CN102022262B - 用于风轮机机舱的偏航系统和风轮机 - Google Patents

Abstract

一种用于风轮机机舱的偏航系统和风轮机，所述偏航系统包括多个电机，每个电机被结合到机舱上以施加转矩到机舱上；多个控制器，其中所述多个控制器包括用于所述多个电机中每个电机的一个控制器，每个控制器都被设置用于控制各自的电机并被结合到至少一个另外控制器上以为其传输工作信息；以及偏航系统控制器，其被设置用于传输控制信息到所述多个控制器的至少一个控制器上。所述多个控制器的至少一个被设置用于根据从所述至少一个另外控制器上的所述控制信息和所接收的工作信息的至少一个控制各自的电机。各个电机的控制器之间的通信能够允许所述偏航系统更快速地响应以根据风向的变化偏航所述机舱。

Description

用于风轮机机舱的偏航系统和风轮机

技术领域

本发明大致涉及一种用于风轮机机舱的偏航系统和风轮机。

背景技术

风轮机通常具有偏航系统，用以相对于风轮机塔架移动机舱使转子叶片根据风向移动。为了最大程度捕捉风能，转子叶片通常被移动到面向风吹的方向。

通常地，传统的偏航系统具有一个或多个电机。但是，传统的偏航系统可能具有电机转矩波动的问题。而且，还可能存在多个电机中载荷和转矩的不平衡分布。

因此，本发明的一个目的是避免出现上述问题。

发明内容

根据某一实施例，用于风轮机机舱的偏航系统被提供了。该偏航系统包括：多个电机，每个电机被结合到机舱上用以施加转矩到机舱上；多个控制器，该多个控制器包括用于该多个电机中每个电机的一个控制器，每个控制器都被设置用以控制各自的电机并被结合到至少一个另外控制器上以为其传送工作信息；和偏航系统控制器，其被设置用以传送控制信息给该多个控制器中的至少一个控制器。根据该控制信息和从该至少一个另外控制器上接收的工作信息中的至少一个，该控制器中的至少一个被设置用以控制各自的电机。本实施例的一个效果是各个电机的控制器之间的通信允许偏航系统的更快速的响应以根据风向的变化偏航机舱。

根据某一实施例，该偏航系统控制器被设置用以根据表示风向和机舱位置的至少一条信息确定控制信息，并将该控制信息传送到该多个控制器的至少一个上。

根据某一实施例，该工作信息包括该控制信息。

根据某一实施例，该工作信息包括关于该至少一个电机的运行特征的信息。

根据某一实施例，该工作信息包括由转矩、转速和转动方向构成的组中的一个或多个。

根据某一实施例，偏航系统控制器是该多个控制器中的至少一个。

根据某一实施例，偏航系统控制器是被结合到该多个控制器中的至少一个上的单独单元。

根据某一实施例，该多个电机中的第一电机的控制器被结合到该多个电机中的第二电机的控制器上，且该第一电机的控制器被设置用以与该第二电机的控制器通信以接收关于该第二电机的运行特征的信息。本实施例的一个效果是各个电机的控制器之间的通信允许偏航系统的更快速的响应以根据风向的变化偏航机舱。施加到该机舱上的转矩可以在该多个电机当中平均分配。

根据某一实施例，该第一电机的控制器被设置用以根据所接收的信息控制该第一电机。

根据某一实施例，该第二电机的该控制器被设置用以与该第一电机的控制器通信以接收关于该第一电机运行特征的信息，且该第二电机的控制器被设置用以根据所接收的信息控制该第二电机。

根据某一实施例，该运行特征包括由转矩、转速和转动方向构成的组中的一个或多个。

根据某一实施例，该控制器之间的通信根据分组传输协议得以实现。

根据某一实施例，该分组传输协议包括Internet协议。

根据某一实施例，每个电机都包括可变的转矩驱动。

根据某一实施例，每个电机的该可变转矩驱动包括该电机的控制器。

根据某一实施例，偏航系统控制器被设置用以，在第一工作模式下，控制该多个电机以沿着第一转动方向或同时沿着第二转动方向施加转矩到机舱上；且被设置用以，在第二工作模式下，控制该多个电机中的至少该第一电机以沿着第一转动方向施加转矩到机舱上并用以控制该多个电机中的至少该第二电机以沿着第二转动方向施加转矩到机舱上。

