风力涡轮机桨距柜温度控制系统的制作方法

发明领域

本发明涉及用于能量储存设备和控制电路的温度控制系统的改善。具体而非排他性地，本发明涉及用于保持应急能量储存设备和控制电路的温度的温度控制系统，该紧急能量储存设备和控制电路用于供能并且控制用于风力涡轮机转子叶片的应急桨距控制桨距电机。

发明背景

具有安装在转子上的转子叶片的风力涡轮机可以使用可枢转的转子叶片用于限制转子叶片的转速，以防止在出现强风或者彻底停止旋转的时候风力涡轮机的结构性损伤。通过将转子叶片的角度调整为迎风或者顺风，控制由转子叶片经受的旋转扭矩，并且转速和生成的风力涡轮机的功率可以被调整并且被保持在操作限值内。常见的是将ac电机用于风力涡轮机的所谓的桨距驱动器，以用于调整每个转子叶片的迎角。当今，有一种趋势是将dc电机和由此的用于dc频率变换的中间电路用于桨距驱动器的dc电源。然而，这在负载将能量馈送至中间电路的时候伴随着对于控制电压的需要，以避免受到过电压损伤。为了这个目的，有时候使用所谓的制动斩波器(同样被称作制动单元)。这些制动斩波器包括用作每个dc电机的额外负载的电阻器，归因于其功能电阻器在本文中还被称作制动电阻器。

在停止转子或者以其他方式限制其速度是关键的情况下，诸如当风力涡轮机接近过载或者结构性安全阈值的时候，关键的是桨距控制机构至少在必须将所有转子叶片转到所谓的顺桨位置(其中，转子叶片将使转子停止)的一段时期可运行。因此，已变成标准实践的是为这些桨距控制机构提供应急备用电源，使得即使在发生功率损耗或者其他故障风力涡轮机也可以降低转子速度。

经常以电容器的形式提供应急电源。

低于特定温度，电容器的内阻显著增加。作为结果，在紧急情况下由电容器放出的能量的一部分将作为热量被浪费。在最好的情况下，这代表备用电源的低效，在最坏的情况下，电容降低的输出可能不足以充分改变转子叶片的桨距，最终导致对风力涡轮机的损伤。由于风力涡轮机在一定的环境和气候的范围中被采用，因此备用电容器的温度控制是重大课题。现有技术的解决方案是对应急能源设备放电，以便通过应急能源设备自身的内阻为其自身加热。

现有技术的另一个解决方案是为风力涡轮机配备加热器(通常是风扇式加热器)，加热器操作为将关键的内部部件保持在最优温度处。除了占据空间并且增加重量之外，还已知这些传统的风扇式加热器在控制温度时受磁滞现象影响。此外，风扇式加热器依赖ac电源。由于很多现代的风力涡轮机使用dc电机和dc中频转换器电路，因此在没有对风力涡轮机的设计进行成本高并且复杂的修改/增加的情况下，不能采用这些传统的风扇。为了满足电气安全要求，为使用ac加热器而进行的这种修改包括规划中线通过桨距柜的路线，导致额外的成本。

此外，通过增加风力涡轮机的零件数目，安装和维护的成本和复杂性都增加了。

因此，理想的是具有向桨距控制机构提供热量同时使对于额外部件的需求最小化的能力。正如具有提供热量用于桨距控制机构的其他部件(诸如，控制电路)的能力。

本发明的目的是缓解以上提到的现有技术的一些缺陷。

发明陈述

根据本发明的方面，提供了风力涡轮机，该风力涡轮机包括电源、能量储存设备、电动机和制动电阻器，其中，电动机偶尔地与制动电阻器电接触，使得第一电流流过制动电阻器，并且电动机的多余的动能被转换成热量，并且其中电源被配置成使第二电流流过制动电阻器，使得制动电阻器产生热量，并且制动电阻器和能量储存设备被布置成使得制动电阻器向能量储存设备提供热量。

通过提供这种将制动电阻器用作用于能量储存设备的热源的新模式，优化了风力涡轮机的现有部件的效用。制动电阻器也可以用于保持风力涡轮机的其他重要部件的温度。此外，消除了对于额外的独立加热元件的需求，连同消除了其相关联的缺点。已知传统的ac供电的风扇式加热器受磁滞现象影响，并且需要额外的电路。通过移除这些元件，减少了风力涡轮机的整体零件数目，节省了空间、重量，并且降低了安装和维护的成本和复杂性。

