[发明专利]用于控制涡轮叶片的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C§119(e)要求2007年11月1日提交的美国临时专利申请No.61/001,443的优先权，在美国临时专利申请在此并入作为参考。

技术领域

本发明涉及具有一个或多个叶片的风力或水力涡轮机，尤其涉及叶片的桨距角(pitch angel)的电气致动。更具体地，本发明涉及对于叶片的桨距角的应急控制。

背景技术

叶片桨距角的动态控制在涡轮机上用作总体控制系统的一部分，以调节转子转速和转矩。还采用技术以响应于转子扫掠区域内随时间变化的流动速度条件而调节叶片，以便减轻各种冲击和疲劳载荷。在涡轮控制和载荷缓和方法中还考虑流体密度的变化、以及与涡轮几何形状相关的因素。

测量和控制技术的发展导致相对于改变由涡轮叶片产生的功率和转子转矩的增强的动态响应能力。由于增强的响应能力使涡轮功率调节更彻底的优化成为可能并改善各种冲击和疲劳载荷缓和的效率，所以利用叶片变桨控制(pitch control)的现代涡轮机通过叶片变桨致动器继续受益于增强动态响应能力。

在风力涡轮机的情况下，叶片变桨控制通过如下方式提供重要的安全功能：通过提供装置，以使叶片移动来用作气动制动器，从而停止涡轮机。否则，不能停止涡轮机，并且这样的失控可导致机器的灾难性故障、并潜在地成为生命和财产的安全隐患。为了安全的原因，变桨系统设计必须能够承受住任何可能的单点故障或共模故障，并且由此没有超过一个未能达到气动“安全”的叶片、或顺桨(feather)位置。

图1是现有技术的DC叶片控制系统的示意性框图。为了满足该安全要求，已知利用机械电刷换向将具有DC电机的电气变桨系统用于叶片变桨致动和控制。在图1所示的简化的示例的这些设计中，诸如IGBT或MOSFET H-Bridge或图腾柱电路的功率转换电子设备被用于调节至电机的电压或电流。通过反馈传感器与电子控制处理器和软件的组合以多种方式中的一种方式测量和控制叶片位置。目的是，与调节电机转速和转矩的功率转换元件相结合的这些控制导致叶片在时间上的各时刻处具有预期的运动状态。

通常，在变桨系统或涡轮控制系统的电子控制出现故障的情况下启动单独防故障的安全系统，以防止系统的继续操作。例如，该安全系统通过机电装置使包含于DC电源中所储存的能量直接连接至DC电机。电机运转，以使叶片沿气动顺桨位置的方向行进，并停止在气动顺桨位置。对于各涡轮叶片存在一个单独的独立安全系统。停止位置由机械联接在叶片与电机之间的位置指示开关控制。这些限位开关使所储存的能量与变桨电机在机械电气上断开，并从防故障制动器释放功率，以停止叶片的俯仰运动。

机械换向DC电机解决方案至少存在两点限制。在任何电机技术的情况下，转矩与惯性之间的关系定义了电机及其驱动的整个系统的最大加速能力。在DC电机的情况下，惯性相对于转矩趋向于更高，由此系统的加速度实质上由电机惯性本身限制。该加速度限制为变桨致动器设置了总体动态响应。

DC电机中的机械电刷是维护项目，并且可能需要不时更换。变桨致动器动态响应不断增加的需求趋向于对电机电刷和换向器的长使用寿命产生消极影响。

AC系统克服以上DC机械换向系统的限制中的一个或两者。为了实现作为伺服机构，电气地换向AC电机，并且同样地，AC电机没有电刷。尽管AC异步电机具有与DC电机操作的机器相当的系统加速度限制，但永磁AC同步电机消除了电刷，并且比较起来具有非常高的转矩惯性比，并且原则上能够明显增强变桨致动器的动态响应能力。

现有的AC系统电机控制需要三相电力桥形式的IGBT或MOSFET的功率转换、电子设备和传感器，以测量位置，并对输送至转动或静止的电机的多相功率换向。微处理器用于执行换向功能，并将转换或电流控制命令输送至三相桥，使得被驱动的电场相对于电机的磁场具有合适的角度。

图2是现有技术的无刷电机叶片控制系统的示意性框图。为简单起见，在图2中未示出变桨系统的所有功能或元件。用于变桨控制的典型的AC电机致动器系统的主要缺点是其从安全系统立场上的实质弱点。例如，正常操作和安全操作共用相同的相对复杂的硬件和软件，导致下列问题：

1.对于单独的叶片安全系统而言，用于硬件的非常高的零件数导致固有较低的可靠性；

2.安全电路不合需要的高度复杂性导致可靠性损失；

3.在微处理器功能性、应用软件实现、以及第三方编辑器和编译器软件工具中对于所有的叶片而言潜在的共模故障。