CN101091056B - 包括倍增的冗余控制系统的风轮机以及控制风轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种包括受控制设备的风轮机(1)，该风轮机包括用于风轮机的一个或多个所述主要部件(5，7，9)的至少一个控制系统(14，14A，14B)。该控制系统(14A)由至少一个用于同一受控制设备的附加控制系统(14B)。本发明还提供了一种控制设备、一种方法及其使用。

Description

包括倍增的冗余控制系统的风轮机以及控制风轮机的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的风轮机、一种控制装置、一种控制通过至少一个附加控制系统倍增的控制系统的方法及其使用，该附加控制系统用于控制相同的受风轮机控制的设备。
背景技术
风轮机设计用于长期面临恶劣且多变的天气并且仍能显示高的可靠性。以前，可靠性是通过将风轮机设计成具有与风轮机在正常使用下的要求尺寸相比加大的尺寸来实现的。
塔架、风轮机叶片和断裂系统例如可具有加大的尺寸，以便处理极端恶劣的天气状况或者在故障例如电网丢失或风轮机转子控制故障期间出现的过度力。
但是，运输和处理大型现代风轮机的风轮机部件是越来越大的挑战。因此，加大尺寸的部件就运输和处理期间的尺寸和重量而言是严重的问题，并且材料成本昂贵。
以前，还已知风轮机的某种部件都多于一个。冗余对于面临很大机械应力的部件例如液压俯仰致动器特别有用。额外的部件会在主部件发生故障之后短期内直至修理人员达到之前承担工作负荷，从而提高风轮机的可用性和可靠性。但是，对同类部件设置一个以上不能改变或解决上述关于风轮机部件的尺寸和重量以及材料成本的问题。
本发明的一个目的是建立允许构建重量更有效且成本更有效的风轮机技术。
发明内容
本发明涉及一种风轮机，其中控制系统由至少一个用于控制相同的所述受控制设备的附加控制系统倍增。
因此，建立了一种没有现有技术的上述缺陷的风轮机。通过将功能性固定在系统级上来消除在受控制的设备的控制中可能出现的单点故障是有利的。通过提高安全等级并从而提高风轮机的可靠性，可针对正常的使用和疲劳而不是针对极端负荷设计不同的风轮机部件。
风轮机塔架例如可设计具有“正常尺寸的”材料紧密度，因为这可大大消除故障的危险，例如由于失控而导致的危险的转子过速的危险。“正常尺寸的”塔架以及风轮机的其它机构部件节省的材料可超过25％。
术语“受控制设备”和“主要部件”尤其应被理解为是风轮机的风轮机叶片、传动装置(如果存在的话)和发电机。
术语“控制系统”应被理解为管理和控制主要部件并包括这样做所必须的部件的系统。
在本发明的一个方面，所述受控制设备是风轮机的主要部件，例如风轮机叶片。
在本发明的一个方面，所述控制系统同时并且相互独立地运行。因此不管一个控制系统是否故障都可连续控制主要部件。因此，风轮机可连续发电直到发生故障的系统被替换或者以受控的方式被关闭。
在本发明的一个方面，所述控制系统同时运行并且彼此进行相关的管理。因此，可确保控制系统共同对主要部件进行有利的控制。
在本发明的一个方面，所述受控制设备包括至少一个俯仰(倾斜)或主动失速(停止)风轮机叶片。本发明与大型风轮机叶片一起使用是有利的，因为每个叶片的俯仰机构也是转子的唯一的制动系统。
在本发明的一个方面，所述至少一个风轮机叶片是具有两个或三个叶片的风轮机的一部分。本发明与两叶片风轮机一起使用是尤其有利的，因为一个叶片的控制的丢失会导致不能停止风轮机转子。
在本发明的一个方面，所述风轮机包括摇摆机构，该摇摆机构包括摇摆角致动器。
在本发明的一个方面，所述控制系统包括用于所述俯仰或主动失速风轮机叶片的管理系统。
在本发明的一个方面，所述控制系统中的一个包括俯仰和/或摇摆部件例如传感器一例如叶片负荷传感器、俯仰位置传感器、方位角传感器和/或摇摆角传感器，致动器例如俯仰致动器和/或摇摆致动器，包括UPS的电源和/或控制器例如微型计算机。因此，可确保任何类型的故障都不是致命的，因为系统的部件倍增，从而一个或多个剩余的控制系统可继续对风轮机进行正常控制或者至少以受控的方式停止风轮机。
在本发明的一个方面，所述控制系统中的一个内的传感器相对于所述控制系统中的其它控制装置内的对应传感器位置不同地安置。从而可确保例如由于对控制系统的传感器的雷击造成对风轮机部件例如俯仰风轮机叶片的一部分的损害不会自动影响附加控制系统的传感器。
在本发明的一个方面，风轮机包括多于两个的控制系统，例如三个或四个控制系统。可根据对系统的损害的危险来选择附加控制系统的数量以实现风轮机的必要的可靠性。该数量例如可根据风轮机的类型一两叶片或三叶片、风轮机的竖立场地、雷暴的频率以及风轮机的可接近性例如离岸风轮机来选择。
