CN101672252A - 风力涡轮机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力涡轮机及其控制方法，该风力涡轮机(100)包括：主发电机(7)；主功率变换器(8)，其连接至所述主发电机(7)并且适于将所述主发电机(7)的电输出功率变换为将被馈送至公用电网(14)的、达到第一额定变换器输出功率的电功率；以及辅助功率变换器(9)，其连接至所述主发电机(7)并且适于将所述主发电机(7)的电输出功率变换为达到第二额定变换器输出功率的电功率，所述第二额定变换器输出功率低于所述第一额定变换器输出功率。此外，本发明还提供一种用于操作风力涡轮机(100)的方法。

Description

风力涡轮机及其控制方法

技术领域

[0001]本发明公开一种具有主功率变换器和辅助功率变换器的风力涡轮机。此外，本发明还公开一种用于控制风力涡轮机的功率平衡的控制结构和一种用于操作风力涡轮机的方法。

发明内容

[0002]本发明提供一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：主发电机，其适于产生将被馈送至公用电网的、达到额定发电机输出功率的电功率；以及主功率变换器，其连接至所述主发电机并且适于将所述主发电机的电输出功率变换为适于被馈送至所述公用电网的、达到第一额定变换器输出功率的电功率。根据第一实施方式，该风力涡轮机还包括辅助功率变换器，该辅助功率变换器连接至所述主发电机并且适于将所述主发电机的电输出功率变换为达到第二额定变换器输出功率的电功率，所述第二额定变换器输出功率低于所述第一额定变换器输出功率。

[0003]此外，本发明还提供一种用于转换可变的可再生能源的发电设备。该发电设备包括：内部供电网，其用于给该发电设备的耗电器供电；主发电机，其适于产生将被馈送至公用电网的、达到额定发电机输出功率的电功率；以及主功率变换器，其连接至所述主发电机并且适于将所述主发电机的电输出功率转换为适于被馈送至所述公用电网的电功率。根据另一实施方式，该风力涡轮机还包括辅助功率变换器，该辅助功率变换器适于给所述内部供电网提供电源。该辅助功率变换器连接至所述主发电机并且还适于将所述主发电机的电输出功率变换为额定变换器输出功率，所述额定变换器输出功率比所述额定发电机输出功率低至少一个数量级。

[0004]此外，本发明还提供一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：主控制器；主发电机，其具有发电机转子；连接至所述主发电机的第一频率变换器和连接至所述主发电机的第二频率变换器。该主发电机适于产生将被馈送至公用电网的、达到额定发电机输出功率的电功率。该第一频率变换器适于将所述主发电机的电输出功率转换成频率为所述公用电网的频率的ac电功率。此外，该第一频率变换器包括适于根据功率设定点控制来自所述主发电机的功率输入的第一控制器。该主控制器适于通过测量转子速度并将功率设定点发送给所述第一控制器来控制发电机转子的速度。根据另一实施方式，该第二频率变换器适于将所述主发电机的电输出功率转换成频率为所述公用电网的频率的ac电功率，并且包括适于独立于主控制器控制来自所述主发电机的功率输入的第二控制器。

[0005]再者，本发明还提供一种用于控制具有主发电机的风力涡轮机的功率平衡的控制结构，该主发电机具有发电机转子。根据另一实施方式，该控制结构包括：第一主令控制器，其适于改变发电机转子的扭矩平衡；以及第二主令控制器，其也适于改变发电机转子的扭矩平衡。所述第一主令控制器和所述第二主令控制器还适于在主令-主令模式下操作。

[0006]此外，本发明还提供一种用于操作具有主发电机的风力涡轮机的方法，所述主发电机适于产生将被馈送至公用电网的、达到额定发电机输出功率的电功率。该用于操作风力涡轮机的方法包括设置主功率变换器的步骤，所述主功率变换器连接至所述主发电机并且适于将所述主发电机的电输出功率变换为适于被馈送至所述公用电网的、达到第一额定变换器输出功率的电功率。该用于操作风力涡轮机的方法还包括设置辅助功率变换器的步骤，所述辅助功率变换器连接至所述主发电机并且适于将所述主发电机的电输出功率变换为达到第二额定变换器输出功率的电功率，所述第二额定变换器输出功率低于所述第一额定变换器输出功率。根据另一实施方式，该用于操作风力涡轮机的方法进一步包括启动所述辅助功率变换器的步骤。

[0007]进一步的方面、优点和特征将通过从属权利要求、说明书和附图而变得清楚。

附图说明

[0008]在说明书的剩余部分将参照附图向本领域技术人员更详细地阐述本发明的包括最佳模式在内的实施方式的全部教导性公开内容，附图中：

[0009]图1示出了根据若干实施方式的风力涡轮机的侧视图。

[0010]图2示出了根据进一步实施方式的用于控制风力涡轮机的功率平衡的控制结构的方案。

[0011]图3示出了根据某些实施方式的辅助频率变换器的方案。

[0012]图4示出了根据若干实施方式的用于操作风力涡轮机的方法的流程图。

[0013]图5示出了根据若干实施方式的用于操作风力涡轮机的方法的流程图。

[0014]图6图示了根据进一步实施方式的用于操作风力涡轮机的不同方法。

[0015]图7示出了根据更进一步实施方式的用于操作风力涡轮机的方法的流程图。

[0016]图8示出了根据再进一步实施方式的用于操作风力涡轮机的方法的流程图。

具体实施方式

[0017]现在将详细参阅本发明的各种实施方式，所述实施方式的一个或多个示例在附图中示出。每个示例都通过解释本发明的方式提供，并且不意味着对本发明构成限制。例如，作为一个实施方式的一部分图示或描述的特征可用于其它实施方式或者与其它实施方式结合使用，从而产生另一个实施方式。这些改型和变型旨在包含于本申请中。

