[发明专利]变速驱动系统

说明书

技术领域

本发明可用于所有类型电网的电力系统。

本发明总体上涉及所有变速驱动系统，尤其涉及变速风力涡轮机的驱动系统。

背景技术

风力涡轮机的转子或叶片直接或者经由变速箱间接连接到AC发电机，该AC发电机又通常通过升压变压器连接到电网。例如，在100-150kW以上的大型风力涡轮机上，涡轮机产生的电压通常在400至1000V三相AC之间；随后将电流传送到升压变压器，以根据当地电网的标准将电压升高到10kV和36kV之间的某值。

当AC发电机是变速风力涡轮机的一部分时，所述AC发电机连接到电力电子转换器，该电力电子转换器又直接耦合到电网。在US-5083039号美国专利中可以看到该结构的例子，其中公开了一种变速风力涡轮机，该变速风力涡轮机具有驱动AC感应发电机的涡轮转子、将发电机输出转换为固定频率的AC功率的功率转换器、发电机控制器以及逆变器控制器。然而，在US-5083039中公开的风力涡轮机中，转换器直接连接到电网，从而较高的切换谐波被传送到电网，并且来自电网的扰动直接影响转换器。

另外，EP-A3-1104090公开了一种操作发电机组的方法。使用频率转换器并且使其以与风车的发电机中的转子相同的速度转动，从而避免使用集电环。然而，转动整个转换器系统在物理上几乎是不可能的，因为对应的电子装置不是为这么快的转动速度建立的；在实践中高的转动力/重力也限制其使用。此外，除了具有低的可服务性(例如从接近该转换器的观点)以外，所得到的机器还将是庞大的。

发明内容

本发明涉及根据权利要求1的风力涡轮机的变速驱动系统。在从属权利要求中限定了该变速驱动系统的优选实施例。

本发明涉及风力涡轮机的变速驱动系统，其包括：

-具有绕线转子的异步发电机，以及

-同步发电机，其定子侧连接到频率转换器，该频率转换器在其另一端通过滑环单元连接到所述异步发电机的转子绕组，

所述异步发电机和同步发电机二者都安装在同一单一轴上并且构成单一定子外壳下的单一发电机系统。

在已知的结构中，例如，双馈调速系统或全转换器系统，转换器连接到电网并且总是从电网得到必要的能量，它还使得切换谐波被传送到电网。

转换器不直接连接到电网的该特定结构至少解决了现有技术系统引起的一些技术问题，这是由于以下原因：

-较高的切换谐波没有被传送到电网，因为发电机使来自转换器系统的切换谐波衰减：发电机起到该类型的高切换谐波的滤波器的作用。

-转换器系统受到更好的保护，不受电网故障的影响，因为没有直接连接到电网，并且可能的电网扰动不会影响到转换器。

综合这些首要原因：转换器对电网的影响受到限制，反之亦然。

-与同步级联双馈调速感应系统不同，所述整个系统建立在同一发电机轴上；因此它更加鲁棒和紧凑。

根据本发明的优选实施例，所述同步发电机具有额定功率，该额定功率是异步发电机的额定功率的预定/预先确定的百分比。该百分比取决于速度范围，它可以在异步发电机的额定功率的10％和20％之间变化，最大30％。

发电机系统优选以亚同步模式操作。

根据本发明的优选实施例，同步发电机由永磁体(PMG)建成。该优选实施例的优点是系统可以构造成从机械功率取得能量，然后可以启动，而不需要消耗来自电网的任何功率(黑启动能力)；在岛式运行下或者在整个电网中断后尤其需要该特征。

利用PMG的该优选实施例的另一个优点是系统不需要充电电路，因为可以通过PMG发电机部分获得对转换器系统的DC环充电所需的功率。

通常，转换器系统经由一些电阻器从电网充电，并且在转换器系统启动时包括旁路接触器以消除高的峰值电流。但是根据本发明的结构，转换器系统可以在发电机启动期间从发电机的PMG部分缓慢充电。

本发明的一些其它优点是：

-系统像同步电机一样工作，但是它的速度不依赖于电网频率；因此，它可以作为变速风力涡轮机或变速水力涡轮机工作。

-发电机甚至可以在低电压条件下工作，因为从同步电机供应所述系统，并因此获得机械能，所以始终确保功率供应。

-传送到电网的有功功率和无功功率都来自异步发电机，因此更容易控制(下面将进一步说明)。

-系统还可以在过同步模式下短暂运行；如果与转换器的正常操作相比较，在这种情况下，转换器上有功功率流的方向被反转，因此，系统不需要单独的功率消耗设备。