專利名稱：用于在低市電網(wǎng)電壓條件下運(yùn)行風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對從風(fēng)力渦輪機(jī)到電網(wǎng)的輸出電流進(jìn)行控制，特別涉及用于在電網(wǎng)電 壓由于變化的電網(wǎng)條件而變化的條件下控制電流的系統(tǒng)和方法，例如，當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)經(jīng)歷 故障以及從故障中恢復(fù)時。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，其將風(fēng)中的動能轉(zhuǎn)換為電能，由連接到市電網(wǎng) 的用戶使用。這種類型的能量轉(zhuǎn)換典型地涉及使用風(fēng)旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)葉片，渦輪機(jī)葉片又直接 或通過齒輪箱旋轉(zhuǎn)交流(AC)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。AC發(fā)電機(jī)的主要電氣輸出來自其定子。來自定子的輸出可直接連接到電網(wǎng)，或通 過電力轉(zhuǎn)換器傳送?，F(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)的一種通用發(fā)電機(jī)為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)，其中， 來自定子的輸出受到在其轉(zhuǎn)子中的電流的控制。這樣的系統(tǒng)中的定子可直接連接到電網(wǎng)， 因為受到轉(zhuǎn)子控制的定子電壓和頻率可被強(qiáng)制匹配于電網(wǎng)電壓和頻率。非DFIG發(fā)電機(jī)，例如同步發(fā)電機(jī)或鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，也可用作風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng) 中的發(fā)電機(jī)，其提供受控的有功和無功功率。當(dāng)這些機(jī)器類型用在可變速度配置中時，完全 轉(zhuǎn)換器(full converter)用在定子輸出和市電網(wǎng)之間，因為發(fā)電機(jī)的輸出頻率不受控制。 完全轉(zhuǎn)換器將定子的AC輸出整流為DC，接著，在與電網(wǎng)電壓和頻率匹配的等級上將DC逆變 回為AC?？蓮娘L(fēng)力渦輪機(jī)獲得并供到市電網(wǎng)的電力為風(fēng)速、風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子特性、風(fēng)力渦 輪機(jī)以及相關(guān)聯(lián)的設(shè)備的效率、電網(wǎng)中的損耗以及配電系統(tǒng)和連接于其上的負(fù)載的特性的 函數(shù)。由于風(fēng)速和負(fù)載波動，電網(wǎng)中的電壓等級可能變化。類似地，由于大多數(shù)電力傳輸部 件具有相當(dāng)大的無功部件，電網(wǎng)中的電壓也是連接到電網(wǎng)的部件以及負(fù)載的無功特性的函數(shù)。
0006]為了防止對設(shè)備的損壞，電網(wǎng)電壓必須被保持在某個容許范圍內(nèi)，當(dāng)這些限制值 被超過時，必須采取動作。對于標(biāo)稱電壓+/-5%或類似的數(shù)量級上的變化，可變量的無功的 供給者或吸收者用于補(bǔ)償由于電網(wǎng)無功性質(zhì)的電壓變化。當(dāng)發(fā)生短路型電網(wǎng)故障時，電網(wǎng)電壓可能下降到遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常水平，除其它的以 外，由于過大的電流和機(jī)械應(yīng)力，可潛在地?fù)p壞發(fā)電設(shè)備。如公知的那樣，功率等于電壓乘 以電流。因此，如果存在電壓的下降且功率不減少，電流將會急劇上升。為了保護(hù)免受損壞，如果電壓中的下降對于相當(dāng)大的時間段存在，斷路器或類似 于保險絲的裝置將包含故障的電網(wǎng)部分與電源隔離。包含故障的電網(wǎng)部分的隔離稱為“清 除(clearing)”。使用恒定功率控制器(有功與無功)的風(fēng)力渦輪機(jī)和/或風(fēng)電場特別容易受到過 大的電流的損壞。如果功率控制環(huán)不能足夠快地響應(yīng)，輸出電流將會出現(xiàn)尖峰，以便保持 固定的功率等級并補(bǔ)償下降的電壓。為了保護(hù)免受高電流損壞，許多現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)將 故障電流期間的輸出電流限制到最大預(yù)設(shè)值，由此使得由于高電流引起的潛在的損壞最小化。