风力发电设备和用于风力发电设备的运行控制的方法

摘要

本发明涉及一种风力发电设备(1)，带有能转速可变地运行的风轮(2)、能转速恒定地运行的发电机(3)、和能转速可变地运行的电机(4)，它们经由叠加传动装置(5)彼此传动连接，其中所述电机(4)作为用于所述发电机(3)的转速调节的力调节装置既能作为发电机也能作为马达运行，并经由变频器(15)与电网(14)连接。为了扩展所述风力发电设备(1)的运行范围到低风速，此外还如下地设计，即，在所述叠加传动装置(5)和所述发电机(3)之间的动力流中布置用于按需求锁定所述发电机(3)的可控制停机制动器(23)。根据该方法，在低风速下接合所述停机制动器(23)，关闭所述发电机(3)并通过所述电机(4)的发电机式运行产生电流，该电流经由所述变频器(15)馈入所述电网(14)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电设备，该风力发电设备带有能转速可变 地运行的风轮、能转速恒定地运行的发电机和能转速可变地运行的电 机，它们经由叠加传动装置彼此传动连接，其中电机作为用于转速调 节发电机的力调节装置既可以作为发电机也可以作为马达运行，并经 由变频器与电网连接。本发明还涉及一种用于这种风力发电设备的运 行控制的方法。

背景技术

公知的是，风力发电设备有将风的动能转化为电能的功能。以这 种方式再生地获取的电流可以被馈入本地电网或者跨区域电网用于供 给用电器。

在大功率风力发电设备中施行如下的结构方式，即，其中优选具 有三个风轮叶片的风轮绕水平转动轴线可转动地布置在机舱迎风面 上。机舱经由偏航轴承绕垂直轴可转动地支承在塔架上，该塔架经由 基座稳固地固定在地面中。在机舱内部大多安放至少一个升速传动级 和至少一个用于产生电能的发电机。通过其输入轴与风轮轮毂连接的 升速传动级，风轮的相对较低的转速，在相应转换所传递的扭矩的情 况下，以适于发电机的更高转速传递到与发电机的转子间接或直接传 动连接的输出轴上。

老式风力发电设备部分地转速固定地构造，就是说，在这种风力 发电设备中风轮的转速、进而由此还有发电机的转子转速，通过调整 风轮叶片的迎角(桨距调节)和/或通过转子在偏航轴承中转出或转入 风中(失速调节)，恒定地保持。由此由优选构造为同步电机的发电 机产生的电流，在相应的传动装置和发电机设计的情况下，无需大的 功率电子方面的耗费，特别是无需高耗费的，变频器而被馈入电网。 但是转速固定的风力发电设备的缺点在于可以运行该风力发电设备的 风速范围相对较小。

因此，为了扩展可用的风速范围并由此提高能量产量，发展了如 下风力发电设备，在该风力发电设备中设置有风轮以及发电机的可变 转速。但是转速可变的发电机需要变频器，利用该变频器所产生的电 流在其电压、其频率和其相位方面匹配电网条件。因为在发电机中产 生的全部电流经过变频器，所以该变频器必须相应设计为大功率，但 是，由于现代风力发电设备日益升高的功率而，这需要巨大的成本和 高的干扰可能。

因此，为了避免上述缺点也建议如下风力发电设备，该风力发电 设备具有能转速可变地运行的风轮，能转速恒定地运行的发电机和力 调节装置，它们经由叠加传动装置彼此传动连接。叠加传动装置优选 构造为单排的行星传动装置，其行星齿轮支架(行星架)能直接地或 者经由升速传动级与风轮的轮毂连接，其太阳齿轮与发电机的转子或 力调节装置连接，并且其齿圈与力调节装置或发电机的转子连接。通 过齿圈或太阳齿轮的固定、向前转动(发电机的转子与风轮和相同的 转动方向)、或者向后转动(发电机的转子与风轮和相反的转动方向)， 借助力调节装置，依赖于风轮的可变转速以如下方式调节在行星齿轮 支架与太阳齿轮或与齿圈之间有效的行星传动装置的传动比，即，发 电机的转子转速继续恒定地保持。发电机的转子转速的其他影响可以 经由桨距调节和/或失速调节进行。

