風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法與流程

本發(fā)明大體涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及用于控制該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的方法。

背景技術(shù)：

隨著全球能源資源的日益短缺及環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻，清潔可再生能源，特別是風(fēng)能已經(jīng)得到快速發(fā)展。風(fēng)力渦輪機在該方面?zhèn)涫荜P(guān)注。

已知風(fēng)力渦輪機的運行與風(fēng)速有關(guān)。例如，風(fēng)力渦輪機具有用于確定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行狀態(tài)的預(yù)定的風(fēng)速閾值。其中一個這樣的閾值為切入風(fēng)速，其被定義為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)開始發(fā)電的風(fēng)速。另一個閾值為切出風(fēng)速，其被定義為風(fēng)力渦輪機能夠運行而傳遞電力的最高風(fēng)速。通常，在風(fēng)速高于切出風(fēng)速時，將停止發(fā)電。

基于國際電工技術(shù)委員會(International Electro-technical Commission，IEC)標(biāo)準(zhǔn)，將風(fēng)區(qū)劃分為四類：一類風(fēng)區(qū)(在該風(fēng)區(qū)的平均風(fēng)速在8.5米/秒到10米/秒的范圍內(nèi))、二類風(fēng)區(qū)(在該風(fēng)區(qū)的平均風(fēng)速在7.5米/秒到8.5米/秒的范圍內(nèi))、三類風(fēng)區(qū)(在該風(fēng)區(qū)的平均風(fēng)速在6.0米/秒到7.5米/秒的范圍內(nèi))、以及四類風(fēng)區(qū)(在該風(fēng)區(qū)的平均風(fēng)速低于6.0米/秒)。在過去，大部分的技術(shù)開發(fā)都集中在中高速風(fēng)區(qū)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，有必要提供用于控制能夠運行在低風(fēng)區(qū)時的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的一個方面在于提供一種用于控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的方法。所述風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生機械能的風(fēng)力渦輪機、用于將所述機械能轉(zhuǎn)換成電能的雙饋感應(yīng)發(fā)電機、以及用于將所述電能轉(zhuǎn)換成期望的電能用于供應(yīng)至電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器。所述方法包括：當(dāng)來自所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子的測量到的轉(zhuǎn)速反饋值低于所述轉(zhuǎn)子的原始切入轉(zhuǎn)速時，確定出所述轉(zhuǎn)換器的直流母線電壓余量，其中，所述轉(zhuǎn)子的所述原始切入轉(zhuǎn)速包括用于從所述風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生電力的默認較低閾值速度；基于所述確定出的直流母線電壓余量來確定出所述轉(zhuǎn)換器的直流母線電壓設(shè)定值；以及基于所述確定出的直流母線電壓設(shè)定值來控制所述轉(zhuǎn)換器，從而降低所述轉(zhuǎn)子的切入轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明的另一個方面在于提供一種用于控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的方法。所述風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生機械能的風(fēng)力渦輪機、用于將所述機械能轉(zhuǎn)換成電能的雙饋感應(yīng)發(fā)電機、用于將所述電能轉(zhuǎn)換成期望的電能用于供應(yīng)至電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器、以及有載調(diào)壓變壓器，所述發(fā)電機的定子通過所述有載調(diào)壓變壓器連接到所述電網(wǎng)。所述方法包括：當(dāng)來自所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子的測量到的轉(zhuǎn)速反饋值低于所述轉(zhuǎn)子的原始切入轉(zhuǎn)速時，增加所述有載調(diào)壓變壓器的變壓比以降低來自所述電網(wǎng)的電網(wǎng)電壓，從而降低所述轉(zhuǎn)子的切入轉(zhuǎn)速。所述有載調(diào)壓變壓器的所述變壓比被定義為所述變壓器的原邊繞組與副邊繞組的變壓比。所述轉(zhuǎn)子的原始切入轉(zhuǎn)速包括用于從所述風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生電力的默認較低閾值速度。

本發(fā)明的又一個方面在于提供一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。所述風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生機械能的風(fēng)力渦輪機、用于將所述機械能轉(zhuǎn)換成電能的雙饋感應(yīng)發(fā)電機、用于將所述電能轉(zhuǎn)換成期望的電能用于供應(yīng)至電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器以及控制器。所述控制器用于當(dāng)來自所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子的測量到的轉(zhuǎn)速反饋值低于所述轉(zhuǎn)子的原始切入轉(zhuǎn)速時，確定出所述轉(zhuǎn)換器的直流母線電壓余量，基于所述確定出的直流母線電壓余量來確定出所述轉(zhuǎn)換器的直流母線電壓設(shè)定值，并且，基于所述確定出的直流母線電壓設(shè)定值來控制所述轉(zhuǎn)換器，從而降低所述轉(zhuǎn)子的切入轉(zhuǎn)速，其中，所述轉(zhuǎn)子的所述原始切入轉(zhuǎn)速包括用于從所述風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生電力的默認較低閾值速度。

