背景技術(shù)：

1、風(fēng)力渦輪機(jī)通常包括需要功率以便操作的各種輔助部件。例如，水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)的偏航系統(tǒng)可能包括若干個(gè)偏航驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)偏航驅(qū)動(dòng)單元具有與偏航環(huán)嚙合的小齒輪和轉(zhuǎn)動(dòng)小齒輪的馬達(dá)。類似地，變槳系統(tǒng)的馬達(dá)被部署成圍繞它們的縱向軸線變槳。輔助設(shè)備的另一個(gè)示例可以是冷卻裝置，其包括各種馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的泵以循環(huán)冷卻流體、除濕器、潤(rùn)滑系統(tǒng)等。臨時(shí)輔助裝置可以是在日常例程、預(yù)調(diào)試、調(diào)試、測(cè)試程序等期間所需的各種機(jī)器或工具。一般來(lái)說(shuō)，這種輔助裝置可以汲取不同大小的高電流，這取決于所付出的努力。

2、除了實(shí)現(xiàn)為風(fēng)力渦輪機(jī)的永久固定裝置的輔助設(shè)備之外，在風(fēng)力渦輪機(jī)壽命的不同階段，在安裝、調(diào)試、維護(hù)、修理等期間，可能需要為工具和裝備提供功率。為此，風(fēng)力渦輪機(jī)可以設(shè)置有包括用于電動(dòng)工具和裝備的電氣插座或插口的系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)離網(wǎng)時(shí)，也可能需要這些電源插座或插口。安裝、調(diào)試和維護(hù)階段期間使用的工具和裝備可能是最大的功率消耗裝置。

3、取決于馬達(dá)繞組的磁化，輔助設(shè)備的馬達(dá)可能汲取高浪涌電流。高浪涌電流與短暫持續(xù)時(shí)間內(nèi)的高振幅功率突發(fā)相關(guān)聯(lián)，即具有低總能量。

4、在風(fēng)力渦輪機(jī)的正常操作期間，即當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)連接到電網(wǎng)時(shí)，任何這樣的輔助裝置可以由風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)供電或者從電網(wǎng)供電。

5、在離網(wǎng)情形期間，風(fēng)力渦輪機(jī)可以利用備用電源，例如在us2012056425a1中提出的附件功率部件。備用電源可以是風(fēng)力渦輪機(jī)的永久固定裝置，或者可以運(yùn)輸?shù)诫x網(wǎng)風(fēng)力渦輪機(jī)。備用電源必須被指定為將由輔助設(shè)備汲取的最高峰值電流，并且不是該輔助設(shè)備正常操作期間的“穩(wěn)態(tài)”功耗。功耗峰值可能相對(duì)罕見(jiàn)，僅在例如當(dāng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)設(shè)備接通時(shí)偶爾出現(xiàn)，但是備用電源的容量必須足夠大，以應(yīng)對(duì)最大可能的電流峰值，從而避免過(guò)載和跳閘，過(guò)載和跳閘將導(dǎo)致電源關(guān)閉并使風(fēng)力渦輪機(jī)完全沒(méi)有任何功率。必須避免這種情形，因?yàn)槟軌蚶^續(xù)基本功能(諸如迎風(fēng)偏航、保持機(jī)艙內(nèi)部溫度高于冰點(diǎn)、維持內(nèi)部干燥等)是重要的。因此，用于離網(wǎng)風(fēng)力渦輪機(jī)的備用電源通常具有大容量，例如量級(jí)為150kva。具有這種額定量級(jí)的柴油發(fā)電機(jī)可能重達(dá)數(shù)噸，并消耗大量柴油燃料，從而在加燃料后勤和操作成本這兩方面帶來(lái)挑戰(zhàn)。大型和重型備用電源的租賃、運(yùn)輸和頻繁加燃料的成本會(huì)非常昂貴。此外，具有所需規(guī)格的電源單元可能難以在短時(shí)間內(nèi)獲得并難以持續(xù)所需的持續(xù)時(shí)間。特別是在遠(yuǎn)程或離岸風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，這些方面大大增加了風(fēng)力渦輪機(jī)的操作成本。

