CN101463798A - 用于风力涡轮机转子的制动和定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机转子的制动和定位系统，具体而言，一种定位风力涡轮转子的方法包括在转子的主旋转平面内规定预定角位置以及控制转子的减速率，以便将转子停在预定角位置处。

Description

用于风力涡轮机转子的制动和定位系统

技术领域

[0001]本发明涉及用于风力涡轮机的转子的制动和定位方法，更特别地用于例如在接合锁止机构之前将转子定位在希望的位置处。本发明还涉及适于实现所述方法的风力涡轮机。

背景技术

[0002]风力涡轮机通常用于将空气流的动能转换成电能。带转子叶片的转子是风力涡轮机必不可少的部件，其捕获动能并将该动能转换成转动能。出于维护的目的，有必要将转子相对于风力涡轮机的短舱固定以避免任何可能危及维护人员的旋转运动。通常，这需要牵涉两个人的麻烦的过程。一个人位于低速轴附近，经常处于极不舒服或者甚至危险的条件下，向在高速轴处控制中断(break)的第二个人通告低速轴相应于转子的角位置。一旦转子定位在合适的角位置处，就应用锁止机构。这类的转子锁止可以实施为例如活动螺栓及开在轴上的相应孔或槽。在转子的静止状态，并且当螺栓和孔对正时，手动或者自动地移动螺栓以和与孔接合。螺栓仅能在转子的特定角位置与孔接合。

[0003]因此存在着对用来在预定角位置处定位风力涡轮机的转子的方法和系统的需求。

发明内容

[0004]鉴于以上所述，本发明提供了若干种方法和一种风力涡轮机。从所附权利要求书、说明书和附图，本发明的更多方面、优点和特征是显而易见的。

[0005]根据本发明的第一方面，提供了定位风力涡轮机转子的一种方法。该方法包括规定预定角位置和控制转子减速率以便将转子停止在预定角位置处。

[0006]本发明允许可靠而快速地将风力涡轮机定位在预定角位置处。其涉及移动初始处于静止或低速运动的转子，以及制动和定位运动的转子。当转子应被锁定在给定的角位置处例如以便接合锁止机构时，本发明的实施例可有利地用于维护目的。由于手动转动行为变得没有必要，也改善了EHS(环境健康和安全)。本发明的实施例涉及通过使用倾斜系统(pitch system)，断续使用发电机作为电机，和为了加速转子而使用存储在蓄能器中的能量来使转子加速。其它实施例涉及通过使用倾斜系统、发电机扭矩、转子的转动能注入蓄能器，和在传动系统的某个元件例如阀门或者节流阀内耗散转动能来使转子减速。

[0007]根据本发明的第二个方面，提供了一种定位风力涡轮机转子的方法，该方法包括规定预定角位置，控制转子减速率，以便在预定角位置处停止转子，控制风力涡轮机转子的至少一个转子叶片的倾斜角(pitch angle)以便在转子上引起风生扭矩(wind-induced torque)，从而以受控的速率使转子减速，及接合锁止机构以将转子锁紧在预定角位置处。

[0008]根据本发明的第三个方面，提供了一种风力涡轮机，其包括适于选择性地用作电机的发动机，适于在发电机的发电机运行和电机运行状态间切换及用作电机时控制发电机所产生的扭矩的控制单元。控制单元监控指示在主旋转平面内转子的角位置的传感器信号。

[0009]根据本发明的第四个方面，提供了一种定位风力涡轮机转子的方法，该方法包括在转子的主旋转平面内规定预定角位置，并将能量输送进风力涡轮机的发电机以便将发电机用作电机并因此将转子移动至预定角位置。

附图说明

[0010]对于本领域技术人员，在本说明书的剩余部分包括参考附图，阐述了本发明的完全而使能的公开，在附图中：

[0011]图1显示了典型风力涡轮机的透视图。

[0012]图2显示了本发明的第一个实施例的原理图。

[0013]图3显示了本发明的另一个实施例的原理图。

[0014]图4显示了本发明的另一个实施例的原理图。

[0015]图5显示了本发明的另一个实施例的原理图。

[0016]为易于理解，在可能之处，使用了相同的标号来标明对附图共有的相同的元件。预期无需明确陈述，在一个实施例中公开的元件可有益地在其他实施例上利用。

具体实施方式

[0017]现将详细参考本发明的不同实施例，附图中图示了本发明的一个或多个实例。每个实例均以对本发明的解释的方式提供，且不意在成为本发明的限制。例如，作为一个实施例的组成部分被图示或描述的特征可以被用在其它实施例中或与其它实施例结合以产生另一个实施例。其意图在于本发明包含此类的修改和变型。在附图中，同样的标号表示相同或者类似的部件。

