专利名称：具有辅助发电机的风能设备及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种具有转子和发电机的风能设备，所述发电机由转子驱动产生电能。至少一个转子叶片绕其纵轴线可调整地设置在转子轮毂上。风能设备具有一个辅助发电机，所述辅助发电机由转子驱动产生电能用于至少一个负载。
背景技术：
由DE 102 33 589 A1已知一种具有一个多级发电机的风能设备。在所述风能设备中对于不同的风速设有不同的发电机级，各发电机级有选择地结合或分开。通过所述多个发电机级应该利用较大范围的不同风强度有效地发电。
由DE 196 44 705已知一种用于转子叶片的调整装置。在调整转子叶片的情况下所述转子叶片进入到横向位置，即所谓的旗帜位置(Fahnenstellung)，在所述旗帜位置上风能设备处于静止状态。调整装置具有一个辅助发电机，所述辅助发电机与塔型头/转子固定连接地进行安装并且获取转子相对于塔型头的旋转运动的能量。转子叶片通过所获取的能量直接旋转到旗帜位置。
由DE 100 09 472 C2已知一种具有应急电路的用于调整转子叶片的迎角的装置。所述应急电路具有永久磁铁发电机，所述永久磁铁发电机与马达进行电路连接以用于调整迎角，使得在接通应急电路之后调整到旗帜位置。因此在转子轴的较高转速情况下也得到转子叶片较高的运行速度。
由DE 101 53 644 C2已知一种具有非接触的能量传递装置的风能设备，所述能量传递装置将能量从风能设备的一个固定部件传递到转子上。在此异步机械与风能设备集成为整体，所述异步机械的定子与风能设备的固定部件连接并且所述异步机械的转子设置在旋转的部件上。
由DE 368 799已知一种用于风能设备的调节装置，在所述调节装置中自励发电机和他励发电机与蓄电池一起工作，这样自动地保持电压并且满足连接的负载的波动的电力需求。
由EP 1 286 049 A2已知一种具有稳定装置的风能设备，所述稳定装置主动地使转子在较少载荷的旋转状态(停车位置)上稳定。另外已知一个自身的供电装置，特别地以辅助风能设备的形式，所述辅助风能设备装配在风能设备的机器间中。
现代风能设备经常具有调整装置，即所谓的俯仰驱动装置(Pitchantrieb)，所述俯仰驱动装置可以绕转子叶片的纵轴线调整所述转子叶片，因此允许适配于不同的风速。
如果有必要切断这种风能设备，那么转子叶片通过俯仰驱动装置进入到旗帜位置，即转子叶片基本上横向于(90°)垂直的定向。在所述位置中转子通过固定制动器或一种其他的稳定装置可以持续地保持在静止状态上。但是转子经常不是通过制动器保持在静止状态上，而是转子在风中慢转，即所述转子自身旋转并且包括发电机在内的与转子连接的驱动线路旋转也因此旋转，其中发电机与电网分离。这种状态称为慢转运行(Trudelbetrieb)。在此根据风速和风向的不同情况调整每分钟若干转的不均匀的转速，相反在风能设备正常运行中转速明显较高例如在每分钟15-20转的范围。
通常要求，既使在供电故障时转子叶片也可以调整到旗帜位置。因此大多数情况下设有蓄能器例如在电的俯仰驱动装置的情况下为蓄电池或电容器以及在液压的俯仰驱动装置的情况下为蓄压器，由所述蓄能器得到对于将转子叶片一次调整到旗帜位置所需的能量。蓄能器经常这样设计，使得在一次调整过程之后所述蓄能器耗尽了并且在重新进行正常运行时才又充电。DE 200 20 232 U1建议使用一种辅助发电机，以便转子叶片可靠地旋转到旗帜位置。
