用于控制风力涡轮机的方法和设备的制作方法

专利名称：用于控制风力涡轮机的方法和设备的制作方法
技术领域：
本文公开描述的主题一般地涉及风力涡轮机，并且更特别地，涉及用于控制风力 涡轮机的方法和设备。
背景技术：
通常，风力涡轮机包括转子，转子包括具有多个叶片的可旋转的轮毂组件。叶片 将风能转换成机械旋转转矩，机械旋转转矩通过转子驱动一个或多个发电机。发电机有时 (但并非总是)通过齿轮箱旋转地联接到转子上。齿轮箱提高转子的本来较低的旋转速度， 以使发电机将旋转机械能有效地转换成电能，通过至少一个电连接将电能馈送到公用电网 中。无齿轮直驱式风力涡轮机也是存在的。转子、发电机、齿轮箱和其它构件典型地安装在 壳体或机舱内，壳体或机舱设置在包括桁架或管状塔架的基座上。一些风力涡轮机构造包括双馈感应发电机(DFIG)。此类构造还可包括功率变换 器，功率变换器用来将产生的电功率的频率转换成基本类似于公用电网频率的频率。此外， 此类变换器连同DFIG还在公用电网和发电机之间传输电功率。DFIG的绕线转子还接收来 自到公用电网的连接中的一个的励磁功率。电力公用电网常设计成以特定频率或在特定频率范围内操作。某些事件(例如功 率生产过剩)可使公用电网频率增大到预定的频率极限以上(也称为过频状况)。如果没 有修正，此类过频状况可对公用电网构件和/或联接到公用电网上的负载造成损害。至少 一些已知的发电系统响应于过频状况而减少一个或多个发电机的功率输出。但是，此类功 率减少可能是缓慢的，并且在发电机减少其功率输出时，现有的功率生产过剩会持续下去。

发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于风力涡轮机的功率系统，其包括配置成探测电 气系统内的过频状况的测量装置和通信地联接到测量装置上的控制器。控制器配置成基于 探测到的过频状况的存在来使风力涡轮机在功率发生模式和功率消耗模式之间切换。在另一个实施例中，提供了一种操作性地联接到电气系统上的风力涡轮机，其包 括构造成联接到电气系统上的发电机、操作性地联接到电气系统上且配置成探测电气系统 内的过频状况的测量装置，以及通信地联接到测量装置上的控制器。控制器配置成基于探 测到的过频状况的存在来使风力涡轮机在功率发生模式和功率消耗模式之间切换。在又另一个实施例中，提供了一种用于控制风力涡轮机的方法，其包括将发电机 联接到风力涡轮机和电气系统上。探测电气系统内的过频状况，并且基于探测到的过频状 况的存在来使发电机在功率发生模式和功率消耗模式之间切换。


图1是示例性风力涡轮机的一部分的透视图。图2是适于与图1中所示的风力涡轮机一起使用的示例性电气和控制系统的示意图。图3是适于与图2中所示的电气和控制系统一起使用的示例性功率系统的结构 图。图4是用于控制适于与图3中所示的功率系统一起使用的风力涡轮机的示例性方 法的流程图。部件列表
100风力涡轮机225线路总线
102机舱226线路接触器
104塔架228变流断路器
106转子230变流断路器总线
108叶片232连接总线
110轮毂234主变压器
111风236发电机侧总线
112低速轴238电网断路器
114齿轮箱240断路器侧总线
116高速轴242电网总线
118发电机244(DC)链路
120发电机定子246正供电轨
122发电机转子248负供电轨
200电气和控制系统250电容器
202涡轮机控制器252电流传感器
206定子同步开关254电流传感器
208定子总线256电流传感器
210功率变流组件262变换器控制器
212转子总线264电流传感器
213输配电网270传输线路
214主变压器断路器272电网联接件
216系统总线274负载
218转子滤波器300功率系统
219转子滤波器总线302测量装置
220转子侧功率变换器304变桨系统
222线路侧功率变换器306测量总线
223侧部功率变换器总线308变桨控制总线
224线路滤波器310变换器总线
312通量间隙
314驱动轴
400示例性方法
402探测过频状况
404使叶片变桨到受控制的位置
406使发电机切换到功率消耗模式408使用来自电气系统的功率来驱动转子
