CN110741157B - 集群双馈感应发电机风涡轮的低风操作 - Google Patents

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Abstract

提供了用于在低风状况下操作可操作地耦合到DFIG风涡轮的集群的集群变压器的系统和方法。风涡轮集群系统可包括至少一个DFIG模块、集群变压器以及配置成至少部分地基于风参数来控制集群变压器的操作的控制装置。各个DFIG模块可包括双馈感应发电机和功率转换系统，双馈感应发电机包括配置成生成处于第一电压的AC功率的转子、配置成生成处于第二电压的AC功率的定子，功率转换系统耦合到转子以将处于第一电压的功率转换成处于第二电压的功率。集群变压器可配置成从至少一个DFIG模块接收处于第二电压的功率并将处于第二电压的功率转换成处于第三电压的功率。

Description

集群双馈感应发电机风涡轮的低风操作
技术领域
本公开大体上涉及可再生能源，并且更特别地涉及用于在低风状况下操作双馈感应发电机风涡轮的系统和方法。
背景技术
作为用于发电的可再生能源，风涡轮已受到越来越多的关注。在常规的风场中，多个风涡轮可布置成一个或多个集群。各个集群可包括连接到收集系统(诸如33 kV的收集系统)的多个风涡轮。在典型的配置中，双馈感应发电机(DFIG)风涡轮可包括转子和定子。转子可配置成以第一电压(诸如690 V)发电，并且定子可配置成以第二电压(诸如6 kV)发电。功率转换器可耦合到转子，功率转换器可转换来自转子的功率并将其提供给三绕组式变压器上的辅助绕组。三绕组式变压器可具有例如耦合到收集系统的33 kV的初级绕组、耦合到定子的6 kV的次级绕组和耦合到功率转换器的690 kV的辅助绕组，并且可配置成将来自转子和定子二者的功率转换成33 kV的AC功率。收集系统(诸如33 KV的收集系统)可耦合到风涡轮的集群中的各个三绕组式变压器的初级绕组，并且可将来自一个或多个集群的功率提供给连接到电网的变压器。连接到电网的变压器可将功率转换成适合于在传输系统上传输的电压。
在风场的操作期间，诸如速度和方向的风状况可随时间而变化。例如，风速可在正常操作的时段(诸如5 m/s或更大的风)到低风状况的时段(诸如小于5 m/s的风)之间变化。在低风状况期间，DFIG的转子速度可下降，并且如果转差速度(即，同步频率与转换成电频率的转子速度之间的差)下降到转差速度阈值以下，则功率转换器可能不能够保持连接到转子绕组。该转差速度阈值可归因于功率转换器中的功率半导体装置(例如MOSFET)的等级。当发生这种情况时，可触发系统保护方案，该方案可关闭DFIG并防止在低风状况期间产生功率。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而为显然的，或可通过实践本发明而认识到。
本公开的一个示例性方面涉及一种风涡轮集群系统。风涡轮集群系统可包括至少一个双馈感应发电机(DFIG)模块。各个DFIG模块可包括双馈感应发电机，其包括转子和定子。转子可配置成生成处于第一电压的AC功率，且定子可配置成生成处于第二电压的AC功率。各个DFIG模块可进一步包括可操作地耦合到转子的功率转换系统。功率转换系统可配置成将处于第一电压的功率转换成处于第二电压的功率。风涡轮集群系统可进一步包括集群变压器，集群变压器配置成从至少一个DFIG模块接收处于第二电压的功率，并将处于第二电压的功率转换成处于第三电压的功率。风涡轮集群系统可进一步包括控制装置，控制装置配置成至少部分地基于风参数来控制集群变压器的操作。
本公开的另一示例性方面涉及一种用于操作集群变压器的方法。集群变压器可以可操作地耦合到一个或多个双馈感应发电机(DFIG)模块。各个DFIG模块可包括DFIG和功率转换系统。集群变压器可配置成将来自一个或多个DFIG模块的功率转换成适合于施加到电网的功率。该方法可包括以正常风模式操作集群变压器。该方法可进一步包括通过控制装置来确定第一风参数。该方法可进一步包括通过控制装置来确定第一风参数是否小于阈值。当第一风参数小于阈值时，该方法可进一步包括通过控制装置来将集群变压器控制成低风操作模式。
本公开的又一示例性方面涉及一种风场。风场可包括多个风涡轮集群和风场控制装置。各个风涡轮集群可包括多个双馈感应发电机(DFIG)模块和可操作地耦合到多个DFIG模块的集群变压器。各个DFIG模块可包括DFIG，DFIG可包括转子和定子。转子可配置成生成处于第一电压的AC功率，且定子可配置成生成处于第二电压的AC功率。各个DFIG模块可进一步包括可操作地耦合到转子的功率转换系统。功率转换系统可配置成将处于第一电压的功率转换成处于第二电压的功率。各个集群变压器可配置成将来自风涡轮集群中的多个DFIG模块的处于第二电压的功率转换成适合于施加到电网的功率。风场控制装置可配置成至少部分地基于测量或预测的风参数来控制各个风涡轮集群中的集群变压器的操作。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成其部分的附图示出了本发明的实施例，并与描述一起用于阐释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且充分的公开，在附图中：
图1描绘了根据本公开的示例性方面的示例性双馈感应发电机(DFIG)风涡轮模块；
图2描绘了根据本公开的示例性方面的示例性风场的方面；
图3描绘了根据本公开的示例性方面的集群变压器；
图4描绘了根据本公开的示例性方面的集群；
