CN106907295B - 风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

风力发电系统包括用于产生机械能的风力涡轮机、用于将机械能转换成电能的双馈感应发电机、用于将电能转换成期望的电能用于供应至电网的转换器及变压器，发电机的定子通过变压器连接到电网。当来自发电机的转子的测量到的转速反馈值低于转子的原始切入转速时，通过确定转换器的直流母线电压余量，基于确定出的直流母线电压余量来确定出转换器的直流母线电压设定值以及基于确定出的直流母线电压设定值来控制转换器；和/或通过增加变压器的变压比以降低来自电网的电网电压，来降低转子的切入转速。

Description

风力发电系统及其控制方法
技术领域
本发明大体涉及风力发电领域，尤其涉及一种风力发电系统及用于控制该风力发电系统的方法。
背景技术
随着全球能源资源的日益短缺及环境污染的日益严峻，清洁可再生能源，特别是风能已经得到快速发展。风力涡轮机在该方面备受关注。
已知风力涡轮机的运行与风速有关。例如，风力涡轮机具有用于确定风力发电系统的运行状态的预定的风速阈值。其中一个这样的阈值为切入风速，其被定义为风力发电系统开始发电的风速。另一个阈值为切出风速，其被定义为风力涡轮机能够运行而传递电力的最高风速。通常，在风速高于切出风速时，将停止发电。
基于国际电工技术委员会(International Electro-technical Commission，IEC)标准，将风区划分为四类：一类风区(在该风区的平均风速在8.5米/秒到10米/秒的范围内)、二类风区(在该风区的平均风速在7.5米/秒到8.5米/秒的范围内)、三类风区(在该风区的平均风速在6.0米/秒到7.5米/秒的范围内)、以及四类风区(在该风区的平均风速低于6.0米/秒)。在过去，大部分的技术开发都集中在中高速风区。
发明内容
因此，有必要提供用于控制能够运行在低风区时的风力发电系统的系统及方法。
本发明的一个方面在于提供一种用于控制风力发电系统的方法。所述风力发电系统包括用于产生机械能的风力涡轮机、用于将所述机械能转换成电能的双馈感应发电机、以及用于将所述电能转换成期望的电能用于供应至电网的转换器。所述方法包括：当来自所述发电机的转子的测量到的转速反馈值低于所述转子的原始切入转速时，确定出所述转换器的直流母线电压余量，其中，所述转子的所述原始切入转速包括用于从所述风力涡轮机产生电力的默认较低阈值速度；基于所述确定出的直流母线电压余量来确定出所述转换器的直流母线电压设定值；以及基于所述确定出的直流母线电压设定值来控制所述转换器，从而降低所述转子的切入转速。
本发明的另一个方面在于提供一种用于控制风力发电系统的方法。所述风力发电系统包括用于产生机械能的风力涡轮机、用于将所述机械能转换成电能的双馈感应发电机、用于将所述电能转换成期望的电能用于供应至电网的转换器、以及有载调压变压器，所述发电机的定子通过所述有载调压变压器连接到所述电网。所述方法包括：当来自所述发电机的转子的测量到的转速反馈值低于所述转子的原始切入转速时，增加所述有载调压变压器的变压比以降低来自所述电网的电网电压，从而降低所述转子的切入转速。所述有载调压变压器的所述变压比被定义为所述变压器的原边绕组与副边绕组的变压比。所述转子的原始切入转速包括用于从所述风力涡轮机产生电力的默认较低阈值速度。
本发明的又一个方面在于提供一种风力发电系统。所述风力发电系统包括用于产生机械能的风力涡轮机、用于将所述机械能转换成电能的双馈感应发电机、用于将所述电能转换成期望的电能用于供应至电网的转换器以及控制器。所述控制器用于当来自所述发电机的转子的测量到的转速反馈值低于所述转子的原始切入转速时，确定出所述转换器的直流母线电压余量，基于所述确定出的直流母线电压余量来确定出所述转换器的直流母线电压设定值，并且，基于所述确定出的直流母线电压设定值来控制所述转换器，从而降低所述转子的切入转速，其中，所述转子的所述原始切入转速包括用于从所述风力涡轮机产生电力的默认较低阈值速度。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
图1是根据本发明的一个具体实施方式的示意性风力发电系统的示意图；
图2是图1的示意性风力发电系统的另一个示意图；
图3是根据本发明的一个具体实施方式的示意性转速计算模块的示意图；
图4是图1的示意性DFIG的等效电路；
图5是根据本发明的一个具体实施方式的涡轮控制单元和转换器控制单元的示意图；
图6是根据本发明的另一个具体实施方式的涡轮控制单元和转换器控制单元的示意图；
