CN116971946A - 用于操作风力涡轮的方法和风力涡轮 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于操作风力涡轮(100‑100d)的方法(1000，2000，3000)。所述风力涡轮包括配置成向电网(242)提供电输出功率(P)的功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)，以及配置成在冷却模式下冷却周围空气(28a)并将作为冷却空气(28c)的冷却的周围空气提供给功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的空气冷却系统(450)。所述方法(1000，2000，3000)包括：如果所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的至少一个操作参数(APD，RPD，TGB，TBS)等于或大于相应阈值(Th1_APD，Th1_RPD，Th1_TGB，Th1_TBS)，则在所述冷却模式下操作(1100，2100，3100)所述空气冷却系统(450)。

Description

用于操作风力涡轮的方法和风力涡轮
技术领域
本主题一般涉及具有功率转换系统的风力涡轮，并且特别是在热气候条件下操作风力涡轮。
背景技术
风功率被认为是目前可获得的最清洁，最环境友好的能源之一，并且风力涡轮在这方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和具有一个或多个转子叶片的转子。转子叶片使用已知的翼原理捕获来自风的动能，并通过旋转能量传递动能，以转动轴，所述轴将转子叶片耦合到齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱，直接耦合到发电机。然后，发电机将机械能转换成电能，所述电能可以部署到公用电网。
随着风力涡轮的额定功率的增加，在操作期间由功率转换系统产生的热量也可能上升。例如，所产生的总热量可达到所产生电功率的约5％或甚至7％的量。特别地，发电机可以在将机械能转换为电能期间产生相对大量的热。此外，可选地布置在转子和发电机之间的功率转换系统的齿轮箱可能要求被润滑和冷却以有效地运行。此外，将来自变速发电机的电功率转换为与电网频率和电压匹配的电功率的频率转换器也可能在该转换期间产生大量的热。在风力涡轮的电力传动系中使用的可以提供热量的其他组件是MV变压器和功率线缆。
为了冷却机舱中的一个或多个组件，可以使用风扇向内部热交换器提供外部空气，并且可以经由排气管道从机舱排出加热的空气。备选地，可以使用安装在机舱外表面上的无源热交换器来提供液体冷却。
由于风力涡轮通常被设计成它们的限制以降低成本以及在制造风力涡轮期间的环境占用空间，所以提供有如上所述的冷却系统的风力涡轮可能不能在高温条件和/或不利的电网条件期间输送其额定输出功率。在这种情况下，涡轮控制器开始缩减涡轮的有功功率和/或无功功率。然而，为了在其中周围温度高的这些通常罕见的条件期间符合电网规范，可以分别为风力涡轮和风电场级增加用于提供快速作用无功功率的昂贵的VAR(无功功率)补偿装置。
鉴于上述内容，本公开提供根据权利要求1的用于操作风力涡轮的方法，根据权利要求9所述的风力涡轮，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，或可从描述中显而易见，或可通过本发明的实践而了解。
在一个方面中，本公开涉及一种用于操作风力涡轮的方法。所述风力涡轮包括：功率转换系统，其配置成向电网提供电输出功率；以及空气冷却系统，其配置成在冷却模式下冷却周围空气并将冷却的周围空气作为冷却空气提供给功率转换系统。所述方法包括如果功率转换系统的至少一个操作参数等于或大于相应的阈值，则在冷却模式下操作空气冷却系统。
因此，即使周围温度以及因此从风力涡轮外部，特别是从风力涡轮机舱外部接收的周围空气的温度相对高，例如高于30℃，高于35℃或甚至高于40℃，也可以有效地冷却功率转换系统。
周围空气的额外冷却允许避免功率缩减，且因此在更高周围温度下根据电网规范要求提供所需的有功功率和/或无功功率，而不需要VAR补偿装置，例如分别为STATCOM(静态同步补偿器)和电容器组。特别地，可以在诸如弱电网之类的不利电网条件下支持电网。
这既适用于在正常操作条件下(即在额定风速范围内)操作风力涡轮，也适用于在更低风速下或甚至在无风速下操作风力涡轮。注意的是，与例如在涡轮机顶部使用无源冷却器相比，使用空调系统将允许功率转换系统的转换器在没有风的情况下也在更高的VAR水平下操作。
所述空气冷却系统通常配置成以至少2，更通常至少3的冷却效率从周围空气中去除热量。
所述空气冷却系统尤其可以由空调系统提供。
例如，空调系统可以配置成每消耗1kW的电能产生约3kW的冷却功率。
由于风力涡轮发电机还具有例如大约97％的非常高的效率，如果冷却剂空气的温度被空气冷却系统(例如空调系统)降低，则对输出功率(发电机的产生功率减去通常经由内部电功率分配系统接收的附加空气冷却系统的消耗功率)有很大的影响。
例如，假设风力涡轮具有6MW额定功率，使用20kW空调系统(在6kW输入功率下)将允许将冷却温度降低至少5K，例如高达6°K，这将允许在达到热限制(不使用空气附加调节系统的冷却)的情况下至少约150kW的附加有功功率。类似的数字适用于无功功率。
这说明，使用来自发电机的相较低水平的电功率来馈送附加的空气冷却系统(其通常被实现为空调系统)允许风力涡轮发电机一旦系统达到热限制就提供高达25倍的有功/无功功率，而没有附加的空气冷却系统，因为环境温度高。
因此，不再预期投资基础设施作为VAR补偿装置的需要，因为当提供有附加的空气冷却系统时，风力涡轮的功率转换系统仍然可以在更高的周围温度下提供必要的VAR补偿。
此外，可增加年发电量(AEP)。这是因为至少可以减少更高周围温度下的缩减。
备选地或另外地，如果需要，使用由附加空气冷却系统提供的冷却空气来冷却除了发电机之外的功率转换系统的其他功率转换组件，特别是布置在转子和发电机之间的齿轮箱，诸如连接到发电机的功率转换器的功率转换组合件，和/或与发电机和/或功率转换组合件连接的变压器。此外，如果需要，可以使用由附加空气冷却系统提供的冷却空气来冷却与功率转换系统的一个或多个功率转换组件连接的电气柜。
然而，与基于由附加空气冷却系统提供的冷却空气来冷却发电机相比，这通常产生类似的优点，通常更小的范围。
注意的是，功率转换系统通常包括若干功率转换组件，所述功率转换组件配置成如果从风力涡轮的转子接收到输入动力，则有助于将输入动力转换为要提供给电网(特别是公用电网)的电输出功率。
空气冷却系统可以以冷却模式操作，而分别与功率转换系统和功率转换系统的(一个或多个)功率转换组件的实际温度无关，或者取决于(一个或多个)相应的温度。如果出于热原因实际需要，则后者允许仅在冷却模式下操作空气冷却系统(并且因此消耗电功率)。
然而，也有可能独立于功率转换系统的(一个或多个)温度，但例如基于周围温度，更具体地如果周围空气的温度等于或大于周围温度阈值，以冷却模式操作空气冷却系统。与根据功率转换系统的(一个或多个)温度以冷却模式操作空气冷却系统相比，该控制方案可以更简单，但是可以导致稍微更低的AEP(与使用未冷却的环境空气用于冷却相比仍然更高)。
出于效率的原因，只有当功率转换系统的无功功率需求等于或大于无功功率需求阈值时，和/或如果功率转换系统的有功功率需求等于或大于有功功率需求阈值时，空气冷却系统才以冷却模式操作。
否则，(未冷却的)周围空气可能足以分别从功率转换系统去除热量和冷却功率转换系统。
如果满足以下条件中的至少一个，则空气冷却系统可以具体地(仅)在冷却模式下操作：
·所述冷却空气的温度等于或大于冷却空气温度阈值；
·所述功率转换系统的至少一个功率转换组件的温度等于或大于相应的第一温度阈值；以及
