专利名称：用于在风力涡轮机中产生功率的方法及设备的制作方法
用于在风力涡轮机中产生功率的方法及设备技术领域
本申请主要涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及用于在风力涡轮机中产生功率的 方法及设备。
背景技术：
通常，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的桨 毂组件。叶片将风能转变成机械旋转转矩，该转矩经由转子驱动一个或多个发电机。发电 机有时但并非总是通过齿轮箱旋转地联接到转子上。齿轮箱逐步提高转子固有的低的旋转 速度，以便发电机将旋转机械能高效地转换成电能，该电能经由至少一个电连接件馈入到 公用电网中。还存在无齿轮的直接驱动式风力涡轮机。转子、发电机、齿轮箱和其它构件通 常安装在壳体或机舱内，该壳体或机舱定位在可为桁架塔架或管状塔架的底座顶上。
一些风力涡轮机构造包括双馈感应发电机(DFIG)。此类构造还可包括功率转换 器，该功率转换器用于将所产生的电功率的频率转换成频率大致类似于公用电网的频率。 此外，此类转换器结合DFIG—起还在公用电网和发电机之间传输电功率，以及将发电机激 励功率从连接件的其中之一到公用电网连接件而传输至绕线式发电机转子。作为备选，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，电激励同 步发电机和开关磁阻发电机。这些备选构造也可包括功率转换器，该功率转换器用于如上 文所述那样转换频率以及在公用电网与发电机之间传输电功率。
一些公知的风力涡轮机使用DFIG由风速产生功率，该风速围绕风力涡轮机的额 定风速波动。此类DFIG通常使风力涡轮机能够在高于和低于风力涡轮机额定风速大约 30%的范围内高效地操作。为了从较宽范围的风速中捕集能量，至少一些公知的风力涡轮 机包括两个单独的发电机，它们分别具有不同的操作速度。然而，使用两个单独的发电机会 造成额外成本并会提高产生功率的成本。发明内容
在一个实施例中，提供了一种在风力涡轮机中使用的发电机，其包括具有多个转 子绕组的转子，且该转子构造成电联接到风力涡轮机的配电系统上。发电机还包括具有多 个定子绕组的定子。定子构造成磁联接到转子上，且电联接到风力涡轮机的配电系统上。定 子还构造成用以在第一数目的磁极与第二数目的磁极之间切换。
在另一实施例中，提供了一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括风力涡轮机配电系 统和发电机。发电机包括具有多个转子绕组的转子，且该转子构造成用以电联接到风力涡 轮机配电系统上。发电机还包括具有多个定子绕组的定子，且该定子构造成用以磁联接到 转子上。定子构造成用以电联接到风力涡轮机的配电系统上，且在第一数目的磁极与第二 数目的磁极之间切换。
在另一实施例中，提供了一种用于在风力涡轮机中产生功率的方法。该方法包括 在风力涡轮机内提供风力涡轮机配电系统，以及将发电机联接到风力涡轮机配电系统上。发电机包括具有多个转子绕组的转子，以及具有多个定子绕组的定子。该方法还包括将定 子磁联接到转子上，以及将定子构造为用以在第一数目的磁极与第二数目的磁极之间切 换。
图1为示例性风力涡轮机的一部分的透视图。
图2为可结合图1中所示的风力涡轮机使用的示例性电气与控制系统的简图。
图3为可结合图2中所示的电气与控制系统使用的示例性定子绕组组件的简图。
图4为图3中所示的示例性定子绕组组件的一部分的简图。
图5为可结合图2中所示的电气与控制系统使用的定子绕组组件的备选构造的简 图。
图6为图5中所示的备选定子绕组组件构造的一部分的简图。
图7为示出用于将图3中所示的定子绕组组件切换至更多数目的磁极的示例性方 法的图表。
图8为示出用于将定子绕组组件切换至图7中所示的更多数目的磁极的示例性方 法的流程图。
图9为示出用于将图5中所示的备选定子绕组组件切换至数目减少的磁极的示例 性方法的图表。
图10为示出用于将定子绕组组件切换至图9中所示的数目减少的磁极的示例性 方法的流程图。
零件清单
100风力涡轮机
102机舱
104塔架
106转子
108叶片
110桨毂
112低速轴
114齿轮箱
116高速轴
118发电机
120发电机定子
122发电机转子
200电气与控制系统
202涡轮控制器
206定子同步开关
208定子母线
210功率转换组件
212转子母线4
214主变压器电路断路器
216系统母线
218转子滤波器
219转子滤波器母线
220转子侧功率转换器
222功率转换器
223线路侧功率转换器母线
224线路滤波器
225线路母线
226线路接触器
228转换电路断路器
230转换电路断路器母线
232连接母线
234主变压器
236发电机侧母线
238电网电路断路器
240断路器侧母线
242电网母线
244DC链路
246正干线(rail)
248负干线
250电容器
252第一组传感器
254第二组传感器
256第三组传感器
262转换器控制器
264电流传感器
266滑环
268可变电阻器
300定子绕组组件
302定子绕组
304第一相
306第二相
308第三相
310多个磁极
312第一极
314第二极
316第三极
318第四极
320 第一端子
322 第二端子
3M第一相的第一端子
3 第一相的第二端子
328 第一端子
330 第二端子
332 第一端子
334 第二端子
336端子箱
338极切换箱
346多个端子
348切换箱第一端子
350切换箱第二端子
352第一定子绕组
354第二定子绕组
356第三定子绕组
400定子绕组组件
402定子绕组
404 第一相
406 第二相
408第三相
410 磁极
412 第一极
414 第二极
416第三极
418第四极