图7是根据本发明的一个具体实施方式的示意性转换器控制单元的示意图；
图8根据本发明的一个具体实施方式的用于控制风力发电系统的示意性方法的流程图；以及
图9示出如何计算出图1的DFIG的转子的动态切入转速的步骤。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
图1示出根据本发明的一个具体实施方式的示意性风力发电系统的示意图。如图1所示，示意性风力发电系统100可以包括风力涡轮机1、双馈感应发电机(Doubly FedInduction Generator，DFIG)、转换器3及控制器4。风力涡轮机1接收风能并且产生机械能。在一些具体实施方式中，风力发电系统100还可以包括位于风力涡轮机1与DFIG之间的变速箱5。变速箱5能够将机械能传输成更合适的机械力以驱动转子轴20。
DFIG 2能够将机械能转换成电能，并包括转子21和定子22。DFIG 2的转子21可以连接到转子轴20，并且能够通过转子轴20在机械力的作用下被旋转。DFIG 2的定子22可以机械地连接到转子21，并且可以通过变压器7连接到电网6。
转换器3用于将电能转换成期望的电能用于供应至电网6，并且可以包括转子侧转换器31、网侧转换器32以及用于连接转子侧转换器31和网侧转换器32的直流母线(DCLink)33。转子侧转换器31可以包括AC-DC转换器，其用于将来自DFIG 2的转子21的交流(Alternating Current，AC)电压转换成直流母线33上的直流(Direct Current，DC)母线电压。直流母线33可以包括串联或并联连接的一个或多个电容，其用于将直流母线电压维持在一定水平，因此，能够管理从直流母线33至电网6的电能。网侧转换器32可以包括DC-AC逆变器，其用于将直流母线33上的直流母线电压转换成具有合适的频率、相位及幅值用于馈入到电网6的交流电压。
变压器7用于提供来自转换器3的功率及来自DFIG 2的定子22的功率的电压或电流变换，并且提供在转换器3和电网6之间以及在DFIG 2和电网6之间的隔离。变压器7用于将从网侧转换器31及DFIG 2的定子22输出的交流电压幅值升高以匹配电网6。变压器7可以包括连接到电网6的原边绕组71和与定子22及网侧转换器32连接的副边绕组72。在一个可选的具体实施方式中，变压器7可以为有载调压变压器。有载调压变压器7的变压比被定义为原边绕组71与副边绕组72的变压比，有载调压变压器7的变压比可以被改变。
图2示出图1的风力发电系统100的另一个示意图。如图2所示，控制器4可以包括涡轮控制单元41和转换器控制单元42。涡轮控制单元41可以接收来自风场被分配给风力涡轮机1的无功功率命令Qcmd。转换器控制单元42可以接收来自DFIG 2的转子21的测量到的转速反馈值ωfbk、测量到的转子电压反馈值Vr_fbk及来自电网6的电网电压，例如定子线线电压Vgrid。转换器控制单元42可以与涡轮控制单元41相通信，并且，能够将转速反馈值ωfbk、转子电压反馈值Vr_fbk及电网电压Vgrid传递给涡轮控制单元41。
参照图1-2并结合图3所示，控制器4可以包括转速计算模块8，转速计算模块8用于计算出DFIG 2的转子21的动态切入转速ωcutin_dyn。当转子21的转速反馈值ωfbk达到转子21的动态切入转速ωcutin_dyn时，涡轮控制单元41可以给转换器控制单元42发送运行请求信号SE。而且，涡轮控制单元41可以根据转子21的转速反馈值ωfbk产生DFIG 2的扭矩命令Tcmd，并且将扭矩命令Tcmd和无功功率命令Qcmd发送给转换器控制单元42。
以下，将结合图3详细描述转速计算模块8是如何计算出转子21的动态切入转速ωcutin_dyn的。
图3示出根据本发明的一个具体实施方式的示意性转速计算模块8的示意图。示意性转速计算模块8可以包括第一DFIG模型81。第一DFIG模型81可以接收来自第一查找表821的DFIG 2的目标有功功率Ptarget、无功功率命令Qcmd、电网电压Vgrid及转子21的计算出的动态切入转速ωcutin_dyn。
第一查找表821可以接收转子21的计算出的动态切入转速ωcutin_dyn作为输入，并且可以输出目标有功功率Ptarget。例如，在一个具体实施方式中，第一查找表821可以通过使用DFIG 2的扭矩与转子21的转速的曲线及如下所示的公式来建立。
Ptarget＝ωcutin_dynTtarget (1)
Ttarget代表DFIG 2的目标扭矩，其可以根据转子21的计算出的动态切入转速ωcutin_dyn从DFIG 2的扭矩与转子21的转速的曲线中获得。
