CN101436844A - 用于风力涡轮发电机的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮发电机的方法和系统，一种风力涡轮发电机(10)系统包括发电机(24)，发电机配置成在第一功率因数下以第一运行模式产生电力，在第二功率因数下以第二运行模式产生电力，第二功率因数大于第一功率因数。还包括功率转换器(404)，其配置成在高于发电机的同步速度时将来自转子的电力转换成直流(DC)电力，在低于同步速度时为转子供应电力。又配置成在第三功率因数下以第一运行模式转换电力，在第四功率因数下以第二运行模式转换电力，第四功率因数小于第三功率因数，使得系统在第二运行模式下的功率输出大体上等于在第一运行模式下的功率输出，相对于第一运行模式，在第二运行模式下利于减小发电机电流。

Description

用于风力涡轮发电机的方法和系统
技术领域
本发明一般地涉及发电机，更具体地说，涉及用于控制发电机中的温度的方法和系统。
背景技术
至少某些已知的发电机系统是设计在特定的条件下运行的。例如至少某些已知的风力涡轮发电机，其是为现场海拔高度小于大约1000米的海平面应用而设计的。然而，这种风力涡轮可能安装在超过用于限定设计要求的特定环境条件的地点。如果风力涡轮发电机安装在海拔和/或环境温度超出设计标准中的特定环境条件的地点中时，可能会降低风力涡轮发电机的冷却能力，并且发电机在运行期间可能承受过高的温度状态。在这种地点，为了保持发电机的稳定的动力操作而不降低风力涡轮发电机的功率，必须改进发电机的冷却。
一种已知的解决方案是采用增强型冷却器，例如，可采用具有轴向和/或径向冷却风扇的冷却器来替换原始冷却器。然而，新的增强型冷却器的设计和/或发电机的设计，以及增加与风力涡轮发电机相关联的电气设备的数量都是昂贵的。另外，对位于六十五米高或更高高度处的已安装风力涡轮发电机上改型翻新新设备是更为昂贵的。
发明内容
在一个实施例中，一种减少发电机系统中的热损失的方法包括在发电机中在第一功率因数产生电力，以及在转换器中在第二功率因数下以第一运行模式转换电力，以及在发电机中在第三功率因数下产生电力，其中第三功率因数大于第一功率因数，以及在转换器中在第四功率因数下以第二运行模式转换电力，其中第四功率因数小于第二功率因数，使得发电机系统在第二运行模式下的功率输出大体上等于发电机系统在第一运行模式下的功率输出，并且利于减小发电机的电流。
在另一实施例中，风力涡轮发电机系统包括发电机，该发电机包括转子和定子。发电机配置成可在第一功率因数下以第一运行模式产生电力，并且在第二功率因数下以第二运行模式产生电力，其中第二功率因数大于第一功率因数。风力涡轮发电机系统还包括电联接在转子上的功率转换器。功率转换器配置成将来自转子的电力转换成高于发电机同步速度的直流(DC)电力，并将电力供给低于该同步速度的转子。功率转换器还配置成在第三功率因数下以第一运行模式转换电力，以及在第四功率因数下以第二运行模式转换电力，其中第四功率因数小于第三功率因数，使得发电机系统在第二运行模式下的功率输出大体上等于发电机系统在第一运行模式下的功率输出，并且相对于第一运行模式，在第二运行模式下利于减小发电机电流。
在又一实施例中，一种减少风力涡轮发电机中的热损失的系统包括风力涡轮发电机，该风力涡轮发电机包括双馈感应发电机，其中该发电机包括转子，该转子用于产生来自发电机转子的电力，发电机转换器电联接在转子上，其中该转换器配置成将来自转子的电力转换成DC电力。该系统还包括电网侧转换器和至少一个电路，电网侧转换器用于以可选择的功率因数将DC电力转换成AC电力，该至少一个电路配置成基于发电机的温度而调整发电机转换器的和电网侧转换器中的至少一个的电流流量。
附图说明
图1是根据本发明的一个示范性实施例的风力涡轮发电机的示意图；
图2是图1中所示的风力涡轮发电机的简图；
图3是根据本发明一个实施例的可变速风力涡轮机的示意图，其包括直接驱动同步发电机；
图4是根据本发明一个实施例的可变速风力涡轮发电机的示意图，其包括双馈感应发电机；
图5A是显示了从风力涡轮发电机至电网的输出功率的图表；和
图5B是显示了从风力涡轮发电机至电网的输出功率的图表，其利用转换器将一部分电抗性负载供给电网。
