Ветроэнергетическая установка со вспомогательным генератором и способ управления ее работой - RU2350768C2

Чертежи

Описание

Область техники

Настоящее изобретение касается ветроэнергетической установки с ротором и генератором, который, будучи приводимым от ротора, вырабатывает электрическую энергию. По меньшей мере одна лопасть ротора установлена в ступице ротора с возможностью поворотной перестановки относительно своей продольной оси. Ветроэнергетическая установка имеет вспомогательный генератор, который, будучи приводимым от ротора, вырабатывает электрическую энергию для нужд не менее одного потребителя.

Уровень техники

Из DE 10233589 А1 известна ветроэнергетическая установка с многоступенчатым генератором. У ветроэнергетической установки предусмотрены различные скорости ветра, которые могут на выбор подключаться или отсоединяться. Наличие нескольких ступеней генератора должно обеспечить эффективное использование широкого диапазона различной силы ветра для генерирования электрической энергии.

Из DE 19644705 известно регулировочное приспособление для лопастей ротора. При повороте лопастей ротора они перемещаются в поперечное положение - в так называемое флюгерное положение, при котором происходит останов ветроэнергетической установки. Регулировочное приспособление имеет вспомогательный генератор, установленный в жесткой привязке к головной части башни/ротору и извлекает энергию из вращательного движения ротора относительно головной части башни. Посредством извлеченной таким образом энергии лопасти ротора поворачиваются непосредственно во флюгерное положение.

Из DE 10009472 С2 известно приспособление для регулирования угла установки лопастей ротора с аварийной цепью электропитания. Аварийная цепь электропитания имеет генератор с возбуждением от постоянных магнитов, схемно-соединенный с двигателями для регулирования угла установки таким образом, что они после подключения аварийной сети электропитания устанавливаются во флюгерное положение. При этом при высоких оборотах вращения вала ротора достигается также высокая скорость перемещения лопастей ротора.

Из DE 10153644 C2 известна ветроэнергетическая установка с бесконтактной передачей энергии с неподвижной части ветроэнергетической установки на ротор. Для этого в ветроэнергетическую установку встроена асинхронная машина, статор которой соединен с неподвижной частью ветроэнергетической установки, а ее ротор расположен на поворотной части.

Из DE 10153644 C2 известно регулирующее устройство для ветроэнергетической установки, где генератор с самовозбуждением и генератор с независимым возбуждением работают совместно от аккумуляторов таким образом, что автоматически поддерживается напряжение, покрывается колеблющийся спрос подключенных потребителей на электроэнергию.

Из ЕР 1286049 А2 известна ветроэнергетическая установка со стабилизатором, который активно стабилизирует ротор в положении вращения при низкой нагрузке (исходном положении). Дополнительно известно устройство энергоснабжения собственных нужд, которое смонтировано на машинном здании ветроэнергетической установки.

Современные ветроэнергетические установки часто имеют регулировочное устройство, так называемый привод наклона, который может поворачивать лопасть ротора относительно ее продольной оси, за счет чего обеспечивается приспособление к различным скоростям ветра.

Если возникнет необходимость отключить такую ветроэнергетическую установку, то лопасти ротора посредством приводов наклона устанавливаются в свое флюгерное положение, т.е. лопасти ротора, по существу, находятся поперечно (под углом 90°) к нормальному направлению ориентации. В этом положении ротор может длительное время удерживаться за счет стопорного тормоза или иного стабилизатора. Однако в нерабочем положении ротор часто удерживается не посредством тормоза, а за счет его вращения на ветру, и за счет этого происходит также вращение соединенной с ним трансмиссии, а также генератора, причем генератор отсоединен от сети. В этом режиме (далее «режим работы на пониженной частоте») в зависимости от скорости и направления ветра устанавливается неравномерная частота вращения, составляющая несколько оборотов в минуту, в то время как частота вращения в нормальном режиме работы ветроэнергетической установки значительно выше, например, находится в диапазоне 15-20 оборотов в минуту.

