CN108138748A - 控制电变桨电机的转矩性能的方法、电变桨控制系统及其使用 - Google Patents

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Abstract

用于控制电变桨电机(1)的转矩性能的方法。控制系统(2)包括控制转子叶片的桨距角的第一单元(3)、将电机(1)转速的实际速度Sa与参考速度Sr进行比较的第二单元(7)。第二单元(7)控制电机(1)转速，第三单元(10)调节电机(1)。控制系统(2)包括第一过载设备(13)和第二过载设备(14)。第二过载设备(14)接收误差‑速度信号Se，误差‑速度信号Se是Sr和第二单元(7)记录的Sa之间的差。第二过载单元(14)将最大允许速度值Smax与Se进行比较，以及第二过载设备(14)向电机(1)发送信号以用于调节转矩性能。

Description

控制电变桨电机的转矩性能的方法、电变桨控制系统及其 使用
本发明涉及用于控制在包括电变桨控制系统(electrical pitch-controlsystem)的系统中的电变桨电机(electrical pitch motor)的转矩性能的方法，所述变桨电机控制涡轮叶片，所述变桨控制系统包括：
-第一单元，将涡轮叶片的实际桨距角Pa与所接收的参考桨距角(pitch-angle)Pr进行比较，所述Pa值由解析器接收并寄存，以及第一单元还根据所接收的桨距角值调节涡轮叶片的桨距角，
-在第一单元之后电连接的第二单元，所述第二单元将电机的转速的实际速度Sa与从第一单元接收的参考速度Sr进行比较，所述解析器测量并计算实际速度Sa，该实际速度Sa被发送到第二单元，以及第二单元根据所接收的速度值来调节电机的转速，
-在第二单元之后电连接的第三单元，该第三单元将电机的参考转矩Tr(该值从第二单元接收)与电机的实际转矩Ta进行比较，所述第三单元还根据所接收的转矩-参考来调节电机的转矩性能；
-所述控制系统还包括在第三单元和电机之间的第一过载单元。
本发明还涉及适于控制电变桨电机的转矩性能的电变桨控制系统，所述电变桨控制系统包括：
-第一单元，包括第一加法器，该第一加法器适于将涡轮叶片的实际桨距角Pa与所接收的参考桨距角Pr进行比较，所述Pa值由解析器提供，并且第一单元还包括第一控制单元，该第一控制单元适于调节涡轮叶片的桨距角，
-在第一单元之后电连接的第二单元，该第二单元包括第二加法器，该第二加法器适于将从第一单元所接收的参考速度Sr与由解析器测量的电机的转速的实际速度Sa进行比较，
-以及适于调节电机的转速的第二控制单元和在第二单元之后电连接的第三单元，该第三单元包括第三加法器，该第三加法器适于将电机的参考转矩Tr(该值从第二单元接收)与电机的实际转矩Ta进行比较，并且第三单元还包括适于调节电机的转矩的第三控制单元，
-所述控制系统还包括在第三单元和电机之间的第一过载单元。
本发明还涉及使用根据本发明的电变桨控制系统来执行根据本发明的方法。
最后，本发明涉及使用根据本发明的方法及根据电变桨控制系统的方法来调节风力涡轮机的涡轮叶片。
电变桨系统正在操作风力涡轮机WT的涡轮叶片。这也被称为“变桨操作”。电机是移动每个单独叶片的致动器。典型的WT有三个涡轮叶片，而单独操作的电机的数量是三。电变桨系统也形成到机舱的电气系统的接口，从该处接收用于变桨的设定点和用于操作电机和由此操作叶片的电力。
变桨系统有两个主要特点；一个是正常操作，其中在所有风力情况下使用变桨来优化涡轮叶片的升力。另一个是风力涡轮机的非常重要的主制动器。该制动功能通过将涡轮叶片从操作位置(取决于实际平均风速而从0°到30°)移动到轮叶(vane)位置而进行操作。其是90°。
由于变桨系统是用于风力涡轮机的唯一制动器，三个电机必须单独地且彼此独立地被控制。
因而，风力涡轮机的旋转叶片可以被变桨并被适当地调节是非常重要的。