部件列表
10  风力涡轮发电机
12  短舱
14  转子
16  旋转轴线
18  塔
20  转子轮毂
22  叶片
24  发电机
26  转子轴
28  发电机的转子轴
30  齿轮箱
32  低速侧
33  导电管
34  高速侧
35  管
36  频率转换器
37  转换器无功功率支持能力电路
38  管
39  负载
40  管
42   控制系统
50   总线
52   处理器
54   RAM
56   存储装置
58   ROM
60   输入/输出装置
62   传感器接口
300  可变速风力涡轮机
302  直接驱动式同步发电机
400  风力涡轮发电机
402  双馈感应发电机
404  DC/AC转换器
406  转子侧转换器
408  电网侧转换器
410  电容器
411  直流总线
412  耦合电感
414  电网
415  电网端子
416  转子绕组
418  集电环
420  电刷
422  定子绕组
424  控制系统
426  温度传感器
428  侧电压命令信号
432  电容器
500   图表
502   图表
504   X轴线
506   Y轴线
508   第一矢量
510   第一矢量的有功分量
512   第一矢量的无功分量
514   X轴线
516   Y轴线
518   第二矢量
520   由转换器提供的第二矢量的有功分量
522   由转换器提供的第二矢量的无功分量
524   由发电机提供的第二矢量的有功分量
526   由发电机提供的第二矢量的无功分量
具体实施方式
以下详细描述通过示例而非限制的方式来举例说明本公开。该描述清晰地使本领域中的技术人员能够制造和使用本发明公开，其描述了本公开的若干个实施例、变型、变体、备选方案以及用途，包括当前被认为是实施本公开的最佳模式。本公开被描述成应用于一个优选实施例，即，控制风力涡轮发电机中的温度的方法。然而，设想本公开对于控制一般的电力机器，尤其是具有供应或降低无功功率能力的可运行机器，具有普遍的应用。
如此处所用，用语“叶片”意图代表当相对于周围空气进行运动时提供反作用力的任何装置。如此处所用，用语“风力涡轮机”意图代表由风能产生旋转能量，更具体地说，将风的动能转换成机械能的任何装置。如此处所用，用语“风力涡轮发电机”意图代表由从风能产生的旋转能产生电能，更具体地说，将由风的动能转换而来的机械能转换成电能的任何风力涡轮机。
图1是根据本发明的一个示范性实施例的风力涡轮发电机10的示意图。在该示范性实施例中，风力涡轮发电机10包括水平-轴向构造。备选地，风力涡轮发电机10可包括如下构造，该构造包括但不限于垂直-轴向构造(未示出)。在该示范性实施例中，风力涡轮发电机10电联接在电气负载上，例如但不限于电网上(图1中未显示)。电网便于从中引导电能，以促进风力涡轮发电机10和/或其相关构件的运行。这种相关联的构件包括电气负载，其包括但不限于电动机驱动的装置(例如迎角驱动装置(pitch drive))、电子装置(例如控制系统电源)、日常负荷(例如照明和加热)、电能存储装置(例如电池、飞轮和电容存储系统)以及其它发电机。此外，电网便于传送由风力涡轮发电机10所产生的电能。虽然只显示了一个风力涡轮发电机10，但是在某些实施例中，可将多个风力涡轮10组在一起，有时称为“风电场”。
风力涡轮发电机10包括主体，有时称为“短舱”，以及联接在短舱12上的转子(总体由标号14表示)，转子用于相对于短舱12围绕旋转轴线16而旋转。在示范性实施例中，短舱12安装在塔18上。然而，在某些实施例中，除了塔式安装的短舱12之外或作为塔式安装的短舱12的备选，风力涡轮发电机10包括接近地面和/或水面的短舱12。塔18的高度可以是使风力涡轮发电机10能够起到此处所述作用的任何合适的高度。转子14包括轮毂20和多个叶片22(有时称为“翼型件”)，叶片径向向外地从轮毂20中延伸出来，用于将风能转换成旋转能。虽然此处将转子14描述并显示为具有三个叶片22，但是转子14可具有任何数量的叶片22。叶片22可各具有任意长度，并具有便于风力涡轮机10如此处所述的运行的形状、类型和/或构造。
