風(fēng)輪機(jī)偏航控制系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】風(fēng)輪機(jī)偏航控制系統(tǒng)
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)輪發(fā)電機(jī)，并且特別涉及包括一個(gè)或多個(gè)葉片的組件的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)，所述一個(gè)或多個(gè)葉片被布置成圍繞水平軸線旋轉(zhuǎn)，并且其中葉片組件還被布置成圍繞豎直軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這也稱為偏航或方位角旋轉(zhuǎn)(yaw or azimuthal rotat1n)。
[0002]允許圍繞豎直軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這使葉片組件能被取向成使得葉片一直面對(duì)風(fēng)向，從而以最佳效率將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。
[0003]在圖1中例示了典型的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)。風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I包括塔架2、安裝在塔架2頂部上的機(jī)艙3以及可操作地聯(lián)接到位于機(jī)艙3內(nèi)的發(fā)電機(jī)5的轉(zhuǎn)子4。風(fēng)輪機(jī)I將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。除了發(fā)電機(jī)5，機(jī)艙3容納了將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能所需要的各種部件，并且還容納了操作并優(yōu)化風(fēng)輪機(jī)I的性能所需要的各種部件。塔架2支撐由機(jī)艙3、轉(zhuǎn)子4及位于機(jī)艙3內(nèi)的其它風(fēng)輪機(jī)部件所產(chǎn)生的載荷。
[0004]轉(zhuǎn)子4包括中央輪轂6和近似平面配置的三個(gè)細(xì)長的轉(zhuǎn)子葉片7，轉(zhuǎn)子葉片7從中央輪轂6沿徑向向外延伸。在操作中，葉片7被配置成與經(jīng)過的空氣流相互作用，以產(chǎn)生升力，該升力導(dǎo)致中央輪轂6圍繞其縱向軸線旋轉(zhuǎn)。超過最低水平的風(fēng)將啟動(dòng)轉(zhuǎn)子4，并允許轉(zhuǎn)子4在大致垂直于風(fēng)向的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)被發(fā)電機(jī)5轉(zhuǎn)換為電力，并且通常供給到公用電網(wǎng)。
[0005]機(jī)艙3借助一種聯(lián)接被安裝在塔架2上，這種聯(lián)接允許機(jī)艙3并從而還允許葉片7圍繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)。以下面的順序進(jìn)行偏航旋轉(zhuǎn):(a)啟動(dòng)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)；(b)維持機(jī)艙旋轉(zhuǎn)；以及(C)停止機(jī)艙旋轉(zhuǎn)。
[0006]偏航旋轉(zhuǎn)通常借助一個(gè)或多個(gè)電馬達(dá)(也稱為偏航齒輪)提供動(dòng)力。相對(duì)于機(jī)艙方位的風(fēng)向被感測來產(chǎn)生供給至電馬達(dá)的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)葉片組件的旋轉(zhuǎn)使葉片7面對(duì)風(fēng)向。
[0007]在操作期間，葉片組件典型地經(jīng)受大的剪切力，這產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，該轉(zhuǎn)動(dòng)力矩可在某種意義上起作用，導(dǎo)致葉片組件旋轉(zhuǎn)背離期望的偏航角。為了抵消這樣的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，這樣的控制系統(tǒng)在常規(guī)意義上設(shè)置有被動(dòng)式機(jī)械制動(dòng)器，該制動(dòng)器被布置成將葉片組件保持在期望的偏航角。另選地或另外地，電馬達(dá)可布置成產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩，該反轉(zhuǎn)矩在與由剪切力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩相反的方向上作用于葉片組件上。
[0008]現(xiàn)在將參考圖2描述用于控制風(fēng)輪機(jī)葉片的偏航角的典型布置。
[0009]帶齒的大齒輪8附接至風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I的塔架2。多個(gè)帶齒的小齒輪9繞著大齒輪8的圓周與大齒輪8嚙合。小齒輪9由安裝在風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I的機(jī)艙3上的各自的電馬達(dá)10驅(qū)動(dòng)。如同涉及帶齒的齒輪的所有傳動(dòng)裝置，存在一定程度的反沖，也被稱為“空動(dòng)”、“游隙(play) ”或“滯后”，這因小齒輪9的齒未與主齒輪8的齒完全嚙合而產(chǎn)生。由此，在旋轉(zhuǎn)方向上逆轉(zhuǎn)期間，小齒輪9在完全嚙合主齒輪8之前將旋轉(zhuǎn)到一定程度。反沖的程度將取決于制造公差，使得針對(duì)每個(gè)小齒輪9的反沖程度總體上是不同的。為了防止機(jī)艙3的旋轉(zhuǎn)，機(jī)械摩擦制動(dòng)器11在箭頭12的方向上施加到主齒輪8。
[0010]電馬達(dá)10由控制模塊13控制。風(fēng)向由傳感器模塊14檢測，傳感器模塊14產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)供給到控制模塊13。
[0011]在EP 2402597 AUEP 2189656 A2 和 US 5990568 中描述了其它偏航系統(tǒng)。
[0012]許多問題出現(xiàn)在操作這樣的常規(guī)系統(tǒng)期間。
[0013]首先，需要由電馬達(dá)10產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)受上面提到的剪切力，該剪切力可快速變化。這可以引起風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I的不期望振動(dòng)，該振動(dòng)可以縮短發(fā)馬達(dá)I的部件的壽命。
