SE451872B - Vindturbinanordning - Google Patents

Description

451 872 2 den på så sätt att märkeffekten upprätthålls för vindhastigheter vid och över vindens märkhastighet. Eftersom vridmomentet och energin resp effekten står 1 ett direkt samband med generatorns rotationshastighet kommer dessa uttryck att användas utbytbart häri, varvid de alternativt kommer att betecknas såsom vridmo- ment/energi eller effekt. Maximal effekt erhålles när bladen har li- ten stigning (bladytorna är väsentligen vinkelräta mot rotoraxeln), medan minsta effekt erhålls när bladen har en maximivinkel som uppgår till ca 900 (ytorna är principiellt parallella med rotor- axeln), varvid blanden anges vara "flöjlade". Ett bladvinkelregle- ringssystem av denna typ är beskrivet 1 den amerikanska patent- skriften 4 193 005.

Ett högt bärtorn för en vindturbin med mycket stora blad, axlar och växlar, elektrisk generatorutrustning samt diverse regle- rings- och skyddsutrustning anbragt vid tornets övre del, utgör nödvändigtvis en fribärande massa med en styvhetskonstant och ett konstruktionsdämpningsförhållande. Varje förekommande kraft exci- terar tornets primärresonans.

Axialtryoket på bladen eller skovlarna (vilket förorsakas av att vinden verkar på bladen parallellt med vindturbinrotorns rotationsaxel) är en kraft som strävar att accelerera vindturbin- utrustningen i vindens riktning. Den övre delen av vindturbintor- net antar därför (under fortvarighetstillstånd) ett läge i vilket axialtryckkraften utbalanseras av påkänningskraften som alstras i tornkonstruktionen, beroende på tornets styvhet. Om vindhastigheten ändras (en vindby) medför detta en ändring av den resulterande kraften på utrustningen vid tornets övre del och medför att tornet svänger fram och tillbaka (oscillerar) i en med vindkraften paral- lell riktning. När vindhastigheten är lägre än den vidhastighet som alstrar märkeffekten kan rotorbladvinkeln fixeras eller annars kan den moduleras nagot för att optimera energiinfångningen efter hand som vindhastigheten ändras. Med en fixerad (eller nästan kon- stant) bladvinkel eller skovelvinkel ökar axialtrycket (vindkraften i längdriktningen) på bladen med ökande vindhastighet i samtliga fall, varför en eventuell rörelse vid tornets övre del medför att tornet utsätts för positiv aerodynamisk dämpning (1 samma riktning som tornets konstruktionsdämpning). I så fall dämpas tornets sväng- ning i den primära böjningsmoden såsom gensvar pa en mycket liten 451 872 5 kraft beroende på en vindby, varför nämnda svängning inte ger an- ledning till beskymmer. Över märkvärdet pà vindhastigheten (hastigheten som ger upphov till märkeffekten) reagerar effektreg- leringen mot effekt- eller vridmomentvariationer som förorsakas av vindbyar eller turbulens för inreglering (modulering) av rotorblad- vinkeln på så sätt att en benägenhet uppstår att upprätthålla ef- fekten eller vridmomentet konstant. Då vindhastigheten ökar vid- làdes detta av att axialtrycket minskar om effekten hålls kon- stant. För att konstant effekt skall upprätthållas medför således bladmodulering, såsom gensvar på en vindby, automatiskt att man er- håller ett motsatt riktat ringa axialtryck som således har en sä- dan riktning att den bibringar tornet negativ aerodynamisk dämp- ning. Denna negativa dämpning subtraheras från tornets konstruk- tionsdämpning och resulterar i ökade svängningar i tornet. I vind- turbiner som är konstruerade för maximal vindenergiinfàngning och noggrann effektreglering kan den negativa dämpningen eventuellt bli större än konstruktionsdämpningen under effektreglerad drift.

Detta medför en resulterande negativ dämpning av tornet varför tor- net blir instabilt (tornets rörelse ökas med varje period i tornets primärresonansfrekvens). I själva verket har en detaljerad analys visat att samverkan mellan tornet och vridmoment/effektregleringen kan medföra en allvarlig försämring av tornets utmattningslivslängd från flera tiotal är till storleksordningen nagra få år.

