專利名稱：在電力網中突然的電壓變化時操作風力發(fā)電設備的方法
在電力網中突然的電壓變化時 操作風力發(fā)電設備的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及操作具有轉子的風力發(fā)電設備的方法，通過驅動系將 驅動力矩傳輸到發(fā)電機，所述轉子通過驅動系將驅動力矩傳輸到發(fā)電 機，其中，發(fā)電機提供可預先設置的與驅動力矩反作用的發(fā)電機力矩， 并可連接到電力網。
這樣的風力發(fā)電設備通常連接到電業(yè)中的功率提供電力網中，并 向功率提供電力網饋送電功率。在這樣做時，風力發(fā)電設備提供有功 功率和無功功率，并可能對于功率提供電力網的穩(wěn)定作出貢獻。
在詳細的電力網連接規(guī)則中說明了電業(yè)對于風力發(fā)電設備的要 求。關于這點，在電力網中電壓驟降時對風力發(fā)電設備的行為的要求 在過去幾年發(fā)生了很大的變化。在過去，風力發(fā)電設備必須在發(fā)生電 壓突降時盡可能快地與電力網分離，而實際的電力網連接規(guī)則規(guī)定， 風力發(fā)電設備必須在發(fā)生特定的電壓驟降時與電力網保持連接，以便 通過提供無功功率來支持電力網。例如，電力網連接規(guī)則可能規(guī)定， 風力發(fā)電設備在發(fā)生電壓驟降時不與電力網分離，其中，電力網中保持的電壓大于額定電壓的15%,并且不超過特定的時間段。
然而，必須采取特殊保護措施，以便避免當風力發(fā)電設備的電組 件在電力網的電壓突然變化的過程中與電力網保持連接時損壞或毀 壞電組件。
從WO 204/030199已知具有對應的保護裝置的發(fā)電機系統和 發(fā)電機系統的操作的方法。已知的發(fā)電機系統具有雙饋電或三相發(fā)電 機，該發(fā)電機具有耦合電力網的定子線圏和至少一個轉子線團。在已 知的方法中，在檢測到電力網的電壓的突然變化之后，通過激活快速 的切斷單元，中斷定子電路中的電流流動。此后，將發(fā)電機再次與實 際的電力網電壓同步，并再次允許電力網和定子之間的電流流動。通 過此措施，避免了發(fā)電機系統的組件的電過栽。
然而，當在風力發(fā)電設備中使用這樣的發(fā)電機系統時，也必須考 慮在發(fā)生電壓變化過程中產生的機械應力。例如，在風力發(fā)電設備的 活動部件的滯后系數巨大的情況下，例如，作為突然的電壓變化的后 果，會發(fā)生發(fā)電機力矩的最顯著的突變，這會導致驅動系的元件的高 機械應力。
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供風力發(fā)電設備的操作的方法，該 方法減小了由于電力網電壓的突然變化而導致的風力發(fā)電設備的組
件的那些機械應力。
此目的是通過具有專利權利要求1的特征的方法來實現的。 根據本發(fā)明的方法用于操作具有轉子的風力發(fā)電設備，所述轉子 通過驅動系將驅動力矩傳輸到發(fā)電機，其中，發(fā)電機提供可預先設置 的與驅動力矩反作用的發(fā)電機力矩，并可連接到電力網，其中，在電 力網中突然的電壓變化之后，根據驅動系的扭轉振動的相位位置來控 制發(fā)電機力矩。
該方法基于這樣的發(fā)現特別地通過與電壓變化相聯系的發(fā)電機 力矩的突然變化，電力網中突然的電壓變化可能導致風力發(fā)電設備的 驅動系的機械振動。在此，驅動系可以包括轉子軸和發(fā)電機軸以及互 連的齒輪箱。另一方面，在沒有齒輪箱的風力發(fā)電設備的情況下，驅 動系基本上由將發(fā)電機連接到轉子的連續(xù)軸構成。
驅動力矩是從風中提取的由轉子施加于轉子軸上的轉矩?？深A先 設置的發(fā)電機力矩反作用于此驅動力矩，相當于由轉子對發(fā)電機的驅 動。在對力矩的該定義中，驅動力矩以及發(fā)電機力矩在正常運轉中是 正的。電力網中的突然的電壓變化可以是例如由于電力網故障導致的 電壓驟降，也可以由于另一種原因，電力網電壓下降4艮大的量。例如 電壓驟降可以總計達到電力網電壓的30%或更大。然而，也可以是 在排除了之前可能已經導致了電壓驟降的故障之后電力網中的電壓 的突然升高。
觀察和計算已經表明，由發(fā)電機力矩的突然變化觸發(fā)的驅動系力
矩的扭轉振動可能具有很大的幅值，該值可能達到與在正常操作中傳 輸的額定力矩類似的數量級。由此，驅動力矩和發(fā)電機力矩可能呈現 高峰值，甚至負值?？紤]這些扭轉振動的相位位置能夠顯著降低驅動 系和與它相聯系的風力發(fā)電設備的組件的整個發(fā)生力矩應力。
