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槳距控制電池備用方法和系統的製作方法

2023-12-09 04:58:26 2

專利名稱:槳距控制電池備用方法和系統的製作方法
技術領域:
本發明主要涉及風力渦輪機能源系統,且更具體而言,涉及用於風力渦輪機的槳距控制系統。
背景技術:
在一種已公知的風力渦輪機中,包括完全再生的可控矽整流器(SCR)橋的槳距控制系統驅動4.2KW系列的直流馬達。這種類型的系統多年來已被用在伺服馬達驅動裝置中並且可商業化購買得到。SCR驅動裝置具有結構簡單的優點,但是可能不能夠輸出在更新型的和/或更大型的風力渦輪機中可能會需要的槳距系統性能的水平。
在出現交流輸入功率損耗的情況下,至少一種已公知的風力渦輪機系統利用槳距應急電池(emergency pitch battery)設定風力渦輪機槳葉的槳距。所述槳葉被俯仰調節達到能夠防止槳葉產生超速的一定位置。交流電壓降被槳距控制系統感測到並且槳距應急系統啟動。風力渦輪機控制系統調節槳距應急系統並且試圖保持葉轂的旋轉速度低於超速極限值。在許多實例中,渦輪機控制發生故障並且停止渦輪機。然而,公知的風力渦輪機系統使用直流環節(DC link)電容器和H橋功率轉換器電路,且不具有一旦儲存在直流環節電容器中的少量能量被耗盡,則利用該電路設定槳葉的槳距的能力。

發明內容
因此,本發明的一個方面在於提供一種用於控制風力渦輪機的槳距控制系統的方法。所述方法包括提供一個已充電的備用電池,所述備用電池被構造用以在出現滿交流輸入功率時不向直流環節供給能量,其中所述直流環節包括直流環節電容器。所述方法進一步包括使用儲存在直流環節電容器中的能量使槳距控制系統在出現交流輸入功率損耗或降低的過程中進行工作,並且在槳距控制系統的工作過程中當直流環節電容器兩端的電壓下降時使用已充電的備用電池將電荷保持在直流環節電容器上。
另一個方面,本發明提供了一種用於控制風力渦輪機槳葉的槳距的設備。所述設備包括槳距控制系統和具有直流環節電容器的直流環節。所述直流環節被構造用以向槳距控制系統提供功率。同時還包括用以向直流環節提供功率的交流輸入功率源和被構造用以在出現滿交流輸入功率時不向直流環節供給能量的備用電池。所述設備被構造用以使用儲存在直流環節電容器中的能量使槳距控制系統在出現交流輸入功率損耗或降低的過程中進行工作,並且在槳距控制系統的工作過程中當直流環節電容器兩端的電壓下降時使用備用電池將電荷保持在直流環節電容器上。
又一個方面,本發明提供了一種包括至少一個槳葉和一個聯接到槳葉上且被構造用以產生交流功率的發電機的風力渦輪機。所述風力渦輪機進一步包括被構造用以控制槳葉圍繞軸線的槳距的槳距控制系統、具有直流環節電容器且被構造用以向槳距控制系統提供功率的直流環節和用以向直流環節提供功率的交流輸入功率源。所述交流功率源不一定是發電機。所述風力渦輪機還包括被構造用以在出現滿交流輸入功率時不向直流環節供給能量的備用電池。所述風力渦輪機被構造用以使用儲存在直流環節電容器中的能量使槳距控制系統在出現交流輸入功率損耗或降低的過程中進行工作,並且在槳距控制系統的工作過程中當直流環節電容器兩端的電壓下降時使用備用電池將電荷保持在直流環節電容器上。
因此,本發明的構造能夠提供槳距控制馬達驅動裝置進行受到電池支持的工作,這樣允許通過電網擾動進行操作(operation throughgrid disturbance)從而增大了風力渦輪機的有效使用率。


圖1是風力渦輪機的一種典型構造的視圖;圖2是圖1所示的典型的風力渦輪機構造中的短艙的剖切透視圖;圖3是用於圖1所示的風力渦輪機構造的控制系統的構造的框圖;圖4是表示出本發明的一些用於控制風力渦輪機的槳距控制系統的構造的結構示意圖;圖5A和5B是表示出本發明的一些用於使用非再生源控制風力渦輪機的多個槳距控制系統的構造的結構示意圖;和圖6A和6B是表示出本發明的一些用於使用再生源控制風力渦輪機的多個槳距控制系統的構造的結構示意圖。
具體實施例方式
