示出了被配置成三角形構(gòu)造的發(fā)電機的繞組215,其中，繞組215的每個端部耦合到另一個 繞組215的端部。三個節(jié)點A、B、C可以是三相功率信號的單獨的相。盡管是在三相三角形構(gòu) 造（即，網(wǎng)格式電構(gòu)造的一個示例）的背景下討論本文中的實施例，但是本文中的實施例可 以用于具有任何數(shù)量的相的電系統(tǒng)。
[0023]圖2B示出了被配置成星形（或?'形）構(gòu)造的發(fā)電機的繞組215。如圖所示，三個繞 組215在中性節(jié)點N處相遇，該節(jié)點為三個繞組215設(shè)定參考電壓。如圖2A中所示，節(jié)點A、B、 和C可以輸出三相功率信號;然而，本文中的實施例不限于此。實際上，星形構(gòu)造可以用于產(chǎn) 生具有任何數(shù)量的相的功率信號。
[0024]在一個實施例中，風(fēng)力渦輪機可以包括用于重新布置繞組215的連接的開關(guān)或繼 電器，從而在圖2A中所示的三角形構(gòu)造（例如，第一電構(gòu)造）到圖2B中所示的星形構(gòu)造（例 如，第二電構(gòu)造)之間進(jìn)行切換，反之亦然。例如，發(fā)電機的額定值可以為產(chǎn)生3MW的功率。然 而，發(fā)電機可能能夠在某種風(fēng)速下產(chǎn)生該最大量的功率。在較低風(fēng)速下，發(fā)電機可以輸出低 于3MW的功率。在產(chǎn)生較低功率(例如，低于500kW)時，發(fā)電機在星形構(gòu)造下可能能夠比在三 角形構(gòu)造下更有效率地產(chǎn)生電功率。這是因為，在三角形構(gòu)造下，轉(zhuǎn)子可以以高于最佳空氣 動力速度的速度進(jìn)行操作，并且因此所產(chǎn)生的功率將低于使用星形構(gòu)造的情況下可能產(chǎn)生 的功率。另外，與處于三角形構(gòu)造時相比，發(fā)電機本身在星形構(gòu)造下可以經(jīng)歷提高的效率。 另一方面，星形構(gòu)造可以具有星形功率限制閾值，該閾值防止發(fā)電機輸出高于該閾值的功 率。如果風(fēng)速允許發(fā)電機產(chǎn)生高于星形功率限制閾值(例如，900kW)的功率，那么渦輪機可 能不得不降級，以免產(chǎn)生高于該最大值的功率。因此，隨著風(fēng)速的提高，渦輪機可以切換為 三角形構(gòu)造，以避免星形構(gòu)造的限制。
[0025]圖2C示出了用于在圖2A和圖2B中所示的三角形構(gòu)造與星形構(gòu)造之間進(jìn)行切換的 發(fā)電機系統(tǒng)。此處，可以將繞組的端部耦合到開關(guān)元件250和260。為了形成三角形構(gòu)造，在 斷開開關(guān)元件250的同時閉合開關(guān)元件260，從而將繞組215的每個端部耦合到共享節(jié)點，即 節(jié)點A、B、或C。相比之下，為了形成星形構(gòu)造，斷開開關(guān)元件260并且閉合開關(guān)元件250,從而 將每個繞組215的一個端部耦合到中性點。以這種方式，發(fā)電機繞組215可以基于當(dāng)前環(huán)境 條件和發(fā)電機輸出功率而被重新配置。
[0026] 圖3是根據(jù)本文中所提出的一個實施例的用于在發(fā)電機構(gòu)造之間進(jìn)行切換的渦輪 機1〇〇。具體而言，渦輪機1〇〇包括經(jīng)由軸305連接到發(fā)電機310(例如，雙饋感應(yīng)發(fā)電機或永 磁發(fā)電機）的轉(zhuǎn)子106。盡管未示出，但是風(fēng)力渦輪機100可以包括齒輪箱，該齒輪箱用于將 轉(zhuǎn)子106的相對慢的旋轉(zhuǎn)速度變?yōu)檩^高的旋轉(zhuǎn)速度以用于使發(fā)電機310的繞組旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機 310的輸出耦合到繼電器315(例如，物理開關(guān)），該繼電器315可以將發(fā)電機310的輸出重新 構(gòu)造成圖2A和圖2B中所示的不同電構(gòu)造，例如星形或三角形構(gòu)造。具體而言，繞組(例如，三 相發(fā)電機中的六條導(dǎo)線）的端部饋入到繼電器315中，可以如圖2C中所示對繼電器315進(jìn)行 布置，從而在電構(gòu)造之間進(jìn)行切換。在另一個實施例中，繼電器315可以并入到發(fā)電機310 中，從而在電構(gòu)造之間進(jìn)行內(nèi)部切換。此外，發(fā)電機310的輸出可以饋入到一個或多個功率 轉(zhuǎn)換器中，所述一個或多個功率轉(zhuǎn)換器執(zhí)行AC-DC轉(zhuǎn)換和DC-AC轉(zhuǎn)換，從而以期望的電網(wǎng)頻 率向公用電網(wǎng)供電，但是這并不是必需的。
