CN102459887B - 用于运行风轮叶片调节驱动装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行风力发电设备的风轮叶片调节驱动装置的方法，其中通过主供电装置(26)为电工作负载(23)供电并且在主供电装置失效时通过电能存储装置(20)供电。电能存储装置(20)借助充电器(22)充电。此外，电能存储装置(20)以连续的时间间隔暂时与充电器(22)分离并且由电试验负载(30)加载，其中，监测由此引起的电能存储装置(20)的放电。

Description

用于运行风轮叶片调节驱动装置的方法
本发明涉及一种用于运行风力发电设备的风轮叶片调节驱动装置的方法，其中通过主供电装置为电工作负载供电并且在主供电装置失效时通过电能存储装置供电。此外，本发明涉及一种用于风力发电设备的风轮叶片调节驱动装置。
在现代的风力发电设备中通过风轮叶片角度的改变实现功率和转速的调节，为了调节风轮叶片角度使用变桨系统。在此通常是指液压的或电气的系统。一般来讲叶片角度的调节也被用于停机和故障停机，因此变桨系统是风力发电设备的主要制动系统。为了确保变桨系统的可用性使用电能存储装置，该电能存储装置在主要能量供应装置失效的情况下为变桨系统的驱动器提供能量。在电变桨系统中通常将蓄电池(电池)作为电能存储装置使用，其中使用监测装置以确保蓄电池的安全性和可用性。通常这将通过电压监测继电器实现，其在低电压的情况下向上级控制装置发出通知。同样可行的是，连续测量电压并根据电压值对蓄电池的状态作出描述。此外常见的是，通过使风力发电设备停止并且通过蓄电池运行风轮叶片来以周期性的间隔测试电池的功能。
以上所述方法都不允许在设备工作运行中对蓄电池的健康状态和/或充电状态作出准确描述。以上所述方法的缺点特别在于，在使用电压监测继电器时只注意到了蓄电池的电平。这只允许了对蓄电池健康状态和充电状态进行有限的描述。在蓄电池被加载叶片调节驱动装置的电动机负荷的情况中电平也只有有限的描述表现力，因为负荷率通常不是恒定的。此外在连续监测蓄电池电压时存在像电压监测继电器同样的问题。虽然上述方法在停止设备时可获得有说服力的健康状态，但其可用性会因装备的停止被影响。
由DE 102 01 136 C1可知一种用于评估带有至少两组平行的电池组的电池支持的供电设备中的电池状态的方法，电池组根据充电状态交替地为负载提供能量或者由发电机再次充电。对第一次在供电设备中使用的已充电的电池，在供电设备断开后借助控制单元自动地在逐步的放电循环中在放电电阻上记录稳定电压的放电特征曲线。为了记录当前的稳定电压放电特征曲线，这种逐步的放电循环在所确定的时间点上被重复。此外由之前确定的保留时间和在第一次测量中由稳定电压当前的放电特征曲线获得的放电终端电压得出警戒稳定电压，该警戒稳定电压是一个关于电池中当时还残存的剩余电能的量度，当其在负荷运行时达到时就向供电设备的工作人员报警。
这种供电设备建立了不间断的供电，因此电池不用于应急供电，而是实现设备的基础功能。这就导致，必须设置多个电池，其中总有至少一个与负载耦连。
这种已知的供电设备相对较贵。此外每个电池的状态必须分别获取，因此检测完所有电池的状态会持续相对长的时间。
由此出发，本发明所要解决的技术问题在于，能够以尽可能成本低廉的方式扩展开头所述的方法从而进行有说服力的电能存储装置检测。此外此方法应当能够相对快地执行。
按照本发明这项技术问题通过按照权利要求1所述的方法和通过按照权利要求13所述的风轮叶片调节驱动装置来解决。本发明优选的扩展设计在从属权利要求中给出。
按照本发明的用于运行风力发电设备的风轮叶片调节驱动装置的方法包括这个方法步骤，即通过主供电装置为电工作负载供电并且在主供电装置失效时通过电能存储装置供电。此方法的扩展设计特别在于，电能存储装置借助充电器充电，并且电能存储装置以连续的时间间隔暂时与充电器分离并且由电试验负载加载，其中，监测由此引起的即通过用试验负载对与充电器分离的电能存储装置的加载引起的电能存储装置的放电。
