CN102235306A - 具有状态监控系统的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有状态监控系统（1）的风力涡轮机（24），该风力涡轮机（24）具有配备了发电机线圈（4）的发电机（3）、控制单元（2）和与所述控制单元（2）相连接的传感器（10、11）。能够由所述控制单元（2）根据所述传感器（10、11）控制的切断元件（7）布置在从所述发电机线圈（4）通往电网（6）的高压线（5）中。将所述控制单元（2）与所述发电机线圈（4）连接起来的线路（5、8）具有集成的线路监控装置（9）。

Description

具有状态监控系统的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种具有状态监控系统的风力涡轮机以及一种用于风力涡轮机的状态监控系统。尤其本发明在总体上涉及电气系统以及风力涡轮机的保护。
背景技术
风力涡轮机使用发电机，用于将旋转能转换为电能。电能通常作为三相高压来输出。发电机的线圈或者绕组在转子旋转时提供电能。旋转速度确定所述线圈中的交流电的频率。
对于发电机出现故障或者验收发电机这些情况或者对于风向的改变来说必须使所述三个相的频率稳定。在电压开始下降或者交流节电时，发电机会被磁化，这会导致功率峰值。这种突然的功率峰值则会导致与所述发电机相连接的传动机构的磨损或者损坏。
在此使用稳定器件如晶闸管，用于将所有的相上的这些不稳定的频率的形式的功率峰值平滑滤波为稳定的状态。频率稳定通过晶闸管的接通和断开来进行。所述晶闸管的控制则由比如具有处理器或者微处理器的控制单元来承担。所述晶闸管允许连续地调节电流。
所述控制单元从布置在风力涡轮机的重要组件比如发电机、主轴承、传动机构或者机舱的框架上的传感器处获得数据。所述传感器通常借助于同轴电缆与所述控制单元相连接。所述控制单元、传感器和晶闸管形成一个状态监控系统。该系统的状态可以传输给调度台，在那里对所述数据进行分析。所述数据传输可以通过比如每十秒钟发送的GSM信息来实现。
论文“Protection for High-Voltage Systems”,ATZTechnology 6/2007（2007年12月）第27到28页描述了一种用于混合动力汽车的高压电缆的保护系统。对于具有集成的传感器的高压电缆来说，可以识别出严重的状态如外部的护套的机械损坏、短路和局部的过热。所集成的传感器将该信息传输给识别单元，该识别单元则可以在出现严重的状况之前切断用于该电缆的高压供给。
发明内容
本发明的任务是，进一步改进风力涡轮机尤其电气组件的安全性。
该任务用权利要求1或者说12所述特征得到解决。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中得到定义。
按照本发明的第一方面，具有状态监控系统的风力涡轮机拥有配备了发电机线圈的发电机、控制单元、与所述控制单元相连接的传感器以及能够由所述控制单元根据所述传感器来控制的、设置在从所述发电机线圈通往电网的高压线中的切断元件。将所述控制单元与发电机线圈连接起来的线路拥有集成的线路监控装置。现在用本发明也可以监控和保护所述线路本身。由此达到安全性的新的等级。以往可以对传感器的数据进行处理，现在也可以对与传感器的连接以及其它的线路进行监控。可以对信号线及高压线进行监控。另一个优点是，维修间隔期可以变得更长，因为风力涡轮机可以更好地保持在所定义的状态范围内并且就这样不会出现过度的磨损状况。许多故障可以在其达到严重的程度之前被发现。在此可以立即采取相应的应对措施比如将发电机与电网分开。线路监控的信息流入到状态模型中，因而在一定程度上总体上得到使用而不是仅仅局部地用于有待监控的线路。相应地，对特定的线路进行线路监控的信息可以用于在所述系统的完全不同的范围内采取应对措施。
用于将所述控制单元与所述传感器连接起来的线路可以具有集成的线路监控装置。这能够实现对与所述传感器的线路的监控和保护。由此除了通过传感器进行的监控之外也对与所述传感器的线路进行监控，这提高了系统的安全性。所述线路监控装置可以用于所有的传感器或者用于所选择的重要的部件组。