根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在突然的電壓變化發(fā)生之后，發(fā)電機 力矩呈現最小值，并在取決于驅動系的扭轉振動的相位位置的時間點 從最小值開始增大。在本發(fā)明的此實施例中，已經發(fā)現，特別地通過 發(fā)電機力矩的增大的時間點，影響機械應力。當根據驅動系的扭轉振 動的相位位置選擇該時間點時，可以有目的地縮小應力。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，時間點驅動力矩為正并增大的時間間 隔內。該增大是正的，即，驅動力矩具有正梯度。因此，在驅動力矩 增大的同時，發(fā)電機力矩也增大。由此，實現了發(fā)電機力矩的增大會 反作用于驅動系的振動。結果，通過對發(fā)電機力矩的有目的的控制， 對振動產生阻尼。在此，驅動力矩是在轉子的區(qū)域中作用于轉子軸的 轉矩，轉子也通過驅動系的扭轉振動的反作用產生振動。
根據本發(fā)明的進 一 步的優(yōu)選實施例，時間點大致與驅動力矩的時 間進程的轉折點一致。在此情況下，反作用于扭轉振動的發(fā)電機力矩 在扭轉運動的加速度回復其方向的時刻開始起作用。因此，實現了對 扭轉振動的特別有效的阻尼。
優(yōu)選地，在轉折點之后的驅動力矩的最大值的時間點已經基本上 完成了發(fā)電機力矩的形成。然而，力矩的形成的可能的速度是受限的， 因此，根據情況，力矩的形成不能完全在轉折點和隨后的最大值之間 的有利的時間間隔內完成，因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，發(fā)電機 力矩在突然的電壓變化之后的具有正的和增大的驅動力矩的多個時 間間隔內增大，并在具有減小的或負的驅動力矩的時間間隔內大致保 持恒定。由此，在具有減小的或負的驅動力矩的時間間隔內，發(fā)電機 力矩基本上停止增大，以避免對驅動系的扭轉振動的任何激勵。發(fā)電 機力矩的變化只在那些發(fā)電機力矩的增大反作用于扭轉振動的時間 間隔內發(fā)生。由此，系統的機械應力可以最小化，并盡可能快地減小
扭轉振動?？蛇x地，發(fā)電機力矩的形成也可以在扭轉振動的整個"正 的半波"過程中進行，即，直到驅動力矩的斜率下降的轉折點之前。 由此可以以力矩形成的有限最大可能速度在較小數量的振動周期內 形成力矩，從而在較短的時間內形成。
根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，發(fā)電機力矩一直增大，直到達到預定 的期望值。優(yōu)選地， 一直執(zhí)行該方法，直到風力發(fā)電設備再次正常操 作。
原則上，發(fā)電機力矩的增大可以以任意的進程進行，例如，線性 的或指數的。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，發(fā)電機力矩的增大發(fā)生并伴 隨阻尼，其時間常數取決于驅動系的振動的頻率。由此，可以實現發(fā) 電機力矩的增大速度與驅動系振動的速度匹配。由此，特別有效地對 驅動系的振動產生了阻尼，并防止了對其他振動模式的激勵。
根據本發(fā)明的進一步的實施例，確定時間常數的大小，以便發(fā)電 機力矩的增大基本上在驅動系的扭轉振動的四分之一周期內完成。例
如，發(fā)電機力矩增大到期望值的3/4可以在此時間跨度內完成。通過 這樣做，相當大的比例的發(fā)電機力矩已經在扭轉振動的第一時間段內 達到，使得風力發(fā)電設備再次以高發(fā)電機力矩非?？焖俚毓ぷ?，扭轉 振動不會遇到任何額外的激勵。
根據本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例，通過對驅動力矩的連續(xù)的直 接測量，檢測驅動系的扭轉振動的相位位置。測量可以例如借助于轉 子軸上張力計帶來進行。
在本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例中，通過對驅動系或驅動系元件 的旋轉速度進行連續(xù)測量，檢測驅動系的扭轉振動的相位位置。由此， 可以根據旋轉速度的測量值，對發(fā)電機力矩進行控制。
在本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例中，通過對轉子或驅動系元件的 加速度進行連續(xù)測量，檢測驅動系的扭轉振動的相位位置。
根據本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例，通過對在發(fā)電機上連續(xù)地測 量的電流和/或電壓值進行的分析，進行驅動系的扭轉振動的相位位置 的檢測。例如，可以根據發(fā)電機上的電流和/或電壓值確定發(fā)電機力矩。
通過驅動系的扭轉振動影響發(fā)電機力矩。根據適當的數學模型，可以 根據此計算出驅動力矩的進程和相位位置。
根據本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例，通過對連續(xù)地測量的幅值進 行外插，確定驅動系的扭轉振動的相位位置。由此，根據測得的數據， 預期對發(fā)電機力矩進行控制的最佳的時間點，這始終包括由于測量處 理和數據分析的特定延遲。由此，可以提高對發(fā)電機力矩進行控制的 精度.