[0027] 渦輪機100包括耦合到渦輪機中的各個部件(例如，發(fā)電機310和繼電器315)的控 制器325(例如，一個或多個計算設(shè)備）?？刂破?25可以使用體現(xiàn)在例如固件或軟件應(yīng)用內(nèi) 的控制邏輯單元來向這些部件發(fā)送指令，以用于改變?nèi)绫疚闹兴懻摰挠娠L(fēng)力渦輪機100 產(chǎn)生的功率?？刂破?25可以位于風(fēng)力渦輪機100本身上，或者可以被設(shè)置在遠(yuǎn)處（例如， SCADA的部分)并且經(jīng)由有線或無線網(wǎng)絡(luò)通信耦合到渦輪機100。
[0028] 如將在下文中更詳細(xì)地討論的，控制器325可以向各個部件發(fā)送指令，從而基于風(fēng) 力條件來改變發(fā)電機310的電構(gòu)造。也就是說，控制器325可以切換發(fā)電機310的電構(gòu)造，以 便更有效率地產(chǎn)生電功率。在一個實施例中，控制器325可以將所測量的標(biāo)準(zhǔn)(例如，功率產(chǎn) 量或風(fēng)速)與一個或多個預(yù)定義閾值進(jìn)行比較，以確定何時在電構(gòu)造之間進(jìn)行切換。
[0029] 圖4A-4B是根據(jù)本文中所提出的實施例的示出當(dāng)在發(fā)電機構(gòu)造之間進(jìn)行切換時的 功率和轉(zhuǎn)子速度的圖表。圖4A中的圖表400示出了從三角形構(gòu)造切換到星形構(gòu)造的發(fā)電機 的輸出功率。在切換電構(gòu)造之前，在時刻A，控制器可以向發(fā)電機發(fā)送控制指令，該指令指示 發(fā)電機進(jìn)行斜降以使得發(fā)電機不產(chǎn)生功率或者大體上不產(chǎn)生功率。這樣做有效地將發(fā)電機 從電網(wǎng)中去除，并且能夠使渦輪機安全地切換到不同的電構(gòu)造。在時刻B，控制器可以指示 繼電器將發(fā)電機的繞組端部從三角形構(gòu)造重新構(gòu)造為星形構(gòu)造。在時刻C，控制器可以使由 發(fā)電機產(chǎn)生的功率進(jìn)行斜升，直到所述功率達(dá)到基于當(dāng)前風(fēng)力條件的期望功率設(shè)定。也就 是說，對于給定的風(fēng)力條件而言，控制器可以將發(fā)電機的輸出功率設(shè)定在最佳功率值(或者 在最佳功率值的范圍內(nèi)）。因為現(xiàn)在風(fēng)力渦輪機處于星形構(gòu)造，所以渦輪機能夠在較低的風(fēng) 速下更有效率地輸出功率。
[0030] 圖表400中所示的示例還應(yīng)用在從星形構(gòu)造切換到三角形構(gòu)造時。也就是說，在確 定切換之后，控制器可以在指示繼電器將發(fā)電機重新構(gòu)造成三角形構(gòu)造之前使功率斜降。 一旦完成，就可以使發(fā)電機功率斜升至針對當(dāng)前風(fēng)速的期望或最佳功率輸出。
[0031] 圖表405示出了在從星形構(gòu)造切換到三角形構(gòu)造時的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度。在一個實施 例中，星形構(gòu)造下的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度可以為近似12RPM。在時刻A與時刻B之間，控制器在使 發(fā)電機功率輸出如圖表400所示進(jìn)行斜降的同時降低轉(zhuǎn)子速度。例如，控制器可以耦合到槳 葉變槳距系統(tǒng)(blade pitching system)，該槳葉變槳距系統(tǒng)允許控制器使槳葉變槳距以 使其迎風(fēng)（即，使槳葉旋轉(zhuǎn)以使得槳葉的前緣轉(zhuǎn)動到平行于風(fēng)向的方向），由此減少風(fēng)力渦 輪機從風(fēng)中獲得的能量的量。