專利名稱：帶有液壓傳動裝置的風(fēng)力發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有液壓傳動裝置的風(fēng)力發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)，該液壓傳動裝置位于傳動系中，而該傳動系介于風(fēng)力轉(zhuǎn)子(風(fēng)力機)和與具有固定頻率的電網(wǎng)相連接的發(fā)電機之間。
背景技術(shù)：
如果首先從功率輸入側(cè)考慮風(fēng)力發(fā)電裝置的特殊系統(tǒng)特性，那么，除了氣流的動力勢通常隨時間產(chǎn)生強烈波動以外，它的另一特性是將氣流的機械功率轉(zhuǎn)化為風(fēng)力轉(zhuǎn)子的機械功率。關(guān)于這一點，可以將驅(qū)動氣流的每一氣流速度與風(fēng)力轉(zhuǎn)子的最佳轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩比相聯(lián)系，而該最佳比值從其自身來說又取決于風(fēng)力轉(zhuǎn)子的幾何形狀和結(jié)構(gòu)。風(fēng)力轉(zhuǎn)子的最佳轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化的變化曲線稱為拋物線。在本申請中，按照所述拋物線進行變化的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速用術(shù)語“效率最優(yōu)轉(zhuǎn)速”表述。
利用發(fā)電機將風(fēng)力發(fā)電裝置的機械功率轉(zhuǎn)換為電功率產(chǎn)生了對風(fēng)力發(fā)電裝置的進一步的要求，這是因為將發(fā)電機連接到電網(wǎng)同樣要求保持恒定的系統(tǒng)頻率。
當將發(fā)電機連接到電網(wǎng)時，第一種解決方案是使風(fēng)力發(fā)電裝置的整個傳動系具有固定的轉(zhuǎn)速，并且使風(fēng)力轉(zhuǎn)子也具有固定的轉(zhuǎn)速。這種固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)力發(fā)電裝置通過使用基于轉(zhuǎn)差原理的異步發(fā)電機，可以很容易地連接到電網(wǎng)上。傳動系上的恒定轉(zhuǎn)速通過傳動裝置傳輸?shù)斤L(fēng)力轉(zhuǎn)子上，致使風(fēng)力轉(zhuǎn)子達不到在各種風(fēng)速情況下的最佳性能。
固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)力發(fā)電裝置的一個尤其不利的方面在于，當它處于通常風(fēng)況下，經(jīng)常發(fā)生其只能以部分負荷下的較低的效率運行。
如果風(fēng)力發(fā)電裝置在通常情況和特殊情況下，在部分負荷范圍中都以可變的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速運行，那么就可以使傳動系具有可變或恒定的初始轉(zhuǎn)速，從而可以獲得可變的發(fā)電機轉(zhuǎn)速或恒定的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。在這兩種情形下，由于轉(zhuǎn)矩隨時間變化，因此輸出功率也隨時間變化。
在第一種情況下，風(fēng)力發(fā)電裝置采用變頻器，它以所需頻率使發(fā)電機勵磁，或者向已有系統(tǒng)頻率的差值提供補償，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速可變的發(fā)電機。這種方法偏離了此處想要解決的問題，并帶來以下的特殊問題，如開環(huán)和閉環(huán)控制電路的復(fù)雜化、采用了變頻器的風(fēng)力轉(zhuǎn)子形成的拋物線特性很差、通過變頻器很難定義發(fā)電機的特性曲線、在惡劣環(huán)境限制下的運行可靠性變差、需要很大努力實現(xiàn)的驅(qū)動電網(wǎng)饋電質(zhì)量，如小幅的諧振負載以及無功功率的產(chǎn)生。
第二種方法，也就是說不采用變頻器而將風(fēng)力發(fā)電裝置的可變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和恒定的發(fā)電機轉(zhuǎn)速聯(lián)系起來，這種方法與本文所表述的主題，即與具有可變輸入轉(zhuǎn)速和恒定輸出轉(zhuǎn)速的風(fēng)力發(fā)電裝置相一致。該問題的已知的解決方法是在傳動系中疊加傳動裝置，用于將機械功率分支傳送。在轉(zhuǎn)速可變的風(fēng)力發(fā)電裝置方面，只有兩種基于這一點的方法已經(jīng)公開，其被用來使發(fā)電機頻率保持恒定。
在第一種系統(tǒng)中，通過疊加的傳動裝置將輸入功率分配到大發(fā)電機和小伺服電動機上，通常大約30％的輸入功率傳輸?shù)剿欧妱訖C上。發(fā)電機以固定頻率與電網(wǎng)相連接，而伺服電動機通過變頻器和電網(wǎng)相連，或者通過與發(fā)電機機械連接的輔助發(fā)電機供電。為了穩(wěn)定發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，伺服電動機可作為電動機或作為發(fā)電機以不同的頻率運行。在這種系統(tǒng)中，存在與上述帶有頻率控制發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電裝置同樣的問題。
在以液壓方式工作的第二種系統(tǒng)中，未采用伺服電動機，而是采用了液壓電動機和泵。該系統(tǒng)同樣具有難以控制的特性這樣的問題，尤其是響應(yīng)動作遲緩、相應(yīng)的空轉(zhuǎn)時間和強烈的非線性。此外，該液壓系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也是一個缺點。
