风力涡轮机及风力涡轮机的保护系统的制作方法

本发明大体涉及一种风力发电系统，尤其涉及一种风力涡轮机及风力涡轮机的保护系统。

背景技术：

典型地，风力涡轮机包括具有定子和转子的发电机，该发电机可能以双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)作为例子，定子直接与公用电网连接，而转子通过交流-直流-交流变换器与公用电网连接。当发电机处于发电模式时，上述变换器控制发电机的电磁转矩，以使转子的旋转速度达到期望的操作速度。该电磁转矩与风力涡轮机的机械转矩相匹配。如果突然发生电磁转矩损失事件，上述变换器失去了控制电磁转矩的能力，那么，电磁转矩将在100-200毫秒内降至零。与此相对的，当仅仅通过调节风力涡轮机的叶片的桨距角来降低机械转矩时，需要大约30-45秒才能将风力涡轮机的机械转矩降至零。由于电磁转矩的快速丧失以及机械转矩的缓慢减小，即使以可行的最快速度来调节风力涡轮机的叶片的桨距角，转子的旋转速度仍然可能超过额定速度。转子的旋转速度过快、叶片的桨距角的快速调节和推力的突然损失，使得风力涡轮机部件上所承受的机械负荷较高，特别是对于塔架、叶片和轮毂等。因此，对于承受电磁转矩损失事件的设计需求，常常影响着大多数风力涡轮机部件的设计。

此外，在操作期间，风力涡轮机还可能承受由电网故障事件(例如，低电压瞬态事件、零电压瞬态事件或高电压瞬态事件等)所引起的非期望负载，这些非期望负载可以通过设计参数(例如尺寸和制造材料)和操作参数(例 如风力涡轮机叶片的桨距角)来减轻。

在电网故障事件发生期间，由于输出端的功率损失，风力涡轮机内的电磁转矩可能会突然增大，并且还有可能伴随着转子转速过快的情况。在这种情况下，转子转速过快和电磁转矩的突然增大引起风力涡轮机内的机械负荷。桨距控制单元用于调节风力涡轮机叶片的浆距角以降低机械负荷。然而，如果浆距角的变化率大于浆距角的预定变化率，风力涡轮机部件可能会经历严重的振荡。风力涡轮机的塔架极易受到振荡的影响，并且，塔架的振荡将会降低风力涡轮机的使用寿命以及增加维护成本。

风力涡轮机部件，例如塔架、驱动机构和齿轮箱等通常被设计成能够承受由潜在电网故障事件所引起的机械负荷。例如，将齿轮箱设计成能够承受达到标称电磁转矩三倍的峰值电磁转矩。但是，这样的设计导致齿轮箱的体积较大，并且增加了成本。

因此，有必要提供一种改进的系统以解决上述问题。

技术实现要素：

现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。

本发明的一个方面在于提供一种风力涡轮机的保护系统，该风力涡轮机包括具有定子和转子的发电机、转子侧变流器、网侧变流器及位于转子侧变流器和网侧变流器之间的直流链路，该保护系统包括：

第一开关元件；

一个或多个侧电阻元件，其通过一个或多个侧开关元件与直流链路或者定子的多个绕组电性耦合；

控制器，其用于响应电磁转矩损失事件控制第一开关元件将网侧变流器 和定子的多个绕组与公用电网断开连接，以及控制一个或多个侧开关元件导通一个或多个侧电阻元件与直流链路或者定子的多个绕组之间的电性连接以在发电机中产生电磁转矩。

本发明的另一个方面在于提供一种风力涡轮机，其包括：

发电机，其包括定子和与风力涡轮机的多个叶片机械耦合的转子；

第一开关元件；

转子侧电阻元件，其通过转子侧开关元件与位于转子侧变流器和网侧变流器之间的直流链路电性耦合；及

控制器，其用于响应电磁转矩损失事件控制第一开关元件将网侧变流器与公用电网断开连接以及控制转子侧开关元件导通转子侧电阻元件与直流链路之间的电性连接，以在发电机中产生电磁转矩。

