專利名稱：操作風(fēng)力渦輪及確定永磁體溫度的方法和渦輪的控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及一種用于操作風(fēng)力渦輪的方法。另外，本公開涉及一種用于確定永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體溫度的方法。此外，本公開涉及一種用于風(fēng)力渦輪的控制器和具有這種控制器的風(fēng)力渦輪。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪可使用永磁體發(fā)電機(jī)來代替電勵磁的同步或異步發(fā)電機(jī)來改進(jìn)系統(tǒng)效率，尤其在部分負(fù)載下，且在一些實(shí)施例中，增加風(fēng)力渦輪的年發(fā)電量(AEP)。在一些實(shí)施例中發(fā)電機(jī)具有一個或多個定子繞組，在其中磁體尤其永磁體的旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)出電壓。感應(yīng)電壓與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度成比例且也與永磁體的場成比例。在典型實(shí)施例中，在永磁體發(fā)電機(jī)中所用的磁體的磁化取決于溫度。特別地，當(dāng)溫度升高時永磁體的磁化減小。由于在更低溫度下磁化更高，在發(fā)電機(jī)的繞組中在較低溫度比在較高溫度感應(yīng)出更高的電壓。在典型應(yīng)用中，風(fēng)力渦輪的發(fā)電機(jī)電連接到電網(wǎng)或逆變器(inverter)，使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓近似恒定。典型地，逆變器或其它設(shè)備，例如斷路器或變壓器，通常額定最大電流或電壓。典型地，在低環(huán)境溫度下以低轉(zhuǎn)子速度起動風(fēng)力渦輪，使得到定子繞組中的感應(yīng)電壓不足以破壞風(fēng)力渦輪的設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上文所述，提供一種用于操作具有電氣系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪的方法，該電氣系統(tǒng)包括帶轉(zhuǎn)子和定子的永磁體發(fā)電機(jī)和電連接到永磁體發(fā)電機(jī)的電力電子裝置，其中電力電子裝置和斷路器電串聯(lián)地布置在永磁體發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間，永磁體發(fā)電機(jī)具有永磁體和發(fā)電機(jī)繞組，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時由永磁體感應(yīng)電壓到發(fā)電機(jī)繞組中。該方法包括基于修正永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體的場的場修正來生成使斷路器跳脫的信號。根據(jù)另一方面，提供一種用于確定帶轉(zhuǎn)子和定子的永磁體機(jī)器的至少一個永磁體的溫度的方法，其中該永磁體機(jī)器具有至少一個永磁體和機(jī)器繞組，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時由至少一個永磁體感應(yīng)電壓到該機(jī)器繞組中。該方法包括基于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動態(tài)和場修正來確定永磁體機(jī)器的至少一個永磁體的溫度，場修正對永磁體機(jī)器的至少一個永磁體的場進(jìn)行修正。根據(jù)另一方面，提供一種用于風(fēng)力渦輪的控制器，該風(fēng)力渦輪包括電氣系統(tǒng)，該電氣系統(tǒng)具有帶轉(zhuǎn)子和定子的永磁體發(fā)電機(jī)和以操作的方式連接到永磁體發(fā)電機(jī)的電力電子裝置以及電串聯(lián)地布置在永磁體發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的斷路器，其中永磁體發(fā)電機(jī)具有永磁體和發(fā)電機(jī)繞組，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時由永磁體感應(yīng)電壓到發(fā)電機(jī)繞組中，該控制器還適于連接到斷路器的控制電路，該控制器適于基于永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體的磁場的場修正來生成使斷路器跳脫的信號。通過從屬權(quán)利要求、說明書和附圖，本發(fā)明的另外的方面、優(yōu)點(diǎn)和特征變得顯而易


在說明書的其余部分中包括參考附圖，向本領(lǐng)域技術(shù)人員更具體地提出完整的和可實(shí)施的公開，在附圖中圖1示出風(fēng)力渦輪的示意圖2示出風(fēng)力渦輪的電氣系統(tǒng)的實(shí)施例；
圖3示出風(fēng)力渦輪的電氣系統(tǒng)的另一實(shí)施例；
圖4示出發(fā)電機(jī)的實(shí)施例；
圖5示出發(fā)電機(jī)的另一實(shí)施例；
圖6示出永磁體的磁化曲線；
圖7示出發(fā)電機(jī)的等效電路；
圖8示出發(fā)電機(jī)的矢量圖9示出發(fā)電機(jī)的另一矢量圖；以及
