CN103636116B - 具有功率消耗单元的变速风力涡轮机；操作风力涡轮机中的功率消耗单元的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种变速风力涡轮机。该变速风力涡轮机包括：发电机；功率转换器，其用于转换由所述发电机产生的至少一部分电力，所述功率转换器包括发电机侧转换器、电网侧转换器以及所述发电机侧转换器与所述电网侧转换器之间的DC（直流）链路；操作性耦合到所述DC链路的功率消耗单元；以及控制器。该控制器适于接收用于减小从所述风力涡轮机输出的功率的请求；基于参考发电机功率和期望涡轮机功率确定前馈功率信号；以及基于所述前馈功率信号操作所述功率消耗单元。

Description

具有功率消耗单元的变速风力涡轮机；操作风力涡轮机中的功率消耗单元的方法

技术领域

本发明总体上涉及风力涡轮机，并且具体而言，涉及用于操作风力涡轮机中的功率消耗单元的方法。

背景技术

风力涡轮机是将风动能转化成电能用于公用电网的能量转换系统。具体而言，吹到风力涡轮发电机（WTG）叶片上的风导致WTG的转子转动。又通过发电机把转动转子的机械能转化成电能。由于风速波动，施加到WTG叶片的力及因此转子/发电机的转速可能变化。然而，电网需要风力涡轮机产生恒定频率的电功率。

提供恒定频率电功率的一种风力涡轮机是固定速度的风力涡轮机。这种风力涡轮机需要以恒定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是它不利用不同速度的所有风能，并且必须在低风速禁用。另一种风力涡轮机是可变速风力涡轮机。这种风力涡轮机允许发电机以可变的速度转动以适应波动的风速。通过改变发电机转子的转动速度，可以在更宽的风速范围内优化能量转换。

基于全量程功率转换器的风力涡轮机(这是一种变速风力涡轮机)通常包括功率转换器，其具有通过直流（DC）链路耦合到电网侧转换器的发电机侧转换器。发电机侧转换器调节发电机的功率。这种功率通过DC链路，最后通过电网侧转换器馈入电网。电网侧转换器调节电网侧功率。这同样适用于双馈感应发电机（DFIG）系统，其中只有一部分来自发电机的功率通过功率转换器。

例如由于电网故障，涡轮机/风电场中的部件故障或由电网操作员要求，可能会请求关闭风力涡轮机。当在关闭期间风力涡轮机降低其功率，由风力涡轮机产生的功率以指定的速率减少到零。功率减少的速率，通常被称为功率斜降速率，取决于发电机的功率斜降速率。在关闭期间如何能快速减少涡轮机功率通常受发电机的例如0.2pu/sec的最大斜降速率的限制。

然而，特定电网规定/电力公司可能要求涡轮机以比涡轮机/发电机例如0.4pu/sec的最大斜降速率更快的速率减速。还预见到在关闭期间，某些国家可能在其电网法规要求中指定涡轮机的最小斜降速率。

因此希望提供一种操作风力涡轮机的方法以提供高于涡轮机或发电机的最大斜降速率的斜降速率。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种变速风力涡轮机。该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、电网侧转换器和它们之间的DC（直流）链路；操作性耦合到所述DC链路的功率消耗单元；以及控制器。该控制器适于接收用于减小从所述风力涡轮机输出的功率的请求；基于参考发电机功率和期望涡轮机功率确定前馈功率信号；以及基于所述前馈功率信号操作所述功率消耗单元。

根据本发明的第二方面，提供了一种操作风力涡轮机中的功率消耗单元的方法。功率消耗单元操作性耦合到功率转换器，用于转换发电机产生的至少一部分电功率。该方法包括：接收用于减小从所述风力涡轮机输出的功率的请求；基于参考发电机功率和期望涡轮机功率确定前馈功率信号；以及基于所述前馈功率信号操作所述功率消耗单元。

