CN107005058B - 用于优化风力涡轮机操作的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于优化风力涡轮机的操作的系统和方法。该方法包括在功率网与风力涡轮机之间提供电压调节器。所述电压调节器配置成控制风力涡轮机的至少一个电压状态。另一个步骤包括通过一个或多个传感器监测风力涡轮机的至少一个操作状态和至少一个电压状态。方法还包括通过控制器将操作状态或者电压状态中的至少一个与预定阈值相比较以确定裕度与阈值比。这样，进一步的步骤包括基于比较来控制电压调节器以使裕度与阈值比最大化。

Description

用于优化风力涡轮机操作的系统和方法

发明领域

本公开一般涉及风力涡轮机，并且更具体地，涉及一种通过电压调节器优化风力涡轮机操作的系统和方法。

发明背景

风功率被认为是目前可得到的最清洁的，最环境友好的能量源之一，并且在这点上风力涡轮机获得了更多的关注。现代风力涡轮机通常包括塔、发电机、变速箱、机舱和具有一个或多个转子叶片的转子。通过转子，转子叶片把风能变换为驱动一个或多个发电机的机械旋转力矩。发电机有时但不是一直，通过变速箱旋转地耦合到转子。变速箱提高发电机转子固有的低转速以有效地把旋转机械能转换为电能，其能通过至少一个电连接馈送到公用事业电网。这种配置还可以包括功率转换器，其用于把生成的电功率的频率转换为与公用事业电网频率基本上类似的频率。

可再生能源功率系统，例如上述的风力涡轮机，通常包括功率转换器，其具有由转换器控制器控制的调节的DC链路。更特别地，风驱动双馈感应发电机(DFIG)系统或者全功率转换系统通常包括具有AC-DC-AC拓扑结构的功率转换器。对于许多风力涡轮机，操作空间并且因此对于顾客的值受到一个或多个DFIG系统固有的风力涡轮机组件，例如DC链路和发电机转子的最大电压的限制。此外，电网操作实践和故障可以导致发电机定子上增加的或降低的电压，这反映到发电机转子和DC链路上。为了缓解这类电压瞬变，转换器控制器必须从顾客要求的设定点将转子和定子的功率因数移走或者增加转子转换器调制指数，从而导致由顾客观察到较高次谐波。这类限制倾向于对操作在高额定滑差(RPM)的DFIG发电机或者正在经历超速状况的发电机来说更重要。

致力于缓解上述问题中，各种风力涡轮机控制技术已经实现，使用电压调节器将电网电压与阈值电压值相比较。控制系统然后命令在电压调节器中的阶跃变化以维持特定裕度从而缓解电网扰动。另外的系统利用更大的转换器或者动态制动器以控制过速的电压水平和功率对功率的因数要求限制。然而上述的多种系统可能要求附加的成本和/或复杂性。

因此，本发明涉及一种处理上述问题的改进的系统和方法。更特别地，本发明涉及一种通过电压调节器优化风力涡轮机操作的系统和方法，电压调节器配置成最大化各种风力涡轮机组件的裕度与电压阈值(margin-to-voltage threshold)。

发明内容

本发明的各方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践而学到。

在一方面中，本公开涉及一种用于优化风力涡轮机操作的方法。该方法包括在功率网与风力涡轮机之间提供电压调节器。电压调节器配置成控制风力涡轮机的至少一个电压状态。另一个步骤包括通过一个或多个传感器监测风力涡轮机的至少一个操作状态和至少一个电压状态。该方法还包括通过控制器将操作状态或者电压状态中的至少一个与预定的阈值相比较以确定裕度与阈值比。因此，另外的步骤包括基于比较来控制电压调节器以使裕度与阈值比最大化。

在一个实施例中，该方法还可以包括通过一个或多个传感器监测功率网的电网电压并且基于电网电压和比较控制电压调节器，以使裕度与阈值比最大化。在另一个实施例中，一个或多个操作状态可以是风力涡轮机的任何合适的操作参数。例如，在某个实施例中，一个或多个操作状态可以包括下面中的任何一种或者组合：发电机速度、VAR需求、功率因数、功率输出或者类似的。类似地，一个或多个电压状态可以包括风力涡轮机的任何合适的电压参数。例如，在特定实施例中，一个或多个电压状态可以包括下面中的任何一种或者组合：定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、电网侧转换器电流、DC链路电压或者类似的。

