專利名稱：用于在風(fēng)力渦輪機中產(chǎn)生功率的方法及設(shè)備的制作方法
用于在風(fēng)力渦輪機中產(chǎn)生功率的方法及設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域
本申請主要涉及風(fēng)力渦輪機，并且更具體地涉及用于在風(fēng)力渦輪機中產(chǎn)生功率的 方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
通常，風(fēng)力渦輪機包括具有轉(zhuǎn)子的渦輪，該轉(zhuǎn)子包括具有多個葉片的可旋轉(zhuǎn)的槳 轂組件。葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機械旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩經(jīng)由轉(zhuǎn)子驅(qū)動一個或多個發(fā)電機。發(fā)電 機有時但并非總是通過齒輪箱旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上。齒輪箱逐步提高轉(zhuǎn)子固有的低的旋轉(zhuǎn) 速度，以便發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)機械能高效地轉(zhuǎn)換成電能，該電能經(jīng)由至少一個電連接件饋入到 公用電網(wǎng)中。還存在無齒輪的直接驅(qū)動式風(fēng)力渦輪機。轉(zhuǎn)子、發(fā)電機、齒輪箱和其它構(gòu)件通 常安裝在殼體或機艙內(nèi)，該殼體或機艙定位在可為桁架塔架或管狀塔架的底座頂上。
一些風(fēng)力渦輪機構(gòu)造包括雙饋感應(yīng)發(fā)電機(DFIG)。此類構(gòu)造還可包括功率轉(zhuǎn)換 器，該功率轉(zhuǎn)換器用于將所產(chǎn)生的電功率的頻率轉(zhuǎn)換成頻率大致類似于公用電網(wǎng)的頻率。 此外，此類轉(zhuǎn)換器結(jié)合DFIG—起還在公用電網(wǎng)和發(fā)電機之間傳輸電功率，以及將發(fā)電機激 勵功率從連接件的其中之一到公用電網(wǎng)連接件而傳輸至繞線式發(fā)電機轉(zhuǎn)子。作為備選，一 些風(fēng)力渦輪機構(gòu)造包括但不限于備選類型的感應(yīng)發(fā)電機、永磁(PM)同步發(fā)電機，電激勵同 步發(fā)電機和開關(guān)磁阻發(fā)電機。這些備選構(gòu)造也可包括功率轉(zhuǎn)換器，該功率轉(zhuǎn)換器用于如上 文所述那樣轉(zhuǎn)換頻率以及在公用電網(wǎng)與發(fā)電機之間傳輸電功率。
一些公知的風(fēng)力渦輪機使用DFIG由風(fēng)速產(chǎn)生功率，該風(fēng)速圍繞風(fēng)力渦輪機的額 定風(fēng)速波動。此類DFIG通常使風(fēng)力渦輪機能夠在高于和低于風(fēng)力渦輪機額定風(fēng)速大約 30%的范圍內(nèi)高效地操作。為了從較寬范圍的風(fēng)速中捕集能量，至少一些公知的風(fēng)力渦輪 機包括兩個單獨的發(fā)電機，它們分別具有不同的操作速度。然而，使用兩個單獨的發(fā)電機會 造成額外成本并會提高產(chǎn)生功率的成本。發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，提供了一種在風(fēng)力渦輪機中使用的發(fā)電機，其包括具有多個轉(zhuǎn) 子繞組的轉(zhuǎn)子，且該轉(zhuǎn)子構(gòu)造成電聯(lián)接到風(fēng)力渦輪機的配電系統(tǒng)上。發(fā)電機還包括具有多 個定子繞組的定子。定子構(gòu)造成磁聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上，且電聯(lián)接到風(fēng)力渦輪機的配電系統(tǒng)上。定 子還構(gòu)造成用以在第一數(shù)目的磁極與第二數(shù)目的磁極之間切換。
在另一實施例中，提供了一種風(fēng)力渦輪機。該風(fēng)力渦輪機包括風(fēng)力渦輪機配電系 統(tǒng)和發(fā)電機。發(fā)電機包括具有多個轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子，且該轉(zhuǎn)子構(gòu)造成用以電聯(lián)接到風(fēng)力渦 輪機配電系統(tǒng)上。發(fā)電機還包括具有多個定子繞組的定子，且該定子構(gòu)造成用以磁聯(lián)接到 轉(zhuǎn)子上。定子構(gòu)造成用以電聯(lián)接到風(fēng)力渦輪機的配電系統(tǒng)上，且在第一數(shù)目的磁極與第二 數(shù)目的磁極之間切換。
在另一實施例中，提供了一種用于在風(fēng)力渦輪機中產(chǎn)生功率的方法。該方法包括 在風(fēng)力渦輪機內(nèi)提供風(fēng)力渦輪機配電系統(tǒng)，以及將發(fā)電機聯(lián)接到風(fēng)力渦輪機配電系統(tǒng)上。發(fā)電機包括具有多個轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子，以及具有多個定子繞組的定子。該方法還包括將定 子磁聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上，以及將定子構(gòu)造為用以在第一數(shù)目的磁極與第二數(shù)目的磁極之間切 換。
圖1為示例性風(fēng)力渦輪機的一部分的透視圖。
圖2為可結(jié)合圖1中所示的風(fēng)力渦輪機使用的示例性電氣與控制系統(tǒng)的簡圖。
圖3為可結(jié)合圖2中所示的電氣與控制系統(tǒng)使用的示例性定子繞組組件的簡圖。
圖4為圖3中所示的示例性定子繞組組件的一部分的簡圖。
圖5為可結(jié)合圖2中所示的電氣與控制系統(tǒng)使用的定子繞組組件的備選構(gòu)造的簡 圖。
圖6為圖5中所示的備選定子繞組組件構(gòu)造的一部分的簡圖。
圖7為示出用于將圖3中所示的定子繞組組件切換至更多數(shù)目的磁極的示例性方 法的圖表。
圖8為示出用于將定子繞組組件切換至圖7中所示的更多數(shù)目的磁極的示例性方 法的流程圖。
圖9為示出用于將圖5中所示的備選定子繞組組件切換至數(shù)目減少的磁極的示例 性方法的圖表。
圖10為示出用于將定子繞組組件切換至圖9中所示的數(shù)目減少的磁極的示例性 方法的流程圖。
零件清單
100風(fēng)力渦輪機
102機艙
104塔架
106轉(zhuǎn)子
108葉片
110槳轂
112低速軸
114齒輪箱
116高速軸
118發(fā)電機
120發(fā)電機定子
122發(fā)電機轉(zhuǎn)子
200電氣與控制系統(tǒng)
202渦輪控制器
206定子同步開關(guān)
208定子母線
210功率轉(zhuǎn)換組件
212轉(zhuǎn)子母線4
214主變壓器電路斷路器
216系統(tǒng)母線
218轉(zhuǎn)子濾波器
219轉(zhuǎn)子濾波器母線
220轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器
222功率轉(zhuǎn)換器
223線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器母線
224線路濾波器
225線路母線
226線路接觸器
228轉(zhuǎn)換電路斷路器
230轉(zhuǎn)換電路斷路器母線
232連接母線
234主變壓器
236發(fā)電機側(cè)母線
238電網(wǎng)電路斷路器
240斷路器側(cè)母線
242電網(wǎng)母線
244DC鏈路
246正干線(rail)
248負(fù)干線
250電容器
252第一組傳感器
254第二組傳感器
256第三組傳感器
262轉(zhuǎn)換器控制器
264電流傳感器
266滑環(huán)
268可變電阻器
300定子繞組組件
302定子繞組
304第一相
306第二相
308第三相
