FI77092C - Reglersystem foer bladstigningsvinkel i en vindturbingenerator. - Google Patents

Description

Il 77092 1 Siiven nousukulman säätö systeemi tuuliturbiinigeneraattoria varten Reglersystem för bladstlgnlngs-vinkel i en vindturbingenerator 5

Keksinnön kohteena on siiven nousukulman säätösysteemi tuuliturbiinigeneraattoria varten, mihin sisältyy roottori, missä on joukko nousu-10 kulmaltaan säädettäviä siipiä siihen kiinnitettynä ja käyttämässä sähkögeneraattorla tietyn käyttölaitteiston välityksellä, säätölaitteet vertailusignaalin muodostamiseksi, osoittaen haluttua siiven nousukulmaa pienemmissä kuin nimellis-tuulennopeusolosuhteissa, mainittujen säätölaitteiden sisältäessä laitteet aikaansaaden taajuussignaalin, osoittaen 15 tuuliturbiinin pyörimistaajuutta.

Nykyaikaisiin, suuriin vaakasuoran akselin tuuliturbiinigeneraattorelhln sisältyy yleensä kaksi tai useampia nousukulmaltaan säädettäviä siipiä asennettuna roottorille, mikä käyttää synkronista generaattoria vaihde-20 laatikon välityksellä, tämän vaihdelaatikon nostaessa pääturbilnlakselin pyörimisnopeuden siksi nopeudeksi, mikä on tarpeen generaattorin synkronista toimintaa varten. Tällaisissa tuuliturblinigeneraattoreissa on yleensä toivottavaa säätää siiven nousukulmaa tuuliolosuhteiden ja turbiinin ulostulovaatimukslen mukaan. Sovelias siiven nousukulman säätö-25 systeemi suuria tuuliturbiinigeneraattoreita varten on esitettynä US-pa-tentissa n:o 4.193.005, keksijänä Kos sekä muut. Tämä säätösysteemi on suljetun silmukan systeemi, mikä aikaansaa siiven nousukulman vertailu-signaalin siiven nousukulman muuttamisen käyttösysteemllle sellaisiin parametreihin perustuen, kuten tuuliolosuhteet, halutut turbiinigene-30 raattorin käyttöolosuhteet ja vallitsevat turbiinigeneraattorin toiminta-olosuhteet. Tähän Kos sekä muiden patentin systeemiin sisältyy neljä erillistä säädintä: ensimmäinen säätämässä roottorin kiihdytystä käynnistyksen aikana, toinen säätämässä roottorin hidastusta pysäytyksen aikana, kolmas säätämässä roottorin nopeutta, kun synkroninen generaattori on 35 poissa verkosta ja neljäs säätämässä tehoa tai vääntömomenttla, kun generaattori on verkkoon kytkettynä. Nämä säätlmet aikaansaavat aikaderivoi-dun nousukulman vertailusignaalin sisääntulosignaaliksl lntegraattoriin.

2 77092 1 Tämän integraattorin ulostulo on se siiven nousukulman vertailusignaali, mikä yllä todettiin. Integraattoriin sisältyy siiven kulman maksimiarvon ja minimiarvon pysäytysvasteet. Maksimimääräinen pysäytysvaste vastaa siiven nouskulman 90° (täysin lepuutettu siipi), kun taas siiven kulman 5 minimimääräinen pysäytysvaste on säädettävissä ja on se funktio roottorin nopeudesta ja mitatusta tuulen nopeudesta.

Kuten on selitettynä tässä Kos sekä muut patentissa, on säätimen aikaansaama siiven nousukulman vertailusignaali rajoitettu tiettyyn minimiarvoon JO (minimimääräinen integraattorin pysäytysvasteen kohta) tuulen nopeuden olosuhteissa tietyn mukaankytkemisnopeuden (se minimimääräinen tuulen nopeus, millä tuuliturbiinlgeneraattorl kykenee aikaansaamaan käyttökelpoista tehoa) ja nimellisen nopeuden (se minimimääräinen tuulen nopeus, millä tuuliturbiinlgeneraattorl saattaa aikaansaada nimelllstehonsa) välillä.

