CN104779693B - 风力涡轮机变桨系统的运转方法 - Google Patents

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Abstract

一种风力涡轮机变桨系统的运转方法，其中所述变桨系统至少具有一电源电压测量设备（5），每个输入整流器（1）至少具有一半导体开关元件（6），依靠半导体开关元件（6）从供电网络（3）流入相应的输入整流器（1）的电流可以被闭塞，由此每个电源电压测量设备（5）测量所述供电网络（3）的电压，并且如果供电网络（3）的测量电压或从几个测量电压中得到的计算值超过了第一电压值，那么每个半导体开关元件（6）闭塞了从供电网络（3）流入相应的输入整流器（1）的电流，并且每个变桨系统（2）由相连的紧急电源存储设备（4）提供电力。

Description

风力涡轮机变桨系统的运转方法
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮机变桨系统的运转方法，其中风力涡轮机至少具有一个转子叶片，由此变桨系统至少具有一个输入整流器和变桨驱动器，由此每个转子叶片可以通过一个变桨驱动器或至少多个变桨驱动器的其中之一围绕它的纵轴旋转，每个输入整流器通过供电网络提供交流电压，并且每个变桨驱动器通过一个输入整流器或至少多个输入整流器的其中之一提供电力，每个变桨系统连接至一个紧急电源存储设备，由此每个变桨系统可以通过连接的紧急电源存储设备提供电力。
背景技术
供电网络可以是，例如普通电网或一个风力涡轮机的内部供电网络，风力涡轮机由它自身的发电机供电，或由另外的能源供电，如一个柴油发电机或一个光伏装置。
现代的风力涡轮机通常装备有电动变桨系统，电动变桨系统至少具有一个变桨驱动器。在大多数情况下，至少一个变桨驱动器具有转子叶片。由于转子叶片围绕它们的纵轴旋转，变桨系统根据风的情况，调节转子叶片的位置，并且它们经常是使风力涡轮机的转子停止的唯一可靠方式。其过程是，单个或多个变桨驱动器转动转子叶片至所谓的顺浆位置，使转子静止，并且不再被风所驱动。变桨系统通常通过网络提供电力，风力涡轮机也向变桨系统提供它产生的电力。如果网络发生故障，就会出现危险情况，例如，在风力抬升时，如果风力涡轮机的转子的旋转速度超过了可允许的最大值，这会使风力涡轮机可能受到损坏，或者附近出现的人们可能受到伤害。
为了避免此种危险情况的发生，即使在网络发生故障时，必须能够把转子叶片转到顺浆位置，即使在变桨系统不再由外部网络供电时，也需如此。为达到此目的，已知的现有技术提出在网络故障的情况下，为变桨系统提供一个或更多的紧急电源设备，以确保输至变桨系统的电源，以及变桨系统的可用性，至少坚持到转子叶片移动至安全的顺浆位置。
变桨驱动器可具有，例如一个逆变器或一个电子变桨马达。这里，此逆变器通过一个输入整流器提供电力，由此逆变器使用此电源运行变桨马达。直流的马达和交流马达都是一个变桨马达的可用选项。
现有技术已知的变桨系统具有一些缺点，即它们对过电压很敏感，并且无法继续维持运转，即使供电网络中的过电压非常微小。
供电网络中的过电压可以由，例如闪电击中所引起。依据闪电击中的部位不同和闪电的能量进入供电网络的方式不同，需保护的变桨系统的电压变化的非常剧烈。因而，现有技术使用过压保护设备保护已有的变桨系统抵御微小的过压。通常已知的过压保护设备使用，例如压敏电阻，抑制二极管或气体放电管。一般来说，压敏电阻用于保护变桨系统。
尽管存在过压保护设备，如果一个变桨系统受到甚至只是一个简短的过压，由于安全原因会立即启动一个紧急操作，即所有的转子叶片被转到顺浆位置。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提出一种方法，以用于风力涡轮机变桨系统的运转，即使在现代的过电压网络的情况下，也能允许变桨系统进行持续的运转。
