具有功率消耗單元的變速風力渦輪機；操作風力渦輪機中的功率消耗單元的方法
【專利摘要】提供了一種變速風力渦輪機。該變速風力渦輪機包括：發(fā)電機；功率轉(zhuǎn)換器，其用于轉(zhuǎn)換由所述發(fā)電機產(chǎn)生的至少一部分電力，所述功率轉(zhuǎn)換器包括發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器、電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器以及所述發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器與所述電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器之間的DC（直流）鏈路；操作性耦合到所述DC鏈路的功率消耗單元；以及控制器。該控制器適于接收用于減小從所述風力渦輪機輸出的功率的請求；基于參考發(fā)電機功率和期望渦輪機功率確定前饋功率信號；以及基于所述前饋功率信號操作所述功率消耗單元。
【專利說明】具有功率消耗單元的變速風力渦輪機；操作風力渦輪機中的功率消耗單元的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及風力渦輪機，并且具體而言，涉及用于操作風力渦輪機中的功率消耗單元的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風力渦輪機是將風動能轉(zhuǎn)化成電能用于公用電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。具體而言，吹至IJ風力渦輪發(fā)電機(WTG)葉片上的風導致WTG的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。又通過發(fā)電機把轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的機械能轉(zhuǎn)化成電能。由于風速波動，施加到WTG葉片的力及因此轉(zhuǎn)子/發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可能變化。然而，電網(wǎng)需要風力渦輪機產(chǎn)生恒定頻率的電功率。
[0003]提供恒定頻率電功率的一種風力渦輪機是固定速度的風力渦輪機。這種風力渦輪機需要以恒定速度轉(zhuǎn)動的發(fā)電機轉(zhuǎn)子。這種固定速度的風力渦輪機的缺點是它不利用不同速度的所有風能，并且必須在低風速禁用。另一種風力渦輪機是可變速風力渦輪機。這種風力渦輪機允許發(fā)電機以可變的速度轉(zhuǎn)動以適應波動的風速。通過改變發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度，可以在更寬的風速范圍內(nèi)優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換。
[0004]基于全量程功率轉(zhuǎn)換器的風力渦輪機(這是一種變速風力渦輪機)通常包括功率轉(zhuǎn)換器，其具有通過直流(DC)鏈路耦合到電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器的發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器。發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)發(fā)電機的功率。這種功率通過DC鏈路，最后通過電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器饋入電網(wǎng)。電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)功率。這同樣適用于雙饋感應發(fā)電機(DFIG)系統(tǒng)，其中只有一部分來自發(fā)電機的功率通過功率轉(zhuǎn)換器。
[0005]例如由于電網(wǎng)故障，渦輪機/風電場中的部件故障或由電網(wǎng)操作員要求，可能會請求關(guān)閉風力渦輪機。當在關(guān)閉期間風力渦輪機降低其功率，由風力渦輪機產(chǎn)生的功率以指定的速率減少到零。功率減少的速率，通常被稱為功率斜降速率，取決于發(fā)電機的功率斜降速率。在關(guān)閉期間如何能快速減少渦輪機功率通常受發(fā)電機的例如0.2pu/sec的最大斜降速率的限制。
[0006]然而，特定電網(wǎng)規(guī)定/電力公司可能要求渦輪機以比渦輪機/發(fā)電機例如0.4pu/sec的最大斜降速率更快的速率減速。還預見到在關(guān)閉期間，某些國家可能在其電網(wǎng)法規(guī)要求中指定渦輪機的最小斜降速率。
