CN110100093A - 风力涡轮发电机控制器和方法 - Google Patents

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L·R·安德森
J·霍尔姆
H·M·拉文
D·斯蒂尔
A·戈尔姆森
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Abstract

本发明描述了一种风力涡轮发电机控制器。该控制器包括用于选择性地激活和停用一个或多个换能器电路的开关电路，以及用于检测与换能器电路中的一个或多个相关的过电流状态的过电流检测电路。开关电路响应于检测到过电流状态，从而选择性地停用换能器电路中的一个或多个。

Description

风力涡轮发电机控制器和方法
技术领域
本发明涉及风力涡轮发电机控制器和方法。
背景技术
典型的风力涡轮机包括立在地面或海床上的固定塔架，以及安置在塔架顶部上的机舱，机舱承载涡轮机轴、齿轮箱、制动器、发电机、控制涡轮机叶片的角度的叶片桨距控制器、以及控制风力涡轮机相对于风的位置的偏航驱动装置。涡轮机叶片安装到机舱外部的涡轮机轴上。涡轮机叶片在风的影响下使该轴旋转，这进而驱动发电机产生电力。
风力涡轮机的整体运行受到控制系统的控制。控制系统包括，用于确定涡轮机设备和运行的当前状态以及局部环境的传感器、用于处理那些传感器的输出的处理器、以及用于控制涡轮机运行的致动器。用于涡轮机中的线缆需要过电流保护，否则在短路或其它过电流的情况中可能存在火灾危险。目前，这是通过使用外部断路器或其它保护装置提供的。这些增加了成本并且除了保持涡轮机安全之外几乎没有其它用途。
正是在这种背景下设计了本发明。
发明内容
在第一方面中，本发明提供了一种风力涡轮发电机控制器，该控制器包括：
开关电路，其用于选择性地激活和停用一个或多个换能器电路；以及
过电流检测电路，其用于检测与换能器电路中的一个或多个相关的过电流状态；其中，
开关电路响应于检测到过电流状态，从而选择性地停用换能器电路中的一个或多个。
这样，无需使用外部部件即可实现电路保护。通过将此功能集成到控制器硬件中，可以降低复杂性并节省资金。由于可以保护单独的(或一小组)换能器，因此还可以提供更高的诊断能力。
过电流检测电路可以基于在换能器电路上检测到固定低(stuck-at-low)状态来检测过电流状态。替代固定低检测或除此以外，过电流检测电路可以包括用于测量通过一个或多个换能器电路的电流的电流测量装置。在这种情况下，过电流检测电路将电流测量装置测量的电流与阈值进行比较，以检测过电流状态。
开关电路可以选择性地激活和停用一组换能器电路内的换能器电路。电流测量装置可以测量通过该组中的换能器电路的电流。开关电路可以响应于通过被测量的该组中的换能器电路中的一个或多个的电流超过阈值水平，从而选择性地停用换能器电路中的一个或多个。
开关电路可以接收用于操作一个或多个换能器电路的电力，并且包括到一个或多个换能器中的每一个的输出。在这种情况下，过电流检测电路可以设置在开关电路的输入侧，并且开关电路可以通过接通连接到换能器电路的开关电路的输出来选择性地激活换能器电路。
开关电路可以响应于电流测量装置检测到通过该组中的换能器电路中的一个或多个的过电流，从而关断到该组中的所有换能器的输出。电流测量装置可以测量通过该组中的换能器电路的组合电流，并且如果组合电流超过预定阈值，则停用该组中的所有换能器电路。当该组中的所有换能器电路已被停用时，换能器电路可以依次单独地接通，以识别导致过电流的换能器电路。开关电路可以用于一次或多次地重新激活停用的换能器电路，以识别过电流状态是否已经停止。
开关电路可以仅在测量的电流超过阈值水平持续超过预定时间段的情况下停用换能器电路。
为了测量通过一组中的换能器电路的电流，开关电路可以依次单独地激活然后停用该组中的每个换能器电路，使得一次仅激活单个换能器电路，并且电流测量装置在每个换能器被激活时测量流过该组的电流。或者，为了测量通过换能器的电流，开关电路可以在保持先前激活的换能器处于激活状态时激活该组中的所选换能器，并且测量装置测量与激活所选换能器相关的电流测量值的差，或者开关电路可以在保持先前激活的换能器处于激活状态时停用该组中的所选换能器，并且测量装置测量与停用所选换能器相关的电流测量值的差。
