专利名称：用于为变桨控制系统提供功率的方法和设备的制作方法
技术领域：
本文中描述的主题大体涉及风力涡轮，并且更具体地，涉及用于为风力涡轮的变 桨(pitch)控制系统提供功率(power)的方法和设备。
背景技术：
在至少一个已知的风力涡轮中，控制系统使一个或更多个叶片变桨以调整风力涡 轮的操作。变桨控制系统包括马达，其可旋转地驱动叶片到希望的桨距角以调整由叶片捕 获的风能的量。已知的变桨控制系统典型地使用直流(DC)马达，其具有串联场绕组以使叶 片变桨。这种DC马达可包括动态制动电阻器，以有助于吸收在马达制动状态期间由DC马 达产生的过多能量。而且，为了反转DC马达的旋转方向，多个整流二极管包括在变桨控制 系统中。这种动态制动电阻器和整流二极管可给已知的变桨控制系统增加成本和复杂性， 并且可在变桨控制系统内产生能量损失。而且，在至少一个已知的风力涡轮中，DC马达的串联场绕组与DC马达的电枢共享 电流。电流可增大或减小以调整DC马达的操作。然而，由于在电枢和绕组之间的公共电流， 电枢电流的调整也将影响绕组电流。因此，DC马达的电枢和绕组的独立控制可能是不可能 的。
发明内容
在一个实施例中，提供用于风力涡轮的变桨控制系统。变桨控制系统包括马达，马 达包括电枢和绕组。变桨控制系统还包括多个开关构件，其构造成独立于通过绕组的第二 电流控制通过电枢的第一电流。在另一个实施例中，提供风力涡轮，其包括至少一个叶片和联接到该至少一个叶 片的至少一个变桨控制系统。该至少一个变桨控制系统包括马达，马达包括电枢和绕组。该 至少一个变桨控制系统还包括多个开关构件，其构造成独立于通过绕组的第二电流控制通 过电枢的第一电流。在又一个实施例中，提供为包括电枢和绕组的变桨控制系统提供功率的方法。第 一功率源和第二功率源联接到变桨控制系统并且多个开关构件联接到马达。多个开关构件 造成独立于通过绕组的第二电流控制通过电枢的第一电流。
图1是示例性风力涡轮的透视侧视图。图2是可与图1中示出的风力涡轮一起使用的示例性风力涡轮控制系统的方框 图。图3是可与图1中示出的风力涡轮一起使用的示例性变桨控制系统的示意图。部件列表10风力涡轮3
12塔架14机舱16轮毂18叶片20中心线轴线22旋转轴线30风力涡轮控制系统40变桨控制器42变桨驱动器44轮毂后备电源46叶片传感器48轮毂传感器50通信网络52变速箱54制动器56发电机58电池60风力涡轮控制器62机舱控制器66机舱-轮毂网络68机舱-塔架网络100变桨控制系统102马达104电枢106绕组108电池源110电网源112电池接触器114电网接触器116开关构件118电容器120第一开关122第二开关IM第三开关1 第四开关1 第五开关130第六开关132 DC线路134第一终端
136 第二二终端138公共节点140公共节点142公共节点144 第--终端146 第二二终端148 第--终端150 第二二终端152 第--终端巧4第二二终端156电压传感器158电流传感器
具体实施例方式本文中描述的实施例提供用于风力涡轮的变桨控制系统。变桨控制系统包括马 达，马达包括电枢和绕组。马达构造成接收通过电枢的第一电流和通过绕组的第二电流。当 变桨控制系统从公用电网接收功率时，在变桨控制系统内的多个开关构件独立于第二电流 控制第一电流。在这种操作期间，绕组可吸收在变桨控制系统内的过多能量的至少一部分， 诸如当马达减速时产生的能量。如果变桨控制系统从诸如电池的后备电源接收功率，则变 桨控制系统经由公共电流控制电枢和绕组。因此，当变桨控制系统接收后备功率时，变桨控 制系统操作马达作为串联DC马达。而且，变桨控制系统有助于在没有动态制动电阻器和/ 或现场整流二极管的情况下操作马达。本文中描述的实施例测量风力涡轮塔架相对于表面的倾斜角。控制系统基于所测 量的倾斜角计算一个或更多个风力性质并且将风力性质与风力涡轮的一个或更多个希望 的操作性质进行比较。控制系统基于比较来调整风力涡轮的一个或更多个转子叶片的桨距 角。