故障情况下风力涡轮发电机的转矩控制的制作方法
【专利摘要】描述了用于控制风力涡轮机转矩的方法和控制器，其中风力涡轮机被配置为经由转换器传递电力给公共电网。该方法包括以下步骤：接收故障信号；以及，响应于所述故障信号，转换器控制器在选自0.01和10秒的、优选为0.5和1.5秒的预定时间窗口内将所述涡轮机的转矩从额定转矩值可控地降低至预定的低转矩值。
【专利说明】故障情况下风力涡轮发电机的转矩控制
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力涡轮发电机的转矩控制，并且特别地但不排他地，涉及控制风力涡轮发电机转矩的方法、风力涡轮发电机的转矩控制器，包括该转矩控制器的风力涡轮机以及使用该方法的计算机程序产品。
【背景技术】
[0002]风力涡轮机技术是快速发展的【技术领域】。然而，风电场的安装和运行以及该风电场到公共电网的连接带来了一些技术上的挑战。风力涡轮机可能被安装在电网不是非常稳定的区域中，从而风电场的控制系统和/或风电场的各台风力润轮机中的控制系统应当能够在运行期间发生所谓的电网故障或故障时采取措施。在此，故障可以被定义为导致公用输电系统(如，公共电网)上的电压在短时间(典型地小于500ms)内显著降低的设施扰动。故障可由接地和短路引起，并常常在闪电和风暴期间出现。显著电压降还可以是由于公用输电系统中负载的大幅变化所引起的。
[0003]常规地，可以使用故障保护电路来保护涡轮机免于这些电网故障。当检测到故障时，故障检测电路可以例如将涡轮机在故障期间产生的过剩电力倾泻到一些电阻器组中。一旦电阻器组过载，电力和相关转矩就在数毫秒内减小为零。类似的情况可能在风力涡轮机中的紧急停机被触发时发生。例如在特定的涡轮机元件有缺陷的情况下可能例如触发紧急停机。同样在该情况下，风力涡轮机的转矩在数毫秒内减小至零。
[0004]风力涡轮机转矩的突然减小使涡轮机和塔架暴露于严重的机械应力下。特别是在电网故障频繁发生的地区，频繁转矩关闭的影响是可能最终对风力涡轮机结构造成不利的机械影响。
[0005]因此，现有技术中需要改进的在电网故障和紧急停机期间的转矩控制。特别地需要如下这样的转矩控制，其缓解了关于风力涡轮机暴露于重机械负载的问题。
【发明内容】
[0006]本发明的一个目的是减少或消除现有技术中已知的缺点中的至少一个，并且在本发明的第一方面提供一种用于控制风力涡轮发电机的转矩的方法，其中所述方法可包括:接收故障信号；以及，响应于所述故障信号，在0.01和10秒之间、优选为0.5和1.5秒之间的预定时间段内将所述发电机的转矩从第一转矩值可控地降低(ramp down)至预定的第二转矩值。在一个实施例中，可基于一个或多个转矩参考值来降低所述发电机的转矩。这些计算的或者预先确定的参考值可限定对于故障信号的期望转矩响应，其中转矩参考值被确定为使得故障期间风力涡轮机结构上的机械应力最小。
[0007]在另一实施例中，所述转矩降低可进一步包括:确定所述发电机的实际转矩值；将所述实际转矩值与所述参考转矩值中的至少一个进行比较；如果所述实际转矩值偏离所述参考转矩值，则将所述实际转矩值控制为所述参考转矩值。因此，可使用直接转矩控制方法以允许对于检测到的故障信号的快速转矩响应。
[0008]在又一实施例中，所述方法可包括:在所述转矩降低期间将存储在转换器(converter)中的功率的至少一部分释放给一个或多个制动电阻器。通过这种方式，在快速降低期间，可以高效地释放过剩能量，从而减小受损的可能性。
[0009]在进一步的实施例中，所述方法可包括:检测故障信号的结束；响应于故障信号的所述结束，在达到所述第二转矩值的情况下停止所述转矩降低；以及，优选在0.01和10秒之间、优选为0.5和1.5秒之间的预定时间段内，将所述转矩升高至所述第一转矩值。从而，在故障之后，转矩可被以风力涡轮机结构受到最小机械应力的方式高效地升高。
[0010]在又一实施例中，所述第一转矩值代表正常工作转矩值，并且其中所述第二转矩值代表低转矩值，该低转矩值大约在所述正常工作转矩值的O和50%之间，优选地20%和40%之间。从而，本发明不仅允许在低电压穿越期间进行转矩控制，还允许在紧急停机要求风力涡轮机在很短时间内被设为零转矩状态时进行转矩控制。
