专利名称：用于变速风轮机的高电压直流链路传输系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及变速风轮机领域，并且更具体地涉及包括双馈感应发电机 (DFIG)、励磁机、未连接到输电网的中间静态转换器、功率控制和俯仰 (pitch)调节的变速风4fe"机。
背景技术：
近年以来， 风力发电M全球已经相当可观地增长。即使该产业和技 术在这一领域中已经上升到成熟水平，但是仍"f"i4地预计这一增长延续未 来数十年。随着风电厂M增长而安装的风力容量的总基数继续增加，提 高功率输出质量的重要性变成对于风力开发商和公用事业客户同样至关 重要的挑战。
电功率传输是一个将电力递送到客户的过程。功率传输系统常常称为 "输电网(grid)"。输电公司必须应对从各传输线获得最大可靠容量的挑 战。然而由于系统稳定性的考虑，实际容量可能小于线路的物理限制.因 此需要良好清洁的电功率源以提高系统稳定性。
在多数应用中，风轮机生成电功率并且将电流馈送到电输电网中。这 可能造成本地输电网电压的偏差，比如稳态电压电平的改变、动态电压变 化、非正弦波形(即谐波)的电流的注入等。
这些效应对于连接到输电网的终端用户设备和其它发电机或者部件 如变压器而言可能是所不希望的。随着功率容量增加，显然需要改进涡轮 输出的功率质量特征。风轮机的功率质量影响依赖于它所涉及到的技术。 尽管有这一事实，但U轮机制造商并未将功率质量作为主要设计特征来考虑。
最初，风轮W^设计用以在固定旋转速度下工作。根据这一模型，风 轮机的发电机直接地连接到输电网并且以确定的il^操作，从而允许很少 量的速度变化。在异步发电器的情况下仅允许发电机的偏移范围。该偏移 是转子的旋转速度与定子的旋转磁场相比的差异。发电机的偏移随生成的 功率数量而略有变化，因此它并不完全地恒定。另夕卜，这些风轮机在正常 操作过程中需要起始电流限制策略和无功能量补偿单元。风涡流产生以下 所不希望的转矩变化，该转矩变化直接地传输到风轮机的驱动链并且因此 传输到向电输电网馈送的有功功率。
保持旋转发电fet;变与风速成比例的一类风轮机是变itX轮机。为了 获得风轮机的最大效率，发电M转速度适应于波动风速。这类风轮机包 括连接到输电网的功率电子转换器。由于这种接口，来自涡轮的功率电子 转换器的谐波发射^L馈送到输电网中。
使用功率电子转换器的变速型风轮机目前已经变得普遍。这一变速风 轮机的例子在美国专利第5，083，039号、美国专利第5，225，712号或者美国 公开申请2005/0012339中有描述。基于全转换器系统的这些涡轮包括发 电机、在发电机侧的转换器、直流链路总线和连接到输电网的有功转换器。 发电机的变频能量由发电机侧的转换器传送到直流链路总线并且随后通 过输电网侧的有功转换器转换成固定频率。一些缺点是所有的全转换器系 统所共有的。输电网侧的转换器的半导体的有功切换将所不希望的高频谐 波注入到输电网。为了避免这些谐波所引起的问题，必须安装多个滤波器。 另外，由于输电网上的不同阻抗值以及由于预先存在的谐波，所以才艮据风 电厂位置的特征而需要对滤波器的不同调谐。
另一变速风轮机在美国专利第6,137,187号中有描述。如图1中所示， 这一风轮机配置包括双馈感应发电机(1)和功率转换器(4)，该功率转 换器包括在转子侧的有功转换器(5)、直流总线(8)和在输电网侧的有 功转换器(7)。在这一配置中，全部功率中的仅镜像部分通过转换器(5， 7)传送到输电网(9)。功率可以直接地由定子(3)递送到输电网(9)， 而转子(2)可以根据双馈感应发电机是次同步还是超同步操作来经由功 率转换器(4)吸收或者供应功率到输电网(9)。转子的变4JMt具有的
然而，连接到输电网(9)的功率电子转换器(4)的使用造成了网络电压 的谐波失真。其它文献也描述了变速风轮机。例如，美国专利第6，933，625号描述 了以下变速系统，该变速系统包括双馈感应发电机和具有标量功率控制和 相关俯仰控制的无源输电网侧的整流器。在这一情况下，有在转子侧的有 功转换器、无缘输电网侧的整流器和在直流M总线上连接的可切换功率 耗散单元。在超同步操作过程中，从转子提取的能量在可切换功率耗散单 元中耗散，从而降低风轮机的效率；在风轮机在次同步模式下的操作过程 中，能量由无源输电网侧的整流器整流，这在输电网中造成所不希望的低 频谐波。因此需要复杂的衰减滤波器。美国专利第6，566，764号和美国专 利第6,856,038号描述了具有矩阵转换器的变速风轮机。两种情况均包括 连接到输电网的功率电子转换器，这可能造成所不希望的谐波电压。
所有前述美国专利和与包括功率电子器件的变速风轮机有关的其它 现有解决方案都具有连接到输电网的转换器。视转换器上所用技术而定， 在输电网上引入有必须通过使用滤波器来衰减的并且调谐到最终应用位 置的不同范围的谐波，从而使系统成本更高而可靠性更低。
鉴于现有技术中的这些问题，需要提供一种可以应用于变速风4^机的 改进功率解决方案。
尤其是在弱输电网情况下的另 一所不希望的问题是在发电机的同步 过程中的无功功率消耗。例如，在美国专利第6,600,240号中描述了一种 同步方法。这一方法在功率转换器被去使能而转子已经达到预定速度之时 开始将发电机转子连接到输电网。这时，输电网供应全磁化电流，逸造成 无功功率消耗。这一无功功率消耗有时是一些新的输电网遵循规范所不允 许的。这一专利也描述了一种断开过程。该过程开始减少转子电流并且4吏 转子转换器去使能。这时，输电网供应无功磁化电流。为了断开发电机， 用无功电流使接触器开路，从而缩减接触器的使用寿命。因而需要4I^供一 种用于使双馈感应发电机同步、连接到输电网和从其断开的方法，ilit免 消耗无功功率并且增加连接设备的寿命。
决定向输电网注入的功率质量的另 一方面是对发电机的控制。对发电 机侧的转换器的一类控制称为"磁场定向控制"(FOC )。 FOC方法是基于 电气模型和机器^lt。由于机器^的^t性，所以不能准确地计算转矩， 并且需要附加的在线调整回路。另外，当在输电网中出现故障时，所用的 OFC方法引入了通量位置标识的延迟，从而使得更难以满足新的输电网 遵循要求。
在具有DFIG配置的现有技术变速风轮机中，虽然定子功率保持恒定，但是转子功率也通过功率转换器馈送到输电网中。由于转子功率脉动， 所以也使馈送到输电网中的总功率脉动，从而影响风轮机的输出功率质 量。
仅使用双馈感应发电机的变速风轮机不能使用电制动器。如上所述， 在这种配置中，功率直接地由定子递送到输电网，而全部功率中的少量部 分通过转换器从转子传送到输电网。当出现风轮机的意外停止时，例如在 输电网中的持续故障过程中，发电机的功率锐减。只有快速非电制动，如 叶片俯仰才可以用于停止风轮机。这一操作模式在风轮机部件中产生大的
机械力，这可能造成过早损坏。因此需要用以防止这一;W^应力的附加制动。
在专利第WO01/25628号中描述了在风电厂中使用包括同步发电机 作为主发电设备的高电压直流M传输(HVDC )。由于使用了同步机， 所以输出频率WL力而变化，因此尤其;l在低风力4Hf ，输出直流电压的 脉动含量变大。另外，输出变压器和整流器必须M大尺寸，因为它们必 须能够在低频操作。诸如低电感的转子电路的特,造这样的附加细节也 是输出功率的准确调节所必需的。
发明内容
根据本发明示例实施例的一个方面，提供一种具有双馈感应发电机的 变速风^^机，该变速风4^机具有至少一个或者多个叶片、 一个或者多个发 电机、耦合到驱动链的一个或者多个励磁机、由DC链路总线接合的一个 或者多个有功功率电子转换器，其中一个交流侧连接到双馈感应发电机的
转子电路而另一交流侧连接到励磁机。本发明也描述了功率控制和俯仰调 节。