按照本发明的方法可仅仅通过唯一的电能存储装置施行，因此附加的电能存储装置的成本可被节省。尽管附加地需要充电器，但是其成本明显低于适合用于运行风力发电设备的叶片角调节驱动装置的至少一个电动机的附加电能存储装置。因为尤其是只检测一个电能存储装置，所以按照本发明的方法还相对较快。
通过对电能存储装置放电的监测能够确定电能存储装置的状态。因此优选在所监测的电能存储装置放电的基础上测定电能存储装置的充电状态(SOC：state of charge的英文缩写)和/或健康状态(SOH：state of health的英文缩写)。
电能存储装置与充电器暂时的分离优选周期性地实现。尤其是当工作负载由主供电装置供应电能时，工作负载与电能存储装置电脱耦。
主供电装置优选指的是电网，尤其是交流电网。但是备选地，该主供电装置也可以通过直流电电网构成。例如此电网可以是风力发电设备的内部网络或外部网络，例如风场电网或公共的供电网络。
尤其附加于主供电装置设置充电器。但是此充电器优选由主供电装置供电。
在充电过程中，此充电器向电能存储装置输入充电电流和/或在电能存储装置上施加充电电压。优选地，此充电器尤其根据电能存储装置的充电状态来控制和调节向电能存储装置输入的充电电流和/或施加在电能存储装置上的充电电压。
按照本发明的一种设计方案，对电能存储装置放电的监测包括在试验负载上下降的电压的测量和/或输入或流过试验负载的电流的测量。优选由测量的电压和/或电流确定和/或描绘一个或至少一个放电特征曲线。放电特征曲线尤其包含多个与时间有关的电压测量值和/或电流测量值。尤其将放电特征曲线保存在存储器中。电能存储装置的健康状况优选基于放电特征曲线确定。
因为这种放电在连续的时间间隔内被重复地执行和监测，所以优选确定多个健康状态，从中尤其确定健康状态随时间的变化。优选基于健康状态随时间的变化执行或计划电能存储装置与状态有关的更换。
试验负载优选是功率电阻，其特别是欧姆电阻。试验负载优选是恒定的。
电能存储装置优选具有一个或多个蓄电池或由这个或这些蓄电池构成。
工作负载尤其包含至少一个与至少一个风轮叶片耦连的电动机或通过其构成，风轮叶片借助该电动机围绕叶片轴线旋转。电动机和风轮叶片之间的耦连优选是机械式的。电动机尤其设计成直流电动机或例如形式为多相电机的交流电动机。
作为按照本发明的方法的备选方案，使用在循环的间隔内给电池加载电阻负荷的充电器应该是可行的。在加载的过程中测量负载电阻上的电压降并且由此获得对电池状态的描述。通过充电器对蓄电池的加载按照现在的知识水平只允许非常短且能量强度较小的放电，这使其说服力非常有限。因此按照本发明用试验负载对电能存储装置的加载优选在充电器之外进行。试验负载尤其设计在充电器外部。
此外本发明涉及一种用于风力发电设备的风轮叶片调节驱动装置，其具有电工作负载，其由或者能够由主供电装置供电，风轮叶片调节驱动装置还具有能够与工作负载电耦连的电能存储装置，在主供电装置失效时借助或者能够借助电能存储装置为工作负载供电，风轮叶片调节驱动装置还具有电开关装置，在主供电装置失效时借助或者能够借助开关装置使电能存储装置与工作负载耦连。风轮叶片调节驱动装置的扩展设计尤其在于电能存储装置借助或者能够借助充电器充电，并且电能存储装置能够借助开关装置以连续的时间间隔暂时的与充电器分离并由电试验负载加载，其中，借助评估装置监测或者能够监测由此引起的电能存储装置的放电。
按照本发明的方法尤其通过按照本发明的风轮叶片调节驱动装置执行。该风轮叶片调节驱动装置和/或其特征因此可以根据所有与按照本发明的方法相关联地描述过的设计方案进行扩展设计。相应的设计方案反过来同样适用于按本发明所述的方法。
电能存储装置能够借助开关装置优选周期性地与充电器分离并且由电试验负载加载，因此连续的时间间隔尤其是恒定的或基本上恒定。因此可以施行和监测电能存储装置周期性的放电。在工作负载由或者能够由主供电装置供电时，此工作负载优选与电能存储装置电脱耦或可与其电脱耦。充电器尤其由或者能够由主供电装置供电。为此，充电器优选与或者能够与主供电装置电耦连。
