CN102104256B - 用于操作风力涡轮机的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

描述一种用于减小极距滑动的电网相关功率限制器系统(152)。该系统包括功率限制器(180)，它配置成接收锁相环(PLL)误差信号(190)和终端电网电压反馈信号(160)中的至少一个，并且基于PLL误差信号和终端电网电压反馈信号中的至少一个来产生功率命令信号(198)。该系统还包括耦合到功率限制器的功率调节器(182)。功率调节器配置成接收功率命令信号，至少部分基于功率命令信号来产生实际电流命令信号(166)，并且将实际电流命令信号传送给控制器(156)。

Description

用于操作风力涡轮机的方法和系统
技术领域
一般来说，本文所描述的主题涉及控制风力涡轮机的操作，更具体来说，涉及响应电力网意外事件而控制风力涡轮机的操作。
背景技术
风力涡轮机发电机利用风能来产生电力。风力涡轮机发电机通常包括具有多个叶片的转子，多个叶片将风能转换成驱动轴的旋转运动，旋转运动又被用于驱动发电机以产生电力。可使多个叶片中的每个倾斜以增加或减小转子的转速。风力涡轮机发电机的功率输出随风速而增加，直至风速达到涡轮机的额定风速。大于和等于额定风速时，风力涡轮机发电机以额定功率工作。额定功率是风力涡轮机发电机能以预定可接受的涡轮机组件的某种疲劳等级工作时的输出功率。风速高于某个速度时，或者风力湍流级超过通常称作“跳闸极限”或“监测设置点极限”的预定大小时，风力涡轮机可停机，或者可通过调节叶片的斜度或者对转子进行制动来减小负荷，以便保护风力涡轮机组件免受损坏。
与风力涡轮机发电机的恒速操作相比，风力涡轮机发电机的变速操作便于风力涡轮机发电机对能量的增强捕获，但是，风力涡轮机发电机的变速操作产生具有变化电压和/或频率的电力。更具体来说，由变速风力涡轮机发电机所产生的电力的频率与转子的转速成比例。电力转换器可耦合到发电机与公用电网之间。电力转换器输出具有固定电压和频率的电力，供在公用电网上输送。
通过转子叶片和风力的交互作用所产生的转子上的转矩与发电机转矩之间的平衡便于风力涡轮机的稳定操作。风力涡轮机调整，例如叶片斜度调整，或者电网事件，例如电网上的低电压或零电压，可引起风力所产生的转子上的转矩与发电机转矩之间的不平衡。发电机在发电机转子与定子之间具有气隙转矩，它与转子所施加的转矩相对。电力转换器还控制气隙转矩，它便于控制发电机的功率输出。但是，风力涡轮机可能无法通过某些电网事件进行操作，或者可能承受因某些电网事件、因在检测到电网事件之后对风力涡轮机操作的调整生效所需的时间周期引起的磨损和/或损坏。
发明内容
在一个方面，提供一种用于控制包含在发电和输电系统中的风力涡轮机的操作的方法。该方法包括测量发电和输电系统的至少一个操作条件。该方法还包括向功率限制器系统传送与操作条件对应的操作条件反馈信号。该方法还包括分析操作条件反馈信号以识别电网意外事件的发生，并且产生与电网意外事件的发生对应的实际电流命令信号。该方法还包括将实际电流命令信号传送给控制器，并且将实际电流命令信号应用于电力转换器性能，以便于减小极距滑动。该方法还包括在发生电网意外事件时在存储器中存储与操作条件对应的至少一个变量。
在另一个方面，提供一种用于减小极距滑动的电网相关功率限制器系统。该系统包括功率限制器，功率限制器配置成接收锁相环(PLL)误差信号和终端电网电压反馈信号中的至少一个，并且基于PLL误差信号和终端电网电压反馈信号中的至少一个来产生功率命令信号。系统还包括耦合到功率限制器的功率调节器。功率调节器配置成接收功率命令信号，产生实际电流命令信号，并且将实际电流命令信号传送给控制器。该系统还包括存储器，存储器配置成存储与发生电网意外事件时测量的操作条件对应的至少一个变量。
在又一个方面，提供一种发电和配电系统。发电和配电系统包括发电机以及耦合到发电机和公用电网的电力转换部件。电力转换部件配置成接收由发电机产生的电力，并且将所接收电力转换成适合通过公用电网传输的电力。发电和配电系统还包括功率限制器系统，它在通信上耦合到电力转换部件，并且配置成向电力转换部件提供实际电流控制信号。实际电流控制信号至少部分基于电网意外事件的至少一个测量指示符。功率限制器系统包括存储器，存储器配置成在发生电网意外事件时存储与电网意外事件的测量指示符对应的至少一个变量。
附图说明
图1是示范风力涡轮机的一部分的透视图。
图2是图1所示风力涡轮机的一部分的局部剖视图。
图3是图1所示风力涡轮机的框图。
图4是可包括图1所示风力涡轮机的示范发电和输电系统的框图。
图5是可在图4所示发电和输电系统中包含的示范功率限制器系统的框图。
图6是可在图5所示功率限制器系统中包含的示范电网相关功率限制器的框图。
图7是可与图1所示风力涡轮机关联的电网线电压与时间的图解视图。
图8-15示出发生电网意外事件之后的图4所示系统的操作特性。
图16是示出控制图1所示风力涡轮机的操作的示范方法的流程图。
具体实施方式
本文所使用的术语“叶片”意在表示当处于相对于周围流体的运动中时提供反作用力的任何装置。本文所使用的术语“风力涡轮机”意在表示从风能产生转动能、更具体来说、将风力的动能转换为机械能的任何装置。本文所使用的术语“风力涡轮机发电机”意在表示从产生于风能的转动能产生电力、更具体来说、将从风力的动能转换的机械能转换成电力的任何风力涡轮机。
本文所述的方法、系统和计算机可读介质的技术效果包括下列各项中的至少一个：(a)测量终端电网电压；(b)向功率限制器系统提供与终端电网电压对应的终端电网电压反馈信号；(c)使用功率限制器系统、至少部分基于终端电网电压反馈信号来产生实际电流命令信号；(d)向控制器提供实际电流命令信号；以及(e)将实际电流命令信号应用于电力转换器性能。
本文所述的方法、系统和计算机可读介质便于识别电网意外事件以及对电网意外事件的快速响应。快速响应减小或者实质消除风力涡轮机发电机中的极距滑动，并且便于使风力涡轮机和公用电网稳定。