·所述功率转换组件中的所述至少一个的所述温度等于或大于比所述相应第一温度阈值小的相应第二温阈值。
空气冷却系统的冷却模式甚至可以取决于(一个或多个)相应的温度。
特别地，空气冷却系统的冷却功率可以取决于周围空气的温度、冷却空气的温度和功率转换系统的(至少一个)温度中的至少一个。
在用于操作包括功率转换系统和空气冷却系统的风力涡轮的方法的一个实施例中，所述方法包括根据风力涡轮的至少一个操作参数，特别是根据功率转换系统的至少一个操作参数，控制空气冷却系统以冷却周围空气并将冷却的周围空气作为冷却空气提供给功率转换系统。
如本文使用的术语“功率转换系统的操作参数”意指在将输入原动力转换为电输出功率期间可以影响和/或用于控制功率转换系统的操作的任何参数。术语“功率转换系统的操作参数”通常分别包括无功功率需求、有功功率需求、功率转换系统的有功功率产生、功率转换系统的无功功率产生、功率转换系统的输出电流、功率转换系统的输出电压、功率转换系统的温度以及功率转换系统的任何组件和/或功率转换系统的(一个或多个)相应的组件的内部冷却回路中使用的冷却剂的冷却剂温度，以及周围空气的温度和所提供的冷却空气的温度，及其任何组合或功能。
所述空气冷却系统可以特别地根据下列中的至少一个在所述冷却模式下操作：周围空气的温度、冷却剂温度、齿轮箱的温度、功率转换器的温度、变压器的温度和发电机的温度，特别是发电机的轴承的温度和/或发电机的定子的温度。
通常测量相应的温度。
与之不同，无功功率需求和/或有功功率需求通常例如从风力涡轮所属的风电场的风电场控制器接收。
可以基于通常(一个或多个)测量的温度、所接收的无功功率需求和所接收的有功功率需求中的至少一个来激活冷却模式。
此外，可以(稍后)基于(稍后)(一个或多个)(测量的)温度、(稍后)接收的无功功率需求和(稍后)接收的有功功率需求中的至少一个来停用冷却模式。
如上所述，冷却空气可用于从功率转换系统去除热量。
这通常使用接收冷却空气的冷却系统来实现，和/或可以包括操作彼此热耦合的级联的三个或甚至四个冷却回路。
该方法还可以包括：如果功率转换系统的温度和功率转换系统的至少一个功率转换组件的温度分别等于或大于相应的第三温度阈值，则缩减功率转换系统的无功输出功率和功率转换系统的无功输出功率中的至少一个。
第三温度阈值通常大于相应的第一温度阈值和相应的第二温度阈值中的至少一个，更通常大于相应的第一温度阈值和相应的第二温度阈值两者。
根据用于制造和/或更新(改装)风力涡轮的方法的实施例，所述方法包括提供具有空气冷却系统的风力涡轮的功率转换系统，所述空气冷却系统配置成冷却周围空气，使得空气冷却系统可以将冷却的周围空气作为冷却空气提供给风力涡轮的功率转换系统，特别是分别用于功率转换系统及其功率转换组件的冷却系统。
所述方法特别可以包括将空气冷却系统与功率转换系统热连接以去除热量。例如，用于空气冷却系统的被冷却的周围空气的出口可以与诸如热交换器之类的功率转换系统的冷却系统的冷却空气入口和/或风扇连接。此外，所述方法通常包括将空气冷却系统与风力涡轮的内部电功率分配系统电连接。此外，所述方法可以包括根据本文说明的控制方法更新风力涡轮的控制系统的控制软件，特别是更新风力涡轮控制器的软件。
根据方法的实施例，所述方法包括利用诸如空调系统之类的附加空气冷却系统来改造风力涡轮的功率转换系统的现有冷却系统。
如本文说明的用于操作风力涡轮的方法的步骤通常由用于风力涡轮或甚至风力涡轮的控制系统执行。控制系统与功率转换系统和空气冷却系统通信地耦合，并且通常实现为控制器，例如相应的涡轮控制器。
注意，风力涡轮的内部电功率分配系统可与功率转换系统连接，以用于接收要分配给空气冷却系统的电功率。在该实施例中，相应地，功率转换系统可以分别被认为是电功率源，并且空气冷却系统可以被认为是电功率消耗装置和电负载。
在另一方面中，本公开涉及一种包括指令的计算机程序产品或非暂时计算机可读存储介质，所述指令在由系统的一个或多个处理器执行时，特别是由具有提供如本文所述的一个或多个处理器的控制系统的风力涡轮执行时，使所述系统执行如本文所述的方法。
在又一方面中，本发明涉及一种风力涡轮，所述风力涡轮包括：转子，所述转子包括转子叶片；空气冷却系统，所述空气冷却系统配置成接收周围空气，冷却所述周围空气，并将冷却的周围空气提供为冷却空气；以及功率转换系统，所述功率转换系统与转子机械连接，可电连接到公用电网，并配置成将输入动力转换成电输出功率。风力涡轮的冷却系统配置成接收冷却空气并使用冷却空气从功率转换系统去除热量。
功率转换系统可以实现为DFIG系统。
冷却系统可以是功率转换系统的冷却系统，特别是在更低的周围空气温度(低于周围空气温度的第二温度阈值)下足以可靠地冷却功率转换系统(的一个或多个组件)(而不从空气冷却系统接收冷却的作为空气)的冷却系统。
空气冷却系统和冷却系统可以被认为是级联的两个热耦合冷却系统。
由于空气冷却系统可以仅在特定条件(高周围温度和高功率要求)下操作，所以冷却系统和空气冷却系统也可以分别被认为是功率转换系统的主冷却系统和功率转换系统的补充冷却系统。
(级联)空气冷却系统和冷却系统通常实现彼此热耦合(至少)三个冷却回路的级联，例如彼此热耦合的(至少)四个冷却回路的级联。
所述冷却系统可以包括：一个或多个闭合的内部冷却回路，其与所述功率转换系统热连接以用于去除热量(从相应的功率转换组件)；开放的冷却回路，其与相应的闭合的内部冷却回路热耦合并且配置成接收来自所述空气冷却系统的冷却空气；热交换器，其布置在所述开放的冷却回路与所述闭合的内部冷却回路之间；以及主冷却器，其配置成接收冷却空气并且通常包括热交换器和/或被实现空气-液体冷却器，特别是油-空气冷却器。然而，后者可取决于待冷却的特定组件。例如，空气冷却系统的冷却的环境空气的出口可以直接地或经由液体/液体热交换器与功率转换系统的齿轮箱的油冷却器连接。
通常，空气冷却系统由空调系统提供。
所述空气冷却系统可以配置成以至少高达约15kW，更通常至少高达约20kW，甚至更通常至少高达约23kW的速率从周围空气中去除热量。
此外，所述空气冷却系统可以配置成以至少2，更通常至少2.5或甚至至少3的冷却效率从周围空气中去除热量。
功率转换系统通常包括一个或多个功率转换组件，其配置成有助于将从转子接收的输入动力转换成电输出功率。
更具体地，功率转换系统可以包括齿轮箱、发电机、通常包括功率转换器(例如转子侧功率转换器和线路侧功率转换器)的功率转换组件，以及作为相应功率转换组件的变压器。
通常，冷却系统配置成从功率转换组件中的至少一个功率转换组件去除热量。
(一个或多个)功率转换组件可以布置在风力涡轮的机舱中。
空气冷却系统可以至少部分地布置在机舱中或机舱处。
通常，功率转换系统可与内部电功率分配系统(内部电网)连接，以用于向空气冷却系统和冷却系统提供电功率。
因此，电功率可以从功率转换系统流经内部电功率分配系统，并流向空气冷却系统以及冷却系统。
通常，风力涡轮包括至少一个温度传感器，其用于测量相应的温度，特别是周围空气的温度、冷却空气的温度、功率转换系统的温度和功率转换系统的相应功率转换组件的温度。
此外，风力涡轮的控制器通常与空气冷却系统、功率转换系统和(一个或多个)温度传感器通信地耦合，并且配置成根据本文说明的方法来控制风力涡轮。
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(100，400，400’)的方法(1000，2000，3000)，所述风力涡轮(100，400，400’)包括功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)和空气冷却系统(450)，所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)配置成向电网(242)提供电输出功率(P)，所述空气冷却系统(450)配置成在冷却模式下冷却周围空气(28a)并且将作为冷却空气(28c)的冷却的周围空气提供给所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)，所述方法(1000，2000，3000)包括：
