[发明专利]用于调节风力发电设备转子转速的方法与系统

说明书

本发明涉及一种对风力发电设备的转子转速进行调节的方法和系统，其中所述风力发电设备包括发电机和转子叶片。

风力发电设备将风能转变成电能，且通常将电能送入公共电网之中。风的动能使得转子产生旋转运动，再将这一旋转运动传递给发电机，然后在发电机中将其转变成电流。

可选用各种方法对转速可变的风力发电设备的转子转速进行调节。通常分为两种工况，即在部分负荷与满负荷工况下对转速进行调节，且在部分负荷工况下通常是“转矩调节”，而在满负荷工况下是“斜度调节”。所谓转矩调节，指的是调节转速，其中为了使风力发电设备达到较高的功率收益，在部分负荷工况下对设备的转速进行调节，使得转子圆周速度和风速之比达到最佳。功率收益可以很好地通过概念功率系数Cp来描述，也就是设备的消耗功率与空气运动所蕴含的功率之比。圆周速度与未受干扰的风速之比称作叶尖速比。转子叶片在此被调节到在转子轴上产生最大驱动转矩的叶片角度，通过发电机上的反作用转矩来影响转速。也就是说，以调节转矩的方式对转速进行调节，调节参量是转矩，尤其是发电机上的转矩，转矩越大，则发电机从系统或风力发电设备中所获取的以及送入电网中的功率就越多。

当风力发电设备处于满负荷工况时，则以调节斜度的方式对转速进行调节，称为斜度调节的转速调节通过调整转子叶片的叶片角度起作用。在额定风速下，如果达到了发电机的额定转矩(额定负荷)，将无法通过继续提高发电机转矩使转速保持在工作点上。由于叶片离开了最佳调节角，因此其空气动力效率将变差。此过程被称作“变斜度”，源于英文单词pitch＝倾斜。因此在达到发电机额定转矩后，可通过叶片的调节角来改变转速。与其它不具备此类斜度调节功能的设备相比，通过短时间提高转子转速以及调整迎角的方式，可以更好地控制飓风。由此通过转子叶片的叶片角度的调节参量来影响转子的消耗功率，从而可以调节转子的转速。

关于通过调整叶片(调节斜度)以及改变发电机转矩(调节转矩或者功率)，对可变转速风力发电设备进行调节已有许多相关专利和专业文献。在所有已知的方法中，最终所调节的是风力发电设备的转速。在部分负荷范围内，人们致力于使转速适应风速，以便在叶片角度恒定的情况下，使转子保持在能量方面最佳的工作点上。而在满负荷范围内，则尝试让转速和转矩保持恒定。此时通过改变叶片角度来调节转速。

由US 4 695 736 A公开了对可变转速风力发电设备进行调节的方法。在该文件中公开了根据所测量的功率，通过特性曲线来确定转速理论值，在部分负荷范围内，通过改变发电机转矩来跟踪该转速理论值。当达到额定转矩时，就激活斜度调节器，然后调节器就会尝试将转速调节到某个固定的值。

由US 5 155 375 A公布了一种风力预测器，其根据转矩理论值、叶片角度测量值以及转子转速测量值确定当前的风速。除了转速理论值之外，还由此确定叶片角度以及发电机转矩的预控制值。然后使转速跟随理论值。

由US 6 137 187 A介绍了一种调节发电机转矩的方法，即通过一种固定的设计为查询表(Lookup-Tabelle)形式的功率/转速特性曲线进行调节。斜度调节器和转矩调节器相互独立工作，并且调节到固定的额定转速。

现有技术中所描述的方法和调节系统尽管已经在较低风速下部分优化了能量收益，但却无法对部分负荷与满负荷工况之间的过渡进行处理，或者处理不够充分。尤其在设计部分负荷与满负荷工况之间的过渡时，仍然可以获得较高的能量收益，并且可减小运行负荷。

US 6 137 187 A和EP 1 007 844 B1相应，均公布了一种变速运行系统，其公开了用于产生功率的异步发电机，利用磁场定向调节来控制发电机转矩的转矩控制单元，根据发电机转子速度来调节迎角的迎角控制单元，且迎角控制单元独立于转矩控制单元工作，在该系统中必须对转速/功率特性曲线进行适当设计，使得部分负荷范围内的转速始终低于额定转速，以防止斜度调节器提前进行干预使设备减速，这样就会部分造成可观的产量损失。

本发明的任务在于改进对具有发电机和转子叶片的风力发电设备的转子转速进行调节的方法和系统，从而可以提高能量收益。

该任务通过一种用于对具有发电机以及至少一个转子叶片的风力发电设备的转子转速进行调节的方法解决，其中将转子叶片的叶片角度(斜度)作为第一调节参量，将发电机的转矩作为第二调节参量，该方法具有以下方法步骤：

-提供第一转速理论值作为叶片角度控制或调节装置的输入值，并且

-提供第二转速理论值作为转矩控制或调节装置的输入值，其中第一和第二转速理论值可以互不相同。