圖10示出用于操作風(fēng)力渦輪的方法的實(shí)施例的流程
部件列表
100風(fēng)力渦輪
110塔架
120機(jī)艙
130發(fā)電機(jī)
140輪轂
150葉片
160風(fēng)力轉(zhuǎn)子
170換向器(commutator)
180逆變器
190斷路器
200變壓器
210電網(wǎng)
220控制裝置
300發(fā)電機(jī)
310轉(zhuǎn)子
312永磁體
314永磁體
320定子
322繞組
324繞組
326繞組
400發(fā)電機(jī)
410轉(zhuǎn)子
412永磁體414永磁體416繞組420定子422繞組424繞組426繞組
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將詳細(xì)地參考各個實(shí)施例，其中的一個或多個示例在每個附圖中示出。每個示 例以解釋的方式提供而并不意味著限制。例如，作為ー個實(shí)施例的一部分的說明或描述的 特征可用于其它實(shí)施例或者與其它實(shí)施例結(jié)合使用以產(chǎn)生另外的實(shí)施例。意圖是本公開包 括這些改變和變更。圖1示出風(fēng)カ渦輪100。風(fēng)カ渦輪100包括塔架110，在塔架110上安裝機(jī)艙120。 機(jī)艙120可圍繞塔架的豎直軸線旋轉(zhuǎn)。在機(jī)艙120內(nèi)放置發(fā)電機(jī)130，其用于將旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化 為電能。發(fā)電機(jī)機(jī)械地連接到可圍繞水平軸線旋轉(zhuǎn)的輪轂140。三個轉(zhuǎn)子葉片150連接到 輪轂140。轉(zhuǎn)子葉片150和輪轂140 —起形成風(fēng)カ渦輪100的風(fēng)カ轉(zhuǎn)子160。風(fēng)カ渦輪100 操作如下。在典型情形下，機(jī)艙120圍繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)使得輪轂140的水平軸線大致平行 于風(fēng)向。由于轉(zhuǎn)子葉片150的空氣動力學(xué)輪廓，風(fēng)在風(fēng)力轉(zhuǎn)子上施加扭矩。因此，風(fēng)カ轉(zhuǎn)子 圍繞其水平軸線旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)130將機(jī)械旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成電流。因此，風(fēng)的動 能轉(zhuǎn)化成電能。圖2示出風(fēng)カ渦輪的電氣系統(tǒng)的實(shí)施例。在ー個典型的實(shí)施例中，該電氣系統(tǒng)包 括用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電カ的一個或更多個構(gòu)件以及ー個或更多個監(jiān)管系統(tǒng)。圖2示出在 左側(cè)的輪轂140和連接到輪轂140的轉(zhuǎn)子葉片150，其中轉(zhuǎn)子葉片150和輪轂140形成風(fēng)カ 轉(zhuǎn)子160。輪轂140機(jī)械地連接到發(fā)電機(jī)130用于使該發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在ー個典型的 實(shí)施例中，齒輪箱135布置在風(fēng)カ轉(zhuǎn)子160與發(fā)電機(jī)130的轉(zhuǎn)子之間，用于將風(fēng)カ轉(zhuǎn)子160 的第一旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)換成施加到發(fā)電機(jī)130的轉(zhuǎn)子的第二旋轉(zhuǎn)速度。在其它實(shí)施例中，可提 供一種無齒輪的風(fēng)力渦輪。那么，沒有齒輪箱提供在風(fēng)カ轉(zhuǎn)子160與發(fā)電機(jī)130的轉(zhuǎn)子之 間，換言之，風(fēng)カ轉(zhuǎn)子160直接連接到發(fā)電機(jī)130的轉(zhuǎn)子。在ー個典型的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī) 的輸出電流連接到換向器170，換向器170將由發(fā)電機(jī)130產(chǎn)生的交流特別是三相交流轉(zhuǎn)換 成直流。直流然后由逆變器180轉(zhuǎn)換成三相交流。逆變器180的輸出經(jīng)由斷路器190和變壓器200電連接到中壓或高壓電網(wǎng)210。在可與本文中的其它實(shí)施例組合的典型的實(shí)施例中，換向器170和/或逆變器180 可包括電カ電子裝置，例如IGBT。典型地，電カ電子裝置可僅承受特定限值的高壓電流或電壓。因此，在ー個典型的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)、換向器、逆變器、斷路器和變壓器電串聯(lián)。 在另外的實(shí)施例中，換向器/變壓器不是必需的。在另ー實(shí)施例中，控制裝置220連接到發(fā)電機(jī)、換向器170和逆變器180、斷路器 190和其變壓器200。在另ー實(shí)施例中，用于轉(zhuǎn)換或切換所生成的電流的每個電子裝置可具有其自己的控制裝置。