專利名稱：具有附加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的風力渦輪機及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風力渦輪機，包括:-具有上端部和下端部的風力渦輪機塔架，該下端部設(shè)于風力渦輪機基座上；-設(shè)于所述塔架上端部的風力渦輪機機艙；-設(shè)于所述機艙處的輪轂；-至少兩個風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片，其具有安裝端和自由端，其中，安裝端安裝在輪轂上，用于繞軸線在旋轉(zhuǎn)平面上旋轉(zhuǎn)，該軸線沿著聯(lián)接至發(fā)電機或齒輪箱的軸延伸；-電網(wǎng)連接裝置，用于將產(chǎn)生的電從所述發(fā)電機輸送至電網(wǎng)，該電網(wǎng)連接裝置具有電壓檢測裝置，用于檢測電網(wǎng)電壓的變化；-至少兩個質(zhì)量塊，每個質(zhì)量塊位于所述至少兩個轉(zhuǎn)子葉片的安裝端和自由端之間。本發(fā)明進一步涉及一種控制風力渦輪機的方法，該風力渦輪機具有槳距系統(tǒng)和葉片，該槳距系統(tǒng)用于在槳距角俯仰葉片，該葉片具有用于增加慣量的質(zhì)量塊，該風力渦輪機在正常運行模式下運行，該正常運行模式中，發(fā)電機在發(fā)電機轉(zhuǎn)矩處具有發(fā)電機速度，且該風力渦輪機在低電壓條件下保持電聯(lián)接至電網(wǎng)，且具有輸送電流規(guī)格、參考轉(zhuǎn)矩、參考功率或依據(jù)電網(wǎng)編碼；所述方法包括以下步驟:-用電壓檢測裝置檢測低電壓條件，該電壓檢測裝置在檢測到低電壓條件后，發(fā)出請求用于:-風力渦輪機控制器中轉(zhuǎn)子降額程序:所述降額程序包括: -LVRT俯仰轉(zhuǎn)子葉片至LVRT槳距角；-用電壓檢測裝置檢測正常電壓條件，該正常電壓條件在正常電壓條件的電壓范圍內(nèi)；該電壓檢測裝置在檢測到正常電壓條件后，發(fā)出請求用于:-風力渦輪機的正常運行模式；該正常運行模式具有初始相位，其中:-發(fā)電機轉(zhuǎn)矩或功率增加至期望的參考轉(zhuǎn)矩或參考功率，和-從LVRT槳距角俯仰轉(zhuǎn)子葉片至正常或自由控制的槳距角。
背景技術(shù)：
在電力發(fā)電特別是通過風力渦輪機電力發(fā)電領(lǐng)域，電力發(fā)電作為一個單元要求與電網(wǎng)相互作用或與電網(wǎng)連接。這也意味著電力發(fā)電機是主要被規(guī)范限定、要求、請求或其他方式確定，電力發(fā)電機能夠調(diào)整或響應(yīng)電網(wǎng)的變化?？傮w上，電網(wǎng)定義為輸電網(wǎng)絡(luò)，該輸電網(wǎng)絡(luò)與電力發(fā)電機的電源和功率耗散器的消耗端互相連接。在單個家庭、商業(yè)或工業(yè)企業(yè)、公共設(shè)施或設(shè)備中，電源例如電站的數(shù)量通常超過功率耗散器的數(shù)量。原則上，電網(wǎng)也可以稱為獨立系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅具有一個電力發(fā)電機作為電源，以及一個電力消耗單兀作為耗散器。因此，電力發(fā)電機是單個單元，其與也連接至相同電網(wǎng)的其他輸入源或耗散器相互作用。電網(wǎng)編碼設(shè)定產(chǎn)生電網(wǎng)連接裝置的要求，例如，風力渦輪機如何應(yīng)對電網(wǎng)的特定事件。由于電力產(chǎn)生單元或電柜單元，也就是被連接方和電網(wǎng)運營商之間的相互作用是通過編碼確定的，該編碼確定并限定電網(wǎng)。這種編碼是電網(wǎng)編碼。技術(shù)要點是電網(wǎng)側(cè)電壓和被連接方側(cè)電壓。當電網(wǎng)側(cè)電壓是正常時，連接至電網(wǎng)的風力渦輪機被設(shè)計運行，且在正常電壓條件下的特定電壓范圍內(nèi)連接至電網(wǎng)。也就是，風力渦輪機將在特定速度旋轉(zhuǎn)，且被控制為在正常電壓條件的范圍內(nèi)產(chǎn)生電力。然而，有時電網(wǎng)上的電壓會發(fā)生變化。這種事件稱為低電壓(LV)事件。這種低電壓事件中，風力渦輪機需要能夠響應(yīng)且作用為保持連接至電網(wǎng)。如果不加以控制，低電壓(LV)事件會導致轉(zhuǎn)子增加其旋轉(zhuǎn)速度；直至超速。一種減小或消除低電壓(LV)事件影響的方法是，減小風力渦輪機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，以減小或消除超速。一種方案是，機械制動轉(zhuǎn)子，以避免超速。另一方案是米用一種電力發(fā)電機系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括制動斬波器，該制動斬波器簡單地消耗卸荷裝置，例如電阻中的能量，從而減小轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。制動斬波器從專利申請已知，如US 2007/0279815，其中，公開了用于風力渦輪機發(fā)電機斷電的制動斬波器。另一個例子在專利申請WO 2010/085988中公開，其中，描述了一種方法允許風力渦輪機在低電壓事件中保持電連接至電網(wǎng)。該描述的方法依靠加大同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流，以響應(yīng)檢測到的低電壓事件。所公開的電動制動系統(tǒng)增加了復雜性，因此，將其應(yīng)用至風力渦輪機生產(chǎn)和運行中時需要額外的資源。進一步，較大的風力渦輪機的需求增加了對較大的制動系統(tǒng)的需求。本領(lǐng)域制造風力渦輪機葉片的技術(shù)人員習慣于制造較輕且較堅固，同時滿足撓性要求的葉片。當期望制造的風力渦輪機越大，需要葉片越輕。