附圖說明

當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面及優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中，相同的元件標(biāo)號在全部附圖中用于表示相同的部件，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式的示意性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；

圖2是圖1的示意性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的另一個示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式的示意性轉(zhuǎn)速計算模塊的示意圖；

圖4是圖1的示意性DFIG的等效電路；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式的渦輪控制單元和轉(zhuǎn)換器控制單元的示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個具體實施方式的渦輪控制單元和轉(zhuǎn)換器控制單元的示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式的示意性轉(zhuǎn)換器控制單元的示意圖；

圖8根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式的用于控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的示意性方法的流程圖；以及

圖9示出如何計算出圖1的DFIG的轉(zhuǎn)子的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速的步驟。

具體實施方式

為幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠確切地理解本發(fā)明所要求保護的主題，下面結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的具體實施方式。在以下對這些具體實施方式的詳細描述中，本說明書對一些公知的功能或構(gòu)造不做詳細描述以避免不必要的細節(jié)而影響到本發(fā)明的披露。

除非另作定義，本權(quán)利要求書和說明書中所使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權(quán)利要求書中所使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分。“一個”或者“一”等類似詞語并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個。“包括”或者“具有”等類似的詞語意指出現(xiàn)在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵蓋出現(xiàn)在“包括”或者“具有”后面列舉的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件?！斑B接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式的示意性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。如圖1所示，示意性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100可以包括風(fēng)力渦輪機1、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)、轉(zhuǎn)換器3及控制器4。風(fēng)力渦輪機1接收風(fēng)能并且產(chǎn)生機械能。在一些具體實施方式中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100還可以包括位于風(fēng)力渦輪機1與DFIG之間的變速箱5。變速箱5能夠?qū)C械能傳輸成更合適的機械力以驅(qū)動轉(zhuǎn)子軸20。

DFIG 2能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)換成電能，并包括轉(zhuǎn)子21和定子22。DFIG 2的轉(zhuǎn)子21可以連接到轉(zhuǎn)子軸20，并且能夠通過轉(zhuǎn)子軸20在機械力的作用下被旋轉(zhuǎn)。DFIG 2的定子22可以機械地連接到轉(zhuǎn)子21，并且可以通過變壓器7連接到電網(wǎng)6。

轉(zhuǎn)換器3用于將電能轉(zhuǎn)換成期望的電能用于供應(yīng)至電網(wǎng)6，并且可以包括轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器31、網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器32以及用于連接轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器31和網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器32的直流母線(DC Link)33。轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器31可以包括AC-DC轉(zhuǎn)換器，其用于將來自DFIG 2的轉(zhuǎn)子21的交流(Alternating Current，AC)電壓轉(zhuǎn)換成直流母線33上的直流(Direct Current，DC)母線電壓。直流母線33可以包括串聯(lián)或并聯(lián)連接的一個或多個電容，其用于將直流母線電壓維持在一定水平，因此，能夠管理從直流母線33至電網(wǎng)6的電能。網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器32可以包括DC-AC逆變器，其用于將直流母線33上的直流母線電壓轉(zhuǎn)換成具有合適的頻率、相位及幅值用于饋入到電網(wǎng)6的交流電壓。

變壓器7用于提供來自轉(zhuǎn)換器3的功率及來自DFIG 2的定子22的功率的電壓或電流變換，并且提供在轉(zhuǎn)換器3和電網(wǎng)6之間以及在DFIG 2和電網(wǎng)6之間的隔離。變壓器7用于將從網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器31及DFIG 2的定子22輸出的交流電壓幅值升高以匹配電網(wǎng)6。變壓器7可以包括連接到電網(wǎng)6的原邊繞組71和與定子22及網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器32連接的副邊繞組72。在一個可選的具體實施方式中，變壓器7可以為有載調(diào)壓變壓器。有載調(diào)壓變壓器7的變壓比被定義為原邊繞組71與副邊繞組72的變壓比，有載調(diào)壓變壓器7的變壓比可以被改變。

圖2示出圖1的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100的另一個示意圖。如圖2所示，控制器4可以包括渦輪控制單元41和轉(zhuǎn)換器控制單元42。渦輪控制單元41可以接收來自風(fēng)場被分配給風(fēng)力渦輪機1的無功功率命令Q_cmd。轉(zhuǎn)換器控制單元42可以接收來自DFIG 2的轉(zhuǎn)子21的測量到的轉(zhuǎn)速反饋值ω_fbk、測量到的轉(zhuǎn)子電壓反饋值V_{r_fbk}及來自電網(wǎng)6的電網(wǎng)電壓，例如定子線線電壓V_grid。轉(zhuǎn)換器控制單元42可以與渦輪控制單元41相通信，并且，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速反饋值ω_fbk、轉(zhuǎn)子電壓反饋值V_{r_fbk}及電網(wǎng)電壓V_grid傳遞給渦輪控制單元41。