具体实施例方式本文描述的实施例使用测量装置来探测电气系统(例如电力公用电网)内的过频 状况。如果探测到过频状况，控制器就将一个或多个变桨命令传输到变桨系统，变桨系统使 风力涡轮机的一个或多个叶片旋转到预定的受控制的位置。控制器使发电机从功率发生模 式切换到功率消耗模式。控制器将一个或多个负转矩命令和/或一个或多个负功率命令传 输到功率变换器。功率变换器基于转矩命令和/或功率命令来产生转子电流。功率变换器 将转子电流传输给发电机转子。来自电力公用电网的功率也传输给发电机，并且由发电机 消耗。转子电流对联接到风力涡轮机叶片上的转子轴引起转矩，并且转子轴使风力涡轮机 叶片旋转。来自电力公用电网的功率被消耗掉，以便减少或最小化过频状况。图1是示例性风力涡轮机100的一部分的透视图。风力涡轮机100包括容纳发电 机(在图1中未显示)的机舱102。机舱102安装在塔架104 (在图1中显示了塔架104的 一部分)上。塔架104可具有有利于如本文所述的风力涡轮机100的操作的任何适当的高 度。风力涡轮机100还包括转子106，转子106包括附连到旋转轮毂110上的三个叶片108。 备选地，风力涡轮机100包括有利于本文所述的风力涡轮机100的操作的任何数量的叶片 108。叶片108在轮毂110的周围隔开，以有利于使转子106旋转，从而从风111将动能转 换成可用的机械能，并且随后转换成电能。在示例性实施例中，风力涡轮机100包括操作性 地联接到转子106和发电机(在图1中未显示)上的齿轮箱(在图1中未显示)。图2是可与风力涡轮机100 —起使用的示例性电气和控制系统200的示意图。转 子106包括联接到轮毂110上的叶片108。转子106还包括可旋转地联接到轮毂110上的低 速轴112。低速轴112联接到提速齿轮箱114上，提速齿轮箱114构造成提高低速轴112的 旋转速度，并且将该速度传递给高速轴116。在示例性实施例中，齿轮箱114具有约70 1 的提速比率。例如，联接到具有约70 1的提速比率的齿轮箱114上的、以约20转/分钟 (rpm)旋转的低速轴112对高速轴116产生约1400rpm的速度。备选地，齿轮箱114具有有 利于如本文所述的风力涡轮机100的操作的任何适当的提速比率。作为另外的备选方案， 风力涡轮机100包括在没有任何居间齿轮箱的情况下可旋转地联接到转子106上的直驱式 发电机。高速轴116可旋转地联接到发电机118上。在示例性实施例中，发电机118是绕 线转子、三相、双馈感应(异步)发电机(DFIG)，该发电机包括磁联接到发电机转子122上 的发电机定子120。在一个备选实施例中，发电机转子122包括代替转子绕组的多个永磁 体。电气和控制系统200包括涡轮机控制器202。涡轮机控制器202包括至少一个处理 器和存储器、至少一个处理器输入通道、至少一个处理器输出通道，并且涡轮机控制器202 可包括至少一个计算机(在图2中没有显示)。如本文所用，术语“计算机”不限于在本领 域中称为计算机的集成电路，而是宽泛地指处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控 制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路(在图2中均没有显示)，并且这些术语在本 文中可互换使用。在示例性实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，例如随机存取存储器(RAM)(在图2中均没有显示)。备选地，还可使用一个或多个存储装置，例如软 盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能盘(DVD)(在图2中均没有 显示)。而且，在示例性实施例中，另外的输入通道(在图2中没有显示)包括但不限于与 操作员接口相关联的计算机外设，例如鼠标和键盘(在图2中没有显示)。另外，在示例性 实施例中，另外的输出通道可包括但不限于操作员接口监视器(在图2中没有显示)。用于涡轮机控制器202的处理器处理从多个电气和电子装置传输的信息，电气和 电子装置可包括但不限于电压和电流变换器。RAM和/或存储装置存储和传递待由处理器 执行的信息和指令。RAM和/或存储装置还可用来存储和提供临时变量、静态(即不变的) 信息和指令，或者在处理器执行指令期间传输到处理器的其它中间信息。执行的指令包括 但不限于常驻的转换和/或比较器算法。指令的执行序列不限于硬件电路和软件的指令的 任何具体结合。发电机定子120通过定子总线208电联接到定子同步开关206上。在一个示例性 实施例中，为了有利于DFIG构造，发电机转子122通过转子总线212电联接到双向功率变 流组件210上。备选地，发电机转子122通过有利于如本文所述的电气和控制系统200的 操作的任何其它装置电联接到转子总线212上。作为另外的备选方案，电气和控制系统200 构造成全功率变流系统(未显示)，全功率变流系统包括在设计和操作上类似于功率变流 组件210且电联接到发电机定子120上的全功率变流组件(在图2中未显示)。全功率变 流组件有利于在发电机定子120和电功率输配电网210之间引导电功率。