CN116317742A - 风力发电机组的转矩控制装置、风力发电机组及控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种风力发电机组的转矩控制装置、风力发电机组及控制方法，所述转矩控制装置包括：电子开关单元，所述电子开关单元的第一端连接到所述定子绕组；旁路单元，所述旁路单元连接到所述电子开关单元的第二端，其中，所述电子开关单元能够控制所述旁路单元与所述定子绕组断开，并且能够控制所述旁路单元与所述定子绕组连接形成回路，以使得所述定子绕组向所述转子施加与所述转子的当前转矩方向相反的转矩。根据本公开的风力发电机组的转矩控制装置、风力发电机组及控制方法解决了定子绕组出现开路可能导致机组部件受到转矩冲击的问题，能够对转子的转矩提供制衡的力矩，避免机组中的部件受到气动转矩的冲击，提高机组运行的安全性。

Description

风力发电机组的转矩控制装置、风力发电机组及控制方法

技术领域

本公开涉及电力电子技术领域和风力发电技术领域，更具体地，涉及一种风力发电机组的转矩控制装置、风力发电机组及控制方法。

背景技术

随着风力发电技术的不断发展，风力发电机组逐步出现功率等级高、叶轮直径大的趋势，在叶轮增大的情况下，对于风力发电机组的安全性要求也随之升高。

例如，在风力发电机组的运行过程中，若发电机的定子绕组出现开路故障，突然与主回路断开，而转子在气动力的作用下将继续旋转，这可能使得机组的叶片、轴承等大部件受到突变的转矩冲击，这对机组安全运行形成较大风险，影响机组安全性。

发明内容

鉴于在定子绕组出现开路可能导致机组部件受到转矩冲击的问题，本公开提供一种风力发电机组的转矩控制装置、风力发电机组及控制方法。

本公开的第一方面提供一种风力发电机组的转矩控制装置，所述风力发电机组包括发电机，所述发电机包括定子绕组和转子，所述转矩控制装置包括：电子开关单元，所述电子开关单元的第一端连接到所述定子绕组；旁路单元，所述旁路单元连接到所述电子开关单元的第二端，其中，所述电子开关单元能够控制所述旁路单元与所述定子绕组断开，并且能够控制所述旁路单元与所述定子绕组连接形成回路，以使得所述定子绕组向所述转子施加与所述转子的当前转矩方向相反的转矩。

可选地，所述电子开关单元包括变流模块，所述旁路单元包括电源，所述变流模块用于对所述电源输出的电能进行变换并且输出到所述定子绕组。

可选地，所述电源为直流电源或交流电源，其中，所述变流模块用于对所述直流电源输出的直流电进行逆变得到交流电，并且将所述交流电输出到所述定子绕组；或者，所述变流模块用于对所述交流电源输出的交流电进行变压，并且将变压后的交流电输出到所述定子绕组。

可选地，所述变流模块为DC/AC转换器，所述DC/AC转换器包括多相，每相包括上桥臂和下桥臂，每相的相输入端连接到所述上桥臂和所述下桥臂之间。

可选地，所述上桥臂和所述下桥臂分别包括至少一个功率组件，每个功率组件包括反向并联的二极管和三极管。

可选地，所述电子开关单元为三个，所述旁路单元包括三相电阻器，每个电子开关单元与所述三相电阻器中的一相对应，每个电子开关单元连接到所述定子绕组中的一相。

本公开的第二方面提供一种风力发电机组，所述风力发电机组包括根据本公开的示例性实施例所述的风力发电机组的转矩控制装置。

可选地，所述风力发电机组还包括网侧变流器和转子变流器，所述转子变流器的交流侧连接到所述发电机的转子侧端口，所述转子变流器的直流侧连接到所述网侧变流器的直流侧，所述网侧变流器的交流侧连接到所述风力发电机的主回路。

可选地，所述风力发电机组为双馈型风力发电机组。

本公开的第三方面提供一种风力发电机组的控制方法，所述风力发电机组包括发电机和转矩控制装置，所述发电机包括定子绕组和转子，所述转矩控制装置包括电子开关单元和旁路单元，所述电子开关单元的第一端连接到所述定子绕组，所述旁路单元连接到所述电子开关单元的第二端，所述电子开关单元能够控制所述旁路单元与所述定子绕组断开和连接，其中，所述控制方法包括：响应于所述定子绕组从所述风力发电机组的主回路断开，控制所述电子开关单元将所述旁路单元与所述定子绕组连接形成回路，以使得所述定子绕组向所述转子施加与所述转子的当前转矩方向相反的转矩。

