CN101636899B - 用于变速风轮机的高电压直流链路传输系统 - Google Patents

Abstract

一种具有双馈感应发电机(DFIG)的变速风轮机，包括机械地耦合到DFIG的励磁机和放置于DFIG的转子与励磁机之间的功率转换器。因此，功率转换器没有直接地连接到输电网，从而避免引入所不希望的谐波失真并且实现向公用事业输电网中馈送的更佳功率质量。另外，变速风轮机包括功率控制和俯仰调节。

Description

用于变速风轮机的高电压直流链路传输系统

相关申请的交叉引用

本申请要求对通过援引将公开内容全部结合于此的申请日为2006年6月30日的美国申请第11/477,593号和申请日为2006年3月17日的美国临时申请第60/783,029号的优先权。

技术领域

本发明涉及变速风轮机领域，并且更具体地涉及包括双馈感应发电机(DFIG)、励磁机、未连接到输电网的中间静态转换器、功率控制和俯仰(pitch)调节的变速风轮机。

背景技术

近年以来，风力发电机在全球已经相当可观地增长。即使该产业和技术在这一领域中已经上升到成熟水平，但是仍普遍地预计这一增长延续未来数十年。随着风电厂规模增长而安装的风力容量的总基数继续增加，提高功率输出质量的重要性变成对于风力开发商和公用事业客户同样至关重要的挑战。

电功率传输是一个将电力递送到客户的过程。功率传输系统常常称为“输电网(grid)”。输电公司必须应对从各传输线获得最大可靠容量的挑战。然而由于系统稳定性的考虑，实际容量可能小于线路的物理限制。因此需要良好清洁的电功率源以提高系统稳定性。

在多数应用中，风轮机生成电功率并且将电流馈送到电输电网中。这可能造成本地输电网电压的偏差，比如稳态电压电平的改变、动态电压变化、非正弦波形(即谐波)的电流的注入等。

这些效应对于连接到输电网的终端用户设备和其它发电机或者部件如变压器而言可能是所不希望的。随着功率容量增加，显然需要改进涡轮输出的功率质量特征。风轮机的功率质量影响依赖于它所涉及到的技术。尽管有这一事实，但是风轮机制造商并未将功率质量作为主要设计特征来考虑。

最初，风轮机被设计用以在固定旋转速度下工作。根据这一模型，风轮机的发电机直接地连接到输电网并且以确定的速度操作，从而允许很少量的速度变化。在异步发电器的情况下仅允许发电机的偏移范围。该偏移是转子的旋转速度与定子的旋转磁场相比的差异。发电机的偏移随生成的功率数量而略有变化，因此它并不完全地恒定。另外，这些风轮机在正常操作过程中需要起始电流限制策略和无功能量补偿单元。风涡流产生以下所不希望的转矩变化，该转矩变化直接地传输到风轮机的驱动链并且因此传输到向电输电网馈送的有功功率。

保持旋转发电机速度与风速成比例的一类风轮机是变速风轮机。为了获得风轮机的最大效率，发电机旋转速度适应于波动风速。这类风轮机包括连接到输电网的功率电子转换器。由于这种接口，来自涡轮的功率电子转换器的谐波发射被馈送到输电网中。

使用功率电子转换器的变速型风轮机目前已经变得普遍。这一变速风轮机的例子在美国专利第5,083,039号、美国专利第5,225,712号或者美国公开申请2005/0012339中有描述。基于全转换器系统的这些涡轮包括发电机、在发电机侧的转换器、直流链路总线和连接到输电网的有功转换器。发电机的变频能量由发电机侧的转换器传送到直流链路总线并且随后通过输电网侧的有功转换器转换成固定频率。一些缺点是所有的全转换器系统所共有的。输电网侧的转换器的半导体的有功切换将所不希望的高频谐波注入到输电网。为了避免这些谐波所引起的问题，必须安装多个滤波器。另外，由于输电网上的不同阻抗值以及由于预先存在的谐波，所以根据风电厂位置的特征而需要对滤波器的不同调谐。

另一变速风轮机在美国专利第6,137,187号中有描述。如图1中所示，这一风轮机配置包括双馈感应发电机(1)和功率转换器(4)，该功率转换器包括在转子侧的有功转换器(5)、直流总线(8)和在输电网侧的有功转换器(7)。在这一配置中，全部功率中的仅镜像部分通过转换器(5，7)传送到输电网(9)。功率可以直接地由定子(3)递送到输电网(9)，而转子(2)可以根据双馈感应发电机是次同步还是超同步操作来经由功率转换器(4)吸收或者供应功率到输电网(9)。转子的变速操作具有的优点是很多较快功率变化没有传输到网络而是被转子的飞轮动作所平滑。然而，连接到输电网(9)的功率电子转换器(4)的使用造成了网络电压的谐波失真。

其它文献也描述了变速风轮机。例如，美国专利第6,933,625号描述了以下变速系统，该变速系统包括双馈感应发电机和具有标量功率控制和相关俯仰控制的无源输电网侧的整流器。在这一情况下，有在转子侧的有功转换器、无缘输电网侧的整流器和在直流链路总线上连接的可切换功率耗散单元。在超同步操作过程中，从转子提取的能量在可切换功率耗散单元中耗散，从而降低风轮机的效率；在风轮机在次同步模式下的操作过程中，能量由无源输电网侧的整流器整流，这在输电网中造成所不希望的低频谐波。因此需要复杂的衰减滤波器。美国专利第6,566,764号和美国专利第6,856,038号描述了具有矩阵转换器的变速风轮机。两种情况均包括连接到输电网的功率电子转换器，这可能造成所不希望的谐波电压。

所有前述美国专利和与包括功率电子器件的变速风轮机有关的其它现有解决方案都具有连接到输电网的转换器。视转换器上所用技术而定，在输电网上引入有必须通过使用滤波器来衰减的并且调谐到最终应用位置的不同范围的谐波，从而使系统成本更高而可靠性更低。

鉴于现有技术中的这些问题，需要提供一种可以应用于变速风轮机的改进功率解决方案。

尤其是在弱输电网情况下的另一所不希望的问题是在发电机的同步过程中的无功功率消耗。例如，在美国专利第6,600,240号中描述了一种同步方法。这一方法在功率转换器被去使能而转子已经达到预定速度之时开始将发电机转子连接到输电网。这时，输电网供应全磁化电流，这造成无功功率消耗。这一无功功率消耗有时是一些新的输电网遵循规范所不允许的。这一专利也描述了一种断开过程。该过程开始减少转子电流并且使转子转换器去使能。这时，输电网供应无功磁化电流。为了断开发电机，用无功电流使接触器开路，从而缩减接触器的使用寿命。因而需要提供一种用于使双馈感应发电机同步、连接到输电网和从其断开的方法，这避免消耗无功功率并且增加连接设备的寿命。

决定向输电网注入的功率质量的另一方面是对发电机的控制。对发电机侧的转换器的一类控制称为“磁场定向控制”(FOC)。FOC方法是基于电气模型和机器参数。由于机器参数的分散性，所以不能准确地计算转矩，并且需要附加的在线调整回路。另外，当在输电网中出现故障时，所用的OFC方法引入了通量位置标识的延迟，从而使得更难以满足新的输电网遵循要求。

在具有DFIG配置的现有技术变速风轮机中，虽然定子功率保持恒定，但是转子功率也通过功率转换器馈送到输电网中。由于转子功率脉动，所以也使馈送到输电网中的总功率脉动，从而影响风轮机的输出功率质量。

仅使用双馈感应发电机的变速风轮机不能使用电制动器。如上所述，在这种配置中，功率直接地由定子递送到输电网，而全部功率中的少量部分通过转换器从转子传送到输电网。当出现风轮机的意外停止时，例如在输电网中的持续故障过程中，发电机的功率锐减。只有快速非电制动，如叶片俯仰才可以用于停止风轮机。这一操作模式在风轮机部件中产生大的机械力，这可能造成过早损坏。因此需要用以防止这一机械应力的附加制动。

