NO156257B - Bladstigningsvinkel-reguleringssystem for en vindturbingenerator. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et bladstignings-reguleringssystem for en vindturbingenerator med kraftkomponenter innebefattende en rotor med varierbar bladstigning-, hvor reguleringssystemet omfatter anordninger for frembringelse av et vindhastighetssignal som angir rådende middelvindhastighet.

Moderne, store vindturbingeneratorer med horisontal akse omfatter vanligvis et antall blad med varierbar stigning, som er montert på en rotor som driver en synkrongenerator under medvirkning av en girkasse.Girkassen øker hovedturbinakselens rotasjonshastighet i nødvendig grad for synkron drift av generatoren .

Bladene, girkassen og generatoren vil bare kunne hånd-tere overførte vridningsmomenter eller inngangseffekt av begrenset størrelse. Ved regulering av slike moderne, store vindturbingeneratorer, eksempelvis som kjent fra US-patentskrift 4.193.005. blir således den vindenergi eller -effekt som oppfanges av bladene, og det resulterende, overførte vridningsmoment til hovedturbingeneratorakselen begrenset til sikre kvantiteter, ved justering av stigningsvinkelen for tur-binens aerofoilblader med henblikk på verning av turbinbladene, bladfestene, girkassen generatoren og andre systemkompo- nenter. For at kraft og momentoverføringen i vundturbingene-ratoren på denne måte skal kunne begrenses, må bladreguler-ingssystemer tilknyttes, eller selv frembringe, et signal som angir den maksimale effekt- eller momenthåndteringskapasitet for de ovennevnte turbingeneratorkomponenter. Ifølge det ovennevnte US-patentskrift avgis et slikt momentsignal, også be-tegnet momentreferansesignal, fra en moment- eller funksjons-generator hvori numeriske verdier for nominelt vridningsmoment lagres som funksjon av vindhastigheten, hvorved et vindhastig-hets-innsignal til en planleggingskrets fremkaller et motsvarende momentreferansesignal fra denne.

De referansemomentverdier som lagres i signalgeneratoren er hittil blitt bestemt på grunnlag av de nominelle merkeverdier for turbinbladene, generatoren og girkassen, idet fast-leggingen av disse nominelle merkeverdier har vært basert på drift av disse komponenter under elektriske behandlingsbeting-elser og værforhold som vanligvis har vært ugunstige for maksimal effekt- eller momentoverføring. Funksjonsgeneratoren begrenser således referanseeffekt- eller momentsignalet, og følgelig generator-uteffekten, til en verdi som vil være be-tryggende under relativt ugunstige driftsbetingelser, selv når de rådende driftsforhold er gunstige for maksimal effekt-eller momentoverføring gjennom bladene, girkassen og generatoren, og følgelig gunstige for maksimal uteffekt fra generatoren.

Med hensyn til vindturbinbladene er det konstatert at bladpåkjenningene er størst ved "merke"-vindhastigheten (den laveste vindhastighet som kan frembringe merkeeffekt), hvorved bladstigningen er innstilt for maksimal energioppfangelse. Ved hastigheter over merkehastigheten er bladstigningen slik ju-stert, at trykket mot bladene reduseres og det derved "spilles" betydelige vindmengder fra bladene. Ved slik stigningsju-stering minskes bladpåkjenningene i forhold til de påkjennin-ger som oppstår ved merkehastigheten.

Den maksimalt tillatelige, elektriske uteffekt fra en synkrongenerator avhenger av slike faktorer som belastningseffektfaktoren og evnen til avkjøling av generatoren, som i sin tur er avhengig av omgivelsestemperaturen og luft-tett-heten (høyden over havet). Uteffekten fra generatoren er en funksjon av belastningen og det inngående moment til generatoren. Den maksimalt tillatelige, elektriske uteffekt fra generatoren øker med størrelsen av belastningseffektfaktoren og med kjølekapasiteten. Ved en gitt generatorposisjon (høyde over havet) ved høye belastningseffektfaktorer og/eller lave omgivelsestemperaturer kan generatoren således drives ved et inngående moment, høyere enn den nominelle, til belastningen.

Girkassen som anvendes i vindturbingeneratoren, er vanligvis også avpasset for inngående moment eller effekthåndteringskapasitet av nominell størrelse. Det inngående moment til girkassen bestemmes i sin tur av det utgående moment fra vind-turbinrotoren, både i stasjonær tilstand og under vindkastpå-virkning. Slike girkasser er vanligvis nominelt avpasset for en viss inneffekt i tilknytning til et stabiltilstandsmoment, samtidig som girkassen er konstruert for opptakelse av større, tilnærmelsesvis transiente momenter grunnet vindkast. Slike transiente momenter antas vanligvis å oppgå til ca. 14 0% av merkemomentet. Det er konstatert at når størrelsen, hyppig-heten og varigheten av de faktisk forekommende vindkast er mindre en antatt, kan girkassen drives i likevekttilstand ved større, inngående moment enn det nominelle, hvorved det avgis en elektrisk uteffekt, større enn den nominelle, fra generatoren.

