CN102803719A - 风力发电系统以及相关的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风力发电系统(1)，该风力发电系统具有：机舱(3)；旋转组件(16)，该旋转组件围绕轴线(A2)相对于机舱(3)旋转；以及角速度探测装置(7；23)，该角速度探测装置包括至少一个传感器(18；24)，所述至少一个传感器与所述旋转组件(16)一起围绕轴线(A2)旋转，并且所述至少一个传感器提供与角速度相关的至少一个信号。

Description

风力发电系统以及相关的控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电系统和相关的控制方法。
更具体地说，本发明涉及一种风力发电系统，该系统包括：机舱；围绕一轴线相对于机舱旋转的旋转组件；以及用于探测旋转组件的角速度的角速度探测装置。
背景技术
风力发电系统包括：轮毂；安装到轮毂的多个叶片；以及包括定子和转子的电机。
在实际使用中，风吹在叶片上以使轮毂围绕轴线旋转，并由此将风的动能传送到轮毂；并且轮毂的旋转被传送到电机，具体地说传送到与轮毂连接且随着轮毂围绕轴线旋转的转子。
轮毂、叶片和转子限定旋转组件。
必须探测旋转组件的角速度以控制风力系统。更具体地说，必须探测转子的角速度以控制与电机耦接的逆变器、和/或以控制叶片相对于风的斜度(pitch)、和/或以计算系统的功率系数、和/或以监控系统操作和效率、和/或以保持在最大角速度以内。
最通常用于风力系统中的角速度探测装置是编码器，编码器有不同类型。最常用的是增量式编码器和绝对式编码器，它们包括光电探测器或近程式传感器。
增量式编码器和绝对式编码器包括圆盘，圆盘的侧面具有布置在至少一个圆中的至少一连串孔；以及用于探测孔的装置。圆盘固定至旋转组件，并且孔探测装置固定至机舱。
增量式编码器圆盘具有至少一连串相同间距的孔，并且孔探测装置包括位于圆盘旁边的至少一个近程式传感器，或者位于圆盘任一侧上的至少一个光源和至少一个光电探测器。
当圆盘旋转时，孔探测装置探测所述孔并且产生指示圆盘行进的角距离以及角速度以及由此的旋转组件行进的角距离以及角速度的信号。
一些增量式编码器具有至少两个近程式传感器或者至少两个光电探测器以及布置在至少两个圆中的孔，并且所述增量式编码器探测圆盘的旋转方向。
另一方面，在绝对式编码器中，孔以给定的布局不均匀地布置在至少两个圆中，并且孔探测装置包括至少两个光电探测器或者至少两个近程式传感器。绝对式编码器处理来自近程式传感器或者光电探测器的信号以确定相对于固定参照物的角位置。
在直接传送风力系统中使用编码器的一个问题在于，编码器需要很大的圆盘固定到旋转组件。
在一些直接传送风力系统中，转子和轮毂是中空的，直接地相互连接，并且具有允许工作人员进入内部以便维护或检修的内径。在这种情形中，使用编码器要求具有固定到旋转组件且足够大以允许容易进入的圆盘，这提出了两个问题：圆盘自身的重量、以及孔形成的精确度，后者影响确定角速度的准确性。而且，编码器对于由叶片造成的振动很敏感；并且孔易受污物堵塞，由此减损孔探测装置的可靠性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种风力系统，该风力系统装备有角速度探测装置，所述角速度探测装置被设计为用于消除现有技术的缺点。
根据本发明，提供了一种风力发电系统，该系统包括：机舱；旋转组件，该旋转组件围绕一轴线相对于机舱旋转；以及角速度探测装置，该角速度探测装置用于探测所述旋转组件的角速度；所述风力系统的特征在于，所述角速度探测装置包括至少一个传感器，该至少一个传感器与所述旋转组件一起围绕轴线旋转，并且提供与角速度相关的至少一个信号。
在一个优选实施方式中，旋转组件包括：轮毂；安装至所述轮毂的至少一个叶片；以及连接至所述轮毂的转子。
在另一优选实施方式中，传感器固定至所述转子。
本发明的另一个目的是提供一种控制风力系统的方法，该方法被设计为消除现有技术的缺点。
根据本发明，提供了一种控制风力发电系统的方法；该风力系统包括：机舱、相对于该机舱围绕一轴线旋转的旋转组件、以及与旋转组件一起围绕所述轴线旋转的至少一个传感器；并且该方法的特征在于包括通过传感器获取与旋转组件的角速度相关的信号的步骤。
附图说明