在示例性实施例 中，定子总线208将三相功率从发电机定子120传输至定子同步开关206。转子总线212将 三相功率从发电机转子122传输至功率变流组件210。在该示例性实施例中，定子同步开 关206通过系统总线216电联接到主变压器断路器214上。在备选实施例中，使用一个或 多个熔断器(未显示)来代替主变压器断路器214。在另一个实施例中，没有使用熔断器或 主变压器断路器214。功率变流组件120包括通过转子总线212电联接到发电机转子122上的转子滤波 器218。转子滤波器总线219将转子滤波器218电联接到转子侧功率变换器220上，而转子 侧功率变换器220电联接到线路侧功率变换器222上。转子侧功率变换器220和线路侧功 率变换器222是包括功率半导体(未显示)的功率变换器桥。在示例性实施例中，转子侧 功率变换器220和线路侧功率变换器222构造成三相的脉宽调制(PWM)构造，该构造包括 如本领域已知的那样操作的门式双极晶体管(IGBT)开关装置(没有在图2中显示)。备选 地，转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222具有使用有利于如本文所述的电气和 控制系统200的操作的任何开关装置的任何构造。功率变换器组件210以电子数据通信的 方式与涡轮机控制器202联接，以控制转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222的 操作。在示例性实施例中，线路侧功率变换器总线223将线路侧功率变换器222电联接 到线路滤波器2 上。而且，线路总线225将线路滤波器224电联接到线路接触器2 上。 此外，线路接触器2 通过变流断路器总线230联接到变流断路器2 上。另外，变流断路 器2 通过系统总线216和连接总线232联接到主变压器断路器214上。备选地，线路滤 波器2M通过连接总线232直接电联接到系统总线216上，并且包括构造成解决从电气和 控制系统200中移除线路接触器2 和变流断路器2 的任何适当的保护方案(未显示)。主变压器断路器214通过发电机侧总线236电联接到电功率主变压器234上。主变压器234 通过断路器侧总线MO电联接到电网断路器238上。电网断路器238通过电网总线242连 接到电功率输配电网213上。在备选实施例中，主变压器234通过断路器侧总线MO电联 接到一个或多个熔断器(未显示)上，而非电联接到电网断路器238上。在另一个实施例 中，没有使用熔断器或电网断路器238，而是相反，主变压器234通过断路器侧总线240和电 网总线242联接到电功率输配电网213上。在示例性实施例中，转子侧功率变换器220通过单个直流电(DC)链路M4以电连 通的方式与线路侧功率变换器222联接。备选地，转子侧功率变换器220和线路侧功率变 换器222通过个别的和单独的DC链路(在图2中没有显示)电联接。DC链路244包括正 供电轨M6、负供电轨M8，以及联接在正供电轨246和负供电轨248之间的至少一个电容 器250。备选地，电容器250包括在正供电轨246和负供电轨248之间构造成串联或并联的 一个或多个电容器。涡轮机控制器202构造成接收来自第一组电压和电流传感器252的一个或多个电 压和电流测量信号。此外，涡轮机控制器202配置成监视和控制与风力涡轮机100相关联 的操作变量中的至少一些。在示例性实施例中，三个电压和电流传感器252中的每一个均 电联接到电网总线M2的三相中的每一个上。备选地，电压和电流传感器252电联接到系 统总线216上。作为另外的备选方案，电压和电流传感器252电联接到有利于如本文所述 的电气和控制系统200的操作的电气和控制系统200的任何部分上。作为又另一个备选方 案，涡轮机控制器202配置成接收来自任何数量的电压和电流传感器252的任何数量的电 压和电流测量信号，包括但不限于来自一个变换器的一个电压和电流测量信号。如图2中所示，电气和控制系统200还包括配置成接收一个或多个电压和电流测 量信号的变换器控制器262。例如，在一个实施例中，变换器控制器262接收来自以电子数 据通信的方式与定子总线208联接的第二组电压和电流传感器254的电压和电流测量信 号。变换器控制器262接收来自以电子数据通信的方式与转子总线212联接的第三组电压 和电流传感器256的第三组电压和电流测量信号。变换器控制器262还接收来自以电子数 据通信的方式与变流断路器总线230联接的第四组电压和电流传感器264的第四组电压和 电流测量信号。第二组电压和电流传感器2M基本类似于第一组电压和电流传感器252， 而第四组电压和电流传感器264基本类似于第三组电压和电流传感器256。