DK174411B1 - Metode til kontrol af vindturbine under perioder med afbrydelse af elnettet - Google Patents

Description

5 DK 174411 B1

Teknisk område Nærværende opfindelse angår en fremgangsmåde til styring af en vindturbine under perioder med afbrydelser fra nettet, af en art, som er angivet i indledningen til krav 1.

Kendt teknik I vindturbiner af denne art er det kendt, ved afbrydelse af generatoren, at udføre en nødbremsning til et fuldt stop af vindturbinen, ved hurtigt at indstille pitchvinklen til 90° 10 eller "kantstillet”, hvor pitchvinklen er defineret som vinklen imellem vingernes plan og rotationsplanet for rotoren. En fremgangsmåde af denne art er kendt fra US 5 907 192, hvor rotationsenergien, som er oplagret i rotoren, anvendes til at genere effekt til pitchstyresystemet og styresystemet under nødbremsning efter afbrydelse af generatoren fra forsyningsnettet. Denne fremgangsmåde kan resultere i ukontrolleret 15 hurtig bremsning, hvilket eventuelt kan resultere i mekanisk overbelastning af vindturbinekonstruktionen, og dette dokument nævner ikke nogen foranstaltninger til at styre vindturbinen i en roterende tilstand "klar til genindkobling".

Omtale af opfindelsen 20

Det er formålet med nærværende opfindelse, at tilvejebringe en fremgangsmåde til styring af en vindturbine under perioder med afbrydelse fra forsyningsnettet, af den art, som er angivet ovenfor, hvormed det er muligt at opnå en hurtig genindkobling, når en gennemkobling tillades, og denne fremgangsmåde tilvejebringer en mulighed for at 25 styre rotationen af vindturbinen under sådanne perioder med afbrydelse fra forsyningsnettet, klar til genindkobling, fortrinsvis uden mekanisk overbelastning, og dette opnås med en fremgangsmåde til styring af en vindturbine under perioder med afbrydelse fra forsyningsnettet af den nævnte art, som i overensstemmelse med nærværende opfindelse også omfatter de træk, som er angivet i den kendetegnende 30 del af krav 1. Med dette arrangement vil vindturbinen hurtigt efter afbrydelse fra forsyningsnettet være styret ved en rotationshastighed klar til genindkobling efter fjernelse af en mulig fejl i forsyningsnettet, hvorved vindturbinen vil være i stand til at bidrage til forsyningsnetstabiliseringen efter en sådan fejl i forsyningsnettet, hvor sådanne fejl typisk har en varighed på nogle få sekunder.

35 2 DK 174411 B1

Foretrukne udførelsesformer, hvis fordele vil fremgår for en fagmand inden for området efter læsning af den efterfølgende detaljerede beskrivelse, er omtalt i de underordnede krav.

5 Kort beskrivelse af tegningerne I den efterfølgende detaljerede del af nærværende beskrivelse forklares opfindelsen mere detaljeret under henvisning til udførelseseksemplerne på en fremgangsmåde til styring af en vindturbine under perioder med afbrydelse fra forsyningsnettet, i 10 overensstemmelse med opfindelsen, som vist på tegningerne, hvor fig. 1 skematisk viser typiske Cp-kurver for rotorvingerne for en vindturbine, fig. 2 viser en kurve, som indikerer pitchvinkel som en funktion af vingespidshastighedsforhold for opnåelse afen rotoreffekt lig med nul, og 15 fig. 3 viser skematisk et blokdiagram af en foretrukken udførelsesform til implementering af fremgangsmåden i overensstemmelse med nærværende opfindelse.

