CN101240776B - 消除风力涡轮机变速箱中的反冲冲击的方法 - Google Patents

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Abstract

用于操作包括传动系统的风力涡轮机的方法，该传动系统驱动一个或多个向电网(11)供电的发电机(23、31)，通过该方法，在变速箱(17)中产生负荷反转的情形下，激活传动系统甩负荷(5)，以确保传动系统扭矩具有恒定的方向，避免变速箱(17)中的反冲冲击，所述甩负荷(5)包括由在专用于吸收所述甩负荷(5)的装置和存在于所述风力涡轮机中的用于其它目的的装置中选择的一个或几个装置吸收的功率。本发明还涉及用于实现所述方法的风力涡轮机。

Description

消除风力涡轮机变速箱中的反冲冲击的方法
技术领域
本发明涉及用于消除风力涡轮机变速箱中的反冲冲击的方法以及具有实现该方法的装置的风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机变速箱需要在其组件之间具有一定间隙，这用于几个目的，如避免干扰、磨损、产生过多热量，确保适当的润滑或者补偿制造公差。所述间隙使得即使输入轴没有转动，输出轴也以负荷反转转过一微小角度。轴的“零负荷转动角度”的值被称为变速箱的转动反冲。
如果变速箱中的主轴扭矩是零，则齿轮啮合中的作用力基本为零。那么不存在传动系统拉力并且存在一定的反冲。
如果变速箱中的主轴扭矩增加到零以上，则齿轮啮合中的作用力将只作用在一个方向上并且传动系统将被对正并且拉力增加。
如果变速箱中主轴扭矩减小到零以下，则齿轮啮合中的作用力将只作用在一个方向上，但是现在是在相反的方向上，并且传动系统将被对正并且拉力增加。
在风力涡轮机中，已知经由传动系统传播由周期性负荷反转引起的动态冲击，即反冲现象，并且由于转子和发电机扭矩的变化引入的激励可能将该动态冲击放大，从而它们可能造成风力涡轮机传动系统的故障。
由于转子和发电机扭矩的变化，传动系统被动态激励，产生持久变化的预拉力。在某些状态下，传动系统的预拉力被完全释放或者甚至被反向。预拉力的反向产生反冲，由于变化的转子和发电机扭矩引入的激励，该反冲可能放大。
反冲的另一个缺点是它们是重要的噪声源。
据申请人所知，还没有专门用于克服风力涡轮机中反冲问题的现有技术。确实有教导使用发电机扭矩控制装置和桨距控制装置用于减少正常工作状态下的传动系统负荷的现有技术并且还有教导在特定风力情况下如阵风情况下使用扭矩限制装置的现有技术，但是没有关注于避免扭矩是随机的并且方向是变化的空转情况的公知现有技术，该空转情况具有多种不希望的潜在结果，包括噪声的产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于操作风力涡轮机以消除变速箱中的反冲冲击的方法。
通过提供一种用于操作风力涡轮机的方法来实现该目的以及其它目的，该风力涡轮机包括用于驱动一个或多个向电网供电的发电机的传动系统，该传动系统包括安装有一个或多个叶片的转子轮毂、主轴、变速箱以及连接到所述一个或多个发电机的连接轴，在变速箱中产生负荷反转的情形时，激活传动系统甩负荷(dump load)以确保传动系统扭矩具有恒定的方向，避免变速箱中的反冲冲击，所述甩负荷包括由在专用于吸收所述甩负荷的装置和存在于所述风力涡轮机中用于其它目的的装置当中选择的一个或几个装置吸收的功率。
该方法的一个优点是如果变速箱包含行星齿轮级或多级行星齿轮级，随着太阳轮的定位随后达到正常工作条件，其有利于保持拉力的恒定方向，所述太阳轮的定位提高了变速箱寿命并允许优化设计。对于变速箱中的其它类型齿轮级，如平行轴齿轮级，特别是螺旋齿轮级，其优点是不仅降低了轮齿的疲劳，而且还减少了施加到轴承上的轴向力量的变化，该轴向力量是由螺旋齿轮级中的扭矩变化产生的。
该方法的另一个优点是将减小声音发出，因为因存在反冲引起的咔嗒声将不再发出任何声音。