变换器控制器 262基本类似于涡轮机控制器202，并且以电子数据通信的方式与涡轮机控制器202联接。 此外，在示例性实施例中，变换器控制器沈2以物理的方式结合在功率变流组件210内。备 选地，变换器控制器262具有有利于如本文所述的电气和控制系统200的操作的任何构造。在示例性实施例中，电功率输配电网213包括通过电网联接件272联接到电网总 线242上的一个或多个传输线路270 (为了清楚仅显示了一个)。电功率输配电网213操作 性地联接到一个或多个负载274上，以给负载274提供功率。在操作期间，风111(在图1中显示)撞击叶片108，并且叶片108将风能转换成 机械旋转转矩，机械旋转转矩通过轮毂110可旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿 轮箱114，齿轮箱114随后提高低速轴112的低旋转速度，从而以增大的旋转速度驱动高速 轴116。高速轴116可旋转地驱动发电机转子122。发电机转子122引起旋转磁场，并且在 磁联接到发电机转子122上的发电机定子120内引起电压。发电机118将旋转机械能转换成发电机定子120中的正弦三相交流电(AC)电能信号。通过定子总线208、定子同步开关 206、系统总线216、主变压器断路器214和发电机侧总线236将相关联的电功率传输到主变 压器234。主变压器234提高电功率的电压幅度，并且通过断路器侧总线对0、电网断路器 238和电网总线242将传输的电功率进一步传输到电功率输配电网213。在示例性实施例中，提供了第二电功率传输路径。在发电机转子122内产生三相 正弦AC功率，并且AC电功率通过转子总线212传输到功率变流组件210。在功率变流组件 210内，电功率传输到转子滤波器218，并且针对与转子侧功率变换器220相关联的输出电 压的变化率来修正电功率。转子侧功率变换器220用作整流器，并且将正弦三相AC功率整 流成DC功率。DC功率传输到DC链路244中。电容器250通过促进减轻与AC校正相关联 的DC波动来促进减轻DC链路M4电压幅度变化。DC功率随后从DC链路244传输到线路侧功率变换器222，并且线路侧功率变换器 222用作构造成将DC电功率从DC链路244转换成具有预定的电压、电流和频率的三相正弦 AC电功率的换流器。通过变换器控制器262来监视和控制此转换。转换的AC功率通过线 路侧功率变换器总线223和线路总线225、线路接触器226、变流断路器总线230、变流断路 器2 和连接总线232从线路侧功率变换器222传输到系统总线216。线路滤波器2 补 偿或调节从线路侧功率变换器222传输的电功率中的谐波电流。定子同步开关206构造成 闭合，以有利于使来自发电机定子120的三相功率与来自功率变流组件210的三相功率连 接。变流断路器228、主变压器断路器214和电网断路器238构造成断开对应的总线， 例如，当过量电流可能损害电气和控制系统200的构件时。还提供了包括线路接触器2 的另外的保护构件，线路接触器2 可被控制，以通过打开对应于线路总线225中的各个线 路的开关(在图2中没有显示)来形成断开。功率变流组件210针对例如轮毂110和叶片108处的风速的变化来补偿或调节来 自发电机转子122的三相功率的频率。因此，以此方式，机械和电动转子频率与定子频率分
1 O在一些情况下，功率变流组件210的双向特性，特别是转子侧功率变换器220和 线路侧功率变换器222的双向特性，有利于将产生的电功率的至少一些回馈到发电机转子 122中。更具体而言，电功率从系统总线216传输到连接总线232，并随后通过变流断路器 228和变流断路器总线230传输到功率变流组件210中。在功率变流组件210内，电功率传 输通过线路接触器226、线路总线225和线路侧功率变换器总线223进入线路侧功率变换器 222。线路侧功率变换器222用作整流器，并且将正弦三相AC功率整流成DC功率。DC功率 传输到DC链路M4中。电容器250通过促进减轻有时与三相AC校正相关联的DC波动来 促进减轻DC链路M4电压幅度变化。DC功率随后从DC链路244传输到转子侧功率变换器220，并且转子侧功率变换器 220用作构造成将从DC链路244传输的DC电功率转换成具有预定的电压、电流和频率的三 相正弦AC电功率的换流器。通过变换器控制器262来监视和控制此转换。转换的AC功率 通过转子滤波器总线219从转子侧功率变换器220传输到转子滤波器，并且转换的AC功率 随后通过转子总线212传输到发电机转子122，从而有利于亚同步操作。功率变流组件210构造成接收来自涡轮机控制器202的控制信号。