在第二方面中，本发明提供了一种控制风力涡轮发电机控制系统中的换能器的方法，该方法包括：
检测与一个或多个换能器电路相关的过电流状态；以及
响应于检测到过电流状态，从而选择性地停用换能器电路中的一个或多个。
本发明的其它方面包括：包括上述诊断设备的风力涡轮机控制系统；包括这种风力涡轮机控制系统的风力涡轮发电机；以及承载用于执行上述方法的计算机程序的计算机程序产品。
通常，本技术等同适用于换能器形式的传感器和致动器。因此，这些术语在本文中通常可互换使用。
附图说明
图1是风力涡轮发电机的示意图；
图2A和2B是换能器控制系统的示意图；
图3是换能器控制系统的示意图；以及
图4是换能器控制方法的示意性流程图。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机10，其包括支撑机舱14的塔架12，转子16安装到机舱14上。转子16包括从中心轮毂20径向延伸的多个风轮机叶片18。在该示例中，转子16包括三个叶片18。如上所述，风力涡轮机叶片18的桨距(相对于风的迎角)可以通过叶片桨距控制器(未示出)调整，而机舱14的偏航可以通过偏航驱动装置(未示出)调整以大致面向风。转子16安装在主轴承(未示出)上，这允许转子围绕其轴线自由旋转。风力涡轮机叶片18各自经由叶片轴承(未示出)安装到转子上，这允许叶片18围绕其纵向轴线旋转以调整其桨距。应当理解，可以在覆盖若干平方公里面积的场地或风力发电场中建立许多这种风力涡轮机。
风力涡轮机10的整体操作由控制系统控制。这种控制系统的一部分如图2A和图2B所示。
在图2A中，控制单元200a包括能够给输出线230a上的换能器250a提供电力的开关装置210a，输出线230a将电力和控制信号传送到换能器250a。换能器250a可以是传感器或致动器。控制单元200a和换能器250a之间的电连接通过线缆240a传送。电流测量装置220a设置在输出线230a上，并且能够测量通过输出线230a(并因此通过包括开关装置210a、输出线230a、线缆240a和换能器250a的换能器电路)的电流。控制单元200a将测量的电流与阈值电流进行比较以检测过电流状态。过电流状态可能是由于输出线230a中(例如在线缆240a中)的短路或由于换能器250a的故障引起的。控制单元200a还能够监测输出状态反馈信号，以检测开关装置210a的输出端处的固定低(短路至0V)状态。输出状态反馈信号和电流测量值中的任一者或两者可用于检测过电流状态，从而决定是否由于过电流而关闭开关装置210a的输出。在一个实施方式中，输出状态反馈信号可用于在低功率输出的情况下检测过电流(并因此关断换能器电路)，而电流测量装置可用于在高功率输出的情况下检测过电流(并因此关断换能器电路)。
在图2B中，控制单元200b包括能够给输出线230b上的换能器250b提供电力的开关装置210b，输出线230b将电力和控制信号传送到换能器250b。换能器250b可以是传感器或致动器。控制单元200b和换能器250b之间的电连接通过线缆240b传送。电流测量装置220a设置在开关装置210b的输入端，并且能够测量通过开关装置210b(并因此通过输出线230b、线缆240b和换能器250b，因为它们形成完整的换能器电路)的电流。控制单元200b将测量的电流与阈值电流进行比较以检测过电流状态，如图2A所示。同样，与图2A类似，控制单元200b还能够监测输出状态反馈信号，以检测开关装置210b的输出处的固定低(短路至0V)状态。输出状态反馈信号和电流测量值中的任一者或两者可用于检测过电流状态，从而决定是否由于过电流而关闭开关装置210b的输出。
应当理解，在一些情况下，由于瞬变，电流可能仅短暂地超过预定阈值。因此，可以应用低通滤波器，使得开关电路仅在测量的电流超过阈值水平持续超过预定时间段的情况下停用换能器电路。
应当理解，图2A的控制器200a或图2B的控制器200b可以设置有用于多个换能器250a、250b中的每一个的专用开关装置210a、210b和相应的专用电流测量装置220a、220b。在这种情况下，用于确定过电流状态的电流阈值可以在换能器之间不同。控制器200a、200b可以是可软件编程的，其中换能器的阈值集中地动态更新。
