专利名称：风力涡轮发电机的控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力涡轮发电机领域，并且具体涉及使用两个控制器控制风力涡轮发电机。
背景技术：
最近，风力涡轮发电机成为一种产生电力的有吸引力的方式。为了这样做，通过风力发电站的一组叶片(通常两个或三个)捕获风力。叶片捕获的风使得连接至叶片的轴旋转。轴连接至发电机的转子，转子因此以与轴相同的速度旋转，或者在转子经由齿轮箱连接至轴的情况下，以轴的速度的倍数的速度旋转。发电机然后将风力提供的机械能转换为传送至电网的电力。存在许多与风力涡轮发电机相关的控制问题。例如，存在对风力发电站的输出电力进行控制并使得其对可能发生的不同种类的干扰不敏感的需求，干扰诸如是风力涡轮机的传动(drive train)的谐振或对电网的干扰。W02008/145128公开了一种连接至风力涡轮发电机和电网的风力涡轮机电力控制器。该电力控制器包括称作外部电力控制回路和内部电流/转矩控制回路的两个控制回路，外部电力控制回路比内部电流/转矩控制回路慢得多。W02008/145U8中的风力涡轮机还包括谐振控制装置，其修改提供给外部控制回路的电力参考值。以此方式，风力涡轮机的传动的谐振影响可以被最小化。从慢的外部控制回路将用作针对电力反馈信号中的高频干扰的低通滤波器的观点来说，具有慢的外部控制回路可能是有利的。然而，具有慢的外部控制回路也将使得风力涡轮发电机对电力参考信号的变化具有慢的响应。从而，尽管存在慢的外部控制回路，仍然存在对可以对电力参考信号的变化具有快速响应的控制器的需要。
发明内容
基于上述，本发明的目的是提供用于控制风力涡轮发电机的方法和设备，该方法和设备容许对电力参考信号的变化进行快速响应，而不管外部控制回路的速度如何。根据第一方面，本发明通过一种用于控制风力涡轮发电机的方法实现，所述方法包括在包括具有第一控制动态特性(dynamics)的第一控制器的第一控制块中将输出电力参考值与实际输出电力值进行比较；在包括具有第二控制动态特性的第二控制器的第二控制回路中将来自所述第一控制块的输出与实际发电机轴电力值进行比较，以确定发电机控制信号，其中，前馈所述输出电力参考值，并且将所述输出电力参考值与所述第一控制块中的所述第一控制器的输出进行求和。输出电力参考值意指期望的输出电力值。实际输出电力值意指输出电力的测得值。
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发电机轴电力值意指发电机轴电力的测得值，即发电机中的旋转轴的电力的测得值。发电机控制信号意指用作至风力涡轮发电机的输入时控制发电机的发电机轴电力的信号。利用根据第一方面的布置，提供给第一控制器的输出电力参考值前馈至第二控制器。以此方式，第二控制器可以对输出电力参考值的变化进行快速响应，而不管第一控制器的速度如何。此实施例的有点从而是第二控制器可以对输出电力参考值的变化具有快速响应， 而不管第一控制器的控制动态特性的速度如何。此实施例的另一优点是风力涡轮机将能够以改进的方式跟踪电力速度曲线。根据本发明的一个实施例，第二控制器的控制动态特性比第一控制器的控制动态特性快。归因于第一控制器中的控制动态特性比第二控制器中的控制动态特性慢的事实， 第一控制器将对输出电力参考信号和实际输出电力值的变化具有较慢的响应。具体地，其对反馈信号，即实际输出电力值，中的干扰具有慢的响应，由此在将反馈信号传输至第二控制器和风力涡轮发电机之前滤除反馈信号中的高频干扰。此实施例的另一优点是在低压事件期间，其中预期涡轮机保持连接至电网，在控制器中，没有模式变化是必需的。更具体地，在低压事件期间，干涉水平非常高，由此要求现有技术控制器改变模式，即改变至对干扰较不敏感的控制模式。在多数情况下，这对应于完全禁能第一控制回路并且仅使用第二控制回路来控制风力涡轮发电机。然而，因为根据本发明的外部控制器将用于滤除反馈信号中的干扰，所以无需改变控制器中的控制模式，由此相当地简化了控制结构。此实施例的另一优点是发电机轴电力中将存在较少的干扰，并且由此也在发电机的传动中也具有较少的干扰。根据本发明的一个实施例，所述第一控制器和所述第二控制器是比例积分(PI) 控制器或比例积分微分(PID)控制器。