[0018]图1为常规风力涡轮机的原理图。风力涡轮机100包括在其顶端安装有机械短舱115的塔架110。短舱容纳齿轮箱120连接至其上的传动系统。齿轮箱的输出轴连接到主发电机125上。转子160包括轮毂130，该轮毂130承载着三个转子叶片140，且安装在机械短舱115的侧向尾端。转子叶片140能够由典型地容纳在轮毂130中的倾斜驱动器(pitch drive)150调整。风力涡轮机100还包括至少一个传感器190。

[0019]作为本发明实施例的组成部分描述了不同的算法和计算程序或者程序。本领域技术人员利用其知识与经验能够从所述功能中得出它们的特性。因此，在每个例子中并未列举细节。

[0020]图2显示了本发明第一个实施例的原理图，其中风力涡轮机的能量转换系统被用于在制动事件中转换转子的动能。为了将转动的转子停止在其主旋转面内预先规定或预先决定的角位置处，风力涡轮机的发电机225的扭矩被用来减速转动的转子260，与此同时将转子的转动能输送给发电机。为了降低转子的转速，发电机225的扭矩通过控制单元250和变频器280控制。减速率是发电机扭矩的函数。在制动期间，能量被输送进电网270。在常规的风力涡轮机系统中，当转子转速低于某个转速即所谓的联接速度(coupling speed)或接通转速(cut-in-frequency)时，发电机从电网270分离。这使用变频器280来实现。这种行为会与所需的受控转子减速冲突，该受控转子减速利用发电机扭矩控制直到速度非常低或静止。相应地，在当前实施例中，发电机一直连接在电网270上直到静止。因此，根据这些要求，风力涡轮机的控制部分适于运行适于控制变频器的程序。

[0021]在通过控制面板225选择减速直至静止的选项的情形下，控制单元将保持发电机联接到电网270上直到转子260静止。在转子减速过程中，典型地发电机扭矩、转速和转子的角位置通过联接到控制单元250上的检测装置275，285，290(例如传感器)监控。用于监控的适当的监控装置和方法已为本领域技术人员熟知。根据预定的目标转子角位置，控制单元250控制由发电机通过轴和齿轮箱210施加到转子上的扭矩。在减速期间，控制单元250基于监控到的数据，尤其是转子的当前位置和转速来计算估计的转子静止位置。出于这个目的，控制单元适于运行专用程序。适当的方法和算法已为本领域技术人员熟知。控制单元还可包括一组存储的预定参数，这些参数典型地与来自预运行测试或先前的制动事件的实验制动数据有关，并在计算中被考虑在内。如果控制单元确定计算的估计静止位置偏离了预定角位置，为了增大或降低减速率，控制单元250通过变频器280调节发电机的扭矩。此过程持续地或以频繁的时间间隔如0.1至0.5秒实现。当估计的静止位置符合预定位置时，减速率即发电机扭矩保持恒定。当转子速度已经降低到预定值时，发电机扭矩被控制单元降低以便能够平稳转换到静止状态。

[0022]在已确定转子的预定角速度后，可接合锁止机构220，例如，通过转子轮毂中的螺母使液动螺栓连接到风力涡轮机短舱的坚固零件上。最终，在应用此锁止之前、之后或替代应用该锁止而应用第二制动机构如盘式制动器。

[0023]一般来说，转子的预定角位置必须在首次开始风力涡轮机的运行之前确定至少一次。也就是说，在该处可以接合锁止机构的角位置必须被确定并被存储在风力涡轮机的控制单元内。为达到这一点，在涡轮机组装过程中可实施自学习过程，在该过程中确定此位置。有多种方式来实施这样的过程，本领域技术人员利用其知识可得出此类方法。举个例子，由结构性细节的知识可知，转子可大致转动到已知靠近目标位置的角位置处。然后，通过调整叶片的倾斜，转子能够缓慢地移动到任一侧，且转子轮毂指向风的方向。在缓慢移动过程中，持续地尝试接合锁止机构。一旦锁止机构被接合，转子的确切角位置就被储存在控制单元的存储器中。为了进一步提高精度，可重复该过程，其间转子从另一个方向被移向找定的位置以便补偿如由齿轮箱引起的机械公差。

