風輪機中電壓下降期間的智能功率管理的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及在風輪機中出現電壓下降時降低機械載荷的方法。風輪機發(fā)電機控制器和轉換器控制單元聯合工作以控制風輪機(100)中由于電壓下降產生的振蕩。在扭矩峰值發(fā)生前，所述方法在功率恢復中應用漸變以允許增大的DTD抑制振蕩。所述方法包括以下步驟：通過轉換器控制單元傳送最大有效功率值到風輪機發(fā)電機控制器。下一步驟是，為設定值設置飽和值以增大傳動系限制。在下一步驟中，對風輪機發(fā)電機的功率設定值應用漸變。以及最后，增大的傳動系阻尼被應用到功率的漸變值以降低風輪機中的機械載荷并抑制風輪機發(fā)電機中的振蕩。
【專利說明】風輪機中電壓下降期間的智能功率管理

【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及風輪機，而且更具體地，涉及風輪機中電壓下降期間通過智能功率管理降低機械載荷的方法。

【背景技術】
[0002]風輪機將風的動能轉換成電能，電能隨后被傳送到風電場的變電站。通常，在風輪機中，機艙將組件連同把機械能轉換成電的傳動系一起收容在其中。風輪機中的傳動系通常是指轉子、轉子軸、齒輪箱、發(fā)電機軸、聯結器和發(fā)電機的組件。風輪機被設計成能夠承受多種現場運行情況(常規(guī)運行、極端陣風、電網損耗、葉片受阻等)。
[0003]如今，風輪機對電網的影響不再是微不足道的，因此，網絡運營者正制定更嚴格的風輪機電網連接要求。這些要求中的一些要求被限定在不與電網斷開時風輪機必須能夠承受的電壓下降和電網從電壓下降恢復之后恢復功率生產(Power product1n)的最大時間方面。
[0004]對于風輪機而言，電壓下降情況是最難操作情況中的一個。電網中電壓下降的出現引起瞬變，其不僅影響風輪機的電氣性能，而且影響風輪機的機械性性能。在干擾網絡的情況下，當電壓低于一定值，由于電氣限制，將強制減少風輪機的功率生產。由于電壓下降動態(tài)非?？?，這種減少被要求以突然的方式進行。在短的時間內獲得這種減少的唯一方法是通過減小發(fā)電機的扭矩。扭矩下降激起傳動系達到共振頻率，導致傳動系振蕩。考慮到氣動扭矩保持不變(相同的風速和螺距角)，由于發(fā)電機扭矩與轉子扭矩之間的差值，發(fā)電機速度增加。如果超速保護系統(tǒng)被觸發(fā)，風輪機將從電網斷開并停止，其不符合網絡運營者要求。因此，第一目的是在干擾期間限制發(fā)電機速度。這必須做到而不產生其它類型的警報并且保持足夠的氣動扭矩以在網絡運營者要求的短時間內恢復電壓下降之前的功率生產。
[0005]如之前所述的，網絡運營者要求不僅限定風輪機必須能夠承受的電壓下降，而且限定電網從電壓下降恢復之后恢復功率生產的最大時間。如任何閉環(huán)中一樣，在達到穩(wěn)定狀態(tài)之前，風輪機發(fā)電機扭矩控制將展示出最大超越量并且抑制振蕩。該最大扭矩超越量高度地依賴于控制在應用的扭矩值方面提供扭矩恢復的方法和在它的自然頻率時傳動系振蕩相位，其已經被伴隨電壓下降的快速扭矩改變所激起。因此，當從電壓下降恢復時，系統(tǒng)的瞬態(tài)響應將取決于隨后的控制邏輯。
[0006]過去已經使用了一些在電壓下降瞬變期間關注于改變當前傳動系阻尼器操作的控制方法。這些邏輯沒有改善發(fā)電機扭矩和螺距角被控制的方式以滿足使得最大超越量最小化的設定時間要求，整合傳動系行動以獲得傳動系主頻率振蕩模式的最好阻尼的最好方式或改善轉換器控制器和風輪機控制器協(xié)作的方法。在另一途徑中，在電氣設計方面提供解決方案:利用具有能夠減小傳動系中的扭矩超越量的制動斬波器的完整轉換器。這種方法需要安裝新的風輪機發(fā)電機以及額外的費用。


【發(fā)明內容】

[0007]在此所致力于解決的上述缺點、不利情況和問題將通過閱讀和理解下述說明而得以理解。
