CN105556116B - 切换电构造时的风力涡轮机的速度管理 - Google Patents

Abstract

为了在不同的风速下有效地运行风力涡轮机，所述风力涡轮机可以被配置为在根据风速提供不同的效率的两种不同的电构造之间进行切换。例如，在低风速期间可以优选星形构造，而对于高风速则优选三角形构造。在切换之前，可以将由所述涡轮机的发电机输出的功率驱动为零。然而，这样做将从转子桨叶去除负载，这可能引起所述转子速度提高。相反，可以控制所述转子速度，以使得所述速度停留在紧接在所述发电机功率斜降之前的所述转子的速度或者高于该速度。当在电构造之间进行切换的同时将转子速度保持在当前速度或略高于当前速度可以缓解所述涡轮机所经历的转矩变化，并且可以减小发生结构故障的可能性。

Description

切换电构造时的风力涡轮机的速度管理

技术领域

在本公开内容中所提出的实施例总体上涉及切换发电机构造，并且更具体而言，涉及当在发电机构造之间进行切换时保持大体上恒定的转子速度。

背景技术

与一些形式的发电系统不同，风力发电系统依赖于用于发电的不同的环境条件。具体而言，由涡轮机产生的功率可以根据风场中的风速而变化。风力涡轮机可以根据风速以不同效率产生功率。如本文中所使用的，涡轮机的效率是涡轮机将风能转化成电能的能力的测度。例如，如果涡轮机被配置为以大约10米/秒的风速进行最佳操作，但是当前风速为大约5米/秒，那么涡轮机可能以降低的效率产生功率。因此，风力涡轮机设计中的大量工作致力于设计出能够在不同环境条件下有效率地发电的风力涡轮机。

发明内容

本公开内容的一个实施例包括用于风力涡轮机的控制器和用于控制风力涡轮机的方法。所述控制器和所述方法包括：当以切换前转子速度进行操作时，在确定在电构造之间切换时，减小由风力涡轮机中的发电机产生的输出功率。在减小输出功率的同时，所述控制器和所述方法调节与风力涡轮机的转子相关联的参数，从而使转子的速度保持在切换前转子速度和期望的切换后转子速度的至少其中之一或高于切换前转子速度和期望的切换后转子速度的至少其中之一。在确定输出功率达到预定义功率值时，所述控制器和所述方法在与发电机相关联的第一电构造到第二电构造之间进行切换。在切换到第二电构造之后，所述控制器和所述方法增大由风力涡轮机中的发电机产生的输出功率。此外，在增大输出功率的同时，所述方法和所述控制器调节与转子相关联的参数，从而使转子的速度保持在切换前转子速度和期望的切换后转子速度的至少其中之一或高于切换前转子速度和期望的切换后转子速度的至少其中之一。

本文中所提出的另一个实施例是包括发电机、耦合到发电机的转子、和控制器的风力涡轮机。控制器被配置为：当以切换前转子速度进行操作时，在确定在电构造之间切换时，减小由发电机产生的输出功率，并且在减小输出功率的同时，调节与转子相关联的参数，从而使转子的速度保持在切换前转子速度和期望的切换后转子速度的至少其中之一或高于切换前转子速度和期望的切换后转子速度的至少其中之一。在确定输出功率达到预定义功率值时，控制器被配置为在与发电机相关联的第一电构造到第二电构造之间进行切换。在切换到第二电构造之后，控制器还被配置为增大由发电机产生的输出功率，并且在增大输出功率的同时，调节与转子相关联的参数，从而使转子的速度保持在切换前转子速度和期望的切换后转子速度的至少其中之一或高于切换前转子速度和期望的切换后转子速度的至少其中之一。

附图说明

可以通过参考附图来获得对以上简单概括的本发明的实施例的更加具体的描述，从而能够详细地理解得到以上列举的方面的方式。

然而，要指出的是，附图仅示出了本发明的典型实施例，并且因此不应认为附图限制了本发明的范围，因为本发明可以允许其它等效实施例。

图1示出了根据本文中所描述的一个实施例的风力涡轮机的图解视图。

图2A-2C是根据本文中所提出的实施例的用于发电的发电机构造。

图3是根据本文中所提出的一个实施例的用于在发电机构造之间进行切换的涡轮机系统。

图4A-4B是根据本文中所提出的实施例的示出当在发电机构造之间进行切换时的功率和转子速度的图表。

图5示出了根据本文中所提出的一个实施例的在星形构造和三角形构造之间进行切换的示意图。

图6示出了根据本文中所提出的一个实施例的具有用于在星形构造与三角形构造之间进行切换的多个阈值的示意图。

图7是根据本文中所提出的一个实施例的用于调节涡轮机在发电机构造之间进行切换的速率的流程图。

为了便于理解，在可能的地方使用了相同的附图标记以指示附图所共有的相同的要素。可以设想的是，在没有具体的叙述的情况下，在一个实施例中所公开的要素可以有利地用于其它实施例。

具体实施方式

为了以不同的风速有效率地运行风力涡轮机，风力涡轮机可以在两种或者更多种不同的电构造之间进行切换。在一个实施例中，涡轮机可以包括将发电机重新配置成星形构造或者三角形构造的继电器。这两种电构造可以根据风速提供不同的效率。在低速情况下，星形构造可以比三角形构造更有效率，但是一旦风速提高以使得发电机的输出功率超过星形功率限制阈值，风力涡轮机可能就不得不降级(de-rate)。相比之下，三角形构造可以允许发电机产生超过星形功率限制阈值的功率，但是在产生较低功率时(即，在风速降低时)，发电机可能遭受效率低下。

