专利名称：风力发电设备和用于风力发电设备的受控停机的方法
技术领域：
本发明涉及具有主控制器的风力发电设备。状态变量的集合被馈入到主控制器。主控制器根据状态变量确定用于风力发电设备的操作的预设驱动值。本发明还涉及用于操作这种风力发电设备的方法。
背景技术：
如果主控制器发生故障，存在将不正确的预设驱动值发送到风力发电设备的组件以及风力发电设备随后进入不希望的状态的风险。如果故障，风力发电设备可能因此不再在主控制器的控制下操作。
直到现在，在主控制器故障的情况下，常常是打开安全链。当打开安全链时，消除了主控制器对风力发电设备的控制，并且风力发电设备在不受控的过程中被硬制动。这种硬制动将风力发电设备置于相当大的应力下。例如，出现振荡和负载突然变化，这可导致风力发电设备的组件的大大缩短使用寿命。发明内容
基于这种目的本发明提出风力发电设备以及用于操作这种风力发电设备的方法的目的，如果主控制器故障，通过所述设备和方法，风力发电设备被加力到较小程度。以前面提到的现有技术作为起点，通过独立权利要求的特征实现了本发明的上述目的。在从属权利要求中能够发现更优的实施例。
根据本发明，所述风力发电设备包括最小控制器和监视模块。最小控制器根据状态变量的部分集确定用于桨距角和/或桨距速度的预设驱动值。监视模块监视主控制器，并且当主控制器执行中故障，则监视模块将对风力发电设备的控制转移到最小控制器。
首先解释若干术语。状态变量包含关于可能影响风力发电设备的操作的条件的信息。这包括例如关于风力发电设备的组件的状态以及环境中的状态例如风速的信息。主控制器处理这个信息并由此确定用于风力发电设备的操作的预设驱动值。预设驱动值被传输到风力发电设备的各个组件，这些组件根据预设驱动值设定它们的操作。馈入到主控制器的所有状态变量的总体被称为状态变量的集合。状态变量的部分集包括属于状态变量的集合的一部分但并非全部状态变量。
对于主控制器的即时状态，如果其严重到风力发电设备不再能够在主控制器的控制下操作，则其被称为故障。在传统的风力发电设备中，故障导致安全链被打开，并且风力发电设备被硬制动。不同于这些故障，在主控制器中可能出现一些相当小的不规律，在这种不规律期间，正常的继续操作是可能的。
最小控制器用于使风力发电设备进入受控操作模式下的停顿。本发明认识到全功能的主控制器对于这种限制性的任务不是必需的。因此，最小控制器仅包括使风力发电设备停机所实际需要的状态变量。还存在与停机风力发电设备无关的其它状态变量，这些状态变量仅被主控制器使用，而不被最小控制器使用。作为相应低成本的结果，本发明尤其不同于其中全功能控制器被保持反复可用的风力发电设备(EP2136273)。
因此，除主控制器之外，本发明采用很低的成本使得利用最小控制器能够将风力发电设备以受保护的方式停机。风力发电设备的应力随后明显小于在打开安全链后风力发电设备被硬制动的情况，即尽可能快地带入停止状态的制动。与硬制动不同，最小控制器考虑了关于受预设驱动值影响的组件的状态的信息。因此，即使通过最小控制器，受控操作模式也仍然发生。
在最小控制器中，作为状态变量的子集被考虑的状态变量可以包括例如桨距角(转子桨叶的空间方位角)、桨距速度(空间方位角改变的角速度)和/或借助于发电机和变流器对抗转子的电扭矩。以有序的方式制动风力发电设备的能力直接取决于这些状态变量。尽管其它状态变量属于由主控制器处理的状态变量的全集，但它们不属于最小控制器的状态变量的子集。如果目的仅仅是以有序的方式将风力发电设备带到停止状态，主要存在那些与该目的不直接相关的状态变量。这些可以包括例如齿轮油的温度或者来自外部的涉及到电压、无功分量、有功分量和其它参数的预设值，以及与能量供给有关的其它参数。例如设备中的振荡、组件的温度、风向、通信装置的状态、紧急电源的状态等也可能在最小控制器中被忽略。
为了将风力发电设备的转子带入完全停止状态，转子桨叶必须移动到它们事实上不再从风吸收任何能量的叶片位置。采用最小控制器，可能预先设置与叶片位置相应的桨距角。当到达相应的桨距角时，桨距速度可以降低到零。
通过桨距角和桨距速度的适当预设值，可能将风力发电设备带入停止状态，而与发电机和变流器把何种反电扭矩施加到转子无关。然而，如果最小控制器还确定了电扭矩的预设驱动值，则可能进行更精确的控制。相应的预设驱动值可以被传输到变流器。如果采用最小控制器确定转子制动的预设驱动值，则同样是有利的。
