CN102062051A - 用于控制风力涡轮机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制风力涡轮机的方法和设备。提供了一种用于风力涡轮机的控制系统(200)。该控制系统包括构造成测量风力涡轮机(100)的至少一个运行条件的至少一个测量装置(404)。第一控制器(202)构造成基于测得运行条件来计算风力涡轮机的运行极限，以及基于风力涡轮机的构件(402)的极限条件来调节该运行极限。

Description

用于控制风力涡轮机的方法和设备
技术领域
本文描述的主题大体涉及风力涡轮机，并且更具体而言，涉及用于控制风力涡轮机的方法和设备。
背景技术
一般而言，风力涡轮机包括具有转子的涡轮机，转子包括具有多个叶片的可旋转的轮毂组件。叶片将风能转换成机械旋转扭矩，机械旋转扭矩通过转子驱动一个或多个发电机。发电机有时(但不总是)通过齿轮箱旋转地联接到转子上。齿轮箱提高转子的固有地低的旋转速度，以便于发电机将旋转机械能高效地转换成电能，该电能通过至少一个电连接而被供给到公用电网中。还存在无齿轮直驱式风力涡轮机。转子、发电机、齿轮箱和其它构件典型地安装在壳体或机舱内，壳体或机舱定位在可为桁架或管状塔架的基座的顶上。
一些风力涡轮机构造包括双馈感应发电机(DFIG)。这种构造还可包括功率变换器，功率变换器用来将产生的电功率的频率转换成基本类似于公用电网频率的频率。此外，与DFIG相结合，这种变换器还在公用电网和发电机之间传送电功率，并且将发电机励磁功率从(连接)到电力公用电网连接的连接中的一个传送到绕线发电机转子。备选地，一些风力涡轮机构造包括但不限于备选类型的感应发电机、永磁(PM)同步发电机和电励磁同步发电机以及开关磁阻发电机。这些备选构造也可包括功率变换器，功率变换器用来如上所述的那样转换频率以及在公用电网和发电机之间传送电功率。
已知的风力涡轮机具有多个机械构件和电气构件。各个电气构件和/或机械构件可具有与其它构件独立的或不同的运行极限，例如电流、电压、功率和/或温度极限。此外，已知的风力涡轮机典型地设计有和/或组装有预先定义的额定功率极限。为了在这种额定功率极限内运行，电气构件和/或机械构件可以关于运行极限以大的边界来运行。这种运行可导致效率低下的风力涡轮机运行，并且可能不能充分利用风力涡轮机的功率发生容量。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于风力涡轮机的控制系统，其包括构造成测量风力涡轮机的至少一个运行条件的至少一个测量装置以及第一控制器。第一控制器构造成基于测得运行条件来计算风力涡轮机的运行极限，以及基于风力涡轮机的构件的极限条件来调节运行极限。
在另一个实施例中，提供了一种风力涡轮机，其包括发电机、构造成可旋转地驱动发电机的转子，以及控制系统，该控制系统包括构造成测量风力涡轮机的至少一个运行条件的至少一个测量装置以及第一控制器。第一控制器构造成基于测得运行条件来计算风力涡轮机的运行极限，基于风力涡轮机的构件的极限条件来调节运行极限，以及基于运行极限来调节发电机和转子中的至少一个的运行条件。
在又一个实施例中，提供了一种用于控制风力涡轮机的方法，其包括测量风力涡轮机的至少一个运行条件、基于测得运行条件来计算风力涡轮机的运行极限、基于风力涡轮机的构件的极限条件来调节运行极限，以及基于运行极限来调节发电机和转子中的至少一个的运行条件。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机的一部分的透视图。
图2是适于与图1所示的风力涡轮机一起使用的示例性电气与控制系统的示意图。
图3是适于与图2所示的电气与控制系统一起使用的示例性功率极限控制系统的简图。
图4是适于与图3所示的功率极限控制系统一起使用的示例性变换器极限计算器的简图。
部件列表
100 风力涡轮机
102 机舱
104 塔架
106 转子
108 叶片
110 轮毂
112 低速轴
114 齿轮箱
116 高速轴
118 发电机
120 发电机定子
122 发电机转子
200 电气与控制系统
202 涡轮机控制器
206 定子同步开关
208 定子总线
210 功率变换组件
212 转子总线
214 主变压器断路器
216 系统总线
218 转子滤波器
219 转子滤波器总线
220 转子侧功率变换器
222 线路侧功率变换器
223 侧功率变换器总线
224 线路滤波器
225 线路总线
226 线路接触器
228 变换断路器
230 变换断路器总线
232 连接总线
234 主变压器
236 发电机侧总线
238 电网断路器
240 断路器侧总线
242 电网总线
244 DC链路
246 正轨
248 负轨
250 电容器
252 电流传感器
254 电流传感器
