切換電構(gòu)造時的風(fēng)力渦輪機(jī)的速度管理的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 在本公開內(nèi)容中所提出的實(shí)施例總體上涉及切換發(fā)電機(jī)構(gòu)造，并且更具體而言， 涉及當(dāng)在發(fā)電機(jī)構(gòu)造之間進(jìn)行切換時保持大體上恒定的轉(zhuǎn)子速度。
【背景技術(shù)】
[0002] 與一些形式的發(fā)電系統(tǒng)不同，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)依賴于用于發(fā)電的不同的環(huán)境條件。 具體而言，由渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率可以根據(jù)風(fēng)場中的風(fēng)速而變化。風(fēng)力渦輪機(jī)可以根據(jù)風(fēng)速 以不同效率產(chǎn)生功率。如本文中所使用的，渦輪機(jī)的效率是渦輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的能 力的測度。例如，如果渦輪機(jī)被配置為以大約10米/秒的風(fēng)速進(jìn)行最佳操作，但是當(dāng)前風(fēng)速 為大約5米/秒，那么渦輪機(jī)可能以降低的效率產(chǎn)生功率。因此，風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計中的大量工 作致力于設(shè)計出能夠在不同環(huán)境條件下有效率地發(fā)電的風(fēng)力渦輪機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本公開內(nèi)容的一個實(shí)施例包括用于風(fēng)力渦輪機(jī)的控制器和用于控制風(fēng)力渦輪機(jī) 的方法。所述控制器和所述方法包括：當(dāng)以切換前轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行操作時，在確定在電構(gòu)造之 間切換時，減小由風(fēng)力渦輪機(jī)中的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的輸出功率。在減小輸出功率的同時，所述控 制器和所述方法調(diào)節(jié)與風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，從而使轉(zhuǎn)子的速度保持在切換前 轉(zhuǎn)子速度和期望的切換后轉(zhuǎn)子速度的至少其中之一或高于切換前轉(zhuǎn)子速度和期望的切換 后轉(zhuǎn)子速度的至少其中之一。在確定輸出功率達(dá)到預(yù)定義功率值時，所述控制器和所述方 法在與發(fā)電機(jī)相關(guān)聯(lián)的第一電構(gòu)造到第二電構(gòu)造之間進(jìn)行切換。在切換到第二電構(gòu)造之 后，所述控制器和所述方法增大由風(fēng)力渦輪機(jī)中的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的輸出功率。此外，在增大輸 出功率的同時，所述方法和所述控制器調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，從而使轉(zhuǎn)子的速度保持 在切換前轉(zhuǎn)子速度和期望的切換后轉(zhuǎn)子速度的至少其中之一或高于切換前轉(zhuǎn)子速度和期 望的切換后轉(zhuǎn)子速度的至少其中之一。
[0004] 本文中所提出的另一個實(shí)施例是包括發(fā)電機(jī)、耦合到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子、和控制器的 風(fēng)力渦輪機(jī)?？刂破鞅慌渲脼椋寒?dāng)以切換前轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行操作時，在確定在電構(gòu)造之間切換 時，減小由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的輸出功率，并且在減小輸出功率的同時，調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的參 數(shù)，從而使轉(zhuǎn)子的速度保持在切換前轉(zhuǎn)子速度和期望的切換后轉(zhuǎn)子速度的至少其中之一或 高于切換前轉(zhuǎn)子速度和期望的切換后轉(zhuǎn)子速度的至少其中之一。在確定輸出功率達(dá)到預(yù)定 義功率值時，控制器被配置為在與發(fā)電機(jī)相關(guān)聯(lián)的第一電構(gòu)造到第二電構(gòu)造之間進(jìn)行切 換。在切換到第二電構(gòu)造之后，控制器還被配置為增大由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的輸出功率，并且在增 大輸出功率的同時，調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，從而使轉(zhuǎn)子的速度保持在切換前轉(zhuǎn)子速度 和期望的切換后轉(zhuǎn)子速度的至少其中之一或高于切換前轉(zhuǎn)子速度和期望的切換后轉(zhuǎn)子速 度的至少其中之一。
