CN110998089B - 在电网失电期间使用电力存储单元的风力涡轮机的操作 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机的操作，其在电网失电期间使用诸如可充电电池的电力存储单元为一组电力消耗单元供电。所述风力涡轮机包括：多个电力消耗单元，其被分组为至少第一组和第二组；第一电转换器，其用于将所述发电机连接到电网；以及第二电转换器，其用于将所述发电机连接到所述电力存储单元。在检测到电网失电的发生时，操作所述发电机以确保所述电力存储单元有足够的电力来操作所述第一组电力消耗单元。

Description

在电网失电期间使用电力存储单元的风力涡轮机的操作
技术领域
本发明涉及风力涡轮机的操作，其在电网失电(grid loss)期间使用电力存储装置为一组电力消耗单元供电。
背景技术
风力发电厂(也称为风电场)通常包括若干个风力涡轮机，所述若干个风力涡轮机的生成输出被连成网络，以向国家或地区公用事业电网电气系统(或简称为电网)供电。风力涡轮机包括复杂的电气系统，该电气系统包括许多控制单元、开关设备、冷却系统、照明系统、致动器和液压系统，上述装置需要其自己专用的电力供应。该电力供应本身经由形成风力涡轮机设施的一部分的变电站从电网电气系统馈送。这样的电力供应可以称为“内部供电网”，其作用是管理和分配中压电力供应到风力发电厂内的风力涡轮机和电力消耗单元形式的辅助设备，以确保电力生成的高可用性。
在所谓的电网失电(其中风力涡轮机失去与电网的连接)的情况下，风力涡轮机的电气系统也失去其电力。为了减轻由这种电力失去引起的问题，已知的是为风力发电厂装备一种形式的辅助电力供应。这可以采取基于电池的系统的形式，也可以基于柴油发电机。例如，US2013/0175801描述了一种系统，其中柴油发电机被用作海上风电场的备用电力供应。
备用供应系统可以确保即使在电网电力中断期间，风力发电厂的涡轮机的某些元件仍保持操作。
US 2011/0291416描述了一种风力涡轮机系统，其中在电网失电期间，能量存储装置从桥接发电机和电网的主转换器的DC链路充电。这需要在电网失电期间操作主转换器。
正是在这种背景下设计了本发明。
发明内容
实现一种在电网失电的情况下能够利用风力来为至少一组电力消耗单元供电、以确保在电网失电期间的一定水平的功能的风力涡轮机是有利的。
因此，在第一方面，提供了一种在电网失电期间操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括具有多个桨距可调节的转子叶片的转子，所述转子被配置为驱动发电机，所述风力涡轮还包括：
电力存储单元；
多个电力消耗单元，其被分组为至少第一组电力消耗单元和第二组电力消耗单元，所述第一组电力消耗单元由所述电力存储单元供电；以及
第一电转换器，其用于将所述发电机连接到电网；以及第二电转换器，其用于将所述发电机连接到所述电力存储单元；
所述方法还包括：
检测电网失电的发生，以及
在发生电网失电的情况下，将所述第一电转换器从所述发电机断开，并将所述第二电转换器连接到所述发电机，
其中，所述发电机以降低的旋转速度操作。
通过确保有足够的电力来操作一组电力消耗单元，重要或关键的电力消耗单元可以在电网失电期间保持操作。通过基于能够在电网失电期间转换发电机的能量的专用的第二电转换器供电，即使对于延长时间的电网失电，也可以确保涡轮机的操作。第一组和第二组电力消耗单元也可以被称为第一组和第二组辅助单元，或者第一和第二辅助系统。
在电网失电的情况下，断开第一电转换器(主转换器)、然后连接第二电转换器(辅助转换器)是有利的，因为辅助转换器可以被设计尺寸为具有用于处理明显更低的额定功率的部件，并且由于不需要用于为主转换器供电的能量，因此生成电能的需求较少。以这种方式，在不为存储单元充电的操作情况下，由于不需要为主转换器供电，因此涡轮机将能够忍受更长的没有风的时段。
另外，通过使用辅助转换器来为第一组电力消耗单元/电力存储单元供电，主转换器可以被定制以与电网连接，并且无需由于考虑对第一组电力消耗单元/电力存储单元供电而进行更改。因此，本发明的实施例还支持对现有涡轮机的容易改造，因为不需要对现有主转换器进行改变。
电力存储单元可以是电池、超级电容式电力存储单元或其他电力存储单元。这样的电力存储单元将具有有限的容量，并且有利的是，在电网失电期间仅应为相关的电力消耗单元供电，以减少电力存储单元上的电力消耗。第一组电力消耗单元可以被选择为包括以下装置中的至少一个：变桨致动器；用于齿轮箱和/或轴承润滑的设备；偏航致动器；以及控制单元。取决于涡轮机设计、电力存储容量，可以在第一组电力消耗单元中包括更多或更少的电力消耗单元。例如，第一组电力消耗单元还可以包括选定的除湿机和选定的加热器。取决于例如电压水平、传感器读数、电网失电持续时间或其他因素，所选择的第一组电力消耗单元也可以在电网失电期间互换。此外，各种传感器也可以包括在第一组电力消耗单元中，例如转子速度传感器、风速传感器、电网传感器。风速也可以作为由控制单元中实现的估计器确定的估计风速来获得。
