用於調節風力發電設備轉子轉速的方法與系統的製作方法

2023-05-01 15:38:36

專利名稱：用於調節風力發電設備轉子轉速的方法與系統的製作方法
專利說明用於調節風力發電設備轉子轉速的方法與系統 本發明涉及一種對風力發電設備的轉子轉速進行調節的方法和系統，其中所述風力發電設備包括發電機和轉子葉片。
風力發電設備將風能轉變成電能，且通常將電能送入公共電網之中。風的動能使得轉子產生旋轉運動，再將這一旋轉運動傳遞給發電機，然後在發電機中將其轉變成電流。
可選用各種方法對轉速可變的風力發電設備的轉子轉速進行調節。通常分為兩種工況，即在部分負荷與滿負荷工況下對轉速進行調節，且在部分負荷工況下通常是「轉矩調節」，而在滿負荷工況下是「斜度調節」。所謂轉矩調節，指的是調節轉速，其中為了使風力發電設備達到較高的功率收益，在部分負荷工況下對設備的轉速進行調節，使得轉子圓周速度和風速之比達到最佳。功率收益可以很好地通過概念功率係數Cp來描述，也就是設備的消耗功率與空氣運動所蘊含的功率之比。圓周速度與未受幹擾的風速之比稱作葉尖速比。轉子葉片在此被調節到在轉子軸上產生最大驅動轉矩的葉片角度，通過發電機上的反作用轉矩來影響轉速。也就是說，以調節轉矩的方式對轉速進行調節，調節參量是轉矩，尤其是發電機上的轉矩，轉矩越大，則發電機從系統或風力發電設備中所獲取的以及送入電網中的功率就越多。
當風力發電設備處於滿負荷工況時，則以調節斜度的方式對轉速進行調節，稱為斜度調節的轉速調節通過調整轉子葉片的葉片角度起作用。在額定風速下，如果達到了發電機的額定轉矩(額定負荷)，將無法通過繼續提高發電機轉矩使轉速保持在工作點上。由於葉片離開了最佳調節角，因此其空氣動力效率將變差。此過程被稱作「變斜度」，源於英文單詞pitch＝傾斜。因此在達到發電機額定轉矩後，可通過葉片的調節角來改變轉速。與其它不具備此類斜度調節功能的設備相比，通過短時間提高轉子轉速以及調整迎角的方式，可以更好地控制颶風。由此通過轉子葉片的葉片角度的調節參量來影響轉子的消耗功率，從而可以調節轉子的轉速。
關於通過調整葉片(調節斜度)以及改變發電機轉矩(調節轉矩或者功率)，對可變轉速風力發電設備進行調節已有許多相關專利和專業文獻。在所有已知的方法中，最終所調節的是風力發電設備的轉速。在部分負荷範圍內，人們致力於使轉速適應風速，以便在葉片角度恆定的情況下，使轉子保持在能量方面最佳的工作點上。而在滿負荷範圍內，則嘗試讓轉速和轉矩保持恆定。此時通過改變葉片角度來調節轉速。
由US 4 695 736 A公開了對可變轉速風力發電設備進行調節的方法。在該文件中公開了根據所測量的功率，通過特性曲線來確定轉速理論值，在部分負荷範圍內，通過改變發電機轉矩來跟蹤該轉速理論值。當達到額定轉矩時，就激活斜度調節器，然後調節器就會嘗試將轉速調節到某個固定的值。
由US 5 155 375 A公布了一種風力預測器，其根據轉矩理論值、葉片角度測量值以及轉子轉速測量值確定當前的風速。除了轉速理論值之外，還由此確定葉片角度以及發電機轉矩的預控制值。然後使轉速跟隨理論值。
由US 6 137 187 A介紹了一種調節發電機轉矩的方法，即通過一種固定的設計為查詢表(Lookup-Tabelle)形式的功率/轉速特性曲線進行調節。斜度調節器和轉矩調節器相互獨立工作，並且調節到固定的額定轉速。
現有技術中所描述的方法和調節系統儘管已經在較低風速下部分優化了能量收益，但卻無法對部分負荷與滿負荷工況之間的過渡進行處理，或者處理不夠充分。尤其在設計部分負荷與滿負荷工況之間的過渡時，仍然可以獲得較高的能量收益，並且可減小運行負荷。
