CN102027233A - 减小风力涡轮机的传动系中的扭转振荡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在电网缺失的情况下减小在风力涡轮机的传动系中的扭转振荡的方法。根据该方法，在电网缺失之后，制动力矩在一个时间段期间施加到传动系上，并且所述时间段根据传动系的扭转谐振频率来确定。

Description

减小风力涡轮机的传动系中的扭转振荡的方法

技术领域

本发明涉及一种控制风力涡轮机的方法。更准确地说，本发明涉及一种在电网缺失(grid loss)情况下的控制风力涡轮机的方法。

背景技术

现代风力涡轮机通常用来将电力供给到电网中。这种种类的风力涡轮机通常包括具有多个叶片的转子。具有叶片的转子在风对于叶片的影响下进行转动。转子轴的转动直接驱动发电机转子(“直接驱动”)，或者通过齿轮箱的使用驱动发电机转子。

在正常操作期间，风力涡轮机的转速由作用在发电机上的磁性力矩和作用在转子上的空气动力学力矩控制。另外，通常预见到具有制动系统。

用于控制作用在风力涡轮机的转子上的空气动力学力矩的各种途径是已知的。在“桨距-调节的”风力涡轮机中，转子叶片可绕其纵向轴线转动，以控制风对于叶片的攻角。在“被动-失速”调节的风力涡轮机中，当风速增大到预定风速以上时，失速在叶片上自动地发生。空气动力学力矩由此受到限制。

制动系统通常机械地作用在低速轴上，或者作用在高速轴上。电气作用在发电机上的制动系统也是已知的。在桨距-调节的风力涡轮机中，叶片相对于其顺桨位置的俯仰(pitching)用来使风力涡轮机减速。(机械)制动器仅用来达到风力涡轮机的完全停止，或者将涡轮机保持在其停置-位置中。

如以前提到的那样，在正常操作期间，风力涡轮机的转速尤其由作用在发电机上的磁性力矩控制。传动系的元件(转子轴或低速轴、齿轮箱、高速轴、发电机)在作用在转子上的空气动力学力矩和作用在发电机上的磁性力矩的影响下弹性地变形。势能以这种弹性变形的方式存储。当电网缺失发生时，在发电机处的磁性力矩非常突然地失去，并且传动系的势能转化成动能。因此，传动系经受扭转振荡。这些振荡特别是对于齿轮箱可能非常有害，并且可能显著地降低其寿命。

在现有技术中，处理电网缺失的和减小扭转振荡的各种方法是已知的。WO 2007/082642描述了一种通过减小转子叶片的桨距角、随后将机械制动器施加在高速轴上而处理电网缺失的方法。WO2004/098968描述了一种在电网失效情况下的制动方法。制动装置作用在高速轴上。控制制动器的液压压力，直到风力涡轮机达到完全停止。所述装置和其控制方法特别适于用在“失速-调节的”风力涡轮机中。WO 03/040556描述了一种使风力涡轮机减速的方法，该方法的目的在于避免扭转振荡。在该方法中，基于风能转换器的自然频率，按预定的时间顺序调节制动器的减速力矩。US 6,254,197描述了一种可选择的液压制动系统和一种控制它的方法。描述的具体方法规定，首先施加空气动力学制动器(叶片的可动末端)和在15秒的时段之后施加机械制动器。

现有技术方法复杂并因此是昂贵的。此外，它们还不能始终产生满意的结果。所以，存在对一种在电网缺失情况下改进的控制风力涡轮机的方法的需要，该方法能可靠和容易地应用于现代风力涡轮机。

发明内容

本发明的目标在于实现这个目的。该目的由根据权利要求1的方法实现。另外的有利的实施例在从属权利要求中描述。

在电网缺失的情况下，制动力矩在一个时间段期间施加到传动系上，所述时间段根据传动系的扭转谐振频率来确定。风力涡轮机的传动系具有对于每个传动系并因而对于每种类型的风力涡轮机是唯一的扭转谐振频率。在电网缺失时，发电机的磁性力矩消失，并且传动系将以是其扭转谐振频率的频率开始振荡。因此在确定制动时段时应该考虑这个频率。因而将本发明投入实施的途径是：确定传动系的谐振频率；根据该谐振频率确定(计算)所需的制动时段；以及在电网缺失之后，在确定的制动时段期间施加制动器。

