本發(fā)明大體涉及一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)及風(fēng)力渦輪機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

典型地，風(fēng)力渦輪機(jī)包括具有定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)可能以雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(doubly fed induction generator,DFIG)作為例子，定子直接與公用電網(wǎng)連接，而轉(zhuǎn)子通過交流-直流-交流變換器與公用電網(wǎng)連接。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于發(fā)電模式時，上述變換器控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，以使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到期望的操作速度。該電磁轉(zhuǎn)矩與風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩相匹配。如果突然發(fā)生電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件，上述變換器失去了控制電磁轉(zhuǎn)矩的能力，那么，電磁轉(zhuǎn)矩將在100-200毫秒內(nèi)降至零。與此相對的，當(dāng)僅僅通過調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片的槳距角來降低機(jī)械轉(zhuǎn)矩時，需要大約30-45秒才能將風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩降至零。由于電磁轉(zhuǎn)矩的快速喪失以及機(jī)械轉(zhuǎn)矩的緩慢減小，即使以可行的最快速度來調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片的槳距角，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度仍然可能超過額定速度。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度過快、葉片的槳距角的快速調(diào)節(jié)和推力的突然損失，使得風(fēng)力渦輪機(jī)部件上所承受的機(jī)械負(fù)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(zhuǎn)矩?fù)p失事件的設(shè)計需求，常常影響著大多數(shù)風(fēng)力渦輪機(jī)部件的設(shè)計。

此外，在操作期間，風(fēng)力渦輪機(jī)還可能承受由電網(wǎng)故障事件(例如，低電壓瞬態(tài)事件、零電壓瞬態(tài)事件或高電壓瞬態(tài)事件等)所引起的非期望負(fù)載，這些非期望負(fù)載可以通過設(shè)計參數(shù)(例如尺寸和制造材料)和操作參數(shù)(例 如風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的槳距角)來減輕。

在電網(wǎng)故障事件發(fā)生期間，由于輸出端的功率損失，風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)的電磁轉(zhuǎn)矩可能會突然增大，并且還有可能伴隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過快的情況。在這種情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過快和電磁轉(zhuǎn)矩的突然增大引起風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)的機(jī)械負(fù)荷。槳距控制單元用于調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的漿距角以降低機(jī)械負(fù)荷。然而，如果漿距角的變化率大于漿距角的預(yù)定變化率，風(fēng)力渦輪機(jī)部件可能會經(jīng)歷嚴(yán)重的振蕩。風(fēng)力渦輪機(jī)的塔架極易受到振蕩的影響，并且，塔架的振蕩將會降低風(fēng)力渦輪機(jī)的使用壽命以及增加維護(hù)成本。

風(fēng)力渦輪機(jī)部件，例如塔架、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和齒輪箱等通常被設(shè)計成能夠承受由潛在電網(wǎng)故障事件所引起的機(jī)械負(fù)荷。例如，將齒輪箱設(shè)計成能夠承受達(dá)到標(biāo)稱電磁轉(zhuǎn)矩三倍的峰值電磁轉(zhuǎn)矩。但是，這樣的設(shè)計導(dǎo)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(jìn)的系統(tǒng)以解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)在歸納本發(fā)明的一個或多個方面以便于本發(fā)明的基本理解，其中該歸納并不是本發(fā)明的擴(kuò)展性縱覽，且并非旨在標(biāo)識本發(fā)明的某些要素，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(xiàn)更詳細(xì)的描述之前用簡化形式呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念。

本發(fā)明的一個方面在于提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)，該風(fēng)力渦輪機(jī)包括具有定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器及位于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器之間的直流鏈路，該保護(hù)系統(tǒng)包括：

第一開關(guān)元件；

一個或多個側(cè)電阻元件，其通過一個或多個側(cè)開關(guān)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(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第一開關(guān)元件將網(wǎng)側(cè)變流器 和定子的多個繞組與公用電網(wǎng)斷開連接，以及控制一個或多個側(cè)開關(guān)元件導(dǎo)通一個或多個側(cè)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(fā)電機(jī)中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

本發(fā)明的另一個方面在于提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括：

發(fā)電機(jī)，其包括定子和與風(fēng)力渦輪機(jī)的多個葉片機(jī)械耦合的轉(zhuǎn)子；

第一開關(guān)元件；

轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件，其通過轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件與位于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器之間的直流鏈路電性耦合；及

控制器，其用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第一開關(guān)元件將網(wǎng)側(cè)變流器與公用電網(wǎng)斷開連接以及控制轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件導(dǎo)通轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件與直流鏈路之間的電性連接，以在發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