图5描绘了根据本公开的示例性方面的示例性双馈感应发电机(DFIG)风涡轮模块；
图6描绘了根据本公开的示例性方面的方法；以及
图7描绘了适合于在用于实施根据本公开的示例性实施例的一个或多个方面的控制装置中使用的元件。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。各个示例通过本发明的阐释而非本发明的限制的方式来提供。实际上，对于本领域技术人员而言将为明显的是，可在本发明中作出多种修改和变型而不脱离本发明的范围或精神。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起用于产生另外的其它实施例。因此，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
本公开的示例性方面涉及用以在低风状况期间操作DFIG风涡轮的系统和方法。根据本公开的示例性方面，风涡轮集群系统可包括至少一个DFIG模块、集群变压器以及配置成至少部分地基于风参数来控制集群变压器的操作的控制装置。各个DFIG模块可包括DFIG，DFIG可包括转子和定子。转子可配置成生成处于第一电压的多相交流(“AC”)功率，并且定子可配置成生成处于第二电压的多相AC功率。各个DFIG模块还可包括可操作地耦合到转子的功率转换系统。功率转换系统可配置成将处于第一电压的功率转换成处于第二电压的功率。例如，DFIG可具有配置成生成处于13.8 kV的电压的功率的定子和配置成生成处于690 V的电压的功率的转子。功率转换系统可配置成将来自转子的690 V的功率转换成与来自定子的功率相同的电压(即13.8 kV)。集群变压器可配置成从一个或多个DFIG模块接收功率，并将功率转换成适合于施加到电网的电压。例如，集群变压器可配置成将功率从13.8kV变换成132 kV。
在一个或多个实施例中，集群变压器可为有载抽头变换(“OLTC”)变压器。例如，OLTC变压器可在变压器的初级绕组或次级绕组上包括多个抽头，其中各个抽头位置配置成允许电流流过分立数量的绕组，以便向上或向下调整电压变换。OLTC变压器可配置成允许在变压器在操作中时(即在不中断功率流的情况下)改变电压。OLTC变压器可为例如机械式、电子辅助式或全电子式OLTC变压器。
在其它实施例中，集群变压器可为具有用于低风操作的第一抽头和用于正常操作的第二抽头的变压器。例如，集群变压器可为具有初级绕组和次级绕组的两绕组式变压器。次级绕组可包括两个分立的抽头，其中各个抽头配置成允许电流流过分立数量的绕组，以便调整电压变换比。第一抽头可与低风操作模式相关联，并且第二抽头可与正常操作模式相关联。
在其它实施例中，集群变压器可为具有用于低风操作的第一绕组和用于正常操作的第二绕组的变压器。例如，集群变压器可为三绕组式变压器，其具有初级绕组、用于低风操作的次级绕组和用于正常操作的三级绕组。在低风状况期间，可将功率提供给次级绕组，并且在正常风状况期间，可将功率提供给三级绕组。
控制装置可配置成至少部分地基于风参数来控制集群变压器的操作。例如，控制装置可配置成确定即时(concurrent)的风参数，诸如基于一个或多个风速测量值的在一段时间内的平均风速。如果平均风速高于某个阈值，则控制装置可配置成确定集群变压器应当以正常风模式操作。然而，如果风参数小于某个阈值，则控制装置可配置成确定集群变压器应当以低风模式操作。
在一个或多个实施例中，控制装置可配置成确定针对未来时间段的预测的风参数。例如，在多种实施例中，控制装置可配置成使用风模型、气象数据、历史操作数据、所测量的风状况和/或天气预测来确定预测的风参数，诸如针对风场中的一个或多个集群的预测的平均风速。以此方式，控制装置可配置成预测针对未来时间段的风参数，并且进一步在低风状况发生之前将集群变压器控制成低风操作模式。
控制装置可进一步配置成至少部分地基于风参数来控制集群变压器。例如，控制装置可配置成通过以下方式来控制集群变压器以低风模式操作：例如，调整OLTC变压器的抽头位置、在两抽头式变压器中将抽头的位置从正常操作抽头改变为低风抽头，或在三绕组式变压器中在从正常操作绕组提供功率到从低风绕组提供功率之间切换。集群变压器的低风操作模式可配置成使得定子处的电压在低风状况期间处于比在正常风状况下更低的电压水平。结果，转子绕组电压可类似地降低并且使得DFIG能够以较低的转子每分钟转数(“RPM”)操作(诸如在低风状况期间发生的)。
在实施例中，功率转换系统可包括电连接到转子的第一总线。AC-DC功率转换器可电连接到第一总线，并且可配置成经由第一总线而从转子接收AC功率。AC-DC功率转换器可将从转子接收的AC功率转换成DC功率，可将DC功率提供给电连接到AC-DC功率转换器的DC链路。DC-AC功率转换器可配置成从DC链路接收DC功率，并将DC功率转换成AC功率。诸如两绕组式变压器的变压器可配置成将来自DC-AC功率转换器的AC功率转换成处于与由定子生成的功率相同的电压的AC功率。以此方式，可将由转子和定子生成的功率提供给集群网络，并且进一步提供给集群变压器。
在另一实施例中，功率转换系统中的DC-AC功率转换器和变压器可由谐振式DC-DC-AC功率转换器替代。谐振式DC-DC-AC功率转换器可配置成从DC链路接收DC功率，并将DC功率转换成处于与由定子生成的功率相同的电压的AC功率。类似地，可将由转子和定子生成的功率提供给集群网络，并且进一步提供给集群变压器。
