專利名稱：用于在大風(fēng)速條件下操作風(fēng)場(chǎng)的系統(tǒng)和方法
對(duì)于聯(lián)邦政府資助研究和發(fā)展的聲明本發(fā)明是在由國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室授予的基于ZAM-7-13320-28的合同號(hào)為NPI114的政府支持下進(jìn)行的，政府將獲得本發(fā)明的一些權(quán)利。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，更具體地涉及用于調(diào)整風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率的技術(shù)。
風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)被認(rèn)為是有利于環(huán)境并且相對(duì)便宜的可替代能源，其利用風(fēng)能產(chǎn)生電能。風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)通常包括具有多個(gè)葉片的風(fēng)力轉(zhuǎn)子，該葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，接著利用驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子以產(chǎn)生電能?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常采用具有多個(gè)這種風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的風(fēng)場(chǎng)(wind farm)的形式，這些風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)可用來將能量供應(yīng)到傳送系統(tǒng)，而該傳送系統(tǒng)將供應(yīng)到公用電網(wǎng)。
風(fēng)是間歇性資源且風(fēng)場(chǎng)的集合功率輸出很大程度地受到風(fēng)力條件變化的影響。風(fēng)力條件可以在相對(duì)較短的時(shí)間間隔內(nèi)急劇改變。通常，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的功率輸出隨著風(fēng)速而增加，直到風(fēng)速達(dá)到渦輪的額定風(fēng)速。隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增加，渦輪在額定功率下工作直至達(dá)到一截止值或一斷路電平。這通常是風(fēng)力渦輪機(jī)上動(dòng)力負(fù)載導(dǎo)致渦輪的機(jī)械元件達(dá)到疲勞極限時(shí)的風(fēng)速，這會(huì)縮短渦輪的使用壽命。作為一種保護(hù)功能，在高于一定速度的風(fēng)速下，風(fēng)力渦輪機(jī)經(jīng)常需要切斷，或者通過調(diào)整葉片的傾斜度或制動(dòng)轉(zhuǎn)子來降低負(fù)載，從而致使風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的功率輸出減小，并且隨之減小風(fēng)場(chǎng)的功率輸出。然而，這限制了對(duì)額定功率設(shè)定值的最大功率捕獲，并且增加了風(fēng)場(chǎng)能量的實(shí)際成本。因此，對(duì)于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，由于疲勞極限和其他因素的保護(hù)，在其運(yùn)行功率及壽命之間存在固有的折衷，即最大輸出率。
此外，機(jī)械和熱負(fù)載是決定風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定值的主要因素。風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的最大功率輸出在設(shè)計(jì)階段決定的，并且用于由一定的保守設(shè)想來選擇其他關(guān)鍵元件的合適的額定值，例如發(fā)電機(jī)、變壓器、功率轉(zhuǎn)換設(shè)備、軸承、軸、變速箱等。一旦已經(jīng)得到滿額輸出，即使可以存在額外的風(fēng)能，這些元件的保守設(shè)計(jì)原則和恒定額定值(flat rating)也不允許操作員利用過剩的風(fēng)能。因此，對(duì)于在大風(fēng)速條件期間獲得高功率輸出，目前的技術(shù)是有限的。
因此，期望提供一種技術(shù)，在大風(fēng)速條件期間高效地且成本合算地利用更多的風(fēng)能，同時(shí)確保風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的基準(zhǔn)壽命。還期望改進(jìn)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，以便通過電流設(shè)計(jì)盡可能利用更多的風(fēng)能。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要地，根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)方面，提供了一種用于調(diào)整風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)額定功率的方法，該方法包括檢測(cè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的多個(gè)工作參數(shù)；相對(duì)于工作參數(shù)各自的設(shè)計(jì)額定值評(píng)估所述的多個(gè)工作參數(shù)；以及基于所述評(píng)估間歇性地增加風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出。提供這些功能的系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序可以由本技術(shù)提供。
根據(jù)本技術(shù)的另一方面，提供了一種用于調(diào)整風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器，用于檢測(cè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的多個(gè)工作參數(shù)；處理器，用于相對(duì)于工作參數(shù)各自的設(shè)計(jì)額定值評(píng)估所述的多個(gè)工作參數(shù)；以及控制器，用于基于所述評(píng)估間歇性地增加風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出。