對于本領(lǐng)域的這種技術(shù)人員，風力渦輪機最佳的或理想的葉片被認為是一層外殼，并且最佳的是，由僅一表皮外殼形成的、具有期望的空氣動力學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的表面。同樣地，風力渦輪機的設(shè)計者和生產(chǎn)者會在理論上尋找這種理想葉片。隨著時間的推移，風力渦輪機的葉片的開發(fā)從具有堅固型面的木頭制造的葉片，到具有中空型面的玻璃纖維制造的葉片，再到碳纖維葉片結(jié)構(gòu)。同時，用于運行具有這種優(yōu)化葉片的開發(fā)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)被開發(fā)出來。補償異常運行的嘗試包括，將能量運行設(shè)計為添加組件系統(tǒng)，元件通常放置在輪轂內(nèi)、塔架中或基座上，甚至鄰近風力渦輪機。從WO 2004/011801 Al可知，為了調(diào)節(jié)涉及增加風速的轉(zhuǎn)動慣量，在轉(zhuǎn)子葉片中設(shè)置可移動的質(zhì)量塊。WO 2004/011801 Al中提到的方案涉及到質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊根據(jù)它們出現(xiàn)的特定條件，可以在風力渦輪機葉片內(nèi)部的不同位置之間移動。移動所述質(zhì)量塊可采用機械或電動元件以不同的方式實現(xiàn)。然而，WO 2004/011801 Al沒有公開在低電壓穿越過程中，如何控制例如35米長或更長長度的以及23000kg重或更重重量的風力渦輪機。相反，其公開了在高風速中，如何通過朝葉片尖端移動質(zhì)量塊以增加轉(zhuǎn)動慣量，并因此積累轉(zhuǎn)子中的動能。然后，在低風速中，質(zhì)量塊可以朝轉(zhuǎn)子中心移動，以得到較低的轉(zhuǎn)
動慣量。當談到相當小的風力渦輪機時，該相當小的風力渦輪機具有相當短和相當輕的風力渦輪機葉片，所提到的方案可能有用。為了能夠改變現(xiàn)代風力渦輪機葉片的轉(zhuǎn)動慣量，該風力渦輪機葉片具有例如35米長或更長的長度，或例如23000kg的重量或更重的重量，這是相當大的質(zhì)量塊，每個葉片中需要運行例如，幾個1000kg。根據(jù)風速在葉片的不同位置之間移動這么重的質(zhì)量塊是個問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種風力渦輪機和這種風力渦輪機的構(gòu)造，該構(gòu)造不需要制動斬波器。本發(fā)明的另一目的是公開一種在電網(wǎng)故障中，不需要制動斬波器而運行風力渦輪機的方法。本發(fā)明的進一步的目的是公開一種風力渦輪機和/或一種運行這種風力渦輪機的方法，該風力渦輪機需要一種減小尺寸的制動斬波器或制動系統(tǒng)。本發(fā)明的目的通過一種風力渦輪機實現(xiàn)，該風力渦輪機包括:-具有上端部和下端部的風力渦輪機塔架，該下端部設(shè)于風力渦輪機基座上；-設(shè)于所述塔架上端部的風力渦輪機機艙；-設(shè)于所述機艙處的輪轂；-至少兩個風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片，其具有安裝端和自由端，其中，安裝端安裝在輪轂上，用于繞軸線在旋轉(zhuǎn)平面上旋轉(zhuǎn)，該軸線沿著聯(lián)接至發(fā)電機或齒輪箱的軸延伸；-電網(wǎng)連接裝置，用于將產(chǎn)生的電從所述發(fā)電機輸送至電網(wǎng)，該電網(wǎng)連接裝置具有電壓檢測裝置，用于檢測電網(wǎng)電壓的變化；-至少兩個質(zhì)量塊，每個質(zhì)量塊位于所述至少兩個轉(zhuǎn)子葉片的安裝端和自由端之間，其中，所述風力渦輪機包括至少兩個風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片，每個葉片在所述安裝端和自由端之間具有葉片重量和至少35米的葉片長度，其中，每個質(zhì)量塊是每個轉(zhuǎn)子葉片的葉片重量的10%至40%。因此，與沒有附加質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)子相比，質(zhì)量塊增加了轉(zhuǎn)子慣量。在低電壓事件中，電網(wǎng)不會經(jīng)由發(fā)電機向轉(zhuǎn)子提供正常阻力或制動，并且沒有額外的慣量，轉(zhuǎn)子將開始以較高的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子將會超速，且可能失控或?qū)е嘛L力渦輪機中的部件損壞。根據(jù)本發(fā)明，增加的轉(zhuǎn)子慣量會降低旋轉(zhuǎn)速度的增加，且減小或甚至阻止超速。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在現(xiàn)有技術(shù)中風力渦輪機使用的葉片設(shè)計為盡可能地輕，并通過制動斬波器處理電網(wǎng)故障，而根據(jù)本發(fā)明的渦輪機是風力渦輪機，其中，制動斬波器是多余的，因此，在生產(chǎn)和運行中，風力渦輪機可由較少的元件以較低的成本生產(chǎn)。這是與現(xiàn)有技術(shù)相反的，在現(xiàn)有技術(shù)中制動器用于增加軸的轉(zhuǎn)矩，而根據(jù)本發(fā)明的降額是由于葉片轉(zhuǎn)矩的增加。同樣地，還公開了一種部分變槳距風力渦輪機，其不需要制動系統(tǒng)或制動斬波器。可以理解的是，質(zhì)量塊可以作為統(tǒng)一體放置在每個葉片上，或離散但平衡地放置在每個葉片上，使得旋轉(zhuǎn)平面中的重心與轉(zhuǎn)子的軸線一致。因此，在旋轉(zhuǎn)中，不會在渦輪機上引入任何載荷。原則上，附加的質(zhì)量塊作為統(tǒng)一體添加在一個葉片上，并且作為離散的質(zhì)量塊設(shè)置在另一個葉片上。離散的質(zhì)量塊的情形下，慣量由每個質(zhì)量塊乘以距離軸線的徑向距離的平方的總和確定。