US 6 137 187 A和EP 1 007 844 B1相應，均公布了一種變速運行系統，其公開了用於產生功率的異步發電機，利用磁場定向調節來控制發電機轉矩的轉矩控制單元，根據發電機轉子速度來調節迎角的迎角控制單元，且迎角控制單元獨立於轉矩控制單元工作，在該系統中必須對轉速/功率特性曲線進行適當設計，使得部分負荷範圍內的轉速始終低於額定轉速，以防止斜度調節器提前進行幹預使設備減速，這樣就會部分造成可觀的產量損失。
本發明的任務在於改進對具有發電機和轉子葉片的風力發電設備的轉子轉速進行調節的方法和系統，從而可以提高能量收益。
該任務通過一種用於對具有發電機以及至少一個轉子葉片的風力發電設備的轉子轉速進行調節的方法解決，其中將轉子葉片的葉片角度(斜度)作為第一調節參量，將發電機的轉矩作為第二調節參量，該方法具有以下方法步驟 -提供第一轉速理論值作為葉片角度控制或調節裝置的輸入值，並且 -提供第二轉速理論值作為轉矩控制或調節裝置的輸入值，其中第一和第二轉速理論值可以互不相同。
第一和/或者第二轉速理論值最好可以改變，或者說是可變的轉速理論值。最好可以根據當前工況改變第一和第二轉速理論值。由於尤其在從部分負荷到滿負荷的過渡範圍內將兩個互不相同的轉速理論值作為轉矩控制或調節裝置以及葉片角度控制或調節裝置的輸入值可以對葉片角度和轉矩進行獨立控制或調節，因此通過本發明所述的調節方法可以提高風力發電設備的功率收益。在此例如可以實現這一點，即在從部分負荷到滿負荷的過渡範圍內啟用斜度調節器(葉片角度控制或調節裝置)，使得該調節器例如在出現正的颶風(風速迅速增大)時在達到滿負荷工況之前就已經開始進行調節，或者對葉片角度進行適當控制或調節。相應地如果使得轉矩控制或調節裝置的轉速理論值跟蹤某一最佳轉速理論值，則轉矩調節器或者說轉矩控制或調節裝置也可以在從部分負荷到滿負荷或者說從滿負荷到部分負荷的過渡範圍內提前起作用。
第一和第二轉速理論值在從部分負荷到滿負荷的過渡範圍內最好互不相同。該過渡範圍例如可以從80％滿負荷或額定負荷時開始，在風速的110％時結束，此時風力發電設備進入滿負荷工況或者說額定負荷工況。
最好設置第三轉速理論值，其中根據第三轉速理論值來確定第一和第二轉速理論值。本發明所述的「確定」這一概念，尤其也有「計算」和「推導」之意。轉速最好是發電機中的轉速。第三轉速理論值最好是最佳轉速，也就是能夠獲得最佳功率收益的轉速。第三轉速理論值最好也可以改變，或者說是可變的轉速理論值。
最好根據轉矩理論值和轉矩實際值的差(轉矩差)來確定第一轉速理論值。本發明所述的帶括號的術語均為事先給定的定義的名稱。轉矩差可以是轉矩調節差，因此就是轉矩理論值和轉矩實際值的差。例如在發電機中，或者也可在其它位置測量轉矩實際值，例如通過測量變流器中的電氣參量。如果在確定第一轉速理論值時轉矩差作為線性項起作用，就可以非常簡單地進行調節。
最好根據葉片角度理論值和/或葉片角度理論值與葉片角度實際值之差(葉片角度差)來確定第二轉速理論值。要麼根據葉片角度調節將葉片角度實際值保存在計算機或者存儲器中，或者相應地對其進行測量。從葉片角度差也可以得出所謂的「小斜度(fine pitch)」，也就是葉片角度理論值的下限。該值(小斜度)取決於風力發電設備，最好也取決於風速。若該值取決於轉子的葉尖速比，則特別有益。如果在確定第二轉速理論值時葉片角度差作為線性項起作用，就可以實現非常簡單的調節方法。