根据本发明，可以假定存在与用于风力发电设备的操作有关的变量，并且主控制器为这些变量定义了预设驱动值，而且由于这些变量对于减速而言是不需要的，最小控制器不为它们定义任何预设驱动值。这些变量可以包括例如所产生的电能的参数。因此，可配置最小控制器，使得它不为电压、有功分量、无功分量和/或功率定义任何直接的预设驱动值。尽管这些数值与风力发电设备的常规操作模式高度相关，但是当目的是停机时，它们就是不相关的。当然，停机同样不直接影响所产生的电能的参数。
通常可配置主控制器，使得它处理多个组成部分中的状态变量并从中确定预设驱动值。如果主控制器的所有组成部分均操作无误，则最小控制器能够被保持在不影响风力发电设备的操作模式的睡眠状态。在睡眠状态中，最小控制器同样能够被提供状态变量的子集。在故障的情况下，控制能够随后快速地(事实上是立即)转移到最小控制器。故障的情况可以例如以这种方式被定义:故障发生在主控制器的一个组成部分中并且主控制器本身不能再发挥功能。
在一个有利的实施例中，最小控制器除了停机风力发电设备之外无其它目的。因此，最小控制器可以被限于仅定义导致转子速度降低的预设驱动值。能够排除至少引起转子速度增加的那些预设驱动值。
当风力发电设备在最小控制器的控制下停止后能够被重新启动之前，应当消除主控制器中的故障。为了有助于此，可配置最小控制器，使得其储存关于当故障发生时所述主控制器的状态的信息。信息可以包括例如主控制器的发生故障的组成部分、故障类型、与该组成部分相关的状态变量以及由该组成部分确定的预设驱动值。基于这种信息，服务技术人员能够有选择地查找故障。如果相关的信息已经被传输到与风力发电设备间隔一定距离的控制中心，如果适合，甚至可能消除服务技术人员到达风力发电设备的需求。风力发电设备通常被配置，使得如果存在合适的风力条件则风力发电设备将从静止状态自动启动。如果在主控制器中故障后，已采用最小控制器停机了风力发电设备，那么通常不希望自动重新启动。为此，最小控制器能够被配置，使得其防止风力发电设备自动重新启动。存在通过停机和重启而自动克服的主控制器故障。为此，在借助于最小控制器将风力发电设备停机后，使风力发电设备长期停止工作不总是适合的。在一个有利的实施例中，最小控制器仅在预定的时间段内防止风力发电设备重新启动。在预定时间段期满后，倘若没有进一步维持在静止状态的指令，能够进行自动重新启动。风力发电设备能够根据外部控制指令在任何时间被重新启动。对于风力发电设备的故障，有可能是，不仅主控制器的符合要求的操作，而且最小控制器的符合要求的操作也被不利地影响。最小控制器中的故障同样可以是使最小控制过程不再被执行的故障，或者在制动所必需的组件中检测到的故障。监视设备可被配置，使得其检测这种故障并打开安全链。安全链也能够直接被最小控制器打开。借助于最小控制器打开安全链的原因在于，例如，在预定的时间内系统不低于特定的旋转速度或者未到达转子桨叶的特定的空间方位角。主控制器和最小控制器能够被合并在一个控制单元中。最小控制器可以是控制单元中的组成部分，在故障情况下，相对于控制单元的其它组成部分，该组成部分被给予优先权。 本发明也涉及用于操作这种包括主控制器的风力发电设备的方法。多个状态变量被馈入到主控制器并且主控制器根据状态变量确定用于风力发电设备的操作的预设驱动值。在所述方法中，首先，检测主控制器执行中故障。在故障后，把风力发电设备的控制转移到最小控制器，所述最小控制器根据状态变量的子集确定用于桨距角和/或桨距速度的预设驱动值。风力发电设备在最小控制器的控制下并且根据预设驱动值而被制动到静止状态。在所述方法中，能够将关于主控制器中发生的故障的信息传输到最小控制器。此夕卜，故障信息能够被传输到与风力发电设备间隔一定距离的控制中心。所述方法能够与上面相应于根据本发明的风力发电设备而描述的其它特征相组合。
下面将通过举例的方式，借助于有利实施例并参照附图来描述本发明，其中:图1显示出根据本发明的风力发电设备；图2显示出图1的风力发电设备的组件的示意图；图3显示出本发明另一实施例的图2的细节；以及图4显示出本发明另一实施例的风力发电设备的控制单元。
具体实施方式
图1中的风力发电设备10包括布置在塔架11上的机壳12。具有三个转子桨叶16的转子13被安装在机壳12中，所述转子13经图2示出的传动机构17而连接到发电机18。发电机所产生的电能经变流器19被导向中转点14并从那里输送至配电网15。风力发电设备10通常与多个另外的风力发电设备相结合而形成风电场，其中，来自风力发电设备的电能在中转点14被合并。
