CN107110119A - 风力涡轮发电机的过额定值运转控制 - Google Patents

风力涡轮发电机的过额定值运转控制 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于控制风力涡轮发电机提供超过额定水平的功率的方法。所述风力涡轮机包括传导来自内部发电机的电流以供应给外部电网的一个或多个电部件。所述控制方法计算所述电部件在环境温度下能够运载的最大电流。使所计算的电流与电压的测量结果以及对系统中的无功功率的估计组合，以给出在不超过电部件的最大允许电流的情况下风力涡轮机能够在其上运转的最大功率。电部件可以容纳在风力涡轮机的主电面板中。

Description

风力涡轮发电机的过额定值运转控制
技术领域
本发明涉及风力涡轮机的过额定值运转控制，并且特别涉及使风力发电厂的一个或多个风力涡轮机能够在遵守内部电部件的电流运载能力方面的限制的同时暂时生成超出额定输出的功率的方法和设备。
背景技术
在IEC 61400中将风力涡轮机的额定功率定义为风力涡轮机在正常运行和外界条件下能够取得的最大连续电功率输出。大型商用风力涡轮机一般被设计为当在其额定功率上运行或者在低于其额定功率的功率上运行时具有20年的寿命。
使风力涡轮机过额定值运转是合乎要求的，因为其提供了涡轮机年发电量(AEP)的提高。换言之，与仅仅使涡轮机以高达其额定功率的功率运行相比，一年内能够生成更多的能量。然而，不严格的过额定值运转将导致涡轮机内的磨损和部件疲劳增大，结果是涡轮机的寿命会被缩短。过额定值运转还可能意味着涡轮机需要更多的维护，有可能要求在工程师处于现场时关闭涡轮机。关闭风力涡轮机使得发电厂内的其余涡轮机承受更大的负担以满足发电厂在当时的目标功率输出，并且意味着所预期的AEP的提高也并未实现。由于涡轮机可能处于不易触及的位置上，因而维护可能困难并且成本高。因此有益的是对每一风力涡轮机的过额定值运转的程度加以控制，从而平衡了对满足功率输出要求的期望和保持在设计规范内的必要性。
在判定要使每一风力涡轮机过额定值运转多少时还有其他重要的考虑事项。例如，一种简单的控制系统可以仅测量涡轮机中的特定电部件周围的温度，并使用这些温度对能够生成的过额定值功率的量设定上限。出于安全的原因，这样的系统被设计为保守的，因而可能对功率产生造成不必要的限制，从而导致潜在的发电损失。
因此，我们已经认识到，提供使风力涡轮机能够在额定功率以上运行的改进的控制是合乎需要的。
发明内容
在此处将提及的独立权利要求中定义了本发明。在从属权利要求中阐述了有利特征。
本发明涉及一种用于控制风力涡轮发电机的控制方法，所述发电机向电网输出电功率，所述方法包括：确定风力涡轮发电机中的一个或多个电部件的环境温度，所述一个或多个电部件运载由所述发电机生成的电流以输出至与电连接网络的连接点；基于所述一个或多个电部件的环境温度确定所述一个或多个电部件的最大安全电流；确定在不超过所述一个或多个电部件的最大安全电流的情况下所述风力涡轮发电机能够向所述连接点供应的最大安全功率水平；以及控制所述风力涡轮发电机，以使从发电机输送的功率不超过所述最大安全功率水平。
作为所述方法的结果，在获得风力涡轮发电机的最大安全功率水平时考虑了由于温度变化而发生的最大安全电流的变化。如果风力涡轮机在额定功率以上运行，那么所述方法使得能够获得过额定值运转的最大安全量，由此提高年发电量。
所述方法可以包括获得所述风力涡轮发电机和所述电连接网络之间的连接点处的电压值；并且确定所述最大安全功率水平是基于所述电压值的。
所述方法可以包括基于所述电压值以及所述一个或多个电部件的各自的最大安全电流的集合中的最小值来确定最大安全功率水平。因此，在包含不止一个电部件的风力涡轮机中，将能够运载最低的最大电流的部件用于获取最大安全功率水平。
所述一个或多个电部件可以容纳在耦合至与电连接网络的连接点的风力涡轮机面板或风力涡轮机中的任何其他面板中，并且所述环境温度则可以是面板内部的环境温度。因而，所述方法可以用于保护耦合至与电连接网络的连接点的风力涡轮机面板的电部件，同时使能够安全地生成的功率的量最大化。
