JP2012177366A - 風力タービン - Google Patents

Abstract

【課題】稼働率に関して改善された風力タービンを提供する。
【解決手段】発電機がステータセグメントにセグメント化されているステータを有しており、各ステータセグメントが複数のステータ巻線を有しており、それぞれのステータセグメントのステータ巻線が、少なくとも、ステータ巻線の第１のグループ及びステータ巻線の第２のグループに分割されており、各グループが少なくとも一つのステータ巻線を有しており、ステータ巻線の第１のグループの幾つか又は全てが第１の電気的な変換器ユニットと電気的に接続されており、且つ、ステータ巻線の第２のグループの幾つか又は全てが第２の電気的な変換器ユニットと電気的に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力を生成するために適合されている少なくとも一つの発電機と、発電機によって生成された電力を変換するために適合されており、且つ、発電機及びユーティリティグリッド（電力系統）に電気的に接続可能であるか、又は、電気的に接続されている、複数の電気的な変換器ユニットとを有している風力タービンに関する。

一般的に風力タービンは、電力系統接続に直接的に接続されて、ほぼ一定の回転速度で運転されている。しかしながら、風力エネルギの量、即ち、空力的な条件が変化する可能性があるので、間接的な電力系統接続が公知である。この間接的な電力系統接続によって、風力タービンの発電機は自身の別個の交流電流（ＡＣ）電力系統で運転される。この電力系統は一般的に変換器によって制御されるので、発電機のステータにおける交流電流の周波数を風力タービンのロータハブの目下の回転速度に適合させることができる。即ち、風力タービンはステータに供給される可変の周波数で正確に交流電流を生成する。

可変の周波数を有する交流電流はユーティリティグリッドに供給することができないので、交流電流を直流電流に整流するか、又は、変換する必要がある。可変の周波数を有する交流電流から直流電流への変換を、例えば、サイリスタ又はトランジスタによって実行することができる。更には、直流電流は、ユーティリティグリッドに供給することができる周波数を有する交流電流に再変換される。ここでもまた、直流電流を交流電流に変換するためにサイリスタ又はトランジスタを使用することができる。これによって、得られる交流電流は一般的に、ユーティリティグリッドに供給される前に平滑化することが必要になる。従って、例えば、適切なインダクタンス及びキャパシタンスを用いるＡＣフィルタメカニズムを使用することが考えられる。

電力系統に供給される電力の電力品質を改善するために、複数の変換器ユニットを使用して無効電力のより良い制御を実現することができる、発電機と複数の電気的な変換器ユニットとを有している最新の風力タービンが数年前から提案されている。典型的な例はEP 1 768 223 A2に記載されており、そこでは並列構造の複数の変換器モジュールを有している風力タービンが開示されている。

ここで、間接的な電力系統接続を使用する従来技術の欠点は、風力タービンの稼働率が直接的な電力系統接続を有している風力タービンに比べて低いことが多いことである。これは、主として電気的な変換器ユニットであるパワーエレクトロニクスにおける障害に起因する。

EP 1 768 223 A2

従って、本発明の課題は、特に稼働率に関して改善された風力タービンを提供することである。

この課題は、発電機がステータセグメントにセグメント化されているステータを有しており、各ステータセグメントが複数のステータ巻線を有しており、それぞれのステータセグメントのステータ巻線が、少なくとも、ステータ巻線の第１のグループ及びステータ巻線の第２のグループに分割されており、各グループが少なくとも一つのステータ巻線を有しており、ステータ巻線の第１のグループの幾つか又は全てが第１の電気的な変換器ユニットと電気的に接続されており、且つ、ステータ巻線の第２のグループの幾つか又は全てが第２の電気的な変換器ユニットと電気的に接続されていることによって解決される。

