CN101031719A - 风力发电设备的传动链 - Google Patents

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Abstract

在风力发电设备的传动链中，设有作为用于传动装置(4)的驱动装置的转子(1)，其中，在转子(1)的转子轮毂上装有绕其纵轴线可转动的转子叶片。三相交流发电机(5)与传动装置(4)和与电网(12)连接。此外，设置一用于传动装置(4)的辅助驱动装置(7)。为了实现转速和/或转矩的均匀性，每一转子叶片(2)具有一自身的驱动装置，用于各自单独绕其纵轴线的转动。

Description

风力发电设备的传动链
本发明涉及一种风力发电设备的传动链，包括作为用于传动装置的驱动装置的转子，其中，在一转子轮毂上装有绕其纵轴线可转动的转子叶片；还包括与传动装置和一电网连接的三相交流发电机；以及包括用于传动装置的转速可变的辅助驱动装置。
本发明还涉及一种用于在风力发电设备的传动链中控制转速或转矩的方法，其中，一个三相交流发电机由一传动装置驱动，该传动装置本身则又由风力发电设备的转子轴以及一辅助驱动装置驱动。
在风力发电设备中，原理上存在采用同步发电机或异步发电机来产生供给电网的电流的可能性。
在两方案中存在的问题是，由发电机产生的电流必须准确地同步于电网，这就要求复杂的控制装置和电路或变换器，它们不仅制造昂贵，而且带有或大或小的功率损耗。
此外，因不均匀的风力所引起的驱动转矩波动由于在供给电网时有强的功率波动而产生不利的影响。
为了消除这种缺点，已建议，给位于发电机前面的传动装置配备一转速可变的辅助驱动装置，它不仅可作为发电机而且可作为电动机操作。该辅助驱动装置，其可以说经由一第二驱动轴附接于传动装置，用以保持传动装置向同步发电机的输出转速不变，这在高风速时并从而在马达转速很高时意味着，辅助驱动装置作为发电机工作，相反，在低风速时辅助驱动装置的电动机操作是必然的。
辅助驱动装置本身在现有技术中同样与发电机轴连接，而且是经由一变换器和另一发电机或电动机，其直接连接于三相交流发电机的驱动轴。这不仅要求高的技术费用，而且，由于两个附加的辅助驱动装置或发电机和在两者之间的变换器，在很大程度上共同使得总效率降低。
因此，本发明的目的在于，提供一种具有权利要求1前序部分特征的传动链，其以较小的费用实现传动链的转速和转矩的控制并且降低设备总体的负荷。
上述目的通过具有权利要求1特征的传动链得以实现。
上述目的还通过具有权利要求11特征的方法来达到。
在本发明中采取的途径是，通过对各转子叶片或转子叶片的各部分的位置、亦即其相对于转子的旋转方向或相对于风向的定位角(“pitch”)的各自单独的控制，结合辅助驱动装置，达到传动链的转速或驱动转矩的均匀性，并降低设备总体的负荷。
辅助驱动装置与单独的位置控制的组合还导致：可以将辅助驱动装置的额定功率设计得较小。通过对可供利用的风的有效利用，还可以在电动机操作中以较小的转矩开动，借此，辅助驱动装置例如4极三相交流电机的操作在场强减弱的范围内(例如-2000/min-1)也是可能的，相反，辅助驱动装置在发电机操作中设计用于达例如+1500/min-1的转速范围。由于辅助驱动装置的较大的转速扩展，辅助驱动装置的较小的额定功率成为可能，这是因为，所需要的辅助驱动装置功率正比于设备的额定功率和转速范围(转差率)。
辅助驱动装置按照本发明还可以用于抑制传动链振动，传动链振动是因内部的传动链动力学特性引起的。为此，在传动装置的输出轴上或在三相交流发电机的驱动轴上设置一测量装置，用以检测转速或转矩。同时测出的振动可以用于辅助驱动装置的驱动的相应匹配，由此在总体上可以抑制传动链振动。