310多個磁極
312第一極
314第二極
316第三極
318第四極
320 第一端子
322 第二端子
3M第一相的第一端子
3 第一相的第二端子
328 第一端子
330 第二端子
332 第一端子
334 第二端子
336端子箱
338極切換箱
346多個端子
348切換箱第一端子
350切換箱第二端子
352第一定子繞組
354第二定子繞組
356第三定子繞組
400定子繞組組件
402定子繞組
404 第一相
406 第二相
408第三相
410 磁極
412 第一極
414 第二極
416第三極
418第四極
420第五極
422第六極
似4第一端子
似6第二端子
4 第一相的第一端子
430第一相的第二端子
432 第一端子
4；34 第二端子
436 第一端子
438 第二端子
440端子箱
442極切換箱
450多個端子
452切換箱第一端子
妨4切換箱第二端子
456第一定子繞組
458第二定子繞組
500 方法
502較少極的狀態(tài)
504增大葉片的槳距角
506穩(wěn)定葉片的槳距角
508使發(fā)電機與電網(wǎng)母線斷開
510增大葉片的槳距角
512將發(fā)電機變至數(shù)目更多的極
514將葉片保持在大致均勻的槳距角
516將發(fā)電機再連接到電網(wǎng)母線上
518減小葉片的槳距角
520穩(wěn)定葉片的槳距角
522恢復(fù)操作
600 方法
602更多極的狀態(tài)
604增大葉片的槳距角
606穩(wěn)定葉片的槳距角
608使發(fā)電機與電網(wǎng)母線斷開
610減小葉片的槳距角
612將發(fā)電機變至數(shù)目減少的極
614將葉片保持在大致均勻的槳距角
616將發(fā)電機再連接到電網(wǎng)母線上
618減小葉片的槳距角
620穩(wěn)定葉片的槳距角
622恢復(fù)操作具體實施方式
圖1為示例性風(fēng)力渦輪機100的一部分的透視圖。風(fēng)力渦輪機100包括收容發(fā)電 機(圖1中未示出)的機艙102。機艙102安裝在塔架104(圖1中示出了一部分塔架104) 上。塔架104可為有助于使風(fēng)力渦輪機100如本文所述那樣操作的任何高度。風(fēng)力渦輪機 100還包括轉(zhuǎn)子106，該轉(zhuǎn)子106包括附接到旋轉(zhuǎn)槳轂110上的三個葉片108。作為備選，風(fēng) 力渦輪機100包括有助于使風(fēng)力渦輪機100如本文所述那樣操作的任意數(shù)目的葉片108。 在示例性實施例中，風(fēng)力渦輪機100包括可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子106和發(fā)電機(圖1中未示 出)上的齒輪箱(圖1中未示出)。
圖2為可結(jié)合風(fēng)力渦輪機100使用的示例性電氣與控制系統(tǒng)200的簡圖。轉(zhuǎn)子葉 片106包括聯(lián)接到旋轉(zhuǎn)槳轂110上的葉片108。轉(zhuǎn)子106還包括可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到槳轂110上的低速軸112。低速軸112聯(lián)接到逐步加速的齒輪箱114上，該齒輪箱114構(gòu)造成用以 逐步增加低速軸112的旋轉(zhuǎn)速度，且將該速度傳遞至高速軸116。在示例性實施例中，齒輪 箱114具有大約70 1的逐步加速比(st印-up ratio)。例如，聯(lián)接到逐步加速比為大約 70 1的齒輪箱114上的以大約20轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)旋轉(zhuǎn)的低速軸112產(chǎn)生對于高度軸116 而言大約1400rpm的速度。作為備選，齒輪箱114具有有助于使風(fēng)力渦輪機100如本文所 述那樣操作的任何的逐步加速比。作為又一備選方案，風(fēng)力渦輪機100包括直接驅(qū)動的發(fā) 電機，該發(fā)電機可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子106上而無需任何介于其間的齒輪箱。
高速軸116可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到發(fā)電機118上。在示例性實施例中，發(fā)電機118為繞 線轉(zhuǎn)子式三相雙饋感應(yīng)(異步)發(fā)電機(DFIG)，其包括磁聯(lián)接到發(fā)電機轉(zhuǎn)子122上的發(fā)電 機定子120。在備選實施例中，發(fā)電機定子122包括代替轉(zhuǎn)子繞組的多個永磁體。
電氣與控制系統(tǒng)200包括渦輪控制器202。渦輪控制器202包括至少一個處理器以 及存儲器、至少一個處理器輸入通道、至少一個處理器輸出通道，且可包括至少一個計算機 (圖2中均未示出)。如本文所用，用語“計算機”并非僅限于本技術(shù)領(lǐng)域中稱為計算機的那 些集成電路，而是廣義地指代處理器、微控制器、微型計算機、可編程序邏輯控制器(PLC)、 專用集成電路以及其它可編程序電路(圖2中均未示出)，并且這些用語在本文中可互換使 用。在示例性實施例中，存儲器可包括但不限于計算機可讀介質(zhì)，如隨機存取存儲器(RAM) (圖2中均未示出)。作為備選，還可使用一個或多個存儲裝置，如軟盤、壓縮光盤只讀存儲 器(⑶-ROM)、磁光盤(MOD)和/或數(shù)字多功能光盤(DVD)(圖2中均未示出)。另外，在示 例性實施例中，附加的輸入通道(圖2中未示出)可為但不限于與操作人員界面相關(guān)聯(lián)的 計算機外圍設(shè)備，如鼠標(biāo)和鍵盤(兩者均未在圖2中示出)。此外，在示例性實施例中，附加 的輸出通道可包括但不限于操作人員界面監(jiān)視器(圖2中未示出)。
用于渦輪控制器202的處理器處理從多個電氣電子裝置傳輸來的信息，這些裝置 可包括但不限于電壓和電流變換器。RAM和/或存儲裝置存儲和傳遞將由處理器執(zhí)行的信 息和指令。RAM和/或存儲裝置還可用于在處理器執(zhí)行指令期間存儲和提供臨時變量、靜止 (即，不變的)信息和指令或其它中間信息給處理器。所執(zhí)行的指令包括但不限于駐留轉(zhuǎn)換 算法和/或比較器算法。指令序列的執(zhí)行不限于硬件電路和軟件指令的任何特定組合。
發(fā)電機定子120經(jīng)由定子母線208電聯(lián)接到定子同步開關(guān)206上。在示例性實施 例中，為了有助于DFIG構(gòu)造，發(fā)電機轉(zhuǎn)子122經(jīng)由轉(zhuǎn)子母線212電聯(lián)接到雙向功率轉(zhuǎn)換組 件210上。如圖2中所示，發(fā)電機轉(zhuǎn)子122經(jīng)由至少一個滑環(huán)沈6電聯(lián)接到轉(zhuǎn)子母線212 上，且滑環(huán)266可聯(lián)接到至少一個可變電阻器268上，用于調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)子122的轉(zhuǎn)差(或 滑移，slip)。例如，可變電阻268可采用電或機械的方式變化，使得渦輪控制器202和/或 用戶可按需調(diào)整可變電阻器268的電阻，用以調(diào)整發(fā)電機118的轉(zhuǎn)差量(或滑移量)。作為 備選，發(fā)電機轉(zhuǎn)子122經(jīng)由有助于使電氣與控制系統(tǒng)200如本文所述那樣操作的任何其它 裝置而電聯(lián)接到轉(zhuǎn)子母線212上。作為又一備選方案，電氣與控制系統(tǒng)200構(gòu)造為本領(lǐng)域 中所公知的全功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(未示出)，其中，設(shè)計和操作方面類似于功率轉(zhuǎn)換組件210的 全功率轉(zhuǎn)換組件(圖2中未示出)電聯(lián)接到發(fā)電機定子120上，且該種全功率轉(zhuǎn)換組件有 助于在發(fā)電機定子120與電功率傳輸和分配電網(wǎng)(未示出)之間引導(dǎo)電功率。在示例性實 施例中，定子母線208將三相功率從發(fā)電機定子120傳輸至定子同步開關(guān)206。轉(zhuǎn)子母線 212將三相功率從發(fā)電機轉(zhuǎn)子122傳輸至功率轉(zhuǎn)換組件210。在示例性實施例中，定子同步開關(guān)206經(jīng)由系統(tǒng)母線216電聯(lián)接到主變壓器電路斷路器214上。在備選實施例中，一個 或多個熔斷件(未示出)用來代替主變壓器電路斷路器214。在另一實施例中，既不使用熔 斷件，也不使用主變壓器電路斷路器214，而是將定子同步開關(guān)206經(jīng)由系統(tǒng)母線216聯(lián)接 到發(fā)電機側(cè)母線236上。