在电网失电期间，发电机可以以降低的速度操作，以确保电力存储单元有足够的电力来操作第一组电力消耗单元。发电机以降低的速度操作可以包括降低发电机速度直至停止，以及以低转子速度操作发电机(例如通过以允许转子缓慢旋转的空转模式操作涡轮机)。在一个实施例中，在发电机的旋转降低直至停止时，第二电转换器连接到发电机。就此而言，停止可以是完全停止，但是也可以包括转子以这样的低水平的轻微移动，使得在发电机端子处不生成或基本上不生成电力。以降低的速度操作发电机包括将缓慢转动的发电机的速度设定为足够第二电转换器提供给定的电力水平以为第一组电力消耗单元供电的速度。可以在转子停止的一个或多个时间段和转子以低旋转速度操作(空转)的一个或多个时间段中获得这种电力水平。空转操作的涡轮机由此可以向风力涡轮机的关键部件提供备用电力供应。以低转子速度操作涡轮机可以被称为以自供电操作模式操作涡轮机。在一个实施例中，发电机被操作为以低于转子速度阈值的速度旋转。转子速度阈值低于额定速度，例如为50％、25％、10％、5％或其他适当的速度阈值。因此，发电机可以以降低的旋转速度操作，例如低于50％、25％、10％、5％或低于额定转子速度的其他适当的速度。
在实施例中，第二组电力消耗单元在电网失电期间不被供电。
第一组和第二组电力消耗单元可以是DC连接单元或AC连接单元。在实施例中，第一组和第二组电力消耗单元可以连接在分开的内部供电网上。因此，第一组电力消耗单元可以连接到第一内部供电网，第二组电力消耗单元可以连接到第二内部供电网。在一个实施例中，第一组电力消耗单元可以是连接到内部DC供电网的DC连接单元，而第二组电力消耗单元可以是连接到内部AC供电网的AC连接单元。
第一电转换器是用于将发电机连接到电网的“常规”转换器，第一电转换器可以是频率转换器(例如满量程转换器，full-scale converter)。在一个实施例中，第二电转换器是将发电机连接到电力存储单元的单独的专用转换器。在实施例中，在检测到电网失电的发生时，第二电转换器选择性地连接到发电机。除此之外，在电网失电期间，第一转换器可以选择性地断开。
发电机可以是任何类型的发电机，但是使用基于永磁体的发电机可以是有利的，因为这些发电机在电网失电期间不需要生成电场感应电流。
电力存储单元可以是电气电力存储单元。在一个实施例中，电力存储单元是可充电电力存储单元。在检测到可充电电力存储单元的电压水平低于第一电压阈值时，可以进一步调控第二电转换器到发电机的选择性连接。以这种方式，只要电力存储单元的电力水平足够高，就可以从电力存储单元汲取电力，并且仅当电压水平低于阈值时才对电力存储单元进行充电。
在实施例中，电力存储单元的电力容量在1至100kWh的范围内，例如在50至80kWh之间。特定容量基于特定的涡轮机设计。
在检测到发电机的输出电压水平时，可以进一步调控第二电转换器到发电机的选择性连接。在一个实施例中，在检测到发电机的输出电压水平低于第一输出阈值时，将第二电转换器到发电机从发电机断开，并在检测到发电机的输出电压水平高于第二输出阈值时，将第二电转换器连接到发电机，第二输出阈值大于第一输出阈值。当第二电转换器连接到发电机时，转子由于电气负载施加的扭矩而减速。当输出电压低于某个阈值时，可能存在施加的转矩会使发电机过慢的风险。在检测到输出电压增加到高于第二输出阈值时，可以再次连接第二电转换器。通过确保直到输出电压高于第二输出阈值(所述第二输出阈值大于第一输出阈值)才连接第二电转换器，施加了滞后现象，从而确保第二电转换器不会不断地接通和断开。
发电机由转子驱动，因此发电机的旋转速度(发电机速度)受风速影响。通过调节转子叶片的桨距，可以控制发电机速度。为了实现这一点，可以在控制单元中实现闭环速度控制。例如通过使用PID、PI或类似类型的控制器，实现闭环速度控制器以调节转子叶片的桨距，以达到设定点转子速度。因此，在电网失电期间，可以通过调节桨距可调节的转子叶片来控制发电机速度。
在一个实施例中，发电机速度被控制在一定速度范围内。通过将发电机速度控制在一定范围内而不是特定的设定点，可以减少变桨活动。
在实施例中，控制还可以基于风速检测或风速估计，其中桨距角依据风速来设定。例如可以通过使用前馈控制器中的查找表来完成此操作，其中风速被检测并且桨距角被相应地设定。
在实施例中，转子速度被控制在额定转子速度的5％至25％之间，例如在额定转子速度的10％至15％之间。可以将转子速度控制在以给定设定点值为中心的特定范围内，例如在10％±5％之内。通常，可以通过设定点值或在这些提及的速度范围内的设定点范围来控制转子速度。特定目标转子速度(范围)可以取决于涡轮机设计(包括第二电转换器的设计)。在实施例中，以这样的转子速度，发电机的输出功率可以在50V AC和100V AC之间。
来自发电机的降低的电力输出可以由第二电转换器升压到用于电力存储单元的合适的输入水平。这样的输入水平可以在300V AC至600V AC的范围内(包括400V AC)。
