CN101517228A - 控制连接到市电网的风力涡轮机的方法、风力涡轮机与风电厂 - Google Patents

控制连接到市电网的风力涡轮机的方法、风力涡轮机与风电厂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种方法，其通过检测市电网的状态来控制连接到市电网的风力涡轮机，并在返回到正常电网模式的运行风力涡轮机设置时控制一个或一个以上的转子叶片和/或发射到电网的功率。本发明还涉及风力涡轮机以及包含至少两个风力涡轮机的风电厂。

Description

控制连接到市电网的风力涡轮机的方法、风力涡轮机与风电厂
技术领域
本发明涉及用于控制连接到市电网的风力涡轮机的方法、风力涡轮机以及风电厂。
背景技术
国家电网公司发布了用于发电设备到市电网的连接的策略和要求。这些连接要求在电网规程(Grid Codes)中详细介绍，并随国家而异。
电网规程中讨论的主题之一是当市电网故障时风力涡轮机的能力。对于风力涡轮机的运行以及对于电力的可靠供给来说，风力涡轮机能够在所述电网故障期间保持连接到市电网并与市电网同步是必要的。
系统故障典型地为短路，并可以为三相与地短路的任意组合。当短路发生时，电流的流动导致遍及市电网的电压下降(低电压情况)，且大小依赖于故障电流的大小、短路路径的阻抗以及短路的类型。另外，低电压情况可包含一个以上的电压下降，例如两个连续的电压下降。
当风力涡轮机经受市电网故障时，作为不能被转换为电力的多余空气动力的结果，发电机速度几乎立即增大。因此，空气动力必须在市电网故障期间急剧减小。
现有技术的一种方法是当市电网故障发生时将风力涡轮机的叶片从运行位置旋转到停泊位置，并允许风力涡轮发电机跳闸离线。但是，由于电网规程典型地设置了对于要求风力涡轮发电机保持连接的低电压穿越(LVRT)的要求，现有技术的所述方法不能与电网规程兼容。
美国专利No.6,921,985公开了一种用于连接到市电网的风力涡轮机的LVRT系统。当低电压被检测到时，改变叶片仰俯角，以便将转子速度保持为低于过速跳闸限制值。
本发明的目的在于提供一种在返回正常电网模式的运行风力涡轮机设置时运行风力涡轮机的有利方法。
发明内容
本发明提供了一种用于对连接到市电网的风力涡轮机进行控制的方法，该方法包含以下步骤：
检测市电网的状态，
检测风力涡轮机的机械振动和/或负载，以及
在返回正常电网模式的运行风力涡轮机设置时，依赖于所述机械振动和/或负载，控制一个或一个以上的转子叶片和/或发射到电网的电力。
由此，确保了当转子叶片被仰俯回到正常电网模式的运行仰俯角设置时，它们可以以这样的方式受到控制：由此导致的振动和/或负载将不会显著添加到风力涡轮机的已经存在的振动和/或负载上。
在本发明另一实施形态中，所述检测市电网的状态包含检测至少一个表示市电网状态——例如正常电网模式或故障电网模式——的值。由此，确保了风力涡轮机能在例如低电压电网故障等电网故障恢复后尽可能快地返回到运行风力涡轮机设置。
在本发明另一实施形态中，所述返回到运行风力涡轮机设置包含由市电网的故障返回到正常电网模式。
在本发明另一实施形态中，返回到正常电网模式的运行设置包含：以风力涡轮机的所述机械振动和/或负载——例如，塔架振动、转子叶片振动、基座振动或其组合——的相反相位重新施加推力。
由此，确保了风力涡轮机中通过返回到正常电网模式的运行设置而产生的振动和/或负载不会带来所述振动和/或负载的相长干扰。相长干扰能导致所述风力涡轮机上的过大的负载，其将超过负载限制值并导致对风力涡轮机的损坏。
另外，确保了风力涡轮机中通过返回到正常电网模式的运行设置而产生的振动和/或负载能产生所述振动和/或负载的相消干扰，由此对所述振荡进行阻尼。
