專利名稱：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法，尤其涉及一種在故障狀況期間控制風(fēng)輪機(jī)的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的方法。
背景技術(shù)：
利用風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動或利用齒輪箱驅(qū)動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。在發(fā)電機(jī)定子端得到的交流頻率(“定子端電壓”)與轉(zhuǎn)子的速度成正比。發(fā)電機(jī)各端子的電壓還作為速度的函數(shù)，并根據(jù)發(fā)電機(jī)的具體類型，作為通量水平的函數(shù)而變化。為了優(yōu)化能量獲取，風(fēng)輪機(jī)輸出軸的速度會隨驅(qū)動輪機(jī)葉片的風(fēng)速而變化。為了限制在高風(fēng)速下的能量獲取，通過改變輪機(jī)葉片的俯仰角(pitch)來控制輸出軸的速度。利用功率變換器可以將發(fā)電機(jī)的可變電壓和頻率與供電網(wǎng)絡(luò)標(biāo)稱的固定電壓和頻率相匹配。圖I示出了一種典型的風(fēng)輪機(jī)和功率變換器的總成。功率變換器用于將接口驅(qū)動一變速交流發(fā)電機(jī)4的風(fēng)輪機(jī)2與供電網(wǎng)絡(luò)(標(biāo)識為NETWORK)進(jìn)行接口。風(fēng)輪機(jī)通常包括安裝在一旋轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)輪機(jī)葉片，該些輪機(jī)葉片的俯仰角可利用俯仰角執(zhí)行器控制。一齒輪箱8用于將旋轉(zhuǎn)軸連接至發(fā)電機(jī)4的轉(zhuǎn)子上。在某些情況下，旋轉(zhuǎn)軸也可以直接連接至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上。將發(fā)電機(jī)4的接線端連接至一個(gè)通常情況下作為有源整流器的三相發(fā)電機(jī)橋10的交流接線端，以向直流母線12供電。該發(fā)電機(jī)橋10具有一個(gè)常規(guī)的帶有一系列完全通過脈寬調(diào)制(PWM)策略控制和調(diào)節(jié)的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的三相兩極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，實(shí)際上該發(fā)電機(jī)橋10可具有任何適當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如三級中點(diǎn)鉗位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(例如Foch-Maynard結(jié)構(gòu))。發(fā)電機(jī)橋10的直流輸出電壓輸出至一個(gè)通常情況下作為逆變器的供電網(wǎng)絡(luò)橋14的直流端。該供電網(wǎng)絡(luò)橋14具有一個(gè)與發(fā)電機(jī)橋10類似的帶有一系列完全通過脈寬調(diào)制(PWM)策略控制和調(diào)節(jié)的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的三相兩極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，實(shí)際上該供電網(wǎng)絡(luò)橋14可具有任何適當(dāng)?shù)娜缟鲜鲠槍Πl(fā)電機(jī)橋10討論的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣的結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)橋10由發(fā)電機(jī)橋控制器20控制，供電網(wǎng)絡(luò)橋14由供電網(wǎng)絡(luò)橋控制器22控制。從物理結(jié)構(gòu)上講上述控制系統(tǒng)可具有相同的硬件，僅僅是在軟件上的相互分離。供電網(wǎng)絡(luò)橋14的交流輸出電壓在通過一升壓變壓器6向供電網(wǎng)絡(luò)供電之前通過一供電網(wǎng)絡(luò)過濾器進(jìn)行過濾?？梢园Ｗo(hù)開關(guān)裝置(未示出)，以向供電網(wǎng)絡(luò)提供可靠的連接，并且針對多種操作和非操作需求，將發(fā)電機(jī)系統(tǒng)與供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的突變會造成風(fēng)輪機(jī)傳動系統(tǒng)的嚴(yán)重機(jī)械振蕩。這樣的變化可以發(fā)生在電網(wǎng)故障期間，其間，無法向供電網(wǎng)絡(luò)輸出電力會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的幾乎同步的階梯下降，或由功率變換器的故障而導(dǎo)致。機(jī)械振蕩的幅度與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩階梯下降的幅度成正比。