CN106168195A - 用于在风力涡轮控制中使用的降额计划的限制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在风力涡轮控制中使用的降额计划的限制。具体而言，提供用于控制风力涡轮的系统和方法。用于该风力涡轮的构件的操作限制可基于各种环境条件(例如，温度、海拔高度、空气密度、风速等)使用降额计划来确定。使用该降额计划确定的操作限制可基于用于至少一个构件的例如由该构件的制作者规定的额定操作限制来限制。该风力涡轮可基于该操作限制来受到控制。例如，风力涡轮的操作条件可被控制为以便风力涡轮的操作不导致操作参数(例如，电流)超过对风力涡轮的构件确定的操作限制。

Description

用于在风力涡轮控制中使用的降额计划的限制
技术领域
本主旨大体上涉及风力涡轮，且更具体而言，涉及用于控制风力涡轮系统的系统和方法。
背景技术
风力涡轮可包括具有转子的涡轮，该转子包括具有多个叶片的可旋转毂组件。该叶片将风能转变成机械旋转扭矩，该扭矩通过转子来驱动一个或更多个发电机。发电机有时但不总是通过齿轮箱而旋转地联接至转子。该齿轮箱逐步增加用于发电机的转子的固有低转速，以有效地将旋转机械能转换为电能，电能通过至少一个电连接而供给到公用网络中。还存在无齿轮直接驱动风力涡轮。转子、发电机、齿轮箱和其他构件通常安装在壳体或机舱内，该壳体或机舱定位在底座的顶部上，该底座可为桁架或管状塔架。
一些风力涡轮构造包括双馈感应发电机(DFIG)。这种构造还可包括功率转换器，其用于将生成的电功率的频率转换成与公用网络频率基本上相似的频率(例如，50Hz、60Hz等)。而且，这种转换器还与DFIG结合地在公用网络与发电机之间传输电功率，以及将去往绕线发电机转子的发电机激励功率从连接中的一个传输至电力公用网络连接。备选地，一些风力涡轮构造包括但不限于备选类型的感应发电机、永磁体(PM)同步发电机、和电激励同步发电机和开关磁阻发电机。这些备选构造还可包括功率转换器，该功率转换器用于如上所述地转换频率且在公用网络与发电机之间传输电功率。
风力涡轮具有多个电气和机械构件。各构件可具有与其他构件独立或不同的操作限制，诸如电流、电压、功率、和/或温度限制。而且，已知的风力涡轮通常设计和/或组装为具有有预定的额定功率限制的构件。为了在此种额定功率限制内操作，可在用于操作限制的大的裕度下操作电气构件。此种操作可导致低效率的风力涡轮操作，且可能不充分利用风力涡轮的动力生成能力。此外，使用具有增加的额定值的构件可为昂贵的。
允许风力涡轮的更有效操作的控制计划(control scheme)可监测风力涡轮系统的各种环境条件(诸如温度、海拔高度、空气密度等)且基于该操作条件来调节各种操作限制(例如，使用降额曲线(derating curve))。例如，降额计划可用于基于海拔高度、温度、和其他环境条件来调节用于风力涡轮构件的操作限制。在一些情形下，降额计划可提供比由构件制作者规定的最大操作限制大的操作限制。
发明内容
本公开的实施例的方面和优势将在下面的描述中部分地阐述，或可从该描述中习得，或可通过实施例的实践而习得。
本公开的一个示例方面涉及用于控制风力涡轮的方法。该方法包括通过一个或更多个控制装置来接收指示一个或更多个环境条件或操作条件的数据。该方法还包括使用用于风力涡轮的至少一个构件的降额计划至少部分地基于一个或更多个环境条件或操作条件，通过一个或更多个控制装置来确定用于至少一个构件的初始操作限制，该初始操作限制可大于用于该至少一个构件的额定操作限制。在降额计划的实现期间，该方法可包括至少部分地基于该额定操作限制，通过一个或更多个控制装置将初始操作限制限制至调节后操作限制。该方法还包括至少部分地基于该调节后操作限制通过一个或更多个控制装置来控制风力涡轮的操作。
本公开的另一示例方面涉及用于风力涡轮的控制系统。该控制系统包括通过一个或更多个控制装置实现的降额模块。该降额模块可构造成至少部分地基于指示一个或更多个环境条件的数据来确定用于风力涡轮的至少一个构件的操作限制。该控制系统还包括通过一个或更多个控制装置实现的功率限制模块。该功率限制控制模块可构造成至少部分地基于用于该风力涡轮的至少一个构件的操作限制来控制风力涡轮的操作。该降额模块可包括通过一个或更多个控制装置实现的箝位器(clamper)。该箝位器可构造成：当初始操作限制大于用于至少一个构件的额定操作限制时，至少部分地基于用于至少一个构件的额定操作限制将该操作限制从初始操作限制调节至调节后操作限制。
本公开的又一示例方面涉及风力涡轮系统，其可包括发电机、构造成可旋转地驱动该发电机的转子、和被编程以执行用于该风力涡轮的控制操作的控制系统。该控制操作可包括接收指示一个或更多个环境条件的数据和使用用于风力涡轮的至少一个构件的降额计划至少部分地基于一个或更多个环境条件来确定用于该至少一个构件的初始操作限制。该初始操作限制可大于用于至少一个构件的额定操作限制。该控制操作还可包括在降额计划的实现期间至少部分地基于额定操作限制将初始操作限制调节至调节后操作限制。该控制操作还可包括至少部分地基于用于该构件的调节后操作限制来确定用于风力涡轮系统的操作限制，和至少部分地基于该风力涡轮系统的操作限制来调节至少一个发电机或转子的操作条件。
技术方案1：一种用于控制风力涡轮的方法，所述方法包括：
通过一个或更多个控制装置来接收指示一个或更多个环境条件或操作条件的数据；
至少部分地基于所述一个或更多个环境条件或操作条件，使用用于所述风力涡轮的至少一个构件的降额计划，通过所述一个或更多个控制装置来确定用于所述至少一个构件的初始操作限制，所述初始操作限制大于用于所述至少一个构件的额定操作限制；