可选地，所述控制方法还包括：按照预设斜率，以线性控制方式控制所述定子绕组向所述转子施加的转矩的参考值；和/或，按照预设时间间隔，以阶梯波控制方式控制所述定子绕组向所述转子施加的转矩的参考值。

可选地，所述电子开关单元包括变流模块，所述旁路单元包括电源，所述变流模块用于对所述电源输出的电能进行变换并且输出到所述定子绕组，所述风力发电机组还包括转子变流器，其中，所述控制所述定子绕组向所述转子施加的转矩的参考值的步骤包括：通过控制所述变流模块的输出电流和所述转子变流器的输出电流，控制所述定子绕组向所述转子施加的转矩的参考值。

可选地，所述控制所述变流模块的输出电流的步骤包括：按照预设斜率，以线性控制方式控制所述变流模块的输出电流；和/或，按照预设时间间隔，以阶梯波控制方式控制所述变流模块的输出电流。

可选地，所述控制方法还包括：响应于所述转子的转矩满足预设条件，控制所述变流模块停止调制，其中，所述预设条件表征所述转子的转矩为零或者所述转子的转矩低于预设转矩阈值。

可选地，所述风力发电机组为双馈型风力发电机组，所述风力发电机组还包括叶片和转子变流器，其中，所述控制方法包括：响应于所述旁路单元与所述定子绕组连接形成回路，将所述转子变流器对所述发电机的控制从同步、亚同步控制模式切换为异步控制模式，并且控制所述叶片变桨至顺桨位置。

本公开的第四方面提供一种计算机可读存储介质，当所述计算机可读存储介质中的指令被至少一个处理器运行时，促使所述至少一个处理器执行根据本公开的示例性实施例所述的风力发电机组的控制方法。

本公开的第五方面提供一种计算机设备，所述计算机设备包括：至少一个处理器；至少一个存储计算机可执行指令的存储器，其中，所述计算机可执行指令在被所述至少一个处理器运行时，促使所述至少一个处理器执行根据本公开的示例性实施例所述的风力发电机组的控制方法。

根据本公开的风力发电机组的转矩控制装置、风力发电机组及控制方法，可以设置包括电子开关单元和旁路单元的转矩控制装置，从而可以通过电子开关单元控制旁路单元与定子绕组断开以及与定子绕组连接形成回路，如此，可以通过定子绕组向转子施加与转子的当前转矩方向相反的转矩，使得即使在定子绕组出现开路的情况下，也允许定子绕组处于闭合的回路当中，从而能够对转子的转矩提供制衡的力矩，降低转子的转矩，避免机组中的部件受到气动转矩的冲击，提高机组运行的安全性。

附图说明

图1是示出根据本公开的示例性实施例的包括转矩控制装置的风力发电机组的示意性框图。

图2是示出根据本公开的示例性实施例的包括一示例的转矩控制装置的风力发电机组的示意性拓扑图。

图3是示出根据本公开的示例性实施例的包括另一示例的转矩控制装置的风力发电机组的示意性拓扑图。

图4是示出根据本公开的示例性实施例的转矩控制装置的变流模块的示意性拓扑图。

图5和图6是示出根据本公开的示例性实施例的转矩控制装置的电磁转矩控制的示意性曲线图。

图7是示出根据本公开的示例性实施例的风力发电机组的控制方法的一示例的示意性流程图。

具体实施方式

提供下面的具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定的顺序发生的操作之外，可如在理解本申请的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，本领域已知的特征的描述可被省略。

在此描述的特征可以以不同的形式来实现，而不应被解释为限于在此描述的示例。相反，已提供在此描述的示例，以仅示出实现在此描述的方法、设备和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式，所述许多可行方式在理解本申请的公开之后将是清楚的。

如在此使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项中的任何一个以及任何两个或更多个的任何组合。

尽管在此可使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各种构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不应被这些术语所限制。相反，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分进行区分。因此，在不脱离示例的教导的情况下，在此描述的示例中所称的第一构件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分也可被称为第二构件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。

