专利名称：具有lvrt能力的风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及风力涡轮机领域，更具体来说，涉及配置/操作风力涡轮机以在低电压穿越状态(low voltage ride through condition)期间保持连接到电网。
背景技术：
同电网的总体发电能力相比，过去风力发电系统的应用是小规模的。经常被用来描述风力发电的相对量的术语是“渗透性(penetration)”。渗透性是对电网而言风力发电与可用的全部发电的比。以前，即使在风力发电最高的地方，渗透性水平也是在几个百分比的范围内。尽管这是相对少量的电力，并且管理风力涡轮机操作的规则也反映出这种小的渗透性，显然，该渗透性正在增加，因此针对风力涡轮机的操作规则现在和将来也会改变。例如，一种正在修改的操作原则就是风力涡轮机必须提供的所需数量的电网稳定性支持。可以理解，随着风力涡轮机的渗透性增加，对他们对电网稳定性所做贡献的期望也变得更大。如今电气设施面临对更高质量、可靠电力和增加传输容量的需求日益增长。增加可靠性和容量的关键在于确保恰当地调节电网电压。这有助于防止服务中断、对电气服务设备、发电厂和电网的其他部件的损害，并能够有助于传输容量最大。为了向电网可靠地提供电力，风力涡轮发电机(也可以是其他类型的发电机)必须符合定义了对电力提供商和大功率消费者的强制要求的电网互连标准。一种这样的标准是“低电压穿越”(LVRT =Iow voltage ride through)要求，其通常要求在发电单元的端子处的电压下降到规定的电平持续规定的时间段(例如，下降到额定电平的15%持续0.5秒，等)时，发电单元保持与电网的连接和同步。LVRT要求已经在流和气体涡轮发电厂中通过使用由DC电源供电的重要电气总线和连接至发电机的辅助总线得到解决。由于该输入功率(例如，流或气体)可以封闭式调节，所以相对那些依靠极易变化的风速来提供机械能的风力涡轮发电机，这些类型的发电机通常更耐电压波动。过去，允许风力涡轮发电机在低电压事件期间离线以保护他们不受损害。但是，由于上面提到的原因，风力涡轮机包含LVRT功能以在这些不希望的电压波动期间支持电网变得越来越重要。
发明内容
本发明至少总体涉及配置和/或操作风力涡轮机以在低电压穿越状态期间保持连接到电网。本发明可以由作为单独单元操作的风力涡轮机来使用，也可以由在风力场/园内的一个或更多个风力涡轮机(例如，其中多个风力涡轮机相互连接或者至少可以通过公共耦接点与电网相互连接)来使用。不论实现方式如何，根据本发明的风力涡轮机可以包括涡轮转子(例如，具有一个或更多个相关的叶片)、同步发电机、在所述涡轮转子和同步发电机之间的传动系统中的扭矩调节器或“TR”(例如，一个这样的TR是扭矩调节变速箱 (TRG))、以及可能的其他部件。本发明的实施方式可以包括配置并操作上面提到的和其他部件，以促进所述风力涡轮机的故障电压穿越功能(例如，低电压穿越功能)。现在将描述本发明的各个方面。虽然以下方面的每一点可能涉及或可应用于上面所述，但是这里介绍的内容并不是对任何这些方面的要求，除非以其他方式提到。本发明的第一方面通过一种自动方法来实现，该方法使得风力涡轮机在低电压事件期间保持与电网的电连接。所述风力涡轮机可以包括耦接至所述电网和经由扭矩调节器 (例如，TRG)耦接至涡轮转子的同步发电机。所述自动方法可以包括检测低电压事件。而且，所述自动方法可以包括提高所述同步发电机的转子电流以在所述低电压事件期间向所述电网提供无功功率，其中所述提高转子电流是响应于检测到所述低电压事件而开始的。多个特征改进和额外的特征可应用于本发明的第一方面。这些特征改进和额外特征可以单独或以任意组合形式使用。以下详述可单独地应用于第一方面，直到本发明第二方面的详述开始。在第一方面的一个实施方式中，所述自动方法可以包括调整所述扭矩调节器的操作，例如以改变在所述涡轮转子和所述同步发电机之间传递的扭矩量(例如，以响应于检测到所述低电压事件，减小施加给所述同步发电机的轴的所述扭矩)。所述扭矩调节器可以是任意合适大小、形状、配置和/或类型的。可以采用任意合适的方式(例如，电气地、液压地)调节从所述涡轮转子到所述同步发电机的扭矩传递。在第一方面的一个实施方式中，所述自动方法可以包括调整TRG形式的扭矩调节器的扭矩转换特性(例如，以减小施加给所述同步发电机的轴的机械扭矩)，其中响应于检测到所述低电压事件开始调整扭矩转换特性。所述TRG可以包括液压回路，并且所述自动方法可以包括减小流经所述液压回路的液压流体的质量流(例如，以修改所述TRG的操作特性)，其中响应于检测到所述低电压事件开始减小质量流。而且，所述TRG可以包括设置在导片壳体中的多个导片，并且所述自动方法可以包括调整所述导片的位置，以例如改变流经所述液压回路的液压流体的质量流，其中响应于检测到所述低电压事件开始对所述导片的调整。第一方面的所述自动方法也可以包括响应于检测到所述低电压事件调整被所述 TRG所吸收的能量的量，而这可能对在所述低电压事件期间保持在所述风力涡轮机与所述电网之间的电连接是有利的。在第一方面的一个实施方式中，所述自动方法可以包括开始减小所述涡轮转子的转速(例如，响应于检测到所述低电压事件)。可以以任何合适的方式(例如，激活或应用一个或更多个任意合适类型的制动器或制动设备，改变所述涡轮转子叶片的桨距，或者这两种方式)来减小所述涡轮转子的转速。可以根据任意合适的标准来保证所述涡轮转子的转速的减小量。在第一方面的一个实施方式中，所述自动方法可以包括激活或应用与在所述涡轮转子与所述同步发电机之间延伸的传动系统相关联的至少一个制动器(例如，以减小所述涡轮转子的转速)，其中该制动可以响应于检测到所述低电压事件而开始。作为示例，所述制动可以是根据所述电网的电压和/或与所述电网的电压成比例地(或任何其他标准)来控制的。本发明的第一方面的所述自动方法也可以包括响应于检测到所述低电压事件而调整所述风力涡轮机的多个叶片的叶片桨距(例如，以减小所述涡轮转子的转速)。所述自动方法也可以包括在所述低电压事件期间将与所述风力涡轮机相关联的一个或更多个电气外围设备同所述电网隔离开，其中该隔离响应于检测到所述低电压事件而开始的。在这点上，可以显著地减小由所述低电压事件而导致的对所述一个或更多个电气外围设备的潜在损害。所述自动方法还可以包括提供不间断电源(UPQ，该UPS可操作以在所述低电压事件期间向所述风力涡轮机的一个或更多个部件提供电力。作为示例，所述UPS可以包括电池电源，但是可以采用任意合适类型的一种或更多种储能设备。本发明的第二方面通过一种风力涡轮机来实现，该风力涡轮机可以在低电压事件期间保持与电网的电连接。所述风力涡轮机可以包括涡轮转子、扭矩调节器(例如，TRG)和同步发电机，其中所述涡轮转子包括多个涡轮叶片，并且其中所述扭矩调节器定位在所述涡轮转子与所述同步发电机之间(例如，以便所述同步发电机经由所述扭矩调节器耦接至所述涡轮转子；以便所述扭矩调节器处于在所述涡轮转子和所述同步发电机之间延伸的传动系统中)。而且，所述风力涡轮机可以包括控制器，所述控制器可操作以检测低电压事件的出现，并响应于检测到这样的低电压事件，使得提高在所述同步发电机的转子电流以在所述低电压事件期间向所述电网提供无功功率。多个特征改进和额外特征可应用于本发明的第二方面。这些特征改进和额外特征可以单独或以任意组合形式使用。以下详述可单独地应用于第二方面，直到本发明第三方面的详述开始。所述扭矩调节器可以是任意合适大小、形状、配置、和/或类型的。可以采用任意合适的方式(例如，电气地、液压地)调节从所述涡轮转子到所述同步发电机的所述扭矩传递。在第二方面的一个实施方式中，这里所述扭矩调节器是TRG的形式，所述风力涡轮机的所述TRG可以包括多个导片，该多个导片可操作以修改所述涡轮转子与所述同步发电机之间的扭矩转换。而且，所述控制器可以操作以响应于所述低电压事件来调整所述多个导片的位置以减小施加给所述同步发电机的机械扭矩。例如，所述TRG可以包括液压回路，而所述多个导片可以设置在所述液压回路中。