用于風(fēng)力渦輪機(jī)的受控關(guān)閉的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的受控關(guān)閉的方法。該方法涉及使用發(fā)電機(jī)側(cè)變換器和可選的DC斬波器在受控關(guān)閉期間作為發(fā)電機(jī)負(fù)載。通過(guò)這種方式，可以避免變速箱后沖和傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)。本發(fā)明還涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其能夠根據(jù)上述方法實(shí)施受控關(guān)閉。
【專利說(shuō)明】用于風(fēng)力渦輪機(jī)的受控關(guān)閉的方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的受控關(guān)閉的方法和系統(tǒng)。更具體而言，本發(fā)明 涉及一種適于避免風(fēng)力渦輪機(jī)變速箱的后沖（backlashing)、傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)以及類似不期 望的影響的方法和系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩負(fù)載通常被實(shí)施為具有固定轉(zhuǎn)矩曲線的無(wú)源電阻器。 如果這種電阻性卸載負(fù)載（dump load)被用于發(fā)電機(jī)負(fù)載，電阻器的磨損和毀壞以及風(fēng)力 渦輪機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)上的不必要的負(fù)載就會(huì)經(jīng)常發(fā)生。
[0003] US7, 605, 488總體上公開(kāi)了怎樣使用卸載負(fù)載來(lái)減少風(fēng)力渦輪機(jī)變速箱的后沖。 顯然地，在US7, 605, 488中卸載負(fù)載消耗的功率量是通過(guò)改變卸載負(fù)載可用的度來(lái)控制。 例如參見(jiàn)第3欄第10行。這里詳細(xì)描述了 卸載負(fù)載5被部分或全部激活..."。因 此，消耗的功率量通過(guò)調(diào)整卸載負(fù)載的容量來(lái)改變。
[0004] 在US7, 605, 488中建議的系統(tǒng)的缺點(diǎn)是卸載負(fù)載的容量只能在離散的步驟中改 變。卸載負(fù)載的容量增量的變化（增加或減少）可能意外地引起在變速箱中生成負(fù)載反轉(zhuǎn) 的事件。
[0005] 本發(fā)明的實(shí)施例的目的可以看作是提供一種方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)允許風(fēng) 力渦輪機(jī)的受控關(guān)閉，以避免風(fēng)力渦輪機(jī)變速箱的后沖、傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)等。
[0006] 本發(fā)明的實(shí)施例的另一目的得益于發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的控制性，以在不引入變速箱 后沖、傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)等情況下確保風(fēng)力渦輪機(jī)的受控關(guān)閉。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 如上所述的目的在第一方面通過(guò)提供用于關(guān)閉風(fēng)力渦輪機(jī)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述風(fēng) 力渦輪機(jī)包括：
[0008] -發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)連接到一組可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子葉片，
[0009] -功率變換器。所述功率變換器包括由中間DC電路分開(kāi)的發(fā)電機(jī)側(cè)變換器和電網(wǎng) 側(cè)變換器，以及
[0010]-功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備，所述功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備可操作地連接到所述 中間DC電路。
[0011] 所述方法包括如下步驟：以使得傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩在風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)閉期間具有恒定 的方向的方式來(lái)操作發(fā)電機(jī)側(cè)變換器作為發(fā)電機(jī)負(fù)載。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選地適用于全尺寸（full-scale)風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)備，其中由 發(fā)電機(jī)生成的所有功率通過(guò)功率變換器。所述傳動(dòng)系統(tǒng)可選地包括變速箱。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，如果風(fēng)力渦輪機(jī)變速箱中的負(fù)載反轉(zhuǎn)被檢測(cè)到，則發(fā)電 機(jī)側(cè)變換器可以被應(yīng)用為對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載。根據(jù)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線導(dǎo)出的功率參 考來(lái)應(yīng)用發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的負(fù)載。
