风力涡轮机、风力涡轮机的制动系统和操作风力涡轮机的方法

摘要

一种操作风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括具有定子和转子的发电机、转子侧变流器、网侧变流器以及电性耦合于转子侧变流器和网侧变流器之间的直流链路，该方法包括：响应发电机内的电磁转矩损失事件；(a)如果发生电网损失事件并且转子侧变流器未出现故障，启动主制动电路以在发电机内产生电磁转矩；或者(b)(i)如果未发生电网损失事件或者(ii)如果发生电网损失事件并且转子侧变流器和网侧变流器中的至少一者出现故障，启动与多个转子绕组电性耦合的辅助制动电路以在发电机内产生电磁转矩。本发明还提供一种风力涡轮机及风力涡轮机的制动系统。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电系统，特别涉及一种风力涡轮机、风力涡轮机的制动系统和操作风力涡轮机的方法。

背景技术

风力涡轮机包括具有定子和转子的发电机，发电机可能以双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)作为举例。定子直接与公用电网连接，转子通过交流-直流-交流变换器与公用电网连接。当发电机处于功率产生模式时，变换器用于控制发电机的电磁转矩，使其与风力涡轮机的机械转矩相匹配。如果突然发生电网损失事件或者变换器突然出现故障，变换器失去了控制电磁转矩的能力，那么，电磁转矩将在100-200毫秒内降至零。与此相对的，当仅仅是通过调节风力涡轮机的多个叶片的桨距角以降低机械转矩时，需要大约30-45秒才能将风力涡轮机的机械转矩降至零。由于电磁转矩的快速丧失以及机械转矩的缓慢减小，即使以可行的最快速度调节风力涡轮机的多个叶片的桨距角，转子的转速仍然有可能增加至超过额定速度。转子的转速过快、叶片的桨距角的快速调节以及推力的突然损失，导致风力涡轮机部件上所承受的机械负荷较高，特别是对于塔架、叶片和轮毂等结构。因此，对于承受电磁转矩损失事件的设计需求，常常影响着大多数风力涡轮机部件的设计，例如齿轮箱等；这些设计导致齿轮箱具有较大体积和较高成本。

因此，有必要提供一种解决以上问题的改进系统。

发明内容

现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。

本发明的一个方面在于提供一种风力涡轮机的制动系统，该风力涡轮机包括具有定子和转子的发电机、转子侧变流器、网侧变流器以及电性耦合于转子侧变流器和网侧变流器之间的直流链路，该制动系统包括：

主制动电路，其与直流链路或者多个定子绕组电性耦合；

辅助制动电路，其与多个转子绕组电性耦合；及

控制器，其用于响应发电机内的电磁转矩损失事件执行以下步骤：

如果发生电网损失事件并且转子侧变流器未出现故障，启动主制动电路以在发电机内产生电磁转矩；或者

如果未发生电网损失事件或者如果发生电网损失事件并且转子侧变流器和网侧变流器中的至少一者出现故障，启动辅助制动电路以在发电机内产生电磁转矩。

本发明的另一个方面在于提供一种操作风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括具有定子和转子的发电机、转子侧变流器、网侧变流器以及电性耦合于转子侧变流器和网侧变流器之间的直流链路，该方法包括：

响应发电机内的电磁转矩损失事件；

(a)如果发生电网损失事件并且转子侧变流器未出现故障，启动主制动电路以在发电机内产生电磁转矩；或者

(b)(i)如果未发生电网损失事件或者(ii)如果发生电网损失事件并且转子侧变流器和网侧变流器中的至少一者出现故障，启动与多个转子绕组电性耦合的辅助制动电路以在发电机内产生电磁转矩。

本发明的再一个方面在于提供一种风力涡轮机，其包括：

发电机，其包括定子和与风力涡轮机的叶片机械耦合的转子；

主制动电路，其与直流链路或者多个定子绕组电性耦合，该直流链路电性耦合于转子侧变流器和网侧变流器之间；

辅助制动电路，其与多个转子绕组电性耦合；及

控制器，其用于响应发电机内的电磁转矩损失事件执行以下步骤：

如果发生电网损失事件并且转子侧变流器未出现故障，启动主制动电路以在发电机内产生电磁转矩，或者

如果未发生电网损失事件或者如果发生电网损失事件并且转子侧变流器出现故障，启动辅助制动电路以在发电机内产生电磁转矩。

本发明实施方式提供的上述风力涡轮机、风力涡轮机的制动系统及操作风力涡轮机的方法，当发生电磁转矩损失事件时，可以通过启动主制动电路或辅助制动电路以在发电机内产生电磁转矩，电磁转矩是以较为平稳的方式降为零，因此可以降低风力涡轮机部件上的机械负荷。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1是根据本发明第一实施方式的具有制动系统的风力涡轮机的示意图。

