專利名稱：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，特別是一種具有分散式控制功能與備援能力的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，為了達(dá)到節(jié)能減碳與能源自主的目標(biāo)，可再生能源的運(yùn)用已成為備受關(guān)注的焦點(diǎn)，而風(fēng)力發(fā)電也是其中之一。以風(fēng)力資源的含量進(jìn)行比較，海上風(fēng)力資源較豐富，反之陸域風(fēng)力資源較少，且使用限制條件較多，因此許多擁有海岸線的工業(yè)化國家已大力投入離岸風(fēng)能的開發(fā)，除了在離岸建造大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)之外，也持續(xù)針對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行改良研究。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)有兩種主要的控制手段，分別為調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及調(diào)整葉片角度。前者用以在額定風(fēng)速以下對風(fēng)能進(jìn)行最佳功率追蹤，后者用以在額定風(fēng)速以上對風(fēng)能進(jìn)行功率限制。另外，葉片角度的調(diào)節(jié)方式包括被動失速(passive stall)、主動失速(active stall)以及變槳調(diào)節(jié)(pitch regulation)等方式,其中變槳調(diào)節(jié)的控制方式可依據(jù)風(fēng)速來調(diào)整葉片槳距(Pitch angle)，且搭配變速發(fā)電機(jī)所組合而成的風(fēng)力控制系統(tǒng)具有最高的可控性，因此已普遍應(yīng)用在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，而此類風(fēng)力發(fā)電機(jī)又可稱為可變速可變獎距(Variable-Speed Pitch-Regulated, VSPR)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。當(dāng)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)作時(shí)，葉片(blade)與輪轂(hub)均會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，中央控制器(central controller)執(zhí)行速度控制與槳距控制的計(jì)算后,產(chǎn)生變換器命令(converter command)與變槳距命令(pitch command),并分別輸出給電力變換器(power converter)以及輪轂控制器(hub controller),以達(dá)成變速與調(diào)節(jié)變槳的目的。由于中央控制器與變換器可設(shè)置在機(jī)艙(nacelle)，兩者之間的信號傳遞并無太大困難。相對地，輪轂控制器設(shè)置在輪轂內(nèi)，且輪轂與機(jī)艙以直接或間接的方式耦合。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)作時(shí)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的輪轂無法以固定的導(dǎo)線連接至機(jī)艙。據(jù)此，機(jī)艙與輪轂之間可設(shè)置滑環(huán)(slip-ring)裝置，用以在轉(zhuǎn)動的輪轂與固定的機(jī)艙之間進(jìn)行變槳距命令的信號傳輸。待輪轂控制器接收到變槳距命令并傳遞至槳距控制系統(tǒng)，槳距控制系統(tǒng)可控制葉片旋轉(zhuǎn)至指定角度。由此可知，輪轂控制器傳遞至槳距控制系統(tǒng)的變槳距命令僅來自中央控制器，也即輪轂控制器只能傳遞變槳距命令，不能自行產(chǎn)生變槳距命令。此外，在中央控制器與輪轂控制器的連結(jié)中扮演重要角色的滑環(huán)裝置，容易因磨耗或物理環(huán)境的污染等問題而產(chǎn)生損毀，此時(shí)輪轂控制器將因?yàn)闊o法接收來自中央控制器的變槳距命令而失去運(yùn)作能力。另外，此類大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多設(shè)置于離岸地區(qū)，一旦發(fā)生故障，可能面臨維修所需的人力物力運(yùn)輸不易或成本較高等問題，延遲搶修的機(jī)會。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，用以提供風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)作與備援(redundancy)的功能。