應(yīng)用的圖；
圖3圖示在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法中所考慮的功率系數(shù)和葉片槳距角之間的關(guān)系；
以及圖4圖示在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法中所考慮的推力和葉片槳距角之間的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0057]附圖中的圖以示意性形式示出。應(yīng)該注意，在不同圖中，相似或相同的元件設(shè)置有相同的附圖標(biāo)記、或設(shè)置有僅第一位數(shù)與相應(yīng)附圖標(biāo)記不同的附圖標(biāo)記。
[0058]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)的裝置103的風(fēng)力渦輪機(jī)100。風(fēng)力渦輪機(jī)包括連接有多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片107的輪轂105，其中輪轂被支撐在未示出的機(jī)艙內(nèi)，機(jī)艙被安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)塔之上。風(fēng)力渦輪機(jī)葉片107被機(jī)械地固定到旋轉(zhuǎn)軸109上，旋轉(zhuǎn)軸109在風(fēng)施加到風(fēng)力渦輪機(jī)葉片107上的沖擊的作用下旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)軸109驅(qū)動(dòng)將電輸出流113提供到AC-DC-AC換流器115的發(fā)電機(jī)111，換流器115將可變頻率輸出流113轉(zhuǎn)化為固定頻率輸出流117，然后其經(jīng)由變壓器119轉(zhuǎn)換為較高電壓并在風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出終端121 (其可以例如連接到與多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)連接的共用耦接點(diǎn))處輸出。從共用耦接點(diǎn)處，能量可被供應(yīng)到公共電網(wǎng)。
[0059]用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)100的裝置103包括速度-槳距控制器123和速度-功率控制器125。當(dāng)從葉片槳距系統(tǒng)供應(yīng)的葉片槳距角127在葉片槳距角閾值以上或增加到該葉片槳距角閾值以上時(shí)(如下文將詳細(xì)解釋的)，速度-槳距控制器123適于根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值并且還根據(jù)第二旋轉(zhuǎn)速度參考值來操作轉(zhuǎn)子109。具體地，速度-槳距控制器123傳輸致使執(zhí)行器調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片107的葉片槳距角131的執(zhí)行器控制信號(hào)129。
[0060]此外，裝置103包括速度-功率控制器125，其連接到換流器115并將限定輸出終端121處的功率輸出的功率(或扭矩)參考值133供應(yīng)到換流器。具體地，通過換流器來控制功率輸出，g卩，利用脈沖調(diào)制信號(hào)來切換換流器115內(nèi)的多個(gè)功率晶體管，以便控制旋轉(zhuǎn)軸109的扭矩以及功率輸出。
[0061]監(jiān)控系統(tǒng)135監(jiān)控風(fēng)力渦輪機(jī)的電氣部件，諸如發(fā)電機(jī)111、換流器115、變壓器119以及其他未示出的電氣部件。監(jiān)控的測(cè)量結(jié)果137，諸如電流信號(hào)、溫度信號(hào)、電壓信號(hào)和其他載荷信號(hào)，被供應(yīng)到裝置103，以便控制風(fēng)力渦輪機(jī)。基于測(cè)量信號(hào)137，裝置103可決定是否增加功率輸出。具體地，之后利用速度-功率控制器125將經(jīng)修改的功率參考值137發(fā)送到換流器115，以便實(shí)現(xiàn)期望的功率輸出增加。
[0062]圖1所示的裝置103適于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，如以下將在一定程度上更詳細(xì)地解釋的。
[0063]圖2圖示了上部圖、中間圖和下部圖，在上部圖中，縱坐標(biāo)203指示發(fā)電機(jī)速度，在中間圖中，縱坐標(biāo)205指示葉片槳距角，在下部圖中，縱坐標(biāo)207指示功率輸出。在圖2所示的所有三個(gè)附圖中，橫坐標(biāo)指示風(fēng)速。