在第二方面的一个实施方式中，所述控制器可以可操作以调整被所述TRG所吸收的能量的量，而这可能对在所述低电压事件期间保持在所述风力涡轮机与所述电网之间的所述电连接是有利的。一个或更多个任意合适类型的制动器或制动设备可以以任意合适的方式合并到在所述涡轮转子和同步发电机之间延伸的传动系统中(例如，以根据合适的标准减小所述涡轮转子的所述转速)。在第二方面的一个实施方式中，所述风力涡轮机可以包括与设置在所述涡轮转子和所述扭矩调节器之间的轴相关联的制动器。在任何情况下，所述控制器可以操作以响应于检测到所述低电压事件来激活或应用至少一个制动器(例如，以减小所述涡轮转子的转速)。作为示例，所述控制器可以操作以根据和/或与所述电网的电压(或根据任何其他合适的标准)成比例于地、选择性地来激活或应用至少一个制动器。本发明第二方面的所述风力涡轮机的所述控制器还可以操作，以响应于所述低电压事件来调整所述风力涡轮机的所述多个叶片的叶片桨距(例如，以减小所述涡轮转子的转速)。所述风力涡轮机也可以包括一个或更多个与所述风力涡轮机相关联的电气外围设备(例如，偏航驱动器、液压泵、电马达等)，而所述控制器可以操作以在所述低电压事件期间将所述一个或更多个电气外围设备同所述电网隔离开来。在这点上，可以显著地减小由所述低电压事件而导致的对所述一个或更多个电气外围设备的潜在损害。所述风力涡轮机还可以包括不间断电源(UPQ，该UPS可操作以在所述低电压事件期间向所述风力涡轮机的一个或更多个部件提供电力。作为示例，所述UPS可以包括电池电源，但是可以采用任意合适类型的一种或更多种储能设备。而且，所述控制器还可以操作以确定在所述低电压事件之后所述电网的电压已经恢复到预定电平，并继续所述风力涡轮机的正常工作。本发明的第三方面通过一种自动方法来具体化，该方法使得风力涡轮机在低电压事件期间保持与电网的电连接。所述风力涡轮机可以包括耦接至所述电网和经由扭矩调节器(例如，TRG)耦接至涡轮转子的同步发电机。所述自动方法可以包括检测低电压事件， 并作为响应1)提高所述同步发电机的转子电流(例如，以在低电压事件期间向所述电网提供无功功率)；幻调整所述扭矩调节器的扭矩转换特性(例如，以减小施加给所述同步发电机的轴的机械扭矩)；3)调整所述风力涡轮机的多个叶片的叶片桨距(例如，以减小所述涡轮转子的转速)；4)激活或应用与在所述涡轮转子和所述同步发电机之间延伸并设置的传动系统相关联的至少一个制动器(例如，以减小所述涡轮转子的转速)力)将一个或更多个与所述风力涡轮机相关联的电气外围设备同所述电网隔离开来；和6)提供不间断电源 (UPS)(例如，电池电源或更一般而言是任意合适类型的一种或更多种储能设备)，该UPS可操作以在所述低电压事件期间向所述风力涡轮机的一个或更多个部件提供电力。另外，所述自动方法可以包括确定在所述低电压事件之后所述电网的电压已经恢复到预定电平，并继续所述风力涡轮机的正常工作。许多特征改进和额外特征可应用于本发明的第三方面。这些特征改进和额外特征可以单独或以任意组合形式使用。以下详述可单独地应用于第三方面，直到本发明第四方面的详述开始。在第三方面的一个实施方式中，所述扭矩调节器是TRG的形式。所述TRG可以包括液压回路，调整扭矩转换特性的可以包括减小流经所述液压回路的液压流体的质量流以修改所述TRG的操作特性。而且，所述TRG可以包括设置在导片壳体中的多个导片，而调整扭矩转换特性可以包括调整所述导片的位置，例如以修改流经所述液压回路的液压流体的质量流。在第三方面的一个实施方式中，调整扭矩转换特性也可以包括调整被所述TRG吸收的能量的量，而这可能对在所述低电压事件期间保持在所述风力涡轮机与所述电网之间的所述电连接是有利的。本发明的第四方面通过一种自动方法来实现，该方法使得风力涡轮机在低电压事件期间保持与电网的电连接。与这个实施方式相关联的所述风力涡轮机可以包括耦接至所述电网和经由扭矩调节器(例如，扭矩调节变速箱(TRG))耦接至涡轮转子的同步发电机。 所述自动方法可以包括检测低电压事件。所述自动方法还可以包括响应于检测到低电压事件开始第一动作，其中所述第一动作包括执行从由以下项构成的组中选择的至少一个步骤a)提高所述同步发电机的转子电流(例如，以在低电压事件期间向所述电网提供无功功率)；和b)调整所述扭矩调节器的扭矩转换特性(例如，以减小施加给所述同步发电机的轴的机械扭矩)。所述自动方法还可以包括响应于检测到低电压事件开始第二动作，其中所述第二动作包括执行从由以下项构成的组中选择的至少一个步骤a)激活或应用与在所述涡轮转子和所述同步发电机之间延伸的传动系统相关联的至少一个制动器(例如，以减小所述涡轮转子的转速)；和b)调整所述风力涡轮机的多个叶片的叶片桨距(例如，以减小所述涡轮转子的转速)。本发明的第五方面通过一种自动方法来实现，该方法使得风力涡轮机在低电压事件期间保持与电网的电连接。与这个实施方式相关联的所述风力涡轮机可以包括耦接至所述电网和经由扭矩调节器(例如，扭矩调节变速箱(TRG))耦接至涡轮转子的同步发电机。 所述自动方法可以包括检测低电压事件。所述自动方法还可以包括调整所述扭矩调节器的操作，其中所述操作的调整是响应于检测到所述低电压事件而开始的。许多特征改进和额外特征可应用于本发明的第五方面。这些特征改进和额外特征可以单独或以任意组合形式使用。以下详述可单独地应用于第五方面，直到本发明第六方面的详述开始。在第五方面的一个实施方式中，所述操作的调整包括调整所述扭矩调节器的扭矩转换特性。例如，所述操作的调整可以包括减小施加给所述同步发电机的轴的机械扭矩。 另外，在第五方面的其中所述扭矩调节器是TRG的形式的一个实施方式中，所述TRG可以包括液压回路，而所述操作的调整可以包括减小流经所述液压回路的液压流体的质量流以修改所述TRG的操作特性。而且，所述TRG可以包括设置在导片壳体中的多个导片，而所述操作的调整可以包括调整所述导片的位置，以例如修改流经所述液压回路的液压流体的质量流。在第五方面的一个实施方式中，所述自动方法也可以包括调整被所述TRG吸收的能量的量，而这可能对在所述低电压事件期间保持在所述风力涡轮机与所述电网之间的所述电连接是有利的。在第五方面的一个实施方式中，所述自动方法可以包括响应于检测到所述低电压事件激活或应用与在所述涡轮转子和所述同步发电机之间延伸的传动系统相关联的至少一个制动器(例如，以减小所述涡轮转子的转速)。作为示例，制动可以是根据所述电网的电压和/或与所述电网的电压成比例地(或根据任何其他合适的标准)而被控制的。而且，所述自动方法可以包括提高所述同步发电机的转子电流以在低电压事件期间向所述电网提供无功功率，其中响应于检测到所述低电压事件开始提高转子电流。本发明的第五方面的所述自动方法还可以包括响应于检测到所述低电压事件而调整所述风力涡轮机的多个叶片的叶片桨距(例如，以减小所述涡轮转子的转速)。所述自动方法还可以包括在所述低电压事件期间将与所述风力涡轮机相关联的一个或更多个电气外围设备同所述电网隔离开。在这点上，可以显著地减小由所述低电压事件而导致的对所述一个或更多个电气外围设备的潜在损害。所述自动方法还可以包括提供不间断电源 (UPS)，该UPS可操作以在所述低电压事件期间向所述风力涡轮机的一个或更多个部件提供电力。作为示例，所述UPS可以包括电池电源，但是可以采用任意合适类型的一种或更多种储能设备。本发明的第六方面通过一种风力涡轮机来实现，该风力涡轮机可以在低电压事件期间保持与电网的电连接。所述风力涡轮机可以包括同步发电机和耦接至所述同步发电机的扭矩调节器。所述风力发电机还可以包括耦接至所述扭矩调节器的涡轮转子，其中所述涡轮转子包括多个涡轮叶片。而且，所述风力涡轮机可以包括控制器，所述控制器可操作以检测低电压事件的出现，并响应于检测到所述低电压事件以调整所述扭矩调节器的操作。许多特征改进和额外特征可应用于本发明的第六方面。这些特征改进和额外特征可以单独或以任意组合形式使用。