在实施例中，第二电转换器可以是频率转换器(例如AC/AC升压转换器)，其被配置为从可变电压和频率输入提供恒定电压和频率AC输出。频率输入通常可以在5Hz至15Hz之间(例如10Hz)。
在实施例中，第二电转换器可以连接到发电机的单个三相绕组。
在一个实施例中，桨距可调节的转子叶片在电网失电期间以降低模式(reducedmode)操作，与正常模式操作相比，降低模式具有更慢的桨距角调节。
通过以降低模式操作桨距可调节的转子叶片，也可以降低操作桨距所需的电力消耗。对于液压变桨系统，降低模式可以是液压系统被降低为仅对液压系统的一部分加压的模式以及溢出被减小的模式。对于电气变桨系统，降低模式可以是电压水平低于变桨致动器的正常电压水平的模式，或者是某些电气负载被关闭的模式。
在一个实施例中，液压系统包括可以选择性地关闭的一个或多个止回阀。该止回阀可以被操作成在不调节桨距的时段期间选择性地关闭，以及在调节桨距的时段期间选择性地打开。当止回阀关闭时，液压泵可以关闭。
通过关闭选定的止回阀，可以消除或限制液压系统的溢出。在变桨致动器的操作期间，可能需要一定的溢出，并且可控止回阀可以打开，以确保液压系统的正常操作。
受控制的止回阀也可以用于在电网失电期间关闭液压系统的各个部分。
由于操作发电机的要求可以仅仅是使发电机以适当的旋转速度操作，因此缓慢的桨距调节是足够的。
在一个实施例中，在检测到可充电电力存储单元的电压水平低于第二电压阈值时，转子的旋转(停止)并且进入控制单元的睡眠模式。
在一个实施例中，当处于睡眠模式时，可以以固定的时间间隔检测风速，其中，风力涡轮机控制器被编程为可能以部分低电力消耗模式唤醒，以估计可以支持空转模式操作还是正常模式操作。
该时间间隔可以是固定的预编程时间间隔。然而，在实施例中，该时间间隔可以基于在进入睡眠模式之前从SCADA系统获得的天气预报信息。通过将时间间隔基于天气预报，可以避免从电力存储单元的不必要的能量消耗。从SCADA系统获得的天气预报信息也可以用于设定电压水平的适当阈值。
在一个实施例中，在检测到电网失电的发生时，转子的旋转停止，并且在电力存储单元的电压水平高于第一阈值时，第一组电力消耗单元由电存储单元力供电。因此，电力存储单元用作常规的电力备份。在检测到电力存储单元的电压水平低于第一电压阈值时，启动自供电操作，其中发电机被操作以确保电力存储单元有足够的电力来操作第一组电力消耗单元。
一旦电网恢复，涡轮机将返回正常模式操作。
在一个实施例中，发电机在空转操作模式下以降低的旋转速度操作。仍然，在这种空转模式下，第二电转换器可以将电力输送到能量存储单元，以及还例如为第二组电力消耗单元供电。
特别地，第一和第二电转换器可以借助于可控开关连接到发电机，其中，该方法可以包括操作可控开关以将第一或第二电转换器选择性地连接到发电机。
第二电转换器可以以各种方式来实现，并且被配置为例如以电网水平电压生成DC电输出和/或AC电输出。特别地，第二电转换器可以被配置为生成DC电输出和AC电输出。具体地，第二电转换器可以被配置为生成AC电力以为第二组电力消耗单元供电。
具体地，第二电转换器可以包括AC升压电路和/或DC升压电路。在特定实施例中，第二电转换器包括跟随有DC至DC升压电路的整流电路。
优选地，第一电转换器(主转换器)可以被设计尺寸为处理风力涡轮机的额定功率，而第二电转换器被设计尺寸为处理小于风力涡轮机的额定功率的10％(例如小于1％)的功率。因此，由于所需的有限的功率处理，第二电转换器可以用更便宜和更有效的部件来实现。
优选的是，发电机是永磁体发电机，因为这种发电机可以在空转操作模式下仍生成电力以供第二电转换器捕获，而无需电网连接，特别是在第二电转换器包括AC和/或DC升压电路的实施例中。
在另一方面，本发明涉及一种计算机程序产品。这可以被提供在计算机可读存储介质上或者可以从通信网络下载。该计算机程序产品包括指令，在被下载到数据处理系统(例如，控制器的形式)上时使数据处理系统执行该指令。
通常，控制器可以是包括一个或多个处理器、输入/输出接口和能够存储可以由处理器执行的指令的内存的功能单元组或集合。
在另一方面，本发明涉及一种风力涡轮机，其包括：
发电机；
具有多个桨距可调节的转子叶片的转子，所述转子被配置为驱动所述发电机；
电力存储单元；
多个电力消耗单元，其被分组为至少第一组电力消耗单元和第二组电力消耗单元，所述第一组电力消耗单元由所述电力存储单元供电；
第一电转换器，其用于将所述发电机连接到电网；
第二电转换器，其用于将所述发电机连接到所述电力存储单元；
电网传感器，其用于检测电网的电气状态；
数据处理系统，其被配置为检测电网失电的发生，以及在检测到电网失电的发生时，将所述第一电转换器从所述发电机断开，将所述第二电转换器连接到所述发电机，并且以降低的旋转速度操作所述发电机。
通常，本发明的各个方面可以在本发明的范围内以任何可能的方式组合和结合。根据下文描述的实施例以及参考下文描述的实施例的阐述，本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将变得显而易见。