如果风力涡轮机必须被停止，则每个转子叶片以以下方式进行变桨：使机翼的前缘转向风，由此发生风力涡轮机的机翼的制动。每个机翼的调整独立于其他机翼进行。
变桨控制系统通常用于以以下方式相对于风或水流来变桨距/调节机翼：机翼适应相对于风力载荷或水流载荷的直角。
在对电网产生电力的过程中，有两种操作情况：
1)产生低于标称水平的功率：在这种模式下，平均风速低于一个水平，其中风力涡轮机转子能够收获足够的风力以产生标称功率。因此，桨距角根据平均风速被设定为最佳值。对于标准风力涡轮机，水平相对于0°桨距角将为+/-2°。变桨速度将非常低，通常低于0.5°/s。
2)产生标称水平的功率：在这种模式下，风力涡轮机转子可以收获足够的能量，以便风力涡轮机可以产生标称电能，并将其输送到电网。在这种操作模式下，必须通过将叶片变桨距到叶片翼型不是最佳的位置来限制风的能量。在这种操作模式下，桨距角在2到30°之间。变桨速度处于低的绝对桨距角时通常较高，并且在较高的绝对桨距角时较低。变桨速度可以达到10°/s，这取决于WT、阵风和风的湍流的大小。
湍流是根据风力涡轮机的准则被计算为平均风速为20％。
当达到标称功率时，桨距角被修正以限制电机主轴上的转矩。
阵风是转子叶片和变桨控制系统的关键因素，因为当转子叶片被移入阵风时，转子叶片通常必须非常快速地变桨/变角度。
相对于平均风速，阵风可以具有正或负的风速。通常，叶片在最大一秒内穿过阵风。当下一个叶片到达阵风区域时，阵风可能几乎消失并且阵风对该转子叶片的影响几乎为零。
在阵风期间获得的峰值可以达到电机轴标称转矩的100％至300％的水平。因此，变桨电机必须承受可能在正常运行期间为必要转矩的三倍的转矩，以便承受通常每年发生9-10次的那些巨大的转矩冲击。
因此，在现有技术已知的系统中，需要使电机尺寸过大，为3倍的尺寸，从而使齿轮系统和变频器过大，以便满足试图按压涡轮叶片从风中出来的罕见转矩冲击。这导致风力涡轮机的生产成本增加很多。
超大型电机和齿轮系统仅用于风力涡轮机寿命的大约1％，并因此与利用率相比，它是一个昂贵的设备。在达到例如20％的过载，积分器开始求和。如果电平越来越高，转矩就会降低以避免热过载情况。
如果极限值被设置为20％，则积分器将计算Tnom和Tact之差乘以1,2，其中Tnom是标称转矩，以及Tact是实际转矩。
从积分器产生的最大转矩值是Tmax，因此是极限转矩水平。
如果Tact大于极限转矩水平，则转矩值将以这样的方式改变，即电机的转矩性能可能会进一步受到限制。也就是说，电机不能提供实际需要的转矩。
因此，为了防止出现这种情况，需要使用非常大的电机。如前所述，必须将电机放大3倍，以应付转矩需求，这发生在1％的情况下(与99％的情况的状态相比)。
DE102010035055公开了用于控制转子叶片的桨距角的方法。变桨电机将转子叶片的桨距角的目标值与实际桨距角相比较来调节桨距角。计算变桨电机转矩的目标值，并且根据变桨电机的实际旋转速度、所计算的转矩的目标值以及转子叶片的桨距角的最终目标值来调节转子叶片的桨距角。通过这种技术，应该获得更精确的桨距调节位置。
然而，理想的是，调节可以比上述系统的情况更快地进行，并且以避免变桨电机的过载的方式。此外，由于负载减小，所以希望能够减小变桨电机的尺寸。
因此，希望限制转矩并因此减小变桨控制系统的尺寸，从而能够选择较小的电机和另外的较小的变频器。
本发明的目的是提供一种系统，该系统不具有现有技术的上述缺点，或者至少提供对现有技术有用的替代方案。
这通过简介中提及的方法实现，并且其中：
-控制系统还包括第二过载单元，所述第二过载单元接收误差-速度-信号Se，该误差-速度-信号Se是第二单元寄存的Sr和Sa之间的差，
-所述第二过载单元将Se与最大允许速度值Smax进行比较，并且第二过载单元向电机发送信号以用于调节电机的转矩性能，所述信号是Se的值的函数。