在各个实施例中，电压调节器可以包括抽头转换开关。另外，抽头转换开关可以位于功率网与风力涡轮机的变压器之间。在另一个实施例中，基于比较来控制电压调节器以使裕度与阈值比最大化的步骤可以进一步包括命令在电压调节器中的阶跃变化。在还有附加的实施例中，风力涡轮机还可以包括风驱动双馈感应发电机(DFIG)。

在另一方面中，本公开涉及一种用于最大化风力涡轮机的功率输出的方法。该方法包括在功率网与风力涡轮机之间提供电压调节器。另一个步骤包括通过一个或多个传感器监测风力涡轮机的电压状态。该方法还包括通过控制器将电压状态与预定的电压阈值相比较以确定裕度与阈值比。因此，另外的步骤包括基于比较来控制电压调节器以使裕度与阈值比最大化。应理解的是，该方法还可以包括如在本文中关于各实施例所述的任何附加的特征和/或方法步骤。

在还有另一个方面中，本公开涉及一种用于优化风力涡轮机操作的系统。系统包括操作地连接在功率网与风力涡轮机之间的电压调节器，配置成监测风力涡轮机的操作状态、电压状态或者电网电压中的至少一个的一个或多个传感器，和配置成执行一个或多个操作的控制器。电压调节器配置成控制风力涡轮机的至少一个电压状态。由控制器执行的一个或多个操作可以包括将操作状态或者电压状态中的至少一个与预定的阈值相比较以确定裕度与阈值比，并且基于比较来控制电压调节器以使裕度与阈值比最大化。应理解的是，系统还可以包括如在本文中关于各实施例所述的任何附加的特征。

参考下面的描述和所附的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。附图(其并入并构成说明书的一部分)图示本发明的实施例并且与描述一起用来解释发明的原理。

附图说明

本发明对本领域技术人员来说充分且使能的公开(包括其最好方式)在说明书中被阐述，其参考附图，其中：

图1示出了根据本公开的风力涡轮机的一个实施例；

图2示出了根据本公开的风力涡轮机的电气和控制系统的一个实施例；

图3示出了适合与如图1所示的风力涡轮机一起使用的控制器的一个实施例的框图；

图4示出了根据本公开的用于优化风力涡轮机操作的系统的一个实施例；以及

图5示出了根据本公开的用于优化风力涡轮机操作方法的流程图的一个实施例。

具体实施方式

现在详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例图示在图中。每个示例通过解释本发明而不是限制本发明来提供。事实上，能够在不背离本发明的范围或精神的情况下在本发明中作出各种修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例一部分来图示或描述的特征能与另一个实施例一起用来产生更进一步的实施例。因此，意图本发明覆盖如落入所附的权利要求及其等同物的范围内的这类修改和变化。

一般来说，本公开涉及一种通过电压调节器优化风力涡轮机操作的系统和方法。例如，在各种实施例中，电压调节器可以是配置在功率网与风力涡轮机的变压器之间的在线(on-line)抽头转换开关。在一个实施例中，抽头转换开关可以由涡轮机或者转换器控制器控制以在低和高速操作与高VAR操作期间增加或降低定子电压。更特别地，一个或多个传感器配置成监测风力涡轮机的操作状态或电压状态中的至少一个。各种操作状态可以包括发电机速度、VAR需求、功率因数、功率输出或者类似的，而各种电压状态可以包括定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、电网侧转换器电流、DC链路电压或者类似的。控制器也可以监测电网电压。因此，在一个实施例中，控制器配置成将操作状态或者电压状态中的至少一个与预定的阈值相比较以确定裕度与阈值比。基于比较并可选地基于电网电压，控制器能命令在电压调节器中的阶跃变化以使裕度与阈值比最大化。