本發(fā)明對于保護(hù)使用通常被描述為恒定電流或受控電流源的控制概念。本說明書 中使用的術(shù)語“恒定電流”或“受控電流”可解釋為意味著恒定或受控電流通過實質(zhì)上固定 的比例因子與命令或基準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)，且實質(zhì)上不依賴于電流被饋送的電壓。作為恒定或受控電流源運(yùn)行的風(fēng)力渦輪機(jī)的功率輸出與電網(wǎng)電壓直接成比例地 變化。因此，故障期間的電壓經(jīng)歷變化的輸出功率的兩個階段。當(dāng)電壓響應(yīng)于故障下降時， 輸出功率處于最小值，已經(jīng)經(jīng)過從完整功率到低得多的等級的實質(zhì)上陡峭的轉(zhuǎn)變。在故障 被清除之后，電網(wǎng)電壓上升，這從風(fēng)力渦輪機(jī)要求增大的量的輸出功率，直到功率被恢復(fù)到 故障前的水平。過去，更為常見的是通過將受到故障影響的渦輪機(jī)從電網(wǎng)斷開來保護(hù)渦輪機(jī)。然 而，隨著用于發(fā)電的風(fēng)力渦輪機(jī)的數(shù)量增多，增大了其對電網(wǎng)總電力的相對貢獻(xiàn)，出現(xiàn)的實 際要求風(fēng)力渦輪機(jī)保持連接，以便在故障期間以及在電網(wǎng)從故障恢復(fù)時幫助支撐電網(wǎng)，也 就是說，根據(jù)需要提供有功或無功電流。支撐要求通常涉及通過試圖升高系統(tǒng)電壓并使將風(fēng)力渦輪機(jī)引回在線發(fā)電需要 的時間最小化來抵消故障的影響。另外，盡管看起來違反直覺，被影響的風(fēng)力渦輪機(jī)繼續(xù)以 與故障之前存在的實質(zhì)上相同的量值提供輸出電流而不減小它是有利的。標(biāo)準(zhǔn)化的輸出電 流最好能夠致動保護(hù)裝置，并因此可能縮短隔離故障的時間。在故障過程中保持風(fēng)力渦輪機(jī)連接并提供電力的另一動機(jī)是減小在故障清除后 使斷開的渦輪機(jī)重新回到在線需要的時間。如果風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子可以以故障前的速度或 接近故障前的速度保持運(yùn)行，完全回到在線的時間可大大縮短。相反，如果負(fù)載被減小，如 同在故障條件下一樣，將會使得渦輪機(jī)的葉片迅速加速，除非采取某些步驟來解決問題，否 則，損壞將會發(fā)生。世界范圍內(nèi)的電網(wǎng)規(guī)程要求低電壓電網(wǎng)故障期間的不同的動作。某些電網(wǎng)規(guī)程在 電網(wǎng)擾動期間要求完全的無功電流以及盡可能大的有效電流。其它的電網(wǎng)規(guī)程優(yōu)先考慮有 效電流。盡管可能希望能夠同時使得有功與無功電流最大化，部件發(fā)熱——無論其是DFIG 的轉(zhuǎn)子還是部分或完全轉(zhuǎn)換器的電流承載元件——為被承載的電流的有功與無功分量的 函數(shù)。因此，如果希望使得有功電流最大化，則無功電流部件必須最小化。類似地，如果無 功電流將被最大化，則總電流的有功電流分量必須被最小化。本發(fā)明被指向解決上述問題，通過提供分立的無功電力供應(yīng)以處理故障期間的無 功電流需求，并要求風(fēng)力渦輪機(jī)自身使得有功功率最大化，能夠最大化可從風(fēng)力渦輪機(jī)或 風(fēng)力渦輪機(jī)組獲得的有功與無功電流分量。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，當(dāng)葉片尖端速度與風(fēng)速比恒定在對于特定風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計 的特定設(shè)置值上或其附近時，可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)提取其能從風(fēng)獲得的最大量。然而，由 于發(fā)電機(jī)速度限制，不可能在整個風(fēng)速范圍上以其最優(yōu)葉片尖端-風(fēng)速比來運(yùn)行風(fēng)力渦輪 機(jī)。換句話說，由于風(fēng)速增大，發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度增大，并將之引入更加接近于轉(zhuǎn)子和發(fā)電 機(jī)的速度上限。在作為風(fēng)力渦輪機(jī)最有效率的區(qū)域的中速到高速區(qū)域中，通過使來自系統(tǒng)的功率 輸出與可從風(fēng)中獲得的功率輸出平衡，葉片尖端與風(fēng)速比被保持為恒定。也就是說，風(fēng)力渦 輪機(jī)被命令的功率從對風(fēng)速的獲知得出，并被設(shè)置為該值。
