CN102545254B - 控制风力涡轮机电子装置的方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及控制风力涡轮机电子装置的方法和***。具体地，提供了一种控制风力涡轮机（100）电子装置（117、121、123）的方法，所述方法包括：接收与所述电子装置电连接的公共电网（115）的状态信号（f）；以及基于所述状态信号控制所述电子装置的操作。此外，提供了控制风力涡轮机电子装置的***和风力涡轮机。
Description
技术领域
本发明涉及控制风力涡轮机电子装置的方法和***，以及包括这种控制电子装置的***的风力涡轮机。具体地，本发明涉及控制风力涡轮机电子装置的方法和***，其中，所述电子装置消耗来自公共电网的能量或将能量传输给公共电网或消耗来自风力发电站的功率。
背景技术
在常规的功率发生设备中，大量的风力涡轮机可以将电能传输到公共电网。商业和/或个人用户可以消耗从公共电网获得的能量。从而，用户的能量需求或功率需求会随时间变化。
具体地，在用户的能量需求变化大时，用户的能量需求或功率需求可能会与从功率发生器（具体是一个或多个风力涡轮机）传输到公共电网的能量不匹配。在此情形中，在常规的风力涡轮机中，为了改善从风力涡轮机传输到公共电网的能量总量和用户对公共电网的能量需求之间的平衡，可以在短时间内增加风力涡轮机的功率输出或能量输出（尤其是风力涡轮机的转换器的功率输出）。具体地，当用户的能量需求大于从功率发生器（具体是一个或多个风力涡轮机）传输到公共电网的能量时，电网的频率可以下降。反之，如果从功率发生器（具体是一个或多个风力涡轮机）传输到公共电网的能量大于被用户消耗的能量，则公共电网的频率可以上升。
当风力涡轮机的转换器的输出在短时间内增加以使公共电网的频率（诸如欧洲的50Hz或美国的60Hz）恢复时，更多的动能从风力涡轮机的转子中被取出，导致转子的转速降低。由此会降低风力涡轮机的效率。因此，风力涡轮机的转换器的输出增加之后是可以输出较低产能的恢复时间。
US 2007/0120369公开了用于公共设施和风力涡轮机控制的***和方法，其中，该风力涡轮机***包括控制器，该控制器含有风力涡轮发电机的内部参照框架，该风力涡轮发电机与转换器联结并且被配置响应该公用设施***相对于内部参照框架的频率扰动或功率波动通过转换器调制功率流。为了在低频率状况期间暂时提升输出，风力涡轮机的转换器将必须暂时超载。这不仅会增加转换器的负载，还会增加涡轮驱动机构上的负载。由此，可能会产生缺点。
可能会需要控制风力涡轮机的电子装置的方法和***，其中，可以保持或至少提高公共电网的稳定性。具体地，可能会需要控制风力涡轮机的电子装置的方法和***，该方法和***不需要使风力涡轮机在功率摆动期间超载，因此避免相应的缺点。
发明内容
此需求可以由根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的优选实施例由从属权利要求描述。
根据一个实施例，提供了一种控制风力涡轮机电子装置（其包括在风力涡轮机中，特别是在风力涡轮机内部或至少邻近风力涡轮机）的方法，其中所述方法包括接收（可以包括供应、访问、捕获、测量、判断和/或推断）与所述电子装置电连接（具体是能够使得或促进功率在两个相反的方向上流通）的公共电网（被设置用于向商业和/或个人用户供应电能）的状态信号（表示公共电网的状态的任何信号，具体是表示公共电网的电状态的信号，诸如关于电压、电流和/或频率）；以及基于该状态信号控制（诸如关闭、切断、激活和/或调节）电子装置的操作。具体地，对电子装置的操作的控制可以取决于状态信号。具体地，根据一个实施例，在控制电子装置的操作时，风力涡轮机可以空转并且可以不向公共电网供应电能。
