控制风力涡轮发电机的扭矩的方法和装置

技术领域

本公开涉及一种控制风力涡轮发电机的扭矩的方法和装置。特别是，本公开涉及一种通过位于当地(本地)的电解电池的选择性运行来控制风力涡轮发电机的扭矩的方法和装置。

背景技术

众所周知，氢是一种高效的能量载体，在释放能量时不会产生CO

由诸如风能或太阳能的可再生能源生产的氢是对环境很理想的，因为在其生产过程中不使用化石燃料。以这种方式生产的氢被称为绿色氢。然而，由于风能和太阳能的生产取决于不断变化的环境条件，因此实际上很难利用这些能源高效地生产氢。在电解过程中，氢可能会反向于预期的流动行进，进入氧气流。这一过程被称为氢交叉(hydrogen cross-over)。特别是当电解槽可用的功率较低时(诸如低于电解槽的标称功率的约15％)，产品的流速可能会很低，以至于氢交叉可能导致形成爆炸性气体混合物。这显然是不能容忍的安全隐患，因此在实践中，电解槽不会在低负荷下运行，这意味着潜在有用的绿色能源无法用于生产绿色氢。应该注意的是，可接受的最小标称功率(低于此功率，氢交叉将变得不可接受)变化很大，例如，取决于电解槽技术类型、电极效率、分离器材料、电解液选择、泵(如果有的话)的流速、电解槽的运行模式和压力(干-湿、湿-湿或SOEC)。

一种特别有效的布置是以直流耦合连接方式将电解槽直接连接到风力涡轮发电机的发电机上。这种布置可以潜在地在降低转换器的成本和提高电气效率(因为只需使用较少的电力电子设备)方面提供许多优点。然而，直流耦合概念面临的一个主要挑战是，当电解槽上的电压较低时，通过电解槽的电流将急剧下降，因此发电机的扭矩将显著降低。众所周知，要避免发电机扭矩突然变低，因为这会导致负载不平衡、不希望的噪音以及转子RPM控制不当。这对低风力涡轮机转子RPM下的直流耦合概念提出了巨大挑战。

本发明正是在这一背景下应运而生的。

发明内容

本发明提供了一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括：

支撑机舱的塔架，其中，所述机舱支撑包括转子轮毂和多个转子叶片的转子组件；

位于所述机舱中的电气发电机，其中，所述电气发电机被配置为由所述转子组件驱动；

与所述发电机电气连接的整流器；以及

布置成一个或多个电堆的多个电解电池，其中每个电解电池包括一对电极，并且其中每个电解电池电堆包括多个电气连接器，所述多个电气连接器中的每一个与电解电池的电极电气接触，

其中，所述电气连接器可通过可选择性运行(可选择性操作)的电导体的网络与所述整流器电气连接，所述网络被配置为使部分或全部电解电池可依据所述可选择性运行的电导体的运行条件进行运行。

本发明的风力涡轮机是有利的，因为一个或多个电解槽(电解器)位于风力涡轮机现场，并直接与整流器耦合，从而减少了整流器与电解槽之间的传输功率损耗。

可选地，至少一个电解电池电堆的电气连接器被配置为使得电流可以从多个位置进入(流入)该电堆。

这是有利的，因为可以选择在任意一个时间使用的电解电池的数量，从而可以优化电解槽的运行，使其更好地适应发电机的可用功率。这在可用功率较低时促进至少部分电解电池的运行。此外，还可以更好地控制通过电解槽的电流，从而允许在低功率情况下以及在启动和断电期间更好地控制发电机的扭矩。

至少一个电解电池电堆的电气连接器可以可选地被配置为使得电流可以从多个位置离开(流出)电堆。

其中两个电气连接器(优选地是同一电堆的两个连接器)可以通过旁通线路(诸如可选择性运行的电导体旁通线路)连接，使得电流可以绕过多个电解电池中的至少一个，诸如布置在这两个电气连接器之间的多个电解电池中的至少一个。这使得操作更加灵活，因为在任意一个时间使用的电解电池不仅可以依据电解槽可用的功率，还可以依据电解电池的条件或总使用时间而变化。这有助于避免过度使用电解槽的任何一个区段。