[0018]图1示出了典型的水平轴线风力涡轮机100的示意性侧视图。风力涡轮机100包括塔架4，机舱3在塔架4的顶端处安装至塔架4。承载一个或多个转子叶片2的毂或转子1安装至机舱3的横向端部。转子叶片2可通过倾角驱动器(未图示)调节，倾角驱动器通常容置在毂1内。在本申请的上下文中，术语“风力涡轮机”意指将风的动能转化为机械能的机器。机械能通常用异步主发电机7或同步主发电机7转化为电能。主发电机7通常输送达到额定发电机输出功率的、可馈送至公用电网的电功率。主发电机7的额定输出功率通常大于500kVA，甚至可能大于1MVA。另外，机舱3通常容纳偏航马达(未图示)、涡轮机控制器或主控制器10和传动系。风力涡轮机100的传动系通常包括传递转子1的机械能并将转子1的机械能转变为电能的所有部件，包括转子1和具有发电机转子(未图示)的主发电机7，在能量转化的过程中，发电机转子机械连接至转子1。图1中示出的传动系还包括变速箱6，变速箱6用于将通常联接至转子1的驱动轴5的转速转变为高速轴50的更高的转速值。

[0019]主发电机7的电功率输出端连接至主功率变换器8和辅助功率变换器9。换句话说，主功率变换器8和辅助功率变换器9并联至主发电机7的输出端。在本申请的上下文中，术语“功率变换器”意指将电输入功率转换为不同的电输出功率并控制功率变换的主动装置。其包括用于改变ac(交流)电功率的频率的频率变换器、用于改变电压和/或电流的dc(直流)变换器、ac-dc逆变器以及dc-ac逆变器。通常，功率变换器是根据外部条件和/或外部请求执行功率变换的可控装置。功率变换器经常从输出功率-即它们能够输出的瓦数方面被评定。主功率变换器8通常将主发电机7的电输出功率转换为可直接或经由进一步的变压器(未图示)馈送至公用电网的、达到第一额定变换器输出功率的电功率。根据一个实施方式，辅助功率变换器9配置成将主发电机7的电输出功率转换为达到第二额定变换器输出功率的电功率，该第二额定变换器输出功率低于第一额定变换器输出功率。

[0020]通常，第二额定输出功率比第一额定输出功率低至少一个或至少两个数量级。例如，第二额定输出功率可低于100kVA或低于50kVA(kW千瓦)，然而根据额定发电机输出功率，主功率变换器8的第一额定输出功率可达若干MVA，例如5MVA。换句话说，辅助功率变换器9通常仅对高风速和正常操作模式期间的发电机输出功率的一小部分进行变换，在正常操作模式下风力涡轮机100将电功率馈送至公用电网。在某些方面，辅助功率变换器9的额定功率输出为若干千瓦的数量级。这通常足以给风力涡轮机100的诸如控制器、传感器、倾角和方位系统、液压系统、加热系统、信号装置等的关键部件、用于轮船和飞机等的障碍物灯标供电。

[0021]因功率变换而产生的损失通常可达到额定变换器输出功率的几个百分点。因此，通常用例如液体-空气热交换器或空气-空气热交换器主动冷却主功率变换器8以避免过热。因此，辅助功率变换器9通常仅包括诸如散热片的被动冷却系统。相应地，辅助功率变换器9的总体转换效率通常比主功率变换器8高，其在输出功率范围方面可达到第二额定变换器输出功率。使用与主动冷却的主功率变换器8并联的被动冷却的辅助功率变换器9通常会降低主功率变换器8的冷却系统的额定冷却能力，其中主功率变换器8和辅助功率变换器9设计成使得第一额定变换器输出功率和第二额定变换器输出功率之和与额定发电机输出功率相匹配。此外，依此方式可降低主功率变换器8的冷却系统的能耗。然而，也可以使第一额定变换器输出功率与额定发电机输出功率相匹配。这通常仍旧使风力涡轮机100能够在达到第二额定输出功率的功率范围内进行更高效的功率转换，并使得能够扩展风力涡轮机100的操作范围。此外，辅助功率变换器9可在主功率变换器8发生故障或者在外界环境温度过高或过低而不适于用主功率变换器8变换电功率时将电功率馈送至公用电网。

[0022]在某些方面，主功率变换器8和辅助功率变换器9的输出电压相等，例如是480V或690V。在这种情况下，功率变换器8和9能够分别经由可选开关85和95直接连接至图1中示出的共用电源线11。

[0023]根据另一实施方式，主发电机7是自激发电机或诸如永磁发电机的永激发电机(permanently-excited generator)。替代性地，也可使用由例如蓄电器的能量存储器提供激励功率的分激发电机。永磁技术具有若干优点。由于高功率密度的缘故，永磁发电机的尺寸和重量通常比其它类型的发电机小。

[0024]再者，它们通常由较少的零件制成并且容许具有高可靠度的无刷发电。由于没有励磁损失，永磁发电机是非常高效的。随之而来的仅仅是对发电机的低度加热。

[0025]永磁发电机通常输送必须馈送至公用电网的ac电功率。根据又一实施方式，主功率变换器8是用于提供ac电功率的频率变换器，所述ac电功率的频率为公用电网的例如50Hz或60Hz并且与公用电网的相位相同。频率变换器的一个主要优点是它们允许与外部电网和/或其它频率变换器迅速且容易地同步。