在另一實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)130直接連接到逆變器180，而逆變器180經(jīng)由斷路器 190和變壓器200連接到電網(wǎng)210。圖3示出風(fēng)力渦輪的電氣系統(tǒng)的另一實(shí)施例。在圖3所示的電氣系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī) 130的輸出電連接到斷路器190，而斷路器190連接到變壓器200。然后變壓器200連接到電網(wǎng)210。典型地，在一實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)、逆變器、斷路器和變壓器電串聯(lián)。根據(jù)另一實(shí)施例，控制裝置220適于控制發(fā)電機(jī)130、斷路器190和變壓器200。在其它實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪的電氣系統(tǒng)可包括多于一個控制裝置，其中控制裝置分配給具體的電氣裝置。在這種實(shí)施例中，控制裝置典型地可彼此通信。發(fā)電機(jī)130典型地為永磁體發(fā)電機(jī)。例如，這可為三相永磁體發(fā)電機(jī)。在一個典型的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)可為光滑鐵芯電機(jī)或凸極電機(jī)。圖4示出帶有光滑鐵芯的三相永磁體發(fā)電機(jī)的實(shí)施例的示意圖。發(fā)電機(jī)300包括轉(zhuǎn)子310和定子320。轉(zhuǎn)子310機(jī)械地連接到風(fēng)力轉(zhuǎn)子160，在典型的實(shí)施例中經(jīng)由齒輪箱。 在其它實(shí)施例中，風(fēng)力轉(zhuǎn)子160直接連接到發(fā)電機(jī)130的轉(zhuǎn)子。那么，換言之，沒有齒輪箱提供在風(fēng)力轉(zhuǎn)子160與發(fā)電機(jī)130的轉(zhuǎn)子之間。因此，當(dāng)風(fēng)力轉(zhuǎn)子通過風(fēng)的動能旋轉(zhuǎn)時，風(fēng)力轉(zhuǎn)子驅(qū)動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子310，而轉(zhuǎn)子310旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子310包括至少兩個永磁體312、314， 其中北極314和南極312交替地布置于轉(zhuǎn)子310的圓周上。在另一實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子310可包括多于兩個永磁體。在典型實(shí)施例中，定子包括三個繞組322、324、326，其中三相電流的每相連接到相應(yīng)繞組。在另外的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)300對于每相可包括更多的繞組，例如兩個或更多個繞組。當(dāng)轉(zhuǎn)子310旋轉(zhuǎn)時，它產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)感應(yīng)定律，在定子的繞組322、324、326中感應(yīng)出電壓。感應(yīng)電壓與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度成比例且也與永磁體的場成比例。定子的繞組322、324、3沈例如可連接到斷路器、換向器或逆變器，如圖2和圖3所示。圖5示出發(fā)電機(jī)400的另一實(shí)施例。圖5中用于發(fā)電機(jī)400的相同特征具有與圖 4所示的發(fā)電機(jī)相同的附圖標(biāo)記加上100。因此，圖5也示出永磁體發(fā)電機(jī)。永磁體412、 414設(shè)置于轉(zhuǎn)子410上。除了圖4所示的發(fā)電機(jī)之外，發(fā)電機(jī)400具有轉(zhuǎn)子410，轉(zhuǎn)子410 還包括用于提供激勵磁場的勵磁繞組416。在一個典型的實(shí)施例中，激勵磁場用于減弱永磁體412、422的磁場。在一個實(shí)施例中，勵磁繞組416的磁場適于在永磁體412、422的相反方向上提供磁場。在另一實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可設(shè)置于定子外。在另一實(shí)施例中，定子可包括用于生成磁場的永磁體，而轉(zhuǎn)子可包括至少一個繞組，感應(yīng)電壓到繞組中。定子和轉(zhuǎn)子及永磁體的布置可取決于例如風(fēng)力渦輪的類型、機(jī)艙的尺寸。典型地用于永磁體發(fā)電機(jī)的磁體具有取決于溫度的磁化曲線。在典型實(shí)施例中， 永磁體可包括稀土金屬和其合金中的一些。如果永磁體的溫度上升，磁化減小直到居里溫度T。，高于居里溫度T。，永磁體喪失其磁性特性。因此，低于居里溫度T。，如果溫度降低，永磁體的磁化增加。典型地，包括稀土材料的永磁體具有相對低的居里溫度。在一個典型的實(shí)施例中，通常用于永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體具有取決于溫度的磁化曲線，其升高每IOK溫度改變大約1%。更高的溫度減小磁體的磁化而更低的溫度增加磁化。例如，在溫度改變大約30開氏度或攝氏度的情況下，磁化改變大約3%。圖6示意性地示出永磁體的磁化曲線。在曲線的第一部段，當(dāng)溫度升高時，永磁體的磁化緩慢地減小，幾乎恒定。