专利名称：用于风轮机叶片运转的方法和系统的制作方法
技术领域：
本专利文件总体上涉及用于发电的风轮机的领域，并且更具体地说，但不是借助限制，涉及用来响应于电能的损耗来运转风轮机叶片的方法和系统，并且涉及用来利用多个电源使风轮机叶片运转的方法和系统。
背景技术：
作为可再生能源的风轮机的使用在持续发展。有必要改善在停电或其它可能损坏风轮机的事件例如在风轮机中的电气装置失效或雷击期间保护风轮机的安全装置。一些风轮机叶片具有可调螺距以使风对叶片的影响最大化。如果发生停电，期望为了风轮机的安全改变叶片的螺距。此外，许多风轮机位置偏僻，远离维修供应者，因此风轮机必须使它自己安全地脱机直到维修供应者能够到达为止。因此需要改善的风轮机。
发明内容
该简要描述旨在提供本专利申请的主题的概述。其并不旨在提供本发明的专门的或详尽的解释。包括详细的描述来提供关于本专利申请的主题的另外的信息。
本发明的实施例是具有包括叶片螺距控制的轮毂的风轮机，该螺距控制可以由电力系统或非电力系统操作。风轮机的每个叶片连接到至少一个叶片螺距控制。
用于螺距控制的非电力系统包括实施例中的机械动力源。非电力系统可以进一步包括气动力或水力。机械动力源包括连接到叶片的弹簧系统。在实施例中，弹簧系统包括扭簧。弹簧系统可以包括在正常操作状态下偏置弹簧并且在电力失效事件中释放被偏置的弹簧的机构。弹簧系统可进一步包括弹簧和连接在该弹簧和叶片之间的齿轮系统，并且其中该齿轮系统将来自弹簧的功率输出限制在叶片上。
本发明的实施例进一步包括如本文件中所描述的子系统和方法。
在图中，这些图没有必要按比例绘制，贯穿这几幅图，类似的数字描述基本类似的部件。具有不同字母后缀的类似数字代表基本类似的部件的不同实例。借助实例，而不是借助限制，这些图通常示出本文件中讨论的多种实施例。
图1示出根据本发明的实施例的具有应急停机系统的风轮机系统的一个实施例。
图2示出根据本发明的实施例的具有应急停机系统的风轮机系统的一个实施例。
图3示出根据本发明的实施例的具有应急停机系统的风轮机系统的一个实施例。
图4示出根据本发明的实施例的具有应急停机系统的风轮机系统的一个实施例。
具体实施例方式
以下的详细描述包括对附图的参考，其形成该详细描述的一部分。借助图示，这些图示出其中可以实施本发明的特定实施例。这些实施例，在这里也被称作“实例”，被足够详细地描述以使本领域技术人员能够实施本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合这些实施例，可以利用其它实施例，或者可以进行结构、逻辑和电气的改变。因此以下的详细描述不应当以限制的意义来理解，并且本发明的范围由所附权利要求及其等效物来限定。
在本文件中，使用术语“一”或“一个”(这在专利文件中是常见的)来包括一个或一个以上。在本文件中，术语“或”用来指非专门的“或”，除非另外指明。此外，在本文件中引用的所有公开物、专利、和专利文献，在此并入它们的全部内容作为参考，正如同单独并入作为参考那样。如果在本文件和那些被并入作为参考的文献之间出现不一致的用法，那么在被并入的参考中的用法应当被认为是本文件的用法的补充；对于不能协调的不一致，本文件中的用法起支配作用。
图1示出风轮机系统10，其包括用来产生提供给负载12的电能的风轮机11。负载12可以包括配电系统，例如电力网或公用网(utility grid)。负载12进一步可以是局部化的电能消耗装置，例如生产设备，或局部分配的电能消耗装置。风轮机11包括但不限于支撑地面上的机舱的塔架，未示出。电能的发电机13可以位于机舱中。在实施例中发电机13可以是异步发电机或同步发电机。冷却系统17在发电机的操作产生大量热时冷却它。冷却系统17可以是空气或液体冷却，或者是两者的组合。齿轮箱16用机械方式将发电机13连接到轮毂14，叶片15从轮毂14向外呈放射状延伸。在实施例中，叶片具有大约50到大约80英尺的纵向长度，其它长度在本发明的范围之内。在实施例中，轮毂14连接到齿轮箱16的低速轴。低速轴连接到齿轮。在实施例中，该轴包括用于液压装置(hydraulics)以操作气动制动器和/或叶片螺距致动器的管。在实施例中，该轴包括用于电布线到电气装置例如致动器、传感器等的管道。高速轴将齿轮箱连接到发电机。齿轮箱将来自轮毂和低速轴的能量转换到高速轴以供发电机13使用。