Då man betraktar problemet från början kan eventuellt tanken att utnyttja ett skårfilter eventuellt uppkomma, varigenom man i betydande utsträckning skulle kunna inskränka bladvinkel- korrigeringen vid en bladvinkelorderfrekvens med avseende på den första böjningsmodfrekvensen hos tornet och dess apparatur. Detta tillvägagångssätt medför emellertid att man erhåller stora transientfel i den alstrade energin på grund av en minskning i gen- svarkarakteristikorna i energiregleringsslingan. Det har också föreslagits att man skulle kunna öka en bladvinkelstignings- ändringstakt på grundval av en från tornet uttagen signal för att åstadkomma effektiv dämpning av tornet. Emellertid har inget resul- tat erhållits med detta förslag.

Bland ändamål med föreliggande uppfinning kan nämnas att åstadkomma tillfredsställande positiv dämpning för ett vindturbin- torn samtidigt som en energi- eller effektregleringsanordning får 451 872 modulera bladvinkeln för att minska vridmoment- eller energi- eller effektfluktuationer som härrör från vindturbulens.

I enlighet med föreliggande uppfinning tillhandahåller ett vindturbindrivet system för generering av elektricitet, vilket system är försett med en regleringsanordning för att modulera ro- torbladvinkeln så att märkvridmomentet eller märkeffekten upprätt- hàlls i turbulent vind, en bladvinkelorderkomposant som inreglerar turbinrotorns bladvinkel på så sätt att positiv aerodynamisk dämp- ning av tornet erhålls såsom gensvar på en signal som är indikativ för längsgående rörelse hos tornet parallellt med rotoraxeln. lien såsom exempel tjänande utföringsform av föreliggande uppfinning är en accelerometer anbragt upptill på ett torn, i vilket är monterade rotorn, den elektriska generatorutrustningen, regler- organ och annan apparatur i ett vindturbinsystem för alstring av elektrisk energi. Accelerationsutgångssignalen filtreras och matas till systemet för reglering av rotorbladvinkeln såsom en korrigeran- de bladreferenstaktsignalkomposant för stigningen, vilken komposant när den tillfogas till en stigningsvinkelreferenstaktsignal för effektreglering och integreras ger upphov till en bladstignings- vinkelreferenssignal som ger positiv dämpning åt tornet. I ytter- ligare överensstämmelse med föreliggande uppfinning behandlas acoelerometerutgàngssignalen så, att man erhåller bandpassfiltre- ring innan nämnda signal utnyttjas för att alstra en bladvinkelre- ferenstaktsignal i syfte att eliminera ovidkommande signaler som kan uppträda vid frekvenser som inte är av intresse för regler- systemet.

Enligt uppfinningen alstras effektivt mycket små axialtryck- variationer genom mycket små ändringar i bladvinkeln vilka uppträder såsom en följd av vinbyar vilka vid tornets primärböjningsmodfrek- vens ligger i fas med hastigheten vid tornets övre del och därvid verkar såsom en positiv axialtryckdämpning. Ehuru uppfinningen krä- ver ytterligare aktiv apparatur (aocelerometer) på tornet möjliggör den ett förhållandevis enkelt sätt att anordna ytterligare positiv dämpning av vindturbintornets primärböjningsmod samtidigt som prak- tiskt taget ingen ogynnsam verkan erhålls med avseende pa den önska- de alstringen av elektrisk energi resp effekt.

Signalbehandlingen som ingar vid tillämpning av föreliggande uppfinning kan, beroende på systemet där signalen skall användas, tillhandahållas analogt eller digitalt under utnyttjande av enskilda förutbestämda maskinvaraelement eller lämpliga programinregleringar n! -1 451 872 5 i en dator som utnyttjas för att reglera bladvinkeln, såsom en mikroprocessor.