·如果所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的至少一个操作参数(APD，RPD，TGB，TBS)等于或大于相应的阈值(Th1_APD，Th1_RPD，Th1_TGB，Th1_TBS)，则在所述冷却模式下操作(1100，2100，3100)所述空气冷却系统(450)。
技术方案2.如技术方案1所述的方法(1000，2000，3000)，其中，如果满足以下条件中的至少一个，则所述空气冷却系统(450)在所述冷却模式下操作：
·所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的无功功率需求(RPD)等于或大于无功功率需求阈值(Th1_RPD)；
·所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的有功功率需求(APD)等于或大于有功功率需求阈值(Th1_APD)；
·所述周围空气(28a)的气温(Ta)等于或大于周围温度阈值(Th_Ta)；
·所述冷却空气(28c)的温度(Tc)等于或大于冷却空气温阈值(Th1_Tc)；
·所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的至少一个功率转换组件(114，118，210，234，410，420)的温度(TGS，TGB，Tc)等于或大于相应的第一温度阈值(Th1_TGS，Th1_TGB，Th1_Tc)，所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)通常包括若干功率转换组件(114，118，210，234，410，420)配置成如果从所述风力涡轮(100，400，400’)的转子(106)接收到输入动力，则有助于将所述输入动力转换成所述电输出功率(P)，所述转子(106)包括转子叶片(108)；以及
·所述功率转换组件(114，118，210，234，410，420)中的所述至少一个的所述温度(TGS，TGB，Tc)等于或大于比相应第一温度阈值(Th1_TGS，Th1_TGB，Th1_Tc)小的相应第二温度阈值(Th2_GS，Th2_TGB，Th2_Tc)。
技术方案3.如技术方案2所述的方法(1000，3000)，其中，所述空气冷却系统(450)根据所述至少一个功率转换组件的所述温度以所述冷却模式操作。
技术方案4.如技术方案2或3所述的方法(1000，3000)，其中，根据齿轮箱(114)的温度、功率转换器(220，222)的温度、变压器(234)的温度和所述发电机(118)的温度中的至少一个，特别是所述发电机(118)的轴承的温度(TGB)和所述发电机(118)的定子(120)的温度(TGS)中的至少一个，以冷却模式操作所述空气冷却系统(450)。
技术方案5.如技术方案2所述所述的方法(1000，2000)，其中，所述空气冷却系统(450)以冷却模式操作，而与所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的所述至少一个功率转换组件的温度无关。
技术方案6.如技术方案2-4中的任一项所述的方法(1000，2000，3000)，还包括如果所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的所述至少一个功率转换组件的所述温度等于或大于相应的第三温度阈值(Th3_GS，Th3_TGB，Th3_Tc)，则缩减(1200，3200)所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的无功输出功率和所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的无功输出功率中的至少一个，所述第三温度阈值(Th3_GS，Th3_TGB，Th3_Tc)大于所述相应的第一温度阈值(Th1_TGS，Th1_TGB，Th1_Tc)和所述相应的第二温度阈值(Th2_GS，Th2_TGB，Th2_Tc)中的至少一个。
技术方案7.如任何前述技术方案所述的方法(1000，2000，3000)，包括以下中的至少一个：
·测量(1050)相应的温度；
·接收所述无功功率需求(RPD)；
·接收所述有功功率需求(APD)；
·基于所测量的温度、所接收的无功功率需求(RPD)和所接收的有功功率需求(APD)中的至少一个来激活所述冷却模式；
·基于所测量的温度、所接收的无功功率需求(RPD)和所接收的有功功率需求(APD)中的至少一个来停用所述冷却模式；以及
·使用所述冷却空气、特别是经由所述功率转换系统的冷却系统(430)从所述功率转换系统去除热量(Q)，所述冷却系统(430)配置成接收所述冷却空气；
·操作彼此热耦合的级联的三个冷却回路(C1-C3)；以及
·操作彼此热耦合的级联的四个冷却回路(C1-C4)。
技术方案8.一种风力涡轮(100，400，400’)，包括：
·包括转子叶片(108)的转子(106)；
·空气冷却系统(450)，其配置成接收周围空气(28a)、冷却所述周围空气(28a)并且提供作为冷却空气(28c)的冷却的周围空气；
·功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)，其与所述转子(106)机械连接、可电连接到公用电网(242)、配置成将输入动力转换成电输出功率(P)；以及
·冷却系统(430)，其配置成接收所述冷却空气(28)并使用所述冷却空气从所述功率转换系统去除热量(Q)。
技术方案9.如技术方案8所述的风力涡轮(100，400，400’)，其中，所述空气冷却系统(450)和所述冷却系统(430)实现以下中的至少一个：彼此热耦合的级联的三个冷却回路(C1-C3)和彼此热耦合的级联的四个冷却回路(C1-C4)，其中所述空气冷却系统(450)由空调系统提供，其中所述空气冷却系统(450)配置成以至少高达约15kW，更通常至少高达约20kW，甚至更通常至少高达约23kW的速率从所述周围空气中去除热量，和/或其中所述空气冷却系统(450)配置成以至少2，更通常至少3的冷却效率从所述周围空气中去除热量。
技术方案10.如技术方案8或9所述的风力涡轮(100，400，400’)，其中，所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)包括至少一个功率转换组件(114，118，210，234，410，420)，其配置成有助于将从所述转子(106)接收的输入动力转换成所述电输出功率(P)，其中所述功率转换系统(114，118，210，234)包括以下中的至少一个：作为相应的功率转换组件的齿轮箱(114)、发电机(118)、功率转换组合件(210)和变压器(234)，其中所述冷却系统(430)配置成从所述功率转换组件(114，118，210，234，410，420)中的至少一个去除热量，其中所述功率转换组件(114，118，210，234，410，420)中的至少一个布置在所述风力涡轮的机舱(102)中，其中所述空气冷却系统(450)至少部分地布置在所述机舱中或所述机舱处，其中所述冷却系统(430)包括以下中的至少一个：闭合的内部冷却回路(C4)，其与所述功率转换系统流体连接以去除所述热量；开放的冷却回路(C3)，其与所述闭合的内部冷却回路(C4)热耦合并且配置成接收所述冷却空气(28c)；热交换器(H34)，其布置在所述开放的冷却回路(C3)与所述闭合的内部冷却回路(C4)之间；以及主冷却器，其配置成接收所述冷却空气(28c)，所述主冷却器通常包括所述热交换器和/或被实现为液体-液体热交换器或空气-液体冷却器，特别是油-气体冷却器，其中所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420)配置成将所述输入动力转换成有功输出功率和无功输出功率，和/或其中所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420)是DFIG系统。