优选地，风力涡轮机还包括控制电路，该控制电路相对于制动电阻器被布置，使得制动电阻器向控制电路提供热量。这帮助避免冷凝妨碍控制电路的运行，并且避免与低温关联的其他损伤。

优选地，将电阻器、能量储存设备和控制电路容纳在外壳中。这帮助包含来自制动电阻器的热输出，并且限定能量储存设备和控制电路的局部热环境，允许更加精确地控制能量储存设备和控制电路的温度。如上所述，部件中的所有部件都是dc供电的，并且不需要如传统的ac供电的风扇式加热器那样规划中线通过外壳的路线。移除这个限制允许风力涡轮机的接线效率能够进一步最大化，并且提供了如以上讨论的更少零件的优点。另外，将制动电阻器和能量储存设备定位在相同的外壳中允许更容易地获得维护以及节省在可另外安装制动电阻器的、空间可能更为珍贵的位置处的空间。通常风力涡轮机中的制动电阻器定位于通风良好的位置，以使由制动电阻器产生的热量尽快消散。然而，本发明已认识到制动电阻器很少被使用，使得在恰当地选择选定的制动电阻器的性质的时候，通风需求变得无关紧要。

优选地，具有被配置成在外壳内部散布气流的风扇。该风扇可以由向制动电阻器供电的相同的电源供电，并且通过使热空气散布于整个外壳来增加热效率。

优选地，在电动机和制动电阻器之间具有切换装置。这使得制动电阻器能够被切换到电动机的中间ac转换器电路中，汲取电流形式的多余动能，并且使多余动能作为热量消散。

优选地，在电源和制动电阻器之间具有切换装置。这使得制动电阻器能够按照需求被供应电流，输出被用于调节能量储存设备和/或控制电路的温度的热量。

切换装置可以由在机械式继电器、固态继电器和晶闸管中的一个来提供。

优选地，具有与电源进行通信的处理器，其中处理器被配置成控制电源向制动电阻器的输出。处理器允许对向制动电阻器供应的电流的幅值和定时进行精密控制。因此，可以根据来自处理器的命令，准确地保持或者改变应急能量储存设备和控制电路的温度。

优选地，具有与处理器进行通信的温度传感器，其中温度传感器被配置成监测在能量储存设备、外壳以及控制电路的至少一项的温度。这允许准确地监测不同部件的精确的温度。连同处理器，这创造了反馈回路，该反馈回路调制并且校准电源向制动电阻器的输出，以及在部件温度上产生的变化。

优选地，能量储存设备是桨距电机的备用能量储存设备，该能量储存设备被配置成实现风力涡轮机转子叶片的紧急桨距控制。

优选地，能量储存设备是电容器。电容器具有宽范围的操作温度，并且可以在大量损耗之前在很长一段时间中保持改变。另外，可以通过风力涡轮机的功率输出对电容器快速并且容易地再充电。这使得电容器成为备用电力(特别是对于远程应用)的合适的可靠的来源。

优选地，能量储存设备是超级电容器。超级电容器具有极为宽范围的从-40℃跨越至60℃的操作温度。

优选地，将能量储存设备的温度保持在-20℃以上。高于这个温度，超级电容器的内阻是可管理的，并且不会过度影响超级电容器的输出能力。

可选地，将能量储存设备保持在-10℃以上。高于这个温度，可以以最小的损耗来输出在超级电容器中储存的能量中的基本上所有的能量。这意味着通过将电容器充满电荷使浪费的能量更少，并且提高了风力涡轮机的整体能效。

