专利名称：用于供应和/或吸收无功功率的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及风力涡轮机，并且更特别是涉及一种用于相对于风力涡轮机供应和/或吸收无功功率(reactive power)的方法和设备。
背景技术：
有时使用风力涡轮机将风能产生电能，其中电发生器通过转子的转动驱动，将风能转换成转动能。但是，风能有时不足以驱动转子，使得风力涡轮机不产生电能。
发明内容
在一个方面，风力涡轮机包括具有轮毂的转子、连接在轮毂上的至少一个转子叶片以及连接在所述轮毂上以便与其转动的转子轴。风力涡轮机还包括连接在转子轴上的电发生器，并且发生器侧频率转换器电连接到电发生器上，以便将从电发生器接收的可变频率AC转换成DC。发生器侧频率转换器电连接到电载荷上并且构造成将无功功率供应到电载荷并且从电载荷中吸收无功功率中的至少一种情况。风力涡轮机还包括电连接到发生器侧频率转换器上的电网侧频率转换器，以便将从发生器侧频率转换器接收的DC转换成固定频率AC。电网侧频率转换器电连接到电载荷上，并且构造成将无功功率供应到电载荷并且从电载荷中吸收无功功率中的至少一种情况。
在另一方面，提供一种相对于风力涡轮机提供无功功率的方法，风力涡轮机具有电发生器、电连接到电发生器上的发生器侧频率转换器以及电连接在发生器侧频率转换器和电载荷之间的电网侧频率转换器。该方法包括使用发生器侧频率转换器和电网侧频率转换器，将无功功率同时供应到电载荷上。
在另一方面，提供一种相对于风力涡轮机提供无功功率的方法，风力涡轮机具有电发生器、电连接到电发生器上的发生器侧频率转换器以及电连接在发生器侧频率转换器和电载荷之间的电网侧频率转换器。该方法包括使用发生器侧频率转换器和电网侧频率转换器，从电载荷同时吸收无功功率。
图1是示例性风力涡轮机的示例性实施例的透视图；图2是图1和2所示的风力涡轮机的示意图；图3是说明相对于风力涡轮机提供无功功率的方法的示例性实施例的流程图，风力涡轮机例如但不局限于图1和2所示的风力涡轮机；图4是说明相对于风力涡轮机提供无功功率的方法的另一示例性实施例的流程图，风力涡轮机例如但不局限于图1和2所示的风力涡轮机。
部件列表风力涡轮机10、机舱12、转子14、转动轴线16、塔18、转子轮毂20、叶片22、发生器24、转子轴26、转子轴28、齿轮箱30、低速侧32、高速侧34、发生器侧频率转换器36、电网侧频率转换器38、载荷40、开关42、开关44、开关46、系统48、总线50、处理器52、RAM54、装置56、存储器(ROM)58、装置60、感测器界面62、方法100、供应102、调节104、方法200、吸收202、调节204。
具体实施例方式
如这里使用那样，术语“叶片”用来表示在相对于环绕流体运动时提供反作用力的任何装置。如这里使用那样，术语“风力涡轮机”用来表示从风能产生转动能并且更特别是将风的动能转换成机械能的任何装置。如这里使用那样，术语“风力发生器”是用来表示从风能产生的转动能中产生电能并且更特别是将从动能转换的机械能转换成电能的任何风力涡轮机。
图1是示例性风力涡轮机10的示例性实施例的透视图。这里描述和说明的风力涡轮机10是用于从风能产生电能的风力发生器。这里描述和说明的示例性风力涡轮机10包括水平轴线的构造。但是，在某些实施例中，风力涡轮机10可包括(除了水平轴线构造之外或作为其选择)垂直轴线构造(未示出)。风力涡轮机10连接在电载荷(图1未示出)，例如但不局限于电网、能量存储装置、水力电解槽和/或电马达，以便从中接收辅助电能和/或用于将风力涡轮机10产生的电能供应其中。虽然只表示一个风力涡轮机10，在某些实施例中，多个风力涡轮机10可组合在一起，有时称为“风力农场”。
风力涡轮机10包括有时称为“机舱”的主体12以及连接到主体12上以便相对于主体12围绕转动轴线16转动的转子(总体由14标示)。在示例性实施例中，机舱12安装在塔18上。但是，在某些实施例中，除了安装在塔上的机舱12之外或作为其选择，风力涡轮机10包括靠近地面和/或水面的机舱12。塔18的高度可以是使得风力涡轮机10如这里描述那样操作的任何适当高度。转子14包括轮毂20和多个叶片20以便将风能转换成转动能。虽然转子14这里描述和说明为具有三个叶片22，转子14可具有任何数量的叶片22。叶片22可各自具有任何长度(而不管这里描述如何)。例如，在某些实施例中，一个或多个转子叶片22是大约0.5米长，而在某些实施例中，一个或多个叶片22是大约50米长。叶片22的其它实例包括10米或更小、大约20米、大约37米以及大约40米。另外其它的实例包括大约50和大约100米长之间的转子叶片22。