[0007]因此希望提供一種操作風力渦輪機的方法以提供高于渦輪機或發(fā)電機的最大斜降速率的斜降速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種變速風力渦輪機。該變速風力渦輪機包括:發(fā)電機；功率轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換由所述發(fā)電機產(chǎn)生的至少一部分電功率，所述功率轉(zhuǎn)換器包括發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器、電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器和它們之間的DC (直流)鏈路；操作性耦合到所述DC鏈路的功率消耗單元；以及控制器。該控制器適于接收用于減小從所述風力渦輪機輸出的功率的請求；基于參考發(fā)電機功率和期望渦輪機功率確定前饋功率信號；以及基于所述前饋功率信號操作所述功率消耗單元。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種操作風力渦輪機中的功率消耗單元的方法。功率消耗單元操作性耦合到功率轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換發(fā)電機產(chǎn)生的至少一部分電功率。該方法包括:接收用于減小從所述風力渦輪機輸出的功率的請求；基于參考發(fā)電機功率和期望渦輪機功率確定前饋功率信號；以及基于所述前饋功率信號操作所述功率消耗單元。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種操作風力渦輪機的方法。該方法包括:接收用于減小從所述風力渦輪機輸出的功率的請求；減小由所述風力渦輪機產(chǎn)生的電功率的量；以及控制操作性耦合到所述風力渦輪機功率轉(zhuǎn)換器的功率消耗單元，從而以期望速率減小從所述風力渦輪機輸出的功率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]在結(jié)合非限制性范例和附圖考慮時，參考詳細描述將更好地理解本發(fā)明。
[0012]圖1示出了風力渦輪機的一般結(jié)構(gòu)。
[0013]圖2示出了帶有功率消耗單元的風力渦輪機的電氣系統(tǒng)布設。
[0014]圖3示出了根據(jù)實施例用于操作功率消耗單元的控制算法。
[0015]圖4示出了根據(jù)實施例在操作功率消耗單元期間風力渦輪機的各個參數(shù)。
[0016]圖5示出了根據(jù)實施例用于操作功率消耗單元的控制算法。
[0017]圖6示出了根據(jù)實施例用于操作風力渦輪機中功率消耗單元的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]發(fā)電機是能把機械能轉(zhuǎn)換成電能的機電設備。在風力渦輪機中使用的發(fā)電機可以是任何種類的發(fā)電機，包括但不限于永磁發(fā)電機、雙饋感應發(fā)電機及鼠籠感應發(fā)電機。由于轉(zhuǎn)子可變的轉(zhuǎn)速，來自發(fā)電機的電功率具有可變頻率。由發(fā)電機產(chǎn)生的一部分或所有電能或功率通過功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成適于提供到電網(wǎng)或負載的固定頻率的電功率。
[0019]負載可以是DC (直流)或AC (交流)負載。為了把功率提供到電網(wǎng)，功率轉(zhuǎn)換器把具有可變頻率的電功率轉(zhuǎn)換成具有電網(wǎng)需要的固定頻率的電功率。具體而言，發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換至少一部分來自發(fā)電機的功率，并通過電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器把其傳遞到電網(wǎng)。當提供功率到負載，例如DC負載的時候，可從發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器和電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器之間的DC鏈路中獲得DC功率。將功率消耗單元耦合到功率轉(zhuǎn)換器的DC鏈路。功率消耗單元也可以被稱為斬波電路，并且能在DC鏈路中消耗功率。
[0020]控制器適于接收請求以減少或斜降從風力渦輪機輸出的功率，確定前饋功率信號并基于前饋功率信號操作功率消耗單元。這種減少或斜降功率輸出的請求可以是用于使風力渦輪機關(guān)機的關(guān)機信號。
