TW201508170A - 風力渦輪機及操作一風力渦輪機之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種風力渦輪機，其包括：一轉子(106)，其具有至少兩個轉子葉片(108)；一發電機，其直接或間接地耦合至該風力渦輪機之該轉子(106)且該發電機在該轉子(106)旋轉時產生電力；及一控制單元(120)，其用於控制該風力渦輪機之操作。該控制單元(120)在一供電網路之參數超過或降至低於一臨限值之情況下啟動一第一故障操作模式。該控制單元(120)體現為在該第一操作模式中達成將該轉子(106)之旋轉速度減小至0之目的且達成啟動一消耗器(400)以便憑藉該消耗器(400)消耗在該故障操作模式中憑藉該發電機產生之電力之目的。

Description

風力渦輪機及操作一風力渦輪機之方法
本發明係關於一種風力渦輪機且亦關於一種用於操作風力渦輪機之方法。
風力渦輪機包括以被設定為憑藉風力呈一旋轉移動之一可旋轉轉子。可直接連接或憑藉至將轉子之旋轉移動轉換成電力之一發電機之一傳輸連接轉子。將所產生之電力供應至一供電網路中。供電網路包括複數個能量產生單元(風能、火力發電廠、太陽能等)及多個消耗器。供電網路包括參數(諸如，舉例而言，一網路頻率、一網路電壓等)。供電網路之操作者之一個目標係以供電網路之參數(網路電壓及網路頻率)不超過或降至低於特定臨限值之一方式操作供電網路。
在供電網路中之特定故障之情形中，換言之，若參數中之一者已超過或降至低於臨限值，則以風力渦輪機減緩之一方式影響風力渦輪機之操作，換言之，風力渦輪機之轉子之旋轉速度減小且在必要時停止轉子使得無進一步電力產生並供應至供電網路中。由於風力渦輪機之轉子之大質量，無法立即停止風力渦輪機之轉子。換言之，若在供電網路中發生一故障，則風力渦輪機之轉子之旋轉速度(舉例而言)由於轉子葉片俯仰(藉助改變俯仰角)而減小。為此目的，轉子葉片可以提供相對於風之一最小接觸表面之一方式俯仰或更確切地旋轉。由於即使在供電網路中發生一故障之後風力渦輪機之轉子仍繼續旋轉，因此在風力渦輪機中繼續產生電力(即使以一減小之量)，且該電力輸 出至供電網路中。
在確立優先權之德國專利申請案中，德國專利商標局已研討以下文件：DE 10 2005 049 426 B4；US 2007/0100506 A1；US 4,511,807 A；EP 2 075 890 A1；WO 99/50945 A1；US 2003/0193933 A1及EP 2 621 070 A1。
本發明之一個目標係提供一種風力渦輪機及一種用於操作風力渦輪機之方法，其可對風力渦輪機連接至之一供電網路中之故障更佳地做出反應。
此目標憑藉如技術方案1之一風力渦輪機且亦憑藉如技術方案4之一方法而達成。
因而，提供一種風力渦輪機，該風力渦輪機包括：一轉子，其具有至少兩個轉子葉片；一發電機，其直接或間接地耦合至該風力渦輪機之該轉子，且該發電機在該轉子旋轉時產生電力；及一控制單元，其用於控制該風力渦輪機之操作。若一供電網路之參數已超過或降至低於一臨限值，則該控制單元啟動一第一故障操作模式。在該第一故障操作模式中，該控制單元體現為達成將該轉子之旋轉速度減小至0且啟動一截波器以便憑藉該截波器消耗在該故障操作模式中憑藉該發電機產生之電力之目的。
本發明同樣地係關於一種風力渦輪機，其包括：一轉子，其具有至少兩個轉子葉片；一發電機，其直接或間接地耦合至該轉子且該發電機在該轉子旋轉時產生電力；及一控制單元，其用於控制該風力渦輪機之操作。該控制單元體現為達成在該供電網路之參數超過或降至低於一臨限值之情況下啟動一第二故障模式之目的。在該第二故障模式中，該控制單元體現為達成以該控制單元自該供電網路抽取電力並憑藉該截波器消耗該電力之一方式控制該風力渦輪機之目的。