所述方法可以包括确定在所述风力涡轮发电机内流动的无功功率并基于所述无功功率和有功功率的至少其中之一降低所确定的最大安全功率。所确定的最高安全功率水平由此考虑了在获得电部件的最大安全电流极限时所必须考虑的所述功率的额外的无功部分。
所述方法可以包括通过根据所述环境温度在存储器中查找所述最大安全电流的存储值、或者通过使用方程计算所述最大安全电流来确定所述一个或多个电部件的最大安全电流。因此，在给定环境温度的情况下可以方便地获得最大安全电流。
所述方法可以包括通过将转矩参考信号传送至发电机而控制功率生成量，以使功率输出维持在所述最大安全功率水平以下。
所述方法可以包括通过将桨距角控制信号发送至负责控制连接至发电机的风力涡轮机桨叶的桨距的桨距角控制器而控制功率生成量，对风力涡轮机桨叶的桨距调节用于使发电机的功率输出维持在所述最大安全功率水平以下。
所述方法可以包括通过将转子速度控制信号发送至发电机而控制功率生成量，以使发电机的功率输出低于所述最大安全功率水平。
所述方法可以包括通过将转矩参考信号发送至发电机并将桨距角控制信号发送至桨距角控制器而控制功率生成量。
还提供了被配置为执行所述方法的风力涡轮发电机控制器以及用于根据所述方法对控制器编程的计算机可读介质。
附图说明
现在将仅通过示例的方式并参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是风力涡轮机机舱的示意图；
图2是风力涡轮机的示例性电主面板的示意图；
图3是示例性风力涡轮机的示意图，其示出了主面板以及其与其他关键电部件的连接；
图4是示出各种主面板部件可以安全地运载的最大电流是如何作为空气温度的函数而发生变化以及所产生的对电流运载能力的总体限制的图示；以及
图5示出了为了确定风力涡轮机的最大安全过额定值功率而执行的方法。
具体实施方式
图1是安装在塔架8上的示例性风力涡轮机机舱6的例示。一个或多个风力涡轮机桨叶10连接至使主驱动轴14旋转的轮毂12。驱动轴耦合至齿轮箱16，齿轮箱16又驱动第二轴18。第二轴耦合至发电机20。主驱动轴14由主轴承22支撑。功率转换器和/或变压器24也容纳在机舱内；但是它们也可以容纳在塔架8的基座中或者位于塔架之外。其他部件包括偏航驱动装置26和桨距调节致动器28。传感器30、32、34和36还向控制器38馈送信号。这些传感器可以包括风速计和风向标30、测距风速测量装置32(例如，LIDAR、RADAR或SONAR)、温度传感器34、桨叶负载传感器36或者风力涡轮机上或风力涡轮机中已知的任何其他传感器。温度传感器34测量关键部件(例如，齿轮箱16和/或发电机20)的温度，以及机舱内部和外部的空气温度。
控制器38负责控制风力涡轮机机舱6中容纳的部件。因此，控制器38可以包括对风力涡轮机桨叶的桨距做出各种调整、控制发电机的运行、并且取决于传感器感测到的环境和运行条件而激活安全功能的一个或多个例程。对控制功能的该描述并非意在构成限制。在该实施例中，控制器38还控制过额定值运转，并且因此向发电机20和桨距调节致动器28输出一个或多个过额定值运转命令，从而根据涡轮机的运行条件对涡轮机加以控制，以使涡轮机在额定功率以上运行。本领域技术人员将认识到，可以视情况将控制器和各种控制功能适当地实施成硬件和/或软件。
风力涡轮发电机通常经由风力涡轮机电主面板连接至风力发电厂中的功率收集网络。例如，其可以位于机舱6中，但是也可以位于风力涡轮机塔架8的基座处或者位于塔架外部。因此，风力涡轮机生成的电流在被适当地电压变换以用于收集之前通过主面板，并且然后输出至电网。因此，主面板内的电连接必须能够安全地运载从发电机20输出的高电流，并且主面板内能够安全地运载的电流的量倾向于限制风力涡轮机可以安全地过额定值运转的程度。如下文将更加详细描述的，主面板中的各个部件能够传导的最大安全电流将倾向于是面板中的环境空气温度的函数。