除了上述對風(fēng)力發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)的要求以外(這些要求是由于轉(zhuǎn)速的效率最優(yōu)控制以及與電網(wǎng)相連的發(fā)電機的使用而產(chǎn)生)，對控制系統(tǒng)還有進一步的要求，這是由于風(fēng)力發(fā)電機的不同工作范圍和不同工作狀態(tài)所引起。在本申請中，術(shù)語“工作范圍”取決于風(fēng)力發(fā)電裝置的可用風(fēng)力和容量利用程度。下文以示例的方式區(qū)分了相鄰的三個不同的工作范圍。它們從低風(fēng)速到高風(fēng)速進行區(qū)分指定，稱為部分負荷范圍或者說拋物線負荷、降低噪聲的轉(zhuǎn)速控制范圍、和性能限定的滿負荷范圍。風(fēng)力發(fā)電裝置的不同工作狀態(tài)必須根據(jù)這個進行區(qū)分。例如，起動階段、同步階段、風(fēng)力發(fā)電機的停止階段或制動階段、直到靜止階段。其他的工作狀態(tài)可根據(jù)電網(wǎng)連接的要求而產(chǎn)生。涉及到卸載、短路、無功功率要求或者功率減少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種用于風(fēng)力發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)，使得具有恒定轉(zhuǎn)速并與電網(wǎng)連接的發(fā)電機能夠在風(fēng)力轉(zhuǎn)子(風(fēng)力機)滿足最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制的同時，能夠在部分負荷范圍情況下工作。同時，還提供了一種控制系統(tǒng)，其還適合于限制噪音的減速調(diào)節(jié)和全負荷工作的減速調(diào)節(jié)。此外，這種控制系統(tǒng)應(yīng)適合于針對在風(fēng)力發(fā)電裝置運行過程中的所有工作范圍和狀態(tài)進行調(diào)節(jié)。
為了實現(xiàn)這些目的，發(fā)明人已經(jīng)認識到，適合于風(fēng)力發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)必須由至少三個控制級構(gòu)成。
第一控制級由風(fēng)力轉(zhuǎn)子和與電網(wǎng)連接的發(fā)電機組成，根據(jù)本發(fā)明，它們通過傳動系相連接。傳動系指的是功率分流傳動裝置和液壓變速器的結(jié)合。該第一控制級具有這樣的性能，它可以通過效率最優(yōu)方式來控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，并且同時確保恒定的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。這可以通過根據(jù)一個可能的實施例的下述傳動系的結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)功率分流傳動裝置的輸入軸至少間接地與風(fēng)力發(fā)電裝置的風(fēng)力轉(zhuǎn)子相連接。風(fēng)力轉(zhuǎn)子和功率分流傳動裝置輸入端之間可行的中間構(gòu)件可以是變速齒輪，也可以是剛性聯(lián)接器。
功率分流傳動裝置可以設(shè)計為具有可變傳動比的行星輪，在該傳動裝置中形成有兩個功率分支。在傳動系的輸出軸至少間接地與發(fā)電機相連的情況下，該輸出軸在第一功率分支中利用由風(fēng)力轉(zhuǎn)子提供的機械功率進行驅(qū)動。此時需要使發(fā)電機驅(qū)動裝置的輸出軸以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。為此，液壓轉(zhuǎn)換器的泵輪至少間接地由傳動系的輸出軸驅(qū)動，其中在輸出軸和泵輪之間存在直接連接。這要求輸出軸在功率分流傳動裝置進行變速，以具有遠高于輸入軸的轉(zhuǎn)速。發(fā)電機的通常轉(zhuǎn)速例如是1500rpm。利用輸出軸的高轉(zhuǎn)速，可以使液壓變速器獲得有效的運行。
隨著液壓變速器作用部件(響應(yīng)部件)位置的不同(該作用部件通常為帶有導(dǎo)流葉片的導(dǎo)輪)，存在一個特定的泵吸收功率和與此相關(guān)聯(lián)的傳輸?shù)揭簤鹤兯倨鳒u輪的功率值。這一點導(dǎo)致了這樣的結(jié)果，即由于從氣流的功率轉(zhuǎn)換到風(fēng)力轉(zhuǎn)子的動能的系統(tǒng)內(nèi)在特性以及由于變速器的系統(tǒng)特性，功率分流傳動裝置和液壓變速器的作用部件的變速比以這種方式進行設(shè)定，使得在通常情況和特殊情況下，在風(fēng)力發(fā)電裝置的部分負荷范圍中，利用與疊加傳動裝置相連接的液壓變速器的系統(tǒng)固有控制作用，在傳動系的輸入軸上可以達到最佳的風(fēng)力轉(zhuǎn)子的輸入轉(zhuǎn)速，同時可在傳動系的輸出軸上施加恒定的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。這產(chǎn)生的結(jié)果是，風(fēng)力轉(zhuǎn)子和例如渦輪機的變速器具有相同的轉(zhuǎn)速/功率和轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩的特性，并且由于它們一致的系統(tǒng)特性而需要相同的特性進行控制。
