CN115342024A - 用于操作风力涡轮的方法和功率装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于操作风力涡轮（100）的方法（1000‑1001），所述风力涡轮（100）包括具有转子叶片（108）的转子（106）和与所述转子（106）机械连接的功率转换系统（118，210，234），所述功率转换系统（118，210，234）被配置成将输入动力转换为电输出功率，并且电连接到网络（242），以用于将所述电输出功率（P）馈送到所述网络。所述方法包括确定（1100）所述网络（242）的当前频率（f），并且当所述当前频率（f）等于或低于阈值频率（fthresh）时，以电输出功率（P）操作（1300）所述功率转换系统（118，210，234），所述电输出功率（P）根据被限制为最大值（PImax）的所述当前频率（f）的单调函数（PI（f））增加电输出功率增加（PI）。

Description

用于操作风力涡轮的方法和功率装置
技术领域
本主题一般涉及操作风力涡轮，并且更特别地涉及根据电网规范要求操作风力涡轮，并且涉及对应的功率装置（plant），特别是风功率装置。
背景技术
风功率被认为是目前可用的最清洁、对环境最友好的能源之一，并且风力涡轮在这方面已获得越来越多的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。该转子叶片使用已知的翼型件原理捕获来自风的动能，并且通过旋转能传输动能，以便转动轴，该轴将转子叶片耦合到齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱，则该轴将转子叶片直接地耦合到发电机。发电机然后将机械能转换为可部署到通常也称为（供应）网络的公用电网的电能。
随着电功率生成中诸如风电场和太阳能场的可再生能源（其依赖于不可控制的功率源（“风”和“太阳”））的经常预期的增加的份额（share），符合电网要求变得更加重要。这特别是指馈送到电网中的电功率与由消费者从电网中提取的电功率之间的不平衡，因为这可能导致电网频率的波动。例如，当功率消耗超过馈送到电网中的电功率时，电网频率下降。出于稳定性的原因，在例如对于中央欧洲电网的50Hz和对于美国电网的60Hz的预期或目标电网频率周围的电网频率的波动将保持在至多百分之几的某些限制内。因此，电网运营商通常以所谓的电网规范规定电功率生成装置的主要功率控制要求，所述电网规范可随时间改变且通常还分别取决于地区和国家。
通过使转子减速和加速然而仅持续短时间以避免过低和过高的转子速度，储存在或可另外储存在电功率生成装置的旋转部件（例如风力涡轮的转子）中的动能可用作功率储备，该功率储备可用于（部分地）补偿电网频率的偏差。
然而，相应的电网规范要求的当前实现留下了进一步发展的空间。
因此，本公开提供根据权利要求1所述的用于操作风力涡轮的方法，根据权利要求13所述的功率装置，以及根据权利要求15所述的计算机程序产品或计算机可读存储介质。
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，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践而获知。。
在一个方面中，本公开涉及一种用于操作风力涡轮的方法。该风力涡轮包括具有转子叶片的转子，以及与该转子机械连接的功率转换系统，该功率转换系统被配置成将输入动力转换为电输出功率，并且电连接到网络以用于将电输出功率馈送到网络。网络通常是公用电网。所述方法包括确定所述网络的当前频率，并且当所述当前频率等于或低于阈值频率时，以电输出功率操作所述功率转换系统，所述电输出功率根据所述当前频率的单调函数增加电输出功率增加。单调函数限于最大值。
因此，特别地，分别具有大的可旋转质量和相应大的惯性矩的大的风力涡轮（其可以存储相当大量的动能），和/或具有若干（通常多个）风力涡轮的风功率装置或混合功率装置可以快速且有效地有助于在欠频事件期间稳定电网频率，而不会由于限制单调函数的功率增加而损坏（一个或多个）风力涡轮。在本说明书内，术语“功率装置”应包括术语“功率转换装置”，“风电场”，“风功率装置”和“混合功率装置”。
在增加电输出功率增加（根据频率的单调函数）的电输出功率下操作功率转换系统也可以被称为在过度生产操作模式中操作风力涡轮，在该模式中，通过（提供，例如减小）存储在功率转换系统中的动能来增加功率转换系统的电输出功率，但是限制为比可能的更低的值。
通常，使用存储在所述功率转换系统的发电机的转子的惯性矩中的旋转能量和存储在发电机转子的惯性矩中的旋转能量中更典型的两者的至少一个来提供电输出功率增加。
特别地，在网络的当前频率被确定为等于或低于阈值频率的第一时间或此后不久，通常分别实时地（即在小于约0.5s或甚至0.2s内）或接近实时地（即在小于约5s或甚至小于2s内）以及在控制的下一个可能时间，功率转换系统的电输出功率增加电输出功率增加（由存储在功率转换系统中的动能提供/从存储在功率转换系统中的动能转换）。
最大值（也称为有限功率增加值）可以根据网络的电网规范分别确定为功率转换系统和风力涡轮的额定功率的函数，和/或作为在第一时间确定的功率转换系统的初始电输出功率的函数。
特别地，最大值可以在从额定功率或初始电输出功率的大约5％到额定功率或初始电输出功率的大约15％的范围内，更通常在额定功率或初始电输出功率的大约10％，例如在9％到11％之间。
通常，单调函数是（当前）频率和阈值频率之差的函数。因此，可以促进控制。
备选地或另外地，单调函数是（通常预定的）可配置函数。因此，促进对在风力涡轮的特定位置有效的电网规范的适配。
此外，单调函数通常分别是（当前）频率和（当前）频率与阈值频率之差的分段线性函数。这也可促进控制。
此外，单调函数通常随着减小（当前）频率而单调增加，直到达到最大值，并且随着增加（当前）频率和阈值频率之间的差而单调增加，直到达到最大值。
更进一步地，在达到最大值之前，单调函数通常对应频率到阈值频率的距离和/或（当前）频率和阈值频率之间的差的每一Hz（赫兹）的额定功率或初始电输出功率的至多约15％，更通常至多约12％，和/或对应频率到阈值频率的距离和/或（当前）频率和阈值频率之间的差的每一Hz（赫兹）的额定功率或初始电输出功率的至少约5％，更通常至少约10％。