图2是根据本发明第二实施方式的具有制动系统的风力涡轮机的示意图。

图3是根据本发明第一实施方式的辅助制动电路的示意图。

图4是根据本发明第二实施方式的辅助制动电路的示意图。

图5是根据本发明第三实施方式的辅助制动电路的示意图。

图6是根据本发明一个实施方式的操作风力涡轮机的方法的流程图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举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。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，“电路”或者“电路系统”以及“控制器”等可以包括单一组件或者由多个主动元件或者被动元件直接或者间接相连的集合，例如一个或者多个集成电路芯片，以提供所对应描述的功能。

图1是根据本发明第一实施方式的具有制动系统900A的风力涡轮机100的示意图。风力涡轮机100包括多个叶片14、主轴22、齿轮箱24、发电机16、转子侧变流器30、直流链路32、网侧变流器34、第一开关元件80和第二开关元件82。直流链路32电性耦合在转子侧变流器30和网侧变流器34之间。在一个非限定的示例中，直流链路32包括一个或多个电容器C1，用于将直流链路32的电压波动维持在较小。

发电机16包括定子106和转子108。在一个非限定的示例中，发电机16为双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)。主轴22与多个叶片14机械耦合，转子108通过齿轮箱24与主轴22机械耦合。

定子106的多个绕组(以下简称为“多个定子绕组”)通过第二开关元件82和第一开关元件80与公用电网12电性耦合。

转子108的多个绕组(以下简称为“多个转子绕组”)通过转子侧变流器30、直流链路32、网侧变流器34和第一开关元件80与公用电网12电性耦合。网侧变流器34电性耦合至第一开关元件80和第二开关元件82之间的连接点。

根据本发明的一个方面提供的制动系统900A用于在发电机16内发生电磁转矩损失事件时保护发电机16和齿轮箱24。制动系统900A包括主制动电路500A、辅助制动电路600和控制器40。主制动电路500A与直流链路32电性耦合。辅助制动电路600与转子108的多个绕组电性耦合。

控制器40用于响应发电机16内的电磁转矩损失事件在发生电网损失事件并且转子侧变流器30未出现故障时启动主制动电路500A，以在发电机16内产生电磁转矩。在一个非限定的实施例中，发电机16内发生的电磁转矩损失事件可能是由于转子侧变流器30或网侧变流器34故障、发电机16故障、第二开关元件82误关断、无定子电压、电网损失事件等导致的。作为一个非限制性的示例，定子电压传感器和定子电流传感器(未图示)可以侦测电网损失事件，定子电压传感器侦测定子电压，定子电流传感器侦测定子电流；如果侦测到的定子电压和侦测到的定子电流均大于或者小于预定值，则控制器40确定已经发生了电网损失事件。

控制器40还用于响应发电机16内的电磁转矩损失事件，在未发生电网损失事件时或者如果发生电网损失事件并且转子侧变流器30和网侧变流器34中的至少一者出现故障时，启动辅助制动电路600以在发电机16内产生电磁转矩。

在启动主制动电路500A或者辅助制动电路600之后，控制器40还用于调整多个叶片14的桨距角以降低转子速度。制动系统900还包括机械制动器800。机械制动器800与主轴22机械耦合。如果上述降低的转子速度大于阈值，则控制器40还用于启动机械制动器800以使风力涡轮机100停止运转。

在一个非限定的实施例中，机械制动器800包括至少一个制动块804，将至少一个制动块804压制于制动盘802上，以引起制动块804和制动盘802之间的摩擦，从而使得主轴22的旋转速度下降或者抑制主轴22的旋转运动。作为一个非限制性的示例，制动块804机械地压制于制动盘802上。

利用上面所描述的方法，如果发电机16内发生电磁转矩损失事件，可在发电机16中重新产生电磁转矩，而不是使发电机16的电磁转矩立刻降至零，因此本发明实施例可以提供电制动支持，这一额外的电制动支持使得风力涡轮机100可以以较为平稳的方式停止运转。相对于电磁转矩立刻降至零，本发明实施例可以显著地降低风力涡轮机100的机械部件上的负荷，也就降低了由电磁转矩损失事件所引起的机械负荷。

