CN104343630B - 风轮机中电压下降期间的智能功率管理 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在风轮机中出现电压下降时降低机械载荷的方法。风轮机发电机控制器和转换器控制单元联合工作以控制风轮机(100)中由于电压下降产生的振荡。在扭矩峰值发生前，所述方法在功率恢复中应用渐变以允许增大的DTD抑制振荡。所述方法包括以下步骤：通过转换器控制单元传送最大有效功率值到风轮机发电机控制器。下一步骤是，为设定值设置饱和值以增大传动系限制。在下一步骤中，对风轮机发电机的功率设定值应用渐变。以及最后，增大的传动系阻尼被应用到功率的渐变值以降低风轮机中的机械载荷并抑制风轮机发电机中的振荡。

Description

风轮机中电压下降期间的智能功率管理

技术领域

本发明总体上涉及风轮机，而且更具体地，涉及风轮机中电压下降期间通过智能功率管理降低机械载荷的方法。

背景技术

风轮机将风的动能转换成电能，电能随后被传送到风电场的变电站。通常，在风轮机中，机舱将组件连同把机械能转换成电的传动系一起收容在其中。风轮机中的传动系通常是指转子、转子轴、齿轮箱、发电机轴、联结器和发电机的组件。风轮机被设计成能够承受多种现场运行情况(常规运行、极端阵风、电网损耗、叶片受阻等)。

如今，风轮机对电网的影响不再是微不足道的，因此，网络运营者正制定更严格的风轮机电网连接要求。这些要求中的一些要求被限定在不与电网断开时风轮机必须能够承受的电压下降和电网从电压下降恢复之后恢复功率生产(Power production)的最大时间方面。

对于风轮机而言，电压下降情况是最难操作情况中的一个。电网中电压下降的出现引起瞬变，其不仅影响风轮机的电气性能，而且影响风轮机的机械性性能。在干扰网络的情况下，当电压低于一定值，由于电气限制，将强制减少风轮机的功率生产。由于电压下降动态非常快，这种减少被要求以突然的方式进行。在短的时间内获得这种减少的唯一方法是通过减小发电机的扭矩。扭矩下降激起传动系达到共振频率，导致传动系振荡。考虑到气动扭矩保持不变(相同的风速和螺距角)，由于发电机扭矩与转子扭矩之间的差值，发电机速度增加。如果超速保护系统被触发，风轮机将从电网断开并停止，其不符合网络运营者要求。因此，第一目的是在干扰期间限制发电机速度。这必须做到而不产生其它类型的警报并且保持足够的气动扭矩以在网络运营者要求的短时间内恢复电压下降之前的功率生产。

如之前所述的，网络运营者要求不仅限定风轮机必须能够承受的电压下降，而且限定电网从电压下降恢复之后恢复功率生产的最大时间。如任何闭环中一样，在达到稳定状态之前，风轮机发电机扭矩控制将展示出最大超越量并且抑制振荡。该最大扭矩超越量高度地依赖于控制在应用的扭矩值方面提供扭矩恢复的方法和在它的自然频率时传动系振荡相位，其已经被伴随电压下降的快速扭矩改变所激起。因此，当从电压下降恢复时，系统的瞬态响应将取决于随后的控制逻辑。

过去已经使用了一些在电压下降瞬变期间关注于改变当前传动系阻尼器操作的控制方法。这些逻辑没有改善发电机扭矩和螺距角被控制的方式以满足使得最大超越量最小化的设定时间要求，整合传动系行动以获得传动系主频率振荡模式的最好阻尼的最好方式或改善转换器控制器和风轮机控制器协作的方法。在另一途径中，在电气设计方面提供解决方案：利用具有能够减小传动系中的扭矩超越量的制动斩波器的完整转换器。这种方法需要安装新的风轮机发电机以及额外的费用。