本發明係關於提供具有包括電力電子器件(諸如，舉例而言，一 換流器)之一電力箱之一風力渦輪機之一理念。此外，在該電力箱中提供一截波器且該截波器亦耦合至一負載電阻器。該風力渦輪機包括一控制單元，該控制單元在於該供電網路中判定一故障(諸如，舉例而言，一過頻率)之情況下憑藉改變該等轉子葉片之俯仰角來減小該風力渦輪機之該轉子之該旋轉速度。因此憑藉該控制單元減小該轉子之該旋轉速度。然而，由於該風力渦輪機之該轉子之大質量而使直接且立即停止該轉子係不可能的。相反，該風力渦輪機需要(舉例而言)數秒來完全停止該轉子。在此時間期間，耦合至該轉子之該發電機進一步產生輸出至該供電網路之電力。
根據本發明，該控制單元可在該供電網路中發生一故障(該供電網路之一參數超過或降至低於一臨限值)之情況下切換至一故障操作模式中。在該故障操作模式中，該控制裝置啟動該截波器以便憑藉該截波器及至少一個負載電阻器將憑藉該發電機產生之該電力轉換成熱量。憑藉該截波器將已於該風力渦輪機之該供電網路中判定了該故障之後在減小該轉子之該旋轉速度期間憑藉該發電機產生之該電力轉換成熱量。因而，可達成在已於該供電網路中判定了一故障之後(換言之，即時地)，該風力渦輪機不再將能量供應至該供電網路中。
特定而言，此在該故障係闡釋太多電力正供應至該供電網路中或更確切地未消耗掉足夠電力之該網路中之一過頻率之情況下係適宜的。為減小該過頻率，將更少能量供應至該供電網路或消耗來自該供電網路之更多能量係必要的。由於根據本發明啟動該截波器以達成轉換該風力渦輪機在該故障操作模式中產生之該電力之目的，因此以下係可能的 非常快速地(換言之，實務上在已於該供電網路中判定了一故障之後立即)停止該風力渦輪機將電力供應至該供電網路中，使得該風力渦輪機可在特定而言在一過頻率之情形中對該供電網路中之一故障非常快速地做出反應，且因而該風力渦輪機可以支援該網路之 一方式介入。根據本發明，由一風力渦輪機產生之電力可不再直接且即時地供應至該供電網路中。
根據本發明之一項態樣，(舉例而言)在缺少風之情形中以及在該供電網路中之一故障(舉例而言，一過頻率)之情形中，該風力渦輪機可為達成以下目的而被使用：自該供電網路抽取電力並憑藉該截波器及耦合至該截波器之該負載電阻器將該電力轉換成熱量，則使得該風力渦輪機作為一電消耗器耦合至該供電網路。因而，可憑藉該風力渦輪機非常快速地自該供電網路抽取電力。
根據本發明之另一項態樣，一能量供應公司可影響該風力渦輪機之該操作。特定而言，此可在該供電網路中之一故障之情形中發生。根據本發明，可(舉例而言)在該供電網路中之一故障之情形中由該能量供應公司根據需要關閉一風力渦輪機且可根據本發明憑藉該截波器將在關閉程序期間產生之電力轉換成熱量。因而可達成自該網路迅速地移除該風力渦輪機且無進一步電力供應至該供電網路中。
亦可在該網路中判定一過電壓之情況下使用根據本發明用於操作該風力渦輪機之方法。
根據本發明之另一項態樣，可判定網路頻率之一頻率改變且可(舉例而言)在該頻率之改變超過一臨限值之情形中關閉該風力渦輪機且可憑藉該截波器及該負載電阻器將在此情形中產生之電力轉換成熱量。因而(舉例而言)在一緊急情形中可將電力輸出減小至0。
本發明之進一步實施例係附屬項之標的物。
本文以下參考圖式進一步闡釋本發明之優點及例示性實施例。
圖1圖解說明根據本發明之一風力渦輪機之一示意性圖解。
圖1圖解說明根據本發明之一風力渦輪機之一示意性圖解。風力渦輪機100包括一塔102及一殼體104。包括三個轉子葉片108及一旋轉器110之一轉子106提供於殼體104上。轉子106係設定為在操作期間憑 藉風力呈一旋轉移動且因而在殼體104中具有一發電機。轉子葉片108之俯仰可憑藉各別轉子葉片108之轉子葉片基部上之俯仰馬達而改變。
此外，風力渦輪機100包括用於控制風力渦輪機之操作之一控制單元120及(舉例而言)以一截波器400之形式之一電消耗器。為達成消耗風力渦輪機已產生但無法輸出至供電網路中之能量之目的且特定而言為達成將該能量轉換成熱量之目的的而使用電消耗器400。
