CN112443455A - 在低风速期间操作风力涡轮功率***的***和方法 - Google Patents

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D·R·萨吉
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Abstract

本发明涉及在低风速期间操作风力涡轮功率***的***和方法。一种用于操作向电网供应有功功率和无功功率的风力涡轮功率***的方法包括将风力涡轮功率***的发电机操作成高达第一速度极限。方法还包括监测风力涡轮功率***处的风速。当风速下降成低于预确定的阈值时，方法包括将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限。此外，方法包括以降低的速度极限操作发电机长达风速保持低于预确定的阈值的时间，以便优化风力涡轮功率***在低风速期间的叶尖速度比，由此增加风力涡轮功率***在低风速下的功率产量。

Description

在低风速期间操作风力涡轮功率***的***和方法
技术领域
本公开大体上涉及风力涡轮，并且更特别地涉及如下的***和方法：其用于在低风速期间操作风力涡轮功率***，以优化叶尖速度比(TSR)，由此提高年发电量(AEP)。
背景技术
大体上，在风力涡轮的操作期间，风撞击转子叶片，并且，叶片使风能变换成驱动低速轴的机械旋转转矩。低速轴驱动齿轮箱，齿轮箱随后逐步提高低速轴的低旋转速度，以便以提高的旋转速度驱动高速轴，其中，高速轴可旋转地驱动发电机转子。在许多常规的风力涡轮配置中，发电机电联接到双向功率转换器，双向功率转换器包括转子侧转换器(RSC)，转子侧转换器(RSC)经由调节的DC链路来联结到线路侧转换器(LSC)。RSC和LSC中的各个典型地包括成组的脉冲宽度调制的开关装置，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT模块)。LSC使DC链路上的DC功率转换成AC输出功率，AC输出功率与来自发电机定子的功率组合，以提供具有基本上维持于电网总线的频率(例如，50 HZ或60 HZ)的频率的多相功率。
上述***大体上被称为双馈感应发电机(DFIG)***，其操作原理包括：转子绕组经由滑环来连接到电网，并且，功率转换器控制转子电流和电压。对转子电压和电流的控制使发电机能够在风力涡轮速度变化(例如，转子频率可能不同于电网频率)时保持与电网频率同步。而且，来自DFIG***的无功功率的主要来源经由发电机来自RSC(发电机定子侧无功功率)并且来自LSC(发电机线路侧无功功率)。使用功率转换器(特别地，RSC)来控制转子电流/电压使得有可能独立于发电机的旋转速度而调整从RSC馈送到电网的无功功率(和有功功率)。另外，发电机能够输入或输出无功功率，这允许***在电网上的极端电压波动期间支持电网。
典型地，将在稳态和瞬态期间由风电场供应到电网的无功功率的量由电网操作者所规定的规范要求建立，其中，风电场控制器确定对风电场内的各个风力涡轮作出的无功功率需求。各个风力涡轮处的本地控制器接收无功功率需求，并且在发电机源之间(例如，在发电机侧无功功率与线路侧无功功率之间)分配无功功率需求。
大体上，DFIG的最小速度(即，切入速度)基于由RSC施加的电压极限而决定。降低或扩展涡轮的最小速度会增大DFIG的操作滑差，这要求RSC在更高的电压下操作。除了最小涡轮速度之外，来自DFIG的无功功率要求还影响到RSC的端子处的电压。此外，如所提到的，大部分电网规范要求在风力涡轮的整个操作(即，从切入速度到额定速度)期间的额定无功功率支持。以最小涡轮速度提供额定无功功率进一步迫使RSC在更高的电压下操作。
在低风速(例如，从大约3米/秒(m/s)至大约5 m/s)期间，风力涡轮应当以最小速度极限旋转。为了满足这一点，涡轮控制器命令DFIG以更高的TSR(超过最优值)操作。然而，以更高的TSR操作风力涡轮并非高效的，并且将造成能量浪费。
因而，如下的改进的***和方法在工业中将是合乎期望的：其用于在低风速期间操作风力涡轮功率***，以允许有较低或优化的TSR，由此提高AEP。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而为显然的，或可通过实践本发明而了解。
在一个方面，本公开涉及一种用于操作向电网供应有功功率和无功功率的风力涡轮功率***的方法。风力涡轮功率***包括联接到功率转换器的发电机。方法包括将风力涡轮功率***的发电机操作成高达第一速度极限。方法还包括监测风力涡轮功率***处的风速。当风速下降成低于预确定的阈值时，方法包括将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限。此外，方法包括以降低的速度极限操作发电机长达风速保持低于预确定的阈值的时间，以便优化风力涡轮功率***在低风速期间的叶尖速度比，由此增加风力涡轮功率***在低风速下的功率产量。换而言之，在低风速下，TSR典型地大于最优TSR；因此，降低发电机的速度极限使TSR减小至更接近最优值的TSR。