[0008]本發(fā)明涉及在風輪機中電壓下降期間降低機械載荷的方法。風輪機具有傳動系、風輪機發(fā)電機、風輪機發(fā)電機控制器和轉換器控制單元。風輪機發(fā)電機控制器和轉換器控制單元聯合工作以控制風輪機100中由于電壓下降產生的振蕩。所述方法:應用最佳的螺距參考以使得振蕩最小化，避免超速值，并且保持足夠的氣動扭矩以在電網恢復之后的短時間內恢復功率生產。以不同的速度應用受控的漸變的功率參考并且如果有需要的話用一階濾波器過濾它從而當從電壓下降恢復、滿足設定時間要求并且以最好的方式整合傳動系阻尼器行動時減少扭矩超越量。所述方法包括風輪機控制器從轉換器控制單元接收信息以知悉電壓下降正在發(fā)生的步驟。在下一步驟中，風輪機控制器計算當前的氣動扭矩和扭矩相對于螺距角的導數以在電壓下降的任何時刻知悉剩余氣動扭矩，最小的螺距速度被應用以避免發(fā)電機超速，保持足夠的氣動扭矩以在下降之后恢復功率生產。在電網從電壓下降恢復之后，最大功率或扭矩值通過轉換器控制單元被傳送到風輪機控制器。相對于該瞬間限制，風輪機控制器通過減去一補償值計算更限制性的限制以確?？赡軕肈TD扭矩或功率參考。根據傳動系振蕩使用不同的速度計算發(fā)電機扭矩或功率參考，以使得瞬態(tài)扭矩超越量最小化并且增大對傳動系本征頻率振蕩模式的阻尼，考慮到最大功率或扭矩計算值和設定時間限制。如果有需要的話，用一階濾波器過濾該參考。而且最后，增大的傳動系阻尼被應用到漸變的參考以將額外的阻尼增加到傳動系本征頻率振蕩模式。
[0009]鑒于下述示例性【具體實施方式】的詳細描述，其他方面對于本領域技術人員而言將變得顯而易見，所述示例性【具體實施方式】示出了目前能想到的實施本發(fā)明的最佳方式。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]下面將連同附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，提供附圖是為了說明而非限制本發(fā)明，其中相似的標號指代相似的元件，且其中:
[0011]圖1示出了根據本公開的一個實施方式的風輪機透視圖；
[0012]圖2示出了根據圖1中所示的實施方式的機艙連同傳動系的側視圖；
[0013]圖3示出了根據本公開的實施方式的用于智能功率或扭矩管理的WTG控制器和轉換器控制單元之間的連通的方塊圖；
[0014]圖4是圖1中所示的風輪機的二質量扭力彈簧和阻尼傳動系模型；
[0015]圖5是示例根據本公開實施方式降低風輪機上的機械載荷的方法中所涉及步驟的流程圖；
[0016]圖6a和6b示出了當根據傳動系振蕩從電壓下降恢復時發(fā)電機扭矩或功率參考速度如何變化。當振蕩位于正半平面時，速度較高；以及
[0017]圖7a_7c示出了當風輪機遭受電壓下降情況時應用本發(fā)明的有益效果。

【具體實施方式】
[0018]本公開能夠采用多種不同的形式，為了促進對本公開的原則的理解，現在參考附圖所示的實施方式，且采用特定的語言描述實施方式。并非旨在限制本公開的范圍。對所述實施方式的各種不同的變型、進一步的修改以及對本公開原則的任何進一步的應用，都是可預期的。
[0019]本發(fā)明指向在電網中的電壓下降期間和當從電壓下降不停止地恢復時降低風輪機機械載荷的方法。風輪機具有傳動系、風輪機發(fā)電機、風輪機控制器和轉換器控制單元。風輪機控制器和轉換器控制單元聯合工作以使得在風輪機100中由于電壓下降所產生的振蕩最小化。所述方法:應用最佳的螺距參考以使得振蕩最小化，避免超速值，并且保持足夠的氣動扭矩以在電網恢復之后的短時間內恢復功率生產。以不同的速度應用受控的漸變的功率參考從而當從電壓下降恢復、滿足設定時間要求并且以最好的方式整合傳動系阻尼器行動時減少扭矩超越量。所述方法包括風輪機控制器從轉換器控制單元接收信息以知悉電壓下降正在發(fā)生的步驟。