CN103429891A - 带有双绕组致动器的叶片变桨系统 - Google Patents

Abstract

在第一方面，本发明为风力涡轮机提供叶片变桨系统（100），其包括：至少一个多绕组（102，103）马达（101），所述多绕组马达包括主独立控制绕组组（102）和至少一个辅助独立控制绕组组（103）；和至少用于控制主独立控制绕组组（102）的主独立电力电子转换器（105）和用于控制辅助独立控制绕组组（103）的辅助独立电力电子转换器（104）。

Description

带有双绕组致动器的叶片变桨系统

本发明要求2011年03月29日递交的欧洲专利申请EP11382085.6的优先权。

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机的叶片变桨系统和用于操作所述叶片变桨系统的方法。

背景技术

现代的风力涡轮机通常用于将电力供应至电网。这种风力涡轮机通常包括具有一转子毂和多个叶片的转子。转子被设定成在作用于叶片的风的影响下转动。转子轴的转动直接驱动（“直接被驱动的风力涡轮机”或者“直接驱动风力涡轮机”）或者通过使用变速箱驱动发电机转子。

通常设置在风力涡轮机上的一个重要的辅助系统是变桨系统。变桨系统被用来通过使风力涡轮机叶片沿其纵向轴线转动而使风力涡轮机叶片的位置适应于变化的风力条件。在这个方面，已知的是转动风力涡轮机叶片使得当风速增大时风力涡轮机叶片产生较小的升力（和拖拉力）。这样，即使风速增大，转子传递至发电机的转矩也保持基本相同。还已知的是当风速增大时，使风力涡轮机叶片朝其失速位置转动（从而减小叶片上的升力）。这些风力涡轮机有时称为“主动失速”风力涡轮机。当涡轮机例如为了维修或者是为了在极高的风速条件下防止对风力涡轮机的损坏而临时停止或者取消操作时，变桨还可以用于使叶片朝其风向标位置转动。

许多变桨系统在毂中包括电动马达，所述电动马达驱动致动齿轮。所述致动齿轮（小齿轮）与设置在风力涡轮机叶片上的环形齿轮相啮合以将风力涡轮机叶片设定成转动。然而，也有可能是，环形齿轮设置在毂上，而电动马达和致动器安装在叶片上。还已知其它的致动机构，例如包括液压致动器的致动机构。

还已知为转子的每个风力涡轮机叶片提供单独的变桨系统（包括例如独立的马达和独立的控制器）。还已知提供共用的变桨系统，其中对转子上的所有叶片而言，叶片桨距角是一样的。这样的共用变桨系统可以包括单个马达或可以包括多个马达，为每个叶片提供一个马达。

变速风力涡轮机中的变桨系统一般的控制策略是在等于或小于标称风速（例如大约4m/s至15m/s）的风速时维持叶片在预定的“低于额定变桨位置”中。所述默认变桨位置通常可以接近0°桨距角。然而，在“低于额定”条件下的确切的桨距角取决于风力涡轮机的整体设计。大于标称速度（例如从大约15m/s至25m/s）时，叶片转动以维持由转子提供的空气动力学扭矩基本恒定。当风力涡轮机不操作时，叶片可以呈现出风向标位置（例如90°桨距角或大约90°桨距角）以使叶片上的载荷最小化。当然，标称风速、切入风速和切出风速可以根据风力涡轮机的设计而变化。

这些叶片变桨系统通常包括叶片位置的控制器，通过主电力线给所述控制器提供电力。当控制器失效或如果网损时，叶片变桨系统结果会是无法运行并且相关的叶片和/或风力涡轮机会被损坏。因此，重要的是在所有或几乎所有的情况下维持叶片变桨系统的操作的控制。

已知目的在于改进叶片变桨系统的安全性和可靠性的不同现有技术系统。所述现有技术系统中的一些是基于包括蓄电池的备用构造，其通常用于当带有集电器的直流马达被用作变桨驱动器时。然而，这种构造通常不能可靠地控制变桨系统的速度，这是因为所述速度可能取决于例如蓄电池的充电状态。

