CN108138746B - 通过使降额功率输出和降额转子速度斜变而改变功率输出 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于控制风力涡轮发电机的降额功率输出的方法和相关控制设备,其中风力涡轮发电机与预定的功率斜变率上限相关并且以降额转子速度运行。所述方法包括使功率输出在斜变间隔期间从初始功率水平斜变至目标功率水平。在斜变间隔的第一部分期间,以小于功率斜变率上限的第一功率斜变率使功率输出斜变。所述方法进一步包括在斜变间隔的第一部分期间在使功率输出斜变的同时使转子速度斜变至预定的转子速度值。所述第一功率斜变率被确定成使得功率输出和目标功率水平之间的差在整个斜变间隔期间是单调递减的。

Description

通过使降额功率输出和降额转子速度斜变而改变功率输出
技术领域
本发明所记载的实施方式总体上涉及一种使以降额(de-rated)功率输出和降额转子速度运行的风力涡轮发电机进行快速功率斜变的技术。
背景技术
现代发电和配电网日益依赖于可再生能源,例如风力涡轮发电机。在一些情形下,可用风力涡轮发电机代替传统的基于化石燃料的发电机。除仅产生和输送电力之外,风力涡轮发电机还能通过频率调整改进电网的稳定性。然而,风力条件的自然变化可能影响风力涡轮机预见性传输电力和调节电网频率的能力。另外,风力条件有时可能不适合产生电力。
发明内容
本发明的一种实施方式为用于控制风力涡轮发电机的降额功率输出的方法和相关控制设备,其中所述风力涡轮发电机与预定的功率斜变率上限相关并且以降额转子速度运行。所述方法包括在接收到目标功率水平时使功率输出在斜变间隔期间从初始功率水平斜变至所述目标功率水平。在所述斜变间隔的第一部分,以小于所述功率斜变率上限的第一功率斜变率使所述功率输出斜变。所述方法进一步包括在所述斜变间隔的第一部分期间在使功率输出斜变的同时使所述转子速度斜变至预定的转子速度值。所述第一功率斜变率被确定成使得所述功率输出和所述目标功率水平之间的差在整个斜变间隔期间是单调递减的。
附图说明
下面参照实施方式对上文简要概括的本发明进行更详尽的描述,从而可以详细地理解本发明的上述特征,其中在所附附图中对一些实施方式进行说明。然而,应当注意的是,所附附图仅示出了本发明的有代表性的实施方式,因而不应认为限制了其范围,在本发明中其它等效的实施方式也是许可的。
图1示出了根据一个实施方式的水平轴风力涡轮机的示意图。
图2示出了根据一个实施方式的、与电网操作性连接的风力发电厂。
图3为示出根据一个实施方式的、用于包括多个风力涡轮机的风力发电厂的控制设备的方框图。
图4为根据一个实施方式的、用于控制风力涡轮发电机的降额功率输出的方法。
图5为根据一个实施方式的、在使风力涡轮发电机的功率输出斜变的同时使风力涡轮发电机的转子速度斜变的方法。
图6为示出根据一个实施方式的、转子速度与功率输出同时斜变和不同时斜变的风力涡轮发电机的运行的曲线图。
图7为根据一个实施方式的、在斜变间隔期间将风力涡轮发电机的功率输出从初始功率水平斜变至目标功率水平的方法。
图8为根据一个实施方式的、用于确定在转子速度的同时斜变期间由风力涡轮发电机应用的第一功率斜变率的方法。
图9为示出根据一个实施方式的、功率输出限制功能随着相关的预定加速参数的运行的曲线图。
为了便于理解,在可能的情况下已使用相同的附图标记表示附图所共有的相同元件。应想到的是,一个实施方式中公开的元件在没有特定说明的情形下可以有利地用于其它实施方式。
具体实施方式
电网准则(Grid codes)日益要求连接的风力涡轮机,通常称为风力涡轮发电机(WTG),具有提供快速功率斜变的能力,这代表了对WTG设计和操作的多个重大挑战。例如,电网准则可能要求在当前风力条件允许的情形下从例如低至额定功率的10-12%或更低的降额功率水平实现快速斜变。在低功率水平下运行对WTG而言通常是具有挑战性的。根据公式(1),WTG产生的功率与其转矩和转速有关:
P=τ×ω (1)
其中,P表示功率,τ表示转矩,以及ω表示转速。在WTG低功率运行期间,风速的变化(例如其影响了ω的值)在转换器保持稳定的功率生成水平的情形下会导致转矩的改变。如果转矩值降低到零以下,可能引起齿轮-转矩-反向(gear-torque-reversal)事件,从而危害变速箱并缩短其运行寿命。通常,为了避免在WTG低功率运行期间的齿轮-转矩-反向,在降低转子速度的同时为了给定的功率水平而提升平均转矩水平。