在下一步驟中，風輪機控制器計算當前的氣動扭矩和扭矩相對于螺距角的導數以在電壓下降的任何時刻知悉剩余氣動扭矩，最小的螺距速度被應用以避免發(fā)電機超速，保持足夠的氣動扭矩以在下降之后恢復功率生產。在電網從電壓下降恢復之后，最大功率或扭矩值通過轉換器控制單元被傳送到風輪機控制器。相對于該瞬間限制，風輪機控制器對先前的值減去一補償值計算更限制性的限制以確?？赡軕肈TD(傳動系阻尼器)扭矩參考。根據傳動系振蕩使用不同的速度計算發(fā)電機扭矩或功率參考，以使得瞬態(tài)扭矩超越量最小化并且增大對傳動系本征頻率振蕩模式的阻尼，考慮到最大功率或扭矩計算值和設定時間限制。如果有需要的話，用一階濾波器過濾該參考。而且最后，增大的傳動系阻尼被應用到漸變的參考以將額外的阻尼增加到傳動系本征頻率振蕩模式。
[0020]圖1是表示根據本公開的示例性實施方式的風輪機100的側視圖。示例的風輪機100包括垂直豎立在基座104上的風輪機塔(以下稱為“塔”)102，以及安裝在塔102的上端的機艙106，以及安裝在機艙106前端以便繞著大致水平的橫向轉動軸線Xl-Xl被可旋轉地支撐的轉子頭部108。轉子頭部108具有以放射狀繞其轉動軸線安裝的多個風輪機葉片110 (例如，如圖1中所示的三個)。因此，從轉子頭部108的轉動軸線的方向吹向風輪機葉片110的風力被轉化為使得轉子頭部108繞轉動軸線轉動的動力。由風輪機100產生的可用電力通過電力輸電線被供應到變電站。測量周圍風速值的風速計(圖中未示出)以及測量風向的風向儀(未示出)被設置在機艙106的外圍表面的適當位置(例如，在頂端等)。
[0021]圖2示出了根據圖1中所示實施方式的機艙106的透視側視圖。機艙106包括作為風輪機100的傳動系的一部分的各種不同組件。機艙106包括轉子軸112、齒輪箱114、發(fā)電機軸116、聯結器118和風輪機發(fā)電機120 (WTG)或發(fā)電機120。作為風輪機葉片110運動的結果，轉子軸112被轉動。轉子軸112伸入齒輪箱114。齒輪箱114的輸出軸稱為發(fā)電機軸116。發(fā)電機軸116經由聯結器118與發(fā)電機120的輸入軸122相連接。
[0022]風輪機100進一步包括轉換器控制單元124和風輪機控制器126或WTG控制器126。轉換器控制單元124和WTG控制器126如圖3所示地彼此電連通。WTG控制器126接受來自轉換器控制單元124的輸入并且送回控制信號。轉換器控制單元124從不同的傳感器獲得電氣測量并將控制信號送到風輪機100的電氣部件。根據本公開的實施方式，轉換器控制單元124和WTG控制器126聯合工作以控制風輪機100中由于電壓下降所產生的振蕩。所述方法:應用最佳的螺距參考以使得振蕩最小化，避免超速值，并且保持足夠的氣動扭矩以在電網恢復之后的短時間內恢復功率生產。以不同的速度應用受控的漸變的功率參考從而當從電壓下降恢復、滿足設定時間要求并且以最好的方式整合傳動系阻尼器行動時減少扭矩超越量而且如果有必要的話用一階濾波器過濾它。
[0023]在系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析中，當分析系統(tǒng)對強干擾的響應時，系統(tǒng)的發(fā)電機軸必須接近至少一個二質量模型，如Xing等人的論文“DFIG風輪機的傳動系的阻尼控制研究”，2009，中所討論的。在目前情況下，系統(tǒng)是風輪機100并且出現在風輪機100中的電壓下降被視為干擾。