在一个实施例中，涡轮机被配置为基于当前风力条件或发电机正在产生的功率量来使发电机在两种不同的电构造之间进行切换，例如从星形到三角形或者从三角形到星形。在切换之前，可以将由发电机输出的功率驱动为零。然而，这样做将从传动系统中去除负载，如果不考虑这种情况将导致转子速度提高。在一个实施例中，可以控制转子速度以使得所述速度随着发电机功率斜降至零而下降至预定义的连接速度。然而，改变转子的速度改变了转子对涡轮机施加的力。因此，涡轮机可以使用例如桨叶桨距或者制动器来控制转子速度，从而使转子速度在整个切换过程中保持近似恒定。在一个实施例中，可以将转子速度保持在或高于紧接在发电机功率斜降之前的转子速度(即，切换前转子速度)、或者在发生切换并且发电机输出功率斜升之后的期望的转子速度(即，切换后转子速度)。当在电构造之间进行切换的同时将转子速度保持在切换前或者切换后转子速度或高于切换前或者切换后转子速度可以缓解涡轮机塔架所经历的转矩变化，并且可以降低发生结构故障的可能性。

因为电构造之间的切换可能使涡轮机疲劳，所以风力涡轮机还可以利用用于确定何时在电构造之间进行切换的不同标准来建立多个阈值。例如，在从三角形切换到星形时，涡轮机可以等待直到发电机输出功率下降到200kW以下持续六十秒。然而，风场可能经历使发电机长时间输出300kW的稳定且恒定的风。与涡轮机处于星形构造下相比，在这一时间段内停留在三角形构造将使该涡轮机的效率较低。相反，涡轮机可以使用多个阈值，在这些阈值中，时间和功率标准提高。例如，如果功率输出低于200kW持续五分钟或者输出功率低于300kW持续一小时，那么风力涡轮机可以切换构造。以这种方式，所述多个阈值可以获得以上提及的涡轮机可以受益于切换电构造的场景。然而，通过提高时间约束，如果发电机输出的变化很短暂，并且涡轮机不得不切换回先前的电构造，那么涡轮机可能无意中限制了切换。

在一个实施例中，风力涡轮机可以追踪由涡轮机执行的电构造切换的次数。因为这些切换使涡轮机疲劳，所以控制器可以更新用于确定何时在电构造之间进行切换的标准以降低切换速率，并且从而降低涡轮机的疲劳。例如，如果涡轮机超过了其切换预算，那么控制器可以增大与阈值相关联的时间或者使涡轮机保持在仅一种电构造下，直到总切换次数在切换预算之内。降低涡轮机的切换速率可以防止涡轮机塔架过早老化，这可以降低不期望的维护成本的可能性。

现在将更加详细地解释本发明。尽管本发明易受到各种修改和替代形式的影响，但是通过示例的方式公开了具体的实施例。然而，应当理解，本发明并不是要局限于所公开的特定形式。相反，本发明是要涵盖落在所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等价物和替代物。

图1示出了水平轴风力涡轮发电机100的图解视图。风力涡轮发电机100通常包括塔架102和位于塔架102顶部的风力涡轮机舱104。可以通过延伸到机舱104外的低速轴将风力涡轮机转子106与机舱104连接。风力涡轮机转子106包括安装在公共轮毂110上的三个转子桨叶108，但是可以包括任何适当数量的桨叶，例如：一个、两个、四个、五个或更多的桨叶。桨叶108(或者风板)通常具有空气动力外形，该空气动力外形具有用于迎风的前缘112、处于桨叶108的弦杆的相对端的后缘114、顶端116、以及以任何适当方式附接到轮毂110的根部118。

对于一些实施例而言，可以使用桨距轴承120将桨叶108连接到轮毂110，以使得每片桨叶108可以围绕其纵轴旋转，以调节桨叶的桨距。可以通过例如连接在轮毂110与桨叶108之间的线性致动器或步进电动机来控制桨叶108的桨距角。桨叶桨距控制常见于现代化风力涡轮机并且用于其它系统中，以使在额定风速以下产生的功率最大化并且降低在额定风速以上所产生的功率，以防止对例如发电机和齿轮箱的涡轮机部件的过度加载。

图2A-2C是根据本文中所提出的实施例的用于发电的发电机构造。具体而言，图2A示出了被配置成三角形构造的发电机的绕组215，其中，绕组215的每个端部耦合到另一个绕组215的端部。三个节点A、B、C可以是三相功率信号的单独的相。尽管是在三相三角形构造(即，网格式电构造的一个示例)的背景下讨论本文中的实施例，但是本文中的实施例可以用于具有任何数量的相的电系统。

图2B示出了被配置成星形(或“Y”形)构造的发电机的绕组215。如图所示，三个绕组215在中性节点N处相遇，该节点为三个绕组215设定参考电压。如图2A中所示，节点A、B、和C可以输出三相功率信号；然而，本文中的实施例不限于此。实际上，星形构造可以用于产生具有任何数量的相的功率信号。

