CN101737247A - 用于风力涡轮机的保护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于风力涡轮机的制动系统(330)，风力涡轮机包括具有至少一个叶片的转子。发电机包括具有多个相位的多个定子绕组。制动系统包括多个电阻器(350)，以及连接在定子绕组和电阻器之间的至少一个开关(340)。开关能够构造成使定子绕组通过电阻器彼此连接，以实现风力涡轮机的转子的减速或停止。

Description

用于风力涡轮机的保护系统
技术领域
本发明大体涉及风力涡轮机，且更具体地涉及用于在停机或紧急停止期间保护风力涡轮机的系统。
背景技术
最近，作为环保且成本相对低廉的替代能源，风力涡轮机已经受到越来越多的关注。随着这种不断增加的兴趣，已做出大量努力来发展可靠且高效的风力涡轮机。
通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装到位于桁架或管状塔筒顶部的壳体或外罩上。公用级风力涡轮机(即设计成为公共电网提供电能的风力涡轮机)可以具有大型转子(例如直径为30米或更长)。这些转子上的叶片将风能转换成旋转扭矩或力，旋转扭矩或力驱动可通过齿轮箱旋转地联接到转子上的一个或多个发电机。齿轮箱将涡轮转子的固有的低的旋转速度提高，以使发电机将机械能有效地转换成电能，电能被供给到公共电网中。
风力涡轮机需要冗余的制动系统，以便满足安全要求。第一制动系统通常使用气动制动来使涡轮机叶片变桨到顺桨叶位置上，且第一制动系统包括存储的能源，从而使得在公共电网掉电之后能发生叶片变桨。第二制动系统通常包括不能克服全部风扭矩而停止涡轮机的盘式制动器。叶片变桨已经在具有可容易地用液压蓄能器或具有电池备份和DC马达的电气DC系统支持的液压缸和旋转联接布置的商用风力涡轮机上得到实现。第三制动器解决方案是通过偏航启动(例如90°)使叶片从风中移出。但是，已经知道所有这些已知的制动系统都失败了，且在一些情况下，风力涡轮机发生了灾难性的损伤。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种用于风力涡轮机的制动系统。该风力涡轮机包括具有至少一个叶片的转子。发电机包括具有多个相位的多个定子绕组。制动系统包括多个电阻器，以及连接在定子绕组和电阻器之间的至少一个开关。开关能够构造成使定子绕组通过电阻器彼此连接，以实现风力涡轮机的转子的减速或停止。
本发明的另一个方面提供了一种用于风力涡轮机的制动系统。该风力涡轮机包括具有至少一个叶片的转子，以及具有多个定子绕组的发电机，该多个定子绕组具有多个相位。制动系统包括定子绕组短路系统，制动系统具有连接在多个定子绕组和定子绕组短路系统之间的至少一个开关。开关能够构造成使定子绕组通过定子绕组短路系统彼此连接，以实现风力涡轮机的转子的减速。
本发明的又一个方面提供了一种用于风力涡轮机的制动系统。风力涡轮机包括具有至少一个叶片的转子，以及具有多个定子绕组的发电机，该多个定子绕组具有多个相位。制动系统包括连接在定子绕组之间的至少一个开关。开关能够构造成使定子绕组彼此连接，以实现风力涡轮机转子的减速。
附图说明
图1是风力涡轮机的示例性构造的示意图。
图2是图1所示的且包括已知的齿轮传动系的示例性风力涡轮机构造的外罩的剖面透视图；
图3是根据本发明的一个方面的可与图1的风力涡轮机一起使用的辅助性制动系统的简化示意图；
图4是根据本发明的另一个方面的可与图1的风力涡轮机一起使用的辅助性制动系统的简化示意图；
图5是根据本发明的又一个方面的可与图1的风力涡轮机一起使用的辅助性制动系统的简化示意图；
图6是根据本发明的又一个方面的可与图1的风力涡轮机一起使用的辅助性制动系统的简化示意图；
部件列表
100风力涡轮机
102外罩
104塔筒
106转子
108叶片
110毂
112控制面板
114变桨驱动器
116轴
118齿轮箱
120发电机
122联轴器
124偏航驱动器
126塔筒顶平台
128气象杆
130主轴承
132主机架
310制动器
320频率变换器
330制动系统
340开关
350电阻器
360变压器
430制动系统
440开关
445AC/DC变换器
450电阻器
455晶体管
460控制器
465电流传感器
470速度传感器
530制动系统
550分流器
630制动系统
645二极管
647晶闸管
650分流器
655控制信号
660控制器
具体实施方式
