CN102782513A - 用于扭振减振的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在能量产生设备（100，200）中进行扭振减振的方法，所述能量产生设备具有驱动系（2-5）、安装在驱动系（2-5）的转子侧的端部（1’）上的转子（1）和通过驱动系（2-5）驱动的、安装在驱动系（2-5）的发电机侧的端部（6’）上的发电机（6），其中在使用驱动系（2-5）在其发电机侧的端部（6’）上的至少一个角度位置（fG）的条件下，求得作用于驱动系（2-5）上的扭矩（MT，323）并且用于调节发电机（6）。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过发电机调节尤其在能量产生设备的驱动系中进行扭振减振的方法以及一种用于执行该方法的装置。
背景技术
例如由传动机构、离合器和连接部件(轴)等组件组成的驱动系是不同的电能量产生设备如风能设备、水力设备等的重要组成部分。
该驱动系的任务是，在驱动器（例如风能设备的转子）与从动器（例如相应的发电机）之间建立机械连接，通过这种机械连接通过旋转运动传递能量。驱动系组件如传动机构用于将驱动器上的转速和转矩转换成对应于发电机工作范围的值。离合器用于在需要时分开驱动器与从动器，并且轴建立相关组件之间的机械连接。其它组件如机械制动器或类似部件可以集成到驱动系中。
因为相关的组件不能任意刚性地制成，而是具有有限的刚度，它们可能激励自振。这种激励例如可能由于不恒定的输入功率（在风能设备中例如由于阵风或旋风）、由于外部干扰或由于其它设备组件的固有运动产生。其它来源的振动也可能引起驱动系中的振动，在风能设备中例如塔架振动或者由于传动机构齿轮啮合的振动。
振动对于相关组件、尤其是传动机构的使用寿命产生不利影响。连续的轴负荷增加相关部件的磨损并且导致更短的更换间隔，这对于设备和电网运行商意味着经济和技术负荷并且减少设备收益。尤其在风能设备在离岸领域中预计扩大应用的观点下，这个方面显示出更重要的作用，因为在那里更换损坏的组件更加困难。因此目的是减小这些振动，用于提高组件的使用寿命。
尽管本发明在这个申请范围内尤其以风能设备为基础描述，但是本发明不局限于风能设备或者产能装置，而是原则上可以在所有的装置中使用，在这些装置中可能产生轴、转轴和类似部件的扭振，尤其是中间连接了传动机构的轴和转轴的扭振。
为了避免振动，已知能量产生设备的发电机构成为可通过外部的调整信号调整的。在此发电机例如可以是双馈式的异步发电机，它在定子侧直接与电网连接并且在转子侧通过直流电压中间回路供电，由此对于动子可能形成不同频率和振幅的电压和电流。在现有技术中也使用同步发电机，其通过变流器通过直流中间回路连接到电网上并且可以相应地调整。通过所述的调整方案可以对发电机规定转矩，它匹配于故障引起的振动，由此减小振动并且相应地对在驱动系中出现的扭矩进行减振。
由DE 10 2007 019 907 B4已知一种方法，借助于发电机转速通过有振动能力的延迟元件形成调节差，由此对于发电机控制确定修正矩。
在US 2008/0067815中描述类似的方案，根据该方案由发电机转速变化产生信号，通过该信号实现经发电机调整矩进行减振。
EP 1 507 331 A2描述了一种方法，在其中专门对于同步发电机由发电机转速产生发电机调整矩。
在所有这些解决方案中视为不利的是，只能以有限的精度求得由故障引起的扭矩振动并由此也限制补偿过程的品质。由转速求得振动带来相当大的不精确性。
通过过滤转速信号能够部分地克服这个问题，但是这增加了减振消耗并且可能导致其它不期望的负效应，例如信号的相位移。
对此在US 7，173，399 B2中建议，通过转矩传感器测量扭矩并且通过控制负荷的变流器和电流中间回路产生相应的调整矩。代替由转速推导出调整矩，在这里也直接由扭矩本身出发，由此改善减振精度。但是在这里必须使用至少另一传感器，用于检测要减振的扭矩。即，不能仅仅通过在设备中已经存在的硬件实现减振。
在上述方法中附加地存在问题，即在发电机上施加的转矩通过补偿过程本身形成振动，其通常导致相应的不均匀的电输出功率。
因此存在解决方案的需求，其能够根据已经通常利用现有的硬件求得的参数实现连续地求得扭矩，尤其在驱动系中，以及通过调整发电机转矩实现相对调节。附加地存在解决方案需求，用于在这种发电机的输出功率中平滑由振动引起的波动。