根据本发明非限制示例实施例的这一方面，功率电子器件没有连接到 输电网。因此，功率仅通过双馈感应发电机的定子递送到输电网，从而避 免所不希望的谐波失真并且实现向公用事业输电网中馈送更佳功率质量。 另夕卜，可以避免对复杂滤波器的使用以及根据位置对它们的调谐，从而使 系统更经济和可靠。
本发明实施例的另一方面在于功率输出在额定速度以上 持恒定，从 而避免*1度变化而定的功率波动。由于本发明的拓朴结构，所以功率仅 通过双馈感应发电机递送到输电网。因此避免转子功率脉动并且提高风轮机的输出功率质量。
本发明示例实施例的另一方面描述了一种使用输电网磁场定向
(GFO)来准确地控制向输电网注入的功率的变速风轮机。这一控制系 统的优点在于它并不依赖于可能明显变化的机器参数也不依赖于理论机 器模型，从而避免使用附加的调节回路并且实现向公用事业输电网中馈送 的更佳功率质量。
本发明示例实施例的又一方面在于用于同步双馈感应发电机的方法 避免了在连接到输电网/从输电网断开过程中消耗无功功率，从而符合新 的输电网遵循规范。另夕卜，这一方法可以避免通过连接设备的连接电流峰 值，从而增加此类部件的寿命。
本发明示例实施例的又一方面提供一种用以在直流电动机用来驱动 叶片的俯仰移动时避免直流电动机集电器的"磨损"，并且改进叶片轴承的 润滑。
本发明示例实施例的另 一方面在于在风轮机偶然停止的情况下，虽然 使用双馈感应发电机，但是仍有可能应用电制动。在比如持续输电网故障 这样的紧急情况下，可能发生风轮机的偶然停止。然后，使用励磁机作为 发电机而功率可以vMJ^力磁机传送到直流总线。于是，可以激励电制动器而 在斩波器的变阻器中^部分电功率，从而有助于发电机渐ii^停止并且 在风轮机部件中避免大的机械力量。
本发明的另一方面在于它可以在变速发电系统中用于高电压直流链 糾输(HVDC )。
根据另一方面，由于本发明的拓朴结构，所以可以固定交流电压的输 出频率，从而允许设置所需整流器和变压器的更小尺度并且减少直流输出 电压在低风力条件之下的脉动含量，提高输出功率质量。
应理解，前述广义描述和以下具体描述都仅仅是示例性和说明性的而 并不限制所要求保护的本发明。
并入的附图构成了本发明一个或者多个实施例的部分。然而，不应将 它们理解为将本发明限制于具体实施例。从与附图结合的以下具体描述中 将更完全地理解本发明及其操作模式，在附图中图1图示了具有双馈感应发电机和连接到输电网的功率转换器的常 规变速风轮机系统。
图2图示了根据一个示例实施例具有励>^机和连接到输电网的功率 转换器的变速风轮机的电路图的一个实施。
图3图示了用于变速风l^机的功率控制和俯仰控制的框图。
图4图示了最优功率跟踪控制(OPTC)方法的一个实施例的框图。
图5图示了 GFO和双馈感应发电机的控制器的一个实施例的框图。
图6图示了励磁M制的一个实施例的框图。
图7图示了同步、连接和断开序列的一个实施例的流程图。
图8图示了俯仰控制系统的一个实施例的框图。
图9图示了在同步过程中使用的电压调节模式的一个实施例的框图。
图IO图示了具有高电压发电机和整流器的HVDC风轮机的一个实施 例的才匡图。
图11图示了具有低电压发电机、变压器和整流器的HVDC风4^机的 一个实施例的框图。
图12图示了针对高电压直流传输系统的连接和断开序列的一个实施 例的流程图。
图13图示了针对高电压直流传输系统的连接和断开序列的另一实施 例的流程图。
图14图示了其中交流电压的输出频率固定为所需值的示例控制系统 的框图。
具体实施例方式
下文描述根据各种示例实施例的变iiA轮机。将若干附图仅作为图解
来参考以便更好地理解本发明。另外，将随同提;M目同或者相似部分的描 述一起使用相同标号。
概述
一般而言，根据本发明各种示例实施例的变速风轮机发电机将转子在双馈感应发电机的超同步操作过程中生成的电功率输送到励磁机。励磁机
然后将这一电能转换回成^afe旋转能，该^旋转能然后可以用来进一步
增加向输电网递送的由定子生成的电功率。电功率仅由DFIG的定子递送 到输电网，从而避免功率通过功率转换器递送到输电网。因此提高了向输 电网供应的电功率的质量。
此外，在次同步操作过程中，当转子不是生成电功率而是需要电功率 源时，风力所生成的旋转能量的一部分由励磁机用来生成转子所需电功 率。
在图2中广义地示出了变速风轮机发电机系统。在这一实施例中，该 变速系统包括一个或者多个转子叶片(201)、连接到驱动链的转子轮轴。 驱动链主要包括涡轮轴(202 )、变速箱(203 )和双馈感应发电机(205 )。 双馈感应发电机的定子(210)可以通过使用一个或者多个接触器(215) 连接到输电网。该系统也包括；Mfe地耦合到驱动链的励磁机(212 )，比 如异步机、直流机、同步(永磁)机或者作为马达或者发电动机来工作的 可逆电机；以及由直流銜洛总线(224)掩^的两个有功电子功率转换器
(222， 225)(即背对背转换器)，其中一个交流侧连接到双馈感应发电机 的转子电路而另一交流侧连接到励磁机(212 )。调节励磁机的有功功率转 换器(225)未连接到输电网，从而有功功率转换器从输电网隔离。可替 选地，可以连接循环转换器、矩阵转换器或者其它任一种双向转换器来取 代背对背转换器。该系统也可以包括连接到直流总线的电制动器电路
(231)，比如DC斩波器。转换器控制单元(CCU)(200)进行对双馈感 应发电机和励磁机的功率调节。该系统包括dV/dt滤波器(220)，该滤波 器连接到双馈感应发电机的转子电路以便保护它免受由功率电子转换器 的有源开关产生的骤然电压波动的影响。另外，dV/dt滤波器(227)连 接在电子功率转换器与励>^机之间。在一个实施例中，防范输电网故障的 保护模块(219)连接到双馈感应发电机的转子。
在这一实施例中描述的变速风轮机发电机系统可在同步速度以下(即 次同步)和在同步速度以上(即超同步)工作。在次同步操作过程中，功 率，磁机(212 )流向双馈感应发电机(205 )的转子(211 )，使得励磁 机(212)充当发电机。另一方面，在超同步操作过程中，功率从双馈感 应发电机(205 )的转子(211)流向励磁机(212 )，因此励>^机充当电 机。在整个范围速度过程中的功率平衡使得除了不同单元中的损耗之外， 在双馈电感机的转子(210)中消耗/生成励磁机(212)中生成/消耗的功率。
由于上述变速风轮机发电机系统的拓朴结构，所以功率仅通过双馈感
应发电机(205)的定子(210)递送到输电网。没有连接到输电网的电子 功率转换器。因而避免所不希望的谐波失真并且实现向公用事业输电网中
馈送的更高功率质量。另外也避免对复杂滤波器的使用和根据不同位置对 它们的调谐需求，从而使系统更经济和可靠。
这一拓朴结构也允许在双馈感应发电机配置中使用电制动器。在风轮 机例如由于输电网的完全断电而紧急停止的情况下，定子被断开而发电机 所产生的功率不能馈送到输电网中。然而，励磁机(212)可以用作发电 机，因此功率可以M磁机(212)传送到直流总线(224)。因此，部分 电功率在斩波器的变阻器中^。"，应用机喊或者气动制动器如叶片 俯仰以停止风轮机。本发明的这一实施例允许发电机在DFIG配置中应用 电制动器，从而有助于风轮机停止并且在风轮机部件中避免可能造成过早 损坏的大的机械力。
如图3中所示变速风轮机控制系统包括总控制器(302)、功率控制器 和俯仰调节器。最佳功率跟踪控制器(OPTC ) (303 )基于测量的风速来 计算功率设置点。这一设置点发送到总控制器(302 )并且因此发送到DFIG 控制器(300)。 DIFG控制器(300)通过有功电子功率转换器(222)进 行总有功功率和总无功功率的有效调节来控制双馈感应发电机(205)向 输电网递送的功率。双馈感应发电机(205)的功率电子控制基于输电网 通量定向(GFO)。励磁机(212)由有功电子功率控制器(225)调节且 由励磁机控制器(301)控制。有功电子功率转换器使用借助直流总线电 压传感器(223)测量的直流总线电压电平作为主调节变量来控制向MU 力 磁机(212)传送的功率。