在低功率水平时,为了使得大部分的风能以最小的能量损失通过叶片,使降额WTG的叶片变桨。在随后指示WTG执行从低功率水平的快速功率斜变时,使WTG叶片为了当前的转速变桨为最佳的叶片角度。然而,由于与低功率水平相关的转速明显低于空气动力学上的最佳值(基于当前风力条件),因而在到达最优叶片角时转子不能传递所需的功率水平。最终,WTG达到其功率产生能力的极限,从而为了快速功率斜变而从转子中获得更多的功率,转子的转速降低。因此,WTG控制器会降低WTG上的负荷(例如在截然不同的部分载荷运行模式下运行WTG),从而停止了功率斜变进程,以便能恢复转子的转速。在降低载荷运行期间,首先降低功率输出,与此同时将转子加速到其额定值,随后功率输出缓慢地斜变到目标功率值。随着转子速度增加,WTG的空气动力效率得到逐步改善。在WTG最终达到目标功率水平的同时,实现目标功率水平的斜变间隔(即时刻)在很多情形下会太长,并且不会满足电网准则要求和/或满足所需的功率产生要求。
一种为了使功率斜变达到目标功率水平而不降低功率输出和/或进入降低的载荷运行的可能解决方案为在预期到要接收快速斜变命令时增大转子的转速。然而,这种方案会引起对变速箱的额外磨损并且会是一个相对低效率的过程。
大体上,本发明的实施方式涉及对以降额功率输出和降额转子速度运行的WTG提供快速功率斜变至目标功率水平的技术。降额功率和降额转子速度指的是由于很多原因而在低于相应的额定性能下运行WTG。在一些情形下,为了满足电网准则要求执行WTG的降额操作,尽管风力条件对于额外的功率产生是有利的。在一些实施方式中,在斜变间隔的第一部分期间,功率输出以低于WTG的功率斜变率上限的功率斜变率斜变。通过以降低的功率斜变率进行功率斜变而节约的能量中的至少一些同时用于增大转子速度,从而提高WTG的空气动力效率。使用本文所提及的技术,WTG能够以恒定的功率增加提供朝着目标功率水平的快速功率斜变,而不必进入降低的载荷运行。
在一些实施方式中,WTG的控制设备确定满足目标功率水平所需的最小转子速度值,所述最小转子速度值会基于对WTG所处的当前风力条件的测量。在斜变间隔的第一部分期间,将转子速度增大至最小转子速度值,同时以降低的功率斜变率使功率输出斜变。在一些情形下,在第一部分期间降低的功率斜变率可以基本上为零。在达到最小转子速度值时,以更大的功率斜变率使功率输出斜变。
在一些实施方式中,控制设备在斜变间隔的第一部分之前提供达到预定的第一中间功率水平的初始快速功率斜变,在此期间使功率输出以降低的功率斜变率斜变。在斜变间隔的第一部分期间,同时使转子速度斜变直至预定的转子速度值。在一些实施方式中,使功率输出在第一部分期间从第一中间功率水平斜变至预定的第二中间功率水平,并且随后将功率输出从第二中间功率水平斜变为目标功率水平。
图1示出水平轴风力涡轮机100的示意图。风力涡轮机100通常包括塔架102和位于塔架102顶部的机舱104。风力涡轮机转子106可通过从机舱104伸出的低速轴与机舱104连接。如图所示,风力涡轮机转子106包括三个安装在共有轮毂110上的转子叶片108,但也可包括任何适当数量的叶片,例如一个、两个、四个、五个或更多叶片。叶片108(或翼形件)通常具有空气动力学的形状,其具有迎风的前缘112、对于叶片108而言在翼弦的相反端处的后缘114、叶尖116、和以任何适当方式附连至轮毂110的叶根118。
对于一些实施方式,可使用变桨轴承120将叶片108连接至轮毂110,使得每个叶片108可绕着其纵轴线旋转以调整叶片的桨距。图2示出了根据一个实施方式的、与电网操作性连接的风力发电厂。总的来说,风力发电厂也可指代风力场或风电场。在示出的设置布局200中,风力发电厂205包括多个在公共耦联点(或PCC)215处与电网210操作性连接的风力涡轮机100。在一些实施方式中,风力发电厂205的风力涡轮机100与包括风力发电厂控制器(PPC)235的变电站230耦联。在该情形下,来自变电站230的输出与电网210耦联,并且由一根或多根连接线240传输风力涡轮机100产生的电力至变电站230。在可替换的实施方式中,风力发电厂控制器位于设置布局200中可替代的位置处,例如与风力涡轮机100中的一个在一起。在可替换的实施方式中,一个或多个风力涡轮机100可将电力直接传输至电网210,而没有被积聚和/或引导通过变电站230。风力发电厂控制器235通过一根或多根连接线250与每个风力涡轮机100(例如与相应的风力涡轮机-等级控制器245)可通信地耦联。
电网210表示任何适当的电力传输和/或分布网,其可以在一种或多种电压下运行。电网210通常包括多个传输线、变压器、变电站等。