风力涡轮机可以包括单个电解电池电堆，以提供最佳的封装效率。

在一个示例中，可选择性运行的电导体的网络的选择运行性由一个或多个开关控制。这样做是方便的，因为可以容易地运行开关来选择在任意一个时间使用电解槽的哪部分。

可选地，所述一个或多个开关可远程控制，这样操作员就可以位于远离风力涡轮机排污现场本身的位置。

可选地，所述一个或多个开关被配置为由电子控制器控制，这样就可以自动控制在任意一个时间使用电解槽的哪些区段。

风力涡轮机可以包括位于机舱中的电解电池电堆，该位置可使电解电池被放置得尽可能靠近发电机，以减少传输损耗。

在一个示例中，一个或多个电解电池电堆可以位于塔架中或位于外部平台上，以便于进入、维护和安装。

在另一方面中，本发明提供了一种控制风力涡轮发电机的扭矩的方法，所述方法包括：

运行如上所述配置的风力涡轮机；

确定所述发电机的输出特性；以及

依据确定的发电机输出特性，控制所述可选择性运行的电导体的运行，以运行部分或全部电解电池。

可选地，当发电机输出特性满足或超过预定标准时，可以控制可选择性运行的电导体来运行所有电解电池。

可选地，控制可选择性运行的电导体可以包括：当发电机输出特性满足或超过第一预定标准时，控制可选择性运行的电导体以运行第一数量的电解电池，以及当发电机输出特性满足或超过第二预定标准时，控制可选择性运行的电导体以运行第二数量的电解电池，其中第二数量的电解电池多于第一数量的电解电池，并且其中第二预定标准比第一预定标准对应于更高的发电机功率输出。

可以确定每个电解电池或一组电解电池的总运行时间或其他磨损特性，并且选择电解电池的操作可以基于被配置为优先运行总运行时间或其他磨损特性最低的电解电池或一组电解电池的算法。

替代地或附加地，还可以确定每个电解电池或一组电解电池的内阻，并且选择电解电池的操作可以基于被配置为在给定的电流运行点上优先运行内阻最小的电解电池或一组电解电池的算法。

在本申请的范围内，明确的意图是，前文各段、权利要求书和/或以下描述及附图中列出的各方面、实施例、示例和替代方案，尤其是其各个特征，均可独立使用或以任何组合使用。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征可以任何方式和/或组合进行组合，除非这些特征不兼容。申请人保留修改任何原始提交的权利要求或相应地提交任何新的权利要求的权利，包括修改任何原始提交的权利要求以使其从属于任何其他权利要求和/或并入任何其他权利要求的任何特征的权利，尽管原始并未以这种方式提出权利要求。

附图说明

现在将仅以举例的方式，参照附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1显示了风力涡轮机的示意图；

图2显示了风力涡轮机的机舱的内部部件的示意图；

图3显示了风力涡轮发电机与电解槽之间的电气连接的示意图；

图4显示了风力涡轮发电机与电解槽之间的电气连接的替代布置的示意图；

图5显示了风力涡轮发电机与电解槽之间的电气连接的进一步替代布置的示意图；

图6显示了图4所示布置的替代布置；以及

图7显示了图2所示布置的替代布置。

具体实施方式

以下详细描述参照了附图，附图以图示的方式显示了可以在其中实践本发明的具体细节和实施例。对这些实施例的详细描述足以使本领域普通技术人员能够实践本发明。在不偏离所附权利要求书中定义的本发明的范围的情况下，还可以利用其他实施例，并且可以进行结构更改。

现代水平轴风力涡轮机通常包括塔架，塔架支撑着安装转子的机舱。离岸风力涡轮机还可能包括过渡件和位于塔架基底附近的外部平台。

图1显示了风力涡轮机1的示意图。风力涡轮机1包括机舱2，该机舱2支撑在大致竖直的塔架4上，塔架4本身包括多个塔架区段5。机舱2容纳了许多功能部件，包括齿轮箱11和发电机12(图1中未显示)，并支撑着主转子装置6。主转子装置6包括轮毂8和多个连接到轮毂8的风力涡轮机叶片10。在本示例中，风力涡轮机1包括三个风力涡轮机叶片10。

