СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2009 года по МПК F03D7/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу управления ветроэнергетической установкой и способу ее регулирования, а также к самой ветроэнергетической установке.

Уровень техники

Из DE 19532409 А1 известен способ эксплуатации ветроэнергетической установки, с помощью которого можно повышать производительность ветросиловой установки и одновременно ограничивать нагрузку при повышенных скоростях ветра. Для этого мощность ветросиловой установки, начиная с предварительно заданной скорости ветра, при которой происходит отключение (скорость на отключение), сбрасывается, а рабочая частота вращения ротора ветросиловой установки при этом ограничивается. У известной ветроэнергетической установки при достижении предельно допустимой скорости происходит не ее полное отключение, а принудительное сокращение рабочей частоты вращения ветросиловой установки, как только скорость набегающего потока выходит за пределы максимально допустимого значения скорости. В результате этого ветровая энергетическая установка продолжает работать в условиях сверх обычной «скорости на отключение» таким образом, что кривая изменения мощности удлиняется до повышенных скоростей ветра, а производительность по выработке энергии и сетевая совместимость ветросиловой установки улучшаются.

Из ЕР 1286049 А2 известна ветросиловая установка с лопастями ротора с регулируемым наклоном. Для ветроэнергетической установки предусмотрено стационарное «парковочное» положение, в котором нагрузка на ветросиловую установку сокращена. Ветросиловая установка стабилизируется в парковочном положении за счет активного регулирования углов поворота лопаток ротора. Если, например, вследствие турбулентности происходит выход лопасти ротора из парковочного положения, то за этим следует регулирующее воздействие, противодействующее выходу из этого положения. Для этого диапазон поворота лопастей ротора расширяется таким образом, что они могут генерировать крутящий момент, противоположный обычному направлению вращения ротора.

Из DE 10058076 C2 известен способ управления ветроэнергетической установкой, при котором в условиях скоростей, превышающих «скорость на отключение», корпус устанавливается в предварительно заданное положение по азимуту, причем одновременно лопасти ротора устанавливаются в свое флюгерное положение в соответствии с положением по азимуту. В частности, способ управления позволяет отказаться от использования азимутального тормоза и тормоза ротора таким образом, что набегающий поток ветра автоматически устанавливает подветренный ротор в позицию с наименьшим ветровым сопротивлением. В известном способе не используется принцип наведения лопастей ротора, установленных в свое флюгерное положение за счет установки по азимуту, относительно основного направления ветра.

В DE 19717059 С1 описана ветровая энергетическая установка с двумя парковочными положениями корпуса установки. В первом парковочном положении корпус установки устанавливается по ветру, лопасти ротора обдуваются со стороны задней грани. Во втором парковочном положении корпус установки поворачивается в подветренное положение к башне установки и лопасти ротора обдуваются со стороны передней грани. Во втором положении корпус механически не закреплен и следует за изменениями направления ветра.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача создать способ управления ветроэнергетической установкой, который при высоких скоростях ветра сокращает нагрузку на ветроэнергетическую установку и при возможном отключении электрической сети обеспечивает дальнейшее энергоснабжение ветроэнергетической установки.

В соответствии с изобретением данная задача решена в способе с признаками согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты представлены в зависимых пунктах формулы.