此外，单调函数在阈值频率可以是不连续的。更特别地，单调函数可以在阈值频率具有两个通常预定的函数值，通常为零和大于零的响应值。因此，风力涡轮可以更强烈地有助于补偿接近阈值频率的电网频率下降。
例如，响应值可以在额定功率或初始电输出功率的约0至约5％的范围内，更通常在约0至约1.5％的范围内。
阈值频率通常低于网络的目标频率。通常，特别是根据电网规范，阈值频率和目标频率二者中的至少一个是预定的和/或可配置的值。例如，阈值频率可以对应如在可应用的电网规范中指定的网络的死区频率。
单调函数可以在阈值频率和滞后频率之间的范围内恒定，所述滞后频率低于目标频率并高于阈值频率。特别地，单调函数可以具有在阈值频率和滞后频率之间的滞后。更特别地，单调函数可以具有在阈值频率和滞后频率之间的范围内的两个（预定的）恒定（与频率无关的）函数值，通常为零和响应值。
可以重复确定电流频率和以增加的电输出功率操作功率转换系统。因此，可以提供对变化的电网条件的动态响应。
可以重复该方法直到达到例如10秒的预定时间间隔。因此，可以避免功率转换系统的移动部件的不预期的（太强的）减速。预定时间间隔通常分别取决于功率转换系统和风力涡轮的指定。
通常，当达到预定时间间隔时，当当前频率再次高于阈值频率，更通常等于或高于滞后频率时，停止以增加的电输出功率操作功率转换系统。
如上已经所述，如果当前频率在阈值频率和滞后频率之间的范围内，则功率转换系统可以在增加的电输出功率下操作。
在一个方面中，本公开涉及功率转换装置，特别是包括一个或多个风力涡轮的可再生功率转换装置。该功率转换装置包括转子和与转子机械连接的功率转换系统，该功率转换系统构造成将输入动力（由转子提供）转换为电输出功率，并可连接到网络，特别是可连接到公用电网。功率转换装置还包括：传感器，其可连接到网络，以用于测量至少与网络频率相关的至少一个信号；以及与功率转换系统和传感器通信耦合的控制器。所述控制器被配置成接收所述至少一个信号，并且当所述当前频率等于或低于阈值频率时，根据所述当前频率的单调函数来确定用于所述功率转换系统的电输出功率增加。单调函数限于最大值。此外，控制器通常被配置成使用电输出功率增加来控制功率转换系统。
该至少一个信号可以（直接）对应网络的当前频率。换句话说，传感器可以包括或者是频率传感器。
该控制器可以由涡轮控制器或（风力）涡轮控制器提供，并且转换器控制器与该涡轮控制器功能性地耦合。此外，功能性中的部分还可以由监督涡轮控制器的风电场控制器提供。
如本文使用的术语“控制器”将包括两个或更多个功能上彼此耦合的控制器。
通常，控制器被配置成控制功率转换系统，使得使用存储在功率转换系统的发电机的发电机转子和/或转子的惯性矩中的旋转能量来提供功率增加。例如，控制器可以确定并使用相应的功率设定点来控制功率转换系统的转换器。
此外，控制器可以被配置成执行如本文所解释的方法。
在一个方面中，本公开涉及一种计算机程序产品或计算机可读存储介质。计算机程序产品或计算机可读存储介质包括指令，当由系统的一个或多个处理器，特别是如本文所解释的功率转换装置的控制器执行时，所述指令使系统执行如本文所解释的方法。
系统和控制器可分别被配置成依靠软件，固件，硬件或其任何组合来执行特定操作或过程。
本发明提供一组技术方案，如下。
技术方案1. 一种用于操作风力涡轮（100）的方法（1000-1001），所述风力涡轮（100）包括：转子（106），所述转子（106）包括转子叶片（108）；和功率转换系统（118，210，234），所述功率转换系统（118，210，234）与所述转子（106）机械连接，所述功率转换系统（118，210，234）被配置成将输入动力转换为电输出功率，并且电连接到网络（242），以用于将所述电输出功率（P）馈送到所述网络（242），特别是馈送到公用电网，所述方法（1000-1001）包括：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
确定（1100）所述网络（242）的当前频率（f）；以及
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002A
当所述当前频率（f）等于或低于阈值频率（fthresh）时，以根据所述当前频率（f）的单调函数（PI（f））增加电输出功率增加（PI）的电输出功率（P）来操作（1300）所述功率转换系统（118，210，234），所述单调函数（PI）限于最大值（PImax）。
技术方案2. 如技术方案1所述的方法（1000-1001），其中，所述当前频率（f）的所述单调函数PI（f）是所述当前频率（f）和所述阈值频率（fthresh）之间的差（
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
）的函数。
技术方案3. 如任何前述技术方案所述的方法（1000-1001），其中，所述单调函数（PI（f））是所述当前频率（f）和/或所述当前频率（f）与所述阈值频率（fthresh）之间的差（
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004A
）的分段线性函数，所述单调函数（PI（f））随着减小当前频率（f）单调增加直到达到所述最大值（PImax），和/或随着增加所述当前频率（f）与所述阈值频率（fthresh）之间的差（
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
）单调增加直到达到所述最大值（PImax）。
技术方案4. 如任何前述技术方案所述的方法（1000-1001），包括下列中的至少一个：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002AA
将所述最大值（PImax）确定为所述功率转换系统（118，210，234）的额定功率的函数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002AAA
在确定所述网络的所述当前频率（f）等于或低于所述阈值频率（fthresh）的第一时间（t0）处或接近所述第一时间（t0），将所述功率转换系统（118，210，234）的实际电输出功率（P0）确定为初始电输出功率（P0）；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002AAAA
