专利名称：无电力网供电的风力涡轮启动和操作的方法、设备和产品的制作方法
技术领域：
本发明涉及发电装备与电力网的连接，并且特别地，本发明涉及 将风轮机链接到电力网以作为启动过程的 一部分.背景技术电力分配网的稳定性受到越来越多的关注.例如，随着电力生成 的持续反调节并且随着使用再生源(比如风力)电力生成装备的日 益增加的共享，电力网中的稳定边际变得越来越小.减小的边际已 导致了更频繁的电力网断电，当在考虑电力网启动和进行电力连接 时至少两个问题是值得考虑的.首先，从电力网断电恢复要求至少一个以及可能若干个发电单元在没有电力网信号的情况下(例如主动电力网(active grid))被 启动."自行起动"的要求被施加在许多类型的发电机，包括风轮 机，考虑随着风轮机使用的增加以及功率输出的增加，风轮机是比 以前更大的电力源。因此，本领域技术人员将认识到，具有自行起 动能力的风轮机可以策略性地位于易遭断电的电力网段内部。因此 可能依赖于有自行起动能力的风轮机来激励每个电力网段.在这个情况下，可能考虑到，每个风轮机将会形成更大电力网内 的"岛屿".岛屿电力网搮作可以是临时的，比如在从较大电力网 断电的恢复期间，或者是永久的，比如在自主电力网的情况下.不 幸的是，自行起动能力是风轮机的新特征.这里进行教导的发明人 不知道有什么方案或产品.此外，借助长的电缆将许多风轮机耦合到电力网.长电缆通常具 有大的电容，尤其地，如果风轮机以满电压连接，则具有长电缆的 风轮机连接能导致不期望的高充电电流的瞬时传送以及电压的瞬 变.所需要的是受控且安全起动风轮机的技术。优选地，该技术用于 激励具有大电容(如在长电缆的情况下)以及开始电力网操作.发明内容公开了一种风轮机，包括发电系统，用于通过操作风来产生电 力，并且包括用于向电力网提供电力的接口；控制系统，用于在发 电系统启动期间控制风轮机的部件，其中启动发生在电力网的不足 的电信号期间；和至少一个供能元件和至少一个耗能元件，用于在 启动期间提供在风轮机的输出和电力网的电信号之间的平衡.还公开了一种启动风轮机的发电系统的方法，该方法包括监控 电力网的信号，电力网用于分配来自发电系统的电力输出信号，并 且通过控制风轮机的启动电源和风轮机的耗能元件中的至少一个而 通过向风轮机的部件供电和消耗来自电力网的功率中的至少一个搮 作来起动发电系统.还公开了 一种存在机器可读媒体上的计算机程序产品，包括用于 启动风轮机的发电系统的指令，用于监控电力网的信号的指令，电 力网用于分配来自发电系统的电力输出信号，该指令还用于通过控 制风轮机的启动电源和风轮机的耗能元件中的至少一个而通过向风 轮机的部件供电和消耗来自电力网的功率中的至少一个搮作来起动 发电系统.
现在参考附图，其中在一些附图中相同的元素类似地编号，其中图l说明风力驱动涡轮机的各方面； 图2描绘了用于风轮机的支持设施内的各部件； 困3是风轮机的机舱的剖视困； 图4提供应用能重存储的控制系统概括困； 图5描绘临界控制系统电源的各方面； 图6描绘用于在独立和电力网互连操作之间切换的示例结构； 图7描绘用于与电力网信号同步的锁相环(PLL)方案的各方面； 图8是描绘用于在风轮机的独立和并行搮作之间切换的示例逻辑 的流程图；和图9描绘用于从独立模式转变到电力网并行模式的仿真信号.具体实施方式
根据这里的教导的系统架构用于自行起动风轮机.即是，在电力 网电压不存在的情况下启动和操作风轮机中的所有系统.典型地， 电力网电压被要求用来使风轮机能够将电能注入到电力网.自行启 动能力对于从主要电力网干扰中恢复、对于自主电力网的操作、以 及对于对导致近海风力安装的长电缆进行充电是必不可少的.这里 公开的系统架构用于多个风轮机的自行起动.如这里使用的，"自行起动"和其它类似术语是指当电力网中电 信号不存在时启动风轮机，电信号"不存在"是指不存在满足用于 电力网正常搮作的设计规范的电信号.由此，"不存在"可包括完全不存在电信号以及包括只有电力网中电信号的较小损失(即存在 不足的电信号).换句话说，认识到，自行起动可以在各种条件下 发起且继续进行直到正常操作信号存在于电力网中.