256 电流传感器
262 变换器控制器
264 电流传感器
300 功率极限控制系统
302 机械极限计算器
304 测得环境条件
306 机械功率极限值
308 功率极限选择器
310 功率极限使能信号
312 第一滤波器
314 选定的功率极限值
316 机械功率极限值
318 求和结点
320 第二求和结点
322 变换器功率极限值
324 变换器极限计算器
326 功率极限差
328 极限函数
330 第二滤波器
332 经调节的功率极限
334 机械功率减小值
336 净功率调节值
338 第一乘法器
340 第二乘法器
342 速度参照值
344 涡轮机速度极限
346 功率参照值
348 涡轮机功率极限
402 构件
404 测量装置
406 求和结点
408 构件值
410 构件极限值
412 差值
414 增益模块
415 积分模块
416 规格化的极限值
418 极限比较模块
具体实施方式
本文所述的实施例有利于通过风力涡轮机的一个或多个构件的更加高效的运行来从风力涡轮机中捕获额外的功率。一个或多个测量装置测量一个或多个机械构件和/或一个或多个电气构件的运行条件。第一控制器根据测得环境条件来计算机械功率极限。第二控制器将多个电气构件的运行条件与各个构件的极限条件作比较。该第二控制器确定哪个电气构件能够产生和/或接收最少的功率量，且该第二控制器将电功率极限设置成具有最少功率容量的电气构件的极限值。第一控制器计算机械功率极限和电功率极限之间的差，并且根据计算出的差来计算涡轮机功率极限和/或涡轮机速度极限。风力涡轮机基于计算出的涡轮机功率极限和/或计算出的涡轮机速度极限来调节风力涡轮机的功率发生和/或旋转速度。
图1是示例性风力涡轮机100的一部分的透视图。风力涡轮机100包括容纳发电机(在图1中未显示)的机舱102。机舱102安装在塔架104(在图1中显示了塔架104的一部分)上。塔架104可具有有利于本文所述的风力涡轮机100的运行的任何适当的高度。风力涡轮机100还包括转子106，转子106包括附连到旋转轮毂110上的三个叶片108。备选地，风力涡轮机100包括有利于本文所述的风力涡轮机100的运行的任何数量的叶片108。在该示例性实施例中，风力涡轮机100包括操作性地联接到转子106和发电机(在图1中未显示)上的齿轮箱(在图1中未显示)。
图2是可与风力涡轮机100一起使用的示例性电气与控制系统200的示意图。转子106包括联接到轮毂110上的叶片108。转子106还包括可旋转地联接到轮毂110上的低速轴112。低速轴112联接到提速齿轮箱114上，提速齿轮箱114构造成提高低速轴112的旋转速度，并且将该速度传递到高速轴116。在该示例性实施例中，齿轮箱114具有约70∶1的提速比率。例如，联接到具有约70∶1的提速比率的齿轮箱114上的、以约20转/分(rpm)旋转的低速轴112对高速轴116产生约1400rpm的速度。备选地，齿轮箱114具有有利于本文所述的风力涡轮机100的运行的任何适当的提速比率。作为另外的备选方案，风力涡轮机100包括在没有任何居间齿轮箱的情况下可旋转地联接到转子106上的直驱式发电机。
高速轴116可旋转地联接到发电机118上。在该示例性实施例中，发电机118是包括磁耦联到发电机转子122上的发电机定子120的绕线转子式三相双馈感应(异步)发电机(DFIG)。在一个备选实施例中，发电机转子122包括代替转子绕组的多个永磁体。
电气与控制系统200包括涡轮机控制器202。涡轮机控制器202包括至少一个处理器和存储器、至少一个处理器输入通道、至少一个处理器输出通道，并且可包括至少一个计算机(在图2中均未显示)。如本文所用，术语计算机不限于在本领域中称为计算机的集成电路，而是宽泛地指处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程的电路(在图2中均未显示)，而且这些术语在本文中可互换地使用。在该示例性实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，例如随机存取存储器(RAM)(在图2中均未显示)。备选地，也可使用一个或多个存储装置，例如软盘、紧致盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能盘(DVD)(在图2中均未显示)。而且，在该示例性实施例中，另外的输入通道(在图2中未显示)可为但不限于与操作员接口相关联的计算机外设，例如鼠标和键盘(在图2中均未显示)。另外，在该示例性实施例中，另外的输出通道可包括但不限于操作员界面监视器(在图2中未显示)。
