CN105715452B - 用于增加风力涡轮机功率输出的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开用于增加风电场中的风力涡轮机的功率输出的系统和方法。特别地，风电场能够包含第一和第二双馈感应发电机风力涡轮机系统。第一风力涡轮机系统的旋转的转子速度能够在降低的风速下至少部分基于指示转子电压的数据来调节以增加双馈感应发电机的功率输出。转子速度能够被调节，使得转子电压不超过电压阈值。第一风力涡轮机系统的功率输出能够通过降低第一风力涡轮机系统的无功功率输出来进一步增加。第一风力涡轮机系统的降低的无功功率输出能够通过第二风力涡轮机系统的增加的无功功率输出来补偿。

Description

用于增加风力涡轮机功率输出的系统和方法
技术领域
本公开一般涉及风力涡轮机，并且更特别地涉及用于在降低风速下增加双馈感应发电机风力涡轮机系统的功率输出的系统和方法。
背景技术
风力作为目前可用的最清洁、最环境友好的能源中的一个已受到更多的关注。典型的现代风力涡轮机能够包含塔、发电机、齿轮箱、吊舱以及具有一个或多个转子叶片的转子。转子叶片能够将风能转化成经由转子驱动一个或多个发电机的机械旋转扭矩。一个或多个发电机能够例如经由齿轮箱耦合到转子。齿轮箱能够逐步增加转子的固有地低旋转速度，使得发电机能够将机械旋转能有效地变换成电能，其能够经由至少一个电连接馈送到公用电网中。
风力涡轮机能够使用可变速操作，使得涡轮机叶片的速度随风速中的改变而改变。然而，在涡轮机的速度波动时，从发电机流出的交流的频率也波动。因此，可变速涡轮机配置也能够包含功率变换器，其能够用来将所生成电力的频率变换成实质上类似于公用电网频率的频率。这类功率变换器通常能够包括具有所调节的DC链路的AC-DC-AC拓扑，并且能够由变换器控制器来控制。
这类风力涡轮机能够使用可变速操作来优化负载及改进涡轮机输出。特别地，在风力涡轮机操作在最佳叶尖速度比时，它们是最有效的。叶尖速度比是涡轮机叶片的叶尖的切向速度和在风力涡轮机处的风的速度之间的比率。因此，风力涡轮机操作在最佳叶尖速度比将收集比它如果操作在最佳叶尖速度比之外将收集的风能更多的风能。
对于许多风力涡轮机，消耗器(customer)的操作空间以及因此数值由风力涡轮机系统所固有一个或多个风力涡轮机组件的最大电压来限制。例如，风力涡轮机系统中的功率变换器能够具有限制发电机的最小和最大速度值的电压约束。
因此，存在对于用于在降低风速下增加风力涡轮机系统的功率输出同时也将功率变换器电压级别维持在所指定操作限制内的系统和方法的需要。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或从描述可以是显而易见的，或可通过本发明的实施来学习。
本公开的一个示例方面针对风力涡轮机系统。风力涡轮机系统包含具有转子和定子的风驱动双馈感应发电机。定子提供AC功率到定子母线。风力涡轮机系统还包含经由转子母线耦合到双馈感应发电机的转子的功率变换器。功率变换器提供输出到线路母线。功率变换器具有在转子母线处的关联电压阈值。风力涡轮机系统还包含配置成识别双馈感应发电机处的降低风速的控制系统。在降低风速下，控制系统还配置成至少部分基于指示转子电压的数据来调节双馈感应发电机的转子的旋转速度以增加双馈感应发电机的功率输出。控制系统调节转子的旋转速度，使得转子电压不超过在转子母线处的与功率变换器关联的电压阈值。
本公开的另一个示例方面针对用于在降低风速下增加风驱动双馈感应发电机的功率输出的方法。方法包含在风驱动双馈感应发电机处生成交流功率。将交流功率从风驱动双馈感应发电机的定子提供到定子母线。方法还包含经由转子母线提供来自功率变换器的转子电压到风驱动双馈感应发电机的转子。方法还包含检测风驱动双馈感应发电机处的降低风速。方法还包含响应于检测到降低风速，至少部分基于指示转子电压的数据将转子的旋转速度从第一旋转速度降低到第二旋转速度以增加双馈感应发电机的功率输出。确定第二旋转速度，使得转子电压不超过在转子母线处的与功率变换器关联的电压阈值。
本公开的还有另一个示例方面针对风电场。风电场包括具有转子和定子的第一双馈感应发电机、具有转子和定子的第二双馈感应发电机以及控制系统。控制系统配置成检测在第一双馈感应发电机处的降低风速。响应于检测到第一双馈感应发电机处的降低风速，控制系统配置成控制第一双馈感应发电机以降低第一双馈感应发电机的无功功率输出，并且降低第一双馈感应发电机的转子的旋转速度以增加第一双馈感应发电机的功率输出。控制系统还配置成控制第二双馈感应发电机以增加第二双馈感应发电机的无功功率输出。
对本公开的这些示例方面能够作出变化和修改。
参考下面的描述和所附权利要求书，各种实施例的这些及其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并且构成本说明的一部分的附图图示本公开的实施例，并且连同描述一起用于解释相关原理。