技术方案11.如技术方案8-10中的任一项所述的风力涡轮(100，400，400’)，还包括与所述空气冷却系统(450)、所述功率转换系统(114，118，210，234)和至少一个温度传感器中的至少一个通信耦合的控制器(202)，所述控制系统(202)通常配置成执行根据权利要求1至7中的任一项所述的方法(1000，2000，3000)。
技术方案12.如技术方案11所述的风力涡轮(100，400，400’)，其中，所述至少一个温度传感器配置成测量以下中的至少一个的相应的温度：所述周围空气、所述冷却空气、所述功率转换系统(114，118，210，234)和所述功率转换系统(114，118，210，234)的至少一个功率转换组件。
技术方案13.如技术方案8-12中的任一项所述的风力涡轮(100，400，400’)，其中，所述冷却系统(430)包括可提供有所述冷却空气(28c)的所述功率转换系统的风扇(F)和热交换器(H34)中的至少一个，特别是用于所述功率转换系统的诸如所述发电机之类的至少一个动力转换组件的相应的风扇和/或热交换器。
技术方案14.如技术方案8-13中的任一项所述的风力涡轮(100，400，400’)，其中，所述功率转换系统和所述空气冷却系统(450)可与内部电功率分配系统(470)连接，和/或其中所述空气冷却系统(450)可提供有来自所述功率转换系统(114，118，210，234)的电功率(Pi)。
技术方案15.一种包括指令的计算机程序产品或非暂时计算机可读存储介质，所述指令在由系统的一个或多个处理器(204)执行时，特别是由如权利要求8至14中的任一项所述的风力涡轮(100，400，400’)的控制系统(202)执行时，使所述系统执行如权利要求1-7中的任一项所述的方法(1000，2000，3000)。
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得到进一步支持和描述。结合在本说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的实施例，并与说明书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本发明概念(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1示出根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出适合供与图1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示出适合供与图1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示出根据本公开的风力涡轮的一个实施例的框图；
图4B示出根据本公开的风力涡轮的一个实施例的框图；
图4C示出根据本公开的实施例的方法的流程图；
图5A示出根据本公开的实施例的方法的流程图；以及
图5B示出根据本公开的实施例的方法的流程图。
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也用相同的附图标记表示。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，在附图中示出了本发明的一个或多个示例。通过解释本发明的方式提供每个实施例，这不限制本发明。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，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化，例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以产生又一实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变化。
图1是示范风力涡轮100的一部分的透视图。在示范性实施例中，风力涡轮100是水平轴风力涡轮。备选地，风力涡轮100可以是竖直轴风力涡轮。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可具有便于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包括附接到旋转毂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)。
转子叶片108围绕毂110间隔开，以促进旋转转子106，从而使动能能够从风传递到可用的机械能中，并且随后传递到电能中。
在一个实施例中，转子叶片108具有范围从约15米(m)到约91m的长度。备选地，转子叶片108可以具有使风力涡轮100能够如本文描述地那样起作用的任何合适的长度。例如，叶片长度的其他非限制性示例包括20m或更小、37m、48.7m、50.2m、52.2m或大于91m的长度。当风从风向28撞击转子叶片100时，转子106绕旋转轴线30旋转。当转子叶片108旋转并受到离心力时，转子叶片108也受到各种力和力矩。因此，转子叶片108可以从中性或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。
此外，可以通过俯仰系统109改变转子叶片100的俯仰角，即，确定转子叶片100相对于风向的视角的角度，以通过调节至少一个转子叶片108相对于风矢量的角位置来控制由风力涡轮100生成的负载和功率。在风力涡轮100的操作期间，俯仰系统109可以改变转子叶片109的俯仰角，使得转子叶片109被移动到顺桨位置，使得至少一个转子叶片100相对于风矢量的视角提供转子叶片100朝向风矢量定向的最小表面积，这促进降低旋转速度和/或促进转子18的失速。
每个转子叶片108的叶片桨距可以由风力涡轮控制器202或俯仰控制系统个体控制。备选地，所有转子叶片108的叶片桨距可由所述控制系统同时控制。
此外，在示范性实施例中，当风向28改变时，机舱102的偏航方向可以通过偏航系统105绕偏航轴38旋转，以相对于风向28定位转子106。
偏航系统105可以包括由机舱102提供的偏航驱动机构。
此外，偏航系统105还可以由风力涡轮控制器107控制。
为了相对于风向28适当地定位机舱102，机舱102还可以包括至少一个气象桅杆107，所述气象桅杆107可以包括风向标和风速计(图2中未示出)。桅杆107可以向风力涡轮控制器202提供关于周围条件的信息。这可以包括风向和/或风速以及周围温度、周围湿度、降水类型和/或量(如果有的话)。
在示范性实施例中，风力涡轮控制器102被示出为集中在机舱102内，然而，风力涡轮控制器也可以是遍及风力涡轮100，在支撑系统(图1中未示出)上，在风电场内和/或在远程控制中心处的分布式系统。风力涡轮控制器102包括配置成执行本文描述的方法和/或步骤的处理器。
现在参见图2，示出可以与风力涡轮100一起使用的电(动力)和控制系统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将风能转换成机械旋转扭矩，该机械旋转扭矩经由轮毂110可旋转地驱动低速轴112。
在示范性实施例中，低速轴112配置成驱动齿轮箱114，其随后逐步提高低速轴112的低旋转速度以便以增加的旋转速度驱动高速轴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。