De ovannämnda ändamålen och andra ändamål, kännetecken och fördelar med föreliggande uppfinning kommer att bli mera uppenbara i belysning av den nu följande detaljbeskrivningen över såsom exempel tjänande utföringsformer av uppfinningen, vilka är åskåd- liggjorda på bifogade ritning, varvid den enda förekommande figuren visar ett förenklat schematiskt blockschema över en vindturbin som inkluderar en bladstigningsvinkelreglering i vilken ingår den posi- tiva torndämpningen enligt föreliggande uppfinning.

En såsom exempel tjänande utföringsform av föreliggande upp- finning kommer att beskrivas på det sätt som nämnda utföringsform kan utnyttjas i ett flermodregleringssystem för vindturbiner av typen som är beskriven 1 den ovannämnda amerikanska patentskriften 4 193 005. En generell beskrivning över regleringssystemet som är beskrivet i nämnda patentskrift kommer först att ges under hänvis- ning till sifferbeteckningarna 10 - 104 pà bifogade ritning, vilka är desamma som i den nämnda patentskriften. De inom parentes angiv- na hänvisningsbeteckningarna som avser figurnummer utgör figurerna i nämnda patentskrift. Därpå kommer utföringsformer av uppfinningen att beskrivas i anslutning till sifferbeteckningarna l - 9.

På bifogade ritning består en representativ vindturbinkon- struktion av två diametralt motsatta identiska rotorblad 10, vilka vanligen har en totallängd av mellan 50 och 100 meter och vilka är monterade i ett bärtorn l2. De mekaniska delarna, regleringsanord- ningarna och den elektriska generatorutrustningen som bildar vind- turbinen är belägna 1 en av tornet 12 uppburen gondol 14. Kon- struktionen av vindturbiner och hjälputrustning.för sådana, såsom slirregleringsanordningar för att orientera bladen in i den rådande vinden, är alla allmänt kända och kommer inte att beskrivas ytter- ligare här.

Turbinrotorbladen 10 är monterade på ett nav 16 som via en kopplingsaxel 18 med låg hastighet är ansluten till elektrisk ge- neratorutrustning 20 - 32 som kan inkludera en växellåda, en axel med hög hastighet, en synkrongenerator, utrustning för att ansluta generatorn till belastning (såsom energinätet tillhörande ett el- verk) och fassynkroniseringskretsar. Den elektriska generatorut- rustningen 20 - 32 ger upphov till en från/till-ledningssignal på en signalledning 34 och anger därvid när generatorn är inkopplad 451 872 på ledningen till elverksnätet.

En regleringsanordning 36 för bladstigningsvinkeln, vilken anordning är visad generellt i fig 3 enligt nämnda patentskrift, ger en önskad eller referensbladvinkelsignal BR till en elektro- hydraulisk stigningsändringsmekanism 38 via en ledning 40. Stig- ningsändringsmekanismen 30 medför att bladen eller skovlarna 10 intar en verklig bladvinkel (BP i nämnda patentskrift) som är lika med referensbladvinkelsignalen BR på ledningen 40.

Signaler som är indikativa för momentana driftparametrar hos vindturbinen avges till regleringsanordningen 36 för bladstignings- vinkeln. En rotorhastighetomvandlare 46 som är tilldelad navet 16 ger upphov till en rotorhastighetssignal NR på en ledning 48. En likartad omvandlare 50, som är ansluten till en axel 1 synkronge- neratorn, avger en generatorhastighetssignal NG på en ledning 52.

En vridmomentomvandlare 54, som kan innefatta töjningsgivare an- bragta på axeln l8 eller på en lämplig axel i den elektriska gene- ratorutrustningen 20 - 32, ger upphov till en axelvridmomentsig- nal QS på en ledning 56. Axelvridmomentsignalen på ledningen 56 kan alternativt åstadkommas pà nagot annat godtyckligt lämpligt sätt, exempelvis genom att man känner av relativläget hos axiellt förskjutna punkter på axelns periferi pà i och för sig känt sätt.