[0011 ] 在一个变型中，所述故障信号可由所述转换器控制器响应于检测到电网故障而产生，电网故障包括额定电网电压值减小至低电网电压值，或者其中所述故障信号由风力涡轮机控制器响应于检测到所述风力涡轮机的元件的至少一部分的故障或紧急停机而产生。
[0012]在又一方面，本发明可涉及用于控制风力涡轮机中转矩的转矩控制器，其中所述转矩控制器被配置为接收故障信号；以及，响应于所述故障信号，在0.01和10秒之间、优选为0.5和1.5秒之间的预定时间段内将所述发电机的转矩从第一转矩值可控地降低至预定的第二转矩值。
[0013]在一个实施例中，可基于一个或多个转矩参考值来降低所述发电机的转矩，优选地，所述转矩控制器被配置为:确定所述发电机的实际转矩值；将所述实际转矩值与所述参考转矩值中的至少一个进行比较；以及，如果所述实际转矩值偏离所述参考转矩值，则将所述实际转矩值控制为所述参考转矩值。
[0014]在另一实施例中，所述转矩控制器可被进一步配置为:检测故障信号的结束；响应于故障信号的所述结束，在达到所述第二转矩值的情况下停止所述转矩降低；以及，优选地在0.01和10秒之间、优选为0.5和1.5秒的预定时间段内，将所述转矩升高至所述第一转矩值。
[0015]在一个实施例中，所述第一转矩值可代表正常工作转矩值，所述第二转矩值可代表低转矩值，该低转矩值大约在所述正常工作转矩值的O和50%之间，优选为20%和40%之间。
[0016]在更进一步的方面，本发明可涉及包括上述转矩的风力涡轮机。
[0017]在一个实施例中，所述风力涡轮机可包括用于将存储在转换器中的功率的至少一部分释放到一个或多个制动电阻器的制动斩波器。
[0018]本发明还涉及一种包括软件代码部分的计算机程序产品，其中软件代码部分被配置为当在计算机的存储器或例如风电场控制器或风力涡轮机控制器的控制器中运行时，执行上文所述的至少一个方法步骤。
[0019]将参考附图进一步描述本发明，其中附图示意性地示出了根据本发明的实施例。可以理解，本发明完全不被局限于这些具体的实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1描述了根据本发明一个实施例的包括转矩控制器的风力涡轮机。
[0021]图2描述了根据本发明一个实施例的转矩响应。
[0022]图3描述了根据本发明另一实施例的转矩响应。
[0023]图4描述了根据本发明一个实施例的控制风力涡轮发电机的转矩的流程图。
[0024]图5描述了根据本发明另一实施例的控制风力涡轮发电机的转矩的流程图。
【具体实施方式】
[0025]图1描述了根据本发明一个实施例的风力涡轮机100。该风力涡轮机可包括发电机102(诸如永磁(PM)发电机或同步或异步型发电机)，其将叶片的旋转能量转换为可变的交流电力。
[0026]发电机的输出被馈送给由转换器控制器106控制的转换器104，其中转换器可包括用于将发电机产生的交流电转换为直流电的有源发电机侧逆变器108。该有源发电机侧逆变器可经由直流母线连接至用于将该直流电转换为具有公共电网110所用的频率的交流电的有源电网侧逆变器109。该转换器的输出可经由一个或多个变压器112以及一个或多个开关114，116连接至电网。
[0027]该风力涡轮机进一步包括经由变压器120和一个或多个开关122连接至主电网的低功率辅助配电系统118。该辅助电源可用作风力涡轮机中例如冷却和控制系统的电气元件的低功率电源。
[0028]风力涡轮机控制器124可被配置为对风力涡轮机中的处理进行控制。该控制器可收集运行数据(如，转子速度，温度，风速，转换效率等等)并使用这些运行数据来控制涡轮机中的其它功能元件。例如，其可作为测量得到的运行数据的函数控制叶片定位(bladepitch)机构126以用于使叶片127朝着工作位置或朝着叶片位置(vane posit1n)定位，从而可实现风力涡轮机的最优稳态运行。特别地，风力涡轮机控制器可测量逆变器输出处的功率以及转子速度，并响应于此将叶片定位到期望位置，从而实现期望的稳态输出功率。
