CN111828251A - 用于风力涡轮的无功功率控制的系统和方法 - Google Patents

用于风力涡轮的无功功率控制的系统和方法 Download PDF

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K.V.R.贾迪拉朱
O.雷
K.扎
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Abstract

一种用于操作功率生成系统来向负载提供有效功率和无功功率的方法和相关联的系统，其包括用具有开关元件的功率转换器从发电机接收功率和在发电机转子速度的操作范围内生成无功功率。在发电机转子速度改变且接近同步速度时，生成控制命令来将功率转换器中的开关元件的开关频率从第一开关频率减小到第二开关频率，其中功率转换器的无功功率输出在第二开关频率下保持或增加。

Description

用于风力涡轮的无功功率控制的系统和方法
技术领域
本公开内容大体上涉及风力涡轮，且更特别地涉及通过控制双馈感应发电机(DFIG)系统中转子侧转换器(RSC)的开关频率来增强风力涡轮的无功功率能力的系统和方法。
背景技术
大体上，在风力涡轮的操作期间，风冲击转子叶片，且叶片将风能转换为驱动低速轴的机械转矩。低速轴驱动齿轮箱，该齿轮箱随后提高低速轴的低旋转速度，以增加的旋转速度驱动高速轴，其中高速轴可旋转地驱动发电机转子。在许多常规的风力涡轮配置中，发电机电联接到双向功率转换器，该双向功率转换器包括经由调节的DC链路连结到线路侧转换器(LSC)的转子侧转换器(RSC)。RSC和LSC中的每个典型地包括脉宽调制开关装置组，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT模块)。LSC将DC链路上的DC功率转换为AC输出功率，该AC输出功率与来自发电机定子的功率组合来提供多相功率，该多相功率具有基本保持在电网总线的频率(例如50Hz或60Hz)处的频率。
上文系统大体上被认为是双馈感应发电机(DFIG)系统，该系统的操作原理包括转子绕组经由滑环连接到电网且功率转换器控制转子电流和电压。转子电压和电流的控制使发电机能够在风力涡轮速度变化(例如，转子频率可不同于电网频率)时保持与电网频率同步。而且，来自DFIG系统的无功功率的主要来源是经由发电机来自RSC(发电机定子侧无功功率)和来自LSC(发电机线路侧无功功率)。使用功率转换器(特别是RSC)来控制转子电流/电压使得可能独立于发电机的旋转速度来调整从RSC馈送到电网的无功功率(和有效功率)。另外，发电机能够输入或输出无功功率，这允许系统在电网上极端电压波动期间支持电网。
典型地，在稳态和瞬态状况期间由风场向电网供应的无功功率的量通过由电网操作者指示的代码要求来确定，其中风场控制器确定对风场内每个风力涡轮所提的无功功率需求。每个风力涡轮处的本地控制器在发电机源之间(例如，在发电机侧无功功率与线路侧无功功率之间)接收和分配无功功率需求。
在发电机速度接近同步速度时，转子基频接近DC(其中IGBT的热循环最大)，导致在同步速度处或附近转子侧IGBT的峰值温度。这导致RSC的总输出电流能力的降低，且因此导致RSC的无功功率能力上的降低。典型地，对于所有转子速度，DFIG功率转换器的转子侧上的开关频率保持在升高的频率(例如，约2000或3000Hz)处。虽然对于同步发电机转子速度处或附近的大多数操作速度，该升高的开关频率是期望的，它在IGBT中生成峰值温度和热循环应力且限制DFIG系统的无功功率能力。
另外，因为电流谐波通过发电机从转子侧馈送到定子侧且然后直接到输电公用电网，DFIG发电机在同步速度处或附近操作更加复杂。这些谐波必须控制到由公用电网谐波要求所指示的水平。
编号为8,853,876的美国专利描述一种用于操作风力涡轮中的DFIG功率生成系统的系统和方法。当发电机在同步速度处或附近时，生成控制命令来将功率转换器中的开关元件的开关频率控制到基本等于负载基频的所调整的开关频率。通过随着发电机速度上的减小来减小开关频率，可减小开关元件中的功率损耗。随着功率损耗上的此类减小，还可减小开关元件中的温升，这可提供功率转换器的输出电流能力方面的额外裕度且还可增加开关元件的构件寿命。另外，通过使开关频率与电网的基频紧密匹配，还可获得馈通到转换器的线路侧的谐波量上的减小，从而减小到电网的谐波失真。
编号为9,625,921的美国专利描述一种用于调节功率转换器中的IGBT的温度来减小热应力和延长装置寿命的方法。当IGBT不在预定温度范围内时，修改装置的开关频率以使IGBT在温度范围内。