在专利第WO01/25628号中描述了在风电厂中使用包括同步发电机作为主发电设备的高电压直流链路传输(HVDC)。由于使用了同步机，所以输出频率随风力而变化，因此尤其是在低风力条件，输出直流电压的脉动含量变大。另外，输出变压器和整流器必须是超大尺寸，因为它们必须能够在低频操作。诸如低电感的转子电路的特殊构造这样的附加细节也是输出功率的准确调节所必需的。

发明内容

根据本发明示例实施例的一个方面，提供一种具有双馈感应发电机的变速风轮机，该变速风轮机具有至少一个或者多个叶片、一个或者多个发电机、耦合到驱动链的一个或者多个励磁机、由DC链路总线接合的一个或者多个有功功率电子转换器，其中一个交流侧连接到双馈感应发电机的转子电路而另一交流侧连接到励磁机。本发明也描述了功率控制和俯仰调节。

根据本发明非限制示例实施例的这一方面，功率电子器件没有连接到输电网。因此，功率仅通过双馈感应发电机的定子递送到输电网，从而避免所不希望的谐波失真并且实现向公用事业输电网中馈送更佳功率质量。另外，可以避免对复杂滤波器的使用以及根据位置对它们的调谐，从而使系统更经济和可靠。

本发明实施例的另一方面在于功率输出在额定速度以上保持恒定，从而避免视速度变化而定的功率波动。由于本发明的拓扑结构，所以功率仅通过双馈感应发电机递送到输电网。因此避免转子功率脉动并且提高风轮机的输出功率质量。

本发明示例实施例的另一方面描述了一种使用输电网磁场定向(GFO)来准确地控制向输电网注入的功率的变速风轮机。这一控制系统的优点在于它并不依赖于可能明显变化的机器参数也不依赖于理论机器模型，从而避免使用附加的调节回路并且实现向公用事业输电网中馈送的更佳功率质量。

本发明示例实施例的又一方面在于用于同步双馈感应发电机的方法避免了在连接到输电网/从输电网断开过程中消耗无功功率，从而符合新的输电网遵循规范。另外，这一方法可以避免通过连接设备的连接电流峰值，从而增加此类部件的寿命。

本发明示例实施例的又一方面提供一种用以在直流电动机用来驱动叶片的俯仰移动时避免直流电动机集电器的“磨损”，并且改进叶片轴承的润滑。

本发明示例实施例的另一方面在于在风轮机偶然停止的情况下，虽然使用双馈感应发电机，但是仍有可能应用电制动。在比如持续输电网故障这样的紧急情况下，可能发生风轮机的偶然停止。然后，使用励磁机作为发电机而功率可以从励磁机传送到直流总线。于是，可以激励电制动器而在斩波器的变阻器中耗尽部分电功率，从而有助于发电机渐进地停止并且在风轮机部件中避免大的机械力量。

本发明的另一方面在于它可以在变速发电系统中用于高电压直流链路传输(HVDC)。

根据另一方面，由于本发明的拓扑结构，所以可以固定交流电压的输出频率，从而允许设置所需整流器和变压器的更小尺度并且减少直流输出电压在低风力条件之下的脉动含量，提高输出功率质量。

应理解，前述广义描述和以下具体描述都仅仅是示例性和说明性的而并不限制所要求保护的本发明。

附图说明

并入的附图构成了本发明一个或者多个实施例的部分。然而，不应将它们理解为将本发明限制于具体实施例。从与附图结合的以下具体描述中将更完全地理解本发明及其操作模式，在附图中：

图1图示了具有双馈感应发电机和连接到输电网的功率转换器的常规变速风轮机系统。

图2图示了根据一个示例实施例具有励磁机和连接到输电网的功率转换器的变速风轮机的电路图的一个实施。

图3图示了用于变速风轮机的功率控制和俯仰控制的框图。

图4图示了最优功率跟踪控制(OPTC)方法的一个实施例的框图。

图5图示了GFO和双馈感应发电机的控制器的一个实施例的框图。

图6图示了励磁机控制的一个实施例的框图。

图7图示了同步、连接和断开序列的一个实施例的流程图。

图8图示了俯仰控制系统的一个实施例的框图。

图9图示了在同步过程中使用的电压调节模式的一个实施例的框图。

图10图示了具有高电压发电机和整流器的HVDC风轮机的一个实施例的框图。

图11图示了具有低电压发电机、变压器和整流器的HVDC风轮机的一个实施例的框图。

图12图示了针对高电压直流传输系统的连接和断开序列的一个实施例的流程图。

图13图示了针对高电压直流传输系统的连接和断开序列的另一实施例的流程图。

图14图示了其中交流电压的输出频率固定为所需值的示例控制系统的框图。

具体实施方式

下文描述根据各种示例实施例的变速风轮机。将若干附图仅作为图解来参考以便更好地理解本发明。另外，将随同提及相同或者相似部分的描述一起使用相同标号。

概述

一般而言，根据本发明各种示例实施例的变速风轮机发电机将转子在双馈感应发电机的超同步操作过程中生成的电功率输送到励磁机。励磁机然后将这一电能转换回成机械旋转能，该机械旋转能然后可以用来进一步增加向输电网递送的由定子生成的电功率。电功率仅由DFIG的定子递送到输电网，从而避免功率通过功率转换器递送到输电网。因此提高了向输电网供应的电功率的质量。

此外，在次同步操作过程中，当转子不是生成电功率而是需要电功率源时，风力所生成的旋转能量的一部分由励磁机用来生成转子所需电功率。

在图2中广义地示出了变速风轮机发电机系统。在这一实施例中，该变速系统包括一个或者多个转子叶片(201)、连接到驱动链的转子轮轴。驱动链主要包括涡轮轴(202)、变速箱(203)和双馈感应发电机(205)。双馈感应发电机的定子(210)可以通过使用一个或者多个接触器(215)连接到输电网。该系统也包括：机械地耦合到驱动链的励磁机(212)，比如异步机、直流机、同步(永磁)机或者作为马达或者发电动机来工作的可逆电机；以及由直流链路总线(224)接合的两个有功电子功率转换器(222，225)(即背对背转换器)，其中一个交流侧连接到双馈感应发电机的转子电路而另一交流侧连接到励磁机(212)。调节励磁机的有功功率转换器(225)未连接到输电网，从而有功功率转换器从输电网隔离。可替选地，可以连接循环转换器、矩阵转换器或者其它任一种双向转换器来取代背对背转换器。该系统也可以包括连接到直流总线的电制动器电路(231)，比如DC斩波器。转换器控制单元(CCU)(200)进行对双馈感应发电机和励磁机的功率调节。该系统包括dV/dt滤波器(220)，该滤波器连接到双馈感应发电机的转子电路以便保护它免受由功率电子转换器的有源开关产生的骤然电压波动的影响。另外，dV/dt滤波器(227)连接在电子功率转换器与励磁机之间。在一个实施例中，防范输电网故障的保护模块(219)连接到双馈感应发电机的转子。

在这一实施例中描述的变速风轮机发电机系统可在同步速度以下(即次同步)和在同步速度以上(即超同步)工作。在次同步操作过程中，功率从励磁机(212)流向双馈感应发电机(205)的转子(211)，使得励磁机(212)充当发电机。另一方面，在超同步操作过程中，功率从双馈感应发电机(205)的转子(211)流向励磁机(212)，因此励磁机充当电动机。在整个范围速度过程中的功率平衡使得除了不同单元中的损耗之外，在双馈电感机的转子(210)中消耗/生成励磁机(212)中生成/消耗的功率。