В целом требуется, чтобы лопасти ротора могли устанавливаться во флюгерное положение даже при исчезновении напряжения электропитания. Для этого в большинстве случаев предусмотрены накопители энергии, например аккумуляторы или конденсаторы - в случае электрических приводов наклона, и аккумуляторы давления - в случае гидравлических приводов наклона, из которых производится отбор энергии, необходимой для однократной перестановки лопастей ротора во флюгерное положение. Накопители энергии часто рассчитаны таким образом, что после процесса однократной перестановки их рабочий ресурс оказывается исчерпанным и они подзаряжаются лишь при возобновления нормального режима работы.

DE 20020232 U1 предлагает использовать вспомогательный генератор с тем, чтобы обеспечить надежный поворот лопастей ротора во флюгерное положение.

Для временного энергоснабжения устройства управления ветроэнергетической установки при исчезновении напряжения сети, как правило, имеется стандартный источник бесперебойного питания (ИБП) на базе аккумуляторов, он выполнен для того, чтобы обеспечивать кратковременное электроснабжение устройства управления ветроэнергетической установки с тем, чтобы, например, посредством дистанционного мониторинга можно было сбросить сообщение о том, что производственная система переведена в режим пониженной нагрузки и/или устройство управления отключено надлежащим образом.

У ветроэнергетических установок на море (находящихся на определенном расстоянии от берега) требуется, чтобы ветроэнергетическая установка даже при длительных перерывах в электропитании на протяжении нескольких суток или недель была в состоянии снабжать важные компоненты электроэнергией от аварийного источника электропитания. Для этого, как правило, предусмотрен дизель-генераторный агрегат, который должен снабжаться соответствующим количеством дизельного топлива. Для получения безупречного состояния дизеля и дизель-генератора необходимы значительные затраты на техническое обслуживание, в частности дизель требует постоянных или, по меньшей мере, регулярных переборок и замены с определенными интервалами. Сопряженные с этим затраты являются значительными, кроме того, манипуляции с дизельным топливом в открытом море ведут к угрозе в отношении окружающей среды.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача при исчезновении напряжения сети обеспечить аварийное энергоснабжение, достижимое при низких затратах, а также не требующее значительных затрат на техническое обслуживание в нормальном режиме эксплуатации и не представляющее опасности для окружающей среды.

В соответствии с изобретением данная задача решается посредством ветроэнергетической установки, содержащей ротор, генератор для выработки электрической энергии, по меньшей мере одну, поворотно установленную в опорах лопасть ротора, поворачиваемую вокруг своей продольной оси для регулирования угла установки, и вспомогательный генератор для выработки электрической энергии для нужд не менее одного потребителя. Отличительными особенностями установки является то, что вспомогательный генератор в диапазоне частоты вращения с пониженной по сравнению с нормальным режимом эксплуатации частотой вращения выполнен с возможностью вырабатывать электрическую энергию для устройства управления установкой лопастей ротора и для привода для регулирования угла установки по меньшей мере одной лопасти ротора, причем устройство управления осуществляет управление или регулирование угла установки для длительного режима работы в диапазоне частоты вращения.

Аналогично задача решена посредством способа управления ветроэнергетической установкой, имеющей по меньшей мере одну лопасть ротора, поворотную вокруг своей продольной оси для регулирования угла установки. Отличительными особенностями способа является то, что он содержит режим работы на пониженной по сравнению с нормальным режимом эксплуатации частоте вращения, в котором вспомогательный генератор вырабатывает электрическую мощность, и устройство управления, которое регулирует угол установки лопасти ротора для длительной работы вспомогательного генератора на пониженной частоте вращения, причем, по меньшей мере, одно устройство управления и, по меньшей мере, один привод для регулирования угла установки лопасти ротора получают питание от вспомогательного генератора.