在本发明另一实施形态中，所述机械振动和/或负载通过位于风力涡轮机中——例如在塔架、机舱、转子叶片和/或基座中——的装置进行检测。由此，确保了检测振动和/或负载的装置被定位在处于所述振动和/或负载影响下的风力涡轮机部件中，由此能够获得更为准确的检测。
在本发明另一实施形态中，所述检测市电网状态包含检测电网电压和/或交变市电网电压的电压/秒斜率。由此，确保了重要参数被检测到，以便给出所述状态的重要检测。
本发明还提供了一种用于对连接到市电网的风力涡轮机进行控制的方法，其包含以下步骤：
检测市电网的状态，以及
在返回到正常电网模式的运行设置时，依赖于固定的控制值，例如恒定的仰俯速率和/或预定的时间周期，控制一个或一个以上的转子叶片和/或发射到电网的电力。
由此，确保了当转子叶片被仰俯回到正常电网模式的运行仰俯角设置时，由此导致的振动和/或负载不会显著添加到风力涡轮机的已经存在的振动和/或负载上。
在本发明另一实施形态中，所述固定控制值实质上与其极值不同。术语“极值”意味着所述控制值的最高和/或最低可能值。由此，保证了返回到正常电网模式的运行设置通过使用不会在风力涡轮机上导致显著附加负载的控制值来进行。
在本发明另一实施形态中，返回到正常电网模式的运行设置包含以例如小于10度/秒的恒定仰俯速率——优选为8度/秒——和/或以大于0.5秒的预定时间周期——优选为4秒——重新施加推力。
在本发明另一实施形态中，返回到正常电网模式的运行设置包含依赖于风力涡轮机塔架本征频率地重新施加推力。由此，确保了推力的重新施加能对于不同类型的塔架得到最优化，由此能使所述塔架上的负载最小化。
在本发明另一实施形态中，所述检测市电网的状态包含检测电网电压和/或交变市电网电压的电压/秒斜率。由此，确保了重要参数被检测到，以便给出所述状态的重要检测。
本发明还涉及连接到市电网的风力涡轮机，其包含：至少一个叶片仰俯系统，其控制一个或一个以上的转子叶片的仰俯；至少一个风力涡轮机控制系统，其包含在返回到正常电网模式的运行设置时执行根据上述权利要求中一项或一项以上的方法的系统。
由此，确保了在从电网故障模式返回到正常电网模式时风力涡轮机以适用于特定运行情况的控制值受到控制。
本发明还涉及这样的风力涡轮机，其还包含至少一个用于检测市电网的故障的检测器，例如，至少一个电压检测器。由此，确保了风力涡轮机的有利控制。
本发明还涉及风电厂，其包含至少两个根据风力涡轮机权利要求的风力涡轮机以及用于检测市电网中的故障的至少一个检测器。
附图说明
下面将参照附图介绍本发明，在附图中：
图1示出了大型现代风力涡轮机，其包含风力涡轮机转子中的三个风力涡轮机叶片；
图2原理性地示出了风力涡轮机的一优选实施例，其具有用于控制风力涡轮机叶片的仰俯角的控制系统；
图3示出了本发明的概念性的状态序列；
图4示出了为检测市电网故障事件必须满足的至少三个条件中的两个；
图5示出了为检测市电网已经恢复必须满足的条件；
图6示出了本发明一优选实施例的定时图；
图7示出了本发明另一优选实施例的定时图。
具体实施方式
图1示出了现代风力涡轮机1，其具有塔架2和位于塔架顶部的风力涡轮机机舱3。
风力涡轮机转子——其包含至少一个叶片，例如所示出的三个风力涡轮机叶片5——通过仰俯机构4a被连接到轮毂4。每个仰俯机构包含叶片轴承和仰俯致动装置，该装置允许叶片仰俯。仰俯过程由仰俯控制器进行控制。
如图中所示，超过一定水平的风力将致动转子并允许它以垂直于风的方向旋转。旋转运动被转换为电力，如本领域技术人员已知的那样，电力通常被提供给市电网。
图2原理性地示出了控制系统的一个优选实施例，该系统用于对风力涡轮机叶片的仰俯角进行控制。
风力涡轮机1的数据用传感器装置7——例如仰俯位置传感器、叶片负载传感器、转子方位角传感器、塔架加速传感器等——进行测量。测量得到的传感器数据被提供给计算装置8，以便将数据转变为反馈信号。通过建立用于对所述至少一个风力涡轮机叶片5进行控制的控制值，反馈信号用于多种控制系统，例如用于控制仰俯角的仰俯控制系统9。