在所述第一时间（t0）时或在所述第一时间（t0）之后不久，将所述功率转换系统（118，210，234）的所述电输出功率（P0）增加所述电输出功率增加（PI）；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002_5A
将所述最大值（PImax）确定为所述初始电输出功率（P0）的函数，特别是确定为所述初始电输出功率（P0）的百分比或分数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002_6A
将所述最大值（PImax）确定为在所述第一时间（t0）处或接近所述第一时间（t0）的最大可用电输出功率（PIavail）的函数，特别是确定为在所述第一时间（t0）处或接近所述第一时间（t0）的所述最大可用电输出功率（PIavail）的百分比或分数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002_7A
根据所述网络的电网规范确定所述最大值（PImax）；以及
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002_8A
使用存储在所述功率转换系统（118，210，234）的发电机（118）的发电机转子（122）和/或所述转子（106）的惯性矩中的旋转能量来提供所述电输出功率增加（PI）。
技术方案5. 如技术方案4所述的方法（1000-1001），其中，所述最大值（PImax）在所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的约5％到所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的约15％的范围内，更通常在所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的约10％。
技术方案6. 如任何前述技术方案所述的方法（1000-1001），其中，所述单调函数（PI）在达到所述最大值（PImax）之前对应所述频率（f）与所述阈值频率（fthresh）的距离和/或所述差（
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004AA
）的每一Hz的所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的至多约15％，更通常至多约12％，和/或其中所述单调函数（PI）在达到所述最大值（PImax）之前对应对应所述频率（f）与所述阈值频率（fthresh）的距离和/或所述差（
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004AAA
）的每一Hz的所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的至少约5％，更通常地至少约10％。
技术方案7. 如任何前述技术方案所述的方法（1000-1001），其中，所述单调函数（PI（f））在所述阈值频率（fthresh）处不连续和/或包括两个函数值，特别是零和大于零的响应值（PIres）。
技术方案8.如技术方案7所述的方法（1000-1001），其中，所述响应值（PIres）在所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的约0％至约5％的范围内，更通常在约0％至约1.5％的范围内。
技术方案9. 如任何前述技术方案所述的方法（1000-1001），其中，所述方法被重复若干次。
技术方案10. 如技术方案9所述的方法（1000-1001），其中，重复所述方法直到达到预定时间间隔（thold），其中当达到所述预定时间间隔（thold）时停止所述方法，和/或其中当所述当前频率（f）再次高于所述阈值频率（fthresh），更通常等于或高于滞后频率（fhyst）时停止所述方法，所述滞后频率（fhyst）低于所述目标频率（fnom）并且高于所述阈值频率（fthresh），和/或其中如果相应的当前频率（f）在所述阈值频率（fthresh）和所述滞后频率（fhyst）之间的范围内，则也重复所述方法。
技术方案11. 如任何前述技术方案所述的方法（1000-1001），其中，所述阈值频率（fthresh）低于所述网络的目标频率（fnom），其中所述阈值频率（fthresh）对应所述网络的死区频率。
技术方案12. 如技术方案11所述的方法（1000-1001），其中，所述当前频率（f）的所述单调函数（PI（f））包括在所述阈值频率（fthresh）和所述滞后频率（fhyst）之间的范围内的滞后，特别是在所述阈值频率（fthresh）和所述滞后频率（fhyst）之间的范围内的两个恒定函数值。
技术方案13. 一种功率转换装置（100），包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE002_9A
转子（106）；
Figure DEST_PATH_IMAGE002_10A
与所述转子（106）机械连接的功率转换系统（118，210，234），所述功率转换系统（118，210，234）被配置成将输入动力转换为电输出功率，并且可连接到网络（242），特别是可连接到公用电网；
Figure DEST_PATH_IMAGE002_11A
传感器（252），所述传感器（252）可连接到所述网络（242），以用于测量至少与所述网络（242）的频率相关的至少一个信号；以及
Figure DEST_PATH_IMAGE002_12A
控制器（202），所述控制器（202）与所述功率转换系统（118，210，234）和所述传感器（252）通信地耦合，并且被配置成：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
接收所述至少一个信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE007A
当所述当前频率（f）等于或低于阈值频率（fthresh）时，根据所述当前频率（f）的单调函数（PI（f））来确定用于所述功率转换系统（118，210，234）的电输出功率增加（PI），所述单调函数（PI（f））被限制为最大值（PImax）；以及
Figure DEST_PATH_IMAGE007AA
使用所述电输出功率增加（PI）来控制所述功率转换系统（118，210，234）。
技术方案14. 如技术方案13所述的功率转换装置（100），其中，所述控制器（202）被配置成使用所接收的至少一个信号来确定所述网络的所述当前频率（f），其中所述功率转换装置包括风力涡轮（100），其中所述控制器（202）被配置成控制所述功率转换系统（118，210，234），使得使用存储在所述功率转换系统（118，210，234）的发电机（118）的发电机转子（122）和/或所述转子（106）的惯性矩中的旋转能量来提供所述功率增加（PI），和/或其中所述控制器（202）被配置为执行如技术方案1至12中的任一项所述的方法。
技术方案15. 一种包括指令的计算机程序产品或计算机可读存储介质，所述指令当由系统的一个或多个处理器（204），特别是如技术方案13或14所述的功率转换装置的控制器（202）执行时，所述指令使所述系统执行如技术方案1至12中的任一项所述的方法。
本发明的这些和其它特征，方面和优点将参考以下描述和所附权利要求书得到进一步支持和描述。并入本说明书中并构成其一部分的附图图示本发明的实施例，并与本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本发明的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开（包括其最佳模式），其中：
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图示适合供与图1中所示的风力涡轮一起使用的电功率系统和控制系统的一个实施例的示意图。
图3图示适合供与图1中所示的风力涡轮一起使用的控制器的一个实施例的框图。
图4A图示根据本公开的实施例的在操作风力涡轮期间作为时间的函数的频率过程和输出功率；
图4B图示根据本公开的实施例的在操作风力涡轮期间作为时间的函数的功率增加；
图5A图示根据本公开的实施例的用于操作风力涡轮的方法的流程图；以及
图5B图示根据本公开的实施例的用于操作风力涡轮的方法的流程图。
图中所描绘的单个特征相对于彼此示出，并且因此不必按比例绘制。即使在不同实施例中显示，图中类似或相同的元件通常利用相同的参考数字表示。
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示出。通过本发明的解释而非本发明的限制的方式提供每个示例。实际上，对于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，可以在本发明中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分图示或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖如落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这样的修改和变型。
图1是示范性风力涡轮100的一部分的透视图。风力涡轮100包括容纳发电机（图1中未示出）的机舱102。机舱102安装在塔架104上（塔架104的一部分在图1中示出）。塔架104可具有促进如本文所述的风力涡轮100的操作的任何合适的高度。风力涡轮100还包括转子106，所述转子106包括附于旋转毂110的三个叶片108。备选地，风力涡轮100包括任何数量的叶片108，其促进如本文所述的风力涡轮100的操作。在示范性实施例中，风力涡轮100包括操作地耦合到转子106的齿轮箱（图1中未示出）和发电机（图1中未示出）。
现在参见图2，图示可以与风力涡轮100一起使用的电功率系统200的一个实施例的示意图。在操作期间，风冲击叶片108，并且叶片108将风能转换为机械旋转扭矩，该机械旋转扭矩经由毂110可旋转地驱动低速轴112。低速轴112配置成驱动齿轮箱114，所述齿轮箱114随后提高低速轴112的低转速，从而以增加的转速驱动高速轴116。高速轴116通常可旋转地耦合到发电机118，以便可旋转地驱动具有励磁绕组（未示出）的发电机转子122。
更特别地，在一个实施例中，发电机118可以是绕线转子，三相，双馈感应（异步）发电机（DFIG），其包括磁耦合到发电机转子122的发电机定子120。因此，旋转磁场可以由发电机转子122感应，并且电压可以在磁耦合到发电机转子122的发电机定子120内感应。在这样的实施例中，发电机118配置成将旋转机械能转换成发电机定子120中的正弦三相交流（AC）电能信号。相关联的电功率可经由定子母线208，定子同步开关206，系统母线216，主变压器电路断路器214和发电机侧母线236传输到主变压器234。主变压器234提高电功率的电压幅度，使得经变换的电功率可经由电网电路断路器238，断路器侧母线240和电网母线242进一步传输到电网。
另外，电功率系统200可以包括风力涡轮控制器202，该风力涡轮控制器202被配置成控制风力涡轮100的组件中的任何组件和/或实施如本文描述的方法步骤中的任何方法步骤。例如，特别如在图3中所示，控制器202可以包括一个或多个处理器204和相关联的存储器装置207，其被配置成执行多种计算机实施的功能(例如，如本文中公开的那样执行方法、步骤、计算等以及存储有关数据)。。另外，控制器202还可以包括通信模块，其用来促进控制器202和风力涡轮100的各种组件（例如图2的组件中的任何组件）之间的通信。
此外，如图3中所示，通信模块209可以包括传感器接口211（例如，一个或多个模数转换器），其用来允许从一个或多个传感器传输的信号被转换为可以被处理器204理解和处理的信号。应领会，传感器（例如传感器252，254，256，258）可以使用任何合适的部件通信地耦合到通信模块209。例如，如图3中所示，传感器252，254，256，258可以经由有线连接耦合到传感器接口211。然而，在其它实施例中，传感器252，254，256，258可经由无线连接（诸如通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议）耦合到传感器接口211。因此，处理器204可以被配置成从传感器接收一个或多个信号。
