CN104747373A - 用于保护风力涡轮机电池备用变桨控制系统的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的用于风力涡轮机的变桨控制系统包括分配至每个变桨驱动马达的备用电池组，其中每个电池组具有串联连接的多个单独的电池。电池充电器在电池组中的每个电池的两端并联连接。保护电路与每个电池充电器一起配置，并且包括电压比较器电路，该电压比较器电路检测施加至电池充电器的高于阈值的反向电压，以使电池充电器与反向电压隔离。

Description

用于保护风力涡轮机电池备用变桨控制系统的系统和方法

技术领域

本发明通常涉及用于风力涡轮机的变桨控制系统的领域，并且更具体地，涉及用于保护这样的变桨控制系统的备用的电池免受反向极性状况的系统。 

背景技术

常规的风力涡轮机的变桨控制系统通常包括紧急变桨控制能力，从而如果发生AC控制功率的损耗或开始紧急关闭，则保护风力涡轮机免受超速状况。在AC功率的下降或损耗（例如，来自电网功率的损耗）的检测后，系统起动以使叶片变桨至使轮毂减速或停止的位置。已知的紧急变桨控制系统为了该目的而利用例如分配至每个叶片变桨驱动的4至8个电池的备用电池组。 

美国专利No. 7,740,448描述电池备用变桨控制系统，其中，存储在DC链路电容器中的能量首先用于在发生AC输入功率的损耗或下降的情况下操作变桨控制系统。当在紧急系统的操作的期间电压降低时，充电的备用电池维持DC链路上的电荷。在电路中使用二极管，以在DC链路电压高于电池电压时，防止备用电池的不受控制的充电。熔断器防止在发生DC链路上的短路的情况下对电池的损害。 

美国专利No. 7,642,748描述用于对在风力涡轮机的紧急变桨控制系统中串联连接的一系列备用电池进行充电的系统。对于独立性和针对具体的电池要求而定制的电荷分布，电池充电器并联耦合至每个相应的电池。 

对于其中多个充电器分配至组内的相应的电池的系统，诸如在上文中讨论的美国专利No. 7,642,748中的系统，某些电池故障模式可能导致对充电器的损害。一个这样的模式是，在电池在开路中或在高阻抗故障模式下出故障时出现的反向极性状况，并且执行紧急变桨操作。在该情况下，施加在坏的电池及其相应的充电器上的电压反向，其中该反向极性电压是组中的剩余的电池的总和。另一个模式出现在当该组连接至变桨驱动马达时组中的电池瞬态地开路时。存储在马达绕组中的能量导致损害充电器的大的瞬态电流。 

本发明提供保护电池充电器免受在上文中讨论的故障模式的系统。 

发明内容

本发明的方面和优点将在以下的描述中部分地陈述，或可以从描述显而易见，或可以通过本发明的实践而认识到。 

根据本发明的方面，提供一种用于风力涡轮机的变桨控制系统，其中，风力涡轮机具有耦合至轮毂的一个或更多转子叶片和分配至转子叶片的每个的变桨驱动马达。该系统包括分配至每个变桨驱动马达的备用电池组，其中每个电池组具有串联连接的多个单独的电池。电池充电器在电池组中的每个电池的两端并联连接。某些电池故障模式可能导致对充电器的损害。如在上文中所讨论的，一个这样的模式是，当电池在开路中或在高阻抗状态下出故障，从而导致充电器处的反向极性电压状况时出现的反向极性状况。另一个模式在当电池组连接至变桨驱动马达时电池瞬态地开路，从而导致会损害充电器的大的瞬态电流时出现。为了保护充电器，保护电路与每个电池充电器一起配置。保护电路包括电压比较器电路，该电压比较器电路检测施加至电池充电器的高于阈值的反向电压，以开始电池充电器与电池的隔离（并且从而与反向电压隔离）。 

在特定的实施例中，保护电路包括开关装置，在检测到高于阈值的反向电压后起动该开关装置，以隔离电池充电器。电池充电器中的控制器可以被配置成控制阈值和开关装置的开关滞后。 