本发明提供以下技术方案：
1.一种风力涡轮机系统，包括：
具有转子和定子的风驱动双馈感应发电机，所述定子提供AC功率到定子母线；
功率变换器，经由转子母线耦合到所述双馈感应发电机的所述转子，所述功率变换器提供输出到线路母线，所述功率变换器具有所述转子母线处的关联电压阈值；以及
控制系统，配置成识别所述双馈感应发电机处的降低风速；
其中在所述降低风速下，所述控制系统还配置成至少部分基于指示转子电压的数据来调节所述双馈感应发电机的所述转子的旋转速度以增加所述双馈感应发电机的功率输出，所述控制系统调节所述转子的所述旋转速度，使得所述转子电压不超过在所述转子母线处的与所述功率变换器关联的电压阈值。
2.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中所述双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度中的降低提供所述双馈感应发电机处的增大的转差。
3.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中，在所述降低风速下，所述控制系统配置成至少部分基于与所述风力涡轮机关联的叶尖速度比来调节所述双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度，所述叶尖速度比是所述风力涡轮机的叶片的叶尖的切向速度和所述风速之间的比率。
4.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中指示所述转子电压的所述数据能够至少部分基于配置成监测所述转子母线处的电压的一个或多个传感器来确定。
5.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中指示所述转子电压的所述数据能够至少部分基于所述双馈感应发电机的无功功率输出来确定。
6.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中指示所述转子电压的所述数据包括查找表，所述查找表定义各种转子速度点与各种电网电压和无功功率需求条件之间的相关性，所述双馈感应发电机的所述转子的降低的旋转速度至少部分基于所述查找表来确定。
7.如技术方案1所述风力涡轮机系统，其中所述控制系统配置成至少部分基于电网电压来调节所述旋转速度。
8.如技术方案1所述的风力涡轮机系统，其中，在所述降低风速下，所述控制系统配置成降低所述双馈感应发电机的无功功率输出以允许所述双馈感应发电机的所述转子的旋转速度中的增进的降低。
9.一种用于在降低风速下增加风驱动双馈感应发电机的功率输出的方法，所述方法包括：
在风驱动双馈感应发电机处生成交流功率，所述交流功率从所述风驱动双馈感应发电机的定子被提供到定子母线；
将来自功率变换器的转子电压经由转子母线提供到所述风驱动双馈感应发电机的转子；
检测在所述风驱动双馈感应发电机处的降低风速；以及
响应于检测到所述降低风速，至少部分基于指示所述转子电压的数据来将所述转子的旋转速度从第一旋转速度降低到第二旋转速度以增加所述双馈感应发电机的所述功率输出，所述第二旋转速度被确定使得所述转子电压不超过在所述转子母线处的与所述功率变换器关联的电压阈值。
10.如技术方案9所述的方法，其中所述双馈感应发电机的所述转子的降低的旋转速度至少部分基于叶尖速度比来确定，所述叶尖速度比是在所述风力涡轮机的叶片的叶尖的切向速度和所述风速之间的比率。
11.如技术方案9所述的方法，其中指示所述转子电压的所述数据能够至少部分基于配置成监测所述转子母线处的电压的一个或多个传感器来确定。
12.如技术方案9所述的方法，其中指示所述转子电压的所述数据能够至少部分基于所述双馈感应发电机的无功功率输出来确定。
13.如技术方案9所述的方法，其中所述方法包括：
降低所述风驱动双馈感应发电机的无功功率输出；以及
将所述风驱动双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度降低到第三旋转速度，所述第三旋转速度小于所述第一旋转速度。
14.如技术方案9所述的方法，其中降低所述双馈感应发电机的所述转子的所述第二旋转速度提供所述双馈感应发电机的增大的转差。
15.一种风电场，所述风电场包括：
具有第一双馈感应发电机的第一风力涡轮机系统，所述第一双馈感应发电机具有转子和定子；
具有第二双馈感应发电机的第二风力涡轮机系统，所述第二双馈感应发电机具有转子和定子；以及
控制系统，所述控制系统配置成检测在所述第一双馈感应发电机处的降低风速；