上述设想的目的在上述方法的基础上实现，以用于风力涡轮机变桨系统的运转，其中变桨系统至少具有一个供电电压测量设备，每个输入整流器至少具有一个半导体开关元件，依靠此半导体开关元件，可以闭塞从供电网络至相应的输入整流器的电流，由此每个供电电压测量设备测量供电网络的电压，并且如果供电网络的测量电压或一个源自一些测量电压的计算值超过了第一电压值，则每个半导体开关元件闭塞了从供电网络至相应的输入整流器的电流，并且每个变桨驱动器通过连接的紧急电源存储设备提供电力。
根据本发明，此方法使变桨驱动器免受供电网络中的过电压的威胁。这是基于一个惊人的发现，即当半导体开关元件处于闭塞模式时，它们比变桨驱动器具有一个更高的过压电阻。因此，为了保护变桨驱动器，闭塞从供电网络至一个或多个输入整流器的电流是足够的，以便于保护变桨系统的其它组件免受供电网络中的过电压的威胁。随后，供电网络的电压可以参考供电网络的测量电压和一个从几个测量电压中得出的计算值。
根据本发明，所有变桨系统的的电源可来自于一单个紧急电源存储设备。然而在本发明的范围内，也可能为每个变桨驱动器提供一个或多个紧急电源存储设备。
为了保护变桨系统免受过电压的威胁，其中的过电压超过了半导体开关元件的过压电阻或快于半导体开关元件的响应时间，可使用现有技术中已知类型的过压保护设备。这样一个过压保护设备通常设置于供电网络和一个或多个输入整流器中。
此外，已经证实过压保护设备具有一监控模块是有利的，由此监控模块可发出一个告警信号和/或一个出错信号。
当过压保护设备在某一时期内不得不被替换时，一个告警信号被发出。过压保护设备的替换时必需的，例如如果过压保护设备由于老化不再为过电压提供可靠的保护。过压保护设备不得不被替换的某一时期基本上取决于过压保护设备的老化状态。不考虑告警信号，过压保护设备每隔一段时间的替换，可同样确保过压保护设备总是能提供足够的过压保护，而免受供电网络的过电压的威胁。
如果过压保护设备有一个缺陷，此缺陷影响了它的过压保护功能，一个出错信号被发出了。在此情况下，出错信号可用于启动一个紧急操作。此外，出错信号也可用于防止变桨系统—以及整个风力涡轮机—被再次启动。因此，告警信号和出错信号有本质上的不同。鉴于变桨系统可在出现告警信号的情况下继续运行一段时间，一个出错信号通常引起一个紧急操作以及风力涡轮机的停转，既然整个变桨系统可能由于一个进一步的过电压而导致故障。
上面提到的两个信号可以特别的具有视觉或听觉属性。对于监视模块至少具有一个—特别是数字的—输出，或至少具有一个开关触头，以用于每种信号类型，通过它信号可以输出至一个上一级的控制单元，这是有优势的。
根据本发明的一个有利的改进，如果至少一个半导体开关元件被切换成闭塞模式的时间久于第一时间段，则启动一紧急操作。既然存储在一个或多个紧急电源存储设备中的电力是有限的，变桨系统不可能永远运行于闭塞的半导体开关元件之下。因而，为了确保风力涡轮机的安全，必须以一个及时的方式执行一个紧急操作。这个操作可以例如通过使用一定时器来完成，定时器用于测量一个或多个半导体开关元件已经切换的多长时间，以及自动的启动紧急操作，如果已经超过第一时间段的话。
本发明的一个有利的实施例，其特征在于，如果供电网络的测量电压超过了第二电压值，则启动一紧急操作。既然变桨系统的保护受到一个或多个半导体开关元件的过压电阻的限制，这实现了在一个过电压达到或在一个安全范围内接近过压电阻时，风力涡轮机通过一个紧急操作被改变成安全模式。
根据本法明的一个特别有利的改进，在供电网络和一个或多个输入整流器间的连接处，设置了一个干线接触器，由此每个输入整流器可通过干线接触器从供电网络中断开，如果供电网络的测量电压超过了第二电压值的话。既然干线接触器可以带来变桨系统的一个电绝缘隔离供电网络，此干线接触器的使用可以非常有效的保护变桨系统免遭进一步的过电压的威胁。
在本发明的一个优选的实施例中，第二电压值大于第一电压值。以此方式，干线接触器只有在一个或多个半导体开关元件闭塞电流的情况下打开，此情况被实现了。