Ветроэнергетическая установка согласно изобретению имеет ротор и приводимый от него генератор, вырабатывающий энергию, которая, в частности, предусмотрена для запитывания сети. В ступице ротора установлено не менее одной лопасти ротора, поворотной вокруг своей продольной оси. Кроме того, предусмотрен вспомогательный генератор, который, будучи приводимым от ротора, вырабатывает электрическую энергию для нужд не менее одного потребителя. В соответствии с изобретением вспомогательный генератор рассчитан на такую частоту вращения ротора, которая устанавливается для лопасти ротора, переведенной во флюгерное положение. Эта частота вращения ниже, чем частота вращения в нормальном режиме эксплуатации. В частности, при частоте вращения в режиме работы на пониженной частоте вспомогательный генератор вырабатывает электрическую энергию для нужд потребителя или потребителей. В основе изобретения лежит осознание того, что при переходе ветроэнергетической установки в указанный режим имеющаяся низкая частота вращения может использоваться для эксплуатации вспомогательного генератора с тем, чтобы таким образом обеспечить длительное и надежное аварийное электропитание. В частности, у морских ветроэнергетических установок, которые также должны рассчитываться на случай перерыва в энергоснабжении в течение нескольких суток или недель, вспомогательный генератор обеспечивает надежное энергоснабжение. Для длительного поддержания ветроэнергетической установки в рабочем режиме вспомогательный генератор снабжает устройство управления установкой (поворотом) лопастей ротора и, по меньшей мере, один привод (электродвигатель) для регулирования угла установки лопасти ротора. При таком варианте осуществления вспомогательный генератор в режиме работы на пониженной частоте обеспечивает также управление углом установки не менее чем у одной лопасти ротора таким образом, что в результате осуществляется управляемая или регулируемая работа ветроэнергетической установки в этом режиме. Углы установки лопасти ротора настраиваются от устройства управления с тем, чтобы получить частоту вращения, на которую рассчитан вспомогательный генератор. Устройство управления осуществляет управление и/или регулирование угла установки по меньшей мере одной лопасти ротора с тем, чтобы обеспечить длительную эксплуатацию вспомогательного генератора при низкой частоте вращения. Предпочтительно, каждая лопасть ротора оснащена одним приводом (электродвигателем) для регулирования угла установки, причем каждый из электродвигателей получает электропитание от вспомогательного генератора. Этот вариант осуществления позволяет регулировать угол установки всех лопастей ротора даже в режиме работы на пониженной частоте и, таким образом, обеспечить регулируемый режим в различных условиях.

В другом предпочтительном варианте исполнения вспомогательный генератор обеспечивает управление углом установки (поворота) корпуса (азимутальным углом) и азимутальным приводом для регулирования угла установки (поворота) корпуса ветроэнергетической установки. При таком варианте осуществления вспомогательный генератор в режиме работы на пониженной частоте позволяет ориентировать корпус и, соответственно, ротор по ветру. Таким образом, даже отключенная ветроэнергетическая установка может активно реагировать на изменения направления ветра так, что даже при сильном ветре ветроэнергетическая установка будет испытывать пониженные нагрузки.

В предпочтительном усовершенствованном варианте предусмотрены коммутационные средства, которые при отсутствии электропитания от сети переключают вспомогательный генератор в режим привода от ротора. Предпочтительно эти средства выполнены как механические, гидравлические, пневматические и/или электрические средства. В возможном варианте осуществления в качестве коммутационного средства предусмотрена механическая муфта, которая в нормальном режиме эксплуатации ветроэнергетической установки размыкается, а при исчезновении напряжения сети автоматически замыкается, причем замыкание муфты происходит предпочтительно с выдержкой времени таким образом, что в результате отставания по времени сброс частоты вращения обеспечен уже за счет выведения лопастей ротора из ветрового потока.

В другом варианте осуществления размыкание муфты происходит электрическим и/или гидравлическим путем, а ее замыкание активируется пружиной. В качестве альтернативы возможно предусмотреть центробежное коммутационное средство, которое размыкается при превышении первой предварительно заданной частоты вращения и размыкается при недостижении второй предварительно заданной частоты вращения. При том первая предварительно заданная частота вращения может быть равна второй предварительно заданной частоте вращения или отличаться от нее.