Det fremgår av det ovenstående at under visse beting-elser, dvs. lav omgivelsestemperatur, høy effektfaktor, lav vindhastighetfaktor og en middelevindhastighet over merkehastigheten, kan vindturbingeneratoren drives sikkert ved kraft-eller momentmerkeverdier som overstiger de nominelle for turbinbladene, girkassen eller generatoren, som på kjent måte gjenspeiles av et referansesignalskjerna. Drift ved slike effekt- eller momentstørrelser som overstiger merkeverdiene, vil selvsagt øke den elektriske uteffekt fra turbingeneratoren og derved redusere enhetsprisen for den produserte, elektriske energi.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å opprette et optimalt effekt- eller momentreferansesignal for et vindturbingenerator-reguleringssystem, basert på faktiske driftsbetingelser for turbingeneratoren.

Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at reguleringssystemet omfatter en anordning for avgivelse av et vindhastighetfaktorsignal som angir i hvilken grad den i øyeblikket rådende vindhastighet kan overstige den foreliggende middelvindhastighet, og at signalbehandlingsanordningen under innvirkning av vindhastighetfaktorsignalet kan frembringe et girkassekapasitetssignal som er en funksjon av vindhastighetssignalet og hastighetfaktorsignalet og som angir den bladstigningsvinkel som er ønskelig for at rotoren skal drive girkassen sikkert i avhengighet av de sannsynlige, maksimale vindhastigheter som angis av vindhastighetssignalet og vindhast-ighetf aktorsignalet , idet signalbehandlingsanordningene dessuten, i avhengighet av vindhastighetssignalet, frembringer et bladkapasitetssignal som er en funksjon av vindhastighetssignalet og som angir den bladstigningsvinkel som er ønskelig for at rotoren sikkert skal kunne oppta de vindhastigheter som angis av vindhastighetssignalet, hvorved signalbehandlingsanordningene omfatter en velgeranordning som frembringer et effektreferansesignal som angir den ønskete bladstigningsvinkel som funksjon av et valgt signal av bladkapasitetssignalet og girkassekapasitetssignalet, og angir den maksimalt tillatelige bladstigningsvinkel med henblikk på sikker drift av rotor og girkasse.

I en utførelsesform av oppfinnelsen overføres ett eller flere av maksimumskapasitetssignalene for generator-, blad- og girkasseeffekt til en forskinkelseskompensasjonskrets med in-tergerende kompenseringsanordninger, for å utjevne signalet og øke dets nøyaktighet. Forskinkelseskompensasjonskretsen omfatter dessuten midler for begrensning av feilen mellom utsignalene for de integrerende kompenseringsanordninger og systemets referanseutsignal til en verdi som vil hindre overdreven virk-somhet av de integrerende kompenseringsanordninger når refe-ransesignaler begrenses av et annet effektkapasitetssignal enn det som er tilknyttet forsinkelseskompensasjonskretsen.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det ettefølg-ende under henvisning til den medfølgende tegning, hvis eneste figur viser et skjematisk diagram for en foretrukket utførel-sesform av bladstignings-reguleringssystemet ifølge oppfinnelsen.

Figuren viser et reguleringssystem som omfatter digitale dataavlesnings-minneverk eller analoge funksjonsgeneratorer 15, 20 og 25 for opprettelse av signaler som angir effekthånd-teringskapasitetene for vindturbingeneratorens girkasse, blad-er og generatorer som funksjoner av turbogeneratorens dirfts-forhold. Selv om reguleringssystemet er beskrevet i tilknytning til slike minneverk, er det innlysende at det, uten å av-vike fra oppfinnelsen, kan anvendes motsvarende momentfuk-sjons-minneverk, hvorved numerisk momentverdier lettvint om-regnet til effektverdier, og vice versa. I det etterfølgende er derfor henvisning til et effektsignal å oppfatte som henvisning enten til et effektsignal eller til et momentsignal.

