用于操作风力涡轮机的方法和系统的制作方法

专利名称：用于操作风力涡轮机的方法和系统的制作方法
技术领域：
一般来说，本文所描述的主题涉及控制风力涡轮机的操作，更具体来说，涉及响应 电力网意外事件而控制风力涡轮机的操作。
背景技术：
风力涡轮机发电机利用风能来产生电力。风力涡轮机发电机通常包括具有多个叶 片的转子，多个叶片将风能转换成驱动轴的旋转运动，旋转运动又被用于驱动发电机以产 生电力。可使多个叶片中的每个倾斜以增加或减小转子的转速。风力涡轮机发电机的功率 输出随风速而增加，直至风速达到涡轮机的额定风速。大于和等于额定风速时，风力涡轮机 发电机以额定功率工作。额定功率是风力涡轮机发电机能以预定可接受的涡轮机组件的某 种疲劳等级工作时的输出功率。风速高于某个速度时，或者风力湍流级超过通常称作“跳闸 极限”或“监测设置点极限”的预定大小时，风力涡轮机可停机，或者可通过调节叶片的斜度 或者对转子进行制动来减小负荷，以便保护风力涡轮机组件免受损坏。与风力涡轮机发电机的恒速操作相比，风力涡轮机发电机的变速操作便于风力涡 轮机发电机对能量的增强捕获，但是，风力涡轮机发电机的变速操作产生具有变化电压和/ 或频率的电力。更具体来说，由变速风力涡轮机发电机所产生的电力的频率与转子的转速 成比例。电力转换器可耦合到发电机与公用电网之间。电力转换器输出具有固定电压和频 率的电力，供在公用电网上输送。通过转子叶片和风力的交互作用所产生的转子上的转矩与发电机转矩之间的平 衡便于风力涡轮机的稳定操作。风力涡轮机调整，例如叶片斜度调整，或者电网事件，例 如电网上的低电压或零电压，可引起风力所产生的转子上的转矩与发电机转矩之间的不平 衡。发电机在发电机转子与定子之间具有气隙转矩，它与转子所施加的转矩相对。电力转 换器还控制气隙转矩，它便于控制发电机的功率输出。但是，风力涡轮机可能无法通过某些 电网事件进行操作，或者可能承受因某些电网事件、因在检测到电网事件之后对风力涡轮 机操作的调整生效所需的时间周期引起的磨损和/或损坏。

发明内容
在一个方面，提供一种用于控制包含在发电和输电系统中的风力涡轮机的操作的 方法。该方法包括测量发电和输电系统的至少一个操作条件。该方法还包括向功率限制器 系统传送与操作条件对应的操作条件反馈信号。该方法还包括分析操作条件反馈信号以识 别电网意外事件的发生，并且产生与电网意外事件的发生对应的实际电流命令信号。该方 法还包括将实际电流命令信号传送给控制器，并且将实际电流命令信号应用于电力转换器 性能，以便于减小极距滑动。该方法还包括在发生电网意外事件时在存储器中存储与操作 条件对应的至少一个变量。在另一个方面，提供一种用于减小极距滑动的电网相关功率限制器系统。该系统 包括功率限制器，功率限制器配置成接收锁相环(PLL)误差信号和终端电网电压反馈信号中的至少一个，并且基于PLL误差信号和终端电网电压反馈信号中的至少一个来产生功率 命令信号。系统还包括耦合到功率限制器的功率调节器。功率调节器配置成接收功率命令 信号，产生实际电流命令信号，并且将实际电流命令信号传送给控制器。该系统还包括存储 器，存储器配置成存储与发生电网意外事件时测量的操作条件对应的至少一个变量。在又一个方面，提供一种发电和配电系统。发电和配电系统包括发电机以及耦合 到发电机和公用电网的电力转换部件。电力转换部件配置成接收由发电机产生的电力，并 且将所接收电力转换成适合通过公用电网传输的电力。发电和配电系统还包括功率限制器 系统，它在通信上耦合到电力转换部件，并且配置成向电力转换部件提供实际电流控制信 号。实际电流控制信号至少部分基于电网意外事件的至少一个测量指示符。功率限制器系 统包括存储器，存储器配置成在发生电网意外事件时存储与电网意外事件的测量指示符对 应的至少一个变量。


图1是示范风力涡轮机的一部分的透视图。图2是图1所示风力涡轮机的一部分的局部剖视图。图3是图1所示风力涡轮机的框图。图4是可包括图1所示风力涡轮机的示范发电和输电系统的框图。图5是可在图4所示发电和输电系统中包含的示范功率限制器系统的框图。图6是可在图5所示功率限制器系统中包含的示范电网相关功率限制器的框图。图7是可与图1所示风力涡轮机关联的电网线电压与时间的图解视图。图8-15示出发生电网意外事件之后的图4所示系统的操作特性。图16是示出控制图1所示风力涡轮机的操作的示范方法的流程图。
具体实施例方式本文所使用的术语“叶片，，意在表示当处于相对于周围流体的运动中时提供反作 用力的任何装置。本文所使用的术语“风力涡轮机”意在表示从风能产生转动能、更具体来 说、将风力的动能转换为机械能的任何装置。本文所使用的术语“风力涡轮机发电机”意在 表示从产生于风能的转动能产生电力、更具体来说、将从风力的动能转换的机械能转换成 电力的任何风力涡轮机。本文所述的方法、系统和计算机可读介质的技术效果包括下列各项中的至少一 个(a)测量终端电网电压；(b)向功率限制器系统提供与终端电网电压对应的终端电网电 压反馈信号；(c)使用功率限制器系统、至少部分基于终端电网电压反馈信号来产生实际 电流命令信号；(d)向控制器提供实际电流命令信号；以及(e)将实际电流命令信号应用于 电力转换器性能。本文所述的方法、系统和计算机可读介质便于识别电网意外事件以及对电网意外 事件的快速响应。快速响应减小或者实质消除风力涡轮机发电机中的极距滑动，并且便于 使风力涡轮机和公用电网稳定。