏用电池作为用于照明等的辅助电源，则它们必须定期地更 换新电池。电池备用系统可以用于低耗电设备，但无法为维护和维修任务所需的大多数工具提供足够的电力。因此，电池或移动式发电机 系统主要在使用期限上造成高成本。
发明内容
鉴于以上所述，提供了一种电缆，其包括电缆护套、至少 两根置于该电缆护套内用于传输中压电流的中压导线以及至少两根 置于该电缆护套内用于传输低压电流的低压导线。有关本专利申请实施例的中压电流具体地包括处于10kV 至50kV之间的电流，典型地处于20kV至30kV之间。鉴于本专利申 请的实施例，低压电流具体地包括处于400V至1000V之间的电流， 典型地处于400V和690V之间。指定范围特别适用于三相交流电。此 外，根据本发明的用于三相电流的电缆可包括三根或更多的导线，典 型地包括四根或五根导线。根据第二实施例，风力涡轮机具有用于发电的发电机，其 中，所述发电机电连接到至少两根中压导线上以将所产生的电流馈送 至输电线路，该风力涡轮机还具有提供电力至低压用电装置的低压网 络电路(network),该低压网络电路电连接到供电电缆上，其中，该供 电电缆和中压导线共同容纳在共同的电缆护套中。根据又一实施例，风电场包括至少两个风力渴轮机，各风 力涡轮机具有用于发电的发电机，其中，该发电机电连接到至少两根 中压导线上以将所产生的中压电流馈送至输电线路；该风力涡轮机还 具有用于提供低压电力至风力涡轮机的低压用电装置的低压网络电 路，该低压网络电路电连接到低压电缆上，其中，该低压电缆和中压 导线容纳在共同的电缆护套中。根据附属权利要求、说明书和附图，本发明其它的方面、 优点和特征是显而易见的。
对于本领域普通技术人员而言，本发明全面和能够实施的 公开内容，包括其最佳方式，被更加详细地阐明于说明书的剩余部分， 包括参考所附附图，附图中图1示出了第一实施例中的离岸风力涡4仑机的示意图。 [OOll]图2示出了第二实施例中的离岸风电场的示意图。
图3示出了第三实施例中的离岸风电场的示意图。
图4示出了海缆的截面。
具体实施例方式现在详细地参考本发明的各个实施例，附图中显示了其中 的一个或多个实例。各实例出于解释本发明的目的而提供，并非意指 对本发明的限制。例如，显示或描述为一个实施例一部分的特征可以 用于或结合其它的实施例，以产生另一个实施例。本发明意图包括这 样的^f务改和变型。图1为可以离岸地设置的风力涡轮机10的实施例的示意 图。该风力涡轮机10具有带有三个叶片的转子12。该转子12连接到 发电机14上，以将转子的转动能转化为电能。发电机14,通常设置 在风力涡轮发电机的短舱(nacelle)内，具有约500V至IOOOV输出电压 电流的电输出。该产生的电流用于供应风力涡轮才几10中的辅助电力 网络电路。该辅助电力网络电路用于向风力涡轮发电机10内的升降 机、光源或其它工具提供动力。另外，发电机14的输出电流被馈送 至中功率变压器或主风力涡轮机变压器16。因此，在正常运行中，离 岸风力涡轮机将会利用中功率变压器16将发电机14的输出电流转换 为中压电流，如20kV至50kV范围内的电流。通常，中功率变压器 16设置于各离岸塔架中以提供电力。中压电流用于传输电能以避免损 耗。为在风力涡轮机IO中提供灵活性，中功率变压器16可通过开关 如断路器20,22，与一次接线和二次接线断开连接。因此，如果断路 器20打开，则阻止将发电机产生的电流馈送至变压器。
鉴于本专利申请，电缆通常包括容纳至少两根用于传输电