6、因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種為風(fēng)力渦輪機(jī)輔助設(shè)備供電的手段，該手段避免了上述問(wèn)題。

7、這個(gè)目的通過(guò)所要求保護(hù)的輔助電源裝置、所要求保護(hù)的風(fēng)力渦輪機(jī)以及所要求保護(hù)的操作風(fēng)力渦輪機(jī)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、在下文中，應(yīng)當(dāng)理解，風(fēng)力渦輪機(jī)的輔助電源用于在沒(méi)有任何其他電源(諸如電網(wǎng))的情況下向風(fēng)力渦輪機(jī)的輔助設(shè)備供應(yīng)功率。

2、根據(jù)本發(fā)明，輔助電源裝置包括被配置成供應(yīng)風(fēng)力渦輪機(jī)的輔助設(shè)備所需的平均功率的備用電源；以及能量存儲(chǔ)單元，其被配置成覆蓋輔助設(shè)備的峰值功率需求，或者被配置成在覆蓋輔助設(shè)備的峰值功率需求方面補(bǔ)充備用電源。

3、在本發(fā)明的上下文中，“風(fēng)力渦輪機(jī)的輔助設(shè)備”包括風(fēng)力渦輪機(jī)自身的永久固定裝置以及在安裝、調(diào)試、維護(hù)等階段期間通過(guò)風(fēng)力渦輪機(jī)的電氣插座供電的工具和裝備。如本文使用的表述“平均功率”應(yīng)該被理解為在正常(“穩(wěn)態(tài)”)操作期間和在峰值功耗階段(例如，當(dāng)設(shè)備接通時(shí))期間由輔助設(shè)備消耗的功率。設(shè)備的峰值功耗通常只持續(xù)短的持續(xù)時(shí)間，并且對(duì)平均功率只有小的影響。為此原因，術(shù)語(yǔ)“平均功率”和“穩(wěn)態(tài)功率”在本文中可以互換使用。

4、本發(fā)明的輔助電源裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，輔助電源裝置的備用電源可以比現(xiàn)有技術(shù)的備用電源小得多，現(xiàn)有技術(shù)的備用電源必須自己供應(yīng)足夠的功率來(lái)覆蓋所有峰值功耗情形。因?yàn)榕c現(xiàn)有技術(shù)的備用電源相比，它具有相對(duì)低的容量，所以本發(fā)明的輔助電源裝置的備用電源更輕且更便宜。此外，在備用電源不是風(fēng)力渦輪機(jī)的永久固定裝置或設(shè)施的情況下，本發(fā)明的輔助電源裝置的相對(duì)低容量的備用電源更容易在短時(shí)間內(nèi)租賃或獲得，并且運(yùn)輸?shù)竭h(yuǎn)程或離岸位置還更經(jīng)濟(jì)。因?yàn)楸景l(fā)明的輔助電源裝置的備用電源可以相對(duì)較小且輕，所以更容易安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)。

5、此外，由于本發(fā)明的輔助電源裝置的備用電源的容量顯著低于現(xiàn)有技術(shù)的備用電源的容量，因此其不需要以常規(guī)方式實(shí)現(xiàn)，例如它不需要柴油發(fā)電機(jī)。相反，本發(fā)明的輔助電源裝置的備用電源可以包括燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、具有低額定功率和高能量含量的電池、光伏模塊、波浪能轉(zhuǎn)換器、壓縮空氣能量存儲(chǔ)模塊等中的任何一種。

