DE112010002781T5

DE112010002781T5 - Leistungskonverter zur verwendung mit einem windgenerator

Info

Publication number: DE112010002781T5
Application number: DE201011002781
Authority: DE
Inventors: Lyle Thomas Keister; Haran Karmaker; Mehdi Abolhassani; Ryan Edwards; Enrique Ledezma; Alex Skorcz
Original assignee: Teco Westinghouse Motor Co
Current assignee: Teco Westinghouse Motor Co
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2012-10-11
Also published as: US20110012364A1; CN102171449B; WO2011008466A2; US20100133816A1; WO2011008466A3; CN102171449A; US8129853B2; US7863766B2; US20100327666A1; US8106526B2

Abstract

In einem Ausführungsbeispiel umfasst die vorliegende Erfindung eine Turbine zur Erzeugung von mechanischer Energie aus kinetischer Energie, einen Generator, der mit der Turbine gekoppelt ist, so dass er die mechanische Energie empfängt und mehrere isolierte Versorgungsleistungen ausgibt, und mehrere Leistungsstufen, von denen jede mit dem Generator gekoppelt ist. Jede der Leistungsstufen kann wenigstens eine der isolierten Versorgungsleistungen empfangen.

Description

Hintergrund
In den vergangenen Jahren haben sieh Forscher und Wissenschaftler auf die ökonomische Nutzung von Windenergie in großem Maßstab konzentriert. Verbesserungen in der Gestaltung von Turbinen und zunehmende Verwendung von Leistungselektronikkonvertern zur VAR-Kompensation und/oder Frequenzkonvertierung haben dieser Industrie Auftrieb gegeben. Im Bereich von Wind- und anderen Leistungserzeugungssystemen, wo die Eingangsressourcenleistung erheblich variiert, ist geschwindigkeitsveränderliche Erzeugung (VSG, Variable Speed Generation) attraktiver als Systeme mit fester Geschwindigkeit. In diesen Systemen stellt eine Maximalleistungspunkt-Nachführeinrichtung eine Systemgröße (so wie eine Rotationsgeschwindigkeit im Fall von Windturbinen) so, dass ein Turbinenleistungsausgang maximiert wird. Der Maximalleistungspunkt-nachführregler und ein zugehöriger Leistungselektronikkonverter setzen den Betriebspunkt des Generators so, dass die maximale Leistung aus fluktuierender Windenergie gewonnen wird.
Um ihre Anlagenrendite zu maximieren, betreiben Entwickler aggressiv den Aufbau größerer und größerer Windkraftanlagen. In Gegenden, wo Windressourcen so eine Entwicklung unterstützen, werden Windkraftanlagen mit Gesamtleistungsnennwerten über 200 MW zur Norm. Größere Windkraftanlagen werden mit einer Mischung aus über- und unterirdischen Kollektorschaltungen gestaltet, die Speiseleitungsschaltungen mit einzelnen Speiseleitungslängen aufweisen, die in einigen Fällen 10 Meilen (ca. 16,09 km) übersteigen. Die Anlage kann auch eine Koliektor-/Zwischenverbindungs-Teilstation umfassen und in einigen Fällen eine Übertragungsleitung von der Kollektorteilstation zur Zwischenverbindungsteilstation, sowie eine separate Zwischenverbindungsteilstation. Der Abstand von der Kollektorteilstation zu der Zwischenverbindungsteilstation beträgt von mehreren Meilen bis zu einige zehn Meilen, in Abhängigkeit von der Führung von bestehenden Übertragungsleitungen und dem Zwischenverbindungspunkt. Die Mehrheit der installierten Windkraftanlagen in den USA weisen 34,5 kV Kollektorschaltungen auf, da in Nordamerika die meiste Zwischenspannungsinfrastruktur auf 35 kV-Klassenausrüstung basiert.
Da die Durchdringung und Größe der Windkraftanlagen zunimmt, verlangt ihre Auswirkung auf Übertragungsnetze eine gründlichere Analyse und ein gründlicheres Verstehen. Eine Herausforderung von Windfarmen ist die Leistungsqualität und die Stabilität des Netzes. Mit einer Restrukturierung der Energieversorgungsindustrie, wirken sich Regeln und Regelungen zunehmend auf die Windindustrie durch Aktionen der Federal Energy Recollatory Commission (FERC) aus. FERC Order 661 und 661a widmen sich dem Bedürfnis für Windkraftanlagen zur Unterstützung von Leistungssystemspannung, in dem neue Windkraftgeneratoren gefordert werden, die die Fähigkeit zur Fehlerdurchläufigkeit aufweisen und ihre Blindleistung innerhalb des Bereichs von 0,95 vorlaufend bis 0,95 nachlaufend einzustellen. Zusätzlich zu dem kontinuierlichen Trend zu geschwindigkeitsveränderlichem Betrieb können Windfarmen als Spitzenleistungsanlagen betrieben werden (an Land und auf See). Dies fordert eine bessere Einstellung und verbesserte Leistungselektronikkonverterlösungen.
Für Turbinentypen bis etwa 2 MW hat eine konverterlose Struktur zu einem einfachen effektiven System geführt. Hochleistungsturbinen wurden mit geschwindigkeitsveränderlichen Systemen gebaut, wobei entweder doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren mit kleinem Konverter oder getriebelose Systeme mit großen Konvertern verwendet wurden. Niederspannungstechnologie wurde erfolgreich bei allen Leistungsniveaus angewandt. In Konverterleistungsniveaus oberhalb von ungefähr 500 kVA wird typischerweise eine parallele Verbindung von Konvertermodulen verwendet, um die technischen Anforderungen zu erfüllen. Allerdings sind Niederspannungswindkraftgeneratoren mit hohen Verbindungskosten verbunden, da der effektive Strom, der die Verbindungen zwischen einer Gondel (die eine Struktur ist, die an der Spitze eines Windkraftturmes angeordnet ist, und die hunderte von Fuß in der Luft sein kann (ein Mehrfaches von ca. 30,48 m)) und der Turmunterseite sehr hoch ist. In einem 690 V-System wird ein Phasenstrom von 1700 A bei ungefähr 2 MW erreicht. Dies erfordert eine parallele Verbindung von mehreren Kabeln pro Phase und einen wesentlichen Spannungsabfall. Dieser Nachteil kann abgeschwächt werden, indem das elektrische Konvertierungssystem einschließlich des Transformators in der Gondel angeordnet wird.
