SE442762B - Bladlutningsvinkelreglersystem for en vindturbingenerator - Google Patents

Description

8197659-s 2 är störst vid "märk"-vindhastigheten (den lägsta vindhastighet vid vilken märkeffekt genereras) där bladlutningen är inställd för maximal energiinfång- ning. Ovanför märkhastigheten är bladen justerade i lutning, så att dragkraften på bladen reduceras, varigenom betydande vindmängder "spills" från bladen.

Sådan lutningsjustering har effekten att sänka bladpåkänningarna från det som förelåg vid märkhastigheten.

Den maximalt tillåtliga elektriska uteffekten från en synkron generator beror på sådana faktorer som belastningseffektfaktorn och förmågan att kyla generatorn, vilket i sin tur beror på omgivningstemperaturen och lufttätheten (höjden över havet). Uteffekten från generatorn är en funktion av belastningen och det ingående momentet till generatorn. Den maximalt tillåtliga elektriska uteffekten från generatorn ökar med en ökning i belastningseffektfaktorn och med ökad kylningsförmåga. För en given generatorplacering (höjd över havet) vid höga belastningseffektfaktorer och/eller låga omgivningstemperaturer kan gene- ratorn således drivas vid högre än nominellt ingående moment till rotorn och därför högre än nominell elektrisk Uteffekt till belastningen.

Vanligtvis är den växellåda som används i vindturbingeneratorn också avpassad för ett nominellt ingående moment eller effekthanteringskapacitet.

Det ingående momentet till växellådan bestäms i sin tur av det utgående momentet från vindturbinrotorn vid både stationärt tillstånd och vindstöt- betingelser. Det har varit brukligt att nominellt avpassa sådana växellådor för ett visst ingående stationärt tillståndsmoment, varvid växellådan är konstruerad att motstå större, approximerade transienta moment från vindstötar. Sådana transienta moment antas vanligtvis ligga i närheten av 140% av märkmomentet.

Det har fastställts, att när de vindstötar man i själva verket träffar på har mindre storlek, frekvens och varaktighet än man förutsett, växellådan kan drivas vid stationärt tillstånd med större ingående moment än det nominella, vilket därigenom resulterar i större elektrisk uteffekt från generatorn än den nominella.

Av det ovanstående inser man att under vissa betingelser, dvs låg omgivningstemperatur, hög effektfaktor och låg vindturbulensfaktor, med en medelvindhastighet över märkhastigheten, så kan vindturbingeneratorn 'drivas säkert vid högre kraft- eller momentmärkvärden än de nominella värden för turbinbladen, växellådan eller generatorn, som återspeglas av ett referenssignal- schema enligt känd teknik. Drift vid sådana högre effekt- eller momentnivåer än märkvärdena ökar givetvis den elektriska uteffekten från turbingeneratorn och» reducerar därigenom enhetskostnaden för den producerade elektriska energin.

Syftena med föreliggande uppfinning innefattar att man upprättar en optimal effekt- eller momentreferenssignal för ett vindturbingeneratorregler- 8107659-8 3 system baserat på faktiska driftsbetingelser för turbingeneratorn.

Enligt föreliggande uppfinning jämförs signaler, som indikerar maximala effekt- eller momenthanteringskapaciteter för generator, blad och växellåda under vind-, temperatur- och effektfaktordriftsbetingelser, och en instruktions- signal, som indikerar den önskade uteffekten från generatorn, med varandra, varvid effekt- eller momentsignalen med den minsta storleken väljs som effekt- eller momentreferenssignal. Denna referenssignal tillförs sedan till ett blad- lutningsreglersystem för att etablera lutningslägen vid vilka turbingeneratorns uteffekt svarar mot referenssignalen. I en utföringsform av uppfinningen tillförs en eller flera av de maximala effektkapacítetssignaierna för generator, blad och växellåda till en fördröjningskompensationskrets, som innefattar integralkompen- sationsorgan för att utjämna signalen och öka dess noggrannhet. Fördröjnings- kompensatíonskretsen innefattar även organ som begränsar felet mellan utsigna- len från integralkompensationsorganen och systemets referensutsignal till ett värde som hindrar överdrivet arbete av integralkompensationsorganen, när referenssignalen begränsas av en annan effektkapacitetssignal än den som fördröjningskompensationskretsen är associerad med.

