CN102142687A - 风力涡轮机中的功率消耗单元的操作方法 - Google Patents

风力涡轮机中的功率消耗单元的操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种变速风力涡轮机。风力涡轮机包括发电机、用于转换由发电机产生的至少一部分电功率的功率转换器，其中该功率转换器包括发电机侧转换器、电网侧转换器和在二者之间的DC(直流)链路，可操作地耦接于DC链路的功率消耗单元，以及控制器。该控制器适于确定DC链路电压误差信号，该DC链路电压误差信号是实际DC链路电压的函数与预定参考DC链路电压的函数之间的差，基于DC链路电压误差信号确定DC链路误差功率，确定前馈功率，以及基于DC链路误差功率和前馈功率产生用于操作功率消耗单元的占空比。

Description

风力涡轮机中的功率消耗单元的操作方法
技术领域
本发明总体上涉及一种风力涡轮机(wind turbine)，具体来说，涉及一种风力涡轮机中的功率消耗单元(power dissipating unit)的操作方法。
背景技术
风力涡轮机是一种将运动的风能转换成用于公用电网(utility power grids)的电能的能量转换系统。具体地说，风作用于风力涡轮机的风力涡轮机叶片上以使转子转动。转动的转子的机械能通过发电机转化为电能。因为风速的波动，作用于风力涡轮机叶片上的力改变，由此转子的转速也可能发生改变。然而，电网要求风力涡轮机提供恒定频率的电功率。
一种提供恒定频率电功率的风力涡轮机是固定速度的风力涡轮机。这类风力涡轮机需要以恒定的速度转动的发电机转子。这种固定速度的风力涡轮机的缺点在于不能利用高风速时的全部风能，而在低风速时又不能使用。另一种风力涡轮机是变速风力涡轮机。这类风力涡轮机允许发电机以可变的速度转动以与波动的风速相适应。通过改变发电机转子的转速，能够在一个较宽的风速范围内优化能量转换。
变速风力涡轮机通常包括功率转换器(power converter)，其具有经由直流(DC)链路(DC link)耦合至电网侧转换器的发电机侧转换器。该发电机侧转换器调节发电机的功率。该功率通过DC链路，最后通过电网侧转换器馈入电网。对于双馈异步发电机(DFIG)系统也是同样的，来自发电机的功率仅有一部分通过功率转换器传递。
在正常状态下，来自发电机的电力或能量通过功率转换器供给至电网。换句话说，由风力涡轮机从风力捕获的能量被传递给电网。因此可以说在正常状态下是功率平衡的。然而，当有突然的阵风和/或电网故障时，这一功率平衡会被破坏，从而导致发电机产生的功率超过供给至电网的功率。这种功率不平衡会导致不希望的塔架振荡、驱动机组损害或涡轮机跳闸。
具体地说，响应于突然的阵风的发电机的功率输出可近似为输入至风力涡轮机的电力系统的具有陡坡的斜坡输入。对于风力涡轮机的控制系统来说，这种斜坡负载是最难以处理的负载特性之一。例如，在US2009/0224542和EP2107236中已经披露了风力涡轮机中通常通过俯仰叶片来降低转子的速度以应对阵风。然而，由于俯仰控制器的动态特性，叶片的俯仰并不能快到足以响应突然的阵风。因此这导致了发电机产生的功率突然增加，从而造成出现不希望的如塔架振荡等的上述情况。
当发生电网故障，例如低电压事件时，会产生对电网的有功功率的需求急剧下降。由于叶片的俯仰不能快速响应以减少功率的产生，因此风力涡轮机中会存在功率不平衡。US7,411,309披露了在电网的低电压事件期间使用消弧电路(crowbar circuit)。该消弧电路耦合至发电机侧转换器与电网侧转换器之间的DC链路。当DC链路电压超过预定值(由于电网故障)，消弧电路被起动以释放发电机的过剩功率，从而降低DC链路的电压。
在功率不平衡事件期间通过利用消弧电路或卸载负载电路(dump load circuit)可以提供一种消耗过剩功率的好方法。通过检测DC链路电压的异常增加或电网电压的急剧下降来起动卸载负载电路。然而，这并不是应对例如阵风，或阵风和电网故障同时发生的极端情况的功率不平衡事件的最有效方法。并且在这种方法中，卸载负载电路中的电阻器组的压力过大。
因此，本发明的目的在于提供一种在功率不平衡事件中处理风力涡轮机所产生的过剩功率的改进方法。
发明内容
按照本发明的第一方面，提供一种变速风力涡轮机。风力涡轮机包括发电机、用于转换由发电机产生的至少一部分电功率的功率转换器、可操作地耦接于功率转换器的DC(直流)链路的功率消耗单元、以及控制器。该控制器适于确定DC链路电压误差信号，该DC链路电压误差信号是实际DC链路电压的函数与预定参考DC链路电压的函数之间的差，基于DC链路电压误差信号确定DC链路误差功率，确定前馈功率，以及基于DC链路误差功率和前馈功率确定用于操作功率消耗单元的占空比。
该功率转换器包括用于将从发电机产生的至少一部分AC功率转换成DC功率的发电机侧转换器、用于将DC功率转换成具有固定频率的AC功率的电网侧转换器、以及发电机侧转换器与电网侧转换器之间的DC链路。