本公开具有现有技术中没有的许多优点。例如，本公开在DFIG风力涡轮机的一个或多个电压状态例如定子电压中提供灵活性以允许增加可变速度操作。因此，在功率曲线的下端，风力涡轮机能以更低接通风速操作，这导致在更低风速的更多的能量产生并且当风力涡轮机开始产生功率时的更平滑的功率转换。平滑的功率转换与更低接通速度也导致转子上更低的推力系数并且由转子产生减少的涡区(wake)。因此下游的风力涡轮机通常受到更少的涡区和扰动，导致在工作层级的更多的能量产生。此外，调整电网和定子电压以减轻电流限制或者DC链路/转子电压限制能增加涡轮机操作空间并减少风力涡轮机将无法遵循顾客设置点的可能性。另外，本公开使不利的电气特性例如电气噪声和谐波畸变最小化。

现在参考附图，图1示出了根据本公开的示范性的风力涡轮机100的一部分的透视图。风力涡轮机100包括容纳发电机(未在图1中示出)的机舱102。机舱102安装在塔104(塔104的一部分在图1中示出)上。塔104可以具有便于如本文所述的风力涡轮机100操作的任何合适高度。风力涡轮机100还包括转子106，其包括附在可旋转轮毂110的三个转子叶片108。备选地，风力涡轮机100可以包括任意数量的转子叶片108以便于如本文所述的风力涡轮机100的操作。在一个实施例中，风力涡轮机100包括操作地耦合到转子106和发电机(未在图1中示出)的变速箱(未在图1中示出)。

图2示出了可以与风力涡轮机100一起使用的电气和控制系统200的一个实施例的示意图。如所示，转子106包括耦合到轮毂110的转子叶片108。转子106还包括可旋转耦合到轮毂110的低速轴112。低速轴112耦合到变速箱114，变速箱114配置成提高低速轴112的转速并把能够速度传递到高速轴116。在一个实施例中，变速箱114具有大约70∶1的提高比。备选的，变速箱114可具有便于如本文所述风力涡轮机100的操作的任何合适的提高比。作为进一步的备选方案，风力涡轮机100可以包括直接驱动发电机，其可旋转耦合到转子106而不需要任何介入的变速箱。高速轴116可旋转地耦合到发电机118。在一个实施例中，发电机118可以是绕线转子、三相、双馈感应(异步)发电机(DFIG)，其包括磁耦合到发电机转子122的发电机定子120。在备选实施例中，发电机转子122可以包括多个永磁体代替转子绕组。

发电机定子120还可以通过定子母线208电耦合到定子同步开关206。在一个实施例中，为了促进DFIG配置，发电机转子122通过转子母线212电耦合到双向功率转换组合件210。备选地，发电机转子122可以通过便于如本文所述的电气和控制系统200操作的任何其他装置电耦合到转子母线212。作为进一步的备选方案，电气和控制系统200配置成全功率转换系统(未示出)，其包括在设计和操作上与功率转换组合件210来说并且电耦合到发电机定子120的全功率转换组合件。全功率转换组合件促进发电机定子120与电功率传输和分配网络(未示出)之间引导电功率。在一个实施例中，定子母线208把三相功率从发电机定子120传送到定子同步开关206。转子母线212把三相功率从发电机转子122传送到功率转换组合件210。在一个实施例中，定子同步开关206通过系统母线216电耦合到主变压器电路断路器214。在备选实施例中，一个或多个保险丝(未示出)被用于替换主变压器电路断路器214。在另一个实施例中，既不使用保险丝也不使用主变压器电路断路器214。

在各个实施例中，功率转换组合件210可以包括通过转子母线212电耦合到发电机转子122的转子滤波器218。转子滤波器母线219把转子滤波器218电耦合到转子侧功率转换器220。转子侧功率转换器220电耦合到线路侧功率转换器222。转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222是包括功率半导体器件(未示出)的功率转换器桥。在一个实施例中，转子侧功率转换器220和线路的功率转换器222配置在三相、脉宽调制(PWM)配置中，包括如现有技术中已知的那样操作的绝缘栅双极晶体管(IGBT)切换装置(未示出)。备选地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222能具有使用任何切换装置的任何配置，切换装置促进如本文所述的电气和控制系统200的操作。功率转换组合件210也可以与涡轮机控制器202进行电子数据通信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。