De föregående och andra syften, särdrag och fördelar med föreliggande uppfinning framgår bättre av den följande beskrivningen tagen i samband med den bifogade ritningen, där den enda figuren är ett schematiskt diagram för en föredragen utföringsform av bladlutningsreglersystemet för en vindturbingene- rator enligt föreliggande uppfinning. l ritningen innefattar reglersystemet l0 enligt uppfinningen organ såsom digitala dataavläsningsminnen eller analoga funktionsgeneratorer 15, 20, 25 för att etablera signaler som indikerar effekthanteringskapaciteterna för vind- turbingeneratorns växellåda, blad och generator som funktioner av turbin- generatorns driftsbetingelser. Även om reglersystemet beskrivs med avseende på sådana minnen, är det självklart att motvarande momentfunktionsminnen också kan användas utan att man avviker från uppfinningen, varvid numeriska momentvärden lätt omvandlas till effekt och vice versa. I det följande skall därför hänvisning till en effektsignal uppfattas som hänvisning till antingen en ' effekt- eller en momentsignal.

Generatorminnet 15 lagrar generatoreffekthanteringskapacitet som en funktion av insignaler för både belastningseffektfaktor (E.F.) och omgiv- ningstemperatur TOMG för en given höjd över havet, varvid givetvis, såsom redovisats ovan, generatoreffekthanteríngskapaciteten ökar med ökande effekt- faktor och minskande omgivningstemperatur. Effektfaktor- och temperatur- signalerna ges av lämpliga givare, såsom ett termoelement 27 och en effekt- 8107659e8 l+ faktormätare 28, och tillförs till minnet l5 via ledningar 30 resp 35. Bladminnet bildar en signal som indikerar bladens effekthanteringskapacitet (begränsad av tillâtlig bladpåkänning) som en funktion av en genomsnittlig vindhastighetssignal erhållen från en givare 37, såsom en vindmätare, och tillförs til! minnet via en ledning 40. Växel]ådsfunktionsgeneratorn eller minnet 25 bildar en utsignal som indikerar växellâdans effekthanteringskapacitet som en funktion av insignaler för både medelvindhastighet (Vw) och vindturbulensfaktor (T.F.) . Vindhastighets- signalen kan erhållas från ledningen 40 och tillföras till minnet 25 via en ledning 45. Turbulensfaktorsignalen, som indikerar storleken av vindturbulens (vind- stötar) bildas med en lämplig anordning 47, som gör upprepade vindhastighets- mätningar och beräknar en turbulensfaktor baserad på uppmätta vindstötar och beräknade medelvindhastigheter. Denna signal tillförs till minnet 25 via en ledning 50. Som beskrivits" ovan minskar bladpåkänningarna, när vinden tillåts "spiilas" därifrån, vilket reducerar den resulterande dragkraften på bladen. Vid vindhastigheter större än märkhastigheten är således bladpåkänningarna lägre än vid märkhastigheten, och bladen är därför kapabla att infånga ökade mängder av vindenergi utan att för stora inre spänningar uppkommer. Som indikeras av minnet 25 ökas växellådans effekt- eller momenthanteringskapacitet vid statio- närt tillstånd när turbulensen avtar. Man noterar således, att under vissa gynnsamma vind-, temperatur- och effektfaktorbetingelser, så bildar minnena 15, och 25 effektsignaler som indikerar väsentligt större effektkapacitet än något av de nominella märkvärdena för bladen, växellådan eller generatorn.