當(dāng)?shù)竭_(dá)居里溫度T。時，永磁體基本上喪失其所有磁化。永磁體的磁通量ΨΡΜ典型地與永磁體的磁化成比例。由于到發(fā)電機(jī)的繞組中的感應(yīng)電壓取決于磁化，特別地與磁化成比例，可監(jiān)控風(fēng)力渦輪中磁體的溫度。特別地，當(dāng)負(fù)載與發(fā)電機(jī)斷開時，感應(yīng)電壓施加到電力電子裝置，例如逆變器或換向器，或者施加到風(fēng)力渦輪的斷路器。在一個典型的實(shí)施例中，這些電力電子裝置額定特定的電流或電壓。在施加到裝置的電壓超過額定電壓的情況下，該裝置可被破壞。在磁化曲線的大致線性的部段A中，可基于已知的磁化來確定磁體的溫度。例如，可存儲大致線性的部段A的磁化曲線的梯度和大致線性的部段A的參考值，例如點(diǎn)a的溫度1和磁化Ma。在另一實(shí)施例中，可存儲大致線性的部段A的兩個參考值，用于推導(dǎo)出磁化曲線的梯度。因此，如果磁化是已知的，例如如果磁化Mb被測量，則點(diǎn)b的溫度Tb可基于點(diǎn)a的已知值和梯度g而推導(dǎo)出。因此，永磁體的溫度可基于磁化進(jìn)行測量。在可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的另一實(shí)施例中，完整的磁化曲線可存儲于查詢表中，在其中存儲溫度和對應(yīng)的磁化。圖7示出同步發(fā)電機(jī)的等效電路圖。隊(duì)為由磁通量Ψ和因此發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的永磁體的磁通量ΨΡΜ所感應(yīng)的電壓。仏也可被稱作磁輪電壓。典型地，在同步發(fā)電機(jī)中，如果電流Iges流動，定子320、420的繞組322、324、326、422、424、426也生成磁場，其以與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子310、410相同的速度旋轉(zhuǎn)。該磁場產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通量Ψ:。當(dāng)繞組322、324、326、422、424、426的磁通量W1減小永磁體的磁通量ΨΡΜ時，感應(yīng)電壓降低。降低的電壓被稱作 。另外，在電壓 與在發(fā)電機(jī)的輸出處所測量的
間，還設(shè)置有相伸張電抗(phase spread reactance)X1。。相伸張電抗&。和主電抗)(h形成同步電抗)(ges，其中Xges = xh+x10。以矢量圖示出同步機(jī)器的電流及場和電壓。在圖8中示出這種矢量圖。在矢量圖中，示出永磁體的磁通量ΨΡΜ。磁通量以單相感應(yīng)電壓&到發(fā)電機(jī)的繞組中。當(dāng)發(fā)電機(jī)不連接到網(wǎng)絡(luò)時，磁輪電壓仏和發(fā)電機(jī)的輸出電壓Us相等。發(fā)電機(jī)的輸出處的電流和電壓Us典型地不允許超過特定的值。例如，如果輸出電流Us的值大于某個值，則電力電子設(shè)備可被破壞。如已在上文寫出的那樣，當(dāng)溫度降低時，永磁體的磁化增加。這導(dǎo)致更高的磁輪電壓隊(duì)，因?yàn)榇泡嗠妷号c磁通量ΨΡΜ和因此永磁體的磁化成比例。在這種情況下，為了到達(dá)發(fā)電機(jī)的輸出電壓仏的標(biāo)稱值，可減弱在發(fā)電機(jī)中永磁體的場。在圖8中，以具有坐標(biāo)系的復(fù)平面示出矢量圖，其典型地被稱作dqO系統(tǒng)。d軸線被稱作直軸線(direct-axis)且平行于永磁體的磁通量的矢量，而q軸線被稱作正交軸線且正交于永磁體的磁通量ΨΡΜ的矢量且因此平行于磁輪電壓Up0在圖8中，相電流I㈣僅具有在q軸線的方向上的有功電流部分I,。因此，在此情況下，I㈣等于I,。因此，沿著同步電抗)(㈣的張力下降，其在此等于在d軸線的方向上的張力下降，即jXJ,，平行于d軸線。在圖9中示出矢量圖W，其中永磁體的磁通量減弱。由電流I㈣產(chǎn)生的磁通量(未示出)具有在直軸線的方向上行進(jìn)的部分(Id)和在正交軸線的方向上行進(jìn)的分量(I,)。由電流I㈣生成的在d軸線的方向上的磁通量的部分與在d軸線中行進(jìn)的電流I㈣的部分Id成比例。因此，沿著同步電抗X㈣的張力下降具有平行于d軸線的部分(jXJ^M其由平行于q軸線的電流I,的部分生成)和平行于q軸線的部分(j)(dId)(其由平行于d軸線的電流Id的部分生成)。這是引起發(fā)電機(jī)的永磁體的磁通量減弱的電流的主要部分。另外，在圖9中，示出沿著電阻隊(duì)的張力下降。電阻R1為發(fā)電機(jī)的繞組中的相電阻。典型地，該電阻相對于同步電抗非常小，使得其可在附圖和計(jì)算中省略，例如如關(guān)于圖7和圖8所進(jìn)行的那樣。在一個典型的實(shí)施例中，輸出電壓Us是恒定的。例如關(guān)于圖8和圖9，如果在相同的坐標(biāo)系中繪制，Us的矢量將具有相同的長度。因此，如果磁輪電壓由于溫度變化而變化，則能夠匹配具有在d軸線的方向上的部分和在q軸線的方向上的部分的(復(fù))電流Iges，使得輸出電壓保持恒定。因此，例如，在電流處于d軸線的相反方向上的情況下，可減弱磁通量。在另一實(shí)施例中，在定子處，發(fā)電機(jī)還包括勵磁繞組用于生成除了永磁體的場之外的或在永磁體的場相反方向上的場。因此，轉(zhuǎn)子生成永磁體的引起的磁通量ΨΜ和勵磁繞組的磁通量Ψε。因此，例如，如果溫度較冷，激勵磁場可在與永磁體的磁場相反的方向上增加，使得弓I起的磁場小于永磁體的磁場。