在一个实施例中，预确定的阈值可包括高达大约5米/秒(m/s)的风速。在另一实施例中，降低的速度极限可处于从第一速度极限的大约85%至大约95%的范围内。在另外的实施例中，将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限增大风力涡轮功率***在低风速期间的功率系数。
在额外的实施例中，将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限进一步包括将无功功率的至少部分转移到无功功率补偿装置。在这样的实施例中，功率转换器可包括例如线路侧转换器和转子侧转换器，无功功率补偿装置包括线路侧功率转换器、VAR箱或位于风力涡轮功率***的互连点处的工厂电平衡件(electrical balance ofplant)中的至少一个。
在若干实施例中，发电机可为双馈感应发电机(DFIG)。在另一实施例中，风力涡轮功率***可为位于向电网供应有功功率和无功功率的风电场内的多个风力涡轮功率***中的一个。在这样的实施例中，所有或多个风力涡轮功率***可连接到位于风电场内的公共汇集总线。
在另一方面，本公开涉及一种风力涡轮功率***，其配置成向电网供应有功功率和无功功率。风力涡轮功率***包括具有转子的风力涡轮。转子具有毂，毂具有联接到其的多个叶片。风力涡轮还包括联接到转子的发电机和联接到发电机的功率转换器。风力涡轮功率***进一步包括用于控制风力涡轮的操作的控制器。控制器包括配置成执行多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括但不限于：将风力涡轮的发电机操作成高达第一速度极限；监测风力涡轮处的风速；当风速下降成低于预确定的阈值时，将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限；以及以降低的速度极限操作发电机长达风速保持低于预确定的阈值的时间，以便优化风力涡轮在低风速期间的叶尖速度比，由此增加风力涡轮在低风速下的功率产量。
在又一方面，本公开涉及一种用于操作向电网供应有功功率和无功功率的风力涡轮功率***的方法。风力涡轮功率***包括联接到功率转换器的双馈感应发电机(DFIG)。方法包括监测风力涡轮功率***处的风速。当风速下降成低于预确定的阈值时，方法包括将DFIG的速度极限降低预确定的量。此外，方法包括维持降低的速度极限长达风速保持低于预确定的阈值的时间，以便减小风力涡轮功率***在低风速期间的叶尖速度比，由此增加风力涡轮功率***在低风速下的功率产量。
技术方案1. 一种用于操作向电网供应有功功率和无功功率的风力涡轮功率***的方法，所述风力涡轮功率***包括联接到功率转换器的发电机，所述方法包括：
将所述风力涡轮功率***的所述发电机操作成高达第一速度极限；
监测所述风力涡轮功率***处的风速；
当所述风速下降成低于预确定的阈值时，将所述发电机的所述第一速度极限降低至所述发电机的降低的速度极限；以及
以所述降低的速度极限操作所述发电机长达所述风速保持低于所述预确定的阈值的时间，以便优化所述风力涡轮功率***在低风速期间的叶尖速度比，由此增加所述风力涡轮功率***在低风速下的功率产量。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述预确定的阈值包括高达大约5米/秒(m/s)的风速。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述降低的速度极限处于从所述第一速度极限的大约85%至大约95%的范围内。
技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，将所述发电机的所述第一速度极限降低至所述发电机的所述降低的速度极限增大所述风力涡轮功率***在所述低风速期间的功率系数。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，将所述发电机的所述第一速度极限降低至所述发电机的所述降低的速度极限进一步包括将所述无功功率的至少部分转移到无功功率补偿装置。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其特征在于，所述功率转换器包括线路侧转换器和转子侧转换器，所述无功功率补偿装置包括所述线路侧功率转换器、VAR箱或位于所述风力涡轮功率***的互连点处的工厂电平衡件中的至少一个。
技术方案7. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述发电机包括双馈感应发电机(DFIG)，所述风力涡轮功率***是位于向所述电网供应所述有功功率和所述无功功率的风电场内的多个风力涡轮功率***中的一个。
技术方案8. 根据技术方案7所述的方法，其特征在于，所有或多个所述风力涡轮功率***连接到位于所述风电场内的公共汇集总线。
技术方案9. 一种风力涡轮功率***，其配置成向电网供应有功功率和无功功率，所述风力涡轮功率***包括：
风力涡轮，其包括：
转子，其包括毂和联接到所述毂的多个叶片，