在第一DFIG模型81中，DFIG 2的目标滑差率starget可以根据以下的公式计算出：
在该公式中，ω0代表转子21的同步速。因此，可以获得来自定子侧的定子功率Ps，如下所示：
图4示出DFIG 2的示意性等效电路。第一DFIG模型81可以包括在DFIG 2的等效电路中的一些函数公式。如图4所示，这些函数公式可以表示为如下：
Vsy＝0 (5)
Vsx1＝Vsx-ωoL1Isy (8)
Vsy1＝0+ωoL1Isx (9)
Vmx＝Vsx1+R1Isx (10)
Vmy＝Vsy1+R1Isy (11)
I′rx＝Isx+Imx (14)
I′ry＝Isy+Imy (15)
V′rx1＝Vmx-ωoL2I′ry (16)
V′ry1＝Vmy+ωoL2I′rx (17)
Vsx和Vsy分别代表定子电压幅值的x和y分量，Isx和Isy分别代表定子电流的x和y分量，Vsx1和Vsy1分别代表在等效电路的A1点处的电压幅值的x和y分量，L1代表定子侧的电感，Vmx和Vmy分别代表在励磁支路中的电压幅值的x和y分量，R1代表定子侧的电阻，Imx和Imy分别代表在励磁支路中的电流的x和y分量，Lm代表励磁支路中的电感，I′rx和I′ry分别代表转子电流的x和y分量，V′rx1和V′ry1分别代表在等效电路的A2点处的电压幅值的x和y分量，V′rx和V′ry分别代表折算到定子侧的电压幅值的x和y分量，R2代表转子侧的电阻，Vrx和Vry分别代表转子电压幅值的x和y分量，NSR代表定子22与转子21的匝数比，以及Vr_est代表转子电压估算值。所有的这些x和y分量均在同一坐标系下。
在以上的公式中，定子侧和转子侧的电感L1和L2、定子侧和转子侧的电阻R1和R2、转子21的同步速ω0、以及定子22与转子21的匝数比NSR均是已知的。因此，一旦DFIG 2的目标有功功率Ptarget、无功功率命令Qcmd、电网电压Vgrid及转子21的计算出的动态切入转速ωcutin_dyn馈入到第一DFIG模型81中，则第一DFIG模型81就可以根据以上的公式(4)-(22)计算出转子电压估算值Vr_est。
返回参照图3，示意性转速计算模块8可以包括转子电压限幅器871。转子电压限幅器871可以将计算出的转子电压估算值Vr_est限制在转子电压最大值Vr_max与转子电压最小值Vr_min的范围内。转子电压最大值Vr_max与转子电压最小值Vr_min均为设定值。限制后的转子电压估算值Vr_est1然后能够被送入到乘法器831。乘法器831可以将限制后的转子电压估算值Vr_est1乘以从而获得在转子侧处的直流母线电压估算值Vrdc_est，如下所示：
电网电压Vgrid可以发送到乘法器832。乘法器832可以将电网电压Vgrid乘以从而获得在网侧处的直流母线电压估算值Vldc_est，如下所示：
转子侧处的直流母线电压估算值Vrdc_est和网侧处的直流母线电压估算值Vldc_est可以被送入到大值选择器(Max)84中。大值选择器84可以从转子侧处的直流母线电压估算值Vrdc_est和网侧处的直流母线电压估算值Vldc_est选出大值。该大值与用于补偿额外压降的电压增量Vadd可以进一步被送入到加法器851。加法器851可以将该大值与电压增量Vadd相加总，从而获得直流母线电压需求值Vdc_req，如下所示：
Vdc_req＝max(Vrdc_est,Vldc_est)+Vadd (25)
转速计算模块8可以包括第二查找表822。第二查找表822可以包括例如三维(Three-Dimensional，3D)表格，该三维表格可以从试验中获得以保持足够的安全余量。第二查找表822可以接收DFIG 2的目标有功功率Ptarget作为输入及接收无功功率命令Qcdm作为额外的输入，并且可以输出目标直流母线电压最大值Vtdc_max。
直流母线电压需求值Vdc_req和目标直流母线电压最大值Vtdc_max可以被送入到减法器852。减法器852可以从目标直流母线电压最大值Vtdc_max中减去直流母线电压需求值Vdc_req，从而获得直流母线电压余量估算值Vdc_marginest。转速计算模块8可以包括比较器88和与比较器88连接的动态限制器872。比较器88可以将转子电压反馈值Vr_fbk与转子电压最大值Vr_max进行比较。当转子电压反馈值Vr_fbk大于等于转子电压最大值Vr_max时，比较器88的输出为1。当转子电压反馈值Vr_fbk小于转子电压最大值Vr_max时，比较器88的输出为0。如果比较器88的输出为1，则动态限制器872的输出可以被钳制在0。如果比较器88的输出为0，则动态限制器872可以将直流母线电压余量估算值Vdc_marginest传送给直流母线电压余量调节器86。直流母线电压余量调节器86可以包括例如，但不限于，I(Integral，积分)调节器或PI(Proportional-Integral，比例积分)调节器。直流母线电压余量调节器86可以对直流母线电压余量估算值Vdc_marginest进行调节，从而获得转子21的转速余量ωmarfin。转速计算模块8还可以包括限制器873，其用于将转子21的转速余量ωmargin限制在上下限的范围内。
