变速风力涡轮机.pdf

变速风力涡轮机，使用标功率控制和依赖间距控制的变速风力发电机披露。变速涡轮机可包括发电机，电力网和耦合到发电机的功率转换系统提供动力。的电力变换系统可以包括至少一个无源电网侧整流。的电力变换系统可提供电源的发电机使用无源电网侧整流。变速风力涡轮机还可以使用标功率控制，对电网的电气量，以提供更精确的控制。变速风力涡轮机可能进一步使用依赖变桨控制，提高响应的风力涡轮机。

权利要求书
1.  变速风力涡轮机，包括：装置，用于产生电力到电力网的功率转换系统从电网提供电力的发电装置以低于同步转速和消散从上述发电装置的发电能力过剩同步速度，和耦合到所述电力转换系统的控制器控制的电力变换系统，提供电源的控制装置，用于发电，变速风力涡轮机，包括：一个发电机侧变流器的直流（DC）链路耦合到发电机侧变流器的功率消散元件，其连接到DC链路选择性地消耗多余的电力从发电机;和一个无源电网侧整流器转换固定从电网的频率的交流电流（AC）信号转换为直流电压，其中，发电机侧变流器通过直流母线和发电机侧变流器的直流电压被提供给发电机转换为可变频率的交流信号转换成直流电压。

2.  变速风力涡轮机，其特征在于，包括：接收来自发电机的功率流，确定，如果发电机运行在低于??或高于同步转速;指示接收到的功率流的发电机，如果被确定为工作在低于同步速度发电机多余的电力和散热从接收到的功率流，如果被确定为在同步转速以上运行发电机。

3.  根据权利要求3的方法，其特征在于，所述指示接收到的功率，包括：直流电压信号转换成可变频率的交流信号，并引导到发电机的交流信号。

4.  根据权利要求3的方法，其特征在于，所述消耗多余的电力，包括可变频率的交流信号转换为直流电压信号，并从发电机指挥的直流电压信号的相差的发电机。

5.  如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括消耗多余的电力消耗过剩电源产生的直流电压信号。

6.  变速风力涡轮机，其特征在于，包括：一个连接到风叶片，用于产生电功率的发电机，以及耦合到发电机的功率转换器，和控制所产生的电力，电源转换器包括一个发电机侧变流器的DC链路，一个功率耗散元件，和一个无源电网侧整流器，其特征在于，所述主动侧发生器转换成可变频率的交流信号被提供给发电机或可变频率的交流信号转换为直流电压的发电机，从直流母线的直流电压信号供给到DC链路的信号，其特征在于，所述功率耗散元件消耗多余的电力由发电机侧变流器的直流电压产生的信号。

7.  根据权利要求7的方法，其特征在于，所述的发电机侧变流器，从直流母线转换为可变频率的交流信号转换成直流电压信号，如果发电机运行在低于??同步速度的变速风力涡轮机的。