制系统:基于励磁机的俯仰控制^ (EBPC) (304)调节叶片的俯4卬位置 以便限制气动功率。EBPC (304)也根据励磁机的功率偏差以及通过测 量俯仰电动机(305)的速度和位置为OPTC (303 )提冊仰角度设置点。 此外，EBPC (304)包括集电器防磨损和润滑系统(CAWLS)以便保护 用于俯仰移动的直流机的集电器以及改进叶片轴承的润滑。
本发明的拓朴结构也适合于在变速发电系统中的高电压直流链路传 输(HVDC)。如图10和图11中所示，可以如图10中所示通过使用具有 整流器(1001)的高电压发电机或者如图11中所示使用低电压发电机和具有一个或者多个次级的附加变压器(1101)来产生直流输出，其中各次级被整流而所有这样的整流器以串联或者并联方式连接。可能需要附加的连接i更备(1002 )和保护设备(1003 )。由于本发明的拓朴结构，所以可以固定交流电压的输出频率，从而允 许设置所需整流器和变压器的更小XJL，以及减少直流输出电压在低风力 ^Hf之下的脉动含量，提高输出功率质量。另夕卜， 一旦风轮机开始旋转，尽管主发电M运转，但是励磁机(212 ) 可以为所有辅助系统馈电，从而减少不可中断电源或者HVDC到AC转 换器的尺寸。注意，虽然描述了输电网应用，但是本领域技术人员将清楚，本发明 也可以用于其它应用，比如独立功率系统或者任何变速能量生成系统。例 如，这样的其它变速能量生成系统可以包括基于海浪和潮汐能量、地热能 量、太阳能应用、水电能量、内燃能量等的功率系统。最佳功率跟踪控制器(OPTC)最佳功率跟踪控制器(OPTC) (303)为DFIG控制器(300)所执 行的功率控制回路调整功率参考以便控制发电机功率。这一参考基于作为 主调节变量的测量风速。根据这一实施例，提供一种可以在操作速度范围内进行最佳功率系数 (Cp)跟踪的变速系统。这一范围由速度下限(coj和速度上限(Wl) 及其对应的功率下限和功率上限(分别为P。和PJ来确定。图4图示了最佳功率跟踪控制器(OPTC)的一个实施例的框图。 OPTC的主输入是借助一个或者多个风力计测量的风速(u)。在一个实施例中，对这一测量滤波Uoi)以ia免所不希望的频率通过控制系统放大，从而操作平滑信号。OPTC为各特定风速计算对应功率值(402 )。这一关系由风轮机、主 要是转子头的整体特征来确定，而它的点对应于最大气动效率。因此Cp 被最大化以实现最大功率输出。将所得功率值输入到功率范围限制器 (403)。这一实施包括主回路。将主回路的辅助校正(405 )应用于所得值以提高所优化的Cp跟踪的 响应性。根据测量和滤波的风速信号计算出(406)双馈感应发电机最佳速度.(低速轴的)转子最佳速;OL将最佳端速比与风速(u)的乘 积除以转子平面半径(R)的结果。将这一值与变速箱比相乘来计算双馈 感应发电Wt转速度。将所得速度值输入到速度范围限制器(407)。将该 块的输出与在俯仰适应速度块(PASB) (410)中计算的俯仰校正速度 (PCS)做比较(408 )。将俯仰角度参考、最小俯仰角度和测量的旋转速度输入到PASB。将 增益(413)应用于滤波的俯仰角度设置点(Pref)与最小俯仰角度(pmin)之差。为了耦合，将这一项初始化为零，从而Pre^Pmin。添加所测量的旋 转M (O))以计算所述校正速度，在PASB这样的校正(408)之后，将增益(409)应用于所得误差， 提供将向预先计算的功率设置点添加的AP。一旦已经校正所得功率设置点(404)，将该值输入到功率范围限制器 (415)以保证这一功率参考在阈值P。和R内。所得参考是功率设置点 (SP—P )。最后将旋转i4JLJ^控(417)应用于这一功率i殳置点。在PCS低于(o0 的情况下(419)，将增益或者不同控制器(420)应用于这样的速度差， 提供-AP。另一方面，如果PCS高于oh (422)，则将增益(423)应用于 计算的误差，从而在输入端提供与^JL差成比例的AP。因此，将上述具体校正应用于功率设置点SP一P，该功率设置点还输 入到功率范围限制器(424)以便保证所计算的设i点没有超过额定功率。 因此，OPTC的输出是待传输到总控制器(302)并且因此传送到DFIG 控制器(300)以^更控制双馈感应发电机功率的有效功率参考SP一Pef。由于最佳功率跟踪控制器，所以改善了当发电^JL等于或者大于额 定功率出现情况下的发电M度时的输出功率质量。在具有DFIG配置的 现有技术变速风轮机中，虽然定子功率保持恒定，但是转子功率也通过功 率转换器馈送到输电网。由于转子功率脉动，所以也使馈送到输电网中的 总功率脉动，从而影响风轮机的输出功率质量。在本发明内，通过使用励 磁机和未连接到输电网的功率转换器，仅通过双馈感应发电机的定子将功 率递送到输电网，从而避免脉动并且提高风轮机的输出功率质量.双馈感应发电机控制器 双馈感应发电机的控制器(300)进行DFIG的定子有功功率和无功15功率控制。这一控制器赋予对于向输电网递送的总功率的良好调节性能和 控制。正如下文具体说明的那样，这一控制通过使用输电网通量定向(GFO)，与机器的电气参数完全独立地基于不同调节回路。通过高准确 度地测量待调节的不同量值来理想地控制双馈感应发电机205的定子 (210)向输电网递送的总功率，从而实现高质能量。图5种所示双馈感应发电机的控制器(300)基于输电网通量定向 (GFO)控制和四个调节回路两个电流回路(转子电流回路(509) Irq 和转子电流回路(510) Ird)和两个功率回路(定子有功功率回路(505) Ps和定子无功功率回路(506) Qs)。在本发明的这一示例实施例中，控制器将要通过调节转子电流 (Av_Ird和Av一Irq)来调节DFIG的定子有功功率和无功功率并且因此 调节^输电网ilf送的总功率。功率控制器借助称为二轴旋转系统(d， q) 的电流和电压量值来^Mt ，因此由系统进行的不同电流和电压测量变换成 所谓的旋转(d， q)系统。在一个实施例中，通过控制Av—Ird (称为'd，轴的转子电流)来固定 双馈感应发电机(205)的磁化7jC平，从而建立机器中的无功功率流向。 另外，双馈感应发电机(205)可以作为消耗无功功率的电感系统来工作 或者可以作为生成无功功率的电容系统来工作。在这一实施例中，与对 Av一Irq(称为'q，轴的转子电流)的控制完全独立地进行对Av一Ird的控制。 在另 一实施例+ ，通过控制Av—Irq来理想地控制由双馈感应发电机生成 的并且向输电网递送的有功功4。因而，DFIG的定子有功功率回路(507)通it^OPTC (303)接收 定子功率设置点(Sp一Pef)并且因此从总控制器(302)接收定子功率设 置点(Sp一Ps)来调f定子功率(Av一Ps)。这一回路可以基于PI控制器 或者结构i复杂的不同控制器。下文具体描述DFIG的定子有功功率消 耗。PI控制器(507)输出是转子电流设置点(Sp—Irq)。 Irq转子电流回 路(511)借助该前述设置点来调节Av_Irq电流。这一 Irq电流回路可以 基于PI控制器或者结构更复杂的不同i制器。调节器输出是Urq转子电 压设置点(Sp_Urq )。另外，DFIG的定子无功功率回路(508)从总控制器(302)调节定 子无功功率(Av_Qs),接收定子无功功率设置点(Sp_Qs)。这一Sp—Qs 可以基于固定值、SCADA设置等。这一无功功率回5^可以基于PI i制 器或者结构更复杂的不同控制器。