[0029]电网侧逆变器的交流侧的电网电压的波动(特别是被称为低电压穿越的电网电压的暂时减小)将引起直流电压节点128处的电压波动(特别是过电压)。然而叶片定位机构不适于对该过电压进行补偿，这是因为定位机构具有相对较慢的响应时间(如，0.5-5秒)。因此，如果由过电压所导致的不平衡没有被足够快地补偿，该过电压可能对逆变器造成损害。基于类似的理由，叶片定位机构不适合用于建立紧急停机，其中风力涡轮机的转矩应当在数毫秒内减小到零或者至少一个低值。
[0030]为了解决该问题，与转换器控制器相关联的快速响应故障保护系统130被配置为在保持直流电压节点处的电压低于特定的最大值的同时以受控方式减小风力涡轮机转矩。如果转换器控制器感测到故障信号，例如由于电网故障或紧急停机引起的故障信号，则转换器控制器将重新定义(override)转矩控制器131的转矩设定点。
[0031]转矩控制器可被实施为转换器控制器的一部分，或者作为替代实现为连接至转换器控制器或转换器的分离的功能元件。此外，转矩控制器可被实施为被配置为存储在存储介质中的执行代码部分的软件程序、一个或多个硬件元件或它们的组合。
[0032]在一个实施例中，转矩控制器可使用已知的直接转矩控制(DTC)方法来对涡轮机的转矩进行控制。该方法可包括步骤:(例如通过对定子电压进行积分)估计与风力涡轮发电机相关联的磁链；以及，通过确定估计的定子磁链矢量和测量的电动机电流矢量的叉积来估计涡轮机的实际转矩。由此确定的磁通量大小和转矩值随后与预定的参考值进行比较。在一个实施例中，这些参考值可存储在与转矩控制器相关联的例如存储器的查找表(LUT)中。在另一实施例中，可基于预定的风力涡轮机参数计算出这些参考值。
[0033]如果确定的磁通量或转矩值中的任一个偏离参考值超过允许的公差，则转矩控制器将作出反应以使得磁通量和转矩尽快返回到其公差带内。DTC方法提供了转矩可以非常快速地改变的优点。当在检测到故障信号的情况下控制转矩降低时可需要这种快速响应。
[0034]如果转换器控制器感测到故障信号，则转换器控制器可进一步激活故障保护电路。故障保护电路连接至直流电压节点，并允许采用例如连接至一个或多个电阻器组134的DC/DC制动斩波器132的补偿系统来对过电压进行补偿。
[0035]转换器控制器可被配置用于监测直流电压节点，并在直流电压节点处的电压大于特定的最大阈值电压Vt时激活斩波器。
[0036]因此，当直流电压节点处的电压由于电网故障或紧急停机而增大时，斩波器可暂时打开到电阻器组的路径，从而部分过剩电力可被耗散掉。该过程重复进行，直至直流电压节点处达到期望电压。转换器控制器被配置为遵循预定的转矩降低，以使得发电机的转矩平缓减小至期望值。将参考图2和3对该转矩降低方案的优点进行更加详细地描述。
[0037]图2描述了根据本发明一个实施例的转矩响应的示例性曲线图。在该特定的实施例中，故障可作为连接至公共电网的转换器输出处的暂时低电压U1ot时段而出现(在图2中用虚线表示出)。该低电压时段可持续达2秒钟，其中电压降至为正常工作值Uoper的20-30%的值。在该低电网电压的时段中，如参考图1所述，在逆变器的直流电压节点处可能建立过电压。
[0038]在故障发生(图2中的h)后，转换器控制器可感测直流电压增大，并且响应于此来触发制动斩波器。在激活后，转换器控制器可信号通知风力涡轮机控制器以设定叶片在叶片位置不被风吹到。此外，转换器控制器可触发转矩控制器以在预定的时间段内将涡轮机转矩减小至期望值，从而使得转矩降低期间的机械应力最小化。优选的，转矩控制器可被配置为产生转矩响应，其中转矩在0.01和10秒之间、优选为0.5和1.5秒的时间段内从其正常工作转矩值降低至期望的低转矩值!\?。在一个实施例中，低转矩值为可在风力涡轮机的稳态工作期间使用的正常工作转矩值的约0-50%，优选为10% -50%。
[0039]转矩控制器可使用直接转矩控制(DTC)方法或者另一已知的转矩控制方法来实现期望的转矩减小。在该情况下，转矩控制器使用计算的或者预先配置的转矩参考值，转矩参考值遵循图2中所描述的期望转矩响应dT/dt。期望转矩响应被确定为使得低电压故障期间的机械应力最小。