在本發明框架內，特徵第一和第二轉速理論值可以相互不同尤其這樣理解，即例如這些理論值彼此偏離。這種偏差最好出現在從部分負荷到滿負荷的過渡範圍內或者相反。最好通過大於零的葉片角度差和/或者轉矩差來定義該範圍。
第三轉速理論值最好是最佳轉速理論值，也就是相應於隨風速變化的轉速，風力發電設備在此轉速下具有最佳功率收益。
最好根據轉矩實際值來確定第三轉速理論值。如果尤其以某個尤其是可以預先設定的時間延遲使第三轉速理論值跟蹤轉矩實際值，就可以實現特別有效的調節方法。這樣就可以特別有效地識別颶風，並且能夠在出現颶風時特別有效地利用風力發電設備，或者將其再調節到最佳工作點，由此得到高的功率效率。
如果第一轉速理論值的確定包括將第三轉速理論值和函數k1×轉矩差×θ(轉矩差)相加，就可實現特別有效的調節方法。在這種情況下，隨轉矩差變化的函數θ就是Heaviside函數(階躍函數)。該函數在某一轉矩差下為0，或者只要該值≤0，就是Heaviside函數所依賴的變量，並且只要轉矩差＞0，就等於1。第二轉速理論值的確定最好包括將第三轉速理論值減去函數k2×葉片角度差×θ(葉片角度差)。
當超過轉速實際值與第一、第二和/或者第三轉速理論值的某一差值尤其是可預先設定的差值時，並且/或者當超過某一尤其是可預先設定的轉矩差值時，如果將風力發電設備制動，或者迅速降低轉子的轉速，則特別有益。當轉矩或者轉子轉速的調節偏差超過某一偏差極限值時，設備就會識別出故障。例如當發電機發生故障時，轉矩就會下降到0。在這種情況下，轉矩調節偏差就會急劇增大。調節器將改變其調節算法，因為必須將設備制動或者使其停住。在這種情況下例如增大葉片角度理論值，或者使其最大化，也就是減小轉速。這種調節方法的主要優點在於，該方法或調節器可以自動識別故障，並且能夠更為迅速地作出反應。
此外，如果在本發明所述調節方法之外還配有一個上級調節方法，則較為有益。這種調節方法或調節器叫做功率調節法或功率調節器，並且始終在要求或需要有恆定的電功率輸出時，才會實施幹預。該調節方法或調節器將會對發電機的轉矩調節進行幹預，在發電機中設定一個小於額定轉矩的最大轉矩。這樣就使得葉片角度調節器或斜度調節器也更為迅速地進行幹預。
該任務還通過一種對具有發電機和轉子葉片的風力發電設備的轉子轉速進行調節的系統加以解決，該系統包括一個葉片角度控制或者調節裝置，以及一個轉矩控制或者調節裝置；除此之外，還配有一個用於確定第一轉速理論值的第一裝置(第一轉速理論值確定裝置)，以及一個用於確定第二轉速理論值的第二裝置(第二轉速理論值確定裝置)；其中可以將第一轉速理論值傳輸給葉片角度控制或者調節裝置，將第二轉速理論值傳輸給轉矩控制或者調節裝置，其中第一和第二轉速理論值可以相互不同。在本發明的框架內，本發明所述的系統也可以是本發明所述的裝置。
第一和/或者第二轉速理論值最好可以改變，或者是可變的轉速理論值。第一轉速理論值確定裝置和第二轉速理論值確定裝置最好是一個唯一的裝置。在這種情況下，該裝置可以具有多個輸出端。如果配有用於確定第三轉速理論值的第三裝置(第三轉速理論值確定裝置)，且第三轉速理論值確定裝置的某個輸出端與第一和/或者第二轉速理論值確定裝置的某一個輸入端相連，就能夠非常好地提高風力發電設備的效率，尤其當出現颶風時更是如此。本發明所述的「相連」，是指例如通過電纜或者數據總線進行連接，尤其是間接連接。當然也可以採用無線數據連接，或者其它連接方式。最好將所有轉速理論值確定裝置設置於一個唯一的裝置之中，並且/或者設置於一個共同的外殼之中。第一、第二和/或者第三裝置是至少一個數據處理裝置，或者是至少一個計算機，或者說包括至少一個計算機。