在一个实施例中，风力涡轮机可以包括用于重新布置绕组215的连接的开关或继电器，从而在图2A中所示的三角形构造(例如，第一电构造)到图2B中所示的星形构造(例如，第二电构造)之间进行切换，反之亦然。例如，发电机的额定值可以为产生3MW的功率。然而，发电机可能能够在某种风速下产生该最大量的功率。在较低风速下，发电机可以输出低于3MW的功率。在产生较低功率(例如，低于500kW)时，发电机在星形构造下可能能够比在三角形构造下更有效率地产生电功率。这是因为，在三角形构造下，转子可以以高于最佳空气动力速度的速度进行操作，并且因此所产生的功率将低于使用星形构造的情况下可能产生的功率。另外，与处于三角形构造时相比，发电机本身在星形构造下可以经历提高的效率。另一方面，星形构造可以具有星形功率限制阈值，该阈值防止发电机输出高于该阈值的功率。如果风速允许发电机产生高于星形功率限制阈值(例如，900kW)的功率，那么涡轮机可能不得不降级，以免产生高于该最大值的功率。因此，随着风速的提高，涡轮机可以切换为三角形构造，以避免星形构造的限制。

图2C示出了用于在图2A和图2B中所示的三角形构造与星形构造之间进行切换的发电机系统。此处，可以将绕组的端部耦合到开关元件250和260。为了形成三角形构造，在断开开关元件250的同时闭合开关元件260，从而将绕组215的每个端部耦合到共享节点，即节点A、B、或C。相比之下，为了形成星形构造，断开开关元件260并且闭合开关元件250，从而将每个绕组215的一个端部耦合到中性点。以这种方式，发电机绕组215可以基于当前环境条件和发电机输出功率而被重新配置。

图3是根据本文中所提出的一个实施例的用于在发电机构造之间进行切换的涡轮机100。具体而言，涡轮机100包括经由轴305连接到发电机310(例如，双馈感应发电机或永磁发电机)的转子106。尽管未示出，但是风力涡轮机100可以包括齿轮箱，该齿轮箱用于将转子106的相对慢的旋转速度变为较高的旋转速度以用于使发电机310的绕组旋转。发电机310的输出耦合到继电器315(例如，物理开关)，该继电器315可以将发电机310的输出重新构造成图2A和图2B中所示的不同电构造，例如星形或三角形构造。具体而言，绕组(例如，三相发电机中的六条导线)的端部馈入到继电器315中，可以如图2C中所示对继电器315进行布置，从而在电构造之间进行切换。在另一个实施例中，继电器315可以并入到发电机310中，从而在电构造之间进行内部切换。此外，发电机310的输出可以馈入到一个或多个功率转换器中，所述一个或多个功率转换器执行AC-DC转换和DC-AC转换，从而以期望的电网频率向公用电网供电，但是这并不是必需的。

涡轮机100包括耦合到涡轮机中的各个部件(例如，发电机310和继电器315)的控制器325(例如，一个或多个计算设备)。控制器325可以使用体现在例如固件或软件应用内的控制逻辑单元来向这些部件发送指令，以用于改变如本文中所讨论的由风力涡轮机100产生的功率。控制器325可以位于风力涡轮机100本身上，或者可以被设置在远处(例如，SCADA的部分)并且经由有线或无线网络通信耦合到涡轮机100。

如将在下文中更详细地讨论的，控制器325可以向各个部件发送指令，从而基于风力条件来改变发电机310的电构造。也就是说，控制器325可以切换发电机310的电构造，以便更有效率地产生电功率。在一个实施例中，控制器325可以将所测量的标准(例如，功率产量或风速)与一个或多个预定义阈值进行比较，以确定何时在电构造之间进行切换。

图4A-4B是根据本文中所提出的实施例的示出当在发电机构造之间进行切换时的功率和转子速度的图表。图4A中的图表400示出了从三角形构造切换到星形构造的发电机的输出功率。在切换电构造之前，在时刻A，控制器可以向发电机发送控制指令，该指令指示发电机进行斜降以使得发电机不产生功率或者大体上不产生功率。这样做有效地将发电机从电网中去除，并且能够使涡轮机安全地切换到不同的电构造。在时刻B，控制器可以指示继电器将发电机的绕组端部从三角形构造重新构造为星形构造。在时刻C，控制器可以使由发电机产生的功率进行斜升，直到所述功率达到基于当前风力条件的期望功率设定。也就是说，对于给定的风力条件而言，控制器可以将发电机的输出功率设定在最佳功率值(或者在最佳功率值的范围内)。因为现在风力涡轮机处于星形构造，所以涡轮机能够在较低的风速下更有效率地输出功率。

图表400中所示的示例还应用在从星形构造切换到三角形构造时。也就是说，在确定切换之后，控制器可以在指示继电器将发电机重新构造成三角形构造之前使功率斜降。一旦完成，就可以使发电机功率斜升至针对当前风速的期望或最佳功率输出。

图表405示出了在从星形构造切换到三角形构造时的转子旋转速度。在一个实施例中，星形构造下的转子的旋转速度可以为近似12RPM。在时刻A与时刻B之间，控制器在使发电机功率输出如图表400所示进行斜降的同时降低转子速度。例如，控制器可以耦合到桨叶变桨距系统(blade pitching system)，该桨叶变桨距系统允许控制器使桨叶变桨距以使其迎风(即，使桨叶旋转以使得桨叶的前缘转动到平行于风向的方向)，由此减少风力涡轮机从风中获得的能量的量。另外或替代地，控制器可以使用制动系统来降低转子速度，如图所示。如果控制器不使用桨叶变桨距系统或转子制动器来降低转子速度，那么转子转速将随着发电机功率输出的减小而提高。因为发电机充当传动系统上的负载，所以在发电机处产生较低的功率减小了传动系统上的负载，从而提高转子旋转速度。因此，如图表405中所示，随着发动机的负载减小，控制器可以使用桨叶变桨距系统或制动系统来降低转子速度。