對于轉(zhuǎn)子具有V對稱角間距的葉片，以及i個附加質(zhì)量塊Hli放置在半徑IV附加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Im是Im = nmjr^V大體上，總和由集成的統(tǒng)一體代替。根據(jù)本發(fā)明的實施例，風力渦輪機是特別地，其中，質(zhì)量塊放置為，投影至旋轉(zhuǎn)平面的重心與軸線一致。因此，轉(zhuǎn)子被平衡，且風力渦輪機上沒有不合理的機械載荷。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠據(jù)此分布質(zhì)量塊。根據(jù)本發(fā)明注意到，風力渦輪機是特別地，其中，每個質(zhì)量塊是每個轉(zhuǎn)子葉片重量的 10% 至 40% 。因此，質(zhì)量塊允許根據(jù)特定電網(wǎng)編碼的低電壓(LV)事件，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)實施例，葉片設(shè)置為接收不同的質(zhì)量塊，使得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量可以變化且匹配，以處理根據(jù)不同電網(wǎng)編碼的低電壓(LV)事件。電網(wǎng)編碼限定LV事件的情形下，較小的LV事件需要較大的轉(zhuǎn)動慣量。可以理解的是，每個葉片增加質(zhì)量塊是不必要的。根據(jù)葉片的實施例，葉片具有接收這種附加質(zhì)量塊的裝置。根據(jù)本發(fā)明的實施例，風力渦輪機是特別地，其中，每個質(zhì)量塊的所在的徑向長度不超過每個轉(zhuǎn)子葉片的葉片長度的10%，優(yōu)選地，不超過5%。因此，每個葉片可具有安裝且定位在葉片中的離散的質(zhì)量塊。根據(jù)本發(fā)明的實施例，每個風力渦輪機葉片具有用于在葉片中徑向定位、調(diào)節(jié)和/或固定質(zhì)量塊的裝置。此外，每個質(zhì)量塊具有用于在葉片中定位、調(diào)節(jié)和/固定質(zhì)量塊的裝置。根據(jù)本發(fā)明的實施例，每個葉片具有適用于密封質(zhì)量塊的片段，填充質(zhì)量塊的可以是流體，例如水、防凍流體或粒子，例如沙子或金屬片。此外，每個質(zhì)量塊是流體，例如水、防凍流體或油。同樣地，每個質(zhì)量塊是許多粒子，例如沙子或金屬片，例如，鉛球。根據(jù)本發(fā)明的實施例，風力渦輪機是特別地，其中，轉(zhuǎn)子葉片具有由槳距系統(tǒng)分離的內(nèi)葉片段和外葉片段，該槳距系統(tǒng)位于所述安裝端和自由端之間，且設(shè)置為相對于所述內(nèi)葉片段俯仰所述外葉片段，所述槳距系統(tǒng)的重量不超過質(zhì)量塊的重量，其徑向長度不超過質(zhì)量塊的徑向長度。這種風力渦輪機已知為變槳距風力渦輪機。這種槳距系統(tǒng)包括變槳距軸承。本發(fā)明的這種實施例是不具有制動斬波器的部分變槳距雙葉片風力渦輪機。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，風力渦輪機進一步對于所述槳距系統(tǒng)是特別地；至少一個附加的子質(zhì)量塊放置在葉片中，以構(gòu)成總質(zhì)量塊。因此，槳距系統(tǒng)可安裝為需要且增補的或附加的質(zhì)量塊，這里術(shù)語稱的子質(zhì)量塊，可如公開的安裝。這導致了根據(jù)需要的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，因此，能夠使風力渦輪機處理低電壓事件，而沒有超速。根據(jù)本發(fā)明的實施例，風力渦輪機是特別地，其中，風力渦輪機進一步包括動力制動器，例如電動制動斬波器。因此，風力渦輪機具有附加裝置，以處理低電壓事件。因此，風力渦輪機具有保護、控制的標準裝置和程序，且具有較小的元件，例如，卸荷電阻和輔助制動斬波器部件。本發(fā)明的目的是根據(jù)一種用于控制風力渦輪機的方法來實現(xiàn)的，該風力渦輪機具有槳距系統(tǒng)和葉片，該槳距系統(tǒng)用于以槳距角俯仰葉片，該葉片具有用于增加慣量的附加質(zhì)量塊，所述風力渦輪機在正常運行模式運行，該正常模式中，發(fā)電機在發(fā)電機轉(zhuǎn)矩處具有發(fā)電機速度，且該風力渦輪機在低電壓條件下保持電聯(lián)接至電網(wǎng)，且具有輸送電流規(guī)格、參考轉(zhuǎn)矩、參考功率或依據(jù)電網(wǎng)編碼；所述方法包括以下步驟:-用電壓檢測裝置檢測低電壓條件，該電壓檢測裝置在檢測到低電壓條件后，發(fā)出請求用于:-風力渦輪機控制器中轉(zhuǎn)子降額程序:所述降額程序包括:-LVRT俯仰轉(zhuǎn)子葉片至LVRT槳距角；-用電壓檢測裝置檢測正常電壓條件，該正常電壓條件在正常電壓條件的電壓范圍內(nèi)；該電壓檢測裝置在檢測到正常電壓條件后，發(fā)出請求用于:-風力渦輪機的正常運行模式；該正常運行模式具有初始相位，其中:-發(fā)電機轉(zhuǎn)矩或功率增加至期望的參考轉(zhuǎn)矩或參考功率，和-從LVRT槳距角俯仰轉(zhuǎn)子葉片至正常或自由控制的槳距角。降額轉(zhuǎn)子可理解為，使轉(zhuǎn)子速度減小，以避免超速。由于這種降額減速，減小轉(zhuǎn)子速度，特別地，避免超速。與現(xiàn)有技術(shù)相反，現(xiàn)有技術(shù)中，制動器用于增加軸的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)本發(fā)明的降額是由于葉片增加的慣量。LVRT (低電壓穿越)方法阻止風力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片在低電壓條件下超速。這允許風力渦輪機的發(fā)電機在低電壓條件下保持連接至電網(wǎng)。