仍然参考图2，线路侧功率转换器母线223可以把线路侧功率转换器222电耦合到线路滤波器224。另外，线路母线225可以把线路滤波器224电耦合到线路接触器226。此外，线路接触器226可以通过转换电路断路器母线230电耦合到转换电路断路器228。此外，转换电路断路器228可以通过系统母线216和连接母线232电耦合到主变压器电路断路器214。备选地，线路滤波器224直接通过连接母线232电耦合到系统母线216并且包括任何合适的保护方案(未示出)，其配置成计及从电气和控制系统200移除线路接触器226和转换电路断路器228。主变压器电路断路器214可以通过发电机侧总线236电耦合到电功率主变压器234。此外，主变压器234可以通过断路器侧总线240电耦合到电网电路断路器238。电网电路断路器238可以通过电网母线242连接到电功率传输和分配网络。在图2左侧退出绘制区域的三条功率线或引线可对应于如本文所描述的三相功率线。在备选实施例中，主变压器234可以通过断路器侧母线240电耦合到一个或多个保险丝(未示出)，而不是电耦合到电网电路断路器238。在另一个实施例中，既不使用保险丝也不使用电网电路断路器238，但是主变压器234可以通过断路器侧母线240和电网母线242耦合到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通过单个直流(DC)链路244与线路侧功率转换器222电通信。备选地，转子侧功率转换器220与线路侧功率转换器222通过个别并且单独的DC链路(未示出)电耦合。在某些实施例中，DC链路244可以包括正轨246、负轨248和耦合在正轨246与负轨248之间的至少一个电容器250。备选地，电容器250可以包括在正轨246与负轨248之间并联配置和/或串联配置的一个或多个电容器。

如所提到的，电气和控制系统200可以包括涡轮机控制器202。例如，如图3所示，控制器202可以包括一个或多个处理器176和相关联的存储器装置178，配置成执行多种计算机实现的功能和/或指令(例如执行方法、步骤、计算等等并存储如本文公开的相关数据)。指令在由处理器176执行时能使处理器176执行操作，包括提供控制命令(例如脉宽调制命令)到功率转换组合件210的切换元件与电气和控制系统200的其它方面。另外，控制器202也可以包括通信模块180以便于在控制器202与电气和控制系统200的各个组件，例如图2中的任意组件之间通信。此外，通信模块180可以包括传感器接口182(例如一个或多个模数转换器)以允许从一个或多个传感器252，254，256，264传送的信号被转换为能被处理器176理解和处理的信号。应当领会，传感器252，254，256，264可以使用任何合适的手段通信耦合到通信模块180。例如，如图3所示，传感器252，254，256，264通过有线连接与传感器接口182耦合。然而，在其它实施例中，传感器252，254，256，264可以通过无线连接与传感器接口182耦合，例如通过使用本领域已知的任何合适的无线通信协议。因而，处理器176可以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”不仅仅指包括在本领域中被称为包含在计算机中的集成电路，而且也指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路。处理器176还被配置成计算高级控制算法并且传到多个以太网或者基于串口的协议(Modbus、OPC、CAN等等)。另外，一个或多个存储器装置178通常可以包括一个或多个存储器元件，，包括但不限于计算机可读媒介(例如随机存取存储器(RAM))、计算机可读的非易失性媒介(例如闪速存储器)、软盘、压缩盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)和/或其他合适的存储器元件。这类存储装置178通常可以被配置成存储合适的计算机可读指令，当其被一个或多个处理器176实现时将控制器202配置成执行如本文所述的各种功能。

特别参考图2，涡轮机控制器202也可以被配置成从第一组电压和电流传感器252接收多个电压和电流测量信号。此外，涡轮机控制器202可以被配置成监测和控制与风力涡轮机100相关联的操作变量中的至少一些。例如，在一个实施例中，三个电压和电流传感器252中的每一个电耦合到电网母线242的三相中的每一个。备选地，电压和电流传感器252可以电耦合到系统母线216。作为进一步的备选方案，电压和电流传感器252可以电耦合到便于如本文所述的电气和控制系统200操作的电气和控制系统200的任何部分。作为更进一步的备选方案，涡轮机控制器202被配置成从任意数量的电压和电流传感器252接收任意数量的电压和电流测量信号，包括但不限于从一个换能器接收一个电压和电流测量信号。

