風力渦輪機及風力渦輪機的保護系統技術方案

本發明專利技術提供了一種風力渦輪機的保護系統，風力渦輪機包括具有定子和轉子的發電機、轉子側變流器、網側變流器及位于轉子側變流器和網側變流器之間的直流鏈路，保護系統包括第一開關元件、一個或多個側電阻元件及控制器。一個或多個側電阻元件通過一個或多個側開關元件與直流鏈路或者定子的多個繞組電性耦合。控制器用于響應電磁轉矩損失事件控制第一開關元件將網側變流器和定子的多個繞組與公用電網斷開連接，以及控制一個或多個側開關元件導通一個或多個側電阻元件與直流鏈路或者定子的多個繞組之間的電性連接以在發電機中產生電磁轉矩。本發明專利技術還提供一種風力渦輪機。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術大體涉及一種風力發電系統，尤其涉及一種風力渦輪機及風力渦輪機的保護系統。
技術介紹
典型地，風力渦輪機包括具有定子和轉子的發電機，該發電機可能以雙饋感應發電機(doublyfedinductiongenerator,DFIG)作為例子，定子直接與公用電網連接，而轉子通過交流-直流-交流變換器與公用電網連接。當發電機處于發電模式時，上述變換器控制發電機的電磁轉矩，以使轉子的旋轉速度達到期望的操作速度。該電磁轉矩與風力渦輪機的機械轉矩相匹配。如果突然發生電磁轉矩損失事件，上述變換器失去了控制電磁轉矩的能力，那么，電磁轉矩將在100-200毫秒內降至零。與此相對的，當僅僅通過調節風力渦輪機的葉片的槳距角來降低機械轉矩時，需要大約30-45秒才能將風力渦輪機的機械轉矩降至零。由于電磁轉矩的快速喪失以及機械轉矩的緩慢減小，即使以可行的最快速度來調節風力渦輪機的葉片的槳距角，轉子的旋轉速度仍然可能超過額定速度。轉子的旋轉速度過快、葉片的槳距角的快速調節和推力的突然損失，使得風力渦輪機部件上所承受的機械負荷較高，特別是對于塔架、葉片和輪轂等。因此，對于承受電磁轉矩損失事件的設計需求，常常影響著大多數風力渦輪機部件的設計。此外，在操作期間，風力渦輪機還可能承受由電網故障事件(例如，低電壓瞬態事件、零電壓瞬態事件或高電壓瞬態事件等)所引起的非期望負載，這些非期望負載可以通過設計參數(例如尺寸和制造材料)和操作參數(例如風力渦輪機葉片的槳距角)來減輕。在電網故障事件發生期間，由于輸出端的功率損失，風力渦輪機內的電磁轉矩可能會突然增大，并且還有可能伴隨著轉子轉速過快的情況。在這種情況下，轉子轉速過快和電磁轉矩的突然增大引起風力渦輪機內的機械負荷。槳距控制單元用于調節風力渦輪機葉片的漿距角以降低機械負荷。然而，如果漿距角的變化率大于漿距角的預定變化率，風力渦輪機部件可能會經歷嚴重的振蕩。風力渦輪機的塔架極易受到振蕩的影響，并且，塔架的振蕩將會降低風力渦輪機的使用壽命以及增加維護成本。風力渦輪機部件，例如塔架、驅動機構和齒輪箱等通常被設計成能夠承受由潛在電網故障事件所引起的機械負荷。例如，將齒輪箱設計成能夠承受達到標稱電磁轉矩三倍的峰值電磁轉矩。但是，這樣的設計導致齒輪箱的體積較大，并且增加了成本。因此，有必要提供一種改進的系統以解決上述問題。
技術實現思路
現在歸納本專利技術的一個或多個方面以便于本專利技術的基本理解，其中該歸納并不是本專利技術的擴展性縱覽，且并非旨在標識本專利技術的某些要素，也并非旨在劃出其范圍。相反，該歸納的主要目的是在下文呈現更詳細的描述之前用簡化形式呈現本專利技術的一些概念。本專利技術的一個方面在于提供一種風力渦輪機的保護系統，該風力渦輪機包括具有定子和轉子的發電機、轉子側變流器、網側變流器及位于轉子側變流器和網側變流器之間的直流鏈路，該保護系統包括：第一開關元件；一個或多個側電阻元件，其通過一個或多個側開關元件與直流鏈路或者定子的多個繞組電性耦合；控制器，其用于響應電磁轉矩損失事件控制第一開關元件將網側變流器和定子的多個繞組與公用電網斷開連接，以及控制一個或多個側開關元件導通一個或多個側電阻元件與直流鏈路或者定子的多個繞組之間的電性連接以在發電機中產生電磁轉矩。