CN101790639A - 用于风力涡轮机的桨距控制系统和方法 - Google Patents

用于风力涡轮机的桨距控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种桨距控制系统，它包括主要换流器，和辅助换流器，直流电动机和储能系统(蓄能器)，并具有四种不同的操作模式：正常，故障(第一级)，故障(第二级)和紧急情况。倘若检测到故障，该系统可以移动电动机以便通过进行受控调节，将翼片移动到要求的位置。

Description

用于风力涡轮机的桨距控制系统和方法
技术领域
本发明涉及一种桨距控制系统，其目的在于调节叶片桨距角度，具体而言可应用于风力发电机。
背景技术
近些年来，风能的引入已经得以显著增长，并且可以预期的是在即将来临的几年里这种增长将得以继续。当前，风力发电机的额定功率逐步增长，从而风场的装机容量日益增高。风场需要更高功率的风力发电机，它能够最小化维修和维护成本同时减少环境影响。在海滨风场这尤为重要。
桨距控制系统在风力发电机的整体运行中是极其重要的，因为它使得以可控方式改变叶片桨距成为可能，使风力发电机从停顿变到额定功率，并且使得调节叶片角度以便将所产生电力保持在其最佳点成为可能。而且，在紧急情况下，桨距控制系统可通过使叶片转动到不顶风的位置，从而使风力发电机安全地停顿下来。
当前在风力发电机中通常有两种主要技术用于桨距控制系统：液压桨距和电动桨距。液压桨距已经广泛地用于风力涡轮机中。然而，近来更高功率风力发电机的装机已导致电动桨距控制系统的使用，因为它能够提供比液压系统更好的调节和控制特性。再者，电动桨距控制系统一方面当执行控制逻辑时能获得更多功能，另一方面由于可用的监控选项，则可提供该系统的全面认识及所属风力发电机的重点认识。
倘若交变电压(高压输电网)下跌或下降，当前的电动桨距系统把电动机从控制它的换流器上断开，并控制它直接连接到蓄能系统(例如电池)。因此，电动机速度不能够进行调节，它由电动机的电压/扭矩/速度特性来确定。
在公开文献US2007/0057516 A1和US2006/163883A1中已经公开了这些桨距控制系统的例子。一个控制系统在所述系统中实施，一旦检测到掉压它就将蓄能系统连接到DC母线。因此有可能在故障期间，使用驱动器来保持调节桨距所需要的电压电平。
本发明的系统具有新颖的技术，其中DC蓄能系统或蓄能器不用来对换流器的DC母线进行充电，而是用来直接供应电动机，或者经由调节所述蓄能器中直流电压的辅助换流器来供应电动机。从而，如果有掉压或者即使主换流器出现故障，也可能以受控方式继续调节桨叶的位置，并在紧急情况下能够时时保持从DC蓄能系统直接施加电压给电动机。
发明内容
本发明涉及一种用于风力发电机的桨距控制系统。所述系统由DC电动机和一种可靠且耐用的拓扑结构构成，该拓扑结构不具有中间DC级(BUS母线)，而是包含如果发生故障，例如掉压时控制该系统的新架构。举例来说，该蓄能系统可以由电池或超级电容器构成。
在正常操作中，桨距控制系统通过使用主换流器来控制电动机进行工作。在一个实施例中，该电动机响应于从通用控制器接收到的指令进行控制。
根据本发明，第一方面，倘若发生了故障，辅助换流器可能遵循来自通用控制器的指令，甚或执行特定的速度/时间曲线，使用电池或超级电容器中存储的能量对电动机加以控制。
根据本发明，另一方面，倘若发生特定故障时可以这样操作：通过以受控方式将蓄能系统直接连接至电动机，由此能够调节桨叶所移动到的位置。
根据本发明，又一方面，如果发生紧急情况如失控时，电池或超级电容器能够直接连接至电动机，而不会累及桨叶控制器。
必须要说明的是，该一般性描述和下文中给出的详细描述提供的都是非限制性的实例和对本发明的解释。
附图说明
此处示出的附图包括一个或多个实施例的一部分。然而，它们不能认为是将本发明具体限制到所示实施例的图。当它包含下述附图时，本发明及其操作模式通过详细描述可以得到更好的理解：
图1：示出了风力发电机中的常规电动桨距系统。
图2：示出了本发明使用DC串励电动机的桨距系统的一个实施例。
图3：示出了本发明第一操作模式(正常)的桨距系统的构造。
图4：示出了本发明第二操作模式(故障)的桨距系统的构造，其中电动机由辅助换流器进行控制。
图5：示出了本发明第三操作模式(故障)的桨距系统的构造，其中电动机借助于由桨距控制器管理的蓄能系统来致动，直到桨叶到达控制系统要求的位置。
图6：示出了本发明第四操作模式(紧急情况)的桨距系统的构造，其中电动机直接连接至DC蓄能系统，直到桨叶到达安全位置(通常接近90°)。
图7：示出了本发明的桨距系统的一种构造，其中DC蓄能系统的电压电平可以配置为引入更大或更少数目的电池或超级电容器。
图8：示出了本发明的桨距系统的一种构造，其中DC蓄能系统借助于主换流器充电和/或放电到要求的电压电平。
发明详述