为了免受瞬态电流浪涌，保护电路还可以包括在电池充电器与电池之间并联连接的浪涌抑制器，以抑制备用变桨控制系统的操作的期间的瞬态开路电池状态所造成的线路电压尖峰。浪涌抑制器可以例如是变阻器，诸如金属氧化物变阻器（MOV）。 

在某些实施例中，变桨控制系统可以包括中央控制器和中央控制器与电池充电器的每个之间的通信链路，其中，充电器将保护电路的起动报告至中央控制器。这些报告可以触发指示电池故障并要求校正/维护行动的警报或警告。中央控制器可以是风力涡轮机控制器，该控制器又可以将该状况传送至现场控制器或远程监测站。在另一个实施例中，充电器可以经由通信链路而与远程现场控制器或非现场监测站直接通信。 

本发明还包含根据在上文中讨论的方面的用于控制风力涡轮机的备用变桨控制系统的各种方法。在特定的实施例中，该方法要求不但对变桨控制系统中的每个变桨驱动而配置串联的多个备用电池，而且将充电电路与单独的电池的每个一起配置。如果发生至变桨控制系统的线路功率的损耗或风力涡轮机的紧急关闭，则电池连接至其相应的变桨驱动。在每个充电电路，该方法包括对由于相关联的电池的故障而产生的反向电压状况的监测。在检测到高于阈值的反向电压后，例如通过将充电电路从电池断开而将充电电路从反向电压断开。 

该方法可以包括利用任何方式的合适的电压比较器电路的对反向电压的监测。本发明不限于特定的电压比较器，并且，可以为了该目的而配置任何数量的已知的电压比较器。该方法可以包括利用与充电电路相关联的控制器来调整比较器电路的阈值电压。 

在特定的实施例中，该方法包括利用在检测到反向电压处于阈值后起动的开关装置来将充电电路从电池断开。开关装置的开关滞后可以由与充电电路相关联的控制器控制/调整。 

该方法还可以包括利用在电池与充电电路之间并联连接的诸如MOV或MOV/电容器组合的浪涌抑制器来保护充电电路免受瞬态线路电压浪涌。 

该方法还可以包括将高于阈值的反向电压的检测从充电电路传送至中央风力涡轮机控制器或为多个风力涡轮机所共用的中央现场控制器或至非现场监测站。 

按照本公开的第一方面，提供一种用于风力涡轮机的变桨控制系统，其中，所述风力涡轮机具有耦合至轮毂的一个或更多转子叶片和分配至所述转子叶片的每个的变桨驱动马达，所述系统包括： 

分配至每个变桨驱动马达的备用电池组，每个电池组具有串联连接的多个单独的电池；

在所述电池组中的每个电池的两端并联连接的电池充电器；

与每个电池充电器一起配置的保护电路，所述保护电路包括电压比较器电路，该电压比较器电路检测施加至所述电池充电器的高于阈值的反向电压，以使所述电池充电器与所述反向电压隔离。

按照第一方面的变桨控制系统，其中，所述保护电路还包括开关装置，在检测到高于所述阈值的所述反向电压后起动该开关装置，以隔离所述电池充电器。 

按照第一方面的变桨控制系统，还包括被配置成控制所述阈值和所述开关装置的开关滞后的电池充电器控制器。 

按照第一方面的变桨控制系统，其中，所述保护电路还包括在所述电池充电器与电池之间并联连接的浪涌抑制器，以抑制所述备用变桨控制系统的操作的期间的瞬态开路电池状态所造成的线路电压尖峰。 

按照第一方面的变桨控制系统，其中，所述浪涌抑制器包括MOV（金属氧化物变阻器）或MOV/电容器组合。 

按照第一方面的变桨控制系统，还包括中央控制器和所述中央控制器与所述电池充电器的每个之间的通信链路，其中，经由所述通信链路而将所述保护电路的起动报告至所述中央控制器。 