此实施例的优点是PI控制器或PID控制器提供实施第一控制器和第二控制器的容易的方式。根据本发明的一个实施例，第一控制器与第一时间常数相关，并且第二控制器与第二时间常数相关，其中，所述第二时间常数小于所述第一时间常数。此实施例的优点是通过使用时间常数，通过简单地使第二时间常数小于第一时间常数，设计比第一控制器快的第二控制器变得容易。根据本发明的一个实施例，所述实际输出电力值受到干扰。此外，根据一个实施例，所述第一控制器作为低通滤波器作用于所述实际输出电力值上，由此基本去除所述干扰。此实施例的优点是滤除了反馈至第一控制器的实际输出电力值中的高频干扰，因为第一控制器用作低通滤波器。由此，干扰不传递至第二控制器和风力涡轮发电机。根据本发明的第二方面，本发明通过一种用于控制风力涡轮发电机的设备实现， 所述设备包括
第一控制块，所述第一控制块包括具有第一控制动态特性的第一控制器，所述第一控制块配置为将输出电力参考值和实际输出电力值进行比较；第二控制块，包括具有第二控制动态特性的第二控制器，所述第二控制块配置为通过比较所述第一控制块的输出来确定发电机控制信号，其中，所述第一控制块还包括所述输出电力参考值的前馈，用于与所述第一控制器的输出进行求和。根据本发明的一个实施例，所述第二控制块还配置为将所述发电机控制信号传输至所述风力涡轮发电机用于生成所述实际输出电力值。本发明的第一方面的特征和优点总体上适用于本发明的第二方面。从以下详细公开、从所附权利要求以及附图，本发明的其它目的、特征和优点将呈现。总体上，权利要求中所使用的所有术语将根据技术领域中它们的通常意义进行解释，除非于此清楚地另外限定。对“一 / 一个/所述(元件、装置、部件、构件、步骤等)”的所有引用将解释为开放地引用所述元件、装置、部件、构件、步骤等的至少一个示例，除非清楚地另外限定。于此公开的任何方法的步骤不必以公开的确切顺序执行，除非清楚地阐明。
通过参照附图的本发明的优选实施例的以下示例性而非限制性的详细描述，将可以更好地理解本发明的以上以及附加目的、特征和优点，其中，相同的参考数字将用于类似元件，其中图1是连接至电网的风力涡轮机的示意性示例；图2是示例根据本发明的实施例的控制结构的示意性框图；图3是根据本发明的实施例的方法的流程图。
具体实施例方式图1示例经由变流器104连接至电网106的风力涡轮机102。示例的风力涡轮机102布置为根据风力生成电力并且将生成的电力分配至电网 106。风力涡轮机102包括许多由风力引起旋转的转子叶片108。转子叶片108连接至轴 110，该轴会因为转子叶片108的旋转而旋转旋转。轴110依次连接至发电机(未示出)的转子，于此称作发电机轴(未示出)。典型地，轴110和发电机轴经由齿轮箱(未示出)连接，使得发电机轴的旋转速度变为轴110的旋转速度的倍数。发电机然后将旋转发电机轴的机械能转换为电力。发电机可以例如是单馈或双馈同步发电机、永磁体(PM)发电机或感应发电机。通过使用适合用于轴110的低旋转速度的多极发电机而省略齿轮箱也是可能的。在此情况下，驱动轴110直接耦合至发电机。也可以在驱动轴110处提供替代传输，以如所需地驱动发电机。对于就将风能转换为电能的最佳性能来说，轴110基于风速改变其速度。因为发电机轴的旋转速度与轴110的旋转速度成比例，所以发电机提供的电压信号的幅度和频率将根据轴110的旋转速度而变化。在将发电机生成的电力馈送至电网106之前，因此必须转换发电机提供的电压信号，使得电压信号的幅度和频率符合用于电网106的规则的交流(AC)电压。为了这样做，发电机可以经由变流器104耦接至电网106。简而言之，变流器104包括发电机侧电力变流器(未示出)，其将对应于发电机轴电力的可变频率电压信号变换为直流(DC)电压；以及电网侧电力变流器，其操作逆变器，用于将DC电压转换为对应于实际输出电力的规则的AC电压。输出电力其后由风力涡轮机102提供给电网106。以此方式，由风力涡轮机102的发电机生成的电力，于此称作发电机轴电力，被变流器104转换为待馈送至电网106的实际输出电力。电网106上的电力可以典型地受到干扰。例如，电网中的变化或干扰可以影响电网106上的电力，以及其它电网故障，诸如低压事件。期望风力涡轮机102的发电机可以补偿电网上的一些变化，诸如补偿系统损耗。