CN114341487A - 关闭风力涡轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种关闭风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括：具有多个叶片的转子；和耦合到转子的发电机系统。所述方法包括：操作发电机系统以生成电功率5以及向转子施加负载扭矩；利用功率基准信号，控制生成的电功率；确定需要关闭风力涡轮机；响应于确定需要关闭风力涡轮机，改变功率基准信号以增加生成的电功率，由此减慢转子；确定转子的速率已降低10到阈值以下；以及响应于确定转子的速率已降低到阈值以下，改变叶片的桨距以进一步减慢转子。

Description

关闭风力涡轮机的方法
技术领域
本发明总体涉及关闭风力涡轮机的方法。
背景技术
传统地，在紧急情况事件中，诸如高偏航误差，通过逆风变桨出风力涡轮机叶片，关闭风力涡轮机，以立即减慢转子。
这种方法可导致叶片承受大的不对称负载。
相应地，需要避免或减轻此类负载的关闭风力涡轮机的方法。
发明内容
本发明的第一方面提供了关闭风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括：具有多个叶片的转子；和耦合到转子的发电机系统，所述方法包括：操作发电机系统以生成电功率以及向转子施加负载扭矩；利用功率基准信号，控制生成的电功率；确定需要关闭风力涡轮机；响应于确定需要关闭风力涡轮机，改变功率基准信号以增加生成的电功率，由此减慢转子；确定转子速率已降低到阈值以下；以及响应于确定转子速率已降低到阈值以下，改变叶片的桨距以进一步减慢转子。
控制生成的电功率间接地控制施加到风力涡轮机的负载扭矩，这是因为生成的电功率和由发电机施加的负载扭矩之间有关系。阈值可以是预定阈值。
发电机系统可包括：发电机和电转换器；发电机产生的电功率和负载扭矩；电转换器转换电功率的频率以生成输入到电网的电网信号；以及控制电转换器的功率基准信号，该电转换器转而控制发电机生成的电功率和负载扭矩。
叶片的桨距可保持基本恒定，直到转子的速率已降低到阈值以下。
随着功率基准信号响应于确定需要关闭风力涡轮机而改变，叶片的桨距可保持基本恒定。
从确定需要关闭风力涡轮机的时间起，叶片的桨距可保持基本恒定，直到转子速率已降低到阈值以下。
上面使用的术语“基本恒定”可意味着桨距改变不多于小的量，例如2°、5°或10°。
功率基准信号可改变一定量，其至少部分地，是根据负载扭矩限制确定的，使得施加到转子的负载扭矩不超过负载扭矩限制。
在确定转子速率已降低到阈值以下后，可改变功率基准信号，用以减小生成的电功率。例如可降低功率基准信号以使电功率降低到零。
确定需要关闭可包括识别误差条件。误差条件可以是偏航误差条件。基于误差条件，可确定阈值。换句话说，基于导致关闭发生的原因，可设置阈值。
阈值可以是初始速率的百分比，例如改变功率基准信号时的转子速率。可替代地，阈值可以是绝对速率。
改变叶片的桨距可减慢转子到停止。可替代地，改变叶片的桨距可减慢转子到怠速。
改变叶片桨距以进一步减慢转子可会使桨距改变多于30°、多于50°或多于70°。
本发明的另一方面提供了风力涡轮机，包括：具有多个叶片的转子；耦合到转子的发电机系统；和控制系统，其中，控制系统配置成：操作发电机系统以生成电功率以及向转子施加负载扭矩；利用功率基准信号，控制生成的电功率和负载扭矩；确定需要关闭风力涡轮机；响应于确定需要关闭风力涡轮机，改变功率基准信号，用以增加生成的电功率和负载扭矩，增加的负载扭矩减慢转子；确定转子速率已降低到阈值以下；以及响应于确定转子速率已降低到阈值以下，改变叶片的桨距以进一步减慢转子。
控制系统可进一步配置成：在功率基准信号已改变之后，确定已超过最大时间(例如相对于功率基准信号已改变的时间，或相对于确定需要关闭风力涡轮机的时间，测量的最大时间)；以及响应于确定已超过最大时间，改变叶片的桨距以减慢转子。
控制系统可进一步配置成：在功率基准信号已改变之后，监控转子的速率以识别非常态行为(例如速率增加而不是降低)；以及响应于识别非常态行为，改变叶片的桨距以减慢转子。
本发明的另一方面提供了一种计算机可读储存介质，其编入有计算机可读程序代码，计算机可读程序代码能够由一个或多个计算机处理器执行，以对风力涡轮机执行操作，风力涡轮机包括：具有多个叶片的转子；和耦合到转子的发电机系统，其中，所述操作包括：操作发电机系统以生成电功率以及向转子施加负载扭矩；利用功率基准信号，控制生成的电功率和负载扭矩；确定需要关闭风力涡轮机；响应于确定需要关闭风力涡轮机，改变功率基准信号以增加生成的电功率和负载扭矩，增加的负载扭矩减慢转子；确定转子速率已降低到阈值以下；以及响应于确定转子速率降低到阈值以下，改变叶片的桨距以进一步减慢转子。
本发明的另一方面提供了关闭风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括：具有多个叶片的转子；和耦合到转子的发电机系统，所述方法包括：操作发电机系统以生成电功率以及向转子施加负载扭矩；利用功率基准信号，控制生成的电功率；确定需要关闭风力涡轮机；响应于确定需要关闭风力涡轮机，改变功率基准信号以增加生成的电功率；以及在功率基准信号已改变之后，确定已超过最大时间；以及响应于确定已超过最大时间，改变叶片的桨距以减慢转子。
本发明的另一方面提供了关闭风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括：具有多个叶片的转子；和耦合到转子的发电机系统，所述方法包括：操作发电机系统以生成电功率以及向转子施加负载扭矩；利用功率基准信号，控制生成的电功率；确定需要关闭风力涡轮机；响应于确定需要关闭风力涡轮机，改变功率基准信号以增加生成的电功率；在功率基准信号已改变之后监控转子的速率以识别非常态行为；以及响应于识别非常态行为，改变叶片的桨距以减慢转子。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的实施方式，其中：
图1是风力涡轮机的示意图；
图2是风力涡轮机的控制系统的示意图；以及
图3示出关闭期间的各种涡轮机参数。
具体实施方式
图1以示意性透视图示出风力涡轮机1的示例。风力涡轮机1包括塔2、塔顶部处的舱3，和操作地耦合到包含在舱3内侧的发电机的转子4。除发电机之外，舱包含用于将风能转化到电能需要的各种部件，以及操作、控制和优化风力涡轮机1性能需要的各种部件。转子4包括中央轮毂5和从中央轮毂5向外伸出的多个叶片6。在所示的实施方式中，转子4包括三个叶片6，但数量可以变化，例如转子可有两个或四个叶片。此外，风力涡轮机包括控制系统。控制系统可放置在舱内侧或分布在涡轮机内侧的多个位置并且通信地连接。
风力涡轮机1可被包括在属于风力发电厂(也称为风电厂或风电场)的其他风力涡轮机集合中，该风力发电厂用作通过传输线与功率电网连接的发电厂。功率电网一般地由发电站网络、传输线路和通过传输线网络耦合的变电站组成，该传输线网络将功率以传输到负载，所述负载为终端用户和电力设施的其他客户的形式。
图2示意性地示出了控制系统20与风力涡轮机元件一起的实施方式。转子叶片6经由带有输入轴和输出轴21的变速箱23机械地连接到发电机22。在直接驱动系统和其他系统中，变速箱23可不存在。发电机22生成的电功率经由电转换器25注入功率电网24。发电机22和转换器25可基于满标度转换器(FSC)架构或双馈感应发电机(DFIG)架构，但也可以使用其他类型。
控制系统20包括多个元件，包括至少一个主控制器200，其具有处理器和存储器，使得处理器能够基于储存在存储器中的指令执行计算任务。一般地，风力涡轮机控制器确保在操作中风力涡轮机生成需要的功率输出水平。这是通过调整桨距角和/或转换器25的功率提取实现的。为此，控制系统包括：桨距系统，其包括使用桨距基准信号28的桨距控制器27，以及功率系统，其包括使用功率基准信号26的功率控制器29。功率控制器29控制发电机转换器系统的各种电部件，以运送需要的功率，其转而控制发电机22的扭矩，该扭矩是转子从风中提取所需功率需要的。
发电机22的扭矩(以下称为发电机扭矩)被施加到变速箱23的输出轴21。
转子叶片6可以通过桨距控制机构变桨。转子可包括公共桨距系统，其同时调整所有转子叶片上的所有桨距角，以及此外单独的桨距系统，其能够单独地变桨转子叶片。控制系统20，或控制系统20的元件，可放置在发电厂控制器(未显示)中，使得基于外部提供的指令，可操作涡轮机。在本发明的实施方式中，基于公共桨距基准(单独桨距基准叠加到其上)，控制桨距。在实施方式中，通过改变公共桨距基准可实现减慢转子。而且保持叶片的桨距恒定可达到保持公共桨距基准恒定。
为了确保功率基准信号26不损坏功率控制器29或转换器25，对功率基准信号26的大小限制成使得其不能超过预定的最大值，诸如最大电压值。
转子4承受作用沿相反方向的空气动力扭矩和负载扭矩。空气动力扭矩是作用在转子叶片6上的风的结果。，改变叶片的桨距会改变空气动力扭矩，实现此是通过改变攻角以及从而改变空气动力升力。负载扭矩作用在转子上并抵靠空气动力扭矩。负载扭矩有来自施加到变速箱的输出轴21的发电机扭矩的部分量，以及由变速箱23和轴承中的摩擦引起的分量。
空气动力扭矩和负载扭矩之间的差值是施加到转子的净扭矩。如果净扭矩是零，即空气动力扭矩和负载扭矩相等，则转子的速率不会改变。如果空气动力扭矩与负载扭矩相比更大，转子将加速。如果负载扭矩与空气动力扭矩相比更大，转子将减慢。
如上所解释，发电机扭矩产生施加到转子的大部分负载扭矩。因此，从发电机22请求更多功率导致转子4承受更大的负载扭矩。扭矩和功率之间的关系是：P＝ω×T，其中P是生成的功率，T是负载扭矩，以及ω是转子的转速。
在风力涡轮机常态操作期间，使用叶片的桨距角和/或负载扭矩控制转子的速率，其分别由桨距基准信号28和功率基准信号26控制。
在低风速操作区域中，桨距基准信号28可保持恒定，以及功率基准信号26和转子速率随着风速的增加而增加。在高风操作区域中，功率基准信号26和转子速率可保持恒定(分别以额定功率和额定速率)，以及桨距基准信号28调整以响应风速改变。
在紧急情况中，常规地，通过变桨出叶片可关闭风力涡轮机。然而，变桨出叶片导致叶片表面承受的负载分布有大的变化。这是因为随着叶片完成转动，沿叶片长度的不同部分承受不同的升力系数分布。当攻角在变桨动作期间变化时，叶片的每个部分的升力系数分布变化不同，这意味着叶片的整个表面承受的升力系数变化不一致。因此，叶片表面的负载分布可经历大的变化。这是不期望的，因为它可对风力涡轮机的各部分(诸如轴承等)造成损坏或疲劳。
本发明通过以下来避免或减轻这些问题：确定需要关闭风力涡轮机；然后响应于确定需要关闭风力涡轮机，改变功率基准信号26以增加生成的电功率，由此减慢转子；确定转子速率已降低到速率阈值以下；以及响应于确定转子速率已降低到阈值以下，改变叶片的桨距(通过增加桨距基准信号28)以进一步减慢转子。
功率基准信号的增加减小转子速率是使用了上述原理的，即增加生成的功率，其转而增加施加到转子的负载扭矩。空气动力扭矩不改变，因为风速变化不多，以及叶片桨距不会改变。因此，净扭矩导致转子减慢。
风向传感器30(诸如风向标)可用于由于高偏航误差而确定需要关闭风力涡轮机。风向传感器30确定风相对于舱的角度。如果角度的幅度增加到阈值角度以上，则确定存在高偏航误差，从而触发关闭。
确定需要关闭风力涡轮机的其他可能原因包括：极端风事件；传感器、致动器或部件故障；或失去与电网的连接。
图3示出了该技术，其显示了采用本发明时的系统参数示例。
风力涡轮机的常态操作发生直到时间t0。在时间t0之前的常态操作期间，如上所述，使用功率基准信号26和/或桨距基准信号28，控制生成的电功率。
在时间t0处，条件改变。例如，该条件可以是风向改变使得风不再与转子对齐，以及代替地风从侧面进入涡轮机。因此，在时间t0处，偏航误差信号开始增加，如40处所示。
随着偏航误差增加，功率基准信号26、功率、桨距基准信号28和负载扭矩全部减小，分别1、42、43和44处所示。发电机速率下降以及然后恢复，如45处所示。
在时间t1处，由控制器200确定需要关闭风力涡轮机，因为偏航误差信号已超过阈值50。响应于确定需要关闭风力涡轮机，增加功率基准信号26(如51处所示)，以增加生成的电功率(如52处所示)。风速变化不多，以及叶片的桨距不改变(如在54处所示的恒定桨距基准信号)，因此空气动力扭矩不改变。增加的功率需要导致负载扭矩增加(如55处所示)。由于空气动力扭矩没有改变，现在施加的净扭矩导致转子减慢(如53处所示)。
功率基准信号26增加，直到在时间t2处达到功率偏移水平60。功率偏移水平60可以以多种方式确定。
在一个示例中，功率基准信号26可以固定且预定的量(例如1MW)改变。
在另一示例中，功率基准信号26可以固定百分比(例如50％、100％或200％)改变。
在其他示例中，功率基准信号26可改变一定量，所述量根据各种参数(例如负载扭矩、叶片桨距和功率)。
可选地，功率基准信号26可改变一定量，所述量至少部分地，根据负载扭矩限制来确定，使得当速率变低时，施加到转子的负载扭矩不超过负载扭矩限制(扭矩＝功率/速率)。因此例如，如果将功率基准信号26增加1MW将导致负载扭矩超过负载扭矩限制，则功率基准信号26以更小的量增加，其将负载扭矩保持在负载扭矩限制以下。
可选地，功率基准信号26可由比例积分(PI)控制器改变，该控制器试图使用具有负载扭矩限制的功率和相关联的积分器饱卷保护达到基准速率(例如下面提到的速率阈值70)。
可替代地，控制器200可查看发电机速率、塔振荡、叶片负载等，并相应地控制功率基准信号26。
在时间t2和时间t3之间，功率基准信号26保持恒定(如61处所示)，因此功率也保持恒定(如62处所示)。由于桨距基准信号28在此阶段期间也保持恒定(如63处所示)，负载扭矩开始略微减小(如64处所示)。
在时间t3处，控制器200确定转子速率已降低到速率阈值70以下。通过利用一个或多个传感器监控转子或发电机的速率，可作出此确定。
确定转子4的速率已降低到速率阈值70以下触发桨距基准信号增加(如斜坡71所示)，使得叶片的桨距增加，直到其达到90°。这降低空气动力扭矩，用以进一步减慢转子(如72处所示)。在这种情况中，转子减慢到完全停止。在其他情况中，转子可减慢到怠速。
速率阈值70可以是在时间t1处的转子初始速率的百分比，或它可以是绝对值。阈值速率70可以是预先确定的，或它可以由控制器200在前述的关闭过程期间确定。
注意，桨距基准信号28被示为在时间t1和t3之间恒定。因此，当功率基准信号26在时间t1和时间t2之间改变时，叶片的桨距保持基本恒定，以及从确定需要关闭风力涡轮机的时间(时间t1)起，叶片的桨距也保持基本恒定，直到转子的速率已降低到阈值以下(时间t3)。
注意，然而，在时间t1和时间t3之间的时间期间，每个叶片的单独桨距信号可略微变化(例如几度)，而集合桨距角可变化较小的量。另一方面，斜坡71引起的桨距角的变化更大(例如，它可大于40°或大于60°)。因此，上面使用的术语“基本恒定”可意味着桨距变化不大于小的量，例如2°、5°或10°。
在时间t3处，功率基准信号26和功率降低(分别如72处和73处所示)，以及负载扭矩降低(如74处所示)。当发电机速率减小时，由于P＝ω×T的关系，发电机不能够生成同样多的功率。
随着功率基准信号26在时间t1处开始增加，速率应迅速减小(如53处所示)。如果速率没有按预期降低，则可期望改变叶片的桨距以关闭转子，即使速率没有降低到速率阈值70以下。这可通过多种方式解决。
在第一示例中，控制器200可配置成确定已超过最大时间；以及响应于确定已超过最大时间，改变叶片的桨距以减慢转子。例如可相对于功率基准信号已增加的时间t1测量最大时间，在这种情况中，其也是确定需要关闭风力涡轮机的时间t1。
在第二示例中，控制器200可配置成在时间t1处功率基准信号26已增加之后，监控转子的速率，以识别非常态行为。例如，速率可增加而不是减小。响应于识别此非常态行为，可立即改变叶片的桨距以减慢转子，而不是等待速率降到速率阈值70以下。
上述程序的优点是限制作用在风力涡轮机上的机械力。在t1处功率基准信号已增加后，主轴承上的桨距力矩和偏航力矩的绝对值都显著减小，从而降低风力涡轮机上的机械负载。
其他优点包括：减少负推力峰值，其导致更低的塔负载和更低的负叶片翼负载；以及降低需要的最大桨距率(即斜坡71引起的桨距角的改变率)，其导致桨距控制系统上更低的负载。
尽管以上已经参考一个或多个优选实施方式描述了本发明，但是应当理解，可在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，进行各种改变或修改。

Claims (15)

1.关闭风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括：具有多个叶片的转子；和耦合到转子的发电机系统；所述方法包括：操作发电机系统以生成电功率以及向转子施加负载扭矩；利用功率基准信号，控制生成的电功率；确定需要关闭风力涡轮机；响应于确定需要关闭风力涡轮机，改变功率基准信号以增加生成的电功率，由此减慢转子；确定转子速率已降低到阈值以下；以及响应于确定转子速率已降低到阈值以下，改变叶片的桨距以进一步减慢转子。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，随着功率基准信号响应于确定需要关闭风力涡轮机而改变，叶片的桨距保持基本恒定。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，从确定需要关闭风力涡轮机的时间起，叶片的桨距保持基本恒定，直到转子速率已降低到阈值以下。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定需要关闭包括识别误差条件。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，误差条件是偏航误差条件。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，基于误差条件，确定阈值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，阈值是转子的初始速率的百分比。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，阈值是绝对速率。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，改变叶片的桨距减慢转子到停止。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，功率基准信号改变的量，至少部分地，是根据负载扭矩限制确定的，使得施加到转子的负载扭矩不超过负载扭矩限制。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：在确定转子的速率已降低到阈值以下之后，改变功率基准信号，用以减小生成的电功率。
12.风力涡轮机，包括：
转子，其具有多个叶片；
发电机系统，其耦合到转子；和
控制系统，其中，控制系统配置成：
操作发电机系统以生成电功率以及向转子施加负载扭矩；
利用功率基准信号，控制生成的电功率和负载扭矩；
确定需要关闭风力涡轮机；
响应于确定需要关闭风力涡轮机，改变功率基准信号，用以增加生成的电功率和负载扭矩，增加的负载扭矩减慢转子；
确定转子的速率已降低到阈值以下；以及
响应于确定转子的速率已降低到阈值以下，改变叶片的桨距以进一步减慢转子。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，其中，所述控制系统进一步配置成：
在功率基准信号已改变之后，确定已超过最大时间；以及
响应于确定已超过最大时间，改变叶片的桨距以减慢转子。
14.根据权利要求12或13所述的风力涡轮机，其中，控制系统进一步配置成：
在功率基准信号已改变之后，监控转子速率以识别非常态行为；以及
响应于识别非常态行为，改变叶片的桨距以减慢转子。
15.计算机可读储存介质，其编入有计算机可读程序代码，计算机可读程序代码能够由一个或多个计算机处理器执行，以对风力涡轮机执行操作，风力涡轮机包括：具有多个叶片的转子；和耦合到转子的发电机系统；其中，所述操作包括：
操作发电机系统以生成电功率以及向转子施加负载扭矩；
利用功率基准信号，控制生成的电功率和负载扭矩；
确定需要关闭风力涡轮机；
响应于确定需要关闭风力涡轮机，改变功率基准信号以增加生成的电功率和负载扭矩，增加的负载扭矩减慢转子；
确定转子速率已降低到阈值以下；以及
响应于确定转子速率已降低到阈值以下，改变叶片的桨距以进一步减慢转子。
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