CN111520283B

CN111520283B - 风力涡轮机控制

Info

Publication number: CN111520283B
Application number: CN202010079695.2A
Authority: CN
Inventors: S.H.霍金斯; M.B.S.斯蒂芬森
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2040-02-04
Also published as: CN111520283A; EP3690234B1; EP3690234A1; DK3690234T3; US10968889B2; US20200248674A1

Abstract

提供了一种控制风力涡轮机（100）的操作的方法。该风力涡轮机包括转子（110）、发电机（105）和至少一个热量产生部件（105、130、140）。该方法包括获得热量产生部件（105、130、140）的温度；以及确定热量产生部件（105、130、140）的温度预定升高的存在；并且当确定存在预定的温度升高时，控制发电机（105）的旋转速度，以便增加发电机（105）的旋转速度，同时不增加发电机（105）的电功率输出或同时以比发电机的旋转速度的增加更小的比例来增加发电机（105）的电功率输出，以便降低发电机（105）中的电流水平。

Description

风力涡轮机控制

技术领域

本发明涉及一种控制风力涡轮机的操作的方法，该风力涡轮机包括转子、发电机和至少一个热量产生部件。本发明还涉及相应的风力涡轮机控制单元、风力涡轮机以及用于控制风力涡轮机的计算机程序。本发明尤其涉及一种用于限制热量产生部件的温度升高的方法和控制单元。

背景技术

风力涡轮机可以包括许多在电能输送期间由于电能损失而产生热量的部件，例如风力涡轮机的将风力涡轮机的转子提供的机械能转换为电能的发电机，或者转换电能使得其适合于馈送到电网中的转换器。风力涡轮机可以包括另外的部件，例如连接在转换器和电网之间的变压器，其也产生热量并且可能需要冷却。发电机、转换器和变压器形成了风力涡轮机的电力传动系统的一部分。此外，可在电力传动系统的其它部件中产生热量，例如在另外的功率调节器、功率电缆、总线条等中。

在较高的环境温度下，风力涡轮机部件的冷却变得更加困难。这样的状况可能导致电力传动系统的部件过热。常规的风力涡轮机可包括保护系统，该保护系统防止由于过热而损坏此类部件。常规的保护系统会关闭风力涡轮机的操作，以停止产生热量并保护部件不受损坏。这种解决方案具有以下缺点：停止生产能量，从而将更少的电能传递给消费者，从而导致风力涡轮机的操作者的相应收入损失。

为了避免这些不利影响，文献EP 2 309 122 A1提出了一种用于在高热负荷下控制风力涡轮机的方法，其中，基于这种部件的温度与温度设定点的比较来控制风力涡轮机的输出功率。该方法允许功率产生适应于部件温度，并且通过减小输出功率，减少了由于电损耗引起的发热，并且部件的实际温度可以保持在相应部件的设定点温度以下。通过调节风力涡轮机转子的转子叶片的桨距角来减小输出功率，使得更少的风能被传递到转子叶片并转换成机械能，从而减少了由风力涡轮机产生的功率的量。通常，当减小风力涡轮机的功率输出时，转子速度也会降低，从而降低了长期疲劳负荷（例如，叶片上的周期性重力负荷或齿轮和轴承上的磨损）以及避免了叶片的前缘腐蚀。

期望在不减少由风力涡轮机产生的功率的量的情况下保护这种风力涡轮机部件免于过热。特别地，期望在确保风力涡轮机的部件在安全温度限制内操作的同时，保持由风力涡轮机产生的功率的量。同样在环境温度升高或冷却系统中发生故障的情况下，也希望避免削减向消费者输送的功率。

发明内容

因此，本发明的目的是减轻以上概述的至少一些缺点，并改善对风力涡轮机的控制。特别地，本发明的目的是在限制风力涡轮机部件的温度升高的同时保持功率输出或提供风力涡轮机的功率输出的更少的减小。

该目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求描述本发明的实施例。

根据本发明的实施例，提供了一种控制风力涡轮机的操作的方法，所述风力涡轮机包括转子、发电机和至少一个热量产生部件。该方法包括获得热量产生部件的温度并确定热量产生部件的温度的预定升高的存在。在确定存在预定的温度升高时，控制发电机的旋转速度，以便在不增加发电机的功率输出的同时增加发电机的旋转速度。特别地，可以控制发电机的旋转速度，以便减小发电机转矩，并且从而减小发电机中的电流水平。在以小于发电机的旋转速度的增加的比例增加发电机的电功率输出的同时，还可以增加发电机速度，以减小发电机中的电流水平。以较小的比例增加发电机输出也会降低发电机转矩。

换句话说，在增加发电机的旋转速度的同时，来自发电机的功率输出（或发电机上的电负荷）保持恒定或减小。因此可以限制施加到发电机的转矩，这导致发电机中的较低电流水平。热量产生部件优选地是由于与风力涡轮机产生的电功率相关的电损耗而产生热量的部件。由于风力涡轮机部件（特别是电力传动系统的部件）产生的热量的量通常与在这些部件的导体中流动的电流的平方成比例，因此这些部件中减小的电流水平可能会限制由这些部件产生的热量，并且因此使这些部件的温度升高。此外，发电机中减少的热量产生可以允许冷却系统的冷却能力从发电机重新引导到另一个热量产生部件，这可以或可以不直接受益于通过本方法实现的减少的电流水平。因此，本实施例可以提供一种通过增加发电机的旋转速度而同时无需减少发电机的功率输出来有效地限制热量产生部件的温度增加的方法。