桨距角的调整增加或减少从风传递到风力涡轮的力的量，因此调整风力涡轮的机舱和 /或轮毂的位移。图1示出示例性风力涡轮10。在示例性实施例中，风力涡轮10包括塔架12、联接 到塔架12的机舱14、联接到机舱14的轮毂16以及联接到轮毂16的至少一个叶片18。塔 架12为机舱14、轮毂16和叶片18提供支撑。机舱14联接到塔架12。机舱14容纳用于 将叶片18的旋转能转换成电力的构件(未示出)。轮毂16联接到机舱14。轮毂16为至 少一个叶片18提供可旋转的壳体。至少一个叶片18联接到轮毂16。在示例性实施例中， 三个叶片18联接到轮毂16。当风冲击叶片18时，叶片18可围绕旋转轴线22旋转。在示 例性实施例中，每个叶片18大致垂直于地面定向。每个叶片18穿过大致相同的旋转平面 并且大致平行于塔架12的中心线轴线20旋转。图2示意性地示出可与风力涡轮10(图1中示出)一起使用的示例性风力涡轮控 制系统30的方框图。控制系统30联接到轮毂16内的构件、叶片18、机舱14以及塔架12。 在示例性实施例中，变桨控制器40、至少一个变桨驱动器42、轮毂后备电源44以及轮毂传 感器48定位在轮毂16上或轮毂16内。变桨控制器40通过变桨驱动器42联接到叶片18。在一个实施例中，轮毂16包括三个变桨驱动器42，并且变桨控制器40经由相应的变桨驱动 器42联接到每个叶片18。在示例性实施例中，变桨控制器40定位在轮毂16内并且控制例如叶片18的桨距 角(未示出)和/或相对位置(未示出)。而且，变桨控制器40利用通信网络50以与风力 涡轮控制器60通信。在示例性实施例中，变桨控制器40包括可编程逻辑控制器(PLC)。在 可选实施例中，变桨控制器40包括微型处理器、微型控制器、现场可编程门阵列(FPGA)或 使变桨控制器40能够如本文中所描述的进行操作的任何其它可编程电路。如本文中所使 用的，术语“控制”包括但不限制于仅包括，发布命令以通过实行一个或更多个主体构件的 监督和管理和/或引导一个或更多个主体构件的操作来实现。术语“控制”还包括调节类 型的控制，例如反馈回路调节。在示例性实施例中，变桨驱动器42从变桨控制器40接收一个或更多个变桨命令， 并且作为响应，使叶片18旋转到由变桨命令确定的希望的位置和/或桨距角。变桨驱动器 42可使用例如液压装置、电气装置和/或齿轮驱动装置使叶片18旋转。在示例性实施例 中，轮毂传感器48确定轮毂16的旋转速度和/或引起到轮毂16的负载。轮毂后备电源44 可包括例如电池、磁能存储装置和/或一个或更多个电容器。轮毂后备电源44提供电功率 到轮毂16内的构件，诸如变桨控制器40、变桨驱动器42和轮毂传感器48。在示例性实施例中，叶片传感器46联接到每个叶片18，如图2所示。每个叶片传 感器46还联接到变桨控制器40。叶片传感器46使每个叶片18的旋转速度和/或引起到 每个叶片18的负载能够被确定。在示例性实施例中，机舱14包括变速箱52、制动器M、发电机56、电池58以及机 舱控制器62。在可选实施例中，机舱14不包括变速箱52。在另一个可选实施例中，机舱14 不包括机舱控制器62。在示例性实施例中，变速箱52增大由叶片18的旋转驱动的主转子 轴(未示出)的旋转，因此引起更多量的旋转能到发电机56。如果发生故障或其它错误状 态，制动器M可提供紧急停止功率到发电机56和/或到风力涡轮10操作。发电机56将 主转子轴的旋转能转换成电能。发电机56可以是使风力涡轮10能够如本文中所描述的起 作用的任何合适类型。例如并且非限制性地，在一个实施例中，发电机56是诸如双馈感应 发电机的绕线式转子感应发电机。电池58提供后备电功率到机舱14内的构件和/或塔架 12。机舱控制器62控制诸如变速箱52、制动器M、发电机56和/或电池58的机舱14 内的构件的操作。在示例性实施例中，机舱控制器62经由通信网络50联接到变桨控制器 40和风力涡轮控制器60。更具体地，在示例性实施例中，机舱控制器62经由机舱-轮毂网 络66联接到变桨控制器40，并且经由机舱-塔架网络68联接到风力涡轮控制器60。