專利名稱：用于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及發(fā)電機(jī)，更具體地說(shuō)，涉及用于控制發(fā)電機(jī)中 的溫度的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
至少某些已知的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)在特定的條件下運(yùn)行的。例如
至少某些已知的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，其是為現(xiàn)場(chǎng)海拔高度小于大約1000
米的海平面應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。然而，這種風(fēng)力渦輪可能安裝在超過(guò)用于 限定設(shè)計(jì)要求的特定環(huán)境條件的地點(diǎn)。如果風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)安裝在海 拔和/或環(huán)境溫度超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的特定環(huán)境條件的地點(diǎn)中時(shí)，可能會(huì)
降低風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的冷卻能力，并且發(fā)電機(jī)在運(yùn)行期間可能承受過(guò) 高的溫度狀態(tài)。在這種地點(diǎn)，為了保持發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定的動(dòng)力操作而不 降低風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的功率，必須改進(jìn)發(fā)電機(jī)的冷卻。
一種已知的解決方案是采用增強(qiáng)型冷卻器，例如，可采用具有軸 向和/或徑向冷卻風(fēng)扇的冷卻器來(lái)替換原始冷卻器。然而，新的增強(qiáng)型
冷卻器的設(shè)計(jì)和/或發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，以及增加與風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)相關(guān)聯(lián) 的電氣設(shè)備的數(shù)量都是昂貴的。另外，對(duì)位于六十五米高或更高高度 處的已安裝風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)上改型翻新新設(shè)備是更為昂貴的。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中， 一種減少發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的熱損失的方法包括在
發(fā)電機(jī)中在第一功率因數(shù)產(chǎn)生電力，以及在轉(zhuǎn)換器中在第二功率因數(shù) 下以第一運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換電力，以及在發(fā)電機(jī)中在第三功率因數(shù)下產(chǎn)生 電力，其中第三功率因數(shù)大于第一功率因數(shù)，以及在轉(zhuǎn)換器中在第四 功率因數(shù)下以第二運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換電力，其中第四功率因數(shù)小于第二功率因數(shù)，使得發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在第二運(yùn)行模式下的功率輸出大體上等于發(fā) 電機(jī)系統(tǒng)在第 一運(yùn)行模式下的功率輸出，并且利于減小發(fā)電機(jī)的電
流o
在另一實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)包 5 括轉(zhuǎn)子和定子。發(fā)電機(jī)配置成可在第一功率因數(shù)下以第一運(yùn)行模式產(chǎn) 生電力，并且在第二功率因數(shù)下以第二運(yùn)行模式產(chǎn)生電力，其中第二 功率因數(shù)大于第一功率因數(shù)。風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)還包括電聯(lián)接在轉(zhuǎn) 子上的功率轉(zhuǎn)換器。功率轉(zhuǎn)換器配置成將來(lái)自轉(zhuǎn)子的電力轉(zhuǎn)換成高于 發(fā)電機(jī)同步速度的直流(DC)電力，并將電力供給低于該同步速度的轉(zhuǎn)
10 子。功率轉(zhuǎn)換器還配置成在第三功率因數(shù)下以第一運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換電 力，以及在第四功率因數(shù)下以第二運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換電力，其中第四功率 因數(shù)小于第三功率因數(shù)，使得發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在第二運(yùn)行模式下的功率輸 出大體上等于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在第 一運(yùn)行^f莫式下的功率輸出，并且相對(duì)于 第一運(yùn)行模式，在第二運(yùn)行模式下利于減小發(fā)電機(jī)電流。
15 在又一實(shí)施例中， 一種減少風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)中的熱損失的系統(tǒng)包
括風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，該風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)包括雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其中該 發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子用于產(chǎn)生來(lái)自發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電力，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 換器電聯(lián)接在轉(zhuǎn)子上，其中該轉(zhuǎn)換器配置成將來(lái)自轉(zhuǎn)子的電力轉(zhuǎn)換成 DC電力。該系統(tǒng)還包括電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器和至少一個(gè)電路，電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換