如上文所寫的那樣，當(dāng)溫度降低時永磁體的磁場或磁通量增加。當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電壓仏是固定的或者可低于預(yù)定值時，可減弱永磁體的場，或者可減小發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，這是因?yàn)殡妷簛柵c定子的磁通量成比例且與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度成比例。因此，Up與定子的磁通量與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度的乘積成比例。因此，使用在直軸線方向上電流Ild和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度以及在轉(zhuǎn)子包括勵磁繞組的情況下在勵磁繞組中流動的電流的信息，可推導(dǎo)出永磁體的磁通量ΨΡΜ和因此永磁體的磁化。如上文所解釋的那樣，當(dāng)使用磁化曲線的參考值時，可推導(dǎo)出永磁體的溫度。因此，在可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的典型的實(shí)施例中，如果永磁體的溫度接近居里溫度Τ。，則風(fēng)力渦輪可停止。另外，由于“無負(fù)載”電壓，所謂的“反激勵磁力電壓(back exciting magneticforce voltage) ”在冷溫度操作期間增加且斷路器和IGBT在其承受電壓的能力方面受限制，這可確保取決于溫度和發(fā)電機(jī)速度的發(fā)電機(jī)電壓在每個操作點(diǎn)期間保持低于最大限值。例如，在圖8至圖10中以矢量圖示出的總的電壓為磁輪電壓隊(duì)。在一個典型的實(shí)施例中，如果磁輪電壓&高于在風(fēng)力渦輪從電網(wǎng)脫離的情況下斷路器和/或IBGT所能承受的電壓，則發(fā)電機(jī)電壓或磁輪電壓Up施加到斷路器和IGBT，使得它們可能被破壞。例如，在可與本文中的其它實(shí)施例組合的實(shí)施例中，可使用轉(zhuǎn)子的永磁體的溫度來計(jì)算磁輪電壓。在另一實(shí)施例中，可基于在直軸線的方向上行進(jìn)的電流Ild和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度以及在轉(zhuǎn)子包括勵磁繞組的情況下在勵磁繞組中流動的電流來計(jì)算磁輪電壓。在另一實(shí)施例中，永磁體的磁通量ΨΡΜ減小且從永磁體的磁通量計(jì)算磁輪電壓Up。典型地，在一個實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)被設(shè)計(jì)用于額定負(fù)載條件，其也意味著永磁體轉(zhuǎn)子的溫度高于環(huán)境溫度大約60K。在風(fēng)力渦輪在非常低的環(huán)境溫度下起動期間，因此可能是在渦輪極端超速期間，無負(fù)載電壓，例如磁輪電壓，可能超過斷路器和轉(zhuǎn)換器硬件的最大限值。根據(jù)一個的典型實(shí)施例，通過使用來自轉(zhuǎn)換器或控制裝置的信息，只要控制裝置或轉(zhuǎn)換器在磁體的低溫下一檢測到臨界超速，磁體溫度允許控制轉(zhuǎn)換器或控制裝置使之能夠使在轉(zhuǎn)換器與電網(wǎng)之間的斷路器跳脫。在一個典型的實(shí)施例中，通過使用減弱發(fā)電機(jī)內(nèi)的磁場的無功電流，轉(zhuǎn)換器或控制裝置甚至在高于額定速度下控制發(fā)電機(jī)電壓至690伏特。反電磁力電壓越高，需要越多的無功電流以降低發(fā)電機(jī)電壓至預(yù)定的輸出電壓，例如690伏特。例如，在發(fā)電機(jī)和熱磁體的額定速度下，在無負(fù)載情況下(例如磁輪電壓Up等于輸出電壓仏)的輸出電壓或無負(fù)載電壓為大約750伏特。等效于發(fā)電機(jī)電壓或磁輪的電壓仏的無負(fù)載電壓或輸出電壓在發(fā)電機(jī)和冷磁體的界限速度(radius speed)下為大約825伏特。因此，如果發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)，則電壓可降低至690伏特。這使用無功電流來完成。例如，在一個典型的實(shí)施例中，在直軸線d的方向上測量的電流對于冷永磁體比對于熱永磁體更低。在可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的典型的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器或控制裝置可檢測無功電流或在d軸線的方向上的電流或在轉(zhuǎn)子的勵磁繞組中的電流，且在速度值被傳感或檢測到將使無負(fù)載電壓增加到斷路器和/或轉(zhuǎn)換器的IGBT能夠承受的所允許的最大電壓的情況下，發(fā)電機(jī)的控制裝置可在到達(dá)該值之前切斷發(fā)電機(jī)斷路器。特別地，風(fēng)力轉(zhuǎn)子不能立即停止，因?yàn)槠渚哂刑囟ǖ膽T性。另外，根據(jù)可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的典型的實(shí)施例，特別地當(dāng)在正常風(fēng)力條件下通常達(dá)不到臨界的超速限值時，渦輪無需跟隨加熱程序且因此將增加年發(fā)電量。另外，根據(jù)可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的實(shí)施例，臨界的超速限值可取決于永磁體的溫度適應(yīng)性地進(jìn)行設(shè)置。