本発明による風力タービンは、セグメント化されたステータを備えている発電機を有している。即ち、ステータは別個の複数のステータセグメントから構成されている。各ステータセグメントのそれぞれのステータ巻線は、ステータ巻線の別個のグループに分割されているか、又は、それらの別個のグループ内に配置されている。これによって、有利には、各グループは同数のステータ巻線を含んでいる。即ち、ステータ巻線は有利にはそれぞれのグループに均等に分散されている。ステータセグメント毎のグループの数は少なくとも２である。即ち、ステータセグメントは少なくとも、ステータ巻線の第１のグループ及び第２のグループを含んでいる。これによって、本発明の原理は、ステータ巻線の幾つかの第１のグループ又は全ての第１のグループを第１の電気的な変換器ユニットに電気的に接続し、且つ、ステータ巻線の幾つかの第２のグループ又は全ての第２のグループを第２の電気的な変換器ユニットに電気的に接続することを提案する。従って、それぞれのステータセグメントのステータ巻線のそれぞれのグループは、それぞれ別個の電気的な変換器ユニットに電気的に接続されている。即ち、ステータの全てのステータセグメントにわたるステータ巻線のそれぞれの第１のグループは第１の電気的な変換器ユニットに関連付けられており、ステータの全てのステータセグメントにわたるステータ巻線のそれぞれの第２のグループは第２の電気的な変換器ユニットに関連付けられており、後続のグループについても同様のことが該当する。更には、本発明による原理の実施例はそれぞれの図面に示されている。

本発明の原理により、電気的な変換器ユニットにおける障害を隔離することができ、これによって、電気的な変換器ユニットの残りの部分を依然として動作させることができる。従って、第１の電気的な変換器ユニットにおいて障害が発生した場合であっても、他の全ての電気的な変換器ユニットを依然として動作させることができるので、本発明による風力タービンは依然として電力をユーティリティグリッドに供給することができる。そのようにして、本発明は、電気的な変換器ユニットに障害が発生した場合であっても、出力される電力は低減されてはいるが風力タービンは依然として動作できる状態にあるので、従来技術の欠点を克服することができる。

それぞれの電気的な変換器ユニットにそれぞれ接続されているステータ巻線のそれぞれ独立したグループに各ステータのステータ巻線が分割されていることによって、一つ又は複数の電気的な変換器ユニットの障害時に、各ステータセグメントにおけるステータ巻線の別個の同一のグループは風力タービンの出力に寄与しないことが保証されている。したがって、ステータにおけるトルクの非対称性も、生じる高調波周波数及びサブ高調波周波数も低減される。

有利には、各ステータセグメントのステータ巻線のグループの数は電気的な変換器ユニットの数に対応する。そのようにして、それぞれのステータセグメントのステータ巻線のそれぞれの第１、第２、第３...のグループとそれぞれの第１、第２、第３...の電気的な変換器ユニットとの直接的な関係が実現される。

有利には、ステータ巻線のグループが相互に電気的に絶縁（ガルバニック絶縁）されている。そのようにして、ステータセグメント内のステータ巻線のそれぞれのグループ間のあらゆる不所望な電気的な相互作用、例えば短絡等が阻止され、それによって、それぞれのステータセグメント、ステータ及び発電機の動作の安全性が保証されている。電気的な絶縁はガルバニック絶縁、即ち、つまり例えば変圧器によって提供されるような単なる誘導性又は容量性の絶縁を実現する適切な絶縁手段によって提供される。

本発明の別の実施の形態においては、ステータ巻線のグループのステータ巻線が相互に電気的に接続されている。従って、ステータ巻線の各グループのステータ巻線が電気的に接続されている。これによって、電気的な接続が有利にはガルバニック結合によって実現されており、この場合、任意の数のステータ巻線と電気的に接続することができる星形結線が好適に使用される。