本專利技術的另一個方面在于提供一種風力渦輪機，其包括：發電機，其包括定子和與風力渦輪機的多個葉片機械耦合的轉子；第一開關元件；轉子側電阻元件，其通過轉子側開關元件與位于轉子側變流器和網側變流器之間的直流鏈路電性耦合；及控制器，其用于響應電磁轉矩損失事件控制第一開關元件將網側變流器與公用電網斷開連接以及控制轉子側開關元件導通轉子側電阻元件與直流鏈路之間的電性連接，以在發電機中產生電磁轉矩。本專利技術的再一個方面在于提供一種風力渦輪機的保護系統，該風力渦輪機包括具有定子和轉子的發電機、轉子側變流器、網側變流器及位于轉子側變流器和網側變流器之間的直流鏈路，該保護系統包括：轉子側開關元件；控制器，用于響應電網故障事件控制轉子側開關元件將轉子側電阻元件和儲能元件中的至少一者電性耦合至直流鏈路；及多個電感元件，每個電感元件電性耦合在轉子的對應繞組與轉子側變流器對應的相之間或者電性耦合在定子的對應繞組與公用電網對應的相之間；其中，多個電感元件被配置成足夠的尺寸以降低由電網故障事件引起的定子及轉子過電流。本專利技術實施方式提供的上述風力渦輪機及風力渦輪機的保護系統，當發生電磁轉矩損失事件時，可控制一個或多個側開關元件導通一個或多個側電阻元件與直流鏈路或者定子的多個繞組之間的電性連接以在發電機中產生電磁轉矩，電磁轉矩是以較為平穩的方式降為零，因此可以降低風力渦輪機部件上的機械負荷。或者當發生電網故障事件時，多個電感元件被配置成足夠的尺寸以降低由電網故障事件引起的定子及轉子過電流，也可以降低由電網故障事件引起的機械負荷。附圖說明當參照附圖閱讀以下詳細描述時，本專利技術的這些和其它特征、方面及優點將變得更好理解，在附圖中，相同的元件標號在全部附圖中用于表示相同的部件，其中：圖1是根據本專利技術的一個具體實施方式的風力渦輪機的示意圖，該風力渦輪機具有保護系統。圖2是本專利技術第一實施方式的保護系統的電路圖。圖3是本專利技術第二實施方式的保護系統的電路圖。圖4是本專利技術第三實施方式的保護系統的電路圖。圖5是本專利技術第四實施方式的保護系統的電路圖。圖6是本專利技術第五實施方式的保護系統的電路圖。圖7是本專利技術第六實施方式的保護系統的電路圖。圖8是本專利技術第七實施方式的保護系統的電路圖。具體實施方式為幫助本領域的技術人員能夠確切地理解本專利技術所要求保護的主題，下面結合附圖詳細描述本專利技術的具體實施方式。在以下對這些具體實施方式的詳細描述中，本說明書對一些公知的功能或構造不做詳細描述以避免不必要的細節而影響到本專利技術的披露。除非另作定義，本權利要求書和說明書中所使用的技術術語或者科學術語應當為本專利技術所屬
內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權利要求書中所使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區分不同的組成部分。“一個”或者“一”等類似詞語并不表示數量限制，而是表示存在至少一個。“包括”或者“具有”等類似的詞語意指出現在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵蓋出現在“包括”或者“具有”后面列舉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。“連接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。圖1是根據本專利技術一個實施方式的具有保護系統102的風力渦輪機100的示意圖。風力渦輪機100包括塔架104、設置于塔架104上的機艙106、轉子108以及與轉子108機械耦合的多個葉片110。多個葉片110由風驅動在參考數字112所表示的方向旋轉。風力渦輪機100還包括用于操作風力渦輪機的風力渦輪機部件，例如，驅動機構107和槳距角控制單元109。在風力渦輪機100的制造過程中，每個風力渦輪機部件被設計成能承受預定機械負荷。