发电机，其联接到所述转子，以及
功率转换器，其联接到所述发电机；以及
控制器，其用于控制所述风力涡轮的操作，所述控制器包括配置成执行多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括：
将所述风力涡轮的所述发电机操作成高达第一速度极限；
监测所述风力涡轮处的风速；
当所述风速下降成低于预确定的阈值时，将所述发电机的所述第一速度极限降低至所述发电机的降低的速度极限；以及
以所述降低的速度极限操作所述发电机长达所述风速保持低于所述预确定的阈值的时间，以便优化所述风力涡轮在低风速期间的叶尖速度比，由此增加所述风力涡轮在低风速下的功率产量。
技术方案10. 根据技术方案9所述的风力涡轮功率***，其特征在于，所述预确定的阈值包括高达大约5米/秒(m/s)的风速。
技术方案11. 根据技术方案9所述的风力涡轮功率***，其特征在于，所述降低的速度极限处于从所述第一速度极限的大约85%至大约95%的范围内。
技术方案12. 根据技术方案9所述的风力涡轮功率***，其特征在于，将所述发电机的所述第一速度极限降低至所述发电机的所述降低的速度极限增大所述风力涡轮在所述低风速期间的功率系数。
技术方案13. 根据技术方案9所述的风力涡轮功率***，其特征在于，将所述发电机的所述第一速度极限降低至所述发电机的所述降低的速度极限进一步包括将所述无功功率的至少部分转移到无功功率补偿装置。
技术方案14. 根据技术方案13所述的风力涡轮功率***，其特征在于，所述功率转换器包括线路侧转换器和转子侧转换器，所述无功功率补偿装置包括所述线路侧功率转换器、VAR箱或位于所述风力涡轮的互连点处的工厂电平衡件中的至少一个。
技术方案15. 根据技术方案14所述的风力涡轮功率***，其特征在于，所述发电机包括双馈感应发电机(DFIG)，所述风力涡轮是位于向所述电网供应所述有功功率和所述无功功率的风电场内的多个风力涡轮中的一个。
技术方案16. 根据技术方案15所述的风力涡轮功率***，其特征在于，所有或多个所述风力涡轮连接到位于所述风电场内的公共汇集总线。
技术方案17. 一种用于操作向电网供应有功功率和无功功率的风力涡轮功率***的方法，所述风力涡轮功率***包括联接到功率转换器的双馈感应发电机(DFIG)，所述方法包括：
监测所述风力涡轮功率***处的风速；
当所述风速下降成低于预确定的阈值时，将所述DFIG的速度极限降低预确定的量；
维持所述降低的速度极限长达所述风速保持低于所述预确定的阈值的时间，以便减小所述风力涡轮功率***在低风速期间的叶尖速度比，由此增加所述风力涡轮功率***在低风速下的功率产量。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，所述预确定的阈值包括高达大约5米/秒(m/s)的风速。
技术方案19. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，所述预确定的量处于从大约5%至大约15%的范围内。
技术方案20. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，将所述DFIG的所述速度极限降低所述预确定的量进一步包括将所述无功功率的至少部分转移到无功功率补偿装置，所述无功功率补偿装置包括线路侧功率转换器、VAR箱或位于所述风力涡轮的互连点处的工厂电平衡件中的至少一个。
应当理解，方法和***可进一步包括如本文中所描述的额外的特征和/或步骤的任何组合。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并构成其部分的附图图示了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1图示了根据本公开的风力涡轮的实施例的透视图；
图2图示了适合于与图1中所示出的风力涡轮一起使用的风力涡轮电功率***的一个实施例的示意图；
图3图示了根据本公开的风力涡轮的功率转换器的一个实施例的示意图；
图4图示了根据本公开的风电场的一个实施例的***配置；
图5图示了根据本公开的用于操作向电网供应有功功率和无功功率的风力涡轮功率***的方法的一个实施例的流程图；以及
图6图示了根据本公开的用于操作向电网供应有功功率和无功功率的风力涡轮功率***的方法的另一实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中图示。各个示例通过本发明的解释而非本发明的限制的方式来提供。实际上，对于本领域技术人员来说将为明显的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可在本发明中作出多种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分而图示或描述的特征可与另一实施例一起用于产生再一个另外的实施例。因而，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
