TWI535932B - 用於調整風力發電設備之轉子葉片俯仰角之調整裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種用於調整一風力發電設備之一轉子葉片之俯仰角的調整裝置，且係關於一種操作此裝置之方法。
風力發電設備為人所熟知。目前所主要廣泛使用之設備類型係所謂的水平軸風力發電設備，其中由風驅動之空氣動力轉子實質上繞水平軸旋轉。在該狀況下，在正常操作中，該軸實質上面朝風的方向，且轉子具有至少一個且通常為三個轉子葉片，該等轉子葉片跨越一轉子區域，該轉子區域因此相對於風實質上橫向配置。圖3展示此風力發電設備。
相對於風之每一轉子葉片之俯仰角可取決於風速而變更。亦即，轉子葉片實質上繞其縱軸轉動以改變該俯仰角且因此改變湧入氣流角。俯仰角亦時常被稱作攻角(angle of attack)，且俯仰角之調整時常被稱作俯仰調整(pitching)。
為執行俯仰調整操作，使用通常利用電驅動裝置之調整裝置。本發明亦基於電驅動裝置。藉由一動力單元來操作電驅動裝置，藉由電力供應網路為該動力單元供應電能。
用於為調整驅動裝置供應動力之動力單元根據亦可被稱作俯仰驅動裝置之調整驅動裝置而調適。當使用直流(dc)馬達作為俯仰驅動裝置時，動力單元作為所謂的dc控制器
而操作。換言之，動力單元提供具有執行各別調整運動所需之各別電流強度之直流。
在電力供應網路發生故障的情況下，提供電儲存構件，其儲存足夠能量以使電驅動裝置將轉子葉片調整至所謂的順風(feathered)位置中。應始終確保電儲存構件具有該對應量之能量且因此在使用後對其再次充電，否則，務必確保任何自放電藉由所謂的補償小電流充電來補償。
經由獨立電流源實現電儲存構件之充電，該獨立電流源之輸出電壓根據電儲存構件之電壓而調適。此外，提供執行所述補償充電操作之補償小電流充電裝置。該補償小電流充電裝置之輸出電壓亦根據電儲存構件之電壓而調適且取決於電儲存構件之充電狀態而獨立執行電儲存構件之再充電。
此等系統相應地複雜，此係因為其必須執行所述任務且必須可靠且冗餘地發揮作用。
因此，本發明之目的在於消除或減少所指出問題中之至少一者，且特定言之，提供針對轉子葉片調整之儘可能簡單且同時可靠且冗餘的解決方案。本發明至少試圖找到替代性設計組態。
因此，根據本發明，提議一如技術方案1之調整裝置。該調整裝置具有：一調整馬達，其用於藉由俯仰角移動轉子葉片，即，用於俯仰控制；一致動單元，其用於使用電流致動該調整馬達；及一緊急電力供應裝置，其用於在該
電力供應網路發生故障的情況下為該調整馬達供應電流且使用該電流來致動該調整馬達。該緊急電力供應裝置具有一電儲存構件，其用於儲存電能以提供用於致動該調整馬達之電流。此外，該致動單元經調適以使用電能對該緊急電力供應裝置之該電儲存構件充電。因此，該致動單元經調適以執行雙重功能，即，一方面為該調整馬達供應必要的電流，且另一方面對該緊急電力供應裝置之該電儲存構件充電。
應注意，現代風力發電設備之轉子葉片的重量可為若干公噸。目前已知的風力發電設備之最大轉子葉片在轉子葉片根部之區域中(即，在朝向轉子軸之轉子葉片的部分中)具有超過5公尺之寬度，且具有將近60公尺之長度。然而，在若干陣風之情況下需要轉子葉片之快速調整運動以尤其防止過載。換言之，需要大的有力且同時動態之調整驅動。對致動單元具有相應需求。就此而言，致動單元根據致動馬達之電特性而調適。特定言之，此調整馬達具有電感特性，且電流與電壓之間的關係亦受馬達之運動影響，且特定言之，出現轉速相依性反電壓。
相比而言，例如電容器或電池之電儲存構件具有完全不同的特性。此電儲存構件上之電壓尤其取決於充電狀態及各別主要內電阻。理想電容器根本沒有內電阻，且電壓則僅僅取決於充電狀態。真實電容器可相當接近理想特性且就此而言根本上不同於電感器(特定言之，馬達)之電特性。
根據本發明，已認識到，致動單元有可能根據各別任務(即，一方面致動調整馬達且另一方面對電儲存構件充電)而調適，且提供對應的開關元件。此使得有可能省去獨立充電單元。
