风力涡轮机及其操作方法、 用于操作风力涡轮机的控制器 技术领域 本发明总体上涉及风力涡轮机的操作方法、 可用于操作风力涡轮机的控制器以及 风力涡轮机。
背景技术 风力涡轮机通常通过转换器 ( 例如， 满标值 (full scale) 转换器 ) 连接到电网。 3MW 转换器通常具有大约 1kHz 的谐振频率。在没有针对转换器的电流控制器的情况下， 提 供给电网的电压中的突变可能会激发包括转换器、 电网滤波器和电网阻抗 ( 即， 变压器和 线路阻抗 ) 的系统的谐振模式， 并且可能导致高峰值瞬时电流。这种高峰值瞬时电流可能 启动转换器保护系统， 并且可能导致风力涡轮机的不期望的跳闸。
一种减轻高瞬时峰值电流的可能方法是使用无源阻尼。 针对谐振频率的分流阻尼 电路 (shunt damping circuit) 可以与连接到转换器和电网二者的电容器并联设置。 然而， 分流阻尼电路的电感和电容元件需要调谐到谐振频率。例如， 利用分流阻尼电路的电阻器
发生能量损耗。
一种替代方法是使用有源阻尼， 其中， 将转换器的输出电流被控制为模仿阻尼电 路的电流。然而， 需要高的电流控制器带宽来控制转换器在谐振频率 ( 即， 大约 1kHz) 下的 输出电流。 发明内容 根据本发明的一个实施方式， 提供了一种风力涡轮机的操作方法。该风力涡轮机 包括通过滤波器装置可连接到电网的电压转换器。该方法包括以下步骤 ： 确定线路电压 ； 并且以一时延将所确定的线路电压加到电压转换器的输出， 其中， 所述时延被调节为使得 在所述滤波器装置处发生的谐振效应减小。
根据本发明的一个实施方式， 以固定时间间隔对所述线路电压进行采样以生成多 个电压采样值。
根据本发明的一个实施方式， 所述方法包括以下步骤 ： 基于所述多个电压采样值 生成抵消电压 ； 将所述抵消电压加到所述电压转换器的输出 ； 并且以固定时间间隔更新所 述抵消电压。
根据本发明的一个实施方式， 所述抵消电压是根据不同电压采样值的按照各自电 压采样加权系数加权后的线性组合计算的。
根据本发明的一个实施方式， 所述电压采样加权系数中的至少一些电压采样加权 系数分别取决于优化参数 tpredict， 该优化参数 tpredict 调节将所确定的线路电压施加到所述 电压转换器的输出所用的时延。
根据本发明的一个实施方式， 所述抵消电压是利用离散变换级数确定的。
根据本发明的一个实施方式， 所述离散变换级数的阶数至少为 3。
根据本发明的一个实施方式， 所述抵消电压是通过修改电压转换器控制信号生成
的。 根据本发明的一个实施方式， 提供了可用于操作风力涡轮机的控制器。该风力涡 轮机包括通过滤波器装置可连接到电网的电压转换器。 所述控制器包括 ： 输入单元， 其被配 置成接收表示线路电压的信号， 和控制单元， 其耦接到所述输入单元， 所述控制单元被配置 成控制以一时延将接收到的信号所表示的所述线路电压加到所述电压转换器的输出的过 程， 并且被配置成调节所述时延， 使得在所述滤波器装置处发生的谐振效应减小。
根据本发明的一个实施方式， 所述输入单元接收到的所述信号是从以固定时间间 隔对所述线路电压进行采样的采样过程得到的多个电压采样值。
根据本发明的一个实施方式， 所述控制单元被配置成控制以下过程 ： a) 基于所述 多个电压采样值生成抵消电压 ； b) 将所述抵消电压加到所述电压转换器的输出 ； 并且重复 进行 a) 和 b)。
根据本发明的一个实施方式， 所述控制单元被配置成根据不同电压采样值的按照 各自电压采样加权系数加权后的线性组合计算所述抵消电压。