在示例性实施例中，风力涡轮控制器60定位在塔架12内。在可选实施例中，风力 涡轮控制器60定位在机舱14内。而且，在示例性实施例中，风力涡轮控制器60作为风力 涡轮10的主控制器和控制系统30的主控制器进行操作，并且可包括计算机或被编程以执 行控制算法的其它处理器。如本文中所使用的，术语“处理器”非限制性地包括任何可编程 系统，包括系统和微型控制器、精简指令组电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑 电路(PLC)以及能够执行本文中描述的功能的任何其它电路。风力涡轮控制器60可控制 诸如变桨控制器40的风力涡轮10的其它控制器，与其它风力涡轮(未示出)和/或风力场管理系统(未示出)通信，和/或执行错误处理和操作优化。而且，风力涡轮控制器60 还可执行SCADA(管理、控制和数据获取)程序。轮毂16经由通信网络50通信地联接到机舱14和塔架12。通信网络50包括机 舱-轮毂网络66和机舱-塔架网络68。更具体地，在示例性实施例中，轮毂16经由机舱-轮 毂网络66联接到机舱14，机舱14经由机舱-塔架网络68联接到塔架12。而且，变桨控 制器40经由机舱-轮毂网络66和经由机舱-塔架网络68联接到风力涡轮控制器60。在 示例性实施例中，机舱-轮毂网络66使用滑环连接以经由串行通信协议或诸如电力线宽带 (BPL)协议的另一个适合的通信协议传输信号。在可选实施例中，机舱-轮毂网络66包括使 网络66能够如本文中所描述的进行操作的任何其它连接。在示例性实施例中，机舱-塔架 网络68包括一个或更多个以下连接，如以太网局域网(LAN)、无线LAN、控制器区域网(CAN) 总线、光导纤维连接或使机舱-塔架网络68能够如本文中所描述的进行操作的任何其它通 信连接(没有全部示出)。图3示意性示出变桨控制系统100，其可与变桨驱动器42 (图2中示出)一起使 用或代替变桨驱动器42，以使风力涡轮10的一个或更多个叶片18 (两者都在图1中示出) 变桨。在示例性实施例中，变桨控制系统100包括马达102，马达102包括电枢104和绕组 106。在示例性实施例中，变桨控制系统100从电池源108和电网源110接收功率。电 池源108包括一个或更多个电池、电容器和/或使变桨控制系统100能够如本文中所描述 的进行操作的任何适合的能量存储装置。在示例性实施例中，电网源110联接到交变电流 (AC)功率电网的整流输出。在可选实施例中，电网源110联接到使变桨控制系统100能够 如本文中所描述的进行操作的任何适合的直流电流(DC)或整流AC功率源。在示例性实施 例中，电池源108和电网源110大致提供DC功率到变桨控制系统100，并且具体地到马达 102。电池源108经由一个或更多个电池接触器112可切换地联接到马达102，电网源110 经由一个或更多个电网接触器114可切换地联接到马达102。电池接触器112可断开或闭 合以分别电气地分离或联接电池源108与马达102。电网接触器114可断开或闭合以如所 希望的分别电气地分离或联接电网源110与马达102。在示例性实施例中，电池源108和电 网源110中的仅仅一个在给定时间联接到马达102并且为马达102提供功率。电池接触器 112和/或电网接触器114可包括一个或更多个接触器、继电器或使变桨控制系统100能够 如本文中所描述的进行操作的其它适合的构件。在示例性实施例中，变桨控制系统100包括多个开关构件116和至少一个电容器 118。电容器118有助于使来自电网源110的电压平稳，并且有助于提供高频电流到开关构 件116。开关构件116有助于诸如通过控制到电枢104和/或绕组106的电流来控制马达 102的操作。在示例性实施例中，当电网源110为变桨控制系统100提供功率时，即当电网 接触器114闭合而电池接触器112断开时，开关构件116联接到马达102。