该发电机是能够将机械能转换成电能的机电设备。风力涡轮机中使用的发电机可以为包括但并不限于：永磁发电机、双馈感应发电机和鼠笼感应发电机的任意一种类型的发电机。由于转子的转动速度是可变的，所以从发电机产生的电功率具有可变频率。由发电机产生的一部分或全部电能或电功率通过功率转换器转换成适于供给至电网或负载的具有固定频率的电功率。
该负载可以为DC或AC(交流)负载。为了将功率供给至电网，功率转换器将具有可变频率的电功率转换成电网需求的具有固定频率的电功率。当提供功率给负载时，例如DC负载，功率转换器将具有可变频率的电功率转换成DC功率。
功率消耗单元耦接于功率转换器的DC链路。功率消耗单元适于消耗由发电机产生的没有供给电网的所有过剩功率。功率消耗单元可以是电阻器组，也可称为斩波器电阻器。
控制器适于确定DC链路电压误差信号。DC链路电压误差信号是实际DC链路电压的函数与预定参考DC链路电压的函数之间的差。实际DC链路电压的函数和预定义参考DC链路电压的函数指的是DC链路电压的任意数学表达式。函数的示例包括：
f(X)＝aX+b；式中a和b是常数，以及
f(X)＝X2，或任意的多项式的形式，
其中X是实际DC链路电压。DC链路电压误差信号可以表示为：f1(X)-f2(Y)，其中Y是预定参考DC链路电压。函数f1和f2可以代表相同或不同的函数。DC链路误差功率是由DC链路电压误差信号推导出的。基于DC链路误差功率和前馈功率，确定用于操作功率消耗单元的占空比。
占空比指的是在一个周期中功率消耗单元起动或接通的时间段占整个周期时间的百分比。占空比具有从0到1的值。当占空比为0时，功率消耗单元被完全关断，而当占空比为1时，功率消耗单元在整个工作周期中一直接通。当占空比是0.7时，功率消耗单元在70％的工作周期中被接通(在剩余30％的工作周期中被关断)。使用占空比控制功率消耗单元的操作的优点在于仅仅风力涡轮机中过量的功率才被消耗。根据该实施方式使用这样的占空比控制仅仅消耗掉过量功率的效果在于最大功率还可以供给至电网。这与现有技术不同，现有技术中功率消耗单元的接通和关断仅仅基于DC链路电压上升到超过预定电平时的DC链路电压。由于根据现有技术的方法无法确定消耗多少功率(如通过占空比控制的)，并且仅关注将DC链路电压维持在预定电平内，因此往往会在功率消耗单元中消耗掉绝大部分功率。这将导致非常低的或者没有功率供给至电网及其他涡轮机设备。功率消耗单元中绝大部分功率的消耗也使得功率消耗单元中的电阻器组的压力加大。
另外，在确定占空比中包括前馈功率使得在风力涡轮机中出现功率不平衡时，功率消耗单元的起动快速响应。
根据一实施方式，功率消耗单元至少包括开关和一个电阻器。功率消耗单元通过闭合开关而接通。开关可以是功率半导体器件，诸如可以通过栅极驱动器的合适的电压来接通或关断的集成栅极双极晶体管(IGBT)。在替代实施方式中，功率消耗单元可以至少包括开关以及电阻器、电感器或电容器中的至少一个。
根据一实施方式，DC链路电压误差信号是实际DC链路电压的平方与预定参考DC链路电压的平方的差。具体地说，DC链路电压误差信号可以表示为X2-Y2，其中X是实际DC链路电压而Y是预定参考DC链路电压。如前所述，在其他的实施方式中，DC链路误差信号可以是实际DC链路电压和预定参考DC链路电压得其他函数的差，例如X-Y，(x2+1)-(y2+1)等。
根据一实施方式，控制器还包括PI(比例积分)控制器，用于基于DC链路电压误差信号来确定DC链路误差功率。使用PI控制器确定DC链路误差功率的优点在于其易于执行。在其他的实施方式中，也可以使用P(比例)控制器或PID(比例积分导数)控制器来确定DC链路误差功率。
根据一实施方式，控制器还适于基于供给至发电机侧转换器的功率与通过电网侧转换器传递的功率的差来确定前馈功率。在正常情况下，从发电机供给至发电机侧转换器的功率与通过电网侧转换器传递的功率大致相同。因此，假定零功率损失的情况下，前馈功率大约为零。然而当出现阵风和/或电网故障时，供给至发电机侧转换器的功率超过通过电网侧转换器传递的功率。因此，前馈功率变成非零。这个非零的前馈功率在风力涡轮机中出现功率不平衡事件时能够导致功率消耗单元更加快速地起动。在替代实施方式中，也可以基于其他的因素，诸如从风力中捕获的功率来确定前馈功率。
根据一实施方式，控制器适于基于从风力获取的功率与在发电机和风力涡轮机的驱动机组中的功率损耗之间的差来估计供给至发电机侧转换器的功率。这样的优点是可以提前很好地获得从发电机供给至发电机侧转换器的功率。在其他的实施方式中，根据发电机端子和发电机侧转换器端子之间的相位电压和电流来获得供给至发电机侧转换器的功率。
根据一实施方式，控制器适于通过确定待由功率消耗单元消耗的功率，确定能够由功率消耗单元消耗的最大功率，并确定待消耗的功率和最大功率的比值，产生占空比，从而获得占空比。待由功率消耗单元消耗的功率包括DC链路误差功率和前馈功率。如果待消耗的功率超过由功率消耗单元能够消耗的最大功率，占空比将为1。在进一步的实施方式中，功率消耗单元设计成能够由功率消耗单元消耗的最大功率量总是大于需要被消耗的功率。
