[发明专利]发电单元以及用于产生电能的方法

说明书

技术领域

本发明第一方面涉及一种发电单元，其包括涡轮机、由涡轮机驱动的发电机、用于将发电机连接至电力网以及涡轮速度控制装置的电连接装置。

在第二方面，本发明涉及这种发电单元的应用。

在第三方面，本发明涉及用于产生电能的方法，其中，涡轮机暴露于流动的流体，涡轮机驱动发电机并且发电机连接至电力网以及涡轮速度控制装置。

背景技术

在多种用于产生电能的方法中，涡轮机由快速流动的流体(例如，传统的水电站中的水或者蒸汽)驱动。因此发电机以基本上恒定的速度被驱动，并且所产生的能量与被提供能量的电力网相匹配。

近年来对电能持续增长的需求导致在商业上努力使用可替代能源(例如慢速水流以及风力)来产生电能。这些能源的流速通常更低并且是波动的。特别是风速相当多变。

因此，由水流或者风力驱动的涡轮机通常以相当低的转速(rpm)旋转。此外，涡轮机的转速会变化。这在向电力网供应能量时产生了问题，因为只有以特定的转速产生的能量才能与电力网匹配，而以其他的转速产生的能量则会产生失配。

这个问题可通过机械地中断涡轮机的旋转或者通过调节涡轮机叶片以保持基本恒定的转速来解决。然而，这些用于控制涡轮机速度的措施很昂贵。并且这些机械措施常会失败。

因此，本发明的目的是以更简单和可靠的方式控制涡轮机。

发明内容

本发明的目的得以实现在于一种如初始描述的发电单元，其包括以下具体特征，发电机为具有低负载角的永磁同步发电机，并且电连接装置包括用于提供DC(直流电)电压的二极管整流器，其中涡轮机的转速由DC-电压-电平控制。

当发电机通过如权利要求所述的DC链连接至强电力网时，该电力网可用来控制涡轮机的转速。在转速趋向于改变的情况下，这意味着电能与机械能彼此不协调，并且将产生朝向新的工作点(operation point)的振动以适应于新的情况。借助根据权利要求的电连接并借助低负载角，在涡轮机趋向于增加其转速的情况下，发电机将充当制动器(brake)，而如果涡轮机趋向于减少其能量，发电机则减少能量输出(outtake)。这消除了用外部设备来保持来自涡轮机的机械能与提供给电力网的电能之间的匹配的必要性。因此，根据本发明的发电单元将特别适用于其中涡轮机暴露于速度变化的驱动流体的应用，并且在具有强电力网的情况下，工作点将基本上处于所保持的涡轮机转速处。

根据一个优选实施例，电控制装置包括用于调节DC电平的装置。

由于涡轮机的转速与DC电平直接相关，该实施例允许以简单的方式调节该速度，从而消除对机械调节的任何需求。

根据进一步优选的实施例，用于调节DC电平的装置包括具有逆变器控制装置27的逆变器和/或具有比率控制装置的变压器12。

因而，通过通常存在于电控制装置中的部件提供了调节DC电平的简单可靠的方式。

根据进一步优选的实施例，发电机包括用于改变发电机中的有效绕组的数目的装置。

由于电压由决定，绕组的数目直接影响电压电平。因而，改变发电机中有效绕组的数目提供了对由DC电平控制的转速的安全而精确的控制。这种布置消除了应用用于调节涡轮转速的可变比变压器或者逆变器控制装置的必要性。因此，电控制装置变得更为简单并且对干扰不那么敏感。在有些应用中，基于发电机的控制在这方面可作为控制逆变器或者变压器的补充。优选地，用于改变发电机内的有效绕组圈数的装置包括抽头变换器(tap changer)。

根据本发明进一步优选的实施例，涡轮机为风力涡轮机。

风力涡轮机是驱动涡轮机的流体的速度波动的很重要的例子。因此，所发明的用于控制涡轮机转速的单元特别适用于这种应用。

根据进一步优选的实施例，该风力涡轮机具有竖直轴线。

竖直轴线风力涡轮机相对于水平轴线类型具有很多优点。对于竖直轴线涡轮机来说，控制涡轮机转速的需求也相当突出。对于这种类型的涡轮机来说，机械地控制转速更为复杂，因此，本发明对这种应用特别重要。

根据进一步优选的实施例，涡轮机被设置成由海浪或水流提供动力。

通过海浪或慢速水流运转的涡轮机相对缓慢地转动并且暴露于水速的变化。因此，本发明的优点特别适用于这些应用。

根据进一步优选的实施例，负载角小于12°。

虽然本发明在诸如直到15°或20°的稍微高的负载角的情况下也能起到满意的效果，但是如果将负载角设置的低于12°，根据本发明的控制变得最优化。如果负载角小于10°达到最好的结果。

根据进一步优选的实施例，电连接装置被设置成提供至少10kV的电压。