在本发明的一个方面，风轮机包括至少两个控制系统，其中所述系统的一个或多个部件倍增至少两个或三个，例如多于两个的俯仰部件、摇摆部件和/或控制器。
在本发明的一个方面，所述控制系统包括多个中央控制器。因此，容易将控制器安置在被保护且安全的环境中。
在本发明的一个方面，所述控制系统包括多个分布式控制器，例如分布在风轮机轮毂、主轴、风轮机叶片的根部和/或叶片内的控制器。因此，可提高控制系统的可靠性，因为即使一个受控制设备的分布式控制器发生故障它们仍可继续工作。其它受控制设备的分布式控制器可接收出故障的控制器的控制，例如一个叶片的控制器可由于由叶片上的雷击导致一个叶片的控制器内出故障而控制两个叶片的控制系统。
在本发明的一个方面，所述控制系统通过电缆例如部件之间的各个电缆连接。因此，可在不同组之间建立分离的连接电路，并从而进一步提高控制系统的高可靠性。
在本发明的一个方面，控制系统通过例如使用铜电缆和/或光纤通信电缆、无线电和/或无线通信连接例如蓝牙连接的通信总线系统相连。使用分离的连接电路、光纤通信电缆和/或无线通信尤其可确保能在雷击之后抵抗故障的较高可靠性。
在本发明的一个方面，所述控制系统是部分或完全相同的系统。因此，可提高控制系统的共同安全等级。
在本发明的一个方面，所述控制系统由冗余系统倍增。因此实现了本发明的一个有利的实施例。
本发明还涉及用于包括至少两个风轮机叶片的风轮机转子的控制装置，其中所述装置包括多个用于控制相同风轮机叶片或风轮机叶片的相同部分的控制系统，其中至少所述多个控制系统的控制器分布在被控制的风轮机叶片或风轮机叶片的相同部分上，并且所述控制系统连接。
因此，因为该装置包括分布式的但相互连接的控制器，从而即使一个或多个控制器出现故障，该控制装置都可继续控制风轮机叶片，所以可提高风轮机转子的控制的安全性。
在本发明的一个方面，所述控制器包括一个或多个微处理器。
在本发明的一个方面，所述控制系统通过例如使用铜电缆和/或光纤通信电缆、无线电和/或无线通信连接例如蓝牙连接的通信总线系统相连。总线系统确保任何数据都可在控制系统和控制器之间共享。因此，即使控制系统和控制器的一部分出现故障，仍可确保风轮机转子内的任何叶片可保持受控制。
在本发明的一个方面，所述控制器分布在风轮机轮毂、主轴、风轮机叶片的根部和/或叶片内。通过将控制器局部地安放在受控制设备的附近，可实现结构具有更简单且更可靠的控制装置。
本发明还涉及一种控制系统的控制方法，该方法用于控制根据权利要求1-18中任一项的由至少一个用于控制风轮机的相同受控制设备的控制系统倍增的控制系统。
在本发明的一个方面，所述控制系统同时并且相互独立地或通过交换控制通信而相互相关地运行。由此实现本发明的有利实施例。
在本发明的一个方面，控制通信在连接所述控制系统的通信总线系统上传送(传输)。在本发明的另一方面，所述通信在中央或分布式控制器之间的通信总线系统上传送。由此实现本发明的有利实施例。
本发明还涉及风轮机、控制装置和方法使用，所述使用与在极端恶劣状况例如天气状况或电网丢失期间的风轮机的紧急停止有关。
附图说明
下面将参照附图说明本发明，在附图中：
图1示出在风轮机转子内包括三个风轮机叶片的大型现代风轮机，
图2示意性地示出根据本发明的风轮机段，
图3示意性地示出三叶片风轮机的中央控制系统，
图4更详细地示出图3的控制系统，
图5针对两叶片风轮机详细地示出图3的控制系统，
图6示意性地示出包括三叶片风轮机的分布式控制系统的控制装置，
图7详细地示出包括两叶片风轮机的分布式控制系统的控制装置，
图8示出包括两叶片风轮机的分布式控制系统的控制装置的另一实施例。
具体实施方式
图1示出现代风轮机1，该风轮机具有塔架2和定位在塔架顶部的风轮机引擎舱3。风轮机转子的叶片通过从引擎舱正面延伸出的低速轴连接到该引擎舱。
如图所示，超过一定等级的风会致动转子并允许转子沿垂直于风向的方向旋转。旋转运动转化成电能，如本领域技术人员已知的，电能通常被提供给电网。
图2示意性地示出受控制的设备，即风轮机叶片5、传动装置9和发电机7。受控制的设备由根据本发明的风轮机的控制系统14管理。风轮机还包括连接风轮机叶片5、传动装置9和发电机7的低速轴和高速轴10、8。摇摆机构使得风轮机叶片能相对于垂直平面形成角度。
控制系统14可在风轮机的正常使用和停止期间管理并控制任何受控制的设备，例如风轮机叶片5。
根据本发明，控制系统14包括第一控制系统14A，该第一控制系统由至少一个用于管理和控制同一受控制设备的附加控制系统14B倍增。
控制系统14A、14B优选地是结构相同的系统并且执行相同功能。它们可同时并相互独立地运行以管理同一受控制设备。
图3示意性地示出三叶片风轮机的中央控制系统。
