專利名稱：一種操作渦輪機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以這樣的方式控制渦輪機(jī)特別是風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速的方法，使得在范圍廣泛的風(fēng)速特別是在低風(fēng)速下獲得更高的能量生產(chǎn)，以及提高所生產(chǎn)電力的質(zhì)量，同時(shí)降低渦輪機(jī)上的結(jié)構(gòu)載荷。其次，一種按照本發(fā)明所述方法操作的渦輪機(jī)比現(xiàn)有渦輪機(jī)更容易操作。當(dāng)操作風(fēng)力渦輪機(jī)如失速控制的風(fēng)力渦輪機(jī)時(shí)，按照本發(fā)明所述的方法特別有用。
本發(fā)明還涉及一種渦輪機(jī)，特別是風(fēng)力渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)能夠按照本發(fā)明所述的方法操作。
本發(fā)明甚至還涉及一種操作多臺渦輪機(jī)特別是風(fēng)力渦輪機(jī)，例如組成一個(gè)風(fēng)力場地如近海風(fēng)力場地的風(fēng)力渦輪機(jī)的方法。
已知按照一種失速控制策略來控制風(fēng)力渦輪機(jī)。但是，希望提供這樣一種控制策略，其中可以獲得甚至更高的能量生產(chǎn)而同時(shí)仍然保持渦輪機(jī)的控制并保證在正常操作期間不損壞渦輪機(jī)。也希望提供這樣一種控制策略，其中，用來控制渦輪機(jī)操作的參數(shù)是容易而方便地測量和/或評價(jià)的。在常規(guī)的失速控制的渦輪機(jī)中，產(chǎn)生小的功率波動。但是，這導(dǎo)致渦輪機(jī)上的結(jié)構(gòu)載荷很大。因此希望提供這樣一種控制策略，其中渦輪機(jī)上的結(jié)構(gòu)載荷減小，而同時(shí)保證功率波動仍然很小。
在1992年9月在Stevenage出版的IEE會刊-B第139卷第5期第421-428頁刊登的M.Ermis等人的“帶有用于最大功率輸送的簡單控制器的自動風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”中，公開了一種控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法。該方法在選定的風(fēng)力工作狀況下使渦輪機(jī)的能量輸出最優(yōu)化而同時(shí)將發(fā)電機(jī)費(fèi)用保持在最低。這是通過選擇功率輸出作為受控變數(shù)而達(dá)到的。例如，測量和“處理”一個(gè)轉(zhuǎn)速，以便獲得一個(gè)對應(yīng)的功率值。這個(gè)步驟是利用一個(gè)查找表來完成的。
在美國費(fèi)城出版的1998年美國控制會議會議錄1998年第3卷第1710-1714頁刊登的E.Muljadi等人的“失速調(diào)節(jié)的變速風(fēng)力渦輪機(jī)的控制策略”中，公開了一種操作風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，其中測量和處理一個(gè)轉(zhuǎn)矩，以得到一個(gè)轉(zhuǎn)動速度。在低風(fēng)速時(shí)風(fēng)力渦輪機(jī)這樣操作，使得通過在接近Cp，max處操作而產(chǎn)生最大功率。在較高風(fēng)速時(shí)防止風(fēng)力渦輪機(jī)追循Cp，max拋物形曲線并迫使其在較低的頂端-速度-比和Cp下操作。因此它不可能在較高的風(fēng)速下獲得最大的功率輸出。
在GB 2 206 930 A中公開了一種包括一個(gè)速度限制系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)操作系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)速的提高趨向于在其額定條件之上運(yùn)轉(zhuǎn)渦輪機(jī)時(shí)，就應(yīng)用制動器將渦輪機(jī)減慢到一個(gè)使葉片低效操作的速度，使得風(fēng)速的進(jìn)一步提高不能不可接受地提高軸速或轉(zhuǎn)矩。
上述參考文獻(xiàn)中設(shè)有一個(gè)公開這樣一種控制渦輪機(jī)的方法，其中可以在較高的風(fēng)速下獲得最佳的能量生產(chǎn)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種以這樣的方式操作渦輪機(jī)的方法，使得能獲得超過已知渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)的能量生產(chǎn)而同時(shí)保持渦輪機(jī)的控制。本發(fā)明的另一目的是提供以這樣的方式操作渦輪機(jī)的方法，使得在任何風(fēng)速下都能產(chǎn)生最佳數(shù)量的能量。本發(fā)明的又一目的是提供以這樣的方式操作渦輪機(jī)的方法，使得可以使用超過渦輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速。本發(fā)明的又一目的是提供這樣一種操作渦輪機(jī)的方法，其中用于操作的參數(shù)可以容易而方便地測量和/或評價(jià)。本發(fā)明的又一目的是提供以這樣的方式操作渦輪機(jī)的方法，使得能減小渦輪機(jī)上的結(jié)構(gòu)載荷而同時(shí)保證功率波動仍然很小。
其次，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種適合于按照上述目的操作的渦輪機(jī)。
再次，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種以這樣的方式操作多臺渦輪機(jī)如形成風(fēng)力場的多臺渦輪機(jī)，使得能使這多臺渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)最優(yōu)化而同時(shí)仍然保持這多臺渦輪機(jī)的控制。
因此，按照本發(fā)明，提供一種控制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，該渦輪機(jī)包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，該方法包括下列步驟測量或評價(jià)與渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)有關(guān)的功率或轉(zhuǎn)矩，處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩，以得到一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，將得到的轉(zhuǎn)速與一個(gè)第一預(yù)定閾值和一個(gè)第二預(yù)定閾值相比較，該第二預(yù)定閾值大于第一預(yù)定閾值，以及根據(jù)得到的轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而從渦輪機(jī)獲得預(yù)定的能量生產(chǎn)，并以這樣的方式使得在得到的轉(zhuǎn)速不超過第一預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)得到的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第一預(yù)定閾值組不超過第二預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)獲得的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以預(yù)定方式減小到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
與能量生產(chǎn)有關(guān)的功率最好是由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電功率，但也可以是例如可以在轉(zhuǎn)子軸上利用的機(jī)械功率。該功率最好是測得的，但它也可以是評價(jià)的，例如以早先從所考慮的渦輪機(jī)和/或從一臺或多臺類似的渦輪機(jī)得到的測量為基礎(chǔ)或以理論計(jì)算為基礎(chǔ)。與能量生產(chǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)矩最好是轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩。
該測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩最好是用電子方式處理的。但是它也可以替代地或補(bǔ)充地例如用機(jī)械方式或電方式處理。
相應(yīng)的轉(zhuǎn)速最好是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的一個(gè)理論值，對應(yīng)于測得的或評價(jià)的發(fā)電機(jī)功率或者測得的或評價(jià)的轉(zhuǎn)矩。它最好是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的一個(gè)希望值，所述希望值最好在給定狀況(如風(fēng)速、額定轉(zhuǎn)速等)下給出最佳能量生產(chǎn)。它也可以是另一個(gè)希望值，如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的最大值。但是，它也可以替代地或補(bǔ)充地是任何其它合適的轉(zhuǎn)速，如發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
通過選擇“正確的”轉(zhuǎn)速，渦輪機(jī)上的結(jié)構(gòu)載荷得以減小。
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制可以用電子方式進(jìn)行，例如通過向渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)發(fā)送一個(gè)合適的輸出值。在得到的轉(zhuǎn)速指示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的一個(gè)希望值的情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最好受到控制從而等于所述希望得到的值。但是，在得到的值高于某個(gè)一定水平而此時(shí)轉(zhuǎn)子在高于該水平的轉(zhuǎn)速下的操作可能會損壞渦輪機(jī)的情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以受到控制，以便不超過該水平。
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以這樣的方式受到控制，使得(在渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下)在低的或中等的風(fēng)速下，渦輪機(jī)在或接近Cp，max拋物形曲線處操作，從而獲得最佳的能量生產(chǎn)。這不是罕見的。但是，當(dāng)風(fēng)速增大，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過額定速度n0時(shí)，一個(gè)按照本發(fā)明操作的渦輪機(jī)可以仍然在或接近Cp，max拋物形曲線處操作，至少在一定程度上。但是，當(dāng)然必須保證不超過渦輪機(jī)的限度，也就是渦輪機(jī)無論如何也不可以在發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞等的情況下操作。因此，在渦輪機(jī)接近這樣一個(gè)極限的情況下，轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)以一種受控的方式降低，從而避免此種損壞。在這里敘述的情況下，得到的轉(zhuǎn)速與之比較的“第一預(yù)定值”是額定速度n0，而“第二預(yù)定值”是渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速上限。
或者是，該“第二預(yù)定值”可以是一個(gè)小于發(fā)電機(jī)額定功率的選定值。該值可以按照由接受者如電站設(shè)定的規(guī)格選定。這將在下面進(jìn)一步描述。
該第一和第二預(yù)定值最好對某個(gè)一定的渦輪機(jī)是固定的。但是，它們也可以是動態(tài)的，因此它們可以例如按照電網(wǎng)的當(dāng)前需要、天氣狀況等而變化。
該控制可以替代地或補(bǔ)充地以任何其它合適的方式如機(jī)械方式或電方式來進(jìn)行。