涡轮机控制器202的处理器处理从多个电气和电子装置中传输的信息，该多个电气和电子装置可包括但不限于电压和电流转换器。RAM和/或存储装置存储和传送信息和待由处理器执行的指令。RAM和/或存储装置还可用来存储临时变量、静态(即不变的)信息和指令或者其它中间信息，以及在处理器执行指令期间将它们提供给处理器。执行的指令包括但不限于驻留的转换和/或比较器算法。指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何具体结合。
发电机定子120通过定子总线208电联接到定子同步开关206上。在一个示例性实施例中，为了有利于DFIG的构造，发电机转子122通过转子总线212电联接到双向功率变换组件210上。备选地，发电机转子122通过有利于本文所述的电气与控制系统200的运行的任何其它装置电联接到转子总线212上。作为另外的备选方案，电气与控制系统200构造成这样的全功率变换系统(未显示)：该全功率变换系统包括在设计和运行上类似于功率变换组件210且电联接到发电机定子120上的全功率变换组件(在图2中未显示)。该全功率变换组件有利于在发电机定子120和电功率输配电网(未显示)之间输送电功率。在该示例性实施例中，定子总线208将三相功率从发电机定子120传送到定子同步开关206。转子总线212将三相功率从发电机转子122传送到功率变换组件210。在该示例性实施例中，定子同步开关206通过系统总线216电联接到主变压器断路器214上。在一个备选实施例中，使用一个或多个熔断器(未显示)来代替主变压器断路器214。在另一个实施例中，既没有使用熔断器，也没有使用主变压器断路器214。
功率变换组件210包括通过转子总线212电联接到发电机转子122上的转子滤波器218。转子滤波器总线219将转子滤波器218电联接到转子侧功率变换器220上，而转子侧功率变换器220电联接到线路侧功率变换器222上。转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222是包括功率半导体(未显示)的功率变换器桥。在该示例性实施例中，转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222构造成三相的脉宽调制(PWM)构造，该构造包括如本领域已知的那样起作用的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关装置(未在图2中显示)。备选地，转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222具有使用有利于本文所述的电气与控制系统200的运行的任何开关装置的任何构造。功率变换组件210以电子数据通讯的方式与涡轮机控制器202联接，以控制转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222的运行。
在该示例性实施例中，线路侧功率变换器总线223将线路侧功率变换器222电联接到线路滤波器224上。而且，线路总线225将线路滤波器224电联接到线路接触器226上。此外，线路接触器226通过变换断路器总线230电联接到变换断路器228上。另外，变换断路器228通过系统总线216和连接总线232电联接到主变压器断路器214上。备选地，线路滤波器224直接通过连接总线232电联接到系统总线216上，并且包括构造成解决从电气与控制系统200中移除线路接触器226和变换断路器228的任何适当的保护方案(未显示)。主变压器断路器214通过发电机侧总线236电联接到电功率主变压器234上。主变压器234通过断路器侧总线240电联接到电网断路器238上。电网断路器238通过电网总线242连接到电功率输配电网上。在一个备选实施例中，主变压器234通过断路器侧总线240电联接到一个或多个熔断器(未显示)上，而非电联接到电网断路器238上。在另一个实施例中，既没有使用熔断器，也没有使用电网断路器238，而是相反，主变压器234通过断路器侧总线240和电网总线242联接到电功率输配电网上。
在该示例性实施例中，转子侧功率变换器220通过单个直流(DC)链路244以电连通的方式与线路侧功率变换器222联接。备选地，转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222通过单独的和分开的DC链路(在图2中没有显示)电联接。DC链路244包括正轨246、负轨248，以及联接在正轨246和负轨248之间的至少一个电容器250。备选地，电容器250包括在正轨246和负轨248之间构造成串联和/或并联的一个或多个电容器。
