專利名稱：在電動機超溫條件下操作風力渦輪機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大致涉及風力渦輪機，更具體地說涉及在風力渦輪機控制電動機的超溫條 件下操作風力渦輪機的方法和裝置。
背景技術：
最近，作為環(huán)保且成本相對低廉的替代能源，風力渦輪機已經受到越來越多的關 注。隨著這種不斷增加的興趣，已做出大量努力來發(fā)展可靠且高效的風力渦輪機。通常，風力渦輪機包括具有多個葉片的轉子。轉子安裝在殼體或外罩上，其定位在 桁架或管狀塔的頂部。公用設施級風力渦輪機(即設計成可為公用電網提供電功率的風力 渦輪機)可能具有大型轉子(例如直徑50米或更長)。這些轉子上的葉片將風能轉換成旋 轉扭矩或旋轉力，其驅動一個或多個發(fā)電機，發(fā)電機通過齒輪箱而旋轉地聯接在轉子上，或 者直接聯接在轉子上。當存在時，齒輪箱提高用于發(fā)電機的渦輪轉子的內在低的旋轉速度， 從而有效地將機械能轉換成電能。電能可直接或通過電氣變換器發(fā)送到公用電網中。直到近些年來，用于風力渦輪機的控制系統時常啟動渦輪跳脫(trip)或停機程 序作為對故障或異常條件的簡單響應。因為風力渦輪機包括輸送到公用電網中的總功率中 的較大部分，所以來自風力渦輪機的功率的可靠性和連續(xù)性對于電網操作的連續(xù)性變得日 益重要。此外，風力渦輪機的操作連續(xù)性對于風場經營者和公用電網經營者變成了更重要 的經濟因素。對于故障或異常條件可設計更復雜的響應，其可提供非中斷的風力渦輪機輸 出。因此，可能需要提供在故障或異常條件期間提供風力渦輪機操作的連續(xù)性的操作方法 和控制特征。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種用于在一個或多個風力渦輪機控制電動機的超溫條件期間保 持風力渦輪機操作連續(xù)性的方法和裝置，所述風力渦輪機控制電動機是例如用于風力渦輪 機葉片的槳距控制電動機或用于控制外罩相對于風力的定向的偏航控制電動機。簡要地說，根據本發(fā)明的一個方面，提供了響應于風力渦輪機控制電動機上的超 溫條件而操作風力渦輪機的方法，風力渦輪機包括風力渦輪發(fā)電機、變換器和至少一個轉 子葉片。該方法包括監(jiān)測一個或多個風力渦輪機控制電動機的溫度，并監(jiān)測針對風力渦輪 機的風速。該方法還包括當風力渦輪機控制電動機的溫度正常時，根據風力渦輪機控制函 數而控制風力渦輪機的操作。如果一個或多個風力渦輪機控制電動機的溫度超過第一預定 溫度，那么該方法包括修改風力渦輪機控制函數，以用于在一個或多個風力渦輪機控制電 動機的修改的操作方案下繼續(xù)風力渦輪機的操作。當受到影響的風力渦輪機控制電動機的 溫度下降到第一預定溫度以下時，就恢復根據風力渦輪機控制函數的風力渦輪機的正常操 作。根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種風力渦輪機。風力渦輪機包括通過轉子軸而 操作地連接在轉子轂上的風力渦輪發(fā)電機，轉子轂包括至少一個轉子葉片和一個或多個風力渦輪機控制電動機。風力渦輪機控制系統適于控制風力渦輪機的操作，包括用于一個或 多個風力渦輪機控制電動機的操作方案。風力渦輪機控制系統的控制函數適于當一個或多 個風力渦輪機電動機的操作溫度超過第一預定溫度時，用于在修改的風力渦輪機控制電動 機的操作方案下繼續(xù)風力渦輪機的操作。對于風力渦輪機控制電動機提供了溫度測量系 統，其中，對于風力渦輪機控制系統的控制函數提供了針對各個風力渦輪機控制電動機的 溫度測量。