預(yù)定的能量生產(chǎn)最好以能量生產(chǎn)盡可能高的方式選定。但是，它也可以替代地或補(bǔ)充地用其它標(biāo)準(zhǔn)選定，如接受所生產(chǎn)的能量的電站或公用事業(yè)的將生產(chǎn)限制在某個(gè)一定水平和/或一個(gè)保證不會損壞渦輪機(jī)的限度的愿望。
該預(yù)定的能量生產(chǎn)可以預(yù)先確定，如“一次和永遠(yuǎn)”，但它也可以替代地或補(bǔ)充地連續(xù)確定，例如通過使用查找表和/或利用在線計(jì)算。
本發(fā)明所述的方法因此可以用于控制能量生產(chǎn)，從而生產(chǎn)盡可能多的能量和/或生產(chǎn)一個(gè)希望數(shù)量的能量，此處該希望的能量生產(chǎn)低于在給定狀況下的最大能量生產(chǎn)。
該比較步驟可以例如利用一個(gè)查找表或例如使用一臺計(jì)算機(jī)來完成。
本發(fā)明所述方法的一個(gè)巨大優(yōu)點(diǎn)是不需要測量風(fēng)速，因?yàn)楂@得風(fēng)速的精確測量是非常困難的。另一方面，測量與渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)有關(guān)的功率或轉(zhuǎn)矩是容易而方便的，因此是控制渦輪機(jī)的一個(gè)良好而精確的參數(shù)。
在本發(fā)明的一個(gè)非常優(yōu)選的實(shí)施例中，該渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)。但是，它也可以是例如水輪機(jī)、循環(huán)泵、風(fēng)扇或任何其何合適種類的渦輪機(jī)。
優(yōu)選地，該處理步驟是用電子方式完成的。但是如上所述，它也可以替代地或補(bǔ)充地用機(jī)械方式和/或電方式完成。
最優(yōu)選地，在從渦輪機(jī)得到的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的情況下，渦輪機(jī)以這樣的方式操作，使得渦輪機(jī)的瞬時(shí)Cp盡可能接近或等于最大Cp。由此保證最佳的能量生產(chǎn)。但是，可以替代地或補(bǔ)充地選擇預(yù)定的能量生產(chǎn)，以便防止對渦輪機(jī)的損壞和/或如上所述地為了滿足電站限制生產(chǎn)的愿望。
該處理可以以一組預(yù)定的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，這組數(shù)據(jù)是預(yù)選的Cp值和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。該組預(yù)定的數(shù)據(jù)可以是通過測量經(jīng)驗(yàn)地得到的和/或它們也可以是以理論值為基礎(chǔ)計(jì)算的。它們可以是早先得到的，也即在啟動渦輪機(jī)操作之前，和/或它們也可以連續(xù)獲得，例如通過在線測定/計(jì)算。
這些預(yù)先選定的Cp值最好是在風(fēng)力渦輪機(jī)的合理靜止?fàn)顟B(tài)期間在變化的風(fēng)速下得到的。但是，如上所述，它們也可以是在純粹理論的基礎(chǔ)上得到的。
該方法還可以包括最初對渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下測定機(jī)械功率曲線和/或Cp的步驟。在這種情況下該測定是在起動渦輪機(jī)操作之前進(jìn)行的。如上所述，它可以是利用測量和/或利用理論計(jì)算得到的。
在該方法還包括最初對渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下測定機(jī)械功率曲線和/或Cp的步驟的情況下，該處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩的步驟可以包括下列步驟對每個(gè)轉(zhuǎn)速測定給出Cp，max的風(fēng)速，以及測定對應(yīng)于上述風(fēng)速的機(jī)械功率和/或電功率。
該步驟可以包括使用預(yù)定數(shù)據(jù)，如查找表或曲線。如上所述，它可以補(bǔ)充地或替代地包括連續(xù)測定風(fēng)速和/或功率，如通過在線計(jì)算。
在該方法還包括最初對渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下測定機(jī)械功率曲線和/或Cp的步驟的情況下，該處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩的步驟可以替代地包括下列步驟隨后對渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下測定機(jī)械功率曲線和/或Cp，對每個(gè)轉(zhuǎn)速測定給出Cp，max的風(fēng)速，以及測定對應(yīng)于上述風(fēng)速的機(jī)械功率和/或電功率。
在這種情況下，每次處理步驟完成，就測定這些隨后測定的曲線。最好這是連續(xù)進(jìn)行的，但它也可以以數(shù)據(jù)(如以查找表和/或曲線的形式)為基礎(chǔ)，這些數(shù)據(jù)是從經(jīng)驗(yàn)和/或純粹從理論得到的，在起動渦輪機(jī)操作之前就可使用。
因此，對每個(gè)轉(zhuǎn)速給出Cp，max的風(fēng)速可以從預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)或理論數(shù)據(jù)預(yù)先測定。
該第一預(yù)定閾值可以對應(yīng)于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的額定或準(zhǔn)額定轉(zhuǎn)速，而該第二預(yù)定閾值可以對應(yīng)于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)于的轉(zhuǎn)速上限。上面已經(jīng)敘述了該“第一預(yù)定閾值”對應(yīng)于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速的情況。在這種情況下，該“第一預(yù)定閾值”是由渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)確定的。
術(shù)語“準(zhǔn)額定轉(zhuǎn)速”應(yīng)當(dāng)解釋為選定的產(chǎn)生小于發(fā)電機(jī)額定功率的功率輸出的“額定速度”。在這種情況下，可以從渦輪機(jī)提供一個(gè)可以控制的功率輸出。因此，例如可以從一臺500KW的渦輪機(jī)獲得300KW的功率輸出，也就是該500KW渦輪機(jī)將起300KW渦輪機(jī)的作用。這對于控制渦輪機(jī)的功率輸出提供了廣闊的可能性，例如按照當(dāng)前需要一個(gè)電廠的規(guī)格，等等。
在一個(gè)實(shí)施例中，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以通過下列方法降低將轉(zhuǎn)速保持在一個(gè)對應(yīng)于第二預(yù)定閾值的值，而同時(shí)渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)增加，直到它達(dá)到一個(gè)能量閾值，以及在能量生產(chǎn)繼續(xù)增加的情況下，隨后將轉(zhuǎn)速降低到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
在該實(shí)施例中，渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)盡可能保持最佳。在圖7 a中，對應(yīng)于“設(shè)計(jì)2”的曲線例示這種狀況。當(dāng)然，仍然必須保證不超過渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速上限。
在另一實(shí)施例中，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以通過下列方法降低與渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)線性有關(guān)地降低轉(zhuǎn)速，直到獲得對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的預(yù)定能量生產(chǎn)以及轉(zhuǎn)速。
術(shù)語“與渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)線性有關(guān)地”應(yīng)當(dāng)理解為在能量生產(chǎn)和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間形成一個(gè)至少顯著的線性關(guān)系。在圖7a中，對應(yīng)于“設(shè)計(jì)1”的曲線例示這種狀況。目的是盡可能容易地從在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的Cp，max拋物形曲線上的點(diǎn)(在圖7a和“設(shè)計(jì)1”的情況下，該點(diǎn)剛巧在1.1以上)到達(dá)代表一個(gè)預(yù)定的能量生產(chǎn)(在這種情況下為500KW)以及該“第一預(yù)定閾值”(在這種情況下為額定速度)的點(diǎn)。在這種情況下，在坐標(biāo)系統(tǒng)中代表轉(zhuǎn)速和能量生產(chǎn)的兩個(gè)點(diǎn)由一條至少基本上直的線連接。
或者，也可以以任何其它合適的方式連接這兩個(gè)點(diǎn)，只要保證電轉(zhuǎn)矩仍然大于機(jī)械轉(zhuǎn)矩，以便避免渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速失去控制。
在一個(gè)非常優(yōu)選的實(shí)施例中，該方法還包括測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的步驟。
在這一實(shí)施例中，該方法還包括下列步驟比較測得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和由處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩得到的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生一個(gè)對上述比較很顯著的信號，以及按照上述信號控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
最好是，測得的轉(zhuǎn)速以及得到的值用作對PI(比例積分器)控制器的輸入。該P(yáng)I控制器轉(zhuǎn)過來發(fā)送一個(gè)信號給轉(zhuǎn)換器，后者發(fā)送一個(gè)信號給渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)，從而控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速最好控制到使其等于得到的值。但是，這可以在適當(dāng)?shù)乜紤]到不應(yīng)當(dāng)損壞渦輪機(jī)的情況下做到。PI控制器可以整體結(jié)合在轉(zhuǎn)換器中?；蛘呤牵梢允褂闷渌刂破?，如PID(差動比例積分器)控制器。
該產(chǎn)生的信號最好指示該測得的轉(zhuǎn)速和由處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩而得到的轉(zhuǎn)速之間的差值。在這種情況下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最好可以按照該差值信號的指示而上下調(diào)整?？梢杂幸粋€(gè)閾值，使得只有當(dāng)該差值信號的數(shù)值超過該閾值時(shí)轉(zhuǎn)速才調(diào)整，從而避免小的調(diào)整?；蛘咧挥挟?dāng)該差值信號的指示在一定時(shí)間內(nèi)恒定時(shí)才進(jìn)行調(diào)整。
或者是，可以通過例如該轉(zhuǎn)換器來評價(jià)一個(gè)轉(zhuǎn)速，而該評價(jià)的值可以用來代替上述測得的值。
在渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，該方法還可以包括通過調(diào)整渦輪機(jī)的俯仰角而調(diào)整由渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率的步驟。