发电机的电功率输出也可以以比发电机的旋转速度的增加更小的比例来增加。因此，仍然可以实现发电机转矩和相关电流的减小，从而可以减少由于电损耗而产生的热量。功率输出的百分比增加可以小于发电机旋转速度的百分比增加的90％，70％，50％或25％。例如，如果发电机的旋转速度增加20％，则发电机的功率输出仅增加10％，即，功率输出的百分比增加少50％。因此可以实现有效的转矩减小。

可以例如通过重复地测量或确定热量产生部件的温度来重复获得温度，从而确定热量产生部件的温度的预定升高的存在。温度的预定升高可以例如是部件的温度升高到等于或高于相应温度阈值的值，或者以高于相应速度阈值的速度升高温度。可以通过从直接或间接与相应的热量产生部件相关联的温度传感器读取相应的信号来获得温度。

通过减小发电机中的电流水平，可以有效地减少热量的产生，同时风力涡轮机的输出功率可以保持稳定。特别地，风力涡轮机的发电机可以是电力传动系统中受热量影响最大的部件，并且因此是限制因素。因此，限制发电机产生的电流并因此限制发电机产生的热量允许在较高的环境温度下操作，同时保持风力涡轮机的功率输出。

在实施例中，控制发电机的旋转速度包括控制风力涡轮机的转子的旋转速度或通过其来执行。例如，转子可以直接驱动发电机，或者转子可以通过具有预定传动比的变速器（或齿轮箱）连接到发电机。直接驱动发电机意味着风力涡轮机的转子和发电机的转子以相同的角速度旋转，它们可以例如设置在同一轴上或直接连接的两个轴上（所谓的直接驱动式风力涡轮机）。转子的旋转速度例如可以通过单独地或共同地控制转子的叶片的桨距角来控制。

在实施例中，通过调节转子的转子叶片的桨距来增加转子的旋转速度，从而增加发电机的旋转速度。因此，可以在保持发电机的功率输出的同时有效地提高发电机的旋转速度。以这种方式控制发电机的旋转速度特别适用于转子的旋转速度低于转子的最大允许旋转速度且风速足以用于额定功率产生的情况。特别地，可以调节转子的转子叶片的桨距，使得增加由每个转子叶片转换成机械能的风能的量。转子叶片的桨距例如可以借助于致动器来调节，该致动器使转子叶片绕其纵向轴线旋转。

在另外的实施例中，控制发电机的旋转速度包括控制来自发电机的功率输出。换句话说，可以减小发电机的功率输出，例如可以减小发电机上的电负荷。例如，可以通过减少来自发电机的功率输出来增加发电机的旋转速度。随着发电机上的负荷减小，由风力涡轮机转子施加到发电机的机械转矩将增加发电机的旋转速度。发电机中所产生的减小的电流水平可以再次提供控制热量产生部件的温度升高的有效手段。在无法通过调节转子叶片的桨距进一步提高转子速度的情况下，例如在风速低于产生额定功率所需的风速的情况下（例如在转子叶片已经在某个位置变桨从而获得最大的空气动力学效率的情况下），这种类型的控制特别有用。由于在同时增加转子速度的同时减少了功率输出，因此发电机上的总转矩降低要比保持转子速度恒定或降低的控制更高。因此，可以更有效地限制热量产生，并且可以在不超过温度限制的情况下以更高的输出功率来操作风力涡轮机。可以例如通过控制连接到发电机的输出的转换器来减少功率输出。在完整的转换器解决方案中，可以执行转换器的发电机侧控制或电网侧控制。

增加发电机的旋转速度可以例如包括减少来自发电机的功率输出。可以维持或可以调节转子的转子叶片的桨距，以提高叶片的空气动力学效率，同时减少了发电机的功率输出。转子叶片的桨距可以特别地保持在或被调节到具有最大空气动力学效率的位置。因此，在这种配置中，可以将风力涡轮机的功率输出保持在最大可能的水平，同时减少热量产生，特别是对于风速低于额定功率产生所需的风速的情况。

在实施例中，如果检测到预定温度升高的存在，则通过将转子的旋转速度设置为最大允许旋转速度来控制转子的旋转速度。在另一个实施例中，转子的旋转速度可以逐渐增加，例如直至最大允许旋转速度。如上所述，可以通过调节转子叶片的桨距或通过减少来自发电机的功率输出来增加转子速度。在检测到部件温度或温度升高速度达到或超过相应的阈值（阶跃变化）时，例如可以将转子速度调节到允许的最大值。这种简单的控制类型具有相对容易实现的优点。仅逐渐增加转子速度的更复杂的控制可导致风力涡轮机部件上减小的机械应力。

可以为相应的主要状况限定转子的最大允许速度。例如，对于风力涡轮机，可以限定转子速度包络线，其建立风速和功率输出水平的组合所允许的最大转子速度。最大转子速度通常可能受到风力涡轮机的结构和机械负荷约束的限制。

在实施例中，转子的旋转速度由反馈回路基于热量产生部件的温度和/或温度升高速度来控制。反馈回路可以例如采用比例积分（PI）控制回路。转子的旋转速度和/或来自发电机的功率输出因此可以例如使用PI控制器来控制。例如，可以通过从热量产生部件的所确定的温度中减去温度阈值来确定用于这种类型的控制的误差信号，或者反之亦然。反馈回路然后可以调节转子的旋转速度和/或来自发电机的功率输出以使误差最小化。因此，可以通过控制发电机的旋转速度来有效地控制和限制热量产生部件的温度。

在实施例中，确定热量产生部件的温度的预定升高的存在包括将热量产生部件的温度与温度阈值进行比较并且确定该温度等于或大于温度阈值。附加地或可替代地，确定热量产生部件的温度的预定升高的存在可以包括将热量产生部件的温度升高的速度与升高速度阈值进行比较，并且确定温度升高的速度等于或大于升高速度阈值。这样的阈值提供了用于确定热量产生部件的温度何时升高到不可接受的水平或将要升高到这样的水平的有效手段。