大体上，如上文中所讨论的，本公开涉及一种用于操作具有联接到功率转换器的发电机(诸如，双馈感应发电机***(DFIG))的风力涡轮的***和方法。照此，DFIG可***作成高达第一速度极限。在该时间期间，一个或多个传感器可监测风力涡轮处的风速。当风速下降成低于预确定的阈值时，DFIG的第一速度极限可降低至降低的速度极限，并且维持于降低的速度极限长达风速保持低于预确定的阈值的时间。照此，在低风速期间优化风力涡轮的叶尖速度比，由此增加风力涡轮在低风速下的功率产量。在低风速下，TSR典型地大于最优TSR；因此，降低发电机的速度极限使TSR减小至更接近最优值的TSR。
因此，本公开旨在通过扩展风力涡轮的最小速度而提高风力涡轮在低风速期间的操作功率系数(Cp)。通过将无功功率转移到线路侧转换器(LSC)、VAR箱和/或位于发电机/互连点处的eBOP，可扩展风力涡轮的最小速度极限。另外，通过降低最小速度极限，风力涡轮可在低风速期间以优化的TSR和桨距角操作，由此以提高的涡轮效率操作。
现在参考附图，图1图示了风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所示出的，风力涡轮10大体上包括：塔架12，其从支承表面14延伸；机舱16，其安装于塔架12上；以及转子18，其联接到机舱16。转子18包括可旋转毂20和至少一个转子叶片22，转子叶片22联接到毂20，并且从毂20向外延伸。例如，在所图示的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个的转子叶片22。各个转子叶片22可围绕毂20隔开，以促进使转子18旋转，以使动能能够从风转变成可用的机械能，并且随后转变成电能。例如，如将在下文中描述的，转子18可以可旋转地联接到发电机120(图2)，以用于产生电能。还可经由位于机舱16或在风力涡轮10附近的任何其它合适的位置上的风传感器24(诸如，风速计)来监测一种或多种风况(诸如，风速和/或风向)。
风力发电典型地由具有大量(通常100个或更多个)的具有相关联的风力涡轮发电机120(图2)的风力涡轮10的风电场提供，其中，各个个体的风力涡轮10典型地经受唯一的风力。因此，针对各个个体的风力涡轮发电机120的输出功率可从风电场内的一个风力涡轮10到另一风力涡轮10而变化。
如大体上理解的，有功功率和无功功率由各个风力涡轮发电机120提供。在一些实施例中，场级控制器基于传输电网需要(其可由电网操作者规定或基于电网电压而确定)而向风力涡轮发电机120提供无功功率命令(Qcmd)。对于各个风力涡轮发电机来说，无功功率需求可为完全相同的。在备选的控制方法中，可基于相应的风力涡轮发电机120的不同的发电特性而针对风电场中的风力涡轮发电机120来个体地定制无功功率命令。应当认识到，本发明不限于生成针对个体的风力涡轮发电机120的无功功率命令的方式或方法。
现在参考图2，图示了根据本公开的方面的风力涡轮DFIG功率***100(“风力涡轮***”)的一个实施例的示意图。尽管将大体上在本文中参考图2中所示出的***100而描述本公开，但使用本文中所提供的公开的本领域普通技术人员应当理解，本公开的方面还可适用于其它发电***中，并且，如上文中所提到的，本发明不限于风力涡轮***。
在图2的实施例中，风力涡轮10(图1)的转子18可任选地联接到齿轮箱118，齿轮箱118继而联接到发电机120，发电机120可为双馈感应发电机(DFIG)。如所示出的，DFIG 120可连接到定子总线154。此外，如所示出的，功率转换器162可经由转子总线156来连接到DFIG 120，并且经由线路侧总线188来连接到定子总线154。照此，定子总线154可提供来自DFIG 120的定子的输出多相功率(例如，三相功率)，并且，转子总线156可提供来自DFIG120的转子的输出多相功率(例如，三相功率)。功率转换器162还可包括转子侧转换器(RSC)166和线路侧转换器(LSC) 168。DFIG 120经由转子总线156来联接到转子侧转换器166。另外，RSC 166经由DC链路电容器138所跨过的DC链路136来联接到LSC 168。LSC 168继而联接到线路侧总线188。
RSC 166和LSC 168可针对使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关元件的三相脉冲宽度调制(PWM)布置中的正常操作模式而配置，如将关于图3而更详细地讨论的那样。
另外，功率转换器162可联接到控制器174，以便控制转子侧转换器166和线路侧转换器168的操作。应当注意到，转换器控制器174可配置为功率转换器162与本地风力涡轮控制***176之间的接口，并且可包括任何数量的控制装置。在一个实施例中，控制器174可包括执行存储于计算机可读介质中的计算机可读指令的处理装置(例如，微处理器、微控制器等)。指令在由处理装置执行时可使得处理装置执行操作，包括向功率转换器162的开关元件提供控制命令(例如，开关频率命令)。
如所提到的，对于个体的DFIG风力涡轮功率***100，无功功率可主要由RSC 166经由发电机120和LSC 168来供应。