15 Tuuliturbiinin toiminnan kannalta on tärkeätä, että tällä tuulen nopeuksien tällä toimialueella siipien nousukulma asetetaan sellaiseen minimiarvoon, että tällä voidaan vastaanottaa suurin mahdollinen määrä energiaa tuulen virtauksesta. Tuulen nopeuksilla, mitkä ovat suurempia kuin mitä ovat nopeudet tämän toimialueen puitteissa, on riittävää määrää enemmän-20 kin energiaa käytettävissä nlmelllstehon muodostamista varten ja tämän takia energiaa "valuu yli" siiviltä tuuliturbiinin toimiessa. Tämän toimialueen puitteissa täytyy kuitenkin siipien olla tarkoin asetettu mlnl-minousukulmalie, missä mitään merkityksellistä energian määrää el hukkau-du näiltä siiviltä.

25

Kos sekä muut mukaisessa säätösysteemissä varastoidaan nousukulman (^iQ) arvot funktiona nopeuesuhteesta A (tietyn vakion, siipien halkai- sljamitan ja siipien pyörimlstaajuuden jaettuna tuulen nopeudella tulo) tiettyyn funktiogeneraattoriin tai muistiin 204. Tulee huomata, että jot- 30 ta voitaisiin aikaansaada tarkka β . signaali, täytyy funktlogeneraatto- min riin 204 syöttää sisään tarkat lukemat tuulen nopeudesta ja roottorin pyörlmistaajuudesta. Vaikkakin roottorin pyörimisen taajuus on helposti ja tarkasti mitattavissa, el tuulen nopeuden tarkka määrittely ole niinkään helposti toteutettavissa. Tämän johdosta on ollut käytäntönä mitata 35 tuulen nopeus tietystä plsteanturista, mikä on asennettuna tiettyyn palkkaan etäällä tuuliturbiinin roottorista. Nyt on huomattava, että tällainen anturi havaitsee tuulen olosuhteet ainoastaan välittömässä läheisyy- il 3 77092 1 dessään ja tämän johdosta se epätasalaatuisuuksien läsnäolon johdosta tuulen nopeudesta el ehkä tarkoin osoita nopeusolosuhtelta roottorilla. Sitä paitsi silloinkin mikäli nopeuden anturi pystyisi tarkoin mittaamaan tuulen nopeuden olosuhteet roottorilla, olisi tällainen mittaus silti ai-5 noastaan osoitus tuulen nopeudesta tämän anturin sijaintikohdalla. Tarkkuuden saavuttamiseksi tulisi siiven minlmlmääräinen nousukulman signaali perustaa tuulen olosuhteisiin integroituna roottorin koko pinta-alalta. Selvästikin ei pistemäinen tuulen nopeuden anturi kykene suorittamaan tällaisia mittauksia. Niitten tuulen pienen nopeuden olosuhteitten aikana, 10 joissa siiven mlnimlmääräinen nousukulma säätää tämän turbiinin toimintaa, saattaa jopa pienikin virhe tuulen nopeuden määrittelyssä johtaa siiven nousukulman asetuksiin, joissa se tuulen energian määrä, minkä turbiini kykenee vastaanottamaan ja tämän johdosta tämän turbiinin ulostulo joutuvat merkityksellisessä määrin vaaranalaisiksi.

15 Tämän keksinnön ensisijaisena tarkoituksena on tämän johdosta aikaansaada parannettu laitteisto siiven minlmimääräisen nousukulman asetuksen tarkkaa määrittelyä varten suurille tuuliturbiinigeneraattoreille, mitkä toimivat tuulen nimellistä nopeutta pienemmillä arvoilla.