在第六方面的一个实施方式中，这里所述扭矩调节器是TRG的形式，所述风力涡轮机的所述TRG可以包括可操作以修改在所述涡轮转子与所述同步发电机之间的扭矩转换的多个导片。而且，所述控制器可以操作以响应于所述低电压事件来调整所述多个导片的位置(例如，以减小施加给所述同步发电机的机械扭矩)。例如，所述TRG可以包括液压回路，而所述多个导片可以设置在所述液压回路中。在第六方面的一个实施方式中，所述控制器可以操作以调整被所述TRG所吸收的能量的量，而这可能对在所述低电压事件期间保持在所述风力涡轮机与所述电网之间的所述电连接是有利的。在第六方面的一个实施方式中，所述风力涡轮机可以包括与在所述涡轮转子和所述扭矩调节器之间延伸的传动系统相关联的至少一个制动器。而且，所述控制器可以操作以响应于所述低电压事件来激活或应用至少一个制动器(例如，以减小所述涡轮转子的转速)。作为示例，所述控制器可以操作以根据和/或与所述电网的电压成比例地(或根据任何其他合适的标准)而选择性地来激活或应用至少一个制动器。而且，所述控制器可以操作以使得所述同步发电机的转子电流提高以在所述低电压事件期间向所述电网提供无功功率。本发明第六方面的所述风力涡轮机的所述控制器还可以操作以响应于所述低电压事件来调整所述风力涡轮机的所述多个叶片的叶片桨距(例如，以减小所述涡轮转子的转速)。所述风力涡轮机还可以包括与所述风力涡轮机相关联的一个或更多个电气外围设备(例如，偏航驱动器、液压泵、电马达等)，而所述控制器可以操作以在所述低电压事件期间将所述一个或更多个电气外围设备同所述电网隔离开来。在这点上，可以显著地减小由所述低电压事件而导致的对所述一个或更多个电气外围设备的潜在损害。所述风力涡轮机还可以包括不间断电源(UPQ，该UPS可操作以在所述低电压事件期间向所述风力涡轮机的一个或更多个部件提供电力。作为示例，所述UPS可以包括电池电源，但是可以采用任意合适类型的一种或更多种储能设备。而且，所述控制器还可以操作以确定在所述低电压事件之后所述电网的电压已经恢复到预定电平，并继续所述风力涡轮机的正常工作。许多特征改进和额外特征可单独地应用于本发明上面提到的各方面中。就本发明上面提到的各方面来说，这些特征改进和额外特征可以单独或以任意组合形式使用。那些意在被限制于“单数”语境等的本发明任何其他各种方面的任何特征，在这里将会采用诸如 “仅仅”、“单个”、“限于”等的术语来清楚地提出。仅仅依据通常所接受的在前基础常规引入特征并不将该相应特征限制于单数(例如，只指出风力涡轮机包括“制动器”并不意指所述风力涡轮机仅仅包括单个制动器)。而且，不使用诸如“至少一个”的短语也并不是将相应特征限制为单数(例如，只指出风力涡轮机包括“制动器”并不意指所述风力涡轮机仅仅包括单个制动器)。最后，针对特定特征使用短语“至少大致”等涵盖了相应的特征及其非实质的变型(例如，指出部件至少大致是圆柱形的涵盖了该部件是圆柱形的)。关于本发明所论述的任何扭矩调节器或扭矩调节功能可以采用任意合适大小、形状、配置、和/或类型的一个或更多个扭矩调节设备或扭矩调节系统。可以以任意合适的方式(例如，电气地或液压地)来调节或调整扭矩(例如，以减小传递至同步发电机的轴的扭矩)。在一个实施方式中，所述扭矩调节器是TRG的形式。这样的TRG可以包括液压变矩器或液力变矩器和行星齿轮系(例如，多级的、功能性互连的旋转行星齿轮系)的组合。为了响应于低电压事件而减小所述涡轮转子的转速，关于本发明所论述的任何制动器或制动功能可以采用任意合适大小、形状、配置、和/或类型的一个或更多个制动器或制动设备(更具体地说，制动系统)。每个这种制动器可以针对从所述涡轮转子到所述同步发电机延伸的传动系统以任何合适的方式实现，例如以便设置在所述涡轮转子与所述同步发电机之间。除非这里另有提及，否则这里所论述的并可以响应于检测到低电压事件开始的多种动作中的每一个可以以任意合适的顺序开始，所述合适的顺序包括顺序地开始一个或更多个动作、同时开始一个或更多个动作、或其任意组合形式。而且，一旦已经做出了所述低电压事件已经终止的判定(例如，所述电网的电压已经恢复到预定电平)，那么可以继续所述风力涡轮机的正常工作。这里所论述的同步发电机可以配置为具有相对低的d-轴同步电抗(例如，小于约1.4p.U)。作为示例，所述同步发电机可以配置为具有相对低的次瞬态电抗(例如，小于约0. 15p. u.)和相对低的d-轴开路瞬态时间常数(例如，小于约3p. u.)。可以理解，术语 "p. u. ”是指“每单位(per-unit)”，其是采用归一化值来描述电力系统的部件和电力系统的各种特性(例如，功率、电压、电流和阻抗)的常用体系。除以上所描述的示例性方面和实施方式以外，通过参考附图并研究以下说明，其他方面和实施方式将变得清楚。
图1是例示用于风力涡轮机的代表性故障电压穿越要求的电压-时间的曲线图。图2是合并有低电压穿越工具的风力涡轮机的一个实施方式的示意图。图3A是图2中的风力涡轮机可以使用的扭矩调节变速箱的截面示意性代表图。图;3B是图3A中的扭矩调节变速箱所使用的液力变矩器的分解立体图。图3C是图;3B中的液力变矩器所使用的可调整的导片在最大开口位置的平面图。图3D是图;3B中的液力变矩器所使用的可调整的导片在关闭位置的平面图。图4是用于风力涡轮机的低电压穿越协议的一个实施方式的流程图。图5是用于风力涡轮机的低电压穿越协议的另外一个实施方式的流程图。图6是例示了在低电压穿越状态期间与风力涡轮机相关的各种波形的时序图。
具体实施例方式虽然本发明可以具有多种变型和替代形式，但是在附图中以示例的方式示出了其特定实施方式并且在这里详细描述这些特定实施方式。但是，应当理解，这并不意在将本发明限制在所公开的特定形式，而是本发明在于覆盖所有落入由权利要求书所限定的本发明的保护范围和精神中的变型、等同物和替代。图1是例示了用于风力涡轮机的故障电压穿越(FRT :fault voltage ride through)要求(包括高电压穿越(HVRT :high voltage ride through)和低电压穿越 (LVRT =Iow voltage ride through))的示例的电压-时间的曲线图。该FRT要求通常在风力发电厂与电网之间的相互连接点上进行测量，而不是在单个的风力涡轮机上进行测量。 在这点上，即使在相互连接点上的电压下降非常低(例如，额定电压的0-15% )，在单个风力涡轮机处的电压可能稍微高点。如图所示，线100表示HVRT要求，而线102表示LVRT要求。更具体来说，为了满足FRT要求，在电网的电压(在相互连接点处)处于HVRT线100 和LVRT线102之间的时，发电机需要保持与电网的连接。时刻Ttl和时刻T1之间的时间段可以由公共事业公司或其他机构来设置，并且可以具有例如0. 5秒、0. 625秒或1秒的值。 在这个示例中，如果电压处于或高于15%以及下降到15%不超出(T1-Ttl)秒，那么将要求风力涡轮机保持与电网的连接。应当理解，在图1中所示的VRT要求仅仅是公共事业公司、标准机构、国家等可能强制实施的许多FRT要求中的一个示例。例如，在相互连接点处的电压下降到0%持续一段时间时，可能要求发电机保持与电网的连接。图2是可以配置为提供低电压穿越功能的风力涡轮机200的一个实施方式的示意图。在操作中，风将能量提供给风力转子202的叶片201，进而将机械扭矩提供给同步发电机214的轴。同步发电机214直接耦接到电网224，以向使用该电网224的用户提供电力。 为了调整并控制施加给同步发电机214的扭矩和旋转速度，在同步发电机214和风力转子 202之间设置有固定的2-级机械变速箱204和扭矩调节变速箱(TRG torque-regulating gearbox) 210o而且，可以提供涡轮控制系统模块236和TRG控制系统模块228以监视并控制风力涡轮机200的各种功能。以下更加详细地描述风力涡轮机200的多种部件中每一个。在一个实施方式中，虽然同步发电机214是对于60Hz功率系统而言以 1800RPM(对于50Hz功率系统而言以1500RPM运行)的固定频率运行的2兆瓦(丽)、4极自激同步发电机，但是可以采用其他的同步发电机。