根据本发明的一个实施方式， 所述电压采样加权系数中的至少一些电压采样加权 系数分别取决于优化参数 tpredict， 该优化参数 tpredict 调节将所确定的线路电压施加到所述 电压转换器的输出所用的时延。
根据本发明的一个实施方式， 利用离散变换级数确定所述抵消电压。
根据本发明的一个实施方式， 所述离散变换级数的阶数至少为 3。
根据本发明的一个实施方式， 所述控制单元被配置成生成控制信号， 该控制信号 修改所述电压转换器的控制信号， 使得所述电压转换器的转换器输出电压具有附加的抵消 电压分量。
根据本发明的一个实施方式， 所述控制器是电压转换器控制器。
根据本发明的一个实施方式， 所述控制器以硬件或软件实现， 或者以硬件和软件 的组合实现。
根据本发明的一个实施方式， 提供了一种包括上述控制器的风力涡轮机。
附图说明 附图中， 在全部不同视图中， 同样的附图标记通常指代同样的部件。 附图不一定是 按照比例绘制的， 总体上的重点在于例示本发明的原理。 在以下描述中， 参照以下附图描述 本发明的各实施方式， 其中 ：
图 1 例示了传统风力涡轮机的一般设置。
图 2a 示出了具有满标值转换器结构的电气系统的示意图。
图 2b 示出了根据本发明的一个实施方式的具有满标值转换器结构的电气系统的 示意图。
图 3 示出了根据本发明的一个实施方式的风力涡轮机的操作方法的流程图。
图 4 示出了根据本发明的一个实施方式的可用于操作风力涡轮机的控制器的示 意性框图。
图 5 示出了根据本发明的一个实施方式的可用于操作风力涡轮机的控制器的示 意性框图。
具体实施方式
图 1 例示了传统风力涡轮机 100 的一般设置。 风力涡轮机 100 安装在基座 102 上。 风力涡轮机 100 包括具有多个塔部件的塔 104。风力涡轮机机舱 106 置于塔 104 的顶部。 风力涡轮机转子包括毂 108 和至少一个转子叶片 110， 例如， 三个转子叶片 110。转子叶片 110 连接到毂 108， 毂 108 进而通过低速轴连接到机舱 106， 该低速轴在机舱 106 的前面延 伸。
图 2a 示出了根据本发明实施方式的具有可以用于风力涡轮机中的转换器结构的 风力涡轮机的电气系统 200。电气系统 200 连接到风力涡轮机的发电机 202。在一个实施 方式中， 电气系统 200 可以是电压转换器 200， 该电压转换器 200 包括连接到发电机 202 的 AC 到 DC 电压转换器 204( 发电机侧转换器 )、 DC 到 AC 电压转换器 206( 线路侧转换器 ) 和 连接在 AC 到 DC 电压转换器 204 与 DC 到 AC 电压转换器 206 之间的 DC 链路 208。在其它实 施方式中， 电气系统 200 可以具有不同结构。电压转换器 200 通过滤波器装置 212 连接到 电网 210。
更具体地说， 电力线 214 的第一部分 214a 连接在电压转换器 200 的输出端 230 和 电感器 216 的第一端 222 之间， 而电力线 214 的第二部分 214b 连接在电感器 216 的第二端 224 和变压器 220 之间。滤波器装置 212 连接在电力线 214 的第二部分 214b 和接地基准点 226 之间。滤波器装置 212 在耦接点 219 处连接到电力线 214 的第二部分 214b。 滤波器装置 212 可以有不同的结构和 / 或设置。 在一个实施方式中， 如图 2a 所示， 滤波器装置 212 包括连接在耦接点 219 与接地基准点 226 之间的电容器 218。在其他实施 方式中， 滤波器装置 212 可以包括连接在耦接点 219 与接地基准点 226 之间的电阻器、 电感 器和 / 或电容器。电阻器、 电感器和 / 或电容器可以以串联、 并联、 或者串联和并联组合的 设置来进行设置。电阻器、 电感器和 / 或电容器例如可以抑制谐振频率增益并且减小由转 换器系统中的半导体开关的开关所导致的高频谐波。