20 Tämän keksinnön eräs toinen tarkoitus on aikaansaada tällainen laitteisto, missä siiven nousukulman asetus määräytyy tuulen nopeuden olosuhteitten perusteella koko tuuliturblinln roottorin alueella tietyn yhden ainoan pistesijaintikohdan sijaan. Tämän keksinnön vielä eräs toinen tarkoitus 25 on aikaansaada tällainen laitteisto, missä siiven mlnimlmääräinen nousu-kulma määräytyy sellaisten olosuhteitten perusteella, mitkä ovat tarkoin ja helpolla tavalla mitattavissa.

Keksinnön mukainen siiven nousukulman säätösysteemi on tunnettu siltä, 30 että säätösysteemi käsittää laitteet, jotka aikaansaavat ulostulosignaalin, joka osoittaa sen hetkistä tuuliturblinln ulostuloa; ja 35 signaalinkäsittelylaitteet, jotka toimivat tämän ulostulosignaalin ja taajuueslgnaalin perusteella aikaansaaden siiven nousukulman vertailu-signaalin, funktiona ulostulosignaalin sekä tuuliturblinln nimellis- 4 77092 Ί pyörimistaajuuden sekä tuuliturbllnin pyörimistaajuuden osamäärän kuution tulosta, näin aikaansaadun siiven nousukulman vertailusignaalin osoittaessa sitä siiven nousukulman asetusta, joka tällä tuuliturbiinil-la vastaa kyseisen ulostulon saavuttamista nimellistä tuulen nopeutta 5 pienemmillä arvoilla.

Tämän keksinnön mukaisesti minlmimääräisen nousukulman vertalluslgnaall tuuliturbllnin siiven nousukulman säätöä varten tuulen nimellistä nopeutta pienemmillä arvoilla määräytyy turbiinin ulostulotehon tai vääntömomen-10 tin perusteella tietystä pistemäisestä sijaintikohdasta mitatun tuulen nopeuden sijaan. Kun perustetaan siiven tarvittava minimlmääräinen nousu-kulma tähän tehoon tai vääntömomenttlin, lasketaan siiven nousukulman vertalluslgnaall niitten olosuhteitten perusteella, mitkä on integroitu koko tuuliturbllnin roottorilta, sen sijaan että käytettäisiin yhden ai-15 noan pisteen sijaintipaikkaa, mikä sijaitsee etäällä siitä. Sitä paitsi ovat vääntömomenttl ja teho mitattavissa tarkemmin kuin tuulen nopeus, mikä täten edelleen tehostaa tuloksena olevan siiven nouskulman vertailu-signaalin tarkkuutta. Tällainen siiven nousukulman signaalin lasketun tarkkuuden tehostaminen optlmlsol tuulienerglan talteenottokykyä tässä 20 turbiinissa ja tämän johdosta laitteen ulostulokapaslteettia.

Kuvio 1 on kaavlokuvanto tuuliturbiinigeneraattorln siiven nousukulman säätimen edullisena pidetystä suoritusmuodosta tämän keksinnön mukaan.

25 Kuvio 2 on toimintakaavio tyypilliselle suurelle tuuliturblinigeneraat-torille.

Viitaten nyt oheiseen piirustukseen on tämän keksinnön mukainen siiven nousukulman säätösysteemi esitettynä yleisesti pisteviivan 10 sisällä.

30 Systeemiin tuodaan sisään siiven nousukulman vertailusignaalin aikaderivaatta (^) johtimeen 15, tuuliturbllnin roottorin pyörimisen todellisen taajuuden osoituksena oleva signaali (N ) johtimeen 20 ja johtimeen 25 signaali (P), mikä on osoituksena tuuliturbllnin todellisesta ulostulo-tehosta. Pyörimisen taajuuden ja tehon signaalit voidaan helposti saada 35 soveliaista antureista 30 ja vastaavasti 35, mitkä ovat alalla sinänsä hyvin tunnettuja. Siiven nousukulman signaalin aikaderivaatta (/^) saadaan säätimestä 40, mikä saattaa esim. sisältää sellaisen säätimen, mikä