根据一实施方式，控制器适于确定从风力获取的功率、由风力涡轮机提供的功率和功率消耗单元中的功率损耗，确定从风力获取的功率与由风力涡轮机提供的功率和功率消耗单元中的功率损耗的和之间的差，并且当功率的差超过预定的功率差阈值时起动功率消耗单元。
由风力涡轮机供给至电网的功率可同时考虑涡轮机中各种组件的功率损耗。当从风力获取的功率与由风力涡轮机提供的功率和功率消耗单元中的功率损耗的和之间的差超过预定的功率差阈值时，功率消耗单元在整个时间周期内完全接通。换句话说，占空比设定为1。这样的优点在于，在极端条件下例如恶劣的阵风/紊流和/或极端的电网故障下，能够导致功率消耗单元更快的响应，从而避免驱动机组损害、塔架振荡和涡轮机跳闸。应当指出的是，功率消耗单元中的功率损耗仅在功率消耗单元已经起动或接通时才为非零。换句话说，当功率消耗单元被关断时，功率消耗单元中的功率损耗等于零。
根据本发明的第二方面，提供一种变速风力涡轮机。该风力涡轮机包括发电机、用于转换由发电机产生的至少一部分电功率的功率转换器，其中所述功率转换器包括发电机侧转换器、电网侧转换器和在二者之间的DC链路，可操作地耦接于DC链路的功率消耗单元，以及控制器。控制器适于确定从风力获取的功率、由风力涡轮机提供的功率和功率消耗单元中的功率损耗，确定从风力获取的功率与由风力涡轮机提供的功率和功率消耗单元中的功率损耗的和之间的差，并且当功率的差超过预定的功率差阈值时起动功率消耗单元。
根据一实施方式，控制器还适于在该预定的功率差阈值被超过时，将用于操作功率消耗单元的占空比设定为非零值，从而起动功率消耗单元。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于操作风力涡轮机中的功率消耗单元的方法。该风力涡轮机包括用于转换由发电机产生的至少一部分电功率的功率转换器。该功率转换器包括发电机侧转换器、电网侧转换器和二者之间的DC链路。功率消耗单元可操作地耦接于DC链路。该方法包括获得DC链路电压误差信号，该DC链路电压误差信号是实际DC链路电压的函数与预定参考DC链路电压的函数之间的差，确定DC链路误差功率和前馈功率，DC链路误差功率基于DC链路电压误差信号来确定，以及基于DC链路误差功率和前馈功率产生用于操作功率消耗单元的占空比。
应当指出的是，所属技术领域的技术人员很容易意识到结合本发明的第一方面描述的任何特征，也可以与本发明的第三方面结合，反之亦然。
根据本发明的第四方面，提供一种用于操作风力涡轮机中的功率消耗单元的方法。风力涡轮机包括用于转换由发电机产生的至少一部分电功率的功率转换器。功率转换器包括发电机侧转换器、电网侧转换器和二者之间的DC链路。功率消耗单元可操作地耦接于DC链路。该方法包括确定从风力获取的功率、由风力涡轮机提供的功率和功率消耗单元中的功率损耗，确定从风力获取的功率与由风力涡轮机提供的功率和功率消耗单元中的功率损耗的和之间的差，以及当功率之间的差超过预定的功率差阈值时起动功率消耗单元。
应当指出的是，所属技术领域的技术人员容易意识到，结合本发明的第二方面描述的任意特征，也可以与本发明的第四方面结合，反之亦然。
附图说明
通过结合非限定的实施例和相应的附图的详细描述将更容易理解本发明。
图1示出风力涡轮机的大体结构。
图2示出具有斩波器或功率消耗单元电路的风力涡轮机的电力系统设计。
图3示出根据一实施方式在风力涡轮机中存在功率不平衡时操作斩波器电路的控制算法。
图4示出根据一实施方式在风力涡轮机中存在极度功率不平衡时操作斩波器电路的控制算法。
图5示出根据一实施方式的操作斩波器电路的总体控制算法图。
图6示出根据一实施方式在风力涡轮机中操作斩波器电路的方法的流程图。
图7示出根据一实施方式在风力涡轮机中存在极度功率不平衡时操作斩波器电路的方法的流程图。
图8示出根据另一实施方式的操作风力涡轮机中的斩波器电路的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出风力涡轮机1的大体结构。风力涡轮机1包括具有多个塔节的塔架2，位于塔架2的顶部的机箱3，以及从机箱3延伸出的转子4。塔架2直立在嵌入地中的基座7上。转子4可相对于机箱3旋转，并且包括轮轴5和一个或多个叶片6。风作用在叶片6上使得转子4相对于机箱3转动。转子4转动产生的机械能通过机箱3中的发电机(未图示)转换成电能。接着电能通过功率转换器转换成固定频率电功率以供给电网。风力涡轮机还可以成为包括多个风力涡轮机的风力发电厂或风力发电站的一部分。由风力发电厂中各个风力涡轮机产生全部电功率被合并，并通过公共耦合节点(PCC)供给至电网。
