CN101126371A - 风力发电机系统的操作方法 - Google Patents

Abstract

一种用于操作风力发电机系统的方法，其具有转子桨叶角控制和扭矩控制，其中在满负荷操作中，从预定速度(n_Absenkung)开始，预设扭矩通过扭矩控制以这样的方式降低，即不超过给定功率(P)的预设值。

Description

风力发电机系统的操作方法

技术领域

本发明涉及具有转子桨叶角控制(Rotorblattwinkelsteuerung)和扭矩控制的风力发电机系统的操作方法。

背景技术

Siegfried Heyer 在Windkraftanlagen，Systemauslegung，Netzintegration und Regelung，Teubner Verlag，第4版第321中描述了如何在满负荷操作下通过改变桨叶安装角来将涡轮机的速度限制为标称值。相似地，调节发电机扭矩，其中发电机扭矩将系统功率调节至最佳值，并引导系统进入安全的和元件减载的操作状态。

风力发电机系统所输出的功率(P)与扭矩(M)和速度(Ω)成比例。其关系为：

P＝M·Ω。

在满负荷操作时，功率在强风和狂风期间将增加。这种被称为“超产”的现象对于独立系统是可以接受的，但在多个风力发电机系统之间相互作用中、例如在风电场(wind farm)中是不能接受的，因为存在输电干线过载的风险。

发明内容

本发明的目的是执行风力发电机系统的操作，从而通过简单方法在满负荷操作时将要输出的功率限制为最大值。

按照本发明，该目的是通过权利要求1的方法实现的。有利的方面构成从属权利要求的主题。

在本发明方法中，在满负荷操作中，从预定速度(nAbsenkung)开始，降低预设扭矩。降低是以这样的方式实现的，即不超过给定功率的预定值。在满负荷操作中，通常通过桨叶角调节涡轮机的速度。这允许已经在满负荷范围内的一定控制。然而，预设扭矩从预定速度开始减小，以便即使速度增加也防止超过要输出的最大功率值。在按照上面给出的扭矩和功率之间的关系减小预设扭矩时，在速度增加时产生减小的功率。这使得即使速度增加也可以限制功率。

为了实现高功率收益，已经证明特别有利的是，在本发明方法中，不选择额定速度作为用于降低预设扭矩的预定速度，而是选择稍微大于额定速度的值。由于预设扭矩从其开始减小的预定速度的这个值，满负荷操作被区分为两段：在第一段中，仅调节桨叶迎角(angle ofblade attack)，而在第二段中进行扭矩控制和桨叶迎角控制二者。

对于预设值从其开始减小的预定速度，优选选择比额定速度大大约0.5％到5％的值。

然而，转子桨叶角控制将有利地从额定速度开始调节桨叶迎角。因此，结果是仅通过桨叶迎角、且从预定速度开始，以及通过桨叶迎角控制和预设扭矩二者实现进行额定速度和预定速度之间的速度调节。

在本发明方法中，为所提供功率的最大值确定与连续操作功率的扭矩相对应的第一预设扭矩。优选地，还为所提供功率的最大值确定与实际扭矩相对应的第二预设扭矩，其中第一和第二预设扭矩的较小值被用于扭矩控制。这里，预设扭矩和速度之间的关系优选为反比关系，即预设扭矩与速度的倒数值成正比。基于风力发电机系统操作控制期间的速度值，很大程度上通过直线来近似扭矩对速度的双曲线。

在本发明的方法中，扭矩控制预定预设扭矩的减小。同时，转子桨叶角的控制将速度控制到预定速度值。扭矩控制所确定的预设扭矩的值对应于功率的预定最大值。

附图说明

下面将参考两个附图更详细地描述本发明方法。图中：

图1示出功率对速度的曲线，和

图2示出预设力矩对速度的曲线。

具体实施例

为了一般性解释，将首先解释图1中所示出的风力发电机系统的调节特性的特征曲线族。特征曲线族具有第一段10，其中有效功率P随速度线性增加。然后是第二段12，其中功率与速度为非线性关系。这里，不同曲线变化是可能的。在特征曲线的第二段12中，优选地，调节功率对应于风力所输入的功率P_Aero。速度和功率之间的数学关系如下式所示：

$P_{\mathrm{Aero}}={[2\·\mathrm{\π}\·r_{\mathrm{rot}}\·\frac{n_{\mathrm{gen}}}{u}\·\frac{l}{60}\·\frac{l}{\mathrm{\λ}\left(n_{\mathrm{rot}}\right)}]}^3\·\mathrm{\π}\·r_{\mathrm{rot}}^2\·\frac{\mathrm{\ρluft}}{2}\·c\left(n_{\mathrm{rot}}\right)$

其中r_rot是转子桨叶的半径，n_gen是发电机速度，ü_getr是传动速比。λ(n_rot)表示与转子速度相关的转子的高速系数(high-speed number)，ρ_luft表示空气密度，而cp(n_rot)表示与转子速度相关的转子桨叶的功率系数。

从速度n₂开始，风力发电机系统从部分负荷区域进入满负荷区域。为此，速度被增加到额定速度。此时，沿段14与速度成线性比例关系地实现功率增加。

如果达到额定速度，则在满负荷工作下进入另一特征曲线段16，直到速度减小。在特征曲线段16中，功率将与速度成线性比例地增加。在随后的特征曲线段18中，功率对速度保持恒定。在随后的特征曲线段20中，功率将再次减小，以便最后从某个速度开始完全消除。

功率从其开始与速度增加无关地是恒定的速度在所示例子中是额定速度的1.01倍；因此，其比额定速度高1％。由于该速度增加超过额定速度，因此所提供的功率比额定速率的功率高1％。

上面讨论的功率、扭矩、和速度之间的关系显示出，如果速度增加，则需要降低扭矩以实现恒定功率。这个过程在图2中示出。图2示出为主转换器预设的扭矩的扭矩曲线。主转换器预定发电机扭矩，例如在双馈异步发电机中。

在稳定情形中，发电机扭矩与转子所输入的扭矩相对应。图2也允许清楚地理解，在满负荷操作中，在额定速度上最大扭矩下，力矩如何首先被保持恒定，并将在速度n_Absenkung后降到段22。因此，相对于速度绘出的预设扭矩在满负荷操作中具有恒定扭矩预设的段24和具有减小扭矩预设的段22。两个曲线之间的转换在速度n_Absenkung时发生。

Claims (7)

1.一种利用转子桨叶角控制和扭矩控制操作风力发电机系统的方法，其中在满负荷操作下，从预定速度(n_Absenkung)开始，预设扭矩通过扭矩控制以这样一种方式被降低，使得不超过给定功率(P)的预定值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用于降低扭矩的预定速度(n_Absenkung)大于额定速度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定速度(n_Absenkung)比额定速度(n_nenn)大0.5％到5％。

4.如权利要求1到3中任一条所述的方法，其特征在于，所述转子桨叶角控制在满负荷操作下从额定速度开始控制转子桨叶角。

5.如权利要求1到4中任一条所述的方法，其特征在于，为所提供功率的最大值确定与连续操作功率的扭矩相对应的第一预设扭矩。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，为所提供功率的最大值确定与实际扭矩相对应的第二预设扭矩，其中第一和第二预设扭矩中较小值被用于扭矩控制。

7.如权利要求1到6中任一条所述的方法，其特征在于，所述转子桨叶角控制将速度调节到确定的速度，扭矩控制将预设扭矩调节为与预定最大功率值相对应的值。

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