功率轉(zhuǎn)換組件210包括經(jīng)由轉(zhuǎn)子母線212電聯(lián)接到發(fā)電機轉(zhuǎn)子122上的轉(zhuǎn)子濾波 器218。轉(zhuǎn)子濾波器218經(jīng)由轉(zhuǎn)子濾波器母線219電聯(lián)接到轉(zhuǎn)子側(cè)雙向功率轉(zhuǎn)換器220上。 轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器220電聯(lián)接到線路側(cè)雙向功率轉(zhuǎn)換器222上。轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器220和 線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222為包括功率半導(dǎo)體(未示出)的功率轉(zhuǎn)換器電橋。在示例性實施例 中，轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器220和線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222構(gòu)造為三相脈寬調(diào)制(PWM)構(gòu)造，其包 括如本領(lǐng)域中公知那樣操作的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)切換裝置(圖2中未示出)。作為 備選，轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器220和線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222具有使用有助于使電氣與控制系統(tǒng) 200如本文所述那樣操作的任何切換裝置的任何構(gòu)造。功率轉(zhuǎn)換組件210聯(lián)接成與渦輪控 制器202進(jìn)行電子數(shù)據(jù)通信，以便控制轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器220和線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222的 操作。
在示例性實施例中，線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222經(jīng)由線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器母線223電聯(lián) 接到線路濾波器2 上。另外，線路濾波器2 經(jīng)由線路母線225電聯(lián)接到線路接觸器226 上。此外，線路接觸器2 經(jīng)由轉(zhuǎn)換電路斷路器母線230電聯(lián)接到轉(zhuǎn)換電路斷路器2 上。 此外，轉(zhuǎn)換電路斷路器2 經(jīng)由系統(tǒng)母線216和連接母線232電聯(lián)接到主變壓器電路斷路 器214、一個或多個熔斷件或發(fā)電機側(cè)母線236上。作為備選，線路濾波器2M經(jīng)由連接母 線232電聯(lián)接到系統(tǒng)母線216上，其中，任何保護(hù)方案(未示出)都構(gòu)造成用以解決將線路 接觸器2 和轉(zhuǎn)換電路斷路器2 從電氣與控制系統(tǒng)200上移除。主變壓器電路斷路器 214經(jīng)由發(fā)電機側(cè)母線236電聯(lián)接到電功率主變壓器234上。主變壓器234經(jīng)由斷路器側(cè) 母線MO電聯(lián)接到電網(wǎng)電路斷路器238上。電網(wǎng)電路斷路器238經(jīng)由電網(wǎng)母線242連接到 電功率傳輸和分配電網(wǎng)上。在備選實施例中，主變壓器234經(jīng)由斷路器側(cè)母線MO電聯(lián)接 到一個或多個熔斷件(未示出)上，而非電網(wǎng)電路斷路器238上。在另一實施例中，既不使 用熔斷件，也不使用電網(wǎng)電路斷路器238，而是將主變壓器234經(jīng)由斷路器側(cè)母線240和電 網(wǎng)母線242聯(lián)接到電功率傳輸和分配電網(wǎng)上。
在示例性實施例中，轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器220和線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222經(jīng)由單個直 流(DC)鏈路244聯(lián)接成彼此電連通。作為備選，轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器220和線路側(cè)轉(zhuǎn)換器222經(jīng) 由獨立且分離的DC鏈路(圖2中未示出)電聯(lián)接。DC鏈路244包括正干線(rail)M6、負(fù) 干線M8，以及聯(lián)接于其間的至少一個電容器250。作為備選，電容器250為構(gòu)造成串聯(lián)或 并聯(lián)于正干線246與負(fù)干線248之間的一個或多個電容器。
渦輪控制器202構(gòu)造成用以從第一組電壓和電流傳感器252接收多個電壓和電流 測量信號。此外，渦輪控制器202構(gòu)造成用以監(jiān)測和控制與風(fēng)力渦輪機100相關(guān)聯(lián)的操作 變量中的至少一些。在示例性實施例中，三個電壓和電流傳感器252中的各個均電聯(lián)接到 電網(wǎng)母線242的三相中的各相上。作為備選，電壓和電流傳感器252電聯(lián)接到系統(tǒng)母線216 上。作為又一備選方案，電壓和電流傳感器252電聯(lián)接到有助于使系統(tǒng)200如本文所述那 樣操作的電氣與控制系統(tǒng)200的任何部分上。作為再一備選方案，渦輪控制器202構(gòu)造成 用以從任意數(shù)目的電壓和電流傳感器252接收任意數(shù)目的電壓和電流測量信號，包括但不限于從一個變換器接收一個電壓和電流測量信號。
如圖2中所示，電氣與控制系統(tǒng)200還包括轉(zhuǎn)換器控制器沈2，該轉(zhuǎn)換器控制器 262構(gòu)造成用以從第二組電壓和電流傳感器2 (其聯(lián)接成與定子母線208進(jìn)行電子數(shù)據(jù)通 信)接收多個電壓和電流測量信號、從第三組電流傳感器256 (其聯(lián)接成與轉(zhuǎn)子母線212進(jìn) 行電子數(shù)據(jù)通信)接收第三組電流測量信號，以及從第四組電流傳感器264(其聯(lián)接成與轉(zhuǎn) 換電路斷路器母線230進(jìn)行電子數(shù)據(jù)通信)接收第四組電流測量信號。第二組傳感器254 大致類似于第一組傳感器252，而第四組傳感器264大致類似于第三組傳感器256。轉(zhuǎn)換器 控制器262大致類似于渦輪控制器202，且聯(lián)接成與風(fēng)力渦輪控制器202進(jìn)行電子數(shù)據(jù)通 信。此外，在示例性實施例中，轉(zhuǎn)換器控制器262物理地集成在功率轉(zhuǎn)換組件210內(nèi)。作為 備選，轉(zhuǎn)換器控制器262具有有助于使電氣與控制系統(tǒng)200如本文所述那樣操作的任何構(gòu) 造。