电气系统 200、 发电机 202 和变压器 220 可以是如图 1 所示的风力涡轮机 100 的一 部分， 并且通常位于风力涡轮机 100 的机舱 106 的内部。电气系统 200 的转换器结构是满 标值转换器结构。在本文中 “满标值” 意思是发电机 202 所发的全部电力在提供给电网 210 之前由电压转换器 200 进行转换。
或者， 发电机 202 可以是单馈或双馈异步发电机、 永磁体发电机、 感应发电机或包 括定子线圈的任何其它类型的发电机。 还可以设置变速箱来使低速轴的低旋转速度提升到 适合操作发电机 202 的高旋转速度。也可以通过使用适合低速轴的低旋转速度的多极发电 机 202 而省略该变速箱。在这种情况下， 低速轴直接耦接到发电机 202。还可以在低速轴处 设置备用传动装置 (alternative transmission)， 以便根据需要驱动发电机 202。
在电感器 216、 变压器 220 和电容器 218 之间可以产生谐振效应 ( 例如， 谐振电 流 )。为了提供针对谐振电流的有源谐振阻尼 ( 即， 为了减小谐振电流 )， 可以在电气系统 200 中添加控制器 228， 如图 2b 所示。控制器 228 可以是针对电压转换器 200 的功率控制 器。在一个实施方式中， 控制器 228 可以在电压转换器 200 中实现。控制器 228 可以以硬 件或软件实现、 或者以硬件和软件的组合实现。作为示例， 控制器 228 可以是具有以软件实 现的算法的数字控制器。
图 2a 示出了电压转换器 200 和滤波器装置 212 的单相实现的示例性说明。 可以使 用三相实现。对于三相实现， 发电机 202 具有三个输出端子， 其连接到电压转换器 200 的相 应三个输入端子。类似地， 电压转换器 200 具有三个输出端子 230， 其经由三个电感器 216、 三个滤波器装置 212 和一个三相变压器 220 连接到电网 210。 在一个实施方式中， 各滤波器 装置 212 具有连接在耦接点 219 和接地基准点 226 之间的电容器 218， 得到 “星形” 连接结 构。在另一实施方式中， 各滤波器装置 212 的电容器 218 可以连接成德耳塔结构。从而， 存 在三条将电压转换器 200 连接到变压器 212 的电力线 214。可以通过直接测量三相线路电 压来获得线路电压， 或者如果滤波器装置 212 的电容器以 “星形” 结构连接， 则可以根据单 个电容器上的电压推导出线路电压。 在任何情况下， 可以由线路电压推导出理想抵消电压。
在以下描述中， 将给出本发明的实施方式的理论背景。
参照图 2b， 根据本发明的实施方式， 通过测量在耦接点 219 处的电压 ( 即， 在滤波 器装置 212 上所下降的电压 ) 来确定线路电压。在一个实施方式中， 如果滤波器装置 212 仅包括电容器 218( 例如图 2a 和 2b 所示 )， 滤波器装置 212 上所下降的电压可以是电容器 218 上所下降的电压 Ucap。即， 对于如图 2a 和 2b 所示的单相实现， 线路电压可以是电容器 218( 例如， 滤波器装置 212) 上所下降的电压 Ucap。对于三相实现， 线路电压可以是以德耳 塔结构排列的两个电容器 218( 例如， 2 个滤波器装置 212) 上所下降的电压。以一时延将 所确定的线路电压加到电压转换器 200 的输出 230( 例如， 电力线 214 的第一部分 214a)。 即， 以一时延将所确定的线路电压加到电压转换器 200 的输出电压信号 Uv 上。这可以由控 制器 228 通过选择 PWM 信号来实现， 该 PWM 信号控制电压转换器 200 使得附加抵消电压施 加到电压转换器 200 的输出 230 上。
