CN102232266A - 用于风力涡轮机的异步发电机 - Google Patents

Abstract

一种用于风力涡轮机的异步发电机，其包括电压源和具有由该电压源为之提供交流电压的定子线圈的定子，其中所述电压源被配置成基于由风力涡轮机生成的输出功率来调节提供给定子线圈的电压，以及一种用于其的电压控制方法。

Description

用于风力涡轮机的异步发电机

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的异步发电机，其包括电压源和具有由该电压源为之提供交流电压的定子线圈的定子，并且本发明还涉及一种用于其的电压控制方法。

背景技术

现有技术的异步发电机通常包括转子和具有定子线圈的定子。常常利用金属薄片的层叠来构建定子铁芯。

为了让异步发电机正确操作，向定子线圈提供交流电压。该交流电压包括交变磁通量，其在现有技术的系统中会导致定子铁芯和定子线圈振动。

但是这样的振动会产生具有被提供给定子线圈的交流电压的频率的声音。

特别在与风力涡轮机一起使用时，如此由异步发电机产生的声音常常被发现令紧邻风力涡轮机的人（例如居住在风力涡轮机或者风力涡轮机园区附近的人们）感到烦躁。

为了减小如此由风力涡轮机产生的噪音，现有技术系统对于风力涡轮机的发电机外罩使用噪音减小覆层，这会导致在制造风力涡轮机的过程中增加的材料成本和附加的技术努力。

US 2003/052643 A1公开了一种无刷双馈感应机器控制，其中存在第一定子和第二定子。在第一定子中，输出功率随转子速度线性提高。在第二定子中，输出功率与转子速度不相关，而是在整个速度范围内恒定。由电流控制器施加正常的全机器激发。

S. Müller等人的“Adjustable speed generators for wind turbines based on doubly-fed induction machines and 4-quadrant IGBT converters linked to the rotor（基于双馈感应机器和链接到转子的四象限IGBT转换器的风力涡轮机可调速发电机）”（Industry Applications Conference，2000，Conference Record of the 2000 IEEE 8-12 October 2000，Piscataway，NJ，USA，IEEE，第4卷，2000年10月8日，2249-2254页）描述了对于双馈感应发电机系统的研究以作为在宽范围内调节速度的一种替换方案。

E. Levi等人的“Study of main flux saturation effects in field-oriented induction motor drives（对于场定向感应电动机驱动器中的主磁通饱和效应的研究）”（19891106，19891106-19891110，1989年11月6日，219-224页）描述了对于场定向感应电动机驱动器中的主磁通饱和效应的研究。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种与现有技术中已知的系统相比发出较少噪音的异步发电机。

所述目的可以通过权利要求1或6当中的任一个的主题来实现。

根据权利要求1的发明提出一种用于风力涡轮机的异步发电机，其包括电压源和具有至少一个由该电压源为之提供交流电压的定子线圈的定子，其特征在于，所述电压源被配置成基于由风力涡轮机生成的输出功率来调节提供给定子线圈的电压，以便减小来自所述异步发电机的噪音。

通过具有调节提供给定子线圈的电压的电压源，本发明利用了所提供的电压与由于定子铁芯和定子线圈的振动而发出的噪音水平之间的关系。

由于所发出的声音的强度将随着所提供的电压的幅值增大而提高，因此通过对提供给定子线圈的电压进行适当的调节可以减小所发出的声音，并且从而实现本发明的目的。具体来说，根据由风力涡轮机生成的输出功率来调节提供给定子线圈的功率。因此就允许本发明的发电机把所提供的电压适配于当前的功率水平，从而即使在减小提供给定子线圈的电压幅值时也可以建立最优功率输出。

因此，在建立最优输出功率的同时，本发明可以减小所提供的电压，这又将导致定子铁芯层叠中的磁通量幅值减小，并且因此将减小有源定子部件的振动，从而导致大大减小噪音。

可以利用硬件和/或软件功能组件来实现本发明的各组成部分及其配置。具体来说，这些功能组件可以被配置成实施将在后面描述的根据本发明的另一方面的任何方法步骤。

可以返回参照权利要求1按照在权利要求书中规定的那样具体实现本发明，和/或可以按照在详细实施例中给出的那样具体实现本发明。

在各实施例中，所述电压源可以被配置成在输出功率降低的情况下减小提供给定子线圈的电压。

此外，所述异步发电机的各实施例的特征可以在于，所述电压源被配置成在输出功率提高的情况下增大提供给定子线圈的电压。

在各实施例中，所述电压源可以被配置成调节提供给定子线圈的电压，从而使得出现在线圈中的归一化磁通量Φ与输出功率线性相关，具体来说即使得归一化磁通量Φ满足以下条件：

其中P是输出功率，α和β是常数，并且Ratio是磁通量比例参数，其可以被设定到允许调节所述归一化磁通量Φ在什么输出功率下达到其最大值的期望值。应当注意的是，电压与电定子频率乘以磁通量成比例。