所述传感器可以具有用于接收关于线路监控的信息的信号输入端。该传感器接收所述信号或者线路监控的信号并且对线路本身进行监控。该传感器作为原来的传感器信号的补充对所述线路监控装置的信号进行处理并且在出现故障的情况下用信号告知所述控制单元。这可以是纯粹的“存在故障”信息或者特殊的故障信息。所述特殊的故障信息比如可以包括精确的故障地点、故障的原因和/或重要性。可以以编码的方式来传输故障信息。
将所述控制单元与断开元件连接起来的线路可以具有集成的线路监控装置。这允许对与所述对安全性来说重要的断开元件的线路进行监控，所述断开元件在紧急情况下应该将发电机与电网分开。在在出现线路故障的情况下，可以采取措施比如限制运行或者立即断开。在出现故障之前就已经可以部分地识别出危害情况。而后可以通过合适的措施比如单个组件的断开或者停止来防止受到危害的组件遭到损坏。
所述风力涡轮机可以具有用于风力涡轮机的制动器，并且将所述控制单元与该制动器连接起来的线路可以具有集成的线路监控装置。如果在发电机的运行过程中与电网的连接比如通过电路中的故障而中断，则风力涡轮机会加速。为避免这种情况，所述控制单元激活空气动力的和/或机械的制动器。这个重要的子系统的安全性通过所述线路监控装置得到提高，因为现在可以识别发给和来自制动器的信号传输中的故障并且采取相应的措施。
所述控制单元可以为具有集成的线路监控装置的线路而具有用于接收关于线路监控方面的信息的信号输入端。由此所述控制单元可以得到所述线路监控装置的信号并且直接对其进行分析。对于所述传感器来说，所述控制单元相应地得到两方面的信号，一方面来自所述传感器，并且另一方面来自所述线路监控装置。也可以为每个传感器或者每个其它与所述控制单元相连接的系统设置多个信号和信号输入端。因此所述用于传感器的电路可以配备集成的线路监控装置。对于与两条分开的线路之间的双向的信号传输来说，所述两条线路可以具有集成的线路监控装置。可以为每个线路监控装置在所述控制单元中分配一个自己的信号输入端，从而在一定程度上通过硬件将故障信息配属于所述线路。通过信号编码，可以将故障配属于相应的线路，如果比如在所述控制单元上仅仅设置了一个或者少数几个信号输入端。通过所述控制单元对信号进行监控和分析，这允许获得灵活的方案并且快速地对故障情况作出反应，因为所述控制单元促成应该采取的措施。
所述线路监控装置可以具有集成的传感器。该传感器包含在所述线路中，在理想情况下包含在所述线路的包覆的内部，并且比如在外皮的损伤、短路和过热方面对所述线路进行监控。也可以为每条线路使用多个例如专为特定的监控作业而设置的传感器。同样可以实现在线端上对连接（比如插头）的监控。所述传感器可以布置在所述线路的外侧面上。因此可以在更加靠里的线路受到损坏之前发现大多数干扰或者故障。总线系统也可以装备着所述集成的线路监控装置。
所述集成的传感器可以具有有传导能力的层，这个层螺旋状地围绕着线芯来卷绕。在所述线芯与所述有传导能力的层之间可以布置绝缘子。这种简单的结构允许以微小的制造成本进行良好的监控。
所述将控制单元与发电机线圈连接起来的线路可以具有高压线的一部分。除了信号线之外，整条高压线或其一部分也可以装备着集成的线路监控装置。因此用来传输由发电机产生的能量的线路区域可以受到监控和保护。
从所述发电机线圈一直通往所述断开元件的高压线可以具有集成的线路监控装置。由此对在一定程度上处于里面的从电网看位于所述断开元件后面的电路进行监控。
所述风力涡轮机可以具有三个发电机线圈和三条各具有一个断开元件的高压线。这允许容易地用在三相交流电系统（也称为交流电）中，所述三相交流电系统在电能供应方面得到了广泛推广。
按照本发明的第二方面，用于如上面所描述一样的风力涡轮机的状态监控系统具有控制单元、与所述控制单元相连接的传感器、能够由所述控制单元根据所述传感器控制的设置在从发电机线圈通往电网的高压线中的断开元件以及将所述控制单元与所述发电机线圈连接起来的设有集成的线路监控装置的线路。这样的状态监控系统可以直接在制造时安装到风力涡轮机中或者后来加装到风力涡轮机中。