為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),包括一機(jī)艙、一發(fā)電機(jī)、一中央控制模塊、一葉輪、一傳動模塊、一轉(zhuǎn)速感測模塊、至少一變槳驅(qū)動模塊以及一輪轂控制器。發(fā)電機(jī)設(shè)置于機(jī)艙內(nèi)。中央控制模塊也設(shè)置于機(jī)艙內(nèi)，用以接收發(fā)電機(jī)的一第一轉(zhuǎn)速信號，并且輸出相應(yīng)的一第一變槳距命令。葉輪具有一輪轂以及連接輪轂的至少一葉片。每一葉片分別連接至少一變槳驅(qū)動模塊中的一或多個。傳動模塊連接于發(fā)電機(jī)與葉輪之間。轉(zhuǎn)速感測模塊系設(shè)置于輪轂內(nèi)以感測輪轂的轉(zhuǎn)速，并輸出相應(yīng)的一第二轉(zhuǎn)速信號。輪轂控制器設(shè)置于輪轂內(nèi)，并耦接至輪轂內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊以及變槳驅(qū)動模塊。輪轂控制器適于接收第一變槳距命令，并且依據(jù)通信協(xié)議(communication protocol)判斷第一變槳距命令是否正常，其中若第一變槳距命令正常，則輪轂控制器傳遞第一變槳距命令至變槳驅(qū)動模塊，以供變槳驅(qū)動模塊控制至少一葉片的槳距，而若第一變槳距命令不正常，則輪轂控制器依據(jù)第二轉(zhuǎn)速信號計(jì)算出相應(yīng)的一第二變槳距命令，并將第二變槳距命令輸出至變槳驅(qū)動模塊，以供變槳驅(qū)動模塊控制至少一葉片的槳距。上述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該中央控制模塊包括一中央控制器以及一電力變換器，且電力變換器耦接于發(fā)電機(jī)與中央控制器之間。上述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該傳動模塊包括一齒輪箱。上述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還包括一滑環(huán)裝置，連接于中央控制模塊與輪轂控制器，用以傳遞第一變槳距命令至輪轂控制器。上述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該變槳驅(qū)動模塊包括一電動機(jī)、一齒輪箱以及一驅(qū)動器，其中齒輪箱耦合于電動機(jī)與至少一葉片之間，驅(qū)動器適于接收第一變槳距命令或第二變槳距命令，用以驅(qū)動電動機(jī)并經(jīng)由齒輪箱來控制至少一葉片的槳距。上述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)速感測模塊包括一轉(zhuǎn)速感測器。上述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),該轉(zhuǎn)速感測器包括一測速發(fā)電機(jī)(tacho-generator)。上述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)速感測模塊包括一轉(zhuǎn)角感測器以及一固件，其中固件搭配轉(zhuǎn)角感測器以輸出第二轉(zhuǎn)速信號。上述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)角感測器包括一旋轉(zhuǎn)變壓器(resolver)或一編碼器(encoder)。本發(fā)明的技術(shù)效果在于:本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通過輪轂控制器依據(jù)通信協(xié)議判斷所接收的第一變槳變槳距命令是否正常，并利用輪轂內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊感測輪轂轉(zhuǎn)速，輸出相應(yīng)的第二轉(zhuǎn)速信號。當(dāng)輪轂控制器依據(jù)通信協(xié)議判斷第一變槳距命令正常時(shí)，輪轂控制器可將第一變槳距命令傳遞至變槳驅(qū)動模塊。當(dāng)輪轂控制器依據(jù)通信協(xié)議判斷第一變槳距命令不正常時(shí)，輪轂控制器可依據(jù)第二轉(zhuǎn)速信號計(jì)算出第二變槳距命令并傳遞至變槳驅(qū)動模塊。據(jù)此，無論中央控制模塊所輸出的第一變槳距命令是否能通過滑環(huán)裝置傳遞至輪轂控制器，輪轂控制器都可傳遞一變槳距命令至變槳驅(qū)動模塊，使變槳驅(qū)動模塊得以控制至少一葉片的槳距，也即輪轂控制器可獨(dú)立運(yùn)作并產(chǎn)生變槳距命令，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有分散式控制功能與備援能力。