專利名稱：減小風力渦輪機的傳動系中的扭轉(zhuǎn)振蕩的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制風力渦輪機的方法。更準確地說，本發(fā)明涉及一種在電網(wǎng) 缺失(gridloss)情況下的控制風力渦輪機的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代風力渦輪機通常用來將電力供給到電網(wǎng)中。這種種類的風力渦輪機通常包 括具有多個葉片的轉(zhuǎn)子。具有葉片的轉(zhuǎn)子在風對于葉片的影響下進行轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn) 動直接驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子(“直接驅(qū)動”)，或者通過齒輪箱的使用驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子。
在正常操作期間，風力渦輪機的轉(zhuǎn)速由作用在發(fā)電機上的磁性力矩和作用在轉(zhuǎn) 子上的空氣動力學力矩控制。另外，通常預見到具有制動系統(tǒng)。
用于控制作用在風力渦輪機的轉(zhuǎn)子上的空氣動力學力矩的各種途徑是已知的。 在“槳距-調(diào)節(jié)的”風力渦輪機中，轉(zhuǎn)子葉片可繞其縱向軸線轉(zhuǎn)動，以控制風對于葉片 的攻角。在“被動-失速”調(diào)節(jié)的風力渦輪機中，當風速增大到預定風速以上時，失速 在葉片上自動地發(fā)生?？諝鈩恿W力矩由此受到限制。
制動系統(tǒng)通常機械地作用在低速軸上，或者作用在高速軸上。電氣作用在發(fā)電 機上的制動系統(tǒng)也是已知的。在槳距-調(diào)節(jié)的風力渦輪機中，葉片相對于其順槳位置的 俯仰(pitching)用來使風力渦輪機減速。(機械)制動器僅用來達到風力渦輪機的完全停 止，或者將渦輪機保持在其停置-位置中。
如以前提到的那樣，在正常操作期間，風力渦輪機的轉(zhuǎn)速尤其由作用在發(fā)電機 上的磁性力矩控制。傳動系的元件(轉(zhuǎn)子軸或低速軸、齒輪箱、高速軸、發(fā)電機)在作 用在轉(zhuǎn)子上的空氣動力學力矩和作用在發(fā)電機上的磁性力矩的影響下彈性地變形。勢能 以這種彈性變形的方式存儲。當電網(wǎng)缺失發(fā)生時，在發(fā)電機處的磁性力矩非常突然地失 去，并且傳動系的勢能轉(zhuǎn)化成動能。因此，傳動系經(jīng)受扭轉(zhuǎn)振蕩。這些振蕩特別是對于 齒輪箱可能非常有害，并且可能顯著地降低其壽命。
在現(xiàn)有技術(shù)中，處理電網(wǎng)缺失的和減小扭轉(zhuǎn)振蕩的各種方法是已知的。WO 2007/082642描述了一種通過減小轉(zhuǎn)子葉片的槳距角、隨后將機械制動器施加在高速軸上 而處理電網(wǎng)缺失的方法。W02004/098968描述了一種在電網(wǎng)失效情況下的制動方法。制 動裝置作用在高速軸上?？刂浦苿悠鞯囊簤簤毫Γ钡斤L力渦輪機達到完全停止。所述 裝置和其控制方法特別適于用在“失速-調(diào)節(jié)的”風力渦輪機中。WO 03/040556描述 了一種使風力渦輪機減速的方法，該方法的目的在于避免扭轉(zhuǎn)振蕩。在該方法中，基于 風能轉(zhuǎn)換器的自然頻率，按預定的時間順序調(diào)節(jié)制動器的減速力矩。US 6,254,197描述了 一種可選擇的液壓制動系統(tǒng)和一種控制它的方法。描述的具體方法規(guī)定，首先施加空氣 動力學制動器(葉片的可動末端)和在15秒的時段之后施加機械制動器。
現(xiàn)有技術(shù)方法復雜并因此是昂貴的。此外，它們還不能始終產(chǎn)生滿意的結(jié)果。 所以，存在對一種在電網(wǎng)缺失情況下改進的控制風力渦輪機的方法的需要，該方法能可 靠和容易地應用于現(xiàn)代風力渦輪機。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標在于實現(xiàn)這個目的。該目的由根據(jù)權(quán)利要求1的方法實現(xiàn)。另外 的有利的實施例在從屬權(quán)利要求中描述。
