CN108291525B - 电网故障后恢复期间风力涡轮机的控制 - Google Patents

电网故障后恢复期间风力涡轮机的控制 Download PDF

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Abstract

本发明的各实施方式涉及在电网故障后恢复时段期间风力涡轮机的控制。公开了在恢复时段间操作风力涡轮机以确定转子叶片的实际桨距角和实际风速，并基于确定转子叶片的期望桨距角以及桨距斜升率使得在恢复时段结束之前可以使实际桨距角与期望桨距角匹配。在各实施方式中，恢复模式中执行的步骤在恢复时段期间在各区间处重复。

Description

电网故障后恢复期间风力涡轮机的控制
技术领域
本发明涉及风力涡轮机的控制，并且具体地涉及在电网故障后恢复时段期间风力涡轮机的控制。
背景技术
公用电网公司制定了将风力涡轮机连接到公用电网的策略和要求。这些连接要求在所谓的电网代码中进行了描述。电网代码根据公用电网的地理位置而变化。
电网代码中讨论的主题之一是在公用电网出现故障时风力涡轮机的能力。一个要求可能是在电网故障期间风力涡轮机保持连接至公用电网并与之同步，至少对于某些类型的故障。
当风力涡轮机经受公用电网故障时，发电机转速几乎立即增加，这是由于无法转换为电力的过大空气动力功率。因此，在电网故障时段期间，空气动力功率必须大幅减小。在故障条件期间，涡轮机以故障模式来操作。
在公用电网恢复后，风力涡轮机需要从故障模式恢复并重启正常操作。
正是在这种背景下发明了这项发明。
发明内容
实现一种解决方案将是有利的，其中，在电网故障结束后，涡轮机以快速方式重启与电网代码要求相一致的正常操作。
因此，在第一方面中，提供了一种用于控制连接到公用电网的风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括转子叶片，所述方法包括：
检测公用电网的故障；
以故障模式控制一个或多个转子叶片；
检测公用电网的恢复；
在恢复时段期间，以恢复模式控制一个或多个转子叶片，其中，恢复模式包括：
确定每个转子叶片的实际桨距角；
确定实际风速；
根据实际风速确定每个转子叶片的期望桨距角；
确定每个转子叶片的桨距斜升(ramp)率，使得实际桨距角在恢复时段结束之前与期望桨距角匹配；以及
以所确定的桨距斜升率来斜升每个转子叶片的桨距角。
在故障时段结束后，涡轮机应重启正常操作。在本发明的各实施方式中，这可以在恢复时段的预定持续时间内获得，因为考虑了恢复时涡轮机的实际情况。以这种方式，可以确保，无论在故障事件之前或在故障时段结束时涡轮机的状态如何，桨距角都根据实际风速在恢复时段的预定的持续时间内达到期望桨距角。
在一个实施方式中，在恢复模式中执行的各步骤在恢复时段期间在各区间处重复，例如在每个涡轮机控制器的样本处。以这种方式，在整个恢复时段内，桨距斜升率适应于实际风速，并且确保在恢复时段的预定持续时间内恢复。
在另外的方面中，提供了一种控制***，该控制***被实现为执行第一方面的方法，以及包括该控制***的风力涡轮机。
此外，在又一方面中，提供了一种计算机程序制品，所述计算机程序制品包括配置为在数据处理***上被执行时控制风力涡轮机的软件代码，所述计算机程序制品被根据任何其他方面而实现。
该计算机程序制品可以被提供在计算机可读存储介质上，其包括指令，该指令引起数据处理***，例如以控制器的形式，当被加载到数据处理***上时执行指令。
总体上，本发明的各种方面可以在本发明的范围内以任何可能的方式组合和耦合。本发明的这些和其它方面、特征和/或优点将从参考下文描述的实施方式而变得明显并且借助其而被阐明。
附图说明
将参考附图仅以举例的方式描述本发明的各实施方式，其中：
图1示出了风力涡轮机的实施例；
图2示出了控制***的各元件的实施方式；
图3示出了各参数曲线的示意性实施例；和
图4示出了电网故障之前、期间和之后的桨距角设置的示意性实施例。