以下将通过若干实施例对电动桨距控制系统进行描述。该说明参照各附图作为例子，以确保对本发明进行更好的理解。因此贯穿于整个说明书不同的参考数字用来指示本发明系统的不同部分。
在图2中示意地示出了本发明的优选实施例。该桨距控制系统基本上由以下部分组成：至少一个桨距控制器(201)，一主换流器(205)，至少一个辅助换流器(204)，一DC齿轮电动机(下文中称为电动机)(208)以及一由电池或超级电容器组成的DC蓄能系统或蓄能器(210)。
在正常操作(图3)中，该系统将工作在我们所谓的第一操作模式。在这种情况下，接触器K1(202)和K2(206)保持闭合，因此电动机的电枢受主换流器(205)控制，它反转高压输电网电压，以便以DC(208)供应电动机，时时施加相应的扭矩以便桨叶移动到要求的位置。此时接触器K3(207)和K4(211)保持断开。在本发明的优选实施例中，所述主换流器基于晶闸管(300)。该换流器不具有DC母线。
电动机的激励由二极管桥(301)控制。在该梯级，系统构造使得有可能调节速度，获得超过0.05％的精度。这是通过使用来自电动机编码器(209)的反馈来完成的。在其他实施例中，速度和/或位置反馈可以由其他类型的传感器(例如变速发电机，分解器等)来提供。在另一实施例中，位置可以调节。
另外三种操作模式在本发明中区分为：
1.-第二操作模式在图4中示出并且对应于故障时的系统特性。在非限制性实施例中，故障认为是风力发电机的通常告警，其中系统可以保持对桨叶的桨距或位置的控制。该操作模式在掉压期间使用。为了保持对电动机的受控调节，并由此保持对风力发电机的桨叶位置和转动速度的受控调节，一辅助换流器(204)对电动机加以控制。这是通过断开接触器K2(206)和闭合接触器K3(207)，同时保持接触器K4(211)断开来完成的。根据本发明的一个方面，辅助换流器独立于主换流器，并调节由蓄能系统供应的DC电压。在一个实施例中，该辅助换流器基于IGBT(400)。
通过响应于涡轮通用控制器在任意给定时刻确定的指令，可以保持所要求的桨距，甚或使用特定曲线来提供停止或制动序列。该曲线可以在桨距控制器中得以参数化。
在第三操作模式，为了执行受控的停止，可以考虑到本发明的另一方面。在一个实施例中，蓄能系统可以以受控方式直接连接至电动机(图5)。因此，桨叶的应用时间和由此的最终位置可以由桨距控制器(201)遵循特定逻辑或者遵循从风力发电机通用控制器(200)接收到的指令进行调节。该第三模式对于如果发生类似第二操作模式的故障时的操作也是有效的。根据本发明的非限制性方面，有可能建立两种级别的故障，在第一级故障的情况下，系统将应用第二操作模式。如果检测到第二级故障，系统将工作在第三操作模式。
2.-第四操作模式在图6中示出并且如果发生紧急情况时激活。在本发明的非限制性实施例中，紧急情况可以认为是由于例如桨距系统中的电子故障或由于安全原因而激活的紧急电路所引起的完全失控。在这种情况下，电动机(208)将直接连接至蓄能系统或蓄能器(210)。这可以通过断开K2(206)和K3(207)并闭合K4(211)来完成。这些接触器保持锁定直到到达安全位置。作为DC电动机，电动机的转速由所施加的直流电压来确定。
本发明的另一方面是电池或超级电容器的数目可以进行设定，从而可以根据所要求的速度曲线来施加不同的电压电平。该速度曲线中包括有用于设计电动机的电压/扭矩/速度特性。图7示出了一个简单实施例，其中有可能借助于接触器来引入更大数目的电池或超级电容器。该功能可以用在利用蓄能系统的第二，第三和第四操作模式中。在第二操作模式中，该功能通过触发接触器K6(700)或K7(701)来实现。对于第三和第四操作模式，其中来自DC蓄能系统的电压直接施加给电动机，该功能通过触发接触器K5(703)或K4(211)来实现。
在本发明的优选实施例中，系统的主换流器用四象限拓扑来设计，这使得有可能当电动机用作发电机时将电力输送给AC高压输电网。该情形是当风力发电机的桨叶移动到要求的位置时发生的，而不需由动量来致动。它可以在桨叶的重量将桨叶推送到要求的转动方向时产生。
根据本发明的另一方面，如果蓄能系统为超级电容器，主换流器(205)可以用来对蓄能系统充电或放电。图8示出了包含接触器K8(801)的桨距控制系统的实施例，它必须被致动以便对超级电容器(800)充电或放电。
如果蓄能系统由电池组成，本发明的系统就需要电池充电器。在本发明的优选实施例中，桨距系统对风力发电机的所有桨叶使用单一的充电器。所述充电器及时地以多路对各个桨叶的蓄能器系统进行充电。在另一实施例中，一个电池充电器用于每个桨叶系统。
因此，此处披露的电子桨距控制系统具有新的特征，即使在发生掉压或任何其他故障的情况下，也增加了控制DC电动机的可能性。
必需要加以考虑的是，详细描述只是作为例子。所示的细节和附图不得限制本发明的范围。实际上，可以进行修改和适应性改进，而上述方法和实施例可以用其他等同物来替代。因此，本发明能够以若干种方式来实施，而不会影响本发明的本质和范围，必须要理解本发明不限于此处的实施例。