根据某一实施例，在第一工作模式下，该偏航系统被设置用以沿着第一转动方向或第二转动方向移动机舱，以使具有被结合到该机舱上的至少一个叶片的转子根据风向移动。

根据某一实施例，在第一工作模式下，该偏航系统被设置用以在机舱的静止位置上解开缆绳。

根据某一实施例，在第二工作模式下，该偏航系统被设置用以产生制动效果将机舱保持在希望的位置上。

根据某一实施例，每个电机都是由直流电机、伺服电机和永磁电机组成的组中的一个或多个。

根据某一实施例，包括如上所述的偏航系统的风轮机被提供了。

附图说明

在图示中，同样的参考标号通常是在所有不同视图中表示相同的零件。图示不必成比例，通常重点放在示意本发明的原理上。在下面的描述中，参照下面附图描述了本发明的不同实施例，其中：

图1示意出了传统风轮机的通常设置。

图2a示出了根据本发明某一实施例的用于机舱的偏航系统的一个示例的示意性图示。

图2b示出了根据本发明某一实施例的用于机舱的偏航系统的另一示例的示意性图示。

图3a示出了根据本发明某一实施例的对机舱施加转矩以偏航机舱的多个电机的工作。

图3b示出了根据本发明某一实施例的在机舱的平衡位置上解绕缆绳的多个电机的工作。

图3c示出了根据本发明某一实施例的对机舱施加制动作用的多个电机的工作。

图4a示出了根据本发明某一实施例的被结合到风轮机控制器上的偏航系统控制器的示意性图示。

图4b示出了根据本发明某一实施例的作为风轮机控制器的一部分的偏航系统控制器的示意性图示。

图4c示出了根据本发明某一实施例的风轮机控制器和偏航系统控制器的另一配置的示意性图示。

具体实施方式

根据本发明的用于风轮机机舱的偏航系统和风轮机的示例型实施例将在下面参照附属图示进行详细描述。应注意，下面介绍的示例型实施例可以在不改变本发明主旨的情况下对不同方面进行修改。

图1示出了传统风轮机100的通常设置。风轮机100被安装在基础102上。风轮机100包括具有很多塔架段例如塔架环的塔架104。风轮机机舱106被置于塔架104顶部。风轮机转子包括轴毂108和至少一个转子叶片110，例如三个转子叶片110。转子叶片110被连接到轴毂108上，轴毂108通过延伸伸出机舱106前面的低速轴连接到机舱106上。

图2a示出了用于机舱106的偏航系统200的示意性图示。偏航系统200被置于机舱106内。偏航系统200也可以被置于机舱106附近的塔架104的上部部分内。偏航系统200被设置用以在大体垂直于塔架104轴线的大体水平平面内移动机舱106。机舱106可以被稍稍向上倾斜以防止转子叶片110撞击到塔架104。偏航系统200根据风向移动机舱106，以使转子叶片110面向风以便最大化地捕捉风能。偏航系统200根据风向沿着旋转方向移动机舱106。另外，机舱106的偏航速度可以根据风向的改变而变化。

在某一实施例中，偏航系统200具有多个电机202。例如，偏航系统200可以具有至少一个电机202。偏航系统200可以具有偶数数目的电机202(例如，四个电机202)。但是，应了解，偏航系统200可以只包括两个电机202。偏航系统200的每个电机202都可以被结合到机舱106上用以施加转矩给机舱106。每个电机202都可以是但不被限制于直流电机、伺服电机或永磁电机。在某一实施例中，通过转动可以被置于机舱106内或塔架104内的公共嵌齿轮，电机202施加转矩给机舱106。电机202可以被围绕公共嵌齿轮的外围均匀分布。电机202围绕公共嵌齿轮外围的不均匀分布是可能的。

偏航系统200具有多个控制器204。该多个控制器204可以具有用于该多个电机202中每一个电机202的一个控制器204。简而言之，每个电机202可以具有一个对应的控制器204，其被设置用以控制该电机202，例如，在某一特定方向施加某一特定转矩或以某一特定速度在某一特定方向内旋转。因此，每个电机202可以被其对应的控制器204单独控制。每个电机202的控制器204可以被结合到该多个控制器204的至少一个另外控制器204上。在某一实施例中，一个电机202的控制器204可以被用于控制该多个电机202中的至少一个另外电机。