根据本发明的第三方面，提供了一种操作风力涡轮机的方法。该方法包括：接收用于减小从所述风力涡轮机输出的功率的请求；减小由所述风力涡轮机产生的电功率的量；以及控制操作性耦合到所述风力涡轮机功率转换器的功率消耗单元，从而以期望速率减小从所述风力涡轮机输出的功率。

附图说明

在结合非限制性范例和附图考虑时，参考详细描述将更好地理解本发明。

图1示出了风力涡轮机的一般结构。

图2示出了带有功率消耗单元的风力涡轮机的电气系统布设。

图3示出了根据实施例用于操作功率消耗单元的控制算法。

图4示出了根据实施例在操作功率消耗单元期间风力涡轮机的各个参数。

图5示出了根据实施例用于操作功率消耗单元的控制算法。

图6示出了根据实施例用于操作风力涡轮机中功率消耗单元的方法的流程图。

具体实施方式

发电机是能把机械能转换成电能的机电设备。在风力涡轮机中使用的发电机可以是任何种类的发电机，包括但不限于永磁发电机、双馈感应发电机及鼠笼感应发电机。由于转子可变的转速，来自发电机的电功率具有可变频率。由发电机产生的一部分或所有电能或功率通过功率转换器转换成适于提供到电网或负载的固定频率的电功率。

负载可以是DC（直流）或AC（交流）负载。为了把功率提供到电网，功率转换器把具有可变频率的电功率转换成具有电网需要的固定频率的电功率。具体而言，发电机侧转换器转换至少一部分来自发电机的功率，并通过电网侧转换器把其传递到电网。当提供功率到负载，例如DC负载的时候，可从发电机侧转换器和电网侧转换器之间的DC链路中获得DC功率。将功率消耗单元耦合到功率转换器的DC链路。功率消耗单元也可以被称为斩波电路，并且能在DC链路中消耗功率。

控制器适于接收请求以减少或斜降从风力涡轮机输出的功率，确定前馈功率信号并基于前馈功率信号操作功率消耗单元。这种减少或斜降功率输出的请求可以是用于使风力涡轮机关机的关机信号。

基于参考发电机功率及期望涡轮机功率确定前馈功率信号。参考发电机功率可以基于发电机的功率分布并且包括发电机的斜降功率分布。这种功率分布可以由发电机制造商提供。也可以从实验中，例如在各种条件下操作发电机及跟踪发电机的功率输出，获得功率分布。参考发电机功率可以是发电机功率分布的瞬时发电机功率。

期望涡轮机功率可以基于期望风力涡轮机输出的功率分布。期望功率分布包括以需要/想要的斜降速率在涡轮机输出中的斜降功率分布。这种在涡轮机输出中的期望功率斜降速率可以基于来自电网规定的要求。还可以由用户或操作者对其进行定义或说明。例如，电网规定可能要求涡轮机能够以0.4pu/sec斜降其功率。期望涡轮机功率可以是涡轮机期望功率分布的瞬时涡轮机功率输出。

使用基于参考发电机功率及所需涡轮机功率确定的前馈功率信号以控制功率消耗单元的操作。应该指出的是在风力涡轮机的正常操作情况下，风力涡轮机的输出功率与发电机的输出功率几乎相同。因此根据实施例还可以把涡轮机输出的功率分布作为参考发电机功率。

根据实施例，功率消耗单元至少包括开关和一个电阻器。通过闭合开关开启功率消耗单元。开关可以是功率半导体装置，例如集成栅极双极晶体管（IGBT），可通过栅极驱动器由合适的栅极电压将其打开或关闭。其他功率半导体装置或开关也是可能的。在替代实施例中，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。

根据实施例，前馈功率信号是参考发电机功率与期望涡轮机功率之间的差别。具体而言，在给定的时间t，从发电机功率的实际瞬时值中减去期望涡轮机功率的瞬时值以产生前馈功率信号。如前面提到的，由于涡轮机的输出功率与发电机的输出功率相似，可以通过从实际涡轮机功率中减去期望涡轮机功率以产生前馈功率信号。