Allerdings erhöht die Struktur zur Stützung des Gondelgewichts Kosten extrem. Darüber hinaus nimmt der Raum, der von den Konvertern in der Gondel benötigt wird, etwa proportional zu seiner Leistung zu, aufgrund der Notwendigkeit, Niederspannungskonvertermodule parallel zu verwenden. Die Gondelabmessungen und das Gewicht nehmen erheblich zu und verkomplizieren die mechanische Stabilität und die Logistik während eines Turbinenaufbaus. Somit besteht ein Bedürfnis für verbesserte Leistungskonvertierung in Leistungserzeugungssystemen.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Implementierung der vorliegenden Erfindung ist auf ein System gerichtet, das eine Turbine zum Erzeugen mechanischer Energie aus kinetischer Energie, einen Generator, der mit der Turbine gekoppelt ist, so dass er die mechanische Energie empfängt und mehrere isolierte Versorgungsleistungen ausgibt, und mehrere Leistungsstufen umfasst, von denen jede mit dem Generator gekoppelt ist. Jede der Leistungsstufen kann wenigstens eine der isolierten Versorgungsleistungen empfangen. Des Weiteren können verschiedene Teilsätze der Leistungsstufen mit verschiedenen Phasenausgangsleitungen gekoppelt sein. In einer Implementierung kann der Generator P·n·m Ausgangsverbindungen für die isolierten Versorgungsleistungen vorsehen, wobei P die Anzahl von Phasenausgangsleitungen ist, n die Anzahl von Leistungsstufen ist, die mit einer Phasenausgangsleitung gekoppelt sind, und m die Anzahl von Phasen ist, die von einer der Leistungsstufen empfangen werden. Gleichermaßen kann der Generator N Spulen umfassen, wobei N gleich oder größer ist als P·n·(k·m), wobei P die Anzahl von Phasenausgangsleitungen ist, n die Anzahl von Leistungsstufen ist, die mit einer Phasenausgangsleitung gekoppelt sind, k die Anzahl von Spulen ist, die miteinander gekoppelt sind, so dass sie eine Phase einer isolierten Versorgungsleistung bilden, und m die Anzahl von Phasen ist, die durch eine der Leistungsstufen empfangen werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf einen Generator gerichtet, der isolierte Leistungsausgänge direkt zu mehreren Leistungsstufen eines Leistungskonverters bereitstellen kann. Der Generator umfasst einen Rotor und einen Stator. Der Stator weist Schlitze auf, von denen jeder wenigstens eine Spule aufweist, die darum gewickelt ist, und der Generator kann bis zu S isolierte Leistungsausgänge bereitstellen, wobei S wenigstens gleich P·n ist, wobei P die Anzahl von Phasenausgangsleitungen des Konverters ist und n die Anzahl von Leistungsstufen ist, die in Serie mit einer Phasenausgangsleitung gekoppelt sind.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Windenergiekonvertierungssystem gerichtet, sowie eine Windfarm, das Windturbinen, Generatoren und Leistungskonverter umfasst. Die Generatoren sind jeder mit einer der Windturbinen gekoppelt und geben mehrere isolierte Versorgungsleistungen an Leistungsstufen des Leistungskonverters aus. Verschiedene Teilsätze der Leistungsstufen sind mit verschiedenen Phasenausgangsleitungen gekoppelt, die wiederum direkt mit einer Kollektorschaltung oder einem Versorgungsnetz gekoppelt sein können.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines Mehrniveauwindenergiekonvertierungssystems in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1A zeigt ein Blockdiagramm mit paralleler Verbindung von Leistungszellen in einer Stufe in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Beispiel einer Diodeneingangsleistungszelle in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Beispiel einer mehrphasigen Aktiv-Eingangsleistungszelle (Aktiv-Eingang, engl.: Active-Front End) in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften 3-phasigen Permanentmagnetgenerators in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Blockdiagramm eines Windenergiekonvertierungssystems in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften 3-phasigen, sechspoligen 72-Schlitz-Doppelschichtwindungen-Permanentenmagnetgenerators in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Blockdiagramm eines Windenergiekonvertierungssystems in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Blockdiagramm einer parallelen Verbindung von Spulen in einem Windkraftkonvertierungssystem in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
9 ist ein Blockdiagramm eines Windfarmleistungskonvertierungssystems, das ein Mehrfachausgangsgetriebe verwendet, in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
10 ist ein Blockdiagramm eines Windenergiekonvertierungssystems mit einem Mehrfachausgangsgetriebe in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Windenergiekonvertierungssystems, das ein Mehrfachausgangsgetriebe aufweist, in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
12 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Windenergiekonvertierungssystems, das ein Mehrfachausgangsgetriebe aufweist, in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
13 ist ein Blockdiagramm eines Windenergiekonvertierungssystems in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
14 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Windenergiekonvertierungssystems in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
15 ist ein Blockdiagramm eines Windenergiekonvertierungssystems in Übereinstimmung mit noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Ausführungsbeispiele stellen ein Spannungskonvertierungssystem bereit, das in Verbindung mit Leistungserzeugungssystemen so wie Windenergiekonvertierungssystemen verwendet werden kann. Insbesondere kann ein Mehrniveauleistungskonverter bereitgestellt werden, der zu einer signifikanten Gewichts-, Größen- und Kostenreduktion bei installierten Ausstattungen in einer Gondel führt. Ausführungsbeispiele können des Weiteren beim Verwirklichen eines Windenergiekonvertierungssystems verwendet werden, ohne einen Transformator zu benötigen, weder an einem Eingang noch an einem Ausgang des Konverters. Auf diese Weise kann ein System direkt mit einer Kollektorschaltung verbunden werden, ohne dass ein Aufwärtstransformator benötigt wird, während die Leistungsqualitätsanforderungen gemäß dem IEEE 519-Standard und Vorgaben zu Fehlerdurchläufigkeit und Blindleistungssteuerung gemäß der FERC-Order 661 oder 661A eingehalten werden. Darüber hinaus kann ein Leistungselektronikkonverter in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Windenergiekonvertierungssystem so einstellen, dass die maximale Leistung von fluktuierender Windenergie aufgenommen wird.
Ausführungsbeispiele können in alleinstehenden Windturbinenanlagen auf See oder an Land oder in einer Windkraftanlage angewandt werden, die direkt mit einer Kollektorschaltung verbunden werden kann. Andere Ausführungsbeispiele können mit Leistungserzeugungssystemen verwendet werden, sowie hydrodynamischen oder anderen fluidbetriebenen Turbinen. Ein modulares Mehr-Niveau-Konverterkonzept kann leicht so ausgeweitet werden, dass es mit verschiedenen Kollektorschaltungen verbunden wird, ohne dass ein Aufwärtstransformator verwendet wird. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Mittel- bis Hochspannungsgenerator (z. B. ein 3 MW-Generator, 34,5 kV) mit mehreren Sätzen aus isolierten m-phasigen Windungen verwendet werden. Jeder Satz von isolierten m-phasigen Windungen versorgt eine entsprechende Leistungszelle mit Leistung, die eine Niederspannungs- oder Mittelspannungsleistungszelle sein kann. Wie hierin verwendet, wird der Begriff ”Niederspannung” oder ”LV” (engl.: Low Voltage) verwendet, um Spannungen von 1000 Volt und darunter zu bezeichnen, der Begriff ”Mittelspannung” oder ”MV” (engl.: Medium Voltage) wird verwendet, um Spannung zwischen ungefähr 1000 und 35000 Volt zu bezeichnen, und der Begriff ”Hochspannung” oder ”HV” (engl.: High Voltage) wird hierin verwendet, um Spannungen über diesem Niveau zu bezeichnen.
