CN103518061B

CN103518061B - 冗余电力供应架构

Info

Publication number: CN103518061B
Application number: CN201280021125.1A
Authority: CN
Inventors: N·E·丹尼尔森
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: ES2626638T3; WO2012130247A1; EP2691648B1; EP2691648A1; CN103518061A; US20140152011A1; US9641024B2

Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机控制系统的冗余电力供应系统，所述电力供应系统适合于向风力涡轮机控制系统的一个或多个用电器供应电力，该冗余电力供应系统包括第一电力轨、第二电力轨和开关装置，该开关装置适合于选择第一或第二电力轨，以便从第一电力轨或第二电力轨向用电器的至少部分提供电力。本发明还涉及相关联的方法。

Description

冗余电力供应架构

技术领域

本发明涉及用于与风力涡轮机相关的应用的冗余电力供应架构。特别是，本发明涉及包括两个单独的不间断电力供应（UPS）电力轨的架构。

背景技术

与风力涡轮机相关的应用的已知电力供应系统依赖于单配电路径。只有单配电路径使这样的电力供应系统非常易受故障状况的影响。事实上，沿着单配电路径的单个故障能够击垮系统。

因此，需要能够经得起至少一些类型的电力故障的更可靠的电力供应系统。

本发明的实施例的目的是提供冗余和高度可靠的电力供应系统。

发明内容

在第一方面中，通过提供风力涡轮机控制系统的冗余电力供应系统来遵从上述目的，所述电力供应系统适合于向风力涡轮机控制系统的一个或多个用电器供应电力，该冗余电力供应系统包括：

-第一电力轨，

-第二电力轨，以及

-开关装置，其适合于选择该第一电力轨或该第二电力轨，以便从第一电力轨或第二电力轨向用电器的至少部分提供电力。

因此，根据本发明，两个单独和可独立操作的电力轨向风力涡轮机的控制系统提供电力。如果电力轨之一出故障，则控制系统的用电器可经由开关装置改变到另一电力轨，并从而保持在运转的操作模式中。开关装置可以以电气方式操作。电力轨应被理解为电力供应线路。

根据本发明的电力供应系统的优点是：

1.它包括冗余电力轨。

2.可从单独的电源对电力轨进行供电。

3.电源可与UPS组合。

如上所述，第一和第二电力轨可以是可独立地操作的。一个或多个用电器中的每个可包括适合于在第一和第二电力轨之间选择的集成开关装置。

可将过电流保护装置设置在第一电力轨和该一个或多个用电器中的若干个之间。类似地，可将过电流保护装置设置在第二电力轨和一个或多个用电器中的若干个之间。

一个或多个用电器可包括一个或多个分布式控制节点。每个分布式控制节点可包括分布式控制系统单元，该分布式控制系统单元单独地或与其它分布式控制节点的其它分布式控制系统组合地形成风力涡轮机的完整控制系统。

根据第一方面的电力供应系统可包括额外的电力轨，以便增加总电力供应系统的可靠性。

在第二方面中，本发明涉及包括根据第一方面的冗余电力供应系统的风力涡轮机。

在第三方面中，本发明涉及用于以冗余方式向风力涡轮机控制系统的一个或多个用电器提供电力的方法，该方法包括下列步骤：

-提供第一电力轨，

-提供第二电力轨，以及

-选择第一电力轨或第二电力轨，以便从第一电力轨或第二电力轨向一个或多个用电器的至少部分提供电力。

再次，电力轨应被理解为电力供应线路。选择电力轨的步骤可根据来自第一和第二电力轨的电力的可用性来执行。因此，如果电力轨之一是不知何故有缺陷的，则选择另一电力轨。作为例子，如果来自第二电力轨的电力的可用量是不足的，则可选择第一电力轨。类似地，如果来自第一电力轨的可用数量的电力是不足的，则可选择第二电力轨。

附图说明

现在将参考附图更详细地解释本发明，在附图中：

图1示出电力供应系统的第一实施例，

图2示出电力供应系统的第二实施例，

图3示出电力供应系统的第三实施例，

图4示出根据本发明的实施例的方法，以及

图5示出根据本发明的实施例的示例性风力涡轮机100。

虽然本发明容许各种修改和可替代形式，但是在附图中通过示例的方式示出特定的实施例，并且将在本文中详细描述该特定的实施例。然而，应理解，本发明并非旨在受限于所公开的特殊形式。相反，本发明涵盖落在如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代形式。