在说明书中，当元件（诸如，层、区域或基底）被描述为“在”另一元件上、“连接到”或“结合到”另一元件时，该元件可直接“在”另一元件上、直接“连接到”或“结合到”另一元件，或者可存在介于其间的一个或多个其他元件。相反，当元件被描述为“直接在”另一元件上、“直接连接到”或“直接结合到”另一元件时，可不存在介于其间的其他元件。

在此使用的术语仅用于描述各种示例，并不将用于限制公开。除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。术语“包含”、“包括”和“具有”说明存在叙述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。

除非另有定义，否则在此使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与由本公开所属领域的普通技术人员在理解本公开之后通常理解的含义相同的含义。除非在此明确地如此定义，否则术语（诸如，在通用词典中定义的术语）应被解释为具有与它们在相关领域的上下文和本公开中的含义一致的含义，并且不应被理想化或过于形式化地解释。

此外，在示例的描述中，当认为公知的相关结构或功能的详细描述将引起对本公开的模糊解释时，将省略这样的详细描述。

如前文所述，在风力发电机组的发电机定子绕组由于故障等原因出现开路时，风力发电机组的电磁转矩将立即变为零，无法为机组提供载荷支撑，从而可能导致机组出现故障甩载的情况，特别是在大功率下，对于大叶轮机组而言，可能产生较大的转矩冲击，对机组安全运行形成较大风险，影响机组安全运行。

对于这种情况，在一些情况下，为了满足风力发电机组整机的安全运行，可以通过增加叶片重量的方式来降低冲击所带来的影响，然而，这将增加设备成本，并且需要相应地修改与叶片相关联的其他部件的设计，改装工作量和改装成本较大。

鉴于此，根据本公开的示例性实施例提供一种风力发电机组的转矩控制装置、风力发电机组、风力发电机组的控制方法、计算机可读存储介质以及计算机设备，以解决或缓解上述问题中的至少一者。

根据本公开的第一方面，提供一种风力发电机组的转矩控制装置。下面将参照图1至图4进行详细描述。

如图1所示，风力发电机组可以包括叶轮100、齿轮箱200和发电机300，发电机300可以包括定子绕组和转子，根据本公开的实施例的转矩控制装置400可以用于连接到定子绕组，并且能够通过定子绕组向转子施加与转子的当前转矩方向相反的转矩，如此，定子绕组与转子之间产生的电磁转矩能够为风机提供制动转矩的功能。

具体来说，转矩控制装置400可以包括电子开关单元410和旁路单元420。如图1所示，电子开关单元410的第一端可以连接到发电机的定子绕组。作为示例，电子开关单元410的第一端可以连接到风力发电机组的主回路，从而连接到定子绕组。这里，主回路可以指的是风力发电机组的发电回路，例如，发电机到变压器的接线端子之间的功率回路。此外，电子开关单元410例如可以是电力电子开关，例如每个电子开关单元可以包括至少一个晶体管。

旁路单元420可以连接到电子开关单元410的第二端，电子开关单元410能够控制旁路单元420与定子绕组断开，并且能够控制旁路单元420与定子绕组连接形成回路，以使得定子绕组向转子施加与转子的当前转矩方向相反的转矩，从而可以允许通过转子变流器（下文中将描述）控制发电机提供制动转矩。

具体来说，当转子在气动力的作用下旋转时，若定子绕组发生开路故障，与主回路断开连接，则可以通过电子开关单元410控制将旁路单元420与定子绕组之间的电路导通，使得旁路单元420与定子绕组形成闭合回路，从而在转子旋转过程中，能够产生定子绕组与转子之间的磁感线切割，使得定子绕组对转子产生与当前气动转矩方向相反的电磁转矩，使得风机转速快速下降到零，避免气动转矩对机组部件造成载荷冲击，影响机组的安全性。

这里，如下式（1）的气动方程所示，对于风力发电机组的发电机而言，可以存在这样的气动关系：

（1）

其中，

表示转子受到风力作用产生的气动转矩，/>

表示定子绕组向转子施加的电磁转矩，/>

表示转子的机械角速度，即，/>

表示机械角加速度，/>

表示转动惯量，B表示粘滞系数。

由上述式（1）可知，在定子绕组发生开路故障时，若不对转矩进行控制，则电磁转矩

将迅速下降至零，而气动转矩/>

不为零，则转速的加速度为正，即使通过转子变流器（将在下文中描述）控制转子的转矩降低，随着气动转矩的下降，转速的加速度将会减小，但是始终为正，即转速将以缓慢的速度下降；而在通过本公开所述的转矩控制装置将定子绕组接入回路的情况，可以提供电磁转矩，即电磁转矩/>