图1是示范风力涡轮机10的透视图。图2是风力涡轮机10的一部分的局部剖切 透视图。本文所述和所示的风力涡轮机10是用于从风能产生电力的风力涡轮机发电机。此外，本文所述和所示的风力涡轮机10包括水平轴配置，但在一些实施例中，作为对水平轴 配置的补充或替代，风力涡轮机10可包括垂直轴配置(未示出)。风力涡轮机10可耦合到 电力负载(图1中未示出)，例如但不限于电力网，用于从其中接收电力以便驱动风力涡轮 机10和/或其关联组件的操作，和/或用于对其提供由风力涡轮机10所产生的电力。虽 然图1和图2中仅示出一个风力涡轮机10，但在一些实施例中，多个风力涡轮机10可组合 在一起，有时称作“风力田”。风力涡轮机10包括主体或短舱12，以及耦合到短舱12、用于围绕转动轴20相对 于短舱12旋转的转子(由14 一般表示)。在示范实施例中，短舱12安装到塔架16上，但 在一些实施例中，作为对塔架上安装的短舱12的补充或替代，短舱12可定位成邻近地面和 /或水面。塔架16的高度可以是使风力涡轮机10能够按照本文所述起作用的任何适当高 度。转子14包括轮毂22以及从轮毂22向外径向延伸、用于将风能转换为转动能的多个叶 片对(有时称作“螺旋桨”)。虽然转子14在本文中描述和示为具有三个叶片M，但是，转 子14可具有任何数量的叶片M。叶片M可各具有允许风力涡轮机10按照本文所述起作 用的任何长度。例如，在一些实施例中，一个或多个转子叶片M大约为半米长，而在一些实 施例中，一个或多个转子叶片M大约为50米长。叶片M的长度的其它示例包括10米或 10米以下、大约20米、大约37米以及大约40米。又一些示例包括在大约50与大约100米 长之间的转子叶片，以及大于100米长的转子叶片。不管图1中如何示出转子叶片M，转子14可具有任何形状的叶片M，并且可具有 任何类型和/或任何配置的叶片对，无论这种形状、类型和/或配置是否在本文中描述和/ 或示出。叶片M的另一种类型、形状和/或配置的一个示例是有时称作“打蛋器”涡轮机的 Darrieus风力涡轮机。叶片M的另一种类型、形状和/或配置的又一个示例是Savonious 风力涡轮机。此外，在一些实施例中，风力涡轮机10可以是其中转子14 一般朝向逆风以利 用风能的风力涡轮机，和/或可以是其中转子14 一般朝向顺风以利用能量的风力涡轮机。 当然，在所述实施例中的任何一个中，转子14可能没有完全朝向逆风和/或顺风，而是可能 相对于风向大致朝向任何角度(它可以是可变的)以便从中利用能量。现在参照图2，风力涡轮机10包括耦合到转子14、用于从转子14所产生的转动能 产生电力的发电机26。发电机沈可以是任何适当类型的发电机，例如但不限于绕线转子感 应发电机、双馈感应发电机(DFIG，又称作双馈异步发电机)、永磁(PM)同步发电机、电励磁 同步发电机和开关磁阻发电机。发电机26包括定子(未示出)和转子(未示出)、它们之 间包括气隙。转子14包括耦合到转子轮毂22、用于随其旋转的转子轴观。发电机沈耦合 到转子轴观，使得转子轴观的转动驱动发电机转子的转动，并且因此驱动发电机沈工作。 在示范实施例中，发电机转子具有与其耦合并且耦合到转子轴观的发电机轴30，使得转子 轴观的转动驱动发电机转子的转动。在其它实施例中，发电机转子直接耦合到转子轴28， 有时称作“直接驱动风力涡轮机”。在示范实施例中，发电机轴30通过变速箱32耦合到转 子轴观，但在其它实施例中，发电机轴30直接耦合到转子轴观。转子14的转矩驱动发电机转子，由此从转子14的转动产生可变频率AC电力。发 电机沈在发电机转子与定子之间具有气隙转矩，它与转子14的转矩相对。电力转换部件 34耦合到发电机沈，用于将可变频率AC转换成固定频率AC以便输送到与发电机沈耦合 的电力负载(图2中未示出)，例如但不限于电力网(图2中未示出)。电力转换部件34
6可包括单个频率转换器或者多个频率转换器，它们配置成将发电机沈所产生的电力转换 成适合通过电力网输送的电力。电力转换部件34在本文中又可称作电力转换器。电力转 换部件34可位于风力涡轮机10中的任何位置或者远离风力涡轮机10。例如，电力转换部 件34可位于塔架16的底座(未示出)内。在一些实施例中，风力涡轮机10可包括转子限速器，例如但不限于盘式制动器 36。盘式制动器36对转子14的转动进行制动，以便例如减慢转子14的转动、相对全风力 转矩对转子14进行制动和/或减少从发电机沈的电力的产生。此外，在一些实施例中，风 力涡轮机10可包括偏转系统38，用于使短舱12围绕转动轴40旋转，用于改变转子14的偏 转，更具体来说，用于改变转子14的朝向，以便例如调整转子14的朝向与风向之间的角度。在一个实施例中，风力涡轮机10包括可变叶片斜度系统42，用于控制，包括但不 限于改变，叶片图1-2所示)相对于风向的倾斜角。斜度系统42可耦合到系统控制器 44以便由此进行控制。斜度系统42耦合到轮毂22和叶片对，用于通过相对于轮毂22旋 转叶片24来改变叶片M的倾斜角。斜度执行器可包括任何适当的结构、配置、布置、手段 和/或组件，无论本文中是否描述和/或示出，例如但不限于电动机、液压缸、弹簧和/或伺 服机构。此外，斜度执行器可由任何适当的手段来驱动，无论本文中是否描述和/或示出， 例如但不限于液压流体、电力、电化学力和/或机械力、例如但不限于弹簧力。图3是风力涡轮机10的一个示范实施例的框图。