在某些情況下可對輪機(jī)總成和傳動系進(jìn)行物理上的設(shè)計(jì)和制造，以在不需要任何進(jìn)一步的保護(hù)措施下就可以克服上述機(jī)械振動。然而，通過允許令至少一些不能被輸出至供電網(wǎng)絡(luò)的電力被動態(tài)制動電阻(DBR) 16吸收的方式可將機(jī)械振蕩限制在一允許的范圍內(nèi)，所述動態(tài)制動電阻(DBR) 16橫跨直流母線12地與一適當(dāng)?shù)膱?zhí)行器18或開關(guān)結(jié)構(gòu)(例如，如FET或IGBT等半導(dǎo)體開關(guān)器件，這些器件有時(shí)也被稱為“斬波器”)串聯(lián)。當(dāng)直流母線電壓由于故障狀況上升而超過一限定值時(shí)，一斬波器控制器24控制執(zhí)行器18令該直流母線12短路，從而使從發(fā)電機(jī)4輸出的電力被該DBR16吸收。由于故障狀況被DBR16吸收的能量為全部被吸收的能量，并且以熱量的形式散發(fā)出去。DBR16可具有任何適當(dāng)?shù)奈锢斫Y(jié)構(gòu)，并且例如可以為風(fēng)冷式或水冷式的。如果DBR16是部分額定的，則僅有部分發(fā)電機(jī)電力被DBR吸收。在這種情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩仍會發(fā)生階梯下降，但是相比沒有設(shè)置DBR的情況而言具有更低幅度的階梯下降量。傳動系統(tǒng)的機(jī)械振蕩的幅度也因此會相應(yīng)地降低。如果DBR16為滿額定(fullrated)，則發(fā)電機(jī)電力都會被DBR吸收，直到發(fā)電機(jī)4開始向供電網(wǎng)絡(luò)輸出電力時(shí)為止。通常，這意味著DBR16被定級為要在一秒鐘或更長的時(shí)間內(nèi)接受所有發(fā)電機(jī)的電力。如果DBR16為滿額定，則發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不會發(fā)生階梯下降，且沒有因素會激發(fā)傳動系統(tǒng)的機(jī)械振蕩。圖2A和圖2B示出了在未設(shè)置DBR的情況下以及在設(shè)置橫跨于直流母線12間的滿額定DBR16的情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的區(qū)別。每幅圖包括一組標(biāo)識有(a)至(g)的七幅圖表，這七幅圖表示出了在電網(wǎng)故障期間內(nèi)，供電網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓在一秒鐘內(nèi)下降至零的過程中，風(fēng)輪機(jī)和功率變換器總成的如下的運(yùn)行參數(shù)在Pu系或“每單元”系中的變化圖圖表(a):電網(wǎng)電壓(或供電電壓)圖表(b):發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度圖表(c):發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖表(d):通過供電網(wǎng)絡(luò)橋14向供電網(wǎng)絡(luò)輸出的電力量圖表(e):通過發(fā)電機(jī)橋10由發(fā)電機(jī)4向直流母線12輸出的電力量圖表(f) DBR16吸收的發(fā)電機(jī)的電力量圖表(g) DBR16吸收的能量從圖2A和圖2B中的圖表(a)中可以看出，電網(wǎng)電壓在t=65秒的時(shí)刻出現(xiàn)了一個(gè)從I到O的階梯下降，在O值處保持I秒，然后在時(shí)刻t=66秒的時(shí)刻以一個(gè)從O到I的階梯上升得到恢復(fù)。電網(wǎng)規(guī)程通常要求在電網(wǎng)故障或電網(wǎng)暫態(tài)期間，風(fēng)輪機(jī)須與供電網(wǎng)絡(luò)保持連接。換言之，風(fēng)輪機(jī)和功率變換器總成通常必須具有一些針對電網(wǎng)故障或低電壓穿越的能力。在電網(wǎng)故障或電網(wǎng)暫態(tài)期間，發(fā)電機(jī)不能向供電網(wǎng)絡(luò)輸出電力。因此，圖2A和圖2B中的圖表(d)示出了，輸出至供電網(wǎng)絡(luò)的電力在t=65秒的時(shí)刻出現(xiàn)了一個(gè)從I到O的階梯下降，在O值處保持I秒并在t=66秒的時(shí)刻出現(xiàn)了一個(gè)小幅激增之后，一旦電網(wǎng)電壓恢復(fù)后在t=66秒的時(shí)刻即開始以一固定速率增加。 在未設(shè)置DBR的情況下，圖2A中的圖表(C)示出了，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩在t=65秒的時(shí)刻出現(xiàn)了一個(gè)從I到O的階梯下降，在O值處保持I秒，并且一旦電網(wǎng)電壓恢復(fù)后在t=66秒的時(shí)刻即開始以一固定速率增加。圖2A中的圖表(b )示出了，在t=65秒的時(shí)刻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩階梯下降是如何引發(fā)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度的顯著振蕩的。在電網(wǎng)故障期間無法向供電網(wǎng)絡(luò)輸出電力也會引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度在開始逐漸下降之前，大概在t=66. 5秒的時(shí)刻增加至一速度峰值。