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在較高的風(fēng)速下，不能允許風(fēng)力渦輪機(jī)以其最優(yōu)葉片尖端與風(fēng)速比——稱為尖端 速度比(典型地在大約6到10范圍內(nèi))——運(yùn)行，因為保持該比恒定將要求超過其限制值 的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度。因此，當(dāng)風(fēng)速增大到其標(biāo)稱速度，且進(jìn)一步的增大將使發(fā)電機(jī)進(jìn)入不安 全的速度范圍時，發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)被鉗位到標(biāo)稱速度點(diǎn)。如果風(fēng)速進(jìn)一步增大，被命令的功 率輸出被限制到固定值，葉片槳距變化，以便保持從風(fēng)獲取的功率等于保持風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn) 子、且因此保持發(fā)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)標(biāo)稱速度所必需的功率。使用葉片槳距控制，因為即使存 在在高風(fēng)速下可從風(fēng)中提取的更多的功率，使得風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子在提取過多電力方面效率 較低。在較高風(fēng)速的情況下(如同在較低速度范圍的情況下那樣)，必須存在由轉(zhuǎn)子系 統(tǒng)捕獲的功率和從渦輪機(jī)輸出的功率加上多種風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)中的損耗之間的平衡。然 而，這些范圍中的運(yùn)行之間的差異在于，在最優(yōu)速度范圍內(nèi)，葉片被設(shè)置為提取盡可能多的 可獲取的功率，在較高速度范圍內(nèi)，葉片槳距被設(shè)置為提取剛好夠的功率，以滿足對于完全 功率所要求的值，其小于實際可從風(fēng)中獲得的。當(dāng)平衡被干擾時，如同突然低電壓故障的情況中那樣，現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)經(jīng)常使用 到無功率位置的迅速葉片槳距改變，接著關(guān)閉，以便防止由于過電流以及過速度條件引起 的設(shè)備損壞。通常，風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片系統(tǒng)所捕獲的功率由下式得出巧/=^狀、V^S1其中，η為效率因子，取決于發(fā)電機(jī)、齒輪箱等的效率，P為空氣密度，其在海平 面上大約為1.225kg/m3，R為以米為單位的轉(zhuǎn)子半徑，Cp為從風(fēng)提取的功率的分?jǐn)?shù)，ν為以 米/秒為單位的風(fēng)速?，F(xiàn)有技術(shù)中作為葉片槳距角和葉片尖端與風(fēng)速之比(lambda)的函數(shù)的Cp曲線集 如圖1所示。如圖1所示，各個不同的葉片槳距角曲線具有Cp為最大值的不同的葉片槳距 與風(fēng)速比。各個最大Cp點(diǎn)上，葉片槳距角vs葉片尖端與風(fēng)速比的曲線因此得到將會允許 在各個lambda時提取最大可用功率的葉片槳距角。本領(lǐng)域技術(shù)人員將由圖1的實例意識 到，如果尖端與風(fēng)速比處于大約6到10的比，風(fēng)中的最大功率將被提取。對于給定的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計，當(dāng)作為葉片槳距角的函數(shù)的Cp和ν已知時，公式1 計算風(fēng)力渦輪機(jī)的實際電氣輸出。類似地，公式1的同樣的構(gòu)成可用于計算Cp而不是Pel，如下式
2PCp=^t 公式 2
ηρπΚ ν公式2因此給出了從速度為ν的風(fēng)提取Pel的電氣值需要的功率系數(shù)值，其作為 lambda的函數(shù)。本發(fā)明使用圖1、公式1、公式2中的信息來確定在故障期間以及在故障之后將從 風(fēng)中提取施加在風(fēng)力渦輪機(jī)上的功率的葉片槳距角，因此將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度保持為在故障 期間以及在故障之后基本恒定。本發(fā)明的一個另外的優(yōu)點(diǎn)在于，其通過在容忍由于故障產(chǎn)生的變化電壓的同時提
供受控電流值改進(jìn)了恢復(fù)特性。這與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相比更有利，在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，在
