CN101182831B - 在功率受限的操作中用于操作风力发电设备的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过转子叶片控制器、扭矩控制器和控制单元操作风力发电机的方法，在功率受限的操作模式中，为所馈送的功率预先设置一个期望值，这个值小于功率的额定值，并且从一个门限旋转速度开始，通过扭矩控制器减小扭矩，使得不会超过为功率预先设置的期望值，其中根据为力矩(MSoll)预先设置的期望值，门限旋转速度被设置为小于旋转速度的额定值。

Description

在功率受限的操作中用于操作风力发电设备的方法
技术领域
本发明涉及一种在功率受限的操作模式下控制风力发电设备的方法，也被称为功率受限的操作。
该申请要求2006年11月16日提交的德国专利申请No.102006054768.3的优先权，在这里被完整地并入作为参考。
背景技术
除了标准操作外，其中风力发电设备根据可利用的风传送其功率至可能的最大功率，风力发电设备也能以功率受限的方式被操作。该操作模式很重要，尤其是在一个风力农场包含多个风力发电设备，并且必须控制来自风力农场的功率的情况下，如发电站中的情况。这样，由风力农场或电气设施执行的控制，在功率受限的操作模式中，为由风力发电设备馈送的最大功率，特别是为待馈送的最大无抗功率，预先设置了期望值。
在功率受限的操作中，有一系列的技术问题。一方面，风力发电设备即使在功率受限的操作中也以对应于标准操作的旋转速度运行，因此产生的功率过高。这样，会产生不必要的噪声。此外，经证明在功率受限的操作中，带有扭矩控制器和转子叶片控制器的风力发电设备可能采用针对旋转速度和扭矩的操作状态，它们导致不必要的对风力发电设备的应力，并且很难控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在功率受限的操作中用于操作风力发电设备的方法，使得即使在这种操作模式下，也能够可靠地针对扭矩和旋转速度控制该风力发电设备。
根据本发明的方法是针对风力发电设备的操作的，它具有转子叶片控制器、扭矩控制器和控制单元。控制单元为待馈送的功率预先设置了期望值。其中控制单元可以自己生成该期望值。作为替代，控制单元也可以接收来自风力发电设备的农场控制器和/或电气设施的网络监控系统的信号，这些信号触发了功率受限的操作模式。除了触发切换到功率受限的操作模式的信号外，待馈送功率的期望值也可以从外侧为控制单元预先设置。该外部预先设置可以经由数据通信自动进行，或者手动进行。在功率受限的操作模式下，通过扭矩控制器减小扭矩，使得不超过所提供的功率的期望值，其中控制单元确定门限旋转速度，它与为功率预先设置的期望值有关。门限旋转速度的值小于旋转速度的额定值(nn)。根据本发明的方法具有以下优点：当要求的功率以功率受限的操作模式被提供时，风力发电设备以特定的匹配旋转速度运行。此外，该方法具有以下优点：根据力矩的期望值确定的旋转速度可以考虑对整个风力发电设备的控制而被选择。这样，避免了风力发电设备中扭矩和旋转速度相互成比率的条件，这种条件对设备操作不利。
具体实施方式
在一个优选的实施例中，待确定的门限旋转速度被设置为与待馈送的功率的期望值成正比。在根据本发明的方法中，我们可以得到：待馈送的功率的期望值与正常操作中额定功率之间的差别越小，门限旋转速度和额定旋转速度之间的差别就越小。
当为功率受限的操作模式确定门限旋转速度时，门限旋转速度的值被如此设置，使得它与在非功率受限的操作模式下对于与预先设置的功率受限期望值有关的功率值导致转换到全负荷操作的旋转速度相对应。这样，背离标准操作的特征曲线，选择旋转速度的限定值，使得它对应于标准操作中与受限功率的预先设置的期望值相匹配的功率值。这样，可以确定该风力发电设备是以在功率受限的操作中不会对风力发电设备施加不必要的应力的旋转速度和扭矩值运行的。
在根据本发明的方法的一个优选实施例中，从到达门限旋转速度开始，转子叶片角控制器驱动转子叶片的迎角(angle 0f attack)，使得扭矩线性地减少到对应于该旋转速度的一个最大值。
在一个优选的实施例中，当降到低于门限旋转速度时，扭矩被保持近似恒定直至第三旋转速度，并被减少至第四旋转速度。在一个优选的扩展方案中，在达到第四旋转速度之后，随着旋转速度的增加，扭矩再次回到标准操作的特征曲线。
根据本发明的方法将通过其执行的示例在下文中更详细地说明。
唯一的附图示出了风力发电设备的控制行为的特征图。在该特征图中，发电机力矩10相对发电机旋转速度12被画出。在特征图的第一起始区段14中，发电机力矩随着旋转速度线性增加。之后，从到达旋转速度n1开始，跟在后面的是第二特征曲线区段16。该第二特征曲线区段表示按照从风接收到的功率的理想特征曲线的发电机力矩。旋转速度和功率之间的数学关系由以下公式得到：
Figure GSB00000631617900031
其中rrot表示转子叶片的半径，ngen表示发电机旋转速度，ügetr表示变速箱的传动比，λ(nrot)表示叶尖速比，其取决于转子的旋转速度，ρluft表示空气密度，而cp(nrot)表示转子叶片的功率参数，其取决于转子的旋转速度。
根据该控制器在技术上的实现，以上功率关系可以被连续计算，或者作为旋转速度的函数放在一个表中。利用从风接收到的功率和发电机功率之间的物理关系可以确定，在该旋转速度范围内风力发电设备得到了最大的功率产出。
在特征曲线的第二区段16后面是特征曲线的区段18，其中扭矩随着旋转速度很快地增加。在风力发电设备的标准操作中，扭矩穿过特征曲线的区段18增加到额定值Mn。在功率受限的操作中，风力发电设备的控制根据特征曲线的区段18到第一门限旋转速度nGr来执行。在旋转速度nGr，达到了为风力发电设备预先设置的力矩Msoll的期望值。根据本发明的方法中，点21(nGr，Msoll)在特征图中的特征曲线上，其针对当变化到标准操作中的全负载操作时的旋转速度和力矩。
对于旋转速度大于第一门限旋转速度nGr的情况，扭矩在后面的特征曲线区段20中减小，使得减小的功率可以满足对应于扭矩Msoll的所需功率。沿着特征曲线区段，旋转速度增加到最大旋转速度nmax。
即使在标准操作中的风力发电设备的控制器中，滞后作用也可以在功率受限的操作中的控制中提供。这意味着一旦风减缓并且旋转速度减小，即使在小于第一门限旋转速度的区域中，力矩的期望值首先仍被保持。这部分特征曲线通过22来表示。当达到了更低的门限旋转速度n3时，扭矩在特征曲线区段24内大大降低。其中这种降低是沿着特征曲线24进行的，它进入到其虚线延长部分中的第二特征曲线区段16中。然而，当扭矩已被足够降低时，旋转速度会在到达第二特征曲线区段之前从该点开始增加，从而使旋转速度和扭矩回到第三特征曲线区段18。在所描述的执行示例中，当达到旋转速度n4时，回到第三特征曲线区段18。该点被表示为26，其中特征曲线区段24进入到特征曲线区段28中，该点位于其中特征曲线区段24的延长部分。
根据本发明的特征图控制允许对风力发电设备进行最优控制的旋转速度，即使待产生的功率小于该设备的额定功率。该方法的优点在于，即使在功率受限的操作中，风力发电设备也可以被稳定地控制。仅仅在门限旋转速度nGr周围的旋转速度范围内，该风力发电设备对于所提供的功率被可靠地操作。相对于标准操作而言，不必要的高旋转速度也得以避免。标准操作的特征曲线像在特征曲线30中一样，为了更好地观察而以虚线画出，其中滞后形式的控制甚至可以在标准操作中进行。在标准操作中，旋转速度的控制可以围绕额定旋转速度进行。