虽然图1中所示的风力涡轮机1具有三个叶片6，但应当指出的是风力涡轮机可以具有不同的叶片数。常见的风力涡轮机具有二至四个叶片。图1中所示的风力涡轮机1由于转子4围绕水平轴转动，是水平轴风力涡轮机(HAWT)。应该指出的是，转子4也可以围绕垂直轴转动。这种转子围绕垂直轴转动的风力涡轮机称为垂直轴风力涡轮机(VAWT)。下面描述的实施方式并不限于具有三个叶片的水平轴风力涡轮机(HAWT)。这些实施方式在水平轴风力涡轮机(HAWT)和垂直轴风力涡轮机(VAWT)，以及在转子4中具有任意数量的叶片6的涡轮机上均可实施。
图2示出根据一实施方式的具有功率消耗单元或斩波器电路105的风力涡轮机的电气系统。该电气系统包括发电机101、功率转换器102和主变压器103。该电气系统连接到电网107。功率转换器102包括经由直流(DC)链路112连接的发电机侧转换器110和电网侧转换器111。DC链路112包括DC链路电容器113。斩波器电路105连接到DC链路112，并且包括开关SW1和电阻器114。
发电机101将机械能或功率转换成具有AC(交流)电压和电流(统称为“AC信号”)的电能或功率，并且将所产生的AC信号供给至发电机侧转换器110。由于风的变化，来自发电机的AC信号具有可变频率。发电机侧转换器110将AC信号转换或整流成位于DC链路112上的DC(直流)电压和DC电流(统称为“DC信号”)。电网侧转换器111将DC链路112上的DC信号转换成用于电网107的固定频率的AC信号。包括电网侧转换器111的输出端的固定频率AC信号的功率由主变压器103提升到适于被电网107接收和传输的水平。
发电机侧转换器110的操作由发电机控制器121控制，而电网侧转换器111的操作由电网控制器122控制。发电机控制器121和电网控制器122形成转换器控制器120的一部分。风力涡轮机控制器123全面控制风力涡轮机的操作。例如，风力涡轮机控制器123可从外部传感器(例如测风仪)接收信息(例如风速)并且提供控制信号至用于俯仰叶片的俯仰控制器(未图示)，以获得所需的转子转速。风力涡轮机控制器123还可以提供控制信号给转换器控制器120，用于控制转换器110和111。
在风力涡轮机正常操作期间，由发电机产生的电功率由功率转换器102转换成具有固定频率的AC信号的功率以供给至电网107。开关SW1打开，因此电阻器114中没有功率消耗。换句话说，假定没有损失，由发电机产生的几乎所有的功率均被供给至电网107，并在风力涡轮机中出现“功率平衡”。当在电网107中出现电压突降(低电压事件)，导致由电网侧转换器传输以供给至电网的有功功率减少，和/或当出现突然的阵风，导致风力涡轮机叶片的转速突然增加(阵风事件)时，由发电机产生的功率超过供给至电网107的功率。换句话说，风力涡轮机中出现“功率不平衡”。如前所述，风力涡轮机中的这种功率不平衡会导致不希望的影响，例如塔架振荡、驱动机组损害或涡轮机跳闸。
当在风力涡轮机中出现功率不平衡时，通过合上开关SW1，斩波器电路105中的电阻器114消耗不供给至电网107的过剩功率。根据一实施方式，开关SW1的操作(打开和合上)被控制为使得斩波器电路105中的电阻器114仅消耗风力涡轮机中的过剩功率。换句话说，只有当风力涡轮机中出现功率不平衡时，斩波器电路105才被起动，而且仅起动正好足够消耗过剩功率的时间。开关SW1的操作控制以及由此斩波器电路105的操作控制，将参照图3随后进行描述。
应当指出的是参考图2描述的电气系统仅仅是风力涡轮机电气结构的示例，并且为了说明这些实施方式，仅示出了主要组件。本发明并不严格限定于图2示出的电气系统结构。其他的电气结构也是可行的。例如，在其他的实施方式中可采用双馈异步发电机(DFIG)结构。而且，风力涡轮机的电气系统中的许多组件也未在图2中示出。例如，电气系统可包括发电机101和功率转换器102之间的滤波器，以及功率转换器102和主变压器103之间的滤波器。另外可具有设置在不同位置用于连接或断开涡轮机的特定组件的开关。斩波器电路105中的电阻器114可包括单个电阻器或电阻器组。
图2中示出的电气系统不必连接到电网107。它可以连接到AC或DC负载。如果连接到DC负载，电网侧转换器111和变压器103可以省略，并且DC链路112可以直接连接到DC负载。或者，可在DC链路112和DC负载之间设置直流(DC)-至-直流(DC)转换器，以将DC112链路的DC电压升高或降低到适合于DC负载的DC电压。
图3示出根据一实施方式在风力涡轮机中存在功率不平衡时操作斩波器电路的控制算法。DC链路210的电压用作决定是否起动斩波器电路的因素之一。这是因为任何来自于发电机的电功率如果未传递给电网或载荷，将会导致DC链路电压增大。因此在这个控制算法中，如同在下文描述的那样，不需要单独地检测任意的功率不平衡，这是因为斩波器电路在功率不平衡事件中被自动起动。
在图3的控制算法中，可以获得预先定义的参考DC链路电压202的函数和实际DC链路电压203的函数。如前所述，实际DC链路电压的函数f(X)(以及同样的预先定义的参考DC链路电压的函数)可以是DC链路电压的任意的数学表达式，例如f(X)＝X，f(X)＝aX+b，或者f(X)＝X2，或者任意的多项关系式，其中a和b是常数，以及X是实际DC链路电压。在该实施方式中，实际DC链路电压的函数为x2。在该实施方式中，预先定义的参考DC链路电压的函数也可以使用相同的函数。