圖2A中的圖表(e)示出了，發(fā)電機(jī)向直流母線輸出的電力量在t=65秒的時(shí)刻也出現(xiàn)了一個(gè)從I到O的階梯下降，在O值處保持I秒，并且一旦電網(wǎng)電壓恢復(fù)后在t=66秒的時(shí)刻即開始以一固定速率增加。在此配置中，在t=65秒的時(shí)刻執(zhí)行器18受控使直流母線12短路，從而使得發(fā)電 機(jī)4通過發(fā)電機(jī)橋10向直流母線輸出的電力由滿額定的DBR16吸收，然后圖2B中的圖表(f)示出了，由所述DBR吸收的電力在t=65秒的時(shí)刻出現(xiàn)了一個(gè)階梯上升。直到t=66秒的時(shí)刻，即電網(wǎng)電壓已經(jīng)得到恢復(fù)且可以重新向供電網(wǎng)絡(luò)輸出電力的時(shí)刻為止，所有的發(fā)電機(jī)電力均被DBR16吸收。在t=66秒的時(shí)刻，由DBR16吸收的電力開始以一固定速率增加。圖表(g)示出了被DBR16吸收的能量的總量。輕易可知的是，所述能量是圖表(f)中所示的被吸收的電力的總和。由于DBR16吸收了電網(wǎng)故障期間的所有發(fā)電機(jī)的電力，在t=65秒的時(shí)刻和t=66秒的時(shí)刻之間，能量以一固定的速率被吸收。由于被DBR16吸收的電力開始以一固定的速率下降，上述吸收能量的速率在t=66秒的時(shí)刻開始下降，并且圖表(g)最終示出了大概在t=66. 4秒的時(shí)刻的一常值，該常值代表由于電網(wǎng)故障的已被DBR吸收能量的總量。由于在電網(wǎng)故障期間發(fā)電機(jī)的電力全部由DBR16吸收，因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和從發(fā)電機(jī)4輸出的電力量基本保持恒定。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度未出現(xiàn)明顯振蕩也未出現(xiàn)逐漸的增加。因此所述滿額定的DBR的作用提供了有用的保護(hù)，并且避免了當(dāng)允許發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩呈階梯下降時(shí)而出現(xiàn)的問題。雖然未示出針對部分額定的DBR的圖表，但是輕易可知的是，其造成的風(fēng)輪機(jī)和功率變換器總成的運(yùn)行參數(shù)的變化應(yīng)當(dāng)介于已經(jīng)示出的圖2A和圖2B中的之間。換言之，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)一個(gè)階梯下降，但所述階梯下降的幅度以及引起的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度的振蕩的幅度會取決于DBR的相比于標(biāo)稱完全使用量的部分使用量的大小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種在故障狀況期間(例如，供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)電壓暫降的電網(wǎng)故障或電網(wǎng)暫態(tài)，或者連接于風(fēng)輪機(jī)總成的發(fā)電機(jī)的功率變換器出現(xiàn)故障)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的改進(jìn)的方法。更具體地，在一包括有發(fā)電機(jī)和具有固有周期Tn的轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)的風(fēng)輪機(jī)中，所述控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法包括在故障狀況期間根據(jù)下列公式隨著時(shí)間t以一基本恒定的速率降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的步驟
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩=+ c(EQl)
In-Tn J其中額定轉(zhuǎn)矩為發(fā)電機(jī)的標(biāo)稱額定轉(zhuǎn)矩，η為一整數(shù)，以及c為一常數(shù)(可選為零)。所述發(fā)電機(jī)的標(biāo)稱額定轉(zhuǎn)矩經(jīng)通常被定義為在額定輸出功率并且發(fā)電機(jī)速度等于標(biāo)稱額定速度時(shí)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，即—轉(zhuǎn)矩彳sill]ι額足速度」如果以此種方式降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)中任何機(jī)械振蕩的絕對幅度可被大大減小至零或基本為零。例如，在一矢量控制系統(tǒng)中，可以通過將適當(dāng)?shù)木徸兟氏拗凳┘釉谛纬刹糠职l(fā)電機(jī)橋控制器的實(shí)電流控制器(real current controller)上,減少所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。