Utsignalerna från minnena 15, 20 och 25 tillförs till ledningar 55, 60 resp 65. Tillfälligtvis, som t ex vid start av vindturbingeneratorn, när vindturbinen gradvis måste föras upp i hastighet, krävs en referenssignal som är mindre än maximivärdet. För att uppnå sådan reglering tillförs en instruktionseffektsignal till systemet enligt uppfinningen via en ledning 70.

Om man för diskussionsändamål antar att den krets som innesluts av den streckade linjen 75 inte ingår i föreliggande uppfinning, så tillförs utsignalerna från minnena 15, 20 och 25 och instruktionseffektsignalen till en minstväljarkrets 80, som väljer den minsta av dessa fyra signaler och vidarebefordrar denna minsta signal som referensutsignal 85. Som angivits ovan indikerar denna signal en bladlutningsvinkel, som vindturbinbladen inställs i för att man skall uppnå en uteffekt som svarar mot denna referenssignal. Minstväljarkretsen kan innefatta varje som helst lämplig komponent eller krets, såsom en första uppsättning komparatorer, som jämför värdet för en av signalerna med värdena för de övriga, 'och en andra uppsättning komparatorer, som jämför utsignalernafrân den första uppsättningen komparatorer, tillsammans med grindar, av vilka en aktiveras av komparatorerna för att släppa igenom signalen med det minsta värdet som 40 8107659-8 utsignal från minstväljarkretsen.

Om man vid drift antar att den maximalt möjliga uteffekten önskas från vindturbingeneratorn, så kommer instruktionssignalen att ha ett större värde än de maximalt tillâtliga effekt- eller momentsignalerna från minnena 15, 20 och . Om man antar att man har en måttligt hög genomsnittlig vindhastighet, hög belastningseffektfaktor och relativt låg vindturbulensfaktor, så. inser man att turbinbladen och generatorn blir kapabla till ingångseffekter som ligger väsent- ligt över minimimärkvärdena för dessa komponenter. På samma sätt tillåter den låga turbulensfaktorn större än nominell ingångseffekt till växellådan. Således kan vindturbingeneratorn drivas säkert vid högre ingångseffekter än de nominella till bladen, växellådan och generatorn, och kan därför drivas vid högre elektrisk uteffekt än märkeffekten. Om man antar att vindbetingelserna är sådana, att ingångseffektgränsen till växellådan uppnås innan någondera av ingångsmoment- eller ingângseffektgränserna för de andra komponenterna uppnås, så blir signalen från växellådsminnet 25 mindre än Utsignalerna från de övriga komponenterna och mindre än instruktionssignalen. Följaktligen väljer minstväljarorganen växellådesignalen och vidarebefordrar den signalen som referensutsignal. Denna referenssignal förs till den del av vindturbingeneratorreglersystemet (ej visad) som inställer bladlutningen i ett läge som motsvarar en faktisk vindturbingenera- toruteffekt som väsentligen är lika med den som päkallats av referenssignalen.

Man noterar således, att under vissa gynnsamma vind-, temperatur- och effektfaktorbetingelser så kan, vid anmodan, reglersystemet enligt föreliggande uppfinning ställa in en effektreferenssignal som är väsentligt större än något av de nominella märkvärdena för bladen, växellådan eller generatorn och bringar därigenom den elektriska energi som produceras av turbingeneratorn till ett maximum.

