CN102032106A - 混合制动系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混合制动系统和方法。具体而言，提供了一种风力涡轮机的混合制动系统。该系统包括联接到风力涡轮机的主轴上用于产生和传送功率的发电机。机械制动器联接到主轴上，用于在风力涡轮机制动时施加反转矩。该系统还包括电制动电路，其联接到发电机上用于结合机械制动器起作用且通过受控的切换而耗散有功功率。

Description

混合制动系统和方法
技术领域
本发明主要涉及涡轮机中的制动，并且更具体地涉及风力涡轮机中的混合制动。
背景技术
风力涡轮机作为能量源已经使用多年。在各种操作参数中，速度控制和紧急制动能力对风力涡轮机内的构件的结构稳定性和寿命有很强的影响。将风力涡轮机转子的速度控制在其最大极限以下是必需的，以避免高速风对风力涡轮机及其支承结构产生破坏作用。如果容许风力涡轮机的旋转速度毫无限制地增大，则会出现因涡轮机叶片和转子的应力过大而造成的结构性破坏。
通常，风力涡轮机中的机械制动系统构造成用以在紧急状况或需要使涡轮机停止的任何其它事件期间使涡轮机停机。然而，在涡轮机操作期间，很难在机械制动中实现动态控制和快速响应。另一方式包括将液压技术配置到空气制动装置中，其中，在制动期间，叶片末梢运动以对抗风力。在又一方式中，实行的是机械制动方案，其容许转子叶片在阵风风况下向后并沿风流方向偏转。这继而响应于风况而改变转子叶片桨距或迎角。为了防止对风力涡轮机和处于风场内时的其它风力涡轮机的破坏或损坏，制动系统必须提供可靠的制动和备用制动系统。
然而，如上文所述的此类机械制动方式存在一些缺点。所有这些装置显著增加了转子叶片和整个传动系的成本和重量。实现动态翼片末梢制动器的空气制动器和相关硬件具有低的公差极限，并且增加了设计、制造和维护的成本。此外，增加重量会增大制动系统上的应变。在紧急停止期间仅通过执行机械制动，不可能避免动态转矩分量。为了处理这些动态转矩，机械传动系必须设计有足够的安全裕度，这又增加了风力涡轮机结构的重量。此外，在紧急停止期间，此类机械制动器由于瞬时过载和动态转矩分量而引起在齿轮箱上的疲劳。
因此，需要一种改进的制动系统。
发明内容
简言之，在一个实施例中，提供了一种风力涡轮机混合制动系统。该系统包括联接到风力涡轮机的主轴上用于产生和传送功率(或电力)的发电机。机械制动器联接到主轴上用于在对风力涡轮机制动时施加反转矩(或反作用转矩)。该系统还包括电制动电路，其联接到发电机上用于结合机械制动器起作用和通过受控的切换而耗散有功(或有效)功率。
在另一实施例中，提供了一种用以抑制风力涡轮机轴上的动态转矩的方法。该方法包括在接收到紧急停止信号时，同时对轴进行机械地制动和激活电制动电路的可控开关以在电制动电路的功率电阻器中耗散来自风力涡轮机的有功功率。
在又一实施例中，提供了一种混合制动系统。该系统包括联接到涡轮机的主轴上的机械制动器，以及电制动电路，该电路具有至少一个半导体开关、切换控制电路以及用于耗散有功功率的至少一个功率电阻器。该混合制动系统还包括用于响应紧急停止信号而激活机械制动器和电制动电路两者的控制器。
附图说明
当参照附图研读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，全部附图中相似的标号表示相似的零件，其中：
图1为实现根据本发明实施例的混合制动系统的示例性风力涡轮机系统的框图；
图2为在图1的实施例中使用的电制动电路的实施例；
图3为仅执行机械制动的风力涡轮机的主轴的转矩对时间的模拟图表；
图4为执行根据本发明实施例的混合制动的风力涡轮机的主轴的转矩对时间的模拟图表；
图5为执行根据本发明实施例的混合制动的风力涡轮机的主轴的转矩对时间的另一图表；以及
图6示出了应用混合制动的示例性方法。
零件清单
10风力涡轮机系统
12叶片
14叶片
16主轴
17高速轴
18齿轮箱
20机械制动器
22发电机
24整流器
26变换器