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的不意圖；圖2是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在滑環(huán)裝置處的示意圖；圖3是圖1的葉輪的分解示意圖；圖4是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的方塊圖；圖5是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在中央控制模塊處的示意圖；圖6是圖1的風(fēng)力發(fā) 電系統(tǒng)的第一變槳距命令傳遞方式的示意圖；圖7是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在槳距控制單元處的示意圖；圖8是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的第二變槳距命令傳遞方式的示意圖；圖9是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在輪轂內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊處的示意圖；圖10是本發(fā)明另一實(shí)施例的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在輪轂內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊處的示意圖；圖11是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在變槳驅(qū)動模塊處的示意圖；圖12是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速信號與變槳距命令的傳遞流程圖。其中，附圖標(biāo)記100風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)110機(jī)艙120發(fā)電機(jī)130中央控制模塊132中央控制器134電力變換器136、182槳距控制單元140葉輪142 輪轂144、144a、144b、144c 葉片150傳動模塊152齒輪箱160轉(zhuǎn)速感測模塊162轉(zhuǎn)速感測器164a轉(zhuǎn)角感測器164b固件166固定架170、170a、170b、170c 變槳驅(qū)動模塊172 電動機(jī)174齒輪箱176驅(qū)動器180輪轂控制器190滑環(huán)裝置192轉(zhuǎn)動端192a、194a連接器194固定端194b 電刷196 轉(zhuǎn)軸196a導(dǎo)電環(huán)col第一轉(zhuǎn)速信號Co 2第二轉(zhuǎn)速信號0 1第一變槳距命令0 2第二變槳距命令
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述:圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。本實(shí)施例的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100包括機(jī)艙110、發(fā)電機(jī)120、中央控制模塊130、葉輪140、傳動模塊150、轉(zhuǎn)速感測模塊160、至少一變槳驅(qū)動模塊170、輪轂控制器180以及滑環(huán)裝置190。發(fā)電機(jī)120、中央控制模塊130以及傳動模塊150設(shè)置于機(jī)艙110內(nèi)。葉輪140具有輪轂142以及連接輪轂142的多個葉片144。本實(shí)施例的葉片數(shù)量為三個，包括葉片144a、144b、144c。傳動模塊150包括一齒輪箱152，以直接或間接方式耦合于發(fā)電機(jī)120與葉輪140之間。在本實(shí)施例中，齒輪箱152可為一變速齒輪箱，具有一轉(zhuǎn)速比，使得發(fā)電機(jī)120的轉(zhuǎn)速與葉輪140的轉(zhuǎn)速存在特定的比值。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100運(yùn)作時(shí)，葉輪140呈現(xiàn)轉(zhuǎn)動狀態(tài)，以通過傳動模塊150帶動發(fā)電機(jī)120發(fā)電。此外，圖2為本實(shí)施例圖1的滑環(huán)裝置190的示意圖。為了在葉輪140處于轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下，使得設(shè)置在轉(zhuǎn)動的輪轂142內(nèi)的輪轂控制器180與設(shè)置在機(jī)艙110內(nèi)的中央控制模塊130得以進(jìn)行數(shù)據(jù)與電源信號的傳遞，本實(shí)施例通過滑環(huán)裝置190來耦接葉輪140的輪轂142與機(jī)艙110?；h(huán)裝置190的轉(zhuǎn)動端192連接輪轂142，且轉(zhuǎn)動端192上設(shè)有連接器192a，用以電連接輪轂控制器180。