當參照附圖閱讀以下詳細說明時，將更好地理解本發(fā)明的這些以及其它特征、方 面和優(yōu)勢，其中在所有附圖中相同的標號表示相同的部件，其中圖1顯示了風力渦輪機的示例性配置；圖2顯示了示例性風力渦輪機的外罩的剖切透視圖；圖3是用于圖1中所示風力渦輪機配置的控制系統的示例性配置的方框圖；圖4顯示了在正常槳距控制和降級的(derated)槳距控制下的功率生產和風速之 間的關系；圖5顯示了圖4中的不同點的槳距角；圖6顯示了對于風力渦輪機控制電動機的超溫條件做出創(chuàng)新響應的控制函數的 示例性配置；和圖7顯示了用于在風力渦輪機控制電動機超溫條件下繼續(xù)操作的方法的流程圖。標號列表100風力渦輪機；102外罩；104塔；106轉子；108轉子葉片；110轂；112控制面 板；114槳距驅動電動機；116轉子軸；118齒輪箱；120第一發(fā)電機；122聯軸器；124偏航 驅動電動機；126偏航板；128風力葉片；132主框架；300控制系統；302總線；304處理器； 306RAM;308存儲裝置；310R0M ;312輸入/輸出；314傳感器接口 ；410在固定的槳距角下功 率生產對風速的曲線；420在固定的槳距角下降級功率對風速的曲線；510針對操作點的槳 距角曲線；520槳距角；530操作點；600控制信號；605控制函數；610風力渦輪機控制電動 機；625至風力渦輪機控制電動機的信號；626電壓；630電動機溫度傳感器；635電動機溫 度信號；640電動機位置傳感器；650風力傳感器；655風力信息信號
具體實施例方式本發(fā)明的以下實施例具有許多優(yōu)勢，包括在風力渦輪機控制電動機，例如槳距控 制電動機或偏航控制電動機的超溫條件期間容許風力渦輪機繼續(xù)操作。本發(fā)明涉及一種用于當正常的風力渦輪機電動機控制由于一個或多個風力渦輪 機控制電動機的過熱而不可用時繼續(xù)風力渦輪機操作的方法和裝置。本發(fā)明的技術效果包 括提供一種用于從風力渦輪機控制電動機的過熱中恢復過來的有效的控制策略。在一些配置中，參照圖1，風力渦輪機100包括外罩102，其容納發(fā)電機(圖1中未 顯示)。外罩102安裝在高塔104的頂部上，圖1中只顯示了其一部分。風力渦輪機100還 包括轉子106，其包括多個連接在旋轉轂110上的轉子葉片108。雖然圖1中所示的風力渦 輪機100包括三個轉子葉片108，但是本發(fā)明對轉子葉片108的數量不做特別的限制。
在一些配置中，參看圖2，各種構件容納在位于風力渦輪機100的塔104頂部上的 外罩102中。塔104的高度是基于本領域中所已知的因素和條件進行選擇的。在一些配置 中，控制面板112中的一個或多個微控制器包括控制系統，其用于整個系統監(jiān)測和控制，包 括槳距和速度調節(jié)、高速軸和偏航制動應用、偏航和泵電動機應用以及故障監(jiān)測。在一些配 置中使用備選的分布式或集中式控制架構。在一些配置中，控制系統將控制信號提供給可變葉片槳距驅動器114，以控制葉片 108(圖2中未顯示)的槳距，葉片由于風力而驅動轂110。在一些配置中，轂110容納三個 葉片108，但其它配置可利用任意數量的葉片。在一些配置中，葉片108的槳距是由葉片槳 距驅動器114單獨控制的。轂110和葉片108共同組成了風力渦輪機轉子106。風力渦輪機的傳動系包括連接在轂110上的主轉子軸116 (也被稱為"低速軸") 和齒輪箱118，在一些配置中，齒輪箱118利用雙路徑幾何結構以驅動封閉在齒輪箱118中 的高速軸。高速軸(圖2中未顯示)用于驅動由主框架132支撐的第一發(fā)電機120。在一 些配置中，通過聯軸器122來傳遞轉子扭矩。第一發(fā)電機120可以是任何合適的類型，例如 但不局限于繞線轉子感應發(fā)電機。作為非限制性的示例，另一合適的類型是多極發(fā)電機，其 可在低速軸的速度下以直接驅動配置的形式運行，而不需要齒輪箱。偏航驅動器124和偏航板126為風力渦輪機100提供了偏航定向系統。在一些配 置中，偏航定向系統是電動操作的，并根據從傳感器接收到的信息而受到控制系統的控制， 傳感器用于測量軸凸緣位移。