发明内容

在此所致力于解决的上述缺点、不利情况和问题将通过阅读和理解下述说明而得以理解。

本发明涉及在风轮机中电压下降期间降低机械载荷的方法。风轮机具有传动系、风轮机发电机、风轮机发电机控制器和转换器控制单元。风轮机发电机控制器和转换器控制单元联合工作以控制风轮机100中由于电压下降产生的振荡。所述方法：应用最佳的螺距参考以使得振荡最小化，避免超速值，并且保持足够的气动扭矩以在电网恢复之后的短时间内恢复功率生产。以不同的速度应用受控的渐变的功率参考并且如果有需要的话用一阶滤波器过滤它从而当从电压下降恢复、满足设定时间要求并且以最好的方式整合传动系阻尼器行动时减少扭矩超越量。所述方法包括风轮机控制器从转换器控制单元接收信息以知悉电压下降正在发生的步骤。在下一步骤中，风轮机控制器计算当前的气动扭矩和扭矩相对于螺距角的导数以在电压下降的任何时刻知悉剩余气动扭矩，最小的螺距速度被应用以避免发电机超速，保持足够的气动扭矩以在下降之后恢复功率生产。在电网从电压下降恢复之后，最大功率或扭矩值通过转换器控制单元被传送到风轮机控制器。相对于该瞬间限制，风轮机控制器通过减去一补偿值计算更限制性的限制以确保可能应用DTD扭矩或功率参考。根据传动系振荡使用不同的速度计算发电机扭矩或功率参考，以使得瞬态扭矩超越量最小化并且增大对传动系本征频率振荡模式的阻尼，考虑到最大功率或扭矩计算值和设定时间限制。如果有需要的话，用一阶滤波器过滤该参考。而且最后，增大的传动系阻尼被应用到渐变的参考以将额外的阻尼增加到传动系本征频率振荡模式。

鉴于下述示例性具体实施方式的详细描述，其他方面对于本领域技术人员而言将变得显而易见，所述示例性具体实施方式示出了目前能想到的实施本发明的最佳方式。

附图说明

下面将连同附图描述本发明的优选实施方式，提供附图是为了说明而非限制本发明，其中相似的标号指代相似的元件，且其中：

图1示出了根据本公开的一个实施方式的风轮机透视图；

图2示出了根据图1中所示的实施方式的机舱连同传动系的侧视图；

图3示出了根据本公开的实施方式的用于智能功率或扭矩管理的WTG控制器和转换器控制单元之间的连通的方块图；

图4是图1中所示的风轮机的二质量扭力弹簧和阻尼传动系模型；

图5是示例根据本公开实施方式降低风轮机上的机械载荷的方法中所涉及步骤的流程图；

图6a和6b示出了当根据传动系振荡从电压下降恢复时发电机扭矩或功率参考速度如何变化。当振荡位于正半平面时，速度较高；以及

图7a-7c示出了当风轮机遭受电压下降情况时应用本发明的有益效果。

具体实施方式

本公开能够采用多种不同的形式，为了促进对本公开的原则的理解，现在参考附图所示的实施方式，且采用特定的语言描述实施方式。并非旨在限制本公开的范围。对所述实施方式的各种不同的变型、进一步的修改以及对本公开原则的任何进一步的应用，都是可预期的。