不为零，则随着气动转矩的下降，

可能为负，即转速的加速度可以为负，如此，可以使转速迅速下降，以减少气动转矩带来的冲击，确保机组安全停机。

此外，在本公开的实施例中，相比于机械开关，采用电子开关单元控制电路的导通和断开，可以提高信号响应速度，这防止电磁转矩迅速下降至零上是特别有利的。

具体来说，在发电机正常运行的情况下，定子绕组可以连接到主回路，在转子的旋转过程中，定子绕组可以维持一定水平的电磁转矩，然而一旦定子绕组发生开路故障，原有的电磁转矩将会迅速下降，而此时若不能及时将定子绕组接入到备用的回路中（例如，与旁路单元形成的回路），则电磁转矩可能会下降至低水平，甚至迅速下降至零，在电磁转矩下降为零后，即使将定子绕组接入到备用的回路中，也无法再提供较高水平的电磁转矩，从而对转子的气动转矩的制动效果不佳。因此，采用电子开关单元，可以在定子绕组发生开路时快速将定子绕组接入备用回路，得益于电力电子器件开通关断响应时间快的特点，可以实现正常运行电磁转矩到故障停机转矩的良好衔接，从实现较好的转矩控制效果。

图2示出了根据本公开的示例性实施例的设置在风力发电机组中的转矩控制装置的一示例。

在该示例中，电子开关单元410可以为三个，旁路单元420可以包括三相电阻器，每个电子开关单元410可以与三相电阻器中的一相对应，每个电子开关单元410可以连接到定子绕组中的一相。

作为示例，三相电阻器可以为三相星型电阻器或者三角型电阻器，然而，本公开的实施例不限于此，也可以采用其他形式的电阻器，只要能够与定子绕组形成回路并提供电阻即可。这里，采用三相电阻器作为旁路单元，可以消耗制动转矩功率，使电磁转矩以线性方式下降，如图5所示，随着定子绕组与旁路单元420形成回路，电磁转矩可以呈线性方式下降，其中，T ₀为定子开路时刻的电磁转矩，如此，可以加快气动转矩的下降速度。

此外，每个电子开关单元410可以包括至少一个三极管，例如，如图2所示，电子开关单元410可以包括反向并联的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT）和二极管，然而其不限于此，也可以采用反向并联的晶闸管和二极管。这里，采用晶体管形成电子开关单元可以具有更好的相应速度，并且可控性更高，可以实现较好的转矩控制效果。

图3示出了根据本公开的示例性实施例的设置在风力发电机组中的转矩控制装置的另一示例。

在该示例中，电子开关单元410可以包括变流模块，旁路单元420可以包括电源，其中，变流模块可以用于对电源输出的电能进行变换并且输出到定子绕组。作为示例，变流模块可以为三相逆变模块。

这里，电源可以为直流电源或交流电源，在电源为直流电源的情况下，变流模块可以用于对直流电源输出的直流电进行逆变得到交流电，并且将交流电输出到定子绕组；或者，在电源为交流电源的情况下，变流模块可以用于对交流电源输出的交流电进行变压，并且将变压后的交流电输出到定子绕组。

在该示例中，在旁路单元中设置电源，可以在定子绕组与旁路单元形成的回路中主动提供电压，并且可以通过变流模块控制输出到定子绕组的电压，从而提高对气动转矩的可控性，例如可以选择以线性控制方式或者阶梯型控制方式控制气动转矩，在阶梯型控制方式中，例如可以将电磁转矩保持在某一水平一段时间，如图6所示，随着定子绕组与旁路单元420形成回路，通过控制变流模块，可以实现电磁转矩以阶梯型方式下降，使得电磁转矩具备更高的可控性。这里，图6的曲线仅为举例，实际曲线可以根据实际需求设计。

下面将参照图4描述根据本公开的示例性实施例的转矩控制装置的变流模块的示例。

如图4所示，变流模块可以为DC/AC转换器，DC/AC转换器可以包括多相，每相包括上桥臂411和下桥臂412，每相的相输入端可以连接到上桥臂411和下桥臂412之间。