在典型的配置中，还可包括多种线路接触器和电路断路器(包括例如电网断路器182)，以用于在连接到负载(诸如，电网184)和从负载断开期间隔离如DFIG 120的正常操作所必要的多种构件。例如，***电路断路器178可使***总线160联接到变换器(transformer)180，变换器180可经由电网断路器182来联接到电网184。在备选实施例中，熔断器可取代电路断路器中的一些或全部。
在操作中，经由定子总线154和转子总线156所限定的双路径来向电网184提供通过使转子18旋转而在DFIG 120处生成的交流功率。在转子总线侧156上，向功率转换器162提供正弦多相(例如，三相)交流(AC)功率。转子侧功率转换器166使从转子总线156提供的AC功率转换成直流(DC)功率，并且向DC链路136提供DC功率。如大体上理解的，在转子侧功率转换器166的桥式电路中使用的开关元件(例如，IGBT)可被调制，以使从转子总线156提供的AC功率转换成适合于DC链路136的DC功率。
另外，线路侧转换器168使DC链路136上的DC功率转换成适合于电网184的AC输出功率。特别地，在线路侧功率转换器168的桥式电路中使用的开关元件(例如，IGBT)可被调制，以使DC链路136上的DC功率转换成线路侧总线188上的AC功率。来自功率转换器162的AC功率可与来自DFIG 120的定子的功率组合，以提供具有基本上维持于电网184的频率(例如，50 Hz或60 Hz)的频率的多相功率(例如，三相功率)。
另外，多种电路断路器和开关(诸如，电网断路器182、***断路器178、定子同步开关158、转换器断路器186以及线路接触器172)可被包括在风力涡轮功率***100中，以例如在电流过大并且可能损伤风力涡轮功率***100的构件时或出于其它操作考虑而连接或断开对应的总线。额外的保护构件也可被包括在风力涡轮功率***100中。
此外，功率转换器162可经由转换器控制器174来从例如本地控制***176接收控制信号。控制信号可尤其基于风力涡轮功率***100的所感测的状态或操作特性。典型地，控制信号提供对功率转换器162的操作的控制。例如，呈DFIG 120的所感测的速度的形式的反馈可用于控制来自转子总线156的输出功率的转换，以维持适当并且平衡的多相(例如，三相)功率供应。来自其它传感器的其它反馈(包括例如定子和转子总线电压和电流反馈)也可被控制器174或控制***176用于控制功率转换器162。可使用多种形式的反馈信息来生成开关控制信号(例如，针对IGBT的栅极定时命令)、定子同步控制信号以及电路断路器信号。
功率转换器162还针对例如毂20和叶片22处的风速的改变而补偿或调整来自转子的三相功率的频率。因此，机械转子频率和电转子频率解耦，并且，电定子频率与电转子频率的匹配基本上独立于机械转子速度而被促进。
在一些状态下，功率转换器162的双向特性以及具体地LSC 168和RSC 166的双向特性促进将所生成的电功率中的至少一些反馈到发电机转子中。更具体地，电功率可从定子总线154传输到线路侧总线188，并且随后通过线路接触器172传输，并且传输到功率转换器162(具体地，LSC 168)中，LSC 168充当整流器，并且将正弦三相AC功率整流成DC功率。DC功率传输到DC链路136中。电容器138通过促进有时与三相AC整流相关联的DC纹波的减轻而促进减轻DC链路电压幅度变化。
DC功率随后传输到RSC 166，RSC 166通过调整电压、电流以及频率而使DC电功率转换成三相正弦AC电功率。该转换被监测并且经由转换器控制器174来控制。所转换的AC功率从RSC 166经由转子总线156来传输到发电机转子。以此方式，通过控制转子电流和电压而促进发电机无功功率控制。
现在参考图3，图示了根据本公开的方面的图2中所示出的功率转换器的一个实施例的详细示意图。如所示出的，RSC 166包括多个桥式电路(例如，H桥式电路)，其中，输入到转子侧转换器166的转子总线156的各个相联接到单个桥式电路。另外，LSC 168也可包括多个桥式电路。类似于转子侧转换器166，线路侧转换器168也包括用于线路侧转换器168的各个输出相的单个桥式电路。在其它实施例中，在不偏离本公开的范围的情况下，线路侧转换器168、转子侧转换器166或线路侧转换器168和转子侧转换器166两者可包括并联的桥式电路。
各个桥式电路可大体上包括彼此串联联接的多个开关元件(例如，IGBT)。例如，如图3中所示出的，各个桥式电路包括上部IGBT(例如，IGBT 212)和下部IGBT(例如，IGBT214)。另外，二极管可与IGBT中的各个并联联接。在备选实施例中，并联的IGBT和二极管可用于增大转换器的电流额定值。如大体上理解的，可例如通过使用合适的驱动器电路向IGBT的栅极提供控制命令而控制线路侧转换器168和转子侧转换器166。例如，转换器控制器174可向桥式电路的IGBT的栅极提供合适的栅极定时命令。控制命令可控制IGBT的开关频率，以提供期望的输出。本领域普通技术人员应当认识到，作为IGBT的备选方案，功率转换器162可包括任何其它合适的开关元件。
