專利名稱：被阻礙向電網(wǎng)輸出電力的風(fēng)力渦輪機的旋轉(zhuǎn)速度的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生電力的風(fēng)力渦輪機的領(lǐng)域。尤其地，本發(fā)明涉及用于在一種
運轉(zhuǎn)情況下控制風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度的裝置和方法，在該運轉(zhuǎn)情況中該風(fēng)力渦輪 機被阻礙向連接至該風(fēng)力渦輪機的電網(wǎng)輸出電力。此外，本發(fā)明涉及包括上述旋轉(zhuǎn)速度控 制裝置的風(fēng)力渦輪機，并涉及用于控制上述旋轉(zhuǎn)速度控制方法的計算機程序。
背景技術(shù)：
風(fēng)能越來越被認(rèn)為是用于補充并甚至替代像例如化石燃料這樣一類的其它類型 的能源的可行選擇。然而，因為風(fēng)力渦輪機通常暴露于例如可對風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子和桅桿 產(chǎn)生極端機械負(fù)荷的不斷變化的環(huán)境條件，所以風(fēng)力渦輪機的運轉(zhuǎn)控制常常非常敏感。
此外，風(fēng)力渦輪機的運轉(zhuǎn)強烈地取決于該風(fēng)力渦輪機連接至的電網(wǎng)的可用性和電 力吸收能力。具體而言，當(dāng)在風(fēng)力渦輪機附近出現(xiàn)電網(wǎng)故障時，電網(wǎng)的電壓通常非常低。這 使得風(fēng)力渦輪機的發(fā)電機不能向電網(wǎng)輸出產(chǎn)生的電力。結(jié)果是在具有危險的超速情形的風(fēng) 險的情況下提高風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。 為了避免超速情形，已知例如通過將轉(zhuǎn)子的葉片的槳距角設(shè)定為不同于當(dāng)風(fēng)力渦
輪機以無故障運轉(zhuǎn)狀態(tài)運轉(zhuǎn)時的最佳葉片槳距角的角度位置來控制風(fēng)力渦輪機的速度控
制器的旋轉(zhuǎn)速度。因此，重要的是速度控制器能迅速對電網(wǎng)故障起反應(yīng)。此外，由于電網(wǎng)上
沒有電壓這個事實，所以可能需要緊急停止風(fēng)力渦輪機的運轉(zhuǎn)，葉片槳距角控制系統(tǒng)僅能
夠以緊急模式運轉(zhuǎn)，在該緊急模式中以恒定的速度改變?nèi)~片槳距角。然而，以恒定速度進(jìn)行
變槳(pitching)會對風(fēng)力渦輪機的塔筒和偏航系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的負(fù)荷。 EP 1 651 865 Bl描述了一種當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障時用于調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機的葉片的
槳距的方法。因此，連續(xù)地或逐步地調(diào)節(jié)槳距，以便降低風(fēng)力渦輪機的功率產(chǎn)出，從而防止
風(fēng)力渦輪機的部件過熱。 EP 1 819 023 A2在電網(wǎng)故障的情況下通過如下方式解決了風(fēng)力渦輪機的部件過 熱的問題即一旦故障被矯正了或者在以受控方式停止風(fēng)力渦輪機之前，就將從渦輪機輸 出功率切換至卸載。 可能需要提供對被阻礙向電網(wǎng)輸出電力的風(fēng)力渦輪機的旋轉(zhuǎn)速度的控制，其中該 控制以能夠減小風(fēng)力渦輪機的塔筒和偏航系統(tǒng)上的機械負(fù)荷的方式來改變指示轉(zhuǎn)子的旋 轉(zhuǎn)速度的特征運轉(zhuǎn)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
該需求可由根據(jù)獨立權(quán)利要求的主題滿足。本發(fā)明的有利實施例由從屬權(quán)利要求 描述。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于對將電力送入電網(wǎng)的風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子的 旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制的裝置。提供的旋轉(zhuǎn)速度控制裝置包括(a)第一輸入節(jié)點，其用于接收 指示轉(zhuǎn)子的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度的第一信號；(b)第二輸入節(jié)點，其用于接收指示轉(zhuǎn)子的基準(zhǔn)旋
4轉(zhuǎn)速度的第二信號；(c)檢測單元，其用于檢測風(fēng)力渦輪機被阻礙向電網(wǎng)輸出電力的有故 障的運轉(zhuǎn)情形；(d)控制單元，其用于基于第一信號和基于第二信號提供用于風(fēng)力渦輪機 的特征運轉(zhuǎn)參數(shù)的基準(zhǔn)信號，該特征運轉(zhuǎn)參數(shù)指示轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，其中控制單元包括比 例控制元件和積分控制元件；以及(e)脈沖發(fā)生器，其連接至檢測單元和積分控制元件，并 適于響應(yīng)于有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測向積分控制元件發(fā)送突跳脈沖。 描述的旋轉(zhuǎn)速度控制裝置基于如下思想通過向代表比例加積分控制器(PI控制 器)的控制單元的積分控制元件發(fā)送突跳脈沖，增加基準(zhǔn)信號的時間變化率。這可意味著 與沒有使電網(wǎng)檢測單元與控制元件的積分控制元件連接的脈沖發(fā)生器的已知的速度控制 器相比較，基準(zhǔn)信號響應(yīng)于檢測到有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)而進(jìn)行的變化的幅度強烈得多。
