PL196763B1 - Układ turbiny wiatrowej o zmiennej prędkości - Google Patents

Abstract

1. Uk lad turbiny wiatrowej o zmiennej pr ed- ko sci zawieraj acy pier scieniowy generator in- dukcyjny, znamienny tym, ze z pier scieniowym generatorem indukcyjnym (620) jest sprz ezony regulator momentu obrotowego (623) tego ge- neratora, wykorzystuj acy zorientowane stero- wanie pr adem wzbudzenia oraz regulator na- chylenia lopatek (609), w oparciu o pr edko sc wirnika generatora. PL PL PL PL

Description

(12) OPIS PATENTOWY (21) Numer zgłoszenia: 338639 (22) Data zgłoszenia: 07.08.1998 (19) PL (11) 196763 (13) B1 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

07.08.1998, PCT/US98/16512 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

18.02.1999, WO99/07996 PCT Gazette nr 07/99 (51) Int.Cl.

F03D 7/04 (2006.01)

F03D 7/02 (2006.01)

F03D 9/00 (2006.01)

H02P 9/00 (2006.01

Opis patentowy przedrukowano ze względu na zauważone błędy (54)

Układ turbiny wiatrowej o zmiennej prędkości (73) Uprawniony z patentu:

General Electric Company,Schenectady,US (30) Pierwszeństwo:

08.08.1997,US,08/907,513 (43) Zgłoszenie ogłoszono:

06.11.2000 BUP 23/00 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

31.01.2008 WUP 01/08 (72) Twórca(y) wynalazku:

Amir S. Mikhail,Tehachapi,US Craig L. Christenson,Tehachapi,US Kevin L. Cousineau,Tehachapi,US William L. Erdman,Brentwood,US William E. Holley,Pleasanton,US (74) Pełnomocnik:

Plewa Elżbieta, PATPOL Sp. z o.o.

⁽⁵⁷⁾ 1. Układ turbiny wiatrowej o zmiennej prędkości zawierający pierścieniowy generator indukcyjny, znamienny tym, że z pierścieniowym generatorem indukcyjnym (620) jest sprzężony regulator momentu obrotowego (623) tego generatora, wykorzystujący zorientowane sterowanie prądem wzbudzenia oraz regulator nachylenia łopatek (609), w oparciu o prędkość wirnika generatora.

PL 196 763 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ turbiny wiatrowej o zmiennej prędkości.

Turbiny wiatrowe cieszą się obecnie znacznym zainteresowaniem, jako że są one bezpieczne dla środowiska, a przy tym stanowią stosunkowo niedrogie, alternatywne źródło energii. I z uwagi na to rosnące zainteresowanie, włożono wiele starań w skonstruowanie turbin tego rodzaju, które byłyby i niezawodne i wydajne.

Zwykle turbiny wiatrowe zawierają wirnik wyposażony w szereg łopatek. Sam wirnik umieszczony jest w obudowie, która znajduje się na szczycie kratownicy lub wieży w kształcie rury. Łopatki turbiny przekształcają energię wiatru w moment obrotowy lub siłę, która napędza jeden lub więcej generatorów, sprzężonych obrotowo z wirnikiem za pośrednictwem skrzyni biegów. Skrzynia biegów stopniowo zwiększa niską z natury prędkość obrotową wirnika turbiny generatora, aby efektywnie przekształcić energię mechaniczną w energię elektryczną, która jest dostarczana do sieci użyteczności publicznej.

Wiele różnych generatorów jest wykorzystywanych w turbinach wiatrowych.

Wiele spośród znanych turbin wiatrowych obraca się ze stałą prędkością, co pozwala na uzyskanie prądu o stałej częstotliwości, przykładowo sześćdziesięciu cykli na sekundę (60 Hz), co odpowiada amerykańskiemu standardowi dla prądu zmiennego, lub też 50 Hz, co z kolei stanowi standard europejski. Ponieważ jednak prędkości wiatru stale się zmieniają, turbiny wiatrowe stosują aerodynamiczne sterowanie aktywne (regulacja nachylenia łopatek) lub pasywne (regulacja utyku silnika) w połączeniu z wł a ś ciwoś ciami typowych indukcyjnych generatorów klatkowych, co pozwala na utrzymanie stałej prędkości wirnika turbiny.

Niektóre turbiny pracują ze zmienną prędkością, dzięki zastosowaniu przetwornika mocy do ustawiania ich mocy wyjściowej. Jeśli prędkość wirnika turbiny waha się, zmienia się również częstotliwość prądu zmiennego płynącego z generatora. Przetwornik mocy umieszczony między generatorem a siecią, przekształca prąd zmienny o zmiennej częstotliwości w prąd stały, a następnie przekształca go ponownie w prąd zmienny o stałej częstotliwości. Całkowita moc wyjściowa generatora jest uzależniona od pracy przetwornika (całkowita konwersja).

W opisie patentowym US 4 994 684 został a ujawniona turbina wiatrowa zawierają ca podwójnie zasilany pierścieniowy generator indukcyjny. Generator indukcyjny pierścieniowy WRIG (Wound Rotor Induction Generator), zwykle zawiera cztery główne elementy: stojan, wirnik, pierścienie ślizgowe oraz kapki z łożyskami.

Turbina wiatrowa o zmiennej prędkości jest znana z opisu patentowego US 5 083 039.

Stosowanie turbin wiatrowych pracujących ze zmienną prędkością dla uzyskania mocy elektrycznej wiąże się z szeregiem korzyści, w tym z wyższą wydajnością śmigła w porównaniu do turbin wiatrowych o stałej prędkości, ze sterowaniem mocy biernej VAR oraz współczynnika mocy, a także ze zmniejszeniem obciążeń.

Niektóre znane turbiny wiatrowe o zmiennej prędkości są układami całkowitej konwersji, które stosują przetwornik mocy aby całkowicie wyprostować całe napięcie wyjściowe turbiny wiatrowej. Innymi słowy, turbina wiatrowa, pracująca ze zmienną częstotliwością, wytwarza moc wyjściową o zmiennej częstotliwości, a następnie przetwarza ją do stałej częstotliwości w celu dostrojenia do sieci. Takie systemy stosujące całkowitą konwersję są bardzo drogie. Z tego względu poszukuje się tańszych rozwiązań, takich jak np. pierścieniowy generator indukcyjny, stosujący częściową konwersję, gdzie jedynie część mocy wyjściowej turbiny wiatrowej jest prostowana i przetwarzana za pomocą przetwornika mocy.

Obecnie napotyka się problemy z rozmaitymi algorytmami sterowania wykorzystywanymi przez przetworniki mocy do sterowania procesem częściowej konwersji. I tak przykładowo, niektóre systemy mają problemem ze stabilnością, co oznacza znaczne wahania mocy i momentu obrotowego. Inne systemy nie są w stanie wytworzyć dość mocy, bez przegrzania istotnych elementów. Nie jest łatwo je udoskonalić tak, aby zapewnić rozwiązanie korzystne ekonomicznie w seryjnej produkcji.

Układ turbiny wiatrowej o zmiennej prędkości, zawierający pierścieniowy generator indukcyjny, według wynalazku jest charakterystyczny tym, że z pierścieniowym generatorem indukcyjnym jest sprzężony regulator momentu obrotowego tego generatora, wykorzystujący zorientowane sterowanie prądem wzbudzenia, oraz regulator nachylenia łopatek, w oparciu o prędkość wirnika generatora.

Korzystnie, regulator nachylenia łopatek stanowi regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkowy PID.

PL 196 763 B1

Korzystnie, regulator nachylenia łopatek stanowi regulator proporcjonalno-całkujący PI.

Korzystnie, regulator nachylenia łopatek stanowi regulator proporcjonalno-różniczkowy PD.

Korzystnie, regulator nachylenia łopatek stanowi regulator różniczkowo-całkujący.

Korzystnie, regulator nachylenia łopatek stanowi regulator całkująco-różniczkowy.

Korzystnie, regulator nachylenia łopatek stanowi regulator pętli z członem różniczkowym.

Korzystnie, pierścieniowy generator indukcyjny stanowi bezpoślizgowy pierścieniowy generator indukcyjny.

Korzystnie regulator momentu obrotowego zawiera filtr tłumiący moment obrotowy wynikający z ruchu drgającego między łopatkami turbiny a generatorem.

Zaletą układu turbiny wiatrowej według wynalazku jest jego stabilność oraz to, że wytwarza on znaczne ilości mocy przy stosunkowo niskim nakładzie kosztów. Jednocześnie nie wytwarza on nadmiernej ilości ciepła.

Znane rozwiązania dotyczące układów turbin wiatrowych zostały zobrazowane na rysunku, na którym Pos. I przedstawia przekrój poprzeczny znanego dwubiegunowego 3-fazowego generatora; Pos. II - znany układ pierścieniowego generatora indukcyjnego WRIG, w schemacie blokowym; Pos. III - zależność między momentem obrotowym a iloczynem wektorowym prądu i strumienia, w układzie współrzędnych; Pos. IV - silnik pierścieniowy prądu stałego, zaś Pos. V przedstawia przekrój poprzeczny dwubiegunowego 3-fazowego generatora z Pos. I, z naniesionym kierunkiem strumienia, gdy zasilana jest tylko faza A.

W przekroju poprzecznym (Pos. I) znanego dwubiegunowego 3-fazowego generatora, dla uproszczenia, uzwojenia przedstawiono w formie pary przewodów. Generator 100 zawiera stojan 101, wirnik 102, uzwojenie fazy A wirnika 103 i uzwojenie fazy A stojana 104. Pokazano tu również wał 105 sprzęgający łopatki turbiny wiatrowej z generatorem 100 za pośrednictwem skrzyni biegów.