获得实际DC链路电压203与预定参考DC链路电压202的平方差作为DC链路误差电压205。PI(比例积分)控制器201接收该DC链路误差电压205作为输入，并输出DC链路误差功率206。根据一个实施方式，该控制算法还包括确定前馈功率(feed forward power)。该前馈功率是供给至发电机侧转换器207的功率与由电网侧转换器208传递的功率之差。
在正常情况下，当在风力涡轮机中出现功率平衡时，假定没有功率损耗，前馈功率大约为零。然而，当出现阵风和/或电网故障导致功率不平衡时，前馈功率变成非零。前馈功率加上DC链路误差功率206导致斩波器电路的快速起动。
供给至发电机侧转换器207的功率可以表示为：
PM＝VamIam+VbmIbm+VcmIcm，                    (1)
其中PM是从发电机供给至发电机侧转换器的功率，Vam、Vbm和Vcm是发电机端子处的相位电压，而Iam、Ibm和Icm是通过发电机端子的电流。电流Iam、Ibm和Icm可在功率转换器和发电机之间测量。电压Vam、Vbm和Vcm可直接在发电机端子处测量。如果不能在发电机端子处测量电压Vam、Vbm和Vcm，则可以使用转换器端子处的参考电压。使用转换器端子处的参考电压和发电机线端子处的测量电流，来自于发电机的功率在αβ坐标系下可以表示为：
PMαβ＝1.5(vαia+vβiβ)                                (2)
其中PMαβ是在αβ坐标系下的PM，vα、vβ和iα、iβ分别是在α和β坐标系下的电压和电流。
在替代实施方式中，从发电机供给至发电机侧转换器的功率PM使用下面的表达式进行估算：
PM＝P风力-PL，驱动机组-PL，发电机                        (3)
式中P风力是从风力获得的功率，PL，驱动机组是驱动机组中的功率损耗，而PL， 发电机是发电机中的功率损耗。对于给定的速度和扭矩，PL，驱动机组和PL，发电机可以通过使用给定的变速箱和发电机的查找表来获得。使用公式(3)估算PM的优点在于，与使用公式(1)相比可以更快地获得PM的值。
由电网侧转换器208传递的功率可以表示为：
PG＝VagIag+VbgIbg+VcgIcg                                (4)
其中PG是由电网侧转换器传递的功率，Vag、Vbg和Vcg是转换器端子的电压，Iag、Ibg和Icg是通过转换器端子的电流。如果例如由于转换器切换而不能获得转换器端子的电压Vag、Vbg、Vcg，则可以使用转换器的参考电压来替代。使用转换器的参考电压以及转换器端子的测量电流，由电网侧转换器传递的功率在αβ坐标系下可以表示为：
PGαβ＝1.5(vαiα+vβiβ)                              (6)
其中PGαβ是在αβ坐标系下的PG，vα、vβ和iα、iβ分别是在α和β坐标系下的电压和电流。
被消耗的总功率209P总计是DC链路误差功率206和前馈功率(PM-PG)之和。通过斩波器电路消耗的最大功率可以按照下式确定：
Figure BSA00000431946500111
其中Pmax是通过斩波器电路中的电阻器或电阻器组消耗的最大功率，Vdc是实际DC链路电压，以及R斩波器是斩波器电路中的电阻器的电阻。电阻器的电阻值R斩波器通常选取为使得Pmax大于在阵风和/或电网故障事件中需要消耗的预期最大功率。在一实施方式中，R斩波器值被选取为使得Pmax大于涡轮机的额定功率大约10-20％。
操作斩波器电路的占空比确定为待消耗的总功率P总计与最大功率Pmax的比值，即：
Figure BSA00000431946500121
其中DR1是占空比。由于总功率P总计总是小于最大功率Pmax，因此占空比的具有从0到1的值。
在正常情况下，当风力涡轮机未出现功率不平衡时，DC链路的电压通过DC链路控制器调节到预置DC链路电压。该预置DC链路电压是在正常情况下DC链路维持的电压电平。参考DC链路电压Vdc_ref预先定义或设定为高于该预置DC链路电压的值。因此在正常情况下，由于DC链路电压(被调节为预置DC链路电压)的值低于参考DC链路电压，因此DC链路误差功率206为负。前馈功率(PM-PG)大约为零，并且从而P总计为负。因此，占空比为零。开关sw1不开启，则斩波器电路不会起动。
当出现功率不平衡时，DC链路误差功率206和前馈功率(PM-PG)均变成非零。这导致总功率变成非零。因此，占空比也将具有从0到1的非零值。当占空比的值为0.5时，则仅起动斩波器电路或开启一个工作周期中50％的时间。类似地，当占空比的值为0.3时，则仅起动斩波器电路一个工作周期中30％的时间。