本发明的再一个方面在于提供一种风力涡轮机的保护系统，该风力涡轮机包括具有定子和转子的发电机、转子侧变流器、网侧变流器及位于转子侧变流器和网侧变流器之间的直流链路，该保护系统包括：

转子侧开关元件；

控制器，用于响应电网故障事件控制转子侧开关元件将转子侧电阻元件和储能元件中的至少一者电性耦合至直流链路；及

多个电感元件，每个电感元件电性耦合在转子的对应绕组与转子侧变流器对应的相之间或者电性耦合在定子的对应绕组与公用电网对应的相之间；

其中，多个电感元件被配置成足够的尺寸以降低由电网故障事件引起的定子及转子过电流。

本发明实施方式提供的上述风力涡轮机及风力涡轮机的保护系统，当发生电磁转矩损失事件时，可控制一个或多个侧开关元件导通一个或多个侧电阻元件与直流链路或者定子的多个绕组之间的电性连接以在发电机中产生电磁转矩，电磁转矩是以较为平稳的方式降为零，因此可以降低风力涡轮机部件上的机械负荷。或者当发生电网故障事件时，多个电感元件被配置成足够 的尺寸以降低由电网故障事件引起的定子及转子过电流，也可以降低由电网故障事件引起的机械负荷。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1是根据本发明的一个具体实施方式的风力涡轮机的示意图，该风力涡轮机具有保护系统。

图2是本发明第一实施方式的保护系统的电路图。

图3是本发明第二实施方式的保护系统的电路图。

图4是本发明第三实施方式的保护系统的电路图。

图5是本发明第四实施方式的保护系统的电路图。

图6是本发明第五实施方式的保护系统的电路图。

图7是本发明第六实施方式的保护系统的电路图。

图8是本发明第七实施方式的保护系统的电路图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或 者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

图1是根据本发明一个实施方式的具有保护系统102的风力涡轮机100的示意图。风力涡轮机100包括塔架104、设置于塔架104上的机舱106、转子108以及与转子108机械耦合的多个叶片110。多个叶片110由风驱动在参考数字112所表示的方向旋转。

风力涡轮机100还包括用于操作风力涡轮机的风力涡轮机部件，例如，驱动机构107和桨距角控制单元109。在风力涡轮机100的制造过程中，每个风力涡轮机部件被设计成能承受预定机械负荷。例如，风力涡轮机的齿轮箱被设计成能承受的第一峰值电磁转矩可达标称操作电磁转矩的三倍。风力涡轮机部件的上述设计要求导致在额定功率较低时制造成本较高。因此，保护系统102通过减少由电磁转矩损失事件或电网故障事件引起的机械负荷，以降低成本和提高额定功率，也就是说，风力涡轮机100对于机械负荷的承受能力提高了。

图2是根据本发明第一个具体实施方式的保护系统902的示意图。保护系统902可以应用于图1所示的风力涡轮机100中。风力涡轮机100还包括发电机16、主轴22、齿轮箱24、转子侧变流器30、直流链路32、网侧变流器34、第一开关元件80、第二开关元件82和变压器14。

发电机16包括定子106和转子108。在一个非限定的例子中，发电机16为双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)。转子108通过齿轮箱24与主轴22机械耦合，主轴22与风力涡轮机100的多个叶片110机械耦合。

定子106的多个绕组通过第二开关元件82和第一开关元件80分别与变压器14的多个初级线圈电性耦合。变压器14的多个次级线圈与公用电网12电性耦合。

转子108的多个绕组与转子侧变流器30电性耦合。直流链路32电性耦合于转子侧变流器30和网侧变流器34之间。网侧变流器34电性耦合于第二开关元件82和第一开关元件80之间的多个连接点。在一个非限定的示例中，直流链路32包括一个或多个电容器C1，用于将直流链路32的电压波动维持在较小状态。