风轮机11进一步包括电单元20，其将发电机13连接到负载12。电单元20包括计算装置，或已编程的通用计算机或专用电子设备，以监控到达和来自风轮机和负载的电信号和机械位置。电单元20是风轮机控制器，其具有多个计算机以持续监控风轮机的状态并且收集对其操作的统计。电单元20还控制在风轮机内的很多个开关、液压泵、阀和发动机。该电单元的多个部分可以彼此分开地放置并且利用光纤或其它高速通信连接。电单元20可以在塔架的底部以及在机舱中包括控制器。电单元20的另外的部分可以被放置在轮毂中且通过滑环进行通信。电单元20进一步包括功率调节电路以使风轮机电信号与负载匹配。电单元20可以被放置在与塔架相邻或在塔架中的地面处。电单元20通过通信链路22与远程装置通信。通信链路22是有线或无线通信装置，例如蜂窝式(移动)电话链路或网际协议链路。电单元20可以经由该通信链路请求服务或发送警报。电单元20可以进一步从远端源接收对信息的请求，例如状态请求或请求收集的统计，并且检查它的现状。可以提供偏航机构40。
螺距控制30连接到叶片15并且用于改变叶片的螺距以使风对叶片的影响最大化来改善效率。相对于风向调整叶片的螺距提供了对叶片上的力的控制以最大化由风提供的力。叶片的螺距是它们沿叶片的纵轴的旋转位置。在实施例中，电单元20每秒钟检查几次风轮机11的电功率输出。当该电功率输出变得太高时，电单元20指示螺距控制30轻微地倾斜(pitch)或转动叶片15到风以外。如果该电功率低并且叶片15在风中放置得不理想，则电单元20指示螺距控制30倾斜或旋转叶片15进入风中。在操作中，螺距控制30在叶片围绕机舱旋转以驱动发电机13的同时将叶片15旋转少许度数。此外，每当风变化时该电单元通常将叶片倾斜几度，以便将叶片15保持在最佳角度，以对于所有风速都最大化输出。在实施例中，螺距控制30包括迫使叶片旋转的液压装置。在实施例中，螺距控制30包括连接到每个叶片以控制它们的螺距的电致动器。
如果发生与风轮机有关的故障，例如电力网损耗、齿轮箱或发电机过热等，那么电单元20自动停止风轮机。该单元20进一步通过通信链路22接触涡轮操作者。在这种情况下，叶片15应当变距(feather)进入风中，以保持减小叶片15上的力，且叶片和轮毂(即转子)不转动。理论上，间距控制30由电力网即负载12供电，以定位叶片。然而，当风轮机11没有连接到该网或该网上的功率下降时，风轮机必须提供自给式备用系统以控制叶片15的螺距，由此降低损坏该涡轮的可能性。
风轮机11包括第一备用螺距控制50和第二备用螺距控制55。第一备用螺距控制50是从电存储装置例如电容器或电池接收功率的电系统。电存储装置可以利用发电机13来充电。这可以在转子的再生制动期间发生。来自该存储装置的功率被提供通过直流/交流转换器并且被供给电动机，该电动机用作致动器以旋转叶片15来控制它们的螺距。在实施例中，第二备用螺距控制55是可以在缺乏电源的情况下工作的系统。第二备用螺距控制55包括机械能存储装置。该存储装置的实例包括弹簧和加压流体。如果发生电力故障，例如，由来自负载12的功率尖峰(power spike)引起的电力故障，那么第一备用螺距控制50可能会被损坏。第二备用螺距控制55仍旧可以控制叶片15的螺距以使叶片在风中变距，并且将叶片放置在安全位置以最小化对风轮机损害的可能性，直到电力恢复或风轮机被修复为止。在电力恢复后，电控制单元20重新设置风轮机以开始发电。在一些例子中，第二备用螺距控制55工作直到维修人员到达风轮机为止。
在另一实施例中，第二备用螺距控制55是混合装置，其存储机械能并且将它转换成电能以驱动螺距致动器。例如，机械能可以被存储在弹簧中。该弹簧是扭簧，其驱动发电机产生电，所产生的电又驱动螺距致动器。可以使用其它类型的机械能，例如加压流体，液压的或气动的。
图2示出本发明的实施例，其利用在操作可变速风轮机120中存储的转动能来倾斜风轮机叶片122。如果公用网124(其在一个实施例中是三相50/60赫兹网)发生故障，那么倾斜叶片122会制动该涡轮。在螺距控制器的电力中断并且风轮机必须停止运转时，应急螺距控制系统130提供备用螺距控制。该系统130利用第一转换器101和功率转换器102来提供控制和螺距伺服功率，例如在涡轮减速和停止运转期间。在DC应急电源总线104(其在实施例中是325伏总线)上的抵御扰动的(ride-through)电容器103和主DC链接电容器105提供可以用来运行电备用螺距控制的附加能量存储。三相变压器132和整流器134可以用来将来自公用网和网转换器的三相信号转换成用于控制系统110的单相信号。