转子21的转速余量ωmargin和转子21的原始切入转速ωcutin0可以被送入到减法器853。转子21的原始切入转速ωcutin0包括用于从风力涡轮机1产生电力的默认较低阈值速度。减法器853可以从转子21的原始切入转速ωcutin0中减去转子21的转速余量ωmargin，从而在线获得转子21的动态切入转速ωcutin_dyn。
参照图5，在一个具体实施方式中，本发明的具体实施方式的转速计算模块8可以设置在涡轮控制单元41中。转子21的动态切入转速ωcutin_dyn可以在涡轮控制单元41中由转速计算模块8计算出之后，可以直接保存在涡轮控制单元41中。作为可选的实现方式，涡轮控制单元41还可以包括切入选择模块411。切入选择模块411可以接收转子21的动态切入转速ωcutin_dyn和转子21的原始切入转速ωcutin0，并且可以根据用户的需求从转子21的动态切入转速ωcutin_dyn和转子21的原始切入转速ωcutin0中选择一个作为转子21的切入转速ωcutin。因此，本发明的具体实施方式的转子21的动态切入转速ωcutin_dyn可以作为一种增值服务被使用以供用户选择。当然，在本发明的具体实施方式中，为了降低转子21的切入转速ωcutin，涡轮控制单元41将会选择转子21的动态切入转速ωcutin_dyn作为转子21的切入转速ωcutin，因为转子21的动态切入转速ωcutin_dyn小于转子21的原始切入转速ωcutin0。在转速计算模块8被包括在涡轮控制单元41中的具体实施方式中，在涡轮控制单元41和转换器控制单元42之间的通信不需要新的数据。
参照图6，在另一个具体实施方式中，本发明的具体实施方式的转速计算模块8也可以设置在转换器控制单元42中。转子21的动态切入转速ωcutim_dyn可以在转换器控制单元42中由转速计算模块8计算出之后，需要反馈回涡轮控制单元41中。因此，在这种情况下，需要增加从转换器控制单元42到涡轮控制单元41的新的信号，即，转子21的动态切入转速ωcutim_dyn。
参照图2并结合图5-6，转换器控制单元42可以遵循运行请求信号SE、扭矩命令Tcmd及无功功率命令Qcmd，并且可以确定出转换器3的直流母线电压余量Vdc_margin。然后，转换器控制单元42可以基于确定出的直流母线电压余量Vdc_margin进一步确定出转换器3的直流母线电压设定值Vdc_setpoint，并且基于确定出的直流母线电压设定值Vdc_setpoint来控制转换器3，从而能够降低转子21的切入转速ωcutin。
以下，将参照图7详细描述转换器控制单元42是如何确定出转换器3的直流母线电压余量Vdc_margin和直流母线电压设定值Vdc_setpoint的。
图7示出根据本发明的一个具体实施方式的示意性转换器控制单元42的示意图。转换器控制单元42可以包括乘法器421、第三查找表422及加法器4231。来自DFIG 2的转子21的转速反馈值ωfbk及来自涡轮控制单元41的扭矩命令Tcmd可以被送入到乘法器421中，从而获得DFIG 2的输出有功功率Po，如下所示：
Po＝ωfbkTcmd (26)
第三查找表422可以包括例如三维(Three-Dimensional，3D)表格，该三维表格可以从试验中获得以维持足够的安全余量。第三查找表422可以接收DFIG 2的输出有功功率Po作为输入及接收无功功率命令Qcmd作为额外的输入，并且可以输出转换器3的直流母线电压余量Vdc_margin。
然后，转换器3的直流母线电压余量Vdc_margin和在转子21的原始切入转速ωcutim0下的转换器3的原始直流母线电压最大值Vdc_max0可以被送入到加法器4231。加法器4231可以将转换器3的确定出的直流母线电压余量Vdc_margin增加到转换器3的原始直流母线电压最大值Vdc_max0中，从而产生增加后的直流母线电压最大值Vadc_max。