图1是示范风力涡轮机10的透视图。图2是风力涡轮机10的一部分的局部剖切透视图。本文所述和所示的风力涡轮机10是用于从风能产生电力的风力涡轮机发电机。此外，本文所述和所示的风力涡轮机10包括水平轴配置，但在一些实施例中，作为对水平轴配置的补充或替代，风力涡轮机10可包括垂直轴配置(未示出)。风力涡轮机10可耦合到电力负载(图1中未示出)，例如但不限于电力网，用于从其中接收电力以便驱动风力涡轮机10和/或其关联组件的操作，和/或用于对其提供由风力涡轮机10所产生的电力。虽然图1和图2中仅示出一个风力涡轮机10，但在一些实施例中，多个风力涡轮机10可组合在一起，有时称作“风力田”。
风力涡轮机10包括主体或短舱12，以及耦合到短舱12、用于围绕转动轴20相对于短舱12旋转的转子(由14一般表示)。在示范实施例中，短舱12安装到塔架16上，但在一些实施例中，作为对塔架上安装的短舱12的补充或替代，短舱12可定位成邻近地面和/或水面。塔架16的高度可以是使风力涡轮机10能够按照本文所述起作用的任何适当高度。转子14包括轮毂22以及从轮毂22向外径向延伸、用于将风能转换为转动能的多个叶片24(有时称作“螺旋桨”)。虽然转子14在本文中描述和示为具有三个叶片24，但是，转子14可具有任何数量的叶片24。叶片24可各具有允许风力涡轮机10按照本文所述起作用的任何长度。例如，在一些实施例中，一个或多个转子叶片24大约为半米长，而在一些实施例中，一个或多个转子叶片24大约为50米长。叶片24的长度的其它示例包括10米或10米以下、大约20米、大约37米以及大约40米。又一些示例包括在大约50与大约100米长之间的转子叶片，以及大于100米长的转子叶片。
不管图1中如何示出转子叶片24，转子14可具有任何形状的叶片24，并且可具有任何类型和/或任何配置的叶片24，无论这种形状、类型和/或配置是否在本文中描述和/或示出。叶片24的另一种类型、形状和/或配置的一个示例是有时称作“打蛋器”涡轮机的Darrieus风力涡轮机。叶片24的另一种类型、形状和/或配置的又一个示例是Savonious风力涡轮机。此外，在一些实施例中，风力涡轮机10可以是其中转子14一般朝向逆风以利用风能的风力涡轮机，和/或可以是其中转子14一般朝向顺风以利用能量的风力涡轮机。当然，在所述实施例中的任何一个中，转子14可能没有完全朝向逆风和/或顺风，而是可能相对于风向大致朝向任何角度(它可以是可变的)以便从中利用能量。
现在参照图2，风力涡轮机10包括耦合到转子14、用于从转子14所产生的转动能产生电力的发电机26。发电机26可以是任何适当类型的发电机，例如但不限于绕线转子感应发电机、双馈感应发电机(DFIG，又称作双馈异步发电机)、永磁(PM)同步发电机、电励磁同步发电机和开关磁阻发电机。发电机26包括定子(未示出)和转子(未示出)、它们之间包括气隙。转子14包括耦合到转子轮毂22、用于随其旋转的转子轴28。发电机26耦合到转子轴28，使得转子轴28的转动驱动发电机转子的转动，并且因此驱动发电机26工作。在示范实施例中，发电机转子具有与其耦合并且耦合到转子轴28的发电机轴30，使得转子轴28的转动驱动发电机转子的转动。在其它实施例中，发电机转子直接耦合到转子轴28，有时称作“直接驱动风力涡轮机”。在示范实施例中，发电机轴30通过变速箱32耦合到转子轴28，但在其它实施例中，发电机轴30直接耦合到转子轴28。
转子14的转矩驱动发电机转子，由此从转子14的转动产生可变频率AC电力。发电机26在发电机转子与定子之间具有气隙转矩，它与转子14的转矩相对。电力转换部件34耦合到发电机26，用于将可变频率AC转换成固定频率AC以便输送到与发电机26耦合的电力负载(图2中未示出)，例如但不限于电力网(图2中未示出)。电力转换部件34可包括单个频率转换器或者多个频率转换器，它们配置成将发电机26所产生的电力转换成适合通过电力网输送的电力。电力转换部件34在本文中又可称作电力转换器。电力转换部件34可位于风力涡轮机10中的任何位置或者远离风力涡轮机10。例如，电力转换部件34可位于塔架16的底座(未示出)内。
在一些实施例中，风力涡轮机10可包括转子限速器，例如但不限于盘式制动器36。盘式制动器36对转子14的转动进行制动，以便例如减慢转子14的转动、相对全风力转矩对转子14进行制动和/或减少从发电机26的电力的产生。此外，在一些实施例中，风力涡轮机10可包括偏转系统38，用于使短舱12围绕转动轴40旋转，用于改变转子14的偏转，更具体来说，用于改变转子14的朝向，以便例如调整转子14的朝向与风向之间的角度。
在一个实施例中，风力涡轮机10包括可变叶片斜度系统42，用于控制，包括但不限于改变，叶片24(图1-2所示)相对于风向的倾斜角。斜度系统42可耦合到系统控制器44以便由此进行控制。斜度系统42耦合到轮毂22和叶片24，用于通过相对于轮毂22旋转叶片24来改变叶片24的倾斜角。斜度执行器可包括任何适当的结构、配置、布置、手段和/或组件，无论本文中是否描述和/或示出，例如但不限于电动机、液压缸、弹簧和/或伺服机构。此外，斜度执行器可由任何适当的手段来驱动，无论本文中是否描述和/或示出，例如但不限于液压流体、电力、电化学力和/或机械力、例如但不限于弹簧力。
图3是风力涡轮机10的一个示范实施例的框图。在示范实施例中，风力涡轮机10包括一个或多个系统控制器44，系统控制器44耦合到风力涡轮机10的至少一个组件，用于总体控制风力涡轮机10的操作和/或控制其组件的操作，而不管本文是否描述和/或示出这类组件。例如，在示范实施例中，系统控制器44耦合到斜度系统42，用于总体控制转子14。在示范实施例中，系统控制器44安装在短舱12(图2所示)中，但是，作为补充或替代，一个或多个系统控制器44可远离短舱12和/或风力涡轮机10的其它组件。系统控制器44可用于整体系统监测和控制，非限制性地包括例如斜度和速度调节、高速轴和偏转制动应用、偏转和泵电动机应用和/或故障监测。在一些实施例中可使用备选的分布式或集中式控制架构。