故障期間被傳送到負(fù)載的功率為變化的電壓和電流的瞬時函數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明保護(hù)低電壓故障期間的風(fēng)力渦輪機(jī)，并通過供給負(fù)電流反饋以強(qiáng)制發(fā)電設(shè) 備作為基本上獨(dú)立于電網(wǎng)電壓的恒定/受控電流源運(yùn)行來提供電網(wǎng)支撐，通過改變?nèi)~片槳 距角來匹配故障以及從故障恢復(fù)期間的實際輸出功率來保護(hù)免于轉(zhuǎn)子過速度，并在優(yōu)選實 施例中通過將提供有功與無功電流需要的功能分離來提供最大無功與有功電流。通過控制葉片槳距角，使得風(fēng)所提供以及由轉(zhuǎn)子吸收的功率基本上與風(fēng)力渦輪機(jī) 的功率輸出匹配，轉(zhuǎn)子速度在故障期間以及故障之后受到控制。在其優(yōu)選實施例中，通過使 用一個或多于一個的將葉片槳距與作為lambda的函數(shù)的功率輸出相關(guān)聯(lián)的查閱表，本發(fā) 明實現(xiàn)了基本上恒定的速度。在替代性實施例中，數(shù)學(xué)表達(dá)用于尋找葉片槳距角。如所提到的，電網(wǎng)規(guī)程建立了對于風(fēng)力渦輪機(jī)在低電壓電網(wǎng)故障期間的變化的要 求。本發(fā)明通過其傳送完整無功電流和/或完整有效電流或其任何子集以解決故障情況的 能力可滿足所有這些電網(wǎng)規(guī)程。這又使得統(tǒng)一的世界范圍的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計成為可能，實 際上減小了成本，特別是在當(dāng)前存在對風(fēng)力渦輪機(jī)的顯著需求的時間段內(nèi)。


參照附圖，其中，類似的標(biāo)號表示類似的元件圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)的功率輸出，其作為葉片尖端與風(fēng)速比 (lambda)以及風(fēng)速的函數(shù)；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)的最優(yōu)葉片槳距角，其作為葉片尖端與風(fēng)速比 (lambda)以及風(fēng)速的函數(shù)；圖3為現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)的主要部件的示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明具有多個風(fēng)力渦輪機(jī)和無功功率補(bǔ)償器的風(fēng)電場的示意圖；圖5示出了本發(fā)明的葉片槳距角和功率基準(zhǔn)產(chǎn)生控制系統(tǒng)的框圖；圖6給出了一框圖，其示出了本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)的主要控制系統(tǒng)。盡管本發(fā)明可進(jìn)行多種修改和替代方式，在附圖中以舉例的方式示出了特定實施 例，并在這里詳細(xì)進(jìn)行介紹。然而，應(yīng)當(dāng)明了，本發(fā)明不限于所公開的特定形式。相反，本發(fā) 明覆蓋落入所附權(quán)利要求限定范圍和精神的所有修改、等價和替代。
具體實施例方式如圖3原理性地示出的那樣，風(fēng)力渦輪機(jī)10支撐在塔架20上，風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙30 定位在塔架頂部。所示的風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子23具有通過槳距機(jī)構(gòu)26連接到輪轂24的三個風(fēng)力渦輪 機(jī)葉片25。各個槳距機(jī)構(gòu)26包含葉片軸承和槳距致動裝置，其允許葉片變槳距。變槳距過 程受到槳距控制器的控制。葉片軸承、槳距致動裝置和槳距控制器(未示出)的細(xì)節(jié)是現(xiàn) 有技術(shù)中公知的。參照圖4，多個風(fēng)力渦輪機(jī)10位于具有變電站(substation) 110、用于提供無功功 率以支撐電網(wǎng)電壓控制的靜態(tài)無功補(bǔ)償器115的風(fēng)電場100中。變電站110還包含低電壓 故障檢測器120、電壓傳感器125、無功功率控制器117。在通常的條件下，無功功率控制器