在这样的实施例中，Φ的最大值可以被限制到最大值1。

根据权利要求6的本发明提出一种用于减小来自根据权利要求1到5当中的任一个的异步发电机的噪音的电压控制方法，其包括以下步骤：

－确定由风力涡轮机生成的输出功率；以及

－基于所确定的输出功率，调节提供给所述异步发电机的定子的至少一个定子线圈的交流电压。

因此，给出了一种与本发明的异步发电机一同使用的方法，其特别在所述电压源或发电机的其它功能组件被配置成执行所述方法步骤时提供由根据权利要求1的发电机或者其任一实施例所呈现的技术效果。

因此，可以返回参照权利要求6按照在权利要求书中规定的那样具体实现所述方法，和/或可以按照在详细实施例中给出的那样具体实现所述方法。

附图说明

下面将参照附图更加详细地描述本发明：

图1示出了所述异步发电机的一个实施例的示意性总览；

图2示出了所述电压控制方法的一个实施例的示意性总览；

图3示出了代表由图1和2的实施例提供的磁通量与输出功率之间的关系的图示；以及

图4示出了由图1和2的实施例提供的输出功率与发电机速度之间的关系。

具体实施方式

图1示出了所述异步发电机的一个实施例的示意性总览。图1中所示的异步发电机包括电磁部件10和电压控制单元20，所述电压控制单元20被耦合到外部测量和控制设备30。

异步发电机的电磁组件10包括定子12、转子14以及定子线圈16、16’、16’’和16’’’。定子12的定子铁芯是基于金属薄片的层叠来制造的。为定子线圈16、16’、16’’和16’’’提供交流电压，其当前由线圈16’’与电压源20的电压输出单元22之间的连接还有四个定子线圈的串联连接表示。

电压源20包括电压输出单元22和输出功率确定单元24。同时电压输出单元22如前所述地连接到线圈16’’，输出功率确定单元24连接到风力涡轮机的另外的外部测量和/或控制设备，以便获得用于按照连续或周期性方式确定风力涡轮机所生成的输出功率的所有必要输入参数。

为了向定子线圈提供电压并且同时大大减小由于所提供的交流电压以及由此感生的交变磁通量而导致的定子铁芯和定子线圈的振动所产生的噪音，电压控制单元20如关于图2中所示方法所描述的那样进行操作。

图2示出了由电压控制单元20具体实现的方法。在步骤100中，电压源20的输出功率确定单元24通过从当前发电机所属的风力涡轮机的控制单元30接收相应的参数值来获得风力涡轮机的当前输出功率。

在步骤110中，电压输出单元22计算对应于所确定的输出功率的期望磁通量。为此，电压输出单元22可以包括适当的电子组件和/或处理器和/或软件。在本实施例中，基于磁通量Φ与所确定的输出功率之间的线性关系导出所期望的磁通量Φ。具体来说，电压输出单元22从而可以根据下面的线性等式来计算所期望的磁通量Φ：

其中P是输出功率，α和β是常数，其中α代表斜率并且β代表y-截距。Ratio是被称作磁通量比例的可选参数，可以通过该参数来缩放（scale）y-截距。

在步骤120中，电压输出单元22随后确定被归一化为最大磁通量的Φ是否大于1，如果是的话则在步骤130中把Φ设定到数值1。因此所期望的磁通量被限制到最大值1。

如果Φ的值不大于1，则电压输出单元22继续使用在步骤110中计算的Φ值。

在步骤140中，电压输出单元22确定适于感生出所期望的磁通量Φ的电压量，并且将该电压量提供给线圈16、16’、16’’和16’’’。

因此，当来自风力涡轮机的发电机的输出功率低时（例如，当风速低时），电压控制单元20减小提供给定子线圈的电压。如此减小所提供的电压会导致定子铁芯层叠中的磁通量幅值减小，并且因此会大大减小有源定子部件的振动，从而减小由此产生的噪音。

当风力涡轮机的发电机操作在低输出功率下时可以执行此减小，这是因为在这种情况下，即使当定子线圈产生相对低的磁通量时也可以实现最优输出功率。如果发电机操作在其最大输出功率下或者操作在接近其最大输出功率下，由定子线圈产生的磁通量的幅值必然处于或接近其最大值。但是在这样的环境下产生的噪音通常不会显著添加到总体噪音水平中，这是因为当风速高时通常会获得最大输出，并且在高风速条件下从除发电机外的各种其它来源出现的噪音将会淹没由风力涡轮机发电机产生的噪音。