图2示出了示例性风力涡轮机主面板50。主面板包括一个或多个接触器52，其用于将发电机20连接至变压器108或者使发电机20从变压器108上断开。接触器52连接至一个或多个断路器54，在必要时，例如，将超过预设临界电流时，所述断路器能够使涡轮机断开连接。接触器52和断路器54之间的连接是通过汇流条56做出的。电缆58将一个或多个接触器52连接至容纳在机舱6中的发电机20，同时电缆60将断路器54连接至变压器108。还提供了测量主面板50内的内部空气温度的温度传感器62。此外，温度传感器64和66可以被分别置于接触器52和断路器54上，以直接测量这些部件的温度。传感器将其测量结果传递到风力涡轮机控制器38，如图1所示。
在图3中针对变压器处于塔架基座处的涡轮机示出了主面板相对于涡轮机的其他电力部件的典型电路内位置。汇流条56将主面板接触器52连接至电缆58，电缆58又经由塔架接线盒102将座架100、机舱接线盒104和端子盒106连接至发电机20。汇流条56还将主面板断路器54连接至电缆60，电缆60在电流被收集以输出至电网之前将电流输送至变压器108。提供将本地电网电压传递到控制器38的电压传感器110。还在主面板上或者接近主面板处提供补偿电容器112，并使用它们的电容性负载来补偿发电机建立的无功电流。
在该示例中，变压器108充当风力涡轮发电机和风力发电厂的功率收集网络之间的连接点，并且电压传感器110检测刚好处于变压器108之前的电压。在功率收集网络中，通常从小的涡轮机组收集功率，每一小组属于收集电缆的网络的分支。连接网络的每一分支中的电压降取决于该分支中的电流、所有下游连接中的电流以及电网电压。因此，出于计算过额定值功率的目的，通过电压传感器110测量每一个体涡轮机到功率收集网络的连接点处的电压。在下文的描述中将该电压称为“连接电压”。
限制风力涡轮机能够安全地生成的过额定值功率的量的一个因素是通过主面板部件的电流的幅度。例如，该最大安全电流可以取决于主面板中的空气的温度、所讨论的部件的温度和/或连接电压。面板空气温度尤其影响最大电流，因为在较高的气温上部件与其周围的温差较小，并且由电阻发热生成的热量较不易传递至周围环境。结果，部件具有更高的过热风险，除非降低电流。
图4示出了作为环境温度的函数的可以由图2的主面板部件安全地运载的最大电流Imax。可以从部件制造商或者通过在不同的温度上对部件进行测试而获得该数据。在图4中，线150示出了最大允许汇流条电流的温度相关性。汇流条56能够传导的最大安全电流随着空气温度上升而不断下降。线152示出了最大接触器电流的温度相关性，在该示例中，所述最大接触器电流在高达40℃的温度下在1200安培处保持恒定，在更高的温度上则下降。然而，对于接触器52，与汇流条56相比，最大电流Imax在较高温度上的下降相对较小。线154示出了最大断路器电流的温度相关性，在该示例中，最大断路器电流在1212安培处保持恒定。在一起考虑汇流条56、接触器52和断路器54的情况下，由实心圆构成的曲线156指示各种最大电流中的最低者，因此表示作为温度的函数的可以运载的最大安全电流。图4所示的数据点基于测试系统中的实际部件的特征。然而，应当认识到所述数据在不同的系统之间将发生变化，并且此处仅出于例示的目的而提供所述数据。在一个示例中，如果对于所有的温度，通过单个电部件的最大安全电流低于通过其他部件的最大安全电流，那么仅仅该部件会限制电流。
发电机输出的功率一般是由通往电网的连接点处(例如，在该情况下，为主面板处)的电流和电压的乘积给定的。因此，如果连接电压下降，则为了取得给定电功率量而必须运载的电流的量必须更高。类似地，如果连接电压升高，则通过主面板的电流必须相应地较低，以输送相同的功率。因此，需要连接电压的值以及部件及其环境的温度来计算最大安全电流。
