[发明专利]具有多相高温超导发电机的风力涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，包括：

‐风力涡轮机塔架，其具有顶部和底部；

‐机舱，该机舱设置在风力涡轮机塔架的顶部；

‐转子轮毂，该转子轮毂可旋转地安装至机舱；

‐一片或多片风力涡轮机叶片，该风力涡轮机叶片安装在转子轮毂上，其中风力涡轮机叶片确定旋转平面；

‐轴，该轴联接至转子轮毂；

‐发电机，该发电机联接至轴上，其中该发电机包括转子，该转子相对定子可旋转地设置，其中该转子包括至少一个超导转子线圈，以及该定子包括至少一个导电定子线圈，当转子旋转时，该超导转子线圈和该定子线圈设置为具有相互作用的磁场以引起定子线圈产生电流；以及

‐至少一个转换器，该转换器电联接至该发电机，其中该转换器包括电网端和发电机端，该电网端电连接至发电机端，该电网端设置为电联接至具有预定电网代码的电网，以及该发电机端设置为电联接至该发电机，其中该转换器设置为转换发电机的输出功率，使得该输出功率匹配该电网的功率，以及其中在发电机中设置定子线圈以形成两套或多套定子线圈以减小相对发电机标称电磁转矩的瞬时电磁制动转矩，其中每一套形成预定的相数。

本发明还涉及操作风力涡轮机的方法，其中该风力涡轮机的操作方法包括以下步骤：

‐使用一个或多个测量单元检测风力涡轮机的错误，该测量单元电联接至设置在风力涡轮机内部的控制器；

‐开启切换装置，该转换装置通过控制器电联接至风力涡轮机中的转换器，使得该转换器隔绝于电网；

‐开启变桨距装置，该变桨距装置联接至风力涡轮机叶片的至少一部分，使得可变桨距叶片部分迎向进风方向。

技术背景

众所周知，现今的风力涡轮机包括机舱，该机舱联接至转子轮毂和风力涡轮机叶片，在该机舱中设置有发电机和转换器。该发电机将转子轴的机械能转换成电能，然后转至转换器。该转换器联接至电网，并将发电机的电力输出转换至与电网相匹配的电力输出。

直到最近，在风力涡轮机中使用永磁发电机（PMGs）才为人所知，其中风力涡轮机近年来在尺寸和输出功率方面均有提高。这意味着风力涡轮机的发电机也必须增加尺寸和重量，这导致发电机更昂贵并且在安装时更难以操作。由于风力涡轮机功率增至6兆瓦以上，传统发电机或永磁发电机由于其所要求的尺寸和重量，不再适用于如此大型的风力涡轮机。如此大而重的发电机将意味着风力涡轮机塔架必须显著加强，并/或由于用于安装风力涡轮机的起重机的起重能力有限，发电机必须逐部分安装。

近年来，高温超导体可以在市场上买到，使得最新一代的风力涡轮机发电机（高温超导（HTS）发电机）用于大型风力涡轮机。了解永磁发电机的问题并想改进大型风力涡轮机发电机设计的本领域技术人员将会趋向于使用高温超导发电机取而代之。

这样的高温超导发电机使得定子线圈的电流密度大大增加，这随即意味着发电机的功率密度也增加。这使得高温超导发电机的尺寸和重量减小，而同时保持高输出功率并减少此类大型风力涡轮机的成本。通过使用直接传动可以进一步增加传动系的稳定性和保养周期，该直接传动取代变速箱联接，联接至转子轮毂，变速箱联接易受阵风和传动系中的机械应力影响。

高温超导发电机通常包括三相，该三相在发电机内部会引起强磁场，这是由于转子线圈内的高电流密度会依次在转子以及转子轴上形成强电磁转矩。英国专利2416566A公开了一种风力涡轮机，其中高温超导发电机联接至转子轮毂。然后，该高温超导发电机通过三相耦合器直接联接至转换器。转换器包括联接至发电机的整流单元以及联接至使用三相电网的整流电路，其中直流电联接设置在整流单元和整流电路之间。Xiaohang Li的“风电场的超导设备”公开了类似的风力涡轮机，该风力涡轮机具有混合动力传动系统，该系统包括联接至高温超导发电机的简单齿轮系统。高温超导发电机通过三相联接器连接至转换器，该三相联接器匹配电网的相。

这些结构具有以下缺点，当检测到转换器失效时，例如至少一个绝缘栅双极型晶体管发生短路，风力涡轮机必须停止传动系统的运行和风力涡轮机叶片的旋转。短路将会引起发电机启动制动扭矩，该制动扭矩比发电机正常扭矩大9‐10倍。由于旋转部件的急剧减速，这会引起传动系统的严重损坏，特别是发电机、转子轴、转子轮毂和风力涡轮机叶片。

当本领域技术人员想通过使用高温超导发电机改进用于大型风力涡轮机的发电机时，这种问题出现了，因为永磁发电机由于其定子线圈相对低的电流密度并不会出现同样的问题。