Na Pos. II rysunku, przedstawiającym znany układ pierścieniowy generatora indukcyjnego WRIG, uzwojenie stojana 104 jest połączone z 3-fazową siecią energetyczną, taką jak 3-fazowa sieć 480 V 201, zaś uzwojenie wirnika 103 jest połączone z przekształtnikiem 202 strony generatora za pośrednictwem pierścieni ślizgowych (nie pokazanych na rysunku). Uzwojenie stojana 104 połączone jest również z 3-fazową siecią 480 V 201, równolegle z przekształtnikiem 203 strony linii. Przekształtnik 203 strony linii oraz przekształtnik 202 strony generatora są sprzężone ze sobą za pomocą szyny zbiorczej prądu stałego 204. Przedstawiony na Pos. II rysunku układ pozwala na przepływ mocy do lub z uzwojenia 103 wirnika. Oba przekształtniki są sterowane przez procesor sygnałów cyfrowych DSP 205.

Układ zmiennej prędkości zawiera generator turbiny wiatrowej o określonej mocy i momencie obrotowym, który jest sprzężony z siecią energetyczną i zasila ją. Generator jest pierścieniowym generatorem indukcyjnym WRIG lub generatorem dwustronnie zasilanym DFG (Doubly Fed Generator). Wirnik wykorzystuje regulację nachylenia łopatek i zmienną prędkość pracy, aby osiągnąć optymalną moc na wyjściu przy każdej prędkości wiatru.

Zdolność generatora indukcyjnego do wytwarzania mocy jest równoznaczna z jego zdolnością do wytwarzania momentu obrotowego przy prędkościach obrotowych. Gdy moment obrotowy jest wywierany na wirnik generatora w kierunku przeciwnym do kierunku jego obrotu, energia mechaniczna wirnika zostaje przekształcona w energię elektryczną. W generatorze indukcyjnym moment obrotowy jest efektem wzajemnego oddziaływania między prądem a strumieniem, jak to ilustruje Pos. III rysunku, a dokładniej, moment obrotowy jest iloczynem wektorowym prądu i strumienia. Aby uzyskać maksymalny moment obrotowy dla danego strumienia, kierunek wektora prądu wirnika musi znajdować się dokładnie pod kątem 90 stopni względem kierunku strumienia. W przypadku silnika prądu stałego, owe prostopadłe usytuowanie między strumieniem a prądem twornika jest utrzymywane za pomocą komutatorów.

Na rysunku Pos. IV przedstawiono konstrukcję mechaniczną pierścieniowego silnika prądu stałego. Ze względu na oddzielenie od siebie twornika i uzwojenia wzbudzającego, silnik prądu stałego może być sterowany przez regulację prądu twornika dla uzyskania żądanego momentu obrotowego na wyjściu, a także przez regulację prądu uzwojenia wzbudzającego dla uzyskania żądanego natężenia strumienia.

Wytwarzanie momentu obrotowego w generatorze indukcyjnym odbywa się na tej samej zasadzie co w silniku prądu stałego. Główna różnica między nimi jest taka, że w przypadku silnika prądu stałego zarówno kierunek prądu twornika jak i strumienia są stałe, podczas gdy w przypadku generatora indukcyjnego, oba te wektory stale się obracają.

PL 196 763 B1

Zorientowane sterowanie pola FOC (Field Oriented Control) jest algorytmem, który identyfikuje wektor strumienia i steruje wytwarzaniem momentu obrotowego odpowiednio do prądu.

Na rysunku Pos. V jest przedstawiony kierunek strumienia w momencie, gdy zasilana jest jedynie faza A uzwojenia stojana. Zgodnie z układem przedstawionym na rysunku Pos. II, fazy stojana są zasilane kolejno z 3-fazowego źródła napięcia i to powoduje powstawanie obracającego się wektora strumienia.

Należy tu zauważyć, że zarówno wektor strumienia jak i wektor prądu 3-fazowego mają określony moduł i kąt oraz że w przypadku gdy prąd wirnika jest zerowy, zależność wektora strumienia (Ψ) od wektora prądu stojana (Is) można zapisać w postaci następującego równania:

(1) Ψ = Ls * Is gdzie Ls jest indukcyjnością stojana.

Jeśli uzwojenie wirnika nie jest zasilane, generator zachowuje się jak cewka indukcyjna, tzn. prąd stojana opóźnia napięcie stojana o 90 stopni, a w szczególności, (2) Vs = d/dt Ψ = Ls dIs/dt gdzie Vs oznacza napięcie stojana.

Istotnym elementem w zorientowanym sterowaniu pola FOC jest model strumienia. Model strumienia jest wykorzystywany do identyfikacji wektora strumienia. Równanie (1) stanowi bardzo prostą formę modelu strumienia układu indukcyjnego generatora pierścieniowego WRIG i wskazuje, że wektor strumienia można określić w prosty sposób przez iloczyn pomiaru prądu stojana (Is) i indukcyjności stojana (Ls). Wykorzystując model strumienia można określić wektor strumienia tak, żeby można było regulować moment obrotowy w celu wytwarzania energii.

Generator taki można wykorzystywać w systemach, które mają inne źródła, które obracają wał sprzężony z wirnikiem generatora, takie jak turbiny hydroelektryczne, gazowe oraz zwykłe systemy silników napędzających.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1A przedstawia sieć działań układu turbiny wiatrowej; fig. 1B - pierścieniowy generator indukcyjny oraz regulator momentu obrotowego, w schemacie blokowym; fig. 1C - zależność między wektorem strumienia a wektorem prądu wirnika, w układzie współrzędnych; fig. 1D - składowe prądu wirnika, w układzie współrzę dnych; fig. 2 - sieć działań regulatora turbiny wiatrowej, ilustrującą sekwencję aktywny/nieaktywny dla regulatora mocy/momentu obrotowego, a także różne tryby pracy regulatora nachylenia łopatek; fig. 3 - sieć działań procesu regulacji nachylenia łopatek; fig. 4 - sieć działań procesu regulacji obrotów na minutę; fig. 5A - układ regulacji nachylenia łopatek, w schemacie blokowym, zaś fig. 5B przedstawia proporcjonalno-całkująco-różniczkowy regulator nachylenia łopatek PID, w schemacie blokowym.

Figura 1A przedstawia sieć działań układu według wynalazku. Regulator 603 momentu obrotowego generatora w przetworniku o zmiennej prędkości odbiera obliczony moment obrotowy 601, w oparciu o zmierzoną liczbę obrotów na minutę 607 i wybraną wstępnie maksymalną wielkość zadaną momentu obrotowego 602. Obliczony moment obrotowy 601 jest funkcją liczby obrotów na minutę generatora na podstawie tablicy 640 przeszukiwania/wykresu mocy-prędkości. Sygnał wyjściowy tablicy 640 zostaje podzielony przez zmierzoną liczbę obrotów na minutę 607 za pomocą dzielnika 641.

Maksymalny moment obrotowy 602 wynosi około 5250 Nm, a jego wybór jest uzależniony od dopuszczalnego prądu maksymalnego z wartości znamionowych konwerterów. Innymi słowy, wybór jest oparty na wykresie charakterystyki prędkości obliczonego momentu obrotowego dla określonej konstrukcji wirnika turbiny. W jednym przykładzie wykonania, taki wybór odpowiada wzbudzeniu 290 A.

W odpowiedzi na taki sygnał wejś ciowy, regulator momentu obrotowego 603 wytwarza sygnał sterujący momentu obrotowego do wirnika generatora 604. Regulator momentu obrotowego 603 odbiera też sygnał sterujący współczynnika mocy 642.

Wirnik generatora 604 odbiera sygnał sterujący momentu obrotowego z regulatora momentu obrotowego 603 i dostarcza moc przez szczelinę strumienia do stojana generatora 605. Sprzężenie zwrotne 612 jest doprowadzone z wyjścia stojana generatora 605 do wirnika generatora 604. Sygnały wyjściowe wirnika generatora 604 i stojana generatora 605 są doprowadzane do sieci energetycznej 606.

Wirnik generatora 604 jest także sprzężony z urządzeniem pomiarowym 607 podającym zmierzoną liczbę obrotów na minutę wirnika generatora 604. Takie urządzenie pomiarowe 607 może zawierać koder optyczny, do określania położenia i prędkości obrotowej wirnika generatora 604.

Regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkowy PID oraz blok ograniczania szybkości nachylania łopatek 609 odbierają z urządzenia pomiarowego 607 zmierzoną liczbę obrotów na minutę

PL 196 763 B1 oraz wartość zadaną 608 roboczej liczby obrotów na minutę. Wartość zadana 608 może być ustalana w oparciu o ten sam wykres prędkości momentu obrotowego jaki był wykorzystywany do ustalenia maksymalnej wartości zadanej momentu obrotowego. W jednym przykładzie wykonania wartość zadana prędkości roboczej jest oparta na maksymalnej wartości momentu obrotowego i mocy. W tym przypadku wartość zadana 608 prędkości roboczej wynosi 1423 obroty na minutę . W odpowiedzi na taki sygnał wyjściowy regulator nachylenia łopatek PID oraz blok ograniczania szybkości nachylania łopatek 609 wytwarza sygnał wyjściowy napięcia.

Układ sterowania zmiennym nachyleniem łopatek VPC (Variable Pitch Control) 610 odbiera sygnał szybkości regulacji nachylenia łopatek z regulatora PID i ograniczania szybkości nachylania łopatek z bloku 609. Układ VPC 610 jest sprzężony z wirnikiem łopatek 611, aby regulować prędkość wirnika generatora 604 za pomocą sterowania wejściowym aerodynamicznym momentem obrotowym wirnika łopatek 611 poprzez czynność ustawiania łopatek. Regulator PID oraz blok ograniczania szybkości nachylania łopatek 609 wytwarzają żądaną szybkość nachylania łopatek, która jest przetwarzana na napięcie za pomocą tablicy, co opisano szczegółowo poniżej. Zmienne napięcie wyjściowe zostaje doprowadzone do wartości proporcjonalnych w układzie hydraulicznym, który reguluje nachylenie łopatek przez uruchomienie koła zębatego ze zmienną prędkością. Tym samym, sterowanie zmiennym nachyleniem łopatek reguluje liczbę obrotów na minutę poprzez sterowanie aerodynamicznego momentu obrotowego.