可选择地或附加地，也有可能在辅助驱动装置与传动装置的连接区域内和/或在转子轴上设置一测量装置，用以检测转速或转矩，因为在该位置也可以很好地检测传动链振动。
在本发明的一种优选实施形式中，辅助驱动装置是一异步电机，它经由一变换器连接于电网。在电动机驱动时所需要的功率因此直接从电网中取得或者是降低由三相交流发电机供给电网的功率。无论如何，附带产生的发电机功率经由变换器供给电网。不过，由于辅助驱动装置的功率很小，变换器的规格可以确定得很小，因此变换器的功率损耗也很小。
或者，辅助驱动装置也可以是一流体静力的或流体动力的传动装置或转矩转换器。
在一种优选的实施形式中，所述三相交流发电机是同步发电机。
本发明的其他的特征和优点由以下针对本发明的一种优选实施例的描述得出。
图1示出按照本发明的风力发电设备的传动链的电路图；图2示意地示出传动链包括一行星齿轮传动装置的实施形式；图3示出转矩在时间上的变化，没有本发明的转子叶片调整和传动链减振；图4示出转矩在时间上的变化，具有本发明的转子叶片调整和传动链减振。
如图1和2示意示出的那样，具有多个转子叶片2的转子1经由转子轴3驱动一传动装置，优选为行星齿轮传动装置4。在行星齿轮传动装置4上经由主轴6连接一个三相交流电机(在所示的实施例中为同步电机5)和经由一辅助轴7连接一辅助驱动装置(例如为异步电机7的形式)。同步电机5经由导线9直接连接于电网。而异步电机7则经由一变换器10和一电源滤波器11与导线9或电网12连接。在导线9与电网12之间，如通常那样，可以连接一变压器13和一总开关14。
设备总体由一控制单元15控制。该控制单元取得下列数据：经由导线16和17同步电机5的驱动轴6以及异步电机7的辅助轴8的转速；经由导线18异步电机的电流；经由导线19变换器10的中间电路电压；经由导线20电网侧的电流；经由导线21同步电机的电网侧的电压；经由导线22电网侧的电流和经由导线23电网侧的电压。
由这些数据，控制单元15算出相应的调整值，以便控制传动链的各个部件。特别是，经由一导线24来控制驱动装置，借此每一转子叶片2可被单独调整，亦即可绕其纵轴线转动。经由另一导线25控制同步电机5的激励。经由两导线26和27控制变换器10的异步电机侧的和电网侧的部分。经由另一导线28接通和断开总开关14。
由于同步电机5是直接与电网连接的，故而其转速是常数。在50Hz电网频率时，同步电机的转速为3000min-1/p。因此，按照极对数P，转速可以为3000min-1、1500min-1、1000min-1等。由于风力发电设备以转子1的可变的转速操作，辅助驱动装置7应该用于转子与同步电机之间的转速平衡。作为辅助驱动装置，采用一经由变换器10供电的异步电机(鼠笼转子)。该变换器构成为电压中间电路变换器，其中，各开关元件例如是IGBT’s。异步电机7的场定向的控制能够实现对转矩的精确和高度动态的调整。变换器10的电网侧的部分同样构成为反用换流器(逆变器)，因此，在两个方向上的功率流是可能实现的，也就是说，异步电机不仅可以用作为发电机而且可以用作为电动机。变换器10在电网12上的耦合要求有一电源滤波器(正弦波滤波器)，以便将变换器10的接通频率的谐波电流限定到允许的程度。
同步电机5的转速是恒定的。辅助驱动装置7提供转子1与同步电机5之间的差转速和差功率。辅助驱动装置7在转子功率或转子转速很小时以电动机方式工作，在功率或转速较大时以发电机的方式工作。在本发明的传动链的实施形式中，用于风力发电设备功率控制的两个控制参数是转子叶片2的叶片角度(“pitch”)和辅助驱动装置7的转矩或转速。辅助驱动装置7的转矩正比于同步电机5的转矩或正比于转子1的转矩。因此，对辅助驱动装置的一定转矩的调整相当于对同步电机5的一种转矩调整。