根據本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例，測量或計算驅動系的扭轉振 動的固有頻率，并根據該固有頻率和突然的電壓變化的時間點確定扭 轉振動的相位位置。在此情況下，可以避免對扭轉振動的相位位置的 昂貴的測量，并可以根據風力發(fā)電設備的驅動系的已知機械特性，預 先設置發(fā)電機力矩的增大。
在本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例中，在突然的電壓變化發(fā)生之后 一段時間間隔內發(fā)電機力矩大致呈現零值。由此，可以使發(fā)電機力矩 特別平穩(wěn)地起動。
下面將通過在四幅附圖中示出的本發(fā)明兩個實施例，更詳細地說 明本發(fā)明。


圖1顯示了本發(fā)明的方法的第一實施例中的驅動力矩和發(fā)電機
力矩的進程；
圖2顯示了用于圖1的方法的發(fā)電機力矩控制的流程圖； 圖3顯示了本發(fā)明的方法的第二實施例中的對發(fā)電機力矩的控 制的流程圖4顯示了利用根據圖2的控制的第二實施例中的驅動力矩 和發(fā)電機力矩的時間進程。
在圖1中，表示出了驅動力矩，即，出自于風并作用到轉子軸 的風力發(fā)電設備的力矩的進程。在下面的圖形中，表示出了發(fā)電機力 矩的進程。
圖1的兩個圖形的共同的時間軸覆蓋了大約1秒的時間間隔。 所表示的力矩的進程取自模擬計算。
在所表示的時間部分的開始，風力發(fā)電設備正常操作。在此時間
點，驅動力矩10和發(fā)電機力矩12被標準化為值1。在以t = 20秒 表示的時間，電力網中出現了突然的電壓驟降。作為由于電壓驟降的 結果，發(fā)電機力矩首先突然地增大，此后在非常短的時間內下降到零。
作為發(fā)電機力矩12的突然變化的結果，激勵了驅動系的機械扭 轉振動，這會反作用于驅動力矩10。因此，驅動力矩呈現強烈變化 的值，其呈現小于-0.5直至顯著高于1的范圍。從圖形中可以看出， 正在出現的扭轉振動的頻率大約是2到3赫茲。
以虛線表示的曲線14示出了不再次形成發(fā)電機力矩而是保持 在零值的情況的驅動力矩的進程。因此，曲線14是驅動系的機械振 動特性的描述。結果是，扭轉振動的幅值在所表示的時間間隔內幾乎 保持恒定，從其中可以推斷，機械系統的內部阻尼比較小。
以16表示的驅動力矩的進程代表在時間點18根據本發(fā)明的 發(fā)電機力矩增大之后扭轉振動的進程。在該方法中，連續(xù)地測量驅動 力矩的相位位置。在以18表示的時間點，驅動力矩10增大，并且 是連續(xù)的。此外，其剛好經過轉折點，即，扭轉振動的角速度剛好開 始從其最大值減小。在此時間點18，發(fā)電機力矩22以本示例中的 PTl-進程連續(xù)地增大，直至期望值。由此，正在形成的發(fā)電機力矩導 致了以20表示的時間間隔內的扭轉振動的阻尼。在圖1的上面的 圖形中可以清楚地看出，由于阻尼導致驅動力矩16的幅值迅速降 低。同時，通過在時間間隔20內迅速形成發(fā)電機力矩，發(fā)電機力矩 的期望值已經基本上已達到。因此，所關注的大部分的電能在較早時 刻再次給送到電力網中。
在時間間隔20之后的時間范圍內，發(fā)電機力矩仍然只是慢慢地 增大，以便盡可能地避免對扭轉振動的附加激勵。
圖2表示的對發(fā)電機力矩進行控制的流程圖在菱形30(HU(主 要轉換器)已準備好同步了嗎？)中開始，檢查主要轉換器在電壓驟 降之后是否已再次準備好將發(fā)電機與電力網同步。如果是的話，則在 32表示的菱形(是驅動力矩的有利位置嗎？)中分析扭轉振動的相