此外，滑環(huán)裝置190的固定端194固定于機(jī)艙110，且固定端194上設(shè)有連接器194a，用以電連接中央控制模塊130。轉(zhuǎn)動端192連接的轉(zhuǎn)軸196設(shè)置于固定端194內(nèi)，可相對于固定端194轉(zhuǎn)動,且固定端194具有電刷(brushes) 194b,用以與轉(zhuǎn)軸196上的導(dǎo)電環(huán)196a接觸，并傳遞數(shù)據(jù)與電源信號。轉(zhuǎn)動端192的連接器192a電連接至導(dǎo)電環(huán)196a,而固定端194的連接器194a電連接至電刷(brushes) 194b。如此,便可在葉輪140轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下通過滑環(huán)裝置190來傳遞輪轂控制器180與中央控制模塊130之間的數(shù)據(jù)與電源信號。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，中央控制模塊130執(zhí)行速度控制與槳距控制的計(jì)算，并且經(jīng)由輪轂控制器180來驅(qū)動變槳驅(qū)動模塊170，以調(diào)節(jié)葉片144a 144c的槳距。圖3是圖1的葉輪的分解示意圖。如圖3所示，本實(shí)施例對應(yīng)于葉片的數(shù)量可以設(shè)置多個變槳驅(qū)動模塊，例如包括分別連接至葉片144a 144c的變槳驅(qū)動模塊170a 170c,以接受來自輪轂控制器180的變槳距命令并分別驅(qū)動相應(yīng)的葉片144a 144c。雖然本實(shí)施例是以各自對應(yīng)的三組葉片144a 144c與變槳驅(qū)動模塊170a 170c為例進(jìn)行說明，但實(shí)際上本發(fā)明并不限制葉片144與變槳驅(qū)動模塊170的數(shù)量與配置。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可采用一或多個變槳驅(qū)動模塊來驅(qū)動一個葉片。圖4是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的方塊圖。圖5是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在中央控制模塊處的示意圖。請同時(shí)參考圖1、圖4及圖5，在本實(shí)施例中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100正常運(yùn)作時(shí)，設(shè)置在機(jī)艙110內(nèi)的中央控制模塊130接收來自發(fā)電機(jī)120的一第一轉(zhuǎn)速信號《1。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100可通過調(diào)整葉片144的變槳進(jìn)行風(fēng)能的功率限制。具體的變槳調(diào)節(jié)方法為在中央控制模塊130中內(nèi)建一槳距控制(pitch control)單元136,以接收轉(zhuǎn)速信號并計(jì)算相應(yīng)的變槳距命令。中央控制模塊130設(shè)置于機(jī)艙110內(nèi)，包括一中央控制器132以及一電力變換器134，且電力變換器134耦接于發(fā)電機(jī)120與中央控制器132之間。請參考圖4及圖5，中央控制器132接收第一轉(zhuǎn)速信號《 I后，經(jīng)由中央控制器132內(nèi)的槳距控制單元136計(jì)算出相應(yīng)的一第一變槳距命令0 1，并通過滑環(huán)裝置190傳遞至設(shè)置在旋轉(zhuǎn)的葉輪140中的輪轂控制器180。此外，中央控制器132也會傳遞一變換器命令至電力變換器134。圖6是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的第一變槳距命令傳遞方式的示意圖。承上所述，中央控制器132經(jīng)由滑環(huán)裝置190傳遞第一變槳距命令0 I至輪轂控制器180后，輪轂控制器180可依據(jù)通信協(xié)議判斷第一變槳距命令e I的傳遞是否正常。若第一變槳距命令91正常，則輪轂控制器180傳遞第一變槳距命令0 I至各變槳驅(qū)動模塊170a 170c以分別控制相應(yīng)的葉片144a 144c的槳距。
