CN102064563B - 用于在风力涡轮机中产生功率的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在风力涡轮机中产生功率的方法及设备。具体而言，提供了一种用于风力涡轮机(100)的功率转换器。该功率转换器包括切换装置阵列，以及包括电流衰减装置(410)的控制模块。控制模块构造成用以控制切换装置阵列的切换行为，以及从风力涡轮机接收具有第一频率分量的电流，其中，电流衰减装置构造成用以减小第一频率分量的振幅。

Description

用于在风力涡轮机中产生功率的方法及设备
技术领域
本文所述的主题主要涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及用于在风力涡轮机中产生功率的方法及设备。
背景技术
通常，风力涡轮机包括转子，转子包括具有多个叶片的可旋转桨毂组件。叶片将风能转变成机械旋转转矩，该转矩经由转子驱动一个或多个发电机。发电机常常但并非总是通过齿轮箱可旋转地联接到转子上。齿轮箱逐步增加转子固有的较低旋转速度，以便使发电机将旋转机械能高效地转换成电能，该电能经由至少一个电连接件馈入公用电网中。还存在无齿轮的直接驱动式风力涡轮机。转子、发电机、齿轮箱和其它构件通常安装在壳体或机舱内，该壳体或机舱位于塔架顶上。
一些风力涡轮机构造包括双馈感应发电机(DFIG，也称为双馈异步发电机)。此类构造还可包括功率转换器，功率转换器用于将所产生的电功率的频率转换成大致类似于公用电网频率的频率。此外，此类转换器连同DFIG一起还在公用电网和发电机之间传输电功率，以及将发电机激励功率传输至从其中的一个连接件通向公用电网的绕线型发电机转子。作为备选，一些风力涡轮机构造包括而不限于备选类型的感应发电机、永磁(PM)同步发电机，电激励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转换器，这些功率转换器用于如上文所述那样转换频率以及在公用电网与发电机之间传输电功率。
至少一些公知的公用电网包括一条或多条串联补偿的传输线路。此类传输线路通常形成可稍微衰减的次同步谐振电流。当至少一些公知的风力涡轮机电联接到此类传输线路上时，风力涡轮机减小次同步电流的衰减。因此，次同步电流可增大振幅，且可导致出现故障或″跳闸″和致使风力涡轮机不可运转。此外，此类次同步电流可破坏或以其它方式缩短风力涡轮机的一个或多个构件和/或公用电网的寿命。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于风力涡轮机的功率转换器，其包括切换装置阵列以及包括电流衰减装置的控制模块。控制模块构造成用以控制切换装置阵列的切换行为，以及用以从风力涡轮机接收具有第一频率分量的电流。电流衰减装置构造成用以减小第一频率分量的振幅。
在另一实施例中，提供了一种风力涡轮机，其包括发电机以及操作地(或起作用地)联接到发电机上的功率转换器。功率转换器包括切换装置阵列以及包括电流衰减装置的控制模块。控制模块构造成用以控制切换装置阵列的切换行为以及用以从发电机接收具有第一频率分量的电流。电流衰减装置构造成用以减小第一频率分量的振幅。
在又一实施例中，提供了一种用于转换功率的方法，其包括将功率转换器联接到发电机上，以及将控制模块联接到功率转换器上，其中，控制模块包括电流衰减装置。该方法还包括从发电机接收具有第一频率分量的电流，以及将电流衰减装置构造成用以减小第一频率分量的振幅。
在另一实施例中，提供了一种用于功率转换器的控制模块。控制模块包括电流衰减装置。电流衰减装置构造成用以接收具有次同步频率分量的电流、使用基于相量的参考系来转变电流、将次同步频率分量的振幅减小至大致为零，以及使用基于时间的参考系来转变电流。
在又一实施例中，提供了一种用于功率转换器的控制模块。控制模块包括阻抗前馈模块、调节器模块以及电流衰减装置。电流衰减装置构造成用以从发电机接收具有次同步频率分量的电流，以及减小次同步频率分量的振幅。
附图说明
图1为示例性风力涡轮机的一部分的透视图。
图2为可结合图1中所示的风力涡轮机使用的示例性电气及控制系统的简图。
图3为可结合图2中所示的电气及控制系统使用的示例性功率转换器系统的框图。
图4为可结合图3中所示的功率转换器系统使用的示例性转子转换器控制模块的框图。
图5为可结合图4中所示的转子转换器控制模块使用的示例性电流衰减装置的框图。
图6为可结合图2中所示的电气及控制系统使用的备选功率转换器系统的模拟图。
图7为图3中所示的功率转换器系统的模拟图。
具体实施方式
图1为示例性风力涡轮机100的一部分的透视图。风力涡轮机100包括收容发电机(图1中未示出)的机舱102。机舱102安装在塔架104(图1中示出了塔架104的一部分)上。塔架104可具有有助于风力涡轮机100如本文所述那样操作的任何适合的高度。风力涡轮机100还包括转子106，转子106包括附接到旋转桨毂110上的三个叶片108。作为备选，风力涡轮机100包括有助于使风力涡轮机100如本文所述那样操作的任意数目的叶片108。在示例性实施例中，风力涡轮机100包括操作地联接到转子106和发电机(图1中未示出)上的齿轮箱(图1中未示出)。