大体上参考图4，图示了风电场175的框图，风电场175具有与传输电网184联接的多个风力涡轮***100。例如，如所示出的，各个风力涡轮***100可包括本地控制器176，本地控制器176响应于正被控制的风力涡轮发电机的状态。在一个实施例中，本地控制器176仅感测端子电压和电流(经由电位变换器和电流变换器)，端子电压和电流被本地控制器176用于提供适当的响应，以使得风力涡轮发电机提供期望的无功功率或功率因子和电压。
各个风力涡轮***100可通过发电机连接变换器180联接到汇集器总线183，以向汇集器总线183提供有功功率和无功功率(分别标记为Pwg和Qwg)。发电机连接变换器和汇集器总线在本领域中是已知的。
风电场175经由风电场主变换器179来提供场级有功功率和无功功率输出(分别标记为Pwf和Qwf)。场级控制器190感测风电场输出以及与电网184的公共联接点181处的电压，以提供场级无功功率命令(场级Q_Cmd)。
生成本地无功功率命令(操作者Q_Cmd)，并且将其传输到风电场中的各个个体的风力涡轮***100。在一个实施例中，设置于风电场175上的总无功功率需求(Qwf)可基本上在风力涡轮***100之间均等地划分，使得对于所有风力涡轮***100来说，本地操作者Q_Cmd命令都是相同的。在备选实施例中，本地操作者Q_Cmd命令可基于针对该风力涡轮发电机的可用的无功功率值。例如，提供相对较多的有功功率(Pwg)的个体的风力涡轮发电机可接收相对较小的个体化的操作者Q_Cmd命令，并且，提供相对较少的有功功率Pwg的个体的风力涡轮发电机可接收相对较大的个体化的操作者Q_Cmd命令。这减少了提供相对较多的有功功率的个体的风力涡轮发电机的削减，因而相对于增加的场级无功功率命令(Qwf)而增加了由风电场175产生的有功功率(Pwf)。
应当认识到，转换器控制器174、本地风力涡轮控制器176以及场级控制器190可各自对应于任何合适的计算装置和/或计算装置的任何组合。例如，控制器可包括配置成执行多种计算机实施的功能的一个或多个处理器及相关联的(一个或多个)存储器装置。如本文中所使用的，用语“处理器”不仅指代在本领域中被称为被包括在计算机中的集成电路，而且还指代控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路。另外，(一个或多个)存储器装置可大体上包括(一个或多个)存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字通用盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件。这样的(一个或多个)存储器装置可大体上配置成存储合适的计算机可读指令，所述指令在由(一个或多个)处理器实施时使控制器配置成执行多种功能，诸如本文中所公开的步骤。
在图4中所描绘的实施例中，各个风力涡轮***100还可配置有个体的无功功率补偿装置200(在本文中也被称为模块化VAR箱(MVB))。在额外或备选的实施例中，无功功率补偿装置200还可包括例如LSC 168和/或位于风电场175的互连点181处的工厂电平衡件(也被称为eBOP)。
现在参考图5，图示了根据本公开的方面的用于操作风力涡轮功率***的方法300的实施例的流程图。大体上，方法300在本文中被描述为使用例如上文中所描述的DFIG风力涡轮功率***100来实施。然而，应当认识到，所公开的方法300可使用配置成供应用于施加到负载(诸如，电力网)的功率(包括无功功率)的任何其它合适的风力发电***来实施。另外，尽管图5出于图示和讨论的目的而描绘了以特定顺序执行的步骤，但本文中所描述的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中所提供的公开的本领域技术人员将认识到，方法的多种步骤可以以多种方式省略、重新布置、组合和/或改造。
如在(302)处示出的，方法300包括将风力涡轮功率***100的发电机操作成高达第一速度极限。如在(304)处示出的，方法300包括监测风力涡轮功率***100处的风速。如在(306)处示出的，方法300包括将风速与预确定的阈值比较。如在(308)处示出的，当风速下降成低于预确定的阈值时，方法300包括将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限。如果风速保持高于预确定的阈值，则发电机的操作保持处于第一速度极限。在一个实施例中，预确定的阈值可包括高达大约5米/秒(m/s)的风速，诸如从大约3 m/s至大约5 m/s的切入风速。在另一实施例中，例如，降低的速度极限可处于从第一速度极限的大约85%至大约95%的范围内。
如在(310)处示出的，方法300以降低的速度极限操作发电机长达风速保持低于预确定的阈值的时间，以便优化风力涡轮功率***100在低风速期间的叶尖速度比，由此增加风力涡轮功率***100在低风速下的功率产量。例如，在某些实施例中，将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限增大风力涡轮功率***100在低风速期间的功率系数，由此增加功率产量。另外，在低风速下，TSR典型地大于最优TSR；因此，降低发电机的速度极限也使TSR减小至更接近最优值的TSR。