保护系统902包括多个定子侧电阻元件44及多个定子侧开关元件46。在一个非限定的示例中，多个定子侧电阻元件44中的每一者包括电阻或任意功率阻尼装置。

定子106的多个绕组还通过对应的多个定子侧开关元件46与对应的多个定子侧电阻元件44电性耦合，多个定子侧电阻元件44分别电性耦合在多个定子侧开关元件46和地之间。在其他的实施例中，多个定子侧电阻元件44分别电性耦合在多个定子侧开关元件46和预定电位之间。

保护系统902还包括转子侧开关元件35、储能元件36、转子侧电阻元件38及控制器60。在一个非限定的示例中，转子侧电阻元件38包括电阻或任意功率阻尼装置。在一个非限定的示例中，储能元件36包括电池或任意能量储存装置。电池可能以可充电电池作为举例。

储能元件36和转子侧电阻元件38通过转子侧开关元件35与直流链路32电性耦合。在一个非限定的实施例中，转子侧开关元件35包括第一直流斩波器350和第二直流斩波器352，储能元件36通过第一直流斩波器350与直流链路32电性耦合，转子侧电阻元件38通过第二直流斩波器352与直流链路32电性耦合。

根据本发明的多个方面，保护系统902用于在发生电磁转矩损失事件时保护发电机16和齿轮箱24。作为一个非限定的示例，电磁转矩损失事件可 能由于电网损失事件导致或第二开关元件82的异常动作，例如第二开关元件82的异常关断等等。

在一个非限定的实施例中，定子电压传感器和定子电流传感器(未图示)可以侦测电网损失事件，定子电压传感器侦测定子电压，定子电流传感器侦测定子电流；如果侦测到的定子电压和侦测到的定子电流均大于或者小于预定值，则控制器60确定已经发生了电网损失事件。

控制器60用于响应电磁转矩损失事件控制第一开关元件80将网侧变流器34和定子106的多个绕组与公用电网12断开连接。

控制器60还用于响应电磁转矩损失事件在发电机16的超同步模式期间控制转子侧开关元件35导通转子侧电阻元件38和直流链路32之间的电性连接，以在发电机16中产生电磁转矩。

控制器60还用于响应电磁转矩损失事件在发电机16的次同步模式期间控制转子侧开关元件35导通储能元件36与直流链路32之间的电性连接，以在发电机16中产生电磁转矩。

在此需要说明的是，在风力涡轮机100的正常运转期间，第一开关元件和第二开关元件80，82均处于导通状态，如果发电机16以超同步模式运转，则定子106的多个绕组通过第二开关元件82和第一开关元件80输出电能至公用电网12，并且转子108的多个绕组通过转子侧变流器30、直流链路32、网侧变流器34和第一开关元件82输出电能至公用电网12。也就是说，风力涡轮机100实现了最高的电能输出。

如果发电机16以次同步模式运转，则定子106的多个绕组通过第二开关元件82和第一开关元件80输出电能至公用电网12，并且转子108的多个绕组通过第一开关元件82、网侧变流器34、直流链路32和转子侧变流器30从公用电网12获取电能。也就是说，风力涡轮机100输出的电能有所降低了。

控制器60还用于响应电磁转矩损失事件控制多个定子侧开关元件46导通对应的多个定子侧电阻元件44与定子106的多个对应绕组之间的电性连接， 以在发电机16中产生电磁转矩。

控制器60还用于在电磁转矩损失事件发生一预定时间段之后，控制多个定子侧开关元件46将对应的多个定子侧电阻元件44与定子106的多个对应绕组断开连接，和/或控制转子侧开关元件35将储能元件36和转子侧电阻元件38与直流链路32断开连接，从而使得发电机16停止运转。