控制信号基于风力涡轮机100和电气和控制系统200的检测到的状况和/或操作特性。控制信号由涡轮 机控制器202接收，并且用来控制功率变流组件210的操作。来自一个或多个传感器的反馈 可由电气和控制系统200用来通过变换器控制器262来控制功率变流组件210，包括例如通 过第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256以及第四组电压和电流传 感器264的变流断路器总线230、定子总线和转子总线电压或电流反馈。使用此反馈信息， 以及例如开关控制信号，可以以任何已知的方式产生定子同步开关控制信号和系统断路器 控制(跳闸(trip))信号。例如，对于具有预定特性的电网电压瞬态，变换器控制器262将 在线路侧功率变换器222内至少暂时基本中止IGBT传导。线路侧功率变换器222的此类 中止操作将把通过功率变流组件210引导的电功率基本减小到大约零。图3是适于与电气和控制系统200(在图2中显示)以及风力涡轮机100 (在图1 中显示)一起使用的示例性功率系统300的结构图。功率系统300基本类似于电气和控制 系统200，并且类似的构件以类似的参考标号标出。在示例性实施例中，功率系统300包括 通信地联接到测量装置302、功率变流组件210和变桨系统304上的涡轮机控制器202。备 选地，任何适当的控制器或控制系统均可用来代替涡轮机控制器202。在示例性实施例中， 功率变流组件210还操作性地联接到发电机118上，发电机118包括发电机转子122和发 电机定子120。在示例性实施例中，涡轮机控制器202控制功率系统300的操作。涡轮机控制器 202由测量总线306通信地联接到测量装置302上。如本文所用，术语“总线”包括多个导 体，但是还可包括单个导体或接口，两个或更多个构件可通过该接口以无线的方式通信。涡 轮机控制器202通过测量总线306接收来自测量装置302的一个或多个测量值。涡轮机控 制器202由变桨控制总线308和/或由一个或多个滑环(未显示)通信地联接到变桨系统 304上。涡轮机控制器202通过变桨控制总线308将一个或多个变桨命令传输至变桨系统 304，以调节转子106的一个或多个叶片的变桨位置。此外，涡轮机控制器202由变换器总 线310通信地联接到功率变流组件210上。在示例性实施例中，变换器总线310是控制器 区域网(CAN)总线。备选地，变换器总线310是使用以太网总线协议的局域网(LAN)总线 或任何适当的总线。涡轮机控制器202通过变换器总线310将一个或多个转矩命令和/或 一个或多个功率命令传输至功率变流组件210。测量装置302测量电功率输配电网213的一个或多个特性。在示例性实施例中，测 量装置302包括电联接到一个或多个传输线路270和/或电网总线242上的一个或多个电 流变压器。测量装置302测量传输线路270和/或电网总线242的电压和/或电流的幅度、 频率和/或相位角。在一个实施例中，测量装置302包括第一组电压和电流传感器252 (在 图2中显示)。在示例性实施例中，测量装置302监视传输线路270和/或电网总线242的 电流的各个相的频率(下文称为“电网频率”)，并且探测电网频率的一个或多个相是否在 预定的极限之上(下文称为“过频状况”)。在操作期间，电网频率具有约50赫兹(Hz)、约 60Hz或任何适当频率的基线。在一个实施例中，预定的极限介于基线电网频率以上约0% 和约10%之间。在另一个实施例中，预定的极限介于基线电网频率以上约和约5%之 间。在又一个实施例中，预定的极限为基线电网频率以上约3%。在示例性实施例中，预定 的极限是由涡轮机控制器202或由任何适当的控制器设置的任何适当的极限。测量装置 302将包括探测到的过频状况的指示的测量值传输到涡轮机控制器202。备选地，测量装置302将测量值传输至涡轮机控制器202，并且涡轮机控制器202探测是否发生了过频状况。在该示例性实施例中，功率变流组件210包括转子侧功率变换器220、线路侧功率 变换器222和变换器控制器262 (全部在图2中显示)。功率变流组件210是四象限功率 变换器，该四象限功率变换器可给发电机118提供驱动电流和制动电流，以使发电机转子 122沿顺时针方向和逆时针方向旋转和制动。备选地，功率变流组件210包括任何适当的 构造。在示例性实施例中，功率变流组件210通过转子总线212将转子电流传输至发电机 转子122。转子电流包括在发电机118内产生磁通量的转子通量分量和在发电机118内产 生转矩的转子转矩分量。在示例性实施例中，功率变流组件210控制转子通量分量和转子 转矩分量的产生，使得转子通量分量的相位角基本垂直于转子转矩分量的相位角。