20 器用于以可選擇的功率因數(shù)將DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力，該至少一個(gè) 電路配置成基于發(fā)電機(jī)的溫度而調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換器的和電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換 器中的至少 一個(gè)的電流流量。


25 圖l是才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范性實(shí)施例的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的示意
圖2是圖1中所示的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的筒圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的可變速風(fēng)力渦輪機(jī)的示意圖，其包括直接驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)；
圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的可變速風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的示意 圖，其包括雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；
圖5A是顯示了從風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)至電網(wǎng)的輸出功率的圖表；和 5 圖5B是顯示了從風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)至電網(wǎng)的輸出功率的圖表，其
利用轉(zhuǎn)換器將一部分電抗性負(fù)載供給電網(wǎng)。
部件列表
10風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī) 10 12短艙
14轉(zhuǎn)子
16 ;旋轉(zhuǎn)軸線 18塔
20轉(zhuǎn)子輪轂 15 22葉片
24發(fā)電機(jī)
26轉(zhuǎn)子軸
28發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸
30齒輪箱 20 32低速側(cè)
33導(dǎo)電管
34 高速側(cè)
35管
36頻率轉(zhuǎn)換器 25 37轉(zhuǎn)換器無(wú)功功率支持能力電路
38管 39負(fù)載 40管42控制系統(tǒng)
50總線
52處理器
54 RAM 5 56存儲(chǔ)裝置
58 ROM
60輸入/輸出裝置
62傳感器4妄口
300可變速風(fēng)力渦輪機(jī) 10 302直接驅(qū)動(dòng)式同步發(fā)電機(jī)
400風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)
402雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)
404 DC/AC轉(zhuǎn)換器
406轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器 15 408電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器
410電容器
411直流總線
412耦合電感
414電網(wǎng) 20 415電網(wǎng)端子
416轉(zhuǎn)子繞組
418集電環(huán)
420電刷
422定子繞組 25 424控制系統(tǒng)
426溫度傳感器
428側(cè)電壓命令信號(hào)
432電容器500圖表
502圖表
504X軸線
506Y軸線
508第一矢量
510第一矢量的有功分量
512第一矢量的無(wú)功分量
514X軸線
516Y軸線
518第二矢量
520由轉(zhuǎn)換器提供的第二矢量的有功分量
522由轉(zhuǎn)換器提供的第二矢量的無(wú)功分量
524由發(fā)電機(jī)提供的第二矢量的有功分量
526由發(fā)電機(jī)提供的第二矢量的無(wú)功分量
1具體實(shí)施例方式
以下詳細(xì)描述通過(guò)示例而非限制的方式來(lái)舉例說(shuō)明本公開(kāi)。該描 述清晰地使本領(lǐng)域中的技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明公開(kāi)，其描述 了本公開(kāi)的若干個(gè)實(shí)施例、變型、變體、備選方案以及用途，包括當(dāng) 20前被認(rèn)為是實(shí)施本公開(kāi)的最佳模式。本公開(kāi)被描述成應(yīng)用于一個(gè)優(yōu)選
實(shí)施例，即，控制風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)中的溫度的方法。然而，設(shè)想; M^ 開(kāi)對(duì)于控制一般的電力機(jī)器，尤其是具有供應(yīng)或降低無(wú)功功率能力的 可運(yùn)行機(jī)器，具有普遍的應(yīng)用。
如此處所用，用語(yǔ)"葉片"意圖代表當(dāng)相對(duì)于周圍空氣進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)
25提供反作用力的任何裝置。如此處所用，用語(yǔ)"風(fēng)力渦輪機(jī)"意圖代表