Hegleringsanordningen 36 för bladstigningsvinkeln matas också med ett flertal fasta eller variabla referenssignaler som är indikati- va för en rotortomgångsreferenshastighet, begränsningar 1 fråga om rotoracceleration och rotorretardation, och en start/stoppsignal som är indikativ för när vindturbinen skall vara i drift eller flöj- lad och väsentligen stationär. Dessa signaler är beskrivna mera fullständigt i anslutning till fig 2 i den nämnda amerikanska pa- tentskriften. En vindhastighetsavkännare 74, som är anbragt pàgon- dolen 14, avger på en ledning 76 en signal som är indikativ för vindens genomsnittshastighet VW.

När vindturbinen inte är i bruk är bladen lO inställda till sin maximala stigningsvinkel (90°), och de är således flöjlade.

Bladen eller skovlarna utövar därvid praktiskt taget intet vridmo- ment på navet 16. När vindturbinen skall bringas i drift medför en startsignal att igångsättnings- och frånslagningsregleranordningar 78 - 94 (vilka inte är så benämnda 1 nämnda patentskrift och vilka är beskrivna mera i detalj 1 fig 4 och 5 i nämnda patentskrift) _ 451 872 7 successivtndnskarbladvinkeln så att rotorn och generatorn accelereras mot betingelserna vid märkhastighet utan att vare sig bladen stannar eller stora acoelerationspåkänningar uppträder.

När vindturbinrotorn väl arbetar med en vinkelhastighet som står i det önskade sambandet med den erforderliga frekvensen för den alstrade elektriska effekten kan hastigheten varieras något till dess att den elektriska generatorutrustningen 20 - 32 arbetar syn- kront med frekvensen hos den elektriska energin i elverksnätet till vilket generatorn i sista hand kommer att inkopplas. När ge- neratorn har inkopplats till nätet överförs regleringen från igángsättnings- och frånslagningsregleranordningen 78 - 94 till axelvridmomentregleranordningen 100 (som är beskriven i detalj i anslutning till fig 6 i nämnda patentskrift). Om vindturbinen skall frånslås återgår regleringen till igångsättnings- och frànslag- ningsregleranordningarna 78 - 94 sa att bladen bringas att flöjlas utan alltför stora retardationspàkänningar.Såsom är beskrivet i nämnda patentskrift är den minsta bladvinkeltaktsignalen BMN på ledningen 95 sådan, att den medför en ändring i bladvinkeln som är erforderlig för att upprätthålla rotorvinkelaccelerationen i en konstant takt under igàngsättningen, vidare för att upprätthålla den avsedda vinkelrotationshastigheten under tomgång och för att upprätthålla en konstant rotorvinkeLretardationstakt under från- slagningen.

När den elektriska generatorutrustningen (20 - 32) ligger synkront i fas med spänningen hos energinätet (samma frekvens, amplitud och fas) inkopplas utrustningen till energinätet, varvid en signal uppträder på ledningen 34 och därvid anger att vindtur- binen är ledningsinkopplad. Övergången mellan drift med lednings- inkoppling och drift utan ledningsinkoppling utförs av en modvälja- re 96 (som är beskriven mera 1 detalj i anslutning till fig 7 i den ovannämnda amerikanska patentskriften), vilken ger gensvar pà från/till-ledningssignalen 34. Närdetta inträffar pålägger modväl- jaren 96 en axelvridmomentbladvinkeltaktsignal ÉQ på en ledning 98 (där hänsyn inte tas till den förbättring av uppfinningen som kommer att beskrivas nedan) till en ledning 102 där nämnda signal blir bladvinkelreferenstaktsignalen ÉR. När emellertid vindturbi- nen är frànkopplad från ledningen medför avsaknad av signalen på 'ledningen 34 att ledningen l02 blir páverkbar såsom gensvar på 451 872 minimitaktsignalen ÉMN på en ledning 95. När vindturbinen är led- ningsinkopplad är vridmomentbladvinkeltaktsignalen på ledningen 98 sådan, att maximal effekt uttas från vindturbinen upp till märkeffektvärdet för alla vindhastigheter mellan inkoppling och urkoppling. Vid och över vindens märkhastighet varieras signalen pà ledningen 98 så att det avkända axelvridmomentet (eller effek- ten) hålls vid referensvärdet (märkvärdet). J Den utvalda, önskade bladvinkeltaktsignalen, bladvinkelre- ferenstaktsignalen ÉR på ledningen 102, omvandlas till bladvinkel- referenstaktsignalen BR på ledningen 40 medelst en integrator 104 (som är beskriven mera fullständigt i anslutning till fig 8 1 den nämnda amerikanska patentskriften). I integratorn lO4 ingår appa- ratur för att begränsa ändringstakten hos signalen på ledningen 40 samt för att begränsa signalens maximala positiva och negativa storlekar. m Beskrivningen som hittills har givits med avseende på hän- visningssiffrorna lO - 104 avser ett såsom exempel valt, tidigare känt reglersystem i vilket föreliggande uppfinning kan utnyttjas.