可选地，将能量储存设备保持在0℃以上。

可选地，将能量储存设备保持在15℃到20℃的范围内。

编号的条款：

1.一种风力涡轮机，包括电源、能量储存设备、电动机和制动电阻器；

其中，电动机偶尔地与制动电阻器电接触，使得第一电流流过制动电阻器，并且电动机的多余的动能被转换成热量，并且

其中，电源被配置成使第二电流流过制动电阻器，使得制动电阻器产生热量，并且制动电阻器和能量储存设备被布置成使得制动电阻器向紧急能量储存设备提供热量。

2.根据条款1所述的风力涡轮机，还包括控制电路，该控制电路相对于制动电阻器被布置，使得制动电阻器向控制电路提供热量。

3.根据条款1所述的风力涡轮机，其中，制动电阻器和能量储存设备被容纳在外壳中。

4.根据条款3所述的风力涡轮机，其中，外壳同样容纳桨距驱动器的控制电路。

5.根据条款3或4所述的风力涡轮机，还包括被配置成散布外壳内部的气流的风扇。

6.根据任何前述条款所述的风力涡轮机，还包括在电源和制动电阻器之间的切换装置。

7.根据条款6所述的风力涡轮机，其中，切换装置是机械式继电器、固态继电器、晶闸管中的一项。

8.根据任何前述条款所述的风力涡轮机，还包括与电源进行通信的处理器，其中该处理器被配置成控制电源向制动电阻器的输出。

9.根据条款8所述的风力涡轮机，还包括与处理器进行通信的温度传感器，其中该温度传感器被配置成监测在能量储存设备、外壳以及控制电路的温度中的至少一个温度。

10.根据任何前述条款所述的风力涡轮机，其中，能量储存设备是桨距电动机的备用能量储存设备，能量储存设备被配置成实现风力涡轮机转子叶片的紧急桨距控制。

11.根据任何前述条款所述的风力涡轮机，其中，能量储存设备是电容器。

12.根据条款11所述的风力涡轮机，其中，能量储存设备是超级电容器。

13.根据任何前述条款所述的风力涡轮机，其中，能量储存设备的温度被保持在-20℃以上。

14.根据条款1-12所述的风力涡轮机，其中，能量储存设备的温度被保持在-10℃以上。

15.一种用于控制在风力涡轮机内的能量储存设备的温度的方法，该方法包括：

提供包括电动机、制动电阻器和能量储存设备的风力涡轮机，

其中，电动机偶尔地与制动电阻器电接触，使得第一电流可以流过制动电阻器，并且电动机的多余的动能被转换成热量，并且

还提供包括电源的加热系统，该电源被配置成使第二电流流过制动电阻器，由此产生热量，并且将制动电阻器和能量储存设备布置成使得制动电阻器可以向能量储存设备提供该热量。

16.根据条款15所述的方法，还包括提供控制电路并且将控制电路相对于制动电阻器来布置，使得制动电阻器可以向控制电路提供热量。

17.根据条款15或16所述的方法，还包括：

使用电源向制动电阻器供应电流，以及

将来自制动电阻器的热量提供给能量储存设备。

18.根据条款16和17所述的方法，还包括将来自制动电阻器的热量提供给控制电路。

19.根据条款15-18所述的方法，还包括在电动机和制动电阻器之间的切换装置。

20.根据条款16所述的方法，其中，切换装置是机械式继电器、固态继电器、晶闸管中的一项。

21.根据条款15-20所述的方法，还包括以下步骤：至少将制动电阻器和能量储存设备布置在外壳内部。

22.根据条款21所述的方法，还包括以下步骤：提供风扇以及散布外壳内部的气流。

23.根据条款14-22所述的方法，还包括以下步骤：提供与电源进行通信的处理器并且通过处理器控制电源的输出。

24.根据条款23所述的方法，还包括以下步骤：提供与处理器进行通信并且与能量储存设备热接触的温度传感器，使用温度传感器测量能量储存设备的温度，以及响应于测量出的温度控制电源的输出。

25.根据条款15-24所述的方法，还包括以下步骤：提供作为能量储存设备的电容器。

26.根据条款25所述的方法，还包括以下步骤：提供作为能量储存设备的超级电容器。

27.根据条款15-26所述的方法，还包括以下步骤：将能量储存设备的温度保持在-20℃以上。

28.根据条款15-26所述的方法，还包括以下步骤：将能量储存设备的温度保持在-10℃以上。

29.一种风力涡轮机，其基本上如本文参考所附的相关图示所描述。

附图简述

现将仅通过示例的方式参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的实施例的风力涡轮机的示意图。

图2是根据本发明的实施例的方法的流程图。

实施例的具体描述

为了提供能够在使对于额外部件的需求最小化的同时保持应急能力储存设备的温度的风力涡轮机温度控制系统，提供了根据本发明的风力涡轮机温度控制系统。

图1显示风力涡轮机10的示意图。风力涡轮机10至少包括电动机15、电源30、制动电阻器40和能量储存设备50。

电动机15是传统的dc电动机，用于将风力涡轮机的转子叶片围绕其纵轴转动。在强风期间，转子叶片可被加速并且将转动电动机而不是电动机转动转子叶片。在这种情况下，当负载使电动机加速时，电动机进入发电机模式并且以已知的方式短时间发电。在发电机模式中，如果过多的能量不能被消散，则高于电源电压的电压可出现，其可操作对电路的损坏。因此，如果这种情况被检测到，常见的是将所谓的制动电阻器连接到电动机15，其以热能的形式消散多余能量，从而降低在发电机模式中由电动机15产生的电压。