由風(fēng)能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)能量，更具體地說(shuō)，將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的任何 裝置。如此處所用，用語(yǔ)"風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)"意圖代表由從風(fēng)能產(chǎn)生的 旋轉(zhuǎn)能產(chǎn)生電能，更具體地說(shuō)，將由風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來(lái)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的任何風(fēng)力渦輪^L。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范性實(shí)施例的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10的 示意圖。在該示范性實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)IO包括水平-軸向構(gòu) 造。備選地，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)IO可包括如下構(gòu)造，該構(gòu)造包括但不 5 限于垂直-軸向構(gòu)造(未示出)。在該示范性實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī) IO電聯(lián)接在電氣負(fù)載上，例如但不限于電網(wǎng)上(圖1中未顯示)。電網(wǎng) 便于從中引導(dǎo)電能，以促進(jìn)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10和/或其相關(guān)構(gòu)件的運(yùn) 行。這種相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件包括電氣負(fù)載，其包括但不限于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的
裝置(例如迎角驅(qū)動(dòng)裝置(pitchdrive))、電子裝置(例如控制系統(tǒng)電源)、
10日常負(fù)荷(例如照明和加熱)、電能存儲(chǔ)裝置(例如電池、飛輪和電容存 儲(chǔ)系統(tǒng))以及其它發(fā)電機(jī)。此外，電網(wǎng)便于傳送由風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10 所產(chǎn)生的電能。雖然只顯示了一個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)IO，但是在某些實(shí) 施例中，可將多個(gè)風(fēng)力渦輪10組在一起，有時(shí)稱為"風(fēng)電場(chǎng)"。
風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10包括主體，有時(shí)稱為"短艙"，以及聯(lián)接在短艙
1512上的轉(zhuǎn)子(總體由標(biāo)號(hào)14表示)，轉(zhuǎn)子用于相對(duì)于短艙12圍繞旋轉(zhuǎn) 軸線16而旋轉(zhuǎn)。在示范性實(shí)施例中，短艙12安裝在塔18上。然而， 在某些實(shí)施例中，除了塔式安裝的短艙12之外或作為塔式安裝的短 艙12的備選，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10包括接近地面和/或水面的短艙12。 塔18的高度可以是使風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10能夠起到此處所述作用的任
20 何合適的高度。轉(zhuǎn)子14包括輪轂20和多個(gè)葉片22(有時(shí)稱為"翼型 件")，葉片徑向向外地從輪轂20中延伸出來(lái)，用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn) 能。雖然此處將轉(zhuǎn)子14描述并顯示為具有三個(gè)葉片22,但是轉(zhuǎn)子14 可具有任何數(shù)量的葉片22。葉片22可各具有任意長(zhǎng)度，并具有便于 風(fēng)力渦輪機(jī)IO如此處所述的運(yùn)行的形狀、類型和/或構(gòu)造。
25 圖2是圖1中所示的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10的筒圖。風(fēng)力渦輪發(fā)電
機(jī)10包括聯(lián)接到轉(zhuǎn)子14上的發(fā)電機(jī)24,該發(fā)電機(jī)24用于從轉(zhuǎn)子14 所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能中產(chǎn)生電能。發(fā)電機(jī)24可以是任何合適的發(fā)電機(jī)類 型，例如，但并不限于繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)、凸極發(fā)電機(jī)、雙邊發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁式同步發(fā)電機(jī)、永久磁鐵發(fā)電機(jī)和/或雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)。 發(fā)電機(jī)24包括定子(未顯示)和轉(zhuǎn)子(未顯示)。
轉(zhuǎn)子14包括聯(lián)接到轉(zhuǎn)子輪轂20上以便隨其旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸26。發(fā) 電機(jī)24聯(lián)接到轉(zhuǎn)子軸26上，使得轉(zhuǎn)子軸26的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子 5的旋轉(zhuǎn)，并從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)24的運(yùn)行。在示范性實(shí)施例中，發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子軸28，轉(zhuǎn)子軸28聯(lián)接在轉(zhuǎn)子上并聯(lián)接在轉(zhuǎn)子軸26上， 使得轉(zhuǎn)子軸26的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。在其它實(shí)施例中，發(fā) 電機(jī)轉(zhuǎn)子直接地聯(lián)接在轉(zhuǎn)子軸26上，有時(shí)稱為"直接驅(qū)動(dòng)式風(fēng)力渦輪 機(jī)"。在該示范性實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸28通過(guò)齒輪箱30而聯(lián)接在 轉(zhuǎn)子軸26上，盡管在其它實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸28直接地聯(lián)接在 轉(zhuǎn)子軸26上。更具體地說(shuō)，在該示范性實(shí)施例中，齒輪箱30具有聯(lián) 接在轉(zhuǎn)子軸26上的低速側(cè)32和聯(lián)接在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸28上的高速側(cè) 34。轉(zhuǎn)子14的扭矩驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，從而由轉(zhuǎn)子14的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生可變 頻交流(AQ電能。 在示范性實(shí)施例中，頻率轉(zhuǎn)換器36通過(guò)至少一個(gè)導(dǎo)電管33而電
