用於風力渦輪機的槳距控制系統和方法

2023-10-10 01:56:44

專利名稱：用於風力渦輪機的槳距控制系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於風力發電機的槳距控制系統。所述系統由DC電動機和一種 可靠且耐用的拓撲結構構成，該拓撲結構不具有中間DC級(BUS母線)，而是包含如果發生 故障，例如掉壓時控制該系統的新架構。舉例來說，該蓄能系統可以由電池或超級電容器構 成。 在正常操作中，槳距控制系統通過使用主換流器來控制電動機進行工作。在一個 實施例中，該電動機響應於從通用控制器接收到的指令進行控制。
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根據本發明，第一方面，倘若發生了故障，輔助換流器可能遵循來自通用控制器的
指令，甚或執行特定的速度/時間曲線，使用電池或超級電容器中存儲的能量對電動機加 以控制。 根據本發明，另一方面，倘若發生特定故障時可以這樣操作通過以受控方式將蓄 能系統直接連接至電動機，由此能夠調節槳葉所移動到的位置。 根據本發明，又一方面，如果發生緊急情況如失控時，電池或超級電容器能夠直接 連接至電動機，而不會累及槳葉控制器。 必須要說明的是，該一般性描述和下文中給出的詳細描述提供的都是非限制性的 實例和對本發明的解釋。


此處示出的附圖包括一個或多個實施例的一部分。然而，它們不能認為是將本發 明具體限制到所示實施例的圖。當它包含下述附圖時，本發明及其操作模式通過詳細描述 可以得到更好的理解 圖1 :示出了風力發電機中的常規電動槳距系統。
圖2 :示出了本發明使用DC串勵電動機的槳距系統的一個實施例。
圖3:示出了本發明第一操作模式(正常)的槳距系統的構造。 圖4:示出了本發明第二操作模式(故障)的槳距系統的構造，其中電動機由輔助 換流器進行控制。
圖5 :示出了本發明第三操作模式(故障)的槳距系統的構造，其中電動機藉助於
由槳距控制器管理的蓄能系統來致動，直到槳葉到達控制系統要求的位置。
圖6 :示出了本發明第四操作模式(緊急情況)的槳距系統的構造，其中電動機直
接連接至DC蓄能系統，直到槳葉到達安全位置(通常接近90° )。 圖7 :示出了本發明的槳距系統的一種構造，其中DC蓄能系統的電壓電平可以配 置為引入更大或更少數目的電池或超級電容器。 圖8 :示出了本發明的槳距系統的一種構造，其中DC蓄能系統藉助於主換流器充 電和/或放電到要求的電壓電平。
發明詳述 以下將通過若干實施例對電動槳距控制系統進行描述。該說明參照各附圖作為例 子，以確保對本發明進行更好的理解。因此貫穿於整個說明書不同的參考數字用來指示本 發明系統的不同部分。 在圖2中示意地示出了本發明的優選實施例。該槳距控制系統基本上由以下部分 組成至少一個槳距控制器(201)， 一主換流器(205)，至少一個輔助換流器(204) ， 一 DC齒 輪電動機(下文中稱為電動機)(208)以及一由電池或超級電容器組成的DC蓄能系統或蓄 能器(210)。 在正常操作(圖3)中，該系統將工作在我們所謂的第一操作模式。在這種情況下， 接觸器K1 (202)和K2(206)保持閉合，因此電動機的電樞受主換流器(205)控制，它反轉高 壓輸電網電壓，以便以DC(208)供應電動機，時時施加相應的扭矩以便槳葉移動到要求的 位置。此時接觸器K3(207)和K4(211)保持斷開。在本發明的優選實施例中，所述主換流器基於晶閘管(300)。該換流器不具有DC母線。 電動機的激勵由二極體橋(301)控制。在該梯級，系統構造使得有可能調節速度， 獲得超過0.05%的精度。這是通過使用來自電動機編碼器(209)的反饋來完成的。在其他 實施例中，速度和/或位置反饋可以由其他類型的傳感器(例如變速發電機，分解器等)來 提供。在另一實施例中，位置可以調節。