Regulator PID oraz blok ograniczania szybkości nachylania łopatek 609 wraz z urządzeniem pomiarowym 607 mierzącym liczbę obrotów na minutę oraz wartością zadaną 608 roboczej liczby obrotów na minutę, układ sterowania zmiennym nachyleniem łopatek VPC 610 i wirnik łopatek 611 tworzą układ nachylania łopatek 650, podczas gdy urządzenie pomiarowe 607 mierzące liczbę obrotów na minutę oraz pozostała część układu przedstawionego na fig. 1A stanowią część konwertera mocy i układu generatora 651. Należy zauważyć, że zmierzona liczba obrotów na minutę w urządzeniu pomiarowym 607 wykorzystywana jest jednocześnie w układzie nachylania łopatek 650 oraz w ukł adzie konwertera mocy/generatora 651.

Konwerter mocy steruje pierścieniowym generatorem indukcyjnym według uprzednio określonej krzywej moc-prędkość. Dzięki temu układ zmiennej prędkości pozwala na pracę turbiny przy najwyższym współczynniku mocy Cp, dla prędkości od włączenia do prędkości znamionowej, co dotyczy tu Obszaru II, w którym zapewnia się, że maksymalny wychwyt energii aerodynamicznej zostaje osiągnięty. Należy zauważyć, że krzywa moc-prędkość wiąże się z krzywą moment obrotowy-prędkość, ponieważ P = Τω, gdzie P to moc, T - moment obrotowy, a ω - prędkość kątowa.

Krzywa moc-prędkość zakodowana jest w konwerterze mocy w postaci tablicy przeglądowej LUT (Look-Up Table) mocy i odpowiadających jej prędkości generatora. Tablica LUT może występować jako część sprzętu komputerowego lub oprogramowania. Aby sterować momentem obrotowym, konwerter mocy mierzy prędkość wirnika generatora, interpoluje tablicę LUT w celu ustalenia docelowej mocy wyjściowej turbiny, oraz wylicza żądany moment obrotowy generatora z zależności T = P/ω, wykorzystując prędkość wirnika generatora. Moment obrotowy może być też wytworzony przez określenie żądanego wektora prądu i wytworzenie go przy pomocy dobrze znanych technik modulacji szerokości impulsu.

Ze względu na nieznaczne różnice między wartościami teoretycznymi a rzeczywistymi, konwerter mocy według wynalazku wykorzystuje sterownik objęty pętlą sprzężenia P1, który porównuje rzeczywistą moc wyjściową turbiny z docelową, czy żądaną, i dokonuje niewielkich regulacji do wyliczonego momentu obrotowego, aby osiągnąć i utrzymać żądaną wartość na wyjściu turbiny.

Sterownik momentu obrotowego konwertera mocy wykorzystuje zorientowane sterowanie pola FOC do wytworzenia momentu obrotowego generatora jako funkcji prędkości wirnika generatora. Wykorzystując prąd stojana, prąd wirnika oraz kąt wirnika jako sygnały wejściowe, ów sterownik momentu obrotowego identyfikuje wektor strumienia oraz domaga się żądanego wektora prądu wirnika, który wraz z wektorem strumienia stojana wytwarza żądany moment obrotowy generatora. Prąd wirnika wytwarzany jest przez odpowiednie przełączanie tranzystorów bipolarnych o izolowanej bramce IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) wykorzystując znane techniki modulacji szerokości impulsu PWM (Pulse Width Modulation).

Należy zauważyć, że wartości tablic zawierające zarys mocy/momentu obrotowego-prędkości są oparte na aerodynamice, w szczególności, określonego wirnika turbiny wiatrowej oraz geometrii wirnika turbiny wiatrowej. Dlatego też zestaw wartości tablicy może się zmieniać dla różnych wirników turbin.

PL 196 763 B1

Przykład wykonania sterownika momentu obrotowego oraz odpowiednie fragmenty pierścieniowego generatora indukcyjnego są przedstawione na fig. 1B. Moment obrotowy można wyrazić w postaci zależności:.

(3) Td = k*^*Irq gdzie k jest parametrem generatora. Z punktu widzenia sterownika, równanie (3) przyjmuje następującą postać.

(4) Irq = Td/(k*T)

Równanie (4) podaje wartość bezwzględną prądu wirnika dla „żądanego momentu obrotowego Td, jaki jest sygnałem wyjściowym regulatora momentu obrotowego 623.

Przedstawiony na fig. 1B, sterownik momentu obrotowego 623 zawiera tablicę mocy 623a, sterownik PI 623b, dzielnik 623c, przełącznik 629 oraz komparatory 623d i 623e, które mogą stanowić część sprzętu komputerowego lub oprogramowania do wytwarzania różnych wartości, a także sprzężony do przodu filtr tłumiący 623f. Tablicą mocy 623a jest tablica LUT, która odbiera z urządzenia pomiarowego 607 sygnał prędkości generatora i na wyjściu podaje wartość mocy docelowej, odpowiadającej prędkości generatora. Przykład wykonania tablicy mocy 623A jest przedstawione poniżej w tabeli 1.

T a b e l a 1

Prędkość generatora (obroty na minutę)	Moc elektryczna (kW)
750	-177
800	-177
850	135
900	167
950	203
1000	247
1050	287
1100	335
1150	388
1200	450
1250	507
1300	575
1350	647
1400	743
1450	750
1500	750
1550	750
1600	750

Docelowa moc wyjściowa jest porównywana przez komparator 623d aby wygenerować różnicę między mocą wyjściową docelową a rzeczywistą mocą wyjściową. Uzyskana w ten sposób różnica stanowi sygnał wejściowy sterownika PI 623b, który reguluje moc w sposób opisany powyżej. Dzielnik 623c odbiera wyregulowaną moc ze sterownika PI 623b oraz sygnał prędkości generatora z urządzenia pomiarowego 607, a sygnałem wyjściowym jest sygnał poleconego momentu obrotowego.

Ten polecony moment obrotowy może być skorygowany za pomocą wartości momentu, generowanej przez sprzężony do przodu filtr tłumiący 623f. Filtr ten wykrywa oscylacje (przy rezonansie)

PL 196 763 B1 nie usztywnionego (podatnego) wału (nie pokazanego na rysunku, by nie zaciemniać wynalazku), spowodowane jego sprzężeniem między dwoma niezależnymi inercjami - jedna to skrzynia biegów i generator, druga to łopatki turbiny. Po wykryciu oscylacji filtr tłumią cy 623f przykłada przeciwny moment obrotowy, aby zmniejszyć ruch względny między jedną i drugą inercją. Filtr tłumiący 623f zawiera filtr pasmowo-przepustowy, którego środek pasma przepustowego znajduje się przy częstotliwości rezonansowej dwóch bezwładności i wału.

Uzyskany w ten sposób polecony moment obrotowy jest przykładany do uzwojonego wirnika generatora indukcyjnego.

W odpowiedzi na wskazanie hamowania (np. sygnał (y)), przełącznik 629 wyzwala się , aby przełączyć polecony moment obrotowy na maksymalny stały moment obrotowy 660, jak opisano poniżej.

Dla wytworzenia momentu obrotowego, steruje się składową prądu wirnika Irq tak, aby podążała za kierunkiem prostopadłym do kierunku strumienia (fig. 1D). Wartość bezwzględna Irq jest określona zależnością:

Irq = Τΰ/(Κ*Ψ) gdzie k stanowi parametr generatora. Prąd wirnika Irq wytwarza strumień generatora ale nie wpływa na wytwarzanie momentu obrotowego.

Blok składowej prądu wirnika 622 odbiera polecony moment obrotowy i składową skalarną wektora strumienia z bloku przekształcania współrzędnych prostokątnych w biegunowe 626, który przekształca wektor strumienia z modelu strumienia 621 do współrzędnych biegunowych. W odpowiedzi na te sygnały wejściowe, blok składowej prądu wirnika 622 generuje składową momentu obrotowego prądu wirnika Irq.

Model strumienia 621 identyfikuje wektor strumienia. W tym celu bloki przetwornika prądu 621a i 621b odbierają wektor prądu stojana i wektor prądu wirnika. Należy zauważyć, że ponieważ wektor prądu może być określony przez pomiar dwóch spośród trzech prądów faz, tylko dwa czujniki prądowe (nie pokazane) są konieczne. Wektor prądu stojana z kątem wirnika 621b generatora 620 stanowią sygnał wejściowy dla bloku przekształcania ramki 621c. Blok ten dokonuje przekształcenia prądu stojana do stałej ramki wirnika. Na podstawie sygnałów wyjściowych z bloku przekształcania ramki 621c określa się indukcyjność stojana Ls w bloku 621d. Na podstawie wektora prądu wirnika można uzyskać indukcyjność wirnika Lr w bloku 621f. Z indukcyjności Ls stojana i indukcyjności Lr wirnika wytwarza się wektor strumienia.

Po wyznaczeniu wektora strumienia wektor prądu wirnika z przekształtnika 624 ustawiany jest w kierunku prostopadłym strumienia, tak aby wytwarzać moment obrotowy. Ponieważ prąd wirnika jest określony w odniesieniu do zespołu wirnika, sygnał sterujący prądu wirnika zależy zarówno od kąta strumienia, jak i kąta wirnika. W szczególności, kąt strumienia jest najpierw przekształcany do ustalonej ramki odniesienia wirnika, i w tej ramce odniesienia kierunek polecenia prądu wirnika jest kierunkiem prostopadłym do kierunku strumienia. Ta procedura jest przedstawiona na fig. 1C.