优选地，所述时间段也根据在电网缺失的瞬时与施加制动力矩的瞬时之间发生的延迟来确定。为了得到减小的扭转振荡的最佳结果，制动器只应该在紧随电网缺失的时段中(在该时段中低速轴的力矩正在减小，即在其中传动系正在“退绕”的时段中)被致动。在低速轴中的力矩正在增大时施加制动器，可能导致增大扭转振荡的后果。因此，也优选考虑在电网缺失的瞬时与施加制动力矩的瞬时之间发生的延迟来确定制动时段。因此根据这种优选方法，将本发明投入实施的途径是：确定传动系的谐振频率；确定在电网缺失的瞬时与施加制动力矩的瞬时之间发生的延迟；然后根据这两个参数来确定(计算)所需的制动时段；以及在电网缺失之后，在确定的制动时段期间施加制动器。

优选地，基本上在探测到电网缺失之后立即致动制动器。

任何制动系统都可以用在根据本发明的方法中，并且每个制动系统将具有固有最小反应时间。制动系统对于电网缺失的反应越快，在传动系仍在退绕时制动力矩可施加的时间越长。

优选地，将所述时间段确定成是在最大允许时段的50％到100％之间，所述最大允许时段被确定为传动系的扭转谐振时段的一半减去在电网缺失的瞬时与施加制动力矩的瞬时之间的延迟。

更优选地，将所述时间段确定成是在所述最大允许时段的70％到100％之间，并且最优选地在80％到100％之间。

换句话说，所述时间段理想地选择成刚好小于传动系的扭转谐振时段的一半减去在电网缺失的瞬时与施加制动力矩的瞬时之间发生的延迟，即，最大制动时段根据如下公式确定：

t_{max_brake}＝0.5·t_{resonanc_period_power_train}-t_delay

如以前提到的那样，为了得到减小的扭转振荡的最佳结果，制动器只应该在紧随电网缺失的时段中(在该时段中低速轴的力矩正在减小，即在其中传动系正在“退绕”的时段中)被致动。传动系在第一扭转振荡时段的开始半时段期间正在退绕。理想地，制动器应该在这个全部时间期间被致动。然而，没有制动系统能没有延迟地反应。因此，这种延迟(在电网缺失的瞬时与施加制动力矩的瞬时之间的时间)应该从该半振荡时段扣除，以确定最大制动时段。因而公式给出最大制动时段。理想地，制动器在这个最大制动时段内施加得尽可能长(以具有其最大效果)。

优选地，制动时段是近似0.4秒。已经发现，近似0.4秒的制动时段对于显著地减小扭转振荡是足够长的，而同时是如此之短，以致低速轴的力矩仍在减小。

优选地，制动力矩在单个短时间段期间施加。在已经停止制动器之后，不必为了进一步减小扭转振荡而重新致动制动器。

优选地，考虑在电网缺失的瞬时的风速来确定由制动器施加的制动力矩。更优选地，考虑作用在转子上的空气动力学力矩来确定制动力矩。可选择地，考虑在电网缺失的瞬时由发电机产生的电功率来确定制动力矩。最有利的结果不一定通过施加最大可得的制动力矩而实现。而是存在在方法中要使用的最佳制动力矩。

在风力涡轮机的操作期间，通常测量盛行风的速度。因此，确定最佳制动力矩的途径是考虑在电网缺失的瞬时的风速。

确定最佳制动力矩的更准确的途径会考虑在电网缺失的瞬时的空气动力学力矩。在该瞬时的空气动力学力矩不仅取决于风速，而且也例如取决于叶片的桨距角。更优选地，考虑制动的时段、在电网缺失的瞬时与施加制动力矩的瞬时之间发生的延迟、以及在电网缺失的瞬时的空气动力学力矩来确定最佳制动力矩。这可使用如下公式表达：M_brake.opt＝k·M_aero

在这个公式中，M_brake.opt是最佳制动力矩，而M_aero是在电网缺失的瞬时在转子上的空气动力学力矩。k是对于每种风力涡轮机类型根据制动时段以及在电网缺失的瞬时与施加制动力矩的瞬时之间发生的延迟来确定的系数。因而k对于每种风力涡轮机类型具有唯一值。

复杂的是，风力涡轮机通常不包括用来直接测量空气动力学力矩的系统。为了克服这种复杂性，测量电功率，然后可使用如下公式确定空气动力学力矩：

$M_{\mathrm{aero}\_\mathrm{HSS}}=\frac{P_{\mathrm{electr}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{HSS}}}$

在这个公式中，M_{aero_HSS}是在高速轴中的(空气动力学)力矩，P_electr是在电网缺失的瞬时由发电机产生的电功率，而ω_HSS是高速轴的转速。该公式给出空气动力学力矩的非常好的估计。因此，使用在电网缺失的瞬时由发电机产生的电功率(其无论用何种方式在当前的风力涡轮机中测得)是确定最佳制动力矩的良好途径。