在所述降额计划的实现期间，至少部分地基于所述额定操作限制，通过所述一个或更多个控制装置将所述初始操作限制限制至调节后操作限制；和
至少部分地基于所述调节后操作限制，通过所述一个或更多个控制装置来控制所述风力涡轮的操作。
技术方案2：根据技术方案1所述的方法，其中，所述构件的额定操作限制为用于所述风力涡轮的构件的操作参数的最大额定值。
技术方案3：根据技术方案1所述的方法，其中，所述调节后操作限制不大于所述额定操作限制。
技术方案4：根据技术方案1所述的方法，其中，在将所述初始操作限制限制至调节后操作限制之后，所述方法包括使用低通滤波器来过滤所述调节后操作限制。
技术方案5：根据技术方案1所述的方法，其中，至少部分地基于所述一个或更多个环境条件，使用降额计划，通过所述一个或更多个控制装置来确定用于所述风力涡轮的至少一个构件的初始操作限制包括：
通过所述一个或更多个控制装置来访问用于所述构件的降额曲线，所述降额曲线作为多个已知环境条件的函数规定多个操作限制；和
通过所述一个或更多个控制装置对所述降额曲线进行内插，以至少部分地基于指示一个或更多个环境条件的数据来确定所述初始操作条件。
技术方案6：根据技术方案1所述的方法，其中，至少部分地基于所述调节后操作限制，通过所述一个或更多个控制装置来控制所述风力涡轮的操作包括：
至少部分地基于用于所述构件的调节后操作限制，通过所述一个或更多个控制装置来确定用于所述风力涡轮的操作限制；和
至少部分地基于用于所述风力涡轮的操作限制，通过所述一个或更多个控制装置来调节所述风力涡轮的操作条件。
技术方案7：根据技术方案6所述的方法，其中，至少部分地基于用于所述风力涡轮的操作限制来调节所述风力涡轮的操作条件包括调节所述风力涡轮的发电机的功率输出、调节所述风力涡轮的发电机的扭矩、或调节所述风力涡轮的转子的转速中的一个或更多个。
技术方案8：根据技术方案1所述的方法，其中，所述一个或更多个环境条件或操作条件包括温度、海拔高度、空气密度、风速、或发电机速度中的一个或更多个。
技术方案9：根据技术方案8所述的方法，其中，所述初始操作限制和所述调节后操作限制为用于所述构件的电流限制。
技术方案10：一种用于风力涡轮的控制系统，所述控制系统包括：
降额模块，其通过一个或更多个控制装置来实现，所述降额模块构造成至少部分地基于指示一个或更多个环境条件的数据来确定用于所述风力涡轮的至少一个构件的操作限制；
功率限制模块，其通过所述一个或更多个控制装置来实现，该功率限制控制模块构造成至少部分地基于用于所述风力涡轮的所述至少一个构件的操作限制来控制所述风力涡轮的操作；
其中，所述降额模块包括箝位器，所述箝位器通过所述一个或更多个控制装置来实现，所述箝位器构造成：当初始操作限制大于用于所述至少一个构件的额定操作限制时，至少部分地基于用于所述至少一个构件的额定操作限制来将操作限制从所述初始操作限制调节至调节后操作限制。
技术方案11：根据技术方案10所述的控制系统，其中，所述构件的额定操作限制为用于所述风力涡轮的构件的操作参数的最高额定值。
技术方案12：根据技术方案10所述的控制系统，其中，所述调节后操作限制不大于所述额定操作限制。
技术方案13：根据技术方案10所述的控制系统，其中，所述降额模块构造成通过对降额曲线进行内插来确定所述初始操作限制，所述降额曲线作为多个已知环境条件的函数来规定操作限制。
技术方案14：根据技术方案10所述的控制系统，其中，所述功率限制模块构造成通过至少部分地基于用于所述构件的调节后操作限制来确定用于所述风力涡轮的操作限制，和至少部分地基于用于所述风力涡轮的操作限制来调节所述风力涡轮的操作条件，从而控制所述风力涡轮的操作。
技术方案15：根据技术方案10所述的控制系统，还包括通过所述一个或更多个控制装置来实现的滤波器，所述滤波器构造成减小操作限制的波动。
技术方案16：一种风力涡轮系统，包括：
发电机；
转子，其构造成可旋转地驱动所述发电机；
控制系统，其被编程以执行用于所述风力涡轮的控制操作，所述控制操作包括：
接收指示一个或更多个环境条件的数据；
至少部分地基于所述一个或更多个环境条件，使用用于所述风力涡轮的至少一个构件的降额计划来确定用于所述至少一个构件的初始操作限制，所述初始操作限制大于用于所述至少一个构件的额定操作限制；
在所述降额计划的实现期间，至少部分地基于所述额定操作限制将所述初始操作限制限制至调节后操作限制；
至少部分地基于用于所述构件的调节后操作限制来确定用于所述风力涡轮系统的操作限制；和
至少部分地基于用于所述风力涡轮系统的操作限制来调节所述发电机或所述转子中的至少一个的操作条件。
技术方案17：根据技术方案16所述的风力涡轮系统，其中，所述构件的额定操作限制为用于所述风力涡轮的构件的操作参数的最高额定值。
技术方案18：根据技术方案16所述的风力涡轮系统，其中，所述调节后操作限制不大于所述额定操作限制。
技术方案19：根据技术方案16所述的风力涡轮系统，其中，使用降额计划，至少部分地基于所述一个或更多个环境条件来确定用于所述风力涡轮的至少一个构件的初始操作限制的控制操作包括：
访问用于所述构件的降额曲线，所述降额曲线作为多个已知环境条件的函数来规定操作限制；和
对所述降额曲线进行内插，以至少部分地基于指示一个或更多个环境条件的数据来确定所述初始操作条件。