圖1B圖解說明具有多個風力渦輪機之一風場之一示意性圖解。 特定而言，圖1B圖解說明具有可相同或不同之三個風力渦輪機100之一風場112。三個風力渦輪機100基本上表示一風場112之任何數目個風力渦輪機100。風力渦輪機100憑藉一電場網路114提供其電力(亦即，特定而言，所產生之電流)。求和個別風力渦輪機100之所產生之各別電流或更確切地電力且視情況，可提供逐步提高場網路中之電壓以便然後在供應點118(一般而言亦描述為(共同耦合點)PCC)處將能量供應至供電網路130中之一變壓器116。圖1B僅圖解說明一風場112之一簡化圖解，其不經由舉例圖解說明一控制程序，儘管一控制程序可自然地存在的。視情況，可在風力渦輪機100中之每一者之輸出處提供一變壓器。
根據本發明，提供根據本發明之例示性實施例之至少一個風力渦輪機100，換言之，不必要提供一風場。然而，本發明亦適用於具有多個風力渦輪機之一風場。
視情況，一量測單元140可耦合至供電網路130以便判定網路頻率、網路電壓及/或網路頻率或網路電壓之一改變。
根據本發明，提供用於將電能量(舉例而言)轉換成熱量之一消耗器400。消耗器可(舉例而言)體現為一截波器400。該消耗器可視情況包括一控制電路以便控制消耗器之操作。
電消耗器400可提供於風力渦輪機中。視情況，電消耗器400亦可中心提供於一風場中。
視情況，可提供可控制風場之操作及各別風力渦輪機之操作之一中心風場控制單元(場控制單元)FCU。根據本發明，中心風場控制單元FCU可針對風力渦輪機中之每一者啟動第一及/或第二操作模式。視情況，中心風場控制單元FCU可包括一資料輸入，能量供應公司可憑藉該資料輸入以可啟動第一及/或第二故障操作模式之一方式控制中心風場控制單元FCU。
圖2圖解說明用於闡釋根據一第一例示性實施例之方法之一圖表。圖2圖解說明憑藉風力渦輪機隨時間輸出之電力P之進程且亦圖解說明網路頻率f隨時間之進程。根據第二例示性實施例之風力渦輪機可基於圖1中圖解說明之風力渦輪機。在時間點t1處，於供電網路中發生一故障。網路頻率增加至高於值50赫茲。在時間點t1之後，憑藉風力渦輪機輸出之電力通常減小至0。
風力渦輪機包括用於控制風力渦輪機之操作之一控制單元120。 風力渦輪機之控制單元120連續地或以規則時間間隔獲得一供電網路之支配性參數。此等參數可(舉例而言)表示網路電壓及網路頻率。控制單元120體現為達成比較此等參數與所儲存臨限值之目的。若經判定參數超過或降至低於所儲存臨限值，則控制單元120可切換至一故障操作模式中。
在該故障操作模式中，以不再將電力輸出至供電網路中之一方式控制風力渦輪機。為此目的，通常以將轉子葉片移動至葉輪位置中(相對於風之最小接觸表面)之一方式改變轉子葉片之俯仰角。因而將風力渦輪機之轉子之旋轉速度減小至0。雖然轉子之旋轉速度減小至0，但由於轉子至風力渦輪機之發電機之直接或間接耦合，風力渦輪機將產生電力(在圖2中圖解說明為陰影區域)且該電力輸出至供電網 路。
根據本發明，控制單元120體現為達成在啟動故障操作模式之情況下同樣地啟動至少一個消耗器400(舉例而言，在(舉例而言)風力渦輪機之一電力箱中之一截波器及一負載電阻器)之目的。風力渦輪機之電力箱另外包括截波器400(舉例而言，風力渦輪機之一換流器)。若在啟動故障模式之情形中(換言之，在於供電網路中已判定一故障之情形中)啟動風力渦輪機之電力箱中之截波器400，則舉例而言可憑藉消耗器(截波器及負載電阻器)將在轉子之旋轉速度正減小時仍產生之發電機之電力轉換成熱量。因而可達成一啟動故障操作模式(換言之，一於供電網路中判定一故障)，風力渦輪機就不再將電力輸出至供電網路中。