因此，当出现功率不平衡需要消耗功率时，斩波器电路不是始终起动，而是取决于如由占空比控制的风力涡轮机中的功率不平衡的程度，仅起动适当的时间段。因此，斩波器电路的效率和有效性确保使得仅将不供给至电网的功率消耗。利用前馈功率也可以保证在风力涡轮机中出现功率不平衡事件时快速地起动斩波器电路。由于斩波器电路可以立刻快速起动，因此能够避免由突然的阵风和/或电网故障引起的风力涡轮机塔架的振荡。
参照图2示出的基于全幅转换器的涡轮机描述图3的控制算法。应当指出的是，参照图3描述的控制算法也适用于DFIG系统。在图2示出的基于全幅转换器的涡轮机中，如果假设电网侧转换器111的输出和电网107之间的功率损耗可以忽略，那么由电网侧转换器111传递的功率与供给至电网107的功率大致相同。同样地，假设发电机101的输出和发电机侧转换器110之间的功率损耗可以忽略，那么供给至发电机侧转换器110的功率与从发电机101产生的功率大致相同。
在DFIG系统中，供给至电网的功率是由电网侧转换器111传递的功率和通过定子绕组传递的功率之和。从发电机产生的功率是供给至发电机侧转换器110和通过定子绕组传递的功率之和。
图4示出根据一实施方式在风力涡轮机中存在极端和突然的功率不平衡时操作斩波器电路的控制算法。获得从风力中获取的功率P风力、供给至电网或负载的功率P电网和斩波器电路中的功率损耗PL，斩波器。从而，确定从风力中获取的功率P风力，供给至电网载荷的功率P电网和斩波器电路中的功率损耗PL，斩波器之间的功率差Pdiff。具体来说，功率差使用下面的表达式确定：
Pdiff＝P风力-P电网-PL，斩波器                            (9)
该功率差Pdiff与预定的功率差阈值P阈值相比较。如果功率差Pdiff大于预定的功率差阈值P阈值，则斩波器电路被开启，即用于操作斩波器电路的占空比DR2设定为1。否则，DR2设为0。阈值P阈值被设定为只有在例如极端的阵风和/或极端的故障状态期间，差值Pdiff大时才被超过的值。P阈值可以存储在用于各种阵风和/或极端的故障情况的查找表中。
从风力获得的功率可以使用下面的表达式确定：
Figure BSA00000431946500131
其中ρ是空气密度，A是转子面积，V风是风速，Cp是转子功率系数，θ是俯仰角以及λ是叶尖转速比。假设转子面积A和空气密度ρ恒定，从风力中获得的功率P风力与成正比。直接使用风速V风提供了确定是否出现阵风事件的非常快速的方法。
如前所述，在基于全幅转换器的风力涡轮机系统中，供给至电网的功率P电网与由电网侧转换器111传递的功率大致相同。因此，供给至电网的功率可以使用如上所述的公式(4)来确定。在DFIG系统中，由于定子直接耦合至电网，供给至电网的功率PGrid是由电网侧转换器111传递的功率和通过定子绕组传递的功率之和。
斩波器电路中的功率损耗PL，斩波器是：
PL，斩波器＝Vdc 2/R斩波器×DR                        (11)
其中Vdc是DC链路电压，DR是斩波器的占空比。应当指出的是，DR在仅使用图4的控制算法的实施方式中可以与占空比DR2相同，或者在同时使用图3和图4的控制算法的实施方式(参见图5)中通过取DR1和DR2的最大值(MAX)来获得。当斩波器电路未起动时，因为DR为零，所以斩波器电路中的功率损耗PL，斩波器也为零。
当没有出现阵风或电网故障时，假定在驱动机组中的损失可以忽略，那么供给至电网的功率P电网与从风力中获取的功率P风力大致相同。如果斩波器电路没有起动，则斩波器电路中的功率损耗PL，斩波器为零。在任何给定时间，可以假定供给至电网的功率P电网和斩波器电路中的功率损耗PL，斩波器之和为风力涡轮机中的总的功率消耗(假定在风力涡轮机驱动机组中没有别的损失)。当出现极端的阵风和/或电网故障时，P风力与P电网和PL，斩波器所消耗的总的功率之间的功率差Pdiff可能变得非常地大。这会导致发电机超速、塔架振荡和/或涡轮机跳闸。功率差Pdiff与功率差阈值P阈值比较。该功率差阈值P阈值可在查找表中列成表，并为例如塔架振荡和涡轮机跳闸等问题开始发生的临界。当功率差阈值Pdiff超过功率差限值P阈值时，斩波器电路被起动以减小功率差Pdiff。
因此，通过利用在图4中的控制算法来控制斩波器电路的操作，提供了一种在极端事件以及突然阵风和/或电网故障情况下快速和有效起动斩波器电路的方法。
在一个实施方式中，风力涡轮机出现功率不平衡事件时，将图4的控制算法和图3示出的控制算法结合起来用于操作斩波器电路。当出现阵风和/或电网故障时，通过使用图3中的控制算法获得的占空比来控制斩波器电路的操作。在极端且突然的阵风或故障条件下，使用图4的控制算法来起动斩波器电路。在图5中示出了同时使用这两种控制算法的方案。
在图5中，块300表示根据图3描述的控制算法，而块301表示根据图4描述的控制算法。块300和块301的输出均作为输入提供给MAX功能块302。MAX功能块302的输出被提供作为控制斩波器电路的操作的控制信号。具体而言，当风力涡轮机出现功率不平衡时，MAX功能块302的输出303是来自于图3的控制算法的占空比。在极度功率不平衡时，由于块301输出为1，MAX功能块302的输出303的占空比的值取定为1。换句话说，只要有一个控制算法给出非零的占空比，斩波器电路即被起动。