[0014] 如果由發(fā)電機(jī)側(cè)變換器提供的負(fù)載不足以維持傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的恒定方向，則所述 方法還包括以下步驟：以使得傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩在風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)閉期間具有恒定的方向的方 式在功率消耗或存儲(chǔ)設(shè)備中消耗或存儲(chǔ)受控量的過(guò)多功率。因此，如果發(fā)電機(jī)側(cè)變換器產(chǎn) 生的負(fù)載不足，則功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備被激活并且發(fā)電機(jī)側(cè)變換器以受控方式將功率 提供至所述功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備。這可以有益地允許功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備獨(dú)立于 發(fā)電機(jī)側(cè)變換器控制器而以受控的方式從系統(tǒng)中移除過(guò)多的功率，而不需要復(fù)雜的控制， 從而調(diào)整傳給功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備的功率的量。
[0015] 所述功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備包括諸如電阻器、電池、電容器等等的設(shè)備。
[0016] 本發(fā)明的總體優(yōu)點(diǎn)是有助于更快的風(fēng)力渦輪機(jī)關(guān)閉。而且，這對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)的 傳動(dòng)系統(tǒng)是更溫和的。這些優(yōu)點(diǎn)通過(guò)采用主動(dòng)控制方案替換傳統(tǒng)的被動(dòng)控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。 而且，風(fēng)力渦輪機(jī)的受控關(guān)閉可以由部分作用的功率變換器且在包括電網(wǎng)故障的情況下執(zhí) 行。
[0017] 在第二方面中，本發(fā)明涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)，所述風(fēng)力渦輪機(jī)包括
[0018] -發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)連接到一組可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子葉片，
[0019] -功率變換器，所述功率變換器包括由中間DC電路分開(kāi)的發(fā)電機(jī)側(cè)變換器和電網(wǎng) 側(cè)變換器，以及
[0020] -功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備，所述功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備可操作地連接到所述 中間DC電路。
[0021] 其中所述發(fā)電機(jī)側(cè)變換器適用于以使得所述傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩在風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)閉 期間具有恒定方向的方式被應(yīng)用為發(fā)電機(jī)負(fù)載。
[0022] 此外，可以根據(jù)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線導(dǎo)出的功率參考來(lái)應(yīng)用發(fā)電機(jī)側(cè)變換器 的負(fù)載。
[0023] 優(yōu)選地，根據(jù)第二方面的風(fēng)力渦輪機(jī)是全尺寸風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)備，其中由發(fā)電機(jī)產(chǎn) 生的所有功率通過(guò)所述功率變換器。所述傳動(dòng)系統(tǒng)可選地包括變速箱。
[0024] 所述功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備包括諸如電阻器、電池、電容器等的設(shè)備。
[0025] 僅所述發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的負(fù)載就足以維持恒定的傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩方向。如果這樣， 則所述功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備可以被激活并且因此接收由所述發(fā)電機(jī)側(cè)變換器至少部 分地控制的過(guò)多量的功率，使得所述傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩在風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)閉期間具有恒定方 向。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026] 現(xiàn)在參考以下附圖來(lái)更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中
[0027] 圖1示出了風(fēng)力渦輪機(jī)，
[0028] 圖2示出了兩種關(guān)閉方案的流程圖，以及
[0029] 圖3示出了在運(yùn)行終了（rundown)期間用于設(shè)置功率參考的典型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線。
[0030] 雖然本發(fā)明允許各種改變和替代形式，但是這里通過(guò)示例的方式公開(kāi)了特定實(shí)施 例。然而，應(yīng)該理解的是本發(fā)明并不旨在限于公開(kāi)的特定形式。相反地，本發(fā)明覆蓋落入所 附權(quán)利要求限制的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的所有修改、等同物和替換。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 在最通常的方面，本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的受控關(guān)閉（也被稱為運(yùn)行終 了）的系統(tǒng)和方法。通過(guò)受控關(guān)閉意味著風(fēng)力渦輪機(jī)可以關(guān)閉而一般不會(huì)在傳動(dòng)系統(tǒng)中， 并且具體地在風(fēng)力渦輪機(jī)變速箱中，引起后沖和其他負(fù)載反轉(zhuǎn)事件。通過(guò)實(shí)施本發(fā)明，能夠 顯著減少由于傳動(dòng)系統(tǒng)上不需要的負(fù)載導(dǎo)致的磨損和損毀。