28变压器
30电网
32电制动电路
34传感器
35传感器
36控制器
38
40半导体开关
42功率电阻器
44切换控制电路
46端子
48二极管电桥
50图表
52转矩和速度
54时间
56电功率输出
58制动转矩
60旋转速度
62扭转转矩
64时刻
66瞬时峰值
68时刻
70振荡
72时刻
74扭转转矩和制动转矩振荡
76
78
80图表
82有功功率分布曲线(profile)
84瞬时峰值
85-88持续抑制
90图表
92转矩
94制动转矩
96过渡
98
100示例性混合制动方法
102监测有功功率
104紧急停止
106无紧急停止事件
108发生紧急停止事件
110激活电制动电路
112计算有功功率
114应用机械制动器
116混合制动
具体实施方式
在风力涡轮机操作期间，由风引起的各种力和力矩作用在涡轮机的转子轴上。例如，峰值负载、突然加载反向、紧急停止、变化的风向以及振动都有助于动态效应。风力涡轮机设计中的难题之一包括涡轮机的总体动态稳定性。由于在设计期间仅考虑静态状况，风力涡轮机中传动系、齿轮箱和轴承的寿命可能低于估值。许多技术故障或电网事件趋于触发紧急停止，而紧急停止导致转子的突然减速，这就在风力涡轮机上引起重负载。通常，响应于紧急停止而应用机械制动器。这些制动器以有限的可控性和时间延迟对系统产生制动转矩，因此在紧急停止事件期间引起大的动态转矩分量和过载。此外，在转子轴上引起转矩振幅很高的扭转振荡。本发明的一些实施例提出了一种混合制动系统，用以抑制动态转矩分量和改善整个制动系统的动态响应。
图1为实现根据本发明实施例的混合制动系统的示例性风力涡轮机系统的框图。风力涡轮机10包括联接到主轴16上的叶片12，14。齿轮箱18、机械制动器20和发电机22也联接到主轴上。整流器24、变换器26和变压器28电性(或电)联接到发电机22上。变压器28构造成用以将功率(或电力)从发电机22传送至电网30。可选的是，一个或多个传感器34，35联接到主轴16上。电制动电路32联接到发电机22的输出侧上。控制器(或控制系统)36联接到机械制动器20和电制动电路32上。
在风力涡轮机系统10的示例性操作中，风将力施加到叶片12，14上，而叶片12，14又使主轴16旋转。齿轮箱18构造成用以调整主轴的速度，以便与发电机22的操作速度匹配。机械制动器20联接到转子轴上，且构造成用以在制动期间施加反转矩。如本文所用，用语″转子轴″和″主轴″是可互换的。发电机22构造成用以产生AC功率，该AC功率通过整流器24转换成DC功率。变换器26构造成用以将DC功率转换回与电网兼容的AC功率。变压器28构造成以适当的电压水平将功率馈送到电网30。传感器34，35构造成用以测量轴的一个或多个机械参数，如旋转速度和/或转矩。在示例性实施例中，控制器36构造成用以在接收到紧急停止信号时同时激活机械制动器和电制动电路。
图2为用于图1中的实施例的电制动电路的一个实施例。电制动电路32(或动态制动电路)包括联接到至少一个功率电阻器42上的至少一个半导体开关40。半导体开关的非限制性实例包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成门极换向晶闸管、晶闸管，或它们的组合。功率电阻器构造可包括但不限于钢丝绕组或金属合金带。这些电阻器的电流处理能力和电阻值(ohm)可按系统要求设计。电阻器的热存储容量通常低于存储在转子中的旋转能的值。在一个实施例中，功率电阻器构造成热容量大约小于在机械制动器中待耗散的能量的设计值的5％。切换控制电路44联接到半导体开关40上，且构造成用以开启或关闭该开关40。如图1中所示的控制器36联接到切换控制电路44上，且构造成用以同时激活动态制动和机械制动。