计算装置8优选为包含用于所述反馈信号的连续控制的计算机存储装置和微处理器。
如机舱3处的虚线箭头所述，风力涡轮机塔架2可振动，导致所述机舱3的位移。如本领域技术人员所知，例如，作为施加到转子的推力的突然变化的结果，所述塔架能以其本征频率振动。这样的振动可导致所述塔架上的过大的负载，并在最坏的情况下导致损坏。
图3对于本发明一优选实施例原理性地示出了用于本发明的控制算法的概念性状态顺序图，其包含以下步骤：
■正常运行(状态0)
■检测市电网故障事件，
■作为对所述市电网故障事件的响应的、风力涡轮机1的初始控制，以便用新的控制参数稳定风力涡轮机转子速度(状态1)，
■在故障事件期间以稳定水平对风力涡轮机的中间控制(状态2)，
■检测电网的恢复，以及
■风力涡轮机的最终控制，同时，返回到正常运行条件(状态3或状态13)。如图所示，如果用于测量机械振动和/或负载的值的装置存在(优选实施例)，进入状态3。如果所述装置不存在，进入状态13。
对于本发明一实施例，包含风力涡轮机1，其包含用于测量表征风力涡轮机的机械振动和/或负载的值的传感器装置，各种状态的说明和所述状态之间的状态切换条件为：
Figure A20078003405300091
对于本发明另一实施例，包含风力涡轮机1，其不具有用于对表示风力涡轮机机械振动和/或负载的值进行测量的传感器装置，各种状态的说明以及所述状态之间的状态切换条件为：
Figure A20078003405300101
对于两个实施例共有的是状态0、1、2：
状态0：
正常运行模式。
如果风力涡轮机产生的电力低于预定限制值，例如标称电力的25％，不会在检测到电网故障时开始所述故障模式，因为正常控制算法在所述电网故障事件过程中能够避免转子的过速，并将继续运行在正常模式，这是因为不存在在风中由于低功率引起的急迫的危险。
状态1(初始控制)：
当已经检测到电网故障时，进入所述状态1。本发明的控制算法的这种状态的基础是在检测到市电网故障之后马上将一个或一个以上的风力涡轮机转子叶片5仰俯为脱离风(out of the wind)，以便避免由于作用在所述转子上的过大的空气动力引起的转子过速。
对于本发明一实施例，风力涡轮机转子叶片5被仰俯到无加速仰俯角(NOPA)，因此，不对发电机给出加速或者实质上不对发电机给出加速，其中，无加速仰俯角被定义为在空气动力与任何风力涡轮机损耗以及发电功率之间给出平衡的仰俯角。对于一个实施例，NOPA在电网故障被检测到之后马上通过Cp表的查阅来计算。对于另一实施例，NOPA通过用例如数学算法进行计算来建立。
对于本发明一实施例，如果电网故障足够短(短期骤降)到仅仅对涡轮机负载有低的影响，短期骤降情况被检测到，且优选为尽可能快地获得与所述短期骤降前一样的正常运行和有功功率发电。因此，对于此实施例，本发明的算法能够判断涡轮机上的显著负载的水平，并基于此判断退出还是需要完成电网故障控制序列。
对于本发明另一实施例，其中，电网故障持续时间太长以至于不能被检测为所述短期骤降，但电网恢复在达到例如所述NOPA之前发生，优选为尽可能快地获得与电网故障之前一样的正常运行以及有功功率发电。对于这种情况，直接跳到正常运行模式将对风力涡轮机具有太高的冲击。因此，对于此实施例，本发明的算法直接跳到如下所述地重新获得预定控制参数的状态2。
涡轮机已经受到多大影响的好的指标是已经减小了多少所述空气动力学推力。仰俯角、塔架加速、塔架负载、时间或其组合可以为公平的假设。对于作为所述指标的仰俯角的实例，为了判断何时使用所述短期骤降控制策略或将电网故障控制策略继续到下一状态，所述算法连续监督实际仰俯角与电网故障之前的近期仰俯角差距有多大。因此，如果检测到电网恢复且实际仰俯角与刚好在所述电网故障之前的近期仰俯角之间的差超过某一预定水平，所述控制算法将继续电网故障控制算法。否则，通过返回到状态0，即将用于例如仰俯角、功率以及发电机rpm的基准设置为刚好在检测到所述电网故障之前的设置，电网故障控制算法将尽快终止。