在圖10中示出控制風(fēng)力渦輪的電氣系統(tǒng)的方法。在第一步驟1000中，確定同步發(fā)電機(jī)的場減弱。例如，這可通過測量在直軸線d的方向上的電流、通過確定永磁體的磁化或通過確定磁體的溫度來執(zhí)行。在另一實(shí)施例中，這可通過測量勵磁繞組的電流來執(zhí)行。在步驟1010中，確定永磁體同步機(jī)器的轉(zhuǎn)子速度。例如，這可通過測量風(fēng)力轉(zhuǎn)子速度或通過測量永同步發(fā)電機(jī)的輸出電流的頻率來執(zhí)行。在另一步驟中，在步驟1020中確定發(fā)電機(jī)電壓或磁輪電壓Up。在磁輪電壓Up超過預(yù)定的閾值的情況下(其在步驟1030中檢查)，在步驟1040中風(fēng)力渦輪的斷路器跳脫。另外，無需在永磁體處的溫度傳感裝置，因?yàn)樵撔畔⒂赡軌蛉菀诇y量的其它值推導(dǎo)出。例如，能夠經(jīng)由電壓或電流和旋轉(zhuǎn)速度來切斷轉(zhuǎn)換器和進(jìn)行無功電流及溫度監(jiān)控。因此，電壓或電流和旋轉(zhuǎn)速度可用于尤其永磁體機(jī)器的轉(zhuǎn)子的永磁體的溫度估計(jì)和監(jiān)控。根據(jù)一個實(shí)施例，提供一種用于操作具有電氣系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪的方法，該電氣系統(tǒng)包括具有轉(zhuǎn)子和定子的永磁體發(fā)電機(jī)以及電連接到永磁體發(fā)電機(jī)的電力電子裝置，其中電力電子裝置和斷路器電串聯(lián)地設(shè)置在永磁體發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間，永磁體發(fā)電機(jī)具有永磁體和發(fā)電機(jī)繞組，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時由永磁體感應(yīng)電壓到發(fā)電機(jī)繞組中，該方法包括基于修正永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體的場的場修正來生成使斷路器跳脫的信號。在可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的另一實(shí)施例中，還基于永磁體發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動態(tài)生成使斷路器跳脫的信號。在一個典型的實(shí)施例中，場修正是在d軸線尤其場減弱的方向上的場修正，其中d軸線為在復(fù)平面中永磁體的磁場的方向上的軸線。典型地，場修正可減小或增加永磁體的磁場。因此，永磁體和場修正的組合的磁場(尤其是在永磁體的磁場的場的方向上)典型地小于或大于永磁體的磁場。在一個實(shí)施例中，該方法還包括如果磁輪電壓超過預(yù)定的閾值電壓，則生成用于使斷路器跳脫的信號。在可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的典型實(shí)施例中，該方法還包括基于場修正和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動態(tài)來確定磁輪電壓；以及比較磁輪電壓與預(yù)定閾值電壓。根據(jù)可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的實(shí)施例，預(yù)定的閾值電壓近似對應(yīng)于電力電子裝置的最大承受能力電壓。在可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的另一實(shí)施例中，基于Id的值的確定來確定場修正，其中Id是發(fā)電機(jī)繞組中在d軸線的方向上的電流的部分，d軸線為在復(fù)平面中永磁體的磁場的方向上的軸線。在另一實(shí)施例中，將Id與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度的乘積與預(yù)定的閾值比較，特別地如果該乘積超過該閾值，則生成用于使斷路器跳脫的信號。在可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的典型實(shí)施例中，永磁體發(fā)電機(jī)還包括布置在至少一個永磁體處的至少一個勵磁繞組，其中該至少一個勵磁繞組適于修正永磁體發(fā)電機(jī)的相應(yīng)永磁體的磁場，場修正是基于至少一個勵磁繞組中的電流的檢測和Id的值的檢測來確定，Id是發(fā)電機(jī)繞組中在d軸線的方向上的電流的部分，d軸線為在復(fù)平面中永磁體的磁場的方向上的軸線。在另一實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)的永磁體的溫度是基于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動態(tài)和場修正來確定。在可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的典型實(shí)施例中，電力電子裝置從包括逆變器、換向器、變壓器和斷路器的集合中選擇。