在一些构造中，且参看图1，风力涡轮机100包括容纳发电机(未在图1中示出)的外罩102。外罩102安装在高塔筒104的顶上，在图1中仅示出了高塔筒104的一部分。风力涡轮机100还包括转子106，转子106包括附连到旋转毂110上的一个或多个转子叶片108。尽管图1所示的风力涡轮机100包括三个转子叶片108，但是本发明不需要对转子叶片108的数量进行具体的限制。
在一些构造中，且参看图2，各种构件都容纳在风力涡轮机100的塔筒104的顶上的外罩102中。基于本领域已知的因素和条件来选择塔筒104的高度。在一些构造中，控制面板112内的一个或多个微控制器/处理器包括用于整个系统监测和控制的控制系统。在备选实施例中，控制面板112可位于塔筒104中或远离风力涡轮机100。在一些构造中使用了备选的分布式或集中式控制结构。
在一些构造中，提供了可变的叶片变桨驱动器114来控制叶片108(未在图2中示出)的变桨，叶片108由于风而驱动毂110。在一些构造中，叶片108的变桨角度由叶片变桨驱动器114单独地控制。毂110和叶片108一起组成风力涡轮机转子106。
风力涡轮机的传动系包括主转子轴116(也称为“低速轴”)，主转子轴116通过主轴承130连接到毂110上，且(在一些构造中)在轴116的相对端处连接到齿轮箱118上。齿轮箱118驱动发电机120的高速轴。在其它构造中，主转子轴116直接联接到发电机120上。高速轴(未在图2中标示)用来驱动安装在主机架132上的发电机120。在一些构造中，转子扭矩通过联轴器122传递。在本发明的一些构造中，发电机120是永磁发电机。本发明也适于具有电励磁机的同步发电机，且本发明与直接驱动(即无齿轮箱)还是带有齿轮箱的风力涡轮机无关。
偏航驱动器124和塔筒顶平台126为风力涡轮机100提供偏航定向系统。气象杆128为涡轮机控制系统提供可包括风向和/或风速的信息。在一些构造中，偏航系统安装在设置在塔筒104的顶上的法兰上。
图3示出了根据本发明的一个方面的、可与风力涡轮机100结合使用的能量转换系统的简化示意图。制动系统310通常包括盘和卡钳布置，且用于使转子106的旋转停止。制动系统310可设置在低速轴、高速轴上或发电机上。已知的系统依靠变桨驱动器114、频率变换器320和制动器310来帮助使转子106制动或停止。频率变换器320可通过从发电机120获得扭矩且通过变压器360将其供给到电网中(假定电网可用于吸收此能量)来帮助停机程序。但是，已知的是，这些系统可能会失败或电网可能会出现故障，且转子106会在“失控”条件下运行。此“失控”条件对于风力涡轮机是潜在的危险，且已知其会导致灾难性的故障。如果有更可靠的制动系统来增加安全性和可靠性，则将是有益的。
根据本发明的各方面，辅助性制动系统330可连接在发电机120和频率变换器320之间。发电机120可用作驱动器，以减低转子速度。如果旋转的话，PM发电机120会在没有电励磁机的情况下发电。如果发电机120正在高速运行，且绕组是连接在一起的(例如，使定子绕组短路)，则会产生依赖于流过的电流的扭矩。
辅助性制动系统330包括将发电机120的所有定子绕组连接到外部电阻器350上的电力接触器开关340。在备选实施例中，电阻器350可构造成一个或多个分流器。电阻器350限制流过定子绕组的电流。电流依赖于电阻器值和发电机120产生的电压。实际上，永磁发电机120的定子绕组可通过闭合开关340来短路。开关340可由控制面板112内的一个或多个微控制器或由任何其它适合的控制设备控制。
在非制动模式中，开关340构造成使得能量被传递到频率变换器320。这对应于风力涡轮机100的正常发电状态。当开关340改变成通过电阻器350使定子绕组短路时，电流会以提供动态制动的方式流过定子绕组。
图4示出了根据本发明的另一方面的、可与风力涡轮机100结合使用的能量转换系统的简化示意图。这是基于微控制器的系统，其读取发电机120的实际电流和转速，且通过开关装置控制扭矩。
辅助性制动系统430包括电力接触器开关440、AC/DC变换器445、电阻器或分流器450、晶体管455、控制器460、电流传感器465和速度传感器470。晶体管455可为任何适合的开关装置，包括但不限于，绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。在图4中示出了一个晶体管455，但是，应当理解也可使用多个晶体管(并联和/或串联)。