在根据DE 103 14 757B3所述的可以在风力发电设备中使用的传 动系中，力调节装置优选构造为液力变矩器，该液力变矩器同轴地经 由连接叠加传动装置的太阳齿轮与发电机转子的输出轴而布置。变矩 器的泵轮抗相对转动地(drehfest)连接输出轴，与此相对，变矩器的 涡轮经由减速传动级，该减速传动级构造为带有固定行星齿轮支架(带 有旋转方向反转的固定传动装置(Standgetriebe))的单排行星传动装 置，传动连接叠加传动装置的齿圈。为了控制泵轮的转速和所接收的 扭矩，变矩器的导向叶片是可调整的。

如相关的DE 103 61 443B4中详细阐述地，在这样的如下的传动 系的情况下(该传动系具有叠加传动装置的、变矩器的和减速传动级 的适合的设计，以及具有变矩器的涡轮导向叶片的适合的调校)达到 被动的、也就是基本上自动的调节，借助这种调节，在风轮的预定风 速范围内、在可变转速中，风轮在其各个最佳运行点运行，并且同时 发电机的转子转速恒定地得以保持。但是这种公知风力发电设备的缺 点在于，尽管风轮处于效率最佳的运行中，由于以较差效率进行的、 经由变矩器的永久的能量回流，该风力发电设备的总效率相对较低。

与此相反，DE 37 14 858A1中建议了一种可以在风力发电设备中 使用的传动装置，其中力调节设备构造为相相对第一发电机(主发电 机)功率较弱的第二发电机。在根据该文献图3的变形实施方案中， 主发电机的转子抗相对转动地连接叠加传动装置的齿圈，与此相反， 第二发电机的转子经由传动轴抗相对转动地连接叠加传动装置的太阳 齿轮。第二发电机，在同轴的布置方案中，由风轮看去轴向布置在主 发电机之后，其中所配属的传动轴从中心穿过主发电机的空心构造的 转子。通过转子转速的和第二发电机的、所接受的扭矩的相应调节， 依赖于风轮的转子转速，在高风速下主转子的转子转速可以恒定地保 持。在此，对于主发电机由第二发电机额外地产生电流，但是该电流， 由于该发电机的转速可变的运行，必须在所配属的变频器中被转化地 馈入电网。

由风力发电设备(该风力发电设备具有结构上轻微变化的、但功 能上相同的EP 1 283 359A1中的构造)的说明公知的是，设置为力调 节装置的电机既可以作为发电机和又可以作为马达运行，用于恒定地 保持发电机的转子转速。在电机的发电机式运行中(在该发电机式运 行中电机的转子和叠加传动装置的太阳齿轮在与风轮和发电机的转子 相同的转动方向上转动)风轮或升速传动机构的输出轴与发电机的转 子之间有效的传动比在风轮的递增的转子转速的情况下相对于固定的 太阳齿轮的状态被提升，这对应于，在高于风轮的额定转速的高风速 时，风力发电设备的运行。在电机的马达式运行中(在该马达式运行 中电机的转子和叠加传动装置的太阳齿轮与风轮和发电机转子的转动 方向相反地转动)风轮或升速传动机构的输出轴与发电机的转子之间 有效的传动比在风轮的递减的转子转速的情况下相对于固定的太阳齿 轮的状态有被降低，这对应于，在低于风轮的额定转速的中等风速时， 风力发电设备的运行。在电机的发电机式运行中，额外产生的电能经 由所配属的变频器馈入电网，在电机的马达式运行中，为此所需的电 能经由变频器从电网中提取。

但是，为了进一步提高风力发电设备的能量产量，一般地扩展其 运行范围到低风速也是值得期待的。

发明内容

在此背景中，本发明要解决的技术问题在于，改进一种开头所述 结构形式的风力发电设备，在其运行范围方面扩展到低风速。此外还 应该给出一种用于这种风力发电设备的运行控制的方法。

扩展风力发电设备的运行范围的结构性技术问题，根据本发明、 结合权利要求1的前序部分的特征，由以下方式解决，即，在叠加传 动装置和发电机之间布置有可控制的停机制动器，用于按需求锁定发 电机。

