切換電構造時的風力渦輪機的速度管理的制作方法
【技術領域】
[0001] 在本公開內容中所提出的實施例總體上涉及切換發電機構造，并且更具體而言， 涉及當在發電機構造之間進行切換時保持大體上恒定的轉子速度。
【背景技術】
[0002] 與一些形式的發電系統不同，風力發電系統依賴于用于發電的不同的環境條件。 具體而言，由渦輪機產生的功率可以根據風場中的風速而變化。風力渦輪機可以根據風速 以不同效率產生功率。如本文中所使用的，渦輪機的效率是渦輪機將風能轉化成電能的能 力的測度。例如，如果渦輪機被配置為以大約10米/秒的風速進行最佳操作，但是當前風速 為大約5米/秒，那么渦輪機可能以降低的效率產生功率。因此，風力渦輪機設計中的大量工 作致力于設計出能夠在不同環境條件下有效率地發電的風力渦輪機。
【發明內容】
[0003] 本公開內容的一個實施例包括用于風力渦輪機的控制器和用于控制風力渦輪機 的方法。所述控制器和所述方法包括：當以切換前轉子速度進行操作時，在確定在電構造之 間切換時，減小由風力渦輪機中的發電機產生的輸出功率。在減小輸出功率的同時，所述控 制器和所述方法調節與風力渦輪機的轉子相關聯的參數，從而使轉子的速度保持在切換前 轉子速度和期望的切換后轉子速度的至少其中之一或高于切換前轉子速度和期望的切換 后轉子速度的至少其中之一。在確定輸出功率達到預定義功率值時，所述控制器和所述方 法在與發電機相關聯的第一電構造到第二電構造之間進行切換。在切換到第二電構造之 后，所述控制器和所述方法增大由風力渦輪機中的發電機產生的輸出功率。此外，在增大輸 出功率的同時，所述方法和所述控制器調節與轉子相關聯的參數，從而使轉子的速度保持 在切換前轉子速度和期望的切換后轉子速度的至少其中之一或高于切換前轉子速度和期 望的切換后轉子速度的至少其中之一。
[0004] 本文中所提出的另一個實施例是包括發電機、耦合到發電機的轉子、和控制器的 風力渦輪機。控制器被配置為：當以切換前轉子速度進行操作時，在確定在電構造之間切換 時，減小由發電機產生的輸出功率，并且在減小輸出功率的同時，調節與轉子相關聯的參 數，從而使轉子的速度保持在切換前轉子速度和期望的切換后轉子速度的至少其中之一或 高于切換前轉子速度和期望的切換后轉子速度的至少其中之一。在確定輸出功率達到預定 義功率值時，控制器被配置為在與發電機相關聯的第一電構造到第二電構造之間進行切 換。在切換到第二電構造之后，控制器還被配置為增大由發電機產生的輸出功率，并且在增 大輸出功率的同時，調節與轉子相關聯的參數，從而使轉子的速度保持在切換前轉子速度 和期望的切換后轉子速度的至少其中之一或高于切換前轉子速度和期望的切換后轉子速 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明的實施例的更加具體的描述， 從而能夠詳細地理解得到以上列舉的方面的方式。
[0006] 然而，要指出的是，附圖僅示出了本發明的典型實施例，并且因此不應認為附圖限 制了本發明的范圍，因為本發明可以允許其它等效實施例。
[0007] 圖1示出了根據本文中所描述的一個實施例的風力渦輪機的圖解視圖。
[0008] 圖2A-2C是根據本文中所提出的實施例的用于發電的發電機構造。
[0009] 圖3是根據本文中所提出的一個實施例的用于在發電機構造之間進行切換的渦輪 機系統。
[0010] 圖4A-4B是根據本文中所提出的實施例的示出當在發電機構造之間進行切換時的 功率和轉子速度的圖表。
[0011] 圖5示出了根據本文中所提出的一個實施例的在星形構造和三角形構造之間進行 切換的示意圖。
[0012] 圖6示出了根據本文中所提出的一個實施例的具有用于在星形構造與三角形構造 之間進行切換的多個閾值的示意圖。
[0013] 圖7是根據本文中所提出的一個實施例的用于調節渦輪機在發電機構造之間進行 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記以指示附圖所共有的相同的 要素。可以設想的是，在沒有具體的敘述的情況下，在一個實施例中所公開的要素可以有利 地用于其它實施例。
【具體實施方式】
[0015] 為了以不同的風速有效率地運行風力渦輪機，風力渦輪機可以在兩種或者更多種 不同的電構造之間進行切換。在一個實施例中，渦輪機可以包括將發電機重新配置成星形 構造或者三角形構造的繼電器。這兩種電構造可以根據風速提供不同的效率。在低速情況 下，星形構造可以比三角形構造更有效率，但是一旦風速提高以使得發電機的輸出功率超 過星形功率限制閾值，風力渦輪機可能就不得不降級（de-rate)。相比之下，三角形構造可 以允許發電機產生超過星形功率限制閾值的功率，但是在產生較低功率時（即，在風速降低 時），發電機可能遭受效率低下。