根据实施例，控制器适于通过确定用于激活功率消耗单元的占空比以操作功率消耗单元。占空比指在一个周期中激活或开启功率消耗单元的时间段的百分比。占空比具有从0到1的值。当占空比是0时，完全关闭功率消耗单元，当占空比是1时，在整个工作周期内开启功率消耗单元。当占空比是0.7时，在70%的工作周期内开启功率消耗单元（对于30%的剩余工作周期，它是关闭的）。

根据实施例，控制器适于通过如下方式产生占空比：确定将由功率消耗单元消耗的功率，确定功率消耗单元可以消耗的最大功率，以及确定要消耗的功率与最大功率的比率，由此获得占空比。基于前馈功率信号确定将由功率消耗单元消耗的功率。如果要消耗的功率超过功率消耗单元可以消耗的最大量功率，占空比将是1。在另一实施例中，设计功率消耗单元，使得功率消耗单元能够消耗的最大量的功率始终大于需要消耗的功率。

应当指出，本领域的技术人员会容易认识到，也可以结合根据本发明第二方面的操作功率消耗单元的方法，以及根据本发明第三方面的操作风力涡轮机的方法，使用上述任何特征。

图1示出了风力涡轮机1的一般设置。风力涡轮机1包括具有若干塔架段的塔架2、定位于塔架2顶部的吊舱3以及从吊舱3延伸的转子4。塔架2直立于建在大地中的地基上。转子4可以相对于吊舱3旋转，并且包括轮毂5和一个或多个叶片6。吹到叶片6上的风导致转子4相对于吊舱3旋转。由吊舱3中的发电机（未示出）将来自转子4旋转的机械能转变成电能。接下来由功率转换器将电能转换成固定频率的电功率以供应给电网。风力涡轮机也可以形成包括多个风力涡轮机的风电场或风力发电厂的部分。合并风电场中的个体风力涡轮机产生的所有电功率并经由公共耦合点（PCC）供应给电网。

尽管图1中所示的风力涡轮机1具有三个叶片6，但应当指出，风力涡轮机可以具有不同数量的叶片。通常会发现风力涡轮机具有两个到四个叶片。图1中所示的风力涡轮机1是水平轴风力涡轮机（HAWT），因为转子4绕着水平轴旋转。应当指出，转子4可以绕着垂直轴旋转。这种其转子绕垂直轴旋转的风力涡轮机被称为垂直轴风力涡轮机（VAWT）。后面描述的实施例不限于具有3个叶片的HAWT。可以在HAWT和VAWT中实现它们，且转子4中具有任意数量的叶片6。

图2示出了根据实施例，具有功率消耗单元或斩波电路105的风力涡轮机的电气系统。电气系统包括发电机101、功率转换器102和主变压器103。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。功率消耗电路105连接到DC链路112。电气系统还包括用于过滤开关谐波的电网侧滤波器108。

发电机101将机械能量或功率转换成具有交流电压和电流的电能或功率（统称为“交流信号”），并向发电机侧转换器110提供所产生的交流信号。由于风的变化，来自发电机的交流信号具有可变频率。发电机侧转换器110将交流信号转换或整流成DC链路112上的直流电压和电流（统称为“直流信号”）。电网侧转换器111将DC链路112上的直流信号转换成用于电网107的固定频率交流信号。电网侧转换器111输出端包括固定频率交流信号的功率被主变压器103提升到适于由电网107接收和传输的电平。发电机侧转换器110和电网侧转换器111的操作受到控制器120的控制。

功率消耗电路105连接到DC链路112并适于消耗DC链路112上的功率。功率消耗电路105包括至少一个开关和多个斩波电阻器（未示出）。通过激活开关来控制功率消耗电路105的操作。在开关闭合时，由斩波电阻器消耗DC链路112上的功率。开关的激活，因此功率消耗电路105的操作，受到控制器120的控制。