图2是图1中所示的风力涡轮发电机10的简图。风力涡轮发电机10包括联接到转子14上的发电机24，该发电机24用于从转子14所产生的旋转能中产生电能。发电机24可以是任何合适的发电机类型，例如，但并不限于绕线转子感应发电机、凸极发电机、双边发电机，励磁式同步发电机、永久磁铁发电机和/或双馈感应发电机(DFIG)。发电机24包括定子(未显示)和转子(未显示)。
转子14包括联接到转子轮毂20上以便随其旋转的转子轴26。发电机24联接到转子轴26上，使得转子轴26的旋转驱动发电机转子的旋转，并从而驱动发电机24的运行。在示范性实施例中，发电机转子具有转子轴28，转子轴28联接在转子上并联接在转子轴26上，使得转子轴26的旋转驱动发电机转子的旋转。在其它实施例中，发电机转子直接地联接在转子轴26上，有时称为“直接驱动式风力涡轮机”。在该示范性实施例中，发电机转子轴28通过齿轮箱30而联接在转子轴26上，尽管在其它实施例中，发电机转子轴28直接地联接在转子轴26上。更具体地说，在该示范性实施例中，齿轮箱30具有联接在转子轴26上的低速侧32和联接在发电机转子轴28上的高速侧34。转子14的扭矩驱动发电机转子，从而由转子14的旋转产生可变频交流(AC)电能。
在示范性实施例中，频率转换器36通过至少一个导电管33而电联接在发电机24上。频率转换器36配置成将接收自发电机24的可变频AC电能转换成固定频率的AC电能，以传送至电气负载39，例如，但不限于电网，其通过至少一个导电管35而联接在频率转换器36上。在示范性实施例中，频率转换器36包括转换器无功功率支持能力电路37，该电路用于改变发电机24的操作功率因数。例如，当需要风力涡轮发电机10在小于大约0.95的功率因数下运行时。频率转换器36可定位在风力涡轮发电机10中或远离风力涡轮发电机10的任何位置。例如，在示范性实施例中，频率转换器36定位在(图1中所示的)塔18的底座(未显示)中。
备选地，频率转换器36通过至少一个导电管38而电联接在DFIG构造中的发电机24上，如图2中虚线所示。导电管38替代导电管33电联接在发电机24和转换器36上。类似地，至少一个导电管40替代导电管35便于将发电机24电联接至转换器36和负载39上。
在某些实施例中，风力涡轮发电机10可包括联接在一个或多个风力涡轮发电机10的构件上的一个或多个控制系统42，该控制系统用于一般地控制风力涡轮发电机10和/或其某些构件或所有构件的运行(如此处所述和/或所示的这种构件)。在示范性实施例中，控制系统42安装在短舱12中。然而，另外地或备选地，一个或多个控制系统42可远离风力涡轮发电机10的短舱12和/或其它构件。控制系统42可用于，但不限于总的系统监测和控制，包括，例如，但不限于迎角和速度调节、高速轴和偏转制动器应用、偏转和泵电动机应用和/或故障监测。在某些实施例中可使用备选的分布式或集中式控制架构。
在示范性实施例中，控制系统42包括总线50或其它传送信息的通信装置。一个或多个处理器52联接在总线50上以处理信息。在示范性实施例中，处理器52是控制器。备选地，如本文所述，处理器52是任何利于系统42运行的装置。
控制系统42还可包括一个或多个随机存取存储器(RAM)54和/或其它存储装置56。RAM54和存储装置56联接在总线50上，以存储和传递待处理器52执行的信息和指令。在处理器52执行指令期间，RAM54(和/或存储装置56，如果包括的话)还可以用于存储临时变量或其它中间信息。控制系统42还可包括一个或多个只读存储器(ROM)58和/或其它静态存储装置，其联接在总线50上以存储静态(即，非变化)信息和指令和给处理器52提供静态信息和指令。输入/输出装置60可包括本领域中已知的任何装置，以给控制系统42提供输入数据，例如，但不限于与频率转换器36和/或电气负载39相关的输入和/或输出数据，和/或提供输出，例如，但不限于偏转控制输出和/或迎角控制输出。指令可由存储装置例如，但不限于磁盘、只读存储器(ROM)集成电路、CDROM和/或DVD而通过远程连接提供给存储器，该远程连接是有线的或无线的，其提供对一个或多个电子可存取介质的存取。在某些实施例中，可使用硬连线的电路来替代软件指令或与软件指令相结合。因而，指令的顺序执行并不限于硬件电路和软件指令的任何特定的组合，不论是本文描述过的和/或是显示过的。