本发明指向在电网中的电压下降期间和当从电压下降不停止地恢复时降低风轮机机械载荷的方法。风轮机具有传动系、风轮机发电机、风轮机控制器和转换器控制单元。风轮机控制器和转换器控制单元联合工作以使得在风轮机100中由于电压下降所产生的振荡最小化。所述方法：应用最佳的螺距参考以使得振荡最小化，避免超速值，并且保持足够的气动扭矩以在电网恢复之后的短时间内恢复功率生产。以不同的速度应用受控的渐变的功率参考从而当从电压下降恢复、满足设定时间要求并且以最好的方式整合传动系阻尼器行动时减少扭矩超越量。所述方法包括风轮机控制器从转换器控制单元接收信息以知悉电压下降正在发生的步骤。在下一步骤中，风轮机控制器计算当前的气动扭矩和扭矩相对于螺距角的导数以在电压下降的任何时刻知悉剩余气动扭矩，最小的螺距速度被应用以避免发电机超速，保持足够的气动扭矩以在下降之后恢复功率生产。在电网从电压下降恢复之后，最大功率或扭矩值通过转换器控制单元被传送到风轮机控制器。相对于该瞬间限制，风轮机控制器对先前的值减去一补偿值计算更限制性的限制以确保可能应用DTD(传动系阻尼器)扭矩参考。根据传动系振荡使用不同的速度计算发电机扭矩或功率参考，以使得瞬态扭矩超越量最小化并且增大对传动系本征频率振荡模式的阻尼，考虑到最大功率或扭矩计算值和设定时间限制。如果有需要的话，用一阶滤波器过滤该参考。而且最后，增大的传动系阻尼被应用到渐变的参考以将额外的阻尼增加到传动系本征频率振荡模式。

图1是表示根据本公开的示例性实施方式的风轮机100的侧视图。示例的风轮机100包括垂直竖立在基座104上的风轮机塔(以下称为“塔”)102，以及安装在塔102的上端的机舱106，以及安装在机舱106前端以便绕着大致水平的横向转动轴线X1-X1被可旋转地支撑的转子头部108。转子头部108具有以放射状绕其转动轴线安装的多个风轮机叶片110(例如，如图1中所示的三个)。因此，从转子头部108的转动轴线的方向吹向风轮机叶片110的风力被转化为使得转子头部108绕转动轴线转动的动力。由风轮机100产生的可用电力通过电力输电线被供应到变电站。测量周围风速值的风速计(图中未示出)以及测量风向的风向仪(未示出)被设置在机舱106的外围表面的适当位置(例如，在顶端等)。

图2示出了根据图1中所示实施方式的机舱106的透视侧视图。机舱106包括作为风轮机100的传动系的一部分的各种不同组件。机舱106包括转子轴112、齿轮箱114、发电机轴116、联结器118和风轮机发电机120(WTG)或发电机120。作为风轮机叶片110运动的结果，转子轴112被转动。转子轴112伸入齿轮箱114。齿轮箱114的输出轴称为发电机轴116。发电机轴116经由联结器118与发电机120的输入轴122相连接。

风轮机100进一步包括转换器控制单元124和风轮机控制器126或WTG控制器126。转换器控制单元124和WTG控制器126如图3所示地彼此电连通。WTG控制器126接受来自转换器控制单元124的输入并且送回控制信号。转换器控制单元124从不同的传感器获得电气测量并将控制信号送到风轮机100的电气部件。根据本公开的实施方式，转换器控制单元124和WTG控制器126联合工作以控制风轮机100中由于电压下降所产生的振荡。所述方法：应用最佳的螺距参考以使得振荡最小化，避免超速值，并且保持足够的气动扭矩以在电网恢复之后的短时间内恢复功率生产。以不同的速度应用受控的渐变的功率参考从而当从电压下降恢复、满足设定时间要求并且以最好的方式整合传动系阻尼器行动时减少扭矩超越量而且如果有必要的话用一阶滤波器过滤它。

在系统的稳定性分析中，当分析系统对强干扰的响应时，系统的发电机轴必须接近至少一个二质量模型，如Xing等人的论文“DFIG风轮机的传动系的阻尼控制研究”，2009，中所讨论的。在目前情况下，系统是风轮机100并且出现在风轮机100中的电压下降被视为干扰。