位位置。為此，例如，對驅動力矩進行連續(xù)測量。在此過程中，相位 位置有利于形成發(fā)電機力矩，其中，所形成的發(fā)電機力矩自身對扭轉 振動形成阻尼。如上文所描述的，這是其中驅動力矩是正的并呈現增
大值的有利的時間間隔的情況。這對應于圖1中的以20表示的時間 間隔，其中，驅動系的扭轉運動正由于振動而變慢。更準確地，以驅 動力矩的增大的斜率中的轉折點開始該間隔。
當在菱形32中檢查結果不是在此意義上有利的驅動力矩的相 位位置，則不形成發(fā)電機力矩。這通過方框34表示出來(不開始形 成)。
另一方面，當在32中檢查結果是驅動力矩的有利相位位置時， 在方框36 (根據預置進程的發(fā)電機力矩開始)開始發(fā)電機力矩的形 成。為此，主要轉換器接收開始信號，隨之根據預置進程增大預置的 發(fā)電機力矩。此處理可以遵循在圖1中的時間點18處觸發(fā)的發(fā)電機 力矩22的進程。
本發(fā)明的備選實施例提供了對發(fā)電機力矩的形成的控制。在圖3 表示的流程圖中，此控制方法也以檢查主要轉換器(HU)是否已準備 好進行同步(菱形40， HU已準備好進行同步了嗎？)開始，并連 續(xù)地執(zhí)行直到發(fā)電機力矩達到最終值。
如果是的話，則在菱形42 (驅動力矩的有利相位位置)中，開 始分析驅動力矩的連續(xù)測量值。當這種分析的結果是驅動力矩的有利 相位位置時(參見圖2的說明)，在方框44中以預置最高速度， 即以預置最大梯度增大發(fā)電機力矩(形成發(fā)電機力矩的最大梯度)。 在此過程中，在方框46 (測量發(fā)電機力矩)中測量發(fā)電機力矩。在 菱形48(達到最終值了嗎？)中分析此測量值。當發(fā)電機力矩已經 達到預置最終值時，發(fā)電機力矩的形成完成(方框50,完成發(fā)電機 力矩的形成)。
相反，當在48中檢查結果是仍沒有達到發(fā)電機力矩的預置的最 終值，則從菱形40開始，再次執(zhí)行流程圖。當在42中對驅動力矩 的相位位置進行分析的結果是不利的相位位置時，即進一步增大發(fā)電
機力矩將會另外激勵驅動系的扭轉振動的相位位置，則在方框52(對 于發(fā)電機力矩的形成，減小梯度或無梯度)分別停止發(fā)電機力矩的進 一步形成，或只以降低的速度繼續(xù)。這樣，在驅動系的扭轉振動的不 利的相位位置，發(fā)電機力矩基本上保持恒定。此后，在方框46中， 測量發(fā)電機力矩，在48中，檢查是否已經達到預置的最終值。如果 還沒有達到預置的最終值，則再次執(zhí)行循環(huán)。
執(zhí)行圖3的流程圖表示的發(fā)電機力矩的控制方法會產生圖4 所表示的驅動力矩60和發(fā)電機力矩62的進程。
直至時間間隔64的結束，力矩的進程不同于圖1所表示的實 施例。然而，與第一實施例相比，在時間點66，以70所表示的區(qū) 域中的發(fā)電機力矩的形成停止，驅動力矩的斜率的增大在68處結 束。當檢查驅動力矩的相位位置時，在時間點66已經檢測到不利的 相位位置。為了避免對扭轉振動的不必要的激勵，不進一步增大發(fā)電 機力矩。
在以72表示的時間點，再次檢測有利相位位置，在以74表示的 時間間隔重新開始增大發(fā)電機力矩。
由此，發(fā)電機力矩的形成被限制在其中發(fā)電機力矩的增大對扭轉 振動產生阻尼的那些時間間隔。作為選擇，在這些時間間隔之間也可 以增大發(fā)電機力矩。然而，也可以以低得多的速度執(zhí)行同樣的操作。
也可以執(zhí)行發(fā)電機力矩的較高階的線性增大或衰減，代替圖1 和4表示的PT1進程。
權利要求