技术方案20：根据技术方案16所述的风力涡轮系统，其中，至少部分地基于用于所述风力涡轮的操作限制来调节所述风力涡轮的操作条件的控制操作包括调节所述风力涡轮的发电机的功率输出、调节所述风力涡轮的发电机的扭矩、或调节所述风力涡轮的转子的转速中的一个或更多个。
可对本公开的这些示例方面进行变更和更改。
通过参照下列描述和所附权利要求，各种实施例的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并组成其一部分的附图例示了本公开的实施例，并与说明一起用来解释相关原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域技术人员的实施例的详细论述，其参考附图，在附图中：
图1描绘示例风力涡轮的一部分；
图2描绘示例风力涡轮的示例电气和控制系统；
图3描绘根据本公开的示例方面的示例功率限制控制计划；
图4描绘根据本公开的示例实施例的示例降额模块；
图5描绘根据本公开的示例实施例的示例降额曲线的内插；和
图6描绘根据本公开的示例实施例的示例控制方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或更多个示例在附图中示出。各实施例是作为本发明的解释而非本发明的限制来提供的。事实上，在本发明中可进行各种修改和改变而不脱离本发明的范围或精神这点对于本领域技术人员而言将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分例示或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生又一实施例。因此，意图本发明覆盖落入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此种修改和改变。
本公开的示例方面涉及用于通过调节风力涡轮的一个或更多个构件(例如，电线、变压器、限制开关、母线、连接器等)的操作限制来控制风力涡轮的系统和方法。根据本公开的示例方面，风力涡轮构件的操作限制可使用降额计划基于各种环境条件(例如，温度、海拔高度、空气密度、风速等)和/或操作条件(例如，涡轮速度)来确定。降额计划可作为指示环境条件的数据的函数来调节构件的操作限制。例如，在温度降低时，风力涡轮构件(诸如电缆(例如转子电缆、定子电缆等))的电流操作限制可增大以容纳更大的电流。可基于操作限制来控制风力涡轮。例如，可控制风力涡轮的操作条件，以便风力涡轮的操作不导致操作参数(例如，电流)超过对风力涡轮的构件确定的操作限制。
根据本公开的示例实施例，可限制利用降额计划确定的操作限制，以便不超过如例如由构件的制作者规定的用于至少一个构件的额定操作限制。例如，降额计划可实现箝位器，其将利用降额计划确定的操作限制加在例如由构件的制作者规定的风力涡轮构件的最高或最大额定值上。
在一个示例实施例中，降额计划的实现可包括访问降额曲线。该降额曲线可作为已知环境条件的函数来规定一个或更多个操作限制。在接收到指示风力涡轮当前环境条件的数据之后，可基于降额曲线的已知数据来对降额曲线进行内插(例如，使用线性内插或其他合适的内插)，以确定当前环境条件下的用于构件的操作限制。在一些情形中，降额计划可提供比风力涡轮构件的最高额定值大的初始操作限制。
降额计划可至少部分地基于风力涡轮构件的额定操作限制来调节初始操作限制。例如，在一个示例中，降额计划将初始操作限制调节至调节后操作限制，该调节后操作限制不大于风力涡轮构件的额定操作限制。在其他示例中，可提供裕度，以便于调节后操作限制不大于额定操作限制的80%，诸如不大于额定操作限制的90%，诸如不大于额定操作限制的95%，诸如不大于额定操作限制的98%，或额定操作限制的其他百分比。在一个示例中，可将操作限制设定为高于额定操作限制，诸如额定操作限制的105%、额定操作限制的110%、额定操作限制的120%，或大于额定操作限制的其他合适的操作限制。
以此方式，本公开的示例实施例的技术效果可包括至少实现风力涡轮的一个或更多个构件的降额，以便于不超过例如由构件的制作者规定的构件的额定操作限制。例如，在对于风力涡轮的构件中的各个(例如，各电缆、变压器、限制开关等)的降额计划的实现期间实现根据本公开实施例的箝位器可提供额外的控制，以确保用于风力涡轮构件的最大额定操作限制在风力涡轮的操作条件的控制期间不被超过。
图1是示例风力涡轮100的一部分的透视图。风力涡轮100可包括容纳发电机(图1中未示出)的机舱102。机舱102可安装在塔架104上(在图1中示出塔架104的一部分)。塔架104可具有有助于如本文中描述的风力涡轮100的操作的任何合适的高度/海拔高度(例如75m、120m等)。风力涡轮100还可包括转子106，该转子106包括附接至旋转毂110的三个叶片108。风力涡轮100可包括有助于如本文描述的风力涡轮100的操作的任何数量的叶片108。在示例实施例中，风力涡轮100可包括操作地联接至转子106的齿轮箱和发电机。
图2是可与风力涡轮100一起使用的示例电气和控制系统200的示意图。转子106可包括联接至毂110的叶片108。转子106还可包括可旋转地联接至毂110的低速轴112。低速轴112可联接至加速齿轮箱(step-up gearbox)114，齿轮箱114可构造成逐步增加低速轴112的转速且将该速度传递至高速轴116。在一个示例实施例中，齿轮箱114可具有接近70：1的加速比率。例如，联接至具有接近70：1加速比率的齿轮箱114的以接近20转每分钟(rpm)旋转的低速轴112可生成接近1400rpm的高速轴116的速度。如在本文中使用的，与声明的数值结合的用语“大约”或“接近”的使用指在所声明数值的25%以内。齿轮箱114可具有有助于如本文描述的风力涡轮100的操作的任何合适的加速比率。在一个示例中，风力涡轮100可包括可旋转地联接至转子106而丝毫不干涉齿轮箱的直接驱动发电机。