出于例示的目的， 这里给出单相情况， 其中， 在以下描述中， 线路电压可以称为电 容器 218 上所下降的电压 Ucap。然而， 本领域的技术人员可以理解， 对于三相系统， 线路电 压不限于电容器 218 上所下降的电压 Ucap。 在三相系统的情况下， 所获得的线路电压将用于 相应地推导出理想抵消电压 ； 并且， 理想抵消电压会被定义为这样的电压， 当该电压本身无 延迟地施加到电感器 216 的端子 222 上将导致电感器 216 上零压降， 从而不会引起电感器 216( 对于三相系统， 为三个电感器 ) 中的电流变化。
如果所施加的抵消电压正好相等 ( 即， 如果电感器 216 的第一端子 222 上施加的 电压 Uv 正好等于电感器 216 的第二端子 224 上施加的电压 Ucap)， 则电压 Uv 和 Ucap 的准确电 压抵消会从电感器 216 完全移除 Ucap 的影响。然而， 如果由于电压 Uv 与电压 Ucap 不同电压 抵消不完美， 并且电压 Uv 是电压 Ucap 的离散采样输出并且被时延 tdelay， 则电感器 216 上的电 压将是由电压 Ucap 与电压 Uv 之间的差得到的电压信号 ( 忽略了来自控制器的电流反馈 )， 并且会馈送到由电感器 216 形成的积分器中。电感积分器可以重新生成电感器 216 中的电 流 iG( 如图 2b 所示 )， 该电流 iG 与电压信号 Ucap 反相。电流 iG 可以等于或可以包括流过与 滤波器装置 212( 例如， 滤波器装置 212 的电容器 218) 并联连接的虚构电阻器 RCAP，fictif 的 电流 ( 即， 阻尼电流 )。
通过以下等式和近似， 来说明上述描述 ：
其中， UCAP(τ) 表示在时刻 τ 时电容器上的电压降， Uv(τ) 表示时刻 τ 处电压转 换器的输出电压信号， 其大约等于 UCAP(τ-tdelay)， tdelay 是时延， 而 L 是电感器的电感。
因此， 以所述时延将所确定的线路电压 ( 例如， 电容器 218 上所下降的电压 Ucap) 加 到电压转换器 200 的输出电压信号 Uv 上近似产生了与滤波器装置 212( 例如， 滤波器装置 212 的电容器 218) 并联连接的虚构电阻器的阻尼效果。虚构电阻器可以导出如下。
这种方法可以允许不用直接电流控制来产生上述阻尼电流， 并且能够实现改善的 阻尼 ( 即， 更低的瞬时峰值电流 )。
可以利用以下马克劳林 (MacClaurin) 或泰勒 (Taylor) 级数对具有时延的所确定 的线路电压 ( 例如， 电容器上所下降的电压 Ucap) 进行近似 ：
其中， Ucap 是电容器上所下降的电压， 而 tpredict 表示修改或调节将电容器上所下降 的电压施加到电力线的第一部分所用的时延的优化参数。
式 (3) 中所示的马克劳林或泰勒级数的导数可能不能应用于离散系统。对于离散 系统， 式 (3) 中所示的马克劳林或泰勒级数的导数可以通过更高阶的差来近似。给定电网 电压序列 V(n)， V(n-1)， V(n-2)， ...， 根据下式来近似马克劳林或泰勒级数的各阶导数 ：
D1(n) ＝ V(n)-V(n-1) ；
D2(n) ＝ D1(n)-D1(n-1) ； (4)
D3(n) ＝ D2(n)-D2(n-1) ；
....
Dm(n) ＝ Dm-1(n)-Dm-1(n-1).