然而，當(dāng)?shù)谝蛔儤嗝? I不正常時(shí)，即表示輸出變槳距命令的中央控制模塊130或者傳遞變槳距命令的滑環(huán)裝置190產(chǎn)生問題。因此，本實(shí)施例將轉(zhuǎn)速感測模塊160設(shè)置于輪轂142內(nèi)，并以固定架166固定于輪轂142的機(jī)構(gòu)上，如圖1所示，可感測輪轂142的轉(zhuǎn)速，并輸出相應(yīng)的一第二轉(zhuǎn)速信號《2至輪轂控制器180。轉(zhuǎn)速感測模塊160感測輪轂142的轉(zhuǎn)速并輸出第二轉(zhuǎn)速信號《 2，而第二轉(zhuǎn)速信號《2與第一轉(zhuǎn)速信號《 I具有一比例關(guān)系。如前所述，齒輪箱152的設(shè)置使得發(fā)電機(jī)120的轉(zhuǎn)速與葉輪140的轉(zhuǎn)速存在特定的比值。由于輪轂142設(shè)置在葉輪140側(cè)，可將輪轂142的轉(zhuǎn)速與葉輪140的轉(zhuǎn)速視為等效。據(jù)此，轉(zhuǎn)速感測模塊160感測輪轂142的轉(zhuǎn)速所得的第二轉(zhuǎn)速信號《2與發(fā)電機(jī)120所傳遞的第一轉(zhuǎn)速信號《I之間也存在一比例關(guān)系。當(dāng)輪轂控制器180接收到來自輪轂142內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊160的第二轉(zhuǎn)速信號 2后，可經(jīng)由計(jì)算后輸出一相應(yīng)變槳距命令來取代第一變槳距命令0 1，而使輪轂控制器180可獨(dú)立運(yùn)作與并具有備援能力。詳細(xì)實(shí)施方法將在以下依序描述。詳細(xì)而言，請參考 圖4，當(dāng)輪轂控制器180接收第二轉(zhuǎn)速信號《2后，可經(jīng)由內(nèi)建于輪轂控制器180中的槳距控制單元182，計(jì)算出與第二轉(zhuǎn)速信號《2相應(yīng)的一第二變槳距命令e 2。此槳距控制單元182可由現(xiàn)有的中央控制模塊130內(nèi)的槳距控制單元136直接嵌入。將第二轉(zhuǎn)速信號《2以一比例關(guān)系輸入槳距控制單元182后，計(jì)算而得的第二變槳距命令0 2可視為與第一變槳距命令0 1相等。據(jù)此，當(dāng)?shù)谝蛔儤嗝? 1不正常時(shí)，第二變槳距命令9 2可取代第一變槳距命令0 1，由輪轂控制器180傳遞至各變槳驅(qū)動模塊170，使各變槳驅(qū)動模塊170控制相應(yīng)的葉片144的槳距。據(jù)此，輪轂控制器180可獨(dú)立運(yùn)作與并具有備援能力。關(guān)于槳距控制單元136、182傳遞信號的方式，請參考圖7。圖7是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在槳距控制單元處的示意圖。槳距控制單元136、182可依一額定轉(zhuǎn)速(rated speed)信號與一測量轉(zhuǎn)速(measured speed)信號，其中額定轉(zhuǎn)速信號為一固定設(shè)定值，而測量轉(zhuǎn)速信號是測量實(shí)際轉(zhuǎn)速而得。槳距控制單元136、182將額定轉(zhuǎn)速信號與測量轉(zhuǎn)速信號之間的誤差傳遞至一比例-積分控制器(PI controller)，并通過比例-積分控制器輸出參考槳距(reference pitch angle)至各變槳驅(qū)動模塊170。更具體的說，當(dāng)槳距控制單元136內(nèi)建于中央控制模塊130時(shí)，槳距控制單元136處理一固定設(shè)定值的額定轉(zhuǎn)速信號與經(jīng)由測量發(fā)電機(jī)120實(shí)際轉(zhuǎn)速所得的測量轉(zhuǎn)速信號，此測量轉(zhuǎn)速信號即為第一轉(zhuǎn)速信號《1。槳距控制單元136將額定轉(zhuǎn)速信號與第一轉(zhuǎn)速信號《 I之間的誤差傳遞至比例-積分控制器，并通過比例-積分控制器輸出第一變槳距命令0 I至各變槳驅(qū)動模塊170。反之，當(dāng)槳距控制單元182內(nèi)建于輪轂控制器180時(shí)，槳距控制單元182處理一固定設(shè)定值的額定轉(zhuǎn)速信號與經(jīng)由輪轂142內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊160測量輪轂142實(shí)際轉(zhuǎn)速所得的測量轉(zhuǎn)速信號，此測量轉(zhuǎn)速信號即為第二轉(zhuǎn)速信號《2。槳距控制單元182將額定轉(zhuǎn)速信號與第二轉(zhuǎn)速信號《 2之間的誤差傳遞至比例-積分控制器，并通過比例-積分控制器輸出第二變槳距命令0 2至各變槳驅(qū)動模塊170。由此可知，將槳距控制單元136、182分別內(nèi)建于中央控制模塊130與輪轂控制器180，可使中央控制模塊130與輪轂控制器180都可依據(jù)額定轉(zhuǎn)速信號與測量轉(zhuǎn)速信號計(jì)算出相應(yīng)的變槳距命令，并傳遞至各變槳驅(qū)動模塊170，因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100具有分散控制的能力。圖8是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的第二變槳距命令傳遞方式的示意圖。承上所述，當(dāng)輪轂控制器180依據(jù)通信協(xié)議判斷第一變槳距命令e I不正常，輪轂控制器180接收來自輪轂142內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊160的第二轉(zhuǎn)速信號《2，并通過內(nèi)建的槳距控制單元182計(jì)算出相應(yīng)的第二變槳距命令9 2。