CN102251922A - 用于风力涡轮机的扭转保护系统和方法 - Google Patents

用于风力涡轮机的扭转保护系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的扭转保护系统和方法，具体而言，提供了扭转保护系统(300)和方法(500)，以用于保护风力涡轮机不受不合乎需要的扭转振荡的影响。扭转保护系统包括检测处理级(302)，其将所测量的信号内包含的能量分成所关注的频带。从风力涡轮机中的至少一个构件获得至检测处理级的输入。保护逻辑级(304)将能量与阈值水平作比较，以获得超过预定阈值的能量的量的指示。可测量和监测信号的扭转内容，使得如果扭转内容超过预定阈值达预定时间，则可产生报警或解扣信号。

Description

用于风力涡轮机的扭转保护系统和方法
技术领域
本文公开的实施例大体涉及风力涡轮机，并且更具体而言，涉及用于保护风力涡轮发电机不受不合乎需要的扭转振荡(torsionaloscillation)的影响的系统和方法。
背景技术
通过现代配电系统分配的功率的品质仍然是大型系统的经营者所关心的问题。一个这种功率品质问题称为电压闪变(flicker)。电压闪变是具有足以对连接到同一电路上的其它负载产生不良作用的量值的电压突降(dip)。该干扰可仅作为闪光来经历，但是发生的量值和频率确定闪变对系统使用者的影响。
图1示出了通常的电压闪变情况。在系统100上的闪变发生负载110典型地由大型马达、焊接机或电弧炉所导致。这些负载的特征在于相对较短的持续时间的高涌入电流(inrush current)，如在马达起动时所经历的那样。马达的涌入电流典型地具有低功率因素，并且导致具有增大的量值的电压突降沿着馈电线到达负载的连接点上。这在负载和源120之间导致电压闪变问题，当这些问题足够严重时通常导致使用者投诉130。
分配串联电容器(distribution series capacitor)140长久以来被看作这些类型的闪变问题的成本有效的解决方案。不幸的是，配备有分配串联电容器的分配类电功率线路经受两种不同的且潜在地破坏性的现象，与变压器相关的铁磁共振和在起动期间的马达的自激。铁磁共振可为可在功率变压器芯体饱和时出现的系统非线性所导致的严重的且快速形成的振荡过电压状况。这些非线性通常响应于在断路器操作之后的较大的涌入电流而与串联电容器相互作用，以产生低频共振状况。感应马达的自激是可在同一系统上发生的潜在地破坏性的状况。用语“自激”指的是可在包括串联电容器的供电电路中发生的次谐波振荡。次谐波振荡由当马达处于起动过程中时在串联电容器和感应马达之间的相互作用所导致。这些振荡典型的特征在于马达起动问题和持续的过电流状况。
当发生铁磁共振时，应当立即采取行动，以防止对其它设备造成损害。铁磁共振是迅速发生的、高量值的且低频率的振荡，其能够达到超过正常100％-200％的电力系统电压水平达很短的时间段。当发生自激时，产生低频振荡，而马达起动顺序失效。马达将寻找适当的运行频率，这将导致较大的电流浪涌，而轴加速度交替变化(alternate)。
发电现场(例如热原动机、感应发电机、风力涡轮机等)通常离负载中心非常远。为了能够长距离地输送功率，通常使用串联电容器来升高所产生的长输送线路的功率限值。串联电容器可导致串联共振式振荡，已知串联共振式振荡会对发电机轴造成损害。还可对风力涡轮机功率输送和控制构件造成损害。
串联共振式振荡发生在供应频率(在北美典型地为60Hz)的次谐波处。这个效应称为次同步共振(SSR)。关于SSR的最著名的事故在1970年发生在美国内华达州南部的莫哈维发电站，并且在1971年再次发生。发电机经历了逐渐变大的振动，该振动最终导致发电机和旋转励磁机之间的轴区段破裂。调查确定，在30.5Hz处的电共振产生了在29.5Hz(60Hz互补(compliment)频率)处的扭矩，29.5Hz与在30.1Hz处的涡轮发电机的第二扭转振动模式的频率几乎一致。串联电容器和扭转系统之间的这种相互作用是次同步共振的实例。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种扭转保护系统，以用于保护风力涡轮机不受不合乎需要的扭转振荡的影响。扭转保护系统包括检测处理级，该检测处理级将所测量的信号内包含的能量隔离到(isolate)所关注的频带。