其中， D1(n)， D2(n)， D3(n)， ...， Dm(n) 分别表示马克劳林或泰勒级数的第一到 第 m 阶导数的离散近似， V(n) 表示电容器上第 n 个采样的电压， 而 V(n-1) 表示电容器上第 (n-1) 个采样的电压。
对于离散系统， 马克劳林或泰勒级数可以利用下式表示 ：
V(t predict ) ＝ V(n)+D1(n).(t predict )+D2(n).(t predict 2 /2)+D3(n).(t predict 3 / (3.2))+...(5)
其中， V(tpredict) 表示电容器上从 V(n) 出现时刻开始时间偏移了时间 tpredict 处的 近似电压， V(n) 表示电容器上第 n 个采样的电压， 而 tpredict 是修改或调节将电容器上所下 降的电压施加到电力线的第一部分所用的时延的优化参数。
因此， 对于离散系统， 可以基于上式 (5) 确定时延。 式 (5) 可以称为离散变换级数。
针对式 (5) 中的不同求导阶数， 利用固定值的 tpredict( 从而是固定的时延 )， 进行 了实验仿真。实验结果表明利用式 (5) 中的至少是到 3 阶求导的那些项提供了较好的阻尼
结果。因此， 式 (5) 中的至少是到 3 阶求导的那些项用于确定时延。即， 所述离散变换级数 ( 例如， 式 (5)) 的阶数至少为 3。
图 3 示出了根据本发明实施方式的风力涡轮机的操作方法的流程图 300。在 302 处， 确定线路电压。在 304 处， 以一时延将所确定的线路电压加到电压转换器的输出。调节 时延， 使得滤波器装置处发生的谐振效应减小。
更具体地说， 可以以固定时间间隔对线路电压进行采样， 以便生成多个电压采样 值。可以基于多个电压值采样生成抵消电压。在一个实施方式中， 可以根据不同电压采样 值的按照各自电压采样加权系数加权后的线性组合来计算抵消电压。 电压采样加权系数中 的一些电压采样加权系数分别取决于优化参数 tpredict， 该优化参数 tpredict 调节将所确定的 线路电压施加到电压转换器的输出所用的时延。可以基于式 (5) 计算抵消电压。抵消电压 可以直接加到电压转换器的输出。抵消电压可以以固定时间间隔更新。
在一个实施方式中， 可以通过修改电压转换器控制信号， 来生成抵消电压。
图 4 示出了根据本发明实施方式的可用于操作风力涡轮机的控制器 228 的可能实 现。控制器 228 包括输入单元 402， 其被配置成接收表示线路电压的信号 406。控制器 228 还包括耦接到输入单元 402 的控制单元 404。控制单元 404 被配置成控制以一定时延将由 接收到的信号所表示的线路电压加到电压转换器的输出的过程， 并且被配置成调节所述时 延， 使得在滤波器装置 ( 例如， 电容器 ) 处的谐振效应 ( 类似电流 ) 减小。在一个实施方式 中， 控制单元 404 可以输出表示具有该时延的线路电压的信号 408。
图 5 示出了图 4 中示出的控制器 228 的可能实现。在图 5 中， 示出了耦接到滤波 器装置 212 的控制器 228 的框图。在一个实施方式中， 滤波器装置 212 包括电容器 218。滤 波器装置 212 耦接到电感器 216 和变压器 220。控制器 228 包括接收表示线路电压 ( 例如， 电容器 218 上所下降的电压 ) 的信号 S1 的输入单元 502。该信号 S1 可以是从以固定时间 间隔对线路电压进行采样的采样过程得到的采样信号。控制器 228 包括耦接到输入单元 502 的控制单元 504。控制单元 504 从输入单元 502 接收信号 S1。控制单元 504 可以基于 式 (5) 确定要施加到所接收的信号 S1 的时延 tpredict。
可以调节时延， 使得滤波器装置 212 处 ( 或者更具体地说， 电感器 216、 变压器 220 和电容器 218 之间 ) 的谐振电流减小。 可以调节时延， 使得实现最优或近似最优的阻尼。 实 验仿真结果表明， 直到在特定值的时延处实现最优或近似最优阻尼之前， 阻尼结果随着时 延的增加而改善。如果时延增加到高于该特定值的时延的值， 则阻尼结果劣化。因此， 在不 同谐振情况下， 可以通过预先或实时调节时延来实现最优或近似最优阻尼。