帶有功率分流傳動裝置和與輸出軸分接并將功率回饋到功率分流傳動裝置上的液壓變速器的傳動系通過調(diào)節(jié)機械傳動部件而設(shè)計，使得通過傳動系使風(fēng)力轉(zhuǎn)子具有接近拋物線曲線的最佳吸收特性。對于這種經(jīng)過調(diào)整的傳動系，通過對液壓轉(zhuǎn)換器的作用部件的位置的基本相同的設(shè)定，可獲得變化的功率輸入、沿功率輸入的最佳轉(zhuǎn)速對風(fēng)力轉(zhuǎn)子進行的控制、以及恒定的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。這個結(jié)果僅僅產(chǎn)生了取決于設(shè)計的傳動系的輸出轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，該結(jié)果可以這種方式說明，即使得功率回饋到分流傳動裝置的液壓變速器同樣具有拋物線特性。因此，不存在實際意義上的對于第一控制級的理想值/實際值的控制。實際上僅存在對液壓變速器的作用部件的控制，或者說是將它的位置設(shè)定為基本恒定的值，該恒定值與沿拋物線對風(fēng)力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的控制導(dǎo)引相關(guān)聯(lián)。因此，在本申請中，對于第一控制級使用了“自動調(diào)節(jié)”這個術(shù)語。
根據(jù)本發(fā)明的第二控制級包括用于控制轉(zhuǎn)子葉片位置的控制器、用于控制液壓變速器的作用部件的位置的控制器、和用于控制發(fā)電機的功率的控制器。所述第二控制級的控制器實際上是環(huán)路控制器，因為它們執(zhí)行的是額定值和實際值的比較，并發(fā)送啟動信號。根據(jù)本發(fā)明，第二控制級的控制器對于所有的工作范圍或工作狀態(tài)并不是同時啟動，且不具有相同的權(quán)重。在各個工作狀態(tài)或者工作范圍之間過渡時，進一步優(yōu)選的是在控制器權(quán)重中也存在一個漸變的過渡過程。
根據(jù)本發(fā)明的第三控制級的任務(wù)是根據(jù)不同的工作范圍和工作狀態(tài)來控制第二控制級的控制器的選擇，從而確定它們的權(quán)重或者相應(yīng)的漸變過渡過程。此外，通過第三控制級，可以設(shè)計額定值、工作點以及優(yōu)選地還有第二控制級的控制器設(shè)定。


以下，結(jié)合附圖更詳細地說明根據(jù)本發(fā)明的方法，在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的帶有液壓傳動裝置的風(fēng)力發(fā)電裝置的三個控制級；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的在從動側(cè)具有變速器的轉(zhuǎn)矩分流的風(fēng)力發(fā)電裝置的第一控制級的示意圖；圖3示出了在風(fēng)力發(fā)電裝置的最佳點時的有效功率曲線的示意圖；圖4示出了第一控制級的機械液壓傳動系的各個分支的功率通量和轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速的關(guān)系；圖5示出了機械液壓傳動系的作用部件的功率通量和位置與風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速的關(guān)系；圖6示出了風(fēng)力發(fā)電裝置的不同的工作范圍；圖7示出了風(fēng)力發(fā)電裝置的不同的工作狀態(tài)；以及圖8示出了用于設(shè)定風(fēng)力轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的液壓變速器的作用部件(響應(yīng)裝置)的控制實施例。
具體實施例方式
風(fēng)力發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)子功率PR與風(fēng)速vw的近似關(guān)系如以下公式所示PR＝kcp(vw，ωR，β)vw3此處，k概括了各種常量，例如葉片的幾何形狀和空氣密度。另外，cp表示功率系數(shù)，如公式所示，它取決于風(fēng)速vw、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωR、以及轉(zhuǎn)子葉片的角位置(漿距角)即所謂的傾斜角β。該功率系數(shù)的特點為它是一個全局最大值，該最大值在風(fēng)速vw增加時，可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωR達到更大。
圖3通過考慮不同風(fēng)速示出了滿足這種關(guān)系的風(fēng)力轉(zhuǎn)子的有效功率。圖中示出了一組曲線(實線)，其示例性地示出了在恒定的轉(zhuǎn)子葉片傾斜角時，直徑為70m的風(fēng)力轉(zhuǎn)子在風(fēng)速為18m/s、16m/s、14m/s、12m/s、10m/s、8m/s時從氣流中獲取的功率。其特征是隨著風(fēng)速的增加，最佳轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也移動到較高值。相應(yīng)的功率最大值也落在一條曲線上，該曲線同樣稱為拋物線。沿所述最佳功率輸入曲線的轉(zhuǎn)速控制在下文中稱為針對根據(jù)本發(fā)明的傳動系的輸入軸的效率最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制。因此，轉(zhuǎn)速可變裝置可根據(jù)可用風(fēng)速以最佳功率系數(shù)運行。此外，除了部分負荷時以可變轉(zhuǎn)速運行以外，風(fēng)力發(fā)電裝置通常設(shè)計為一定的額定輸出功率以及額定轉(zhuǎn)速運行，它們在滿負荷時實現(xiàn)并保持。