附图说明
将参考附图仅通过举例的方式描述本发明的实施例，其中
图1示意性地显示了风力涡轮机的元件以及机舱壳体内的示例元件的实施例；
图2示意性地显示了本发明的实施例(包括具有第二电转换器的实施例)的元件；
图3显示了第二电转换器的操作周期的示例；
图4显示了依据风速的桨距角设定的示例；以及
图5显示了根据本发明的实施例的风力涡轮机的操作流程图。
具体实施方式
图1示意性地显示了风力涡轮机1的元件以及机舱壳体3内的示例元件的实施例。风力涡轮机包括桨距可调节的转子叶片6，其被机械地连接以驱动发电机2。发电机2被连接到包括第一和第二电转换器的电气部件4。还示意性地显示了多个电力消耗单元7。尽管未示出，但是风力涡轮机可以可选地包括齿轮箱以及其他电气和机械部件。
电力消耗单元中的一个是控制单元5。控制单元可以还包括多个元件，所述多个元件包括至少一个具有处理器和内存的中央控制器，以使处理器能够基于存储在内存中的指令执行计算任务。尽管控制单元被显示为单个实体，但是在实施例中它可以既在位置上又在功能上进行分布。在正常操作中，风力涡轮机控制器确保风力涡轮机生成请求的电力输出水平。这是通过调节桨距角和/或(第一)转换器的电力提取而获得的。
图2示意性地显示了本发明的实施例的元件。
该图显示了具有多个桨距可调节的转子叶片6的转子20，该转子被配置为驱动发电机G。风力涡轮机还包括电力存储单元21、多个电力消耗单元7，所述多个电力消耗单元7被分组为至少第一组电力消耗单元22和第二组电力消耗单元23。第一组电力消耗单元由电力存储单元21供电。在所显示的实施例中，第二组由电网24供电。电气部件4包括第一电转换器25，其用于将发电机G连接到电网24。这种电转换器通常包括通过DC链路连接的机器侧转换器MSC和电网侧转换器GSC。除了第一电转换器之外，还显示了第二电转换器26。第二电转换器26将发电机G连接到电力存储单元21。
图2还显示了电网检测器27，其能够检测电网的状态。在检测到电网失电的发生时，控制单元5被实施为指示发电机操作，以确保电力存储单元有足够电力来操作第一组电力消耗单元。
除了控制单元5之外，第一组电力消耗单元22还可以包括变桨致动器、用于轴承润滑的设备、偏航致动器、选定的除湿器和选定的加热器、选定的液压泵、可控止回阀。
第二组电力消耗单元23可以包括诸如用于提升、照明、冷却、加热、通风、液压泵等的电力供应的单元。
电力存储单元21通常输出DC电力，并且第一组电力消耗单元通常是DC供电单元，而第二组电力消耗单元可以是AC供电单元。至少在所显示的实施例中，其中第二组电力消耗单元经由适当的变压器设备(未示出)与电网连接。电力存储单元因此可以包括AC输入和DC输出。电力存储单元可以是可充电电池，其中AC输入是电池充电器200的输入。电力存储单元可以包括多个可充电电池单元201。
在所显示的实施例中，在电网失电时，第一组电力消耗单元由电力存储单元供电，而第二组电力消耗单元不被供电。
在所显示的实施例中，第二电转换器经由开关28连接到发电机，使得第二电转换器可以在检测到电网失电的发生时选择性地连接到发电机。取决于发电机和/或转换器的类型，在电网失电期间能够选择性地断开第一电转换器可以是有利的。这可以通过开关29来完成。
第二电转换器可以是AC/AC升压转换器，其被配置为从可变电压和频率输入提供恒定电压和频率AC输出。AC/AC升压转换器可以例如被配置为将来自以降低的速度旋转的发电机的10Hz的64V AC输入转换为适合于电力存储单元的400V AC输出。在这方面，AC/AC升压转换器可以被配置为接受电压和频率上的特定输入范围。
所显示的电力存储单元是可充电电力存储单元，在这种情况下，第二电转换器26的输出被用于为从对第一组电力消耗单元的供电耗尽的电力存储单元进行充电。
在一个实施例中，在检测到可充电电力存储单元的电压水平低于第一电压阈值时，进一步调控第二电转换器到发电机的选择性连接。电力存储单元的充电可以通过涓流充电(trickle charging)来获得。
在一个实施例中，监测发电机的输出电压水平，以确保第二电转换器仅在发电机输出高于一定水平时连接到发电机。
在正常操作期间，即当存在电网时，第二电转换器26断开，并且电力存储装置21经由电网充电。就此而言，电网24和电力存储装置21之间的两个开关连接。此外，可以在电网与电力存储装置之间插设其他电气设备，以实现这种充电。这样的其他设备未示出，但是本领域技术人员有能力选择适当的设备。
图3显示了第二电转换器的操作周期的示例，其示出了第二电转换器由于发电机的输出电压水平低于第一输出阈值OT1而断开，并且由于发电机的输出电压水平高于第二阈值OT2而连接。
在电网失电期间，通过调节桨距可调节的转子叶片来控制发电机速度。图4显示了依据风速的桨距角设定的示例。