參照圖1-2并結(jié)合圖3所示，控制器4可以包括轉(zhuǎn)速計算模塊8，轉(zhuǎn)速計算模塊8用于計算出DFIG 2的轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}。當(dāng)轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速反饋值ω_fbk達到轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}時，渦輪控制單元41可以給轉(zhuǎn)換器控制單元42發(fā)送運行請求信號S_E。而且，渦輪控制單元41可以根據(jù)轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速反饋值ω_fbk產(chǎn)生DFIG 2的扭矩命令T_cmd，并且將扭矩命令T_cmd和無功功率命令Q_cmd發(fā)送給轉(zhuǎn)換器控制單元42。

以下，將結(jié)合圖3詳細描述轉(zhuǎn)速計算模塊8是如何計算出轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}的。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式的示意性轉(zhuǎn)速計算模塊8的示意圖。示意性轉(zhuǎn)速計算模塊8可以包括第一DFIG模型81。第一DFIG模型81可以接收來自第一查找表821的DFIG 2的目標(biāo)有功功率P_target、無功功率命令Q_cmd、電網(wǎng)電壓V_grid及轉(zhuǎn)子21的計算出的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}。

第一查找表821可以接收轉(zhuǎn)子21的計算出的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}作為輸入，并且可以輸出目標(biāo)有功功率P_target。例如，在一個具體實施方式中，第一查找表821可以通過使用DFIG 2的扭矩與轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速的曲線及如下所示的公式來建立。

P_target＝ω_{cutin_dyn}T_target (1)

T_target代表DFIG 2的目標(biāo)扭矩，其可以根據(jù)轉(zhuǎn)子21的計算出的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}從DFIG 2的扭矩與轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速的曲線中獲得。

在第一DFIG模型81中，DFIG 2的目標(biāo)滑差率s_target可以根據(jù)以下的公式計算出：

在該公式中，ω₀代表轉(zhuǎn)子21的同步速。因此，可以獲得來自定子側(cè)的定子功率P_s，如下所示：

圖4示出DFIG 2的示意性等效電路。第一DFIG模型81可以包括在DFIG 2的等效電路中的一些函數(shù)公式。如圖4所示，這些函數(shù)公式可以表示為如下：

V_sy＝0 (5)

V_sx1＝V_sx-ω_oL₁I_sy (8)V_sy1＝0+ω_oL₁I_sx (9)V_mx＝V_sx1+R₁I_sx (10)V_my＝V_sy1+R₁I_sy (11)

I′_rx＝I_sx+I_mx (14)

I′_ry＝I_sy+I_my (15)V′_rx1＝V_mx-ω_oL₂I′_ry (16)V′_ry1＝V_my+ω_oL₂I′_rx (17)

V_sx和V_sy分別代表定子電壓幅值的x和y分量，I_sx和I_sy分別代表定子電流的x和y分量，V_sx1和V_sy1分別代表在等效電路的A₁點處的電壓幅值的x和y分量，L₁代表定子側(cè)的電感，V_mx和V_my分別代表在勵磁支路中的電壓幅值的x和y分量，R₁代表定子側(cè)的電阻，I_mx和I_my分別代表在勵磁支路中的電流的x和y分量，L_m代表勵磁支路中的電感，I′_rx和I′_ry分別代表轉(zhuǎn)子電流的x和y分量，V′_rx1和V′_ry1分別代表在等效電路的A₂點處的電壓幅值的x和y分量，V′_rx和V′_ry分別代表折算到定子側(cè)的電壓幅值的x和y分量，R₂代表轉(zhuǎn)子側(cè)的電阻，V_rx和V_ry分別代表轉(zhuǎn)子電壓幅值的x和y分量，N_SR代表定子22與轉(zhuǎn)子21的匝數(shù)比，以及V_{r_est}代表轉(zhuǎn)子電壓估算值。所有的這些x和y分量均在同一坐標(biāo)系下。

在以上的公式中，定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的電感L₁和L₂、定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的電阻R₁和R₂、轉(zhuǎn)子21的同步速ω₀、以及定子22與轉(zhuǎn)子21的匝數(shù)比N_SR均是已知的。因此，一旦DFIG 2的目標(biāo)有功功率P_target、無功功率命令Q_cmd、電網(wǎng)電壓V_grid及轉(zhuǎn)子21的計算出的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}饋入到第一DFIG模型81中，則第一DFIG模型81就可以根據(jù)以上的公式(4)-(22)計算出轉(zhuǎn)子電壓估算值V_{r_est}。