一些其它的现有技术系统引入冗余的元件使得如果主元件失效，则同等副元件可以承担主元件的角色。例如，US7717673B2公开了风力涡轮机的冗余的并且自动防故障的叶片变桨系统，其包括至少一个叶片变桨驱动器和至少两个用于控制叶片变桨驱动器的电力控制模块。电力控制模块通过切换单元连接至叶片变桨驱动器，所述切换单元允许叶片变桨驱动器和电力控制模块中的任意一个之间的替代连接。

当US7717673B2中的冗余的并且自动防故障的叶片系统包括只有一个叶片变桨驱动器和至少两个相关的电力控制模块时，要求基于双路开关的切换机构并且总有至少一个不用的电力控制模块。当冗余的并且自动防故障的叶片系统包括涉及若干个电力控制模块的若干个叶片变桨驱动器时，基于双路开关的切换机构变得很复杂。

发明内容

因此仍然需要解决至少上述缺点中的一些缺点的新的叶片变桨系统和操作方法。本发明的目的是满足这种需要。

所述目的通过根据权利要求1所述的叶片变桨系统、根据权利要求10所述的用于操作所述叶片变桨系统的第一方法和根据权利要求12所述的用于操作所述叶片变桨系统的第二方法来实现。

在第一方面，本发明提供用于风力涡轮机的叶片变桨系统，所述叶片变桨系统包括可操作地连接至用于改变转子叶片桨距角的至少一个致动器的至少一个多绕组马达，所述多绕组马达包括一个主独立控制绕组组和至少一个辅助独立控制绕组组，并且所述叶片变桨系统还至少包括用于控制主独立控制绕组组的主独立电力电子转换器和用于控制辅助独立控制绕组组的辅助独立电力电子转换器。

在这个方面，术语“控制绕组”用来指那些产生电磁场的马达的绕组，所述绕组决定了马达的性能。例如，在具有永磁转子的交流同步马达中，定子的绕组明显是控制绕组。在另一个示例中，在交流感应马达中，受控并且引起转子上绕组的感应的（定子的）绕组被认为是控制绕组。

“控制绕组组”用来指的是由相同的电力电子转换器控制的一组绕组。这样的组可以例如在单相实施方案中包括单个绕组并且可以在三相实施方案中包括三个绕组。

叶片变桨系统可以提供很高的可靠性，这是因为辅助独立电力电子转换器和它们相关的辅助独立控制绕组组在主部件（中的某些）故障的情况下构成良好的备用装置。

而且，在本发明的叶片变桨系统中，主独立电力电子转换器和辅助独立电力电子转换器都可以偶尔在它们相关的绕组组上同时操作。这样的同时操作允许例如增加马达轴上产生的电力，并且因此增加马达的扭矩。这个特点在要求较高的变桨加速度的情况中会是特别有利的。因此，辅助独立电力电子转换器可以充当主转换器的备用装置和/或充当主转换器的补充系统。

在第二方面，本发明提供用于操作大体上如上所述的叶片变桨系统的方法，所述方法包括：对于为其启动了主独立电力电子转换器的每个多绕组马达，检查是否所述多绕组马达超过预定负荷阈值；然后，如果所述多绕组马达超过所述预定负荷阈值，则启动与所述多绕组马达相关的辅助独立电力电子转换器中的一个。这些可以对每个多绕组马达执行的操作可以不断地重复，使得可以建立对多绕组马达的连续监控。

这一方法允许在一些多绕组马达可能出现超负荷的情况下保证叶片变桨系统的持续良好的性能。

在第三方面，本发明提供用于操作大体上如上所述的叶片变桨系统的方法，所述方法包括：对于为其启动了主独立电力电子马达的每个多绕组马达，检查所述启动了的主独立电力电子转换器的状态；并且，如果发现所述启动了的主独立电力电子转换器的故障，则启动与所述多绕组马达相关的辅助独立电力电子转换器中的一个。这些操作可以对每个多绕组马达执行并且可以不断地重复，使得可以建立对多绕组马达的连续监控。