发明内容
由此本发明提供一种方法，用于减振在能量产生设备中的扭振，以及提供一种装置，尤其能量产生设备的调节装置，具有独立权利要求的特征。有利的改进方案是从属权利要求以及下面的描述的内容。
以所建议的措施为基础，本发明对于至少三个上述问题提供了解决方案：
首先更精确地求得要减振或要调控的扭矩并且直接输送到调节器，由此得到比以转速为基础的减振方法更高的精度。
此外可以无需附加传感器地求得扭矩，仅仅利用已经在设备中存在的传感器结构以及在附加地使用计算模型的条件下。
最后，在这个方法中形成的在发电机输出功率中的波动在产生的电能馈入到电网中之前，可以最终通过减振装置得到平滑。
在能量产生设备中通常已知在驱动侧和/或从动侧上的转速。在驱动侧上、例如在转速变化的风能设备的转子中，通过转速传感器检测转速并且传递到设备调节器，它根据这个数值控制或调节设备运行。在发电机侧可以由发电机中的电参数推导出转速，只要它不同样通过转速传感器获得。在一些设备中通常只在发电机侧上求得转速并且馈入到设备控制器或调节器中。
在本申请的范围内，能量产生设备的例如通过水或风加载并驱动的部件称为“转子（Rotor）”。而发电机的运动部件称为“动子（Laeufer）”。
在两种情况下可以有利地由在设备中已知的参数求得扭矩，其中如果除了发电机转速以外也测量转子转速，则求得的扭矩精度更高。而仅仅通过发电机转速进行求取，能够特别快速且简单地没有附加传感器地在相应的设备中实现。两个变型方案的原理是，连续或时间间断地确定驱动侧与从动侧之间的扭转角并由此通过相应的计算模型求得在驱动系中施加的扭矩。有利地使用的计算模型以双质量-旋转振动器（Zwei-Massen-Drehschwinger）的运动方程为基础。在此扭转角可以由转子侧和发电机侧上的转速得到。
如果只已知发电机侧上的转速，可以利用这个转速和施加在发电机上的转矩推断转子侧的角度位置并由此同样确定扭转角。这可以有利地同样通过计算模型实现，该模型以双质量-旋转振动器的运动方程为基础。
通过过滤器可以抑制不期望的高频或低频振动，它们不可以或不应减振并因此不能输入到减振调节器中。由上级的设备调节器给减振调节器输送设备转矩并且减振调节器由该设备转矩和由求得的扭矩确定用于发电机的调整矩，该调整矩可以通过相应的功率电子装置调整。以这种方式可以以高精度产生调整矩，无需使用附加的传感装置。
在按照本发明的发电机调节中适宜地监控一个或多个边界。例如可以监控，通过调节器干预不超过最大发电机功率 
。此外可以设想监控，通过它限制在时间上的功率变化（dP/dt边界）。限制发电机转矩M和/或发电机转矩变化dM/dt同样是适宜的。
此外通过本发明特别有利地解决了输出功率波动的问题，其措施是通过在电网馈入点之前连接减振装置。为此可以使用直流电压中间回路的中间回路电容和/或其它电的或机械的蓄能器，它们可以与所述中间回路电容器或驱动系的其它组件并联。在此中间回路电压可以变化或者保持恒定。
通过本方法能够避免，在电网或者连接的用电器中形成不期望的振动。此外所建议的解决方案能够对于其它与扭矩直接或间接耦联的设备参数产生积极影响，例如用于减振在风能设备中的侧向塔架振动和/或用于减小在转子叶片中的负荷。
由描述和附图给出本发明的其它优点和扩展结构。
不言而喻，上述的和下面还要解释的特征不仅可以以所给出的组合使用，而且可以以其它的组合或者单独地使用，而不离开本发明的范围。
附图说明
借助于附图的实施例简示出本发明并且在下面借助于附图详细描述。附图中：
图1示出按照本发明的特别优选的实施例的能量产生设备，
图2示出按照本发明的另一优选的实施例的能量产生设备，
图3示出按照本发明的特别优选的实施例的按照本发明的方法与现有技术相比的曲线图，
图4示出按照本发明的特别优选的实施例的按照本发明的方法与现有技术相比的曲线图，
图5示出按照本发明的特别优选的实施例的供能设备，具有用于平滑发电机输出功率的措施。
具体实施方式
图1示出用于执行按照本发明的特别优选实施例的从属方法的基本结构100，其中在这种情况下求得在转子侧和发电机侧上的角度位置。