在一个实施例中，当启动自供电模式时，测量或估计风速。此处，初始桨距角是根据预定义的桨距角设定的，如图4所示。随着电网失电的继续，可以经由发电机的速度控制来控制桨距角，以确保速度保持在适当的水平，或在适当的范围内。通常约为额定转子速度的10％。图4中显示的图通常可以被实现为控制单元中的查找表。在替代实施例中，不监测转子速度。而是根据风速设定桨距角。如果第二电转换器可以接受速度和频率的大的变化，则可以不需要发电机的速度控制。
本发明的实施例允许即使在强风情况下也使第一组电力消耗单元保持操作。高于一定风速时，可能需要关闭涡轮机，但是，风过强以至于需要完全停止转子的时间段通常少于电力存储单元能够支持第一组电力消耗单元的操作的时间。
图5显示了根据本发明的实施例的风力涡轮机的操作流程图。
在正常模式操作50中，电网被监测，并且在例如使用电网检测器27检测到电网失电51时，涡轮机转子在初始时被停止52，这是通过使转子叶片顺桨、即将叶片旋转至通常约90度的顺桨位置来完成的。当涡轮机停止时，电力存储单元21的电压水平通常处于额定水平，从而允许为第一组电力消耗元件供电(通常达几小时)。在离网情况下，电网被持续监测53，以便可以在电网可用时恢复正常操作。同时，还监测电力存储单元的电压水平54。在电力存储单元的电压水平高于第一电压阈值时，涡轮机保持停止并且第一组电力消耗单元保持由电力存储单元供电。在检测到电力存储单元的电压水平变得低于第一电压阈值时，进入自供电模式55，以降低的速度操作发电机，以确保电力存储单元有足够的电力来操作第一组电力消耗单元。
只要风中的能量足以用来对电力存储单元进行涓流充电，就可以维持自供电模式。风速不必总是高于一定水平，但是，至少需要存在足够风力的时间段，以将电力存储单元的电压水平保持在最小阈值、即第二电压阈值之上。
在检测到可充电电力存储单元的电压水平变得低于第二电压阈值时，转子的旋转停止，并且进入涡轮机的睡眠模式。
在睡眠模式操作57中，在一个实施例中，除了停止转子之外，第一组电力消耗单元或第一组电力消耗单元中的至少一个子组从电力存储单元断开，并且仅唤醒电路被供电。唤醒电路可以是简单的计时器电路，其以设定的时间间隔唤醒控制单元5或控制单元5的一部分，以检测风速并将风速与风速阈值相比较，在检测到风速高于第二风速阈值时，睡眠模式可以结束。在替代实施例中，还可以在睡眠模式期间持续监测风速，并且在检测到风速足够高时，重新进入自供电模式。可以将唤醒电路设定为确保风速已经长时间高于风速阈值，以确保风速稳定。
如果电网复原，则恢复正常模式，而如果电网仍然不起作用，则进入自供电模式。
在一个实施例中，作为唤醒电路的替代，涡轮机还可以配置用于例如经由SCADA系统手动重启。
在一个实施例中，可以省略步骤52、54，使得涡轮机在检测到电网失电时直接进入自供电模式55。
在实施例中，可以例如通过控制系统的监测模块或经由与SCADA系统的数据连接来监测电力存储单元的放电率。在能量存储设备快速放电的情况下，可以通知维修人员进行移动充电。通常，在空转模式下，可以例如经由SCADA将电力存储单元的充电水平的状态传达给维修人员，以确保维修人员可以对有问题的情况做出反应。
已经仅出于说明的目的、而不是为了限制所附权利要求中限定的本发明的范围而描述了本发明的示例实施例。

Claims (20)

1.一种在电网失电期间操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括具有多个桨距可调节的转子叶片的转子，所述转子被配置为驱动发电机，所述风力涡轮机还包括：
电力存储单元；
多个电力消耗单元，其被分组为至少第一组电力消耗单元和第二组电力消耗单元，所述第一组电力消耗单元由所述电力存储单元供电；以及
第一电转换器，其用于将所述发电机连接到电网；和
第二电转换器，其用于将所述发电机连接到所述电力存储单元，其中，当存在电网时，所述第二电转换器断开，并且所述电力存储单元经由电网充电；
所述方法还包括：
检测电网失电的发生，以及
在发生电网失电的情况下，将所述第一电转换器从所述发电机断开，并将所述第二电转换器连接到所述发电机，其中，所述发电机以降低的旋转速度操作，
其中，在检测到所述发电机的输出电压水平低于第一输出阈值时，将所述第二电转换器从所述发电机断开，并且在检测到所述发电机的输出电压水平高于第二输出阈值时，将所述第二电转换器连接到所述发电机，所述第二输出阈值大于所述第一输出阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组电力消耗单元包括如下装置中的至少一个：变桨致动器；用于轴承润滑的设备；偏航致动器；以及控制单元。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述第二组电力消耗单元在电网失电期间不被供电。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述电力存储单元是可充电电力存储单元，并且其中，在检测到所述可充电电力存储单元的电压水平低于第一电压阈值时，进一步调控所述第二电转换器到所述发电机的连接。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，在电网失电期间，通过调节所述桨距可调节的转子叶片来控制发电机速度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述发电机速度被控制在一定速度范围内。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述桨距可调节的转子叶片在电网失电期间以降低模式操作，与正常模式操作相比，所述降低模式具有更慢的桨距角调节。