在其它的实施例中，控制器60还用于响应电磁转矩损失事件控制第二开关元件82将定子106的多个绕组与网侧变流器34断开连接。

如上所描述的，在发生电磁转矩损失事件期间，发电机16中仍然产生电磁转矩。因此通过利用本公开具体实施方式实现了电制动支持，风力涡轮机100以更平稳的方式停止运转，相对于风力涡轮机100快速地/迅速地停止运转，显著地降低了风力涡轮机100的机械部件上的负荷。

图3是根据本发明第二个实施方式的保护系统904的示意图。图3所示保护系统904与图2保护系统902之间的区别在于保护系统904不包括图2所示的多个定子侧开关元件46和多个定子侧电阻元件44。

在图3所示实施例中，控制器60用于响应电磁转矩损失事件控制第一开关元件80将网侧变流器34与变压器14和公用电网12断开连接以及控制第二开关元件82导通定子106的多个绕组与网侧变流器34之间的电性连接，使得在发电机16的次同步模式期间，转子108的多个绕组可通过转子侧变流器30、直流链路32、网侧变流器34的二极管D1,D2,D3,D4,D5,D6或电子开关S1,S2,S3,S4,S5,S6从定子106的多个绕组获取电流。因此，发电机16内产生了电磁转矩。

控制器60还用于响应电磁转矩损失事件在发电机16的超同步模式期间控制转子侧开关元件35导通转子侧电阻元件38与直流链路32之间的电性连接。

进一步地，控制器60还用于响应电磁转矩损失事件在发电机16的次同 步模式期间控制转子侧开关元件35导通直流链路32与储能元件36之间的电性连接，使得转子108的多个绕组可通过转子侧变流器30和直流链路32从储能元件36获取电流。

在其它的实施例中，保护系统902不包括储能元件36，转子侧开关元件35不包括第一直流斩波器350。

图4是根据本发明第三个实施方式的保护系统906的示意图。图4所示保护系统906与图2保护系统902之间的区别在于保护系统906不包括图2所示转子侧开关元件35、储能元件36及转子侧电阻元件38。

在图4所示实施例中，控制器60用于响应电磁转矩损失事件控制第一开关元件80将网侧变流器34与变压器14和电网12断开连接。

控制器60还用于响应电磁转矩损失事件控制多个定子侧开关元件46导通对应的多个定子侧电阻元件44与定子106的多个对应绕组之间的电性连接，使得定子106的多个绕组的输出电能在多个定子侧电阻元件44上消耗。

控制器60还用于响应电磁转矩损失事件控制第二开关元件82导通定子106的多个绕组与网侧变流器34之间的电性连接，使得在发电机16的超同步模式期间，转子108的多个绕组的输出电能通过转子侧变流器30、直流链路32、网侧变流器34、第二开关元件82、多个定子侧开关元件46传输至多个定子侧电阻元件44并在多个定子侧电阻元件44上消耗，以及在发电机16的次同步模式期间，转子108的多个绕组通过第二开关元件82、网侧变流器34、直流链路32及转子侧变流器30从定子106的多个绕组获取电流。因此，发电机16内产生了电磁转矩。

图5是根据本发明第四个实施方式的保护系统908的示意图。图5所示保护系统908与图2保护系统902之间的区别在于发电机16始终工作于超同步模式期间，因此保护系统908可以不包括图2所示储能元件36，转子侧开关元件35可以不包括图2所示第一斩波器350。

在图5所示实施例中，控制器60用于响应电磁转矩损失事件控制第一开关元件80将网侧变流器34与变压器14和公用电网12断开连接以及控制第二开关元件82将定子106的多个绕组与网侧变流器34断开连接。因为发电机16不与公用电网12电性连接，所以没有必要维持1200rpm的同步速度。

根据上述描述，在发生电磁转矩损失事件时，控制器60内的同步速度参考值被修改成预定值，发电机16的转动速度等于该预定值和预定的转差速度之和。该预定的转差速度为负值，