然而，不期望发电机补偿电网106上的高频噪声，因为那将导致风力涡轮机102的电力生成的不必要的不规则行为。图2是示例用于控制经由变流器208将电力传送至电网的风力涡轮发电机206的控制结构的示意性框图。发电机206的动态特性，即发电机对输入信号的响应方式，可以通过传递函数来进行建模。典型地，发电机对输入信号的变化具有快速的响应，由此使得其对输入信号中的高频干扰敏感。同样，可以通过传递函数来对变流器208的动态特性进行建模。控制结构包括第一控制器202，用于控制待提供给电网的实际输出电力值P ；以及第二控制器204，用于控制发电机轴电力Pshaft，即发电机206中的旋转轴(发电机轴)的电力。为提供给电网，风力涡轮机102的输出电力值P作为反馈提供给第一控制器202。 第一控制器202随后耦接至第二控制器204，第二控制器204依次耦接至发电机206。更精确地，第一和第二控制器202和204级联耦接，意指第一控制器202的输出对第二控制器 204的输入参考信号Fshaft起作用。从而，示例的控制结构包括两个嵌套的控制回路包括第一控制器的外部控制回路和包括第二控制器的内部控制回路。至第一控制器202的输入是输出电力参考值Plr和反馈至第一控制器的实际输出电力值P之间的差值。输出电力参考值Plr例如可以由风力涡轮机的操作员设定，并且对应于至电网的风力涡轮机102的期望的输出电力值。实际输出电力值P对应于与电网中的电力匹配的风力涡轮机102的测得的输出电力值。以此方式，差值F-P可以看作误差值。此外，实际输出电力值P可以受到干扰Pdisturban 例如，干扰Pdistmbanre可以归因于系统损耗或风力涡轮机102中的任何辅助部件的功耗的变化，辅助部件例如是叶片俯仰(pitching)系统、机舱偏转(nacelle yawing)系统、冷却系统、叶片、灯等。基于差值F-P，第一控制器202确定输出。第一控制器202与第一控制动态特性相关，第一控制动态特性限定第一控制器202对输入信号的响应。以此方式，基于差值F-P 和第一控制动态特性确定输出。例如，第一控制动态特性可以由传递函数限定。优选地，第一控制动态特性慢，意指其设计为用作针对输入F-P的变化的低通滤波器。有利地，第一控制器202从而可以滤除实际输出电力值P中的干扰。然而，第一控制器202的慢的控制动态特性也意味着其对输出电力参考值F的变化具有慢的响应。至第二控制器204的输入是发电机轴电力参考值Fshaft和反馈至第二控制器204 的实际发电机轴电力值Pshaft之间的差值。与以上类似，发电机轴电力参考值Fshaft是发电机轴电力的期望值，并且实际发电机轴电力值Pshaft是发电机轴电力的测得值。发电机轴电力参考值Fshaft是来自第一控制器202的输出和输出电力参考值F的组合，即至第二控制器204的输入是来自第一控制器202的输出和输出电力参考值F的和。 从而，图2中的控制结构200包括至第二控制器204的输出电力参考值F的前馈。以此方式，第二控制器204是使得能够对输出电力参考值F的变化进行快速响应，并且同时，实际输出电力值P中的高频干扰可以由第一控制器202滤除，并且因此将不到达第二控制器204 和发电机206。基于发电机轴电力参考值Fshaft和实际发电机轴电力值Pshaft之间的差，第二控制器204确定发电机控制信号\en。第二控制器204具有第二控制动态特性，其限定第二控制器204对输入信号的响应。以此方式，发电机控制器信号是差Fshaft-Pshaft和第二控制动态特性的函数。优选地，第二控制动态特性比第一控制动态特性快。以此方式，并且与输出电力参考值的前馈组合，第二控制器204可以对输出电力参考值的变化具有快速响应。根据实施例，第一控制器202和/或第二控制器204可以是PI控制器。替代地， 第一控制器202和/或第二控制器204可以是PID控制器。第一控制器202和第二控制器 204还可以分别与第一时间常数和第二时间常数相关。分别的时间常数是第一控制器202 和第二控制器204的控制动态特性多快的度量。典型地，时间常数按照控制器的传递函数的参数表示。优选地，第二时间常数小于第一时间常数，由此意味着第二控制器204比第一控制器202具有更快的控制动态特性。