較佳提供開關裝置，特定言之，一或兩個開關，其用於將致動單元連接至緊急儲存裝置之電儲存構件以對電儲存構件充電。以該方式，致動單元可容易地連接至調整馬達以用於正常操作以便致動調整馬達。就此而言，使用術語正常操作以意謂電力供應網路可用於供應電力給致動單元以用於調整該調整馬達的操作。為了對緊急儲存裝置之電儲存構件充電，該開關裝置僅需適當切換成使用致動單元來達成充電目的。該開關裝置因此將致動單元連接至馬達以用於對其進行調整或連接至電儲存構件以用於對其充電。
較佳提供補償充電單元以用於定期地使用電能對電儲存構件再充電，以便再充電由電儲存構件因漏電流及自放電之至少一者而放電的電能。與致動單元相比而言，此補償充電單元僅需提供相對低之充電電流，此係因為其僅用於對電儲存構件之總充電容量之一小部分再充電。因此，與致動單元相比而言，補償充電單元可為相對小的大小且明顯成本較低。
電儲存構件實質上包含電容器，鉛凝膠蓄電池，及鋰離子蓄電池之至少之一者亦為有利的。彼等組件被視為希望在調整裝置中使用之組件，此係因為其可提供相對高的儲
存容量且此外適合於連續操作。其亦適合於配置於風力發電設備之轉子中且因此被持續旋轉。
較佳提議將電感組件及整流器構件之至少一者配置於電儲存構件與致動單元之間。整流器構件避免有關致動單元之電儲存構件之不必要放電。自致動單元之觀點而言，電儲存單元之電效能可由電感組件更改，因此，在經由此電感組件對電儲存單元充電時，充電電路之整體充電特徵被更改。
進一步提議一如技術方案6之操作一調整裝置之方法，該調整裝置用於調整一風力發電設備之一轉子葉片之俯仰角。根據該方法，藉由調整馬達來移動所述轉子葉片(即，實質上繞其縱軸)以調整俯仰角。在該狀況下，藉由致動單元為調整馬達供應電流。因此，調整馬達為電調整馬達。特定言之，致動單元控制用於執行調整馬達之所要運動之必要電流。就此而言，致動單元可考慮調整馬達及轉子葉片之至少一者之當前位置以在封閉迴路控制(即，具有實際值反饋)之意義上執行控制。
此外，該方法包括使用電能對緊急電力供應裝置之電儲存構件充電，其中藉由為調整馬達供應電流且尤其控制該電流的同一致動單元實現充電。致動單元連接至電力供應網路且自該電力供應網路被供應電能。
該方法進一步包括，若電供應網路發生故障，則藉由緊急電力供應裝置為調整馬達供應電流且使用該電流來致動調整馬達。緊急電力供應裝置自該緊急電力供應裝置之電
儲存構件獲得用於提供該電流之能量。因此，該方法提議藉由致動單元為調整馬達供應電流且亦使用電能對緊急電力供應裝置之電儲存構件充電。
較佳在下列狀況中之至少一者下實現電儲存構件之充電。在一狀況下，在將風力發電設備進行操作(即初始啟動)之程序結束後或結束時實現充電。在另一狀況下，在電力供應網路發生故障之後，即，在發生網路故障後藉由緊急電力供應裝置使一或多個轉子葉片轉至迎風之後，實現充電。此外，可在故意放電之後實現能量儲存構件之充電，該情形可(例如，以測試為目的或以維護為目的)發生在能量儲存構件或該配置之其他部分上。若在長時間內未因網路故障或與網路斷開而執行補償充電程序，則出現另一狀況。
較佳藉由上述調整裝置中之一者執行所提議之方法。
亦提議風力發電設備裝配有此調整裝置，即，根據本發明之調整裝置。意欲降低風力發電設備之成本，在最大可能限度上增加其效率或降低風力發電設備之成本且在最大可能限度上增加其效率。
下文中參考附圖以實例更詳細地描述本發明。
調整裝置或調整設備101之電路具有用於調整俯仰角之調整馬達102。藉由dc控制器104(其通常亦可被稱為動力單元)來致動調整馬達102以實施各別調整程序。藉由電力供應網路為dc控制器104供應能量，為了圖式之清晰性起
見，圖1中未展示該電力供應網路。在風力發電設備之正常操作中藉由變換開關(change-over switch)106及107在dc控制器104與調整馬達102之間形成電操作性連接，且因此可如上文所述藉由dc控制器104實現調整馬達102之致動。
在電力供應網路發生網路故障的情況下，將藉由電中間儲存構件108來操作調整馬達102。為達成該目的，將變換開關106及107切換至在電中間儲存構件108與調整馬達102之間形成連接之位置中。