控制系统42还可包括传感器接口62，该接口容许控制系统42与任何传感器通信。传感器接口62可以是或可以包括，例如一个或多个模拟-数字转换器，该转换器将模拟信号转换成可由处理器52使用的数字信号。
在该示范性实施例中，控制系统42至少与频率转换器36、转子14和发电机24以电子数据通信而联接，以监测和/或控制它们的运行。备选地，控制系统42以电子数据通信与电气负载39相联接，以接收与负载39相关的信息，例如，但不限于负载39的运行参数和/或运行状态，和/或用于控制负载39的运行。
除了控制系统42之外或作为控制系统42的备选，可使用其它控制系统(未显示)来控制频率转换器36、转子14、发电机24和/或负载39的运行。这种其它控制系统包括，但不限于一个或多个与其它风力涡轮发电机(未显示)相关联的控制系统、一个或多个用于风电场的集中式控制系统，和/或一个或多个与负载39相关联的控制系统。
图3是根据本发明一个实施例的可变速风力涡轮机300的示意图，其包括直接驱动同步发电机302。
图4是根据本发明一个实施例的可变速风力涡轮发电机400的示意图，其包括双馈感应发电机402。在该示范性实施例中，AC/DC/交流转换器404被分成两个构件：转子侧转换器406和电网侧转换器408。在该示范性实施例中，转子侧转换器406和电网侧转换器408都是电压源型转换器，其使用强制换向的电力电子器件(IGBT)，以从DC电压源合成AC电压。联接在DC总线411上的导体之间的电容器410用作DC电压源。耦合电感412用于将电网侧转换器408联接至电网414上。三相转子绕组416通过相应的集电环418和电刷420而联接在转子侧转换器406上。三相定子绕组422直接通过电网端子415而连接在电网414上。由风力涡轮发电机400捕获的功率由感应发电机402转换成电能，并由定子绕组和转子绕组422，416传送至电网414。控制系统424产生迎角命令426和转子侧电压命令信号428以及电网侧电压命令信号430，其分别用于转子侧转换器406和电网侧转换器408，以控制风力涡轮发电机400的功率、DC总线411电压和电网端子415处的无功功率或电压。转子侧转换器406用于控制电网端子415处所测量的风力涡轮机的输出功率和电压(或无功功率)。具体地说，电网端子415处的电压或无功功率受到转子侧转换器406中流动的无功电流的控制。在一个实施例中，风力涡轮发电机400以VAR调节模式运行，其中电网端子415处的无功功率利用VAR调节器(未显示)而保持基本恒定。电网侧转换器408用于调节DC总线电容器410的电压。另外，电网侧转换器408用于产生或吸收无功功率。
通过控制转子电流获得来自定子的AC电力的所需的功率因数。转子侧转换器406联接在转子绕组416上，用于控制转子绕组416的电流，以造成来自定子绕组422的电力被控制在所需功率因数下，并使发电机402提供所需的扭矩水平。控制系统424可调整定子绕组422的功率因数，该控制系统424还可转换AC电力。转子电力通过转子侧转换器406而供给DC总线411，在此处将DC电力存储在电容器410中。在一个备选实施例中，电容器410包括电容器组。
在运行期间，当风力涡轮发电机400以大于发电机的同步速度的速度旋转时，电网侧转换器408将来自DC总线411的DC电力转换成恒定频率的AC电力，并通过耦合电感412将其供给电网414。当风力涡轮发电机400以小于同步速度的速度旋转时，电网侧转换器408主动地调整来自电网414的AC电力，并对其进行调整以向转子侧转换器406供给DC电力，该转子侧转换器406又将AC电流供给转子绕组416。在某些实施例中，调整来自电网侧转换器408的AC电力的电流，以使其与电网电压同相，使得从电网侧转换器408供给电网414的AC电力基本保持在统一的功率因数下。因此，AC电力从定子绕组422和转子绕组416二者以发电机402的同步速度或更高速度而供给电网414。在同步速度以下时，AC电流供给转子绕组416，并且由定子绕组422产生功率，并供给电网414。在转子侧转换器406的控制之下的发电机402调整无功功率，从而使定子绕组422以可选择性地调整的功率因数来供应AC电力。由转子绕组416提供的AC电力的功率因数可由电网侧转换器408的电流调节确定。