所述緩變率限值可用作轉(zhuǎn)矩參考值和/或轉(zhuǎn)矩軸電流參考值。風(fēng)輪機(jī)的所述轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)可包括一個(gè)具有至少一個(gè)輪機(jī)葉片(通常為三個(gè))的輪機(jī)總成，一個(gè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子總成，以及任意相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動軸。對于非直接驅(qū)動的風(fēng)輪機(jī)來說，所述轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)還包括一個(gè)位于所述輪機(jī)總成和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子總成之間的齒輪箱。所述轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)因此可以看作是一個(gè)雙質(zhì)量塊、彈簧和阻尼系統(tǒng)，其中，所述輪機(jī)總成通過至少一根具有有限剛度和阻尼的軸(以及可選的齒輪箱)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子總成分離。任意特定的轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)的固有周期Tn可以通過諸如軸剛度，阻尼，葉片慣性和發(fā)電機(jī)慣性等參數(shù)確定或計(jì)算。至少一個(gè)輪機(jī)葉片的俯仰角可在一俯仰角執(zhí)行器的控制下發(fā)生改變或調(diào)整。因此所述方法可以進(jìn)一步包括改變至少一個(gè)輪機(jī)葉片的俯仰角以在故障狀況期間最小化發(fā)電機(jī)速度的峰值的步驟。換言之，可改變所述至少一個(gè)輪機(jī)葉片的俯仰角，以使得，由于該故障狀況而造成的所述輪機(jī)總成捕獲的風(fēng)量減少以及輸出軸(以及進(jìn)而的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子總成)的轉(zhuǎn)動速度的任何增加被最小化。一旦檢測到故障狀況，就可立即或者在其他時(shí)刻改變所述至少一個(gè)輪機(jī)葉片的俯仰角。一旦檢測到故障狀況，所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩就可被減少?；蛘?，所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩在其被迫下降之前可在一段時(shí)間內(nèi)保持基本恒定(例如，保持在發(fā)電機(jī)的標(biāo)稱額定轉(zhuǎn)矩或在電網(wǎng)故障之前發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩)。特別地，所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩在一段預(yù)定的時(shí)間內(nèi)保持基本恒定，而同時(shí)所述至少一個(gè)輪機(jī)葉片的俯仰角被俯仰角執(zhí)行器改變或調(diào)整。通常，所述發(fā)電機(jī)與一個(gè)將該發(fā)電機(jī)接入供電網(wǎng)絡(luò)或電網(wǎng)的功率變換器連接。所述功率變換器可具有任意適當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，但在一配置中，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一個(gè)通過直流母線連接供電網(wǎng)絡(luò)橋的發(fā)電機(jī)橋。一個(gè)動態(tài)制動電阻(DBR)可與一橫跨所述直流母線的執(zhí)行器或開關(guān)設(shè)備串聯(lián)。如果所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩以一如上面所述的固定速率下降，所述DBR和相關(guān)聯(lián)的執(zhí)行器或開關(guān)裝置的額定值可被大大降低。這是因?yàn)檫M(jìn)入所述DBR的電力流可被迅速減少，從而可保證由于故障狀況而被所述DBR吸收的能量總和被最小化。相比常規(guī)的風(fēng)輪機(jī)和功率變換器總成的在整個(gè)故障狀況期間都在吸收發(fā)電機(jī)的電力的情況而言，DBR可具有更小的額定值。這意味著所述DBR在物理上可變得更小，并且冷卻需求大大減小了，從而可導(dǎo)致成本的節(jié)約。 該方法對于具有永磁發(fā)電機(jī)(PMG)的風(fēng)輪機(jī)來說是尤其重要的，在所述永磁發(fā)電機(jī)中，發(fā)電機(jī)速度的峰值對于功率變換器的電壓額定值是至關(guān)重要的，并且，在所述永磁發(fā)電機(jī)中，由轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)或傳動系統(tǒng)的機(jī)械振蕩而引起的電網(wǎng)暫態(tài)會超過由輪機(jī)總成的加速引起的電網(wǎng)暫態(tài)。PMG通常具有直流驅(qū)動裝置或低齒輪比，從而其轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)的固有周期通常要低于其它類型的風(fēng)輪機(jī)的固有周期。