[0026]除非是其它发电机原理，例如双馈感应发电机，自激发电机或永激发电机不需要公用电网来产生电功率。因此，甚至在公用电网断供期间连接至自激发电机7或永激发电机7的辅助频率变换器9可以为风力涡轮机100提供机载电源或至少提供应急电源。在公用电网断供期间，辅助频率变换器9通常可用于为风力涡轮机100的所有耗电器或至少某些耗电器供电，所述耗电器例如是控制器、传感器、倾角和方位系统、液压系统、加热系统、以及信号装置。因此，在公用电网断供期间无需完全关闭风力涡轮机100并且可避免在公用电网复通之后对风力涡轮机100进行完全重启。应该注意，在公用电网复通之后再次加热风力涡轮机系统并使其重新工作需要很长时间(在极冷的天气条件下可达好几天)。此外，甚至在凉爽天气或低风速期间，传动系的空转速度以及永磁发电机的转子的相应剩余速度通常仍旧足够高以便给风力涡轮机100的至少某些内部耗电器供电。

[0027]在另一个方面，辅助频率变换器9至少为机舱3的方位角的控制器供电，例如主控制器10和用于调节机舱3的方位角的方位驱动器。在该设计中，辅助功率变换器9能够在公用电网断供期间对机舱3进行定向并因此对转子1进行定向。这样一来，风力涡轮机100可主动跟随不断变化的风向，使得甚至在强风中风力涡轮机100也仅承受较少的负载。

[0028]再者，如上所述，将第二或辅助功率变换器9用作风力涡轮机100的内部供电网的电源的理念也适用于转换可变能量的其它发电设备，例如海浪发电设备。换句话说，用于转换可变的可再生能量的发电设备包括用于给该发电设备的耗电器供电的内部供电网13、用于产生达到额定发电机输出功率的、馈送至公用电网的电功率的主发电机7以及也连接至主发电机7并配置成将主发电机7的电输出功率转换为馈送至公用电网的电功率的主功率变换器8。该发电设备还包括也连接至主发电机输出端的辅助功率变换器9。根据另一实施方式，辅助功率变换器9用作内部供电网13的电源。辅助功率变换器9还能够将主发电机7的电输出功率转换为额定变换器输出功率，该额定变换器输出功率比额定发电机输出功率低至少一个数量级。再者，如果永激发电机被用作主发电机7，则在公用电网断供的情况下可以维持该发电设备的内部耗电器的供电。因此，通常可在公用电网复通之后很快使该发电设备正常工作。此外，可在电网断供期间比较容易地进行保养和维护。这对于优选地设计成用于持续几天或几星期的断电的离岸发电设备而言是特别有用的。

[0029]下面将参照图2解释进一步的实施方式，图2示出了图1所示的风力涡轮机100的硬件和控制结构(箭头对应于信息流)的更详细的方案。

[0030]主频率变换器8和辅助频率变换器9经由电源线12并联至主发电机7，主发电机7将传动系的机械能转换为三相ac发电机输出功率。通常，主发电机7是诸如永磁发电机的变速发电机，其能够输送达到额定发电机输出功率的可变频率ac功率。发电机7的输出功率的频率对应于发电机转子(未图示)的旋转速度，发电机转子经由高速轴50、变速箱6和低速轴5机械联接至风力涡轮机100的转子。在正常操作期间，风力涡轮机100将电功率馈送至三相ac公用电网14。相应地，主频率变换器8通常包括连接至dc-ac逆变器82的ac-dc逆变器81以便将发电机7的可变频率输出功率转换为公用电网14所需的例如50Hz或60Hz的固定频率ac功率。此外，主频率变换器8通常输送与公用电网14相位相同且具有稳定的第一变换器输出电压的电功率，该第一变换器输出电压适于馈送至公用电网。主变压器或线耦合变压器16通常用于将主频率变换器8的输出功率从例如690V升高到例如几十kV的公用电网的中等电压。

[0031]风力涡轮机100还包括用于给风力涡轮机100的耗电器供电的内部供电网13，所述耗电器例如是马达、加热和润滑系统、传感器以及诸如主控制器10的控制单元。另外，辅助频率变换器9可在并网模式(grid-tie mode)下操作，在并网模式下辅助频率变换器9的输出相位与公用电网14的相位和/或主频率变换器8的输出相位相匹配。相应地，图示辅助频率变换器9也包括连接至dc-ac逆变器92的a c-dc逆变器91，以便将发电机7的可变频率输出功率转换为公用电网14所需的例如50Hz或60Hz的固定频率ac功率。在并网模式下操作使辅助频率变换器9能够以与主频率变换器8并联的方式(关闭开关15、85、95)或者在主频率变换器8停用期间(打开开关85并关闭开关15和95)将电功率馈送至公用电网14。这种停用可以是风速过低、主频率变换器8出现故障所致或者是由于操作主频率变换器8的环境温度过高或过低所致。

[0032]此外，辅助频率变换器9通常向内部供电网13输送具有第二变换器输出电压的电功率。第二变换器输出电压可以是例如230V或110V，并且通常低于例如690V的第一变换器输出电压。如果第二变换器输出电压低于第一变换器输出电压，则两个频率变换器的输出仅能够通过变压器17来连接。