具体地，在控制电子装置的操作期间，可以避免使风力涡轮机的转换器过载，因此避免危害风力涡轮机的操作。因此，以简单的方式提供惯性响应。具体地，风力涡轮机的转换器可以被设计为管理风力涡轮机的额定功率和内部消耗，以确保所测量的结果功率输出达到现有功率曲线的水平。可以短时间消除风力涡轮机的电子装置的至少一个（尤其是所有）非必要内部消耗，而不是在短暂状况期间使转换器超载。由此可以减少使转换器超载的需求，并且对涡轮机操作的影响有限，并且对风力涡轮机的预期寿命没有显著影响。由于任意给定的涡轮机可以在支持该功能方面能力有限，因此这种控制方法的整体效果可以是略微统计学的，但是统计上地，当大量风力涡轮机（诸如大于1000）设置有该控制功能时，该特征对电网的稳定性（具体是关于公共电网的频率）有积极的影响。
具体地，状态信号可以取决于供应到公共电网的能量或功率与从公共电网获取的能量或功率的比率。因此，状态信号可以取决于能量或功率的产出和消耗的比率。通过控制电子装置（或包括在风力涡轮机中的两个或多个电子装置）的操作，可以提高公共电网（具体是关于公共电网的频率）的稳定性。同时，风力涡轮机的诸如转换器的组件可以不超载。
根据一个实施例，控制电子装置的操作包括控制电子装置取自公共电网的功耗（这是电子装置在操作期间消耗的功率）或从电子装置传输到公共电网的功率（这可以是从诸如电池或储能器的电子装置供应到公用电网的功率）。具体地，如果状态信号表示从风力涡轮机或多个风力涡轮机供应到公用电网的能量或功率小于从公共电网传输到商业或个人用户的功率，则可以减少电子装置的功耗和/或可以增加电子装置传输到公共电网的功率。由此可以提高公共电网的稳定性。
根据一个实施例，控制电子装置的方法进一步包括向公共电网供应来自与风力涡轮机的转子机械连接的发电机的电功率。因此，风力涡轮机向转而与电子装置连接的公共电网传输电能。具体地，电子装置可以不内部地与风力涡轮机的发电机电连接，而是唯一地与公共电网电连接。由此，当风力涡轮机空转（不产生电能）时，也可以操作电子能量。因此，风力涡轮机的操作可以取决于风力涡轮机产生能量还是不产生能量。
根据一个实施例，控制电子装置的方法进一步包括将来自发电机的电功率转换为具有预定频率（诸如50Hz或60Hz）的功率信号。具体地，可以使用全控转换器来转换电功率，所述全控转换器能够控制从风力涡轮机的转子获取的能量。由此，可以促进由风力涡轮机产生的能量或功率的供应。具体地，输出的增加可以有助于恢复电网平衡，并因此可以使电网频率恢复到额定值。具体地，可以调节预定频率以匹配公共电网的（额定）频率。
根据一个实施例，在公共电网的状态信号改变时，从发电机供应到公共电网的电功率的量保持（至少近似）不变。具体地，此功能可以由其自身实施或与减少转子RPM（每分钟转数）的另一类功率助推器共同实施。但是对于联合实施的情形，仍可以减少转换器上的潜在负载并且与单独使用转换器调整的***相比可以减少恢复时间。由此，可以避免使发电机和/或风力涡轮机的转换器超载，以提高风力涡轮机的效率和/或预期寿命。
根据一个实施例，控制电子装置的方法进一步包括基于状态信号向公共电网供应来自风力涡轮机的能量缓冲器（诸如电池或蓄能器，尤其是不间断电源***）的电功率。具体地，当公共电网的频率落到临界值之下（表示用户的能量需求大于风力涡轮机或多个风力涡轮机的能量产出）时，额外的能量或功率可以从能量缓冲器供应到公共电网，从而至少近似地恢复公共电网的所需频率。
根据一个实施例，控制电子装置的方法进一步包括判断（具体包括测量、计算、推断、访问、接收和/或变压）公共电网的状态信号。具体地，可以利用测量***、（包含在现有涡轮机控制器中的）计算***和/或变压***来判断状态信号。具体地，可以在风力涡轮机中或在风力涡轮机的控制器中判断状态信号。
根据一个实施例，状态信号包括公共电网的频率（AC功率信号的频率）。具体地，公共电网的频率变化可以表示功率产出和功率消耗存在不平衡。功率产出和功率消耗的不平衡是不希望的并且可以根据实施例被减小。此外，由于许多用户装置需要具有预定频率的AC功率信号，因此公共电网的频率变化是不希望的。由此，通过测量公共电网的频率可以容易地判断公共电网与最佳电气条件的偏离。
根据一个实施例，控制电子装置的操作包括将公共电网的频率与参考值（诸如50Hz或60Hz）进行比较。
根据一个实施例，如果公共电网的频率小于参考值，则电子装置从公共电网的功率消耗减少。根据另一实施例，如果公共电网的频率小于参考值，则电子装置向公共电网传输的功率增加。由此，可以至少近似（直接或间接）恢复公共电网的预定频率。