在以虛線示出的一組曲線的基礎(chǔ)上，圖3中示出了風(fēng)力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩曲線。所示出的轉(zhuǎn)矩曲線與取決于風(fēng)速的相應(yīng)功率相關(guān)聯(lián)，也就是說，轉(zhuǎn)矩值與每一個效率最優(yōu)轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，該轉(zhuǎn)矩值不等于相應(yīng)風(fēng)速時的最大轉(zhuǎn)矩值，而是呈現(xiàn)出另一個值，參見圖2中粗體印刷的轉(zhuǎn)矩輸入曲線。利用這個由風(fēng)力轉(zhuǎn)子獲取的轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機通過根據(jù)本發(fā)明的傳動系驅(qū)動。從圖3中示出的同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速比可以看出，當將50Hz的電網(wǎng)頻率施加到傳動系的輸出軸上時，對于不同的傳輸轉(zhuǎn)矩，可以在輸出側(cè)預(yù)先確定并且保持恒定的轉(zhuǎn)速，本例中為1500rpm。
如果不利用同步發(fā)電機，而應(yīng)用異步電動機，此時情況基本相同，這是因為，在線性范圍運行時，可以采用一個大的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速比，使得傳動系的輸出軸的轉(zhuǎn)速具有基本恒定的值。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第一控制級的可行的實施例，包括傳動系1，其輸入軸2與風(fēng)力發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)子3至少間接地連接。在本實例中，在風(fēng)力發(fā)電裝置轉(zhuǎn)子3和輸入軸2之間設(shè)置了具有恒定傳動比的傳動裝置4。在此處示出的實施例中，應(yīng)用行星輪作為傳動系1的功率分流傳動裝置5，同時輸入軸2與行星架6相連接。在功率分流傳動裝置5中存在兩個功率分支；第一功率分支7將通過恒星輪9的功率引導(dǎo)至傳動系的輸出軸10。所述輸出軸10至少間接驅(qū)動發(fā)電機11，并與液壓變速器12進行作用連接。為此，輸出軸10至少間接地與液壓變速器12的泵輪13相連接。帶有調(diào)節(jié)葉片的導(dǎo)輪被用作液壓變速器12中的作用部件(響應(yīng)部件)15，利用它可以設(shè)定渦輪14上的功率通量。存在有通過渦輪14的功率反饋，該功率反饋通過第二剛性行星輪系16引導(dǎo)，且作用于功率分流傳動裝置5的外齒輪17，并影響傳動比。這里指的是用作功率反饋的功率分流傳動裝置的第二功率分支18。
根據(jù)本發(fā)明的第一控制級從結(jié)構(gòu)觀點出發(fā)這樣進行設(shè)計，使得通過選擇功率分流傳動裝置中的機械傳動裝置和通過選擇變速器的尺寸，由風(fēng)力轉(zhuǎn)子3輸入的最佳功率的拋物線特性可得以反映。出發(fā)點是對于每一個風(fēng)速，都可以指定一個針對從氣流中輸入的最大功率的理想轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。關(guān)于這一點，可參考前面結(jié)合圖3的討論。另外一個前提條件是同時給出發(fā)電機的傳動系的恒定輸出轉(zhuǎn)速。在本實例中是1500rpm。在考慮上述前提條件的情況下，對于部分負荷范圍中的每一個風(fēng)速，都能確定功率分支傳輸裝置的傳輸件(即外齒輪和恒星輪)的所必須的旋轉(zhuǎn)速度。必須注意的是，傳動系必須針對液壓變速器12的作用部件15基本不變的保持位置，反映出功率輸入的拋物線特性。
圖4示出了傳動系上存在的轉(zhuǎn)速和在每個分支中傳輸?shù)墓β?。具體來說，曲線A示出了輸出軸10的轉(zhuǎn)速，曲線B示出了液壓變速器12的渦輪14的轉(zhuǎn)速，曲線C示出了輸入軸2的轉(zhuǎn)速，以及，曲線D示出了功率分流傳動裝置5的外齒輪17的轉(zhuǎn)速。對于功率通量，曲線E示出了風(fēng)力轉(zhuǎn)子獲取的功率，曲線F示出了恒星輪9的功率，曲線G示出了傳動系傳輸?shù)墓β?，以及，曲線H示出了從液壓變速器12經(jīng)由第二功率分支18流回到功率分流傳動裝置5中的功率。
圖5再次示出了本實施例的功率通量以及液壓變速器的作用部件的調(diào)節(jié)，本實例中該作用部件為導(dǎo)輪。功率通量曲線E、F、G、和H對應(yīng)于圖4中的各個曲線。很明顯，在沿著可由傳動系的特性再現(xiàn)的拋物線上的最佳功率輸入的情況下，可以在示出的整個部分載荷范圍中，利用基本相同的剩余導(dǎo)葉位置進行調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)以下稱為液壓變速器的調(diào)整設(shè)定。不需要對作用部件進行控制，從而在最佳風(fēng)力轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的同時，使用于負荷發(fā)電機的傳動系的輸出轉(zhuǎn)速恒定不變。由于作為功率輸入的特征的拋物線陡度能夠通過設(shè)計功率分流傳動裝置的部件的傳遞變速裝置的尺寸以及變速器的尺寸來進行調(diào)節(jié)，因此可據(jù)此進行參考。根據(jù)本發(fā)明的傳動系的特性以下稱為自動調(diào)節(jié)。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置的控制級的分級結(jié)構(gòu)。第一控制級是帶有轉(zhuǎn)子和發(fā)電機的、如上所述的自動調(diào)節(jié)的傳動系。第二控制級疊加到第一控制級上，該第二控制級包括用于控制轉(zhuǎn)子葉片角度的控制器、用于控制液壓變速器的作用部件的位置的控制器、以及用于控制發(fā)電機的功率電子的控制器。在該第二控制級中，每一個所提及的控制器均進行額定值和實際值的比較，在比較的基礎(chǔ)上發(fā)出相應(yīng)的啟動信號。
實踐顯示，不是每一個第二控制級的控制器對于所有的工作范圍或者工作狀態(tài)都進行啟動。對控制級啟動和控制器加權(quán)的控制以及在各個控制器之間的逐漸轉(zhuǎn)換通過第三控制級進行。其不僅可以根據(jù)工作狀態(tài)或者工作范圍選出要控制的變量，而且對于同一個變量例如轉(zhuǎn)子葉片角度可以使用不同的控制器或者不同的控制器設(shè)置。這使得可以針對各種特殊情形來調(diào)整控制特性、控制速度、以及控制質(zhì)量。此外，可通過作為上級控制級的第三控制級實現(xiàn)對控制器的額定值和選定的工作點進行設(shè)定。