附图说明
下面借助于附图对本发明进行详细描述，附图示出如下：
图1是用于风力涡轮机的状态监控系统的方框图，
图2是具有状态监控系统的风力涡轮机。
附图仅仅用于解释本发明并且不限制本发明。附图和各个部件不一定按比例。相同的附图标记表示相同的或者类似的部件。
具体实施方式
图1示出了用于示范性地在图2中示出的风力涡轮机的状态监控系统1。所述状态监控系统1包括具有计算机、微型控制器或者类似的计算单元的控制单元2。所述控制单元2用一定的可以在硬件和/或软件中编程的算法对所接收的数据进行分析。可以使用监控器也就是内部的控制算法对所述计算情况进行监控。在新收到的并且已经在所述控制单元2中存在信息的基础上，所述控制单元2计算风力涡轮机的状态模型。在该状态模型的基础上，所述控制单元2探测到严重的状况或者故障并且采取相应的应对措施。所述控制单元2也可以具有在层级方面下级的控制单元比如发电机控制单元。在这种情况下，所述状态模型至少不是完全在所述发电机控制单元上运行。更确切地说，所述发电机控制单元可以是所述状态模型的组成部分。所述计算过程在布置在风力涡轮机或者调度台中的中央计算机上或者在分布的计算机上进行。
所述控制单元2拥有通信接口，比如GSM调制解调器，用于连续地或者至少在故障情况下将消息发送给调度台或者总机（Zentrale）。所述控制单元同样可以接收消息，从而可以从调度台对所述控制单元2进行控制。可以如此对所述控制单元2进行编程，从而在出现特定的状况或者故障时所述控制单元2不是自动地进行处理，而是将消息发送给总机，从调度台得到指示并且随后执行该指示。
所述风力涡轮机的发电机3拥有三个用于三相交流电系统的类型的能量传输系统的发电机线圈或者发电机绕组4。所述发电机线圈4相应地用高压线5连接到电网6上。在所述高压线5中，在电网之前中间连接了其它元件比如控制电子装置或者变换器。
在每条高压线5中存在着晶闸管的形式的切断元件7。所述晶闸管通过控制线8与所述控制单元2相连接，使得该控制单元2可以控制所述断开元件7。所述断开元件7一方面可以用于使所述三个相的频率稳定并且另一方面用于将所述发电机3与电网6分开。在这两种情况下，所述断开元件7由所述控制单元2来控制。
所述状态监控系统1为所选择的线路或者线路的区段而包括集成的线路监控装置9。所述集成的线路监控装置9尤其对所分配的线路的比如通过酸或者气体造成的机械或者化学损坏、对地短路或者通过比如由于电弧、放电或者火灾引起的过热所造成的损坏情况进行监控。
为此，所述集成的线路监控装置9包括集成到线路中的传感器，该传感器布置在线路的外部的区域上，用于在可能的损坏或者危险到达更靠里面的线路之前对其进行探测。所述集成的传感器对热敏感，用于也可以识别出过热的情况。
所述传感器可以具有有传导能力的层，这个层螺旋状地围绕着线芯来卷绕。在所述线芯与所述有传导能力的层之间可以布置绝缘子。通过对所述有传导能力的层的电气特性的监控，可以推断出相应的状况。
首先在所述也可以双向运行的控制线8的实例上并且在所述高压线5的处于所述断开元件7与发电机线圈4之间的区段上对所述集成的线路监控装置9进行描述。这些区域设有集成的线路监控装置9。这些区段（在所有三个相上）对所述状态监控系统1来说是重要的，因为所述发电机在某种情况上是所述电气系统的核心部分。通过这些线路，所述控制单元2直接与所述发电机线圈4以及所述发电机的未示出的内部的传感器相连接。作为替代方案，所述发电机线圈4和所述发电机3的内部的传感器也可以通过额外的单独的线路（未示出）与所述控制单元2相连接，所述额外的单独的线路而后同样具有集成的线路监控装置。
通过所述发电机线圈4和所述发电机的内部的传感器，所述控制单元2尤其得到关于所述三个相的电压、电流和频率以及所述发电机3的温度的信息。
关于其它的传感器，在示范性地且不局限于此的情况下示出了两个传感器10和11，这些传感器向所述控制单元2提供尤其关于风速、风跟踪系统的方向、快速运转和慢速运转的轴的旋转速度、传动机构油和传动机构轴承的温度的信息。不同的液压回路、液压的压力水平、阀功能、机械的制动器以及紧急制动器的制动钳同样用传感器来监控并且将相应的传感器数据传输给所述控制单元2。