电源30是已知的电源。在另外的实施例中，电源30包括储存的能量的源，例如电池或电容器。正因如此，可以采用用于向制动电阻器40提供电流的任何合适的装置。这种电源30在本领域中是已知的。

电动机15和电源30两者均被配置成向制动电阻器40供应电流。

制动电阻器40被配置成在由电流供应时产生热量。对于技术人员将明显的是，在本发明的上下文中，术语“制动电阻器”与“负载电阻器”、“衰减电阻器”、“吸收电阻器”和“斩波器电阻器”可以互换。

制动电阻器40可被切换到电动机15的中间转换器电路中，以通过将电能转换成热量来过滤掉浪涌或者多余能量。在现有的应用中，来自于制动电阻器的热量是次要的、不需要的副作用，并且作为余热经由散热器被排放到环境。

能量储存设备50是已知的应急能量储存设备。在实施例中，能量储存设备50是电容器。在优选实施例中，应急能量储存设备50是超级电容器，其具有在-10℃以上的最优操作温度以及-20℃的最小操作温度。应急能量储存设备50和制动电阻器40布置在一起，以实现从制动电阻器40向应急能量储存设备50有效传输热量。制动电阻器40可以与应急能量储存设备50热接触或者物理接触，或者与应急能量储存设备50热接触并且物理接触。在实施例中，应急能量储存设备50邻接制动电阻器40。在另外的实施例中，应急能量储存设备50极为接近制动电阻器40。在又一个实施例中，制动电阻器40至少部分地包围应急能量储存设备50。

可选地，风力涡轮机还包括控制电路55。控制电路55与制动电阻器40布置在一起，以实现从制动电阻器40向控制电路55有效传输热量。制动电阻器40可以与控制电路55热接触或者物理接触，或者与控制电路55热接触并且物理接触。在实施例中，控制电路55邻接制动电阻器40。在另外的实施例中，控制电路55极为接近制动电阻器40。在又一个实施例中，制动电阻器40至少部分地包围控制电路55。

可选地，制动电阻器40通过切换装置16电连接至电动机15。在优选实施例中，切换装置16是机械驱动式继电器。在另外的实施例中，切换装置16是固态继电器。在又一个实施例中，切换装置16是晶闸管。正因如此，可以采用用于实现制动电阻器40选择性地电连接至电动机15的任何已知的合适的装置。这种切换装置16在本领域中是已知的。

可选地，风力涡轮机10包括外壳20。在优选的实施例中，外壳20容纳电源30、制动电阻器40和应急能量储存设备50以及控制电路55。在实施例中，外壳20是隔热的。对于技术人员将明显的是，在本发明的上下文内，可以将外壳20称作“桨距柜”、“桨距盒”、“轴柜”或者“轴盒”。

可选地，制动电阻器40通过切换装置35电连接至电源30。在实施例中，切换装置35被容纳在外壳20内。在可选的实施例中，切换装置35位于外壳20外面。在优选实施例中，切换装置35是机械驱动式继电器。在另外的实施例中，切换装置35是固态继电器。在又一个实施例中，切换装置35是晶闸管。正因如此，可以采用用于实现制动电阻器40选择性地电连接至电源的任何已知的合适的装置。这种切换装置35在本领域中是已知的。在可选的实施例中，通过单个切换装置提供切换装置35和切换装置16的功能。

可选地，风力涡轮机10包括风扇60。风扇60被容纳在外壳20中，并且被布置成使空气在外壳20内循环。在实施例中，风扇60是dc风扇并且由电源30供电。出于这个目的，dc/dc转换器(未示出)可将中间电路的dc电压适应于风扇的标称电压，例如将dc中间电压向下变换为24伏特。

可选地，风力涡轮机10包括处理器70。在实施例中，处理器70被容纳在外壳20内。在可选的实施例中，处理器70位于外壳20外面。处理器70配置成控制电源30向制动电阻器40的输出的幅值。在实施例中，处理器70还配置成操作切换装置35。