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種風(fēng)輪機(jī)，其包括一發(fā)電機(jī)；一具有固有周期Tn的轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)包括一具有至少一個(gè)輪機(jī)葉片的輪機(jī)總成，一發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子總成和任何相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動軸；以及一功率變換器；其中，所述功率變換器受控在故障狀況期間根據(jù)公式EQl隨著時(shí)間t以一基本恒定的速率使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降。所述輪機(jī)總成可包括一受控改變至少一個(gè)輪機(jī)葉片的俯仰角的俯仰角執(zhí)行器，以在故障狀況期間最小化發(fā)電機(jī)速度的峰值。所述功率變換器可具有任意適當(dāng)?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，但在一配置中，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一發(fā)電機(jī)橋，該發(fā)電機(jī)橋被一發(fā)電機(jī)橋控制器控制，通過將緩變率限值施加于一被該發(fā)電機(jī)橋控制器使用的轉(zhuǎn)矩參考值和/或轉(zhuǎn)矩軸電流參考值上，而在故障狀況期間使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩以一基本恒定的速率下降。附I示出了一個(gè)風(fēng)輪機(jī)和功率變換器總成的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A至2D為一組示出了圖I中的風(fēng)輪機(jī)和功率變換器總成的運(yùn)行參數(shù)在某些情況下是如何變化的圖表(a)至(g);以及，圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的對圖I中的風(fēng)輪機(jī)和功率變換器總成的控制示意圖?？梢詤⒄請D2C和2D更好地理解本發(fā)明的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法。每個(gè)附圖
各包括一組標(biāo)識有(a)至(g)的如上面所述的七幅圖表，這七幅圖表示出了在電網(wǎng)故障期間，供電網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)電壓在一秒鐘內(nèi)下降至零的過程中，圖I中的風(fēng)輪機(jī)和功率變換器總成的運(yùn)行參數(shù)在PU系或“每單元”系中是如何變化的。圖2C示出了在一旦檢測到電網(wǎng)故障就使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降的情況下，所述運(yùn)行參數(shù)是怎樣變化的。圖2D示出了在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩在其被迫下降之前基本保持恒定O. 5秒的情況下，同樣的運(yùn)行參數(shù)是怎樣變化的。從圖2C和2D中的圖表(a)中可以看出，電網(wǎng)電壓在t=65秒的時(shí)刻出現(xiàn)了一個(gè)從I到O的階梯下降，在O值處保持I秒，然后在時(shí)刻t=66秒的時(shí)刻通過一個(gè)從O到I的階梯上升而恢復(fù)。由于上面討論的原因，圖2C和2D中的圖表(d)示出了，輸出至供電網(wǎng)絡(luò)的電力因此在t=65秒的時(shí)刻出現(xiàn)了一個(gè)從I到O的階梯下降，在O值處保持I秒并在t=66秒的時(shí)刻出現(xiàn)了一個(gè)小幅激增之后，一旦電網(wǎng)電壓恢復(fù)后在t=66秒的時(shí)刻即開始以一固定速率增加。在這兩種情況下，在t=65秒的時(shí)刻執(zhí)行器18受控使直流母線12短路，從而發(fā)電機(jī)的電力被DBR16吸收。圖2C中的圖表(c )示出了，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩在t=65秒的時(shí)刻開始以一固定速率下降，在O值處保持并且一旦電網(wǎng)電壓恢復(fù)后在t=66秒的時(shí)刻即開始以一固定速率增加。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降的固定速率由公式EQl決定，并且與發(fā)電機(jī)4的標(biāo)稱額定轉(zhuǎn)矩以及與包括輪機(jī)總成，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動軸在內(nèi)的風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)的固有周期Tn相關(guān)。圖2C中的圖表(b)示出了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度是如何在開始逐漸下降之前，在t=66. 