在一个示范实施例中，风力涡轮机10包括多个传感器，例如传感器50、54和56。传感器50、54和56测量各种参数，非限制性地包括操作条件和大气条件。各传感器50、54和56可以是单独传感器，或者可包括多个传感器。传感器50、54和56可以是在风力涡轮机10中具有任何适当位置或者远离风力涡轮机10的任何适当传感器，它允许风力涡轮机10如本文所述起作用。在一些实施例中，传感器50、54和56耦合到系统控制器44，用于向系统控制器44传送测量结果以便对其进行处理。
在一些实施例中，系统控制器44包括总线62或其它通信装置，以便传递信息。一个或多个处理器64耦合到总线62以处理信息，包括来自传感器50、54和56和/或其它传感器的信息。处理器64可包括至少一个计算机。本文所使用的术语“计算机”并不局限于本领域中称作计算机的集成电路，而是广义表示处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路，并且这些术语在本文中可互换地使用。
系统控制器44还可包括一个或多个随机存取存储器(RAM)66和/或其它存储装置68。RAM66和存储装置68耦合到总线62，以便存储和传递将由处理器64执行的信息和指令。RAM66(和/或存储装置68，如果包括的话)还可用于在处理器64执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。系统控制器44还可包括耦合到总线62的一个或多个只读存储器(ROM)70和/或其它静态存储装置，以便存储并向处理器64提供静态(即无变化)信息和指令。处理器64处理从可非限制性地包括速度和功率换能器的多个电气和电子装置传送的信息。被执行的指令非限制性地包括常驻转换和/或比较器算法。指令序列的执行并不局限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。
系统控制器44还可包括或者可耦合到输入/输出装置72。输入/输出装置72可包括本领域已知的任何装置，以便向系统控制器44提供输入数据，和/或提供输出，例如但不限于偏转控制和/或斜度控制输出。指令可从包括例如磁盘、只读存储器(ROM)集成电路、CD-ROM和/或DVD的存储装置68，经由提供对一个或多个电子可访问介质的访问的有线或者无线的远程连接，提供给RAM66。在一些实施例中，硬连线电路可用来代替软件指令或者与其结合。因此，指令序列的执行并不局限于硬件电路和软件指令的任何特定组合，无论本文是否描述和/或示出。另外，在示范实施例中，输入/输出装置72可非限制性地包括与操作员接口关联的计算机外设，诸如鼠标和键盘(图3中均未示出)。备选地，也可使用其它计算机外设，可包括例如扫描仪(图3中未示出)。此外，在示范实施例中，附加输出通道可包括例如操作员接口监视器(图3中未示出)。系统控制器44还可包括传感器接口74，它允许系统控制器44与传感器50、54和56和/或其它传感器进行通信。传感器接口74可包括一个或多个模数转换器，它们将模拟信号转换为可由处理器64使用的数字信号。
在一个示范实施例中，风力涡轮机10包括锁相环(PLL)调节器80。PLL调节器80耦合到传感器54。在示范实施例中，传感器54是电压换能器，它配置成测量频率转换器34所输出的终端电网电压。备选地，PLL调节器80配置成从多个电压换能器接收多个电压测量信号。在三相发电机的一个示例中，三个电压换能器中的每一个电耦合到电网母线的三相中的每一个。PLL调节器80可配置成从任何数量的电压换能器接收任何数量的电压测量信号，它们允许PLL调节器按照本文所述起作用。
图4是一个示范发电和输电系统150的框图。发电和输电系统150可与风力涡轮机10(图1和图2所示)配合使用或者包含在其中。系统150包括能量源，例如发电机26。虽然本文描述为风力涡轮机发电机26，但是能量源可包括允许系统150按照本文所述起作用的任何类型的发电机。系统150还包括电力转换器，例如电力转换器34。电力转换器34接收由发电机26所产生的可变频率电力132，并且将电力132转换成电力134(本文中称作终端电力134)，它适合于通过输电和配电网136(本文中称作公用电网136)传输。在电力转换器34与公用电网136之间的节点处定义终端电压(Vt)138。负载140耦合到其中定义了Thevenin电压的公用电网136。如上所述，与风力涡轮机10的恒速操作相比，风力涡轮机10的变速操作便于能量的增强捕获，但是，风力涡轮机10的变速操作产生具有变化电压和/或频率的电力132。更具体来说，由变速风力涡轮机发电机26所产生的电力132的频率与转子14(图1所示)的转速成比例。在示范实施例中，电力转换器34输出具有基本上固定的电压和频率的终端电力134，用于在公用电网136上输送。
电力转换器34还控制发电机26的气隙转矩。气隙转矩存在于发电机转子(图3中未示出)与发电机定子(图3中未示出)之间，并且与转子14施加到发电机26的转矩相对。通过叶片24(图1所示)和风力的交互作用所产生的转子14上的转矩与气隙转矩之间的平衡便于风力涡轮机10的稳定操作。风力涡轮机调整，例如叶片斜度调整，或者电网事件，例如公用电网136上的低电压瞬变或零电压瞬变，可引起风力所产生的转子14上的转矩与气隙转矩之间的不平衡。电力转换器34控制气隙转矩，它便于控制发电机26的功率输出，但是，风力涡轮机10可能无法通过某些电网事件进行操作，或者可能承受因某些电网事件、因在检测到电网事件之后对风力涡轮机操作的调整生效所需的时间周期引起的磨损和/或损坏。