同一の電気的な変換器ユニットに電気的に接続されている異なるステータセグメントのステータ巻線のグループを相互に電気的に絶縁させることができる。代替的に、同一の電気的な変換器ユニットに電気的に接続されている異なるステータセグメントのステータ巻線のグループを相互に電気的に接続することができる。後者の場合、異なるステータセグメントのステータ巻線のそれぞれのグループの電気的な接続を達成することができる。ここでもまた、電気的な接続／絶縁が有利にはガルバニック絶縁／ガルバニック結合によって提供される。従って、変圧器等のようなそれぞれの電気的なコンポーネントが必要に応じて提供される。

電気的な変換器ユニットは有利には並列に接続されている。更には、例外的なケースにおいては、それぞれの電気的な変換器ユニットの直列的な接続も同様に考えられ、この場合には、障害のある電気的な変換器ユニットを必要に応じてブリッジするために、電気的な橋絡が必要になる可能性がある。

各電気的な変換器ユニットは少なくとも一つの電気的なブレーカと、少なくとも一つの発電側整流器と、少なくとも一つのユーティリティグリッド側整流器と、少なくとも一つの発電機側インバータと、少なくとも一つのユーティリティグリッド側インバータと、少なくとも一つのＤＣリンクと、少なくとも一つの制御ユニットとを有することができる。従って、それぞれの電気的な変換器ユニットには間接的な電力系統接続のために必要とされる重要な電気的なコンポーネントが設けられている。即ち、それぞれの電気的な変換器ユニットは、動作中に発電機から供給される可変の周波数を有している交流電流を、ユーティリティグリッドに適用可能な固定の周波数を有している交流電流に変換できる状態にある。

ステータセグメントは単層構造又は二重層構造を有することができ、二重層構造はスロットを有しており、各スロットは第１のステータ巻線及び第２のステータ巻線を収容するために適合されており、これによって第１のステータ巻線は第２のステータ巻線の上に配置されている。後者の場合、有利には、第１のステータ巻線がステータ巻線の第１のグループを形成し、且つ、第２のステータ巻線がステータ巻線の第２のグループを形成し、ステータ巻線の第１のグループ及びステータ巻線の第２のグループは別個の電気的な変換器ユニットに電気的に接続されている。従って、それぞれのステータセグメントの各スロット内の別個の二つの巻線がステータ巻線の別個のグループに関連付けられておりは、また更には、別個の変換器ユニット、即ち、それぞれの第１の電気的な変換器ユニット及び第２の電気的な変換器ユニットに電気的に接続されている。そのようにして、本発明の原理を容易に、二重層巻線構造を有しているステータセグメントにも同様に適用することができる。

以下では、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

本発明の実施例による風力タービンの原理回路図を示す。 本発明の実施例による風力タービンの原理回路図を示す。 本発明の実施例による風力タービンの原理回路図を示す。 本発明の実施例による風力タービンの原理回路図を示す。

図１は矩形によって表されている風力タービン１の原理回路図を示すが、ここでは、本発明と関連性を有している風力タービン１のコンポーネントのみが示されている。風力タービン１は、この風力タービン１の運転中に電力を生成するために適合されている発電機２を有している。発電機２は、セグメント化されたステータ３を有している。即ち、ステータ３は複数のステータセグメント４，４’...を形成しており、各ステータセグメントは複数のステータ巻線（図２から４を参照されたい）を有している。発電機２は風力タービン１のロータハブ（図示せず）に公知のやり方で機械的に接続されている。

風力タービン１は複数の電気的な変換器ユニット５，６を更に有しており、それらの電気的な変換器ユニット５，６は発電機２によって生成された電力を、ユーティリティグリッド７に供給できる電力に変換するよう適合されている。電気的な変換器ユニット５，６は並列的な構造を有している。即ち、それらの電気的な変換器ユニット５，６は並列に接続されている。各電気的な変換器ユニット５、６は発電機２及びユーティリティグリッド７に電気的に接続可能であるか、又は、電気的に接続されている。発電機２は有利には三相発電機として構成されているので、発電機２は三つの別個の出力線によって各電気的な変換器ユニット５，６に接続されている。