根據(jù)自動控制工程的基本原理，通過在很大程度上改變基準(zhǔn)信號，將明顯減小適 應(yīng)或者說改變風(fēng)力渦輪機的特征運轉(zhuǎn)參數(shù)的響應(yīng)時間。這意味著通過以使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度 相應(yīng)地適應(yīng)的方式使基準(zhǔn)信號適應(yīng)于特征運轉(zhuǎn)參數(shù)，旋轉(zhuǎn)速度控制裝置將使風(fēng)力渦輪機迅 速響應(yīng)有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測。從而，可有效避免風(fēng)力渦輪機的尤其與超速情形相關(guān)的 損壞。 描述的突跳脈沖可緊接在探測到有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)之后施加于積分控制元件。這 確保旋轉(zhuǎn)速度控制裝置對有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測的快速響應(yīng)。 有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)可與風(fēng)力渦輪機的至少一個部件相關(guān)和/或可與電網(wǎng)的狀況 相關(guān)。例如，由風(fēng)提供的電力的頻率可能相對于電網(wǎng)的頻率不協(xié)調(diào)。這樣的失調(diào)例如可由 風(fēng)力渦輪機變頻器的跳閘引起。然而，在風(fēng)力渦輪機的其它硬件中出現(xiàn)的其它故障也可突 然使得風(fēng)力渦輪機不能將其電力輸出至電網(wǎng)。 描述的旋轉(zhuǎn)速度控制裝置可通過計算機程序或者說軟件實現(xiàn)。然而，旋轉(zhuǎn)速度控 制裝置也可通過一個或多個專門的電子線路或者說硬件實現(xiàn)。此外，控制系統(tǒng)還可以以混 合形式、即以軟件模塊和硬件模塊的組合的形式實現(xiàn)。 根據(jù)本發(fā)明的實施例，旋轉(zhuǎn)速度控制裝置還包括用于使裝置連接至電網(wǎng)的第三輸 入節(jié)點。從而，(a)檢測單元連接至第三輸入節(jié)點并且(b)檢測單元適用于檢測電網(wǎng)的電 故障。這可提供能夠以迅速可靠的方式檢測出使風(fēng)力渦輪機不能將其產(chǎn)生的電力輸出的電 網(wǎng)故障的優(yōu)點。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，檢測單元包括電壓檢測器。這可提供能夠由檢測單元 容易地檢測出電網(wǎng)的電壓降的優(yōu)點。由于電網(wǎng)的大多數(shù)故障與電壓降相關(guān)，所以電壓檢測 器能夠檢測電網(wǎng)的幾乎任何類型的故障。 在這點上，應(yīng)提及的是，電力P通過已知的方程式P = U * I與電壓U和電流I相
關(guān)。因此，如果電壓U非常低，則功率P也低，因為將電流I飽和為標(biāo)稱電流。 還必需提及的是，電壓檢測器不僅能夠檢測電壓降。電壓檢測器還可對電壓驟降
是靈敏的。這意味著電壓檢測器不僅可對電壓電平是靈敏的，還可對電壓電平的時間變化
率是靈敏的。因此，可獲得電壓檢測器更加高的靈敏度。這尤其適用于電網(wǎng)的電壓電平的
短波動，在該電網(wǎng)的電壓電平的短波動期間，風(fēng)力渦輪機不能輸出其產(chǎn)生的電力。 如以上已提及地，當(dāng)電網(wǎng)的電壓下降至低于預(yù)定的閾值時，風(fēng)力渦輪機可能不能
夠再向電網(wǎng)輸出電力。結(jié)果，必需降低風(fēng)力渦輪機從周圍的風(fēng)流提取能量的能力方面的效
率，以避免超速情形。作為在風(fēng)力渦輪機的機械和/或電氣特性之外的超速情形可對風(fēng)力渦輪機造成明顯的損壞。因此，在電網(wǎng)的電壓降和/或電壓驟降的情況下，應(yīng)以降低風(fēng)力渦 輪機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度的方式改變風(fēng)力渦輪機的特征運轉(zhuǎn)參數(shù)。 通過借助于所描述的旋轉(zhuǎn)速度控制裝置防止風(fēng)力渦輪機經(jīng)過超速情形，與沒有突
跳脈沖的已知的旋轉(zhuǎn)速度控制裝置的使用相比較，能將最大塔筒彎矩減小大約50%，其中
該突跳脈沖造成風(fēng)力渦輪機對有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的更快速的響應(yīng)。此外，當(dāng)使用所描述的
旋轉(zhuǎn)速度控制裝置時，可將偏航力矩減小大約30%。已通過發(fā)明人借助于具體的風(fēng)力渦輪
機的行為的數(shù)值模擬展示了由描述的突跳脈沖所引起的對機械負(fù)荷的這些改善。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，風(fēng)力渦輪機的特征運轉(zhuǎn)參數(shù)為轉(zhuǎn)子的至少一個葉片的
葉片槳距角。這可提供簡單地通過將葉片槳距角調(diào)整至相對于最佳葉片槳距角不同的位置