參照圖6說明了針對不同工作范圍對控制級2的不同控制器進行的選擇。圖中示出了由風(fēng)力轉(zhuǎn)子根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速而獲取的轉(zhuǎn)矩。圖中還示出了一組曲線，其示出了在液壓變速器的作用部件的不同位置(H)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速比。
I表示的工作范圍示出了部分負荷范圍或者拋物線負荷工作范圍。在該部分負荷范圍中，僅應(yīng)用了第一控制級的自動調(diào)節(jié)，也就是說，第二控制級的控制器都沒有啟動。因此，在第一控制級中這樣控制作用部件，即將其設(shè)定為一個最佳的恒定值，使得按照風(fēng)力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以效率最佳方式對風(fēng)力轉(zhuǎn)子進行控制，并從氣流中獲取最大功率。
為了監(jiān)控在部分負荷范圍或者說拋物線負荷范圍中的風(fēng)力轉(zhuǎn)子以最佳效率運行，第三控制級上設(shè)置了傳感器和相應(yīng)的傳感器處理。為此，優(yōu)選要求監(jiān)控平均風(fēng)速、風(fēng)力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速。此外還可以監(jiān)控傳動系和發(fā)電機的其他工作參數(shù)，并可以基于模型來評估這些參數(shù)。在獲得當前工作范圍或目前工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，能夠通過第三控制級將默認值發(fā)送給風(fēng)力發(fā)電裝置的第二控制級和第一控制級。信號評估裝置可由本領(lǐng)域技術(shù)人員自行處理，例如可以設(shè)計為一種總線系統(tǒng)。
當在部分負載范圍或者說拋物線負載工作范圍中的正常工作狀況下，通過第三控制級確定第一控制級是否使用的是液壓變速器的作用部件的最佳位置，使得沿拋物線進行自動調(diào)節(jié)。如前所述，作用部件的最佳位置是系統(tǒng)固有的變量。然而，也可能出現(xiàn)這樣的情形，即風(fēng)力發(fā)電裝置的設(shè)計結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)在平均風(fēng)速、轉(zhuǎn)子葉片的幾何尺寸、以及基于此的液壓傳動系的尺寸等方面稍稍偏離了實際的工作條件。在這種情況下，可以通過第三控制級檢測到第一控制級相對于效率最佳指導(dǎo)的偏離，在此基礎(chǔ)上需要進行相應(yīng)的調(diào)整。因此，第三控制級將模仿第一控制級中對液壓變速器的作用部件的設(shè)定進行的調(diào)整，如果需要的話，可在第二控制級中啟動用于控制轉(zhuǎn)子葉片的角位置(漿距角)的控制器。通常將離開轉(zhuǎn)子葉片的完全作用位置的小偏離作為實際值，同時，第二控制級的用于控制轉(zhuǎn)子葉片位置的控制器僅支持第一控制級的自動調(diào)節(jié)效應(yīng)。第二控制級的控制器的這種下級性同樣優(yōu)選在對控制參數(shù)的設(shè)置如在控制時間常數(shù)中反映出來，其由第三控制級在正常工作情形下的部分負荷工作范圍中進行設(shè)定。
如果達到某一轉(zhuǎn)速閾值之上，在根據(jù)圖6的實施例中該閾值等于大約15.5min-1，則離開部分負荷范圍，而進入降低轉(zhuǎn)速以限制噪音的工作范圍。在由II表示的工作范圍中，對于液壓變速器的作用部件的常數(shù)值的控制或者設(shè)定由反饋控制取代。該反饋控制這樣選擇作用部件的工作點，它使得轉(zhuǎn)速在最簡單情形下保持為常數(shù)，并且通常沿著隨風(fēng)力轉(zhuǎn)子獲取的轉(zhuǎn)矩進行變化的曲線發(fā)生變化。根據(jù)風(fēng)力轉(zhuǎn)子預(yù)定的額定轉(zhuǎn)速，對作用部件進行重新調(diào)節(jié)，使得由于返回到第二功率分支上的功率反饋，傳輸比在功率傳輸傳動裝置中發(fā)生改變，并且由于發(fā)電機所施加的轉(zhuǎn)速的恒定性，在功率分流傳動裝置的第一功率分支中達到某一額定轉(zhuǎn)速。通過對控制器特性的相應(yīng)設(shè)定，可以使控制器根據(jù)平均風(fēng)速的改變和由陣風(fēng)產(chǎn)生的短期變化對工作點重新進行調(diào)整，其中，短期變化可導(dǎo)致轉(zhuǎn)速在該受控工作點周圍發(fā)生變化。為此，使用了第一控制級的自動調(diào)節(jié)特性，由于陣風(fēng)產(chǎn)生的沖擊在短時間能量存儲期間得以減弱，并且風(fēng)功率的短時增加被用來增加由傳動系傳輸?shù)挠行Чβ省?br> 根據(jù)本發(fā)明，由第三控制級執(zhí)行對第二控制級的控制器的選擇、啟動和加權(quán)，而這些選擇、啟動和加權(quán)用于限制噪音的工作范圍II。因此，系統(tǒng)和環(huán)境測量值，特別是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機輸出功率和平均風(fēng)速將在第三控制級中進行處理，并確定當前的工作范圍和工作狀態(tài)，以及，在所確定的工作范圍和工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，設(shè)定第一和第二控制級的設(shè)置、工作點和工作范圍。