輪轂控制器180傳遞第二變槳距命令0 2至各變槳驅(qū)動模塊170，以分別控制相應(yīng)的葉片144的槳距。在本實(shí)施例中，變槳驅(qū)動模塊170a 170c接受來自輪轂控制器180的第二變槳距命令0 2并分別控制相應(yīng)的葉片144a 144c的槳距。關(guān)于轉(zhuǎn)速感測模塊160感測輪轂142轉(zhuǎn)速的方式，可參考圖9。圖9是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在輪轂142內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊處的示意圖。在本實(shí)施例中，輪轂142內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊160可包括一轉(zhuǎn)速感測器162，用以量測輪轂142的轉(zhuǎn)速并輸出第二轉(zhuǎn)速信號《2至輪轂控制器180以驅(qū)動變槳驅(qū)動模塊170，其中轉(zhuǎn)速感測器162可為一轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)。然而，轉(zhuǎn)速感測模塊160也可通過其它方式感測輪轂142的轉(zhuǎn)速，如圖10所示。圖10是本發(fā)明另一實(shí)施例的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在輪轂142內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊處的示意圖。在另一實(shí)施例中，輪轂142內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊160可包括一轉(zhuǎn)角感測器164a以及一固件164b，其中轉(zhuǎn)角感測器164a可為一旋轉(zhuǎn)變壓器或一編碼器，可量測輪轂142的轉(zhuǎn)角變動量與計(jì)算相對轉(zhuǎn)速，并由固件164b輸出第二轉(zhuǎn)速信號《2至輪轂控制器180以驅(qū)動變槳驅(qū)動模塊170。當(dāng)輪轂控制器180傳遞第一變槳距命令0 I，或者接收第二轉(zhuǎn)速信號《2后再輸出第二變槳距命令9 2，輪轂控制器180可將變槳距命令傳送至各變槳驅(qū)動模塊170。圖11是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在變槳驅(qū)動模塊處的示意圖。請參考圖1及圖11，每一變槳驅(qū)動模塊170分別包括一電動機(jī)172、一齒輪箱174以及一驅(qū)動器176。承上所述，輪轂控制器180傳遞變槳距命令至各變槳驅(qū)動模塊170。當(dāng)?shù)谝蛔儤嗝? I正常時(shí)，輪轂控制器180傳遞第一變槳距命令9 1。反之，當(dāng)?shù)谝蛔儤嗝? 1異常時(shí)，輪轂控制器180傳遞第二變槳距命令9 2?？偠灾?，輪轂控制器180傳遞出第一變槳距命令0 1或第二變槳距命令0 2至各變槳驅(qū)動模塊170，而各變槳驅(qū)動模塊170中的驅(qū)動器176可接收來自輪轂控制器180的變槳距命令，并驅(qū)動電動機(jī)172，而齒輪箱174耦合于電動機(jī)172與葉片144之間。在本實(shí)施例中，齒輪箱174可為一減速齒輪箱，用以將葉片144旋轉(zhuǎn)至預(yù)定角度。詳細(xì)而言，變槳驅(qū)動模塊170通過信號傳遞而驅(qū)動變槳的流程可參考圖7。當(dāng)?shù)谝蛔儤儤嗝? 1或第二變槳距命令0 2傳送至各變槳驅(qū)動模塊170后，在變槳驅(qū)動模塊170內(nèi)，由一伺服機(jī)構(gòu)(servomechanism)來執(zhí)行第一變槳距命令Q I或第二變槳距命令0 2，使實(shí)際的葉片變槳能追隨變槳距命令，且其誤差可通過此伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速的修正。每一葉片144a 144c可分別被相應(yīng)的變槳驅(qū)動模塊170a 170c驅(qū)動并調(diào)節(jié)其變槳。當(dāng)葉片144被驅(qū)動并調(diào)整變槳后，變槳驅(qū)動模塊170回傳變槳的量測值至一增益排程控制(gain scheduling control)單元，并回傳一比例增益(proportional gain)至槳距控制單元182內(nèi)的比例-積分控制器，以補(bǔ)償既存的非線性空氣動力(aerodynamic)特性。據(jù)此，各變槳驅(qū)動模塊170可分別控制相應(yīng)的葉片144的槳距。圖12是圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速信號與變槳距命令的傳遞流程圖。請參考圖12，總的來說，在步驟S 1212中，發(fā)電機(jī)120傳送第一轉(zhuǎn)速信號《1。