能容易地減小風(fēng)力渦輪機的效率程度的優(yōu)點。 尤其地，當(dāng)通過檢測單元檢測到電網(wǎng)電壓的電壓降時，向PI控制器的積分控制元 件發(fā)送突跳脈沖。該突跳脈沖的接下去的積分引起積分器輸出的跳變，這迫使葉片槳距角 快速運動。 施加槳距突跳對在該實施例中表示葉片槳距基準(zhǔn)輸出的基準(zhǔn)信號具有與大的負(fù) 速度誤差相同的作用。因此，其還用于進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，從而有效地防止超速情 形。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，脈沖發(fā)生器適用于向積分控制元件發(fā)送倒置突跳脈 沖。如果在檢測到電故障之后的預(yù)定時間間隔內(nèi)已克服由檢測單元檢測到的電網(wǎng)電故障， 則這樣的倒置突跳脈沖可由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生。預(yù)定的時間間隔可具有0. 02s與10s之間的 持續(xù)時間。例如如果預(yù)定的持續(xù)時間低于1.5s，則可發(fā)送倒置槳距突跳。
—般而言，如果電網(wǎng)故障僅持續(xù)短的持續(xù)時間，則所描述的旋轉(zhuǎn)速度控制裝置不 會發(fā)出用于切斷風(fēng)力渦輪機的運轉(zhuǎn)的停止指令。反之，當(dāng)電網(wǎng)狀況恢復(fù)正常時，向PI控制 器的積分控制元件發(fā)送描述的倒置突跳脈沖。這迫使PI控制器積分元件上的負(fù)跳變，并消 除當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)故障時被發(fā)送的突跳脈沖。 在這點上，應(yīng)指出的是，在倒置突跳脈沖發(fā)出之后，所描述的旋轉(zhuǎn)速度控制裝置保 持運轉(zhuǎn)。因此，如果電網(wǎng)故障僅持續(xù)相對短的持續(xù)時間，則消除了旋轉(zhuǎn)速度控制裝置的新的 起動程序的需求。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，旋轉(zhuǎn)速度控制裝置還包括定時器單元，其連接至檢測 單元并適于向裝置的其它部件提供停止指令信號。這可提供如下優(yōu)點如果有故障的運轉(zhuǎn) 狀態(tài)持續(xù)長于例如100ms的預(yù)定閾值的持續(xù)時間，則能以限定的方式切斷風(fēng)力渦輪機。這 可有助于風(fēng)力渦輪機稍后的重新起動。 尤其地，停止指令信號可使最小葉片槳距角初始化為當(dāng)前葉片槳距角，并增加最 小葉片槳距并作為從啟動停止指令起的時間的函數(shù)。因此，大約O。的葉片槳距角可被認(rèn)為 是表示當(dāng)風(fēng)力渦輪機和電網(wǎng)都處于無故障運轉(zhuǎn)狀態(tài)時的最佳葉片槳距角，在該無故障運轉(zhuǎn) 狀態(tài)中，風(fēng)力渦輪機準(zhǔn)備好產(chǎn)生最多的電力。與此相對，9(T的葉片槳距角可意味著轉(zhuǎn)子的 葉片的取向垂直于風(fēng)向。 此外，停止指令信號可使得在旋轉(zhuǎn)速度下降到基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度以下之后，使基準(zhǔn)旋 轉(zhuǎn)速度斜坡下降至零。這可提供風(fēng)力渦輪機能以高度可靠的方式切斷其運轉(zhuǎn)的優(yōu)點。這尤 其適用于葉片槳距角的調(diào)節(jié)。
為了使基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度斜坡下降，可使用合適的硬件和/或軟件部件。這樣合適的
部件為對風(fēng)力渦輪機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行控制的領(lǐng)域中的技術(shù)人員所熟知。因此，為了本申請
的簡明起見，將不給出關(guān)于如何能實現(xiàn)這樣的斜坡下降的可能方式的其它細(xì)節(jié)。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，轉(zhuǎn)子的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度為(a)具有預(yù)定標(biāo)稱值的與時間
無關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度，(b)具有零值的與時間無關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度或(c)具有預(yù)定時間相關(guān)性的與
時間相關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度，該與時間相關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度響應(yīng)于停止指令信號而起動。 可經(jīng)由可控制的開關(guān)選擇性地將表示所描述的不同的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度的相應(yīng)不同
的第二信號發(fā)送至第二輸入節(jié)點。該可控制的開關(guān)可直接或間接地與定時器單元連接。 預(yù)定的時間相關(guān)性尤其可以是從預(yù)定的標(biāo)稱值開始并接近零值的斜坡函數(shù)。因
此，可使用任何連續(xù)函數(shù)?？赡茏詈唵蔚暮瘮?shù)為具有恒定斜率的函數(shù)。這樣的函數(shù)也可稱