[0021]基于參考發(fā)電機功率及期望渦輪機功率確定前饋功率信號。參考發(fā)電機功率可以基于發(fā)電機的功率分布并且包括發(fā)電機的斜降功率分布。這種功率分布可以由發(fā)電機制造商提供。也可以從實驗中，例如在各種條件下操作發(fā)電機及跟蹤發(fā)電機的功率輸出，獲得功率分布。參考發(fā)電機功率可以是發(fā)電機功率分布的瞬時發(fā)電機功率。
[0022]期望渦輪機功率可以基于期望風力渦輪機輸出的功率分布。期望功率分布包括以需要/想要的斜降速率在渦輪機輸出中的斜降功率分布。這種在渦輪機輸出中的期望功率斜降速率可以基于來自電網(wǎng)規(guī)定的要求。還可以由用戶或操作者對其進行定義或說明。例如，電網(wǎng)規(guī)定可能要求渦輪機能夠以0.4pu/sec斜降其功率。期望渦輪機功率可以是渦輪機期望功率分布的瞬時渦輪機功率輸出。
[0023]使用基于參考發(fā)電機功率及所需渦輪機功率確定的前饋功率信號以控制功率消耗單元的操作。應該指出的是在風力渦輪機的正常操作情況下，風力渦輪機的輸出功率與發(fā)電機的輸出功率幾乎相同。因此根據(jù)實施例還可以把渦輪機輸出的功率分布作為參考發(fā)電機功率。
[0024]根據(jù)實施例，功率消耗單元至少包括開關(guān)和一個電阻器。通過閉合開關(guān)開啟功率消耗單元。開關(guān)可以是功率半導體裝置，例如集成柵極雙極晶體管(IGBT)，可通過柵極驅(qū)動器由合適的柵極電壓將其打開或關(guān)閉。其他功率半導體裝置或開關(guān)也是可能的。在替代實施例中，功率消耗單元可以至少包括開關(guān)以及電阻器，電感器或電容器中的至少一個。
[0025]根據(jù)實施例，前饋功率信號是參考發(fā)電機功率與期望渦輪機功率之間的差別。具體而言，在給定的時間t，從發(fā)電機功率的實際瞬時值中減去期望渦輪機功率的瞬時值以產(chǎn)生前饋功率信號。如前面提到的，由于渦輪機的輸出功率與發(fā)電機的輸出功率相似，可以通過從實際渦輪機功率中減去期望渦輪機功率以產(chǎn)生前饋功率信號。
[0026]根據(jù)實施例，控制器適于通過確定用于激活功率消耗單元的占空比以操作功率消耗單元。占空比指在一個周期中激活或開啟功率消耗單元的時間段的百分比。占空比具有從O到I的值。當占空比是O時，完全關(guān)閉功率消耗單元，當占空比是I時，在整個工作周期內(nèi)開啟功率消耗單元。當占空比是0.7時，在70%的工作周期內(nèi)開啟功率消耗單元(對于30%的剩余工作周期，它是關(guān)閉的)。
[0027]根據(jù)實施例，控制器適于通過如下方式產(chǎn)生占空比:確定將由功率消耗單元消耗的功率,確定功率消耗單元可以消耗的最大功率，以及確定要消耗的功率與最大功率的比率，由此獲得占空比?；谇梆伖β市盘柎_定將由功率消耗單元消耗的功率。如果要消耗的功率超過功率消耗單元可以消耗的最大量功率，占空比將是I。在另一實施例中，設計功率消耗單元，使得功率消耗單元能夠消耗的最大量的功率始終大于需要消耗的功率。
[0028]應當指出，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會容易認識到，也可以結(jié)合根據(jù)本發(fā)明第二方面的操作功率消耗單元的方法，以及根據(jù)本發(fā)明第三方面的操作風力渦輪機的方法，使用上述任何特征。
[0029]圖1示出了風力渦輪機I的一般設置。風力渦輪機I包括具有若干塔架段的塔架
2、定位于塔架2頂部的吊艙3以及從吊艙3延伸的轉(zhuǎn)子4。塔架2直立于建在大地中的地基上。轉(zhuǎn)子4可以相對于吊艙3旋轉(zhuǎn)，并且包括輪轂5和一個或多個葉片6。吹到葉片6上的風導致轉(zhuǎn)子4相對于吊艙3旋轉(zhuǎn)。由吊艙3中的發(fā)電機(未示出)將來自轉(zhuǎn)子4旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)變成電能。接下來由功率轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換成固定頻率的電功率以供應給電網(wǎng)。風力渦輪機也可以形成包括多個風力渦輪機的風電場或風力發(fā)電廠的部分。合并風電場中的個體風力渦輪機產(chǎn)生的所有電功率并經(jīng)由公共耦合點(PCC)供應給電網(wǎng)。
[0030]盡管圖1中所示的風力渦輪機I具有三個葉片6，但應當指出，風力渦輪機可以具有不同數(shù)量的葉片。通常會發(fā)現(xiàn)風力渦輪機具有兩個到四個葉片。圖1中所示的風力渦輪機I是水平軸風力渦輪機(HAWT)，因為轉(zhuǎn)子4繞著水平軸旋轉(zhuǎn)。應當指出，轉(zhuǎn)子4可以繞著垂直軸旋轉(zhuǎn)。這種其轉(zhuǎn)子繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的風力渦輪機被稱為垂直軸風力渦輪機(VAWT)。后面描述的實施例不限于具有3個葉片的HAWT?？梢栽贖AWT和VAWT中實現(xiàn)它們，且轉(zhuǎn)子4中具有任意數(shù)量的葉片6。