1 ist ein Blockdiagramm eines Mehrniveauwindenergiekonvertierungssystems in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 zu sehen, umfasst ein Energiekonvertierungssystem 10 eine Turbine 20 (so wie eine Windturbine), die kinetische Energie in mechanische Energie wandelt und die wiederum mit einem Getriebe 30 gekoppelt ist, das, wie weiter unten beschrieben werden wird, ein Getriebe mit mehreren Ausgängen sein kann. Allerdings kann in anderen Ausführungsbeispielen der Bedarf für ein Getriebe vermieden werden und eine Turbine kann direkt mit einem Generator verbunden werden. Das Getriebe 30 wiederum ist mit einem Generator 40 gekoppelt, der ein Mittel- bis Hochspannungsgenerator sein kann, um die mechanische Energie in elektrische Energie zu konvertieren. In dem Ausführungsbeispiel von 1 kann die Turbine auf einem Turm angeordnet sein und das Getriebe und der Generator und ein Leistungskonverter können in einer Gondel angeordnet sein, die mit der Turbine gekoppelt ist. In einigen Implementierungen kann ein einzelnes Modul sowohl einen Generator als auch einen Leistungskonverter aufnehmen. Allerdings kann der Bedarf für weitere Komponenten in der Gondel vermieden werden, was eine Verwendung einer kleineren und leichteren Gondel gestattet, was Herstellungs- und Installationskosten senkt.
Wie in 1 zu sehen, können mehrere unabhängige und isolierte Ausgänge von m Phasen (3 Phasen im Ausführungsbeispiel von 1) von dem Generator 40 bereitgestellt werden. Jeder dieser Ausgänge wird direkt an eine entsprechende Leistungsstufe von 55 _a1 bis 55 _cn eines Leistungskonverters 50 bereitgestellt. Allgemein sind n (n ≥ 2) Leistungsstufen in Serie verbunden, so dass eine Phase einer gelieferten Leistungen gebildet wird. Wie hierin verwendet, umfasst eine ”Leistungsstufe” eine oder mehrere Leistungszellen parallel. Wie hierin verwendet, umfasst eine ”Leistungszelle” einen unabhängigen Leistungskonverter (der ein Aktiv-Eingang oder ein passiver Gleichrichter sein kann), einen Gleichstrombus und einen Inverter. Während in einigen Ausführungsbeispielen eine einzelne Leistungszelle in einer Stufe vorhanden sein kann, können in vielen Implementierungen zwei oder mehr Leistungszellen parallel gekoppelt sein, um isolierte Leistung von dem Generator zu empfangen. In dieser Topologie können Leistungszellen niedrigerer Spannung der Leistungsstufen in Serie verbunden sein, um höhere Spannung und Leistung zu erzeugen. Die Anzahl von Stufen in Serie hängt von einer erforderlichen Spannung zur Verbindung mit einem Netz ab. Beispielsweise zur Verbindung mit einem 4160 Volt-Netz, werden drei 740 Volt-Leistungsstufen in Serie verbunden. In einem Netz höherer Spannung, so wie 34,5 kV-Netze, können höhere Spannungsleistungsstufen, z. B. 1500 V-Leistungsstufen, verwendet werden. Wie oben beschrieben, werden Leistungsstufen durch eine oder mehrere Leistungszellen parallel aufgebaut. Leistungszellen können aus zwei H-Brücken oder irgendeine andere Art von Mehrniveauinverter gebildet werden. In verschiedenen Implementierungen kann jede Leistungsstufe vom gleichen Spannungsniveau sein oder eine asymmetrische Topologie kann vorhanden sein, in welcher ein oder mehrere Niveaus der Stufen verschiedene Spannungen aufweisen.
In der Implementierung, die in 1 gezeigt wird, wurde eine Leistungszelle pro Leistungsstufe verwendet. Allerdings können zur Bereitstellung höherer Ströme mehrere Leistungszellen parallelisiert werden, um eine Leistungsstufe zu bilden. In 1 kann der Leistungskonverter 50 ein 3-phasiger Konverter sein, der 3-phasige Ausgangsleitungen 56a bis 56 aufweist, wobei jede aus einer Serienkopplung von mehreren Leistungsstufen 55 zusammengesetzt ist. Jede Phasenausgangsleitung 56 wiederum kann mit einer Kollektorschaltung 60 gekoppelt sein, die in einem Ausführungsbeispiel eine 34,5 kV-Kollektorschaltung sein kann. Zu beachten ist, dass die Verbindungen zwischen dem Generator 45 und den Leistungsstufen 55 des Leistungskonverters 50 direkte Verbindungen sein können, ohne den Bedarf für einen Eingangstransformator um eine Isolation bereitzustellen. Es ist zu beachten, dass während sie als direkte Kopplung gezeigt wird, in einigen Implementierungen eine Sicherung oder ein anderer Schutzmechanismus in den Leitungen vorhanden sein kann, die den Generator 40 und den Leistungsgenerator 50 verbinden. Allerdings ist dies immer noch eine direkte Verbindung, da kein Bedarf für einen Eingangstransformator zwischen dem Generator und dem Konverter besteht, um Leistungsisolation bereitzustellen. Des Weiteren können die Ausgänge an den Phasenausgangsleitungen 56 direkt der Kollektorschaltung 60 bereitgestellt werden, ohne dass ein Bedarf für einen Ausgangstransformator besteht, um eine Aufwärtsfunktion bereitzustellen. Während sie mit dieser bestimmten Implementierung in dem Ausführungsbeispiel von 1 gezeigt wurde, ist der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht diesbezüglich beschränkt.
1A zeigt ein Blockdiagramm einer parallelen Verbindung von Leistungszellen in einer Stufe in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1A gezeigt, umfasst die Leistungsstufe 55 zwei Leistungszellen 55 ₁ und 55 ₂, die parallel gekoppelt sind, so dass sie 3-phasige isolierte Leistungseingänge empfangen, die beispielsweise direkt von einem Generator in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung empfangen werden können. Während nur zwei Zellen, die parallel gekoppelt sind, gezeigt sind, versteht sich, dass in verschiedenen Implementierungen mehr als zwei Zellen parallel gekoppelt werden können. Des Weiteren ist zu bedenken, dass in einigen Implementierungen eine Leistungsstufe eine einzelne Leistungszelle umfassen kann.
Ein Beispiel für eine Diodeneingangleistungszelle ist in 2 dargestellt. Zur Erleichterung sind Leistungszellen mit der Referenzzahl 55 nummeriert, der gleichen wie die Stufen. Allerdings versteht sich, dass diese Begriffe nicht synonym zu verstehen sind, da eine bestimmte Stufe mehr als eine Leistungszelle umfassen kann. Wie in 2 zu sehen, umfasst jede Leistungszelle 55 einen mehrphasigen Diodengleichrichter 110 (z. B. 3-phasig), einen Gleichstrombus 120 und einen einphasigen Inverter 130 (z. B. ein H-Brückeninverter), der aus Halbleiterschaltelementen so wie IGBTs gebildet sein kann. Natürlich können andere Komponenten, so wie lokale Steuerungselemente usw, in den Leistungszellen ebenfalls vorhanden sein. Während sie mit dieser bestimmten Implementierung von Leistungszellen in dem Ausführungsbeispiel von 2 gezeigt ist, ist der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht diesbezüglich beschränkt und diese Leistungszellen können durch irgendeine andere Art von Mehrniveauinvertern ersetzt werden.