其中响应于检测到所述第一双馈感应发电机处的所述降低风速，所述控制系统配置成控制所述第一双馈感应发电机以降低所述第一双馈感应发电机的无功功率输出以及降低所述第一双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度以增加所述第一双馈感应发电机的功率输出，
其中所述控制系统还配置成控制所述第二双馈感应发电机以增加所述第二双馈感应发电机的无功功率输出。
16.如技术方案15的所述风电场，其中所述第一双馈感应发电机的所述转子经由转子母线耦合到功率变换器，所述功率变换器具有所述转子母线处的关联电压阈值。
17.如技术方案16所述的风电场，其中降低所述第一双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度，使得所述转子母线处的功率变换器电压不超过所述电压阈值。
18.如技术方案15所述的风电场，其中所述第二双馈感应发电机的所述增加无功功率输出至少部分基于来自电网的无功功率需求来确定。
19.如技术方案15所述的风电场，其中所述第一双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度中的降低提供所述双馈感应发电机处的增大的转差。
20.如技术方案15所述的风电场，其中所述第一双馈感应发电机的所述降低无功功率输出促进所述双馈感应发电机的所述转子的旋转速度中的增进的降低，使得所述转子母线处的功率变换器电压不超过所述电压阈值。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述包含针对于本领域的普通技术人员的最佳模式的本发明的全面和使能的公开，附图中：
图1根据本公开的示例实施例描绘示例双馈感应发电机(DFIG)风力涡轮机系统；
图2根据本公开的示例实施例描绘示例控制器；
图3根据本公开的示例实施例描绘用于增加DFIG风力涡轮机系统的功率输出的示例方法的流程图；
图4根据本公开的示例实施例描绘示例风电场；
图5根据本公开的示例实施例描绘用于增加风电场的功率输出的示例方法的流程图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的实施例，本发明的一个或多个示例在附图中图示。每个示例作为本发明的解释而不是本发明的限制来提供。实际上，在没有背离本发明的范围或精神的情况下，在本发明中能够作出各种修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分所图示或所描述的特征能够与另一个实施例一起使用以产生更进一步的实施例。因此，预期本发明涵盖如在所附权利要求的范围内的这类修改和变化及其等同物。
本公开的示例方面针对用于在降低风速下增加双馈感应发电机(DFIG)风力涡轮机系统中的功率输出的系统和方法。DFIG系统能够包含具有转子和定子的风驱动双馈感应发电机。定子能够提供AC功率到定子母线。转子能够经由转子母线提供AC功率到功率变换器。功率变换器能够提供输出到线路母线。定子母线和线路母线能够通过诸如双绕组变压器或三绕组变压器的变压器耦合到电网。
根据本公开的示例方面，双馈感应发电机的转子的旋转速度能够在降低风速下调节以增加双馈感应发电机系统的输出功率。例如，转子的旋转速度能够被降低以在降低风速下以最佳叶尖速度比或接近最佳叶尖速度比来操作风力涡轮机。
在切入风速下降低转子速度能够提供双馈感应发电机处的增大的转差。特别地，转差是由同步速度所分开的双馈感应发电机的同步速度和操作速度之间的差。操作速度是转子的旋转速度，并且同步速度是定子的磁场的旋转速度。增加转差能够引起双馈感应发电机的增加转子电压。转子电压等于锁定转子电压乘以转差。因此，双馈感应发电机的旋转转子速度的降低能够提供增加转差，其导致增加转子电压。
双馈感应发电机系统的最低和最高速度点一般由功率变换器的电压能力限制。其他因素能够包含电网电压和无功功率需求。因此，在切入风速下，双馈感应发电机的转子的旋转速度能够被调节，使得转子母线处的功率变换器电压不超过功率变换器的电压能力。这种调节能够通过在切入风速下增加的转子的速度范围以及引起风力涡轮机系统从风中收集更多能量来改进风力涡轮机效率。
更特别地，转子的旋转速度能够根据本公开的示例方面至少部分基于指示转子电压的数据来调节以在降低风速下增加双馈感应发电机的功率输出。例如，转子的旋转速度能够被调节，使得转子电压不超过转子母线处的与功率变换器关联的电压阈值。指示转子电压的数据能够例如通过一个或多个传感器来确定。例如，一个或多个传感器能够放置在转子母线处以检测双馈感应发电机的转子处的电压。这个检测转子电压能够由控制器(例如风电场控制系统和/或个别风力涡轮机控制器)用来调节转子的旋转速度，使得转子电压不超过电压阈值。
指示转子电压的数据还能够以诸如根据双馈感应发电机的无功功率输出的其他适合方式来确定。例如，查找表能够由控制器用来调节双馈感应发电机的旋转转子速度。查找表能够定义各种转子速度点与各种电网电压和无功功率/功率因数条件之间的相关性。
