CN108235717A - 在没有电网连接的情况下操作风力涡轮机的方法以及风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种操作风力涡轮机的方法、一种制造风力涡轮机的方法和一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括永磁体(PM)同步发电机、主转换器、主转换器控制器、风力涡轮机主控制器和包括电能存储装置的电力供应级。可以独立于供电网和/或内燃机使用来自电能存储装置的电能来执行风力涡轮机的启动。在启动之后，通过由主转换器控制器控制主转换器的中间电压并且独立于电能存储装置从PM同步发电机取回电力来以岛模式操作风力涡轮机。

Description

在没有电网连接的情况下操作风力涡轮机的方法以及风力涡 轮机
技术领域
本发明涉及一种操作风力涡轮机的方法、一种制造风力涡轮机的方法、一种风力涡轮机以及一种风力发电场。
背景技术
在本领域中通常已知以岛模式操作风力涡轮机。术语“岛模式”涉及在没有电网连接(电网丢失；电网故障)的情况下的操作，其中风力涡轮机需要独立于电网进行操作。
针对风力涡轮机(特别是海上风力涡轮机)的另一总体挑战涉及风力涡轮机的第一启动(或调试)。为了开始正常操作，风力涡轮机需要能够通过与风力涡轮机连接的电网供应的一定量的能量。然而，当风力涡轮机被装配并准备好启动时，电网(或通过电网的电源)通常还不可用。这可能导致风力涡轮机由于空转而损坏。
为了独立地执行启动或黑启动以及避免空转，可以提供向风力涡轮机供应必要的电能的柴油发电机。然而，这要求需要被携带到风力涡轮机上的大量的燃料。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作风力涡轮机的方法、一种制造风力涡轮机的方法、一种风力涡轮机以及一种风力发电场，其确保风力涡轮机能够在没有电网连接或内燃发电机的情况下执行启动或黑启动。
在本发明的一方面中，提供了一种操作风力涡轮机的方法。该风力涡轮机包括永磁体(PM)同步发电机、主转换器、主转换器控制器、风力涡轮机主控制器以及电力供应级(UPS)。电力供应级可以例如是不间断电源(UPS)。电力供应级可以包括电能存储装置。在第一方面中，风力涡轮机的(第一)启动或黑启动可以(排他的)来自独立于供电网或内燃发电机使用电能存储装置的电能来执行。风力涡轮机可以以岛模式操作。在该岛模式中，主转换器的中间电压(DC链路)由主转换器控制器控制。换句话说，内部电力供应是由主转换器控制器控制的，而不是由风力涡轮机的主控制器控制的。此外，在岛模式中，从PM同步发电机取回电力，并且该电力用于供应风力涡轮机的必要的内部部件。这意味着电能存储装置仅仅可以在启动或黑启动期间被使用。以岛模式操作风力涡轮机不需要电能存储装置。
在岛模式中，电能存储装置可以被充电。这提供了电能存储装置总是在启动之后被充电以存储足够的电能来执行随后的启动或穿越平静风的时段(同时等待风势)。
在启动或黑启动期间必须被供电的必要的内部部件可以被称为子系统或辅助操作系统。该子系统或辅助操作系统可以有利地在风力涡轮机内部。
辅助操作系统提供了操作例如如风力涡轮机的偏航驱动器的其他子系统的可能性，使得机舱可以根据风向而被定位。子系统还可以用于对如浆距系统和/或空调系统的子系统供电。
根据另一方面，在执行下一次黑启动之前，使风力涡轮机停止和/或处于安全操作状态。换句话说，在安全操作状态中和/或当使风力涡轮机被停止时，执行从风力涡轮机的正常发电到岛模式的转变的步骤。由于与“标准风力涡轮机”相比，风力涡轮机不使用附加的电力转换硬件，所以在电网故障后岛模式将无法被无缝进入。首先，涡轮机必须被停止(或者进入安全操作状态，例如低rpm空转模式)。然后可以仅仅在这种关闭状态下执行从正常发电到岛模式的转变。
有利地，在岛模式期间，风力涡轮机的扭矩由主转换器控制器控制。这意味着扭矩不是由风力涡轮机的主控制器控制的，而是由风力涡轮机的主转换器控制器控制的。
然后风力涡轮机的DC链路电压也可以由主转换器控制器控制。这可以通过PM同步发电机的场弱化和/或制动斩波器控制来实现。发电机侧转换器则能够仅仅提供测量数据以用于计算。