图2为可结合风力涡轮机100使用的示例性电气及控制系统200的简图。转子106包括联接到桨毂110上的叶片108。转子106还包括可旋转地联接到桨毂110上的低速轴112。低速轴112联接到增速齿轮箱114上，齿轮箱114构造成用以逐步增加低速轴112的旋转速度，且将该速度传递至高速轴116。在示例性实施例中，齿轮箱114具有大约70∶1的增速比(step-upratio)。例如，联接到增速比大约为70∶1的齿轮箱114上的以大约20转/分钟(rpm)旋转的低速轴112对于高度轴116产生大约1400rpm的速度。作为备选，齿轮箱114具有有助于使风力涡轮机100如本文所述那样操作的任何增速比。作为另一备选方案，风力涡轮机100包括直接驱动式发电机，该发电机可旋转地联接到转子106上而无需任何介于其间的齿轮箱。
高速轴116可旋转地联接到发电机118上。在示例性实施例中，发电机118为绕线转子式三相双馈感应(异步)发电机(DFIG)，其包括磁联接到发电机转子122上的发电机定子120。在备选实施例中，发电机转子122包括代替转子绕组的多个永磁体。
电气及控制系统200包括涡轮控制器202。涡轮控制器202包括至少一个处理器以及存储器、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(图2均未示出)。如文中所用，用语“计算机”不限于本领域中称为计算机的集成电路，而是广义地指代处理器、微控制器、微型计算机、可编程序逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程序电路(图2中均未示出)，并且这些用语在文中可互换使用。在示例性实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，如随机存取存储器(RAM)(图2中未示出)。作为备选，还可使用一个或多个存储装置，如软盘、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多用光盘(DVD)(图2中均未示出)。另外，在示例性实施例中，附加的输入通道(图2中未示出)可为但不限于与操作人员界面相关联的计算机外围设备，如鼠标和键盘(两者均未在图2中示出)。此外，在示例性实施例中，附加的输出通道可包括但不限于操作人员界面监视器(图2中未示出)。
用于涡轮控制器202的处理器处理从多个电气电子装置所传输的信息，这些装置可包括但不限于电压和电流传感器。RAM和/或存储装置存储和传递将由处理器执行的信息和指令。RAM和/或存储装置还可用于在处理器执行指令期间存储和提供临时变量、静止(即不变的)信息和指令或其它中间信息给处理器。所执行的指令包括但不限于驻留转换和/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特定组合。
发电机定子120经由定子母线208电联接到定子同步开关206上。在示例性实施例中，为了有助于DFIG构造，发电机转子122经由转子母线212电联接到双向功率转换组件210上。作为备选，发电机转子122经由有助于使电气及控制系统200如本文所述那样操作的任何其它装置而电联接到转子母线212上。作为另一备选方案，电气及控制系统200构造为本领域中所公知的全功率转换系统(未示出)，其中，在设计和操作方面类似于功率转换组件210的全功率转换组件(图2中未示出)电联接到发电机定子120上，且此种全功率转换组件有助于在发电机定子120与电功率传输和分配电网213之间引导电功率。在示例性实施例中，定子母线208将三相功率从发电机定子120传输至定子同步开关206。转子母线212将三相功率从发电机转子122传输至功率转换组件210。在示例性实施例中，定子同步开关206经由系统母线216电联接到主变压器电路断路器214上。在备选实施例中，一个或多个熔断件(未示出)用于代替主变压器电路断路器214。在另一实施例中，既未使用熔断件也未使用主变压器电路断路器214。
功率转换组件210包括经由转子母线212电联接到发电机转子122上的转子滤波器218。转子滤波器母线219将转子滤波器218电联接到转子侧功率转换器220上，且转子侧功率转换器220电联接到线路侧功率转换器222上。转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222为包括功率半导体(未示出)的功率转换器电桥。在示例性实施例中，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222构造为三相脉宽调制(PWM)构造，其包括如本领域中所公知那样操作的绝缘栅双极晶体管(IGBT)切换装置(图2中未示出)。作为备选，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222具有使用有助于使电气及控制系统200如本文所述那样操作的任何切换装置的任何构造。功率转换组件210联接成与涡轮控制器202进行电子数据通信，以便控制转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的操作。
在示例性实施例中，线路侧功率转换器母线223将线路侧功率转换器222电联接到线路滤波器224上。另外，线路母线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经由转换电路断路器母线230电联接到转换电路断路器228上。此外，转换电路断路器228经由系统母线216和连接母线232电联接到主变压器电路断路器214上。作为备选，线路滤波器224直接经由连接母线232电联接到系统母线216上，其中，任何保护方案(未示出)都构造成用以解决将线路接触器226和转换电路断路器228从电气及控制系统200移除。主变压器电路断路器214经由发电机侧母线236电联接到电功率主变压器234上。主变压器234经由断路器侧母线240电联接到电网电路断路器238上。电网电路断路器238经由电网母线242连接到电功率传输和分配电网213上。在备选实施例中，主变压器234经由断路器侧母线240电联接到一个或多个熔断件(未示出)上，而非电网电路断路器238上。在另一实施例中，既不使用熔断件也不使用电网电路断路器238，而是将主变压器234经由断路器侧母线240和电网母线242联接到电功率传输和分配电网213上。