根据本公开的示例方面，转子速度范围能够通过在降低风速下降低双馈感应发电机的无功功率输出来进一步增加。无功功率输出中这种降低能够用来允许双馈感应发电机风力涡轮机系统以最佳叶尖速度比或接近最佳叶尖速度比操作。例如，如果转子电压处于电压阈值但是风力涡轮机系统不操作在最佳叶尖速度比，旋转转子速度中的进一步降低对于风力涡轮机系统操作在最佳叶尖速度比或接近最佳叶尖速度比能够是必需的。因此，双馈感应发电机的无功功率输出能够降低以促进旋转转子速度中的这种降低。
转子电压能够取决于电网电压和无功功率需求。因此，在降低风度下降低无功功率输出能够在没有超过功率变换器的电压能力情况下允许双馈感应发电机的转子的旋转速度中的增进的降低。转子的旋转速度中的增进的降低能够是这样的，以致于转子母线处的功率变换器电压不超过电压阈值。
在一个示例实施中，风电场能够包含多个风力涡轮机，例如第一风力涡轮机系统和第二风力涡轮机系统，各耦合到电网。风电场还能够包含配置成检测第一风力涡轮机系统的双馈感应发电机处的降低风速的控制系统。例如，第一风力涡轮机系统能够位于风电场的中部，其中风速能够有时相对于风电场的周边处风速来降低。响应于检测到降低风速，控制系统能够配置成控制第一风力涡轮机系统的双馈感应发电机来降低第一风力涡轮机系统的无功功率输出。这能够允许与第一风力涡轮机系统关联的双馈感应发电机的转子的旋转速度中的增进的降低。转子的旋转速度能够被降低，使得经由转子母线耦合到双馈感应发电机的功率变换器的电压不超过转子母线处的电压阈值。
控制系统能够还配置成控制第二风力涡轮机系统的双馈感应发电机以增加双馈感应发电机的无功功率输出。无功功率输出中这种增加能够至少部分基于来自电网的无功功率需求来确定。特别地，第二风力涡轮机系统的增加的无功功率输出能够补偿第一风力涡轮机系统的降低的无功功率输出例如来满足电网的无功功率需求。
现参考附图，图1根据本公开的示例实施例描绘示例双馈感应发电机(DFIG)风力涡轮机系统100。系统100包含耦合到旋转轴110的多个转子叶片108，其共同限定螺旋桨106。螺旋桨106耦合到操作齿轮箱118，其又耦合到发电机120。按照本公开的方面，发电机120是双馈感应发电机(DFIG)120。
DFIG 120通常经由转子母线156耦合到定子154和功率变换器162。定子母线154提供来自DFIG 120的定子的输出多相功率(例如三相功率)，并且转子母线156提供来自DFIG120的转子的输出多相功率(例如三相功率)。DFIG 120能够还耦合到控制器174以控制DFIG120的操作。应注意，控制器174在典型实施例中配置为DFIG 120和控制系统176之间的接口。控制器174能够包含任何数量的控制装置。在一个实施中，控制器174能够包含运行存储在计算机可读媒介中的计算机可读指令的处理装置(例如微处理器、微控制器等)。指令在由处理装置运行时能够引起处理装置执行包含提供控制命令到DFIG 120的操作。
例如，如在图2特别示出的，控制器174能够包含任何数量的控制装置。在一个实施中，例如控制器174能够包含配置成执行各种计算机实现功能和/或指令(例如执行方法、步骤、计算等以及存储如本文所公开的相关数据)的一个或多个处理器190和关联存储器装置192。指令在由处理器190运行时能够引起处理器190执行包含提供控制命令(例如脉宽调制命令)到功率变换器162的开关元件以及功率系统100的其他方面的操作。因此，控制器174也可包含促进控制系统174和功率系统100的各种组件例如图1的组件的任何一个之间通信的通信模块194。
此外，通信模块194可包含准许从一个或多个传感器传送的信号变换成能够由处理器190处理和理解的信号上文传感器接口196(例如一个或多个模数变换器)。应领会，传感器(例如传感器191，193，195)可使用任何适合方式通信上耦合到通信模块194。例如，如在图2中所示，传感器191，193，195经由有线连接耦合到传感器接口196。然而，在其他实施例中，传感器191，193，195可经由无线连接例如通过使用本领域已知的任何适合无线通信协议耦合到传感器接口196。同样地，处理器190可配置成从传感器接收一个或多个信号。
如本文所使用的，术语“处理器”不仅指如包含于计算机中的本领域所指集成电路，而且指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其他可编程电路。处理器190也配置成计算先进控制算法并且传递各种以太网或基于串行协议(Modbus、OPC、CAN等)。另外，一个或多个存储器装置192一般可包括一个或多个存储器元件，其包含但不限于计算机可读媒介(例如随机存储器(RAM))、计算机可读非易失媒介(例如快闪存储器)、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字化通用光盘(DVD)和/或其他适合存储器元件。这种或这类存储器装置192一般可配置成存储适合计算机可读指令，其在由一个或多个处理器190实现时将控制器174配置成执行如本文所描述的各种功能。