可选地，风力涡轮机10包括温度传感器80。温度传感器80配置成至少测量应急能量储存设备50、外壳20以及控制电路55的温度，并且向处理器70提供这个温度数据。在实施例中，温度传感器80直接测量应急能量储存设备50的温度。在可选的实施例中，温度传感器80测量在外壳20内的空气温度，提供应急能量储存设备50的间接测量温度。温度传感器80在一个实施例中连续测量，并且在另一个实施例中间隔地测量。处理器70被配置成接收这个温度数据，并且计算将应急能量储存设备50和/或控制电路55保持于设定温度所必需的、电源30对制动电阻器40的输出。处理器70以已知方式执行这个计算。在实施例中，处理器70被提供在电源30的输出和由温度传感器80检测的温度上产生的变化之间的校准。在另外的实施例中，可以由处理器在使用中动态确定这个校准。在实施例中，处理器70采用控制环反馈机制。在优选实施例中，处理器计算将应急能量储存设备保持在-10℃以上所必需的、电源30对制动电阻器40的输出。在另外的实施例中，处理器计算将应急能量储存设备保持在-20℃以上所必需的、电源30对制动电阻器40的输出。因此，处理器可以将应急能量储存设备保持在任何特定期望的温度或者温度范围处。

在使用中，风力涡轮机的电动机15如上所解释的可时常被加速并且进入发电机模式。在这个电流对于需求来说是多余、过剩的情况下，或者当存在一些其他原因而要增加电动机上的负载时，制动电阻器40通过切换装置16连接到电动机15的电路中。以这种方式，制动电阻器40吸收来自电动机的能量，并且使能量作为热量消散。然而这种情况相对罕见，通常每周仅发生一次。因此，在风力涡轮机正常运行期间，由制动电阻器40造成应急能量储存设备或者任何其他部件过热的风险非常低。

与切换装置16的状态以及在电动机15与制动电阻器40之间的连接无关，在步骤s101处，温度传感器80连续地测量应急能量储存设备50的温度，并且将数据提供给处理器70。

在步骤s102处，处理器70首先确定是否需要额外的热量来保持应急能量储存设备50高于期望的温度。如果在步骤s102处处理器70确定需要额外的热量，那么过程进行到步骤s113。如果处理器70确定不需要额外的热量，那么过程进行到步骤s123。

在步骤s113处，处理器70计算通过制动电阻器40的电流的幅值以及这个电流需要流动多长时间。这个计算以已知方式来执行。

在步骤s114，处理器70通过操作切换装置35将电源30连接至制动电阻器40，并且处理器70在步骤s115将电源30的输出设置为需要的电流。对于本领域的一个技术人员将明显的是，这些步骤可以以任何顺序或者组合成单一步骤来执行。

在步骤s116处，这个电流通过制动电阻器40，这通过欧姆加热产生了热量。随后通过电源30供电的风扇60将制动电阻器周围的热空气散布到整个外壳20。外壳20有助于包含来自制动电阻器的热输出，并且限定应急能量储存设备50的局部热环境，允许更加精确地控制其温度。由于所有部件都是dc供电，因此不需要如采用ac供电的风扇式加热器的传统风力涡轮机10的情况那样规划中线通过外壳20的路线。移除这个限制允许风力涡轮机10的接线效率进一步最大化，并且提供了如以上讨论的更少零件的优点。另外，将制动电阻器40和应急能量储存设备50定位在相同的外壳20中允许更容易地获得维护以及节省在可另外安装制动电阻器40的、空间可能更为珍贵的位置处的空间。

因此，热量被提供给应急能量储存设备50。通过提供这种将制动电阻器40用作应急能量储存设备50的热源的辅助模式，优化了风力涡轮机10的现有部件的效用。此外，这消除了对于额外的独立加热元件的需求，连同消除了其相关联的缺点。已知传统的ac供电的风扇式加热器受磁滞现象影响，并且需要额外的电路。通过移除这些元件，减少了风力涡轮机10的整体零件数目，节省了空间、重量，并且降低了安装和维护的成本和复杂性。

随后将步骤的次序重新设置于步骤s101，其中，温度传感器80继续测量应急能量储存设备50的温度，并且该过程重新开始。步骤s101至s116形成闭环控制，以将温度保持在恒定水平处。该步骤相应地，可以根据来自处理器70的命令，准确地保持或者改变应急能量储存设备50的温度。

在步骤s123处，在步骤102处的不需要热量的决定之后，处理器70通过操作切换装置35断开制动电阻器40与电源30的连接。

因此，提供了风力涡轮机10，风力涡轮机10包括电源30、应急能量储存设备50、电动机15和制动电阻器40，其中，电动机15偶尔地与制动电阻器40电接触，使得第一电流流过制动电阻器40，并且电动机15多余的动能被转换成热量，并且其中，电源30被配置成使第二电流流过制动电阻器40，使得制动电阻器40产生热量，并且制动电阻器40和应急能量储存设备50被布置成使得制动电阻器40向应急能量储存设备50提供热量。