不管转子叶片22如何在图1中描述，转子14可具有任何形状的叶片22，并且可以具有任何类型和/或任何构造的叶片22，而不管这里描述和/或说明的形状、类型和/或构造如何。转子叶片22的另一类型、形状和/或构造的一个实例是具有导管的转子(未示出)，该转子具有容纳在导管(未示出)内的涡轮(未示出)。转子叶片22的另一类型、形状和/或构造的另一实例是达里厄(darrieus)风力涡轮机，有时称为“打蛋器”涡轮机。转子叶片22的另一类型、形状和/或构造的又一实例是萨伏纽斯(savonious)风力涡轮机。转子叶片22的另一类型、形状和/或构造的再一实例是用于泵送水的传统风车，例如但不局限于具有木质挡板和/或纤维帆的四叶片转子。此外，风力涡轮机10可在某些实施例中是其中转子14总体面向逆风以便控制风能的风力涡轮机，和/或可以是其中转子14总体面向顺风以便控制风能的风力涡轮机。当然，在任何实施例中，转子14可以不准确地面向逆风和/或顺风，而可以相对于风向总体面向任何角度(可以变化)以便从中控制风能。
现在参考图2，风力涡轮机10包括连接在转子14上以便从转子14产生的转动能产生电能的电发生器24。发生器24可以是任何类型的电发生器，例如但不局限于卷绕转子感应发生器、永磁体发生器、同步发生器和/或鼠笼感应发生器。发生器24包括定子(未示出)和转子(未示出)。转子14包括连接在转子轮毂20上以便与其一起转动的转子轴26。发生器24连接在转子轴26上，使得转子轴26转动驱动发生器转子的转动，以及发生器24的操作。在示例性实施例中，发生器转子具有连接其上并连接在转子轴26的转子轴28，使得转子轴26的转动驱动发生器转子的转动。在其它实施例中，发生器转子直接连接在转子轴26上，有时称为“直接驱动风力涡轮机”。在示例性实施例中，发生器转动轴28经由齿轮箱30连接在转子轴26上，而在其它实施例中，发生器转子轴28直接连接在转子轴26上。更特别是，在示例性实施例中，齿轮箱30具有连接在转子轴26上的低速侧32以及连接在发生器转子轴28上的高速侧34。转子14的扭矩驱动发生器转子，由此从转子14的转动中产生可变频率AC的电能。
在示例性实施例中，风力涡轮机10包括发生器侧频率转换器36以及电网侧频率转换器38，有时称为双重转换风力涡轮机发生器。更特别是，发生器侧频率转换器36电连接到发生器24上，并且将从发生器24接收的可变频率AC转换成DC。电网侧频率转换器38电连接到发生器侧频率转换器36上并且将从发生器侧频率转换器36接收的DC转换成固定频率AC。电网侧频率转换器38还电连接到电载荷40上，例如但不局限于电网、能量存储装置、水力电解槽和/或电马达。在其中风能足以驱动转子14转动并由此从发生器24的操作中产生电能的情况下，电网侧频率转换器38将固定频率AC供应到载荷40。电网侧频率转换器38还可从载荷40吸收和/或供应电无功功率。发生器侧频率转换器36和电网侧频率转换器38可各自位于风力涡轮机10内的任何位置或远离风力涡轮机10。例如，在示例性实施例中，发生器侧频率转换器36和电网侧频率转换器38各自位于塔18的底部(未示出)内。
如上所述，电网侧频率转换器38电连接到电载荷40上以便将电无功功率供应其中并且用于从中吸收电无功功率。另外，发生器侧频率转换器36电连接到电载荷40上，以便将电无功功率供应其中并且用于从中吸收电无功功率。因此，在风能在预定阈值以下时，或者在希望使用发生器侧频率转换器36在发生器24的操作过程中通过电网侧频率转换器38进行无功功率的补充供应或吸收时，电网侧频率转换器38和发生器侧频率转换器36都构造成将无功功率供应到电载荷40并从电载荷40吸收无功功率。预定阈值可具有任何数值。例如，预定风能阈值可以是在风能不足以驱动转子14转动并由此不足以操作电发生器24以便产生电能的阈值。因此，在使用电发生器24时，在风能足以产生电能的情况下，电网侧频率转换器38和发生器侧频率转换器36都可用来供应无功功率到电载荷40和/或从电载荷吸收无功功率。例如，无功功率可供应到电载荷40和/或从中吸收，以有助于调节电载荷40的电压。在其它实施例中，预定阈值可选择为如下的数值，即在该数值下，风能足以驱动转子14转动由此使用发生器24产生电能的，但是在该数值下，希望用发生器侧频率转换器36产生的无功功率来补充电网侧频率转换器38产生的无功功率。