圖6還示出了風(fēng)力發(fā)電裝置向滿負荷工作范圍的轉(zhuǎn)換，用參考標記III表示。此時，風(fēng)力發(fā)電裝置的功率輸入必須保持恒定。這通過將第二控制級的控制器接入到液壓變速器的作用部件的仍在使用的控制器來實現(xiàn)。此時是指控制風(fēng)力轉(zhuǎn)子的葉片角度的控制器，即所謂的傾斜角控制器。對第二控制級的控制器的相應(yīng)選擇由根據(jù)本發(fā)明的第三控制級來進行。
工作范圍“用于降低噪音的轉(zhuǎn)速控制范圍”在圖6中用數(shù)字II表示，可以根據(jù)風(fēng)力發(fā)電裝置的安裝位置采用不同的值，或者對于近海岸區(qū)域甚至可以忽略該工作范圍，從而使得部分負荷范圍或者說拋物線負荷工作范圍I直接過渡到限制功率的滿負載范圍III。
在風(fēng)力發(fā)電裝置不同的工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，即起動階段、終止階段、同步階段，還存在有風(fēng)力發(fā)電裝置的控制系統(tǒng)需要作出響應(yīng)的其他要求。即使在與系統(tǒng)相連的電網(wǎng)有關(guān)的事件或者要求的情況下，此處是指短路、功率減少或者無功率要求，也能夠通過第三控制級來選擇控制器。優(yōu)選的是，當存在電網(wǎng)要求時，通過第三控制級來啟動用于第二控制級的發(fā)電機的功率控制器。
不同的控制器啟動的其他例子在圖7a到7f中示出。此處示出的是風(fēng)力發(fā)電裝置的起動和停止階段。在風(fēng)力發(fā)電裝置起動時，對葉片的角位置這樣進行調(diào)節(jié)，使得從流動的風(fēng)中只取得最大功率的一部分。該功率足夠使風(fēng)力發(fā)電裝置加速達到一個理想轉(zhuǎn)速。可以對用于控制風(fēng)力轉(zhuǎn)子的葉片角位置的控制器進行控制，即對所謂的傾斜角控制器進行控制，使得裝置達到發(fā)電機的轉(zhuǎn)速范圍。然后控制第一控制級的液壓變速器的作用部件，使得實際的發(fā)電機轉(zhuǎn)速在小的磁極偏差時與額定轉(zhuǎn)速相一致。該額定轉(zhuǎn)速(具有小的磁極偏差的發(fā)電機轉(zhuǎn)速)是系統(tǒng)固有值，因此可以預(yù)先給定。同樣地，還可以通過反饋控制來調(diào)整作用部件的初始調(diào)整設(shè)置。如果達到了發(fā)電機的帶有小磁極偏差的額定轉(zhuǎn)速，就可以和電網(wǎng)達到同步。在同步之后，可以通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子葉片的位置到風(fēng)中實現(xiàn)滿功率獲取。從這時起，優(yōu)選不再啟動轉(zhuǎn)子葉片的位置，而是將其保持在預(yù)設(shè)值。
在進入制動階段時，可以重新啟動轉(zhuǎn)子葉片控制器，例如圖7e所示。通過調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角，將轉(zhuǎn)子葉片從風(fēng)中轉(zhuǎn)出。
第三控制級所響應(yīng)的一種可能的工作狀態(tài)是卸載，其發(fā)生在大型用電設(shè)備的突然損耗情況中，尤其是發(fā)生在中斷與高壓網(wǎng)的連接時，從而改變了電網(wǎng)的不穩(wěn)定性。此時，風(fēng)力發(fā)電裝置突然失去了能量穩(wěn)定狀態(tài)。通過氣流輸送到風(fēng)力發(fā)電裝置的有效功率不再以電功率(電力電子)形式加到電網(wǎng)上。轉(zhuǎn)子、輪轂、傳動系被加速，盈余功率被轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動體的動能。如果轉(zhuǎn)動部的轉(zhuǎn)速超過了結(jié)構(gòu)上預(yù)定的極限值，轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、軸和軸承可能會被破壞或者完全被損壞。對轉(zhuǎn)動體的破壞主要指的是一種對安全性的危險，因此在所有的情形下都需要避免這種危險。為了避免這種安全臨界狀態(tài)，在如上所述的第三控制級中安裝了獨立設(shè)置的反饋控制算法。第二控制級的控制器可以將此時有效的工作狀態(tài)變?yōu)椤靶遁d”的工作狀態(tài)。該工作狀態(tài)的主要特征在于，葉片角以最大調(diào)節(jié)速度轉(zhuǎn)到風(fēng)以外。利用這種方法，可以確保氣流施加到風(fēng)力發(fā)電裝置的功率盡可能快地減小。在經(jīng)過零點之后，從轉(zhuǎn)子獲取能量延遲該裝置，直到重新達到安全的工作狀態(tài)。此外，在上述第二控制級中，對轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器的作用部件的控制級產(chǎn)生影響，使得發(fā)電機轉(zhuǎn)子盡可能少地加速到額定轉(zhuǎn)速以上，從而可以安全地制動。為此必須確保轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器中的液壓連接器采用其最高值。相應(yīng)地，運行轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器中的制動器。這兩個控制特性確保了不僅是風(fēng)力發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子，而且還有疊加分支中的渦輪不會達到安全臨界轉(zhuǎn)速或者造成損害的超額轉(zhuǎn)速。
發(fā)電機的定子與電網(wǎng)至少間接連接以進行功率傳輸。在產(chǎn)生電功率(功率電子)的是同步電動機的情況下，可以通過轉(zhuǎn)子的勵磁電壓影響其工作特性。如果電網(wǎng)中出現(xiàn)電壓中斷，必須通過上述的第三控制級從第二控制級影響發(fā)電機的勵磁控制，使得風(fēng)力發(fā)電裝置獲得盡可能小的負荷，并最大程度地支持電網(wǎng)。
