基于儲能延長風(fēng)力渦輪機輪系使用壽命的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于儲能系統(tǒng)的使用用于延長風(fēng)力渦輪機輪系的使用壽命的系統(tǒng)和 方法，因此尤其涉及用于控制多個風(fēng)力渦輪機的風(fēng)場控制器和控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)力渦輪機將風(fēng)力的動能轉(zhuǎn)換成電能用于在輸出端子處供應(yīng)，并且越來越多地在 家用和工業(yè)生產(chǎn)上使用，以及用于向國家電網(wǎng)供應(yīng)電力。由發(fā)電公司操作的風(fēng)力渦輪機典 型地位于存在有利風(fēng)力狀況的場所，諸如，接近于海岸線或在山丘區(qū)域中的陸基渦輪機，或 基于海洋的離岸風(fēng)力渦輪機。因為這些場所通常在遠(yuǎn)離現(xiàn)存設(shè)施的位置，在這些場所的風(fēng) 力渦輪機的維護(hù)可能變得困難且昂貴。因此概括而言，期望在可能情況下確保風(fēng)力渦輪機 有效地操作，且將要求的維修和維護(hù)最小化。
[0003] 圖1示出示例性水平軸線風(fēng)力渦輪機1。風(fēng)力渦輪機1包括風(fēng)力渦輪機塔架2,風(fēng) 力渦輪機機艙3在所述風(fēng)力渦輪機塔架的頂部，轉(zhuǎn)子4被安裝到所述風(fēng)力渦輪機機艙。風(fēng) 力渦輪機轉(zhuǎn)子4包括支撐至少一個轉(zhuǎn)子葉片6的轉(zhuǎn)子輪轂5。轉(zhuǎn)子4連接到機艙3的前部， 并且在由入射風(fēng)提供的力的影響下圍繞輪轂5轉(zhuǎn)動。
[0004] 機艙中的主傳動軸將風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子連接到變速箱，所述變速箱繼而驅(qū)動使發(fā) 電機中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的軸桿。變速箱的作用是將風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子的低速但高轉(zhuǎn)矩的傳動軸與 發(fā)電機的高速且低轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子聯(lián)接。在穩(wěn)定狀態(tài)的操作下，施加到傳動軸、變速箱和轉(zhuǎn)子軸 的機械轉(zhuǎn)矩由于發(fā)電機的電和磁激勵場被轉(zhuǎn)矩平衡。因為發(fā)電機的電場和磁場取決于電網(wǎng) 的電壓和頻率特征，電網(wǎng)特征的改變影響由發(fā)電機場施加在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩，這接下來反饋 到變速箱。類似地，尤其陣風(fēng)在風(fēng)力轉(zhuǎn)子處的風(fēng)速改變引起由傳動軸施加到變速箱的機械 轉(zhuǎn)矩變化，從而導(dǎo)致由于發(fā)電機場造成的轉(zhuǎn)矩的不平衡。
[0005] 雖然由陣風(fēng)或功率系統(tǒng)偏離引起的任何轉(zhuǎn)矩不平衡通常是短期的，但是不平衡確 實存在，機械應(yīng)力被施加到傳動和轉(zhuǎn)子發(fā)電機軸、以及變速箱。因為機械應(yīng)力是累積的，所 以機械應(yīng)力的影響能夠通過變速箱壽命的減少測量到。
[0006] 因此，已經(jīng)理解的是，期望提供用于減輕在變速箱處或風(fēng)力轉(zhuǎn)子發(fā)電機傳動系中 的轉(zhuǎn)矩不平衡的系統(tǒng)和方法，并且因此延長機械構(gòu)件的壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明在獨立權(quán)利要求中定義，現(xiàn)在引用所述獨立權(quán)利要求。有利特征在從屬權(quán) 利要求中列出。
[0008] 在本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于風(fēng)場的風(fēng)場控制系統(tǒng)。風(fēng)場包括借助于低 壓功率網(wǎng)絡(luò)連接到彼此的多個風(fēng)力渦輪機和儲能系統(tǒng)，其中，低壓功率網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接到電網(wǎng)且 多個風(fēng)力渦輪機均分別包括在風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子與風(fēng)力渦輪機的發(fā)電機之間連接的傳動 系和變速箱。風(fēng)場控制系統(tǒng)包括：位于至少第一風(fēng)力渦輪機中的一個或多個環(huán)境傳感器，所 述環(huán)境傳感器設(shè)置成確定風(fēng)力渦輪機傳動系或變速箱的一個或多個環(huán)境操作參數(shù)；位于至 少第一風(fēng)力渦輪機中或位于低壓功率網(wǎng)絡(luò)上的一個或多個功率傳感器，所述功率傳感器設(shè) 置成確定發(fā)電機轉(zhuǎn)子角度與低壓功率網(wǎng)絡(luò)之間的功率失諧指標(biāo)且向風(fēng)場控制器輸出所述 功率失諧指標(biāo)；控制器，其配置成接收所確定的所述一個或多個操作參數(shù)和所述功率失諧 指標(biāo)，以基于所確定的所述一個或多個操作參數(shù)而確定變速箱或傳動系健康狀況量度，并 且基于所述功率失諧指標(biāo)和所述變速箱或傳動系健康狀況量度而確定用于儲能系統(tǒng)和風(fēng) 力渦輪機的功率命令。