应当指出，图2仅是风力涡轮机中电气系统的例示，其中仅示出了公共部件。电气系统可以包括其他部件，例如发电机侧滤波器、传感器、电网和发电机断路器/接触器、预充电装置等。在另一实施例中，可以使用双馈感应发电机（DFIG），其中发电机的定子绕组通过涡轮机变压器连接到电网，发电机的转子绕组通过功率转换器系统连接到涡轮机变压器。功率消耗电路105可以仅具有一个电阻器，而不是多个电阻器。功率消耗电路105还可以包括其他适于消耗功率的功率消耗单元。

图3示出了根据实施例操作功率消耗电路105的控制算法。可以在风力涡轮机的控制器120中实施这种控制算法。这种控制算法的输出是用于激活开关并从而控制功率消耗电路105的操作的占空比。在存在关闭涡轮机的请求时，可以激活控制算法以控制功率消耗电路105。

在图3的控制算法中，获得参考发电机功率P_generator和期望涡轮功率P_grid之间的差异作为前馈功率信号。具体而言，如下文所示从参考发电机功率减去期望涡轮机功率：

P_FF=P_generator-P_grid(1)

其中P_FF是前馈功率信号，P_generator是参考发电机功率，而P_grid是期望涡轮机功率。

参考发电机功率P_generator是发电机关机时发电机输出的瞬时功率。可以从发电机的参考功率斜降速率确定它或直接测量涡轮机的瞬时功率输出。期望涡轮机功率是基于关机期间期望涡轮机斜降速率的涡轮机功率的瞬时功率。前馈功率信号P_FF是将由功率消耗电路105消耗以便实现涡轮机期望功率斜降速率的功率量。

可以通过如下方式来确定由功率消耗电路105消耗的最大功率：

$P_{\max }=\frac{{V_{\mathrm{dc}}}^2}{R_{\mathrm{ch}}}---\left(2\right)$

其中P_max是功率消耗电路105中的电阻器或电阻器组在DC链路电压V_dc下能够消耗的最大功率，R_ch是功率消耗电路105中电阻器的电阻。通常选择电阻器的电阻值R_ch，使得P_max大于可能需要消耗的预期最大功率。在实施例中，选择R_ch的值，使得P_max大约比涡轮机的标称功率值大10-20%。也可以通过改变DC链路电压V_dc来改变最大功率P_max。

在给定电压V_dc下，将操作功率消耗电路105的占空比确定为要消耗功率P_FF和最大功率P_max之比，即：

$\mathrm{DR}=\frac{P_{\mathrm{FF}}}{P_{\max }}---\left(3\right)$

其中DR为占空比。由于获得期望涡轮机斜降速率要消耗的功率P_FF总是小于最大功率P_max，所以占空比的值从0到1。

图4示出了根据实施例在功率消耗单元的操作期间风力涡轮机的不同参数。第一幅曲线图201示出了从时间t=0秒到t=15秒的参考发电机功率的值。第二幅曲线图202示出了具有期望功率斜降速率的期望涡轮机功率的值。第三幅曲线图203示出了占空比的值。第一、第二和第三曲线图201、202、203全都在相同的时间刻度上。

从第一幅曲线图201可以看出，发电机仅能够在5s（从t=5s到t=10s）内从1pu（每单位）将功率斜降到0pu。在t=5s之前，占空比为0，不激活功率消耗电路105以消耗任何功率。在t=5s，存在利用2.5s之内的功率斜降关闭涡轮机的请求（类似于第二幅曲线图202中所示的分布）。因此在t=5s，通过从参考发电机功率P_generator（曲线图201）减去期望涡轮机功率P_grid（曲线图202），开始计算前馈功率信号P_FF。