流的导线的电缆护套。该两根导线相对于彼此绝缘。绝缘可以由电缆 护套自身形成，或者至少一根导线或所有导线都可由绝缘材料包覆。主风力涡轮机变压器16与电缆IOO相连接，该电缆100典 型地包含适用于范围为10kV至50kV的中压导线102,以便将中压电 流馈送至输电线路。在离岸风力涡轮机10的情况下，电缆100可以 为海缆。如果该中压变压器16和/或连接的设备因维护或维修作业而 不得不与中压输电线路断开，则需要电力备用系统，因为辅助电力网 络电路将不会由发电机14或中压电缆102提供动力。为此目的，电 缆100另外包含^f氐压导线，具体为在又一实施例中包含^f氐压电缆104。 辅助变压器18，也典型地设置在风力涡轮发电机10的塔架内，与低 压电缆104相连接以提供期望的额定功率，如用于风力涡轮机10中 的辅助电力网络电^各的690VAC或400VAC。对于维修辅助变压器18 的情况，该辅助变压器可以用分别设置在该辅助变压器的一次侧和二 次侧的两个开关如断路器，分别与低压电缆104和风力涡轮发电机10 中的辅助电力网络电路断开。在又一实施例中，低压电缆104传输可直接馈送至风力涡. 轮发电机10的辅助电力网络电路中的低压电流，无需辅助变压器18。海缆100连接到带有变电站变压器32的变电站30上，该 变压器32将中压电缆102上的电流转换为高压电流。变电站通常通 过公用输电线路连接由风力涡轮发电机10所供应的中压输电线路。 因此，高压电缆33可以连接到该公用输电线路上。另外，变电站包 含变电站辅助变压器34，该变电站辅助变压器34将来自中压输电线 路的中压电流转换为低压电流以馈送其至低压电缆104。因此，电力 在维护作业中被提供至风力涡轮机10的辅助电力网络电路。系统如下所述地工作。例如，如果将要检查风力涡轮机10 的中功率变压器16,则利用断路器20,22将其与网络电路断开。因此， 技术人员可以工作而不存在被中功率变压器16电击的危险。在此情
7况下，风力涡轮发电机10的辅助电力网络电路通过电缆100，具体地 通过低压电缆104由馈送低压电流至低压电缆104的变电站30提供 电力。图2示出了又一实施例。与图1所示实施例中相同的特征 以相同的参考标号标示。图2示出了包括数个风力涡轮机10的风力 田1。根据本实施例的风电场或风力田1应包括至少两个风力涡轮机。 两个相邻的风力涡轮机10用包含中压导线102和低压电缆104的电 缆100相连接。在离岸风电场的情况下，电缆100可以为海缆。所有 风力涡轮机10并联地电连接。因此，风力涡轮机IO连同海缆100 — 起形成中功率网络电路或输电线路和低压网络电路，其中，中功率变 压器16并联地电连接到中压网络电路上，并且辅助变压器18并联地 电连接到低压网络电路上。因此，当利用例如断路器20，22将第一风力涡轮机10与中 压输电线路或中功率导线102断开时，连接到低压输电线路上的相邻 的第二风力涡轮机10利用其发电机14将低压电流馈送至第二风力涡 轮机10的辅助电力网络电路。电能经第二风力涡轮机的辅助电力变 压器18转换并馈送至低压电缆104。然后，由于第一风力涡轮机也与 其连接的低压网络电路，低压电缆104中的低压电流通过第一风力涡 轮机10的辅助变压器18转换以供应第一风力涡轮机10的辅助电力 网络电路。因此，在辅助网络电路中提供了用于维护作业的足够电力。 第二风力涡轮机不必为相邻的风力涡轮发电机，而是可以为处于风力 田或风电场中的任何风力涡轮机，该风力涡轮机与海缆100的低压电 缆104并联地电连接，以将低压电流提供至第一风力涡轮机。在又一实施例中，如果两个风力涡轮机彼此靠近地设置， 则可不需要辅助变压器。因此，无需辅助变压器18，第二风力涡轮机 的辅助电力网络电路连接到低压电缆104上，以馈送低压电流至低压 网络电路。因此，无需辅助变压器18,还可以将第一风力涡l仑机连接 到低压网络电路上。因此，甚至辅助变压器18的购买也可避免。中，结合了图1和图2中所示实 施例。具体而言，相同的参考标号指代相同的装置。在图3的实施例 中，低压网络电路也连接到变电站30上，该变电站30包括变电站辅 助变压器34,用以将中压电流变换为低压电流从而将该低压电流馈送 至低压电缆104。