CN117120722A - 具有电解器的风力涡轮机的控制 - Google Patents

Abstract

描述了控制风力涡轮机(1)的方法，该风力涡轮机(1)具有耦合到用于从水产生H2的电解器(3)的发电机系统(2)，所述方法包括：标识负载情形的特性(30)；取决于负载情形的所述特性，在高于相应标称额定值(25)的负载(24)和/或H2输出下操作所述电解器(3)；监控所述电解器的状态(12)；以及如果至少一个状态参数高于阈值，则在不高于标称值(25)的负载(23)和/或H2输出下操作所述电解器(3)。

Description

具有电解器的风力涡轮机的控制

技术领域

本发明涉及控制风力涡轮机的方法和装置，该风力涡轮机具有耦合到用于从水产生H2的电解器的发电机系统。此外，本发明涉及风力涡轮机，其包括所述装置，并且还包括发电机和电解器。

背景技术

传统上，风力涡轮机可通过调整功率产生和/或叶片桨距角来调节在其处连接多个转子叶片的转子的转速。如果发生阵风，功率产生传统上可增加到最大功率产生，并且转子叶片可变桨以限制转子速度的增加。因此，功率输出通常受到电力转换器系统、变压器、现场基础设施(电缆)、最大允许现场功率产生、电网要求等的限制。所有这些因素传统上可能限制最大峰值功率产生。增加的功率产生可以增加反扭矩，从而更好地平衡风力生成的扭矩。这些限制也可能导致在湍流风环境中操作期间平均功率的降低。

传统上，风力涡轮机的结构设计可能已经考虑到了对功率产生的限制。因此，功率曲线(预期功率产生与风速的关系)可能已经稍微降低(更少的功率)，以计及由于湍流造成的功率损失。因此，在传统系统中，风力涡轮机的效率可能会降低。

因此，可能需要控制风力涡轮机的方法和相应的装置，该风力涡轮机具有耦合到用于从水产生H2的电解器的发电机系统，其中风力涡轮机的效率增加，同时确保风力涡轮机的组件，特别是电解器，在操作期间不被损坏。

发明内容

这种需求可以通过根据独立权利要求的主题来满足。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的实施例，提供了一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机具有耦合到用于从水产生H2的电解器的发电机系统，所述方法包括：标识负载情形的特性；取决于负载情形的所述特性，在高于相应标称额定值的负载和/或H2输出下操作所述电解器；监控所述电解器的状态；以及如果至少一个状态参数高于阈值，则在不高于标称值的负载和/或H2输出下操作所述电解器。

所述方法可以在软件和/或硬件中实现。所述方法可由风力涡轮机控制器的模块或一部分来执行。所述风力涡轮机可以从公用电网断开。所述风力涡轮机可以是海上风力涡轮机。

可以向电解器供应(特别是净化的)海水，然后可以通过向电解器应用足够的电功率来电解海水。电解器可以包括两个DC电极，当供电时，所述两个DC电极电解水以从水产生H2和O2。风力涡轮机可以竖立在海上平台上，并且可以包括或可以不包括用于容纳产生的H2的罐。在实施例中，用于输送H2的管道可以提供在风力涡轮机和另一个平台站或岸上站之间，用于将产生的H2输送到另一个平台或岸上站或岸上罐。

发电机系统可包括发电机，例如永磁同步电机或双馈感应发电机，例如用于在转子旋转时产生AC功率，该转子由冲击在转子叶片上的风驱动。发电机系统还可以包括耦合到发电机的AC输出端子的转换器，其中转换器被配置成将AC功率转换成DC功率。转换器可以直接连接到电解器，以便向电解器提供DC功率。