具体实施方式
图1以示意性透视图示出了风力涡轮机1的实施例。风力涡轮机1包括塔架2、设置在塔架顶点处的机舱3以及可操作地耦合到发电机的转子4，所述发电机容纳在机舱3内侧。除发电机外，机舱容纳将风能转换成电能所需的各种部件以及操作、控制和优化风力涡轮机1的性能所需的各种部件。风力涡轮机的转子4包括中央轮毂5和从中央轮毂5向外伸出的多个叶片6。在图示的实施方式中，转子4包括三个叶片6，但该数量可以变化。此外，风力涡轮机包括控制***。控制***可以放置在机舱内或者分布在涡轮机内侧(或外部)的多个位置并且可通信地连接。
图2示意性地示出了控制***20的各元件以及风力涡轮机的各元件的实施方式。风力涡轮机包括转子叶片21，所述转子叶片经由齿轮箱23机械地连接到发电机22。在直接驱动***和其他***中，齿轮箱可能不存在。由发电机22生成的电力经由电转换器25被注入公用电网24。发电机22可以是双馈感应发电机，但是可以使用其他发电机类型。
控制***20包括多个元件，包括具有处理器和存储器的至少一个控制器200，使得处理器能够基于存储在存储器中的指令执行计算任务。一般地，风力涡轮机控制器确保在操作中风力涡轮机生成被请求的功率输出水平。这是通过调节桨距角和/或转换器的功率提取而获得的。为此，控制***包括桨距***，该桨距***包括使用桨距参考28的桨距控制器27和包括使用功率参考26的功率控制器29的功率***。该风力涡轮机转子包括转子叶片，该转子叶片可以通过桨距机制而被桨距。转子可以包括同时调节所有转子叶片的所有桨距角的共同桨距***，除此之外还可以存在能够单独桨距转子叶片的单独桨距***。
图3显示了作为风速ws的函数的功率P、发电机速度ω和桨距角θ的示意图。
风力涡轮机的控制可以根据分为部分负载控制PLC和全负载控制FLC的控制方案来做到。在部分负载控制中，风速低于额定风速rws，并且风力涡轮机控制器可以将叶片的桨距调节至空气动力学优化桨距角30，一般在零度附近。
在部分负载控制期间，基于风速和旋转转子速度来确定特定桨距值θ，并且桨距控制器27根据该值调节叶片。同时，速度控制器将旋转速度与优化转子速度进行比较并相应地调节电功率29。一旦风力涡轮机达到其额定值rws，操作切换到全负载控制，此处叶片逐渐桨距31出风，以避免随着风速增加，发电机的超速和/或涡轮机的不安全操作。
图3显示了在所有转子叶片上设定的共同桨距角。除了这个桨距设置之外，一些涡轮机可能配备有单独桨距***，其使用桨距来补偿转子和主轴承上的不对称负载。这样的桨距信号叠加在公共桨距信号之上。
本发明的实施方式处理电网故障GF在第一风速处发生，并且其中，风力条件在故障期间或恢复时段期间已经改变的情况，使得恢复时段GR结束于参数曲线上的不同位置。
如图3和图4所示的实施方式中，当以部分负载操作来控制风力涡轮机(其中，风速低于对于风力涡轮机的额定风速)时发生电网故障。本发明的实施方式也可应用于全负载操作，然而在FLC中存在控制方案，其中，涡轮机不是以其中桨距角遵循给定曲线的方式被控制，而是可以控制涡轮机以保持转子速度恒定且功率在功率设定点，通过调节桨距角来实现此目的。在各实施方式中，所公开的控制方案因此可以仅用于部分负载操作，而用于电网恢复的替代控制方案用于全负载操作。
图4示出了电网故障之前、期间和之后的桨距角设置的示意性实施例。图4示出了在时间t1发生的电网故障的实施方式。电网故障的示例可以是所谓的低电压事件，其中，电网代码要求涡轮机保持连接到电网，只要该故障限制在给定的时间跨度，典型地低于数百毫秒。这有时被称为涡轮机应该能够提供低电压穿越(LVRT)的功能。该故障由示意性地示出作为时间t的函数的电网功率的曲线GP来举例说明，其中，电网功率在时间t1失去并且在时间t2恢复。电网代码可以明确给定的恢复时段40，在此之前涡轮机应该已经恢复正常操作，这里显示为在时间t3之前。