在示例性实施例中，转子侧功率转换器220经由单条直流(DC)链路244联接成与线路侧功率转换器222电连通。作为备选，转子侧转换器220和线路侧转换器222经由独立且分离的DC链路(图2中未示出)电联接。DC链路244包括正干线(rail)246、负干线248，以及联接在正干线246与负干线248之间的至少一个电容器250。作为备选，电容器250包括构造成串联或并联在正干线246与负干线248之间的一个或多个电容器。
涡轮控制器202构造成用以从第一组电压和电流传感器252接收多个电压和电流测量信号。此外，涡轮控制器202构造成用以监测和控制与风力涡轮机100相关联的其中至少一些操作变量。在示例性实施例中，三个电压和电流传感器252中的各个均电联接到电网母线242的三相中的各个上。作为备选，电压和电流传感器252电联接到系统母线216上。作为另一备选方案，电压和电流传感器252电联接到有助于使电气及控制系统200如本文所述那样操作的电气及控制系统200的任何部分上。作为又一备选方案，涡轮控制器202构造成从任意数目的电压和电流传感器252接收任意数目的电压和电流测量信号，包括但不限于从一个变换器接收一个电压和电流测量信号。
如图2中所示，电气及控制系统200还包括转换器控制器262，其构造成用以从第二组电压和电流传感器254接收多个电压和电流测量信号、从第三组电压和电流传感器256接收第三组电压和电流测量信号，以及从第四组电压和电流传感器264接收第四组电压和电流测量信号，其中，第二组电压和电流传感器254联接成与定子母线208进行电子数据通信，第三组电压和电流传感器256联接成与转子母线212进行电子数据通信，以及第四组电压和电流传感器264联接成与转换电路断路器母线230进行电子数据通信。第二组电压和电流传感器254大致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大致类似于第三组电压和电流传感器256。转换器控制器262大致类似于涡轮控制器202，且联接成与涡轮控制器202进行电子数据通信。此外，在示例性实施例中，转换器控制器262物理地集成在功率转换组件210内。作为备选，转换器控制器262具有有助于使电气及控制系统200如本文所述那样操作的任何构造。
在示例性实施例中，电功率传输和分配电网213包括经由电网联接件272联接到电网母线242上的一条或多条传输线路270(为了清楚起见，仅示出了一条)。传输线路270和/或电功率传输和分配电网213包括一个或多个串联补偿元件274，如一个或多个电容器，以有助于减小传输线路270内的无功功率损耗。如本文所述，串联补偿元件274可在电功率传输和分配电网213内形成一种或多种次同步谐振。传输线路270和/或电功率传输和分配电网213还包括联接到各串联补偿元件274上的一个或多个开关276。开关276根据需要分别使串联补偿元件274与电功率传输和分配电网213联接和分离。更具体而言，开关276断开以将串联补偿元件274联接到电功率传输和分配电网213上，以及开关276闭合以使串联补偿元件274与电功率传输和分配电网213分离。电功率传输和分配电网213操作地联接到一个或多个负载278上，以便将功率提供给负载278。
在操作期间，风冲击叶片108，而叶片108将风能转变成机械旋转转矩，该转矩经由桨毂110可旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，而齿轮箱114随后逐步增加低速轴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。旋转磁场由发电机转子122感生，以及在磁耦合(或联接)到发电机转子122上的发电机定子120内感生出电压。发电机118将旋转的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。相关的电功率经由定子母线208、定子同步开关206、系统母线216、主变压器电路断路器214和发电机侧母线236传输至主变压器234。主变压器234逐步增加电功率的电压振幅，以及转变的电功率进一步经由断路器侧母线240、电网电路断路器238和电网母线242传输至电功率传输和分配电网213。
在示例性实施例中，提供了第二电功率传输通路。三相正弦AC电功率在发电机转子122内产生，且经由转子母线212传输至功率转换组件210。在功率转换组件210内，电功率传输至转子滤波器218，在其中，针对与转子侧功率转换器220相关联的输出电压的变化率而改变电功率。转子侧功率转换器220用作整流器，且将正弦三相AC功率整流为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纹波而有助于减小DC链路244的电压振幅变化。