本领域已知的是基于给定空气温度确立可以通过主面板部件运载的最大安全电流的值。这对假设连接电压处于最坏情况条件时可能生成的功率设定了上限，因而假设连接电压处于其最低容许运转值以计算给定温度下的安全电流。该方案过度保守，因为在实践中，连接电压很少处于其最低允许值，并且控制例程因此假设最坏情况条件始终占主导地位。结果，风力涡轮机在安全主面板电流下能够生成的功率的上限被设定得过低，或者比其在其他情况下在大部分时间中可以达到的功率低，并且因而未能有效地使用过额定值运转。我们已经认识到能够对该控制情形加以改进。
图5示出了根据本发明的实施例的由风力涡轮机控制器执行的风力涡轮机控制方法。所述控制方法基于占主导地位的连接电压和通过占主导地位的主面板空气温度或占主导地位的局部部件温度而确定的最大安全主面板电流来计算最大安全过额定值功率。
首先，在步骤200中，传感器62测量主面板50中的空气温度。在步骤202中，控制器确定主面板中的第一部件的最大电流并将其存储到存储器中。可以通过很多种方式实现确定最大安全电流，例如通过在查找表中查找给定温度的最大电流数据，或者通过使用数学公式计算给定温度的最大允许电流。在实践中，可以从制造商的说明书册、设计计算和/或部件性能的离线测量结果获得这样的数据或公式。例如，如上文所讨论的，图4示出了接触器52、断路器54和汇流条56的最大电流。在一个实施例中，图4的数据点可以因此被存储到存储器中，并在执行计算时由控制器访问。
针对主面板50中的第二个以及后续部件重复步骤202，直到计算出每者的最大安全电流为止。这通过判定框204的控制环来描绘。在步骤206中，控制器然后选择针对每一部件所计算的并被存储在存储器中的最大安全电流中的最低者，并将其作为整体设定为主面板的最大安全电流。
在上文的计算中，传感器62测量到的主面板空气温度用作主输入以用于确定每一部件的安全电流。然而，如图2所指示的，也可以将额外的温度传感器64和66放置为接近相应的部件或者与其接触，以测量面板内的特定位置处的空气温度。这能够给出对每一部件的实际环境空气温度的更加准确的指示。因此，在替代的实施例中，由传感器62做出的对主面板空气温度的测量被由传感器64和66对主面板中的局部空气温度的相应测量替换或者补充。
在步骤208中，控制器38获得连接电压的测量结果。连接电压是风力涡轮机控制系统出于其他目的而定期测量的参数，并且控制器38可以从主面板中或者风力涡轮机和收集网络之间的连接点处的现有传感器获得测量结果。在该实施例中，控制器询问图3所示的电压传感器110。在替代的实施例中，控制器38可能已经出于其他目的而在存储器中存储了连接电压的值，因而在步骤208中仅简单地查找所述值。
在步骤210中，连接电压的值与在步骤206中获得的最大安全电流相乘，以获得用于安全过额定值运转控制的功率生成的最大极限。
应当认识到，通过主面板50中的部件的电流将包括有功功率分量和无功功率分量。因此，针对给定空气温度计算的最大安全电流将必须受到调整，以考虑系统中的无功功率的存在。应当认识到，控制器对风力涡轮发电机进行操作，以将设定量的有功功率P提供给收集网络。然而，风力涡轮机内的功率因子通常不为一，这意味着还将存在与在发电机20和变压器108之间经由主面板50来回移动的电流相关联的无功功率分量Q，所述电流对电容性电路元件(例如，补偿电容器112)和电感性电路元件(例如，发电机20)通电。例如，如果风力涡轮机内的电流的功率因子为0.9，那么系统中的电流的仅90％将产生有功功率，因此必须将所计算出的功率生成的极限设定为视在功率值的90％，其中，视在功率是有功功率和无功功率的矢量和。
部件中的电流将反映视在功率，并且因此将包括实际功率分量和无功功率分量。因此，在步骤212中，控制器38基于功率因子对在步骤210中计算出的功率极限进行向下调整。例如，如果功率因子为0.9，那么步骤212将包括使块210的输出乘以0.9，以给出最大安全过额定值功率。功率因子可以被在线测量并且是在补偿中使用的瞬时值，或者最坏情况值可以被离线计算并且在补偿中使用。由于发电机的特征是已知的，因而确定所估计的其吸取的无功功率将简单直接。