负载情形可以表征为例如阵风，特别是阵风的程度、风湍流和/或风速和/或其他环境参数。风力涡轮机承受的负载可能高于标称或额定负载。负载情形特别是可能与瞬时负载情形有关，例如，该瞬时负载情形不会延长或预期不会延长超过例如2分钟或10分钟或30分钟。在其他实施例中，可以预期负载情形会延长更长的持续时间。特别地，当在高于相应的标称或额定值(特别是限定标称容量或能力或额定容量或能力(特别是额定稳态能力)的标称或额定值)的情况下操作电解器时，可以标识允许减少一些结构或机械或电载荷的负载情形。电解器负载的标称和/或额定值可以与可能处于或超过稳态的电解器承受的负载相关联。例如，电解器的标称负载可以是电解器被设计用于连续操作的最大负载。在其他实施例中，负载的标称值或额定值可以与在特定持续时间内可以适用于电解器而不会损坏电解器的负载相关联或可以与之相关。

特别地，所述方法适用的负载情形可以是这样的负载情形，其可以允许通过在高于负载和/或H2输出的标称额定值(例如，在高5％和高20％之间)操作电解器来减少除电解器之外的一个或多个风力涡轮机组件的一些载荷。为了在高于相应标称额定值的负载和/或H2输出下操作电解器，例如，可以向电解器供应可以高于供应功率的标称额定值(例如，在高5％和高20％之间)的电功率。可替代地或附加地，也可以将高于海水供应的标称额定值(例如在高5％和高20％之间)的(例如净化的)海水供应给电解器。

根据本发明的实施例，电解器的标称温度和/或压力和/或其他操作参数(特别是对于连续操作)可以被超过，特别是超过预定量和/或在预定持续时间内暂时超过。

监控电解器的状态可以包括：测量一个或多个操作参数，如电解器或电解器的一部分的温度和/或压力；测量例如供应功率量、供水量等。状态参数可以例如包括电解器的温度和/或压力和/或功率供应和/或水供应。如果至少一个(或所有)状态参数保持低于相应的状态参数阈值，则电解器可以继续在高于相应的标称或额定值的负载和/或H2输出下操作。当电解器在高于相应标称和/或额定值的负载和/或H2输出下操作时，风力涡轮机的效率可以增加，特别是与电解器在对应于相应标称额定值的负载下操作或在低于相应标称额定值的负载下操作的情形相比，可以生成更多的H2。

本发明的实施例提供了一种方法和相应的装置，其中功率转换器和电解器可以以额定功率低于峰值功率的方式设计。例如，可以基于例如测量的速度、推力、测量的/估计的状态等来确定负载情形，在所述负载情形中扭矩的增加可以或可能减少载荷。因此，电解器负载可以增加到标称额定值以上。此外，可以监控电解器的状态，并且如果需要的话，例如由于过热，可以停止电解器的过载。因此，可以消除对峰值功率产生施加的其他外部限制。不必针对这些约束进行设计可以允许更灵活地调节涡轮机的速度，并从而提供更优化的设计。

根据本发明的实施例，负载情形包括环境过载情形，特别是包括阵风和/或风湍流。因此，可以支持典型的环境情形。

根据本发明的实施例，所述方法还包括基于负载情形的特性和/或至少一个风力涡轮机操作参数，确定在高于相应标称额定值的负载和/或H2输出下操作电解器是否将导致风力涡轮机组件的至少一个结构机械载荷降低。

因此，可以利用或执行物理/数学模型的应用和/或训练数据的模拟和/或评估。因此，可确定对实际负载情形的适当响应，从而优选地降低风力涡轮机组件的至少一个结构机械载荷。

根据本发明的实施例，通过在高于标称值的负载和/或H2输出下操作电解器，风力涡轮机组件(特别是传动系和/或轴承和/或转子叶片和/或塔架)的至少一个结构机械载荷降低。