电气和控制系统200也可以包括被配置成接收多个电压和电流测量信号的转换器控制器262。例如，在一个实施例中，转换器控制器262可以从与定子母线208电子数据通信地耦合的第二组电压和电流传感器254接收电压和电流测量信号，从与转子母线212电子数据通信地耦合的第三组电压和电流传感器256接收第三组电压和电流测量信号，和/或从与转换电路断路器母线230电子数据通信地耦合的第四组电压和电流传感器264接收第四组电压和电流测量信号。在一个实施例中，第二组电压和电流传感器254可以与第一组电压和电流传感器252实质上来说，并且第四组电压和电流传感器264可以与第三组电压和电流传感器256实质上来说。另外，转换器控制器262可以与涡轮机控制器202实质上来说并且可以与涡轮机控制器202进行电子数据通信。此外，在一个实施例中，转换器控制器262可以物理集成在功率转换组合件210内。备选地，转换器控制器262可以具有任何促进如本文所述的电气和控制系统200操作的配置。

在操作期间，风冲击转子叶片108并且叶片108把风能变换为通过轮毂110可旋转驱动低速轴112的机械旋转力矩。低速轴112驱动变速箱114，变速箱114随后提高低速轴112的低转速以便以增加的转速驱动高速轴116。高速轴116可旋转地驱动发电机转子122。旋转的磁场被发电机转子122感应并且在磁耦合到发电机转子122的发电机定子120中感应电压。在发电机定子120中发电机118把旋转的机械能转换为正弦额三相交流(AC)电能信号。相关联的电功率通过定子母线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被传送到主变压器234。主变压器234提高电功率的电压幅值并且转换的电功率通过断路器侧母线240、电网电路断路器238和电网母线242被进一步传送到电网。

在一个实施例中，也提供了第二电功率输送路径。例如，电气的三相正弦AC功率可以在发电机转子122内生成并且可以通过转子母线212被传送到功率转换组合件210。在功率转换组合件210内，电功率可以被传送到转子滤波器218，使得电功率被修改用于与转子侧功率转换器220相关联的PWM信号的变化率。转子侧功率转换器220起到整流器的作用并且把正弦三相AC电整流为DC功率。DC功率被传送到DC链路244。通过促进减轻与AC整流相关联的DC波动，电容器250促进减轻DC链路244的电压幅值变动。

DC功率然后从DC链路244被传送到线路侧功率转换器222并且线路侧功率转换器222起到逆变器的作用，其被配置成把来自DC链路244的DC功率转换为具有预定电压、电流和频率的三相正弦AC电功率。这种转换通过转换器控制器262监测和控制。通过线路侧功率转换器母线223、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转换的AC功率从线路侧功率转换器222被传送到系统母线216。线路滤波器224补偿或调节从线路侧功率转换器222传送的电功率中的谐波电流。定子同步开关206被配置成闭合以便于连接来自发电机定子120的三相功率和来自功率转换组合件210的三相功率。

转换电路断路器228、主变压器电路断路器214和电网电路断路器238被配置成断开对应的母线，例如当过电流可能会损坏电气和控制系统200的组件时。也可以提供附加的保护组件，包括线路接触器226，其可以被控制以通过打开对应于线路母线225的每条线的开关(未在图2中示出)而形成断路。

功率转换组合件210被配置成接收来自涡轮机控制器202的控制信号。控制信号基于风力涡轮机100与电气和控制系统200的感测状态或操作特性。控制信号被涡轮机控制器202接收并且用于控制功率转换组合件210的操作。来自一个或多个传感器的反馈可以被电气和控制系统200使用以通过转换器控制器262控制功率转换组件210，包括例如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者电流反馈。使用这种反馈信息，并且例如切换控制信号、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。例如对于具有预定特性的电网电压瞬变现象，转换器控制器262将至少暂时暂停IGBT在线路侧功率转换器222内传导。这种线路侧功率转换器222的暂停操作将通过功率转换组合件210引导的电功率充分减少到近似为零。