继续参照图7，转换器控制单元42可以包括第二DFIG模型424和第三DFIG模型425。第二DFIG模型424可以接收来自涡轮控制单元41的扭矩命令Tcmd，并且产生转子有功电流命令Ixcmd。第三DFIG模型425可以接收无功功率命令Qcmd，并且产生转子无功电流命令Iycmd。转换器控制单元42还可以包括电流调节器426和调制器427。电流调节器426可以接收转子有功电流命令Ixcmd、转子无功电流命令Iycmd、测量到的转子有功电流反馈值Ixfbk及测量到的转子无功电流反馈值Iyfbk，并且产生转子有功电压命令Vxcmd和转子无功电压命令Vycmd。调制器427可以接收转子有功电压命令Vxcmd和转子无功电压命令Vycmd，并且产生转子侧调制指数MR及转子侧和网侧脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号Sr_PWM、Sl_PWM。转子侧和网侧脉宽调制信号Sr_PWM、Sl_PWM可以分别被送入到转子侧转换器31和网侧转换器32。
转换器控制单元42还可以包括减法器4232、调制指数调节器428及限制器429。转子侧调制指数MR和调制指数设定值M0(例如0.98)可以被送入到减法器4232。减法器4232可以从转子侧调制指数MR中减去调制指数设定值M0，从而获得相减后的转子侧调制指数MR1。相减后的转子侧调制指数MR1可以被送入到调制指数调节器428中。调制指数调节器428可以对相减后的转子侧调制指数MR1进行调节，从而产生直流母线电压参考值Vdc_ref。直流母线电压参考值Vdc_ref和增加后的直流母线电压最大值Vadc_max可以被送入到限制器429中，从而产生转换器3的直流母线电压设定值Vdc_setpoint。产生的直流母线电压设定值Vdc_setpoint可以被送入到转换器控制单元42的网侧转换器控制单元(未示出)中，用于控制转换器3，从而能够增加转换器3的直流母线电压。
通过增加转换器3的直流母线电压，本发明的具体实施方式的风力发电系统100可以延伸转换器3的电压范围，因此可以降低DFIG 2的转子21的切入转速ωcutin以在低风速工况下捕获更多的风能。这个切入延伸的好处不仅可以提前启动风力涡轮机1。实际上，年发电量(annual electricity production，AEP)的增加相对较小。而且，更重要的是，其可以降低在低风速下由于高湍流所造成的风力涡轮机1的停机与重新切入之间的死区。即，可以降低年发电量的损失。
在包括有载调压变压器7的具体实施方式中，本发明的具体实施方式的风力发电系统100也可以通过改变有载调压变压器7的变压比来降低DFIG 2的转子21的切入转速ωcutim。
返回参照图3，在本发明的具体实施方式的风力发电系统100中，控制器4还可以包括使能模块43、变压比计算单元44及有载调压(On-Load Tap-Changing，OLTC)控制单元45。转换器3的直流母线电压余量估算值Vdc_marginest可以被送入到使能模块43中。当直流母线电压需求值Vdc_req接近目标直流母线电压最大值Vtdc_max时，即，当直流母线电压余量估算值Vdc_marginest小于预定值，例如10伏时，使能模块43的输出可以变为1。否则，使能模块43的输出可以被钳制为0。变压比计算单元44可以包括变压比调节器441和限制器442。变压比调节器441可以为PI或I调节器。当使能模块43的输出为1时，变压比计算单元44可以通过变压比调节器441和限制器442的限制功能来计算出有载调压变压器7的目标变压比NX。有载调压变压器7的目标变压比NX可以被送入到OLTC控制单元45中，并且，OLTC控制单元45可以根据目标变压比NX来控制有载调压变压器7。
在风力涡轮机1启动并且风速增加之后，使能模块43的输出可以被钳制为0，即，变压比计算通道可以被禁用，OLTC控制单元45将恢复到其正常控制。
通过增加有载调压变压器7的变压比，本发明的具体实施方式的风力发电系统100可以降低电网电压Vgrid，因此也可以降低DFIG 2的转子21的切入转速ωcutin以在低风速工况下捕获更多的风能，并且能够降低在低风速下由于高湍流所造成的风力涡轮机1的停机与重新切入之间的死区。
在本发明的另一个具体实施方式的风力发电系统100中，变压比改变的具体实施方式也可以与直流母线电压设定值的具体实施方式相结合。在这种具体实施方式中，在OLTC控制单元45根据目标变压比NX增加有载调压变压器7的变压比之后，可以降低电网电压Vgrid。基于降低后的电网电压通过使用上述方法可以再次确定出转子21的新转速余量，从而确定出转子21的新动态切入转速。当转子21的新转速反馈值达到转子21的新动态切入转速时，涡轮控制单元41将会给转换器控制单元42发送运行请求信号，并且可以根据新转速反馈值来产生DFIG 2的新扭矩命令。类似地，转换器控制单元42可以基于转子的新转速反馈值和新扭矩命令来确定出新直流母线电压余量，并且因此可以确定出转换器3的新直流母线电压设定值。因此，通过增加转换器3的直流母线电压和增加有载调压变压器7的变压比，本发明的具体实施方式的风力发电系统100可以降低DFIG 2的转子21的切入转速ωcutin，从而能够在低风速状况下捕获更多的风能，并且，可以降低年发电量的损失。