在示范实施例中，风力涡轮机10 包括一个或多个系统控制器44，系统控制器44耦合到风力涡轮机10的至少一个组件，用 于总体控制风力涡轮机10的操作和/或控制其组件的操作，而不管本文是否描述和/或示 出这类组件。例如，在示范实施例中，系统控制器44耦合到斜度系统42，用于总体控制转 子14。在示范实施例中，系统控制器44安装在短舱12(图2所示)中，但是，作为补充或替 代，一个或多个系统控制器44可远离短舱12和/或风力涡轮机10的其它组件。系统控制 器44可用于整体系统监测和控制，非限制性地包括例如斜度和速度调节、高速轴和偏转制 动应用、偏转和泵电动机应用和/或故障监测。在一些实施例中可使用备选的分布式或集 中式控制架构。在一个示范实施例中，风力涡轮机10包括多个传感器，例如传感器5054和56。 传感器5054和56测量各种参数，非限制性地包括操作条件和大气条件。各传感器50、54 和56可以是单独传感器，或者可包括多个传感器。传感器5054和56可以是在风力涡轮 机10中具有任何适当位置或者远离风力涡轮机10的任何适当传感器，它允许风力涡轮机 10如本文所述起作用。在一些实施例中，传感器5054和56耦合到系统控制器44，用于向 系统控制器44传送测量结果以便对其进行处理。在一些实施例中，系统控制器44包括总线62或其它通信装置，以便传递信息。一 个或多个处理器64耦合到总线62以处理信息，包括来自传感器5054和56和/或其它传 感器的信息。处理器64可包括至少一个计算机。本文所使用的术语“计算机”并不局限于 本领域中称作计算机的集成电路，而是广义表示处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑 控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路，并且这些术语在本文中可互换地使用。系统控制器44还可包括一个或多个随机存取存储器(RAM) 66和/或其它存储装 置68。RAM 66和存储装置68耦合到总线62，以便存储和传递将由处理器64执行的信息和 指令。RAM 66(和/或存储装置68，如果包括的话)还可用于在处理器64执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。系统控制器44还可包括耦合到总线62的一个或多个只读存 储器(ROM) 70和/或其它静态存储装置，以便存储并向处理器64提供静态(即无变化)信 息和指令。处理器64处理从可非限制性地包括速度和功率换能器的多个电气和电子装置 传送的信息。被执行的指令非限制性地包括常驻转换和/或比较器算法。指令序列的执行 并不局限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。系统控制器44还可包括或者可耦合到输入/输出装置72。输入/输出装置72可 包括本领域已知的任何装置，以便向系统控制器44提供输入数据，和/或提供输出，例如但 不限于偏转控制和/或斜度控制输出。指令可从包括例如磁盘、只读存储器(ROM)集成电 路、CD-ROM和/或DVD的存储装置68，经由提供对一个或多个电子可访问介质的访问的有 线或者无线的远程连接，提供给MM 66。在一些实施例中，硬连线电路可用来代替软件指令 或者与其结合。因此，指令序列的执行并不局限于硬件电路和软件指令的任何特定组合，无 论本文是否描述和/或示出。另外，在示范实施例中，输入/输出装置72可非限制性地包 括与操作员接口关联的计算机外设，诸如鼠标和键盘(图3中均未示出)。备选地，也可使 用其它计算机外设，可包括例如扫描仪(图3中未示出)。此外，在示范实施例中，附加输出 通道可包括例如操作员接口监视器(图3中未示出)。系统控制器44还可包括传感器接口 74，它允许系统控制器44与传感器5054和56和/或其它传感器进行通信。传感器接口 74可包括一个或多个模数转换器，它们将模拟信号转换为可由处理器64使用的数字信号。在一个示范实施例中，风力涡轮机10包括锁相环(PLL)调节器80。PLL调节器80 耦合到传感器M。在示范实施例中，传感器M是电压换能器，它配置成测量频率转换器34 所输出的终端电网电压。备选地，PLL调节器80配置成从多个电压换能器接收多个电压测 量信号。在三相发电机的一个示例中，三个电压换能器中的每一个电耦合到电网母线的三 相中的每一个。PLL调节器80可配置成从任何数量的电压换能器接收任何数量的电压测量 信号，它们允许PLL调节器按照本文所述起作用。图4是一个示范发电和输电系统150的框图。发电和输电系统150可与风力涡轮 机10(图1和图2所示)配合使用或者包含在其中。系统150包括能量源，例如发电机沈。 虽然本文描述为风力涡轮机发电机沈，但是能量源可包括允许系统150按照本文所述起作 用的任何类型的发电机。系统150还包括电力转换器，例如电力转换器34。电力转换器34 接收由发电机26所产生的可变频率电力132，并且将电力132转换成电力134(本文中称作 终端电力134)，它适合于通过输电和配电网136(本文中称作公用电网136)传输。在电力 转换器34与公用电网136之间的节点处定义终端电压(Vt) 138。负载140耦合到其中定义 了 Thevenin电压的公用电网136。如上所述，与风力涡轮机10的恒速操作相比，风力涡轮 机10的变速操作便于能量的增强捕获，但是，风力涡轮机10的变速操作产生具有变化电压 和/或频率的电力132。