如本文中所使用的，术语“处理器”不仅指本领域中被称为被包括在计算机中的集成电路，而且还指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、专用集成电路和其他可编程电路。处理器204还被配置成计算高级控制算法并与各种以太网或基于串行的协议（Modbus，OPC，CAN等）通信。另外，（一个或多个）存储器装置207通常可包括（一个或多个）存储器元件，该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，闪速存储器）、软盘、致密盘只读存储器（CD-ROM）、磁光盘（MOD）、数字多功能盘（DVD）和/或其他合适的存储器元件。这样的（一个或多个）存储器装置207通常可被配置成存储合适的计算机可读指令，该计算机可读指令当由（一个或多个）处理器204实现时将控制器202配置成执行如本文所述的各种功能。
再参考图2，发电机定子120可以经由定子母线208电耦合到定子同步开关206。在示范性实施例中，为了促进DFIG配置，发电机转子122经由转子母线212电耦合到双向功率转换组合件210。备选地，发电机转子122经由促进如本文描述的电气和控制系统200的操作的任何其它装置电耦合至转子母线212。作为另外的备选方案，电气和控制系统200被配置为全功率转换系统（未示出），其包括在设计和操作上类似于功率转换组合件210并电耦合到发电机定子120的全功率转换组合件（图2中未示出）。全功率转换组件促进在发电机定子120和电功率传输和分配电网（未示出）之间引导（channel）电功率。在示范性实施例中，定子母线208将三相功率从发电机定子120传输到定子同步开关206。转子母线212将三相功率从发电机转子122传输到功率转换组合件210。在示范性实施例中，定子同步开关206经由系统母线216电耦合到主变压器电路断路器214。在备选实施例中，使用一个或多个保险丝（未示出）代替主变压器电路断路器214。在另一个实施例中，既不使用保险丝也不使用主变压器电路断路器214。
功率转换组合件210包括经由转子母线212电耦合到发电机转子122的转子滤波器218。转子滤波器母线219将转子滤波器218电耦合到转子侧功率转换器220，并且转子侧功率转换器220电耦合到线路侧功率转换器222。转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222是包括功率半导体（未示出）的功率转换器桥。在示范性实施例中，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222被配置在三相脉宽调制（PWM）配置中，包括如本领域中已知的那样操作的绝缘栅双极晶体管（IGBT）开关器件（图2中未示出）。备选地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222具有使用促进如本文描述的电气和控制系统200的操作的任何开关器件的任何配置。功率转换组合件210以电子数据通信与涡轮控制器202耦合，以控制转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的操作。
在示范性实施例中，线路侧功率转换器母线223将线路侧功率转换器222电耦合到线路滤波器224。而且，线路母线225将线路滤波器224电耦合到线路接触器226。此外，线路接触器226经由转换电路断路器母线230电耦合到转换电路断路器228。另外，转换电路断路器228经由系统母线216和连接母线232电耦合到主变压器电路断路器214。备选地，线路滤波器224经由连接母线232直接电耦合到系统母线216，并且包括任何适当的保护方案（未示出），该保护方案被配置成考虑从电气和控制系统200中移除线路接触器226和转换电路断路器228。主变压器电路断路器214经由发电机侧母线236电耦合到电功率主变压器234。主变压器234经由断路器侧母线240电耦合到电网电路断路器238。电网电路断路器238经由电网母线242连接到电功率传输和分配电网。在备选实施例中，主变压器234经由断路器侧母线240电耦合到一个或多个保险丝（未示出），而不是耦合到电网电路断路器238。在另一个实施例中，既不使用保险丝也不使用电网电路断路器238，而是主变压器234经由断路器侧母线240和电网母线242耦合到电功率传输和分配电网。
在示范性实施例中，转子侧功率转换器220经由单个直流（DC）链路244与线路侧功率转换器222电通信地耦合。备选地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222经由单独且分离的DC链路（图2中未示出）电耦合。DC链路244包括正轨246，负轨248以及耦合在正轨246和负轨248之间的至少一个电容器250。备选地，电容器250包括在正轨246和负轨248之间串行和/或并行配置的一个或多个电容器。
涡轮控制器202被配置成从第一组电压和电流传感器252接收多个电压和电流测量信号。此外，涡轮控制器202被配置成监测和控制与风力涡轮100相关联的操作变量中的至少一些。在示范性实施例中，三个电压和电流传感器252中的每个电耦合到电网母线242的三相中的每个。因此，电网的当前频率可以由控制器202确定。备选地或另外地，涡轮控制器202可以与可与电网连接的频率传感器功能性地耦合。此外，控制器202可以经由诸如风电场控制器的主装置控制器接收电网的当前频率或至少表示电网的当前频率的信号，所述主装置控制器在功能上与相应的传感器耦合。
如图2中所示，电气和控制系统200还包括配置成接收多个电压和电流测量信号的转换器控制器262。例如，在一个实施例中，转换器控制器262从与定子母线208以电子数据通信耦合的第二组电压和电流传感器254接收电压和电流测量信号。转换器控制器262从与转子母线212以电子数据通信耦合的第三组电压和电流传感器256接收第三组电压和电流测量信号。转换器控制器262还从与转换电路断路器母线230以电子数据通信耦合的第四组电压和电流传感器264接收第四组电压和电流测量信号。第二组电压和电流传感器254基本上类似于第一组电压和电流传感器252，而第四组电压和电流传感器264基本上类似于第三组电压和电流传感器256。转换器控制器262基本上类似于涡轮控制器202，并与涡轮控制器202电子数据通信耦合。此外，在示范性实施例中，转换器控制器262物理地集成在功率转换组合件210内。备选地，转换器控制器262具有促进如本文描述的电气和控制系统200的操作的任何配置。