因此在步骤214中输出为了考虑所估计的无功电流而被调整的该经计算的功率极限。之后，由控制器38使用功率的最大极限来控制涡轮机，从而使功率值不超过在步骤210中计算出的最大安全功率。这又会确保流经主面板的电流不超过该温度的安全电流。
如上文所指出的，在替代的实施例中，还可以使用任选的传感器64和66检测个体部件52到60的温度，并且可以将个体部件52到60的温度用于控制方法中。对个体部件温度的测量允许更精确地计算最大容许电流，最大容许电流反映了部件自身将以不同速率发热并且跨主面板的温度未必均匀的事实。测量到的温度还可以充当安全机制来确保不管最大容许电流的限制如何，个体部件的温度都不超过安全水平。
图5中描绘的方法的步骤可以由涡轮机控制系统在线实时地执行，以提供在该特定时刻可以由涡轮机安全地生成的过额定值功率的最大量的动态极限。
在上文描述的示例中，控制器38直接使用安全功率极限来限制被发送至涡轮机的功率控制的功率参考。在替代的实施例中，图5中所示的控制方法还可以包括其他步骤，在所述步骤中，由功率控制系统通过关系P＝G＝来将最大过额定值功率P转换成发电机负载转矩G和/或转子角速度ω的对应最大极限。这可以适用于使用这些变量之一或两者来约束过额定值运转而不是直接由功率来约束过额定值运转的涡轮机。
尽管将图5的过额定值控制功能描述为控制器38的一部分，但是可以将控制实现为被定位为更加接近主面板并向负责发电机的运转的单独的控制器或者向发电厂控制器提供输出的单独的专用控制器。此外，尽管将所述控制方法描述为确定主面板内的空气温度，但是应当认识到主面板内可以填充有其他气体，例如惰性气体。在这些情况下，术语空气温度意在包含存在于主面板内的任何气体的温度。
上文描述的实施例仅用于举例说明的目的，并且应当认识到可以使不同实施例的特征相互结合。
尽管已经示出并描述了本发明的实施例，但是应当理解这样的实施例只是通过举例的方式描述的。本领域技术人员将做出很多变化、修改和替换，而不脱离所附权利要求所定义的本发明的范围。相应地，旨在使下述权利要求涵盖落在本发明的精神和范围内的所有这种变化或等价方案。

Claims (21)

1.一种用于控制风力涡轮发电机向电网输出电功率的控制方法，所述方法包括：
确定所述风力涡轮发电机中的一个或多个电部件的环境温度，所述一个或多个电部件运载由所述发电机生成的电流以用于输出至与电连接网络的连接点；
基于所述一个或多个电部件的所述环境温度来确定所述一个或多个电部件的最大安全电流；
确定在不超过所述一个或多个电部件的所述最大安全电流的情况下所述风力涡轮发电机能够向所述连接点供应的最大安全功率水平；以及
控制所述风力涡轮发电机以使从所述发电机输送的功率不超过所述最大安全功率水平。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
获得所述风力涡轮发电机和所述电连接网络之间的所述连接点处的电压值；以及
基于所述电压值确定所述最大安全功率水平。
3.根据权利要求2所述的方法，包括：基于所述电压值以及所述一个或多个电部件的相应的最大安全电流的集合中的最小值来确定所述最大安全功率水平。
4.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，所述一个或多个电部件容纳在风力涡轮机面板中，所述风力涡轮机面板耦合至与所述电收集网络的所述连接点，并且所述环境温度是所述面板内部的环境温度。
5.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，包括：确定在所述风力涡轮发电机内流动的无功功率并且基于所述无功功率降低所确定的最大安全功率。
6.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，确定所述一个或多个电部件的最大安全电流包括根据所述环境温度在存储器中查找所述最大安全电流的存储值，或者使用方程计算所述最大安全电流。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，在所述控制步骤中，将转矩参考信号传送至所述发电机，以使功率输出维持在所述最大安全功率水平之下。