風力タービン１には間接的な電力系統接続部が設けられている。即ち、電気的な変換器ユニット５，６は、発電機２から供給される可変の周波数を有している交流電流を、ユーティリティグリッド７に適用可能な固定の周波数を有している交流電流に変換することができるコンポーネントをそれぞれ有している。従って、各電気的な変換器ユニット５，６は、電気的なブレーカ８、発電機側整流器９、ユーティリティグリッド側整流器１０、発電機側インバータ１１、ユーティリティグリッド側インバータ１２、ＤＣリンク１３及び制御ユニット１４を有している。

各制御ユニット１４は、それぞれの整流器９，１０、それぞれの変換器１１，１２及び風力タービン１の中央制御ユニット１５と通信する。中央制御ユニット１５は、別個の複数の風力タービン１を備えているウィンドパークの制御に使用されているパーク制御ユニット１６と通信するために適合されている。即ち、パーク制御ユニット１６は、本発明による風力タービン１並びにウィンドパーク内の風力タービン群のような個々の風力タービンの有効電力及び無効電力を制御することができる。パーク制御ユニット１６は、標準的なネットワークスイッチ１７、例えばイーサネットスイッチを用いて、電気的な変換器ユニット５，６のそれぞれの制御ユニット１４とも通信する。更には、電気的な変換器ユニット５，６のそれぞれの制御ユニット１４は相互に通信できる状態にある。

本発明の実施例による風力タービン１の原理回路図を示している図２から見て取れるように、ステータセグメント４のステータ巻線４ａ，４ｂ並びにステータセグメント４’のステータ巻線４’ａ，４’ｂは、ステータ巻線の第１のグループ４Ａ，４Ｂ及び第２のグループ４’Ａ，４’Ｂにそれぞれ分割されており、これによってステータセグメント４は三つの別個のステータ巻線４ａから構成されているグループ４Ａと、三つの別個のステータ巻線４ｂから構成されているグループ４Ｂとを有している。相応に、ステータセグメント４’は三つの別個のステータ巻線４’ａから構成されているグループ４’Ａと、三つの別個のステータ巻線４’ｂから構成されているグループ４’Ｂとを有している。従って、各第１のグループ４Ａ，４’Ａ及び各第２のグループ４Ｂ，４’Ｂは三つのステータ巻線を有している。即ち、各グループ４Ａ，４Ｂ，４’Ａ，４’Ｂは上述のように三つのステータ巻線を有しているので、各グループ４Ａ，４Ｂ，４’Ａ，４’Ｂは三相発電機出力を有している。

以下において説明するように、ステータセグメント４，４’にわたる全ての第１のグループ４Ａ，４’Ａは電気的な変換器ユニット５に電気的に接続されており、これに対し、それぞれのステータセグメント４，４’の全ての第２のグループ４Ｂ，４’Ｂは電気的な変換器ユニット６に電気的に接続されている。従って、それぞれのステータセグメント４，４’のステータ巻線４ａ，４ｂ，４’ａ，４’ｂを別個のグループ４Ａ，４Ｂ，４’Ａ，４’Ｂに分割することによって、別個の第１のグループ４Ａ，４’Ａ及び第２のグループ４Ｂ，４’Ｂを電気的な変換器ユニット５，６に別個に接続することができる。即ち、各ステータセグメント４，４’のグループ４Ａ，４Ｂ，４’Ａ，４’Ｂの数は電気的な変換器ユニット５，６の数に対応しており、各ステータセグメント４，４’は電気的な変換器ユニット５，６の両方と電気的に接続されている。そのようにして、風力タービン１の稼働率が保証されている。即ち、電気的な変換器ユニット５，６の内の一つに障害が生じた場合であっても、他の別個の電気的な変換器ユニット５，６は依然として運転させることができる。