[0024]圖5示出了流程圖200，其示例了根據本公開實施方式降低風輪機100上的機械載荷的方法中所涉及的步驟。最初，在步驟202，一指示被WTG控制器126接收。該指示由轉換器控制單元124發(fā)送。該指示表示風輪機100中電壓下降的出現。電壓下降的出現影響風輪機100的電氣性能和機械性能。在電壓下降之前，發(fā)電機120速度是穩(wěn)定的(受控的)并且被傳送的扭矩Tt (氣動扭矩)等于穩(wěn)定的發(fā)電機扭矩Tg。每當電壓下降出現，其引起發(fā)電機扭矩突變。由于Tt與Tg之間的差值，發(fā)電機扭矩的突然變化激起傳動系處于它的共振頻率而且發(fā)電機120加速。在步驟204，WTG控制器126計算氣動扭矩和扭矩相對于螺距角的導數以在電壓下降的任何時刻知悉剩余氣動扭矩。在每一個計算步驟中，通過對電壓下降開始時的初始氣動扭矩減去扭矩相對于螺距角的導數乘以自電壓下降開始時刻的總螺距角增量的結果，剩余扭矩可以被估算。在步驟206，考慮到剩余被傳送的扭矩Tt (氣動扭矩)，WTG控制器126指令螺距系統(tǒng)130以計算的特定速度朝向順槳移動以避免發(fā)電機超速。在這一點上，主要目的是避免超速警報觸發(fā)但其必須損害盡可能少的恢復時間要求。為了做到這一點，在下降的開始，計算螺距移動速度指令僅考慮發(fā)電機速度演變(速度和加速度值)和物理限制(螺距系統(tǒng)限制)，隨著下降發(fā)展，螺距速度指令的計算不僅取決于先前的評價因素而且還取決于剩余被傳送的扭矩Tt。通過使用固定的最大螺距速度乘以物理限制的每一單位收益，每一個因素(發(fā)電機速度、加速度、剩余被傳送的扭矩)的貢獻可以被評估。發(fā)電機速度和加速度因素的權重高于剩余被傳送的扭矩Tt，由于電壓下降轉變的這一部分中的主要目的是避免超速警報。剩余被傳送的扭矩Tt的演變取決于風輪機的空氣動力學特征和轉子慣性。作為一個參考值，可以認為該因素不會影響螺距位置演變直到剩余被傳送的扭矩Tt低于初始值的80%。另一方面，作為一個參考值，如果發(fā)電機速度高于0.96%，被傳送的扭矩Tt因素對最終的螺距速度參考的影響是可以忽略不計的。
[0025]隨后，在步驟208，電網從電壓下降恢復，根據標準控制法計算螺距參考。轉換器控制單元124計算并發(fā)送給WTG控制器126最大功率或扭矩值。最大有效功率可被計算為最大有效電流產生值乘以電網電壓的值。
[0026]在步驟210，風輪機控制器為有效功率或扭矩參考計算最大飽和設定值，通過對來自于轉換器控制單元124的值減去一補償值，以確保應用DTD扭矩參考是可能的。
[0027]隨后，在步驟212，根據傳動系振蕩(圖6)使用不同的速度計算發(fā)電機扭矩或功率參考，以使得瞬態(tài)扭矩超越量最小化并且增大對傳動系本征頻率振蕩模式的阻尼，考慮到最大功率或扭矩計算值和設定時間限制。如果需要，用一階濾波器過濾該參考。
[0028]而且最后在步驟212，傳動系阻尼器(DTD)額外扭矩或有效功率被增加到先前的參考，該先前的參考引起被傳送到轉換器控制單元124的最后指令。
[0029]本發(fā)明的應用允許風輪機在電壓下降情況時保持運行沒有停止，減少傳動系扭矩超越量50%以上(圖7)。
[0030]在本公開的實施方式中，所述算法能夠通過使用者將參數值從一設置到零而失效。
[0031]在本公開的實施方式中，風輪機100是雙饋風輪機100。雙饋風輪機100允許發(fā)電機輸出電壓和頻率保持在恒定值。但是，沒有斷開時由于抵抗電壓下降，雙饋風輪機100被額外載荷影響。在該實施方式的另一示例中，風輪機發(fā)電機120使用完整的轉換器技術，其中傳動系被電壓下降影響。應該認識到該算法也適用于那些具有完整的轉換器技術而沒有制動斬波器的風輪機。如果風輪機發(fā)電機120具有制動斬波器，那么制動斬波器能夠耗盡電網側轉換器不能傳送到電網的有效功率。在此情況下，隨后傳動系不會被電壓下降影響，因為沒有由于電壓下降的扭矩變化。
[0032]在此陳述的任何理論、工作機制、證明或發(fā)現旨在進一步提高對本公開的原則的理解，且不是旨在使得本公開以任何方式依賴于這些理論、工作機制、示例性實施方式、證明或發(fā)現。應該了解到，雖然上述描述中采用了文字優(yōu)選、優(yōu)選地或優(yōu)選的，表示所描述的特征可能是更期望的，但是并非必要的，并且缺乏同樣內容的實施方式在由下述權利要求所定義的本公開的范圍內是可以預期的。