所述传感器10借助于用于传输传感器数据比如测量数据的传感器线路12与所述控制单元2相连接。所述传感器线路12包含集成的线路监控装置9。所述控制单元2拥有用于所述传感器线路12的第一信号输入端13和用于所述线路监控装置9的第二信号输入端14。因此在与所述控制单元2分开的情况下接收所述传感器数据和所述线路监控装置的信息并且而后相应地对其进行处理。
输出线路15将所述控制单元2与所述传感器10连接起来。所述输出线路15用于将数据从控制单元2传输给传感器10。比如可以将配置数据传输给所述传感器10。所述输出线路15同样包含集成的线路监控装置9，用于对所述输出线路15的状态和可能的损坏情况进行监控。
所述传感器11通过中间线路16与所述传感器10相连接，该中间线路16同样配备线路监控装置9。这个传感器11间接地也就是说通过传感器10与所述控制单元2相连接。所述传感器10拥有信号输入端10a，所述中间线路16连接到该信号输入端10a上，用于所述接收线路监控装置的信息。该传感器10承担对所述传感器11和所述中间线路16的线路监控装置9的监控和分析工作，并且将这些数据通过传感器线路12传递给控制单元2以进行分析。所述传感器11在某种程度上是所述传感器10的子传感器。可以对从传感器10传送给控制单元2的数据进行编码，用于减少布线开销。也可以取代单根的传感器线路而使用多条并联的线路或者总线系统，该总线系统而后同样装备着线路监控装置。
用于风力涡轮机的制动器17比如机械的或者空气动力的制动器，拥有一个或者多个内部传感器将关于所述制动器17的状态的数据发送给所述控制单元2。为此，所述制动器17用线路18与所述控制单元2相连接。所述线路18设有线路监控装置9。所述控制单元2拥有用于具有集成的线路监控装置9的线路18的第三信号输入端19。将所述线路监控装置9的信息传送给所述制动器17的信号输入端20，在那里作为传感器信号对其进行处理并且象所述制动器17的传感器数据一样将其传输给所述控制单元2。可以对所述数据进行编码。传感器数据和线路监控装置的信息的共同传输不仅对于执行器而且对传感器来说都是可能的，在此为所述执行器示范性地示出了所述制动器17。
所述制动器17由能源21供应电能并且为此借助于供电线路22与所述能源21相连接。所述供电线路22包含用于进行监控的线路监控装置9。该线路监控装置9用信号线23与所述控制单元2相连接，用于将所述线路监控的信息直接传输给所述控制单元2。因而在这里所述集成的线路监控装置9直接与所述控制单元2相连接，尽管所述具有集成的线路监控装置9的线路22没有直接连接到所述控制单元2上。这条线路22也可以配备集成的线路监控装置。
在此示出了大量的具有不同配置的线路，所述线路全部拥有集成的线路监控装置9。当然未配备线路监控装置的线路也可以连接到所述控制单元2或者所述状态监控系统1的其它元件上。
所述状态监控系统1包括所述控制单元2、传感器10和11、执行器17、断开元件7以及线路监控装置9。所述发电机线圈4以及发电机内部的传感器（未示出）同样可以属于所述状态监控系统1，因为在其上面测量直接的数据比如电流和电压。
所述控制单元2连续地并且/或者在有故障的情况下从传感器和线路监控装置处得到信息，将这些信息导送到所述状态模型中并且在所述状态模型的基础上作出决定。这些决定可以传送给调度台并且/或者直接地比如用执行器如制动器17或者断开元件7得到实施。
图2示出了风力涡轮机24，该风力涡轮机24配备了所述状态监控系统1。该风力涡轮机24具有塔架25，该塔架25固定在地面中并且可以具有超过100米的高度。在塔架25的上面布置了主轴26。在该主轴26的前面的端部上布置了主轴承27，该主轴承27可活动地将所述固定的主轴26与旋转的转子轮毂28连接起来。在所述转子轮毂28上固定了两个或者多个转子叶片29。机舱30将所述塔架25的上端部上的固定的组成部分包围。