在时刻B与时刻C之间，可以在发电机切换电构造的同时保持较低的转子速度(被称为连接速度，并且可以为近似11.5RPM)。在时刻C，控制器可以通过例如使桨叶变桨距以使其避风(即，使桨叶旋转以使得桨叶的前缘转动到垂直于风向的方向)来开始提高转子速度。同时，控制器可以增大发电机的功率输出，这会增大桨叶上的负载。然而，因为控制器允许转子提高由风推动而产生的能量，所以转子速度并未降低，相反还有所提高。在时刻D，转子达到三角形构造的最佳速度，该最佳速度可以为近似13RPM。

如图表400和405所示，改变电构造可以改变由风力涡轮机经历的推力或转矩。具体而言，如时刻A处所示，控制器随着发电机负载的减小而降低转子速度。减小的负载和转子速度使转子对风力涡轮机施加的力(例如，推力或转矩)减小。这一变化的力可能使风力涡轮机疲劳。此外，因为在切换电构造时的时刻B与时刻C期间将转子速度降低到低连接速度，所以控制器不得不在时刻D使转子速度斜升至最佳速度。桨叶的顶端速度的这一变化可能在转子对涡轮机施加的力下产生额外的变化，这可能进一步使涡轮机疲劳。实验数据表明，由于上述变化的力，2-3％的塔架疲劳发生于在电构造之间进行切换时。因此，当在电构造之间进行切换时减少力的变化可以减少设计成本以及用于修理涡轮机中的结构损坏的维护成本。

图4B示出了在三角形构造与星形构造之间进行切换以用于减少转子对涡轮机塔架施加的力的变化量的示例。如同图表400，图4B中的图表410示出了从三角形构造变为星形构造的发电机的功率输出。然而，图表415与图表405的区别在于：图表415示出了在不首先降低到连接速度的情况下在切换前速度(即，在时刻A之前)到期望的切换后速度(即，在时刻D之后)之间切换转子速度的实施例。具体而言，图表415示出了控制器可以通过在切换过程期间保持大体上恒定的(或者略微增大的)转子速度来减小转子对涡轮机施加的变化的力。为了这样做，图表415示出了三个不同的实施例(实线420、点线425、和短划线430)，其中，避免了由于使转子速度降低至连接速度并且继而使转子速度从连接速度斜升至最佳速度所导致的力的变化。尽管由降低发电机负载所导致的力的变化仍然可能改变转子对塔架施加的力，但是图表415中所示的示例避免了由于使转子速度减小至连接速度并且继而在时刻A之前使转子速度重新提高到初始速度而导致的力的变化。

实线420示出了在整个切换过程中将转子速度保持在切换前转子速度。在时刻A，控制器可以开始变桨距到迎风，或者使转子制动，以便保持相同的速度。也就是说，因为发电机负载正在减小，所以控制器可以调节桨距以允许更多的风穿过转子平面，并且从而保持相同的速度。在时刻C，在发电机负载随着功率输出的增大而增大时，控制器可以开始使桨叶变桨距以使其避风，从而补偿增大的发电机负载。然而，控制器可以确保转子速度在发电机的斜降(即，时刻A到时刻B)和斜升(即，时刻C到时刻D)期间大体上保持恒定。在时刻D，控制器可以允许转子速度针对当前的风力条件改变为与星形构造相关联的期望的最佳切换后转子速度。

点线425示出了控制器可以在切换发电机之前将转子速度降低至星形构造的最佳速度(即，切换后速度)。也就是说，控制器可以随着发电的减少而主动地使转子速度斜降至新的电构造的期望速度。例如，控制器可以在时刻A之后使桨叶变桨距。因为发电机负载减小，所以控制器使桨叶变桨距，从而尽管发电机负载减小，也使转子速度降低。从时刻B开始，控制器调节桨叶桨距，从而在发电机切换到星形构造时的时刻B到时刻C期间使转子速度保持在恒定值。在发电恢复时的时刻D，控制器可以使桨叶变桨距以使其避风，从而补偿增大的发电机负载。以这种方式，控制器可以确保在将发电机功率输出提高到其最佳值的同时保持最佳转子速度。

如同点线425，短划线430示出了控制器可以在将发电机切换到星形构造之前将转子速度降低至星形构造的最佳速度。然而，与点线425不同，短划线430示出了可以在时刻A使发电机功率斜降之前将转子速度改变到最佳值。在一个实施例中，在时刻A'，控制器可以使桨叶变桨距以使其迎风，从而即使在发电机的输出功率仍然维持恒定时也降低转子速度。该转子速度对于三角形构造而言可能不是最佳的，但是该低效率操作状态只是暂时的。在时刻A，控制器还可以随着发电机负载的减小来调节桨叶桨距，从而在时刻A与时刻B之间保持恒定的转子速度。类似地，在时刻C，控制器可以以相反的方向使桨叶变桨距，以便补偿增大的发电机负载。在时刻D，将桨叶桨距设定为产生最佳的转子速度和发电机功率输出的设定值。

线420、425和430示出了转子速度管理技术，该转子速度管理技术缓解了由于使转子速度斜降至连接速度并且回到初始速度所产生的力的变化，从而减少了涡轮机的疲劳。在一个实施例中，连接速度仍然可以用于特殊情况下，例如在转子桨叶从静态加速时，但是在正常操作过程中在电构造之间进行切换时则不使用所述连接速度。所有的三个示例都示出了，在切换电构造时(例如，在时刻B与时刻C之间)，使转子速度保持在转子的切换前速度或切换后速度或者高于转子的切换前速度或切换后速度。