以此方式，根据本公开的示例性方面的装置、系统和方法可具有允许DFIG涡轮在低风状况期间操作的技术效果。这可允许增加每年的能量产量。此外，这可允许系统有较高的效率，这归因于通过以较低电压水平操作集群而减少变压器芯体损耗。此外，集群变压器可用于其它控制动作，诸如限制馈线电压。此外，该方法可允许DFIG涡轮的单独集群彼此独立地操作，这是因为可将各个集群变压器单独控制成正常风操作模式或低风操作模式。
参考图1，现在将详细地讨论示例性DFIG模块100。出于说明和讨论的目的，将参考图1的示例性DFIG模块100来讨论本公开。使用本文中所提供的公开的本领域普通技术人员应当理解，本公开的方面也可应用于其它功率系统中。
在示例性模块100中，旋转构件106包括联接到旋转毂110的多个转子叶片108。旋转构件106联接到可选的齿轮箱118，齿轮箱118继而联接到发电机120。根据本公开的方面，发电机120是双馈感应发电机(DFIG)120。
DFIG 120可包括转子和定子。DFIG 120典型地耦合到定子总线154且经由转子总线156而耦合到功率转换系统162。定子总线提供来自DFIG 120的定子的输出多相功率(例如，三相功率)，且转子总线156提供DFIG 120的转子的多相功率(例如，三相功率)。参考功率转换系统162，DFIG 120经由转子总线156而耦合到转子侧转换器166。转子侧转换器166耦合到线路侧转换器168，线路侧转换器168继而耦合到线路侧总线188。功率转换系统162还可包括耦合到线路侧总线188的变压器180。
在示例性配置中，转子侧转换器166和线路侧转换器168配置成用于使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关装置或其它开关装置的脉冲宽度调制(PWM)布置来操作。转子侧转换器166和线路侧转换器168可经由DC链路136而耦合，DC链路电容器138横跨DC链路136。变压器180可耦合到线路侧总线188，以转换来自线路侧转换器168的功率以匹配定子总线154上的电压。
功率转换系统162可耦合到控制装置174以控制转子侧转换器166和线路侧转换器168的操作。应当注意，在典型实施例中，控制装置174配置为功率转换系统162与控制系统176之间的接口。
在一些配置中，可包括多种线路接触器和电路断路器，包括例如集群断路器182、定子总线断路器158、线路总线接触器172和线路总线断路器186，以用于在连接到集群网络184和与集群网络184断开期间隔离如对于DFIG 120的正常操作而言所必要的多种构件。线路总线断路器186可将线路总线152耦合到变压器180，变压器180经由电网断路器182而耦合到集群网络184。
在操作中，经由双路径而向集群网络184提供在DFIG 120处通过使旋转构件106旋转而生成的功率。双路径由定子总线154和转子总线156限定。在转子总线侧156上，将正弦多相(例如三相)AC功率提供给功率转换系统162。转子侧功率转换器166将从转子总线156提供的AC功率转换成直流(“DC”)功率，并将DC功率提供给DC链路136。可调制用于转子侧功率转换器166的并联桥式电路中的开关装置(例如，IGBT)，以将从转子总线156提供的AC功率转换成适合于DC链路136的DC功率。
线路侧转换器168将DC链路136上的DC功率转换成AC功率，将AC功率提供给线路侧总线188。特别地，可调制用于线路侧功率转换器168的桥式电路中的开关装置(例如，IGBT、MOSFET等)，以将DC链路136上的DC功率转换成线路侧总线188上的AC功率。变压器180可将来自线路侧总线188的处于第一电压的AC功率转换成处于第二电压(诸如定子总线154上的功率的电压)的AC功率。来自功率转换系统162的AC功率可与来自DFIG 120的定子的功率组合，以提供具有基本上维持在集群网络184的频率(例如，50 Hz/60 Hz)下的频率的多相功率(例如，三相功率)。
功率转换系统162可经由控制装置174而从例如控制系统176接收控制信号。控制信号尤其可基于DFIG模块100的感测到的状况或操作特性。典型地，控制信号提供对功率转换系统162的操作的控制。例如，呈DFIG 120的感测到的速度的形式的反馈可用于控制来自转子总线156的输出功率的转换，以维持恰当且平衡的多相(例如，三相)功率供应。来自其它传感器的其它反馈(包括例如定子和转子总线电压和电流反馈)也可由控制装置174用于控制功率转换系统162。通过使用多种形式的反馈信息，可生成开关控制信号(例如，针对IGBT的栅极定时命令)、定子同步控制信号和电路断路器信号。
图2描绘了根据本公开的方面的示例性风场200的方面。如所示出的，风场200可包括一个或多个风涡轮集群250。例如，如所显示的，风场200包括第一风涡轮集群250A、第二风涡轮集群250B和第三风涡轮集群250C。各个风涡轮集群250可包括一个或多个DFIG模块100。例如，第一风涡轮集群250A包括第一DFIG模块100A、第二DFIG模块100B和第三DFIG模块100C。类似地，第二风涡轮集群250B包括DFIG模块100D-F，并且第三风涡轮集群250C包括DFIG模块100G-I。各个风涡轮集群250还可包括集群变压器220。可将在各个DFIG模块100处生成的功率提供给相关联的集群网络184，集群网络184配置成将由风涡轮集群250中的DFIG模块100生成的功率传输到与风涡轮集群250相关联的集群变压器220。例如，第一集群网络184A可耦合到第一风涡轮集群250A中的第一DFIG模块100A、第二DFIG模块100B和第三DFIG模块100C，并且当开关230A闭合时，由DFIG模块100A-C提供的功率可由集群网络184A提供给集群变压器220A。类似地，第二集群网络184B可将功率从第二风涡轮集群250B传输到第二集群变压器220B，并且第三集群网络184C可将功率从第三风涡轮集群250C传输到第三集群变压器220C。