以实时增强系统的无功功率生成能力同时将谐波失真保持在极限内的方式操作功率生成系统(诸如风力涡轮DFIG系统)中的功率转换器的系统和方法将是行业中所期望的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明来学习。
在一方面，本公开内容涉及一种用于操作向负载供应有效功率和无功功率的功率生成系统的方法。系统中的功率转换器包括开关元件且接收由发电机生成的交流电功率，该功率转换器在发电机转子速度的操作范围内生成无功功率。在发电机转子速度改变且接近同步速度时，生成控制命令来将功率转换器中的开关元件的开关频率从第一开关频率减小到第二开关频率，其中功率转换器的无功功率输出在第二开关频率下增加。第二开关频率在发电机的实际操作时间内确定，且基于提供在改变的发电机转子速度(诸如在同步速度处或附近的速度)下由功率转换器生成的限定的无功功率值，同时将开关元件保持在限定的热极限内。
通过最大限度地减小由功率转换器引发且转换(transfer)到负载的谐波失真，第二开关频率还可基于将系统的总谐波失真(THD)保持在所限定的极限内，该极限可为由电网操作者指示的极限。
在方法的某一实施例中，功率转换器包括线路侧转换器(LSC)和转子侧转换器(RSC)，其中RSC生成无功功率。
在特定实施例中，在风力涡轮功率生成系统中，发电机(带有LSC和RSC)可为双馈感应发电机(DFIG)。
在一个实施例中，开关元件可为绝缘栅双极晶体管(IGBT)元件。
在特定实施例中，控制器从查找表确定第二开关频率，该查找表使对于不同的发电机转子速度在第二开关频率下生成的无功功率值相互参照(cross-reference)。查找表可将不同的发电机转子速度提供为多个子范围，其中对于每个子范围，第二开关频率提供用于特定的无功功率值。对于发电机转子速度的每个子范围，查找表可提供多个不同的无功功率值和对应的第二开关频率。
在一个实施例中，在特定的发电机转子速度下来自功率生成系统的所需要的无功功率值是预先限定的(例如，基于功率生成系统的已知特性和已知负载要求)，且输入到查找表中以确定第二开关频率。
在备选实施例中，在特定的发电机转子速度下来自功率生成系统的所需要的无功功率值是实时计算或以其它方式确定的(例如，通过测量在转子发电机速度减小到同步速度处或附近之前在发电机的正常操作转子速度(诸如正常的超同步速度)下由功率生成系统供应的无功功率或负载无功功率)，且输入到查找表中以确定第二开关频率。
而且，可确定第二开关频率使得由功率转换器引发且转换到负载的谐波失真在预先限定的极限值内。
本公开内容还包含一种配置成向负载供应有效功率和无功功率的风力涡轮系统，该系统包括风力涡轮转子，该风力涡轮转子包括毂和联接到毂的多个叶片。双馈感应发电机(DFIG)联接到风力涡轮转子且能够在发电机转子速度的范围内操作。功率转换器在操作上配置有DFIG，且包括线路侧转换器(LSC)和转子侧转换器(RSC)，该RSC配置成生成无功功率。控制器与功率转换器通信，且在发电机转子速度改变且接近同步速度时，控制器生成控制命令来将RSC中的开关元件(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)元件)的开关频率从第一开关频率减小到第二开关频率以增加RSC的无功功率输出。第二开关频率由控制器在发电机的实际操作时间内确定，以提供在改变的发电机转子速度(诸如在同步速度处或附近的速度)下由RSC生成的限定的无功功率值，同时将开关元件保持在限定的热极限内。
在系统的特定实施例中，控制器从查找表确定第二开关频率，该查找表使对于不同的发电机转子速度在第二开关频率下生成的无功功率值相互参照。查找表可将不同的发电机转子速度提供为多个子范围，其中对于每个子范围，第二开关频率提供用于特定的无功功率值。对于发电机转子速度的每个子范围，查找表可提供多个不同的无功功率值和对应的第二开关频率。
在系统的一个实施例中，在特定的发电机转子速度下来自RSC的所需要的无功功率值是预先限定的(例如，基于功率生成系统的已知特性和已知负载要求)，且输入到查找表中以确定第二开关频率。
在系统的备选实施例中，在特定的发电机转子速度下来自RSC的所需要的无功功率值是实时测量的(例如，通过测量在转子发电机速度减小到同步速度处或附近之前在发电机的正常操作转子速度(诸如正常的超同步速度)下由功率生成系统供应的无功功率或负载无功功率)，且输入到查找表中以确定第二开关频率。