按照第一方面的变桨控制系统，其中，所述中央控制器是风力涡轮机控制器。 

按照第一方面的变桨控制系统，其中，所述中央控制器是为多个风力涡轮机所共用的现场控制器。 

按照本公开的第二方面，提供一种用于控制风力涡轮机的备用变桨控制系统的方法，包括： 

对所述变桨控制系统中的每个变桨驱动，配置串联的多个电池；

将充电电路与所述单独的电池的每个一起配置；

如果发生线路功率的损耗或所述风力涡轮机的紧急关闭，则将所述电池连接至所述变桨驱动；

在每个充电电路，对由于相关联的电池的故障而产生的反向电压状况进行监测；以及

在检测到高于阈值的反向电压后，将所述充电电路从所述电池断开。

按照第二方面的方法，包括利用电压比较器电路对所述反向电压进行监测。 

按照第二方面的方法，包括利用与所述充电电路相关联的控制器来调整所述阈值电压。 

按照第二方面的方法，包括利用在检测到所述反向电压处于所述阈值后起动的开关装置来将所述充电电路从所述电池断开。 

按照第二方面的方法，包括利用与所述充电电路相关联的控制器来调整所述开关装置的开关滞后。 

按照第二方面的方法，还包括利用在所述电池与所述充电电路之间并联连接的浪涌抑制器来保护所述充电电路免受瞬态线路电压浪涌。 

按照第二方面的方法，还包括将高于所述阈值的所述反向电压的检测从所述充电电路传送至中央风力涡轮机控制器。 

按照第二方面的方法，还包括将高于所述阈值的所述反向电压的检测从所述充电电路传送至为多个风力涡轮机所共用的中央现场控制器。 

参考以下的描述和所附权利要求，本发明的这些及其他特征、方面以及优点将变得更好理解。合并在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并且，与描述一起用来解释本发明的原理。 

附图说明

参考附图，在说明书中陈述针对本领域普通技术人员的包括最佳模式的本发明的完整的且可实现的本公开，在附图中： 

图1是常规的风力涡轮机的透视图；

图2是常规的风力涡轮机的机舱的内部部件视图；

图3是根据本发明的方面的变桨控制电池备用系统的实施例的图解视图；

图4是根据本发明的方面的保护电路的实施例的图解视图；以及

图5是保护电路的另一个实施例的更详细的图解视图。

具体实施方式

现在，详细地参考本发明的实施例，在附图中图示实施例的一个或更多示例。每个示例都是作为本发明的解释而不是本发明的限制而提供的。实际上，对所属领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的范围或实质的情况下，能够在本发明中作出各种变型和变化。例如，能够将作为一个实施例的一部分而说明或描述的特征与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。从而，由于这样的变型和变化在所附权利要求及其等效物的范围内，因而本发明意在涵盖这样的变型和变化。 

现在参考附图，图1图示可以实现本发明的系统和方法的方面的常规的风力涡轮机10的一个实施例的透视图。风力涡轮机10包括从支承表面14延伸的塔筒12、安装在塔筒12上的机舱16以及耦合至机舱16的转子18。转子18包括可旋转的轮毂20和耦合至轮毂20并从轮毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在所图示的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。每个转子叶片22围绕轮毂20而隔开，以促进转子18旋转，从而实现动能从风能转换为可用的机械能，并且，随后转换为电能。例如，轮毂20可旋转地耦合至用于产生电能的定位在机舱16内的发电机24（图2）。 

风力涡轮机10还可以包括风力涡轮机控制器26，该风力涡轮机控制器26集中于机舱16内，或位于风力涡轮机10的任何其他部件内，或在风力涡轮机的外侧的位置处。而且，控制器26可以通信地耦合至风力涡轮机10的任何数量的部件，以便如在本文中所描述地操作这样的部件和/或实现变桨控制功能。 