特别是通过使电解器稍微过载(至少在预定的持续时间内)，可以降低或甚至避免一个或多个其他风力涡轮机组件将承受的载荷。

根据本发明的实施例，负载情形的特性包括以下各项中至少一个的值：风速；风湍流；阵风；推力；温度。可以使用一个或多个传感器和/或使用一个或多个处理器或评估软件来测量或估计负载情形的特性，所述一个或多个传感器例如安装在风力涡轮机处或附近。由此，可以表征和支持典型的负载情形。对于每个单独的负载情形，例如由前述参数的多个值定义的负载情形，可以采取适当的响应措施。例如，可以确定可以在高于例如负载和/或H2输出的相应标称额定操作值什么程度(例如在高5％和高20％之间)下操作电解器。取决于状态和/或负载情形参数的不同值，当在相应的过载下操作电解器时，可以确定电解器的过载量和/或还可以确定风力涡轮机的一个或多个组件的可能的负载降低。因此，可以确定使电解器过载和降低一个或多个风力涡轮机组件的负载的最佳值。

根据本发明的实施例，在高于标称额定值的负载和/或H2输出下操作电解器包括以下操作中的至少一个：向电解器供应高于相应标称或额定值的功率和/或电流和/或水；在高于相应标称或额定值的压力和/或温度下操作电解器。

可以在一个或多个预定持续时间内和/或作为稳态操作来执行高于相应标称或额定值(例如高5％至20％)的功率和/或电流和/或水的供应。因此，在面临该负载情形时，由发电机系统生成的额外电功率可增加H2的产生。

根据本发明的实施例，所述方法还包括将发电机系统的功率输出增加到高于标称额定值，特别是由此保持发电机扭矩基本恒定，其中发电机系统包括耦合到AC-DC转换器的发电机。

增加功率输出可以通过例如增加转速和/或增加发电机扭矩来实现。然而，优选地，发电机扭矩可以保持恒定，以便将传动系组件上的机械载荷保持在可接受的或额定的水平或低于该水平。增加发电机系统的功率输出可以特别涉及增加发电机的功率输出以及还涉及耦合到发电机的转换器的功率输出。稍微过载的电解器可以利用增加的功率输出来生成增加的H2单位时间的量。

根据本发明的实施例，通过在高于标称值的负载和/或H2输出下操作电解器，转子速度基本上保持恒定和/或转子加速度受到限制。发电机输出的功率与转速和发电机扭矩的乘积有关。尽管转子可能被阵风轻微加速，同时发电机扭矩可能基本保持恒定，但是转子加速度可能受到限制，特别是取决于一个或多个功率转速曲线。优选地，发电机扭矩可以保持恒定或者可以增加以降低转速或者降低转速的加速度。

根据本发明的实施例，监控电解器的状态包括测量至少一个状态参数，所述至少一个状态参数包括以下各项中的至少一个：温度；压力；水供应和/或吞吐量；至少一个电极的状态。附加地或可替代地，可以测量或监控其他状态参数。因此，可以使能实现电解器状态的精确监控。当一个或多个状态参数的一个或多个值接近或正达到相应的极限值时，可以停止电解器在过载下的操作，或者至少可以降低过载。

根据本发明的实施例，所述方法还包括在标识负载情形的特性之后：将发电机系统的增加的功率输出的一部分供应给本地能量存储装置，特别是蓄电池和/或电池，从而使得能够限制电解器承受的高于标称额定值的负载超额。

当发电机的增加的功率输出的一部分被应用于本地能量存储装置时，电解器的过载程度或水平可以被降低，或者甚至可以在不高于负载和/或H2输出的标称或额定值的情况下操作电解器。因此，可以减少或甚至避免电解器的损坏，同时以任何方式改进H2产生。

应当理解，单独或以任何组合方式公开、解释、提供或应用于控制风力涡轮机(具有耦合到用于从水产生H2的电解器的发电机系统)的方法的特征也单独或以任何组合方式应用于根据本发明实施例的控制风力涡轮机的装置，并且反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种控制风力涡轮机的装置，所述风力涡轮机具有耦合到用于从水产生H2的电解器的发电机系统，所述装置包括：负载标识模块，适于标识负载情形的特性；控制模块，适于取决于负载情形的所述特性在高于相应标称额定值的负载和/或H2输出下操作所述电解器；监控模块，适于监控所述电解器的状态；并且其中如果至少一个状态参数高于阈值，则所述控制模块还适于在不高于标称值的负载和/或H2输出下操作所述电解器。