在一個典型的實(shí)施例中，提供一種用于確定帶轉(zhuǎn)子和定子的永磁體機(jī)器的至少一個永磁體的溫度的方法，其中該永磁體機(jī)器具有至少一個永磁體和機(jī)器繞組，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時由該至少一個永磁體感應(yīng)電壓到機(jī)器繞組中，該方法包括基于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動態(tài)和修正永磁體機(jī)器的至少一個永磁體的場的場修正來確定永磁體機(jī)器的至少一個永磁體的溫度。根據(jù)另一方面，提供一種用于風(fēng)力渦輪的控制器，該風(fēng)力渦輪包括電氣系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)具有帶轉(zhuǎn)子與定子的永磁體發(fā)電機(jī)和以操作的方式連接到永磁體發(fā)電機(jī)的電力電子裝置以及電串聯(lián)地設(shè)置在永磁體發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的斷路器，其中永磁體發(fā)電機(jī)具有永磁體和發(fā)電機(jī)繞組，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時由永磁體感應(yīng)電壓到發(fā)電機(jī)繞組中，該控制器還適于連接到斷路器的控制電路，該控制器適于基于永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體的磁場的場修正來生成使斷路器跳脫的信號。在一個典型的實(shí)施例中，控制器適于還基于永磁體發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動態(tài)，特別地通過確定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，生成用于跳脫的信號。根據(jù)另一實(shí)施例，控制器適于檢測Id的值，其中Id是發(fā)電機(jī)繞組中在d軸線的方向上的電流的部分，d軸線為在復(fù)平面中永磁體的磁場的方向上的軸線。在另一實(shí)施例中，永磁體發(fā)電機(jī)還包括布置于至少一個永磁體處的至少一個勵磁繞組，其中該至少一個勵磁繞組適于減弱發(fā)電機(jī)的相應(yīng)永磁體的磁場，場修正是基于該至少一個勵磁繞組中的電流的檢測和Id的值的檢測來確定，Id是發(fā)電機(jī)繞組中在d軸線的方向上的電流的部分，d軸線為在復(fù)平面中永磁體的磁場的方向上的軸線。
根據(jù)一個典型的實(shí)施例，場修正可為場減弱。在一個典型的實(shí)施例中，控制器適于基于測得的轉(zhuǎn)子速度和場修正來確定永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體的溫度。在一個典型的實(shí)施例中，電力電子裝置從包括逆變器、換向器、變壓器和斷路器的集合中選擇。在可與本文所公開的其它實(shí)施例組合的另一實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪的永磁體發(fā)電機(jī)為同步發(fā)電機(jī)。在一個典型的實(shí)施例中，永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體設(shè)置在轉(zhuǎn)子上。該文字描述使用示例，包括最佳實(shí)施方式，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵭泻褪褂盟枋龅闹黝}。盡管在前文中公開了各種具體實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到權(quán)利要求的精神和范圍允許同等有效的修正。特別地，上文所描述的實(shí)施例的相互不排斥的特征可彼此組合。專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的這些改變和其它示例。如果這種其它示例具有與權(quán)利要求的字面語言沒有不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括具有與權(quán)利要求的字面語言無實(shí)質(zhì)差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這種其它示例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于操作具有電氣系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪(100)的方法，所述電氣系統(tǒng)包括帶轉(zhuǎn)子 (310,410)和定子(320,420)的永磁體發(fā)電機(jī)(130，300，400)以及電連接到所述永磁體發(fā)電機(jī)的電力電子裝置(170，180，190，200)，其中所述電力電子裝置和斷路器(190)電串聯(lián)地設(shè)置在所述永磁體發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)(210)之間，所述永磁體發(fā)電機(jī)具有永磁體(312，314， 