[0040]在低电压故障的剩余时间期间，转矩控制器可将涡轮机转矩保持在适当的低转矩值，直至检测到电网故障结束(图2中的t3)。在该情况下，转换器控制器可信号通知风力涡轮机控制器以可控地将叶片定位为迎风。此外，转换器控制器可信号通知转矩控制器以可控地将转矩增大至期望的正常工作转矩值Ttjpw(图2中的t4)。优选地，转矩控制器可被配置为产生如下的转矩响应，在该转矩响应中转矩在0.01和10秒之间、优选为0.5和1.5秒之间的时间段内从低转矩值T1ot升高至期望的正常工作转矩值Ttjpw，从而使得转矩升高期间的机械应力和机械振动最小。
[0041]图3描述了根据本发明另一实施例的典型转矩响应。在该情况下，低电压时段比图2中描述的低电压时段短，从而电网故障的结束(图3中的t2)在转矩降低期间被检测至IJ。因此，在该情况下，当检测到低电压时段结束时，降低过程停止，并且参考图2描述的升高过程开始以使得转矩升高至期望的正常工作转矩值图3中的t3)，从而使得转矩升高期间的机械应力和机械振动最小。
[0042]在上文所述的转矩降低方案中，假设故障时段足够短以能够在故障后继续正常的风力涡轮机工作。然而，如果故障时段太长，则逆变器可信号通知风力涡轮机控制器以将风力涡轮机设定在“待机”(停机)位置。在该情况下，在一个实施例中，作为保护措施，图1中的风力涡轮机控制器124可将风力涡轮机从电网断开。该断开可通过打开主开关116以及可选的一些其它的开关116、122(例如，用于将风力涡轮机与电网进一步电气隔离的二次开关)来实现。当风力涡轮机断开时，风力涡轮机控制器可通过借助于将风叶定位在叶片位置而停止涡轮机的旋转，来将风力涡轮机设为待机模式。
[0043]当将风力涡轮机从电网隔离开时，可由不间断电源(UPS) 138来为低功率辅助配电系统118(其提供了用于风力涡轮机中的电气元件的低功率电源)供电。通过这种方式确保了风力涡轮机的连续待机操作。典型地，UPS包括安装在风力涡轮机中或附近的电池、超级电容器和/或柴油发电机组的系统。
[0044]注意到，尽管图2和3中所描述的转矩响应为线性响应，本发明也可包括如下响应，其中(降低和/或升高)响应的一部分为例如曲线状的非线性响应，以便对于风力涡轮机结构提供承受机械应力最小的平滑响应。
[0045]图4描述了根据本发明一个实施例的控制风力涡轮发电机的转矩的过程的流程图400。该过程可以从转换器控制器检测到故障(低电压穿越)开始(步骤402)。作为响应，转换器控制器可以在0.01和10秒之间的、优选为0.5和1.5秒之间的时间段内将风力涡轮机的转矩从正常工作转矩值可控地降低至期望的低转矩值(步骤404)。在一个实施例中，可使用直接转矩控制(DTC)方法来控制涡轮机转矩。在该方法中，通过对定子电压进行积分来估计与风力涡轮发电机相关联的磁链，从而转矩可被估计为估计的定子磁链矢量和测量的电动机电流矢量的叉积。所估计的磁通量大小和转矩随后与预定的参考值进行比较。
[0046]通过根据期望的参考转矩响应可控地降低转矩，可以使得风力涡轮机结构上的机械应力最小。此后，控制器可将转矩保持在低转矩值，直至检测到故障结束为止(步骤406)。如果检测到故障束，转换器控制器可将风力涡轮机的转矩可控地升高至正常工作转矩值。优选地，该升高过程在0.01和10秒之间的、优选为0.5和1.5秒之间的时间段内完成(步骤408)。
[0047]图5描述了根据本发明另一实施例的控制风力涡轮发电机的转矩的过程的流程图500。在该情况下，该过程可从风力涡轮机控制器检测到故障信号开始(步骤502)，该故障信号例如为与定位缺陷(Pitch defect)之类相关联的信号或者人员按下紧急停机。在该情况下，作为响应，风力涡轮机控制器可使叶片旋转至叶片位置(步骤504)，并使用如下的转矩控制方案启动紧急停机过程，其中涡轮机的转矩在0.01和10秒之间的、优选为0.5和1.5秒之间的时间段内从正常工作转矩值降至零(或者至少是预定的低转矩值)，由此使得风力涡轮机结构上的机械应力最小化。
[0048]应当理解，结合任一实施例描述的任何特征可单独使用，或者与所描述的其它特征组合使用，并且还可以与其它任一实施例中的一个或多个特征、或者其它任一实施例的任一组合来组合使用。在不背离本发明范围的情况下还可以采用上文未描述的另外的等同方式和修改，本发明的范围在所附的权利要求中进行了限定。例如，在不背离本发明的情况下，作为使用被配置为电控/磁控动力输出(PTO)的转矩控制器(与直接转矩控制(DTC)方法一起使用)的替代，也可使用其它PTO系统，如机械控制或液压控制的ΡΤ0。