本发明的具体实施方式还提供了一种用于控制风力发电系统100的方法。图8示出根据本发明的一种具体实施方式的用于控制风力发电系统100的示意性方法的流程图。
如图8所示，在步骤B81中，例如可以通过使用传感器来测量出来自DFIG2的转子21的转速反馈值ωfbk。
在步骤B82中，可以判定转子21的转速反馈值ωfbk是否低于转子21的原始切入转速ωcutin0。当转子21的转速反馈值ωfbk低于转子21的原始切入转速ωcutin0时，则过程可以前进到步骤B83。否则，过程可以返回到步骤B81。
在步骤B83中，可以确定出转换器3的直流母线电压余量Vdc_margin。
首先可以计算出转子21的动态切入转速ωcutin_dyn。当转子21的转速反馈值ωfbk达到转子21的动态切入转速ωcutin_dyn时，可以根据转速反馈值ωfbk产生DFIG 2的扭矩命令Tcmd。然后，可以基于转子21的转速反馈值ωfbk及扭矩命令Tcmd来计算出DFIG 2的输出有功功率Po。例如通过使用DFIG 2的计算出的输出有功功率Po和无功功率命令Qcmd从第三查找表422中可以确定出转换器3的直流母线电压余量Vdc_margin。
图9示出如何计算出转子21的动态切入转速ωcutin_dyn的步骤。在图9的步骤B91中，可以基于转子21的计算出的动态切入转速ωcutin_dyn、来自电网6的电网电压Vgrid、分配给风力涡轮机1的无功功率命令Qcmd、及使用转子21的计算出的动态切入转速ωcutin_dyn从第一查找表821中获得的DFIG2的目标有功功率Ptarget来计算出转子电压估算值Vr_est。
在步骤B92中，可以将计算出的转子电压估算值Vr_est限制在转子电压最大值Vr_max与转子电压最小值Vr_min的范围内。
在步骤B93中，可以基于限制后的转子电压估算值Vr_est1来计算出转换器3的直流母线电压需求值Vdc_req。
在步骤B94中，例如可以根据无功功率命令Qcmd和目标有功功率Ptarget从第二查找表822中确定出转换器3的目标直流母线电压最大值Vtdc_max。
在步骤B95中，通过从目标直流母线电压最大值Vtdc_max中减去直流母线电压需求值Vdc_req，可以获得直流母线电压余量估算值Vdc_marginest。
在步骤B96中，可以将转子电压反馈值Vr_fbk与转子电压最大值Vr_max进行比较。
在步骤B97中，可以确定出转子21的转速余量ωmargin。
步骤B95中的直流母线电压余量估算值Vdc_marginest和步骤B96中的比较结果可以被送入到动态限制器872。动态限制器872可以基于比较结果来限制直流母线电压余量估算值Vdc_marginest。当转子电压反馈值Vr_fbk大于等于转子电压最大值Vr_max时，比较结果为1。当转子电压反馈值Vr_fbk小于转子电压最大值Vr_max时，比较结果为0。如果比较结果为1，则动态限制器872的输出可以被钳制在0。如果比较结果为0，则动态限制器872可以输出直流母线电压余量估算值Vdc_marginest。然后，基于动态限制器872的输出来确定出转子21的转速余量ωmargin。
在可选的步骤B98中，可以将转子21的转速余量ωmargin限制在上下限的范围内。
在步骤B99中，可以从转子21的原始切入转速ωcutin0中减去转子21的转速余量ωmargin，从而获得转子21的动态切入转速ωcutin_dyn。
返回参照图8，在步骤B84中，可以基于确定出的直流母线电压余量Vdc_margin确定出转换器3的直流母线电压设定值Vdc_setpoint。确定出的直流母线电压余量Vdc_margin可以被增加到在转子21的原始切入转速ωcutin0下的转换器3的原始直流母线电压最大值Vdc_max0中，从而产生增加后的直流母线电压最大值Vadc_max。可以基于增加后的直流母线电压最大值Vadc_max、转子侧调制指数MR和调制指数设定值M0来确定出转换器3的直流母线电压设定值Vdc_setpoint。
在步骤B85中，可以基于确定出的直流母线电压设定值Vdc_setpoint来控制转换器3，从而降低转子21的切入转速ωcutin。