Claims (25)

1.一种风力涡轮机的桨距控制系统，它包括：
至少一个DC电动机(208)，
至少一个桨距控制器(201)，
一主换流器(205)，用以在第一操作模式中将来自高压输电网的AC电力转换为DC电力以供应给电动机，
至少一个DC蓄能器系统(210)，用于为第二，第三和第四操作模式储备电力供应；
至少一个辅助换流器(204)，用以在第二操作模式中调整来自蓄能器系统的直流电压。
2.根据权利要求1的风力涡轮机的桨距控制系统，其特征在于该电动机为DC串励电动机。
3.根据权利要求1的风力涡轮机的桨距控制系统，其特征在于该电动机为DC复励电动机。
4.根据权利要求1的风力涡轮机的桨距控制系统，其特征在于该主换流器为晶闸管。
5.根据权利要求1的风力涡轮机的桨距控制系统，其特征在于该主换流器为IGBT。
6.根据权利要求1的风力涡轮机的桨距控制系统，其特征在于它含有二极管控制的整流器，用以提供电动机的激励。
7.根据权利要求1的风力涡轮机的桨距控制系统，其特征在于它含有IGBT控制的整流器，用以提供电动机的激励。
8.根据权利要求1的风力涡轮机的桨距控制系统，其特征在于该蓄能器由电池组构成。
9.根据权利要求1的风力涡轮机的桨距控制系统，其特征在于该蓄能器由超级电容器构成。
10.根据权利要求1的风力涡轮机的桨距控制系统，其特征在于该辅助换流器为IGBT。
11.根据权利要求1的风力涡轮机的桨距控制系统，其特征在于蓄能器系统的电压电平可以进行配置。
12.根据权利要求1的风力涡轮机的桨距控制系统，它包括其中电压电平可以使用接触器进行主动配置的蓄能器系统。
13.一种风力涡轮机的电动螺距系统的控制方法，它包括：
-在第一操作模式期间，使用主换流器将来自高压输电网的AC电力转换成DC电力以供应给DC电动机，
-在第二操作模式期间，使用来自蓄能器的直流电压以经由辅助换流器来供应DC电动机，
-在第三操作模式期间，使用来自蓄能器的直流电压以便以受控方式直接供应DC电动机，
-在第四操作模式期间，使用来自蓄能器的直流电压以便直接供应DC电动机，而不会累及桨距控制器。
14.根据权利要求13的控制方法，其特征在于它使用整流器以提供DC电动机的激励。
15.根据权利要求13的控制方法，其特征在于该第一操作模式在正常操作中启动。
16.根据权利要求13的控制方法，其特征在于该第二操作模式当检测到第一级故障时启动。
17.根据权利要求13的控制方法，其特征在于该第三操作模式当检测到第二级故障时启动。
18.根据权利要求13的控制方法，其特征在于该第四操作模式当检测到紧急情况并且风力发电机的桨叶移动到安全位置时启动。
19.根据权利要求13的控制方法，其特征在于在第二和第三操作模式期间，响应于从通用控制器接收到的指令来调节DC电动机。
20.根据权利要求13的控制方法，其特征在于在第二和第三操作模式期间，根据桨距控制器中编程的逻辑来调节DC电动机。
21.一种风力涡轮机的电动螺距系统的控制方法，它包括：
-在第一操作模式期间，使用主换流器将来自高压输电网的AC电力转换成DC电力以供应给DC电动机，
-在第二操作模式期间，使用来自蓄能器的直流电压以经由辅助换流器来供应DC电动机，
-在第四操作模式期间，使用来自蓄能器的直流电压以便直接供应DC电动机，而不会累及桨距控制器。
22.一种风力涡轮机的电动螺距系统的控制方法，它包括：
-在第一操作模式期间，使用主换流器将来自高压输电网的AC电力转换成DC电力以供应给DC电动机，
-在第三操作模式期间，使用来自蓄能器的直流电压以便以受控方式直接供应DC电动机，
-在第四操作模式期间，使用来自蓄能器的直流电压以便直接供应DC电动机，而不会累及桨距控制器。
23.一种风力涡轮机的电动螺距系统的控制方法，它包括当桨叶由于其自重或扭矩朝着要求的位置移动时，使用电动机作为发电机向高压输电网供应电力。
24.一种风力涡轮机的电动螺距系统的控制方法，它包括：
-使用主换流器对基于超级电容的蓄能器系统进行充电和放电。
25.一种风力涡轮机的电动螺距系统的控制方法，它包括：
-使用单一电池充电器和复用技术对各个桨叶的蓄能器系统进行充电。
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