基于储能延长风力涡轮机轮系使用寿命的系统和方法技术方案

本发明专利技术描述了一种用于风场(10)的风场控制器和控制方法。风场包括借助于低压功率网络(22、25)连接到彼此的多个风力涡轮机(20)和储能系统(24)，所述低压功率网络继而联接到电网。控制器确定风力涡轮机变速箱或传动系的多个操作参数，并且计算变速箱或传动系健康状况量度。这可以包括变速箱寿命的测量。控制器也确定风力涡轮机发电机或共同联接点(26)的一个或多个功率特征，以确定功率失谐指标。基于功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度，控制器以提高变速箱健康状况和寿命为基础确定用于储能系统和风力涡轮机的功率命令。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及基于储能系统的使用用于延长风力涡轮机轮系的使用寿命的系统和 方法，因此尤其涉及用于控制多个风力涡轮机的风场控制器和控制方法。
技术介绍
风力涡轮机将风力的动能转换成电能用于在输出端子处供应，并且越来越多地在 家用和工业生产上使用，以及用于向国家电网供应电力。由发电公司操作的风力涡轮机典 型地位于存在有利风力状况的场所，诸如，接近于海岸线或在山丘区域中的陆基涡轮机，或 基于海洋的离岸风力涡轮机。因为这些场所通常在远离现存设施的位置，在这些场所的风 力涡轮机的维护可能变得困难且昂贵。因此概括而言，期望在可能情况下确保风力涡轮机 有效地操作，且将要求的维修和维护最小化。 图1示出示例性水平轴线风力涡轮机1。风力涡轮机1包括风力涡轮机塔架2,风 力涡轮机机舱3在所述风力涡轮机塔架的顶部，转子4被安装到所述风力涡轮机机舱。风 力涡轮机转子4包括支撑至少一个转子叶片6的转子轮毂5。转子4连接到机舱3的前部， 并且在由入射风提供的力的影响下围绕轮毂5转动。 机舱中的主传动轴将风力涡轮机的转子连接到变速箱，所述变速箱继而驱动使发 电机中的转子转动的轴杆。变速箱的作用是将风力涡轮机转子的低速但高转矩的传动轴与 发电机的高速且低转矩的转子联接。在稳定状态的操作下，施加到传动轴、变速箱和转子轴 的机械转矩由于发电机的电和磁激励场被转矩平衡。因为发电机的电场和磁场取决于电网 的电压和频率特征，电网特征的改变影响由发电机场施加在转子上的转矩，这接下来反馈 到变速箱。类似地，尤其阵风在风力转子处的风速改变引起由传动轴施加到变速箱的机械 转矩变化，从而导致由于发电机场造成的转矩的不平衡。 虽然由阵风或功率系统偏离引起的任何转矩不平衡通常是短期的，但是不平衡确 实存在，机械应力被施加到传动和转子发电机轴、以及变速箱。因为机械应力是累积的，所 以机械应力的影响能够通过变速箱寿命的减少测量到。 因此，已经理解的是，期望提供用于减轻在变速箱处或风力转子发电机传动系中 的转矩不平衡的系统和方法，并且因此延长机械构件的寿命。
技术实现思路
本专利技术在独立权利要求中定义，现在引用所述独立权利要求。有利特征在从属权 利要求中列出。 在本专利技术的第一方面，提供了一种用于风场的风场控制系统。风场包括借助于低 压功率网络连接到彼此的多个风力涡轮机和储能系统，其中，低压功率网络联接到电网且 多个风力涡轮机均分别包括在风力涡轮机的转子与风力涡轮机的发电机之间连接的传动 系和变速箱。风场控制系统包括：位于至少第一风力涡轮机中的一个或多个环境传感器，所 述环境传感器设置成确定风力涡轮机传动系或变速箱的一个或多个环境操作参数；位于至 少第一风力涡轮机中或位于低压功率网络上的一个或多个功率传感器，所述功率传感器设 置成确定发电机转子角度与低压功率网络之间的功率失谐指标且向风场控制器输出所述 功率失谐指标；控制器，其配置成接收所确定的所述一个或多个操作参数和所述功率失谐 指标，以基于所确定的所述一个或多个操作参数而确定变速箱或传动系健康状况量度，并 且基于所述功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于储能系统和风 力涡轮机的功率命令。 通过使用变速箱或传动系健康状况量度，控制器能够确保风场满足来自设备操作 者和电网两者的功率需求，同时抵抗功率不平衡稳定局部风场。而且，风力涡轮机响应能够 被小心地调节以保护变速箱和传动系不受到由系统中功率不平衡导致的过度磨损和撕裂， 所述功率不平衡虽然得到了补偿但仍暂时性地持续存在。