在5s<t<7.5s时，可以看出，期望涡轮机功率P_grid比参考发电机功率P_generator以更快速率减小，导致两个功率值之间的差异增大。因此，前馈功率信号P_FF增大。这导致用于操作功率消耗电路105的占空比增大。在7.5s<t<10s时，期望涡轮机功率已经减小到零，但发电机功率P_generator的值仍然在减小。因此，前馈功率信号P_FF也减小，导致占空比减小。不过在这期间，功率消耗单元105仍然在操作，以消耗功率，确保涡轮机功率输出保持为零，因为仍然有来自发电机的功率。在t=10s，占空比为零，因为发电机功率和涡轮机功率都已达到零，无需消耗任何功率以使期望涡轮机功率为零。

因此，可以看出，根据实施例用于功率消耗电路105的控制算法允许涡轮机实现如图202所示的快速斜降速率，这比发电机的斜降速率更快。在图4中，将期望涡轮机功率从1pu斜降到0pu。不过应当指出，本发明不限于将涡轮机输出功率从1pu减小或斜降到0pu。根据实施例，可以将涡轮机功率从Xpu斜降到Ypu，其中Y具有比X更低的值。还应当指出，涡轮机功率的斜降速率（即曲线图202）不必有参考发电机功率输出（即曲线图201）的两倍快。在其他实施例中，可以根据系统或电网要求，在1秒之内或其他时间之内将涡轮机功率降低到0pu。

图5示出了根据另一实施例用于控制功率消耗电路105的操作的控制算法。在图5的控制算法中，获得参考DC链路电压V_{dc_ref}211和实际DC链路电压V_dc210。在本实施例中，接下来将参考DC链路V_{dc_ref}和实际DC链路电压V_dc都求平方。获得实际DC链路电压203和参考DC链路电压202平方之间的差异作为平方DC链路误差电压205。PI（比例积分）控制器201接收DC链路误差电压205作为输入，并输出DC链路误差功率206。如果DC链路误差功率206具有负值，使用限制器212将DC链路误差功率206的值限制到零。根据实施例，控制算法还包括确定前馈功率信号P_FF207。如前所述，前馈功率P_FF是参考发电机功率和期望涡轮机功率之间的差异。

要消耗的总功率P_total209是DC链路误差功率206和前馈功率P_FF之和。类似于图3中所示的控制算法，可以使用方程（2）确定能够被功率消耗电路消耗的最大功率。

确定要消耗的总功率P_total和最大功率P_max之比作为用于操作功率消耗电路的占空比，即：

$\mathrm{DR}=\frac{P_{\mathrm{total}}}{P_{\max }}---\left(4\right)$

其中DR为占空比。由于总功率P_total始终小于最大功率P_max，所以占空比的值是从0到1。

在正常条件下，由DC链路控制器将DC链路的电压控制到预设的DC链路电压。预设的DC链路电压是在正常情况下在DC链路维持的电压电平。将参考DC链路电压V_{dc_ref}211预定义或设置为高于这一预设DC链路电压的值。因此，在正常情况下，DC链路误差功率206为负，因为DC链路电压210（被调节到预设的DC链路电压）的值低于参考DC链路电压211。然后由限制器212将DC链路误差功率206的这个负值限制到零。由于前馈功率将大约为零（除非已经指示涡轮机关机），P_total也是零。因此，占空比为零，不激活斩波电路105。

在指示涡轮机关机时，前馈功率P_FF变为非零。这导致总功率P_total变为非零。因此，占空比现在将具有0和1之间的非零值。根据参考发电机功率和期望涡轮机功率，占空比可以遵循图4第三曲线图203所示的分布曲线。占空比的非零值导致功率消耗电路被激活，由此消耗通过DC链路的功率。例如，在占空比的值为0.5时，在一个占空比中50%的时间内激活或打开斩波电路。因此，可以通过期望速率斜降涡轮机输出功率。

还可以具有使能信号，其使得控制算法能够仅在检测到使能信号时考虑前馈功率信号。仅可以在检测到涡轮机关机信号时才产生这一使能信号。在控制算法未检测到这一使能信号时，控制算法忽略前馈功率信号，仅基于DC链路电压V_dc激活功率消耗单元。这提高了控制算法的鲁棒性。