在示例性实施例中，例如通过控制转子速度和/或来自发电机的功率输出，控制发电机的旋转速度，以使热量产生部件的温度高于温度阈值的时间的量最小化。通过确保最小化高于温度阈值的操作时间，可以增加热量产生部件的寿命。

在实施例中，如果转子以最大允许旋转速度旋转或达到最大允许旋转速度（其可以再次由转子速度包络线确定），则热量产生部件的温度或热量产生部件的温度升高速度达到或超过相应的预定阈值，该方法还包括减少来自发电机的功率输出。例如，如果达到最大旋转速度并且部件的温度仍高于阈值，则可以减小来自发电机的功率输出，以确保温度再次降至阈值以下。可以例如通过保持或调节转子叶片的桨距来控制转子以便以最大允许旋转速度继续操作。与降低转子速度以减少热量产生的解决方案相比，通过在减少来自发电机的功率消耗时保持转子的最大旋转速度，风力涡轮机产生的能量的量保持相对较高。

当然也可以想到应用两个温度阈值，其中，当部件的温度达到第一阈值时，转子速度增加到最大允许旋转速度，并且当温度达到第二较高阈值时，来自发电机的功率输出减少。

在实施例中，如果温度或温度升高速度降低到相应阈值以下或单独的不同阈值以下，则发电机的旋转速度返回到针对相应操作状况指定的标称旋转速度。

在实施例中，不增加来自发电机的功率输出包括控制耦接到发电机的电转换器，使得来自发电机的功率输出不增加，即维持或减少。例如，转换器可以是PWM（脉冲宽度调制）转换器，并且PWM转换器的转换比可以被调节以控制来自发电机的功率输出。转换器的发电机侧控制（例如，整流器的控制）或电网侧控制（例如，逆变器的控制）这两者都是可以想到的。控制器可以例如以期望的输出功率作为控制目标来改变PWM逆变器的转换比。在其它实施例中，可以调节发电机的场电流以控制发电机的功率输出。

以类似的方式，可以控制来自发电机的功率输出以比发电机的旋转速度的增加更小的比例增加。例如，可以控制转换器或发电机，使得功率输出不与发电机速度的增加成比例地增加，而是更少地增加，从而实现转矩减小。

发电机和/或电气系统可以具有电压极限。当增加发电机的旋转速度并达到这样的电压极限时，可以将电压保持在相同水平，并且可以将功率因数调节为变成接近1（滞后）。通过保持功率和电压恒定并增加功率因数，可以减小发电机电流。转换器可以例如被配置为能够调节发电机中的有功和无功电流的平衡。附加地或可替代地，可以控制电容器组到电力传动系统中的切换，以便将无功功率供应到网络中。

在实施例中，热量产生部件是发电机，由于与电功率的产生相关的电损耗而产生热量的部件（例如，热量产生与发电机产生的电流有关的部件），或者由冷却系统冷却的部件，该冷却系统为发电机提供冷却。可以提供一个、两个或更多个这样的热量产生部件。因此，热量产生部件可以直接受益于发电机电流的减少（因为由于电流较低，其将产生较少的热量），或者可以间接受益，因为发电机中热量产生的减少并且风力涡轮机的冷却系统的冷却能力因此可以被释放并重新引导以冷却热量产生部件。

作为示例，热量产生部件可以是电气部件（特别是发电机下游的电气部件，例如风力涡轮机的电力传动系统的电气部件）、电缆（特别是将发电机连接至转换器的电缆）、总线条、有功功率调节单元、无功功率调节单元、转换器、变压器、齿轮箱等。该控制可以涉及两个或更多个这样的热量产生部件，并且如上所述，可以获得和评估这样的两个或更多个热量产生部件的温度以控制发电机的旋转速度。

在实施例中，发电机和热量产生部件通过冷却系统冷却。在增加发电机的旋转速度之后，控制冷却系统，以便将冷却能力从发电机重新引导到热量产生部件。因此，即使风力涡轮机的不直接受益于发电机产生的较低电流的部件也可以通过本实施例更有效地冷却。

本发明的另外的实施例涉及一种用于风力涡轮机的风力涡轮机控制单元，风力涡轮机包括转子、发电机和至少一个热量产生部件。控制单元包括输入，该输入被配置为例如经由提供到热量产生部件的连接的数据总线或从相应的温度传感器接收热量产生部件的温度的指示。该控制单元还包括输出，该输出被配置成例如通过向控制转子的转子叶片的桨距的系统提供控制信号和/或通过向控制来自发电机的功率输出的控制器提供控制信号来发送控制信号以控制发电机的旋转速度。控制单元还包括配置为执行上述方法中的任何一种的处理单元。特别地，控制单元可以经由输入获得热量产生部件的温度，确定热量产生部件的温度的预定升高的存在，并且在确定这种预定温度升高的存在时通过在输出上提供相应的控制信号来增加发电机的旋转速度，同时又不增加发电机的电功率输出来控制发电机的旋转速度。所述控制单元可以包括：存储器，其存储相应的控制指令；以及处理器，其被配置为执行所述控制指令。

本发明的另外的实施例涉及一种风力涡轮机，其包括转子、耦接至转子的发电机、至少一个热量产生部件以及如上所述配置的风力涡轮机控制单元。热量产生部件可以是发电机或包括发电机。风力涡轮机可以进一步包括转换器，该转换器电连接至发电机并且被配置为转换由发电机产生的电功率。转子可以包括转子叶片，其桨距角可以由控制单元控制。为了控制发电机速度，控制单元可以提供控制信号以调节桨距角，或者可以例如通过向转换器提供相应的控制信号以调节发电机上的电负荷来控制来自发电机的功率输出。