更具体地，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传送到主变压器234。主变压器234逐步增大电功率的电压幅度，使得经变换的电功率可经由电网断路器238，断路器侧母线240和电网母线242进一步传送到电网。
另外，电功率和控制系统200可以包括风力涡轮控制器202，其配置成控制风力涡轮100的组件中的任何组件和/或实现如本文所述的方法步骤中的任何方法步骤。例如，特别如图3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，其配置成执行各种计算机实现的功能(例如，执行如本文所公开的方法，步骤，计算等并存储相关数据)。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送的信号被转换成可以被处理器204理解和处理的信号。应当领会，传感器(例如传感器252，254，256，257，258)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252，254，256，257，258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252，254，256，257，258可经由无线连接(例如通过使用本领域已知的任何合适的无线通信协议)耦合到传感器接口211。因此，处理器204可以配置成从传感器接收一个或多个信号。
传感器252，254，256可以是用于控制风力涡轮100的功率转换所需的电流和/或电压的传感器。这在下面更详细地解释。
此外，可以提供至少一个传感器258以用于参考气象数据的传感器数据，例如由图1所示的气象桅杆107提供的传感器。特别地，周围空气温度传感器258可以由气象桅杆107提供。
此外，可以提供至少一个温度传感器257以用于测量机舱内的温度，特别是用于测量如以上分别关于图2及其组件所解释的功率转换系统的温度，和/或用于测量内部空气流的温度和以下关于图4A，4B更详细解释的冷却回路的温度的相应传感器。
如本文所使用的，术语“处理器”不仅指的是本领域中称为包括在计算机中的集成电路，而是还指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)，专用集成电路和其它可编程电路。处理器204还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通常可以包括(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，闪速存储器)，软盘，光盘只读存储器(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。这样的(一个或多个)存储器装置207通常可配置成存储适当的计算机可读指令，所述指令在由处理器204实现时将控制器202配置成执行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的操作的任何其他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)。全功率转换组合件促进在发电机定子120和电功率传输和分配网(未示出)之间引导电功率。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传送到定子同步开关206。转子母线212将三相功率从发电机转子122传送到功率转换组合件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，使用一个或多个熔丝(未示出)代替主变压器电路断路器214。在另一个实施例中，既不使用熔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以为三相脉宽调制(PWM)配置来配置，包括如本领域中已知的那样操作的绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关装置(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的操作的任何开关装置的任何配置。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熔丝(未示出)，而不是耦合到电网电路断路器238。在另一实施例中，既不使用熔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经由个体且分离的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配置成监测和控制与风力涡轮100相关联的操作变量(本文也称为操作参数)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，有可能的是，控制器202经由诸如风电场控制器之类的主设备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，所述主设备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，第四组电压和电流传感器264与转换电路断路器母线230以电子数据通信耦合。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电子数据通信连接。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将风能转换成机械旋转扭矩，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，所述齿轮箱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，所述发电机定子120磁耦合到发电机转子122。发电机118将旋转机械能转换为发电机定子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传送到主变压器234。主变压器234逐步增大电功率的电压幅度，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进一步传送到电网。
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，并经由转子母线212将其传送到功率转换组合件210。在功率转换组合件210内，电功率被传送到转子滤波器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功率被传送到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传送到线路侧功率转换器222，且线路侧功率转换器222充当配置成将来自DC链路244的DC电力转换为具有预定电压，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监测和控制该转换。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传送到系统母线216。线路滤波器224补偿或调整从线路侧功率转换器222传送的电功率中的谐波电流。定子同步开关206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配置成例如当过大的电流流动可能损坏电气和控制系统200的资金时断开相应的母线。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的每条线路的开关(图2中未示出)来控制线路接触器226以形成断开。