420第五极
422第六极
似4第一端子
似6第二端子
4 第一相的第一端子
430第一相的第二端子
432 第一端子
4；34 第二端子
436 第一端子
438 第二端子
440端子箱
442极切换箱
450多个端子
452切换箱第一端子
妨4切换箱第二端子
456第一定子绕组
458第二定子绕组
500 方法
502较少极的状态
504增大叶片的桨距角
506稳定叶片的桨距角
508使发电机与电网母线断开
510增大叶片的桨距角
512将发电机变至数目更多的极
514将叶片保持在大致均勻的桨距角
516将发电机再连接到电网母线上
518减小叶片的桨距角
520稳定叶片的桨距角
522恢复操作
600 方法
602更多极的状态
604增大叶片的桨距角
606稳定叶片的桨距角
608使发电机与电网母线断开
610减小叶片的桨距角
612将发电机变至数目减少的极
614将叶片保持在大致均勻的桨距角
616将发电机再连接到电网母线上
618减小叶片的桨距角
620稳定叶片的桨距角
622恢复操作具体实施方式
图1为示例性风力涡轮机100的一部分的透视图。风力涡轮机100包括收容发电 机(图1中未示出)的机舱102。机舱102安装在塔架104(图1中示出了一部分塔架104) 上。塔架104可为有助于使风力涡轮机100如本文所述那样操作的任何高度。风力涡轮机 100还包括转子106，该转子106包括附接到旋转桨毂110上的三个叶片108。作为备选，风 力涡轮机100包括有助于使风力涡轮机100如本文所述那样操作的任意数目的叶片108。 在示例性实施例中，风力涡轮机100包括可旋转地联接到转子106和发电机(图1中未示 出)上的齿轮箱(图1中未示出)。
图2为可结合风力涡轮机100使用的示例性电气与控制系统200的简图。转子叶 片106包括联接到旋转桨毂110上的叶片108。转子106还包括可旋转地联接到桨毂110上的低速轴112。低速轴112联接到逐步加速的齿轮箱114上，该齿轮箱114构造成用以 逐步增加低速轴112的旋转速度，且将该速度传递至高速轴116。在示例性实施例中，齿轮 箱114具有大约70 1的逐步加速比(st印-up ratio)。例如，联接到逐步加速比为大约 70 1的齿轮箱114上的以大约20转/分钟(rpm)旋转的低速轴112产生对于高度轴116 而言大约1400rpm的速度。作为备选，齿轮箱114具有有助于使风力涡轮机100如本文所 述那样操作的任何的逐步加速比。作为又一备选方案，风力涡轮机100包括直接驱动的发 电机，该发电机可旋转地联接到转子106上而无需任何介于其间的齿轮箱。
高速轴116可旋转地联接到发电机118上。在示例性实施例中，发电机118为绕 线转子式三相双馈感应(异步)发电机(DFIG)，其包括磁联接到发电机转子122上的发电 机定子120。在备选实施例中，发电机定子122包括代替转子绕组的多个永磁体。
电气与控制系统200包括涡轮控制器202。涡轮控制器202包括至少一个处理器以 及存储器、至少一个处理器输入通道、至少一个处理器输出通道，且可包括至少一个计算机 (图2中均未示出)。如本文所用，用语“计算机”并非仅限于本技术领域中称为计算机的那 些集成电路，而是广义地指代处理器、微控制器、微型计算机、可编程序逻辑控制器(PLC)、 专用集成电路以及其它可编程序电路(图2中均未示出)，并且这些用语在本文中可互换使 用。在示例性实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，如随机存取存储器(RAM) (图2中均未示出)。作为备选，还可使用一个或多个存储装置，如软盘、压缩光盘只读存储 器(⑶-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能光盘(DVD)(图2中均未示出)。另外，在示 例性实施例中，附加的输入通道(图2中未示出)可为但不限于与操作人员界面相关联的 计算机外围设备，如鼠标和键盘(两者均未在图2中示出)。此外，在示例性实施例中，附加 的输出通道可包括但不限于操作人员界面监视器(图2中未示出)。
用于涡轮控制器202的处理器处理从多个电气电子装置传输来的信息，这些装置 可包括但不限于电压和电流变换器。RAM和/或存储装置存储和传递将由处理器执行的信 息和指令。RAM和/或存储装置还可用于在处理器执行指令期间存储和提供临时变量、静止 (即，不变的)信息和指令或其它中间信息给处理器。所执行的指令包括但不限于驻留转换 算法和/或比较器算法。指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。
发电机定子120经由定子母线208电联接到定子同步开关206上。在示例性实施 例中，为了有助于DFIG构造，发电机转子122经由转子母线212电联接到双向功率转换组 件210上。如图2中所示，发电机转子122经由至少一个滑环沈6电联接到转子母线212 上，且滑环266可联接到至少一个可变电阻器268上，用于调整发电机转子122的转差(或 滑移，slip)。例如，可变电阻268可采用电或机械的方式变化，使得涡轮控制器202和/或 用户可按需调整可变电阻器268的电阻，用以调整发电机118的转差量(或滑移量)。作为 备选，发电机转子122经由有助于使电气与控制系统200如本文所述那样操作的任何其它 装置而电联接到转子母线212上。作为又一备选方案，电气与控制系统200构造为本领域 中所公知的全功率转换系统(未示出)，其中，设计和操作方面类似于功率转换组件210的 全功率转换组件(图2中未示出)电联接到发电机定子120上，且该种全功率转换组件有 助于在发电机定子120与电功率传输和分配电网(未示出)之间引导电功率。在示例性实 施例中，定子母线208将三相功率从发电机定子120传输至定子同步开关206。转子母线 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经由系统母线216电联接到主变压器电路断路器214上。在备选实施例中，一个 或多个熔断件(未示出)用来代替主变压器电路断路器214。在另一实施例中，既不使用熔 断件，也不使用主变压器电路断路器214，而是将定子同步开关206经由系统母线216联接 到发电机侧母线236上。