参考回图1，DFIG 120经由转子母线156耦合到转子侧变换器166。转子侧变换器166耦合到线路侧变换器168，其又耦合到线路侧母线188。在示例配置中，使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关元件配置转子侧变换器166和线路侧变换器188用于在三相、脉宽调制(PWM)布置中的正常操作模式。转子侧变换器166和线路侧变换器168能够经由DC链路136耦合，跨DC链路136的是DC链路电容138。
功率变换器162也能够耦合到控制器174以控制转子侧变换器166和线路侧变换器168的操作。在一个实施中，存储在控制器174中的其它指令在由处理装置运行时，能够引起处理器执行包含提供控制命令(例如脉宽调制命令)到功率变换器162的开关元件的操作。
在典型的配置中，包含例如电网断路器182的各种断路器和线路接触器能够包含用于在到电网184的连接和从电网184断开期间隔离如为DFIG 120的正常操作所必需的各种组件。系统断路器178能够将系统母线160耦合到变压器180，其经由电网断路器182耦合到电网184。虽然变压器180描绘双绕组变压器，但是能够使用其他适合变压器，例如三绕组变压器。在使用三绕组变压器的实施例中，线路母线188能够耦合到变压器的一个绕组，定子母线154能够耦合到变压器的另一个绕组，并且网184能够耦合到变压器的另一个绕组。
在操作中，在DFIG 120处由旋转转子106所生成交流功率经由双路径提供到电网184。双路径由定子母线154和转子母线156定义。在转子母线侧156上，正弦多相(例如三相)交流(AC)功率提供到功率变换器162。转子侧功率变换器166将从转子母线156所提供的AC功率变换成直流(DC)功率，并且提供DC功率到DC链路136。在转子侧功率变换器166的并联桥电路中所使用的开关元件(例如IGBT)能够被调制以将从转子母线156所提供的AC功率变换成适合用于DC链路136的DC功率。
线路侧变换器168将DC链路136上的DC功率变换成适合用于电网184的AC输出功率。特别地，在线路侧功率变换器168的桥电路中所使用的开关元件(例如IGBT)能够被调制以将DC链路136上的DC功率变换成线路侧母线188上的AC功率。来自功率变换器162的AC功率能够与来自DFIG 120的定子的功率组合以提供具有实质上以电网184的频率(例如50Hz/60Hz)所维持的频率的多相功率(例如三相功率)。
诸如电网断路器182、系统断路器178、定子同步开关158、变换器断路器186和线路接触器172的各种断路器和开关能够包含于系统100中以例如在电流是过多的并且能够损坏风力涡轮机系统100的组件或出于其他操作考虑时，连接或断开对应母线。附加保护组件也能够包含于风力涡轮机系统100中。
DFIG 120和功率变换器162能够经由控制器174从例如控制系统176接收控制信号。控制信号能够其中基于风力涡轮机系统100的所感测条件或操作特性。通常，控制信号提供用于DFIG 120和/或功率变换器162的操作的控制。例如，以功率变换器162的转子母线156处的电压的形式的反馈能够用来调节DFIG 120的转子的旋转速度。作为另一个示例，以DFIG 120的所感测转子速度的形式的反馈能够用来控制来自转子母线156的输出功率的变换以维持适当和平衡的多相(例如三相)电源。来自其他传感器的其他反馈也能够由控制器174用来控制DFIG 120和/或功率变换器162，该反馈包含例如定子和转子母线电压和电流反馈。使用反馈信息的各种形式，能够生成开关控制信号(例如IGBT的门控定时命令)、定子同步控制信号以及断路器信号。
根据本公开的方面，DFIG 120的转子的旋转速度能够至少部分基于转子母线156处的与功率变换器166关联的电压阈值来调节。特别地，系统100的风速范围能够由功率变换器162的电压能力来限制。特别地，系统100的最小和最大风速点能够由功率变换器162的电压能力来限制。与功率变换器162关联的电压阈值能够至少部分基于功率变换器162的电压能力来确定。因此，在切入风速下，控制器174能够配置成控制DFIG 120以降低DFIG 120的转子的旋转速度，使得转子母线156处的功率变换器162的电压不超过与功率变换器162关联的电压阈值。
例如，对于1800V IGBT变换器，电压能力能够处于大约759V的范围中。如本文所使用的，结合数值的术语“大约”的使用旨在指在所述数值的大约25％内。这个电压约束能够引起系统100在切入风速下失去能量。因此，在功率因数为1下，50Hz DFIG的转子的旋转速度能够降低到如与1080rpm相反的在切入风速下的925rpm，以1080rpm DFIG将正常操作。