如果发生公用网电源损耗，那么控制系统110感测网转换器102中的欠压或缺乏频率的条件。控制系统110通过发送信号以断开电源接触106来隔离网转换器102和公用网。控制系统110通过发送信号断开第一组辅助电源接触107来改变公用网的辅助电源馈给(feed off)的路线。控制器110发送信号以给第二组辅助接触108加电，由此从网转换器102的已滤波的输出馈给应急电源总线104。切换瞬态预计持续大约5个周期。可以提供从抵御扰动的电容器103的充足存储的电荷来防止在切换瞬态期间控制系统110的错误操作。
然后控制系统110在从风轮机轮毂和叶片的转动惯量抽取能量时，即再生地制动风轮机时，切换发电机转换器101选通的操作模式并且调整DC总线电压。控制系统110还切换网转换器102选通的模式，调整跨越滤波器电感器113和滤波器电容器109的电压。控制系统110可以命令轮毂螺距控制器111启动需要峰值伺服功率的电螺距致动器112的迅速倾斜。束线(wire harness)123包括给螺距伺服驱动发动机馈送电的控制和电力电缆。螺距致动器112需要的功率通量是可从主发电机126获得的功率通量的一小部分。通过利用发电机转换器101调整DC总线电压可以保持功率通量与螺距驱动发动机需要的功率通量平衡。因此扭矩控制回路变成了DC总线电压调整器的小磁滞回线。
控制系统110用信号通知发电机转换器101继续电磁制动，由此给DC链接电容器105或电池再充电直到涡轮转子随着叶片完全倾斜减慢到空转速度并且螺距伺服发动机制动装置(set)为止。在这点处，控制系统110将中止发电机转换器101的选通，使DC链接电容器105保持具有大量存储的电荷。DC链接电容器105中的剩余电荷将足以抵御大部分的公用网断电，或如果公用网没有恢复，则将为涡轮的正常停机提供时间。
第二螺距备用控制器141连接到在轮毂处的叶片122。在实施例中第二螺距控制器141是非电的。在实施例中这种非电螺距控制器141在供电中断期间依靠存储的机械能来倾斜叶片。因此，如果在用来停放叶片的备用电系统离线的同时例如来自负载或网的电力被中断，那么可以改变叶片的螺距。这种事件可能发生的情形的实例是雷击或其它大的电磁脉冲。从而，纯粹机械的螺距控制器141仍用于使叶片变距进入风中。这将允许安全地存储风轮机直到维修到达为止。
在实施例中，第二螺距控制器141进一步依靠存储的机械能来产生电以驱动发动机倾斜叶片。该系统将与风轮机的其它电系统分开。在实施例中，存储的机械能被转换成电能以运行电致动器来按需要改变叶片螺距。在实施例中，螺距控制器141具有多个不同类型的不同备用电源以运转叶片和改变它们的螺距。在一个实例中，弹簧可以驱动发电机，其又给螺距发动机提供动力以转动叶片。利用存储的机械能直接倾斜叶片仅可以沿一个方向执行。通过提供电路以提供合适的信号来沿任一方向运转驱动发动机，利用存储的机械能来产生电允许存储的能量沿两个方向倾斜叶片。
图3示出这样的实施例，该实施例类似地使用在操作可变速风轮机120中存储的旋转能来倾斜叶片122并且因此制动涡轮。降压式DC/DC功率转换器201被加到电力转换系统的中间DC链接204。降压转换器的次级202用来给轮毂螺距控制器111和控制系统110提供动力。
如果发生公用网电源损耗，控制系统110将感测网转换器102的欠压或缺乏频率的条件，并且然后关掉网转换器选通信号以及断开主接触106。然后控制系统110将在从转动惯量抽取能量以再生地制动风轮机时使发电机转换器101切换操作模式并且调整DC总线电压。以该方式，DC链接电容器105将再充电，且网转换器102隔离DC链接与毁坏的公用网。正如在图2的实施例中，控制系统110将命令轮毂螺距控制器111启动电螺距致动器112的迅速倾斜，在500kW的风轮机系统中需要大约10kW的峰值伺服功率。螺距伺服驱动发动机需要的功率也是可从主发电机获得的功率的一小部分。
控制系统110将使发电机转换器101继续电磁制动，由此给DC链接电容器105再充电直到涡轮转子随着叶片完全倾斜减慢到空转速度并且螺距伺服发动机制动装置为止。然后控制系统将中止发电机转换器101的选通，使DC链接电容器105保持具有大量存储的电荷。在大DC链接电容器105中的剩余电荷将足以保持控制系统被供电几分钟，为抵御大部分的公用网断电提供足够的时间，或如果公用网没有恢复，则为涡轮的正常停机提供时间。