[0032] 參考圖1，描述了全尺寸風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)備。一組可旋轉(zhuǎn)安裝的轉(zhuǎn)子葉片1通過(guò)包括 變速箱2的傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子。AC卸載負(fù)載4連接至發(fā)電機(jī)3。在緊急情況 下，AC卸載負(fù)載4被激活，并且風(fēng)力渦輪機(jī)達(dá)到立即控制。在緊急關(guān)閉之后一般花費(fèi)30分 鐘使AC卸載負(fù)載4冷卻。
[0033] 還設(shè)置了包括發(fā)電機(jī)側(cè)變換器6和電網(wǎng)側(cè)變換器7的功率變換器5。所述發(fā)電機(jī) 偵U 6和電網(wǎng)側(cè)變換器7由操作地連接到DC斬波器8的中間DC電路分開(kāi)。圖1中所示的直 流斬波器包括電阻性卸載負(fù)載。然而，它還可以包括一個(gè)或多個(gè)電池和/或一個(gè)或多個(gè)電 容器形式的功率存儲(chǔ)設(shè)備。變換器控制器9控制整個(gè)功率變換器5的操作。
[0034] 生成的AC功率通過(guò)三相斷路器10和電網(wǎng)變壓器11饋送至相關(guān)的AC網(wǎng)12。所述 電網(wǎng)變壓器11使得變換器電壓獲得合適的電壓水平。
[0035] 在例如突然電網(wǎng)崩潰和/或電網(wǎng)側(cè)變換器發(fā)生故障的情況下，傳動(dòng)系統(tǒng)一般在控 制系統(tǒng)操作關(guān)閉風(fēng)力渦輪機(jī)之前開(kāi)始振動(dòng)。振動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)可能在風(fēng)力渦輪機(jī)變速箱中導(dǎo) 致不可控的后沖。然而，如果傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的方向能夠在電網(wǎng)/電網(wǎng)側(cè)變換器故障期間保 持恒定，則能夠避免變速箱后沖。
[0036] 根據(jù)本發(fā)明，在電網(wǎng)/電網(wǎng)側(cè)變換器發(fā)生故障期間，發(fā)電機(jī)側(cè)變換器6用作主動(dòng) 的、并且因此是可控的發(fā)電機(jī)負(fù)載。因此，通過(guò)主動(dòng)控制發(fā)電機(jī)側(cè)變換器6,可以避免傳動(dòng)系 統(tǒng)振動(dòng)以及相關(guān)的傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載反轉(zhuǎn)。如果在關(guān)閉期間發(fā)電機(jī)功率超過(guò)發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的 容量，則DC斬波器就會(huì)被激活，并且過(guò)多的功率被消耗或存儲(chǔ)在其中。
[0037] 在圖2中示出了兩種不同類型的受控關(guān)閉序列，S卩"關(guān)閉序列1"和"關(guān)閉序列2"。 兩個(gè)關(guān)閉序列都中止于風(fēng)力渦輪機(jī)與電網(wǎng)斷開(kāi)連接，即發(fā)電機(jī)側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變換器的 關(guān)閉。關(guān)閉序列的選擇取決于所檢測(cè)到的故障類型。例如，如果網(wǎng)側(cè)變換器發(fā)生故障，則選 擇關(guān)閉序列2。
[0038] 在正常運(yùn)行期間，風(fēng)力渦輪機(jī)由外部功率控制回路進(jìn)行控制，其中被饋送至電網(wǎng) 的有功功率（P)的量和無(wú)功功率（Q)的量用作反饋參數(shù)。在關(guān)閉序列1和2期間，該外部P 和Q功率回路是不可用的。相反，轉(zhuǎn)矩相對(duì)于發(fā)電機(jī)速度的曲線被引入以控制發(fā)電機(jī)側(cè)變 換器6。
[0039] 如圖2中所描述的，關(guān)閉序列1和2二者都包括應(yīng)用于發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的運(yùn)行終 了模式序列。
[0040] 現(xiàn)在參考圖2的關(guān)閉序列1分支，在電網(wǎng)側(cè)變換器被激活時(shí)執(zhí)行發(fā)電機(jī)側(cè)變換器 的運(yùn)行終了模式。該設(shè)備DC鏈路電壓水平由電網(wǎng)側(cè)變換器監(jiān)控，并且有功（和/或無(wú)功） 功率根據(jù)DC鏈路電壓被饋送至到電網(wǎng)中。
[0041] 在圖2的關(guān)閉序列2分支中，電網(wǎng)側(cè)變換器是不可用的，并且DC斬波器控制被激 活，即DC斬波器監(jiān)控DC鏈路電壓并且如果DC鏈路電壓增大到高于DC鏈路的正常電壓水 平時(shí)自動(dòng)激活所述DC斬波器。
[0042] 公共運(yùn)行終了模式序列提供溫和的關(guān)閉序列，其旨在通過(guò)將正轉(zhuǎn)矩施加到傳動(dòng)系 統(tǒng)來(lái)保護(hù)變速箱在速度陡降時(shí)不后沖。當(dāng)接收到運(yùn)行終了模式請(qǐng)求時(shí)，變換器系統(tǒng)將狀態(tài) 改變成"運(yùn)行終了"，同時(shí)運(yùn)行終了模式被激活。在運(yùn)行終了模式期間，發(fā)電機(jī)保持連接和受 控，直到轉(zhuǎn)子速度變得接近低速極限。通過(guò)這種方式，在減速期間，沒(méi)有負(fù)轉(zhuǎn)矩并且由此沒(méi) 有變速箱后沖生成，直到零功率速度，其中發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開(kāi)連接。
[0043] 在初始化運(yùn)行終了模式之前，來(lái)自外部功率回路的實(shí)際功率參考被設(shè)置成運(yùn)行終 了模式期間的最大功率極限。因此，實(shí)際的功率參考在運(yùn)行終了模式期間被存儲(chǔ)并且應(yīng)用 為限制最大的功率參考。
[0044] 如上所述，外部功率回路不可用意味著對(duì)于發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的正常功率參考也不 再可用。相反地，發(fā)電機(jī)側(cè)變換器由根據(jù)例如轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線，即轉(zhuǎn)矩相對(duì)于發(fā)電機(jī)速度的關(guān) 系曲線導(dǎo)出的新的功率參考值來(lái)控制。在圖3中示出了由11點(diǎn)接近的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線的示 例。因此，通過(guò)不可用的外部功率回路，用于發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的新的功率參考經(jīng)由轉(zhuǎn)矩速度 曲線從發(fā)動(dòng)機(jī)速度導(dǎo)出。
