CN104114858B - 用于风力涡轮机的受控关闭的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机的受控关闭的方法。该方法涉及使用发电机侧变换器和可选的DC斩波器在受控关闭期间作为发电机负载。通过这种方式，可以避免变速箱后冲和传动系统振动。本发明还涉及一种风力涡轮机，其能够根据上述方法实施受控关闭。

Description

用于风力涡轮机的受控关闭的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的受控关闭的方法和系统。更具体而言，本发明涉及一种适于避免风力涡轮机变速箱的后冲(backlashing)、传动系统振动以及类似不期望的影响的方法和系统。
背景技术
当前的风力涡轮发电机转矩负载通常被实施为具有固定转矩曲线的无源电阻器。如果这种电阻性卸载负载(dump load)被用于发电机负载，电阻器的磨损和毁坏以及风力涡轮机传动系统上的不必要的负载就会经常发生。
US7,605,488总体上公开了怎样使用卸载负载来减少风力涡轮机变速箱的后冲。显然地，在US7,605,488中卸载负载消耗的功率量是通过改变卸载负载可用的度来控制。例如参见第3栏第10行。这里详细描述了“...卸载负载5被部分或全部激活...”。因此，消耗的功率量通过调整卸载负载的容量来改变。
在US7,605,488中建议的系统的缺点是卸载负载的容量只能在离散的步骤中改变。卸载负载的容量增量的变化(增加或减少)可能意外地引起在变速箱中生成负载反转的事件。
本发明的实施例的目的可以看作是提供一种方法和系统，所述方法和系统允许风力涡轮机的受控关闭，以避免风力涡轮机变速箱的后冲、传动系统振动等。
本发明的实施例的另一目的得益于发电机侧变换器的控制性，以在不引入变速箱后冲、传动系统振动等情况下确保风力涡轮机的受控关闭。
发明内容
如上所述的目的在第一方面通过提供用于关闭风力涡轮机的方法来实现，所述风力涡轮机包括：
-发电机，所述发电机经由传动系统连接到一组可旋转转子叶片，
-功率变换器。所述功率变换器包括由中间DC电路分开的发电机侧变换器和电网侧变换器，以及
-功率消耗或功率存储设备，所述功率消耗或功率存储设备可操作地连接到所述中间DC电路。
所述方法包括如下步骤：以使得传动系统转矩在风力涡轮机的关闭期间具有恒定的方向的方式来操作发电机侧变换器作为发电机负载。
根据本发明的方法优选地适用于全尺寸(full-scale)风力涡轮机设备，其中由发电机生成的所有功率通过功率变换器。所述传动系统可选地包括变速箱。
根据本发明的第一方面，如果风力涡轮机变速箱中的负载反转被检测到，则发电机侧变换器可以被应用为对于发动机的负载。根据由发电机转矩-转速曲线导出的功率参考来应用发电机侧变换器的负载。
如果由发电机侧变换器提供的负载不足以维持传动系统转矩的恒定方向，则所述方法还包括以下步骤：以使得传动系统转矩在风力涡轮机的关闭期间具有恒定的方向的方式在功率消耗或存储设备中消耗或存储受控量的过多功率。因此，如果发电机侧变换器产生的负载不足，则功率消耗或功率存储设备被激活并且发电机侧变换器以受控方式将功率提供至所述功率消耗或功率存储设备。这可以有益地允许功率消耗或功率存储设备独立于发电机侧变换器控制器而以受控的方式从系统中移除过多的功率，而不需要复杂的控制，从而调整传给功率消耗或功率存储设备的功率的量。
所述功率消耗或功率存储设备包括诸如电阻器、电池、电容器等等的设备。
本发明的总体优点是有助于更快的风力涡轮机关闭。而且，这对于风力涡轮机的传动系统是更温和的。这些优点通过采用主动控制方案替换传统的被动控制方案来实现。而且，风力涡轮机的受控关闭可以由部分作用的功率变换器且在包括电网故障的情况下执行。
在第二方面中，本发明涉及一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括
-发电机，所述发电机经由传动系统连接到一组可旋转转子叶片，