下面将通过例子，参考附图来描述本发明的一个非限定性实施方式，在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施方式的风力发电系统的局部剖面侧视图，为了清楚起见部分被移除；
图2示出了图1细节的较大比例的局部剖面侧视图，为了清楚起见部分被移除；
图3示出了图1细节的局部剖面示意性立体图，为了清楚起见部分被移除；
图4示出了本发明另一个实施方式的较大比例的局部剖面侧视图，为了清楚起见部分被移除。
具体实施方式
图1中的附图标记1表示风力发电系统。
在示出的实例中，系统1是角速度可变的、直接传送风力系统。
风力系统1包括桥塔2、机舱3、轮毂4、三个叶片5、电机6、角速度探测装置7(图2)，以及控制装置8(图2)。
三个叶片5安装至轮毂4，而轮毂又安装至机舱3，机舱又安装至桥塔2。
吊塔3被安装成围绕轴线A1相对于桥塔2旋转以使叶片5面向风定位；轮毂4被安装成围绕轴线A2相对于机舱3旋转；并且每个叶片5都被安装成围绕轴线A3相对于轮毂4旋转。
在图1的例子中，轴线A2相对于水平方向略微倾斜，并且轴线A3相对于轴线A2大致垂直并且相对于轴线A2呈径向。
参照图2，轮毂4包括本体10和中空的轴9，轴9和本体10相互刚性地连接并且具有足够大的内径以允许工作人员进入到内部以便维护或检修。
在轴承11上，中空轴9安装至机舱3并且直接地与电机6连接。
电机6包括定子12和转子13。定子13限定机舱3的一部分且包括定子绕组14；并且转子13是中空的，包括永磁体15，并且直接固定至中空轴9。
在示出的实施方式中，电机6是同步的。
风使轮毂4围绕轴线A2旋转；轮毂4的旋转被传送至转子13且由此使转子13围绕轴线A2旋转；并且永磁体15相对于定子绕组14的相对运动(该运动为转子13以变化的角速度旋转的形式)在定子绕组14的终端处感生电压。
轮毂4、叶片5、和转子13相互整体形成，并且限定出旋转组件16，该旋转组件16围绕轴线A2相对于机舱3旋转。
参照图1，各个叶片5相对于风的斜度通过使叶片5围绕相应的轴线A3旋转以调整相对于风的入射表面而控制。每个叶片5围绕相应的轴线A3的旋转都根据风力系统1的效率参数被控制，并且以使旋转组件16保持在最大角速度以内。
通过角速度探测装置7(图2)来探测角速度。
参照图3，角速度探测装置7包括两个传感器18，每个传感器都包括：发射器19；两个接收器20，每个接收器都与相应的发射器19耦接；以及处理单元21，所述处理单元与接收器20耦接。
更具体地说，每个传感器18都是加速度计，并且提供与角速度相关的信号。
每个传感器18均沿着与相应传感器18整体形成的相应的探测轴线A4确定由重力和/或离心力导致的加速度。
如图2和图3中的实线所示，每个传感器18均固定至转子13。在图3中，传感器18被定位成使得相应的探测轴线A4相互垂直并且相对于轴A2呈径向。然而，每个探测轴线A4，都可以被设定在除与轴线A2平行或者与其它探测轴线A4对齐的位置以外的任何位置。
在实际使用中，当转子13围绕轴线A2旋转时，由每个传感器18沿着相应的探测轴线A4测得的重力由于相应的探测轴线A4相对于地面的方向的改变而变化，并且每个传感器18还沿着相应探测轴线A4探测由转子13的旋转产生的离心力造成的加速度。
因此，当转子13以角速度旋转时，每个传感器18在考虑了角速度的公差和变化的情况下发出一信号，所述信号实际上是正弦曲线；并且，前提是传感器18的相应的探测轴线A4是垂直的，相应的信号相移90°。
参照图2，接收器20和处理单元21被容纳在机舱3中，靠近传感器18，并且与机舱3是一个整体。
每个信号都被相应的接收器20接收，接收器将信号发送给处理单元21。
替换地，取代发射器19和接收器20，角速度探测装置7包括提供滑动接触的接触件22；每个传感器18都通过接触件22耦接至处理单元21；并且来自每个传感器18的信号均经由接触件22被提供给处理单元21。
处理单元21处理来自传感器18的一个或全部信号，以确定旋转组件16的角速度。
处理单元21还处理来自传感器18的一个或全部信号，以确定旋转组件16的角位置。
参照图2，角速度探测装置7耦接至控制装置8。
控制装置8根据由角速度探测装置7提供的旋转组件16的角速度和/或角位置控制控制风力系统1。通过控制装置8执行的控制功能包括：监控风力系统1的正确操作；控制叶片5相对于风的斜度；控制风力系统1的功率系数；控制耦接至电机6的逆变器；控制风力系统1的效率；以及使旋转组件16保持在最大角速度以内。