在操作期間，風(fēng)沖擊葉片108，而葉片108將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機械旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩經(jīng) 由槳轂110可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動低速軸112。低速軸112驅(qū)動齒輪箱114，而齒輪箱114隨后逐步 提高軸112的低的旋轉(zhuǎn)速度，以便以增大的旋轉(zhuǎn)速度驅(qū)動高速軸116。高速軸116可旋轉(zhuǎn)地 驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子122。旋轉(zhuǎn)磁場由發(fā)電機轉(zhuǎn)子122誘發(fā)，并且在磁聯(lián)接到發(fā)電機轉(zhuǎn)子122上 的發(fā)電機定子120內(nèi)感生電壓。發(fā)電機118將旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)換成發(fā)電機定子120中的正 弦三相交流(AC)電能信號。相關(guān)的電功率經(jīng)由定子母線208、定子同步開關(guān)206、系統(tǒng)母線 216、主變壓器電路斷路器214以及發(fā)電機側(cè)母線236傳輸至主變壓器234。主變壓器234 逐步提高電功率的電壓幅度，而轉(zhuǎn)變的電功率則進(jìn)一步經(jīng)由斷路器側(cè)母線M0、電網(wǎng)電路斷 路器238以及電網(wǎng)母線242傳輸至電網(wǎng)。
在示例性實施例中，提供了第二電功率傳輸通路。三相正弦AC電功率在發(fā)電機轉(zhuǎn) 子122內(nèi)產(chǎn)生，且經(jīng)由轉(zhuǎn)子母線212傳輸至功率轉(zhuǎn)換組件210。在功率轉(zhuǎn)換組件210內(nèi)，電 功率傳輸至轉(zhuǎn)子濾波器218，其中，對于與轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器220相關(guān)聯(lián)的PWM信號的變化 率而改變電功率。轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器220用作整流器，且將正弦三相AC功率整流為DC功 率。DC功率傳輸?shù)紻C鏈路M4中。電容器250通過促進(jìn)減輕與AC整流相關(guān)聯(lián)的DC紋波 而有助于減小DC鏈路244的電壓幅度變化。
DC功率隨后從DC鏈路244傳輸至線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222，其中，轉(zhuǎn)換器222用作 逆變器，該逆變器構(gòu)造成用以將來自于DC鏈路244的DC電功率轉(zhuǎn)換成具有預(yù)定電壓、電流 和頻率的三相正弦AC電功率。該轉(zhuǎn)換經(jīng)由轉(zhuǎn)換器控制器262受到監(jiān)測和控制。所轉(zhuǎn)換的 AC功率經(jīng)由線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器母線223和線路母線225、線路接觸器226、轉(zhuǎn)換電路斷路器 母線230、轉(zhuǎn)換電路斷路器2 以及連接母線232從線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222傳輸至系統(tǒng)母線 216。線路濾波器2M補償或調(diào)整從線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222傳輸來的電功率中的諧波電流。 定子同步開關(guān)206構(gòu)造成用以閉合以便促進(jìn)來自于發(fā)電機定子120的三相功率與來自于功 率轉(zhuǎn)換組件210的三相功率的連接。
電路斷路器228，214和238構(gòu)造成例如在電流流量過大且可能破壞電氣與控制系 統(tǒng)200的構(gòu)件時斷開對應(yīng)的母線。還提供了附加的保護(hù)構(gòu)件，包括線路接觸器226，它們可 通過打開對應(yīng)于線路母線225中的各線路的開關(guān)(圖2中未示出)而受到控制以形成斷開。
例如，由于槳轂110和葉片108處的風(fēng)速變化，故功率轉(zhuǎn)換組件210會補償或調(diào)整 來自于發(fā)電機轉(zhuǎn)子122的三相功率的頻率。因此，以此方式，機械和電動轉(zhuǎn)子頻率與定子頻10率去耦。
在一些情況下，功率轉(zhuǎn)換組件210的雙向特征、且具體而言是轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器 220和線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222的雙向特征，有助于將所產(chǎn)生的電功率中的至少一些饋送回 到發(fā)電機轉(zhuǎn)子122中。更具體而言，電功率從系統(tǒng)母線216傳輸至連接母線232，且隨后經(jīng) 由轉(zhuǎn)換電路斷路器2 和轉(zhuǎn)換電路斷路器母線230傳輸?shù)焦β兽D(zhuǎn)換組件210中。在功率轉(zhuǎn) 換組件210內(nèi)，電功率經(jīng)由線路接觸器226、線路母線225和線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器母線223傳 輸?shù)骄€路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222中。線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222用作整流器，且將正弦三相AC功率 整流成DC功率。DC功率傳輸?shù)紻C鏈路M4中。電容器250通過促進(jìn)減輕往往與三相AC 整流相關(guān)的DC紋波來減小DC鏈路244的電壓幅度變化。
DC功率隨后從DC鏈路244傳輸至轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器220，其中，轉(zhuǎn)換器220用作 逆變器，該逆變器構(gòu)造成用以將傳輸自DC鏈路244的DC電功率轉(zhuǎn)換成具有預(yù)定電壓、電流 和頻率的三相正弦AC電功率。該轉(zhuǎn)換經(jīng)由轉(zhuǎn)換器控制器262而受到監(jiān)測和控制。所轉(zhuǎn)換 的AC功率經(jīng)由轉(zhuǎn)子濾波器母線219從轉(zhuǎn)子側(cè)功率轉(zhuǎn)換器220傳輸至轉(zhuǎn)子濾波器218，且隨 后經(jīng)由轉(zhuǎn)子母線212傳輸至發(fā)電機轉(zhuǎn)子122，從而有助于次同步操作。
功率轉(zhuǎn)換組件210構(gòu)造成用以從渦輪控制器202接收控制信號?？刂菩盘柣陲L(fēng) 力渦輪機100和電氣與控制系統(tǒng)200的感測狀態(tài)或操作特征，由渦輪控制器202接收，且用 于控制功率轉(zhuǎn)換組件210的操作。來自于傳感器的反饋可由電氣與控制系統(tǒng)200經(jīng)由轉(zhuǎn)換 器控制器262用來控制功率轉(zhuǎn)換組件210，這些反饋例如包括經(jīng)由電壓和電流傳感器沈4， 2M和256的轉(zhuǎn)換電路斷路器母線230、定子母線和轉(zhuǎn)子母線的電壓或電流反饋。使用這些 反饋信息，且例如切換控制信號，可采用任何公知的方式產(chǎn)生定子同步開關(guān)控制信號以及 系統(tǒng)電路斷路器控制(跳閘)信號。例如，對于具有預(yù)定特征的電網(wǎng)電壓瞬變現(xiàn)象而言，轉(zhuǎn) 換器控制器沈2將至少大致暫時地中止IGBT在線路側(cè)功率轉(zhuǎn)換器222內(nèi)傳導(dǎo)。線路側(cè)功率 轉(zhuǎn)換器222的這種中止操作將通過功率轉(zhuǎn)換組件210引導(dǎo)的電功率顯著減弱至大約為零。