II

5 77092 1 on edellä mainitun US-patentln n:o 4.193.005 mukainen Ilman sen integraat-torlosuutta, mikä on esitettynä tämän patentin kuviossa 8. Täten johti-messa 15 oleva signaali ^ saadaan esimerkiksi Kos sekä muut systeemin toimintamoodin valitsimesta 96, jolloin muut yksityiskohdat, mitä tulee 5 tämän Kos sekä muut systeemin rakenteisiin ja toimintaan, ovat helpolla tästä patenttijulkaisusta jäljennettävissä. Tähän patenttiin viitattaessa näemme, että edullisena pidetyn suoritusmuodon säätösysteemi 10 vastaa yleisesti ottaen systeemin sitä osuutta, mikä on esitettynä tämän patentin kuviossa 8 ja minkä viitenumero on 104 tämän patentin kuvion 3 10 lohkokaaviossa.

Viitaten jälleen kerran tässä olevaan piirustukseen syytetään derivoitu signaali johtimessa 15 rajoittlmeen 45, mikä rajoittaa signaalin arvoihin, mitkä sopivat yhteen siiven nousukulman muutoksen käyttöeIlmien ky-15 kyjen kanssa nousukulman muutoksen käyttösysteemissä tätä turbiinia varten. Esimerkkitapauksessa, milloin siiven nousukulma asetetaan hydraulisilla toimielimillä, rajoittaa rajoitin 45 dervoidun signaalin arvoihin, mitkä vastaavat sen syöttöpumpun kapasiteettia, mikä aikaansaa painelte-tun hydraulisen väliaineen toimielimille. Rajolttlmesta 45 syötetään ra-20 joitettu derivoitu merkki yhteenlaskevaan pisteeseen 50, mikä muodostaa erotuksen rajoitetun derivoidun signaalin ja johtimessa 40 olevan ulostulosignaalin piiristä 55 saatuna välille ja syöttää tämän erotuksen inte-graattoriin 70 johdinta 75 pitkin. Integraattori 70 integroi tämän derivoidun signaalin täten aikaansaaden siiven nousukulman vertailusignaalin 25 A johdinta 80 pitkin syötettäväksi siiven nousukulman käyttösysteemiln 85, mikä asettaa tuullturblinln siipien nousukulman tätä vertailuslgnaa-lia vastaavaksi. Nousukulman käyttösysteeml el muodosta mitään osaa nyt kyseessä olevasta keksinnöstä eikä sitä tämän johdosta tässä yhteydessä kuvata. US-patentissa n:o 4.348.155, keksijänä Barnes sekä muut, kuvataan 30 kuitenkin soveliasta tuullturblinln nousukulman käyttösysteemlä.

Siiven nousukulman vertallusignaall johtimesta 80 syötetään piiriin 55 johdinta 90 pitkin. Piiri 55 vertailee nousukulman vertailusignaalla mak-simimääräiseen ja minlmimäärälseen sallittavissa olevaan nousukulman ar-35 voon tässä laitteessa ja mikäli vertallusignaall johtimessa 90 sijaitsee maksimin ja sallittavissa olevan signaalin arvon välillä, se aikaansaa nollausulostulon yhteenlaskevaan pisteeseen 50 johtimen 60 kautta. Siinä 6 77092 1 tapauksessa» että nousukulman vertailusignaali johtimessa 80 on suurempi kuin suurin sallittavissa oleva (90°) vertailusignaali vastaten lepuutettua tilannetta siivillä, aikaansaa piiri 55 suuren vahvlstuskertoimen ulostulosignaalin johtimeen 60, mikä tehokkaasti sammuttaa ajan suhteen 5 derivoidun slsääntulosignaalin yhteenlaekevaan pisteeseen 50 sulkien in-tegraattorin 70 pois toiminnasta, täten rajoittaen suurimman sallittavissa olevan nousukulman vertalluslgnaalln, mikä aikaansaadaan tolmintasys-teemiin 85 arvoon 90°. Vastaavaan tapaan niin siinä tapauksessa, että nousukulman vertailusignaali johtimessa 80 on pienempi kuin pienin sallit-10 tavissa oleva nousukulman arvo (MIN/&), aikaansaa piiri 55 suuren vahvis-tuskertoimen ulostulosignaalin johtimeen 60, mikä yhteenlaskevassa pisteessä 50 sammuttaa ajan suhteen derivoidun signaalin estäen integraatto-ria 70 integroimasta pienempään arvoon saakka kuin mitä on se minimiarvo, mikä vastaa haluttua siiven nousukulman asetuskohtaa minimillä (nimellis-15 arvoa pienemmällä) tuulen nopeuden tilanteella. Kuten yllä on todettu, maksimimäärälnen siiven nousukulman signaali piirin 55 sisällä on vakinainen (90°) ja on se varastoitu sinne, kun taas mlnimimääräinen nousu-kulman signaali (MINfi) on muuttuva suure, mikä syötetään piiriin 55 funktlogeneraattorista 95 johdinta 100 pitkin.