例如，在上述需要比發(fā)電機(jī)額定功率小的功率的情況下，可以限制產(chǎn)生的功率。與用常規(guī)方法控制的渦輪機(jī)比較，只需要較小的安全余量，也就是可以獲得較大的功率，因?yàn)榭梢缘玫捷^高的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速而不會失去對渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的控制。通常，在失速控制的渦輪機(jī)中極難提供這樣一種控制。參照圖6C，點(diǎn)C甚至更加偏離曲線，也就是點(diǎn)C的角度更加尖銳，由此在對應(yīng)于點(diǎn)C的風(fēng)速處提供更大的輸出功率。
本發(fā)明還提供一種渦輪機(jī)，包括
一個(gè)轉(zhuǎn)子，一個(gè)發(fā)電機(jī)，用于測量或評價(jià)與渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)有關(guān)的功率或轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)，用于處理由該測量或評價(jià)機(jī)構(gòu)測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩的處理機(jī)構(gòu)，從而得到一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，用于將得到的轉(zhuǎn)速與第一預(yù)定閾值和第二預(yù)定閾值進(jìn)行比較的比較機(jī)構(gòu)，該第二預(yù)定閾值大于第一預(yù)定閾值，以及用于按照得到的轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制機(jī)構(gòu)，該控制機(jī)構(gòu)適合于以這樣一種方式控制轉(zhuǎn)速，使得從渦輪機(jī)獲得預(yù)定的能量生產(chǎn)，并以這樣一種方式使得在得到的轉(zhuǎn)速不超過第一預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)獲得的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第一預(yù)定閾值但不超過第二預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)獲得的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以一預(yù)定方式降低到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
該用于測量或評價(jià)功率或轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)最好包括電子測量機(jī)構(gòu)，但它也可以替代地或補(bǔ)充地包括含有通過早先測量和/或理論計(jì)算得到的數(shù)據(jù)的查找表和/或曲線。
該處理機(jī)構(gòu)最好是電子處理機(jī)構(gòu)，但它也可以替代地或補(bǔ)充地是電處理機(jī)構(gòu)和/或機(jī)械處理機(jī)構(gòu)。
該控制機(jī)構(gòu)最好是電子控制機(jī)構(gòu)，但它也可以替代地或補(bǔ)充地包括電控制機(jī)構(gòu)或機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。最優(yōu)選的是，它包括一個(gè)PI(比例積分器)控制器和/或轉(zhuǎn)換器。它可以替代地或補(bǔ)充地包括一個(gè)PID(差動比例積分器)控制器。
該比較機(jī)構(gòu)可以包括計(jì)算機(jī)構(gòu)，如一臺個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)，和/或它可以包括一個(gè)或多個(gè)含有第一和第二預(yù)定閾值的查找表。
該渦輪機(jī)最優(yōu)先的是風(fēng)力渦輪機(jī)。但它也可以是任何其它合適這種類的渦輪機(jī)，如水輪機(jī)。
該處理機(jī)械最好是電子處理機(jī)構(gòu)。但如上所述，它也可以替代地或補(bǔ)充地是任何其它合適種類的處理機(jī)構(gòu)。
該渦輪機(jī)還可以包括用于測定渦輪機(jī)的機(jī)械功率和/或Cp的曲線的機(jī)構(gòu)。如上所述，該測定機(jī)構(gòu)可以是任何合適的種類。例如它可以包括以早先得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和/或理論計(jì)算為基礎(chǔ)的查找表和/或曲線。它還可以包括用于進(jìn)行所述曲線的在曲線測定的機(jī)構(gòu)。
在這種情況下，該渦輪機(jī)還可以包括用于對每個(gè)轉(zhuǎn)速測定給出Cp，max的風(fēng)速的機(jī)構(gòu)，以及用于測定對應(yīng)于上述風(fēng)速的機(jī)械功率和/或電功率的機(jī)構(gòu)。
該用于測定風(fēng)速的機(jī)構(gòu)可以包括含有預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)或理論數(shù)據(jù)的表。該數(shù)據(jù)可以從經(jīng)驗(yàn)得到和/或它可以以理論計(jì)算為基礎(chǔ)。替代地或補(bǔ)充地它可以包括用于進(jìn)行在線測定的機(jī)構(gòu)。
該用于測定風(fēng)速的機(jī)構(gòu)可以包括預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)或理論數(shù)據(jù)的曲線。如上所述，這些曲線可以利用經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和/或理論數(shù)據(jù)得到。
該渦輪機(jī)還可以包括用于測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)。該測定機(jī)構(gòu)可以包括一個(gè)常數(shù)的轉(zhuǎn)速表。
該渦輪機(jī)還可以包括用于比較該測得的轉(zhuǎn)速和通過處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩而得到的轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)。
或者是，轉(zhuǎn)速可以通過例如轉(zhuǎn)換器來評價(jià)，而該評價(jià)的值可以用作用于比較測得的轉(zhuǎn)速和通過處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩而得到的轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)的輸入，以代替該測得的值。
優(yōu)選的是，該控制機(jī)構(gòu)包括接受信號的機(jī)構(gòu)，所述信號由比較機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，而其中該控制機(jī)構(gòu)按照所述信號控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。最優(yōu)選的是，該產(chǎn)生的信號指示測得的或評價(jià)的轉(zhuǎn)速和通過處理得到的轉(zhuǎn)速之間的差值。在這種情況下，該控制機(jī)構(gòu)最好包括一個(gè)PI(比例積分器)控制器和/或一個(gè)轉(zhuǎn)換器，而該指示兩個(gè)值之間的差值的信號用作對PI控制器的輸入，PI控制器轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一個(gè)輸出，用作轉(zhuǎn)換器的輸入，轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)而產(chǎn)生一個(gè)用于發(fā)電機(jī)的信號，使發(fā)電機(jī)例如以使得真實(shí)的速度等于通過處理得到的值的方式來調(diào)整轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。該P(yáng)I控制器可以整體結(jié)合在轉(zhuǎn)換器中。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該渦輪機(jī)是一種無齒輪的風(fēng)力渦輪機(jī)。但是，它也可以是一種包括齒輪裝置的風(fēng)力渦輪機(jī)。
在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，該渦輪機(jī)還可以包括用于降低渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)，該降速機(jī)構(gòu)適合于將轉(zhuǎn)速保持在一個(gè)對應(yīng)于第二預(yù)定閾值的值，而同時(shí)渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)增加，直到它達(dá)到一個(gè)能量閾值，以及在能量生產(chǎn)繼續(xù)增加的情況下，隨后將轉(zhuǎn)速降低到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
或者是，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，該渦輪機(jī)還可以包括用于降低渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)，該降速機(jī)構(gòu)適合于相對于渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)線性地降低轉(zhuǎn)速，直到達(dá)到對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的預(yù)定能量生產(chǎn)以及轉(zhuǎn)速。
本發(fā)明還提供一種操作多臺渦輪機(jī)的方法，該方法包括下列步驟測量或評價(jià)與這多臺渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)有關(guān)的功率或轉(zhuǎn)矩，處理該測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩，從而得到一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，以及按照得到的轉(zhuǎn)速控制所有這多臺渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，從而從這多臺渦輪機(jī)獲得一個(gè)預(yù)定的能量生產(chǎn)。
這些渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速被控制制成所有轉(zhuǎn)子的速度相等。
該測量或評價(jià)步驟以及處理步驟最好如上所述地完成。
這多臺渦輪機(jī)以這樣的方式同時(shí)和一起控制，使得從這些渦輪機(jī)獲得的總能量生產(chǎn)對應(yīng)于一個(gè)預(yù)定的能量生產(chǎn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，所有這多臺渦輪機(jī)可以連接在一個(gè)單獨(dú)的電力換流器上，后者將渦輪機(jī)的AC電力轉(zhuǎn)換成適合于長距離輸送的DC電力。然后該DC電力可以輸送到另一個(gè)(遠(yuǎn)距離的)電力換流器，后者將直流電力轉(zhuǎn)換成適合于輸入到一個(gè)電力系統(tǒng)的AC電力。
或者是，這多臺渦輪機(jī)的每一臺可以設(shè)有一個(gè)電力換流器，然后這些渦輪機(jī)形成一個(gè)DC電網(wǎng)。在這種情況下，不可能或至少不便于一起控制所有渦輪機(jī)。這使得控制這多臺渦輪機(jī)變得更為復(fù)雜。另一方面，單個(gè)控制渦輪機(jī)的可能性在某些情況下可能是有利的。
最好是，這多臺渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)，它們最好形成一個(gè)風(fēng)力場。該風(fēng)力場可以設(shè)置在遠(yuǎn)處，如沙漠或海上，例如一個(gè)近海風(fēng)力場。
該方法還可包括下列步驟將得到的轉(zhuǎn)速與第一預(yù)定閾值和第二預(yù)定閾值比較，該經(jīng)二預(yù)定閾值大于第一預(yù)定閾值，以及以下列方式按照得到的轉(zhuǎn)速控制所有多臺渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速