[0033]为了清楚起见，图2中仅示出了一个三相ac内部供电网13。然而，根据不同耗电器的需求，风力涡轮机100可包括若干个内部供电网。例如，传感器经常需要诸如5V或12V的低压dc电源。某些电机可能也需要dc电源。通常，辅助变换器9的输出功率用连接至辅助变换器9的输出端的各功率变换器转换为每个供电网的电功率。在某些方面，不同的辅助功率变换器并联至主发电机7以输送内部供电网的所需功率。例如，第一辅助功率变换器9a输送230V的ac功率，而第二辅助功率变换器9b输送12V的dc功率。在另一个方面，仅辅助功率变换器9向内部供电网馈送dc电功率。辅助功率变换器和/或辅助频率变换器的额定输出功率之和通常小于主频率变换器7的额定输出功率。

[0034]主功率变换器8的额定变换器电流比图2所示的辅助变换器9的额定电流低至少一个级别。作为主动装置，频率变换器8和9通常包括主动半导体装置或模块，例如晶闸管、IGBTs或具有集成续流二极管的双IGBT模块。换句话说，主频率变换器8和辅助频率变换器9通常是固态频率变换器。在某些方面，主频率变换器8包括第一功率半导体装置，而辅助频率变换器9包括第二功率半导体装置，第一功率半导体装置具有比第二功率半导体装置低的电流切换能力。

[0035]为了根据外部请求并且稳定地在可变风力条件下输送所需电输出功率，需要设置控制系统。通常，主控制器10可用作中央控制系统，其通过特殊硬件控制风力发电设备，所述特殊硬件是例如单点状态(SPS)控制器以及诸如以太网LAN、控制器区域网(CAN)总线之类的总线连接。主控制器10可包括执行控制算法的可编程逻辑控制器(PLC)或计算机。通常，主控制器10用作监督风力涡轮机100的至少一部分功能的主令控制器。这些功能可包括对风力涡轮机100的其它控制器的控制、与其它风力涡轮机和/或风力工厂管理系统的通信以及误差处理和运行优化。此外，可在主控制器10上执行SCADA(监督、控制和数据获取)程序。例如，时间关键任务可以由从属于主令控制器10进行操作的其它控制器执行。例如，叶片调整由从属于主令控制器进行操作的毂的控制器来控制。在本申请的上下文中，术语“主令”和“从属”应该理解为意指通信协议或通信模型，在所述通信协议或通信模型中主令装置或主令程序对一个或多个从属装置或从属程序进行单向控制。还应该理解的是，术语“控制”也包括调节型控制，例如反馈环路调节。在本申请的上下文中，术语“主令控制器”应该理解为意指不受风力涡轮机100的其它控制器监督的控制器。术语“主令模式”应该理解为意指控制器在其中用作主令控制器的操作模式。相应地，术语“从属控制器”应该理解为意指控制风力涡轮机100的一部分但是由风力涡轮机100的另一控制器监督的控制器。术语“从属模式”应该理解为意指控制器在其中用作从属控制器的模式。换句话说，主令控制器给从属控制器发布命令或指令，但是其不执行风力涡轮机100的其它控制器的命令或指令。然而，主令控制器可接收并执行外部指令或命令。例如，风力涡轮机100的主控制器10可接收由外部风力工厂管理系统产生的诸如功率的设定点。从属控制器执行主令控制器的命令或指令。它们可向诸如子控制器之类的指令链上的低级别从属控制器发布命令或指令。换句话说，一个从属控制器可用作其它从属控制器的主令器。但是只要一个控制器执行例如风力涡轮机100的主控制器10的其它控制器的指令或命令，则其被认为是从属控制器。

[0036]为了控制风力涡轮机100的功率变换，主频率变换器8和辅助频率变换器9包括被适当调试的控制器80和90。第一控制器80通常根据由主控制器或涡轮机控制器10接收到的功率设定点控制从主发电机7到主频率变换器8的功率输入。换句话说，第一控制器80通常作为主控制器10的从属控制器进行操作。在紧急事件中，第一控制器80可通过主电路断路器或功率开关85断开主频率变换器8的功率输出。主频率变换器8的连接和断开通常由主控制器10经由用作从属控制器的第一控制器80来发布。第二控制器90通常独立于主控制器10而控制来自主发电机7的功率输入，独立于主控制器10意指其通常作为独立的主令器进行操作。第二控制器90通常调节流向内部供电网13的功率流，使辅助频率变换器9能够为风力涡轮机100的内部耗电器供电。为此目的，第二控制器90仅需要关于内部电网13的电力状态的信息。例如，在独立模式下辅助频率变换器9的输出端和主频率变换器8的输出端不相互连接并且开关95是打开的，在该独立模式下如果用例如电压传感器18在内部供电网13上测得过低的电压或下降过快的电压，则第二控制器90增大功率转换，随之而来的是辅助频率变换器9的功率接收量的增大。类似地，在内部供电网13的电压过高或电压增长过快的情况下，第二控制器90通常减小功率转换和辅助频率变换器9从主发电机7接收的功率。

[0037]主控制器10通常例如通过用转速计40测量转子速度并将功率设定点发送给第一控制器80来控制发电机转子的速度。由主功率变换器8的电功率接收施加给发电机转子的扭矩等于电功率与发电机转子的角速度的乘积。因此，主控制器10配置成改变发电机转子的扭矩平衡。这也适用于通常自动调节功率接收量的第二控制器90。发电机转子的总扭矩平衡由风经由转子1施加的扭矩以及主功率变换器8和辅助功率变换器9施加的扭矩之和决定。换句话说，主控制器10和第二控制器90配置成改变发电机转子的扭矩平衡。非零总扭矩平衡-即施加给发电机转子的扭矩不平衡会导致发电机转子的速度改变。这通常通过测量转子1的速度和/或发电机转子的速度来检测。