在电网故障时为了风能设备的控制装置的暂时供电通常采用一种基于蓄电池的商业上通用的无中断的供电装置(USV)，所述供电装置设计用于短时间地给风能设备的控制装置供电，使得例如通过遥控可以获得信号，从而有规律地使驱动系统降速和/或切断控制装置。
对于海上(离岸)的风能设备要求即使在多天或多周的较长时间的电网故障的情况下风能设备也能够给主要部件提供应急电。因此通常设有一个柴油发电机，必需给所述柴油发电机提供相应大量的柴油。为了得到柴油和柴油发电机的无故障的状态需要显著的维护费用，另外柴油必需连续地或至少有规律地循环并且隔一定的时间更换。因此耗费是显著的，此外在海上使用柴油的设备还导致威胁环境。
发明内容
本发明的目的是，在电网故障时提供应急供电，所述应急供电可以用较少的耗费产生，在正常运行时要求较少的维护并且对环境没有威胁。
按本发明通过一种具有权利要求1的特征的风能设备解决所述目的。风能设备的有利的结构构成从属权利要求的主题。同样地通过按权利要求22所述的控制方法解决所述目的。
按本发明的风能设备具有一个转子和一个由所述转子驱动的发电机，所述发电机产生电能，所述电能特别地用于馈入到电网中。至少一个转子叶片可绕其纵轴线旋转地设置在转子轮毂上。另外设有一个辅助发电机，所述辅助发电机产生由转子驱动的用于至少一个负载的电能。按本发明辅助发电机对于转子的转速进行设计，对于调整到旗帜位置上的转子叶片调整所述转速。所述转速比在正常运行中的转速小。特别地对于慢转运行时的转速，辅助发电机产生电能用于所述负载。本发明基于的认识是，在风能设备慢转时可以利用存在的较小的转速来驱动辅助发电机，以便以这样的方式持续地并且可靠地保证应急供电。特别地在风能设备离岸时发电机允许可靠地提供能量，所述风能设备也对于多天或多周的电故障进行设计。为了风能设备持续地保持在该工作模式中，发电机给用于调整转子叶片的控制装置供电并且给至少一个用于调整转子叶片的迎角(Anstellwinkel)的马达供电。在这种结构中在慢转运行时辅助发电机也允许控制至少一个转子叶片的迎角，以便结果在慢转运行中实现风能设备的受控制的或受调节的运行。转子叶片的迎角由控制装置控制，以便得到一种转速，对于该转速设计辅助发电机。控制装置控制和/或调节至少一个转子叶片的迎角，以便以较小转速持续地驱动发电机。优选地，每个转子叶片分别装备一个马达用于调整迎角，其中每个马达由辅助发电机供电。这种结构允许既使在慢转运行中也调整所有转子叶片的迎角并且从而在不同的条件下保证受调节的慢转运行。
在另一优选的方案中，辅助发电机给用于机器间的角度(方位角)的控制装置供电并且给用于调整机器间的角度的方位驱动装置(Azimutantrieb)供电。在这种方案中辅助发电机在慢转运行期间允许使机器间并且从而使转子在风中定向。断开的风能设备以这样的方式也可以主动地跟踪变化的风向，因此既使在强风中也使风能设备较小地受负荷。
在一种优选的进一步方案中设有开关机构，在通过电网进行供电有故障的情况下所述开关机构接通辅助发电机，用于通过转子进行驱动。优选地开关机构构成为机械的、液压的、气动的和/或电的。在一种可能的结构中机械的离合器构成为开关机构，在风能设备正常运行时所述离合器打开并且在电网故障时自动地闭合，其中离合器优选时间滞后地闭合，使得通过这种滞后减小已经从风中转出的转子叶片的转速。
在另一结构中，离合器电地和/或液压地打开并且弹簧操作地闭合。可能的选择是，设有一个离心力操作的开关机构，在超过预定的第一转速时所述开关机构打开并且在低于预定的第二转速时闭合。在此预定的第一转速可以相同于或不同于预定的第二转速。
在按本发明的风能设备的一种可能的结构中设有一个制动器，在接通辅助发电机之前操作该制动器，直到达到对于辅助发电机规定的转速。