图2显示了风力涡轮机1的机舱2和转子6的示意图。机舱2容纳有齿轮箱11，它连接到转子6并由其驱动。齿轮箱11又连接到发电机12。发电机12包括多个线圈，这里以三个线圈进行说明(参见图3)，这样发电机的电力输出就是三相输出。本领域技术人员将理解，齿轮箱11可以省略，这样发电机12直接由转子6驱动。发电机12连接到交流/直流转换器14，交流/直流转换器14通过直接直流耦合而耦合到电解槽16。

经由穿过塔架4内部的管道18向电解槽16供水，经由穿过塔架4内部的管道20将电解槽16产生的氢气输送到存储设施。在替代示例中，管道18、20中的一个或两个可以沿着塔架4的外部通过。还可以提供附加的管道(未显示)，用于将电解槽16产生的氧气输送到存储设施。氢和/或氧设施可以位于风力涡轮机1当地，也可以位于远离风力涡轮机1的独立设施中。

图3显示了电解槽16的示意图和发电机12与电解槽16之间的电气连接的示例方案。电解槽16包括布置成电堆的多个电解电池22。电解电池22中的每一个都包括一对电极24，用于在使用中将电流传送到电解电池22中以及将电流从电解电池22中传送走。位于电堆中相邻电池22之间的电极24可以经由中间电导体彼此电气连接，这样电流就可以在电堆中的电池22之间串联流动。替代地，位于相邻电池22之间的电极24可以相互毗邻，也可以相互集成在一起。因此，电堆中相邻电池22的电极24可称为电相邻。电解槽16可以是本领域已知的任何合适类型的电解槽，诸如PEM电解槽、碱性电解槽或固体氧化物电解槽。

发电机12产生的三相交流电通过电导体28a、28b、28c连接到转换器14，其中电导体28a、28b、28c中的每一个与发电机12三相中的相应相相关联。来自发电机12的交流电通过转换器14转换成直流电。在本示例中，转换器14是三相整流器。然而，将理解，可以使用任何合适的转换器。

电解槽16包括连接到位于电解槽16的第一端部17a处的电解电池22的输入电极24的第一(或输入)电气连接器19a，以及连接到位于电解槽16的第二端部17b处的电解电池22的输出电极24的第二(或输出)电气连接器19b。转换器14的输出端通过一对电导体30a、30b连接在电解槽16上。该对电导体中的第一个电导体30a连接到第一电气连接器19a，该对电导体中的第二个电导体30b连接到第二电气连接器19b。

在使用中，当风力涡轮机1运行，使得发电机12向电解槽16输送电力时，电流从电解槽16的第一端部17a流向第二端部17b，从而使电解槽产生氢气和氧气产品。可以在电导体30a、30b中的任一个中包括隔离开关(未显示)，以便将电解槽16与电源进行电气隔离。例如，当从发电机12到电解槽16的可用功率较低(例如，低于电解槽16的额定最大标称负载的约15％)，使得氢交叉成为一种风险时，可能需要这样做。隔离开关可以是机械开关或电子开关。

在电解槽16的整个长度上提供电气连接是众所周知的，并且对于不随环境条件变化而变化的稳定电源以及不需要紧密的阻抗匹配来稳定大型旋转质量的扭矩来说是适当而有效的。图3所示的布置可实现风力涡轮机1和电解槽16之间的简单运行平衡。然而，这种布置不允许电解槽16在风力涡轮机1的功率输出较低时运行，也不允许在低RPM时稳定转子扭矩。

图4显示了电解槽16和发电机12之间的替代电气连接方案的示意图。相似的附图标记用于指示相似的特征。

如上所述，电解槽16包括布置成电堆的多个电解电池22。

电解槽16包括多个电气连接器26a、26b、26c、26d、26e、26f，它们连接到构成电堆的电解电池22的选定电极24。第一电气连接器26a连接到位于电解槽16的第一端部17a的电解电池22的输入电极24，第六电气连接器26f连接到位于电解槽16的第二端部17b的电解电池22的输出电极24。第二和第四电气连接器26b、26d连接到沿着电解电池22电堆的一部分的第一对电相邻电极(它们可以是一体的)，第三和第五电气连接器26c、26e连接到沿着电解电池22电堆的另一部分的第二对电相邻电极(它们可以是一体的)。因此，依据与电解槽16进行电气连接的方式，电解槽16可以被划分成三个可独立运行的区段32。