在示例性操作中，响应于紧急停止信号而激活电制动电路32。控制器36(图1)激活切换控制电路44。二极管电桥48可联接在发电机(经由端子46)和半导体开关40之间。响应于控制器信号，来自于发电机的有功功率经由二极管48和开关40传递至电阻器42。开关40的切换控制耗散的功率的大小和持续时间。作为备选，二极管电桥48可替换为晶闸管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFFET)用于受控接通(启动)。
图3为仅执行机械制动的风力涡轮机的主轴的转矩对时间的模拟图表50。纵坐标轴代表转换成每单位标度的转矩和速度52，而横坐标轴代表以秒计的时间54。示出了诸如电功率输出56、制动转矩58、旋转速度60和主轴转矩62的多条分布曲线。电功率输出是在功率转换器的输出端子处进行测量。制动转矩、旋转速度和主轴转矩是在齿轮箱与风力涡轮机之间的低速轴处进行测量。在示例性实施例中，在时刻64触发紧急停止信号。这种紧急停止可由于机械故障或电力故障或电网故障或风力涡轮机系统中的任何其它不能工作的状态而发生。
响应于紧急停止信号，如图1中所示的整流器24断开(例如，通过将门信号变成至零和触发用于转换器保护的DC链路短路器(未示出))。如由主轴转矩分布曲线62中的峰值66所示，发电机上的此种负载损失导致轴转矩变成几乎为零，接着是由于机械制动器作用为机械轴上的阶跃负载而引起的峰值动态转矩。该峰值(66)响应于机械制动器的阶跃负载特征(在较短时间间隔内从零到最大制动转矩)。此外，瞬时峰值66可达到高于2个单位的值，且可显著地影响联接到轴上的机械构件的故障率。旋转速度60在机械制动器完全施加反转矩68之后开始减小。机械制动除将制动转矩加到系统上之外，还导致如参考标号70所示的动态转矩振荡。动态转矩振荡起因于由机械制动器施加的阶跃负载。紧急停止之前由发电机增加的反转矩是可变的(取决于涡轮机的负载水平)，而制动转矩随高速轴17的旋转速度变化。在反转矩与制动转矩之间存在失配，这导致机械系统上的阶跃负载。该阶跃响应激发所有频率且引起共振频率，这导致处于机械传动系的自然频率下的动态转矩振荡。当前构思出的实施例设计成用以减小可破坏联接到轴上的机械构件(如齿轮箱以及发电机和涡轮机上的联接件)的峰值动态转矩和转矩振荡。
图4为执行根据本发明实施例的混合制动的风力涡轮机的主轴的转矩对时间的模拟图表80。如本文所用，″混合制动″是指通过电制动电路来改变总制动中的动态分量。纵坐标轴代表转换成每单位标度的转矩和速度52，而横坐标轴代表以秒计的时间54。图表80中示出了多条分布曲线，如转换器的电功率输出56、旋转速度60、制动转矩58以及低速轴上的机械转矩62。此外，分布曲线82示出了在根据实施例的混合制动期间激活的动态制动分量。在一个实施例中，如分布曲线56所示，功率转换器响应于时刻64处的紧急停止而断开，从而将功率输出降低至零。出于发电机上的负载连续性的考虑，联接到发电机的输出上的电制动电路(如在图2中所示的32)吸收相当于刚好在断开之前供送给转换器的功率的有功功率。分布曲线82示出了发电机上的该种有功功率负载，其响应于因紧急停止所造成的突然负载损失而受到激活。电制动电路具有快速响应，且可比机械制动更快地受到激活。一旦激活来自于机械制动器的制动转矩，则在电制动电路内耗散的有功功率就如分布曲线83所示那样减小。通过在发电机上的负载损失之后立即耗散有功功率，相比于在仅施加机械制动时的高于2个单位，第一瞬时峰值显著减小至大约1.8个单位(如分布曲线84所示)。另外，如参考标号85至88所示，为了改善对扭转振荡的抑制，在机械制动器完全激活之后，继续由电制动电路耗散功率。如由参考标号86所示，这种同时的功率耗散显著减小了扭转转矩中的振荡。
图5为执行根据本发明实施例的混合制动的风力涡轮机的主轴的转矩对时间的另一模拟图表。图表90示出了在发生紧急停止之后即刻的详细分布曲线。纵坐标轴代表转换成每单位标度的转矩和速度52，而横坐标轴代表以秒计的时间54，且分解为每一刻度为大约0.2秒。如分布曲线56所示，转换器的电功率响应于时刻64处的紧急停止而减小至零。主轴转矩由于负载损失(92)而开始减小。动态制动响应于紧急停止而受到激活。待耗散的有功功率大致等于在负载断开之前的发电机的功率输出。分布曲线82示出了在发电机端子处耗散的有功功率。一旦激活机械制动器(94)，则将减小耗散的有功功率。在制动转矩与有功功率之间平稳过渡96得以实现，使得最大转矩限制为大约1.35个单位，围绕1.2个单位的稳态转矩值以大约0.15个单位的最大幅度交替变换。