例如，風力渦輪機的齒輪箱被設計成能承受的第一峰值電磁轉矩可達標稱操作電磁轉矩的三倍。風力渦輪機部件的上述設計要求導致在額定功率本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種風力渦輪機的保護系統，該風力渦輪機包括具有定子和轉子的發電機、轉子側變流器、網側變流器及位于轉子側變流器和網側變流器之間的直流鏈路，該保護系統包括：第一開關元件；一個或多個側電阻元件，其通過一個或多個側開關元件與直流鏈路或者定子的多個繞組電性耦合；控制器，其用于響應電磁轉矩損失事件控制第一開關元件將網側變流器和定子的多個繞組與公用電網斷開連接，以及控制一個或多個側開關元件導通一個或多個側電阻元件與直流鏈路或者定子的多個繞組之間的電性連接以在發電機中產生電磁轉矩。

【技術特征摘要】
1.一種風力渦輪機的保護系統，該風力渦輪機包括具有定子和轉子的發電機、轉子側變流器、網側變流器及位于轉子側變流器和網側變流器之間的直流鏈路，該保護系統包括：第一開關元件；一個或多個側電阻元件，其通過一個或多個側開關元件與直流鏈路或者定子的多個繞組電性耦合；控制器，其用于響應電磁轉矩損失事件控制第一開關元件將網側變流器和定子的多個繞組與公用電網斷開連接，以及控制一個或多個側開關元件導通一個或多個側電阻元件與直流鏈路或者定子的多個繞組之間的電性連接以在發電機中產生電磁轉矩。2.如權利要求1所述的保護系統，其特征在于：該控制器還用于在電磁轉矩損失事件發生一預定時間段之后控制一個或多個側開關元件將一個或多個側電阻元件與直流鏈路或者定子的多個繞組斷開連接，以使得發電機停止運轉。3.如權利要求1所述的保護系統，其特征在于，該一個或多個側開關元件包括轉子側開關元件，該一個或多個側電阻元件包括轉子側電阻元件，該保護系統還包括：儲能元件；其中，控制器還用于響應電磁轉矩損失事件控制轉子側開關元件導通轉子側電阻元件和儲能元件中的至少一者與直流鏈路之間的電性連接，以在發電機中產生電磁轉矩。4.如權利要求1所述的保護系統，其特征在于：該控制器還用于確保定子的同步頻率始終小于發電機的轉動頻率，以使發電機工作于超同步模式。5.如權利要求1所述的保護系統，其特征在于，該一個或多個側開關元件包括多個定子側開關元件，該一個或多個側電阻元件包括多個定子側電阻元件，該網側變流器通過多個定子側電阻元件電性耦合至多個定子側開關元件；該保護系統還包括：第二開關元件；該控制器還用于響應電磁轉矩損失事件控制第二開關元件將定子的多個繞組與網側變流器斷開連接以及控制多個定子側開關元件導通對應的多個定子側電阻元件與定子的多個對應繞組之間的電性連接，以在發電機中產生電磁轉矩。6.如權利要求1所述的保護系統，其特征在于，該保護系統還包括：第二開關元件；該控制器還用于響應電磁轉矩損失事件控制第二開關元件導通定子的多個繞組和網側變流器之間的電性連接，使得轉子的多個繞組通過轉子側變流器、直流鏈路及網側變流器從定子的多個繞組獲取電流。7.如權利要求1所述的保護系統，其特征在于，該保護系統還包括：第二開關元件；該控制器還用于響應電磁轉矩損失事件控制第二開關元件導通定子的多個繞組與網側變流器之間的電性連接以及控制轉子側變流器提供直流電流至轉子的任意兩個繞組，使得轉子側變流器通過直流鏈路及網側變流器從定子的多個繞組獲取電流。8.如權利要求1所述的保護系統，其特征在于，該一個或多個側開關元件包括轉子側開關元件，該保護系統還包括：儲能元件；該控制器還用于響應電磁轉矩損失事件控制轉子側開關元件導通儲能元件與直流鏈路之間的電性連接以及控制轉子側變流器提供直流電流至轉子的任意兩個繞組，使得轉子側變流器通過直流鏈路從儲能元件獲取電流。9.如權利要求3所述的保護系統，其特征在于：該轉子側開關元件包括第一直流斬波器和第二直流斬波器，該第一直流斬波器與儲能元件和直流鏈路電性耦...

【專利技術屬性】
技術研發人員：戈瓦爾丹·加尼瑞迪，A·M·里特，譚卓輝，拉杰尼·布拉，高金萍，
申請(專利權)人：通用電氣公司，
類型：發明
國別省市：美國;US