每个电机202都可以包括可变转矩驱动206。每个电机202的可变转矩驱动206可以包括该电机202的对应控制器204。因为每个电机202的控制器204都被结合到至少一个另外控制器204上，因此每个电机202的可变转矩驱动206也可以被结合到至少一个另外可变转矩驱动206上。

偏航系统200可以还包括偏航系统控制器208。在某一实施例中，如图2a中所示，偏航系统控制器208可以是该控制器204中的至少一个。换句话说，一个控制器204可以被用作偏航系统控制器208，而不是具有用于偏航系统200的单独的偏航系统控制器208。根据偏航系统200中控制器204的数目，两个或更多个控制器204可以被用作偏航系统控制器208。用作偏航系统控制器208的控制器204可以与偏航系统200的该多个控制器204中的一个或多个其它控制器204通信。

根据控制器204从另一控制器204上接收的信息，例如关于被另一控制器204控制的电机202的运行参数的信息，控制器204可以控制该电机202的工作，例如被该电机202施加的转矩、被该电机202施加的转矩的方向。控制器202还可以评价和结合与多个其它控制器204有关的信息并根据此评价或结合的结果控制该电机202的工作。例如，控制器204可以根据有关其它电机202施加的转矩的信息计算该电机202施加的转矩，以使预定的总转矩施加到机舱106。

在另一实施例中，如图2b中所示，偏航系统控制器208可以被结合到控制器204的至少一个上。因为控制器204可以被置于各自的可变转矩驱动206内，所以偏航系统控制器208可以被结合到该可变转矩驱动206的至少一个上。

偏航系统200的工作细节将在下面进行描述。

偏航系统200可以具有一个以上工作模式(例如第一和第二工作模式)。在第一工作模式中，偏航系统200可以沿着第一转动方向或第二转动方向移动机舱106，以使具有被结合到机舱106上的至少一个转子叶片110的转子根据风向进行移动。因此，偏航系统控制器208可以控制该多个电机202以沿着第一转动方向或同时沿着第二转动方向施加转矩到机舱106上，例如当电机被附接到塔架104上时借助于被附接到机舱106上的嵌齿轮，或者在电机202被附接到机舱106上时借助于被附接到塔架104上的嵌齿轮。

如图3a中所示，偏航系统200的电机202可以沿着如箭头302所示的顺时针方向施加转矩到机舱106上。电机202还可以沿着逆时针方向施加转矩到机舱106上。风向可以确定电机202施加到机舱106上的转矩方向。例如，偏航系统200可以从传感器或风向标上接收测量到的风向，并根据所测量的风向控制电机202。电机202可以施加低转矩到机舱106上直到获得正确的风向为止。一旦获得了正确的风向，该电机就可以施加全部转矩到机舱106上了。

当机舱106偏航时，塔架104内的至少一根缆绳扭曲。因此，当机舱106处于平衡位置时，偏航系统200可以解开缆绳。如图3b中所示，电机202可以沿着如箭头304所指示的顺时针旋转方向解开缆绳。电机202还可以沿着逆时针方向解开缆绳。机舱106处于平衡位置时解开缆绳的方向取决于机舱106偏航时缆绳扭曲的方向。

在第二工作模式中，偏航系统200可以产生制动作用，以将机舱106保持在希望的位置上。在第二工作模式中，偏航系统控制器208可以控制偏航系统的多个电机202，以使该多个电机202的至少第一电机202沿着第一旋转方向施加转矩给机舱106并且使该多个电机202的至少第二电机202沿着第二旋转方向施加转矩给机舱106。对于偏航系统200来说，为了更有效地在机舱106上产生制动作用，偏航系统200可以具有偶数数目的电机202。具有偶数数目的电机202能够允许被施加到机舱106上的转矩在各个方向上平均分配。

如图3c中所示，偏航系统200具有例如四个电机202。两个电机202沿着如箭头306所示的顺时针方向施加转矩给机舱106，而另外两个电机202沿着箭头308所示的逆时针方向施加转矩给机舱106。这可以在机舱106上实现制动作用，以将机舱106保持在希望的位置上。因此，可以不需要机械制动将机舱106保持在希望位置上。然而，在动力失效时，对偏航系统200仍然可以设置机械制动。可以对每个电机202设置一个机械制动。可替代地，可以对该多个电机202设置一个机械制动。