В возможном варианте осуществления ветроэнергетической установки в соответствии с изобретением предусмотрен тормоз, который активируется перед подключением вспомогательного генератора и остается включенным до тех пор, пока не будет достигнута частота вращения, предусмотренная для вспомогательного генератора.

В возможном варианте осуществления вспомогательный генератор постоянно работает от ротора и через электрическое коммутационное средство устанавливает электрическое соединение с потребителями лишь после того, как будет достигнута предусмотренная частота вращения для вспомогательного генератора.

В усовершенствованной форме вышеназванного варианта осуществления коммутационное средство имеет контактор, который в нормальном режиме эксплуатации размыкается, а при исчезновении напряжения в сети замыкается предпочтительно с выдержкой времени. Кроме того, коммутационное средство дополнительно имеет выпрямитель, преобразователь частоты и/или инвертор, который или которые преобразовывает(ют) вырабатываемый вспомогательным генератором ток в том режиме, который требуется для снабжения потребителя, и предоставляют его в распоряжение в виде постоянного или переменного тока.

В другом, также предпочтительном, варианте осуществления вспомогательный генератор соединен с ротором через редуктор, причем редуктор предпочтительно имеет такое передаточное число, которое позволяет осуществлять привод вспомогательного генератора при частоте вращения ротора ветроэнергетической установки менее 15 оборотов в минуту для выработки им электрической энергии. Например, передаточное число рассчитано для диапазона частоты вращения вспомогательного генератора от двух до восьми оборотов в минуту. Кроме того, вспомогательный генератор предпочтительно выполнен таким образом, что при передаточном числе для частоты вращения от четырех до шести оборотов в минуту он обеспечивает выработку достаточного количества электрической энергии. Будущие ветроэнергетические установки с очень большим диаметром с помощью вспомогательного генератора могут вырабатывать электрический ток даже на значительно более низких оборотах вращения.

Вспомогательный генератор предпочтительно имеет конструкцию с самовозбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов. В качестве альтернативного варианта может использоваться генератор с внешним возбуждением, для которого мощность возбуждения обеспечивается за счет накопителя энергии, например аккумулятора. Дополнительно в целесообразном варианте усовершенствования в составе ветроэнергетической установки предусмотрено не менее одного аккумулятора, который обеспечивает бесперебойное энергоснабжение, причем аккумулятор запитывается от вспомогательного генератора и снова подзаряжается, в частности, при исчезновении напряжения сети. Точно так же возможно выполнить генератор таким образом, что благодаря коммутационному средству он сможет работать в качестве вспомогательного генератора.

Задача в соответствии с изобретением решена также посредством способа управления ветроэнергетической установкой. Ветроэнергетическая установка имеет не менее одной лопасти ротора, которая регулируется по своему углу установки относительно своей продольной оси. Способ отличается режимом работы, в котором лопасть ротора вращается с пониженной частотой вращения по сравнению с обычным, регулярным режимом. Предпочтительно лопасть ротора, как уже указывалось выше, имеет частоту вращения, составляющую несколько оборотов в минуту, в то время как в нормальном режиме эксплуатации частота вращения составляет 15-20 оборотов в минуту. Вспомогательный генератор, выполненный для этого диапазона частоты вращения, вырабатывает электрическую энергию, которая используется устройством управления для регулирования угла установки лопасти ротора. Устройство устанавливает угол установки лопасти ротора таким образом, что ветроэнергетическая установка длительное время может работать в режиме пониженной частоты вращения. При этом вспомогательный генератор снабжает устройство управления и привод для регулирования угла установки лопастей ротора. При этом изменение угла установки может осуществляться в регулируемом или управляемом режиме.

Краткий перечень чертежей

Настоящее изобретение более подробно поясняется ниже с помощью чертежей.

На чертежах показано следующее:

на Фиг.1 - схематический вид трансмиссии ветроэнергетической установки в соответствии с изобретением и

на Фиг.2 - блок-схема с существенными компонентами, получающими электроснабжение от вспомогательного генератора.

