在电网电力失效和变化风况时控制风轮机的系统和方法技术方案

技术编号:4145075 阅读:198 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术涉及在电网电力失效和变化风况时控制风轮机的系统和方法。具体地,本发明专利技术提供了一种用于控制风轮机(100)的设备和方法,所述风轮机(100)具有多个叶片(108),在电网电力失效时相对与机舱(112)的取向(即,偏摆偏移)相关的风向和转子方位角连续调节每个叶片的叶片角(θ),而同时保持风轮机的机舱的取向基本恒定。在电网电力失效时,风轮机可使叶片360度全程俯仰并通过转子轴(116)的旋转产生动力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及风轮机,更特别地涉及用于在电网电力失效和风况变化时(特别是在暴风下)有效控制风轮机的系统和方法,从而使转子速度维持基本恒定的值,以保持不间断电源(UPS)处于工作状态。
技术介绍
近来,风轮机作为一种环境安全和相对便宜的可替代能源已日益受到关注。由于 这种增长的关注,已进行了大量努力以开发可靠、有效的风轮机。 通常,风轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装在位于桁架或管状塔架顶部上 的壳体或机舱内。公用级风轮机(即,被设计为向公用电网提供电力的风轮机)可具有大 的转子(例如,直径80米或更大)。这些转子上的叶片将风能转化为旋转扭矩或力,以驱动 通过齿轮箱旋转联接到转子的一个或多个发电机。齿轮箱可用于为发动机将轮机转子固有 的低转速逐步提高,从而将机械能有效转变为电能,所述电能被供应输入公用电网中。 一些 轮机采用不使用齿轮箱而直接联接到转子的发电机。 风轮机的叶片和塔架的设计经常根据在出现暴风且电网失效时产生的极限载荷 进行尺寸设置。尽管轮机叶片固定为接近90度的角度,由于缺乏电网电力导致风轮机不能 朝向风向偏摆,这些叶片无法真正地处于顺桨位置(feathered position)。叶片和塔架的 极限载荷产生于冲击叶片的大表面积的强烈暴风的力(侧向偏摆方向)。通过提供诸如柴 油发电机之类的二次电源以使轮机朝向入风偏摆,可以减小暴风载荷。例如,一种该方法使 转子旋转平面保持基本垂直于风向。转子叶片的叶片角被调节至接近90度的最小工作角 度,用于旋转转子和发电机以产生必要动力,从而转动转子并在暴风载荷中保持转子朝向 入风。不过,由于采用独立备用发电机而导致的额外成本和复杂性,希望减小对该独立备用 发电机的需要。 此外,风轮机为保持转子垂直于风向而偏摆,在风向改变时可能导致不希望出现 的缆线扭曲。因此,存在对于风轮机可偏摆量的限制,通常为每个方向最多大约三个全程 旋转。此外,由于轮机结构的载荷局限,轮机偏摆仅可很慢地进行(大约0. 5度/秒)。因 此,如果风向快速改变,将不能保持转子垂直于风向,用于传统风轮机的策略将无法得到所 希望的结果。因此,希望减小暴风载荷而无需使轮机朝向入风偏摆。
技术实现思路
简而言之,本专利技术涉及一种用于控制风轮机的方法,所述风轮机具有机舱和转子 和多个叶片,每个叶片具有叶片角,所述方法包括在电网电力失效时相对于偏摆偏移(yaw offset)和转子方位角连续调节每个叶片的叶片角,而同时保持风轮机机舱的取向基本恒定。 在另一方案中,本专利技术涉及一种风轮机包括转子,机舱,多个叶片,每个叶片具有 叶片角,所述风轮机还包括被设置为测量每个叶片俯仰(Pitch)角的控制系统和用于移3动叶片角的叶片俯仰驱动器,其中,控制系统在电网电力失效时相对于偏摆偏移和转子方位角连续调节每个叶片的叶片角,而同时保持风轮机机舱的取向基本恒定。[o008] 在又一方案中,本专利技术涉及一种用于控制风轮机的方法,所述风轮机具有多个叶片,所述方法包括在电网电力失效时连续改变每个叶片的叶片角,使得转子的转速保持基本恒定的值,其特征在于,根据以下公式相对于偏摆偏移和转子方位角连续调节叶片角[o009]8tan”[一上\」tanr一.COS甲/ 其中,O是叶片角,甲是转子方位角,V.是相对于机舱取向的风向,在本文件中也被称为偏摆偏移。附图说明 通过参照附图而阅读以下详细描述,本专利技术的这些和其它特征、方案和优点将变得更易于理解,整个附图中相同的附图标记表示相同的部件,其中 图l是风轮机的示例性结构图。 图2是图l所示的示例性风轮机结构的机舱的切开的立体图。 图3是用于图l所示风轮机结构的控制系统的示例性结构框图。 图4A和4B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示,其中偏摆偏移约为60度。 图5A和5B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示,其中偏摆偏移约为一60度。 图6A和6B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示,其中偏摆偏移约为75度。 图7A和7B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示,其中偏摆偏移约为一75度。 图8A和8B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示,其中偏摆偏移约为120度。 图9A和9B分别是叶片角随时间变化的图形表示和转子速度随时间变化的图形表示,其中偏摆偏移约为一120度。 部件列表 lOO 风轮机 102机舱 104塔架 106转子 108叶片 110毅 112 控制面板 114叶片俯仰驱动器 116 转子轴118齿轮箱120发电机122联接器124偏摆驱动器126偏摆台板128风向标130主轴承132主轴法兰134传感器136传感器支架300控制系统302总线304处理器306RAM308存储装置310静态存储装置312I/O装置314传感器接口具体实施例方式参见附图,其中相同的附图标记在不同视图中表示相同的元件。 现在参见图l,在一些结构中,风轮机IOO包括安装在高塔架104顶部的机舱102,所述高塔架104仅有一部分显示在图1中。风轮机100还包括转子106,所述转子106包括附接到转毂110的多个转子叶片108a、108b和108c。尽管图1所示的风轮机100包括三个转子叶片,对于本专利技术所需的转子叶片108的数量而言,不存在具体限制。 现在参见图2,各个部件装在风轮机100的塔架104的顶部的机舱102中。基于现有技术中已知的因素和条件而选择塔架104的高度。在一些结构中,控制面板112内的一个或多个微控制器包括控制系统被用于总体系统监视和控制,包括俯仰和速度调整、高速轴和偏摆制动应用、偏摆电机和泵电机应用以及故障监视。在一些结构中使用可替代的分布式或集中式的控制结构。 控制系统将控制信号提供到可变叶片俯仰驱动器114以控制叶片108 (在图2中 未示出)的俯仰,所述叶片108由于风的作用而驱动毂110。在所示实施例中,毂110承接 三个叶片108,但其它结构亦可采用任何数量的叶片。通过叶片俯仰驱动器114分别控制叶 片108的俯仰。毂110和叶片108共同构成风轮机转子106。 在电网电力失效的情况下,希望能够控制叶片108的俯仰,以协助对转子速度进 行制动和调整。因此,需要在轮机IOO内或邻近处配备辅助电源(未示出),以向可变叶片 俯仰驱动器114提供应急备用动力。电池组(未示出)可设置在毂IIO内,以向每个叶片 108的可变叶片俯仰驱动器114提供备用动力。 风轮机的传动系包括连接到毂IIO和齿轮箱118的主转子轴116(也被称为低速5轴),在一些结构中,所述主转子轴116通过双路径几何结构驱动封装在齿轮箱118内的高 速轴。所述高速轴(图2中未示出)用于驱动发电机120。在一些结构中,通过联接器122 传递转子扭矩。发电机120可为任何适合的类型,例如,绕线式转子感应发电机。在一些结 构中,不使用齿轮箱,而是以转子轴116直接驱动发电机120。 偏摆驱动器124和偏摆台板126为风轮机100提供了偏摆定向系统。在一些结构 中,根据风向标129接收的信息,由控制系统以电方式操作和控制偏本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种用于控制风轮机(100)的方法,所述风轮机(100)具有机舱(102)、转子(106)和多个叶片(108),每个叶片具有叶片角(θ),所述方法包括:在电网失效时相对于偏摆偏移(V↓[d])和转子方位角(φ)连续调节每个叶片(108)的叶片角,而同时保持所述风轮机(100)的机舱(102)的取向基本恒定。