Beskrivelse af den foretrukne udførelsesform 20

Fig 1 viser de typiske Cp-kurver for en vindturbine, dvs. effektudnyttelsen for vind-turbinerotoren, som en funktion af pitchvinklen 8 og vingespidshastighedsforholdet λ, hvor λ er defineret som λ = R x ojR/vvind, hvor R er rotorradius, oaR er rotorhastigheden og Vvmd er vindhastigheden. Med henblik på at fastlægge en pitchvinkel 80, som vil 25 tilvejebringe en rotoreffekt, som er lig med nul, skal følgende ligning løses: Ορ(80,λ) = 0 Løsningen til denne ligning er vist i fig 2, som indikerer nuleffektpitchvinklen 80 som 30 en funktion af λ.

Fig. 3 viser en foretrukken implementering af fremgangsmåden i overensstemmelse med nærværende opfindelse, som omfatter en vindestimator 1 for tilvejebringelse af en vindhastighed vvmd for beregning af λ. Vindestimatoren kunne erstattes af en simpel 35 vindmåling eller en mere kompleks vindhastighedsforudsigelsesenhed. Den målte rotationshastighed for rotoren ojmeas og vvin<j anvendes i λ beregningsenheden 2 og λ 3 t DK 174411 B1 anvendes som en parameter for en tabelopslagsberegning 3 af 80 Under normal drift tilvejebringes en optimal pitchvinkel 8opt af styresystemet 4 og anvendes som pitch-vinkelreference Srer for pitchstyringen og det mekaniske system, som styrer pitchvinklen & for rotorvingerne, idet pitchvinklen & måles Smeas. Under normal drift detek-5 teres forskellige tilstande, som kunne kræve afbrydelse imellem generatoren, som drives af vindturbinen, og forsyningsnettet. Sådanne tilstande kunne være en kortslutning i forsyningsnettet, men andre mulige tilstande kunne tænkes, såsom andre fejl i forsyningsnettet eller i generatoren og eventuelt høje mekaniske belastninger et eller andet sted i vindturbinen, etc.

10 Når sådanne tilstande, som kræver afbrydelse, detekteres 6, skiftes pitchreferencen 9ref fra 8opt til 80 af tiistandsdetektoren 6, hvorved pitchvinkelreferencen hurtigt ændres til 80, når generatoren afbrydes fra forsyningsnettet. Resultatet af dette er, at vindturbinen hurtigt reducerer sin effektoptagelse fra vinden til omtrent nul, hvorved man 15 undgår overhastighed for vindturbinen, når der ikke længere leveres effekt til forsyningsnettet I udførelsesformen, som er vist i fig 3, er der inkluderet en yderligere styresløjfe til styring af vindturbinen ved en konstant rotationshastighed ωΓβί, ved hjælp af en 20 hastighedsstyring 7, som modtager den målte hastighed oomeas henholdsvis referencehastigheden som indgangssignaler og afgiver en hastighedsstyrende pitchvinkel 8sp til pitchstyresystemet. 8sp forbindes ikke med Sfer før 8 afviger mindre end eksempelvis 0,5° fra 80, som detekteret af vinkeldifferensdetektoren 8. Dette betyder, at så snart den målte pitchvinkel 8meas afviger mindre end 0,5° fra S0l skiftes 25 referencepitchvinklen 8re, til hastighedsstyrepitchvinklen 8sp.

Så snart fejltilstanden er fjernet, kan generatoren genindkobles på forsyningsnettet og normal drift kan genoptages med pitchvinklen styret i overensstemmelse med den optimale pitchvinkel &opt, som afgives fra styresystemet 4. Naturligvis skal 8opt forøges 30 langsomt fra den faktiske pitchvinkel 8 umiddelbart før genoptagelse af normal drift, på samme måde som under normal opstart af vindturbinen.

Som et alternativ eller som et supplement til den ovenfor beskrevne pitchstyring, kan et bremsesystem anvendes til at styre rotationshastigheden for vindturbinerotoren ved 35 afbrydelse fra forsyningsnettet. I denne henseende bør bremsesystemet naturligvis 4 DK 174411 B1 være dimensioneret til at være i stand til at afgive den nødvendige effekt, og dette krav kan reduceres ved at kombinere bremsesystemstyringen og pitchstyringen på en sådan måde, at pitchstyringen fuldstændigt overtager styringen efter en kort periode med bremsesystemstyring.