Осуществление изобретения

Фиг.1 показывает схематический вид трансмиссии ветроэнергетической установки с лопастью 1 ротора, установленной в ступице 2 ротора с возможностью вращения. Вал 3 ротора упирается в редуктор 4, выходной вал которого образует генераторный вал 5 для генератора 6. В нормальном режиме ветроэнергетическая установка имеет, например, частоту вращения приблизительно 15-20 оборотов в минуту, которая преобразуется редуктором 4 в соответствующую частоту вращения, необходимую для генератора 6. Разумеется, существуют также безредукторные трансмиссии.

На выходном валу генератора 6 предусмотрена автоматическая муфта, соединенная с генераторным валом 7 вспомогательного генератора 8.

Представленная трансмиссия функционирует следующим образом. При исчезновении питания от электросети лопасти ротора поворачиваются вспомогательным электродвигателем, запитываемым от генератора или накопителя энергии (не представлен), и устанавливаются во флюгерное положение. В результате этого ветроэнергетическая установка переходит в режим работы на пониженной частоте, при котором ротор развивает частоту вращения приблизительно от четырех до шести оборотов минуту. Когда приблизительно достигнута соответствующая частота вращения, муфта 9 замыкается таким образом, что вспомогательный генератор 8 приводится в движение ротором. Электрическая мощность, обеспечиваемая вспомогательным генератором 8 на уровне нескольких киловатт, является достаточной, чтобы при перерыве в снабжении электроэнергией обеспечивать электропитанием необходимые компоненты ветроэнергетической установки, такие как, например, устройство управления, датчики параметров ветра, систему регулирования наклона в продольной плоскости и систему установки по азимуту, гидравлическую систему, сигнальное устройство, предупредительные габаритные огни на море и в воздухе и тому подобное. Как будет еще описано ниже, энергия, обеспечиваемая вспомогательным генератором 8, позволяет осуществлять управление или регулирование режимом работы на пониженной частоте.

На Фиг.2 показана блок-схема подключений ветроэнергетической установки. В нормальном режиме электрическая мощность, вырабатываемая на генераторе 6, подается в сеть через разомкнутый выключатель 17. Электрические потребители, такие как, например, устройство 13 управления, сигнальные устройства и предупредительный огонь 14, а также система 15 установки по азимуту и система 16 регулирования наклона в продольной плоскости снабжаются электрической мощностью от сети или, соответственно, от генератора 6.

При необходимости отсоединения ветроэнергетической установки от сети, например вследствие исчезновения напряжения электросети, происходит размыкание выключателя 17. В этом случае источник 12 бесперебойного питания берет на себя функцию кратковременного электроснабжения потребителей, в частности устройства 13 управления и сигнальных устройств и предупредительного огня 14. Кроме того, с помощью приводов наклона, которые являются составной частью системы 16 регулирования наклона, лопасти ротора устанавливаются во флюгерное положение. Требуемая для этого энергия берется из накопителей энергии, которые также являются составной частью системы 16 регулирования наклона. Вследствие поворота лопастей ротора во флюгерное положение происходит сброс числа оборотов ротора. При надлежащей частоте вращения происходит переключение выключателя 18, и электрическая мощность, вырабатываемая вспомогательным генератором 8, посредством преобразователя 11 частоты преобразовывается в переменный ток, соответствующий нуждам потребителей. Вследствие этого может подзаряжаться источник 12 бесперебойного питания, при необходимости может также повторно включаться устройство 13 управления и могут выполняться задачи управления; кроме того, могут активироваться сигнальные устройства и предупредительный огонь 14. Кроме того, при нормально замкнутом выключателе 19 происходит энергоснабжение системы 15 установки по азимуту и системы 16 регулирования наклона.

Разумеется, можно отказаться от преобразователя 11 частоты, если компоненты 12-16 ветроэнергетической установки пригодны для работы непосредственно на токе, вырабатываемом вспомогательным генератором 8.