本公开内容还包含一种配置成向负载供应有效功率和无功功率的功率生成系统，该系统包括能够在发电机转子速度下操作的发电机。功率转换器联接到发电机且包括配置成生成无功功率的多个开关元件。控制器与功率转换器通信且在发电机转子速度接近同步速度时生成控制命令来将开关元件的开关频率从第一开关频率减小到第二开关频率以增加功率转换器的无功功率输出。第二开关频率由控制器实时确定，且基于提供在改变的发电机转子速度(诸如在同步速度处或附近的速度)下由功率转换器生成的限定的无功功率值，同时将开关元件保持在限定的热极限内。
应理解的是，方法和系统还可包括如本文中描述的额外特征和/或步骤的任何组合。
参照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。结合在该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且连同描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
针对本领域普通技术人员的本发明的完整且开放(enabling)的公开内容(包括其最佳模式)在参照附图的说明书中阐述，在附图中：
图1示出根据本公开内容的风力涡轮的实施例的透视图；
图2示出适合于与图1中示出的风力涡轮使用的风力涡轮电功率系统的一个实施例的示意图；
图3是根据本公开内容的风力涡轮的功率转换器的一个实施例的示意图；
图4是根据本公开内容的用于操作连接到功率电网或负载的电功率系统的功率转换器的开关装置的方法的一个实施例的流程图；以及
图5是根据本公开内容的方面的查找表的示例。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个示例在图中示出。每个示例提供作为本发明的解释，不是本发明的限制。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出各种修改和变化。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使用，以产生更进一步的实施例。因此，意图的是，本发明覆盖如落入所附权利要求书和其等同物的范围内的此类修改和变化。
大体上，本主题涉及一种用于操作功率生成系统(诸如配置有双馈感应发电机(DFIG)系统的风力涡轮)的系统和方法。如提到的，在系统和方法的特定实施例中，本主题涉及一种用于操作风力驱动的DFIG的功率转换器的系统和方法，使得增加当发电机在其同步速度处或附近操作时功率转换器的无功功率输出，同时将开关元件保持在限定的热极限内且控制由转换器引入的谐波失真。例如，在正常的功率生成速度下，DFIG典型地在超同步速度下操作。然而，在特定的操作模式期间(例如，在风力涡轮系统的噪声减小的操作模式期间)，发电机可在其同步速度处或附近的速度下操作，其中功率转换器的无功功率能力由开关元件(例如，IGBT)的热循环约束所限制。在此类情况下，本方法和系统提出通过将开关元件的开关频率减小到一定频率来增加功率转换器的无功功率输出，该频率由控制器实时确定且基于在不同的发电机转子速度下从功率转换器提供预先限定的无功功率值。减小的开关频率还基于将开关元件保持在限定的热极限内(例如，在装置的热循环期间低于限定的Δ温度值)。
虽然不限于此类配置，出于解释的目的，本文中参照风力涡轮功率生成系统(且更特别地参照向电网供应有效功率和无功功率的风力涡轮DFIG系统)来描述本发明的本方法和系统方面。
现在参照图，图1示出风力涡轮10的一个实施例的透视图。如示出的，风力涡轮10大体上包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16，以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转毂20以及联接到毂20且从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在示出的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可围绕毂20间隔，以便于旋转转子18来使动能能够从风转换为可用的机械能且随后转换为电能。例如，如下文将描述的，转子18可以可旋转地联接到发电机120(图2)，以允许产生电能。
风力功率生成典型地由具有大量(通常为100个或更多个)风力涡轮的风场提供，其中每个单独的风力涡轮10典型地经历独特的风力。因此，用于每个单独的风力涡轮发电机120的输出功率可在风场内从一个风力涡轮10变化到另一风力涡轮10。