最好配有一個用於確定轉矩理論值和轉矩實際值之差的裝置(轉矩差確定裝置)，且轉矩差確定裝置的輸出端至少間接地與第一轉速理論值確定裝置的某個輸入端相連。除此之外，最好還配有一個用於確定葉片角度理論值和葉片角度實際值之差的裝置(葉片角度差確定裝置)，且葉片角度差確定裝置的輸出端至少間接地與第二轉速理論值確定裝置的某個輸入端相連。最好配有一個其輸出端至少間接地與第三轉速理論值確定裝置相連的轉矩確定裝置。
除此之外，本發明所述的風力發電設備還配有上述用來對轉子的轉速進行調節的按本發明的系統。
以下將以不限制一般發明構思的方式，根據實施例，並參照附圖對本發明進行說明。所有沒有以文字形式詳細解釋的本發明的細節均可參考附圖。相關附圖如下

圖1風力發電設備主要部件的示意圖， 圖2按本發明的調節流程的簡化示意圖， 圖3圖2所示調節流程圖的截取部分， 圖4 4a隨時間變化的風速曲線圖， 4b隨時間變化的發電機轉速曲線圖，以及 4c隨時間變化的發電機轉矩曲線圖。
圖5 5a測量的風速隨時間變化的曲線圖， 5b測量的發電機轉矩隨時間變化的曲線圖， 5c隨時間變化的發電機速度或轉速曲線圖，具有不同的曲線， 5d隨時間變化的葉片角度曲線圖 圖1所示為風力發電設備10的簡化示意圖，包括一個轉子11，在轉子上布置有轉子葉片15和15′。轉子11與一個傳動機構16相連。傳動機構16通過軸11′與發電機12相連。轉子11可以轉動，即相應於圖中所示的旋轉運動17。通過轉子11的相應轉動以及經由傳動機構16通過軸11′的相應轉動，普通的發電機12例如異步發電機可以產生電功率，該電功率可以通過變流器13提供給例如連接有負載的電網14。例如在Siegfried Heier所著、Teubner出版社2005年出版的「風力發電設備，系統布局、併網與調節(Windkraftanlagen，Systemauslegung，Netzintegration und Regelung)」一書的第320頁至328頁上，就有關於變速運行的設備的相應普通的調節系統的描述。從圖1可看出，轉子葉片15、15′的葉片角度的改變，即通過葉片角度調節運動18或18′使角度變化。通過調節轉子葉片15和15′的葉片角度(斜度)，來影響轉子11或連接的傳動系以及轉子所屬的轉子葉片15和15′的消耗功率。
根據本發明，現在就使用如圖2所示的調節流程圖。藉助轉矩確定裝置61或者轉矩傳感器61來測量轉矩，例如通過發電機12從系統中所獲得的轉矩，或者用於對轉子11進行制動的轉矩，並且將其作為測量的轉矩20傳輸給轉速跟蹤器25(RPM tracker)。根據所測量的轉矩，在轉速跟蹤器25中確定或算出轉速理論值。轉速理論值在此最好是使轉子以最佳效率運轉的轉速。該理論值在本發明的框架內稱為第三轉速理論值27，它現在用來在計算單元26(也可稱作確定單元或者RPM shifter)中算出或確定供葉片角度調節器32和轉矩調節器33所用的兩個不同的轉速理論值。這裡所涉及的是傳輸給葉片角度調節器32的第一轉速理論值28，以及傳輸給轉矩調節器33的第二轉速理論值29。
第一轉速理論值28和第二轉速理論值29也可以取決於計算單元26輸入端上的轉矩調節差30和葉片角度差31的值。轉矩調節差30是轉矩理論值或額定轉矩21與測量的轉矩20的差值。在轉矩差確定裝置60中得出相應的差值，也可直接將葉片角度理論值34施加在計算單元26的輸入端上來替代葉片角度差31。