20

Kuten yllä on todettu, asetetaan nimellistä tuulen nopeutta alhaisemman nopeuden olosuhteissa tuuliturnlinln siivet MIN/& asentoon, mikä vastaa tuulen energian optimia saantia siipiin ilman mitään tuulen "hukkaanvalu-mista". Kuten edelleen on todettu, niin jotta voitaisiin saavuttaa tällal-25 nen optimi energian saanti, täytyy MINfb signaalin tarkkuus optlmisoida. Tämän keksinnön mukaisesti saavutetaan tällainen signaalin tarkkuus funk-tlogeneraattorllla 95, mikä aikaansaa MIN^ ulostulosignaalin johtimeen 100 perustuen tuuliturbiinimoottorin pyörimätaajuuteen ja tehon ulostuloon siitä sen sijaan, että se perustuisi tuulen nopeuteen tietyssä pls-30 temäiseseä palkassa. Kuten piirustuksissa on esitetty, varastoidaan MIN arvot funktlogeneraattoriin 95 funktiona suureesta / N^\ p. Tässä

'V

lausekkeessa osoittaa, kuten jo yllä on todettu, P todellista ulostulon tehoa turbiinista ja N tämän turbiinin roottorin pyörimisen taajuutta.

K

35 Nq on turbiinin roottorin pyörimisen nimellistaajuus tai toisin sanottuna roottorin pyörimisen maksimltaajuus kytkemiskohdan tuulen nopeudella.

7 77092 ' Alan asiantuntijat huomaavat nyt, että ulostulon teho on Itsessään funk-tio tuulen nopeudesta. Täten kun perustetaan MIN/9vertailuelgnaali ulostulon tehoon, perustuu tämä signaali Itse asiassa tuulen nopeuden olosuhteisiin tuuliturbiinin roottorin koko halkaisijamltan alueella, mikä tä-5 ten tehostaa tämän vertailuslgnaalln tarkkuutta. Se tarkkuus, millä tuuliturbiinin ulostulon teho mitataan, lisää edelleen nousukulman vertailu-signaalin tarkkuutta.