说明书变速风力涡轮机
技术领域
本发明涉及机械领域，尤其涉及一种变速风力涡轮机，并且更具体地，具有无源电网侧整流器与标量的功率控制和依赖的桨距控制的变速风力涡轮机。
发明背景
风力涡轮机是一种能量转换装置。它转换成动能风能转化为电能的实用电网。这种类型的能量转换通常涉及用风能转旋转的发电机的转子的风力叶片。具体而言，风的风叶片创建一个在转子上的力，使转子旋转机械风能转换成电能。因此，这样的发电机的电功率的风的功率的函数。因为风速波动，施加到转子的力可以有所不同，但是，需要在一个恒定的频率的电功率，例如60赫兹或50赫兹。因此，风力涡轮机必须在一个恒定的频率同步至电网提供电力的。
一种类型的提供恒定频率的电功率的风力涡轮机，风力涡轮机是一个固定速度。这种类型的涡轮机需要的发电机轴，以恒定的速度旋转。发电机轴，以恒定的速度旋转的一个缺点是，它并没有利用在高速行驶时风的功率，在低风速必须被禁止。即，一台发电机通过以恒定的速度旋转，限制了它的能量转换效率。因此，为了获得最佳的能量转换，旋转的发电机速度的风速成正比。
一种类型的风力涡轮机保持的旋转发电机的转速成比例的风速是可变速风力涡轮机。具体而言，这种类型的涡轮机，使一台发电机，连续可变的速度旋转，以适应波动的风速。通过改变旋转的发电机速度，能量转换在一个更广泛的风速范围内，可以进行优化。在此之前的变速风力涡轮机，但是，需要复杂和昂贵的电路来执行功率转换和控制涡轮机。
从电网以将电力提供到转子绕组通过后端到回转炉中，电网侧转换器作为一个整流器，恒定频率的交流信号转换成直流电压，这是放置在DC链路。发电机侧转换器作为一个逆变器的直流母线上的直流电压转换成可变频率的交流信号的发生器，从而在定子上，以保持恒定的高频功率。以将电力提供到电网通过后端到回转炉，从转子绕组的发电机侧变流器作为整流器和可变频率的交流信号转换成直流电压，这是放置在DC链路。然后，电网侧转换器作为一个逆变器的直流电压转换为电网的固定频率的功率的DC连结至。后端到这种类型的转换器的一个缺点是，它需要复杂和昂贵的电路，利用两个转换器的有源开关。如前所述，通常可以使用主动式开关电源转换过程中造成不必要的功率损耗和不必要的高次谐波对电网。此外，像现有的填充功率转换器中，两个转换器必须被控制，，比无源元件，有源元件是不可靠的。
一种类型的发电机侧变流器的控制，涉及将交流信号转换为参数表示三相发电机电气量与坐标变换，使发电机可以控制使用DC值。这种类型的控制是“磁场定向控制（FOC）的一种形式。采用FOC型控制的一个缺点是，有用的信息交流信号的转变过程中，可能会丢失。具体而言，FOC假定的三个阶段的AC信号是对称的。在某些情况下，交流信号是不对称的，从交流信号转换成直流值在转换过程中，可使用AC信息可能会丢失。
此外，因为FOC转化为DC值时，会丢失信息，FOC是不能被用于在一个系统中，分别独立地控制各相的电网的电气量（例如，电压，电流）。从理论上讲，这不应该构成一个问题，因为每个阶段的理想电网电量不应该有所不同的。然而，在实际中，在每个阶段，对电网的电气量可能会发生变化，造成不均匀的热应力发展上的发电机和非最佳的发电。因此，这将是可取的电网的三个阶段中的每一个独立地控制这些电气量。
另一个方面的风力涡轮机的桨距控制器。典型的发电机上升到预选恒定的速度运行，被称为“额定转速。”当发电机，或之前到达，额定转速运行时，涡轮机控制涡轮机的叶片角度的限制，面对风，被称为“叶片的桨距角”。通过控制桨距角，涡轮机可以维持发电机在额定转速。桨距控制器，然而，通常在低频率下操作相比，功率转换控制器。因此，音调控制器反应迟缓快速变化的速度，这是典型的由阵风所引起。
发明内容
本发明的一个方面公开了一种变速风力涡轮机。例如，可变速涡轮机可包括发电机提供动力，以电力网和耦合到发电机的功率转换系统。的电力变换系统可以包括至少一个被动的电网侧整流电源的发电机。本发明的另一个方面，公开了一个可变速风力涡轮机，可以使用标量的功率控制，对电网的电气量，以提供更精确的控制。本发明的又一个方面，公开了一种变速风力涡轮机，可以使用依赖，提高响应速度的风力涡轮机的桨距控制。
具体实施方法
本文所述的变速风力涡轮机提供了一个简化的电源转换器，使用无源电网侧整流器，从而避免了使用有源开关。例如，可以由无源整流器二极管。因此，被动的电网侧整流不要求处理器的控制，提供了一个更可靠的电源转换器。特别是，无源元件更可靠的比活性组分。此外，因为有源开关电源转换过程中造成的功率损耗，可以改善的无源电网侧整流器用于风力涡轮机的功率转换效率。此外，使用无源电网侧整流不产生高次谐波，并提供较不昂贵和复杂的电路，用于在所述风力涡轮机的功率转换器。
该风力涡轮机还提供了控制提供到电力网的瞬时功率的发电机转子电流的瞬时控制。标量的功率控制，可以是响应于为每个阶段的电网的实际的电气特性。
风力涡轮机还使用依赖的变桨控制，电源控制器上的依赖。特别是，一个实施方式公开了一种低速的变桨控制器从高速功率控制器，其接收信号或信息，从而提高了响应速度，变桨控制器。
如在下面进一步详细描述的，变速风力涡轮机可被实现双馈绕线转子感应发电机产生电能。该发电机可以工作在低于同步速度高于同步转速。