尽管在图4A-4B中未示出，但是随着风力条件的变化(即，风速增大)，可以进一步使桨叶变桨距，以提高从风中获得的能量。在一个实施例中，还可以提高发电机的功率输出，从而使转子速度仍然维持在最佳速度。如此，图表405和415可以示出三角形构造和星形构造的两个最佳速度，其中，星形构造具有比三角形构造略高的最佳速度。

图5示出了根据本文中所提出的一个实施例的在星形构造与三角形构造之间进行切换的示意图。具体而言，图表500示出了基于由发电机输出的功率而在星形构造与三角形构造之间进行切换。在一个实施例中，由发电机输出的功率可以直接与转子处的当前风速相关。图表500包括用于确定何时在构造之间进行切换的两个阈值。路径505示出了使用阈值515从三角形构造切换到星形构造，而路径510示出了使用阈值520从星形构造切换到三角形构造。在一个实施例中，控制器可以不断地监测发电机的输出，并将所述输出与图表500中所示的阈值515和520进行比较。如路径505所示，如果发电机输出下降到三角形到星形阈值515以下(并且假定发电机当前被配置为三角形构造)，那么控制器指示涡轮机切换到星形构造。相反地，如果发电机输出超过了星形到三角形阈值520，那么路径510示出从星形构造切换到三角形构造。在图表500中，星形到三角形阈值520低于星形功率限制阈值525。发电机在处于星形构造时不能产生超过900kW的功率。

图表500中所示的星形到三角形阈值和三角形到星形阈值515和520是用于控制涡轮机在变化的环境条件下更有效率地产生功率的可能的阈值限制的示例。与阈值515和520相关联的功率标准可以根据特定注入而变化。此外，星形功率限制阈值525也可以根据风力涡轮机中所使用的发电机的类型而不同(即，可以高于或低于900kW)。在一个实施例中，当在电构造之间进行切换时，除发电机的当前功率输出之外，控制器还可以考虑时间。例如，在发电机输出功率下降到200kW以下超过六十秒之后，控制器可以从三角形切换到星形。

图6示出了根据本文中所提出的一个实施例的具有用于在星形构造与三角形构造之间进行切换的多个阈值的示意图。图表600示出了将x轴划分成多个不同的区域(区域A-E)，这些区域由阈值605、610、615、620、和625分隔开。具体而言，图表500示出了使用四个不同的三角形到星形(Δ→*)阈值605、610、615、620，其中，每个阈值与不同的输出值相关联。另外，三角形到星形阈值可以与提高的时间标准相关联。表1示出了不同时间标准，这些时间标准可以与由阈值定义的区域相关联。

如表1中所示，为了在当前发电机输出低于阈值605时从三角形切换到星形，功率必须维持在200kW或低于200kW持续至少60秒。然而，为了在当前发电机输出功率低于阈值620时从三角形切换到星形，输出功率必须维持低于850kW持续2小时。基于多个阈值将功率输出划分成多个区域并且自定义每个区域的定时约束能够使控制器识别出涡轮机正在经历降低的但恒定的风速的情形。因为星形构造更有效率地产生电能(直到功率输出超过星形功率限制阈值)，所以各种阈值提供了额外的粒度以用于识别可以优选星形构造的情形。另外，随着与阈值相关联的功率值的增大而提高时间标准有助于确保风速足够恒定，从而使控制器不会不得不将涡轮机变回三角形构造(即，如果输出功率超过了星形到三角形(*→Δ)阈值625)，以避免使涡轮机降级。

在一个实施例中，如果发电机输出超过了阈值，那么控制器可以重置计时器。例如，如果当前发电机输出低于阈值615(其具有1小时的时间标准)三十分钟，但是之后超过了阈值615，那么控制器可以重置计时器，以使得如果发电机输出再次下降到阈值615以下，那么计时器将从零开始。然而，如果发电机输出下降到阈值610以下，那么控制器可以允许计时器继续。例如，如果发电机输出低于阈值615三十分钟，但是之后下降到阈值610以下仅五分钟，那么控制器可以允许与阈值615相关联的计数器在该时间段内连续运行。当然，如果发电机输出低于阈值610足够长的时间，从而满足了该阈值的时间约束(即15分钟)，那么即使未满足阈值615的时间约束(例如，计时器值仅为45分钟)，控制器也可以前进并从三角形构造切换到星形构造。换言之，控制器可以使相应的计时器与所述阈值中的每个阈值相关联，从而可以独立地考虑阈值所定义的区域A-E。

尽管未在图6中示出，但是也可以将由控制器使用的用于确定何时从星形切换到三角形的逻辑单元划分成多个区域。例如，可以通过不同的阈值划分区域E，其中，每个阈值具有随着功率值的增大而降低的时间约束。例如，在从星形切换到三角形之前发电机输出可能仅需要处于850-900kW内5分钟，但是在切换之前输出可能需要处于900-950kW内1分钟。自定义时间约束可以使控制器能够抢先从星形切换到三角形，以降低在风力条件允许发电机产生高于星形功率限制阈值的功率的情况下使发电机降级的可能性。