DC功率随后从DC链路244传输至线路侧功率转换器222，其中，线路侧功率转换器222用作逆变器，该逆变器构造成用以将来自于DC链路244的DC电功率转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦AC电功率。该转换通过转换器控制器262来监测和控制。所转换的AC功率经由线路侧功率转换器母线223和线路母线225、线路接触器226、转换电路断路器母线230、转换电路断路器228和连接母线232从线路侧功率转换器222传输至系统母线216。线路滤波器224补偿或调整从线路侧功率转换器222传输来的电功率中的谐波电流。定子同步开关206构造成用以闭合，以有助于将来自发电机定子120的三相功率与来自于功率转换组件210的三相功率相连接。
转换电路断路器228、主变压器电路断路器214和电网电路断路器238构造成用以例如在电流流量过大且可能破坏电气及控制系统200的构件时切断对应的母线。还提供了附加的保护构件，包括线路接触器226，其可通过断开对应于线路母线225的各线路的开关(图2中未示出)而受到控制以形成切断。
例如，由于桨毂110和叶片108处的风速变化，功率转换组件210补偿或调整来自于发电机转子122的三相功率的频率。因此，以此方式，机械和电动转子频率与定子频率去耦。
在一些情况下，功率转换组件210的双向特征，且具体而言是转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的双向特征，有助于将所产生的电功率中的至少一些反馈到发电机转子122中。更具体而言，电功率从系统母线216传输至连接母线232，且随后经由转换电路断路器228和转换电路断路器母线230传输到功率转换组件210中。在功率转换组件210内，电功率经由线路接触器226、线路母线225和线路侧功率转换器母线223传输到线路侧功率转换器222中。线路侧功率转换器222用作整流器，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通过促进减轻时常与三相AC整流相关的DC纹波来减小DC链路244的电压振幅变化。
DC功率随后从DC链路244传输至转子侧功率转换器220，其中，转子侧功率转换器220用作逆变器，该逆变器构造成用以将传输自DC链路244的DC电功率转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦AC电功率。该转换通过转换器控制器262而受到监测和控制。所转换的AC功率经由转子滤波器母线219从转子侧功率转换器220传输至转子滤波器218，且随后经由转子母线212传输至发电机转子122，从而有助于次同步操作。
功率转换组件210构造成用以从涡轮控制器202接收控制信号。控制信号是基于风力涡轮机100和电气及控制系统200的感测状态或操作特征的，由涡轮控制器202接收，且用于控制功率转换组件210的操作。来自于传感器的反馈可由电气及控制系统200通过转换器控制器262用来控制功率转换组件210，举例而言，该反馈包括经由第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256和第四组电压和电流传感器264的转换电路断路器母线230、定子母线和转子母线电压或电流反馈。使用这些反馈信息，并且举例而言，切换控制信号、定子同步开关控制信号和系统电路断路器控制(跳闸)信号可按任何公知的方式产生。例如，对于具有预定特征的电网电压瞬变而言，转换器控制器262将至少暂时地大致中止IGBT在线路侧功率转换器222内传导。线路侧功率转换器222的这种中止操作将会大致将经由功率转换组件210引导的电功率减弱至大约零。
图3示出了可结合电气及控制系统200(图2中所示)使用的示例性功率转换器系统300。在示例性实施例中，功率转换器300包括转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222。功率转换器系统300还包括转矩调节器302、无功功率调节器304、同步锁相环路(PLL)306以及DC电压调节器308。
转矩调节器302将第一转子电流命令信号312传输至转子侧功率转换器220，且更具体而言是传输至转子转换器控制模块314。第一转子电流命令信号312用于基于从涡轮控制器202(图2中所示)所接收的期望的发电机转子命令信号316来调整转子电流。无功功率调节器304从涡轮控制器202接收定子电压和无功功率命令信号318，且将第二转子电流命令信号320传输至转子转换器控制模块314。第二转子电流命令信号320用于通过调整发电机118的有功功率与无功功率的比率来控制发电机118(图2中所示)的功率因数。在示例性实施例中，转子调节器302和无功功率调节器304收容在转换器控制器262(图2中所示)内。在备选实施例中，转矩调节器302和/或无功功率调节器304可收容在其它适合的控制器内，如涡轮控制器202。
同步PLL306从转子位置传感器(未示出)接收转子位置反馈信号322，且从第二组电压和电流传感器254(图2中所示)接收定子电压反馈信号324。使PLL306同步确定了用于在两个或多个信号参考系之间转变转子电压和转子电流的转变角信号326和参考角信号328，其中，这些参考系例如为基于时间的参考系和基于相量的参考系。在一个实施例中，转变角信号326和参考角信号328用于将转子电压和转子电流转变成包括转子电压和/或转子电流的X分量和Y分量的一个或多个相量。如本文所用，X分量是指相量的实分量，而Y分量是指相量的虚分量。转变角信号326和参考角信号328传输至转子转换器控制模块314和位于线路侧功率转换器222内的线路转换器控制模块330。DC电压调节器308接收例如在风力涡轮机试运行期间设置的DC电压参考信号332，且将线路电流命令信号334传输至线路转换器控制模块330。线路电流命令信号334用于调整DC链路244(图2中所示)的DC电压。