根据一个实施例，如果公共电网的频率比参考值小了至少预定的临界值，则电子装置取自公共电网的功耗被切断。预定的临界值可以计为例如0.1Hz、0.5Hz、0.05Hz、0.01Hz或其它值。根据替换实施例，如果公共电网的频率小于参考值，则电子装置的功耗可以逐渐减小，并且公共电网的频率与参考值的偏离越大，则能量消耗的逐渐减小量增加。由此，可以提高公共电网（具体关于其频率）的稳定性。
根据一个实施例，提供了控制风力涡轮机电子装置的方法，其中，所述***包括可与公共电网电连接的电子装置（具体是包括在或邻近风力涡轮机的内部电子装置，该电子装置是被配置为服务于风力涡轮机的功能的装置）；以及适于接收公共电网的状态信号并且适于基于所接收的状态信号控制电子装置的操作的控制器。具体地，控制风力涡轮机电子装置的***可以不与控制大量风力涡轮机的中央控制***连接，而是可以独立于中央控制***。由此，功率生产工厂或风力农场的每个风力涡轮机都可以配备有相应的控制风力涡轮机电子装置的***（控制至少一个电子装置，尤其是所有电子装置）。
根据一个实施例，控制电子装置的***进一步包括用于测量状态信号的测量***。此外，控制电子装置的***可以包括用于推断、计算和/或测量状态信号的计算***、存储***、算术/逻辑***。此外，所述***可以包括用于测量状态信号的一个或多个传感器和/或检测装置。
根据一个实施例，电子装置包括以下至少一个：用于确定风力涡轮机相对于风向的定向的偏航电机、用于移动风力涡轮机的组件的液压构件、用于加热风力涡轮机的组件的加热器、用于冷却风力涡轮机的组件的冷却装置、循环冷却液体的泵、不间断电源***以及光源。这些类装置中的一些可以在无损于风力涡轮机操作的情况下暂时地降低功耗。
根据一个实施例，提供了一种风力涡轮机，其包括有控制风力涡轮机电子装置的***。
应该理解，（单独或结合地）公开、描述、说明或提及的关于控制风力涡轮机电子装置的方法的特征可以应用于控制风力涡轮机电子装置的***或应用于包括这种控制电子装置的***的风力涡轮机。
根据一个实施例，风力涡轮机***包括可操作地向公共***供应风能的风力涡轮机；布置为检测公共***中的频率变化的电网测量装置；以及用于根据电网测量装置所测量的频率变化增加或降低风力涡轮机中至少一个电子组件的功耗的控制器。具体地，如果频率跌落到某一临界值之下，则风力涡轮机中电子组件的功耗可以降低，或者被关掉。此外，具体地，如果频率升高到某一临界值之上，则风力涡轮机中电子组件的功耗可以增加或开启。
需要注意，已参照不同的主题描述了本发明的实施例。具体地，参照方法权利要求描述了一些实施例，而参照装置权利要求描述了另一些实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下的描述中推断出，除非有其它注明，除了属于一类主题的特征的任意结合外，涉及不同主题的特征之间（具体是方法权利要求的特征和装置权利要求特征之间）的任意结合也被认为被本文件公开。
现在参照附图描述本发明的实施例。上述定义的方面和本发明的其它方面从下文中将要描述的实施例的例子中是显而易见的并且参照实施例的例子被描述。在下文中，将参照实施例的例子更详细地描述本发明，但是本发明不限于所述实施例的例子。
附图说明
图1示意性地示出了根据一个实施例的风力涡轮机的一部分。
具体实施方式
图1示意性地示出根据一个实施例的风力涡轮机100以及与公共电网连接的垫变压器（pad transformer）。风力涡轮机100包括转子，所述转子包括与多个转子叶片107连接的转子轴105。转子轴与发电机109机械连接，发电机109通过转子轴105的转动产生电能。由发电机109产生的电能被供应到将可变频AC功率信号转换为DC功率信号的可变频AC-DC转换器111。DC功率信号被供应到将DC功率信号转换为具有预定额定功率（诸如50Hz或60Hz）的频率AC信号的频率AC-DC转换器113。AC功率信号被供应到公共电网115。公共电网或者风力涡轮机100包括用于将从转换器113输出的AC功率信号变压为具有预定电压（或者预定最大或最小电压）的AC功率信号的垫变压器103。