在本发明的一实施例中，在风力涡轮机启动的情形下激活甩负荷以避免该操作期间传动系统中出现负荷反转。
在本发明的另一实施例中，在风力涡轮机与电网断开连接的情形下激活甩负荷以利于平滑的断开连接。
在本发明的另一实施例中，在风力涡轮机的工作状态处于过渡状态的各种不同情形下激活甩负荷，以便于风力涡轮机可以渡过这些情形，提高电力生产。
本发明的另一个目的是提供一种用于实现上述方法的风力涡轮机。
通过提供一种风力涡轮机来实现所述目的和其它目的，该风力涡轮机包括用于驱动向电网供电的一个或多个发电机的传动系统，该传动系统包括安装有一个或多个叶片的转子轮毂、主轴、变速箱以及连接到所述一个或多个发电机的连接轴，该风力涡轮机还包括用于产生传动系统甩负荷的功率吸收装置，其用于确保传动系统扭矩具有恒定的方向，避免变速箱中的反冲冲击，所述功率吸收装置在专用于吸收所述甩负荷的装置和存在于所述风力涡轮机中用于其它目的的装置中选择。
通过以下结合附图对本发明的说明性而非限制性的实施例的详细描述，将会理解本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1是说明在风力涡轮机启动和低风力情况下本发明方法的示意图。
图2是说明在发电机与电网的连接从星形转变到三角形或者从三角形转变到星形的情况下本发明方法的示意图。
图3是用于实现本发明方法的具有双馈转换器的风力涡轮机的框图。
图4是用于实现本发明的方法的具有全转换器的风力涡轮机的框图。
具体实施方式
图1(x轴为时间T，y轴为传动系统扭矩L)示出从时间T0到时间T1发生的风力涡轮机启动和在时间T2开始的低风力情况等两种可能引起反冲问题的情形中风力涡轮机的变速箱中的负荷3的典型演变。
根据本发明，按照在这两个情形中使用的甩负荷的类型来部分或全部激活足够的甩负荷5。
在启动时激活甩负荷5，用于在变速箱的发电机侧加载传动系统。当主轴开始转动时，甩负荷5在一定程度上加载到主轴，传动系统将被对正并且在其中会有适当形成的拉力。否则将会有如图1中所示的扭矩变化。
当条件足够时，发电机开始将有功电功率传送到电网，并且在一定程度上激活甩负荷5。当主轴扭矩高于预定扭矩水平L2时，按照所使用的甩负荷的类型部分或全部停用甩负荷5，并且不会出现与甩负荷相关的产能损失。
在低风力情况下，主轴扭矩可能低于可产生问题的某一水平。在此情形下，当主轴扭矩低于预定扭矩水平L1时，部分或全部激活甩负荷5，以确保传动系统和变速箱的良好拉力和工作条件。
图2(x轴为时间T，y轴为传动系统扭矩L)示出在可能引起扭矩变化的发电机耦合状态改变时，即从“星形”耦合到“三角形”耦合或者反过来，风力涡轮机的变速箱中负荷3的典型演变。在此情形下，根据本发明，当主轴扭矩低于预定扭矩水平L1时，部分或全部激活甩负荷5，而当主轴扭矩高于预定扭矩水平L2时，部分或全部停用甩负荷5，并且不会出现与甩负荷相关的产能损失。
根据本发明，在如下可能引起传动系统中负荷反转的任何情形中都将：在主轴扭矩低于预定扭矩水平L1时激活甩负荷以及如果需要，在主轴扭矩高于预定扭矩水平L2时停用甩负荷：
-需要从正常工作状态过渡到故障状态的风力涡轮机故障情况。
-需要从正常工作状态过渡到故障状态的电网故障情况。
-当电网故障已经解除时风力涡轮机将继续向电网供电的电网异常条件，如“渡过”顺序。
存在这样的情形：根据本发明的方法除了激活甩负荷以外还包括附加动作。这些情形之一是在风速高于切出风速(有时也被称为停止风力)时风力涡轮机断开连接。在此情形下，速度控制器将正常地使转子停止并且叶片桨距角基准将被设置为90度。这样做会使转子在方向上振荡并且所选择的甩负荷的激活可能不足以确保传动系统拉力。因此，在此情形下，根据本发明的方法还包括用于将转子速度保持在预定值以上的动作，例如将桨距角基准设置为小于90度。