In anderen Implementierungen kann ein Diodeneingangsgleichrichter durch einen mehrphasigen Aktiv-Eingang ersetzt werden, um dem Leistungskonverter eine Geschwindigkeitssteuerung des Generators zu gestatten, so dass die Windturbine eingestellt wird, die maximale Leistung aus fluktuierender Windleistung einzufangen. Ein Beispiel einer mehrphasigen Aktiv-Eingangsleistungszelle 55' ist in 3 gezeigt. Wie in 3 zu sehen, umfasst die Leistungszelle 55' von 3 anstatt des Gleichrichters 110 wie in dem Ausführungsbeispiel von 2 vorhanden, einen 3-phasigen Aktiv-Eingang 105, der mehrere Schaltelemente umfasst, zum Beispiel Leistungs-IGBTs. Diese Schaltelemente sowie Schaltelemente der H-Brücke 130 können durch ein lokales Zellensteuerungselement gesteuert werden, das wiederum durch einen Master-Steuerungselement des Leistungskonverters gesteuert werden kann. Während sie mit dieser bestimmten Implementierung in dem Ausführungsbeispiel von 3 gezeigt ist, ist der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht diesbezüglich beschränkt.
Jede Leistungsstufe ist von isolierten und unabhängigen 3-phasigen Windungen des Generators 40 versorgt. Allgemein werden Generatoren aus mehreren Spulen aufgebaut, die in Statorschlitzen abgelegt sind. In einer gewöhnlichen Gestaltung sind die Spulen in Serie oder parallel verbunden, in Abhängigkeit von Spannungs- und Leistungsvermögen des Generators mehrere Phasen zu bilden, zum Beispiel einen 3-phasigen Generator. Allerdings können in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unabhängige Spulen des Generators Leistung an jede Leistungsstufe liefern, die elektrisch von anderen Leistungsstufen isoliert ist. Wenn die Anzahl der Leistungsstufen pro Phase, die mit den Phasenausgangsleitungen gekoppelt sind, gleich n ist, werden n Sätze von m-phasigen Leistungsversorgern benötigt, um eine Phasenausgangsleitung des Leistungskonverters zu bilden. Daher werden wenn ein Generator verwendet wird, um Leistung an die Leistungsstufen zu liefern, 3n Sätze von m-phasigen Spulen benötigt. Allerdings ist es möglich, mehr Spulen in Serie oder parallel zu konfigurieren, um einen Satz von m-phasigen Windungen herzustellen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Gesamtanzahl von Generatorspulen für eine unabhängige Windturbine berechnet als: N = P·n·(k·m) [EQ.1], wobei N die Gesamtanzahl von Generatorspulen ist;
P die Anzahl von Phasenausgangsleitungen ist;
n die Anzahl von Leistungsstufen pro Phasenausgangsleitung des Leistungskonverters ist;
k die Gesamtanzahl von Spulen in Serie oder parallel ist, um jede Phase einer m-phasigen Leistungsversorgung zu bilden, d. h. eine isolierte Versorgungsleistung für die Leistungsstufen;
und m die Anzahl von Phasen ist, die von dem Eingang einer Leistungsstufe empfangen werden.
In einigen Implementierungen kann ein Generator bis zu S isolierte Leistungsausgänge bereitstellen, wobei S gleich oder größer als P·n ist, wobei P die Anzahl von Phasenausgangsleitungen ist und n die Anzahl von Leistungsstufen ist, die mit einer Phasenausgangsleitung gekoppelt sind.
Somit steht das Ausführungsbeispiel von 1 im Kontrast zu konventionellen Antriebskonvertersystemen, in welchen eine große Anzahl von isolierten Spannungsquellen benötigt werden, um Leistungszellen zu versorgen. Dies wird normalerweise unter Verwendung eines Mehrwindungsisolationstransformators durchgeführt, um Leistung an die Leistungszellen zu liefern. Allerdings macht dies die Windenergiekonvertierungssysteme schwer und teuer. Im Gegensatz dazu können Ausführungsbeispiele einen Mehrwindungsgenerator verwenden, um isolierte Leistung direkt an die Leistungsstufen des Antriebssystems zu liefern. In verschiedenen Implementierungen können verschiedene verteilte variable Drehzahlsteueralgorithmen für den Generator des Weiteren verwendet werden, um maximale Leistungsverfolgung für die Windturbine zu gestatten.
Ausführungsbeispiele können somit den Weg wie Windkraftanlagen entwickelt werden und mit einer Versorgungseinrichtung verbunden werden, so transformieren, dass höhere Niveaus der Verlässlichkeit, Kosteneffektivität und Leistungsqualität verwirklicht werden. Technologien in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Installation, Energiesammlung und Übertragung von Windkraftanlagen auf dem Meer und an Land durch eine signifikante Gewichtsreduktion der installierten Ausrüstung in den Gondeln erleichtern. Des Weiteren gestatten solche Technologien eine Turbine oder ein anderes Element mit einem Generator, einem Versorgungsnetz oder einer Kollektorschaltung zu verbinden, ohne einen Aufwärtstransformator zu verwenden. Durch Reduktion von Anzahlen und Komplexität eines Turms, Logistik und eines Fundaments (sowie Vermeidung eines Aufwärtstransformators) werden die Kosten pro Kilowattstunde von Windenergie signifikant reduziert.
Des Weiteren ist durch Verwendung von gestapelten Leistungsstufenmodulen die Spannung und Leistungsfähigkeit eines Windenergiekonvertierungssystems auf Mehr-MW-Niveaus und Spannungen von 34,5 kV und mehr ausweitbar. Aus einer Verwendung eines Mehrniveaukonverters können Implementierungen große Leistungsqualität gestatten. Mit der passenden Gestaltung der Generatorwindung können verschiedene Mehrfachsätze von isolierten Wechselstromspannungen für einen kaskadierten Inverter erzeugen, ohne das Bedürfnis für einen isolierten Transformator oder andere Leistungskonverter. Die meisten Netzanschlussregeln erfordern jetzt, dass Windkraftanlagen helfen, das Netz zu erhalten oder die Systemspannung zu regulieren. Windkraftanlagen müssen dann auch dem Netz helfen, auch die Systemfrequenz zu halten oder zu regulieren. Indem man sich Redundanz in Modulationstechniken zunutze macht, die durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, können vorgegebene Netzanschlussregeln, so wie Durchläufigkeitsanforderungen, eingehalten werden.
