CN113302835A - 用于稳定风力涡轮机的转子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在异常电网事件之后的一个时间段内稳定风力涡轮机的转子的方法，该方法包括以下步骤：检测异常电网事件的发生，将允许转子推力从第一推力极限减小到第二推力极限，检测异常电网事件已经结束，以及在异常电网事件已经结束之后的选定时间段内维持第二推力极限。本发明还涉及用于执行该方法的风力涡轮机控制器和计算机程序产品。

Description

用于稳定风力涡轮机的转子的方法
技术领域
本发明涉及一种与异常电网事件相关的用于稳定风力涡轮机的转子的方法。特别地，本发明涉及一种用于防止或至少减少与异常电网事件有关的风力涡轮机的转子振荡的方法。
背景技术
众所周知，当电网遭受异常电网事件时，保持风力发电厂与电网的连接很重要。
许多发电机设计使用流经绕组的电流来产生磁场，发电机在该磁场上运行。这样的发电机可能具有阈值电压，低于该阈值电压，发电机要么不能正常工作，要么以降低的效率工作。当电网电压低于该阈值时，某些发电机甚至会断开自身与电网的连接。这种影响在具有两组电动磁绕组(一个固定且一个旋转)的双馈感应发电机(DFIG)中比在仅具有一组电动磁绕组的鼠笼式感应发电机中更为明显。如果定子绕组的电压降低到某个阈值以下，则同步发电机可能会打滑并变得不稳定。
此外，在电网电压低的情况下，风力涡轮机转子可能会发生振荡，这可能会在发电机和塔架上造成不希望的负载。这些负载可能会对风力涡轮机的运行产生严重影响。因此，通过减轻这些负载，可以稳定风力涡轮机的运行。此外，磨损会增加，由此增加风力涡轮机的总寿命。
异常电网事件可能涉及低电压事件(LVE)。低压穿越(LVRT)与风力涡轮机在整个LVE中保持与电网的连接的能力有关。在LVRT期间，发电机保持连接到电网，以便用无功功率支持电网，从而支持电网电压。当电网电压已经恢复到一定值时，可以向电网提供有功功率以支持电网频率。
因此，当发生LVE时，非常重要的一点是，风力涡轮机或风力发电厂保持与电网的连接以防止重大停电。停电可能是电网中特定区域的电力短期损失或长期损失。
发明内容
可以看到，本发明的实施例的目的是提供一种有助于在异常电网事件期间使风力涡轮机保持与电网的连接的方法和控制系统。
可以看到，本发明的实施例的另一目的是提供一种用于防止或至少减少与异常电网事件有关的风力涡轮机的转子振荡的方法和控制系统。
鉴于上述目的，在第一方面中，提供了一种用于在异常电网事件之后的一个时间段内稳定风力涡轮机的转子的方法，所述方法包括以下步骤：
-检测异常电网事件的发生，
-将允许转子推力从第一推力极限减小到第二推力极限，
-检测异常电网事件已经结束，以及
-在异常电网事件已经结束之后的选定时间段内维持第二推力极限。
因此，提供了一种用于与异常电网事件相关联地(例如在异常电网事件之后的一个时间段内)稳定风力涡轮机的转子的方法。通过稳定转子，减少甚至防止了与异常电网事件有关的转子振荡。这是一个优点，因为这种转子振荡可能会在风力涡轮发电机和风力涡轮机塔架上产生不期望的负载。
异常电网事件通常与电网运行条件的明显变化有关。因此，异常电网事件可能涉及电网电压(诸如LVE)的变化。电网中的短路可能会导致LVE。
全球传输系统运营商(TSO)可能会对LVE进行不同的定义，并将其定义为所谓的电网规范。可以根据以下变量中的一个或多个来执行LVE的识别：电网电压的变化；来自转换器的故障消息；以及来自发电机的故障消息。在一个实施例中，可以优选地定义电压范围，其结果是，当电网电压的变化超出电压范围时，LVE被识别。可以例如在电网处(例如在公共耦合点处)直接测量电网电压，然而，它也可以从在风力涡轮机处得到的测量结果中导出。在一个实施例中，例如，当电网电压等于或低于例如额定电网电压的90％时，可能会发生LVE。
可以使用各种装置(诸如被配置为测量电网电压的电压检测器)来检测异常电网事件的发生。可以将由电压检测器检测到的电网电压提供给控制器以进行进一步处理，以便确定异常电网事件的发生。同一电压检测器还可以用于检测异常电网事件已经结束。替代地或与其组合，也可以应用电流检测器和/或功率检测器。电流检测器和功率检测器还可用于检测异常电网事件已经结束。
在本文中，转子推力极限应理解为最大允许转子推力。因此，在发生异常电网事件之前，可以将最大允许转子推力设置为第一推力极限。当检测到异常电网事件的发生时，最大允许转子推力从第一推力极限减小到第二推力极限，以防止或至少减小转子振荡。为了符合减小的最大允许转子推力，需要更大的桨距角，即，使转子叶片变桨以接收更少的风。较高的桨距角还导致较低的转子速度，这进一步导致风力涡轮机的功率输出变低。
当异常电网事件已经结束时，最大允许转子推力可在选定时间段期满时从第二推力极限增加到较高的推力极限(诸如第一推力极限)。选定时间段的持续时间可以在控制器中预先定义，并且选定时间段可以通过计时器或计数器或任何适合于此目的的其他单元来管理。
替代地，允许转子推力可以从第二推力极限增加到中间允许推力极限(诸如在第一推力极限和第二推力极限之间的中间允许推力极限)。第二推力极限可以比第一推力极限低至少20％(诸如25％、诸如30％、诸如35％、诸如40％)。第二推力极限可以替代地取决于异常电网事件的严重性。
可以以秒为单位或者可以指示时间段的任何其他单位(诸如用于计数器的数字)给出选定时间段。选定时间段可以小于20s(诸如小于15s、诸如小于10s、诸如小于8s、诸如小于5s、诸如大约3s)。
允许推力极限的变化率可以在控制器中预先定义，并且其例如可以取决于异常电网事件的严重性。其还可以取决于系统部件在短时间内做出反应的能力，以及部件在短时间框架内承受系统条件变化的能力。通常，在短时间框架内将允许转子推力从第一推力极限减小到第二推力极限以避免转子振荡可以是有利的。在异常电网事件已经结束之后，随着LVE的结束且系统现在朝着稳定状态发展，允许转子推力可以有利地以较低的变化率从第二推力极限增加到第一推力极限或中间推力极限。
在第二方面，本发明涉及一种用于在异常电网事件之后的一个时间段内稳定风力涡轮机的转子的控制系统，所述控制系统包括：
-用于检测异常电网事件的发生并且用于检测异常电网事件已经结束的装置，以及
-控制器，所述控制器用于在所述异常电网事件的至少一部分期间将允许转子推力从第一推力极限减小到第二推力极限，并且用于在异常电网事件已经结束之后的选定时间段内维持第二推力极限。
因此，提供了一种控制系统，其用于与异常电网事件相关联地(诸如在异常电网事件之后的一个时间段内)稳定风力涡轮机的转子。结合第一方面所应用的关于稳定性和异常电网事件的定义可以同样地结合该第二方面应用。
控制系统的控制器可以适于允许在选定时间段期满时将转子推力从第二推力极限增加到较高的推力极限(诸如第一推力极限)。选定时间段的持续时间可以如关于第一方面所定义的那样。
替代地，控制器可以适于允许所述允许转子推力可以从第二推力极限增加到中间允许推力极限(诸如在第一推力极限和第二推力极限之间的中间允许推力极限)。
第一推力水平和第二推力水平的相对水平可以如相对于第一方面所述的那样。此外，选定时间段以及允许推力极限的变化率可以如先前所讨论的那样。
在第三方面，本发明涉及一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在风力涡轮机的控制系统的微处理器上运行时，所述计算机程序产品用于执行根据第一方面所述的方法。所述微处理器可以替代地是微控制器、计算机芯片、ASIC或FPGA。
通常，可以在本发明的范围内以任何可能的方式来组合和耦合本发明的各个方面。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将变得显而易见并得到阐述。
附图说明
现在将参考附图进一步详细描述本发明，其中：
图1示出了时序图，其显示了与检测到异常电网事件有关的事件序列，以及
图2示出了方框图，其显示了控制系统以及形成本发明的一部分的其他方框。
尽管本发明易于具有各种修改和替代形式，但是已经通过示例在附图中示出了具体实施例，并且在本文中将对其进行详细描述。然而，应当理解，本发明并不旨在限于所公开的特定形式。而是，本发明将覆盖落入由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同形式和替代形式。
具体实施方式
大体上，本发明涉及一种用于在异常电网事件之后的一个时间段内稳定风力涡轮机的转子的方法。如前所述，本发明提供了一种方法和一种控制系统，该方法和控制系统确保风力涡轮机在异常电网事件期间保持与电网的连接，并且确保防止或至少减少与这种异常电网事件相关的转子振荡。
图1示出了在异常电网之前、期间和之后作为时间的函数的允许转子推力102和相关联的叶片桨距角103的示例。如前所述，异常电网事件通常涉及电网运行条件的明显变化(例如LVE)。
如上所述，TSO可以不同地定义LVE。因此，例如，当电网电压等于或低于例如额定电网电压的90％时，可能会产生LVE。也可以应用其他阈值(例如额定电网电压的85％、80％)。
在图1中，异常电网事件开始于大约t＝20s(t1)，结束于大约t＝23s(t2)。异常电网事件之前、之下和之后的允许转子推力由曲线102示出。允许转子推力102可以是设定允许转子推力的最小或最大极限的值。替代地，允许转子推力102可以是选择风力涡轮机在其附近工作的设定点。
当在t1处检测到异常电网事件时，发出信号标志(参见图1中的曲线101)。该信号标志可以是二进制“1”或逻辑“真”。同时，即在t1处，允许转子推力102开始从第一推力极限减小到第二推力极限，从而导致桨距角103增大，因为由于允许转子推力减小，风力涡轮机需要变桨以接收更少的风。如前所述，第一推力极限和第二推力极限相互关联。在已经检测到异常电网事件之后，降低允许转子推力102给与风力涡轮机的转子一些时间稳定下来。
当异常电网事件在t2已经结束时，风力涡轮机的控制器发送指示异常电网事件结束的信号标志。这样的信号标志可以是二进制“0”或逻辑“假”。
在异常电网事件在t2处结束之后的选定时间段内，允许转子推力102维持较低，即维持在第二推力极限。这可以使用例如计时器或计数器来完成，该计时器或计数器定义在允许转子推力102可以增加到较高的允许推力极限(诸如增加到第一推力极限)之前的选定时间段。应当注意，允许转子推力102可以替代地增加到中间允许推力极限(诸如在第一推力极限和第二推力极限之间的中间允许推力极限)。
可以以秒为单位或者可以指示时间段的任何其他单位(诸如用于计数器的数字)给出选定时间段。选定时间段可以小于20s(诸如小于15s、诸如小于10s、诸如小于8s、诸如小于5s、诸如大约3s)，如图1所示(参见曲线102)。
如上所述，在选定时间段在t3处结束之后，允许转子推力102增加到较高的推力极限。该较高的推力极限可能会经历一个过渡时间段，但最终会在t4处达到稳态运行条件。在t3处，桨距角103也开始减小，这是较高的允许转子推力极限的结果。
在图1中，允许转子推力102在大约7s的时间段之后达到稳态运行条件。但是，该稳态时段不是固定的，并且因此可以取决于异常电网事件的严重性以及风力涡轮机控制器在遭受此类事件时正常动作的能力。
图2示出了风力涡轮机的整体控制系统的一部分的方框图。通常，风力涡轮机的整体控制系统负责响应于各种参数来运行风力涡轮机。
图2所示的控制系统201的控制器202被配置为根据安全运行模式来运行风力涡轮机。这种安全模式意味着：
1)响应于检测到异常电网事件的发生或结束来计算或选择转子推力极限，并且
2)使用计算或选择的转子推力极限来计算用于使风力涡轮机的转子叶片变桨以便稳定风力涡轮机的转子的桨距参考角207。
因此，在安全运行模式下运行控制器202可防止或至少减少与异常电网事件有关的风力涡轮机的转子振荡。控制器202通常包括多个输入203。这些输入203可以接收来自测量设备和/或其他控制系统的测量结果和/或信号。这些测量结果和/或信号可以涉及电网电流、电网电压、电网频率和功率。
控制器202的安全模式提供输出推力极限204，该输出推力极限204在数据处理器205中进行处理。数据处理器205在其数据处理过程中可以可选地包括其他输入信号206。同样，这些其他输入信号206可以涉及电网电流、电网电压、电网频率和功率。
因此，数据处理器205的输出是桨距角参考207，它被用作转子叶片的桨距设置，以符合由控制器202计算的转子推力极限。

Claims (12)

1.一种用于在异常电网事件之后的一个时间段内稳定风力涡轮机的转子的方法，所述方法包括以下步骤：
-检测异常电网事件的发生，
-将允许转子推力从第一推力极限减小到第二推力极限，
-检测异常电网事件已经结束，以及
-在异常电网事件已经结束之后的选定时间段内维持第二推力极限。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述异常电网事件是低电压事件。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述选定时间段期满时，将所述允许转子推力从第二推力极限增加到较高的推力极限。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述选定时间段期满时，将所述允许转子推力从第二推力极限增加到第一推力极限。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述选定时间段小于10s。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二推力极限比所述第一推力极限低至少20％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述允许转子推力以预先定义的速率从第一推力极限减小到第二推力极限。
8.一种用于在异常电网事件之后的一个时间段内稳定风力涡轮机的转子的控制系统，所述控制系统包括：
-用于检测异常电网事件的发生并且用于检测异常电网事件已经结束的装置，以及
-控制器，所述控制器用于在所述异常电网事件的至少一部分期间将允许转子推力从第一推力极限减小到第二推力极限，并且用于在异常电网事件已经结束之后的选定时间段内维持第二推力极限。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其中，所述控制器适于允许在所述选定时间段期满时，将所述转子推力从第二推力极限增加到较高的推力极限。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其中，所述控制器适于允许在所述选定时间段期满时，将所述转子推力从第二推力极限增加到第一推力极限。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的控制系统，其中，所述控制器适于以预先定义的速率将所述允许转子推力从第一推力极限减小到第二推力极限。
12.一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在风力涡轮机的控制系统的微处理器上运行时，所述计算机程序产品用于执行根据权利要求1-7中任一项所述的方法。
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