【权利要求】
1.一种用于控制风力涡轮发电机的转矩的方法，包括: 接收故障信号；以及， 响应于所述故障信号，在0.0l和10秒之间、优选为0.5和1.5秒之间的预定时间段内将所述发电机的转矩从第一转矩值可控地降低至预定的第二转矩值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中基于一个或多个参考转矩值来降低所述发电机的转矩。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述转矩降低进一步包括: 确定所述发电机的实际转矩值； 将所述实际转矩值与所述参考转矩值中的至少一个进行比较； 如果所述实际转矩值偏离所述参考转矩值，则将所述实际转矩值控制为所述参考转矩值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，进一步包括: 在所述转矩降低期间将存储在转换器中的功率的至少一部分释放给一个或多个制动电阻器。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，包括: 检测故障信号的结束； 响应于所述故障信号的结束，在达到所述第二转矩值的情况下停止所述转矩降低；以及，优选地，在0.01和10秒之间、优选为0.5和1.5秒之间的预定时间段内，将所述转矩升高至所述第一转矩值。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述第一转矩值代表正常工作转矩值，并且其中所述第二转矩值代表低转矩值，该低转矩值大约在所述正常工作转矩值的O和50%之间，优选为20%和40%之间。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述故障信号由所述转换器控制器响应于检测到电网故障而产生，电网故障包括额定电网电压值减小至低电网电压值，或者其中所述故障信号由风力涡轮机控制器响应于检测到所述风力涡轮机的元件的至少一部分的故障或紧急停机而产生。
8.一种用于控制风力涡轮机中的转矩的转矩控制器，其中所述转矩控制器被配置为接收故障信号；以及，响应于所述故障信号，在0.01和10秒之间、优选为0.5和1.5秒之间的预定时间段内将所述发电机的转矩从第一转矩值可控降低至预定的第二转矩值。
9.根据权利要求8所述的转矩控制器，其中基于一个或多个转矩参考值来降低所述发电机的转矩，优选地，所述转矩控制器被配置为:确定所述发电机的实际转矩值；将所述实际转矩值与所述参考转矩值中的至少一个进行比较；以及，如果所述实际转矩值偏离所述参考转矩值，则将所述实际转矩值控制为所述参考转矩值。
10.根据权利要求8或9所述的转矩控制器，其中所述转矩控制器被进一步配置为:检测故障信号的结束；响应于所述故障信号的结束，在达到所述第二转矩值的情况下停止所述转矩降低；以及，优选地，在0.01和10秒之间、优选为0.5和1.5秒之间的预定时间段内，将所述转矩升高至所述第一转矩值。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的转矩控制器，其中所述第一转矩值代表正常工作转矩值，并且其中所述第二转矩值代表低转矩值，该低转矩值大约在所述正常工作转矩值的O和50%之间、优选为20%和40%之间。
12.一种包括根据权利要求9-11中任一项所述的转矩控制器的风力涡轮机。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，进一步包括用于将存储在转换器中的功率的至少一部分释放给一个或多个制动电阻器的制动斩波器。
14.一种包括软件代码部分的计算机程序产品，其中软件代码部分被配置为当在计算机的存储器中运行时执行根据权利要求1-7中任一项所述的方法步骤。
【文档编号】H02P9/10GK104205618SQ201380009557
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年2月14日 优先权日:2012年2月14日
【发明者】M·E·C·达蒙 申请人:湘电达尔文有限责任公司