CN111149276B - 给风能设备部件供能的方法以及能量供给装置和具有其的风能设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于给风能设备(100)的至少一个部件(56‑72)供给能量的方法。在风能设备(100)运行时，从借助于风能设备(100)的发电机(10)产生的能量中提取能量，并且提供给风能设备(100)的部件(56‑72)。本发明还涉及一种用于执行所述方法的能量供给装置(22)以及一种具有能量供给装置(22)的风能设备(100)。

Description

给风能设备部件供能的方法以及能量供给装置和具有其的风 能设备

技术领域

本发明涉及一种风能设备尤其风能设备的部件的能量供给，所述风能设备具有风能设备的能量供给装置，以及涉及一种用于能量供给的方法。

背景技术

风能设备是充分已知的。在风能设备中，空气动力学的转子驱动发电机的发电机转子，使得发电机将从风中获得的动能转换成电能。所述电能从发电机经由变压器馈入与风能设备连接的供电网。为此，风能设备经由电网连接点与供电网连接。

电供电网是已知的，并且借助于电供电网，电能在能量馈送器与能量消耗器之间分配。现今，这种电供电网借助于具有预定的、大多50Hz或60Hz电网频率的交流电压来运行。不仅馈入器而且消耗器都设定到所述频率。

因此，这种供电网也适合于供给风能设备本身。因此常见的是，风能设备本身、尤其风能设备的部件，即电部件，被供给出自供电网的电能。需要能量供给的部件例如是风能设备的控制部件、冷却装置、机械致动器以及控制装置本身。部件的实例例如是：用于风能设备的方位角调节的驱动器，用于转子叶片调节的调节马达或用于冷却发电机的各种冷却装置和/或变频器。另外的部件是电的开环控制和闭环控制装置，其操控风能设备的机械部件以用于运行。

众所周知，给风能设备本身供给能量的供电网在这种情况下经受在10％的范围中的电压波动。所述电网电压波动在监管方面是受限制的，使得通过相应的调控机构使上述电网电压波动保持低于10％。然而，由于能量供给电网日益变得复杂，讨论提高电网电压波动的所述限制，因为调控机构仅能够以非常大的耗费遵循10％界限。

由于目前常见的电网电压波动预计在放宽规定后可能还要增加，对风能设备或风能设备的部件提出日益提高的要求，以便确保在所述电网电压波动的情况下风能设备的可靠运行。为此，对于风能设备的各个部件分别设置平滑和补偿电路，以便一方面在任何时刻为部件的敏感的构件提供足以用于运行的电压，而另一方面抵抗由于过高的电压引起的对部件的损坏。

这些附加的平滑和补偿电路在风能设备的制造中意味着附加的成本因素，尤其地，因为因此不再能够使用标准部件，所述标准部件无法标准化地包括这种补偿电路。

发明内容

因此，本发明的目的是解决现有技术的上述问题中之一。尤其地，应找到给风能设备提供能量供给的可行方案，所述能量供给提供如下能量，所述能量与供电网的电网电压相比具有相对更小的电压波动。在任何情况下，本发明的目的是指明相对于从现有技术中已知的方案的替选方案。

在关于本申请的优先权申请中，德国专利商标局已经检索了以下现有技术：US2011/0140534 A1和US 2012/0056425 A1。

为此，本发明涉及一种用于通过能量供给装置给风能设备的至少一个部件，即电部件供给能量的方法。根据所述方法，在风能设备的运行时，通过能量供给装置提取借助于风能设备的发电机产生的能量，并且提供给风能设备的部件。也就是说，在此所描述的情况描述风能设备的运行，所述运行例如不同于风能设备的启动阶段，在所述启动阶段中风能设备不断提高功率。因此，所述运行描述风能设备的如下状态，在所述状态中，出自风的动能借助于风能设备的发电机转换成电能，并且馈入到与风能设备连接的电供电网中。

据此，根据本发明，不是所有的电能都被馈入到供电网中。更确切地说，借助于发电机产生的电能的一部分没有被馈入到供电网中，而是将所述能量供给给风能设备的部件。因此，不再需要从供电网中提取例如在电压方面经受高的波动的能量来提供给部件。在此，部件例如是：风能设备的控制装置、变频器的控制器、吊舱的控制装置、冷却剂泵、桨距驱动器、方位角驱动器、塔和吊舱的电设备例如照明装置和通风装置。

据此，由于本发明，在风能设备的运行中，风能设备的用于供给风能设备的部件的电能直接从借助于风能设备的发电机产生的电能中提取。与电网电压相比，所述能量尤其在电压方面经受更小的波动，使得能够弃用风能设备的各个部件的补偿部件。

此外，本发明涉及一种能量供给装置，借助于所述能量供给装置，优选地实施刚才提及的方法。能量供给装置一方面具有与风能设备的发电机电连接的输入端，而另一方面具有与风能设备的部件连接的输出端。能量供给装置给所述部件供给由发电机产生的能量。

根据第一实施方式，借助于发电机产生的能量借助于整流器整流，并且暂存在直流电压中间回路中。用于供给风能设备的部件的能量通过能量供给装置从直流电压中间回路中提取。因此，能量供给装置具有与直流电压中间回路可连接或已连接的输入端。通过将借助于发电机产生的能量馈入到直流电压中间回路中，对于风能设备的部件首先提供基本上不经受波动或仅经受轻微的波动的稳定的直流电压。稳定的、基本上无波动的直流电压可简单地转换成限定的电压用于供给风能设备的部件，使得基本上能够不再出现电压波动。因此，能够弃用用于波动补偿的附加的构件。

根据能量供给装置的另一实施方式，所述能量供给装置据此与直流电压中间回路连接，以便从直流电压中间回路中提取用于供给风能设备的部件的能量。

根据另一实施方式，从直流电压中间回路中提取的能量的电压被输送给能量供给装置的逆变器以便给部件供给能量，并且在逆变器中转换成交流电压。能量供给装置的所述逆变器不同于将中间电路的电压转换成用于提供给供电网的交流电压的逆变器。相应地，能量供给装置包括逆变器，以便将从直流电压中间回路中提取的能量的电压转换成用于对部件进行供给的交流电压。

因此，除了将由发电机先前提供的能量转换成具有针对供电网调整的频率的交流电压的逆变器外，在能量供给装置中设有自身的逆变器，以便提供具有针对部件调整的频率的交流电压。由此可行的是，将能量供给装置的逆变器装配成，使得提供适合于部件的频率，所述频率例如尤其是无波动的。

在这种情况下也能够考虑，与电网相比，部件可能具有对交流电压的频率不同的要求。如果例如为了进行电网支持，由发电机提供的、应馈入到供电网中的能量在其交流电压频率方面以特别的方式调整，那么能够此无关地继续通过能量供给装置的逆变器提供匹配于部件的交流电压频率。因此，部件的能量供给与可能匹配于电网要求的频率无关地进行。

根据另一实施方式，由能量供给装置的逆变器转换的交流电压借助于滤波器滤波。所述滤波器优选具有电感或扼流圈和/或至少一个电容器。相应地，根据一个实施方式，能量供给装置包括滤波器，即优选电感或扼流圈和/或至少一个电容器，以便对能量供给装置的借助于逆变器转换的交流电压进行滤波。

所述滤波尤其用于使交流电压平滑，所述交流电压例如在逆变器的输出端处是“截断的”。因此，获得具有基本上连续的正弦状的变化过程的经平滑的交流电压。由此，降低对于风能设备的部件的关于其抵抗不连续交流电压的鲁棒性的要求。

根据另一实施方式，在能量供给装置中设有变压器，以便将从直流电压中间回路中提取的和转换成交流电压的能量的电压转换成针对部件调整的电压。在这种情况下，交流电压优选被转换成400V的电压。因此，用于部件可提供经调整的电压幅度。

根据另一实施方式，能量供给装置包括储能器，所述储能器可经由能量供给装置的输入端与直流电压中间回路连接。储能器尤其是蓄电池或所谓的“Powercap”。因此，如果发电机不产生能量，而储能器可从直流电压中间回路中充电，那么可给风能设备的部件供给出自储能器的能量。

根据所述方法的另一实施方式，在直流电压中间回路中或在可能存在的储能器中没有能量可供使用的情况下，至少一个部件从与风能设备连接的供电网提取能量。为此，优选地，能量供给装置的变压器，例如在借助于其也给所述部件供给能量的次级侧上同时经由能量供给装置的另一输入端与风能设备的电网馈入变压器连接。如果在风能设备处于应急运行时，例如消耗完了出自能量供给装置的储能器的能量，那么能够通过从供电网中提取能量来重新启动风能设备。

根据另一实施方式，能量供给装置具有整流器，以便将出自供电网的、输送给能量供给装置的能量提供给在另一输出端处的发电机的励磁电路和/或储能器，尤其用于充电。

根据另一实施方式，设有转换开关，其转换到所述部件的电基本设备例如照明装置、插座等的外部供给。为此，能量供给装置包括用于连接外部的供给部的另一输入端，所述外部的供给部例如是外部的发电机组。因此，基本设备能够运行，而所有其他设备部件能够与电网分离。对此的实例是供电网不存在，例如在风能设备的建造、供电网的故障或在变压器或能量供给装置处进行维修或保养期间。

附图说明

另外的实施方式根据在附图中详细阐述的实施例得出。

图1示出风能设备，

图2示出风能设备的能量供给简图，

图3示出在运行风能设备时用于给风能设备的至少一个部件供给能量的方法的流程图，

图4示出在没有能量供给装置的储能器的情况下用于启动风能设备的步骤，并且

图5示出用于启动具有储能器的风能设备的步骤。

具体实施方式

图1示出根据本发明的风能设备100的示意图。风能设备100具有塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的空气动力学的转子106。空气动力学的转子106在风能设备的运行时通过风进入旋转运动中从而也使发电机的电动力学的转子或发电机转子旋转，所述电动力学的转子或发电机转子直接或间接地与空气动力学的转子106耦联。电发电机设置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的桨距角能够通过相应的转子叶片108的转子叶片根部108b上的变桨电动机来改变。

图2示出风能设备100中的能量供给简图。风能设备100具有产生电能的发电机10。电能经由整流器12整流并且导入到直流电压中间回路14中。在此，为了更好地表示，仅示出整流器12，其中，根据另外的实施例，所述整流器由多个模块即多个整流器12组成，或包括所述整流器。具有经整流的电压的能量从直流电压中间回路14中输送给逆变器16，所述逆变器将经整流的电压转换成具有匹配于电网要求的频率的交流电压。然后，具有交流电压的能量经由闭合的开关17并且经由电网变压器18变压为适合于与风能设备100连接的供电网的电压，并且馈入到供电网20中。

此外，示出能量供给装置22，其可经由开关24在其输入端25处与直流电压中间回路14连接。

因此，由发电机10产生的能量在通过整流器12整流后，经由输入端25输送给能量供给装置22。在开关24闭合时，储存能量的储能器26与直流电压中间回路14连接。除了所述储能器26外，直流电压中间回路14也具有多个未示出的电容，以便储存能量，使得储能器26是可选的器件。

根据在此示出的除了总归包含在直流电压中间回路14中的电容外还具有储能器26的有利的实施例，与不具有储能器的情况相比，明显更多的能量储存是可行的。在紧急情况下或在启动运行时，如果发电机10本身不产生能量，那么储能器26用于与直流电压中间回路14无关地为能量供给装置22提供能量。

此外，在能量供给装置22中设有逆变器28，所述逆变器将出自直流电压中间回路14的、借助于发电机10产生的能量的直流电压转换成交流电压。与逆变器16相反，其中所述逆变器产生为了馈入电网而被调整的电压的频率，逆变器28设立用于产生具有适合于对风能设备100的部件进行供给的频率的电压。在逆变器28的输出端处，设置有滤波器30，即扼流圈和/或一个或多个电容器，所述滤波器使借助于逆变器28产生的交流电压平滑。

此外，设有开关32，经由所述开关，在闭合状态下将经平滑的交流电压输送给变压器34的初级侧。变压器34将电压转换成适合于对风能设备100的部件进行供给的电压。所述电压在变压器34的次级侧的输出36端处输出。优选地，例如，在变压器34的初级侧上给其输送550V或500V的交流电压，并且在输出端36处输出400V以对部件进行供给。据此，在风能设备100运行时，开关24和32闭合。

能量供给装置22的变压器34的次级侧可经由开关37和43与电网侧的变压器18连接。在不设有储能器26或储能器26放电并且风能设备100被切断，即不产生能量的情况下，能够闭合所述开关37和43。因此，能够从供电网20中提取电压，并且经由变压器34的次级侧转换成供给电压以对部件进行供给。然后，所述电压在输出端36处输出。

经由闭合的开关37和另一闭合的开关42，在不设有储能器26或储能器26放电并且风能设备100被切断的情况下，同样将出自供电网20的能量输送给能量供给装置22的整流器38。然后，将所述能量在另一输出端41处提供给励磁电路39，使得发电机10的经由励磁电路39的降压转换器40的励磁能够实现风能设备100的启动。

因此，由供电网20提供的能量可输送给整流器38，所述整流器38对出自电网的能量进行整流，并且经由降压转换器40产生发电机10的他励。为此，供电网20经由开关42与整流器38连接。在风能设备100的正常运行中，也就是说，如果发电机10将足够的能量馈入到直流电压中间回路14中并且在那里被提供，直接从直流电压中间回路14中对降压转换器40馈电，其中于是开关42打开。在此，不得不接受在启动时短时间地动用波动的电网电压，因为否则将无法启动。

如果所示的储能器26存在并且被充电并且风能设备100被切断，那么为了启动打开开关42和43并且闭合开关24和32。因此，能够从储能器26中对降压转换器40进行供给，进而在发电机10中产生励磁，使得他励的发电机10开始产生能量，然后所述能量被馈入到直流电压中间回路14中。只要在直流电压中间回路14中有足够的能量可用，那么储能器26再次充电。

此外，变压器34的输出端36与主分配器44连接，所述主分配器用于在风能设备100的部件处分配能量。然后，可经由开关46至54将在变压器34的输出端36处输出的能量输送给风能设备100的部件。第一部件例如是用于泵送冷却液体以便冷却变频器的冷却剂泵56。另外的部件是桨距驱动器58和方位角驱动器60。此外，另外的部件是用于冷却借助于冷却剂泵56输送的冷却液体的再冷却单元62。此外，部件是所谓的E模块64，所述E模块例如包括用于控制逆变器16的控制装置，以便产生符合电网的交流电。此外，部件包括塔66的电设备以及吊舱104的电设备。塔66的电设备和吊舱104的电设备例如包括塔102或吊舱中的照明设备和通风设备。

与变压器34的输出端36连接的另外的部件例如是E模块70的控制装置以及吊舱72的控制装置。因为所述部件70和72需要特别的电压，所以在部件70和72的上游分别连接有另外的变压器74和76。

图3示出在正常运行时，即当发电机10产生能量并且经由整流器12馈入到直流电压中间回路14中时风能设备100的能量供给。在这种情况下，在步骤80中，从直流电压中间回路14中提取能量，并且在步骤82中，将能量的直流电压转换成交流电压。在步骤84中，借助于滤波器30、尤其扼流圈和/或至少一个电容器对交流电压进行滤波，并且在步骤86中，借助于变压器34将经平滑的交流电压变换成符合部件的电压。在步骤88中，将电压输送给部件56-72以用于供给。

图4示出在不具有储能器26的情况下用于启动风能设备100的步骤。在这种情况下，在优选闭合开关37和42以及43并且打开开关32的步骤90中，经由变压器18从供电网20中提取能量，并且在步骤91中，输送给变压器34。在步骤92中，变压器34将从电网20中提取的电压转换成用于对风能设备100的部件56-72进行供给的电压。此外，在步骤92中，给整流器38和用于产生发电机10的他励的降压转换器40提供出自供电网20的能量。通过发电机10的旋转，所述发电机在步骤94中产生能量，并且将所述能量经由整流器12馈入到直流电压中间回路14中。在直流电压中间回路14中的电压达到特定水平之后，在步骤96中，优选打开开关37和42和43，并且闭合开关17和32。现在，从直流电压中间回路14中将能量馈入到供电网20中，并且从直流电压中间回路14中给部件56-72以及用于产生针对发电机10的励磁的降压转换器40馈电。这在步骤98中实现。

根据一个替选方案，在步骤90中，闭合开关17、32和42，并且打开开关43。从供电网20中提取能量，并且在步骤91中，经由整流器38将所述能量输送给变压器34以及励磁电路39。在步骤92中，变压器34将从电网20中提取的电压转换成用于对风能设备100的部件56-72进行供给的电压。

通过所述方法，即使在保养或维修的情况下也可行的是，提供对设备部件的供给，而不必给直流电压中间回路充电。因此，存在如下可行性：仅给几个特定的设备部件供给电压，而其他部件可靠地与电压断开。

图5示出在存在储能器26的情况下用于启动风能设备100的另一方法。在所述情况下，通过储能器26，经由逆变器28、滤波器30以及变压器34在变压器34的输出端36处提供电压，所述电压被提供给部件56-72。此外，给励磁电路39提供出自储能器26的能量。这在步骤100中实现。然后，在步骤102中，发电机10产生能量并且将所述能量馈入到中间回路14中。然后，在步骤104中，直流电压中间回路14以在图3中所描述的方式用于对励磁电路39以及部件56-72进行供给。此外，在所述步骤中，给储能器26充电。

Claims (18)

1.一种用于通过能量供给装置（22）给风能设备（100）的至少一个部件（56-72）供给能量的方法，其中，在所述风能设备（100）运行时，由所述能量供给装置（22）从借助于所述风能设备（100）的发电机（10）产生的能量中提取能量，并且将所述能量提供给所述风能设备（100）的部件（56-72），

其中，借助于整流器（12），对借助于所述发电机（10）产生的能量的电压进行整流，并且暂存在直流电压中间回路（14）中，其中，通过所述能量供给装置（22）从所述直流电压中间回路（14）中提取用于对所述部件（56-72）进行供给的能量，

其中，借助于所述能量供给装置（22）的变压器（34），将从所述直流电压中间回路（14）中提取的能量的电压转换成针对所述部件（56-72）调整的电压，并且

其中，所述变压器（34）在其初级侧从所述直流电压中间回路（14）中获取能量，并且在次级侧在输出端（36）处提供用于所述部件（56-72）的能量，而且所述变压器（34）在次级侧附加地能够与供电网（20）连接，以便提供出自所述供电网（20）的能量来对所述部件（56-72）或励磁电路（39）进行供给。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，借助于所述能量供给装置（22）的逆变器（28），将从所述直流电压中间回路（14）中提取的用于对所述部件（56-72）进行供给的能量的电压转换成交流电压，其中，所述能量供给装置（22）的逆变器（28）不同于如下逆变器（16），该逆变器将在所述直流电压中间回路（14）中所提供的用于供电网（22）的能量的电压转换成交流电压。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，借助于所述能量供给装置（22）的滤波器（30），对借助于所述能量供给装置（22）的逆变器（28）转换的交流电压进行滤波。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述滤波器（30）是电感或扼流圈和/或至少一个电容器。

5.根据权利要求3所述的方法，其中借助于所述能量供给装置（22）的滤波器（30），对借助于所述能量供给装置（22）的逆变器（28）转换的交流电压进行平滑。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，借助于所述能量供给装置（22）的变压器（34），将从所述直流电压中间回路（14）中提取的能量的电压转换成针对所述部件（56-72）调整的400V的电压。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述能量供给装置（22）具有储能器（26），并且能够给所述风能设备（100）的所述至少一个部件（56-72）和/或所述风能设备（100）的励磁电路（39）供给出自所述储能器（26）的能量。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述储能器是蓄电池。

9.根据权利要求7所述的方法，其中当所述发电机（10）不产生能量时，能够给所述风能设备（100）的所述至少一个部件（56-72）和/或所述风能设备（100）的励磁电路（39）供给出自所述储能器（26）的能量。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述直流电压中间回路（14）和/或储能器（26）中没有能量可供使用的情况下，所述至少一个部件（56-72）和/或所述励磁电路（39）从与所述风能设备（100）连接的供电网（20）中提取能量。

11.一种能量供给装置，其设立用于实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法，

其中，所述能量供给装置（22）具有能够与直流电压中间回路（14）连接的输入端（25），并且在输出端（36）处使得能量可供用于对所述部件（56-72）进行供给和/或在另一输出端（41）处使得能量可供用于对风能设备（100）的励磁电路（39）进行供给，

其中，所述能量供给装置（22）具有变压器（34），以便将从所述直流电压中间回路（14）中提取的能量的电压变换成适合于对所述部件（56-72）进行供给的交流电压，并且

其中，所述变压器（34）在其初级侧从所述直流电压中间回路（14）中获取能量，并且在次级侧在所述输出端（36）处提供用于所述部件（56-72）的能量，而且所述变压器（34）在次级侧附加地能够与供电网（20）连接，以便提供出自所述供电网（20）的能量来对所述部件（56-72）或所述励磁电路（39）进行供给。

12.根据权利要求11所述的能量供给装置，其中，所述能量供给装置（22）具有逆变器（28），以便将在所述输入端（25）处输送的能量的电压产生成针对所述部件（56-72）调整的交流电压。

13.根据权利要求11或12所述的能量供给装置，其中，所述能量供给装置（22）具有滤波器（30），以便对借助于逆变器（28）产生的交流电压进行平滑。

14.根据权利要求13所述的能量供给装置，

其中所述滤波器是电感或扼流圈和/或至少一个电容器。

15.根据权利要求12所述的能量供给装置，其中，通过所述变压器（34）将借助于所述逆变器（28）产生的交流电压变换成适合于对所述部件（56-72）进行供给的交流电压。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的能量供给装置，其中，所述能量供给装置（22）具有储能器（26），所述储能器能够与直流电压中间回路（14）连接。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的能量供给装置，其中，所述能量供给装置（22）具有整流器（38），以便将出自所述供电网（20）的、输送给所述能量供给装置（22）的能量提供给在所述另一输出端（41）处的励磁电路（39）和/或储能器（26）和/或所述部件（56-72）。

18.一种风能设备，其具有根据权利要求11至17中任一项所述的、用于实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法的能量供给装置（22）。