412,414)和發(fā)電機(jī)繞組(322，324，326，422，424，426)，當(dāng)所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時由所述永磁體感應(yīng)電壓到所述發(fā)電機(jī)繞組中，所述方法包括基于修正所述永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體(312，314，412，414)的場的場修正來生成使所述斷路器跳脫的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，生成使所述斷路器跳脫的所述信號還基于所述永磁體發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述場修正是在d軸線尤其場減弱的方向上的場修正，其中所述d軸線為在復(fù)平面中所述永磁體的磁場方向上的軸線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括如果磁輪電壓超過預(yù)定的閾值電壓，則生成用于使所述斷路器跳脫的所述信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法還包括基于所述場修正和所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動態(tài)來確定磁輪電壓(Up)；以及比較所述磁輪電壓與所述預(yù)定的閾值電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定的閾值電壓近似對應(yīng)于所述電力電子裝置的最大承受能力電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述場修正基于Id值的檢測來確定，其中Id是所述發(fā)電機(jī)繞組中在所述d軸線的方向上的電流部分，其中所述d 軸線為在復(fù)平面中所述永磁體的磁場方向上的軸線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述永磁體發(fā)電機(jī)還包括布置在至少一個永磁體(412，414)處的至少一個勵磁繞組016)，其中所述至少一個勵磁繞組適于修正所述永磁體發(fā)電機(jī)的相應(yīng)永磁體的磁場，其中所述場修正是基于所述至少一個勵磁繞組中的電流的檢測和^值的檢測來確定，其中Id是所述發(fā)電機(jī)繞組中在所述d軸線的方向上的電流部分，其中所述d軸線為在復(fù)平面中所述永磁體的磁場方向上的軸線。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)的永磁體的溫度是基于所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動態(tài)和所述場修正來確定。
10.一種用于風(fēng)力渦輪(100)的控制器020)，所述風(fēng)力渦輪包括電氣系統(tǒng)，所述電氣系統(tǒng)具有帶轉(zhuǎn)子(310，410)和定子(320,420)的永磁體發(fā)電機(jī)(130，300，400)和以操作的方式連接到所述永磁體發(fā)電機(jī)的電力電子裝置(170，180，190，200)以及電串聯(lián)地設(shè)置在所述永磁體發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)(210)之間的斷路器(190)，其中所述永磁體發(fā)電機(jī)具有永磁體(312，314，412，414)和發(fā)電機(jī)繞組(322，324，326，422，424，426)，當(dāng)所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時由所述永磁體感應(yīng)電壓到所述發(fā)電機(jī)繞組中，所述控制器還適于連接到所述斷路器的控制電路，所述控制器適于基于所述永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體(312，314，412，414)的磁場的場修正來生成使所述斷路器跳脫的信號。
全文摘要
本公開涉及一種操作具有電氣系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪及確定永磁體溫度的方法和渦輪的控制器，電氣系統(tǒng)包括帶轉(zhuǎn)子和定子的永磁體發(fā)電機(jī)和電連接到永磁體發(fā)電機(jī)的電力電子裝置，電力電子裝置和斷路器電串聯(lián)地設(shè)置在永磁體發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間，永磁體發(fā)電機(jī)具有永磁體和發(fā)電機(jī)繞組，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時由永磁體感應(yīng)電壓到發(fā)電機(jī)繞組中，該方法包括基于修正永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體的場的場修正來生成使斷路器跳脫的信號。電氣系統(tǒng)包括帶轉(zhuǎn)子和定子的永磁體發(fā)電機(jī)和操作地連接到永磁體發(fā)電機(jī)的電力電子裝置以及電串聯(lián)地設(shè)置在永磁體發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的斷路器，控制器還適于連接到斷路器的控制電路和適于基于永磁體發(fā)電機(jī)的永磁體磁場的場修正來生成使斷路器跳脫的信號。
文檔編號H02H7/06GK102386828SQ20111019242
公開日2012年3月21日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者T·艾登菲爾德 申請人:通用電氣公司