[0038]通常，主控制器10也能够通过用倾角驱动器21改变转子叶片的倾角来平衡风力涡轮机100的功率产生和功率消耗。例如，第二控制器90也在公用电网14断供期间自动控制辅助变换器9，使得辅助变换器9为内部供电网13供电。在公用电网断供的情况下，主控制器10通常停用主功率变换器8并控制转子叶片2的倾角驱动，使得转子速度保持恒定的均值。相应地，辅助功率变换器9的功率产生至少与风力涡轮机100的平均功率消耗相匹配。任何功率波动可由诸如电容或不间断电源(UPS)19之类的能量存储装置来补偿。换句话说，用于控制具有内部供电网13的风力涡轮机100的功率平衡的控制结构包括可在主令-主令模式下操作的第一和第二独立主令控制器。第一主令控制器10和第二主令控制器90适于改变发电机转子的扭矩平衡。

[0039]在正常操作期间，主功率变换器8和独立控制的辅助功率变换器9可以并联方式将电功率馈送至公用电网14。在某些方面，如果转子速度变化过快或者如果转子速度超过特定阈值或低于特定阈值，则主控制器10也向第二控制器90发送功率指令，以补偿扭矩平衡。这样一来，转子速度便能够被约束为接近给定风速下的最佳转子速度，所述最佳转子速度通常在合适条件下测得。

[0040]此外，如果主控制器10还从可选功率计18a和/或第二控制器90获取了流过辅助频率变换器9的功率流的信息，则主控制器10通常能够确定风力涡轮机100的功率平衡。然而，内部供电网13的电压调节-即维持恒定电压水平通常由辅助控制器90自动且自主地执行。

[0041]如上文已经解释的，辅助频率变换器9可在并网模式和独立模式下操作。在独立模式下，辅助频率变换器9通常为内部供电网13供电。在并网模式下，辅助频率变换器9使至少一个相位与公用电网14或主频率变换器8提供的正弦波相匹配并且通常使功率输出最大化。在该模式下，任何没有被风力涡轮机100的耗电器-包括可能需要再充电的不间断电源19消耗的多余功率都被馈送至公用电网。为了临时给内部供电网13供电，通常设置基于蓄电池的UPS。

[0042]图2的风力涡轮机100的辅助频率变换器9可切换地连接至主发电机7的输出端。然而，应该指出的是，开关96仅仅是可选的，用于断开辅助功率变换器9的开关也可集成到辅助频率变换器9中。这点将参照图3进一步解释。

[0043]图3示出了根据某些实施方式的辅助频率变换器9的方案。辅助频率变换器9包括示例性的ac-dc逆变器91以便将经由电源线12从主发电机7接收的输入功率转换为dc功率。为了简洁起见，没有绘制诸如电容器之类用于平顺和/或存储部分dc功率的附加电子装置。为了进行功率变换，dc功率被馈送至dc-ac逆变器93中。

[0044]在一个示例中，光电逆变器或太阳能逆变器被用作dc-ac逆变器93。一种类型的光电逆变器通常用于将来自太阳能电池阵列的直流电(dc)转换为交流电(ac)，以便与外部电网同步并将能量馈送至外部电网中，即这些光电逆变器配置成在并网模式下操作。其它类型的光电逆变器适于建造它们自己的电网并使其保持运行，即保持相位和频率稳定。这意味着这些逆变器在独立模式下操作。两种光电逆变器类型的主要区别在于在光电逆变器的诸如DSP控制器的控制器上运行的控制软件。换句话说，可通过商业渠道购得的光电逆变器-例如三菱电机的PV-PNS 04 ATL-GER(例如可从德国的拉廷根D-40800哥达街8号的三菱电机欧洲B.V.的光电部门购得的)可配置成主要通过调整控制软件而在独立模式和并网模式下操作。此外，光电逆变器通常对输入电压范围为大约50V到大约750V的dc电功率进行变换，因此特别适用于变换诸如永磁发电机的典型风力涡轮机发电机的整流功率输出。再者，光电逆变器的数字信号控制器通常已经设计成有效执行对附加电池或UPS19进行充电所需的非常精确的算法。因此，可通过商业渠道购得的光电逆变器的DSP逆变器或另一种逆变器在经过某些改型之后可用作辅助频率变换器9的第二控制器90。例如，控制器软件可被改型以支持分别用于将辅助频率变换器9从内部供电网13和主发电机输出端断开的可选开关95和96a的切换。

[0045]如从图3中能够进一步看到的，第二控制器通常分别用传感器18和18c来检测内部供电网13和主发电机7的功率输出端的电力状态。根据另一实施方式，第二控制器90在并网模式和独立模式之间自动切换。通常，当通过传感器18b检测到主发电机7的输出电压高于允许功率变换的例如50V的电压阈值并且检测到主变换器90的输出端上没有电网时，第二控制器90自动将辅助频率变换器9切换至独立模式。在图2所示的结构中，在没有可选开关95或关闭开关95的情况下，传感器18b也可以省略，并且传感器18的信号可用于触发辅助频率变换器9到独立模式的切换。用传感器18b检测到没有电网通常对应于例如由于公用电网断供或者由于主频率变换器8发生故障而没有电功率被馈送至公用电网14的情形。替代性地或另外地，第二控制器90可以用附加传感器直接检测公用电网14的电力状态。

[0046]当主频率变换器8不变换电功率时，辅助频率变换器9通常确保至少对风力涡轮机100的主控制器10以及至少一个倾角驱动器供电，从而使转子叶片2中的至少一个可设定到旗帜位置之外的位置。通常，转子叶片的倾角被调节成使得发电机转子的转速在例如每分钟400-500转的范围内，该转速范围对辅助频率变换器9提供电功率是有利的。