通常，负责控制转子叶片的旋转速度和浆距的风力涡轮机控制器的功能以及负责控制转矩的主转换器控制器的功能都可以在岛模式期间受到限制。
有利地，在岛模式中，风力涡轮机的转子叶片的浆距控制可以被限制为在每分钟的转子旋转(nR)和/或每分钟的发电机旋转(nG)的公差带之外的值，使得浆距仅仅被调节为低于每分钟的旋转的最小值并且高于每分钟的旋转的最大值。
针对转子旋转的最小值可以是6rpm，而最大值可以是14rpm。目标值可以是10rpm到11rpm。针对每分钟的发电机旋转的最小值可以是60rpm，而最大值可以是140rpm。目标值可以是100-110rpm。针对转子和发电机的rpm值通过变速箱比率而与彼此相关。在该范例中，变速箱比率约为10。
在本发明的该方面中，转子叶片的浆距可以有利地仅仅在每分钟的旋转的数量离开旋转的相应的最小值与最大值之间的公差带时被调节。无论目标值如何，都是这样。
风力涡轮机表现类似于“高rpm空转”模式，但包括取决于辅助操作系统以及供电的子系统的要求的可变功率偏移。术语“高rpm空转模式”是指涡轮机操作状态为旋转速度接近正常负载操作速度的空转情况。在这种模式下，发电机下至变压器的正常损耗可以是100kW到200kW，并且对于特定的风力涡轮机为80kW。齿轮的损失可以达到40kW到60kW。这意味着没有辅助操作系统和任何其他子系统的总损耗可以达到大约120kW至140kW。因此，在rpm空转模式下，需要约100kW至200kW的范围，特别是值为150kW的功率。取决于额外的供电的子系统(包括辅助操作系统)，偏移量可以具有以下值：
-在平稳操作中50kW至70kW；
-用于对偏航驱动系统供电的100kW至120kW，或者
-用于启动偏航驱动系统(瞬时)的240kW至260kW。
换句话说，在“岛模式”中，涡轮机类似于高rpm空转(＝其中旋转速度接近正常负载操作的空转)进行操作。执行闭环转子速度控制。取决于在岛模式中(子系统以及辅助操作系统)的实际辅助电力需求，与在高rpm的“正常”空转相比，将存在处于例如50kW～300kW范围内的负载偏移。
电能存储装置可以是电池，特别是可充电电池。电能存储装置的最小容量可以为50kWh。在实施例中，电能存储装置可以包括铅酸电池。电能存储装置可以被配置为存储足够的电能以用于桥接至少一整天(24小时)平静时段。由于大电池缓冲器，风力涡轮机可以在停止后数小时甚至数天进入岛模式，而没有对外部能量的任何依赖。
本发明还提供一种风力涡轮机(特别是海上发电机)，其包括永磁体(PM)同步发电机、主转换器、主转换器控制器、风力涡轮机主控制器以及能量存储装置。风力涡轮机可以被配置为通过从能量存储装置取回电力并随后转变成岛模式来独立于外部电源执行风力涡轮机的第一启动，其中，在岛模式中，主转换器控制器被配置为控制主转换器的转矩和/或中间电压(DC链路电压)。因此，根据本发明的这些方面的风力涡轮机可以在没有外部能量的情况下执行启动或黑启动。
此外，在岛模式中，主转换器控制器可以被配置为通过PM同步发电机的场弱化和/或制动斩波器控制来控制DC链路电压。
有利地，在岛模式中，涡轮机主控制器可以被配置为仅仅响应于发电机和/或转子的旋转速度来调节转子叶片的浆距角和/或停止向主转换器控制器发送扭矩请求。
在一方面中，风力涡轮机还可以被配置为仅仅在每分钟的转子旋转(nR)和/或每分钟的发电机旋转(nG)在公差范围之外时执行对在岛模式中的风力涡轮机的浆距控制。
本发明还提供了一种风力发电场，其包括根据本发明的方面以及实施例的一个或多个风力涡轮机。
本发明还提供一种制造风力涡轮机的方法。该方法有利地包括以下步骤：对(优选岸上)风力涡轮机进行完全烧机，对风力涡轮机进行拆卸，在最终目的地(有利地海上)处重新装配风力涡轮机，在没有连接到电网的情况下仅仅基于由UPS或能量存储装置提供的电能并随后通过主转换器控制器控制主转换器的DC链路来启动或黑启动风力涡轮机。因此，本发明提供一种制造风力涡轮机的方法，其包括热调试。这意味着风力涡轮机最初被装配在第一位置处，例如岸上，然后在满载(烧机)下进行操作。能量存储装置当然被充满电。一旦风力涡轮机准备好操作，风力涡轮机就被拆卸并被运送到第二位置，例如最终目的地(例如海上)并被重新装配。