[0024]所述方法可应用于带或不带传动系统的风力涡轮机，例如应用于发电机不经过中间齿轮箱直接联接到转子轴线上的风力涡轮机上。

[0025]全功率转换系统结合永磁体发电机尤其适用于上述目的。

[0026]在用于发电机扭矩控制的另一备选方法中，在减速阶段之前或之中，控制单元计算路径时间图或速度时间图。通过以特定时间间隔探测转子的当前角位置或转速，并计算此时与之前计算的目标值的偏差值，发电机扭矩由控制单元作为该偏差值的函数进行调节。用于这个目标的适当方法和算法已为本领域技术人员熟知。典型地，比例积分微分控制器(PID控制器)被用于该控制单元内的计算。

[0027]上述制动或定位风力涡轮转子的方法也可通过使用盘式制动器或涡流制动器代替发电机作为扭矩产生单元来应用。在这种情形下，控制单元以类似于上述当使用发电机时的方式控制制动力。此情况下减速率是制动扭矩或制动力的函数。

[0028]所述系统的一个优点是控制单元可以改变制动过程中施加的制动力的大小。这样，制动过程在风力涡轮机结构中引起的不利效果如共振就能够被有效地控制和避免。常规的制动系统，例如盘式制动器，由于使用具有固定强度的制动力，未考虑可能的由制动过程引起的类似共振的现象，因而经常会引起不利的机械应力，此时这一点尤为有用。相应地，所述的系统还可以有利地应用于常规制动事件，且不仅限用于定位转子的目的。因此，系统可用于替代或者补充常规的机械制动系统。

[0029]在风力涡轮机的正常运行期间，即当不意图将转子锁定在预定位置处时，通过使用变频器280，和常规系统中一样，发电机将在低于联接速度或接通速度时从电网270分离。为了在上述的此标准运行模式和制动与定位模式间切换，控制单元250和变频器280被适应。为此，变频器和控制单元被适应以便在低于预定的联接速度时选择性地将发电机连上电网或从电网分离。

[0030]在一个实施例中，优选地从风力涡轮变频器的中间电路可将输送进发动机的能量的至少一部分供给或者输送给控制单元。这种情形之下，即使在电力故障期间、电源不可用的时候或出现故障时也可维持控制单元的控制功能。

[0031]图3显示了本发明的另一实施例，该实施例涉及具有用于带液体静压或液压传动系统200的风力涡轮机的上述制动或定位功能的系统，其中转子260的转动能由操作地连接到转子上的泵系统205输送至传动系统。根据由控制单元250确定的制动要求，控制泵205来传递规定的制动扭矩。如前一实施例所述，探测装置275，285，290典型地用于探测扭矩、转子的旋转速度和转子的实际角速度。也可通过主动地控制位于液压系统的高压部件265和低压部件245之间的安全阀215，或通过在驱动发电机225的液压马达或静液力马达200内或多或少地消耗能量来调节泵205。通过调整由传动机构200施加在转子260上的扭矩，转子以期望的方式被减速并停止在预定角位置处以允许锁止机构的锁定。除通过液压或静液力系统的能量传递(powertransmission)外，系统以和如上所述具有机械传动机构的实施例相似的方式工作。作为在液压马达内耗散能量的备选方案，可在蓄能器(未示出)或安全阀215内耗散能量。

[0032]图4显示了由通过发电机225主动地转动转子而达成的本发明的另一实施例，其允许转子260的规定定位。这通过借助于变频器280将能量输送进发电机225来实现。相应地，产生旋转磁场且发电机临时地和选择性地用作电机。此过程通过控制单元250控制并由操作者输入控制面板225的相应输入启动。风力涡轮机的变频器280和控制单元250适于用于此目的。被输入电能的发电机然后可以被用来转动和定位包括具有规定速度、方向和扭矩的转子的传动系统。用来转动转子的能量可取自电网270或蓄电器(未示出)。通过使用探测装置275，285，290来探测诸如转子角位置、转动速度和电机扭矩等参数，及通过控制单元250来调节转速和电机扭矩，转子可被精确地定位在指定的角位置处，随后可接合锁止机构220。

[0033]为了使风力涡轮机发电机能够被用作电机，必须对电气系统的布局进行更改。对于同步发电机，配备外部励磁系统以使能够在低速时励磁。对于双馈发电机，需要外部跳线或开关来在发动机用作电机的情况下使定子绕组短路。对于带永磁体的发电机，不需对发电机作任何变更。在这种情形下，典型地仅需对变频器280和控制单元进行调整。