Im Fall einer Windfarm kann ein mehrphasiger Generator eine oder mehr Leistungsstufen beliefern, so dass der Mehrniveauleistungskonverter verwendet werden kann, um höhere Spannungen und sauberere Leistung zu erzeugen. Wie in 4 zu sehen, umfasst der Generator 200 einen Rotor 210 und einen Stator 220, die einen Satz Permanentmagneten 215 aufweisen, der dazwischen gekoppelt ist.
Der Stator 220, der aus einem Eisenkern gebildet werden kann, umfasst mehrere Schlitze 225 (von denen nur einer zur Erleichterung der Darstellung in 4 mit einer Zahl versehen ist), die zwischengelagerte Zähne 230 aufweisen, die zwischen die Schlitze gekoppelt sind. Jeder Schlitz 225 weist Windungen auf, z. B. Kupferwindungen, die dazwischen angeordnet sind. In der Implementierung, die in 4 gezeigt ist, können 27 solcher Schlitze vorgesehen sein, von denen jeder eine Schlitzeinlage 228 umfasst, die eine Isolation zwischen zwei Spulen bereitstellt, die in jedem Schlitz vorhanden sind. Unter Verwendung von Verbindungen zwischen diesen Windungen in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine große Anzahl von isolierten Leistungsversorgungen an die Phasen der Leistungsstufen geliefert werden. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Generator 200 konzentrierte Windungen um jeden Zahn auf. Es gibt 27 unabhängige Spulen in dieser Gestaltung. Diese 27 Spulen können neun Sätze (1–9) von isolierten 3-phasigen(Wechselstrom-)Leistungsversorgungen bilden, die einem Leistungskonverter bereitgestellt werden sollen. Das heißt, aufgrund der selektiven Verbindungen, die zwischen den Spulen des Generators hergestellt werden, können einem Leistungskonverter 27 unabhängige Spannungen bereitgestellt werden. Dies steht im Kontrast zu einer konventionellen Kopplung von Spulen, wo zur Implementierung, die in 4 gezeigt ist, nur ein einzelner Satz von isolierter 3-phasigenleistung bereitgestellt werden könnte.
Mit weiterem Bezug auf 4 ist zu beachten, dass in diesem Ausführungsbeispiel jede Spule von allen anderen Spulen isoliert ist, anstatt eine große Anzahl von Spulen bereitzustellen, die miteinander gekoppelt sind. Beispielsweise wie in 4 zu sehen weisen Schlitze A1⁺ und A1^– eine Spule 235 (A1) auf, die zwischen die Schlitze gewickelt ist. Allerdings ist diese Spule 235, die um diese zwei Schlitze gewickelt ist, nicht mit weiteren Spulen gekoppelt. Es ist zu beachten, dass während nur eine einzelne Wicklung dieser Spule zur leichteren Darstellung gezeigt wird, die gesamte Breite des Schlitzes von der Spule eingenommen werden kann. Diese isolierte Spule, die in den Schlitzen A1⁺ und A1^– vorhanden ist (die als Spule A1 bezeichnet werden kann) und eine Spule, die in den Schlitzen B1⁺ und B1^– (die als Spule B1 bezeichnet werden kann) und eine Spule, die in den Schlitzen C1⁺ und C1^– vorhanden ist (die als Spule C1 bezeichnet kann) können in einer Sternverbindung verbunden werden und eine isolierte 3-phasigenleistung über eine direkte Verbindung einer Leistungsstufe eines Leistungskonverters bereitstellen. Es ist zu beachten, dass die Bezeichnung A1⁺ und A1^– auf eine isolierte Spule gerichtet ist, die zwei Enden aufweist, nämlich ein positives Ende und ein negatives Ende. In einer Sternverbindung beispielsweise kann die negative Seite der Spulen A1, B1 und C1 miteinander verbunden werden, und die positiven Seiten werden mit Eingängen der Leistungsstufen (Leistungszellen) verbunden. Im Gegensatz zu der konventionellen Art, Spulen in einem Generator zu verbinden, der 27 Schlitze aufweist, wird nur ein 3-phasiger Ausgang bereitgestellt.
5 zeigt ein Windenergiekonvertierungssystem, das den beispielhaften Permanentmagnetgenerator (PMG) verwendet, der in 4 dargestellt ist. In dieser Konfiguration sind neun Sätze (45 ₁ bis 45 ₉) von isolierter 3-phasiger Leistung mit den Leistungsstufen 55 des Leistungskonverters 50 direkt mit dem Generator 40 verbunden. Es ist zu beachten, dass jede Leistungsstufe in diesem Ausführungsbeispiel nur eine Leistungszelle umfasst, allerdings können mehrere Leistungszellen parallel verbunden werden. Die Leistungsstufen 55 sind mit einer Aktiv-Eingangskonverterkonfigurationsleistungszelle gezeigt; allerdings kann stattdessen ein Diodeneingangskonverter oder irgendeine andere Art von Mehrniveauinverter verwendet werden. Des Weiteren in 5 gezeigt ist eine Verbindung zwischen einem lokalen Zellsteuerelement 140, der die Schaltelemente der Leistungszelle steuert und eine faseroptische Schnittstelle 150, die wiederum mit einem Systemsteuerelement gekoppelt werden kann. Es ist beachten, dass, während es nicht in 5 gezeigt ist, Phasenausgangsleitungen 56a bis 56c direkt mit einem Übertragungsnetz oder einer Kollektorschaltung verbunden werden können.
4 zeigt einen Querschnitt eines 3-phasigen PMG mit 24 Polen und 27 Schlitzen. 6 ist eine Querschnittsansicht eines 3-phasigen, sechspoligen 72-Schlitz-Doppelschichtwindungen-Permanentenmagnetgenerator in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Windungskonfiguration für die Phase A dieses Generators ist in 6 gezeigt. In dieser Ausgestaltung gibt es 24 Spulen pro Phase. In dem Ausführungsbeispiel von 6 umfasst ein Generator 52 einen Stator 260, der 72 Schlitze aufweist, von denen jeder in zwei verschiedene Bereiche durch eine allgemeine radiale Schlitzeinlage getrennt sein kann (nicht in 6 gezeigt). In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Generator eine Schlitzgestaltung mit einer einzelnen Schicht sein, während die Generatoren von 4 und 6 Doppelschichtschlitze verwenden. Mit einer Einzelschichtkonfiguration ist die Anzahl der Gesamtspulen die Hälfte der Anzahl an Schlitzen. In einer Doppelschichtkonfiguration ist die Anzahl an Spulen gleich der Anzahl an Schlitzen. Es ist zu beachten, dass in dem Ausführungsbeispiel von 6 Details des Generators, sowie der Rotor und Magnete zur leichteren Darstellung nicht gezeigt sind.