控制装置8还通过快速傅里叶变换(FFT)处理旋转组件16的角速度和/或角位置以确定结果。
优选地，附加通信装置(图中未示出)与风力系统1的控制装置8相关联以将旋转组件16的角速度和/或角位置发送至远程控制中心(图中未示出)，所述远程控制中心通过缆线或无线电耦接至风力系统1。
在本发明的一个变型中，与固定至转子13相反，每个传感器18都被固定至轮毂4，并且更具体地说，被固定至本体10的内壁，如图2左侧上的虚线所示。
在本发明的另一个变型中(在图中未示出)，与固定至转子13相反，每个传感器18均被固定至三个叶片5中的任一个，并且更具体地说，被固定至叶片5的内壁。
在本发明的另一个变型中，每个传感器18均是用于提供与角速度相关的信号的倾斜计；并且处理单元21通过处理来自每个倾斜计的信号来计算角速度。
在本发明的另一个变型中，角速度探测装置7仅包括固定至转子13或轮毂4的一个传感器18；传感器18提供与角速度相关的信号；并且处理单元21根据来自传感器18的信号计算角速度。
在本发明的另一个变型中，角速度探测装置7仅包括双轴加速度计或双轴倾斜计形式的一个传感器18。
在图4中示出的本发明的另一个实施方式中，其中与第一实施方式的部件类似的部件使用与图1至图3相同的附图标记表示，用角速度探测装置23代替角速度探测装置7。
角速度探测装置23包括基于科里奥利力的检测由回转仪限定的传感器24；以及接触件25。
传感器24被固定至旋转组件16，并且更具体地说，被固定到转子13，如图4中的实线所示；或者被固定至轮毂4，并且更具体地说，被固定至本体10的内壁，如图4中左侧上的虚线所示。
角速度探测装置23通过接触件25耦接至风力系统1的控制装置8，以将旋转组件16的角速度提供给控制装置8。
传感器24是回转仪并且提供与角速度相关的信号。更具体地说，信号是与旋转组件16的角速度成比例的电压。
传感器24通过接触件25耦接至控制装置8，接触件25提供了滑动接触，来自传感器24的信号通过滑动接触被提供至控制装置8。替换地，取代接触件25，传感器包括发射器26；角速度探测装置23包括耦接至控制装置8且用于接收来自发射器26的信号的接收器27；并且传感器24通过发射器26和接收器27将信号传送至控制装置8。
在本发明的变型中，传感器24被固定至本体10的内部，如图4中的虚线所示。
在本发明的另一个变型中(未在图中示出)，传感器24被固定至三个叶片5中的任一个，并且更具体地说，被固定至叶片5的内壁。
尽管在本文中具体参照了同步电机，但电机可以是任何其他已知类型的，例如异步电机。
明显地，在不偏离所附权利要求的范围的前提下，可以对本文中描述的系统和方法做出改变。

Claims (24)

1.一种风力发电系统(1)，所述风力发电系统包括：机舱(3)；旋转组件(16)，所述旋转组件围绕轴线(A2)相对于机舱(3)旋转；以及角速度探测装置(7；23)，所述角速度探测装置用于探测所述旋转组件(16)的角速度；所述风力系统的特征在于，所述角速度探测装置(7；23)包括与所述旋转组件(16)一起围绕所述轴线(A2)旋转的至少一个传感器(18；24)，并且提供与角速度相关的至少一个信号。
2.根据权利要求1所述的风力系统，其中，所述旋转组件(16)包括：轮毂(4)；安装至所述轮毂(4)的至少一个叶片(5)；以及连接至所述轮毂(4)的转子(13)。
3.根据权利要求1所述的风力系统，其中，所述传感器(18；24)被固定至所述转子(13)。
4.根据权利要求2所述的风力系统，其中，所述传感器(18；24)被固定至所述轮毂(4)。
5.根据权利要求2所述的风力系统，其中，所述传感器(18；24)被固定至所述叶片(5)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风力系统，包括耦接至所述角速度探测装置(7；23)的控制装置(8)；所述控制装置被设计为根据由所述角速度探测装置(7；23)提供的角速度来控制所述风力系统(1)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的风力系统，包括电机(6)以及耦接至所述电机(6)的逆变器；所述角速度探测装置(7；23)被耦接至所述逆变器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的风力系统，其中，所述传感器(18)是加速度计或倾斜计。