因此，與現(xiàn)有技術(shù)比較，現(xiàn)有技術(shù)中，風力渦輪機使用的葉片設(shè)計為盡可能地輕，電網(wǎng)故障通過制動斬波器處理，根據(jù)本發(fā)明的渦輪機是風力渦輪機，其中，制動斬波器是多余的，因此，在生產(chǎn)和運行中，風力渦輪機可由較少的元件以較低的成本生產(chǎn)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種控制風力渦輪機的方法，特別地，其中，該方法包括一個步驟，在該步驟中，對LVRT槳距角的轉(zhuǎn)子葉片的LVRT俯仰以2-10度/秒的速度進行，優(yōu)選地，以5度/秒的速度進行；在初始期，發(fā)電機速度會增加約10%-20%，最大30% ;這之后，發(fā)電機速度開始減小。因此，風力渦輪機能夠以控制的方式且沒有大的機械載荷下以這種方式控制，SP，轉(zhuǎn)子速度降額或減小速度。本實施例中，轉(zhuǎn)子速度的降額不需要來自制動系統(tǒng)或制動斬波器的力。根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種控制風力渦輪機的方法，特別地，其中，該方法包括一個步驟，在該步驟中，發(fā)電機中的有功和無功電流的輸送控制，根據(jù)輸送電流規(guī)格、參考轉(zhuǎn)矩、參考功率或從電網(wǎng)編碼調(diào)節(jié)。因此，風力渦輪機能夠根據(jù)電網(wǎng)編碼，特別地，根據(jù)特定電網(wǎng)編碼運行。一種這樣的特定電網(wǎng)編碼是根據(jù)E.0N.公司2006年的電網(wǎng)編碼的標準技術(shù)手冊來設(shè)定(E.0N.Netz, Grid Code; High and Extra High Voltage (2006) by E.0N.NetzGmH, Bayreuth)?？梢岳斫獾氖?，本領(lǐng)域技術(shù)人員調(diào)節(jié)設(shè)置，以滿足標準，該標準由這種電網(wǎng)編碼中的設(shè)計和規(guī)格給定，該電網(wǎng)編碼通過引用被結(jié)合。特別地，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)關(guān)注關(guān)于有功和無功功率的要求部分。對于Ε.0Ν.公司的技術(shù)手冊，電網(wǎng)編碼是在第3.2.4部分，對于故障，是在電網(wǎng)的第3.2.6.2部分，但不限于此。根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種控制風力渦輪機的方法，特別地，其中，該方法包括一個步驟，在該步驟中，當所述正常電壓條件在正常電壓條件的電壓范圍內(nèi)時，用電壓檢測裝置檢測正常電壓條件。所述正常電壓條件可確定為在低電壓閾值和高電壓閾值之間。因此，正常電壓條件可確定。進一步，正常條件可根據(jù)不同的電網(wǎng)編碼或特定電網(wǎng)編碼的不同部分或要求調(diào)節(jié)。正常電壓條件，以及異常電壓條件，例如低電壓事件，通過電壓的RMS或正向序列來確定。類似地，正?；虍惓ｋ妷簵l件可由電壓條件裝置檢測，該電壓條件裝置測量梯度、峰值或其他異常電壓事件，例如漂移和相位變化。電壓條件裝置可基于相位檢測或一個、兩個、三個相位檢測的組合。根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種控制風力渦輪機的方法，特別地，其中，該方法包括一個步驟，該步驟中，電壓檢測裝置在檢測正常電壓條件后，發(fā)送請求，用于將轉(zhuǎn)子葉片從LVRT槳距角俯仰至正?；蜃杂煽刂频臉嘟?，優(yōu)選地，以小于5度/秒的俯仰速度。因此，風力渦輪機調(diào)節(jié)回正常運行，在風力渦輪機上沒有不合適的機械載荷。正?；蜃杂煽刂频臉嘟强刂评斫鉃椋琇VRT或故障控制或程序不控制風力渦輪機?？梢岳斫獾氖?，其他正?？刂?、主控制或功率優(yōu)化、載荷最小化控制，控制了風力渦輪機。


本發(fā)明將結(jié)合附圖描述，其中:圖1示出超薄設(shè)計的三葉片風力渦輪機；圖2示出超薄設(shè)計的雙葉片風力渦輪機；圖3示出低電壓事件的電壓-時間圖表；圖4示出具有載荷的雙葉片風力渦輪機，該載荷位于離軸或旋轉(zhuǎn)軸不同的距離上；圖5示出雙葉片部分變槳距風力渦輪機，其具有作為槳距系統(tǒng)放置的質(zhì)量塊；
圖6示出連接風力渦輪機結(jié)構(gòu)至電網(wǎng)的部件示意圖；圖7示出連接或啟用序列701，以及斷開或禁止序列702。圖8示出處理制動轉(zhuǎn)矩的原理流程圖；以及圖9示出處理現(xiàn)有技術(shù)中的LVRT以及處理根據(jù)本發(fā)明的LVRT的原理流程圖，圖中:100-風力渦輪機；102-塔架；103-基座；104-轉(zhuǎn)子；105-葉片；106-輪轂；107-轉(zhuǎn)子圓圈；108_葉片長度/轉(zhuǎn)子半徑；109_安裝端/內(nèi)端部；110-自由端/外端部；111-葉片重量；112-轉(zhuǎn)子重量；113-旋轉(zhuǎn)平面；114-軸線；115_軸；116-發(fā)電機；301_低電壓穿越(LVRT)事件；302_高電壓穿越(HVRT)事件；303_正常電壓事件；304_正常電壓(額定電壓)；305-低電壓(LV)閾值；306-高電壓(HV)閾值;400_質(zhì)量塊,Mi ;401_半徑，Ri ;402_間距，D ；403-轉(zhuǎn)動慣量，IM ；500-部分變槳距風力渦輪機；501_槳距系統(tǒng)；502_槳距角；503_正常槳距角；504_正常運行模式；505_低電壓穿越(LVRT)槳距角；506_低電壓穿越(LVRT)運行模式；600-電網(wǎng)；600’_電網(wǎng)編碼；601-電網(wǎng)連接裝置；602_正常電壓狀況；603_低電壓(LV)條件；604_電流規(guī)格；605_參考轉(zhuǎn)矩；606_電流規(guī)格，610-發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器，611-制動斬波器[動力制動器，制動器]，612-電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器，613-發(fā)電機連接裝置，614-卸荷電阻，615-發(fā)電機側(cè)電流控制，616-轉(zhuǎn)矩控制器，617-整體控制器，618-偏航控制器，619-槳距控制器，620-電網(wǎng)側(cè)電流控制，621-DC鏈接電壓控制，622-DC比較器，630-LVRT保護，631-AC比較器，701-連接序列；702_斷開序列；703_初始條件步驟；704_連接電網(wǎng)側(cè)步驟；705_充電步驟；706_連接發(fā)電機側(cè)步驟；707_調(diào)整轉(zhuǎn)矩步驟；710_緩降轉(zhuǎn)矩步驟；711_斷開發(fā)電機側(cè)步驟；712-斷開電網(wǎng)側(cè)步驟；801-制動轉(zhuǎn)矩控制器；802_制動轉(zhuǎn)矩發(fā)布例程；803_制動轉(zhuǎn)矩檢測和確定例程；804_功率轉(zhuǎn)換器處理例程；805_第一電網(wǎng)狀態(tài)檢測和確定例程；806-第一輸送制動功率例 程；807_第一動力制動例程；810_卸荷例程；811_第二電網(wǎng)狀態(tài)檢測和決策例程；812_第二反饋制動電力例程；813_第二動態(tài)制動例程；900-LVRT狀態(tài)；901-快速增加槳距角例程；902_調(diào)整槳距角例程；910_根據(jù)電網(wǎng)編碼輸送電流；911_監(jiān)控發(fā)電機是否有過剩能量的例程；912使用制動斬波器例程。
具體實施例方式圖1示出整體的風力渦輪機100。風力渦輪機100具有塔架101，該塔架101設(shè)置為從基座102上升，且在塔架101上安裝有機艙103。風力渦輪機101具有轉(zhuǎn)子104，該轉(zhuǎn)子104具有至少一個葉片105，本實施例中，三個葉片105’，105”，105”’。轉(zhuǎn)子104包括安裝在輪轂106上的葉片105，使得轉(zhuǎn)子104可旋轉(zhuǎn)，且限定轉(zhuǎn)子圓圈107，該圓圈107的轉(zhuǎn)子半徑等于葉片長度108。每個葉片105具有安裝端109或用于在輪轂106處安裝葉片105的內(nèi)端部，以及相對的自由端110或外端部。每個葉片具有葉片重量111。將葉片重量111’，111”…的總和添加到轉(zhuǎn)子重量112。轉(zhuǎn)子103在旋轉(zhuǎn)平面113上繞軸線114旋轉(zhuǎn)，該軸線114在軸115中延伸(圖1中未示出)，軸115連接至發(fā)電機116 (圖1中未示出)。圖2示出參照圖1的超薄設(shè)計的雙葉片(105’，105”)風力渦輪機(100)。
圖3示出故障事件的實施例圖表，其中，電壓相對時間繪制。具有低電壓穿越(LVRT)事件301的實施例和高電壓穿越(HVRT)事件302的實施例。LVRT事件301和HVRT事件302分隔正常電壓事件303，該正常電壓事件303由距離正常電壓304—定的+/-百分比的電壓限定，正常電壓304用100%表示。初始時間Ttl是LVRT事件301或HVRT事件302開始的地方。結(jié)束時間Tl是兩個事件的末尾，本文示出的是針對LVRT事件301。當電壓在正常電壓范圍內(nèi)時，LVRT事件301結(jié)束。低電壓(LV)閾值305在本文是正常電壓304的15%，高電壓(HV)閾值306是正常電壓304的120%ο圖4示出雙葉片105風力渦輪機100具有質(zhì)量塊400，放置在離軸線114不同的距離或半徑民401上。這些質(zhì)量塊是不同的質(zhì)量塊400，并且是附加的質(zhì)量塊，從純空氣動力學和機械載荷的觀點來看，這些質(zhì)量塊不會在那里。這些質(zhì)量塊400的確在技術(shù)上有助于增加轉(zhuǎn)子104的轉(zhuǎn)動慣量403。本實施例中，第一質(zhì)量塊400’放置在第一半徑401’處。第二質(zhì)量塊400”放置在第二半徑401”處。第三質(zhì)量塊400”’放置在第三半徑401”’處。同樣地，更多的質(zhì)量塊400或子質(zhì)量塊400 ’可以放置在不同的半徑，且可放置在不同的間隔D402上，各自有助于增加轉(zhuǎn)子104的轉(zhuǎn)動慣量403?？梢岳斫獾氖?，在每個葉片105的特定位置，具有固定每個質(zhì)量塊400的裝置。進一步，設(shè)有用于調(diào)整每個質(zhì)量塊400重心的位置，從而調(diào)整半徑401的裝置，使得每個葉片105上的質(zhì)量塊400可被平衡，因此，轉(zhuǎn)子104擁有質(zhì)量塊400的重心，該重心投射在轉(zhuǎn)子104的轉(zhuǎn)動平面上，與軸線114相一致。進一步可以理 解的是，如果葉片105’，105”不同，且具有離軸的重心，那么質(zhì)量塊400可分布在葉片105’，105”上，以平衡或重新平衡，使得葉片105’，105”和質(zhì)量塊400’，400”，…的重心投射在轉(zhuǎn)動平面104上，與軸線114相一致。圖5示出根據(jù)本發(fā)明和圖4的具有質(zhì)量塊400的雙葉片部分變槳距風力渦輪機500。每個質(zhì)量塊400包括至少一個槳距系統(tǒng)501，但是可由附加的子質(zhì)量塊400’延伸，添加至質(zhì)量塊400。部分變槳距風力渦輪機500的葉片105包括朝向輪轂106的內(nèi)葉片段105a和朝向外端部110的外葉片段105b。內(nèi)葉片段105a和外葉片段105b由槳距系統(tǒng)501分開。本實施例示出的在雙葉片部分變槳距風力渦輪機500，每個葉片105’，105”具有由部分變槳距系統(tǒng)501’，501”劃分的內(nèi)葉片段105，a，105”a和外葉片段105，b，105，，b。每個外葉片段105b可通過槳距系統(tǒng)501相對于內(nèi)葉片段105a旋轉(zhuǎn)；即，以槳距角502俯仰。