通過轉(zhuǎn)子從氣流獲得并且輸送給風(fēng)力發(fā)電裝置的功率與所謂的功率系數(shù)cp成正比，并且與風(fēng)速的三次方成正比。為了至少產(chǎn)生額定電功率所需要的風(fēng)速以下將稱為額定風(fēng)速。如果當前風(fēng)速超過了額定風(fēng)速，則必須限定從氣流輸送到風(fēng)力發(fā)電裝置的有效功率。為此，通過上述第三控制級在第二控制級中啟動傾斜角控制器，使得傾斜角根據(jù)超過額定功率的有效功率而增大，直到不再超過風(fēng)力發(fā)電裝置的額定功率。同樣，在低于額定電功率時，可以減小傾斜角角度，直到功率系數(shù)cp達到最大值，并且轉(zhuǎn)子從氣流中獲得最大功率。
由于電網(wǎng)中耗電設(shè)備隨著時間改變的特性，電網(wǎng)操作員可向發(fā)電裝置要求交替的電容或電感無功功率。這個要求可以通過作為電機的同步發(fā)電機通過勵磁來滿足。為此，電網(wǎng)操作員所要求的電容或者電感無功功率需求將通過上述第三控制級的控制器轉(zhuǎn)換成第二控制級的勵磁控制的勵磁電壓的額定值。第二控制級的勵磁控制確保以從風(fēng)力發(fā)電裝置傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的無功功率與電網(wǎng)操作員所要求的值相等的形式來影響勵磁電壓。
還可以根據(jù)使用壽命、負荷集合和維護間隔等進入脫出同步的工作狀態(tài)。這也可以是在陣風(fēng)條件下，預(yù)先將風(fēng)力發(fā)電裝置從風(fēng)中轉(zhuǎn)出，這可通過轉(zhuǎn)子葉片位置來實現(xiàn)。此外，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電裝置的安裝或者為了修改目的，也可以限定用于檢測階段的特殊工作狀態(tài)。此外，也可以考慮使風(fēng)力發(fā)電裝置的特定工作狀態(tài)可以同時，也就是說結(jié)合在一起出現(xiàn)，這導(dǎo)致第三控制級對第二控制級的恰當?shù)挠绊憽?br> 在圖8中，示例性地示出了在至少三個控制級中的風(fēng)力發(fā)電裝置的控制裝置的結(jié)構(gòu)，以作為液壓變速器的作用部件的控制裝置的實例。假定圖6中的工作區(qū)域II，在該工作區(qū)域中，控制風(fēng)力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來限制噪音。在這個簡化實例中，為了實現(xiàn)第三控制級的這個目標，僅僅啟動第二控制級中的液壓變速器的作用部件的控制器，同時由第三控制級為轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)速預(yù)先設(shè)定一個額定值。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的實際值和額定值之間的比較在第二控制級中進行，這樣確定的控制器偏差作為液壓變速器的作用部件的控制器的輸入值。在本實例中，使用了帶有連接在輸出電路中的I-控制器的PD-控制器。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，也可以應(yīng)用多個其他的控制方法，例如模糊控制或狀態(tài)控制。
液壓變速器的作用部件的控制器為第一控制級預(yù)定了一個介于端值0和1之間的額定設(shè)置以作為輸出值。為了將作用部件調(diào)節(jié)到某一預(yù)定值，在本實施例中，在第一控制級中應(yīng)用了作用部件的下層控制器。在該簡化實例中，使用了P-控制器，該控制器對作用部件的控制裝置的系統(tǒng)產(chǎn)生影響。該系統(tǒng)具有這樣的系統(tǒng)特性，其特征可簡化為油量與出油口位置的成比例特性和液壓控制裝置的積分特性。
通過下層的定位控制器影響的作用部件的實際位置反過來作用到前述根據(jù)本發(fā)明的液壓傳動系(圖8中未示出)以及發(fā)電機上。同樣，針對第二控制級上的額定值-實際值比較的實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的反饋也未詳細示出。
權(quán)利要求
1.一種具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置，所述第一控制級包括風(fēng)力轉(zhuǎn)子；功率分流傳動裝置(5)，所述功率分流傳動裝置至少間接地由所述風(fēng)力轉(zhuǎn)子(3)驅(qū)動，并包括第一和第二功率分支(7，18)；帶有至少一個作用部件(15)的液壓變速器(12)，所述作用部件獲取所述第一功率分支(7)的功率，并根據(jù)對所述作用部件(15)的調(diào)節(jié)，通過第二功率分支(18)產(chǎn)生反饋到所述功率分流傳動裝置(5)的功率；以及，發(fā)電機(11)，所述發(fā)電機至少間接地由所述第一功率分支(7)驅(qū)動，將功率電子傳輸?shù)骄哂泻愣ㄏ到y(tǒng)頻率的電網(wǎng)上；在最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制的情況下，所述第一控制級的功率分流傳動裝置(5)和液壓變速器(12)的結(jié)合在特征上基本與所述風(fēng)力轉(zhuǎn)子(3)的功率輸入相符合；所述液壓變速器(12)的作用部件(15)的設(shè)置在所述第一控制級中進行控制；所述第二控制級包括用于轉(zhuǎn)子葉片的角位置的控制器，和/或用于設(shè)定液壓變速器的作用部件的控制器，和/或用于發(fā)電機的功率電子的控制器；根據(jù)所述風(fēng)力發(fā)電裝置和/或所述電網(wǎng)的工作狀態(tài)和/或所述風(fēng)的特性，所述第三控制級啟動和不啟動和/或加權(quán)所述第二控制級的控制器和/或其預(yù)定的額定特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于在正常工作狀態(tài)和部分負荷條件下，優(yōu)選不啟動所述第二控制級的控制器，轉(zhuǎn)子葉片的角位置和液壓變速器的作用部件的設(shè)置采用固定的預(yù)設(shè)值，同時所述液壓變速器的作用部件的設(shè)置這樣進行選擇，使得所述風(fēng)力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速控制基本上效率最優(yōu)，以及所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)速基本保持恒定。