1、一種操作具有轉子的風力發(fā)電設備的方法，所述轉子通過驅動系將驅動力矩傳輸到發(fā)電機，其中，發(fā)電機提供可預先設置的與驅動力矩反作用的發(fā)電機力矩，并可連接到電力網，其特征在于，在電力網中突然的電壓變化之后，根據驅動系的扭轉振動的相位位置來控制發(fā)電機力矩。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在突然的電壓變 化發(fā)生之后，發(fā)電機力矩呈現最小值，并在取決于驅動系的扭轉振動 的相位位置的時間點從最小值開始增大。
3、 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，該時間點在驅動 力矩為正并增大的時間間隔內。
4、 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，該時間點大致與 驅動力矩的時間進程的轉折點一致。
5、 根據權利要求2到4中的任何一項的方法，其特征在于， 多個時間間隔內增大，并在具有減小的或負的驅動力矩的時間間隔內大致保持恒定。
6、 根據權利要求2到5中的任何一項所述的方法，其特征在于，發(fā)電機力矩一直增大，直到達到預定的期望值。
7、 根據權利要求1到6中的任何一項所述的方法，其特征在于，發(fā)電機力矩的增大發(fā)生并伴隨阻尼，其時間常數取決于驅動系的振動的頻率。
8、 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，確定時間常數的大小，以便發(fā)電機力矩的增大基本上在驅動系的扭轉振動的四分之一周期內完成。
9、 根據權利要求1到8中的任何一項所述的方法，其特征在于，通過對驅動力矩的連續(xù)的直接測量，檢測驅動系的扭轉振動的相位位置。
10、 根據權利要求1到8中的任何一項所述的方法，其特征在 于，通過對驅動系或驅動系元件的旋轉速度進行連續(xù)測量，檢測驅動 系的扭轉振動的相位位置。
11、 根據權利要求1到8中的任何一項所述的方法，其特征在 于，通過對轉子或驅動系元件的加速度進行連續(xù)測量，檢測驅動系的 扭轉振動的相位位置。
12、 根據權利要求1到8中的任何一項所述的方法，其特征在 于，通過對在發(fā)電機上連續(xù)地測量的電流和/或電壓值進行的分析，進 行驅動系的扭轉振動的相位位置的檢測。
13、 根據權利要求9到12中的任何一項所述的方法，其特征 在于，通過對連續(xù)地測量的幅值進行外插，確定驅動系的扭轉振動的 相位位置。
14、 根據權利要求1到13中的任何一項所述的方法，其特征 在于，測量或計算驅動系的扭轉振動的固有頻率，并根據該固有頻率 和突然的電壓變化的時間點確定扭轉振動的相位位置。
15、 根據權利要求1到14中的任何一項所述的方法，其特征 在于，在發(fā)生突然的電壓變化之后一段時間間隔內發(fā)電機力矩大致呈 現零值。
全文摘要
本發(fā)明涉及在電力網中突然的電壓變化時操作風力發(fā)電設備的方法，具體公開了一種操作具有轉子的風力發(fā)電設備的方法，所述轉子通過驅動系將驅動力矩傳輸到發(fā)電機，其中，發(fā)電機提供可預先設置的與驅動力矩反作用的發(fā)電機力矩，并可連接到電力網，其特征在于，在電力網中突然的電壓變化之后，根據驅動系的扭轉振動的相位位置來控制發(fā)電機力矩。
文檔編號H02P9/00GK101207359SQ200710300959
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權日2006年12月20日
發(fā)明者伽納爾·馳彌茲, 埃伯哈德·沃斯, 托馬斯·福瑞斯, 馬瑟爾斯·薩克 申請人:諾德克斯能源有限公司