根據(jù)本技術(shù)的又一方面，提供了一種風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)。該風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)包括控制系統(tǒng)，其構(gòu)造成可基于對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的評(píng)估，間歇性地增加風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出。
根據(jù)本技術(shù)的再一方面，提供一種風(fēng)場(chǎng)。該風(fēng)場(chǎng)包括多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和一風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)。該多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)用于給公用系統(tǒng)集合地提供電能。該風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)構(gòu)造成可基于對(duì)各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)的評(píng)估，間歇性地增加所述多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)中的一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出。


當(dāng)參考附圖閱讀下面詳細(xì)的說明時(shí)，本發(fā)明的這些和其他特性、方面和優(yōu)點(diǎn)將被更好地理解，在附圖中相同的標(biāo)記表示同一部件，其中圖1是根據(jù)本技術(shù)方面的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本技術(shù)方面的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的功能部件的示意圖；圖3是根據(jù)本技術(shù)方面的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的控制機(jī)構(gòu)的示意圖；圖4是不同風(fēng)速下風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的扭矩-速度表的圖示；圖5是根據(jù)本技術(shù)方面的運(yùn)行風(fēng)場(chǎng)的示例性方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本技術(shù)提供一種用于調(diào)整風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率的系統(tǒng)和方法。在本技術(shù)中，功率被限定為表觀功率，因此包括有效功率成分和無效功率成分。該技術(shù)可以延伸到具有類似額定值的風(fēng)場(chǎng)，該風(fēng)場(chǎng)具有在大風(fēng)速下經(jīng)由中央或管理風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)而關(guān)聯(lián)起來的多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)。在一些實(shí)施例中，通過間歇性地增加風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出，風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)可以調(diào)整風(fēng)場(chǎng)的額定功率，從而不會(huì)損害風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的基準(zhǔn)壽命。本技術(shù)的實(shí)施例在下面總體上參考圖1-5進(jìn)行詳細(xì)的描述。
圖1示出了根據(jù)本技術(shù)方面的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)10的實(shí)施例。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)10包括具有多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14、16、18的風(fēng)場(chǎng)12，這些發(fā)電機(jī)可用于給公用電網(wǎng)20提供電力。此外，公用電網(wǎng)20可以接收來自其他發(fā)電單元22的電力，以適應(yīng)由于風(fēng)力條件改變而造成的風(fēng)場(chǎng)12的功率輸出的變化。其他發(fā)電單元22可以包括，例如熱、水電或核電站等。
風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14、16、18包括具有多個(gè)葉片的渦輪轉(zhuǎn)子24、26、28，這些渦輪轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)30、32、34的轉(zhuǎn)子以產(chǎn)生電能。發(fā)電機(jī)30、32、34產(chǎn)生的功率在耦合到中間電壓分配網(wǎng)42之前可以由渦輪變壓器36、38、40提高電壓。在所示出的實(shí)施例中，饋電線44用于將風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14、16、18的功率輸出耦合提供到中間電壓分配網(wǎng)42。在典型的應(yīng)用中，中間電壓分配網(wǎng)42耦合來自多個(gè)饋電線(未示出)的功率，每個(gè)饋電線耦合多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的功率輸出。在一些實(shí)施例中，經(jīng)由開關(guān)設(shè)備46、48、50將功率從風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14、16、18耦合到饋電線44，該開關(guān)設(shè)備可以包括例如電路斷路器。這樣的開關(guān)設(shè)備通常用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中以在高紊流強(qiáng)度的大風(fēng)條件期間切斷一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電。電站變壓器52通常用于將來自中間電壓分配網(wǎng)42的功率的電壓提高或降低到公用電網(wǎng)20所需的傳送電壓。