图5示出了流程图200，其示例了根据本公开实施方式降低风轮机100上的机械载荷的方法中所涉及的步骤。最初，在步骤202，一指示被WTG控制器126接收。该指示由转换器控制单元124发送。该指示表示风轮机100中电压下降的出现。电压下降的出现影响风轮机100的电气性能和机械性能。在电压下降之前，发电机120速度是稳定的(受控的)并且被传送的扭矩T_t(气动扭矩)等于稳定的发电机扭矩T_g。每当电压下降出现，其引起发电机扭矩突变。由于T_t与T_g之间的差值，发电机扭矩的突然变化激起传动系处于它的共振频率而且发电机120加速。在步骤204，WTG控制器126计算气动扭矩和扭矩相对于螺距角的导数以在电压下降的任何时刻知悉剩余气动扭矩。在每一个计算步骤中，通过对电压下降开始时的初始气动扭矩减去扭矩相对于螺距角的导数乘以自电压下降开始时刻的总螺距角增量的结果，剩余扭矩可以被估算。在步骤206，考虑到剩余被传送的扭矩T_t(气动扭矩)，WTG控制器126指令螺距系统130以计算的特定速度朝向顺桨移动以避免发电机超速。在这一点上，主要目的是避免超速警报触发但其必须损害尽可能少的恢复时间要求。为了做到这一点，在下降的开始，计算螺距移动速度指令仅考虑发电机速度演变(速度和加速度值)和物理限制(螺距系统限制)，随着下降发展，螺距速度指令的计算不仅取决于先前的评价因素而且还取决于剩余被传送的扭矩T_t。通过使用固定的最大螺距速度乘以物理限制的每一单位收益，每一个因素(发电机速度、加速度、剩余被传送的扭矩)的贡献可以被评估。发电机速度和加速度因素的权重高于剩余被传送的扭矩T_t，由于电压下降转变的这一部分中的主要目的是避免超速警报。剩余被传送的扭矩T_t的演变取决于风轮机的空气动力学特征和转子惯性。作为一个参考值，可以认为该因素不会影响螺距位置演变直到剩余被传送的扭矩T_t低于初始值的80％。另一方面，作为一个参考值，如果发电机速度高于0.96％，被传送的扭矩T_t因素对最终的螺距速度参考的影响是可以忽略不计的。

随后，在步骤208，电网从电压下降恢复，根据标准控制法计算螺距参考。转换器控制单元124计算并发送给WTG控制器126最大功率或扭矩值。最大有效功率可被计算为最大有效电流产生值乘以电网电压的值。

在步骤210，风轮机控制器为有效功率或扭矩参考计算最大饱和设定值，通过对来自于转换器控制单元124的值减去一补偿值，以确保应用DTD扭矩参考是可能的。

随后，在步骤212，根据传动系振荡(图6)使用不同的速度计算发电机扭矩或功率参考，以使得瞬态扭矩超越量最小化并且增大对传动系本征频率振荡模式的阻尼，考虑到最大功率或扭矩计算值和设定时间限制。如果需要，用一阶滤波器过滤该参考。

而且最后在步骤212，传动系阻尼器(DTD)额外扭矩或有效功率被增加到先前的参考，该先前的参考引起被传送到转换器控制单元124的最后指令。

本发明的应用允许风轮机在电压下降情况时保持运行没有停止，减少传动系扭矩超越量50％以上(图7)。

在本公开的实施方式中，所述算法能够通过使用者将参数值从一设置到零而失效。

在本公开的实施方式中，风轮机100是双馈风轮机100。双馈风轮机100允许发电机输出电压和频率保持在恒定值。但是，没有断开时由于抵抗电压下降，双馈风轮机100被额外载荷影响。在该实施方式的另一示例中，风轮机发电机120使用完整的转换器技术，其中传动系被电压下降影响。应该认识到该算法也适用于那些具有完整的转换器技术而没有制动斩波器的风轮机。如果风轮机发电机120具有制动斩波器，那么制动斩波器能够耗尽电网侧转换器不能传送到电网的有效功率。在此情况下，随后传动系不会被电压下降影响，因为没有由于电压下降的扭矩变化。

在此陈述的任何理论、工作机制、证明或发现旨在进一步提高对本公开的原则的理解，且不是旨在使得本公开以任何方式依赖于这些理论、工作机制、示例性实施方式、证明或发现。应该了解到，虽然上述描述中采用了文字优选、优选地或优选的，表示所描述的特征可能是更期望的，但是并非必要的，并且缺乏同样内容的实施方式在由下述权利要求所定义的本公开的范围内是可以预期的。