控制单元 504 可以基于采样信号 S1 生成表示抵消电压的信号 S2。控制单元 504 可以根据不同电压采样值的按照各自电压采样加权系数加权后的线性组合， 来计算抵消电 压。 电压采样加权系数中的一些电压采样加权系数分别取决于优化参数 tpredict， 该优化参数 tpredict 调节将所确定的线路电压施加到电压转换器的输出所用的时延。控制单元 504 可以 基于式 (5) 计算抵消电压。控制单元 504 可以将抵消电压信号 S2 加到电压转换器 200 的 输出 230， 即， 电压转换器 200 的输出电压信号 Uv。可以重复进行以下过程 ： 基于采样信号 生成抵消电压信号 S2， 以及将该抵消电压信号 S2 加到电压转换器 200 的输出 230。
抵消电压信号 S2 可以馈送到脉宽调制 (PWM) 单元 506 中， PWM 单元 506 可以输出 例如 PWM 信号 SPWM。模块 228 表示基于电流反馈的、 针对电感器 216 的电感器电流 i1 的电流控制器。 模块 228 感测通过电流测量获得的电感器电流 i1， 通过采样模块 508( 即， 电流反馈 ) 对电 感器电流 i1 进行采样， 并利用求和点模块 510 获得电感器电流 i1 和基准电感器电流 i1_ REF 的差。模块 228 具有基于所获得的差提供输出信号的补偿模块 (KP_GCC)512。可以利 用求和点模块 514 将补偿模块 (KP_GCC)512 的输出信号加到抵消电压信号 S2。可以利用 PWM 单元 506 将补偿模块 (KP_GCC)512 的输出信号和抵消电压信号 S2 二者的组合信号转换 成 PWM 输出信号 SPWM。简言之， 模块 228 表示连续工作的一个可能的反馈控制器， 有无针对 阻尼而提到的抵消电压都可以工作。基于式 (5) 计算出的抵消电压被加到模块 228 的指令 电压 ( 例如， 电压转换器 200 的输出电压 )。基准电感器电流 i1_REF、 补偿模块 KP_GCC 512 以及电感器电流 i1 的采样模块 508 不影响时延的处理。线路电压 ( 例如， Ucap)( 其为抵 消电压信号 S2 的一部分 ) 的采样和 PWM 单元 506 可能影响式 (5) 中 tpredict 的最优值。在 仿真过程中考虑了由于线路电压的采样和 PWM 单元 506 导致的影响因素， 并且在采样信号 S1 的采样率以及 PWM 延迟的期望条件下获得最优 tpredict。
在一个实施方式中， 控制单元 504 可以生成控制信号， 该控制信号控制电压生成 单元， 以生成直接被加到电压转换器的输出的抵消电压。 在一个实施方式中， 电压生成单元 ( 未示出 ) 可以在控制单元 504 中实现 ( 即， 控制单元 504 的一体单元 )。在另一个实施方 式中， 电压生成单元 ( 未示出 ) 可以是耦接到控制单元 504 的独立单元。 在另一实施方式中， 参照图 2b， 控制单元 504 可以生成这样的控制信号， 该控制信 号修改电压转换器 200 的控制信号， 使得电压转换器 200 的输出电压具有附加的抵消电压 分量。
参照图 2b， 控制器 228 可以向电压转换器 200( 例如， 电压转换器 200 的 DC 到 AC 电压转换器 206) 输出 PWM 信号 SPWM。PWM 信号 SPWM 可以相当于或者可以包括具有时延的信 号 S2。PWM 信号 SPWM 可以调节电压转换器 200 的输出电压信号 Uv， 使得抵消电压信号 S2 加 到电压转换器 200 的输出电压信号 Uv 上。从而可以修改电压转换器 200 的输出电压信号 Uv。可以输出与修改后的转换器输出电压信号相对应的转换器输出电流信号。转换器输出 电流信号可以包括阻尼电流， 以便减小电感器 216、 电容器 218 和变压器 220 之间产生的谐 振电流。在一个实施方式中， 阻尼电流可以施加到滤波器装置 212 上。阻尼电流可以近似 产生与滤波器装置 212( 例如， 滤波器装置 212 的电容器 218) 并联连接的虚构电阻器的阻 尼效果。
上述方法提供了没有用于抗谐振控制的电流控制的有源阻尼方法。 上述方法允许 以低的电流控制器带宽施加有源阻尼。上述方法通过调节时延的值实现阻尼， 并且允许优 化控制器， 从而导致电网容量减小的可能 ( 即， 允许使用更低的容量， 该更低的容量可以是 通常使用的容量减少大约 60％ )。可以减小无源谐振滤波器的尺寸或者可以去除无源谐振 滤波器。 上述方法可以提供对连接在风力涡轮机和电网之间的转换器的线路侧的更稳定和 稳固的控制。
尽管参照特定实施方式具体给出并描述了本发明的多个实施方式， 但本领域的技 术人员应当理解的是， 在不脱离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下 可以做出形式和细节上的各种变型。从而本发明的范围由所附权利要求书指明， 因此旨在 包括落入这些权利要求书的等同物的内容和范围内的所有变型。