In 6 werden Windungen für die Phase A gezeigt. Wie zu sehen, können Windungen um verschiedene Schlitze des Generators gewickelt sein. Beispielsweise kann eine Spule zwischen einen Schlitz 1 (mit Bezeichnung A1⁺) und einen Schlitz 11 (mit Bezeichnung A1^–) gewickelt sein. Um einem Leistungskonverter mehr Spannung bereitzustellen, können Ausführungsbeispiele mehrere Spulen in Serie miteinander koppeln. In einer Implementierung kann eine zusätzliche Spule, die sich von einem Schlitz 2 (d. h. A2⁺) bis zu einem Schlitz 12 (d. h. A2^–) erstreckt, in Serie mit der Spule gekoppelt sein, die sich zwischen den Schlitzen 1 und 11 erstreckt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann diese Serienverbindung in dem Generator hergestellt werden oder kann in dem Leistungskonverter angeordnet sein. In Abhängigkeit davon, wo diese Verbindungen hergestellt werden, können entweder 36 oder 72 unabhängige Leistungsversorgungen von dem Generator 250 ausgegeben werden. Somit werden in dem Ausführungsbeispiel von 6 Sätze von Windungen in Serie verbunden, z. B. werden A2 und A1 in Serie verbunden. So eine Topologie erhöht eine Spannung für die Leistungsstufe. Somit können in verschiedenen Implementierungen mehr als eine Spule jede Phase einer Leistungsstufe versorgen.
Details einer Verbindung dieser verschiedenen Spulen im Generator 250 wie zu verschiedenen Leistungsstufen eines Leistungskonverters in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorgenommen, werden in 7 gezeigt. In 7 umfasst jede Leistungsstufe eine Leistungszelle, wobei allerdings mehrere Leistungszellen parallel verbunden werden können, um eine Leistungsstufe zu bilden. 7 zeigt ein Windenergiekonvertierungssystem, das Leistung von dem Generator von 6 empfängt. In diesem Beispiel ist ein Paar aus zwei Spulen in Serie verbunden, so dass es eine Phase einer Leistungsversorgung für die Leistungszelle bildet, so dass sie eine höhere Spannungsversorgung für die Leistungszellen gestattet. Natürlich können mehr als zwei solcher Spulen miteinander gekoppelt werden. In 7 ist die Spule A1, die mit den Spulenenden von A1⁺ und A1^– bezeichnet ist, mit der Spule A2 in Serie verbunden, die mit den Spulenenden A2⁺ und A2^– bezeichnet ist. In dieser Konfiguration liefern 12 Sätze von 3-phasiger Leistungsversorgung 45 _l bis 45 _n Leistung für die Leistungszellen. Jede Phasenausgangsleitung des Leistungskonverters kann durch Verbinden in Serie von vier Leistungsstufen gebildet werden. Die Frequenz der Ausgangsspannung kann auf die Netzfrequenz festgelegt werden, zum Beispiel 60 Hz. Der Leistungskonverter ist ein natürlich symmetrischer kaskadierter Inverter, allerdings wurde der Isolationseingangstransformator entfernt, da der Generator die 12 isolierten Leistungsversorgungen für die Leistungsstufen erzeugen kann oder in einem besonderen Fall (z. B. eine Einzellenstufe) für Leistungszellen.
Jetzt bezugnehmend auf 8 wird eine parallele Verbindung von Spulen in einem Windkonvertierungssystem in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie zu sehen, kann der Generator 40 Sätze von Spulen aufweisen, die miteinander parallel gekoppelt sind, so dass sie eine einzelphasige Ausgangsleistung für eine Phase einer Leistungsstufe bereitstellen. Wie zu sehen, können somit die Spulen eine 3-phasige Leistungsversorgung 45 für eine entsprechende Leistungsstufe 55 eines Leistungskonverters 50 bereitstellen. Die Referenzzahlen der Generatorspulen von 8 entsprechen der Generatorkonfiguration, die in 6 gezeigt ist. Eine parallele Verbindung von Spulen kann verwendet werden, um mehr Strom für die Leistungsstufen zu liefern, während eine Serienverbindung von Spulen verwendet werden kann, um mehr Spannung zur Lieferung von Leistung für Leistungsstufen zu liefern. In einer parallelen Verbindung werden zwei oder mehr Spulen mit der gleichen Spannung parallel verbunden.
Wenn zugelassen wird, dass die Wellengeschwindigkeit Veränderungen in der Windgeschwindigkeit folgt, so dass die aerodynamische Effizienzcharakteristik der Windturbine bei einem Maximalwert bleibt, kann die Turbine dazu gebracht werden, bei jeder Windgeschwindigkeit eine maximale Leistung zu entwickeln. Ein Aktiv-Eingangleistungskonverter kann die Geschwindigkeit des Generators basierend auf der Windgeschwindigkeit und der aerodynamischen Effizienzcharakteristik der Turbine so steuern, dass er die maximale Leistung der Windenergie einfängt. Die aerodynamische Effizienz einer Windturbine wird als Windleistung geteilt durch eine Ausgangsleistung der Turbine definiert. Die aerodynamische Effizienz einer Windturbine ist eine Funktion eines Anstellwinkels, einer Winkelgeschwindigkeit der Turbine, eines Radius der Turbinenblätter und einer Windgeschwindigkeit. Die aerodynamische Effizienzcharakteristik kann direkt gemessen werden oder kann unter Verwendung von Software für aerodynamische Gestaltungen berechnet werden, die für gewöhnlich auf Blattiterationstechniken basiert. Typischerweise kann eine Familie von Charakteristiken, die eine Ausgangsleistung und ein entwickeltes Drehmoment als eine Funktion von Turbinengeschwindigkeit für eine Anzahl von Windgeschwindigkeiten repräsentiert, aus der aerodynamischen Effizienz gegenüber der Windgeschwindigkeit hergeleitet werden. Allerdings kann die aerodynamische Effizienz einer Windturbine bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten maximiert werden, wenn die Windturbine bei einer bestimmten Geschwindigkeit rotiert. Die Geschwindigkeit einer Turbine kann so gesteuert werden, dass die aerodynamische Effizienz einer Windturbine bei verschiedenen Geschwindigkeiten maximiert wird. Somit kann die maximale Leistung der Windenergie eingefangen werden. Der Generator kann geschwindigkeitsgesteuert sein, um die Turbine dazu zu bringen, bei einer entsprechenden Geschwindigkeit zu rotieren. Um in der Lage zu sein, die Geschwindigkeit eines Generators basierend auf der Windgeschwindigkeit zu steuern, kann ein Aktiv-Eingangskonverter verwendet werden. Während sie in Verbindung mit einem Permanentmagnetgenerator beschrieben wird, kann irgendeine Art von Wechselstromgenerator verwendet werden, so wie ein Induktionsgenerator, ein Synchrongenerator, ein Permanentmagnetsynchrongenerator oder ein Schaltreluktanzgenerator. Es ist auch möglich, mehr als einen Generator zu koppeln, um höhere Spannung und Leistung zu erzeugen, indem die Anzahl von Leistungsstufen in Serie erhöht wird, was gestattet, die Windenergiekonvertierung mit einem Verteilungs- oder Übertragungsnetz zu verbinden.