返回參照圖3，示意性轉(zhuǎn)速計算模塊8可以包括轉(zhuǎn)子電壓限幅器871。轉(zhuǎn)子電壓限幅器871可以將計算出的轉(zhuǎn)子電壓估算值V_{r_est}限制在轉(zhuǎn)子電壓最大值V_{r_max}與轉(zhuǎn)子電壓最小值V_{r_min}的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)子電壓最大值V_{r_max}與轉(zhuǎn)子電壓最小值V_{r_min}均為設(shè)定值。限制后的轉(zhuǎn)子電壓估算值V_{r_est1}然后能夠被送入到乘法器831。乘法器831可以將限制后的轉(zhuǎn)子電壓估算值V_{r_est1}乘以從而獲得在轉(zhuǎn)子側(cè)處的直流母線電壓估算值V_{rdc_est}，如下所示：

電網(wǎng)電壓V_grid可以發(fā)送到乘法器832。乘法器832可以將電網(wǎng)電壓V_grid乘以從而獲得在網(wǎng)側(cè)處的直流母線電壓估算值V_{ldc_est}，如下所示：

轉(zhuǎn)子側(cè)處的直流母線電壓估算值V_{rdc_est}和網(wǎng)側(cè)處的直流母線電壓估算值V_{ldc_est}可以被送入到大值選擇器(Max)84中。大值選擇器84可以從轉(zhuǎn)子側(cè)處的直流母線電壓估算值V_{rdc_est}和網(wǎng)側(cè)處的直流母線電壓估算值V_{ldc_est}選出大值。該大值與用于補償額外壓降的電壓增量V_add可以進一步被送入到加法器851。加法器851可以將該大值與電壓增量V_add相加總，從而獲得直流母線電壓需求值V_{dc_req}，如下所示：

V_{dc_req}＝max(V_{rdc_est},V_{ldc_est})+V_add (25)

轉(zhuǎn)速計算模塊8可以包括第二查找表822。第二查找表822可以包括例如三維(Three-Dimensional，3D)表格，該三維表格可以從試驗中獲得以保持足夠的安全余量。第二查找表822可以接收DFIG 2的目標(biāo)有功功率P_target作為輸入及接收無功功率命令Q_cdm作為額外的輸入，并且可以輸出目標(biāo)直流母線電壓最大值V_{tdc_max}。

直流母線電壓需求值V_{dc_req}和目標(biāo)直流母線電壓最大值V_{tdc_max}可以被送入到減法器852。減法器852可以從目標(biāo)直流母線電壓最大值V_{tdc_max}中減去直流母線電壓需求值V_{dc_req}，從而獲得直流母線電壓余量估算值V_{dc_marginest}。轉(zhuǎn)速計算模塊8可以包括比較器88和與比較器88連接的動態(tài)限制器872。比較器88可以將轉(zhuǎn)子電壓反饋值V_{r_fbk}與轉(zhuǎn)子電壓最大值V_{r_max}進行比較。當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓反饋值V_{r_fbk}大于等于轉(zhuǎn)子電壓最大值V_{r_max}時，比較器88的輸出為1。當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓反饋值V_{r_fbk}小于轉(zhuǎn)子電壓最大值V_{r_max}時，比較器88的輸出為0。如果比較器88的輸出為1，則動態(tài)限制器872的輸出可以被鉗制在0。如果比較器88的輸出為0，則動態(tài)限制器872可以將直流母線電壓余量估算值V_{dc_marginest}傳送給直流母線電壓余量調(diào)節(jié)器86。直流母線電壓余量調(diào)節(jié)器86可以包括例如，但不限于，I(Integral，積分)調(diào)節(jié)器或PI(Proportional-Integral，比例積分)調(diào)節(jié)器。直流母線電壓余量調(diào)節(jié)器86可以對直流母線電壓余量估算值V_{dc_marginest}進行調(diào)節(jié)，從而獲得轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速余量ω_marfin。轉(zhuǎn)速計算模塊8還可以包括限制器873，其用于將轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速余量ω_margin限制在上下限的范圍內(nèi)。

轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速余量ω_margin和轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutin0可以被送入到減法器853。轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutin0包括用于從風(fēng)力渦輪機1產(chǎn)生電力的默認較低閾值速度。減法器853可以從轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutin0中減去轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速余量ω_margin，從而在線獲得轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}。