涡轮机控制器202构造成接收来自第一组电压和电流传感器252的多个电压和电流测量信号。此外，涡轮机控制器202构造成监测和控制与风力涡轮机100相关联的运行变量中的至少一些。在该示例性实施例中，三个电压和电流传感器252中的各个电联接到电网总线242的三相中的各相上。备选地，电压和电流传感器252电联接到系统总线216上。作为另外的备选方案，电压和电流传感器252电联接到有利于本文所述的电气与控制系统200的运行的电气与控制系统200的任何部分上。作为又一个备选方案，涡轮机控制器202构造成接收来自任何数量的电压和电流传感器252的任何数量的电压和电流测量信号，包括但不限于来自一个转换器的一个电压和电流测量信号。
如图2所示，电气与控制系统200还包括构造成接收多个电压和电流测量信号的变换器控制器262。例如，在一个实施例中，变换器控制器262接收来自以电子数据通讯的方式与定子总线208联接的第二组电压和电流传感器254的电压和电流测量信号。变换器控制器262接收来自以电子数据通讯的方式与转子总线212联接的第三组电压和电流传感器256的第三组电压和电流测量信号。变换器控制器262还接收来自以电子数据通讯的方式与变换断路器总线230联接的第四组电压和电流传感器264的第四组电压和电流测量信号。第二组电压和电流传感器254基本类似于第一组电压和电流传感器252，而第四组电压和电流传感器264基本类似于第三组电压和电流传感器256。变换器控制器262基本类似于涡轮机控制器202，并且以电子数据通讯的方式与涡轮机控制器202联接。此外，在该示例性实施例中，变换器控制器262实体上结合在功率变换组件210内。备选地，变换器控制器262具有有利于本文所述的电气与控制系统200的运行的任何构造。
在运行期间，风冲击叶片108，并且叶片108将风能转换成机械旋转转矩，机械旋转转矩通过轮毂110可旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，齿轮箱114随后提高低速轴112的低的旋转速度，以便以增大的旋转速度驱动高速轴116。高速轴116可旋转地驱动发电机转子122。发电机转子122引起旋转磁场，并且在磁耦联到发电机转子122上的发电机定子120内产生电压。发电机118将旋转机械能转换成发电机定子120中的正弦三相交流(AC)电能信号。通过定子总线208、定子同步开关206、系统总线216、主变压器断路器214和发电机侧总线236将相关联的电功率传输到主变压器234。主变压器234提高电功率的电压幅度，并且经变压的电功率通过断路器侧总线240、电网断路器238和电网总线242而被进一步传输到电网。
在该示例性实施例中，提供了第二电功率传输路径。在发电机转子122内产生三相正弦AC电功率，并且该AC电功率通过转子总线212传输到功率变换组件210。在功率变换组件210内，电功率传输到转子滤波器218，并且针对与转子侧功率变换器220相关联的PWM信号的变化率来修改电功率。转子侧功率变换器220用作整流器，并且将正弦三相AC功率整流成DC功率。DC功率传输到DC链路244中。电容器250通过促进减轻与AC整流相关联的DC波动来促进减轻DC链路244电压幅度变化。
DC功率随后从DC链路244传输到线路侧功率变换器222，并且线路侧功率变换器222用作构造成将来自DC链路244的DC电功率转换成具有预定的电压、电流和频率的三相正弦AC电功率的逆变器。通过变换器控制器262来监测和控制这种转换。转换来的AC功率通过线路侧功率变换器总线223和线路总线225、线路接触器226、变换断路器总线230、变换断路器228和连接总线232从线路侧功率变换器222传输到系统总线216。线路滤波器224补偿或调节从线路侧功率变换器222传输的电功率中的谐波电流。定子同步开关206构造成关闭，以有利于使来自发电机定子120的三相功率与来自功率变换组件210的三相功率连接。
变换断路器228、主变压器断路器214和电网断路器238构造成以便断开对应的总线(例如当过量电流可损害电气与控制系统200的构件时)。还提供了包括线路接触器226的另外的保护构件，可控制该保护构件，以通过打开对应于线路总线225中的各个线路的开关(在图2中没有显示)来形成断开。
功率变换组件210针对例如轮毂110和叶片108处的风速的变化来补偿或调节来自发电机转子122的三相功率的频率。因此，这样，机械和电气转子频率就与定子频率去耦。
在一些情况下，功率变换组件210的双向特性，具体而言是转子侧功率变换器220和线路侧功率变换器222的双向特性，有利于将产生的电功率中的至少一些反馈回发电机转子122中。更具体而言，电功率从系统总线216传输到连接总线232，且随后通过变换断路器228和变换断路器总线230，传输到功率变换组件210中。在功率变换组件210内，电功率传输通过线路接触器226、线路总线225和线路侧功率变换器总线223而传入线路侧功率变换器222中。线路侧功率变换器222用作整流器，并且将正弦三相AC功率整流成DC功率。DC功率传输到DC链路244中。电容器250通过促进减轻有时与三相AC整流相关联的DC波动来促进减轻DC链路244电压幅度变化。