5

For en fagmand inden for området vil det være klart, at adskillige modifikationer af den foretrukne udførelsesform, som beskrevet ovenfor, kan udtænkes Således kunne fremgangsmåden implementeres uden hastighedsstyresløjfen 7 og under anvendelse af en fast 90 under afbrydelse fra forsyningsnettet, hvorved rotationshastigheden for 10 vindturbinen ω ville variere i afhængighed af vindhastigheden, men tæt på rotationshastigheden umiddelbart før afbrydelse, under anvendelse af den faste værdi for 90, som er beregnet på tidspunktet for afbrydelse. Yderligere kunne beregningen af 90 være baseret på en negativ rotoreffekt, hvilket ville forårsage at rotoren decelereres før der skiftes til hastighedsstyring, hvilket kunne være en fordel, med henblik på at 15 undgå overhastighed. Yderligere kunne målingen af rotorhastigheden iumeas erstattes af en måling af generatorhastigheden. Valget af referencehastigheden cure( kan afhænge af forskellige parametre for vindturbinen, og for en pitchstyret vindturbine med fast hastighed med en induktionsgenerator, bør hastighedsreferencen sættes lig med den synkrone hastighed for generatoren, med henblik på at undgå høje 20 startstrømme på tidspunktet for genetablering af forbindelsen med forsyningsnettet. Yderligere kunne denne hastighedsreference wref bestemmes af vindhastigheden, den målte hastighed eller hastighedsreferencen, umiddelført før afbrydelsen fra forsyningsnettet, etc 25 En yderligere fordelagtig styring af pitchen omfatter beregningen af 90 for tilvejebringelse af en negativ rotoreffekt på eksempel 50% af den nominelle effekt, og omskiftning til hastighedsstyring, så snart hastigheden er lavere end en maksimal statisk hastighed for vindturbinen og forskellen imellem pitchvinklen 9meas og pitchreferencen 90 er mindre end 0,5°.

Claims (14)