6、根據(jù)本發(fā)明，風(fēng)力渦輪機(jī)包括需要電功率的數(shù)個(gè)永久安裝的輔助設(shè)備(并且還可能包括數(shù)個(gè)臨時(shí)輔助設(shè)備)和在風(fēng)力渦輪機(jī)離網(wǎng)操作期間向輔助設(shè)備供應(yīng)功率的本發(fā)明的輔助電源裝置的實(shí)施例。

7、根據(jù)本發(fā)明，操作風(fēng)力渦輪機(jī)的方法包括以下步驟：檢測(cè)離網(wǎng)狀態(tài)；控制輔助電源裝置的備用電源以覆蓋輔助設(shè)備的穩(wěn)態(tài)功耗；以及使能量存儲(chǔ)單元放電以覆蓋輔助設(shè)備的峰值功耗?？梢钥刂苽溆秒娫春湍芰看鎯?chǔ)單元，使得能量存儲(chǔ)單元覆蓋輔助設(shè)備的峰值功率需求，或者使得能量存儲(chǔ)單元在覆蓋輔助設(shè)備的峰值功率需求方面補(bǔ)充備用電源。

8、如下面的描述中所揭示的，從屬權(quán)利要求給出了本發(fā)明的特別有利的實(shí)施例和特征。不同權(quán)利要求類別的特征可以被適當(dāng)?shù)亟M合，以給出本文沒(méi)有描述的進(jìn)一步的實(shí)施例。

9、在下文中，可以假設(shè)風(fēng)力渦輪機(jī)是水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)，其具有安裝到轂的數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)子葉片、安裝在塔架上的機(jī)艙；和布置在機(jī)艙中的發(fā)電機(jī)。風(fēng)力渦輪機(jī)的輔助設(shè)備可以根據(jù)它們的目的來(lái)分布，例如偏航驅(qū)動(dòng)馬達(dá)將被布置在塔架的頂部附近，變槳驅(qū)動(dòng)馬達(dá)將被布置在轉(zhuǎn)子葉片的根端附近，等等。在下文中，在不以任何方式限制本發(fā)明的情況下，可以假設(shè)風(fēng)力渦輪機(jī)是離岸風(fēng)力渦輪機(jī)。

10、風(fēng)力渦輪機(jī)的永久和/或臨時(shí)輔助設(shè)備在離網(wǎng)狀態(tài)期間的穩(wěn)態(tài)功耗可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、根據(jù)已知操作條件下的功耗預(yù)測(cè)等來(lái)確定。穩(wěn)態(tài)功耗可能受到諸如風(fēng)向更改頻率(需要頻繁的偏航角校正)、環(huán)境溫度(寒冷條件需要更多的加熱)、濕度(潮濕條件需要更多的空氣調(diào)節(jié))、風(fēng)速(高風(fēng)速可能需要轉(zhuǎn)子葉片順槳)、特定工具或一件裝備等的使用持續(xù)時(shí)間等變量的影響。一般來(lái)說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，功耗將在這個(gè)“穩(wěn)態(tài)”功率水平附近，當(dāng)諸如馬達(dá)的設(shè)備突然汲取大量電流時(shí)，具有間歇性的功率峰值。

11、不管風(fēng)力渦輪機(jī)的輔助設(shè)備如何被提供有功率，功率峰值或瞬時(shí)的幅度決定了輔助裝置消耗的總功率?，F(xiàn)有技術(shù)備用電源的容量必須覆蓋平均(穩(wěn)態(tài))功耗以及峰值(瞬時(shí))功耗兩者，并且可以被認(rèn)為是參考容量，根據(jù)該參考容量來(lái)測(cè)量本發(fā)明輔助電源裝置的備用電源和能量存儲(chǔ)單元的容量。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明的輔助電源裝置的備用電源的容量是參考容量的最多20％。例如，利用本發(fā)明的裝置，相對(duì)經(jīng)濟(jì)且緊湊的30kva柴油發(fā)電機(jī)組可以在所需的持續(xù)時(shí)間(24小時(shí)、48小時(shí)等)內(nèi)為輔助設(shè)備的配置提供備用功率。如果相同配置的輔助設(shè)備由從現(xiàn)有技術(shù)中已知的單個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組供電相同的持續(xù)時(shí)間，將需要更大且更昂貴的150kva柴油發(fā)電機(jī)組。