同步速度参考值确定由转子侧变流器30提供的可变频率驱动电压，该可变频率驱动电压用于驱动转子108的多个绕组。同步速度参考值对应于定子106的同步频率。发电机16的旋转速度可以通过速度传感器(图未示)来测量。

由于定子106的同步频率fs始终小于发电机16的转动频率fr，因此可确保发电机16工作于超同步模式。其中，fr＝fs+fslip，fslip是转差频率，其与转差速度对应；发电机16的转动频率fr与发电机16的转动速度对应。发电机16的转动频率和定子106的同步频率的两个例子在下附表1中示出。

表1发电机16的转动频率和定子106的同步频率

在图5所示实施例中，由于发电机16工作于超同步模式，因此保护系统908可以不包括图2所示的储能元件，简化了风力涡轮机100的设计。

在图5的其它实施例中，发电机16可以工作于超同步模式或次同步模式，控制器60用于响应电磁转矩损失事件控制第一开关元件80将网侧变流器34 与变压器14和电网12断开连接，以及控制第二开关元件82导通定子106的多个绕组和网侧变流器34之间的电性连接，使得在发电机16的次同步模式下，转子108的多个绕组可通过网侧变流器34、直流链路32及转子侧变流器30从定子106的多个绕组获取电流。

图6是根据本发明第五个实施方式的保护系统910的示意图。图6所示保护系统910与图2所示保护系统902之间的区别在于网侧变流器34通过多个定子侧电阻元件44与多个定子侧开关元件46电性耦合。

在图6所示实施例中，控制器60用于响应电磁转矩损失事件控制第一开关元件80将网侧变流器34和定子106的多个绕组与电网12断开连接。

控制器60还用于响应电磁转矩损失事件在发电机16的超同步模式期间控制转子侧开关元件35导通转子侧电阻元件38与直流链路32之间的电性连接，在发电机16的次同步模式期间控制转子侧开关元件35导通储能元件36与直流链路32之间的电性连接。

控制器60还用于响应电磁转矩损失事件控制第二开关元件82将定子106的多个绕组和网侧变流器34断开连接，以及控制多个定子侧开关元件46导通对应的多个定子侧电阻元件44与定子106的多个对应绕组之间的电性连接，使得定子106的多个绕组分别与多个定子侧电阻元件44电性连接。

此外，在发电机16的次同步模式期间，转子108的多个绕组通过转子侧变流器30、直流链路32、网侧变流器34、多个定子侧电阻元件44及多个定子侧开关元件46从定子106的多个绕组获取电流。因此，发电机16内产生了电磁转矩。

在其它的实施例中，保护系统910不包括储能元件36，转子侧开关元件35不包括第一直流斩波器350。

图7是根据本发明第六个实施方式的保护系统912的示意图。图7所示保护系统912与图2所示保护系统902之间的区别在于控制器60用于响应电 磁转矩损失事件控制第二开关元件82导通定子106的多个绕组与网侧变流器34之间的电性连接，使得转子侧变流器30通过直流链路32和网侧变流器从定子106的多个绕组获取电流。

在图7所示实施例中，控制器60还用于响应电磁转矩损失事件控制第一开关元件80将网侧变流器34与变压器14和公用电网12断开连接。

控制器60还用于响应电磁转矩损失事件控制转子侧开关元件35导通储能元件36与直流链路32之间的电性连接，以及控制多个定子侧开关元件46导通定子106的多个对应绕组与对应的多个定子侧电阻元件44之间的电性连接。

控制器60还用于响应电磁转矩损失事件控制转子侧变流器30提供直流电流至转子108的任意两个绕组，使得发电机16作为永磁发电机运转。因此发电机16内产生了电磁转矩。

在其它的实施例中，保护系统912不包括储能元件36，转子侧开关元件35不包括第一直流斩波器350。

图8是本发明第七实施方式的保护系统920的电路图。图8所示保护系统920和图2-7所示保护系统之间的区别在于图8所示保护系统920降低由电网故障事件引起的机械负荷。