定子总 线208联接在功率变流组件210和发电机定子120之间，而定子总线208还联接到电网总 线242上，如图2中更加详细地显示。定子总线208传递定子电流，定子电流包括在发电机 定子120内产生磁通量的定子通量分量和对电功率输配电网213产生功率的定子功率分 量。在一个实施例中，功率变流组件210减小或最小化定子通量分量的产生，使得定子通量 分量基本为零，并且发电机定子120的功率因数基本等于一。备选地，功率变流组件210产 生适当的定子通量分量，以在发电机118内产生期望的磁通量。在示例性实施例中，变桨系统304至少部分地容纳在转子106内，并且操作性地联 接到至少一个叶片108上。变桨系统304响应于由涡轮机控制器202传输的一个或多个变 桨命令来使叶片108旋转或变桨到期望位置。变桨系统304通过调节由风111对叶片108 产生的转矩量来有利于控制转子106的旋转速度。如果发生过频状况，涡轮机控制器202 就发出指引变桨系统304以使叶片108变桨至受控制的位置(例如顺桨位置或任何适当的 位置)的一个或多个变桨命令，以防止转子106超过额定速度(下文称为“超速状况”)。在示例性实施例中，通量间隙312限定在发电机转子122和发电机定子120之间。 转子通量分量流过发电机转子122的一个或多个绕组(未显示)，并且产生穿过通量间隙 312的旋转的磁场。由转子转矩电流产生的转矩与旋转的磁场相互作用，而且当与驱动轴 314的旋转结合时，在发电机定子120内产生功率。在示例性实施例中，驱动轴314包括低 速轴112和/或高速轴116(两者均在图2中显示)。产生的功率呈发电机定子120的绕组 内的定子电流的定子功率分量的形式，并且定子电流传输到电功率输配电网213。以类似的 方式，定子通量分量还可流过发电机定子120的一个或多个绕组(未显示)，以产生越过通 量间隙312的旋转的磁场。定子功率分量与旋转的磁场相互作用，而且当与驱动轴314的 旋转结合时，在发电机转子122内产生功率。在发电机转子122内产生的功率通过功率变 流组件210、定子总线208、电网总线242和电网联接件272传输到电功率输配电网213。在操作期间，在示例性实施例中，当没有探测到过频状况时，来自电功率输配电网 213的功率使发电机定子120的绕组和/或发电机转子122的绕组通电。风111撞击叶片 108，并引起叶片108和转子106的旋转，导致驱动轴314的旋转。涡轮机控制器202计算 发电机118的期望功率输出，并且通过变换器总线310将一个或多个正转矩命令和/或一 个或多个正功率命令传输到功率变流组件210，以产生期望功率。如本文所述，正转矩命令 具有正转矩幅度，正转矩幅度表示将在发电机转子122内产生的转矩。如本文所述，正功率 命令具有正功率幅度，正功率幅度表示将在发电机118内产生的功率。功率变流组件210 基于转矩命令和/或功率命令来产生适当的转子电流，包括转子转矩电流分量和转子通量电流分量，并且将转子电流传输到发电机转子122。驱动轴314的旋转速度乘以转子转矩电 流分量产生的转矩，以产生发电机118内的功率。功率如上所述传输到电功率输配电网。在操作期间，如果由测量装置302和/或涡轮机控制器202探测到过频状况，则涡 轮机控制器202准备使风力涡轮机100 (更具体而言将发电机118)从功率发生模式切换到 功率消耗模式。如本文所用，术语“功率发生模式”指的是其中发电机118产生待在电气系 统中使用的功率的操作模式。如本文所用，术语“功率消耗模式”指的是其中发电机118消 耗来自电气系统的功率而非对电气系统产生功率的操作模式。涡轮机控制器202将一个或 多个变桨命令传输至变桨系统304，以使叶片108变桨到受控制的位置。变桨系统304使 叶片108旋转到受控制的位置，以减小或最小化风111对叶片108产生的转矩量。因而，降 低了叶片108的旋转速度。在一个实施例中，叶片108变桨到顺桨位置，使得风111对叶片 108产生基本为零的转矩，并且由于转子106内的摩擦力和/或由于发电机118的制动作用 的原因，叶片108的旋转速度逐渐减小到基本为零转/分钟(rpm)。备选地，叶片108的旋 转不减小到基本Orpm，且叶片108继续旋转，同时发电机118切换到功率消耗模式。一旦叶片108变桨到受控制的位置，涡轮机控制器202就使发电机118从功率发 生模式切换到功率消耗模式。在备选实施例中，任何适当的控制器或控制系统(例如风场 控制器或风场控制系统(均未显示))使发电机118从功率发生模式切换到功率消耗模式。 在示例性实施例中，涡轮机控制器202通过产生一个或多个负转矩命令和/或负功率命令 来使发电机118切换到功率消耗模式。