Wykorzystując składową prądu wirnika, Irq, w połączeniu z częścią indukcyjną sygnału wyjściowego bloku przekształcania współrzędnych prostokątnych w biegunowe 626, na wejściu przekształtnika 624 jest generowany prąd odniesienia. Na rysunku pokazano również przekształtnik 630 połączony ze stroną stojana (stroną liniową) generatora 620 oraz, poprzez magistralę prądu stałego 631, z przekształtnikiem 624.

Gdy ten prąd wirnika jest zmuszany do przepłynięcia przez uzwojenie wirnika, wytwarzany jest żądany moment obrotowy Td i generowana jest moc Td*f<, gdzie ω jest prędkością wirnika. Moc ta generowana jest w postaci prądu stojana, który płynie z powrotem do sieci. Ów prąd stojana przenoszący moc znajduje się w fazie z napięciem stojana.

Kiedy moc jest wytwarzana przez generator, model strumienia opisany przez równanie (1) już nie obowiązuje, ponieważ prąd stojana Is obecnie ma dwie składowe: składową wytwarzania strumienia oraz składową przenoszenia mocy. Składowa przenoszenia mocy nie wpływa na wytwarzanie strumienia, ponieważ składowa prądu ma tę samą wartość bezwzględną (po znormalizowaniu przez stosunek uzwojeń) co moment obrotowy wytwarzający prąd wirnika, ale przeciwny kierunek. Innymi słowy, strumień wytwarzany przez oba te wektory prądu (tj. prąd stoją na przenoszący moc i prąd wirnika wytwarzający moment obrotowy) zsumowane dają zero. Aby usunąć składową przenoszenia mocy z pomiarów prądu stojana, prąd wirnika Ir został dodany do równania (1), i tak:

Ψ = Ls*Is+Lr*Ir

PL 196 763 B1 gdzie Lr jest indukcyjnością wirnika. Ls i Lr różnią się stosunkiem uzwojeń.

Należy zauważyć, że w opisanej tu operacji, podczas gdy składowa prądu stojana przenoszącego moc jest w fazie z napięciem stojana, składowa wytwarzająca strumień opóźnia napięcie stojana o 90 stopni. Ta składowa wytwarzająca strumień daje w rezultacie niejednolity współczynnik mocy stojana. Ponieważ prąd wytwarzający strumień samoczynnie opóźnia napięcie o 90 stopni, to aby osiągnąć jednolity współczynnik po stronie stojana, strumień wytwarza się przez uzwojenie wirnika.

Aby wytworzyć strumień przez uzwojenie wirnika, należy wydać polecenie dodatkowej składowej Ird prądu wirnika. Ta dodatkowa składowa winna przebiegać wzdłuż kierunku strumienia, jak przedstawiono na fig. 1D.

Jeśli składowa Ird prądu wirnika wytwarzająca strumień rośnie, zmniejsza się prąd stojana wytwarzający strumień. Dzieje się tak dlatego, że wartość bezwzględna strumienia utrzymuje się na stałym poziomie dzięki stałemu napięciu stojana (co wynika z równania (2)). Składowa Ird wytwarzająca strumień prądu wirnika może być sterowana w taki sposób, by wytwarzany strumień indukował napięcie równe napięciu sieci. To znaczy, indukowane napięcie jest w fazie z napięciem sieci i ma tę samą wartość bezwzględną, co napięcie sieci. W tym wypadku, indukowane napięcie przeciwdziała napięciu sieci i dlatego uzwojenie stojana nie pobiera prądu stojana. Jest to więc przypadek układu jednolitego współczynnika mocy.

Należy zauważyć, że sterowanie 670 moc bierna VAR/współczynnik mocy, może być włączona w system sterowania wytwarzaniem VAR. Iloczyn napię cia Vs stojana i wektora prą du stojana Is (gdy moment obrotowy nie jest wytwarzany) reprezentuje magnesującą moc bierną VAR wymaganą przez generator.

Konwerter mocy działa tylko wtedy, gdy jest uaktywniony. Sterownik turbiny włącza i wyłącza konwerter mocy, jak przedstawiono na fig. 2, blok 705. Sterownik turbiny może być zrealizowany jako urządzenie lub oprogramowanie, albo też ich połączenie. Rozwiązanie, według niniejszego wynalazku, wykorzystuje do włączania i wyłączania konwertera mocy sygnały napięciowe logiki binarnej, co określa się tu jako sygnał uruchamiania przetwornika.

Gdy sterownik turbiny znajduje się w trybie normalnej pracy, określanym tu jako tryb auto, sterownik turbiny odchyla ją do wiatru i nachyla łopatki turbiny w położeniu pełnej mocy. Położenie takie jest całkowicie zrozumiałe dla specjalisty. Przy wystarczającej sile wiatru, łopatki zaczynają się obracać i prędkość generatora wzrasta. Gdy prędkość ta osiągnie wstępnie wybraną prędkość uruchamiania konwertera, sterownik turbiny wysyła sygnał uruchamiający konwertera. W przykładzie wykonania prędkość ta wynosi 820 obrotów na minutę.

W odpowiedzi na sygnał uruchomienia konwerter rozpoczyna sekwencję rozruchu. System na wstępie zamyka stycznik liniowy prądu zmiennego (w przekształtniku 630), co wiąże się z dołączeniem matrycy linii (w przekształtniku 630) do sieci. Ustalone z góry opóźnienie pozwala na zamknięcie stycznika i uspokojenie przebiegów nieustalonych. Opóźnienie to wynosi 1,5 sekundy. Przykład realizacji sekwencji uruchomienia został opisany szczegółowo w odniesieniu do fig. 2 oraz bloków 714, 715, 716 i 717.

Po zamknięciu stycznika, następuje cykl regeneracji magistrali zbiorczej, aby zapewnić, że magistrala jest całkowicie zregenerowana i pozwolić na regulację chwilowego momentu obrotowego. W tym przypadku, napięcie magistrali prądu stałego zostaje wyregulowane do uprzednio określonej wartości. Preferowana wartość napięcia wynosi 750 V prądu stałego. Inne opóźnienie można wykorzystać, aby zapewnić, że magistrala jest zregenerowana wystarczająco, aby regulować we właściwy sposób. Opóźnienie takie może wynosić 5 sekund. Jeśli szyna nie zdoła przeprowadzić regulacji, wytwarzane napięcie jest zbyt niskie lub zbyt wysokie, zostaje wysłany sygnał uszkodzenia konwertera do sterownika turbiny.

Gdy prędkość generatora osiągnie wstępnie wybraną prędkość lub wyższą, a upłynie już uprzednio określony czas opóźnienia magistrali (tj. po pełnej regeneracji magistrali przez 5 sekund), stycznik stojana zamyka się (blok 714), co prowadzi do zasilania uzwojeń stojana i wytworzenia obracającego się strumienia stojana. Uzwojenia stojana są jedynie zasilane napięciem. Dzięki indukcyjności uzwojeń stojana, udar prądu jest bardzo niewielki i wynosi on zaledwie 75% maksymalnej wartości prądu roboczego. Wybrana prędkość wynosi 900 obrotów na minutę. Opóźnienie może być wykorzystane na zamknięcie stycznika stojana i uspokojenie nieustalonych przebiegów. Opóźnienie to wynosi 3 sekundy.

Gdy prędkość generatora osiągnie wstępnie wybraną wartość lub też ją przekroczy, zaś napięcie wirnika zostało uznane jako niższe od wcześniej ustalonej wartości szczytowej napięcia, stycznik

PL 196 763 B1 wirnika zostanie zamknięty (blok 715), dołączając matrycę generatora do wirnika pierścieniowego generatora indukcyjnego. Wstępnie ustalona prędkość wynosi 1000 obrotów na minutę, zaś wcześniej ustalona wartość szczytowa napięcia wynosi 318 V. Opóźnienie może być wykorzystane na zamknięcie stycznika. Opóźnienie to wynosi 1/2 sekundy. Zanim upłynie ten czas tranzystory bipolarne o izolowanej bramce IGBT od strony wirnika (w przekształtniku 624) nie zostaną przełączone. Prąd nie płynie i nie ma przebiegów nieustalonych ani nie jest wytwarzana moc. Ponieważ nie ma mocy rzeczywistej (jedynie moc bierna), żadne impulsy momentu obrotowego nie są wytwarzane.

Wytwarzanie mocy rozpoczyna się bramkowaniem tranzystorów bipolarnych o izolowanej bramce IGBT od strony wirnika, co wytwarza wektor prądu (zarówno wartości bezwzględnej, jak i położenia) wymaganego do wytworzenia żądanego momentu obrotowego. Wektor prądu wytwarzany jest w odpowiedzi na polecenie ze sterownika momentu obrotowego (np. procesora). Na początku, ten moment obrotowy rośnie od 0 do wartości wyznaczonej przez krzywą optymalną moc/moment obrotowy-prędkość. Ten jednostajny wzrost (blok 716) eliminuje nagłe wzrosty mocy i momentu obrotowego, a także pozwala na bezpośrednie łagodne włączenie turbiny.

Synchronizacja niniejszego wynalazku różni się od tradycyjnego procesu „synchronizacji wykorzystywanego w synchronicznych lub klatkowych maszynach indukcyjnych. W przypadku niniejszego wynalazku brak jest nagłych udarów prądu, przebiegów nieustalonych czy oscylacji mocy towarzyszących uruchamianiu turbiny.