參照圖5，在一個具體實施方式中，本發(fā)明的具體實施方式的轉(zhuǎn)速計算模塊8可以設(shè)置在渦輪控制單元41中。轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}可以在渦輪控制單元41中由轉(zhuǎn)速計算模塊8計算出之后，可以直接保存在渦輪控制單元41中。作為可選的實現(xiàn)方式，渦輪控制單元41還可以包括切入選擇模塊411。切入選擇模塊411可以接收轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}和轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutin0，并且可以根據(jù)用戶的需求從轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}和轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutin0中選擇一個作為轉(zhuǎn)子21的切入轉(zhuǎn)速ω_cutin。因此，本發(fā)明的具體實施方式的轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}可以作為一種增值服務(wù)被使用以供用戶選擇。當(dāng)然，在本發(fā)明的具體實施方式中，為了降低轉(zhuǎn)子21的切入轉(zhuǎn)速ω_cutin，渦輪控制單元41將會選擇轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}作為轉(zhuǎn)子21的切入轉(zhuǎn)速ω_cutin，因為轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}小于轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutin0。在轉(zhuǎn)速計算模塊8被包括在渦輪控制單元41中的具體實施方式中，在渦輪控制單元41和轉(zhuǎn)換器控制單元42之間的通信不需要新的數(shù)據(jù)。

參照圖6，在另一個具體實施方式中，本發(fā)明的具體實施方式的轉(zhuǎn)速計算模塊8也可以設(shè)置在轉(zhuǎn)換器控制單元42中。轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutim_dyn}可以在轉(zhuǎn)換器控制單元42中由轉(zhuǎn)速計算模塊8計算出之后，需要反饋回渦輪控制單元41中。因此，在這種情況下，需要增加從轉(zhuǎn)換器控制單元42到渦輪控制單元41的新的信號，即，轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutim_dyn}。

參照圖2并結(jié)合圖5-6，轉(zhuǎn)換器控制單元42可以遵循運行請求信號S_E、扭矩命令T_cmd及無功功率命令Q_cmd，并且可以確定出轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓余量V_{dc_margin}。然后，轉(zhuǎn)換器控制單元42可以基于確定出的直流母線電壓余量V_{dc_margin}進一步確定出轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓設(shè)定值V_{dc_setpoint}，并且基于確定出的直流母線電壓設(shè)定值V_{dc_setpoint}來控制轉(zhuǎn)換器3，從而能夠降低轉(zhuǎn)子21的切入轉(zhuǎn)速ω_cutin。

以下，將參照圖7詳細描述轉(zhuǎn)換器控制單元42是如何確定出轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓余量V_{dc_margin}和直流母線電壓設(shè)定值V_{dc_setpoint}的。

圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式的示意性轉(zhuǎn)換器控制單元42的示意圖。轉(zhuǎn)換器控制單元42可以包括乘法器421、第三查找表422及加法器4231。來自DFIG 2的轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速反饋值ω_fbk及來自渦輪控制單元41的扭矩命令T_cmd可以被送入到乘法器421中，從而獲得DFIG 2的輸出有功功率P_o，如下所示：

P_o＝ω_fbkT_cmd (26)

第三查找表422可以包括例如三維(Three-Dimensional，3D)表格，該三維表格可以從試驗中獲得以維持足夠的安全余量。第三查找表422可以接收DFIG 2的輸出有功功率P_o作為輸入及接收無功功率命令Q_cmd作為額外的輸入，并且可以輸出轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓余量V_{dc_margin}。

然后，轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓余量V_{dc_margin}和在轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutim0下的轉(zhuǎn)換器3的原始直流母線電壓最大值V_{dc_max0}可以被送入到加法器4231。加法器4231可以將轉(zhuǎn)換器3的確定出的直流母線電壓余量V_{dc_margin}增加到轉(zhuǎn)換器3的原始直流母線電壓最大值V_{dc_max0}中，從而產(chǎn)生增加后的直流母線電壓最大值V_{adc_max}。

繼續(xù)參照圖7，轉(zhuǎn)換器控制單元42可以包括第二DFIG模型424和第三DFIG模型425。第二DFIG模型424可以接收來自渦輪控制單元41的扭矩命令T_cmd，并且產(chǎn)生轉(zhuǎn)子有功電流命令I(lǐng)_xcmd。第三DFIG模型425可以接收無功功率命令Q_cmd，并且產(chǎn)生轉(zhuǎn)子無功電流命令I(lǐng)_ycmd。轉(zhuǎn)換器控制單元42還可以包括電流調(diào)節(jié)器426和調(diào)制器427。電流調(diào)節(jié)器426可以接收轉(zhuǎn)子有功電流命令I(lǐng)_xcmd、轉(zhuǎn)子無功電流命令I(lǐng)_ycmd、測量到的轉(zhuǎn)子有功電流反饋值I_xfbk及測量到的轉(zhuǎn)子無功電流反饋值I_yfbk，并且產(chǎn)生轉(zhuǎn)子有功電壓命令V_xcmd和轉(zhuǎn)子無功電壓命令V_ycmd。調(diào)制器427可以接收轉(zhuǎn)子有功電壓命令V_xcmd和轉(zhuǎn)子無功電壓命令V_ycmd，并且產(chǎn)生轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)制指數(shù)M_R及轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)信號S_{r_PWM}、S_{l_PWM}。轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)脈寬調(diào)制信號S_{r_PWM}、S_{l_PWM}可以分別被送入到轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器31和網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器32。