如图2中所描绘的，各个变压器220是有载抽头变换(“OLTC”)变压器。例如，各个OLTC变压器220可包括初级绕组和次级绕组，以及多个抽头，使得可通过在变压器在操作中时改变抽头的位置来调整变压器两端的电压。如将参考图3和图4而更详细地讨论的，集群变压器220也可为具有用于低风操作的抽头的变压器或具有用于低风操作的绕组的三绕组式变压器。
风场200可进一步连接到电网240。例如，电网240可为传输电网。各个集群变压器220可配置成将来自相关联的集群网络184的功率从各个DFIG模块100处的第二电压变换成适合于施加到电网240的电压。例如，集群网络184可以以第二电压(诸如6-13.8 kV的中压(“MV”))操作，并且电网电压可以以高压(“HV”)(诸如132 kV)操作。各个集群变压器220可配置成将来自MV集群网络的电压升压到与电网240相同的电压。
风场还可包括控制装置210。控制装置210可配置成控制一个或多个集群变压器220的操作。例如，在实施例中，控制装置210可为配置成控制单独集群变压器220的操作的集群控制装置210。在另一实施例中，控制装置210可为场级控制装置210，并且可配置成控制风场200中的多个集群变压器220。
控制装置210可配置成至少部分地基于风参数来控制风涡轮集群250中的集群变压器的操作。例如，控制装置210可配置成确定即时的风参数，诸如风速测量值。例如，一个或多个风传感器(例如，风向标、风速计或其它风测量传感器)可配置成确定针对单独DFIG模块100、风涡轮集群250或风场200的即时的风速测量值。风速测量值可为例如一段时间内的平均风速或多个分立的风速测量值。一个或多个风传感器可配置成向控制装置210提供指示风速测量值的一个或多个信号。另外和/或备选地，控制装置210可耦合到一个或多个通信网络，通信网络可配置成提供来自一个或多个外部传感器的一个或多个风速测量值，诸如，例如由第三方提供的气象数据。使用本文中所提供的公开的本领域普通技术人员将认识到，控制装置210所使用的即时的风速参数可由任何合适的装置提供。
如果即时的风速参数(诸如所测量的平均风速)处于或高于某个阈值，则控制装置210可配置成确定集群变压器220应当以正常风模式操作。然而，如果即时的风参数小于某个阈值，则控制装置210可配置成确定集群变压器220应当以低风模式操作。
在一个或多个实施例中，控制装置210可配置成确定针对未来时间段的预测的风参数。例如，在多种实施例中，控制装置210可配置成确定预测的风参数，诸如针对风场200中的一个或多个涡轮集群250的预测的平均风速。例如，多个风传感器可以以周向型式布置在风场200的周围，使得风传感器中的一个或多个可配置成确定风场200的上游的风状况，而不管风吹的方向如何。一个或多个风传感器可向控制装置210提供指示一个或多个风速测量值的一个或多个信号，控制装置210可配置成确定预测的风参数(诸如，例如通过使用风模型)。另外和/或备选地，控制装置210可耦合到一个或多个通信网络，通信网络可配置成从外部源(诸如气象数据提供者)提供来自一个或多个风传感器的测量值。类似地，控制装置210可配置成从外部源接收一个或多个预测的风速参数。
另外和/或备选地，控制装置210可配置成基于针对风场200中的一个或多个DFIG模块100的历史操作数据来确定预测的风参数。例如，控制装置210可配置成访问历史操作数据的数据库，该数据库可包括在多种操作场景下针对一天中的多种时间的风速测量值、电压测量值、电流测量值、功率产生图以及其它操作数据。控制装置210可配置成通过例如实施可确定历史操作数据与即时的风状况之间的关系的机器学习算法来确定针对未来时间段的预测的风参数。例如，控制装置210可配置成确定：在操作期间，如果即时的风速处于第一风速，则可预期针对未来时间段的风速改变为第二风速。以此方式，控制装置210可配置成确定针对未来时间段的风参数。使用本文中所提供的公开的本领域普通技术人员将认识到，控制装置210可配置成使用任何合适的手段来确定针对未来时间段的预测的风参数。
控制装置210可进一步配置成至少部分地基于风参数来控制集群变压器220。控制装置210可配置成确定风参数小于阈值，并且因此确定低风状况正在发生或将在未来的时间段发生。例如，控制装置210可确定未来时间段的预测的风速小于针对正常操作的阈值风速(诸如，大致5 m/s)。如本文中所使用的，用语“大致”意味着在所陈述的值的百分之20内。然后，控制装置210可配置成通过例如调整OLTC变压器220的抽头位置来控制集群变压器220以低风模式操作。控制装置210可将控制信号发送到与OLTC变压器220相关联的致动器，该致动器可调整OLTC变压器220中的抽头的位置以调整集群网络184上的电压。例如，在低风状况期间，控制装置210可将控制信号发送到OLTC变压器220，以对抽头的位置进行抽头降压(tap down)以降低集群网络184上的电压。继而，DFIG模块100中的DFIG 120将在定子处且类似地在转子处经历降低的电压。这可允许转子的转差速度落入对于功率转换系统162中的功率半导体装置的操作而言所需的范围内，从而使得能够在低风状况期间产生能量。