提供適合的補償充電電路110以用於執行所謂的補償小電流充電。此舉能夠防止或補償由(例如)漏電流及自放電之至少一者造成之電中間儲存構件108之輕微放電。因此，補償充電電路110僅需針對低電力位準而設定大小。亦藉由電力供應網路為補償充電電路110供應能量。藉由電壓量測裝置112量測且監視電中間儲存構件108之電壓。量測得之電壓亦可提供關於電中間儲存構件108之充電狀態的資訊。
為了在超過補償充電電路110可提供之程度上對電中間儲存構件108充電，該總成具有充電裝置，特定言之，電流源114，其亦藉由電力供應網路供電，為了增強之清晰性起見，圖1中未展示該電力供應網路。提供充電開關116及充電裝置114以用於執行電中間儲存構件108之充電。當閉合充電開關116時，可對電中間儲存構件108充電。
現根據本發明提供與目前先進技術相比有所簡化的調整裝置以及其他。為達成該目的，提議省去電流源114。
參考圖2描述對應的實施例。調整裝置1之所說明電路包括調整馬達2，藉由作為dc控制器而操作之致動單元4來致動該調整馬達2。作為dc控制器而操作之致動單元4產生電流，根據所說明之實施例，將藉由脈寬調變來控制該電流。為了致動調整馬達2，將切換對應的變換開關6及7、26及27，以使dc控制器電操作性地連接至調整馬達2。
在電力供應網路發生網路故障的情況下，可藉由來自電中間儲存構件8之能量實現調整馬達2之致動。對於該情形，適當切換變換開關6及7。提供補償充電電路10以用於執行補償小電流充電。此補償充電電路10通常未經設定大小以執行超過補償小電流充電之充電操作。
為了以超過補償小電流充電的方式完全或部分地對電中間儲存構件8充電，因此提議使用致動單元4(即dc控制器4)來對電中間儲存構件8充電。可藉由變換開關26及27在致動單元4與電中間儲存構件8之間形成電操作性連接。在變換開關26及27處於適當開關位置時，提供亦串聯配置了電感組件(特定言之，抗流器28)以及整流器構件(特定言之，二極體30)的充電電路。亦存在電流感測器32，其可量測受控制以用於對電儲存構件8充電的充電電流。在正常操作中，當致動單元4致動調整馬達2時，電流感測器32亦可用於量測任何致動電流。
較佳地，致動單元4使用脈寬調變式方法來產生用於電中間儲存構件8之充電電流。在該狀況下，首先以基本上已知的方式產生具有複數個方波脈衝之脈衝信號。電感組
件28適合於平滑化該信號，且特定言之，亦避免對電中間儲存構件之損壞。調整馬達2(一方面)及電中間儲存構件8(另一方面)具有基本上不同的電性質，即，調整馬達2具有實質上電感性質且電中間儲存構件8具有實質上電容性質。由於電感組件28之串聯連接，上述兩者之性質可至少略微匹配，該情形至少簡化了致動單元之雙重用途的所提議選用(即使並非首先使此舉成為可能亦如此)。致動單元4同樣較佳根據不同要求(即，一方面致動調整馬達4及另一方面對電中間儲存構件8充電)而調適。
以二極體之形式展示且可呈此二極體之形式的整流器構件30(例如)藉由致動單元4防止電中間儲存構件之不必要放電。
1‧‧‧調整裝置
2‧‧‧調整馬達
4‧‧‧致動單元
6‧‧‧變換開關
7‧‧‧變換開關
8‧‧‧電儲存構件
10‧‧‧補償充電單元
26‧‧‧變換開關
27‧‧‧變換開關
28‧‧‧電感組件/抗流器
30‧‧‧整流器構件/二極體
32‧‧‧電流感測器
101‧‧‧調整設備
102‧‧‧調整，馬達
104‧‧‧dc控制器
106‧‧‧變換開關
107‧‧‧變換開關
108‧‧‧電中間儲存構件
110‧‧‧補償充電電路
112‧‧‧電壓量測裝置
114‧‧‧電流源
圖1示意性地展示根據目前先進技術之用於調整轉子葉片之俯仰角的調整裝置的電路，圖2示意性地展示根據本發明之一實施例之用於調整轉子葉片的俯仰角之調整裝置的電路，及圖3展示根據本發明之風力發電設備。
1‧‧‧調整裝置
2‧‧‧調整馬達
4‧‧‧致動單元
6‧‧‧變換開關
7‧‧‧變換開關
8‧‧‧電儲存構件
10‧‧‧補償充電單元
26‧‧‧變換開關
27‧‧‧變換開關
28‧‧‧電感組件/抗流器
30‧‧‧整流器構件/二極體
