CN101520026A - 风力涡轮机站强风降级控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作风力涡轮机站(300)的方法，包括：提供各具有风力涡轮机转子和感应发电机的多个风力涡轮机(100)，风力涡轮机转子包括安装到可旋转的涡轮机轴上的至少一个叶片，感应发电机具有定子和联接到该涡轮机轴以随其旋转的转子。该风力涡轮机构造成以便提供可变的功率量。提供了能够与多个风力涡轮机(100)通讯的控制器(301)。测量风速，并且响应于该测得的风速确定功率降级因数。该确定的降级因数传送到多个风力涡轮机(100)。响应于功率降级因数调节多个风力涡轮机(100)中各涡轮机所产生的功率量。还公开了一种用于操作风力涡轮机站的系统。

Description

风力涡轮机站强风降级控制
技术领域
本发明涉及风力涡轮机站操作。本发明尤其涉及对暴露于强风条件下的多个风力涡轮机的风力涡轮机站操作。
背景技术
最近，作为环境安全且相对较廉价的替代能源，风力涡轮机受到越来越多的关注。随着关注不断增加，已做出大量努力来发展可靠且高效的风力涡轮机。
通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装到布置在桁架或管状塔架顶部的外壳或机舱上。公用级风力涡轮机(即设计成用于为公共电网提供功率的风力涡轮机)可以具有大型转子。另外，风力涡轮机通常安装在至少60米高的塔架上。这些转子上的叶片将风能转换成驱动一个或多个发电机的旋转扭矩或力。由于转子的尺寸，风向和/或风速的变化会导致在风力涡轮机的部件上产生很大载荷。现存的用于降低载荷的多种技术包括例如发电机扭矩控制和/或控制叶片的倾斜。特别地，强风条件会增加叶片上的载荷，从而要求停止或关闭已知的风力涡轮机系统，以便降低或消除对叶片或其它风力涡轮机部件的损坏。
从历史观点上说，风力涡轮机对用以供应电网的总体发电贡献很小。前几代风力涡轮机的低单位等级(<100千瓦)和风源的不确定可用性使得风力涡轮发电机在电网操作员考虑电网的安全性时被忽略。然而，现在可以获得1.5兆瓦或更高等级的风力涡轮发电机。此外，许多发电开发者正在建立具有大量风力涡轮机的风力涡轮机站，包括具有100个或更多个风力涡轮机的站。可从具有1.5兆瓦风力涡轮发电机的风力发电场获得的累积功率可以比得上当代的燃气轮机发电机。因此，对于传统电网而言，风力涡轮机是日益可行的功率来源。由于当前的风力涡轮机具有单独的停止或关闭风速容差，强风事件会导致风力涡轮机站内部的大量风力涡轮机关闭，从而导致电网的功率损失严重，并且当强风事件过去时需要启动每个关闭的风力涡轮机。在强风事件过程中，例如当风速超过20米/秒时，风力涡轮机通常关闭。用于确定是否需要关闭的风速通常是在特定时间范围上取平均数，通常可以忍受更高的风速持续更短的时间段。因此，通常有两个或更多个用于确定关闭阈值的风速，如在10分钟上平均为25米/秒、30秒上平均28米/秒，以及3秒钟上平均30米/秒。这些关闭事件不可接受地且突然地降低电网可获得的功率，以及降低在更高的风速下操作该设备所提供的收益。
需要这样的方法和系统，在强风条件过程中，其用于提供风力涡轮机站控制和监测，以在更大的操作参数内操作风力涡轮机站内部的风力涡轮机而不损坏风力涡轮机部件或不过早地或不必要地关闭风力涡轮机。
发明内容
本公开的一方面包括用于操作风力涡轮机站以降低强风事件的影响的方法。该方法包括提供多个风力涡轮机，该多个风力涡轮机各具有：包括安装到可旋转的涡轮机轴上的至少一个叶片的涡轮机转子，以及具有定子和联接到涡轮机轴以便随其旋转的转子的感应发电机。风力涡轮机可构造成以便提供可变的功率量。提供控制器，并且该控制器能够与该多个风力涡轮机通讯。测量风速，并且响应于所测量的风速确定功率降级因数。所确定的降级因数传送到多个风力涡轮机。响应于该功率降级因数调节多个风力涡轮机中各个涡轮机所产生的功率量。
本公开的另一方面包括具有可以构造成以便提供可变的功率量的多个风力涡轮机的风力涡轮机站系统。该系统还包括能够与该多个风力涡轮机和风速测量装置通讯的控制器。该控制器响应于测得的风速确定功率降级因数，并且将该功率降级因数传送到多个风力涡轮机，以响应于该功率降级因数来调节由该多个风力涡轮机中的各个涡轮机所产生的功率量。
本公开的一个优点包括用于强风事件的集中风力站级的控制。站级控制允许风力涡轮机在允许在强风事件过程中进行受控发电的站级控制所确定的速度、扭矩范围内操作。