聯(lián)接在發(fā)電機(jī)24上。頻率轉(zhuǎn)換器36配置成將接收自發(fā)電機(jī)24的可 變頻AC電能轉(zhuǎn)換成固定頻率的AC電能，以傳送至電氣負(fù)載39，例 如，但不限于電網(wǎng)，其通過(guò)至少一個(gè)導(dǎo)電管35而聯(lián)接在頻率轉(zhuǎn)換器 36上。在示范性實(shí)施例中，頻率轉(zhuǎn)換器36包括轉(zhuǎn)換器無(wú)功功率支持
能力電路37,該電路用于改變發(fā)電機(jī)24的操作功率因數(shù)。例如，當(dāng) 需要風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)IO在小于大約0.95的功率因數(shù)下運(yùn)行時(shí)。頻率 轉(zhuǎn)換器36可定位在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10中或遠(yuǎn)離風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10 的任何位置。例如，在示范性實(shí)施例中，頻率轉(zhuǎn)換器36定位在(圖1 中所示的);荅18的底座(未顯示)中。
備選地，頻率轉(zhuǎn)換器36通過(guò)至少一個(gè)導(dǎo)電管38而電聯(lián)接在DFIG
構(gòu)造中的發(fā)電機(jī)24上，如圖2中虛線所示。導(dǎo)電管38替代導(dǎo)電管33 電聯(lián)接在發(fā)電機(jī)24和轉(zhuǎn)換器36上。類似地，至少一個(gè)導(dǎo)電管40替 代導(dǎo)電管35便于將發(fā)電機(jī)24電聯(lián)接至轉(zhuǎn)換器36和負(fù)載39上。在某些實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10可包括聯(lián)接在一個(gè)或多個(gè)
風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10的構(gòu)件上的一個(gè)或多個(gè)控制系統(tǒng)42，該控制系統(tǒng) 用于一般地控制風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10和/或其某些構(gòu)件或所有構(gòu)件的運(yùn) 4亍(如此處所述和/或所示的這種構(gòu)件)。在示范性實(shí)施例中，控制系統(tǒng) 5 42安裝在短艙12中。然而，另外地或備選地， 一個(gè)或多個(gè)控制系統(tǒng) 42可遠(yuǎn)離風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10的短艙12和/或其它構(gòu)件?？刂葡到y(tǒng)42 可用于，但不限于總的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制，包括，例如，但不限于迎角 和速度調(diào)節(jié)、高速軸和偏轉(zhuǎn)制動(dòng)器應(yīng)用、偏轉(zhuǎn)和泵電動(dòng)機(jī)應(yīng)用和/或故 障監(jiān)測(cè)。在某些實(shí)施例中可使用備選的分布式或集中式控制架構(gòu)。
在示范性實(shí)施例中，控制系統(tǒng)42包括總線50或其它傳送信息的
通信裝置。 一個(gè)或多個(gè)處理器52聯(lián)接在總線50上以處理信息。在示 范性實(shí)施例中，處理器52是控制器。備選地，如本文所述，處理器 52是任何利于系統(tǒng)42運(yùn)行的裝置。
控制系統(tǒng)42還可包括一個(gè)或多個(gè)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)54和/或 其它存儲(chǔ)裝置56。 RAM54和存儲(chǔ)裝置56聯(lián)接在總線50上，以存儲(chǔ) 和傳遞待處理器52執(zhí)行的信息和指令。在處理器52執(zhí)行指令期間， RAM 54(和/或存儲(chǔ)裝置56,如果包括的話)還可以用于存儲(chǔ)臨時(shí)變量 或其它中間信息?？刂葡到y(tǒng)42還可包括一個(gè)或多個(gè)只讀存儲(chǔ)器 (ROM)58和/或其它靜態(tài)存儲(chǔ)裝置，其聯(lián)接在總線50上以存儲(chǔ)靜態(tài)(即， 非變化)信息和指令和給處理器52提供靜態(tài)信息和指令。輸入/輸出裝 置60可包括本領(lǐng)域中已知的任何裝置，以給控制系統(tǒng)42提供輸入數(shù)
/或輸出數(shù)據(jù)，和/或提供輸出，例如，但不限于偏轉(zhuǎn)控制輸出和/或迎 角控制輸出。指令可由存儲(chǔ)裝置例如，但不限于磁盤(pán)、只讀存儲(chǔ)器 25 (ROM)集成電路、CDROM和/或DVD而通過(guò)遠(yuǎn)程連接提供給存儲(chǔ)器， 該遠(yuǎn)程連接是有線的或無(wú)線的，其提供對(duì)一個(gè)或多個(gè)電子可存取介質(zhì) 的存取。在某些實(shí)施例中，可使用硬連線的電路來(lái)替代軟件指令或與 軟件指令相結(jié)合。因而，指令的順序執(zhí)行并不限于硬件電路和軟件指令的任何特定的組合，不論是本文描述過(guò)的和/或是顯示過(guò)的。
控制系統(tǒng)42還可包括傳感器接口 62，該接口容許控制系統(tǒng)42與 任何傳感器通信。傳感器接口 62可以是或可以包括，例如一個(gè)或多 個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可由處理器52使用 5 的數(shù)字信號(hào)。
