CN101526410A - 用于风力涡轮机中的制动器的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机中的制动器的测量方法。具体而言，提供了测试风能系统中的转子制动器的功能的方法，其中，制动器转矩的测量是通过间接测量发电机转矩(实际功率作为备选)来执行的(440)。此外，提供了计算单元，其包含两个阈值并且能够将这些阈值与实际发电机转矩值(实际功率值和经过时间的值作为备选)相比较(530)。此外，提供了包含所述计算单元的风能系统。

Description

用于风力涡轮机中的制动器的测量方法

技术领域

本发明涉及风能系统以及风能系统功能性的测量方法。具体而言，本发明涉及测量风力涡轮机中的制动器的功能性。本发明还涉及包含该测量方法的风能系统。

背景技术

近年来，风力作为一种替用能源受到了广泛的关注。风力涡轮机用于将动态的风能转换成电能。为此，公用级风力涡轮机具有风力转子，其通常配备有三个转子叶片，用以从风中提取动能。然而，当风力涡轮机的转子处于静态时，必定有可能将其保持在适当位置。转子的制动对于维修来说极为重要。除了锁定转子是必需的之外，借助机械制动器至少将转子速度降低到一定范围也是必需的。这通常是由盘式制动器来实现的。为了安全起见，必须在风力涡轮机运行期间，以预定时间间隔来测试制动器的功能。

对于测试本领域中所公知的制动器，必需关闭风力涡轮机。这意味着涡轮机的停机时间以及能量产额的减少。

发明内容

鉴于上述问题，提供了一种测量风能系统的制动器功能性的方法，其包括确定制动器转矩。

根据本文所述的实施例，提供了一种包括通过测量发电机转矩来确定制动器转矩的方法。

根据本文所述的实施例，提供了一种包括通过测量实际功率来确定制动器转矩的方法。

根据另外的一个方面，提供一种计算机可读介质，其提供指令，该指令在由计算平台执行时促使所述计算平台执行操作，其中，该操作包括根据本文所述实施例的方法。

根据另外的一个方面，所提供的风能系统具有带有转子制动器和计算单元的转子，该计算单元适于将时间阈值与测得的时间值以及将转矩阈值与测得的转矩值进行比较。作为将转矩阈值与测得的转矩值进行比较的备选方案，可将功率值与测得的功率值进行比较。

通过所附权利要求、说明书以及附图，本发明的其它方面、优点和特征将更为显而易见。

附图说明

在包含对附图进行参照的本说明书余下部分中，向本领域的普通技术人员更为详细地阐明了包括其最佳方式的本发明完整且能够实施的公开内容，在附图中：

图1示出了根据本文所述实施例的风能系统的示意性侧视图。

图2示出了根据本文所述实施例的风能系统顶部的更为详细的示意性侧视图。

图3示出了说明根据本文所述实施例的制动器测试条件图。

图4a示出了说明根据本文所述实施例的制动器测试方法图。

图4b示出了另一个说明根据本文所述实施例的制动器的测试方法图。

图5a示出了根据本文所述实施例的制动器测试方法的流程图。

图5b示出了根据本文所述实施例的制动器的另一个测试方法的流程图。

具体实施方式

现在，将对本发明的各种实施例详细地进行参看，附图中示出了实施例的一个或多个实例。所提供的各实施例是为了对本发明进行说明，而并不旨在对本发明进行限制。例如，图示或描述为一个实施例一部分的特征可用于其它实施例或结合其它实施例使用，以产生又一个实施例。本发明意图包括这些修改和变化。

根据本发明的第一方面，一种测试盘式制动器的间接方法包括操作风力涡轮机、应用转子制动器，以及测量所施加的转矩。在给定的风力涡轮机工作状态下，该方法还可包括指定通常为两个的参数，其中一个参数通常为发电机转矩值，而另一个参数通常为时间值。风力涡轮机的状态通常由有关功率水平、平均功率波动、风速波动，以及倾角(pitch angle)的信息给定。

根据本发明另外的一个方面，用于测试制动器的方法包括操作风力涡轮机、应用转子制动器，以及测量实际功率。在给定的风力涡轮机工作状态下，该方法还可包括指定通常为两个的参数，其中一个参数为发电机转矩值，而另一个参数通常为时间值。风力涡轮机的状态通常由有关功率水平、平均功率波动、风速波动，以及倾角的信息给定。