状态2(中间控制)：
本发明的控制算法的这种状态的基础是将风力涡轮机保持为在可由风力涡轮机控制器控制的规定范围内运行且在电网恢复之前一直连接到市电网。
对于一实施例，当达到NOPA时，以作为基准的当前控制设置——例如发电机rpm以及仰俯角——来开始风力涡轮机控制，从而以高于标称速度的水平将发电机rpm保持为恒定或接近恒定。
对于由于在达到所述NOPA之前检测到电网恢复而已经停止仰俯离风(pitching out)的一实施例，初始化所述状态2，并重新获得预定控制参数。
至少在检测到市电网恢复之前，控制序列一直以当前控制设置停留在此状态。
对于一优选实施例，在用于测量表示风力涡轮机机械振动和/或负载的装置存在时，当使转子叶片仰俯入风将在与风力涡轮机的机械振动和/或负载——例如由于塔架加速引起的振动——相反的相位发生时，能初始化到下一状态(状态3)的切换。即，对所述转子叶片进行仰俯将以这样的方式完成：由将所述转子叶片仰俯回到正常运行产生的振动和/或负载受到控制并与已有的振动和/或负载相反的相位产生，导致总振动和/或负载的阻尼。
对于另一优选实施例，当用于测量表示风力涡轮机机械振动和/或负载的值的装置不存在时，到下一状态(状态13)的所述切换能在一检测到市电网恢复时立即初始化。
状态3(最终控制——如果存在用于测量机械风力涡轮机振动和/或负载的传感器装置)
为了返回到正常发电，通过将转子叶片仰俯到其运行位置来重新施加推力是必要的。
作为本优选实施例的实例，当仰俯离风到例如NOPA时(状态1)推力的突然下降引起塔架已经被其影响的交变空气动力转矩，当电网故障已经恢复时，塔架将以其本征频率振动，导致风力涡轮机部件上的、特别是塔架构造上的过大的物理负载。
对于此实例，当塔架加速信号在关于幅值和方向的预定窗口内时，到状态3的切换被初始化。
以最大仰俯速度，仰俯角回到正常发电仰俯角。所述仰俯角例如可为检测到电网故障事件之前的值，或者，如果条件在电网故障事件过程中变化，则为新的希望的仰俯角。由此，获得了所述塔架振动的最大阻尼，且转子速度向着电网故障事件之前的转子速度减小。
状态13：(最终控制——如果不存在用于测量风力涡轮机振动和/或负载的传感器装置)
为了返回到正常发电，通过以预定的控制参数——例如固定仰俯速率——将转子叶片仰俯回到其运行位置——即在检测到电网故障之前获得的仰俯值——来重新施加推力是必要的。
作为本优选实施例的实例，仰俯速率的斜率(slope)能被计算为：
Pitchrate = ( θactual - θpredip ) Trampback
其中，θactual＝实际仰俯角
θpredip＝电网故障事件之前的仰俯角，或者，如果条件在故障事件过程中已经改变，则为新的希望的仰俯角。
Trampback＝预定的退回时间(ramp back time)。
在一实施例中，Trampback必须被定义为长于风力涡轮机塔架本征频率的一个周期，以便当退回时不在塔架振动上导致正干扰，即，对于具有例如0.5Hz的本征频率的风力涡轮机塔架，Trampback必须被定义为长于2秒，例如直到4秒。
在另一实施例中，对于例如1Hz的本征频率的另一类型的塔架，Trampback必须被定义为长于1秒，例如1.5秒。
对于塔架非常硬——例如短塔架——的风力涡轮机塔架的实施例，Trampback必须被选择为与高且更为柔性的塔架——例如上面提到的实施例——相比较短的时间周期。
图4示出了本发明的为了检测所述电网故障事件并由此初始化安全模式——其中，风力涡轮机受到本发明的电网故障控制算法的控制——所满足的条件的一个实施例。