功率转换组件210包括经由转子母线212电联接到发电机转子122上的转子滤波 器218。转子滤波器218经由转子滤波器母线219电联接到转子侧双向功率转换器220上。 转子侧功率转换器220电联接到线路侧双向功率转换器222上。转子侧功率转换器220和 线路侧功率转换器222为包括功率半导体(未示出)的功率转换器电桥。在示例性实施例 中，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222构造为三相脉宽调制(PWM)构造，其包 括如本领域中公知那样操作的绝缘栅双极晶体管(IGBT)切换装置(图2中未示出)。作为 备选，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222具有使用有助于使电气与控制系统 200如本文所述那样操作的任何切换装置的任何构造。功率转换组件210联接成与涡轮控 制器202进行电子数据通信，以便控制转子侧功率转换器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222经由线路侧功率转换器母线223电联 接到线路滤波器2 上。另外，线路滤波器2 经由线路母线225电联接到线路接触器226 上。此外，线路接触器2 经由转换电路断路器母线230电联接到转换电路断路器2 上。 此外，转换电路断路器2 经由系统母线216和连接母线232电联接到主变压器电路断路 器214、一个或多个熔断件或发电机侧母线236上。作为备选，线路滤波器2M经由连接母 线232电联接到系统母线216上，其中，任何保护方案(未示出)都构造成用以解决将线路 接触器2 和转换电路断路器2 从电气与控制系统200上移除。主变压器电路断路器 214经由发电机侧母线236电联接到电功率主变压器234上。主变压器234经由断路器侧 母线MO电联接到电网电路断路器238上。电网电路断路器238经由电网母线242连接到 电功率传输和分配电网上。在备选实施例中，主变压器234经由断路器侧母线MO电联接 到一个或多个熔断件(未示出)上，而非电网电路断路器238上。在另一实施例中，既不使 用熔断件，也不使用电网电路断路器238，而是将主变压器234经由断路器侧母线240和电 网母线242联接到电功率传输和分配电网上。
在示例性实施例中，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222经由单个直 流(DC)链路244联接成彼此电连通。作为备选，转子侧转换器220和线路侧转换器222经 由独立且分离的DC链路(图2中未示出)电联接。DC链路244包括正干线(rail)M6、负 干线M8，以及联接于其间的至少一个电容器250。作为备选，电容器250为构造成串联或 并联于正干线246与负干线248之间的一个或多个电容器。
涡轮控制器202构造成用以从第一组电压和电流传感器252接收多个电压和电流 测量信号。此外，涡轮控制器202构造成用以监测和控制与风力涡轮机100相关联的操作 变量中的至少一些。在示例性实施例中，三个电压和电流传感器252中的各个均电联接到 电网母线242的三相中的各相上。作为备选，电压和电流传感器252电联接到系统母线216 上。作为又一备选方案，电压和电流传感器252电联接到有助于使系统200如本文所述那 样操作的电气与控制系统200的任何部分上。作为再一备选方案，涡轮控制器202构造成 用以从任意数目的电压和电流传感器252接收任意数目的电压和电流测量信号，包括但不限于从一个变换器接收一个电压和电流测量信号。
如图2中所示，电气与控制系统200还包括转换器控制器沈2，该转换器控制器 262构造成用以从第二组电压和电流传感器2 (其联接成与定子母线208进行电子数据通 信)接收多个电压和电流测量信号、从第三组电流传感器256 (其联接成与转子母线212进 行电子数据通信)接收第三组电流测量信号，以及从第四组电流传感器264(其联接成与转 换电路断路器母线230进行电子数据通信)接收第四组电流测量信号。第二组传感器254 大致类似于第一组传感器252，而第四组传感器264大致类似于第三组传感器256。转换器 控制器262大致类似于涡轮控制器202，且联接成与风力涡轮控制器202进行电子数据通 信。此外，在示例性实施例中，转换器控制器262物理地集成在功率转换组件210内。作为 备选，转换器控制器262具有有助于使电气与控制系统200如本文所述那样操作的任何构 造。
在操作期间，风冲击叶片108，而叶片108将风能转变成机械旋转转矩，该转矩经 由桨毂110可旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，而齿轮箱114随后逐步 提高轴112的低的旋转速度，以便以增大的旋转速度驱动高速轴116。高速轴116可旋转地 驱动发电机转子122。旋转磁场由发电机转子122诱发，并且在磁联接到发电机转子122上 的发电机定子120内感生电压。发电机118将旋转的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。相关的电功率经由定子母线208、定子同步开关206、系统母线 216、主变压器电路断路器214以及发电机侧母线236传输至主变压器234。主变压器234 逐步提高电功率的电压幅度，而转变的电功率则进一步经由断路器侧母线M0、电网电路断 路器238以及电网母线242传输至电网。