电力接触器开关440可以使发电机120连接到AC/DC变换器445上。开关440可由控制面板112内的一个或多个微控制器或由任何其它适合的控制设备控制。AC/DC变换器445将来自发电机120的AC电压转换成DC电压。控制器460通过速度传感器470来测量速度，且计算必须在电阻器450上流过的电流，以跟随期望的扭矩特征曲线。扭矩特征曲线可存储在控制器460中或其它内部或外部的存储器(未示出)中，且扭矩特征曲线可由期望的负载限制来限定。
图5示出了根据本发明的又一个方面的、可与风力涡轮机100结合使用的能量转换系统的简化示意图。此实施例示出了基于发电机的制动系统，且可与具有永久性励磁机(PSM)或电励磁机的同步发电机一起使用。
辅助性制动系统530包括AC/DC变换器445、电阻器或分流器550、晶体管455、控制器460、电流传感器465和速度传感器470。晶体管455可为任何适合的开关装置，包括但不限于，绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。在图5中示出了一个晶体管455，但是，应当理解，也可使用多个晶体管(并联和/或串联)。电阻器或分流器550可包括并联或串联连接的一个或多个装置。
晶体管455可由控制器460或由任何其它适合的控制设备控制。AC/DC变换器445将来自发电机120的AC电压转换成DC电压。控制器460通过速度传感器470来测量速度，且计算必须在电阻器或分流器550上流过的电流，以跟随期望的扭矩特征曲线。扭矩特征曲线可存储在控制器460或其它内部或外部的存储器(未示出)中，且扭矩特征曲线可由期望的负载限制来限定。另外，控制器460可通过速度传感器470测量发电机120的旋转速度，如果发生超速情况，可启动制动过程。在备选实施例中，发电机120或风力涡轮机100的其它构件的速度和/或温度可由控制器460监测和使用，以启动制动过程。速度传感器470可为增量式传感器、绝对编码器、连接到定子绕组上的电压频率传感器，或任何其它适合的传感器。
图6示出了结合了整流电路的能量转换系统的简化示意图。辅助性制动系统630包括由二极管645和晶闸管647构成的整流电路，以及电阻器或分流器650、控制器660、电流传感器465和速度传感器470。整流电路可包括二极管、晶闸管、可控硅整流器(SCRs)和任何其它适合的装置中的所有或它们的组合。仅作为一个实例，整流电路可包括六个晶闸管。控制器660可通过控制型号655控制晶闸管647。这样，控制器660可选择性地启动制动系统630。电阻器或分流器650还可包括并联或串联连接的一个或多个装置。
可在有开关440或没有开关440的情况下实现图4和5所示的实施例。一个或多个分流器或电阻器或它们的组合可用于元件450和550。AC/DC变换器445还可通过任何三相整流装置、桥接电路或任何其它适合的整流装置或电路来实现。本文描述的制动系统可为独立系统，且可不需要任何外部或远程的启动。在一个实例中，控制器460自身启动制动系统。
控制器460通过电流传感器465和晶体管455来调整电阻器450上的电流/扭矩。对于此系统，可以在不损伤任何涡轮机构件的情况下，驱动优选的扭矩曲线来使涡轮机停止。本文描述的辅助性制动系统提供独立于频率变换器和电网电压的独立制动系统。旋转的发电机提供辅助性制动系统所需要的能量。
控制器460包括任何适当的大功率的固态的开关或计算装置。如图所示，控制器460表现为微计算机或微处理器。但是，这仅是本发明的范围内的适当的大功率控制器的示例。例如但不限制本发明，控制器460可包括可控硅整流器(SCR)、晶闸管、可控MOS晶闸管(MCT)、绝缘栅场效应装置(FET)和绝缘栅双极性晶体管(IGBT)中的至少一个。在所示的实施例中，控制器实现为单个专用集成电路，例如ASIC，其具有用于整个系统级控制的主要或中央处理器部分，以及在中央处理器部分的控制下专门执行各种不同的具体组合、功能和其它过程的单独的部分。本领域技术人员将理解，控制器还可使用各种单独的专用的或可编程的集成的或其它电子电路或装置来实现，诸如包括离散元件电路或可编程逻辑装置(例如PLDs、PALs、PLAs等)的硬布线的电子或逻辑电路。控制器还可通过单独使用或结合一个或多个外围数据和信号处理装置使用适当地编程的通用计算机来实现，例如微处理器或微控制器，或诸如CPU或MPU的其它处理器装置。总的来说，有限状态机可在其上实现如申请中所示的流图的任何装置或类似的装置都可用作控制器。