根据图2，风力发电设备10包括主控制器20，关于风力发电设备的状态和/或关于环境条件的各种信息项以状态变量的方式馈入到该主控制器。因此，在每种情况下，在转子桨叶16中布置有用于设定转子桨叶16的桨距角和桨距转速的桨距控制器21。在变流器19中设有测量电变量并相应地设定它们的变流器控制器23。关于转子桨叶16和变流器19的实际状态的信息作为状态变量被传输到主控制器20。还设有另外的传感器，例如，用于转子的旋转速度的旋转速度传感器，用于制动的状态的制动传感器，或者用于所产生电能的诸如电压、功率、有功分量、无功分量的参数的电传感器24。这些传感器同样把状态变量传输到主控制器20。图2因此以举例的方式示出了在主控制器20中考虑的多个状态变量。在主控制器20中考虑的状态变量的全集也包括图2未示出的其它信息。
基于这些状态变量，在主控制器20中确定用于风力发电设备10的组件的预设驱动值。用25指示主控制器20的输出，经由该输出预设驱动值而被导向风力发电设备10的组件中。风力发电设备10的组件根据预设驱动值而被设定。为了确定预设驱动值，主控制器20包括多个组成部分26，在其中处理某些状态变量以确定特定的预设驱动值。如果以多个任务被并行执行的控制程序的方式实现主控制器20，则组成部分26可以对应于控制程序的任务。
如果组成部分26之一发生故障，则不能再确保风力发电设备10的可靠操作。故障可能包括控制程序不再被进一步执行的事实，换句话说，“处于静止”。存在风力发电设备的组件将接收不到预设驱动值或者接收错误的预设驱动值的风险，以及因此将会带来不希望的后果的影响一例如振荡一的风险。风力发电设备10因此可能不再在主控制器20的控制下操作。主控制器20包含持续监视是否发生这种故障的监视模块28。
风力发电设备10还包括最小控制器27，以防故障。不是把主控制器20中处理的状态变量的全集而是仅把状态变量的子集馈入到最小控制器27。在图2的示例性实施例中，状态变量的子集包括来自转子桨叶16中的桨距传感器21的信息以及来自变流器19中的扭矩传感器23的信息。例如，关于齿轮油的温度或者关于所产生的电能的参数的信息不属于状态变量的该子集。
最小控制器27被配置用于根据状态变量的子集确定允许有序地停机风力发电设备10的预设驱动值。对于该目的，状态变量的子集已经足够。如果风力发电设备10在最小控制器27的控制下操作，它不是持续发电的情况，而是在受控的过程中停机风力发电设备10并把由制动转子13而引起的应力保持很小。尤其是，与在打开安全链后的硬制动期间出现的应力相比，该应力很小。
因此，在故障情况下，对风力发电设备10的控制能够从主控制器20转移到最小控制器27，主控制器20包括监视模块28，通过监视模块28持续监视主控制器20中的故障的发生。如果监视模块28检测到主控制器20中的故障，则监视模块28把风力发电设备10的控制从主控制器20转移到最小控制器27。风力发电设备10的组件随后遵循最小控制器27的预设驱动值而不再是主控制器20的预设驱动值。最小控制器将扭矩设定点值传输至变流器19，使得根据预定的模式而降低扭矩。对转子桨叶16预先限定设定点桨距速度，利用该点桨距速度把转子桨叶16向末端位置的方向移动。通过传输相应的指令至桨距控制器，桨距斜坡被随后启动。然后沿着计算出的斜坡行进，并且转子桨叶16移动到可参数化的位置。当风力发电设备10在最小控制器27的控制停机后，希望尽快重新开始风力发电设备10的常规操作。只要故障仍然存在于主控制器20中，就不可能重新开始操作。本发明意图有助于快速消除主控制器中的故障。根据图3，在主控制器20中设有持续读取关于主控制器20的状态的信息的扫描器29。这些信息可以包括例如主控制器20的已发生故障的存储区或者任务、故障类型、与任务26相关的状态变量以及由任务26所确定的预设驱动值。在主控制器20的故障之后，如果监视模块28把风力发电设备10的控制转移到最小控制器27,则监视模块28能够同时把来自扫描器29的信息传输给最小控制器27。在最小控制器27中，信息被储存在存储器模块30中，并且在必要时经通信线路31传输给与风力发电设备10相隔一定距离的控制中心。这就使服务技术人员能更加容易地查找主控制器20中的故障。在图4的实施例中，主控制器20和最小控制器37被合并在公共的控制单元32中。属于主控制器20的元件被以虚线标出。最小控制器27是控制单元32的多个组成部分26之一。如果监视模块28检测到主控制器20中的故障，相对于其它组成部分，通过监视模块28向最小控制器27给予优先权。风力发电设备10然后处于最小控制器27的控制之下。