在示范实施例中，系统150包括电网相关功率限制器系统152。在示范实施例中，控制器，例如但不限于控制器44(图3所示)，被编程为执行电网相关功率限制器系统152的功能。但是，在备选实施例中，电网相关功率限制器系统152的功能可由配置成允许系统150按照本文所述起作用的任何电路来执行。功率限制器系统152配置成识别电网意外事件的发生，以及为电力转换器34提供便于减小极距滑动并且提供从电网事件稳定恢复的信号。在某些实施例中，电力转换器34按照功率限制器系统152所提供的信号进行响应，并且实质上消除极距滑动。
在本文中又称作电网意外事件的电网事件可使公用电网136保持在其中电网阻抗过高而难以接纳发电机26所产生的电力的降级模式。电网事件的一个示例包括公用电网136内的传输线之一上的短路故障。输电保护动作去除公用电网136的出故障部分，以便准许公用电网136的其余无故障部分的操作。传输路径仍然是，在其将电力从系统150传送到负载140的能力方面降级。在清除公用电网136的出故障部分之前，这类电网事件引起公用电网136上短期的低电压。通常，终端电压138在电网事件时将接近零伏。低电压瞬变和/或零电压瞬变常常将引起发电机跳闸以及对半导体装置的关联后果(例如，对风力涡轮机10的组件可能的损坏)。系统150便于风力涡轮机10的低电压穿越能力(LVRT)以及零电压穿越(ZVRT)能力，使得风力涡轮机发电机跳闸以及对半导体装置的关联后果的可能性在低电压瞬变和/或零电压瞬变期间减少。
这种电网事件可导致故障后条件，其中公用电网136的高阻抗阻止公用电网136传送来自风力发电机26的故障前电力(即，公用电网136的阻抗过高而无法传送来自风力发电机26的故障前电力)。在同步机器中，这种条件可导致发电机转子的转子角移到超过其中公用电网136的抑制转矩能够平衡对风力涡轮机10的机械输入的点，这在本文中称作“极距滑动(pole-slipping)”。在具有电力电子接口的机器(例如电力转换器34)中，这种条件可导致功率和电压的一系列快速脉动。这类脉动与极距滑动相似，但是通过电力转换器34，控制算法管理同步机器的行为而不是物理性质。没有电力转换器控制算法中的防范，极距滑动可能发生。
本文所述的方法和系统便于防止脉动的极距滑动，并且便于在检测到短时间周期中的极距滑动时使系统150稳定，使得高层控件有时间确定动作并且传递那些动作以使系统达到可接受条件。
如图4所示，在示范实施例中，电力转换部件34配置成接收来自转换器接口控制器156的控制信号154。控制信号154基于本文所述的风力涡轮机10的所感测的操作条件或操作特性，并且用于控制电力转换部件34的操作。所测量的操作条件的示例可包括但不限于终端电网电压、PLL误差、定子母线电压、转子母线电压和/或电流。例如，传感器54测量终端电网电压138，并且向功率限制器系统152传送终端电网电压反馈信号160。功率限制器系统152至少部分基于反馈信号160来产生功率命令信号162，并且将功率命令信号162传送给转换器接口控制器156。在一个备选实施例中，转换器接口控制器156包含在系统控制器44内。来自其它传感器的其它操作条件反馈也可由控制器44和/或转换器接口控制器156用于控制电力转换部件34。使用这个反馈信息以及例如开关控制信号，定子同步开关控制信号和系统断路器控制(跳闸)信号可按照任何已知方式来产生。例如，对于具有预定特性的电网电压瞬变，控制器44和/或转换器接口控制器156将至少暂时实质上挂起电力转换部件34内的IGBT的启动。操作的这种挂起将通过电力转换部件34传递的电力实质上减小到接近零。
图5是一个示范功率限制器系统、如功率限制器系统152的框图。功率限制器系统152配置成输出功率命令信号162(图4所示)，它在示范实施例中是实际电流命令信号166和无功电流命令信号168中的至少一个。在示范实施例中，功率限制器系统152包括功率限制器180、功率调节器182和电压调节器184。在示范实施例中，功率限制器180接收系统150的至少一个所测量操作条件。至少一个所测量操作条件可包括但不限于来自PLL调节器80的PLL误差信号190以及来自传感器54的终端电网电压反馈信号160。功率限制器180还接收来自例如系统控制器44(图3所示)的所存储参考功率控制信号194。在一些实施例中，功率限制器180接收终端电网电压反馈信号160和所存储参考功率控制信号194。在其它实施例中，功率限制器180接收PLL误差信号190和所存储参考功率控制信号194。在其它实施例中，功率限制器180接收PLL误差信号190和终端电网电压反馈信号160这两者以及所存储参考功率控制信号194。在示范实施例中，功率限制器180产生功率命令信号198，并且将功率命令信号198传送给功率调节器182。功率调节器182产生实际电流命令信号166，并且将实际电流命令信号166传送给转换器接口控制器156。转换器接口控制器156在本文中又可称作转换器启动控制。如上所述，PLL调节器80可包含在系统控制器44内，或者可耦合到系统控制器44但与其分离。
在示范实施例中，PLL调节器80接收终端电压反馈信号160。例如，PLL调节器80可接收由传感器54(图3所示)所提供的终端电压反馈信号160(图3中示为Vt)。如上所述，PLL调节器80产生PLL误差信号190和PLL相位角信号202。将PLL相位角信号202传送给转换器接口控制器156，用于部件34的控制以及用于注入到公用电网136(图4所示)上的电流的后续控制。
图6是示范电网相关功率限制器、如功率限制器180(图5所示)的框图。如上所述，在如弱电网之类的电网意外事件中，公用电网136的阻抗过高而无法接纳发电机26所产生的电力。因此，极距滑动可能发生，从而引起公用电网136和风力涡轮机10上的反复电压沉降和功率脉动。另外，弱电网引起公用电网136上的负载140处的Thevenin等效电压的减小。为了便于防止极距滑动在电网意外事件之后发生，快速减小送往转换器接口控制器156的电力命令。更具体来说，实际电流命令信号166由功率调节器182产生，并且传送给转换器接口控制器156。实际电流命令信号166指示转换器接口控制器156减小转换部件34设法注入到公用电网136上的电流的有功分量。此外，要支持终端电压，在电压调节器184基于终端电压反馈信号160识别的终端电压下降时，电压调节器184产生无功电流命令信号168，并且将无功电流命令信号168发送给转换器接口控制器156。在发生电网意外事件时，电流命令信号168指示转换器接口控制器156增加注入到公用电网136上的电流的无功分量。