根据本发明另一个优选的实施例，在供电网络和一个或多个输入整流器间的连接处，设置了个干线接触器，由此每个输入整流器可通过干线接触器从供电网络中断开，如果至少一个半导体开关元件被切换至闭塞模式的时间久于第一时间段时。以此种方式，一个或多个半导体开关元件可避免长时间的过电压的威胁。
此外，如果一个或多个紧急电源存储设备中存储的电力下降至预设的门限值之下，则启动一紧急操作。触发的紧急操作机制可以一直确保一个或多个紧急电源存储设备中存储的电力足够用于执行一次紧急操作。为此，所有必需的是，当一个或多个半导体开关元件处于闭塞模式时，储存于一个或多个紧急电源存储设备中的电力被以合适的方式测量或可靠的估计。这里的门限值被设置成至少相当于进行一次紧急操作所需电力的水平。
根据本法明的另一个优选的改进，如果供电网络的测量电压下降至第三电压值之下时，每个半导体开关元件解锁了电流，电流进入相应的输入整流器。这允许了变桨系统向正常运行方式的转变，其中变桨系统再次使用来自供电网络的电力。
在本发明的一个有利的实施例中，第三电压值等于或小于第一电压值。为了防止一个或多个半导体开关元件不断的在解锁开关状态和闭塞开关状态间跳跃，可引入一第三电压值，它起到了滞后作用，因此第三电压值小于第一电压值。
根据本发明的另一个有利的实施例，闭塞从供电网络流入其中一个输入整流器的电流是由一个半导体开关元件控制的，并且至少维持第二时间段的时长直到可能解锁之前。这使得防止一个或多个半导体开关元件不断的在解锁开关状态和闭塞开关状态间重复的跳跃成为了可能。在本发明的一个特别的实施例中，第二时间段至少为250ms，优选的，第二时间段至少为500ms。
在本发明的一个有利的改进中，变桨系统具有一个—特别是数字的—信号输出，由此发射了一个信号，此信号指出了干线接触器的开关状态。此信号可以被输出至，例如一个风力涡轮机上级的控制部件。
根据本发明的另一个有利的改进，每个输入整流器具有一个电源电压测量设备。因为电源电压测量设备设置在输入整流器之内，在电源电压测量设备和一个或多个半导体开关元件间存有一个特别短的信号通路。因此，供电网络内过电压检测和一个或多个半导体开关元件闭塞间的延迟被减到最小。当使用多个输入整流器时，供电网络内过电压可以非常可靠的被检测到，这要归功于电压检测设备的冗余，因此即使如果其中一个电压检测设备发生故障，输入整流器仍能继续维持安全运行。
在本发明的范围内，已经证实至少一个半导体开关元件为半导体闸流管是有利的。
特别的，根据本法明提供的风力涡轮机变桨系统的运转方法，具有许多配置和改善的可能性。在此文档中，为权利要求提出的参考号也相同于为附图提出的参考号，其中权利要求都附属与权利要求1，附图用于为以下的本发明优选的实施例提供详细说明。
附图说明
图1 根据本发明的一个优选的改进，示意性的显示了一个变桨系统的实施方法，以及
图2根据本发明的一个优选的改进，示意性的显示了另一个变桨系统的实施方法。
参考号列表：
1 输入整流器
2 变桨驱动器
3 供电网络
4 紧急电源存储设备
5 电源电压测量设备
6 半导体开关元件
7 干线接触器
8 逆变器
9 变桨马达
10 过压保护设备。
具体实施方式
图1显示了一个变桨系统，具有一个输入整流器1和三个变桨驱动器2。变桨驱动器2可以驱动风力涡轮机（未在此中显示）的转子叶片。输入整流器1连接至供电网络3，供电网络3可以例如为普通电网。输入整流器1对三相交流电进行整流，三相交流电由供电网络3提供并使变桨驱动器2运转。每个变桨驱动器2连接至一个紧急电源存储设备4。变桨驱动器2可以由紧急电源存储设备4提供电源。紧急电源存储设备4是特殊的电池或电容，在这里尤其指所谓的超级电容。输入整流器1具有一个电源电压测量设备5，用于监视供电网络3的电压。
此外，输入整流器1具有半导体开关元件6，它在图中表示为半导体闸流管的开关符号，并且它们优选的由半导体闸流管组成。半导体开关元件6可闭塞从供电网络3流入输入整流器1的三相交流电的每个相位的电流。在供电网络3和输入整流器1之间也设置有一个干线接触器7。干线接触器7可用于断开输入整流器1和供电网络3。