根據(jù)本技術(shù)，風(fēng)場(chǎng)12包括風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54，該風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54包括中央監(jiān)測(cè)站56和中央控制器58。在所示出的實(shí)施例中，風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54可用于監(jiān)測(cè)和控制風(fēng)場(chǎng)12的集合功率輸出。風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)50還包括功率傳感器，例如電壓和電流傳感器60，該功率傳感器配置成可檢測(cè)風(fēng)場(chǎng)12的集合功率輸出，并且可以耦合到電站變壓器52(如圖1所示)的輸出或者耦合到中間電壓分配網(wǎng)42中的一點(diǎn)。
風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54配置成通過通信鏈路62與各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)通信，這可以由硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，通信鏈路62可以配置成根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的任何有線或無線通信協(xié)議與風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54之間遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)信號(hào)。如下所述，這樣的數(shù)據(jù)信號(hào)可以包括，表示傳送到風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54的各風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)的信號(hào)，以及由風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54傳送到各風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的各種命令信號(hào)。風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54還可以與中間電壓分配網(wǎng)42進(jìn)行通信，并且可以用于控制網(wǎng)絡(luò)42中的各開關(guān)設(shè)備，例如電容器和電抗器(未示出)，從而在由傳送系統(tǒng)操作員指定的規(guī)格內(nèi)控制風(fēng)場(chǎng)12的功率輸出。
如前所述，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14、16、18通常設(shè)計(jì)為在低于預(yù)定閥值的風(fēng)速下發(fā)電，該閥值還被稱為保護(hù)性風(fēng)速極限，也被稱為截止風(fēng)速。然而，在所示出的實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出可以基于對(duì)工作狀態(tài)的評(píng)估而間歇性地增加，從而不會(huì)損害風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的基準(zhǔn)壽命。例如，由于渦輪機(jī)低于最大額定功率運(yùn)行時(shí)的變化和周期，渦輪機(jī)可以在額定設(shè)定點(diǎn)以上短時(shí)間運(yùn)行，同時(shí)仍可保持期望的設(shè)備平均壽命。此方案可以通過查看機(jī)器的工作循環(huán)而容易地實(shí)施。
此外，各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)具有自主控制器保護(hù)功能，該功能要求當(dāng)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)處的風(fēng)速超過此保護(hù)性風(fēng)速極限、以及風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的基準(zhǔn)壽命將例如在高紊流強(qiáng)度的大風(fēng)條件期間受到影響時(shí)，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)跳閘或切斷發(fā)電。在一個(gè)實(shí)施例中，例如在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)具有可變傾斜度的葉片的情況下，切斷操作可以包括使葉片朝著停止(即與風(fēng)向成90度)或順流(即與風(fēng)向成0度)方向傾斜，從而使葉片捕獲最少的風(fēng)能。在另一個(gè)實(shí)施例中，該切斷操作可以包括渦輪轉(zhuǎn)子的機(jī)械制動(dòng)。在又一實(shí)施例中，該切斷可以通過如圖1所示的開關(guān)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。