在一个实施例中，控制器可以基于由风力涡轮机经历的湍流来调节时间约束。如本文中所使用的，湍流是在一段时间内风速的变化。因而，较大的湍流可以指示风速具有较大的变化，即，更加难以预测。在经历较大的湍流时，控制器可以提高相应阈值的时间约束，以降低涡轮机在电构造之间快速切换的可能性，这种快速切换可能不必要的使涡轮机疲劳。另外或替代地，控制器可以基于湍流改变与阈值相关联的功率值。例如，控制器可以降低表1中所示的阈值的功率值，以使得湍流风力条件不会触发从例如三角形切换到星形。除了将标准变得更加严格之外，控制器还可以随着湍流的降低而降低时间约束(或者增大功率范围)。以这种方式，控制器可以基于环境条件来调节切换阈值。

图7是根据本文中所提出的一个实施例的用于调节涡轮机在发电机构造之间进行切换的速率的流程图。除了改变在切换电构造时所使用的标准之外，控制器还可以考虑历史数据来改变涡轮机在构造之间切换的频率或速率。例如，在方框705，控制器可以追踪发电机构造切换的次数(即，每次涡轮机从星形到三角形或者从三角形到星形的切换)，从而识别涡轮机的总切换次数。总切换次数还可以包括在停止和重新启动涡轮机时所使用的切换。例如，在由于维护或者不安全的风速而导致断开涡轮机的连接时，控制器可以激活继电器，并使电网与所述发电机断开连接。如此，在一个实施例中，控制器还可以将这些切换(以及断开)计算到总计数中。

在方框710，控制器基于涡轮机的当前年龄将涡轮机的总切换与切换预算进行比较。切换预算可以基于与该涡轮机的年龄相同或相似的其它涡轮机的总切换次数。所述预算也可以是基于涡轮机的预期寿命而预定义的。如果将涡轮机设计为足够使用三十年，并且在该时间段内经历三万次切换，那么控制器可以使用涡轮机的当前年龄来确定预算。例如，如果风力涡轮机使用了五年，那么涡轮机可以具有五千次切换的预算。

在方框715，控制器确定切换次数是否超过了预算。在一个实施例中，将切换预算设定为降低涡轮机在三十年寿命之前用坏或者需要大修的可能性。如上文所讨论的，即使转子速度在如图4A和4B中所示的切换期间保持在大体上恒定的速度，切换电构造也可以使涡轮机疲劳。因此，如果将结构部件设计为承受三万次切换，那么切换超过该次数的涡轮机提高了在三十年寿命之前发生结构故障的可能性。如此，在方框720，控制器更新切换标准，从而在超过切换预算的情况下降低切换速率。具体而言，控制器可以提高与用于确定何时在电构造之间进行切换的阈值(或区域)相关联的时间约束。另外或替代地，控制器可以缩小与所述阈值相关联的功率值。换言之，控制器可以执行相同的限制动作以用于降低在高湍流期间完成切换构造的可能性。这样做可以降低与涡轮机相关联的切换速率，随着时间的推移这可以将涡轮机引到切换预算内。

在一个实施例中，如果涡轮机超过了切换预算，那么控制器可以使涡轮机保持在三角形构造下而不考虑当前发电机输出或风速。尽管三角形构造在低风速下比星形构造效率低，但是三角形构造不会使涡轮机降级。例如，如果控制器将3MW发电机保持在星形构造下，那么在最大发电期间，可以将发电机限制为仅950kW的功率(即，发电机仅产生其在三角形构造下能够产生的功率的三分之一)，这比在低风速下操作采用三角形构造的发电机更加低效。如此，在涡轮机超过切换预算时，控制器可以强制涡轮机采用三角形构造，并暂时停止将阈值用于在电构造之间进行切换。在该示例中，控制器将切换速率降为零，直到总切换次数处于切换预算内。

在调节切换标准之后，方法700返回到方框705，从而对额外的切换进行计数，并确定新的总数是否超过了切换预算。如果总切换次数不超过预算，那么在方框730，控制器可以确定切换次数是否低于预算。例如，风力涡轮机可能能够提高切换速率，并且仍然处于整个涡轮机寿命的三万次切换内。因此，在方框725，控制器可以更新到用于提高切换速率的切换标准。例如，参考图6，可以改变与每个区域相关联的时间约束或功率范围，以使得从星形切换到三角形变得更简单，反之亦然。使涡轮机能够在电构造之间更加自由地切换可以提高涡轮机的效率，并且从而在停留在切换预算内的同时增大功率输出。

如图所示，方法700包括用于改变涡轮机的切换频率或速率以便使总切换次数保持在切换预算内的技术。所述切换预算可以是预定义的切换速率(例如，每天3次切换)或者是基于涡轮机的当前年龄的总切换次数。所述切换预算可以基于从其它涡轮机测量到的历史数据或者诸如仿真的实验数据。如果当前切换速率或者当前切换次数不同于预算，那么控制器可以调节切换标准，以便使切换速率与切换预算重新一致。方法700可以连续地或者以预定义的间隔(例如，一天一次)重复，以确定涡轮机是否正在切换预算内进行操作。

在前文中，参考了本公开内容中所提出的实施例。然而，本公开内容的范围不限于具体的所描述的实施例。相反，无论所描述的特征和要素是否涉及不同的实施例，可以设想所描述的特征和要素的任何组合来实施并实践所设想的实施例。此外，尽管本文中所公开的实施例可以实现相对于其它可能的解决方案和/或相对于现有技术的优点，但是特定的优点是否由给定的实施例实现不会限制本公开内容的范围。因此，前述方面、特征、实施例、和优点仅是说明性的，并且不会被认为是所附权利要求的要素或限制，除非在(多项)权利要求中明确陈述。类似地，对“本发明”的引用不应被理解为是对本文中所公开的任何发明性主题的概括，也不应被认为是所附权利要求的要素或限制，除非在(多项)权利要求中明确陈述。