本公开的另一优点是，可以保持在强风条件下提供的功率，并且一旦强风条件减退，可以快速地获得全功率，并且可以在不关闭单独的风力涡轮机的情况下获得全部功率。
本公开的另一优点是，可以在更高风速条件下操作风力涡轮机，而不关闭该风力涡轮机。
本公开的另一优点是，该系统可以与其它站级缩减功能协调，例如一般缩减、斜坡速率控制和电网频率调节。
根据以下结合附图对优选实施例进行的更详细的描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，这些附图以示例的方式说明了本发明的原理。
附图简述
图1是根据本发明公开的一个实施例的风力涡轮机的侧视图。
图2显示了根据本发明的一个实施例的机舱的剖视图。
图3显示了根据本发明公开的一个实施例的风力涡轮机站系统。
图4显示了降级曲线，该降级曲线显示了用于本发明公开的、示例性风速与功率因数的相关性。
图5显示了根据已知风力涡轮机站的显示示例性风速对功率因数的比较功率曲线。
在任何可能的场合，相同的参考标号将在整个附图中用于表示同样或类似的部件。
具体实施方式
如图1所示，风力涡轮机100大体包括容纳有发电机(图1中未示出)的机舱102。机舱102是安装在塔架104顶部的外壳，在图1中仅示出了一部分。塔架104的高度基于本领域已知的因数和条件来选择，并且可以延伸到高达60米或更高的高度。风力涡轮机100可以安装在提供通向具有合乎需要的风力条件的区域的任何地带上。该地带可以有很大不同，并且可以包括但不限于山区或近海的位置。风力涡轮机100还包括转子，该转子包括附接到旋转的毂110的一个或多个转子叶片108。虽然图1所示的风力涡轮机100包括三个转子叶片108，但是不存在对本发明所要求的转子叶片108的数量的特别限制。
如图2所示，风力涡轮机100的塔架104顶部的机舱102中安装有各种部件。例如，可变叶片倾斜驱动器114可以控制由于风而驱动毂110的叶片108(图2中未示出)的倾斜。毂110可以构造成以便接收三个叶片108，但其它构造可以使用任意数量的叶片。在某些构造中，叶片108的倾斜由叶片倾斜驱动器110单独地控制。毂110和叶片108共同构成风力涡轮机转子106。倾斜齿轮装置115是由叶片倾斜驱动器114驱动的环形和小齿轮构造，该倾斜齿轮装置115具有接合环形组件137的圆形小齿轮组件135。环形组件137是具有多个齿轮齿的单个齿轮，该多个齿轮齿以基本上弓形的布置方式来布置，并且以允许调节叶片108的倾斜的方式连接到叶片108。小齿轮组件135的齿与环形组件137的齿啮合，并且将倾斜驱动器114提供的旋转运动通过小齿轮组件135转换成环形部分137的对应于叶片108的倾角的旋转运动。该倾角调节从风到叶片108和转子106的力的传递，从而允许控制旋转速度和扭矩。
风力涡轮机100的驱动链包括主转子轴116(也被称为“低速轴”)，该主转子轴通过主轴承130(在某些构造中)连接到毂110，并且在轴116的相对端处连接到变速箱118。在某些构造中，变速箱118使用双通道几何来驱动封闭的高速轴。在其它构造中，主转子轴116直接联接到发电机120。高速轴(图2中未示出)用于驱动安装在主框架132上的发电机120。在某些构造中，通过联接件122来传递转子扭矩。发电机120可以是任何适当类型的发电机，例如且不限于，绕线转子感应发电机或直接驱动式永磁体发电机。在一个实施例中，可变速度系统包括具有功率/扭矩性能的风力涡轮发电机，该风力涡轮发电机联接到电网并为其供应所产生的功率。发电机120可包括绕线转子感应发电机(WRIG或双馈发电机(DFG))和可变速度操作，以实现所有风速情况下的最优功率输出。
偏转驱动器124和偏转底板126为风力涡轮机100提供了用于风力涡轮机100的偏转定向系统，以将其旋转到面向风的位置。气象杆128为涡轮机控制系统提供信息，包括风向和/或风速。在一些构造中，偏转系统安装在设置在塔架104顶部的凸缘上。
如图3所示，本公开的一个实施例包括风力涡轮机站系统300。系统300包括站控制器301和多个风力涡轮机100。系统300中的风力涡轮机100的数目不限于所示的六个，并且可以包括少于或多于六个风力涡轮机100。系统300提供将命令信号303传送到单独的风力涡轮机100的集中式站控制器301，并且响应于风速和相应的降级因数提供指令，以降低或者以其它方式缩减单独的风力涡轮机100所产生的功率。降级因数是额定功率的百分比，并且由场级控制器监测和控制，并且该降级因数作为缩减命令被发送到涡轮机。风力涡轮机100通过降低功率来缩减其输出，从而使得要求的整体操作功率在当前风条件下处于涡轮机的载荷和控制性能之内。涡轮机强风保护通常基于稳定状态的风力条件，用于阵风的更快作用的保护也是这样。