在操作期间，风冲击叶片108并且叶片108将风能转换为机械旋转扭矩，该机械旋转扭矩经由毂110可旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，该齿轮箱114随后提高低速轴112的低转速，从而以提高的转速驱动高速轴116。高速轴116可旋转地驱动发电机转子122。旋转磁场由发电机转子122感应，并且电压在发电机定子120内感应，该发电机定子120磁耦合到发电机转子122。发电机118将旋转机械能转换成发电机定子120中的正弦三相交流（AC）电能信号。在示范性实施例中，相关联的电功率经由定子母线208，定子同步开关206，系统母线216，主变压器电路断路器214和发电机侧母线236传输到主变压器234。主变压器234提高电功率的电压幅度，并且经变换的电功率经由断路器侧母线240，电网电路断路器238和电网母线242进一步传输到电网。
在示范性实施例中，提供第二电功率传输路径。在发电机转子122内生成电的，三相的，正弦曲线的AC功率，并经由转子总线212将其传输到功率转换组合件210。在功率转换组合件210内，电功率被传输到转子滤波器218，并且对于与转子侧功率转换器220相关联的PWM信号的变化率修改电功率。转子侧功率转换器220用作整流器并将正弦三相AC功率整流为DC功率。DC功率被传输到DC链路244。电容器250促进通过促进减轻与AC整流相关联的DC纹波来减轻DC链路244电压幅度变化。
DC功率随后从DC链路244传输到线路侧功率转换器222，且线路侧功率转换器222充当经配置以将来自DC链路244的DC电功率转换成具有预定电压，电流和频率的三相正弦AC电功率的逆变器。经由转换器控制器262监测和控制这个转换。经转换的AC功率经由线路侧功率转换器母线223和线路母线225，线路接触器226，转换电路断路器母线230，转换电路断路器228和连接母线232从线路侧功率转换器222传输到系统母线216。线路滤波器224补偿或调整从线路侧功率转换器222传输的电功率中的谐波电流。定子同步开关206被配置成闭合以促进将来自发电机定子120的三相功率与来自功率转换组合件210的三相功率连接。
转换电路断路器228，主变压器电路断路器214和电网电路断路器238被配置成例如当过多的电流流动可能损坏电气和控制系统200的组件时断开对应的母线。还提供包括线路接触器226的附加保护组件，可以通过打开对应于线路母线225的每条线的开关（图2中未示出）来控制线路接触器226以形成断开。
针对例如毂110和叶片108处的风速中的变化，功率转换组合件210补偿或调节来自发电机转子122的三相功率的频率。因此，以这种方式，机械和电转子频率与定子频率去耦。
在一些条件下，功率转换组合件210的双向特性并且特别地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的双向特性促进将所生成的电功率中的至少一些反馈到发电机转子122中。更特别地，电功率从系统母线216传输到连接母线232，并且随后通过转换电路断路器228和转换电路断路器母线230传输到功率转换组合件210中。在功率转换组合件210内，电功率通过线路接触器226，线路母线225和线路侧功率转换器母线223传输到线路侧功率转换器222中。线路侧功率转换器222用作整流器并将正弦三相AC功率整流为DC功率。DC功率被传输到DC链路244中。电容器250促进通过促进减轻有时与三相AC整流相关联的DC纹波来减轻DC链路244电压幅度变化。
DC功率随后从DC链路244传输到转子侧功率转换器220，并且转子侧功率转换器220用作逆变器，该逆变器被配置成将从DC链路244传输的DC电功率转换成具有预定电压，电流和频率的三相正弦AC电功率。经由转换器控制器262监测和控制这种转换。经转换的AC功率经由转子滤波器母线219从转子侧功率转换器220传输到转子滤波器218，且随后经由转子母线212传输到发电机转子122，由此促进次同步操作。
功率转换组合件210被配置成从涡轮控制器202接收控制信号。控制信号基于风力涡轮100以及电气和控制系统200的感测条件或操作特性。控制信号由涡轮控制器202接收并用于控制功率转换组合件210的操作。来自一个或多个传感器的反馈可以被电气和控制系统200用来经由转换器控制器262控制功率转换组合件210，包括例如转换电路断路器母线230，定子母线和转子母线电压或经由第二组电压和电流传感器254，第三组电压和电流传感器256以及第四组电压和电流传感器264的电流反馈。使用这个反馈信息，并且例如，可以以任何已知的方式生成开关控制信号，定子同步开关控制信号和系统电路断路器控制（跳闸）信号。例如，对于具有预定特性的电网电压瞬变，转换器控制器262将至少暂时地基本暂停IGBT在线路侧功率转换器222内的传导。线路侧功率转换器222的这种操作暂停将基本上减轻通过功率转换组合件210引导的电功率到大约零。
在示范性实施例中，发电机118，升压变压器234和电耦合到发电机118和变压器234的功率转换组合件210形成风力涡轮100的功率转换系统。
图4A在上部图示在操作风力涡轮期间作为时间t的函数的如上关于图1至图3所解释的风力涡轮的电网频率f的示范性示意性过程，并且在下部图示功率转换系统的输出功率P。预期电网频率位于目标频率fnom周围的通常窄带的中。
在第一时间t0，电网频率f从给定或可配置的阈值频率fthresh上方越过，特别是从电网的死区频率上方越过。此时或此后不久，可以触发连接到电网的风力功率装置的风力涡轮或甚至多个风力涡轮的动态响应模式。
注意，频率范围fnom-fthresh也被称为通常可配置的频率死区的下部，其中可能不预期对抗频率波动的反作用。
在动态响应模式期间，如图4A的下部的曲线a中所图示，操作（一个或多个）风力涡轮的功率转换系统以提供增加的电输出功率P（t）。