如上所述，示例性实施例可采用计算机实现的过程和用于实践那些过程的设备的形式。示例性实施例还可采用实施在诸如软盘、CDROM、硬盘或任何其它计算机可读存储介质的实体的介质中的包含指令的计算机程序代码的形式，其中，当计算机程序代码由计算机载入和执行时，计算机就变成实践示例性实施例的设备。示例性实施例还可采用例如不论是存储在存储介质中的、由计算机载入和/或执行的，还是通过一些传输介质(例如通过电线或电缆，通过光纤或通过电磁辐射)传输的计算机程序代码的形式，其中，当计算机程序代码由计算机载入和执行时，计算机就变成用于实践示例性实施例的设备。当在通用微处理器上实现时，计算机程序代码段使微处理器构造成建立特定的逻辑电路。计算机程序代码的技术效果是为了评估和计算使发电机120和/或转子106减速和/或停止所需的期望运行特性。
虽然已经根据多种特定的实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将认识到，可以权利要求书的精神和范围内的修改来实施本发明。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机的制动系统(330)，所述风力涡轮机包括转子(106)，所述转子包括至少一个叶片，所述制动系统包括：
包括多个定子绕组的发电机(120)，所述多个定子绕组包括多个相位；
多个电阻器(350)；
连接在所述多个定子绕组和所述多个电阻器(350)之间的至少一个开关(340)；
其中，所述至少一个开关(340)能够构造成使所述多个定子绕组通过所述多个电阻器(350)彼此连接，以实现所述风力涡轮机的所述转子的减速。
2.一种用于风力涡轮机的制动系统(430)，所述风力涡轮机包括转子，所述转子包括至少一个叶片，所述制动系统包括：
包括多个定子绕组的发电机(120)，所述多个定子绕组包括多个相位；
定子绕组短路系统(430)；
连接在所述多个定子绕组和所述定子绕组短路系统之间的至少一个开关(440)；
其中，所述至少一个开关能够构造成使所述多个定子绕组通过所述定子绕组短路系统彼此连接，以实现所述风力涡轮机的所述转子的减速。
3.一种用于风力涡轮机的制动系统(630)，所述风力涡轮机包括转子，所述转子包括至少一个叶片，所述制动系统包括：
包括多个定子绕组的发电机(120)，所述多个定子绕组包括多个相位；
连接在所述多个定子绕组之间的至少一个开关(647)；
其中，所述至少一个开关(647)能够构造成使所述多个定子绕组彼此连接，以实现所述风力涡轮机的所述转子的减速。
4.根据前述权利要求中任一项所述的制动系统，其特征在于，所述制动系统连接在所述发电机(120)和频率变换器(320)之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的制动系统，其特征在于，至少一个电阻器或分流器限制流过所述多个定子绕组的电流。
6.根据前述权利要求中任一项所述的制动系统，其特征在于，所述至少一个开关由控制系统控制。
7.根据前述权利要求中任一项所述的制动系统，其特征在于，所述制动系统包括：
AC/DC变换器(445)；
至少一个分流器或电阻器(450)；
电流传感器(465)；
开关装置(455)；
控制装置(460)；
其中，所述控制装置控制所述开关装置，以使所述多个定子绕组通过所述至少一个电阻器彼此连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的制动系统，其特征在于，所述制动系统包括：
整流装置(645，647)；
至少一个电阻器或分流器(650)；
至少一个开关装置(647)；
控制装置(660)；
其中，所述控制装置控制所述至少一个开关装置，以使所述多个定子绕组通过所述至少一个分流器彼此连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的制动系统，其特征在于，所述至少一个开关装置选自包括以下器件的组中的至少一个：
绝缘栅双极性晶体管，双极性晶体管，绝缘栅晶体管，晶闸管和可控硅整流器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的制动系统，其特征在于，所述制动系统还包括：
连接到所述发电机的速度传感器(470)；
其中，所述速度传感器由控制装置(660)监测，如果检测到超速情况就启动所述制动系统，并且其中，所述控制装置提供独立的制动功能，使得不需要来自主风力涡轮机控制器的信号。
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