圖3為可結(jié)合電氣與控制系統(tǒng)200 (圖2中所示)使用的示例性定子繞組組件300 的簡圖。盡管圖3示出了在示例性實施例中具有布置為4極構(gòu)造的36個定子繞組302的 定子繞組組件300，但定子繞組組件300包括布置為具有使電氣與控制系統(tǒng)200能夠如本文 所述那樣操作的任意數(shù)目的極的任意數(shù)目的定子繞組302。定子繞組302由傳導(dǎo)性材料構(gòu) 成，如鋼、銅或本領(lǐng)域中所公知的其它材料。
定子繞組組件300構(gòu)造成用以磁聯(lián)接到發(fā)電機轉(zhuǎn)子122(圖2中所示)上且形成 多個磁極310。圖3示出了定子繞組組件300的構(gòu)造，其具有4極，包括第一極312、第二極 314、第三極316和第四極318。在示例性實施例中，定子繞組302構(gòu)造成用以聯(lián)接到三相電 母線上，如定子母線208 (圖2中所示)。更具體而言，定子繞組302構(gòu)造成用以聯(lián)接到定子 母線208的第一相304、第二相306和/或第三相308上。
圖4示出了定子繞組組件300(圖3中所示)的一部分的簡圖。各定子繞組302 均包括繞組第一端子320和繞組第二端子322。在示例性實施例中，各定子繞組302的繞 組第一端子320和繞組第二端子322均構(gòu)造成用以聯(lián)接到定子繞組端子箱336和/或極切 換箱338上。在示例性實施例中，端子箱336構(gòu)造成用以將繞組第一端子320和/或繞組 第二端子322聯(lián)接在一起，以及/或者聯(lián)接到一個或多個相鄰定子繞組302的繞組第一端 子320和/或繞組第二端子322上。極切換箱338包括構(gòu)造成用以聯(lián)接到一個或多個定子11繞組302的繞組第一端子320和/或繞組第二端子322上的多個端子346。極切換箱端子 346構(gòu)造成用以聯(lián)接到定子母線208 (圖2中所示)的第一相304、第二相306和/或第三 相308上。第一相304包括第一端子3M和第二端子326，第二相306包括第一端子3 和 第二端子330，以及第三相308包括第一端子332和第二端子334。
在示例性實施例中，端子箱336和/或極切換箱338由渦輪控制器202(圖2中所 示)操作地(或起作用地)控制。如本文更為完整描述的那樣，渦輪控制器202選擇多個 磁極310(圖3中所示)，利用這些磁極310操作定子繞組組件300。在示例性實施例中，端 子箱336經(jīng)由各定子繞組302的繞組第一端子320和繞組第二端子322將一個或多個相鄰 的定子繞組302聯(lián)接在一起。在一個實施例(圖4中所示)中，如本文更為完整地描述的 那樣，端子箱336經(jīng)由繞組第一端子320和繞組第二端子322將三個定子繞組302聯(lián)接在 一起，以有助于形成4極定子繞組組件300。在備選實施例中，端子箱336經(jīng)由繞組第一端 子320和繞組第二端子322將不同數(shù)目的相鄰定子繞組302聯(lián)接在一起，以有助于形成具 有4極或不同數(shù)目的極的定子繞組組件300。
在示例性實施例中，為了形成定子繞組組件300的4極構(gòu)造，極切換箱338將極切 換箱的第一端子348聯(lián)接到第一定子繞組352的第一端子320上。端子箱336將第一定子 繞組352的第二端子322聯(lián)接到第二定子繞組354的第一端子320上。端子箱336將第二 定子繞組354的第二端子322聯(lián)接到第三定子繞組356的第一端子320上。因此，端子箱 336將第一定子繞組352聯(lián)接到第二定子繞組3M上，且將第二定子繞組3M聯(lián)接到第三 定子繞組356上。極切換箱338將極切換箱的第二端子350聯(lián)接到第三定子繞組356的第 二端子322上。極切換箱338還將極切換箱的第一端子348聯(lián)接到第一相的第一端子3M 上，且將極切換箱的第二端子350聯(lián)接到第一相的第二端子3 上。因此，在示例性實施例 中，端子箱336和極切換相338將三個定子繞組302聯(lián)接到定子母線208的第一相304上。 在備選實施例中，端子箱336和極切換箱338將任意數(shù)目的定子繞組302聯(lián)接到定子母線 208的第一相304上。
在示例性實施例中，如圖4中所示，端子相336和極切換箱338以類似于第一相 304的方式將三個相鄰的定子繞組302聯(lián)接到第二相的第一端子3 和第二端子330上。 端子箱336和極切換箱338以類似方式將三個相鄰的定子繞組302聯(lián)接到第三相的第一端 子332和第二端子334上。此外，對于定子繞組組件300中的所有定子繞組302可以重復(fù) 以上聯(lián)接構(gòu)造。因此，在示例性實施例中，端子箱336和極切換箱338將三分之一的定子繞 組302聯(lián)接到第一相304上，將三分之一的定子繞組302聯(lián)接到第二相306上，以及將三分 之一的定子繞組302聯(lián)接到第三相308上。
圖5為可結(jié)合電氣與控制系統(tǒng)200(圖2中所示)使用的定子繞組組件400的備 選構(gòu)造的簡圖。盡管圖5示出了在示例性實施例中具有布置為6極構(gòu)造的36個定子繞組 402的定子繞組組件400，但定子繞組組件400包括布置為具有使電氣與控制系統(tǒng)200能夠 如本文所述那樣操作的任意數(shù)目的極的任意數(shù)目的定子繞組402。定子繞組402由傳導(dǎo)性 材料構(gòu)成，如鋼、銅或本領(lǐng)域中所公知的其它材料。
定子繞組組件400構(gòu)造成用以磁聯(lián)接到發(fā)電機轉(zhuǎn)子122(圖2中所示)上且形成 多個磁極410。圖5示出了定子繞組組件400的構(gòu)造，其具有六個極，包括第一極412、第二 極414、第三極416、第四極418、第五極420和第六極422。在示例性實施例中，定子繞組402構(gòu)造成用以聯(lián)接到三相電母線上，如定子母線208 (圖2中所示)。更具體而言，定子繞 組402構(gòu)造成用以聯(lián)接到定子母線208的第一相404、第二相406和/或第三相408上。
圖6示出了定子繞組組件400(圖5中所示)的一部分的簡圖。各定子繞組402 均包括繞組第一端子4M和繞組第二端子426。在示例性實施例中，各定子繞組402的繞 組第一端子4M和繞組第二端子似6均構(gòu)造成用以聯(lián)接到定子繞組端子箱440和/或極切 換箱442上。在示例性實施例中，端子箱440構(gòu)造成用以將繞組第一端子似4和/或繞組 第二端子似6聯(lián)接在一起，以及/或者聯(lián)接到一個或多個相鄰定子繞組402的繞組第一端 子似4和/或繞組第二端子似6上。極切換箱442包括構(gòu)造成用以聯(lián)接到一個或多個定子 繞組402的繞組第一端子似4和/或繞組第二端子似6上的多個端子450。極切換箱端子 450構(gòu)造成用以聯(lián)接到定子母線208(圖2中所示)的第一相404、第二相406和/或第三 相408上。第一相404包括第一端子似8和第二端子430，第二相406包括第一端子432和 第二端子434，以及第三相408包括第一端子436和第二端子438。
在示例性實施例中，端子箱440和/或極切換箱442由渦輪控制器202 (圖2中所 示)操作地(或起作用地)控制。如本文更為完整描述的那樣，渦輪控制器202選擇多個 磁極410(圖5中所示)，利用這些磁極410操作定子繞組組件400。在示例性實施例中，端 子箱440經(jīng)由各相鄰定子繞組402的繞組第一端子似4和繞組第二端子似6將一個或多個 相鄰的定子繞組402聯(lián)接在一起。在一個實施例(圖6中所示)中，如本文更為完整描述 的那樣，端子箱440經(jīng)由繞組第一端子似4和繞組第二端子似6將二個定子繞組402聯(lián)接 在一起，以有助于形成6極定子繞組組件400。在備選實施例中，端子箱440經(jīng)由繞組第一 端子4M和繞組第二端子4 將不同數(shù)目的相鄰定子繞組402聯(lián)接在一起，以有助于形成 具有6極或不同數(shù)目的極的定子繞組組件400。