在電網(wǎng)缺失的情況下，制動力矩在一個時間段期間施加到傳動系上，所述時間 段根據(jù)傳動系的扭轉(zhuǎn)諧振頻率來確定。風力渦輪機的傳動系具有對于每個傳動系并因而 對于每種類型的風力渦輪機是唯一的扭轉(zhuǎn)諧振頻率。在電網(wǎng)缺失時，發(fā)電機的磁性力矩 消失，并且傳動系將以是其扭轉(zhuǎn)諧振頻率的頻率開始振蕩。因此在確定制動時段時應該 考慮這個頻率。因而將本發(fā)明投入實施的途徑是確定傳動系的諧振頻率；根據(jù)該諧振 頻率確定(計算)所需的制動時段；以及在電網(wǎng)缺失之后，在確定的制動時段期間施加制 動器。
優(yōu)選地，所述時間段也根據(jù)在電網(wǎng)缺失的瞬時與施加制動力矩的瞬時之間發(fā)生 的延遲來確定。為了得到減小的扭轉(zhuǎn)振蕩的最佳結(jié)果，制動器只應該在緊隨電網(wǎng)缺失的 時段中(在該時段中低速軸的力矩正在減小，即在其中傳動系正在“退繞”的時段中) 被致動。在低速軸中的力矩正在增大時施加制動器，可能導致增大扭轉(zhuǎn)振蕩的后果。因 此，也優(yōu)選考慮在電網(wǎng)缺失的瞬時與施加制動力矩的瞬時之間發(fā)生的延遲來確定制動時 段。因此根據(jù)這種優(yōu)選方法，將本發(fā)明投入實施的途徑是確定傳動系的諧振頻率；確 定在電網(wǎng)缺失的瞬時與施加制動力矩的瞬時之間發(fā)生的延遲；然后根據(jù)這兩個參數(shù)來確 定(計算)所需的制動時段；以及在電網(wǎng)缺失之后，在確定的制動時段期間施加制動器。
優(yōu)選地，基本上在探測到電網(wǎng)缺失之后立即致動制動器。
任何制動系統(tǒng)都可以用在根據(jù)本發(fā)明的方法中，并且每個制動系統(tǒng)將具有固有 最小反應時間。制動系統(tǒng)對于電網(wǎng)缺失的反應越快，在傳動系仍在退繞時制動力矩可施 加的時間越長。
優(yōu)選地，將所述時間段確定成是在最大允許時段的50%到100%之間，所述最 大允許時段被確定為傳動系的扭轉(zhuǎn)諧振時段的一半減去在電網(wǎng)缺失的瞬時與施加制動力 矩的瞬時之間的延遲。
更優(yōu)選地，將所述時間段確定成是在所述最大允許時段的70%到100%之間， 并且最優(yōu)選地在80%到100%之間。
換句話說，所述時間段理想地選擇成剛好小于傳動系的扭轉(zhuǎn)諧振時段的一半減 去在電網(wǎng)缺失的瞬時與施加制動力矩的瞬時之間發(fā)生的延遲，即，最大制動時段根據(jù)如 下公式確定
tmax—brake= 0.5*tresonanc_period_power_train-tdelay
如以前提到的那樣，為了得到減小的扭轉(zhuǎn)振蕩的最佳結(jié)果，制動器只應該在緊 隨電網(wǎng)缺失的時段中(在該時段中低速軸的力矩正在減小，即在其中傳動系正在“退 繞”的時段中)被致動。傳動系在第一扭轉(zhuǎn)振蕩時段的開始半時段期間正在退繞。理想 地，制動器應該在這個全部時間期間被致動。然而，沒有制動系統(tǒng)能沒有延遲地反應。 因此，這種延遲(在電網(wǎng)缺失的瞬時與施加制動力矩的瞬時之間的時間)應該從該半振蕩 時段扣除，以確定最大制動時段。因而公式給出最大制動時段。理想地，制動器在這個 最大制動時段內(nèi)施加得盡可能長(以具有其最大效果)。
優(yōu)選地，制動時段是近似0.4秒。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，近似0.4秒的制動時段對于顯著地 減小扭轉(zhuǎn)振蕩是足夠長的，而同時是如此之短，以致低速軸的力矩仍在減小。
優(yōu)選地，制動力矩在單個短時間段期間施加。在已經(jīng)停止制動器之后，不必為 了進一步減小扭轉(zhuǎn)振蕩而重新致動制動器。
優(yōu)選地，考慮在電網(wǎng)缺失的瞬時的風速來確定由制動器施加的制動力矩。更優(yōu) 選地，考慮作用在轉(zhuǎn)子上的空氣動力學力矩來確定制動力矩?？蛇x擇地，考慮在電網(wǎng)缺 失的瞬時由發(fā)電機產(chǎn)生的電功率來確定制動力矩。最有利的結(jié)果不一定通過施加最大可 得的制動力矩而實現(xiàn)。而是存在在方法中要使用的最佳制動力矩。
在風力渦輪機的操作期間，通常測量盛行風的速度。因此，確定最佳制動力矩 的途徑是考慮在電網(wǎng)缺失的瞬時的風速。
確定最佳制動力矩的更準確的途徑會考慮在電網(wǎng)缺失的瞬時的空氣動力學力 矩。在該瞬時的空氣動力學力矩不僅取決于風速，而且也例如取決于葉片的槳距角。更 優(yōu)選地，考慮制動的時段、在電網(wǎng)缺失的瞬時與施加制動力矩的瞬時之間發(fā)生的延遲、 以及在電網(wǎng)缺失的瞬時的空氣動力學力矩來確定最佳制動力矩。這可使用如下公式表達