本发明的这一方面允许在主转换器中的一个或多个发生故障的情况下保证叶片变桨系统的持续良好的性能。因此，这个方法也可以有利于风力涡轮机的叶片变桨系统的可靠性和性能。

本发明的实施例的其它目的、优点和特征将在本领域的技术人员审阅说明书时变得明显，或可以通过实践本发明而被认识。

附图说明

本发明的特定实施例将在下文中参照附图以非限制性示例的方式说明，其中：

图1是根据本发明的第一实施例所述的叶片变桨系统的示意图；

图2是根据本发明的第二实施例所述的叶片变桨系统的示意图；

图3是根据本发明的第三实施例所述的叶片变桨系统的示意图；

图4是根据本发明的第四实施例所述的叶片变桨系统的示意图；和

图5是根据本发明的另一实施例所述的叶片变桨系统的示意图；

具体实施方式

在以下说明中，阐述了多个特定的细节，以便彻底地理解本发明。然而，本领域的技术人员将应理解，可以在没有这些特定细节中的某些或全部的情况下实践本发明。在其它示例中，也没有详细地说明公知的元件，以便使本发明的说明不必变得模糊。

图1示意性地示出叶片变桨系统100的第一实施例。在这个具体实施例中，多绕组马达101包括主独立控制绕组组102和辅助独立控制绕组组103。用于控制主独立控制绕组组102的主独立电力电子转换器105连接至主电力线108。并且用于控制辅助独立控制绕组组103的辅助独立电力电子转换器104连接至辅助电力线109。

本发明的叶片变桨系统可以包括控制单元（未示出），例如PLC（可编程逻辑控制器），其被编程以产生用于系统优化操作的必要信号。这个控制单元可以控制所提供的电力电子转换器中的每个来改变变桨马达的速度，使得变桨马达根据风力条件和其它情况呈现出正确的位置。

而且，示出了一些用于主转换器105和绕组102的保护系统106和一些用于辅助转换器104和绕组103的保护系统107。这些保护系统106、107可以基于用于中断或减弱电流/电压的装置，例如保险丝、通断开关、按压开关等等。这些保护系统106、107可以特别适用于例如电涌的情况中，在电涌中系统的部件可能受到损坏。所述控制单元可以通过发出相应的开关信号来启动/停用保护系统106、107。由于这些类型的元件通常是技术领域中众所周知的，关于这点将不会提供进一步的详细描述。

根据相应的控制绕组组和/或电力线的特点，转换器104、105可以包括用于将来自电力线108、109的交流电转换成直流电和用于最终将所述直流电转换成可变交流电的必要元件。例如，每个转换器104、105都可以包括整流器104a、105a、直流环节104b、105b和逆变器104c、105c。如果辅助电力线109是直流电力线，只要求直流电转换成可变交流电（直流环节104b、105b和逆变器104c、105c）。由于这些类型的转换器通常是技术领域中众所周知的，将不提供进一步的详细描述。在这描述的具体例子中，变桨马达假设为交流马达。然而本发明不局限于这一特定选择，也可以使用合适的多绕组直流马达。

主电力线108可以为主转换器105提供电力并且辅助电力线109可以为辅助电力线109提供电力。

系统（由控制单元控制的）的操作通常需要只要主转换器105和主线路108没有失效和/或马达101没有超负荷，就保持辅助转换器104停用。然而，如果主转换器105失效，则辅助转换器104可以被启动以便保证系统操作不被中断。而且，如果主电力线108失效或者失去了与主电力线的连接，系统可以通过使用辅助电力线109继续其操作。可以使用来自辅助电力线的电力来启动辅助转换器104和辅助绕组组103。

在一些实施方案中，例如当马达101遭遇超负荷时，也可以启动辅助转换器104。这样，负荷可以在主绕组组102和辅助绕组组103之间划分，从而提升系统性能。控制单元可以通过发送相应的开关信号至与所述转换器相关的通断开关上而启动/停用特定转换器105、104。

主电力线108通常可以构成中压风电厂电网的一部分。可以在风电厂提供辅助电力线109，尤其是为了在主线路失效时为辅助转换器提供动力。

图1的实施例的一个方面是赋予辅助转换器104双重功能：转换器104可以作为备份和/或作为主转换器105的补充。这样提升了系统的灵活性和性能。而且，在这个实施例中，不要求特别复杂的转换机构和复杂的相关逻辑（应用于例如控制单元中）。