I generator-minneverket 15 lagres generatoreffekt-hånd-teringskapasitet som en funksjon av innsignaler både for be-lastningeseffektfaktoren E.F. og omgivelsestemperaturen TQMGved en gitt høyde over havet, hvorved generatoreffekt-håndter-ingskapasiteten, som tidligere nevnt, selvsagt øker med økende effektfaktor og synkende omgivelsestemperatur. Effektfaktor-og temperatursignalene frembringes av egnete transdusere såsom et termoelement 27 og en effektfaktormåler 28, og overføres gjennom ledninger henholdsvis 30 og 35 til minneverket 15. Bladminneverket 20 avgir et signal som angir bladenes effekthåndteringskapasitet (begrenset av tillatt bladpåkjenning) som en funksjon av et middelvindhastighetssignal som mottas fra en transduser 37, såsom en vindmåler, og overføres til minneverket gjennom en ledning 40. Girkassefunksjonsgeneratoren eller minneverket 2 5 frembringer et utsignal som angir girkassens effekthåndteringskapasitet som en funksjon av innsignaler for midddelvindhastighet (VIw7) og for vindturbulensfaktor (T.F.). Vindhastighetssignalet kan mottas fra ledningen 40

og overføres til minneverket 25 gjennom en ledning 45. Tur-bulensfaktorsignalet som angir størrelsen av forekommende vind-turbulens (vindkast) frembringes av en egnet anordning 47 som foretar gjentatte vindhastighetsmålinger og beregner en turbulensfaktor på grunnlag av målte vindkaststyrker og beregnete middelvindhastigheter. Dette signal overføres gjennom en ledning 50 til minneverket 25. Som tidligere omtalt minsker blad-påkjenningen, når vinden får "spilles" fra disse slik at det resulterende trykk mot bladene avtar. Ved vindhastigheter som overstiger merkehastigheten er således bladpåkjenningene mindre enn ved merkehastigheten, og bladene kan derfor oppfange økete vindenergimengder uten at det oppstår for store, indre spen-ninger. Som angitt av minneverket 25, øker girkassens effekt-eller momenthåndteringskapasitet i likevektstilstand, når tur-bulensen avtar. Det fremgår således, at under visse, gunstige vind-, temperatur- og effektfaktorbetingelser vil minneverkene 20 og 25 frembringe effektsignaler som angir vesentlig større effektkapasitet enn noen av de nominelle merkeverdier for bladene, girkassen eller generatoren.

Utsignalene fra minneverkene 15, 20 og 25 overføres til ledninger henholdsvis 55, 60 og 65. Det vil tidvis, f.eks.

når vindturbingeneratoren startes og vindturbinhastigheten må økes gradvis, kreves et referansesignal som understiger maksimumsverdien. For å oppnå slik regulering blir det, gjennom en ledning 70, overført et instruksjonseffektsignal til sys-temet ifølge oppfinnelsen.

Hvis det i beskrivende øyemed antas at den krets som omsluttes av den brutte linje 75, ikke inngår i oppfinnelsen, vil utsignalene fra minneverkene 15, 20 og 25, og instruksjons-ef f ektsignalene , overføres til en minstvelgerkrets 80 som vel-ger det minste av de fire signaler og overfører dette minste signal som referanseutsignal 85. Som tidligere omtalt vil dette signal angi en bladstigningsvinkel som vindturbinbladene må innta for oppnåelse av en uteffekt i motsvarighet til dette referansesignal. Minstvelgerkretsen kan omfatte hvilken som helst, egnet komponent eller krets, såsom en første gruppe komparatorer som jevnfører verdien for et av signalene med verdiene for de øvrige, og en andre gruppe komparatorer som jevnfører utsignalene fra den første komparatorgruppe, sammen med portkretser, hvorav én aktiviseres av koraparatorene, for gjennomgang av signalet med minsteverdien som utsignal fra minstvelgerkretsen.

Under antakelse av at det under drift ønskes den størst mulige uteffekt fra vindturbingeneratoren, vil instruksjonssignalet ha en større verdi enn de maksimalt tillatelige effekt-eller momentsignaler fra minneverkene 15, 20 og 25. Under forut-setning av moderat middelvindhastighet, høy belastningseffekt-faktor og relativt lav vindturbulensfaktor, vil det innsees at turbinbladene og generatoren blir kapable til inngangs-effekter som i vesentlig grad overstiger minimumsmerkeverdiene for disse komponenter. Den lave turbulensfaktor vil likeledes tillate en større, nominell inngangseffekt til girkassen. Følge-lig kan vindturbingeneratoren drives sikkert ved høyere inn-gangsef f ekter enn de nominelle til bladene, girkassen og generatoren, og kan derfor drives ved en elektrisk uteffekt som overstiger merkeeffekten. Forutsatt at vindforholdene er slik at inngangseffektgrensen for girkassen oppnås innen inngangs-momentgrensene eller inngangseffektgrensene for de andre komponenter er oppnådd, vil signalet fra girkasse-minneverket 25 være mindre enn utsignalene fra de øvrige komponenter, og mindre enn instruksjonssignalet. Minstvelgerkretsen vil følgelig velge girkassesignalet som derved viderebefordres som referanseutsignal. Dette referansesignal overføres til den del av vindturbingenerator-reguleringssystemet (ikke vist) som bevirker at bladstigningen innstilles i motsvarighet til en faktisk vindturbingenerator-uteffekt som stort sett tilsvarer den som påkalles av referansesignalet. Det fremgår således, at under visse, gunstige vind-, temperatur- og effektfaktorbetingelser kan reguleringssystemet ifølge oppfinnelsen om ønskelig inn-stille et effektreferansesignal som i vesentlig grad overstiger enhver av de nominelle merkeverdier for bladene, girkassen eller generatoren, hvorved den elektriske energi som produseres av turbingeneratoren, bringes til et maksimum.