充电器优选的可向电能存储装置输入充电电流和/或在电能存储装置上施加充电电压。向电能存储装置输入的充电电流和/或在电能存储装置上施加的充电电压优选可借助充电器尤其根据电能存储装置的充电状态进行控制或调节。
电能存储装置优选具有一个或多个蓄电池或由这个或这些蓄电池构成。
工作负载尤其包含至少一个与至少一个风轮叶片耦连的电动机或通过其构成，风轮叶片借助电动机围绕叶片轴线旋转或者可以旋转。电动机和风轮叶片之间的耦连优选是机械式的。
按照本发明的一种设计方案，工作负载通过变流器的中间连接与主供电装置电耦连。此变流器优选包括整流器、输出级以及连接在整流器和输出级之间的中间电路，该中间电路尤其包含电容器。输出级例如是逆变器、直流调节器或用以为电动机提供可控的直流电流或交流电流的其它设备。
通过本发明可以实现对电能存储装置的状态，特别是充电状态和/或健康状态的确定，而在此不用降低风力发电设备的可用性。为此，电能存储装置优选以周期性的间隔与充电器分离并且由功率电阻加载。在加载过程中测量电压和电流并以放电特征曲线的形式描绘出来。根据此放电特征曲线可以确定电能存储装置的充电状态和/或健康状态。因为放电每一次都在相同的条件下进行，可以通过该随时间变化的放电特征曲线跟踪健康状态的发展并且计划蓄电池与状态有关的更换。对电能存储装置的检查能够在风力发电设备的连续运行中进行，由此避免了风力发电设备可用性的损失。电能存储装置优选是蓄电池或电池。
以下参照附图借助优选实施形式阐述本发明。在附图中：
图1是风力发电设备的示意图；
图2是按照本发明一种实施形式的叶片角调节驱动装置的示意方框图和
图3是风能设备的风轮的示意平面图。
图1中显示了风力发电设备1的示意图，其包括竖立在基座2上的塔筒3，在塔筒3远离基座2的一端安装有机舱4。机舱4包含有支架(机架)5，风轮6可旋转地支承在支架上，风轮具有风轮轮毂7和多个与其相连的风轮叶片8、9和10(在图3中也可见)。风轮6与发电机11机械地耦连，发电机11安装在机舱4内并且固定在机架5上。
在风轮轮毂7中安装有变桨系统12，其包括带有应急供电装置13的叶片角调节驱动装置14，其中风轮叶片8、9和10能够借助叶片角调节驱动装置14围绕它们各自的纵轴线15、16或17相对风轮轮毂7旋转(在图3中也可见)。风轮6通过风力18围绕风轮轴线19旋转。
图3示出风轮6的示意平面图，因此可以看到三个风轮叶片8、9和10。
在图2中可见的是叶片角调节驱动装置14及其附属的应急供电装置13的示意图，该应急供电装置包括通过电气开关21与充电器22导电连接或可连接的蓄电池20。叶片角调节驱动装置14包括与风轮叶片8机械式耦连的电动机23，因此风轮叶片8可借助电动机23围绕叶片轴线15旋转。电动机23通过电开关24的中间连接与变流器25电耦连或可电耦连，变流器25与主供电装置26导电连接并且由其供电。变流器25包含整流器35、输出级36和连接在整流器35与输出级36之间的带有电容器的直流电压中间电路37。输出级36例如是逆变器或直流调节器。因为电动机23按照这种实施形式设计成直流电动机，所以附图标记36表示直流调节器或用以为电动机提供可控的直流电流的其它设备。变流器25与控制器27耦连，借助控制器27控制变流器25以使风轮叶片8围绕叶片轴线15旋转。
电动机23通过电开关28与蓄电池20电耦连或可电耦连。此外充电器22与主供电装置26导电地相连并且由其供电。
蓄电池20可以通过电开关29由与测量单元31耦连的功率电阻30加载，借助测量单元31可以测量施加在功率电阻30上的电压U和流过功率电阻30的电流I。测量单元31与评估装置32耦连，借助评估装置32可由所测量的电压和/或所测量的电流随时间的变化确定放电特征曲线33，该放电特征曲线33仅仅示意性地示出。评估装置32可以在放电特征曲线33的基础上确定蓄电池20的健康状态(SOH)。
开关21、24、28和29是电气开关装置34的一部分，借助电开关装置34可以电操控这些开关。开关21、24、28和29在此可分别设计成继电器或晶体管。开关装置34借助控制器27或借助独立的控制器被控制。