根据本文所述实施例的方法，其通过测量转矩来给出有关制动器状态的信息。当应用盘式制动器时，速度控制器设定点将设置成实际速度。通常，解除了转矩限制。这可能是必需的，例如在控制器执行包括低转矩限制的那些风能系统中。对发电机转矩的降低所进行的测量容许间接测量由盘式制动器所施加的转矩。当发电机转矩在一定时间内减小到低于阈值时，制动器为正常的。根据典型实施例，转矩阈值为非零的。同样而言，在测量由发动机所产生的功率的那些实施例中，功率阈值通常也是非零的。

图1为风力涡轮机的示意性侧视截面图。风力涡轮机100具有塔架110，机舱120安装于塔架110顶端。在本说明书中所使用的措辞“风力涡轮机”与措辞“风能系统”，意思相同。机舱收容传动系(在图2中示出)，发电机与传动系相连(在图2中示出)。承载三个转子叶片140的轮毂130安装在机器机舱120的横向端上。转子叶片140可通过通常容纳在轮毂130内的倾斜驱动器(pitch drive)来进行调整。此外，在图1中示范性地描述了计算单元260。通常，在带有风能系统的控制单元的典型实施例中，计算单元位于风能系统的底部。该计算单元根据本文所述的实施例而提供在测得值与预定阈值之间的比较，并且将在下文中对其进行更为详细的阐述。

图2示出了根据本文所述实施例的风力涡轮机100顶部的更为详细的视图。机舱120收容的传动系包含转子毂130、转子轴240、齿轮箱210，以及发电机传动轴250。齿轮箱210的输出连接到主发电机230上。根据其它实施例，省略了齿轮箱，并且转子轴240直接连接到发电机上。转子制动器220安装在转子毂130与发电机230之间。通常，转子制动器220安装在齿轮箱210与发电机230之间。根据其它实施例，转子制动器220在转子轴240上位于齿轮箱210的前方。转子制动器可以是例如盘式制动器或带式制动器。转子制动器适于对转子轴进行制动。通常，所进行的是机械制动。

转子制动器具有若干功能。制动器的一种应用是在停机期间。通常，制动器在维修期间用作停机制动器。转子制动器还可用作工作制动器。因此，机械式转子制动器可用作除气动转子制动之外的第二独立的制动系统。

为了确保包括转子制动器的安全方案的实施，就必须对制动器进行测试。这通常在预定的时间间隔如每年或每月内完成。用于测试的标准程序使得测试结果为可重现且可靠的。

根据本文所述的实施例，若干条件可与盘式制动器的测试相关。在下文中将更为详细地阐述可与测试相关的四个条件。在图3中示出了这些条件的简图。应当使在图3中所示出的一个或多个条件得到满足，以便开始进行测试。这由图3的括弧中的加号指出。根据一些实施例，只有在四个条件都得到满足时才开始进行测试。

第一条件310涉及实际功率。风能系统的功率水平应当在0.4乘以额定功率与1.2乘以额定功率之间，典型的是在0.6乘以额定功率与1.0乘以额定功率之间。这就确保了风力涡轮机的精确运转，这是制动器测试的正确运行所必需的。在该上下文中，用语″额定功率″应当理解为能量产额达到其最大值时所处的功率水平。额定功率极大地取决于转子直径。

第二条件320是关于平均功率的波动。在该上下文中，用语“波动”指的是某个量例如功率或风速与其空间或时间平均值的差异。更精确地说，用语″波动″指的是与额定功率相关的标准偏差。通常，该波动必须在预定的时间间隔内例如典型的是在最后15min内、更为典型的是在最后10min内小于30％、更为典型的是小于20％、而最为典型的是小于10％。对于正确的测量，所期望的是存在近乎恒定的条件。此外，这些条件对于每次制动器测试应当大致相同。

第三条件330涉及风速的波动。该波动通常在最后15min、更为典型的是在最后10min必须小于预定值，该预定值通常为30％、更典型的是20％以及最为典型的是10％。对于制动器的安全功能和固有功能，所期望的是风速条件相当地恒定。

另一个条件340与倾角有关。倾角控制容许对气动功率捕获和转子速度进行灵敏且稳定的控制。由于平均功率应当在一定范围内恒定，故风速也应当恒定，这是由于功率取决于风速。由于功率水平在该工作范围内通常低于额定功率，故倾角应当恒定。

根据本文所述的实施例，通常在一个或多个上述条件得到满足时开始对盘式制动器进行测试350。根据本文所述的其它实施例，通常在所有上述条件得到满足时开始对盘式制动器进行测试350。