5秒的時(shí)刻增加至一速度峰值的。由于轉(zhuǎn)矩的下降(或緩降)，轉(zhuǎn)子速度未出現(xiàn)顯著的振蕩。圖2C中的圖表(e)示出了，發(fā)電機(jī)4向直流母線12輸出的電力量在t=65秒的時(shí)刻隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的下降開始以一固定速率下降，在O值處保持并且一旦電網(wǎng)電壓恢復(fù)后在t=66秒的時(shí)刻即開始以一固定速率增加。圖2C中的圖表(f)示出了，由所述DBR吸收的電力在t=65秒的時(shí)刻出現(xiàn)了一個(gè)階梯上升。直到t = 66秒的時(shí)刻，即電網(wǎng)電壓已經(jīng)得到恢復(fù)且可以重新向供電網(wǎng)絡(luò)輸出電力的時(shí)刻為止，所有的發(fā)電機(jī)的電力均被DBR16吸收。然而，輕易可知的是，與圖2B中所示的由于在電網(wǎng)故障期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩?zé)o下降，發(fā)電機(jī)的電力基本保持恒定的情況不同，在這里，發(fā)電機(jī)4向直流母線12輸出的電力量在t=65秒的時(shí)刻開始以一固定速率下降，并且大概在t=65. 4秒的時(shí)刻達(dá)到O。這意味著從t=65秒的時(shí)刻開始，可供DBR16吸收的發(fā)電機(jī)電力量逐漸減少，并且從t=65. 4秒的時(shí)刻開始完全沒有可供吸收的發(fā)電機(jī)電力。圖2C中的圖表(g)不出了由于電網(wǎng)故障被DBR16吸收的全部能量總和。代表已被DBR16吸收的全部能量總和的常值大大低于圖2B中的圖表(g)所示的能量總和，在該圖2B中的圖表(g)中，該滿額定的DBR吸收整個(gè)電網(wǎng)故障期間發(fā)電機(jī)的全部電力。圖2D中的圖表(C)示出了，在檢測到電網(wǎng)故障之后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩基本保持恒定O. 5秒，并且僅在t=65. 5秒的時(shí)刻開始以一固定速率下降。這可以為，例如，通過一個(gè)俯仰角執(zhí)行器改變輪機(jī)葉片的俯仰角從而最小化發(fā)電機(jī)的速度峰值，而留出時(shí)間。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩保持O值，并且一旦電網(wǎng)電壓得到恢復(fù)即在t=66秒的時(shí)刻開始以一固定速率增加。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩減少的固定速率由公式EQl決定，并且與發(fā)電機(jī)4的標(biāo)稱額定轉(zhuǎn)矩以及包括輪機(jī)總成，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動軸的風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)的固有周期Tn相關(guān)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降的速率與圖2C和2D中示出的可選擇的情況中的相同，因?yàn)樗鏊俾嗜Q于特定風(fēng)輪機(jī)系統(tǒng)的物理參數(shù)，而不是取決于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩在故障狀況期間是從何時(shí)開始下降的。圖2D中的圖表(b)示出了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度是如何在開始逐漸下降之前，在大概t=66. 5秒的時(shí)刻增加至速度峰值的。由于轉(zhuǎn)矩的下降，轉(zhuǎn)子速度無顯著振蕩。圖2D中的圖表(e)示出了，在檢測到電網(wǎng)故障后，發(fā)電機(jī)4向直流母線12輸出的電力量還保持在額定輸出電力O. 5秒，且僅在t = 65. 5秒的時(shí)刻隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的下降開始以一固定速率下降。該發(fā)電機(jī)電力保持O值，并且一旦電網(wǎng)電壓恢復(fù)后在t = 66秒的時(shí)刻即開始以一固定速率增加。圖2D中的圖表(f )示出了，由DBR吸收的電力在t=65秒的時(shí)刻出現(xiàn)了 一個(gè)階梯上升。直到t=66秒的時(shí)刻，即電網(wǎng)電壓已經(jīng)得到恢復(fù)且可以重新向供電網(wǎng)絡(luò)輸出電力的時(shí)刻為止，發(fā)電機(jī)的電力全部被DBR16吸收。然而，輕易可知的是，與圖2B中所示的由于在電網(wǎng)故障期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩?zé)o下降，發(fā)電機(jī)的電力基本保持恒定的情況不同，在這里，發(fā)電機(jī)4向直流母線12輸出的電力量在t=65. 5秒的時(shí)刻開始以一固定速率下降，并且大概在t=69. 4秒的時(shí)刻達(dá)到O。這意味著從t=65. 5秒的時(shí)刻開始，可供DBR16吸收的發(fā)電機(jī)電力量逐漸減少，并且從t=65. 9秒的時(shí)刻開始完全沒有可供吸收的發(fā)電機(jī)電力。