更具体来说，由变速风力涡轮机发电机沈所产生的电力132的频 率与转子14(图1所示)的转速成比例。在示范实施例中，电力转换器34输出具有基本上 固定的电压和频率的终端电力134，用于在公用电网136上输送。电力转换器34还控制发电机沈的气隙转矩。气隙转矩存在于发电机转子(图3 中未示出)与发电机定子(图3中未示出)之间，并且与转子14施加到发电机沈的转矩 相对。通过叶片M(图1所示)和风力的交互作用所产生的转子14上的转矩与气隙转矩 之间的平衡便于风力涡轮机10的稳定操作。风力涡轮机调整，例如叶片斜度调整，或者电网事件，例如公用电网136上的低电压瞬变或零电压瞬变，可引起风力所产生的转子14上 的转矩与气隙转矩之间的不平衡。电力转换器34控制气隙转矩，它便于控制发电机沈的 功率输出，但是，风力涡轮机10可能无法通过某些电网事件进行操作，或者可能承受因某 些电网事件、因在检测到电网事件之后对风力涡轮机操作的调整生效所需的时间周期引起 的磨损和/或损坏。在示范实施例中，系统150包括电网相关功率限制器系统152。在示范实施例中， 控制器，例如但不限于控制器44(图3所示)，被编程为执行电网相关功率限制器系统152 的功能。但是，在备选实施例中，电网相关功率限制器系统152的功能可由配置成允许系统 150按照本文所述起作用的任何电路来执行。功率限制器系统152配置成识别电网意外事 件的发生，以及为电力转换器34提供便于减小极距滑动并且提供从电网事件稳定恢复的 信号。在某些实施例中，电力转换器34按照功率限制器系统152所提供的信号进行响应， 并且实质上消除极距滑动。在本文中又称作电网意外事件的电网事件可使公用电网136保持在其中电网阻 抗过高而难以接纳发电机沈所产生的电力的降级模式。电网事件的一个示例包括公用电 网136内的传输线之一上的短路故障。输电保护动作去除公用电网136的出故障部分，以便 准许公用电网136的其余无故障部分的操作。传输路径仍然是，在其将电力从系统150传 送到负载140的能力方面降级。在清除公用电网136的出故障部分之前，这类电网事件引 起公用电网136上短期的低电压。通常，终端电压138在电网事件时将接近零伏。低电压 瞬变和/或零电压瞬变常常将引起发电机跳闸以及对半导体装置的关联后果(例如，对风 力涡轮机10的组件可能的损坏)。系统150便于风力涡轮机10的低电压穿越能力(LVRT) 以及零电压穿越(ZVRT)能力，使得风力涡轮机发电机跳闸以及对半导体装置的关联后果 的可能性在低电压瞬变和/或零电压瞬变期间减少。这种电网事件可导致故障后条件，其中公用电网136的高阻抗阻止公用电网136 传送来自风力发电机沈的故障前电力(即，公用电网136的阻抗过高而无法传送来自风力 发电机沈的故障前电力)。在同步机器中，这种条件可导致发电机转子的转子角移到超过 其中公用电网136的抑制转矩能够平衡对风力涡轮机10的机械输入的点，这在本文中称作 “极距滑动(pole-slipping)”。在具有电力电子接口的机器(例如电力转换器34)中，这 种条件可导致功率和电压的一系列快速脉动。这类脉动与极距滑动相似，但是通过电力转 换器34，控制算法管理同步机器的行为而不是物理性质。没有电力转换器控制算法中的防 范，极距滑动可能发生。本文所述的方法和系统便于防止脉动的极距滑动，并且便于在检测到短时间周期 中的极距滑动时使系统150稳定，使得高层控件有时间确定动作并且传递那些动作以使系 统达到可接受条件。如图4所示，在示范实施例中，电力转换部件34配置成接收来自转换器接口控制 器156的控制信号154。控制信号IM基于本文所述的风力涡轮机10的所感测的操作条 件或操作特性，并且用于控制电力转换部件34的操作。所测量的操作条件的示例可包括但 不限于终端电网电压、PLL误差、定子母线电压、转子母线电压和/或电流。例如，传感器M 测量终端电网电压138，并且向功率限制器系统152传送终端电网电压反馈信号160。功率 限制器系统152至少部分基于反馈信号160来产生功率命令信号162，并且将功率命令信号162传送给转换器接口控制器156。在一个备选实施例中，转换器接口控制器156包含在系 统控制器44内。来自其它传感器的其它操作条件反馈也可由控制器44和/或转换器接口 控制器156用于控制电力转换部件34。使用这个反馈信息以及例如开关控制信号，定子同 步开关控制信号和系统断路器控制(跳闸)信号可按照任何已知方式来产生。例如，对于 具有预定特性的电网电压瞬变，控制器44和/或转换器接口控制器156将至少暂时实质上 挂起电力转换部件34内的IGBT的启动。操作的这种挂起将通过电力转换部件34传递的 电力实质上减小到接近零。图5是一个示范功率限制器系统、如功率限制器系统152的框图。功率限制器系 统152配置成输出功率命令信号162(图4所示)，它在示范实施例中是实际电流命令信号 166和无功电流命令信号168中的至少一个。在示范实施例中，功率限制器系统152包括功 率限制器180、功率调节器182和电压调节器184。在示范实施例中，功率限制器180接收 系统150的至少一个所测量操作条件。至少一个所测量操作条件可包括但不限于来自PLL 调节器80的PLL误差信号190以及来自传感器M的终端电网电压反馈信号160。