根据本文所述的两个不同实施例，在图4a和图4b中示出了用于实施制动器测试的步骤。在风力涡轮机运转期间，在步骤410中应用待测试的制动器。代替以非常低的功率水平来开始测试，因为在现有技术水平下这是必需的，功率水平可在开始应用制动器时保持在有效状态。作为额外的益处，这也确保了制动器不但在低功率水平下而且在较高的功率水平下都可工作。该测试揭示了重要的结果，并且在测试期间，功率输出维持在可接受范围内。

当应用盘式制动器时，速度控制器设定点在步骤420中设定为实际速度。同时，发电机的转矩限制在步骤430中得到解除。通常，将速度控制器设定点设定为实际速度与解除转矩限制是同时进行的。有可能通过利用控制变量″发电机转矩″来调节转子速度以及功率输出，这在大部分大型风力涡轮机中相当普遍。由于解除了转矩限制并设定了速度控制器，所以改变了发电机转矩，并从而改变了实际功率输出。

当完成关于标号410、420和430进行描述的步骤时，测得了发电机转矩。在功能制动器的事件中，将会检测到发电机转矩的降低(步骤440)。发电机转矩的降低是指由制动器所施加的转矩。

根据本文所述的其它实施例，如图4b所示，如果完成了关于标号410，420和430进行描述的步骤，则测得由发电机所产生的实际功率。在功能制动器的事件中，将检测到实际功率的降低(步骤445)。通过测量实际功率的降低，可得到有关制动器功能的结论。这通常通过计算发电机和/或制动器的转矩的变化来完成。

在图5a中示出了测试根据本文所述实施例的转子制动器功能性的方法的流程图。首先，如上文所述，为了开始进行测试，应使一个或多个条件310，320，330和340得到满足。如果一个条件也没得到满足，则通常推迟测试，直到一个或多个条件得到满足。为了如此进行，通常以预定的时间间隔或连续地检查条件是否得到满足。这由用参考标号405标示的箭头指出。

根据本文所述的实施例，可应用待测试的制动器410。在步骤420中，将速度控制器设定点设定为实际速度。同时，在步骤430中，解除发电机的转矩限制。在步骤440中，测量发电机转矩，并且应当确定发电机转矩的降低量。根据在图5b中所述的实施例，在步骤445中，所测得的是实际功率，而非发电机转矩。在步骤520中，可从实际发电机转矩值中(根据图5a的实施例)，或者从测得的实际功率中(根据图5b的实施例)，得出关于由制动器所施加的转矩的结论。这可带来的好处在于制动器转矩值可与其它制动器值进行比较。这就容许例如对很多制动器的统计。

如关于图5所述的实施例的步骤530所示，通常将发电机转矩的确定值与预定阈值进行比较。该比较由适于将时间和转矩的阈值与时间和转矩的实测值进行比较的计算单元来进行。

根据本文所述的其它实施例，如图5b中所示，将实际功率的确定值与实际功率阈值进行比较535。该比较由适于将时间和功率的阈值与时间和功率的实际值进行比较的计算单元来进行。

通常，从测试开始起测量时间。因此，可确定时间间隔，这是通过应用制动器使得发电机转矩处于一定水平所必需的。时间的预定阈值容许与从测试开始起所测得的时间进行比较。典型的时间阈值在10秒至10分钟的范围之内，更为典型的是在30秒至5分钟之间。

参看关于图5a进行说明的实施例，只要测得的发电机转矩值大于转矩阈值，就必须重复对发电机转矩的测量。这由指示该循环的箭头560示出。在该上下文中的″重复测量″是指连续地测量发电机转矩或在一定时间间隔后重复地测量发电机转矩。典型的时间间隔在0.1秒至30秒之间，更为典型的是在1秒至10秒之间。如果发电机转矩的测得值等于或小于发电机转矩阈值，则将测量从测试开始起的时间。在步骤540，将时间值与预定的时间阈值进行比较。

参看关于图5b进行说明的实施例，只要发电机的测得功率值大于功率阈值，就必须重复对功率的测量。这由指示该循环的箭头560示出。在该上下文中的″重复测量″是指连续地测量发电机转矩或在一定时间间隔后重复地测量发电机转矩。典型的时间间隔在0.1秒至30秒之间，更为典型的是在1秒至10秒之间。如果测得的功率值等于或小于功率阈值，则将测量从测试开始起的时间。在步骤540，将时间值与预定的时间阈值进行比较。