下文具体描述定子无功功率计算。PI控制器(508)的输出是Ird转子电流设置点(Sp_Ird)。 Ird转子电流回 路(512 )借助这一前述设置点来调节Av_Ird。这一 Ird电流可以基于PI 控制器或者结构更复杂的不同控制器。调节器输出是Urd转子电压设置 点(Sp一Urd)。在一个实施例中，这一方法允许从转子磁化双馈感应发电 机，从而避免消耗来自输电网的无功功率。另夕卜，控制双馈感应发电M 化水平并且测量输电网和定子电压，从而系统在每个瞬间都关于由双馈感 应发电机(205)生成的定子电压的幅度、频率和角度与输电网持续地同 步。下文将具体说明连接和断开系统。在一个实施例中，参考三个转子电流测量值(IrJLl、 Ir_L2、 Ir_L3 ) 将Av一Irq和Av一Ird计算成旋转角度为(p-s)的二轴旋转i统，S中p 是根据三个输电网电压(Vg_Ll、 Vg_L2、 Vg_L3) (217)计算的输电网 角度，而s是借助位置和速度、感器(214)测i的转子角度。使用Id、 Iq、 Vd、 Vq来计算Av_Ps和Av_Qs:j v—尸s = 5 x Zsd + x Zs《) 公式1爿v 一 0s = 5 ( x Zs《-f^/ x Zsd) 公式2其中通过测量三个定子电压(V—Ll、 V_L2、 V_L3) (216)和三个 定子电流(I_L1、 I—L2、 I—L3) (118)来获# Vsd、 Vsg、 Isd、 Isq，并 且使用旋转^度fi将ll些电压和电流称为二轴旋转系统。使用旋转角度(ji-s)将两个电流调节器输出Sp_Urd和Sp—Urq变换 到固定系统中，从而获得将在双馈感应发电机(205)的转子(211)中施 加的三个电压参考。块414示出了转子电压从二轴旋转系统到三相固定系 统的变换。在一个实施例中，可以4吏用这些转子电压作为用于生成对功率 电子转换器(222)的有源开关触发的模块的参考。块415示出了可以实 施不同PWM技术的模块。根据这一实施例，与机器电气^lt独立的基于两个功率回路和两个电 流回路的电子功率控制系统避免了电气参数M或者理论建模误差在功 率调节中的影响。电气参数所引起的误差由于温度振荡或者非线性所导致 的饱和效应而改变，并且通过这一方法加以避免。因此获得质量4艮好的能 量生成，从而满足和提高不同标准的要求。进行调节仅需要不同的测量值 (I Ll、 I L2、 I L3、 V Ll、 V L2、 V L3、 Ir Ll、 Ir L2、 Ir L3、 s、(0)。在一个实施例中，可以4吏无功功率调节独立于有功功率调节。励磁M制器在一个示例实施例中，变速系统包括双馈感应发电机(205)，其中转 子(211)耦接到电子功率转换器(222)。这一电子功率转换器通过直流 总线系统(224)连接到第二电子功率转换器(225)。在一个实施例中， 这一频率转换器(功率转换器)(225 )由接触器(228 )连接到励磁机(212 )。 励>^机如异步机、直流机或者同步(例如永磁)机或者可逆电极40fe地耦 合到驱动链。视转子速度而定，励磁机所需功率根据转子能量流向而可以为正或者 负。在次同步操作(即在同步速度以下)过程中，功率，磁机(212) 流向双馈感应发电机(205)的转子(212)，从而励磁机(212)充当发电 机。在超同步操作(即在同步ilJL以上)过程中，功率从双馈感应发电机 (205)的转子(211)流向励磁机(212)，因此励磁机(212)充当电动 机。在整个范围itJL过程中的功率平锎4吏得除了不同单元中的损耗之外在 双馈电感机的转子中消輪生成励磁机中生成/消耗的功率。在本发明的这一实施例中，励磁机(212)由电子功率转换器(225) 调节而由励磁机控制器(301)控制。下文以永磁机作为励磁机来描ii^力 磁机(212)的控制系统。本领域技术人员应当清楚，可以使用不同类型 的机器作为励磁机(212),因而可以相应地修^U&磁;tM^制器。电子功率转换器(225 )使用直流总线电压电平Av一Ubus作为主调节 变量来控制向MU^^机(212)传送的功率。图6描述了励磁机调节的一 个实施例。转换器控制单元(200)固定可以是可变或者静态的直流总线 设置点电压Sp一Ubus(605)。通过测量直流总线电压，直流总线电压设置 点由PI控制器(607)或者结构更复杂的不同控制器调节。这一控制器建 立将要在7Jat励磁机(212 )与直流链路总线(224 )之间传送的有功功率 以便将直流总线电压保持于由转换器控制单元(CCU)固定的值。这一 有源功率通过SpJEq确定。在一个实施例中，祁4t以下两项来计算这一 Sp_IEq:Sp—IEq-总线电压调节器(607)输出+去耦合和补偿切换(608)的输出公式3其中第一项响应于可能的总线振荡，而第二项Iz是代表经过总线流通的估计电流的前馈项。借助这一类结构有可能实现永磁机的高动态功率 响应。在一个实施例中，总线电流估计项并不存在，因而总线电压调节器(607)负责生成^Ut励磁机所需的有效SpJEq。在这一实施例中，使用Av一IEq由PI控制器(613 )或者结构更复杂 的不同控制器调节Sp—IEq，该Av一IEq代表了称为二轴旋转系统的励磁 机有功电流。在一个f施例中，可以4吏用7lc^机，因而需要场弱化模块以 能够减少机器通量并且在高速具有更好的功率调节。在永磁机中，定子电 压依赖于转子速度和机器磁通量。因而，在转子iUL以上有必要通过减少 机器上的通量来减少定子电压。在一个实施例中实施场弱化系统，从而建立永磁励磁机(212)将需 要的无功电流设置点Sp—IEd (618)。以这一方式，与转子速度独立地在 电子功率转换器(225) ^f频带范围调节能力内控制和^L置永磁体所生成 的电压。使用Av一IEd由PI控制器(614)或者结构更复杂的不同控制器 调节Sp_IEd，该Av一IEd代表了称为二轴旋转系统的励磁机无功电流。在一个实施例中，Sp—IEd固定了机器的磁化水平及其电压电平。 Sp_IEd固定了向永磁机注入的或者永磁机所需的有功功率。在一个实施例中，可以测量两个或者三个励磁^目电流(IExc一Ll、 IExc_L2、IExc_L3 )以便计算Av_IEd和AvJEq。三个电流起初变换(601) 到二^静态系统，因而获得IE—sx和IE_sy。其次，这两个电流参照(603 ) 随永磁机总通量而旋转的二轴i统，获> Av一IEd和Av一IEq。通过使用 根据角度^Exc来进行这一电流变换，该角度i根据可以测量或者估计的 三个或者两个励^ t^目电压(VExc—Ll、 VExc_L2、 VExc_L3 )来获得的。 块602和604示出了如何获得7^^Uit量和电压绝对值。在一个实施例中，需要有效电压计算模块(615 )，因为电子功率转换 器(225)所要生成的电压必须依赖于永磁机中因电流流通效应所导致的 通量交感。因而根据两个PI电流调节器(613， 614)的输出以及根据 Av_IEd、 AV—IEq和IVEI来计算(615 )电压设置点SpJJErd和Sp_UErq。使用旋转角^Exc将两个电压设置点Sp一UErd和Sp一UErq变换成三 轴静态系统。因此，获得要在71<^励磁机(212)的定子中施加的电压参 考Sp一UE一rx和Sp一UE一Ry。在一个实施例中，可以使用这些电压设置点 作为^于i成对功萃电^转换器(225)的有源开关触发的模块的参考。 块617示出了可以实施不同PWM技术的模块。在一个实施例中，可以在电子功率转换器(225 )与励磁机(212 )之间安装dV/dt滤波器或者其它 任一种滤波器(227 )。在一个实施例中，使用励磁机(212)作为辅助电源可以将这一机器 用来向风^^机的不同单元供应能量。输电网干扰或者故障并不影响功率电 子转换器(225)。