自动电压调节器(AVR=Automatic Voltage Regulator)216可以耦接到同步发电机214，以提供电压控制、功率因子控制、同步功能等。有利地，由于同步发电机214直接连接至电网224，因此可以消除对用于调节或转换电力的复杂电力电子器件的需求。可以理解，可以采用任何适当的方法来激励同步发电机214。在一个实施方式中，该激励系统包括副励磁机，该副励磁机可以包括永磁发电机 (PMG permanent magnet generator) 0有利地，这种配置可以消除对用于提供激励的外部电源的需求，也可以消除对可以减小同步发电机214的维持要求的集电环和/或电刷的需求。因为同步发电机214直接耦接到电网224，因此风力涡轮机200的动态性能由同步发电机214的转子轴的转速和电网224的绝对固定的频率来部分确定。也就是说，必须在风力转子202和同步发电机214之间处理从风中所获取的能量。因此，一个主要的设计要求就是同步发电机214的机械驱动扭矩应当相对于电气拉出扭矩具有足够大的安全裕度。 可以通过向同步发电机214提供适当的物理特性、通过在机械传动系统中提供扭力柔度并进行衰减、并通过提供这里所描述的其他技术来满足该要求。如上所提到的，由于同步发电机214的转子速度对于电网224的频率是固定的， 而风速是可变的，因此提供TRG210，以将风力转子202的轴的扭矩和速度转变成适合于同步发电机214的形式。TRG210可以是任何适当的配置，例如TRG210可以是众多配置中的任何一种的叠加变速箱的形式。在一个实施方式中，TRG210是变矩器和行星齿轮系的组合。TRG210的代表性配置是可以从Voith Turbo GmbH and Co. KG公司获得的 WinDrive ，该公司在德国Heidenheim具有营业场所。关于TRG210，可以使用的一个或更多个特征公开于2005年10月27日公开的、发明名称为“Hydrodynamic Converter”的美国专利申请公开No. US 2005/0235636 ;2005年9月8日公开的、发明名称为“Control System for a Wind Power Plant With Hydrodynamic Gear” 的美国专利申请公开 No. US 2005/0194787 ；和 2008 年 8 月 21 日公开的、发明名称为 “Variable-Speed Transmission for a Power-Generating”的美国专利申请公开No. US 2008/0197636，在此通过引用将这三个公开的申请的全部内容并入本发明中。TRG210特征可能在于被设置于在风力转子202和同步发电机214之间延伸的传动系统(例如，该传动系统将风力转子202的旋转传递到同步发电机214)中。任何合适类型的扭矩调节器或扭矩调节设备/系统可以被用来替代TRG210(在这种情况下，上面提到的 TRG控制系统模块2 也可以称为“扭矩调节器控制系统模块2 ”)。关于在风力转子202 和同步发电机214之间(例如，在一个或更多个位置处)延伸的传动系统，可以以任何合适的方式合并有该扭矩调节器或扭矩调节设备/系统。可以采用任何合适的方式(例如，电气地、液压地)调节风力转子202和同步发电机214之间的扭矩传递。在如图3A-3D所示的一个实施方式中，TRG210包括位于2_级机械变速箱204和同步发电机214之间的2-级功能性互连的旋转行星齿轮系604和液压或液力变矩器602 的组合。在该旋转行星齿轮系604中，来自输入轴606(其由风力转子202的旋转来旋转地驱动)的输入功率被提供到旋转行星齿轮系604的左级的载体608上。多个行星齿轮610 旋转地安装在载体608上。可以采用任何合适数量的行星齿轮610。同时，液力回路经由控制驱动器(control drive)来驱动外部的环状(环形)齿轮616。在大多数行星齿轮系中，三个部件(例如，行星齿轮载体、环形齿轮、或中心齿轮) 中的一个是固定的。然而在TRG210中，旋转行星齿轮系604的左级的所有三个部件都可以旋转。在环状齿轮616和流体机械之间可能需要借助于固定的齿轮级614调整旋转的速度和方向。旋转行星齿轮系604将经由中心齿轮618的两种功率流导向连接至同步发电机214 的输出轴612。在该液压回路中，利用液力变矩器602中的泵轮620从输出轴612上提取控制功率，并将控制功率经由液力变矩器602中的涡轮轮622返回至旋转行星齿轮系604。 通过旋转行星齿轮系604和液力变矩器602的互作用组合，在可变速度齿轮单元中的功率流能够连续改变。液力变矩器602提供有可调整的导片624(通过导片壳体6 并入)，因此能够用作针对泵轮620的功耗可变的致动器或控制器。由涡轮轮622产生的流体和扭矩的含能量随着泵轮620功耗的变化而改变。涡轮轮622的旋转至少部分地由导片624的位置支配或以其他形式由其控制。图3C示出了在最大开口位置处(在当前条件下将允许涡轮轮622 以最大速度旋转)的导片624。图3D示出了在关闭位置下的导片。通过在开口位置(图 3C)与关闭位置(图3D)之间调整导片6M的位置，来控制涡轮轮622的旋转速度，以及被液力变矩器602所“吸收”的能量。液力变矩器602的核心在于它的液压回路包括泵轮620、涡轮轮622和具有可调整的导片拟4的导向轮或导片壳体626。这些部件被组合在公共壳体中，而该公共壳体内含有具有合适粘度的液压油或任何其他合适的流体。在图3B中示意性地示出了该公共壳体中的液压流体的流动路径，并该流动路径由附图标记621来标识。输入轴606的机械能通过泵轮620被转换成液压能。在涡轮轮622中，该相同的液压能被重新转换成机械能并传输至输出轴612。导向轮626的可调整的导片拟4调整液压回路中的质量流。当导片拟4 关闭(例如，小质量流；图3D)时，功率传输最小。当导片拟4完全打开(例如，大质量流； 图3C)时，功率传输最大。由于质量流的改变(归因于可调整的导片624)，可以调整涡轮轮 622的速度以与同步发电机214的不同操作点相匹配。现在参考图2和图3A-3D，在操作中，风力涡轮机200的TRG控制系统模块2 可以控制TRG210的导片624的定位，以便适当地控制同步发电机214的转子轴的转速和扭矩。在这点上，TRG控制系统模块2 可以同涡轮控制系统模块236通信以实现这一功能。 控制系统模块2 和236可以在物理上或逻辑上隔离，或也可以被组合在单个单元中。而且，控制系统模块2 和236可以以硬件、软件、它们的组合、或以任何合适的方式来实现。 作为示例，控制系统模块2 和236可以通过一种或更多种“现成的”或定制的微控制器来实现。尽管上面已经描述了 TRG210的一个示例，但是同样应当理解，可以提供任何合适的配置(例如，任何扭矩调节设备(TRD))来将风力转子202的轴的扭矩和速度转换成适用于同步发电机214的形式。作为示例，可以使用包括用于调整风力转子202的轴的扭矩和 /或速度的机电机构(同液压相对)的TRD。图2中的风力涡轮机200又包括风力转子202，而风力转子202包括多个转子叶片 201 (例如，三片转子叶片)，该转子叶片201可以是针对最佳空气动力流和能量传递而设计的。可以采用任何合适数量的转子叶片201。而且，风力转子202可以包括桨距调节系统， 该桨距调节系统可操作以希望/所需的方式调整转子叶片201的角度。为了实现这个功能， 风力转子202可以包括液压桨距控制系统，该液压桨距控制系统包括可由涡轮控制系统模块236控制的桨距阀234。转子叶片201的桨距或位置可以同步或一起调整，或者可以独立调整。除桨距控制以外，图2中的风力涡轮机200还可以包括可控的偏航驱动器232，其可操作以调整风力涡轮机200所面对的方向(具体而言是风力转子202所面对的方向)。 例如，涡轮控制系统模块236可以控制偏航驱动器232，来旋转风力转子202及其转子叶片 201，以面对风的方向，以便可以优化风力涡轮机200的效率。