现在参考图3，描绘了根据本公开的示例性实施例的集群变压器220。类似于图2中所描绘的OLTC集群变压器220，图3中的集群变压器220可连接到集群网络184。可通过集群网络184来将由一个或多个DFIG模块100生成的能量提供给集群变压器220。
如所显示的，集群变压器220可为具有两个分立抽头的两绕组式变压器。例如，如所显示的，集群变压器220可包括初级绕组310和次级绕组320。集群变压器220的初级绕组310侧可耦合到电网240，诸如传输电网。次级绕组320可包括两个分立的抽头。例如，第一抽头330可配置成用于低风操作，并且第二抽头340可配置成用于正常操作。各个抽头可与集群变压器220的次级绕组320上的分立数量的绕组相关联。例如，第一抽头330可与次级绕组320的第一数量的绕组相关联，并且第二抽头340可与次级绕组320的第二数量的绕组相关联，使得与第二抽头340相比，当第一抽头330在操作中时，施加到集群网络184的电压是更低的电压，且反之亦然。
如图3中所显示的，在正常操作期间，控制装置210可通过将第二抽头340连接到集群网络384来将集群变压器220控制成正常操作模式。然后，集群变压器220可将由集群网络184提供的功率的电压升压到适合于施加到电网240的电压。然而，在低风状况期间，控制装置210可通过将第一抽头330连接到集群网络184来将集群变压器220控制成低风操作模式。这可降低集群网络184上的电压，同时仍将由集群网络184提供的功率的电压升压到适合于施加到电网240的电压。
现在参考图4，描绘了根据本公开的示例性实施例的集群变压器220。类似于图2和图3中所描绘的集群变压器220，图4中的集群变压器220可连接到集群网络184。可通过集群网络184来将由一个或多个DFIG模块100生成的能量提供给集群变压器220。
如所显示的，集群变压器220可为三绕组式变压器。例如，如所显示的，集群变压器220可包括初级绕组410、次级绕组420和三级绕组430。集群变压器220的初级绕组410侧可耦合到电网240，诸如传输电网。次级绕组420可包括用于将次级绕组420连接到集群网络184的第一开关425，并且三级绕组430可包括用于将三级绕组430连接到集群网络184的第二开关435。次级绕组420和三级绕组430可各自具有耦合到集群变压器220的初级绕组410的分立数量的绕组。例如，次级绕组420可配置成用于低风操作，并且三级绕组430可配置成用于正常操作。例如，次级绕组420具有第一数量的绕组，并且三级绕组430可具有第二数量的绕组，使得当向次级绕组420提供功率时施加到集群网络184的电压是比当向三级绕组430提供功率时更低的电压，且反之亦然。
如图4中所显示的，在正常操作期间，控制装置210可通过将三级绕组430连接到集群网络384来将集群变压器220控制成正常操作模式。然后，集群变压器220可将由集群网络184提供的功率的电压升压到适合于施加到电网240的电压。然而，在低风状况期间，控制装置210可通过从三级绕组430切换到次级绕组420来将集群变压器220控制成低风操作模式。这可降低集群网络184上的电压，同时仍将由集群网络184提供的功率的电压升压到适合于施加到电网240的电压。
现在参考图5，描绘了根据本公开的示例性方面的示例性DFIG模块500。类似于图1中所描绘的DFIG模块100，DFIG模块500可包括DFIG 120，其具有耦合到定子总线154的定子和耦合到转子总线156的转子。功率转换系统162可配置成从转子总线156接收功率。例如，可将多相功率(例如，三相功率)提供给转子侧转换器166，转子侧转换器166可为AC-DC转换器。转子侧转换器166然后可将DC功率提供给DC链路136，DC链路电容器138横跨DC链路136。
然而，如图5中所描绘的，功率转换系统162可包括配置成从DC链路136接收DC功率的谐振式DC-DC-AC功率转换器510。谐振式DC-DC-AC功率转换器510可配置成将来自DC链路136的DC功率转换成处于与由DFIG 120的定子生成的功率相同的电压的AC功率。然后可将来自谐振式DC-DC-AC功率转换器的功率输出与由定子生成的功率组合，并提供给集群网络184。
谐振式DC-DC-AC功率转换器510可为例如多相(例如，三相)功率转换器，其可包括用于各个相的转换模块。如所显示的，谐振式DC-DC-AC功率转换器510包括转换模块512、转换模块514和转换模块516。转换模块512-516可各自配置成从DC链路136接收LV DC功率，并且将LV DC功率转换成MV AC功率以用于馈送到集群网络184。各个转换模块512-516可与三相输出AC功率的单相相关联。特别地，转换模块512可与三相输出功率的A相输出相关联，转换模块514可与三相输出功率的B相输出相关联，并且转换模块516可与三相输出功率的C相输出相关联。
各个转换模块512-516可包括多个逆变器组块522-526。例如，如所显示的，转换模块512包括逆变器组块522、逆变器组块524和逆变器组块526。在实施例中，各个转换模块512-516可包括任何数量的逆变器组块522-526。谐振式DC-DC-AC转换器510可为双向功率转换器。谐振式DC-DC-AC转换器510可配置成将LV DC功率转换成MV AC功率，且反之亦然。例如，当向电网184提供功率时，谐振式DC-DC-AC转换器510可配置成在谐振式DC-DC-AC转换器510的LV侧上从DC链路136接收LV DC功率，并且在谐振式DC-DC-AC转换器510的MV侧上输出MV AC功率。逆变器组块522-526可在LV侧上并联耦合在一起，并且可在MV侧上串联耦合在一起。通过使用多个逆变器组块522-526，可在谐振式DC-DC-AC功率转换器的MV侧上形成期望的电压，以匹配由定子生成的功率的电压。