Utsignalerna från minnet l5 kan tillföras till en integrer- eller fördröj- ningskompensationskrets 75, varvid det är självklart att liknande fördröjnings- kompensationskretsar kan kopplas till minnenas 20 och 25 utgångar på liknande sätt. Fördröjningskompensationskretsen innefattar en första summeringsföre- ningspunkt eller differenskrets 90, som tar skillnaden mellan referensutsignalen 85 från minstväljarorganen 80 och utsignalen från fördröjningskompensations- kretsen (ledning 95) och bildar som utsignal därifrån på en ledning 100 en första felsignal som är proportionell mot denna skillnad. Denna utsignal från summe- ringsföreningspunkten 90 tillförs till en begränsare 105, som begränsar värdet på den första felsígnalen. Som anges av det grafiska diagrammet för begränsarsigna- len är, i ett dött band, under ett förutbestämt fel (i den föredragna utföringsformen en inställd procentandel såsom 5% av märkuteffekten från vindturbingeneratorn) begränsarens utsignal O. Ovanför detta döda band är begränsarutsignalen en bestämd bråkdel av värdet av den första felsignalen 8107659-8 l5 #0 6 bestämd av begränsarens förstärkning. Utsignalen från begränsaren 105 tillförs till en andra summeringsföreningspunkt llO, som tar skillnaden mellan summan av utsignalen från begränsaren 105 och referensutsignalen 85 och utsignalen från det associerade minnet, i detta fall minnet 15. Utsignalen från den andra summeringsföreningspunkten llO tillförs till en integrator 115, som åstadkommer integralkompensation för att öka noggrannheten av, och utjämna utsignalen från minnet. 7 Funktionen av integrer- eller fördröjningskompensationskretsen är som följer. När referensutsignalen 85 bestäms av en signal som härrör från annat än funktionsgeneratorn 15, bildar summeringsföreningspunkten 90 en felsignal som är proportionell mot skillnaden mellan utsignalen från integratorn ll5 och referensutsignalen 85. Utan begränsande organ 105 skulle en betydande skillnad mellan referensutsignalen 85 och integratorns ll5 utsignal eller, vid tillförsel till den andra summeringsföreningspunkten 110, med utsignalen från minnet 15 och referenssignalen 85, kunna bilda en stor andra felsignal som triggar integratorn ll5 och orsakar fortsatt men onödig integrering av den komponenten, vilket i sin tur orsakar ytterligare fortsatt förstoring av felsignalerna. Begränsaren 105 begränsar felet mellan integratorutsignalen och referenssignalen 85 på det ovan beskrivna sättet genom att kompensera varje som helst skillnad mellan utsignalen från minnet 15 och referensutsignalen 85. Detta reducerar utsignalen från summeringsföreningspunkten llO till noll eller ett värde som på lämpligt sätt begränsar driften av och följaktligen utsignalen från integratorn 115. Även om fördröjningskompensationskretsen visas i förening med funk- tionsgeneratorn 15 för generatoreffekthanteringskapaciteten, är det som angivits ovan självklart att liknande fördröjningskompensationskretsar kan användas vid både blad- och växellådsminnena 20 och 25 på liknande. sätt.

Den här beskrivna uppfinningen kan utföras med antingen analoga eller digitala anordningar eller en kombination därav, varvid omvandling av signalerna från analoga till digitala och vice versa är avsedd. Vidare är det, även om utsignalerna från funktionsgeneratorerna eller minnena 15, 20 och 25 beskrivs som funktioner av temperatur, effektfaktor, turbulensfaktor, och vindhastighet, självklart att utsignalerna från dessa komponenter kan bestämmas som funktio- ner avi andra parametrar såsom parametrar, genom vilka de ovan angivna temperatur-, effektfakton, turbulensfaktor- och vindhastighetsparametrarna kan beräknas. Även om uppfinningen visats och beskrivits med avseende på detaljerade utföringsformer om densamma, är givetvis olika modifieringar i utformning och detaljer självklara för fackmannen, och det är avsett med de följande patentkraven att täckasådana modifieringar som omfattas av* grundtanken och ramen för uppfinningen. _ r