例如，这里的 教导包含了在电力网的低电压周期期间维持操作，被作为"低电压照旧进行(ride through)".参考图l，示出了一种示例风力驱动涡轮机IO.在该实施例中， 风轮机10包括塔架11，塔架11具有用于将风轮机10固定到地面的底 座12。至少一个到多个转子叶片13被耦合到机舱15,每一个转子叶 片13都具有根部14和尖端16，机舱15转而耦合到塔架11.在搮作期 间，风力(由从左指向右的箭头说明)撞击到转子叶片13，引起转 子叶片13围绕旋转轴R旋转。在这里讨论的非限制例子中，由转子叶 片13的旋转生成的机械能由机舱15内的系统变换以产生电输出，图1中还描绘了支持设施8。支持设施8按需要包括附加的资源， 并且这里的目的被当作为一部分的风轮机IO.例如，在一些实施例 中，支持设施8包括各种功率变换器、储能单元、用户接口和其它这 样的装备.可接着参考困2.在图2,支持设施8包括主功率变换器30.在该实施例中，功率变 换器30包括风轮机侧变换器31和电力网側变换器32.功率变换器30 用于将由风轮机10的发电机产生的功率变换成与电力网的功率同步 的功率。与支持设施8的附加元件有关的方面，比如短期储能元件 21、主储能元件20和耗能元件29在这里将随后给出.用户接口35(例 如本地控制面板或控制室)可以包括在支持设施8中以用于诸如在风
轮机10上的操作员控制和命令的手动输入的方面。示例的储能元件20、 21包括各种形式的电池，其它设备也可使 用。例如，柴油发电机可用于当需要时向风轮机IO提供能量.在典 型实施例中，诸如柴油发电机的电源可包括自动起动特征和类似的 控制，以便用于自发或基本上自发地递送功率到风轮机IO,可使用 至少一个电容器.典型地，短期储能元件21大概提供到若干千瓦.这里提供的公开讨论的借助储能元件20、 21向风轮机10供电.但 是，给定了可以向风轮机提供能重的各种设备，可以考虑，术语"供 能元件"对于一些实施例起更好的描述作用.由此，储能元件20、 21和供能元件在至少一些实例中是同义的，因此，术语"储能元件" 仅仅说明了供能元件的一些实施例而不是对其的限制.耗能元件29可包括各种设备.例如，在一个实施例中，耗能元 件29是电阻器(比如，卸荷负栽电阻器).在其它实施例中，耗能 元件29包括用于偶尔消耗额外功率的装备(比如泵).更具体地， 在该实施例中，当访问耗能元件29时，泵可以操作用于从低点向高 点升起水.该实施例提供一些进一步的优点在于， 一部分升起能量 可以稍后借助水驱动涡轮机来恢复.在一些实施例中，耗能元件29 包括用于消耗达发电机23所有输出的能力.图3是说明示例机舱15的剖视图，说明了其中所选择的部件. 如图3所示的是转子叶片13，其每一个都在其根部与转子中心体25 耦合。前锥体26为中心体25和其它部件提供流线型.转子中心体 25在机舱15内耦合到驱动变速箱28的主轴22从而耦合到发电机 23.发电机23提供电力供应以服务电力网.电力网包括本领域已知 的分配系统且通常就不在这里更详细地讨论了 .风轮机10的搮作的各方面通过控制系统24来管理.在该实施例 中，前述的部件和各种其它部件与机舱15内的主架27耦合.应当 注意，图3所描绘的各种其它部件中的一些被当作为这里教导的附 带提及.由此，这些和其它部件通常不在这里进一步介绍或讨论了. 其它部件(其中一些在这里呈现)包括在风轮机10内且可以位于机 舱内.根据本教导的风轮机10被如此设计使得至少控制系统24可以作 为自持单元操作.例如，风轮机IO包括至少一种形式的主储能单元20(例如，电池和电容器中的至少一个)，主储能单元20在任何给 定时间(比如，当风轮机10没有操作且没有耦合到电力网时的周期 期间)能够进行基本控制功能.例如，控制系统24被如此设计使得 用于控制诸如偏航、倾斜、制动、转子发热各方面的基础致动器可 以初始地通过依赖于主储能单元20中的能量而被致动。在典型实施 例中， 一旦从风力捕获能量就补充主储能单元20.