在正常工作中，也就是说在主供电装置26可用时，开关24闭合，而开关28打开。因此电动机23通过变流器25的中间连接只由主供电装置26供电。此外为了给蓄电池20充电，开关21闭合，因此蓄电池20通过充电器22充电或能被其充电，并且开关29优选是打开的。充电器22在此优选根据蓄电池20的充电状态控制施加在蓄电池20上的充电电压UL和/或输入蓄电池20的充电电流IL。为了检查蓄电池20的健康状态，在开关28开启时打开开关21，而闭合开关29。蓄电池20现在通过功率电阻30放电，这由通过测量单元31中间连接的评估装置32监测。若检测到健康状态，则再打开开关29，而闭合开关21。
附图标记清单
1.风力发电设备
2.基座
3.塔筒
4.机舱
5.机架/支架
6.风轮
7.风轮轮毂
8.风轮叶片
9.风轮叶片
10.风轮叶片
11.发电机
12.变桨系统
13.应急供电装置
14.叶片角调节驱动装置
15.叶片轴线
16.叶片轴线
17.叶片轴线
18.风
19.风轮轴线
20.蓄电池
21.开关
22.充电器
23.电动机
24.开关
25.变流器
26.主供电装置
27.控制器
28.开关
29.开关
30.功率电阻
31.测量单元
32.评估装置
33.放电特征曲线
34.开关装置
35.整流器
36.输出级
37.中间电路
I流过功率电阻的电流
U在功率电阻上的电压
IL充电电流
UL充电电压

Claims (8)

1.一种用于风力发电设备的风轮叶片调节驱动装置，具有
-电工作负载(23)，其通过变频器的中间连接与主供电装置电耦连并且由主供电装置(26)供电，其中，变频器(25)与控制器(27)耦连，借助控制器(27)变频器(25)被控制用于使风轮叶片(8)围绕叶片轴线(15)旋转，
-能够与所述工作负载(23)电耦连的电能存储装置(20)，在所述主供电装置(26)失效时能够借助所述电能存储装置(20)为所述工作负载(23)供电，
-电开关装置(34)，在所述主供电装置(26)失效时能够借助所述开关装置(34)使所述电能存储装置(20)与所述工作负载(23)耦连，
-充电器(22)，所述电能存储装置(20)能够借助该充电器(22)充电，所述电能存储装置(20)借助所述开关装置(34)以连续的时间间隔暂时的与所述充电器(22)分离并由电试验负载(30)加载，其中，借助评估装置(32)监测由此引起的所述电能存储装置(20)的放电，
其特征在于，开关装置(34)借助控制器(27)被控制并且电能存储装置(20)在主供电装置(26)失效时能够借助开关装置(34)与所述工作负载(23)直接耦连。
2.按照权利要求1所述的风轮叶片调节驱动装置，其特征在于，所述连续的时间间隔是恒定的或基本恒定的。
3.按照权利要求1或2所述的风轮叶片调节驱动装置，其特征在于，当所述工作负载(23)由所述主供电装置(26)供电时，所述工作负载(23)与所述电能存储装置(20)电脱耦。
4.按照权利要求1所述的风轮叶片调节驱动装置，其特征在于，所述充电器(22)能够由所述主供电装置(26)供电。
5.按照权利要求1所述的风轮叶片调节驱动装置，其特征在于，借助所述充电器(22)根据所述电能存储装置(20)的充电状态能够控制或调节输入所述电能存储装置(20)的充电电流(IL)和/或施加在所述电能存储装置(20)上的充电电压(UL)。
6.按照权利要求1所述的风轮叶片调节驱动装置，其特征在于，所述电能存储装置包含一个或多个蓄电池(20)。
7.按照权利要求1所述的风轮叶片调节驱动装置，其特征在于，所述工作负载包含至少一个与所述风轮叶片(8)耦连的电动机(23)，风轮叶片(8)能够借助所述电动机(23)围绕叶片轴线(15)旋转。
8.按照权利要求1所述的风轮叶片调节驱动装置，其特征在于，所述试验负载是功率电阻(30)。
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