6117以命令的無功功率模式運(yùn)行，由此，無功功率輸出響應(yīng)于電壓傳感器125和標(biāo)稱電壓左 右的電網(wǎng)電壓條件以及來自系統(tǒng)運(yùn)行者的無功功率(或功率因數(shù))命令。對于本發(fā)明，低電壓故障是下降到低于每單位大約.85并停留在該值以下長于 大約40-100毫秒的電壓。當(dāng)故障被低電壓故障檢測器120檢測到時，信號被發(fā)送到S/H 215(圖6)以及圖5的S/H 315，以便將定子電流和lambda保持在其故障之前的值。類似 地，無功功率控制器117將靜態(tài)無功補(bǔ)償器115從受控?zé)o功功率模式切換到恒定/受控電 流模式。在故障條件下，來自風(fēng)電場100的有功與無功電流優(yōu)先為被控制為固定值。圖6 的控制系統(tǒng)200將有功輸出電流控制為在故障之前建立的值，靜態(tài)無功補(bǔ)償器115控制無 功電流為其預(yù)設(shè)值?；蛘?，靜態(tài)無功補(bǔ)償器115作為PCC上的電壓的預(yù)定函數(shù)地控制其輸 出無功電流。在優(yōu)選實施例中，低電壓故障檢測器120獨(dú)立于低電壓故障檢測器265運(yùn)行(見 圖6)，但是如果變電站與個體渦輪機(jī)之間的通信足夠快，低電壓故障檢測器120可經(jīng)由通 信接口 127向各個風(fēng)力渦輪機(jī)10提供命令以進(jìn)入低電壓故障模式。對于特定的風(fēng)速以及其相關(guān)聯(lián)的速度變量，目標(biāo)在于以這樣的葉片槳距角運(yùn)行渦 輪機(jī)轉(zhuǎn)子其將使從風(fēng)恢復(fù)的功率的分?jǐn)?shù)Cp最大化。另外，只要風(fēng)速恒定，且葉片槳距角不 變，轉(zhuǎn)子將保持在Cp點(diǎn)，只要可從轉(zhuǎn)子獲得的功率被電網(wǎng)負(fù)載吸收。參照圖5，轉(zhuǎn)子基準(zhǔn)發(fā)生器塊300提供部分負(fù)載、完整負(fù)載以及高風(fēng)速和故障條件 下的葉片槳距角。轉(zhuǎn)子基準(zhǔn)發(fā)生器塊300接收風(fēng)速信號、發(fā)電機(jī)軸速信號、輸出功率信號和 輸出功率等級以及葉片槳距控制信號。發(fā)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)速度通常通過將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度升高到 發(fā)電機(jī)245所需的齒輪箱可操作地與轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)。當(dāng)故障發(fā)生時，轉(zhuǎn)子基準(zhǔn)發(fā)生器塊300 也接收來自圖6的低電壓故障檢測器265的邏輯電平，故障之前的值在故障期間一直被保 持，并從故障恢復(fù)。參照圖5，風(fēng)速信號被輸入到定標(biāo)器1305，基于圖2的示例性曲線，其輸出對于給 定輸入風(fēng)速的最優(yōu)發(fā)電機(jī)速度(發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)(設(shè)置點(diǎn)))和葉片槳距角。此最優(yōu)發(fā)電 機(jī)速度信號在誤差檢測器310中與實際發(fā)電機(jī)速度進(jìn)行比較，差由定標(biāo)器2325進(jìn)行修改， 以表示部分負(fù)載基準(zhǔn)(設(shè)置點(diǎn))。這是風(fēng)力渦輪機(jī)將必須提供以便對于特定風(fēng)速保持實際 發(fā)電機(jī)速度等于基準(zhǔn)發(fā)電機(jī)速度的功率等級。部分負(fù)載基準(zhǔn)功率等級被饋送到開關(guān)330，其 選擇部分負(fù)載基準(zhǔn)值或是額定(標(biāo)稱)功率基準(zhǔn)等級。該值基于基準(zhǔn)功率的計算知是否大 于額定功率基準(zhǔn)來選擇。換句話說，如果基于風(fēng)速的功率等級等于或大于額定(標(biāo)稱)功 率，則開關(guān)330選擇額定電力值，因為基于風(fēng)速的值將超過渦輪機(jī)額定。開關(guān)330的輸出饋 送到采樣保持(S/H) 205 (在此圖5中用遮蔽線示出)。再次參照圖5，實際發(fā)電機(jī)速度信號與風(fēng)速信號一起饋送到計算lambda塊320，λ 在計算lambda塊320中連續(xù)計算。計算lambda塊320的輸出饋送到采樣保持(S/H) 315， 采樣保持315連續(xù)傳送λ值，直到從圖6的低電壓故障檢測器265接收到保持命令。保持的λ的故障前的值和在計算塊360中計算的Cp的值用于預(yù)先存儲的索引 表，索引表表示圖1中的信息。將λ以及計算的Cp輸入這些表，得到在故障周期的任何特 定點(diǎn)上將從風(fēng)中吸取剛好足夠提供電網(wǎng)要求的輸出功率(來自圖6中的功率傳感器275) 的葉片槳距角。
