用于增加风力涡轮机功率输出的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开一般涉及风力涡轮机，并且更特别地涉及用于在降低风速下增加双馈感应 发电机风力祸轮机系统的功率输出的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 风力作为目前可用的最清洁、最环境友好的能源中的一个已受到更多的关注。典 型的现代风力涡轮机能够包含塔、发电机、齿轮箱、吊舱以及具有一个或多个转子叶片的转 子。转子叶片能够将风能转化成经由转子驱动一个或多个发电机的机械旋转扭矩。一个或 多个发电机能够例如经由齿轮箱耦合到转子。齿轮箱能够逐步增加转子的固有地低旋转速 度，使得发电机能够将机械旋转能有效地变换成电能，其能够经由至少一个电连接馈送到 公用电网中。
[0003] 风力涡轮机能够使用可变速操作，使得涡轮机叶片的速度随风速中的改变而改 变。然而，在涡轮机的速度波动时，从发电机流出的交流的频率也波动。因此，可变速涡轮机 配置也能够包含功率变换器，其能够用来将所生成电力的频率变换成实质上类似于公用电 网频率的频率。这类功率变换器通常能够包括具有所调节的DC链路的AC-DC-AC拓扑，并且 能够由变换器控制器来控制。
[0004] 这类风力涡轮机能够使用可变速操作来优化负载及改进涡轮机输出。特别地，在 风力涡轮机操作在最佳叶尖速度比时，它们是最有效的。叶尖速度比是涡轮机叶片的叶尖 的切向速度和在风力涡轮机处的风的速度之间的比率。因此，风力涡轮机操作在最佳叶尖 速度比将收集比它如果操作在最佳叶尖速度比之外将收集的风能更多的风能。
[0005] 对于许多风力涡轮机，消耗器(customer)的操作空间以及因此数值由风力涡轮机 系统所固有一个或多个风力涡轮机组件的最大电压来限制。例如，风力涡轮机系统中的功 率变换器能够具有限制发电机的最小和最大速度值的电压约束。
[0006] 因此，存在对于用于在降低风速下增加风力涡轮机系统的功率输出同时也将功率 变换器电压级别维持在所指定操作限制内的系统和方法的需要。
【发明内容】
[0007] 本发明的方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或从描述可以是显而易见的， 或可通过本发明的实施来学习。
[0008] 本公开的一个示例方面针对风力涡轮机系统。风力涡轮机系统包含具有转子和定 子的风驱动双馈感应发电机。定子提供AC功率到定子母线。风力涡轮机系统还包含经由转 子母线耦合到双馈感应发电机的转子的功率变换器。功率变换器提供输出到线路母线。功 率变换器具有在转子母线处的关联电压阈值。风力涡轮机系统还包含配置成识别双馈感应 发电机处的降低风速的控制系统。在降低风速下，控制系统还配置成至少部分基于指示转 子电压的数据来调节双馈感应发电机的转子的旋转速度以增加双馈感应发电机的功率输 出。控制系统调节转子的旋转速度，使得转子电压不超过在转子母线处的与功率变换器关 联的电压阈值。
[0009] 本公开的另一个示例方面针对用于在降低风速下增加风驱动双馈感应发电机的 功率输出的方法。方法包含在风驱动双馈感应发电机处生成交流功率。将交流功率从风驱 动双馈感应发电机的定子提供到定子母线。方法还包含经由转子母线提供来自功率变换器 的转子电压到风驱动双馈感应发电机的转子。方法还包含检测风驱动双馈感应发电机处的 降低风速。方法还包含响应于检测到降低风速，至少部分基于指示转子电压的数据将转子 的旋转速度从第一旋转速度降低到第二旋转速度以增加双馈感应发电机的功率输出。确定 第二旋转速度，使得转子电压不超过在转子母线处的与功率变换器关联的电压阈值。
[0010] 本公开的还有另一个示例方面针对风电场。风电场包括具有转子和定子的第一双 馈感应发电机、具有转子和定子的第二双馈感应发电机以及控制系统。控制系统配置成检 测在第一双馈感应发电机处的降低风速。响应于检测到第一双馈感应发电机处的降低风 速，控制系统配置成控制第一双馈感应发电机以降低第一双馈感应发电机的无功功率输 出，并且降低第一双馈感应发电机的转子的旋转速度以增加第一双馈感应发电机的功率输 出。控制系统还配置成控制第二双馈感应发电机以增加第二双馈感应发电机的无功功率输 出。
[0011] 对本公开的这些示例方面能够作出变化和修改。
[0012] 参考下面的描述和所附权利要求书，各种实施例的这些及其他特征、方面和优点 将变得更好理解。结合在本说明书中并且构成本说明的一部分的附图图示本公开的实施 例，并且连同描述一起用于解释相关原理。
[0013] 本发明提供以下技术方案：
[0014] 1. 一种风力涡轮机系统，包括：
[0015] 具有转子和定子的风驱动双馈感应发电机，所述定子提供AC功率到定子母线；
[0016] 功率变换器，经由转子母线耦合到所述双馈感应发电机的所述转子，所述功率变 换器提供输出到线路母线，所述功率变换器具有所述转子母线处的关联电压阈值;以及
[0017] 控制系统，配置成识别所述双馈感应发电机处的降低风速；