3.一種具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于在正常工作下，當在所述風(fēng)力轉(zhuǎn)子的固定轉(zhuǎn)速閾值以上時，啟動用于調(diào)節(jié)液壓變速器的作用部件的控制器，同時所述風(fēng)力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速采取預(yù)定值或者在預(yù)定的值范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于所述風(fēng)力轉(zhuǎn)子的預(yù)定轉(zhuǎn)速值或者轉(zhuǎn)速值范圍由所述第三控制級確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于所確定的風(fēng)力轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速采用了基本恒定的值或者恒定的值范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于所確定的風(fēng)力轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的值或者值范圍根據(jù)作用在所述風(fēng)力轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩來確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于在正常工作的滿負荷情況下，啟動用于所述轉(zhuǎn)子葉片的角位置的控制器以及用于所述液壓變速器的作用部件的設(shè)置的控制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于僅在電網(wǎng)要求功率和/或無功功率時啟動所述發(fā)電機的功率電子控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于可以啟動或者不啟動所述第二控制級的控制器，使得可以逐漸地從一個工作狀態(tài)或者工作條件過渡到另一個工作狀態(tài)或者另一個工作條件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于由所述第三控制級所考慮和限定的工作狀態(tài)包括起動階段、同步階段、停止階段、卸載階段、短路、無功功率要求、以及功率減少。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于至少存在在拋物線狀功率輸入時的部分負荷和滿負荷的工作狀態(tài)。
12.一種用于控制風(fēng)力發(fā)電裝置的方法，液壓變速器的作用部件的設(shè)置在第一控制級中進行控制，所述第一控制級包括風(fēng)力轉(zhuǎn)子；功率分流傳動裝置，所述功率分流傳動裝置至少間接地由所述風(fēng)力轉(zhuǎn)子驅(qū)動，并包括第一和第二功率分支；具有至少一個從所述第一功率分支獲取功率的作用部件的液壓變速器，所述作用部件根據(jù)所述作用部件的設(shè)置通過所述第二功率分支產(chǎn)生回到所述功率分流傳動裝置的功率反饋；以及，發(fā)電機，所述發(fā)電機至少間接地由所述第一功率分支驅(qū)動，并將功率電子傳輸?shù)骄哂泄潭娋W(wǎng)頻率的電網(wǎng)上；其中在最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制的情況下，所述第一控制級的功率分流傳動裝置和液壓變速器的結(jié)合在特征上基本與所述風(fēng)力轉(zhuǎn)子的功率輸入相符合；第二控制級包括用于轉(zhuǎn)子葉片的角位置的控制器，和/或用于液壓變速器的作用部件的設(shè)置的控制器，和/或用于發(fā)電機的功率電子的控制器；根據(jù)所述風(fēng)力發(fā)電裝置和/或所述電網(wǎng)的工作狀態(tài)和/或所述風(fēng)的特性，所述控制器由第三控制級根據(jù)所述額定特性被啟動和不啟動和/或加權(quán)和/或預(yù)定。
全文摘要
一種具有至少三個控制級的風(fēng)力發(fā)電裝置；第一控制級包括風(fēng)力轉(zhuǎn)子；功率分流傳動裝置，間接由風(fēng)力轉(zhuǎn)子驅(qū)動，并包括第一、二功率分支；帶有至少一個作用部件的液壓變速器；以及發(fā)電機，至少間接由第一功率分支驅(qū)動；在最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制的情況下，第一控制級的功率分流傳動裝置和液壓變速器的結(jié)合在特征上基本等于風(fēng)力轉(zhuǎn)子的功率輸入；液壓變速器的作用部件的位置在第一控制級中進行控制；第二控制級包括用于轉(zhuǎn)子葉片的角位置的控制器，和/或用于液壓變速器的作用部件的控制器，和/或用于發(fā)電機的功率電子的控制器；根據(jù)風(fēng)力發(fā)電裝置和/或電網(wǎng)的工作狀態(tài)和/或風(fēng)的特性，第三控制級啟動和退出和/或加權(quán)第二控制級的控制器和/或其預(yù)定的額定特性。
文檔編號F16H61/50GK1637279SQ20041010168
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月23日
發(fā)明者馬丁·蒂爾舍爾, 安德烈亞斯·巴斯特克 申請人:沃伊特渦輪兩合公司