DC功率随后从DC链路244传输到转子侧功率变换器220，并且转子侧功率变换器220用作构造成将从DC链路244传输的DC电功率转换成具有预定的电压、电流和频率的三相正弦AC电功率的逆变器。通过变换器控制器262来监测和控制这种转换。转换来的AC功率通过转子滤波器总线219从转子侧功率变换器220传输到转子滤波器218，并且随后通过转子总线212传输到发电机转子122，从而有利于亚同步运行。
功率变换组件210构造成接收来自涡轮机控制器202的控制信号。控制信号基于风力涡轮机100和电气与控制系统200的感测到的条件或运行特性。控制信号由涡轮机控制器202接收，并且用来控制功率变换组件210的运行。来自一个或多个传感器的反馈可由电气与控制系统200使用，以通过变换器控制器262来控制功率变换组件210，包括例如变换断路器总线230，通过第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256以及第四组电压和电流传感器264来控制定子总线和转子总线电压或电流反馈。使用这个反馈信息(以及例如开关控制信号)，可以以任何已知的方式产生定子同步开关控制信号和系统断路器控制(跳脱)信号。例如，对于具有预定特性的电网电压瞬变，变换器控制器262将在线路侧功率变换器222内至少暂时基本中止IGBT导通。线路侧功率变换器222的运行的这种中止将把通过功率变换组件210输送的电功率基本减小到大约零。
图3是适于与电气与控制系统200(在图2中显示)一起使用的示例性功率极限控制系统300的示意图。功率极限控制系统300计算风力涡轮机100(在图1中显示)的功率极限(也称为功率设定点)和/或旋转速度极限(也称为速度设定点)。如本文所用，用语“极限”指的是风力涡轮机100的一个或多个构件的相关联的运行条件的最大稳态值。应当注意，运行条件可超过限定的极限达短的持续时间，并且可大于风力涡轮机100和/或风力涡轮机100的一个或多个构件的额定极限。在该示例性实施例中，功率极限控制系统300至少部分地由第一控制器实现，例如涡轮机控制器202(在图2中显示)。备选地，功率极限控制系统300由任何适当的控制器和/或控制系统实现。
在该示例性实施例中，功率极限控制系统300包括接收一个或多个测得环境条件304的机械极限计算器302。在该示例性实施例中，测得环境条件304可为风力涡轮机100处或附近的任何测得空气密度、测得海拔、测得风速、测得环境温度和/或任何适当的测得环境条件。机械极限计算器302使用测得环境条件304来计算风力涡轮机100的一个或多个机械构件可按照预先定义为可接受的疲劳水平运行时所处的最大功率极限(下文中称为“机械功率极限”)。在一个实施例中，机械极限计算器302参考查找表来使测得空气密度或另一个测得环境条件304与机械功率极限相互关联。备选地，机械极限计算器302使用预先定义的方程或任何适当的方法来计算机械功率极限。在一个实施例中，机械极限计算器302将测得环境条件304与一个或多个机械构件的一个或多个极限条件作比较。在这种实施例中，机械极限计算器302比较机械构件的极限条件，并且将计算出的机械功率极限值306设置成最极限的条件(即极限条件和对应的测得环境条件304之间的差的最低值)。换句话说，机械极限计算器302计算一个或多个机械构件的最大功率极限，并且将计算出的机械功率极限值306设置成全部机械构件可运行时所处的最大功率水平。最大功率极限可大于风力涡轮机100的额定功率极限。机械极限计算器302将计算出的机械功率极限值306传输到功率极限选择器308。如本文所用，计算出的机械功率极限值306是表示机械功率极限的信号，并且通过功率极限控制系统300内的一个或多个导线来传输该信号。本领域技术人员将认可，如本文所用，在信号中传输从一个构件传输到另一个构件的“值”，并且该信号包括表示该值的成分。
功率极限选择器308接收来自涡轮机控制器202或来自风力涡轮机100的任何适当构件的动态功率极限使能信号310。动态功率极限使能信号310表示风力涡轮机100是构造成动态地改变机械功率极限，还是风力涡轮机100必须使用默认的功率极限值。更具体而言，如果风力涡轮机100构造成动态地改变功率极限(即如果动态的功率极限使能信号310设置成“真”值或另一个适当的值)，则功率极限选择器308将计算出的机械功率极限值306传输到第一滤波器312。备选地，如果风力涡轮机100不构造成动态地改变功率极限(即如果动态功率极限使能信号310设置成“假”值或其它适当的值)，则功率极限选择器308将默认的功率极限值传输到第一滤波器312。在该示例性实施例中，默认的功率极限值对应于风力涡轮机100的额定功率极限。在选择计算出的机械功率极限值306或默认的功率极限值之后，功率极限选择器308将选定的功率极限值314传输到第一滤波器312。
