[发明专利]风能转换器的操作方法、风能转换器用控制装置以及风能转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种风能转换器。

背景技术

风能能够由风能转换器转换成各种有用的形式，例如电，该风能转换器包括耦合到发电机的转子，例如低速螺旋桨。由于给定位置处的风速通常随着天气条件的变化而波动，因此，常规的风能转换器一般利用可变转子速度进行操作，以便在不同的风速等级下获得转子较高的气动效率。

在一些实施中，为了给电网供电，使用直接连接到输电网的定速发电机，例如同步发电机是很有利的。除了经济效益之外，在没有昂贵的功率变流器的情况下，供给到网中的电能的质量通常更高。此外，定速发电机可以在中压等级下操作，以致不需要额外的变压器。DE102005054539B3公开了一种风能转换器的一个示例，其包括转子和用于直接连接于电网的发电机。在这个示例中，转子和发电机由变比齿轮系统耦合，该变比齿轮系统包括控制变比齿轮系统的传动比的液压部件。因此，风能转换器根据风速在可变的转子速度下进行操作，同时定速驱动发电机。

在上述示例中，虽然风能转换器的气动损失能够通过根据风速的变化调节转子速度得以降低，但是大部分功率经由变比齿轮系统的液压部件从转子传输到发电机。由于液压部件通常会遭受因泄流引起的功率损失、摩擦损失等，因此，由于变比齿轮系统的液压部件中的功率损失导致降低了风能转换器的总效率。

发明内容

本发明的一个总的方面涉及一种用于操作风能转换器的方法，该风能转换器具有机械耦合在转子和发电机之间的变比齿轮系统，其中该变比齿轮系统包括耦合到第一轴的第一传输单元，例如液压单元，和耦合到第二轴的第二传输单元，例如液压单元。该方法包括将变比齿轮调节到第一轴基本上不旋转的第一传动比。例如，第一轴根本不旋转，或者以与变比齿轮系统的传动比在传动比范围内变化时第一轴旋转的旋转速度范围相比可忽略的低旋转速度旋转，此时假定发电机速度恒定。

这种方法的实施方式可以包括下述特征中的一个或者多个。

对风速进行确定。例如，表征当前风速的风速值由风的测量值直接确定或者由风能转换器的运行参数间接确定。此外，该方法还包括检测风速是否在第一方向上已经达到第一阈值。例如，第一方向可以预定为与风速的上升相对应的方向，以便当风速已经上升超过，即变得已经大于第一阈值时，就能检测到风速已经达到第一阈值。作为替代，第一方向可以预定为与风速的下降相对应的方向，以便当风速已经下降低于，即已经变得小于第一阈值时就能检测到风速已经达到第一阈值。

在有些实施方式中，当确定风速在第一方向上已经达到第一阈值时，将变比齿轮系统调节到第二轴基本上不旋转的第二传动比。在这种情况下，第二轴的旋转速度等于零，例如，或者其值为与变比齿轮系统的传动比在变比齿轮的传动比范围内变化时第二轴旋转的旋转速度范围相比为可忽略的低值，此时假定发电机速度恒定。

使用上述方法，变比齿轮系统的传动比从耦合到第一液压单元的第一轴基本上不旋转的第一传动比变化到耦合到第二液压单元的第二轴基本上不旋转的第二传动比。这样，就可以避开第一轴和第二轴基本上都不旋转的传动比，从而减少液压单元中的功率损耗，对于耦合到液压单元的轴的较高旋转速度而言，该功率损耗通常较大。因此，该方法能够以这样一种方式操作具有包括液压部件的变比齿轮系统的风能转换器，即，当转子仍然能够根据变化的风况以不同的转子速度运行时可以显著降低液压单元中的功率损耗，从而显著降低整个变比齿轮系统的功率损耗。

该方法可以进一步包括以恒定的发电机速度驱动发电机。这使同步发电机能够直接连接到电网，而无需使用昂贵而且能量效率很低的功率转换器。在有些实施方式中，当以恒定的发电机速度驱动发电机时，第一传动比和第二传动比中的至少一个对应于转子的最小运行速度和额定最大速度中的一个。这样，就可以利用风能转换器的实际可能的转子速度的运行范围的下限值和/或上限值，从而通过将转子的实际能力使用到相应的极限值以便在特别宽范围的风速内实现高效率。

在有些实施方式中，该方法进一步包括当风速在第一方向上已经达到第一阈值时，将第一轴与第一液压单元脱离。在这种情况下，由于耦合到第二液压单元的第二轴基本上不旋转，因此基本上没有功率在第一液压单元和第二液压单元之间液压或机械传输。通过将第一轴与第一液压单元脱离，第一轴和第一液压单元之间不能进行进一步的功率传输，从而使第一液压单元例如由于其本身的摩擦力而减速到零速度。这样，第一液压单元和第二液压单元都可以配置为在零速度下运行，从而进一步降低变比齿轮系统中的液压损耗并且获得风能转换器的特别高的效率。