所確定的葉片槳距將被饋送到開關(guān)350，其選擇故障條件下或非故障條件下的槳 距角。類似地，非故障值由開關(guān)345選擇，開關(guān)345在圖2所示部分負(fù)載期間的最優(yōu)葉片槳 距角(僅僅基于風(fēng)速)或負(fù)載固定且葉片速度被控制為低于過速條件的額定負(fù)載期間的葉 片槳距角之間進(jìn)行選擇。所選擇的角度被饋送到葉片槳距控制器355。參照圖6中的控制系統(tǒng)200，風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子23(圖3所示)通過齒輪箱(未示 出)機(jī)械地驅(qū)動作為DFIG的發(fā)電機(jī)245。在所有的電力產(chǎn)生發(fā)電機(jī)速度上，從發(fā)電機(jī)245的 定子245a，以及對于高于同步速度的發(fā)電機(jī)速度，從轉(zhuǎn)子245b (經(jīng)由轉(zhuǎn)換器)，來自發(fā)電機(jī) 245的電力被提供給市電網(wǎng)，對于60Hz市電網(wǎng)頻率用4極機(jī)器，同步速度優(yōu)選為1800rpm， 或?qū)τ?0Hz的市電網(wǎng)頻率，為1500rpm。可使用具有其他數(shù)量的極的機(jī)器，同步速度將相應(yīng) 地變化?？刂葡到y(tǒng)200使用標(biāo)量控制來配置，其保持表示在直到發(fā)電機(jī)速度超過其標(biāo)稱值 的點(diǎn)的風(fēng)速范圍上的風(fēng)的功率的風(fēng)力渦輪機(jī)輸出功率，標(biāo)稱值在優(yōu)選實施例中為1860RPM。 在可將發(fā)電機(jī)速度驅(qū)動超過1860RPM的風(fēng)速上，電力基準(zhǔn)被固定，以便提供標(biāo)稱風(fēng)力渦輪 機(jī)輸出功率，葉片槳距角被改變，以便保持風(fēng)力渦輪機(jī)速度為基本為1860RPM。盡管本發(fā)明對于發(fā)電機(jī)245和電網(wǎng)側(cè)變換器235的控制使用標(biāo)量控制來獲得對個 體相電流進(jìn)行控制的優(yōu)點(diǎn)，也可使用場定向控制(field orientedcontrol) 0電網(wǎng)側(cè)變換器235和定子245a的輸出在圖6所示變壓器260的下游合并。如所 示出的，靜態(tài)無功補(bǔ)償器115供給無功功率需求的使用允許發(fā)電機(jī)245以最大有功功率運(yùn) 行，不受轉(zhuǎn)子或定子發(fā)熱效應(yīng)的限制，轉(zhuǎn)子或定子發(fā)熱可在產(chǎn)生或吸收無功時存在。在替代 實施例中，對于風(fēng)電場和市電網(wǎng)的無功功率支撐使用STATC0M裝置。盡管來自定子245a和轉(zhuǎn)子245b (經(jīng)由電網(wǎng)側(cè)變換器235)的有功輸出分別受到控 制，兩個都作為有功電流的恒定或受控電流源。也就是說，它們的輸出電流是基準(zhǔn)值的標(biāo)量 函數(shù)，基準(zhǔn)值為風(fēng)中的功率的函數(shù)，且不受負(fù)載的顯著影響。因此，例如，如果風(fēng)力渦輪機(jī)的 定子245a在故障之前向電網(wǎng)傳送1000安培AC，在故障期間，1000安培將被傳送到電網(wǎng)，即 使電網(wǎng)電壓發(fā)生變化。類似地，如果風(fēng)力條件為故障之前的輸出電流為500安培，則500安 培將在故障期間被定子245傳送。借助電流反饋，如本領(lǐng)域技術(shù)人員從下面給出的對控制系統(tǒng)200的配置的討論中 將會明了的，定子245a和電網(wǎng)側(cè)變換器235作為有功電流的恒定或受控電流源。來自開關(guān)330的電力基準(zhǔn)(設(shè)置點(diǎn))為到控制系統(tǒng)200的基準(zhǔn)輸入，并限定將從 控制系統(tǒng)200輸出的有功功率?？刂葡到y(tǒng)200的優(yōu)選實施例中不存在無功功率輸入指令， 因為所有對于風(fēng)電場100的無功功率或來自風(fēng)電場100的無功功率來自圖4的靜態(tài)無功補(bǔ) 償器115或其他的非風(fēng)力渦輪機(jī)源。電力基準(zhǔn)信號被饋送到采樣保持(S/H) 215，在那里，或者傳送未改變的信號，或者 在來自低電壓故障檢測器265的命令下將其輸出保持為固定，使得故障之前最后的值在故 障間隔期間被輸出。S/H 215的輸出被饋送到轉(zhuǎn)子變換器控制器220中的功率到電流轉(zhuǎn) 換器(P/I) 223，并接著饋送到轉(zhuǎn)子電流處理器222，在那里，其用于構(gòu)成三個轉(zhuǎn)子電流的量 值。在替代實施例中，三個轉(zhuǎn)子電流中的僅僅兩個被使用，因為在沒有中性點(diǎn)的三相系統(tǒng) 中，第三線電流、且因此第三轉(zhuǎn)子電流容易地從其他兩個中獲得。轉(zhuǎn)子電流的反饋控制通過將希望的轉(zhuǎn)子電流(轉(zhuǎn)子電流基準(zhǔn))與實際轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行比較來實現(xiàn)。