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，以改变例如毂110和叶片108处的风速。因此，以这种方式，机械和电转子频率与定子频率分离。
在一些条件下，功率转换组合件210的双向特性并且具体地为转子侧功率转换器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。更具体地，电功率从系统母线216传送到连接母线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传送到功率转换组合件210。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传送到线路侧功率转换器222。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功率被传送到DC链路244。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传送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，该逆变器配置成将从DC链路244传送的DC电功率转换为具有预定电压，电流和频率的三相正弦AC电功率。经由转换器控制器262监测和控制该转换。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传送到转子滤波器218，且随后经由转子母线212传送到发电机转子122，由此促进次同步操作。
功率转换组合件210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，其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。使用该反馈信息，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内的导通。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，电耦合到发电机118的功率转换组件210和升压变压器234形成风力涡轮100的功率转换系统。
图4A示出风力涡轮400的框图。风力涡轮400通常类似于以上关于图1至图3所解释的风力涡轮100，并且还具有机舱402，布置在机舱402中的功率转换系统410，功率转换系统410与转子机械连接，并且可与公用电网电连接以用于通常经由电网电路断路器238并且可选地经由另外的变压器(在机舱402外部)，例如风电场变压器，将电输出功率P馈送到公用电网。
在示范性实施例中，通常实现为空调系统和/或由空调系统提供的空气冷却系统450布置在机舱402上和/或机舱402处。
在冷却模式中，空气冷却系统450将从外部机舱401接收的周围空气28a从周围空气温度Ta冷却到较低温度Tc，并特别地经由布置在用于冷却的周围空气28c的空气冷却系统450的出口与用于从功率转换系统420去除过量热Q的冷却系统430的冷却空气入口之间的空气供应管道将冷却的周围空气作为冷却空气28c供给或排放到机舱402的内部，更具体地朝向或甚至朝向功率转换系统410的冷却系统430。在该过程中，冷却空气28c被再加热并作为更高温度Td的废气28d从机舱402排出，通常经由排气管道排出。
如图4A进一步所示，可以经由内部功率分配系统470向空气冷却系统450提供来自功率转换系统420的电功率P1。
通常，如果需要，特别是在更高的周围空气温度Ta下，如果要去除高的废热Q和/或如果需要功率转换系统410将大量(有功和/或无功)功率P输送到电网，则至少功率转换系统410的发电机可以使用冷却系统430来冷却，所述冷却系统430由空气冷却系统430提供有冷却的周围空气28c。
备选地或另外地，功率转换系统410的齿轮箱、功率转换器、变压器和/或电气柜可以以这种方式被冷却以将相应的组件保持在相应的阈值温度以下。例如，空调系统可以经由液体-液体热交换器连接到齿轮箱冷却器。
分别冷却的环境空气和冷却空气28c的温度Tc和/或温度差Ta-Tc甚至可以是可控的。
通常，功率转换系统410的组件中的一个或多个组件的温度由经由数据总线和/或相应的数据线与空气冷却系统450，冷却系统430，功率转换系统410，功率转换系统410的功率转换组件和/或相应的温度传感器通信耦合的涡轮控制器控制。
为了分别冷却功率转换系统410及其功率转换组件，冷却系统430可具有用于去除热量Q的一个或多个闭合的冷却回路，其与可由冷却空气28c冷却的相应冷却剂一起循环，例如用于每个功率转换组件的一个(或甚至多个)相应闭合的冷却回路。
在图4B中示出这样的闭合的冷却回路，图4B示出风力涡轮400的框图，所述风力涡轮400通常类似于并且甚至可以对应于以上关于图4A所解释的风力涡轮400。
在示范性实施例中，空气冷却系统450包括用于在第一入口处接收周围空气28’的第一开放冷却回路C1和用于在第二入口处接收周围空气28的第二开放冷却回路C2。开放的冷却回路C1、C2经由空气冷却系统450的热交换器H12彼此热耦合，使得在冷却模式中，热量从在第二入口处接收的周围空气28a传递到在第一入口处接收的周围空气28a’。在冷却模式下，当第一开放冷却回路C1的加热空气在第一出口处作为更高温度Te>Ta的第一排出空气28d’排出时，第二开放冷却回路C2的冷却的环境空气在第二出口处作为更低温度Tc<Ta的冷却空气28c排出，并传送到冷却系统430的示范性风扇F，以用于泵送冷却空气28c通过冷却系统430的开放冷却回路C3。开放冷却回路C3经由冷却系统430的热交换器H34与一个示范性封闭的冷却回路C4热耦合，以用于从功率转换系统410去除热量Q。
因此，彼此热耦合的级联的四个冷却回路C1－C4可用于冷却功率转换系统410。
然而，也有可能仅使用彼此热耦合的三个冷却回路来冷却功率转换系统410。
例如，第一开放冷却回路C1可以被省略，例如在其中热交换器H12被实现为热电冷却器的实施例中，即基于开放冷却回路C2中的周围空气28的热电冷却以及经由冷却鳍或类似物排出的传递的热量。
然而，由于更高的效率，热交换器H12通常被实现为蒸汽压缩系统(甚至具有附加的内部封闭冷却回路)。
这也可以应用于热交换器H34。
图4C示出操作风力涡轮的方法1000的流程图，特别是如上关于图1至图4B所解释的风力涡轮100，400，400’。因此，风力涡轮具有用于向电网，特别是公用电网提供电输出功率的功率转换系统，以及用于向功率转换系统提供(在冷却模式下)冷却的周围空气作为冷却空气的空气冷却系统。
通常，在以正常操作模式操作风力涡轮期间，其中功率转换系统将从转子接收的输入动力转换成电输出功率并将电输出功率的至少主要部分提供给公用电网，方法1000包括分别以冷却模式操作空气冷却系统并将冷却的环境空气作为冷却空气提供给功率转换系统的框(步骤)1100。
根据实施例，根据功率转换系统的至少一个操作参数和/或在所述至少一个操作参数等于或大于相应阈值时来执行框1100。
因此，框1100通常根据确定例如包括测量一个或多个相应的温度的至少一个操作参数或者在先前框1050中接收至少一个操作参数来执行。
如图4C中的虚线箭头所示，方法1000可以在稍后的时间从框1100返回到框1050以开始新的控制周期。
此外，仅在尽管使用冷却的周围空气作为冷却空气来冷却功率转换系统但功率转换系统(例如其至少一个功率组件)的温度等于或大于相应的上温度阈值(第三温度阈值)的情况下，功率转换系统的无功输出功率和/或功率转换系统的无功输出功率可在随后的框1200中被缩减。
图5A示出操作风力涡轮的方法2000的流程图，特别是如上关于图1至图4B所解释的风力涡轮100，400，400’。