高速轴116可以可旋转地联接至发电机118。在一个示例实施例中，发电机118可为绕线转子、三相、双馈感应(异步)发电机(DFIG)(其包括磁性地联接至发电机转子122的发电机定子120)。在一个实施例中，发电机转子122可包括多个永磁体以代替转子绕组。
电气和控制系统200可包括涡轮控制器202。涡轮控制器202可包括一个或更多个处理器和一个或更多个存储装置。涡轮控制器202还可包括至少一个处理器输入通道和至少一个处理器输出通道。在示例实施例中，涡轮控制器202可包括一个或更多个计算装置。
如本文中所使用的，用语计算装置不限于在本领域中称为计算机的集成电路，而是广泛地指处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路、和其他可编程电路，且这些用语在本文中可互换地使用。在一个示例实施例中，存储装置可包括但不限于计算机可读介质，诸如随机存取存储器(RAM)。在一个实施例中，可使用一个或更多个储存装置，诸如软盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、磁性光盘(MOD)、和/或数字通用盘(DVD)。而且，在一个示例实施例中，额外的输入通道可为但不限于与操作者接口相关的计算机外围设备(诸如鼠标和键盘)。此外，在一个实施例中，额外的输出通道可包括但不限于操作者接口监视器。
用于涡轮控制器202的一个或更多个处理器可处理从多个电气和电子装置传输的信息，该装置可包括但不限于电压和电流互感器。RAM和/或储存装置可储存和传递信息和待由一个或更多个处理器执行的指令。RAM和/或储存装置还可用于在由该一个或更多个处理器执行指令期间储存临时变量、静态(即非变化)信息和指令、或其他中间信息和将它们提供至一个或更多个处理器。被执行的指令包括但不限于固有的转换和/或算法。指令顺序的执行不限于硬件线路和软件指令的任何具体组合。
参照图2，发电机定子120可经由定子母线208而电联接至定子同步开关206。在示例实施例中，为了有助于DFIG构造，发电机转子122可经由转子母线212而电气地联接至双向功率转换组件210。在一个实施例中，发电机转子122可经由有助于如本文描述的电气和控制系统200的操作的任何其他装置而电联接至转子母线212。在一个实施例中，电气和控制系统200可构造为满功率转换系统，其包括在设计和操作方面与功率转换组件210类似且电联接至发电机定子120的满功率转换组件。该满功率转换组件可有助于在发电机定子120与电功率传输和分配网络之间引导电力。在一个示例实施例中，定子母线208可将三相功率从发电机定子120传输至定子同步开关206。转子母线212可将三相功率从发电机转子122传输至功率转换组件210。在一个实施例中，定子同步开关206可经由系统母线216而电联接至主变压器电路断路器214。在一个实施例中，使用一个或更多个熔丝(未示出)来代替主变压器电路断路器214。在另一实施例中，既不使用熔丝也不使用主变压器电路断路器214。
功率转换组件210可包括转子滤波器218，转子滤波器218经由转子母线212而电联接至发电机转子122。转子滤波器母线219可将转子滤波器218电联接至转子侧功率转换器220，且转子侧功率转换器220可电联接至线路侧功率转换器222。转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222可为包括功率半导体的功率转换器桥接器。在一个实施例中，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222可以三相、脉宽调制(PWM)构造的形式构造，包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关装置。在一个实施例中，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222可具有使用有助于如本文描述的电气和控制系统200的操作的任何开关装置的任何构造。功率转换组件210可与涡轮控制器202电子数据通信地联接，以控制转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的操作。
在一个实施例中，线路侧功率转换器母线223可将线路侧功率转换器222电联接至线路滤波器224。线路母线225可将线路滤波器224电联接至线路接触器226。而且，线路接触器226可经由转换电路断路器母线230而电联接至转换电路断路器228。此外，转换电路断路器228可经由系统母线216和连接母线232而电联接至主变压器电路断路器214。在一个实施例中，线路滤波器224可经由连接母线232直接电联接至系统母线216，且可包括任何合适的保护计划，该保护计划构造成考虑线路接触器226和转换电路断路器228从电气和控制系统200的移除。主变压器电路断路器214可经由发电机侧母线236而电联接至电功率主变压器234。主变压器234可经由断路器侧母线240而电联接至网络电路断路器238。网络电路断路器238可经由网络母线242而连接至电功率传输和分配网络。在一个实施例中，主变压器234可经由断路器侧母线240而电联接至一个或更多个熔丝，而非联接至网络电路断路器238。在一个实施例中，既不使用熔丝也不使用网络电路断路器238，而是将主变压器234经由断路器侧母线240和网络母线242联接至电功率传输和分配网络。
