CN100523489C - 风力发电机系统的运行方法 - Google Patents

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Abstract

用于运行适于接入电网的风力发电机系统的方法，包括变速转子，转矩控制器，和叶片冲角控制器，其特征在于在风力发电机系统被接入电网之前，通过改变叶片冲角调节转子速度。

Description

风力发电机系统的运行方法
技术领域
本发明涉及变速风力发电机系统的速度控制方法，该方法是通过改变叶片冲角(angle of blade attach)和转矩以用于将其接入电网的过程。
背景技术
包括转矩控制器和叶片冲角控制器的变速风力发电机系统是公知的。对于叶片冲角的控制，相对其纵轴调节每个转子叶片的叶片冲角。如果叶片冲角改变，则转子叶片分别将从风中获得不同的转矩。
对于风力发电机系统的控制/调节，已知区分两种运行模式。第一运行模式被称为部分负载运行，其中通过预定的转矩执行速度控制。第二运行模式是满负载运行，其中通过调节冲角而执行速度控制。
在部分负载运行过程中系统的速度被设定在转子圆周速度和风速之间的最优关系(λopt)，以由风力发电机系统实现最优功率输出。此时，转子叶片被设定在为转子轴生成最高驱动转矩的叶片角。在部分负载范围内，经由在发电机和/或转换器上所生成的反作用转矩来调节转子的速度。
如果以额定速度在发电机上达到最大反作用转矩，则速度不能再通过进一步增加发电机转矩而被保持在工作点。于是，通过削弱叶片的空气动力效率并使其离开最优冲角而避免过载。因此，一旦实现最大发电机转矩，则转子的速度受到叶片冲角的影响。
为了使风力发电机系统能够运行在部分负载或满负载模式中，需要首先将系统接入到电网中。反作用转矩不能事先在发电机上被产生，因为在连接到电网之前，电流不能被引入到发电机。因此，通常，在将其接入电网前，风力发电机系统的转子将自由旋转，并且通过将其接入电网而建立电连接，且开始控制风力发电机系统以将电能馈送到电网中。
接入过程要求耦合到转子上的发电机的一定的最小速度，即所谓的同步速度nsync。
EP 1007844 B1公开了一种变速风力发电机系统，其具有带有绕组线圈转子的感应发电机。为了运行管理，已知的风力发电机系统具有转矩控制和叶片冲角控制，其中叶片冲角控制与转矩控制独立工作。
在已知的风力发电机系统中，叶片冲角的控制在特定的非常低、并且远低于同步速度的发电机速度之下调节例如25度的非常大的叶片冲角。这有助于保证，即使转子速度非常低，也能从风力中获得足够的转矩以便使转子运动。一旦达到了发动机的非常低的预定速度，就设定与对于部分负载范围内的运行最优的叶片冲角匹配的叶片冲角。
因此，在已知的风力发电机系统中，在进行接入过程的速度范围内不提供通过叶片冲角对速度的控制，因为叶片冲角已经取了对于部分负载范围优化的固定的值。因为不能在接入过程之前通过预定发电机转矩来影响速度，所以速度在接入过程之前根本不将被调节。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种运行变速风力发电机系统的方法，其改进了接入过程。
该目的是通过一种运行适于被接入电网的风力发电机系统的方法实现的，包括变速转子、转矩控制器、叶片冲角控制器，其特征在于，通过在风力发电机系统被接入电网之前改变冲角而调节转子的速度。
这允许相对于自由旋转稳定转子的速度和耦合到转子的发电机的转速。接入过程变得容易，因为能够避免接入过程期间或之前的速度的过度增加和速度的降低。
按照本发明的一个方面，对发电机的适于将其接入电网的过程的同步速度nsync执行速度控制。因此，在对于接入过程适合或者特别优选的范围内实现发电机速度的稳定。
在一个优选方面中，速度控制仅在超过同步速度nsync之后开始。这允许与该控制独立地选择同步速度nsync之下的叶片冲角。同时，仅在实际达到接入过程所要求的速度时才使用涉及一定能量消耗的叶片冲角的控制。
适当地规定，在风力发电机系统启动时，在开始速度控制之前，从最大叶片冲角Φmax开始连续降低叶片冲角。这允许在风力发电机系统启动过程中，即在大速度范围上将叶片冲角保持在适于从风力中接收最大转矩的范围内。这允许使风力发电机系统以比固定或逐步方式调节叶片冲角更快的方式达到接入过程所需的速度。
在一个方面中，根据速度执行叶片冲角的这种减少。这有助于确保最优叶片冲角被设定在任何速度。该方式允许尽可能快地启动转子，即使风速波动。
优选地，减小叶片冲角至最小叶片冲角Φstart。这里，最小叶片冲角Φstart可以比为部分负载运行优化的叶片冲角大。在该情形中，保证了，在接入过程之后，当转子附加地被加载以发电机的反作用转矩时，可通过进一步减小叶片冲角而附加地从风力中获取该转矩。特别地，叶片冲角Φstart在系统被接入电网之前没有落在最小值以下。
按照本发明的一个方面，根据风速选择最小叶片冲角Φstart的值。如果存在低风速，则这允许选择较小的最小叶片冲角Φstart，以便即使在低风速的情况下也可靠地在预定时间段中达到同步速度。而且，如果风速高，则通过选择较大的角Φstart从而允许防止在达到同步速度之后不必要的过度速度超限。于是，接入过程要求叶片角度的较小的设定运动，并将明显更平稳地运行机械系统。
按照本发明的一个方面，规定，在系统被接入电网之后，叶片冲角落在最小叶片冲角Φstart以下。这允许叶片冲角的控制在接入过程之后在整个范围内自由调节叶片冲角为优化的叶片冲角。
规定，在接入过程之后，叶片冲角控制器和转矩控制器优选地同时运行。
附图说明
下面参考实施例和两个附图更详细地描述本发明。
图1以例子的形式在同一图中对时间t示出发电机速度n、叶片冲角Φ、和转矩M的特征。
图2以流程图描绘图1中所示行为所要求的调节过程。
具体实施方式