如这里所使用的，风轮机10中要求电输入的各种部件都集合地 和总的被称为"负载"且还可称为"内部负栽"，负栽包括功耗设备， 其是一部分风轮机10和与之关联的之一，负栽可以与电力网区别. 即是，为了这里的目的，电力网通常耦合到不是一部分风轮机IO或 与之关联的功耗设备.根据这里教导的风轮机10的特征还有集成到功率变换器30中的 短期储能元件21.短期储能元件21用于瞬间支持.耗能元件29用 于通过消耗额外的能量来提供风力和负栽功率要求之间的功率平 衡，额外的能量不能存储在功率变换器30的短期储能元件21(或主 储能元件20)中.在一些实施例中，控制系统24用于通过调整风轮机10来控制空闲功率状态使得捕获足够的风力来维持功率平衡同时使耗能元件29 中的功耗最小。在一些其它实施例中，从功率变换器30到电力网的 输出电压的逐渐增加根据预定速率而发生.控制系统24被启动来控 制由功率变换器30提供的电压信号的相位角。利用控制系统24的 各种能力，如果风轮机IO激励或重复激励长电缆，可以避免过多的 充电电$危。根据这里的教导，连接所有临界负栽的普通总线包括在风轮机 10内。在典型实施例中，总线被设计用于宽电压范围操作(类似于 自动总线).总线设计允许使用部分放电的储能元件20、 21的启动 以及当电力网中的电压低于额定电压时的启动或搮作。当多个风轮 机IO被如此设置使得风轮机IO (在电方面) 一个组的一个部分，只 有一个风轮机10需要是能够自行起动的. 一旦能够自行起动的风轮 机10正在运行时，组中的剩余的风轮机IO就可以顺序起动.图4描述了风轮机10的各方面，在图4中，功率变换器30包括 本领域已知的各种部件.在该实施例中，主储能元件20和短期储能
元件21耦合在发电机侧变换器41和电力网侧变换器42之间。典型 地，卸荷负栽电阻器提供能量耗散以便平衡发电机2 3和负栽之间的 功率.图4中描绘的电源用于馈送功率给临界负栽，比如涡轮机控 制24、传感器、功率变换器的微型控制器等.涉及该电源的示意图 在围5中提供.在图5中，描绘了电源的示例实施例.在图5中，各种部件在自 行起动期间利用主储能元件20.本领域技术人员将认识到，所提供 的方案和部件仅仅是说明性的而不是限制这里的教导。此外，主储 能元件20可以与短期储能元件21 —致地或替换短期储能元件21地 提供能量给任意一个或多个部件.在图5的示例实施例中，控制储能元件提供直流(DC)功率给逆 变器50,逆变器50产生交流(AC)信号来给在自行起动和线路充电 的至少一个期间使用的各种部件供电.例如，逆变器50提供交流信 号给CAN接口51、数字信号处理器控制(DSP控制)52、功率变换器 (例如功率栈)、传感器(比如AD电力系统)54、转速计55、继电 器信号单元56和高电流继电器57。如图6所描绘的，控制系统24用于在独立配置61和电力网并行配 置62之间切换。控制系统24利用线性接触器63和主开关(SW2)来将 风轮机10与电力网65耦合.在启动期间，风轮机10初始地在独立模 式下调整。涡轮机10的额外功率被馈送到内部负栽，在SW2 64的外 侧点(SW2 64和电力网65之间)检测电力网65的状态.如果电力网 65是健康的，则风轮机10将使调整的电压输出与电力网电压同步以 便用于馈送电力网65.图7描绘了用于相位变化的逻辑的各方面，用于提供与电力网65 的同步。在该示例实施例中，提供锁相环(PLL)相位控制电路70, 在独立模式期间，困7中的同步开关71是打开的，电压参考的相位命 令是开环.在同步周期期间，同步开关71是闭合的，并且风轮机电 压被调整以便跟随电力网电压.当涡轮机电压匹配电力网电压(在 幅度和相位角度方面)时，SW2 64 (参看图6)是闭合的.图8提供用于监控风轮机10的状态并且调节操作以符合电力网条 件的示例逻辑.在图8的实施例中，控制系统24在连续的基础上执行 配置控制80.配置控制80用于在笫一步骤81中周期性(实质上连续地)监控操作状态.状态监控包括监控电力网65的电信号以及风轮 机10与电力网65的连接.