為斜坡函數(shù)。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，控制單元包括減法單元，其用于通過從指示基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn) 速度的第二信號中減去指示當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度的第一信號來獲得旋轉(zhuǎn)速度誤差。此外，向比例 控制元件和積分控制元件提供旋轉(zhuǎn)速度誤差。這可提供比例控制元件和/或積分控制元件 可以以一個唯一的電變量進(jìn)行操作的優(yōu)勢。因此，該電變量表示當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度誤差。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于產(chǎn)生電力的風(fēng)力渦輪機。該風(fēng)力渦輪機包 括(a)轉(zhuǎn)子，其具有至少一個葉片，其中該轉(zhuǎn)子可繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)并且所述至少一個葉片 相對于旋轉(zhuǎn)軸線徑向延伸，(b)發(fā)電機，其與轉(zhuǎn)子機械地耦聯(lián)，用于通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn) 生電力，和(c)如上所述用于控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度的裝置。 所描述的風(fēng)力渦輪機基于如下思想通過將上述旋轉(zhuǎn)速度控制裝置嵌入普通的風(fēng) 力渦輪機，風(fēng)力渦輪機通過以使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度相應(yīng)地適應(yīng)的方式使基準(zhǔn)信號適應(yīng)于特征 運轉(zhuǎn)參數(shù)能快速響應(yīng)于有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測。從而，可有效避免尤其由于超速情形所 引起的對風(fēng)力渦輪機的損壞。 根據(jù)本發(fā)明的實施例，風(fēng)力渦輪機還包括不間斷的電源，其連接至用于控制轉(zhuǎn)子 的旋轉(zhuǎn)速度的裝置。這可提供上述旋轉(zhuǎn)速度控制裝置甚至在電網(wǎng)故障期間還能夠控制風(fēng)力 渦輪機運轉(zhuǎn)的優(yōu)點。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于對將電力送入電網(wǎng)的風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子的 旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制的方法。提供的旋轉(zhuǎn)速度控制方法包括(a)接收指示轉(zhuǎn)子的當(dāng)前旋轉(zhuǎn) 速度的第一信號，(b)接收指示轉(zhuǎn)子的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度的第二信號，(c)檢測風(fēng)力渦輪機被阻 礙向電網(wǎng)輸出電力的有故障的運轉(zhuǎn)情形，(d)基于第一信號和第二信號提供用于風(fēng)力渦輪 機的特征運轉(zhuǎn)參數(shù)的基準(zhǔn)信號，其中該特征運轉(zhuǎn)參數(shù)指示轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，(e)從脈沖發(fā)生 器向控制單元的積分控制元件發(fā)送突跳脈沖，和(f)對突跳脈沖進(jìn)行積分，使得響應(yīng)于有 故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測改變用于風(fēng)力渦輪機的特征運轉(zhuǎn)參數(shù)的基準(zhǔn)信號，其中基準(zhǔn)信號的 改變使轉(zhuǎn)子改變其旋轉(zhuǎn)速度。 因此，所描述的旋轉(zhuǎn)速度控制方法基于如下思想通過向積分控制元件發(fā)送突跳 脈沖，能明顯提高基準(zhǔn)信號的時間變化率。因此，與沒有使用突跳脈沖以進(jìn)一步激勵積分控 制元件的已知的速度控制方法相比較，基準(zhǔn)信號響應(yīng)于有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測的變化的 幅度可強烈得多。優(yōu)選地，積分控制元件可以是控制單元的一部分，該控制單元優(yōu)選地還包 括比例控制元件。
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根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于對將電力送入電網(wǎng)的風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子的 旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制的計算機程序。計算機程序在由控制裝置執(zhí)行時適于控制上述方法。