在示范性实施例中，如图4A的备选曲线a，b中所示，即根据频率f的分段线性函数PI（f），（一个或多个）风力涡轮的电输出功率P（t）从t0处的相应电输出功率P0增加电输出功率增加PI（f（t）），所述分段线性函数PI（f）被限制为低于如例如由电网运营商定义的最大允许功率增加PIavail的可配置最大值PImax。对于甚至更低的电网频率f，功率增加PI（f（t））保持恒定在PImax，即与电网频率无关。
换言之，在动态响应模式期间（其中电网频率低于频率死区），功率输出可以与频率下降成比例地增加直到最大值PImax，如图4B中的曲线a，c中所指示，其可以具有在从约-7％/Hz 到-3％/Hz的范围内的斜率，更通常在从约-6％/Hz 到-4％/Hz的范围内，例如约-5％/Hz（假设在图4A中，最大功率增加值PImax对应t0处的实际电输出功率P0的10％）。并且PIavail对应t0处的实际电输出功率P0的15％）。出于比较的原因，图4A，4B中的曲线b对应类似的响应模式，但是不将功率增加PI（f（t））限制为低于最大可允许功率增加PIavail的值。就额定功率或初始电输出功率而言，斜率可以等于或大于每Hz的额定功率或初始电输出功率的-15％，更通常等于或大于额定功率或初始电输出功率的每一Hz的-12％和/或小于-5％/Hz或甚至-10％/Hz。
然而，如图4A的上部所示，当在动态响应模式期间被限制为PImax<PIavail时，（一个或多个）风力涡轮可以有效地有助于稳定电网频率f。
最大值PImax可以被确定为在t0处的可能的电输出功率PIavail，在t0处的实际电输出功率P0，或风力涡轮的额定功率输出或其任何组合的（可配置的）分数或百分比，例如被确定为所有三个值中的两个或所有三个值的（加权的）平均值。
动态响应模式可以是活动的，直到（在第二时间t1）发生以下触发事件之一：（i）达到通常可配置的预定义时间间隔thold，以及（ii）电网频率f再次达到频率死区/从下方越过滞后频率fhyst。
通常，在t1或此后不久停止动态响应模式。
如由图4B中的曲线c和虚线箭头进一步所指示，可以实现滞后，使得当从较高频率值达到阈值频率fthresh时，功率增加PI从零增加到响应值PIres，并且当从较低频率值达到或越过阈值频率fthresh时，功率增加PI保持在响应值PIres，直到电网频率f再次达到或越过滞后频率fhyst。
图5A图示如上参照图1至图3所述的用于操作风力涡轮的方法1000的流程图。
在第一框1100中，测量电网的频率f。
在随后的框1300中，功率装置的一个或多个风力涡轮的功率转换系统根据如本文特别是关于图4A，4B所解释的单调函数以增加的电输出功率操作。
图5B图示如上参照图1至图3所述的用于操作风力涡轮的方法1001的流程图。方法1001类似于上面参照图4A所述的方法1000。
然而，步骤1101至1301可以如点划线箭头所示执行若干次。
此外，在框1301中以增加的电输出功率发起或继续操作功率装置的一个或多个风力涡轮的功率转换系统之前，在判定框1201中检查是否满足某个条件（某些条件）。
特别地，在判定框1201中检查在框1101中测量的电网频率是否等于或低于阈值频率fthresh。
取决于此，方法1001以框1301继续或结束/停止。
此外，可以在框1201中检查在首先进入框1301之后是否还没有达到或越过预定时间间隔thold。只有当满足该条件时，才再次进入框1301。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的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，以及执行任何结合方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。例如，虽然书面描述涉及水平轴风力涡轮，但是实施例还可以涉及竖直轴风力涡轮，特别是变桨距竖直轴风力涡轮。因此，当发电机不处于功率操作模式时，操作转子以相对于转子的旋转轴以交替的方式围绕预定的预期角取向移动可以应用于水平轴风力涡轮和竖直轴风力涡轮。如果这类其他示例包括与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在处于权利要求书的范围之内。
本发明不限于上述实施例和修改，并且可以在其要点内以各种形式体现，例如，涉及操作风力涡轮的实施例的技术特征可以与涉及设计风力涡轮的实施例组合，即，如本文所解释的操作风力涡轮可以涉及操作如本文所解释的设计的风力涡轮。此外，可以适当地替换或组合与根据发明内容部分中描述的方面的技术特征相对应的修改，以解决上述问题中的一些或全部或者获得上述效果中的一些或全部。技术特征也可以适当地省略，除非它们在本说明书中被描述为是必要的。
参考数字
风力涡轮 100
机舱 102
塔架 104
转子 106
叶片 108
毂 110
低速轴 112
齿轮箱 114
发电机 118
发电机定子 120
发电机转子 122
控制系统 200
涡轮控制器 202
处理器 204
同步开关 206
存储器 207
定子母线 208
通信模块 209
功率转换组合件 210
传感器接口 211
转子母线 212
变压器电路断路器 214
系统母线 216
转子过滤器 218
滤波器母线 219
转子侧功率转换器 220
线路侧功率转换器 222
线路侧功率转换器母线 223
线路滤波器 224
线路母线 225
线路接触器 226
转换电路断路器 228
转换电路断路器母线 230
连接母线 232
电功率主变压器 234，534
发电机侧母线 236
电网电路断路器 238，538
断路器侧母线 240
经由电网母线的分配电网 242
DC链路 244
正轨 246
负轨 248
电容器 250
电流传感器 252
电流传感器 254
电流传感器 256
转换器控制器 262
电流传感器 264。

Claims (10)

1.一种用于操作风力涡轮（100）的方法（1000-1001），所述风力涡轮（100）包括：转子（106），所述转子（106）包括转子叶片（108）；和功率转换系统（118，210，234），所述功率转换系统（118，210，234）与所述转子（106）机械连接，所述功率转换系统（118，210，234）被配置成将输入动力转换为电输出功率，并且电连接到网络（242），以用于将所述电输出功率（P）馈送到所述网络（242），特别是馈送到公用电网，所述方法（1000-1001）包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