在一种可能的结构中，当达到对于辅助发电机规定的转速时，辅助发电机才由转子持续地驱动并且通过电开关机构产生与负载的电连接。
在上述结构的进一步拓展中，开关机构具有一个接触器，在正常运行时所述接触器打开并且在电网故障时优选时间滞后地闭合。另外开关机构具有一个整流器、一个变频器和/或一个逆变器，它或它们将由辅助发电机产生的电流转换成待供电的负载所需的方式并且提供作为直流电或交流电。
在一种同样优选的结构中，辅助发电机通过一个传动装置与转子联接，其中优选地所述传动装置具有这样的传动关系，以便在风能设备的转子的转速小于每分钟15转时驱动辅助发电机以产生电能。例如对于辅助发电机的转速范围传动关系设计成每分钟二至八转。另外优选地辅助发电机这样设计，以便在每分钟四到六转的转速的传动关系中通过所述传动关系实现足够的电能提供。未来的具有很大直径的风能设备也可以在明显较小的转速中用辅助发电机发电。
辅助发电机优选地具有自励的或磁铁励磁的结构形式。另外可以使用具有他励装置的发电机，对于该发电机励磁功率由蓄能器例如蓄电池提供。另外在一种适宜的进一步拓展中，至少一个蓄电池设置在风能设备种，所述蓄电池确保无中断的供电，其中蓄电池由辅助发电机供电并且特别地在电网故障时重新充电。同样可能的是，这样构成发电机，使得所述发电机通过开关机构可以作为辅助发电机进行工作。
同样通过一种用于控制风能设备的方法解决按本发明的目的。风能设备具有至少一个转子叶片，所述转子叶片在其迎角方面可绕其纵轴线进行调整，所述方法的特征在于一种工作模式，在所述工作模式中转子叶片以相对于正常运行时降低的转速进行旋转。优选地转子叶片如上述具有每分钟若干转的转速，而在正常运行中转速为每分钟15至20转。对于这种转速范围进行设计的辅助发电机产生电功率，所述电功率满足用于转子叶片迎角的控制装置。所述控制装置这样调整转子叶片的迎角，使得风能设备持续地在该工作模式中以较低的转速进行工作。在此辅助发电机给用于调整转子叶片的控制装置和驱动装置供电。在此可调节或可控制迎角的状态。
下面借助于附图详细解释本发明。其中图1按本发明的风能设备的传动线路的示意图，图2包括基本上要通过辅助发电机进行供电的风能设备部件的框图。
具体实施例方式
图1显示风能设备的传动线路的示意图，包括可调节地支承在转子轮毂2上的转子叶片1。转子轴3通到传动装置4上，所述传动装置的输出轴构成用于发电机6的发电机轴5。在正常运行时风能设备具有例如每分钟约15-20转的转速，所述转速通过传动装置4转换成用于发电机6的合适的转速。当然也存在无传动机构的驱动线路。
自动离合器9设置在发电机6的输出轴上，所述离合器与辅助发电机8的发电机轴连接。
所述的驱动线路如下进行工作在电网电流有故障的情况下转子叶片通过辅助马达旋转到旗帜位置，所述辅助马达由发电机或蓄能器(未描述)馈电。因此风能设备逐过渡到慢转运行中，在所述慢转运行中转子具有每分钟约四至六转的转速。如果大约达到该转速，那么闭合离合器9，使得辅助发电机8通过转子被驱动。通过辅助发电机8提供的电功率在若干千瓦数量级就足够了，所述功率用来在电故障时向风能设备的必需部件例如控制装置、风传感器、俯仰系统和方位系统、液压系统、信号装置、用于航海和航空的危险信号灯等供电。如下面还将描述的，由辅助发电机8提供的能量甚至允许控制或调节慢转运行。
图2以框图的形式显示风能设备的连接。在正常运行中在发电机6上产生的电功率通过闭合的开关17供给到电网上。电负载例如控制装置13、信号装置和危险信号灯14、以及方位系统15和俯仰系统16由电网或由发电机6供给电功率。