接著如步驟S1214至S1216所示，當(dāng)中央控制模塊130接收第一轉(zhuǎn)速信號《 I后，可計(jì)算出第一變槳距命令0 1，并經(jīng)由滑環(huán)裝置190傳送至輪轂控制器180。然后，在步驟S1218中，輪轂控制器180接收第一變槳距命令0 1，且進(jìn)入一判斷步驟S1220，依據(jù)通信協(xié)議判斷第一變槳距命令0 1是否正常。在步驟S1220中，若第一變槳距命令0 1正常，則如步驟S1222所示，輪轂控制器180傳送第一變槳距命令0 I至各變槳驅(qū)動模塊170。然后，如步驟1230所示，變槳驅(qū)動模塊170接收第一變槳距命令0 I并分別驅(qū)動相應(yīng)的葉片144的槳距。另一方面，倘若步驟S 1220中依據(jù)通信協(xié)議判斷第一變槳距命令e I異常，則進(jìn)入步驟S1224，通過轉(zhuǎn)速感測模塊160感測輪轂142的轉(zhuǎn)速，并傳送相應(yīng)的第二轉(zhuǎn)速信號 2至輪轂控制器180。接著，如步驟S1226所示，輪轂控制器180依據(jù)接收到的第二轉(zhuǎn)速信號《2，計(jì)算出相應(yīng)的第二變槳距命令0 2，并如步驟S1228所示傳遞第二變槳距命令0 2至各變槳驅(qū)動模塊170。最后再如步驟1230所示，變槳驅(qū)動模塊170接收第二變槳距命令
02并分別驅(qū)動相應(yīng)的葉片144的槳距。由此可知，在一般狀態(tài)下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100通過中央控制模塊130接收來自發(fā)電機(jī)120的第一轉(zhuǎn)速信號《1，并輸出相應(yīng)的第一變槳距命令0 I至輪轂控制器180，并經(jīng)由輪轂控制器180傳遞至各變槳驅(qū)動模塊170，以驅(qū)動相應(yīng)的葉片144的變槳，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100可正常運(yùn)作。反之，當(dāng)?shù)谝蛔儤嗝? I無法傳遞至輪轂控制器180時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100可能無法正常運(yùn)作。據(jù) 此，轉(zhuǎn)速感測模塊160感測輪轂142的轉(zhuǎn)速，并傳送相應(yīng)的第二轉(zhuǎn)速信號《2至輪轂控制器180，而輪轂控制器180依據(jù)接收到的第二轉(zhuǎn)速信號《 2，計(jì)算出相應(yīng)的第二變槳距命令9 2，并傳遞至各變槳驅(qū)動模塊170，以驅(qū)動相應(yīng)的葉片144的變槳，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100可正常運(yùn)作。因此，輪轂控制器180具有獨(dú)立運(yùn)作的能力，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100也具有備援的能力，也即在一般情況下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100通過第一變槳距命令01驅(qū)動各變槳驅(qū)動模塊170以控制相應(yīng)的葉片144的槳距，而在第一變槳距命令0 I異常的情況下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100也可通過第二變槳距命令0 2驅(qū)動各變槳驅(qū)動模塊170以控制相應(yīng)的葉片144的槳距，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100可正常運(yùn)作。綜上所述，本發(fā)明提出一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通過在輪轂上設(shè)置轉(zhuǎn)速感測模塊，用以感測輪轂轉(zhuǎn)速，并在輪轂控制器內(nèi)嵌入槳距控制單元，用以在轉(zhuǎn)速感測模塊傳遞轉(zhuǎn)速信號至輪轂控制器時(shí)，計(jì)算出相應(yīng)的變槳距命令。由此可知，本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其輪轂控制器具有獨(dú)立運(yùn)作的能力，可在轉(zhuǎn)速感測模塊的協(xié)助下自行產(chǎn)生變槳距命令，不因中央控制模塊輸出的變槳距命令無法傳遞而使葉片變槳失去控制，進(jìn)而造成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)停止運(yùn)行。此外，無論是接收中央控制模塊的變槳距命令，或是輪轂控制器自行產(chǎn)生變槳距命令，輪轂控制器都可傳遞一變槳距命令至各變槳驅(qū)動模塊，并控制葉片的槳距，因此，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有分散式控制功能與備援能力。