图2示意性地示出本发明的另一实施例。在这种情况下，在单个叶片上使用四个多绕组马达101、201用于致动。所述多绕组马达101、201中的每个都包括主独立控制绕组组102、202和辅助独立控制绕组组103、203。而且，所述系统100包括用于控制所述马达中的每个的主独立控制绕组组102、202的主独立电力电子转换器105、205。而且，叶片变桨系统100包括用于控制所述马达中的每个的辅助独立控制绕组组103、203的辅助独立电力电子转换器104、204。

图2的实施例与图1的实施例大致相似。然而，图2的实施例包括为每个叶片提供多于一个的多绕组马达101、201。由所述多个多绕组马达101、201中的每个马达产生的运动可以通过合适的传动装置传递至提供在叶片根部209处的环形齿轮211，所述传动装置包括例如变速箱208和小齿轮210。

这个实施例具有将用于转动叶片的整体负荷分散至若干个马达101、201、若干个小齿轮210和若干个环形齿轮211部分的优点。这允许减少相关马达的负荷并且增加所述小齿轮210和环形齿轮211的耐久性。

图2示出四个马达，但是清楚的是也可能实施包括例如两个或三个或任何其它数量的马达的系统。明显地，增加马达的数量意味着整体负荷的更高的划分，并且因此进一步减小所述马达中的任意一个马达超负荷的可能性。而且，提高了系统中的冗余度。

图2的实施例还示出用于主独立电力电子转换器105、205和辅助独立电力电子转换器104、204的保护系统106、107、206、207。所述保护系统106、107、206、207的结构和操作可以遵循关于图1中所描述的相同的原理。

在图2中，所有的辅助转换器104、204共用共同的整流器104a（负责将交流电转换成直流电）。在这种情况下，辅助转换器中的每个都包括直流环节104b（包括例如电容器）和逆变器104c。转换器和系统的工作原理总的来说也与图1的实施例相似。

在本发明的一些实施例中，多绕组马达101、201中的至少一个可以包括多个辅助独立控制绕组组103、203。这个特征允许如果主转换器失效则启动第一辅助转换器，并且如果第一辅助转换器失效则启动第二辅助转换器，依此类推。这个实施例和这种方式的操作对于例如维修会是复杂的离岸风力涡轮机来说是尤其有利的。也就是，较高数量的冗余辅助转换器可以增加叶片变桨系统的操作可用性，并且可以减小修理频率。

根据本发明的各种方法的一些实施方案将在下文中参照图2中的系统的实施例来描述。然而明显的是它们可以同样地应用于其它附图的示例中。

根据图2的示例，马达101、201中的每个都具有一个辅助绕组组103、203（与主绕组组102、202分开）。

在根据本发明的一个实施方案中，对于为其启动了辅助独立电力电子转换器104、204中的一个的每个多绕组马达101、201，重复地检查是否所述绕组马达101、201超过预定的负荷阈值。如果所述多绕组马达101、201中的一个超过预定的负荷阈值，则可以启动与所述多绕组马达101、201相关的其它辅助独立电力电子转换器104、204中的一个。这些操作可以对每个多绕组马达101、201以大体上连续的方式执行，使得可以建立对多绕组马达101、201的连续监控。

在另一个实施方案中，多绕组马达中的一些可以包括多于一个辅助绕组组。在这种类型的实施方案中，对于为其启动了辅助独立电力电子转换器104、204中的一个的每个多绕组马达101、201，可以检查辅助独立电力电子转换器的状态。如果发现所述启动了的辅助独立电力电子转换器104、204发生故障，则可以启动与所述多绕组马达101、201相关的其它辅助独立电力电子转换器104、204中的一个。对每个多绕组马达101、201执行的所述操作可以重复，优选地以大体上连续的方式，使得可以进行对多绕组马达101、201的连续监控。

在其它实施方案中，以类似的方式，可以大体上连续地检查主电子转换器的状态。如果主电力电子转换器失效，则可以启动辅助电力电子转换器来控制辅助控制绕组组。

在一些情况下，如果注意到主电子转换器、第一辅助转换器或者例如主电力线失效，则被启动的辅助独立电力电子转换器104、204可以作用于其相关的辅助独立控制绕组组103、203，以便将转子叶片桨距角变成对应于叶片风向标位置的角度。通过将叶片放置在其风向标位置，可以避免在叶片上和/或其它相关部件上的严重损坏，当其应用于本发明的叶片变桨系统100中时可以增加方法的可靠性。