[0047]如果主发电机7的检测电压的输出值例如在寒冷天气期间跌落到例如50V的电压阈值以下，并且/或者如果内部供电网13的功率需求超过二级功率输出达到特定时间，则控制器90通常停止辅助频率变换器9的功率转换。

[0048]在某些方面，公用电网14的复通通过持续测量公用电网14的电力状态的附加传感器来检测。该信号通常被传递到主控制器10和第二控制器90。在这种情况下，第二控制器90通常将辅助频率变换器9切换到并网模式。

[0049]下面将参照下列附图解释用于操作风力涡轮机的进一步的方法。

[0050]图4示出了用于操作风力涡轮机100的流程图。根据一个实施方式，用于操作具有主发电机7的风力涡轮机100的方法1000包括三个步骤，其中主发电机7是例如永磁发电机并且具有额定发电机输出功率。在前两个步骤1010和1020中，设置连接至主发电机7的主功率变换器8和连接至主发电机7的辅助功率变换器9。主功率变换器8和辅助功率变换器9配置成将电输出功率分别转换为第一额定变换器输出功率和低于第一额定变换器输出功率的第二额定变换器输出功率。两个步骤1010和1020通常在组装风力涡轮机100期间就已经执行，使得主功率变换器8和辅助功率变换器9并行连接。此外，步骤1010和1020的顺序也是可逆的。在随后的步骤1100中，辅助功率变换器9被启动。在启动状态下，辅助功率变换器9变换电功率。启动辅助功率变换器9的过程通常包括准备步骤，例如在开始功率转换之前检测其它电网的状态。这点将在下文中主要参照诸如第一功率变换器8和第二功率变换器9的频率变换器、通过示例方式更详细地进行解释。

[0051]图5示出了根据若干实施方式的用于操作风力涡轮机100的方法1001的流程图。如参照图4解释的，在设置主频率变换器8的步骤1010和设置辅助频率变换器9的步骤1020之后，若干步骤通常由第二控制器90执行以启动辅助频率变换器9。辅助频率变换器9通常监测主发电机7的输出电压以及公用电网14和/或内部供电网13的电力状态，其中主发电机7的输出电压是辅助频率变换器9的输入电压。如果在步骤1120中检测到了高于例如50V阈值的输入电压，则第二控制器90在步骤1130中决定必须将辅助频率变换器9设定到哪个模式。该决定通常仅取决于公用电网14和/或内部供电网13的电力状态。换句话说，第二控制器90作为独立主令器进行操作。如果没有检测到电网，则在步骤1160中辅助频率变换器9开始在独立模式下进行功率转换。否则，第二控制器90将辅助频率变换器9切换至并网模式。将辅助频率变换器9切换至并网模式的步骤1140包括使辅助频率变换器9与主频率变换器8的输出同步、或者如果例如主频率变换器8没有操作则使辅助频率变换器9直接与公用电网14同步。此外，启动辅助功率变换器9的步骤1100可包括将辅助频率变换器9的输出端连接至线耦合变压器16和/或内部电网13的步骤、以及如果风力涡轮机100包括图1所示的各个开关95、96和97则关闭主发电机7的功率输出端与辅助频率变换器9的功率输入端之间的连接的步骤。

[0052]方法1001可以是在从停止状态起动风力涡轮机100期间或建造风力涡轮机100期间-甚至在没有公用电网14的情况下已经执行。在这种情况下，如果风力涡轮机100的空转转子1输送的扭矩足以使发电机转子快速旋转以便输送高于特定阈值的输出电压，则最初由风力涡轮机100的UPS19或内部电池供电的第二控制器90将辅助频率变换器9切换至独立模式。在该模式下，辅助频率变换器9为内部供电网13供电并且如果需要的话给UPS重新充电。通常，主控制器10在内部供电网13建立之后进行导入。在导入之后，主控制器10通常作为独立主令器用倾角驱动器和偏航驱动器调节转子速度，使得风力涡轮机100的功率消耗和产生相匹配。通常，如果转子速度已经高于特定阈值，即如果发电机7能够产生足够的电功率，则主控制器10仅发布转子叶片倾角和机舱方位角的变化指令。最初，主控制器10可能仅发布倾角变化的指令以增大转子速度。在公用电网14复通之后，第二控制器90通常将辅助频率变换器9切换至同步功率转换的并网模式，并且主频率变换器8被主控制器10启动。