Способ согласно изобретению относится к управлению ветроэнергетической установкой и ее регулированию, которая имеет корпус, не менее одной лопасти ротора и агрегат электропитания. Положение корпуса может регулироваться по его азимутальному углу. Лопасть ротора или каждая из нескольких лопастей ротора являются поворотными относительно своей продольной оси; этот поворот лопастей называется регулированием угла установки, т.е. наклона лопастей. В способе согласно изобретению для режима при сильном ветре устройство управления на основании результатов измерения скорости и данных о направлении ветра определяет угловое положение корпуса и один или несколько углов поворота (наклона) для по меньшей мере одной лопасти ротора, если измеренная скорость ветра превышает определенное значение скорости. В этом эксплуатационном режиме работы ветроэнергетической установки, далее именуемом внештатным режимом, устройство управления определяет, т.е. рассчитывает заданные значения (уставки) для угла установки по азимуту и угла установки наклона лопастей. Заданное значение угла устанавливается посредством азимутального привода и привода наклона, причем оба привода снабжаются от агрегата электропитания. Устройство управления задает величину устанавливаемого угла таким образом, чтобы по меньшей мере одна лопасть ротора вращалась со скоростью в пределах предварительно заданного диапазона частоты вращения. Изобретение исходит из того, что и в режиме работы согласно изобретению должно осуществляться дальнейшее вращение таким образом, чтобы при сильном ветре установка испытывала малые нагрузки и/или в дальнейшем могла вырабатывать энергию посредством вспомогательного генератора. Способ согласно изобретению имеет два существенных случая применения. В первом случае, при котором электропитание обеспечивается за счет электрической сети или иным образом, выбирается высокое заданное значение скорости, например в пределах значений скорости на отключение, таким образом, что при высоких скоростях ветра ветроэнергетическая установка выходит во внештатный режим. При этом ротор не останавливается, а может продолжать вращаться с малой частотой вращения. Во втором случае применения способа согласно изобретению имеется отключение, например обрыв, электрической сети или отказ соединения с нею таким образом, что вырабатываемая генератором электрическая энергия не может далее вводиться в сеть и невозможно дальнейшее длительное энергоснабжение потребителей в составе ветросиловой установки. В этом случае выбирается очень низкое заданное значение скорости с тем, чтобы способ согласно изобретению применялся даже в условиях штатных ветровых нагрузок. Здесь ветроэнергетическая установка будет вращаться со скоростью, лежащей в пределах предварительно заданного диапазона частоты вращения и, таким образом, во внештатном режиме генерировать необходимую для питания энергию.

В предпочтительном варианте осуществления устройство управления определяет не менее чем для одной лопасти ротора заданные значения (уставку) угла установки (т.е. наклона или поворота) в зависимости от расчетного азимутального угла и других величин, таких как, например, фактические значения частоты вращения, направления ветра, скорости ветра. При измеренном направлении ветра или при определенном главном направлении ветра в случае меняющихся направлений ветра угол установки лопасти определяется, по меньшей мере, с учетом уставки заданного азимутального угла и/или фактического значения частоты вращения.

В уже упоминавшемся выше варианте способа согласно изобретению энергоснабжение обеспечивается от электрической сети, с которой соединена ветроэнергетическая установка. В этом случае энергоснабжение для потребителей ветроэнергетической установки, таких как, например, устройство управления, приводы, измерительные датчики, средства коммуникации и т.п., обеспечивается в достаточной мере таким образом, что аварийное или вспомогательное электропитание не требуется. Переход во внештатный режим происходит тогда, когда превышается соответственно высокое заданное значение предварительно заданной скорости ветра, причем предварительно заданная скорость (v₁*) приблизительно соответствует скорости на отключение ветроэнергетической установки.

Во втором варианте осуществления предусмотрен вспомогательный генератор, который выполнен с возможностью обеспечения энергоснабжения в предварительно заданном диапазоне частоты вращения во внештатном режиме, а его входной вал соединен с приводимым от ротора валом. При таком варианте осуществления способа согласно изобретению вспомогательный генератор извлекает необходимую для энергоснабжения электрическую мощность из вращения ротора во внештатном режиме. При этом предварительно заданный диапазон частоты вращения предпочтительно содержит низкие значения скорости по сравнению со штатным режимом работы ветроэнергетической установки. В качестве альтернативы предварительно заданный диапазон частоты вращения может также содержать значения скорости, имеющиеся при штатном режиме работы генератора в качестве вспомогательного генератора.

Предпочтительно вспомогательный генератор выполнен таким образом, что не менее одной части электрических потребителей в составе ветроэнергетической установки может длительное время обеспечиваться электропитанием за его счет.

При отключении электрической сети, соединенной с ветроэнергетической установкой, предпочтительно устанавливается низкое предварительно заданное значение скорости ветра с тем, чтобы вспомогательный генератор мог обеспечивать энергоснабжение по меньшей мере части потребителей в составе ветроэнергетической установки. При этом предварительно заданное значение приблизительно соответствует скорости на включение ветроэнергетической установки. Предпочтительно устройство управления определяет для по меньшей мере одной лопасти ротора заданное значение угла установки (наклон) в зависимости от потребной мощности подлежащих снабжению потребителей в составе ветроэнергетической установки.