如大体上理解的，由每个风力涡轮发电机120提供有功功率(P)和无功功率(Q)。在一些实施例中，场级控制器基于输电电网的需要(其可由电网操作者指示或基于电网电压来确定)向风力涡轮发电机120提供无功功率命令。对于每个风力涡轮发电机，(Q)需求可相同。在备选的控制方法中，如在例如公开号为2015/0295529的美国专利中描述的，无功功率命令可基于相应风力涡轮发电机120的不同功率生成特性来对风场中的风力涡轮发电机120单独定制。应了解的是，本发明不限于其中对单独的风力涡轮发电机120生成无功功率命令的方式或方法。
现在参照图2，示出根据本主题的方面的风力涡轮DFIG功率系统100的一个实施例的示意图。虽然本文中将参照图2中示出的系统100来大体上描述本主题，本领域普通技术人员(使用本文中提供的公开内容)应理解，本公开内容的方面也可适用于其它功率生成系统中，且本发明不限于风力涡轮系统。
在图2的实施例中，风力涡轮10(图1)的转子18可以可选地联接到齿轮箱118，齿轮箱118继而联接到发电机120，发电机120可为双馈感应发电机(DFIG)。
如示出的，DFIG 120连接到定子总线154。功率转换器经由转子总线156连接到DFIG 120，且经由线路侧总线188连接到定子总线154。定子总线154从DFIG 120的定子提供输出多相功率(例如三相功率)，且转子总线156从DFIG 120的转子提供输出多相功率(例如三相功率)。功率转换器162包括转子侧转换器(RSC)166和线路侧转换器(LSC)168。DFIG120经由转子总线156联接到转子侧转换器166。另外，RSC 166经由DC链路136联接到LSC168，DC链路电容器138横跨DC链路136。LSC 168继而联接到线路侧总线188。
如将关于图3更详细论述的，RSC 166和LSC 168可配置成用于使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关元件的三相脉宽调制(PWM)布置中的正常操作模式。
另外，功率转换器162联接到转换器控制器174，以便控制转子侧转换器166和线路侧转换器168的操作。应注意的是，在若干实施例中，控制器174可配置为功率转换器162与本地控制器176之间的接口且包括任何数量的控制装置。在一个实施例中，转换器控制器174可包括执行存储在计算机可读介质中的计算机可读指令的处理装置(例如微型处理器、微型控制器等)。指令在由处理装置执行时可引起处理装置执行操作，包括向功率转换器162的开关元件提供控制命令(例如开关频率命令)。
应了解的是，转换器控制器174和本地风力涡轮控制器176可各自对应于任何适合的计算装置和/或计算装置的任何组合。例如，控制器可包括一个或多个处理器以及配置成执行多种计算机实施的功能的相关联的存储器装置。如本文中使用的，用语“处理器”不仅指本领域中被认为是包括于计算机中的集成电路，而且指控制器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路。另外，存储器装置大体上可包括存储器元件，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)、软盘、光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它适合的存储器元件。此类存储器装置大体上可配置成存储适合的计算机可读指令，该计算机可读指令在由处理器实施时使控制器配置成执行各种功能，诸如本文中公开的步骤。
如提到的，对于单独的DFIG风力涡轮功率系统100，无功功率(Q)主要通过RSC经由发电机120和通过LSC来供应。
在典型的配置中，还可包括各种线路接触器和断路器，其包括例如电网断路器182，以用于在连接到负载(诸如电网184)或从负载断开期间隔离对DFIG 120的正常操作所必需的各种构件。例如，系统断路器178可将系统总线160联接到变压器180，变压器180可经由电网断路器182联接到电网184。在备选实施例中，保险器可替代断路器中的一些或全部。
在操作中，通过旋转转子18在DFIG 120处生成的交流电功率经由双路径(其由定子总线154和转子总线156限定)提供至电网184。在转子总线侧156上，正弦多相(例如三相)交流电(AC)功率提供至功率转换器162。转子侧功率转换器166将从转子总线156提供的AC功率转换为直流(DC)功率，且将DC功率提供至DC链路136。如大体上理解的，在转子侧功率转换器166的桥接电路中使用的开关元件(即，IGBT)可调制成将从转子总线156提供的AC功率转换为适合于DC链路136的DC功率。
另外，线路侧转换器168将DC链路136上的DC功率转换为适合于电网184的AC输出功率。特别地，在线路侧功率转换器168的桥接电路中使用的开关元件(例如IGBT)可调制成将DC链路136上的DC功率转换为线路侧总线188上的AC功率。来自功率转换器162的AC功率可与来自DFIG 120的定子的功率组合，以提供具有基本保持在电网184的频率(例如50Hz或60Hz)处的频率的多相功率(例如三相功率)。
另外，各种断路器和开关(诸如电网断路器182、系统断路器178、定子同步开关158、转换器断路器186和线路接触器172)可包括于风力涡轮功率系统100中，以连接或断开对应的总线，例如，当电流过大且可损坏风力涡轮功率系统100的构件时或出于其它操作考虑。额外的保护构件也可包括于风力涡轮功率系统100中。
而且，功率转换器162可经由转换器控制器174从本地控制器176接收控制信号。控制信号尤其可基于风力涡轮功率系统100的感测状况或操作特性，且提供用于功率转换器162的操作的控制。例如，呈DFIG 120的感测速度形式的反馈可用来控制来自转子总线156的输出功率的转换，以保持合适且平衡的多相(例如三相)功率供应。特别地，如下文将描述的，感测速度可用作用于调整开关元件的开关频率的基础(例如，当DFIG 120在其同步速度处或附近操作时)。来自其它传感器的其它反馈也可由控制器174用来控制功率转换器162，包括例如定子和转子总线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可生成开关控制信号(例如用于IGBT的栅定时命令)、定子同步控制信号和断路器信号。
功率转换器162还补偿或调整来自转子的三相功率的频率，以用于例如毂20和叶片22处的风速上的改变。因此，机械和电气转子频率去耦，且便于电气定子和转子频率匹配，基本独立于机械转子速度。
在一些状况下，功率转换器162的双向特性(且特别是LSC 168和RSC 166的双向特性)便于使生成的电功率中的至少一些反馈到发电机转子中。更特别地，电功率从定子总线154传输到线路侧总线188，且随后通过线路接触器172且进入功率转换器162，特别是LSC168，LSC 168用作整流器且将正弦三相AC功率整流成DC功率。DC功率传输到DC链路136中。电容器138通过便于减轻DC波纹(有时与三相AC整流相关联)以便于减轻DC链路电压幅度变化。
DC功率随后传输到RSC 166，RSC 166将DC电功率转换成带有预定电压、电流和频率的三相正弦AC电功率。该转换经由控制器174监测和控制。转换的AC功率经由转子总线156从RSC 166传输到发电机转子。以该方式，通过控制转子电流和电压以便于发电机无功功率控制。
现在参照图3，示出根据本主题的方面的图2中示出的功率转换器的一个实施例的示意图。如示出的，转子侧转换器(RSC)166包括多个桥接电路(例如H桥电路)，其中输入到转子侧转换器166的转子总线156的每个相联接到单个桥接电路。另外，线路侧转换器(LSC)168还可包括多个桥接电路。类似于转子侧转换器166，线路侧转换器168还包括用于线路转换器168的每个输出相的单个桥接电路。在其它实施例中，在不脱离本公开内容的范围的情况下，线路侧转换器168、转子侧转换器166或者线路侧转换器168和转子侧转换器166两者可包括并联桥接电路。
每个桥接电路大体上可包括彼此串联联接的多个开关元件(例如IGBT)。例如，如图3中示出的，每个桥接电路包括上IGBT(例如IGBT 212)和下IGBT(例如IGBT 214)。另外，二极管可与IGBT中的每个并联联接。在备选实施例中，并联的IGBT和二极管可用来增加转换器的电流额定值。如大体上理解的，线路侧转换器168和转子侧转换器166可例如通过使用适合的驱动器电路向IGBT的栅提供控制命令来控制。例如，控制器174可向桥接电路的IGBT的栅提供适合的栅定时命令。控制命令可控制IGBT的开关频率以提供期望的输出。应由本领域普通技术人员了解的是，作为对IGBT的备选，功率转换器162可包括任何其它适合的开关元件。
参照图3，每个IGBT 212包括功率二极管，其中IGBT和功率二极管连结到正或负DC线路，且输出线路输出三相电压。对IGBT 212的输出电流的改变(用来在输出线路处产生三相输出电流波形)可导致功率损耗，导致IGBT 212处更高的结温。此类结温可导致结合线的机械应变和/或变形，从而缩短转换器166、168的寿命。
认识到，在IGBT从导通到关断的循环中生成的结热循环温度差(ΔT)显著地影响装置可保持的循环数和因此IGBT的寿命。例如，温度改变(ΔT)上的减小(达约10°C)可使半导体寿命改进到两倍。将ΔT从10°C改变到30°C可将寿命从100000次循环以下改进到大于400000次循环。通过减小RSC 166的开关频率，减小ΔT。因此，第二开关频率也可基于将结ΔT保持在限定值以下来确定。
现在参照图4，示出根据本主题的方面的用于操作功率生成系统的方法300的一个实施例的流程图。大体上，方法300在本文中描述为使用风力涡轮功率系统(诸如上文参照图2描述的DFIG风力涡轮功率系统100)来实施。然而，应了解的是，所公开的方法300可使用配置成供应功率(包括无功功率)以用于施加到负载(诸如功率电网)的任何其它适合的功率生成系统来实施。另外，虽然图4出于说明和论述的目的来描绘以特定顺序执行的步骤，本文中描述的方法不限于任何特定的顺序或布置。本领域技术人员(使用本文中提供的公开内容)将了解，方法的各种步骤可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或调节。
在(302)处，方法300包括用功率生成系统的发电机来生成交流电(AC)功率，诸如结合如上文论述的DFIG的风力涡轮功率系统。AC功率可为多相交流电功率，诸如三相交流电功率。
在(304)处，AC功率由功率转换器经由总线接收，且由功率转换器转换成适合于施加到负载(例如，到电网)的输出功率。输出功率包括有效功率(P)和无功功率(Q)。功率转换器包括多个开关元件，诸如IGBT，其中开关元件的脉宽调制可在第一开关频率下控制以提供输出功率来用于在发电机转子的第一操作速度下施加到负载。DFIG功率转换器的转子侧转换器(RSC)上的第一开关频率可为典型地用于发电机的正常操作速度范围(例如，约2000或3000Hz)内的所有发电机转子速度的频率。然而，如上文论述的，虽然对于大多数操作速度，该第一(升高的)开关是期望的，它导致开关元件中的峰值温度和热循环应力且将功率转换器(特别是RSC)的无功功率输出限制在发电机转子的同步速度处或附近。
在(306)处，对于在改变的发电机转子速度(特别是在同步速度处或附近的速度)下的开关元件，确定减小的第二开关频率。功率转换器从控制器接收将开关元件的开关频率减小到第二开关频率的控制命令。第二开关频率基于改变的发电机转子速度在发电机的实际操作时间内确定，且选择成在同步速度处或附近的改变的发电机转子速度下从功率转换器提供限定的无功功率值。第二开关频率也可基于将IGBT保持在结ΔT值以下来限定。第二开关频率补偿无功功率上的不足，否则如果第一开关频率保持在改变的发电机转子速度下，将导致无功功率上的不足。
应了解的是，基于转子速度、无功功率和ΔT极限的变量的第二开关频率可经由计算机建模、实际系统的测试以及通过任何其它适合的手段根据经验确定。
在某一实施例中，可在发电机转子速度改变时实时测量功率转换器处无功功率上的改变(不足)，其中IGBT的开关频率在反馈控制回路中减小，直到无功功率的不足由第二开关频率补偿。
在备选实施例中，第二开关频率可为预先限定的。例如，控制器可从预先限定和存储的查找表216(图5)确定第二开关频率，查找表216使对于在同步速度处或附近的不同发电机转子速度在第二开关频率下生成的无功功率值相互参照(在图5中描绘的查找表216的实施例中，发电机转子的同步速度为1200rpm)。查找表中的信息可在“预先限定”值的范围和精神内以各种方式呈现。例如，参照图5，查找表216将不同的发电机转子速度提供为多个子范围(例如，1140-1170rpm；1170-1190rpm等)，其中对于每个子范围，第二开关频率提供用于特定的无功功率值，第二开关频率还确定成满足为开关元件限定的ΔT极限。例如，为在1190-1210rpm子范围内的发电机转子速度下从功率转换器提供2250kVar，在发电机转子的正常操作速度(例如，同步速度带“处或附近”之外的速度)下，第二开关频率为第一开关频率(基值)的75%。如图5中示出的，对于发电机转子速度的每个子范围，查找表216可提供多个不同的无功功率值和对应的第二开关频率。例如，为在1190-1210rpm子范围内的相同发电机转子速度下从功率转换器提供2300kVar，第二开关频率为第一开关频率的70%。
对于由功率转换器在改变的发电机转子速度(例如，2200kVar或2300kVar)下产生所需要的期望无功功率生成值可基于功率生成系统在第一开关频率下的已知特性和/或已知的负载(电网)无功功率要求来预先限定，且输入到查找表中以确定第二开关频率。备选地，功率转换器的无功功率输出可在第一开关频率下测量，且用来输入查找表216以确定在改变的发电机转子速度下将需要的第二开关频率。
在某些实施例中，还可期望限制或限定第二开关频率，使得由功率转换器引发且经由LSC或发电机转换到电网的谐波失真在设定成用于功率生成系统的预先限定的总谐波失真(THD)值内。
在(308)处，(例如，从控制器174)生成命令以将开关频率减小到第二开关频率，以便增加功率转换器的无功功率输出。该命令可在发电机转子速度改变之前、在速度改变期间或在发电机转子的速度改变之后生成。
在(310)处，在改变的发电机转子速度下从功率转换器输出的增加的无功功率供应至负载，该负载可为电网。然而，在其它实施例中，负载可为马达、阻性负载或任何其它负载。应了解的是，虽然传统上电网是功率的供应者，电网可用作用于所公开的风力涡轮功率系统100的负载。
应了解的是，如上文指示的，发电机的“同步速度”大体上指在该速度下转子电流等于DC电流的速度。另外，应了解的是，当操作速度在同步速度的+/-10%内时，发电机的操作速度可在其同步速度“处或附近”，诸如通过在同步速度的+/-5%内的速度下或在同步速度的+/-2.5%和其间任何其它子范围内的速度下操作发电机。
本发明的各种方面和实施例由以下编号的条款限定：
1. 一种用于操作向负载供应有效功率和无功功率的功率生成系统的方法，包括：
用具有开关元件的功率转换器，从发电机接收交流电功率和在发电机转子速度的操作范围内生成无功功率；
在发电机转子速度改变且接近同步速度时，生成控制命令来将开关元件的开关频率从第一开关频率减小到第二开关频率，其中功率转换器的无功功率输出在第二开关频率下增加；以及
其中基于在同步速度处或附近的改变的发电机转子速度下从功率转换器提供限定的无功功率值和将开关元件保持在限定的热极限内，在发电机的实际操作时间内确定第二开关频率。
2. 如条款1中的方法，其中功率转换器包括线路侧转换器(LSC)和转子侧转换器(RSC)，RSC生成无功功率。
3. 如任何前述条款中的方法，其中发电机是风力涡轮功率生成系统中的双馈感应发电机(DFIG)。
4. 如任何前述条款中的方法，其中开关元件包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)元件。
5. 如任何前述条款中的方法，其中控制器从查找表确定第二开关频率，该查找表使在不同的发电机转子速度下在第二开关频率下生成的无功功率值相互参照。
6. 如任何前述条款中的方法，其中查找表将不同的发电机转子速度提供为多个子范围，且对于每个子范围，第二开关频率提供用于无功功率值。
7. 如任何前述条款中的方法，其中查找表提供多个无功功率值和在无功功率值中的每个处对于每个子范围的对应的第二开关频率。
8. 如任何前述条款中的方法，其中在特定的发电机转子速度下来自功率生成系统的所需要的无功功率值是预先限定的，且输入到查找表中以确定第二开关频率。
9. 如任何前述条款中的方法，其中在特定的发电机转子速度下来自功率生成系统的所需要的无功功率值是实时测量的，且输入到查找表中以确定第二开关频率。
10. 如任何前述条款中的方法，其中确定第二开关频率使得负载中由功率转换器引发的谐波失真在预先限定的极限值内。
11. 一种配置成向负载供应有效功率和无功功率的风力涡轮系统，包括：
风力涡轮转子，该风力涡轮转子包括毂和联接到毂的多个叶片；
双馈感应发电机(DFIG)，该双馈感应发电机(DFIG)联接到风力涡轮转子且能够在发电机转子速度下操作；
功率转换器，该功率转换器配置有DFIG，且包括线路侧转换器(LSC)和转子侧转换器(RSC)，该RSC包括配置成生成无功功率的多个开关元件；
控制器，该控制器与功率转换器通信且在发电机转子速度改变且接近同步速度时配置成生成控制命令来将RSC中的开关元件的开关频率从第一开关频率减小到第二开关频率以增加来自RSC的无功功率的输出；以及
其中第二开关频率由控制器在发电机的实际操作时间内确定，以提供在同步速度处或附近的改变的发电机转子速度下由RSC生成的限定的无功功率值，同时将开关元件保持在限定的热极限内。
12. 如条款11中的风力涡轮系统，其中开关元件包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)元件。
13. 如条款10-12中任一项中的风力涡轮系统，其中控制器从查找表确定第二开关频率，该查找表使在不同的发电机转子速度下在第二开关频率下生成的无功功率值相互参照。
14. 如条款10-13中任一项中的风力涡轮系统，其中查找表包括呈现为多个子范围的不同的发电机转子速度，且对于每个子范围，第二开关频率提供用于特定的无功功率值。
15. 如条款10-14中任一项中的风力涡轮系统，其中查找表包括在发电机转子速度的子范围内的多个无功功率值和对应的第二开关频率。
16. 如条款10-15中任一项中的风力涡轮系统，其中在特定的发电机转子速度下来自RSC的所需要的无功功率值是预先限定的，且输入到查找表中以确定第二开关频率。
17. 如条款10-16中任一项中的风力涡轮系统，其中在特定的发电机转子速度下来自RSC的所需要的无功功率值是实时测量的，且输入到查找表中以确定第二开关频率。
18. 一种配置成向负载供应有效功率和无功功率的功率生成系统，包括：
发电机，该发电机能够在发电机转子速度下操作；
功率转换器，该功率转换器联接到发电机且包括配置成生成无功功率的多个开关元件；
控制器，该控制器与功率转换器通信且在发电机转子速度改变且接近同步速度时配置成生成控制命令来将开关元件的开关频率从第一开关频率减小到第二开关频率以增加来自功率转换器的无功功率输出；以及
其中第二开关频率由控制器在发电机的实际操作时间内确定，以提供在同步速度处或附近的改变的发电机转子速度下由功率转换器生成的限定的无功功率值，同时将开关元件保持在限定的热极限内。
19. 如条款18中的功率生成系统，其中控制器从查找表确定第二开关频率，该查找表使在不同的发电机转子速度下在第二开关频率下产生的无功功率值相互参照。
20. 如条款18-19中任一项中的功率生成系统，其中查找表包括呈现为多个子范围的不同的发电机转子速度，且对于每个子范围，第二开关频率提供用于特定的无功功率值，以及其中查找表包括在发电机转子速度的子范围内的多个无功功率值和对应的第二开关频率。
该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括带有与权利要求书的字面语言非实质性差异的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于操作向负载供应有效功率和无功功率的功率生成系统的方法，包括：
用具有开关元件的功率转换器，从发电机接收交流电功率和在发电机转子速度的操作范围内生成所述无功功率；
在所述发电机转子速度改变且接近同步速度时，生成控制命令来将所述开关元件的开关频率从第一开关频率减小到第二开关频率，其中所述功率转换器的无功功率输出在所述第二开关频率下增加；以及
其中基于在同步速度处或附近的改变的发电机转子速度下从所述功率转换器提供限定的无功功率值和将所述开关元件保持在限定的热极限内，在所述发电机的实际操作时间内确定所述第二开关频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率转换器包括线路侧转换器(LSC)和转子侧转换器(RSC)，RSC生成所述无功功率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发电机是风力涡轮功率生成系统中的双馈感应发电机(DFIG)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述开关元件包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)元件。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制器从查找表确定所述第二开关频率，所述查找表使在不同的发电机转子速度下在所述第二开关频率下生成的无功功率值相互参照。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述查找表将所述不同的发电机转子速度提供为多个子范围，且对于每个子范围，第二开关频率提供用于所述无功功率值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述查找表提供多个无功功率值和在所述无功功率值中的每个处对于每个子范围的对应的第二开关频率。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在特定的发电机转子速度下来自所述功率生成系统的所需要的无功功率值是预先限定的，且输入到所述查找表中以确定所述第二开关频率。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在特定的发电机转子速度下来自所述功率生成系统的所需要的无功功率值是实时测量的，且输入到所述查找表中以确定所述第二开关频率。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述第二开关频率使得所述负载中由所述功率转换器引发的谐波失真在预先限定的极限值内。
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