从风力涡轮机中的至少一个构件中获得至检测处理级的输入。保护逻辑级将能量与阈值水平作比较，以获得超过预定阈值的能量的量的指示(indication)。可测量和监测信号的扭转内容(content)，使得如果扭转内容超过预定阈值达预定时间，则可产生报警或解扣(trip)信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种保护风力涡轮机不受扭转振荡的影响的方法。方法包括步骤：从风力涡轮机中的至少一个构件中获得表示扭转振荡的至少一个输入信号。另一个步骤包括检测预定频率范围中的能量量值(magnitude)，后面为比较步骤，该比较步骤将该能量量值与预定值和预定时间作比较。随后的步骤可在能量量值超过预定值达预定时间的情况下，产生报警或解扣信号。
附图说明
图1示出了在配电系统中的传统的电压闪变问题；
图2是一个已知的电网的简化示意图；
图3是根据本发明的一方面的扭转保护系统的简化示意图；
图4是根据本发明的另一方面的在风力涡轮机中的扭转保护系统的简化示意图；
图5是根据本发明的一方面的用于保护风力涡轮机不受扭转振荡的影响的方法的流程图。
部件列表
100系统
110闪变发生负载
120源
130投诉
140分配串联电容器
200公用电网
210非传统发生源(generating source)
220输送线路
230串联电容
240传统发生源
250负载
300系统
302检测处理级
304保护逻辑级
305输入
310带通滤波器级
320绝对值级
330低通滤波器级
331低通滤波器级输出
340阈值比较级
350积分器级
351积分器级输出
360复位功能
370报警/解扣检测级
371报警/解扣检测级输出
400风力涡轮机
410转子
420低速轴
430齿轮箱
440高速轴
450联结器
460发电机转子轴
470发电机
480涡轮机控制器
490监测站
500方法
502检测步骤
504比较步骤
510获得步骤
520滤波步骤
530修整(rectifying)步骤
540滤波步骤
550比较步骤
560积分步骤
570报警步骤
具体实施方式
现代公用电网正在发展成包括远离负载中心的完全不同的发生源的网络。多个风力发电厂、太阳能发电站以及其它这种“非传统”功率源连接到现有的功率输送线路上。不同的厂商制造风力涡轮机，并且各个厂商可制造其具有不同的运行特性的风力涡轮机。太阳能遇到同样的问题。在运行特性上的这种广泛的可变性使得难以将这些非传统功率发生源连接到现有输送线路上。
图2示出了一个典型的公用电网200的简化实例。一个或多个非传统发生源210可连接到电网的不同的部分上。非传统发生源210可包括各种类型的原动机(例如风力涡轮机、风力发电厂、太阳能发电站等)，并且其特征可在于针对电网的非传统电接口(interface)。
非传统电接口可包括可与输电网中的轻微衰减串联共振(lightlydamped series resonance)不利地相互作用的感应发电机或功率电子系统(power electronic system)。非传统发生源210可包括单独的源(例如单个风力涡轮机)或一组源(例如包括许多涡轮机的风力发电厂)。单独的风力涡轮机可具有约1.5至约5.0MW或更大的额定功率，并且风力发电厂可具有约100至约500MW或更大的总额定功率。这些范围仅用于说明的目的，并且可超过或低于所给出的范围。
电网200还可包括一个或多个传统发生源240和一个或多个负载250。传统发生源典型地包括同步电机，并且可具有每个电机约100MW至1300MW或更大的额定功率。传统发生源的实例是驱动发电机的燃气动力涡轮机或蒸汽动力涡轮机。
在长输送线路220中需要串联电容器230来补偿固有的感抗。串联补偿的缺点在于，其产生具有低于同步频率的频率的轻微衰减串联共振(例如次同步)。非传统发电机210可以可对发电机210造成损害的多种方式来与输送线路220中的轻微衰减串联共振相互作用。
非传统发电的最简单的形式是使用简单的感应发电机的风力涡轮机。由于风力的兴起，通过串联补偿线路来辐射状地(radial)输送大量感生电功率对现代电力系统来说是新的。由于这个新的功率源而出现了潜在的问题，在这些问题当中有称为感应发电机效应(IGE)的特定的次同步现象。这个效应的根本原因在于，感应电机对具有比由转子速度所引起的频率低的频率的电振荡呈现负阻抗。当对网络添加串联电容器时，则利用网络的固有电感所产生的次同步串联共振由于感应发电机负阻抗效应而不稳定，并且可导致电不稳定。