Denna beskrivning utgör en sammanfattning av beskrivningen i den ovannämnda amerikanska patentskriften. Såsom har nämnts i korthet ovan undanröjes den ogynnsamma kopplingen mellan bärtornets 12 pri- mära böjningsmod och vindturbinreglersystemet som hittills är be- skrivet medelst föreliggande uppfinning genom att tack vare denna anordnas ytterligare bladvinkelreferensorderdelar för att förorsa- ka mycket små axialtryckvariationer i fas med hastigheten hos tor- nets övre del, varigenom ytterligare, positiv aerodynamisk dämp- ning bibringas tornet. Detta säkerställer utdämpning av eventuella tornsvängningar som förorsakas av störningar på bladbelastningen och den därmed förenliga korrigeringen av bladvinkeln, såsom för- orsakas av icke förutsägbar.vindturbulens. Detta problem är analy- serat i detalj i den amerikanska patentansökningen 564 707, vars innehåll anses inga i denna text.

I korthet är en accelerometer 1 så monterad, att dess käns- liga axel är parallell med vindturbinens rotoraxel, varvid accele- rometerns utgångssignal på en ledning 2 matas till ett bandpass- e filter 4, vars utgàngssignal förs på en ledning 6 genom en för? stärkare 7 och paläggs av en signalledning 8 på en summerings~ förstärkare 9. i vilken den filtrerade accelerationssignalen till- 451 8.72 fogas till vridmomentbladvinkeltaktsignalen ÉQ på ledningen 98.

Acoelerometern l kan vara av typen som utnyttjas för att mäta accelerationer med låg nivå, såsom vibrationer eller svaj i byggnader, torn eller broar o dyl. En lämplig accelerometer ut- görs av accelerometern med beteckningen Vibramite Model 1030 som kan erhållas från Vibra-Metrics, Inc.,East Haven, Connecticut, USA. Den nämnda acoelerometern har en inbyggd uttvättningsfilter- karakteristik som tillhandahåller en del av funktionen hos band- passfiltret U. Därvid är det lämpligt att använda ett eftersläp- ningsfilter (i stället för bandpassfiltret 4). Andra typer som saknar uttvättningsfilter kan emellertid utnyttjas genom att man anordnarett komplett bandpassfilter 4. Syftet med bandpassfiltret är att eliminera ett eventuellt gensvar på långvariga konstanta utgångssignaler från accelerometern (såsom långvarig nolldrift) och även att eliminera gensvar på högfrekvenskomposanter (över- toner och brus), vilka alla saknar användning vid reglering av torndämpning. Då det gäller ett stort urn av den beskrivna typen kan bandpassfiltret vara av första ordningen (eller av högre ord- ning om så önskas) med brytpunkter på 0,1 radianer per sekund och 1,0 radianer per sekund samt med ett bandpassoentrum vid 0,5 ra- dianer per sekund. Den övre brytpunkten kan ligga något under tor- nets primärböjningsfrekvens. Brytpunkterna kan inregleras för maxi- malt önskvärt gensvar (inklusive fasinreglering av det induoerade vridmomentet med tornets rörelse). Det kan vara lämpligt att an- vända ett tiosekundersuttvättningsfilter i serie med ett ensekunds- eftersläpningsfilter. Förstärkaren 7 har en förstärkning KZ som är så vald, att den ger det önskade gensvaret. Filtret 4 och förstärka- ren 7 kan förverkligas i ett lämpligt datorprogram på sätt analogt med det som är åskådliggjort i den ovannämnda amerikanska patentan- sökningen. ' Andra anordningar som är påverkbara såsom gensvar på rörel- se (såsom optiska organ) kan användas 1 stället för accelerometern l under förutsättning att deras rörelseindikeringssignal behandlas på lämpligt sätt för att därvid ge en accelerationsingångssignal till förbindningspunkten 9, eller annars skulle en hastighetssignal kunna summeras med BR vid ledningen 40. Uppfinningen kan användas lika väl i frånledningsarbetssättet. Förverkligandet kan variera i hög grad. Det enda som krävs är att en bladreferenssignal med lämp- 451 872 10 lig storlek och fas i förhållande till tornets rörelse anordnas, 'så att ytterligare positiv aerodynamisk dämpning ges åt tornet.