图3根据本公开的示例实施例描绘用于增加DFIG风力涡轮机系统的功率输出的示例方法(300)的流程图。为了说明和讨论的目的，图3描绘以特定顺序所执行的步骤。本领域的普通技术人员的那些使用本文所提供的公开将理解，在没有脱离本公开的范围情况下，本文所公开的方法的任何一个的各种步骤能够以各种方式来调整、省略、重新布置或扩展。
在(302)处，方法(300)能够包含在风驱动双馈感应发电机处生成交流功率。交流功率能够从风驱动双馈感应发电机的定子提供到定子母线。在(304)处，方法(300)能够包含经由转子母线将来自功率变换器的转子电压提供到风驱动双馈感应发电机的转子。
在(306)处，方法(300)能够包含监测风驱动双馈感应发电机处的风速。风速能够例如通过与风驱动双馈感应发电机关联的风速计来确定。
在(308)处，方法(300)能够包含检测风驱动双馈感应发电机处的降低风速。降低风速例如能够是例如风驱动双馈感应发电机的切入风速。
响应于检测到降低风速，在(310)处，方法(300)能够包含至少部分基于指示转子电压的数据来控制风驱动双馈感应发电机的转子的旋转速度。指示转子电压的数据能够包含来自转子母线处的一个或多个传感器的信号和/或将各种转子速度点与各种电网电压和无功功率/功率因数条件相关的查找表中的数据。
根据本公开的特定方面，旋转转子速度能够被降低，使得转子电压不超过转子母线处的与功率变换器关联的电压阈值。例如，控制器能够发送控制命令到风驱动双馈感应发电机以将风驱动双馈感应发电机的旋转转子速度从第一旋转速度降低到第二旋转速度。能够确定第二旋转速度，使得风力涡轮机系统操作例如在最佳叶尖速度比或接近最佳叶尖速度比以增加双馈感应发电机的功率输出。还能够确定第二旋转速度，使得转子母线处的功率变换器电压不超过电压阈值。
在(312)处，方法(300)能够还包含至少部分基于与功率变换器关联的电压阈值来控制风驱动双馈感应发电机的转子的旋转速度。如果转子侧上的功率变换器电压超过电压阈值，(312)能够包含增加转子的旋转速度以减少双馈感应发电机的转子电压和转差。能够增加旋转转子速度，使得转子母线处的功率变换器电压不超过电压阈值。如果电压不超过电压阈值，(312)能够包含维持DFIG的转子的旋转速度，并且方法(300)能够包含返回到(306)。
根据本公开的示例方面，多个风力涡轮机系统例如图1中所描绘的风力涡轮机系统100能够是风电场的一部分。图4根据本公开的示例实施例描绘示例风电场200。风电场200包含风力涡轮机系统202和风力涡轮机系统204。风力涡轮机系统202和204能够是DFIG系统例如如图1所描述的系统100。虽然仅描绘了两个风力涡轮机系统，但是由本领域中的技术人员将领会，任何适合数量的风力涡轮机系统能够包含于风电场200中。风力涡轮机系统202和204能够各耦合到风电场控制器206。风电场控制器206在典型实施例中配置为风电场200和控制系统208之间的接口。风电场控制器206能够包含任何数量的控制装置。在一个实施中，风电场控制系统能够包含处理器(例如微处理器、微控制器等)，其运行存储在计算机可读媒介中的计算机可读指令。指令在由处理装置运行时能够引起处理装置执行包含提供控制命令到风力涡轮机系统202和204的操作。
风电场200还能够经由变压器212耦合到电网210。变压器212包括双绕组变压器，但是由本领域技术人员将领会，能够使用各种其他适合变压器例如三绕组变压器。风电场200能够经由变压器212输出多相功率(例如三相功率)到电网210。风电场200的输出功率级别能够至少部分由风电场控制器206控制。
特别地，风电场控制器206能够从例如控制系统208接收指示风电场200的目标功率数值的命令数值。目标功率数值能够包含有功功率数值和/或无功功率数值。目标功率数值能够至少部分基于来自电网210的功率需求来确定。此外，风电场控制器206能够接收指示网连接点处的风电场200有功功率、无功功率、电压、频率等的测量数据。
此外还有，风电场控制器206能够从风力涡轮机系统202和204接收涡轮机测量数据。例如，涡轮机测量数据能够包含来自DFIG的功率输出的频率、电压、电流、有功功率输出、无功功率输出、风速、功率因数等。至少部分基于各种接收数据，风电场控制器206能够确定风力涡轮机系统202和204的命令数值。风力涡轮机系统202和204然后按照来自风电场控制器206的命令数值能够使用包含于风力涡轮机系统202和204的控制系统例如图1中所描绘的控制系统176来控制相应风力涡轮机系统202和204。
在示例实施例中，风电场控制器206至少部分基于查找表能够确定风力涡轮机系统202和204的命令控制。查找表能够定义各种转子速度点与各种电网电压和无功功率需求条件之间的相关性。