在图3中，可以看到示例性风力涡轮发电机控制系统300包括换能器310a、310b、310c。换能器可以是用于确定涡轮机设备和运行的当前状态以及局部环境的传感器，或者是用于控制涡轮机运行的致动器。应当理解，在实际控制系统中设置有大量换能器，而在所描述的示例中，为简单起见，我们仅涉及3个换能器。控制系统300还包括开关电路320(对应于图2中的开关装置210a、210b)，其用于两个目的。首先，开关电路320给换能器310a、310b、310c提供电力。其次，开关电路320能够选择性地激活和停用换能器310a、310b、310c，以便诊断与开关电路320的输出端处的各个换能器或各组换能器有关的过电流，并通过选择性地关断故障换能器电路(即，与已经检测到的过电流相关的换能器电路)来提供保护功能。开关电路320包括输出开关装置320a、320b和320c——即针对该组中的每个换能器有一个输出开关装置。更具体地，开关装置320a能够选择性地给换能器310a提供电力，开关装置320b能够选择性地给换能器310b提供电力，并且开关装置320c能够选择性地给换能器310c提供电力。控制系统300还包括电流测量装置330。具体地，单个电流测量装置330设置在开关电路320的输入端，以用于整组换能器310a、310b、310c。换句话说，单个电流测量装置测量通过整组换能器的电流，而不是给每个换能器提供单个电流测量装置。因此，各组换能器被提供单个电流测量以及(通过使用开关电路320)打开和关闭到各个换能器的输出的能力。
接下来，可以使用各种换能器激活和停用策略来确定通过各个换能器的电流。例如，可以依次单独地激活然后停用该组中的每个换能器，使得一次仅激活单个换能器，在每个换能器被激活时测量通过该组的电流。在这种情况下，通过该组的电流将是通过所选换能器的电流(因为在进行电流测量时该组内没有其它换能器处于激活状态)——从而允许直接测量通过该换能器的电流。在另一个示例中，可以在保持先前激活的换能器处于激活状态时激活该组中的所选换能器，在激活所选换能器之前和之后测量通过该组的电流。在这种情况下，通过在激活之前和之后测量电流并比较两个电流测量值，确定与激活所选换能器相关的电流测量值的差。在又一个示例中，可以在保持先前激活的换能器处于激活状态时停用该组中的所选换能器，在所选换能器的停用之前和之后测量通过该组的电流。在这种情况下，通过在停用之前和之后测量电流并比较两个电流测量值，确定与停用所选换能器相关的电流测量值的差。在后两个示例中，应当理解，通过所选换能器的电流将是在激活/停用之前和之后得到的电流测量值之间的差。将关于每个换能器电路测量(或推断)的电流与合适的阈值(其可以是可软件编程的，并且可以在换能器电路之间不同)进行比较，以确定该换能器电路是否处于过电流状态。当识别出与该组中的换能器中的一个或多个相关的过电流状态时，可以通过开关电路320来停用那个换能器(或那些多个换能器)。
在图3中，如图2A和图2B那样，控制系统300还包括输出反馈电路(未示出)，其测量来自每个开关装置320a、320b、320c的输出线以确定它们是否具有高值或者低值。如果预期高值(因为开关电路320被设置为经由开关装置提供电力)并且检测到低值，则这表示当通向线路的输出被设置为高状态时，输出线固定在低状态。这可以指示过电流情况，并且因此可以用作触发器以停用与出现这种反馈信号相关的开关装置。更一般地，控制系统300能够监测开关电路320的每个输出端处的输出状态反馈信号，以检测开关装置320a、320b、320c的一个(或多个)输出端处的固定低(短路至0V)状态。输出状态反馈信号和电流测量值中的任一者或两者可用于检测过电流状态，从而决定是否由于过电流而关闭开关装置210b的输出。
在一些情况下，过电流的首次检测可以涉及，通过当前处于激活状态的所有换能器电路(通过开关电路320)测量的电流超过该组的组合阈值。在这种情况下，为了安全起见，开关电路320可以立即停用该组中的所有换能器电路，但随后一次一个地(或以子组地)选择性地重新激活换能器电路，以识别换能器电路中的哪一个引起过电流状态。故障换能器电路然后可以在工程师进行修理之前永久地停用，而其它换能器电路可以重新激活，在一些情况下，这允许涡轮机继续运行。