作為凸緣位移測量傳感器的備選或附加，一些配置利用風向 標128提供用于偏航定向系統的信息。偏航系統安裝在設于塔104的頂部的凸緣上。在一些配置中，參照圖3，一種用于風力渦輪機100的控制系統300包括總線302 或其它傳送信息的通信裝置。(一個或多個)處理器304聯接在總線302上，以處理信息， 包括來自傳感器的信息，傳感器配置成測量位移或力矩?？刂葡到y300還包括隨機存取存 儲器(RAM) 306和/或(一個或多個)其它存儲裝置308，其可聯接在總線302上，以儲存和 傳遞有待(一個或多個)處理器304執(zhí)行的信息和指令。在(一個或多個)處理器304執(zhí) 行指令期間，還可使用RAM306(如果需要的話，和(一個或多個)存儲裝置308)儲存臨時 變量或其它中間信息?？刂葡到y300還可包括只讀存儲器(ROM)和/或另一靜態(tài)存儲裝置 310，其聯接在總線302上，以儲存并提供靜態(tài)(即非變化的)信息和指令給(一個或多個) 處理器304。輸入/輸出裝置312可包括本領域中已知的任何裝置，以便為控制系統300提 供輸入數據，并提供偏航控制和槳距控制輸出。指令序列的執(zhí)行并不局限于任何特定的硬 件電路和軟件指令的組合。傳感器接口 314是容許控制系統300與一個或多個傳感器通信 的接口。傳感器接口 314可以是或可包括，例如，一個或多個模擬-數字轉換器，其將模擬 信號轉換成可由(一個或多個)處理器304使用的數字信號。槳距控制系統包括槳距驅動器114。在各種配置中，控制系統300可使用坐標變 換、偏置評估方法和/或本領域中已知的其它控制技術來確定用于各個轉子葉片108的槳 距增量，從而減少總的非對稱轉子負荷?？捎糜趯ρh(huán)葉片控制發(fā)布命令的傳統和現代控 制技術在本領域中是已知的，并且不需要在本文中進行進一步的描述。根據現有技術控制，一些槳距和偏航故障，例如槳距控制電動機超溫和偏航控制 電動機超溫可能造成風力渦輪機控制系統使風力渦輪機跳脫而離線。當風力渦輪機跳脫 時，對于風場和電網而言損失了輸出功率。輸出功率的損失導致風場經營者的經濟損失和電網的功率減少。當由于槳距控制電動機或偏航控制電動機過熱而使風力渦輪機葉片的槳距不受 控制或者轉子不能與風向對準時，可能需要這種安全響應以防止風力渦輪機超速或超轉 矩。這些風力渦輪機控制電動機的輕微過熱長期可能導致電動機繞組絕緣的劣化。風力渦 輪機控制電動機繞組的極端高溫可能導致電動機的快速受損和故障。雖然可以用避免過熱 的改進單元完全替換槳距控制電動機和/或偏航控制電動機及相關聯的齒輪組，但是這種 轉變將是昂貴且耗時的。有時，這些風力渦輪機控制電動機沒有導致過熱的故障，而是由于響應例如過量 狂風、風向的時常變化等風力條件而過度工作而發(fā)生過熱。這種風力條件可能造成控制系 統恒定地使風力渦輪機葉片俯仰并使外罩偏航，從而造成相關聯的風力渦輪機控制電動機 過熱。根據本發(fā)明，提供了一種方法，其在槳距電動機溫度超過第一預定值時允許槳距 控制電動機在風力渦輪機繼續(xù)操作的同時停止下來，即使在降低的功率輸出的條件下。具 體地說，替代槳距控制電動機繼續(xù)響應控制系統的正常輸出基于風力條件來設定槳距角， 控制系統將提供固定的槳距角命令，并容許葉片保持在固定的槳距角下，同時使槳距控制 電動機停止并冷卻。然而，如果槳距控制電動機溫度上升到高于第一預定值的第二預定值 以上時，那么就關閉渦輪，以防止對槳距控制電動機造成過熱損傷。固定的槳距角大于由控制系統基于風力條件所提供的槳距角的正常值。在更大的 固定的槳距角下，風力渦輪機的輸出功率將減少。然而，基于固定的槳距角和風速可優(yōu)化變 換器扭矩控制，從而最大限度地增加固定的槳距角的功率輸出。在槳距控制電動機經過足 夠的停止時間之后，可使槳距控制恢復至按設計槳距控制和全功率輸出下的正常操作?；?