在得到的轉(zhuǎn)速不超過第一預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)得到的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第一預(yù)定閾值但不超過第二預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)得到的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，所有渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以一種預(yù)定的方式降低到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
這在上面在一臺渦輪機(jī)的情況下曾經(jīng)陳述過。上述論點(diǎn)在這里同樣適用。特別是，該第一預(yù)定閾值可以是渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的額定或準(zhǔn)額定轉(zhuǎn)速，而第二預(yù)定閾值可以是渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的一個(gè)上限，例如一個(gè)超過了它就會使渦輪機(jī)受到明顯的結(jié)構(gòu)損壞風(fēng)險(xiǎn)的限度。在第一預(yù)定閾值是渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的一個(gè)準(zhǔn)額定轉(zhuǎn)速的情況下，如上所述，它可以是一個(gè)選定的值。例如，如上所述，這多臺渦輪機(jī)可以這樣操作，使得其作用好像這些渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)額定功率小于真實(shí)的發(fā)電機(jī)額定功率。這使得可以從這多臺渦輪機(jī)獲得一個(gè)可以控制的功率輸出。這是非常希望的，因?yàn)樗挂粋€(gè)操作者如電站或電網(wǎng)操作者能夠要求一定的功率水平，并獲得所要求的功率水平。因此該系統(tǒng)非常靈活，并可按照不同條件如當(dāng)前功率需求、天氣條件、季節(jié)等來調(diào)整。
在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以通過下列方式降低將轉(zhuǎn)速保持在一個(gè)對應(yīng)于第二預(yù)定閾值的值，而同時(shí)渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)增加，直到它達(dá)到一個(gè)能量閾值，以及在能量生產(chǎn)繼續(xù)增加的情況下，隨后將轉(zhuǎn)速降低到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
如上所述，這種情況例示于圖7a中，對應(yīng)于“設(shè)計(jì)2”的曲線。在這方面提出的論點(diǎn)在這里同樣適用。
或者是，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以通過下列方式降低相對于渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)線性地降低轉(zhuǎn)速，直到達(dá)到對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的預(yù)定能量生產(chǎn)以及轉(zhuǎn)速。
如上所述，這例示于圖7a中，對應(yīng)于“設(shè)計(jì)1”的曲線。在這方面提出的論點(diǎn)在這里同樣適用。
該處理步驟可以用電子方式完成?；蛘呤牵梢杂脵C(jī)械方式、手動方式或任何其它合適方式完成。它例如可以用查找表、或電子方式如利用計(jì)算機(jī)(如個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC))、或手動方式來完成。
渦輪機(jī)最好以這樣的方式操作，使得渦輪機(jī)的瞬時(shí)Cp盡可能接近或等于最大Cp。這對低風(fēng)速或中等風(fēng)速特別適用(在渦輪機(jī)為風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下)。但是，如上所述，本發(fā)明提供以這樣一種方式操作渦輪機(jī)的可能性，就是在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速高于額定速度n0時(shí)渦輪機(jī)的瞬時(shí)Cp盡可能接近或等于最大Cp。這是非常有利的，因?yàn)橐赃@種方式從渦輪機(jī)獲得的能量生產(chǎn)可以大于以其它方式獲得的能量生產(chǎn)。
該處理可以以一組預(yù)定的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，這組數(shù)據(jù)是預(yù)選的Cp并對應(yīng)于轉(zhuǎn)速的值。這些數(shù)據(jù)例如可以包含在一個(gè)查找表中，可以用電子方式或手動方式得到。
這些預(yù)選的Cp可以是在風(fēng)力渦輪機(jī)的合理靜止?fàn)顟B(tài)期間在變化的風(fēng)速下得到的最大Cp。
在渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，該方法還可以包括對渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下最初測定機(jī)械功率和/或Cp的曲線的步驟。
該處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩的步驟可以包括下列步驟對每個(gè)轉(zhuǎn)速測定給出Cp，max的風(fēng)速，以及測定對應(yīng)于上述風(fēng)速的機(jī)械功率或電功率。
該處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩的步驟可以包括下列步驟隨后對渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下測定機(jī)械功率和/或Cp的曲線，對每個(gè)轉(zhuǎn)速測定給出Cp，max的風(fēng)速，以及測定對應(yīng)于上述風(fēng)速的機(jī)械功率和/或電功率。
對每個(gè)轉(zhuǎn)速給出Cp，max的風(fēng)速可以從預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)或理論數(shù)據(jù)預(yù)先確定。
在渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，該方法還可以包括通過調(diào)整一臺或多臺渦輪機(jī)中每臺的俯仰角來單個(gè)調(diào)整由該一臺或多臺渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率的步驟。
因此，從單個(gè)渦輪機(jī)獲得的能量生產(chǎn)可以利用渦輪機(jī)的俯仰角來調(diào)整。這在渦輪機(jī)組成一個(gè)風(fēng)力場而一或多臺渦輪機(jī)位于其它一或多臺渦輪機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力盲區(qū)中的情況下特別有用。在這種情況下，位于風(fēng)力盲區(qū)中的渦輪機(jī)將比位于風(fēng)力盲區(qū)外的渦輪機(jī)遇到更低的風(fēng)速。因此可能希望調(diào)整由某些渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率，例如為了使渦輪機(jī)的功率輸出均勻化，而同時(shí)保證沒有一臺渦輪機(jī)受到結(jié)構(gòu)損壞。此外，這使系統(tǒng)甚至更加靈活。
附圖簡述

圖1表示一臺固定速度失速控制的風(fēng)力渦輪機(jī)的功率作為風(fēng)速的函數(shù)的圖線。
圖2表示對于一臺固定速度失速控制的風(fēng)力渦輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速n0＝1500rpm(等價(jià)于50Hz)時(shí)Cp作為風(fēng)速的函數(shù)的圖線。
圖3表示對不同轉(zhuǎn)速值Cp作為風(fēng)速的函數(shù)的圖線。
圖4是可以用來控制一臺通常的失速控制的風(fēng)力渦輪機(jī)的控制策略的簡圖。
圖5是描述本發(fā)明所述的風(fēng)力渦輪機(jī)控制策略的圖解。
圖6表示描述本發(fā)明所述的風(fēng)力渦輪機(jī)控制策略的曲線。
圖7a表示在不同設(shè)計(jì)下風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)械功率作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)的圖線。
圖7b表示在不同設(shè)計(jì)下風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)的圖線。
圖8分別表示對一臺失速控制的風(fēng)力渦輪機(jī)和按照本發(fā)明控制的同一風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)械功率作為風(fēng)速的函數(shù)的圖線。
圖9表示在不同的平均風(fēng)速下風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)械功率作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)的圖線。
圖10表示一種用于連接風(fēng)力場的高壓直流(HVDC)構(gòu)型，其中，該HVDC連線一端連接電力系統(tǒng)，另一端連接風(fēng)力場AC電網(wǎng)。
圖11表示一種用于連接風(fēng)力場的高壓直流(HVDC)構(gòu)型，其中，風(fēng)力渦輪機(jī)裝有自己的AC/DC換流器。
發(fā)明詳述圖1表示一種固定速度失速控制的風(fēng)力渦輪機(jī)的產(chǎn)生功率P作為風(fēng)速V的函數(shù)的圖線。
在風(fēng)速小于最小風(fēng)速Vmin時(shí)，不產(chǎn)生功率，風(fēng)力渦輪機(jī)是停機(jī)的。當(dāng)風(fēng)速超過Vmin時(shí)，渦輪機(jī)開始操作，于是產(chǎn)生功率。產(chǎn)生的功率隨增大的風(fēng)速而增大，直到風(fēng)速超過最佳風(fēng)速，在最佳風(fēng)速時(shí)達(dá)到渦輪機(jī)的額定功率Pnom，產(chǎn)生的功率于是不再增大，基本上保持恒定。在風(fēng)速超過最大風(fēng)速Vmax時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)最好停止，以便將由于高風(fēng)速而損壞渦輪機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)減到最小。
圖2表示在額定轉(zhuǎn)速n0＝1500rpm(等價(jià)于50Hz)時(shí)固定速度失速控制的風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)械效率Cp作為風(fēng)速V的函數(shù)的圖線。圖2對應(yīng)于圖1。例如，因?yàn)樵陲L(fēng)速小于最小風(fēng)速Vmin時(shí)不產(chǎn)生功率，此時(shí)風(fēng)力渦輪機(jī)停機(jī)，所以在該區(qū)域內(nèi)Cp也是零。Cp隨超過Vmin的風(fēng)速的增大而增大，直到風(fēng)速達(dá)到最佳風(fēng)速Vcp，此時(shí)Cp達(dá)到最大值Cp，max。在風(fēng)速超過Vcp時(shí)，Cp隨風(fēng)速的增大而減小，從而表明轉(zhuǎn)子以風(fēng)力吸收能量的能力隨風(fēng)速的增大而變差。在風(fēng)速超過最大風(fēng)速Vmax時(shí)，如上所述，風(fēng)力渦輪機(jī)最好停止。
圖3表示如上所述的機(jī)械效率Cp作為風(fēng)速V的函數(shù)的圖線。圖示的三個(gè)曲線代表轉(zhuǎn)子的三種不同的轉(zhuǎn)速ng1、n0和ng2，其中ng1＜n0＜ng2。顯然從圖可以看出，當(dāng)風(fēng)速給定時(shí)，可以選擇給出Cp最佳值的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，該最佳值盡可能接近Cp，max，最好等于Cp，max。