第一滤波器312有利于确定功率极限控制器300的稳态机械功率极限。在该示例性实施例中，第一滤波器312包括具有约20秒的时间常数的低通滤波器。备选地，第一滤波器312可为任何适当的滤波器，并且可具有任何适当的时间常数。第一滤波器312有利于过滤掉选定的功率极限值314的快速波动。因而，第一滤波器312有利于减小风力涡轮机100的机械构件的瞬态运行条件的影响，包括但不限于由于骤风引起的转子106(在图1中显示)的速度的迅速变化。第一滤波器312将机械功率极限值316传输到第一求和结点318和第二求和结点320。
第一求和结点318接收从变换器极限计算器324中传输的变换器功率极限值322(将在下文中参照图4进行更加详细的阐述)。第一求和结点318从机械功率极限值316中减去变换器功率极限值322，并且将得到的功率极限差326传输到极限函数328。功率极限差326表示由于功率变换组件210(在图2中显示)内的约束而需要的功率减少量。换句话说，功率极限差326表示用以保持功率变换组件210的足够的运行边界的机械功率极限值316的减少。在一个实施例中，功率变换组件210保持功率变换组件210的一个或多个构件的足够的运行边界，以在介于约0％和约5％之间的电压波动、介于约5％和约20％之间的无功功率波动和介于约0％和约5％之间的扭矩变化以及所有包括的子范围的情况下运行。在另一个实施例中，功率变换组件210保持功率变换组件210的一个或多个构件的足够的运行边界，以在约2％的电压波动、约10％的无功功率波动和约2％的扭矩变化的情况下运行。备选地，功率变换组件210可构造成如期望的那样保持其它适当的边界。功率变换组件210和/或功率变换组件210内的构件可比风力涡轮机100的机械构件受更少的约束。在这种情形下，变换器功率极限值322将大于机械功率极限值316，从而产生功率极限差326的负值。
极限函数328强制功率极限差326为非负值。如果功率极限差326具有负值，则极限函数328将基本为零的值输出到第二滤波器330。如果功率极限差326具有大于或等于零的值，则极限函数328将功率极限差326的值输出到第二滤波器330。因而，极限函数328防止变换器功率极限值322将风力涡轮机100的功率极限提高到配备机械构件来操作的极限以上(即在机械功率极限值316以上)。极限函数328将经调节的功率极限332传输到第二滤波器330。
第二滤波器330有利于确定功率变换组件210所需的稳态功率极限减小。在该示例性实施例中，第二滤波器330包括具有约4秒的时间常数的低通滤波器。备选地，第二滤波器330可为任何适当的滤波器，并且可具有任何适当的时间常数。第二滤波器330有利于过滤掉经调节的功率极限332的快速波动。因而，第二滤波器330有利于减小风力涡轮机100的电气构件的瞬态运行条件的影响，包括但不限于功率变换组件210内的电压、电流和/或频率的迅速增大。第二滤波器330将机械功率减小值334传输到第二求和结点320。机械功率减小值334表示机械功率极限值316由于功率变换组件210内的约束而需要减小的功率量。
第二求和结点320从机械功率极限值316中减去机械功率减小值334，并且将得到的净功率调节值336传输到第一乘法器338和第二乘法器340。第一乘法器338接收速度参照值342，并且用净功率调节值336乘以速度参照值342来得到涡轮机速度极限344。第二乘法器340接收功率参照值346，并且用净功率调节值336乘以功率参照值346来得到涡轮机功率极限348。在该示例性实施例中，风力涡轮机100和/或涡轮机控制器202基于涡轮机速度极限344和/或涡轮机功率极限348来调节发电机118的功率输出、发电机118的扭矩和/或转子106(在图1中显示)的旋转速度。
图4是显示了适于与功率极限控制系统300(在图3中显示)一起使用的示例性变换器极限计算器324的简图。在该示例性实施例中，变换器极限计算器324由第二控制器-例如变换器控制器262(在图2中显示)来实现。备选地，变换器极限计算器324在功率极限控制系统300内，以及/或者由涡轮机控制器202(在图2中显示)或任何适当的控制器和/或控制系统实现。变换器极限计算器324包括风力涡轮机100(在图1中显示)的多个构件402。在该示例性实施例中，构件402是功率变换组件210和/或风力涡轮机100内的电气构件。备选地，构件402是功率变换组件210和/或风力涡轮机100的机电构件、机械构件和/或任何适当的构件。虽然图4显示了包括四个构件402的变换器极限计算器324，但变换器极限计算器324可包括任何数量的构件402。