根据本发明的方法包括除了激活甩负荷以外的附加动作的另一情形是发电机与电网的连接从“星形”转变到“三角形”或者反过来。在此情形下，根据本发明的方法包括加速传动系统以确保传动系统的拉力。因此，恰好在扭矩有效为零之前，通过速度控制器来确保传动系统的一定加速，在短暂的瞬时之后-几秒钟-必须执行发电机连接的转变，并且速度控制器可以再次正常起作用。
如上所述，有许多种甩负荷来实现根据本发明的方法。
对于任何类型的风力涡轮机都适用的甩负荷如下：
-来自现有制动器中的摩擦的热量。
-来自轴摩擦例如来自轴安装风扇的热量。
为了以后重新利用的目的，使用例如电池和电池充电器、飞轮和电机、槽和泵以及一定的压力容器和燃料电池系统等装置将功率吸收并转移到某种蓄能器。
对于处于电网连接状态的任何类型风力涡轮机都适用的甩负荷如下：
-传送到电网的功率。
-来自连接到发电机或转换器的电阻器损耗的热能。
-来自风力涡轮机辅助组件如泵和风扇中额外激活损耗的热能。
-因额外无功电流的循环由额外发电机损耗引起的发电机中的热能。
图3和图4示意性地示出了现如今广泛使用的两种类型风力涡轮机：具有双馈转换器的风力涡轮机和具有全转换器的风力涡轮机。在这两种情况中，风力涡轮机都包括用于驱动经由功率电子单元向电网11供电的发电机的传动系统。该传动系统包括安装有一个或多个叶片的转子轮毂13、主轴15、变速箱17以及连接到发电机的连接轴19。
本发明还可应用于其他类型的风力涡轮机，特别是具有两个或更多个发电机的风力涡轮机。
图3所示为具有绕线转子感应发电机23的风力涡轮机，绕线转子感应发电机23具有转子25和定子27，并经由滑环28和基于IGBT的PWM电子控制转换器29连接到电网11。
对于处于连接电网状态的该类型风力涡轮机适用的甩负荷是传送到电网的功率。
对于处于连接电网状态的该类型风力涡轮机，另一种适用的甩负荷是由发电机23中额外的无功电流的存在而产生的发电机23损耗的热能。
对于发电机23耦合状态从“星形”到“三角形”或者从“三角形”到“星形”转换情形的处于电网断开状态的该类型风力涡轮机，另一种适用的甩负荷是在发电机的有功功率卸载的同时使轴的速度加速，这使得变速箱中的扭矩具有因用以使发电机惯性转动的扭矩引起的恒定正值。
图4所示为具有同步发电机例如永磁发电机31的风力涡轮机，永磁发电机31具有转子33和定子35并经由全转换器单元37连接到电网11。
对于处于连接电网状态的该类型风力涡轮机适用的甩负荷是传送到电网的功率。
对于处于连接电网状态的该类型风力涡轮机，另一种适用的甩负荷是由发电机31中额外的无功电流的存在而产生的发电机31损耗的热能。通过转换器37模块设置的控制可以产生这些损耗，转换器模块的一半(模块1、2和3)达到额外无功功率基准Qref.sys1，而其余模块(模块4、5和6)达到额外无功功率基准-Qref.sys1，所以对总的无功生产的全面影响不会从正常性能改变，但是发电机中的热损耗被根本改变。这将仅作为甩负荷工作，而不需要任何额外的组件，但需对发电机控制软件进行一些改变。此外，它将非常快速地起作用-几毫秒-因此还用于传动系统中的动态衰减的目的。
对于处于电网断开状态的该类型风力涡轮机，另一种适用的甩负荷是在电阻器中消耗的来自发电机31的热能，该热能也可以被用作甩负荷来在电网故障期间吸收发电机的产出。
尽管已经结合优选实施例充分描述了本发明，但是各种修改也明显落入本发明的范围，不是这些实施例而是所附权利要求的内容限定本发明的范围。

Claims (12)

1.用于操作包括传动系统的风力涡轮机的方法，传动系统驱动向电网(11)供电的一个或多个发电机(23、31)，传动系统包括安装有一个或多个叶片的转子轮毂(13)、主轴(15)、变速箱(17)以及连接到所述一个或多个发电机(23、31)的连接轴(19)，其特征在于：在变速箱(17)中产生负荷反转的情形下，激活传动系统甩负荷(5)以确保传动系统扭矩具有恒定的方向，避免变速箱(17)中的反冲冲击，所述甩负荷(5)包括由专用于吸收所述甩负荷(5)的装置和存在于所述风力涡轮机中用于其它目的的装置中选择的一个或几个装置吸收的功率。