圖4表示一種普通失速控制的可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)的控制策略。測量渦輪機(jī)當(dāng)前產(chǎn)生的功率Pg。然后將參考功率Pref和Pg之間的差值用作對比例積分器(PI)控制器的輸入。該P(yáng)I控制器將一個(gè)所要的轉(zhuǎn)矩參考值Tref連通到轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生響應(yīng)，通過渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)發(fā)送一個(gè)電流信號。Pref是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ng的基礎(chǔ)上用“Fkt.”裝置測定的，ng可以通過測量獲得。這可從如下所述地用許多不同的合適方法做到。
在ng和Pref之間建立聯(lián)系的最簡單方法是假定，當(dāng)nmin＜ng＜n0時(shí)，Pref正比于ng，而當(dāng)ng超過n0時(shí)，Pref保持在額定功率，也即 其中K是常數(shù)。
這是一個(gè)非常簡單的策略，它保證渦輪機(jī)的額定功率不會被超過。但是，它不會提供最佳功率生產(chǎn)。因此希望提供一種策略，它考慮到這一方面而同時(shí)保證不超過額定功率。
請注意，當(dāng)采用這一策略時(shí)，必須測量風(fēng)速，以便向PI控制器提供一個(gè)合適的信號。因?yàn)榫_地測量風(fēng)速是非常困難的，所以控制變得不精確。
圖5表示描述本發(fā)明的可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)的控制策略的另一個(gè)圖。與圖4比較，“Fkt.”裝置的功能是“逆向的”，因此不是測量ng，而是測量Pg。測到的值而后由“Fkt.”裝置處理，以便獲得參考轉(zhuǎn)速nref。此外，測量轉(zhuǎn)子的真實(shí)轉(zhuǎn)速ng，將nref和ng之間的差值連通到PI控制器上。然后PI控制器將參考轉(zhuǎn)矩信號Tref連通到轉(zhuǎn)換器，后者轉(zhuǎn)而發(fā)送一個(gè)電流信號給渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)，以便相應(yīng)地控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而獲得預(yù)定的能量生產(chǎn)。預(yù)定的能量生產(chǎn)最好這樣選擇，使得生產(chǎn)盡可能多的能量而仍然保證不超過一個(gè)可能導(dǎo)致?lián)p壞的水平。但是也可以這樣選擇，使得僅僅獲得有限的能量生產(chǎn)，比如因?yàn)殡娬驹谝欢〞r(shí)期內(nèi)只需要有限的能量生產(chǎn)。
加入“過濾器”裝置是為了保證nref的動態(tài)特性與風(fēng)速的動態(tài)特性和轉(zhuǎn)子的惰性相比較時(shí)是合適的。
PI控制器nref的過濾和/或處理可以裝入渦輪機(jī)的控制器和/或直接裝入轉(zhuǎn)換器。最好，上述部件裝入轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檫@大大地減少了需要在不同部件之間連通的信息量，并因此減少錯(cuò)誤連通的風(fēng)險(xiǎn)。
與上述聯(lián)系圖4的控制策略相反，當(dāng)采用本策略時(shí)，不需要測量風(fēng)速以提供對PI控制器的輸入。取代的是測量功率，因?yàn)檫@可以以精確得多的方式做到，所以控制也相應(yīng)地變得更加精確。
圖6表示與聯(lián)系圖5的上述控制策略有關(guān)的不同曲線。
圖6a表示也示于圖3的三條Cp曲線。加上五個(gè)點(diǎn)(a、b、c、d和e)，指示對不同的風(fēng)速選擇了不同的轉(zhuǎn)速。在接近Vmin的極低風(fēng)速選擇了低轉(zhuǎn)速ng1(點(diǎn)a)。在接近Vcp的風(fēng)速，選擇了額定轉(zhuǎn)速n0(點(diǎn)b)。在超過Vcp的風(fēng)速，人們可以選擇較高的轉(zhuǎn)速nlim，如點(diǎn)C所示。但是，在這種情況下，必須小心不要造成渦輪機(jī)損壞。因此，對于更高的風(fēng)速，代之以選擇n0(點(diǎn)d和e)。當(dāng)可以選擇較高的轉(zhuǎn)速nlim時(shí)，渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)增大。這將在下面聯(lián)系圖7作進(jìn)一步描述。
n0的選擇(或nlim的選擇)在圖6b中進(jìn)一步例示，圖6中n作為風(fēng)速V的函數(shù)而作圖。圖中指示，在風(fēng)速超過Vcp時(shí)，n可以保持恒定(點(diǎn)b、d和e)。圖中也指示，對于超過Vcp一個(gè)合適的小量的風(fēng)速，可以有利地選擇對應(yīng)于nlim的曲線(點(diǎn)c)。
在圖6c中更進(jìn)一步地例示。曲線1表示當(dāng)渦輪機(jī)僅在n0操作時(shí)作為風(fēng)速V的函數(shù)的已產(chǎn)生功率P，而曲線2表示當(dāng)渦輪機(jī)如上所述以不同轉(zhuǎn)速操作時(shí)作為風(fēng)速V的函數(shù)的已產(chǎn)生功率P。顯然，在低風(fēng)速時(shí)獲得較高的功率(點(diǎn)a)。在超過Vcp的風(fēng)速，在點(diǎn)b、d、e對于兩種策略已產(chǎn)生功率基本相同。考慮到在兩種情況下都選擇了額定轉(zhuǎn)速n0，這是不足為奇的。但是，顯然，在點(diǎn)c(對應(yīng)于選擇nlim而不是n0)，當(dāng)采用按照本發(fā)明的策略時(shí)比起當(dāng)采用固定速度的策略時(shí)，產(chǎn)生更高的功率。
圖6d表示已產(chǎn)生功率P作為轉(zhuǎn)速n的函數(shù)的圖線。連接是利用圖6a、6b和6c的曲線建立的。很容易看出，一個(gè)無限大的功率值對應(yīng)于額定的轉(zhuǎn)速n0(點(diǎn)b、d和e)。這是由于只要風(fēng)速超過一個(gè)一定的值，就總是選擇n0。因此在一給定的值n時(shí)，P不可能是單值確定的。這種狀態(tài)使其不利于選擇一種控制策略，其中n是測量的，而P如圖4中圖線所示那樣從n推算出來。但是，如可從圖6d中看出，對于給定的P值，n總是可以單值地確定。因此選擇這樣一種控制策略是有利的，就是測定P而從測得的P推算n。這剛巧是圖5的圖線中例示的控制策略。請注意，當(dāng)使用這一策略時(shí)，風(fēng)速不是一個(gè)待測量的參數(shù)。
通過在一給定的風(fēng)速時(shí)選擇“正確的”轉(zhuǎn)速，可減小渦輪機(jī)上特別是渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的結(jié)構(gòu)載荷。
圖7a表示渦輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率P作為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n的函數(shù)的圖線。轉(zhuǎn)速軸的單位是“額定轉(zhuǎn)速n0的分?jǐn)?shù)率”。作標(biāo)記的點(diǎn)指示對應(yīng)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從500rpm到1700rpm每步進(jìn)200rpm的轉(zhuǎn)速。
“現(xiàn)在的Pn”線指示當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到n0時(shí)使轉(zhuǎn)速簡單地保持恒定的控制策略。
其余的線指示允許轉(zhuǎn)速超過對應(yīng)于n0的水平的控制策略。經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)表示，在超過n0一個(gè)適當(dāng)小的量(如在n≈1.2n0)的轉(zhuǎn)速下操作渦輪機(jī)不會在對應(yīng)于該轉(zhuǎn)速的風(fēng)速下?lián)p壞渦輪機(jī)，雖然超過了對應(yīng)于n0的水平。因此，如圖中所示，繼續(xù)沿著實(shí)線超越對應(yīng)于n0的水平直到n≈1.2n0，不會造成對渦輪機(jī)的損壞。在較高的風(fēng)速下，應(yīng)當(dāng)遵循三條“設(shè)計(jì)”圖線之一，直到達(dá)到一個(gè)約500KW的機(jī)械功率。顯然，當(dāng)選擇這些策略之一時(shí)，產(chǎn)生較高的功率。附加產(chǎn)生的功率量取決于選擇何種設(shè)計(jì)，當(dāng)選擇的n最大值增大時(shí)，該量也增大。
因此，可以在超過對應(yīng)于n0的水平的轉(zhuǎn)速下操作渦輪的轉(zhuǎn)子，雖然早先認(rèn)為該水平界定操作渦輪機(jī)的限度。同時(shí)保證不會損壞渦輪機(jī)。以這種方式，渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)可以增大。
圖7b表示對于不同設(shè)計(jì)風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)的圖線。它非常類似于圖7a。但是，它指示可以測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩來代替機(jī)械功率并用作處理步驟的輸入。虛線指示對應(yīng)于不同設(shè)計(jì)的功率水平。
圖7a和7b的曲線可以非常好地用于建立Pg(或M)和nref之間的聯(lián)系，也就是它可以被圖5的“Fkt.”裝置使用。在這種情況下，它是圖5的PI控制器的對象，用于提供一個(gè)輸出，該輸出通過轉(zhuǎn)換器使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速得以調(diào)整。
圖8分別表示對于固定速度失速控制的風(fēng)力渦輪機(jī)(叉號)和本發(fā)明所述可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)(圈號)的機(jī)械功率作為風(fēng)速函數(shù)的圖線。圈號表示一種按照最佳Cp策略控制的風(fēng)力渦輪機(jī)。最佳Cp控制策略是一種轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以這樣一種方式控制的策略，就是渦輪的Cp如上所述地盡可能大。
從圖顯然可見，按照最大Cp策略控制的渦輪機(jī)的機(jī)械功率和因此的能量生產(chǎn)比按照常規(guī)的失速控制策略控制的渦輪機(jī)要高。同時(shí)顯然可見，當(dāng)風(fēng)速增大到風(fēng)速超過V≈7.7m/s時(shí)，該差值增大。因此一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，能夠在風(fēng)速盡可能高時(shí)按照最大Cp策略操作渦輪機(jī)。星號表示在更高風(fēng)速時(shí)的計(jì)算值。顯然，差值保持增大。在更高的轉(zhuǎn)速時(shí)該差值的增大甚至更厲害，因此更為有利的是，使用最大Cp策略可以選擇更高的轉(zhuǎn)速。但是，仍然需要保證不對渦輪機(jī)造成損壞，即使相當(dāng)多地發(fā)生風(fēng)速超過平均風(fēng)速的陣風(fēng)。
圖9分別表示在平均風(fēng)速為5m/s、10m/s、15m/s、20m/s和25m/s時(shí)風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)械功率作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)的圖線。從圖顯然可見，給出一定的轉(zhuǎn)速時(shí)，與較高平均風(fēng)速的機(jī)械功率相比較，低平均風(fēng)速(5m/s，一定程度上10m/s)的機(jī)械功率是非常低的。同時(shí)顯然可見，對于5m/s的平均風(fēng)速，轉(zhuǎn)子的最佳轉(zhuǎn)速為約18rpm，而對于10m/s和更高的平均風(fēng)速，最佳轉(zhuǎn)動速度為額定轉(zhuǎn)動速度。
專用場地解決辦法下面參照圖10和11，描述涉及多臺風(fēng)力渦輪機(jī)如風(fēng)力場的多臺風(fēng)力渦輪機(jī)的解決辦法。
具有葉片角度控制和/或電力換流器的風(fēng)能設(shè)備能夠控制對電力系統(tǒng)的主動電力供給。而且，帶有電力換流器的風(fēng)能設(shè)備能夠控制通往電力系統(tǒng)的無功功率源。這些風(fēng)能設(shè)備中的主動電力調(diào)節(jié)通常用于獲得最大生產(chǎn)，并且僅僅限制電力以避免風(fēng)力渦輪機(jī)部件的過載和應(yīng)力，而無功功率調(diào)節(jié)用于獲得恒定的高功率因子，例如等于1。