通过这种风力涡轮机控制单元和这种风力涡轮机，可以实现与以上关于该方法的实施例进一步概述的优点类似的优点。风力涡轮机控制单元和风力涡轮机可以被配置为执行任何上述方法步骤，并且可以具有任何上述配置。

本发明的另外的实施例提供了一种用于控制风力涡轮机的计算机程序。该计算机程序包括控制指令，该控制指令在由数据处理器执行时使数据处理器执行上述方法中的任何一种。可以在易失性或非易失性数据载体上或在相应的存储器中提供计算机程序，特别是控制指令。

可以理解，上面提及的特征和那些将在下文解释的特征不仅可用在指示的相应组合中，而且可用在其它组合中或单独使用，而不偏离本发明的范围。

附图说明

通过结合附图进行的以下详细描述，本发明的前述和其它特征及优点将变得更加显而易见。在附图中，类似的附图标记用于指代类似的元件。

图1是示出根据本发明的实施例的风力涡轮机和风力涡轮机控制单元的示意图。

图2是示出根据本发明的实施例的风力涡轮机控制单元的示意图。

图3是示出根据本发明的实施例的当操作风力涡轮机时的操作参数的示例性示图的示意图。

图4是示出根据本发明的实施例的当操作风力涡轮机时的操作参数的示例性示图的示意图。

图5是示出根据本发明的实施例的当操作风力涡轮机时的操作参数的示例性示图的示意图。

图6是示出流程图的示意图，所述流程图图示了根据本发明的实施例的方法。

图7是示出发电机感应电动势（emf）的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图对本发明的实施例进行详细描述。应当理解，实施例的以下描述仅出于说明的目的而给出，并且并不是限制性的。应当注意，附图仅应被视为示意性表示，并且附图中的元件不必彼此按比例绘制。而是，各种元件被选择成表示为使得其功能和一般目的对于本领域技术人员来说变得显而易见。

图1是示出根据示例性实施例的风力涡轮机100的示意图。风力涡轮机100包括控制风力涡轮机100的操作的风力涡轮机控制单元10。风力涡轮机100包括转子110，转子110经由轴115耦接到发电机105。风力涡轮机100可以是直接驱动式风力涡轮机，其中转子110直接驱动发电机105，或者可以在转子110与发电机105之间设置变速器或齿轮箱，该变速器或齿轮箱具有用于使发电机105在更高的旋转速度下操作的传动比。转子110包括两个或更多个、优选三个转子叶片111。每个转子叶片111可通过桨距控制系统112绕其纵向方向旋转。桨距控制系统112可以包括致动器，例如伺服马达或液压缸，其使转子叶片111绕其纵向轴线旋转。控制单元10向桨距控制系统112提供控制信号以控制转子叶片111的取向。叶片取向决定了被转子叶片转化为机械能的风能的量。0度的桨距角可对应于叶片具有最大空气动力学效率（最高功率点）的位置。当风速高于额定速度时，可以将转子叶片变桨出去以减少传递的能量的量，并以最佳的转子旋转速度操作风力涡轮机。

发电机105配置成将由转子110提供的机械能转换成电能。转子110以一定的旋转速度施加一定的转矩，并且发电机105产生相应的功率。在发电机绕组中流动的电流的量I通常与转矩的水平τ成比例：

I = k * τ（1）

其中，k是由发电机的特性决定的比例。功率P和τ之间的关系是：

τ= P /ω，（2）

其中ω是发电机的旋转速度。

如上所述，由部件产生的热量与流过相应导体的电流的平方成比例。通过减小发电机转矩，可以相应地减小电流水平。发明人已经认识到，可以通过增加发电机的旋转速度以减小转矩来减小电流水平。根据上述关系，可以降低转矩，同时可以使发电机的功率输出保持恒定。由此，发电机绕组中的电流以及因此的热量可以显著降低，同时发电机的功率输出可以保持恒定。使用更高的旋转速度来降低部件温度与常规解决方案相反，在常规解决方案中，通常认为机器在以更高的速度操作时会产生更多的热量。特别地，如本申请的背景技术部分中所概述的，减少风力涡轮机中的热量产生的常规方法降低了转子速度以减少热量产生的量。

风力涡轮机100还包括转换器130，该转换器130例如通过执行AC到AC转换来转换由发电机105产生的电功率。转换器130可以包括发电机侧转换器131（特别是整流器）以及电网侧转换器132（特别是逆变器）。转换器130可以使所产生的电功率的频率和/或相位适应电网160的频率和/或相位。整流器和逆变器通过DC链接耦接。

此外，提供了变压器140，用于将转换器130的输出耦接到电网160。变压器140可以将产生的电功率升高到传输到电网160中所需的电压。变压器140可以是风力涡轮机100的一部分，或者可以是单独的部件。

风力涡轮机100还可以包括冷却系统150，其可以是采用例如液体或空气作为冷却介质的主动冷却系统。冷却系统150可以被配置为冷却风力涡轮机100的一个或更多个部件，例如发电机105、转换器130和/或变压器140。风力涡轮机的控制单元10可以被配置为控制冷却系统150，例如通过控制提供给由冷却系统150冷却的风力涡轮机100的一个或更多个部件的冷却的量。

风力涡轮机100可包括电缆和连接相应电气部件的总线。例如，功率电缆120将发电机105连接到转换器130。可以在转换器130与变压器140之间以及在变压器140与电网160之间提供另外的对应电连接。

风力涡轮机100的电力传动系统包括发电机105、例如电缆120的功率电缆、转换器130、变压器140，并且可以包括另外的部件，例如用于调节无功功率的量的功率调节器。电力传动系统的部件产生的热量至少部分与系统中的电流成比例（特别是与其平方成比例）。例如，热量由发电机105的绕组中的电流、由功率电缆120中的电流、以及由转换器130的半导体开关中的电流产生。通常，发电机105是电力传动系统中受热量影响最严重的部件，并且因此可以作为限制因素。风力涡轮机100可包括另外的热量产生部件，在该热量产生部件中，热量产生不直接与传动系中的电流成比例。

控制单元10获得关于一个或更多个热量产生部件的温度的信息。例如，发电机105可以包括温度传感器106，其将指示发电机温度的信号提供给控制单元10。风力涡轮机100的一些部件可能已经包括温度传感器或其它温度检测装置，并且传感器电缆或数据通信总线可以将此类部件连接至控制单元10，从而控制单元10可以通过该数据连接来接收温度信息。在其它示例中，可以提供专用的温度传感器，例如用于感测功率电缆120的温度。因此，控制单元10能够确定一个或更多个热量产生部件（并且特别是发电机105）的温度。

控制单元10被配置为确定相应热量产生部件的温度的预定升高的存在，如在下文中关于图2更详细地描述的。如果控制单元10确定存在预定的温度升高，则控制单元10控制发电机的旋转速度以增加发电机的旋转速度。如上面关于等式2所概述的，这允许转矩减小，同时可以保持发电机的电功率输出。为了提高发电机105的旋转速度，控制单元10可以例如通过改变转子叶片111的桨距来控制转子110的旋转速度。控制器10可以例如调节桨距，从而被定向为更接近于最大空气动力学效率，并且转子速度被增加或被调节为目标速度。控制器10还被配置为保持发电机105的功率输出恒定，或者减小发电机105的功率输出，同时增加其旋转速度。

可以通过控制转换器130来调节从发电机105获取的功率的量，例如发电机105上的电负荷。例如，可以控制转换器130的开关周期以确定来自发电机的功率输出。发电机侧转换器131可以是PWM整流器，其开关周期可以被控制以确定功率输出。在其它示例中，电网侧转换器132可以是PWM逆变器，该PWM逆变器的开关周期可以被控制以确定功率输出。应该清楚的是，存在其它可能性来控制从发电机105汲取的电流的量，并且这些可以被控制单元10用来控制来自发电机105的功率输出。

转换器130可以例如包括转换器控制器，并且控制单元10可以向转换器控制器提供用于转换器130从发电机105汲取的功率的量的设定点，即用于转换器130施加给发电机105的电负荷。

因此，控制单元10可以被配置为独立地控制转子110（以及因此发电机105）的旋转速度以及来自发电机105的功率输出。通过在保持发电机105的输出功率恒定的同时增加发电机105的旋转速度，可以限制发电机105产生的热量，同时由风力涡轮机100产生的电功率可以保持恒定。

在其它实施例中，控制单元10可以以比发电机的旋转速度的增加更小的比例来增加发电机的电功率输出。从等式（2）可以看出，输出功率的这种较小的增加仍将导致发电机转矩的减小，从而可以实现发电机中以及因此下游电气部件中的电流水平的减小。由此可以减少由于发电机中以及这种部件（特别是电力传动系统的部件）中的电损耗而产生的热量。功率输出的百分比增加例如可以小于发电机旋转速度的百分比增加的90％，70％，50％或25％。

风力涡轮机100不限于任何特定类型的风力涡轮机。它可以与不同种类的发电机一起操作，例如永磁体同步发电机、异步发电机、双馈感应发电机等。其进一步不限于如图1中所示的全转换器解决方案，但是可以包括用于调节功率输出的不同系统。

图2是示出可以在图1的风力涡轮机100中采用的风力涡轮机控制单元10的实施例的示意图。控制单元10包括数据处理器11，例如微处理器，数字信号处理器（DSP），专用集成电路（ASIC）等。其还包括存储器12。存储器12可以包括易失性和非易失性存储器，例如RAM，ROM，闪存，硬盘驱动器等。存储器12存储可以由数据处理器11执行的控制指令。控制指令和控制单元10可以被配置为执行本文描述的任何方法。控制单元10可包括该控制单元共有的另外的部件，例如用于与本文所述的风力涡轮机的部件进行通信的输入/输出接口，例如用于接收包括关于风力涡轮机部件的温度的信息的数据信号并用于将控制信号传递给风力涡轮机的部件。

控制器10接收一个或更多个风力涡轮机部件的部件温度T_C作为输入。在图2的示例中，控制器10接收发电机温度T_Gen，转换器温度T_Conv和电缆温度T_Cable。在其它实施例中，可以接收更多或更少的温度，例如仅接收发电机温度。控制单元10还可以接收关于风力涡轮机100的操作参数OP的信息，例如关于转子110的旋转速度的信息，关于发电机105的实际功率输出的信息，关于主要风状况的信息等。

基于接收到的信息，控制器10控制风力涡轮机100的操作。控制单元10例如向桨距控制系统112提供控制信号，以单独地或共同地调节转子叶片111的桨距。控制单元10可以例如传送用于转子叶片桨距的设定点，或者可以直接控制桨距控制系统112的致动器。在图2的示例中，控制单元10还向转换器130提供控制信号以控制来自发电机105的功率输出。控制单元10可以例如向转换器130提供目标功率输出或目标电流值，使得转换器130可以基于该目标值来调整其操作。

控制单元10可以与风力涡轮机100的另外的部件通信，例如与冷却系统150通信。其可以接收关于可从冷却系统150获得的冷却能力以及关于提供给风力涡轮机100的不同部件的冷却的信息。控制单元10可以向冷却系统150提供控制信号，以控制提供给风力涡轮机100的相应部件的冷却量。例如，如果风力涡轮机的不受电力传动系统中的电流的减小影响的部件的温度变得太高，则控制单元10可以通过本文所述的任何方法来减小发电机中的电流，并且可以通过控制冷却系统150将冷却能力从发电机重新引导到相应部件。应该清楚的是，还可以减少风力涡轮机的其它系统的冷却需求，并且控制器10可以根据需要将冷却能力重新引导到风力涡轮机100的部件。

参考图3-5，描述了操作控制单元10和风力涡轮机100的几种方式。

图3示出了三个示意图，其示出了根据该方法的实施例的控制单元10的操作。图301示出了根据时间t的部件温度T_C，其例如可以是发电机105的温度。图302示出了转子110的旋转速度ω。图303示出了发电机105产生的输出功率P，即来自发电机105的功率输出。

如上所述，可以为风力涡轮机限定转子速度包络线（envelope），该包络线建立风速和功率输出水平的每种组合所允许的最大转子速度。最大转子速度通常受风力涡轮机的结构和机械负荷约束所限制。在图3中，转子110的最大可允许旋转速度示出为ω_max，但应该清楚，该值取决于风力涡轮机的由相应的转子速度包络线所限定的操作条件。

应当清楚的是，图中所示的操作条件仅用于说明目的，并且在实际操作条件下看起来将会有所不同。

控制器10可以以温度阈值T_thres进行操作，其中，热量产生部件的操作温度应保持在温度阈值以下。T_thres例如可以是仍然可以在其中操作部件的温度范围的下边界，但是应当限制该温度范围内的操作时间以增加部件的寿命。因此，T_thresh可以是一个软极限，并且控制单元10可操作以使部件在该温度范围内操作的时间的量最小化。对于发电机105，取决于发电机的绝缘等级，这样的温度范围可以例如在125℃和145℃之间，或在145℃和165℃之间。该温度范围的上限可以构成第二温度阈值，在该第二温度阈值之上可以预期对部件的损坏。如果部件温度超过该第二硬阈值，则控制器10可以采取进一步的动作来减少相应部件的热量产生，以避免损坏部件，例如通过显著减少来自发电机的功率输出或通过关闭风力涡轮机。

在其它实施例或操作模式中，温度阈值T_thresh可能已经是硬温度阈值，超过该温度阈值不应操作部件。

曲线201示出了部件温度。在图3的示例中，部件温度升高直到在时间t₁达到阈值温度。如果控制单元检测到部件温度已达到或超过温度阈值，则其通过增加转子的旋转速度以增加发电机速度来控制发电机速度。如可在图302中可以看出，控制单元10在t₁处增加曲线202中所示的转子的旋转速度直至最大允许旋转速度ω_max。控制单元10特别调整转子叶片的共同桨距位置，使得所述转子到达ω_max。同时，控制单元10将来自发电机的功率输出保持恒定，特别是在额定水平下（图303中的曲线203）。如上面详细解释的那样，这将限制发电机转矩，并且结果是发电机中的电流水平降低。该操作模式可以被称为转矩限制模式。因此，减少了风力涡轮机部件中的热量产生。

因此，在时间t₂，热量产生部件中的温度升高被减小，并且部件温度再次下降到温度阈值以下。在检测到部件温度已经降低到温度阈值以下时，控制单元10将转子的旋转速度减小到主要条件下的额定旋转速度，特别是先前的旋转速度。然后，风力涡轮机可以继续以标称操作参数操作。

通过提供转子旋转速度的这种阶跃变化，可以相对简单和直接地实现控制以及因此的温度限制模式。除了转子速度的这种阶跃变化之外，当然还可以提供更复杂的控制。例如，可以设置控制反馈回路，该控制反馈回路使用部件温度201和温度阈值T_thresh之间的差作为误差信号，并且通过调节转子叶片的桨距位置来控制转子速度，从而最小化该误差信号。这种反馈控制回路可以给出转子的目标速度。特别地，可以采用比例积分（PI）反馈。转子的旋转速度然后可能仅逐渐增加并且可能不会达到最大允许旋转速度。

关于图3描述的控制方法可以特别地用于转子速度低于由转子速度包络线限定的最大允许转子速度的情况，并且因此可以进一步被增加。此外，如果风速足以用于额定功率产生，即，转子叶片尚未变桨以实现最大的空气动力学效率，则是优选的。

此外，除了采用温度阈值之外，该控制方法还可以采用速度阈值来限制部件温度升高的速度。因此，当部件的温度升高速度达到或超过预定的温度升高速度阈值时，可以增加转子速度。通过考虑温度的升高速度，可以在通过提高转子的旋转速度达到温度阈值T_thresh之前采取对策来抵抗温度升高。当使用控制反馈回路时，可以采用PID（比例积分微分）控制回路。

注意到，当在t₁处增加转子的旋转速度时，来自发电机的功率输出也可以以小于旋转速度增加的比例增加。从等式（2）可以看出，即使当发电机的功率输出以这种较小的比例增加时，仍然实现了转矩减小和相关的冷却效果。

如果风速低于产生风力涡轮机的额定输出功率所需的风速，则控制单元10可以控制风力涡轮机的操作，如图4的示意图所示。在这种情况下，转子叶片通常在最佳位置处变桨以实现最大的空气动力学效率。如果部件温度达到温度阈值T_thresh，则控制单元10保持转子叶片的最佳桨距并且不降低转子的旋转速度。如图403中所示，控制单元10逐渐减小来自发电机105的功率输出，由于减小了发电机的负荷，因此转子速度如曲线202所示增加。同样，反馈回路、特别是PI控制器，可以控制功率输出的减小，以便实现由PI控制器确定的目标转子速度，并限制风力涡轮机部件的温度升高。由于空气动力学的影响，在这种情况下转子速度的增加与功率输出的减少具有非线性关系。结果，与通过控制转子叶片的桨距来减小功率输出并且使转子速度保持恒定或减小的方法相比，当采用这种类型的控制时，转矩的总体减小将甚至更高。在该示例性控制方法中，有效地限制了风力涡轮机部件中的热量产生，同时即使在这些低风情况下，风力涡轮机的功率输出也保持较高。

应当清楚的是，关于图3解释的控制方法的变型同样适用于关于图4解释的方法。例如，曲线203中所示的功率输出可能不会逐渐减小，并且可能不会通过利用反馈回路而减小，但是其可以通过使用阶跃函数来减小，以简化控制。

图5示出了风力涡轮机已经以最大允许转子速度ω_max操作的情况，如在图502的曲线202中所示，或其中，在上述控制方法中的一个期间达到这样的最大允许转子速度。在这种情况下，转子110的旋转速度不能进一步增加，因为这可能导致转子和风力涡轮机的损坏。当部件温度达到t₁处的温度阈值时，控制单元10通过减小来自发电机105的功率输出，例如通过如上所述地控制转换器130来减小发电机转矩（曲线203）。此外，控制单元10控制转子速度，使得转子将继续以由相应转子速度包络线限定的最大允许旋转速度来操作。具体地，控制单元10可调节转子叶片的桨距，使得旋转速度被维持在ω_max。当部件温度或温度上升速度已经充分降低时，控制单元10将中断功率输出削减。

该方法可以例如与关于图3描述的方法结合。仅转子速度增加到ω_max可能不足以降低风力涡轮机部件的温度。如果部件温度在一定时间范围内保持高于阈值，或者如果部件温度继续升高，或者如果部件温度达到或超过第二温度阈值，则控制单元10可以额外减少发电机105的功率输出，以降低部件温度，如图5中所示。如所描述的，转子速度可以继续以允许的最大速度操作，并且仅在温度或温度升高速度足够低以使得功率输出削减可以中断时才将降低回到标称操作速度。转子速度可以逐渐降低回到标称值，或者也可以按照图3中所示的步骤降低。

同样，关于图3所描述的变型同样适用于关于图5所描述的方法，并且可以执行输出功率的简单步进控制，或者可以通过反馈回路来控制输出功率，特别是通过PI控制器。

应当清楚的是，控制单元10可以实现以上关于图3至图5描述的控制方法中的一种、两种或每一种，并且可以根据诸如部件温度、风况和转子的旋转速度等主要状况来选择要采用的方法。

通常，风力涡轮机并不总是以转子速度包络线允许的最大速度操作。而是，在正常操作期间可以将转子速度保持较低，以减小部件上的应力和疲劳，从而降低噪声并减小风力涡轮机转子叶片的前缘腐蚀。因此，本发明的实施例暂时采用较高的转子速度以减少热量产生。通过较高的转子速度，可以实现转矩降低，该转矩降低被用作控制特征，并在测量风力涡轮机部件温度的基础上得到积极应用。

特别地，通过本发明的实施例，在环境温度较高的情况下或冷却系统中存在故障的情况下，可以提高发电机的性能。特别地，本发明方法的实施例即使在这种类型的状况下也允许风力涡轮机的输出功率保持相对较高。风力涡轮机部件的温度升高得到了抑制，同时风力涡轮机继续在主要状况下以最大可能水平产生电功率。

图6示出了流程图，所述流程图示出了根据本发明的方法的实施例。所述方法对应于图3中所示的状况。在步骤601处，针对相应的主要状况，特别是风速和涡轮机特性，以标称旋转速度操作转子。在步骤602中，测量例如发电机的热量产生部件的温度。在判定步骤603中，确定热量产生部件的所测量的温度T是否超过温度阈值。如上所述，可以附加地或替代地确定热量产生部件的温度升高速度是否超过相应的升高速度阈值。如果所测量的温度未超过阈值，则风力涡轮机将继续以标称旋转速度操作。如果超过温度阈值，则转子的旋转速度增加，同时发电机的功率输出不增加，并且特别地保持恒定（步骤604）。由此，减小了发电机中的发电机转矩和电流。在步骤605中，测量热量产生部件的温度。在判定步骤605中，再次将部件的所测量的温度与温度阈值进行比较，该温度阈值可以与步骤603中的阈值相同或可以为不同的阈值（例如，用于减小摆动效应）。如果在步骤606中确定部件的温度仍然超过阈值，则转子的旋转速度保持在增加的水平，或者进一步增加（步骤607）。如果无法停止温度升高（图5中的虚线）或部件的温度进一步升高至第二阈值（图5中的T_thresh2）以上，则可以采用输出功率削减（图5中的曲线部分205）或可以关闭风力涡轮机，以避免相应部件、特别是发电机的任何损坏。

如果确定部件温度不再超过阈值，则将转子的旋转速度再次降低回到标称旋转速度（步骤608）。针对相应的主要状况，风力涡轮机的操作以转子的标称旋转速度继续进行（步骤601）。

转子的旋转速度的调整可以再次由反馈控制器执行，该反馈控制器例如实现图6中所示的回路并且逐渐增加转子的旋转速度，或者可以简单地将转子速度设置为较高的转子速度，例如最大允许旋转速度。

应当清楚的是，该方法可以进一步包括上文所述的任何步骤，并且尤其是关于图3至图5所述的步骤。此外，应该清楚的是，控制单元10可以被配置为执行本文描述的任何方法。

图7的示意图示出了如何控制来自发电机105的功率输出的示例。通常，发电机产生的功率可用等式P〜IVcosΦ描述，其中P是有功功率（瓦），I是电流（安培），V是电压（伏特），而cos（Φ）是功率因数。

当发电机旋转时，发电机产生的电压（也称为反电动势或反emf）通常会线性增加。根据上述所产生的功率的等式，随着电压的增加，可以通过消耗较少的电流来保持从发电机输出的功率恒定。因此有可能以相同的功率因数获得相同的功率。反emf随着发电机旋转速度ω_GEN的增加在图7中以附图标记701示出。

风力涡轮机的电气系统，特别是动力传动系的相应部分的电气系统可能具有电压极限，不应超过该电压极限，以避免损坏相应的部件或缩短其寿命。图7示出了相应的电压极限702，该电压极限702在以附图标记703示出的旋转速度极限处达到。如果旋转速度继续增加超过该极限703，则于是控制单元10可以控制转换器130，使得电压保持相同，但是功率因数增加到接近1（滞后）。这在图7的示意图的曲线部分704处示出。从上面的等式可以看出，通过增加功率因数并保持功率和电压恒定，可以减少从发电机汲取的电流。因此，可以实现发电机和下游电气部件中热量产生的减少，和/或通过减少热量产生而释放的冷却能力可以被重新引导。

功率因数的调节可以由控制单元10通过控制被配置为允许调节发电机处的有功和无功电流之间的平衡的功率转换器来执行。附加地或替代地，可以通过提供一个或更多个电容器组来控制无功功率，所述电容器组可以在控制单元10的控制下切换到电路中。因此，可以向网络供应无功功率。

存在用于控制发电机的功率输出和功率因数的其它可能性。例如，可以控制同步发电机的转子场电流的大小，以调节所产生的无功功率。

尽管本文公开了特定的实施例，但是在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种改变和修改。本实施例在所有方面都应被认为是说明性的和非限制性的，并且落入所附权利要求的含义和等同范围内的所有改变都旨在被包含在其中。

Claims

1.一种控制风力涡轮机（100）的操作的方法，所述风力涡轮机（100）包括转子（110）、发电机（105）和至少一个热量产生部件（105、130、140），其中，所述方法包括：

获得所述热量产生部件（105、130、140）的温度；

确定所述热量产生部件（105、130、140）的温度的预定升高的存在；和

当确定存在预定的温度升高时，控制所述发电机（105）的旋转速度以增加所述发电机（105）的旋转速度，同时不增加所述发电机（105）的电功率输出，或同时以比发电机的旋转速度的增加更小的比例来增加所述发电机（105）的电功率输出，以便降低所述发电机（105）中的电流水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，控制所述发电机（105）的旋转速度包括：控制所述转子（110）的旋转速度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过调节所述转子（110）的转子叶片（111）的桨距来增加所述转子（110）的旋转速度，从而增加所述发电机（105）的旋转速度。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，控制所述发电机（105）的旋转速度包括：控制来自所述发电机（105）的功率输出。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，增加所述发电机（105）的旋转速度包括：减少来自所述发电机（105）的功率输出，其中，保持或调节所述转子（110）的转子叶片（111）的桨距，从而提高所述转子叶片（111）的空气动力效率，同时减小来自所述发电机（105）的功率输出。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，控制所述发电机（105）的旋转速度以增加所述发电机的旋转速度包括：将所述转子（110）的旋转速度设定为最大允许旋转速度，或者逐渐增加所述转子（110）的旋转速度。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述转子（110）的旋转速度基于所述热量产生部件（105、130、140）的温度和/或温度升高的速度而由反馈回路控制。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定所述热量产生部件（105、130、140）的温度的预定增加的存在包括：将所述热量产生部件（105、130、140）的温度（T_C）与温度阈值（T_thresh）进行比较并确定所述温度等于或大于所述温度阈值，和/或其中，确定所述热量产生部件（105、130、140）的温度的预定增加的存在包括：将所述热量产生部件的温度升高的速度与升高速度阈值进行比较并确定所述温度升高的速度等于或大于所述升高速度阈值。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，如果所述转子（110）以最大允许旋转速度旋转或达到所述最大允许旋转速度，并且所述热量产生部件（105、130、140）的温度或所述热量产生部件的温度增加速度达到或超过相应的预定阈值，则所述方法还包括减少来自所述发电机（105）的功率输出。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过调节所述转子叶片（111）的桨距，所述转子（110）继续以最大允许旋转速度操作。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，不增加所述发电机（105）的功率输出包括：控制所述发电机或耦接至所述发电机（105）的电转换器（130），使得来自所述发电机（105）的功率输出不增加。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述热量产生部件（105、130、140）是如下中的至少一个：所述发电机（105）、由于与电功率的产生相关的电损耗而产生热量的部件、以及由向所述发电机（105）提供冷却的冷却系统（150）冷却的部件。

13.一种用于风力涡轮机（100）的风力涡轮机控制单元，所述风力涡轮机（100）包括转子（110）、发电机（105）和至少一个热量产生部件（105、130、140），其中，所述控制单元（10）包括：

输入，所述输入被配置为接收所述热量产生部件（105、130、140）的温度（T_C）的指示；

输出，所述输出被配置为传输控制信号以控制所述发电机（105）的旋转速度；和

处理单元（11、12），所述处理单元（11、12）被配置为执行前述权利要求中的任一项所述的方法。

14.一种风力涡轮机（100），包括：

转子（110）；

耦接到所述转子（110）的发电机（105）；

至少一个热量产生部件（105、130、140）；和

根据权利要求13所述的风力涡轮机控制单元（10）。

15.一种用于控制风力涡轮机（100）的计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质包括控制指令，所述控制指令在由数据处理器（11）执行时使所述数据处理器（11）执行根据权利要求1至12中的任一项所述的方法。