因此，即使在所有风力涡轮机都不工作的情况下， 例如由于无风，也可在所有风力涡轮机10中经由电缆IOO得到用于 维护作业的低压电。对于本发明的所有实施例，应注意到的是，由于电流即低 压电流和中压电流的不同幅值，故中功率变压器和辅助变压器(如果后 者存在于风力涡轮发电机中)具有不同的尺寸，使得辅助变压器具有更 为有利的价值。图4示出了电缆100的典型的实施例。才艮据第一、第二和 第三实施例，该电缆可用作用于本发明的海缆。在这些情况中，电缆 100用于将第一风力涡轮机10连接至第二风力涡轮才几10或将风力涡 轮机10连接至变电站30。电缆IOO具有设计成用作海缆的多层外壳。 该外壳形成电缆护套。该电缆护套的层可以为粘合胶带层、铺底层、 4g装层和外皮层。在电缆护套内容纳了三根中压导线102a、 102b和 102c，用以传输三相中压电流例如通常从10kV至50kV的电流。各中 压导线102a、 102b和102c具有可以由绝缘体108a、 108b、 108c包覆 的中压/高压导体106a、 106b和106c。该三才艮导线102a、 102b和102c 彼此接触。通常，电缆护套的内表面与三根中压导线中的至少两根相 接触，通常与全部的三^f艮中压导线102a、 102b和102c相接触。在该 三根中压导线102a、 102b和102c之间设置了低压电缆104,通常为 三相电流电缆。在一个优选实施例中，J氐压电缆104也可包括四或五 个导体或导线。低压电缆具有比电缆护套小得多的直径，具体而言， 电缆护套的内径比低压电缆104的直径大5倍至10倍，典型地比低 压电缆104大6倍至7倍。在一典型实施例中，低压电缆具有比中压 导线小1倍至10倍的直径，在另一实施例中小2倍至6倍，在又一
9实施例中小3倍。在又一实施例中，其它电缆如通信电缆110，典型 地为光纤通信电缆110，可以加入到该电缆中以用作风力涡轮机的通 信和调节目的。在一典型实施例中，该电缆可以为可用来将离岸风力 涡轮机连结到另 一风力涡轮机或变电站上的海缆。这意味着供电电缆 或低压电缆以及中压导线具有共同的电缆护套。应注意到，通常低压电缆不可能很长，因为在这些情况中 电损耗会太大，使得在离岸风电场的情况下，低压电缆必须由附近的 低压源如其它的风力涡轮4几或变电站供电。本专利申请的实施例将以环境友好的方式向与主电力电缆 断开的风力涡轮机提供备用电力。代替昂贵、需要替换或补充燃料并 且有时间限制的额外的发电机或电池组，提供了利用已存在的海缆的 解决方案并且将该解决方案提供给相邻船舶中风力涡轮发电机所产 生的能量。额外需要的设备列表很短并且取决于电力备用系统中使用 的电压等级。此外，它很安全。本专利申请的实施例示出了在离岸风 力涡轮机塔架间利用已存在的海缆以在维护期间提供电力的系统。靠 近受影响涡轮机的 一个或多个涡轮机将在已存在的海缆内提供整个 低压配电系统上的电力。 一般来讲，复合海缆在内部具有低压电缆。 该电缆系统将并联地连接到所有风力涡轮机上。用于期望额定功率的 额外的变压器将安装在各风力涡轮机上，并且将用来将风力涡轮机的 低压系统连接到该备用电力电缆上。因此，产生了简单而可靠的辅助 电源。另外，根据本专利申请的风电场或风力涡轮机具有经济上 的优势，因为如为离岸风力涡轮机操作员特别地制作了海缆。在用于 中压的海缆中提供了足够的空间，使得附加的低压电缆不需要该海缆 的新的容积。此外，附加设备如低压变压器相比附加的燃料动力式发 电机或电池的获得和维护更加便宜。甚至，在已存在海缆的情况下， 可以考虑在该海缆的中压导线之间的空间中加入额外的低压电缆。本书面说明书利用多个实例来公开本发明，包括最佳方式，也使得任何熟悉本领域的人员能制造和使用本发明。尽管本发明已根 据不同的特定实施例进行了描述，但本领域技术人员会认识到本发明 可以在权利要求的精神和范围内变更地实施。具体而言，上述实施例 相互非排斥的特征可以彼此相结合。本发明可取得专利的范围由权利 要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。这样的其它 实例确定为权利要求的范围内，如果它们具有与权利要求的字面文字 没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面文字无实 质不同的等同结构元件。