首先(未示出)，近期产生的功率必须高于预定限制值。如果所产生的功率较小，在电网故障事件过程中正常控制算法将能避免转子的过速，风力涡轮机将继续运行在正常模式中，因为不存在例如转子在风中由于低功率过速的急迫危险。
第二，电网电压下降的斜率10必须高于预定斜率限制值11。斜率限制值由正常风力涡轮机控制器的运行范围以及其适用于交变电网电压的能力限定，以便保持控制并避免转子的过速。
第三，电压下降必须具有某个预定大小，也就是说，电网电压必须下降到低于阈值Uthreshold 12。
如果所述三个条件满足，电网电压在意味着检测到市电网故障且初始化所述电网故障控制算法的交叉区域15中。
图5示出了本发明的检测到电网恢复且由此允许控制算法进行到正常运行所满足的条件的一个实施例。
首先，如果电网电压上升到高于用于正常运行的预定低电压限制值Uthreshold 12，则涡轮机可保持正常运行。
否则，如果电网电压在电网故障过程中高于当前低电压等级Ugrid， minimum上升预定量Ugrid，add，且电压高于风力涡轮机转换器能够产生有功功率的限制值Uconverter，minimum达特定预定量Uconverter，add，涡轮机可保持正常运行。
如果所述条件满足，电网电压在意味着电网已经恢复且允许所述电网故障控制算法进行到正常发电的交叉区域14内。
图6原理性地示出了本发明的一实施例，其中，存在测量塔架加速的传感器装置，简化的定时图示出了电网故障过程中控制状态、仰俯角、塔架加速、塔架位移以及发电机rpm之间的关系。
状态0：
仰俯角、塔架加速、塔架位移和发电机rpm为正常运行中的理想常数。
状态1：
当市电网故障被检测到15时，风力涡轮机转子叶片向着NOPA被仰俯16。空气动力学推力中由此产生的突然变化被塔架加速和位移17、18反映。另外，由于空气动力19的过多的量，发电机rpm增大。
状态2
当所述仰俯角达到例如NOPA 20时，推力中的另一反向变化发生，塔架将开始以其本征频率振动21、22。发电机rpm因此以过速水平23稳定，因为现在存在进入的空气动力与所产生的功率之间的平衡。
状态3
当电网恢复已经被检测到时，转子叶片被仰俯回到运行设置24，对于此实施例，当所述塔架加速变为负时25，也就是说，空气动力推力的重新施加与塔架加速反相位，进入状态3。结果是在返回到正常运行模式(状态0)时受到阻尼的塔架加速26，仅仅产生阻尼后的塔架位移27，由此，塔架上的负载被减小。另外，发电机rpm被减小28，理想为到进入所述电网故障模式29之前的水平。
图7原理性地示出了本发明的一实施例，其中，不存在用于测量机械振动和/或负载的传感器装置，简化的定时图显示出电网故障期间控制状态、仰俯角、塔架加速和发电机rpm之间的关系。
本实施例对于状态0、1、2的介绍与图6介绍的相同，这里不再重复。
状态13：
转子叶片以预定控制参数——例如Trampback——被仰俯回到运行设置30。对于此实施例，在检测到电网恢复之后立即进入状态13。仰俯速率被选择为不导致进一步的显著的过大机械振动——例如塔架加速31、32——的值。
结果是在返回到正常运行模式(状态0)时的塔架加速31、32，产生塔架位移33，由此，塔架上的负载被保持在可允许的限制值之内。另外，发电机rpm被减小34，理想为到进入所述电网故障模式29之前的水平。
上面参照LVRT过程中用于风力涡轮机的控制算法的具体实例示例性地介绍了本发明。然而，应当明了，本发明不限于特定实例，而是可在权利要求书限定的本发明的范围内用多种变型来设计和改变，例如采用其他的算法状态或测量/检测/建立/推定值。
参考标号清单
在附图中，下面的参考标号指：
1.风力涡轮机或风力涡轮机系统
2.风力涡轮机塔架
3.风力涡轮机机舱
4.低速轴