由于上述变速风轮机发电机系统的拓扑结构，所以功率仅通过双馈感应发电机(205)的定子(210)递送到输电网。没有连接到输电网的电子功率转换器。因而避免所不希望的谐波失真并且实现向公用事业输电网中馈送的更高功率质量。另外也避免对复杂滤波器的使用和根据不同位置对它们的调谐需求，从而使系统更经济和可靠。

这一拓扑结构也允许在双馈感应发电机配置中使用电制动器。在风轮机例如由于输电网的完全断电而紧急停止的情况下，定子被断开而发电机所产生的功率不能馈送到输电网中。然而，励磁机(212)可以用作发电机，因此功率可以从励磁机(212)传送到直流总线(224)。因此，部分电功率在斩波器的变阻器中耗尽。最后，应用机械或者气动制动器如叶片俯仰以停止风轮机。本发明的这一实施例允许发电机在DFIG配置中应用电制动器，从而有助于风轮机停止并且在风轮机部件中避免可能造成过早损坏的大的机械力。

如图3中所示变速风轮机控制系统包括总控制器(302)、功率控制器和俯仰调节器。最佳功率跟踪控制器(OPTC)(303)基于测量的风速来计算功率设置点。这一设置点发送到总控制器(302)并且因此发送到DFIG控制器(300)。DIFG控制器(300)通过有功电子功率转换器(222)进行总有功功率和总无功功率的有效调节来控制双馈感应发电机(205)向输电网递送的功率。双馈感应发电机(205)的功率电子控制基于输电网通量定向(GFO)。励磁机(212)由有功电子功率控制器(225)调节且由励磁机控制器(301)控制。有功电子功率转换器使用借助直流总线电压传感器(223)测量的直流总线电压电平作为主调节变量来控制向/从励磁机(212)传送的功率。

变速风轮机控制系统也包括基于对励磁机所需功率的限制的俯仰控制系统。基于励磁机的俯仰控制器(EBPC)(304)调节叶片的俯仰位置以便限制气动功率。EBPC(304)也根据励磁机的功率偏差以及通过测量俯仰电动机(305)的速度和位置为OPTC(303)提供俯仰角度设置点。此外，EBPC(304)包括集电器防磨损和润滑系统(CAWLS)以便保护用于俯仰移动的直流机的集电器以及改进叶片轴承的润滑。

本发明的拓扑结构也适合于在变速发电系统中的高电压直流链路传输(HVDC)。如图10和图11中所示，可以如图10中所示通过使用具有整流器(1001)的高电压发电机或者如图11中所示使用低电压发电机和具有一个或者多个次级的附加变压器(1101)来产生直流输出，其中各次级被整流而所有这样的整流器以串联或者并联方式连接。可能需要附加的连接设备(1002)和保护设备(1003)。

由于本发明的拓扑结构，所以可以固定交流电压的输出频率，从而允许设置所需整流器和变压器的更小尺度，以及减少直流输出电压在低风力条件之下的脉动含量，提高输出功率质量。

另外，一旦风轮机开始旋转，尽管主发电机在运转，但是励磁机(212)可以为所有辅助系统馈电，从而减少不可中断电源或者HVDC到AC转换器的尺寸。

注意，虽然描述了输电网应用，但是本领域技术人员将清楚，本发明也可以用于其它应用，比如独立功率系统或者任何变速能量生成系统。例如，这样的其它变速能量生成系统可以包括基于海浪和潮汐能量、地热能量、太阳能应用、水电能量、内燃能量等的功率系统。

最佳功率跟踪控制器(OPTC)

最佳功率跟踪控制器(OPTC)(303)为DFIG控制器(300)所执行的功率控制回路调整功率参考以便控制发电机功率。这一参考基于作为主调节变量的测量风速。

根据这一实施例，提供一种可以在操作速度范围内进行最佳功率系数(C_p)跟踪的变速系统。这一范围由速度下限(ω₀)和速度上限(ω₁)及其对应的功率下限和功率上限(分别为P₀和P₁)来确定。

图4图示了最佳功率跟踪控制器(OPTC)的一个实施例的框图。OPTC的主输入是借助一个或者多个风力计测量的风速(u)。在一个实施例中，对这一测量滤波(401)以避免所不希望的频率通过控制系统放大，从而操作平滑信号。

OPTC为各特定风速计算对应功率值(402)。这一关系由风轮机、主要是转子头的整体特征来确定，而它的点对应于最大气动效率。因此C_p被最大化以实现最大功率输出。将所得功率值输入到功率范围限制器(403)。这一实施包括主回路。

将主回路的辅助校正(405)应用于所得值以提高所优化的C_p跟踪的响应性。根据测量和滤波的风速信号计算出(406)双馈感应发电机最佳速度。(低速轴的)转子最佳速度是将最佳端速比(λ)与风速(u)的乘积除以转子平面半径(R)的结果。将这一值与变速箱比相乘来计算双馈感应发电机旋转速度。将所得速度值输入到速度范围限制器(407)。将该块的输出与在俯仰适应速度块(PASB)(410)中计算的俯仰校正速度(PCS)做比较(408)。

将俯仰角度参考、最小俯仰角度和测量的旋转速度输入到PASB。将增益(413)应用于滤波的俯仰角度设置点(β_ref)与最小俯仰角度(β_min)之差。为了耦合，将这一项初始化为零，从而β_ref＝β_min。添加所测量的旋转速度(ω)以计算所述校正速度。

在PASB这样的校正(408)之后，将增益(409)应用于所得误差，提供将向预先计算的功率设置点添加的ΔP。

一旦已经校正所得功率设置点(404)，将该值输入到功率范围限制器(415)以保证这一功率参考在阈值P₀和P₁内。所得参考是功率设置点(SP_P)。

最后将旋转速度监控(417)应用于这一功率设置点。在PCS低于ω₀的情况下(419)，将增益或者不同控制器(420)应用于这样的速度差，提供-ΔP。另一方面，如果PCS高于ω₁(422)，则将增益(423)应用于计算的误差，从而在输入端提供与速度差成比例的ΔP。

因此，将上述具体校正应用于功率设置点SP_P，该功率设置点还输入到功率范围限制器(424)以便保证所计算的设置点没有超过额定功率。因此，OPTC的输出是待传输到总控制器(302)并且因此传送到DFIG控制器(300)以便控制双馈感应发电机功率的有效功率参考SP_Pef。

由于最佳功率跟踪控制器，所以改善了当发电机速度等于或者大于额定功率出现情况下的发电机速度时的输出功率质量。在具有DFIG配置的现有技术变速风轮机中，虽然定子功率保持恒定，但是转子功率也通过功率转换器馈送到输电网。由于转子功率脉动，所以也使馈送到输电网中的总功率脉动，从而影响风轮机的输出功率质量。在本发明内，通过使用励磁机和未连接到输电网的功率转换器，仅通过双馈感应发电机的定子将功率递送到输电网，从而避免脉动并且提高风轮机的输出功率质量。

双馈感应发电机控制器

双馈感应发电机的控制器(300)进行DFIG的定子有功功率和无功功率控制。这一控制器赋予对于向输电网递送的总功率的良好调节性能和控制。正如下文具体说明的那样，这一控制通过使用输电网通量定向(GFO)，与机器的电气参数完全独立地基于不同调节回路。通过高准确度地测量待调节的不同量值来理想地控制双馈感应发电机205的定子(210)向输电网递送的总功率，从而实现高质能量。

图5种所示双馈感应发电机的控制器(300)基于输电网通量定向(GFO)控制和四个调节回路：两个电流回路(转子电流回路(509)Irq和转子电流回路(510)Ird)和两个功率回路(定子有功功率回路(505)Ps和定子无功功率回路(506)Qs)。