Claims (6)

1.一种用于操作具有转子叶片控制器、扭矩控制器和控制单元的风力发电设备的方法，在功率受限的操作模式中，通过控制单元为所馈送的功率预先设置一个期望值，这个期望值小于所述功率的额定值，并且从一个门限旋转速度(nGr)开始，通过扭矩控制器减小发电机扭矩，使得所馈送的功率不会超过为所述功率预先设置的期望值，其中根据为力矩预先设置的期望值(Msoll)，所述门限旋转速度(nGr)被设置为小于旋转速度的额定值(nn)的值。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述门限旋转速度(nGr)与待馈送的期望功率值成正比。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在功率受限的操作模式下，所述门限旋转速度(nGr)对应于下述旋转速度，该旋转速度导致风力发电设备的非功率受限的操作模式中所述力矩的期望值(Msoll)。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，从旋转速度到达所述门限旋转速度(nGr)开始，所述转子叶片控制器控制所述转子叶片的迎角，从而使扭矩线性减少到对于旋转速度的一个最大值。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，当旋转速度降到低于所述门限旋转速度(nGr)时，所述力矩被保持恒定直至旋转速度到达一个第三旋转速度(n3)，并且当旋转速度降到低于所述第三旋转速度(n3)时所述力矩被减小。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，所述旋转速度减小到第四旋转速度(n4)，并且所述控制单元从所述第四旋转速度(n4)开始提升所述旋转速度。
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