发生器侧频率转换器36和电网侧频率转换器38可通过任何方式、形式、构造和/或配置、和/或使用任何结构、和/或使其如这里描述和说明那样操作的装置电连接在电载荷上。例如，在示例性实施例中，发生器侧频率发生器36和电网侧频率发生器38并联连接在电载荷40上，如图2所示。此外，在示例性实施例中，开关42沿着发生器24和发生器侧频率转换器之间的电连接进行电连接，并且开关46沿着发生器侧转换器36和电载荷40之间的电连接进行电连接。开关42可断开，以便将发生器侧频率转换器36以及随后将电网侧频率转换器38与发生器24电隔离。在开关42接通时，电能可在发生器24和发生器侧频率转换器36之间流动。在某些实施例中，开关44沿着电网侧频率转换器38和电载荷40之间的电连接进行电连接。开关44可以断开以便将电网侧频率转换器38以及随后将发生器侧频率转换器36与电载荷40电隔离。在开关44接通时，电能可在电载荷40和电网侧频率转换器36之间流动。在其它实施例中，不包括开关44。开关46可断开以便将发生器侧频率转换器36与电载荷40电隔离。在开关46接通(并且开关44(在包括时)接通)，电能可在电载荷40和发生器侧频率转换器36之间流动。在风能在预定阈值之下时，通过将开关42断开或保持断开，并且通过将开关46接通或保持接通(以及开关44(在包括时))，发生器侧频率转换器36和电网侧频率转换器38可用来将无功功率供应到电载荷40和/或从电载荷40吸收无功功率。开关42和46(以及开关44(在包括时))可以是任何开关，例如但不局限于功率电子器件、接触器、中断器和/或断路器。
在某些实施例中，风力涡轮机10可包括连接到风力涡轮机10的一个或多个部件上以便总体控制风力涡轮机10和/或其某些或所有部件(不管这种部件是否在这里描述和/或说明)的操作的一个或多个控制系统48。在示例性实施例中，控制系统48安装在机舱12内。但是，另外或作为选择，一个或多个控制系统48可远离风力涡轮机10的机舱12和/或其它部件。控制系统48可用于(但不局限于)整个系统监测和控制，包括但不局限于倾斜(pitch)和速度调节、高速轴和偏航(yaw)制动应用、偏航和泵马达应用和/或故障监测。在某些实施例中可使用可选择的分散或集中控制结构。
如图2所示，在示例性实施例中，控制系统48包括总线50或其它通讯装置以便通讯信息。一个或多个处理器52连接在总线50上以便处理信息。控制系统48还可包括一个或多个随机存取存储器(RAM)54和/或其它存储装置56。RAM54和存储装置56连接在总线50上，以便存储和传递信息和指令，从而通过处理器52执行。RAM54(和/或存储装置56(如果包括))还可用来在通过处理器52执行指令的过程中，存储临时变量或其它中间信息。控制系统48还可包括一个或多个只读存储器(ROM)58和/或连接在总线50上以便存储和提供静态信息到处理器52的静态存储装置。输入/输出装置60可包括本领域公知的任何装置，以便将例如但不局限于与电载荷40相关的输入数据的输入数据提供给控制系统48，和/或提供例如但不局限于偏航控制输出、倾斜控制输出和/或用于控制开关42、44和/或46的操作的开关控制输出的输出数据。指令可经由提供一个或多个电子存储介质等有线或无线的远程连接从例如但不局限于磁盘、只读存储器(ROM)集成电路、CD-ROM和/或DVD的存储装置提供给存储器。在某些实施例中，硬线回路用来代替软件指令或与软件指令相结合。因此，不管这里描述和/或说明如何，指令执行顺序不局限于硬件回路和软件指令的任何特定组合。