4a.仰俯机构
5.风力涡轮机转子叶片
6.风力涡轮机转子叶片旋转
7.传感器装置
8.计算装置
9.仰俯控制系统
10.电压下降的斜率(Slope)
11.预定斜率限制值(SlopeLim)
12.预定的Utreshold
13.初始化电网故障控制算法的区域
14.电网恢复的区域
15.电网故障检测
16.状态1的向着NOPA的仰俯角
17.状态1的塔架加速
18.状态1的塔架位移
19.状态1的发电机rpm
20.NOPA
21.状态2的塔架加速
22.状态2的塔架位移
23.状态2的发电机rpm——过速水平
24.状态3的回到运行设置的仰俯角
25.状态2的经过0的塔架加速
26.状态0的阻尼后的塔架加速
27.状态0的阻尼后的塔架位移
28.状态3的发电机rpm——下降
29.状态0的发电机rpm
30.状态13的预定仰俯速率
31.状态13的塔架加速
32.状态0的塔架加速
33.状态0的塔架位移
34.状态13的发电机rpm

Claims (14)

1.一种用于对连接到市电网的风力涡轮机进行控制的方法，该方法包含以下步骤：
检测市电网的状态，
检测风力涡轮机的机械振动和/或负载，以及
在返回正常电网模式的运行风力涡轮机设置时，依赖于所述机械振动和/或负载，控制一个或一个以上的转子叶片和/或发射到电网的电力。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述检测市电网的状态包含检测至少一个表示市电网的状态——例如正常电网模式或低电压电网故障等故障电网模式——的值。
3.根据权利要求1或2的方法，其中，所述返回到运行风力涡轮机设置包含由市电网的故障返回到正常电网模式。
4.根据权利要求1-3中任意一项的方法，其中，返回到正常电网模式的运行设置包含以风力涡轮机的所述机械振动和/或负载——例如塔架振动、转子叶片振动、基座振动或其组合——的相反相位重新施加推力。
5.根据权利要求1-4中任意一项的方法，其中，所述机械振动和/或负载通过位于风力涡轮机中——例如在塔架、机舱、转子叶片和/或基座中——的装置进行检测。
6.根据权利要求1-5中任意一项的方法，其中，所述检测市电网状态包含检测电网电压和/或交变市电网电压的电压/秒斜率。
7.一种用于对连接到市电网的风力涡轮机进行控制的方法，其包含以下步骤：
检测市电网的状态，以及
在返回到正常电网模式的运行设置时，依赖于固定的控制值，例如恒定的仰俯速率和/或预定的时间周期，控制一个或一个以上的转子叶片和/或发射到电网的电力。
8.根据权利要求7的方法，其中，所述固定控制值实质上与其极值不同。
9.根据权利要求7或8的方法，其中，返回到正常电网模式的运行设置包含以例如小于10度/秒的恒定仰俯速率——优选为8度/秒——和/或以例如大于0.5秒的预定时间周期——优选为4秒——重新施加推力。
10.根据权利要求7、8或9的方法，其中，返回到正常电网模式的运行设置包含依赖于风力涡轮机塔架本征频率地重新施加推力。
11.根据权利要求7的方法，其中，所述检测市电网的状态包含检测电网电压和/或交变市电网电压的电压/秒斜率。
12.连接到市电网的风力涡轮机，其包含：
至少一个叶片仰俯系统，其控制一个或一个以上的转子叶片的仰俯；以及
至少一个风力涡轮机控制系统，其包含在返回到正常电网模式的运行设置时执行根据权利要求1-11中一项或一项以上的方法的系统。
13.根据权利要求12的风力涡轮机，其还包含：
至少一个检测器，其用于检测市电网的故障，例如，至少一个电压检测器。
14.一种风电厂，其包含：
至少两个根据权利要求11的风力涡轮机；以及
至少一个用于检测市电网中的故障的检测器。
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