轉(zhuǎn)換器控制單元42還可以包括減法器4232、調(diào)制指數(shù)調(diào)節(jié)器428及限制器429。轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)制指數(shù)M_R和調(diào)制指數(shù)設(shè)定值M₀(例如0.98)可以被送入到減法器4232。減法器4232可以從轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)制指數(shù)M_R中減去調(diào)制指數(shù)設(shè)定值M₀，從而獲得相減后的轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)制指數(shù)M_R1。相減后的轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)制指數(shù)M_R1可以被送入到調(diào)制指數(shù)調(diào)節(jié)器428中。調(diào)制指數(shù)調(diào)節(jié)器428可以對相減后的轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)制指數(shù)M_R1進行調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生直流母線電壓參考值V_{dc_ref}。直流母線電壓參考值V_{dc_ref}和增加后的直流母線電壓最大值V_{adc_max}可以被送入到限制器429中，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓設(shè)定值V_{dc_setpoint}。產(chǎn)生的直流母線電壓設(shè)定值V_{dc_setpoint}可以被送入到轉(zhuǎn)換器控制單元42的網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器控制單元(未示出)中，用于控制轉(zhuǎn)換器3，從而能夠增加轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓。

通過增加轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓，本發(fā)明的具體實施方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100可以延伸轉(zhuǎn)換器3的電壓范圍，因此可以降低DFIG 2的轉(zhuǎn)子21的切入轉(zhuǎn)速ω_cutin以在低風(fēng)速工況下捕獲更多的風(fēng)能。這個切入延伸的好處不僅可以提前啟動風(fēng)力渦輪機1。實際上，年發(fā)電量(annual electricity production，AEP)的增加相對較小。而且，更重要的是，其可以降低在低風(fēng)速下由于高湍流所造成的風(fēng)力渦輪機1的停機與重新切入之間的死區(qū)。即，可以降低年發(fā)電量的損失。

在包括有載調(diào)壓變壓器7的具體實施方式中，本發(fā)明的具體實施方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100也可以通過改變有載調(diào)壓變壓器7的變壓比來降低DFIG 2的轉(zhuǎn)子21的切入轉(zhuǎn)速ω_cutim。

返回參照圖3，在本發(fā)明的具體實施方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100中，控制器4還可以包括使能模塊43、變壓比計算單元44及有載調(diào)壓(On-Load Tap-Changing，OLTC)控制單元45。轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓余量估算值V_{dc_marginest}可以被送入到使能模塊43中。當(dāng)直流母線電壓需求值V_{dc_req}接近目標(biāo)直流母線電壓最大值V_{tdc_max}時，即，當(dāng)直流母線電壓余量估算值V_{dc_marginest}小于預(yù)定值，例如10伏時，使能模塊43的輸出可以變?yōu)?。否則，使能模塊43的輸出可以被鉗制為0。變壓比計算單元44可以包括變壓比調(diào)節(jié)器441和限制器442。變壓比調(diào)節(jié)器441可以為PI或I調(diào)節(jié)器。當(dāng)使能模塊43的輸出為1時，變壓比計算單元44可以通過變壓比調(diào)節(jié)器441和限制器442的限制功能來計算出有載調(diào)壓變壓器7的目標(biāo)變壓比N_X。有載調(diào)壓變壓器7的目標(biāo)變壓比N_X可以被送入到OLTC控制單元45中，并且，OLTC控制單元45可以根據(jù)目標(biāo)變壓比N_X來控制有載調(diào)壓變壓器7。

在風(fēng)力渦輪機1啟動并且風(fēng)速增加之后，使能模塊43的輸出可以被鉗制為0，即，變壓比計算通道可以被禁用，OLTC控制單元45將恢復(fù)到其正常控制。

通過增加有載調(diào)壓變壓器7的變壓比，本發(fā)明的具體實施方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100可以降低電網(wǎng)電壓V_grid，因此也可以降低DFIG 2的轉(zhuǎn)子21的切入轉(zhuǎn)速ω_cutin以在低風(fēng)速工況下捕獲更多的風(fēng)能，并且能夠降低在低風(fēng)速下由于高湍流所造成的風(fēng)力渦輪機1的停機與重新切入之間的死區(qū)。

