[发明专利]用于风轮机、潮汐涡轮机或水轮机的高度一体化的能量转换系统

说明书

本发明涉及一种用于将来自相对慢运动的旋转输入轴的旋转能量转换成待供给至输电网（grid）的电能的系统，包括：支撑结构，用于支撑用于输入轴的主轴承；发电机，耦接至输入轴并且布置在支撑结构上；以及功率转换器（power converter），电耦接在发电机与输电网之间。这种能量转换系统（也被称作“动力传动系统”）是公知的，并且例如用于风轮机、潮汐涡轮机或者水轮机中。

传统风轮机包括安装在塔的顶部上的转子。转子通常具有安装在毂上的三个叶片，该毂由主轴承载。该主转子轴安装在轴承中，该轴承安装在位于塔的顶部处的支撑结构上。将主转子轴的旋转能量转换成电能的发电机也安装在支撑结构上。根据风轮机的类型，可以在主转子轴与发电机之间布置齿轮传动装置。来自发电机的电能通过适当的电力电缆向下经过塔，并且或者供给到通常位于塔的底座处的功率转换器，或者直接供给到输电网。当使用功率转换器时，将来自发电机的输出转换成高压直流电（例如1,000V DC），其最终被转换成供给到输电网的交流电（AC）。所谓的“背对背（back-to-back）”转换器用于将能量转换系统与输电网隔离开。

功率转换器通常所处的位于塔的底座处的室通常还容纳制动变阻器和辅助电源。当输电网发生故障而转子仍在转动并且其叶片处于它们产生转矩的这样的俯仰角时，制动变阻器用于临时地消耗来自发电机的电能。辅助电源包括不间断电源（UPS），并且用于为风轮机的多种内部功能（像例如偏航和俯仰控制、涡轮机控制、仪表化等）供以电力。

目前具有三种主要类型的水平轴风轮机（HAWT）。传统风轮机包括现货供应发电机，该发电机以约1,500rpm的相对高的速度运转。由于转子轴通常以小于30rpm旋转，因此这种类型的风轮机要求复杂的多级传动装置。这种传动装置重且昂贵，并且包括多个移动部件，增加了故障的风险以及后来的停机时间。另一种类型的风轮机是直接驱动涡轮机，其不包括任何传动装置。改为，发电机设置有大量电极，以直接从输入轴的慢运动产生交流电。此时，发电机重且昂贵。第三种类型的风轮机是所谓的“混合”设计，其结合了其它两种类型的优点。其包括比传统高度齿轮传动设计小且没那么复杂的传动装置、以及比直接驱动设计的发电机小且轻的发电机。

期望将风轮机定位在更远的区域（诸如近海区域）中、定位在沙漠中或者定位在北极环境中。这些位置中的工作条件可能极端恶劣，并且到达风轮机可能需要经历长且昂贵的行程。因此，最重要的是，使得用于这些情形中的风轮机具有高水平的可靠性以及低的维修要求，以尽可能地减少停机时间。相同的考虑适用于多种潮汐涡轮机和水轮机，如例如在近海潮汐发电站中使用的。

本发明的目的是提供一种用于在风轮机、潮汐涡轮机或水轮机中使用的改进的能量转换系统。根据本发明，该目的在前序中描述的这种类型的系统中实现，其中转换器布置在支撑结构上。通过将转换器布置在发电机附近，简化了系统的构造和结构，并且避免了当使用转换器来控制系统上的动态载荷时可能出现的所有类型的寄生效应。

为了进一步简化该系统，优选的是，转换器与发电机在结构上成一体。

在优选的实施方式中，该系统包括布置在输入轴与发电机之间的传动装置，以用于增加旋转速度并且减小转矩，该传动装置包括润滑和/或冷却系统，并且功率转换器耦接至传动装置的润滑和/或冷却系统，以用于热交换。通过使转换器与发电机和传动装置进一步成一体，减少了部件的数量，这导致较低的制造和安装成本以及减小的故障率，导致风轮机的较低的停机时间以及较长的使用寿命。

当将发电机耦接至传动装置的润滑和/或冷却系统以用于热交换时，发电机也可以通过传动装置润滑剂冷却，由此排除了对专用冷却器的需要，并且导致更高水平的功能和结构的一体化。

发电机可以是感应发电机。这种类型的发电机非常可靠并且相对不那么昂贵。此外，感应发电机允许发电机滑动以及一定量的过载，这在风轮机中是有用的特性。

为了使维修更容易，发电机优选地包括可移除地布置的笼型转子。

根据本发明的一个重要的方面，发电机包括定子，该定子包括连接至传动装置的润滑和/或冷却系统的热管。

每个热管优选地包括供给管线和返回管线，热管的一端安装在发电机的固定结构上并且连接到传动装置的润滑和/或冷却系统。通过在固定结构中在热管与润滑和/或冷却系统之间提供连接，简化了密封并且防止了泄漏。

优选地，定子可移除地安装在热管的自由端上。通过这种方式使得维修更容易。