在一个实施例中，转子侧功率转换器220可经由单个直流(DC)链路(link)244而与线路侧功率转换器222电连通地联接。在一个实施例中，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222可经由单独且分离的DC链路而电联接。DC链路244可包括正轨246、负轨248、和联接在正轨246与负轨248之间的至少一个电容器250。在一个实施例中，电容器250可包括一个或更多个电容器，该一个或更多个电容器在正轨246与负轨248之间串联和/或并联地构造。
涡轮控制器202可构造成接收来自第一组电压和电流传感器252的多个电压和电流测量信号。而且，涡轮控制器202可构造成监控和控制与风力涡轮100相关的操作变量中的至少一些。在一个实施例中，三个电压和电流传感器252中的各个电联接至网络母线242的三相中的各一个。备选地，电压和电流传感器252电联接至系统母线216。在一个实施例中，电压和电流传感器252可电联接至电气和控制系统200有助于如本文描述的电气和控制系统200的操作的任何部分。在一个实施例中，涡轮控制器202可构造成接收来自任何数量的电压和电流传感器252的任何数量的电压和电流测量信号，包括但不限于来自一个互感器的一个电压和电流测量信号。
在一个实施例中，电气和控制系统200还可包括转换器控制器262，转换器控制器262构造成接收多个电压和电流测量信号。例如，在一个实施例中，转换器控制器262可接收来自第二组电压和电流传感器254的电压和电流测量信号，该第二组电压和电流传感器254与定子母线208电子数据通信地联接。转换器控制器262可接收来自第三组电压和电流传感器256的第三组电压和电流测量信号，该第三组电压和电流传感器256与转子母线212电子数据通信地联接。转换器控制器262还可接收来自第四组电压和电流传感器264的第四组电压和电流测量信号，该第四组电压和电流传感器264与转换电路断路器母线230电子数据通信地联接。第二组电压和电流传感器254可基本上类似于第一组电压和电流传感器252，且第四组电压和电流传感器264可基本上类似于第三组电压和电流传感器256。转换器控制器262可基本上类似于涡轮控制器202且可与涡轮控制器202电子数据通信地联接。此外，在一个实施例中，转换器控制器262可物理地集成在功率转换组件210内。在一个实施例中，转换器控制器262可具有促进如本文中描述的电气和控制系统200的操作任何构造。
在示例实施例的操作期间，风冲击叶片108且叶片108将风能转化成机械旋转扭矩，该扭矩经由毂110来可旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，该齿轮箱114随后逐步增大低速轴112的低转速，以在增大的转速下驱动高速轴116。高速轴116可旋转地驱动发电机转子122。旋转磁场由发电机转子122感应，且在发电机定子120内感应电压，该发电机定子120磁性地联接至发电机转子122。发电机118将旋转机械能转换成发电机定子120中的正弦、三相交流(AC)电能信号。相关的电功率经由定子母线208、定子同步开关206、系统母线216、主变压器电路断路器214和发电机侧母线236而传输至主变压器234。主变压器234逐步增加电功率的电压幅度，且转变后电功率经由断路器侧母线240、网络电路断路器238和网络母线242进一步传输至网络。
在一个实施例中，提供第二电功率传输路径。电气、三相、正弦的AC功率在发电机转子122内生成且经由转子母线212传输至功率转换组件210。在功率转换组件210内，电功率传输至转子滤波器218且更改该电功率，以用于与转子侧功率转换器220相关的PWM信号的改变的速率。转子侧功率转换器220作用为整流器且将正弦、三相AC功率整流为DC功率。DC功率被传输到DC链路244中。电容器250通过有助于与AC整流有关的DC纹波(ripple)的减轻来减轻DC链路244电压幅度变化。
DC功率随后从DC链路244传输至线路侧功率转换器222且线路侧功率转换器222作用为逆变器，该逆变器构造成将来自DC链路244的DC电功率转换成具有预定电压、电流、和频率的三相、正弦AC电功率。该转换通过转换器控制器262来监测和控制。转换后AC功率经由线路侧功率转换器母线223和线路母线225、线路接触器226、转换电路断路器母线230、转换电路断路器228、和连接母线232而从线路侧功率转换器222传输至系统母线216。线路滤波器224补偿或调节从线路侧功率转换器传输的电功率中的谐波电流。定子同步开关206可构造成闭合以有助于将来自发电机定子120的三相功率与来自功率转换组件210的三相功率连接。
转换电路断路器228、主变压器电路断路器214、和网络电路断路器238可构造成使对应的母线断开连接，例如，当过多电流流量可损伤电气和控制系统200的构件时。额外的保护构件还可提供为包括线路接触器226，线路接触器226可被控制，以通过断开与线路母线225的各线路相应的开关来形成断路。
功率转换组件210可针对例如毂110和叶片108处的风速的改变而补偿或调节来自发电机转子122的三相功率的频率。因此，以此方式，机械和电气转子频率与定子频率去耦。