风力涡轮机100进一步包括用于控制风力涡轮机100的电子装置***101。***101包括若干风力涡轮机100的电子装置，诸如用于确定风力涡轮机100相对于风向119的定向的偏航构件117；用于移动风力涡轮机100的一个或多个组件的液压组件121；用于加热风力涡轮机100的组件的加热器123；用于冷却风力涡轮机100的组件的冷却装置125；用于在不能从公共***115获取电能的情况下提供电能的不间断电源***（UPS）127；以及用于照明风力涡轮机100的内部或者用于照明风力涡轮机100的外部或者用于照明风力涡轮机100的其它组件的光源129。
此外，用于控制风力涡轮机100的电子装置的***101包括适于测量公共电网115的频率的电网测量***131。此外，***101包括接收通过电网磁测量***131测量的公共电网的频率f的控制器133。控制器133将所测量的电网的频率f与至少一个参考值（诸如50Hz或60Hz）进行比较并判断电网频率与参考值的偏离。具体地，通过电网测量***131测量的频率代表表示公共电网115的电气特性或电气条件的公共电网的状态信号。基于通过电网测量***131测量或确定的状态信号，控制器133控制风力涡轮机100的至少一个电子装置117、121、123、125、125和/或129的操作。
具体地，如果公共电网115的频率低于参照频率或参考值，则控制器可以关闭电子装置117、121、123、125、125和/或129中的一个或多个或者可以至少降低它们的能耗。由此，公共电网的频率可以至少近似地被恢复为参照频率。此外，在此情形中，不间断电源***127可以向公共电网115传送电功率。
反之，如果电网测量***测量到电网频率高于参照频率，则控制器133可以启动电子装置117、121、123、125、125和/或129中的一个的操作或者可以至少增加它们的能耗，以便减小电网频率以及至少近似地恢复参照频率。
偏航构件117在疾风条件期间可以是重要的，使得涡轮机指向适当的风向。然而，在弱风条件期间，风力涡轮机的方位可以不那么重要（因此不需要偏航构件），并且如果公共电网115处于低水平，则通过推迟激活偏航构件几秒钟，对涡轮机输出的功率的影响不显著。推迟激活偏航构件的限制和特定条件可以取决于具体的用途和所需的性能。
风力涡轮机的组件（诸如制动***、偏航构件、节锥角或其它）的各种移动都可能需要液压组件121。然而，在某些条件下可以不需要这些移动中的一些，从而可以关掉液压组件或可以至少减少液压组件的能耗。
加热器123可以适于加热一个或多个轴承、轴承中的油、诸如面板的电子组件并且还可以适于加热发电机。对于风力涡轮机的大多数情形或运行条件，大多数加热器短时间不工作没有显著影响。在齿轮箱、控制器和发电机中的加热器可以代表一些消耗，但具有寒冷天气包装的涡轮机可以贡献很多。由此，加热器或至少加热器中的一些短时间不工作是可能的。
可以设置冷却装置125来冷却转换器111、113，冷却液压油，冷却面板，以及冷却其它电的或电子组件。对于大多数情形，短时间不进行大多数冷却没有显著的影响。
不间断电源***127在被完全充电时通过在低频期间不进行充电而对电网稳定性有积极贡献。它可以在以下这种情形中使用，即支持使涡轮机暂时输出略多的功率的控制元件的操作，而不是作为消耗组件。
一个或多个光源可以由电池和/或公共电网来供能。即使在风力涡轮机的所有部分中的灯的备用电池，暂时调暗灯光可能会导致控诉重大的工人安全性，因此，必须很仔细地考虑这里的任意步骤。但是与UPS相似，这些电池***可以对电网稳定性有小规模的贡献。单个电池的量似乎并不重要，但当涡轮机达到高穿透性时，这些电池的结合作用仍能提供少量的电网支持。
一个或多个泵126使冷却液体循环，以帮助冷却风力涡轮机的若干组件。
如上所述，涡轮机100适于执行控制风力涡轮机100的电子装置的方法。