Задача согласно изобретению также решается собственно с помощью самой ветроэнергетической установки. Ветроэнергетическая установка имеет корпус, по меньшей мере одну лопасть ротора и устройство управления. Угловое положение корпуса регулируется посредством по меньшей мере одного азимутального привода. Одна лопасть ротора или несколько лопастей ротора ветроэнергетической установки регулируются по своему угловому положению относительно продольной оси за счет привода или соответственно нескольких приводов наклона. На устройстве управления имеются результаты измерения силы ветра и направления ветра, которые могут обрабатываться этим устройством. При скорости ветра, превышающей предварительно заданное значение скорости ветра, приводы во внештатном режиме активируются таким образом, что корпус и не менее одной лопасти ротора устанавливаются в угловое положение, предварительно определенное устройством управления, предпочтительно по ветру, причем в установленном угловом положении не менее одной лопасти ротора вращается со скоростью, лежащей в пределах предварительно заданного диапазона частоты вращения. Предпочтительно ветроэнергетическая установка согласно изобретению оснащена электрическим генератором для работы в предварительно заданном диапазоне частоты вращения, который приводится в движение от не менее одной лопасти ротора и обеспечивает энергией по меньшей мере часть потребителей электричества, к которым, в частности, как минимум, относятся устройство управления, датчик параметров ветра, азимутальный привод и привод наклона.

Краткий перечень чертежей

Возможные варианты осуществления способа согласно изобретению поясняются ниже с помощью трех блок-схем. На блок-схемах показано следующее:

Фиг.1 показывает блок-схему для способа согласно изобретению, который при превышении предварительного заданного значения v_i* скорости ветра обеспечивает переключение в контролируемый внештатный режим.

Фиг.2 показывает последовательность осуществления способа согласно изобретению, который при отключении электрической сети обеспечивает переключение в контролируемый внештатный режим.

Фиг.3 показывает способ управления, который как при превышении первой скорости ветра v_i*, так и при отключении электрической сети обеспечивает переключение в контролируемый внештатный режим с тем, чтобы потребители в составе ветроэнергетической установки могли снабжаться энергией.

Осуществление изобретения

Сначала, ссылаясь на фиг.1, способ начинают выполнять на этапе 10. На последующем этапе 12 опроса устройство управления проверяет, не превышают ли измеренные значения скорости v предварительно заданное значение скорости ветра v₁*. В отношении результата измерения скорости ветра речь может идти о мгновенном значении или об усредненном значении, рассчитанном с определенным интервалом времени, с тем чтобы можно было компенсировать кратковременные колебания скорости ветра. При этом предварительно заданное значение скорости ветра v₁* предпочтительно находится на уровне обычной скорости на отключение ветроэнергетической установки, при которой штатный режим работы становится невозможным из-за большой силы ветра.

Если измеренное значение скорости ветра v превышает предварительно заданное предельное значение скорости ветра v₁*, устройство управления на последующем этапе 14 рассчитывает заданное значение (уставку) для азимутального угла α_Soll и угол ϕ_Soll установки лопастей ротора. Предпочтительно для равномерного нагружения лопастей ротора все лопасти ротора перемещаются в одинаковое положение угла установки. При этом уставки α_Soll и ϕ_Soll рассчитываются таким образом, что ветроэнергетическая установка сбрасывает число оборотов вращения с фактического значения до более низкого значения после того, как на этапе 16 устройством управления будут установлены определенные уставки. После этого ветровая энергетическая установка вращается с более низким, однако предварительно заданным числом оборотов. На фиг.1 не показано регулирование, которое может быть предусмотрено для стабилизации предварительно заданной частоты вращения. Если значение частоты вращения, достигнутое за счет углов α и ϕ, выходит за верхний или нижний предел предварительно заданного интервала значений частоты вращения, то происходит регулирующее воздействие, вследствие которого частота вращения снова возвращается в пределы желаемого диапазона частоты вращения. Корпус установки при этом способе остается обращенным к ветру.