在該示范性實(shí)施例中，控制系統(tǒng)42至少與頻率轉(zhuǎn)換器36、轉(zhuǎn)子 14和發(fā)電機(jī)24以電子數(shù)據(jù)通信而聯(lián)接，以監(jiān)測(cè)和/或控制它們的運(yùn)行。 備選地，控制系統(tǒng)42以電子數(shù)據(jù)通信與電氣負(fù)載39相聯(lián)接，以接收 與負(fù)載39相關(guān)的信息，例如，但不限于負(fù)載39的運(yùn)行參數(shù)和/或運(yùn)行 10狀態(tài)，和/或用于控制負(fù)載39的運(yùn)行。
除了控制系統(tǒng)42之外或作為控制系統(tǒng)42的備選，可使用其它控 制系統(tǒng)(未顯示)來(lái)控制頻率轉(zhuǎn)換器36、轉(zhuǎn)子14、發(fā)電機(jī)24和/或負(fù)載 39的運(yùn)行。這種其它控制系統(tǒng)包括，但不限于一個(gè)或多個(gè)與其它風(fēng)力 渦輪發(fā)電機(jī)(未顯示)相關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)、 一個(gè)或多個(gè)用于風(fēng)電場(chǎng)的集 15中式控制系統(tǒng)，和/或一個(gè)或多個(gè)與負(fù)載39相關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的可變速風(fēng)力渦輪機(jī)300的示意 圖，其包括直接驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)302。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的可變速風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)400的示 意圖，其包括雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)402。在該示范性實(shí)施例中，AC/DC/交 20 流轉(zhuǎn)換器404被分成兩個(gè)構(gòu)件轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406和電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器 408。在該示范性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406和電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408 都是電壓源型轉(zhuǎn)換器，其使用強(qiáng)制換向的電力電子器件(IGBT),以從 DC電壓源合成AC電壓。聯(lián)接在DC總線411上的導(dǎo)體之間的電容器 410用作DC電壓源。耦合電感412用于將電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408聯(lián)接至 25 電網(wǎng)414上。三相轉(zhuǎn)子繞組416通過(guò)相應(yīng)的集電環(huán)418和電刷420而 聯(lián)接在轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406上。三相定子繞組422直接通過(guò)電網(wǎng)端子415 而連接在電網(wǎng)414上。由風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)400捕獲的功率由感應(yīng)發(fā)電 機(jī)402轉(zhuǎn)換成電能，并由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組422,416傳送至電網(wǎng)414?？刂葡到y(tǒng)424產(chǎn)生迎角命令426和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓命令信號(hào)428以及電網(wǎng) 側(cè)電壓命令信號(hào)430，其分別用于轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406和電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器 408,以控制風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)400的功率、DC總線411電壓和電網(wǎng)端 子415處的無(wú)功功率或電壓。轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406用于控制電網(wǎng)端子415 5 處所測(cè)量的風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率和電壓(或無(wú)功功率)。具體地說(shuō)， 電網(wǎng)端子415處的電壓或無(wú)功功率受到轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406中流動(dòng)的無(wú) 功電流的控制。在一個(gè)實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)400以VAR調(diào)節(jié) 模式運(yùn)行，其中電網(wǎng)端子415處的無(wú)功功率利用VAR調(diào)節(jié)器(未顯示) 而保持基本恒定。電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408用于調(diào)節(jié)DC總線電容器410的
10電壓。另外，電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408用于產(chǎn)生或吸收無(wú)功功率。
通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流獲得來(lái)自定子的AC電力的所需的功率因數(shù)。 轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406聯(lián)4妄在轉(zhuǎn)子繞組416上，用于控制轉(zhuǎn)子繞組416的 電流，以造成來(lái)自定子繞組422的電力被控制在所需功率因數(shù)下，并 使發(fā)電機(jī)402提供所需的扭矩水平。控制系統(tǒng)424可調(diào)整定子繞組422
15 的功率因數(shù)，該控制系統(tǒng)424還可轉(zhuǎn)換AC電力。轉(zhuǎn)子電力通過(guò)轉(zhuǎn)子 側(cè)轉(zhuǎn)換器406而供給DC總線411，在此處將DC電力存儲(chǔ)在電容器 410中。在一個(gè)備選實(shí)施例中，電容器410包括電容器組。