Po zsynchronizowaniu, konwerter mocy zachowuje się zgodnie z zależnością moc-prędkość, opisaną powyżej (blok 717), aż do wyłączenia jego przez sterownik turbiny.

Należy zauważyć, że omawiane wyżej opóźnienia dotyczące sekwencji uruchamiania konwertera mogą być regulowane w zależności od elementów stosowanych w systemie i od warunków otoczenia turbiny. Regulacje te mogą być wykonywane przy użyciu odpowiedniego oprogramowania, urządzeń, czy też obu tych rozwiązań.

Moc doprowadzana do turbiny jest dostarczana przez wiatr. Jeśli zmienia się jego prędkość, zmienia się i moc na wejściu turbiny. Ażeby skompensować zmiany mocy wejściowej, niniejszy wynalazek zapewnia proces aktualizacji momentu obrotowego generatora. Ponieważ moment obrotowy generatora jest (chwilowo) ustalany przez konwerter mocy, prędkość generatora wzrasta zgodnie z wzorem na moc P = Tω. Konwerter mocy, który stale przeprowadza próbkowanie prędkości generatora, rozpoznaje, że prędkość ta zmieniła się i identyfikuje nową prędkość oraz aktualizuje żądaną moc z tablicy LUT. Konwerter mocy ustala nowy moment obrotowy z żądanej mocy i, w oparciu o system zorientowanego sterowania pola FOC, wylicza nowy wektor prądu, który zostaje przyłożony do wirnika generatora. Proces aktualizacji odbywa się co 33 milisekundy lub też co 2 cykle dla linii przy częstotliwości 60 Hz. Powoduje to, że turbina działa spokojnie i dokładnie zgodnie z zależnością mocprędkość. Należy zauważyć, że szybkość aktualizacji może być różna lub może zmieniać się dynamicznie w trakcie pracy.

Przy prędkości wiatru poniżej wartości znamionowej (np. Obszar II), łopatki są utrzymywane pod kątem przyjętym dla wstępnie wybranej mocy, zaś prędkość wynikowa generatora/turbiny jest zależna od poleconego momentu obrotowego i wejściowej mocy wiatru. Gwarantuje to, że krzywa moc-prędkość została wybrana prawidłowo. Kąt przyjęty dla wstępnie wybranej mocy, jest kątem przyjętym dla mocy maksymalnej (tj. 0, 1 albo 2 stopnie nachylenia łopatek). Liczba zmian stopni zmienia się w funkcji szybkości wiatru.

Moc znamionowa występuje przy wstępnie określonej prędkości wirnika generatora. W przykładzie realizacji wynalazku prędkość ta wynosi 1423 obroty na minutę. Powyżej znamionowej prędkości wiatru, prędkość wirnika generatora jest sterowana przez regulator nachylenia łopatek PID, który odchyla łopatki w odpowiedzi na wskazanie prędkości wirnika generatora. Wskazania te mogą mieć różną postać, w tym może być to sygnał lub wartości prędkości zapisane w urządzeniu rejestrującym. Ważne jest, że regulator PID działa niezależnie od konwertera mocy. Jeśli konwerter zostanie uszkodzony, regulator PID utrzyma prędkość generatora (przykładowo 1423 obroty na minutę) poprzez wydawanie poleceń zwiększenia kątów nachylenia łopatek. Tym samym, system ma wbudowane działanie bezpieczne w razie uszkodzenia.

W przypadku prędkości generatora równej lub większej niż prędkość, przy której osiągana jest moc znamionowa (przykładowo 1423 obroty na minutę lub więcej), zależność moc-prędkość jest taka, że konwerter mocy utrzymuje moc na stałym poziomie, bez znaczących wahań. Stąd, podmuchy wiatru o prędkości znamionowej, które mają tendencję zwiększania prędkości turbiny, mają niewielki wpływ na moc generatora, ponieważ regulator PID w odpowiedzi reguluje prędkość wirnika generato10

PL 196 763 B1 ra. Odpowiedź regulatora PID jest taka, że jest on w stanie skutecznie sterować prędkością wirnika, a tym samym skokami mocy w zakresie okoł o 5%, zapewniają c wytwarzanie w przybliż eniu stał ej mocy dla prędkości wiatru równej lub większej od znamionowej.

Skoki mocy znamionowej nie mają wpływu na napięcie w sieci, jeśli nadmiary mocy są powodowane przez wirnik pierścieniowego generatora indukcyjnego, ponieważ moc stojana pozostaje stała. Prąd wirnika (oraz prąd stojana) utrzymują się na stałym poziomie podczas wspomnianych skoków dzięki konwertorowi mocy i utrzymywaniu momentu obrotowego na stałym poziomie (moment obrotowy jest proporcjonalny do prądu). Ponieważ prąd wirnika jest stały w trakcie podmuchów wiatru, wzrost mocy wirnika jest zależny od wzrostu napięcia wirnika. Ale ten wzrost napięcia nie ma wpływu na sieć, ponieważ konwerter mocy, umieszczony między wirnikiem generatora a siecią, dokonuje elektronicznego przekładu tego zmieniającego się napięcia wirnika (i częstotliwości) na stały kształt fali prądu zmiennego (przykładowo 60 cykli, 460 V).

System sterowania zmiennym nachyleniem łopatek VPC pracuje w czasie rzeczywistym, jest rozdzielony na układ z serwomechanizmem regulacji automatycznej nachylenia i układ sterowania prędkością wirnika turbiny wiatrowej. System VPC monitoruje i steruje położeniem nachylenia łopatek, prędkość ustawiania nachylenia oraz prędkość obrotową generatora.

Przetwornik położenia nachylenia zapewnia sygnał analogowy, który jest proporcjonalny do położenia nachylenia łopatek, a który później zostaje przetworzony w sygnał cyfrowy, w celu zidentyfikowania aktualnego położenia łopatek turbiny. Sprzężony z łopatkami siłownik łopatki służy do mechanicznej zmiany nachylenia łopatek.

Figura 2 przedstawia sieć działań przykładu wykonania systemu regulacji nachylenia łopatek. Sterowanie lub logika przetwarzania w tym systemie przeprowadza niektóre operacje współpracując z oprzyrządowaniem elektrycznym/mechanicznym w systemie. Sterowanie/logika przetwarzania może być realizowana za pomocą urządzeń, oprogramowania lub ich połączenia, takich jak komputer czy układ sterownika.

Odnosząc się do fig. 2, proces regulacji nachylenia rozpoczyna się od zmierzenia prędkości wirnika (blok 701). W tym samym czasie system wyznacza swój status roboczy (blok 702). Test określa, czy system regulacji znajduje się w trybie auto (blok 703). Jeśli tak nie jest, test stwierdza czy prędkość wirnika generatora (w obrotach na minutę) jest mniejsza niż ustalona z góry prędkość (blok 704). W przykładzie wykonania ta ustalona z góry prędkość wynosi 1035 obrotów na minutę. Jeśli system nie znajduje się w trybie auto, a prędkość wirnika jest mniejsza od ustalonej z góry wartości, konwerter mocy dostaje sygnał wejścia w sekwencji unieruchomienia (blok 705), w przeciwnym razie system pozostaje w dotychczasowym stanie.

Jeśli system pracuje w trybie auto, przetwarzanie jest kontynuowane w bloku 706, gdzie określa się, czy prędkość wirnika generatora wzrasta. Jeśli nie, sprawdza się, czy prędkość wirnika generatora jest mniejsza niż z góry ustalona wartość zadana (blok 707). Ta wartość wynosi 835 obrotów na minutę. Jeśli prędkość wirnika generatora nie wzrasta i jest mniejsza niż 835 obrotów na minutę, konwerter mocy odbiera sygnał o wejściu w stan unieruchamiania (blok 705), w przeciwnym razie system pozostaje w dotychczasowym stanie.

Proces unieruchamiania obejmuje jednostajne zmniejszenie prądu wirnika (blok 708), odłączenie wirnika generatora (blok 709) oraz odłączenie stojana generatora (blok 710).

Jeśli prędkość wirnika rośnie, co stwierdzono w bloku 706, test wskazuje, czy prędkość ta jest większa niż 100 obrotów na minutę (blok 711). Jeśli tak, to nachylenie ustala się na uprzednio określoną wielkość zadaną (blok przetwarzania 713). W przykładzie wykonania ta uprzednio określona wielkość zadana wynosi zero stopni. W innych przykładach nachylenie może być ustawione na dowolną liczbę stopni, przykładowo jeden, dwa lub trzy stopnie. W innym przykładzie wykonania owa uprzednio określona wielkość jest zmienna.

Jeśli prędkość wirnika jest większa niż 100 obrotów na minutę, test określa, czy prędkość wirnika jest większa od z góry określonej prędkości (blok 712). Prędkość ta wynosi 820 obrotów na minutę. Jeśli prędkość wirnika jest większa niż ta ustalona prędkość, konwerter odbiera sygnał o rozpoczęciu sekwencji uruchamiania (blok przetwarzania 705). Dlatego też, w tym rozwiązaniu, konwerter mocy zostanie uaktywniony, gdy prędkość wirnika będzie większa niż 820 obrotów na minutę.

W jednym przykł adzie wykonania sekwencja uruchamiania obejmuje nastę pują ce etapy. Najpierw, stojan generatora zostaje dołączony do sieci (blok 714). Po jego dołączeniu dołącza się wirnik generatora (blok 715). Po dołączeniu wirnika generatora, składowa strumienia prądu wirnika generatora Ird jednostajnie wzrasta (blok 716) i potem następuje regulacja momentu obrotowego (717). Ta

PL 196 763 B1 sekwencja uruchamiania stanowi technikę synchronizacji biernej, dołączającej generator tak, żeby wejść bezpośrednio z prądem wirnika wynoszącym 0. To umożliwia sterowanie wektorowe w połączeniu z pierścieniowym generatorem indukcyjnym.