根據葉片角度調節偏差22，從中減去最小葉片角度24，得出葉片角度差31。最小葉片角度24視設備而定，且可以取決於轉速。最小葉片角度24也可以取決於風速和/或者葉尖速比。根據差值確定裝置39中所得出的葉片角度調節參量34以及所測量的葉片角度38的差值，得出葉片角度調節偏差22。計算單元26可以是計算機。
將第一轉速理論值28輸入葉片角度調節器32，該葉片角度調節器將相應的葉片角度調節參量34傳送給葉片角度調節裝置36，例如某種液壓或電動調節系統，例如某種電機。轉矩調節器33將轉矩調節參量35發送給轉矩調節裝置37。轉矩調節裝置通常是布置於變流器13中的大功率電子裝置。如果轉矩調節器33可以進行相應的轉差率調整，則其也可以對發電機12的轉差率進行調節或控制。本發明所述的風力發電設備可以配有如圖1所示的傳動機構，當然也可以沒有傳動機構。也可以使用其它發電機來替代異步發電機。
對轉速理論值28和29進行有針對性的調節，由此來控制葉片角度調節器32的工作。為此例如可在部分負荷範圍內，對葉片角度調節器32的轉速理論值進行調整，使其略高於最佳轉速理論值。這樣就可使得通常僅僅轉矩調節器33是活動的，而葉片角度調節器32僅在出現較強烈的颶風時才會進行幹預。在滿負荷範圍內，則將轉矩調節器33的轉速理論值29調整到最佳轉速之下。這樣就可使得葉片角度調節器32主要在滿負荷範圍內工作，而轉矩調節器33僅僅在出現較強烈的負颶風時才會啟動。
轉速跟蹤器25根據所測量的轉矩20來確定最佳理論轉速。該最佳理論轉速取決於機器和風速。葉片角度調節器32將第一轉速理論值與轉速實際值進行比較，然後將葉片角度理論值作為調節參量輸出。相應地轉矩調節器33將第二轉速理論值29與轉速實際值進行比較，然後將轉矩理論值作為調節參量輸出。作為圖2所示的實施方式的替代方案，也可以獨立於所測量的葉片角度38得出葉片角度偏差22。在這種情況下省去差值裝置39，如圖2所示，且葉片角度調節參量34與葉片角度調節偏差22直接相連，或者與其相應。
圖3所示為圖2的截取部分，即計算單元26的示意圖。其中也繪出了轉矩差30、第三轉速理論值27和葉片角度差31這些輸入量。將轉矩調節差30乘以k1 40，將葉片角度差31乘以k2 41。k1和k2可以是常量。當然它們也可以根據例如轉矩差、葉片角度差、第三轉速理論值、風速和/或者葉尖速比這些輸入量來改變。
在上面的環節中，將計算結果與第三轉速理論值27相加，從而求得第一轉速理論值28。在下面的環節中，將第三轉速理論值減去該結果，從而求得第二轉速理論值29。也可出現不同的情況，即第三轉速理論值27不作任何改變就作為第一轉速理論值28或者第二轉速理論值29。當轉矩差≤0且葉片角度差也≤0時，就是這種情況。計算公式如下

也可通過加上或減去轉矩和葉片角度的差值信號的方式，對轉速理論值28和29進行調整。如果轉矩調節差＞0，則為部分負荷範圍；如果轉矩差≤0，則為滿負荷範圍。相應地，如果葉片角度差＞0，則為滿負荷範圍；如果葉片角度差≤0，則為部分負荷範圍。
也可以將葉片角度差或者轉矩差的多項式例如二次項用作上述第一和第二轉速理論值公式的其它項。也可適當移動Heaviside函數，使得選擇條件從大於或小於/等於零移動到大於或小於/等於某個常量k3。
採用本發明，可以使年均產量明顯多出幾個百分點。採用本發明所述的理論值跟蹤方法，可使轉矩和葉片角度調節之間的過渡變得平穩、荷載較小。與現有技術的調節方案相比，獲得了明顯更多的產量，儘管如此運行負荷也比較小。由於葉片角度調節器32的第一轉速理論值28始終跟蹤最佳轉速，因此使得葉片角度調節器32在出現較強的風時，也能在部分負荷範圍內迅速進行幹預。與現有技術的不同之處在於，可以不必在葉片角度調節器中使用可能會導致葉片角度無用調節動作增加的微分成份。