在本发明的这一示例实施例中，控制器将要通过调节转子电流(Av_Ird和Av_Irq)来调节DFIG的定子有功功率和无功功率并且因此调节向输电网递送的总功率。功率控制器借助称为二轴旋转系统(d，q)的电流和电压量值来操作，因此由系统进行的不同电流和电压测量变换成所谓的旋转(d，q)系统。

在一个实施例中，通过控制Av_Ird(称为‘d’轴的转子电流)来固定双馈感应发电机(205)的磁化水平，从而建立机器中的无功功率流向。另外，双馈感应发电机(205)可以作为消耗无功功率的电感系统来工作或者可以作为生成无功功率的电容系统来工作。在这一实施例中，与对Av_Irq(称为‘q’轴的转子电流)的控制完全独立地进行对Av_Ird的控制。在另一实施例中，通过控制Av_Irq来理想地控制由双馈感应发电机生成的并且向输电网递送的有功功率。

因而，DFIG的定子有功功率回路(507)通过从OPTC(303)接收定子功率设置点(Sp_Pef)并且因此从总控制器(302)接收定子功率设置点(Sp_Ps)来调节定子功率(Av_Ps)。这一回路可以基于PI控制器或者结构更复杂的不同控制器。下文具体描述DFIG的定子有功功率消耗。PI控制器(507)输出是转子电流设置点(Sp_Irq)。Irq转子电流回路(511)借助该前述设置点来调节Av_Irq电流。这一Irq电流回路可以基于PI控制器或者结构更复杂的不同控制器。调节器输出是Urq转子电压设置点(Sp_Urq)。

另外，DFIG的定子无功功率回路(508)从总控制器(302)调节定子无功功率(Av_Qs)，接收定子无功功率设置点(Sp_Qs)。这一Sp_Qs可以基于固定值、SCADA设置等。这一无功功率回路可以基于PI控制器或者结构更复杂的不同控制器。下文具体描述定子无功功率计算。PI控制器(508)的输出是Ird转子电流设置点(Sp_Ird)。Ird转子电流回路(512)借助这一前述设置点来调节Av_Ird。这一Ird电流可以基于PI控制器或者结构更复杂的不同控制器。调节器输出是Urd转子电压设置点(Sp_Urd)。在一个实施例中，这一方法允许从转子磁化双馈感应发电机，从而避免消耗来自输电网的无功功率。另外，控制双馈感应发电机磁化水平并且测量输电网和定子电压，从而系统在每个瞬间都关于由双馈感应发电机(205)生成的定子电压的幅度、频率和角度与输电网持续地同步。下文将具体说明连接和断开系统。

在一个实施例中，参考三个转子电流测量值(Ir_L1、Ir_L2、Ir_L3)将Av_Irq和Av_Ird计算成旋转角度为(μ-ε)的二轴旋转系统，其中μ是根据三个输电网电压(Vg_L1、Vg_L2、Vg_L3)(217)计算的输电网角度，而ε是借助位置和速度传感器(214)测量的转子角度。

使用Id、Iq、Vd、Vq来计算Av_Ps和Av_Qs：

$\mathrm{Av}\_\mathrm{Ps}=\frac{3}{2}(\mathrm{Vsd}\×\mathrm{Isd}+\mathrm{Vsq}\×\mathrm{Isq})$     公式1

$\mathrm{Av}\_\mathrm{Qs}=\frac{3}{2}(\mathrm{Vsq}\×\mathrm{Isq}-\mathrm{Vsd}\×\mathrm{Isd})$     公式2

其中通过测量三个定子电压(V_L1、V_L2、V_L3)(216)和三个定子电流(I_L1、I_L2、I_L3)(118)来获得Vsd、Vsg、Isd、Isq，并且使用旋转角度μ将这些电压和电流称为二轴旋转系统。

使用旋转角度(μ-ε)将两个电流调节器输出Sp_Urd和Sp_Urq变换到固定系统中，从而获得将在双馈感应发电机(205)的转子(211)中施加的三个电压参考。块414示出了转子电压从二轴旋转系统到三相固定系统的变换。在一个实施例中，可以使用这些转子电压作为用于生成对功率电子转换器(222)的有源开关触发的模块的参考。块415示出了可以实施不同PWM技术的模块。

根据这一实施例，与机器电气参数独立的基于两个功率回路和两个电流回路的电子功率控制系统避免了电气参数分散或者理论建模误差在功率调节中的影响。电气参数所引起的误差由于温度振荡或者非线性所导致的饱和效应而改变，并且通过这一方法加以避免。因此获得质量很好的能量生成，从而满足和提高不同标准的要求。进行调节仅需要不同的测量值(I_L1、I_L2、I_L3、V_L1、V_L2、V_L3、Ir_L1、Ir_L2、Ir_L3、ε、ω)。在一个实施例中，可以使无功功率调节独立于有功功率调节。

励磁机控制器

在一个示例实施例中，变速系统包括双馈感应发电机(205)，其中转子(211)耦接到电子功率转换器(222)。这一电子功率转换器通过直流总线系统(224)连接到第二电子功率转换器(225)。在一个实施例中，这一频率转换器(功率转换器)(225)由接触器(228)连接到励磁机(212)。励磁机如异步机、直流机或者同步(例如永磁)机或者可逆电极机械地耦合到驱动链。

视转子速度而定，励磁机所需功率根据转子能量流向而可以为正或者负。在次同步操作(即在同步速度以下)过程中，功率从励磁机(212)流向双馈感应发电机(205)的转子(212)，从而励磁机(212)充当发电机。在超同步操作(即在同步速度以上)过程中，功率从双馈感应发电机(205)的转子(211)流向励磁机(212)，因此励磁机(212)充当电动机。在整个范围速度过程中的功率平衡使得除了不同单元中的损耗之外在双馈电感机的转子中消耗/生成励磁机中生成/消耗的功率。

在本发明的这一实施例中，励磁机(212)由电子功率转换器(225)调节而由励磁机控制器(301)控制。下文以永磁机作为励磁机来描述励磁机(212)的控制系统。本领域技术人员应当清楚，可以使用不同类型的机器作为励磁机(212)，因而可以相应地修改励磁机控制器。

电子功率转换器(225)使用直流总线电压电平Av_Ubus作为主调节变量来控制向/从励磁机(212)传送的功率。图6描述了励磁机调节的一个实施例。转换器控制单元(200)固定可以是可变或者静态的直流总线设置点电压Sp_Ubus(605)。通过测量直流总线电压，直流总线电压设置点由PI控制器(607)或者结构更复杂的不同控制器调节。这一控制器建立将要在永磁励磁机(212)与直流链路总线(224)之间传送的有功功率以便将直流总线电压保持于由转换器控制单元(CCU)固定的值。这一有源功率通过Sp_IEq确定。在一个实施例中，根据以下两项来计算这一Sp_IEq：

Sp_IEq＝总线电压调节器(607)输出+去耦合和补偿切换(608)的输出

    公式3

其中第一项响应于可能的总线振荡，而第二项Iz是代表经过总线流通的估计电流的前馈项。借助这一类结构有可能实现永磁机的高动态功率响应。在一个实施例中，总线电流估计项并不存在，因而总线电压调节器(607)负责生成永磁励磁机所需的有效Sp_IEq。

在这一实施例中，使用Av_IEq由PI控制器(613)或者结构更复杂的不同控制器调节Sp_IEq，该Av_IEq代表了称为二轴旋转系统的励磁机有功电流。在一个实施例中，可以使用永磁机，因而需要场弱化模块以能够减少机器通量并且在高速具有更好的功率调节。在永磁机中，定子电压依赖于转子速度和机器磁通量。因而，在转子速度以上有必要通过减少机器上的通量来减少定子电压。

在一个实施例中实施场弱化系统，从而建立永磁励磁机(212)将需要的无功电流设置点Sp_IEd(618)。以这一方式，与转子速度独立地在电子功率转换器(225)的频带范围调节能力内控制和设置永磁体所生成的电压。使用Av_IEd由PI控制器(614)或者结构更复杂的不同控制器调节Sp_IEd，该Av_IEd代表了称为二轴旋转系统的励磁机无功电流。