在特定实施例中，通过将无功功率的至少部分转移到无功功率补偿装置(诸如，本文中所描述的无功功率补偿装置200)，发电机的第一速度极限可降低至发电机的降低的速度极限。
现在参考图6，图示了根据本公开的方面的用于操作风力涡轮功率***的方法400的实施例的流程图。大体上，方法400在本文中被描述为使用例如上文中所描述的DFIG风力涡轮功率***100来实施。然而，应当认识到，所公开的方法400可使用配置成供应用于施加到负载(诸如，电力网)的功率(包括无功功率)的任何其它合适的风力发电***来实施。另外，尽管图6出于图示和讨论的目的而描绘了以特定顺序执行的步骤，但本文中所描述的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中所提供的公开的本领域技术人员将认识到，方法的多种步骤可以以多种方式省略、重新布置、组合和/或改造。
如在(402)处示出的，方法400包括监测风力涡轮功率***100处的风速。例如，在某些实施例中，风速可经由风传感器24来监测。另外或备选地，风速可经由本文中所描述的多种控制器来估计。如在(404)处示出的，风速与预确定的阈值比较。当风速下降成低于预确定的阈值时，如在(406)处示出的，方法400包括将DFIG 120的速度极限降低预确定的量。例如，在某些实施例中，预确定的量可处于从大约5%至大约15%的范围内。备选地，如果风速保持为大约预确定的阈值，则可在不存在操作速度的任何降低的情况下进一步监测风速。如在(408)处示出的，方法400包括维持降低的速度极限长达风速保持低于预确定的阈值的时间，以便减小风力涡轮功率***100在低风速期间的叶尖速度比，由此增加风力涡轮功率***100在低风速下的功率产量。
本发明的多种方面和实施例由以下编号的条款限定：
条款1. 一种用于操作向电网供应有功功率和无功功率的风力涡轮功率***的方法，风力涡轮功率***包括联接到功率转换器的发电机，方法包括：
将风力涡轮功率***的发电机操作成高达第一速度极限；
监测风力涡轮功率***处的风速；
当风速下降成低于预确定的阈值时，将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限；以及
以降低的速度极限操作发电机长达风速保持低于预确定的阈值的时间，以便优化风力涡轮功率***在低风速期间的叶尖速度比，由此增加风力涡轮功率***在低风速下的功率产量。
条款2. 根据条款1的方法，其中，预确定的阈值包括高达大约5米/秒(m/s)的风速。
条款3. 根据前述条款中的任何条款的方法，其中，降低的速度极限处于从第一速度极限的大约85%至大约95%的范围内。
条款4. 根据前述条款中的任何条款的方法，其中，将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限增大风力涡轮功率***在低风速期间的功率系数。
条款5. 根据前述条款中的任何条款的方法，其中，将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限进一步包括将无功功率的至少部分转移到无功功率补偿装置。
条款6. 根据条款5的方法，其中，功率转换器包括线路侧转换器和转子侧转换器，无功功率补偿装置包括线路侧功率转换器、VAR箱或位于风力涡轮功率***的互连点处的工厂电平衡件中的至少一个。
条款7. 根据前述条款中的任何条款的方法，其中，发电机包括双馈感应发电机(DFIG)，风力涡轮功率***是位于向电网供应有功功率和无功功率的风电场内的多个风力涡轮功率***中的一个。
条款8. 根据条款7的方法，其中，所有或多个风力涡轮功率***连接到位于风电场内的公共汇集总线。
条款9. 一种风力涡轮功率***，其配置成向电网供应有功功率和无功功率，风力涡轮包括：
风力涡轮，其包括：
转子，其包括毂和联接到毂的多个叶片，
发电机，其联接到转子，以及
功率转换器，其联接到发电机；以及
控制器，其用于控制风力涡轮的操作，控制器包括配置成执行多个操作的至少一个处理器，多个操作包括：
将风力涡轮的发电机操作成高达第一速度极限；
监测风力涡轮处的风速；
当风速下降成低于预确定的阈值时，将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限；以及
以降低的速度极限操作发电机长达风速保持低于预确定的阈值的时间，以便优化风力涡轮在低风速期间的叶尖速度比，由此增加风力涡轮在低风速下的功率产量。
条款10. 根据条款9的风力涡轮功率***，其中，预确定的阈值包括高达大约5米/秒(m/s)的风速。
条款11. 根据条款9的风力涡轮功率***，其中，降低的速度极限处于从第一速度极限的大约85%至大约95%的范围内。
条款12. 根据条款9的风力涡轮功率***，其中，将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限增大风力涡轮在低风速期间的功率系数。
条款13. 根据条款9的风力涡轮功率***，其中，将发电机的第一速度极限降低至发电机的降低的速度极限进一步包括将无功功率的至少部分转移到无功功率补偿装置。