[0053]图6示出了根据进一步的实施方式的用于操作风力涡轮机100的不同方法。在图6的上部，主功率变换器8和辅助功率变换器9的典型状态被分别绘制成转子1和主发电机7的转子的绝对旋转速度的函数。开状态对应于启动状态，在启动状态下各功率变换器变换电功率。类似地，关状态对应于停用状态，在停用状态下各功率变换器不变换电功率。通常，至少主功率变换器8是频率变换器。如果旋转速度超过或低于阈值n1至n3中的一个，则如图6的下部所示功率变换器8和9通常在对应的步骤1100、1200、1300以及1400中被启动或停用。风速的改变通常分别导致转子1和主发电机7的转子的旋转速度改变。因此，风力涡轮机100的功率变换器8和9的运行状态通常循着沿从点p1到p6的实曲线的路径或者沿从点p1经过p4、p5’和p7’到p6的虚曲线的路径。例如，在起动风力涡轮机100之前，两个变换器都被停用。在终止风力涡轮机100的休息状态之前，转子1在点p1处开始从0速度旋转。当在点p2处达到高于转子速度n1的第一阈值时，辅助功率变换器9的第二控制器90检测到高于特定阈值的电压，电压高于特定阈值则允许进行功率变换并启动辅助功率变换器9。风力涡轮机100目前在点p3处操作。通常，转子速度n1的第一阈值在转子1在低风速下进行空转时便已经达到。此外，主控制器通常开始例如通过改变转子叶片2的倾角而使转子1加速。当在点p4处达到高于转子速度n2的第二阈值时，主控制器10便启动主功率变换器8并通过打开图1所示的开关96来断开辅助功率变换器9。在这种情况下，第二控制器90在检测到过低的-即零输入电压之后便停用辅助功率变换器9。风力涡轮机100目前在点p5’处操作，在点p5’处仅主功率变换器8变换功率。通常，在点p5’和p7’之间内部供电网13也由主功率变换器8供电。当在点p6’处达到高于转子速度n3的第三阈值时，主控制器10再次关闭开关96并且第二控制器90再次启动辅助功率变换器9，从而导致产生点p7’的操作状态。风力涡轮机100能够馈送至公用电网14的最大功率在点p6处的转子速度n4的第四阈值处达到。转子速度n4的第四阈值通常对应于主发电机7的达到额定发电机输出功率的功率产生量。因此，主控制器10通常调节转子速度，使得第四阈值n4最多仅在短时间内被超过以避免过载。如果转子速度降低，例如由于不能通过调节转子叶片2的倾角而补偿的风速降低，则辅助功率变换器9在点p7’处被停用。转子速度进一步的降低可导致在点p5’处启动辅助功率变换器9和停用主功率变换器8，并最终导致在点p3处停用辅助功率变换器9。在循着沿从点p1到p6的实曲线路径的另一个示例中，在高于第一阈值n1时，辅助功率变换器9不被停用和/或启动。这简化了风力涡轮机100的操作控制。此外，该示例中没有图1所示的附加功率开关95。两个示例的共同点是，风力涡轮机100通常还能够在对应于转子速度n2的风速时给公用电网14输送电功率，在低于转子速度n2的情况下，例如由于冷却系统的损失，用主功率变换器8进行功率转换的效率不高。因此，能够扩展风力涡轮机100的操作范围。

[0054]下面将参照图7解释根据若干实施方式的用于操作风力涡轮机100的进一步方法的流程图。方法1002通常在低风速期间或风速降低期间执行，并且在公用电网14运行的情况下方法1002可对应于图6中的从点p5’到p1的路径或从点p5到p1的路径。在步骤1050中检测到过低的转子速度之后，如果风力涡轮机100从对应于图6中的虚曲线上的点的状态开始起动，则辅助频率变换器9在步骤1100中被启动。步骤1100包括将辅助频率变换器9连接至主发电机7的输出端的步骤1110和将辅助频率变换器9切换至并网模式的步骤1140。通常，在检测到由主发电机7提供的足够高的输入电压之后步骤1100由第二控制器90自主执行。如果风力涡轮机100从对应于图6中的实曲线上的点的状态开始起动，则步骤1100被省略。接着，主频率变换器8在步骤1300中被停用。在步骤1320中，主控制器10通过发布叶片倾角指令来开始调节转子1的速度，使得风力涡轮机100的功率产生量最大。这通常允许将电功率馈送至公用电网14。

[0055]当风速极低的寒冷天气来临时，转子速度最终变得非常低。如果在步骤1350中检测到用于辅助频率变换器9的功率转换的转子速度过低，则辅助频率变换器9在步骤1400中被停用。为了安全考虑，信号装置和障碍物灯标还由风力涡轮机100的不间断电源19供电。通常，与用于功率变换的发电机转子的过低旋转速度对应的过低转子速度由第二控制器90独立检测，例如通过测量主发电机7的输出电压和/或频率。

[0056]下面将参照图8解释根据进一步实施方式的用于操作风力涡轮机100的进一步方法的流程图。方法1002通常在公用电网14断供期间执行，并且在公用电网14不运行的情况下方法1002可对应于图6中的从点p5’到p1的路径或从点p5到p1的路径。在步骤1060中检测到公用电网14断供之后，风力涡轮机100的转子1例如通过在步骤1070中改变叶片倾角而被减速。接着，如果风力涡轮机100从对应于图6中的虚曲线上的点的状态开始起动，辅助频率变换器9在步骤1100中被启动。步骤1100通常包括将辅助频率变换器9连接至主发电机7的输出端的步骤1110和将辅助频率变换器9切换至并网模式的步骤1140，在并网模式下辅助频率变换器9与主频率变换器8同步。

[0057]通常，在检测到由主发电机7提供的足够高的输入电压之后步骤1100由第二控制器90自主执行。如果风力涡轮机100从对应于图6中的实曲线上的点的状态开始起动，则步骤1100被省略。接着，主频率变换器8在步骤1300中被停用。由于第二控制器90不能检测另一电网，因此其在步骤1160中将辅助频率变换器9切换至独立模式以便为内部供电网13供电。最后，在步骤1500中使风力涡轮机100的功率产生和功率消耗相匹配。这通常通过主控制器10和第二控制器90的独立操作来实现。主控制器10通常测量转子速度(或发电机转子的速度)并通过发布用于改变至少一个转子叶片2的倾角的指令来将转子速度调节为恒定值。这确保了风力涡轮机100的功率产生和功率消耗之间的平衡。

[0058]本书面描述用示例公开了包括最佳模式的实施方式，并且使本领域技术人员能够制造和使用这些实施方式。尽管已经描述了各种具体实施方式，但是本领域技术人员将会认识到，在权利要求的精神和范围内，其它实施方式也能够在改型之后被实施。特别是，上述实施方式的彼此不排斥的特征可以相互组合。专利保护范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员能够构想出的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求书的书面记载没有区别的结构性元件，或者如果它们包括与权利要求书的书面记载没有实质性区别的等同的结构性元件，则这些其它示例将落入权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机(100)，包括：