可选地，当电网 接触器114断开而电池接触器112闭合时，开关构件116与马达102大致电气隔离，而马达 102大致由电池源108控制和提供功率。在示例性实施例中，开关构件116包括第一开关120、第二开关122、第三开关124、 第四开关126、第五开关1 和第六开关130。第一开关120、第三开关IM和第五开关1 经由DC线路132联接到电网源110的第一终端134。第二开关122、第四开关1 和第六开关130联接到电网源110的第二终端136。在示例性实施例中，开关构件116包括金属氧 化物半导体场效应晶体管(多个M0SFET)。在可选实施例中，开关构件116包括绝缘门双极 晶体管(多个IGBT)、双极结型晶体管(多个BJT)或使变桨控制系统100能够如本文中所 描述的进行操作的任何适合的开关装置。第一开关120和第二开关122在公共节点138处彼此联接，并且与电网源110并 联。第一开关120和第二开关122的公共节点138联接到电枢104的第一终端144。第三 开关IM和第四开关1 在公共节点140处彼此联接，并且与电网源110并联。第三开关 IM和第四开关1 的公共节点140联接到电枢104的第二终端146。第五开关1 和第六 开关130在公共节点142处彼此联接，并且与电网源110并联。第五开关1 和第六开关 130的公共节点142联接到绕组106的第一终端148。电池源108的第一终端152联接到 电枢104的第一终端144。绕组106的第二终端150联接到第二开关122、第四开关1 和 第六开关130，联接到电网源110的第二终端136，并且联接到电池源108的第二终端154。电容器118与电网源110并联，并且更具体地，经由DC线路132联接到电网源110 的第一终端Π4并且联接到电网源110的第二终端136。在示例性实施例中，电压传感器 156测量横跨电容器118的电压，电流传感器158测量在绕组106的第一终端148与第五开 关1 和第六开关130的公共节点142之间传输的电流。在示例性实施例中，变桨控制器40(图2中示出)操作地联接到变桨控制系统 100。当变桨控制系统100由电网源110提供功率时，变桨控制器40有助于控制变桨控制 系统100的操作，并且更具体地，有助于控制马达102的操作，如本文中更加全面地所描述 的。在示例性实施例中，变桨控制器40从电压传感器156接收电压测量值并且从电流传感 器158接收电流测量值。变桨控制器40可基于接收的电压和/或电流测量值调整开关构 件116的诸如工作周期的一个或更多个开关特征。在操作期间，在示例性实施例中，电网接触器114闭合并且电池接触器112断开， 使得电网源110提供功率到变桨控制系统100。更具体地，在示例性实施例中，第一开关 120、第二开关122、第三开关IM和第四开关126从电网源110传输DC电流到电枢104。第 五开关128和第六开关130从电网源110传输DC电流到绕组106。因此，当电网源110为 变桨控制系统100提供功率时，电枢104和绕组106被分离地控制和提供功率。在示例性实施例中，变桨控制器40控制每个开关构件116的工作周期。更具体地， 变桨控制器40调整每个开关构件116的工作周期，以控制通过每个开关构件116携带到马 达102的电流的量。为了提供更多电流到电枢104，变桨控制器40增大第一开关120或第 三开关124的工作周期。而且，变桨控制器40以交替的工作周期操作第一开关120和第二 开关122，以交替的工作周期操作第三开关IM和第四开关126，并且以交替的工作周期操 作第五开关1 和第六开关130。如本文中所使用的，“交替的”或“交替”指的是在与另一 个开关相反的时间断开和闭合开关，使得当一个开关断开时，另一个开关闭合，并且反之亦 然。因此，交替的开关具有彼此大致相反的工作周期。当马达102将在顺时针方向上被驱动时，变桨控制器40断开第三开关IM并且闭 合第四开关126。变桨控制器40以交替的工作周期操作第一开关120和第二开关122。