在该示范性实施例中，转子侧转换器406是开关逆变器，并在同步速度以下为转子绕组416提供电流，直至发电机402达到同步速度。在同步速度以上时，发电机402从转子绕组416产生三相AC电力，并通过电网侧转换器408供应电力，之后该电网侧转换器408用作有源整流器，以将DC电力供给DC总线411。控制系统424控制穿过转子侧转换器406送往或来自转子绕组416的电力。
在某些运行期间，例如在高海拔和相对高的环境温度下，安装的发电机冷却系统(未显示)可能不够有效，从而能够将发电机402冷却至可容许的参数范围内。在这种情况下，使用转换器无功功率支持能力电路37，其起到转换器404的作用，该转换器404可用于改变发电机402的运行功率因数。例如，当需要风力涡轮发电机400在小于大约0.95的功率因数下操作时。转换器404通常并不为电网414提供无功功率，例如当发电机402(定子和转子一起)以小于大约0.95的功率因数运行时，然而，使用转换器无功功率支持能力电路37，发电机功率因数被调整至例如0.97或其它值，并且由电网侧转换器408供应无功功率需求的剩余部分。这种从发电机402至转换器404的无功功率需求的转移便于减少发电机402中的热损失，容许全功率运行，此处发电机402否则将减载或需要补充冷却。通过从转换器404提供一部分无功功率给电网414，可减少定子绕组422和转子绕组416的实际的发电机电流值，从而改善热损失。
可使用手动输入的设定点或自动产生的命令来选择将减少转子的无功电流的功率因数设置。内嵌在转子绕组416和/或定子绕组422中的温度传感器426或传感器(未显示)可用来便于确定发电机402的冷却何时不足，以及何时应该使用转换器无功功率支持能力电路37。温度传感器426可联接在控制系统424上，使得控制系统424上所执行的算法可确定减少电流所需要的功率因数的设置值，可选择或产生该功率因数的设置值并将其传送至转子侧转换器406。该设置值是所确定的供给转子绕组416的转子电流，其导致发电机402以所需的功率因数从其定子中产生电力。使用转换器404的无功功率支持能力来提供从发电机402转移至电网414的一部分无功功率需求，这利于降低发电机定子和转子电流，从而改善发电机402中的热损失，并降低定子绕组422的运行温度。
在一个备选实施例中，一个或多个电容器432联接在涡轮404的输出上，以提供发电机402之外的无功功率，例如，固定的电容，和/或通过使发电机在1至0.9过度激励之间运转，而从例如作为正常点的大约0.95的过度激励调整至大约0.95的欠缺激励的电容。额外的电容器还提供了来自发电机402的无功功率的漂移，使得以比额外的冷却改型更少的成本降低定子绕组和转子绕组的电流。
图5A是显示了从风力涡轮发电机400至电网414的输出功率的图表500。图5B是显示了从风力涡轮发电机10至电网414的输出功率的图表502，其利用转换器404将一部分电抗性负载供给电网。在该示范性实施例中，图表500包括以有效功率单位，例如千瓦进行分度的X轴线504和以无功功率单位，例如千乏进行分度的Y轴线506。第一矢量508显示了从风力涡轮发电机400供给电网414的视在功率。矢量508包括由发电机402提供的有功分量510和无功分量512。在该示范性实施例中，图表502包括以有效功率单位，例如千瓦进行分度的X轴线514和以无功功率单位，例如千乏进行分度的Y轴线516。第二矢量518显示了从风力涡轮发电机400供给电网414的视在功率，其使用转换器404以将至少一部分电抗性负载供给电网414。矢量518包括均由转换器404提供的有功分量520和无功分量522。矢量518还包括均由发电机402提供的有功分量524和无功分量526。在图5A和5B所示的各种情况下，供给电网的功率因数大约为0.95，然而，如图5B中所示，使用转换器404的转换器无功功率支持能力电路37，这允许将发电机402的电抗性负载转移至转换器404上，以利于减小发电机402中的电流，这降低了发电机402的冷却需求。通过使用转换器无功功率支持能力电路37的特征，而非增加额外的冷却系统，风力涡轮发电机10能够在高海拔和/或高温环境下操作。