供電網路中之一故障之一個實例係一過頻率(換言之，供電網路中之頻率高於一限制頻率)。在此類型之情形中，太多電力輸出至供電網路中且自供電網路抽取太少電力。為減小過頻率，因此有必要儘可能快速地減小輸出至供電網路中之電力。根據本發明可憑藉啟動故障操作模式達成此。在已經啟動故障操作模式之後，風力渦輪機不再將電力輸出至供電網路中。然後根據本發明憑藉消耗器(截波器及負載電阻器)將在已經啟動故障操作模式之後憑藉風力渦輪機產生之電力轉換成熱量。因而，根據本發明可達成將藉由風力渦輪機輸出至供電網路中之電力驟然減小至0。因而，使由風力渦輪機輸出至供電網路中之電力之一即時減小成為可能的。
一故障之另一實例係使得執行一緊急關閉(換言之，一立即關閉)成為必要的之風力渦輪機之一內部故障。
圖3圖解說明用於闡釋用於控制根據一第二例示性實施例之風力渦輪機之一方法之一圖表。在此例示性實施例中，風力渦輪機用作供電網路中之一消耗器且因而可自供電網路抽取電力並可憑藉截波器將 該電力轉換成熱量。
根據一第二例示性實施例，風力渦輪機可包括根據第一例示性實施例之一電力消耗操作模式。在此操作模式中，風力渦輪機可作為一消耗器連接至供電網路並可自供電網路抽取電力。此電力然後可憑藉消耗器400(截波器及負載電阻器)轉換成熱量。
舉例而言，可在缺少風(換言之，風力渦輪機不將任何電力輸出至供電網路)且於供電網路中發生一故障(諸如，舉例而言，一過頻率)之情況下憑藉控制單元啟動電力消耗操作模式。如上所闡述，在此類型之一情形中有必要減小輸出至供電網路之電力或增加自供電網路抽取之電力。根據第二例示性實施例，可採取第二選項且風力渦輪機可用作一電消耗器且可自供電網路抽取電力並可憑藉截波器將該電力轉換成熱量。
根據一第三例示性實施例，在根據故障操作模式中之第一例示性實施例已經將風力渦輪機之電力輸出減小至0之後憑藉控制單元啟動根據第二例示性實施例之電力消耗操作模式係可能的。換言之，風力渦輪機至供電網路之電力輸出一減小至0，風力渦輪機之控制單元就可切換至電力消耗操作模式中且可自供電網路抽取電力並憑藉消耗器(截波器)將該電力轉換成熱量。
由於消耗器(截波器)之容量且亦由於所使用之截波器以及亦負載電阻器之數目，在一故障操作模式中界定或更確切地限制風力渦輪機憑藉截波器將由風力渦輪機產生之電力轉換成熱量之能力。在此情形中，在一特定時段內憑藉截波器消耗之電力的量係尤其重要的。若憑藉截波器或多個截波器消耗較少電力，則此在一較長時段內係可能的。然而，若有必要憑藉截波器將更多電力(舉例而言)轉換成熱量，則可在一較短時段中執行此。
圖4圖解說明用於闡釋由風力渦輪機輸出之電力與網路頻率之間 之關係之一圖表。倘若頻率在容許臨限值內，則將風力渦輪機之最大的可能電力P供應至供電網路中。
若頻率低於臨限值，則將更多電力輸出至供電網路中。若頻率高於一第一臨限值，則遞增地減小自風力渦輪機輸出至電網路中之電力。若網路頻率超過一第二臨限值，則關閉風力渦輪機且根據第一例示性實施例，憑藉消耗器(截波器及一負載電阻器)消耗在風力渦輪機減緩時產生之電力且因而不將該電力供應至供電網路中。因而，在已經達成一第二臨限值之後，無進一步電力供應至供電網路中。
根據另一例示性實施例，根據本發明之風力渦輪機可包括一(資料)輸入300，一能量供應公司可憑藉(資料)輸入300影響風力渦輪機之操作或更確切地對風力渦輪機之控制。在此情形中，可回應於來自能量供應公司之一需求以風力渦輪機不再將電力輸出至供電網路中之一方式控制風力渦輪機。此可在判定在供電網路中無故障而是憑藉能量供應公司啟動故障操作模式之差異之情況下根據第一例示性實施例而發生。
可同樣地憑藉能量供應者啟動電力消耗操作模式。
根據本發明之另一項態樣，可監視網路之頻率之一改變且若頻率之改變超過一臨限值，則可根據第一例示性實施例啟動故障操作模式。因而，風力渦輪機可對一緊急(諸如，舉例而言，網路頻率之頻率之一顯著改變)做出反應。
根據本發明之另一例示性實施例，提供具有複數個風力渦輪機及一中心風場控制單元之一風場。中心風場控制單元可憑藉一資料匯流排連接至風力渦輪機且可影響風力渦輪機之控制程序。舉例而言，中心風場控制單元(FCU)因而可根據第一例示性實施例起始對故障操作模式之一啟動。