在一个实施例中，构件402包括但不限于齿轮箱114、转子侧功率变换器220、线路侧功率变换器222、发电机定子120、发电机转子122(全部在图2中显示)和/或任何适当的构件。在该示例性实施例中，变换器极限计算器324内的各个构件402通讯联接到至少一个测量装置404上，测量装置404测量构件402的一个或多个运行条件。在一个实施例中，测量装置404包括一个或多个传感器，传感器可包括例如下者中的一个或多个：第一组电压和电流传感器252、第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256、第四组电压和电流传感器264(全部在图2中显示)，以及任何适当的传感器。备选地，测量装置404包括涡轮机控制器202、变换器控制器262和/或可提供构件402的运行条件的一个或多个测量和/或计算值的任何适当的装置或模型，或者由它们代替。
在该示例性实施例中，各个测量装置404通讯联接到求和结点406上。各个测量装置404将表示构件402的一个或多个测得的或计算出的运行条件的一个或多个构件值408传输到求和结点406。这样的运行条件可包括但不限于构件402处或内的电流、电压、功率和/或温度。求和结点406接收表示各个构件402的一个或多个最大运行极限的一个或多个构件极限值410。这种极限值可包括但不限于构件402构造成在其之内运行的最大稳态或即时电流、电压、功率和/或温度。在该示例性实施例中，构件极限值410是在构件402的安装期间、在风力涡轮机100投入运行(commossion)期间和/或在风场(未显示)投入运行期间设置的预定的或预先定义的运行约束。构件极限值410存储在涡轮机控制器202、变换器控制器262和/或任何其它适当的装置的存储器(未显示)内。备选地，在任何适当的时间期间设置构件极限值410，以及/或者动态地设置构件极限值410，从而使得构件极限值410可在风力涡轮机100运行期间改变。构件极限值410从涡轮机控制器202、从变换器控制器262和/或从任何适当的装置传输到求和结点406。在一个实施例中，构件极限值410从风场控制器(未显示)传输到求和结点406。
求和结点406从构件极限值410中减去构件值408，并且输出表示比较的结果的差值412。在一个实施例中，差值412配置成表示构件值408和构件极限值410之间的差。在另一个实施例中，差值412配置成表示基本为零的值(如果构件值408小于或等于构件极限值410的话)和构件值408与构件极限值410之间的差(如果构件值408大于构件极限值410的话)。备选地，求和结点406输出表示比较的结果的任何适当表达的差值412。在该示例性实施例中，各个差值412表示各个构件402的各个运行条件高于或低于各个构件极限值410的各个相应的极限值的量。更具体而言，各个差值412表示各个构件402能够产生和/或接收的、高于或低于相应的极限值的功率量。
在该示例性实施例中，差值412传输到增益模块414，增益模块414使差值412乘以增益值。在一个实施例中，增益模块414包括积分模块415，或者操作性地联接到积分模块415上，积分模块有利于减少误差，例如变换器极限计算器324的一个或多个构件的跟踪误差。备选地，增益模块414包括对差值412起作用的任何适当的补偿函数。在该示例性实施例中，各个差值412乘以单独的增益值，并且选择增益值，以使各个差值412基本规格化，以有利于差值412之间的比较。在构件402的安装期间、在风力涡轮机100投入运行期间和/或在风场(未显示)投入运行期间预定或预先定义和设置增益值。增益值存储在涡轮机控制器202、变换器控制器262和/或任何其它适当的装置的存储器(未显示)内。备选地，在任何适当的时间期间设置增益值，以及/或者动态地设置增益值，从而使得增益值可在风力涡轮机100运行期间改变。增益模块414将增益值应用于差值412，并且将得到的规格化的极限值416传输到极限比较模块418。在该示例性实施例中，各个规格化的极限值416表示各个构件能够产生和/或接收的规格化的功率量。
极限比较模块418接收各个规格化的极限值416，并且使规格化的极限值416彼此相互比较。在该示例性实施例中，极限比较模块418确定哪个规格化的极限值416包含最小值，并且将变换器功率极限值322设置成最小的规格化的极限值416的值。极限比较模块418将变换器功率极限值322传输到功率极限控制系统300。换句话说，极限比较模块418确定哪个构件402具有最低的功率容量，并且将变换器功率极限值322设置成表示该最低功率容量的值。功率极限控制系统300基于变换器功率极限值322来减小运行极限，例如机械功率极限值316、涡轮机速度极限344和/或涡轮机功率极限348(在图3中显示)。