于測量溫度可確定足夠的停止時間使槳距控制電動機返回低于第一預定溫度的可接受的 溫度值或容許足夠的停止時間使得槳距控制電動機的溫度應返回至可接受的值。該方法在 風力渦輪機保護和功率生產之間提供了良好的平衡。圖4顯示了在正常槳距控制和降級的槳距控制下的功率生產和風速之間的關系。 曲線B2ATBQ410顯示了對于正常槳距控制下的操作，功率生產對風速的關系。曲線B1BtBJZO 顯示了在固定的槳距角％下(其中αΒ大于ατ)降級的功率生產對風速的關系。圖5曲 線510顯示了針對圖4的不同的操作點530的槳距角520。根據圖4，在風速\和正常槳距控制下，在槳距角ciT下輸送全功率輸出。當槳距 電動機發(fā)生超溫故障時，建立槳距角α Β，使風力渦輪機的功率輸出下降至Βτ。在固定的槳 距角α Β下的操作提供了沿著B1BTBci曲線降低的功率輸出，然而該操作提供了風力渦輪機 操作的連續(xù)性，同時槳距控制電動機在固定的槳距角下停止并冷卻。如果風速增加至Vbci以 上，那么可能需要使槳距角進一步順槳(feather)，以防止過載。如果槳距控制電動機的溫 度返回至超溫條件以下，那么可將槳距控制恢復正常。作為備選，控制函數可在預定的時間 周期之后恢復正常槳距操作，其中這段時間被設定為容許冷卻。更具體地說，如果槳距控制電動機的溫度超過第一預定溫度，風力渦輪機控制系 統的用于槳距控制電動機的控制函數可激勵槳距控制電動機以建立固定的槳距角αΒ。如 本領域中已知的那樣，第一預定溫度可基于限制電動機繞組由于過熱而受到長期損害。如 果槳距控制電動機的溫度超過比第一預定溫度更高的第二預定溫度，那么故障條件可能造
6成風力渦輪機跳脫或停機。如本領域中已知的那樣，第二預定溫度可以是槳距控制電動機 將被迅速損傷的溫度。固定的槳距角α B可考慮發(fā)生超溫故障條件之前的一段時間周期內的風速進行選 擇。風力渦輪機系統可包括風速測量裝置、風速記錄功能以及確定在風力渦輪機控制電動 機發(fā)生超溫條件周期內的風速的范圍?；陲L速歷史范圍可選擇固定的槳距角αΒ，以防止 風力渦輪機超負荷或過度應力。類似地，根據本發(fā)明，提供了一種方法，其允許偏航控制電動機停止，而風力渦輪 機繼續(xù)操作，即使是在降低的功率輸出下。因為風力渦輪機的轉子葉片可能不再與風向對 準，所以風力渦輪機和其葉片可能遭遇非對稱的負荷。類似于槳距控制方法，如果偏航控制 電動機的溫度超過第一預定溫度，那么可停止偏航控制電動機的操作，同時使偏航控制電 動機冷卻。當偏航控制電動機的溫度冷卻到第一預定溫度以下時，用于偏航的控制函數可 返回正常操作。如果偏航控制電動機的溫度超過第二預定溫度，那么可使風力渦輪機跳脫 或停機，其中第二預定溫度高于第一預定溫度。在偏航控制電動機以高于第一預定溫度的溫度進行操作期間，可調整用于槳距的 控制函數，以便在偏航控制電動機停止的同時防止風力渦輪機構件由于與風的不對準而產 生過度應力。這種在停止偏航控制的同時對槳距控制的修改可包括對于給定的風力條件范 圍采用更大的槳距角或固定的槳距角，以便在停止偏航控制的同時進行操作。圖6顯示了對于風力渦輪機控制電動機的超溫條件做出創(chuàng)新響應的控制系統600 的示例性配置。圖3中寬泛地描述的控制系統600還可包括用于對風力渦輪機控制電動機 (WTCM)610上的超溫條件做出響應的控制函數605。控制函數605可為WTCM控制器提供信 號625，用于WTCM 610的正常操作和超溫操作。WTCM 610可以是由電壓626驅動的直流電 動機，該電壓626產生于WTCM控制器620中或由WTCM控制器620控制，或者WTCM 610可 以是由電壓626驅動的交流電動機，該電壓626由WTCM控制器來控制。WTCM 610還可包括溫度傳感器630，例如但并不局限于電阻式溫度檢測器。溫度 傳感器630可位于WTCM 610中，從而感測電動機繞組的溫度?？刂葡到y還可包括控制電動 機位置傳感器640?？