Особое преимущество способа, представленного на фиг.1, состоит в том, что за счет работы во внештатном режиме на пониженной частоте вращения ветровая энергетическая установка сохраняет устойчивость даже в штормовых условиях. Медленное вращение ротора предотвращает формирование напряжений и усилий под действием налетающего ветра или шторма, которые могут повредить ветровую энергетическую установку. Также и внезапно возникающие шквалы перестают быть критическими благодаря вращению лопастей ротора. Работа во внештатном режиме повышает устойчивость ветроэнергетической установки таким образом, что она может быть рассчитана соответствующим образом.

Фиг.2 показывает другой вариант применения контролируемого внештатного режима, при котором после начала выполнения способа на этапе 18 на этапе 20 опроса проверяется, имеется ли в распоряжении электрическая сеть, с которой ветроэнергетическая установка соединена для запитывания электрической энергией. Если электрическая сеть имеется в наличии, то управление или регулирование может быть продолжено на технологическом этапе 22, например, также с использованием представленного на фиг.1 способа, как это подробнее описывается ниже. Если имеется отключение электрической сети, на этапе 24 производится проверка с тем, чтобы определить, не превышает ли измеренное значение скорости ветра v предварительно заданное минимальное значение скорости v₂*. При этом минимальная скорость v₂* соразмеряется так, чтобы питание потребителей электричества в составе ветроэнергетической установки могло обеспечиваться вспомогательным генератором за счет энергии ветра. Если измеренное значение скорости ветра не превышает предварительно заданное минимальное значение скорости ветра, то на этапе 26 при отказе питания сети инициируются шаги, необходимые для обеспечения работы ветроэнергетической установки. Сюда можно отнести следующее: установка лопастей ротора во флюгерное положение, защита и перевод устройства управления в режим пониженной нагрузки, запуск источников аварийного питания и т.п.

Если же при отключении сети мощность, извлекаемая из энергии ветра, оказывается недостаточной для того, чтобы вспомогательный генератор, соединенный с ротором, мог вырабатывать достаточное количество энергии, то устройство управления на этапе 28 задает уставки для азимутального угла и угла установки лопастей с тем, чтобы ветроэнергетическая установка работала с частотой вращения, соответствующей требованиям вспомогательного генератора, после того как на этапе 30 будут установлены предварительно заданные углы α и ϕ. Использование приводимого от ротора электрического вспомогательного генератора при отключении сети позволяет ветроэнергетической установке обеспечить достаточное количество энергии для энергоснабжения потребителей электричества независимо от внешнего источника питания или подключенных вспомогательных агрегатов и, таким образом, длительное время сохранять свою функциональную пригодность.

Фиг.3 показывает особенно предпочтительную комбинацию обоих способов. В способе, представленном на фиг.3, после начала выполнения способа на этапе 32 сначала происходит опрос на этапе 34 с тем, чтобы определить, возможно ли энергоснабжение от электрической сети или же оно будет обеспечиваться за счет электрического тока, штатно вырабатываемого генератором.

Если в результате опроса на этапе 34 выясняется, что в распоряжении имеется достаточное количество энергии для электропитания, то на следующем этапе 36 проверяется, не превышает ли измеренное значение скорости ветра предварительно заданное значение v₁*. Если такое превышение не обнаружено, то эта часть способа по ветви 38 возвращается в ее исходное положение на этап 32, а управление или регулирование ветроэнергетической установки для достижения максимальной мощности может осуществляться в штатном режиме (не представлено).

Если же измеренное значение скорости ветра v превышает предварительно определенное значение v₁*, то на этапе 40 рассчитываются первые заданные значения (уставки) для азимутального угла и угла установки лопастей (α_Soll_1 и (ϕ_Soll_1). Эти углы задаются устройством управления таким образом, чтобы после установки углов на технологическом этапе 42 происходил сброс числа оборотов вращения ветроэнергетической установки до предварительно заданного значения частоты вращения. В случае сильного ветра (v>v₁*) ветроэнергетическая установка переходит во внештатный режим, и за счет углов α_1 и ϕ_1 достигается устойчивая работа в этом режиме.