上桥臂411和下桥臂412可以分别包括至少一个功率组件413。作为示例，每个功率组件413可以包括反向并联的二极管和三极管，例如，如图4所示，功率组件413可以包括反向并联的IGBT和二极管，然而其不限于此，也可以采用反向并联的晶闸管和二极管。

在该示例中，通过设置DC/AC转换器的各桥臂及功率组件可以便于调节DC/AC转换器的输出电压，以更好地控制通过定子绕组产生的电磁转矩，从而提高电磁转矩的可控性，提升机组降载效果。

根据本公开的第二方面，提供一种风力发电机组，该风力发电机组可以包括根据本公开的示例性实施例所述的风力发电机组的转矩控制装置。

作为示例，风力发电机组可以为双馈型风力发电机组。然而本公开不限于此，也可以用于其他风力发电机组。

具体来说，如图1至图3所示，风力发电机组可以包括叶轮100、齿轮箱200、发电机300、转矩控制装置400、风电变流器500以及变压器600。

叶轮100可以通过齿轮箱200带动发电机300的转子旋转，转子变流器510可以通过控制发电机300，实现将发电机300的机械能转化电能，并且输送到变压器600，变压器600连接到网侧变流器520的交流侧，并且对来自网侧变流器520的电压进行变压并且将变压后的电压输送到电网。

这里，风电变流器可以包括转子变流器510和网侧变流器520，转子变流器510的交流侧可以连接到发电机300的转子侧端口，转子变流器510的直流侧可以连接到网侧变流器520的直流侧，网侧变流器520的交流侧可以连接到风力发电机的主回路。在风力发电机组为双馈型风力发电机组的示例中，即发电机300为双馈发电机，当双馈发电机运行于次同步状态时，风电变流器的功率从电网流向发电机300；当双馈发电机运行于超同步状态时，风电变流器的功率从发电机300流向电网，风电变流器的运行功率可以为双馈发电机转差功率。

尽管上文中以示例的方式描述了变流器为三电平拓扑，但是本公开的实施例不限于此，其也可以为两电平或其他功率拓扑。

关于转矩控制装置的具体结构、变型及有益效果已经在根据本公开的第一方面的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。此外，风力发电机组可以具有与转矩控制装置的有益效果相同的有益效果，这里不再赘述。

根据本公开的第三方面，提供一种风力发电机组的控制方法，该风力发电机组例如可以是上文中参照图1至图3描述的风力发电机组。该控制方法可以由具有计算分析功能的设备执行，该设备可以是终端设备或服务器，其中，上述终端设备可以是诸如平板电脑、笔记本电脑、数字助理、可穿戴设备等；上述服务器可以是独立服务器，也可以是服务器集群，还可以是云计算平台或虚拟化中心。例如，该控制方法可以由风力发电机组的控制系统执行。

风力发电机组可以包括发电机和如上文中所述的转矩控制装置，发电机包括定子绕组和转子，转矩控制装置包括电子开关单元和旁路单元，电子开关单元的第一端连接到定子绕组，旁路单元连接到电子开关单元的第二端，电子开关单元能够控制旁路单元与定子绕组断开和连接。

根据本公开的示例性实施例，该控制方法可以包括：响应于定子绕组从风力发电机组的主回路断开，控制电子开关单元将旁路单元与定子绕组连接形成回路，以使得定子绕组向转子施加与转子的当前转矩方向相反的转矩，如此，定子绕组与转子之间产生的电磁转矩能够为风机提供制动转矩的功能。

具体来说，在风力发电机组正常运行的情况下，转矩控制装置的电子开关单元保持断开状态，使得旁路单元处于旁路状态。当检测到定子绕组开路时，例如在机组的定子绕组出现工作异常导致定子绕组断开、定子绕组空开跳闸等异常工况下，可以控制电子开关单元快速导通，以将旁路单元接入定子绕组回路。如此，可以通过定子绕组对转子产生与当前气动转矩方向相反的磁转矩，使得风机转速能够快速下降到零，避免气动转矩对机组部件造成载荷冲击，影响机组的安全性。

作为示例，风力发电机组可以为双馈型风力发电机组。在该示例中，可以响应于旁路单元与定子绕组连接形成回路，将转子变流器对发电机的控制从同步、亚同步控制模式切换为异步控制模式，并且控制叶片变桨至顺桨位置。例如但不限于可以从双馈电机控制模式切换至异步电机控制模式。