通过具有以上公开的输出电力参考值F的前馈，示例的控制结构200从而容许通过包括第二控制器204的内部控制回路，对输出电力参考值F的参考变化作出快速反应。 同时，包括第一控制器202的外部控制回路可以确保实际输出电力值P是正确的并且补偿系统损耗和干扰，诸如功耗的干扰。换句话说，示例的控制结构200容许将发电机轴电力与电网上的干扰去耦，同时保持对输出电力参考值F的变化的快速控制响应。在图2的控制结构中还示例了用于控制根据实施例的风力涡轮发电机的设备。该设备包括第一控制块210和第二控制块220，第一控制块210包括第一控制器202，第二控制块220包括第二控制器204。第一控制块210配置为控制实际输出电力值P。更精确地，第一控制块210配置为将输出电力参考值F和实际输出电力值P进行比较。此外，第一控制块219配置为前馈输出电力参考值并将其与第一控制器的输出进行求和。第二控制块220配置为控制发电机轴电力Pshaft。更具体地，第二控制块220配置为通过将第一控制块210的输出和实际发电机轴电力值Pshaft进行比较来确定发电机控制
Sgeno在一个实施例中，第一控制块210、第二控制块220还分别包括布置为接收输出电力参考值F和实际输出电力P、发电机轴电力参考值Fshaft的接收器，优选地经由导线、光链接或无线链接进行接收，发电机轴电力参考值Fshaft是来自第一控制器的输出和输出电力参考值的和。此外，第一控制块210和第二控制块220可以分别包括布置为传输确定的轴电力参考值Fshaft和发电机控制信号Sgm的传输器。第二控制块220的传输器可以包括驱动级，该驱动级将发电机控制信号Sgm的信号水平调整为适合于发电机206的信号水平。 以此方式，传输器从而可以包括用于从第二控制块220传输至发电机206的信号的接口。
为了比较输出电力参考值F和实际电力值P，并将来自第一控制器的输出加和至输出电力参考值F，第一控制块210还可以包括布置为执行这些步骤的处理单元。同样，第二控制块220可以包括处理单元，处理单元布置为将发电机轴电力参考值Fshaft和实际发电机轴电力值Pshaft进行比较。此外，第一控制块210和第二控制块220可以包括存储器， 该存储器布置为存储接收的值并且还可以布置为存储用于分别确定发电机轴电力参考值 Prshaft和发电机控制信号的计算机程序指令。现在将参照图3的流程图和图2的控制结构描述用于控制风力涡轮发电机的方法。在步骤S302中，将输出电力参考值F与实际输出电力值P进行比较。步骤S302 可以例如由第一控制块210执行。可以例如通过确定输出电力参考值Pref和实际输出电力值P之间的差进行比较。差可以例如由第一控制块210中的处理单元或专用硬件确定。实际输出电力P可以通过任何已知装置测得。比较结果然后可以输入至第一控制器202，第一控制器202基于输入确定输出。典型地通过对输出电力差值施加滤波器来确定第一控制器202的输出。例如可以根据具有许多参数的传递函数来限定滤波器，该许多参数确定第一控制器202的动态特性，即第一控制器对输入信号的响应方式。在步骤S304中，组合输出电力参考值F和第一控制器202的输出，该步骤例如可以通过第一控制块210执行。更精确地，可以将输出电力参考值F和第一控制器202的输出相加到一起。例如，可以通过第一控制块210的处理单元或硬件执行求和。作为步骤S304的结果，第一控制器202的输出与输出电力参考值F的前馈组合。在步骤S306中，确定发电机控制信号\en。步骤S306可以例如通过第二控制块 220执行。可以以两步确定发电机控制信号\ 。首先，将来自第一控制块的输出与发电机 206的实际反馈发电机轴电力值Pshaft进行比较。可以通过任何已知方式测量Pshaft。可以例如通过第二控制块210的处理单元或硬件确定步骤S306中的比较。接下来，比较的结果可以用作至第二控制器204的输入。作为施加比较的结果至第二控制器204的结果，第二控制器204确定发电机控制信号Sgen。发电机控制信号Sgen和其性质取决于第二控制器204 的控制动态特性。如以上结合图2所公开的，第二控制器204的控制动态特性典型地比第一控制器202的控制动态特性块。以此方式，第二控制器204可以对输出电力参考值F的变化具有快速响应。主要参照几个实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员所理解的，除以上公开以外的其它实施例等同可能地在如所附权利要求限定的本发明的范围内。