各个逆变器组块522-526可包括第一转换实体532、第二转换实体534和第三转换实体536。各个转换实体可包括并联耦合的多个桥式电路，并且各个桥式电路可包括串联耦合的多个开关装置。开关装置可为SiC MOSFET，其可在比常规的IGBT更高的开关频率下操作。如所描绘的，各个转换实体532-536可为DC-AC或AC-DC转换实体。
如所显示的，逆变器组块522进一步包括隔离变压器546。隔离变压器546可耦合到转换实体532和转换实体534。如所显示的，逆变器组块522可进一步包括电容器550，电容器550可横跨第二转换实体534与第三转换实体536之间的DC链路而连接。
第一转换实体532、隔离变压器546和第二转换实体534可一起限定内部转换器，该内部转换器可为高频谐振式内部转换器。在谐振式转换器配置中，谐振式电容器542可被包括在内部转换器中。在多种实施例中，谐振式电容器542可被包括在隔离变压器546的DC链路侧上(如图2中所描绘的)、隔离变压器546的集群网络侧上(未描绘)或隔离变压器546的DC链路侧和电网侧二者上(未描绘)。
在一个特定的示例性实施方式中，当向集群网络184提供功率时，转换实体532可配置成将DC链路126上的LV DC转换成LV AC功率。隔离变压器546可配置成提供隔离。转换实体534可配置成将LV AC功率转换成LV DC功率。转换实体536可配置成将LV DC功率转换成适合于提供给集群网络184的LV AC功率。多个逆变器组块可串联连接，以建立适合于与由DFIG 120的定子提供的MV AC功率匹配的MV AC电压。
逆变器组块522-526可配置成促成由转换模块512提供的总体MV AC功率。以此方式，转换模块512-516内可包括任何合适数量的逆变器组块522-526。如所指示的，各个转换模块512-516可与输出功率的单相相关联。以此方式，可使用合适的栅极定时命令(例如，由一个或多个合适的驱动器电路提供)来控制转换模块512-516的开关装置，以生成待提供给电网的输出功率的适当的相。例如，控制装置174可向桥式电路的开关装置的栅极提供合适的栅极定时命令。栅极定时命令可控制SiC MOSFET和/或IGBT的脉冲宽度调制，以提供期望的输出。以此方式，由DFIG 120的转子生成的功率可在不使用如图1中所描绘的两绕组式变压器180的情况下转换成与由DFIG 120的定子生成的功率的电压匹配的功率。
图6描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性方法(600)的流程图。可使用一个或多个控制装置(诸如本申请中所描述的任何控制装置(例如，控制装置174、控制系统176、控制装置210、控制装置710等))来实施图6。另外，图6描绘了出于说明和讨论的目的而以特定顺序执行的步骤。使用本文中所提供的公开的本领域普通技术人员将理解，可以以多种方式来改变、修改、省略、同时执行、重新布置和/或扩展本文中所公开的任何方法的多种步骤，而不偏离本公开的范围。
在(602)处，方法(600)可包括以正常风模式操作集群变压器。例如，集群变压器220可为OLTC集群变压器、具有用于正常/低风操作的两个分立抽头的两抽头式集群变压器，或具有用于正常/低风操作的单独绕组的三绕组式集群变压器。OLTC集群变压器的抽头位置、与正常操作模式相关联的抽头或与正常操作模式相关联的绕组可用于将来自DFIG模块100的集群的功率变换成适合于施加到电网240的电压。
在(604)处，方法(600)可包括确定第一风参数。例如，第一风参数可为即时的风参数，诸如针对DFIG模块100、集群250或风场200的所测量的平均风速。另外和/或备选地，第一风参数可为针对未来时间段的预测的风参数。第一风参数可由控制装置(诸如集群级或场级控制装置210)确定。第一风参数可至少部分地基于一个或多个风速测量值、历史操作数据、第三方数据或本文中所描述的任何其它风参数数据。
在(606)处，方法(600)可包括确定第一风参数是否小于阈值。例如，阈值可被设定成使得当风参数大于或等于阈值时，一个或多个DFIG模块100可以以正常操作模式操作。例如，大致5 m/s的阈值可用于在低风状况与正常风状况之间进行描述。如果第一风参数不小于阈值，则方法(600)可在(602)处继续以正常风模式操作集群变压器220。然而，如果第一风参数小于阈值，则在(608)处，控制装置(诸如集群级或场级控制装置210)可将集群变压器控制成低风操作模式。例如，控制装置210可改变OLTC集群变压器上的抽头位置、在两抽头式集群变压器中将抽头的位置在配置成用于正常操作的第二抽头到用于低风操作的第一抽头之间改变，或在三绕组式集群变压器中在从向用于正常操作的第二绕组提供功率到向用于低风操作的第一绕组提供功率之间切换。
在(610)处，方法(600)可包括确定第二风参数。如同第一风参数一样，第二风参数可为即时的风参数，诸如针对DFIG模块100、集群250或风场200的所测量的平均风速。另外和/或备选地，第二风参数可为针对未来时间段的预测的风参数。第二风参数可由控制装置(诸如集群级或场级控制装置210)确定。第一风参数可至少部分地基于一个或多个风速测量值、历史操作数据、第三方数据或本文中所描述的任何其它风参数数据。