具体而言，作为一个非限定的例子，主制动电路500A包括转子侧开关元件52、转子侧电阻元件522和储能元件526。转子侧电阻元件522和储能元件526通过转子侧开关元件52与直流链路32电性耦合。

在一个非限定的示例中，转子侧电阻元件522可以包括电阻或者任何功率阻尼装置(英文名称为power damping device)，储能元件526可以包括电池或者任何能量储存装置。在一个实施例中，电池可能是可充电电池。

在一个实施方式中，转子侧开关元件52包括第一直流斩波器520和第二直流斩波器524，转子侧电阻元件522通过第一直流斩波器520与直流链路32电性耦合，储能元件526通过第二直流斩波器524与直流链路32电性耦合。

控制器40还用于响应电网损失事件在发电机16的超同步模式期间控制转子侧开关元件52将转子侧电阻元件522和储能元件526中的至少一者与直流链路32电性耦合，以在发电机16内产生电磁转矩。

控制器40还用于响应电网损失事件在发电机16的次同步模式期间控制转子侧开关元件52将储能元件526与直流链路32电性耦合，以在发电机16内产生电磁转矩。

在此需要说明的是，在风力涡轮机100的正常运转期间，第一开关元件和第二开关元件80，82均处于导通状态，如果发电机16以超同步模式运转，则定子106的多个绕组通过第二开关元件82和第一开关元件80输出电能至公用电网12，并且转子108的多个绕组通过转子侧变流器30、直流链路32、网侧变流器34和第一开关元件82输出电能至公用电网12。也就是说，风力涡轮机100实现了最高的电能输出。

如果发电机16以次同步模式运转，则定子106的多个绕组通过第二开关元件82和第一开关元件80输出电能至公用电网12，并且转子108的多个绕组通过第一开关元件82、网侧变流器34、直流链路32和转子侧变流器30从公用电网12获取电能。也就是说，风力涡轮机100输出的电能有所降低了。

在操作中，控制器40还用于响应电网损失事件，控制第一开关元件80将网侧变流器34与公用电网12断开连接。

控制器40还用于响应电网损失事件，控制第二开关元件82将定子106的多个绕组(也可称为多个定子绕组)与网侧变流器34电性耦合，使得多个定子绕组的输出电能通过第二开关元件82和网侧变流器34传输至转子侧电阻元件522并在转子侧电阻元件522上消耗。

图2是根据本发明第二实施方式的包括制动系统900B的风力涡轮机100的示意图。图2所示制动系统900B与图1所示制动系统900A之间的区别在于制动系统900B的主制动电路500B与定子106的多个绕组电性耦合。

控制器40用于响应发电机16内发生的电磁转矩损失事件，在发生电网损失事件并且转子侧变流器30未出现故障的情况下启动主制动电路500B，以在发电机16内产生电磁转矩。

具体地，主制动电路500B包括多个定子侧开关元件54和多个定子侧电阻元件56。多个定子侧电阻元件56电性耦合于多个定子侧开关元件54与地之间。在其他实施例中，多个定子侧电阻元件56电性耦合于多个定子侧开关元件54与预定电位之间。在一个非限定的例子中，每个定子侧电阻元件56可以包括电阻或者任何功率阻尼装置(英文名称为power damping device)。

控制器40还用于响应电网损失事件，控制第一开关元件80将定子106的多个绕组和网侧变流器34与公用电网12断开连接。

控制器40还用于响应电网损失事件，控制多个定子侧开关元件54将对应的多个定子侧电阻元件56与对应的多个定子绕组电性耦合，使得定子106的的多个绕组通过多个定子侧开关元件54输出电能至多个定子侧电阻元件56。

控制器40还用于响应电网损失事件控制第二开关元件82将定子106的多个绕组与网侧变流器34电性耦合，使得在发电机16的超同步模式期间，转子108的多个绕组输出的电能通过转子侧变流器30、直流链路32、网侧变流器34、第二开关元件82和多个定子侧开关元件54传输至多个定子侧电阻元件56并在多个定子侧电阻元件56上消耗，并且在发电机16的次同步模式期间，转子108的多个绕组通过转子侧变流器30、直流链路32、网侧变流器34及第二开关元件82从定子106的多个绕组中获取电流。因此，在发电机16内产生了电磁转矩。