根据本发明的风力发电设备的具有优点的设计方案和改进方案是 从属权利要求2-6的主题。

因此，本发明的出发点是以下风力发电设备，该风力发电设备包 括能转速可变地运行的风轮、能转速恒定地运行的发电机、和能转速 可变地运行的电机，它们经由叠加传动装置彼此传动连接。电机作为 用于发电机转速调节的力调节装置，为此既可以作为发电机也可以作 为马达运行。为了在发电机式运行中产生的电功率的馈入、和为了在 马达式运行中所需的电功率的提取，电机经由变频器与电网连接。这 样构造的风力发电设备的运行范围被限制在高于风轮的额定转速的高 风速上、和低于风轮的额定转速的中等风速上。

为了扩展风力发电设备的运行范围到低风速，根据本发明设置有 可控制的，也就是可接合和可分离的停机制动器，该停机制动器布置 在叠加传动转置和发电机之间的动力流中。该停机制动器，在虽然尚 可驱动风轮、但不能再恒定地保持主发电机的转速的低风速中，接合。 由此，相对于机舱的壳体部件，锁定主发电机的转子和与之连接的叠 加传动装置的输出元件。在此运行状态中，关闭主发电机并且本来就 作为力调节装置设置的电机作为发电机运行。由电机产生的电流在此 经由所配属的变频器馈入电网。由此借助可以相对简单并成本低廉地 实现的本发明、利用本来就设计用于中等和高风速的这类风力发电设 备，即使在低风速下也可以产生电能并因此可以提高其能量产量。

在作为单排行星传动装置的叠加传动装置的优选构造中，停机制 动器布置在发电机的传动轴上，该行星传动装置的行星齿轮支架与风 轮传动连接，该行星传动装置齿圈经由所配属的传动轴与发电机的转 子连接，并且该行星传动装置的太阳齿轮与电机的转子连接。

在此停机制动器可以构造成摩擦锁合式(reibschlüssig)起作用。

摩擦锁合式起作用的停机制动器优选构造为盘式制动器，该盘式 制动器构造为带有至少一个在传动轴上抗相对转动地布置的制动盘并 且带有至少一个与壳体固定的制动钳。这种制动由汽车制造业广泛公 知，并且需要时可以从汽车制造业基本不改变地采纳。

但是因为电机也可以用于同步转速，停机制动器也可以构造成形 状锁合式(formschlüssig)起作用，这与无磨损运行和减少维护费用相 联系。

形状锁合式起作用的停机制动器优选构造为带有在传动轴上抗相 对转动地布置的牙嵌式齿轮、和在壳体侧抗相对转动地受支承的牙嵌 式齿轮，所述牙嵌式齿轮之一能借助配属的调节装置向另一牙嵌式齿 轮方向轴向移动。牙嵌式齿轮的牙嵌式齿部可以选择性地轴向地或径 向地定向。

方法方面的技术的、用于风力发电设备的运行控制的技术问题根 据本发明结合权利要求7的前序部分的特征由以下方式解决，即，在 低风速中接合在叠加传动装置和发电机之间的动力流中布置的可控制 的停机制动器，关闭发电机并通过电机的发电机式运行产生电流，并 且该电流经由变频器馈入电网。

根据本发明的方法的具有优点的设计方案和改进方案在从属权利 要求8至10中给出。

如前所述，根据本发明的方法的出发点是如下风力发电设备，该 风力发电设备包括能转速可变地运行的风轮、能转速恒定地运行的发 电机、和能转速可变地运行的电机，它们经由叠加传动装置彼此传动 连接。电机设置为用于发电机转速调节的力调节装置，并且为此既可 以作为发电机也可以作为马达运行。为了馈入和提取电能，电机经由 变频器与电网连接。

通过接合停机制动器，相对于机舱的壳体部件锁定发电机的转子 和叠加传动装置的与之连接的输出元件。大约同时关闭发电机并控制 电机进入发电机式运行。由此，利用风力发电设备即使在低风速中也 产生其他情况下还不能利用的电能。

但是这种低风速也可能暂时居主导地位，该低风速虽然在产生少 量电功率时足够用于风轮的驱动和电机的发电机式运行，但是由于风 轮相对较高的起动力矩，不足以开动静止的风轮，其中所述起动力矩 可以归因于静摩擦过渡为滚动摩擦和滑动摩擦时轴承中和传动装置的 齿部中提高的阻力矩。