[0016] 在一個實施例中，渦輪機被配置為基于當前風力條件或發電機正在產生的功率量 來使發電機在兩種不同的電構造之間進行切換，例如從星形到三角形或者從三角形到星 形。在切換之前，可以將由發電機輸出的功率驅動為零。然而，這樣做將從傳動系統中去除 負載，如果不考慮這種情況將導致轉子速度提高。在一個實施例中，可以控制轉子速度以使 得所述速度隨著發電機功率斜降至零而下降至預定義的連接速度。然而，改變轉子的速度 改變了轉子對渦輪機施加的力。因此，渦輪機可以使用例如槳葉槳距或者制動器來控制轉 子速度，從而使轉子速度在整個切換過程中保持近似恒定。在一個實施例中，可以將轉子速 度保持在或高于緊接在發電機功率斜降之前的轉子速度（即，切換前轉子速度）、或者在發 生切換并且發電機輸出功率斜升之后的期望的轉子速度（即，切換后轉子速度）。當在電構 造之間進行切換的同時將轉子速度保持在切換前或者切換后轉子速度或高于切換前或者 切換后轉子速度可以緩解渦輪機塔架所經歷的轉矩變化，并且可以降低發生結構故障的可 能性。
[0017] 因為電構造之間的切換可能使渦輪機疲勞，所以風力渦輪機還可以利用用于確定 何時在電構造之間進行切換的不同標準來建立多個閾值。例如，在從三角形切換到星形時， 渦輪機可以等待直到發電機輸出功率下降到200kW以下持續六十秒。然而，風場可能經歷使 發電機長時間輸出300kW的穩定且恒定的風。與渦輪機處于星形構造下相比，在這一時間段 內停留在三角形構造將使該渦輪機的效率較低。相反，渦輪機可以使用多個閾值，在這些閾 值中，時間和功率標準提高。例如，如果功率輸出低于200kW持續五分鐘或者輸出功率低于 300kW持續一小時，那么風力渦輪機可以切換構造。以這種方式，所述多個閾值可以獲得以 上提及的渦輪機可以受益于切換電構造的場景。然而，通過提高時間約束，如果發電機輸出 的變化很短暫，并且渦輪機不得不切換回先前的電構造，那么渦輪機可能無意中限制了切 換。
[0018] 在一個實施例中，風力渦輪機可以追蹤由渦輪機執行的電構造切換的次數。因為 這些切換使渦輪機疲勞，所以控制器可以更新用于確定何時在電構造之間進行切換的標準 以降低切換速率，并且從而降低渦輪機的疲勞。例如，如果渦輪機超過了其切換預算，那么 控制器可以增大與閾值相關聯的時間或者使渦輪機保持在僅一種電構造下，直到總切換次 數在切換預算之內。降低渦輪機的切換速率可以防止渦輪機塔架過早老化，這可以降低不 期望的維護成本的可能性。
[0019] 現在將更加詳細地解釋本發明。盡管本發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施例。然而，應當理解，本發明并不是要局限于所公開 的特定形式。相反，本發明是要涵蓋落在所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍內的 所有修改、等價物和替代物。
[0020] 圖1示出了水平軸風力渦輪發電機100的圖解視圖。風力渦輪發電機100通常包括 塔架102和位于塔架102頂部的風力渦輪機艙104。可以通過延伸到機艙104外的低速軸將風 力渦輪機轉子106與機艙104連接。風力渦輪機轉子106包括安裝在公共輪轂110上的三個轉 子槳葉108,但是可以包括任何適當數量的槳葉，例如：一個、兩個、四個、五個或更多的槳 葉。槳葉1〇8(或者風板)通常具有空氣動力外形，該空氣動力外形具有用于迎風的前緣112、 處于槳葉108的弦桿的相對端的后緣114、頂端116、以及以任何適當方式附接到輪轂110的 根部118。
[0021] 對于一些實施例而言，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，以調節槳葉的槳距。可以通過例如連接在輪轂110與槳葉 108之間的線性致動器或步進電動機來控制槳葉108的槳距角。槳葉槳距控制常見于現代化 風力渦輪機并且用于其它系統中，以使在額定風速以下產生的功率最大化并且降低在額定 風速以上所產生的功率，以防止對例如發電機和齒輪箱的渦輪機部件的過度加載。
[0022] 圖2A-2C是根據本文中所提出的實施例的用于發電的發電機構造。具體而言，圖2A