在示例性實施例中，為了形成定子繞組組件300的6極構(gòu)造，極切換箱442將極切 換箱的第一端子452聯(lián)接到第一定子繞組456的第一端子似4上。端子箱440將第一定子 繞組456的第二端子似6聯(lián)接到第二定子繞組458的第一端子似4上。因此，端子箱400將 第一定子繞組456聯(lián)接到第二定子繞組458上。極切換箱442將極切換箱的第二端子妨4 聯(lián)接到第二定子繞組458的第二端子似6上。極切換箱442還將極切換箱的第一端子452 聯(lián)接到第一相的第一端子4 上，且將極切換箱的第二端子妨4聯(lián)接到第一相的第二端子 430上。因此，在示例性實施例中，端子箱440和極切換相442將二個定子繞組402聯(lián)接到 定子母線208的第一相404上。在備選實施例中，端子箱440和極切換箱442將任意數(shù)目 的定子繞組402聯(lián)接到定子母線208的第一相404上。
在示例性實施例中，如圖6中所示，端子箱400和極切換箱442以類似于第一相 404的方式將二個相鄰的定子繞組402聯(lián)接到第二相的第一端子432和第二端子434上。 端子箱440和極切換箱442以類似方式將二個相鄰的定子繞組402聯(lián)接到第三相的第一端 子436和第二端子438上。此外，對于定子繞組組件400中的所有定子繞組402可重復(fù)以 上聯(lián)接構(gòu)造。因此，在示例性實施例中，端子箱440和極切換箱442將三分之一的定子繞組 402聯(lián)接到第一相404上，將三分之一的定子繞組402聯(lián)接到第二相406上，以及將三分之 一的定子繞組402聯(lián)接到第三相408上。
在示例性實施例中，渦輪控制器202構(gòu)造成用以在4極構(gòu)造的定子繞組組件 300(圖3中所示)與6極構(gòu)造的定子繞組組件400(圖5中所示)之間切換。在備選實施例中，渦輪控制器202構(gòu)造成用以在具有任何數(shù)目的磁極的定子繞組組件構(gòu)造之間切換。
圖7為示出用于將發(fā)電機定子120(圖2中所示)、且更具體而言是定子繞組組件 300 (圖3中所示)切換至更多數(shù)目的磁極410 (圖5中所示)的示例性方法500的圖表。 在示例性實施例中，渦輪控制器202 (圖2中所示)可使用方法500將發(fā)電機定子120從4 極構(gòu)造的定子繞組組件300切換至6極構(gòu)造的定子繞組組件400 (圖5中所示)。
在示例性實施例中，風(fēng)力渦輪機100(圖1中所示)在較少極的狀態(tài)502下操作。 在狀態(tài)504，渦輪控制器202將葉片108 (圖1中所示)的槳距角增大到高于精細(xì)槳距控制 水平。發(fā)電機118(圖2中所示)的轉(zhuǎn)矩減小至大約為0，如本領(lǐng)域中所公知的那樣，這增大 了發(fā)電機轉(zhuǎn)子122(圖2中所示)的旋轉(zhuǎn)速度。在狀態(tài)506，渦輪控制器202穩(wěn)定葉片108 的槳距角，且風(fēng)力渦輪機100達(dá)到大致〃空轉(zhuǎn)〃的狀態(tài)。在狀態(tài)508，渦輪控制器202打開 定子同步開關(guān)206，而發(fā)電機118與電網(wǎng)母線(圖2中所示)大致斷開。在狀態(tài)510，渦輪 控制器202增大葉片108的槳距角，而葉片108的旋轉(zhuǎn)速度減小。在狀態(tài)512，渦輪控制器 202將發(fā)電機118變至更多數(shù)目的極。在示例性實施例中，如上文在圖5中所述，渦輪控制 器202將發(fā)電機118變至6極構(gòu)造。在備選實施例中，渦輪控制器202將發(fā)電機118變至 具有不同數(shù)目的極的更多極的構(gòu)造。在狀態(tài)514，渦輪控制器202將葉片108保持在大致 均勻的槳距角，且葉片108的旋轉(zhuǎn)保持在大致恒定或同步的速度。在狀態(tài)516，渦輪控制器 202閉合定子同步開關(guān)206，且發(fā)電機118再連接到電網(wǎng)母線242上。在狀態(tài)518，渦輪控 制器202減小葉片108的槳距角，這導(dǎo)致葉片108旋轉(zhuǎn)速度增大。在狀態(tài)520，渦輪控制器 202將葉片108的槳距角繼續(xù)減小至精細(xì)槳距控制水平。發(fā)電機118的旋轉(zhuǎn)速度大致穩(wěn)定 在速度低于發(fā)電機118的以更少數(shù)目的磁極310(圖3中所示)操作的旋轉(zhuǎn)速度，且轉(zhuǎn)矩從 大約為0增大至額定水平。在狀態(tài)522，風(fēng)力渦輪機100恢復(fù)操作，且發(fā)電機118以更多極 的構(gòu)造操作。
圖8為示出用于將發(fā)電機定子120 (圖2中所示)、且更具體而言是定子繞組組件 300 (圖3中所示)切換至更多數(shù)目的磁極410 (圖5中所示)的示例性方法500的流程圖。
進(jìn)一步參看圖8，在示例性實施例中，渦輪控制器202將葉片108(圖1中所示)的 槳距角增大504至高于精細(xì)槳距控制水平。發(fā)電機118(圖2中所示)的轉(zhuǎn)矩減小至大約 為0，如本領(lǐng)域中所公知的那樣，這增大了發(fā)電機轉(zhuǎn)子122(圖2中所示)的旋轉(zhuǎn)速度。渦 輪控制器202穩(wěn)定506葉片108的槳距角，且風(fēng)力渦輪機100(圖1中所示)達(dá)到大致〃空 轉(zhuǎn)"的狀態(tài)。此外，發(fā)電機118的轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機轉(zhuǎn)子122的旋轉(zhuǎn)速度大致穩(wěn)定。渦輪控制 器202通過打開定子同步開關(guān)206 (圖2中所示)使發(fā)電機118與電網(wǎng)母線M2 (圖2中所 示)斷開508。渦輪控制器202增大510葉片108的槳距角，且葉片108的旋轉(zhuǎn)速度減小。 如上文參照圖5所述，渦輪控制器202將發(fā)電機118變至512更多數(shù)目的極，如6極。作為 備選，渦輪控制器202將發(fā)電機118變至512具有不同數(shù)目的極的更多極的構(gòu)造。當(dāng)發(fā)電 機118變至512更多數(shù)目的極時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子122的旋轉(zhuǎn)速度減小。發(fā)電機118的轉(zhuǎn)矩保 持大約為0，同時發(fā)電機118保持與電網(wǎng)母線242斷開。渦輪控制器202將葉片108的槳 距角保持514為大致均勻的槳距角。葉片108的旋轉(zhuǎn)和發(fā)電機轉(zhuǎn)子122的旋轉(zhuǎn)速度保持在 大致恒定或同步的速度。渦輪控制器202通過閉合定子同步開關(guān)206將發(fā)電機118再連接 516到電網(wǎng)母線242上。渦輪控制器202減小518葉片108的槳距角，這導(dǎo)致葉片108旋轉(zhuǎn) 速度增大。發(fā)電機轉(zhuǎn)子122的旋轉(zhuǎn)速度和發(fā)電機118的轉(zhuǎn)矩也增大。渦輪控制器202繼續(xù)減小葉片108的槳距角，且將槳距角穩(wěn)定520在精細(xì)槳距控制水平。發(fā)電機118的旋轉(zhuǎn)速 度大致穩(wěn)定在速度低于發(fā)電機118的以更少數(shù)目的極操作的旋轉(zhuǎn)速度，且發(fā)電機118的轉(zhuǎn) 矩從大約為0增大至額定水平。風(fēng)力渦輪機100恢復(fù)522操作，且發(fā)電機118以更多極的 構(gòu)造操作。
圖9為示出用于將發(fā)電機定子120 (圖2中所示)、且更具體而言是定子繞組組件 400 (圖5中所示)切換至較少數(shù)目的磁極410 (圖5中所示)的示例性方法600的圖表。 在示例性實施例中，渦輪控制器202 (圖2中所示)可使用方法600將發(fā)電機定子120從6 極構(gòu)造的定子繞組組件400切換至4極構(gòu)造的定子繞組組件300 (圖3中所示)。