一般而言,(例如通过风力发电厂205和通过其它发电设备220)产生的电力的量和电网上的负荷(例如负荷225)所需的电力的量的差异使得电网频率偏离其规定值或标定值。标定电网频率的通常值在美国为60赫兹(Hz)以及在欧洲为50Hz。当电力需求超过所产生的电力时,会发生电网频率偏离的示例,即可从风力涡轮发电机的动能中获得功率上的差异,导致风力涡轮机转子(例如图1中的转子106)放慢并由此降低电网频率。相反地,当发电量超过电力需求量,电网频率会增大。在一些情形下,风力涡轮发电机可以配置成在断开或执行其它调节程序以恢复电网频率到预定的频率范围内之前在该预定的频率范围(例如标定电网频率的±1%)下运行。
每个风力涡轮机(WTG)100包括发电机(未示出),该发电机配置成将风力涡轮机转子106的机械能转换为最终输送至电网210和与其连接的负荷225的单相电力或多相电力。在各种实施方式中,风力涡轮发电机基于由风力发电厂控制器235和/或风力涡轮发电机控制器245提供的控制信号产生电力。发电机也可利用连接线240、250向风力发电厂控制器235提供反馈信号和其它信息。
图3为示出根据一个实施方式的、用于包括多个风力涡轮机的风力发电厂的控制设备的框图。控制设备300通常布置在风力发电厂205处(图2),并且可以在一个或多个风力涡轮机和/或变电站间分布。在另一实施方式中,远程地(即在风力发电厂205所占据的地理区域之外地)布置控制设备300的一个或多个部件。风力发电厂控制器(PPC)235与多个风力涡轮发电机(WTG)控制器2451-N通信地耦联。WTG控制器2451-N中的每个(一般或统称为“一个或多个控制器245”)与配置成向相关的电网提供电力的一个或多个相应风力涡轮发电机耦联。当将控制设备300描绘为具有分布式控制实施形式时,可替换的实施形式可将控制设备300的所有功能合并到单一控制器中。
WPP控制器(PPC)235包括处理器305和存储器310。WTG控制器245中的每个可包括处理器340和存储器345。处理器305、340可具有任何适当的形式,例如通用的微处理器、控制器、特殊用途的集成电路(ASIC)等。存储器310、345可包括多种为其尺寸、相对性能或其它性能所挑选的计算机可读介质、易失性和/或非易失性介质、可删除和/或不可删除介质。
如图所示,风力发电厂控制器235包括功率生成控制模块315(或“功率生成模块”、“功率模块”)。WTG控制器245包括桨距控制模块350、测量模块355和计算模块360。
功率模块315运行以产生用于对由WPP中的每个WTG产生的功率进行控制的设定点320或其它适当的需求信号。设定点320相当于WTG可从风力中获得的(即基于当前风力条件)功率的功率生成。功率模块315按照任何适当的技术基于接收的或产生的WPP-级功率需求信号产生设定点320,例如WPP功率输出设定点。
WTG控制器245包括桨距控制模块350、测量模块355、和计算模块360。桨距控制模块350配置成基于风力条件和基于设定点320或其它由PPC235提供的控制信号将风力涡轮机的叶片变桨为迎风和背风。调节叶片桨距的速率通常随着WTG的功率斜变率而改变,并且在一些情形下可由于结构原因而被限制。
测量模块355配置成与一个或多个传感器装置耦联,以便获得风力条件、WTG功率生成、和/或其它WTG运行参数的测量值。例如,传感器装置可包括用于测量WTG处的风速的风速计、用于测量WTG的输出的电压和/或电流传感器、霍尔效应传感器、或其它用于测量转子的转速的磁性传感器或光学传感器等。计算模块360配置成基于测量模块355获得的测量数据和/或基于运行参数365的其它值计算用于运行WTG的一个或多个运行参数365。
WTG控制器245保持或储存用于控制WTG的运行的多个不同运行参数365。可以以一个或多个更新速率周期性更新运行参数365。虽然没有明确地描述,但运行参数365中可包括另外的参数以适当地控制WTG。此外,参数中的特定参数可被包含在控制设备300中的别的地方,例如在WPP控制器235的存储器310中(并且与WTG控制器245通讯)。运行参数365包括可基于由WPP控制器235提供的设定点320的、用于WTG的目标功率水平370。也可以整体上为WPP功率生成维持相应的目标功率水平。运行参数365包括可表示与WTG相关的缺省值或表示被输入至WTG控制器245或WPP控制器235的参数的功率斜变率上限375。