附图说明
本发明的另外的方面和特征从参考附图的本发明的优选实施例的以下描述显而易见，其中：
图1是根据本发明的实施例的风力涡轮机的简化示意图，
图2是图示本发明适用的风力涡轮机的正常操作和部件的简化图；
图3是图示根据本发明的实施例的岛模式的简化图，并且
图4是指示根据本发明的实施例的浆距控制方案(pitch control scheme)的示图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的简化风力发电厂或风力涡轮机1。风力发电厂或风力涡轮机1包括支撑结构2，其是基于海中的合适的基础3。仅仅举例，风力发电厂或风力涡轮机1是海上风力发电机。转子轮毂4承载多个转子叶片5。机舱(不可见)布置在支撑结构2的顶部，支撑结构例如可以是塔。
图2是图示本发明适用的风力涡轮机1的操作和部件的简化图。图2是用于说明风力涡轮机1的正常操作或正常能量生产模式的简化图示。
风力涡轮机1包括转子叶片5以及转子轮毂4。另外还有变速箱6、永磁体同步发电机7、主转换器(或发电机转换器)8、风力涡轮机主控制器9、电网转换器10以及主转换器控制器11。还有耦合在PM同步发电机7与主转换器8之间的第一开关12和耦合在电网转换器10与电网或主变压器26之间的第二开关13。
涡轮机主控制器9被配置并耦合为向主转换器控制器11发送期望的扭矩值(扭矩请求)TG。主转换器控制器11被配置为与主转换器8和电网转换器10进行通信并控制主转换器8和电网转换器10。主转换器8与电网转换器11之间的连接被称为直流(DC)链路16。
主转换器8被配置为调节电压和电流以匹配得到的涡轮机功率。电网转换器10(也称为电网侧转换器)被配置为控制DC链路电压并确保负载平衡。
还有耦合到DC链路16的制动(或制动)斩波器15。制动斩波器15通过将制动能量切换到将制动能量转换成热的电阻器来限制DC链路电压的电气开关。
涡轮机主控制器9还监视并控制转子19(转子叶片5和轮毂4)的旋转以及转子叶片5的浆距(pitch)。浆距或浆距角由pR表示，而转子19的每分钟的旋转的数量(rpm)由nR表示。浆距信号pR包括转子叶片5的期望浆距角和当前浆距角值。涡轮机主控制器9还监视并控制由nG指示的发电机的每分钟的旋转的数量(rpm)。涡轮机主控制器9还监视在电网或主变压器26处的电压VG和电流VA。
最后，存在包括电能存储装置18的电能供应17。电能供应17可以是UPS。电能存储装置18可以是电池或多个电池，特别是可充电电池。在实施例中，电能存储装置可以包括或包含具有最小容量为50kWh的一个或多个铅酸电池。电能存储装置18可以被配置为存储足够的电能以用于桥接(bridging)平静时段的至少一整天(24小时)。
UPS系统或电能供应17可以通过开关20耦合到辅助变压器21。辅助变压器21可以通过开关24耦合到电网。电网转换器10通过开关13耦合到主变压器26，主变压器26通过开关25耦合到电网。辅助变压器21通过开关22耦合到任何辅助功率消耗者(子系统)。此外。UPS系统17可以耦合到正常UPS功率消耗者。在开关22的输出端与UPS系统17的输出端之间存在另一开关23。
在替代实施例中，UPS系统还可以经由仅以虚线示出的直接连接27耦合到DC链路。
图3是根据本发明的方面以及实施例的风力涡轮机1的岛模式的简化框图和图示。在岛模式中，涡轮机主控制器9停止向主转换器控制器11发送扭矩请求TG。在岛模式中，涡轮机主控制器9仍然监视转子速度nR(每分钟的转子19的旋转的数量)和发电机nG的旋转的数量(每分钟的发电机7的旋转的数量)并且控制并调节转子叶片5的浆距或浆距角pR。主转换器控制器11控制在DC链路16处的电压。电网转换器10像UPS一样进行操作，并生成用于内部供电的固定50Hz电压。
风力涡轮机1的启动或黑启动可以使用(特别是排他地)来自UPS 17的电能特别是来自电能存储装置18的电能而独立于供电电网和/或燃烧发电机来执行。风力涡轮机随后可以以岛模式操作。在该岛模式中，主转换器8的中间电压(DC链路16)由主转换器控制器11控制。换句话说，内部电力供应是由主转换器控制器11控制的，而不是由风力涡轮机1的主控制器9控制。在岛模式中，从PM同步发电机7取回电力，并且该电力用于供应风力涡轮机的所有必要的内部部件。这意味着包括电能存储装置18(图2所示)的功率供应17可以仅在启动或黑启动(black start)期间被使用。之后，UPS或电能存储装置不需要以岛模式操作风力涡轮机1。