槳距角502可具有正常槳距角503，該正常槳距角503根據(jù)葉片105的實際控制和風力渦輪機100的控制而變化。由于該正常槳距角503是在正常運行模式504 (圖中未示出)或狀態(tài)運行變槳距風力渦輪機的結(jié)果。正常運行模式504是當風力渦輪機100運行或旋轉(zhuǎn)時，正常電壓事件303出現(xiàn)。同樣地，槳距角502可具有LVRT槳距角505，其是變化的，但主要是根據(jù)葉片105的實際控制和風力渦輪機100的控制的極端角度或固定角度。這種LVRT槳距角505是在LVRT運行模式506 (圖中未示出)或狀態(tài)運行變槳距風力渦輪機的結(jié)果。LVRT運行模式506或狀態(tài)是當風力渦輪機100運行或旋轉(zhuǎn)時，LVRT事件301出現(xiàn)。圖6示出連接風力渦輪機100結(jié)構(gòu)至電網(wǎng)600的部件圖表。電網(wǎng)600是耦合網(wǎng)絡(luò)，用于在電源和功率耗散器之間輸送能量，該功率耗散器是互相連接的，且每個通過電網(wǎng)連接裝置連接至電網(wǎng)。保持連接至電網(wǎng)的狀況由電網(wǎng)編碼600’限定。一個這種具有電網(wǎng)編碼600’的電網(wǎng)600是根據(jù)E.0N.公司2006年的電網(wǎng)編碼的標準技術(shù)手冊來設(shè)定(E.0N.Netz, Grid Code ；High and Extra High Voltage (2006) byE.0N.Netz GmH, Bayreuth.)在風力渦輪機100的發(fā)電機116和電網(wǎng)600之間具有電網(wǎng)連接裝置601。本實施例中，從發(fā)電機116朝向電網(wǎng)600 —側(cè),具有發(fā)電機連接裝置613,發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器610，制動斬波器611和電網(wǎng)側(cè)連接器601，該電網(wǎng)側(cè)連接器601經(jīng)由適當?shù)碾娎|，根據(jù)需要的AC或DC電纜，將風力渦輪機100的發(fā)電機116連接至電網(wǎng)600。本實施例中，發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器610是AC/DC轉(zhuǎn)換器，電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器612是DC/AC轉(zhuǎn)換器。在發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器610和電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器612之間，具有制動斬波器611或僅僅是制動器，動力制動器，在示出的實施例中包括卸荷電阻614,其可組合,如本文所示,與電容器和接觸器/開關(guān)組合。發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器610由電流控制器615控制，該電流控制器615具有來自發(fā)電機116和轉(zhuǎn)矩控制器616的輸出的輸入。轉(zhuǎn)矩控制器616由整體控制器617控制，該整體控制器617至少接收來自發(fā)電機116的輸入。整體控制器617進一步控制偏航控制器618和槳距控制器619。偏航控制器618控制風力渦輪機100以及槳距控制器619。電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器612由電網(wǎng)側(cè)電流控制器612控制，該電網(wǎng)側(cè)電流控制器612具有至少來自電網(wǎng)600和DC連接電壓控制器621的輸入，且再次接收來自DC比較器622的輸入。在一個實施例中，進一步具有LVRT保護器630，其通過AC比較器631接收來自電網(wǎng)600的輸入。圖7示出連接或啟用序列701，以及斷開或禁止序列702。連接序列701具有初始條件步驟703，其中，如果初始條件滿足，收集且比較確定數(shù)據(jù)。這之后是連接電網(wǎng)側(cè)步驟704，其中，電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器611連接至電網(wǎng)600。這之后是充電步驟705，期間，電容器612被充電。這之后是連接發(fā)電機側(cè)步驟706，期間，發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器連接至發(fā)風力渦輪機100的電機116。這之后是調(diào)整轉(zhuǎn)矩步驟707，期間，轉(zhuǎn)矩被調(diào)整。斷開序列702具有緩降轉(zhuǎn)矩步驟710。這之后是斷開發(fā)電機側(cè)步驟711，期間，發(fā)電機116被斷開。這之后是斷開電網(wǎng)側(cè)步驟712，期間，電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器611從電網(wǎng)600斷開。圖8示出處理制動轉(zhuǎn)矩、制動轉(zhuǎn)矩控制器801的原理流程圖。
其示出當動力制動器，如根據(jù)需要縮小尺寸的制動斬波器時，當風力渦輪機具有附加質(zhì)量塊，或與設(shè)計為具有低的或正常旋轉(zhuǎn)慣量的轉(zhuǎn)子的風力渦輪機相比，具有增加慣量的轉(zhuǎn)子時，動力制動器，如制動斬波器，是如何被控制的。制動轉(zhuǎn)矩流程圖801開始于制動轉(zhuǎn)矩發(fā)布例程802，該例程802處理初始化，且當制動轉(zhuǎn)矩指令發(fā)布時，控制狀態(tài)。這之后是制動轉(zhuǎn)矩檢測和確定例程803，該例程確定制動功率是否小于額定輸出功率。制動轉(zhuǎn)矩檢測和確定例程803中，在肯定回應(yīng)情況下，制動轉(zhuǎn)矩控制器801進入功率轉(zhuǎn)換器處理例程804。這些例程根本上促使功率轉(zhuǎn)換器處理制動功率，且促使卸荷電阻不使用。這之后是第一電網(wǎng)狀態(tài)檢測和確定例程805，該例程根本上檢測、接收和/或確定電網(wǎng)600的狀態(tài)。電網(wǎng)狀態(tài)檢測和確定例程805確定電網(wǎng)600是否可用以及電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器是
