用于风力发电站的套件和方法与流程

本发明涉及一种用于风力发电站的套件，更具体地涉及一种用于包括固定速度风轮机的风力发电站的套件。

背景技术：

近年来，连接到电网的风轮机和风力发电场的数量经历了显著的增加。安装的第一风轮机是耦合到电网的固定速度风轮机。所述风轮机包括：发电机310，其定子耦合到电网302；以及一些附加子系统，其允许风轮机1在电网运营商所需的条件下运行，诸如无功功率补偿装置(通常为电容器组390)和/或软起动器380，如图1通过示例的方式所示。需要第一个电容器组390来提供感应发电机为其磁化而消耗的无功功率，因为无功功率由于几乎所有国家的电网规范要求不能从电网消耗。第二个软起动器380对于启动风轮机是有必要的，因为发电机310不能直接耦合到电网。代替软起动器380，还可能使用用于实现相同功能的另一耦合装置。风轮机的转速必须对应于电网电压频率，并且当达到所述条件时，风轮机借助软起动器380耦合到电网302，允许控制浪涌电流。电容器组390和软起动器380能由图中未示出的plc(可编程逻辑控制器)控制或监督。

固定速度风轮机还能包括：其它子系统370(诸如齿轮箱)、鼠笼式感应发电机控制装置、俯仰控制系统和/或用于风轮机偏航的控制系统(例如，如图2所示)，其也能由plc控制或监督。

固定速度风轮机的一个缺点在于，机械传动系统(齿轮箱，等)的惯性和刚度可能导致因风突然变化或湍流而激发的振动，并且由于不能以可变速度工作，这些振动被传递到电网而作为功率波动。减少这些振荡的一种方式是为风轮机提供在更广的速度范围内工作的能力，获得发电机与电网之间更灵活的耦合。这样，可以吸收阵风，减少转矩冲程并向电网输送更稳定的功率。替代地(或另外地)，风轮机的机械部分能被设计成支撑振动(直到某一水平)，并且如果实现了所述振动水平，则风轮机与电网断开。

另外，目前，应用于风轮机的技术要求在诸如电网连接和电力质量的领域中变得越来越严格。在故障穿越(frt)、谐波含量(电力质量)以及稳态有功和无功发电方面，朝向更高效可靠系统的这种趋势的清楚示例的电网规范要求急剧增加。不同的国际电网规范需要越来越严格的运行条件。固定速度风轮机需要安装额外的设备，以便能够保持发电量并满足电网故障时的无功功率生产要求。为了克服该缺点，一些固定速度系统设置有不同类型的装置，以在风轮机与电网不断开的情况下满足frt要求，并且确保无功电流注入要求。

固定速度风轮机的另一缺点在于，由于发电机频率必须等于电网频率，所述风轮机仅在实现所述条件时耦合到电网，该事实影响固定速度风轮机的可用性，所以影响其效率。

在文献ep1426616a1中，公开了包括固定速度风轮机的风力发电站。该风力发电站包括额外设备(升级套件)，该额外设备包括连接于发电机与电网之间的转换器装置，以在低于发电机额定功率的50％的风电范围内，使发电机以偏离电网电流频率的可变发电机电流频率运行。一旦达到额定功率的50％，升级套件就去耦并将发电机直接耦合到电网。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于包括借助耦合装置耦合到电网的固定速度风轮机的风力发电站的套件，以及一种用于将固定速度风轮机转化为可变速度风轮机的方法。

所述风力发电站包括借助耦合装置将发电机耦合到电网以便以固定频率运行的固定速度风轮机，所述固定频率等于所述电网的频率。所述发电机包括定子和转子，并且所述发电机的频率与所述转子的转速直接相关，所述转速基于作用在所述风轮机上的风速。

本发明的第一方面涉及一种适于耦合在所述风轮机的所述发电机与所述电网之间的套件，至少取代所述耦合装置，所述套件将固定速度风轮机转化为可变速度风轮机，使得所述发电机保持耦合到所述电网并且向所述电网提供功率而不管基于风条件(在所述风条件下，可变速度风轮机能运行，通常介于约4m/s风速到约25m/s风速之间)的所述发电机的频率如何，所述风轮机的可用性增加。