功率限 制器180还接收来自例如系统控制器44(图3所示)的所存储参考功率控制信号194。在 一些实施例中，功率限制器180接收终端电网电压反馈信号160和所存储参考功率控制信 号194。在其它实施例中，功率限制器180接收PLL误差信号190和所存储参考功率控制信 号194。在其它实施例中，功率限制器180接收PLL误差信号190和终端电网电压反馈信号 160这两者以及所存储参考功率控制信号194。在示范实施例中，功率限制器180产生功率 命令信号198，并且将功率命令信号198传送给功率调节器182。功率调节器182产生实际 电流命令信号166，并且将实际电流命令信号166传送给转换器接口控制器156。转换器接 口控制器156在本文中又可称作转换器启动控制。如上所述，PLL调节器80可包含在系统 控制器44内，或者可耦合到系统控制器44但与其分离。在示范实施例中，PLL调节器80接收终端电压反馈信号160。例如，PLL调节器 80可接收由传感器M(图3所示)所提供的终端电压反馈信号160(图3中示为Vt)。如 上所述，PLL调节器80产生PLL误差信号190和PLL相位角信号202。将PLL相位角信号 202传送给转换器接口控制器156，用于部件34的控制以及用于注入到公用电网136(图4 所示)上的电流的后续控制。图6是示范电网相关功率限制器、如功率限制器180(图5所示)的框图。如上所 述，在如弱电网之类的电网意外事件中，公用电网136的阻抗过高而无法接纳发电机沈所 产生的电力。因此，极距滑动可能发生，从而引起公用电网136和风力涡轮机10上的反复 电压沉降和功率脉动。另外，弱电网引起公用电网136上的负载140处的Thevenin等效电 压的减小。为了便于防止极距滑动在电网意外事件之后发生，快速减小送往转换器接口控 制器156的电力命令。更具体来说，实际电流命令信号166由功率调节器182产生，并且传 送给转换器接口控制器156。实际电流命令信号166指示转换器接口控制器156减小转换 部件34设法注入到公用电网136上的电流的有功分量。此外，要支持终端电压，在电压调 节器184基于终端电压反馈信号160识别的终端电压下降时，电压调节器184产生无功电 流命令信号168，并且将无功电流命令信号168发送给转换器接口控制器156。在发生电网 意外事件时，电流命令信号168指示转换器接口控制器156增加注入到公用电网136上的 电流的无功分量。
在示范实施例中，功率调节器182接收来自功率限制器180的功率命令信号198。 功率命令信号198向功率调节器182提供与电网意外事件的发生对应的信号。如上所述， 低的终端电压是已经发生电网意外事件的指示。另外，高PLL误差是已经发生电网意外事 件的指示。要确定是否已经发生电网意外事件，功率限制器180内的功能块220接收终端 电压反馈信号160和/或PLL误差信号190。功率限制功能块222基于功能块220的输出 226来产生功率限制控制信号224。将功率限制控制信号2M和参考功率控制信号194提 供给比较器功能块230。比较器功能块230产生与功率限制控制信号224和参考功率控制 信号194中的较小者对应的功率命令信号198。在示范实施例中，在发生电网意外事件时，终端电压反馈信号160指示终端电压 的突然降低。相应地，功率限制功能块222产生快速减小功率限制控制信号224。快速减 小功率限制控制信号2M便于使系统150稳定，同时实质上减小极距滑动。在终端电压反 馈信号160指示电网意外事件已经结束(例如，终端电压增加)之后，功率限制功能块222 产生缓慢上升功率限制控制信号224。注入到公用电网136上的实际电流按照功率限制控 制信号2M升高。缓慢增加注入到公用电网136上的功率便于防止功率振荡。此外，缓慢 增加注入到公用电网136上的功率为系统150的操作中的高层变化提供时间，这允许系统 150适应电网意外事件。在示范实施例中，将功率限制控制信号2M与参考功率控制信号194进行比较。比 较器功能块230基于功率限制控制信号2M和参考功率控制信号194中的较低者来产生功 率命令信号198。例如，在发生电网意外事件之后，功率限制控制信号2M低于参考功率控 制信号194，并且因此功率命令信号198基于功率限制控制信号2M来产生。在系统150的 正常操作(例如，没有电网意外事件)期间，参考功率控制信号194小于功率限制控制信号 224，并且功率命令信号198基于预定的参考功率控制信号194。如上所述，PLL误差信号190和终端电压反馈信号160都是电网意外事件的发生 的指示符。例如，与高PLL误差对应的PLL误差信号190和与终端电压138的减小对应的 终端电压反馈信号160是已经发生电网意外事件的指示。响应于高PLL误差信号190和/ 或低终端电压反馈信号160，功率限制功能块222产生快速减小功率限制控制信号224。在 PLL误差信号190和/或终端电压反馈信号160指示电网意外事件已经结束(例如，PLL误 差和/或终端电压返回到预定水平)之后，功率限制功能块222产生缓慢上升功率限制控 制信号224。注入到公用电网136上的功率按照功率限制控制信号2M升高。如上所述，缓 慢增加注入到公用电网136上的功率便于防止功率振荡。在一个备选实施例中，功率限制器180还包括高层控件232。虽然描述为包含在 功率限制器180内，但是高层控件232还可定位成远离功率限制器180。