刂齐妱訖C位置傳感器640可感測電動機的旋轉，從中可推斷出經由齒 輪裝置的受控輸出的位置，例如轉子葉片(圖1)的位置或偏航板(圖2)的旋轉。轉子葉 片位置或偏航板的旋轉還可由輸入到控制系統的專用傳感器(未顯示)來感測。電動機溫度信號635和電動機位置傳感器信號645通過WTCM控制器620而提供 給WTCM控制函數605。風力傳感器650可將關于風速和風向的信息信號655提供給WTCM 控制函數605，以用于確定WTCM過熱期間的固定槳距角的安全設定。WTCM控制函數605可 在存儲器中包括第一預定溫度和第二預定溫度，其可與WTCM溫度信號635進行比較，以啟 動對超溫條件的響應。圖7顯示了在風力渦輪機控制電動機的超溫條件期間用于槳距控制和偏航控制 的操作的流程圖。在步驟10中，風力渦輪機控制電動機(WTCM)根據本領域中眾所周知的 正常控制系統功能進行操作。在步驟15中，監(jiān)測用于控制WTCM的風力渦輪機參數，包括電 動機繞組溫度和風力渦輪機附近的風力條件。在步驟20中，確定WTCM的溫度是否超過第 一預定溫度。如果不超過第一預定溫度，那么就根據步驟10繼續(xù)依據正常風力渦輪機控制 函數的操作。如果超過第一預定溫度，那么就在步驟25中確定WTCM是否超過更高的第二預定溫度。如果超過第二預定溫度，那么就在步驟30中使風力渦輪機跳脫以防止對WTCM造 成損傷。在步驟35中，確定并校正超溫故障的原因。在步驟40中，使風力渦輪機返回為服 務，通過步驟10進行監(jiān)測。在步驟25中，如果WTCM溫度不超過第二預定溫度，那么就在步驟45中確定WTCM 是否是槳距控制電動機。如果WTCM是槳距控制電動機，那么修改的控制函數在步驟50中 采用在超溫事件之前的風力歷史而確定用于繼續(xù)風力渦輪機操作的固定槳距角。在步驟 55中，槳距控制電動機建立之前確定的固定槳距角，并且在槳距控制電動機停止的同時繼 續(xù)渦輪操作。在步驟60中，如果WTCM的溫度已經返回到第一預定溫度以下，那么就在步驟 10中恢復WTCM的正常操作。如果WTCM的溫度仍保持在第一預定溫度或其以上時，那么就 在步驟45中，繼續(xù)在電動機的停止序列下操作。在步驟65中，如果WTCM是偏航控制電動機，那么就停止偏航控制運動，以容許根 據修改的控制函數進行冷卻的時間。此外，在步驟75中，根據用于過熱的偏航控制電動機 的操作而修改的控制函數，可以確定槳距控制電動機在固定槳距角下操作，以便在偏航電 動機停止的同時進行連續(xù)操作。在步驟60中，如果偏航控制電動機的溫度返回到第一預定 溫度以下，那么就在步驟10中恢復正常的WTCM操作。因而應該懂得，本發(fā)明的配置提供了一種有效的控制策略以調節(jié)風力渦輪機控制 電動機在超溫條件期間的操作。在超溫條件期間的連續(xù)操作提供了來自風力渦輪機的有限 的輸出功率，其否則是不可得到的。此外，當風力渦輪機控制電動機上的超溫條件結束時， 本發(fā)明使風力渦輪機返回到全功率輸出。雖然已經就各種特定的實施例描述了本發(fā)明，但是本領域中的技術人員應該認識 到可利用在權利要求的精神和范圍內的變型來實踐本發(fā)明。
權利要求
一種響應于風力渦輪機控制電動機(610)上的超溫條件而操作風力渦輪機(100)的方法，所述風力渦輪機包括風力渦輪發(fā)電機(130)、變換器和至少一個轉子葉片(108)，所述方法包括監(jiān)測至少一個風力渦輪機控制電動機(610)的溫度(635)；監(jiān)測針對所述風力渦輪機(100)的風速(655)；當所述至少一個風力渦輪機控制電動機(610)的溫度(635)低于第一預定溫度時，根據正常風力渦輪機控制函數(605)來控制所述風力渦輪機(100)的操作；當所述至少一個風力渦輪機控制電動機(610)的溫度(635)超過所述第一預定溫度時，修改所述風力渦輪機控制函數(605)，以便在針對所述至少一個風力渦輪機控制電動機(610)的操作方案下繼續(xù)所述風力渦輪機(100)的操作；和當所述至少一個風力渦輪機控制電動機(610)的溫度(635)下降到所述第一預定溫度以下時，根據所述風力渦輪機控制函數(605)而恢復所述風力渦輪機(100)的正常操作。