具体地，在风场中的风力涡轮机 被要求提供附加功率以满足功率参考命令的情况下，控制器能够确定是否使用来自储能系 统的功率，由此去除某些风力涡轮机操作、或至少按比例降低涡轮机自身所需的响应量级 的需要。 在一个实施方式中，控制器基于所述一个或多个操作参数而确定所述变速箱或传 动系健康状况量度，所述操作参数包括一个或多个变速箱或传动系构件的转矩、声学数据、 振动数据、速度数据、位置数据、应变数据或温度数据。 通过使用位于单个风力涡轮机的变速箱和/或传动系构件上的环境传感器，控制 器能够建立电流变速箱或传动系健康状况的准确图形。所得到的量度能够按多种方式使用 以改进风场作为整体的操作，以及降低维护操作的需求。 在一个实施方式中，控制器为每个风力涡轮机存储用于变桨控制命令、风力制动 命令和启动或关闭命令的一个或多个历史时序，以及变速箱健康状况和传动系量度的计算 基于所述历史时序中的一个或多个。 通过使用这个信息，过去已经更少频率使用的风力涡轮机能够被选定以便在由风 场供应的功率需要加强或减弱时被调度。 在一个实施方式中，变速箱或传动系健康状况量度包括变速箱寿命的评估。以这 种方式，控制器能够监测风场中的风力涡轮机且设法确保即使相对于其他风力涡轮机选定 特定的风力涡轮机，风力涡轮机的寿命也在整个风场中大部分是平均的。这显著提高风场 的效率，因为单个风力涡轮机不大可能需要不定时的维修或替代，并且能够更易于为作为 整体的风场安排维护操作。 在一个实施方式中，功率失谐指标表达为delta角度，其等于发电机的转子角度 和功率网络的系统相位角度的差值。这个值给出在变速箱或传动系构件上的合成应变的直 接测量，并且也能够在变速箱或传动系健康状况量度的计算中使用。 在一个实施方式中，控制器能够操作以确定用于储能系统的功率命令，以使得 delta角度恢复到零值。这恢复风场的网络中的功率稳定性，由此最小化在发电机上的负载 转矩的失谐。 在一个实施方式中，控制器能够操作以基于来自储能系统的可用功率和所述变速 箱或传动系健康状况量度而确定用于风力涡轮机的功率命令。以这种方式，控制器能够确 定是否使用来自储能系统的功率或使用来自风力涡轮机的功率，由此去除某些风力涡轮机 操作、或至少按比例降低涡轮机自身所需的响应量级的需要。 在一个实施方式中，风场控制器存储将所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机 分配到不同的组的信息，以及基于风力涡轮机被分配的组而向各个风力涡轮机发布功率参 考命令。以这种方式，风场能够根据各个风力涡轮机可能面对的操作磨损和撕裂、风场中的 风力涡轮机相对于主要风力方向的相应位置、以及任何其他相关环境因素而被分区。每个 区域则能够根据功率参考命令的不同方案被控制。 在一个实施方式中，风场控制器为每个风力涡轮机存储所述变速箱或传动系健康 状况量度，以及基于变速箱或传动系健康状况量度而向各个风力涡轮机发布功率参考命 令。以这种方式控制器能够使得功率参考值适配单个风力涡轮机。 虽然这些特征能够被考虑作为单独的实施方式，但是也可以构思它们在单一实施 方式中与彼此结合。 还提供对应当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于风场的风场控制系统，所述风场包括多个风力涡轮机和储能系统，所述多个风力涡轮机与所述储能系统借助于低压功率网络连接到彼此，其中，低压功率网络联接到电网，并且其中，所述多个风力涡轮机均分别包括在风力涡轮机的转子和风力涡轮机的发电机之间连接的传动系和变速箱，风场控制系统包括：位于至少第一风力涡轮机中的一个或多个环境传感器，所述环境传感器设置成确定风力涡轮机传动系或变速箱的一个或多个操作参数，位于至少第一风力涡轮机中的或位于低压功率网络上的一个或多个功率传感器，所述功率传感器设置成确定发电机转子角度和低压功率网络之间的功率失谐指标且向风场控制器输出所述功率失谐指标；以及控制器，其配置成接收所确定的所述一个或多个操作参数和所述功率失谐指标，以基于所确定的所述一个或多个操作参数而确定变速箱或传动系健康状况量度，以及基于所述功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于储能系统和风力涡轮机的功率命令。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：M·哈贾马哈尔斯，
申请(专利权)人：维斯塔斯风力系统集团公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK