CN115210467A - 风力涡轮机热组件 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种风力涡轮机(2)的热组件(1)，包括：外部液体‑空气热交换器(11)，其被布置成降低冷却剂回路(10)中的液体冷却剂的温度，所述冷却剂回路(10)被布置成在风力涡轮机(2)的操作期间将液体冷却剂输送到多个散热部件(23，24)；以及热组件控制装置(18)，其被实现为在风力涡轮机(2)的离网模式(M_self,M_wait)期间将外部液体‑空气热交换器(11)从冷却剂回路(10)中排除。本发明还描述了一种在离网模式(M_self,M_wait)下操作风力涡轮机(2)的方法，所述风力涡轮机(2)包括这种热组件(1)的实施例。

Description

风力涡轮机热组件

技术领域

本发明描述了一种风力涡轮机的热组件以及一种在离网模式下操作风力涡轮机的方法。

背景技术

风力涡轮机的目的是将来自风的动能转换成电力，该电力通常被输出到电网。对于能够发电的风力涡轮机，风速必须超过某个阈值。

风力涡轮机可能由于若干原因而与电网断开连接，或者可能处于其保持连接到电网但不输出电力的操作模式中。这种“离网”状态的持续时间可以根据断开的原因而变化，例如从几小时到几天。

风力涡轮机操作者面临的问题是当风力涡轮机离网时可能引起对各种部件的损坏。这是因为机舱中的温度可能下降到非常低的水平，并且相对湿度相应地增加。电气部件上的冷凝会导致腐蚀损坏。

解决该问题的一种方式是提供加热器，该加热器通过单独的备用电源、例如通过在风力涡轮机的正常操作期间充电的电池或通过柴油发电机运行。然而，这种方法也存在问题，例如提供大容量电池是昂贵的。在海上风电场的情况下，确保每个风力涡轮机具有足够的柴油供应是昂贵的。此外，在每种情况下，不可能保证电源将持续到离网情况已经解决。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种在离网状态期间操作风力涡轮机的改进方式。

该目的通过权利要求1的以离网模式操作风力涡轮机的方法实现；以及由权利要求8的风力涡轮机热组件实现。

根据本发明，风力涡轮机热组件包括液体-空气热交换器，该液体-空气热交换器被布置成降低冷却剂回路中的液体冷却剂的温度，该冷却剂回路被布置成在风力涡轮机的操作期间将液体冷却剂输送到多个散热部件。本发明的热组件还包括实现为在风力涡轮机的离网模式期间将热交换器从冷却剂回路中排除的热组件控制装置。离网模式应当理解为表示风力涡轮机不向电网输出电力的操作模式。通过排除热交换器，本发明的热组件确保来自部件的热量被存储在液体冷却剂中，因为在没有来自热交换器的主动冷却的情况下，液体冷却剂的温度将逐渐升高。

根据本发明，包括本发明的热组件的实施例的风力涡轮机通过执行以下步骤而以离网模式操作：在第一离网模式期间存储由所述多个散热部件耗散的热能，在所述第一离网模式期间，所述风力涡轮机被操作以产生用于其自身消耗的电力；以及在第二离网模式期间将所存储的热能释放到机舱内部，在第二离网模式期间，风力涡轮机不发电。

本发明的热组件和风力涡轮机操作方法的优点在于，通过维持机舱内的环境条件，风力涡轮机能够更好地“经受”离网状态。如果离网持续时间不太长，则机舱内的环境可能满足重新连接的条件。这样的条件可以包括例如机舱内部的相对湿度和温度。由此得出结论，风力涡轮机可以以较少的延迟重新连接到电网，对该风力涡轮机的生产率具有有利的影响。

本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出，如在以下描述中所揭示的。不同权利要求类别的特征可以适当地组合以给出本文未描述的另外实施例。

在本发明的上下文中，应当理解，液体冷却剂回路包括使液体冷却剂在导管或软管的系统中循环的泵。还可以假设，这种导管或软管被布置成紧密靠近诸如功率转换器、变压器、发电机等的散热部件。本领域技术人员将知道液体冷却剂回路结合在风力涡轮机设计中的方式，并且这些细节不需要在此详细讨论。

在下文中，可以假设风力涡轮机包括液体冷却系统和主动冷却装置，在液体冷却系统中，液体冷却剂用于在操作期间从风力涡轮机的各种部件吸取热量，主动冷却装置诸如外部热交换器。这可以延伸到机舱外部，使得经过热交换器的空气用于降低热冷却剂的温度。通常，这种热交换器被构造成具有增大的表面积，例如通过包括翅片或薄片以增大向空气的热传递速率。这种热交换器通常被称为“主动冷却器”，因为冷却剂温度被在热交换器上移动的气流降低。

风力涡轮机类型可能已经包括用于冷却风力涡轮机的散热部件的液体冷却剂回路，以及在机舱外部的液体-空气热交换器。这种风力涡轮机的冷却剂回路可以以相对小的努力进行调整以实现本发明的热组件的实施例。

本发明的热组件可以以任何合适的方式构造以允许排除主动冷却器。在本发明的特别优选的实施例中，热组件控制装置包括三通阀，该三通阀具有默认位置和旁通位置，在默认位置中，冷却剂回路由穿过热交换器的主路径完成，在旁通位置中，冷却剂回路由旁通路径完成。

只要风力涡轮机连接到电网并且向电网输出电力，风力涡轮机就处于“正常模式”的操作中。如果风速对于发电来说太高或太低，则风力涡轮机保持连接到电网，但是被置于“空转”操作模式。然而，如上所述，可能存在将风力涡轮机从电网断开连接的各种原因。除了电网故障之外，维护例程还可能需要使风力涡轮机离网。这些条件中的任何一者都导致风力涡轮机被置于离网模式。

只要风速高于某一接入速度，风力涡轮机就可以发电。表述“自持模式”可用于描述离网但继续发电以用于其自身消耗的风力涡轮机的操作模式。

当风速低于接入风速或高于安全阈值风速时，风力涡轮机不能发电。表述“等待模式”可用于描述离网的且等待其可恢复操作的条件的风力涡轮机的操作模式。

三通阀可以由例如马达致动。该马达可以由源自风力涡轮机控制器的控制信号控制。在本发明的优选实施例中，当风力涡轮机进入离网操作模式时，控制器将三通阀致动到其旁通位置。一旦三通阀处于其旁通位置，冷却剂液体就不再被主动冷却器冷却。这意味着，在自持模式期间，故意允许热的部件加热冷却剂液体，并且故意引导冷却剂液体以避开主动冷却器。这种控制方法的目的是“收集”在风力涡轮机离网但操作时由热部件释放的热能。加热的冷却剂基本上充当一种“热电池”。然后，如果风力涡轮机不再能够发电并且必须进入“等待模式”，则存储在冷却剂液体中的热能可以再次释放。这种热能收集和随后的热能释放的效果是更长时间地保持令人满意的机舱环境。

在自持模式期间，散热部件不被冷却。结果，这些部件变热超过在正常操作期间通常容许的水平，即，在第一离网模式期间，允许散热部件的温度上升超过正常模式上阈值。在组合中，热部件和热的冷却剂液体用作热电池。然而，为了避免对部件的损坏，本发明的方法包括中断热能收集以便停止温度进一步增加的步骤。为此，本发明的热组件控制装置包括用于在自持模式期间监测散热部件的温度的温度传感器，并且当温度接近或超过离网模式上阈值时，热组件控制装置被致动以在冷却剂回路中暂时包括主动冷却器，直到温度已经下降到可接受的水平。随后，热组件控制装置被致动以再次将主动冷却器从冷却剂回路中排除。在自持模式期间，可以根据需要经常重复主动冷却器的该“接通”和“断开”，以便在避免过高的部件温度的同时收集尽可能多的热能。

停机时间或静止状态可延长，延长超过机舱内部可由自持模式期间“收集”的释放热能变暖的时间。在风力涡轮机能够在稍后的时间恢复操作之前，可能需要升高机舱内的温度，例如为了降低机舱内的相对湿度。这可以通过升高冷却剂的温度并将加热的冷却剂泵送通过回路来实现。为此，热组件优选地包括加热器，例如电加热器，其被布置成在冷却剂回路处引导热量。加热器可以由备用电池、柴油发电机或任何其他合适的电源供电。风力涡轮机通常设计成包括这种加热器装置。本发明的热组件可以利用这种加热器装置的功能。在优选实施例中，本发明的方法包括在自持模式期间致动加热器以进一步升高冷却剂的温度的步骤。优选地，在自持模式期间，仅在向风力涡轮机中的其他消耗装置负载供电之后存在足够的可用电力的情况下才打开加热器。本地消耗装置可以是风力涡轮机计算机和控制系统、连接到风电场控制器的通信系统等中的任何一者。

“收集”热能并随后将其释放到机舱内部的能力可以意味着辅助加热器及其电源可以具有较小的规格，即其容量可以低于相当的风力涡轮机的辅助加热器。例如，代替必须提供相对大容量的加热器和相应的备用电池，这些可以被实现为具有较低的容量。

为此，本发明的方法优选地包括监测机舱环境值并且当环境值接近阈值水平时激活加热器以加热冷却剂的步骤。机舱环境值可以是机舱内部的温度。替代地或另外，机舱环境值可以是机舱内部的相对湿度。

附图说明

本发明的其他目的和特征将从结合附图考虑的以下详细描述中变得显而易见。然而，应当理解的是，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义。

图1示出了风力涡轮机的各种操作模式；

图2示出了在正常操作模式期间本发明的热组件的实施例；

图3示出了在离网操作模式期间的图2的热组件；

图4示出了在另外的离网操作模式期间的图2的热组件；

图5示出了本发明的热组件的实施例的控制装置；

图6示出了具有本发明的热组件的实施例的风力涡轮机；

图7示出了图6的风力涡轮机的温度发展；

图8示出了具有现有技术冷却装置的风力涡轮机。

在各个图中，相同的标号始终表示相同的对象。各个图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示出了本文所讨论的类型的风力涡轮机的各种操作模式。当风速在一定范围内(在下限V_min和上限V_max之间)时，风力涡轮机能够发电。如果风力涡轮机连接到电网，则它可以将该电力输出到电网。当两种条件都适用时，风力涡轮机处于其在网操作模式或“正常”操作模式M_exp。

如果风速大于上限V_max，则将风力涡轮机置于空转模式以便避免损坏，并等待改善天气条件。

如果即使风速处于V_min-V_max范围内风力涡轮机也与电网断开连接，或者如果风力涡轮机空转，则风力涡轮机处于模式M_self，在该模式中，风力涡轮机产生用于其自身需要的电力。在该模式中，风力涡轮机被称为“自持式涡轮机”或SST，并且该操作模式被称为“自持式模式”。

如果风速小于下限V_min，则风力涡轮机被置于模式M_wait，在该模式中，风力涡轮机等待获得风（风速增加，pick up）。

本发明的方法提供了一种通过如下措施来改善在风力涡轮机离网或空转时机舱内部的条件的方式：采取措施以避免在风速下降到最小接入速度以下的情况下的问题。借助于以下各图来解释该方法，这些图示出了用于风力涡轮机的本发明的热组件1的实施例。

如图2中所示，热组件1包括马达驱动的冷却剂泵10P，其使液体冷却剂循环通过布置在各种部件中或各种部件附近的冷却剂回路10的管道或导管。热的部件之间的热传递通过为这些部件配备被动热交换器23X、24X并且将这些部件包括在冷却剂回路10中来完成。然后将冷却剂液体(例如水/乙二醇混合物)输送到主动冷却器11，例如布置在机舱的外部20_ext的液体-空气热交换器11。液体冷却剂从主动冷却器11返回到泵10P以完成回路10。

热组件1包括可由控制器(未示出)致动的三通阀3PV。当三通阀3PV处于第一位置V1时，主动冷却器11包括在冷却剂回路10中，并且冷却剂通过冷却剂泵10P在该主路径P1中循环。主路径P1是当风力涡轮机操作且向电网输出电力时在正常模式M_exp期间的默认冷却剂路径。

图3示出了在离网操作模式M_self期间的热组件1，在该离网操作模式中，风力涡轮机针对其自身的需求发电。在这种状态下，三通阀3PV位于第二位置V2中，所述第二位置将主动冷却器11从冷却剂回路10中排除。这里，液体冷却剂沿旁通路径P2返回到冷却剂泵10P。在这种状态下，冷却剂不经过主动冷却器11，并且其温度不能被主动冷却器11降低。代替冷却散热部件，所耗散的热量H被存储在热组件1的冷却剂回路10中。由于泵10P仍然是主动式的，所以冷却剂液体被热部件逐渐加热。冷却剂液体被有效地用于存储热能H。允许部件的温度升高超过正常模式上阈值。然而，部件的温度可能达到离网模式上阈值，在这种情况下，可能需要引导冷却剂液体通过主动冷却器11。如图5中所示，几个温度传感器181中的一者可以报告散热部件的温度值181V，例如功率转换器中的温度。在正常模式操作M_exp期间，热组件1被调节以确保部件的温度不超过正常模式上阈值T_max。在自持操作模式M_self期间，允许部件的温度上升超过正常模式上阈值T_max，朝向离网模式上阈值T_{max_self}。如果报告的温度181V大于这种离网模式上阈值T_{max_self}，则通过使三通阀3PV返回到其第一位置V1，热交换器11被暂时包括在冷却剂回路10中。然后，冷却剂液体的温度和热部件的温度可以通过主动冷却器11降低。当部件的温度已经降低足够量时，通过将三通阀3PV置于其旁通位置V2，再次将热交换器11从冷却剂回路10中排除。只要风力涡轮机在这种自持离网模式M_self下操作，就可以根据需要重复进行这些调节。可以为每个散热部件定义适当的阈值温度值。替代地，可识别最佳地表示风力涡轮机的散热部件的可接受温度水平的单个“正常模式”上阈值和单个离网模式上阈值T_{max_self}。

该图还示出了电加热器19。其可以被打开以在自持操作模式M_self期间进一步升高冷却剂流体的温度。如上文所解释的，加热器19仅在风力涡轮机产生比其自身需求所需的电力更多的电力时才被打开。

图4示出了在离网操作模式M_wait期间的热组件1，在该离网操作模式中，风力涡轮机不能针对其自身的需求发电。在这种状态下，内部功耗被降低到最小，以便避免风力涡轮机的备用电源的不必要的损耗。由于在这种状态下不需要冷却剂泵，所以冷却剂泵被关闭。该状态遵循状态M_self，其中热组件1已经存储了来自如上文在图3中所述的操作部件的热能H。该“存储的热能”H随着冷却剂温度的下降而逐渐释放。热量H到机舱内部20_int中的逐渐释放降低了机舱温度下降的速率，并且还降低了相对湿度增加的速率。

如图5中所指示的，几个温度传感器181中的一者可以用于连续地报告机舱内部20_int中的温度。如果这降到最小阈值，则可以开启电加热器19以升高冷却剂流体的温度。为了使加热的流体循环，再次接通冷却剂泵。控制器180可以是用于热组件1的专用控制器，或者可以是风力涡轮机控制器。在该示例性实施例中，控制器180还可以监测由湿度计182报告的相对湿度182V，并且可以相应地产生控制信号，例如如果在将风力涡轮机重新连接到电网之前相对湿度182V太高，则产生用于致动加热器的控制信号。

图6示出了机舱20安装在塔架22顶部的风力涡轮机2的简化示意图。风力涡轮机2的各种部件23、24在操作期间产生大量的热。该图以示例的方式指示了功率转换器23和变压器24。这些和/或其他散热部件由冷却剂回路冷却。为此，马达驱动的泵10P确保液体冷却剂通过连接到散热部件23、24的热交换器23X、24X的管道或导管被循环。被加热的液体继续到延伸到机舱外部20_ext的主动冷却器11，并且该主动冷却器成形为允许被加热的冷却剂被在机舱20上方移动的气流W冷却。被冷却的液体返回到泵10P以完成回路。在自持操作模式M_self期间，主动冷却器11从冷却剂回路10被排除，从而由热部件23、24释放的热能被收集并存储在冷却剂中，而不是作为废热被释放到外部20_ext。在自持模式M_self期间，允许部件23、24的温度上升到上限之上，当风力涡轮机处于操作并且向电网输出电力时，该上限将通常在正常模式M_exp期间适用。

图7示出了现有技术的风力涡轮机冷却回路5。与上面的图6类似，该图示出了当风力涡轮机2处于操作时由冷却回路5冷却的功率转换器23和变压器24。当风力涡轮机2处于正常操作模式M_exp (向电网输出电力)时，冷却回路5用于冷却所有散热部件23、24。这些散热部件23、24以与当风力涡轮机2处于自持模式M_self (在与电网断开连接时发电)时相同的方式被冷却。没有尝试存储热量以备以后使用。因此，当风力涡轮机2不能发电时，机舱20内的温度会下降到非常低的水平，例如低于冰点。在某个时间，允许将风力涡轮机2再次连接到电网。如果所有内部部件都被额定用于极冷和高湿度，则涡轮机可以在没有初始加热和干燥阶段的情况下启动。如果不是，则在风力涡轮机能够恢复正常操作之前，必须打开加热器以升高机舱内部20_int中的温度。在这个时间，这可能是可观的，风力涡轮机2不能输出电力。

图8示出了图6的风力涡轮机的机舱内部 (由本发明的热组件1冷却)的示例性温度发展T1，以及图8的风力涡轮机的机舱内部(由现有技术的冷却装置5冷却)的示例性温度发展T5 。直到时间t₀，风力涡轮机处于正常操作模式M_exp，向电网输出电力。在每种情况下，热组件1和现有技术的冷却装置5确保部件被冷却，并且机舱内部温度可以处于标称水平T_{20_OK}。在时间t0，风力涡轮机离网并进入自持模式M_self。在时间t₂，风力涡轮机离开自持模式M_self并进入等待模式M_wait。由现有技术的冷却装置冷却的风力涡轮机的机舱内部的温度发展T5在自持模式M_self期间保持在低水平T_{20_OK}，而在等待模式M_wait期间稳定下降。一旦温度已经下降到最小阈值T_{20_min}以下，则将有必要在将风力涡轮机重新连接到电网之前主动加热机舱内部。这可能花费很长时间，在此期间风力涡轮机不能向电网输出电力。

相反，通过排除主动冷却器并允许热量积聚在冷却剂液体中，允许在配备有本发明的热组件的风力涡轮机的机舱内部中的温度发展T1在自持模式M_self期间升高。当风力涡轮机进入等待模式M_wait时，所收集的热量被释放到机舱内部。机舱温度下降到最小阈值T_{20_min}需要明显更长的时间。在该时间点之前，风力涡轮机可以被允许重新连接到电网，在这种情况下，风力涡轮机可以直接恢复操作，因为不需要加热机舱内部。

该图还示出了进一步的控制步骤。在时间t₁，部件的温度可达到如上文所解释的上阈值，并且机舱内部被加热到温度T_{20_max}。为了避免部件温度的进一步升高，三通阀3PV被致动以将主动冷却器11包括在冷却剂回路10中。