另外三種操作模式在本發明中區分為 l,第二操作模式在圖4中示出並且對應於故障時的系統特性。在非限制性實施 例中，故障認為是風力發電機的通常告警，其中系統可以保持對槳葉的槳距或位置的控制。 該操作模式在掉壓期間使用。為了保持對電動機的受控調節，並由此保持對風力發電機的 槳葉位置和轉動速度的受控調節，一輔助換流器(204)對電動機加以控制。這是通過斷開 接觸器K2(206)和閉合接觸器K3(207)，同時保持接觸器K4(211)斷開來完成的。根據本發 明的一個方面，輔助換流器獨立於主換流器，並調節由蓄能系統供應的DC電壓。在一個實 施例中，該輔助換流器基於IGBT(400)。 通過響應於渦輪通用控制器在任意給定時刻確定的指令，可以保持所要求的槳 距，甚或使用特定曲線來提供停止或制動序列。該曲線可以在槳距控制器中得以參數化。
在第三操作模式，為了執行受控的停止，可以考慮到本發明的另一方面。在一個實 施例中，蓄能系統可以以受控方式直接連接至電動機(圖5)。因此，槳葉的應用時間和由 此的最終位置可以由槳距控制器(201)遵循特定邏輯或者遵循從風力發電機通用控制器 (200)接收到的指令進行調節。該第三模式對於如果發生類似第二操作模式的故障時的操 作也是有效的。根據本發明的非限制性方面，有可能建立兩種級別的故障，在第一級故障的 情況下，系統將應用第二操作模式。如果檢測到第二級故障，系統將工作在第三操作模式。
2,第四操作模式在圖6中示出並且如果發生緊急情況時激活。在本發明的非限 制性實施例中，緊急情況可以認為是由於例如槳距系統中的電子故障或由於安全原因而激 活的緊急電路所引起的完全失控。在這種情況下，電動機(208)將直接連接至蓄能系統或 蓄能器(210)。這可以通過斷開K2(206)和K3(207)並閉合K4(211)來完成。這些接觸器 保持鎖定直到到達安全位置。作為DC電動機，電動機的轉速由所施加的直流電壓來確定。
本發明的另一方面是電池或超級電容器的數目可以進行設定，從而可以根據所要 求的速度曲線來施加不同的電壓電平。該速度曲線中包括有用於設計電動機的電壓/扭矩 /速度特性。圖7示出了一個簡單實施例，其中有可能藉助於接觸器來引入更大數目的電池 或超級電容器。該功能可以用在利用蓄能系統的第二，第三和第四操作模式中。在第二操作 模式中，該功能通過觸發接觸器K6(700)或K7(701)來實現。對於第三和第四操作模式，其 中來自DC蓄能系統的電壓直接施加給電動機，該功能通過觸發接觸器K5(703)或K4(211) 來實現。 在本發明的優選實施例中，系統的主換流器用四象限拓撲來設計，這使得有可能 當電動機用作發電機時將電力輸送給AC高壓輸電網。該情形是當風力發電機的槳葉移動 到要求的位置時發生的，而不需由動量來致動。它可以在槳葉的重量將槳葉推送到要求的 轉動方向時產生。 根據本發明的另一方面，如果蓄能系統為超級電容器，主換流器(205)可以用來 對蓄能系統充電或放電。圖8示出了包含接觸器K8(801)的槳距控制系統的實施例，它必須被致動以便對超級電容器(800)充電或放電。 如果蓄能系統由電池組成，本發明的系統就需要電池充電器。在本發明的優選實 施例中，槳距系統對風力發電機的所有槳葉使用單一的充電器。所述充電器及時地以多路 對各個槳葉的蓄能器系統進行充電。在另一實施例中，一個電池充電器用於每個槳葉系統。
因此，此處披露的電子槳距控制系統具有新的特徵，即使在發生掉壓或任何其他 故障的情況下，也增加了控制DC電動機的可能性。 必需要加以考慮的是，詳細描述只是作為例子。所示的細節和附圖不得限制本發 明的範圍。實際上，可以進行修改和適應性改進，而上述方法和實施例可以用其他等同物來 替代。因此，本發明能夠以若干種方式來實施，而不會影響本發明的本質和範圍，必須要理 解本發明不限於此處的實施例。
權利要求
一種風力渦輪機的槳距控制系統，它包括至少一個DC電動機(208)，至少一個槳距控制器(201)，一主換流器(205)，用以在第一操作模式中將來自高壓輸電網的AC電力轉換為DC電力以供應給電動機，至少一個DC蓄能器系統(210)，用於為第二，第三和第四操作模式儲備電力供應；至少一個輔助換流器(204)，用以在第二操作模式中調整來自蓄能器系統的直流電壓。
2. 根據權利要求1的風力渦輪機的槳距控制系統，其特徵在於該電動機為DC串勵電動機。
3. 根據權利要求l的風力渦輪機的槳距控制系統，其特徵在於該電動機為DC復勵電動機。
4. 根據權利要求1的風力渦輪機的槳距控制系統，其特徵在於該主換流器為晶閘管。
5. 根據權利要求1的風力渦輪機的槳距控制系統，其特徵在於該主換流器為IGBT。