图3示出本发明的另一实施例，所述实施例也是基于四个多绕组马达101、201的使用（类似于图2的系统）。然而，与之前的实施例的一个不同之处是单个主独立电力电子转换器305可以控制所述四个马达101、201的全部主独立控制绕组组101、201。并且单个辅助独立电力电子转换器304可以控制所述四个马达101、201的全部辅助独立控制绕组组103、203。

在图3的实施例中，转换器的数量相对于图2的实施例有所减少。系统的冗余和可靠性因此会稍微较低。然而，根据这个实施例的系统会更便宜。

在本发明的一些实施例中，辅助独立控制绕组组103、203中的至少一个可以比其对应的主独立控制绕组组102、202具有更多数量的极性。这个特点允许以较少的电力产生较高的扭矩，使得辅助转换器更简单并且更便宜，这样可以减少叶片变桨系统的总成本。

图4示意性地示出又一实施例。在这个示例中，为叶片中的每个叶片提供四个多绕组马达101、201。所述马达中的每个都具有其自己的带有相应主绕组的主电力电子转换器和一个或多个带有相应辅助绕组控制器的辅助转换器。

在这个示例中，叶片变桨系统还包括至少一个用于储存电力和向主电力电子转换器104、105和辅助电力电子转换器204、205中的任意一个提供所储存的电力的电力储存系统401。这样的电力储存系统401可以例如由蓄电池或超级电容器构成，并且具有当转换器需要直流电时，即当主电力线路失效时，为转换器提供直流电的功能。在一般情况下，电力储存由主电力线路负责。在这个实施例中没有提供辅助电力线路。在其它的实施例中，电力储存可以是独立的。

在图4的示例中，每个连接蓄电池（电力储存）401和转换器104、105、204、205的总线都可以包括保护元件，例如，保险丝和二极管，目的在于避免由于转换器104、105、204、205的回压造成的蓄电池401的损坏。

在图4中，将能源电力储存系统401与转换器105、104、204、205相连的直流总线连接至每个转换器的直流环节，这是因为在这种情况下输入转换器的电力是直流电。而且，在这个示例中，由于假定变桨马达是交流马达，因此电力电子转换器输出的是交流电。然而这可以改变。

在其它的实施例中，每个主独立电力电子转换器105、205可以连接至主电力线108，并且每个辅助独立电力电子转换器104、204可以连接至辅助电力线（类似于关于图1、2和3的构造所描述的）而且可以提供额外的电力储存系统用于当电力线中的一个或两个都失效时提供电力。

在一些实施例中，辅助电力线可以是直流电力线。系统中使用的转换器可以根据该设置来选择。

本发明的又一实施方案在图5中示出。图5的系统非常类似于图4中示出的系统。然而，它们的不同在于，图4的实施例是基于为每个绕组组102、103、202、203提供转换器105、104、204、205（一对一的关系），而图5的实施例是基于为所有主绕组组102、202提供主转换器305并且基于为所有辅助控制绕组组103、203提供辅助转换器304（一对多的关系）。功能与前面关于图4的描述相同。

虽然已经在某些优选的实施例和示例的语境中公开了本发明，但是本领域的技术人员将应理解，本发明延伸超出具体公开的实施例而延伸到本发明的其它可替代的实施例和/或用法及其明显的修改方案和等同方案。因而，本文公开的本发明的范围意欲应当不受上述特定公开的实施例的限制，而是仅通过公平阅读以下权利要求而确定。

Claims (14)