電力系統(tǒng)中的主動控制電站的其它形式有助于通過調(diào)節(jié)主動電力的頻率控制和通過調(diào)節(jié)無功功率的電壓控制。這些控制能力也能在帶有電力換流器的風(fēng)能設(shè)備中獲得，但它僅在少數(shù)情況下得以實(shí)施。這種謹(jǐn)慎從事的主要原因是，當(dāng)幾千臺風(fēng)力渦輪機(jī)獨(dú)立地調(diào)節(jié)地區(qū)終端上的電壓時(shí)，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的沖擊成為一種利害關(guān)系。
對于具有高的風(fēng)能穿透性的電力系統(tǒng)，風(fēng)能設(shè)備有助于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的電壓和頻率的能力成為一個(gè)重要問題，因?yàn)樗鼜?qiáng)烈地影響風(fēng)能設(shè)備替換其它電站的能力。比如，風(fēng)能設(shè)備的容量可信度和對其它電站的燃料節(jié)約程度這兩者都受風(fēng)能設(shè)備的控制能力的影響。
為了提供具有電力系統(tǒng)控制能力的風(fēng)能設(shè)備和改善對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，大型風(fēng)力場中的中央電力電子裝置是一種有希望的技術(shù)解決方案。中央裝置可以連接到風(fēng)場連接點(diǎn)中的電力系統(tǒng)，因此可以有助于控制該點(diǎn)的電壓和頻率。在這方面，帶有中央電力電子裝置的風(fēng)力場可以起更像一個(gè)電站的作用。同時(shí)，中央裝置很可能是對大型風(fēng)力場提供控制能力的成本效益最好的辦法。
無功功率補(bǔ)償裝置無功功率補(bǔ)償裝置廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，以提供無功功率平衡和改善電壓穩(wěn)定性。該補(bǔ)償裝置用于提供電感性電力和電容性電力。通常，電容性電力的供給用來補(bǔ)償反應(yīng)負(fù)載，而電感性電力的供給用來補(bǔ)償電纜中的電容性消耗。
補(bǔ)償電力系統(tǒng)中無功功率的最常用裝置是同步電容器或者分路電容器，后者或是帶有機(jī)械開關(guān)，或是如靜止乏(Var)補(bǔ)償器(SVC)中那樣帶有閘流晶體管開關(guān)。使用分路電容器的缺點(diǎn)是無功功率正比于電壓的平方，因此，當(dāng)電壓降低時(shí)，從電容器來的無功功率迅速減小，需要無功功率來維持電壓穩(wěn)定性。
STATCOM或ASVC基本上是以強(qiáng)制轉(zhuǎn)換開關(guān)為基礎(chǔ)的反向變換器，也即具有無功功率的完全連續(xù)的控制。從STATCOM來的最大可用無功功率與電壓成正比，因此，當(dāng)電壓降低時(shí)，STATCOM的最大無功功率的減小比SVC要慢得多。
丹麥西半部的傳輸系統(tǒng)操作器ELTRA在Rejsby Hede的24MW風(fēng)力場安裝了一個(gè)2×4MVA ASVC，來演示和試驗(yàn)這一概念。Rejsby Hede風(fēng)力場由40臺帶有直接連接的感應(yīng)發(fā)電機(jī)的600KW NEG-Micon風(fēng)力渦輪機(jī)組成。感應(yīng)發(fā)電機(jī)中的無功功率的無載消耗由單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)中的700V水平的分路電容器補(bǔ)償。
Rejsby Hede的ASVC由風(fēng)力場連接點(diǎn)中的快速連續(xù)的無功功率調(diào)節(jié)來補(bǔ)償風(fēng)力場中的與負(fù)載有關(guān)的無功功率消耗。例如，ASVC以功率因子控制方式運(yùn)轉(zhuǎn)，也即在風(fēng)力場連接點(diǎn)將功率因子控制到等于1。
ASVC原則上也可以以電壓調(diào)節(jié)方式運(yùn)轉(zhuǎn)，也即參與電網(wǎng)上的電壓調(diào)節(jié)。但是，在Rejsby Hede風(fēng)力場的風(fēng)力場連接點(diǎn)中電網(wǎng)非常強(qiáng)。因此，ASVC沒有設(shè)計(jì)成參與電壓調(diào)節(jié)，也沒有以該方式試驗(yàn)。
功率調(diào)節(jié)和蓄能裝置風(fēng)力渦輪機(jī)的額定功率調(diào)節(jié)是功率最優(yōu)化和限制功率以保護(hù)風(fēng)力渦輪機(jī)的聯(lián)合。風(fēng)力場的更全面的功率調(diào)節(jié)以滿足電網(wǎng)的需要并非如此普遍，但已知一些根據(jù)電壓的功率調(diào)節(jié)的例子。在愛爾蘭的Cronalaght風(fēng)力場，使用葉片角度控制來限制功率，而在瑞典的Bockstigen風(fēng)力場，使用風(fēng)力渦輪機(jī)的卸掉負(fù)載和中斷。
當(dāng)電力系統(tǒng)中的風(fēng)能穿透性變得高的時(shí)候，蓄能裝置的使用變得有意義，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)需要的功率限制可以導(dǎo)致顯著地?fù)p失從風(fēng)力渦輪機(jī)來的勢能。同時(shí)，即使風(fēng)能很低，蓄能裝置也能保證從風(fēng)力場來的電力。因此，蓄能裝置可以給大型風(fēng)力場提供功率調(diào)節(jié)能力，它可以使風(fēng)力場替代而不僅是補(bǔ)充其它電站。除了減小其它電站的容量外，此種調(diào)節(jié)能力能進(jìn)一步減少運(yùn)轉(zhuǎn)備用的需要，從而降低電力系統(tǒng)中的總的燃料費(fèi)用。因此，發(fā)展蓄能技術(shù)對于發(fā)展風(fēng)能是非常重要的。
當(dāng)自然資源可以使用時(shí)，抽水蓄能可以與今天的增強(qiáng)電網(wǎng)競爭。但是，在許多地方，抽水蓄能不是一種選擇方案。
因此，發(fā)展蓄電池、燃料電池和其它蓄能技術(shù)是非常重要的。今天蓄電池的主要缺點(diǎn)是費(fèi)用相當(dāng)高。蓄電池蓄能系統(tǒng)的額外費(fèi)用項(xiàng)目是從AC電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為DC。如果蓄電池連接在現(xiàn)有的DC電壓上，也即ASVC或高壓直流(HVDC)傳輸中的DC連線上，那么該費(fèi)用可以省去。
HVDC現(xiàn)在參照圖10，對大型(近海)風(fēng)力場的電網(wǎng)連接討論最多的概念之一就是HVDC。這歸因于該技術(shù)的迅速發(fā)展和該技術(shù)能給予系統(tǒng)操作以及風(fēng)力渦輪機(jī)操作的優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合。
HCDC連線至少包括兩個(gè)AC/DC換流器站6和一個(gè)連接這兩個(gè)站6的DC電纜3。與串聯(lián)半導(dǎo)體的先進(jìn)控制相結(jié)合的最近的半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展已提供現(xiàn)代的HVDC傳輸系統(tǒng)，像具有以強(qiáng)制變換半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的完全可控轉(zhuǎn)換器的ABB的HVDC燈。
HVDC技術(shù)主要對較長距離的傳輸有意義。DC電纜比具有同樣容量的AC傳輸電纜要便宜，但是如果傳輸距離小于一定的閾值，換流器站的費(fèi)用使整個(gè)HVDC連線比相應(yīng)的AC連線要貴。還有，閾值距離隨電力電子學(xué)的技術(shù)發(fā)展而迅速減小，后者降低換流器站的費(fèi)用。
對于近海應(yīng)用，當(dāng)達(dá)到AC傳輸?shù)呐R界電纜長度時(shí)，HVDC連線也是可行的。在那種情況下，在AC傳輸上需要一個(gè)補(bǔ)償裝置，它對近海傳輸也是非常費(fèi)錢的。
世界第一臺HVDC燈設(shè)備今天還在Gotland操作。它被安裝來增大從安裝在該島南部的許多風(fēng)力渦輪機(jī)得到而輸送給該島北部城鎮(zhèn)消費(fèi)者的傳輸容量。同時(shí)，它用于將無功功率饋送給AC電網(wǎng)，特別是給南部的風(fēng)力渦輪機(jī)，并保證電壓穩(wěn)定性。ELTRA也在丹麥的Tjaereborg安裝了一個(gè)HVDC燈連網(wǎng)，以試驗(yàn)它對大型風(fēng)力渦輪機(jī)的應(yīng)用。
由于該電力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，HVDC燈將很可能在近海和陸上兩方面安裝，以便從許多大型風(fēng)力場長距離地傳輸電力。這將開辟風(fēng)力渦輪機(jī)的可變速度控制的新的可能性，因?yàn)轱L(fēng)力渦輪機(jī)上的電網(wǎng)頻率(或各種頻率)可以在電力系統(tǒng)頻率上獨(dú)立控制。
連接風(fēng)力場的最簡單的HVDC燈構(gòu)型是圖10中示出的組合連接。HVDC連線3一端連接到電力系統(tǒng)4，另一端連接到風(fēng)力場AC電網(wǎng)5。在每一端設(shè)置一個(gè)AC/DC換流器站6a、6b。所有風(fēng)力渦輪機(jī)7連接到一個(gè)AC/DC換流器站6b上。換流器站6b將從渦輪機(jī)7接受的AC電力轉(zhuǎn)換成DC電力，后者轉(zhuǎn)而通過HVDC連線3輸送到另一個(gè)AC/DC換流器站6a。AC/DC換流器站6a將接受的DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力，后者供給到電力系統(tǒng)4。
原則上，所有設(shè)計(jì)用于連接到AC電網(wǎng)的風(fēng)力渦輪機(jī)7都可以連接到圖10中的風(fēng)力場AC電網(wǎng)5，但在風(fēng)力渦輪機(jī)7中使用電力換流器6的許多優(yōu)點(diǎn)卻減少了。因此，最明顯的是要使用具有直接連接的感應(yīng)電動機(jī)的風(fēng)力渦輪機(jī)7。帶著這樣一個(gè)概念，風(fēng)力場上的換流器6b將供給風(fēng)力渦輪機(jī)7以無功功率，這種方式使風(fēng)力場電網(wǎng)5相對于電網(wǎng)故障更為可靠。
HVDC連接也可以控制風(fēng)力場電網(wǎng)5的頻率，以便像對具有單個(gè)電力換流器的風(fēng)力渦輪機(jī)7一樣提高空氣動力學(xué)效率。但是頻率控制必須將頻率設(shè)定為風(fēng)力場中所有單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)7的最佳頻率的折中值，因?yàn)轱L(fēng)速和因而最佳頻率對每臺風(fēng)力渦輪機(jī)不相同。因此，與具有單個(gè)電力換流器的風(fēng)力渦輪機(jī)相比較，空氣動力學(xué)效率稍許下降。
組合連接概念的另一方面是，共同頻率控制不能像風(fēng)力渦輪機(jī)7中的單個(gè)電力換流器那樣地用于減小傳動系上的機(jī)械載荷。這對于失速控制的風(fēng)力渦輪機(jī)是重要的，而對于俯仰角控制的風(fēng)力渦輪機(jī)，需要有單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的例如光學(xué)滑動的附加速度控制。
現(xiàn)在參照圖11，圖11中示出另一構(gòu)型，該構(gòu)型似乎具有帶單個(gè)電力換流器的風(fēng)力渦輪機(jī)7的所有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)力渦輪機(jī)7有其自己的AC/DC換流器6c。
如果單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)7中的AC/DC換流器6c是以強(qiáng)制變換半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的，那么風(fēng)力渦輪機(jī)7的頻率和因而速度可以單個(gè)控制。在那種情況下，該頻率控制可以用來減小傳動系上的機(jī)械載荷，有效地利用轉(zhuǎn)子惰性來吸收空氣載荷中的最快波動。
單個(gè)的AC/DC換流器6c將從所討論的渦輪機(jī)7接受的AC電力轉(zhuǎn)變?yōu)镈C電力。因?yàn)槊颗_渦輪機(jī)7設(shè)有一個(gè)AC/DC換流器6c，所以渦輪機(jī)7就連接在DC電網(wǎng)8中。DC電網(wǎng)8通過HVDC連線3連接到一個(gè)第二AC/DC換流器站6a上。該第二AC/DC換流器站6a將接受到的DC電力轉(zhuǎn)換為AC電力，后者如上所述地供給到電力系統(tǒng)4。