如果风能设备例如由于电网故障必需从电网中断开，那么打开开关17。在这种情况下无中断的供电装置12短时间承担负载尤其是控制装置13和信号装置和危险信号灯14的供电。此外通过俯仰驱动装置使转子叶片调节到旗帜位置，所述俯仰驱动装置是俯仰系统16的组成部分。因此必需的能量由蓄能器获得，所述蓄能器同样是俯仰系统16的组成部分。由于转子叶片旋转到旗帜位置上，转子的转速减小。在较小的转速时开关18转换并且由辅助发电机8产生的电功率通过变频器11转变成用于负载的合适的交流电。因此无中断的供电装置12又可以充电了，控制装置13必要时又进入工作并且承担控制任务，另外信号装置和危险信号灯14可以进行工作。另外在通常闭合开关19时实现方位系统15和俯仰系统16的供电。
如果风能装置的部件12至16适用于直接用辅助发电机8产生的电流进行工作，那么当然可以放弃变频器11。
通过辅助发电机8至少确保风能设备和俯仰系统16的控制装置13的供电以及至少一个俯仰驱动装置的供电，使得在风能设备中的至少一个转子叶片可以调整到与旗帜位置偏离的位置上。在控制于慢转运行时转子叶片这样调节，使得转子叶片的转速在这样的范围中，使得在发电机轴7上出现对于辅助发电机8的运行特别有利的转速例如每分钟400-500转。以这样的方式可以控制慢转运行并且实现能量均匀的提供。
至少风能设备和方位系统的控制装置13、风传感器、方位驱动装置和液压系统(只要存在)通过辅助发电机8供给能量。通过风传感器特别确定风向，使得控制位置13得到输入参数，即在哪个方向上风能设备的跟踪是必需的。如果风能设备装备方位制动器，那么液压系统必须被供给能量，所述方位制动器在风能设备的跟踪时必须液压地冷却。因此可能的是，风能设备在旋转的风中进行跟踪并且这样调节，使得尽可能小的载荷作用到所述风能设备上。特别地风能设备这样进行调节，使得转子指向风的方向。
在进入风静止时不再可能通过辅助发电机8供电。在这种情况下，控制装置13和信号装置和危险信号灯14的供电还是必需的，它们由无中断的供电装置12承担供电。然后方位系统15和俯仰系统16的工作不是必需的并且这些部件通过打开开关19断开供电。
控制装置13是经由控制线路(未描述)、局部的通讯网络或其他连接机构与风能设备的其余部件连接，以便控制所述风能设备并且得到所述风能设备的工作值和测量值。
现代风能设备的安全准则要求在电网故障时切断的风能设备不损坏地承受具有变化风向的一定强度的风暴。如果风能设备可以主动地跟随变化的风向，那么所述的风能设备可以对于设计的负荷情况以不同部件上的明显的材料节约进行设计并且有较大的可能性在于，风能设备不损坏地承受极端的风力条件。
权利要求
1.一种风能设备，包括一个转子；一个用于产生电能的发电机；至少一个可旋转地支承的转子叶片(1)，所述转子叶片可以绕其纵轴线进行调整以便调整迎角；和一个辅助发电机(8)，用于产生电能用于至少一个负载(12、13、14、15、16)，其特征在于所述辅助发电机(8)在一个与正常运行相比具有较低转速的转速范围内产生电能用于转子叶片调整的控制装置并且用于调节所述至少一个转子叶片的迎角的驱动装置，其中控制装置控制或调节迎角以便在所述转速范围内持续运行。
2.按权利要求1所述的风能设备，其特征在于每个转子叶片分别设有一个用于调节迎角的驱动装置，所述驱动装置可以相应由辅助发电机(8)供电。
3.按权利要求1或2任一项所述的风能设备，其特征在于设有一个用于机器间的迎角的控制装置和一个用于调节具有转子的机器间的定向的方位驱动装置，其中方位驱动装置通过辅助发电机(8)供给能量。