如本文所述，负转矩命令具有负转矩幅度，负转矩幅 度表示将在发电机转子122内产生的转矩。如本文所述，负功率命令具有负功率幅度，负功 率幅度表示将在发电机118内产生的功率。功率变流组件210接收负转矩命令和/或负功 率命令，并且将产生的转子电流输出给发电机转子122。在示例性实施例中，转子电流的相 位角与在发电机118的功率发生模式的期间产生的转子电流的相位角基本相反。更具体而 言，功率变流组件210产生相对于在功率发生模式期间传输到发电机转子122的转子电流 具有相反的相位角的转子通量分量和相反的相位角的转子转矩分量的转子电流。由于叶片108的减小的或最小化的旋转速度以及反相的转子电流的原因，发电机 118基本停止产生功率。相反，发电机118使用来自电功率输配电网213的功率来产生穿 过通量间隙312的转矩。更具体而言，转子电流的反转的相位角倒转了发电机118中的电 流流动的方向。因而，在功率消耗模式期间从电功率输配电网213中抽出电流，而非在功率 发生模式期间将电流供应到电功率输配电网213。由于转子转矩电流和磁通量在通量间隙 312内的相互作用，以与上述基本类似的方式在发电机118中产生转矩。但是，在功率消耗 模式期间，转矩引起驱动轴314的旋转，而非引起功率的产生，如以上在功率发生模式中描 述的那样。驱动轴314的旋转使转子106和叶片108旋转。应当注意，当发电机118以功 率发生模式操作时，叶片108可在功率消耗模式期间沿相同的方向旋转。因而，来自电功率 输配电网213的功率由发电机118和/或功率变流组件210消耗，并且该功率用来驱动驱 动轴314的旋转。如果测量装置302和/或涡轮机控制器202探测到电网频率小于预定的极限(即 没有发生过频状况)，涡轮机控制器202使用与上述基本类似但是相反的过程来使发电机 118和/或风力涡轮机100从功率消耗模式切换到功率发生模式。因而，风力涡轮机100和 /或涡轮机控制器202基于探测到的过频状况的存在来使发电机118在功率发生模式和功率消耗模式之间切换。图4是显示用于控制风力涡轮机100 (在图1中显示)的示例性方法400的流程 图。在示例性实施例中，在步骤402测量装置302(在图3中显示)在电功率输配电网213、 电气和控制系统200 (两者均在图2中显示)和/或功率系统300 (在图3中显示)内探测 到过频状况。在步骤404涡轮机控制器202使一个或多个叶片108 (两者均在图3中显示) 变桨到受控制的位置，以防止转子106(在图3中显示)和/或叶片108的超速状况，如以 上参照图3所描述的那样。在叶片108在步骤404中变桨到受控制的位置之后，在步骤406 中涡轮机控制器202使发电机118(在图3中显示)切换到功率消耗模式。在示例性实施 例中，涡轮机控制器202产生一个或多个负转矩命令和/或一个或多个负功率命令，以使发 电机118在步骤406中切换到功率消耗模式。一旦发电机118以功率消耗模式操作，发电 机118就使用从电气系统(例如电功率输配电网213和/或任何适当的电气系统)供应的 功率来驱动408转子106。更具体而言，发电机118使用来自电功率输配电网213的功率来 使驱动轴314旋转，驱动轴314使转子106和叶片108旋转。因而，在功率消耗模式中，通 过使用来自电功率输配电网213的功率来使驱动轴314、转子106和叶片108旋转，发电机 118基本作为马达操作。本文描述的系统和方法的技术效果包括以下的至少一个(a)将发电机联接到风 力涡轮机上，并且将发电机联接到电气系统上；(b)探测电气系统内的过频状况；以及(C) 使发电机从对电气系统产生功率切换到消耗来自电气系统的功率。上述实施例有利于为风力涡轮机提供高效且成本有效的功率系统。该功率系统探 测电力公用电网内的过频状况。如果探测到过频状况，功率系统就使风力涡轮机或风力涡 轮机内的发电机从功率发生模式切换到功率消耗模式。风力涡轮机在过频状况期间消耗功 率，并且有利于减小或最大程度地减小电力公用电网过频。此外，本文描述的功率系统和风 力涡轮机可有利于比其它已知方法和系统更加高效且更加迅速地减少过频状况。因而，本 文描述的风力涡轮机可联接到电力公用电网上，同时最大程度地减小可由否则未经校正的 过频状况引起的、对风力涡轮机和/或一个或多个电力公用电网构件的损害。以上详细描述了风力涡轮机、功率系统和用于控制风力涡轮机的方法的示例性实 施例。方法、风力涡轮机和功率系统不限于本文描述的具体实施例，而是相反，风力涡轮机 的构件、功率系统的构件以及/或者方法的步骤可独立地并且与本文描述的其它构件和/ 或步骤分开来使用。