在本發(fā)明的另一個具體實施方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100中，變壓比改變的具體實施方式也可以與直流母線電壓設(shè)定值的具體實施方式相結(jié)合。在這種具體實施方式中，在OLTC控制單元45根據(jù)目標(biāo)變壓比N_X增加有載調(diào)壓變壓器7的變壓比之后，可以降低電網(wǎng)電壓V_grid?；诮档秃蟮碾娋W(wǎng)電壓通過使用上述方法可以再次確定出轉(zhuǎn)子21的新轉(zhuǎn)速余量，從而確定出轉(zhuǎn)子21的新動態(tài)切入轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)子21的新轉(zhuǎn)速反饋值達到轉(zhuǎn)子21的新動態(tài)切入轉(zhuǎn)速時，渦輪控制單元41將會給轉(zhuǎn)換器控制單元42發(fā)送運行請求信號，并且可以根據(jù)新轉(zhuǎn)速反饋值來產(chǎn)生DFIG 2的新扭矩命令。類似地，轉(zhuǎn)換器控制單元42可以基于轉(zhuǎn)子的新轉(zhuǎn)速反饋值和新扭矩命令來確定出新直流母線電壓余量，并且因此可以確定出轉(zhuǎn)換器3的新直流母線電壓設(shè)定值。因此，通過增加轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓和增加有載調(diào)壓變壓器7的變壓比，本發(fā)明的具體實施方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100可以降低DFIG 2的轉(zhuǎn)子21的切入轉(zhuǎn)速ω_cutin，從而能夠在低風(fēng)速狀況下捕獲更多的風(fēng)能，并且，可以降低年發(fā)電量的損失。

本發(fā)明的具體實施方式還提供了一種用于控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100的方法。圖8示出根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式的用于控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100的示意性方法的流程圖。

如圖8所示，在步驟B81中，例如可以通過使用傳感器來測量出來自DFIG2的轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速反饋值ω_fbk。

在步驟B82中，可以判定轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速反饋值ω_fbk是否低于轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutin0。當(dāng)轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速反饋值ω_fbk低于轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutin0時，則過程可以前進到步驟B83。否則，過程可以返回到步驟B81。

在步驟B83中，可以確定出轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓余量V_{dc_margin}。

首先可以計算出轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}。當(dāng)轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速反饋值ω_fbk達到轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}時，可以根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋值ω_fbk產(chǎn)生DFIG 2的扭矩命令T_cmd。然后，可以基于轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速反饋值ω_fbk及扭矩命令T_cmd來計算出DFIG 2的輸出有功功率P_o。例如通過使用DFIG 2的計算出的輸出有功功率P_o和無功功率命令Q_cmd從第三查找表422中可以確定出轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓余量V_{dc_margin}。

圖9示出如何計算出轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}的步驟。在圖9的步驟B91中，可以基于轉(zhuǎn)子21的計算出的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}、來自電網(wǎng)6的電網(wǎng)電壓V_grid、分配給風(fēng)力渦輪機1的無功功率命令Q_cmd、及使用轉(zhuǎn)子21的計算出的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}從第一查找表821中獲得的DFIG2的目標(biāo)有功功率P_target來計算出轉(zhuǎn)子電壓估算值V_{r_est}。

在步驟B92中，可以將計算出的轉(zhuǎn)子電壓估算值V_{r_est}限制在轉(zhuǎn)子電壓最大值V_{r_max}與轉(zhuǎn)子電壓最小值V_{r_min}的范圍內(nèi)。

在步驟B93中，可以基于限制后的轉(zhuǎn)子電壓估算值V_{r_est1}來計算出轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓需求值V_{dc_req}。

在步驟B94中，例如可以根據(jù)無功功率命令Q_cmd和目標(biāo)有功功率P_target從第二查找表822中確定出轉(zhuǎn)換器3的目標(biāo)直流母線電壓最大值V_{tdc_max}。

在步驟B95中，通過從目標(biāo)直流母線電壓最大值V_{tdc_max}中減去直流母線電壓需求值V_{dc_req}，可以獲得直流母線電壓余量估算值V_{dc_marginest}。

在步驟B96中，可以將轉(zhuǎn)子電壓反饋值V_{r_fbk}與轉(zhuǎn)子電壓最大值V_{r_max}進行比較。

在步驟B97中，可以確定出轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速余量ω_margin。

步驟B95中的直流母線電壓余量估算值V_{dc_marginest}和步驟B96中的比較結(jié)果可以被送入到動態(tài)限制器872。動態(tài)限制器872可以基于比較結(jié)果來限制直流母線電壓余量估算值V_{dc_marginest}。當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓反饋值V_{r_fbk}大于等于轉(zhuǎn)子電壓最大值V_{r_max}時，比較結(jié)果為1。當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓反饋值V_{r_fbk}小于轉(zhuǎn)子電壓最大值V_{r_max}時，比較結(jié)果為0。如果比較結(jié)果為1，則動態(tài)限制器872的輸出可以被鉗制在0。如果比較結(jié)果為0，則動態(tài)限制器872可以輸出直流母線電壓余量估算值V_{dc_marginest}。然后，基于動態(tài)限制器872的輸出來確定出轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速余量ω_margin。

