NO161190B - Forbedret styring av bladstigningsvinkelen for en stor vindturbin. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår' et system som angitt i innledningen til patentkravet, for styring av bladstigningsvinkelen i vindturbin-generatorer med horisontal akse og spesielt styring av bladstigningsvinkelen under forhold med lav vindhastighet.

Moderne, store vindturbin-generatorer med horisontal akse omfatter vanligvis to eller flere blad med variabel stigning montert på en rotor som driver en synkrongenerator gjennom en girboks, der girboksen tjener til å øke omdteiningshastigheten på turbinakslingen opp til hastig-heten som trengs til synkron drift av generatoren. I slike vindturbin-generatorer er det vanligvis ønskelig å styre bladstigningen som reaksjon på vindforhold og krav til turbines utgang. Et styringssystem for bladstigning på store vindturbin-generatorer er vist i US-patentskrift 4.193.005. Dette styringssystemet er et system med lukket sløyfe, som gir et referansesignal for bladstigningsvinkelen til et styringssystem for forandring i bladstigningen basert på slike parametre som vindforhold, ønskete driftsforhold for turbingeneratoren og reelle driftsforhold for turbin-generatoten. Systemet i dette patentskriftet omfatter fire atskilte regulatorer: Den første styrer akselerasjonen til rotoren under oppstarting. Den andre styrer retardasjonen til rotoren ved stans. Den tredje styrer rotorhastigheten når synkrongeneratoren er off-line. Den fjerde styrer rotorhastigheten når synkrongeneratoren er on-line.

Regulatorenen gir et tidsderivert stigningsvinkel-referansesignal som inngangssignal til en integrator. Utgangssignalet fra integratoren er det nevnte bladstigningsvinkel-reféransesignalet. Integratoren innbefattet maksimum og minimum endestopp svarer til en bladstigningsvinkel på 90° (nullstilling av bladene) mens minimum endestopp er variabel, da den er en funksjon av rotorhastighet og målt vindhastighet.

Som forklairt i det nevnte patentskriftet, er referansesignalet for bladstigningsvinkelen som er innstilt av regulatoren begrenset til en minimumsverdi (integratorens minimum endestopp) under vindforhold mellom innkoplings-hastigheten (minimum vindhastighet

der vindturbin- generatoren er i stand til å produsere brukbar effekt), og nominell hastighet (minimum vindhastighet der vindturbin- generatoren kan produsere nominell effekt.) Det er avgjørende for driften av vindturbinen i dette området av vindhastigheter, at stigningsvinkelen på bladene innstilles på en slik minimumsverdi for å oppta størst mulig mengde energi fra vindstrømmen. Ved vindhastigheter større enn dem innen dette området, er mer enn nok vindenergi tilgjengelig for å generere nominell effekt, og følgelig blir energi "sløst bort" fra bladene når vindturbinen er i drift. Imidlertid bør bladene innen dette området stilles nøyaktig på minimum stigningsvinkel hvor ingen betydelige energimengder går til spille på bladene.

I det kjente styringssystemet blir verdier for minimum styringsvinkel (£ min) som en funksjon av hastighetsforholdet 7( (et produkt av en konstant, bladdiameteren og bladets turtall dividert med vindhastigheten) lagret i en funksjonsgenetator eller minne 204. For å gi et nøyaktig signal .8 min, må funksjonsgenerator 204 tilføres nøyaktige avlesninger av vindhastigheten og rototens turtall. Mens rototens turtall er lett og nøyaktig målbar, er en nøyaktig bestemmelse av vindhastigheten ikke så lett å oppnå. Hittil har praksisen vært å måle vindhastigheten fra en punktsensor plasser pa et sted utenfor rotoren. En ser gjerne at en slik sensor bare vil føle vindforhold i sin umiddelbare nærhet og kan derfor, på grunn av nærvær av ujevnheter i vindhastigheten, ikke med sikkerhet gjenspeile hastighetsforholdene på rotoren nøyaktig. Dessuten, selv om hastighetssensoren kunne måle nøyaktig hastighetsforholdene på rotoren, ville en slik måling bare vise vindhastigheten i målepunktet. Fot nøyaktighet bør det minimale bladstigningsvinkelsignalet baseres på vindforhold integrert over hele arealet til rotoren. Det er klart at en punktsensor ikke er i stand til slike målinger. Under de lave vindhastighetene der minimum bladstigningsvinkel styrer driften av turbinen, kan selv en liten feil i bestemmelsen av vindhastigheten resultere i innstillinger av bladstigningsvinklelen hvor mengden av vindenergi som turbinen er i stand til å ta opp, og derfor turbinytelsen, er betydelig redusert.

Et annet formål med oppfinnelsen er å skaffe et styringssystem der innstillingen av bladstigningsvinkelen bestemmes på basis av vindhastighetene over hele vindturbinrototen istedetfot et enkelt punkt.

Et annet formål med oppfinnelsen er å skaffe et styringssystem der en minste bladstigningsvinkel bestemmes på basis av forhold som er nøyaktig og gunstig målbare.

Dette kan oppnås ved å utforme styringssystemet som angitt i patentkravet.