權(quán)利要求
1.一種在電網(wǎng)缺失的情況下減小風力渦輪機的傳動系中的扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征 在于，在電網(wǎng)缺失之后，在一個時間段期間將制動力矩施加到傳動系上，所述時間段根 據(jù)傳動系的扭轉(zhuǎn)諧振頻率而確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，所述時間段也根據(jù)在電 網(wǎng)缺失的瞬時與施加制動力矩的瞬時之間發(fā)生的延遲而確定。
3.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，在電網(wǎng)缺失發(fā) 生之后基本上立即施加制動力矩。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，將所述時間段確定 成是在最大允許時段的50%到100%之間，所述最大允許時段被確定為傳動系的扭轉(zhuǎn)諧 振時段的一半減去在電網(wǎng)缺失的瞬時與施加制動力矩的瞬時之間發(fā)生的延遲。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，將所述時間段確定成是 在所述最大允許時段的70%到100%之間，優(yōu)選在80%到100%之間。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，所述時間段是 近似0.4秒。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，在單個時間段 期間施加制動力矩。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，考慮在電網(wǎng)缺 失的瞬時的風速來確定施加到傳動系上的制動力矩。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，考慮在電網(wǎng)缺失的瞬時 作用在轉(zhuǎn)子上的空氣動力學力矩來確定施加到傳動系上的制動力矩。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，考慮在電網(wǎng)缺 失的瞬時由發(fā)電機產(chǎn)生的電功率來確定施加到傳動系上的制動力矩。
11.根據(jù)權(quán)利要求8、9或10所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，也考慮在電 網(wǎng)缺失的瞬時與施加制動力矩的瞬時之間發(fā)生的延遲以及制動的時段來確定施加到傳動 系上的制動力矩。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，僅在電網(wǎng)缺失 發(fā)生在預定最小風速以上的風速下才施加制動力矩。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，在不考慮在電 網(wǎng)缺失時的盛行風的速度的情況下施加制動力矩。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，風力渦輪機葉 片的槳距控制系統(tǒng)也基本上緊隨電網(wǎng)缺失而致動，從而在已經(jīng)釋放制動器之后，轉(zhuǎn)子葉 片的槳距控制用來進一步使風力渦輪機減速。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的減小扭轉(zhuǎn)振蕩的方法，其特征在于，制動力矩作用 在傳動系的高速軸上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在電網(wǎng)缺失的情況下減小在風力渦輪機的傳動系中的扭轉(zhuǎn)振蕩的方法。根據(jù)該方法，在電網(wǎng)缺失之后，制動力矩在一個時間段期間施加到傳動系上，并且所述時間段根據(jù)傳動系的扭轉(zhuǎn)諧振頻率來確定。
文檔編號F03D7/02GK102027233SQ200980117274
公開日2011年4月20日 申請日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月14日
發(fā)明者C·卡薩諾瓦斯貝爾梅霍, D·卡斯特利馬丁內(nèi)斯 申請人:?？铺┛四醽喛稍偕茉从邢薰?br>