主发电机(7)，其适于产生将被馈送至公用电网(14)的、达到额定发电机输出功率的电功率；

主功率变换器(8)，其连接至所述主发电机(7)并且适于将所述主发电机(7)的电输出功率变换为适于被馈送至所述公用电网(14)的、达到第一额定变换器输出功率的电功率；以及

辅助功率变换器(9)，其连接至所述主发电机(7)并且适于将所述主发电机(7)的电输出功率变换为达到第二额定变换器输出功率的电功率，所述第二额定变换器输出功率低于所述第一额定变换器输出功率。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其中，所述主功率变换器(8)是频率变换器(8)，所述频率变换器(8)适于提供频率为所述公用电网(14)的频率的ac电功率。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(100)，其中，所述风力涡轮机(100)还包括内部供电网(13)，并且其中，所述辅助功率变换器(9)是频率变换器(9)，所述频率变换器(9)适于将频率为所述公用电网(14)的频率的ac电功率馈送至所述内部供电网(13)中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(100)，其中，所述第二额定变换器输出功率比所述第一额定变换器输出功率低至少一个数量级。

5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(100)，其中，所述第一额定变换器输出功率与所述额定发电机输出功率相匹配，或者其中，所述第一额定变换器输出功率与所述第二额定变换器输出功率之和与所述额定发电机输出功率相匹配。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(100)，其中，所述风力涡轮机(100)还包括内部供电网(13)，其中所述主功率变换器(8)适于输送电压为第一变换器输出电压且适于被馈送至所述公用电网(14)的电功率；其中所述辅助功率变换器(9)适于将电压为第二变换器输出电压的电功率输送至所述内部供电网(13)，并且其中所述第二变换器输出电压低于所述第一变换器输出电压。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机(100)，其中，所述风力涡轮机(100)还包括具有至少一个转子叶片(2)的转子(1)、用于测量转子速度的转速计(40)以及主控制器(10)；其中所述主功率变换器(8)包括适于根据功率设定点控制来自所述主发电机(7)的功率输入的第一控制器(80)；并且其中所述主控制器(10)适于通过测量转子速度并将功率设定点发送给所述第一控制器(80)来控制转子速度。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机(100)，其中，所述风力涡轮机(100)还包括内部供电网(13)，其中所述辅助功率变换器(9)是包括第二控制器(90)的频率变换器(9)，所述第二控制器(90)适于使所述辅助频率变换器(9)在并网模式和独立模式下操作；其中，在并网模式下，所述辅助频率变换器(9)使至少一个相位与由所述公用电网(14)和/或由所述主频率变换器(9)提供的正弦波相匹配；并且其中，在独立模式下，所述辅助频率变换器(9)给所述内部供电网(13)提供电源。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，还包括用于每个转子叶片(2)的倾角驱动器，其中，所述主控制器(10)还适于控制所述转子叶片(2)的倾角驱动器，使得在所述公用电网(14)断供期间所述辅助功率变换器(9)的功率产生与所述风力涡轮机(100)的功率消耗相匹配。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机(100)，其中，所述第二控制器(90)还适于在检测到所述主发电机(7)的高于电压阈值的输出电压并且/或者检测到所述风力涡轮机的没有功率馈送至所述公用电网(14)的状态时在并网模式和独立模式之间自主切换。

11.根据权利要求1所述的风力涡轮机(100)，其中，所述主发电机(7)是永激发电机。

12.一种用于操作包括主发电机(7)的风力涡轮机(100)的方法，所述主发电机(7)适于产生将被馈送至公用电网(14)的、达到额定发电机输出功率的电功率；该方法包括：

设置主功率变换器(8)，所述主功率变换器(8)连接至所述主发电机(7)并且适于将所述主发电机(7)的电输出功率变换为适于被馈送至所述公用电网(14)的、达到第一额定变换器输出功率的电功率；

设置辅助功率变换器(9)，所述辅助功率变换器(9)连接至所述主发电机(7)并且适于将所述主发电机(7)的电输出功率变换为达到第二额定变换器输出功率的电功率，所述第二额定变换器输出功率低于所述第一额定变换器输出功率；以及

启动所述辅助功率变换器。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述风力涡轮机(100)还包括内部供电网(13)，其中所述主功率变换器(8)是频率变换器(8)，所述频率变换器(8)适于提供频率为所述公用电网(14)的频率的ac电功率；并且其中所述辅助功率变换器(9)是频率变换器(9)，所述频率变换器(9)适于提供频率为所述公用电网(14)的频率的ac电功率以便给所述内部供电网(13)提供电源；其中启动所述辅助功率变换器(9)包括如下步骤中至少一个：

检测所述主发电机(7)的高于阈值电压的输出电压；以及

检测所述公用电网(14)的状态。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括将所述辅助频率变换器(9)切换至并网模式，其中，将所述辅助频率变换器(9)切换至并网模式包括如下步骤中至少一个：

使所述辅助频率变换器(9)与所述公用电网(14)同步；以及

使所述辅助频率变换器(9)与所述主频率变换器(8)同步。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述主发电机(7)还包括发电机转子，该方法还包括如下步骤中至少一个：

停用所述辅助频率变换器(9)；

启动所述主频率变换器(8)；

停用所述主频率变换器(8)；

测量所述发电机转子的速度；

使所述风力涡轮机(100)的功率消耗与功率产生相匹配。

Images