8.根据权利要求4所述的方法，还包括：在检测到所述可充电电力存储单元的电压水平低于第二电压阈值时，停止所述转子的旋转并进入所述控制单元的睡眠模式。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括检测风速并将所述风速与风速阈值进行比较，在检测到所述风速高于风速阈值时，开始所述转子的旋转并退出所述控制单元的睡眠模式。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，在检测到电网失电的发生时，降低所述发电机速度以停止所述转子的旋转，并且在所述电力存储单元的电压水平高于所述第一电压阈值时，由所述电力存储单元为所述第一组电力消耗单元供电；并且在检测到所述电力存储单元的电压水平低于所述第一电压阈值时，操作所述发电机，以确保所述电力存储单元有足够的电力来操作所述第一组电力消耗单元。
11.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述发电机在空转操作模式下以降低的旋转速度操作。
12.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括操作可控开关以选择性地将所述第一或第二电转换器连接到所述发电机。
13.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，当所述发电机的旋转降低直至停止时，所述第二电转换器连接到所述发电机。
14.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述第二电转换器还被配置为生成AC电力以为所述第二组电力消耗单元供电。
15.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述第二电转换器包括AC升压电路。
16.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述第二电转换器包括DC升压电路。
17.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述第二电转换器包括跟随有DC至DC升压电路的整流电路。
18.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述第一电转换器的尺寸被设计为适于处理所述风力涡轮机的额定功率，而所述第二电转换器的尺寸被设计为适于处理小于所述风力涡轮机的额定功率的10％的功率。
19.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述发电机是永磁体发电机。
20.一种风力涡轮机，其包括：
发电机；
具有多个桨距可调节的转子叶片的转子，所述转子被配置为驱动所述发电机；
电力存储单元；
多个电力消耗单元，其被分组为至少第一组电力消耗单元和第二组电力消耗单元，所述第一组电力消耗单元由所述电力存储单元供电；
第一电转换器，其用于将所述发电机连接到电网；
第二电转换器，其用于将所述发电机连接到所述电力存储单元，其中，当存在电网时，所述第二电转换器断开，并且所述电力存储单元经由电网充电；
电网传感器，其用于检测电网的电气状态；
数据处理系统，其被配置为检测电网失电的发生，以及在检测到电网失电的发生时，将所述第一电转换器从所述发电机断开，将所述第二电转换器连接到所述发电机，并且以降低的旋转速度操作所述发电机，
其中，在检测到所述发电机的输出电压水平低于第一输出阈值时，将所述第二电转换器从所述发电机断开，并且在检测到所述发电机的输出电压水平高于第二输出阈值时，将所述第二电转换器连接到所述发电机，所述第二输出阈值大于所述第一输出阈值。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102477291B1 (ko) 2017-06-08 2022-12-13 베스타스 윈드 시스템스 에이/에스 전력 저장 유닛을 사용하여 그리드 손실 동안 풍력 터빈을 작동하는 방법
WO2019042751A1 (en) 2017-08-28 2019-03-07 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S BEARING PROTECTION ARRANGEMENT