因而并不影响励磁机功率调节。动态电制动器根据另 一实施例，提供一种允许风轮机应用电制动器以停止发电机的 动态电制动器(DEB)。因此可以避免风轮机部件中可能造成过早损坏的 机械力量。本发明的变速风轮机包括双馈感应发电机(205)，其中转子(211) 连接到电子功率转换器(222)。这一电子功率转换器(222)通过直流总 线系统(224)耦合到第二电子功率转换器(225)。这一频率转换器(电 子功率转换器(225))连接到励磁机(212)。励磁机如异步机、直流机、同步(例如 Mai)机或者可逆电;wafe地耦合到驱动链。该系统也包括连接到直流总线的电制动电路(231)，比如直流斩波器。在现有技术的DFIG拓朴结构内，如果DFIG的定子功率由于输电网 故障或者从输电网断开而骤减，则机器趋向于加速。在风轮机以额定功率 操作的情况下，机器可能遭受超速。通常没有可能在这时使用电制动器， 因为DFIG的定子功率以及还有DFIG的转子功率可能过低。然而，由于 本发明的拓朴结构，励磁机功率可以用来驱动电制动器。在这一情况下， 励磁机将用作发电机，因此功率可以M磁机传送到不同电流总线。因此， 部分电功率在连接到直流总线的斩波器的变阻器中^，从而避免发电机 的趁逸。以这样的方式，风轮机制动并不唯一地依赖于机喊制动器。在一 个实施例中，电制动器可以与机械制动器一起使用，从而允许风轮机渐进 地制动，使机械力量、峰值转矩负荷和所不希望的加速度最小。例如，可 以应用电制动器直至机械或者气动制动器能够获得对涡轮的控制。因此，由于励磁机(212)，所以制动功率总是可用。，磁机功率、 励>^机转换器功率和斩波器的变阻器值而定，制动功率在一个实施例中可 以达到发电机的额定功率的30 % 。因此也有最大制动功率(PbMAX)持续地可用尸6-M4X = (^X7_fo ) "6rafe 公式4其中Vocbus是直流总线电压(Av—Ubus)的实际值。可以把制动功率控制成使得当风轮机在低速度工作时只需要少部分 制动功率。然而，如果风轮机发电机在额定iUL以上，则可能有必JH吏用 全部制动可用功率。因此，主要根据对风速和发电M度的测量来计算出 制动功率设置点(SP一Pb)。为了准确地控制必要制动功率，计算调制因子(fMOD)。这一调制因 子应用于在各瞬间可用的最大制动功率(PbMAX)以获得SP—Pb。S尸—尸6 =尸6_皿 /腳 公式5/腳=S (A油/(^—"J2) 公式6调制因子允许对制动功率的准确控制。有可能应用渐进电制动。例如 在风轮机紧急停止时，在一开始需要全部制动功率。 一旦激励;Wfe制动如 叶片俯仰，就有可能渐进地减少电制动。动态电制动器在这一示例实施例中包括由电子可控开关(例如IGBT)激励的变阻器(电阻器、电阻器组或者无论任何^4t元件)。也可 以使用反并联二极管。DEB并不严格地限于已经描述的实施例。因此， 制动斩波器可以包括与上述部件不同的部件。连接(使能)序列根据另 一 实施例提供了连接序列。这一 实施例包括耦合到励磁机 (212)的双馈感应发电机(DFIG) (205)，而没有功率电子转换器连接 到输电网，以及包括允许将双馈感应发电机连接到输电网而没有无功能量 的消耗也没有经过接触器(215)的连接电流"^值的连接序列，因此增加 接触器(215)的寿命。图7示出了连接序列。本领域技术人员将清楚， 如果主电路制动器或者任何其它开关而不是接触器用来将发电机耦合到 输电网，则也可以应用这里描述的技术。在正常操作模式过程中，涡轮利用偏航(yaw)电动机持续地朝着风 定向。当测量的平均风速大于阈值(在一个实施例中为每秒2.5米)时， 如果满足所有其余所需M，则叶片通过俯仰电动机移动到允许主转子开 始旋转的位置。在一个实施例中，在开始连接序列之前必须满足初始条件(701)。这 些条件涉及到转子速度、转子接触器(228)的状态和用以开始该序列的 任何其它预先4Hf。在一个实施例中， 一旦满足这些条件，转子速度就必 须上升到Nl (在一个实施例中，就1800rpm/60Hz的同步速度DFIG而 言，Nl的值可以是1170rpm)。 一旦达到这一转子iUL，就激励励磁机侧 的电子功率转换器(225)以l更调节直流总线电压电平，对应于状态702。在一个实施例中， 一旦直流总线已经达到VBUS1电平，转子速度就 必须上升到N2>=N1 (在一个实施例中，就1800rpm/60Hz的同步速度 DFIG而言，N2的值可以是1260rpm,而就1700V的IGBT而言，VBUS1 电平可以是1050V)。 DFIG侧的电子功率转换器(222)然后接通(703) 以便通过接触器(215)的电压接近零。这通过以下方式来实现以如下 方式借助电子功率转换器(222)通过转子(211)磁化双馈感应发电机 (205)，该方式使得电压值、序列、频率和其它变量在接触器(215)的 两侧相等。当满足电压幅度、电压频率、电压角JL/延迟这些条件和一些 其它条件时，接触器(215)闭合(704)而定子电流接近零。双馈感应发 电机(205)不消耗来自输电网的能量并且避免输电网上的可能扰动。一旦已经满足这一序列，就激励功率控制(705 )。为了允许平滑连接 到输电网，在初始瞬间过程中斜升(rampup)来自OPTC的有功功率设 置点和来自主控制器的无功功率^L置点。在4^P连接序列过程中，以如下方式监视所有涉及到的单元的状态， 使得如恭险测到错误则恢复该序列并且生成才艮警。视才艮警类型而定，该序 列可以在以后预定时间开始，或者如果该餘溪重要，则在风轮机中激励一 种紧急模式，这需要人的干预以退出该模式。在图9中描述了在用于同步的状态703过程中的控制系统。执行定子 电压调节。定子电压和输电网电压是向定子电压调节器的输入(卯3和 卯4)，而这一调节器的输出是在轴d中转子电流设置点的一部分。与发电 机的磁化电流成比例的电流项添加到作为前馈单元的电压调节器的输出。根据测量的输电网电压、测量的输电网频率以及^yc电机的电气^it而定的K常数来计算这样的电流前馈。利用这一前馈项在块卯5内的添加来 加速同步过程。作为块905的输出的两项之和是在"d"轴中的转子电流设 置点。在全部同步过程中，在"q"轴上的转子电流设置点等于0。两个电 流设置点(在"d"轴和"q"轴中)是至电流调节块(卯6)的输入，其中借 助PI调节器来控制它们。在块卯7中基于输电网角度和机械角度来计算22在从二轴("d"和"q")到3相系统的转换中使用的角度。
断开(去使能)序列
根据本发明的另一实施例提供了断开序列。这一实施例包括耦合到励 磁机(212)的双馈感应发电机(DFIG) (205)，而无功率电子转换器连 接到输电网，以及允许将双馈感应发电机(DFIG) (205 )从输电网断开 的断开序列，而无与在系统的不同部件上的过电流或者过电压有关的扰 动。由于在电流接^的情况下断开接触器(215)，所以增加接触器的寿 命并且减少维护操作。它也允许接触器就同 一应用而言与其它断开序列相 比具有更低的额定值。
在风轮机的正常操作中，由于风力条件的缺失而通常达成这一序列， 但是也可以在过量风力、本地人类请求、远程监督控制和数据采集 (SCADA)请求、风轮机的任何子系统中的故障或者任何其它原因的情 况下达成这一序列。
在一个实施例中，必须倾斜地降低定子功率和定子电流以便在发电机 的定子中没有电流(710)。根据断开序列请求的原因来优化斜降时间。为 了在风轮机中避免不必要的;WS应力，斜降时间是允许风轮机安全操作的
最大值。不言而喻，斜降时间要求并非对于每个情形都相同。
一旦已经满足状态(710)，就断开主接触器(215),达到(711)状 态。由于有功和无功功率设置点在断开接触器(215)之前为零，所以DFIG 控制器(300)注入磁化电流以使DFIG定子输电网连接而没有电流，从 而在电流接近零的情况下实现接触器的断开，从而延长接触器(115)的 寿命。