Jeśli test wykaże, że prędkość wirnika generatora wzrasta, lecz jeszcze nie przekroczyła 100 obrotów na minutę (blok 711), nachylenie ustawia się na uprzednio określoną liczbę stopni (blok 718). Tutaj nachylenie obejmuje zestaw 25 stopni. Należy zauważyć, że ten zestaw nachyleń może być różny. Nachylenie powinno być wybrane tak, by uzyskać dodatkowy ciąg wspomagający szybsze rozpędzenie turbiny.

Niniejszy wynalazek dotyczy również części systemu dotyczącej położenia nachylenia. Po pierwsze, konieczne jest zmierzenie położenia nachylenia przy pomocy dobrze znanych technik pomiarowych (blok 720). Następnie wylicza się błąd między nachyleniem rzeczywistym a uprzednio określonym nachyleniem zadanym (blok 721).

Po obliczeniu wspomnianego błędu, poddawany on jest wzmocnieniu (blok 722). Po wzmocnieniu błędu i zmierzeniu prędkości (blok 701), ogranicza się szybkość zmian dynamicznego nachylania łopatek (blok 723).

Po ograniczeniu szybkości zmian do wstępnie zadanej wielkości, określa się czy prędkość wirnika generatora jest większa od wstępnie ustalonej wartości. W przykładzie wykonania ta wstępnie ustalona wartość wynosi 1423 obroty na minutę. Jeśli prędkość wirnika generatora nie przekracza wartości wstępnie ustalonej, system regulacji nachylenia przechodzi do trybu ustalonego położenia nachylenia (blok 726), w przeciwnym razie system regulacji nachylenia przechodzi do trybu regulacji RPM (blok 727).

Regulacja nachylenia dotyczy utrzymania kąta nachylenia łopatek w zaprojektowanym położeniu roboczym dla pracy poniżej mocy znamionowej. Przykładowo, położenie to wynosi 0 stopni. Jednakże, możliwe są też inne położenia. System sterowania zmiennym nachyleniem łopatek VPC dokonuje regulacji nachylenia łopatek przez przyłożenie ujemnego napięcia, co powoduje, że walec podziałowy przemieszcza się, od jego początkowej pozycji (tj. 90 stopni) lub pozycji przestawienia śmigła w chorą giewkę , ze stałą szybkoś cią o kilka stopni na sekundę (np. 1,0) w kierunku jego nominalnej wartości zadanej zero stopni.

W niniejszym wynalazku napięcie sterowania położenia jest przykładane do wzmacniacza błędu, w celu wytworzenia sygnału wyjściowego błędu, który jest proporcjonalny do różnicy między położeniem poleconym Pc i położeniem powrotnym Pf. W jednym z wykonań, wzmacniacz błędu jest zrealizowany w oprogramowaniu. Jednak takie wzmocnienie może być realizowane w sprzęcie komputerowym.

Sygnał wyjściowy błędu zostaje wzmocniony i wysłany do zaworu proporcjonalnego. Ogranicznik szybkości położenia stosowany jest do ograniczenia szybkości nachylenia początkowo do jednego stopnia na sekundę. To ogranicza przyspieszenie wirnika zarówno przy małym jak i dużym wietrze i umoż liwia ł agodne przejś cie do generacji bez problemów z nadmierną szybkoś cią obrotową .

Gdy turbina osiągnie swoje położenie zera stopni, wzmacniacz proporcjonalny pomaga utrzymać tę pozycję przez wytwarzanie napięcia, które jest proporcjonalne do jakiegokolwiek błędu, który mógłby się pojawić z powodu obniżania się ciśnienia w układzie hydraulicznym. Jeśli podczas początkowego nachylania do roboczego kąta nachylenia, szybkość generatora nie przekracza uprzednio założonej szybkości (np. 100 obrotów na minutę), to układ nachyla łopatki do założonej wielkości (np. 25 stopni). Pomaga to rozpocząć obracanie wirnika przy bardzo słabym wietrze. Jeśli szybkość generatora jest większa od wstępnie założonej szybkości, to system nachyla łopatki do położenia nominalnego zero stopni.

Regulacja nachylenia odbywa się przy i powyżej mocy znamionowej (tzn. w obszarze II), gdy szybkość generatora jest niższa niż jego nominalna wartość ustalona (np. 1423 obroty na minutę). Podczas przejścia od wielkości poniżej znamionowej do wielkości powyżej znamionowej, układ PID zaczyna nachylać łopatki w kierunku przestawienia śmigła w chorągiewkę wcześniej niż szybkość generatora osiągnie nominalną wartość ustaloną (np. 1423 obroty na minutę), w zależności od przyspieszenia sygnału szybkości wirnika generatora (przez, np. blok 607).

Regulacja nachylenia poniżej założonej mocy nie wymaga pełnego systemu PID ze względu na zmianę szybkości przesuwu, która jest ograniczona tylko do jednego stopnia na sekundę.

Figura 3 przedstawia tryb ustawiania położenia nachylenia. W bloku 800 wylicza się wielkość błędu pozycji nachylenia, która jest proporcjonalna do różnicy między pozycją polecenia Pc i pozycją sprzężenia zwrotnego Pf. Następnie określa się (blok 801) czy błąd nachylenia jest dodatni. Jeśli błąd nachylenia nie jest dodatni, określa się (blok 803) czy szybkość wirnika jest wyższa niż pierwsza uprzednio określona zadana prędkość. W jednym przykładzie wykonania, uprzednio określona zadana

PL 196 763 B1 prędkość wynosi 1200 obrotów na minutę, jak zmierzono w bloku 802. Jeśli błąd nachylenia nie jest dodatni, a szybkość wirnika nie jest większa niż pierwsza uprzednio określona zadana prędkość, proces jest kontynuowany przez blok 804, gdzie ograniczenie szybkości nachylania jest ustalone jako równe Y1 i stanowi sygnał wejściowy do ogranicznika dynamicznej szybkości nachylania 805.

Jeśli szybkość wirnika jest większa niż pierwsza uprzednio określona zadana szybkość, to badanie określa (blok 806) czy szybkość wirnika jest większa niż druga wyższa uprzednio określona zadana szybkość. W jednym przykładzie wykonania, druga wyższa uprzednio określona zadana szybkość wynosi 1250 obrotów na minutę. Jeśli szybkość wirnika jest wyższa niż druga wyższa uprzednio określona zadana szybkość, to proces jest kontynuowany przez blok 807, gdzie wartość szybkości nachylania Y jest ustalona jako -Y2 i stanowi sygnał wejściowy do ogranicznika dynamicznej szybkości nachylania 805. Jeśli szybkość wirnika nie jest wyższa niż druga uprzednio określona zadana prędkość, to wartość graniczna szybkości nachylenia Y jest ustalona jako funkcja szybkości wirnika (blok 808), która znajduje się między -Y1 a -Y2, a wartość graniczna szybkości nachylania Y jest wysyłana do ogranicznika dynamicznej szybkości nachylenia (blok 805). Funkcja ta jest funkcją liniową ogranicznika szybkości nachylenia, która rośnie liniowo od minimum do maksimum. Jeśli błąd nachylenia jest dodatni, to określa się czy szybkość wirnika jest większa niż trzecia uprzednio określona zadana szybkość (blok 809). W przykładzie wykonania, trzecia uprzednio określona zadana szybkość wynosi 1100 obrotów na minutę. Jeśli odchyłka nachylenia jest dodatnia a szybkość wirnika generatora nie jest większa niż trzecia uprzednio określona zadana szybkość, proces jest kontynuowany w bloku 810, gdzie wartość graniczna szybkości nachylenia Y jest równa Y1 i stanowi sygnał wejściowy do ogranicznika dynamicznej szybkości nachylenia (blok 805).

Jeśli szybkość wirnika jest większa niż trzecia uprzednio określona zadana szybkość, to badanie określa, czy szybkość wirnika jest większa niż czwarta uprzednio określona zadana szybkość (blok 811). W jednym przykładzie wykonania, czwarta uprzednio określona zadana szybkość wynosi 1150 obrotów na minutę. Jeśli szybkość wirnika jest większa niż czwarta uprzednio określona zadana szybkość, to proces jest kontynuowany w bloku 812, gdzie wartość graniczna szybkości nachylenia Y jest ustalona jako Y2 i stanowi sygnał wejściowy do ogranicznika dynamicznej szybkości nachylenia (blok 805). Jeśli szybkość wirnika nie jest większa niż czwarta uprzednio określona zadana szybkość, to wartość graniczna szybkości nachylenia Y jest ustalona jako funkcja szybkości wirnika (blok 813), która znajduje się między Y1 a Y2, i jest przesyłana do ogranicznika dynamicznej szybkości nachylenia (blok 805). Zatem, funkcja ta ma kierunek przeciwny do funkcji bloku 808, opisanej powyżej. W jednym wykonaniu, funkcja ta jest liniową funkcją ogranicznika szybkoś ci nachylania, która jest jednostajnie nachylona między Y1 a Y2, między maksimum i minimum, odpowiednio.

Wartość błędu pozycji nachylenia, wyznaczona w bloku 800, zostaje wzmocniona (blok 814) i stanowi sygnał wejściowy dla ogranicznika dynamicznej szybkości nachylenia (blok 805). W odpowiedzi na wartość graniczną szybkości nachylenia Y i wzmocnioną wartość błędu pozycji nachylenia, zmiana szybkości nachylania jest ograniczona wstępnie do jednego stopnia na sekundę, w celu ograniczenia przyspieszenia wirnika zarówno przy małym jak i przy dużym wietrze i w celu umożliwienia łagodnego przejścia do generacji bez problemów związanych z nadmierną szybkością.