[0045] 需要注意的是，用于發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的新的功率參考也可以根據(jù)多項(xiàng)式方程導(dǎo) 出。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于關(guān)閉風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，所述風(fēng)力渦輪機(jī)包括： -發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)連接到一組可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子葉片， -功率變換器，所述功率變換器包括由中間DC電路分開(kāi)的發(fā)電機(jī)側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變 換器， -功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備，所述功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備可操作地連接到所述中間 DC電路， 所述方法包括如下步驟：以使得所述傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)閉期間具有 恒定方向的方式操作所述發(fā)電機(jī)側(cè)變換器作為發(fā)電機(jī)負(fù)載。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中根據(jù)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線導(dǎo)出的功率參考來(lái) 應(yīng)用所述發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的負(fù)載。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中操作所述發(fā)電機(jī)側(cè)變換器包括以使得所述傳 動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)閉期間具有恒定方向的方式來(lái)操作所述發(fā)電機(jī)側(cè)變換 器，以控制在所述功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備中消耗或存儲(chǔ)的功率的量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，當(dāng)所述傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩低于預(yù)定極限時(shí)，所述發(fā)電機(jī) 側(cè)變換器被用作發(fā)電機(jī)負(fù)載。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)所述的方法，還包括將所述電網(wǎng)側(cè)變換器設(shè)置為未激 活操作模式的步驟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括使所述風(fēng)力渦輪機(jī)與相關(guān)的電網(wǎng)斷開(kāi)連接的步 驟。
7. -種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括： -發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)連接到一組可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子葉片， -功率變換器，所述功率變換器包括由中間DC電路分開(kāi)的發(fā)電機(jī)側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變 換器， -功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備，所述功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備可操作地連接到所述中間 DC電路。 其中所述發(fā)電機(jī)側(cè)變換器適于以使得傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)閉期間具 有恒定方向的方式被應(yīng)用為發(fā)電機(jī)負(fù)載。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中根據(jù)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線導(dǎo)出的功率參考來(lái) 應(yīng)用所述發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的負(fù)載。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中所述功率消耗或功率存儲(chǔ)設(shè)備適于接 收如所述發(fā)電機(jī)側(cè)變換器所控制的過(guò)多量的功率，使得所述傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩在所述風(fēng)力渦輪 機(jī)的關(guān)閉期間具有恒定的方向。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中所述功率消耗或功率存儲(chǔ) 設(shè)備包括電阻器、電容器或電池。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7至10中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)力渦輪機(jī)，其中所述傳動(dòng)系統(tǒng)包括變速 箱。
【文檔編號(hào)】H02P3/18GK104114858SQ201280060524
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月8日
【發(fā)明者】D·D·團(tuán) 申請(qǐng)人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團(tuán)公司