具体实施方式

在最一般的方面中，本发明涉及用于风力涡轮机控制系统的冗余电力供应架构。应注意，这里提出的电力供应架构的一般布局也可应用于其它电力供应系统。

图1示出根据本发明的电力供应系统10的实施例。电力供应系统10包括将电力馈送到n个分布式控制节点DCN1、DCN2、DCN3……DCNn的配电块20。分布式控制节点DCN1、DCN2、DCN3……DCNn一般被分布在整个风力涡轮机中，例如在风力涡轮机的塔、机舱和毂中。如前面提到的，每个分布式控制节点DCN1、DCN2、DCN3……DCNn可分别包括分别以控制逻辑电路的形式的分布式控制系统单元321、322、323……32n，该控制逻辑电路单独地或与其它分布式控制节点的其它分布式控制系统组合地形成风力涡轮机的完整控制系统。

配电块20分别经由两个电力轨PR1和PR2从分别被标注为PS1和PS2的两个独立电源接收电力。独立电力轨的数量原则上可以是任意的。然而，为了实现冗余，需要至少两个电力轨。因此，本发明不限于精确地具有两个独立电力轨的电力系统。

电力轨PR1、PR2所连接到的两个电源PS1、PS2提供在适当的电压水平处的AC电力或DC电力。而且，两个电力轨PR1、PR2可提供来自被指派给风力涡轮机的外部电源和/或UPS的电力。因此，在正常工作条件期间，电力轨PR1、PR2可提供来自外部电源PS1、PS2的电力，而在非正常工作条件期间，电力轨PR1、PR2可提供来自例如被指派给风力涡轮机的两个独立UPS的电力。非正常工作条件可以是相关电网缺失的情况或相关电网的电压在正常值之外的任何其它情况。

两个电力轨PR1、PR2分别将电力供应系统12的部件分别连接到两个电源PS1、PS2。因此，电力轨PR1、PR2中的每个分别将电源PS1、PS2连接到电力系统10的每个部件；例如第一和第二电力轨PR1、PR2将第一电源PS1连接到配电块20。配电块20经由第一和第二电力轨PR1、PR2连接到分布式控制节点DCN1、DCN2、DCN3、DCN4……DCNn。将过电流保护电路连接到配电块20的每个输出端，以便不使电力供应系统过载。因此，电力供应系统包括智能切负载（load shedding）。在图1中，这被示为连接到配电块20中的向分布式控制节点DCN1馈送的输出端的电流保护电路231a和231b、连接到配电块20中的向分布式控制节点DCN2馈送的输出端的电流保护电路232a和232b、连接到配电块20中的向分布式控制节点DCN3馈送的输出端的过电流电路233a和233b以及连接到配电块20中的向分布式控制节点DCNn馈送的输出端的过电流电路23na和23nb。

如图1所描绘的，每个分布式控制节点DCN1、DCN2、DCN3……DCNn分别包括诸如分别用于在两个电力轨PR1和PR2之间选择且因此在两个电源PS1和PS2之间选择的开关331、332、333……33n之类的装置。因此，每个分布式控制节点DCN1、DCN2、DCN3……DCNn能够选择两个电力轨PR1、PR2中的应从中提供电力的电力轨。例如，如果第一电力轨PR1出故障，则可从第二电力轨PR2向所有分布式控制节点DCN1、DCN2、DCN3...DCNn馈电。此外，如果来自第一电力轨PR1的电力的可用量是有限的，则一些分布式控制节点可连接到第一电力轨PR1，而其余的分布式控制节点可连接到第二电力轨PR2。

在本发明的另一实施例中，用于在两个电力轨或电源PR1、PR2之间选择的装置可被单独地提供，即与分布式控制节点分离。

如上所述，本发明不限于具有精确的两个独立电力轨的电力系统。现在参考图2，描绘了根据本发明的三重冗余电力供应系统11。图2示出可由其它分布式控制节点（未示出）补充的单个分布式控制节点DCN。分布式控制节点DCN包括以控制逻辑电路的形式的分布式控制系统单元32，该控制逻辑电路单独地或与其它分布式控制节点的其它分布式控制系统组合地来形成风力涡轮机的完整控制系统。

如图2所示，图1的两个电力轨PR1、PR2由额外的电源PR3（虚线）补充，以便增加可靠性和/或安全性。电力轨PR1、PR2、PR3分别连接到电源PS1、PS2、PS3。因此，与图1的系统10比较，图2的系统11包括额外的电源PS3。额外的电源PS3可以是位于例如风力涡轮机的塔、机舱中或毂中的可选的本地UPS单元。如图2所描绘的，分布式控制系统单元内的开关装置33能够在三个电源PS1、PS2、PS3之间选择。