风力涡轮机200还可以包括不间断电源(UPS uninterruptible power supply) 230。UPS230可以耦接至多个部件(例如，桨距阀234、控制系统模块2 和236等) 并用以向这些部件提供电力，特别是当主电源不可用时。UPS230可以包括任何类型的电力系统，例如包括一个或更多个电池、光电电池、电容器、飞轮等。风力涡轮机200也可以包括耦接在2-级变速箱204和TRG210之间的可控的机械制动器206。制动器206可以由涡轮控制系统模块236控制，以减小风力转子202的转速。 应当理解，可以使用任何合适的制动机构，包括但并不局限于顶制动器(tip brake)、副翼、 扰流板、边界层设备等。在风力转子202与同步发电机214之间的(例如设置在风力转子 202与TRG210之间)的传动系统中可以包括任何合适类型的一个或更多个制动器。另外， 摩擦离合器208和212可以设置在机械传动系统中，以限制施加在部件之间的扭矩并选择性地与传动系统部件的各种轴进行耦接和去耦接。可以理解，在同步发电机214直接耦接至电网2M之前，必须满足一定条件。例如， 同步发电机214的定子电压必须大体上与电网224的电压相匹配，而且电压的频率和相位也必须匹配。为了实现这一功能，可以为风力涡轮机200提供同步单元218、电网测量单元 226、和断路器222。在操作中，同步单元218可以与AVR216以及控制系统模块236和2 进行通信，来调整同步发电机214的电压特性，以与电网测量单元2 所测得的电网2M的这些电压特性相匹配。一旦电压特性在发电机侧和电网侧大体相匹配，那么同步单元218 可以向断路器222发送指令，来闭合该电路，从而将同步发电机214耦接至电网224。断路器222也可以耦接至电网与发电机保护单元220，电网与发电机保护单元220可以操作以感测可能希望将风力涡轮机200从电网2M断开的有害情况。图4是风力涡轮机200中低电压穿越的处理或协议的一个实施方式的流程图300。 应当理解，这里所描述的步骤可以以多种顺序或同步执行。而且，示例性LVRT处理的一些实施方式可以包括这些步骤的子集或者全部。在讨论流程图300时，可能论述到图2和图 3A-3D的风力涡轮机200的各种部件。流程图300所体现的功能可以由风力涡轮机200以任意合适的方式(例如，利用一个或两个控制系统模块236、228)来实现。最初，风力涡轮机200可以检测到低电压事件状态(步骤30 。例如，电网测量单元2 可以感测到电网2M上存在低电压，并接着向涡轮控制系统模块236提供指示。这样的指示可以包括声明“检测到低电压”信号。一旦已经检测到低电压状态，那么风力涡轮机200可以接着使用各种技术，使得同步发电机214在该低电压事件期间保持与电网2M 的直接耦接。在已经检测到低电压事件之后，可以立刻控制AVR216来提高施加给同步发电机 214的转子线圈的激励电流(步骤304)。这具有增加转子场能量的效果，进而通过提高无功功率来在低电压事件期间支持同步发电机214的定子处的电压。通过维持定子电压，可以使机械扭矩(来自风)与减小的电气扭矩(来自电网224)之间的不平衡最小。如上面所提到的，当低电压事件发生时，由于同步发电机214的定子处的电压电平的快速下降，将会出现机械扭矩与电气扭矩之间的不平衡。为了进一步使这种不平衡最小，涡轮控制系统模块236和TRG控制系统模块2 可以运转以快速地调整TRG210的导片 624的位置，以限制施加在同步发电机214的轴上的机械扭矩增加(步骤306)。可以理解，通过减小TRG210的发电机侧上的扭矩，风力转子202侧上的过量扭矩将会趋向于使风力转子202加速。为了限制风力转子202的加速，涡轮控制系统模块236 可以将机械制动器206应用于2-级变速箱204的输出轴(步骤308)。制动系统可以被设计为连续地控制制动扭矩，以使前面所提到的在低电压事件期间的扭矩不平衡最小。在一个实施方式中，可以以与电网224的电压(例如，由电网测量单元2 所测得的)成比例的力来应用制动器206。另外，可以以取决于风力转子202的速度或加速度特性的力来应用制动器206。为了进一步限制由导片拟4调整而导致的风力转子202的加速(步骤306)，可以调整风力转子202的叶片201的叶片角度或桨距(步骤310)。这具有降低叶片201的扭矩 (例如，减小风施加给转子叶片201的扭矩)的效果，从而减小从风向风力涡轮机200输入的能量，而这会减小风力转子202的轴的加速。在低电压事件期间，涡轮控制系统模块236也可以将风力涡轮机200的各种部件同该事件隔离开来，以减小对这样的各种部件的潜在损害。例如，偏航驱动器232和任意液压泵可以被隔离开来，以避免可能由该低电压事件以其他方式所导致的不受控制的电动机跳闸情况。图5是在低电压事件之后将风力涡轮机200恢复到正常工作的处理或协议的一个实施方式的流程图400。同样，这些讨论可能提到图2和3A-3D的风力涡轮机200的一些部件。流程图400所体现的功能可以由风力涡轮机200以任意合适的方式(例如，利用一个或两个控制系统模块236、228)来实现。对于流程图400的情况而言，最初风力涡轮机200可以检测到电网2M的电压电平处于可以接收的电平(例如，大于额定电压的70%)(步骤402)。接着，可以采取步骤以将风力涡轮机200恢复到正常工作状态。与在图4中所示并描述的步骤相类似，图5的步骤可以以任意的顺序来执行或相互同时执行。在步骤404中，可以控制风力涡轮机200的AVR216，以将同步发电机214的转子线圈中的激励电流从提高后的电平减小到正常电平。而且，可以将TRG210的导片6M的位置恢复或返回到正常工作位置(步骤406)。为了消除对风力转子202加速的限制，可以将机械制动器206脱离(步骤408)，并且可以将转子叶片201的叶片角度回到其正常工作(步骤410)。另外，在图4的步骤312中被隔离开的电气外围设备可以恢复到其正常工作状态 (步骤412)。图6是例示了在以上所描述的LVRT处理期间与风力涡轮机200相关的各种曲线的时序图500。首先说明各曲线表示什么。曲线502表示作为额定电压的百分比的、同步发电机214定子处的电压。曲线504表示当风力涡轮机200检测到低电压事件时所声明的 “检测到低电压”信号。曲线506表示施加给同步发电机214的转子线圈的激励电流(每单位)。曲线508表示同步发电机214的定子处的电流(每单位)。曲线510表示TRG210的导片6M的位置(每单位)。曲线512表示施加给机械制动器206的力(每单位)。曲线 514以转子叶片201的度数表示叶片角度。最后，曲线516表示传动系统速度(每单位)。如曲线502所示，低电压事件在时刻、发生，并使得定子电压下降到额定电压的 15%。结果，如曲线504所示，风力涡轮机200声明“检测到低电压”信号。一旦已经声明了“检测到低电压”信号，那么风力涡轮控制系统模块236可以激活以上参考图4所描述的各种处理。更具体而言，可以提高激励电流(曲线506)，可以调整导片拟4的位置(曲线 510)，可以应用机械制动器206 (曲线512)，并且可以调整风力转子202的叶片201的叶片角度(曲线514)，或者它们的任意组合。曲线516例示了在低电压事件期间机械传动系统的速度。如图所示，由于TRG210 的导片624的运动所导致的过量机械扭矩(参见图4所示的步骤306)，传动系统速度在低电压事件之后几乎立刻增加。接着，随着调整制动器206和叶片角度，到低电压事件结束， 传动系统的速度减小，而这出现在时刻t3。在电网2 处的电压已经恢复以后，控制系统模块2 和236控制风力涡轮机200的操作，以将传动系统速度恢复到标称速度，如在曲线 516中箭头520所指。如曲线508所示，同步发电机214的定子电流在低电压事件开始处快速上升。出现这种现象是因为很大的突然电压下降在同步发电机214的气隙中引起很大的短路扭矩。 