具体来说，在投入旁路单元的回路前，机组可以运行在同步状态下或者亚同步状态下，具体运行在哪种状态可以根据风速来决定；而在投入旁路单元的回路后，机组可以切换到异步状态。

例如，在双馈型风力发电机组的正常运行中，可以按照常规的双馈电机控制方法控制发电机的运行，而在定子绕组发生开路时，电子开关单元将迅速开通，以将旁路单元与定子绕组连接为闭合回路，此时，对于发电机而言，由于其回路中接入有诸如电阻器的旁路单元，因此，发电机可等效为三相异步电机，转子变流器可以按照异步控制模式对发电机进行控制，在异步控制模式下，可以利用转子变流器主动控制转子的转矩参考值逐步降低到零，从而有效控制电机的电磁转矩下降，如此，通过切换控制模式，使得可以在定子绕组发生开路时也能够实现机组停机过程中的载荷支撑。

作为示例，异步控制模式可以为但不限于鼠笼式异步电机发电控制模式。

此外，根据本公开的实施例，可以通过控制定子绕组向转子施加的转矩的参考值来控制电磁转矩，具体地，该控制方法还可以包括：按照预设斜率，以线性控制方式控制定子绕组向转子施加的转矩的参考值；和/或，按照预设时间间隔，以阶梯波控制方式控制定子绕组向转子施加的转矩的参考值。

具体来说，可以根据转子的气动转矩来确定定子绕组需要向转子施加的电磁转矩的参考值，例如，该参考值可以大于或等于转子当前的气动转矩，从而可以使得转速的加速度不为正，以便于控制转速快速下降直至为零。

作为示例，电磁转矩可以通过下式（2）来表示：

（2）

其中，T表示电磁转矩，k表示比例系数，B表示磁场强度，I表示定子绕组的电流，A表示线圈横截面积，θ表示线圈轴向与磁场轴线的夹角，其中，对于已知的机组而言，k、B和A均为定值，因此，可以根据上述参考值，通过控制定子绕组的电流来实现电磁转矩的控制。

如上面所述，在一示例中，电子开关单元可以为三个，旁路单元可以包括三相电阻器。在该示例中，可以按照预设斜率，以线性控制方式控制定子绕组向转子施加的转矩的参考值，使得定子绕组与转子之间产生的电磁转矩可以具有如图5所示的变化趋势。

在该示例中，定子绕组与电阻器形成的回路可以使发电机等效为异步电机，从而可以通过转子变流器以异步控制模式对发电机进行控制，实现电磁转矩的控制。

在另一示例中，电子开关单元可以包括变流模块，旁路单元可以包括电源，变流模块用于对电源输出的电能进行变换并且输出到定子绕组。在该示例中，可以如图5所示，按照预设斜率，以线性控制方式控制定子绕组向转子施加的转矩的参考值，但是由于变流模块与电源的组合对电磁转矩的可控性更高，因此，在该示例中，也可以按照预设时间间隔，以阶梯波控制方式控制定子绕组向转子施加的转矩的参考值，例如使得电磁转矩可以具有如图6所示的变化趋势。

在该示例中，可以通过控制变流模块的输出电流和所述转子变流器的输出电流，控制定子绕组向所述转子施加的转矩的参考值。

具体来说，在正常运行状态下，定子绕组连接到电网，在此情况下，可以按照常规的发电机控制方法来控制定子绕组与转子之间的电磁转矩；在定子绕组开路的情况下，通过变流模块，定子绕组可以与旁路单元连接，在此情况下，作为电源的旁路单元可以起到与电网类似的作用，即，可以为定子绕组提供电压，因此，在该示例中，在定子绕组与电源形成回路后，可以继续按照原发电机的控制策略进行控制，通过控制变流模块的输出电流和转子变流器的输出电流，协同控制定子绕组向转子施加的转矩的参考值，例如在风力发电机组为双馈型风力发电机组的情况下，可以按照双馈型风力发电机组的原有控制策略执行控制。