图6示出了应用混合制动的示例性方法。该方法100包括用于监测联接到风力涡轮机上的发电机的有功功率输出的步骤102。步骤104包括监测是否已发生紧急停止事件。如果没有紧急停止事件(106)，则继续监测有功功率。如果存在紧急停止事件(108)，则在步骤110激活电制动电路。同时，在步骤112计算待耗散的有功功率的大小和持续时间。在步骤114激活机械制动器。尽管它们可同时激活，但机械系统的响应延迟通常将导致机械制动在电制动之后起效。一旦动态制动和机械制动二者同时施加到轴上，则起动了混合制动(步骤116)。如上文所述，这种混合制动减小了峰值瞬时转矩，且减小了扭转振荡。
有利的是，这种混合制动系统不会增加整个系统的重量，且在制动期间提供了对扭转模式转矩的抑制。此外，该混合制动系统包括对现有单元的改装设计。然而，如本发明的一些实施例所提出那样的混合动态制动将以慢的响应时间作用，且通过受控的有功功率耗散而提供对作用在轴上的转矩的更动态的控制。由于抑制了紧急停止期间的动态转矩分量，故实现了齿轮箱的疲劳减轻和寿命延长。
尽管本文仅示出和描述了本发明的一些特征，但本领域的技术人员将想到许多修改和变化。因此，应理解的是所附权利要求意图涵盖落入本发明真正精神内的所有这些修改和变化。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机混合制动系统，包括：
发电机，其联接到所述风力涡轮机的主轴上用于产生和传送功率；
机械制动器，其联接到所述主轴上用于在对所述风力涡轮机制动时施加反转矩；以及
电制动电路，其联接到所述发电机上用于结合所述机械制动器起作用以及通过受控的切换而耗散有功功率。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电制动电路联接到所述发电机的输出侧上。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电制动电路还包括至少一个可控半导体开关和至少一个功率电阻器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于响应紧急停止信号而激活所述机械制动器和所述电制动电路两者的控制器。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成用于响应所述机械制动器的激活而促使所述电制动电路抑制所述主轴上的动态转矩。
6.一种用以抑制风力涡轮机的轴上的动态转矩的方法，所述方法包括在接收到紧急停止信号时，同时对所述轴进行机械制动和激活电制动电路的可控开关以在所述电制动电路的功率电阻器中耗散来自于所述风力涡轮机的有功功率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括计算待耗散的有功功率的量。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过联接到所述电制动电路上的控制器而激活所述可控开关。
9.一种混合制动系统，包括：
联接到涡轮机的主轴上的机械制动器；
电制动电路，其包括：
至少一个半导体开关，
切换控制电路，
用于耗散有功功率的至少一个功率电阻器，
控制器，其用于响应紧急停止信号而激活所述机械制动器和所述电制动电路两者。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述功率电阻器构造为热容量大约小于待在所述机械制动器中耗散的能量的设计值的5％。
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