在示范实施例中，功率调节器182接收来自功率限制器180的功率命令信号198。功率命令信号198向功率调节器182提供与电网意外事件的发生对应的信号。如上所述，低的终端电压是已经发生电网意外事件的指示。另外，高PLL误差是已经发生电网意外事件的指示。要确定是否已经发生电网意外事件，功率限制器180内的功能块220接收终端电压反馈信号160和/或PLL误差信号190。功率限制功能块222基于功能块220的输出226来产生功率限制控制信号224。将功率限制控制信号224和参考功率控制信号194提供给比较器功能块230。比较器功能块230产生与功率限制控制信号224和参考功率控制信号194中的较小者对应的功率命令信号198。
在示范实施例中，在发生电网意外事件时，终端电压反馈信号160指示终端电压的突然降低。相应地，功率限制功能块222产生快速减小功率限制控制信号224。快速减小功率限制控制信号224便于使系统150稳定，同时实质上减小极距滑动。在终端电压反馈信号160指示电网意外事件已经结束(例如，终端电压增加)之后，功率限制功能块222产生缓慢上升功率限制控制信号224。注入到公用电网136上的实际电流按照功率限制控制信号224升高。缓慢增加注入到公用电网136上的功率便于防止功率振荡。此外，缓慢增加注入到公用电网136上的功率为系统150的操作中的高层变化提供时间，这允许系统150适应电网意外事件。
在示范实施例中，将功率限制控制信号224与参考功率控制信号194进行比较。比较器功能块230基于功率限制控制信号224和参考功率控制信号194中的较低者来产生功率命令信号198。例如，在发生电网意外事件之后，功率限制控制信号224低于参考功率控制信号194，并且因此功率命令信号198基于功率限制控制信号224来产生。在系统150的正常操作(例如，没有电网意外事件)期间，参考功率控制信号194小于功率限制控制信号224，并且功率命令信号198基于预定的参考功率控制信号194。
如上所述，PLL误差信号190和终端电压反馈信号160都是电网意外事件的发生的指示符。例如，与高PLL误差对应的PLL误差信号190和与终端电压138的减小对应的终端电压反馈信号160是已经发生电网意外事件的指示。响应于高PLL误差信号190和/或低终端电压反馈信号160，功率限制功能块222产生快速减小功率限制控制信号224。在PLL误差信号190和/或终端电压反馈信号160指示电网意外事件已经结束(例如，PLL误差和/或终端电压返回到预定水平)之后，功率限制功能块222产生缓慢上升功率限制控制信号224。注入到公用电网136上的功率按照功率限制控制信号224升高。如上所述，缓慢增加注入到公用电网136上的功率便于防止功率振荡。
在一个备选实施例中，功率限制器180还包括高层控件232。虽然描述为包含在功率限制器180内，但是高层控件232还可定位成远离功率限制器180。如上所述，缓慢增加注入到公用电网136上的功率便于防止功率振荡。缓慢增加注入到公用电网136上的功率还为系统150的操作中的高层变化提供时间，这允许系统150适应电网意外事件。高层控件232接收至少一个风力田输入信号，例如，输入信号234。风力田输入信号234可对应于公用电网136中的变化，例如但不限于断路器接触信号或者来自远程变电站的通信信号。输入信号234还可对应于在风力田内的多个风力涡轮机的公共耦合点处的电压测量。在示范实施例中，高层控件232至少部分基于输入信号234来产生削减信号236，并且提供削减信号236以选择多个风力涡轮机中的风力涡轮机。更具体来说，将削减信号236提供给比较器功能块230，在其中产生功率命令信号198。例如，如果由高层控件232所接收的输入信号234对应于超过预定数量的远程变电站无法承载当前接收的功率的等级，则高层控件232将产生削减信号236，该信号在被收到时，指示比较器功能块230产生功率命令信号198，功率命令信号198将风力涡轮机的输出削减到低于原本从普遍风力条件可得到的等级。在另一个示例中，如果高层控件232确定在多个风力涡轮机的公共耦合点的电压已经保持低于预定义水平超过了预定义的时间周期，则高层控件232将产生削减信号236，它在被收到时，指示比较器功能块230产生功率命令信号198，功率命令信号198将风力涡轮机的输出削减到低于原本从普遍风力条件可得到的等级。
在示范实施例中，功率限制器系统152还包括存储器，例如存储器66(图3所示)。存储器66配置成存储与风力涡轮机10的操作相关的数据。例如，存储器66可存储与例如但不限于PLL误差190和电压反馈160对应的至少一个变量。更具体来说，控制器44配置成对预定义变量的当前值进行抽样，并且在发生事件时将当前值存储在存储器66中。例如，在发生电网意外事件时，PLL误差190和电压反馈160的当前值存储在存储器66中。存储器66可由用户访问，以便例如监测风力涡轮机10的操作。
图7是可与风力涡轮机10(图1所示)关联的电网线电压与时间的图解视图。图表240包括纵坐标(y轴)242，它以百分比(％)为单位表示电网线电压。y轴242示出在图表原点的0％，并且延伸一直到100％。电网线电压0％指示公用电网136(图4所示)上的零电压。电网线电压100％指示终端电网电压138是与风力涡轮机10关联的标称预定电压的100％。图表240还包括横坐标(x轴)244，它表示单位为秒(s)的时间。零电压瞬变示为在等于0秒的时间开始。这个零电压瞬变可对应于电网事件，例如，引起零电压电网条件的去耦负载。在示范实施例中，公用电网136上的零电压条件为0.15秒，其中公用电网136上的电压在瞬变开始之后的大约3.5秒完全恢复到100％。备选地，零电压条件的时间长度和电网电压恢复的特性取决于本领域已知的各种因素。