应当指出的是，图5中的结构仅仅是图3和图4中所示的控制算法如何互相结合使用的演示性的实施例。在其他的实施方式中，其他类型的结构也是可行的，例如采用块300和301的OR输出。在上面参考图3和图4描述的控制算法可以应用在图2中的转换器控制器120和/或风力涡轮机控制器123中。还可以使用独立的和/或分离的控制器(图2没有示出)实施该控制算法。应当指出的是，在其他实施方式中，也可仅使用参考图3和图4描述的控制算法中的一个来控制斩波器电路。
图6是根据一实施方式操作风力涡轮机中的功率消耗单元的方法的流程图。步骤400包括获得DC链路电压误差信号。该DC链路电压误差信号是实际DC链路电压的函数与预定参考DC链路电压的函数之差。如前所述，实际DC链路电压和预定参考DC链路电压的函数可以包括与DC链路电压相关的任意数学表达式。在一个实施方式中，该函数是实际DC链路电压的平方以及预定参考DC链路电压的平方。
步骤410包括确定DC链路误差功率和前馈功率。该DC链路误差功率根据DC链路电压误差信号来确定。如前所述，DC链路误差功率可以使用以DC链路电压误差信号作为输入的PI控制器来确定。在一个实施方式中，前馈功率包括供给至发电机侧转换器的功率与由电网侧转换器传递的功率之差。步骤420包括生成用于操作功率消耗单元的占空比。在一实施方式中，该占空比用于操作功率消耗单元。前面参照图2描述的斩波器电路是功率消耗单元的一个示例。该占空比根据DC链路误差功率和前馈功率来确定。在一实施方式中，占空比是将由功率消耗单元消耗的功率与功率消耗单元能够消耗的最大功率之间的比值。在一实施方式中，待消耗的功率是DC链路误差功率和前馈功率之和。随后重复步骤400到420，从而不断更新占空比。
图7示出根据一实施方式的当风力涡轮机中出现极度功率不平衡时操作斩波器电路的方法的流程图。步骤500包括确定从风力中获取的功率，由风力涡轮机提供的功率和功率消耗单元中的功率损耗。在一实施方式中，该功率消耗单元可为斩波器电路。如上所述，在一实施方式中，从风力中获取的功率可以使用公式(10)来确定。功率消耗单元中的功率损耗使用公式(11)来确定。如果斩波器电路没有起动，则功率消耗单元中的功率损耗为零。
步骤510包括：确定从风力中获取的功率与供给至电网的功率和斩波器电路中的功率损耗的和之间的功率差是否超过功率差阈值。在步骤520，如果功率差超过功率差阈值，则占空比设定为1。否则，占空比设定为0(也在步骤520中)。随后不断重复步骤500到520，从而不断更新占空比。
图8示出根据另一实施方式操作风力涡轮机中的功率消耗单元的方法的流程图。在这个实施方式中，步骤400到420以及步骤500到520所限定的方法被共同用来控制功率消耗单元的操作。步骤400到420已经参考图6进行了描述，并且步骤500到520已经参考图7进行了描述。重复进行步骤400到420以及步骤500到520，以不断更新占空比。
步骤540包括由步骤420和步骤520确定占空比的最大值，并且在步骤550中根据这两个占空比的最大值来起动功率消耗单元。应当指出的是，只有当占空比的最大值具有非零值时，功率消耗单元才会起动。
应当强调的是，上面描述的实施方式仅仅是为了清楚的理解本发明的原理而列举的可能的实施的示例。所属技术领域的技术人员可以对上述一个或多个实施方式进行多种变化和修改，所述变化和修改意图包含在下面的权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种变速风力涡轮机，包括：
发电机；
功率转换器，用于转换由所述发电机产生的至少一部分电功率，所述功率转换器包括发电机侧转换器、电网侧转换器以及二者之间的DC(直流)链路；
功率消耗单元，可操作地耦接于所述DC链路；以及
控制器，其中所述控制器适于：
确定DC链路电压误差信号，所述DC链路电压误差信号是实际DC链路电压的函数与预定参考DC链路电压的函数之间的差；
基于所述DC链路电压误差信号，确定DC链路误差功率；
确定前馈功率；以及
基于所述DC链路误差功率和所述前馈功率，产生用于操作所述功率消耗单元的占空比。
2.根据权利要求1所述的变速风力涡轮机，其中，所述功率消耗单元至少包括开关和一个电阻器。
3.根据权利要求1或2所述的变速风力涡轮机，其中，所述DC链路电压误差信号是所述实际DC链路电压的平方与所述预定参考DC链路电压的平方之间的差。
4.根据前述任一项权利要求所述的变速风力涡轮机，其中，所述控制器还包括PI(比例积分)控制器，该PI控制器用于基于所述DC链路电压误差信号，确定所述DC链路误差功率。
5.根据前述任一项权利要求所述的变速风力涡轮机，其中，所述控制器还适于基于供给至所述发电机侧转换器的功率与通过所述电网侧转换器传递的功率之间的差，确定所述前馈功率。