在示例性实施例中，提供了第二电功率传输通路。三相正弦AC电功率在发电机转 子122内产生，且经由转子母线212传输至功率转换组件210。在功率转换组件210内，电 功率传输至转子滤波器218，其中，对于与转子侧功率转换器220相关联的PWM信号的变化 率而改变电功率。转子侧功率转换器220用作整流器，且将正弦三相AC功率整流为DC功 率。DC功率传输到DC链路M4中。电容器250通过促进减轻与AC整流相关联的DC纹波 而有助于减小DC链路244的电压幅度变化。
DC功率随后从DC链路244传输至线路侧功率转换器222，其中，转换器222用作 逆变器，该逆变器构造成用以将来自于DC链路244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。该转换经由转换器控制器262受到监测和控制。所转换的 AC功率经由线路侧功率转换器母线223和线路母线225、线路接触器226、转换电路断路器 母线230、转换电路断路器2 以及连接母线232从线路侧功率转换器222传输至系统母线 216。线路滤波器2M补偿或调整从线路侧功率转换器222传输来的电功率中的谐波电流。 定子同步开关206构造成用以闭合以便促进来自于发电机定子120的三相功率与来自于功 率转换组件210的三相功率的连接。
电路断路器228，214和238构造成例如在电流流量过大且可能破坏电气与控制系 统200的构件时断开对应的母线。还提供了附加的保护构件，包括线路接触器226，它们可 通过打开对应于线路母线225中的各线路的开关(图2中未示出)而受到控制以形成断开。
例如，由于桨毂110和叶片108处的风速变化，故功率转换组件210会补偿或调整 来自于发电机转子122的三相功率的频率。因此，以此方式，机械和电动转子频率与定子频10率去耦。
在一些情况下，功率转换组件210的双向特征、且具体而言是转子侧功率转换器 220和线路侧功率转换器222的双向特征，有助于将所产生的电功率中的至少一些馈送回 到发电机转子122中。更具体而言，电功率从系统母线216传输至连接母线232，且随后经 由转换电路断路器2 和转换电路断路器母线230传输到功率转换组件210中。在功率转 换组件210内，电功率经由线路接触器226、线路母线225和线路侧功率转换器母线223传 输到线路侧功率转换器222中。线路侧功率转换器222用作整流器，且将正弦三相AC功率 整流成DC功率。DC功率传输到DC链路M4中。电容器250通过促进减轻往往与三相AC 整流相关的DC纹波来减小DC链路244的电压幅度变化。
DC功率随后从DC链路244传输至转子侧功率转换器220，其中，转换器220用作 逆变器，该逆变器构造成用以将传输自DC链路244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。该转换经由转换器控制器262而受到监测和控制。所转换 的AC功率经由转子滤波器母线219从转子侧功率转换器220传输至转子滤波器218，且随 后经由转子母线212传输至发电机转子122，从而有助于次同步操作。
功率转换组件210构造成用以从涡轮控制器202接收控制信号。控制信号基于风 力涡轮机100和电气与控制系统200的感测状态或操作特征，由涡轮控制器202接收，且用 于控制功率转换组件210的操作。来自于传感器的反馈可由电气与控制系统200经由转换 器控制器262用来控制功率转换组件210，这些反馈例如包括经由电压和电流传感器沈4， 2M和256的转换电路断路器母线230、定子母线和转子母线的电压或电流反馈。使用这些 反馈信息，且例如切换控制信号，可采用任何公知的方式产生定子同步开关控制信号以及 系统电路断路器控制(跳闸)信号。例如，对于具有预定特征的电网电压瞬变现象而言，转 换器控制器沈2将至少大致暂时地中止IGBT在线路侧功率转换器222内传导。线路侧功率 转换器222的这种中止操作将通过功率转换组件210引导的电功率显著减弱至大约为零。
图3为可结合电气与控制系统200 (图2中所示)使用的示例性定子绕组组件300 的简图。尽管图3示出了在示例性实施例中具有布置为4极构造的36个定子绕组302的 定子绕组组件300，但定子绕组组件300包括布置为具有使电气与控制系统200能够如本文 所述那样操作的任意数目的极的任意数目的定子绕组302。定子绕组302由传导性材料构 成，如钢、铜或本领域中所公知的其它材料。
定子绕组组件300构造成用以磁联接到发电机转子122(图2中所示)上且形成 多个磁极310。图3示出了定子绕组组件300的构造，其具有4极，包括第一极312、第二极 314、第三极316和第四极318。在示例性实施例中，定子绕组302构造成用以联接到三相电 母线上，如定子母线208 (图2中所示)。更具体而言，定子绕组302构造成用以联接到定子 母线208的第一相304、第二相306和/或第三相308上。
图4示出了定子绕组组件300(图3中所示)的一部分的简图。各定子绕组302 均包括绕组第一端子320和绕组第二端子322。在示例性实施例中，各定子绕组302的绕 组第一端子320和绕组第二端子322均构造成用以联接到定子绕组端子箱336和/或极切 换箱338上。在示例性实施例中，端子箱336构造成用以将绕组第一端子320和/或绕组 第二端子322联接在一起，以及/或者联接到一个或多个相邻定子绕组302的绕组第一端 子320和/或绕组第二端子322上。极切换箱338包括构造成用以联接到一个或多个定子11绕组302的绕组第一端子320和/或绕组第二端子322上的多个端子346。极切换箱端子 346构造成用以联接到定子母线208 (图2中所示)的第一相304、第二相306和/或第三 相308上。第一相304包括第一端子3M和第二端子326，第二相306包括第一端子3 和 第二端子330，以及第三相308包括第一端子332和第二端子334。