图3示出根据本发明的电力供应系统的第三实施例。在图3中，电力供应系统12包括两个配电块PDB1、PDB2、三个本地配电块LPDB1、LPDB2、LPDB3和五个分布式控制节点DCN1、DCN2、DCN3、DCN4、DCN5。电力供应系统12此外包括分别将电力供应系统12的部件分别连接到两个电源PS1、PS2的两个电力轨PR1、PR2。因此，电力轨PR1、PR2中的每个将电源连接到电力系统12的每个部件；例如第一和第二电力轨PR1、PR2通过第一配电块1将第一电源PS1连接到第一和第二本地配电块LPDB1、LPDB2。第一本地配电块LPDB1经由第一和第二电力轨PR1、PR2连接到第一和第二分布式控制节点DCN1、DCN2，而第二本地配电块LPDB2经由第一和第二电力轨PR1、PR2连接到第三分布式控制节点DCN3。

第二配电块PDB2连接到第三本地配电块LPDB3，第三本地配电块LPDB3通过第一和第二电力轨PR1、PR2连接到第五分布式控制节点DCN5。两个配电块PDB1、PDB2以及本地配电块LPDB1、LPDB2、LPDB3可每个包含在轨PR1、PR2中的每个上的过电流保护单元OCP。

连接第三本地配电块LPDB3和第五分布式控制节点DCN5的电力轨PR1、PR2的部分可以是低电压或极低的电压，例如24V。第一电源PS1和第二电源PS2可具有不同的电力特性。仅作为例子，第一电源PS1可以是由UPS供电的560VDC的电源，而第二电源PS2可以是由电网供电并且可选地也连接到一UPS的400V AC的电源。

分布式控制节点DCN1-DCN5中的每个还可包括以控制逻辑电路的形式的分布式控制系统单42（与第一、第二、第三和第四分布式控制节点DCN1-DCN4相关的未示出），该控制逻辑电路单独地或与其它分布式控制节点的其它分布式控制系统组合地形成风力涡轮机的完整控制系统。此外，分布式控制节点DCN1-DCN5中的每个还可包括输出端44（与第一、第二、第三和第四分布式控制节点DCN1-DCN4相关的未示出）。

分布式控制节点DCN1-DCN5中的每个还可包括用于在两个电力轨PR1和PR2之间选择且因此在两个电源PS1和PS2之间选择的一个或两个装置43a、43b（例如开关）。因此，每个分布式控制节点DCN1、DCN2、DCN3……DCNn能够选择两个电力轨PR1、PR2中的应从中提供电力的电力轨。例如，如果第一电力轨PR1出故障，则可从第二电力轨PR2向所有分布式控制节点DCN1-DCN5馈电。此外，如果来自第一电力轨PR1的电力的可用量是有限的，则一些分布式控制节点可连接到第一电力轨PR1，而其余的分布式控制节点可连接到第二电力轨PR2。图4示出根据本发明的实施例的用于以冗余方式向风力涡轮机控制系统的一个或多个用电器提供电力的方法101。该方法在步骤102开始，并继续进行到步骤103，其中第一电力轨被提供。在随后的步骤（步骤105）中，第二电力轨被提供。随后的步骤（步骤107）包括选择第一或第二电力轨以便从第一电力轨或第二电力轨向控制系统的一个或多个用电器的至少部分提供电力。该方法在步骤108结束。

图5示出根据本发明的实施例的示例性风力涡轮机100。如图5所示，风力涡轮机100包括塔110、机舱120和转子130。在本发明的一个实施例中，风力涡轮机100可以是陆上风力涡轮机。然而，本发明的实施例不仅限于陆上风力涡轮机。在可替代实施例中，风力涡轮机100可以是位于水体（例如湖、海洋等）之上的离岸风力涡轮机。

风力涡轮机100的塔110可配置成将机舱120和转子130升高到强的、较不混乱的且通常没有障碍的空气流可由转子130接纳时的高度。塔110的高度可以是任何合理的高度。塔110可由任何类型的材料（例如钢、混凝土等）制成。在一些实施例中，塔110可由整体材料制成。然而，在可替代的实施例中，塔110可包括多个区段，例如，如图5所示，两个或多个管状钢区段111和112。在本发明的一些实施例中，塔110可以是格架塔。相应地，塔110可包括焊接的钢剖面。

转子130可包括转子毂（在下文中被简单地称为“毂”）131和至少一个叶片132（图5中示出三个这样的叶片132）。转子毂131可配置成将至少一个叶片132耦合到轴（未示出）。在一个实施例中，叶片132可具有流线型剖面，使得在预定义的风速下，叶片132经历提升，从而使叶片绕着毂径向旋转。舱120可包括被配置成将叶片的空气力学能量转换成轴的旋转能并将轴的旋转能转换成电能的一个或多个部件。