参考图2，图示常规的机舱16的内部视图。如图所示，发电机24耦合至转子18，以便从由转子18生成的旋转能产生电功率。转子18可以包括转子轴34，该转子轴34耦合至轮毂20，以便与轮毂20一起旋转。转子轴34又通过齿轮箱38而可旋转地耦合至发电机24的发电机轴36。如通常所理解的，转子轴34响应于转子叶片22和轮毂20的旋转而将低速且高转矩的输入提供至齿轮箱38。齿轮箱38被配置成将低速且高转矩的输入转换为高速且低转矩的输出，以驱动发电机轴36，并且，从而驱动发电机24。风力涡轮机10还可以包括转换器（未示出），该转换器被配置成将发电机24连接至电网并确保持续的能量供应。更具体地，转换器被配置成将预定的转矩需求转换为旋转功率，以驱动发电机24。 

风力涡轮机10可以包括通信地耦合至控制器26的一个或更多偏航驱动机构66，每个偏航驱动机构66被配置成（例如，通过啮合风力涡轮机10的偏航轴承68）改变机舱16相对于风的角度。 

风力涡轮机10包括变桨控制系统，其中，每个转子叶片22具有被配置成使每个转子叶片22围绕其变桨轴28而旋转的变桨调整机构32（图1）。而且，每个变桨调整机构32可以包括变桨驱动马达40（例如，任何合适的电动、液压或气动马达）、变桨驱动齿轮箱42以及变浆驱动小齿轮44。在这样的实施例中，变桨驱动马达40可以耦合至变桨驱动齿轮箱42，以便变桨驱动马达40对变桨驱动齿轮箱42给予机械力。类似地，变桨驱动齿轮箱42可以耦合至变桨驱动小齿轮44，以便与该变桨驱动小齿轮44一起旋转。变桨驱动小齿轮44又可以与耦合在轮毂20与相应的转子叶片22之间的变桨轴承46旋转啮合，以致于变桨驱动小齿轮44的旋转引起变桨轴承46的旋转。从而，在这样的实施例中，变桨驱动马达40的旋转驱动变桨驱动齿轮箱42和变桨驱动小齿轮44，由此使变桨轴承46和转子叶片22围绕变桨轴28而旋转。 

在正常的操作条件下，变桨控制系统由控制器26控制，以使叶片22依照各种控制和功率生成参数的函数而变桨。用于变桨控制系统的功率，具体地，用于驱动马达40的功率，从下游的电网供应。如在下文中更详细地讨论的，根据电网功率的损耗或来自控制器26的紧急关闭命令，电池备用系统将功率供应至相应的驱动马达40。 

图3是根据本发明的方面的合并对电池备用系统的某些保护功能的变桨控制系统100的简图。系统100包括分配至每个变桨驱动马达40（图2）的电池组102。相应的电池组102包括串联连接以提供大约等于单独的电池104的组合的输出的功率输出的多个单独的电池104。在图3中所图示的示例中，在电池组102中，五个电池104串联连接。如在本领域中众所周知的，如果发生系统功率的损耗和/或为了开始实施紧急关闭，将开关继电器106闭合，以完成电池组102与相应的驱动马达40之间的电路，从而提供持续的驱动功率以实现叶片22的可变的叶片变桨控制。 

仍然参考图3，在电池组102中的每个电池104的两端并联连接有电池充电器电路108。电池充电器电路108用来将相应的电池104维持在充电状态（可获得线路功率）并控制电池104的充电和放电功能。应当意识到，电池充电电路108是众所周知的，并且，系统100不限于任何特定的充电电路108。例如，在2010年1月5日发布并转让给通用电气公司的美国专利No. 7,642,748中，描述示范性的电池充电电路108。参考图4和5，电池充电电路108典型地包括控制器118，以控制其操作功能。 

参考图3，为了保护充电电路108免于在上文中所讨论的故障状况（例如，反向极性和瞬态电压尖峰状况），保护电路110与每个电池充电器108一起配置。保护电路110包括电压比较器电路，该电压比较器电路的部件由图4中的参考标号112总体地表示。电压比较器电路检测到施加至电池充电器108的高于阈值的反向电压，于是，开始行动，以使电池充电器108与反向极性电压隔离。 