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权利要求
1.一种用于控制风力涡轮发电机的方法，所述方法包括在包括具有第一控制动态特性的第一控制器的第一控制块中将输出电力参考值与实际输出电力值进行比较；在包括具有第二控制动态特性的第二控制器的第二控制块中将来自所述第一控制块的输出与实际发电机轴电力值进行比较，以确定发电机控制信号，其中，前馈所述输出电力参考值，并且将所述输出电力参考值与所述第一控制块中的所述第一控制器的输出进行求和。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二控制动态特性比所述第一控制动态特性快。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一控制器和所述第二控制器是比例积分 (PI)控制器或比例积分微分(PID)控制器。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一控制器与第一时间常数相关，并且所述第二控制器与第二时间常数相关，并且其中，所述第二时间常数小于所述第一时间常数。
5.如权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述实际输出电力值受到干扰。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述第一控制器作为低通滤波器作用于所述实际输出电力值，由此基本去除所述干扰。
7.一种用于控制风力涡轮发电机的设备，所述设备包括第一控制块，所述第一控制块包括具有第一控制动态特性的第一控制器，所述第一控制块配置为将输出电力参考值和实际输出电力值进行比较；第二控制块，包括具有第二控制动态特性的第二控制器，并且所述第二控制块配置为通过将所述第一控制块的输出与实际发电机轴电力值进行比较来确定发电机控制信号，其中，所述第一控制块还包括所述输出电力参考值的前馈，用于与所述第一控制器的输出进行求和。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述第二控制动态特性比所述第一控制动态特性快。
9.如权利要求7或8所述的设备，其中，所述第一控制器和所述第二控制器是PI控制器。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述第一控制器与第一时间常数相关，并且所述第二控制器与第二时间常数相关，并且其中，所述第二时间常数小于所述第一时间常数。
11.如权利要求7-10中的任一项所述的设备，其中，所述第二控制块还配置为将所述发电机控制信号传输至所述风力涡轮发电机用于生成所述实际输出电力值。
12.如权利要求7-11中的任一项所述的设备，其中，所述实际输出电力值受到干扰。
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述第一控制器配置为作为低通滤波器作用于所述实际输出电力值，由此基本去除所述干扰。
全文摘要
公开了一种用于控制风力涡轮发电机的方法。所述方法包括在包括具有第一控制动态特性的第一控制器的第一控制块中将输出电力参考值与实际输出电力值进行比较；在包括具有第二控制动态特性的第二控制器的第二控制块中将来自所述第一控制块的输出与实际发电机轴电力值进行比较，以确定发电机控制信号，其中，前馈所述输出电力参考值，并且将所述输出电力参考值与所述第一控制块中的所述第一控制器的输出进行求和。所公开的方法容许通过第二控制器对输出电力参考值的变化进行快速反应，而不管第一控制器的速度如何。
文档编号H02J3/38GK102214930SQ20111012043
公开日2011年10月12日 申请日期2011年4月12日 优先权日2010年4月12日
发明者K·B·拉森 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司