方法2000通常类似于上面关于图4C解释的方法1000，并且还包括在冷却模式下操作风力涡轮的空气冷却系统的框2100。然而，方法2000是更具体的。
在示范性实施例中，只有当周围空气的温度Ta等于或大于例如30℃或35℃的周围温度阈值Th_Ta并且满足以下条件中的至少一个时，空气冷却系统才以冷却模式操作：(a)所述功率转换系统的无功功率需求RPD等于或大于无功功率需求阈值Th1_RPD，并且(b)所述功率转换系统的有功功率需求APD等于或大于有功功率需求阈值Th1_APD。
否则，在框2300中控制功率转换系统的有功功率生产和通常还有无功功率生产，而不使用空气冷却系统的冷却模式来增加从功率转换系统的热去除，这在这种条件下是不希望的。
方法2000可以被认为是在高功率需求和高周围温度下主动地增加从功率转换系统的热去除，否则可能导致功率转换系统的部件的高热负载。
为了减小控制引起的波动和/或为了节省能量，如果上述条件(Ta≥Th_Ta和(RPD>Th1_RPD或APD≥Th1_APD))例如在一秒或几秒的相应预定时间段内满足，则空气冷却系统也可以仅在冷却模式下操作。
图5B示出操作风力涡轮的方法3000的流程图，特别是如上关于图1至图4B所解释的风力涡轮100，400，400’。
方法3000通常也类似于以上关于图4C所解释的方法1000，并且还包括在冷却模式下(激活或维持)操作风力涡轮的空气冷却系统的对应框2100。然而，方法3000是更具体的。
在示范性实施例中，如果冷却空气的温度Tc等于或大于第一冷却空气温度阈值Th1_Tc，如果发电机定子的温度TGS等于或大于第一发电机定子温度阈值Th1_TGS，或者如果发电机轴承的温度TGB等于或大于第一发电机轴承温度阈值Th1_TGB，则在框3100中激活冷却模式。
温度Tc，TGS和TGB通常在框3050中监测。
在激活冷却模式之后，可以检查温度Tc是否仍然超过或至少达到相应的更高的第三温度阈值Th3_Tc。
如果是的话，则在框3200中，可以为功率转换系统激活功率缩减以避免过热。
否则，可以检查是否所有温度Tc，TGS和TGB都低于相应的第二温度阈值Th2_Tc。
如果是的话，则可以停用冷却模式，并且方法3000可以返回到框3050。否则，保持冷却模式。
与上面参照图5A说明的方法2000相比，空气冷却系统根据监测的发电机温度以冷却模式操作。因此，冷却模式仅在实际需要时使用。
备选地或另外地，可以考虑其他功率转换组件的温度来控制(激活/去激活)冷却模式。
此外，为了控制冷却模式(操作空气冷却系统)，可以分别考虑风力涡轮及其组件，特别是功率转换组件的一个或多个热特性，例如相应的热时间常数。
尽管本发明的各种实施例的具体特征可以在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护。
上面已经参考方法，设备(即，系统)和计算机程序产品的框图和流程图描述本发明的实施例。将理解，框图和流程图中的每个框以及框图和流程图中的框的组合可以分别通过包括计算机程序指令的各种部件来实现。这些计算机程序指令可以被加载到通用计算机，专用计算机或其它可编程数据处理设备(诸如上面参考图3讨论的处理器204)上，以产生机器，使得在计算机或其它可编程数据处理设备上执行的指令创建用于实现在一个或多个流程图块中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令还可以存储在非暂时计算机可读存储器中，所述非暂时计算机可读存储器可以引导计算机或其他可编程数据处理设备(例如，图3的处理器204)以便以特定方式起作用，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包括用于实现在一个或多个流程图块中指定的功能的计算机可读指令的制品。计算机程序指令还可以被加载到计算机或其他可编程数据处理设备上，以使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在一个或多个流程图块中指定的功能的步骤。
因此，框图和流程图的框支持用于执行指定功能的部件的组合，用于执行指定功能的步骤的组合以及用于执行指定功能的程序指令部件。还将理解，框图和流程图图示中的每个框，以及框图和流程图图示中的框的组合可以由执行指定功能或步骤的基于专用硬件的计算机系统，或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
除非另有明确说明，否则决不意图将本文阐述的任何方法解释为要求以特定顺序执行其步骤。因此，在方法权利要求没有实际记载其步骤所遵循的顺序或者没有在权利要求或说明书中另外具体地陈述步骤要被限于特定顺序的情况下，决不意图在任何方面推断顺序。这适用于任何可能的非表达解释基础，包括：关于步骤或操作流程布置的逻辑问题；衍生自语法组织或标点符号的普通含义；说明书中描述的实施例的数量或类型。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本公开，包含制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。虽然在前面已经公开各种具体实施例，但是本领域技术人员将认识到，权利要求的精神和范围允许等效的修改。特别地，上述实施例的相互不排他的特征可以彼此组合。本公开的可取得专利范围由权利要求书来限定，并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。例如，诸如变压器之类的功率转换组件中的至少一个可以至少部分位于塔架或基座中而不是机舱中。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。
参考数字
风力涡轮100,400，400’
机舱102,402
塔架104
偏航系统105
转子106
气象桅杆107
叶片108
俯仰系统109
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210，410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
发电机侧母线236
电网电路断路器238
断路器侧母线240经由电网母线的分配电网242DC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
温度传感器257，258
转换器控制器262
电流传感器264
冷却系统430
空气冷却系统450
内部电网470
方法，方法步骤1000-3200无功功率需求RPD
有功功率需求APD
定子温度TGS
轴承温度TGB
温度Ta-Td
参数阈值Th*_parameter冷却回路C1-C4
风扇F
热交换器H12，H34功率P
热量Q

Claims (10)

1.一种用于操作风力涡轮(100，400，400’)的方法(1000，2000，3000)，所述风力涡轮(100，400，400’)包括功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)和空气冷却系统(450)，所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)配置成向电网(242)提供电输出功率(P)，所述空气冷却系统(450)配置成在冷却模式下冷却周围空气(28a)并且将作为冷却空气(28c)的冷却的周围空气提供给所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)，所述方法(1000，2000，3000)包括：