4.按权利要求1至3任一项所述的风能设备，其特征在于设有开关机构，在通过电网进行供电有故障的情况下所述开关机构接通辅助发电机，用于通过转子进行驱动。
5.按权利要求4所述的风能设备，其特征在于开关机构(9)构成为机械的、液压的、气动的和/或电的。
6.按权利要求5所述的风能设备，其特征在于设置一个离合器(9)作为开关机构，所述离合器在正常运行时打开并且在电网故障时自动闭合。
7.按权利要求6所述的风能设备，其特征在于离合器(9)时间滞后地进行闭合。
8.按权利要求6或7所述的风能设备，其特征在于在正常运行时离合器(9)机械地、气动地、电地和/或液压地打开。
9.按权利要求6或7所述的风能设备，其特征在于在超过预定的第一转速时离合器自动打开并且在低于预定的第二转速时自动闭合。
10.按权利要求9所述的风能设备，其特征在于预定的第一转速相同于预定的第二转速。
11.按权利要求9所述的风能设备，其特征在于预定的第二转速大约等于用于辅助发电机的转速。
12.按权利要求5至11任一项所述的风能设备，其特征在于设置一个制动器，在接通辅助发电机之前操作所述制动器，直到达到为辅助发电机规定的转速。
13.按权利要求1至12任一项所述的风能设备，其特征在于如果达到对于辅助发电机规定的转速，那么在正常运行期间辅助发电机(8)由转子驱动并且建立与负载(12、13、14、15、16)的电连接。
14.按权利要求13所述的风能设备，其特征在于开关机构具有一个接触器，该接触器在正常运行时打开并且在电网故障时闭合。
15.按权利要求14所述的风能设备，其特征在于接触器时间滞后地闭合。
16.按权利要求13至15任一项所述的风能设备，其特征在于开关机构附加地具有一个整流器、变频器和/或逆变器。
17.按权利要求1至16任一项所述的风能设备，其特征在于辅助发电机(8)通过传动装置(4)与转子连接。
18.按权利要求1至17任一项所述的风能设备，其特征在于辅助发电机(8)具有自励的或磁铁励磁的结构形式。
19.按权利要求1至17任一项所述的风能设备，其特征在于辅助发电机(8)具有他励的结构形式。
20.按权利要求1至17任一项所述的风能设备，其特征在于发电机(6)具有开关机构，所述开关机构在接通的状态下允许发电机(6)作为辅助发电机工作。
21.按权利要求1至20任一项所述的风能设备，其特征在于另外设置至少一个蓄能器用于无中断的供电，所述蓄能器作为负载由辅助发电机供电。
22.用于控制具有至少一个转子叶片的风能设备的方法，所述转子叶片在其迎角方面可绕其纵轴线进行调整，其特征在于具有相对于正常运行时降低的转速的工作模式，在所述工作模式中辅助发电机产生电功率，以及控制装置，所述控制装置调整转子叶片的迎角，用于辅助发电机以降低的转速持续运行，其中至少控制装置和用于调整转子叶片的驱动装置由辅助发电机进行供电。
全文摘要
本发明涉及一种风能设备，包括一个转子、一个用于产生电能的发电机、至少一个可旋转地支承的转子叶片和一个用于产生电能给至少一个负载的辅助发电机，所述转子叶片可以绕其纵轴线进行调整以便调整迎角，其特征在于辅助发电机在一个与正常运行相比具有较低转速的转速范围内产生电能用于转子叶片调整的控制装置并且用于调节所述至少一个转子叶片的迎角的驱动装置，其中控制装置控制或调节迎角以便在转速范围内持续运行。
文档编号F03D9/00GK1957169SQ200580015958
公开日2007年5月2日 申请日期2005年5月13日 优先权日2004年5月18日
发明者E·福斯 申请人:诺德克斯能源有限公司