将参照图3和图9说明运行参数365中的一些参数。图9的曲线图900表示使用功率输出限制函数395的WTG的运行,在该限制函数395中将加速参数ΔPaccel 383在没有插值的情形下添加到功率输出Pout 384的值,并且曲线图920表示使用插值加速参数ΔPaccel 383的WTG的运行。曲线图900、920中的每个示出了WTG在时刻t0从初始功率水平的功率斜变,接下来在时刻t1接收到目标功率水平。在每个曲线图900、920中,虽然目标功率水平370可以为任何适当的、可替代的恒定或随时间变化的功率水平,但目标功率水平370为可用功率Pavail380。在曲线图900中,WTG的功率输出Pout 384在时刻t4达到目标功率水平,这相当于(t4-t1)的斜变间隔。在曲线图920中,WTG的功率输出Pout 384在时刻t5达到目标功率水平,这相当于更长的斜变间隔(t5-t1)。虽然曲线图920的斜变间隔比曲线图900的斜变间隔长,但这些斜变间隔中的每个通常短于功率输出以功率斜变率上限被斜变且WTG随后进入降低的载荷运行以恢复转子的转速的情形。
可用功率Pavail 380表示在当前风力条件下可获得的、计算出的最大功率,可以基于使用测量模块355所得到的测量数据通过计算模块360确定或估算该最大功率。针对给定转速的最大功率381表示通过叶片变桨所产生的功率量,而不会通过增大转子速度提高WTG的空气动力效率。381的值也可以通过计算模块360计算,并且可以被如此计算使得WTG不进入降低的载荷运行或在斜变间隔期间以其它方式停止功率斜变。
受限的功率输出Pout,lim 382为指示何时功率斜变率将会受到功率斜变率上限375的限制的信号。通常,通过以降低的功率斜变率使WTG的功率输出斜变所节约的能量中的至少一些能量被用于同时增大转子速度,由此提高WTG的空气动力效率并且确保功率输出持续下去以达到目标功率水平370,而不会进入降低的载荷运行。可以基于预定的功率输出限制函数395通过计算模块360计算出受限的功率输出Pout,lim 382的值。功率输出限制函数395可以基于多个不同的运行参数365,例如功率输出Pout 384和381的值。由功率输出限制函数395限定的功率斜变率可进一步基于预定的加速参数ΔPaccel 383,其可以为输入至WTG控制器245的缺省值或其它值。在一个实施方式(例如曲线图900)中,功率输出限制函数395包括功率输出Pout 384的当前值和包含预定加速参数ΔPaccel 383的项的总和,例如:
Pout,lim=Pout+ΔPaccel (2)在一个实施方式(例如曲线图920)中,上述项包含预定的加速参数乘以基于可用功率的值和当前转子速度的最大功率输出值的插值项,例如:
可能有功率输出限制函数395的其它适当的公式。
功率输出Pout 384表示基于由测量模块355进行测量的、WTG的确定的当前功率生成。转子速度ω385表示基于由测量模块355进行测量的、WTG的确定的当前转子速度。在时刻t1收到新的目标功率水平之后,通过朝着转子速度ω385的初始值的最佳角度调节叶片桨距使功率输出Pout 384斜变上升。功率输出Pout 384以预定的第二功率斜变率387增大,该第二功率斜变率在一些情形下为WTG的功率斜变率上限375。转子速度ω385通常在时刻t1和t2之间降低。
在时刻t2,功率输出Pout 384到达表示功率输出Pout 384的值的预定的第一中间功率值Pint,1 389,针对该预定的第一中间功率值,受限的功率输出Pout,lim 382的相应值(即与功率输出限制函数395相关)等于针对给定转速的最大功率381。在该情形下,功率斜变率降低为大于第一中间功率值Pint,1 389的功率输出Pout 384的值,从而留有足够的容限以在功率斜变的同时使转子速度ω385斜变上升。以降低的功率斜变率的运行通常发生在斜变间隔的第一部分期间。在曲线图900中,功率输出Pout 384和转子速度ω385在时刻t2和t3之间(即斜变间隔t4-t1的第一部分)被同时斜变;在曲线图920中,同时斜变发生在时刻t2和t5之间(即斜变间隔t5-t1的第一部分)。在很多情形下,转子速度ω385不会以完全恒定的速率增大,而根据其它运行条件(如风速)具有相对微小的变化。使功率输出Pout 384以第一功率斜变率915斜变。在一些实施方式中,第一功率斜变率915表示基于转子速度385的时变率。由于转子速度385的斜变率可包括一些差异,因而功率斜变率915也可同样表示基本上连续的函数,而不是单一的速率值。