[0064]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法在不同控制區(qū)域中來操作，這些不同控制區(qū)域可部分地由不同控制區(qū)域中占主導(dǎo)的風(fēng)速來區(qū)分，或者可部分地由不同區(qū)域中占主導(dǎo)的槳距角來區(qū)分。在可變速區(qū)域209中，發(fā)電機(jī)速度211隨風(fēng)速線性增加。在此可變速區(qū)域209中，槳距角213基本保持恒定為0°的值。此可變速區(qū)域209內(nèi)的功率輸出215增加。
[0065]在恒速區(qū)域217中，發(fā)電機(jī)速度211保持處于與第一旋轉(zhuǎn)速度參考值相對(duì)應(yīng)的第一旋轉(zhuǎn)速度219的恒定值，根據(jù)該第一旋轉(zhuǎn)速度參考值，速度-槳距控制器123將轉(zhuǎn)子葉片槳距控制信號(hào)129發(fā)送到槳距系統(tǒng)。在恒速區(qū)域217中，槳距角基本保持恒定地處于0°。此外，在恒速區(qū)域217中，輸出功率215仍增加，直至在恒速區(qū)域217的上端處(其對(duì)應(yīng)于第一恒定功率區(qū)域223的下端)達(dá)到額定輸出功率221。
[0066]在第一恒定功率區(qū)域223中，發(fā)電機(jī)速度211基本保持恒定地處于第一旋轉(zhuǎn)速度219。槳距角在第一恒定功率區(qū)域223內(nèi)從0°槳距角增加到葉片槳距角閾值225，以便使此第一恒定功率區(qū)域223的輸出功率保持處于額定輸出功率221。
[0067]當(dāng)風(fēng)速增加成超過風(fēng)速區(qū)域223時(shí)，槳距角需要增加至葉片槳距角閾值225以上，以便使功率輸出215保持處于額定功率輸出221。但是，與常規(guī)控制方法相反，將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)整至大于第一旋轉(zhuǎn)速度219的第二旋轉(zhuǎn)速度227。具體地，當(dāng)葉片槳距角213增加至葉片槳距角閾值225以上時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)箭頭229從第一旋轉(zhuǎn)速度增加至第二旋轉(zhuǎn)速度227。相反，當(dāng)葉片槳距角213從較高值減小至另一槳距角閾值231以下時(shí)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)箭頭233從第二旋轉(zhuǎn)速度227減小至第一旋轉(zhuǎn)速度219。由此，提供一些滯后作用，這可提高控制方法的穩(wěn)定性。
[0068]具體地，通過實(shí)際上減小葉片槳距角(諸如通過曲線235實(shí)現(xiàn))可實(shí)現(xiàn)將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度從第一旋轉(zhuǎn)速度219增加至第二旋轉(zhuǎn)速度227。在其他實(shí)施例中，曲線235可具有除圖2所示之外的另一種形狀。
[0069]具體地，在葉片槳距角213在葉片槳距角閾值225以上的第二恒速區(qū)域237中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度可從第一旋轉(zhuǎn)速度219增加至第二旋轉(zhuǎn)速度227。同樣在此第二恒定功率區(qū)域237中，功率輸出可從額定功率輸出221增加至可大于額定功率輸出221的另一額定功率輸出239。具體地，可通過將功率參考值133從速度-功率控制器125供應(yīng)到換流器115來實(shí)現(xiàn)功率輸出的增加，如圖1所示。
[0070]根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，功率輸出的增加不必與葉片槳距角達(dá)到葉片槳距角閾值時(shí)的位置或情況一致。因此，可實(shí)現(xiàn)例如超過(具體是高于)第一恒定功率區(qū)域223和第二恒定功率區(qū)域237之間的邊界的另一額定功率輸出239。
[0071]具體地，渦輪機(jī)100的最大功率極限值可由構(gòu)成傳動(dòng)系統(tǒng)的電氣部件(諸如發(fā)電機(jī)111、換流器115、變壓器119、電容器組等)的尺寸和傳動(dòng)系統(tǒng)中的扭矩水平限定或決定。如果旋轉(zhuǎn)速度從第一旋轉(zhuǎn)速度219增加至第二旋轉(zhuǎn)速度227，從而提供了轉(zhuǎn)子和整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的提高可控性，則增加功率產(chǎn)出的唯一限制因素是電氣部件的情況(假設(shè)，功率僅增加到使得傳動(dòng)系統(tǒng)的所得扭矩處于可接受范圍內(nèi)的水平)。