在本發明的一些構造中,單個的風力渦輪機槳距控制設計比已公知的系統在成本和性能上具有優勢。單個的風力渦輪機馬達驅動裝置上設有向包括四個有源開關裝置(例如在一些構造中的並聯的金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET))的H橋供應直流電壓的非再生電橋。直流環節電容器使直流環節電壓變得平滑並且用作所述系列的直流馬達的吸能源和能量源。該設計還包括使用電池和接觸器以使槳葉俯仰達到特徵位置處的槳距應急系統。
在一些構造中並且參見圖1,風力渦輪機100包括罩住發電機(圖1中未示出)的短艙102。短艙102被安裝在高大支柱104的頂上,圖1中僅示出該支柱的一部分。風力渦輪機100還包括具有一個或多個附接到旋轉葉轂110上的轉子槳葉108的轉子106。雖然如圖1中所示的風力渦輪機100包括三個轉子槳葉108,但是本發明對轉子槳葉108的個數沒有具體限制。
參見圖2,位於渦輪機100的支柱104頂上的短艙102罩住了多個部件。基於本領域已公知的因素和條件選定支柱104的高度。在一些構造中,在包括控制系統的控制面板112內的一個或多個微控制器被用於對整個系統進行監控,監控對象包括槳距和速度調節、高速軸制動器和偏轉制動器應用、偏轉馬達和泵用馬達應用以及故障監控。在一些構造中採用其它可選的分布式或集中式控制體系結構。
在一些構造中,控制系統向可變槳葉槳距驅動裝置114提供控制信號,從而控制由於風的作用而驅動葉轂110的槳葉108(圖2中未示出)的槳距。在圖示構造中,葉轂110容納三個槳葉108,但是在其它構造中可使用任意數量的槳葉。在一些構造中,槳葉108的槳距由槳葉槳距驅動裝置114單獨地進行控制。葉轂110和槳葉108一起包括風力渦輪機轉子106。
風力渦輪機的傳動列包括主轉子軸116(也被叫做「低速軸」),所述主轉子軸被連接到葉轂110上且受到主軸承130的支承,且主轉子軸116的相對端被連接到齒輪箱118上。在一些構造中,齒輪箱118採用雙路幾何形狀以驅動封閉的高速軸。高速軸(圖2中未示出)被用以驅動被安裝到主機架132上的發電機120。在一些構造中,轉子轉矩通過聯軸節122進行傳輸。發電機120可以為任何合適的類型,例如繞線轉子感應發電機。
偏轉驅動裝置124和偏轉底板126提供了風力渦輪機100的偏轉取向系統。風向標128提供了偏轉取向系統的一些信息,包括測量得到的在風力渦輪機處的即時風向和風速。在一些構造中,偏轉系統被安裝在設置在支柱104頂部的凸緣上。
在一些構造中並且參見圖3,風力渦輪機100的控制系統300包括總線302或其它通信裝置以進行信息通信。處理器304被聯接至總線302以對信息進行處理,所述信息包括來自傳感器的被設定用以測量位移量或動量的信息。控制系統300進一步包括隨機存取存儲器(RAM)306和/或其它存儲裝置308。RAM 306和存儲裝置308被聯接至總線302以儲存和傳送要被處理器304執行的信息和指令。RAM 306(如果需要的話,還有存儲裝置308)還可被用以在處理器304執行指令的過程中儲存臨時變量或其它中間信息。控制系統300還可包括只讀存儲器(ROM)和/或其它靜態存儲裝置310,所述只讀存儲器(ROM)和/或其它靜態存儲裝置被聯接至總線302以儲存並向處理器304提供靜態(即不變的)信息和指令。輸入/輸出裝置312可包括用以向控制系統300提供輸入數據並且提供偏轉控制和槳距控制輸出的本領域已公知的任何裝置。指令從存儲裝置例如磁碟、只讀存儲器(ROM)集成電路、CD-ROM、DVD通過或是有線的或是無線的遠程連接被提供給內存,所述遠程連接提供對一個或多個可電子存取的媒介等的存取訪問。在一些實施例中,可使用硬接線的電路以取代軟體指令或與軟體指令相結合。因此,指令的執行順序不限於硬體電路與軟體指令的任何特定組合。傳感器接口314是一個允許控制系統300與一個或多個傳感器進行通信的接口。傳感器接口314可以是或者可以包括,例如一個或多個模數轉換器,所述模數轉換器把模擬信號轉換為可被處理器304使用的數位訊號。