Если же при опросе 34 будет выявлено, что произошло отключение электрической сети, то на этапе 44 проверяется, достаточно ли большой является скорость ветра для того, чтобы обеспечить достаточную электрическую мощность, извлекаемую вспомогательным генератором. Если это не так, то аналогично способу согласно фиг.2 на этапе 46 принимаются соответствующие экстренные меры для обеспечения работы ветроэнергетической установки.

Если же в результате опроса 44 будет выявлено, что ветер является достаточно сильным (v>v₂*) для того, чтобы генератор мог извлечь достаточную электрическую мощность для энергоснабжения ветроэнергетической установки, то на этапе 48 рассчитываются соответствующие уставки для азимутального угла и угла установки лопастей (α_Soll_2 и (ϕ_ Soll_2). После установки этих углов на технологическом этапе 50 вспомогательный генератор вырабатывает достаточную для работы ветроэнергетической установки электрическую мощность, не запитывая ее в сеть.

Простоты ради на представленных выше примерах контролируемый внештатный режим ветроэнергетической установки описан только для управления азимутальным углом и углом установки лопастей. При этом допускалось, что ветроэнергетическая установка по прошествии определенного периода времени переходит в предварительно заданный диапазон частоты вращения. Но она может быть также отрегулирована до предварительно заданного диапазона частоты вращения, например, путем измерения фактического значения частоты вращения и учета полученного результата при задании уставок для углов.

Изобретение относится к области энергетики и может использоваться в ветроэнергетических установках. Способ управления и регулирования ветроэнергетической установки с корпусом, регулируемым по азимутальному углу, с не менее чем одной лопастью ротора, поворотной относительно своей продольной оси, и агрегатом питания в режиме при скорости ветра, превышающей предварительно заданное значение скорости, причем способ имеет следующие этапы: устройство управления на основе измеренных значений (v) скорости ветра и направления ветра задает угловое положение, в которое должен быть установлен корпус, и угол или углы установки (т.е. поворота или наклона) для не менее чем одной лопасти ротора, если измеренная скорость ветра превышает предварительно заданное значение скорости (v₁*, v₂*), не менее одного азимутального привода, работающего от агрегата питания, переустанавливает корпус в угловое положение (α), заданное устройством управления, и не менее одного привода наклона, работающего от агрегата питания, устанавливает не менее одной лопасти ротора в угловое положение (ϕ), заданное устройством управления, причем не менее одной лопасти ротора вращается в установленном положении с частотой вращения в пределах предварительно заданного диапазона частоты вращения. Использование способа обеспечивает сокращение нагрузки на установку при высоких скоростях ветра, а также при возможном отключении электросети - дальнейшее энергоснабжение установки. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления и регулирования ветроэнергетической установки, включающей в себя корпус, поворотный по азимутальному углу, ротор с по меньшей мере одной лопастью ротора, поворотной относительно своей продольной оси, агрегат электропитания и устройство управления, имеющее эксплуатационный режим при скорости ветра, превышающей предварительно заданное значение скорости, причем способ имеет следующие этапы:

устройство управления переключают в указанный эксплуатационный режим, если

скорость ветра превышает скорость, при которой происходит отключение установки и электропитание осуществляется от электросети, связанной с ветроэнергетической установкой, или если

скорость ветра превышает скорость, при которой происходит включение установки и электросеть, связанная с ветроэнергетической установкой, вышла из строя или отключилась,

устройство управления на основе измеренных значений (v) скорости ветра и данных о направлении ветра определяет азимутальное угловое положение (α), в которое должен быть установлен корпус, и один или несколько углов (ϕ) установки для по меньшей мере одной лопасти ротора, таким образом, что ротор в установленном положении вращается с частотой вращения, находящейся в пределах предварительно заданного диапазона частоты вращения,

по меньшей мере один азимутальный привод, запитываемый от агрегата электропитания, устанавливает корпус в азимутальное угловое положение (α), определенное устройством управления, и по меньшей мере один привод наклона, запитываемый от агрегата электропитания, устанавливает по меньшей мере одну лопасть ротора в угловое положение (ϕ), определенное устройством управления, причем соединенный с ротором вспомогательный генератор снабжает током по меньшей мере часть потребителей электричества ветроэнергетической установки, если электросеть, связанная с ветроэнергетической установкой, вышла из строя или отключилась.