现在参考图4，示出了优化风力涡轮机100操作的系统300的一个实施例。如所示，系统300可以使用电气和控制系统200的现有组件或者可以集成在图2的电气和控制系统200内。更特别地，在一个实施例中，本公开的系统300包括至少一个电压调节器204，其操作地耦合在功率网242与风力涡轮机100的主变压器234之间。备选地，电压调节器204可以操作地连接在功率网242与风力涡轮机100的任何其它合适的组件之间。此外，电压调节器204可以通信耦合到涡轮机控制器202或者转换器控制器262并由其控制。更特别地，电压调节器204可以是抽头转换开关。如本文使用的术语“电压调节器”广泛囊括被设计为自动维持恒定电压阈值的装置。因此，电压调节器204可以是简单的前馈设计或者可以包括负反馈控制环。此外，电压调节器204可以被配置成调整一个或多个AC或DC电压。如本文使用的术语“抽头转换开关”意味着广泛囊括一种耦合到功率变压器绕组的电压调节器类型，绕组允许在分立步骤中选择可变数量的匝数。因此，能够产生具有可变匝数比的变压器，实现输出的阶跃的电压调节。另外，取决于设计，可以通过自动或手动抽头转换开关作出抽头选择。因此，电压调节器204被配置成控制风力涡轮机100的至少一个电压状态。

电压调节器204配置结构可以具有任何合适的配置，包括但不限于应用于单个风力涡轮机100(未示出)的单个电压调节器，应用于两个或多个风力涡轮机的单个电压调节器，应用于多个风力涡轮机的多个电压调节器，或者任何其他合适的配置。

另外，在各个实施例中，传感器252，254，256，265被配置成监测风力涡轮机100的一个或多个电压状态以及风力涡轮机100的一个或多个操作状态。在特定实施例中，风力涡轮机100的操作状态可以包括风力涡轮机的合适的操作参数，例如比如发电机速度、VAR需求、功率因数、功率输出或者类似的。另外，风力涡轮机100的电压状态可以包括风力涡轮机的任何合适的电压和/或电流参数，例如比如定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、电网侧转换器电流、DC链路电压或者类似的。

因此，在接收到传感器数据之后，控制器202被配置成将操作状态和/或电压状态与预定阈值相比较以确定裕度与阈值比。另外，控制器202被配置成基于比较来控制电压调节器204以使裕度与阈值比最大化。更特别地，控制器202可以实现任何合适的控制方法或算法以便控制电压调节器204。例如，在一个实施例中，控制器202可以命令在抽头转换开关中的阶跃变化。更特别地，在一个实施例中，控制器202可以提供抽头转换开关的电子机械致动器的直接控制，或者可以提供设定点给位于抽头转换开关上或者专用于抽头转换开关的一个或多个附加控制器。在某些实施例中，为了最大化功率输出，控制器202能通过电压调节器204调节电压状态例如定子电压，并且调节操作状态例如发电机速度。例如，在一个实施例中，这种控制动作可以通过使用传递函数或者查找表来实现。在这种实施例中，DFIG风力涡轮机100的定子电压控制中的灵活性允许增加可变速度操作。例如，在功率曲线的下端，风力涡轮机100能以更低接通风速操作，从而导致在更低风速的更多的能量产生并且当涡轮机开始产生功率时的更平滑的功率转换。平滑的功率转换与更低接通速度也能导致转子上更低的推力系数并且由转子产生的减少的涡区。因此，下游的风力涡轮机很可能经历更少的涡区和扰动，从而导致在工作层级的更多的能量产生。

各种电压状态和/或操作状态的预定阈值可以由控制器202实时确定或者可以在控制器202内预编程。例如，在某些实施例中，预定的电压阈值通常基于风力涡轮机组件的最大可允许电压阈值，使得风力涡轮机组件能够操作而没有损害。类似地，预定的操作阈值通常基于风力涡轮机组件的最大可允许操作阈值例如最大速度，使得风力涡轮机组件能够操作而没有损害。