在其他实施例中，所述装置可以具有不同的架构，不一定包括负载标识模块、控制模块和监控模块。所述装置的功能可以在软件和/或硬件中实现，特别是被布置来执行例如可以被加载到处理器存储装置中的软件程序的处理器。所述装置可以包括或可以不包括一个或多个测量传感器或估计模块。所述装置可以被配置成生成用于控制电解器和/或发电机系统(特别是转换器)的控制信号。所述装置也可以被配置成控制可选的本地能量存储装置。特别地，转换器的输出端子可以可连接或连接到电解器以及本地能量存储装置。所述装置可以被配置为将由转换器产生或输出的一部分功率提供给电解器，并将另一部分提供给本地能量存储装置。所述控制模块可以适于在过载下操作电解器，例如通过控制转换器或开关系统向电解器提供可以高于额定或标称供应功率值的供应功率。

根据实施例，提供了一种风力涡轮机，包括：发电机系统，其耦合到用于从水产生H2的电解器；以及根据前述实施例的装置。

根据下文将要描述的实施例的示例，本发明的上文定义的方面和另外的方面是显而易见的，并且参照实施例的示例解释本发明的上文定义的方面和另外的方面。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些示例。

附图说明

现在参照附图描述本发明的实施例。本发明不限于示出或描述的实施例。

图1示出了用于解释根据本发明实施例的用于控制风力涡轮机的方法的实施例的图；和

图2示意性地示出了根据本发明实施例的风力涡轮机，包括根据本发明实施例的控制风力涡轮机的装置。

具体实施方式

图2中示意性示出的风力涡轮机1包括发电机系统2和耦合到发电机系统2的电解器3。因此，发电机系统2包括发电机8，发电机8机械地耦合到旋转轴9，多个转子叶片11连接在旋转轴9处。风力涡轮机1可以是通常不连接到任何公用电网的孤岛式风力涡轮机。

此外，风力涡轮机1包括根据本发明实施例的用于控制风力涡轮机1的装置10。该装置包括未详细示出的负载标识模块，其适于标识负载情形的特性。特别地，装置10因此可以从风力测量模块或系统4接收风力条件测量数据(或负载特性)30。装置10还包括未详细示出的控制模块，该控制模块适于取决于所标识的负载情形的特性在高于相应标称额定值的负载和/或H2输出下操作电解器3。由此，装置10被配置成向电解器3提供控制信号5和/或向包括在发电机系统2中的转换器7提供控制信号6。

装置10还包括未详细示出的适于监控电解器3的状态的监控模块。为此目的，该装置接收由靠近电解器3或在电解器3内布置的一个或多个测量传感器生成的测量信号12。传感器测量信号12可以例如与压力和/或温度和/或水吞吐量和/或对电解器3的实际功率供应相关。

如图2中可以看到的，发电机8生成AC功率，特别是三相AC功率13a、13b、13c，并将AC功率提供给转换器7。转换器7是AC-DC转换器，它从所供应的AC功率在两个DC端子处生成DC输出功率14a、14b。电解器3从转换器7接收DC功率14a、14b。

图2所示的实施例还包括本地能量存储装置15，例如蓄电池和/或电池，其可通过开关16连接到转换器7的输出端子。由此，由转换器7输出的功率或者由转换器7输出的功率的至少一部分23a、b可以被供应给本地能量存储装置15，另一部分22a、b可以被供应给电解器3。

经由输入管道17，电解器3被供应有输入水18。装置10还可以适于通过未示出的泵和/或阀来改变输入供应水18的流速。因此，控制信号5还可以包括用于一个或多个阀或泵的控制信号，以便调整供应输入水18的流速。

图1在坐标系统中示出具有指示时间的横坐标20，并具有指示对电解器3的功率供应(例如，图1中示出的22a、22b)的纵坐标21，所述功率供应根据第一曲线23和根据第二曲线24，第二曲线24可以根据本发明的实施例得到。附图标记25标记了要供应给电解器3的功率的标称值或额定值。