如在此所使用地，涉及計算機程序等同于涉及包含用于控制計算機系統(tǒng)以調(diào)整上 述方法的性能的指令的程序元件和/或計算機可讀介質(zhì)。 計算機程序元件可實現(xiàn)為諸如JAVA、 C++的任何合適的程序設(shè)計語言中的計算機 可讀指令碼，并且可存儲在計算機可讀的介質(zhì)(可移動磁盤、易失性或非易失性存儲器、嵌 入式存儲器/處理器等)上。指令碼可操作以對計算機或任何其它可編程裝置進(jìn)行編程， 從而實現(xiàn)預(yù)期的功能。計算機程序可從諸如萬維網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中得到，從該網(wǎng)絡(luò)可下載計算機 程序。 必需指出的是，已參考不同的主題描述了本發(fā)明的實施例。尤其地，已參考方法類 型的權(quán)利要求描述了某些實施例，同時已參考設(shè)備類型的權(quán)利要求描述了其它實施例。然 而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過以上和以下的描述獲悉的是，除非另有說明，除屬于一種主題的 特征的任何組合之外，與不同主題相關(guān)的特征之間、尤其方法類型的權(quán)利要求的特征與設(shè) 備類型的權(quán)利要求的特征之間的任何組合也被認(rèn)為通過該申請公開。 本發(fā)明以上限定的方面和其它方面通過以下要描述的實施例的示例顯現(xiàn)，并且參 考實施例的示例而得到說明。以下將參考實施例的示例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，但本發(fā)明不 局限于這些實施例的示例。


圖1示出包括根據(jù)本發(fā)明的一種實施例的旋轉(zhuǎn)速度控制裝置的風(fēng)力渦輪機。
圖2示出用于旋轉(zhuǎn)速度控制裝置的線路圖，其包括用于響應(yīng)于風(fēng)力渦輪機被阻礙 向電網(wǎng)輸出電力的有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測向積分控制元件發(fā)送突跳脈沖的發(fā)電機。
圖3示出圖示了響應(yīng)于風(fēng)力渦輪機所連接的電網(wǎng)的故障的檢測來改變風(fēng)力渦輪 機的轉(zhuǎn)子的葉片槳距角的圖表。
具體實施例方式附圖中的圖解是示意性的。應(yīng)指出的是，在不同的附圖中，相似的或相同的元件設(shè)
置有相同的附圖標(biāo)記或與對應(yīng)的附圖標(biāo)記僅第一個數(shù)字不同的附圖標(biāo)記。 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的風(fēng)力渦輪機100。風(fēng)力渦輪機100包括安裝
在未圖示的基礎(chǔ)上的桅桿120。在桅桿120的頂部布置有殼體122。在桅桿120與殼體之
間設(shè)置有轉(zhuǎn)子角度調(diào)節(jié)裝置121，其能夠使殼體122圍繞與桅桿120的縱向延伸對齊的未圖
示的豎直軸線旋轉(zhuǎn)。通過以合適的方式控制轉(zhuǎn)子角度調(diào)節(jié)裝置121，能夠確定的是，在風(fēng)力
渦輪機100的運轉(zhuǎn)期間，殼體122總是與當(dāng)前風(fēng)向適當(dāng)?shù)貙R。 風(fēng)力渦輪機100還包括具有三個葉片114的轉(zhuǎn)子110。在圖1的透視圖中僅兩個 葉片114可見。轉(zhuǎn)子110可繞旋轉(zhuǎn)軸線110a旋轉(zhuǎn)。安裝在驅(qū)動凸緣112上的葉片114相 對于旋轉(zhuǎn)軸線110a徑向延伸。 在驅(qū)動凸緣112與葉片114之間分別設(shè)置有葉片調(diào)節(jié)裝置116，以便通過使相應(yīng)的 葉片114圍繞與葉片114的縱向延伸平行對齊的未圖示的軸線旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)各葉片114的葉 片槳距角。通過控制葉片調(diào)節(jié)裝置116，能以取決于當(dāng)前風(fēng)況能從可用風(fēng)力中取得最大風(fēng)力
8的方式調(diào)節(jié)相應(yīng)葉片114的葉片槳距角。 如從圖1所能看到地，在殼體內(nèi)設(shè)置有傳動箱124，以便將轉(zhuǎn)子110的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化成 以已知的方式耦聯(lián)至發(fā)電機128的軸125的較高的轉(zhuǎn)數(shù)。此外，設(shè)置有制動器126，以便例 如在可能損壞風(fēng)力渦輪機100的緊急狀況和/或強風(fēng)狀況下停止風(fēng)力渦輪機100的運轉(zhuǎn)。
風(fēng)力渦輪機100還包括旋轉(zhuǎn)速度控制裝置140，其以未圖示的方式連接至旋轉(zhuǎn)速 度傳感器118，該旋轉(zhuǎn)速度傳感器118在運轉(zhuǎn)中測量轉(zhuǎn)子110的旋轉(zhuǎn)速度。此外，根據(jù)在此 描述的實施例，將旋轉(zhuǎn)速度控制裝置140連接至不間斷的電源135，該不間斷的電源135本 身通過電線135a連接至電網(wǎng)190。為了清楚起見在圖1中未圖示的另一電線使發(fā)電機128 與電網(wǎng)190連接。經(jīng)由該未圖示的電線，由風(fēng)力渦輪機100產(chǎn)生的電力被傳輸至電網(wǎng)190。