转子转换器控制模块314联接到转子转换器切换阵列336上，而线路转换器控制模块330联接到线路转换器切换阵列338上。在示例性实施例中，转子转换器切换阵列336和线路转换器切换阵列338分别包括多个IGBT切换装置(未示出)。作为备选，转子转换器切换阵列336和/或线路转换器切换阵列338包括使转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222能够如本文所述那样操作的任何适合的切换装置。在示例性实施例中，转子转换器控制模块314和线路转换器控制模块330使用脉宽调制来分别控制转子转换器开关控制信号340和线路转换器开关控制信号342的占空比(或占空因数，dutycycle)。转子转换器开关控制信号340控制转子转换器切换阵列336的切换行为，而线路转换器开关控制信号342控制线路转换器切换阵列338的切换行为。因此，转子转换器切换阵列336和线路转换器切换阵列338受到控制而产生一个或多个期望的转子和/或定子电压和/或电流特征。
尽管图3中未示出，但功率转换器系统300的一个或多个控制构件接收一个或多个反馈信号以有助于保持功率转换器系统300的正确操作。这些反馈信号包括但不限于DC电压信号、3相转子电流信号(如来自于第三组电压和电流传感器256)、3相定子电流信号(如来自于第二组电压和电流传感器254)、3相线路电流信号(如来自于第四组电压和电流传感器264)、3相定子电压信号(如来自于第二组电压和电流传感器254)，和/或转子位置信号。
图4示意性地示出了可结合功率转换器系统300(图3中所示)的转子转换器控制模块314。在示例性实施例中，转子转换器控制模块314包括电流转变模块402、阻抗前馈模块404、调节器模块406、电压转变模块408和电流衰减装置410。
电流转变模块402接收电流反馈信号412，该电流反馈信号412包括来自于转子母线212(图2中所示)的各相的第三组电流传感器256(图2中所示)的电流测量结果。在示例性实施例中，电流反馈信号412包括经由功率转换器系统300和/或经由发电机118(图2中所示)来自于电功率传输和分配电网213的一个或多个电流分量。在一个实施例中，一个或多个电流分量例如可包括大致符合电功率传输和分配电网213的频率的一个或多个次同步电流频率分量和/或一个或多个电网频率分量。电流转变模块402接收转变角信号326，且将电流反馈信号412的三相瞬时电流转变成基于相量的参考系。电流转变模块402将电流反馈相量414传输至电流反馈比较器416。电流反馈比较器416接收包括第一转子电流命令信号312和第二转子电流命令信号320(两者均在图2中示出)的电流命令相量418，且计算电流反馈相量414与电流命令相量418之间的差异。电流反馈比较器416将产生的差异作为电流误差相量420传输至调节器模块406以及传输至电流衰减装置410。
调节器模块406接收电流误差相量420，且执行比例积分反馈调节来调整调节器模块406的输出，以有助于将电流误差相量420的误差减小到大约0。调节器模块406将作为电压相量信号的所产生的调节器输出相量422传输给调节器加法器424。
阻抗前馈模块404接收电流命令相量418和转差(slip)频率信号426。阻抗前馈模块404计算前馈命令相量428的振幅作为前馈电压相量信号，以便补充调节器模块406的闭环电流调节。
在示例性实施例中，电流衰减装置410接收电流误差相量420，且有助于减小由电流误差相量420代表的一个或多个电流频率分量的振幅。在示例性实施例中，一个或多个电流频率分量与电功率传输和分配电网213(图2中所示)的电流频率为次同步的。如本文所用，用语″次同步″是指小于参考频率的频率，且在一些实施例中，是指小于电功率传输和分配电网213频率的频率。电流衰减装置410将作为电压相量信号的所产生的衰减控制相量434传输给调节器加法器424。
调节器加法器424合并调节器输出相量422、前馈命令相量428和衰减控制相量434，且将所产生的电压命令相量430传输至电压转变模块408。电压转变模块408使用转变角信号326将电压命令相量430转变成基于时间的参考系，且输出所产生的三相正弦电压命令信号432。电压命令信号432由脉宽调制(PWM)模块436调制。PWM模块436传输转子转换器开关控制信号340至转子转换器切换阵列336(图2中所示)，以便控制转子转换器切换阵列336内的切换装置的切换操作，如占空比。
图5示意性地示出了可结合转子转换器控制模块314(图3中所示)使用的电流衰减装置410的一部分。在示例性实施例中，电流衰减装置410包括积分器模块502、输入转变模块504、一个或多个次同步衰减控制(SSDC)调节器模块506，以及输出转变模块508。积分器模块502接收预定的次同步频率信号510，在一个实施例中，该信号510代表将衰减的一个或多个预定次同步电流频率。次同步频率信号510选为参考系的频率，以该参考系频率通过SSDC调节器模块506作用于电网谐振的次同步频率。在一个实施例中，参考系可具有大约零的频率，使得进入SSDC调节器模块506的一个或多个信号的频率将等于从静止参考系所看到的信号频率。在另一实施例中，参考系可选为以接近次同步电网谐振的预期频率旋转。适合的次同步频率信号510的选择取决于电流衰减装置410所嵌入的系统的剩余部分，且在调节系统的次同步衰减特征的设计研究期间完成。