在本发明的具体实施方式的方法中，在变压器7包括有载调压变压器的具体实施方式中，当转子21的转速反馈值ωfbk低于转子21的原始切入转速ωcutin0时，过程可以替代地进入到步骤B86。
在步骤B86中，可以确定出有载调压变压器7的目标变压比NX。
在步骤B87中，可以基于有载调压变压器7的目标变压比NX来控制有载调压变压器7，从而降低转子21的切入转速ωcutin。
在本发明的具体实施方式的方法中，改变变压比也可以与确定直流母线电压设定值相结合。在这种情况中，在步骤B87中增加有载调压变压器7的变压比之后，过程可以继续到步骤B83。在步骤B83中，可以基于降低后的电网电压再次确定出转子21的新转速余量，从而确定出转子21的新动态切入转速。当转子21的新转速反馈值达到转子21的新动态切入转速时，可以根据新转速反馈值来产生DFIG 2的新扭矩命令。因此，可以基于转子21的新转速反馈值和新扭矩命令来确定出转换器3的新直流母线电压余量。然后，在步骤B84中，可以确定出转换器3的新直流母线电压设定值。
本发明的具体实施方式的用于控制风力发电系统100的方法通过增加转换器3的直流母线电压可以延伸转换器3的电压范围，和/或通过增加有载调压变压器7的变压比可以降低电网电压Vgrid，因此，可以降低DFIG 2的转子21的切入转速ωcutin，进而能够在低风速工况下捕获更多的风能，并且，可以降低在低风速下由于高湍流所造成的风力涡轮机1的停机与重新切入之间的死区。
尽管根据本发明的具体实施方式的用于控制风力发电系统100的方法的动作被示出为功能块，但是，在图8-9所示的各个功能块的顺序和各个功能块之间的动作的分离并不意图是限制性的。例如，可以以不同的顺序来执行各个功能块，并且，与一个功能块相关联的动作可以与一个或者多个其它功能块相结合或者可以被细分成多个功能块。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (16)

1.一种用于控制风力发电系统的方法，其中，所述风力发电系统包括用于产生机械能的风力涡轮机、用于将所述机械能转换成电能的双馈感应发电机、以及用于将所述电能转换成期望的电能用于供应至电网的转换器，其特征在于：所述方法包括：
当来自所述发电机的转子的测量到的转速反馈值低于所述转子的原始切入转速时，确定出所述转换器的直流母线电压余量，其中，所述转子的所述原始切入转速包括用于从所述风力涡轮机产生电力的默认较低阈值速度；
基于所述确定出的直流母线电压余量来确定出所述转换器的直流母线电压设定值；及
基于所述确定出的直流母线电压设定值来控制所述转换器，从而降低所述转子的切入转速。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
计算出所述转子的动态切入转速；
当所述转速反馈值达到所述转子的所述动态切入转速时，根据所述转速反馈值产生所述发电机的扭矩命令；及
基于所述转子的所述转速反馈值和所述扭矩命令来确定出所述直流母线电压余量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，计算出所述转子的所述动态切入转速包括：
确定出所述转子的转速余量；及
从所述转子的所述原始切入转速中减去所述转子的所述转速余量，从而获得所述转子的所述动态切入转速。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述转子的所述转速余量包括：
基于所述转子的计算出的动态切入转速、来自所述电网的电网电压、分配给所述风力涡轮机的无功功率命令、以及根据所述转子的所述计算出的动态切入转速从第一查找表中得到的所述发电机的目标有功功率来计算出转子电压估算值；
将所述计算出的转子电压估算值限制在转子电压最大值与转子电压最小值的范围内；
基于限制后的转子电压估算值来计算出所述转换器的直流母线电压需求值；
根据所述无功功率命令和所述目标有功功率从第二查找表中确定出所述转换器的目标直流母线电压最大值；及
基于所述计算出的直流母线电压需求值和所述确定出的目标直流母线电压最大值来获得所述转子的所述转速余量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，获得所述转子的所述转速余量包括：
从所述目标直流母线电压最大值中减去所述直流母线电压需求值，从而获得直流母线电压余量估算值；
将转子电压反馈值与所述转子电压最大值进行比较；
基于比较结果来限制所述直流母线电压余量估算值；以及
基于限制后的直流母线电压余量估算值来获得所述转子的所述转速余量。