在一些情形下,功率斜变率387、915的值可用于控制WTG的运行。譬如,功率斜变率915的值可由计算模块360算出,并且与预定的功率斜变率387一起使用以计算加速参数ΔPaccel 383和/或功率输出限制函数395的其它项。在一些实施方式中,功率输出限制函数395可包括功率斜变率387、915的值,作为用于计算受限的功率输出Pout,lim382的值的明确项。
在一些实施方式中,计算模块360确定对于WTG而言为满足目标功率水平370所需的最小转子速度值ωmin 386。最小转子速度值ωmin386基于当前风力条件的测量(例如使用测量模块355确定),并且相当于WTG的最佳叶片桨距。如曲线图900、920所示,满足目标功率水平370(即可用功率Pavail 380)所需的最小转子速度值ωmin 386相当于最佳转子速度值ωopt 905;在其它实施方式中,最小转子速度值ωmin386的值小于最佳转子速度值ωopt905。
在曲线图900、920中,从时刻t2开始,转子速度ω385朝着最佳转子速度值ωopt905斜变上升,这提高了WTG的空气动力效率并且以相应的速率增大了381的值。在曲线图920中,即使用了具有加速参数ΔPaccel 383的插值,第一功率斜变率915基本上大于381的增大率,并且两个信号之间的差925逐步缩小,直至时刻t5。在曲线图920中,转子速度ω385在与功率输出Pout 384达到目标功率水平370大致相同的时刻(即时刻t5)达到最佳转子速度值ωopt905。功率输出Pout 384从时刻t5开始基本上遵循目标功率水平370,直至接收到新的目标功率水平。
在曲线图900中,其中加速参数ΔPaccel 383没有被插值,并且第一功率斜变率915大致等于381的增大率,从而两个信号之间的差910保持大致恒定直至时刻t3。由于曲线图900的第一功率斜变率915小于曲线图920的,来自WTG的更多能量得以保留且因此这些能量可用于增大转子速度ω385,由此转子速度ω385在曲线图900中较早地(即在时刻t3,而不是在时刻t5)达到最佳转子速度值ωopt 905。在时刻t3的功率输出Pout 384的值为预定的第二中间功率值Pint,2 390。在时刻t3达到最佳转子速度值ωopt 905之后,不必进一步增大转子速度ω385,并且可以使功率输出Pout 384以大于(降低的)第一功率斜变率915的功率斜变率从第二中间功率值Pint,2 390斜变为目标功率值370。在一些实施方式中,时刻t3和t4之间的功率斜变率为第二功率斜变率387,例如WTG的功率斜变率上限375。功率输出Pout 384从时刻t4开始基本上遵循目标功率水平370,直至接收到新的目标功率水平。
图4为根据一个实施方式的、用于控制风力涡轮发电机的降额功率输出的方法。方法400从方框405开始,此时WTG以降额功率输出和降额转子速度运行。在一些实施方式中,在可低至条件允许(如风力条件、结构部件上的应力等)的低功率运行模式下运行WTG。
在方框415处,WTG控制器接收到目标功率水平。目标功率水平在一些情形下可包括用于WTG的功率斜变率,或者可由WTG控制器推断功率斜变率。譬如,WTG控制器可以默认以最大的可能速率(即功率斜变率上限)使功率斜变。
在方框425处,WTG控制器在斜变间隔期间使得WTG的功率输出从初始功率水平斜变至目标功率水平。在方框430处且在斜变间隔内的第一部分期间,WTG控制器以小于功率斜变率上限的第一功率斜变率使功率输出斜变。在第一时段期间,且在与方框430(用短划线440表示)同时进行的方框435处,WTG将转子速度斜变至预定的转子速度值。通过以降低的功率斜变率使功率斜变所节省的能量中的至少一部分能量用于使转子速度斜变,WTG而不会产生负的功率输出或进入降低的载荷运行。在完成方框425之后结束方法400。
图5为根据一个实施方式的、在使WTG的功率输出斜变的同时使WTG的转子速度斜变的方法。大体上,方法500相当于方法400中的方框425。方法500在方框505处开始,此时WTG控制器确定满足目标功率水平的最小转子速度值。所确定的最小转子速度值基于可利用WTG控制器测量的、WTG处的当前风力条件。
在方框515处,WTG控制器在斜变间隔的第一部分期间将转子速度斜变至最小转子速度值。方框515大体上相当于方法400中的方框435,其中最小转子速度值与预定的转子速度值相对应。
在方框525处,且在达到最小转子速度值时,WTG控制器将功率输出斜变至目标功率水平。以比第一功率斜变率大的第二功率斜变率完成该斜变。在一些情形下,第二功率斜变率与功率斜变率上限相对应。在完成方框525之后结束方法500。