在本發明的一些構造中並且參見圖4,在出現來自源400的交流輸入功率損耗的情況下並且為了防止渦輪機超速運行,使用基於MOSFET402的功率轉換器404使槳葉俯仰。功率轉換器404包括槳距控制系統406的一部分。(為了標註方便起見,如在此所使用的,交流輸入源400指的是整流器橋或者是IGBT或MOSFET橋。應該理解,該橋旨在被發電機、電力線、電力網或一些其它的可包括或可不包括發電機120的交流源電氣化。)設置備用電池408在出現交流輸入功率損耗或者功率下降的情況下,允許槳葉108(如圖1所示)產生俯仰。電池408(其可包括一個或多個單電池或者多個多單電池電池組,或者其任何組合)通過二極體412和熔斷器414被連接到直流環節410上。在正常情況下,二極體412被加上反向偏壓且從電池408到直流環節410沒有電流流過。在這種條件下,電池408被充電並且其狀態受到監控,但是它不向直流環節410供給能量。
當直流環節410的電壓下降到低於電池408的電壓時,電流從電池408中流出通過二極體412和熔斷器414以將電荷保持在直流環節電容器416上。二極體412防止在直流環節電壓高於電池電壓時不受控制地對電池408進行充電。熔斷器414防止在直流環節410上發生短路的情況下電池408受損。直流環節410上的備用電池408允許槳距控制系統406在出現交流輸入功率損耗或者功率下降的情況下保持對槳葉108的位置進行有源控制。
在本發明的一些構造中並且參見圖5A和5B,提供了一種風力渦輪機的多驅動槳距控制系統。交流電源的一個非再生源400可使用共用的直流環節510供應多個槳距控制系統406。共用的直流環節510受到電池408的支持。在一些構造中,共用的直流環節510上的槳距控制系統406在工作過程中在交流電停電或者交流功率下降的情況下進行有效功率交換並且降低了電池408的功率需求。同時,在一些構造中並且參見圖6A和6B,具有共用的直流環節510的槳距控制系統406由受完全再生的IGBT或MOSFET 602控制的源600供電。在該構造中使用電池408以在停電時支持直流環節510。
因此,應該意識到本發明的構造能夠提供槳距控制馬達驅動裝置進行受到電池支持的工作,這樣允許通過電網擾動進行操作(operationthrough grid disturbance),從而增大了風力渦輪機的有效使用率。
本發明的構造不限於具有任意特定數量的槳葉的風力渦輪機。例如,具有一個、兩個或三個(或更多個)槳葉的渦輪機可使用本發明的構造以在出現交流功率損耗的情況下對槳葉角進行控制,由此與那些不具備直流環節槳距控制性能的渦輪機相比,增大了渦輪機的有效使用率。
雖然已結合多個不同的具體實施例對本發明進行了描述,但是本領域的技術人員會意識到可使用在所附技術方案範圍內的變型實踐本發明。
零件列表100風力渦輪機102短艙104支柱106風力渦輪機轉子108轉子槳葉110葉轂112控制面板114槳葉槳距驅動裝置116主轉子軸118齒輪箱120發電機122聯軸節124偏轉驅動裝置126偏轉底板128風向標130主軸承132主機架300控制系統302總線304處理器306隨機存取存儲器308裝置310靜態存儲裝置312裝置314傳感器接口400輸入源402金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)404功率轉換器406槳距控制系統408備用電池
410直流環節412二極體414熔斷器416直流環節電容器510共用的直流環節600受控源602再生絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)或金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)
權利要求
1.一種用於控制風力渦輪機(100)的槳葉(108)的槳距的設備,所述設備包括槳距控制系統(406);具有直流環節電容器(416)且被構造用以向所述槳距控制系統提供功率的直流環節(410);用以向所述直流環節提供功率的交流輸入功率源(400);和被構造用以在出現滿交流輸入功率時不向直流環節供給能量的備用電池(408);且進一步地,其中所述設備被構造用以使用儲存在所述直流環節電容器中的能量使所述槳距控制系統在出現交流輸入功率損耗或降低的過程中進行工作;並且在所述槳距控制系統的所述工作過程中當所述直流環節電容器兩端的電壓下降時使用所述備用電池將電荷保持在所述直流環節電容器上。