如果例如由于雷击或来自公用网124的功率波动，发生通过发电机转换器101或来自DC链接电容器105的电力损耗，或轮毂螺距控制器损坏，那么螺距控制器141可以将叶片停放在对风轮机安全的螺距中。
图4示出系统400，其包括均提供两个螺距控制备用源的三个组件401、402和403。这些组件中的每一个连接到风轮机叶片422。每个备用组件401、402、401连接到公共DC总线410。DC总线410连接到中央存储电容器415，其在一些实施例中与这里描述的电容器105相同。转换器420将DC总线连接到源425。该源425在一些实施例中是上述的公用网或功率转换器(例如101或102)。由于组件401、402、403相同，因此为了易于说明，仅详细描述了组件401，并且应当理解，相同的特征可应用于每个组件。转换器431将DC总线410连接到发动机433。发动机433使附着于风轮机叶片422的底部的齿轮系统435转动。齿轮系统435放置在风轮机的轮毂处。例如通过电单元中的控制器控制发动机433，以将叶片422放置在期望的螺距。
机械动力源437，在图4中示为弹簧，被连接到齿轮系统435。因此机械动力源可以提供原动力给齿轮系统以改变叶片422的螺距。机械源437也可以通过齿轮系统435驱动发动机433以产生能够被存储在电池或电容器415中的电能。虽然被示为弹簧，但是机械动力源437可以是其它非电动力源，例如加压流体，以驱动齿轮系统或产生电能。当风轮机在正常条件下工作时，机械动力源437被保持在存储电能的状态。机械源437可以具有电致动器，其将机械源保持在能量存储位置直到电力被中断为止，然后致动器被停用(deactivate)以释放存储在该源437中的能量。因此组件401提供具有不同动力形式的至少两种备用叶片螺距控制源。这些动力源中的一个是非电的，以便在电系统内部的任何地方即从负载、公用网、转换器、电能存储装置、总线、或发动机出现电力故障的情况下，叶片可以被放置在安全的停放位置。
在正常的、未中断的操作中，该源425通过转换器420、DC总线410和转换器431给发动机提供动力。该发动机可以是由转换器431控制的步进式发动机、直流发动机或交流发动机。当AC源425经历电力故障或者与风轮机断开而没有足够的时间安全关闭并且将叶片停放在它们的安全螺距位置时，电能存储装置，例如电容器415或电池，给发动机433提供动力以安全地倾斜叶片。在其它类型的应急情况下，电源不能用于发动机或发动机控制离线，则螺距控制组件具有另一非电备用螺距控制。机械动力源437用于驱动齿轮系统435将叶片运转到安全的螺距位置，其可被称作零位置或停放位置。机械动力源437一般仅具有一个运转方向。因此，其被偏置以将叶片运转到停放位置。
将认识到，本混合的机械源/电源系统可延及到提供动力给风轮机中的其它应急关键装置和系统。例如，在倾斜叶片后，多余的动力可以被发送到电单元或控制系统以给至遥远位置的通信提供动力，或确保在事故时的安全备用或操作参数。
本公开描述了在发生电源损耗的情况下提供多个应急动力源以将风轮机叶片运转到停放的、变距位置的系统、装置和方法。应急动力源包括，但是不限于，连接到主系统的备用电源、不同于主系统的单独的电源、机械源、以及组合机械源和电源的混合源。具有多种螺距控制系统和给这些螺距控制系统提供动力的不同系统的风轮机增加了可靠性。此外，可能损害一个系统的环境因素不能影响另一系统。也就是说，即使在全部电源损失的情况下，完全不能将叶片停放在正确螺距的风险降低到几乎为零。这可以防止结构损坏。
需要提供足够的动力来正确地倾斜叶片。然而，停放叶片所必需的存储的动力的量取决于许多因素。这些因素包括叶片的尺寸和克服提供负载以倾斜叶片的任何装置所需要的力。其它因素可以包括对不止一次地改变叶片的螺距的需要，例如如果风轮机处于维修人员一段时间不能到达的遥远位置，以及风轮机经历的故障类型。本公开描述在潜在灾难性事件的情况下保护风轮机的系统、装置和方法。此外，由于风轮机可以在这种事故期间保护它自己，所以增加了风轮机的可用性。在兆瓦风轮机中可用性和可靠性是很重要的，因为它们是电力网的重要贡献者。