图6为示出根据一个实施方式的、转子速度与功率输出同时斜变和不同时斜变的WTG运行的曲线图。曲线图600描绘了WTG的各种不同的功率输出水平,曲线图630描绘了相应的转子速度水平。通常,信号605和635反映与WTG基于当前风力条件产生可用功率Pavail380相对应的最佳发电量。时刻t0的信号605的值大致为额定功率的0.8标幺值(pu),但通常会基于特定的WTG构造和风力条件随时间而变化。例如,假定所描述的WTG额定为以1pu的转子速度产生1pu。对于WTG,任何适当的额定值都是可能的,例如在每分钟1400转(rpm)时3500千瓦(kW)。
信号610和615各自表示以降额功率输出和降额转子速度运行的WTG的功率输出。如图所示,在时刻t0,功率输出大致为0.12pu(或额定功率输出的12%)。分别与信号610和615对应的信号640和645示出了大约0.6pu的起始降额转子速度。
信号610相当于根据“正常”功率斜变方案使功率斜变的WTG,即在时刻t1(大约t=10秒)接收到目标功率水平时,通过对叶片变桨使功率输出快速斜变,而不管WTG的起始转子速度能否支持目标功率水平。由此,信号610示出了在时刻t1和t2之间(大约t=15秒)以最大功率斜变率对功率输出进行斜变。相应地,信号640中的转子速度因功率输出被斜变上升而会逐渐下降。但是,在时刻t2,WTG达到其空气动力效率极限,并且因为起始转子速度值的限制而不能产生超过约0.5pu的功率。信号610的功率输出在时刻t2和t3之间会降低,这是因为WTG控制器试图恢复转速。信号610在时刻t5达到目标功率水平,该时刻相当于在接收到目标功率水平之后约100秒的斜变间隔。
信号615相当于根据本文所描述的各种实施方式的技术的在转子速度斜变的同时使功率斜变的WTG。如图所示,WTG在时刻t1接收目标功率水平。如果目标功率水平无法符合起始转速值,WTG控制器确定最小转子速度值,而不是如同信号610那样执行中间功率斜变。至少部分基于当前风力条件确定最小转子速度值。在转子速度斜变的该时段期间,功率斜变率小于WTG的功率斜变率上限,并且如图所示在t1和t2之间大致为零。在可替换的实施方式中,WTG控制器在转子速度斜变的时段期间以至少标定的功率斜变率使功率斜变。
在时刻t6(信号645)转子速度斜变开始之后,信号615显示WTG的功率输出从时刻t2附近开始也被斜变上升。在一些实施方式中,在转子速度已达到例如为确定的最小转子速度值的预定的转子速度值以满足目标功率水平之后,功率输出斜变开始。在一些实施方式中,在转子速度达到预定的值之前开始功率输出斜变,但功率斜变率仍然是足够的低以将能量引导至转子速度斜变。例如,功率斜变率可逐渐从接近零的斜变率过渡到功率斜变率上限。信号615在斜变间隔625(相当于t4-t1)期间持续以接近信号605。实际上,信号615和605之间的差620在整个斜变间隔625期间是至少单调递减的。对于一些随时间变化的目标功率水平例如可用功率380,功率水平的负改变可能导致对信号615的相应负改变,但差620会持续减小。信号615在时刻t4达到目标功率水平,该时刻相当于在接收到目标功率水平之后大约50秒的斜变间隔625。
图7为根据一个实施方式的、在斜变间隔期间将风力涡轮发电机的功率输出从初始功率水平斜变至目标功率水平的方法。方法700大体上与方法400的方框425相对应。在方框705处,且在斜变间隔的第一部分之前的第二部分期间,WTG控制器以比第一功率斜变率大的第二功率斜变率将功率输出从初始功率水平斜变至预定的第一中间功率水平。在一些实施方式中,第二功率斜变率为WTG的功率斜变率上限。在一些实施方式中,第一中间功率水平表示功率输出的值,用于该功率输出的功率输出限制函数的相应值等于给定转速的最大功率。
在与方法400的方框430相对应的方框715处,且在斜变间隔的第一部分期间,WTG控制器将功率输出从第一中间功率水平斜变至预定的第二中间功率水平。在一些实施方式中,第二中间功率水平与到达最佳转子速度值的转速相对应。
在方框725处,且在斜变间隔的继第一部分之后的第三部分期间,WTG控制器将功率输出从第二中间功率水平斜变至目标功率水平。在一些情形下,第三部分期间的功率斜变率为功率斜变率上限。在方框725之后结束方法700。
图8为根据一个实施方式的、在转子速度同时斜变期间确定由风力涡轮发电机应用的第一功率斜变率的方法。方法800可作为方法400的一部分(例如方框430)或方法700的一部分(例如方框715)使用。