电能存储装置18(图2所示)可以在岛模式中被充电。这确保了能量存储装置18在启动之后总是被重新充电以存储足够的电能来执行随后的启动或黑启动。
在启动期间必须被供电的必要的内部部件可以被称为风力涡轮机的子系统和辅助操作系统。子系统和辅助操作系统可以在风力涡轮机内部。辅助操作系统提供操作如例如风力涡轮机的偏航驱动器(未示出)的其他子系统的可能性，使得风力涡轮机1的机舱可以根据风向而被定位。辅助操作系统也可用于对浆距驱动器或空调系统供电。
由于与“标准风力涡轮机”相比，风力涡轮机不使用附加的电力转换硬件，所以在电网故障后岛模式可能无法被无缝进入。风力涡轮机1必须被停止(或者进入安全操作状态，例如低rpm空转模式)。然后可以仅仅在这种关闭状态下执行从正常功率生产到岛模式的转变。
在岛模式期间，风力涡轮机的扭矩由主转换器控制器11控制。这意味着扭矩不是由风力涡轮机的主控制器9控制的，而是由风力涡轮机的主转换器控制器11控制的。
风力涡轮机1的DC链路16电压也可以随后由主转换器控制器11控制。这可以通过PM同步发电机7的场弱化和/或制动斩波器15的制动斩波器控制来完成。
图4是指示根据本发明的实施例的岛模式中的浆距控制方案的示图。因此，在岛模式中，仅仅在发电机7的旋转的数量nG和/或转子19的旋转nR离开一定范围时调节转子叶片的浆距角pR。该示图以m/s为单位指示风速WS，以度为单位指示转子叶片5的浆距角pR，用以秒为单位的时间内的rpm指示发电机7的旋转的数量nG(也称为发电机速度)。在该实施例中，nG的上限为120rpm，而下限为80rpm。仅仅在nG超过120rpm或下降为低于80rpm时调节浆距角。可以看出，浆距角pR在几百秒的时段内保持恒定。这种公差带控制具有几个优点。浆距调节的活动被减少，其减少了浆距调节系统(浆距驱动器、齿轮等)的使用，减少了负载状况的变化的次数(从而也减少了风力涡轮机的磨损)，由浆距驱动器系统消耗的能量被减少，并且风力涡轮机上的负载总体上减少。
在其他实施例中，针对转子19旋转的最小值nR可以是6rpm，而针对nR的最大值可以是14rpm。针对nR的目标值可以是10rpm到11rpm。针对每分钟的发电机旋转的最小值nG可以是60rpm，而针对nG的最大值可以是140rpm。针对nG的目标值可以为100rpm到110rpm。针对转子和发电机的rpm值通过变速箱7的齿轮传动比率而与彼此相关。在该范例中，变速箱的比率约为10：1。
电能存储装置可以是电池，特别是可充电电池。电能存储装置的最小容量可以为50kWh。在实施例中，电能存储装置可以包括铅酸电池(或另一种有利的电池技术，例如铅晶体)。由于大电池缓冲器，风力涡轮机可以在停止后数小时甚至数天进入岛模式，而没有对外部能量的任何依赖。
在岛模式中，风力涡轮机表现类似于“高rpm空转”模式，但包括取决于辅助操作系统以及供电的子系统的要求的可变功率偏移。术语“高rpm空转模式”是指涡轮机操作状态为旋转速度接近正常负载操作速度的空转情况。在这种模式下，发电机下至变压器的正常损耗可以是100kW到200kW，并且对于特定的风力涡轮机为80kW。齿轮的损失可以达到40kW到60kW。这意味着没有辅助操作系统和任何其他子系统的总损耗可以达到大约120kW至140kW。因此，在rpm空转模式下，需要约100kW至200kW的范围，特别是值为150kW的功率。取决于额外的供电的子系统(包括辅助操作系统)，偏移量可以具有以下值：
-在平稳操作中50kW至70kW；
-用于对偏航驱动系统连续地供电的100kW至120kW，或者
-用于启动偏航驱动系统(瞬时)的240kW至260kW。
换句话说，在“岛模式”中，涡轮机类似于高rpm空转(＝其中旋转速度接近正常负载操作的空转)进行操作。执行闭环转子速度控制。取决于在岛模式中(子系统以及辅助操作系统)的实际辅助电力需求，与在高rpm的“正常”空转相比，将存在处于例如50kW～300kW范围内的负载偏移。