[0014]其次，因?yàn)榉礇_的程度對(duì)每個(gè)小齒輪9均不同，隨之，在使偏航旋轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)期間，并非所有的小齒輪9都將同時(shí)與主齒輪8嚙合，并且因此馬達(dá)10中的一些馬達(dá)將需要產(chǎn)生比其它馬達(dá)高得多的水平的輸出轉(zhuǎn)矩。隨著時(shí)間的推移，驅(qū)動(dòng)具有最少量的反沖的這些小齒輪9的馬達(dá)10將經(jīng)受更大的載荷，因此呈現(xiàn)比其它馬達(dá)10更大程度的磨損并將需要更頻繁地維修或更換。
[0015]第三，在使用被動(dòng)式機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)操作期間，剪切力有時(shí)可以如此之大以導(dǎo)致制動(dòng)器失效或打滑。這不僅將造成葉片組件的取向背離期望的偏航角，也造成風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I的其它部件可能失效或破損。
[0016]因此將期望提供這樣的控制系統(tǒng)，其克服或者至少緩解已知系統(tǒng)的一些或所有的上述缺點(diǎn)。
[0017]由此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于水平軸風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，所述風(fēng)輪發(fā)電機(jī)包括安裝在塔架上的機(jī)艙，所述機(jī)艙被布置成借助馬達(dá)圍繞豎直軸線相對(duì)于所述塔架旋轉(zhuǎn)，所述控制系統(tǒng)包括:用于控制供給到所述馬達(dá)的動(dòng)力的裝置，使得在旋轉(zhuǎn)速度保持在由最小速度和最大速度限定的預(yù)定數(shù)值范圍內(nèi)時(shí)，使所述馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩也維持在由最小轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩限定的預(yù)定數(shù)值范圍內(nèi)，其中所述最大速度與所述最小速度之比大于所述最大轉(zhuǎn)矩與所述最小轉(zhuǎn)矩之比。
[0018]以這種方式，由所述馬達(dá)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的水平的變化程度小于所述馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度的變化程度，從而減少當(dāng)所述輸出轉(zhuǎn)矩改變時(shí)發(fā)生的不期望的振動(dòng)。
[0019]在優(yōu)選的控制系統(tǒng)中，用于控制供給到所述馬達(dá)的動(dòng)力的所述裝置被布置成使得，當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)速度移到所述預(yù)定數(shù)值范圍之外時(shí)，所述馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩改變至新的預(yù)定數(shù)值范圍，以致使所述旋轉(zhuǎn)速度返回至所述預(yù)定數(shù)值范圍內(nèi)的水平。這使所述馬達(dá)在馬達(dá)的效率得到優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩-速度體系(torque-speed regime)內(nèi)進(jìn)行操作。
[0020]尤其優(yōu)選的是，控制所述馬達(dá)，以在每當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)速度保持在所述預(yù)定數(shù)值范圍內(nèi)時(shí)，提供大致恒定的輸出轉(zhuǎn)矩。利用這樣的控制方案，任何轉(zhuǎn)矩變化被限制為當(dāng)所述馬達(dá)的所述旋轉(zhuǎn)速度移到其當(dāng)前范圍之外時(shí)的情形。
[0021]可以根據(jù)所述風(fēng)輪機(jī)的操作條件改變所述旋轉(zhuǎn)速度的所述預(yù)定數(shù)值范圍。
[0022]雖然優(yōu)選的是針對(duì)給定的一組操作條件使得針對(duì)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度的預(yù)定數(shù)值范圍保持固定，但針對(duì)所述輸出轉(zhuǎn)矩的不同的離散值可以另選地提供不同的相應(yīng)預(yù)定數(shù)值范圍。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于水平軸風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，在所述風(fēng)輪發(fā)電機(jī)中，機(jī)艙被布置成借助多個(gè)電馬達(dá)相對(duì)于塔架圍繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)，每個(gè)馬達(dá)被布置成控制相應(yīng)小齒輪的旋轉(zhuǎn)，所述小齒輪被布置用于與單個(gè)齒輪嚙合，所述控制系統(tǒng)包括:用于控制每個(gè)馬達(dá)的速度的裝置，使得所述速度處于第一水平，直到各相應(yīng)的小齒輪均已完全嚙合所述單個(gè)齒輪為止，并且在此后使所述速度處于第二水平以實(shí)現(xiàn)所述機(jī)艙和所述塔架的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，所述第二水平高于所述第一水平。
[0024]這防止任何單個(gè)馬達(dá)在所述小齒輪都已經(jīng)與所述單個(gè)齒輪完全嚙合之前生成產(chǎn)生機(jī)艙的偏航旋轉(zhuǎn)所需的高水平輸出轉(zhuǎn)矩，從而減少馬達(dá)的磨損，在相關(guān)聯(lián)的馬達(dá)生成偏航旋轉(zhuǎn)所需要的滿輸出轉(zhuǎn)矩之前僅有一個(gè)或一些小齒輪完全嚙合的情況下則會(huì)產(chǎn)生這樣的磨損。
[0025]當(dāng)所述小齒輪已經(jīng)完全嚙合所述單個(gè)齒輪時(shí)，供給到所述馬達(dá)的動(dòng)力使得，在使旋轉(zhuǎn)速度保持由最小速度和最大速度限定的預(yù)定數(shù)值范圍內(nèi)時(shí)，使所述馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩也維持在由最小轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩限定的預(yù)定數(shù)值范圍內(nèi)，其中所