控制系统48还可包括使得控制系统48与任何感测器通讯的感测器界面62。感测器界面62可以是或者可以包括例如将模拟信号转换成可以通过处理器52使用的数字信号的一个或多个模拟-数字转换器。控制系统48可以例如但不局限于电气和/或光学连接到发生器侧频率转换器36和电网侧频率转换器38上，以便控制其操作，从而将例如但不局限于电无功功率的电功率供应到电载荷40，和/或从电载荷40吸收例如但不局限于电无功功率的电功率。在示例性实施例中，控制系统48电连接到转换器36和38以及开关42和46(以及44(如果包括的话)上，以便控制其操作。在某些实施例中，控制系统48例如但不局限于电气和/或光学连接到电载荷40上以便接收与载荷40相关的信息，例如但不局限于操作参数和/或载荷40的状态，和/或用于控制载荷40的操作。例如，在某些实施例中，使用转换器36和/或38，控制系统48接收与载荷40有关的电压信息或其它信息，以便调节载荷40的电压，而不管这种信息是否如同示例性实施例那样从控制系统48和载荷40之间的直接连接接收，和/或经由感测器界面62从感测器(未示出)接收。
除了控制系统48之外或作为选择，其它控制系统48(未示出)可用来控制载荷40的操作和/或控制转换器36和/或38的操作，以便将例如但不局限于电无功功率的电功率供应到电载荷40，和/或从电载荷40吸收例如但不局限于电无功功率的电功率。这种其它的控制系统包括但不局限于与其它风力涡轮机(未示出)相关的一个或多个控制系统、用于风力农场的一个或多个集中化控制系统和/或与载荷40相关的一个或多个控制系统。
图3是说明用于相对于风力涡轮机10(图1和2)的风力涡轮机提供无功功率的方法100的示例性实施例的流程图。虽然这里相对于风力涡轮机10描述和说明方法100，方法100可适用于任何风力涡轮机。方法100包括前面相对于图2描述那样在风能在预定阈值以下时或者在需要使用来自于发生器侧频率转换器36的无功功率在发生器24操作过程中通过电网侧频率转换器38补充供应无功功率时，使用发生器侧频率转换器36(图2所示)和电网侧频率转换器38(图2所示)同时将无功功率供应102到电载荷40(图2所示)。在某些实施例中，控制系统48(图2所示)和/或其它控制系统，例如但不局限于与其它风力涡轮机(未示出)相关的一个或多个控制系统、用于风力农场的一个或多个集中化控制系统和/或与载荷40相关的一个或多个控制系统可用来有助于将无功功率供应102到载荷40。
虽然方法100可以任何方式、形式、构造、和/或配置和/或使用任何方法、过程、结构和/或装置将无功功率供应102到载荷40，在示例性实施例中，方法100包括通过将开关42断开或保持断开(图2所示)使得发生器侧频率转换器36与发生器24(图2所示)电隔离。开关46(图2所示)和开关44(图2所示，如果包括的话)接通或保持接通，以便将无功功率供应到载荷40。在某些实施例中，供应到电载荷40上的无功功率可用来有助于调节104电载荷40的电压。
图4是说明用于相对于风力涡轮机10(图1和2)的风力涡轮机提供无功功率的方法200的示例性实施例的流程图。虽然这里相对于风力涡轮机10描述和说明方法200，方法200可适用于任何风力涡轮机。方法200包括前面相对于图2描述那样在风能在预定阈值以下时或者在需要使用发生器侧频率转换器36在发生器24操作过程中通过电网侧频率转换器38补充吸收无功功率时，使用发生器侧频率转换器36(图2所示)和电网侧频率转换器38(图2所示)同时从电载荷40吸收202无功功率(图2所示)。在某些实施例中，控制系统48(图2所示)和/或其它控制系统，例如但不局限于与其它风力涡轮机(未示出)相关的一个或多个控制系统、用于风力农场的一个或多个集中化控制系统和/或与载荷40相关的一个或多个控制系统可用来有助于从电载荷40吸收202无功功率。
虽然方法200可以任何方式、形式、构造、和/或配置和/或使用任何方法、过程、结构和/或装置从电载荷40吸收202无功功率，在示例性实施例中，方法200包括通过将开关42断开或保持断开(图2所示)使得发生器侧频率转换器36与发生器24(图2所示)电隔离。开关46(图2所示)和开关44(图2所示，如果包括的话)接通或保持接通，以便从电载荷40吸收202无功功率。在某些实施例中，从电载荷40吸收的无功功率可用来有助于调节204电载荷40的电压。
这里详细描述和/或说明了示例性实施例。该实施例不局限于这里描述的特定实施例，而是每个实施例的部件和步骤可单独使用，并且与这里描述和其它部件和步骤分开。每个部件和每个步骤还可与其它部件和/或方法步骤结合使用。