圖2示出了用于旋轉(zhuǎn)速度控制裝置140的線路圖，該線路圖現(xiàn)在以附圖標(biāo)記240 命名。旋轉(zhuǎn)速度控制裝置240包括三個輸入節(jié)點。第一輸入節(jié)點241用于接收指示風(fēng)力渦 輪機的轉(zhuǎn)子的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度的信號。第二輸入節(jié)點242用于接收指示轉(zhuǎn)子的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度 的信號。第三輸入節(jié)點243用于使裝置240連接至電網(wǎng)290。電網(wǎng)290是由風(fēng)力渦輪機產(chǎn) 生的電力被送入的相同網(wǎng)絡(luò)。 如從圖2所能看到地，應(yīng)用于第二輸入節(jié)點242的基準(zhǔn)信號能表示(a)具有預(yù)定 標(biāo)稱值(SpeedNom)的與時間無關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度，(b)具有零值(SpeedZero)的與時間無關(guān)的 旋轉(zhuǎn)速度或(c)用于啟動由速度基準(zhǔn)單元248提供的速度基準(zhǔn)的斜坡下降的觸發(fā)信號，該 斜坡下降從預(yù)定的標(biāo)稱值(SpeedNom)開始并終止于零值(SpeedZero)。如從圖2所能進(jìn)一 步看到地，設(shè)置有切換單元247，以便將三個信號(a)、(b)或(c)中的一個信號送至速度基 準(zhǔn)單元248。在向速度基準(zhǔn)單元248提供觸發(fā)信號(c)的情況下，將表示斜坡下降行為的斜 坡函數(shù)存儲在速度基準(zhǔn)單元248中。 如從圖2所能更進(jìn)一步看到地，將檢測單元245連接到第三輸入節(jié)點243上。檢 測單元245包括能夠檢測電網(wǎng)290的電壓的電壓檢測器246。在檢測到大于預(yù)定驟降的電 壓降的情況下，檢測單元245輸出指示電壓降的相應(yīng)信號。將該信號送至定時器單元270 和脈沖發(fā)生器260。緊接在接收到指示電網(wǎng)290的電壓降的信號之后，脈沖發(fā)生器260輸出 被提供給控制單元250的積分控制元件256的突跳脈沖260a。在相對于積分控制元件256 的平行布置中，控制單元250還包括比例控制元件254。 根據(jù)在此描述的實施例，控制單元250用于基于經(jīng)由第一輸入節(jié)點241提供的轉(zhuǎn) 子的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度并且基于經(jīng)由第二輸入節(jié)點242提供的指示轉(zhuǎn)子的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度的信 號為風(fēng)力渦輪機的葉片槳距角提供基準(zhǔn)信號。借助于減法單元252從由速度基準(zhǔn)單元248 提供的速度基準(zhǔn)中減去指示轉(zhuǎn)子的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度的值。將得到的表示速度誤差的值送至控 制單元250的比例控制元件254和積分控制元件256。借助于加法單元258使比例控制元 件254的輸出與積分控制元件256的輸出相加。因此，產(chǎn)生被提供給選擇單元264的第一 槳距基準(zhǔn)信號。 突跳脈沖的接收導(dǎo)致積分控制元件256的輸出的跳變。該跳變迫使葉片槳距角快 速運動。應(yīng)提及的是，施加于積分控制元件的突跳脈沖對控制單元250的槳距基準(zhǔn)輸出有 與大的負(fù)速度誤差相同的影響。因此，突跳脈沖260a用于減小轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，從而有助 于防止風(fēng)力渦輪機的超速情形。 如從圖2所能進(jìn)一步看到地，定時器單元270連接至函數(shù)發(fā)生器280。如果電網(wǎng)290故障或者說電壓不足的情形持續(xù)長于例如4秒的預(yù)定持續(xù)時間，則定時器單元向函數(shù) 發(fā)生器280和與門272輸出停止指令。 根據(jù)在此描述的實施例，與門272從檢測當(dāng)前速度是否大于標(biāo)稱速度的比較器單 元274中接收第二輸入。如果是這樣的，則通過切換單元247激活速度基準(zhǔn)單元248中的 上述的斜坡函數(shù)。 響應(yīng)于上述停止指令，函數(shù)發(fā)生器280輸出與時間相關(guān)的函數(shù)，該與時間相關(guān)的 函數(shù)在接收停止指令之后指示作為時間函數(shù)的最小槳距角。在圖3中圖示為實線的函數(shù)表 示第二槳距基準(zhǔn)信號。 由函數(shù)發(fā)生器280提供的輸出信號還被提供至選擇單元264。選擇單元264從(a) 由函數(shù)發(fā)生器280提供的第二槳距基準(zhǔn)信號和(b)由加法單元提供的第一槳距基準(zhǔn)信號中 選擇較大的信號作為最終葉片槳距基準(zhǔn)信號(槳距基準(zhǔn))。該最終葉片槳距基準(zhǔn)信號(槳 距基準(zhǔn))存在于旋轉(zhuǎn)速度控制裝置240的輸出節(jié)點288處。 應(yīng)提及的是，在電網(wǎng)290只存在非常短的故障的情況下，不發(fā)出停止指令。反之， 當(dāng)電網(wǎng)290狀況恢復(fù)正常時，由脈沖發(fā)生器260產(chǎn)生倒置突跳脈沖260b并發(fā)送。這迫使控 制單元250的積分控制元件256上負(fù)跳變，并至少部分地消除由突跳脈沖260a所引起的并 且當(dāng)電網(wǎng)290出現(xiàn)故障時發(fā)送的葉片槳距突跳。 應(yīng)指出的是，旋轉(zhuǎn)速度控制裝置240可保持運轉(zhuǎn)，即使當(dāng)電網(wǎng)290出現(xiàn)較長的故障 時。這消除了旋轉(zhuǎn)速度控制裝置240的新的起動程序的需求，即使當(dāng)風(fēng)力渦輪機完全停止 時。 