其它类型的非传统发电高度地依赖于功率电子器件来将来自原动机的功率转换成电网所需要的电特性。功率电子器件固有地需要以高的速度运行的多个复杂的控制算法来执行其功能。由于算法的高速本性的原因，将存在与由串联补偿所产生的输电网的次同步串联共振的较大程度的相互作用。这些控制算法是根据电网特性的简化假设来设计的。设计这种算法来适应任何任意电网特性是不实际的。另外，控制相互作用现象的这些算法的细节随着制造商的不同而不同，并且典型地被看作是具有高度专利性。
输送线路的所有者/经营者可花费大量的人力和经费来单独地使其输送线路适合各个完全不同的功率源。备选地，各个非传统发电站的开发者必须详细地与其发电设备的供应商以及与其它非传统发电站开发者的供应商一起工作，以协调它们的运行特性来适应输电网。这种协调实现起来不仅极度费力和昂贵，而且是管理竞争性发电市场的现有规章所禁止的。
风力涡轮机的发电机具有通常通过联结器连接到齿轮箱输出轴上的轴。由于串联补偿而引起的电网共振可联合(align)，并且可导致在约30Hz至约50Hz的频率范围中的持续的扭矩振荡。应力在联结器上增大至损害点是可能的。另外，由于这些扭矩振荡的原因，发电机轴可经历疲劳和可能的失效。
图3示出了系统300的示意图，该系统300可用来保护发电机不受不合乎需要的扭转振荡的影响。系统300包括检测处理级302和保护逻辑级304。
检测处理级302将所测量的信号内包含的能量隔离到所关注的频带。这个能量的量值可以标量值(scalar value)的形式获得，该标量值可用来如果其超过预定标准，则对风力涡轮机进行报警和/或解扣。检测处理级302可包括输入305、带通滤波器级310、绝对值级320以及低通滤波器级330。输入305可从轴速度、轴扭矩、发电机功率或发电机气隙扭矩(airgap torque)中的一个或它们的组合中获得，或者可为表示风力涡轮机的电气部分和/或机械部分中的次同步振荡的任何其它信号。作为非限制性实例，带通滤波器310可具有在约35Hz至约50Hz的范围中的通带。轴速度和轴扭矩可从齿轮箱的高速轴或发电机转子轴的输入或输出侧中获得。低通滤波器330的输出331是在所关注的频带中的能量量值。作为非限制性实例，低通滤波器330可具有约10Hz的限值。在本发明的另一方面中，可在检测处理级302中使用快速傅立叶变化(FFT)来隔离在合乎需要的频率范围内所包含的能量。
保护逻辑级304将所测量的能量与阈值作比较，以获得超过该阈值的量的指示。在触发报警或解扣命令之前包括时间延迟器(timedelay)。还包括复位器，以在所测量的信号在触发报警/解扣之前回落到阈值以下的情况下使计时器复位。
保护逻辑级304包括阈值比较级340、积分器级350、复位功能360以及报警/解扣检测级370。积分器级350作为时间延迟器起作用，其随着时间而累计超过阈值的量。这种积分器级的输出351表示随着时间而累计的应力，因为积分器最后复位。当积分器输出351达到预定水平时，则可通过输出371来触发报警和/或解扣命令。当所测量的能量落到阈值以下时，复位功能360随着时间而使积分器输出351衰减。在本发明的其它方面，积分器级350可用时间延迟器来替代。
图4示出了结合了根据本发明的方面的扭转保护系统300的风力涡轮机的简化示意图。风力涡轮机400可包括转子410、低速轴420、齿轮箱430、高速输出轴440、联结器450、发电机转子轴460以及发电机470。转子410由经过一个或多个叶片的风的力来驱动。低速轴用作到齿轮箱430的输入。齿轮箱的输出是高速轴440。高速轴440可通过联结器450连接到发电机转子轴460上。但是，在一些应用中，可省略联结器450，并且/或者高速轴440和发电机转子轴460可为单一单元。
扭转保护系统300可具有从风力涡轮机的各种部件获得的一个或多个输入。速度和/或轴扭矩信号可从高速轴440和/或从发电机转子轴460(在发电机470的任一端处)中获得。发电机气隙扭矩可从发电机470中获得。所有这些信号或这些信号中的子集可用作用于扭转保护系统300的输入305。如果检测到不合乎需要的扭转振荡，则可通过输出371输送报警或解扣信号。报警/解扣信号可通过无线或有线链路传送给涡轮机控制器480或本地的或远程的监测站490。