在示例性实施例中，端子箱336和/或极切换箱338由涡轮控制器202(图2中所 示)操作地(或起作用地)控制。如本文更为完整描述的那样，涡轮控制器202选择多个 磁极310(图3中所示)，利用这些磁极310操作定子绕组组件300。在示例性实施例中，端 子箱336经由各定子绕组302的绕组第一端子320和绕组第二端子322将一个或多个相邻 的定子绕组302联接在一起。在一个实施例(图4中所示)中，如本文更为完整地描述的 那样，端子箱336经由绕组第一端子320和绕组第二端子322将三个定子绕组302联接在 一起，以有助于形成4极定子绕组组件300。在备选实施例中，端子箱336经由绕组第一端 子320和绕组第二端子322将不同数目的相邻定子绕组302联接在一起，以有助于形成具 有4极或不同数目的极的定子绕组组件300。
在示例性实施例中，为了形成定子绕组组件300的4极构造，极切换箱338将极切 换箱的第一端子348联接到第一定子绕组352的第一端子320上。端子箱336将第一定子 绕组352的第二端子322联接到第二定子绕组354的第一端子320上。端子箱336将第二 定子绕组354的第二端子322联接到第三定子绕组356的第一端子320上。因此，端子箱 336将第一定子绕组352联接到第二定子绕组3M上，且将第二定子绕组3M联接到第三 定子绕组356上。极切换箱338将极切换箱的第二端子350联接到第三定子绕组356的第 二端子322上。极切换箱338还将极切换箱的第一端子348联接到第一相的第一端子3M 上，且将极切换箱的第二端子350联接到第一相的第二端子3 上。因此，在示例性实施例 中，端子箱336和极切换相338将三个定子绕组302联接到定子母线208的第一相304上。 在备选实施例中，端子箱336和极切换箱338将任意数目的定子绕组302联接到定子母线 208的第一相304上。
在示例性实施例中，如图4中所示，端子相336和极切换箱338以类似于第一相 304的方式将三个相邻的定子绕组302联接到第二相的第一端子3 和第二端子330上。 端子箱336和极切换箱338以类似方式将三个相邻的定子绕组302联接到第三相的第一端 子332和第二端子334上。此外，对于定子绕组组件300中的所有定子绕组302可以重复 以上联接构造。因此，在示例性实施例中，端子箱336和极切换箱338将三分之一的定子绕 组302联接到第一相304上，将三分之一的定子绕组302联接到第二相306上，以及将三分 之一的定子绕组302联接到第三相308上。
图5为可结合电气与控制系统200(图2中所示)使用的定子绕组组件400的备 选构造的简图。尽管图5示出了在示例性实施例中具有布置为6极构造的36个定子绕组 402的定子绕组组件400，但定子绕组组件400包括布置为具有使电气与控制系统200能够 如本文所述那样操作的任意数目的极的任意数目的定子绕组402。定子绕组402由传导性 材料构成，如钢、铜或本领域中所公知的其它材料。
定子绕组组件400构造成用以磁联接到发电机转子122(图2中所示)上且形成 多个磁极410。图5示出了定子绕组组件400的构造，其具有六个极，包括第一极412、第二 极414、第三极416、第四极418、第五极420和第六极422。在示例性实施例中，定子绕组402构造成用以联接到三相电母线上，如定子母线208 (图2中所示)。更具体而言，定子绕 组402构造成用以联接到定子母线208的第一相404、第二相406和/或第三相408上。
图6示出了定子绕组组件400(图5中所示)的一部分的简图。各定子绕组402 均包括绕组第一端子4M和绕组第二端子426。在示例性实施例中，各定子绕组402的绕 组第一端子4M和绕组第二端子似6均构造成用以联接到定子绕组端子箱440和/或极切 换箱442上。在示例性实施例中，端子箱440构造成用以将绕组第一端子似4和/或绕组 第二端子似6联接在一起，以及/或者联接到一个或多个相邻定子绕组402的绕组第一端 子似4和/或绕组第二端子似6上。极切换箱442包括构造成用以联接到一个或多个定子 绕组402的绕组第一端子似4和/或绕组第二端子似6上的多个端子450。极切换箱端子 450构造成用以联接到定子母线208(图2中所示)的第一相404、第二相406和/或第三 相408上。第一相404包括第一端子似8和第二端子430，第二相406包括第一端子432和 第二端子434，以及第三相408包括第一端子436和第二端子438。
在示例性实施例中，端子箱440和/或极切换箱442由涡轮控制器202 (图2中所 示)操作地(或起作用地)控制。如本文更为完整描述的那样，涡轮控制器202选择多个 磁极410(图5中所示)，利用这些磁极410操作定子绕组组件400。在示例性实施例中，端 子箱440经由各相邻定子绕组402的绕组第一端子似4和绕组第二端子似6将一个或多个 相邻的定子绕组402联接在一起。在一个实施例(图6中所示)中，如本文更为完整描述 的那样，端子箱440经由绕组第一端子似4和绕组第二端子似6将二个定子绕组402联接 在一起，以有助于形成6极定子绕组组件400。在备选实施例中，端子箱440经由绕组第一 端子4M和绕组第二端子4 将不同数目的相邻定子绕组402联接在一起，以有助于形成 具有6极或不同数目的极的定子绕组组件400。