Kort beskrivelse av tegningene:

Fig.l viser et skjematisk diagram av den foretrukne utformingen av styringssystemet i samsvar med patentkravet. Fig.2 viset et yteIsesdiagram for en typisk stor vindturbin-generator.

Under henvisning til tegningen, er styringssystemet fot bladstigningsvinkelen i samsvar med oppfinnelsen vist generelt innenfor den stiplede linja 10. Systemet et inngang med den tidsdetivetet (også 3.35, 4.1) av et referansesignal for en bladstigningsvinkel på linje 15, et signal (N ) som viser det aktuelle turtallet til vindturbinrotoren på linje 20, og på linje 25 et signal (P) som viser reell utgangseffekt til vindturbinen. Turtallet og effektsignalene kan lettvint skaffes fra passende transducere 30 og 35, som er velkjente på området. Den tidsderiverte (,8R) av signalet for bladstigningsvinkelen skaffes fra regulator 40, som f.eks. kan omfatte regulatoren for det nevnte US-patentskriftet 4.193.005 minus integratordelen vist i fig.8 i dette skriftet. Således skaffes6R- signalet på linje 15 fra f.eks. tilstandsvelgeren 96 i det kjente systememt videre detaljer som angår konstrukjonen og driften av det kjente systemet 10 i den foretrukne utformingen generelt svarer til den delen av systemet vist i fig. 8 i patentskriftet og henvist til ved 104 i blokkdiagrammet på fig. 3 i patentskriftet.

Igjen under henvisning til tegningene i dette patentskriftet blir det deriverte signalet på linje 15 ført til en begrenser 45 som begrenser signalet til verdier forenlige med ytelsen til drivmekansimene for bladstigningen i systemet som driver stigningsforandrdngene i turbinen. Gjennom eksempel, hvor bladstigningen innstilles av hydrauliske drivmekanismer, vil begrenser 45 begrense det deriverte signalet til verdier som svarer til ytelsen på ei pumpe som forsyner drivmekansimene med hydraulisk væske under trykk. Fra begrenseren 45 føres det begrensede deriverte signalet til en summeringsenhet 50 som tar differensen til integrator 70 via linje 75. Integratoren 70 integrerer det deriverte signalet, og skaffer derved et referansesignal-3 R for bladstigningsvinkelen langs linje 80 til et system for drivmekansimen for bladstigningen som innstiller stigningen på vindturbinbladene etter dette referansesignalet. Drivmekanismen er ingen del av den foreliggende oppfinnelsen og er derfor ikke beskrevet her. Forøvrig er det passende system for drivmekanisme for vindturbiner beskrevet i US-patentskrift 4.348.155.

Referansesignalet for bladstigningsvinkelen fra linje 80 føres til kretsen 55 gjennom linje 90. Kretsen 55 sammenligner referansesignalet for stigningsvinkelen med maksimale og minimale tillatte verdier for stigningsvinkelen, og hvis referansesignalet på linje 90 faller mellom de maksimale og tillatte signalene, gir den en nullutgaig til summetingsenheten 50 gjennom linje 60. I tilfelle signalet for stigningsvinkelen på linje 80 er større enn det maksimale tillatte (90°) referansesignalet tilsvarende forhold med nullstilling av bladene, gir kretsen 55 et utgangssignal med høy forsterkning på line 60 som effektivt kansellerer det tidsderiverte inngangssignalet til summeringsenheten 50 for å slå av intergrator 70 og derved begrense det maksimalt tillatte referansesignalet for stigningsvinkelen som går til drivmekanismen 85° til 90°. På en liknende måte, i tilfelle referansesignalet for stigningsvinkelen på linje 80 er mindre enn en minimal tillatt stingningsvinkel (MlN-6), gir kretsen 55 et utgangssignal med høy forsterkning på linje 60 som i summeringsenheten 50 kansellerer det tidsderiverte signalet for å forhindre at integrator 70 integrerer til en verdi mindre enn en minimal verdi tilsvarende innstilling av bladstigningsvinkelen under minimum (mindre enn nominell) vindhastighet. Som nevnt ovenfor, er det maksimale signalet for bladstigningsvinkelen i krets 55 en konstant (90°) lagret i krets 55, mens det minimale signalet for stigningsvinkelen (MlNiS) er en variabel som er inngang til krets 55 fra en funksjonsgenerator 95 gjennom ei linje 100.

Som nevnt ovenfor, under forhold med mindre enn nominell vindhastighet, er bladene på vindturbinen innstilt på MIN-8 posisjon tilsvarende optimalt opptak av vindenergi på bladene uten noe "tap" av vind derifra. Som videre nevnt, for å oppnå slik optimalt enerigopptak, må nøyaktigheten på MIN.J3 signalet optimaliseres. Ifølge den foreliggende oppfinnelsen, oppnås slik signalnøyaktighet ved funksjonsgenerator 95 som gir et MIN utgangssigna1 til linje 100 basert på vindtutbinrotorens turtall og effektutgangen derifra heller enn vindhastighetene i ett punkt. Som vist på tegningen, et verdiet for MIN lagret i funksjonsgenerator 95 som funksjoner av ( |p R ) P. 1 dette

i uttrykket, som oppsatt ovenfor, viser P den reelle utganseffekten til turbinen og N K turbinrototens turtall.