圖3示出圖示了響應(yīng)于風(fēng)力渦輪機連接至的電網(wǎng)的故障的檢測用于改變風(fēng)力渦 輪機的轉(zhuǎn)子的葉片槳距角的圖表。如以上已提及地，實線表示由圖2圖示的函數(shù)發(fā)生器280 提供的第二槳距基準(zhǔn)信號。虛線表示當(dāng)前葉片槳距角。 —旦檢測到電網(wǎng)故障，就緩慢地增加最小槳距角。同時，由于凈下降期間的槳距突 跳，所以當(dāng)前槳距角快速增力n。如果陣風(fēng)使轉(zhuǎn)子速度增加，則槳距角再次增長得比第二槳距 基準(zhǔn)信號快。如果轉(zhuǎn)子速度減小得比速度基準(zhǔn)快，則通過最小停止槳距角限制葉片槳距角 變化。 如從圖3所能看到地，對于已檢測到電網(wǎng)故障之后的首先7秒，最小葉片槳距角較 慢地改變。在7秒之后，最小葉片槳距角更快速地改變，直到葉片槳距角在檢測到電網(wǎng)故障 之后的大約18秒達(dá)到其最終停止位置為止。 應(yīng)指出的是，術(shù)語"包括"不排除其它元件或步驟，并且"一"不排除復(fù)數(shù)。此外， 可組合與不同的實施例相結(jié)合描述的元件。還應(yīng)指出的是，權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)解 釋成限制權(quán)力要求的范圍。 為了概括本發(fā)明的上述實施例，人們可聲明 通過一旦出現(xiàn)電網(wǎng)故障就產(chǎn)生突跳脈沖，積分控制元件256迫使葉片槳距角快速 運動。 所描述的旋轉(zhuǎn)速度控制裝置和所描述的旋轉(zhuǎn)速度控制方法的一個優(yōu)點是能實現(xiàn) 對電網(wǎng)故障非?？焖俚姆磻?yīng)。另一優(yōu)點是旋轉(zhuǎn)速度控制裝置在故障發(fā)生之后保持一段時間 有效。因此，如果故障僅持續(xù)短的持續(xù)時間，則不需要旋轉(zhuǎn)速度控制裝置的新的且冗長的起 動程序。如果電網(wǎng)故障持續(xù)較長時間，則旋轉(zhuǎn)速度控制裝置保持有效的事實確保能以受控的方式停止風(fēng)力渦輪機。這可明顯減小風(fēng)力渦輪機的塔筒和偏航系統(tǒng)上的機械負(fù)荷c
權(quán)利要求
一種用于對將電力送入電網(wǎng)(190、290)的風(fēng)力渦輪機(100)的轉(zhuǎn)子(110)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制的裝置(140、240)，所述裝置(140、240)包括·第一輸入節(jié)點(241)，其用于接收指示所述轉(zhuǎn)子(110)的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度的第一信號，·第二輸入節(jié)點(242)，其用于接收指示所述轉(zhuǎn)子(110)的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度的第二信號，·檢測單元(245)，其用于檢測所述風(fēng)力渦輪機(100)被阻礙向所述電網(wǎng)(190、290)輸出電力的有故障的運轉(zhuǎn)情形，·控制單元(250)，其用于基于所述第一信號且基于所述第二信號提供用于所述風(fēng)力渦輪機(100)的特征運轉(zhuǎn)參數(shù)的基準(zhǔn)信號，所述特征運轉(zhuǎn)參數(shù)指示所述轉(zhuǎn)子(110)的旋轉(zhuǎn)速度，其中所述控制單元(150)包括比例控制元件(254)和積分控制元件(256)，以及·脈沖發(fā)生器(260)，其連接至所述檢測單元(245)和所述積分控制元件(256)并且適于響應(yīng)于有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測向所述積分控制元件(256)發(fā)送突跳脈沖(260a)。
2. 根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，還包括*第三輸入節(jié)點(243)，其用于將所述裝置(140、240)連接至所述電網(wǎng)(190、290)， 其中所述檢測單元(245)連接至所述第三輸入節(jié)點(243)并且 其中所述檢測單元(245)適于檢測所述電網(wǎng)(190、290)的電故障。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述檢測單元(245)包括電壓檢測器(246)。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述風(fēng)力渦輪機(100)的特征運轉(zhuǎn)參數(shù)為所述轉(zhuǎn)子(110)的至少一個葉片(114)的葉 片槳距角。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述脈沖發(fā)生器(260)適于向所述積分控制元件(256)發(fā)送倒置突跳脈沖(260b)。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，還包括 定時器單元(270)，其連接至所述檢測單元(245)并適于向所述裝置(140、240)的其 它部件(272、280)提供停止指令信號。