1. 5 DK 174411 B1 !
2. 1. Fremgangsmåde til styring af en pitchstyret vindturbine under perioder med afbrydelse fra nettet og efterfølgende genetablering af forbindelsen, hvilken 5 vindturbine omfatter en netforbundet generator, som drives af vindturbinerotoren, kendetegnet ved, at omfatte følgende trin a) udførelse af tilstandsmålinger, med henblik på at detektere tilstande, som kræver afbrydelse og efterfølgende tilstande, som tillader genetablering af forbindelsen til 10 generatoren, b) når generatoren afbrydes fra nettet, baseret på tilstandsmålingerne, etablering af en styring af vindturbinen, som sikrer en rotationshastighed for rotoren og generatoren inden for det normale hastighedsområde, c) når genetablering af forbindelsen af generatoren tillades, baseret på tilstands- 15 målingerne, genetablering af forbindelsen til generatoren, og d) genoptagelse af normalt drift.
3. 2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at trin b) omfatter etablering afen styring af vindturbinen, som sikrer en rotationshastighed for rotoren og generatoren 20 inden for det normale hastighedsområde, under anvendelse af et bremsesystem, som eventuelt allerede foreligger til nødbremsning og standsning af vindturbinen.
4. 3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at trin b) omfatter etablering af en styring af vindturbinen, som sikrer en rotationshastighed for rotoren og generatoren 25 inden for det normale hastighedsområde, som yderligere omfatter: b1) fastlæggelse af en pitchvinkel 90, som vil tilvejebringe en forudbestemt rotoreffekt eller et forudbestemt rotormoment, som er mindre end eller omtrent lig med nul, og 30 b2) når generatoren afbrydes fra nettet, baseret på tilstandsmålingerne, indstilles pitchreferencen til den fastlagte pitchvinkel 90-
5. 4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved at omfatte en kombination af trækkene ifølge kravene 2 og 3. 35 6 DK 174411 B1
6. 5. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at omfatte følgende trin b3) efter trin b2): b3) når den målte pitchvinkel 9 er større end eller lig med θ0 - Δ90) hvor Δ90 er en lille 5 afvigelse på eksempelvis mindre end 1°, sættes vindturbinen i en hastighedsstyringsmodus, hvor hastigheden for rotoren styres til en forudbestemt referencehastighed U)0 beliggende inden for det normale hastighedsområde for vindturbinerotoren.
7. 10. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet ved, at Δ90 er mindre end 0,5°.
8. 7 Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav 5-6, kendetegnet ved, at den forudbestemte rotorreferencehastighed ω0 bestemmes i afhængighed af den målte, estimerede eller forudsagte vindhastighed og/eller indstillede eller målte rotor-15 hastighed før afbrydelse.
9. 8. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav 5-7, kendetegnet ved, at trin b3) yderligere omfatter opsætning af en yderligere betingelse, at rotationshastigheden skal være mindre end eller lig med den forudbestemte hastighed ω0 før omskiftning til 20 hastighedsstyring.
10. 9. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav 3-8, kendetegnet ved, at trin b1) omfatter fastlæggelse afen pitchvinkel 90, som tilvejebringer en rotoreffekt imellem nul og -100%, fortrinsvis omtrent -50% af den nominelle rotoreffekt. 25
11. 10 Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav 3-9, kendetegnet ved, at trin b1) omfatter fastlæggelse af pitchvinlen 90 baseret på parametre valgt fra følgende liste: 30 i) målt rotorhastighed (ω) (eller tilsvarende generatorhastighed), ii) rotorhastighedsreference (coref) (eller tilsvarende generatorhastighedsreference), ni) målt vindhastighed, iv) forudsagt vindhastighed, v) estimeret vandhastighed, 35 og fastlæggelsen af pitchvinklen 90 er baseret på beregninger og/eller tabelopslag. j DK 174411 B1 ί ' 7
12. 11. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav 3-10, kendetegnet ved, at pitchvinklen S0 er en fast vinkel indtil mulig hastighedsstyringsmodus indstilles, dvs. baseret på faste startparametre. 5
13. 12. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 3-7, kendetegnet ved, at pitchvinklen 30 er en dynamisk vinkel, som er baseret på parametrene i) til v) i krav 10 samt beregning og/eller tabelopslag. DK 174411 B1 Cp a 0.$ — 1-11 I ---‘1 " - i ' i “ I " I i 1 i 0-3 * - - I - “ t ί' I * " " "I* - - r 'S^’· i · - r 0.25 - - · *fj -i * i » - -» - - i * - *y” i - \^- f· - · - · * «» . //. / . \ , · \ .\ . \ . 0.CS - ""\ " ’ J ‘ · - ’' ‘ -1 · \ * - ...... o —^\\\—*-t—--Λ-1-;—i-1-\-1_\-1--λ O 2 4 S B 10 12 14 IB IB 20 Fig.1. 9o t 45 ·Γ·~ 1 “"Γ —T · "t I . i I 35. .............. 25 · - - * \ * “1* " “1 ” ' , * ’ ”1* " 1 « * ? 5. . ” , ” · 1 * 1 - ’ “1 " i* * ’ · ’ ” 1 pi --« * 1 1 1--- —1—^-!.., I * λ, O 2 4 β 5 10 12 14 ' 16 < 8 20 'w Fig.2. DK 174411 B1 (Λ ro Q) —- E CO --- , 1 77= W I £ υ §E 2 t H LU O- C/} S CD -2 feh-------/ ’Λ*—, F S ·-1 OO Vh \o -----<1 V CO _ ~ Tf o ' Έ x,_^ CO |= O r—' Or t § oo
14. 1-Q.-Q- a 7 « y rV ^ — z o f— o: r—l— S? £ O csj tX fol tZ LU m CO ^ · __J ll o ii T7 r~ £ =: CO <u LU E o _ w 1