仍然参考图4，传感器252也可以被配置成监测功率网242的电网电压。因此，控制器202可以至少部分基于电网电压和操作状态相对裕度与阈值比与阈值的比较来控制电压调节器204。因此，当电网电压是高的并且电网不在接受功率时，电压调节器204能够维持在或者临近当前的操作设置点。与此相反，当电网电压是低的并且接受功率时，电压调节器204能够被控制，使得裕度与阈值比相对于阈值比最大化。

现在参考图5，示出了用于优化风力涡轮机操作的示例方法500的流程图。如所示，方法500包括在功率网与风力涡轮机之间提供电压调节器的步骤502。如所提到的，电压调节器被配置成控制风力涡轮机100的至少一个电压状态。另一个步骤504包括通过一个或多个传感器监测风力涡轮机的至少一个操作状态和至少一个电压状态。方法500还包括将操作状态或电压状态中的至少一个与预定阈值相比较以确定裕度与阈值比(步骤506)。因此，下一个步骤508包括基于比较来控制电压调节器以使裕度与阈值比最大化。

上面详细描述了风力涡轮机的示范性实施例、风力涡轮机的控制系统和控制风力涡轮机的方法。所述方法、风力涡轮机和控制系统不限于本文描述的特定实施例，而是风力涡轮机的组件和/或控制系统和/或方法的步骤可以与这里描述的其它组件和/或步骤分开和独立使用。例如，控制系统和方法也可以与其他的风力涡轮机功率系统和方法一起使用，并且不限于仅仅采用如本文所描述的功率系统来实践。相反地，示范性实施例能与许多其它风力涡轮机或者功率系统应用例如太阳能功率系统一起实现和使用。

尽管本发明的各个实施例的具体特征可以在一些附图中生成并且在其它附图中没有生成，但是这仅仅是出于方便。根据本发明的原理，附图中的任何特征与任何其它附图的任何特征一起参考和/或要求保护。

本书面描述使用包含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践本发明，包含制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的可取得的专利范围由权利要求书来定义，并且可包含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单元，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们处于权利要求的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于优化风力涡轮机的操作的方法，所述方法包括：

在功率网与所述风力涡轮机之间提供至少一个抽头转换开关；

经由一个或多个传感器监测至少一个变化的风力状态和至少一个变化的电压状态；

基于所述变化的风力状态和变化的电压状态，通过控制器连续地确定用于所述抽头转换开关的阶跃变化;

将所述阶跃变化连续地应用于所述抽头转换开关以增加所述风力涡轮机的转子的电压裕度，其中所述电压裕度中的所述增加允许所述风力涡轮机的增加的可变速度操作;以及

作为所述增加的可变速度操作的结果，基于增加的功率系数或较低的推力系数中的至少一个来控制所述风力涡轮机。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括经由所述控制器监测所述功率网的电网电压并且基于所述电网电压控制电压调节器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述风力状态包括风速。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电压状态包括下面中的任何一个或者组合：定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、电网侧转换器电流或者DC链路电压。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述抽头转换开关位于所述功率网与所述风力涡轮机的变压器之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述风力涡轮机包括风驱动双馈感应发电机（DFIG）。

7.一种用于优化连接到功率网的风力涡轮机的操作的系统，所述系统包括：

操作地耦合在所述功率网与所述风力涡轮机之间的抽头转换开关；

配置成监测变化的风力状态或所述风力涡轮机或所述功率网的变化的电压状态中的至少一个的一个或多个传感器；以及

配置成执行一个或多个操作的控制器，所述一个或多个操作包括：

基于所述变化的风力状态和变化的电压状态，通过控制器连续地确定用于所述抽头转换开关的阶跃变化;

将所述阶跃变化连续地应用于所述抽头转换开关以增加所述风力涡轮机的转子的电压裕度，其中所述电压裕度中的所述增加允许所述风力涡轮机的增加的可变速度操作;以及

作为所述增加的可变速度操作的结果，基于增加的功率系数或较低的推力系数中的至少一个来控制所述风力涡轮机。

8.根据权利要求7的系统，其中所述抽头转换开关位于所述功率网与所述风力涡轮机的变压器之间。