9 zeigt ein Windfarmkonvertierungssystem 300 in Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Konfiguration gibt es 3n Windturbinen 310 _a1 bis 310 _cn, von denen jede mit einem 3-phasigen Generator 320 gekoppelt ist. Jeder Generator liefert Leistung für eine aus einer Gruppe von Leistungsstufen 55' _a1 bis 55' _cn eines Leistungskonverters 350. In dem Ausführungsbeispiel von 9 ist jeder Generator direkt mit einer entsprechenden Leistungsstufe gekoppelt, wodurch der Bedarf an einer oder mehr Eingangstransformatoren vermieden wird. Die Ausgangsspannung der Generatoren kann eine niedrigere Spannung sein, wobei allerdings durch Kaskadieren der Leistungsstufen höhere Spannung und Leistung verwirklicht werden kann. Die Leistungszellen des Systems können Dioden-, Aktiv-Eingangs- oder irgendeine andere Art von Mehrniveauinverter sein, auch wenn in 9 ein repräsentativer Aktiv-Eingangskonverter gezeigt ist. Wie mit anderen Systemkonfigurationen, die weiter oben diskutiert worden sind, kann der Bedarf an einem Aufwärtstransformator gleichermaßen vermieden werden.
10 zeigt ein Windfarmleistungskonvertierungssystem 301, bei dem ein Mehrfachausgangsgetriebe 315 verwendet wird. Jeder Ausgang des Getriebes treibt einen 3-phasigen Generator 320 an und wiederum jeder Generator 320 liefert Leistung an eine Leistungsstufe 55'. In dem Ausführungsbeispiel von 10 umfasst jede Leistungsstufe eine Leistungszelle, auch wenn mehrere Zellen parallel gekoppelt werden können. Somit ist jedes Getriebe 350 so gekoppelt, dass es den Ausgang einer entsprechenden Windturbine über eine Eingangswelle empfängt und vier Ausgangswellen bereitstellt, jede um mit einem anderen Generator gekoppelt zu werden. In diesem Beispiel sind vier Leistungsstufen in einer Serienverbindung konfiguriert, so dass eine Leistung entlang einer entsprechenden Phasenausgangsleitung 56 bereitgestellt wird.
11 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Windenergiekonvertierungssystems 302, das ein Mehrfachausgangsgetriebe 315 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine einzelne Turbine 310 mit dem Getriebe gekoppelt, das wiederum neun Ausgänge für neun entsprechende Generatoren 320 bereitstellt. Jeder Generator wiederum kann 3-phasige Leistung für eine entsprechende Leistungsstufe 55' bereitstellen, die aus mehreren Dioden- oder Aktiv-Eingangs-basierten Leistungszellen oder irgendeiner anderen Art von Mehrniveauinvertern aufgebaut sein kann. Die Serienausgänge der Phasenausgangsleitungen 56a bis 56c des Leistungskonverters 350 können direkt mit einem Übertragungsnetz oder einer Kollektorschaltung gekoppelt sein.
12 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Windenergiekonvertierungssystems 303, das ein Mehrfachausgangsgetriebe 315 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine einzelne Turbine 310 mit dem Getriebe gekoppelt, das wiederum Ausgänge für sechs entsprechende Generatoren 320 bereitstellt.
Jeder Generator wiederum kann eine 3-phasige Leistung für eine entsprechende Leistungsstufe 55' bereitstellen, von denen jede eine oder mehr Dioden- oder Aktiv-Eingangsbasierte Leistungszellen umfassen kann, die parallel gekoppelt sind. Die Ausgangsleitungen 56a bis 56c des Leistungskonverters 350 können direkt mit einem Übertragungsnetz oder einer Kollektorschaltung gekoppelt sein.
In anderen Implementierungen kann ein Leistungskonverter unter Verwendung einer Kombination aus 3-phasigen Leistungsstufen und einzelphasigen Leistungsstufen gebildet werden.
Jetzt Bezug nehmend auf 13 wird ein Blockdiagramm eines Windenergiekonvertierungssystems 305 gezeigt, das einen Leistungskonverter 350 umfasst, der eine 3-phasige Leistungsstufe 54 aufweist und mehrere einzelphasige Leistungsstufen 55'. Wie zu sehen, empfängt jede Leistungsstufe isolierte 3-phasige Leistung von einem entsprechenden Generator 320. 13 zeigt des Weiteren ein schematisches Diagramm einer 3-phasigen Leistungszelle 54. Wie zu sehen, stellt die H-Brückenkonfiguration Ausgänge in drei Phasen bereit, jede zu einer der einzelphasigen Leistungsstufen 55'. Die Leistungszelle 54 wiederum ist mit einem lokalen Zellsteuerelement 57 gekoppelt.
14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Windenergiekonvertierungssystems 306 in dem eine 3-phasige Leistungsstufe zwei 3-phasige Leistungszellen 54 parallel umfasst, wobei die Ausgänge der 3-phasigen Leistungsstufe mit einzelphasigen Leistungsstufen 55' kaskadiert sind.
Jetzt Bezug nehmend auf 15 ist ein Blockdiagramm eines Windenergiekonvertierungssystems 307 in Übereinstimmung mit noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 15 gezeigt, kann jeder Generator 320 3-phasige Leistung für mehrere Leistungsstufen bereitstellen. Wie in dem Ausführungsbeispiel von 15 zu sehen, stellt jeder Generator 320 3-phasige Leistung für drei Leistungsstufen 55 bereit (z. B. Zellen 55 _a1 bis 55 _c1). Die kaskadierten Ausgänge von den Leistungsstufen an den Phasenausgangsleitungen 56a bis 56c können direkt mit Übertragungsleitungen oder einer anderen Netzverbindung gekoppelt sein. Während sie mit diesen bestimmten Implementierungen in den verschiedenen Figuren gezeigt wird, die oben beschrieben sind, versteht sich, dass der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht diesbezüglich beschränkt ist und in anderen Implementierungen viele verschiedene Topologien verwirklicht werden können, die eine direkte Verbindung von einem Generator zu einer oder mehreren Leistungszellen eines Leistungskonverters und wiederum von den Leistungszellen direkt zu einem Übertragungsnetz oder einer Kollektorschaltung bereitstellen.
Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine beschränkte Anzahl von Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, versteht sich für den Fachmann, dass es zahlreiche Modifikationen und Variationen davon gibt. Es ist beabsichtigt, dass die angehängten Ansprüche alle solche Modifikationen und Variationen abdecken, die in den wahren Geist und Bereich der Erfindung fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 519-Standard [0025]

Claims

System, umfassend: eine Turbine zum Erzeugen mechanischer Energie aus kinetischer Energie; einen Generator, der mit der Turbine gekoppelt ist, so dass er die mechanische Energie empfängt und mehrere isolierte Versorgungsleistungen ausgibt; und mehrere Leistungsstufen, die jede mit dem Generator gekoppelt ist, wobei jede der mehreren Leistungsstufen vorgesehen ist, wenigstens eine der isolierten Versorgungsleistungen zu empfangen, und wobei ein erster Teilsatz der Leistungsstufen mit einer ersten Phasenausgangsleitung gekoppelt ist und ein zweiter Teilsatz der Leistungsstufen mit einer zweiten Phasenausgangsleitung gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem der Generator mehrere Spulen umfasst, die in Schlitzen eines Stators angeordnet sind, wobei ein erster Satz der Spulen so miteinander gekoppelt ist, dass eine erste Phase isolierter Versorgungsleistung für eine erste Leistungsstufe bereitgestellt wird, und ein zweiter Satz der Spulen so miteinander gekoppelt ist, dass eine zweite Phase isolierter Versorgungsleistung für die erste Leistungsstufe bereitgestellt wird, wobei jeder des ersten Satzes und des zweiten Satzes nicht mit irgendwelchen anderen Spulen des Generators verbunden ist, der mit einer anderen Leistungsstufe verbunden ist.