如果时间值在时间阈值的范围之内，则制动器是正常的，并且可终止该测试。如果时间值超出了时间阈值，则这可导致多种结果。根据一些实施例，将重复该测试，以便排除错误测试的可能性，而不是制动器故障的可能性。例如，有可能在关闭风能系统和开始维护之前重复该测试一次或两次。根据其它实施例，在得到不良测试结果之后，立即关闭风能系统并开始进行维护。通常，可通过将报警信息发送到风能系统的操作者来启动维护。

通常，测试结果将显示在输出端上，例如风能系统控制单元的显示器或打印机。使用者如维修人员，可通过使用风能系统控制单元的输入和输出来找出关于测试的所有详细资料。控制单元还可包括诸如硬驱动盘的存储器，以便储存关于测试的详细资料。

通常，测得值与阈值的比较是由计算单元进行的。计算单元可为风能系统控制单元的一部分。此外，测量实际功率的阈值和测量发电机转矩的阈值可由计算单元计算出。实际功率和发电机转矩的阈值极大地取决于测试开始时的条件。例如，功率阈值随在制动器测试开始时的实际功率而变化。由于测试通常是在0.4乘以额定功率与1.2乘以额定功率之间、更为典型的是在0.6乘以额定功率与1.0乘以额定功率之间的功率水平下开始的，故实际功率阈值的确定应当取决于在开始测试前所测得的实际功率。例如，在测试以额定功率的0.6倍开始或以额定功率的0.9倍开始时，功率阈值是不同的。对于转矩阈值，这同样有效。

时间阈值通常取决于转矩阈值和/或功率阈值。例如，它是指在开始时的转矩值与测量时的转矩值之间的一定差值。作为备选，它可以是指在开始时的功率值与在测量时的功率值之间的一定差值。该一定差值可为例如转矩或功率降低的百分比。

风轮机的构造不同，这些阈值就不相同。此外，阈值取决于制动器测试开始的状态，例如功率水平、风速等。

风能系统配备有控制装置、测量装置以及传感器。例如，风能系统包括发电机转矩测量装置，能够设定速度控制器设定点的速度控制器、倾斜控制器等。

根据本文所述的典型实施例，对制动器转矩进行测试的辅助传感器、测量装置，或控制装置例如出于安全原因而并非为必要的。执行根据本文所述实施例的方法所必需的传感器和测量装置，其通常已经与风能系统一起提供并用于其操作。测量装置或控制装置的其中一个的故障将已导致涡轮机的停机。如果涡轮机运转，则该测试是可靠的。因此，测试结果高度可信。

根据本文所述的典型实施例，只在达到一定发电机转矩值之前才会应用制动器。也就是说，只在特定时间间隔内才会应用制动器。该时间间隔通常在1秒至30秒之间、更为典型的是1秒至10秒之间、最为典型的在1秒至5秒之间。因此，制动器垫并未受压很久。此外，短时间的应用降低了转矩以及必须由传动系吸收的热载荷。这导致风力涡轮机中制动器更长的使用寿命，并且由于更小的维护必要性和更短的修理时间，因此在风力涡轮机的使用寿命期间导致更低的成本。此外，由于减小了对传动系造成若干损坏的负载，故该效果使得传动系更好的运转。转子的启动和关闭涉及特定的负载和负载情况。这些负载对风能系统的疲劳有影响。根据本文所述实施例的制动器测试避免了转子的完全停止。使这些负载减小，则可预计传动系的寿命会更长。因此，由于应力波动的减小，故风能系统的使用时间也可更长。

此外，根据本文所述的典型实施例，将会减少风力涡轮机的停机时间。以较高功率水平开始测试以及避免发动机转矩必须由制动器完全关闭，会使总能量产额增加。能量产额不但增长而且更为恒定，这是由于输出的高低峰值并不是像其未使用本文所述制动器测试的间接方法那样为极值。所期望的是恒定的能量产额，尤其是在风能部分中。因此，间接测量方法导致风力涡轮机较高的效率以及较高的可靠性。

用于在如本文所述的风能系统中的制动器的测试方法可有益于风力涡轮机的使用寿命。由于时间间隔比本领域中所公知的测试短，并且由于发电机转矩降低到通常为非零的阈值，所以在使用间接测量测试中，来自制动器所施加的力比使用公知测试中的小。因此，将减小传动系中的负载。例如，当在使转子停止之前使用制动器时，出现的最大负载不可避免地比在制动器只需要使发电机转矩降低若干百分比时的大。该效果将节约成本和材料。