如果控制系统24确定电力网65没有操作，则控制系统24在第二步 骤82中测试岛码模式.如果岛山与模式被检测，则控制系统24在第三 步骤83中调节相位控制电路70的相位输出，并且在第四步骤84中为 独立操作转移控制.作为转移控制的一部分，控制系统24在第五步 骤85中打开主开关64.以类似的术语为涉及典型操作的实施例重新叙述这里的教导的 各方面，风轮机10使用储能元件和来自发电机23的功率中的至少一个为内部负栽供电.额外的功率(超出内部负栽所要求的功率)在 耗能元件29中被消耗. 一旦风轮机10中的电力生成稳定且内部负栽 得到满足，则这里的教导用于将风轮机输出耦合到电力网65且逐渐 增加到电力网65的输出。可以实现其它各种情况，例如，当风轮机10处于独立配置时，主 开关64打开，且电力网65可以在操作.控制系统24通过闭合主开关 64将风轮机输出转移到电力网并行搮作.在该实施例中，某些限制 可以应用.例如，当负栽电压是非线性(例如，二极管整流器或有 源整流器)时，负栽电压将会极大地失真.该方案不可行.在另一个情况中，风轮机10处于独立配置，主开关64打开，且电 力网65在操作。在风轮机10和电力网65之间建立同步.控制系统24 通过闭合主开关64将风轮机输出转移到电力网并行操作并且控制被 转移到电力网并行模式.在"闭合sw2"和"控制转移"之间的周期 期间，电流将会失真.因此，在独立控制下，要小心控制电流限制。在图9中，提供仿真数据。在图9中，描绘了从单独模式转变到电力网连接模式.仿真的负栽被提供作为电阻器.使用至少一个储能元件来在所期望且处于变化条件下时启动风 轮机IO。自行起动利用了各种特征，包括宽的电压范围临界总线. 自行起动用于连接必要的致动器、加热器和启动过程所需要的控制 系统-风轮机控制算法，控制风轮机(倾斜)使得在捕获的风力和 风轮机的内部负栽之间维持功率平衡。有利地，耗能元件29和短期 储能元件21的存在支持在波动和负栽变化期间支持平衡，以便提供 逐渐改变输出电压和预先充电到电力网65的连接的能力.
这里的教导的技术效果在于，风轮机10的控制系统24具备控制风 轮机10的各部件的自行起动，在各种实施例中，这样的控制是通过 使用运行在控制系统24内的软件来实现的，该元件用于单独地或者 连同电力网65的搮作来监控和控制各个风轮机10的各个过程和部 件.这里公开的设备和方法的优点包括在没有电力网的情况下起动 和维护工作中的风轮机的能力(还可用于充电长期断电的储能元 件)；在不向动力传动系统反映负栽变化的情况下在电力网上设立 负栽的能力；和通过在集群中安装一个有自行起动能力的风轮机而 使整个风力农场开始操作的能力.本教导的某些显著方面包括集成有储能元件的风轮机，该储能元 件允许启动风轮机而不管电力网是否存在；连接所有必要的控制 器、加热器、风轮机启动所需的致动器的可变电压临界总线；控制 状态"空闲模式"的存在，在空闲模式下，所捕获的风力和风轮机 内部负栽之间的功率平衡可以实现(控制状态"空闲"也可以用于 充电储能元件使得长期断电可以被掩盖而没有控制和通信损失)； 短期储能元件和耗能元件的存在和使用以便支持专门在波动风力情 况和进行逐步电力网负栽聚集期间的功率平衡；允许逐渐增加电力 网输出电压的风轮机控制，和将功率从电力网馈送到临界总线的设 备，该设备宽的电力网电压范围上操作.本发明的各能力的各方面可以用软件、固件或硬件或有些它们的 组合来实现。作为一个例子，本发明的一个或多个方面可以包括在 例如具有计算机可使用媒体的制造物品(例如一个或多个计算机程 序产品)中。该媒体例如在其中具体化了计算机可读程序代码装置， 用于提供和实现本发明的能力。该制造物品可作一部分的计算机系 统被包括或单独地出售。此外，提供了可有机器读取的至少一个程序存储设备，有形地体 现了可由机器执行的指令的至少一个程序，用于执行本发明的能 力。这里描绘的流程困仅仅是例子,对于这里描述的这些示意图或步 骤(或操作)可以存在许多变型而不偏离本发明的精神.例如，步 骤的各方面可以以不同的顺序执行，可以按需要添加、删除或修改