在運(yùn)行期間，當(dāng)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)400以大于發(fā)電機(jī)的同步速度的 速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408將來(lái)自DC總線411的DC電力轉(zhuǎn)換
20 成恒定頻率的AC電力，并通過(guò)耦合電感412將其供給電網(wǎng)414。當(dāng) 風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)400以小于同步速度的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408 主動(dòng)地調(diào)整來(lái)自電網(wǎng)414的AC電力，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以向轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn) 換器406供給DC電力，該轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406又將AC電流供給轉(zhuǎn)子 繞組416。在某些實(shí)施例中，調(diào)整來(lái)自電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408的AC電力
25 的電流，以使其與電網(wǎng)電壓同相，使得從電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408供給電網(wǎng) 414的AC電力基本保持在統(tǒng)一的功率因數(shù)下。因此，AC電力從定子 繞組422和轉(zhuǎn)子繞組416 二者以發(fā)電機(jī)402的同步速度或更高速度而 供給電網(wǎng)414。在同步速度以下時(shí)，AC電流供給轉(zhuǎn)子繞組416,并且由定子繞組422產(chǎn)生功率，并供給電網(wǎng)414。在轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406的 控制之下的發(fā)電機(jī)402調(diào)整無(wú)功功率，從而使定子繞組422以可選擇 性地調(diào)整的功率因數(shù)來(lái)供應(yīng)AC電力。由轉(zhuǎn)子繞組416提供的AC電 力的功率因數(shù)可由電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408的電流調(diào)節(jié)確定。 5 在該示范性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406是開(kāi)關(guān)逆變器，并在同
步速度以下為轉(zhuǎn)子繞組416提供電流，直至發(fā)電機(jī)402達(dá)到同步速度。 在同步速度以上時(shí)，發(fā)電機(jī)402從轉(zhuǎn)子繞組416產(chǎn)生三相AC電力， 并通過(guò)電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408供應(yīng)電力，之后該電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408用作有 源整流器，以將DC電力供給DC總線411?？刂葡到y(tǒng)424控制穿過(guò)
轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406送往或來(lái)自轉(zhuǎn)子繞組416的電力。
在某些運(yùn)行期間，例如在高海拔和相對(duì)高的環(huán)境溫度下，安裝的 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)(未顯示)可能不夠有效，從而能夠?qū)l(fā)電機(jī)402冷卻 至可容許的參數(shù)范圍內(nèi)。在這種情況下，使用轉(zhuǎn)換器無(wú)功功率支持能 力電路37,其起到轉(zhuǎn)換器404的作用，該轉(zhuǎn)換器404可用于改變發(fā)電
機(jī)402的運(yùn)行功率因數(shù)。例如，當(dāng)需要風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)400在小于大 約0.95的功率因數(shù)下操作時(shí)。轉(zhuǎn)換器404通常并不為電網(wǎng)414提供無(wú) 功功率，例如當(dāng)發(fā)電機(jī)402(定子和轉(zhuǎn)子一起)以小于大約0.95的功率 因數(shù)運(yùn)行時(shí)，然而，使用轉(zhuǎn)換器無(wú)功功率支持能力電路37，發(fā)電機(jī)功 率因數(shù)被調(diào)整至例如0.97或其它值，并且由電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器408供應(yīng)無(wú)
功功率需求的剩余部分。這種從發(fā)電機(jī)402至轉(zhuǎn)換器404的無(wú)功功率 需求的轉(zhuǎn)移便于減少發(fā)電機(jī)402中的熱損失，容許全功率運(yùn)行，此處 發(fā)電機(jī)402否則將減載或需要補(bǔ)充冷卻。通過(guò)從轉(zhuǎn)換器404提供一部 分無(wú)功功率給電網(wǎng)414，可減少定子繞組422和轉(zhuǎn)子繞組416的實(shí)際 的發(fā)電機(jī)電流值，從而改善熱損失。
可使用手動(dòng)輸入的設(shè)定點(diǎn)或自動(dòng)產(chǎn)生的命令來(lái)選擇將減少轉(zhuǎn)子
的無(wú)功電流的功率因凄t沒(méi)置。內(nèi)嵌在轉(zhuǎn)子繞組416和/或定子繞組422 中的溫度傳感器426或傳感器(未顯示)可用來(lái)便于確定發(fā)電機(jī)402的 冷卻何時(shí)不足，以及何時(shí)應(yīng)該使用轉(zhuǎn)換器無(wú)功功率支持能力電路37。溫度傳感器426可聯(lián)接在控制系統(tǒng)424上，使得控制系統(tǒng)424上所執(zhí) 行的算法可確定減少電流所需要的功率因數(shù)的設(shè)置值，可選擇或產(chǎn)生 該功率因數(shù)的設(shè)置值并將其傳送至轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器406。該設(shè)置值是所 確定的供給轉(zhuǎn)子繞組416的轉(zhuǎn)子電流，其導(dǎo)致發(fā)電機(jī)402以所需的功 5 率因數(shù)從其定子中產(chǎn)生電力。使用轉(zhuǎn)換器404的無(wú)功功率支持能力來(lái) 提供從發(fā)電機(jī)402轉(zhuǎn)移至電網(wǎng)414的一部分無(wú)功功率需求，這利于降 低發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子電流，從而改善發(fā)電機(jī)402中的熱損失，并降低 定子繞組422的運(yùn)行溫度。