在示例性实施例中，为了形成定子绕组组件300的6极构造，极切换箱442将极切 换箱的第一端子452联接到第一定子绕组456的第一端子似4上。端子箱440将第一定子 绕组456的第二端子似6联接到第二定子绕组458的第一端子似4上。因此，端子箱400将 第一定子绕组456联接到第二定子绕组458上。极切换箱442将极切换箱的第二端子妨4 联接到第二定子绕组458的第二端子似6上。极切换箱442还将极切换箱的第一端子452 联接到第一相的第一端子4 上，且将极切换箱的第二端子妨4联接到第一相的第二端子 430上。因此，在示例性实施例中，端子箱440和极切换相442将二个定子绕组402联接到 定子母线208的第一相404上。在备选实施例中，端子箱440和极切换箱442将任意数目 的定子绕组402联接到定子母线208的第一相404上。
在示例性实施例中，如图6中所示，端子箱400和极切换箱442以类似于第一相 404的方式将二个相邻的定子绕组402联接到第二相的第一端子432和第二端子434上。 端子箱440和极切换箱442以类似方式将二个相邻的定子绕组402联接到第三相的第一端 子436和第二端子438上。此外，对于定子绕组组件400中的所有定子绕组402可重复以 上联接构造。因此，在示例性实施例中，端子箱440和极切换箱442将三分之一的定子绕组 402联接到第一相404上，将三分之一的定子绕组402联接到第二相406上，以及将三分之 一的定子绕组402联接到第三相408上。
在示例性实施例中，涡轮控制器202构造成用以在4极构造的定子绕组组件 300(图3中所示)与6极构造的定子绕组组件400(图5中所示)之间切换。在备选实施例中，涡轮控制器202构造成用以在具有任何数目的磁极的定子绕组组件构造之间切换。
图7为示出用于将发电机定子120(图2中所示)、且更具体而言是定子绕组组件 300 (图3中所示)切换至更多数目的磁极410 (图5中所示)的示例性方法500的图表。 在示例性实施例中，涡轮控制器202 (图2中所示)可使用方法500将发电机定子120从4 极构造的定子绕组组件300切换至6极构造的定子绕组组件400 (图5中所示)。
在示例性实施例中，风力涡轮机100(图1中所示)在较少极的状态502下操作。 在状态504，涡轮控制器202将叶片108 (图1中所示)的桨距角增大到高于精细桨距控制 水平。发电机118(图2中所示)的转矩减小至大约为0，如本领域中所公知的那样，这增大 了发电机转子122(图2中所示)的旋转速度。在状态506，涡轮控制器202稳定叶片108 的桨距角，且风力涡轮机100达到大致〃空转〃的状态。在状态508，涡轮控制器202打开 定子同步开关206，而发电机118与电网母线(图2中所示)大致断开。在状态510，涡轮 控制器202增大叶片108的桨距角，而叶片108的旋转速度减小。在状态512，涡轮控制器 202将发电机118变至更多数目的极。在示例性实施例中，如上文在图5中所述，涡轮控制 器202将发电机118变至6极构造。在备选实施例中，涡轮控制器202将发电机118变至 具有不同数目的极的更多极的构造。在状态514，涡轮控制器202将叶片108保持在大致 均勻的桨距角，且叶片108的旋转保持在大致恒定或同步的速度。在状态516，涡轮控制器 202闭合定子同步开关206，且发电机118再连接到电网母线242上。在状态518，涡轮控 制器202减小叶片108的桨距角，这导致叶片108旋转速度增大。在状态520，涡轮控制器 202将叶片108的桨距角继续减小至精细桨距控制水平。发电机118的旋转速度大致稳定 在速度低于发电机118的以更少数目的磁极310(图3中所示)操作的旋转速度，且转矩从 大约为0增大至额定水平。在状态522，风力涡轮机100恢复操作，且发电机118以更多极 的构造操作。
图8为示出用于将发电机定子120 (图2中所示)、且更具体而言是定子绕组组件 300 (图3中所示)切换至更多数目的磁极410 (图5中所示)的示例性方法500的流程图。
进一步参看图8，在示例性实施例中，涡轮控制器202将叶片108(图1中所示)的 桨距角增大504至高于精细桨距控制水平。发电机118(图2中所示)的转矩减小至大约 为0，如本领域中所公知的那样，这增大了发电机转子122(图2中所示)的旋转速度。涡 轮控制器202稳定506叶片108的桨距角，且风力涡轮机100(图1中所示)达到大致〃空 转"的状态。此外，发电机118的转矩和发电机转子122的旋转速度大致稳定。涡轮控制 器202通过打开定子同步开关206 (图2中所示)使发电机118与电网母线M2 (图2中所 示)断开508。涡轮控制器202增大510叶片108的桨距角，且叶片108的旋转速度减小。 如上文参照图5所述，涡轮控制器202将发电机118变至512更多数目的极，如6极。作为 备选，涡轮控制器202将发电机118变至512具有不同数目的极的更多极的构造。当发电 机118变至512更多数目的极时，发电机转子122的旋转速度减小。发电机118的转矩保 持大约为0，同时发电机118保持与电网母线242断开。涡轮控制器202将叶片108的桨 距角保持514为大致均勻的桨距角。叶片108的旋转和发电机转子122的旋转速度保持在 大致恒定或同步的速度。涡轮控制器202通过闭合定子同步开关206将发电机118再连接 516到电网母线242上。涡轮控制器202减小518叶片108的桨距角，这导致叶片108旋转 速度增大。发电机转子122的旋转速度和发电机118的转矩也增大。涡轮控制器202继续减小叶片108的桨距角，且将桨距角稳定520在精细桨距控制水平。发电机118的旋转速 度大致稳定在速度低于发电机118的以更少数目的极操作的旋转速度，且发电机118的转 矩从大约为0增大至额定水平。风力涡轮机100恢复522操作，且发电机118以更多极的 构造操作。