グループ４Ａに基づき説明するが、ステータ巻線４ａは星形結線１８によって相互に電気的に接続されている。同じことが、同一の電気的な変換器ユニット５，６に接続されているグループ４Ｂ，４’Ａ及び４’Ｂのそれぞれのステータ巻線４ｂ，４’ａ及び４’ｂにも該当する。それぞれのステータセグメント４，４’の全てのグループ４Ａ，４Ｂ及び４’Ａ，４’Ｂは相互にガルバニック絶縁されている。

勿論、本発明の原理を、二つのセグメント４，４’よりも多くの数のセグメントを備えているステータ３を有している発電機２にも同様に適用することができる。この場合には、別個の更なるステータセグメントのステータ巻線もやはりそれぞれ二つのグループ、即ち、第１のグループ及び第２のグループに分割され、これによって、ステータ巻線のそれぞれの第１のグループが電気的な変換器ユニット５に電気的に接続され、また、ステータ巻線のそれぞれの第２のグループが電気的な変換器ユニット６に電気的に接続されることになる。

同一の電気的な変換器ユニット５，６に電気的に接続されている異なるステータセグメント４，４’のグループ４Ａ，４’Ａ及び４Ｂ，４’Ｂが相互に電気的に絶縁されていることを示している図２による実施例とは異なり、図３は、同一の電気的な変換器ユニット５，６に電気的に接続されている異なるステータセグメント４，４’のそれぞれのグループ４Ａ，４’Ａ及び４Ｂ，４’Ｂを、接続線１９，２０によって示唆されているように、相互に電気的に接続できることも示している。これによって、接続線１９はステータセグメント４のグループ４Ａとステータセグメント４’のグループ４’Ａとの接続を確立し、また、接続線２０はステータセグメント４のグループ４Ｂとステータセグメント４’のグループ４’Ｂとの接続を確立する。

図４は、本発明の別の実施例による風力タービン１の原理回路図を示す。ここでは各ステータセグメント４，４’が九つのステータ巻線を有している。即ち、ステータセグメント４はステータ巻線４ａ，４ｂ及び４ｃから構成されており、これに対し、ステータセグメント４’はステータ巻線４’ａ，４’ｂ及び４’ｃから構成されている。従って、ステータセグメント４のそれぞれのステータ巻線４ａ，４ｂ及び４ｃは三つのグループ４Ａ，４Ｂ，４Ｃにグループ分けされており、これによって各グループ４Ａ，４Ｂ，４Ｃは三つの別個のステータ巻線４ａ，４ｂ，４ｃを有している。同じことが、それぞれ三つのステータ巻線、即ちステータ巻線４’ａ，４’ｂ，４’ｃから構成されている三つのグループ４’Ａ，４’Ｂ，４’Ｃを有しているステータセグメント４’にも該当する。

各ステータセグメント４，４’は三つのグループ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４’Ａ，４’Ｂ，４’Ｃを有しているので、それぞれに変換器ユニットが設けられている。即ち、三つの変換器ユニット５，６，２１が設けられている。従って、ステータセグメント４，４’毎のグループの数は電気的な変換器ユニット５，６，２１の数に対応している。

本発明による風力タービンは、単層構造又は二重層構造を備えているステータセグメント４，４’...を有することができ、これによって、二重層構造に関しては、それぞれのステータセグメントが第１のステータ巻線及び第２のステータを収容することに適合されているスロットを有している。これによって、第１のステータ巻線は第２のステータ巻線の上に配置されている。この場合には、第１のステータ巻線がステータ巻線の第１のグループを形成し、また、第２のステータ巻線がステータ巻線の第２のグループを形成するので、本発明の原理を依然として適用することができる。即ち、ステータ巻線の各グループはそれぞれの電気的な変換器ユニットに別個に接続されている。

Claims (11)