【附圖說明】
[0005] 可以通過參考附圖來獲得對以上簡單概括的本發(fā)明的實(shí)施例的更加具體的描述， 從而能夠詳細(xì)地理解得到以上列舉的方面的方式。
[0006] 然而，要指出的是，附圖僅示出了本發(fā)明的典型實(shí)施例，并且因此不應(yīng)認(rèn)為附圖限 制了本發(fā)明的范圍，因?yàn)楸景l(fā)明可以允許其它等效實(shí)施例。
[0007] 圖1示出了根據(jù)本文中所描述的一個實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)的圖解視圖。
[0008] 圖2A-2C是根據(jù)本文中所提出的實(shí)施例的用于發(fā)電的發(fā)電機(jī)構(gòu)造。
[0009] 圖3是根據(jù)本文中所提出的一個實(shí)施例的用于在發(fā)電機(jī)構(gòu)造之間進(jìn)行切換的渦輪 機(jī)系統(tǒng)。
[0010] 圖4A-4B是根據(jù)本文中所提出的實(shí)施例的示出當(dāng)在發(fā)電機(jī)構(gòu)造之間進(jìn)行切換時的 功率和轉(zhuǎn)子速度的圖表。
[0011] 圖5示出了根據(jù)本文中所提出的一個實(shí)施例的在星形構(gòu)造和三角形構(gòu)造之間進(jìn)行 切換的示意圖。
[0012] 圖6示出了根據(jù)本文中所提出的一個實(shí)施例的具有用于在星形構(gòu)造與三角形構(gòu)造 之間進(jìn)行切換的多個閾值的示意圖。
[0013] 圖7是根據(jù)本文中所提出的一個實(shí)施例的用于調(diào)節(jié)渦輪機(jī)在發(fā)電機(jī)構(gòu)造之間進(jìn)行 切換的速率的流程圖。
[0014] 為了便于理解，在可能的地方使用了相同的附圖標(biāo)記以指示附圖所共有的相同的 要素?？梢栽O(shè)想的是，在沒有具體的敘述的情況下，在一個實(shí)施例中所公開的要素可以有利 地用于其它實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 為了以不同的風(fēng)速有效率地運(yùn)行風(fēng)力渦輪機(jī)，風(fēng)力渦輪機(jī)可以在兩種或者更多種 不同的電構(gòu)造之間進(jìn)行切換。在一個實(shí)施例中，渦輪機(jī)可以包括將發(fā)電機(jī)重新配置成星形 構(gòu)造或者三角形構(gòu)造的繼電器。這兩種電構(gòu)造可以根據(jù)風(fēng)速提供不同的效率。在低速情況 下，星形構(gòu)造可以比三角形構(gòu)造更有效率，但是一旦風(fēng)速提高以使得發(fā)電機(jī)的輸出功率超 過星形功率限制閾值，風(fēng)力渦輪機(jī)可能就不得不降級（de-rate)。相比之下，三角形構(gòu)造可 以允許發(fā)電機(jī)產(chǎn)生超過星形功率限制閾值的功率，但是在產(chǎn)生較低功率時（即，在風(fēng)速降低 時），發(fā)電機(jī)可能遭受效率低下。
[0016] 在一個實(shí)施例中，渦輪機(jī)被配置為基于當(dāng)前風(fēng)力條件或發(fā)電機(jī)正在產(chǎn)生的功率量 來使發(fā)電機(jī)在兩種不同的電構(gòu)造之間進(jìn)行切換，例如從星形到三角形或者從三角形到星 形。在切換之前，可以將由發(fā)電機(jī)輸出的功率驅(qū)動為零。然而，這樣做將從傳動系統(tǒng)中去除 負(fù)載，如果不考慮這種情況將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度提高。在一個實(shí)施例中，可以控制轉(zhuǎn)子速度以使 得所述速度隨著發(fā)電機(jī)功率斜降至零而下降至預(yù)定義的連接速度。然而，改變轉(zhuǎn)子的速度 改變了轉(zhuǎn)子對渦輪機(jī)施加的力。因此，渦輪機(jī)可以使用例如槳葉槳距或者制動器來控制轉(zhuǎn) 子速度，從而使轉(zhuǎn)子速度在整個切換過程中保持近似恒定。在一個實(shí)施例中，可以將轉(zhuǎn)子速 度保持在或高于緊接在發(fā)電機(jī)功率斜降之前的轉(zhuǎn)子速度（即，切換前轉(zhuǎn)子速度）、或者在發(fā) 生切換并且發(fā)電機(jī)輸出功率斜升之后的期望的轉(zhuǎn)子速度（即，切換后轉(zhuǎn)子速度）。當(dāng)在電構(gòu) 造之間進(jìn)行切換的同時將轉(zhuǎn)子速度保持在切換前或者切換后轉(zhuǎn)子速度或高于切換前或者 切換后轉(zhuǎn)子速度可以緩解渦輪機(jī)塔架所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)矩變化，并且可以降低發(fā)生結(jié)構(gòu)故障的可 能性。