图9为示出用于将发电机定子120 (图2中所示)、且更具体而言是定子绕组组件 400 (图5中所示)切换至较少数目的磁极410 (图5中所示)的示例性方法600的图表。 在示例性实施例中，涡轮控制器202 (图2中所示)可使用方法600将发电机定子120从6 极构造的定子绕组组件400切换至4极构造的定子绕组组件300 (图3中所示)。
在示例性实施例中，风力涡轮机100(图1中所示)在较多极的状态602下操作。 在状态604，涡轮控制器202将叶片108 (图1中所示)的桨距角增大到高于精细桨距控制 水平。发电机118(图2中所示)的转矩减小至大约为0，且发电机转子122(图2中所示) 的旋转速度减小。在状态606，涡轮控制器202稳定叶片108的桨距角，且风力涡轮机100 达到大致〃空转〃的状态。在状态608，涡轮控制器202打开定子同步开关206，且发电机 118与电网母线M2 (图2中所示)大致断开。在状态610，涡轮控制器202减小叶片108的 桨距角，且叶片108的旋转速度增大。在状态612，涡轮控制器202将发电机118变至更少 数目的磁极310(图3中所示)。在示例性实施例中，如上文在图3中所述，涡轮控制器202 将发电机118变至4极构造。在备选实施例中，涡轮控制器202将发电机118变至具有不 同数目的极的更少极的构造。在状态614，涡轮控制器202将叶片108保持在大致均勻的桨 距角，且叶片108的旋转保持在大致恒定或同步的速度。在状态616，涡轮控制器202闭合 定子同步开关206，且发电机118再连接到电网母线242上。在状态618，涡轮控制器202 减小叶片108的桨距角。当发电机118再连接到电网母线242上时，由于以更少数目的极 操作，故发电机118的转矩增大而叶片108的旋转速度减小。在状态620，涡轮控制器202 将叶片108的桨距角保持在精细桨距控制水平。发电机118的旋转速度大致稳定在速度高 于发电机118的以更多数目的极操作的旋转速度，且转矩增大至额定水平。在状态622，风 力涡轮机100恢复操作，且发电机118以更少极的构造操作。
图10为示出用于将发电机定子120(图2中所示)、且更具体而言是定子绕组组 件400 (图5中所示)切换至更少数目的磁极310 (图3中所示)的示例性方法600的流程图。
进一步参看图10，在示例性实施例中，涡轮控制器202将叶片108(图1中所示) 的桨距角增大604至高于精细桨距控制水平。发电机118(图2中所示)的转矩减小至大 约为0，且发电机转子122(图2中所示)的旋转速度减小。涡轮控制器202稳定606叶片 108的桨距角，且风力涡轮机100达到大致〃空转〃的状态。此外，发电机118的转矩和发 电机转子118的旋转速度大致稳定。涡轮控制器202通过打开定子同步开关206(图2中 所示)使发电机118与电网母线图2中所示)断开608。涡轮控制器202减小610 叶片108的桨距角，且叶片108的旋转速度增大。如上文参照图3所述，涡轮控制器202将 发电机118变至612更少数目的极，如4极。作为备选，涡轮控制器202将发电机118变至 612具有不同数目的极的更少极的构造。当发电机118变至612更少数目的极时，发电机转 子122的旋转速度增大。发电机118的转矩保持为大约0，同时发电机118保持与电网母线 M2断开。涡轮控制器202将叶片108的桨距角保持614为大致均勻的桨距角。叶片10815的旋转和发电机转子122的旋转速度保持在大致恒定或同步的速度。涡轮控制器202通过 闭合定子同步开关206将发电机118再连接616到电网母线242上。涡轮控制器202减小 618叶片108的桨距角。由于发电机118以更少数目的极操作，故发电机118的转矩增大而 叶片118的旋转速度和发电机转子122的旋转速度减小。涡轮控制器202将叶片108的桨 距角大致稳定620在精细桨距控制的水平。发电机118的旋转速度大致稳定在速度高于发 电机118的以更多数目的极操作的旋转速度，且发电机118的转矩增大至额定水平。风力 涡轮机100恢复622操作，且发电机118以更少极的构造操作。
如图7、图8、图9和图10中所示，使用方法500和600有助于提供不同的旋转速 度，发电机118以这些不同的旋转速度在更少数目的极与更多数目的极之间切换。更具体 而言，发电机118在从更少数目的极切换至更多数目的极之前，以第一旋转速度或速度范 围操作，而在切换至更多数目的极之后，以低于第一旋转速度的第二旋转速度或速度范围 操作。相反，发电机118从更多数目的极切换至更少数目的极之前，以第二旋转速度或速度 范围操作，而在切换至数目减少的极之后，以第一旋转速度或速度范围操作。应当认识到的 是，由于低速轴112、齿轮箱114和高速轴116的操作，叶片108的旋转速度与发电机118的 旋转速度成比例。
风力涡轮机100可经由风力涡轮控制器202联接到风场管理系统(未示出)上，以 有助于风力涡轮机100与其它风力涡轮机协作。具体而言，风场管理系统可控制风场(未 示出)内的可同时切换至不同数目的极的多个风力涡轮发电机。因此，风场管理系统可控 制在极切换操作期间与电网断开的多个风力涡轮机，因此减小了电网内的功率产生波动。
使用方法500和600的风力涡轮机100的操作以及包括定子绕组组件300和400 的发电机118有助于提供更为高效的风力涡轮机100操作。如本领域中所公知的那样，使 用双馈感应发电机使风力涡轮机能够以高于和低于额定风速的大约30%进行操作。模拟 数据表明，将方法500和600结合包括定子绕组组件300和400的发电机118使用有助于 风力涡轮机100在比额定风速低大约50 %至比额定风速高30 %之间操作。此外，结合发电 机118使用定子绕组组件300和400有助于减小流过功率转换组件210(图2中所示)的 电流量。因此，功率转换组件210的尺寸可减小，以便进一步提供成本节省和效率。此外， 模拟数据表明，将方法500和600结合发电机118使用有助于使风力涡轮机100的年能量 产量(AEP)提高大约1. 5%至大约2. 2%之间。