因而可根據第一例示性實施例憑藉風力渦輪機之控制單元、憑 藉中心場控制單元或憑藉能量供應公司啟動故障操作模式。
100‧‧‧風力渦輪機
102‧‧‧塔
104‧‧‧殼體
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧旋轉器
112‧‧‧風場
114‧‧‧電場網路
116‧‧‧變壓器
118‧‧‧供應點
120‧‧‧控制單元
130‧‧‧供電網路
140‧‧‧量測單元
200‧‧‧發電機
300‧‧‧(資料)輸入
400‧‧‧截波器/電消耗器/消耗器
f‧‧‧網路頻率
P‧‧‧電力/最大的可能電力
t‧‧‧時間
t1‧‧‧時間點
圖1A圖解說明根據本發明之一風力渦輪機之一示意性圖解，圖1B圖解說明根據本發明之一風場之一示意性圖解，圖2圖解說明用於闡釋根據一第一例示性實施例之方法之一圖表，圖3圖解說明用於闡釋根據本發明之一第二例示性實施例之一方法之一圖表，及圖4圖解說明用於闡釋根據本發明之方法之一圖表。
f‧‧‧網路頻率
P‧‧‧電力/最大的可能電力
t‧‧‧時間
t1‧‧‧時間點

Claims (6)

  1. 一種風力渦輪機，其包括：一轉子(106)，其具有至少兩個轉子葉片(108)，一發電機(200)，其直接或間接地耦合至該風力渦輪機之該轉子(106)並在該轉子(106)旋轉時產生電力，及一控制單元(120)，其用於控制該風力渦輪機之操作，其中該控制單元(120)在一供電網路(130)之參數超過或降至低於一臨限值之情況下啟動一第一故障操作模式，其中該控制單元(120)在該第一故障操作模式中體現為達成將該轉子(106)之旋轉速度減小至0之目的且達成啟動一電消耗器(400)以便憑藉該電消耗器(400)消耗在該故障操作模式中憑藉該發電機(200)產生之該電力之目的。
  2. 如請求項1之風力渦輪機，其中該供電網路(130)之該等參數表示網路頻率、網路電壓及/或該網路頻率或該網路電壓之改變，且可憑藉耦合至該供電網路(130)之一量測單元(140)量測該等參數。
  3. 如請求項1至2中任一項之特定而言風力渦輪機，其包括一轉子(106)，其具有至少兩個轉子葉片(108)，一發電機(200)，其直接或間接地耦合至該轉子(106)並在該轉子(106)旋轉時產生電力，及一控制單元(120)，其用於控制該風力渦輪機之操作，其中該控制單元(120)體現為達成在該供電網路之參數超過或降至低於一臨限值之情況下啟動一第二故障操作模式之目的，其中該控制單元(120)在該第二故障操作模式中體現為達成以該控制單元自該供電網路及取電力並憑藉該電消耗器(400)消耗 該電力之一方式控制該風力渦輪機之目的。
  4. 如請求項1至2中任一項之風力渦輪機，其此外亦具有一資料輸入(300)，一能量供應公司可憑藉該資料輸入(300)影響該風力渦輪機之控制程序。
  5. 一種用於操作一風力渦輪機之方法，該風力渦輪機包括：一轉子(106)，其具有至少兩個轉子葉片(108)；一發電機(200)，其直接或間接地耦合至該轉子(106)且該發電機在該轉子(106)旋轉時產生電力，該方法包括以下步驟：在一供電網路之參數超過或降至低於一臨限值之情況下憑藉一控制單元(120)啟動一第一故障操作模式，將該轉子之旋轉速度減小至0並啟動一電消耗器(400)以便憑藉該電消耗器(400)消耗在該故障操作模式中憑藉該發電機產生之該電力。
  6. 如請求項5之用於操作一風力渦輪機之方法，其此外亦具有以下步驟：在該供電網路(130)之參數超過或降至低於一臨限值之情況下憑藉該控制單元啟動一第二故障操作模式，及控制該風力渦輪機，使得該風力渦輪機自該供電網路及取電力並憑藉該電消耗器(400)消耗該電力。
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