N er det nominelle turtallet til turbinrotoren, eller med

o

andre ord, det maksimale turtallet til rotoren ved innkoplings-vindhastigheten. Fagfolk ser gjerne at utgangseffekten selv er en funksjon av vindhastigheten. Således, ved å basere referansesignalet MIN£ på utgangseffekt, er dette signalet faktisk basert på vindhastighet over hele diameteren til vindturbinrotoren og

forbedret derved nøyaktigheten til dette referansesignalet. Nøyaktigheten som turbinens utgangseffekt er målt med, forbederer ytterligere nøyaktigheten på referansesignalet for stigningsvinkelen.

Punksjonsgeneratoren 95 kan programmeres som følger. Under henvisning til fig.2, er der vist et ytelsesdiagram for en typisk stor vindturbingenerator, der diagrammet bestemmes ved kjente analyseteknikker på basis av turbingeometti. En ser at ytelsesdiagrammet omatter en familie med kurver som plotter effektfaktor C P (forholdet mellom effekt som kan opptas av turbinen og tilgjenglig effekt i vindsttømmen fanget opp av turbinen) mot hastighetsforhold for et antall av forskjellige innstillinger av bladstigningsvinkelen. En vil se at for alle verdier av hast ighetsf aktoren 71, finnes det en eneste tilsvarende maksimal effektfaktor ved en enkelt stigningsvinkel. Uttrykt på en annen måte, for hver maksimal effektfaktor er det en innstilling av bladvinkel der vindturbinen kan oppnå en slik effektfaktor for et gitt

i hastighetforhold. For alle hastighetsforhols Å , fra data tilgjengelig i fig.2, kan en nominell vindhastighet beregnes fra det følgende uttrykket:

der D er diameteren av vindturbinrotoren. Når en har beregnet den nominelle vindhastigheten, kan nominell effekt beregnes fra uttrykket:

det p er tettheten til lufta, og C er den maksimale

po

effektfaktoren svarende til hastighetsforholdet som Vq ble beregnet ut fra.

Således ser en at for hver stigningsvinkel svarende til en maksimal effektfaktor i fig.2, er det en verdi av nominell effekt forbundet med den. Funksjonsgenerator 95 gir innstillingen av bladstigningsvinkelen (MIN.5 ) der slik nominell utgangseffekt oppnås ved en gitt vindhastighet, eller med andre ord, innstillingen av bladstigningsvinkelen der en optimal energimendgde kan opptas fra vinden ved en slik hastighet. 1 funksjonsgeneratoten 95, er uttrykket

en kor reksjonsfaktor nødvendiggjort av det faktum at den beregnede effekter en nominell effekt. Reell effekt er relatert til nominell effekt ved uttrykket

Vindturbinens system for styring av bladstigning i den foreliggende oppfinnelsen utføres lettvint ved enten analoge eller digitale teknikker. Følgelig kan den ovenfor beskrevne kretsen 95 som funksjonsgenerator omfatte et digitalt "tabelIminne". Likeså kan de andre komponentene beskrevet ovenfor omfatte analogt eller digiatalt utstyr. Mens styringssystemet er blitt beskrevet med henblikk på å skaffe et system fot minimal bladvinkel basert på utgangseffekt, ser en gjerne at signalet for stigningsvinkelen kan baseres på dreiemomentet til tutbinakselen med samme anvendelighet, da det erkjennes at reelt dreiemoment, likesom effekt, gir et grunnlag for en innstilling av minimal bladvinkel som hovedsaklig integrerer vindhastighetene over hele turbinrotoren. Selv om systemet her er blitt beskrevet som et undersystem fot et styringssystem for bladstigningsvinkel, så som det omtalte, kjente systemet, er oppfinnelsen ikke begrenset til slik bruk og kan anvendes i andre styringssystemer for bladstigning, som krever et signal som viser minimal stigningsvinkel ved små vindhastigheter.

Claims (1)

1. Styringssystem Cot bladstigningsvinkelen for en vindturbingeneratot, omfattende en rotor med et antall variable vingeblad påsatt for drift av en elektrisk generator gjennom et drivverk, og med reguleringsutstyr (10) som gir et referansesignal (£u) som viser ønsket bladstigningsgvinkel ved vindhastigheter under de nominelle, idet reguleringsutstyret omfatter en krets (30) som gir et signal som viser rotorens turtall, samt en krets (35) som gir et utgangssignal (P) som viser vindturbinens utgangseffekt karakterisert ved at reguleringsutstyret videre omfatter: en ytterligere krets (95) for signalbehandlingen som reagerer på effekt (P) og turtalls signalene (N^) fot å gi referansesignal for bladstigningsvinkel som en funksjon av produktet av effektsignalet (D) og tredje potens av forholdet mellom vindturbinens nominelle turtall (N o) og vindturbinens virkelige turtaLl (N R), idet dette referansesignalet angir innstilling av en bladstigningsvinkel svarende til vindturbinens utgangseffekt ved mindre enn nominell vindhastighet.