提出了一種如圖11中所示的帶有單個(gè)AC/DC換流器6c的風(fēng)力變壓器概念。該風(fēng)力變壓器概念消除了使用頻率控制來減小驅(qū)動系上機(jī)械載荷的能力，因?yàn)樗俣瓤刂剖且栽陔娏ο到y(tǒng)連接點(diǎn)中換流器6a處DC電壓的控制為基礎(chǔ)的，它對所有風(fēng)力渦輪機(jī)7是共同的。但是，機(jī)械傳動系載荷對風(fēng)力變壓器概念并不如此嚴(yán)格，因?yàn)轱L(fēng)力渦輪機(jī)最好是無齒輪的。
因此，提供了一種操作渦輪機(jī)的方法，與現(xiàn)有的渦輪機(jī)比較，該法提供增大的能量生產(chǎn)。該方法還保證在任何風(fēng)速下達(dá)到最佳的能量生產(chǎn)，而它仍然防止對渦輪機(jī)造成損壞。此外，因?yàn)椴恍枰獪y量風(fēng)速，所以提供的方法容易而方便地獲得操作參數(shù)，也就是它不需要測量風(fēng)速。其次，提供的方法減小了渦輪機(jī)上的結(jié)構(gòu)載荷。再次，提出了一種操作多臺渦輪機(jī)的方法，它使能量生產(chǎn)最優(yōu)化而仍然保持對渦輪機(jī)的控制。
權(quán)利要求
1.一種控制制渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，該渦輪機(jī)包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，該方法包括下列步驟測量或估算與渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)有關(guān)的功率或轉(zhuǎn)矩，處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩，以得到一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，將得到的轉(zhuǎn)速與一個(gè)第一預(yù)定閾值和一個(gè)第二預(yù)定閾值相比較，該第二預(yù)定閾值大于第一預(yù)定閾值，以及根據(jù)得到的轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而從渦輪機(jī)獲得預(yù)定的能量生產(chǎn)，并以這樣的方式使得在得到的轉(zhuǎn)速不超過第一預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)獲得的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第一預(yù)定閾值但不超過第二預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)獲得的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以預(yù)定方式減小到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
2.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)。
3.一種如權(quán)利要求第1或2所述的方法，其特征在于，該處理步驟是用電子方式進(jìn)行的。
4.一種如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在從渦輪機(jī)獲得的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的情況下，渦輪機(jī)以這樣一種方式操作，就是渦輪機(jī)的瞬時(shí)Cp盡可能接近或等于最大Cp。
5.一種如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該處理是以一組預(yù)定的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，該組數(shù)據(jù)為預(yù)先選擇的Cp值和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。
6.一種如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，該渦輪機(jī)是一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，該預(yù)先選擇的Cp是在變化的風(fēng)速下在風(fēng)力渦輪機(jī)的理論靜止?fàn)顟B(tài)期間得到的最大Cp。
7.一種如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括最初測定在不同轉(zhuǎn)速下渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械功率和/或Cp的曲線的步驟。
8.一種如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該渦輪機(jī)是一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，該處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩的步驟包括下列步驟相對于每種轉(zhuǎn)速測定給出Cp，max的風(fēng)速，以及測定對應(yīng)于上述風(fēng)速的機(jī)械功率和/或電功率。
9.一種如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該渦輪機(jī)是一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，該處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩的步驟包括下列步驟隨后在不同轉(zhuǎn)速下對渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子測定機(jī)械功率和/或Cp的曲線，相對于每種轉(zhuǎn)速測定給出Cp，max的風(fēng)速，以及測定對應(yīng)于所述風(fēng)速的機(jī)械功率和/或電功率。
10.一種如權(quán)利要求7～9中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，相對于每個(gè)轉(zhuǎn)速給出Cp，max的風(fēng)速是從預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)或理論數(shù)據(jù)預(yù)先確定的。
11.一種如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，第一預(yù)定閾值對應(yīng)于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速或準(zhǔn)額定轉(zhuǎn)速，而其中第二預(yù)定的閾值對應(yīng)于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的上限。
12.一種如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過下列方法降低將轉(zhuǎn)速保持在一個(gè)對應(yīng)于第二預(yù)定閾值的值上，而同時(shí)渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)增大，直到它達(dá)到一個(gè)能量閾值，以及在能量生產(chǎn)繼續(xù)增大的情況下，隨后將轉(zhuǎn)速減小到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
13.一種如權(quán)利要求1～11中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過下列方法降低相對于渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)線性地降低轉(zhuǎn)速，直到獲得對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的預(yù)定能量生產(chǎn)以及轉(zhuǎn)速。
14.一種如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的步驟。
15.一種如權(quán)利要求14的所述的方法，其特征在于，還包括下列步驟比較測得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和通過處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩而得到的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生一個(gè)對上述比較很重要的信號，以及按照所述信號控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
16.一種如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，該產(chǎn)生的信號指示測得的轉(zhuǎn)速和通過處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩而得到的轉(zhuǎn)速的差值。
17.一種如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該渦輪機(jī)是一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)，該方法還包括通過調(diào)整渦輪機(jī)的俯仰角來調(diào)整由渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率的步驟。
18.一種渦輪機(jī)，包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，一個(gè)發(fā)電機(jī)，用于測量或評價(jià)與渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)有關(guān)的功率或轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)，用于處理由該測量或評價(jià)機(jī)構(gòu)測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩的處理機(jī)構(gòu)，從而得到一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，用于對得到的轉(zhuǎn)速與第一預(yù)定閾值和第二預(yù)定閾值進(jìn)行比較的比較機(jī)構(gòu)，該第二預(yù)定閾值大于第一預(yù)定閾值，以及用于按照得到的轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制機(jī)構(gòu)，該控制機(jī)構(gòu)適合于以這樣一種方式控制轉(zhuǎn)速，使得從渦輪機(jī)獲得預(yù)定的能量生產(chǎn)，并以這樣一種方式使得在得到的轉(zhuǎn)速不超過第一預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)獲得的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第一預(yù)定閾值但不超過第二預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)獲得的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以一預(yù)定方式降低到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
19.一種如權(quán)利要求18所述的渦輪機(jī)，其特征在于，該渦輪機(jī)是一種風(fēng)力渦輪機(jī)。
20.一種如權(quán)利要求18或19所述的渦輪機(jī)，其特征在于，該處理機(jī)構(gòu)是一種利用電子方式的處理機(jī)構(gòu)。
21.一種如權(quán)利要求19或20所述的渦輪機(jī)，其特征在于，還包括用于測定渦輪機(jī)的機(jī)械功率和/或Cp的曲線的機(jī)構(gòu)。
22.一種如權(quán)利要求21所述的渦輪機(jī)，其特征在于，還包括用于對每個(gè)轉(zhuǎn)速測定給出Cp，max的風(fēng)速的機(jī)構(gòu)，以及用于測定對應(yīng)于上述風(fēng)速的機(jī)械功率和/或電功率的機(jī)構(gòu)。