这个气隙扭矩可以很自然地受到轴的抗扭刚度的限制，并且还受到设置在同步发电机214 和TRG210之间的摩擦离合器212的限制。在时刻t3，风力涡轮机200检测到电压已经恢复到可接受的电平(例如，额定电压的70% )，然后涡轮控制系统模块236可以执行步骤以将风力涡轮机200恢复到正常工作状态(参见图5)。如曲线510所示，叶片角度可以回到它们的工作位置(参见箭头518)。 在一个实施方式中，以一种可编程且由风力涡轮机200的速度扭矩特性所限定的速度，来调整该叶片角度。类似地，如曲线506、512和514所示，可以分别将激励电流、制动器206 和风力转子202的叶片角度恢复到它们的正常工作状态。除上述技术以外，同步发电机214本身可以被设计并配置为增加风力涡轮机200 的LVRT功能。例如，在一个实施方式中，通过提供具有相对低的次瞬态电抗和低的d-轴开路瞬态时间常数的同步发电机214，来使动态拉出扭矩最大。在这点上，同步发电机214可以在机械扭矩与电气扭矩的不平衡相对高时能够保持与电网224的连接。尽管已经在附图和以上说明中详细地例示和描述了本发明，但是这样的例示和描述意在被视为对特性是示例性的而不是限定性的。例如，这里以上所描述的一些实施方式可以与其他所描述的实施方式组合和/或以其他方式设置(例如，处理要素可以以其他顺序执行)。因此，应当理解，仅仅已经显示和描述了优选实施方式及其变型，而希望保护所有落入本发明精神内的变型和修改。
权利要求
1.一种用于使得风力涡轮机在低电压事件期间保持与电网的电连接的自动方法，其中所述风力涡轮机包括耦接至所述电网和经由扭矩调节器耦接至涡轮转子的同步发电机，所述方法包括检测步骤，检测低电压事件；和提高步骤，提高所述同步发电机的转子电流以在所述低电压事件期间向所述电网提供无功功率，其中所述提高步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括调整扭矩转换特性的步骤，调整所述扭矩调节器的扭矩转换特性以减小施加给所述同步发电机的轴的机械扭矩，其中所述调整扭矩转换特性的步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
3.根据权利要求1到2中任一项所述的方法，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱，而所述扭矩调节变速箱包括液压回路，所述方法还包括减小质量流的步骤，减小流经所述液压回路的液压流体的质量流，其中所述减小质量流的步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱，而所述扭矩调节变速箱包括设置在导片壳体中的多个导片，所述方法还包括调整位置的步骤，调整所述多个导片的位置，其中所述调整位置的步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱(TRG)，所述方法还包括调整能量的量的步骤，调整被所述TRG所吸收的能量的量，其中所述调整能量的量的步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，所述方法还包括应用制动器的步骤，应用在所述涡轮转子与所述扭矩调节器之间的传动系统中设置的制动器以减小所述涡轮转子的转速，其中所述应用制动器的步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述应用制动器的步骤是根据所述电网的电压特性而被控制的。
8.根据权利要求6到7中任一项所述的方法，其中，所述应用制动器的步骤被控制为与所述电网的电压成比例。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的方法，所述方法还包括调整叶片桨距的步骤，调整所述风力涡轮机的多个叶片的叶片桨距以减小所述涡轮转子的转速，其中所述调整叶片桨距的步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的方法，所述方法还包括隔离步骤，在所述低电压事件期间，将与所述风力涡轮机相关联的一个或更多个电气外围设备同所述电网隔离开，其中所述隔离步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的方法，所述方法还包括提供不间断电源(UPS)，该不间断电源可操作以在所述低电压事件期间向所述风力涡轮机的一个或更多个部件提供电力。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述UPS是从由至少一个电池电源、光电电池、 电容器、飞轮以及它们的任意组合构成的组中选择的。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有相对高的动态拉出扭矩。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有小于约1.4p.u.的d轴同步电抗。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有相对低的次瞬态电抗和相对低的d轴开路瞬态时间常数。
16.根据权利要求1到15中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有小于约0. 15p. u.的次瞬态电抗和小于约3p. u.的d轴开路瞬态时间常数。
17.根据权利要求1到16中任一项所述的方法，所述方法还包括确定在所述低电压事件之后所述电网的电压已经恢复到预定电平；和继续所述风力涡轮机的正常工作。
18.一种风力涡轮机，其能在低电压事件期间保持与电网的电连接，所述风力涡轮机包括同步发电机；耦接至所述同步发电机的扭矩调节器；涡轮转子，其耦接至所述扭矩调节器并包括多个涡轮叶片；和控制器，其可操作以检测低电压事件的出现，并响应于检测到所述低电压事件，使得提高所述同步发电机的转子电流以在所述低电压事件期间向所述电网提供无功功率。
19.根据权利要求18中的风力涡轮机，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱 (TRG)，而所述TRG包括可操作以修改在所述涡轮转子与所述同步发电机之间的扭矩转换的多个导片，并且其中所述控制器可操作以响应于所述低电压事件调整所述多个导片的位置以减小施加给所述同步发电机的机械扭矩。
20.根据权利要求19所述的风力涡轮机，其中，所述TRG包括液压回路，并且其中，所述多个导片设置在所述液压回路中。
21.根据权利要求18到20中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱(TRG)，并且其中，所述控制器可操作以调整被所述TRG所吸收的能量的量。
22.根据权利要求18到21中任一项所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括与在所述涡轮转子和所述扭矩调节器之间延伸的传动系统相关联的制动器，其中所述控制器可操作以响应于所述低电压事件应用所述制动器以减小所述涡轮转子的转速。
23.根据权利要求22所述的风力涡轮机，其中，所述控制器可操作以根据所述电网的电压特性来选择性地应用所述制动器。
24.根据权利要求22到23中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述控制器可操作以根据所述电网的电压下降并与所述电网的电压下降成比例地、选择性地应用所述制动器。
25.根据权利要求18到M中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述控制器还可操作以响应于所述低电压事件来调整所述多个涡轮叶片的叶片桨距以减小所述涡轮转子的转速。