6.根据权利要求5所述的变速风力涡轮机，其中，所述控制器还适于基于从风力获取的功率与所述发电机和所述风力涡轮机的驱动机组中的功率损耗之间的差，来估计供给至所述发电机侧转换器的所述功率。
7.根据前述任一项权利要求所述的变速风力涡轮机，其中，所述控制器还适于通过以下方式产生所述占空比：
确定待由所述功率消耗单元消耗的功率；
确定所述功率消耗单元能够消耗的最大功率；以及
确定该待消耗的功率和所述最大功率之间的比值，从而获得所述占空比。
8.根据前述任一项权利要求所述的变速风力涡轮机，其中，所述控制器还适于：
确定从风力获取的功率、由所述风力涡轮机提供的功率和所述功率消耗单元中的功率损耗；
确定从风力获取的所述功率与由所述风力涡轮机提供的所述功率和所述功率消耗单元中的所述功率损耗的和之间的差；以及
当功率之间的差超过预定的功率差阈值时起动所述功率消耗单元。
9.一种变速风力涡轮机，包括：
发电机；
功率转换器，用于转换由所述发电机产生的至少一部分电功率，所述功率转换器包括发电机侧转换器、电网侧转换器以及二者之间的DC(直流)链路；
功率消耗单元，可操作地耦接于所述DC链路；以及
控制器，其中所述控制器适于：
确定从风力获取的功率、由所述风力涡轮机提供的功率和所述功率消耗单元中的功率损耗；
确定从风力获取的所述功率与由所述风力涡轮机提供的所述功率和所述功率消耗单元中的所述功率损耗的和之间的差；以及
在功率之间的差超过预定的功率差阈值时起动所述功率消耗单元。
10.根据权利要求9所述的变速风力涡轮机，其中，所述控制器还适于当所述预定的功率差阈值被超过时，将用于操作所述功率消耗单元的占空比设定为非零值，从而起动所述功率消耗单元。
11.一种用于操作风力涡轮机中的功率消耗单元的方法，所述风力涡轮机包括用于转换由发电机产生的至少一部分电功率的功率转换器，其中所述功率转换器包括发电机侧转换器、电网侧转换器和在二者之间的DC(直流)链路，所述功率消耗单元可操作地耦接于所述DC链路，所述方法包括：
获得DC链路电压误差信号，所述DC链路电压误差信号是实际DC链路电压的函数与预定参考DC链路电压的函数之间的差；
基于所述电压误差信号，确定DC链路误差功率；
确定前馈功率；以及
基于所述DC链路误差功率和所述前馈功率，产生用于操作所述功率消耗单元的占空比。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，根据所述实际DC链路电压的平方与所述预定参考DC链路电压的平方之间的差，确定所述DC链路电压误差信号。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，使用PI(比例积分)控制器基于所述DC链路电压误差信号，确定所述DC链路误差功率。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，基于供给至所述发电机侧转换器的功率与通过所述电网侧转换器传递的功率的差，确定所述前馈功率。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，基于从风力获取的功率与在所述发电机和所述风力涡轮机的驱动机组中的功率损耗之间的差，来估计由所述发电机产生的所述功率。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其中，产生所述占空比包括：
确定待由所述功率消耗单元消耗的功率；
确定所述功率消耗单元能够消耗的最大功率；以及
确定该待消耗的功率和所述最大功率之间的比值，从而获得所述占空比。
17.根据权利要求11至16所述的方法，还包括：
确定从风力获取的功率、由所述风力涡轮机提供的功率和在所述功率消耗单元中的功率损耗；
确定从风力获取的所述功率与由所述风力涡轮机提供的所述功率和所述功率消耗单元中的所述功率损耗的和之间的差；以及
当功率之间的差超过预定的功率差阈值时起动所述功率消耗单元。
18.一种用于操作风力涡轮机中的功率消耗单元的方法，所述风力涡轮机包括用于转换由发电机产生的至少一部分电功率的功率转换器，其中所述功率转换器包括发电机侧转换器、电网侧转换器和在二者之间的DC(直流)链路，所述功率消耗单元可操作地耦接于所述DC链路，所述方法包括：
确定从风力获取的功率、由所述风力涡轮机提供的功率和所述功率消耗单元中的功率损耗；
确定从风力获取的所述功率与由所述风力涡轮机提供的所述功率和所述功率消耗单元中的所述功率损耗的和之间的差；以及
当功率之间的差超过预定的功率差阈值时起动所述功率消耗单元。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括当所述预定的功率差阈值被超过时，将用于操作所述功率消耗单元的占空比设定为非零值，从而起动所述功率消耗单元。
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