示出风能设备的转子1和发电机6，它们通过驱动系2-5机械地相互连接，驱动系由转子从动轴2、传动机构3、离合器4和发电机驱动轴5组成。转子安装在驱动系2-5的转子侧的端部1’上，发电机安装在发电机侧的端部6’上。两个在转子侧1’和发电机侧6’上的位置传感器7、8获得角度位置fR（转子1）和fG（发电机6），它们输入到驱动系2-5的模型9中。模型9尤其可以描述驱动系的刚性并且以估计或测量为基础。
例如由刚性特性曲线或系统的已知的刚性c在模型9中在忽略减振项的情况下通过等式
由测得的角度差Δφ求得扭矩MT，它与源自上级的设备调节器10的理论设备转矩MA一起作为减振调节器11的输入，在减振调节器中产生用于发电机6的调节信号MGS。在此例如将差值
给到调节器，例如P调节器，并且使这个放大的调节偏差再与MA相加（具有预控制的调节器）。
图2示出按照本发明的另一优选实施例的用于执行从属方法的装置的原理结构200，但是在这种情况下只已知或获得发电机6上的角度位置。与图1相同的或功能相同的部件以一致的附图标记表示并且为了清晰不重新解释。
在这个实施例的范围内除了发电机角度位置fG以外，将发电机转矩MGA给到相应匹配的设备模型12中，在模型内部可以求得转子角fR并且借助于它求得扭矩MT。设备模型12可以具有驱动系的双质量-振动器模型。由发电机的加速度（发电机转速的推导）和实际的发电机转矩MGA，以模型为基础通过已知的刚性和已知的质量比推断转子的加速度。通过双重积分得到在两个端部上的角度并由此得到角度差Δφ。在这里求得扭矩MT也涉及两个角度位置值，即，发电机角度位置fG和转子角度位置fR，但是由发电机转矩MGA在设备模型12中确定转子角度位置fR。与源自上级的设备调节器10理论设备转矩MA一起将扭矩MT输入到减振调节器11中，在其中再产生用于发电机MGS的调整信号。
在图3的分图3A、3B、3C和3D中示出曲线图310-340，它们表示按照本发明的方法与现有技术的对比。在曲线图310（图3A）、320（图4B）、330（图3C）和340（图3D）中在y轴312、322、332和342上，关于在x轴311、321、331和341上的10s的时间t，分别标出在传动机构中的扭矩M（曲线图310）、由角度位置求得的扭矩M（曲线图320）、转速差Δn（曲线图330）和发电机转速n（曲线图340）。
图3A示出实际上在驱动系中、在本实例中在具有一个行星级和两个正齿轮级的三级传动机构的太阳轮上施加的扭矩313的时间变化，该扭矩明显可见地受到约2Hz的振动、对应于驱动系的自振的影响。2Hz的振动与其它低频振动、例如塔影和塔架自振、以及与例如通过传动机构中的齿轮啮合产生的高频振动相叠加。
在图3B中相应地示出按照本发明的特别优选的实施例通过模型由扭转角或角度位置确定的扭矩323。扭矩323形成几乎与在传动机构3中测得的扭矩313几乎一致的变化，但是没有高频的传动机构振动分量，它们通过角度位置相对于转速333的积分特征几乎完全过滤掉。因为这些高频振动本来就不能调控，因此这个信号非常好地用于扭振的主动的减振调节。
图3C示出转速差333的随时间的变化，它按照现有技术用于调控振动。图3D示出实际的发电机转速343。
如同一起观察分图3A至3C看到的那样，由角度位置求得的扭振323比按照现有技术例如使用的转速差333（见图3C）精确得多地对应于在传动机构中的实际的扭矩。因此很显然，通过所述方法求得的扭矩323比转速方法333明显更好地描述实际施加的扭矩313并因此更好地适合作为控制技术减振的输入。而在转子与发电机的转速差333的变化以及发电机转速343的变化相对于扭矩313的实际变化之间的大的偏差可以认为，以这些信号为基础的调节，如同对应于现有技术的调节那样，不会达到如同通过角度位置调节所达到的相同品质。
在图4中以曲线图400的形式示出没有减振的扭矩403和按照特别优选的实施例在减振后的扭矩404，以关于在在x轴401上标出10s的时间的、在y轴402上的扭矩M的形式。如同看到的那样，通过减振方法按照优选的实施例，扭矩振动比无减振的状态明显减小。
图5示出按照本发明的特别优选的实施例用于执行从属方法的装置的原理结构500，其中示出可能的、也可选择的具有用于平滑发电机输出功率的储存模块17、18、19的实施例。与在图1和2中相同的或功能相同的部件配有一致的附图标记并且为了清晰不重新解释。
一方面，在输出电压通过电网变压器16变压到电网电压上之前，直流电压中间回路的中间回路电容14已经可以用于减振，中间回路电容14设置在发电机侧的整流器13与电网端的逆变器15之间。在此中间回路电容14为了运行能以变化的或者以恒定的直流电压构成。