将要理解的是，以上描述旨在是说明性的，且不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此组合使用。在回顾以上描述时，许多其它实施例将对本领域技术人员变得明显。因此，本发明的范围应当参考所附权利要求连同给予这些权利要求权利的等效物的全部范围一起来确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“在其中”用作相应术语“包含”和“其中”的等效物。并且，在后面的权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，即包括除了在权利要求中的该术语之后所列的那些之外的元件的系统、装置、物品、或过程仍被视为落入该权利要求的范围之内。此外，在后面的权利要求中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用作标记，且并不旨在将数字要求强加在它们的对象上。
提供本公开的摘要以遵守C.F.R.§1.72(b)，要求摘要能够使读者很快地确定本技术公开的性质。应当理解提交该摘要并不是用于解释或限制权利要求的范围或意义。另外，在前面的详细描述中，各种特征可以组合在一起以将该公开连成一个整体。本公开的方法不应被解释为反映这样的意图所要求的实施例需要除了每个权利要求中明确引用的特征以外的更多特征。更确切地说，如后面的权利要求反映的，本发明的主题可在于少于单独公开的实施例的所有特征。由此，后面的权利要求被并入该详细说明中，并且每个权利要求坚持它自己作为单独的实施例。
部件列表风轮机系统10螺距致动器112风轮机11电感器113负载12风轮机120发电机13风轮机叶片122轮毂14束线123叶片15公用网124齿轮箱16发电机126冷却系统17应急螺距控制系统130电单元20变压器132通信链路22整流器134螺距控制30备用螺距控制器141
偏航机构40功率转换器201备用螺距控制50次级202第二备用螺距控制55链接204转换器101系统400转换器102组件401、402和403电容器103总线410应急电源总线104电容器415电容器105转换器420接触106风轮机叶片422辅助电源接触107源425辅助接触108转换器431电容器109发动机433控制系统110齿轮系统435螺距控制器111机械动力源43权利要求
1.一种风轮机，包括包括叶片螺距控制的轮毂；连接到叶片螺距控制的叶片；并且其中叶片螺距控制可以被电力系统或非电系统操作。
2.如权利要求1所述的风轮机，其中叶片螺距控制包括利用公用电力网的中断启动的备用电力源。
3.如权利要求2所述的风轮机，其中该备用电力源包括连接到风轮机的功率转换器的电容器。
4.如权利要求3所述的风轮机，其中非电系统包括机械动力源。
5.如权利要求4所述的风轮机，其中机械动力源包括连接到叶片的弹簧系统。
6.如前面权利要求中的一个所述的风轮机，其中弹簧系统包括扭簧。
7.如权利要求1-6中的一个所述的风轮机，其中弹簧系统包括在正常操作状态下偏置弹簧并且在电力故障事件中释放偏置的弹簧的机构。
8.如权利要求1-7中的一个所述的风轮机，其中弹簧系统包括弹簧和连接在该弹簧和叶片之间的齿轮系统，并且其中该齿轮系统将来自弹簧的动力输出限制在叶片上。
9.如权利要求1-8中的一个所述的风轮机，其中该非电系统包括选自液压动力源和气动动力源的组的至少一个。
10.如权利要求1-9中的一个所述的风轮机，进一步包括连接到轮毂的发电机系统，该发电机系统适于为负载产生电。
全文摘要
本发明涉及用于风轮机叶片运转的方法和系统。本文件尤其讨论了运转叶片(15、122、或422)以在电力故障的情况下控制它们的螺距的风轮机叶片螺距系统。该系统包括至少一个备用(50、55、141或425)非电部件，其可以在电力故障不利地影响电叶片螺距致动器系统的情况下倾斜叶片。实施例包括具有多个螺距驱动系统的螺距系统，所述多个螺距驱动系统包括但不限于电系统、混合的电/机械系统和非电系统。该非电系统包括机械、气动或液压系统。
文档编号F03D9/00GK101078391SQ20071010509
公开日2007年11月28日 申请日期2007年5月22日 优先权日2006年5月22日
发明者R·泰希曼 申请人:通用电气公司