在(612)处，方法(600)可包括确定第二风参数是否大于或等于阈值。例如，阈值可被设定成使得当风参数大于或等于阈值时，一个或多个DFIG模块100可以以正常操作模式操作。例如，大致5 m/s的阈值可用于在低风状况与正常风状况之间进行描述。如果第二风参数大于或等于阈值，则在(602)处，控制装置(诸如集群级或场级控制装置210)可将集群变压器220控制成正常操作模式。例如，控制装置210可改变OLTC集群变压器上的抽头位置、在两抽头式集群变压器中将抽头的位置在配置成用于低风操作的第一抽头到用于正常操作的第二抽头之间改变，或在三绕组式集群变压器中在从向用于低风操作的第一绕组提供功率到向用于正常操作的第二绕组提供功率之间切换。然而，如果第二风参数小于阈值，则在(608)处，控制装置210可继续以低风模式操作集群变压器220。
图7描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性控制装置710。控制装置710可包括与例如功率系统相关联的主控制装置(例如，集群级或场级控制装置)，且/或可包括与功率系统的方面相关联的一个或多个控制装置，诸如与功率转换系统162相关联的一个或多个控制装置。在一些实施例中，一个或多个控制装置710可包括一个或多个处理器712和一个或多个存储器装置714。(一个或多个)处理器712和(一个或多个)存储器装置714可为分布式的，使得它们定位在一个或多个地点处或与不同的装置一起定位。
(一个或多个)处理器712和(一个或多个)存储器装置714可配置成执行多种计算机实施的功能和/或指令(例如，执行方法、步骤、计算等，以及存储如本文中所公开的相关数据)。指令在由(一个或多个)处理器712执行时可使(一个或多个)处理器712执行根据本公开的示例性方面的操作。例如，指令在由(一个或多个)处理器712执行时可使(一个或多个)处理器712实施本文中所讨论的图6的方法。
另外，控制装置710可包括通信接口716，以促进控制装置710与风场或功率系统的多种构件之间的通信。此外，通信接口718可包括传感器接口718(例如，一个或多个模拟-数字转换器)，以允许从一个或多个传感器720、722传输的信号转换成可被(一个或多个)处理器712理解并处理的信号。应当认识到，传感器(例如，传感器720、722)可使用任何合适的手段(诸如，有线或无线连接)来通信地耦合到通信接口338。可使用任何合适的通信协议来进行信号通信。
因此，(一个或多个)处理器712可配置成从传感器720和722接收一个或多个信号。例如，在一些实施例中，(一个或多个)处理器712可从传感器720(诸如从一个或多个风速计)接收指示风速或风向的信号。在一些实施例中，(一个或多个)处理器712可从传感器722接收指示功率输送(例如，所生成的功率的量)的信号。
如本文中所使用的，用语“处理器”不仅指代在本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且指代控制装置、微控制装置、微型计算机、可编程逻辑控制装置(PLC)、专用集成电路，以及其它可编程电路。另外，(一个或多个)存储器装置714可大体上包括(一个或多个)存储器元件，其包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件。这样的(一个或多个)存储器装置714可大体上配置成存储合适的计算机可读指令，这些指令在由(一个或多个)处理器712实施时将控制装置710配置成执行如本文中所描述的多种功能。
本文中所讨论的技术参考基于计算机的系统以及通过基于计算机的系统而采取的动作和发送至和发送自基于计算机的系统的信息。本领域普通技术人员将认识到，基于计算机的系统的固有灵活性允许在构件之间和之中有许多种可能的配置、组合以及任务和功能的分配。例如，可使用单个计算装置或以组合的形式工作的多个计算装置来实施本文中所讨论的过程。数据库、存储器、指令和应用程序可在单个系统上实施或分布在多个系统中。分布式构件可按顺序或并行地操作。
尽管多种实施例的具体特征可在一些附图中显示而不在其它附图中显示，但这仅是为了方便起见。根据本公开的原理，附图的任何特征都可与任何其它附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种风涡轮集群系统，包括：
至少一个双馈感应发电机(DFIG)模块，各个DFIG模块包括：
DFIG，其包括转子和定子，所述转子配置成生成处于第一电压的AC功率，并且所述定子配置成生成处于第二电压的AC功率；以及
功率转换系统，其可操作地耦合到所述转子，所述功率转换系统配置成将处于所述第一电压的功率转换成处于所述第二电压的功率；
集群变压器，其配置成从所述至少一个DFIG模块接收处于所述第二电压的功率并将处于所述第二电压的所述功率转换成处于第三电压的功率；以及
控制装置，其配置成至少部分地基于风参数来控制所述集群变压器的操作。
2.根据权利要求1所述的风涡轮集群系统，其特征在于，所述集群变压器包括有载抽头变换变压器，并且
其中，所述控制装置配置成至少部分地基于所述风参数来改变所述有载抽头变换变压器的所述抽头的位置。
3.根据权利要求1所述的风涡轮集群系统，其特征在于，所述集群变压器包括具有用于低风操作的第一抽头和用于正常操作的第二抽头的变压器，并且
其中，所述控制装置配置成至少部分地基于所述风参数而在所述第一抽头与所述第二抽头之间改变所述抽头的位置。
4.根据权利要求1所述的风涡轮集群系统，其特征在于，所述集群变压器包括具有用于低风操作的第一绕组和用于正常操作的第二绕组的变压器，并且