在时间间隔26中，对电解器3的供应功率(即，根据曲线23)低于额定或标称阈值25。在第二时间间隔27中，出现负载情形，其中例如风湍流增加和/或阵风出现。根据传统的控制方法，根据遵循供应功率的阈值25的曲线23来调节对电解器3的供应功率。

然而，根据本发明的实施例，对电解器3的供应功率可以根据曲线24。曲线24的特征在于供应功率高于供应功率阈值25。因此，在高于相应标称额定值(例如额定或标称或阈值25)的负载下操作电解器。

可替代于或附加于向电解器3供应高于相应额定值或标称值的供应功率22a、22b(例如，根据曲线24)，水供应18也可以相对于相应的其他标称值或额定值被增强。

在第三时间间隔28中，增加的湍流或增加的阵风减少，使得电解器被供应低于额定或标称值25的供应功率28a、28b。在另一个实施例中，在第三时间间隔28中，电解器的温度高于阈值，并且电解器被供应低于额定值或标称值25的供应功率28a、28b。在第四时间间隔29中，湍流和/或阵风再次增加，并且再次在高于供应功率的相应标称或额定值25的负载下操作电解器。因此，在两个时间间隔27和29中，与传统执行的方法相比，可以生成更多的H2。

装置10适于施行根据本发明实施例的控制风力涡轮机的方法。当在高于相应标称额定值的负载和/或H2输出下操作电解器3时，电解器3正被监控，这涉及接收装置10的传感器测量信号12。因此，如果电解器3的至少一个状态参数高于阈值或者如果任何评估逻辑要求调整电解器3的操作，则装置10将调整电解器3的操作条件。如果例如考虑一个或多个测量值12的评估逻辑确定电解器的操作(高于额定负载)应该停止或至少减少，则装置10可以向电解器提供控制信号5和/或向转换器7提供控制信号6，以便适当地调整电解器的操作。也可以改变其他风力涡轮机操作参数。

与不在过载下操作电解器的情形相比，风力涡轮机的组件可因此经受较小的负载，这些组件可例如包括传动系组件，包括轴承、可选的齿轮箱、塔架结构、转子叶片等。风测量系统4可以例如被配置成测量风速、风湍流、阵风、推力、温度等。

本发明的实施例可以例如在阵风发生的负载情形下应用。在阵风开始时，与传统方法相比，从转子提取的功率可显著增加到高于标称/负载项功率目标，并且从而防止转子加速或将转子加速到较低程度。这可降低阵风事件期间风力涡轮机的结构载荷。电解器可以具有额定/标称电流，该额定/标称电流可以在阵风期间暂时增加。类似地，电解器可以具有额定/最高温度，该额定/最高温度可以在阵风事件期间暂时升高。

本发明的实施例也可以应用于包括风湍流或增加的风湍流的负载情形。风湍流可能导致可能的功率产生发生变化。当风速下降时，功率产生可能减少，并且反之亦然。本发明的实施例设想涡轮机在略低于额定风速下操作。当风速下降时，功率损失，但是当风速增加时，很快达到最大功率，并且与下降期间的功率损失相比，获得的功率较少。这将导致平均值下降。然而，根据本发明的实施例，当外部功率限制被消除时，风力涡轮机可以利用来自风的可用功率自由地产生尽可能多的H2。因此，功率曲线23可以反映与施加最大限制的外部因素一起使用的功率或H2，例如在传统系统中采用的。曲线24指示根据本发明的实施例获得的功率输出或H2输出，其可以在消除了限制的情况下产生。结果是产生了更多的功率或氢。

消除限制峰值功率和/或H2产生的外部因素可以增加从转子提取的峰值功率。它可用于在阵风期间限制转子速度，从而降低一个或多个风力涡轮机组件上的结构负载。它也可用于增加操作和湍流风期间的H2产生，但不限制短期功率。