图3示出了由所述实施例提供的磁通量与输出功率之间的关系。在该图中，当被归一化为最大磁通量的磁通量Φ小于1时其根据下式变化：

否则：

在这里，P表示当前输出功率，α和β是常数，其中α代表斜率并且β代表y-截距。Ratio是前面提到的磁通量比例参数。在常数α和β固定的情况下，所述磁通量比例参数决定Φ在什么输出功率下达到其最大值。

在图3中，功率被归一化为发电机的标称输出功率P_nom，并且磁通量被归一化为最大磁通量。在该图中使用的缩写n.u.表示归一化单位。在该图中，对于磁通量比例参数Ratio的两个不同数值（即，1和0.4）示出了磁通量根据功率的变化。斜率α被设定到1，并且y-截距β被设定到0.5。如从该图中对于磁通量比例数值1和0.4可以看出的那样，当功率低时，磁通量比例参数的更低数值会导致更低的磁通量。但是应当注意到，在不使用磁通量比例参数的情况下通过适配y-截距β也可以获得与图3中所示的那些相同的结果，这将对应于在前面的例子中把磁通量比例参数固定到1。随后在图3中，将把对应于被标为“磁通量比例=0.4”的线的y-截距β从0.5减小到0.2，而不是利用磁通量比例参数对其进行缩放。

图4示出了随着本发明的当前实施例出现的所生成的输出功率与发电机速度之间的关系，其中标称输出功率P_nom=2300kW，标称发电机速度n_nom=1400rpm。该当前图示出了对于图3中所示的磁通量比例参数的两个不同数值1和0.4的最大输出功率的变化。

当发电机速度n小于标称发电机速度n_nom时，可以通过以下等式来表示所能获得的输出功率的最大值P_max：

当磁通量等于1（n.u.）并且发电机速度n<n_nom时，可以看到P_max与P_nom成比例。如果n>n_nom，则P_max=P_nom。

当磁通量Φ小于1时，等式（1）等效于下式：

在Φ<1和P_max≤P_nom的约束下可以针对P_max求解等式（2）。可以发现：

底部的曲线示出了当风力涡轮机最优地操作在低风速条件下时的输出功率。风力涡轮机的最优操作意味着已经关于盛行风条件优化了涡轮机叶片的螺距和旋转速度。

由于该例中的最优功率对于0.4的磁通量比例参数低于P_max，因此磁通量的减小对于输出功率没有影响，同时大大降低了由发电机发出的噪音的强度。

因此，本发明的系统和方法可以在不降低输出功率的情况下提供显著的噪音减小。

Claims (12)

1. 一种用于风力涡轮机的异步发电机，其包括电压源和具有至少一个由该电压源为之提供交流电压的定子线圈的定子，

其特征在于，

所述电压源被配置成基于由风力涡轮机生成的输出功率来调节提供给定子线圈的电压，以便减小来自所述异步发电机的噪音。

2. 根据权利要求1的异步发电机，其特征在于，所述电压源被配置成在输出功率降低的情况下减小提供给定子线圈的电压。

3. 根据权利要求1或2当中的任一个的异步发电机，其特征在于，所述电压源被配置成在输出功率提高的情况下增大提供给定子线圈的电压。

4. 根据权利要求1到3当中的任一个的异步发电机，其特征在于，所述电压源被配置成调节提供给定子线圈的电压，从而使得出现在线圈中的归一化磁通量Φ与输出功率线性相关。

5. 根据权利要求4的异步发电机，其特征在于，所述电压源被配置成调节提供给定子线圈的电压，从而使得出现在线圈中的归一化磁通量Φ满足以下条件：

其中P是输出功率，α和β是常数，并且Ratio是磁通量比例参数。

6. 根据权利要求4或权利要求5的异步发电机，其特征在于，Φ的最大值被限制到1。

7. 一种用于减小来自根据权利要求1到6当中的任一个的异步发电机的噪音的电压控制方法，其包括以下步骤：

－确定由风力涡轮机生成的输出功率；以及

－基于所确定的输出功率，调节提供给所述异步发电机的定子的至少一个定子线圈的交流电压。

8. 根据权利要求7的方法，其特征在于，所述调节包括：在输出功率降低的情况下减小提供给定子线圈的电压。

9. 根据权利要求7或8当中的任一个的方法，其特征在于，所述调节包括：在输出功率提高的情况下增大提供给定子线圈的电压。

10. 根据权利要求7到9当中的任一个的方法，其特征在于，所述调节是基于具有与输出功率线性相关的出现在线圈中的归一化磁通量Φ。

11. 根据权利要求10的方法，其特征在于，所述调节是基于具有满足以下条件的出现在线圈中的归一化磁通量Φ：

其中P是输出功率，α和β是常数，并且Ratio是磁通量比例。

12. 根据权利要求10或权利要求11的方法，其特征在于，Φ的最大值被限制到1。

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