12、在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，無(wú)論是能量存儲(chǔ)單元還是備用電源都沒(méi)有被額定為覆蓋輔助設(shè)備的峰值功率需求。相反，能量存儲(chǔ)單元被配置成在覆蓋輔助設(shè)備的峰值功率需求方面補(bǔ)充備用電源。這種配置的優(yōu)點(diǎn)在于，兩種電源都不需要針對(duì)峰值輔助負(fù)載進(jìn)行額定：備用電源只需要針對(duì)穩(wěn)態(tài)功耗進(jìn)行額定，并且能量存儲(chǔ)單元只需要覆蓋超出備用電源能力的邊際功率需求量。

13、在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，取決于如何實(shí)現(xiàn)備用電源，能量存儲(chǔ)單元具有量級(jí)為5kwh-1?mwh的能量存儲(chǔ)容量。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，取決于如何實(shí)現(xiàn)備用電源，能量存儲(chǔ)單元被配置成輸送量級(jí)為50kva–400kva的功率。

14、如上文所指示的，本發(fā)明的輔助電源裝置的備用電源可以是柴油發(fā)電機(jī)，其比提供參考功率容量原本所需的柴油發(fā)電機(jī)更小且更經(jīng)濟(jì)。當(dāng)然，作為柴油發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的備用電源在某些時(shí)候需要加燃料。然而，本發(fā)明裝置的備用電源不需要提供一致或恒定的功率水平，而是可以提供波動(dòng)的功率水平，只要其平均輸送功率不小于輔助裝置的穩(wěn)態(tài)功耗。因此，備用電源不必是柴油發(fā)電機(jī)組，并且替代實(shí)現(xiàn)方式是可能的。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，備用電源可以是波浪發(fā)電設(shè)備，諸如錨定在離岸風(fēng)力渦輪機(jī)附近的點(diǎn)吸收器浮標(biāo)。同樣，備用電源可以實(shí)現(xiàn)為小型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、壓縮空氣系統(tǒng)、大容量可再充電電池、光伏裝置等中的任何一種，并且甚至可以包括這種電源單元的任何合適的組合。取決于其能源，備用電源可能基本上是“用不完的”，即它不斷地由能源再補(bǔ)充。備用電源可以包括利用由壓縮空氣、風(fēng)能、電池模塊等供電的電解裝置產(chǎn)生的氫的大容量能量存儲(chǔ)單元。

15、備用電源的能量存儲(chǔ)容量有利地大，并且其功率容量可以有利地低，因?yàn)樗鼉H需要覆蓋輔助裝置的穩(wěn)態(tài)消耗。附加的能量存儲(chǔ)單元將確保任何瞬時(shí)或峰值功耗被覆蓋。

16、本發(fā)明的輔助電源裝置的能量存儲(chǔ)單元可以是能夠在短持續(xù)時(shí)間內(nèi)提供大量功率的任何設(shè)備，因?yàn)槠淠康氖歉采w風(fēng)力渦輪機(jī)輔助設(shè)備峰值期間的需求量。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)單元包括電池裝置，諸如鋰離子電池系統(tǒng)、超級(jí)電容器系統(tǒng)或這種系統(tǒng)的組合。