本文描述的实施例计算风力涡轮机100的一个或多个机械构件的最大功率极限，并且基于风力涡轮机100和/或功率变换组件210的一个或多个电气构件的极限或约束来减小最大功率极限。但是，计算的一个或多个步骤可反过来，从而使得可计算一个或多个电气构件的最大功率极限，而且最大功率极限可被减小一个或多个机械构件的极限或约束。
本文描述的系统和方法的技术效果包括下者中的至少一个：(a)测量风力涡轮机的至少一个运行条件；(b)基于测得运行条件来计算风力涡轮机的运行极限；(c)基于风力涡轮机的构件的极限条件来调节运行极限；以及(d)基于运行极限来调节发电机和转子中的至少一个的运行条件。
上述实施例有利于为风力涡轮机提供高效且成本有效的控制系统。功率极限控制系统计算多个风力涡轮机构件的运行极限，例如功率极限，并且将整个涡轮机功率极限设置成基本等于具有最少功率容量的构件的功率极限的值。功率极限控制系统可将风力涡轮机功率输出提高到大于风力涡轮机的额定功率水平的水平，同时有利于将各个风力涡轮机构件保持在预先定义的运行极限内。因而，使用功率极限控制系统可捕获额外的功率。
以上对风力涡轮机、用于风力涡轮机的控制系统以及控制风力涡轮机的方法的示例性实施例进行了详细描述。方法、风力涡轮机和控制系统不限于本文描述的具体实施例，而是相反，风力涡轮机和/或控制系统的构件和/或方法的步骤可独立地以及与本文描述的其它构件和/或步骤分开来使用。例如，控制系统和方法还可与其它风力涡轮机功率系统和方法结合起来使用，并且不限于仅与本文描述的功率系统一起实践。相反，可结合许多其它风力涡轮机或功率系统应用来实现和使用示例性实施例。
虽然可能在一些附图中显示了本发明的各实施例的具体特征而在其它图中没有显示，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，图中的任何特征可结合任何其它图中的任何特征来进行参照和/或要求保护。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机的控制系统(200)，所述控制系统包括：
构造成测量所述风力涡轮机(100)的至少一个运行条件的至少一个测量装置(404)；以及
第一控制器(202)，构造成：
基于测得的运行条件来计算所述风力涡轮机的运行极限；以及
基于所述风力涡轮机的构件(402)的极限条件来调节所述运行极限。
2.根据权利要求1所述的控制系统(200)，其特征在于，所述第一控制器(202)构造成计算运行极限，所述运行极限包括大于所述风力涡轮机的额定功率极限的所述风力涡轮机(100)的功率极限。
3.根据权利要求1所述的控制系统(200)，其特征在于，所述第一控制器(202)进一步构造成基于所述风力涡轮机(100)的多个电气构件(402)的极限条件来减小所述运行极限。
4.根据权利要求3所述的控制系统(200)，其特征在于，所述控制系统(200)进一步包括第二控制器(262)，该第二控制器(262)构造成：
确定所述多个电气构件的具有最低功率容量的电气构件(402)；以及
基于具有最低功率容量的所述电气构件来减小所述运行极限。
5.根据权利要求4所述的控制系统(200)，其特征在于，在确定所述最低功率容量之前，使各个电气构件(402)的功率容量规格化。
6.根据权利要求1所述的控制系统(200)，其特征在于，所述第一控制器(202)进一步构造成：
基于所述风力涡轮机(100)的多个机械构件(402)的最大功率容量来计算功率极限；以及
基于所述风力涡轮机的多个电气构件的极限条件来减小所述功率极限。
7.根据权利要求1所述的控制系统(200)，其特征在于，所述控制系统(200)进一步包括构造成减小所述运行极限的波动的滤波器(224)。
8.一种风力涡轮机(100)，包括：
发电机(118)；
构造成可旋转地驱动所述发电机的转子(106)；
控制系统(200)，包括：
构造成测量所述风力涡轮机的至少一个运行条件的至少一个测量装置(404)；以及
第一控制器(202)，该第一控制器(202)构造成：
基于测得的运行条件来计算所述风力涡轮机的运行极限；
基于所述风力涡轮机的构件(402)的极限条件来调节所述运行极限；以及
基于所述运行极限来调节所述发电机和所述转子中的至少一个的运行条件。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述第一控制器(202)构造成计算运行极限，所述运行极限包括大于所述风力涡轮机的额定功率极限的所述风力涡轮机的功率极限。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮机(100)，其特征在于，所述第一控制器(202)进一步构造成基于所述风力涡轮机的多个电气构件(402)的极限条件来减小所述运行极限。
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