本技術(shù)提供一種控制機(jī)構(gòu)，借此風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出可以間歇性地增加，從而提高風(fēng)場(chǎng)12的集合功率輸出。根據(jù)本技術(shù)方面，各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)配置成可預(yù)期它們的增大的額定功率輸出并且將信號(hào)傳送到風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54。該信號(hào)典型地包括風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的請(qǐng)求，其請(qǐng)求在比其額定功率輸出更大的功率輸出下運(yùn)行，從而利用更高的風(fēng)能。風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54配置成可監(jiān)測(cè)各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，自動(dòng)地或通過操作員接口評(píng)估其請(qǐng)求，并且基于由風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54自動(dòng)地或由操作員執(zhí)行的對(duì)該工作狀態(tài)的風(fēng)場(chǎng)水平評(píng)估而批準(zhǔn)或拒絕該請(qǐng)求?？梢曰趯?duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)的風(fēng)場(chǎng)水平評(píng)估，同時(shí)參考其它條件諸如其他發(fā)電單元22的功率輸出、各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壽命、以往風(fēng)力發(fā)電機(jī)已被允許在額定功率設(shè)定點(diǎn)以上工作的次數(shù)等，而作出選擇來允許各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在更高的額定功率下工作。
如圖2所示，各種傳感器可以安裝在各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)上以獲得并持續(xù)監(jiān)測(cè)工作參數(shù)，例如電、機(jī)械、熱或計(jì)量的工作參數(shù)，它們反應(yīng)了各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。例如，一個(gè)或多個(gè)傳感器可以被用于獲得風(fēng)速、平均風(fēng)速、風(fēng)速變化和/或風(fēng)的紊流強(qiáng)度?？蛇x擇地，可以安裝諸如風(fēng)速計(jì)64的傳感器以獲得風(fēng)速的數(shù)據(jù)。風(fēng)速變化和風(fēng)的紊流強(qiáng)度可以直接地得自平均風(fēng)速和轉(zhuǎn)子速度，其中風(fēng)的紊流強(qiáng)度是平均風(fēng)速與風(fēng)速變化之間的比率。
類似地，溫度傳感器66和/或壓力傳感器68可以安裝在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14上以獲得環(huán)境溫度和/或大氣壓。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣，目標(biāo)風(fēng)速也可以得自上述所獲得的參數(shù)。此外，一個(gè)或多個(gè)傳感器70可以安裝在渦輪葉片72上以獲得葉片的傾斜角和渦輪葉片72上的機(jī)械應(yīng)力。渦輪軸74、變速箱76或發(fā)電機(jī)78的機(jī)械部件所受到的機(jī)械應(yīng)力可以進(jìn)一步地通過安裝在渦輪軸74、變速箱76和/或發(fā)電機(jī)78上的傳感器80獲得。
此外，可以安裝傳感器82以檢測(cè)發(fā)電機(jī)78或轉(zhuǎn)子的扭矩或速度。進(jìn)一步地，熱傳感器84可以安裝在渦輪軸74、變速箱76和/或發(fā)電機(jī)78上以監(jiān)測(cè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14受到的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的監(jiān)測(cè)可以包括持續(xù)地監(jiān)測(cè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)內(nèi)主要功率限制部件的工作溫度，這些功率限制部件例如是發(fā)電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換器和變壓器。在一些實(shí)施例中，該監(jiān)測(cè)可以擴(kuò)展到包括諸如變速箱油溫的機(jī)械方面，該油溫也可以給出關(guān)于變速箱76的機(jī)械應(yīng)力的其他意見。此外，一個(gè)或多個(gè)電傳感器86可以安裝在發(fā)電機(jī)78中以檢測(cè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14的電流、電壓和/或輸出功率以計(jì)算電應(yīng)力。
然后，所得到的工作參數(shù)可以傳送到控制器88，在其中基于工作參數(shù)進(jìn)行對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14的工作狀態(tài)的評(píng)估。然后，控制器88可以決定是否基于該評(píng)估而間歇性地增加該風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14的額定功率輸出，這在下面更詳細(xì)的描述。然后，該用于增加額定功率輸出的請(qǐng)求可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)接口90通過諸如光纖或以太網(wǎng)鏈路的通信鏈路62而被傳送到風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54。可選擇地，工作參數(shù)和/或基于工作參數(shù)而得到的對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14的工作狀態(tài)的評(píng)估可以通過通信鏈路62直接傳送到風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54。然后，風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54可以基于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)來決定是否間歇性地增加風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14的額定功率輸出。如前所述，風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54可以基于各種其他的因素而自動(dòng)地或者通過操作員來作出此決定，并且該決定返傳給控制器88。然后，基于該確認(rèn)，控制器88可以在一短暫時(shí)期內(nèi)提升風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14的額定功率輸出利用過剩的風(fēng)能，使得這種方式不會(huì)損害風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)14的基準(zhǔn)壽命。應(yīng)該注意，在一些實(shí)施例中，該短暫時(shí)期可以基于對(duì)工作狀態(tài)的評(píng)估而預(yù)先確定。