在一个实施例中，Sp_IEd固定了机器的磁化水平及其电压电平。Sp_IEd固定了向永磁机注入的或者永磁机所需的有功功率。

在一个实施例中，可以测量两个或者三个励磁机相电流(IExc_L1、IExc_L2、IExc_L3)以便计算Av_IEd和Av_IEq。三个电流起初变换(601)到二轴静态系统，因而获得IE_sx和IE_sy。其次，这两个电流参照(603)随永磁机总通量而旋转的二轴系统，获得Av_IEd和Av_IEq。通过使用根据角度μExc来进行这一电流变换，该角度是根据可以测量或者估计的三个或者两个励磁机相电压(VExc_L1、VExc_L2、VExc_L3)来获得的。块602和604示出了如何获得永磁机通量和电压绝对值。

在一个实施例中，需要有效电压计算模块(615)，因为电子功率转换器(225)所要生成的电压必须依赖于永磁机中因电流流通效应所导致的通量交感。因而根据两个PI电流调节器(613，614)的输出以及根据Av_IEd、AV_IEq和|VE|来计算(615)电压设置点Sp_UErd和Sp_UErq。

使用旋转角μExc将两个电压设置点Sp_UErd和Sp_UErq变换成三轴静态系统。因此，获得要在永磁励磁机(212)的定子中施加的电压参考Sp_UE_rx和Sp_UE_Ry。在一个实施例中，可以使用这些电压设置点作为用于生成对功率电子转换器(225)的有源开关触发的模块的参考。块617示出了可以实施不同PWM技术的模块。在一个实施例中，可以在电子功率转换器(225)与励磁机(212)之间安装dV/dt滤波器或者其它任一种滤波器(227)。

在一个实施例中，使用励磁机(212)作为辅助电源可以将这一机器用来向风轮机的不同单元供应能量。输电网干扰或者故障并不影响功率电子转换器(225)。因而并不影响励磁机功率调节。

动态电制动器

根据另一实施例，提供一种允许风轮机应用电制动器以停止发电机的动态电制动器(DEB)。因此可以避免风轮机部件中可能造成过早损坏的机械力量。

本发明的变速风轮机包括双馈感应发电机(205)，其中转子(211)连接到电子功率转换器(222)。这一电子功率转换器(222)通过直流总线系统(224)耦合到第二电子功率转换器(225)。这一频率转换器(电子功率转换器(225))连接到励磁机(212)。励磁机如异步机、直流机、同步(例如永磁)机或者可逆电机机械地耦合到驱动链。该系统也包括连接到直流总线的电制动电路(231)，比如直流斩波器。

在现有技术的DFIG拓扑结构内，如果DFIG的定子功率由于输电网故障或者从输电网断开而骤减，则机器趋向于加速。在风轮机以额定功率操作的情况下，机器可能遭受超速。通常没有可能在这时使用电制动器，因为DFIG的定子功率以及还有DFIG的转子功率可能过低。然而，由于本发明的拓扑结构，励磁机功率可以用来驱动电制动器。在这一情况下，励磁机将用作发电机，因此功率可以从励磁机传送到不同电流总线。因此，部分电功率在连接到直流总线的斩波器的变阻器中耗尽，从而避免发电机的超速。以这样的方式，风轮机制动并不唯一地依赖于机械制动器。在一个实施例中，电制动器可以与机械制动器一起使用，从而允许风轮机渐进地制动，使机械力量、峰值转矩负荷和所不希望的加速度最小。例如，可以应用电制动器直至机械或者气动制动器能够获得对涡轮的控制。

因此，由于励磁机(212)，所以制动功率总是可用。视励磁机功率、励磁机转换器功率和斩波器的变阻器值而定，制动功率在一个实施例中可以达到发电机的额定功率的30％。

因此也有最大制动功率(P_{b_MAX})持续地可用：

P_b-MAX＝(V_{DC_bus})²/R_brake    公式4

其中V_{DC_bus}是直流总线电压(Av_U_bus)的实际值。

可以把制动功率控制成使得当风轮机在低速度工作时只需要少部分制动功率。然而，如果风轮机发电机在额定速度以上，则可能有必要使用全部制动可用功率。因此，主要根据对风速和发电机速度的测量来计算出制动功率设置点(SP_P_b)。

为了准确地控制必要制动功率，计算调制因子(f_MOD)。这一调制因子应用于在各瞬间可用的最大制动功率(P_{b_MAX})以获得SP_Pb。

SP_P_b＝P_{b_MAX}·f_MOD    公式5

f_MOD＝SP_P_b·(R_brake/(Av_U_bus)²)    公式6

调制因子允许对制动功率的准确控制。有可能应用渐进电制动。例如在风轮机紧急停止时，在一开始需要全部制动功率。一旦激励机械制动如叶片俯仰，就有可能渐进地减少电制动。

动态电制动器在这一示例实施例中包括由电子可控开关(例如IGBT)激励的变阻器(电阻器、电阻器组或者无论任何耗散元件)。也可以使用反并联二极管。DEB并不严格地限于已经描述的实施例。因此，制动斩波器可以包括与上述部件不同的部件。

连接(使能)序列

根据另一实施例提供了连接序列。这一实施例包括耦合到励磁机(212)的双馈感应发电机(DFIG)(205)，而没有功率电子转换器连接到输电网，以及包括允许将双馈感应发电机连接到输电网而没有无功能量的消耗也没有经过接触器(215)的连接电流峰值的连接序列，因此增加接触器(215)的寿命。图7示出了连接序列。本领域技术人员将清楚，如果主电路制动器或者任何其它开关而不是接触器用来将发电机耦合到输电网，则也可以应用这里描述的技术。

在正常操作模式过程中，涡轮利用偏航(yaw)电动机持续地朝着风定向。当测量的平均风速大于阈值(在一个实施例中为每秒2.5米)时，如果满足所有其余所需条件，则叶片通过俯仰电动机移动到允许主转子开始旋转的位置。

在一个实施例中，在开始连接序列之前必须满足初始条件(701)。这些条件涉及到转子速度、转子接触器(228)的状态和用以开始该序列的任何其它预先条件。在一个实施例中，一旦满足这些条件，转子速度就必须上升到N1(在一个实施例中，就1800rpm/60Hz的同步速度DFIG而言，N1的值可以是1170rpm)。一旦达到这一转子速度，就激励励磁机侧的电子功率转换器(225)以便调节直流总线电压电平，对应于状态702。

在一个实施例中，一旦直流总线已经达到VBUS1电平，转子速度就必须上升到N2>＝N1(在一个实施例中，就1800rpm/60Hz的同步速度DFIG而言，N2的值可以是1260rpm，而就1700V的IGBT而言，VBUS1电平可以是1050V)。DFIG侧的电子功率转换器(222)然后接通(703)以便通过接触器(215)的电压接近零。这通过以下方式来实现：以如下方式借助电子功率转换器(222)通过转子(211)磁化双馈感应发电机(205)，该方式使得电压值、序列、频率和其它变量在接触器(215)的两侧相等。当满足电压幅度、电压频率、电压角度/延迟这些条件和一些其它条件时，接触器(215)闭合(704)而定子电流接近零。双馈感应发电机(205)不消耗来自输电网的能量并且避免输电网上的可能扰动。

一旦已经满足这一序列，就激励功率控制(705)。为了允许平滑连接到输电网，在初始瞬间过程中斜升(ramp up)来自OPTC的有功功率设置点和来自主控制器的无功功率设置点。

在全部连接序列过程中，以如下方式监视所有涉及到的单元的状态，使得如果检测到错误则恢复该序列并且生成报警。视报警类型而定，该序列可以在以后预定时间开始，或者如果该错误重要，则在风轮机中激励一种紧急模式，这需要人的干预以退出该模式。