尽管已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变型。

为了清楚起见，要理解的是，在本申请中通篇使用的“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。

Claims (14)

1.一种在离网模式(M_self, M_wait)下操作风力涡轮机(2)的方法，所述风力涡轮机(2)包括热组件(1)，所述热组件具有外部液体-空气热交换器(11)，所述外部液体-空气热交换器被布置成降低冷却剂回路(10)中的液体冷却剂的温度，所述冷却剂回路(10)被布置成在所述风力涡轮机(2)的操作期间将所述液体冷却剂输送到机舱内部(20_int)中的多个散热部件(23, 24)；

所述方法的特征在于以下步骤：

-将所述外部液体-空气热交换器(11)从所述冷却剂回路(10)中排除；

-在第一离网模式(M_self)期间存储由所述多个散热部件(23, 24)耗散的热能(H)，在所述第一离网模式期间，所述风力涡轮机(2)被操作以产生用于其自身消耗的电力；

以及

-在第二离网模式(M_wait)期间将所存储的热能(H)释放到所述机舱内部(20_int)，在所述第二离网模式期间，所述风力涡轮机(2)不发电。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一离网模式(M_self)期间，允许所述散热部件的温度上升超过正常模式上阈值(T_max)。

3. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括如下步骤：在所述第一离网模式(M_self)期间在散热部件(23, 24)的温度超过离网模式上阈值(T_{max_self})时，将所述外部液体-空气热交换器(11)包括在所述冷却剂回路(10)中。

4. 根据权利要求3所述的方法，其中，当所述散热部件(23, 24)的温度下降到低于所述离网模式上阈值(T_{max_self})时，所述外部液体-空气热交换器(11)再次被从所述冷却剂回路(10)中排除。

5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括监测机舱环境值(181V, 182V)并且当所述环境值(181V, 182V)接近阈值水平时操作加热器(19)以加热所述冷却剂的步骤。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述机舱环境值包括机舱内部温度(181V)和/或机舱内部相对湿度(182V)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使用在所述第一离网模式(M_self)期间产生的过剩电力来操作所述加热器(19)的步骤。

8.一种风力涡轮机(2)的热组件(1)，包括：

-外部液体-空气热交换器(11)，其被布置成降低冷却剂回路(10)中的液体冷却剂的温度，所述冷却剂回路(10)被布置成在所述风力涡轮机(2)的操作期间将所述液体冷却剂输送到机舱内部(20_int)中的多个散热部件(23, 24)；

以及

-热组件控制装置(18)，其被实现为在所述风力涡轮机(2)使用根据权利要求1至7中任一项所述的方法操作时的离网模式(M_self, M_wait)期间将所述外部液体-空气热交换器(11)从所述冷却剂回路(10)中排除。

9.根据权利要求8所述的热组件，其中所述热组件控制装置(18)包括具有默认位置(V1)和旁通位置(V2)的三通阀(3PV)，在所述默认位置中，所述冷却剂回路(10)由通过所述外部液体-空气热交换器(11)的主路径(P1)完成，在所述旁通位置中，所述冷却剂回路(10)由旁通路径(P2)完成。

10. 根据权利要求8至9中任一项所述的热组件，其中所述热组件控制装置(18)包括控制器(180)，以在所述风力涡轮机(2)进入离网操作模式(M_self, M_wait)时将所述三通阀(3PV)致动至其旁通位置(V2)。

11. 根据前述权利要求8至10中任一项所述的热组件，其中所述热组件控制装置(18)包括用于监测散热部件(23, 24)的温度的温度传感器(181)。

12.根据前述权利要求8至11中任一项所述的热组件，包括具有电加热器(19)的加热装置，所述电加热器被布置成升高所述冷却剂回路(10)中的液体冷却剂的温度。

13.一种风力涡轮机(2)，包括根据权利要求8至12中任一项所述的热组件(10)。

14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中，所述外部液体-空气热交换器(11)布置在所述机舱(20)的外部(20_ext)。

Images