[0017] 因?yàn)殡姌?gòu)造之間的切換可能使渦輪機(jī)疲勞，所以風(fēng)力渦輪機(jī)還可以利用用于確定 何時在電構(gòu)造之間進(jìn)行切換的不同標(biāo)準(zhǔn)來建立多個閾值。例如，在從三角形切換到星形時， 渦輪機(jī)可以等待直到發(fā)電機(jī)輸出功率下降到200kW以下持續(xù)六十秒。然而，風(fēng)場可能經(jīng)歷使 發(fā)電機(jī)長時間輸出300kW的穩(wěn)定且恒定的風(fēng)。與渦輪機(jī)處于星形構(gòu)造下相比，在這一時間段 內(nèi)停留在三角形構(gòu)造將使該渦輪機(jī)的效率較低。相反，渦輪機(jī)可以使用多個閾值，在這些閾 值中，時間和功率標(biāo)準(zhǔn)提高。例如，如果功率輸出低于200kW持續(xù)五分鐘或者輸出功率低于 300kW持續(xù)一小時，那么風(fēng)力渦輪機(jī)可以切換構(gòu)造。以這種方式，所述多個閾值可以獲得以 上提及的渦輪機(jī)可以受益于切換電構(gòu)造的場景。然而，通過提高時間約束，如果發(fā)電機(jī)輸出 的變化很短暫，并且渦輪機(jī)不得不切換回先前的電構(gòu)造，那么渦輪機(jī)可能無意中限制了切 換。
[0018] 在一個實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)可以追蹤由渦輪機(jī)執(zhí)行的電構(gòu)造切換的次數(shù)。因?yàn)?這些切換使渦輪機(jī)疲勞，所以控制器可以更新用于確定何時在電構(gòu)造之間進(jìn)行切換的標(biāo)準(zhǔn) 以降低切換速率，并且從而降低渦輪機(jī)的疲勞。例如，如果渦輪機(jī)超過了其切換預(yù)算，那么 控制器可以增大與閾值相關(guān)聯(lián)的時間或者使渦輪機(jī)保持在僅一種電構(gòu)造下，直到總切換次 數(shù)在切換預(yù)算之內(nèi)。降低渦輪機(jī)的切換速率可以防止渦輪機(jī)塔架過早老化，這可以降低不 期望的維護(hù)成本的可能性。
[0019] 現(xiàn)在將更加詳細(xì)地解釋本發(fā)明。盡管本發(fā)明易受到各種修改和替代形式的影響， 但是通過示例的方式公開了具體的實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不是要局限于所公開 的特定形式。相反，本發(fā)明是要涵蓋落在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的 所有修改、等價物和替代物。
[0020] 圖1示出了水平軸風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)100的圖解視圖。風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)100通常包括 塔架102和位于塔架102頂部的風(fēng)力渦輪機(jī)艙104?？梢酝ㄟ^延伸到機(jī)艙104外的低速軸將風(fēng) 力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子106與機(jī)艙104連接。風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子106包括安裝在公共輪轂110上的三個轉(zhuǎn) 子槳葉108,但是可以包括任何適當(dāng)數(shù)量的槳葉，例如：一個、兩個、四個、五個或更多的槳 葉。槳葉1〇8(或者風(fēng)板)通常具有空氣動力外形，該空氣動力外形具有用于迎風(fēng)的前緣112、 處于槳葉108的弦桿的相對端的后緣114、頂端116、以及以任何適當(dāng)方式附接到輪轂110的 根部118。
[0021] 對于一些實(shí)施例而言，可以使用槳距軸承120將槳葉108連接到輪轂110,以使得每 片槳葉108可以圍繞其縱軸旋轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)槳葉的槳距?？梢酝ㄟ^例如連接在輪轂110與槳葉 108之間的線性致動器或步進(jìn)電動機(jī)來控制槳葉108的槳距角。槳葉槳距控制常見于現(xiàn)代化 風(fēng)力渦輪機(jī)并且用于其它系統(tǒng)中，以使在額定風(fēng)速以下產(chǎn)生的功率最大化并且降低在額定 風(fēng)速以上所產(chǎn)生的功率，以防止對例如發(fā)電機(jī)和齒輪箱的渦輪機(jī)部件的過度加載。
[0022] 圖2A-2C是根據(jù)本文中所提出的實(shí)施例的用于發(fā)電的發(fā)電機(jī)構(gòu)造。具體而言，圖2A