通常，风力涡轮机不会在没有场级监控的情况下自动地或自主地对其自身降级。如本文中所使用的，“降级”、“降级的”、“被降级的”和相似的语法变型包括与发电机上的功率输出相对应的因数或值。当降级因数少于100％时，要求减少或缩减风力涡轮机100所产生的功率量。降级因数的值可以是表明风力涡轮机全功率发电的100％。在一个实施例中，站控制器301监测和/或测量在预先选择的位置或多个位置上的风速。例如，可以从位于一个或多个风力涡轮机机舱102的顶部上的风速传感器处获得风速测量值。除了使用测得的风速之外，也可以使用从对风速进行预测的预测系统中获得的风速。这种风速可以于单独的风力涡轮机100上，在站控制器301处或提供表示单独的风力涡轮机100经历的风速的适当风速值的其它位置处进行测量。例如，风速测量可以从多个涡轮机风速检测器或位于风站300内部或其附近的准确性更高的气象测量系统中获得。另外的测量点防止测得的风速失效并提高其精度。
站控制器301使风速和功率降级因数在查询表、曲线或其它数学关系(参见图4)上相互关联。如本文所用，“相互关联”及其语法变型包括以数学的方式比较和/或编辑风速值，并由预定的算法、图表或关系将风速值转换成用于功率降级的值。功率降级因数以及功率降级因数与风速之间的关系对单独的风力涡轮机类型、站中风力涡轮机的数量、安装表面外形或为特定风力涡轮机100或风力涡轮机站300开发的历史数据可以是唯一的。特别地，响应于所确定的降级因数，命令信号303被发送到风站中的所有涡轮机，以降低其功率产生。命令信号303可以是将指令提供给单独的风力涡轮机100的控制系统的无线或有线信号。命令信号303可以是单向或多向信号(如图3所示)，其中，可以可选地将反馈、操作信息、气象或其它信息传送到站控制器301。例如，可以根据与各种强风速度下风力涡轮机100的分析出的承载能力相协调的曲线来确定功率降级因数。如果降级因数包括对应于大于开动风速且小于强风的100％的降级因数值，则该降级因数用于使单独的风力涡轮机100上产生的功率和风力涡轮机站300产生的功率保持在100％。如果降级因数包括对应于强风事件的小于100％的降级因数值，则该降级因数用于降低单独的风力涡轮机100上产生的功率和风力涡轮机站100中产生的功率。功率产生的降低减轻了强风条件下产生的风力涡轮机100上的载荷应力。
除了降低产生的功率和风力涡轮机100上的载荷应力之外，命令信号303还可以命令风力涡轮机100调节停止风速。如本文所用的“停止风速”是风力涡轮机将自动启动关闭功率生成的风速。可由任何适当的关闭技术来帮助关闭，包括但不限于减慢和调节叶片108的倾斜和/或停止在发电机120上发电。根据本发明的实施例，在单独的风力涡轮机100的降低的发电水平上，可以向上调节停止风速。对于不同的风速-功率，可以以历史的方式、或者以其它方式预定的值或者在时间上任何给定瞬间上的关系来确定经调节的停止速度。在一个实施例中，经调节的停止风速可以限定为这样的风速值，即在该风速值下，功率的进一步降低要么为零功率，要么为在那些风速以上运行会导致控制能力不适当的退化的点。
可以使用用于降低轴116速度和/或扭矩的任何已知的方法来实现单独的风力涡轮机100上的功率的降低。感应发电机的发电的能力与其在旋转速度下产生扭矩的能力是相等的。当扭矩朝其旋转的相反方向施加于发电机的转子上时，转子的机械能转换成电能。因此，施加于发电机的转子上的扭矩量(例如通过载荷的减少或发电机上的设置的其它适当改变)的降低可类似地降低风力涡轮机产生的功率。同样，可以通过倾斜齿轮装置115(图2)来调节叶片108的倾角(图1)，以改变风和叶片108之间的空气动力接触面，并且从而降低从风传递到叶片108的力。叶片108上的力的降低减小发电机轴的旋转速度，从而降低了所产生的功率量。
降低功率通过降低转子速度和转子扭矩而导致降低涡轮机上的载荷和应力。虽然可以使用任何单个的功率降低方法，但是风力涡轮机100优选地使用功率降低方法的组合以提供高效和安全的操作。例如，通过可控制地改变发电机的扭矩和叶片108的倾斜(图1)，可以实现功率降低。在这个实施例中，可由风力涡轮机100产生的功率是降低的转子速度和降低的扭矩的产物。
虽然以上被描述成用于控制风力涡轮机站300的控制系统，但是单独的风力涡轮机还可以包括单独的停止风速，该单独的停止风速是基于风速的，并且调节成以便补偿降低的功率、转子速度或转子扭矩水平上的载荷承受能力。特别地，如果站控制器301这样进行操纵的话，就允许风力涡轮机100在降低的功率/强风水平下操作。然而，如果站控制器301没能在强风条件下(这种强风条件会导致超过风力涡轮机承载能力)发送降低功率的信号，则由于强风将停止和关闭风力涡轮机。