6.根据权利要求2所述的方法，其还包括：
基于所述转子的所述转速反馈值和所述扭矩命令来计算出所述发电机的输出有功功率；及
使用所述发电机的所述计算出的输出有功功率和分配给所述风力涡轮机的无功功率命令从第三查找表中确定出所述直流母线电压余量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述转换器的所述直流母线电压设定值包括：
将所述确定出的直流母线电压余量增加到在所述转子的所述原始切入转速下的所述转换器的原始直流母线电压最大值中，从而产生增加后的直流母线电压最大值；及
基于所述增加后的直流母线电压最大值、转子侧调制指数和调制指数设定值来确定出所述转换器的所述直流母线电压设定值。
8.一种风力发电系统，其包括：
风力涡轮机，其用于产生机械能；
双馈感应发电机，其用于将所述机械能转换成电能；
转换器，其用于将所述电能转换成期望的电能用于供应至电网；及
控制器，其特征在于：所述控制器用于当来自所述发电机的转子的测量到的转速反馈值低于所述转子的原始切入转速时，确定出所述转换器的直流母线电压余量，基于所述确定出的直流母线电压余量来确定出所述转换器的直流母线电压设定值，并且，基于所述确定出的直流母线电压设定值来控制所述转换器，从而降低所述转子的切入转速，其中，所述转子的所述原始切入转速包括用于从所述风力涡轮机产生电力的默认较低阈值速度。
9.根据权利要求8所述的风力发电系统，其中，所述控制器包括：
转速计算模块，其用于计算出所述转子的动态切入转速；
涡轮控制单元，其用于当所述转速反馈值达到所述转子的所述动态切入转速时，给转换器控制单元发送运行请求信号，并且，根据所述转速反馈值产生所述发电机的扭矩命令；及
所述转换器控制单元，其用于基于所述转子的所述转速反馈值和所述扭矩命令来确定出所述直流母线电压余量。
10.根据权利要求9所述的风力发电系统，其中，所述转速计算模块用于：
确定出所述转子的转速余量；以及
从所述转子的所述原始切入转速中减去所述转子的所述转速余量，从而获得所述转子的所述动态切入转速。
11.根据权利要求10所述的风力发电系统，其中，所述转速计算模块用于：
基于所述转子的计算出的动态切入转速、来自所述电网的电网电压、分配给所述风力涡轮机的无功功率命令、以及根据所述转子的所述计算出的动态切入转速从第一查找表中得到的所述发电机的目标有功功率来计算出转子电压估算值；
将所述计算出的转子电压估算值限制在转子电压最大值与转子电压最小值的范围内；
基于限制后的转子电压估算值来计算出所述转换器的直流母线电压需求值；
根据所述无功功率命令和所述目标有功功率从第二查找表中确定出所述转换器的目标直流母线电压最大值；及
基于所述计算出的直流母线电压需求值和所述确定出的目标直流母线电压最大值来获得所述转子的所述转速余量。
12.根据权利要求11所述的风力发电系统，其中，所述转速计算模块用于：
从所述目标直流母线电压最大值中减去所述直流母线电压需求值，从而获得直流母线电压余量估算值；
将转子电压反馈值与所述转子电压最大值进行比较；
基于比较结果来限制所述直流母线电压余量估算值；以及
基于限制后的直流母线电压余量估算值来获得所述转子的所述转速余量。
13.根据权利要求9所述的风力发电系统，其中，所述转速计算模块设置在所述涡轮控制单元中；或者
所述转速计算模块设置在所述转换器控制单元中，并且，所述转换器控制单元将所述转子的所述动态切入转速发送回所述涡轮控制单元中。
14.根据权利要求9所述的风力发电系统，其中，所述转换器控制单元用于：
基于所述转子的所述转速反馈值和所述扭矩命令来计算出所述发电机的输出有功功率；以及
使用所述发电机的所述计算出的输出有功功率和分配给所述风力涡轮机的无功功率命令从第三查找表中确定出所述直流母线电压余量。
15.根据权利要求9所述的风力发电系统，其中，所述转换器控制单元用于：
将所述确定出的直流母线电压余量增加到在所述转子的所述原始切入转速下的原始直流母线电压最大值中以产生增加后的直流母线电压最大值；以及
基于所述增加后的直流母线电压最大值、转子侧调制指数和调制指数设定值来确定出所述转换器的所述直流母线电压设定值。
16.根据权利要求8所述的风力发电系统，其还包括有载调压变压器，所述发电机的定子通过所述有载调压变压器连接到所述电网，其中，通过增加所述有载调压变压器的变压比来降低所述转子的所述切入转速，所述有载调压变压器的所述变压比被定义为所述变压器的原边绕组与副边绕组的变压比。
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