变 桨控制器40增大第一开关120的工作周期以增大马达102的旋转速度，而减小第一开关 120的工作周期以减小马达102的旋转速度。因此，为了实现在顺时针方向上马达102的最8大旋转速度，变桨控制器40以近似100%工作周期操作第一开关120，而为了实现马达102 的大致静止状态，变桨控制器40以近似0%工作周期操作第一开关120。当马达102将被反转，即在逆时针方向上被驱动时，变桨控制器40断开第一开关 120并且闭合第二开关122。变桨控制器40以交替的工作周期操作第三开关IM和第四开 关126。变桨控制器40增大第三开关124的工作周期以增大马达102的旋转速度，而减小 第三开关124的工作周期以减小马达102的旋转速度。因此，为了实现在逆时针方向上马 达102的最大旋转速度，变桨控制器40以近似100%工作周期操作第三开关124，而为了实 现马达102的大致静止状态，变桨控制器40以近似0%工作周期操作第三开关124。变桨控制器40还操作第五开关1 和第六开关130以控制通过绕组106的电流。 因此，电网源Iio和开关构件116有助于分离地提供控制电流到电枢104和绕组106，使得 马达102作为分离激励的DC马达进行操作。马达102可在变桨控制系统100内产生过多 或再生能量，例如在马达制动操作期间。如果过多能量存在于变桨控制系统100中，则变桨 控制器40可将过多能量引到绕组106，使得绕组106吸收过多能量的至少一部分。更具体 地，如果由电压传感器156测量的电压上升到高于由变桨控制器40确定的临界值，则变桨 控制器40可闭合第五开关128以将能量引到绕组106。变桨控制器40可以以近似0%与 100%之间的工作周期操作第五开关128以将过多能量的一部分引到绕组106。可选地，变 桨控制器40可以以近似100%工作周期操作第五开关128以将最大量的过多能量引到绕 组106，或者变桨控制器40可以以近似0%工作周期操作第五开关128以大致防止过多能 量被引到绕组106。如果发生来自电网源110的功率的损失或在变桨控制系统100内的故障，则变桨 控制系统100通过断开电网接触器114并且闭合电池接触器112可切换到由电池源108提 供的后备功率。当变桨控制系统100由电池源108提供功率时，变桨控制器40不经由开关 构件116控制马达102。相反地，电池源108提供大致恒定电流到马达102并且有助于使叶 片18变桨到顺桨(feathered)位置。在这种操作中，电枢104和绕组106彼此串联，使得 电池源108提供相等的和公共控制的电流到电枢104和绕组106，使得马达102大致作为串 联DC马达进行操作。如果从电网源110恢复功率或矫正在变桨控制系统100内的故障，则 变桨控制系统100可通过断开电池接触器112并且闭合电网接触器114经由电网源110功 率而重新操作。尽管马达102在本文中描述为DC马达，但是应该认识到，马达102和/或 变桨控制系统100可以可选地包括一个或更多个AC马达。以上描述的实施例有助于提供用于风力涡轮的有效的并且节省成本的变桨控制 系统。变桨控制系统有助于独立控制通过马达的电枢和绕组的电流。因此，当变桨控制系 统从电网接收功率时，变桨控制系统有助于操作马达作为分离激励的DC马达。而且，绕组 可吸收在变桨控制系统内的过多能量的至少一部分，诸如当马达减速时产生的能量。当变 桨控制系统从诸如电池的后备电源接收功率时，变桨控制系统有助于经由公共电流控制电 枢和绕组。因此，当变桨控制系统接收后备功率时，变桨控制系统有助于操作马达作为串联 DC马达。而且，本文中描述的变桨控制系统可有助于在没有动态制动电阻器和/或现场整 流二极管的情况下操作风力涡轮的变桨驱动器。以上详细描述变桨控制系统的示例性实施例和用于为变桨控制系统提供功率的 方法和设备。该方法、设备和系统不限制于本文中描述的特定实施例，而相反，设备和/或系统的构件和/或方法的步骤可与本文中描述的其它构件和/或步骤独立地并且分离地利 用。