其中，所述控制装置配置成至少部分地基于所述风参数而在向所述第一绕组提供功率与向所述第二绕组提供功率之间切换。
5.根据权利要求1所述的风涡轮集群系统，其特征在于，所述功率转换系统包括：
第一总线，其电连接到所述转子；
AC-DC功率转换器，其电连接到所述第一总线，所述AC-DC功率转换器配置成从所述第一总线接收处于所述第一电压的AC功率；
DC链路，其电连接到所述AC-DC功率转换器，并配置成从所述AC-DC功率转换器接收DC功率；
DC-AC功率转换器，其电连接到所述DC链路，所述DC-AC功率转换器配置成从所述DC链路接收DC功率并将所述DC功率转换成AC功率；以及
变压器，其电连接到所述DC-AC功率转换器，所述变压器配置成将来自所述DC-AC功率转换器的所述AC功率变换成处于所述第二电压的AC功率。
6.根据权利要求1所述的风涡轮集群系统，其特征在于，所述功率转换系统包括：
第一总线，其电连接到所述转子；
AC-DC功率转换器，其电连接到所述第一总线，所述AC-DC功率转换器配置成从所述第一总线接收处于所述第一电压的AC功率；
DC链路，其电连接到所述AC-DC功率转换器，并配置成从所述AC-DC功率转换器接收DC功率；以及
谐振式DC-DC-AC功率转换器，其配置成从所述DC链路接收DC功率并将所述DC功率转换成处于所述第二电压的AC功率。
7.根据权利要求1所述的风涡轮集群系统，其特征在于，所述风参数包括即时的风参数。
8.根据权利要求1所述的风涡轮集群系统，其特征在于，所述风参数包括针对未来时间段的预测的风参数。
9.根据权利要求1所述的风涡轮集群系统，其特征在于，当所述风参数包括低于阈值的风参数时，所述控制装置配置成控制所述集群变压器以低风模式操作。
10.一种用于操作集群变压器的方法，所述集群变压器可操作地耦合到一个或多个双馈感应发电机(DFIG)模块，各个DFIG模块包括DFIG和功率转换系统，所述集群变压器配置成将来自所述一个或多个DFIG模块的功率转换成适合于施加到电网的功率，所述方法包括：
以正常风模式操作所述集群变压器；
通过控制装置来确定第一风参数；
通过所述控制装置来确定所述第一风参数是否小于阈值；以及
当所述第一风参数小于所述阈值时，通过所述控制装置来将所述集群变压器控制成低风操作模式。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述集群变压器包括有载抽头变换变压器，并且
其中，通过所述控制装置来将所述集群变压器控制成低风操作模式包括将所述有载抽头变换变压器的所述抽头的位置控制成低风操作模式。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述集群变压器包括具有用于低风操作的第一抽头和用于正常操作的第二抽头的变压器，并且
其中，通过所述控制装置来将所述集群变压器控制成低风操作模式包括将所述抽头的位置从所述第二抽头控制到所述第一抽头。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述集群变压器包括具有用于低风操作的第一绕组和用于正常操作的第二绕组的变压器，并且
其中，通过所述控制装置来将所述集群变压器控制成低风操作模式包括在向所述第二绕组提供功率到向所述第一绕组提供功率之间切换。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一风参数包括基于一个或多个风速测量值的估计的平均风速。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一风参数包括针对未来时间段的预测的风参数。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，针对所述未来时间段的所述预测的风参数至少部分地基于风模型、预测的风速或操作数据。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
确定第二风参数；
确定第二风参数是否大于或等于所述阈值；以及
当所述第二参数大于或等于所述阈值时，通过所述控制装置的控制来将所述集群变压器控制成正常风操作模式。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述阈值包括大致每秒5米的风速。
19. 一种风场，包括：
多个风涡轮集群；以及
风场控制装置；
其中各个风涡轮集群包括：
多个双馈感应发电机(DFIG)模块；以及
可操作地耦合到所述多个DFIG模块的集群变压器；
其中各个DFIG模块包括：
DFIG，其包括转子和定子，所述转子配置成生成处于第一电压的AC功率，并且所述定子配置成生成处于第二电压的AC功率；以及
可操作地耦合到所述转子的功率转换系统，所述功率转换系统配置成将处于所述第一电压的功率转换成处于所述第二电压的功率；
其中，各个集群变压器配置成将来自所述风涡轮集群中的所述多个DFIG模块的处于所述第二电压的功率转换成适合于施加到电网的功率；并且
其中，所述风场控制装置配置成至少部分地基于测量或预测的风参数来控制各个风涡轮集群中的所述集群变压器的操作。
20.根据权利要求19所述的风场，其特征在于，各个DFIG模块的所述集群变压器包括有载抽头变换变压器、具有用于低风操作的第一抽头和用于正常操作的第二抽头的变压器，或具有用于低风操作的第一绕组和用于正常操作的第二绕组的变压器。
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