8.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，在所述控制步骤中，将桨距角控制信号发送至负责对连接至所述发电机的风力涡轮机桨叶的桨距进行控制的桨距角控制器，对所述风力涡轮机桨叶的桨距调节用于使所述发电机的功率输出维持在所述最大安全功率水平以下。
9.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，在所述控制步骤中，将转子速度控制信号发送至所述发电机以使所述发电机的功率输出维持在所述最大安全功率水平以下。
10.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中，所确定的最大安全功率水平处于所述风力涡轮发电机的标称功率输出以上。
11.一种风力涡轮机控制器，可操作用于控制风力涡轮发电机向电网输出电功率，所述控制器执行下述步骤：
确定所述风力涡轮发电机中的一个或多个电部件的环境温度，所述一个或多个电部件运载由所述发电机生成的电流以用于输出至与电连接网络的连接点；
基于所述一个或多个电部件的所述环境温度确定所述一个或多个电部件的最大安全电流；
确定在不超过所述一个或多个电部件的最大安全电流的情况下所述风力涡轮发电机能够向所述连接点供应的最大安全功率水平；以及
控制所述风力涡轮发电机以使从所述发电机输送的功率不超过所述最大安全功率水平。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机控制器，其中，所述控制器可操作用于获得所述风力涡轮发电机和所述电连接网络之间的所述连接点处的电压值；并且基于所述电压值来确定所述最大安全功率水平。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机控制器，其中，所述控制器可操作用于基于所述电压值以及所述一个或多个电部件的相应的最大安全电流的集合中的最小值来确定所述最大安全功率水平。
14.根据权利要求11到13中的任何一项所述的风力涡轮机控制器，其中，所述一个或多个电部件容纳在风力涡轮机面板中，所述风力涡轮机面板耦合至与所述电收集网络的连接点，并且所述环境温度是所述面板内部的环境温度。
15.根据权利要求11到14中的任何一项所述的风力涡轮机控制器，其中，所述控制器可操作用于确定在所述风力涡轮发电机内流动的无功功率并且基于所述无功功率降低所确定的最大安全功率。
16.根据权利要求11到15中的任何一项所述的风力涡轮机控制器，其中，确定所述一个或多个电部件的最大安全电流包括根据所述环境温度在存储器中查找所述最大安全电流的存储值，或者使用方程计算所述最大安全电流。
17.根据权利要求11到16中的任何一项所述的风力涡轮机控制器，其中，在所述控制步骤中，将转矩参考信号传送至所述发电机，以使功率输出维持在所述最大安全功率水平以下。
18.根据权利要求11到17中的任何一项所述的风力涡轮机，其中，在所述控制步骤中，将桨距角控制信号发送至负责对连接至所述发电机的风力涡轮机桨叶的桨距进行控制的桨距角控制器，对所述风力涡轮机桨叶的桨距调节用于使所述发电机的功率输出维持在所述最大安全功率水平以下。
19.根据权利要求11到18中的任何一项所述的风力涡轮机控制器，其中，在所述控制步骤中，将转子速度控制信号发送至所述发电机以使所述发电机的功率输出维持在所述最大安全功率水平以下。
20.根据权利要求11到19中的任何一项所述的风力涡轮机控制器，其中，所确定的最大安全功率水平处于所述风力涡轮发电机的标称功率输出以上。
21.一种含有计算机代码的计算机可读介质，当在风力涡轮发电机的控制器上执行所述计算机代码时，所述计算机代码使得所述控制器执行权利要求1到10中的任何一项所述的步骤。
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