基于上述步骤可知，在采用变流模块和电源作为转矩控制装置的情况下，可以保持机组原有的控制策略不变，可以根据实际需要更灵活地控制转矩下降。

此外，根据本公开的示例性实施例，控制方法还可以包括：响应于转子的转矩满足预设条件，控制变流模块停止调制。

这里，预设条件可以表征转子的转矩为零或者转子的转矩低于预设转矩阈值。例如，在转子的转矩下降到一定程度或者下降为零的情况下，可以通过控制变流模块停止输出电流，在变流模块包括IGBT的示例中，可以闭锁输出到IGBT的脉冲。

下面将参照图7以双馈型风力发电机组且旁路单元包括三相电阻器为例描述根据本公开的示例性实施例的风力发电机组的控制方法的一应用示例。

如图7所示，在步骤S710，可以检测风力发电机组的转子变流器是否处于调制状态。在转子变流器处于调制状态的情况下，可以认为转子处于工作状态，会产生气动转矩；在转子变流器未处于调制状态的情况下，可以认为转子未处于工作状态，无需进行转矩控制。

在转子变流器处于调制状态的情况下，在步骤S720，可以检测定子绕组是否开路，即定子绕组是否与主回路断开。在定子绕组未开路的情况下，在步骤S730，可以保持同步、亚同步控制模式，例如可以保持原有的双馈电机发电模式。

在定子绕组存在开路的情况下，在步骤S740，可以控制电子开关单元，使旁路单元与定子绕组形成回路，并且使转子变流器切换进入异步控制模式，使叶片快速收桨，这里，异步控制模式例如可以是但不限于鼠笼式异步电机发电控制模式。

具体来说，在定子绕组正常运行情况下，转子变流器对所述发电机的控制可以为同步控制模式或亚同步控制模式，响应于定子绕组与主回路断开并且与旁路单元形成回路，则可以使转子变流器切换为以异步控制模式控制发电机。

此外，在该步骤S740中，还可以将定子绕组开路故障上传至控制系统。

在该步骤中，可以通过转子变流器控制等效为三相异步电机的发电机绕组的电压和电流，从而可以实现风力发电机组在停机过程中的载荷支撑。在步骤S750，可以利用转子变流器自主控制转子的转矩参考值逐步降低到零。

在步骤S760，可以变流器判断转矩是否执行到零。在转矩已下降到零的情况下，在步骤S770，可以闭锁电子开关单元的控制脉冲，主回路断路器跳开；在转矩未下降到零的情况下，可以继续执行控制和判断。

根据本公开的实施例的控制方法，可以在定子绕组与电网之间出现开路时，通过旁路单元与定子绕组形成的回路为，从而为机组提供载荷支撑，确保机组的安全性。

尽管上面描述了根据本公开的实施例的控制方法在定子绕组发生开路故障的应用场景的示例，但是其不限于此，该控制方法也可以应用于诸如人为断开定子绕组检测、维护等其他定子绕组从主回路断开的场景中。

根据本公开的实施例的风力发电机组的转矩控制装置、风力发电机组及其控制方法提供一种通过在发电机定子绕组增加并联旁路单元及电子开关单元的方式，实现当发电机定子绕组出现开路时，投入并联的旁路单元，并且还可以通过控制转子侧电流实现风力发电机组的载荷支撑，满足机组安全运行的要求。

此外，根据本公开的实施例的风力发电机组的转矩控制装置、风力发电机组及其控制方法对于具有大尺寸叶轮的双馈风力发电机组定子绕组开路的异常工况，能够提供停机载荷支撑，提升机组停机过程中的安全性。

此外，采用根据本公开的实施例的风力发电机组的转矩控制装置、风力发电机组及其控制方法，由于可以提供停机载荷支撑，实现机组停机过程中的载荷优化，因此在整机载荷设计过程中，可以允许降低叶片、轴承等大部件的极限载荷要求，降低叶片、轴承等设计成本。

本公开所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。

此外，还需要说明的是，尽管上面参照具体附图描述了转矩控制装置和风力发电机组的各部件以及控制方法的各步骤的若干示例，但是应理解的是，本公开的实施方式不限于示例中给出的组合，不同附图中出现的部件或步骤可以相结合，在此不作出穷举。

以上对本公开的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本公开的权利要求的保护范围内。

Claims (16)