另外或替代地，控制器可以使用制動系統(tǒng)來降低轉(zhuǎn)子速度，如 圖所示。如果控制器不使用槳葉變槳距系統(tǒng)或轉(zhuǎn)子制動器來降低轉(zhuǎn)子速度，那么轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 將隨著發(fā)電機功率輸出的減小而提高。因為發(fā)電機充當(dāng)傳動系統(tǒng)上的負(fù)載，所以在發(fā)電機 處產(chǎn)生較低的功率減小了傳動系統(tǒng)上的負(fù)載，從而提高轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度。因此，如圖表405中 所示，隨著發(fā)動機的負(fù)載減小，控制器可以使用槳葉變槳距系統(tǒng)或制動系統(tǒng)來降低轉(zhuǎn)子速 度。
[0032] 在時刻B與時刻C之間，可以在發(fā)電機切換電構(gòu)造的同時保持較低的轉(zhuǎn)子速度(被 稱為連接速度，并且可以為近似11.5RPM)。在時刻C，控制器可以通過例如使槳葉變槳距以 使其避風(fēng)（即，使槳葉旋轉(zhuǎn)以使得槳葉的前緣轉(zhuǎn)動到垂直于風(fēng)向的方向）來開始提高轉(zhuǎn)子速 度。同時，控制器可以增大發(fā)電機的功率輸出，這會增大槳葉上的負(fù)載。然而，因為控制器允 許轉(zhuǎn)子提高由風(fēng)推動而產(chǎn)生的能量，所以轉(zhuǎn)子速度并未降低，相反還有所提高。在時刻D，轉(zhuǎn) 子達(dá)到三角形構(gòu)造的最佳速度，該最佳速度可以為近似13RPM。
[0033]如圖表400和405所示，改變電構(gòu)造可以改變由風(fēng)力渦輪機經(jīng)歷的推力或轉(zhuǎn)矩。具 體而言，如時刻A處所示，控制器隨著發(fā)電機負(fù)載的減小而降低轉(zhuǎn)子速度。減小的負(fù)載和轉(zhuǎn) 子速度使轉(zhuǎn)子對風(fēng)力渦輪機施加的力（例如，推力或轉(zhuǎn)矩)減小。這一變化的力可能使風(fēng)力 渦輪機疲勞。此外，因為在切換電構(gòu)造時的時刻B與時刻C期間將轉(zhuǎn)子速度降低到低連接速 度，所以控制器不得不在時刻D使轉(zhuǎn)子速度斜升至最佳速度。槳葉的頂端速度的這一變化可 能在轉(zhuǎn)子對渦輪機施加的力下產(chǎn)生額外的變化，這可能進(jìn)一步使渦輪機疲勞。實驗數(shù)據(jù)表 明，由于上述變化的力，2-3%的塔架疲勞發(fā)生于在電構(gòu)造之間進(jìn)行切換時。因此，當(dāng)在電構(gòu) 造之間進(jìn)行切換時減少力的變化可以減少設(shè)計成本以及用于修理渦輪機中的結(jié)構(gòu)損壞的 維護(hù)成本。
[0034] 圖4B示出了在三角形構(gòu)造與星形構(gòu)造之間進(jìn)行切換以用于減少轉(zhuǎn)子對渦輪機塔 架施加的力的變化量的示例。如同圖表400，圖4B中的圖表410示出了從三角形構(gòu)造變?yōu)樾?形構(gòu)造的發(fā)電機的功率輸出。然而，圖表415與圖表405的區(qū)別在于：圖表415示出了在不首 先降低到連接速度的情況下在切換前速度（即，在時刻A之前)到期望的切換后速度（即，在 時刻D之后)之間切換轉(zhuǎn)子速度的實施例。具體而言，圖表415示出了控制器可以通過在切換 過程期間保持大體上恒定的（或者略微增大的）轉(zhuǎn)子速度來減小轉(zhuǎn)子對渦輪機施加的變化 的力。為了這樣做，圖表415示出了三個不同的實施例(實線420、點線425、和短劃線430)，其 中，避免了由于使轉(zhuǎn)子速度降低至連接速度并且繼而使轉(zhuǎn)子速度從連接速度斜升至最佳速 度所導(dǎo)致的力的變化。盡管由降低發(fā)電機負(fù)載所導(dǎo)致的力的變化仍然可能改變轉(zhuǎn)子對塔架 施加的力，但是圖表415中所示的示例避免了由于使轉(zhuǎn)子速度減小至連接速度并且繼而在