Utsignalene fra minneverket 15 kan overføres til en integrer- eller forsinkelseskompenseringskrets 75, idet det er åpenbart at liknende forsinkelseskompenseringskretser kan til-koples minneverkenes 20 .og 25 utganger på liknende måte. Forsinkelseskompenseringskretsen omfatter et første summeringsforeningspunkt eller en differansekrets 90 som på grunnlag av forskjellen mellom referanseutsignalet 85 fra minstvelger kretsen 80 og utsignalet fra forsinkelseskompenseringskretsen (ledning 95) avgir, som utsignal til en ledning 100, et første feilsignal som er proporsjonalt med nevnte forskjell. Utsignalet fra summeringsforeningspunktet 90 overføres til en begrenser 105, for begrensning av verdien for det første feilsignal. Som det fremgår av det grafiske diagram for begrenser-signalet, er begrenserens utsignal lik null i et dødt bånd under en forutvalgt feilverdi (i den foretrukne versjon en innstilt prosentdel, f.eks. 5%, av merkeuteffekten fra vindturbingeneratoren) . Ovenfor dette bånd vil begrenserutsignalet motsvarer en bestemt brøkdel av verdien for det første feilsignal, bestemt av begrenserens forsterkningsgrad. Utsignalet fra begrenseren 105 overføres til et andre summeringsforeningspunkt 110 for beregning av forskjellen mellom summen av utsignalet fra begrenseren 105 og referanseutsignalet 85 og utsignalet fra det tilknyttede minneverk, i dette tilfelle minneverket 15. Utsignalet fra det andre summeringsforeningspunkt 110 overføres til en integrator 115 som foretar integralkompen-sering for å øke nøyaktigheten av utsignalet fra minneverket og utjevne dette utsignal.

Integrer- eller forsinkelseskompenseringskretsens funksjon er beskrevet i det etterfølgende. Når referanseutsignalet 85 bestemmes av et annet signal enn det som avgis av funksjonsgeneratoren 15, frembringer summeringsforeningspunktet 90 et feilsignal som er proporsjonalt med forskjellen mellom utsignalet fra integratoren 115 og referanseutsignalet 85. Uten begrenseren 105 vil en vesentlig forskjell mellom referanseutsignalet 85 og integratorens 115 utsignal, eller, overført til det andre summeringsforeningspunkt 110, sammen med utsignalet fra minneverket 15 og referansesignalet 85, kunne frem-kalle et stort, andre feilsignal som vil utløse integratoren 115 og forårsake fortsatt men unødvendig integrering av denne komponent, med derav følgende, ytterligere fortsatt forstør-relse av feilsignalene. Ved hjelp av begrenseren 105 begrenses feilen mellom integratorutsignalet og referansesignalet 85

på ovennevnte måte, ved kompensering av enhver forskjell mellom utsignalet fra minneverket 15 og referanseutsignalet 85. Derved reduseres utsignalet fra summeringsforeningspunktet 110

til null eller til en verdi som på hensiktsmessig måte begrenser funksjonen av integratoren 115 og følgelig av utsignalet fra denne.

Selv om forsinkelseskompenseringskretsen er vist i tilknytning til funksjonsgeneratoren 15 for generatoreffekt-hånd-teringskapasiteten, er det, som tidligere nevnt, åpenbart at liknende forsinkelseskompenseringskretser kan komme til anvendelse på tilsvarende måte ved blad- og girkasseminneverkene 20 og 25.