在示例性實施例中，風(fēng)力渦輪機100(圖1中所示)在較多極的狀態(tài)602下操作。 在狀態(tài)604，渦輪控制器202將葉片108 (圖1中所示)的槳距角增大到高于精細(xì)槳距控制 水平。發(fā)電機118(圖2中所示)的轉(zhuǎn)矩減小至大約為0，且發(fā)電機轉(zhuǎn)子122(圖2中所示) 的旋轉(zhuǎn)速度減小。在狀態(tài)606，渦輪控制器202穩(wěn)定葉片108的槳距角，且風(fēng)力渦輪機100 達(dá)到大致〃空轉(zhuǎn)〃的狀態(tài)。在狀態(tài)608，渦輪控制器202打開定子同步開關(guān)206，且發(fā)電機 118與電網(wǎng)母線M2 (圖2中所示)大致斷開。在狀態(tài)610，渦輪控制器202減小葉片108的 槳距角，且葉片108的旋轉(zhuǎn)速度增大。在狀態(tài)612，渦輪控制器202將發(fā)電機118變至更少 數(shù)目的磁極310(圖3中所示)。在示例性實施例中，如上文在圖3中所述，渦輪控制器202 將發(fā)電機118變至4極構(gòu)造。在備選實施例中，渦輪控制器202將發(fā)電機118變至具有不 同數(shù)目的極的更少極的構(gòu)造。在狀態(tài)614，渦輪控制器202將葉片108保持在大致均勻的槳 距角，且葉片108的旋轉(zhuǎn)保持在大致恒定或同步的速度。在狀態(tài)616，渦輪控制器202閉合 定子同步開關(guān)206，且發(fā)電機118再連接到電網(wǎng)母線242上。在狀態(tài)618，渦輪控制器202 減小葉片108的槳距角。當(dāng)發(fā)電機118再連接到電網(wǎng)母線242上時，由于以更少數(shù)目的極 操作，故發(fā)電機118的轉(zhuǎn)矩增大而葉片108的旋轉(zhuǎn)速度減小。在狀態(tài)620，渦輪控制器202 將葉片108的槳距角保持在精細(xì)槳距控制水平。發(fā)電機118的旋轉(zhuǎn)速度大致穩(wěn)定在速度高 于發(fā)電機118的以更多數(shù)目的極操作的旋轉(zhuǎn)速度，且轉(zhuǎn)矩增大至額定水平。在狀態(tài)622，風(fēng) 力渦輪機100恢復(fù)操作，且發(fā)電機118以更少極的構(gòu)造操作。
圖10為示出用于將發(fā)電機定子120(圖2中所示)、且更具體而言是定子繞組組 件400 (圖5中所示)切換至更少數(shù)目的磁極310 (圖3中所示)的示例性方法600的流程圖。
進(jìn)一步參看圖10，在示例性實施例中，渦輪控制器202將葉片108(圖1中所示) 的槳距角增大604至高于精細(xì)槳距控制水平。發(fā)電機118(圖2中所示)的轉(zhuǎn)矩減小至大 約為0，且發(fā)電機轉(zhuǎn)子122(圖2中所示)的旋轉(zhuǎn)速度減小。渦輪控制器202穩(wěn)定606葉片 108的槳距角，且風(fēng)力渦輪機100達(dá)到大致〃空轉(zhuǎn)〃的狀態(tài)。此外，發(fā)電機118的轉(zhuǎn)矩和發(fā) 電機轉(zhuǎn)子118的旋轉(zhuǎn)速度大致穩(wěn)定。渦輪控制器202通過打開定子同步開關(guān)206(圖2中 所示)使發(fā)電機118與電網(wǎng)母線圖2中所示)斷開608。渦輪控制器202減小610 葉片108的槳距角，且葉片108的旋轉(zhuǎn)速度增大。如上文參照圖3所述，渦輪控制器202將 發(fā)電機118變至612更少數(shù)目的極，如4極。作為備選，渦輪控制器202將發(fā)電機118變至 612具有不同數(shù)目的極的更少極的構(gòu)造。當(dāng)發(fā)電機118變至612更少數(shù)目的極時，發(fā)電機轉(zhuǎn) 子122的旋轉(zhuǎn)速度增大。發(fā)電機118的轉(zhuǎn)矩保持為大約0，同時發(fā)電機118保持與電網(wǎng)母線 M2斷開。渦輪控制器202將葉片108的槳距角保持614為大致均勻的槳距角。葉片10815的旋轉(zhuǎn)和發(fā)電機轉(zhuǎn)子122的旋轉(zhuǎn)速度保持在大致恒定或同步的速度。渦輪控制器202通過 閉合定子同步開關(guān)206將發(fā)電機118再連接616到電網(wǎng)母線242上。渦輪控制器202減小 618葉片108的槳距角。由于發(fā)電機118以更少數(shù)目的極操作，故發(fā)電機118的轉(zhuǎn)矩增大而 葉片118的旋轉(zhuǎn)速度和發(fā)電機轉(zhuǎn)子122的旋轉(zhuǎn)速度減小。渦輪控制器202將葉片108的槳 距角大致穩(wěn)定620在精細(xì)槳距控制的水平。發(fā)電機118的旋轉(zhuǎn)速度大致穩(wěn)定在速度高于發(fā) 電機118的以更多數(shù)目的極操作的旋轉(zhuǎn)速度，且發(fā)電機118的轉(zhuǎn)矩增大至額定水平。風(fēng)力 渦輪機100恢復(fù)622操作，且發(fā)電機118以更少極的構(gòu)造操作。
如圖7、圖8、圖9和圖10中所示，使用方法500和600有助于提供不同的旋轉(zhuǎn)速 度，發(fā)電機118以這些不同的旋轉(zhuǎn)速度在更少數(shù)目的極與更多數(shù)目的極之間切換。更具體 而言，發(fā)電機118在從更少數(shù)目的極切換至更多數(shù)目的極之前，以第一旋轉(zhuǎn)速度或速度范 圍操作，而在切換至更多數(shù)目的極之后，以低于第一旋轉(zhuǎn)速度的第二旋轉(zhuǎn)速度或速度范圍 操作。相反，發(fā)電機118從更多數(shù)目的極切換至更少數(shù)目的極之前，以第二旋轉(zhuǎn)速度或速度 范圍操作，而在切換至數(shù)目減少的極之后，以第一旋轉(zhuǎn)速度或速度范圍操作。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到的 是，由于低速軸112、齒輪箱114和高速軸116的操作，葉片108的旋轉(zhuǎn)速度與發(fā)電機118的 旋轉(zhuǎn)速度成比例。
風(fēng)力渦輪機100可經(jīng)由風(fēng)力渦輪控制器202聯(lián)接到風(fēng)場管理系統(tǒng)(未示出)上，以 有助于風(fēng)力渦輪機100與其它風(fēng)力渦輪機協(xié)作。具體而言，風(fēng)場管理系統(tǒng)可控制風(fēng)場(未 示出)內(nèi)的可同時切換至不同數(shù)目的極的多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機。因此，風(fēng)場管理系統(tǒng)可控 制在極切換操作期間與電網(wǎng)斷開的多個風(fēng)力渦輪機，因此減小了電網(wǎng)內(nèi)的功率產(chǎn)生波動。
使用方法500和600的風(fēng)力渦輪機100的操作以及包括定子繞組組件300和400 的發(fā)電機118有助于提供更為高效的風(fēng)力渦輪機100操作。如本領(lǐng)域中所公知的那樣，使 用雙饋感應(yīng)發(fā)電機使風(fēng)力渦輪機能夠以高于和低于額定風(fēng)速的大約30%進(jìn)行操作。模擬 數(shù)據(jù)表明，將方法500和600結(jié)合包括定子繞組組件300和400的發(fā)電機118使用有助于 風(fēng)力渦輪機100在比額定風(fēng)速低大約50 %至比額定風(fēng)速高30 %之間操作。此外，結(jié)合發(fā)電 機118使用定子繞組組件300和400有助于減小流過功率轉(zhuǎn)換組件210(圖2中所示)的 電流量。因此，功率轉(zhuǎn)換組件210的尺寸可減小，以便進(jìn)一步提供成本節(jié)省和效率。此外， 模擬數(shù)據(jù)表明，將方法500和600結(jié)合發(fā)電機118使用有助于使風(fēng)力渦輪機100的年能量 產(chǎn)量(AEP)提高大約1. 5%至大約2. 2%之間。