为了在不同工作模式下控制电机202，偏航系统控制器208可以与被结合到偏航系统控制器208上的该至少一个控制器204通信。偏航系统控制器208和该至少一个控制器204之间的通信可以根据分组传输协议得以实施。分组传输协议可以包括但不仅限于Internet协议。

偏航系统控制器208可以传输控制信息到该多个电机202的至少一个电机202上(也就是传输到该至少一个电机202的控制器204上)。该至少一个电机202可以根据控制信息被控制。偏航系统控制器208可以根据表示风向和机舱106位置的至少一个信息确定控制信息，该控制信息可以指定该至少一个电机202的运行参数。该控制信息可以包括但不仅限于施加到机舱106上的电机202的转矩、电机202的转速和电机202的转动方向。为了得到表示风向的信息，偏航系统控制器208可以被结合到测量风向的传感器或风向标上。为了得到表示机舱106位置的信息，偏航系统控制器208可以被结合到测量机舱106位置的传感器上。

至少一个另外电机202的控制器204可以从该至少一个电机202的控制器204上接收工作信息。该至少一个另外电机202可以根据所接收的工作信息进行控制。在某一实施例中，该工作信息可以包括该控制信息。因此，在初始阶段，该多个控制器204可以从偏航系统控制器208在彼此之间通信该控制信息，并根据从偏航系统控制器208的该控制信息控制各自的电机202。该工作信息可以包括但不仅限于电机202施加到机舱106上的转矩、电机202的转速和电机202的转动方向。该工作信息可以包括以例如Nm为单位的指定转矩和以每分钟多少转为单位的转速的实际数值，而且该工作信息可以使用旗子来指定旋转方向。该至少一个控制器204可以传输该工作信息到该多个电机202的该至少一个另外电机202的控制器204上。

另外，在偏航系统200的工作中，该多个控制器204中的每个控制器204可以与该至少一个另外控制器204通信，以确保施加到机舱106上的转矩在该多个电机202中平均分配。该多个电机202的各个控制器204之间的通信可以根据分组传输协议进行实施。分组传输协议可以包括但不仅限于Internet协议。

每个控制器204可以具有讯息产生装置，用以根据分组传输协议产生讯息或包。产生的讯息或包可以被通过广播或多点传送方式发送给两个或多个其它控制器204。产生的讯息或包可以通过单一传送方式只发送给一个其它控制器204。产生的讯息或包可以包括频率和/或电流。低频率可以表示从风向的微小偏离。高频率可以表示从风向的较大偏离。例如，电流可以在约4mA至约20mA之间变化。约12mA的电流可以表示没有从风向偏离。约20mA的电流可以表示在顺时针方向从风向有很大的偏离。约4mA的电流可以表示在逆时针方向具有从风向很大的偏离。

通过发送请求讯息或包给一个或多个其它控制器204，每个控制器204可以从该一个或多个其它控制器204请求信息。每个控制器204可以同时发送或在不同的时间间隔内发送请求讯息或包给多个控制器204。因此，每个控制器204还可以同时或在不同时间间隔内从该多个控制器204上接收信息。

为了允许控制器204之间的通信，控制器204被结合到包括但不仅限于局域网络的通信网络。控制器204之间的通信也可以通过无线通信网络无线实施。

在某一实施例中，该至少一个电机202的控制器204和该至少一个另外电机202的控制器之间通信的工作信息可以包括有关该至少一个电机202的运行特征的信息。该工作信息还可以包括有关该至少一个另外电机202的运行特征的信息。例如，该多个电机202的第一电机202的控制器204被结合到该多个电机202的第二电机202的控制器204上。该第一电机202的控制器204可以与该第二电机202的控制器204通信，以接收关于该第二电机202的运行特征的信息。该第一电机202的控制器204可以根据所接收的信息控制该第一电机202。另外，该第二电机202的控制器204可以与该第一电机202的控制器204通信，以接收关于该第一电机202的运行特征的信息。该第二电机202的控制器204被设置用以根据所接收的信息控制该第二电机202。工作特征可以包括但不仅限于电机202施加到机舱106上的转矩、电机202的转速和电机202的转动方向。第一电机202和第二电机202的工作特征可以包括以例如Nm为单位的指定转矩和以例如每分钟多少转为单位的转速的实际数值，且可以使用旗子指定旋转方向。因此，在偏航系统200的工作期间，每个控制器204都可以发送有关对应电机202的运行特征的信息给至少一个另外控制器204。每个控制器204都可以从至少一个另外控制器204上接收有关至少一个另外电机202的运行特征的信息。因此，每个控制器204都可以根据该多个电机202的至少一个另外电机202的运行特征的信息控制各自的电机202。