可替代地或附加地，逆变器或转换器可以被过度设计，并且于是本地存储装置(例如图2中示出的本地存储装置15，例如超级电容器)可以被供应接入供应功率。因此，输出功率可以是平滑的，并且使得电解器能够以较低的额定值操作。

应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。结合不同实施例描述的元件也可以被组合。还应该注意的是，权利要求中的附图标记不应该被解释为限制权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种控制风力涡轮机(1)的方法，所述风力涡轮机(1)具有耦合到用于从水产生H2的电解器(3)的发电机系统(2)，所述方法包括：

标识负载情形的特性(30)；

取决于负载情形的所述特性，在高于相应标称额定值(25)的负载(24)和/或H2输出下操作所述电解器(3)；

监控所述电解器的状态(12)；以及

如果至少一个状态参数高于阈值，则在不高于标称值(25)的负载(23)和/或H2输出下操作所述电解器(3)，

其中通过在高于所述标称值的负载和/或H2输出下操作所述电解器(3)，风力涡轮机组件，特别是传动系(9)和/或轴承和/或转子叶片(11)和/或塔架的至少一个结构机械载荷降低。

2.根据前述权利要求所述的方法，其中所述负载情形包括环境过载情形，特别是包括阵风和/或风湍流。

3.根据前述权利要求之一所述的方法，还包括：

基于所述负载情形的特性和/或至少一个风力涡轮机操作参数，确定在高于相应标称额定值(25)的负载(24)和/或H2输出下操作所述电解器(3)是否将导致风力涡轮机组件的至少一个结构机械载荷降低。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，所述负载情形的特性(30)包括以下各项中的至少一个的值：

风速；

风湍流；

阵风；

推力；

温度。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中在高于标称额定值的负载和/或H2输出下操作所述电解器(3)包括以下操作中的至少一个：

向所述电解器供应高于相应标称或额定值(25)的功率(24)和/或电流和/或水；

在高于相应标称或额定值的压力和/或温度下操作所述电解器。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，还包括：

将所述发电机系统(2)的功率输出(13a、b、c)增加到高于标称额定值，特别是由此保持发电机扭矩基本恒定，

其中所述发电机系统包括耦合到AC-DC转换器(7)的发电机(8)。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中通过在高于所述标称值的负载和/或H2输出下操作所述电解器，转子速度基本上保持恒定和/或转子加速度受到限制。

8.根据前述权利要求之一所述的方法，其中监控所述电解器的状态包括测量至少一个状态参数(12)，所述至少一个状态参数(12)包括以下各项中的至少一个：

温度；

压力；

水供应和/或吞吐量；

至少一个电极的状态。

9.根据前述权利要求之一所述的方法，包括：在标识所述负载情形的特性之后进行以下操作：

将所述发电机系统的增加的功率输出(14a、b)的一部分供应给本地能量存储装置(15)，特别是蓄电池和/或电池，从而使得能够限制所述电解器(3)承受的高于所述标称额定值的负载超额。

10.一种控制风力涡轮机(1)的装置(10)，所述风力涡轮机(1)具有耦合到用于从水产生H2的电解器(3)的发电机系统(2)，所述装置包括：

负载标识模块，适于标识负载情形的特性(30)；

控制模块，适于取决于负载情形的所述特性在高于相应标称额定值(25)的负载(24)和/或H2输出下操作所述电解器(3)；

监控模块，适于监控所述电解器(3)的状态(12)；并且

其中如果至少一个状态参数高于阈值，则所述控制模块还适于在不高于标称值的负载和/或H2输出下操作所述电解器，

其中通过在高于所述标称值的负载和/或H2输出下操作所述电解器(3)，风力涡轮机组件，特别是传动系(9)和/或轴承和/或转子叶片(11)和/或塔架的至少一个结构机械载荷降低。

11.一种风力涡轮机(1)，包括：

耦合到用于从水产生H2的电解器(3)的发电机系统(2)；以及

根据前述权利要求的装置(10)。