·如果所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的至少一个操作参数(APD，RPD，TGB，TBS)等于或大于相应的阈值(Th1_APD，Th1_RPD，Th1_TGB，Th1_TBS)，则在所述冷却模式下操作(1100，2100，3100)所述空气冷却系统(450)。
2.如权利要求1所述的方法(1000，2000，3000)，其中，如果满足以下条件中的至少一个，则所述空气冷却系统(450)在所述冷却模式下操作：
·所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的无功功率需求(RPD)等于或大于无功功率需求阈值(Th1_RPD)；
·所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的有功功率需求(APD)等于或大于有功功率需求阈值(Th1_APD)；
·所述周围空气(28a)的气温(Ta)等于或大于周围温度阈值(Th_Ta)；
·所述冷却空气(28c)的温度(Tc)等于或大于冷却空气温阈值(Th1_Tc)；
·所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的至少一个功率转换组件(114，118，210，234，410，420)的温度(TGS，TGB，Tc)等于或大于相应的第一温度阈值(Th1_TGS，Th1_TGB，Th1_Tc)，所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)通常包括若干功率转换组件(114，118，210，234，410，420)配置成如果从所述风力涡轮(100，400，400’)的转子(106)接收到输入动力，则有助于将所述输入动力转换成所述电输出功率(P)，所述转子(106)包括转子叶片(108)；以及
·所述功率转换组件(114，118，210，234，410，420)中的所述至少一个的所述温度(TGS，TGB，Tc)等于或大于比相应第一温度阈值(Th1_TGS，Th1_TGB，Th1_Tc)小的相应第二温度阈值(Th2_GS，Th2_TGB，Th2_Tc)。
3.如权利要求2所述的方法(1000，3000)，其中，所述空气冷却系统(450)根据所述至少一个功率转换组件的所述温度以所述冷却模式操作。
4.如权利要求2或3所述的方法(1000，3000)，其中，根据齿轮箱(114)的温度、功率转换器(220，222)的温度、变压器(234)的温度和所述发电机(118)的温度中的至少一个，特别是所述发电机(118)的轴承的温度(TGB)和所述发电机(118)的定子(120)的温度(TGS)中的至少一个，以冷却模式操作所述空气冷却系统(450)。
5.如权利要求2所述所述的方法(1000，2000)，其中，所述空气冷却系统(450)以冷却模式操作，而与所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的所述至少一个功率转换组件的温度无关。
6.如权利要求2-4中的任一项所述的方法(1000，2000，3000)，还包括如果所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的所述至少一个功率转换组件的所述温度等于或大于相应的第三温度阈值(Th3_GS，Th3_TGB，Th3_Tc)，则缩减(1200，3200)所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的无功输出功率和所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)的无功输出功率中的至少一个，所述第三温度阈值(Th3_GS，Th3_TGB，Th3_Tc)大于所述相应的第一温度阈值(Th1_TGS，Th1_TGB，Th1_Tc)和所述相应的第二温度阈值(Th2_GS，Th2_TGB，Th2_Tc)中的至少一个。
7.如任何前述权利要求所述的方法(1000，2000，3000)，包括以下中的至少一个：
·测量(1050)相应的温度；
·接收所述无功功率需求(RPD)；
·接收所述有功功率需求(APD)；
·基于所测量的温度、所接收的无功功率需求(RPD)和所接收的有功功率需求(APD)中的至少一个来激活所述冷却模式；
·基于所测量的温度、所接收的无功功率需求(RPD)和所接收的有功功率需求(APD)中的至少一个来停用所述冷却模式；以及
·使用所述冷却空气、特别是经由所述功率转换系统的冷却系统(430)从所述功率转换系统去除热量(Q)，所述冷却系统(430)配置成接收所述冷却空气；
·操作彼此热耦合的级联的三个冷却回路(C1-C3)；以及
·操作彼此热耦合的级联的四个冷却回路(C1-C4)。
8.一种风力涡轮(100，400，400’)，包括：
·包括转子叶片(108)的转子(106)；
·空气冷却系统(450)，其配置成接收周围空气(28a)、冷却所述周围空气(28a)并且提供作为冷却空气(28c)的冷却的周围空气；
·功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)，其与所述转子(106)机械连接、可电连接到公用电网(242)、配置成将输入动力转换成电输出功率(P)；以及
·冷却系统(430)，其配置成接收所述冷却空气(28)并使用所述冷却空气从所述功率转换系统去除热量(Q)。
9.如权利要求8所述的风力涡轮(100，400，400’)，其中，所述空气冷却系统(450)和所述冷却系统(430)实现以下中的至少一个：彼此热耦合的级联的三个冷却回路(C1-C3)和彼此热耦合的级联的四个冷却回路(C1-C4)，其中所述空气冷却系统(450)由空调系统提供，其中所述空气冷却系统(450)配置成以至少高达约15kW，更通常至少高达约20kW，甚至更通常至少高达约23kW的速率从所述周围空气中去除热量，和/或其中所述空气冷却系统(450)配置成以至少2，更通常至少3的冷却效率从所述周围空气中去除热量。
10.如权利要求8或9所述的风力涡轮(100，400，400’)，其中，所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420，430)包括至少一个功率转换组件(114，118，210，234，410，420)，其配置成有助于将从所述转子(106)接收的输入动力转换成所述电输出功率(P)，其中所述功率转换系统(114，118，210，234)包括以下中的至少一个：作为相应的功率转换组件的齿轮箱(114)、发电机(118)、功率转换组合件(210)和变压器(234)，其中所述冷却系统(430)配置成从所述功率转换组件(114，118，210，234，410，420)中的至少一个去除热量，其中所述功率转换组件(114，118，210，234，410，420)中的至少一个布置在所述风力涡轮的机舱(102)中，其中所述空气冷却系统(450)至少部分地布置在所述机舱中或所述机舱处，其中所述冷却系统(430)包括以下中的至少一个：闭合的内部冷却回路(C4)，其与所述功率转换系统流体连接以去除所述热量；开放的冷却回路(C3)，其与所述闭合的内部冷却回路(C4)热耦合并且配置成接收所述冷却空气(28c)；热交换器(H34)，其布置在所述开放的冷却回路(C3)与所述闭合的内部冷却回路(C4)之间；以及主冷却器，其配置成接收所述冷却空气(28c)，所述主冷却器通常包括所述热交换器和/或被实现为液体-液体热交换器或空气-液体冷却器，特别是油-气体冷却器，其中所述功率转换系统(114，118，210，234，410，420)配置成将所述输入动力转换
成有功输出功率和无功输出功率，和/或其中所述功率转换系统(114，
118，210，234，410，420)是DFIG系统。
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