[0034]如果风力涡轮机包括液压或静液力传动系统，来自蓄能器或辅助设备的能量可被用于以上述方式定位转子。并且可使用来自被用作电机的发电机的能量。反过来，来自中间电路的能量可被用于转动发电机。

[0035]上述实施例的其中一个有利方面是即使在非常平静，风力不足以令转子离开静止位置的条件下，转子也可被转入可以应用锁止机构的位置。此外，通过将发电机前向和后向地转入测量位置，可以实现提早的(advanced)发电机校准过程。同样，在风向不利期间，转子的运动也可由所述系统支持，而在长期平静的气候条件下，转子可临时地缓慢转动以避免在运动部件上出现累积的静止痕迹。除此之外，还可以舍弃用于转动转子的装置，比如附加的电气驱动器。这些优点的更大部分也是下述实施例的好处。

[0036]图5显示了本发明的另一个通过使用倾斜系统300涉及定位转子260的实施例。通过利用由风施加的扭矩，转子被引导到指定的位置处。在本实施例中，此过程被自动执行。出于此目的，为了将转子引导或者转动到预定的适合接合转子锁止机构220的角位置，控制单元250被适于控制至少一个转子叶片的倾斜角，以便在转子上产生风生扭矩。操纵风力涡轮机的转子叶片的倾斜角的机构是本领域技术人员熟知的。作为开放性实例，为了维护，转子处于静止状态并应被定位在预定角位置处。在这种情形下，操作人员向控制面板255输入相应的指令，指令从该控制面板255传递到控制单元250。该控制单元适于运行目的在于通过控制倾斜角将转子转动到指定位置处的专用程序。根据由例如可包括扭矩传感器和转速传感器275，285的检测装置获得的风力涡轮机的当前运行参数以及当前风速，程序计算用于一个或多个转子叶片的倾斜角。计算该角度是为了在转子上的产生以预定转速驱动转子进入预定角位置方向的风生扭矩。在此过程中，基于传感器数据和可选的预定参数，计算估计的静止位置，并且如果估计的静止位置偏离预定角位置，则修正该至少一个转子叶片的倾斜角。以这种方式，转子能够被精确地定位在指定的角位置处，随后将接合锁止机构220。所述的方法也可用于减速例如制动旋转转子或者低速运动的转子。

[0037]在用于倾斜角计算的另一备选方法中，在减速阶段之前或之中，控制单元计算路径时间图或速度时间图。通过以特定的时间间隔探测转子的当前角位置或转速，并计算此时与以前计算的目标值的偏差值，由控制单元将至少一个转子叶片的倾斜角作为偏差值的函数进行修正。用于此目标的适当方法和算法对本领域技术人员是熟知的。典型地，比例积分微分控制器(PID控制器)被用于控制单元内的计算。

[0038]以上述方式，有多种备选方案用于到达转子的预定角位置。如果转子最初处于静止位置，可使用风力对其进行加速和定位。备选地，如果在启动上述过程之前转子正在转动，则可通过使用由风施加的扭矩来减速或者制动。有鉴于此，控制单元250的控制程序适于应用不同的策略来控制至少一个转子叶片的倾斜。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机的定位方法，包括：

-在转子的主旋转面内规定预定角位置；

-控制所述转子的减速率，以便将所述转子停在所述预定角位置处。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机包括发电机以产生电力，所述转子的转动能被输送进所述发电机，且所述减速率是该发电机扭矩的函数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机包括制动器，所述转子的所述转动能在所述制动器中被耗散，且所述减速率是该制动扭矩的函数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述制动器选自包括盘式制动器和涡流制动器的组。

5.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将所述转子的旋转能输送进所述风力涡轮机的传动系统，从而以受控的率使所述转子减速，其特征在于，所述传动系统选自包括液压传动系统和静液压传动系统的组。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述转子的所述转动能在所述传动机构的阀中被耗散。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括接合锁止机构以确保该停止的转子处于所述预定角位置处。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制减速率包括探测所述转子在特定时间的角位置，计算此刻与先前计算的目标值的偏差值，以及调整作为偏差值的函数的减速率。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过比例积分微分控制器来进行减速率控制。

10.一种适于实现如权利要求1至9的方法的风力涡轮机。

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