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),其特征在于,包括: 一機(jī)艙； 一發(fā)電機(jī)，設(shè)置于該機(jī)艙內(nèi)； 一中央控制模塊，設(shè)置于該機(jī)艙內(nèi)，用以接收該發(fā)電機(jī)的一第一轉(zhuǎn)速信號，并且輸出相應(yīng)的一第一變槳距命令； 一葉輪，具有一輪轂以及連接該輪轂的至少一葉片； 一傳動模塊，連接于該發(fā)電機(jī)與該葉輪之間； 一轉(zhuǎn)速感測模塊，設(shè)置于該輪轂內(nèi)，用以感測該輪轂的轉(zhuǎn)速，并輸出相應(yīng)的一第二轉(zhuǎn)速信號; 至少一變槳驅(qū)動模塊，其中每一葉片分別連接該至少一變槳驅(qū)動模塊中的一或多個；以及 一輪轂控制器，設(shè)置于該輪轂內(nèi)，并耦接至該輪轂內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊以及該變槳驅(qū)動模塊，該輪轂控制器適于接收該第一變槳距命令，并且依據(jù)通信協(xié)議判斷該第一變槳距命令是否正常，其中若該第一變槳距命令正常，則該輪轂控制器傳遞該第一變槳距命令至該變槳驅(qū)動模塊，以供該變槳驅(qū)動模塊控制該至少一葉片的槳距，而若該第一變槳距命令不正常，則該輪轂控制器依據(jù)該第二轉(zhuǎn)速信號計(jì)算出相應(yīng)的一第二變槳距命令，并將該第二變槳距命令輸出至該變槳驅(qū)動模塊，以供該變槳驅(qū)動模塊控制該至少一葉片的槳距。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該中央控制模塊包括: 一中央控制器；以及 一電力變換器，稱接于該發(fā)電機(jī)與該中央控制器之間。
3.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該傳動模塊包括一齒輪箱。
4.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，還包括一滑環(huán)裝置，連接于該中央控制模塊與該輪轂控制器，用以傳遞該第一變槳距命令至該輪轂控制器。
5.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該變槳驅(qū)動模塊包括: 一電動機(jī)； 一齒輪箱，耦合于該電動機(jī)與該至少一葉片之間；以及 一驅(qū)動器，適于接收該第一變槳距命令或該第二變槳距命令，用以驅(qū)動該電動機(jī)并經(jīng)由該齒輪箱來控制該至少一葉片的槳距。
6.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該轉(zhuǎn)速感測模塊包括一轉(zhuǎn)速感測器。
7.如權(quán)利要求6所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該轉(zhuǎn)速感測器包括一測速發(fā)電機(jī)。
8.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該轉(zhuǎn)速感測模塊包括: 一轉(zhuǎn)角感測器；以及 一固件，搭配該轉(zhuǎn)角感測器以輸出該第二轉(zhuǎn)速信號。
9.如權(quán)利要求8所述的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，該轉(zhuǎn)角感測器包括一旋轉(zhuǎn)變壓器或一編碼器。
全文摘要
一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、中央控制模塊、葉輪、傳動模塊、轉(zhuǎn)速感測模塊、變槳驅(qū)動模塊、輪轂控制器以及滑環(huán)裝置。輪轂控制器可接收來自中央控制模塊的第一變槳距命令，亦可通過輪轂內(nèi)的轉(zhuǎn)速感測模塊感測輪轂轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生第二變槳距命令。若第一變槳距命令正常，則輪轂控制器傳遞第一變槳距命令至變槳驅(qū)動模塊。若第一變槳距命令不正常，則輪轂控制器傳遞第二變槳距命令至變槳驅(qū)動模塊。變槳驅(qū)動模塊接收變槳距命令后，可控制至少一葉片的槳距，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得以運(yùn)作。據(jù)此，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有分散式控制功能與備援能力。
文檔編號F03D7/04GK103184975SQ20121006747
公開日2013年7月3日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者桂人杰, 張永源 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院