[0009] 通過使用變速箱或傳動系健康狀況量度，控制器能夠確保風(fēng)場滿足來自設(shè)備操作 者和電網(wǎng)兩者的功率需求，同時抵抗功率不平衡穩(wěn)定局部風(fēng)場。而且，風(fēng)力渦輪機響應(yīng)能夠 被小心地調(diào)節(jié)以保護(hù)變速箱和傳動系不受到由系統(tǒng)中功率不平衡導(dǎo)致的過度磨損和撕裂， 所述功率不平衡雖然得到了補償?shù)詴簳r性地持續(xù)存在。具體地，在風(fēng)場中的風(fēng)力渦輪機 被要求提供附加功率以滿足功率參考命令的情況下，控制器能夠確定是否使用來自儲能系 統(tǒng)的功率，由此去除某些風(fēng)力渦輪機操作、或至少按比例降低渦輪機自身所需的響應(yīng)量級 的需要。
[0010] 在一個實施方式中，控制器基于所述一個或多個操作參數(shù)而確定所述變速箱或傳 動系健康狀況量度，所述操作參數(shù)包括一個或多個變速箱或傳動系構(gòu)件的轉(zhuǎn)矩、聲學(xué)數(shù)據(jù)、 振動數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)或溫度數(shù)據(jù)。
[0011] 通過使用位于單個風(fēng)力渦輪機的變速箱和/或傳動系構(gòu)件上的環(huán)境傳感器，控制 器能夠建立電流變速箱或傳動系健康狀況的準(zhǔn)確圖形。所得到的量度能夠按多種方式使用 以改進(jìn)風(fēng)場作為整體的操作，以及降低維護(hù)操作的需求。
[0012] 在一個實施方式中，控制器為每個風(fēng)力渦輪機存儲用于變槳控制命令、風(fēng)力制動 命令和啟動或關(guān)閉命令的一個或多個歷史時序，以及變速箱健康狀況和傳動系量度的計算 基于所述歷史時序中的一個或多個。
[0013] 通過使用這個信息，過去已經(jīng)更少頻率使用的風(fēng)力渦輪機能夠被選定以便在由風(fēng) 場供應(yīng)的功率需要加強或減弱時被調(diào)度。
[0014] 在一個實施方式中，變速箱或傳動系健康狀況量度包括變速箱壽命的評估。以這 種方式，控制器能夠監(jiān)測風(fēng)場中的風(fēng)力渦輪機且設(shè)法確保即使相對于其他風(fēng)力渦輪機選定 特定的風(fēng)力渦輪機，風(fēng)力渦輪機的壽命也在整個風(fēng)場中大部分是平均的。這顯著提高風(fēng)場 的效率，因為單個風(fēng)力渦輪機不大可能需要不定時的維修或替代，并且能夠更易于為作為 整體的風(fēng)場安排維護(hù)操作。
[0015] 在一個實施方式中，功率失諧指標(biāo)表達(dá)為delta角度，其等于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子角度 和功率網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)相位角度的差值。這個值給出在變速箱或傳動系構(gòu)件上的合成應(yīng)變的直 接測量，并且也能夠在變速箱或傳動系健康狀況量度的計算中使用。
[0016] 在一個實施方式中，控制器能夠操作以確定用于儲能系統(tǒng)的功率命令，以使得 delta角度恢復(fù)到零值。這恢復(fù)風(fēng)場的網(wǎng)絡(luò)中的功率穩(wěn)定性，由此最小化在發(fā)電機上的負(fù)載 轉(zhuǎn)矩的失諧。
[0017] 在一個實施方式中，控制器能夠操作以基于來自儲能系統(tǒng)的可用功率和所述變速 箱或傳動系健康狀況量度而確定用于風(fēng)力渦輪機的功率命令。以這種方式，控制器能夠確 定是否使用來自儲能系統(tǒng)的功率或使用來自風(fēng)力渦輪機的功率，由此去除某些風(fēng)力渦輪機 操作、或至少按比例降低渦輪機自身所需的響應(yīng)量級的需要。
[0018] 在一個實施方式中，風(fēng)場控制器存儲將所述多個風(fēng)力渦輪機中的每個風(fēng)力渦輪機 分配到不同的組的信息，以及基于風(fēng)力渦輪機被分配的組而向各個風(fēng)力渦輪機發(fā)布功率參 考命令。以這種方式，風(fēng)場能夠根據(jù)各個風(fēng)力渦輪機可能面對的操作磨損和撕裂、風(fēng)場中的 風(fēng)力渦輪機相對于主要風(fēng)力方向的相應(yīng)位置、以及任何其他相關(guān)環(huán)境因素而被分區(qū)。每個 區(qū)域則能夠根據(jù)功率參考命令的不同方案被控制。
[0019] 在一個實施方式中，風(fēng)場控制器為每個風(fēng)力渦輪機存儲所述變速箱或傳動系健康 狀況量度，以及基于變速箱或傳動系健康狀況量度而向各個風(fēng)力渦輪機發(fā)布功率參考命 令。以這種方式控制器能夠使得功率參考值適配單個風(fēng)力渦輪機。
[0020] 雖然這些特征能夠被考慮作為單獨的實施方式，但是也可以構(gòu)思它們在單一實施 方式中與彼此結(jié)合。
[0021] 還提供對應(yīng)