条款14. 根据条款13的风力涡轮功率***，其中，功率转换器包括线路侧转换器和转子侧转换器，无功功率补偿装置包括线路侧功率转换器、VAR箱或位于风力涡轮的互连点处的工厂电平衡件中的至少一个。
条款15. 根据条款14的风力涡轮功率***，其中，发电机包括双馈感应发电机(DFIG)，风力涡轮是位于向电网供应有功功率和无功功率的风电场内的多个风力涡轮中的一个。
条款16. 根据条款15的风力涡轮功率***，其中，所有或多个风力涡轮连接到位于风电场内的公共汇集总线。
条款17. 一种用于操作向电网供应有功功率和无功功率的风力涡轮功率***的方法，风力涡轮功率***包括联接到功率转换器的双馈感应发电机(DFIG)，方法包括：
监测风力涡轮功率***处的风速；
当风速下降成低于预确定的阈值时，将DFIG的速度极限降低预确定的量；
维持降低的速度极限长达风速保持低于预确定的阈值的时间，以便减小风力涡轮功率***在低风速期间的叶尖速度比，由此增加风力涡轮功率***在低风速下的功率产量。
条款18. 根据条款17的方法，其中，预确定的阈值包括高达大约5米/秒(m/s)的风速。
条款19. 根据条款17或18的方法，其中，预确定的量处于从大约5%至大约15%的范围内。
条款20. 根据条款17、18或19的方法，其中，将DFIG的速度极限降低预确定的量进一步包括将无功功率的至少部分转移到无功功率补偿装置，无功功率补偿装置包括线路侧功率转换器、VAR箱或位于风力涡轮的互连点处的工厂电平衡件中的至少一个。

Claims (10)

1.一种用于操作向电网供应有功功率和无功功率的风力涡轮功率***的方法，所述风力涡轮功率***包括联接到功率转换器的发电机，所述方法包括：
将所述风力涡轮功率***的所述发电机操作成高达第一速度极限；
监测所述风力涡轮功率***处的风速；
当所述风速下降成低于预确定的阈值时，将所述发电机的所述第一速度极限降低至所述发电机的降低的速度极限；以及
以所述降低的速度极限操作所述发电机长达所述风速保持低于所述预确定的阈值的时间，以便优化所述风力涡轮功率***在低风速期间的叶尖速度比，由此增加所述风力涡轮功率***在低风速下的功率产量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预确定的阈值包括高达大约5米/秒(m/s)的风速。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述降低的速度极限处于从所述第一速度极限的大约85%至大约95%的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述发电机的所述第一速度极限降低至所述发电机的所述降低的速度极限增大所述风力涡轮功率***在所述低风速期间的功率系数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述发电机的所述第一速度极限降低至所述发电机的所述降低的速度极限进一步包括将所述无功功率的至少部分转移到无功功率补偿装置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述功率转换器包括线路侧转换器和转子侧转换器，所述无功功率补偿装置包括所述线路侧功率转换器、VAR箱或位于所述风力涡轮功率***的互连点处的工厂电平衡件中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发电机包括双馈感应发电机(DFIG)，所述风力涡轮功率***是位于向所述电网供应所述有功功率和所述无功功率的风电场内的多个风力涡轮功率***中的一个。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所有或多个所述风力涡轮功率***连接到位于所述风电场内的公共汇集总线。
9.一种风力涡轮功率***，其配置成向电网供应有功功率和无功功率，所述风力涡轮功率***包括：
风力涡轮，其包括：
转子，其包括毂和联接到所述毂的多个叶片，
发电机，其联接到所述转子，以及
功率转换器，其联接到所述发电机；以及
控制器，其用于控制所述风力涡轮的操作，所述控制器包括配置成执行多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括：
将所述风力涡轮的所述发电机操作成高达第一速度极限；
监测所述风力涡轮处的风速；
当所述风速下降成低于预确定的阈值时，将所述发电机的所述第一速度极限降低至所述发电机的降低的速度极限；以及
以所述降低的速度极限操作所述发电机长达所述风速保持低于所述预确定的阈值的时间，以便优化所述风力涡轮在低风速期间的叶尖速度比，由此增加所述风力涡轮在低风速下的功率产量。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮功率***，其特征在于，所述预确定的阈值包括高达大约5米/秒(m/s)的风速。
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