2.根据权利要求1所述的操作风力涡轮机的方法，其特征在于：所述情形之一是所述风力涡轮机启动，并且在所述启动开始时激活所述甩负荷(5)及在所述传动系统扭矩高于预定值L2时停用所述甩负荷(5)。
3.根据权利要求1所述的操作风力涡轮机的方法，其特征在于：所述情形之一是低风力情况，并且在所述传动系统扭矩低于预定值L1时激活所述甩负荷(5)及在所述传动系统扭矩高于预定值L2时停用所述甩负荷(5)。
4.根据权利要求1所述的操作风力涡轮机的方法，其特征在于：所述情形之一是发电机耦合状态的改变，并且在所述传动系统扭矩低于预定值L1时激活所述甩负荷(5)及在所述传动系统扭矩高于预定值L2时停用所述甩负荷(5)。
5.根据权利要求4所述的操作风力涡轮机的方法，其特征在于：除了使用所述甩负荷(5)以外或者代替使用所述甩负荷(5)，在所述传动系统扭矩值刚好为零之前，执行转子轮毂(13)的加速。
6.根据权利要求1所述的操作风力涡轮机的方法，其特征在于：所述情形之一是由于电网故障或风力涡轮机故障所述风力涡轮机的工作状态处于过渡状态的任何情形，并且在所述传动系统扭矩低于预定值L1时激活所述甩负荷(5)及在所述传动系统扭矩高于预定值L2时停用所述甩负荷(5)。
7.根据权利要求1所述的操作风力涡轮机的方法，其特征在于：所述情形之一是所述发电机(23、31)与所述电网(11)断开连接，并且在所述传动系统扭矩低于预定值L1时激活所述甩负荷(5)。
8.根据权利要求7所述的操作风力涡轮机的方法，其特征在于：在高风速时与所述电网(11)断开连接的情形中，除了激活所述甩负荷(5)以外，还将所述转子轮毂(13)的速度保持在预定值R1以上。
9.用于实现根据权利要求1-8中任一项所述方法的风力涡轮机，该风力涡轮机包括用于驱动向电网(11)供电的一个或多个发电机(23、31)的传动系统，该传动系统包括安装有一个或多个叶片的转子轮毂(13)、主轴(15)、变速箱(17)以及连接到所述一个或多个发电机(23、31)的连接轴(19)，其特征在于：所述风力涡轮机还包括用于产生传动系统甩负荷(5)的功率吸收装置，用于确保传动系统扭矩具有恒定的方向，避免所述变速箱中的反冲冲击，所述功率吸收装置在专用于吸收所述甩负荷(5)的装置和存在于所述风力涡轮机中的用于其它目的的装置中选择。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其特征在于所述功率吸收装置包括下列中的一个或多个：
-适于将所述功率传送到存储器件的任何装置；
-风力涡轮机制动器、风力涡轮机泵以及风力涡轮机风扇；
-连接到所述发电机的电阻器。
11.根据权利要求9或10所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个或多个发电机是经由基于IGBT的PWM电子控制转换器(29)连接到所述电网的绕线转子感应发电机(23)，并且所述功率吸收装置还包括下列中的一个或者多个：
-用于在发电机(23)连接到电网(11)时产生额外功率的发电机(23)配置；
-连接到转换器(29)或者发电机(23)的电阻器；
-在发电机(23)没有连接到电网(11)时与发电机(23)并行的连接。
12.根据权利要求9或10所述的风力涡轮机，其特征在于，所述一个或多个发电机是经由全转换器单元(37)连接到所述电网的同步发电机(31)，并且所述功率吸收装置还包括下列中的一个或多个：
-当发电机(31)连接到电网(11)时用于产生额外功率或额外发电机(31)损耗的转换器(37)配置；
-当发电机(31)没有连接到电网时连接到发电机(31)的电阻器。
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