За счет вспомогательного генератора 8, как минимум, обеспечивается энергоснабжение устройства 13 управления ветроэнергетической установки и системы 16 регулирования наклона, а также двигателя изменения наклона, таким образом, что в позицию, отклоняющуюся от флюгерного положения, может устанавливаться не менее одной лопасти ротора на ветроэнергетической установке. При управлении в режиме работы на пониженной частоте лопасть ротора устанавливается таким образом, что частота вращения ротора находится в таком диапазоне значений, что на генераторном валу 7 возникает частота вращения, особенно благоприятная для работы вспомогательного генератора 8, например 400-500 оборотов в минуту. Таким образом, указанный режим может контролироваться и может достигаться равномерное обеспечение энергией.

Благодаря вспомогательному генератору 8 энергией могут обеспечиваться, как минимум, устройство 13 управления ветроэнергетической установки и системы установки по азимуту, датчики параметров ветра, азимутальные приводы и гидравлическая система, если таковая имеется. С помощью датчиков параметров ветра, в частности, определяется направление ветра таким образом, что в устройство 13 управления поступает входной параметр, определяющий, в каком направлении должно осуществляться самонаведение ветроэнергетической установки. Гидравлическая система требует энергоснабжения, если ветроэнергетическая установка оснащена азимутальными тормозами, которые при самонаведении ветроэнергетической установки должны гидравлически отпускаться. В результате этого становится возможным наводить ветроэнергетическую установку при ветре, меняющем направление, и тем самым настроить ее таким образом, чтобы на нее воздействовали как можно наименьшие нагрузки. В частности, ветроэнергетическая установка настраивается таким образом, что ротор указывает в направлении ветра.

При наступлении безветрия энергоснабжение от вспомогательного генератора 8 становится невозможным. В этом случае требуется также энергоснабжение устройства 13 управления и сигнальных устройств и предупредительного огня 14, которое обеспечивается источником 12 бесперебойного питания. При этом не требуется работа системы 15 установки по азимуту и системы 16 регулирования наклона, и эти компоненты отсоединяются от цепи энергоснабжения за счет размыкания выключателя 19.

Устройство 13 управления соединено с остальными компонентами ветроэнергетической установки (не представленными на чертеже) проводами цепи управления, с помощью локальной коммуникационной сети и других средств связи с тем, чтобы осуществлять управление этими компонентами и получать информацию о рабочих параметрах и результатах измерения.

Правила техники безопасности в отношении современных ветроэнергетических установок требуют, чтобы отключенная ветроэнергетическая установка при исчезновении напряжения сети могла противостоять штормовому ветру определенной силы, меняющему направление. Если ветроэнергетическая установка в состоянии активно следовать за направлением ветра, то она может быть выполнена для расчетного случая нагрузки, определяющего параметры, со значительной экономией материала для различных компонентов, и существует повышенная вероятность того, что ветроэнергетическая установка без ущерба для себя выдерживает предельные ветровые нагрузки.

Реферат

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии. Установка содержит ротор, генератор для выработки электрической энергии, по меньшей мере одну поворотно установленную в опорах лопасть для регулирования угла установки и вспомогательный генератор 8, который в диапазоне частоты вращения с пониженной по сравнению с нормальным режимом эксплуатации частотой вращения выполнен с возможностью вырабатывать электрическую энергию для устройства управления установкой лопастей ротора и для привода для регулирования угла установки лопасти ротора для длительного режима работы в диапазоне частоты вращения. Способ управления ветроэнергетической установкой имеет режим работы на пониженной по сравнению с нормальным режимом эксплуатации частоте вращения, в котором вспомогательный генератор вырабатывает электрическую мощность, и устройство управления, которое регулирует угол установки лопасти ротора для длительной работы вспомогательного генератора на пониженной частоте вращения, причем, по меньшей мере, одно устройство управления и, по меньшей мере, один привод для регулирования угла установки лопасти ротора получают питание от вспомогательного генератора. Использование изобретения позволит при исчезновении напряжения в сети обеспечить аварийное энергоснабжение, достижимое при низких затратах. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула