CN114941604A - 用于控制风力涡轮的低速操作的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于控制电联接到电力网的风力涡轮的低速操作的系统和方法。该风力涡轮包括发电机和功率转换器。该发电机包括发电机转子和发电机定子。发电机转子的操作参数指示发电机的低速操作。因此，检测到操作参数对第一阈值的穿越。作为响应，经由发电机转子产生需要的无功功率生成量的至少一部分。然后，该部分经由功率转换器的电网侧输送到电力网。

Description

用于控制风力涡轮的低速操作的系统和方法
技术领域
本公开大体上涉及风力涡轮，并且更特别地涉及用于在低速操作期间控制风力涡轮的系统和方法。
背景技术
风电被认为是目前可用的最清洁、最环保的能量源之一，并且风力涡轮在这方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。机舱包括联接到齿轮箱和发电机的转子组件。转子组件和齿轮箱安装在位于机舱内的底板支撑框架上。一个或多个转子叶片使用已知的翼型件原理捕获风的动能。转子叶片以旋转能量的形式传递动能，以便转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱，则直接联接到发电机。发电机然后将机械能转换成电能，并且电能可被传输到容纳在塔架内的转换器和/或变压器，并随后部署到电力网。现代风力发电系统典型地采取具有多个这样的风力涡轮发电机的风电场的形式，这些风力涡轮发电机可操作以向为电力网提供功率的传输系统供应功率。
一些风力涡轮配置包括双馈感应发电机(DFIG)。每当采用DFIG来生成风力涡轮的输出时，可能会遇到转差(率)(slip)。大体上，转差(率)可为DFIG的操作速度和同步速度之间的差值(除以同步速度)。操作速度典型地是发电机转子的旋转速度，并且同步速度典型地是发电机定子的磁场的旋转速度。同步速度可对应于电网的操作频率。
发电机转子的减速(例如响应于风速率方面的减小)可导致转差(率)增加。转差(率)增加继而又可导致发电机转子电压增加。因此，在低风速操作期间，DFIG可以较高程度的转差(率)和对应的高转子电压操作。在这样的条件下操作可减少风力涡轮的电力系统的各种部件的预期生命周期和/或导致风力涡轮的操作包络(operational envelope)的减小。
因此，本领域不断寻求解决上述问题的新的和改进的系统和方法。照此，本公开针对用于控制风力涡轮的低速操作的系统和方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地得到阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践获知。
在一个方面，本公开针对一种用于控制电联接到电力网的风力涡轮的低速操作的方法。风力涡轮可包括发电机和功率转换器。发电机可具有发电机转子和发电机定子。该方法可包括经由控制器检测发电机转子的操作参数对第一阈值的穿越(crossing)。操作参数可指示发电机的低速操作。响应于操作参数穿越第一阈值，该方法可包括经由发电机转子产生需要的无功功率生成量的至少一部分。另外，该方法可包括经由功率转换器的电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到电力网。
在实施例中，产生所需要的无功功率生成量的所述部分可包括经由控制器接收发电机的无功电流设定点。无功电流设定点可对应于发电机转子的电流，该电流有助于经由发电机定子满足所需要的无功功率生成量。另外，该方法可包括经由控制器产生修改的无功电流设定点，该修改的无功电流设定点配置成有助于经由发电机转子生成所需要的无功功率生成量的所述部分。此外，该方法可包括基于修改的无功电流设定点改变转换器的至少一个操作状态。
在另外的实施例中，所需要的无功功率生成量的所述部分可为所需要的无功功率生成量的第一无功功率部分。另外，改变转换器的(一个或多个)操作状态可有助于经由风力涡轮的无功功率输出满足所需要的无功功率生成量。无功功率输出可包括经由功率转换器的电网侧输送到电力网的第一无功功率部分和经由功率转换器的旁路输送到电力网的第二无功功率部分。
在另一个实施例中，改变转换器的(一个或多个)操作状态可有助于通过经由功率转换器的电网侧输送到电力网的所需要的无功功率生成量的所述部分来满足所需要的无功功率生成量的全部。
在又一个实施例中，发电机转子的操作参数可为发电机转子电压量值。另外，第一阈值可为指示发电机的低速操作的发电机转子电压阈值量值。此外，检测发电机转子的操作参数接近第一阈值可包括经由控制器接收指示发电机转子电压量值的数据。
在实施例中，接收指示发电机转子电压量值的数据可包括经由控制器确定指示发电机转子电压量值的功率转换器的转子侧转换器的转换器调制指数。
在另外的实施例中，接收指示发电机转子电压量值的数据可包括经由控制器确定指示发电机转子电压量值的功率转换器的DC链路的DC链路电压。
在另一个实施例中，发电机转子的操作参数可为发电机转子旋转速度。另外，第一阈值可为发电机转子旋转速度阈值。此外，当发电机转子旋转速度处于或低于发电机转子旋转速度阈值时，可指示发电机的低速操作。
在又一个实施例中，经由功率转换器的电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到电力网可有助于发电机转子电压量值的降低。
在实施例中，发电机转子电压量值的降低可有助于减小横跨功率转换器的部件的热负载和/或电负载。
在另外的实施例中，在所需要的无功功率生成量的所述部分经由功率转换器的电网侧输送到电力网之后，该方法还可包括经由控制器检测发电机转子的操作参数对第二阈值的穿越。该方法还可包括：响应于操作参数接近第二阈值，经由控制器降低发电机的有功功率设定点和/或无功功率设定点。
在另一个实施例中，第二阈值可基于功率转换器的至少一个部件的预测可靠性。
在又一个实施例中，风力涡轮还可包括具有安装到其的一个或多个转子叶片的转子。转子可能够旋转地联接到发电机。另外，降低发电机的有功功率设定点和/或无功功率设定点可有助于风力涡轮的转子的惯量方面的增加。
在另一个方面，本公开针对一种用于控制联接到电力网的风力涡轮的系统。风力涡轮可包括发电机和功率转换器。发电机可包括发电机转子和发电机定子。该系统可包括通信地联接到发电机的控制器。控制器可包括配置成执行多个操作的至少一个处理器。多个操作可包括本文中描述的任何操作和/或特征。
技术方案1. 一种用于控制电联接到电力网的风力涡轮的低速操作的方法，所述风力涡轮具有发电机和功率转换器，所述发电机具有发电机转子和发电机定子，所述方法包括：
经由控制器检测所述发电机转子的操作参数对第一阈值的穿越，所述操作参数指示所述发电机的低速操作；
响应于所述操作参数穿越所述第一阈值，经由所述发电机转子产生需要的无功功率生成量的至少一部分；和
经由所述功率转换器的电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到所述电力网。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，产生所需要的无功功率生成量的所述部分包括：
经由所述控制器接收所述发电机的无功电流设定点，所述无功电流设定点对应于所述发电机转子的电流，所述电流有助于经由所述发电机定子满足所需要的无功功率生成量；
经由所述控制器产生修改的无功电流设定点，所述修改的无功电流设定点配置成有助于经由所述发电机转子生成所需要的无功功率生成量的所述部分；和
基于所述修改的无功电流设定点改变所述功率转换器的至少一个操作状态。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其中，所需要的无功功率生成量的所述部分包括所需要的无功功率生成量的第一无功功率部分，并且其中，改变所述功率转换器的所述至少一个操作状态有助于经由所述风力涡轮的无功功率输出满足所需要的无功功率生成量，所述无功功率输出包括经由所述功率转换器的所述电网侧输送到所述电力网的所述第一无功功率部分和经由所述功率转换器的旁路输送到所述电力网的第二无功功率部分。
技术方案4. 根据技术方案2所述的方法，其中，改变所述功率转换器的所述至少一个操作状态有助于通过经由所述功率转换器的所述电网侧输送到所述电力网的所需要的无功功率生成量的所述部分来满足所需要的无功功率生成量的全部。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述发电机转子的所述操作参数包括发电机转子电压量值，其中，所述第一阈值包括指示所述发电机的所述低速操作的发电机转子电压阈值量值，并且其中，检测所述第一阈值的所述穿越进一步包括：
经由所述控制器接收指示所述发电机转子电压量值的数据。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其中，接收指示所述发电机转子电压量值的数据进一步包括：
经由所述控制器确定指示所述发电机转子电压量值的所述功率转换器的转子侧转换器的转换器调制指数。
技术方案7. 根据技术方案5所述的方法，其中，接收指示所述发电机转子电压量值的数据进一步包括：
经由所述控制器确定指示所述发电机转子电压量值的所述功率转换器的DC链路的DC链路电压。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述发电机转子的所述操作参数包括发电机转子旋转速度，其中，所述第一阈值包括发电机转子旋转速度阈值，并且其中，当所述发电机转子旋转速度处于或低于所述发电机转子旋转速度阈值时指示所述发电机的所述低速操作。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其中，经由所述功率转换器的所述电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到所述电力网有助于发电机转子电压量值的降低。
技术方案10. 根据技术方案9所述的方法，其中，所述发电机转子电压量值的降低有助于降低横跨所述功率转换器的部件的热负载和电负载中的至少一个。
技术方案11. 根据技术方案1所述的方法，还包括：
在所需要的无功功率生成量的所述部分经由所述功率转换器的所述电网侧输送到所述电力网之后，经由所述控制器检测所述发电机转子的所述操作参数对第二阈值的穿越；和
响应于所述操作参数对所述第二阈值的所述穿越，经由所述控制器降低所述发电机的有功功率设定点和无功功率设定点中的至少一个。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述第二阈值基于所述功率转换器的至少一个部件的预测可靠性。
技术方案13. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述风力涡轮还包括能够旋转地联接到所述发电机的转子，所述转子具有安装到所述转子的一个或多个转子叶片，并且其中，降低所述发电机的所述有功功率设定点和所述无功功率设定点中的至少一个有助于所述风力涡轮的所述转子的惯量方面的增加。
技术方案14. 一种用于控制联接到电力网的风力涡轮的系统，所述风力涡轮具有发电机和功率转换器，所述发电机具有发电机转子和发电机定子，所述系统包括通信地联接到所述发电机的控制器，所述控制器包括配置成执行多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括：
检测所述发电机转子的操作参数对第一阈值的穿越，所述操作参数指示所述发电机的低速操作；
响应于所述操作参数穿越所述第一阈值，经由所述发电机转子产生需要的无功功率生成量的至少一部分；和
经由所述功率转换器的电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到所述电力网。
技术方案15. 根据技术方案14所述的系统，其中，产生所需要的无功功率生成量的所述部分包括：
接收所述发电机的无功电流设定点，所述无功电流设定点对应于所述发电机转子的电流，所述电流有助于经由所述发电机定子满足所需要的无功功率生成量；
产生修改的无功电流设定点，所述修改的无功电流设定点配置成有助于经由所述发电机转子生成所需要的无功功率生成量的所述部分；和
基于所述修改的无功电流设定点改变所述功率转换器的至少一个操作状态。
技术方案16. 根据技术方案15所述的系统，其中，所需要的无功功率生成量的所述部分包括所需要的无功功率生成量的第一无功功率部分，并且其中，改变所述功率转换器的所述至少一个操作状态有助于经由所述风力涡轮的无功功率输出满足所需要的无功功率生成量，所述无功功率输出包括经由所述功率转换器的所述电网侧输送到所述电力网的所述第一无功功率部分和经由所述功率转换器的旁路输送到所述电力网的第二无功功率部分。
技术方案17. 根据技术方案14所述的系统，其中，所述发电机转子的所述操作参数包括发电机转子电压量值，其中，所述第一阈值包括指示所述发电机的所述低速操作的发电机转子电压阈值量值，并且其中，检测所述第一阈值的所述穿越进一步包括：
接收指示所述发电机转子电压量值的数据。
技术方案18. 根据技术方案14所述的系统，其中，所述发电机转子的所述操作参数包括发电机转子旋转速度，其中，所述第一阈值包括发电机转子旋转速度阈值，并且其中，当所述发电机转子旋转速度处于或低于所述发电机转子旋转速度阈值时指示所述发电机的所述低速操作。
技术方案19. 根据技术方案14所述的系统，其中，经由所述功率转换器的所述电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到所述电力网有助于降低发电机转子电压量值，其中，所述发电机转子电压量值的降低有助于降低横跨所述功率转换器的部件的热负载和电负载中的至少一个。
技术方案20. 根据技术方案14所述的系统，其中，所述多个操作还包括：
在所需要的无功功率生成量的所述部分经由所述功率转换器的所述电网侧输送到所述电力网之后，检测所述发电机转子的所述操作参数对第二阈值的穿越；和
响应于所述操作参数接近所述第二阈值，降低所述发电机的有功功率设定点和无功功率设定点中的至少一个。
参考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。并入并构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员而言的本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳模式，在附图中：
图1图示根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2图示根据本公开的与风力涡轮一起使用的电力系统的一个实施例的示意图；
图3图示根据本公开的与风力涡轮一起使用的控制器的一个实施例的框图；
图4图示根据本公开的用于控制风力涡轮的系统的控制逻辑的一个实施例的流程图；和
图5图示根据本公开的发电机转子速度和发电机转子电压的关系的图形标绘图。
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被图示。每个示例通过解释本发明的方式而不是限制本发明的方式被提供。事实上，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分被图示或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一另外的实施例。因此，意图是，本发明覆盖如归入所附权利要求书的范围内的这种修改和变型及其等同物。
如本文中所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可能够互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“联接”、“固定”、“附接到”等是指直接联接、固定或附接以及通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、固定或附接两者，除非本文中另有指定。
如本文中在整个说明书和权利要求书中所使用的，近似语言用于修饰任何定量表示，该定量表示在不导致与其相关的基本功能改变的情况下可容许地变化。因此，由诸如“约”、“近似”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度，或者用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可指在10%的裕度内。
这里以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，这样的范围被标识并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。例如，本文中公开的所有范围都包括端点，并且端点能够独立地彼此组合。
大体上，本公开针对用于控制风力涡轮的低速操作的系统和方法。当作用在风力涡轮上的环境条件导致风力涡轮转子和可旋转地连接的发电机转子的相对低的旋转速率时，可能遇到低速操作。例如，当联接到50 Hz电力网时，低速操作可包括导致发电机转子的旋转速率小于或等于1100转/分(RPM)的风力涡轮的任何操作。当联接到60 Hz电力网时，当发电机转子的旋转速率小于或等于900 RPM时，可能遇到低速操作。
对于配备有DFIG的风力涡轮，发电机定子的磁场的旋转速度可对应于电力网的操作频率(例如，50或60 Hz)。然而，发电机转子的旋转速度可取决于环境条件和/或风力涡轮的控制设置。因此，随着风速减小和发电机转子减速，发电机的转差(率)可增加。为了维持DFIG的操作，转差(率)方面的增加可能需要发电机转子电压方面的增加。发电机转子电压方面的增加可导致横跨风力涡轮的功率转换器的各种部件的负载增加，并且因此可导致部件的磨损增加。
另外，任何时候当功率生成量大于最小功率阈值时，电网当局可能征收(levy)等于风力涡轮的全额定无功功率能力的无功功率生成量需求。换句话说，无论环境条件是否支持最小功率生成量或最大功率生成量，电网当局都可能要求风力涡轮的全额定无功功率能力。这种无功功率生成量需求典型地经由通过发电机定子经由风力涡轮的变压器直接输送到电力网的无功功率来满足。即使在低速操作期间，这种附加的生成量需求也可导致发电机转子电压方面的进一步增加。照此，本文中公开的系统和方法可有助于在不增加转子电压的情况下满足无功功率生成量需求。事实上，本文中公开的系统和方法的使用可导致在给定发电机转子速度下的转子电压相对于在不使用该系统和方法的情况下可能能够获得的转子电压的降低。
为了降低转子电压并因此降低横跨功率转换器的各种部件的负载，本文中公开的系统可检测发电机转子的操作参数何时穿越(例如，取决于操作参数的性质，“超过”或“低于”)指示发电机的低速操作的第一阈值。响应于低速操作的检测，该系统可修改转换器的至少一个设定点，以便经由通过发电机转子而不是发电机定子产生的无功功率来满足所需要的无功功率生成量的至少一部分。然后，所需要的无功功率生成量的该部分可经由功率转换器的电网侧输送到电力网。
通过经由功率转换器的电网侧输送无功功率生成量需求的至少一部分，可降低横跨功率转换器的各种部件的转子电压和(一个或多个)对应的负载。因此，风力涡轮的操作包络可扩展，使得可在较低风速下继续产生功率，而不会对风力涡轮的部件造成不当的损坏。
应当意识到，本文中公开的系统和方法的使用可减少通过发电机的无功功率流，以便降低转子电压。这继而又可改进当在风力涡轮操作包络的低速区域中操作时的转换器可靠性。另外，降低转子电压还可允许转换器在较低速度范围内操作，这可转化为风力涡轮的增加的功率产生量。
现在参考附图，图1图示了根据本公开的风力涡轮100的一个实施例的透视图。风力涡轮100可大体上包括从支撑表面104延伸的塔架102、安装在塔架102上的机舱106以及联接到机舱106的转子108。转子108包括可旋转的毂110和至少一个转子叶片112，转子叶片112联接到毂110并从毂110向外延伸。例如，在图示实施例中，转子108包括三个转子叶片112。然而，在备选实施例中，转子108可包括多于或少于三个转子叶片112。每个转子叶片112可围绕毂110间隔开，以有助于旋转转子108，从而使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。例如，毂110可能够旋转地联接到定位在机舱106内的电力系统400(图2)的发电机118(图2)，以允许产生电能。
风力涡轮100还可包括集中在机舱106内的控制器200。然而，在其它实施例中，控制器200可位于风力涡轮100的任何其它部件内或者风力涡轮外部的位置处。此外，控制器200可通信地联接到风力涡轮100的任何数量的部件，以便控制这些部件。照此，控制器200可包括计算机或其它合适的处理单元。因此，在若干实施例中，控制器200可包括合适的计算机可读指令，当被实施时，该指令配置控制器200以执行各种不同的功能，诸如接收、传输和/或执行风力涡轮控制信号。
现在参考图2，其中图示了风力涡轮100的示例性电力系统400。如图所示，发电机118可联接到转子108，用于由通过转子108生成的旋转能量产生电功率。因此，在实施例中，电力系统400可包括各种部件，用于将转子108的动能转换成到连接的电力网179的呈可接受形式的电力输出。例如，在实施例中，发电机118可为具有发电机定子402和发电机转子404的DFIG。发电机118可经由转子母线410联接到定子母线406和功率转换器408。在这样的配置中，定子母线406可从发电机118的定子提供输出多相功率(例如，三相功率)，并且转子母线410可提供发电机118的发电机转子404的输出多相功率(例如，三相功率)。另外，发电机118可经由转子母线410联接到转子侧转换器412。转子侧转换器412可联接到线路侧转换器414，线路侧转换器414继而又可联接到线路侧母线416。
在实施例中，转子侧转换器412和线路侧转换器414可配置用于使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为开关设备438的三相脉宽调制(PWM)布置中的正常操作模式。可使用其它合适的开关设备，诸如绝缘栅整流晶闸管、MOSFET、双极晶体管、硅控整流器和/或其它合适的开关设备。转子侧转换器412和线路侧转换器414可经由DC链路418横跨DC链路电容器420联接。例如，在根据本公开的实施例中，线路侧转换器414可包括三对IGBT和对应的三对二极管，其可用于将DC输入转换为具有期望相位角的AC输出。
在实施例中，功率转换器408可联接到控制器200，控制器200配置为转换器控制器202以控制功率转换器408的操作。例如，转换器控制器202可将控制命令发送到转子侧转换器412和线路侧转换器414，以控制功率转换器408中使用的开关元件的调制，从而建立期望的发电机扭矩设定点、有功功率输出和/或无功功率输出。
如图2中进一步描绘的，在实施例中，电力系统400可包括变压器422，变压器422将风力涡轮100经由互连点(POI) 436联接到电力网179。在实施例中，变压器422可为3绕组变压器，其包括高压(例如，大于12 KVAC)初级绕组424。高压初级绕组424可联接到电力网179。变压器422还可包括联接到定子母线406的中压(例如，6 KVAC)次级绕组426和联接到线路侧母线416的低压(例如，575 VAC、690 VAC等)辅助绕组428。应当意识到，变压器422可为如所描绘的三绕组变压器，或者备选地可为仅具有初级绕组424和次级绕组426的双绕组变压器；可为具有初级绕组424、次级绕组426、辅助绕组428和附加辅助绕组的四绕组变压器；或者可具有任何其它合适数量的绕组。
在实施例中，电力系统400可包括各种保护特征(例如，断路器、熔断器、接触器和其它设备)，以控制和/或保护电力系统400的各种部件。例如，在实施例中，电力系统400可包括电网断路器430、定子母线断路器432和/或线路侧母线断路器434。当电力系统400的条件接近电力系统400的阈值(例如，电流阈值和/或操作阈值)时，电力系统400的断路器430、432、434可连接或断开电力系统400的对应部件。
在实施例中，功率转换器408的线路侧转换器414可经由转换器接触器440联接到电力网179。转换器接触器440可具有断开操作状态/配置(其中转换器接触器440可为非导电的)和闭合操作状态/配置(其中转换器接触器440可为导电的)。例如，转换器接触器440可包括至少一对触头，其可被带到彼此接触以建立闭合操作状态，并可彼此分离以建立断开操作状态。在实施例中，转换器接触器440可包括至少一个电网侧端子442。(一个或多个)电网侧端子442在断开和闭合配置两者中可通过来自电力网179的电压被激励。在实施例中，转换器接触器440还可包括至少一个转换器侧端子444。当转换器接触器440处于断开配置时，(一个或多个)转换器侧端子444可与电力网179电脱离。应当意识到，在实施例中，转换器接触器440可为功率转换器408的一体部件。
在实施例中，电力系统400可包括设置在线路侧转换器414和转换器接触器440之间的滤波器模块446。在实施例中，滤波器模块可为配置成限制电网电压的谐波属性的AC滤波器。在实施例中，滤波器模块446可包括至少一个电容器448、至少一个电阻元件450和/或滤波器熔断器452。滤波器模块446的元件448、450、452可配置成当转换器接触器440处于闭合位置时在电网电压输送到线路侧转换器414之前接收电网电压并对其进行整形。
在另外的实施例中，电力系统400还可包括定位在转换器接触器444和线路侧转换器414之间的失真滤波器454。例如，在实施例中，失真滤波器454可为顺列(in-line)定位在滤波器模块446和线路侧转换器414之间的感应元件。在这样的实施例中，失真滤波器454可配置成在电网电压输送到线路侧转换器414之前进一步整形/调节电网电压。
如图3中描绘的，在实施例中，风力涡轮100可包括至少一个操作传感器156。(一个或多个)操作传感器156可配置成检测风力涡轮100的性能(例如，响应于环境条件)。在实施例中，(一个或多个)操作传感器156可配置成监测多个电力条件，诸如转差(率)、定子电压和电流、转子电压和电流、线路侧电压和电流、DC链路电荷和/或风力涡轮的任何其它电力条件。另外，(一个或多个)操作传感器156可配置成监测转子108和/或发电机转子404的旋转速度。
应当意识到，如本文中所用，术语“监测”及其变型指示风力涡轮100的各种传感器可配置成提供被监测参数的直接测量值或这样的参数的间接测量值。因此，本文中描述的传感器可例如用来生成与被监测的参数相关的信号，这些信号然后可由控制器200利用来确定风力涡轮100的条件或响应。
参考图3和图4，呈现了根据本公开的用于控制风力涡轮100的系统300的多个实施例。如图3中特别所示的，图示了可包括在系统300内的合适部件的一个实施例的示意图。例如，如图所示，系统300可包括通信地联接到(一个或多个)传感器156的控制器200。此外，如图所示，控制器200包括一个或多个处理器206和(一个或多个)相关联的存储器设备208，它们配置成执行各种计算机实施的功能(例如，执行如本文中公开的方法、步骤、计算等和存储相关数据)。另外，控制器200还可包括通信模块210，以有助于控制器200和风力涡轮100的各种部件之间的通信。此外，通信模块210可包括传感器接口212(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从(一个或多个)传感器156传输的信号被转换成可由处理器206理解和处理的信号。应当意识到，(一个或多个)传感器156可使用任何合适的手段通信地联接到通信模块210。例如，(一个或多个)传感器156可经由有线连接联接到传感器接口212。然而，在其它实施例中，(一个或多个)传感器156可经由无线连接(诸如通过使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议)联接到传感器接口212。
如本文中所用，术语“处理器”不仅指在本领域中被称为包含在计算机中的集成电路，还指控制器、微控制器、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，(一个或多个)存储器设备208大体上可包括(一个或多个)存储器元件，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，闪存存储器)、软盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件。(一个或多个)这样的存储器设备208可大体上配置成存储合适的计算机可读指令，当由(一个或多个)处理器206实施时，计算机可读指令配置控制器200以执行或指导各种功能，包括但不限于如本文中描述的在发电机118的速度操作期间经由发电机转子404产生所需要的无功功率生成量的至少一部分和经由功率转换器408的电网侧(SG)将所述部分输送到电力网179以及各种其它合适的计算机实施的功能。
如图4中在302描绘的，在实施例中，系统300的控制器200可配置成检测发电机转子404的操作参数306对第一阈值304的穿越。操作参数306可指示发电机118的低速操作。发电机118的低速操作例如可包括发电机操作状态，其中当电力网179具有60 Hz的操作频率时，发电机转子404具有小于或等于900 RPM的旋转速度308。在另外的实施例中，发电机118的低速操作可包括发电机操作状态，其中当电力网179具有50 Hz的操作频率时，发电机转子404具有小于或等于1100 RPM的旋转速度308。
在实施例中，操作参数306可为发电机转子旋转速度308，并且第一阈值304可为发电机转子旋转速度阈值310(图5)。因此，当发电机转子旋转速度308处于或低于发电机转子旋转速度阈值310时，可指示发电机118的低速操作。在这样的实施例中，当发电机转子旋转速度308低于发电机转子旋转速度阈值310(例如下降)时，可发生第一阈值的穿越。应当意识到，发电机转子旋转速度308可经由直接监测(例如，经由(一个或多个)传感器156)来获得和/或可基于另外的被监测参数来确定。例如，发电机转子旋转速度308可从风力涡轮转子108(或联接到其的其它元件)的被监测旋转速度导出。
在另外的实施例中，操作参数306可为发电机转子电压量值312，并且第一阈值304可为发电机转子电压阈值量值314(图5)。因此，当发电机转子电压量值312大于(例如，超过)或等于发电机转子电压阈值量值314时，可指示发电机118的低速操作。因此，在实施例中，检测第一阈值304的穿越可包括经由控制器接收指示发电机转子电压量值312的数据。
在实施例中，接收指示发电机转子电压量值312的数据可包括确定功率转换器408的转子侧转换器412的转换器调制指数316。在另外的实施例中，发电机转子电压量值312可基于功率转换器408的DC链路418的DC链路电压318来确定。应当意识到，发电机转子电压量值312也可经由直接监测(例如，经由(一个或多个)传感器156)来获得。
应当意识到，如在320描绘的，在其中操作参数306不穿越第一阈值304的实施例中，风力涡轮100可将无功功率经由功率转换器408的旁路324输送到电力网179。经由功率转换器408的旁路324满足无功功率生成量需求322可被认为是风力涡轮100的标称操作状态(SN)(图5)。
响应于操作参数306穿越第一阈值304，在实施例中，系统300可经由发电机转子404产生所需要的无功功率生成量的至少一部分326。如在328描绘的，所需要的无功功率生成量的部分326然后可经由功率转换器408的电网侧(SG)输送到电力网179。
为了产生所需要的无功功率生成量的部分326，在实施例中，控制器200可配置成接收发电机118的无功电流设定点330。无功电流设定点330可对应于发电机转子404的电流设定点，该电流设定点有助于经由发电机定子402满足所需要的无功功率生成量。换句话说，无功电流设定点330可为当风力涡轮100正在标称操作状态(SN)下操作并且将无功功率经由功率转换器408的旁路324输送到电力网179以便满足电力网179的无功功率生成量需求322时所采用的发电机118的电流设定点。控制器200然后可产生修改的无功电流设定点332。修改的无功电流设定点332可配置成有助于经由发电机转子404生成所需要的无功功率生成量322的部分326。如在334描绘的，功率转换器408的至少一个操作状态可基于修改的无功电流设定点332而改变。例如，在实施例中，可基于修改的无功电流设定点332改变开关设备438中的至少一个的操作状态，使得转子404的电流导致部分326经由功率转换器408(例如，经由功率转换器408的电网侧(SG))输送到电力网179。
在实施例中，改变功率转换器408的(一个或多个)操作状态可有助于通过经由功率转换器408的电网侧(SG)输送到电力网179的所需要的无功功率生成量的部分326来满足无功功率生成量需求322的全部。在这样的实施例中，由发电机118生成的所有无功功率可经由功率转换器408的电网侧(SG)输送到电力网179。因此，经由功率转换器408的电网侧(SG)输送到电力网179的无功功率可构成风力涡轮100的无功功率生成量的100%。
在另外的实施例中，所需要的无功功率生成量的部分326可为所需要的无功功率生成量的第一无功功率部分336。在这样的实施例中，改变功率转换器408的(一个或多个)操作状态可有助于经由风力涡轮100的无功功率输出满足无功功率生成量需求322。风力涡轮100的无功功率输出可包括经由功率转换器408的电网侧(SG)输送到电力网179的第一无功功率部分336和经由功率转换器408的旁路324输送到电力网179的第二无功功率部分338。照此，无功功率生成量需求322可通过经由功率转换器408的电网侧(SG)输送到电力网179的无功功率和经由功率转换器408的旁路324输送到电力网179的无功功率的组合来满足。因此，经由功率转换器408的电网侧(SG)输送的所需要的无功功率生成量的部分326可小于功率生成量需求322的100%。
在实施例中，经由功率转换器408的电网侧(SG)将所需要的无功功率生成量的部分326输送到电力网179可有助于发电机转子电压量值的降低。例如，在标称操作状态(SN)下，无功功率可通过发电机的电路(例如，功率转换器408的旁路324)输送到电力网179。因此，来自发电机转子404的无功电流分量可流过发电机和变压器阻抗。照此，当无功功率被输送到电力网179时，转子电压量值增加，在低速操作期间由于高发电机转差(率)而加剧了这种情形。因此，经由功率转换器408的电网侧(SG)输送所需要的无功功率生成量的部分326可降低由所需要的无功功率生成量的部分326遇到的阻抗。这继而又可导致发电机转子电压量值的降低。
应当意识到，发电机转子电压量值的降低还可有助于降低横跨功率转换器的至少一个部件的热负载和/或电负载。例如，发电机转子电压量值的降低可降低所需DC链路电压318。所需DC电压318方面的降低可降低转子侧转换器412上的电负载和/或热负载。这继而又可在满足无功功率生成量需求322的同时防止由于风力涡轮100的长时间低速操作而导致开关设备438的预期寿命的缩短。
仍然参考图4并且还参考图5，其中描绘了发电机转子速度308和发电机转子电压312的关系342的图形表示。如所图示的，当发电机转子速度308大于第一阈值304时，风力涡轮100可处于标称操作状态(SN)。随着转子速度减小(在图表上从右向左移动)，发电机转子电压量值312可增加，直到达到第一阈值304并且获得第一电压量值344。一旦第一操作参数306穿越第一阈值304，并且所需要的无功功率生成量的部分326经由转换器408输送到电力网179，发电机转子电压量值312可减小，导致获得第二电压量值346。在所需要的无功功率生成量的部分326经由转换器408输送的情况下，风力涡轮100可处于第一低速操作状态(SL1)。
在实施例中，风力涡轮100可在第一低速操作状态(SL1)下继续操作(例如，继续生成有功和/或无功电流分量)，并且发电机转子速度308可继续减小。照此，发电机转子电压量值312可从第二电压量值346增加。因此，在所需要的无功功率生成量的部分326经由功率转换器408的电网侧(SG)输送到电力网179之后，如在348描绘的，控制器200可配置成检测第二阈值350的超过。类似于第一阈值304，第二阈值350可对应于发电机转子电压量值和/或发电机转子旋转速度。在达到第二阈值350时，转子电压量值312可具有第三电压量值352。
响应于第二阈值350的穿越，控制器200可配置成降低有功功率设定点354和/或无功功率设定点356。通过降低有功功率设定点354和/或无功功率设定点356，风力涡轮100可在第二低速操作状态(SL2)下操作。在第二低速操作状态(SL2)下，发电机118的电扭矩可显著减少(例如，基本上为零)，并且可获得第四转子电压量值358。应当意识到，在第二低速操作状态(SL2)期间减少发电机118的电扭矩可有助于风力涡轮100保持联接到电力网179，从而减少转换器接触器440的连接/断开连接循环的次数。
在实施例中，第二阈值350可基于功率转换器408的至少一个部件的预测可靠性。因此，降低有功功率设定点354和/或无功功率设定点356可防止在风力涡轮100的低速操作期间功率转换器408的部件上磨损程度的累积。
在另外的实施例中，降低有功功率设定点354和/或无功功率设定点356可有助于风力涡轮100的转子108的惯量方面的增加。例如，随着伴随有功功率设定点354和/或无功功率设定点356中明显的降低的生成量需求的电扭矩方面的减少，响应于作用于转子108上的环境条件，转子108的旋转可能几乎没有阻力。照此，转子108的旋转速度可增加。由此产生的惯量方面的增加可有助于恢复有功和/或无功功率生产。
此外，技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的可互换性。类似地，所描述的各种方法步骤和特征以及每个这样的方法和特征的其它已知等同物可由本领域的普通技术人员混合和匹配，以根据本公开的原理构造另外的系统和技术。当然，要理解的是，不一定可根据任何特定实施例实现上述所有这些目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文中描述的系统和技术可以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不必实现本文可教导或暗示的其它目的或优点。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等同结构要素，则这些其它示例旨在处于权利要求书的范围内。
本发明的另外的方面由以下条款的主题提供：
条款1. 一种用于控制电联接到电力网的风力涡轮的低速操作的方法，该风力涡轮具有发电机和功率转换器，该发电机具有发电机转子和发电机定子，该方法包括：经由控制器检测发电机转子的操作参数对第一阈值的穿越，该操作参数指示发电机的低速操作；响应于操作参数穿越第一阈值，经由发电机转子产生需要的无功功率生成量的至少一部分；以及经由功率转换器的电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到电力网。
条款2. 根据条款1所述的方法，其中，产生所需要的无功功率生成量的所述部分包括：经由控制器接收发电机的无功电流设定点，该无功电流设定点对应于发电机转子的电流，该电流有助于经由发电机定子满足所需要的无功功率生成量；经由控制器产生修改的无功电流设定点，该修改的无功电流设定点配置成有助于经由发电机转子生成所需要的无功功率生成量的所述部分；以及基于修改的无功电流设定点改变功率转换器的至少一个操作状态。
条款3. 根据任意前述条款所述的方法，其中，所需要的无功功率生成量的所述部分包括所需要的无功功率生成量的第一无功功率部分，并且其中，改变功率转换器的所述至少一个操作状态有助于经由风力涡轮的无功功率输出满足所需要的无功功率生成量，该无功功率输出包括经由功率转换器的电网侧输送到电力网的第一无功功率部分和经由功率转换器的旁路输送到电力网的第二无功功率部分。
条款4. 根据任意前述条款所述的方法，其中，改变功率转换器的所述至少一个操作状态有助于通过经由功率转换器的电网侧输送到电力网的所需要的无功功率生成量的所述部分来满足所需要的无功功率生成量的全部。
条款5. 根据任意前述条款所述的方法，其中，发电机转子的操作参数包括发电机转子电压量值，其中，第一阈值包括指示发电机的低速操作的发电机转子电压阈值量值，并且其中，检测第一阈值的穿越还包括：经由控制器接收指示发电机转子电压量值的数据。
条款6. 根据任意前述条款所述的方法，其中，接收指示发电机转子电压量值的数据进一步包括：经由控制器确定指示发电机转子电压量值的功率转换器的转子侧转换器的转换器调制指数。
条款7. 根据任意前述条款所述的方法，其中，接收指示发电机转子电压量值的数据进一步包括：经由控制器确定指示发电机转子电压量值的功率转换器的DC链路的DC链路电压。
条款8. 根据任意前述条款所述的方法，其中，发电机转子的操作参数包括发电机转子旋转速度，其中，第一阈值包括发电机转子旋转速度阈值，并且其中，当发电机转子旋转速度处于或低于发电机转子旋转速度阈值时指示发电机的低速操作。
条款9. 根据任意前述条款所述的方法，其中，经由功率转换器的电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到电力网有助于发电机转子电压量值的降低。
条款10. 根据任意前述条款所述的方法，其中，发电机转子电压量值的降低有助于降低横跨功率转换器的部件的热负载和电负载中的至少一个。
条款11. 根据任意前述条款所述的方法，还包括：在所需要的无功功率生成量的所述部分经由功率转换器的电网侧输送到电力网之后，经由控制器检测发电机转子的操作参数对第二阈值的穿越；以及响应于操作参数对第二阈值的穿越，经由控制器降低发电机的有功功率设定点和无功功率设定点中的至少一个。
条款12. 根据任意前述条款所述的方法，其中，第二阈值基于功率转换器的至少一个部件的预测可靠性。
条款13. 根据任意前述条款所述的方法，其中，风力涡轮还包括能够旋转地联接到发电机的转子，该转子具有安装到其的一个或多个转子叶片，并且其中，降低发电机的有功功率设定点和无功功率设定点中的至少一个有助于风力涡轮的转子的惯量方面的增加。
条款14. 一种用于控制联接到电力网的风力涡轮的系统，该风力涡轮具有发电机和功率转换器，该发电机具有发电机转子和发电机定子，该系统包括通信地联接到发电机的控制器，该控制器包括至少一个处理器，该至少一个处理器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：检测发电机转子的操作参数对第一阈值的穿越，该操作参数指示发电机的低速操作；响应于操作参数穿越第一阈值，经由发电机转子产生需要的无功功率生成量的至少一部分；以及经由功率转换器的电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到电力网。
条款15. 根据任意前述条款所述的系统，其中，产生所需要的无功功率生成量的所述部分包括：接收发电机的无功电流设定点，该无功电流设定点对应于发电机转子的电流，该电流有助于经由发电机定子满足所需要的无功功率生成量；产生修改的无功电流设定点，该修改的无功电流设定点配置成有助于经由发电机转子生成所需要的无功功率生成量的所述部分；以及基于修改的无功电流设定点改变功率转换器的至少一个操作状态。
条款16. 根据任意前述条款所述的系统，其中，所需要的无功功率生成量的所述部分包括所需要的无功功率生成量的第一无功功率部分，并且其中，改变功率转换器的所述至少一个操作状态有助于经由风力涡轮的无功功率输出满足所需要的无功功率生成量，该无功功率输出包括经由功率转换器的电网侧输送到电力网的第一无功功率部分和经由功率转换器的旁路输送到电力网的第二无功功率部分。
条款17. 根据任意前述条款所述的系统，其中，发电机转子的操作参数包括发电机转子电压量值，其中，第一阈值包括指示发电机的低速操作的发电机转子电压阈值量值，并且其中，检测第一阈值的穿越进一步包括：接收指示发电机转子电压量值的数据。
条款18. 根据任意前述条款所述的系统，其中，发电机转子的操作参数包括发电机转子旋转速度，其中，第一阈值包括发电机转子旋转速度阈值，并且其中，当发电机转子旋转速度处于或低于发电机转子旋转速度阈值时指示发电机的低速操作。
条款19. 根据任意前述条款所述的系统，其中，经由功率转换器的电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到电力网有助于降低发电机转子电压量值，其中，发电机转子电压量值的降低有助于降低横跨功率转换器的部件的热负载和电负载中的至少一个。
条款20. 根据任意前述条款所述的系统，其中，所述多个操作还包括：在所需要的无功功率生成量的所述部分经由功率转换器的电网侧输送到电力网之后，检测发电机转子的操作参数对第二阈值的穿越；以及响应于该操作参数接近第二阈值，降低发电机的有功功率设定点和无功功率设定点中的至少一个。

Claims (10)

1.一种用于控制电联接到电力网的风力涡轮的低速操作的方法，所述风力涡轮具有发电机和功率转换器，所述发电机具有发电机转子和发电机定子，所述方法包括：
经由控制器检测所述发电机转子的操作参数对第一阈值的穿越，所述操作参数指示所述发电机的低速操作；
响应于所述操作参数穿越所述第一阈值，经由所述发电机转子产生需要的无功功率生成量的至少一部分；和
经由所述功率转换器的电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到所述电力网。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，产生所需要的无功功率生成量的所述部分包括：
经由所述控制器接收所述发电机的无功电流设定点，所述无功电流设定点对应于所述发电机转子的电流，所述电流有助于经由所述发电机定子满足所需要的无功功率生成量；
经由所述控制器产生修改的无功电流设定点，所述修改的无功电流设定点配置成有助于经由所述发电机转子生成所需要的无功功率生成量的所述部分；和
基于所述修改的无功电流设定点改变所述功率转换器的至少一个操作状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所需要的无功功率生成量的所述部分包括所需要的无功功率生成量的第一无功功率部分，并且其中，改变所述功率转换器的所述至少一个操作状态有助于经由所述风力涡轮的无功功率输出满足所需要的无功功率生成量，所述无功功率输出包括经由所述功率转换器的所述电网侧输送到所述电力网的所述第一无功功率部分和经由所述功率转换器的旁路输送到所述电力网的第二无功功率部分。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，改变所述功率转换器的所述至少一个操作状态有助于通过经由所述功率转换器的所述电网侧输送到所述电力网的所需要的无功功率生成量的所述部分来满足所需要的无功功率生成量的全部。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发电机转子的所述操作参数包括发电机转子电压量值，其中，所述第一阈值包括指示所述发电机的所述低速操作的发电机转子电压阈值量值，并且其中，检测所述第一阈值的所述穿越进一步包括：
经由所述控制器接收指示所述发电机转子电压量值的数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，接收指示所述发电机转子电压量值的数据进一步包括：
经由所述控制器确定指示所述发电机转子电压量值的所述功率转换器的转子侧转换器的转换器调制指数。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，接收指示所述发电机转子电压量值的数据进一步包括：
经由所述控制器确定指示所述发电机转子电压量值的所述功率转换器的DC链路的DC链路电压。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发电机转子的所述操作参数包括发电机转子旋转速度，其中，所述第一阈值包括发电机转子旋转速度阈值，并且其中，当所述发电机转子旋转速度处于或低于所述发电机转子旋转速度阈值时指示所述发电机的所述低速操作。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，经由所述功率转换器的所述电网侧将所需要的无功功率生成量的所述部分输送到所述电力网有助于发电机转子电压量值的降低。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述发电机转子电压量值的降低有助于降低横跨所述功率转换器的部件的热负载和电负载中的至少一个。
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