方法800在方框805处开始,此时WTG控制器计算将功率输出的当前值作为输入的预定功率输出限制函数的结果。功率限制函数可以为确保储备有能量裕度以在功率斜变间隔期间支持转子速度的同时斜变的任何适当函数。通过这种方式,WTG朝着目标功率水平持续增大功率,而不必在达到目标功率水平之前为了恢复转子速度而进入降低的载荷运行。
在方框810处,基于功率输出限制函数确定第一功率斜变率。在一些实施方式中,功率斜变率基于预定的加速参数。在一些情形下,功率斜变率与在斜变间隔的第一部分期间由于转速的斜变所获得的最大功率的增大率大致相同。在一些情形下,功率斜变率大于最大功率的增大率。完成方框810之后结束方法800。
上文中,涉及了本发明记载的实施方式。然而,本发明的范围不局限于所描述的特定实施方式。反之,可以想到上述无论是否涉及不同的实施方式的特征和元件的任何组合,以实施和实践所想到的实施方式。并且,虽然本文所公开的实施方式可以比其它可能的方案或比现有技术具有优势,但特定的优势是否由给定的实施方式实现不会限制本发明的范围。因而,上述方面、特征、实施方式和优势仅是示例性的,并且不会认为是所附权利要求的元素或限制,除非在(一个或多个)权利要求中得到明确记载。同样,提到“本发明”时将不会解释为本文所公开的任何创造性主题的概括,并且不会认为是所附权利要求的元素或限制,除非在(一个或多个)权利要求中得到明确记载。
正如本领域技术人员所理解的那样,本文所公开的实施方式可以实施为系统、方法、或计算机程序产品。相应地,各方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)、或组合软件和硬件各方面的实施例的形式,其在本文中都可以大体上被称为“电路”、“模块”或“系统”。进一步地,各方面可以采取在一个或多个计算机可读介质中包含的计算机程序产品,该计算机可读介质具有在其中实施的计算机可读程序代码。可以使用任何适当的媒介传输在计算机可读介质上存储的程序代码,包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等、或上述媒介的适当组合。
上文参照根据本发明所记载的实施方式的方法的流程图和/或框图、设备(系统)和计算机程序产品描述了本发明的各个方面。应当理解的是,可通过计算机程序指令执行流程图和/或框图中的每个方框、和流程图和/或框图中的方框的组合。这些计算机程序指令也可被存储在能以特定的方式指导计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置起作用的计算机可读介质中,使得存储在计算机可读介质中的指令生产制品,包括执行流程图和/或框图中的一个或多个方框所规定的功能/动作。
附图中的流程图和框图示出了根据各种实施方式的系统、方法和计算机程序产品构造、功能性、和可能性实施方式的操作。在这方面,流程图或框图中的每个方框可以表示模块、片段、或代码的包括用于执行特定的(一个或多个)逻辑功能的一个或多个可执行指令的一部分。还应该注意的是,在一些可替换实施方式中,方框中标注的功能也可不按照附图标注的顺序发生。例如,实际上,可以基本上同时地进行所示的两个连续方框,或者根据所涉及的功能性,有时可以以相反的顺序实施方框。还应该注意的是,框图和/或流程图的每个方框、和框图和/或流程图的方框的组合可通过特殊用途的、基于硬件的系统来执行,这些系统执行特定的功能或动作、或特殊用途的硬件和计算机指令的组合。
鉴于以上内容,本发明的范围由以下权利要求确定。

Claims (14)

1.一种对风力涡轮发电机的降额功率输出进行控制的方法,所述风力涡轮发电机与预定的功率斜变率上限相关并且以降额转子速度运行,所述方法包括:
在接收到目标功率水平时使所述功率输出在斜变间隔期间从初始功率水平斜变至所述目标功率水平,其中,在所述斜变间隔的第一部分期间,以小于所述功率斜变率上限的第一功率斜变率使所述功率输出斜变;和
在所述斜变间隔的第一部分期间,在使所述功率输出斜变的同时使所述转子速度斜变至预定的转子速度值,
其中,所述第一功率斜变率被确定成使得所述功率输出和所述目标功率水平之间的差在整个斜变间隔期间是单调递减的,
其特征在于,所述方法还包括:
计算将所述功率输出的当前值作为输入的预定的功率输出限制函数的结果,所述功率输出限制函数被选择成在所述斜变间隔的第一部分期间支持转子速度的同时斜变,