否正常。在電網(wǎng)狀態(tài)檢測和確定例程805是肯定回應(yīng)的情形下，制動轉(zhuǎn)矩控制器801進入第一輸送制動功率例程806。在否定回應(yīng)情形下，制動轉(zhuǎn)矩控制器801進入第一動力制動例程 807。第一制動功率例程806控制制動功率至電網(wǎng)600的輸送，且動力制動被禁止。第一動力制動例程807被禁止。制動轉(zhuǎn)矩檢測和確定例程803中，在否定回應(yīng)情形下，制動轉(zhuǎn)矩控制器801進入卸荷例程810。卸荷例程810進入的是，使用卸荷，且功率轉(zhuǎn)換器處理剩余的制動功率。這之后是第二電網(wǎng)狀態(tài)檢測和確定例程811，和下級的第二輸送制動功率例程812和第二動力制動例程813。一個實施例中，第一和第二電網(wǎng)狀態(tài)檢測和確定例程805，811是一致的。另一個實施例中，它們是不同的。對于第一和第二輸送制動功率例程806,812以及第一和第二動力制動例程807，813是同樣的。圖9示出處理現(xiàn)有技術(shù)中的LVRT以及處理根據(jù)本發(fā)明的LVRT的原理流程圖。A部分示出當檢測到LVRT狀態(tài)900時的現(xiàn)有技術(shù)的簡化原理圖。LVRT狀態(tài)900觸發(fā)用于整個風力渦輪機控制的動作以及用于轉(zhuǎn)換器的動作。用于整個風力渦輪機控制的動作包括啟動快速增加槳距角901的例程，之后的例程是，調(diào)整槳距角，使得轉(zhuǎn)子速度不超過額定速度902。用于轉(zhuǎn)換器的動作包括根據(jù)電網(wǎng)編碼910輸送電流至電網(wǎng)的例程，之后的例程是，監(jiān)控發(fā)電機911是否有過剩能量，該例程是使用制動斬波器912的例程，該制動斬波器912消耗卸荷電阻614中的能量。B部分示出根據(jù)本發(fā)明的簡化原理圖，且用于同A部分直接比較。用于風力渦輪機控制的例程901，902與A部分的現(xiàn)有技術(shù)中的例程一樣。同樣地，B部分包括根據(jù)電網(wǎng)編碼910輸送電流至電網(wǎng)的例程。區(qū)別特征是，對于例程911，912，即不需要監(jiān)控過剩能量911，也不需要使用制動斬波器912的例程。
實施例:為了示出公開的本發(fā)明的效果，比較三個3.6MW等級的風力渦輪機。三個風力渦輪機具有128米(葉片長度約64米)的轉(zhuǎn)子直徑。第一風力渦輪機是圖1所示的三葉片主動變槳距渦輪機。這種類型的風力渦輪機的葉片重量約11000kg。第二風力渦輪機是圖2所示的雙葉片主動變槳距渦輪機。這種類型的風力渦輪機的葉片重量約23000kg。第三風力渦輪機是圖5所示的雙葉片部分變槳距渦輪機。這是圖4公開的渦輪機的特定實施例。第三類型的風力渦輪機的葉片重量約23000kg，且約5000kg的槳距系統(tǒng)或變槳距軸承放置在距離軸約20米的半徑處。
權(quán)利要求
1.一種風力潤輪機(500),包括: -具有上端部和下端部的風力渦輪機塔架(101)，所述下端部設(shè)于風力渦輪機基座(102)上； -設(shè)于所述塔架(101)上端部的風力渦輪機機艙(103); -設(shè)于所述機艙(103)處的輪轂(106)； -至少兩個風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片(105)，每個轉(zhuǎn)子葉片具有安裝端(109)和自由端(110)，其中，所述安裝端(109)安裝在輪轂(106)上，用于繞軸線(114)在旋轉(zhuǎn)平面(113)上旋轉(zhuǎn)，所述軸線(114)沿著聯(lián)接至發(fā)電機(116 )或齒輪箱的軸(115 )延伸； -電網(wǎng)連接裝置(601)，用于將產(chǎn)生的電從所述發(fā)電機輸送至電網(wǎng)(600)，所述電網(wǎng)連接裝置(601)具有電壓檢測裝置(630，631)，用于檢測電網(wǎng)(600 )上電壓的變化； -至少兩個質(zhì)量塊(400)，每個質(zhì)量塊位于至少兩個轉(zhuǎn)子葉片(105’，105”)的安裝端(109)和自由端(110)之間，其特征在于，所述風力渦輪機包括至少兩個風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片(105)，每個轉(zhuǎn)子葉片在所述安裝端(109)和自由端(110)之間具有葉片重量(111)和至少35米的葉片長度(108)，其中，每個質(zhì)量塊(400)是每個轉(zhuǎn)子葉片(105)的葉片重量(111)的10% 至 40%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力渦輪機，其特征在于，所述質(zhì)量塊(400)放置為，投影至旋轉(zhuǎn)平面(113)的重心與軸線(114) 一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的風`力渦輪機，其特征在于，每個葉片(105)設(shè)置為接收不同的質(zhì)量塊(400)，使得轉(zhuǎn)子(104)的轉(zhuǎn)動慣量(403)可以變化且匹配，以處理根據(jù)不同電網(wǎng)編碼(600’)的低電壓(LV)事件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一權(quán)利要求所述的風力渦輪機，其特征在于，每個質(zhì)量塊(400)的徑向長度不超過每個轉(zhuǎn)子(104)葉片(105)的葉片長度(108)的10%，優(yōu)選地，不超過5% ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述的風力渦輪機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子葉片(105)具有由槳距系統(tǒng)(501)分隔開的內(nèi)葉片段(105a)和外葉片段(105b)，所述槳距系統(tǒng)(501)位于所述安裝端(109)和自由端(110)之間，且設(shè)置為相對于所述內(nèi)葉片段(105a)俯仰所述外葉片段(105b)，所述槳距系統(tǒng)(501)的重量不超過質(zhì)量塊(400)的重量，所述槳距系統(tǒng)(501)的徑向長度不超過質(zhì)量塊(400)的徑向長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風力渦輪機，其特征在于，進一步對于槳距系統(tǒng)(501);至少一個附加的子質(zhì)量塊(400’ )放置在葉片(105)上，以構(gòu)成總質(zhì)量塊(400)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求所述的風力渦輪機，其特征在于，風力渦輪機(100)進一步包括動力制動器，例如電動制動斬波器(611)。
8.一種用于控制根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一權(quán)利要求所述的風力渦輪機(500)的方法，所述風力渦輪機(500)具有用于在槳距角(502)俯仰葉片(105)的槳距系統(tǒng)(501)和具有用于增加慣量的附加質(zhì)量塊(400)的葉片，所述風力渦輪機(500)在正常運行模式(504)運行，該正常模式(504)中，發(fā)電機(116)在發(fā)電機轉(zhuǎn)矩處具有發(fā)電機速度，且風力渦輪機(100)在低電壓條件(603，900)下保持電聯(lián)接至電網(wǎng)(600)且具有輸送電流規(guī)格(604)、參考轉(zhuǎn)矩(605)、參考功率或依據(jù)電網(wǎng)編碼(600’)；其特征在于，所述方法包括以下步驟: -用電壓檢測裝置(631，630)檢測低電壓條件(603，900)，所述電壓檢測裝置(631，630)在檢測到低電壓條件(603 )后，發(fā)出請求用于: -風力渦輪機控制器(617)中的轉(zhuǎn)子降額程序(900);所述降額程序(900)包括: -LVRT俯仰轉(zhuǎn)子葉片(105，，105”)至LVRT槳距角(505)； -用電壓檢測裝置(631，630 )檢測正常電壓條件(602 )，該正常電壓條件(602 )在正常電壓條件(304)的電壓范圍(305，306 )內(nèi)；所述電壓檢測裝置(631，630 )在檢測到正常電壓條件(602)后發(fā)出請求用于: -風力渦輪機(100，500)的正常運行模式(602);該正常運行模式(602)具有初始相位，其中: -發(fā)電機轉(zhuǎn)矩或功率增加至期望的參考轉(zhuǎn)矩(605)或參考功率，和 -從LVRT槳距角(505)俯仰轉(zhuǎn)子葉片(105’，105”)至正常或自由控制的槳距角(503，504)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制風力渦輪機(500)的方法，其特征在于，對LVRT槳距角(505)的轉(zhuǎn)子葉片(105，，105”)的LVRT俯仰以2-10度/秒的速度進行，優(yōu)選地，以5度/秒的速度進行；在初始期，所述發(fā)電機速度會增加約10%-20%，最大增至30% ;之后，發(fā)電機速度開始減小。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的控制風力渦輪機(500)的方法，其特征在于，所述發(fā)電機(116)中的有功和無功電流的輸送控制，根據(jù)來自電網(wǎng)編碼(600’)的輸送電流規(guī)格或參考轉(zhuǎn)矩(605)來調(diào)節(jié)。
11.據(jù)權(quán)利 要求8-10中任一權(quán)利要求所述的控制風力渦輪機(500)的方法，其特征在于，當所述正常電壓 條件(602)在正常電壓條件(304)的電壓范圍內(nèi)時，用電壓檢測裝置(631，630)檢測正常電壓條件(602)。
12.據(jù)權(quán)利要求8-11中任一權(quán)利要求所述的控制風力渦輪機(500)的方法，其特征在于，電壓檢測裝置(631，630)在檢測正常電壓條件(304)后，發(fā)送請求，用于將轉(zhuǎn)子葉片(105’，105”)從LVRT槳距角(505)俯仰至正?；蜃杂煽刂频臉嘟?503，504)，優(yōu)選地，以小于5度/秒的俯仰速度。
全文摘要
本發(fā)明是具有附加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的風力渦輪機及其控制方法。其涉及一種風力渦輪機，該風力渦輪機具有附加的質(zhì)量塊，每個質(zhì)量塊放置在至少兩個轉(zhuǎn)子葉片的安裝端和自由端之間。本發(fā)明進一步涉及一種控制風力渦輪機的方法，該風力渦輪機具有槳距系統(tǒng)和葉片，槳距系統(tǒng)用于在槳距角俯仰葉片，該葉片帶有用于增加慣量的質(zhì)量塊，該風力渦輪機在正常運行模式下運行，該正常運行模式中，發(fā)電機在發(fā)電機轉(zhuǎn)矩處具有發(fā)電機速度，且該風力渦輪機在低電壓條件下保持電聯(lián)接至電網(wǎng)，且具有輸送電流規(guī)格、參考轉(zhuǎn)矩、參考功率或依據(jù)電網(wǎng)編碼。
文檔編號F03D1/06GK103104415SQ20121043728
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者延斯·比爾克 申請人:遠景能源(江蘇)有限公司