当电压如图7所示减小到零时，很可能存在故障，它们阻止发电机26向公用电网136传送电力。在风力继续使转子14(图1所示)转动的情况下，发电机26继续产生没有被转换成电能的能量。该能量反而使转子14加速，直到跳闸特征被发起，可包括手动跳闸或自动超速跳闸。
图8-15示出发生电网意外事件之后的系统150(图4所示)的操作特性。如上所述，系统150包括功率限制器系统152(图5所示)。更具体来说，图8-11示出当为功率限制器系统152的功率限制器180提供终端电压反馈信号160(图5所示)时系统150的示范操作特性。图12-15示出当为功率限制器180提供PLL误差信号190时系统150的示范操作特性。
图8-11示出当为功率限制器180提供终端电压反馈信号160时电网意外事件对系统150(图4所示)的影响。图8示出电网意外事件随时间610对终端电网电压138(图4所示)的影响。图9示出电网意外事件随时间610对终端电力134(图4所示)的影响。图10示出电网意外事件随时间610对功率限制控制信号224(图6所示)和参考功率控制信号194(图6所示)的影响。图11示出电网意外事件对PLL误差信号190(图6所示)的影响。一旦识别电网意外事件，或者更具体来说，一旦快速减小的终端电网电压138提供电网意外事件正在发生的指示，则功率限制控制信号224迅速减小到低于参考功率控制信号194的水平。减小功率限制控制信号224使电力转换器34减小施加到公用电网136的实际电流的水平，并且如图8-11所示，便于使系统150稳定(即，减小Vt、Pt和PLL误差的振荡)。
图12-15示出当为功率限制器180提供PLL误差信号190时电网意外事件对系统150(图4所示)的影响。图12示出电网意外事件随时间610对终端电网电压138(图4所示)的影响。图13示出电网意外事件随时间610对终端电力134(图4所示)的影响。图14示出电网意外事件随时间610对功率限制控制信号224(图6所示)和参考功率控制信号194(图6所示)的影响。图15示出电网意外事件对PLL误差信号190(图6所示)的影响。一旦识别电网意外事件，或者更具体来说，一旦增大的PLL误差信号190提供电网意外事件正在发生的指示，则功率限制控制信号224迅速减小到低于参考功率控制信号194的水平。减小功率限制控制信号224使电力转换器34减小施加到公用电网136的实际电流的水平，并且如图12-15所示，便于使系统150稳定(即，减小Vt、Pt和PLL误差的振荡)。
图16是说明用于控制在发电和输电系统、例如发电和输电系统150(图4所示)中包含的风力涡轮机、例如风力涡轮机10(图1所示)的操作的示范方法的流程图260。虽然描述为一种用于操作风力涡轮机的方法，但是该方法还可适用于不止一个风力涡轮机10(即，风力田)的操作。在示范实施例中，该方法包括测量270发电和输电系统150的至少一个操作条件，其中至少一个操作条件取决于电网意外事件的发生。如上所述，所测量的操作条件提供电网意外事件的发生的指示。所测量的操作条件可包括但不限于锁相环(PLL)误差和终端电网电压中的至少一个。该方法还包括向功率限制器系统传送272与至少一个操作条件对应的操作条件反馈信号。更具体来说，PLL误差信号190(图5所示)可由PLL调节器、例如PLL调节器80(图5所示)来产生，并且传送272给功率限制器系统152(图5所示)。PLL误差信号190可对应于由PLL调节器80所跟踪的持续相位误差。另外，终端电网电压反馈信号160(图5所示)可由传感器54(图3所示)来测量，并且传送272给功率限制器系统152。
在示范实施例中，该方法还包括使用功率限制器系统152来分析274操作条件反馈信号，以便识别电网意外事件的发生。例如，增大的PLL误差信号190提供电网意外事件正在发生的指示，和/或快速减小的终端电网电压138提供电网意外事件正在发生的指示。该方法还包括使用功率限制器系统152来产生278与电网意外事件的发生对应的实际电流命令信号。例如，实际电流命令信号、如实际电流命令信号166(图5所示)由功率限制器系统152来产生。实际电流命令信号166可至少部分基于终端电网电压，并且用作电网意外事件的发生的指示符。例如，当终端电网电压138低于预定义水平时，产生对应于电网意外事件的发生的实际电流命令信号166。
实际电流命令信号166还可至少部分基于PLL误差信号190。例如，当PLL误差信号190高于预定义水平时，产生与电网意外事件的发生对应的实际电流命令信号166。
实际电流命令信号166还可基于终端电网电压138和PLL误差信号190。在这个备选实施例中，如果终端电网电压138和/或PLL误差信号190指示电网意外事件的发生，则功率限制器系统152输出与电网意外事件的发生对应的实际电流命令信号166。
该方法还包括将实际电流命令信号166传送280给控制器、例如转换器接口控制器156(图5所示)，并且将实际电流命令信号166应用于282电力转换器、例如电力转换部件34(图3所示)的性能。在接收到对应于电网意外事件的发生的实际电流命令信号166时，电力转换部件34快速减小实际电流输出。此外，在接收到指示从电网意外事件恢复的实际电流命令信号166时，电力转换部件34缓慢增加由电力转换部件34所输出的实际电流，以便于从电网意外事件稳定恢复，并且实质上消除极距滑动。