发电机12产生的三相交流电通过电导体28a、28b、28c连接到转换器14，其中电导体28a、28b、28c中的每一个与发电机12三相中相应的一相相关联。来自发电机12的交流电通过转换器14转换成直流电。

转换器14的输出端通过一对电导体30a、30b连接在电解槽16上。这对电导体中的第一个电导体30a连接到三个分支电导体34a、34b、34c。同样，这对电导体中的第二个电导体30b连接到三个分支电导体34d、34e、34f。分支电导体34a、34b、34c、34d、34e、34f中的每一个都可经由晶闸管36a、36b、36c、36d、36e、36f选择性地连接到电解槽16的电极24上。

第一分支导体34a经由晶闸管36a连接到第一电气连接器26a。同样，第六分支导体34f经由晶闸管36a连接到第六电气连接器26f。第二和第四分支导体34b、34d分别经由晶闸管36b、36d连接到第二和第四电气连接器26b、26d，第三和第五分支导体34c、34e分别经由晶闸管36c、36e连接到第三和第五电气连接器26c、26e。

众所周知，只有在晶闸管的栅极上施加小的控制电流时，电流才能流过晶闸管。因此，晶闸管36a、36b、36c、36d、36e、36f构成电子开关，可选择性地将分支导体34a、34b、34c、34d、34e、34f电气连接到电解槽16的电气连接器26a、26b、26c、26d、26e、26f。因此，可以依据发电机12提供的功率量，选择性地运行电解槽16的不同部分，这将在下文进行更详细的介绍。

在使用中，当风力涡轮机1运行，使得发电机12向电解槽16输送功率时，如果发电机12提供给电解槽16的功率为电解槽16的额定最大标称负载的15％，则可以利用构成电解槽16的整个长度的电解电池22电堆。这可以通过向第一和第六晶闸管36a、36f的栅极施加控制电流，使电流从电解槽16的第一端部17a流向第二端部17b来实现，从而利用电堆中的每个电解电池22。替代地，如果发电机12的可用功率低于电解槽16的额定最大标称负载的15％，则可以通过选择性地运行晶闸管36a至36f来减少使用的电解电池22的数量。

例如，如果发电机12的可用功率小于电解槽16的额定最大标称负载的15％，但大于或等于其10％，则可将控制电流施加到第一和第五晶闸管36a、36e的栅极上，使电流从第一端部17a流过构成电解槽16的电池22电堆的第一和第二区段32，从而使运行电池22的功率高于阈值，诸如高于运行电池22的约15％额定功率，即使运行功率低于整个电解槽16的阈值。替代地，还可向第二和第六晶闸管36b、36f的栅极施加控制电流，使电流流经构成电解槽16的电池22电堆的第二和第三区段32。

如果发电机12的可用功率小于电解槽16的额定最大标称负载的10％，且大于或等于其截止最小功率，则可对第一和第四晶闸管36a、36d的栅极施加控制电流，使电流从第一端部17a只流经电池22电堆的第一区段32。替代地，可对第二和第五晶闸管36b、36e的栅极施加控制电流，使电流只流经电池22电堆的第二区段32。在另一种替代方案中，对第三和第六晶闸管36c、36f的栅极施加控制电流，使电流只流经电池22电堆的第三区段32。

选择在任何给定时间运行电解槽16的哪个(哪些)区段32，可以参考电堆中电池22的区段32的使用历史和/或物理条件来确定。例如，可以参照相关区段32的总运行时间来选择用于运行的电解槽区段32，以便尽可能平衡可用区段32之间的总运行时间。这样可以通过防止电解槽16的一个或多个区段32过度磨损同时又使其他区段32相对闲置，从而有助于延长电解槽16的运行寿命。如果电解槽16的一个或多个区段32出现磨损，就必须更换整个电解槽16。因此，期望的是在各个区段32之间尽可能均匀地分配总运行时间。