[0031]圖2示出了根據(jù)實施例，具有功率消耗單元或斬波電路105的風力渦輪機的電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)包括發(fā)電機101、功率轉(zhuǎn)換器102和主變壓器103。電氣系統(tǒng)連接到電網(wǎng)107。功率轉(zhuǎn)換器102包括經(jīng)由直流(DC)鏈路112連接的發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器110和電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器111。DC鏈路112包括DC鏈路電容器113。功率消耗電路105連接到DC鏈路112。電氣系統(tǒng)還包括用于過濾開關(guān)諧波的電網(wǎng)側(cè)濾波器108。
[0032]發(fā)電機101將機械能量或功率轉(zhuǎn)換成具有交流電壓和電流的電能或功率(統(tǒng)稱為“交流信號”)，并向發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器110提供所產(chǎn)生的交流信號。由于風的變化，來自發(fā)電機的交流信號具有可變頻率。發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器110將交流信號轉(zhuǎn)換或整流成DC鏈路112上的直流電壓和電流(統(tǒng)稱為“直流信號”)。電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器111將DC鏈路112上的直流信號轉(zhuǎn)換成用于電網(wǎng)107的固定頻率交流信號。電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器111輸出端包括固定頻率交流信號的功率被主變壓器103提升到適于由電網(wǎng)107接收和傳輸?shù)碾娖?。發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器110和電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器111的操作受到控制器120的控制。
[0033]功率消耗電路105連接到DC鏈路112并適于消耗DC鏈路112上的功率。功率消耗電路105包括至少一個開關(guān)和多個斬波電阻器(未示出)。通過激活開關(guān)來控制功率消耗電路105的操作。在開 關(guān)閉合時，由斬波電阻器消耗DC鏈路112上的功率。開關(guān)的激活，因此功率消耗電路105的操作，受到控制器120的控制。
[0034]應當指出，圖2僅是風力渦輪機中電氣系統(tǒng)的例示，其中僅示出了公共部件。電氣系統(tǒng)可以包括其他部件，例如發(fā)電機側(cè)濾波器、傳感器、電網(wǎng)和發(fā)電機斷路器/接觸器、預充電裝置等。在另一實施例中，可以使用雙饋感應發(fā)電機(DFIG)，其中發(fā)電機的定子繞組通過渦輪機變壓器連接到電網(wǎng)，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組通過功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)連接到渦輪機變壓器。功率消耗電路105可以僅具有一個電阻器，而不是多個電阻器。功率消耗電路105還可以包括其他適于消耗功率的功率消耗單元。
[0035]圖3示出了根據(jù)實施例操作功率消耗電路105的控制算法?？梢栽陲L力渦輪機的控制器120中實施這種控制算法。這種控制算法的輸出是用于激活開關(guān)并從而控制功率消耗電路105的操作的占空比。在存在關(guān)閉渦輪機的請求時，可以激活控制算法以控制功率消耗電路105。
[0036]在圖3的控制算法中，獲得參考發(fā)電機功率PgmCTatOT和期望渦輪功率P#id之間的差異作為前饋功率信號。具體而言，如下文所示從參考發(fā)電機功率減去期望渦輪機功率:
[0037]PFF=Pgenerator-Pgrid (I)
[0038]其中Pff是前饋功率彳目號，Pgenerator是參考發(fā)電機功率，而Pgrid是期望潤輪機功率。
[0039]參考發(fā)電機功率Pgm?atOT是發(fā)電機關(guān)機時發(fā)電機輸出的瞬時功率?？梢詮陌l(fā)電機的參考功率斜降速率確定它或直接測量渦輪機的瞬時功率輸出。期望渦輪機功率是基于關(guān)機期間期望渦輪機斜降速率的渦輪機功率的瞬時功率。前饋功率信號Pff是將由功率消耗電路105消耗以便實現(xiàn)渦輪機期望功率斜降速率的功率量。
[0040]可以通過如下方式來確定由功率消耗電路105消耗的最大功率:
【權(quán)利要求】
1.一種變速風力渦輪機，包括: 發(fā)電機； 功率轉(zhuǎn)換器，其用于轉(zhuǎn)換由所述發(fā)電機產(chǎn)生的至少一部分電功率，所述功率轉(zhuǎn)換器包括發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器、電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器以及所述發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器與所述電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器之間的DC(直流)鏈路； 操作性耦合到所述DC鏈路的功率消耗單元；以及 控制器，其中所述控制器適于: 接收用于減小從所述風力渦輪機輸出的功率的請求； 基于參考發(fā)電機功率和期望渦輪機功率確定前饋功率信號；以及 基于所述前饋功率信號操作所述功率消耗單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變速風力渦輪機，其中所述功率消耗單元至少包括開關(guān)和一個電阻器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變速風力渦輪機，其中從所述參考發(fā)電機功率和所述期望渦輪機功率之間的差異來確定所述前饋功率信號。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的變速風力渦輪機，其中所述控制器適于通過確定用于激活所述功率消耗單元的占空比來操作所述功率消耗單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變速風力渦輪機，其中所述控制器適于通過如下方式產(chǎn)生所述占空比: 確定將由所述功率消耗單元消耗的功率； 確定能夠由所述功率消耗單元消耗的最大功率；以及 確定將被消耗的所述功率與所述最大功率的比率，由此獲得所述占空比。
6.一種操作風力渦輪機中的功率消耗單元的方法，所述功率消耗單元操作性耦合到用于轉(zhuǎn)換由發(fā)電機產(chǎn)生的電功率的至少一部分的功率轉(zhuǎn)換器，所述方法包括: 接收用于減小從所述風力渦輪機輸出的功率的請求； 基于參考發(fā)電機功率和期望渦輪機功率確定前饋功率信號；以及 基于所述前饋功率信號操作所述功率消耗單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中確定所述前饋功率信號包括確定所述參考發(fā)電機功率和所述期望渦輪機功率之間的差異。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，還包括產(chǎn)生用于操作所述功率消耗單元的占空比。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中產(chǎn)生所述占空比包括: 確定將由所述功率消耗單元消耗的功率； 確定能夠由所述功率消耗單元消耗的最大功率；以及 確定將被消耗的所述功率與所述最大功率的比率，由此獲得所述占空比。
10.一種操作風力渦輪機的方法，包括: 接收用于減小從所述風力渦輪機輸出的功率的請求； 減小由所述風力渦輪機產(chǎn)生的電功率的量；以及 控制操作性耦合到所述風力渦輪機功率轉(zhuǎn)換器的功率消耗單元，從而以預定速率減小從所述風力渦輪機輸出的功率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中控制功率消耗單元包括:基于參考發(fā)電機功率和期望渦輪機功率確定前饋功率信號；以及 基于所述前饋功率信號操作所述功率消耗單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中確定所述前饋功率信號包括確定所述參考發(fā)電機功率和所述期望渦輪機功率之間的差異。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中的任一項所述的方法，還包括產(chǎn)生用于操作所述功率消耗單兀的占空比。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中產(chǎn)生所述占空比包括: 確定將由所述功率消耗單元消耗的功率； 確定能夠由所述功率消耗單元消耗的最大功率；以及 確定將被消耗的所述功率`和所述最大功率的比率，由此獲得所述占空比。
【文檔編號】F03D7/02GK103636116SQ201280032062
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月28日
【發(fā)明者】A·K·古普塔, G·K·安德森, S·Y·馮, 李冰 申請人:維斯塔斯風力系統(tǒng)集團公司