所述发电机3拥有固定的设有发电机绕组或线圈4的定子31以及旋转的转子32。所述线圈4也可以布置在所述转子32上。高压线5从所述发电机线圈4通过塔架25伸展到电网6处。
所述状态监控系统1在图2中出于简明原因仅仅用几个组件来示出。所有的以及还有其它的附加的来自图1的详细示意图的组件也可以套用到图2中。相应地，关于图1所作的解释也适用于图2。
所述控制单元2固定在主轴26上并且借助于具有集成的线路监控装置9的传感器线路12与传感器10相连接。这一点示范性地为传感器10而示出，该传感器10布置在转子轮毂28中并且比如对用于调节转子叶片29的液压系统进行监控。所述传感器线路12比如可以包含设置在固定的与旋转的部件之间的过渡带上的集电环。这个集电环以及同样所述线路的插塞连接器或者其它连接器连接到所述集成的线路监控装置上，比如可以通过自己的与所述线路的原来的连接并联布置的插塞连接或者旋转连接。
所述控制单元2对所接收的传感器数据和所述线路监控的信息进行处理并且控制出于简明原因未示出的执行器比如制动器和断开元件。
如果出现故障情况或者先于故障的严重的状态比如高压线5的机械损坏，那么所述控制单元2就直接激活所述相应的高压线5的断开元件7或者所有三个断开元件7，用于避免放电或者短路。将关于故障情况和所采取的措施的信息发送给调度台，以便可以着手进行维修。

Claims (12)

1. 拥有状态监控系统（1）的风力涡轮机，具有配备了发电机线圈（4）的发电机（3）、控制单元（2）和与所述控制单元（2）相连接的传感器（10、11）以及能够由所述控制单元（2）根据所述传感器（10、11）控制的、设置在从所述发电机线圈（4）通往电网（6）的高压线（5）中的断开元件（7），
其特征在于，
将所述控制单元（2）与所述发电机线圈（4）连接起来的线路（5、8）具有集成的线路监控装置（9）。
2. 按权利要求1所述的风力涡轮机，其中将所述控制单元（2）与所述传感器（10、11）连接起来的线路（12、15、16）具有集成的线路监控装置（9）。
3. 按权利要求2所述的风力涡轮机，其中所述传感器（10）具有用于接收关于线路监控的信息的信号输入端（10a）。
4. 按权利要求1到3中任一项所述的风力涡轮机，其中将所述控制单元（2）与所述断开元件（7）连接起来的线路（8）具有集成的线路监控装置（9）。
5. 按权利要求1到4中任一项所述的风力涡轮机，具有用于该风力涡轮机（24）的制动器（17），其中将所述控制单元（2）与所述制动器（17）连接起来的线路（18）具有集成的线路监控装置（9）。
6. 按权利要求1到5中任一项所述的风力涡轮机，其中所述控制单元（2）为具有集成的线路监控装置（9）的线路（12）而具有用于接收关于线路监控的信息的信号输入端（14）。
7. 按权利要求1到6中任一项所述的风力涡轮机，其中所述线路监控装置（9）具有集成的传感器。
8. 按权利要求7所述的风力涡轮机，其中所述集成的传感器具有有传导能力的层，这个层螺旋状地围绕着线芯来卷绕，并且其中在所述线芯与所述有传导能力的层之间布置了绝缘子。
9. 按权利要求1到8中任一项所述的风力涡轮机，其中所述将控制单元（2）与发电机线圈（4）连接起来的线路（5、8）具有所述高压线（5）的一部分。
10. 按权利要求1到9中任一项所述的风力涡轮机，其中所述从发电机线圈（4）一直通往所述断开元件（7）的高压线（5）具有集成的线路监控装置（9）。
11. 按权利要求1到10中任一项所述的风力涡轮机，具有三个发电机线圈（4）以及三条各具有一个断开元件（7）的高压线（5）。
12. 状态监控系统，用于按权利要求1到11中任一项所述的风力涡轮机（24），该状态监控系统具有控制单元（2）、与所述控制单元（2）相连接的传感器（10、11）、能够由所述控制单元（2）根据所述传感器（10、11）控制的、设置在从发电机线圈（4）通往电网（6）的高压线（5）中的断开元件（7）以及将所述控制单元（2）与所述发电机线圈（4）连接起来的设有集成的线路监控装置（9）的线路（5、8）。
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