当检测到与换能器电路有关的过电流状态时，控制器可以操作开关电路一次或多次地重新激活停用的换能器电路，以识别过电流状态是否已经停止。如果有关该换能器电路的过电流状态在(例如)一次或两次重新激活之后仍然存在，则该换能器电路可以在修理之前永久地停用。
当检测到与换能器电路或一组换能器电路相关的过电流状态时，可以生成过电流通知以警告用户该状况，以便能够采取补救措施。过电流通知可以指出已经被停用的故障的换能器电路和/或该组换能器电路。因此，工程师能够携带正确的工具和零件来进行维修。
参考图4，描述了用于检测过电流、关断换能器电路和识别故障换能器电路的示例性过程。在步骤S1，通过使用上面描述的组电流测量和反馈信号监测中的一种或两种来监测一组换能器电路的过电流状况。如果在步骤S2确定不存在过电流，则该过程在回路中返回到步骤S1。如果在步骤S2检测到过电流，则首先在步骤S3停用整组换能器电路。在步骤S4，重新激活换能器电路中的一个换能器电路，并关于过电流检测观察该换能器电路。如果在步骤S5检测到与重新激活的换能器电路相关的过电流，则在步骤S7永久地停用该换能器电路(但注意，上述选项允许进行多次重新激活尝试)。然后，该过程进行到步骤S6，在步骤S6中，确定该组中是否还有任何尚未重新激活或永久停用的换能器电路。如果没有其它换能器电路待重新激活或永久停用，则该过程在步骤S8结束。否则，如果还有其它换能器电路待重新激活，则该过程返回到步骤S4。如果在步骤S5发现重新激活的换能器电路不会引起过电流状态，则保持其处于激活状态并且该过程继续进行到步骤S6。
应当理解，本技术包括接通到风力涡轮发电机中的换能器的电力，以实现对各个换能器的电流消耗量的测量，以及实现选择性地停用故障换能器电路的任何组合。可以在通向多个换能器的一个通道上进行电流测量。可以以10毫秒或更短的测量间隔连续地进行电流测量。电流测量数据可用于执行过电流保护的低层级软件(固件)功能以及用于诊断和警报目的的应用软件层级。过电流保护功能连续地监测电流测量数据，并且如果检测到过电流，则执行立即响应(根据要求，立即转换输出或在可设置的时间之后转换输出)。过电流保护功能可以驻留在低层级软件(固件)中。本技术使用开关电路来单独地或依次地控制输出，这依赖于这种功能：在比较功能中利用在开关电路的状态改变之前采样的电流测量数据和在开关电路的状态改变之后采样的电流测量数据。使用的数据是上述连续测量的电流。
从控制的角度来看，可以针对低功率输出使用组电流测量来决定是否关闭输出，可以与固定低检测相结合。电流保护也可用于具有单独的开关电路和电流测量电路的输出(与组电流测量相反)。
通过测量电流(检测过电流)并直接控制换能器电路的输出，可以在不依赖外部断路器的情况下实现控制器本身中的保护功能。本技术将过电流保护能力集成到风力涡轮机控制系统中，而无需添加任何外部部件(例如断路器)，从而降低了规划线路和布线的复杂性。过电流保护功能可以是可软件设置的。
本技术能够在不使用物理断路器的情况下实现过电流保护。反之，作为涡轮机控制系统中的内置功能，连续地监测电流，并且如果测量的电流高于预定阈值，则从单个输出(或一组多个输出)中移除电力。该技术给线缆、连接器和换能器提供了高水平的安全性，因为可以针对每个输出定制过电流限制，并且在需要时根据中央单元更新该过电流限制(从而减少误差校正时间)。
虽然已经示出和描述了本发明的实施方式，但是应该理解，这些实施方式仅作为示例描述，并且应当理解，不同实施方式的特征可以彼此组合。在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员将想到许多变化、改变和替换。因此，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这些变化或等同方案。

Claims (15)

1.一种风力涡轮发电机控制器，所述控制器包括：
开关电路，所述开关电路用于选择性地激活和停用一个或多个换能器电路；以及
过电流检测电路，所述过电流检测电路用于检测与所述换能器电路中的一个或多个相关的过电流状态；其中，