这也可以通过介绍中提到的电变桨控制系统来实现并且其中：
-控制系统还包括第二过载单元，所述第二过载单元适于接收误差-速度-信号Se，该误差-速度-信号Se是在第二单元寄存的Sr和Sa之间的差，所述第二过载单元适于将Se和最大允许速度值Smax进行比较，
-以及第二过载单元适于向电机发送信号，电机的转矩性能基于该信号而被调节。
因此电机的转速被用作附加参数来控制变桨电机的电机输出/性能转矩。该参数与第二过载单元的结合一起，导致与现有技术相比，更早地检测并处理阵风。这将使电机的转矩性能更早激活，从而更好地利用电机转矩。
由此可以减小电机的大小。通过减小的电机大小，由讨论中的电机控制的转子叶片被倾斜出来，但是在非常短的时间间隔内，这对风力涡轮机的操作没有显着的影响。
因此，转子叶片的实际桨距位置可以远离参考值移动并且该位置不会导致错误模式。控制单元负责消除参考值和实际值之间的差。如果参考值发生变化，则实际值也会以在值之间不存在差的方式发生变化。然而，涡轮叶片的实际位置Pa与涡轮叶片的参考位置Pr之间的差不会导致错误消息。
这就是说，当阵风击中转子叶片时，转子叶片可能会遵循空气动力学的影响。电机的转矩不需要太大以便能够承受涡轮叶片上的力。这与Pr和Pa之间不被接受差的当今已知技术形成对比。
因此，本发明包括：速度误差被包括作为用于调节电机的转矩的附加参数。
误差-速度-信号Se作为附加参数被包含，因为Se是电机旋转的参考速度与实际速度之间的差：Sref-Sact。该值取自第二单元的加法器，并在第二过载单元中被处理。最大允许速度值Smax被预先定义，并且该值通常在50-100rpm左右。优选在100rpm。
本发明还导致阵风在较早的阶段被寄存并且变桨电机的大小可以被减小。此外，降低的电机转矩将引起转子叶片平稳，即实际桨距角与参考角度相比允许不同，而不会引起错误信息，这将触发将导致风力涡轮机停止产生电力的动作。应当注意到解析器被连接在电机和第一单元之间。
在根据权利要求2的另一个有益实施方式中，当Se大于Smax时，信号是最大预设转矩值Tmax，并且当Se小于或等于Smax时，至电机的信号是从第三单元接收的转矩值Ta。
由于结合了额外的过载单元，用于抵消峰值转矩的电平现在降低了。由于必须抵消3倍标称转矩的转矩，所以足以抵消额定转矩的1.5-2倍。
至电机的信号-转矩性能值是Tmax(其是常数和预定义值)或Ta。
转矩值Tmax是电机标称转矩值的函数，并且Tmax被设置为标称转矩值的1.5-2倍，优选为1.5倍。
在根据权利要求3的另一有益实施方式中，第一单元包括第一加法器，该第一加法器用于将涡轮叶片的实际桨距角Pa与参考桨距角Pr进行比较，并且第一单元还包括用于调节涡轮叶片的桨距角的第一控制单元，
-以及第二单元包括第二加法器和第二控制单元，该第二加法器用于将参考速度Sr与实际速度Sa进行比较，该第二控制单元用于调节电机的转速，
以及第三单元包括第三加法器，该第三加法器用于将电机的参考转矩Tr与电机的实际转矩Ta进行比较，以及该第三单元还包括用于调节电机的转矩的第三控制单元。
这是设计电路以提供该过程的适当方式。
在根据权利要求4的另一有益实施方式中，第二过载单元包括比较器和切换器，所述比较器从第二单元接收速度信号Se，所述比较器将Se与速度的最大值Smax进行比较，
-并且比较器向切换器发送信号，切换器这样转发信号：当Se大于Smax时至电机的用于调节其转矩的信号是最大的预定转矩值Tmax，
-以及当Se小于或等于Smax时，至电机的信号是转矩值Ta，该转矩值Ta是从第三单元接收的转矩值。
比较器从属于第二单元的加法器接收误差-速度-误差信号Se。
切换器采用两个不同的位置：使用Ta值的情况时的上部位置和使用Tmax值的情况时的下部位置。
在根据权利要求5的另一有益实施方式中，切换器包括选择器，通过该选择器对Se的输入速度值关于Smax的比较进行评估并且当Se小于Smax时选择值“假”以及当Se大于Smax时选择值“真”。