在一些条件下，功率转换组件210的双向特性，且具体而言，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的双向特性可有助于将生成的电功率中的至少一些反馈到发电机转子122中。更具体而言，电功率可从系统母线216传输至连接母线232且随后通过转换电路断路器228和转换电路断路器母线230传输到功率转换组件210中。在功率转换组件210内，电功率通过线路接触器226、线路母线225和线路侧功率转换器母线223传输到线路侧功率转换器222中。线路侧功率转换器222作用为整流器且将正弦、三相AC功率整流成DC功率。该DC功率被传输到DC链路244中。电容器250有助于通过促进有时与三相AC整流有关的DC纹波的减轻来减轻DC链路244电压幅度变化。
DC功率随后从DC链路244传输至转子侧功率转换器220且转子侧功率转换器220作用为逆变器，该逆变器构造成将从DC链路244传输的DC电功率转换成具有预定电压、电流和频率的三相、正弦AC电功率。该转换可通过转换器控制器262来监测和控制。转换后AC功率经由转子滤波器母线219从转子侧功率转换器220传输至转子滤波器218，且随后经由转子母线212传输至发电机转子122，从而促进次同步操作。
功率转换组件210可构造成接收来自涡轮控制器202的控制信号。该控制信号基于风力涡轮100和电气和控制系统200的感测的条件或操作特性。控制信号可通过涡轮控制器202接收且可用于控制功率转换组件210的操作。来自一个或更多个传感器的反馈可由电气和控制系统200使用，以用于通过转换器控制器262来控制功率转换组件210，例如包括通过第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256、和第四组电压和电流传感器264的转换电路断路器母线230、定子母线和转子母线电压或电流反馈。使用该反馈信息，且例如开关控制信号、定子同步开关控制信号和系统电路断路器控制(跳闸)信号可以以任何已知的方式生成。
根据本公开的示例方面，涡轮控制器202可基于对风力涡轮100的各种电气和/或机械构件(例如，电缆、变压器、开关、断路器、母线、连接器等)确定的操作限制来控制风力涡轮100的操作条件。例如，转换器控制器262和涡轮控制器202中的一个或更多个可基于对风力涡轮的一个或更多个构件中的各个确定的操作限制来确定用于风力涡轮100的操作限制。在一个实施例中，转换器控制器262可确定用于风力涡轮100的操作限制，且将该操作限制通信至涡轮控制器202。涡轮控制器202可将风力涡轮的操作条件调节为保持在用于风力涡轮的操作限制内。例如，涡轮控制器202可构造成执行以下中的一个或更多个：调节风力涡轮100的发电机118的功率输出、调节风力涡轮100的发电机118的扭矩、或调节风力涡轮100转子106的转速中的以保持在用于风力涡轮100的操作限制(例如，速度限制或功率限制)内。
图3描绘示例功率限制控制计划300，其可通过根据本公开的示例实施例的一个或更多个控制装置(例如，涡轮控制器202、转换器控制器262等中的一个或更多个)来实现。控制计划300可基于使用降额计划确认的用于风力涡轮的一个或更多个构件的操作限制来计算用于风力涡轮的操作限制(例如，功率限制或转速限制)。控制计划300可通过一个或更多个控制装置(诸如图2的涡轮控制器202或其他适合的(多个)控制装置)来实现。
控制计划300可包括降额模块400和功率限制模块320。降额模块400可构造成至少部分地基于指示一个或更多个环境条件(例如测得的环境条件)或操作条件的数据来确定用于风力涡轮的一个或更多个构件的操作限制。功率限制模块320可构造成至少部分地基于对风力涡轮的至少一个构件确定的操作限制来控制风力涡轮的操作。例如，功率限制模块320可构造成基于至少部分地使用降额模块400来调节确定的风力涡轮的操作条件。
如图3所示，降额模块400可接收指示一个或更多个环境条件或操作条件304的数据。指示环境条件或操作条件304的数据可为指示在风力涡轮处或附近的测得温度、测得海拔高度、测得空气密度、测得风速、发电机速度和/或任何合适的条件中的一个或更多个的数据。降额模块400使用指示一个或更多个环境条件304的数据来确定用于风力涡轮的一个或更多个构件的操作限制。
图4描绘根据本公开的示例实施例的示例降额模块400的细节。在示例实施例中，降额模块400可实现用于风力涡轮的一个或更多个构件的降额计划。在图4的示例中，降额400实现用于风力涡轮的三个构件(诸如用于风力涡轮的定子电缆、转子电缆、线路电缆)的降额计划。通过使用在本文中提供的公开内容，本领域技术人员将理解，降额模块400可实现用于风力涡轮的更多或更少构件的降额计划，而不偏离本公开的范围。
降额模块400包括降额曲线410、420和430，一个曲线用于通过降额模块而降额的各构件。各降额曲线410、420和430可构造成至少部分地基于指示一个或更多个环境条件304的数据来计算用于其相关构件的操作限制。例如，降额曲线410可作为海拔高度和温度中的一个或更多个的函数来计算转子电缆的操作限制412(例如，最大电流)。降额曲线420可作为海拔高度和温度中的一个或更多个的函数来计算转子的操作限制422(例如，最大电流)。降额曲线430可作为海拔高度和温度中的一个或更多个的函数来计算转换器的操作限制434(例如，最大电流)。在一个实施例中，各降额曲线410、420或430可对应于查寻表格、预定方程式、或其他合适的方法，以作为指示一个或更多个环境条件和/或操作条件304的数据的函数来计算操作限制。