通過如圖3所示的示意性控制機(jī)構(gòu)92來說明為了間歇性地增加風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出而對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的評(píng)估。電、機(jī)械、熱和/或計(jì)量傳感器94安裝在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)上，如上所述地測(cè)量表示風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的各種工作參數(shù)96。這些參數(shù)96可以包括例如機(jī)械負(fù)載、風(fēng)速、平均風(fēng)速、風(fēng)速變化、風(fēng)的紊流強(qiáng)度、目標(biāo)風(fēng)速、溫度負(fù)載、大氣溫度、大氣壓、空氣密度、風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的輸出功率、發(fā)電機(jī)或轉(zhuǎn)子的扭矩或速度，和/或葉片傾斜角。然后工作參數(shù)96可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器98中。應(yīng)該理解，任何類型的存儲(chǔ)器98都可供該控制系統(tǒng)使用。存儲(chǔ)器98還可以存儲(chǔ)所得到的工作參數(shù)的設(shè)計(jì)額定值100。然后，由控制器88將工作參數(shù)96與它們各自的設(shè)計(jì)額定值進(jìn)行比較，以評(píng)估風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。然后，控制器88可以確定是否提升風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)的額定功率輸出。也就是說，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定值由實(shí)時(shí)基礎(chǔ)確定。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，盡管可以將單一參數(shù)與它們的設(shè)計(jì)極限或范圍進(jìn)行比較時(shí)，但是，在許多系統(tǒng)中，在這種比較中可以使用這些參數(shù)的組合。本技術(shù)還可以要求生成基于檢測(cè)值和設(shè)計(jì)值的復(fù)合參數(shù)，使得幾個(gè)因素可同時(shí)被考慮?？紤]到設(shè)計(jì)限制，具體的復(fù)合及其計(jì)算通常取決于發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和操作員的優(yōu)選。
例如，風(fēng)力渦輪機(jī)的恒定額定值沒有考慮風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的電氣元件中的過剩容量。由于與環(huán)境冷卻和最近的工作歷史相關(guān)的不確定因素，可以出現(xiàn)這樣的容量。例如，由于有效的冷卻改進(jìn)，對(duì)于給定的功率通過量，冷天氣將導(dǎo)致比熱天氣更低的設(shè)備溫度。而且，已空載很長(zhǎng)時(shí)間并因此冷卻下來的系統(tǒng)，比已接近其最大溫度的機(jī)器具有大得多的短期容量?？刂破?8可以基于來自持續(xù)監(jiān)測(cè)的熱信息來確定實(shí)時(shí)可用的額定功率，并且可以基于該實(shí)時(shí)可用額定功率間歇性地增加額定功率輸出。然后，控制器88可以批準(zhǔn)或向風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)54請(qǐng)求批準(zhǔn)，以允許提升風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的速率，直到達(dá)到受主要風(fēng)力強(qiáng)度決定的可用實(shí)際容量水平。風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出由渦輪和發(fā)電機(jī)控制器102動(dòng)態(tài)地改變。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出可以通過在比設(shè)計(jì)的額定扭矩或速度更大的扭矩或速度下運(yùn)行風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)而增加?？蛇x擇地，在一些實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出可以通過在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的任何扭矩和速度下以比設(shè)計(jì)的額定電流更大的輸出電流運(yùn)行風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)而增加。應(yīng)該注意，這甚至能夠在低風(fēng)速或無風(fēng)時(shí)增加輸出功率容量，這是當(dāng)只有轉(zhuǎn)換器工作時(shí)產(chǎn)生純無效功率的情況。
類似地，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，當(dāng)受到循環(huán)應(yīng)力時(shí)，材料在比其極限強(qiáng)度低得多的負(fù)載下也會(huì)發(fā)生故障。因此，對(duì)于高速率低紊流風(fēng)(高的平均風(fēng)速和低的風(fēng)力變化)，由于是風(fēng)力變化和非平均風(fēng)速造成疲勞，因此渦輪機(jī)在較低速率下積累疲勞，從而可以決定提升渦輪速率以增加功率捕獲而不損失基準(zhǔn)壽命。對(duì)于在大風(fēng)速條件期間風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定輸出的增加，將結(jié)合如圖4所示的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的扭矩-速度表104進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