图1中所示的时间段开始于从转子静止和发电机速度n＝0开始的风力发电机系统的启动，如在时间t＝0时曲线段1的开始所示。相似的，叶片冲角具有最大值角Φmax，如线5的开始处所示。
叶片冲角沿着线5连续减小，直到叶片冲角在t1时达到最小值Φstart。同时，发电机的速度n以非线形过程上升，对应于曲线1。
按照线6，在时间t1，叶片冲角恒定保持在Φstart，直到时间t2。在该时间段期间，发电机速度按照曲线2继续增加，直到在t2时超过同步速度nsync。
此时，通过改变叶片冲角，速度控制被完全激活。通过按照曲线7从值Φstart开始增加叶片撞击角，抵消曲线段3中的速度超限。这个对调节的干预有助于在时间t3实现同步速度nsync。
风力发电机系统也在时间t3接入电网。如图中所示，接入过程总是在同步速度nsync时执行。由点所示的线9表示发电机预定的、从零值开始线性上升的转矩。上升的梯度被参数化在可能的限度内。
在接入电网之后，发电机速度继续增加，如曲线段4所示。同时，叶片冲角从值Φstart开始沿着曲线8进一步减小，以便实现最优功率输出。可以理解，叶片冲角的控制和转矩控制在接入电网的时刻t3后同时激活。特别地，叶片冲角的控制连续检查叶片冲角。该检查也包括安全方面，因为如果风力强，则可能需要快速调节干预，以避免过度高速。
如果风速非常低，其中在接入电网后不能达到增加的速度，则存在另一种情形。
在该情形中，系统将保持在电网中，即使速度降到同步速度以下，如点状曲线段所示的那样。
在流程图中示出了风力发电机系统启动期间的过程，从在20处对风力发电机系统的启动命令开始，到80处的生产模式结束。流程图的上半部分示出三个并行的过程，这三个过程在启动命令之后开始。它们首先包括在由虚线包围的方框30中的叶片冲角(也被称为俯仰角(pitch angle))的调节、其次包括在标识为40的方框中的叶片冲角Φstart的确定，再是标识为50的方框中的发电机速度的监视。
标识为30的方框中的叶片冲角的调节在31处从叶片冲角具有最大值的位置开始。在32处，叶片冲角被设定在70度的起始角。该起始角与图1中Φmax所示的叶片冲角匹配。在从33和34的循环中连续测量速度变化，且叶片冲角根据速度被减小直到达到启动值Φstart。
同时在标识为40的方框中确定Φstart的预定值。为此，在41处测量风速的30秒平均值。如果在42处该平均值超过预定的风速Vwindgrenz，则在43处Φstart被设定为值Φstarthighwind，否则在44处被设定为较低值Φstartlowwind。如果在标识为30的方框中达到叶片冲角的预定值Φstart，则系统在时间t1，在60处处于与图1中标识为t1的时间匹配的状态。
在标识为50的方框中监视发电机速度。因此，同步速度nsync在51处首先被预定为设定点。在52处连续测量实际的发电机速度，且在53处继续检查是否同步速度nsync被超过。如果被超过，则风力发电机系统在时间t2在61处处于与图1中标识为t2的时间匹配的状态。
叶片冲角在62处首先被放大以抵消速度超过同步速度nsync。通过改变叶片冲角到同步速度nsync而控制速度。在63处检查是否同步速度也保持在3秒平均值，即是否接入过程所要求的速度已经被足够地稳定。
在该情形中，风力发电机系统在时间t3在64处处于与图1中标识为t3的时间相匹配的状态。
此时，开始叶片冲角的控制，即为了从风力接收最大转矩，也可以设置启动值Φstart之下的叶片冲角，且叶片冲角的控制不再用于保持同步速度nsync，如同62处所示。
同样，在时间t3，在66处适当地执行接入过程，即，主转换器被设定为工作，而系统被连接至电网。这在67处结束接入过程。在68处示出发电机转矩沿斜坡提高至最大可能值。
在69处，在时间t3同时改变发电机速度的设定点。该速度被同步速度nsync设定为生产模式的设定点。因此，风力发电机系统将处于由80所指示的生产模式。

Claims (10)

1.一种用于运行风力发电机系统的方法，其中所述风力发电机系统适于接入电网中，包括变速转子、转矩控制器、和叶片冲角控制器，其特征在于，在所述风力发电机系统被接入电网之前，通过改变叶片冲角而调节所述转子的速度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述发电机的适于将其接入电网的过程的同步速度nsync执行速度控制。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在超过同步速度nsync之后开始速度控制。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述风力发电机系统启动时，在速度控制开始之前，叶片冲角从最大叶片冲角开始连续减小。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据速度执行所述叶片冲角的减小。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述叶片冲角的减小被执行直到最小叶片冲角Φstart。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，叶片冲角Φstart在系统被接入电网之前没有落在最小值以下。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述最小叶片冲角Φstart取决于风速。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述叶片冲角在系统被接入电网后落在所述最小叶片冲角Φstart以下。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述叶片冲角控制器和转矩控制器在接入过程之后同时运行。
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