在图9中描述了在用于同步的状态703过程中的控制系统。执行定子电压调节。定子电压和输电网电压是向定子电压调节器的输入(903和904)，而这一调节器的输出是在轴d中转子电流设置点的一部分。与发电机的磁化电流成比例的电流项添加到作为前馈单元的电压调节器的输出。根据测量的输电网电压、测量的输电网频率以及视发电机的电气参数而定的K常数来计算这样的电流前馈。利用这一前馈项在块905内的添加来加速同步过程。作为块905的输出的两项之和是在“d”轴中的转子电流设置点。在全部同步过程中，在“q”轴上的转子电流设置点等于0。两个电流设置点(在“d”轴和“q”轴中)是至电流调节块(906)的输入，其中借助PI调节器来控制它们。在块907中基于输电网角度和机械角度来计算在从二轴(“d”和“q”)到3相系统的转换中使用的角度。

断开(去使能)序列

根据本发明的另一实施例提供了断开序列。这一实施例包括耦合到励磁机(212)的双馈感应发电机(DFIG)(205)，而无功率电子转换器连接到输电网，以及允许将双馈感应发电机(DFIG)(205)从输电网断开的断开序列，而无与在系统的不同部件上的过电流或者过电压有关的扰动。由于在电流接近零的情况下断开接触器(215)，所以增加接触器的寿命并且减少维护操作。它也允许接触器就同一应用而言与其它断开序列相比具有更低的额定值。

在风轮机的正常操作中，由于风力条件的缺失而通常达成这一序列，但是也可以在过量风力、本地人类请求、远程监督控制和数据采集(SCADA)请求、风轮机的任何子系统中的故障或者任何其它原因的情况下达成这一序列。

在一个实施例中，必须倾斜地降低定子功率和定子电流以便在发电机的定子中没有电流(710)。根据断开序列请求的原因来优化斜降时间。为了在风轮机中避免不必要的机械应力，斜降时间是允许风轮机安全操作的最大值。不言而喻，斜降时间要求并非对于每个情形都相同。

一旦已经满足状态(710)，就断开主接触器(215)，达到(711)状态。由于有功和无功功率设置点在断开接触器(215)之前为零，所以DFIG控制器(300)注入磁化电流以使DFIG定子输电网连接而没有电流，从而在电流接近零的情况下实现接触器的断开，从而延长接触器(115)的寿命。

当满足状态(711)时使转子电子功率转换器(222)去使能，对应于状态(712)。当使转子电子功率转换器去使能时，在双馈感应发电机的电感电路中存储的能量传送到DC链路。

基于励磁机的俯仰控制器(EBPC)

在本发明的这一实施例中，变速风轮机包括基于励磁机的俯仰控制器(EBPC)。图8描述了基于对励磁机所需功率的限制的此类俯仰控制系统的一个示例实施例。

俯仰控制系统的主量值是励磁机的功率。建立励磁机额定功率值(801)。励磁机功率限制器调节器(804)基于这一参考根据励磁机功率实际值(802)来固定叶片位置设置点(Sp_β)。在一个实施例中，当风轮机的功率输出保持在额定功率以下时，Sp_β将取小值(例如在0°与2°之间)，而一旦达到额定功率，Sp_β将增加以便限制励磁机功率。

在一个实施例中，804的叶片俯仰位置输出由PI位置控制器(806)或者实施更复杂的不同控制器调节。向PI位置控制器输入的误差是：

Error_β＝Sp_β-Av_β    公式7

Av_β是由位置和速度传感器(214)测量的叶片位置实际值。位置调节器输出是俯仰速度设置点(Sp_n)。叶片将以这样的速度移动，以到达所请求的位置。

在一个实施例中，806的俯仰速度输出由PI速度控制器(808)或者实施更复杂的不同控制器调节。向PI速度控制器输入的误差是：

Error_n＝Sp_n-Av_n    公式8

Av_n是由速度传感器(214)测量的叶片速度的实际值。速度调节器的输出是直流电动机(305)为了达到所请求的速度(Sp_n)而需要的电流设置点。

在一个实施例中，808的电流输出由PI电流控制器(810)或者实施更复杂的不同控制器调节。向PI电流控制器输入的误差是：

Error_I＝Sp_I-Av_I    公式9

AV_I是由电流传感器(812)测量的直流电动机电流的实际值。电流控制器输出是将要在直流电动机中施加的参考电压。在一个实施例中，这些参考电压可以通过不同PWM技术来创建，以触发功率电子转换器(811)的有源开关。

在一个实施例中，在紧急情况下，俯仰电动机驱动器从EBPC切换成紧急电源(EPS)。因此，被驱动的电动机通过紧急继电器(717)直接地由EPS(816)馈电，直至达到放平位置为止(接近90度)。

在一个实施例中，用以移动叶片的驱动器是直流电动机。本领域技术人员清楚，也可以使用交流感应电动机或交流同步电动机。

在一个实施例中，用以移动叶片的驱动器可以是水力、气动或者其它类型的由集成了功能(807、808、809、810、811)的伺服阀控制的俯仰致动器。

集电器防磨损和润滑系统(CAWLS)

在本发明的另一实施例中，变速风轮机包括基于对励磁机所需功率进行限制的俯仰控制系统。

在使用直流电动机作为用于俯仰移动的驱动器的情况下，应用集电器防磨损和润滑系统(CAWLS)以避免长时间保持固定俯仰位置所造成的更多有害效应。例如，可以避免由于电流经过同一位置而造成直流电动机的集电器和电刷的过早磨损。另外，明显地改进了叶片轴承的润滑。

因此，实施CAELS以避免用作俯仰驱动器的直流电动机的集电器和电刷的过早磨损，并改进了叶片轴承的润滑。在一个实施例中，这一系统是基于以如下方式引入非重要的附加位置或者速度设置点，该方式使得俯仰角度在所需位置周围持续地移动。根据其中幅度和频率依据不同参数而确定的正弦波参考来命令俯仰角度变化。尤其是应当将风轮机的自然频率和疲劳考虑事项纳入考虑之中来指定频率。在一个实施例中，例如以一分钟的周期和0.2°的幅度设计这种正弦波参考。本领域技术人员应当清楚，无论其它波形如何都可以应用周期或者幅度。CAWLS实施完全不影响风轮机产生功率，但是它确实避免集电器和电刷的磨损并且改进它们的冷却和涂脂过程。CAWLS也改进叶片轴承的润滑。

另外，这一系统可以在任一种俯仰驱动器中用来改进叶片轴承的润滑，从而增加这些部件的寿命。

高电压直流链路

本发明的拓扑结构也适合于在变速发电系统中的高电压直流链路传输(HVDC)。如图10和图11中所示，可以如图10中所示通过使用具有整流器(1001)的高电压发电机，或者如图11中所示使用低电压发电机和具有一个或者多个次级的附加变压器(1101)来产生直流输出，其中各次级被整流而所有这样的整流器以串联或者并联方式连接。可能需要附加的连接设备(1002)和保护设备(1003)。

迄今为止，HVDC系统已经使用包括同步机的拓扑。同步发电机在HVDC系统中的使用意味着由于发电机速度的可变性而将脉动引入HVDC链路中。也有可能使用在同步机与HVDC链路之间的功率转换器来平滑同步机至HVDC链路的功率输出。然而，功率转换器的使用降低了HVDC系统的整体效率并且增加了安装成本。因而，现有技术的拓扑结构使用了直接地连接到HVDC链路的同步机。

在HVDC系统中的新颖拓扑(DFIG和励磁机)可以解决上述问题。由于励磁机和功率转换器没有连接到HVDC链路，所以电功率仅通过DFIG的定子在所需输出电压频率被递送到HVDC链路。