所述开关电路响应于检测到过电流状态，从而选择性地停用所述换能器电路中的一个或多个。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机控制器，其特征在于，所述过电流检测电路基于在换能器电路上检测到的固定低状态来检测过电流状态。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮发电机控制器，其特征在于，所述过电流检测电路包括用于测量通过一个或多个换能器电路的电流的电流测量装置。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮发电机控制器，其特征在于，所述开关电路选择性地激活和停用一组换能器电路内的换能器电路，并且所述电流测量装置测量通过所述一组中的换能器电路的电流，并且所述开关电路响应于通过被测量的所述一组中的换能器电路中的一个或多个的电流超过阈值水平，从而选择性地停用所述换能器电路中的一个或多个。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮发电机控制器，其特征在于，所述开关电路接收用于操作所述一个或多个换能器电路的电力，并且包括到一个或多个换能器中的每一个的输出，所述过电流检测电路设置在所述开关电路的输入侧，并且所述开关电路通过接通连接到换能器电路的开关电路的输出来选择性地激活该换能器电路。
6.根据权利要求4所述的风力涡轮发电机控制器，其特征在于。所述开关电路响应于所述电流测量装置检测到通过所述一组中的换能器电路中的一个或多个的过电流，从而关断到所述一组中的所有换能器的输出。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮发电机控制器，其特征在于，所述电流测量装置测量通过所述一组中的换能器电路的组合电流，并且如果所述组合电流超过预定阈值，则停用所述一组中的所有换能器电路。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮发电机控制器，其特征在于，当所述一组中的所有换能器电路都已被停用时，所述换能器电路依次单独地接通，以识别引起过电流的换能器电路。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮发电机控制器，其特征在于，所述开关电路能够用于一次或多次地重新激活停用的换能器电路，以识别所述过电流状态是否已经停止。
10.根据权利要求3所述的风力涡轮发电机控制器，其特征在于，所述开关电路仅在测量的电流超过阈值水平持续超过预定时间段的情况下停用换能器电路。
11.根据权利要求3所述的风力涡轮发电机控制器，其特征在于，为了测量通过一组中的换能器电路的电流，所述开关电路依次单独地激活然后停用所述一组中的每个换能器电路，使得一次仅激活一个换能器电路，并且所述电流测量装置在每个换能器被激活时测量流过所述一组的电流。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮发电机控制器，其特征在于，为了测量通过换能器的电流，所述开关电路在保持先前激活的换能器处于激活状态时激活所述一组中的所选换能器，并且所述测量装置测量与激活所选换能器相关的电流测量值的差，或者所述开关电路在保持先前激活的换能器处于激活状态时停用所述一组中的所选换能器，并且所述测量装置测量与停用所选换能器相关的电流测量值的差。
13.一种包括根据权利要求12所述的风力涡轮发电机控制器的风力涡轮机。
14.一种控制风力涡轮发电机控制系统中的换能器的方法，所述方法包括：
检测与一个或多个换能器电路相关的过电流状态；以及
响应于检测到所述过电流状态，从而选择性地停用所述换能器电路中的一个或多个。
15.一种承载计算机程序的计算机程序产品，当在数据处理设备上执行所述计算机程序时，所述计算机程序使所述数据处理设备执行根据权利要求14所述的方法。
CN201780079876.1A 2016-12-22 2017-12-11 风力涡轮发电机控制器和方法 Pending CN110100093A (zh)

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