根据本文所述的典型实施例，间接地测量制动器质量的方法产生了较少的对过度磨损的制动器垫的错误检测。对可能过度磨损的制动器垫的更换不但产生在停机期间的费用和对于新制动器垫的费用，而且产生用于更换制动器垫的人力费用。

由于本文所述实施例的一个步骤为将速度控制器设定点设定为实际速度，所以风速和风速的适度变化例如达到风速的30％之内，不会影响制动器的测试。

测试本文所述风能系统的转子制动器的方法容许确定由制动器所施加的转矩。这可从由测得的发电机转矩或测得的实际功率所给出的信息中计算出。通常，可假定(假设)从风中提取的转矩保持不变，即发电机转矩与停止转矩的和不变。因此，在这些条件下，发电机转矩的降低是指制动器中的转矩增加了相同的绝对值。因此，通过测量发电机转矩，有可能估算由制动器所施加的转矩，并且可得出关于制动器功能的结论。制动器功能性的信息容许得出关于转子制动器质量和可操作性的结论。

根据本文所述的典型实施例，所提供的风能系统包括具有转子制动器的转子。此外，提供了适于将两个阈值与实际值进行比较的计算单元。这些值用于测试转子制动器。一个阈值为与测得的转矩值进行比较的转矩阈值，或与测得的功率值进行比较的功率阈值。另一个值通常为与测得的时间值进行比较的时间阈值。

通过应用制动器、应用速度控制器以及解除转矩限制的步骤，将降低发电机转矩。该降低是发生在一定的时间间隔内。将转矩(实际功率作为备选)的阈值以及时间阈值与这些参数的实际值比较，可得出关于制动器功能性的结论。

根据本文所述的典型实施例，计算单元由包含信息的计算机可读介质反馈，其中该计算单元需要执行上述方法步骤。通常，计算单元确定时间和转矩的阈值。根据本文所述的实施例，计算单元计算实际功率和时间的阈值。计算单元适于将阈值与测得值进行比较。

此外，计算机可读介质包括有关确定两个阈值的信息，该两个阈值预先受到限定并且取决于测试开始时的状态。例如，测试将在发电机转矩的阈值处结束，该阈值取决于转子制动器测试是否以额定功率的0.6倍的功率水平或以额定功率的1.0倍的功率水平开始。

本书面描述使用了实例来公开包含最佳方式的本发明，并且还使本领域的任意技术人员能够制造和使用本发明。尽管已根据各种具体实施例来描述本发明，但本领域的技术人员将认识到，本发明可以落在权利要求的精神和范围内的修改来实施。具体而言，上述实施例相互间的非排它特征可彼此结合。本发明可取得专利的范围由权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。这样的其它实例如果不具有不同于权利要求书面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书面语言无实质差异的等同结构元件，则认为这样的其它实例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种测量风能系统的制动器(220)的功能性的方法，所述方法包括确定制动器转矩。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定制动器转矩是通过测量发电机转矩(440)或通过测量实际功率(445)来进行的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制动器(220)为转子制动器，优选为盘式制动器或带式制动器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括应用所述制动器(410)和/或解除所述发电机的转矩限制(430)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将速度控制器设定点设定为所述风能系统的实际速度(420)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括确定功率水平、功率波动值、风速波动值以及倾角波动中的一项或多项。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在确定制动器转矩之前，检查下列条件中的一项或多项：

功率水平处于所述风能系统的额定功率的0.4倍至1.2倍之间(310)；

在预定时间间隔内的功率波动小于30％(320)；

在预定时间间隔内的风速波动小于30％(330)；以及

转子叶片的倾角恒定(340)；

其中，所述预定时间间隔优选在5分钟至15分钟之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，或降低发电机转矩、对其测量以及将其与转矩阈值进行比较，或降低功率、对其测量以及将其与功率阈值进行比较。

9.一种提供指令的计算机可读介质，所述指令在由计算平台执行时促使所述计算平台执行操作，所述操作包括根据前述权利要求中任一项所述的方法。

10.一种风能系统(100)，具有

带有至少一个转子叶片(140)的转子；

用于制动所述转子的转子制动器(220)；

适于将测得值与阈值进行比较的计算单元(260)，其中，所述测得值来自于由测得的发电机转矩、功率以及时间所构成的组，且其中，所述阈值来自于由转矩阈值、功率阈值以及时间阈值所构成的组。

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