圖4中的曲線圖4a、4b和4c所示就是本發明在部分負荷範圍內的效果。
第一曲線圖4a所示是測量的風速50和預測的風速50′。在轉速跟蹤器25中算出預測的風速50′。根據預測的風速50′(其例如取決於轉矩、功率係數Cp和/或者機械損失)，算出最佳轉速27或者第三轉速理論值27。例如可以利用對於所述風速最佳的葉尖速比來算出最佳轉速27。
圖4b所示是隨時間變化的發電機轉速曲線圖。第二轉速理論值29在圖中表示為實線，此外還有表示成虛線的測量的發電機轉速52，以及相應於最佳轉速理論值的第三轉速理論值27。可以看出，測量的發電機轉速52跟蹤最佳轉速理論值27。第二轉速理論值29幾乎相應於測量的發電機轉速52，並且在本示例中比該測量值略微超前。可以看出，發電機轉速非常好地跟蹤第二轉速理論值29。當然在最佳轉速理論值27和第二轉速理論值29之間也可以有一定的延時。
曲線圖4c所示是隨時間變化的發電機轉矩51。
這種新式調節方法或調節系統的主要優點在於，可以對可用的發電機轉速範圍更好地加以利用，從而以低於滿負荷範圍的速度來提高空氣動力效率。
一旦風速增大，就需要限制發電機中的轉矩，並且以此來限制電功率。在這種情況下，可使得發電機轉矩基本保持恆定。葉片角度調節器不僅根據發電機轉速進行工作，而且也根據發電機轉矩進行工作。這種根據轉矩對葉片角度進行調節的效果為當發電機轉矩增大到滿負荷運轉狀態時，就啟動葉片角度調節器。通過上述公式就可實現這一點，該公式中的第一轉速理論值28具有一個與轉矩相關的項，該轉速理論值被輸送給葉片角度調節器32。這種葉片角度調節器或葉片角度調節的主要優點在於，當風速較低時，葉片角度調節器不工作，這樣就不會影響風力發電設備的功率，而當風速較大時，葉片角度調節器就開始工作，使得在部分負荷與滿負荷工況之間實現柔軟的過渡。
此外還有另一個優點，當發電機轉矩與內部的轉矩理論值不一致時，葉片角度調節器就會立即作出反應。只要發電機轉矩(尤其是測量的發電機轉矩)明顯小於理論值，就可以迅速增大葉片角度，以避免轉子的轉速太高。
可以在圖5所示的曲線圖中觀察根據轉矩調節葉片角度的效果。假設風速是滿負荷工況下的風速，按圖5a的第一曲線圖所示是隨時間變化的風速，按圖5b的第二曲線圖所示是隨時間變化的發電機轉矩曲線圖。這裡可以很好地看出有時存在滿負荷工況。當風速高於額定風速時，即大約為12m/sec時，就會出現這種現象。在這種情況下，轉矩就變化到為風力發電設備設置的額定轉矩11kNm。
第三曲線圖5c所示是隨時間變化的發電機轉速，同時繪出了三種不同的功能。其中一個是轉速理論值，其值為1,800轉/分鐘(rpm)。使用附圖標記52表示在發電機中所測量的轉速，第一轉速理論值28在圖中表示為虛線，在這種情況下，如果轉子速度保持在1,800轉/分鐘，就可從風力發電設備中獲得最佳功率，因此要使(最佳)理論值保持在該值。第一轉速理論值28將根據所測量的發電機轉矩構成，使其略微高於第三轉速理論值27，也就是略微高於最佳轉速理論值，也就是只要轉矩本身小於最大轉矩。當所測量的轉矩接近於轉矩理論值時，轉矩調節器33就會啟動。
第四曲線圖(圖5d)所示是隨時間變化的葉片角度。如果值大於零，葉片角度調節器就啟動。
根據本發明，根據轉矩對斜度進行調節，並且根據斜度或者葉片角度對轉矩進行調節。尤其是在部分負荷範圍內對最佳轉速理論值27進行跟蹤，顯然最好沒有固定的額定轉速理論值用於葉片角度調節器以及轉矩調節器。