在风速低于额定速度时，这相当于转子功率低于额定功率，将各转子叶片2的叶片角度在中位保持不变并且正比于转子转速的平方调整转矩。由此使转子1始终以尽可能最好的空气动力效率工作。
在风速超过额定速度时，亦即转子功率超过额定功率，将同步电机的转矩的平均值保持不变并且借助于各转子叶片2的叶片角度的调整控制一恒定的转速或恒定的功率，其中，为该目的设定的额定值对于全部的转子叶片是相同的。此外还可以将用于可单独调整或控制每一转子叶片的附加值叠加在所述的用于叶片角度的额定值设定和控制各个转子叶片的转子1的转矩上，以便改善动力性能并由此降低设备总体的负荷。这些附加的影响参数例如得自取决于旋转的转子叶片在地面以上的高度的不同的风速以及干扰影响，后者产生于风力发电设备的桅杆的区域内。
同步电机5的电网连接性能相当于传统的发电装置包括一同步电机。设备的无功功率可以在负荷极限内通过同步电机的激励自由地调整。通过无功功率的依赖于电网电压的设定可以有助于电网中的电压控制。在电网故障(电压扰动等)的情况下产生一个同步电机的已知的性能，亦即同步电机保留在电网上并且可以供给一相应的短路电流。由此以简单的方式满足传输和分配电网控制器的有关要求(例如“E：ON-规程”)而不需要附加的技术措施。同步电机的大的短路量值在这里以惯常的方式确保了一种选择的电网保护的功能。
同步电机5和异步电机7的转速范围例如在2000kW设备中可以设定如下：
转速范围：
转子：                同步电机：          异步电机：
nmin＝10min-1        n＝1000min-1       nmin＝-2000min-1
nmax＝16.5min-1      n＝1000min-1       nmax＝1500min-1
由转速等式
nSM＝72.92n转子-0.1354nASM    (SM-同步电机，ASM-异步电机)
可以导出转矩等式
Figure A20058002583900081
由此，在额定转速和额定转矩下得出下列功率：
转子：PR＝2000kW(16.5rpm，1157.5kNm)
同步电机：PSM＝1662kW(1000rpm，15.87kNm)
异步电机：PASM＝338kW(1500rpm，2.15kNm)
由此可见，辅助驱动装置7的额定功率大致只须为设备的额定功率的约17％，从而在总体上风力发电设备具有特别稳定的向电网的供电性能。
通过驱动轴6和/或辅助轴8的转速或转矩的精确测定，也可以很精确地检测由传动链本身的动力学特性所产生的传动链振动。从而能够反过来控制这些振动，亦即抑制这些振动，通过相应匹配地驱动辅助驱动装置7，使传动链振动得以抑制。该减振的对应措施的计算同样在控制单元15中实现，其接着再相应地控制变换器10。
图2中示意示出本发明的传动链，其中，采用三级的齿轮传动装置4。第一行星齿轮级4a构造成传统的形式，也就是说，转子轴3作为驱动轴与一行星齿轮系杆30相连接而一输出轴31与一太阳齿轮32相连接。第一传动级4a的输出轴31同时是第二传动级4b的驱动轴，其又连接于一行星齿轮系杆33。第二传动级4b的与一太阳齿轮34连接的输出轴35经由第三传动级36连接同步电机的驱动轴6。
第一传动级4a的内齿轮37是固定的，而第二传动级4b的内齿轮38是可旋转的并且由辅助驱动装置7经由一圆柱齿轮级39和一齿轮38进行驱动。内齿轮为此设有内啮合齿和外啮合齿。通过内齿轮38以不同速度和不同转向的转动，则可以改变第二传动级4b的传动比，而使得：即便在转子轴3转速可变的情况下也总是以恒定的转速驱动轴6。