图5根据本公开的示例实施例描绘用于在降低风速下增加风电场的功率输出的示例方法(400)的流程图。双馈感应发电机的转子速度范围能够通过在降低风速下降低无功功率输出来进一步增加。因此，在(402)处，方法400能够包含识别电网的无功功率需求。电网能够耦合到风电场例如图4所描绘的风电场200。风电场能够包含例如第一双馈感应发电机和第二双馈感应发电机。电网的无功功率需求能够至少部分基于与耦合到网的电负载关联的各种网条件来确定。
在(404)处，方法(400)能够包含检测第一双馈感应发电机处的降低风速。降低风速能够例如是双馈感应发电机的切入风速。响应于检测到第一双馈感应发电机处的降低风速，在(406)处，方法(400)能够包含降低双馈感应发电机的旋转转子速度和无功功率输出以增加双馈感应发电机的功率输出。旋转速度能够被降低，使得耦合到双馈感应发电机的转子的功率变换器的电压不超过转子母线处的电压阈值。
降低无功功率输出能够允许双馈感应发电机的旋转速度中的增进的降低。转子的旋转速度的增进的降低能够是这样的，以致于功率变换器的转子母线处的电压不超过与功率变换器关联的电压阈值。
在(408)处，方法400能够包含增加第二双馈感应发电机的无功功率输出。第二双馈感应发电机的无功功率输出能够至少部分基于所识别的电网无功功率需求来确定。例如，第二双馈感应发电机的无功功率输出能够被增加以补偿第一双馈感应发电机的减少无功功率输出。第二双馈感应发电机的增加的无功功率输出能够被确定使得风电场的总无功功率输出满足从电网的所要求的风电场的无功功率需求。
示例
表1根据本公开的示例实施例显示示例模拟结果。特别地，表1显示对于不同旋转转子速度在降低风速下双馈感应发电机的功率输出。例如，如由表1所示，在4m/s风速下，将旋转转子速度从1065rpm降低到925rpm提供双馈感应发电机的功率输出中的31kW增加。
1065rpm 925rpm 差
风速[m/s] 功率[kW] 功率[kW] 功率[kW]
3.00 5 29 24
3.50 63 90 17
4.00 129 160 31
4.50 225 239 14
5.00 301 328 27
5.50 470 474 4
6.00 589 597 8
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何包含的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则预计它们处于权利要求的范围之内。
以下是本文的部件列表。
参考符号 组件
100 风力涡轮机系统
106 螺旋桨
108 多个转子叶片
110 旋转轴
118 齿轮箱
120 双馈感应发电机(DFIG)
136 DC链路
138 DC链路电容器
154 定子母线
156 转子母线
158 定子同步开关
160 系统母线
162 功率变换器
166 转子侧变换器
168 线路侧变换器
172 线路连接器
174 控制器
176 控制系统
178 系统断路器
180 变压器
182 电网断路器
184 电网
186 变换器断路器
188 线路侧母线
190 一个或多个处理器
191 传感器
192 一个或多个存储器装置
193 传感器
194 通信模块
195 传感器
196 传感器接口
200 风电场
202 风力涡轮机系统
204 风力涡轮机系统
206 风电场控制器
208 控制系统
210 电网
212 变压器
300 方法
302 方法步骤
304 方法步骤
306 方法步骤
308 方法步骤
310 方法步骤
312 方法步骤
400 方法
402 方法步骤
404 方法步骤
406 方法步骤
408 方法步骤

Claims (20)

1.一种风力涡轮机系统，包括：
具有转子和定子的风驱动双馈感应发电机，所述定子提供AC功率到定子母线；
功率变换器，经由转子母线耦合到所述双馈感应发电机的所述转子，所述功率变换器提供输出到线路母线，所述功率变换器具有所述转子母线处的关联电压阈值；以及
控制系统，配置成识别所述双馈感应发电机处的降低风速；
其中在所述降低风速下，所述控制系统还配置成至少部分基于指示转子电压的数据来调节所述双馈感应发电机的所述转子的旋转速度以增加所述双馈感应发电机的功率输出，所述控制系统调节所述转子的所述旋转速度，使得所述转子电压不超过在所述转子母线处的与所述功率变换器关联的电压阈值。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机系统，其中所述双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度中的降低提供所述双馈感应发电机处的增大的转差。