当满足状态(711)时使转子电子功率转换器(222)去使能，对应于 状态(712)。当使转子电子功率转换器去使能时，在双馈感应发电机的电 感电路中存储的能量传送到DC链路。
基于励磁机的俯仰控制器(EBPC )
在本发明的这一实施例中，变速风轮机包括基于励磁机的俯仰控制器 (EBPC)。图8描述了基于对励磁机所需功率的限制的此类俯仰控制系 统的一个示例实施例。俯仰控制系统的主量值是励磁机的功率。建立励磁机额定功率值
(801)。励磁机功率限制器调节器(804)基于这一参考根据励磁机功率 实际值(802)来固定叶片位置设置点(Sp一p)。在一个实施例中，当风 轮机的功率输出保持在额定功率以下时，Sp一卩将取小值(例如在0°与2° 之间)，而一旦达到额定功率，Sp—p将增加以便限制励磁机功率。
在一个实施例中，804的叶片俯仰位置输出由PI位置控制器(806) 或者实施更复杂的不同控制器调节。向PI位置控制器输入的误差是
<formula>formula see original document page 24</formula> 公式7
Av一p是由位置和速度传感器(214)测量的叶片位置实际值。位置调 节器输S是俯仰itJL设置点(Sp一n)。叶片将以这样的速度移动，以使得 到达所请求的位置。
在一个实施例中，806的俯仰速度输出由PI速度控制器(808 )或者 实施更复杂的不同控制器调节。向PI速度控制器输入的误差是
<formula>formula see original document page 24</formula> 公式8
Av一n是由速度传感器(214)测量的叶片iiJL的实际值。速度调节器 的输出i直流电动机(305)为了达到所请求的it;复(Sp—n)而需要的电 流设置点。
在一个实施例中，808的电流输出由PI电流控制器(810)或者实施 更复杂的不同控制器调节。向PI电流控制器输入的误差是
<formula>formula see original document page 24</formula> 公式9
AVJ是由电流传感器(812)测量的直流电动机电流的实际值。电流 控制器^出是将要在直流电动机中施加的参考电压。在一个实施例中，这 些参考电压可以通过不同PWM技术来创建，以触发功率电子转换器 (811)的有源开关。
在一个实施例中，在紧急情况下，俯仰电动机驱动器从EBPC切换 成紧急电源(EPS)。因此，被驱动的电动机通过紧急继电器(717)直接 地由EPS (816)馈电，直至达到放平位置为止(接近90度)。在一个实施例中，用以移动叶片的驱动器是直流电动机。本领域技术 人员清楚，也可以使用交流感应电动机或交流同步电动机。
在一个实施例中，用以移动叶片的驱动器可以是水力、气动或者其它
类型的由集成了功能(807、 808、 809、 810、 811)的伺服阀控制的俯仰 致动器。
集电器防磨损和润滑系统(CAWLS)
在本发明的另一实施例中，变速风轮机包括基于对励磁机所需功率进 行P艮制的俯仰控制系统。
在使用直流电动机作为用于俯仰移动的驱动器的情况下，应用集电器 防磨损和润滑系统(CAWLS)以避免长时间保持固定俯仰位置所造成的 更多有害效应。例如，可以避免由于电流经过同一位置而造成直流电动机
的集电器和电刷的过早磨损。另外，明显地改进了叶片轴承的润滑。
因此，实施CAELS以避免用作俯仰驱动器的直流电动机的集电器和 电刷的过早磨损，并改进了叶片轴承的润滑。在一个实施例中，这一系统 是基于以如下方式引入非重要的附加位置或者速度设置点，该方式使得俯 仰角度在所需位置周围持续地移动。根据其中幅度和频率依据不同^而 确定的正弦波参考来命令俯仰角度变化。尤其是应当将风轮机的自然频率 和疲劳考虑事项纳入考虑之中来指定频率。在一个实施例中，例如以一分 钟的周期和0.2°的幅度设计这种正弦波参考。本领域技术人员应当清楚， 无论其它波形如何都可以应用周期或者幅度。CAWLS实施完全不影响风 轮机产生功率，但是它确实避免集电器和电刷的磨损并且改进它们的冷却 和涂脂过程。CAWLS也改进叶片轴承的润滑.
另外，这一 系统可以在任一种俯仰驱动器中用来改进叶片轴承的润 滑，从而增加这些部件的寿命。
高电压直流lfe^
本发明的拓朴结构也适合于在变速发电系统中的高电压直流链路传 输(HVDC)。如图10和图11中所示，可以如图10中所示通过4吏用具有 整流器(1001)的高电压发电机，或者如图11中所示使用低电压发电机 和具有一个或者多个次级的附加变压器(1101)来产生直流输出，其中各次级被整流而所有这样的整流器以串联或者并联方式连接。可能需要附加
的连接设备(1002 )和保护设备(1003 )。
迄今为止，HVDC系统已经使用包括同步机的拓朴。同步发电机在 HVDC系统中的使用意味着由于发电机速度的可变性而将脉动引入 HVDC M^中。也有可能使用在同步机与HVDC链5MU'司的功率转换器 来平滑同步机至HVDC链路的功率输出。然而，功率转换器的4吏用降低 了 HVDC系统的整体效率并且增加了安装成本。因而，现有技术的拓朴 结构使用了直接地连接到HVDC M的同步机。
在HVDC系统中的新颖拓朴(DFIG和励磁机)可以解决上述问题。 由于励磁机和功率转换器没有连接到HVDC链路，所以电功率仅通过 DFIG的定子在所需输出电压频率被递送到HVDC链路。
另外，由于本发明的拓朴结构，所以可以固定交流电压的输出频率， 允许所需整流器(1001)和变压器(1101)的更小凡变，并且减少直流输 出电压在低风力*之下的脉动含量，提高输出功率质量。
在一个实施例中，才艮据图14中所示示例控制系统来控制DFIG。与 交流输电网对照，HVDC链路并不设定发电机的频率，因此可以将频率 设置点Wo (参见图14)调整为所需值来固定定子频率。
根据这样的轮廓，实施PI调节器(507)以便调节发电机的定子功率。 这一 PI调节器接收根据定子功率设置点(Sp_Ps )和计算的定子功率(Ps ) 获得的误差。使用总线电压(Vbus)和总线i流(IBUS)来计算这样的定 子功率。误差(Sp—Ps-Ps)由PI调节器(507)调节。
为了获得转子电流，使用两个PI调节器(511， 512)来调节转子电 流(Av一Ird、 Av一Irq )。这些调节的转子电流生成转子电压设置点(Sp_Urd、 Sp一Urq )。这两+转子电压设置点通过块514转换和旋转成固定三相系统， 从而获得SpJJra、 SpJJrb。通过函数(^€)计算用来实现旋转的角度 (1403)，其;€代表转;位置角度而^是定子角度。在块1401中计算该角 度，从而合成定子频率设置点。最后将转子电压设置点直接地应用于 PWM系统(515)。
在这一HVDC系统中没有定子无功功率需求。因此不实施无功功率 控制。通过用于建立定子频率的Wo来固定定子频率。使该Wo值经过 514块的转换来变换转子电压^L置点。图14也示出了 块1401:使用定子频率i殳置点Wo来生成定子角度p的功能。块1402:使用总线电压VBus和总线电流Imis来计算定子功率Ps的 功能。
块1403:计算转子电气角度(&€)的功能。
在HVDC线连接单元中，使HVDC接触器的切换最少化有助于增加 系统的可靠性。这是因为与风轮;Wt它的寿命过程中经历的连接和断开的 次数相比而言，HVDC接触器所容许的操作次数有限。由于这一问题， 一个示例实施例提供一种可以避免随每次风力增大/减小而连接和断开 HVDC接触器的新的HVDC耦合方法。使用这一方法，可以持续地连接 HVDC接触器，并且可以仅在维护或者某些其它紧急原因的情况下才有 必要断开.