同步转速是机械的转子（速度）的速度，在定子磁场以相同的速度旋转。在下文所述的风力涡轮机的上下文中，同步速度可以是每分钟1800转。通常情况下，定子频率固定为电网频率。以实现这里所描述的，通过控制一发电机的转子侧转换器或逆变器的有源元件，并通过控制涡轮机叶片的间距的恒定频率的功率，所需的量可被提供从发电机的定子绕组。激励功率在转子速度低于同步速度，可以使用无源电网侧整流从电网提供给发电机的转子。在高于同步转速的转子速度，功率流可以被逆转，由于多余的电力从发电机的转子，这需要多余的电力消耗在功率转换器。
被动电网侧整流器配置
本发明相一致的变速风力涡轮机100的一个实施方式的电路。风力涡轮机包括一发电机具有定子和转子连接到发电机转子轴。尽管未示出，发电机转子轴连接风叶片的风力涡轮机。一个实现此连接可以是通过一齿轮箱。在一个实施例中，发生器被实现为双馈绕线转子感应发电机，转子和定子都包括两个极，相绕组的转子轴的旋转进行发电。发生器提供的固定频率的交流信号从定子到电力网。转子可以接收从功率转换系统滑移和激励功率发生器的操作通过无源电网侧整流器。转子也可直接产生的多余的功率转换器，它可以消耗多余的发电。
发生器通过电感器耦合到功率转换器。电感器作为一个过滤器，以防止绕组上的电压变化大内发电机。功率转换器被耦合到电源变压器。电力变压器可以是，例如，一个690V/480V电源变压器与一个集成的电抗器或分离的扼流电感。特别是，电源变压器供给电网690V和480V电源转换器。电源变压器耦合到电网的充电电路，包括开关和电阻器，功率转换器充电，没有显着的浪涌电流，通过电源变压器。此电路还耦合的电磁兼容性（EMC）滤波器，过滤器引起的功率转换器的谐波失真。一过电压保护（OVP）电路也被耦合到发生器。OVP电路工作在过压条件下不受损坏，以保护电源转换器。
发电机电源通过定子到电网。定子连接到电网通过三角洲（“三角洲”）连接器和主要连接器或通过Y型连接器和主连接器。和主要连接器A连接器可以配置定子绕组，使他们在三角连接。 Y型接头和主连接器可以配置，所以他们是在一个Y连接绕组在定子。在一个实现中，使用相同的定子绕组DELTA和Y连接。以这种方式，一个Y形接法可以减少在定子的铁损和低风速允许更宽的速度范围内。因此，发电机可以选择性地从定子通过DELTA电网提供电力。连接器和主连接器或连接器和主CONNECTER 。此外，这使得风力涡轮机，以减少功率损耗，通过有选择地发生器连接到电网的德尔塔DELTA。连接器131A和主连接器或Y型连接器131B和主连接器105。的网格工作在一个固定的频率作为3相690V公用电网。该网格也可以工作在其他的电压或固定的频率，例如50赫兹，或具有不同的相数。
电源转换器
变速风力涡轮机包括耦合到功率转换器来控制涡轮机内的组件，包括调节涡轮机的输出功率流和控制部件，如电源转换器的转换器处理器。在一个实施例中，转换器处理器控制功率转换器中的有源元件，以便控制提供给电网的总电量的。这样的电量可能包括提供给电网的总电流和功率。转换器处理器控制功率转换器的操作将在下面更详细地进行说明。
电源转换器包括一个活跃的发电机侧逆变器，直流母线，功耗元件，和被动电网侧整流器。为了说明的目的，电源转换器与单元素所示，然而，任意数量的元素，在功率转换器可以被实现。例如，功率转换器可以包括任意数量的无源整流器并联无源整流器。这样的结构是特别有用的风力涡轮机的情况下，提供了一个低功率模式和至少一个较高的功率模式，其中一个或多个并联整流器，将在更高的发电机模式（次）启动。也可以设置多个散热能力元件。
风力涡轮机的正常运行在同步速度以下，功率流从功率转换器被引导到发生器。因此，在大多数情况下，有效的逆变器的组件作为逆变器转换的直流母线上的直流电压转换为可变频率的交流信号发生器。因此，在以下的实施方式中，有源逆变器的简称为“逆变器”。然而，在某些情况下，风力涡轮机可以工作在高于同步转速，使得功率流是相反的和有源逆变电路的组件可以被用作一个整流器。即，当功率流是相反的，有源逆变电路的工作被从发生器产生用于功率转换器转换为直流电压的转换多余的电力。这样，多余的功率可消耗或者排出的散热元件，这将在下面进一步详细解释。
有源逆变电路包括一个三相桥式配置的有源元件或开关。在一个实施例中，有源开关的IGBT。这些有源开关可以是其它类型的开关，例如，例如，双极结型晶体管或场效应晶体管。
在一个实施例中，脉冲宽度调制（PWM）电流调节技术是根据一个标量控制算法（“标量控制算法”），如下文所述，用于选择性地控制在有源逆变电路中的有源开关。标量控制算法允许从个人和/或独立的PWM控制转子的基础上测量的电气量的网格中的每个阶段的每个阶段。标量控制算法可以控制的，单独和/或独立的网格中的每个阶段的电气量。虽然也可以采用其他的控制方法，如使用磁场定向控制的转矩控制中，如在'187专利中所描述的，FOC型控制以不同的方式实施，执行不同的功能，并实现了较差的结果比本文所述功率控制方法。
在低于和高于同步转速的有源逆变器的操作现在将说明。在同步速度以下，有源逆变器作为一个逆变器，将直流母线上的直流电压转换成可变频率的交流信号被提供给发生器。在高于同步转速，有源逆变器用作整流器，可变频率的交流信号转换为DC电压，直流母线被安置在从发生器。正如将要进一步详细描述如下，当直流母线上的直流电压超过阈值时，功率耗散元件将直流母线上的电压降低，从发生器产生的燃烧掉多余的电力。
链路包括一系列的电容器元件。在一些实施方式中，可以添加一组或多组的电阻对电容器进行放电的元素和改善对称性。特别是，各部分的链路两端的电压降应该是基本相同的（或基本对称的）。然而，直流母线，可以与其他类型的电压的存储电路配置中实现。