其中,基于所述功率输出限制函数确定所述第一功率斜变率。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,确定所述第一功率斜变率以避免使得所述风力涡轮发电机进入降低的载荷运行。
3.根据权利要求1或2所述的方法,进一步包括:
基于当前风力条件,确定满足所述目标功率水平的最小转子速度值,其中所述预定的转子速度值为被确定的最小转子速度值;
在所述斜变间隔的第一部分期间,将所述转子速度斜变至所述最小转子速度值;和
当达到所述最小转子速度值时,以大于所述第一功率斜变率的第二功率斜变率使所述功率输出斜变至所述目标功率水平。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述第一功率斜变率基本上为零,并且其中,所述第二功率斜变率为所述功率斜变率上限。
5.根据权利要求1或2所述的方法,进一步包括:
在所述斜变间隔的所述第一部分之前的第二部分期间,以大于所述第一功率斜变率的第二功率斜变率使所述功率输出从所述初始功率水平斜变至预定的第一中间功率水平。
6.根据权利要求5所述的方法,其中,在所述斜变间隔的第一部分期间,使所述功率输出从所述第一中间功率水平斜变至预定的第二中间功率水平,所述方法进一步包括:
在所述斜变间隔的继所述第一部分之后的第三部分期间,使所述功率输出从所述第二中间功率水平斜变至所述目标功率水平。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,所述第一中间功率水平相当于所述风力涡轮发电机在当前转子速度下的最大功率输出值,并且其中,所述第二中间功率水平相当于基于当前风力条件的预定的最佳转子速度。
8.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述功率输出限制函数包括所述功率输出的当前值和包含预定的加速参数的项的总和。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述项包含所述预定的加速参数乘以基于可用功率的值和针对当前转子速度的最大功率输出值的插值项。
10.一种对风力涡轮发电机的降额功率输出进行控制的控制设备,所述风力涡轮发电机与预定的功率斜变率上限相关并且以降额转子速度运行,所述控制设备包括:
与桨距控制模块和计算模块耦联的处理器,所述处理器配置成:
利用所述桨距控制模块并且响应于接收到目标功率水平,使所述功率输出在斜变间隔期间从初始功率水平斜变至所述目标功率水平,其中,在所述斜变间隔的第一部分期间,以小于所述功率斜变率上限的第一功率斜变率使所述功率输出斜变;和
在所述斜变间隔的第一部分期间,在使所述功率输出斜变的同时使所述转子速度斜变至预定的转子速度值,
其中,所述计算模块配置成确定所述第一功率斜变率以使得所述功率输出和所述目标功率水平之间的差在整个斜变间隔期间是单调递减的,
其特征在于,所述计算模块进一步配置成:
计算将所述功率输出的当前值作为输入的预定的功率输出限制函数的结果,所述功率输出限制函数被选择成在所述斜变间隔的第一部分期间支持转子速度的同时斜变;以及
基于所述功率输出限制函数确定所述第一功率斜变率。
11.根据权利要求10所述的控制设备,其中,所述计算模块配置成确定所述第一功率斜变率以避免使所述风力涡轮发电机进入降低的载荷运行。
12.根据权利要求10或11所述的控制设备,进一步包括测量模块,所述测量模块配置成获得针对所述风力涡轮发电机的当前风力条件数据,
其中,所述处理器进一步配置成:
基于当前风力条件数据,确定满足所述目标功率水平的最小转子速度值,其中所述预定的转子速度值为被确定的最小转子速度值;
在所述斜变间隔的第一部分期间,使所述转子速度斜变至所述最小转子速度值;和
当达到所述最小转子速度值时,以大于所述第一功率斜变率的第二功率斜变率使所述功率输出斜变至所述目标功率水平。
13.根据权利要求10或11所述的控制设备,其中,所述处理器进一步配置成:
在所述斜变间隔的所述第一部分之前的第二部分期间,以大于所述第一功率斜变率的第二功率斜变率使所述功率输出从所述初始功率水平斜变至预定的第一中间功率水平。
14.根据权利要求13所述的控制设备,其中,所述处理器进一步配置成:
在所述斜变间隔的第一部分期间,使所述功率输出从所述第一中间功率水平斜变至预定的第二中间功率水平;以及
在所述斜变间隔的继所述第一部分之后的第三部分期间,使所述功率输出从所述第二中间功率水平斜变至所述目标功率水平。
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