在一個(gè)備選實(shí)施例中， 一個(gè)或多個(gè)電容器432聯(lián)接在渦輪404的
10 輸出上，以提供發(fā)電機(jī)402之外的無(wú)功功率，例如，固定的電容，和 /或通過(guò)使發(fā)電機(jī)在1至0.9過(guò)度激勵(lì)之間運(yùn)轉(zhuǎn)，而從例如作為正常點(diǎn) 的大約0.95的過(guò)度激勵(lì)調(diào)整至大約0.95的欠缺激勵(lì)的電容。額外的 電容器還提供了來(lái)自發(fā)電機(jī)402的無(wú)功功率的漂移，使得以比額外的 冷卻改型更少的成本降低定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的電流。
15 圖5A是顯示了從風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)400至電網(wǎng)414的輸出功率的
圖表500。圖5B是顯示了從風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10至電網(wǎng)414的輸出功 率的圖表502，其利用轉(zhuǎn)換器404將一部分電抗性負(fù)載供給電網(wǎng)。在 該示范性實(shí)施例中，圖表500包括以有效功率單位，例如千瓦進(jìn)行分 度的X軸線504和以無(wú)功功率單位，例如千乏進(jìn)^f于分度的Y軸線506。
20 第一矢量508顯示了從風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)400供給電網(wǎng)414的視在功率。 矢量508包括由發(fā)電機(jī)402提供的有功分量510和無(wú)功分量512。在 該示范性實(shí)施例中，圖表502包括以有效功率單位，例如千瓦進(jìn)行分 度的X軸線514和以無(wú)功功率單位，例如千乏進(jìn)4于分度的Y軸線516。 第二矢量518顯示了從風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)400供給電網(wǎng)414的視在功率，
25其使用轉(zhuǎn)換器404以將至少一部分電抗性負(fù)載供給電網(wǎng)414。矢量518 包括均由轉(zhuǎn)換器404提供的有功分量520和無(wú)功分量522。矢量518 還包括均由發(fā)電機(jī)402提供的有功分量524和無(wú)功分量526。在圖5A 和5B所示的各種情況下，供給電網(wǎng)的功率因數(shù)大約為0.95,然而，如圖5B中所示，使用轉(zhuǎn)換器404的轉(zhuǎn)換器無(wú)功功率支持能力電路37， 這允許將發(fā)電機(jī)402的電抗性負(fù)載轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)換器404上，以利于減小 發(fā)電機(jī)402中的電流，這降低了發(fā)電機(jī)402的冷卻需求。通過(guò)使用轉(zhuǎn) 換器無(wú)功功率支持能力電路37的特征，而非增加額外的冷卻系統(tǒng)， 風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)10能夠在高海拔和/或高溫環(huán)境下操作。
如將會(huì)懂得的，并基于前述說(shuō)明書(shū)，本公開(kāi)的上述實(shí)施例可利用 計(jì)算機(jī)程序或如下工程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該工程技術(shù)包括計(jì)算機(jī)軟件、固
件、硬件或其任意組合或子集，其中，技術(shù)效果是在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī) 和功率轉(zhuǎn)換器之間共享電抗性負(fù)載，以減小發(fā)電機(jī)電流，從而利于減
少發(fā)電機(jī)的冷卻損失。根據(jù)所論述的本公開(kāi)的實(shí)施例，任何這種具有 計(jì)算機(jī)-可讀代碼裝置的所得到的程序均可在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀 介質(zhì)中實(shí)施或提供，從而形成計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，即制造品。計(jì)算機(jī)可 讀介質(zhì)可以是，例如，但并不限于固定(硬盤(pán))驅(qū)動(dòng)器、軟盤(pán)、光盤(pán)、 磁帶、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器例如只讀存儲(chǔ)器(ROM)、和/或任何發(fā)送/接收介
質(zhì)，例如Internet或其它通信網(wǎng)絡(luò)或連接。通過(guò)直接從一個(gè)介質(zhì)執(zhí)行 代碼，將代碼從一個(gè)介質(zhì)復(fù)制到另一介質(zhì)上，或者在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送代碼， 可制造和/或使用包含計(jì)算機(jī)代碼的制造品。
雖然已經(jīng)就各種特定的實(shí)施例描述了本公開(kāi)的實(shí)施例，但是應(yīng)該 懂得，在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，可利用變型來(lái)實(shí)踐本公開(kāi)的實(shí)施
例。
權(quán)利要求