有关该多个电机202的运行特征的信息的通信能够允许施加到机舱106上的转矩在该多个电机202之间平均分配。例如，如果某一特定电机202比另外的电机202在机舱106上施加了较大的转矩，则该特定电机202施加的转矩可以通过对应的可变转矩驱动206进行调整。如果某一特定电机202的转速和/转动方向不同于其它电机202，则该特定电机202的转速和/或转动方向也可以被调整。另外，各个电机202的控制器204之间的通信能够允许偏航系统200更快速地响应，以根据风向的变化偏航机舱106。

在某一实施例中，风轮机100可以包括风轮机控制器。风轮机控制器通常被用于监控风轮机100的情况，并收集有关风轮机100工作的统计资料。风轮机控制器通常也被用于控制风轮机100内的很多开关、液压泵、阀门和电机。

在某一实施例中，如图4a所示，风轮机控制器402可以被结合到偏航系统控制器208上。偏航系统控制器208可以被设置成独立于风轮机控制器402工作。也就是说，当风轮机控制器402出现故障时，偏航系统控制器208仍然能够偏航机舱106。

在某一实施例中，如图4b中所示，偏航系统控制器208可以是风轮机控制器402的一部分。

风轮机控制器402和偏航系统控制器208之间可以具有通信。偏航系统控制器208可以发送反馈信号404给风轮机控制器402。风轮机控制器402可以发送控制信号406给偏航系统控制器208以操控偏航系统200工作。例如，如果偏航系统200正在将机舱偏航到某一希望的位置，风轮机控制器402可以发送控制信号406给偏航系统控制器208，将机舱106带回平衡位置并开始解开扭曲的缆绳。如果偏航系统200正沿着顺时针方向偏航机舱106，风轮机控制器402可以发送控制信号406给偏航系统控制器208，使机舱106沿着逆时针方向偏航，反之亦然。可替代地，偏航系统200可以沿着顺时针方向或沿着逆时针方向开始偏航处于平衡位置的机舱106。从风轮机控制器402发送给偏航系统控制器208的控制信号406可以手动输入到风轮机控制器402内。

图4c示出了风轮机控制器402和偏航系统控制器208的另一配置的示意性图示。在本实施例中，风向标408被结合到偏航系统200的多个控制器204的一个控制器204a上。风向标408还被结合到风轮机控制器402上。风轮机控制器402被结合到偏航系统200的多个控制器204的另一控制器204b上。

控制器204a、204b可以一起执行偏航系统控制器208的功能。控制器204a可以从风向标408上接收表示风向的信息。控制器204b可以发送反馈信号404给风轮机控制器402。风轮机控制器402可以发送控制信号406给控制器204b以操控偏航系统200的工作。控制器204a、204b可以传输有关各自电机202的运行特征的信息和/或对各自电机202指定运行参数的工作信息给其它控制器204c、204d。

在本实施例中，解开扭曲的缆绳的控制信号410和/或偏航机舱的控制信号412可以被手动输入到风轮机控制器402内。当控制信号410被输入到风轮机控制器402上时，机舱106可以停止偏航。在机舱106的平衡位置上，偏航系统200可以开始解开扭曲的缆绳。当控制信号412被输入到风轮机控制器402上时，处于平衡位置上的机舱106可以开始沿着顺时针方向或沿着逆时针方向偏航。可替代地，如果机舱106原来沿着顺时针方向偏航，根据控制信号412，机舱106可开始沿着逆时针方向偏航，反之亦然。