应该注意，用语“包括”并不排除其它元件或步骤，表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个。此外，可以结合那些联系不同实施例描述的元件。还应该注意，权利要求中的附图标记不应被理解成限制权利要求的范围。
Claims (14)
1.一种控制风力涡轮机（100）电子装置（117、121、123、125、127、129）的方法，所述方法包括：
接收与所述电子装置电连接的公共电网（115）的状态信号（f）；以及
基于所述状态信号控制所述电子装置的操作；
其中，控制所述电子装置的操作包括控制所述电子装置取自所述公共电网的功耗；
其中，所述状态信号包括所述公共电网的频率；
其中，控制所述电子装置的操作包括将所述公共电网的频率与参考值进行对比；
其中，如果所述公共电网的频率比参考值小，则所述电子装置取自所述公共电网的功耗减小；
其中，所述电子装置取自所述公共电网的功耗逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
向所述公共电网供应来自与所述风力涡轮机的转子机械连接的发电机的电功率。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
将来自所述发电机的电功率转换为具有额定频率的功率信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，控制所述电子装置的操作包括控制所述电子装置向所述公共电网的功率传输。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：
向所述公共电网供应来自与所述风力涡轮机的转子机械连接的发电机的电功率。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：
将来自所述发电机的电功率转换为具有额定频率的功率信号。
7.根据权利要求2、3、5和6中任一项所述的方法，其中，在所述公共电网的状态信号变化时，从所述发电机向所述公共电网供应的电功率的量保持不变。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
基于所述状态信号向所述公共电网供应来自所述风力涡轮机的能量缓冲器的电功率。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
判断所述公共电网的状态信号。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述公共电网的频率比参考值小了至少预定的临界值，则所述电子装置取自所述公共电网的功耗被关闭。
11.一种控制风力涡轮机电子装置的***，所述***包括：
电子装置（117、121、123、125、127、129），其能够电连接到公共电网（115）；以及
控制器（133），适于接收所述公共电网的状态信号（f）并且适于基于所述状态信号控制所述电子装置的操作；
其中，控制所述电子装置的操作包括控制所述电子装置取自所述公共电网的功耗；
其中，所述状态信号包括所述公共电网的频率；
其中，控制所述电子装置的操作包括将所述公共电网的频率与参考值进行对比；
其中，如果所述公共电网的频率比参考值小，则所述电子装置取自所述公共电网的功耗减小；
其中，所述电子装置取自所述公共电网的功耗逐渐减小。
12.根据权利要求11所述的***，进一步包括：
测量***（131），用于测量所述状态信号。
13.根据权利要求11或12所述的***，其中，所述电子装置包括以下至少一个：用于确定所述风力涡轮机相对于风向的定向的偏航电机（17）；用于移动所述风力涡轮机的组件的液压构件（121）；用于加热所述风力涡轮机的组件的加热器（123）；用于冷却所述风力涡轮机的组件的冷却装置（125）；不间断电源***（127）；光源（129）；以及循环冷却液体的泵（126）。
14.一种风力涡轮机，其包括根据权利要求11至13之一所述的***。
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