如圖所示，實(shí)線106示出了各種狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)速由啟動(dòng)風(fēng)速(～4m/s)增加到很高的風(fēng)速(18m/s)時(shí)渦輪機(jī)沿著該實(shí)線狀態(tài)運(yùn)行。在A點(diǎn)，當(dāng)風(fēng)在啟動(dòng)速度時(shí)，渦輪機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，渦輪機(jī)準(zhǔn)備好從進(jìn)入的風(fēng)捕獲最大功率，因此傾斜度固定在小的傾斜度(幾乎面對(duì)風(fēng)向)。假定為小傾斜度且6m/s的風(fēng)速，能夠由改變扭矩而獲得的渦輪機(jī)狀態(tài)位于標(biāo)記6m/s的點(diǎn)線上。在此線上，發(fā)電機(jī)工作在功率(即扭矩與速度的乘積)最大的點(diǎn)處。所有這些在各種風(fēng)速下的點(diǎn)的工作狀態(tài)是實(shí)線A-F-H-C。這種狀態(tài)可以被稱為“額定工作之下”的狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增加時(shí)，渦輪機(jī)就有越過其最終/疲勞極限的可能性。因此功率的捕獲通過傾斜葉片而被限制。點(diǎn)E被稱為額定功率設(shè)定點(diǎn)，在此點(diǎn)的扭矩和速度被分別稱為額定扭矩(TE，在當(dāng)前的設(shè)計(jì)中典型地是大約10090Nm)和額定發(fā)電機(jī)速度(NE，在當(dāng)前的設(shè)計(jì)中典型地是大約1440rpm)。如果風(fēng)速超過額定速度(對(duì)于該示例性系統(tǒng)是上述圖表中的14m/s)，傾斜度被改變以使得渦輪機(jī)的工作狀態(tài)(點(diǎn)線16m/s，18m/s)通過點(diǎn)E。這可以被稱為“額定工作之上”的狀態(tài)。簡(jiǎn)而言之，在額定工作之下的狀態(tài)中，傾斜度保持恒定(小傾斜度)且扭矩變化，在額定工作之上的狀態(tài)中，扭矩保持恒定，傾斜度變化且渦輪機(jī)保持在扭矩-速度表中的點(diǎn)E處。
通常，額定功率設(shè)定點(diǎn)E是硬編碼值(hard coded value)，其限制了由風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)在大風(fēng)條件下捕獲的最大功率。然而，如上所述，在本技術(shù)中，額定功率設(shè)定點(diǎn)E根據(jù)平均風(fēng)速(V)和短期的風(fēng)力變化(S)而在扭矩-速度表中動(dòng)態(tài)地改變或提升。額定功率設(shè)定點(diǎn)E的位置取決于最終負(fù)載和疲勞負(fù)載的考慮。例如，由于純的機(jī)械因素(離心負(fù)載)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以保持在最大速度極限(對(duì)于示例性的當(dāng)前設(shè)計(jì)來說通常是大約1600rpm)內(nèi)，并且由于發(fā)電機(jī)的電氣限制，發(fā)電機(jī)可以保持在最大扭矩極限(對(duì)于相同的當(dāng)前設(shè)計(jì)來說通常是大約11030Nm)內(nèi)。因此，如果額定扭矩和額定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于該最大速度極限和最大扭矩極限，則風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)可以在小范圍內(nèi)(1440-1600rpm和10090-11030Nm)提升額定值而不越過極限負(fù)載。
應(yīng)該注意，疲勞負(fù)載隨時(shí)間積累。當(dāng)系統(tǒng)超過它們的設(shè)計(jì)疲勞極限時(shí)，最終的維護(hù)問題甚至故障的可能性就增加了?？梢曰陲L(fēng)況歷史，利用基于所產(chǎn)生的功率傳送功能和損傷率的信號(hào)處理，來實(shí)時(shí)地估計(jì)疲勞。因?yàn)闇u輪機(jī)的基準(zhǔn)壽命是假定了最壞情況的紊流而計(jì)算得到的，因此，只要風(fēng)力變化小于假定的最壞情況的紊流，就有機(jī)會(huì)提升渦輪額定值，同時(shí)保持比預(yù)期更長(zhǎng)的壽命。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，具體的工作狀態(tài)和是否基于具體工作狀態(tài)的評(píng)估而提升風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定值的決定，可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中供以后參考。因此，額定功率設(shè)定點(diǎn)的最佳扭矩-速度表可以基于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的過去的工作狀態(tài)歷史和決定而得到?？蛇x擇地，最佳扭矩-速度表可以通過任何風(fēng)力渦輪機(jī)模擬軟件在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)階段期間得到，該軟件在使用壽命的約束下通過改變作為工作參數(shù)的函數(shù)的額定設(shè)定點(diǎn)，將風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的輸出功率最優(yōu)化(典型地，輸入風(fēng)力特征，諸如平均風(fēng)速和風(fēng)力變化)。然后，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)可以基于所得到的最佳扭矩-速度表，通過動(dòng)態(tài)地改變額定功率設(shè)定點(diǎn)，提升當(dāng)前工作狀態(tài)的額定值。