另外，由于本发明的拓扑结构，所以可以固定交流电压的输出频率，允许所需整流器(1001)和变压器(1101)的更小尺度，并且减少直流输出电压在低风力条件之下的脉动含量，提高输出功率质量。

在一个实施例中，根据图14中所示示例控制系统来控制DFIG。与交流输电网对照，HVDC链路并不设定发电机的频率，因此可以将频率设置点Wo(参见图14)调整为所需值来固定定子频率。

根据这样的轮廓，实施PI调节器(507)以便调节发电机的定子功率。这一PI调节器接收根据定子功率设置点(Sp_Ps)和计算的定子功率(Ps)获得的误差。使用总线电压(V_BUS)和总线电流(I_BUS)来计算这样的定子功率。误差(Sp_Ps-Ps)由PI调节器(507)调节。

为了获得转子电流，使用两个PI调节器(511，512)来调节转子电流(Av_Ird、Av_Irq)。这些调节的转子电流生成转子电压设置点(Sp_Urd、Sp_Urq)。这两个转子电压设置点通过块514转换和旋转成固定三相系统，从而获得Sp_Ura、Sp_Urb。通过函数(μ-

)计算用来实现旋转的角度(1403)，其中

代表转子位置角度而μ是定子角度。在块1401中计算该角度，从而合成定子频率设置点。最后将转子电压设置点直接地应用于PWM系统(515)。

在这一HVDC系统中没有定子无功功率需求。因此不实施无功功率控制。通过用于建立定子频率的Wo来固定定子频率。使该Wo值经过514块的转换来变换转子电压设置点。图14也示出了：

块1401：使用定子频率设置点Wo来生成定子角度μ的功能。

块1402：使用总线电压V_BUS和总线电流I_BUS来计算定子功率Ps的功能。

块1403：计算转子电气角度(μ-)的功能。

在HVDC线连接单元中，使HVDC接触器的切换最少化有助于增加系统的可靠性。这是因为与风轮机在它的寿命过程中经历的连接和断开的次数相比而言，HVDC接触器所容许的操作次数有限。由于这一问题，一个示例实施例提供一种可以避免随每次风力增大/减小而连接和断开HVDC接触器的新的HVDC耦合方法。使用这一方法，可以持续地连接HVDC接触器，并且可以仅在维护或者某些其它紧急原因的情况下才有必要断开。

下文描述根据这一示例实施例的连接和断开方法。这一方法显著地减少HVDC接触器所需切换操作的次数，因此增加风轮机的可靠性并且避免高代价的维护工作。使用这一方法，可以仅在维护或者某些其它紧急情况下才有必要断开HVDC接触器，因此可以使接触器的断开和闭合最少。

在风轮机通过HVDC整流器(1001)连接到HVDC线时，能量从HVDC线到HVDC整流器(1001)的交流侧的传送并不直接可能地发生。因而在连接过程中，如果确定HVDC接触器(1002)闭合，则可在电压调节模式下在DFIG转子转换器(222)的支持之下从转子(211)磁化DFIG(205)，并且斜升所需输出电压直至电流少量地流过定子(210)或者HVDC整流器(1001)。一旦达到这一步骤，控制器就可以将操作模式改变成DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流控制或者HVDC输出功率控制中之一。

在先前操作模式的每一种下，将交流电压范围、交流电流范围、交流功率范围、HVDC电压范围、HVDC电流范围、HVDC功率范围和其它限制纳入考虑之中。在这一示例实施例中，由于存在HVDC整流器(1001)，所以能量从HVDC线到HVDC整流器的交流侧的传送并不直接可能地发生，因此即使接触器(1002)已经闭合仍可能发生连接序列。因而参照图12，连接序列可以实施如下。在这一示例实施例中，由于接触器(1002)闭合，连接和断开序列是指在连接情况下激励DFIG部件以向HVDC系统提供功率，或者去激励DFIG的部件使得不向HVDC系统供应功率的过程。

首先执行检查以保证满足包括HVDC接触器(1002)闭合的所有初始条件(操作1201)。在已经满足初始条件之后，激励励磁机转换器(225)以提供所需直流总线电压(操作1202)。随后，在操作(1203)中在电压调节模式下激励DFIG转子转换器(222)。在处于电压调节模式下之时斜升DFIG(205)的输出，直至电流流过定子(210)或者HVDC整流器(1001)。最后，在已经建立电流之后，在操作(1204)中改变DFIG(205)的操作模式。

转换器控制单元(200)可以基于DFIG输出电流、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流或者HVDC输出功率在各种操作模式下控制DFIG。在定子或者HVDC整流器(1001)中已经建立电流之后，转换器控制单元通常转换成DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流控制或者HVDC输出功率控制中之一。

可以使用以下方法来断开这一示例实施例的DFIG。首先在操作(1210)中斜降受控输出变量，即DFIG输出电流、DFIG输出功率、HVDC输出电流或者HVDC输出功率中之一。在操作(1211)中，控制器进行检查以保证输出变量接近零。在已经确定输出变量接近零之后，使转子转换器(222)去使能(操作1212)。然后，在使转子转换器(222)去使能之后使励磁机转换器(225)去使能。

另外，在一些国家、公用事业或者客户规则强制规定每当停止发电时(风速在操作所需最小值以下)断开HVDC接触器的情况下，也有可能修改上述过程如下。

参照图13，首先执行检查以保证满足包括HVDC接触器(1002)起初地处于断开状态的所有初始条件(操作1301)。在已经满足所有初始条件之后，激励励磁机转换器(225)以提供所需直流总线电压(操作1302)。随后，在操作(1303)中在电压调节模式下激励DFIG转子转换器(222)。在处于电压调节模式下之时斜升DFIG(205)的输出，直至HVDC整流电压恰未达到HVDC线电压。在HVDC整流电压基本上达到HVDC线电压之后，在操作(1304)中闭合HVDC接触器(1002)。最后，在已经建立电流之后，在操作(1305)中改变DFIG(205)的操作模式。可以用与上述相同的方式控制这一示例实施例中的操作模式。

可以根据这一示例实施例按如下方式将DFIG从HVDC断开。首先在操作(1310)中斜降受控输出变量，即DFIG输出电流、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流或者HVDC输出功率中之一。在操作(1311)中，控制器进行检查以保证输出变量接近零。在已经确定输出变量接近零之后，使转子转换器(222)去使能(操作1312)。这时，HVDC接触器(1002)可以断开(操作1313)。最后，在操作1314中使励磁机转换器(225)去使能。

因此，公开了一种具有双馈感应发电机、励磁机和未连接到输电网的中间功率转换器的变速风轮机。本发明也描述了功率控制和俯仰调节。

风力发电在全球已经相当可观地增长。即使该产业和技术在这一领域中已经上升到成熟水平，但是仍普遍地预计这一增长延续未来数十年。随着风电厂规模增长而安装的风力容量的总基数继续增加，提高功率输出质量的重要性变成至关重要的挑战。

在本发明的上述示例实施例内介绍了诸多新颖之处。在功率系统中包括励磁机，其中功率转换器从输电网隔离(未连接到输电网)。因此，本发明针对连接输电网的变速风轮机所引起的最通常的问题，如在递送的功率中存在谐波失真、闪烁和脉动提供了解决方案。因此明显地改进输出功率质量。在这些实施例内，准确地控制功率输出，此外还在额定速度以上保持恒定，从而避免视风速变化而定的功率波动。实际上，示例实施例提供了一种避免消耗来自输电网的无功功率的友好连接和断开方法。另外，根据本发明实施例的功率生成对输电网干扰如输电网故障不那么敏感，并且在独立弱输电网中提供更佳性能。因此，通过允许风电厂扩大规模和安装的风力容量，满足不同规章的要求并且提高功率输出质量，示例实施例所示系统对于新兴风电站需求而言尤其具有吸引力。