本领域技术人员将认识到，本文中所公开的实施例可以体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，各个方面可以采用纯硬件的实施例、纯软件的实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或者结合软件方面和硬件方面的实施例的形式，在本文中这些形式通常都可以被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，各个方面可以采用体现在一种或多种计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，所述计算机可读介质具有体现于其上的计算机可读程序代码。

可以利用一种或多种计算机可读介质的任何组合。所述计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者是计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是例如但不限于：电子、磁、光、电磁、红外线、或半导体系统、装置、或设备、或者前述的任何适当的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非详尽的列表)包括以下各项：具有一条或多条导线的电连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储设备、磁存储设备、或者前述的任何适当的组合。在本文的环境下，计算机可读存储介质可以是任何有形的介质，该介质可以包含或者存储供指令执行系统、装置或设备使用的或者与指令执行系统、装置或设备结合的程序。

计算机可读信号介质可以包括例如在基带中或者作为载波的一部分的传播数据信号，该传播数据信号具有体现于其中的计算机可读程序代码。这种传播信号可以采用各种形式中的任何一种，所采用的形式包括但不限于电磁、光、或它们的任何适当的组合。计算机可读信号介质可以是非计算机可读存储介质的并且可以传达、传播、或者传送供指令执行系统、装置或设备使用的或者与指令执行系统、装置或设备结合的程序的任何计算机可读介质。

可以使用任何合适的介质来传输体现在计算机可读介质上的程序代码，所述合适的介质包括但不限于：无线、有线、光纤电缆、RF等、或者前述的任何适当的组合。

可以用一种或多种程序设计语言的任何组合来编写用于执行本公开内容的方面的操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括诸如Java、Smalltalk、C++等的面向对象的程序设计语言以及诸如“C”程序设计语言或类似程序设计语言的常规的程序性程序设计语言。程序代码可以完全在用户的计算机上执行、部分在用户的计算机上执行、作为独立的软件包执行、部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在之后的情形中，远程计算机可以通过包括局域网(LAN)或广域网(WAN)的任何类型的网络连接到用户计算机，或者可以连接到外部计算机(例如，使用因特网服务提供商通过因特网)。

参考根据本公开内容中所提出的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或方框图在下文中对本公开内容的方面进行了描述。应当理解，流程图图示和/或方框图中的每个方框以及流程图图示和/或方框图中的方框的组合可以通过计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产一种机器以使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器来执行的指令创建用于实施流程图和/或方框图的一个或多个方框中所指定的功能/动作的单元。

这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以引导计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备以特定的方式运行，以使得存储在计算机可读介质中的指令产生一种制品，该制品包括实施流程图和/或方框图的一个或多个方框中所指定的功能/动作的指令。

计算机程序指令还可以加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或者其它设备上，从而使一系列操作步骤得以在计算机、其它可编程装置或者其它设备上执行，从而产生计算机实施的过程以使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供用于实施流程图和/或方框图的一个或多个方框中所指定的功能/动作的过程。

附图中的流程图和方框图示出了根据各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能的实施方式的架构、功能和操作。在这点上，流程图或方框图中的每个方框可以代表包括用于实施(多个)指定逻辑功能的一条或多条可执行指令的模块、代码段或代码部分。还应当指出，在一些替代的实施方式中，在方框中所注释的功能可以不按照附图中所注释的顺序发生。例如，实际上，接连示出的两个方框可以大体上同时执行，或者有时可以以相反的顺序执行方框，这取决于所包含的功能。还应当指出，方框图和/或流程图图示中的每个方框以及方框图和/或流程图图示中的方框的组合可以通过执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统来实施，或者通过专用硬件和计算机指令的组合来实施。

鉴于上文，本公开内容的范围由所附权利要求来确定。

Claims (17)

1.一种用于风力涡轮机的控制器，所述控制器包括控制逻辑单元，所述控制逻辑单元被配置为：

当以切换前转子速度进行操作时，在确定在电构造之间进行切换时，降低由所述风力涡轮机中的发电机产生的输出功率；

在降低所述输出功率时，调节与所述风力涡轮机的转子相关联的参数，从而使所述转子的速度保持在所述切换前转子速度和期望的切换后转子速度的至少其中之一或高于所述切换前转子速度和所述期望的切换后转子速度的至少其中之一；

在确定所述输出功率达到与预定义功率值相关联的功率阈值时，在与所述发电机相关联的第一电构造到第二电构造之间进行切换；

在切换到所述第二电构造之后，增大由所述风力涡轮机中的所述发电机产生的所述输出功率；以及

在增大所述输出功率时，调节与所述转子相关联的所述参数，从而使所述转子的速度保持在所述切换前转子速度和所述期望的切换后转子速度的至少其中之一或高于所述切换前转子速度和所述期望的切换后转子速度的至少其中之一，

其中，确定从所述第一电构造切换到所述第二电构造包括确定所述发电机的所述输出功率在预定义的时间段内满足所述功率阈值。

2.根据权利要求1所述的控制器，其中，确定从所述第一电构造切换到所述第二电构造包括：相对于与相应的功率值相关联的多个不同的功率阈值来评估所述发电机的所述输出功率，每个功率阈值与不同的时间约束相关联，所述时间约束确定是否从所述第一电构造切换到所述第二电构造。