在示范实施例中，该方法还包括在发生电网意外事件时在存储器中存储284与至少一个操作条件对应的至少一个变量。例如，与至少一个操作条件对应的变量可存储284在存储器66(图3所示)中。存储器66可存储与例如但不限于PLL误差190和电压反馈160对应的多个变量。更具体来说，控制器44配置成对预定义变量的当前值进行抽样，并且在发生事件时将当前值存储在存储器66中。例如，在发生电网意外事件时，PLL误差190和电压反馈160的当前值存储在存储器66中。存储器66可由用户访问，以便例如监测风力涡轮机10的操作，和/或检验风力涡轮机10、功率限制器系统152和/或发电和输电系统150的正确操作。
该方法还可包括将终端电网电压138传送290给电压调节器、例如电压调节器184(图5所示)，并且在电压调节器184产生292无功电流命令信号、例如无功电流命令信号168，它在终端电网电压138指示电网意外事件的发生时增加由电力转换部件34所输出的无功电流。增加的无功电流支持终端电网电压138，直到解决电网意外事件或者激活风力涡轮机10操作的高层控件。在一些实施例中，高层控件、例如高层控件232(图6所示)接收风力田操作条件，至少部分基于风力田操作条件来产生削减信号，并且将削减信号传送给功率限制器系统152。
上述实施例便于风力涡轮机的有效且节省成本的操作。风力涡轮机包括功率限制器系统，向该系统提供终端电压反馈信号和PLL误差信号中的至少一个。终端电压反馈信号和PLL误差信号便于识别电网意外事件，并且由本文所述的方法和系统所提供的信号便于对所识别电网意外事件的快速响应。在识别电网意外事件之后施加到公用电网的实际电流的快速减小实质上消除极距滑动。在公用电网的恢复时施加到公用电网的实际电流的缓慢增加为高级控制系统平衡由风力涡轮机或者由风力田中的风力涡轮机所产生的电力与公用电网上的负载等级提供时间。本文所述的方法和系统便于实现零和低电压穿越，这可在电压瞬变期间防止发电机跳闸和/或支持电网。
以上详细描述了风力涡轮机、功率限制器系统以及响应电网意外事件的发生而操作风力涡轮机的方法的示范实施例。方法、风力涡轮机和功率限制器系统并不局限于本文所述的具体实施例，而是可单独且独立于本文所述的其它组件和/或步骤来使用风力涡轮机的组件、功率限制器系统的组件和/或方法的步骤。例如，功率限制器系统和方法还可与其它风力涡轮机电力系统和方法结合使用，而并不局限于仅对于本文所述的电力系统的实施。相反，示范实施例可与许多其它风力涡轮机或电力系统应用结合来实现和使用。
虽然本发明的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但是这只是为了方便起见。根据本发明的原理，一个附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合引用和/或要求其权益。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并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，以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言没有差异的结构要素，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构要素，则它们应当在权利要求的范围之内。
元件表

Claims (32)

1.一种用于控制包含在发电和输电系统中的风力涡轮机的操作的方法，所述风力涡轮机包括具有多个转子叶片的转子、发电机、电力转换器和控制器，所述方法包括：
测量所述发电和输电系统的至少一个操作条件，所述操作条件包括取决于电网意外事件的发生的锁相环误差；
向功率限制器系统传送与所述操作条件对应的操作条件反馈信号；
采用所述功率限制器系统分析所述操作条件反馈信号，响应于所述锁相环误差高于预定义水平而识别电网意外事件的发生；
采用所述功率限制器系统产生与电网意外事件的发生对应的功率命令信号；
将所述功率命令信号传送给所述控制器；
至少部分基于所述功率命令信号来控制所述电力转换器的操作；以及
在发生电网意外事件时，在存储器中存储与所述至少一个操作条件对应的至少一个变量，以便于确定发电和输电系统是否正常操作。
2.如权利要求1所述的方法，其中，测量至少一个操作条件还包括测量终端电网电压。
3.如权利要求2所述的方法，其中，产生功率命令信号还包括：当所述终端电网电压被降低到预定义水平以下时产生对应于电网意外事件的实际电流命令信号。
4.如权利要求2所述的方法，还包括：
将终端电网电压反馈信号传送给电压调节器；以及
在所述电压调节器产生无功电流命令信号，它响应于所述终端电网电压反馈信号指示电网意外事件，增加由所述电力转换器输出的无功电流。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
产生对应于持续锁相环误差的相位误差信号；以及
向所述功率限制器系统传送所述相位误差信号。
6.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述电力转换器的操作包括：在接收到对应于电网意外事件的功率命令信号时，迅速减小所述电力转换器输出的实际电流。
7.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述电力转换器的操作包括：在接收到指示从电网意外事件恢复的功率命令信号时，缓慢增加所述电力转换器输出的实际电流。
8.如权利要求1所述的方法，还包括：
在高层控件接收风力田操作条件；
至少部分基于所述风力田操作条件来产生削减信号；以及
将所述削减信号传送给所述功率限制器系统。
9.如权利要求8所述的方法，其中，接收风力田操作条件包括：接收在风力田内的多个风力涡轮机的公共耦合点的电压测量。
10.一种发电和配电系统，包括：
发电机；
耦合到所述发电机和公用电网的电力转换部件，所述电力转换部件配置成接收由所述发电机产生的电力，并且将所接收的电力转换成适合通过所述公用电网传输的电力；以及