26.根据权利要求18到25中任一项所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括从由偏航驱动器、液压泵和电马达构成的组中选择的一个或更多个电气外围设备；其中，所述控制器还可操作以在所述低电压事件期间将所述一个或更多个电气外围设备同所述电网隔离开来。
27.根据权利要求18到沈中任一项所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括 不间断电源(UPQ，其可操作以在所述低电压事件期间向所述风力涡轮机的一个或更多个部件提供电力。
28.根据权利要求27所述的风力涡轮机，其中，所述UPS是从由至少一个电池电源、光电电池、电容器、飞轮以及它们的任意组合构成的组中选择的。
29.根据权利要求18到观中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述同步发电机被配置为具有相对高的动态拉出扭矩。
30.根据权利要求18到四中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述同步发电机被配置为具有小于约1.4p.u.的d轴同步电抗。
31.根据权利要求18到30中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述同步发电机被配置为具有相对低的次瞬态电抗和相对低的d轴开路瞬态时间常数。
32.根据权利要求18到31中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述同步发电机被配置为具有小于约0. 15p. u.的次瞬态电抗和小于约3p. u.的d轴开路瞬态时间常数。
33.根据权利要求18到32中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述控制器还可操作以确定在所述低电压事件之后所述电网的电压已经恢复到预定电平，和继续所述风力涡轮机的正常工作。
34.一种用于使得风力涡轮机在低电压事件期间保持与电网的电连接的自动方法，所述风力涡轮机包括耦接至所述电网和经由扭矩调节器耦接至涡轮转子的同步发电机，所述方法包括检测步骤，检测低电压事件；提高步骤，响应于所述检测步骤，提高所述同步发电机的转子电流，以在低电压事件期间向所述电网提供无功功率；调整扭矩转换特性的步骤，响应于所述检测步骤，调整所述扭矩调节器的扭矩转换特性以减小施加给所述同步发电机的轴的机械扭矩；调整叶片桨距的步骤，响应于所述检测步骤，调整所述风力涡轮机的多个叶片的叶片桨距以减小所述涡轮转子的转速；应用制动器的步骤，响应于所述检测步骤，应用设置在所述涡轮转子和所述扭矩调节器之间的制动器以减小所述涡轮转子的转速；隔离步骤，响应于所述检测步骤，将与所述风力涡轮机相关联的一个或更多个电气外围设备同所述电网隔离开；提供不间断电源的步骤，提供不间断电源(UPS)，所述UPS可操作以在所述低电压事件期间向所述风力涡轮机的一个或更多个部件提供电力；确定步骤，确定在所述低电压事件之后所述电网的电压已恢复到预定电平；以及继续正常工作的步骤，继续所述风力涡轮机的正常工作。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱，所述扭矩调节变速箱包括液压回路，并且其中，所述调整扭矩转换特性的步骤包括减小流经所述液压回路的液压流体的质量流。
36.根据权利要求34到35中任一项所述的方法，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱，所述扭矩调节变速箱包括设置在导片壳体中的多个导片，并且其中，所述调整扭矩转换特性的步骤包括调整所述多个导片的位置。
37.根据权利要求34到36中任一项所述的方法，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱(TRG)，并且其中所述调整扭矩转换特性的步骤包括调整被所述TRG吸收的能量的量。
38.根据权利要求34到37中任一项所述的方法，其中，所述应用制动器的步骤是根据所述电网的电压特性而被控制的。
39.根据权利要求34到38中任一项所述的方法，其中，所述应用制动器的步骤是被控制为与所述电网的电压成比例。
40.根据权利要求34到39中任一项所述的方法，其中，所述UPS从由至少一个电池电源、光电电池、电容器、飞轮以及它们的任意组合构成的组中选择的。
41.根据权利要求34到40中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有相对高的动态拉出扭矩。
42.根据权利要求34到41中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有小于约1.4p.u.的d轴同步电抗。
43.根据权利要求34到42中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有相对低的次瞬态电抗和相对低的d轴开路瞬态时间常数。
44.根据权利要求34到43中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有小于约0. 15p. u.的次瞬态电抗和小于约3p. u.的d轴开路瞬态时间常数。
45.一种用于使得风力涡轮机在低电压事件期间保持与电网的电连接的自动方法，所述风力涡轮机包括耦接至所述电网和经由扭矩调节器耦接至涡轮转子的同步发电机，所述方法包括检测步骤，检测低电压事件；响应于所述检测步骤开始第一动作，其中所述第一动作包括执行从由以下项构成的组中选择的至少一个步骤a)提高所述同步发电机的转子电流以在低电压事件期间向所述电网提供无功功率；和b)调整所述扭矩调节器的扭矩转换特性以减小施加给所述同步发电机的轴的机械扭矩；和响应于所述检测步骤开始第二动作，其中所述第二动作包括执行从由以下项构成的组中选择的至少一个步骤a)应用设置在所述涡轮转子和所述扭矩调节器之间的传动系统中的制动器以减小所述涡轮转子的转速；和b)调整所述风力涡轮机的多个叶片的叶片桨距以减小所述涡轮转子的转速。
46.一种用于使得风力涡轮机在低电压事件期间保持与电网的电连接的自动方法，所述风力涡轮机包括耦接至所述电网和经由扭矩调节器耦接至涡轮转子的同步发电机，所述方法包括检测步骤，检测低电压事件；和调整操作步骤，调整所述扭矩调节器的操作，其中所述调整操作步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述调整操作步骤包括调整所述扭矩调节器的扭矩转换特性。
48.根据权利要求46到47中任一项所述的方法，其中，所述调整操作步骤包括减小施加给所述同步发电机的轴的机械扭矩。
49.根据权利要求46到48中任一项所述的方法，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱，所述扭矩调节变速箱包括液压回路，并且其中，所述调整操作步骤包括减小流经所述液压回路的液压流体的质量流。
50.根据权利要求46到49中任一项所述的方法，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱，所述扭矩调节变速箱包括设置在导片壳体中的多个导片，并且其中，所述调整操作步骤包括调整所述多个导片的位置。
51.根据权利要求46到50中任一项所述的方法，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱(TRG)，并且其中，所述调整操作步骤包括调整被所述TRG所吸收的能量的量。
52.根据权利要求46到51中任一项所述的方法，所述方法还包括应用制动器的步骤，应用设置在所述涡轮转子与所述扭矩调节器之间的传动系统中的制动器以减小所述涡轮转子的转速，其中所述应用制动器的步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