下文描述才艮据这一示例实施例的连接和断开方法。这一方法显著地减 少HVDC接触器所需切换操作的次数，因此增加风轮机的可靠性并且避 免高代价的维护工作。4吏用这一方法，可以仅在维护或者某些其它紧急情 况下才有必要断开HVDC接触器，因此可以使接触器的断开和闭合最少。
在风轮机通过HVDC整流器(1001)连接到HVDC线时，能量从 HVDC线到HVDC整流器(1001)的交流侧的传送并不直接可能地发生。 因而在连接过程中，如果确定HVDC接触器(1002)闭合，则可在电压 调节模式下在DFIG转子转换器(222)的支持之下从转子(211)磁化 DFIG (205 )，并且斜升所需输出电压直至电流少量地流过定子(210 )或 者HVDC整流器(1001 )。 一旦达到这一步骤，控制器就可以将操作模式 改变成DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流控制 或者HVDC输出功率控制中之一。
在先前操作模式的每一种下，将交流电压范围、交流电流范围、交流 功率范围、HVDC电压范围、HVDC电流范围、HVDC功率范围和其它 限制纳入考虑之中。在这一示例实施例中，由于存在HVDC整流器 (1001),所以能量从HVDC线到HVDC整流器的交流侧的传送并不直 接可能地发生，因此即使接触器(1002)已经闭合仍可能发生连接序列。 因而参照图12，连接序列可以实施如下。在这一示例实施例中，由于接 触器(1002)闭合，连接和断开序列是指在连接情况下激励DFIG部件以 向HVDC系统提供功率，或者去激励DFIG的部件使得不向HVDC系统 供应功率的过程。
首先执行检查以保证满足包括HVDC接触器(1002 )闭合的所有初始务fr (操作1201 )。在已经满足初始M之后，激励励磁机转换器(225 ) 以提供所需直流总线电压(操作1202)。随后，在操作(1203)中在电压 调节模式下激励DFIG转子转换器(222 )。在处于电压调节模式下之时斜 升DFIG (205)的输出，直至电流流过定子(210)或者HVDC整流器 (1001 )。最后，在已经建立电流之后，在操作(1204 )中改变DFIG( 205) 的IMt模式。
转换器控制单元(200)可以基于DFIG输出电流、DFIG输出功率 控制、HVDC输出电流或者HVDC输出功率在各种操作模式下控制 DFIG。在定子或者HVDC整流器(1001)中已经建立电流之后，转换器 控制单元通常转换成DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC 输出电流控制或者HVDC输出功率控制中之一。
可以使用以下方法来断开这一示例实施例的DFIG。首先在操作 (1210 )中斜降受控输出变量，即DFIG输出电流、DFIG输出功率、HVDC 输出电流或者HVDC输出功率中之一。在操作(1211)中，控制器进行 检查以保证输出变量接近零。在已经确定输出变量接近零之后，使转子转 换器(222)去使能(操作1212)。然后，在使转子转换器(222)去使能 之后使励磁机转换器(225)去使能。
另夕卜，在一些国家、公用事业或者客户规则强制规定每当停止发电时 (风速在操作所需最小值以下)断开HVDC接触器的情况下，也有可能 修改上述过程如下。
参照图13，首先执行检查以保证满足包括HVDC接触器(1002 )起 初地处于断开状态的所有初始条件(操作1301)。在已经满足所有初始条 件之后，激處力励>^机转换器(225 )以提供所需直流总线电压(操作1302 )。 随后，在操作(1303 )中在电压调节模式下激励DFIG转子转换器(222 )。 在处于电压调节模式下之时斜升DFIG (205)的输出，直至HVDC整流 电压恰未达到HVDC线电压。在HVDC整流电压基本上达到HVDC线 电压之后，在操作(1304)中闭合HVDC接触器(1002)。最后，在已经 建立电流之后，在操作(1305)中改变DFIG (205)的IMt模式。可以 用与上i^目同的方式控制这一示例实施例中的操作模式。
可以根据这一示例实施例按如下方式将DFIG从HVDC断开。首先 在操作(1310)中斜降受控输出变量，即DFIG输出电流、DFIG输出功 率控制、HVDC输出电流或者HVDC输出功率中之一。在操作(1311) 中，控制器进行检查以保证输出变量接近零。在已经确定输出变量接近零之后，使转子转换器(222)去使能(操作1312)。这时，HVDC接触器(1002)可以断开(操作1313)。最后，在操作1314中使励磁机转换器(225)去使能。
因此，公开了一种具有双馈感应发电机、励磁机和未连接到输电网的中间功率转换器的变速风轮机。本发明也描述了功率控制和俯仰调节。
风力发电在全球已经相当可观地增长。即使该产业和技术在这一领域中已经上升到成熟水平，但是仍普遍地预计这一增长延续未来数十年。随着风电厂，增长而安装的风力容量的总基数继续增加，提高功率输出质量的重要性变成至关重要的挑战。
在本发明的上述示例实施例内介绍了诸多新颖之处。在功率系统中包括励磁机，其中功率转换器从输电网隔离(未连接到输电网)。因此，本发明针对连接输电网的变速风轮机所引起的最通常的问题，如在递送的功率中存在谐波失真、闪烁和脉动提供了解决方案。因此明显地改进输出功率质量。在这些实施例内，准确地控制功率输出，此外还在额定速度以上保持恒定，从而iaiL视风速变化而定的功率波动。实际上，示例实施例提供了 一种避免消耗来自输电网的无功功率的友好连接和断，方法。另夕卜,，
且在独立弱输电网中提供更佳性能。因此，通过允许风电厂扩大M和安装的风力容量，满足不同规章的要求并且提高功率输出质量，示例实施例所示系统对于新兴风电站需求而言尤其具有吸引力。
此外，示例实施例可以包括一些其它益处，比如在永磁机的情况下使用励磁机作为辅助电源、有可能借助低电压功率转换器生成中等电压功率而无需电力变压器、简化电气部件、以及当直流电动机类型用来使叶片俯仰时防止此类电动机的集电器磨损并且改进叶片轴承润滑。
图2中所示风轮机系统的替代实施例也是可能的。励磁机(212)例如可以连接或者放置于风轮机的驱动链内的任何位置。包括两个或者更多个励磁机的另外实施例也是可行的。
根据以上描述将清楚的是，这里描述的本发明提供了一种新颖和有益的变速风轮机。然而必须了然于心的是，应当认为前述具体描述是举例说明。这里提供的细节和说明并不旨在限制本发明的范围。另外，可以进行诸多修改和适应并且可以用等效方法和实施来替代这里描述和示出的方法和实施。因而可以用其它不同方式实施本发明而不脱离4^发明的实质和范围，并且将理解本发明不限于这里描述的实施例。
权利要求
1.一种变速风轮机，包括包括至少一个叶片的转子；耦合到所述转子的驱动链，所述驱动链包括至少一个双馈感应发电机(DFIG)，所述DFIG具有可连接到高电压直流(HVDC)系统的至少一个定子；耦合到所述驱动链的至少一个励磁机；以及至少一个功率转换设备，其从所述HVDC系统隔离并且电耦合到所述双馈感应发电机的转子和所述励磁机，以在所述转子与所述励磁机之间传送电功率。
2. 根据权利要求l所述的变速风轮机，其中所述HVDC系统包括可连接到HVDC总线的至少一个整流器，其中所述定子经由所述至少一个整流器可连接到HVDC总线。