在可選的步驟B98中，可以將轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速余量ω_margin限制在上下限的范圍內(nèi)。

在步驟B99中，可以從轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutin0中減去轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速余量ω_margin，從而獲得轉(zhuǎn)子21的動態(tài)切入轉(zhuǎn)速ω_{cutin_dyn}。

返回參照圖8，在步驟B84中，可以基于確定出的直流母線電壓余量V_{dc_margin}確定出轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓設(shè)定值V_{dc_setpoint}。確定出的直流母線電壓余量V_{dc_margin}可以被增加到在轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutin0下的轉(zhuǎn)換器3的原始直流母線電壓最大值V_{dc_max0}中，從而產(chǎn)生增加后的直流母線電壓最大值V_{adc_max}?？梢曰谠黾雍蟮闹绷髂妇€電壓最大值V_{adc_max}、轉(zhuǎn)子側(cè)調(diào)制指數(shù)M_R和調(diào)制指數(shù)設(shè)定值M₀來確定出轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓設(shè)定值V_{dc_setpoint}。

在步驟B85中，可以基于確定出的直流母線電壓設(shè)定值V_{dc_setpoint}來控制轉(zhuǎn)換器3，從而降低轉(zhuǎn)子21的切入轉(zhuǎn)速ω_cutin。

在本發(fā)明的具體實施方式的方法中，在變壓器7包括有載調(diào)壓變壓器的具體實施方式中，當(dāng)轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)速反饋值ω_fbk低于轉(zhuǎn)子21的原始切入轉(zhuǎn)速ω_cutin0時，過程可以替代地進入到步驟B86。

在步驟B86中，可以確定出有載調(diào)壓變壓器7的目標(biāo)變壓比N_X。

在步驟B87中，可以基于有載調(diào)壓變壓器7的目標(biāo)變壓比N_X來控制有載調(diào)壓變壓器7，從而降低轉(zhuǎn)子21的切入轉(zhuǎn)速ω_cutin。

在本發(fā)明的具體實施方式的方法中，改變變壓比也可以與確定直流母線電壓設(shè)定值相結(jié)合。在這種情況中，在步驟B87中增加有載調(diào)壓變壓器7的變壓比之后，過程可以繼續(xù)到步驟B83。在步驟B83中，可以基于降低后的電網(wǎng)電壓再次確定出轉(zhuǎn)子21的新轉(zhuǎn)速余量，從而確定出轉(zhuǎn)子21的新動態(tài)切入轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)子21的新轉(zhuǎn)速反饋值達到轉(zhuǎn)子21的新動態(tài)切入轉(zhuǎn)速時，可以根據(jù)新轉(zhuǎn)速反饋值來產(chǎn)生DFIG 2的新扭矩命令。因此，可以基于轉(zhuǎn)子21的新轉(zhuǎn)速反饋值和新扭矩命令來確定出轉(zhuǎn)換器3的新直流母線電壓余量。然后，在步驟B84中，可以確定出轉(zhuǎn)換器3的新直流母線電壓設(shè)定值。

本發(fā)明的具體實施方式的用于控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100的方法通過增加轉(zhuǎn)換器3的直流母線電壓可以延伸轉(zhuǎn)換器3的電壓范圍，和/或通過增加有載調(diào)壓變壓器7的變壓比可以降低電網(wǎng)電壓V_grid，因此，可以降低DFIG 2的轉(zhuǎn)子21的切入轉(zhuǎn)速ω_cutin，進而能夠在低風(fēng)速工況下捕獲更多的風(fēng)能，并且，可以降低在低風(fēng)速下由于高湍流所造成的風(fēng)力渦輪機1的停機與重新切入之間的死區(qū)。

盡管根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式的用于控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)100的方法的動作被示出為功能塊，但是，在圖8-9所示的各個功能塊的順序和各個功能塊之間的動作的分離并不意圖是限制性的。例如，可以以不同的順序來執(zhí)行各個功能塊，并且，與一個功能塊相關(guān)聯(lián)的動作可以與一個或者多個其它功能塊相結(jié)合或者可以被細分成多個功能塊。

雖然結(jié)合特定的具體實施方式對本發(fā)明進行了詳細說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到，權(quán)利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。