用于风力涡轮机控制的部分负载降额的制作方法
【技术领域】
[0001]本申请总体涉及用于控制风力涡轮机的方法和系统，更具体地讲，涉及用于在降额操作条件下控制风力涡轮发电机的功率输出的方法和系统。
【背景技术】
[0002]通常，风力涡轮机是将风的动能转换为机械能的转动机器，并且当用于发电时，将此机械能转换为电能。由于其能够在不消耗化石燃料的情况下发电，所以风力涡轮机越来越多地用作向电网提供电力的替代能源。用于发电的风力涡轮机通常包括具有多个叶片的转子，叶片被配置为捕获风力。转子耦接到将转子的转动能转换为电能的发电机。当风速增加到涡轮机的最小或“切入”速度(Wmin)以上时，转子开始转动以使得风力涡轮机可开始生成电力。风力涡轮机的功率输出通常随风速而增加，直至风速达到风力涡轮机的标称或额定风速(Wk)。在额定风速Wk以上，风力涡轮机的功率输出受到发电机的额定功率输出(Pk)的限制。随着风速进一步增加，风速可达到切出或收叶速度(W。)，此时风力涡轮机可被关断以防止对转子和/或发电机造成损害。
[0003]由于发电机的输出随着风力条件而变化，发电机通常通过功率变换器来耦接到电网，该功率变换器调节发电机的功率输出以满足电网电压、电流、相位和频率要求。为了向电网提供实用级电力，风力发电系统可包括一个或更多个风力涡轮机，典型的风力发电系统包括具有多个风力涡轮机的风电场，这些风力涡轮机被编组在一起以在公共连接点处向电网提供电力。风电场在公共连接点处的聚集输出可通过集中电厂控制器(可以是监控和数据采集(SCADA)系统的一部分)来控制，该集中电厂控制器与各个风力涡轮机控制器交互，以满足电网要求。
[0004]各个风力涡轮机可由控制器远程地或本地地进行控制，该控制器控制风力涡轮机的转子速度和功率输出。涡轮机控制器由此保持风力涡轮机在其设计参数内并且根据电网功率要求来运行。为此，涡轮机控制器可包括桨距控制器，该桨距控制器通过调节转子叶片的桨距来调节由转子捕获的风力的量。涡轮机控制器还可包括功率变换器控制器，其调节由功率变换器提供给电网的电力。可由此由涡轮机控制器选择性地调节由转子捕获的风力的量以及向电网提供的电力的量，以控制转子速度和发电机的电力输出二者。
[0005]与风关联的功率的量与风的速度的立方成比例。因此，转子从具有相对高的速度的风生成的机械功率可高于从具有相对低的速度的风生成的机械功率。转子将风中包含的能量转换成机械能的效率称作转子的功率系数(Cp)，其理论上被贝兹理论(Betz’ Law)限制为最大59%。转子的实际功率系数通常将小于贝兹极限，并且取决于转子的设计和操作参数。因此，被转子捕获并转换为机械功率的风力的量或者“气动功率”是转子的功率系数与风的可用功率的乘积。对于给定风速，转子将具有在特定叶片桨距设置和转速下实现的最大或最佳功率系数CP。此最佳功率系数因此设定了涡轮机在该风速下可发多少电的上限。在Wk以下的风速，传统风力涡轮机因此利用优化C P以使功率捕获最大化的叶片桨距和转速设置来操作。然而，随着风速增加至Wk以上，通过调节叶片桨距以减小C P来限制气动功率。在传统风力发电系统中，在高于1的风速下，通过响应于风速的改变调节叶片桨距来控制转子，以使得捕获的气动功率不超过发电机的额定功率。即，当可用气动功率大于或等于风力涡轮机的额定输出时，叶片桨距成为用于将涡轮机输出维持在恒定水平的主要控制手段。
[0006]风力涡轮机通常操作为生成在现有风力条件下可能的最大量的电力，以使得电网上的其它电力源可节流以节约不可再生的能源。现在参照图1，曲线图10示出示例性功率曲线12，其示出此最大功率或取决于风速的“可用功率”。在介于切入风速Wmin与额定风速Wk之间的可用功率输出曲线12的低风速区域14中，可用气动功率小于风力涡轮发电机的额定功率输出Ρκ。因此，低风速区域14中的可用功率12受到转子在最佳叶片桨距和转速下操作的同时可捕获的风力的限制。在介于额定风速Wk与切出风速W。之间的高风速区域16中，可用气动功率大于风力涡轮发电机的额定输出功率Ρκ。高风速区域16中的可用功率12因此被限制为Ρκ。