参考图4，通常，电压比较器电路112感测由电池处的开路或高阻抗故障造成的电池两端上的反向端电压，并且，将所检测到的反向电压与阈值电压相比较。如果超过阈值电压，则采取行动来使充电器隔离。阈值电压可以由充电器控制器118设置在不导致对充电器108的损害的值。在图4和5中陈述的电压比较器电路112的实施例是为了说明性的目的。应当意识到，已知可以利用本系统100来实现的任何数量的常规的电压比较器电路和技术，并且，本发明不限于任何特定的类型或配置的电压比较器。 

参考图4和5，在所图示的实施例中，保护电路110包括开关装置116，在检测到高于阈值的反向电压后，由比较器电路112起动该开关装置116，以使电池充电器108隔离。如在图4中所描绘的，充电器控制器118还可以被配置成控制开关装置116的开关滞后。 

参考图4，为了免受备用变桨控制系统的操作的期间的电池104的瞬态开路状态所造成的瞬态电流浪涌和电压尖峰，保护电路110还可以包括在电池充电器108与电池之间并联连接的浪涌抑制器114。各种类型的浪涌抑制器是已知的，并且，就此而言，可以使用。在特定的实施例中，如在图4中所描绘的，浪涌抑制器114可以是单独的或与并联电容器组合的变阻器，诸如金属氧化物变阻器（MOV）。电池104的瞬态开路状态会导致来自变桨马达40的绕组的某一量的漏电感电流，该量可以是总马达电感的大约20%。MOV和电容器的组合被设计为吸收或耗散存储于漏电感中的能量。本质上，MOV用于使电感电流“惯性滑行”。 

如在图4和5中所描绘的，保护电路110可以与充电器108整体地配置。在例如在图3中所描绘的备选的实施例中，保护电路110的部件可以与充电器108分离，并且可以与充电器108并联连接。 

图5呈现保护电路110的实施例更详细的图解，其中电池104处于开路故障状态，由此，在电池两端生成反向极性电压。在图5中，U1是运算放大器，并且D3是用于设置电压阈值的齐纳二极管。一旦来自U1的电压高于齐纳电压，电流就流过二极管并且使晶体管Q2导通。在无电流流过D3的情况下，Q2截止。从而，D3、Q2以及Q3形成图5的实施例中的比较器功能。对于PCB尺寸约束，可以期望该配置。然而，应当意识到标准的比较器可以用于相同的功能。 

在正常的操作条件下，当来自电池104的电压是例如12V时，U1的输出是12V。如在上文中所讨论的，这样的来自U1的输出电压创建通过R1、D3和晶体管Q2的基极的导致晶体管Q2导通的电流。在示范性的配置中，点A处的电压是大约5.8V。一旦Q2导通，Q3就截止。Q1的栅极从电源P20通过电阻器R7而充电，并且由齐纳D2箝位为例如12V。另外的小电流流过电阻器R2以促进Q2导通。Q2的导通然后使Q1导通。 

在故障状况下，即在电池104在开路状况下出故障的情况下，比较器112观察反向电压，然后将产生低的输出电压，示范性地产生零伏输出，或无论如何产生足够低的电压以致通过R1、D3和晶体管Q2的基极的电流导致晶体管Q2截止。在晶体管Q2截止后，经由来自电源P20的电流和通过电阻器R4进入晶体管Q3的基极中的电流而使晶体管Q3导通。晶体管Q3的导通使电压从晶体管Q1的栅极的分流，并且导致晶体管Q1停止传导，即截止。在晶体管Q1截止的情况下，充电器108从电池104断开，以便保护充电器104免受由剩余的串联连接的电池生成的反向电压。在这样的状况下，由于MOV 114依然并联耦合在至保护电路110的电池连接的两端，因而MOV 114动作以保护比较器电路。 

在某些实施例中，如在图3中所描绘的，变桨控制系统100可以包括中央控制器120和中央控制器120与电池充电器108的每个之间的通信链路122。利用该配置，充电器108能够将保护电路110的起动报告至中央控制器120。这些报告可以触发指示电池故障并要求校正/维护行动的警报或警告。中央控制器120可以是风力涡轮机控制器26（图2），该控制器又可以将该状况传送至现场控制器或非现场远程监测站。在另一个实施例中，中央控制器120可以是现场控制器或非现场监测站，其中，充电器108与这样的控制器120直接通信。 