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括當所述至少一個風力渦輪機控制 電動機(610)的溫度(635)超過第二預定溫度時關閉所述風力渦輪機(100)，其中，所述第 二預定溫度大于所述第一預定溫度。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，監(jiān)測所述至少一個風力渦輪機控制電動 機(610)的溫度(635)的步驟包括監(jiān)測用于所述風力渦輪機控制電動機(610)的繞組傳 感器(630)的溫度(635)。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，監(jiān)測風速(655)的步驟包括測量所述風力渦輪機(100)附近的風速(655)；記錄所述風力渦輪機(100)附近的風速(655)的歷史；確定在所述溫度(635)超過所述至少一個風力渦輪機控制電動機(610)的所述第一預 定溫度之前的一個時間周期內的風速(655)的范圍。
5.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一個風力渦輪機控制電動機 (610)包括至少一個槳距控制電動機(114)。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述修改步驟還包括當所述至少一個槳距控制電動機(114)的溫度(635)高于所述第一預定溫度并且低 于所述第二預定溫度時，將所述風力渦輪機(100)的所有槳距控制電動機(114)的槳距角 (520)設定為更大的固定角度。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，設定槳距角(520)的步驟還包括根據在 所述至少一個風力渦輪機控制電動機(610)的溫度(635)超過所述第一預定溫度之前的風 速(655)的范圍而設定所述更大的固定角度。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，還包括針對所述固定的槳距角(520)而 優(yōu)化變換器扭矩控制。
9.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一個風力渦輪機控制電動機 (610)包括偏航電動機(124)。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，還包括當所述偏航電動機(124)的溫 度(635)高于所述第一預定溫度且低于所述第二預定溫度時，對于受到影響的槳距控制電 動機(124)將槳距角(520)設定為更大的固定角度。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于當風力渦輪機控制電動機(610)的正?？刂朴捎谝粋€或多個風力渦輪機控制電動機的過熱而不可用時使風力渦輪機(100)繼續(xù)操作的方法和裝置。本發(fā)明的技術效果包括提供了一種有效的控制策略，用于在風力渦輪機控制電動機(610)，例如槳距控制電動機(114)和偏航控制電動機(124)的過熱期間繼續(xù)操作。
文檔編號F03D7/04GK101900081SQ20101019653
公開日2010年12月1日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權日2009年5月28日
發(fā)明者D·王, M·高, X·臧 申請人:通用電氣公司