[發明專利]風能轉換器的操作方法、風能轉換器用控制裝置以及風能轉換器

無效

• 申請號: 200980000186.8
• 申請日: 2009-03-20
• 公開（公告）號: CN101970871A
• 公開（公告）日: 2011-02-09
• 發明（設計）人: 馬丁·菲舍爾;彼得·魏克博爾德;羅伯特·特拉特尼格
• 申請（專利權）人: 美國超導威德泰克有限公司
• 主分類號: F03D11/02
• 分類號: F03D11/02;F16H47/04;F03D9/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 田軍鋒;魏金霞

技術領域

本發明涉及一種風能轉換器。

背景技術

風能能夠由風能轉換器轉換成各種有用的形式，例如電，該風能轉換器包括耦合到發電機的轉子，例如低速螺旋槳。由于給定位置處的風速通常隨著天氣條件的變化而波動，因此，常規的風能轉換器一般利用可變轉子速度進行操作，以便在不同的風速等級下獲得轉子較高的氣動效率。

在一些實施中，為了給電網供電，使用直接連接到輸電網的定速發電機，例如同步發電機是很有利的。除了經濟效益之外，在沒有昂貴的功率變流器的情況下，供給到網中的電能的質量通常更高。此外，定速發電機可以在中壓等級下操作，以致不需要額外的變壓器。DE102005054539B3公開了一種風能轉換器的一個示例，其包括轉子和用于直接連接于電網的發電機。在這個示例中，轉子和發電機由變比齒輪系統耦合，該變比齒輪系統包括控制變比齒輪系統的傳動比的液壓部件。因此，風能轉換器根據風速在可變的轉子速度下進行操作，同時定速驅動發電機。

在上述示例中，雖然風能轉換器的氣動損失能夠通過根據風速的變化調節轉子速度得以降低，但是大部分功率經由變比齒輪系統的液壓部件從轉子傳輸到發電機。由于液壓部件通常會遭受因泄流引起的功率損失、摩擦損失等，因此，由于變比齒輪系統的液壓部件中的功率損失導致降低了風能轉換器的總效率。

發明內容

本發明的一個總的方面涉及一種用于操作風能轉換器的方法，該風能轉換器具有機械耦合在轉子和發電機之間的變比齒輪系統，其中該變比齒輪系統包括耦合到第一軸的第一傳輸單元，例如液壓單元，和耦合到第二軸的第二傳輸單元，例如液壓單元。該方法包括將變比齒輪調節到第一軸基本上不旋轉的第一傳動比。例如，第一軸根本不旋轉，或者以與變比齒輪系統的傳動比在傳動比范圍內變化時第一軸旋轉的旋轉速度范圍相比可忽略的低旋轉速度旋轉，此時假定發電機速度恒定。

這種方法的實施方式可以包括下述特征中的一個或者多個。

對風速進行確定。例如，表征當前風速的風速值由風的測量值直接確定或者由風能轉換器的運行參數間接確定。此外，該方法還包括檢測風速是否在第一方向上已經達到第一閾值。例如，第一方向可以預定為與風速的上升相對應的方向，以便當風速已經上升超過，即變得已經大于第一閾值時，就能檢測到風速已經達到第一閾值。作為替代，第一方向可以預定為與風速的下降相對應的方向，以便當風速已經下降低于，即已經變得小于第一閾值時就能檢測到風速已經達到第一閾值。

在有些實施方式中，當確定風速在第一方向上已經達到第一閾值時，將變比齒輪系統調節到第二軸基本上不旋轉的第二傳動比。在這種情況下，第二軸的旋轉速度等于零，例如，或者其值為與變比齒輪系統的傳動比在變比齒輪的傳動比范圍內變化時第二軸旋轉的旋轉速度范圍相比為可忽略的低值，此時假定發電機速度恒定。

使用上述方法，變比齒輪系統的傳動比從耦合到第一液壓單元的第一軸基本上不旋轉的第一傳動比變化到耦合到第二液壓單元的第二軸基本上不旋轉的第二傳動比。這樣，就可以避開第一軸和第二軸基本上都不旋轉的傳動比，從而減少液壓單元中的功率損耗，對于耦合到液壓單元的軸的較高旋轉速度而言，該功率損耗通常較大。因此，該方法能夠以這樣一種方式操作具有包括液壓部件的變比齒輪系統的風能轉換器，即，當轉子仍然能夠根據變化的風況以不同的轉子速度運行時可以顯著降低液壓單元中的功率損耗，從而顯著降低整個變比齒輪系統的功率損耗。

該方法可以進一步包括以恒定的發電機速度驅動發電機。這使同步發電機能夠直接連接到電網，而無需使用昂貴而且能量效率很低的功率轉換器。在有些實施方式中，當以恒定的發電機速度驅動發電機時，第一傳動比和第二傳動比中的至少一個對應于轉子的最小運行速度和額定最大速度中的一個。這樣，就可以利用風能轉換器的實際可能的轉子速度的運行范圍的下限值和/或上限值，從而通過將轉子的實際能力使用到相應的極限值以便在特別寬范圍的風速內實現高效率。

在有些實施方式中，該方法進一步包括當風速在第一方向上已經達到第一閾值時，將第一軸與第一液壓單元脫離。在這種情況下，由于耦合到第二液壓單元的第二軸基本上不旋轉，因此基本上沒有功率在第一液壓單元和第二液壓單元之間液壓或機械傳輸。通過將第一軸與第一液壓單元脫離，第一軸和第一液壓單元之間不能進行進一步的功率傳輸，從而使第一液壓單元例如由于其本身的摩擦力而減速到零速度。這樣，第一液壓單元和第二液壓單元都可以配置為在零速度下運行，從而進一步降低變比齒輪系統中的液壓損耗并且獲得風能轉換器的特別高的效率。