替代地或附加地，选择在任何给定时间运行电解槽16的哪个(哪些)区段32，可以参考电堆中电池22的区段32的物理条件，诸如通过某个频率范围在给定极化或给定电流设定点下测量的内阻和/或阻抗测量值来确定。例如，电解槽16的各区段32在给定极化和/或电流设定点下的内阻可以实时确定，或者例如经由数据库参考或基于内阻建模确定，并选择内阻最小的区段32。如果将这种选择方法与总使用时间选择方法结合使用，则可优先考虑其中一种方法或另一个方法，或者可以使用算法来确定在任何给定时间点使用电解槽的哪个(哪些)区段32。

如导言所述，当电解槽16上的电压较低时，通过电解槽的电流会急剧下降。因此，发电机12的扭矩会显著降低。通过减少在其上施加电压的电解电池24的数量，电压“遇到”的(串联)内阻会减小，因此电流可以维持在较高水平。这样做有双重好处，一是可以将发电机扭矩维持在可接受的水平，二是可以让电解槽16的至少一部分在低负载情况下继续生产氢。在发电机12启动和断电期间控制发电机12扭矩的这种能力也是有益的，这两种情况通常会导致发电机的扭矩较低，并可能导致风力涡轮发电机的运行的不期望的不稳定性。

由于晶闸管36a至36f是由小栅极电流控制的电子设备，因此可以借助于可编程逻辑控制器自动控制电解槽16的运行，该控制器可以用适当的算法进行编程，以选择在任何给定时间运行电解槽的哪个(哪些)区段32。替代地，也可由操作员手动进行区段32的选择。

晶闸管36a至36f可以由任何其他合适的开关代替，诸如电磁触点开关或类似开关。替代地，晶闸管36a至36f也可以由手动操作的开关代替。

图5显示了另一种替代电气连接方案的示意图，该方案在各方面都与图4的电气连接方案类似，但在电气旁通线路38中额外地设置有旁通开关37。旁通线路38电气连接到电解槽16的第二电气连接器26b和第三电气连接器26c，以便在使用中根据需要绕过电解槽16的中间区段32。在一个示例中(如图5所示)，箭头所示的电流可以经由导体34a从连接器26a进入电堆，经由旁通线路38从连接器26b离开，然后从连接器26c重新进入电堆，最后经由导体34f从连接器26f离开电堆。例如，在中间区段32有故障因而无法运行的情况下，这可能会有用。因此，提供这种可选择性运行的旁通线路38可以在中间区段变得无法运行的情况下继续运行电解槽16。绕过一个或多个电解电池、电堆区段或绕过不同电堆的电池可能有利的另一个示例是，优先运行总运行时间最短的电解电池或一组电解电池，从而使电堆的整体磨损特性更加均匀。

绕过一个或多个电解电池、电堆区段或绕过不同电堆的电池可能有利的另一个示例是，如果被绕过的电池或连接中的一个或多个有缺陷，或在电解槽的使用寿命期间出现缺陷的话。在这种情况下，绕过有缺陷的电池、有缺陷的电堆区段或电池、电堆区段或电堆(特别是串联布置时)之间有缺陷的连接，可使电解槽以最小的电解槽容量损失继续运行。

如果电解槽包括大量串联布置的电池、电堆或电堆区段，这将特别有利，并可大大提高电解槽容量的冗余。因此，本发明对于带有大量串联布置的电解电池(诸如包括数百、数千甚至数万个串联布置的电解电池)的风力涡轮机尤为有利。本发明对于离网风力涡轮机(这里的离网应理解为风力涡轮机没有电气连接，不能输出产生的电能，但可选地包括电解槽产品输出管道)也可能或替代地特别有利，其中电解槽的缺陷可能会大大降低风力涡轮机的生产容量。有了根据本发明的这方面的风力涡轮机，风力涡轮机可以在电解槽维护前以相对较小的容量下降继续运行，因此这对离岸风力涡轮机或风力涡轮机或离网风力涡轮机特别有利。例如，如果相邻电池、相邻电堆区段或相邻电堆之间的电气连接有故障或出现缺陷，而气体或液体分离没有受到(严重)影响，可能就是与本发明相关的情况。