[0018] 其中在所述降低风速下，所述控制系统还配置成至少部分基于指示转子电压的数 据来调节所述双馈感应发电机的所述转子的旋转速度以增加所述双馈感应发电机的功率 输出，所述控制系统调节所述转子的所述旋转速度，使得所述转子电压不超过在所述转子 母线处的与所述功率变换器关联的电压阈值。
[0019] 2.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中所述双馈感应发电机的所述转子的 所述旋转速度中的降低提供所述双馈感应发电机处的增大的转差。
[0020] 3.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中，在所述降低风速下，所述控制系统 配置成至少部分基于与所述风力涡轮机关联的叶尖速度比来调节所述双馈感应发电机的 所述转子的所述旋转速度，所述叶尖速度比是所述风力涡轮机的叶片的叶尖的切向速度和 所述风速之间的比率。
[0021] 4.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中指示所述转子电压的所述数据能够 至少部分基于配置成监测所述转子母线处的电压的一个或多个传感器来确定。
[0022] 5.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中指示所述转子电压的所述数据能够 至少部分基于所述双馈感应发电机的无功功率输出来确定。
[0023] 6.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中指示所述转子电压的所述数据包括 查找表，所述查找表定义各种转子速度点与各种电网电压和无功功率需求条件之间的相关 性，所述双馈感应发电机的所述转子的降低的旋转速度至少部分基于所述查找表来确定。
[0024] 7.如技术方案1所述风力涡轮机系统，其中所述控制系统配置成至少部分基于电 网电压来调节所述旋转速度。
[0025] 8.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中，在所述降低风速下，所述控制系统 配置成降低所述双馈感应发电机的无功功率输出以允许所述双馈感应发电机的所述转子 的旋转速度中的增进的降低。
[0026] 9.-种用于在降低风速下增加风驱动双馈感应发电机的功率输出的方法，所述方 法包括：
[0027] 在风驱动双馈感应发电机处生成交流功率，所述交流功率从所述风驱动双馈感应 发电机的定子被提供到定子母线；
[0028] 将来自功率变换器的转子电压经由转子母线提供到所述风驱动双馈感应发电机 的转子；
[0029]检测在所述风驱动双馈感应发电机处的降低风速;以及
[0030] 响应于检测到所述降低风速，至少部分基于指示所述转子电压的数据来将所述转 子的旋转速度从第一旋转速度降低到第二旋转速度以增加所述双馈感应发电机的所述功 率输出，所述第二旋转速度被确定使得所述转子电压不超过在所述转子母线处的与所述功 率变换器关联的电压阈值。
[0031] 10.如技术方案9所述的方法，其中所述双馈感应发电机的所述转子的降低的旋转 速度至少部分基于叶尖速度比来确定，所述叶尖速度比是在所述风力涡轮机的叶片的叶尖 的切向速度和所述风速之间的比率。
[0032] 11.如技术方案9所述的方法，其中指示所述转子电压的所述数据能够至少部分基 于配置成监测所述转子母线处的电压的一个或多个传感器来确定。
[0033] 12.如技术方案9所述的方法，其中指示所述转子电压的所述数据能够至少部分基 于所述双馈感应发电机的无功功率输出来确定。
[0034] 13.如技术方案9所述的方法，其中所述方法包括：
[0035] 降低所述风驱动双馈感应发电机的无功功率输出；以及
[0036] 将所述风驱动双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度降低到第三旋转速度， 所述第三旋转速度小于所述第一旋转速度。
[0037] 14.如技术方案9所述的方法，其中降低所述双馈感应发电机的所述转子的所述第 二旋转速度提供所述双馈感应发电机的增大的转差。
[0038] 15. -种风电场，所述风电场包括：
[0039]具有第一双馈感应发电机的第一风力涡轮机系统，所述第一双馈感应发电机具有 转子和定子；
[0040] 具有第二双馈感应发电机的第二风力涡轮机系统，所述第二双馈感应发电机具有 转子和定子；以及
[0041] 控制系统，所述控制系统配置成检测在所述第一双馈感应发电机处的降低风速；
[0042] 其中响应于检测到所述第一双馈感应发电机处的所述降低风速，所述控制系统配 置成控制所述第一双馈感应发电机以降低所述第一双馈感应发电机的无功功率输出以及 降低所述第一双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度以增加所述第一双馈感应发电 机的功率输出，
[0043] 其中所述控制系统还配置成控制所述第二双馈感应发电机以增加所述第二双馈 感应发电机的无功功率输出。
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