53.根据权利要求52所述的方法，其中，所述应用制动器的步骤是根据所述电网的电压特性而被控制的。
54.根据权利要求52到53中任一项所述的方法，其中，所述应用制动器的步骤被控制为与所述电网的电压成比例。
55.根据权利要求46到M中任一项所述的方法，所述方法还包括调整叶片桨距的步骤，调整所述风力涡轮机的多个叶片的叶片桨距以减小所述涡轮转子的转速，其中所述调整叶片桨距的步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
56.根据权利要求46到55中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述低电压事件期间将与所述风力涡轮机相关联的一个或更多个电气外围设备同所述电网隔离开。
57.根据权利要求46到56中任一项所述的方法，所述方法还包括提供不间断电源(UPS)，该不间断电源可操作以在所述低电压事件期间向所述风力涡轮机的一个或更多个部件提供电力。
58.根据权利要求57所述的方法，其中，所述UPS是从由电池电源、光电电池、电容器、 飞轮以及它们的任意组合中的至少一个构成的组中选择的。
59.根据权利要求46到58中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有相对高的动态拉出扭矩。
60.根据权利要求46到59中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有小于约1.4p.u.的d轴同步电抗。
61.根据权利要求46到60中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有相对低的次瞬态电抗和相对低的d轴开路瞬态时间常数。
62.根据权利要求46到61中任一项所述的方法，其中，所述同步发电机被配置为具有小于约0. 15p. u.的次瞬态电抗和小于约3p. u.的d轴开路瞬态时间常数。
63.根据权利要求46到62中任一项所述的方法，所述方法还包括提高步骤，提高所述同步发电机的转子电流以在所述低电压事件期间向所述电网提供无功功率，其中所述提高步骤是响应于所述检测步骤而开始的。
64.根据权利要求46到63中任一项所述的方法，所述方法还包括确定在所述低电压事件之后所述电网的电压已经恢复到预定电平；和继续所述风力涡轮机的正常工作。
65.一种风力涡轮机，其能在低电压事件期间保持与电网的电连接，所述风力涡轮机包括同步发电机；耦接至所述同步发电机的扭矩调节器；涡轮转子，其耦接至所述扭矩调节器并包括多个涡轮叶片；以及控制器，其可操作以检测低电压事件的出现，并响应于检测到所述低电压事件调整所述扭矩调节器的操作。
66.根据权利要求65中的风力涡轮机，其中，所述扭矩调节器包括扭矩调节变速箱 (TRG)，所述TRG包括可操作以修改在所述涡轮转子与所述同步发电机之间的扭矩转换的多个导片，并且其中，所述控制器可操作以响应于所述低电压事件调整所述多个导片的位置以减小施加给所述同步发电机的机械扭矩。
67.根据权利要求66所述的风力涡轮机，其中，所述TRG包括液压回路，并且其中，所述多个导片设置在所述液压回路中。
68.根据权利要求65到67中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述扭矩调节器包括可变速度扭矩调节变速箱(TRG)，其中所述控制器可操作以调整被所述TRG所吸收的能量的量。
69.根据权利要求65到68中任一项所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括设置在所述涡轮转子和所述扭矩调节器之间的传动系统中的制动器，其中所述控制器可操作以响应于所述低电压事件来应用所述制动器以减小所述涡轮转子的转速。
70.根据权利要求69所述的风力涡轮机，其中，所述控制器可操作以根据所述电网的电压特性来选择性地应用所述制动器。
71.根据权利要求69到70中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述控制器可操作以根据所述电网的电压并与所述电网的电压成比例地、选择性地应用所述制动器。
72.根据权利要求65到71中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述控制器还可操作以响应于所述低电压事件来调整所述多个叶片的叶片桨距以减小所述涡轮转子的转速。
73.根据权利要求65到72中任一项所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括从由偏航驱动器、液压泵、电马达构成的组中选择的一个或更多个电气外围设备；其中，所述控制器还可操作以在所述低电压事件期间将所述一个或更多个电气外围设备同所述电网隔离开来。
74.根据权利要求65到73中任一项所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机还包括不间断电源(UPQ，其可操作以在所述低电压事件期间向所述风力涡轮机的一个或更多个部件提供电力。
75.根据权利要求74所述的风力涡轮机，其中，所述UPS是从由至少一个电池电源、光电电池、电容器、飞轮以及它们的任意组合构成的组中选择的。
76.根据权利要求65到75中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述同步发电机被配置为具有相对高的动态拉出扭矩。
77.根据权利要求65到76中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述同步发电机被配置为具有小于约1. 4p. u.的d轴同步电抗。
78.根据权利要求65到77中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述同步发电机被配置为具有相对低的次瞬态电抗和相对低的d轴开路瞬态时间常数。
79.根据权利要求65到78中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述同步发电机被配置为具有小于约0. 15p.U.的次瞬态电抗和小于约3p. u.的d轴开路瞬态时间常数。
80.根据权利要求65到79中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述控制器可操作以使得提高所述同步发电机的转子电流以在所述低电压事件期间向所述电网提供无功功率。
81.根据权利要求65到80中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述控制器还可操作以确定在所述低电压事件之后所述电网的电压已经恢复到预定电平和继续所述风力涡轮机的正常工作。
全文摘要
这里公开了用于提供风力涡轮机的低电压穿越(LVRT)能力的系统和方法(“工具”)。该工具包括直接相连的同步发电机(214)，该同步发电机(214)被设计为具有高动态拉出扭矩。为了在低电压事件期间保持与电网(224)的连接，该工具提高施加给同步发电机(214)的转子的激励电流。而且，该工具可以包括扭矩调节变速箱(210)形式的扭矩调节器，而该扭矩调节变速箱包括可调整的导片(624)，该导片可以定位为在低电压事件期间减小施加给同步发电机(224)的转子轴的机械扭矩量。另外，该工具还可以包括制动系统(206)和桨距控制系统(234)以在低电压事件期间限制风力转子(202)的加速。
文档编号F03D7/02GK102301585SQ200980155768
公开日2011年12月28日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年1月30日
发明者G·鲁道夫, K-F·斯塔佩菲尔德 申请人:德风公司