DE102018000157A1 (de) * 2018-01-11 2019-07-11 Senvion Gmbh Steuerung einer Windenergieanlage durch Änderung von Drehzahlparametern
JP6995792B2 (ja) * 2019-03-04 2022-01-17 大成建設株式会社 建物の健全性評価システム
WO2020228919A1 (en) 2019-05-16 2020-11-19 Vestas Wind Systems A/S Controllable power backup system for wind turbine
US11929638B2 (en) 2019-05-16 2024-03-12 Vestas Wind Systems A/S Full DC voltage power backup system for wind turbine
US20240077058A1 (en) * 2019-10-09 2024-03-07 Vestas Wind Systems A/S Waking a wind turbine from a sleep state
EP4053402A1 (en) 2021-03-01 2022-09-07 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Wind turbine and method
EP4108910A1 (en) 2021-06-24 2022-12-28 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Wind turbine power plant including auxiliary systems
EP4142094A1 (en) * 2021-08-17 2023-03-01 Vestas Wind Systems A/S Methods and systems for power control in a non-exporting mode of operation
EP4141256A1 (en) 2021-08-31 2023-03-01 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Operation of a disconnected wind turbine
CN116066298A (zh) * 2021-10-29 2023-05-05 中国石油化工股份有限公司 风力发电的出力平衡装置和系统
WO2023079145A1 (en) * 2021-11-08 2023-05-11 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Transitioning of wind turbine operation
CN114189042A (zh) * 2021-11-15 2022-03-15 明阳智慧能源集团股份公司 海上风电机组后备电源控制系统及其电源启动与停止方法
EP4198299A1 (en) * 2021-12-14 2023-06-21 General Electric Renovables España S.L. Methods for operating wind turbines and charging auxiliary power sources
EP4239188A1 (en) * 2022-03-02 2023-09-06 General Electric Renovables España S.L. Methods for operating wind turbines and feeding auxiliary systems

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000102294A (ja) * 1998-09-24 2000-04-07 Meidensha Corp 中小型風力発電装置
DE102004024563B4 (de) 2004-05-18 2008-01-10 Nordex Energy Gmbh Verfahren zur Erzeugung von Notstrom für eine Windenergieanlage mit einem Hilfsgenerator
ES2265771B1 (es) * 2005-07-22 2008-01-16 GAMESA INNOVATION & TECHNOLOGY, S.L. Metodo para mantener operativos los componentes de una turbina eolica y una turbina eolica con componentes que permitan el mantenimiento operativo.
US7345373B2 (en) 2005-11-29 2008-03-18 General Electric Company System and method for utility and wind turbine control
US7425771B2 (en) * 2006-03-17 2008-09-16 Ingeteam S.A. Variable speed wind turbine having an exciter machine and a power converter not connected to the grid
US7355294B2 (en) * 2006-05-22 2008-04-08 General Electric Company Method and system for wind turbine blade movement
US7466109B1 (en) * 2008-04-07 2008-12-16 General Electric Company Systems and methods involving variable speed generators
US8008794B2 (en) * 2008-07-16 2011-08-30 General Electric Company Use of pitch battery power to start wind turbine during grid loss/black start capability
US8188610B2 (en) * 2008-09-08 2012-05-29 General Electric Company Wind turbine having a main power converter and an auxiliary power converter and a method for the control thereof
JP5330945B2 (ja) * 2008-10-29 2013-10-30 三菱重工業株式会社 油圧システム及びこれを備えた風力発電装置
EP2372147B1 (en) 2009-01-22 2012-07-11 Vestas Wind Systems A/S Control of rotor during a stop process of a wind turbine
DE102009017244A1 (de) 2009-04-09 2010-10-14 Nordex Energy Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage bei fehlender Verfügbarkeit eines externen Versorgungsnetzes und Windenergieanlage zur Ausführung des Verfahrens
EP2270331B1 (en) * 2009-06-30 2020-03-04 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine with control means to manage power during grid faults
JP4894906B2 (ja) * 2009-11-13 2012-03-14 株式会社日立製作所 風力発電システムの制御方法
JP5394217B2 (ja) * 2009-12-14 2014-01-22 株式会社日立パワーソリューションズ 電力貯蔵装置を併設した自然エネルギー利用発電所
US9086055B2 (en) 2010-01-11 2015-07-21 General Electric Company Lubrication of fluid turbine gearbox during idling or loss of electric grid
JP5439340B2 (ja) * 2010-10-29 2014-03-12 三菱重工業株式会社 ウインドファームの制御装置、ウインドファーム、及びウインドファームの制御方法
DE102010056458A1 (de) 2010-12-29 2012-07-05 Repower Systems Ag Windpark und Verfahren zum Betreiben eines Windparks
EP2565443A1 (en) 2011-09-05 2013-03-06 XEMC Darwind B.V. Generating auxiliary power for a wind turbine
IN2014DN10678A (zh) 2012-07-19 2015-08-28 Vestas Wind Sys As
ES2626028T3 (es) * 2012-07-23 2017-07-21 Vestas Wind Systems A/S Generadores de turbina eólica
DK2926003T3 (en) 2012-11-27 2016-09-12 Abb Technology Ag Process for operating an energy plant and an energy system with such energy plants
JP6037803B2 (ja) * 2012-11-30 2016-12-07 三菱重工業株式会社 風車及びその制御方法並びに風力発電システム
DK2784305T3 (da) 2013-03-27 2017-01-02 Alstom Renovables Espana Sl System til at tilvejebringe elektrisk strøm til en vindmøllekomponent
US20150123402A1 (en) 2013-11-04 2015-05-07 General Electric Company Magnetic structure combining normal mode and common mode inductance
US10298140B2 (en) * 2015-04-16 2019-05-21 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine converter control
JP6726937B2 (ja) * 2015-06-24 2020-07-22 株式会社日立製作所 ウィンドファーム制御装置，ウィンドファーム及びウィンドファーム制御方法
KR102477291B1 (ko) 2017-06-08 2022-12-13 베스타스 윈드 시스템스 에이/에스 전력 저장 유닛을 사용하여 그리드 손실 동안 풍력 터빈을 작동하는 방법

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Publication number Publication date
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