【技术特征摘要】
US 2008-9-30 12/241186一种用于控制风轮机(100)的方法,所述风轮机(100)具有机舱(102)、转子(106)和多个叶片(108),每个叶片具有叶片角(θ),所述方法包括在电网失效时相对于偏摆偏移(Vd)和转子方位角连续调节每个叶片(108)的叶片角,而同时保持所述风轮机(100)的机舱(102)的取向基本恒定。F2009101787865C0000011.tif2. 如权利要求1所述的方法,其特征在于,每个叶片角根据以下公二么、式连续调节<formula>formula see original document page 2</formula>其中,e是所述叶片角,Vd是所述偏摆偏移,^是所述转子方位角。3. 如权利要求2所述的方法,其特征在于,通过不间断电源向所述风轮机提供电能,以在电网失效时选择性地调节每个叶片的叶片角。4. 如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述叶片角用于将所述转子的转速控制在 基本恒定的非零参考值,由此向所述风轮机提供电力。5. 如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述基本恒定的非零参考值在大约0. lrad/ s至大约0. 5rad/s的范围内。6. —种风轮机(100),包括转子(106),机舱(112),多个叶片(108),被设置为测量每 个叶片的叶片角(e)的控制系统(300)和用于移动所述叶片角的叶片俯仰驱动器(114), 其特征在于,所述控制系统在电网...

【专利技术属性】
技术研发人员:LC卡默CS梅亨达尔
申请(专利权)人:通用电气公司
类型:发明
国别省市:US[美国]

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