按照优选的实施例，对此备选或附加地，能够使用其它的储存模块17、18和19，其具有蓄能器21、23和25。这些储存模块17，18和19可以单独地或者也可以任意组合地、尤其在成本/效益权衡的范围内使用。
所述储存模块17是减振系统的实施例，它与中间回路并联地运行。为此减振系统具有独立的DC-DC变换器20，用于实现DC储存器21的变化的运行电压和变化的功率流。
所述储存模块18是减振系统的实施例，它直接连接在发电机上。在此该减振系统与主变换器13、14和15结构无关地不仅耦联在发电机6的定子绕组上，而且耦联在动子绕组上。由发电机6产生的交流电通过AC-DC变换器22、例如B6-整流器转换成变化大小的直流电压。在适合的DC储存器23中实现减振能量的储存。
所述储存模块19是减振系统的实施例，同样直接电耦联在定子侧或转子侧的发电机接头上。但是与储存模块18不同，在这里设有AC储存系统25，它通过AC-AC-变换器24馈电。这种储存系统例如可以是耦联在交流电机上的飞轮，它有利地提供相对较高的功率密度。
Claims (11)
1.一种用于在能量产生设备（100，200）中进行扭振减振的方法，所述能量产生设备具有驱动系（2-5）、安装在驱动系（2-5）的转子侧的端部（1’）上的转子（1）和通过驱动系（2-5）驱动的、安装在驱动系（2-5）的发电机侧的端部（6’）上的发电机（6），其特征在于，在使用驱动系（2-5）在其发电机侧的端部（6’）上的至少一个角度位置（fG）的条件下，求得作用于驱动系（2-5）上的扭矩（MT，323）并且用于调节发电机（6）。
2.如权利要求1所述的方法，其中至少在使用驱动系（2-5）在其发电机侧的端部（6’）上的角度位置（fG）和驱动系（2-5）在其转子侧的端部上的角度位置（fR）的条件下，求得所述扭矩（MT，323）。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中在使用发电机侧的位置传感器（8）的条件下确定驱动系（2-5）在其发电机侧的端部（6’）上的角度位置（fG）。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中在使用转子侧的位置传感器（7）的条件下确定或者通过模型由不同的发电机参数、尤其电的发电机转矩（MGA）和发电机转子角度位置推导出驱动系（2-5）在其转子侧的端部（6’）上的角度位置（fR）。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中由扭矩（MT，323）和由设备调节器（10）提供的理论矩（MA）确定用于控制发电机的发电机理论矩（MGS）。
6.如权利要求5所述的方法，其中在保持发电机理论矩边界和/或发电机理论矩变化边界的条件下确定发电机理论矩（MGS）。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中为了求得扭矩（MT，323）和/或为了推导出驱动系（2-5）的角度位置（fR），使用描述能量产生设备（100，200）的模型（9，12），尤其以双质量-旋转振动器为基础。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中在保持功率边界和/或功率变化边界的条件下执行发电机（6）调节。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中连续地或时间间断地求得扭矩（MT，323）。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中提供至少一个连接在发电机（6）的直流电压中间回路、发电机动子和/或发电机定子上的蓄能装置（21，23，25），其具有从属的直流/直流变换器（20）、交流/直流变换器（22）和/或交流/交流变换器（24），用于平滑发电机（6）的输出功率。
11.一种装置，尤其能量产生设备（100，200）的调节装置，该装置用于执行如上述权利要求中任一项所述的方法。
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