步骤.所有这些变型被当作为为所要求的本发明的一部分.尽管已经参考示例实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将 会理解可以做出各种变化并且等效物可以替换其各元素而不偏离本 发明的范围。此外，许多修改可以对本发明的教导做出以适应特殊 的情况或材料而不偏离其实质范围.因此，所想的是，本发明不限 于作为用于执行本发明所想到的最佳模式而公开的特殊实施例，而 是本发明将包括所有落在所附权利要求范围内的实施例.零件列表10示例的风力驱动风轮机11塔架12底座13转子叶片14根部16尖端15机抢8 支持设施30主功率变换器31风轮机侧变换器32电力网侧变换器21短期储能元件20主储能元件29耗能元件35用户接口23发电机15机抢25转子中心体26前锥体22主轴28变速箱27主架24控制系统41发电机侧变换器 42电力网侧变换器 50逆变器 51 CAN接口52数字信号处理器控制(DSP控制)53功率变换器(例如功率栈)54传感器(比如AD电力系统)55转速计56继电器信号单元57高电流继电器61独立配置62电力网并行配置63线路接触器64主开关(SW2)65电力网64 SW270锁相环(PLL)相位控制电路71同步开关80配置控制81第一步骤82第二步碟83第三步骤84第四步骤85第五步骤
权利要求
1.一种风轮机(10)，包括发电系统，用于通过操作风来产生电力，并且包括用于向电力网(65)提供电力的接口；控制系统(24)，用于在发电系统启动期间控制风轮机(10)的部件，其中启动发生在电力网(65)的不足的电信号期间；和至少一个供能元件和至少一个耗能元件(29)，用于在启动期间提供在风轮机(10)的输出和电力网(65)的电信号之间的平衡。
2. 权利要求l的风轮机(10)，其中至少一个供能元件向CAN接 口 ( 51)、数字信号处理器控制(DSP控制)(52 )、功率变换器(30 )、 传感器(54)、转速计(55)、继电器信号单元(56)和高电流继 电器(57)中的至少一个提供启动电源，
3. 权利要求1的风轮机U0),其中至少一个供能元件提供启动 电源以便控制风轮机(10)的偏航、倾斜、制动、转子发热中的至 少一个。
4. 权利要求1的风轮机(10)，其中至少一个供能元件提供启动 电源以便控制风轮机(10)的控制器、加热器和致动器的至少一个.
5. 权利要求l的风轮机(10),其中供能单元包括电池、电容器 和发电机(23)中的一个.
6. —种启动风轮机(10)的发电系统的方法，该方法包括 监控电力网(65)的信号，电力网(65)用于分配来自发电系统的电力输出信号，并且通过控制风轮机(IO)的启动电源和风轮机(10)的耗能元件(29) 中的至少一个而通过向风轮机(10)的部件供电和消耗来自电力网 (65)的功率中的至少一个搮作来起动发电系统.
7. 权利要求6的方法，其中还包括在独立模式和电力网U5)连接模式之一下提供来自发电系统的功率.
8. 权利要求6的方法，其中控制包括将来自发电系统的输出信号 与电力网(65)的信号同步。
9. 权利要求6的方法，其中同步包括同步相位和电压中的至少一个。
10. 权利要求6的方法，其中启动包括逐渐充电风轮机(10)与 电力网(65)的连接，
全文摘要
具有用于自行起动的特征的风轮机(10)包括发电系统，用于通过操作风来产生电力，并且包括用于向电力网(65)提供电力的接口；控制系统(24)，用于在发电系统启动期间控制风轮机(10)的部件，其中启动发生在电力网(65)的不足的电信号期间；和至少一个供能元件(29)和至少一个耗能元件，用于提供在风轮机(10)的输出和电力网(65)的电信号之间的平衡。用于操作风轮机(10)的方法和计算机程序产品尤其要求同步电信号且控制风轮机(10)内的部件。
文档编号H02P9/00GK101159423SQ20071016223
公开日2008年4月9日 申请日期2007年10月8日 优先权日2006年10月4日
发明者R·泰希曼, 磊 李, 杨文强, 王长永 申请人:通用电气公司