Badanie określa, czy zmierzona w bloku 802 szybkość wirnika jest większa niż piąta uprzednio określona zadana szybkość (blok 815). W jednym wykonaniu, piąta uprzednio określona zadana szybkość wynosi 1423 obroty na minutę. Jeśli zmierzona szybkość wirnika jest większa niż piąta uprzednio określona zadana szybkość, to system wchodzi w tryb sterowania RPM (blok 816). Z drugiej strony, jeśli zmierzona szybkość wirnika nie jest większa niż piąta uprzednio określona zadana szybkość, to szybkość nachylania ustala się na zaprogramowaną wielkość (blok 817), którym może być binarny układ napięciowy, a proces jest kontynuowany w bloku 818.

W bloku 818 okreś la się czy system jest w trybie pracy auto. W przykł adzie wykonania, badanie to przeprowadza się przez sprawdzenie, czy układ znajduje się w trybie pogotowie/stan uszkodzenia w przypadku, gdy w bloku 819 zostanie wykryte uszkodzenie. Jeś li system nie znajduje się w trybie pracy auto, proces jest kontynuowany w bloku 820, gdzie sterowanie nachyleniem jest przestawione na ręczne, w celu wyłączenia systemu. W jednym, system jest wyłączany przez nachylenie łopatek pod kątem 90°. Jeśli system pracuje w trybie auto, to binarne napięcie reprezentujące zaprogramowane wielkości jest przekształcone do analogowego (blok 821) i napędza proporcjonalny zawór układu hydraulicznego (blok 822).

Pojedynczy przetwornik cyfrowo-analogowy D/A wytwarza napięcie wymagane przez proporcjonalny zawór hydrauliczny. Napięcie jest wprost proporcjonalne do szybkości hydraulicznego cylindra nachylaPL 196 763 B1 jącego, tzn. do szybkości zmiany pozycji nachylenia łopatek. Dodatnie napięcie powoduje, że łopatki nachylają się w kierunku położenia w chorągiewkę (przestawienie śmigła w chorągiewkę), podczas gdy ujemne napięcie powoduje, że łopatki nachylają się w kierunku mocy (nachylenie w kierunku mocy). Szybkość nachylenia jest sterowana przez amplitudę napięcia wyjściowego przetwornika D/A. W przykładzie wykonania, szybkość próbkowania sygnału wyjściowego przetwornika D/A jest ustalona na 10 Hz.

System VPC reguluje szybkość generatora. W jednym z przykładów wykonania, szybkość generatora jest regulowana przez proporcjonalno-całkująco-różniczkowy regulator PID kąta nachylenia łopatek turbiny. System VPC oblicza i następnie wzmacnia sygnał błędu, poprzez oprogramowanie, w celu wytworzenia sygnału wyjś ciowego błędu, który jest proporcjonalny do róż nicy mi ę dzy szybkością zadaną (np. 1423 obroty na minutę), która oznaczona jest tu jako Rc, i szybkością sprzężenia zwrotnego, oznaczoną jako Rf. Niniejszy wynalazek wykorzystuje ten sygnał wyjściowy do wytworzenia wielkości PID wymaganych do prawidłowego sterowania szybkością proporcjonalnego zaworu, a zatem, kąta nachylenia łopatki.

Gdy szybkość wirnika zbliża się do uprzednio określonej szybkości zadanej (np. 1423 obroty na minutę) regulator PID wytwarza napięcie, które nachyla łopatki w kierunku ustawienia śmigła w chorągiewkę. Przeciwnie, gdy szybkość wirnika spada poniżej uprzednio określonej szybkości zadanej (np. 1423 obroty na minutę) sterownik PID wytwarza napięcie, które nachyla łopatki w kierunku mocy, aż ponownie osiągnie nominalne ustawienie nachylenia lub przekroczenie nominalnej uprzednio określonej szybkości zadanej (np. 1423 obroty na minutę).

W jednym z przykładów wykonania, do zmiany wartości szybkości nachylenia wytwarzanej przez logikę sterownika PID w określone napięcie przykładane do proporcjonalnego zaworu stosuje się tabelę. Przykład tabeli pokazany jest na tablicy 2. Maksimum nachylenia do szybkości przy ustawieniu śmigła w chorągiewkę wynosi 12 stopni na sekundę, podczas gdy maksimum nachylenia do szybkości mocy (podczas regulacji szybkości) wynosi 8 stopni na sekundę. Odpowiada to napięciu wyjściowemu przetwornika D/A odpowiednio 5,1 i 4,1.

T a b e l a 2

Tablica przeliczania szybkości nachylania w napięcie napędzające

Napięcie [V]	Szybkość [stopnie/s]
1	2
-8,25	-20
-7,90	-19
-7,55	-18
-7,20	-17
-6,85	-16
-6,50	-15
-6,15	-14
-5,80	-13
-5,45	-12
-5,10	-11
-4,75	-10

PL 196 763 B1 cd. tabeli 2

1	2
-4,40	-09
-4,05	-08
-3,41	-07
-3,12	-06
-2,88	-05
-2,67	-04
-2,34	-03
-1,96	-02
-1,45	-01
0,00	00
1,83	01
2,33	02
2,71	03
3,12	04
3,46	05
3,79	06
4,08	07
4,25	08
4,45	09
4,65	10
4,85	11
5,05	12
5,25	13
5,45	14
5,65	15
5,85	16
6,05	17
6,25	18
6,45	19
6,65	20

Należy zauważyć, że w tabeli 2, ujemna szybkość nachylania stanowi nachylanie w kierunku mocy, podczas gdy pozycja zero lub dodatnia szybkość nachylania jest nachylaniem w kierunku ustawienia śmigła w chorągiewkę.

Wyłącznik sterujący zaworem wyłącza zawór proporcjonalny podczas trybu STOP i POGOTOWIE, zgodnie z poleceniem.

Figura 4 przedstawia jedno z wykonań sposobu regulacji obrotów na minutę rpm. W bloku 900 oblicza się wartość odchyłki szybkości, która jest proporcjonalna do różnicy między szybkością zadaną Pc w bloku 930 i zmierzoną Pf w bloku 902.

PL 196 763 B1

Sprawdza się czy odchyłka rpm jest dodatnia (blok 901). Jeśli odchyłka szybkości nie jest dodatnia, to sprawdza się czy szybkość wirnika jest większa niż pierwsza uprzednio określona zadana szybkość (blok 903). W jednym przykładzie wykonania pierwsza uprzednio określona zadana szybkość wynosi 1200 obrotów na minutę. Jeśli odchyłka rpm nie jest dodatnia i szybkość wirnika generatora nie jest większa niż pierwsza uprzednio określona zadana szybkość, proces jest kontynuowany w bloku 904, gdzie wartość graniczna szybkości nachylania wynosi -Y1 i przesyłana jest do ogranicznika dynamicznej szybkości nachylenia 905.

Jeśli szybkość wirnika jest większa niż pierwsza uprzednio określona zadana szybkość, to badanie określa czy szybkość wirnika jest większa niż druga wyższa uprzednio określona zadana szybkość (blok 906). W jednym przykładzie wykonania, druga uprzednio określona zadana szybkość wynosi 1250 obrotów na minutę. Jeśli szybkość wirnika generatora jest większa niż druga uprzednio określona zadana szybkość, proces jest kontynuowany w bloku 907, gdzie wartość graniczna szybkości nachylania wynosi -Y2 i stanowi sygnał wejściowy do ogranicznika dynamiki szybkości nachylania 905.

Jeśli szybkość wirnika generatora nie jest większa niż druga wyższa uprzednio określona zadana szybkość, to wartość graniczna szybkości nachylania Y jest ustawiona jako funkcja szybkości wirnika (blok 908). W jednym z wykonań ta funkcja jest funkcją liniową ogranicznika szybkości nachylania, która jest jednostajnie nachylona między -Y1 a -Y2. Wartość szybkości nachylania Y przesyłana jest do ogranicznika dynamiki szybkości nachylania (blok 905).

Jeśli odchyłka szybkości jest dodatnia, to wartość graniczna szybkości nachylania Y jest ustalana na wartość Y2 (blok 912) i stanowi sygnał wejściowy do ogranicznika dynamiki szybkości nachylania (blok 905).

Po obliczeniu wielkości odchyłki szybkości, system PID określa, czy przyspieszenie nie jest zbyt duże i stosownie do tego ustawia nachylenie (blok 940). W odpowiedzi na wartość graniczną szybkości nachylania Y i sygnał wyjściowy pętli PID 940, szybkość nachylania początkowo zostaje ograniczana do jednego stopnia na sekundę (blok 905).

Następnie określa się czy zmierzona szybkość wirnika (blok 902) jest większa niż trzecia uprzednio określona zadana szybkość (blok 915). W jednym przykładzie wykonania, trzecia uprzednio określona zadana szybkość wynosi 1423 obroty na minutę. Jeśli zmierzona szybkość wirnika jest mniejsza niż trzecia uprzednio określona zadana szybkość, to system wchodzi w tryb pozycji nachylania (blok 916). Z drugiej strony, jeśli zmierzona szybkość wirnika jest większa niż trzecia uprzednio określona zadana szybkość, to szybkość nachylania zostaje przekształcona, przy wykorzystaniu szybkości nachylania w tablicę przeliczeniową napięcia napędzającego, opisaną powyżej (blok 917) i proces jest kontynuowany w bloku 918.