在部分負荷範圍內，當最佳轉速理論值27高於實際值時，尤其當遠遠高出時，優選也可以短時間降低發電機的轉矩，以便將轉子更為迅速地加速到其理論轉速。
在額定工作點中，也就是在部分負荷與滿負荷之間的過渡階段中，第一、第二和/或者第三轉速理論值可以相同。也就是第一和第二轉速理論值、第一和第三轉速理論值以及/或者第二和第三轉速理論值此時均可以相同。
附圖標記列表 10風力發電設備 11轉子 11′軸 12發電機 13變流器 14電網 15，15′轉子葉片 16傳動機構 17旋轉運動 18，18′葉片調節運動(「變斜度」) 20所測量的轉矩 21轉矩理論值 22葉片角度偏差 24葉片角度理論值下限(小斜度) 25轉速跟蹤器 26計算單元 27第三轉速理論值 28第一轉速理論值 29第二轉速理論值 30轉矩差 31葉片角度差 32葉片角度調節器 33轉矩調節器 34葉片角度調節參量 35轉矩調節參量 36葉片角度調節裝置 37轉矩調節裝置 38所測量的葉片角度 39差值裝置 40k1 41k2 42置零元件 50測量的風速 50′預測的風速 51發電機轉矩 52所測量的發電機轉速 54葉片角度 60轉矩差確定裝置 61轉矩確定裝置
權利要求
1.對具有發電機(12)和至少一個轉子葉片(15，15′)的風力發電設備(10)的轉子(11，11′)轉速(52)進行調節的方法，其中將轉子葉片(15，15′)的葉片角度(54)(斜度)作為第一調節參量，將發電機(12)的轉矩(51)作為第二調節參量，具有以下方法步驟
-提供第一轉速理論值(28)作為葉片角度控制或調節裝置(32)的輸入值，並且
-提供第二轉速理論值(29)作為轉矩控制或調節裝置(33)的輸入值，其中第一和第二轉速理論值(28，29)可以互不相同。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，第一和第二轉速理論值(28，29)在風力發電設備部分負荷與滿負荷之間的過渡範圍內互不相同。
3.根據權利要求1或者2所述的方法，其特徵在於，設有第三轉速理論值(27)，其中根據第三轉速理論值(27)來確定第一和第二轉速理論值(28，29)。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，根據轉矩實際值(20)確定第三轉速理論值(27)。
5.根據上述權利要求1～4中一項或多項權利要求所述的方法，其特徵在於，根據轉矩理論值(21)與轉矩實際值(20)之差(30)(轉矩差(30))來確定第一轉速理論值(28)。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，在確定第一轉速理論值(28)時轉矩差(30)作為線性項起作用。
7.根據上述權利要求1～6中一項或多項權利要求所述的方法，其特徵在於，根據葉片角度理論值(34)和/或者葉片角度理論值(34)與葉片角度實際值(38)之差(31)(葉片角度差(31))來確定第二轉速理論值(29)。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，在確定第二轉速理論值(29)時葉片角度差(31)作為線性項起作用。
9.根據上述權利要求4～8中一項或多項權利要求所述的方法，其特徵在於，使第三轉速理論值(27)尤其以特別可以預先設定的時間延遲來跟蹤轉矩實際值(20)。
10.根據權利要求5～9中一項或多項權利要求所述的方法，其特徵在於，確定第一轉速理論值(28)包括將第三轉速理論值(27)和函數k1×轉矩差×θ(轉矩差)相加，其中θ是Heaviside函數。