23.一種如權(quán)利要求21或22所述的渦輪機(jī)，其特征在于，該用于測定風(fēng)速的機(jī)構(gòu)包括含有預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)或理論數(shù)據(jù)的表。
24.一種如權(quán)利要求21～23中任何一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其特征在于，該用于測定風(fēng)速的機(jī)構(gòu)包括預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)或理論數(shù)據(jù)的曲線。
25.一種如權(quán)利要求18～24中任何一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其特征在于，還包括用于測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)。
26.一種如權(quán)利要求25所述的渦輪機(jī)，其特征在于，還包括用于比較測得的轉(zhuǎn)速和通過處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩而得到的轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)。
27.一種如權(quán)利要求26所述的渦輪機(jī)，其特征在于，該控制機(jī)構(gòu)包括用于接受一個(gè)信號的機(jī)構(gòu)，所述信號是由用于比較測得的轉(zhuǎn)速和得到的轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的，而其中該控制機(jī)構(gòu)按照所述信號控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
28.一種如權(quán)利要求19～27中任何一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其特征在于，該渦輪機(jī)是一種無齒輪的風(fēng)力渦輪機(jī)。
29.一種如權(quán)利要求18～28中任何一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其特征在于，還包括用于在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下降低渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)，該降速機(jī)構(gòu)適合于將轉(zhuǎn)速保持在一個(gè)對應(yīng)于第二預(yù)定閾值的值，而同時(shí)渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)增加，直到它達(dá)到一個(gè)能量閾值，以及在能量生產(chǎn)繼續(xù)增加的情況下，隨后將轉(zhuǎn)速降低到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
30.一種如權(quán)利要求18～28中任何一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其特征在于，還包括用于在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下降低渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的機(jī)構(gòu)，該降速機(jī)構(gòu)適合于相對于渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)線性降低轉(zhuǎn)速，直到獲得對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的預(yù)定能量生產(chǎn)以及轉(zhuǎn)速。
31.一種操作多臺渦輪機(jī)的方法，該方法包括下列步驟測量或評價(jià)與該多臺渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)有關(guān)的功率或轉(zhuǎn)矩，處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩，從而得到一個(gè)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，以及按照得到的轉(zhuǎn)速控制所有該多臺渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，從而從該多臺渦輪機(jī)獲得預(yù)定的能量生產(chǎn)。
32.一種如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，該多臺渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)。
33.一種如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，該多臺渦輪機(jī)形成一個(gè)風(fēng)力場地。
34.一種如權(quán)利要求31～33中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括下列步驟將得到的轉(zhuǎn)速與第一預(yù)定閾值和第二預(yù)定閾值比較，該第二預(yù)定閾值大于第一預(yù)定閾值，以及以下列方式按照得到的轉(zhuǎn)速控制所有多臺渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在得到的轉(zhuǎn)速不超過第一預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)得到的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第一預(yù)定閾值但不超過第二預(yù)定閾值的情況下，從渦輪機(jī)得到的預(yù)定能量生產(chǎn)是最佳的，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，所有渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以一種預(yù)定的方式降低到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
35.一種如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，該第一預(yù)定閾值對應(yīng)于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速或準(zhǔn)額定轉(zhuǎn)速，而且其中該第二預(yù)定閾值對應(yīng)于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的上限。
36.一種如權(quán)利要求34或35所述的方法，其特征在于，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速用下列方法降低將轉(zhuǎn)速保持在一個(gè)對應(yīng)于第二預(yù)定閾值的值，而同時(shí)渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)增加，直到它達(dá)到一個(gè)能量閾值，以及在能量生產(chǎn)繼續(xù)增加的情況下，隨后將轉(zhuǎn)速降低到一個(gè)對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的值。
37.一種如權(quán)利要求34或35所述的方法，其特征在于，在得到的轉(zhuǎn)速超過第二預(yù)定閾值的情況下，渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速用下列方法降低相對于渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)線性地降低轉(zhuǎn)速，直到達(dá)到對應(yīng)于第一預(yù)定閾值的預(yù)定能量生產(chǎn)以及轉(zhuǎn)速。
38.一種如權(quán)利要求31～37中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該處理步驟是用電子方式進(jìn)行的。
39.一種如權(quán)利要求31～38中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該多個(gè)渦輪機(jī)以這樣一種方式操作，使得渦輪機(jī)的瞬時(shí)Cp盡可能接近或等于最大Cp。
40.一種如權(quán)利要求31～39中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該處理是以一組預(yù)定的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，該組預(yù)定的數(shù)據(jù)為預(yù)先選擇的Cp值和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。
41.一種如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，這些渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，這些預(yù)先選擇的Cp是在變化的風(fēng)速下在風(fēng)力渦輪機(jī)的理論靜止?fàn)顟B(tài)期間得到的最大Cp。
42.一種如權(quán)利要求31～41中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，這些渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)，該方法還包括對渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子在不同的轉(zhuǎn)速下最初測定機(jī)械功率和/或Cp的曲線的步驟。
43.一種如權(quán)利要求42所述的方法，其中，該處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩的步驟包括以下步驟對每個(gè)轉(zhuǎn)速測定給出Cp，max的風(fēng)速，以及測定對應(yīng)于上述風(fēng)速的機(jī)械功率和/或電功率。
44.一種如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，該處理測得的或評價(jià)的功率或轉(zhuǎn)矩的步驟包括以下步驟隨后對渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下測定機(jī)械功率和/或Cp的曲線，對每個(gè)轉(zhuǎn)速測定給出Cp，max的風(fēng)速，以及測定對應(yīng)于上述風(fēng)速的機(jī)械功率和/或電功率。
45.一種如權(quán)利要求42～44中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，對每個(gè)轉(zhuǎn)速給出Cp，max的風(fēng)速是從預(yù)先記錄的數(shù)據(jù)或理論數(shù)據(jù)預(yù)先確定的。
46.一種如權(quán)利要求31～45中任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，這些渦輪機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)，該方法還包括通過調(diào)整所述一臺或多臺渦輪機(jī)的每臺的俯仰角來個(gè)別地調(diào)整一臺或多臺渦輪機(jī)所產(chǎn)生的功率的步驟。
全文摘要
一種控制渦輪機(jī)特別是風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，該法提高渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)而同時(shí)保證不發(fā)生損壞或結(jié)構(gòu)性超載。該渦輪機(jī)在超過其轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速下可以在或接近Cp，max拋物形曲線處操作。這提高了能量的生產(chǎn)。
文檔編號F03D7/02GK1426510SQ01808730
公開日2003年6月25日 申請日期2001年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月8日
發(fā)明者L·H·漢森 申請人:里索國家實(shí)驗(yàn)室