Ehuru uppfinningen har visats och beskrivits i anslutning till såsom exempel tjänande utföringsformer ovan torde det vara uppenbart för fackmannen att det ovan angivna samt skilda andra ändringar, uteslutningar och tillfoganden kan göras i och till uppfinningen inom uppfinningens ram. fu-g-H),

Claims (3)

451 872 ll PATENTKRAV

1. Vindturbinanordning för alstring av elektrisk energi, vilken anordning innefattar ett torn (12), en på nämnda torn (12) anbragt rotor som inkluderar blad (10) som är anordnade för rotation kring en axel jämte en bladstigningsvinkeländrings- mekanism (38), organ för att åstadkomma en verklig vridmoment/ effektsignal som är indikativ för verklig vridmoment/effekt alstrad av nämnda vindturbinanordning, och signalbehandlings- organ för att åstadkomma en referensvridmoment/effektsignal som är indikativ för önskad alstrad vridmoment/effekt och för att till nämnda bladstigningsvinkeländringsmekanism (38) tillhanda- hålla en bladstigningsvinkelreferenssignal såsom en funktion av skillnaden mellan nämnda verkliga vridmoment/effektsignal och nämnda referensvridmoment/effektsignal, k ä n n e t e c k n a d därav, att såsom gensvar på rörelse påverkbara organ är anbragta på nämnda torn (12) i närheten av nämnda rotor för att åstadkomma en rörelsesignal som är indikativ för rörelse hos tornet (12) parallellt med rotationsaxeln för nämnda blad (10) och att nämnda signalbehandlingsorgan innefattar organ för att tillhandahålla nämnda bladstigningsvinkelreferenssignal såsom en funktion av både nämnda rörelsesignal och skillnaden mellan nämnda verkliga vridmoment/effektsignal och nämnda referensvrid- moment/effektsignal.

2. Vindturbinanordning enligt krav l, k ä n n e t e o k - n a d därav, att nämnda såsom gensvar på rörelse pâverkbara organ innefattar en accelerometer (1) och att nämnda signalbe- handlingsorgan innefattar organ för att tillhandahålla nämnda bladstigningsvinkelreferenssignal såsom en integral funktion av nämnda rörelsesignal.

3. Vindturbinanordning enligt krav l, k ä n n e t e c k - n a d därav, att nämnda såsom gensvar på rörelse påverkbara organ innefattar en accelerometer (1) och att nämnda signalbe- handlingsorgan innefattar organ för att tillhandahålla nämnda bladstigningsvinkelreferenssignal såsom en integral funktion av summeringen av nämnda rörelsesignal med en signal som är 451 872 12 indikativ för skillnaden mellan nämnda verkliga vridmoment/ effektsignal och nämnda referensvridmoment/effektsignal. U. Vindturbinanordning enligt krav l, k ä n n e t e c k - n a d därav, att nämnda signalbehandlingsorgan innefattar organ för att tillhandahålla nämnda bladstigningsvinkelreferenssignal såsom en bandpassfiltrerad funktion av nämnda rörelsesignal, varvid passbandet i nämnda filtrerade funktion genomsläpper signaler vid tornets (12) primärböjningsfrekvens. *P xx