用于基于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)調(diào)整風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率的示例性控制邏輯在圖5中示出。如圖所示，在總體上由附圖標(biāo)記110標(biāo)識(shí)的示例性邏輯中，在步驟112中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的多個(gè)工作參數(shù)可以被獲得并且通過一個(gè)或多個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然后，在步驟114中，通過控制器，相對(duì)于工作參數(shù)各自的設(shè)計(jì)額定值來評(píng)估該多個(gè)工作參數(shù)。應(yīng)該注意，該評(píng)估可以通過本地控制器或者通過風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)執(zhí)行。然后，在步驟116中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出可以基于該評(píng)估在大風(fēng)速條件期間間歇性地增加。
如上述各實(shí)施例中所描述的用于間歇性地增加風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)額定功率的技術(shù)，其利用現(xiàn)有的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)提供增加的功率輸出而不減少其基準(zhǔn)壽命?？蛇x擇地，可以使用比當(dāng)前使用的額定值低的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)來提供相同水平的輸出功率。機(jī)械、熱和/或電的工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)獲取允許對(duì)該設(shè)計(jì)內(nèi)的未使用容量進(jìn)行評(píng)估，并且因此可以允許采集額外的風(fēng)能而不超過關(guān)鍵的機(jī)械、電和/或熱的應(yīng)力極限。該靈活的、基于狀態(tài)的、實(shí)時(shí)的額定值評(píng)估允許捕獲該額外的能量而不增加成本。應(yīng)該注意，因?yàn)闇u輪機(jī)受到最小的風(fēng)力變化的影響，在一些實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出和使用壽命可以比目前的功率輸出和基準(zhǔn)壽命有所增加。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本技術(shù)允許增大風(fēng)力渦輪機(jī)的最大輸出而不需要硬件的任何改變，并且因此可以被改型為為控制系統(tǒng)而裝配到現(xiàn)有的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)上。簡(jiǎn)而言之，本技術(shù)導(dǎo)致年度能量捕獲更高、能量成本更低和現(xiàn)有工廠和設(shè)備的效率提高而硬件修改最少。
雖然已經(jīng)在此僅示出且描述了本發(fā)明的一些特征，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行許多修改和改變。因此，應(yīng)該理解所附的權(quán)利要求期望涵蓋所有的這些落入本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神內(nèi)的修改和改變。
各部分列表10 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)12 風(fēng)場(chǎng)14 風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)16 風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)18 風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)20 公用電網(wǎng)22 其它發(fā)電單元24 渦輪轉(zhuǎn)子26 渦輪轉(zhuǎn)子28 渦輪轉(zhuǎn)子30 發(fā)電機(jī)32 發(fā)電機(jī)34 發(fā)電機(jī)36 渦輪變壓器38 渦輪變壓器40 渦輪變壓器42 中間電壓分配網(wǎng)44 饋電線46 開關(guān)設(shè)備48 開關(guān)設(shè)備50 開關(guān)設(shè)備52 電站變壓器54 風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)56 中央監(jiān)測(cè)站58 中央控制器60 功率傳感器62 通信鏈路64 風(fēng)速計(jì)66 溫度傳感器68 壓力傳感器70 渦輪葉片上的傳感器
72 渦輪葉片74 渦輪軸76 變速箱78 發(fā)電機(jī)80 機(jī)械傳感器82 速度傳感器84 熱傳感器86 電傳感器88 控制器90 網(wǎng)絡(luò)接口92 提升功率額定值的控制機(jī)構(gòu)94 傳感器96 工作參數(shù)98 存儲(chǔ)器100 所獲得的工作參數(shù)的額定值102 渦輪和發(fā)電機(jī)控制器104 扭矩-速度表106 扭矩-速度表上的實(shí)線110 用于調(diào)整風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的額定功率的技術(shù)112 監(jiān)測(cè)/獲得工作參數(shù)114 用工作參數(shù)各自的設(shè)計(jì)額定值評(píng)估工作參數(shù)116 基于評(píng)估間歇地增加額定功率輸出