涡轮机的控制***可以被实现为检测公用电网的故障。这可以通过接收来自发电田控制器的信号或通过任何其他合适的手段来完成。在时间t1，发生电网故障并且以故障模式来控制涡轮机。在故障模式中，风力涡轮机保持连接，并且控制器旨在将转子速度保持在给定的超速阈以下。在电网电压下降的故障事件中，控制器不能再使用功率来控制速度，并且叶片将桨距出以避免超速，因此在故障模式中，转子叶片将从空气动力学优化桨距角移开。
图4示出了这种情况，通过示出作为时间的函数的优化桨距角41，被覆盖于实际桨距角42的示例，作为电网故障的结果。在时间t2，电网故障结束，检测公用电网的恢复。如上所述，在电网失去持续时间期间，实际桨距角42从优化桨距角41移开，因此在故障时段(t2)结束时桨距角不再处于空气动力学优化位置。
当在时间t2检测到电网已经恢复时，以恢复模式来控制涡轮机，该恢复模式旨在确保在恢复时段结束之前桨距角回到空气动力学优化桨距角。为此，在恢复时段内尽可能缓慢地将叶片调节回优化桨距曲线以避免不必要的涡轮机的各部件负载可能是有益的。
在各实施方式中，考虑恢复时的涡轮机的实际情况以确保在恢复时段的预定持续时间内根据实际风速达到期望桨距角。这通过确定转子叶片的实际桨距角、时间t2处的实际风速，以及根据实际风速的期望桨距角(即，空气动力学优化桨距角)而在恢复模式中获得。基于这些输入，确定桨距斜升率，使得实际桨距角在恢复时段结束之前与期望桨距角匹配，并且转子叶片的桨距角以所确定的桨距斜升率而斜升。
在各实施方式中，期望桨距角被设定为在实际风速处的优化桨距角。然而，期望桨距角可以以替代方式设定。例如，期望桨距角可以设定为恢复时段结束时的期望风速处的优化桨距角。
在恢复时段期间风速改变使得在恢复时段结束时风速处的空气动力学优化桨距角也改变的情况下，在恢复时段期间在各区间处重复恢复模式的步骤可能是有利的。这里在t23处示出单个的重复，然而应该理解的是，这可以在恢复时段期间重复多次，例如在每个样本处，在每个数量的样本处或其他合适的区间处。以这种方式，在恢复时段期间将配置桨距率斜升，使得恢复时段45结束时的桨距角与风速处的优化桨距角对齐。
因此，在一个实施方式中，恢复模式包括在一个或多个区间处，重复以确定每个转子叶片的实际桨距角，确定实际风速并根据实际风速确定每个转子叶片的期望桨距角，即根据实际或当前风速的空气动力学优化桨距角。基于这些输入，确定每个转子叶片的更新的桨距角斜升率，并且以更新的桨距角斜升率使每个转子叶片的桨距角斜升。
在实施方式中，空气动力学优化桨距角是风力涡轮机控制器可获得的预定值，例如，经由涡轮机中的存储器中的存储或经由连接到远程存储的电网。空气动力学优化桨距角可以以任何合适的方式存储，例如在查找表中。
在恢复时段期间，风力涡轮机控制器接收转发至桨距控制器27的期望桨距角，并通过使用功率反馈控制回路来控制输出功率。
在图4的实施例中，本公开涉及控制共同桨距角，在该实施例中，术语一个或多个桨距叶片指的是所有叶片。在使用单独桨距来控制转子负载的各实施方式中，单独桨距致动可以作为叠加在公共桨距信号上的单独致动信号来操作。在各实施方式中，在恢复时段期间也可以关闭单独桨距功能。
如图3所示，不仅在电网故障期间优化桨距角可能会发生变化。在各实施方式中，涡轮机控制器可以布置成根据实际风速和输出功率的斜升率进一步确定风力涡轮机的期望输出功率，使得输出功率在恢复时段结束之前与期望输出功率期匹配。控制器可由此以所确定的斜升率来施加输出功率的斜升。
在各实施方式中，输出功率的斜升率和桨距斜升率被对齐，使得输出功率在桨距角达到期望桨距角的同时达到期望输出功率。
以类似的方式，也可以以类似的方式使另外的各参数斜升，诸如在故障和/或恢复时段期间改变的转子速度或其它各参数。
虽然已经结合具体实施方式描述了本发明，但不应将其解释为以任何方式限于所给出的实施例。本发明可以通过任何合适的手段来实现；并且根据所附权利要求书来解释本发明的范围。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。