例如，实施例也可结合其它系统和方法来使用，并且不限制于仅仅与如本文中所描述的 变桨控制系统一起进行实践。相反，示例性实施例可连同许多其它功率系统应用来实现和 利用。尽管本发明的各种实施例的特定特征可能在一些附图中示出而在另一些附图中 未示出，但是这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，附图中的任何特征可结合任何其它附 图的任何特征来参照和/或要求保护。该文字描述使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且也使本领域技术人 员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发 明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其 它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要 求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于风力涡轮(10)的变桨控制系统(100)，所述变桨控制系统包括马达(102)，其包括电枢(104)和绕组(106)；和多个开关构件(116)，其构造成独立于通过所述绕组(108)的第二电流控制通过所述 电枢的第一电流。
2.根据权利要求1所述的变桨控制系统(100)，其特征在于，所述变桨控制系统构造成 可切换地从第一功率源(108)和第二功率源(110)接收功率。
3.根据权利要求2所述的变桨控制系统(100)，其特征在于，当所述变桨控制系统从所 述第一功率源(108)接收功率时，独立于所述第二电流控制所述第一电流。
4.根据权利要求2所述的变桨控制系统(100)，其特征在于，当所述变桨控制系统从所 述第二功率源(110)接收功率时，所述第一电流大致等于所述第二电流。
5.根据权利要求1所述的变桨控制系统(100)，其特征在于，所述绕组(106)构造成如 果所述马达(102)的电压超过临界电压则从所述变桨控制系统吸收过多能量。
6.根据权利要求1所述的变桨控制系统(100)，其特征在于，所述多个开关构件(116) 包括第一对开关装置，其联接到所述电枢(104)的第一终端(134)。
7.根据权利要求6所述的变桨控制系统(100)，其特征在于，所述多个开关构件(116) 包括第二对开关装置，其联接到所述电枢(104)的第二终端(136)。
8.根据权利要求7所述的变桨控制系统(100)，其特征在于，所述多个开关构件(116) 包括第三对开关装置，其联接到所述绕组(106)。
9.一种风力涡轮(10)，包括至少一个叶片(18)；和至少一个变桨控制系统(100)，其联接到所述至少一个叶片，所述变桨控制系统包括马达(102)，其包括电枢(104)和绕组(106)；和多个开关构件(116)，其构造成独立于通过所述绕组的第二电流控制通过所述电枢 (104)的第一电流。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮(10)，其特征在于，所述变桨控制系统(100)构造 成可切换地从第一功率源(108)和第二功率源(110)接收功率。
全文摘要
本发明涉及用于为变桨控制系统提供功率的方法和设备。提供用于风力涡轮(10)的变桨控制系统(100)。变桨控制系统包括马达(102)和多个开关构件(116)，马达(102)包括电枢(104)和绕组(106)，多个开关构件(116)构造成独立于通过绕组(108)的第二电流控制通过电枢的第一电流。
文档编号F03D7/04GK102052245SQ20101053566
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月26日 优先权日2009年10月26日
发明者J·A·米柳斯 申请人:通用电气公司