例如，功率系统和方法还可与其它风力涡轮机功率系统和方法结合起 来使用，并且不限于仅用如本文所述的功率系统来实践。相反，可结合许多其它风力涡轮机 或功率系统应用来实现和使用示例性实施例。虽然在一些图中而没有在其它图中显示本发明的各实施例的具体特征，但这仅是 为了方便。根据本发明的原理，可结合任何其它图中的任何特征来引用和/或要求保护图 中的任何特征。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能 够实践本发明，包括实现和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授 予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类 其它实例具有无异于权利要求书的字面语言的结构要件，或者如果此类其它实例包括与权 利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构要件，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种用于风力涡轮机(100)的功率系统(300)，所述功率系统包括 配置成探测电气系统O00)内的过频状况的测量装置(302)；以及通信地联接到所述测量装置上的控制器O02)，所述控制器配置成基于探测到的过频 状况的存在来使所述风力涡轮机在功率发生模式和功率消耗模式之间切换。
2.根据权利要求1所述的功率系统(300)，其特征在于，所述控制器(202)还配置成在 探测到所述过频状况时使所述风力涡轮机从所述功率发生模式切换到所述功率消耗模式。
3.根据权利要求1所述的功率系统(300)，其特征在于，所述控制器(202)还配置成 当探测到所述过频状况时，产生负转矩命令和负功率命令中的至少一个；以及当没有探测到所述过频状况时，产生正转矩命令和正功率命令中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的功率系统(300)，其特征在于，所述功率系统(300)还包括至 少一个叶片(108)，所述控制器(20 还配置成在探测到所述过频状况时使所述叶片变桨 到预定的位置。
5.根据权利要求4所述的功率系统(300)，其特征在于，所述功率系统(300)还包括通 信地联接到所述控制器(20 上的发电机(118)，所述发电机配置成在探测到所述过频状 况时，使用来自所述电气系统O00)的功率来使所述叶片(108)旋转。
6.根据权利要求5所述的功率系统(300)，其特征在于，所述功率系统(300)还包括联 接到所述发电机(118)上的四象限功率变换器，所述四象限功率变换器构造成沿顺时针方 向和逆时针方向两者分别使所述发电机旋转以及制动所述发电机。
7.根据权利要求1所述的功率系统(300)，其特征在于，所述测量装置(302)包括联接 到所述电气系统上的电流变压器034)。
8. 一种操作性地联接到电气系统(200)上的风力涡轮机(100)，所述风力涡轮机包括构造成联接到所述电气系统上的发电机(118)；操作性地联接到所述电气系统上且配置成探测所述电气系统内的过频状况的测量装 置(302)；以及通信地联接到所述测量装置上的控制器O02)，所述控制器配置成基于探测到的过频 状况的存在来使所述风力涡轮机在功率发生模式和功率消耗模式之间切换。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述控制器(20 还配置成 在探测到所述过频状况时使所述风力涡轮机从所述功率发生模式切换到所述功率消耗模式。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述控制器(20 还配置成当探测到所述过频状况时，产生负转矩命令和负功率命令中的至少一个；以及 当没有探测到所述过频状况时，产生正转矩命令和正功率命令中的至少一个。
全文摘要
本发明涉及用于控制风力涡轮机的方法和设备，具体而言，提供了一种用于风力涡轮机(100)的功率系统(300)。该功率系统包括配置成探测电气系统(200)内的过频状况的测量装置(302)，以及通信地联接到测量装置上的控制器(202)，该控制器配置成基于探测到的过频状况的存在来使风力涡轮机在功率发生模式和功率消耗模式之间切换。
文档编号F03D9/00GK102080628SQ20101057607
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月24日 优先权日2009年11月25日
发明者A·柯希纳, E·乌本, H·肖尔特-瓦辛克 申请人:通用电气公司