确定（1100）所述网络（242）的当前频率（f）；以及
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
当所述当前频率（f）等于或低于阈值频率（fthresh）时，以根据所述当前频率（f）的单调函数（PI（f））增加电输出功率增加（PI）的电输出功率（P）来操作（1300）所述功率转换系统（118，210，234），所述单调函数（PI）限于最大值（PImax）。
2.如权利要求1所述的方法（1000-1001），其中，所述当前频率（f）的所述单调函数PI（f）是所述当前频率（f）和所述阈值频率（fthresh）之间的差（
Figure DEST_PATH_IMAGE004
）的函数。
3.如任何前述权利要求所述的方法（1000-1001），其中，所述单调函数（PI（f））是所述当前频率（f）和/或所述当前频率（f）与所述阈值频率（fthresh）之间的差（
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
）的分段线性函数，所述单调函数（PI（f））随着减小当前频率（f）单调增加直到达到所述最大值（PImax），和/或随着增加所述当前频率（f）与所述阈值频率（fthresh）之间的差（
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
）单调增加直到达到所述最大值（PImax）。
4.如任何前述权利要求所述的方法（1000-1001），包括下列中的至少一个：
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
将所述最大值（PImax）确定为所述功率转换系统（118，210，234）的额定功率的函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
在确定所述网络的所述当前频率（f）等于或低于所述阈值频率（fthresh）的第一时间（t0）处或接近所述第一时间（t0），将所述功率转换系统（118，210，234）的实际电输出功率（P0）确定为初始电输出功率（P0）；
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAA
在所述第一时间（t0）时或在所述第一时间（t0）之后不久，将所述功率转换系统（118，210，234）的所述电输出功率（P0）增加所述电输出功率增加（PI）；
Figure DEST_PATH_IMAGE002_5A
将所述最大值（PImax）确定为所述初始电输出功率（P0）的函数，特别是确定为所述初始电输出功率（P0）的百分比或分数；
Figure DEST_PATH_IMAGE002_6A
将所述最大值（PImax）确定为在所述第一时间（t0）处或接近所述第一时间（t0）的最大可用电输出功率（PIavail）的函数，特别是确定为在所述第一时间（t0）处或接近所述第一时间（t0）的所述最大可用电输出功率（PIavail）的百分比或分数；
Figure DEST_PATH_IMAGE002_7A
根据所述网络的电网规范确定所述最大值（PImax）；以及
Figure DEST_PATH_IMAGE002_8A
使用存储在所述功率转换系统（118，210，234）的发电机（118）的发电机转子（122）和/或所述转子（106）的惯性矩中的旋转能量来提供所述电输出功率增加（PI）。
5.如权利要求4所述的方法（1000-1001），其中，所述最大值（PImax）在所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的约5％到所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的约15％的范围内，更通常在所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的约10％。
6.如任何前述权利要求所述的方法（1000-1001），其中，所述单调函数（PI）在达到所述最大值（PImax）之前对应所述频率（f）与所述阈值频率（fthresh）的距离和/或所述差（
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAA
）的每一Hz的所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的至多约15％，更通常至多约12％，和/或其中所述单调函数（PI）在达到所述最大值（PImax）之前对应对应所述频率（f）与所述阈值频率（fthresh）的距离和/或所述差（
Figure DEST_PATH_IMAGE005
）的每一Hz的所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的至少约5％，更通常地至少约10％。
7.如任何前述权利要求所述的方法（1000-1001），其中，所述单调函数（PI（f））在所述阈值频率（fthresh）处不连续和/或包括两个函数值，特别是零和大于零的响应值（PIres）。
8.如权利要求7所述的方法（1000-1001），其中，所述响应值（PIres）在所述额定功率或所述初始电输出功率（P0）的约0％至约5％的范围内，更通常在约0％至约1.5％的范围内。
9.如任何前述权利要求所述的方法（1000-1001），其中，所述方法被重复若干次。
10.如权利要求9所述的方法（1000-1001），其中，重复所述方法直到达到预定时间间隔（thold），其中当达到所述预定时间间隔（thold）时停止所述方法，和/或其中当所述当前频率（f）再次高于所述阈值频率（fthresh），更通常等于或高于滞后频率（fhyst）时停止所述方法，所述滞后频率（fhyst）低于所述目标频率（fnom）并且高于所述阈值频率（fthresh），和/或其中如果相应的当前频率（f）在所述阈值频率（fthresh）和所述滞后频率（fhyst）之间的范围内，则也重复所述方法。
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