图5示出了根据本发明的一方面的保护风力涡轮机不受扭转振荡的影响的方法500。方法包括两个主要步骤：检测502在预定频率范围中的能量的量值；以及将该能量量值与预定值和预定时间作比较504。方法包括步骤510：从风力涡轮机中的至少一个构件中获得表示扭转振荡的输入信号。构件可包括一个或多个高速轴440、发电机转子轴460和/或发电机470。滤波步骤520利用带通滤波器来对输入信号进行滤波，后面是修整步骤530，在修整步骤530中，利用绝对值级来对带通滤波器的输出进行修整。另一个滤波步骤540利用低通滤波器来对绝对值级的输出进行滤波，后面是比较步骤550，其在阈值比较级中将低通滤波器的输出与预定值作比较。积分步骤560在积分器级中对阈值比较级的输出进行积分。如果积分器的输出超过预定阈值达预定时间，则可在步骤570中产生报警或解扣信号。根据本发明的另一方面，积分器可用时间延迟器来替代。在本发明的另一方面中，可通过使用快速傅立叶变换来替代步骤520、530和540以检测预定频率范围中的能量的量值。
虽然结合了目前所认为的最实际和优选的实施例中的一个来对本发明进行描述，但是将理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，意在覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (10)

1.一种用于保护风力涡轮机(400)的扭转保护系统(300)，所述扭转保护系统包括：
检测处理级(302)，其将所测量的信号内包含的能量隔离到所关注的频带，所述检测处理级具有从所述风力涡轮机中的至少一个构件获得的至少一个输入；
保护逻辑级(304)，其将所述能量与阈值水平作比较，以获得超过预定阈值的能量的量的指示；
其中，可对所述信号的扭转内容进行测量和监测中的至少一种，使得如果所述扭转内容超过所述预定阈值达预定时间，则产生报警信号和解扣信号中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的扭转保护系统，其特征在于，所述检测处理级(302)还包括：
带通滤波器级(310)；
绝对值级(320)，其连接到所述带通滤波器的输出上；以及
低通滤波器级(330)，其连接到所述绝对值级的输出上。
3.根据权利要求1所述的扭转保护系统，其特征在于，所述检测处理级(302)包括快速傅立叶变换(FFT)级。
4.根据权利要求1所述的扭转保护系统，其特征在于，所述保护逻辑级(304)还包括：
阈值比较级(340)，其连接到所述检测处理级的输出上；
积分器级(350)，其连接到所述阈值比较级的输出上；以及
报警级(370)，其连接到所述积分器级的输出上。
5.根据权利要求1所述的扭转保护系统，其特征在于，所述保护逻辑级(304)还包括：
阈值比较级(340)，其连接到所述检测处理级的输出上；
时间延迟级(350)，其连接到所述阈值比较级的输出上；以及
报警级(370)，其连接到所述时间延迟级的输出上。
6.根据权利要求1所述的扭转保护系统，其特征在于，至所述检测处理级的所述输入选自下者中的至少一个或它们的组合：
轴速度、轴扭矩、发电机功率以及发电机气隙扭矩。
7.根据权利要求6所述的扭转保护系统，其特征在于，所述轴速度选自下者中的至少一个或它们的组合：
发电机轴速度和齿轮箱输出轴速度。
8.根据权利要求2所述的扭转保护系统，其特征在于，所述带通滤波器级(310)包括具有从约35Hz至约50Hz的通带的带通滤波器。
9.根据权利要求2所述的扭转保护系统，其特征在于，所述低通滤波器级(330)包括具有约10Hz的限值的低通滤波器。
10.一种保护风力涡轮机不受扭转振荡的影响的方法，所述方法包括：
从所述风力涡轮机中的至少一个构件中获得表示扭转振荡的至少一个输入信号；
检测预定频率范围中的能量的量值；
将所述能量的量值与预定值和预定时间作比较；
如果所述能量量值超过所述预定值达所述预定时间，则产生报警信号或解扣信号。
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