当转矩性能是Tmax值时，转子叶片的实际桨距角Pa不同于参考桨距角Pr，由此转子叶片遵循风的气动影响。
控制系统适于接受该值。也就是说，当电机提供Tmax值时通过强阵风，桨距角可能与参考值不同，这被认为是最佳的并且不会触发系统的任何错误。与已知技术相比，第二过载单元引起电机的转矩更早地被激活。这确保峰值转矩在比第二过载单元不存在的情况下短得多的时间段内存在。通过这种布置，可以使转子叶片变得平稳并且不会引起系统损坏和/或导致错误。
控制系统被连接到主控制系统，负责构成控制部分和风力涡轮机调节部分的电气部件的整体管理。
将参考附图来解释本发明，其中：
图1示出了根据本发明的包括第一过载单元和第二过载单元的变桨控制系统。
图2示出了图1概述的第二过载单元的详细图示。
图3示出了根据时间的风速对桨距角和变桨电机的转矩输出的影响。
图1示出了根据本发明的包括第一过载单元13和第二过载单元14的变桨控制系统。
变桨控制系统2控制电变桨电机1的转矩性能。电机1控制转子叶片—图中未示出。控制系统2包括第一单元3，该第一单元3包括用于将转子叶片的参考桨距角Pr与实际桨距角Pa进行比较的第一加法器4。解析器5寄存Pa值并且在电机1和第一单元3之间切换。积分器17在加法器4和解析器5之间切换。第一单元3还包括用于调节转子叶片的桨距角的第一控制单元6。
第一单元3被电连接到第二单元7。积分器17在两个单元之间切换。第二单元7包括第二加法器8，该第二加法器8将电机1的及从第一单元3接收到的转速的参考速度Sr与电机1的转速的实际速度Sa进行比较。解析器5寄存速度Sa并将该值发送到第二单元7。第二单元7还包括调节电机1的转速的第二控制单元9。
第二单元7被电连接到第三单元10。积分器17在两个单元之间切换。第三单元10包括第三加法器11，其将从第二单元7接收的电机1的参考转矩Tr与电机1的实际转矩Ta进行比较。此外，第三单元10包括有助于调节电机1的转矩的第三控制单元12。
控制系统2还包括在第三单元12和电机1之间的第一过载单元13以及第二过载单元14。第一过载单元13通过众所周知的原理工作。第二过载单元14从第二单元7的加法器8接收误差-速度-信号Se，误差-速度-信号Se为Sr和Sa之间的差。第二过载单元14将Se与速度的最大允许值Smax进行比较并且第二过载单元14向电机1发送用于设定电机1的转矩的信号。Smax被设定为固定值，优选为100rpm。
当Se大于Smax时，至电机1的信号是最大的预定义的转矩值Tmax。在Se小于Smax时，至电机1的信号是从第三单元10接收的作为转矩值的实际转矩值Ta。
转矩值Tmax是电机的标称转矩值的函数，并且比标称转矩值大1.5-2倍。优选地选择1.5。因此，用于抵消峰值电平的电平以其恰好对应于标称转矩的1.5-2倍的方式减小，而不是现有技术情况下的标称转矩电平的3倍的情况。
第二过载单元14包括比较器15和切换器16，参见图2，其中更详细地描述了动作模式。比较器15从第二单元7的加法器8接收速度信号Se，速度信号Se是Sr和Sa之间的差。比较器15将Se与速度的最大值Smax进行比较，并且比较器向切换器16发送信号。切换器16接收来自第一单元25的信号，其中第三单元10发送信号：恒定的Tmax，或接收来自传送值Ta的连接26的信号。切换器16这样转发信号：当Se大于Smax时至电机1的转矩设定信号是Tmax。至电机1的信号是转矩值Ta，转矩值Ta是当Se小于Smax时从第三单元10接收的转矩值。因此，切换器16采用两个位置：使用Ta值的情况时的上部位置和使用Tmax值的情况时的下部位置。当Se小于Smax时，内置于切换器16中的选择器选择值“假”，并且当Se大于Smax时选择值“真”。
图3示出了使用本发明的根据时间的风速对桨距角和变桨电机的转矩性能的影响。