如上所述，缓慢增 加注入到公用电网136上的功率便于防止功率振荡。缓慢增加注入到公用电网136上的 功率还为系统150的操作中的高层变化提供时间，这允许系统150适应电网意外事件。高 层控件232接收至少一个风力田输入信号，例如，输入信号234。风力田输入信号234可对 应于公用电网136中的变化，例如但不限于断路器接触信号或者来自远程变电站的通信信 号。输入信号234还可对应于在风力田内的多个风力涡轮机的公共耦合点处的电压测量。 在示范实施例中，高层控件232至少部分基于输入信号234来产生削减信号236，并且提供 削减信号236以选择多个风力涡轮机中的风力涡轮机。更具体来说，将削减信号236提供给比较器功能块230，在其中产生功率命令信号198。例如，如果由高层控件232所接收的 输入信号234对应于超过预定数量的远程变电站无法承载当前接收的功率的等级，则高层 控件232将产生削减信号236，该信号在被收到时，指示比较器功能块230产生功率命令信 号198，功率命令信号198将风力涡轮机的输出削减到低于原本从普遍风力条件可得到的 等级。在另一个示例中，如果高层控件232确定在多个风力涡轮机的公共耦合点的电压已 经保持低于预定义水平超过了预定义的时间周期，则高层控件232将产生削减信号236，它 在被收到时，指示比较器功能块230产生功率命令信号198，功率命令信号198将风力涡轮 机的输出削减到低于原本从普遍风力条件可得到的等级。在示范实施例中，功率限制器系统152还包括存储器，例如存储器66 (图3所示)。 存储器66配置成存储与风力涡轮机10的操作相关的数据。例如，存储器66可存储与例如 但不限于PLL误差190和电压反馈160对应的至少一个变量。更具体来说，控制器44配置 成对预定义变量的当前值进行抽样，并且在发生事件时将当前值存储在存储器66中。例 如，在发生电网意外事件时，PLL误差190和电压反馈160的当前值存储在存储器66中。存 储器66可由用户访问，以便例如监测风力涡轮机10的操作。图7是可与风力涡轮机10(图1所示)关联的电网线电压与时间的图解视图。图 表240包括纵坐标(y轴)242，它以百分比(％ )为单位表示电网线电压。y轴242示出在 图表原点的0%，并且延伸一直到100%。电网线电压0%指示公用电网136 (图4所示)上 的零电压。电网线电压100 %指示终端电网电压138是与风力涡轮机10关联的标称预定电 压的100%。图表240还包括横坐标(χ轴)244，它表示单位为秒(s)的时间。零电压瞬变 示为在等于0秒的时间开始。这个零电压瞬变可对应于电网事件，例如，引起零电压电网条 件的去耦负载。在示范实施例中，公用电网136上的零电压条件为0.15秒，其中公用电网 136上的电压在瞬变开始之后的大约3. 5秒完全恢复到100%。备选地，零电压条件的时间 长度和电网电压恢复的特性取决于本领域已知的各种因素。当电压如图7所示减小到零时，很可能存在故障，它们阻止发电机沈向公用电网 136传送电力。在风力继续使转子14(图1所示)转动的情况下，发电机沈继续产生没有 被转换成电能的能量。该能量反而使转子14加速，直到跳间特征被发起，可包括手动跳闸 或自动超速跳闸。图8-15示出发生电网意外事件之后的系统150(图4所示)的操作特性。如上所 述，系统150包括功率限制器系统152(图5所示)。更具体来说，图8-11示出当为功率限 制器系统152的功率限制器180提供终端电压反馈信号160(图5所示)时系统150的示 范操作特性。图12-15示出当为功率限制器180提供PLL误差信号190时系统150的示范 操作特性。图8-11示出当为功率限制器180提供终端电压反馈信号160时电网意外事件对 系统150(图4所示)的影响。图8示出电网意外事件随时间610对终端电网电压138(图 4所示)的影响。图9示出电网意外事件随时间610对终端电力134(图4所示)的影响。 图10示出电网意外事件随时间610对功率限制控制信号224(图6所示)和参考功率控制 信号194(图6所示)的影响。图11示出电网意外事件对PLL误差信号190(图6所示) 的影响。一旦识别电网意外事件，或者更具体来说，一旦快速减小的终端电网电压138提供 电网意外事件正在发生的指示，则功率限制控制信号2M迅速减小到低于参考功率控制信号194的水平。减小功率限制控制信号2M使电力转换器34减小施加到公用电网136的 实际电流的水平，并且如图8-11所示，便于使系统150稳定(即，减小Vt、Pt和PLL误差的 振荡)。图12-15示出当为功率限制器180提供PLL误差信号190时电网意外事件对系统 150(图4所示)的影响。图12示出电网意外事件随时间610对终端电网电压138(图4所 示)的影响。图13示出电网意外事件随时间610对终端电力134(图4所示)的影响。图 14示出电网意外事件随时间610对功率限制控制信号224(图6所示)和参考功率控制信 号194(图6所示)的影响。图15示出电网意外事件对PLL误差信号190(图6所示)的影 响。一旦识别电网意外事件，或者更具体来说，一旦增大的PLL误差信号190提供电网意外 事件正在发生的指示，则功率限制控制信号2M迅速减小到低于参考功率控制信号194的 水平。减小功率限制控制信号2M使电力转换器34减小施加到公用电网136的实际电流 的水平，并且如图12-15所示，便于使系统150稳定(S卩，减小Vt、Pt和PLL误差的振荡)。