Funktiogeneraattori 95 voidaan ohjelmoida seuraavaan tapaan. Viitaten nyt 10 kuvioon 2 on siinä esitetty toimintakaavio tyypilliselle suurelle tuuli-turbllnlgeneraattorllle, tämän kaavion määräytyessä tunnetuilla analyyttisillä menetelmillä turbiinin geometrian perusteella. Voidaan nähdä, että toimintakaavio sisältää joukon käyriä, mitkä kuvaavat tehokerrointa Cp (suhdetta tehon sen määrän, mikä turbiiniin kulloinkin voidaan saada sil-15 hen määrään verrattuna, mikä on käytettävissä tehona tuulen virtauksessa, minkä turbiini vastaanottaa) nopeussuhteeseen nähden esitettynä joukolle erilaisia siiven nousukulman asetusarvoja. Nyt voidaan nähdä, että mitä tahansa nopeussuhteen X arvoa kohden on olemassa vastaava yksi ainoa mak-simimäärälnen tehokerroln tietyllä ainoalla nousukulmalla. Käänteisesti 20 sanottuna niin kutakin maksimimääräletä tehokerrointa kohden on olemassa eräs siiven kulma-asetus, millä tämä tuuliturblinl pystyy saavuttamaan sellaisen tehokertoimen tietyllä nopeussuhteella. Mitä tahansa nopeussuh-detta varten voidaan kuviosta 2 saatavien tietojen avulla laskea nimellinen tuulen nopeus alempana esitettävästä lausekkeesta: 25 V0 * n0d srr- 30 missä D on tuuliturbiinin roottorin halkaisijamltta. Kun on laskettu tämä nimellinen tuulen nopeus, voidaan laskea nimellinen teho taas lausekkeesta: 35 Po-^ f (vo) · So 8 77092 1 missä P on Ilman tiheys ja

CpQ = maksimlmääräinen tehokerroln vastaten sitä nopeuesuhdetta, millä Vq oli laskettu.

5 Täten voidaan nähdä, että kutakin nousukulmaa kohden, mikä vastaa tiettyä makslmlmäärälstä tehokerrointa kuviossa 2, on olemassa nimellistehon arvo, mikä siihen liittyy. Funktiogeneraattori 95 aikaansaa siiven nousukulman asetuskohdan (MIN/&), millä tällainen nimellinen ulostuloteho saavutetaan 10 annetulla tuulen nopeudella tai toisin sanottuna antaa siiven nousukulman asetuksen, missä optimi määrä energiaa voidaan vastaanottaa tuulesta täl- 3 laisella nopeudella. Funktlogeneraattorissa 95 on lauseke ( N^\ korjailu- lv tekijä, mikä on tarpeen sen tosiasian johdosta, että laskettu teho on nl-15 mellisteho. Todellinen teho riippuu nimellistehosta lausekkeen Pq -/Nq\ P \nr) mukaan.

20 Tuuliturbiinln siiven nousukulman säätösysteemi tämän keksinnön mukaisena voidaan helposti toteuttaa joko analogisilla tai digitaalisilla menetelmillä. Tämän johdosta saattaa funktlogeneraattorina yllä kuvattu piiri 95 muodostua digitaalisesta hakutaulukosta muistissa. Vastaavasti saattavat muut yllä kuvatut komponentit sisältää analogisia tai digitaalisia lait-25 teitä. Vaikkakin säätösysteemiä on kuvattu, mitä tulee mlnlmlmäärälsen siiven nousukulman järjestävään systeemiin perustuen ulostulon tehoon, on myös huomattava, että nousukulman signaali voidaan perustaa turbiinin akselin vääntömomenttiin täysin yhtä hyvin, jolloin on huomattava, että todellinen vääntömomentti, aivan samoin kuin teho, aikaansaa sellaisen 30 perustan minimimäärälselle siiven kulman asetusarvolle, mikä oleellisesti integroi tuulen nopeuden olosuhteet koko turbiinin roottorin alueella. Sitä paitsi, niin vaikkakin tässä kuvattua systeemiä on kuvattu esimerkkitapauksessa alasysteeminä siiven nousukulman säätösysteemille, jollainen on esimerkiksi patentoitu Kos sekä muut systeemi, on silti ymmärret-35 tävä, että tämän keksinnön mukainen systeemi el ole rajoitettu tällaiseen käyttöön ja voidaan sitä käyttää missä tahansa siiven nousukulman säätö-

Claims (1)

1. 9 77092 systeemissä, mikä vaatii signaalia, mikä on osoituksena minimimääräises-tä nousukulmasta pienillä tuulen nopeuksilla. Kun keksintö täten on selitetty seuraa seuraavassa vaatimusosa. 5 15 20 25 30 35