1. 一種風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(10)系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)(24)，其包括轉(zhuǎn)子(14)和定子，所述發(fā)電機(jī)配置成在第一功率因數(shù)下以第一運(yùn)行模式產(chǎn)生電力，和在第二功率因數(shù)下以第二運(yùn)行模式產(chǎn)生電力，其中，該第二功率因數(shù)大于該第一功率因數(shù)；和電聯(lián)接在該轉(zhuǎn)子上的功率轉(zhuǎn)換器(404)，所述功率轉(zhuǎn)換器配置成在該發(fā)電機(jī)的同步速度以上將來(lái)自該轉(zhuǎn)子的電力轉(zhuǎn)換成直流(DC)電力，所述功率轉(zhuǎn)換器配置成在該同步速度以下將電力供給該轉(zhuǎn)子，所述功率轉(zhuǎn)換器還配置成在第三功率因數(shù)下以第一運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換電力，以及在第四功率因數(shù)下以第二運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換電力，其中，該第四功率因數(shù)小于該第三功率因數(shù)，使得該發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在第二運(yùn)行模式下的功率輸出大體上等于該發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在第一運(yùn)行模式下的功率輸出，并且相對(duì)于該第一運(yùn)行模式，在該第二運(yùn)行模式下利于減小該發(fā)電機(jī)電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，相對(duì)于該第一運(yùn)行模式，在該第二運(yùn)行模式下利于減小電抗性的發(fā)電機(jī)電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括電 聯(lián)接在該發(fā)電機(jī)(24)的輸出上的電容性電抗(432)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括電 20 聯(lián)接在該發(fā)電機(jī)(24)的輸出上的可變電容性電抗(432)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括以 大體上統(tǒng)一的功率因數(shù)將電力供給電網(wǎng)(414)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn) 換器無(wú)功功率支持能力電路(37),該電路配置成選4奪性地調(diào)整該轉(zhuǎn)換25 器(404)對(duì)該風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(10)系統(tǒng)的輸出的無(wú)功功率貢獻(xiàn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn) 換器無(wú)功功率支持能力電路(37)，該電路配置成選擇性地控制該發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)子(14)的電流，以控制該發(fā)電機(jī)(24)的無(wú)功功率輸出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器(404) 包括轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器(406)，該轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器(406)通過(guò)直流(DC)總線(411) 而聯(lián)接到電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器(408)上，其中，所述轉(zhuǎn)換器無(wú)功功率支持能力 電路(37)配置成選擇性地控制該轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器和該電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器中的至少其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器，以控制該發(fā)電才幾(24)的無(wú)功電流。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器(404) 包括轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器(406)，該轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器(406)通過(guò)直流(DC)總線(411) 而聯(lián)接到電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器(408)上，該直流總線(41 l)包括聯(lián)接到其上的直 流電源。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述直流電源包括電容器(410)、超級(jí)電容器和蓄電池中的至少其中一個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的方法和系統(tǒng)，一種風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(10)系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)(24)，發(fā)電機(jī)配置成在第一功率因數(shù)下以第一運(yùn)行模式產(chǎn)生電力，在第二功率因數(shù)下以第二運(yùn)行模式產(chǎn)生電力，第二功率因數(shù)大于第一功率因數(shù)。還包括功率轉(zhuǎn)換器(404)，其配置成在高于發(fā)電機(jī)的同步速度時(shí)將來(lái)自轉(zhuǎn)子的電力轉(zhuǎn)換成直流(DC)電力，在低于同步速度時(shí)為轉(zhuǎn)子供應(yīng)電力。又配置成在第三功率因數(shù)下以第一運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換電力，在第四功率因數(shù)下以第二運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換電力，第四功率因數(shù)小于第三功率因數(shù)，使得系統(tǒng)在第二運(yùn)行模式下的功率輸出大體上等于在第一運(yùn)行模式下的功率輸出，相對(duì)于第一運(yùn)行模式，在第二運(yùn)行模式下利于減小發(fā)電機(jī)電流。
文檔編號(hào)H02M1/42GK101436844SQ20081017388
公開(kāi)日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者A·蘭格爾, D·史密斯, G·克呂格爾, 翔 于, 宇 周, 張映明, 熊啟謀 申請(qǐng)人:通用電氣公司