因此根据本发明的改进方案如下地设计：风轮在相应的风力条件 下，即在低于启动速度并高于最小运行速度的风速中，通过电机的马 达式运行至少加速至达到最小转速；并且为了产生电能，随后将电机 转换到发电机式运行中。以此方式和方法，即使极低风速也能用于产 生能量，在这种极低风速中，相同结构尺寸的风力发电设备迄今都是 关闭的。

在停机制动器的、形状锁合式构造中，例如实施为牙嵌式制动器 时，此停机制动器在接合之前适当地借助电机的发电机式运行和/或马 达式运行来同步。

在此，可以有利地由如下方式避免停机制动器上的齿顶齿姿态， 即在风轮转动的情况下，执行停机制动器的同步仅至达到预定的最小 转速差，而在风轮静止的情况下，在停机制动器上产生最小转速差。

附图说明

为了阐明本发明，为说明书附上带实施例的附图。其中：

图1示出根据本发明的风力发电设备的优选实施形式的构造示意 图，

图2示出根据图1的风力发电设备的第一运行方式中的能量流，

图3示出根据图1的风力发电设备的第二运行方式中的能量流，

图4示出根据图1的风力发电设备的第三运行方式中的能量流， 以及

图5示出根据图1的风力发电设备的第四运行方式中的能量流。

具体实施方式

图1中示出的根据本发明的风力发电设备1包括能转速可变地运 行的风轮2，能转速恒定地运行的发电机3和能转速可变地运行的电机 4，它们经由叠加传动装置5彼此传动连接，并关于共同的几何转动轴 线同心地布置在此处未示出的机舱中。可以由风6驱动的风轮2优选 具有三个空气动力学成形的风轮叶片7，所述风轮叶片在圆周侧均匀分 布地、绕其纵轴有限可转动地固定在风轮轮毂8中。风轮轮毂8抗相 对转动地连接主传动装置9的输入轴，该主传动装置构造为升速传动 机构，并且例如可以实施为单排的正齿轮级或实施为带有壳体侧锁定 的齿圈的单排的行星传动装置。

可以以恒定的转子转速运行的发电机3构造为内转电机，该内转 电机带有径向内置的、配备有中心孔的转子10，带有以及径向外置的、 与壳体固定的定子11。能以可变的转子转速运行的电机4同样构造为 带有径向内置的转子12的、以及带有径向外置的、与壳体固定的定子 13的内转电机，并且相对发电机3明显功率较低地实施。由于其转速 恒定的运行方式，发电机3在电工技术方面直接连接电力网14，与之 相对地，电机4由于其转速可变的运行方式经由变频器15连接电网14。

叠加传动装置5构造为带有太阳齿轮17、承载多个行星齿轮18 的行星齿轮支架19、和齿圈20的单排的行星传动装置16。行星齿轮 支架19抗相对转动地连接主传动装置9的输出轴。齿圈20经由构造 为空心轴的传动轴21抗相对转动地连接发电机3的转子10。太阳齿轮 17经由穿过空心轴21和发电机3的转子10的中心传动轴22抗相对转 动地连接电机4的转子12。

在叠加传动装置5的齿圈20与发电机3的转子10之间的传动轴 21上布置可控制的，即可接合和可分离的，停机制动器23，利用该停 机制动器可以按需求相对与壳体固定的部件锁定发电机3的转子10。 为获取发电机3和电机4的转子转速，相关的转子11，13分别具有传 感轮24，25，在该传感轮上分别布置转速传感器26，27。

为控制风力发电设备1设置有电子控制器28，该控制器经由传感 器导线29连接转速传感器26，27，并经由控制导线30连接风轮2的 风轮轮毂8，连接停机制动器23，连接发电机3的励磁绕组以及连接 电机4，并且连接变频器15。随后借助由图1导出的图2至5详细阐 述风力发电设备1的运行。

在根据图2的风力发电设备1的第一运行方式中，该运行方式在 高风速中得到使用，其中以高于额定转速的转子转速驱动风轮2，电机 4切换到发电机式运行。在此，阻力矩、以及电机4的转子转速、由此 还有在主传动装置9的输出轴与发电机3的传动轴21之间的有效传动 比，在风轮2可变转速的情况下，以如下方式调节，即，使得发电机3 基本恒定地保持在其预设运行转速上，该预设运行转速在实施为带有 两个极对的、并且电网频率为50Hz的同步电机的情况下为1500转/分。