3.如权利要求1所述的风力涡轮机系统，其中，在所述降低风速下，所述控制系统配置成至少部分基于与所述风力涡轮机关联的叶尖速度比来调节所述双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度，所述叶尖速度比是所述风力涡轮机的叶片的叶尖的切向速度和所述降低风速之间的比率。
4.如权利要求1所述的风力涡轮机系统，其中指示所述转子电压的所述数据能够至少部分基于配置成监测所述转子母线处的电压的一个或多个传感器来确定。
5.如权利要求1所述的风力涡轮机系统，其中指示所述转子电压的所述数据能够至少部分基于所述双馈感应发电机的无功功率输出来确定。
6.如权利要求1所述的风力涡轮机系统，其中指示所述转子电压的所述数据包括查找表，所述查找表定义各种转子速度点与各种电网电压和无功功率需求条件之间的相关性，所述双馈感应发电机的所述转子的降低的旋转速度至少部分基于所述查找表来确定。
7.如权利要求1所述风力涡轮机系统，其中所述控制系统配置成至少部分基于电网电压来调节所述旋转速度。
8.如权利要求1所述的风力涡轮机系统，其中，在所述降低风速下，所述控制系统配置成降低所述双馈感应发电机的无功功率输出以允许所述双馈感应发电机的所述转子的旋转速度中的增进的降低。
9.一种用于在降低风速下增加风驱动双馈感应发电机的功率输出的方法，所述方法包括：
在风驱动双馈感应发电机处生成交流功率，所述交流功率从所述风驱动双馈感应发电机的定子被提供到定子母线；
将来自功率变换器的转子电压经由转子母线提供到所述风驱动双馈感应发电机的转子；
检测在所述风驱动双馈感应发电机处的降低风速；以及
响应于检测到所述降低风速，至少部分基于指示所述转子电压的数据来将所述转子的旋转速度从第一旋转速度降低到第二旋转速度以增加所述双馈感应发电机的所述功率输出，所述第二旋转速度被确定使得所述转子电压不超过在所述转子母线处的与所述功率变换器关联的电压阈值。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述双馈感应发电机的所述转子的降低的旋转速度至少部分基于叶尖速度比来确定，所述叶尖速度比是在风力涡轮机的叶片的叶尖的切向速度和所述降低风速之间的比率。
11.如权利要求9所述的方法，其中指示所述转子电压的所述数据能够至少部分基于配置成监测所述转子母线处的电压的一个或多个传感器来确定。
12.如权利要求9所述的方法，其中指示所述转子电压的所述数据能够至少部分基于所述双馈感应发电机的无功功率输出来确定。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述方法包括：
降低所述风驱动双馈感应发电机的无功功率输出；以及
将所述风驱动双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度降低到第三旋转速度，所述第三旋转速度小于所述第一旋转速度。
14.如权利要求9所述的方法，其中降低所述双馈感应发电机的所述转子的所述第二旋转速度提供所述双馈感应发电机的增大的转差。
15.一种风电场，所述风电场包括：
具有第一双馈感应发电机的第一风力涡轮机系统，所述第一双馈感应发电机具有转子和定子；
具有第二双馈感应发电机的第二风力涡轮机系统，所述第二双馈感应发电机具有转子和定子；以及
控制系统，所述控制系统配置成检测在所述第一双馈感应发电机处的降低风速；
其中响应于检测到所述第一双馈感应发电机处的所述降低风速，所述控制系统配置成控制所述第一双馈感应发电机以降低所述第一双馈感应发电机的无功功率输出以及降低所述第一双馈感应发电机的所述转子的旋转速度以增加所述第一双馈感应发电机的功率输出，
其中所述控制系统还配置成控制所述第二双馈感应发电机以增加所述第二双馈感应发电机的无功功率输出。
16.如权利要求15的所述风电场，其中所述第一双馈感应发电机的所述转子经由转子母线耦合到功率变换器，所述功率变换器具有所述转子母线处的关联电压阈值。
17.如权利要求16所述的风电场，其中降低所述第一双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度，使得所述转子母线处的功率变换器电压不超过所述电压阈值。
18.如权利要求15所述的风电场，其中所述第二双馈感应发电机的所述增加无功功率输出至少部分基于来自电网的无功功率需求来确定。
19.如权利要求15所述的风电场，其中所述第一双馈感应发电机的所述转子的所述旋转速度中的降低提供所述双馈感应发电机处的增大的转差。
20.如权利要求16所述的风电场，其中所述第一双馈感应发电机的所述降低无功功率输出促进所述双馈感应发电机的所述转子的旋转速度中的增进的降低，使得所述转子母线处的功率变换器电压不超过所述电压阈值。
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