图16是说明用于控制在发电和输电系统、例如发电和输电系统150(图4所示) 中包含的风力涡轮机、例如风力涡轮机10(图1所示)的操作的示范方法的流程图沈0。 虽然描述为一种用于操作风力涡轮机的方法，但是该方法还可适用于不止一个风力涡轮机 10 ( S卩，风力田)的操作。在示范实施例中，该方法包括测量270发电和输电系统150的至少 一个操作条件，其中至少一个操作条件取决于电网意外事件的发生。如上所述，所测量的操 作条件提供电网意外事件的发生的指示。所测量的操作条件可包括但不限于锁相环(PLL) 误差和终端电网电压中的至少一个。该方法还包括向功率限制器系统传送272与至少一个 操作条件对应的操作条件反馈信号。更具体来说，PLL误差信号190 (图5所示)可由PLL 调节器、例如PLL调节器80 (图5所示)来产生，并且传送272给功率限制器系统152 (图5 所示)。PLL误差信号190可对应于由PLL调节器80所跟踪的持续相位误差。另外，终端 电网电压反馈信号160 (图5所示)可由传感器M (图3所示)来测量，并且传送272给功 率限制器系统152。在示范实施例中，该方法还包括使用功率限制器系统152来分析274操作条件反 馈信号，以便识别电网意外事件的发生。例如，增大的PLL误差信号190提供电网意外事件 正在发生的指示，和/或快速减小的终端电网电压138提供电网意外事件正在发生的指示。 该方法还包括使用功率限制器系统152来产生278与电网意外事件的发生对应的实际电流 命令信号。例如，实际电流命令信号、如实际电流命令信号166(图5所示)由功率限制器 系统152来产生。实际电流命令信号166可至少部分基于终端电网电压，并且用作电网意 外事件的发生的指示符。例如，当终端电网电压138低于预定义水平时，产生对应于电网意 外事件的发生的实际电流命令信号166。实际电流命令信号166还可至少部分基于PLL误差信号190。例如，当PLL误差信 号190高于预定义水平时，产生与电网意外事件的发生对应的实际电流命令信号166。实际电流命令信号166还可基于终端电网电压138和PLL误差信号190。在这个 备选实施例中，如果终端电网电压138和/或PLL误差信号190指示电网意外事件的发生， 则功率限制器系统152输出与电网意外事件的发生对应的实际电流命令信号166。该方法还包括将实际电流命令信号166传送280给控制器、例如转换器接口控制 器156 (图5所示)，并且将实际电流命令信号166应用于282电力转换器、例如电力转换部件34(图3所示)的性能。在接收到对应于电网意外事件的发生的实际电流命令信号166 时，电力转换部件34快速减小实际电流输出。此外，在接收到指示从电网意外事件恢复的 实际电流命令信号166时，电力转换部件34缓慢增加由电力转换部件34所输出的实际电 流，以便于从电网意外事件稳定恢复，并且实质上消除极距滑动。在示范实施例中，该方法还包括在发生电网意外事件时在存储器中存储观4与至 少一个操作条件对应的至少一个变量。例如，与至少一个操作条件对应的变量可存储284 在存储器66(图3所示)中。存储器66可存储与例如但不限于PLL误差190和电压反馈 160对应的多个变量。更具体来说，控制器44配置成对预定义变量的当前值进行抽样，并 且在发生事件时将当前值存储在存储器66中。例如，在发生电网意外事件时，PLL误差190 和电压反馈160的当前值存储在存储器66中。存储器66可由用户访问，以便例如监测风 力涡轮机10的操作，和/或检验风力涡轮机10、功率限制器系统152和/或发电和输电系 统150的正确操作。该方法还可包括将终端电网电压138传送290给电压调节器、例如电压调节器 184(图5所示)，并且在电压调节器184产生292无功电流命令信号、例如无功电流命令信 号168，它在终端电网电压138指示电网意外事件的发生时增加由电力转换部件34所输出 的无功电流。增加的无功电流支持终端电网电压138，直到解决电网意外事件或者激活风力 涡轮机10操作的高层控件。在一些实施例中，高层控件、例如高层控件232(图6所示)接 收风力田操作条件，至少部分基于风力田操作条件来产生削减信号，并且将削减信号传送 给功率限制器系统152。
上述实施例便于风力涡轮机的有效且节省成本的操作。风力涡轮机包括 功率限制器系统，向该系统提供终端电压反馈信号和PLL误差信号中的至少一个。终端电 压反馈信号和PLL误差信号便于识别电网意外事件，并且由本文所述的方法和系统所提供 的信号便于对所识别电网意外事件的快速响应。在识别电网意外事件之后施加到公用电网 的实际电流的快速减小实质上消除极距滑动。在公用电网的恢复时施加到公用电网的实际 电流的缓慢增加为高级控制系统平衡由风力涡轮机或者由风力田中的风力涡轮机所产生 的电力与公用电网上的负载等级提供时间。本文所述的方法和系统便于实现零和低电压穿 越，这可在电压瞬变期间防止发电机跳闸和/或支持电网。以上详细描述了风力涡轮机、功率限制器系统以及响应电网意外事件的发生而操 作风力涡轮机的方法的示范实施例。方法、风力涡轮机和功率限制器系统并不局限于本文 所述的具体实施例，而是可单独且独立于本文所述的其它组件和/或步骤来使用风力涡轮 机的组件、功率限制器系统的组件和/或方法的步骤。