虽然本发明的实施例已经参照具体的实施例进行了特别示出和描述，但本领域内的技术人员应了解，在不偏离如附属权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下可进行形式和细节上的各种变化。因此，本发明的范围由附属的权利要求表示，且权利要求等效含义和范围内的所有修改都意于被包括在内。

Claims (19)

1.一种用于风轮机机舱的偏航系统，所述偏航系统包括：

多个电机，每个电机被结合到机舱上以施加转矩给机舱；

多个控制器，所述多个控制器包括用于所述多个电机中每一个的一个控制器，每个控制器被设置用以控制各自的电机、并被结合到至少一个另外控制器上以向所述至少一个另外控制器传输工作信息；

偏航系统控制器，所述偏航系统控制器被设置用以传输控制信息到所述多个控制器的至少一个控制器；

其中，所述多个控制器中的至少一个被设置用于根据从所述至少一个另外控制器获得的所述控制信息和所述工作信息中的至少一个控制各自的电机。

2.根据权利要求1所述的偏航系统，其特征在于：

所述偏航系统控制器被设置用于根据表示风向和机舱位置的信息中的至少一个确定所述控制信息，并传输所述控制信息到所述多个控制器中的至少一个。

3.根据权利要求1或2所述的偏航系统，其特征在于，所述工作信息包括所述控制信息。

4.根据权利要求1或2所述的偏航系统，其特征在于，所述工作信息包括关于所述至少一个另外控制器的电机的运行特征的信息。

5.根据权利要求1或2所述的偏航系统，其特征在于，所述工作信息包括由转矩、转速和转动方向构成的组中的一个或多个。

6.根据权利要求1或2所述的偏航系统，其特征在于，所述偏航系统控制器是所述多个控制器中的至少一个或是被结合到所述多个控制器中至少一个上的独立单元。

7.根据权利要求4所述的偏航系统，其特征在于，所述多个电机中的第一电机的所述控制器被结合到所述多个电机中的第二电机的所述控制器上，且所述第一电机的所述控制器被设置用以与所述第二电机的所述控制器通信以接收有关所述第二电机的运行特征的信息。

8.根据权利要求7所述的偏航系统，其特征在于，所述第一电机的所述控制器被设置用于根据所接收的信息控制所述第一电机。

9.根据权利要求7所述的偏航系统，其特征在于，所述第二电机的所述控制器被设置用于与所述第一电机的所述控制器通信，以接收有关所述第一电机的运行特征的信息，且所述第二电机的所述控制器被设置用于根据所接收的信息控制所述第二电机。

10.根据权利要求1或2所述的偏航系统，其特征在于，所述控制器之间的所述通信根据分组传输协议得以实施。

11.根据权利要求10所述的偏航系统，其特征在于，所述分组传输协议包括Internet协议。

12.根据权利要求1或2所述的偏航系统，其特征在于，每个电机包括可变转矩驱动。

13.根据权利要求12所述的偏航系统，其特征在于，每个电机的所述可变转矩驱动包括所述电机的所述控制器。

14.根据权利要求7所述的偏航系统，其特征在于，所述偏航系统控制器被设置用于，在第一工作模式下，控制所述多个电机以同时沿着第一转动方向或同时沿着第二转动方向施加转矩到机舱上；所述偏航系统控制器被设置用于，在第二工作模式下，控制所述多个电机的至少所述第一电机沿着第一转动方向施加转矩到机舱上，并控制所述多个电机的至少所述第二电机沿着第二转动方向施加转矩到机舱上。

15.根据权利要求14所述的偏航系统，其特征在于，在所述第一工作模式下，所述偏航系统被设置用以沿着所述第一转动方向或所述第二转动方向移动机舱，以使具有被结合到所述机舱上的至少一个叶片的转子根据风向移动。

16.根据权利要求14所述的偏航系统，其特征在于，在所述第一工作模式下，所述偏航系统被设置用以在机舱的平衡位置解开缆绳。

17.根据权利要求14所述的偏航系统，其特征在于，在所述第二工作模式下，所述偏航系统被设置用于产生制动作用，以将机舱保持在希望的位置上。

18.根据权利要求1或2所述的风轮机偏航系统，其特征在于，每个电机是由直流电机、伺服电机和永磁电机组成的组中的一个或多个。

19.一种风轮机，包括根据权利要求1至18中任一所述的偏航系统。

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