9.根据权利要求8所述的风力系统，其中，所述角速度探测装置(7)包括用于处理与角速度相关的信号的处理单元(21)。
10.根据权利要求9所述的风力系统，其中，所述传感器(18)包括发射器(19)，优选为无线发射器；所述角速度探测装置(7)包括接收器(20)，所述接收器被耦接至所述处理单元(21)且优选相对于定子(12)固定；并且所述传感器(18)通过发射器(19)被耦接至所述接收器(20)，以将与角速度相关的信号提供给所述处理单元(21)。
11.根据权利要求9所述的风力系统，其中，所述角速度探测装置(7)包括用于将所述传感器(18)耦接至所述处理单元(21)的接触件(22)。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的风力系统，其中，所述处理单元(21)处理与角速度相关的信号，以确定所述旋转组件(16)的角位置。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的风力系统，其中，所述传感器(18)具有与所述旋转组件(16)的所述轴线(A2)不平行的探测轴线(A4)。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的风力系统，其中，所述角速度探测装置(7)包括至少一个其它传感器(18)，所述其它传感器(18)与所述旋转组件(16)一起围绕所述轴线(A2)旋转，并且提供与角速度相关的至少一个其它信号；并且其中所述传感器(18)和所述其它传感器(19)具有相互不对齐的各自的探测轴线(A4)；所述其它传感器(18)优选地是加速度计或倾斜计。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的风力系统，其中，所述传感器(18)是双轴传感器。
16.根据权利要求1至7中任一项所述的风力系统，其中，所述传感器(24)由回转仪限定。
17.根据权利要求16所述的风力系统，其中，所述传感器(24)通过接触件(25)耦接至所述控制装置(8)。
18.根据权利要求16所述的风力系统，其中，所述传感器(24)包括发射器(26)，并且所述角速度探测装置(23)包括耦接至所述发射器(26)及耦接至所述控制装置(8)的接收器(27)；所述传感器(24)通过所述发射器(26)和所述接收器(27)耦接至所述控制装置(8)。
19.根据前述权利要求中任一项所述的风力系统，还包括控制装置(8)，所述控制装置被设计为通过快速傅里叶变换(FFT)处理与角速度相关的信号以便确定结果，优选地以便监控所述风力系统(1)的正确操作。
20.一种控制风力发电系统(1)的方法，所述风力系统(1)包括机舱(3)、围绕轴线(A2)相对于所述机舱(3)旋转的旋转组件(16)、以及围绕所述轴线(A2)与所述旋转组件(16)一起旋转的至少一个传感器(18；24)；并且所述方法的特征在于包括通过所述传感器(18；24)获取与所述旋转组件(16)的角速度相关的信号的步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述风力系统(1)包括连接至所述传感器(18；24)的控制装置(8)；所述方法包括通过所述控制装置(8)以及根据通过所述传感器(18；24)确定的角速度控制所述风力系统(1)的步骤。
22.根据权利要求20或21所述的方法，包括通过处理单元(21)处理与角速度相关的信号以确定所述旋转组件(16)的角速度的步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，包括通过处理单元(21)处理与角速度相关的信号以确定所述旋转组件(16)的角位置的步骤。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其中，所述传感器(18)具有探测轴线(A4)；所述方法包括将所述传感器(18)定位成使所述探测轴线(A4)与所述旋转组件(16)的所述轴线(A2)不平行的步骤。
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