此外，示例实施例可以包括一些其它益处，比如：在永磁机的情况下使用励磁机作为辅助电源、有可能借助低电压功率转换器生成中等电压功率而无需电力变压器、简化电气部件、以及当直流电动机类型用来使叶片俯仰时防止此类电动机的集电器磨损并且改进叶片轴承润滑。

图2中所示风轮机系统的替代实施例也是可能的。励磁机(212)例如可以连接或者放置于风轮机的驱动链内的任何位置。包括两个或者更多个励磁机的另外实施例也是可行的。

根据以上描述将清楚的是，这里描述的本发明提供了一种新颖和有益的变速风轮机。然而必须了然于心的是，应当认为前述具体描述是举例说明。这里提供的细节和说明并不旨在限制本发明的范围。另外，可以进行诸多修改和适应并且可以用等效方法和实施来替代这里描述和示出的方法和实施。因而可以用其它不同方式实施本发明而不脱离本发明的实质和范围，并且将理解本发明不限于这里描述的实施例。

Claims (23)

1.一种变速风轮机，包括：

包括至少一个叶片的转子；

耦合到所述转子的驱动链，所述驱动链包括至少一个双馈感应发电机(DFIG)，所述DFIG具有可连接到高电压直流(HVDC)系统的至少一个定子；

耦合到所述驱动链的至少一个励磁机；以及

至少一个功率转换设备，其从所述HVDC系统隔离并且电耦合到所述双馈感应发电机的转子和所述励磁机，以在所述转子与所述励磁机之间传送电功率。

2.根据权利要求1所述的变速风轮机，其中所述HVDC系统包括可连接到HVDC总线的至少一个整流器，

其中所述定子经由所述至少一个整流器可连接到HVDC总线。

3.根据权利要求2所述的变速风轮机，还包括用于断开或者闭合在所述至少一个整流器与所述HVDC总线之间的连接的接触器。

4.根据权利要求3所述的变速风轮机，还包括至少两个整流器，其中所述至少两个整流器以串联或者并联布置连接到所述HVDC总线。

5.根据权利要求2所述的变速风轮机，其中所述至少一个整流器包括半导体器件，所述半导体器件包括二极管和闸流管中的至少一个。

6.根据权利要求3所述的变速风轮机，其中HVDC总线电压由控制所述至少一个功率转换设备的功率转换控制器控制。

7.根据权利要求3所述的变速风轮机，其中基于定子的交流(AC)输出功率、定子的交流输出电流、HVDC总线输出电流和HVDC总线输出功率中的至少一个来控制所述DFIG。

8.根据权利要求1所述的变速风轮机，还包括：

控制所述DFIG连接到所述HVDC系统的连接系统；以及

控制所述DFIG从所述HVDC系统断开的断开系统。

9.根据权利要求8所述的变速风轮机，其中所述定子连接到所述HVDC系统；

其中在电压调节模式下控制所述DFIG，并且电压被斜升直至电流流过所述HVDC系统的定子或者整流器；

其中在电流流过所述定子或者所述整流器之后，根据DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC系统输出电流控制和HVDC系统输出功率控制中的至少一个来控制所述DFIG的操作模式。

10.根据权利要求8所述的变速风轮机，其中在电压调节模式下控制所述DFIG，使得所述DFIG的输出电压达到基于HVDC线电压的目标电压；

其中在所述定子与所述HVDC系统之间的接触器在所述DFIG的输出电压达到目标电压之后闭合。

11.根据权利要求1所述的变速风轮机，其中所述HVDC系统包括：

可连接到所述DFIG的定子的至少一个电力变压器；

将所述至少一个电力变压器连接到接触器的至少一个整流器；

经由接触器可连接到所述至少一个整流器的HVDC总线。

12.根据权利要求11所述的变速风轮机，还包括至少两个整流器，其中所述至少两个整流器以串联或者并联布置连接到所述总线。

13.根据权利要求11所述的变速风轮机，其中所述至少一个整流器包括半导体器件，所述半导体器件包括二极管和闸流管中的至少一个。

14.根据权利要求11所述的变速风轮机，其中HVDC总线电压由控制至少一个功率转换设备的功率转换控制器控制。

15.根据权利要求11所述的变速风轮机，其中基于定子的交流(AC)输出功率、定子的交流输出电流、HVDC总线输出电流和HVDC总线输出功率中的至少一个来控制所述DFIG。

16.根据权利要求1所述的变速风轮机，其中定子使用变压器和整流器中的至少一个直接地耦合到所述HVDC系统，

其中所述变速风轮机被配置为使得从定子输出的功率在可变风力条件之下处于基本上固定的频率。

17.根据权利要求16所述的变速风轮机，其中从所述定子输出的功率处于基本上固定的电压。

18.一种将变速风轮机连接到高电压直流HVDC系统的方法，其中所述变速风轮机包括具有可连接到所述HVDC系统的定子的双馈感应发电机(DFIG)、励磁机以及具有DFIG侧转换器和励磁机侧转换器的功率转换器，所述方法包括：

检验将所述HVDC系统连接到所述定子的HVDC接触器闭合；

如果所述接触器闭合，则使用所述励磁机作为功率源来激励励磁机侧功率转换器以调节直流(DC)总线电压电平；以及

在激励所述励磁机侧功率转换器之后激励所述DFIG侧功率转换器并且使用电压调节操作模式来斜升定子输出电压，以使得电流流过所述HVDC系统的定子或者整流器。

19.根据权利要求18所述的将变速风轮机连接到高电压直流HVDC系统的方法，还包括：

将所述DFIG的操作模式改变成DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流控制和HVDC输出功率控制中的至少一个。

20.一种用于将变速风轮机从高电压直流HVDC系统断开的方法，其中所述变速风轮机包括具有可连接到所述HVDC系统的定子的双馈感应发电机(DFIG)、励磁机以及具有DFIG侧转换器和励磁机侧转换器的功率转换器，所述方法包括：

斜降DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流控制和HVDC输出功率控制中至少一个的受控输出变量；

如果所述受控输出变量接近零则使所述DFIG侧功率转换器去使能；

在使所述DFIG侧功率转换器去使能之后使所述励磁机侧转换器去使能。

21.一种将变速风轮机连接到高电压直流HVDC系统的方法，其中所述变速风轮机包括具有可连接到所述HVDC系统的定子的双馈感应发电机(DFIG)、励磁机以及具有DFIG侧转换器和励磁机侧转换器的功率转换器，所述方法包括：

使用所述励磁机作为功率源来激励励磁机侧功率转换器，以调节直流(DC)总线电压电平；

在激励所述励磁机侧功率转换器之后激励所述DFIG侧功率转换器，并且使用电压调节操作模式来斜升定子输出电压，以使得电流流过所述HVDC系统的定子或者整流器；以及

闭合HVDC接触器以将定子连接到所述HVDC系统。

22.根据权利要求21所述的将变速风轮机连接到高电压直流HVDC系统的方法，还包括：

在闭合所述HVDC接触器之后，将所述DFIG的操作模式改变成DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流控制和HVDC输出功率控制中的至少一个。

23.一种用于将变速风轮机从高电压直流HVDC系统断开的方法，其中所述变速风轮机包括具有可连接到所述HVDC系统的定子的双馈感应发电机(DFIG)、励磁机以及具有DFIG侧转换器和励磁机侧转换器的功率转换器，所述方法包括：

斜降DFIG输出电流控制、DFIG输出功率控制、HVDC输出电流控制和HVDC输出功率控制中至少一个的受控输出变量；

如果所述受控输出变量接近零，则使所述DFIG侧功率转换器去使能；

使所述DFIG侧功率转换器去使能，断开将所述定子连接到所述HVDC系统的HVDC接触器；以及

在使所述DFIG侧功率转换器去使能之后使所述励磁机侧转换器去使能。

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