權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)整風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)額定功率的方法(110)，該方法(110)包括檢測(cè)(112)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)的多個(gè)工作參數(shù)(96)；相對(duì)于工作參數(shù)各自的設(shè)計(jì)額定值(100)評(píng)估(114)所述的多個(gè)工作參數(shù)(96)；以及基于所述評(píng)估間歇性地增加風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)的額定功率輸出(116)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(110)，其中，所述多個(gè)工作參數(shù)(96)包括電氣工作參數(shù)、或機(jī)械工作參數(shù)、或熱工作參數(shù)、或計(jì)量工作參數(shù)、或其任何組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(110)，其中，間歇性地增加額定功率輸出(116)包括在比設(shè)計(jì)的額定扭矩或速度更高的扭矩或速度下間歇性地運(yùn)行風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(110)，其中，間歇性地增加額定功率輸出(116)包括在比設(shè)計(jì)的額定電流更高的輸出電流下間歇性地運(yùn)行風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(110)，其中，間歇性地增加額定功率輸出(116)包括動(dòng)態(tài)地改變一額定功率設(shè)定點(diǎn)，其中該額定功率設(shè)定點(diǎn)包括發(fā)電機(jī)的額定扭矩或額定速度或包括這兩者。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(110)，其中，間歇性地增加額定功率輸出(116)包括對(duì)于高速且低紊流風(fēng)進(jìn)行間歇性地增加額定功率輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(110)，其中，間歇性地增加額定功率輸出(116)包括，對(duì)于比風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)的電或機(jī)械部件的規(guī)定溫度小的工作溫度，間歇性地增加額定功率輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(110)，還包括基于所述評(píng)估得出用于額定功率設(shè)定點(diǎn)的最佳扭矩-速度表。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法(110)，其中，間歇性地增加額定功率輸出(116)包括基于所述最佳扭矩-速度表動(dòng)態(tài)地改變額定功率設(shè)定點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(110)，還包括基于可從持續(xù)溫度監(jiān)測(cè)獲得的熱信息確定實(shí)時(shí)可用額定功率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法(110)，其中，間歇性地增加額定功率輸出(116)包括基于所述實(shí)時(shí)可用額定功率間歇性地增加額定功率輸出。
12.一種用于調(diào)整風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)的額定功率的控制系統(tǒng)(92)，該控制系統(tǒng)(92)包括多個(gè)傳感器(94)，用于檢測(cè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)的多個(gè)工作參數(shù)(96)；處理器(88)，用于相對(duì)于工作參數(shù)各自的設(shè)計(jì)額定值(100)評(píng)估所述的多個(gè)工作參數(shù)(96)；以及控制器(88)，用于基于所述評(píng)估間歇性地增加風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出。
13.一種風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)，包括控制系統(tǒng)(92)，其構(gòu)造成可基于對(duì)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)工作狀態(tài)的評(píng)估，間歇性地增加風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)的額定功率輸出。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)，其中，所述風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)的工作狀態(tài)包括電工作狀態(tài)、或機(jī)械工作狀態(tài)、或熱工作狀態(tài)、或計(jì)量工作狀態(tài)、或其任何組合。
15.一種風(fēng)場(chǎng)(12)，包括多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14，16，18)，用于給公用系統(tǒng)(20)集合地提供電能；以及風(fēng)場(chǎng)控制系統(tǒng)(54)，其構(gòu)造成可基于對(duì)各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14，16，18)的工作狀態(tài)的評(píng)估，間歇性地增加所述多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14，16，18)中的一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率輸出。
全文摘要
提供一種技術(shù)(110)在增加的額定功率輸出下運(yùn)行風(fēng)場(chǎng)(12)。該技術(shù)(110)包括檢測(cè)(112)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)的多個(gè)工作參數(shù)(96)，相對(duì)于工作參數(shù)各自的設(shè)計(jì)額定值(100)評(píng)估(114)所述的多個(gè)工作參數(shù)(96)，以及基于所述評(píng)估間歇性地增加風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(14)的額定功率輸出(116)。
文檔編號(hào)F03D9/00GK1873219SQ20061007192
公開日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2006年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月3日
發(fā)明者A·J·阿瓦利亞諾, R·泰克曼, K·G·皮爾斯, P·D·霍普維爾, A·S·德什潘德, S·A·?？藸?申請(qǐng)人:通用電氣公司