每个变桨驱动器2具有一逆变器8和一电子变桨马达9。每个逆变器8连接至相关的变桨马达9并为它提供电源。从一方面来说，变桨马达9可以直接驱动风力涡轮机的转子叶片（未在此中显示），如果可能的话，可使用齿轮驱动。从另一方面来说，每个变桨马达9也可以驱动液压系统中的一个液压泵，由此液压系统驱动一个转子叶片，例如通过一个液压马达或一个液压传动缸驱动。
一旦电源电压测量设备5检测到供电网络3中的电压超过了第一电压值，半导体开关元件6被切换至闭塞模式，因而防止了从供电网络3向输入整流器1进一步的流入电流。以此方式，变桨驱动器2阻止了来自供电网络3中的过电压。只要半导体开关元件6被切换至闭塞模式，变桨驱动器2由紧急电源存储设备4提供电力。
只要供电网络3的电压跌落到第三电压值之下，输入整流器1的半导体开关元件6被再次解锁。如果半导体开关元件6没有在之前被至少闭塞250ms，此解锁不会发生，但优选的，如果被至少闭塞了500ms，此解锁会发生。然而，如果供电网络3的电压上升到超过第二电压值的程度，干线接触器7被打开，以便于使变桨系统免于受到过电压的威胁。干线接触器7的状态通过一信号输出（未在此中显示）发射出去。
此外，在供电网络3和输入整流器1之间有一个过压保护设备10，过压保护设备10特别用于驱散不能被半导体开关元件6闭塞的过电压，因为这些过电压或者发生的太快，或者它们超过了半导体开关元件6过压电阻。
此单独的方法步骤的实施可以由，例如一个计算机程序来完成。计算机程序可存储在存储介质中，并且通过变桨系统的控制方法来处理。
根据本发明，图2显示了变桨系统实施方法的另一个实施例。相对于图1，这里的变桨系统不具有一中心输入整流器1，而具有三个独立的输入整流器1，其中每个为一变桨驱动器2提供电源。此外，每个输入整流器1具有一电源电压测量设备5，用于测量供电网络3的电压。当电源电压测量设备5检测到一个过电压时，输入整流器1所有的半导体开关元件6被切换至闭塞状态，以便于所有的三个变桨驱动器2免于受到过电压的威胁。至于其它，本发明的运转方法的模式同图1中描述的运转模式相同。

Claims (15)

1.一种具有至少一个转子叶片以及变桨系统的风力涡轮机，其中变桨系统具有至少一输入整流器(1)和至少一变桨驱动器(2)，其中每个转子叶片可以通过一变桨驱动器(2)或至少多个变桨驱动器(2)的其中之一围绕它的纵轴旋转，每个输入整流器(1)通过供电网络(3)提供交流电压，并且每个变桨驱动器(2)通过一输入整流器(1)或至少多个输入整流器(1)的其中之一提供电力，每个变桨系统(2)连接至一紧急电源存储设备(4)，由此每个变桨系统(2)可以通过连接的紧急电源存储设备(4)提供电力，其特征在于，所述变桨系统至少具有一电源电压测量设备(5)，每个输入整流器(1)至少具有一半导体开关元件(6)，依靠所述半导体开关元件(6)从所述供电网络(3)流入相应的所述输入整流器(1)的电流可以被闭塞，由此每个电源电压测量设备(5)测量所述供电网络(3)的电压，并且如果所述供电网络(3)的测量电压或从几个测量电压中得到的计算值超过了第一电压值，那么每个半导体开关元件(6)闭塞了从所述供电网络(3)流入相应的所述输入整流器(1)的电流，并且每个变桨系统(2)由相连的紧急电源存储设备(4)提供电力；在所述供电网络(3)和所述一个或多个输入整流器(1)间的连接处设置有一干线接触器(7)，如果所述供电网络(3)的测量电压超过了第二电压值，其中所述第二电压值大于所述第一电压值，则每个输入整流器(1)通过所述干线接触器(7)从所述供电网络(3)中断开。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，如果至少一个半导体开关元件(6)被切换成闭塞模式的时间长于一第一时间段，则启动一紧急操作。