1.一种风力发电机组的转矩控制装置，所述风力发电机组包括发电机，所述发电机包括定子绕组和转子，其特征在于，所述转矩控制装置包括：

电子开关单元，所述电子开关单元的第一端连接到所述定子绕组；

旁路单元，所述旁路单元连接到所述电子开关单元的第二端，

其中，所述电子开关单元能够控制所述旁路单元与所述定子绕组断开，并且能够控制所述旁路单元与所述定子绕组连接形成回路，以使得所述定子绕组向所述转子施加与所述转子的当前转矩方向相反的转矩。

2.根据权利要求1所述的转矩控制装置，其特征在于，所述电子开关单元包括变流模块，所述旁路单元包括电源，所述变流模块用于对所述电源输出的电能进行变换并且输出到所述定子绕组。

3.根据权利要求2所述的转矩控制装置，其特征在于，所述电源为直流电源或交流电源，

其中，所述变流模块用于对所述直流电源输出的直流电进行逆变得到交流电，并且将所述交流电输出到所述定子绕组；或者，

所述变流模块用于对所述交流电源输出的交流电进行变压，并且将变压后的交流电输出到所述定子绕组。

4.根据权利要求2所述的转矩控制装置，其特征在于，所述变流模块为DC/AC转换器，所述DC/AC转换器包括多相，每相包括上桥臂和下桥臂，每相的相输入端连接到所述上桥臂和所述下桥臂之间。

5.根据权利要求4所述的转矩控制装置，其特征在于，所述上桥臂和所述下桥臂分别包括至少一个功率组件，每个功率组件包括反向并联的二极管和三极管。

6.根据权利要求1所述的转矩控制装置，其特征在于，所述电子开关单元为三个，所述旁路单元包括三相电阻器，每个电子开关单元与所述三相电阻器中的一相对应，每个电子开关单元连接到所述定子绕组中的一相。

7.一种风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括根据权利要求1-6中的任一项所述的风力发电机组的转矩控制装置。

8.根据权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组还包括网侧变流器和转子变流器，所述转子变流器的交流侧连接到所述发电机的转子侧端口，所述转子变流器的直流侧连接到所述网侧变流器的直流侧，所述网侧变流器的交流侧连接到所述风力发电机的主回路。

9.根据权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组为双馈型风力发电机组。

10.一种风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述风力发电机组包括发电机和转矩控制装置，所述发电机包括定子绕组和转子，所述转矩控制装置包括电子开关单元和旁路单元，所述电子开关单元的第一端连接到所述定子绕组，所述旁路单元连接到所述电子开关单元的第二端，所述电子开关单元能够控制所述旁路单元与所述定子绕组断开和连接，

其中，所述控制方法包括：

响应于所述定子绕组从所述风力发电机组的主回路断开，控制所述电子开关单元将所述旁路单元与所述定子绕组连接形成回路，以使得所述定子绕组向所述转子施加与所述转子的当前转矩方向相反的转矩。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

按照预设斜率，以线性控制方式控制所述定子绕组向所述转子施加的转矩的参考值；和/或，

按照预设时间间隔，以阶梯波控制方式控制所述定子绕组向所述转子施加的转矩的参考值。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述电子开关单元包括变流模块，所述旁路单元包括电源，所述变流模块用于对所述电源输出的电能进行变换并且输出到所述定子绕组，所述风力发电机组还包括转子变流器，

其中，所述控制所述定子绕组向所述转子施加的转矩的参考值的步骤包括：

通过控制所述变流模块的输出电流和所述转子变流器的输出电流，控制所述定子绕组向所述转子施加的转矩的参考值。

13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

响应于所述转子的转矩满足预设条件，控制所述变流模块停止调制，

其中，所述预设条件表征所述转子的转矩为零或者所述转子的转矩低于预设转矩阈值。

14.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述风力发电机组为双馈型风力发电机组，所述风力发电机组还包括叶片和转子变流器，其中，所述控制方法包括：

响应于所述旁路单元与所述定子绕组连接形成回路，将所述转子变流器对所述发电机的控制从同步、亚同步控制模式切换为异步控制模式，并且控制所述叶片变桨至顺桨位置。

15.一种计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机可读存储介质中的指令被至少一个处理器运行时，促使所述至少一个处理器执行如权利要求10-14中的任一项所述的风力发电机组的控制方法。

16.一种计算机设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储计算机可执行指令的存储器，

其中，所述计算机可执行指令在被所述至少一个处理器运行时，促使所述至少一个处理器执行如权利要求10-14中的任一项所述的风力发电机组的控制方法。

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