-功率变换器，所述功率变换器包括由中间DC电路分开的发电机侧变换器和电网侧变换器，以及
-功率消耗或功率存储设备，所述功率消耗或功率存储设备可操作地连接到所述中间DC电路。
其中所述发电机侧变换器适用于以使得所述传动系统转矩在风力涡轮机的关闭期间具有恒定方向的方式被应用为发电机负载。
此外，可以根据由发电机转矩-转速曲线导出的功率参考来应用发电机侧变换器的负载。
优选地，根据第二方面的风力涡轮机是全尺寸风力涡轮机设备，其中由发电机产生的所有功率通过所述功率变换器。所述传动系统可选地包括变速箱。
所述功率消耗或功率存储设备包括诸如电阻器、电池、电容器等的设备。
仅所述发电机侧变换器的负载就足以维持恒定的传动系统转矩方向。如果这样，则所述功率消耗或功率存储设备可以被激活并且因此接收由所述发电机侧变换器至少部分地控制的过多量的功率，使得所述传动系统转矩在风力涡轮机的关闭期间具有恒定方向。
附图说明
现在参考以下附图来更详细地解释本发明，其中
图1示出了风力涡轮机，
图2示出了两种关闭方案的流程图，以及
图3示出了在运行终了(rundown)期间用于设置功率参考的典型转矩转速曲线。
虽然本发明允许各种改变和替代形式，但是这里通过示例的方式公开了特定实施例。然而，应该理解的是本发明并不旨在限于公开的特定形式。相反地，本发明覆盖落入所附权利要求限制的本发明的精神和范围之内的所有修改、等同物和替换。
具体实施方式
在最通常的方面，本发明涉及一种用于风力涡轮机的受控关闭(也被称为运行终了)的系统和方法。通过受控关闭意味着风力涡轮机可以关闭而一般不会在传动系统中，并且具体地在风力涡轮机变速箱中，引起后冲和其他负载反转事件。通过实施本发明，能够显著减少由于传动系统上不需要的负载导致的磨损和损毁。
参考图1，描述了全尺寸风力涡轮机设备。一组可旋转安装的转子叶片1通过包括变速箱2的传动系统来驱动发电机3的转子。AC卸载负载4连接至发电机3。在紧急情况下，AC卸载负载4被激活，并且风力涡轮机达到立即控制。在紧急关闭之后一般花费30分钟使AC卸载负载4冷却。
还设置了包括发电机侧变换器6和电网侧变换器7的功率变换器5。所述发电机侧6和电网侧变换器7由操作地连接到DC斩波器8的中间DC电路分开。图1中所示的直流斩波器包括电阻性卸载负载。然而，它还可以包括一个或多个电池和/或一个或多个电容器形式的功率存储设备。变换器控制器9控制整个功率变换器5的操作。
生成的AC功率通过三相断路器10和电网变压器11馈送至相关的AC网12。所述电网变压器11使得变换器电压获得合适的电压水平。
在例如突然电网崩溃和/或电网侧变换器发生故障的情况下，传动系统一般在控制系统操作关闭风力涡轮机之前开始振动。振动的传动系统可能在风力涡轮机变速箱中导致不可控的后冲。然而，如果传动系统转矩的方向能够在电网/电网侧变换器故障期间保持恒定，则能够避免变速箱后冲。
根据本发明，在电网/电网侧变换器发生故障期间，发电机侧变换器6用作主动的、并且因此是可控的发电机负载。因此，通过主动控制发电机侧变换器6，可以避免传动系统振动以及相关的传动系统负载反转。如果在关闭期间发电机功率超过发电机侧变换器的容量，则DC斩波器就会被激活，并且过多的功率被消耗或存储在其中。
在图2中示出了两种不同类型的受控关闭序列，即“关闭序列1”和“关闭序列2”。两个关闭序列都中止于风力涡轮机与电网断开连接，即发电机侧变换器和电网侧变换器的关闭。关闭序列的选择取决于所检测到的故障类型。例如，如果网侧变换器发生故障，则选择关闭序列2。
在正常运行期间，风力涡轮机由外部功率控制回路进行控制，其中被馈送至电网的有功功率(P)的量和无功功率(Q)的量用作反馈参数。在关闭序列1和2期间，该外部P和Q功率回路是不可用的。相反，转矩相对于发电机速度的曲线被引入以控制发电机侧变换器6。
如图2中所描述的，关闭序列1和2二者都包括应用于发电机侧变换器的运行终了模式序列。
现在参考图2的关闭序列1分支，在电网侧变换器被激活时执行发电机侧变换器的运行终了模式。该设备DC链路电压水平由电网侧变换器监控，并且有功(和/或无功)功率根据DC链路电压被馈送至到电网中。