在引入这里描述和/或说明的元件/部件/等时，冠词“一个”、“该”、“所述”以及“至少一个”用来说明一个或多个元件/部件/等。术语“包括”、“包含”以及“具有”是涵盖的，并且可以是所列举元件/部件/等之外的另外元件/部件/等。
虽然针对多个特定实施例描述了本发明，本领域普通技术人员将理解到本发明可通过权利要求的精神和范围内的变型来实施。
权利要求
1.一种风力涡轮机(10)包括包括轮毂(20)的转子(14)、连接在所述轮毂上的至少一个转子叶片(22)以及连接在所述轮毂上以便与其转动的转子轴(26、28)；电连接在所述转子轴上的电发生器(24)；发生器侧频率转换器(36)，电连接到所述电发生器上，以便将从所述电发生器接收的可变频率AC转换成DC，所述发生器侧频率转换器电连接到电载荷(40)上并且构造成将无功功率供应到电载荷并且从电载荷中吸收无功功率中的至少一种情况；电网侧频率转换器(38)，电连接到所述发生器侧频率转换器上，以便将从所述发生器侧频率转换器接收的DC转换成固定频率AC，所述电网侧频率转换器电连接到电载荷上，并且构造成将无功功率供应到电载荷并且从电载荷中吸收无功功率中的至少一种情况。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述发生器侧频率转换器(36)和所述电网侧频率转换器(38)并联地电连接到电载荷(40)上。
3.如权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，还包括沿着所述电发生器(24)和所述发生器侧频率转换器(36)之间的电连接进行电连接以便将所述电发生器与所述发生器侧频率转换器有选择地电隔离的开关(42、44、46)。
4.如权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，还包括沿着所述电载荷(40)和所述发生器侧频率转换器(36)之间的电连接进行电连接以便将所述电载荷与所述发生器侧频率转换器有选择地电隔离的开关(42、44、46)。
5.如权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，还包括连接在所述发生器侧频率转换器(36)和所述电网侧频率转换器(38)上的处理器(52)。
6.如权利要求5所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述处理器(52)构造成从所述发生器侧频率转换器(36)和所述电网侧频率转换器(38)同时为电载荷(40)供应无功功率。
7.如权利要求5所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述处理器(52)构造成使用所述发生器侧频率转换器(36)和所述电网侧频率转换器(38)同时从电载荷(40)吸收无功功率。
8.如权利要求5所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，所述处理器(52)连接在电载荷(40)上并构造成使用所述发生器侧频率转换器(36)和所述电网侧频率转换器(38)调节电载荷的电压。
9.如权利要求1所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，电载荷(40)是电网。
全文摘要
一种风力涡轮机(10)包括具有轮毂(20)的转子(14)、连接在轮毂上的至少一个转子叶片(22)以及连接在轮毂上以便与其转动的转子轴(26、28)；电连接在转子轴上的电发生器(24)；电连接到电发生器上的发生器侧频率转换器(36)，以便将从电发生器接收的可变频率AC转换成DC，发生器侧频率转换器电连接到电载荷(40)上并且构造成将无功功率供应到电载荷并且从电载荷中吸收无功功率中的至少一种情况；电连接到发生器侧频率转换器上的电网侧频率转换器(38)，以便将从发生器侧频率转换器接收的DC转换成固定频率AC，电网侧频率转换器电连接到电载荷上，并且构造成将无功功率供应到电载荷并且从电载荷中吸收无功功率中的至少一种情况。
文档编号F03D9/00GK101092941SQ20071011216
公开日2007年12月26日 申请日期2007年6月19日 优先权日2006年6月19日
发明者R·沃林 申请人:通用电气公司