System nach Anspruch 1, bei welchem jede der mehreren Leistungsstufen wenigstens zwei Leistungszellen umfasst, die parallel gekoppelt sind, so dass sie die wenigstens eine isolierte Versorgungsleistung empfangen, wobei jede Leistungszelle einen Leistungskonverter, ein Gleichstromverbindungsstück und einen Inverter umfasst.
System nach Anspruch 2, bei welchem der erste Satz der Spulen in Serie, parallel oder in einer Kombination von Serien- und Parallelverbindungen verbunden ist.
System nach Anspruch 2, bei welchem eine erste Spule eines ersten Schlitzes des Stators nicht mit einer zweiten Spule des ersten Schlitzes verbunden ist.
System nach Anspruch 5, bei welchem sich die erste Spule von dem ersten Schlitz zu einem zweiten Schlitz des Stators erstreckt und des Weiteren eine Verbindung direkt von der ersten Spule zu einer entsprechenden Phase einer ersten Leistungsstufe umfassend, wobei die erste Spule von allen anderen Spulen des Generators isoliert ist, die mit einer anderen Leistungsstufe verbunden sind.
System nach Anspruch 1, bei welchem der Generator P·n·m Ausgangsverbindungen für die isolierten Versorgungsleistungen vorsieht, wobei P die Anzahl von Phasenausgangsleitungen ist, n die Anzahl von Leistungsstufen ist, die mit einer Phasenausgangsleitung gekoppelt sind, und m die Anzahl von Phasen ist, die von einer Leistungsstufe empfangen werden.
System nach Anspruch 1, bei welchem der Generator N Spulen umfasst, wobei N gleich oder größer ist als P·n·(k·m), wobei P die Anzahl von Phasenausgangsleitungen ist, n die Anzahl von Leistungsstufen ist, die mit einer Phasenausgangsleitung gekoppelt sind, k die Anzahl von Spulen ist, die miteinander gekoppelt sind, so dass sie eine Phase einer isolierten Versorgungsleistung bilden, und m die Anzahl von Phasen ist, die durch eine der Leistungsstufen empfangen werden.
System nach Anspruch 1, bei welchem die erste Phasenausgangsleitung und die zweite Phasenausgangsleitung direkt mit einer Kollektorschaltung verbunden sind.
Vorrichtung, umfassend: einen Generator zum Empfangen mechanischer Energie von einer Turbine, so dass mehrere isolierte Leistungsausgänge direkt für Leistungsstufen eines Leistungskonverters bereitgestellt werden, wobei der Generator einen Rotor und einen Stator umfasst, wobei der Stator mehrere Schlitze aufweist, von denen jeder wenigstens eine Spule aufweist, die darum gewickelt ist, wobei der Generator bis zu S isolierte Leistungsausgänge bereitstellt, wobei S wenigstens gleich ist zu P·n, wobei P die Anzahl von Phasenausgangsleitungen des Leistungskonverters ist und n die Anzahl von Leistungsstufen ist, die in Serie mit einer Phasenausgangsleitung gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher der Generator einen ersten Satz von Spulen umfasst, die so miteinander gekoppelt sind, dass sie eine erste Phase eines isolierten Leistungsausgangs für eine Leistungsstufe bereitstellen und einen zweiten Satz von Spulen umfasst, die so miteinander gekoppelt sind, dass sie eine zweite Phase eines isolierten Leistungsausgangs der ersten Leistungsstufe bereitstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher jeder des ersten und des zweiten Satzes parallel gekoppelt ist, und nicht mit irgendwelchen anderen Spulen des Generators verbunden ist, die mit einer anderen Leistungsstufe verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher jede Leistungsstufe mehrere Leistungszellen umfasst, die parallel gekoppelt sind, so dass sie die erste isolierte Leistungsausgangsphase und die zweite isolierte Leistungsausgangsphase empfangen.
System, umfassend: mehrere Windturbinen, von denen jede mit wenigstens einem Generator gekoppelt ist, um mechanische Energie für den wenigstens einen Generator auszugeben; die mehreren Generatoren, von denen jeder mit einer der Windturbinen gekoppelt ist, so dass sie die mechanische Energie empfangen und mehrere isolierte Versorgungsleistungen ausgeben; und einen Leistungskonverter, der mit den mehreren Generatoren gekoppelt ist, wobei der Leistungskonverter mehrere Leistungsstufen umfasst, von denen jede wenigstens eine isolierte Versorgungsleistung empfängt, wobei ein erster Teilsatz der Leistungsstufen mit einer ersten Phasenausgangsleitung gekoppelt ist und ein zweiter Teilsatz der Leistungsstufen mit einer zweiten Phasenausgangsleitung gekoppelt ist.
System nach Anspruch 14, bei welchem jeder der mehreren Generatoren N Spulen umfasst, wobei N gleich P·n·(k·m) ist, wobei P die Anzahl von Phasen von Ausgangsleitungen ist, n die Anzahl der mehreren Leistungsstufen ist, die isolierte Versorgungsleistungen durch den entsprechenden Generator bereitstellen, k die Anzahl von Spulen des entsprechenden Generators ist, die miteinander gekoppelt sind, so dass sie eine Phase einer isolierten Versorgungsleistung bilden, und m die Anzahl von Phasen ist, die durch eine der Leistungsstufen empfangen werden.
System nach Anspruch 14, bei welchem jede der Windturbinen mit einem Generator gekoppelt ist.
System nach Anspruch 14, des Weiteren ein Getriebe umfassend, das mit einem Ausgang von einer der mehreren Windturbinen gekoppelt ist und mehrere Ausgänge aufweist, von denen jede mit einem Generator gekoppelt ist.
System nach Anspruch 14, bei welchem der Leistungskonverter wenigstens eine m-phasige Leistungsstufe und mehrere einzelphasige Leistungsstufen umfasst, wobei die m-phasige Leistungsstufe m Ausgänge aufweist, von denen jeder mit einer der einzelphasigen Leistungsstufen gekoppelt ist.
System nach Anspruch 14, bei welchem jeder der mehreren Generatoren m-phasige isolierte Versorgungsleistungen für mehrere Leistungsstufen bereitstellt, von denen jede mit einer anderen Phasenausgangsleitung gekoppelt ist.
System nach Anspruch 14, bei welchem die erste und die zweite Phasenausgangsleitung direkt mit einem Übertragungsnetz ohne einen Aufwärtstransformator gekoppelt ist.