在另一实施例中，降级因数可由多条曲线、算法、查询表或降级因数确定方法的组合来确定。例如，可在不同的测量值上使用多条降级曲线。在一个实例中，第一降级曲线设有在10分钟间隔上所确定的平均风速。第二降级曲线设有在30秒钟间隔上所确定的平均风速。取决于站300所需的操作参数，传送到风力涡轮机的降级因数可以是两个数字中的更保守(或更低)的值或者更激进(或更高)的值。在一个实施例中，可以选择用于确定由站控制器301传送到风力涡轮机100的降级因数的风速作为提供单独的风力涡轮机的最安全或最低风速操作的风速。
图4显示了用于与本方法和系统一起使用的示例性降级曲线。该降级曲线包括对应于风速的百分数功率(即降级因数)。如上所述，风速可以在单个点或位置上确定，或者可以是多个点或位置上获得的平均风速。风速与降级因数相关联。虽然不限于图4所示的曲线或值，图4显示了约5米/秒的开动风速401。另外，停止风速403为约58米/秒。
图5显示了用于根据已知的控制方案来操作的风力涡轮机100的示例性功率曲线。如图5所示，开动风速为约5米/秒，停止风速10分钟平均风速为约25米/秒。在站系统300中，大于约25米/秒的风速会导致站的总功率损失，其中各个风力涡轮机100由于强风而关闭。相反，如图4所示，本发明使用降低的功率和相应的降低的轴速和/或扭矩，以允许在高达约58米/秒的风速下操作，而不需要关闭风力涡轮机站300中的任何风力涡轮机100。
虽然已根据优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，可以做出各种改变，并且可以用等效物替代其元件，而不偏离本发明的范围。另外，可以做出许多修改，以使特定情况或材料适应本发明的教导内容，而不偏离其本质范围。因此，本发明意图不限于作为为了实现本发明而构思的最佳模式所公开的特定实施例，但是本发明将包括落在所附权利要求书的范围之内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于操作风力涡轮机站的方法，包括：
提供多个风力涡轮机，所述风力涡轮机各具有包括安装到可旋转的涡轮机轴上的至少一个叶片的涡轮机转子，以及具有定子和联接到所述涡轮机轴以便随其旋转的转子的感应发电机；所述风力涡轮机各自可以构造成用以提供可变的功率量；
提供能够与所述多个风力涡轮机通讯的控制器；
测量风速；
响应于测得的所述风速来确定功率降级因数；
将所确定的所述降级因数传送到所述多个风力涡轮机；以及
响应于所述功率降级因数来调节由所述多个风力涡轮机中的各涡轮机所产生的功率的量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括响应于所述降级因数来调节停止风速。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节包括改变所述风力涡轮机的一个或多个叶片的倾斜，以改变旋转速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节包括改变发电机扭矩。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节包括改变所述风力涡轮机的一个或多个叶片的倾斜两者，以改变旋转速度和发电机扭矩。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定包括确定多个降级因数并从所述多个降级因数中选择单个降级因数，以传送到所述多个风力涡轮机。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量包括测量风速。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量包括获得预测的风速。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在预定的风速值以下，所述功率降级因数为100％。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在预定的风速值以上，所述功率降级因数小于100％。
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