本领域技术人员容易理解的是，在其他实施方式中，主制动电路包括主制动电路500A和500B，主制动电路可以同时与直流链路32和定子106的多个绕组电性耦合。也就是说，控制器40还用于同时启动主制动电路500A和500B，以在发电机16内产生电磁转矩。

图3是根据本发明第一实施方式的辅助制动电路600A的示意图。如本文，出于简化的目的，图3所示仅为风力涡轮机100的一部分。辅助制动电路600A包括辅助储能元件64和辅助变换器62，辅助变换器62与辅助储能元件64和转子108的多个绕组电性耦合。

控制器40还用于在转子侧变流器30和网侧变流器34中的至少一者出现故障时控制第一开关元件80将定子106的多个绕组和网侧变流器34与公用电网12断开连接，控制多个定子侧开关元件54将对应的多个定子侧电阻元件56与对应的多个定子绕组电性耦合，以及控制辅助变换器62为转子108的两个绕组提供直流电或者为转子108的三个绕组提供交流电。从而使得发电机16作为永磁发电机运转，并且在发电机16中产生电磁转矩。在一个非限定的示例中，辅助变换器62可以包括直流到交流变换器或者直流到直流变换器。作为一个例子，辅助储能元件64可以包括电池或者其他任何能量储存装置。

图4是根据本发明第二实施方式的辅助制动电路600B的示意图。出于简化的目的，图4所示仅为风力涡轮机100的一部分。辅助制动电路600B包括多个辅助开关元件65。作为一个非限定的例子，辅助制动电路600B还包括多个励磁电容器66，多个励磁电容器66分别与多个定子侧电阻元件56并联。

控制器40还用于在转子侧变流器30和网侧变流器34中的至少一者出现故障时控制第一开关元件80将定子106的多个绕组和网侧变流器34与公用电网12断开连接，控制多个定子侧开关元件54将对应的多个定子侧电阻元件56与对应的多个定子绕组电性耦合，以及控制多个辅助开关元件65分别将多个转子绕组与地电性耦合。从而使得发电机16作为自励感应发电机运行，并且励磁电容器66与发电机16的磁漏电感共振，以在发电机16内产生电磁转矩。

图5是根据本发明第三实施方式的辅助制动电路600C的示意图。出于简化的目的，图5所示仅为风力涡轮机100的一部分。辅助制动电路600C包括辅助开关元件65。

控制器40还用于响应发电机内的电磁转矩损失事件执行以下步骤：在未发生电网损失事件时，控制多个辅助开关元件65分别将转子108的多个绕组与地电性耦合。从而使得发电机16作为感应发电机运行，并且，电流通过呈导通状态的第二开关元件82和第一开关元件80从定子106的多个绕组流至公用电网12。也就是说，在发电机16内生成了电磁转矩。

图6是根据本发明的一个具体实施方式的操作风力涡轮机100的方法700的流程图。方法700可以在图1所示制动系统900A或图2所示制动系统900B中执行。方法700包括如下步骤：

步骤702：当风力涡轮机100正常运转时(例如在未发生电网损失事件并且转子侧变流器30未出现故障时)，控制器40控制第一开关元件80和第二开关元件82呈导通状态，定子106的多个绕组通过第二开关元件82和第一开关元件80输出定子电能至公用电网12，转子108的多个绕组通过转子侧变流器30、直流链路32、网侧变流器34和第一开关元件80输出转子电能至公用电网12，或者通过第一开关元件80、网侧变流器34、直流链路32和转子侧变流器30从公用电网12获取电能。

步骤704：控制器40判断发电机16内是否发生电磁转矩损失事件。如果发生电磁转矩损失事件，则执行步骤705。若否，则返回步骤702。

步骤705：控制器40还判断是否发生电网损失事件。如果发生电网损失事件，则执行步骤706。若否，则执行步骤710。

步骤706：控制器40还判断转子侧变流器30和网侧变流器34中的至少一者是否出现故障。若是，则执行步骤710。若否，则执行步骤708。

步骤708：控制器40启动主制动电路500A和500B中的至少一者，以在发电机16中产生电磁转矩。

步骤710：控制器40还启动辅助制动电路600，以在发电机16中产生电磁转矩。

步骤712：在启动主制动电路或辅助制动电路之后，控制器40调节风力涡轮机100的多个叶片14的桨距角以降低转子速度。

步骤714：控制器40还判断降低的转子速度是否大于阈值。如果降低的转子速度大于阈值，则执行步骤716。若否，则流程结束。

步骤716：控制器40还启动机械制动器800，以控制风力涡轮机100停止运转。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。