圖2D中的圖表(g)不出了由于電網(wǎng)故障而被DBR16吸收的全部能量總和。代表已被DBR16吸收的全部能量總和的該常值大大低于圖2B中的圖表(g)所示的滿額定的DBR吸收整個(gè)電網(wǎng)故障期間發(fā)電機(jī)的全部電力的情況下的全部能量總和。然而，圖2D中的圖表(g)所示的常值要高于圖2C中的圖表(g)中的總量，在該圖2C中的圖表(g)中，一旦檢測到電網(wǎng)故障，就使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降。圖3示出了圖I中的風(fēng)輪機(jī)和功率變換器總成的控制示意圖。發(fā)電機(jī)4為永磁發(fā)電機(jī)(PMG)。發(fā)電機(jī)橋10中的一組半導(dǎo)體功率轉(zhuǎn)換器件完全通過發(fā)電機(jī)橋控制器20的脈寬調(diào)制(PWM)策略控制和調(diào)節(jié)。該發(fā)電機(jī)橋控制器20使用矢量控制，在本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)矩控制發(fā)生在q軸上。用于指代期望直流電壓的電壓參考信號VdC_ref與作為直流母線電壓測CN 102985685 A
書
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量值的電壓反饋信號Vdc相比較?；谥绷麟妷篜I的控制器26使用該電壓參考信號Vdc_ref與該電壓反饋信號Vdc的比較值而提供一轉(zhuǎn)矩軸(或q軸)電流參考信號Iq*_ref。功能模塊28將一適當(dāng)?shù)木徸兟氏拗凳┘咏o該轉(zhuǎn)矩軸電流參考信號Iq*_ref，以提供一經(jīng)限定的轉(zhuǎn)矩軸電流信號Iq*_lim，該轉(zhuǎn)矩軸電流信號Iq*_Iim繼而被發(fā)電機(jī)橋控制器20利用，以推導(dǎo)出發(fā)電機(jī)橋10的半 導(dǎo)體功率轉(zhuǎn)換器件的發(fā)射口令Eabc，從而獲得期望的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。在電網(wǎng)故障或電網(wǎng)暫態(tài)期間，由功能模塊28施加給電流參考信號Iq*_ref的緩變率限值不允許發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)階梯的變化，反而根據(jù)上面提到的公式EQl導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩以一固定速率下降(即緩降)?？梢栽跈z測到電網(wǎng)故障的同時(shí)，或者在一預(yù)定的時(shí)間延遲后施加該緩變率限值，在該時(shí)間延遲期間，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩被保持發(fā)生電網(wǎng)故障前夕的同樣的轉(zhuǎn)矩上。所述緩變率限值的重要性可以通過考慮沒有設(shè)置該些限值的情況而看出。在電網(wǎng)故障或功率轉(zhuǎn)換故障之前，發(fā)電機(jī)4就會通過發(fā)電機(jī)橋10向直流母線12輸出電力。為平衡直流路線電壓，電力通過供電網(wǎng)絡(luò)橋14輸出至供電網(wǎng)絡(luò)。所述發(fā)電機(jī)橋10或供電網(wǎng)絡(luò)橋14都可能有責(zé)任將直流路線電壓維持在該期望的水平。在電網(wǎng)故障或功率轉(zhuǎn)換故障期間，可向供電網(wǎng)絡(luò)輸出的電力將會下降，并引起直流路線電壓的增加。如果發(fā)電機(jī)橋10有責(zé)任控制直流路線電壓，則該發(fā)電機(jī)橋控制器20就會迅速降低轉(zhuǎn)矩軸電流參考信號Iq*_ref,以減少直流路線電壓?；蛘?，發(fā)電機(jī)橋的轉(zhuǎn)矩參考信號會通過一個(gè)由供電網(wǎng)絡(luò)橋控制器22提供的前饋信號迅速下降。無論采用哪種方法，轉(zhuǎn)矩軸電流參考信號Iq*_ref都會因此經(jīng)歷一個(gè)接近圖2A中的圖表(C)中所示的階梯的變化的轉(zhuǎn)矩變化。在本發(fā)明中，所述緩變率限值被用來限制轉(zhuǎn)矩軸電流參考信號Iq*_ref下降的速率，并導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩根據(jù)上面提到的公式EQl以固定速率下降。雖然已進(jìn)行的詳細(xì)的說明都是針對電網(wǎng)故障的情況的，但輕易可知的是，在功率變換器出現(xiàn)故障時(shí)，也可將所述緩變率限值施加在轉(zhuǎn)矩軸電流參考信號Iq*_ref上。圖3中的控制示意圖僅用于解釋說明，且輕易可知的是，也可使用其它轉(zhuǎn)矩參考系統(tǒng)和/或轉(zhuǎn)矩軸電流參考控制系統(tǒng)來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。
10
權(quán)利要求
1.在一包括一發(fā)電機(jī)(4),和一具有固有周期Tn的轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)的風(fēng)輪機(jī)中，一種控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法包括在故障狀況期間根據(jù)下列公式隨著時(shí)間t以一基本恒定的速率降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的步驟 發(fā)電