与现有技术相反，为了增加固定速度风轮机的可用性，额外的设备(升级套件)被安装在所述风力发电站中以帮助所述固定速度风轮机处理所述发电机频率偏离所述电网频率的时刻，本发明的套件已被设计成至少取代所述耦合装置。因此，本发明提出将所述固定速度风轮机转化为可变速度风轮机，于是实现可变速度风轮机相对于固定速度风轮机的优点，当所述发电机电流频率偏离所述电网电流频率(特别是在低于所述发电机的相关联额定电力范围的风电范围内)时，不会导致所述固定速度风轮机与所述电网断开。另外地，因为所述套件将所述固定速度风轮机转化为可变速度风轮机，所以不需要整合额外的设备，这将增加成本，以实现frt要求并增加所述风轮机的效率和可用性。

本发明的第二方面涉及一种用于将固定速度风轮机转化为可变速度风轮机的方法，其中用根据本发明第一方面的套件来替代所述耦合装置。因此，所述风轮机包括简单方式的可变速度风轮机的优点。

鉴于本发明的附图和详细描述，本发明的这些及其它优点和特征将变得明显。

附图说明

图1示意性地示出了包括固定速度风轮机、软起动器和无功功率补偿装置的常规风力发电站。

图2示出了图1的风力发电站，其包括用于控制风轮机的俯仰和/或偏航的其它子系统。

图3示出了本发明的套件的一个实施方式，其安装在包括风轮机的风力发电站中、耦合在风轮机与电网之间。

图4示出了本发明的套件的一个实施方式，其安装在包括风轮机并包括用于控制风轮机的俯仰和/或偏航的子系统的风力发电站中、耦合在风轮机与电网之间。

图5示出了风轮机的发电机的转子的阻力转矩与转速之间的关系。

具体实施方式

本发明的套件100适用于风力发电站，例如，该风力发电站包括借助耦合装置(诸如软起动器)耦合到电网2的固定速度风轮机1。风轮机1包括具有转子12和定子11的发电机10，借助耦合装置耦合到电网2，以便以等于所述电网2的频率的固定频率运行。发电机10的频率与转子12的转速直接相关，所述转速基于作用在风轮机1上的风速。

本发明的套件100至少替代耦合装置，并且耦合在风轮机1的发电机10与电网2之间，如图3和图4中通过示例的方式所示。因此，固定速度风轮机被转化为可变速度风轮机，至少实现可变速度风轮机相对于固定速度风轮机的优点。例如：

-阵风在风轮机1的机械系统中不产生转矩冲程，风轮机1的寿命增加。由阵风导致的能量被存储为风轮机的机械惯性，创建减少转矩脉动的“弹性”，并且消除电力变化。

-允许更容易地实现电网规范要求，其趋势是在故障穿越、谐波含量(供给到电网2的电力质量)以及稳态有功和无功发电方面朝向更高效可靠的系统。

另外，不需要无功功率补偿装置(通常是电容器组)来提供发电机10为其磁化而消耗的无功功率。这样，在包括无功功率补偿装置的固定速度风轮机中，所述无功功率补偿装置还能被去除，套件100替代耦合装置和无功功率补偿装置。

套件100包括：被称为背靠背类型的电力转换器3，其能连接在发电机10与电网2之间；控制器4，其用于控制电力转换器3；以及连接点51，其用于接收发电机10的至少一个参数，连接点51与控制器4通信，使得控制器4基于所述参数来控制电力转换器3。优选地，所述参数是发电机10的转子12的转速。

控制器4自主地控制电力转换器3，使得套件100能耦合到任何拓扑(包括不同的子系统和/或控制结构)的固定速度风轮机以将之转化为可变速度风轮机，无需任何进一步修改风轮机1以获得它(拆除耦合装置以及无功功率补偿装置(如果有的话)，以及耦合套件100，就足够了)。