图5描绘一个示例降额曲线500，其可用于作为一个或更多个环境条件的函数来计算操作限制。降额曲线500可基于例如由制作者提供的数据，其作为已知环境条件的函数来规定一个或更多个已知操作限制。例如，降额曲线500可包括数据点502，其作为已知温度和/或海拔高度T1的函数来规定操作限制I1。降额曲线500还可包括数据点504，其作为已知温度和/或海拔高度T2的函数来规定操作限制I2。
降额曲线500可用于基于指示当前环境条件TC的数据，通过沿内插线510内插数据点502和504(例如使用线性内插)来计算当前操作限制IC，以确认与当前环境条件TC对应的数据点520。可使用其他内插方法，而不偏离本公开的范围。
如图5中示范的，在一些情形中，降额曲线500可提供操作限制IC，该操作限制IC大于例如在由构件的制作者提供的数据中规定的用于构件的最大操作限制IR。为了解决该问题，本公开的示例实施例可构造成至少部分地基于对各种构件规定的最大操作限制来对通过降额模块400计算的操作限制进行箝位。
例如，图4例示箝位器416、426和436，该箝位器416、426和436分别与降额曲线410、420和430结合地使用。箝位器416可基于信号414来限制使用降额曲线410计算的初始操作限制412，信号414指示用于与降额曲线410相关的构件的最大操作限制。例如，箝位器416可限制初始操作限制412，以提供调节后操作限制418，该调节后操作限制418不大于最大操作限制414。类似地，箝位器426可基于信号424来限制使用降额曲线420计算的初始操作限制422，信号424指示用于与降额曲线420相关的构件的最大操作限制。例如，箝位器426可限制初始操作限制422以提供调节后操作限制428，该调节后操作限制428不大于最大操作限制424。类似地，箝位器436可基于信号434来限制使用降额曲线430计算的初始操作限制432，信号434指示用于与降额曲线430相关的构件的最大操作限制。例如，箝位器436可限制初始操作限制432以提供调节后操作限制438，该调节后操作限制438不大于最大操作限制434。
调节后操作限制418、428和438可提供至限制器模块440。限制器模块440可构造成比较调节后操作限制418、428和438，且可确定用于风力涡轮的操作限制306。操作限制306可至少部分地基于调节后操作限制418、428和438中的最受限制的条件来确定。例如，操作限制306可确定为以便风力涡轮的操作不超过用于当前环境条件的风力涡轮的构件中的任一个的操作限制。
回头参考图3，操作限制306可提供至限制选择器308。限制选择器308可接收启动信号310。启动信号310可指示风力涡轮是否构造成动态地改变操作限制。例如，当启动信号310为真(true)时，操作限制306可由限制选择器308作为功率操作限制314来提供。当启动信号310为假(false)时，限制选择器306可提供默认操作限制(诸如用于风力涡轮的额定操作限制)以作为操作限制314。
操作限制314可提供至滤波器312，诸如低通滤波器。滤波器312可有助于确定用于风力涡轮的稳态功率操作限制316。例如，滤波器312可为具有大约20秒的时间常数的低通滤波器。可使用其他滤波器而不偏离本公开的范围。滤波器312可用于滤掉功率操作限制314中的迅速波动(fluctuation)，以降低瞬变条件的影响。
可至少部分地基于操作限制316来控制风力涡轮的操作条件。例如，在一个实施例中，可由滤波器312将操作限制316提供至乘法器335和乘法器340中的一个或更多个。乘法器335可将操作限制316乘以速度参考值342，以获得涡轮速度限制344。乘法器340可将操作限制316乘以功率参考值，以获得涡轮功率限制348。在示例实施例中，可基于涡轮速度限制344和/或涡轮功率限制348来调节风力涡轮的一个或更多个操作条件。例如，可至少部分地基于涡轮速度限制344和/或涡轮功率限制348来调节发电机的功率输出、发电机的扭矩、和/或转子的转速中的一个或更多个。
图6描绘根据本公开的示例实施例的示例控制方法(600)的流程图。方法(600)可通过一个或更多个控制装置来实现，诸如转换器控制器262、涡轮控制器202或其他合适的控制器(例如，农场控制器等)。此外，图6出于例示和论述的目的描绘以特定顺序执行的步骤，通过使用本文中提供的公开内容，本领域技术人员将理解，可改编、更改、重新布置、省略或以各种方式扩充在本文中论述的任何方法的各种步骤，而不偏离本公开的范围。
在(602)处，该方法可包括接收指示一个或更多个环境条件和/或操作条件的数据。在一个实施例中，该数据可指示温度、海拔高度、空气密度、风速、或其他合适的环境条件中的一个或更多个。该操作条件可包括指示涡轮的操作的数据，诸如涡轮速度。
在(604)处，可使用降额计划来确定用于至少一个构件的初始操作限制。该构件可为风力涡轮的任何合适的构件，诸如电缆、变压器、限制开关、母线、连接器等。该初始操作限制可为电气或机械操作限制。例如，该操作限制可为用于该构件的电流限制。
在一个实施例中，该初始操作限制可通过访问用于该构件的降额曲线来确定。该降额曲线可作为多个已知环境条件的函数来规定多个操作限制。该初始操作条件可通过至少部分地基于指示一个或更多个环境条件的数据使用例如线性内插对降额曲线进行内插来确定。在一些情形中，该初始操作限制可大于额定操作限制，诸如用于风力涡轮构件的操作参数的最大额定值。