2.根據權利要求1所述的設備,進一步包括二極體(412),其中所述二極體被加上反向偏壓並且與所述備用電池(408)串聯,從而使得在出現滿交流輸入功率時,所述備用電池(408)不向所述直流環節(410)供給功率。
3.根據權利要求1所述的設備,進一步包括加上正向偏壓的二極體(412)和熔斷器(414),其中為了將電荷保持在所述直流環節電容器(416)上,所述設備進一步被構造用以通過所述加上正向偏壓的二極體和所述熔斷器將所述備用電池(408)放電。
4.根據權利要求1所述的設備,包括多個槳距控制系統(406),所述交流源(400)為非再生源,並且所述直流環節(510)為多個槳距馬達系統所共用;且進一步地其中所述的使用已充電的備用電池(408)將電荷保持在直流環節電容器(416)上的步驟進一步包括從備用電池向共用的直流環節供給電流。
5.根據權利要求4所述的設備,進一步被構造用以在以滿交流輸入功率進行工作的過程中在所述多個槳距控制系統(406)之間進行有效功率交換。
6.根據權利要求1所述的設備,其中所述交流輸入功率源(400)包括受到完全再生的絕緣柵雙極型電晶體或金屬氧化物半導體場效應電晶體(602)控制的源(600)。
7.根據權利要求6所述的用於控制風力渦輪機(100)的多驅動槳距控制系統的設備,其中所述設備包括多個槳距控制系統(406),所述直流環節(510)為所述多個槳距控制系統所共用,且進一步地其中為了使用所述已充電的備用電池(408)將電荷保持在所述直流環節電容器(416)上,所述設備進一步被構造用以從所述備用電池向所述共用的直流環節供給電流。
8.根據權利要求7所述的設備,進一步被構造用以在以滿交流輸入功率進行工作的過程中在所述多個槳距控制系統(406)之間進行有效功率交換。
9.一種風力渦輪機(100),包括至少一個槳葉(108)和一個聯接到所述槳葉上且被構造用以產生交流功率的發電機(120);被構造用以控制所述至少一個槳葉圍繞軸線的俯仰的槳距控制系統(406);具有直流環節電容器(416)且被構造用以向所述槳距控制系統提供功率的直流環節(410);用以向所述直流環節提供功率的交流輸入功率源(400),所述交流功率源不一定包括所述發電機;和被構造用以在出現滿交流輸入功率時不向直流環節供給能量的備用電池(408);且進一步地其中所述風力渦輪機被構造用以使用儲存在所述直流環節電容器中的能量使所述槳距控制系統在出現交流輸入功率損耗或降低的過程中進行工作;並且在所述槳距控制系統的所述工作過程中當所述直流環節電容器兩端的電壓下降時使用所述備用電池將電荷保持在所述直流環節電容器上。
10.根據權利要求9所述的風力渦輪機(100),進一步包括二極體(412),其中當所述備用電池被充電且出現滿交流輸入功率時,所述二極體被加上反向偏壓並且與所述備用電池(408)串聯,從而使得在出現所述滿交流輸入功率時,所述備用電池不向所述直流環節(410)供給功率,並且進一步包括熔斷器(414),其中為了將電荷保持在所述直流環節電容器(416)上,所述風力渦輪機進一步被構造用以對所述二極體(412)加上正向偏壓並且使所述備用電池通過所述加上正向偏壓的二極體和所述熔斷器進行放電。
全文摘要
一種用於控制風力渦輪機(100)的槳距控制系統(406)的方法。所述方法包括提供一個已充電的備用電池(408),所述備用電池被構造用以在出現滿交流輸入功率時不向直流環節(410)供給能量,其中所述直流環節包括直流環節電容器(416)。所述方法進一步包括使用儲存在直流環節電容器中的能量使槳距控制系統在出現交流輸入功率損耗或降低的過程中進行工作,並且在槳距控制系統的工作過程中當直流環節電容器兩端的電壓下降時使用已充電的備用電池將電荷保持在直流環節電容器上。
文檔編號H02J7/00GK1928352SQ20061015152
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月11日 優先權日2005年9月9日
發明者B·N·邁爾, J·A·梅利烏斯, C·D·哈布爾特, C·L·查帕特, H·R·埃蒙茲, W·J·博諾, A·M·裡德諾爾, A·S·威爾金遜 申請人:通用電氣公司

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