积分器模块502对次同步频率信号510求积分，且将所产生的次同步角信号512传输至参考角比较器514。参考角比较器514计算次同步角信号512与参考角信号328之间的差异，且将所产生的次同步参考角信号516输出至输入转变模块504和次同步定向加法器518。
输入转变模块504接收电流误差相量420，且使用次同步参考角信号516执行电流误差相量420的转变。更具体而言，输入转变模块504将电流误差相量420转变成旋转的参考系，该参考系包括两个分量α和β，使用以下等式：
α＝x*cosθ+y*sinθ(等式1)
β＝x*-sinθ+y*cosθ(等式2)
其中，x为电流误差相量420的实分量，y为电流误差相量420的虚分量，以及θ为次同步参考角信号516。包括α和β的旋转参考系大致以次同步电流频率的频率旋转。输入转变模块504将包括α和β的电流误差转变信号520传输至SSDC调节器模块506。电流误差转变信号520包括大致等于次同步电流频率的频率分量。在示例性实施例中，SSDC调节器模块506包括和/或构造成用以执行比例积分传递函数。作为备选，SSDC调节器模块506包括任何适合的传递函数或使电力衰减装置410能够如本文所述那样操作的其它算法。SSDC调节器模块506对增益积分并加到电流误差转变信号520上。SSDC调节器模块506将产生的电流次同步衰减转变信号522传输至输出转变模块508。次同步衰减转变信号522包括大致等于次同步电流频率的频率分量。
次同步定向加法器518使次同步参考角信号516与定向调整参考信号524相结合，且将产生的输出定向信号526传输至输出转变模块508。定向调整参考信号524的选择取决于电流衰减装置410所嵌入的系统的剩余部分，且在调节系统的次同步衰减特征的设计研究期间完成。输出定向信号526用于调整由输出转变模块508所产生的输出相量的定向。输出转变模块508以与由输入转变模块504所执行的大致相反的方式将电流次同步衰减转变信号522转变成基于相量的参考系。因此，对次同步衰减转变信号522的α分量进行等式1的逆运算，而对次同步衰减转变信号522的β分量进行等式2的逆运算。输出转变模块508输出所产生的如图4中所示的衰减控制相量434。衰减控制相量434包括大致等于电功率传输和分配电网213的频率与次同步电流频率之间的差异的频率分量。
图6为备选功率转换器系统(未示出)的模拟图600。备选的功率转换器系统大致类似于功率转换器系统300(图3中所示)，且相似的参考标号用于代表相似的构件，但备选的功率转换器系统不包括电流衰减装置410(图4中所示)。模拟图600包括电网电压图602、定子电流图604、转子电流图606、转子电流相量图608以及SSDC相量图610。尽管备选的功率系统不包括电流衰减装置410，但为了完整性而提供了SSDC相量图610。
模拟图600包括涉及开关276(图2中所示)断开的切换事件612。尽管图6示出了在0.5秒处出现的切换事件612，但切换事件612可出现在任何适合的时间。在切换事件612出现之前，开关276闭合，且串联补偿元件274(图2中所示)与电功率传输和分配电网213(图2中所示)分离。当切换事件612出现时，开关276断开，且串联补偿元件274联接到电功率传输和分配电网213上。当串联补偿元件274联接到电功率传输和分配电网213上时，串联补偿元件274与电功率传输和分配电网213和/或与电气及控制系统200(图2中所示)形成谐振电路。因此，在电功率传输和分配电网213和/或电气及控制系统200内形成了一种或多种次同步频率。图6示出了在备选功率转换器系统内形成的大约25Hz的次同步频率。然而，次同步频率可包括小于电功率传输和分配电网213频率的任何频率。
本领域的技术人员将认识到，可通过计算迹线的峰值数目和将峰值数目除以第一峰值与计算的最后峰值之间的时间周期来获得模拟图600内的迹线频率。然而，模拟图600提供为用于示出由图的迹线所代表的信号的振幅和频率的关系，而非用于示出信号振幅和/或频率的离散值。
电网电压图602包括代表电网电压的单相的迹线614，如在电网母线242(图2中所示)处测得的电压。如图6中所示，在切换事件612出现之前，电网电压在大致稳态振幅的情况下以大约60赫兹(Hz)的大致稳态频率振荡。作为备选，电网电压可采用大约50Hz的大致稳态频率或任何适合的频率振荡。在切换事件612出现之后，串联补偿元件274将次同步电压频率引至电网母线242，这改变了电网母线242的电压频率和电压振幅。因此，在切换事件612出现之后，迹线615代表电网母线242的电压和次同步电压频率的结合。
定子电流图604包括代表发电机定子120(图2中所示)电流的单相的迹线616，例如，该发电机定子120的电流由第二组电压和电流传感器254(图2中所示)测得。如图6中所示，在切换事件612出现之前，发电机定子120的电流在大致稳态振幅的情况下以大约60Hz的大致稳态频率振荡。作为备选，发电机定子120的电流可采用大约50Hz的大致稳态频率或任何适合的频率振荡。在切换事件612出现之后，串联补偿元件274将次同步电流频率引至发电机定子120，这改变了发电机定子120的电流频率和电流振幅。因此，在切换事件612出现之后，迹线617代表发电机定子120电流和次同步电流频率的结合。