[0072]圖3示出了功率系數(shù)(Cp)和葉片槳距角之間的關(guān)系，其中，葉片槳距角由橫坐標(biāo)301指示，而標(biāo)準(zhǔn)化的功率系數(shù)由縱坐標(biāo)303指示。曲線305指示了標(biāo)準(zhǔn)化的功率系數(shù)和葉片槳距角之間的關(guān)系。具體地，圖3圖示了針對(duì)給定的風(fēng)速和給定的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度而言作為葉片槳距角的函數(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)功率效率。附圖標(biāo)記307指示功率系數(shù)達(dá)到最大的最佳葉片槳距角。此外，附圖標(biāo)記309圖示示例性葉片槳距角閾值，諸如圖2所示的葉片槳距角閾值225。如從圖3可見的，槳距角改變?chǔ)?α則導(dǎo)致最佳葉片槳距角307減少ACpl以及示例性葉片槳距角閾值309減少ACp2，其中ACpl > ACp2。在葉片槳距角閾值309處，控制器(諸如圖1所示的控制器123)可由此在很短的時(shí)間內(nèi)以很可靠的方式減少風(fēng)能捕獲，并由此能夠快速停止渦輪機(jī)。
[0073]圖4圖示了曲線圖，其中，葉片槳距角由橫坐標(biāo)401指示，而標(biāo)準(zhǔn)化的推力系數(shù)(Ct)由縱坐標(biāo)403指示。曲線405圖示了推力系數(shù)Ct和葉片槳距角之間的關(guān)系。同樣，曲線405指示固定風(fēng)速和固定旋轉(zhuǎn)速度下的情況。Ct正比于作用在風(fēng)力渦輪機(jī)上的空氣動(dòng)力學(xué)推力。如圖4所示，在就能量而言的最佳槳距角407處實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子上的最大推力。但是，這也意味著當(dāng)從就能量而言的最佳槳距角朝向停止槳距角變槳時(shí)推力的絕對(duì)值改變是很大的。這種大的推力改變導(dǎo)致渦輪機(jī)上極大的載荷。如果槳距角已經(jīng)變槳離開就能量而言的最佳槳距角407，諸如當(dāng)已處于葉片槳距角閾值409時(shí)，則當(dāng)朝向停止位置變槳時(shí)推力絕對(duì)值改變可以明顯更小。
[0074]從而，由圖3和4可知，一旦槳距角已經(jīng)遠(yuǎn)離最佳槳距角307、407，則渦輪機(jī)控制器(諸如圖1所示的控制器123)就可能夠更快速地停止渦輪機(jī)，因?yàn)镃p顯著降低，而推力未發(fā)生大的變化。共同地，這可在緊急事件中產(chǎn)生降低的渦輪機(jī)的極端載荷。
[0075]在實(shí)踐中，可通過基于當(dāng)前槳距角選擇最大旋轉(zhuǎn)速度來控制渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定點(diǎn)(也被稱作旋轉(zhuǎn)速度參考值)。由此，可根據(jù)當(dāng)前操作情況(即槳距角)來選擇渦輪機(jī)的有效速度極限值。此外，可應(yīng)用相互依賴性，諸如對(duì)槳距角和時(shí)間等的依賴性。
[0076]再次參照?qǐng)D2，在第一恒定功率區(qū)域233中，通過控制器來改變槳距角213，以在風(fēng)速增加的情況下保持旋轉(zhuǎn)速度基本恒定。在此情形中，渦輪機(jī)變槳到順槳位置并且Cp下降。一旦槳距角達(dá)到葉片槳距角閾值225，旋轉(zhuǎn)速度就從第一旋轉(zhuǎn)速度219改變至第二旋轉(zhuǎn)速度227。因此，速度參考值增大。當(dāng)風(fēng)進(jìn)一步增加至區(qū)域237中時(shí)，渦輪機(jī)控制器速度參考值可再次固定至新值227，因此可保持恒定。根據(jù)實(shí)施例，當(dāng)處于“安全”操作區(qū)域中時(shí)(即，可控性良好)，可增大控制器速度設(shè)定值(旋轉(zhuǎn)速度目標(biāo)值)。當(dāng)槳距角顯著(幾度)遠(yuǎn)離最佳槳距角時(shí)就是這樣。替代性地，替代利用槳距角或者除此以外，可使用轉(zhuǎn)子加速度或轉(zhuǎn)子加速度的偏差。
[0077]一旦渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度已經(jīng)從第一旋轉(zhuǎn)速度增加至第二旋轉(zhuǎn)速度，扭矩或傳動(dòng)系統(tǒng)就可減小，以便在該方面有余地來增加功率產(chǎn)出。然而，盡管渦輪機(jī)在相比守恒目標(biāo)設(shè)定值(第一旋轉(zhuǎn)速度)來說增加的速度下操作，但功率產(chǎn)出