1. 電力を生成するために適合されている少なくとも一つの発電機（２）と、
   前記発電機（２）によって生成された電力を変換するために適合されており、且つ、前記発電機（２）及びユーティリティグリッド（７）に電気的に接続可能であるか、又は、電気的に接続されている、複数の電気的な変換器ユニット（５，６，２１）とを有している風力タービン（１）において、
   前記発電機（２）は、ステータセグメント（４，４’）にセグメント化されているステータ（３）を有しており、各ステータセグメント（４，４’）は複数のステータ巻線（４ａ−ｃ，４’ａ−ｃ）を有しており、
   それぞれのステータセグメント（４，４’）のステータ巻線（４ａ−ｃ，４’ａ−ｃ）は、少なくとも、ステータ巻線の第１のグループ（４Ａ，４’Ａ）及び第２のグループ（４Ｂ，４’Ｂ）に分割されており、
   各グループ（４Ａ，４Ｂ，４’Ａ，４’Ｂ）は少なくとも一つのステータ巻線（４ａ−ｃ，４’ａ−ｃ）を有しており、
   ステータ巻線（４ａ，４’ａ）の第１のグループ（４Ａ，４’Ａ）の幾つか又は全ては第１の電気的な変換器ユニット（５）に電気的に接続されており、
   ステータ巻線（４ｂ，４’ｂ）の第２のグループ（４Ｂ，４’Ｂ）の幾つか又は全ては第２の電気的な変換器ユニット（６）に電気的に接続されていることを特徴とする、風力タービン。
2. 各ステータセグメント（４，４’）のステータ巻線（４ａ−ｃ，４’ａ−ｃ）のグループ（４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４’Ａ，４’Ｂ，４’Ｃ）の数は、電気的な変換器ユニット（５，６，２１）の数に対応する、請求項１に記載の風力タービン。
3. ステータ巻線のグループ（４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４’Ａ，４’Ｂ，４’Ｃ）は、相互に電気的に絶縁されている、請求項１又は２に記載の風力タービン。
4. ステータ巻線のグループ（４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４’Ａ，４’Ｂ，４’Ｃ）のステータ巻線（４ａ−ｃ，４’ａ−ｃ）は相互に電気的に接続されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の風力タービン。
5. 前記接続は星形結線（１８）によって確立されている、請求項４に記載の風力タービン。
6. 同一の電気的な変換器ユニット（５，６，２１）に電気的に接続されている、異なるステータセグメント（４，４’）のステータ巻線のグループ（４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４’Ａ，４’Ｂ，４’Ｃ）は相互に電気的に絶縁されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の風力タービン。
7. 同一の電気的な変換器ユニット（５，６，２１）に電気的に接続されている、異なるステータセグメント（４，４’）のステータ巻線のグループ（４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４’Ａ，４’Ｂ，４’Ｃ）は相互に電気的に接続されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の風力タービン。
8. 前記電気的な変換器ユニット（５，６，２１）は並列に接続されている、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の風力タービン。
9. 各電気的な変換器ユニット（５，６，２１）は、少なくとも一つの電気的なブレーカ（８）と、少なくとも一つの発電機側整流器（９）と、少なくとも一つのユーティリティグリッド側整流器（１０）と、少なくとも一つの発電機側インバータ（１１）と、少なくとも一つのユーティリティグリッド側インバータ（１２）と、少なくとも一つのＤＣリンク（１３）と、少なくとも一つの制御ユニット（１４）とを有している、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の風力タービン。
10. 前記ステータセグメント（４，４’）は単層構造又は二重層構造を有しており、
    二重層構造はスロットを有しており、各スロットは第１のステータ巻線及び第２のステータ巻線を収容するために適合されており、前記第１のステータ巻線は前記第２のステータ巻線の上に配置されている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の風力タービン。
11. 前記ステータセグメント（４，４’）が二重構造を有している場合には、前記第１のステータ巻線はステータ巻線の第１のグループを形成し、且つ、前記第２のステータ巻線はステータ巻線の第２のグループを形成し、
    前記ステータ巻線の第１のグループ及び前記ステータ巻線の第２のグループは、別個の電気的な変換器ユニット（５，６，２１）に電気的に接続されている、請求項１０に記載の風力タービン。

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