转子电流图606包括代表发电机转子122(图2中所示)电流(图4中也标示为电流反馈信号412)的单相的迹线618，例如，该发电机转子122电流由第三组电压和电流传感器256(图2中所示)测得。如图6中所示，在切换事件612出现之前，发电机转子122电流可在大致稳态振幅的情况下以大约12Hz的大致稳态频率振荡。发电机转子122的电流频率，也称为转差频率，取决于转子106(图2中所示)的旋转速度以及风力涡轮机100的其它操作条件。因此，发电机转子122的电流可采用任何适合的频率振荡。在切换事件612出现之后，串联补偿元件274将次同步电流频率引至发电机转子122，这改变了发电机转子122的电流频率和电流振幅。因此，在切换事件612出现之后，迹线619代表发电机转子122电流和次同步电流频率的结合。
转子电流相量图608包括分别代表转子电流相量如电流反馈相量414(图4中所示)的X分量和Y分量的第一迹线620和第二迹线621。如图6中所示，在切换事件612出现之前，电流反馈相量414的X分量和Y分量保持在大致稳态的水平。在切换事件612出现之后，第三迹线622和第四迹线623分别代表电流反馈相量414的X分量和Y分量。电流反馈相量414的X分量和Y分量以等于电功率输送和分配电网213的频率减去由串联补偿元件274引入的次同步电流频率的频率进行振荡。尽管图6将电流反馈相量414的X分量和Y分量的振荡频率示为大约35Hz，但振荡频率可为如由电功率传输和分配电网213的频率和由串联补偿元件274引入的次同步电流频率所确定的任何适合的频率。
SSDC相量图610包括分别代表衰减控制相量如衰减控制相量434(图4中所示)的X分量和Y分量的第一迹线624和第二迹线625。第三迹线626和第四迹线627分别代表切换事件612出现之后的衰减控制相量434的X分量和Y分量。然而，当备选功率转换器系统不包括电流衰减装置410时，SSDC相量图610的第一迹线624、第二迹线625、第三迹线626和第四迹线627代表大约0的振幅。
图7为包括电流衰减装置410(图4中所示)的功率转换器系统300(图3中所示)的模拟图700。模拟图700包括与模拟图600大致相似的分量，且相似的参考标号用于代表相似的分量。因此，模拟图700包括电网电压图602、定子电流图604、转子电流图606、转子电流相量图608以及SSDC相量图610。
模拟图700示出了与模拟图600相似行为的电网电压图602、定子电流图604、转子电流图606、转子电流相量图608，但图6中所示的次同步电流的衰减可在切换事件612出现之后看到。
SSDC相量图610包括分别代表切换事件612出现之前的衰减控制相量434(图4中所示)的X分量和Y分量的第一迹线624和第二迹线625，以及分别代表切换事件612出现之后的衰减控制相量434的X分量和Y分量的第三迹线626和第四迹线627。如图7中所示，在切换事件612出现之后，衰减控制相量434的X分量和Y分量保持在大致稳态的水平。在切换事件612出现之后，衰减控制相量434的X分量和Y分量随时间的推移而表现出振幅减小，直到X分量和Y分量稳定在大约0的振幅。
SSDC调节器模块506的操作导致电气及控制系统200中的次同步谐振快速地衰减，从而使电气及控制系统200的构件能够在受损风险减小的情况下继续操作。此外，SSDC调节器模块506和电流衰减装置410有助于减小一个或多个次同步电流频率分量的振幅，同时大致保持电功率传输和分配电网213的频率振幅。SSDC调节器模块506和电流衰减装置410的操作有助于调整发电机转子120的电压，以便减小通过串联补偿元件274引入的一个或多个振荡的振幅。SSDC调节器模块506和电流衰减装置410向电功率传输和分配电网213提供正阻(resistance)特征，这减小了电气及控制系统200和/或电功率传输和分配电网213内的次同步频率分量。在一个实施例中，电功率传输和分配电网213的频率为大约60Hz。作为备选，电功率传输和分配电网213的频率为大约50Hz，或任何适合的频率。
上述实施例有助于提供有效且成本效益合算的功率转换器。功率转换器使可存在于功率转换器和/或公用电网内的次同步电流的振荡衰减或减小。因此，本文所述的风力涡轮机可联接到公用电网上，同时最大限度地减小对风力涡轮机和/或一个或多个公用电网构件的破坏，否则未衰减的次同步电流谐振可引起破坏。更具体而言，本文所述的实施例使具有双馈感应发电机的风力涡轮机能够联接到包括一个或多个串联补偿传输线路的公用电网上。
上文详细地描述了风力涡轮机、功率转换器以及转换功率的方法的示例性实施例。该方法、风力涡轮机和功率转换器不限于本文所述的特定实施例，而相反，风力涡轮机的构件、功率转换器的构件和/或该方法的步骤可与本文所述的其它构件和/或步骤独立地和分离地使用。例如，功率转换器和方法还可结合其它风力涡轮机功率系统和方法使用，且不限于仅结合本文所述的功率系统来实施。确切而言，示例性实施例可结合许多其它风力涡轮机或功率系统应用予以实施和使用。
尽管在一些图中示出了而在另一些图中未示出本发明的各种实施例的具体特征，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，可结合任何其它附图中的任何特征来参考和/或要求保护附图中的任何特征。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所想到的其它实例。如果这些其它的实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例处在权利要求的范围之内。

Claims (25)

1.一种用于风力涡轮机的功率转换器，所述功率转换器包括：
切换装置阵列；以及，
包括电流衰减装置的控制模块，所述控制模块构造成用以：