权利要求
1. 一种电缆，包括电缆护套；至少两根中压导线，所述中压导线置于所述电缆护套内用于传输中压电流；以及至少两根低压导线，所述低压导线置于所述电缆护套内用于传输低压电流。
2. 根据权利要求1所述的电缆，其特征在于，所述电缆的第一 端适于连接到第一风力涡轮机上，使得所述第一风力涡轮机适于将中 压电流馈送至所述中压导线，且其中，所述电缆的第二端适于连接到 低压源上，所述低压源能将低压电流馈送至所述低压导线。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的电缆，其特征在于，所 述低压导线组合成所述电缆护套和/或海缆护套内的低压电缆。
4. 根据权利要求3所述的电缆，其特征在于，在所述电缆的径 向截面图中，所述电缆护套和至少两根中压导线限定了所述低压导线 设置在其中的空间。
5. —种风力涡轮机，其具有用于发电的发电机，其中，所述发 电机电连接到至少两根中压导线上以将所产生的电馈送至输电线路，网络电路，所述低压网络电路电连接到低压电缆上，其中，所述低压 电缆和所述中压导线容纳在共同的电缆护套中。
6. 根据权利要求5所述的风力涡轮机，其特征在于，在所述发 电机和所述中压导线之间电气地置入了变压器，所述变压器适于将所 述发电机产生的输出电流转换为可由所述中压导线传送的中压电流。
7. 根据权利要求5或权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在 于，所述风力涡轮机适于将所述发电机产生的输出电流馈送至所述低 压网络电3各。
8. 根据权利要求5至权利要求8中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，在所述低压网络电路和所述低压电缆之间电气地置入了 辅助变压器。
9. 根据权利要求12至权利要求19中任一项所述的风力涡轮机, 其特征在于，所述中压导线和所述低压电缆连接至变电站或连接至另 一风力涡轮机，其中，所述变电站包括变电站变压器和/或变电站辅助 变压器，所述变电站变压器用于将所述中压导线的中压转换为公用输 电线路的高压电流，所述变电站辅助变压器用于将高压电流或中压电 流转换为 <氐压电流以向所述低压电缆供应电力。
10. —种风电场，其特征在于，所述风电场包括至少两个4艮据权 利要求5至权利要求9中任一项所述的风力涡轮机。
全文摘要
本发明涉及用于离岸风力发电机的电力备用系统。具体而言，本发明涉及一种电缆，其包括电缆护套、至少两根置于该电缆护套内用于传输中压电流的中压导线以及至少两根置于该电缆护套内用于传输低压电流的低压导线。此外，本发明涉及一种风力涡轮机，其具有用于发电的发电机，其中，该发电机电连接到至少两根中压导线上以将所产生的电流馈送至输电线路，该风力涡轮机还具有用于向低压用电装置提供低压电力的低压网络电路，该低压网络电路电连接到低压电缆上，其中，该低压电缆和中压导线容纳在共同的电缆护套中。最后，本发明涉及包括至少两个风力涡轮机的风电场。
文档编号H01B7/00GK101447245SQ20081017963
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年11月28日
发明者M·阿尔滕舒尔特 申请人:通用电气公司