在(606)处，该方法可包括至少部分地基于用于至少一个构件的额定操作限制将初始操作限制限制至调节后操作限制。例如，在降额计划的实现期间，初始操作限制可被限制至调节后操作限制。在一个实施例中，调节后操作限制不大于用于该至少一个构件的额定操作限制。在另一示例中，可提供裕度，以便调节后操作限制不大于额定操作限制的80%，诸如不大于额定操作限制的90%，诸如不大于额定操作限制的95%，诸如不大于额定操作限制的98%，或额定操作限制的其他百分比。
在(608)处，该方法可包括使用例如低通滤波器来过滤调节后操作限制。在一个实施例中，在将初始操作限制限制至调节后操作限制之后进行调节后操作限制的过滤。过滤调节后操作限制可用于过滤调节后操作限制中的迅速波动。
该方法可包括至少部分地基于调节后操作限制来控制风力涡轮的操作。例如，在一个实施例中，该方法可包括至少部分地基于用于构件的调节后操作限制来确定用于风力涡轮的操作限制(610)。该方法还可包括至少部分地基于用于风力涡轮的操作限制来调节风力涡轮的操作条件。例如，在一个实施例中，调节操作限制可包括调节风力涡轮的发电机功率输出、调节风力涡轮的发电机扭矩、或调节风力涡轮的转子转速中的一个或更多个。
尽管可在一些图中而不在其他图中示出各种实施例的具体特征，但这仅是为了便利。根据本公开的原理，附图的任何特征可与任何其他附图的任何特征结合地参考和/或要求保护。
本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或系统，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种用于控制风力涡轮的方法，所述方法包括：
通过一个或更多个控制装置来接收指示一个或更多个环境条件或操作条件的数据；
至少部分地基于所述一个或更多个环境条件或操作条件，使用用于所述风力涡轮的至少一个构件的降额计划，通过所述一个或更多个控制装置来确定用于所述至少一个构件的初始操作限制，所述初始操作限制大于用于所述至少一个构件的额定操作限制；
在所述降额计划的实现期间，至少部分地基于所述额定操作限制，通过所述一个或更多个控制装置将所述初始操作限制限制至调节后操作限制；和
至少部分地基于所述调节后操作限制，通过所述一个或更多个控制装置来控制所述风力涡轮的操作。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述构件的额定操作限制为用于所述风力涡轮的构件的操作参数的最大额定值。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述调节后操作限制不大于所述额定操作限制。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述初始操作限制限制至调节后操作限制之后，所述方法包括使用低通滤波器来过滤所述调节后操作限制。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，至少部分地基于所述一个或更多个环境条件，使用降额计划，通过所述一个或更多个控制装置来确定用于所述风力涡轮的至少一个构件的初始操作限制包括：
通过所述一个或更多个控制装置来访问用于所述构件的降额曲线，所述降额曲线作为多个已知环境条件的函数规定多个操作限制；和
通过所述一个或更多个控制装置对所述降额曲线进行内插，以至少部分地基于指示一个或更多个环境条件的数据来确定所述初始操作条件。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，至少部分地基于所述调节后操作限制，通过所述一个或更多个控制装置来控制所述风力涡轮的操作包括：
至少部分地基于用于所述构件的调节后操作限制，通过所述一个或更多个控制装置来确定用于所述风力涡轮的操作限制；和
至少部分地基于用于所述风力涡轮的操作限制，通过所述一个或更多个控制装置来调节所述风力涡轮的操作条件。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，至少部分地基于用于所述风力涡轮的操作限制来调节所述风力涡轮的操作条件包括调节所述风力涡轮的发电机的功率输出、调节所述风力涡轮的发电机的扭矩、或调节所述风力涡轮的转子的转速中的一个或更多个。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或更多个环境条件或操作条件包括温度、海拔高度、空气密度、风速、或发电机速度中的一个或更多个。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述初始操作限制和所述调节后操作限制为用于所述构件的电流限制。
10. 一种用于风力涡轮的控制系统，所述控制系统包括：
降额模块，其通过一个或更多个控制装置来实现，所述降额模块构造成至少部分地基于指示一个或更多个环境条件的数据来确定用于所述风力涡轮的至少一个构件的操作限制；
功率限制模块，其通过所述一个或更多个控制装置来实现，该功率限制控制模块构造成至少部分地基于用于所述风力涡轮的所述至少一个构件的操作限制来控制所述风力涡轮的操作；
其中，所述降额模块包括箝位器，所述箝位器通过所述一个或更多个控制装置来实现，所述箝位器构造成：当初始操作限制大于用于所述至少一个构件的额定操作限制时，至少部分地基于用于所述至少一个构件的额定操作限制来将操作限制从所述初始操作限制调节至调节后操作限制。
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