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述風(fēng)輪機(jī)還包括一具有至少一個(gè)輪機(jī)葉片的輪機(jī)總成，所述方法還包括改變該至少一個(gè)輪機(jī)葉片的俯仰角，以在故障狀況期間最小化發(fā)電機(jī)速度峰值的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，一旦檢測到所述故障狀況，就改變所述至少一個(gè)輪機(jī)葉片的俯仰角。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括在故障狀況期間，在以一基本恒定的速率降低所述轉(zhuǎn)矩之前，使所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩在一段時(shí)間內(nèi)保持基本恒定的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，在所述至少一個(gè)輪機(jī)葉片的俯仰角被改變期間，令所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩保持基本恒定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，一旦檢測到所述故障狀況，所述轉(zhuǎn)矩就以一基本恒定的速率下降。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述風(fēng)輪機(jī)還包括一個(gè)由一個(gè)發(fā)電機(jī)橋控制器(20)控制的發(fā)電機(jī)橋(10)，所述方法還包括通過將緩變率限值施加于被所述發(fā)電機(jī)橋控制器(20)使用的一轉(zhuǎn)矩參考值和/或一轉(zhuǎn)矩軸電流參考值(Iq*_ref)上，而以一基本恒定的速率降低所述轉(zhuǎn)矩的步驟。
8.一種風(fēng)輪機(jī)，其包括 發(fā)電機(jī)(4)； 具有固有周期Tn的轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)包括一具有至少一個(gè)輪機(jī)葉片的輪機(jī)總成，一發(fā)電機(jī)()的一轉(zhuǎn)子總成以及任何相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動軸；以及， 功率變換器； 其中，所述功率變換器受控在故障狀況期間根據(jù)下列公式隨著時(shí)間t以一基本恒定的速率使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩=+ C
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)輪機(jī)，其中，所述輪機(jī)總成還包括一受控改變該至少一個(gè)輪機(jī)葉片的俯仰角的俯仰角執(zhí)行器，以在故障狀況期間使得發(fā)電機(jī)速度的峰值最小化。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的風(fēng)輪機(jī)，其中，所述功率變換器包括一被發(fā)電機(jī)橋控制器(20 )控制的，通過將緩變率限值施加于被所述發(fā)電機(jī)橋控制器(20 )使用的一轉(zhuǎn)矩參考值和/或一轉(zhuǎn)矩軸電流參考值上，以在故障狀況期間使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩以一基本恒定的速率下降的發(fā)電機(jī)橋(10)。
全文摘要
風(fēng)輪機(jī)通常包括一個(gè)發(fā)電機(jī)和一個(gè)具有固有周期的轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)。本發(fā)明涉及一種用于最小化發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度的振蕩的控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法。在發(fā)生電網(wǎng)故障或電網(wǎng)暫態(tài)，或功率變換器發(fā)生故障時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩如圖表(c)所示地，隨著時(shí)間以一基本恒定的速率下降。所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降的速率與發(fā)電機(jī)的標(biāo)稱額定轉(zhuǎn)矩成比例，并與所述轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)的固有周期的整數(shù)倍成反比。
文檔編號F03D7/04GK102985685SQ201180033377
公開日2013年3月20日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者班納姆-霍爾·多米尼克·大衛(wèi), 泰勒·加雷斯·安東尼, 史密斯·克里斯多夫·艾倫 申請人:通用電氣能源轉(zhuǎn)換技術(shù)有限公司