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求所述的裝置，其中，所述轉(zhuǎn)子(110)的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度為 -具有預(yù)定標(biāo)稱值(SpeedNom)的與時間無關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度，-具有零值(SpeedZero)的與時間無關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度或者-響應(yīng)于所述停止指令信號而起動的具有預(yù)定的時間相關(guān)性的與時間相關(guān)的旋轉(zhuǎn)速度。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，-所述控制單元(250)包括減法單元(252)，其用于通過從指示所述基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度的第 二信號中減去指示所述當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度的第一信號來獲得旋轉(zhuǎn)速度誤差，并且-向所述比例控制元件(254)和所述積分控制元件(256)提供所述旋轉(zhuǎn)速度誤差。
9. 一種用于產(chǎn)生電力的風(fēng)力渦輪機，所述風(fēng)力渦輪機(100)包括 *轉(zhuǎn)子(110)，其具有至少一個葉片(114)，其中-所述轉(zhuǎn)子(110)能夠繞旋轉(zhuǎn)軸線(110a)旋轉(zhuǎn)，并且 -所述至少一個葉片(114)相對于所述旋轉(zhuǎn)軸線(110a)徑向延伸， 發(fā)電機(128)，其與所述轉(zhuǎn)子(110)機械地耦聯(lián)用于通過所述轉(zhuǎn)子(110)的旋轉(zhuǎn)運動 產(chǎn)生電力，禾口 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的用于控制所述轉(zhuǎn)子(110)的旋轉(zhuǎn)速度的裝置 (140、240)。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求所述的風(fēng)力渦輪機，還包括 不間斷的電源(135)，其連接至用于控制所述轉(zhuǎn)子(110)的旋轉(zhuǎn)速度的所述裝置 (140、240)。
11. 一種用于對將電力送入電網(wǎng)(190、290)的風(fēng)力渦輪機(100)的轉(zhuǎn)子(110)的旋轉(zhuǎn) 速度進(jìn)行控制的方法，所述方法包括，接收指示所述轉(zhuǎn)子(110)的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度的第一信號， ，接收指示所述轉(zhuǎn)子(110)的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度的第二信號，，檢測所述風(fēng)力渦輪機(100)被阻礙向所述電網(wǎng)(190、290)輸出電力的有故障的運轉(zhuǎn) 情形，，基于所述第一信號且基于所述第二信號提供用于所述風(fēng)力渦輪機(100)的特征運轉(zhuǎn) 參數(shù)的基準(zhǔn)信號，所述特征運轉(zhuǎn)參數(shù)指示所述轉(zhuǎn)子(110)的旋轉(zhuǎn)速度，，將來自脈沖發(fā)生器(260)的突跳脈沖(260a)發(fā)送至控制單元(250)的積分控制元件 (256)，并且，對所述突跳脈沖(260a)進(jìn)行積分，使得用于所述風(fēng)力渦輪機(100)的特征運轉(zhuǎn)參數(shù) 的基準(zhǔn)信號響應(yīng)于所述有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測而變化，其中所述基準(zhǔn)信號的變化使所述 轉(zhuǎn)子(110)改變其旋轉(zhuǎn)速度。
12. —種用于對將電力送入電網(wǎng)(190、290)的風(fēng)力渦輪機(100)的轉(zhuǎn)子(110)的旋轉(zhuǎn) 速度進(jìn)行控制的計算機程序，所述計算機程序在由控制裝置(140、240)執(zhí)行時適于控制根 據(jù)前述權(quán)利要求所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及被阻礙向電網(wǎng)輸出電力的風(fēng)力渦輪機的旋轉(zhuǎn)速度的控制。描述了用于風(fēng)力渦輪機的旋轉(zhuǎn)速度控制裝置。控制裝置包括(a)第一輸入節(jié)點，其用于接收指示轉(zhuǎn)子的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度的第一信號；(b)第二輸入節(jié)點，其用于接收指示轉(zhuǎn)子的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度的第二信號；(c)檢測單元，其用于檢測風(fēng)力渦輪機被阻礙向電網(wǎng)輸出電力的有故障的運轉(zhuǎn)情形；(d)控制單元，其用于基于第一信號且基于第二信號提供用于風(fēng)力渦輪機的特征運轉(zhuǎn)參數(shù)的基準(zhǔn)信號，該特征運轉(zhuǎn)參數(shù)指示轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度；以及(e)脈沖發(fā)生器，其適于響應(yīng)于有故障的運轉(zhuǎn)狀態(tài)的檢測向控制單元的積分控制元件發(fā)送突跳脈沖。
文檔編號H02J3/38GK101749184SQ200910252989
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月8日
發(fā)明者O·克賈爾, P·埃格達(dá)爾 申請人:西門子公司