控制器4被构造成作用在电力控制器3上，基于所述参数来修改施加到风轮机1的阻力转矩，以便吸收来自风的最大功率，使得风轮机1能以可变速度风轮机运行。由于作用在风轮机1上的风，风轮机1的发电机10(转子12)基于所述风的速度以特定速度旋转，由于所述旋转由发电机10生成所谓的电机转矩，使得如果电机转矩增加，则风轮机1(发电机10)加速，而如果所述电机转矩减小，则风轮机1(发电机10)减速。

已知在可变速度风轮机中，还存在阻力转矩。所述阻力转矩基于经过发电机10的转子12和/或定子11的电流(基于由发电机10旋转时生成的电磁场)，并且根据以下等式与电机转矩相关联：

cm–cr＝j(dw/dt)

其中：

-cm：电机转矩；

-cr：阻力转矩；

-j：惯性(基于风轮机传动系的常数)；

-w：转子12的转速。

因此，电机转矩的变化还意味着阻力转矩的变化。

在套件100耦合到风轮机1的情况下，当风速变化时，风轮机1的转速也变化，电机转矩相应发生变化。控制器4被构造成作用在电力转换器3上以便基于风轮机1的转速(基于发电机10的转子12的速度)而使阻力转矩变化，使得相对于新风速的最大功率吸收得以实现。

因此，控制器4被构造成计算阻力转矩对与所述电力转换器3连接的风轮机1的发电机10的速度变化的规律，所述规律将阻力转矩与风轮机1的发电机10的转子12的转速相关联(该关系在本领域是已知的)。每个特定风轮机1均包括其自身转矩对速度变化的规律，使得所述信息被预先存储在套件100中，特别是存储在所述套件100的存储器(图中未示出)中。优选地，存储器是控制器4的内部存储器。

根据将阻力转矩与风轮机1的发电机10的转子12的转速相关联的所述规律，在每个转速下，最佳阻力转矩允许吸收来自风的最大功率，并且控制器4被构造成作用在电力转换器3上以调节阻力转矩，以便获得每个时刻下的最佳阻力转矩。

阻力转矩对转速变化的规律通常由图5中通过示例的方式示出的曲线表示，其中：

-ps＝定子功率(能由风轮机1吸收的功率)；

-ω＝发电机10的转子12的转速；

-ωn＝发电机10的转子12的额定转速；

-c＝表示每种情况下的最佳阻力转矩的曲线；以及

-pw＝针对每个风速基于转速能够吸收的来自风的功率。

通过所述曲线，可以将阻力转矩与风轮机1的转速相关联(风轮机1的每个转速的最佳阻力转矩)，控制器4计算将阻力转矩与风轮机1的发电机10的转速相关联的规律。由此，控制器4作用在电力转换器3上，使得阻力转矩在风轮机1的转速变化时遵循所述曲线。

电力转换器3包括机器侧转换器30、电网侧转换器31和位于两个转换器30和31之间的直流链路32。在通过示例的方式在图3和图4中示出的本发明的第一实施方式中，机器侧转换器30连接到发电机10的定子11，并且电网侧转换器31连接到电网2。所述构造也被称为全转换器。在图中未示出的本发明的第二实施方式中，机器侧转换器30连接到发电机10的转子12，并且电网侧转换器31连接到电网2。所述构造也被称为双馈感应器发电机(dfig)。

电力转换器3被构造成使发电机10在所有可操作风范围内运行，控制器4能够在这样的条件下控制所述电力转换器3。换言之，电力转换器3被构造成使发电机10在常规可变速度风轮机能运行的所有风条件下运行。通常，所述条件介于约4m/s风速到约25m/s风速之间。

套件100的控制器4还被构造成基于风条件(特别是，来自接收的转子12的转速)来计算风轮机1的发电机10的有功功率或阻力转矩和无功功率设定点，并且使用所述设定点来控制电力转换器3。

套件100还能包括：输入连接件(图中未示出)，其用于接收来自外部第二控制器(图中未示出)的设定点值，例如作为电网所需的功率因数；和/或输出连接件(图中未示出)，其用于将状态信号传递到第二控制器，诸如运行状态(紧急、运行、暂停，等)、有功和无功发电、温度、风速等。第二控制器能是存在于风力发电站本身中的plc，或者是远离风力发电站的控制器。