总之，考虑在电网缺失的瞬时作用在转子上的空气动力学力矩，能确定最佳制动力矩。在这种方法中的中间步骤可以是使用以上公式估计空气动力学力矩。可选择地，通过在电网缺失的瞬时由发电机产生的电功率的测量来直接确定最佳制动力矩。

选择性地，仅在电网缺失发生在高风速的瞬时才致动制动器。由此系统的复杂性降低，进一步导致成本降低。如果确定在低风速下扭转振荡的影响不会导致不可接受的损坏，则这个可选方式是特别优选的。

另一个可选方式是不考虑风速而在每当发生电网缺失时应用制动方法。系统将更复杂，因为将需要更复杂的控制算法。然而，扭转振荡在电网缺失的任何情形下都可有利地减小。

优选地，桨距系统被设置在风力涡轮机中，并且桨距系统也基本上紧随电网缺失而致动，从而在已经释放制动器之后，转子叶片的桨距控制用来进一步使风力涡轮机减速。机械制动器比桨距系统更直接地作用在传动系上。因而机械制动器更适于立即减小扭转振荡。在释放制动器之后，只需要桨距系统来进一步使风力涡轮机减速。在电网缺失的情况下，两种系统都被致动。机械制动器和叶片俯仰的组合显著地减小扭转振荡，并且可保证风力涡轮机的适当停机。制动器同样仅用来达到风力涡轮机的最终完全停止，或者将涡轮机保持在其停置-位置中。

原则上，任何种类的制动器都可用在该方法中。有利地，为将风力涡轮机带到完全停机设置的制动器也用在根据本发明的在电网缺失情况下的制动方法中。不必提供单独的制动器。

原则上，任何形式的制动机构(液压的、电气的等等)都可用于制动系统。然而，系统需要在电网缺失的情况下是可操作的。这意味着，系统应该在没有来自电网的电力供给的情况下能够工作。可预见在电气制动系统情况下具有电池。可预见对于包括液压制动器的风力涡轮机而言具有液压流体的蓄能器。

附图说明

本发明的另外可能实施例和它们的优点将参照附图进行解释。在附图中：

图1示出了具有制动系统的风力涡轮机，根据本发明的方法可应用于该风力涡轮机。

图2示出了在7m/s风速下在电网缺失之后转子轴中的扭转振荡的模拟。

图3示出了图2的在电网缺失之后两秒的更详细的视图。

图4示出了在12m/s风速下在电网缺失之后在转子轴中的扭转振荡的模拟。

图5示出了图4的在电网缺失之后两秒的更详细的视图。

图6示出了在25m/s风速下在电网缺失之后在转子轴中的扭转振荡的模拟。

图7示出了对于不同的制动力矩在7m/s风速下在电网缺失之后的转子轴中的扭转振荡的模拟，两者都应用根据本发明的方法。

图8示出了对于不同的制动力矩在12m/s风速下在电网缺失之后的转子轴中的扭转振荡的模拟，两者都应用根据本发明的方法。

具体实施方式

参照图1，示出了风力涡轮机的示意图。转子10包括多个叶片。叶片安装在转子轴(也称：低速轴)12上。齿轮箱11将转子轴的旋转运动变换成高速轴13的旋转运动。制动盘14安装在高速轴上。液压制动器用附图标记15表示。在这个图中，示出了在根据本发明的方法中可使用的制动系统的可能实施例。然而原则上，任何形式的制动器可应用在根据本发明的方法中。

高速轴13使发电机16的转子运动。由发电机产生的电力通过总体上用附图标记17表示的适当的电气元件而供给到电网18中。附图标记19表示叶片的桨距系统，该桨距系统可使叶片沿它们的纵轴线转动。在根据本发明的方法中，桨距系统不是必需的。然而优选的是具有一个桨距系统。

图2示出了在风力涡轮机的传动系中的扭转振荡的模拟的结果。电网缺失发生在t＝5处。在发生电网缺失的瞬时的盛行风的速度是7m/s。示出了对于两种不同情况在传动系中的扭转振荡。在第一种情况中(图2中的虚线)，没有施加制动力矩，即不致动制动器。可看到，扭转振荡具有高的幅度，并且振荡仅非常缓慢地衰减。在第二种情况中(图2中的连续线)，制动力矩在电网缺失后0.05秒延迟的情况下施加0.4秒的时段。优选地在电网缺失之后尽可能快地施加制动器。在该模拟中使用0.05秒的延迟，因为它估计是制动系统的最小的反应时间。