旁通线路连接也可用于优先运行总运行时间最短的电解电池或一组电解电池，从而为电堆提供更均匀的整体磨损特性。

旁通线路连接也可用于优先运行内阻最小的电解电池或一组电解电池，从而为电堆提供更有效的整体生产。

例如，可选择性运行的旁通线路可由一个或多个开关(诸如晶闸管)控制。通常情况下，一个或多个电堆的两个电气连接器之间的旁通线路将绕过一个或多个电解电池、电堆区段或甚至是布置在两个电气连接器之间的电堆。

在本示例中，旁通开关37是晶闸管。技术人员可以理解，开关37可以是任何合适类型的机械或电子开关，其可以是本地操作的，也可以是远程操作的。

本领域技术人员可以清楚地看到，提供旁通线路38以允许电解槽16的中间区段被绕过只是一个示例。此外，可以清楚地看到，关于图3至图5描述的示例电解槽16可以包括任意数量的区段32，并根据需要带有任意数量的旁路线路38和开关37。此外，电解槽16的每个区段32可以包括一个或多个电解电池22、

在上述示例中，电导体28a、28b、28c、30a、30b、34a、34b、34c、34d、34e、34f、38包括母线。然而，正如本领域技术人员所理解的那样，电导体可以包括任何合适的电导体，诸如电缆或类似电导体。依据特定的系统设计，可以使用任何合适的电导体组合。

图6显示了用于风力涡轮机1的氢生产系统的另一个示例，其中提供了三个电解槽电堆21a、21b、21c，以取代图3至图5中的单个电解槽16。在本示例中，当电源高于串联运行的电解槽21a、21b、21c的额定最大标称负载的15％时，可使用所有三个电解槽21a、21b、21c，也可根据可用功率，按照上面针对电解槽16描述的相同方式，仅使用电解槽21a、21b、21c中的一个或两个。通过这种方式，可以实现每个运行电堆所经历的功率都高于额定功率的阈值部分，诸如高于约15％的额定功率。为了允许电解槽21a、21b、21c的串联运行，电解槽21a和电解槽21b由电导体23a连接，电解槽21b和电解槽21c由电导体23b连接。

电解槽21a、21b、21c中的每一个都包括多个电解电池22。在替代示例中，三个电解槽21a、21b、21c中的每一个都可以按照上文以与所述关于图3至图5描述的电解槽16相同的方式分成两个或更多个区段，以提供更多的操作灵活性，并允许电解槽21a、21b、21c中的一个或多个区段(未显示)在额定功率的阈值部分以上运行，即使电解槽低于阈值。

电解槽16在电气上被划分成三个区段32或提供三个电解槽21a、21b、21c以替代单个电解槽16并不是必要的。以上描述仅作为示例给出。本领域技术人员可以清楚地看到，单个电解槽16可以根据特定的系统设计根据需要被划分成任意数量的区段32，或者可以使用任意合适数量的单独电解槽21(a、b、c)来替代单个电解槽16。此外，本领域技术人员还可以清楚地看到，如果使用多个单独的电解槽，它们本身也可以根据特定的系统设计，根据需要在电气上被划分成两个或更多个区段。

图7显示了替代风力涡轮机1布置，其中电解槽16(或替代地是电解槽21a、21b、21c)位于风力涡轮机1外部的平台27上。在另一替代方案(未显示)中，电解槽16(或替代地是电解槽21a、21b、21c)可以位于风力涡轮机1的过渡件上或过渡件中或塔架4中。为减少传输损耗并实现尽可能高效的系统，电解槽距离发电机12优选地不超过10米，距离发电机更优选地不超过5米。

技术人员可以清楚地看到，所述技术的使用并不局限于风力涡轮机叶片的测试和制造，也不局限于一般的复合材料部件制造。所述技术可用于任何期望将工具精确定位到工件附近的自动化工艺中。