已经参考图2所示基于全量程转换器的涡轮机描述了图5的控制算法。应当指出，参考图5描述的控制算法还适用于DFIG系统中。在图2所示基于全量程转换器的涡轮机中，如果电网侧转换器111的输出和电网107之间的任何功率损耗被假定为可以忽略，由电网侧转换器111传输的功率大致与供应到电网107的功率相同。类似地，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，供应到发电机侧转换器110的功率大致与发电机101产生的功率相同。在DFIG系统中，供应到电网的功率是电网侧转换器111传输的功率和通过定子绕组传输的功率之和。还应当指出，在其他实施例中也可以利用P（比例）控制器或PID（比例积分导数）控制器替代PI控制器201。

图6示出了根据实施例用于操作风力涡轮机中功率消耗单元的方法的流程图。步骤300包括接收用于减小或斜降从风力涡轮机输出的功率的请求。用于减小功率输出的该请求可以是关闭风力涡轮机的请求。

步骤310包括基于参考发电机功率和期望涡轮机功率确定前馈功率。在实施例中，基于所述参考发电机功率和所述期望涡轮机功率之间的差异确定所述前馈功率信号。步骤320包括基于所述前馈功率信号操作所述功率消耗单元。在实施例中，占空比用于操作功率消耗单元。较早参考图2描述的斩波电路是功率消耗单元的范例。在实施例中，占空比是要被功率消耗单元消耗的功率和功率消耗单元能够消耗的最大功率之间的比率。在一实施例中，要消耗的功率是DC链路误差和前馈功率信号之和。然后重复步骤300到320，从而不断更新占空比。

应当强调的是，上述实施例是仅仅为了清楚理解本发明原理而阐述的实施方式的可能范例。本领域的技术人员可以对上述实施例做出很多变化和修改，在此所述变化和修改意在包括在以下权利要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种变速风力涡轮机，包括：

发电机；

功率转换器，其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、电网侧转换器以及所述发电机侧转换器与所述电网侧转换器之间的DC（直流）链路；

操作性耦合到所述DC链路的功率消耗单元；以及

控制器，其中所述控制器适于：

接收用于减小从所述风力涡轮机输出的功率的请求；

根据参考发电机功率和期望涡轮机功率之间的差异确定前馈功率信号，所述参考发电机功率包括所述发电机的斜降功率分布，并且所述期望涡轮机功率包括期望斜降功率分布；以及

基于所述前馈功率信号操作所述功率消耗单元，使得以期望速率减小从所述风力涡轮机输出的功率。

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，其中所述控制器适于通过确定用于激活所述功率消耗单元的占空比来操作所述功率消耗单元。

4.根据权利要求3所述的变速风力涡轮机，其中所述控制器适于通过如下方式产生所述占空比：

确定将由所述功率消耗单元消耗的功率；

确定能够由所述功率消耗单元消耗的最大功率；以及

确定将被消耗的所述功率与所述最大功率的比率，由此获得所述占空比。

5.一种操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机具有发电机、功率转换器以及功率消耗单元，所述功率消耗单元操作性耦合到用于转换由所述发电机产生的电功率的至少一部分的所述功率转换器，所述方法包括：

接收用于减小从所述风力涡轮机输出的功率的请求；

根据参考发电机功率和期望涡轮机功率之间的差异确定前馈功率信号，所述参考发电机功率包括所述发电机的斜降功率分布，并且所述期望涡轮机功率包括期望斜降功率分布；以及

基于所述前馈功率信号操作所述功率消耗单元，使得以期望速率减小从所述风力涡轮机输出的功率。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括产生用于操作所述功率消耗单元的占空比。

7.根据权利要求6所述的方法，其中产生所述占空比包括：

确定将由所述功率消耗单元消耗的功率；

确定能够由所述功率消耗单元消耗的最大功率；以及

确定将被消耗的所述功率与所述最大功率的比率，由此获得所述占空比。