上述实施例有助于提供具有多极构造的高效且成本效益合算的发电机。本文所述 的发电机和方法有助于为风力涡轮机提供增大的操作风速范围。因此，本文所述的发电机 和方法有助于使风力涡轮机能够从风中捕集更多功率，且在较宽的风速范围内更为高效地 操作。此外，本文所述的发电机和方法有助于减小可结合发电机使用的功率转换系统的尺 寸和/或成本。
上文详细地描述了风力涡轮发电机和操作风力涡轮发电机的方法的示例性实施 例。该方法和发电机不限于本文所述的特定实施例，而相反，发电机的构件和/或方法的步 骤可独立地和分开地与本文所述的其它构件和/或步骤使用。例如，发电机和方法还可结 合其它风力涡轮机功率系统和方法使用，且不限于仅结合如本文所述的功率系统来实施。 确切而言，示例性实施例可结合许多其它风力涡轮机或功率系统应用而予以执行和使用。
尽管一些图中示出了而另一些图中未示出本发明的各种实施例的具体特征，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，一幅附图中的任何特征可结合任何其它附图中的任何 特征予以参照和/或主张权利。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员 能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可 取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所构思的其它实例。如果 这些其它实例具有与权利要求的书面语言并非不同的结构元件，或者如果这些其它实例包 括与权利要求的书面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例处在权利要求的范 围之内。
权利要求
1.一种在风力涡轮机(10)中使用的发电机(118)，所述发电机包括包括多个转子绕组的转子(106)，所述转子构造成用以电联接到风力涡轮机配电系统上；包括多个定子绕组(302，402)的定子(120)，所述定子构造成用以磁联接到所述转子 上，且电联接到所述风力涡轮机配电系统上；以及联接到所述定子上的端子箱(336)，所述端子箱构造成用以使所述定子在第一数目的 磁极(312)与第二数目的磁极(314)之间切换。
2.根据权利要求1所述的发电机(118)，其特征在于，所述转子(106)通过至少一个滑 环(226)联接到所述风力涡轮机配电系统上。
3.根据权利要求2所述的发电机(118)，其特征在于，所述至少一个滑环(226)联接到 可变电阻器(268)上，用以改变所述发电机的转差量。
4.根据权利要求2所述的发电机(118)，其特征在于，所述至少一个滑环(沈6)联接到 功率转换器(222)上。
5.根据权利要求1所述的发电机(118)，其特征在于，所述端子箱(336)构造成用以将 所述多个定子绕组(302，402)中的至少一对相邻定子绕组联接在一起。
6.根据权利要求1所述的发电机(118)，其特征在于，所述发电机包括极切换箱(338)， 所述极切换箱(338)构造成用以将所述多个定子绕组(302,40 中的至少一个定子绕组联 接到所述风力涡轮机配电系统上。
7.根据权利要求1所述的发电机(118)，其特征在于，所述定子(120)构造成用以将所 述多个定子绕组(302，402)中的至少两个定子绕组联接在一起，所述定子还构造成用以通 过改变联接在一起的所述多个定子绕组的数目而在所述第一数目的磁极(312)与所述第 二数目的磁极(314)之间切换。
8.根据权利要求1所述的发电机(118)，其特征在于，所述发电机联接到控制器(202) 上，所述控制器构造成用以使所述发电机与所述风力涡轮机配电系统断开；将所述发电机从所述第一数目的磁极(312)切换至所述第二数目的磁极(314)；以及，将所述发电机再连接到所述风力涡轮机配电系统上。
9.一种风力涡轮机(100)，包括风力涡轮机配电系统；以及发电机(118)，其包括包括多个转子绕组的转子(122)，所述转子构造成用以电联接到所述风力涡轮机配电 系统上；包括多个定子绕组的定子(120)，所述定子构造成用以磁联接到所述转子上，且电联接 到所述风力涡轮机配电系统上；以及联接到所述定子上的端子箱(336)，所述端子箱构造成用以使所述定子在第一数目的 磁极(312)与第二数目的磁极(314)之间切换。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述转子(122)通过至少 一个滑环(沈6)联接到所述风力涡轮机配电系统上。
全文摘要
本发明涉及用于在风力涡轮机中产生功率的方法及设备。具体而言，提供了一种在风力涡轮机(10)中使用的发电机(118)。该发电机包括包括多个绕组的转子(106)，该转子构造成用以电联接到风力涡轮机的配电系统上；包括多个定子绕组(302，402)的定子(120)，该定子构造成用以磁联接到转子上，且电联接到风力涡轮机的配电系统上；以及联接到定子上的端子箱(336)，该端子箱构造成用以使定子在第一数目的磁极(312)与第二数目的磁极(314)之间切换。
文档编号H02K3/28GK102035309SQ201010512939
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月29日 优先权日2009年9月30日
发明者E·耶格罗塞戈维亚, M·巴托罗姆罗佩斯, P·L·贝尼托圣地亚哥 申请人:通用电气公司