控制所述切换装置阵列的切换行为；以及，
从所述风力涡轮机接收具有第一频率分量和不同于所述第一频率分量的第二频率分量的电流，所述电流衰减装置构造成用以减小所述第一频率分量的振幅和大致保持所述第二频率分量的振幅。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，所述第一频率分量相对于参考频率为次同步的。
3.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，所述第二频率分量大致等于电功率传输和分配电网的频率。
4.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，所述电流衰减装置构造成用以执行比例积分传递函数。
5.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，所述控制模块还构造成用以控制所述切换装置阵列的占空比。
6.一种风力涡轮机，包括：
发电机；以及，
操作地联接到所述发电机上的功率转换器，所述功率转换器包括：
切换装置阵列；以及，
包括电流衰减装置的控制模块，所述控制模块构造成用以：
控制所述切换装置阵列的切换行为；以及，
从所述发电机接收具有第一频率分量和不同于所述第一频率分量的第二频率分量的电流，所述电流衰减装置构造成用以减小所述第一频率分量的振幅和大致保持所述第二频率分量的振幅。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述第一频率分量相对于所述第二频率分量为次同步的。
8.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述第二频率分量大致等于电功率传输和分配电网的频率。
9.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述电流衰减装置构造成用以执行比例积分传递函数。
10.根据权利要求6所述的风力涡轮机，其特征在于，所述控制模块还构造成用以控制所述切换装置阵列的占空比。
11.一种用于转换功率的方法，所述方法包括：
将功率转换器联接到发电机上；
将控制模块联接到所述功率转换器上，所述控制模块包括电流衰减装置；
从所述发电机接收具有第一频率分量和不同于所述第一频率分量的第二频率分量的电流；以及，
将所述电流衰减装置构造成用以减小所述第一频率分量的振幅和大致保持所述第二频率分量的振幅。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二频率分量相对于所述第一频率分量为次同步的。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二频率分量大致等于电功率传输和分配电网的频率。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述电流衰减装置构造成用以执行比例积分传递函数。
15.一种用于功率转换器的控制模块，所述控制模块包括：
电流衰减装置，所述电流衰减装置构造成用以：
接收具有次同步频率分量的电流；
使用基于相量的参考系来转变电流；
将所述次同步频率分量的振幅减小至大致为零；以及，
使用基于时间的参考系来转变所述电流。
16.根据权利要求15所述的控制模块，其特征在于，所述电流衰减装置还构造成用以从风力涡轮机的发电机接收所述电流。
17.根据权利要求15所述的控制模块，其特征在于，所述电流具有符合电功率传输和分配电网的频率的电网频率分量，所述电流衰减装置还构造成用以大致保持所述电网频率分量的振幅。
18.一种用于功率转换器的控制模块，所述控制模块包括：
阻抗前馈模块；
调节器模块；以及，
电流衰减装置，所述电流衰减装置构造成用以：
从发电机接收具有第一频率分量和第二频率分量的电流，其中，所述第一频率分量相对于所述第二频率分量为次同步的；以及，
减小所述第一频率分量的振幅和保持所述第二频率分量的振幅。
19.根据权利要求18所述的控制模块，其特征在于，所述电流衰减装置还构造成用以对所述第一频率分量执行比例积分传递函数。
20.根据权利要求18所述的控制模块，其特征在于，所述阻抗前馈模块、所述调节器模块和所述电流衰减装置中的各个构造成用以将电压相量信号输出至构造成用以增加电压相量的调节器加法器。
21.一种用于风力涡轮机的功率转换器，所述功率转换器包括：
多个切换装置；以及，
包括电流衰减装置的控制模块，所述控制模块构造成用以：
控制所述多个切换装置的切换行为；以及，
接收具有第一频率分量和不同于所述第一频率分量的第二频率分量的电流，所述电流衰减装置构造成用以减小所述第一频率分量的振幅和大致保持所述第二频率分量的振幅。
22.根据权利要求21所述的控制模块，其特征在于，所述第二频率分量符合电功率传输和分配电网的频率，以及所述第一频率分量相对于所述第二频率分量为次同步的。
23.根据权利要求21所述的控制模块，其特征在于，所述风力涡轮机包括发电机转子，所述电流衰减装置构造成用以调整所述发电机转子的电压，以便减小所述第一频率分量的振幅。
24.根据权利要求23所述的控制模块，其特征在于，所述电流衰减装置使用电压信号的实分量和虚分量中的至少之一来调整所述发电机转子的电压。
25.根据权利要求21所述的控制模块，其特征在于，所述电流衰减装置使用所述电流的实分量和虚分量中的至少之一来减小所述第一频率分量的振幅。
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