W bloku 918 określa się czy system znajduje się w trybie pracy auto. To badanie przeprowadza się przez sprawdzenie czy układ znajduje się w trybie POGOTOWIE/STOP z powodu uszkodzenia, w przypadku, gdy w bloku 919 zostanie wykryte uszkodzenie. Jeśli system nie znajduje się w trybie pracy auto, proces jest kontynuowany w bloku 920, gdzie sterowanie nachyleniem jest przestawione na ręczne, w celu wyłączenia systemu. W jednym wykonaniu, system jest wyłączany przez nachylenie łopatek pod kątem 90°. Jeśli system pracuje w trybie auto, to napięcie reprezentujące zaprogramowane wielkości jest przekształcone do analogowego (blok 921) i napędza proporcjonalny zawór układu hydraulicznego (blok 922) w celu zapoczątkowania czynności nachylania (blok 922).

Na fig. 5A jest przedstawiony przykład wykonania układu nachylania. Zawiera on sterownik pętlowy PID 1010 i nieliniowe tablice 1011 do przekształcania sygnału wejściowego szybkości nachylania w wyjściowy sygnał napięciowy. Wartości szybkości nachylania otrzymane z tablicy 1011 są generowane przez sterownik PID 1010 w odpowiedzi na różnicę w szybkości wyjściowej i szybkości zadanej, jak określono przez porównanie układu logicznego lub oprogramowania. Sygnały napięcia wyjściowego z tablicy 1011 są doprowadzane do zaworu proporcjonalnego, który powoduje nachylanie łopatek.

Schemat przepływu sygnałów w przykładzie wykonania sterownika PID jest pokazany na figurze 5B rysunku. Wyznacza się różnicę między wartością pozycji sprzężenia zwrotnego Pf a pozycją zadaną Pc, przez porównanie logiczne (np. układ odejmujący) lub za pomocą oprogramowania 1001. Różnica reprezentuje odchyłkę pozycji. Odchyłka pozycji jest wzmacniana przez współczynnik skalowania K wzmacniacza 1002 w celu wytworzenia wielkości yc. Współczynnik K jest ustawiony na wartość jako 0,5. Wartość yc jest doprowadzona jako sygnał wejściowy do ogranicznika 1005, który jest sterowany przez sterownik ogranicznika 1004. Ogranicznik 1005 ogranicza szybkość nachylania łopa16

PL 196 763 B1 tek podczas przemieszczania pozycji nachylenia. Szybkość ta jest niewielka. Sterownik 1004 odbiera sygnał sprzężenia zwrotnego szybkości generatora i w odpowiedzi na ten sygnał zmienia ogranicznik 1005 w oparciu o szybkości generatora (w obrotach na minutę). Sterownik ogranicznika (blok 1004) zmienia maksymalne nachylenie na przestawienie śmigła w chorągiewkę lub nachyla do pozycji mocy wykorzystując funkcję liniową mierzonej wielkości obrotów na minutę, Rf.

Sterownik PID zawiera także logiczny układ porównawczy (np. układ odejmujący) lub oprogramowanie 1003 w celu wytwarzania różnicy między zadaną szybkością generatora Rc i rzeczywistą szybkością generatora Rf. Sygnał wyjściowy bloku porównującego 1003 stanowi wielkość odchyłki szybkości x, która jest odbierana przez bloki algorytmów PID 1006 i 1007. Algorytm PID (bloki 1006 i 1007) obliczają żądaną szybkość nachylania na podstawie proporcjonalnej, całkowej i różniczkowej funkcji wartości odchyłki szybkości. Sygnał wyjściowy szybkości nachylenia, jako funkcja sygnału wejściowego odchyłki szybkości może obejmować także wybieranie wzmacniania, które reguluje wzmocnienie w funkcji pozycji nachylenia. Program szeregujący szybkość regulacji (blok 1012) zapewnia układ mnożący E bazujący na sygnale zwrotnym pozycji nachylenia i dwóch parametrach zadanych E1 i E2. W jednym z wykonań te dwa parametry wynoszą odpowiednio -0,85 i 0,0028. Sygnał wyjściowy bloku 1005 jest sprzężony z sygnałem wyjściowym 1006 i yf i doprowadzony do bloku 1008. Ogranicznik 1005 ogranicza maksymalną szybkość nachylania do przestawienia w chorągiewkę i przesuwu do pozycji mocy podczas trybu regulacji szybkości.

Sygnał wyjściowy ogranicznika 1008 zapewnia napięciowy sygnał wejściowy do generatora napięcia 1009 i poprzez sprzężenie zwrotne do bloku algorytmów PID 1007. Sygnał wyjściowy generatora napięcia 1009 jest sprzężony z sygnałem wejściowym przełącznika 1010, który jest sterowany do wyłączania zaworu proporcjonalnego w odpowiedzi na polecenie zatrzymania turbiny. Sygnał wyjściowy z wyłącznika 1010 jest sprzężony z przetwornikiem D/A 1011, który dostarcza sygnał wyjściowy napięcia do systemu, którym jest zasilany proporcjonalny zawór sterujący operacją nachylania łopatek.

W celu osiągnięcia dynamicznego hamowania, krzywa moment obrotowy-szybkość w niniejszym wynalazku może być umyślnie pochylona. Konwerter mocy zadaje maksymalny stały moment obrotowy. Ten maksymalny stały moment obrotowy jest włączany do systemu w odpowiedzi na warunki uszkodzenia, powodując zmniejszanie szybkości turbiny. Figura 6B przedstawia konwerter mocy o maksymalnym stałym momencie obrotowym i przełącznik 629.

Układ bezpieczeństwa początkowo stosuje łagodne hamowanie i nachyla łopatki do 90 stopni. Potem określa się, czy było to uszkodzenie. Hamowanie dynamiczne stosuje się tylko w odpowiedzi na ciężkie uszkodzenia.

W odpowiedzi na stwierdzenie, że ma miejsce uszkodzenie ciężkie, przestawia się łopatki do położenia 90 stopni i podaje maksymalny stały moment obrotowy. Moment obrotowy jest wywierany na wirnik generatora, co powoduje zmniejszenie szybkości turbiny. Turbinę spowalnia się do uprzednio określonej szybkości. Po osiągnięciu tej uprzednio określonej szybkości, hamowanie może zostać zwolnione albo automatycznie albo ręcznie (np. ręczne ustawienie przez operatora).

Ponieważ konwerter mocy steruje bezpośrednio prądem wirnika, całkowity układ współczynnika mocy może być sterowany ustawiany dynamicznie w zakresie od opóźnienia 0,90 do wyprzedzenia 0,90, w zależności od poziomu sygnału wyjściowego turbiny. W rozwiązaniu według wynalazku, sterowniki mocy biernej VAR są dostarczane do drugiego generatora indukcyjnego. Zatem, konwerter mocy może działać jako kompensator VAR. Jest to realizowane przez układ sterowania, który zadaje określoną ilość kilovoltamperów kVAR z każdej turbiny poprzez system SCADA. Na fig. 6B pokazane jest wejście 670 do sterowania układem VAR. Przez dopasowanie zasilania układów VAR do drugorzędowego układu, cały system VAR może być wybierany dynamicznie.

Żądany współczynnik mocy może być ustawiany na dowolną nominalną wielkość między opóźnieniem 0,9 a wyprzedzeniem 0,9 lub różnić się w odpowiedzi na oscylacje napięcia w sieci. Zatem konwerter mocy pracujący poprzez SCADA może pracować w trybie stałego współczynnika mocy, trybu stałego VAR lub w trybie regulacji napięcia.

Pewną korzyść kondycjonowania mocy, według niniejszego wynalazku, stanowi fakt, że zapewnia maksymalne wychwytywanie energii, sterowanie momentu obrotowego, eliminowanie migotania napięcia oraz sterowanie współczynnika mocy. Dodatkowo możliwe jest dynamiczne dostosowywanie współczynnika mocy. Ponadto, zmienna szybkość zapewnia złagodzenie impulsów momentu obrotowego. Stany nieustalone momentu obrotowego, które powodują migotanie napięcia i uszkodzenia elementów układu napędowego pociągów, są tłumione przez umożliwianie zwiększenia szybkości

PL 196 763 B1 wirnika, „magazynując dzięki temu dodatkową energię podmuchów wiatru w bezwładności obrotów łopatek wirnika. Ta energia może być ponownie odzyskana i doprowadzona do sieci przez zmniejszenie szybkości wirnika jako odbicie podmuchów wiatru lub może być „przytłumiana przez nachylanie łopatek z wiatrem. Zatem praca ze zmienną szybkością może znacznie zmniejszyć przebiegi nieustalone momentu obrotowego, co przekłada się na obniżenie kosztów i większą trwałość części napędowych turbiny wiatrowej.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ turbiny wiatrowej o zmiennej prędkości zawierający pierścieniowy generator indukcyjny, znamienny tym, że z pierścieniowym generatorem indukcyjnym (620) jest sprzężony regulator momentu obrotowego (623) tego generatora, wykorzystujący zorientowane sterowanie prądem wzbudzenia oraz regulator nachylenia łopatek (609), w oparciu o prędkość wirnika generatora.
2. 2. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że regulator nachylenia łopatek (609) stanowi regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkowy PID.
3. 3. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że regulator nachylenia łopatek (609) stanowi regulator proporcjonalno-całkujący PI.
4. 4. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że regulator nachylenia łopatek (609) stanowi regulator proporcjonalno-różniczkowy PD.
5. 5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że regulator nachylenia łopatek (609) stanowi regulator różniczkowo-całkujący.
6. 6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że regulator nachylenia łopatek (609) stanowi regulator całkująco-różniczkowy.
7. 7. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że regulator nachylenia łopatek (609) stanowi regulator pętli z członem różniczkowym.
8. 8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pierścieniowy generator indukcyjny (620) stanowi bezpoślizgowy pierścieniowy generator indukcyjny.
9. 9. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że regulator momentu obrotowego (623) zawiera filtr tłumiący (623f) moment obrotowy, wynikający z ruchu drgającego między łopatkami turbiny a generatorem.