作为一个非限定的实施例，电网故障事件可以是公用电网12中发生的低电压瞬态事件或零电压瞬态事件。在其他的实施例中，电网故障事件可以是公用电网12中的高电压瞬态事件。

在图8所示实施例中，保护系统920包括转子侧开关元件35、储能元件36、转子侧电阻元件38、多个电感元件90及多个电感元件92。

多个电感元件90、第二开关元件82及第一开关元件80串联连接在定子106的多个绕组与变压器14的多个初级线圈之间，变压器14的多个次级线圈与公用电网12电性耦合。

多个电感元件92电性耦合在转子侧变流器30与转子108的多个绕组之间。在其他的实施例中，多个电感元件90、第二开关元件82及第一开关元件80串联连接在定子108的多个绕组与公用电网12之间；变压器14的多个初级线圈与网侧变流器34电性耦合，变压器14的多个次级线圈电性耦合至第二开关元件82与第一开关元件80之间的多个连接点。

在风力涡轮机100的正常运行期间，第一开关元件80和第二开关元件82呈导通状态。定子106的多个绕组通过多个电感元件90、第二开关元件82、第一开关元件80及变压器14输出电能至电网12，转子108的多个绕组通过多个电感元件92、转子侧变流器30、直流链路32、转子侧开关元件35、网侧变流器34、第一开关元件80及变压器14输出电能至电网12或从电网12吸收电能。

根据本发明的多个方面，保护系统920实现了发生瞬态事件期间对发电机16和齿轮箱24的保护。作为一个例子，保护系统920进一步包括控制器60，该控制器60用于根据电网电压和电网电流中至少一者的变化，控制保护系统920。

控制器60可能通过一个或多个感应器(未图示)监控电网电压和电网电流中的至少一者。如果发生电网故障事件，例如，在低电压瞬变事件或零电压瞬变事件发生的情况下，电网电压降低至或者电网电流升高至预定阈值，并且第一峰值电磁转矩可能是标称操作电磁转矩的三倍以上。

控制器60响应电网侧故障事件产生指令以控制风力涡轮机内的实时电磁转矩。转子侧电阻元件38和储能元件36用于控制风力涡轮机内的实时电磁转矩。

具体而言，控制器60用于根据预计的峰值电磁转矩值触发转子侧开关元件35导通转子侧电阻元件38和储能元件36中的一者或两者与直流链路32之间的电性连接。转子侧电阻元件38吸收转子108的电流，并使得控制器10能够控制风力涡轮机内的实时电磁转矩。在储能元件38也与直流链路32 电性耦合的情况下，储能元件36通过在风力涡轮机内生成有效功率以提供反向转矩，有助于降低风力涡轮机内的实时电磁转矩。

多个电感元件92被配置成足够的尺寸以降低由电网故障事件引起的定子及转子过电流，以有助于降低实时电磁转矩。

备选地或作为补充地，电感元件90被配置成足够的尺寸以降低由电网故障事件引起的定子及转子过电流，以有助于降低实时电磁转矩。

继续参照图8，此外，在第一可替代的实施方式中，发电机16的磁漏电感被足够地增大至期望电感值以降低由电网故障事件引起的定子及转子过电流。作为一个非限定的实施例，定子106与转子108之间的气隙被足够地增大以实现上述期望电感值。

在第二可替代的实施方式中，定子106的多个绕组通过变压器14与公用电网12电性耦合，网侧变流器34通过变压器14与公用电网12电性耦合；

变压器14的磁漏电感被足够地增大至期望电感值以降低由电网故障事件引起的定子及转子过电流。作为一个非限定的实施例，变压器14的多个初级线圈与多个次级线圈被隔开成预定间距以实现该期望电感值。

在其它的可替代实施方式中，保护系统920仅包括多个电感元件90和多个电感元件92中的一者。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。