1.用于风力涡轮机的叶片变桨系统，其包括：

至少一个多绕组马达，所述多绕组马达可操作地连接至至少一个用于改变转子叶片桨距角的致动器，所述多绕组马达包括主独立控制绕组组和至少一个辅助独立控制绕组组；和

至少用于控制主独立控制绕组组的主独立电力电子转换器和用于控制辅助独立控制绕组组的辅助独立电力电子转换器。

2.根据权利要求1所述的叶片变桨系统，其包括：

多个多绕组马达，每个多绕组马达都包括主独立控制绕组组和至少一个辅助独立控制绕组组；

用于每个主独立控制绕组组的主独立电力电子转换器，所述主独立电力电子转换器用于独立地控制其相关的主独立控制绕组组；

用于每个辅助独立控制绕组组的辅助独立电力电子转换器，所述辅助独立电力电子转换器用于独立地控制其相关的辅助独立控制绕组组。

3.根据权利要求1所述的叶片变桨系统，其包括：

多个多绕组马达，每个多绕组马达都包括主独立控制绕组组和至少一个辅助独立控制绕组组；

用于控制多个主独立控制绕组组的主独立电力电子转换器；

用于控制多个辅助独立控制绕组组的辅助独立电力电子转换器。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的叶片变桨系统，其中至少一个多绕组马达包括多个辅助独立控制绕组组。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的叶片变桨系统，其中至少一个辅助独立控制绕组的极性的数量比其相关的主独立控制绕组组多。

6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的叶片变桨系统，还包括至少一个用于储存电力和为独立电力电子转换器中的至少一个供应所述储存电力的电力储存系统。

7.包括根据权利要求1至6中的任意一项所述的叶片变桨系统的风力涡轮机，其中：

每个主独立电力电子转换器都连接至主电力线；并且

每个辅助独立电力电子转换器都连接至辅助电力线。

8.根据当引用权利要求6时的权利要求7所述的风力涡轮机，其中：

所述电力储存系统连接至主电力线；

每个主独立电力电子转换器还连接至所述电力储存系统；并且

每个辅助独立电力电子转换器还连接至所述电力储存系统。

9.包括根据权利要求6所述的叶片变桨系统的风力涡轮机，其中：

所述电力储存系统连接至主电力线；

每个主独立电力电子转换器都连接至所述主电力线并且连接至所述电力储存系统；并且

每个辅助独立电力电子转换器都连接至所述电力储存系统。

10.用于操作叶片变桨系统的方法，所述叶片变桨系统具有：

至少一个多绕组马达，所述多绕组马达可操作地连接至至少一个用于改变转子叶片桨距角的致动器，所述多绕组马达包括主独立控制绕组组和至少一个辅助独立控制绕组组；和

至少用于控制所述主独立控制绕组组的主独立电力电子转换器和用于控制所述辅助独立控制绕组组的辅助独立电力电子转换器；

所述方法包括：

对于为其启动了主独立电力电子转换器的每个多绕组马达：

检查是否所述多绕组马达超过预定的负荷阈值；

如果所述多绕组马达超过所述预定的负荷阈值：

启动与所述多绕组马达相关的辅助独立电力电子转换器中的一个。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：

对于为其启动了辅助独立电力电子转换器中的一个的每个多绕组马达：

检查是否所述多绕组马达超过额定的负荷阈值；

如果所述多绕组马达超过所述额定的负荷阈值：

启动与所述多绕组马达相关的其它辅助独立电力电子转换器中的一个。

12.用于操作叶片变桨系统的方法，所述叶片变桨系统具有至少一个多绕组马达，所述多绕组马达可操作地连接至至少一个用于改变转子叶片桨距角的致动器，所述多绕组马达包括主独立控制绕组组和至少一个辅助独立控制绕组组并且具有至少用于控制所述主独立控制绕组组的主独立电力电子转换器和用于控制所述辅助独立控制绕组组的辅助独立电力电子转换器；

所述方法包括：

对于为其启动了主独立电力电子转换器的每个多绕组马达：

检查所启动的主独立电力电子转换器的状态；

如果发现所启动的主独立电力电子转换器的故障：

启动与所述多绕组马达相关的辅助独立电力电子转换器中的一个。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

对于为其启动了辅助独立电力电子转换器中的一个的每个多绕组马达：

检查所启动的辅助独立电力电子转换器的状态；

如果发现所启动的辅助独立电力电子转换器的故障：

启动与所述多绕组马达相关的其它辅助独立电力电子转换器中的一个。

14.根据权利要求10至13中的任意一项所述的方法，还包括：

每个被启动的辅助独立电力电子转换器都作用于其相关的辅助独立控制绕组组，使得转子叶片桨距角变成对应于叶片的风向标位置的角度。

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