3.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述第一电构造是三角形构造，并且所述第二电构造是星形构造。

4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制逻辑单元被配置为：

将所述发电机的所述输出功率增大到对应于所述第二电构造的期望的输出功率值，其中，当所述发电机输出所述期望的输出功率值时，所述控制逻辑单元使所述风力涡轮机以所述期望的切换后转子速度进行操作。

5.根据权利要求1所述的控制器，其中，调节与所述转子相关联的所述参数以使所述转子的速度保持在当前转子速度或高于所述当前转子速度包括以下各项中的至少一项：(i)改变所述转子中的桨叶的桨距以补偿与所述发电机相关联的减小的负载；以及(ii)使所述转子制动。

6.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制逻辑单元被配置为：

追踪所述第一电构造与所述第二电构造之间的切换次数；

将所述切换次数与切换预算进行比较；并且

在确定所述切换次数超过所述切换预算时，调节至少一个切换标准，以减小与所述风力涡轮机相关联的切换速率。

7.一种风力涡轮机，包括：

发电机；

耦合到所述发电机的转子；以及

控制器，其被配置为：

当以切换前转子速度进行操作时，在确定在电构造之间进行切换时，降低由所述发电机产生的输出功率，

在降低所述输出功率时，调节与所述转子相关联的参数，从而使所述转子的速度保持在所述切换前转子速度和期望的切换后转子速度的至少其中之一或高于所述切换前转子速度和所述期望的切换后转子速度的至少其中之一，

在确定所述输出功率达到与预定义功率值相关联的功率阈值时，在与所述发电机相关联的第一电构造到第二电构造之间进行切换，

在切换到所述第二电构造之后，增大由所述发电机产生的所述输出功率，以及

在增大所述输出功率时，调节与所述转子相关联的所述参数，从而使所述转子的速度保持在所述切换前转子速度和所述期望的切换后转子速度的至少其中之一或高于所述切换前转子速度和所述期望的切换后转子速度的至少其中之一，

其中，确定从所述第一电构造切换到所述第二电构造包括确定所述发电机的所述输出功率在预定义的时间段内满足所述功率阈值。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中，确定从所述第一电构造切换到所述第二电构造包括：相对于定义多个不同功率范围的多个不同功率阈值来评估所述发电机的所述输出功率，每个功率范围与不同的时间约束相关联，所述时间约束确定是否从所述第一电构造切换到所述第二电构造。

9.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中，所述第一电构造是三角形构造，并且所述第二电构造是星形构造。

10.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中，所述控制器被配置为：

将所述发电机的所述输出功率增大到对应于所述第二电构造的期望的输出功率值，其中，当所述发电机输出所述期望的输出功率值时，所述控制器使所述风力涡轮机以所述期望的切换后转子速度进行操作。

11.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中，调节与所述转子相关联的所述参数以使所述转子的速度保持在当前转子速度或高于所述当前转子速度包括以下各项中的至少一项：(i)改变所述转子中的桨叶的桨距以补偿与所述发电机相关联的减小的负载；以及(ii)使所述转子制动。

12.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其中，所述控制器被配置为：

追踪所述第一电构造与所述第二电构造之间的切换次数；

将所述切换次数与切换预算进行比较；以及

在确定所述切换次数超过所述切换预算时，调节至少一个切换标准，以减小与所述风力涡轮机相关联的切换速率。

13.一种用于控制风力涡轮机的方法，所述方法包括：

当以切换前转子速度进行操作时，在确定在电构造之间进行切换时，降低由所述风力涡轮机中的发电机产生的输出功率；

在降低所述输出功率时，通过一个或多个计算机处理器的操作来调节与所述风力涡轮机的转子相关联的参数，从而使所述转子的速度保持在所述切换前转子速度和期望的切换后转子速度的至少其中之一或高于所述切换前转子速度和所述期望的切换后转子速度的至少其中之一；

在确定所述输出功率达到与预定义功率值相关联的功率阈值时，在与所述发电机相关联的第一电构造到第二电构造之间进行切换；

在切换到所述第二电构造之后，增大由所述风力涡轮机中的所述发电机产生的所述输出功率；以及

在增大所述输出功率时，调节与所述转子相关联的所述参数，从而使所述转子的速度保持在所述切换前转子速度和所述期望的切换后转子速度的至少其中之一或高于所述切换前转子速度和所述期望的切换后转子速度的至少其中之一，

其中，确定从所述第一电构造切换到所述第二电构造包括确定所述发电机的所述输出功率在预定义的时间段内满足所述功率阈值。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，确定从所述第一电构造切换到所述第二电构造包括：相对于定义多个不同功率范围的多个不同功率阈值来评估所述发电机的所述输出功率，每个功率范围与不同的时间约束相关联，所述时间约束确定是否从所述第一电构造切换到所述第二电构造。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一电构造是三角形构造，并且所述第二电构造是星形构造。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，调节与所述转子相关联的所述参数以使所述转子的速度保持在当前转子速度或高于所述当前转子速度包括以下各项中的至少一项：(i)改变所述转子中的桨叶的桨距以补偿与所述发电机相关联的减小的负载；以及(ii)使所述转子制动。

17.根据权利要求13所述的方法，还包括：

追踪所述第一电构造与所述第二电构造之间的切换次数；

将所述切换次数与切换预算进行比较；以及

在确定所述切换次数超过所述切换预算时，调节至少一个切换标准，以减小与所述风力涡轮机相关联的切换速率。