功率限制器系统，所述功率限制器系统在通信上耦合到所述电力转换部件，并且配置成将功率控制信号提供给所述电力转换部件，所述功率控制信号至少部分基于电网意外事件的至少一个测量指示符，所述功率限制器系统接收锁相环误差信号，并且至少部分基于所述锁相环误差信号来识别电网意外事件的发生，所述功率限制器系统包括存储器，所述存储器配置成响应于电网意外事件的发生，存储与所述锁相环误差信号对应的至少一个变量。
11.如权利要求10所述的系统，其中，所述功率限制器系统还接收终端电网电压反馈信号，所述功率限制器系统配置成至少部分基于所述终端电网电压反馈信号来识别电网意外事件的发生。
12.如权利要求10所述的系统，其中，所述电力转换部件配置成在接收到与电网意外事件对应的功率控制信号时，减小所述电力转换部件输出的实际电流，以便于减小极距滑动。
13.如权利要求10所述的系统，其中，所述电力转换部件还配置成在接收到与从电网意外事件恢复对应的功率控制信号时，缓慢增加所述电力转换部件输出的实际电流。
14.一种用于风力涡轮机发电系统的电网相关功率限制器系统，包括：
功率限制器，配置成：
接收锁相环误差信号；
分析所述锁相环误差信号以识别电网意外事件的发生；
产生对应于所述电网意外事件的发生的第一功率命令信号；以及
将所述第一命令信号传送到转换器接口控制器；
电压调节器配置成：
接收终端电网电压反馈信号；
至少部分基于所述终端电网电压反馈信号来产生第二功率命令信号；以及
将所述第二功率命令信号传送给所述转换器接口控制器；以及
存储器，配置成在识别所述电网意外事件的发生时，存储与所述锁相环误差信号对应的至少一个变量。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述功率限制器还配置成：
接收所述终端电网电压反馈信号；以及
分析所述终端电网电压反馈信号以识别所述电网意外事件的发生。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述功率限制器配置成当所述终端电网电压反馈信号指示终端电网电压低于预定义水平时，产生与所述电网意外事件对应的第一功率命令信号。
17.如权利要求14所述的系统，还包括与所述功率限制器耦合的电压调节器，所述电压调节器配置成：
接收所述第一功率命令信号和所述终端电网电压反馈信号；
至少部分基于所述第一功率命令信号和所述终端电网电压反馈信号来产生第三功率命令信号；以及
将所述第三功率命令信号传送给所述转换器接口控制器。
18.如权利要求17所述的系统，其中，在识别所述电网意外事件之后，所述第三功率命令信号指导所述转换器接口控制器迅速减小对应的电力转换器输出的实际电流。
19.如权利要求18所述的系统，其中，在从所述电网意外事件恢复之后，所述第三功率命令信号指导所述转换器接口控制器缓慢增加所述对应的电力转换器输出的实际电流。
20.如权利要求14所述的系统，其中，所述第二功率命令信号包括无功电流命令信号。
21.如权利要求20所述的系统，其中，在识别所述电网意外事件之后，所述无功电流命令信号指导所述转换器接口控制器增加对应的电力转换器输出的电流的无功分量。
22.如权利要求14所述的系统，其中，所述功率限制器还配置成接收参考功率控制信号，并且通过比较所述锁相环误差信号和所述终端电网电压反馈信号其中的至少一个与所述参考功率控制信号，来识别所述电网意外事件的发生。
23.如权利要求14所述的系统，其中，所述功率限制器配置成当所述锁相环误差信号高于预定义水平时，产生与所述电网意外事件对应的第一功率命令信号。
24.如权利要求14所述的系统，其中，所述功率限制器系统包含于风力田内，所述风力田包括多个风力涡轮机。
25.如权利要求24所述的系统，还包括与所述功率限制器耦合的高层控件，所述高层控件配置成：
接收与所述多个风力涡轮机的公共耦合点的电压测量对应的风力田输入信号；
至少部分基于所述风力田输入信号来产生削减信号；以及
将所述削减信号传送给所述功率限制器。
26.如权利要求25所述的系统，其中，所述功率限制器还配置成响应于接收所述削减信号，产生削减与所述功率限制器关联的风力涡轮机的输出功率的所述第一功率命令信号。
27.如权利要求25所述的系统，其中，所述高层控件配置成监测所述多个风力涡轮机的公共耦合点的电压，并且当所述电压一直保持低于预定义水平超过预定义时间周期时产生所述削减信号。
28.一种用于减小与电网耦合的发电机内的极距滑动的功率限制器系统，所述系统包括：
功率限制器，配置成：
接收锁相环误差信号；
分析所述锁相环误差信号以识别电网意外事件的发生；
产生对应于所述电网意外事件的发生的第一功率命令信号；
功率调节器，耦合到所述功率限制器，所述功率调节器配置成：
接收所述第一功率命令信号；
至少部分基于所述第一功率命令信号来产生第二功率命令信号；以及
将所述第二功率命令信号传送给转换器接口控制器；以及
存储器，配置成存储与所述电网意外事件的发生的识别对应的至少一个变量。
29.如权利要求28所述的系统，其中，所述功率限制器配置成当所述锁相环误差信号高于预定义水平时，产生与所述电网意外事件对应的第一功率命令信号。
30.如权利要求28所述的系统，其中，所述功率限制器还配置成接收参考功率控制信号，并且通过比较所述锁相环误差信号与所述参考功率控制信号，来识别所述电网意外事件的发生。
31.如权利要求28所述的系统，其中，在识别所述电网意外事件之后，所述第二功率命令信号指导所述转换器接口控制器迅速减小对应的电力转换器输出的实际电流。
32.如权利要求28所述的系统，其中，在从所述电网意外事件恢复之后，所述第二功率命令信号指导所述转换器接口控制器缓慢增加所述对应的电力转换器输出的实际电流。
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