本发明还包含根据在上文中讨论的方面的用于控制风力涡轮机的备用变桨控制系统的各种方法。在特定的实施例中，该方法要求不但对变桨控制系统中的每个变桨驱动而配置串联的多个备用电池，而且将充电电路与单独的电池的每个一起配置。如果发生至变桨控制系统的线路功率的损耗或风力涡轮机的紧急关闭，则电池连接至其相应的变桨驱动。在每个充电电路，该方法包括对由于相关联的电池的故障而产生的反向电压状况的监测。在检测到高于阈值的反向电压后，例如通过将充电电路从电池断开而使充电电路与反向电压隔离。 

该方法可以包括利用任何方式的合适的电压比较器电路的对反向电压的监测。本发明不限于特定的电压比较器，并且，可以为了该目的而配置任何数量的已知的电压比较器。该方法可以包括利用与充电电路相关联的控制器来调整比较器电路的阈值电压。 

在特定的实施例中，该方法包括利用在检测到反向电压处于阈值后起动的开关装置来将充电电路从电池断开。开关装置的开关滞后可以由与充电电路相关联的控制器控制/调整。 

该方法还可以包括利用在电池与充电电路之间并联连接的诸如MOV或MOV/电容器配置的浪涌抑制器来保护充电电路免受瞬态线路电压浪涌。 

本书面说明使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求定义，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例旨在包括不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质的差异的等效的结构元件，则它们旨在处于权利要求的范围内。 

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机的变桨控制系统，其中，所述风力涡轮机具有耦合至轮毂的一个或更多转子叶片和分配至所述转子叶片的每个的变桨驱动马达，所述系统包括：

分配至每个变桨驱动马达的备用电池组，每个电池组具有串联连接的多个单独的电池；

在所述电池组中的每个电池的两端并联连接的电池充电器；

与每个电池充电器一起配置的保护电路，所述保护电路包括电压比较器电路，该电压比较器电路检测施加至所述电池充电器的高于阈值的反向电压，以使所述电池充电器与所述反向电压隔离。

2.如权利要求1所述的变桨控制系统，其中，所述保护电路还包括开关装置，在检测到高于所述阈值的所述反向电压后起动该开关装置，以隔离所述电池充电器。

3.如权利要求2所述的变桨控制系统，还包括被配置成控制所述阈值和所述开关装置的开关滞后的电池充电器控制器。

4.如权利要求1所述的变桨控制系统，其中，所述保护电路还包括在所述电池充电器与电池之间并联连接的浪涌抑制器，以抑制所述备用变桨控制系统的操作的期间的瞬态开路电池状态所造成的线路电压尖峰。

5.如权利要求4所述的变桨控制系统，其中，所述浪涌抑制器包括MOV（金属氧化物变阻器）或MOV/电容器组合。

6.如权利要求1所述的变桨控制系统，还包括中央控制器和所述中央控制器与所述电池充电器的每个之间的通信链路，其中，经由所述通信链路而将所述保护电路的起动报告至所述中央控制器。

7.如权利要求6所述的变桨控制系统，其中，所述中央控制器是风力涡轮机控制器。

8.如权利要求6所述的变桨控制系统，其中，所述中央控制器是为多个风力涡轮机所共用的现场控制器。

9.一种用于控制风力涡轮机的备用变桨控制系统的方法，包括：

对所述变桨控制系统中的每个变桨驱动，配置串联的多个电池；

将充电电路与所述单独的电池的每个一起配置；

如果发生线路功率的损耗或所述风力涡轮机的紧急关闭，则将所述电池连接至所述变桨驱动；

在每个充电电路，对由于相关联的电池的故障而产生的反向电压状况进行监测；以及

在检测到高于阈值的反向电压后，将所述充电电路从所述电池断开。

10.如权利要求9所述的方法，包括利用电压比较器电路对所述反向电压进行监测。