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 8107659-8 7 PATENTKRAV

1. Bladlutningsvinkelreglersystem för en vindturbingenerator med kraft- komponenter innefattande en rotor medvvariabel bladlutning som driver en elektrisk generator via en växellåda, innefattande organ (37) för att bilda en vindhastighetssignal (Vw) som indikerar genomsnittlig föreliggande vindhastighet, kännetecknat av: organ (47) som bildar en vindturbulensfaktorsignal (T.F.) som indikerar den grad med vilken den föreliggande momentana vindhastigheten kan överstiga den föreliggande medelvindhastigheten, och signalbehandlingsorgan (25, 20, 80), varvid signalbehandlingsorganen (20, 25, 80) reagerar (25), på vind- turbulensfaktorsignalen (T.F.) för att bilda en växellâdskapacitetssignal som funktion av vindhastighetssignalen (Vw) och vindturbulensfaktorsignalen (T.F.), vilken indikerar den önskade bladlutningsvinkeln för rotorn för att säkert driva växellådan som svar på maximala sannolika vindhastigheter indikerade av vindhastighetssignalen och vindturbulensfaktorsignalen, varvid signalbehandlings- organen (25, 20, 80) vidare reagerar (20) på vindhastighetssignalen (Vw) för att bilda en bladkapacitetssignal som funktion av vindhastighetssignalen, vilken indikerar den önskade bladlutningsvinkeln för rotorn för att säkert tillåta de vindhastigheter som indikeras av vindhastighetssignalen, och varvid signal- behandlingsorganen (25, 20, 80) innefattar väljarorgan (80) för att bilda en effektreferenssignal (PREF) som indikerar den önskade bladlutningsvinkeln som funktion av en vald signal av bladkapacitetssignalen och växellâdskapacitets- signalen och som indikerar den största tillåtliga bladlutningsvinkeln för säker drift av rotorn och växellådan.

2. Reglersystem enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t av att det vidare innefattar: generatortillståndsorgan (27, 28) för att bilda en tillståndssignal som indikerar den föreliggande storleken av en variabel parameter, som påverkar belastningshanteringskapaciteten för den elektriska generatorn, och varvid signalbehandlingsorganen (25, 20, 80, 15) reagerar på tillstånds- signalen för att bilda en generatorkapacitetssignal som indikerar den önskade bladlutningsvinkeln för rotorn för att säkert driva generatorn, och varvid väljarorganen (80) bildar nämnda effektreferenssignal som funktion av en vald signal av bladkapacitetssignalen, växellâdskapacitetssignalen och generator- kapacitetssignalen och som indikerar den största tillåtliga bladlutningsvinkeln för säker drift av rotorn, växellådan och generatorn. 8107659-8 10 15 20 25 8

3. Reglersystem enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a t av att generatortillståndsorganen (27, 28) bildar en tillstândssignal som indikerar generatoromgivningstemperatur.

4. 14. Reglersystem enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a t av att generatortillståndsorganen (27, 28) bildar en tillståndssignal som indikerar generatorns uteífektsfaktor.

5. Reglersystem enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a t av att generatortillståndsorganen (27, 28) bildar en andra tillstândssignal som indikerar generatorns omgivningstemperatur, och att signal- behandlingsorganen innefattar organ (15) för att bilda generatorkapacitetssigna- len som kombinerat svar på nämnda tillståndssignaler.

6. Reglersystem enligt något av patentkraven l, 2, 3, 4 eller 5, kännetecknat avatt signalbehandlingsorganen innefattar organ (75) för att bilda en integral- signal som funktion av tidsintegralen för skillnaden mellan en av nämnda kapacitetssignaler och nämnda effektreferenssignal för att bilda nämnda effekt- i referenssignal som en vald signal av (A) nämnda integralsignal och (B) en annan av nämnda kapacitetssignaler.

7. Reglersystem enligt patentkravet 6, kännetecknat avatt signalbehandlingsorganen innefattar organ (75) för att bilda nämnda integralsignal som tidsintegralen av skillnaden mellan (l) en av nämnda kapacitetssignaler och (2) summan av (a) nämnda effektreferenssignal och (b) en begränsad del över tröskelstorleken av skillnaden mellan (i) nämnda integralsignal och (ii) nämnda eífektreferenssignal.