3. 根据权利要求2所述的变iiX轮机，还包括用于断开或者闭合在所述至少一个整流器与所述HVDC总线之间的连接的接触器。
4. 根据权利要求3所述的变ilX轮机，还包括至少两个整流器，其中所述至少两个整流器以串联或者并联布置连接到所述HVDC总线。
5. 根据权利要求2所述的变ilX轮机，其中所述至少一个整流器包括半导体器件，所述半导体器件包括二极管和闸流管中的至少一个。
6. 根据权利要求3所述的变速风轮机，其中HVDC总线电压由控制所述至少一个功率转换设备的功率转换控制器控制。
7. 根据权利要求3所述的变速风轮机，其中基于定子的交流(AC)输出功率、定子的交流输出电流、HVDC总线输出电流和HVDC总线输出功率中的至少 一个来控制所述DFIG。
8. 根据权利要求l所述的变速风轮机，还包括控制所述DFIG连接到所述HVDC系统的连接系统；以及控制所述DFIG从所述HVDC系统断开的断开系统。
9. 根据权利要求8所述的变速风轮机，其中所述定子连接到所述HVDC系统；其中在电压调节模式下控制所述DFIG，并且电压祐:斜升直至电流流过所述HVDC系统的定子或者整流器；其中在电流流过所述定子或者所述整流器之后，才艮据DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC系统输出电流控制和HVDC系统输出功率控制中的至少一个来控制所述DFIG的IMt模式。
10. 根据权利要求8所述的变速风轮机，其中在电压调节模式下控制所述DFIG，使得所述DFIG的输出电压达到基于HVDC线电压的目标电压；其中在所述定子与所述HVDC系统之间的接触器在所述DFIG的输出电压达到目标电压之后闭合。
11. 根据权利要求l所述的变速风轮机，其中所述HVDC系统包括可连接到所述DFIG的定子的至少一个电力变压器；将所述至少 一个电力变压器连接到接触器的至少 一个整流器；经由接触器可连接到所述至少一个整流器的HVDC总线。
12. 根据权利要求11所述的变速风轮机，还包括至少两个整流器，其中所述至少两个整流器以串联或者并联布置连接到所述总线。
13. 根据权利要求11所述的变速风轮机，其中所述至少一个整流器包括半导体器件，所述半导体器件包括二极管和闸流管中的至少一个。
14. 根据权利要求11所述的变速风轮机，其中HVDC总线电压由控制至少 一个功率转换设备的功率转换控制器控制。
15. 根据权利要求ll所述的变it^轮机，其中基于定子的交流(AC)输出功率、定子的交流输出电流、HVDC总线输出电流和HVDC总线输出功率中的至少 一个来控制所述DFIG。
16. 根据权利要求l所述的变速风轮机，其中定子使用变压器和整流器中的至少一个直接地耦合到所述HVDC系统，其中所述变速风轮机被配置为使得从定子输出的功率在可变风力条件之下处于基本上固定的频率。
17. 根据权利要求16所述的变速风轮机，其中从所述定子输出的功率处于基本上固定的电压。
18. —种将变速风轮机连接到高电压直流HVDC系统的方法，其中所述变速风轮机包括具有可连接到所述HVDC系统的定子的双馈感应发电机(DFIG )、励磁机以及具有DFIG侧转换器和励>^机侧转换器的功率转换器，所述方法包括检验将所述HVDC系统连接到所述定子的HVDC接触器闭合；如果所述接触器闭合，则使用所，磁机作为功率源来激励励磁机侧功率转换器以调节直流(DC)总线电压电平；以及在激励所述励v^机侧功率转换器之后激励所述DFIG侧功率转换器并且使用电压调节操作模式来斜升定子输出电压，以使得电流流过所述HVDC系统的定子或者整流器。
19. 根据权利要求18所述的连接变速风轮机的方法，还包括将所述DFIG的^Mt模式改变成DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流控制和HVDC输出功率控制中的至少 一个。
20. —种用于将变速风^^I^高电压直流HVDC系统断开的方法，其中所述变速风轮机包括具有可连接到所述HVDC系统的定子的双馈感应发电机(DFIG )、励磁机以及具有DFIG侧转换器和励磁机侧转换器的功率转换器，所述方法包括斜降DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流控制和HVDC输出功率控制中至少一个的受控输出变量；如果所述受控输出变量接近零则使所述DFIG侧功率转换器去使能；在使所述DFIG侧功率转换器去使能之后使所述励磁机侧转换器去使能。
21. —种将变速风轮M接到高电压直流HVDC系统的方法，其中所述变速风轮机包括具有可连接到所述HVDC系统的定子的双馈感应发电机(DFIG )、励磁机以及具有DFIG侧转换器和励>^机侧转换器的功率转换器，所述方法包括使用所述励磁机作为功率源来激励励磁机侧功率转换器，以调节直流(DC)总线电压电平；在激励所，磁机侧功率转换器之后激励所述DFIG侧功率转换器，并且使用电压调节操作模式来斜升定子输出电压，以使得电流流过所述HVDC系统的定子或者整流器；以及闭合HVDC接触器以将定子连接到所述HVDC系统。
22. 根据权利要求21所述的连接变速风轮机的方法，还包括在闭合所述HVDC接触器之后，将所述DFIG的操作模式改变成 DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流控制和HVDC 输出功率控制中的至少一个。
23. —种用于将变速风轮M高电压直流HVDC系统断开的方法， 其中所述变速风轮机包括具有可连接到所述HVDC系统的定子的双馈感 应发电机(DFIG )、励磁机以及具有DFIG侧转换器和励磁机侧转换器的 功率转换器，所述方法包括斜降DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流控 制和HVDC输出功率控制中至少一个的受控输出变量；如果所述受控输出变量接近零，则使所述DFIG侧功率转换器去使能；使所述DFIG侧功率转换器去使能，断开将所述定子连接到所述 HVDC系统的HVDC接触器；以及在使所述DFIG侧功率转换器去使能之后使所述励磁机侧转换器去 使能。
24. —种变速风4^机，包括 包括至少一个叶片的转子；耦合到所述转子的驱动链，所述驱动链包括至少一个双馈感应发电机 (DFIG )，所述DFIG具有可连接到高电压直流(HVDC )系统的至少一 个定子；以及至少 一个功率转换设备，其电耦合到所述双馈感应发电机的转子和 DFIG的定子，以在所述DFIG的转子与定子之间传送电功率。
全文摘要
一种具有双馈感应发电机(DFIG)的变速风轮机，包括机械地耦合到DFIG的励磁机和放置于DFIG的转子与励磁机之间的功率转换器。因此，功率转换器没有直接地连接到输电网，从而避免引入所不希望的谐波失真并且实现向公用事业输电网中馈送的更佳功率质量。另外，变速风轮机包括功率控制和俯仰调节。
文档编号H02P9/00GK101636899SQ200780009114
公开日2010年1月27日 申请日期2007年3月16日 优先权日2006年3月17日
发明者伊凯尔·加门迪亚, 哈维尔·佩雷斯·巴瓦查诺, 大卫·舒莱, 格雷戈里奥·里瓦斯, 约根·阿塞多, 约苏·埃洛里亚加, 赫苏斯·马约尔 申请人:英捷能源有限公司