在这种由DE 37 14 858A1和EP 1 283 359A1公知的运行方式中， 电机4的转子12和叠加传动装置5的太阳齿轮17在与风轮2的和发 电机3的转子10的相同的转动方向上转动。停机制动器23在此运行 方式中被断开或分离。经由变频器15匹配电网条件的电机4的能量32 加入由发电机3产生并被馈入电力网14的电能31中，所述能量32在 数量级方面是发电机3产生的电能31的5％至20％。

在根据图3的风力发电设备1的第二运行方式中，该运行方式在 中等风速中得到使用，其中以低于额定转速的转子转速驱动风轮2，电 机4切换到马达式运行。在此动力矩、以及电机4的转子转速、由此 还有在主传动装置9的输出轴与发电机3的传动轴21之间的有效传动 比在风轮2可变转速的情况下以如下方式调节，即，使得发电机3恒 定地保持在其预设转子转速上。在至少由EP 1 283 359A1公知的此运 行方式中，电机4的转子12和叠加传动装置5的太阳齿轮17与风轮2 的和发电机3的转子10的转动方向相反地转动。停机制动器23在这 种运行方式中同样被断开或分离。由发电机3产生的能量31在数量级 方面，比由电机4经由变频器15提取的能量33减少5％至20％，从而 总体上相应减少的能量总量被馈入电网14。此提取的能量33经由电机 4被重新输送到发电机3，因此是在风力发电设备内部循环的能量流。

在根据图4的风力发电设备1的第三运行方式中，该运行方式在 如下低风速中得到使用，在该风速中以远低于额定转速的转子转速驱 动风轮2，但是发电机3的转子转速不能再恒定地保持。在这种运行方 式中，停机制动器23被锁合或接合，进而由此相对机舱的与壳体固定 部件锁定发电机3的转子10和叠加传动装置5的齿圈20。发电机3被 关断，并且叠加传动装置5作为传动比介于0.2与0.4之间的固定传动 装置而起作用。在此电机4作为转速可变的发电机运行并产生经由变 频器15馈入电网14的电能32。

停机制动器23可以，例如以牙嵌式制动器的形式，构造成形状锁 合式起作用，其中适当地借助电机4的发电机式运行和/或马达式运行 同步该停机制动器的接合。利用通过停机制动器23实现的第三运行方 式、相对已知的风力发电设备，根据本发明的风力发电设备1的运行 范围可以扩展到低的风速，由此风力发电设备的能量产量，特别在具 有更长弱风阶段的风力条件下，可以得到显著提高。

在根据图5的风力发电设备1的第四运行方式中(该运行方式在 极低风速下得到使用，该极低风速虽然足够用于风轮2的驱动和电机4 的发电机式运行，但是不足以开动静止的风轮)风轮2，在停机制动器 23锁合或接合的情况下，由在该阶段切换到马达式运行的电机4加速 至少达到如下最低转速，在该转速中保证了由风6继续驱动。为此所 需的电能33由电网14经由变频器15提取。随后电机4又被切换到发 电机式运行并与根据图4的第三运行方式相应地提供电能，该电能经 由变频器15馈入电网14。通过借助电机4对风轮2的开动和随后的电 机4到发电机式运行的转换，根据本发明的风力发电设备1的运行范 围扩展到极低风速。

根据本发明的风力发电设备也可以借助以下方式用于稳定电网， 即，其中该风力发电设备在电网14上起到所谓的移相器的作用。为此 发电机3借助控制设备28如此地运行，使得该发电机可以由电网14 获取无功功率并向电网14送出无功功率。

附图标记

1    风力发电设备

2    风轮

3    发电机，主发电机

4    电机

5    叠加传动装置

6    风力

7    风轮叶片

8    风轮轮毂

9    主传动装置，升速传动机构

10   发电机的转子

11   发电机的定子

12   电机的转子

13   电机的定子

14   电网

15   变频器

16   行星传动装置

17   太阳齿轮

18  行星齿轮

19  行星齿轮支架

20  齿圈

21  传动轴，空心轴

22  中心传动轴

23  停机制动器

24  发电机的传感轮

25  电机的传感轮

26  发电机的转速传感器

27  电机的转速传感器

28  控制设备

29  传感器导线

30  控制导线

31  发电机的馈入能量

32  电机的馈入能量

33  电机的提取能量