Claims (10)

1.一种用于控制连接到公用电网的风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括转子叶片，所述方法包括：
检测公用电网的故障；
以故障模式控制一个或多个转子叶片；
检测公用电网的恢复；
在恢复时段期间，以恢复模式控制一个或多个转子叶片，其中，所述恢复模式包括：
确定每个转子叶片的实际桨距角；
确定实际风速；
根据实际风速确定每个转子叶片的期望桨距角；
确定每个转子叶片的桨距斜升率，使得实际桨距角在恢复时段结束之前与期望桨距角匹配；以及
以所确定的桨距斜升率来斜升每个转子叶片的桨距角；
其中，所述方法还包括：根据实际风速确定风力涡轮机的期望输出功率；
确定输出功率的斜升率，使得输出功率在恢复时段结束之前与期望输出功率匹配，
以所确定的斜升率来斜升输出功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述恢复时段期间在各区间处重复在所述恢复模式中执行的各步骤。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机在所述电网故障期间保持连接到所述公用电网。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述期望桨距角是预定的空气动力学优化桨距角。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，在所述恢复时段期间通过使用功率反馈控制回路来控制所述风力涡轮机。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，以部分负载操作来控制所述风力涡轮机，其中，所述风速低于对于所述风力涡轮机的额定风速。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输出功率的斜升率和所述桨距斜升率对齐，使得在所述桨距角达到所述期望桨距角的同时所述输出功率达到所述期望输出功率。
8.一种用于风力涡轮机的控制***，所述控制***包括至少一个处理器，其用于：
检测公用电网的故障；
以故障模式控制一个或多个转子叶片；
检测公用电网的恢复；
在恢复时段期间，以恢复模式控制一个或多个转子叶片，其中，所述控制***还包括用于以恢复模式操作所述涡轮机的至少一个处理器，其包括：
确定每个转子叶片的实际桨距角；
确定实际风速；
根据实际风速确定每个转子叶片的期望桨距角；
确定每个转子叶片的桨距斜升率，使得实际桨距角在恢复时段结束之前与期望桨距角匹配；以及
以所确定的桨距斜升率来斜升每个转子叶片的桨距角；
其中，所述处理器进一步布置成：
根据实际风速确定风力涡轮机的期望输出功率；
确定输出功率的斜升率，使得输出功率在恢复时段结束之前与期望输出功率匹配，
以所确定的斜升率来斜升输出功率。
9.一种风力涡轮机，其包括：根据权利要求8所述的控制***。
10.一种包括配置为在数据处理***上被执行时控制风力涡轮机的软件代码的计算机程序制品，所述计算机程序制品配置为根据权利要求1-7中的任一项控制风力涡轮机。
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