17、備用電源和能量存儲(chǔ)單元一起確保風(fēng)力渦輪機(jī)輔助設(shè)備在離網(wǎng)狀態(tài)期間被提供有它們需要的功率。當(dāng)然，僅當(dāng)功率需求量超過(guò)備用電力單元所覆蓋的功率時(shí)，才需要能量存儲(chǔ)單元。僅當(dāng)輔助裝置所需的功率超過(guò)備用電源在該瞬間輸送的功率時(shí)，能量存儲(chǔ)單元才被部署。備用電源的唯一要求是其“長(zhǎng)期平均”略高于輔助裝置的穩(wěn)態(tài)平均消耗。每當(dāng)功耗上升到該穩(wěn)態(tài)水平以上時(shí)，能量存儲(chǔ)單元可以開(kāi)始向輔助設(shè)備饋送功率，即能量存儲(chǔ)單元可以釋放功率。這可以通過(guò)以適當(dāng)?shù)呐渲眠B接備用電源和能量存儲(chǔ)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

18、在一個(gè)實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)單元與備用電源串聯(lián)連接，即處直排式布置。在替代實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)單元與備用電源并聯(lián)連接，即處于線路交互式布置。

19、輔助電源裝置的元件優(yōu)選包括合適的控制器和/或功率電子器件，以響應(yīng)于系統(tǒng)電壓或頻率的波動(dòng)。輔助電源裝置的備用電源和能量存儲(chǔ)單元優(yōu)選地共同調(diào)節(jié)它們的功率輸出，以維持穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓或頻率。輔助裝置的功耗波動(dòng)將導(dǎo)致系統(tǒng)電壓或頻率的波動(dòng)，這種波動(dòng)通過(guò)備用電源和能量存儲(chǔ)單元的共同性能得到補(bǔ)償。例如，如果備用電源不能覆蓋輔助裝置的需求，則控制器和/或功率電子器件響應(yīng)以發(fā)起能量存儲(chǔ)單元的放電來(lái)彌補(bǔ)不足，由此將系統(tǒng)電壓或頻率恢復(fù)到其標(biāo)稱水平。

20、類似地，如果輔助設(shè)備的短時(shí)功耗小于由備用電源提供的功率，則能量存儲(chǔ)單元將從備用電源再充電，使得在稍后的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)處，它將能夠覆蓋功率峰值或瞬時(shí)的需求量。只要對(duì)能量存儲(chǔ)單元再充電不降低系統(tǒng)電壓或頻率，能量存儲(chǔ)單元的控制器或調(diào)節(jié)器將調(diào)節(jié)再充電程序。

21、在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)置有監(jiān)控單元(包括任何合適的控制器和/或功率電子器件)，該監(jiān)控單元被配置成監(jiān)控相關(guān)量，諸如輔助裝置的功耗、備用電源的容量、能量存儲(chǔ)單元的容量等。這種監(jiān)控單元可以與風(fēng)力渦輪機(jī)控制器通信，風(fēng)力渦輪機(jī)控制器可以適當(dāng)?shù)匕l(fā)出命令，例如以降低其一個(gè)或多個(gè)輔助設(shè)備的功耗，以便確保風(fēng)力渦輪機(jī)可以繼續(xù)保持操作，直到電網(wǎng)再次恢復(fù)。

22、在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的輔助電源裝置被配置成向多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)供應(yīng)功率。例如，輔助電源裝置的適當(dāng)規(guī)模的實(shí)施例可以設(shè)置在風(fēng)電場(chǎng)變電站處，以在電網(wǎng)斷電的情況下向所有輔助裝置提供備用功率。這種輔助電源裝置可以經(jīng)由穿過(guò)風(fēng)電場(chǎng)的陣列間電纜網(wǎng)絡(luò)向風(fēng)力渦輪機(jī)輔助裝置提供功率。備用電源可包括任何數(shù)量的單元，這些單元共同覆蓋風(fēng)力渦輪機(jī)的輔助設(shè)備的平均功率需求。能量存儲(chǔ)裝置可以包括任何數(shù)量的能量存儲(chǔ)單元，它們共同覆蓋輔助設(shè)備的瞬時(shí)功率需求和/或在覆蓋輔助設(shè)備的瞬時(shí)功率需求方面補(bǔ)充備用電源。