该图示出如何利用居中的中央控制系统控制风轮机叶片，其中控制系统内的部件和叶片之间的通信在通信总线上进行。通信总线可以是带电线的连接，例如使用铜电缆和/或光纤通信电缆的通信总线系统。此外，通信总线可包括无线电和/或无线通信连接，例如控制系统之间的蓝牙连接。通信总线可例如使用标准LAN技术。
控制系统的各个部件和叶片之间的连接可通过单独的或共用的电缆例如向每个相关部件传递电能的单独的电力电缆建立。
图4更详细地示出图3的中央控制系统，其中控制系统14A、14B是三叶片风轮机的一部分。
每组控制系统14A、14B包括一个或多个收集、处理和传输数据的微控制器17、μCtrlA、μCtrlB，它们例如从受控制的相关设备内的控制系统传感器收集数据，并将控制数据传输给控制该受控制的相关设备的控制系统部件。
控制系统传感器和部件的示例是俯仰位置传感器和叶片负荷传感器，以及相对于一个风轮机叶片5的俯仰致动器。所有叶片5的叶片设置相同。
此外，每组控制系统14A、14B可包括向叶片微控制器17传输数据的方位角传感器15。
控制系统14A、14B的两个微控制器17由各自的独立电源16供电，其中每个电源包括不间断电源UPS A、UPS B。这两个UPS向控制系统供电，并允许当例如由输电线上的直接雷击导致的停电时停止并控制风轮机。
不同组的控制系统传感器可彼此靠近安放，例如一个叶片负荷传感器靠近下一个叶片负荷传感器，但优选不将它们安放在风轮机叶片5上的相同位置。
图5示出在两叶片风轮机内的图3的中央控制系统。
图5的控制系统14A、14B的结构基本对应于图4的系统。一个叶片的情况比较不会起动对多于两个的相同控制系统一例如三个或四个控制系统一的使用，以便提高抵抗由于多于一个的控制系统故障导致风轮机损坏的安全等级。
根据本发明的控制系统还可与除风轮机叶片之外的其它主要部件一起使用。该控制系统还可例如用于管理和控制发电机，并从而确保发电机不会由于控制系统故障而面临破坏性工作条件。
图6示意性地示出包括三叶片风轮机的分布式控制系统的控制装置。
该图示出如何通过安置在每个风轮机叶片本地的控制系统控制每个叶片。控制系统内的部件和叶片之间的通信在例如与结合图3提到的通信总线对应的通信总线上进行。
图7详细示出包括两叶片风轮机的分布式控制系统的控制装置。
该图示出每个叶片的控制系统如何例如在传感器、控制器和包括UPS的电源方面倍增。控制器可连接在局域网LAN内，并且可相互通信并在功能上彼此管理。
图8示出包括两叶片风轮机内的分布式控制系统的控制装置的另一实施例。
该图的控制器在LAN内通过通信总线连接，并因而建立倍增控制器：控制器1、控制器2和附图的控制器。
根据本发明的风轮机可以是风场的一部分，其中每个风轮机连接到中央控制站，该中央控制站例如通过向风轮机发送维护人员或停止信号而响应来自风轮机的例如出现故障的故障消息。
上面已经参照具有控制系统的风轮机的特定示例举例说明了本发明。该系统可在使用时或在一个控制系统出故障而停止期间例如紧急停止期间控制风轮机。但是，应理解，本发明并不局限于上文所述的特定示例，而是可在如权利要求指定的本发明的范围内进行多种变型和改变。
列表
1风轮机或风轮机系统
2风轮机塔架
3风轮机引擎舱
4风轮机轮毂
5风轮机叶片
6转子
7发电机
8高速轴
9传动装置
10低速轴
11摇摆机构
12风轮机叶片的俯仰机构
13偏航机构
14风轮机叶片的控制系统
14A、14B控制系统和附加控制系统
15两组方位角传感器
16两组包括UPS的电源
17两组微控制器
18两组摇摆角传感器

Claims (27)

1.风轮机(1)，该风轮机包括：
受控制设备(5，7，9)，以及
用于一个或多个所述受控制设备(5，7，9)的控制系统(14，14A，14B)，所述控制系统包括控制器(17)，
其特征在于，
所述控制系统(14A)由至少一个用于控制相同的所述受控制设备的附加控制系统(14B)倍增，这些控制系统和附加控制系统(14A，14B)通过用于在控制器之间交换控制通信的局域网通信总线系统连接，以及
其中，所述控制器包括多个分布在所述受控制设备处的分布式控制器以及多个中央控制器。
2.根据权利要求1的风轮机(1)，其特征在于，所述受控制设备是风轮机的主要部件(5，7，9)。
3.根据权利要求2的风轮机(1)，其特征在于，所述风轮机的主要部件是风轮机叶片。
4.根据权利要求1或2的风轮机(1)，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统(14A，14B)同时并且相互独立地运行。
5.根据权利要求1或2的风轮机(1)，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统(14A，14B)同时并且相互管理地运行。