3.如权利要求1或2所述的风力涡轮机，其特征在于，如果所述供电网络(3)的测量电压超过了一第二电压值，则启动一紧急操作。
4.如权利要求3所述的风力涡轮机，其特征在于，在所述供电网络(3)和所述一个或多个输入整流器(1)间的连接处设置有一干线接触器(7)，如果至少一个半导体开关元件(6)被切换至闭塞模式的时间长于第一时间段时，则每个输入整流器(1)通过所述干线接触器(7)从供电网络(3)中断开。
5.如权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，如果一个或多个紧急电源存储设备(4)中存储的电力下降至预设的门限值之下，则启动一紧急操作。
6.如权利要求5所述的风力涡轮机，其特征在于，如果在所述供电网络(3)中的电压下降至第三电压值之下，每个半导体开关元件(6)解锁了流入相应输入整流器(1)的电流。
7.如权利要求6中所述的风力涡轮机，其特征在于，所述第三电压值等于或小于所述第一电压值。
8.如权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，闭塞由一个半导体开关元件(6)控制的电流，所述电流是从所述供电网络(3)流入其中一个输入整流器(1)，并且至少维持第二时间段的时长直到可以解锁。
9.如权利要求8中所述的风力涡轮机，其特征在于，所述第二时间段至少为250ms。
10.如权利要求9所述的风力涡轮机，其特征在于，所述变桨系统具有一信号输出，通过此信号输出发射了一个信号，此信号指出了所述干线接触器(7)的开关状态。
11.如权利要求10所述的风力涡轮机，其特征在于，每个输入整流器(1)具有一电源电压测量设备(5)。
12.如权利要求11所述的风力涡轮机，其特征在于，至少一半导体开关元件(6)为半导体闸流管。
13.一种用来运行具有至少一个转子叶片的风力涡轮机的变桨系统的方法，其中所述变桨系统包括至少一个输入整流器(1)以及至少一个变桨驱动器(2)，其中每一转子叶片可通过一个变桨驱动器(2)或多个变桨驱动器(2)中的至少一个绕其纵轴旋转，每一输入整流器(1)由供电网络(3)来提供交流电压，并且每一变桨驱动器(2)由所述一个输入整流器(1)或所述多个输入整流器(1)中的至少一个来提供电力，每一变桨系统(2)与紧急电源存储器(4)相连接，其中每一变桨系统(2)可以通过与其相连的所述紧急电源存储器(4)提供电力，所述变桨系统包括至少一个电源电压测量装置(5)，每一输入整流器(1)包括至少一个半导体开关元件(6)，利用所述半导体开关元件(6)可闭锁从所述供电网络(3)流入相应的输入整流器(1)的电流，并且在所述供电网络(3)与所述一个输入整流器(1)或者所述多个输入整流器(1)之间的连接处布置干线接触器(7)，
其特征在于，
用于控制变桨系统的方法包括下列步骤：
-利用所述电源电压测量装置测量所述供电网络的电压；
-从所述供电网络(3)的一个或多个测得的电压中计算出数值；
-将算出的数值与第一电压值和第二电压值进行比较；
-如果从所述一个或所述多个测得的电压中算出的值超过所述第一电压值，则借助每一半导体开关元件(6)闭锁从所述供电网络(3)流入相应的输入整流器(1)的电流，并且每一变桨系统(2)通过与其相连的紧急电源存储器(4)来提供电力；
-如果所述供电网络(3)的所述测得的电压超过第二电压值，其中将所述第二电压值选为大于所述第一电压值，则每一输入整流器(1)通过所述干线接触器(7)从所述供电网络(3)断开。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，如果至少一个半导体开关元件(6)被切换成闭锁模式的时间长于第一时间段，则启动紧急操作。
15.一种带有程序指令的介质，用于执行权利要求13或14所述的方法。
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