Den beskrevne oppfinnelse kan utstyres enten med analog-eller digitalapparatur, eller med en kombinasjon av disse, idet signalene kan omformes fra analoge til digitale, eller omvendt. Selv om utsignalene fra funksjonsgeneratorene eller minneverkene 15, 20 og 25 er beskrevet som funksjoner av temperatur, effektfaktor, turbulensfaktor og vindhastighet, er det videre åpenbart at utsignalene fra disse komponeneter kan bestemmes som funksjoner av andre parametre hvorigjennom de ovennevnte temperatur-, effektfaktor-, turbulensfaktor- og vindhastighetsstørrelser kan beregnes.

Claims (7)

1. Bladstigningvinkel-reguleringssystem for en vindturbingenerator med kraftkomponenter innbefattende en rotor med varierbar bladstigning, som driver en elektrisk generator gjennom en girkasse, hvor reguleringssystemet omfatter anordninger (37) for frembringelse av et vindhastighetssignal (V ) som angir rådende middelvindhastighet,karakterisertved at den omfatter en anordning (47) for avgivelse av vindhastighetfaktorsignal (T.F.) som angir i hvilken grad den i øyeblikket rådende vindhastighet kan overstige den foreliggende middelvindhastighet, og at signalbehandlingsanordningene (15,20,25,80) under innvirkning av vindhastighetfaktorsignal (T.F.) kan frembringe et girkassekapasitetssignal som er en funksjon av vindhastighetssignalet (V ) og hastighetfaktorsignalet og som angir den bladstigningsvinkel som er ønskelig for at rotoren skal drive girkassen sikkert i avhengighet av de sannsynlige, maksimale vindhastigheter som angis av vindhastighetssignalet og vindhastighetfaktorsignalet, idet signalbehandlingsanordningene (15,20,25, 80) dessuten, i avhengighet av vindhastighetssignalet, frembringer et bladkapasitetssignal som er en funksjon av vindhastighetssignalet og som angir den bladstigningsvinkel som er ønskelig for at rotoren sikkert skal kunne oppta de vindhastigheter som angis av vindhastighetssignalet, hvorved signalbehandlingsanordningene (20,25,80) omfatter en velgeranordning (80) som frembringer et effektreferansesignal (PREp) som angir den ønskete bladstigningsvinkel som funksjon av et valgt signal av bladkapasitetssignalet og girkassekapasitetssignalet, og angir den maksimalt tillatelige bladstigningsvinkel med henblikk på sikker drift av rotor og girkasse.

2. Reguleringssystem i samsvar med krav 1,karakterisert vedat det omfatter generatortilstands-indikatorer (27,28) som frembringer et tilstandssignal som angir den foreliggende størrelse av en variabel parameter som innvirker på den elektriske generators belastningshåndterings-kapasitet, og at signalbehandlingsanordningene (15,20,25,80), i avhengighet av tilstandssignalet, frembringer et generator- kapasitetssignal som angir den ønskete bladstigningsvinkel for rotoren, for sikker drift av generatoren, og velgeranordningen (80) avgir effektreferansesignalet som funksjon av et valgt signal av bladkapasitetssignalet, girkassekapasitetssignalet og generatorkapasitetssignalet som angivelse av den største, tillatelige bladstigningsvinkel for sikker drift av rotorgir-kassen og generatoren.

3. Reguleringssystem i samsvar med krav 2,karakterisert vedat generatortilstandsindikatorene (27,28) frembringer et tilstandssignal som angir generatorens omgivelsestemperatur.

4. Reguleringssystem i samsvar med krav 2,karakterisert vedat generatortilstandsindikatorene (27,28) frembringer et tilstandssignal som angir generatorens uteffektsfaktor.

5. Reguleringssystem i samsvar med krav 4,karakterisert vedat generatortilstandsindikatorene (27,28) frembringer et andre tilstandssignal som angir generatorens omgivelsestemperatur, og at signalbehandlingsanordningene (15,20,25,80) omfatter midler (15) for frembringelse av generatorkapasitetssignalet i forenet avhengighet av tilstandssignalet.

6. Reguleringssystem i samsvar med et av kravene 1-5,karakterisert vedat signalbehandlingsanordningene (15,20,25,80) omfatter midler (75) som frembringer et integralsignal som funksjon av tidsintegralet av forskjellen mellom et av kapasitetssignalene og effektreferansesignalet, til dannelse av effektreferansesignalet som et valgt signal av (A) integralsignalet, og (B) et annet av kapasitetssignalene.

7. Reguleringssystem i samsvar med krav 6,karakterisert vedat midlene (75) danner integralsignalet som tidsintegralet av forskjellen mellom (1) et av kapasitetssignalene og (2) summen av (a) effektreferansesignalet og (b) en begrenset del ovenfor terskelstørrelsen av forskjellen mellom (i) integralsignalet, og (ii) effektreferansesignalet.