在本發(fā)明中，形成AC轉(zhuǎn)子電流基準(zhǔn)，其各自具有與從功率到電流轉(zhuǎn)換器(P/ 1)223建立的值相等的量值，并處于表示在空間中以轉(zhuǎn)子速度加轉(zhuǎn)差速度旋轉(zhuǎn)的電流波形 的角度和相對于電網(wǎng)電壓的固定偏差角度。后一角度表示功率因數(shù)角，其在優(yōu)選實施例中 將為零。將轉(zhuǎn)子電流基準(zhǔn)與反饋轉(zhuǎn)子電流采樣相比較，任何差被饋送到PWM224。PWM 224 的輸出被饋送到轉(zhuǎn)子側(cè)變換器225，在那里，實際轉(zhuǎn)子電流被形成并饋送到轉(zhuǎn)子245b。所介 紹的控制的凈效應(yīng)為轉(zhuǎn)子電流將具有這樣的量值其基本上與風(fēng)中的功率成比例，并基本 上不依賴于轉(zhuǎn)子特性。另外，由于DFIG 245的定子245a的繞組“看起來像是”變壓器的副 方，轉(zhuǎn)子245b作為原方，定子245a的輸出將“看起來像是”受控電流源，來自定子245a的 輸出功率將會是受控電流值乘以變化電壓值，并具有基本為零的無功功率分量。在替代性實施例中，到轉(zhuǎn)子變換器225的第二輸出從誤差檢測器(類似于誤差檢 測器215)得出，該誤差檢測器將希望的無功功率輸出和實際無功功率輸出相比較，并將差 饋送到轉(zhuǎn)子變換器控制器220，在那里，結(jié)果得到的誤差被放大并轉(zhuǎn)換為控制轉(zhuǎn)子側(cè)變換器 225的信號。通過這種方式，有功與無功功率可在正常運(yùn)行期間受到控制，但在低電壓故障 條件期間，無功功率基準(zhǔn)可被設(shè)置為零或某些其他值。當(dāng)發(fā)電機(jī)245超過同步速度旋轉(zhuǎn)時，可變頻率功率可從發(fā)電機(jī)245的轉(zhuǎn)子245b獲 得，在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器235和DC鏈路230的電荷電容器中整流，在那里，紋波減少，對于短時 間的暫態(tài)可獲得能量。通過調(diào)節(jié)DC鏈路230控制系統(tǒng)中的電容上的負(fù)載的反饋控制系統(tǒng) 的運(yùn)行，可從轉(zhuǎn)子245b獲得的電力被傳送到電網(wǎng)側(cè)變換器235的輸出，DC鏈路230控制系 統(tǒng)將DC鏈路230上的DC電壓保持在固定值。也就是說，DC鏈路電壓的增大到超過860伏 優(yōu)選值的任何趨勢被來自電容的增大的負(fù)載電流抵消。DC鏈路230的電容上的電壓在誤差 檢測器240上與DC鏈路基準(zhǔn)比較，輸出變?yōu)榈秸`差檢測器277的基準(zhǔn)輸入。后一信號表示 將DC鏈路的電容上的DC電壓保持在其優(yōu)選固定值的希望的電流。以類似于用于控制發(fā)電 機(jī)245的轉(zhuǎn)子電流的方式，基于來自誤差檢測器277的誤差的基準(zhǔn)值變?yōu)槿齻€電流基準(zhǔn)波 形的幅度，其以電網(wǎng)頻率旋轉(zhuǎn)，并與來自電流傳感器255的電流反饋值相比較，以便構(gòu)成沒 有任何無功電力分量的受控電流值。重要的是，即使轉(zhuǎn)子側(cè)變換器225和相關(guān)聯(lián)的反饋由于去磁而短時間失去控制， 電網(wǎng)側(cè)變換器可繼續(xù)運(yùn)行。另外，DC鏈路230上由于高轉(zhuǎn)子電壓引起的上升電壓可由誤差 檢測器260命令的增大負(fù)載電流抵消。通過其在本發(fā)明中的運(yùn)行，電網(wǎng)側(cè)變換器235減少了 對于處理由于切斷故障(sever fault)引起的高DC鏈路電壓的功率耗散元件的需求。當(dāng) 轉(zhuǎn)子電壓超過安全限制時，圖6中的過電壓保護(hù)(OVP) 229運(yùn)行，限制轉(zhuǎn)子電壓上升，和/或 防止過大的轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器225。本發(fā)明的優(yōu)選實施例也包含UPS(未示出)，以便保證依賴于市電網(wǎng)的電路或定子 取得運(yùn)行電力的電路在故障期間具有足夠的電力來運(yùn)行。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，本發(fā)明適用于具有后面接有完全轉(zhuǎn)換器——其中， 所有到電網(wǎng)的電力經(jīng)過完全轉(zhuǎn)換器——的發(fā)電機(jī)的風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)、具有部分轉(zhuǎn)換器—— 其中，到電網(wǎng)的電力可取自定子和轉(zhuǎn)子——的風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)、不包含用于向電網(wǎng)供電的 電網(wǎng)側(cè)變換器的風(fēng)力渦輪機(jī)。