例如，功率限制器系统和方法还可与 其它风力涡轮机电力系统和方法结合使用，而并不局限于仅对于本文所述的电力系统的实 施。相反，示范实施例可与许多其它风力涡轮机或电力系统应用结合来实现和使用。虽然本发明的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未 示出，但是这只是为了方便起见。根据本发明的原理，一个附图的任何特征可与任何其它附 图的任何特征组合引用和/或要求其权益。本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域的技术人员 能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可 专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言没有差异的结构要素，或者如果它们包括具有与权利 要求的文字语言的非实质差异的等效结构要素，则它们应当在权利要求的范围之内。元件表
10风力涡轮机12短舱12主体或短枪14转子16塔架20转动轴22轮毂24叶片26发电机28转子轴30发电机轴32变速箱34电力转换部件36盘式制动器38偏转系统40转动轴42斜度系统44系统控制器50传感器54传感器56传感器62总线64处理器66存储器66随机存取存储器(RAM)
权利要求
1.一种用于减小极距滑动的电网相关功率限制器系统(152)，所述系统包括功率限制器(180)，配置成接收锁相环(PLL)误差信号(190)和终端电网电压反馈信号(160)中的至少一个；以及基于所述PLL误差信号和所述终端电网电压反馈信号中的至少一个来产生功率命令 信号(198)；以及功率调节器(182)，耦合到所述功率限制器，所述功率调节器配置成接收所述功率命令信号；至少部分基于所述功率命令信号来产生实际电流命令信号(166)；以及将所述实际电流命令信号传送给控制器(156)。
2.如权利要求1所述的系统(152)，还包括电压调节器(184)，所述电压调节器(184) 配置成接收所述终端电网电压反馈信号(160)；至少部分基于所述终端电网电压反馈信号来产生无功电流命令信号(168)；以及将所述无功电流命令信号传送给所述控制器(156)。
3.如权利要求1所述的系统(152)，其中，所述功率限制器(180)配置成当所述终端电 网电压反馈信号(160)指示所述终端电网电压(138)低于预定义水平时，产生与电网意外 事件对应的功率命令信号(198)。
4.如权利要求1所述的系统(152)，其中，所述功率限制器(180)配置成当所述PLL误 差信号(190)高于预定义水平时，产生与电网意外事件对应的功率命令信号(198)。
5.如权利要求1所述的系统(152)，其中，所述功率调节器(182)配置成产生实际电流 命令信号(166)，所述实际电流命令信号(166)指示电力转换器(34)在识别电网意外事件 之后迅速减小所述电力转换器输出的实际电流。
6.如权利要求5所述的系统(152)，其中，所述功率调节器(182)配置成产生实际电流 命令信号(166)，所述实际电流命令信号(166)指示所述电力转换器(34)在从电网意外事 件恢复之后缓慢增加所述电力转换器输出的所述实际电流。
7.一种发电和配电系统(150)，包括发电机(26)；耦合到所述发电机和公用电网(136)的电力转换部件(34)，所述电力转换部件配置成 接收由所述发电机产生的电力，并且将所接收的电力转换成适合通过所述公用电网传输的 电力；以及功率限制器系统(152)，所述功率限制器系统(152)在通信上耦合到所述电力转换部 件，并且配置成将实际电流命令信号(166)提供给所述电力转换部件，所述实际电流命令 信号至少部分基于电网意外事件的至少一个测量指示符。
8.如权利要求7所述的系统(150)，其中，所述功率限制器系统(152)接收锁相环 (PLL)误差信号(190)和终端电网电压反馈信号(160)中的至少一个，所述功率限制器系统 (152)配置成至少部分基于PLL误差信号和终端电网电压反馈信号中的至少一个来识别电 网意外事件的发生。
9.如权利要求7所述的系统(150)，其中，所述电力转换部件(34)配置成在接收到与电网意外事件对应的实际电流命令信号(166)时，减小所述电力转换部件输出的实际电 流，以便于减小极距滑动。
10.如权利要求7所述的系统(150)，其中，所述电力转换部件(34)还配置成在接收到 与从电网意外事件恢复对应的实际电流命令信号(166)时，缓慢增加所述电力转换部件输 出的实际电流。
全文摘要
描述一种用于减小极距滑动的电网相关功率限制器系统(152)。该系统包括功率限制器(180)，它配置成接收锁相环(PLL)误差信号(190)和终端电网电压反馈信号(160)中的至少一个，并且基于PLL误差信号和终端电网电压反馈信号中的至少一个来产生功率命令信号(198)。该系统还包括耦合到功率限制器的功率调节器(182)。功率调节器配置成接收功率命令信号，至少部分基于功率命令信号来产生实际电流命令信号(166)，并且将实际电流命令信号传送给控制器(156)。
文档编号H02J3/24GK102104256SQ201010615600
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者A·M·克洛多夫斯基, E·V·拉森, S·A·巴克 申请人:通用电气公司