32‧‧‧電流感測器
Claims (8)
- 一種用於調整一風力發電設備之一轉子葉片之俯仰角的調整裝置(1)，其包括：一調整馬達(2)，其用於藉由該俯仰角移動該轉子葉片；一致動單元(4)，其用於使用電流致動該調整馬達(2)，其中該致動單元(4)連接至一電力供應網路；及該致動單元(4)可操作為一dc控制器，一緊急電力供應裝置，其用於在該電力供應網路發生一故障的情況下為該調整馬達(2)供應電流且使用該電流致動該調整馬達(2)，其中該緊急電力供應裝置具有一電儲存構件(8)，其用於儲存電能以提供用於致動該調整馬達(2)之該電流，且其中該致動單元(4)用以使用電能對該緊急電力供應裝置之該電儲存構件(8)充電，其中一變換開關(26、27)為可切換，以使該dc控制器電操作性地連接至該調整馬達(2)作為致動之用，且該變換開關(26、27)用於將該致動單元(4)連接至該緊急電力供應裝置之該電儲存構件(8)以對該電儲存構件(8)充電。
- 如請求項1之調整裝置(1)，更進一步包括一補償充電單元(10)，該補償充電單元(10)用於定期地使用電能對該電儲存構件(8)再充電，該電能係由該電儲存構件(8)因漏電流或因自放電而放電的，或因漏電流及因自放電而 放電的。
- 如請求項1或2之調整裝置(1)，其中該電儲存構件(8)實質上包含電容器、鉛凝膠蓄電池及鋰離子蓄電池中之至少一者。
- 如請求項1或2之調整裝置(1)，更進一步包括一電感組件(28)或一整流器構件(30)，或一電感組件(28)及一整流器構件(30)串聯連接於該電儲存構件(8)與該致動單元(4)之間，以使得在藉由該致動單元(4)對該電儲存構件(8)充電時，一充電電流經由該電感組件(28)或該整流器構件或兩者自該致動單元(4)流出。
- 一種風力發電設備，其具有如請求項1至4中任一項之調整裝置(1)。
- 一種操作用於調整一風力發電設備之一轉子葉片之俯仰角的一調整裝置(1)之方法，該方法包括以下步驟：藉由一調整馬達(2)移動該轉子葉片以調整該俯仰角，其中藉由連接至一電力供應網路之一致動單元(4)為該調整馬達(2)供應電流，及該致動單元(4)可操作為一dc控制器，藉由該致動單元(4)使用電能對一緊急電力供應裝置之一電儲存構件(8)充電，及在該電力供應網路發生故障的情況下，藉由該緊急電力供應裝置自該緊急電力供應裝置之該電儲存構件(8)為該調整馬達(2)供應電流且使用該電流致動該調整馬達(2)，其中 一變換開關(26、27)在一第一狀態被切換以使該dc控制器電操作性地連接至該調整馬達(2)作為致動之用，該變換開關(26、27)在一第二狀態將該致動單元(4)連接至該緊急電力供應裝置之該電儲存構件(8)。
- 如請求項6之方法，其中在該風力發電設備進行操作時，在該電力供應網路發生故障的情況下藉由該緊急電力供應裝置致動該調整馬達(2)之後，或在對該電儲存構件(8)故意放電之後，或在該電力供應網路發生故障的情況下及在對該電儲存構件(8)故意放電之後，實現該電流(8)之充電。
- 如請求項6或7之方法，其中使用一調整裝置(1)，用於調整一風力發電設備之一轉子葉片之俯仰角，該調整裝置(1)包括：一調整馬達(2)，其用於藉由該俯仰角移動該轉子葉片；一致動單元(4)，其用於使用電流致動該調整馬達(2)，其中該致動單元(4)連接至一電力供應網路；及該致動單元(4)可操作為一dc控制器，一緊急電力供應裝置，其用於在該電力供應網路發生一故障的情況下為該調整馬達(2)供應電流且使用該電流致動該調整馬達(2)，其中該緊急電力供應裝置具有一電儲存構件(8)，其用於儲存電能以提供用於致動該調整馬達(2)之該電流，且其中該致動單元(4)用以使用電能對該緊急電力供應裝置之該 電儲存構件(8)充電，其中一變換開關(26、27)為可切換，以使該dc控制器電操作性地連接至該調整馬達(2)作為致動之用，且該變換開關(26、27)用於將該致動單元(4)連接至該緊急電力供應裝置之該電儲存構件(8)以對該電儲存構件(8)充電。
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