6. 根據權利要求l的風力渦輪機的槳距控制系統，其特徵在於它含有二極體控制的整 流器，用以提供電動機的激勵。
7. 根據權利要求l的風力渦輪機的槳距控制系統，其特徵在於它含有IGBT控制的整流 器，用以提供電動機的激勵。
8. 根據權利要求l的風力渦輪機的槳距控制系統，其特徵在於該蓄能器由電池組構成。
9. 根據權利要求1的風力渦輪機的槳距控制系統，其特徵在於該蓄能器由超級電容器 構成。
10. 根據權利要求1的風力渦輪機的槳距控制系統，其特徵在於該輔助換流器為IGBT。
11. 根據權利要求l的風力渦輪機的槳距控制系統，其特徵在於蓄能器系統的電壓電 平可以進行配置。
12. 根據權利要求l的風力渦輪機的槳距控制系統，它包括其中電壓電平可以使用接 觸器進行主動配置的蓄能器系統。
13. —種風力渦輪機的電動螺距系統的控制方法，它包括-在第一操作模式期間，使用主換流器將來自高壓輸電網的AC電力轉換成DC電力以供 應給DC電動機，-在第二操作模式期間，使用來自蓄能器的直流電壓以經由輔助換流器來供應DC電動機，-在第三操作模式期間，使用來自蓄能器的直流電壓以便以受控方式直接供應DC電動機，_在第四操作模式期間，使用來自蓄能器的直流電壓以便直接供應DC電動機，而不會 累及槳距控制器。
14. 根據權利要求13的控制方法，其特徵在於它使用整流器以提供DC電動機的激勵。
15. 根據權利要求13的控制方法，其特徵在於該第一操作模式在正常操作中啟動。
16. 根據權利要求13的控制方法，其特徵在於該第二操作模式當檢測到第一級故障時 啟動。
17. 根據權利要求13的控制方法，其特徵在於該第三操作模式當檢測到第二級故障時 啟動。
18. 根據權利要求13的控制方法，其特徵在於該第四操作模式當檢測到緊急情況並且 風力發電機的槳葉移動到安全位置時啟動。
19. 根據權利要求13的控制方法，其特徵在於在第二和第三操作模式期間，響應於從 通用控制器接收到的指令來調節DC電動機。
20. 根據權利要求13的控制方法，其特徵在於在第二和第三操作模式期間，根據槳距 控制器中編程的邏輯來調節DC電動機。
21. —種風力渦輪機的電動螺距系統的控制方法，它包括-在第一操作模式期間，使用主換流器將來自高壓輸電網的AC電力轉換成DC電力以供 應給DC電動機，-在第二操作模式期間，使用來自蓄能器的直流電壓以經由輔助換流器來供應DC電動機，_在第四操作模式期間，使用來自蓄能器的直流電壓以便直接供應DC電動機，而不會 累及槳距控制器。
22. —種風力渦輪機的電動螺距系統的控制方法，它包括-在第一操作模式期間，使用主換流器將來自高壓輸電網的AC電力轉換成DC電力以供 應給DC電動機，-在第三操作模式期間，使用來自蓄能器的直流電壓以便以受控方式直接供應DC電動機，_在第四操作模式期間，使用來自蓄能器的直流電壓以便直接供應DC電動機，而不會 累及槳距控制器。
23. —種風力渦輪機的電動螺距系統的控制方法，它包括當槳葉由於其自重或扭矩朝 著要求的位置移動時，使用電動機作為發電機向高壓輸電網供應電力。
24. —種風力渦輪機的電動螺距系統的控制方法，它包括_使用主換流器對基於超級電容的蓄能器系統進行充電和放電。
25. —種風力渦輪機的電動螺距系統的控制方法，它包括_使用單一電池充電器和復用技術對各個槳葉的蓄能器系統進行充電。
全文摘要
本發明描述了一種槳距控制系統，它包括主要換流器，和輔助換流器，直流電動機和儲能系統(蓄能器)，並具有四種不同的操作模式正常，故障(第一級)，故障(第二級)和緊急情況。倘若檢測到故障，該系統可以移動電動機以便通過進行受控調節，將翼片移動到要求的位置。
文檔編號H02P7/28GK101790639SQ200780053619
公開日2010年7月28日 申請日期2007年5月4日 優先權日2007年5月4日
發明者伊凱爾·加門迪亞·奧拉雷加, 哈維爾·佩雷斯·巴瓦查諾, 哈維爾·科洛馬·卡拉霍拉, 埃內斯託·貝奧萊吉·阿朗古倫, 大衛·舒萊·洛佩斯, 格雷戈裡奧·瓦斯·巴裡卡特, 愛諾阿·卡卡·馬約爾, 約根·阿塞多·桑切絲, 赫蘇斯·馬約爾·盧薩雷塔, 邁克·薩巴雷塔·馬葉茲度, 霍蘇·埃洛裡亞加·裡昂諾斯 申請人:英格蒂姆能源有限公司