虽然上文已经参考特定实施例描述了本发明，但是本发明并不限于这些实施例，并且毫无疑问，本领域技术人员将进行处于要求保护的本发明的范围内的另外的替代方案。

Claims (13)

1.一种操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括永磁体(PM)同步发电机、主转换器、主转换器控制器、风力涡轮机主控制器以及包括电能存储装置的电力供应级，其中，所述方法包括：独立于供电网和/或内燃机使用来自所述电能存储装置的电能来执行所述风力涡轮机的启动；在启动之后，通过由所述主转换器控制器控制所述主转换器的中间电压并且独立于所述电能存储装置从所述PM同步发电机取回电力来以岛模式操作所述风力涡轮机。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述岛模式中对所述电能存储装置进行充电。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：在启动期间通过所述电能存储装置对所述风力涡轮机内部的子系统进行供电。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述子系统是用于根据风向来定位机舱的偏航驱动器和/或用于调节转子叶片和/或空调系统的浆距系统。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括：在电网故障之后在执行下一次启动之前，使所述风力涡轮机停止和/或使所述风力涡轮机处于安全操作状态。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括：由所述主转换器控制器通过所述PM同步发电机的场弱化和/或制动斩波器控制来控制DC链路电压。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括：将所述风力涡轮机主控制器配置为响应于所述发电机和/或所述转子在岛模式中的旋转速度来调节所述转子叶片的浆距角，并且在岛模式期间通过所述主转换器控制器控制所述扭矩。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括在岛模式中将所述风力涡轮机的浆距控制限制为在每分钟的转子旋转(nR)和/或每分钟的发电机旋转(nG)的公差带之外的值，使得浆距角仅仅被调节为低于每分钟的旋转的最小值并且高于每分钟的旋转的最大值。
9.一种风力涡轮机，包括永磁体(PM)同步发电机、主转换器、主转换器控制器、风力涡轮机主控制器和能量存储装置，所述风力涡轮机被配置为通过从所述能量存储装置取回电力并随后转变为岛模式而独立于外部电源执行所述风力涡轮机的第一启动，其中，在所述岛模式中，所述主转换器控制器被配置为控制所述主转换器的扭矩和/或中间电压(DC链路电压)。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，其中，在所述岛模式中，主转换器控制器被配置为通过所述PM同步发电机的场弱化和/或制动斩波器控制来控制所述DC链路电压。
11.根据权利要求9或10所述的风力涡轮机，其中，所述涡轮机主控制器被配置为响应所述发电机和/或所述转子在岛模式中的旋转速度来调节转子叶片的浆距角。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的风力涡轮机，还被配置为仅仅如果每分钟的转子旋转(nR)和/或每分钟的发电机旋转(nG)在公差范围之外则执行岛模式中的所述风力涡轮机的浆距控制。
13.一种制造风力涡轮机的方法，包括：将所述风力涡轮机装配在第一位置中，在满载下对所述风力涡轮机进行完全烧机，在所述第一位置处拆卸所述风力涡轮机，将所述风力涡轮机重新装配在第二位置处；在没有连接到电网或内燃发电机的情况下仅仅基于由所述风力涡轮机机内部的电能存储装置提供的电能来执行对所述风力涡轮机的启动或黑启动，并且随后由主转换器控制器控制主转换器的扭矩和/或DC链路。
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