6.根据权利要求1的风轮机(1)，其特征在于，所述受控制设备包括至少一个俯仰或主动失速风轮机叶片(5)。
7.根据权利要求6的风轮机(1)，其特征在于，所述至少一个俯仰或主动失速风轮机叶片(5)是具有两个或三个叶片的风轮机的一部分。
8.根据权利要求6或7的风轮机(1)，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统(14A，14B)包括用于所述俯仰或主动失速风轮机叶片(5)的管理系统。
9.根据权利要求1到3中任何一项的风轮机(1)，其特征在于，所述风轮机(1)包括摇摆机构，该摇摆机构包括摇摆角传感器(18)。
10.根据权利要求1到3中任何一项的风轮机(1)，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统(14A，14B)中的一个包括俯仰和/或摇摆部件、致动器、带有UPS的电源(16)、和/或控制器。
11.根据权利要求10的风轮机(1)，其特征在于，所述俯仰和/或摇摆部件为叶片负荷传感器、俯仰位置传感器、方位角传感器和/或摇摆角传感器(18)，所述致动器为俯仰致动器和/或摇摆致动器，所述控制器为微型计算机(17)。
12.根据权利要求11的风轮机(1)，其特征在于，所述控制系统(14A)内的传感器相对于所述附加控制系统(14B)内的对应传感器位置不同地安置。
13.根据权利要求1到3中任何一项的风轮机(1)，其特征在于，该风轮机包括多于两个的控制系统(14A，14B)。
14.根据权利要求1到3中任何一项的风轮机(1)，其特征在于，该风轮机包括至少两个控制系统(14A，14B)，其中所述控制系统的一个或多个部件倍增至少两个或三个俯仰部件、摇摆部件和/或控制器。
15.根据权利要求1到3中任何一项的风轮机(1)，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统(14A，14B)包括多个中央控制器。
16.根据权利要求1到3中任何一项的风轮机(1)，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统(14A，14B)包括多个分布式控制器。
17.根据权利要求1到3中任何一项的风轮机(1)，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统(14A，14B)通过电缆连接。
18.根据权利要求1到3中任何一项的风轮机(1)，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统(14A，14B)通过使用铜电缆和/或光纤通信电缆的通信总线系统相连，和/或通过使用无线通信连接的通信总线系统相连。
19.根据权利要求1到3中任何一项的风轮机(1)，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统(14A，14B)是部分或完全相同的系统。
20.根据权利要求1到3中任何一项的风轮机(1)，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统(14A，14B)是倍增的冗余系统。
21.用于控制根据权利要求1到3中任何一项的风轮机的由至少一个用于控制风轮机的相同受控制设备(5)的附加控制系统倍增的控制系统的方法，所述方法包括下列步骤：
利用控制系统和附加控制系统控制所述受控制设备，以及
通过在连接控制系统及至少一个附加控制系统的局域网通信总线系统上交换控制通信来运行所述控制系统及至少一个附加控制系统，所述控制系统和附加控制系统包括分布在受控制设备处的控制器以及中央控制器。
22.根据权利要求21的方法，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统同时并且相互独立地运行。
23.根据权利要求21或22的方法，其特征在于，所述控制系统和附加控制系统通过交换控制通信而同时并且相互相关地运行。
24.根据权利要求21或22的方法，其特征在于，控制通信在连接所述控制系统和附加控制系统的通信总线系统上进行传输。
25.根据权利要求24的方法，其特征在于，所述通信在中央或分布式控制器之间在通信总线系统上传输。
26.根据权利要求1-20中任何一项的风轮机的使用，该使用与在极端状况期间的风轮机(1)的紧急停止有关。
27.根据权利要求21或25的方法的使用，该使用与在极端状况期间的风轮机(1)的紧急停止有关。
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