在图3和4中示出在涡流风情况下驱动转矩的波动，表示为驱动轴3在时间上的转矩变化。图3示出的转矩变化，没有单独的转子叶片控制也没有传动链减振；而图4示出的转矩变化，则具有按照本发明的单独的转子叶片控制和传动链减振。由两曲线变化的比较可以看出，单独的转子叶片控制协同传动链减振，尤其在额定载荷范围内使得转矩明显更为均匀，这样就导致负荷的相应降低，从而也导致传动装置、三相交流电机和辅助驱动装置的优化设计。

Claims (19)

1.风力发电设备的传动链，包括作为用于传动装置的驱动装置的转子，其中，在转子的转子轮毂上装有绕其纵轴线可转动的转子叶片；包括与所述传动装置和与一电网连接的三相交流发电机；以及包括用于所述传动装置的转速可变的辅助驱动装置；其特征在于，每一转子叶片具有一自身的驱动装置，用于各自单独绕其纵轴线的转动。
2.按照权利要求1所述的传动链，其特征在于，所述辅助驱动装置可以按电动机方式和按发电机方式工作。
3.按照权利要求1或2所述的传动链，其特征在于，所述辅助驱动装置设计用于一种有不对称的转速范围的操作，所述转速范围例如从-2000至+1500min-1。
4.按照权利要求1至3之一项所述的传动链，其特征在于，在所述传动装置的输出轴上或在所述三相交流发电机的驱动轴上设置一测量装置，用以检测转速和/或转矩。
5.按照权利要求1至4之一项所述的传动链，其特征在于，在所述辅助驱动装置与所述传动装置的连接区域内设置一测量装置，用以检测转速和/或转矩。
6.按照权利要求1至5之一项所述的传动链，其特征在于，所述辅助驱动装置是一异步电机，它经由一变换器与电网连接。
7.按照权利要求6所述的传动链，其特征在于，所述辅助驱动装置是一流体静力的或流体动力的驱动装置或转矩转换器。
8.按照权利要求1至7之一项所述的传动链，其特征在于，所述三相交流发电机是一同步发电机。
9.按照权利要求1至8之一项所述的传动链，其特征在于，每一转子叶片的驱动装置可借助于各自单独的额定值设定单独地控制。
10.按照权利要求1至9之一项所述的传动链，其特征在于，所述传动装置是行星齿轮传动装置。
11.用于在风力发电设备的传动链中控制转速或转矩的方法，其中，一个三相交流发电机由一传动装置驱动，该传动装置本身则又由风力发电设备的转子轴和一辅助驱动装置驱动；其特征在于，为了传动链的转速和/或转矩的均匀性，使每一转子叶片经由一自身的驱动装置绕其纵轴线转动。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于，可以为每一转子叶片的驱动装置设定一单独的额定值。
13.按照权利要求11或12所述的方法，其特征在于，使辅助驱动装置按电动机方式和按发电机方式工作。
14.按照权利要求11至13之一项所述的方法，其特征在于，对传动链的振动进行测量，并通过辅助驱动装置的匹配的驱动或制动进行减振。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，检测所述三相交流电机的驱动轴的转速和/或转矩。
16.按照权利要求11至15之一项所述的方法，其特征在于，检测所述辅助驱动装置的输出轴的转速和/或转矩。
17.按照权利要求11至16之一项所述的方法，其特征在于，检测转子轴的转速和/或转矩。
18.按照权利要求11至17之一项所述的方法，其特征在于，将已知的和/或测得的和/或因外力引起的周期性重复的负荷波动用于传动控制的计算。
19.按照权利要求11至18之一项所述的方法，其特征在于，所述辅助驱动装置经由一变换器直接连接于电网。
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