[0007]为了使风力涡轮机功率输出最大化，传统涡轮机控制器被配置为通过根据风速在两种控制模式之一下操作来输出可用功率12: (I)在低风速区域14中操作的部分负载控制模式、或者(2)在高风速区域16中操作的满负载控制模式。涡轮机控制器因此在可用功率曲线12的过渡区域17中从部分负载控制模式切换至满负载控制模式。涡轮机控制器由此控制风力涡轮机的功率输出以使得涡轮机在当前风速的可用输出功率水平12下发电。当在部分负载区域中操作时，控制器调节转子的桨距和速度以优化CP，以使得风力涡轮机捕获尽可能多的风能。即，针对当前风速调节叶片桨距和转子速度以优化CP。在部分负载区域中，叶片桨距被维持在最佳风力捕获角度(通常不随风速快速地或频繁地改变)下。然后可针对当前风速通过调节由功率变换器提供给电网的功率的量直至实现最佳叶尖速比来设定转子速度以优化风能捕获。相比之下，当在满负载区域中操作时，涡轮机控制器调节转子叶片的桨距以使得转子仅捕获足以使发电机在其额定输出下操作的可用风能。因此，在满负载区域中，电力输出被功率变换器控制器维持在相对恒定的值，由风力涡轮机控制器响应于风速的改变来调节叶片桨距以将转子维持在大致恒定的速度和功率输出水平。
[0008]在功率最佳控制模式下操作的传统风力涡轮机控制器通常在风速超过Wk时作为满负载控制器操作，当风速低于胃,时作为部分负载控制器操作。在操作的满负载控制模式下，由电厂控制器向功率变换器控制系统提供固定的功率基准信号，并且通过桨距控制器控制转子速度以维持恒定的功率输出。为此，桨距控制器响应于风速的增大将叶片顺风变桨距以减小转子的功率系数，并且响应于减小的风速将叶片逆风变桨距以增加功率系数。在低于^的风速下操作的部分负载控制区域中，桨距控制器针对当前风速将叶片桨距位置调节至提供最佳风能捕获的一个或更多个预定义的最佳位置(例如，0° )。然后向功率变换器控制器提供将足够的电力耦接至电网的功率设定点，以将转子的转速维持在用于在当前风速下捕获风能的最佳水平。因此，当控制器在功率输出曲线12的满负载区域中操作时，桨距控制提供了控制输出功率的主要手段，并且当风力涡轮机控制器在功率输出曲线12的部分负载区域中操作时，功率变换器提供了控制输出功率的主要手段。由于当控制器在满负载控制区域中操作时，桨距控制系统(而非功率变换器控制系统)主要负责补偿风的随机行为，当控制器在满负载控制模式下操作时的变桨距活动通常显著高于部分负载控制模式下时的变桨距活动。
[0009]有时，电厂控制器可向涡轮机请求生成低于可用功率水平的特定水平的功率。这通常被称作降额(de-rating)，并且可在电网需求降低时使用或者用于提供运行准备以改进电网稳定性。在传统系统中通过将功率控制信号提供给涡轮机控制器来实现降额，该功率控制信号使得控制器将最大涡轮机输出功率降低至额定输出功率Pk以下。由此将涡轮机的最大功率输出限制为降额功率PD。示例性降额功率输出曲线18因此在Wd(是转子可生成等于降额功率水平的气动功率的风速)以上的风速下将功率限制为PD。作为此较低功率需求的结果，过渡区域17如箭头19所指示地进行了移位，以使得涡轮机控制器在Wd(而非Wk)处在部分负载操作与满负载操作之间切换。因此，如果涡轮机在降额操作条件下在介于W1^ Wk之间的风速下操作，则风力涡轮机控制器将在满负载控制区域中操作。这与电厂控制器实现功率最佳解决方案时的涡轮机控制器操作(其将在介于Wd与W κ之间的风速下实现部分负载涡轮机控制)相反。因此，作为降额的结果，满负载操作的范围延伸至…与^,之间的风速。由此与在满容量下操作的风力涡轮机相比，在降额的风力涡轮机中变桨距活动可在更大操作范围的风速上增多。降额越高(即，提供给风力涡轮机控制器的功率基准信号越低)，则满负载操作越向额定风速WkW下延伸，并且变桨距活动越增多。因此，与满功率操作期间相比，传统控制的风力涡轮机系统在降额操作下可由此经受更大的桨距系统磨损。
[0010]因此，需要改进的在降额条件下控制风力发电系统以减小对桨距控制系统的磨损的系统、方法和计算机程序产品。
【发明内容】
[0011]在本发明的一个实施方式中，提供一种控制风力涡轮机的方法。该方法包括:在风力涡轮机控制器中接收功率基准信号，该功率基准信号限定了请求的功率输出水平，所述请求的功率输出水平低于可用功率水平；以及基于接收的功率基准信号设置所述风力涡轮机的转子的叶片桨距，使得所述转子捕获的风力近似等于所述请求的功率输出水平。该方法还包括:通过调节由耦接到所述转子的发电机提供给所述转子的负载转矩，将所述风力涡轮机的输出功率水平控制