上述實施例有助于提供具有多極構(gòu)造的高效且成本效益合算的發(fā)電機。本文所述 的發(fā)電機和方法有助于為風(fēng)力渦輪機提供增大的操作風(fēng)速范圍。因此，本文所述的發(fā)電機 和方法有助于使風(fēng)力渦輪機能夠從風(fēng)中捕集更多功率，且在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)更為高效地 操作。此外，本文所述的發(fā)電機和方法有助于減小可結(jié)合發(fā)電機使用的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的尺 寸和/或成本。
上文詳細(xì)地描述了風(fēng)力渦輪發(fā)電機和操作風(fēng)力渦輪發(fā)電機的方法的示例性實施 例。該方法和發(fā)電機不限于本文所述的特定實施例，而相反，發(fā)電機的構(gòu)件和/或方法的步 驟可獨立地和分開地與本文所述的其它構(gòu)件和/或步驟使用。例如，發(fā)電機和方法還可結(jié) 合其它風(fēng)力渦輪機功率系統(tǒng)和方法使用，且不限于僅結(jié)合如本文所述的功率系統(tǒng)來實施。 確切而言，示例性實施例可結(jié)合許多其它風(fēng)力渦輪機或功率系統(tǒng)應(yīng)用而予以執(zhí)行和使用。
盡管一些圖中示出了而另一些圖中未示出本發(fā)明的各種實施例的具體特征，但這僅是為了方便。根據(jù)本發(fā)明的原理，一幅附圖中的任何特征可結(jié)合任何其它附圖中的任何 特征予以參照和/或主張權(quán)利。
本書面說明使用了包括最佳模式的實例來公開本發(fā)明，且還使本領(lǐng)域的技術(shù)人員 能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明可 取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員所構(gòu)思的其它實例。如果 這些其它實例具有與權(quán)利要求的書面語言并非不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其它實例包 括與權(quán)利要求的書面語言無實質(zhì)差異的同等結(jié)構(gòu)元件，則認(rèn)為這些實例處在權(quán)利要求的范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在風(fēng)力渦輪機(10)中使用的發(fā)電機(118)，所述發(fā)電機包括包括多個轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子(106)，所述轉(zhuǎn)子構(gòu)造成用以電聯(lián)接到風(fēng)力渦輪機配電系統(tǒng)上；包括多個定子繞組(302，402)的定子(120)，所述定子構(gòu)造成用以磁聯(lián)接到所述轉(zhuǎn)子 上，且電聯(lián)接到所述風(fēng)力渦輪機配電系統(tǒng)上；以及聯(lián)接到所述定子上的端子箱(336)，所述端子箱構(gòu)造成用以使所述定子在第一數(shù)目的 磁極(312)與第二數(shù)目的磁極(314)之間切換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(118)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(106)通過至少一個滑 環(huán)(226)聯(lián)接到所述風(fēng)力渦輪機配電系統(tǒng)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)電機(118)，其特征在于，所述至少一個滑環(huán)(226)聯(lián)接到 可變電阻器(268)上，用以改變所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)差量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)電機(118)，其特征在于，所述至少一個滑環(huán)(沈6)聯(lián)接到 功率轉(zhuǎn)換器(222)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(118)，其特征在于，所述端子箱(336)構(gòu)造成用以將 所述多個定子繞組(302，402)中的至少一對相鄰定子繞組聯(lián)接在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(118)，其特征在于，所述發(fā)電機包括極切換箱(338)， 所述極切換箱(338)構(gòu)造成用以將所述多個定子繞組(302,40 中的至少一個定子繞組聯(lián) 接到所述風(fēng)力渦輪機配電系統(tǒng)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(118)，其特征在于，所述定子(120)構(gòu)造成用以將所 述多個定子繞組(302，402)中的至少兩個定子繞組聯(lián)接在一起，所述定子還構(gòu)造成用以通 過改變聯(lián)接在一起的所述多個定子繞組的數(shù)目而在所述第一數(shù)目的磁極(312)與所述第 二數(shù)目的磁極(314)之間切換。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(118)，其特征在于，所述發(fā)電機聯(lián)接到控制器(202) 上，所述控制器構(gòu)造成用以使所述發(fā)電機與所述風(fēng)力渦輪機配電系統(tǒng)斷開；將所述發(fā)電機從所述第一數(shù)目的磁極(312)切換至所述第二數(shù)目的磁極(314)；以及，將所述發(fā)電機再連接到所述風(fēng)力渦輪機配電系統(tǒng)上。
9.一種風(fēng)力渦輪機(100)，包括風(fēng)力渦輪機配電系統(tǒng)；以及發(fā)電機(118)，其包括包括多個轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子(122)，所述轉(zhuǎn)子構(gòu)造成用以電聯(lián)接到所述風(fēng)力渦輪機配電 系統(tǒng)上；包括多個定子繞組的定子(120)，所述定子構(gòu)造成用以磁聯(lián)接到所述轉(zhuǎn)子上，且電聯(lián)接 到所述風(fēng)力渦輪機配電系統(tǒng)上；以及聯(lián)接到所述定子上的端子箱(336)，所述端子箱構(gòu)造成用以使所述定子在第一數(shù)目的 磁極(312)與第二數(shù)目的磁極(314)之間切換。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)力渦輪機(100)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(122)通過至少 一個滑環(huán)(沈6)聯(lián)接到所述風(fēng)力渦輪機配電系統(tǒng)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在風(fēng)力渦輪機中產(chǎn)生功率的方法及設(shè)備。具體而言，提供了一種在風(fēng)力渦輪機(10)中使用的發(fā)電機(118)。該發(fā)電機包括包括多個繞組的轉(zhuǎn)子(106)，該轉(zhuǎn)子構(gòu)造成用以電聯(lián)接到風(fēng)力渦輪機的配電系統(tǒng)上；包括多個定子繞組(302，402)的定子(120)，該定子構(gòu)造成用以磁聯(lián)接到轉(zhuǎn)子上，且電聯(lián)接到風(fēng)力渦輪機的配電系統(tǒng)上；以及聯(lián)接到定子上的端子箱(336)，該端子箱構(gòu)造成用以使定子在第一數(shù)目的磁極(312)與第二數(shù)目的磁極(314)之間切換。
文檔編號H02K3/28GK102035309SQ201010512939
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者E·耶格羅塞戈維亞, M·巴托羅姆羅佩斯, P·L·貝尼托圣地亞哥 申請人:通用電氣公司