风力涡轮机100可包括用于监测与例如环境条件、风力涡轮机负载、性能度量等相关的多个参数的多个传感器。例如，应变计133被示出在叶片132上。在一个实施例中，应变计133可配置成探测叶片132的弯曲和/或扭曲。关于叶片的弯曲和扭曲的信息可能对执行减少叶片132上的负载的一个或多个操作来说是必要的，负载可能例如在高阵风期间出现。在这样的情况下，叶片可倾斜以减小负载，从而防止对叶片的损坏。

图5还示出可放置在塔110上的加速度计113。加速度计113可配置成探测可能由于风力涡轮机100上的负载而引起的塔110的水平运动和弯曲。由加速度计113捕获的数据可用于执行用于减小风力涡轮机100上的负载的一个或多个操作。在本发明的一些实施例中，加速度计113可放置在舱120上。

图5还示出风传感器123。风传感器123可配置成探测在风力涡轮机100处或附近的风的方向。通过探测风的方向，风传感器123可提供可确定将风力涡轮机100偏航到风中的操作的有用的数据。风传感器123还可探测风的速度。风速数据可用于确定允许叶片132从风捕获期望量的能量的适当倾斜角。在一些实施例中，风传感器123可与可提供关于风力涡轮机周围的环境的额外数据的温度传感器、压力传感器等集成。这样的数据可用于确定风力涡轮机的一个或多个操作参数以便于通过风力涡轮机100捕获期望量的能量。

Claims

1.一种用于风力涡轮机控制系统的冗余电力供应系统(10、11、12)，所述电力供应系统(10、11、12)适合于向风力涡轮机控制系统的一个或多个用电器供应电力，所述冗余电力供应系统包括：

-第一电力轨(PR1)，

-第二电力轨(PR2)，以及

-开关装置(331、332、333、334、33n；33；43a、43b)，其适合于选择所述第一电力轨(PR1)或所述第二电力轨(PR2)，以便从所述第一电力轨(PR1)或所述第二电力轨(PR2)向用电器的至少部分提供电力。

2.根据权利要求1所述的冗余电力供应系统(10、11、12)，其中，第一电力轨和第二电力轨是能够独立操作的。

3.根据权利要求1或2所述的冗余电力供应系统(10、11、12)，其中，所述一个或多个用电器中的每个包括适合于在所述第一电力轨和所述第二电力轨之间选择的集成开关装置。

4.根据权利要求1或2所述的冗余电力供应系统(10、11、12)，还包括在所述第一电力轨与所述一个或多个用电器中的若干个之间的过电流保护装置。

5.根据权利要求1或2所述的冗余电力供应系统(10、11、12)，还包括在所述第二电力轨与所述一个或多个用电器中的若干个之间的过电流保护装置。

6.根据权利要求1或2所述的冗余电力供应系统(10、11、12)，其中，所述一个或多个用电器包括一个或多个分布式控制节点。

7.根据权利要求6所述的冗余电力供应系统(12)，还包括连接在配电块(PDB1、PDB2)和所述一个或多个分布式控制节点(DCN1、DCN2、DCN3、DCN4、DCN5)之间的一个或多个本地配电块(LPDB1、LPDB2、LPDB3)。

8.根据权利要求7所述的冗余电力供应系统(12)，其中，在所述一个或多个本地配电块(LPDB1、LPDB2、LPDB3)与所述一个或多个分布式控制节点(DCN1、DCN2、DCN3、DCN4、DCN5)之间的连接是低电压或极低电压电力轨。

9.根据权利要求1或2所述的冗余电力供应系统(10、11、12)，其中，所述第一电力轨(PR1)和所述第二电力轨(PR2)连接到具有不同的电力特性的不同电力供应(PS1、PS2)。

10.一种包括根据前述权利要求中的任一项所述的冗余电力供应系统(10、11、12)的风力涡轮机。

11.一种用于以冗余方式向风力涡轮机控制系统的一个或多个用电器提供电力的方法(100)，所述方法包括下列步骤：

-提供第一电力轨，

-提供第二电力轨，以及

-选择所述第一电力轨或所述第二电力轨，以便从所述第一电力轨或所述第二电力轨向所述控制系统的一个或多个用电器的至少部分提供电力。

12.根据权利要求11所述的方法(100)，其中，根据来自所述第一电力轨和所述第二电力轨的电力的可用性来执行选择电力轨的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法(100)，其中，如果来自所述第二电力轨的电力的可用量是不足的，则选择所述第一电力轨。

14.根据权利要求12所述的方法(100)，其中，如果来自所述第一电力轨的电力的可用量是不足的，则选择所述第二电力轨。