权利要求
1.一种具有主控制器(20)的风力发电设备，其中，状态变量的集合被馈入到所述主控制器并且所述主控制器根据所述状态变量确定用于所述风力发电设备(10)的操作的预设驱动值， 所述风力发电设备的特征在于:还设有最小控制器(27)和监视模块(28)，其中，所述最小控制器(27)根据状态变量的部分集确定用于桨距角和/或桨距速度的预设驱动值，并且其中，所述监视模块(28)监视所述主控制器(20)，并且当所述主控制器(20)执行中故障，所述监视模块(28)把所述风力发电设备(10)的控制转移到所述最小控制器(27)。
2.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于:所述状态变量的部分集包括桨距角、桨距速度和/或电扭矩。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于:所述最小控制器(27)确定用于电扭矩和/或转子制动的预设驱动值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的风力发电设备，其特征在于:所述最小控制器(27)不确定用于所产生电能的参数的任何预设驱动值。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的风力发电设备，其特征在于:所述最小控制器(27)被限于定义导致转子速度降低的那些预设驱动值。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的风力发电设备，其特征在于:所述最小控制器(27)被配置用于防止所述风力发电设备的自动重新启动。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的最小控制器，其特征在于:当所述最小控制器(27)中故障,安全链被打开。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的风力发电设备，其特征在于:所述最小控制器(27)被配置用于储存关于当故障发生时所述主控制器(20)的状态的信息。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的风力发电设备，其特征在于:所述主控制器和所述最小控制器被合并在一个控制单元(32)中。
10.一种用于操作风力发电设备的方法，其中，所述风力发电设备(10)包括主控制器(20)，其中，多个状态变量被馈入到所述主控制器并且所述主控制器根据所述状态变量确定用于所述风力发电设备(10)的操作的预设驱动值，所述方法具有如下步骤: a.确定所述主控制器(20)的执行中故障； b.把所述风力发电设备(10)的控制转移到最小控制器(27)，所述最小控制器根据状态变量的部分集确定用于桨距角和/或桨距速度的预设驱动值；以及 c.根据所述最小控制器(27)的预设驱动值，制动所述风力发电设备(10)直至静止状态。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于:关于所述主控制器(20)中已发生的故障的信息被传输到所述最小控制器(27)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于:故障信息被传输到与所述风力发电设备(10)间隔一定距离的控制中心和/或被储存在所述最小控制器(27)中。
全文摘要
本发明涉及具有主控制器(20)的风力发电设备。状态参数的集合被馈入到主控制器(20)。主控制器(20)根据状态参数确定用于风力发电设备(10)的操作的设置。根据本发明，还提供了最小控制器(27)和监视模块(28)。最小控制器(27)根据状态参数的子集确定用于桨距角和/或桨距速度的设置。如果主控制器(20)处理过程中故障，监视模块(28)把风力发电设备(10)的控制转移到最小控制器(27)。本发明还涉及用于操作这种风力发电设备的方法。根据本发明，如果主控制器(20)发生故障，借助于最小控制器(27)，能够以受控方式停机风力发电设备(10)。
文档编号F03D7/04GK103189641SQ201180044639
公开日2013年7月3日 申请日期2011年8月31日 优先权日2010年9月16日
发明者马蒂亚斯·普林茨 申请人:再生动力系统欧洲股份公司