当阅读权利要求时，当其采用文字例如“一个(a)”、“一个(an)”、“至少一个”、“至少一部分”时，不是旨在将权利要求限制到仅仅一个项目，除非在权利要求中明确表述相反。当采用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非明确表述相反。

应当了解，仅仅示出和描述了选择的实施方式，此处所定义的本公开或者下述任何权利要求的精神内的所有可能的替代、修改、各方面、组合、原则、变型和等同物，也是期望被保护的。本公开的实施方式已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了，同样也被认为是示例并且不是旨在穷尽的或者将本公开限制到所揭示的精确形式。另外的替代、修改和变型对于本领域技术人员而言是显而易见的。同时，当介绍多个发明方面或原则时，他们不需要被组合利用，并且在上文提供的不同实施方式的启发下，本发明的各方面和原则的各种不同组合是可能的。

Claims (10)

1.一种当风轮机遭受电网电压下降时在风轮机中降低机械载荷的方法，所述风轮机具有传动系、转换器控制单元以及风轮机发电机控制器，所述方法包括：

由风轮机发电机控制器接受来自转换器控制单元的指示，所述指示表示风轮机中的电压下降；

指令叶片的螺距角朝向顺桨位置以特定的速度移动；

在电压下降恢复后，由转换器控制单元传送最大有效功率产生值到风轮机发电机控制器；

为传动系设置设定值的饱和值以确保正确的传动系阻尼器行动应用，所述饱和值取决于最大有效功率由转换器控制单元设置；

考虑到网络运营者设定时间限制，根据传动系阻尼器行动以不同的速度渐变地加大功率或扭矩设定值以赶上功率的渐变值；

应用一阶滤波器来减弱更多扭矩超越量；

将传动系阻尼器扭矩指令应用到渐变的功率参考，以降低风轮机中的机械载荷并且抑制风轮机发电机中的振荡。

2.如权利要求1所述的方法，其中，考虑到剩余被传送的气动扭矩T_t计算螺距移动速度以避免发电机超速。

3.如权利要求1所述的方法，其中，通过一算法来计算电压下降任何时刻的剩余气动扭矩，所述算法使用初始气动扭矩和扭矩相对于螺距角的导数作为参数。

4.如权利要求1所述的方法，其中，最大饱和有效功率或扭矩值被设置为由转换器控制单元传送的最大有效功率减去一可变的补偿值以确保正确的传动系阻尼器扭矩参考应用。

5.如权利要求1所述的方法，其中，风轮机发电机是双馈感应发电机。

6.如权利要求1所述的方法，其中，风轮机发电机采用完整的转换器技术，其中传动系受到电压下降的影响。

7.如权利要求1所述的方法，其中，在电压下降期间以及在电压下降被清除之后使用所述方法。

8.如权利要求1所述的方法，进一步包括使所述方法无效的步骤。

9.如权利要求1所述的方法，其中，最大有效功率被计算为通过转换器最大有效电流产生值乘以电网电压的值。

10.一种在风轮机中电压下降期间的智能功率管理的方法，所述方法包括：

接收来自转换器控制单元的指示，所述指示表示风轮机中的电压下降；

指令叶片的螺距角朝向顺桨位置以特定的速度移动；

在电压下降恢复后，由转换器控制单元传送最大有效功率产生值到风轮机发电机控制器；

为传动系设置设定值的饱和值以确保正确的传动系阻尼器行动应用，所述饱和值取决于最大有效功率由转换器控制单元设置；

考虑到网络运营者设定时间限制，根据传动系阻尼器行动以不同的速度渐变地加大功率或扭矩设定值以赶上功率的渐变值；

应用一阶滤波器来减弱更多扭矩超越量；

将传动系阻尼器扭矩指令应用到渐变的功率参考，以降低风轮机中的机械载荷并且抑制风轮机发电机中的振荡。