第二过载单元14的连接在正常操作期间和过载期间示出，过载在强烈阵风期间发生。第二过载单元14的重要功能是允许实际桨距位置Pa远离位置的参考值Pr，并且位置结果不会导致错误消息。图3上部示出了阵风状况。时间[sec]被指定在X轴，风速[m/sec]被指定在Y轴。阵风从最左边的垂直线开始。
图3中间示出了用参考数字18示出的实际桨距角Pa以及用参考数字19示出了参考桨距角Ps。在不引起错误模式的情况下，Pa可以偏离Pr。时间[sec]被指定在X轴以及桨距角[°/s]被指定在Y轴。
图3下部示出了第二过载单元14的激活和参考数字20的线处的转矩限制。转矩[Nm]被指定在Y轴以及时间[sec]被指定在X轴。参考数字21的线表示在第二过载单元14未被激活的情况下的转矩。
左上方的垂直线表示一阵风的开始。上水平线22是标称转矩乘以1.5，下水平线23是最大标称转矩Tmax，而中间水平线24是标称转矩乘以1.2。
点A处的电机1的转矩输出示出了转矩输出达到高于标称转矩20％的值的情况，以及点B示出了性能达到以下水平：标称转矩乘以1.5；这是第二过载单元被激活的点。在C点，Se的值低于Smax以及第二过载单元被去激活，因而转矩曲线下降。
因此，可以在阵风活动中更早地激活转矩T。因为第二过载单元被激活，则与现有技术中的情况相比，在非常短的时间段内存在最大转矩。
参考线20限制的区域相对于与由具有参考线21限制的区域的差示出了所施加的转矩中的差，并因此当包含第二过载设备14时阵风出现的时间期间全部的转矩/输出较小。因此，使用本发明时所需的转矩要小得多。利用本发明有可能在阵风活动的较早点使能来自发动机的转矩输出。
一个示例：桨距控制系统的最大加速度通常为8至10°/s。由于可用转矩为150％—与从现有技术中已知的300％相比—桨距角变化更慢并且4-5°/s的速度可以被预期。由于阵风通常小于1秒，根据本发明，桨距误差将小于4至5°。与现有技术的系统相比，当限制转矩水平从300％到150％时，这对于变速箱和齿轮也是有利的。因此，这些部件的尺寸可以被减小。

Claims (8)

1.用于控制在包括电变桨控制系统(2)的系统中的电变桨电机(1)的转矩性能的方法，所述变桨电机(1)控制涡轮叶片，所述变桨控制系统(2)包括：
-第一单元(3)，将所述涡轮叶片的实际桨距角Pa与所接收的参考桨距角Pr进行比较，所述Pa值由解析器(5)接收并寄存，以及所述第一单元(3)还根据所接收的桨距角值来调节所述涡轮叶片的所述桨距角，
-在所述第一单元之后电连接的第二单元(7)，所述第二单元(7)将所述电机(1)的转速的实际速度Sa与从所述第一单元(3)接收的参考速度Sr进行比较，所述解析器(5)测量并计算所述实际速度Sa，该实际速度Sa被发送至所述第二单元(7)，以及所述第二单元(7)根据所接收的速度值来调节所述电机(1)的所述转速，
-在所述第二单元(7)之后电连接的第三单元(10)，该第三单元(10)将所述电机(1)的参考转矩Tr与所述电机(1)的实际转矩Ta进行比较，所述参考转矩Tr被从所述第二单元(7)接收，所述第三单元(10)还根据所接收的转矩参考来调节所述电机(1)的所述转矩性能；
所述控制系统(2)还包括在所述第三单元(12)和所述电机(1)之间的第一过载单元(13)，其特征在于：
-所述控制系统(2)还包括第二过载单元(14)，所述第二过载单元(14)接收误差-速度-信号Se，该误差-速度-信号Se是Sr和所述第二单元(7)寄存的Sa之间的差，