对于根据本发明的方法，制动的时段不必是0.4秒。借助于不同的制动时段也可实现有益的结果(落在权利要求书的范围内)。

在图2中可看到，施加制动力矩持续单一短时间段显著地减小扭转振荡的幅度。另外并且由于上述原因，扭转振荡较快地衰减。

图3示出了如图2中的相同模拟的结果，但示出了在发生电网缺失之后最初两秒的更详细的视图。

图4和5示出了类似的模拟，但在12m/s的风速下。而且这里，电网缺失发生在t＝5处，在0.05秒的延迟后施加0.4秒的制动时段。得到了类似结果。应用根据本发明的方法，扭转振荡得到减小。将图4和5的结果与图2和3的那些结果相比较，清楚看出，扭转振荡的幅度在12m/s的风速下比在7m/s的风速下高。

图6示出了在25m/s的风速下当电网缺失发生时的扭转振荡。再一次示出了使用根据本发明方法的扭转振荡的可实现的减小(图6中的连续线)。

在不同的风速下生成的扭转振荡的幅度发生变化。在较高风速下，扭转振荡较大，并因而对于传动系元件的潜在损坏也较大。如果成本降低是最重要目的，则因此可选择成仅在电网缺失在高的盛行风的速度瞬时发生的情况下才实施该制动方法。如果电网缺失发生在较低风速下，则不致动制动器，并且扭转振荡会继续较长时间。这在一定情形下可能认为是可接受的。

然而，如果这不认为是可接受的，则在任何电网缺失发生时，在高和低风速下，都可实施制动方法。

图7示出了对于不同的制动力矩在7m/s风速下在电网缺失之后在传动系中的扭转振荡的模拟结果，两者都应用根据本发明的方法。从该图可以看到，最有利的结果不一定通过施加最大制动力矩而实现。与当施加4000Nm的制动力矩时相比，如果施加3000Nm的制动力矩，则减小扭转振荡。

图8示出了对于不同的制动力矩在12m/s风速下在电网缺失之后的传动系中的扭转振荡的模拟结果，两者都应用根据本发明的方法。

图7和8示出了在应用根据本发明的方法时，存在一定最佳制动力矩。增大制动力矩超越这个最佳值会相对于最佳情形增大扭转振荡。在根据本发明的方法中优选的是，考虑风速来确定制动力矩。更优选的是，考虑电网缺失的瞬时作用在转子上的空气动力学力矩来确定最佳制动力矩。

Claims (15)

1.一种在电网缺失的情况下减小风力涡轮机的传动系中的扭转振荡的方法，其特征在于，在电网缺失之后，在一个时间段期间将制动力矩施加到传动系上，所述时间段根据传动系的扭转谐振频率而确定。

2.根据权利要求1所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，所述时间段也根据在电网缺失的瞬时与施加制动力矩的瞬时之间发生的延迟而确定。

3.根据任一前述权利要求所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，在电网缺失发生之后基本上立即施加制动力矩。

4.根据权利要求2或3所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，将所述时间段确定成是在最大允许时段的50％到100％之间，所述最大允许时段被确定为传动系的扭转谐振时段的一半减去在电网缺失的瞬时与施加制动力矩的瞬时之间发生的延迟。

5.根据权利要求4所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，将所述时间段确定成是在所述最大允许时段的70％到100％之间，优选在80％到100％之间。

6.根据任一前述权利要求所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，所述时间段是近似0.4秒。

7.根据任一前述权利要求所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，在单个时间段期间施加制动力矩。

8.根据任一前述权利要求所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，考虑在电网缺失的瞬时的风速来确定施加到传动系上的制动力矩。

9.根据权利要求8所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，考虑在电网缺失的瞬时作用在转子上的空气动力学力矩来确定施加到传动系上的制动力矩。

10.根据任一前述权利要求所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，考虑在电网缺失的瞬时由发电机产生的电功率来确定施加到传动系上的制动力矩。

11.根据权利要求8、9或10所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，也考虑在电网缺失的瞬时与施加制动力矩的瞬时之间发生的延迟以及制动的时段来确定施加到传动系上的制动力矩。

12.根据任一前述权利要求所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，仅在电网缺失发生在预定最小风速以上的风速下才施加制动力矩。

13.根据任一前述权利要求所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，在不考虑在电网缺失时的盛行风的速度的情况下施加制动力矩。

14.根据任一前述权利要求所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，风力涡轮机叶片的桨距控制系统也基本上紧随电网缺失而致动，从而在已经释放制动器之后，转子叶片的桨距控制用来进一步使风力涡轮机减速。

15.根据任一前述权利要求所述的减小扭转振荡的方法，其特征在于，制动力矩作用在传动系的高速轴上。

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