[0033]當閱讀權利要求時，當其采用文字例如“一個(a) ”、“一個(an) ”、“至少一個”、“至少一部分”時，不是旨在將權利要求限制到僅僅一個項目，除非在權利要求中明確表述相反。當采用語言“至少一部分”和/或“一部分”時，該項目可以包括一部分和/或整個項目，除非明確表述相反。
[0034]應當了解，僅僅示出和描述了選擇的實施方式，此處所定義的本公開或者下述任何權利要求的精神內的所有可能的替代、修改、各方面、組合、原則、變型和等同物，也是期望被保護的。本公開的實施方式已經在附圖和前面的描述中詳細圖示和描述了，同樣也被認為是示例并且不是旨在窮盡的或者將本公開限制到所揭示的精確形式。另外的替代、修改和變型對于本領域技術人員而言是顯而易見的。同時，當介紹多個發(fā)明方面或原則時，他們不需要被組合利用，并且在上文提供的不同實施方式的啟發(fā)下，本發(fā)明的各方面和原則的各種不同組合是可能的。
【權利要求】
1.一種當風輪機遭受電網電壓下降時在風輪機中降低機械載荷的方法，所述風輪機具有傳動系、轉換器控制單元以及風輪機發(fā)電機控制器，所述方法包括: 由風輪機發(fā)電機控制器接受來自轉換器控制單元的指示，所述指示表示風輪機中的電壓下降； 指令葉片的螺距角朝向順槳位置以特定的速度移動； 由轉換器控制單元傳送最大有效功率產生值到風輪機發(fā)電機控制器； 為傳動系設置設定值的飽和值以確保正確的DTD行動應用，所述飽和值取決于最大有效功率由轉換器控制單元設置； 考慮到網絡運營者設定時間限制，根據DTD行動以不同的速度漸變地加大功率或扭矩設定值以趕上功率的漸變值； 應用一階濾波器來減弱更多扭矩超越量； 將傳動系阻尼器扭矩指令應用到漸變的功率參考，以降低風輪機中的機械載荷并且抑制風輪機發(fā)電機中的振蕩。
2.如權利要求1所述的方法，其中，考慮到剩余被傳送的扭矩Tt(氣動扭矩)計算螺距移動速度以避免發(fā)電機超速。
3.如權利要求1所述的方法，其中，通過一算法來計算電壓下降任何時刻的剩余氣動扭矩，所述算法使用初始氣動扭矩和扭矩相對于螺距角的導數作為參數。
4.如權利要求1所述的方法，其中，最大飽和有效功率或扭矩值被設置為由轉換器控制單元傳送的最大有效功率減去一可變的補償值以確保正確的DTD扭矩參考應用。
5.如權利要求1所述的方法，其中，風輪機發(fā)電機是雙饋感應發(fā)電機。
6.如權利要求1所述的方法，其中，風輪機發(fā)電機采用完整的轉換器技術，其中傳動系受到電壓下降的影響。
7.如權利要求1所述的方法，其中，在電壓下降期間以及在電壓下降被清除之后使用所述方法。
8.如權利要求1所述的方法，進一步包括使所述方法無效的步驟。
9.如權利要求1所述的方法，其中，最大有效功率被計算為通過轉換器最大有效電流產生值乘以電網電壓的值。
10.一種在風輪機中電壓下降期間的智能功率管理的方法，所述方法包括: 接收來自轉換器控制單元的指示，所述指示表示風輪機中的電壓下降； 由轉換器控制單元傳送最大有效功率產生值到風輪機發(fā)電機控制器； 指令葉片的螺距角朝向順槳位置以特定的速度移動； 由轉換器控制單元傳送最大有效功率產生值到風輪機發(fā)電機控制器； 為傳動系設置設定值的飽和值以確保正確的DTD行動應用，所述飽和值取決于最大有效功率由轉換器控制單元設置； 考慮到網絡運營者設定時間限制，根據DTD行動以不同的速度漸變地加大功率或扭矩設定值以趕上功率的漸變值； 應用一階濾波器來減弱更多扭矩超越量； 將傳動系阻尼器扭矩指令應用到漸變的功率參考，以降低風輪機中的機械載荷并且抑制風輪機發(fā)電機中的振蕩。
【文檔編號】F03D7/02GK104343630SQ201410377515
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權日:2013年8月2日
【發(fā)明者】何塞·瑪麗亞·洛佩斯·魯維奧, 弗朗西斯科·吉梅內斯·布恩迪亞, 胡安·卡洛斯·加西亞·安杜哈爾 申請人:歌美颯創(chuàng)新技術公司