盡管參照特定實施例和現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)介紹了本發(fā)明，本發(fā)明不限于所介紹的實施例。由本發(fā)明的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會想到修改和變型。本發(fā)明的范圍參照 所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其用于在低輸出電壓和可變功率條件下向電網(wǎng)供給電力，所述風(fēng)力渦輪機(jī)包含AC發(fā)電機(jī)，AC發(fā)電機(jī)具有定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子具有可操作地連接于其上的可變槳距葉片，所述風(fēng)力渦輪機(jī)包含 輸出功率傳感器； 輸出電流傳感器； 第一采樣保持，用于保持在低輸出電壓條件之前建立的第一值； 第二采樣保持，用于保持在低輸出電壓條件之前建立的第二值； 轉(zhuǎn)子變換器控制器，其包含 功率到電流轉(zhuǎn)換器，用于從第一采樣保持接收值并產(chǎn)生電流基準(zhǔn)信號， 誤差檢測器，用于產(chǎn)生依賴于電流基準(zhǔn)信號和來自電流傳感器的輸出電流信號之間的誤差的信號； PWM，耦合到誤差檢測器，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)子驅(qū)動電流，以便建立依賴于基準(zhǔn)電流信號的定子輸出電流值；以及 葉片槳距控制器，用于接收來自第二采樣保持的值和來自輸出功率傳感器的信號，并依賴于低電壓條件期間的輸出功率信號和來自第二采樣保持的值調(diào)節(jié)可變槳距葉片的槳距。
2.一種在低電壓條件下控制風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的方法，所述方法包含以下步驟 -測量輸出功率；-測量輸出電流；-存儲在低電壓條件之前建立的功率系統(tǒng)參數(shù)值； -存儲在低電壓條件之前建立的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)值；-將功率系統(tǒng)參數(shù)值與依賴于測量得到的輸出電流的參數(shù)值進(jìn)行比較，將輸出電流控 制為實質(zhì)上依賴于所存儲的功率系統(tǒng)參數(shù)值；以及-接收依賴于輸出功率的值，控制葉片槳距，以便將所存儲的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)值的值保持 為在低電壓條件期間，與其在低電壓條件之前實質(zhì)上相同的值。
3.一種風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)，包含轉(zhuǎn)子，其具有可操作地連接于其上的可變槳距葉片； 用于供給輸出電量的AC發(fā)電機(jī)；輸出功率和輸出電流傳感器，用于提供分別依賴于輸出功 率和電流的信號，所述風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)包含-電流反饋控制系統(tǒng)，用于接收表示輸出電流的輸出電流信號，并將風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出 電流水平保持為在低電壓條件下與其在正常條件下的水平實質(zhì)上相同的水平；以及葉片槳距控制系統(tǒng)，用于接收表示輸出功率的輸出功率信號，以便改變?nèi)~片的槳距，從 而保持這樣的轉(zhuǎn)子速度其在低電壓條件之前和在低電壓條件期間實質(zhì)上相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(jī)和相關(guān)聯(lián)的用于控制從所述風(fēng)力渦輪機(jī)到電網(wǎng)的輸出電流的方法，特別地，涉及風(fēng)力渦輪機(jī)和在由于變化的電網(wǎng)條件引起的電網(wǎng)電壓變化的條件下控制電流的方法，例如當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)經(jīng)歷故障并從故障中恢復(fù)時。
文檔編號H02J3/38GK101919132SQ200880120482
公開日2010年12月15日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者A·H·約恩森, L·沙伊爾, L·赫勒 申請人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)有限公司