-所述第二过载单元(14)将Se与最大允许速度值Smax进行比较，并且所述第二过载单元(14)向所述电机(1)发送信号以用于调节所述电机的所述转矩性能，所述信号是Se的值的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当Se大于Smax时，所述信号是最大预设转矩值Tmax，以及当Se小于或等于Smax时，至所述电机(1)的所述信号是从所述第三单元(10)接收的所述转矩值Ta。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一单元(3)包括第一加法器(4)，该第一加法器(4)用于将所述涡轮叶片的所述实际桨距角Pa和所述参考桨距角Pr进行比较，以及所述第一单元(3)还包括用于调节所述涡轮叶片的所述桨距角的第一控制单元(6)，
-以及所述第二单元(7)包括第二加法器(8)和第二控制单元(9)，所述第二加法器(8)用于将所述参考速度Sr和所述实际速度Sa进行比较，所述第二控制单元(9)用于调节所述电机(1)的所述转速，
以及所述第三单元(10)包括第三加法器(11)，该第三加法器(11)用于将所述电机(1)的所述实际转矩Ta和所述电机(1)的所述参考转矩Tr进行比较，以及所述第三单元(10)还包括用于调节所述电机(1)的转矩的第三控制单元(12)。
4.根据前述权利要求中的任意权利要求所述的方法，其特征在于，所述第二过载单元(14)包括比较器(15)和切换器(16)，所述比较器(15)从所述第二单元(7)接收所述速度信号Se，所述比较器(15)将Se与速度最大值Smax进行比较，
-并且所述比较器(15)向所述切换器(16)发送信号，所述切换器(16)这样转发所述信号：当Se大于Smax时，至所述电机(1)的用于调节其转矩的信号是最大预定的转矩值Tmax，
-以及当Se小于或等于Smax时，至所述电机(1)的信号是所述转矩值Ta，该转矩值Ta是从所述第三单元(10)接收的转矩值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述切换器(16)包括选择器，通过该选择器对Se的输入速度值关于Smax的比较进行评估并且当Se小于Smax时选择值“假”以及当Se大于Smax时选择值“真”。
6.适于控制电变桨电机(1)的转矩性能的电变桨控制系统(2)，所述变桨控制系统(2)包括：
-第一单元(3)，包括第一加法器(4)，该第一加法器(4)适于将涡轮叶片的实际桨距角Pa与所接收的参考桨距角Pr进行比较，所述Pa值由解析器(5)提供，以及所述第一单元(3)还包括适于调节所述涡轮叶片的桨距角的第一控制单元(6)，
-在所述第一单元(3)之后电连接的第二单元(7)，该第二单元(7)包括第二加法器(8)，该第二加法器(8)适于将所述解析器(5)测量的所述电机(1)的转速的实际速度Sa与从所述第一单元(3)接收的参考速度Sr进行比较，
-以及适于调节所述电机(1)的所述转速的第二控制单元(9)和在所述第二单元(7)之后电连接的第三单元(10)，该第三单元(10)包括第三加法器(11)，该第三加法器(11)适于将所述电机(1)的参考转矩Tr与所述电机(1)的实际转矩Ta进行比较，所述参考转矩Tr被从所述第二单元(7)接收，并且所述第三单元(10)还包括第三控制单元(12)，该第三控制单元(12)适于调节所述电机(1)的转矩，
-所述控制系统(2)还包括在所述第三单元(12)和所述电机(1)之间的第一过载单元(13)，其特征在于：
-所述控制系统(2)还包括第二过载单元(14)，所述第二过载单元(14)适于接收误差-速度-信号Se，该误差-速度-信号Se是Sr和所述第二单元(7)寄存的Sa之间的差，所述第二过载单元(14)适于将Se与最大允许速度值Smax进行比较，
-以及所述第二过载单元(14)适于向所述电机(1)发送信号，所述电机的所述转矩性能基于该信号而被调节。
7.使用根据权利要求6所述的电变桨控制系统来执行根据权利要求1-5中的任意权利要求所述的方法。
8.使用根据权利要求1-5所述的方法和根据权利要求6和7所述的电变桨控制系统来调节风力涡轮机的涡轮叶片。
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