在图2的关闭序列2分支中，电网侧变换器是不可用的，并且DC斩波器控制被激活，即DC斩波器监控DC链路电压并且如果DC链路电压增大到高于DC链路的正常电压水平时自动激活所述DC斩波器。
公共运行终了模式序列提供温和的关闭序列，其旨在通过将正转矩施加到传动系统来保护变速箱在速度陡降时不后冲。当接收到运行终了模式请求时，变换器系统将状态改变成“运行终了”，同时运行终了模式被激活。在运行终了模式期间，发电机保持连接和受控，直到转子速度变得接近低速极限。通过这种方式，在减速期间，没有负转矩并且由此没有变速箱后冲生成，直到零功率速度，其中发电机与电网断开连接。
在初始化运行终了模式之前，来自外部功率回路的实际功率参考被设置成运行终了模式期间的最大功率极限。因此，实际的功率参考在运行终了模式期间被存储并且应用为限制最大的功率参考。
如上所述，外部功率回路不可用意味着对于发电机侧变换器的正常功率参考也不再可用。相反地，发电机侧变换器由根据例如转矩转速曲线，即转矩相对于发电机速度的关系曲线导出的新的功率参考值来控制。在图3中示出了由11点接近的转矩转速曲线的示例。因此，通过不可用的外部功率回路，用于发电机侧变换器的新的功率参考经由转矩速度曲线从发动机速度导出。
需要注意的是，用于发电机侧变换器的新的功率参考也可以根据多项式方程导出。

Claims (11)

1.一种用于关闭风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括：
-发电机，所述发电机经由传动系统连接到一组可旋转转子叶片，
-功率变换器，所述功率变换器包括由中间DC电路分开的发电机侧变换器和电网侧变换器，
-功率消耗或功率存储设备，所述功率消耗或功率存储设备可操作地连接到所述中间DC电路，
所述方法包括如下步骤：以使得传动系统转矩在所述风力涡轮机的关闭期间具有恒定方向的方式操作所述发电机侧变换器作为发电机负载。
2.根据权利要求1所述的方法，其中根据由发电机转矩-转速曲线导出的功率参考来应用所述发电机侧变换器的负载。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中操作所述发电机侧变换器包括以使得所述传动系统转矩在所述风力涡轮机的关闭期间具有恒定方向的方式来操作所述发电机侧变换器，以控制在所述功率消耗或功率存储设备中消耗或存储的功率的量。
4.根据权利要求1或2所述的方法，当所述传动系统转矩低于预定极限时，所述发电机侧变换器被用作发电机负载。
5.根据权利要求1或2所述的方法，还包括将所述电网侧变换器设置为未激活操作模式的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括使所述风力涡轮机与相关的电网断开连接的步骤。
7.一种风力涡轮机，包括：
-发电机，所述发电机经由传动系统连接到一组可旋转转子叶片，
-功率变换器，所述功率变换器包括由中间DC电路分开的发电机侧变换器和电网侧变换器，
-功率消耗或功率存储设备，所述功率消耗或功率存储设备可操作地连接到所述中间DC电路，
其中所述发电机侧变换器适于以使得传动系统转矩在所述风力涡轮机的关闭期间具有恒定方向的方式被应用为发电机负载。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中根据由发电机转矩-转速曲线导出的功率参考来应用所述发电机侧变换器的负载。
9.根据权利要求7或8所述的风力涡轮机，其中所述功率消耗或功率存储设备适于接收所述发电机侧变换器所控制的过多量的功率，使得所述传动系统转矩在所述风力涡轮机的关闭期间具有恒定的方向。
10.根据权利要求7或8所述的风力涡轮机，其中所述功率消耗或功率存储设备包括电阻器、电容器或电池。
11.根据权利要求7或8所述的风力涡轮机，其中所述传动系统包括变速箱。
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