11.根據權利要求5～10中一項或多項權利要求所述的方法，其特徵在於，確定第二轉速理論值(29)包括將第三轉速理論值(27)減去函數k2×葉片角度差×θ(葉片角度差)，其中θ是Heaviside函數。
12.根據權利要求1～11中一項或多項權利要求所述的方法，其特徵在於，當超過轉速實際值與第一、第二和/或者第三速度理論值尤其可預先設定的差值時，並且/或者當超過尤其是可預先設定的轉矩差值時，迅速降低轉子的轉速。
13.對具有發電機(12)和轉子葉片(15，15′)的風力發電設備(10)的轉子(11，11′)轉速(52)進行調節的系統，包括葉片角度控制或調節裝置(32)和轉矩控制或調節裝置(33)，以及用於確定第一轉速理論值(28)的第一裝置(26)(第一轉速理論值確定裝置(29))和用於確定第二轉速理論值(29)的第二裝置(26)(第二轉速理論值確定裝置(26))，其中可將第一轉速理論值(28)傳輸給葉片角度控制或調節裝置(32)，並且將第二轉速理論值(29)傳輸給轉矩控制或調節裝置(33)，其中第一和第二轉速理論值(28，29)可以相互不同。
14.根據權利要求13所述的系統，其特徵在於，第一轉速理論值確定裝置(26)和第二轉速理論值確定裝置(26)是一個唯一的裝置(26)。
15.根據權利要求13或14所述的系統，其特徵在於，設有用於確定第三轉速理論值(27)的第三裝置(25)(第三轉速理論值確定裝置(25))，且第三轉速理論值確定裝置(25)的某個輸出端與第一和/或者第二轉速理論值確定裝置(26)的某個輸入端相連。
16.根據權利要求13～15中一項或多項權利要求所述的系統，其特徵在於，設有用於確定轉矩理論值(21)和轉矩實際值(20)之差的裝置(60)(轉矩差確定裝置(60))，其中轉矩差確定裝置(60)的輸出端至少間接地與第一轉速理論值確定裝置(26)的某個輸入端相連。
17.根據權利要求13～16中一項或多項權利要求所述的系統，其特徵在於，設有用於確定葉片角度理論值(34)和葉片角度實際值(38)之差的裝置(39)(葉片角度差確定裝置(39))，其中葉片角度差確定裝置(39)的輸出端至少間接地與第二轉速理論值確定裝置(26)的某個輸入端相連。
18.根據權利要求13～17中一項或多項權利要求所述的系統，其特徵在於，設有轉矩確定裝置(61)，其輸出端至少間接地與第三轉速理論值確定裝置(25)相連。
19.配備有權利要求13～18中一項或多項權利要求所述轉子轉速調節系統的風力發電設備。
全文摘要
本發明涉及一種對具有發電機和轉子葉片的風力發電設備的轉子轉速(52)進行調節的方法和系統，其中將轉子葉片的葉片角度(斜度)作為第一調節參量，將發電機的轉矩作為第二調節參量。本發明所述的系統包括一個葉片角度控制或調節裝置(32)和一個轉矩控制或調節裝置(33)，以及一個用於確定第一轉速理論值(28)的第一裝置(第一轉速理論值確定裝置(29))和一個用於確定第二轉速理論值(29)的第二裝置(2b)(第二轉速理論值確定裝置(26))，其中可以將第一轉速理論值(28)傳輸給葉片角度控制或調節裝置(32)，將第二轉速理論值(29)傳輸給轉矩控制或調節裝置(33)，其中第一和第二轉速理論值(28，29)相互間可以不同。
文檔編號F03D7/04GK101203674SQ200680022074
公開日2008年6月18日 申請日期2006年6月16日 優先權日2005年6月21日
發明者T·克魯格 申請人:再生動力系統股份公司