如将会懂得的，并基于前述说明书，本公开的上述实施例可利用计算机程序或如下工程技术来实现，该工程技术包括计算机软件、固件、硬件或其任意组合或子集，其中，技术效果是在风力涡轮发电机和功率转换器之间共享电抗性负载，以减小发电机电流，从而利于减少发电机的冷却损失。根据所论述的本公开的实施例，任何这种具有计算机-可读代码装置的所得到的程序均可在一个或多个计算机可读介质中实施或提供，从而形成计算机程序产品，即制造品。计算机可读介质可以是，例如，但并不限于固定(硬盘)驱动器、软盘、光盘、磁带、半导体存储器例如只读存储器(ROM)、和/或任何发送/接收介质，例如Internet或其它通信网络或连接。通过直接从一个介质执行代码，将代码从一个介质复制到另一介质上，或者在网络上发送代码，可制造和/或使用包含计算机代码的制造品。
虽然已经就各种特定的实施例描述了本公开的实施例，但是应该懂得，在权利要求的精神和范围内，可利用变型来实践本公开的实施例。

Claims (10)

1.一种风力涡轮发电机(10)系统，包括：
发电机(24)，其包括转子(14)和定子，所述发电机配置成在第一功率因数下以第一运行模式产生电力，和在第二功率因数下以第二运行模式产生电力，其中，该第二功率因数大于该第一功率因数；和
电联接在该转子上的功率转换器(404)，所述功率转换器配置成在该发电机的同步速度以上将来自该转子的电力转换成直流(DC)电力，所述功率转换器配置成在该同步速度以下将电力供给该转子，所述功率转换器还配置成在第三功率因数下以第一运行模式转换电力，以及在第四功率因数下以第二运行模式转换电力，其中，该第四功率因数小于该第三功率因数，使得该发电机系统在第二运行模式下的功率输出大体上等于该发电机系统在第一运行模式下的功率输出，并且相对于该第一运行模式，在该第二运行模式下利于减小该发电机电流。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，相对于该第一运行模式，在该第二运行模式下利于减小电抗性的发电机电流。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括电联接在该发电机(24)的输出上的电容性电抗(432)。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括电联接在该发电机(24)的输出上的可变电容性电抗(432)。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括以大体上统一的功率因数将电力供给电网(414)。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括转换器无功功率支持能力电路(37)，该电路配置成选择性地调整该转换器(404)对该风力涡轮发电机(10)系统的输出的无功功率贡献。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括转换器无功功率支持能力电路(37)，该电路配置成选择性地控制该发电机转子(14)的电流，以控制该发电机(24)的无功功率输出。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转换器(404)包括转子侧转换器(406)，该转子侧转换器(406)通过直流(DC)总线(411)而联接到电网侧转换器(408)上，其中，所述转换器无功功率支持能力电路(37)配置成选择性地控制该转子侧转换器和该电网侧转换器中的至少其中一个转换器，以控制该发电机(24)的无功电流。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转换器(404)包括转子侧转换器(406)，该转子侧转换器(406)通过直流(DC)总线(411)而联接到电网侧转换器(408)上，该直流总线(411)包括联接到其上的直流电源。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述直流电源包括电容器(410)、超级电容器和蓄电池中的至少其中一个。
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