本發(fā)明的再一個方面在于提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)，該風(fēng)力渦輪機(jī)包括具有定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器及位于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器之間的直流鏈路，該保護(hù)系統(tǒng)包括：

轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件；

控制器，用于響應(yīng)電網(wǎng)故障事件控制轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件將轉(zhuǎn)子側(cè)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(zhuǎn)子的對應(yīng)繞組與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器對應(yīng)的相之間或者電性耦合在定子的對應(yīng)繞組與公用電網(wǎng)對應(yīng)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(wǎng)故障事件引起的定子及轉(zhuǎn)子過電流。

本發(fā)明實(shí)施方式提供的上述風(fēng)力渦輪機(jī)及風(fēng)力渦輪機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件時，可控制一個或多個側(cè)開關(guān)元件導(dǎo)通一個或多個側(cè)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(fā)電機(jī)中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩是以較為平穩(wěn)的方式降為零，因此可以降低風(fēng)力渦輪機(jī)部件上的機(jī)械負(fù)荷?；蛘弋?dāng)發(fā)生電網(wǎng)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(wǎng)故障事件引起的定子及轉(zhuǎn)子過電流，也可以降低由電網(wǎng)故障事件引起的機(jī)械負(fù)荷。

附圖說明

當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中，相同的元件標(biāo)號在全部附圖中用于表示相同的部件，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式的風(fēng)力渦輪機(jī)的示意圖，該風(fēng)力渦輪機(jī)具有保護(hù)系統(tǒng)。

圖2是本發(fā)明第一實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)的電路圖。

圖3是本發(fā)明第二實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)的電路圖。

圖4是本發(fā)明第三實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)的電路圖。

圖5是本發(fā)明第四實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)的電路圖。

圖6是本發(fā)明第五實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)的電路圖。

圖7是本發(fā)明第六實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)的電路圖。

圖8是本發(fā)明第七實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)的電路圖。

具體實(shí)施方式

為幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠確切地理解本發(fā)明所要求保護(hù)的主題，下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。在以下對這些具體實(shí)施方式的詳細(xì)描述中，本說明書對一些公知的功能或構(gòu)造不做詳細(xì)描述以避免不必要的細(xì)節(jié)而影響到本發(fā)明的披露。

除非另作定義，本權(quán)利要求書和說明書中所使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權(quán)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(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分。“一個”或者“一”等類似詞語并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個?！鞍ā被? 者“具有”等類似的詞語意指出現(xiàn)在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵蓋出現(xiàn)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?！斑B接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機(jī)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(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方式的具有保護(hù)系統(tǒng)102的風(fēng)力渦輪機(jī)100的示意圖。風(fēng)力渦輪機(jī)100包括塔架104、設(shè)置于塔架104上的機(jī)艙106、轉(zhuǎn)子108以及與轉(zhuǎn)子108機(jī)械耦合的多個葉片110。多個葉片110由風(fēng)驅(qū)動在參考數(shù)字112所表示的方向旋轉(zhuǎn)。

風(fēng)力渦輪機(jī)100還包括用于操作風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)力渦輪機(jī)部件，例如，驅(qū)動機(jī)構(gòu)107和槳距角控制單元109。在風(fēng)力渦輪機(jī)100的制造過程中，每個風(fēng)力渦輪機(jī)部件被設(shè)計成能承受預(yù)定機(jī)械負(fù)荷。例如，風(fēng)力渦輪機(jī)的齒輪箱被設(shè)計成能承受的第一峰值電磁轉(zhuǎn)矩可達(dá)標(biāo)稱操作電磁轉(zhuǎn)矩的三倍。風(fēng)力渦輪機(jī)部件的上述設(shè)計要求導(dǎo)致在額定功率較低時制造成本較高。因此，保護(hù)系統(tǒng)102通過減少由電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件或電網(wǎng)故障事件引起的機(jī)械負(fù)荷，以降低成本和提高額定功率，也就是說，風(fēng)力渦輪機(jī)100對于機(jī)械負(fù)荷的承受能力提高了。

圖2是根據(jù)本發(fā)明第一個具體實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)902的示意圖。保護(hù)系統(tǒng)902可以應(yīng)用于圖1所示的風(fēng)力渦輪機(jī)100中。風(fēng)力渦輪機(jī)100還包括發(fā)電機(jī)16、主軸22、齒輪箱24、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30、直流鏈路32、網(wǎng)側(cè)變流器34、第一開關(guān)元件80、第二開關(guān)元件82和變壓器14。

發(fā)電機(jī)16包括定子106和轉(zhuǎn)子108。在一個非限定的例子中，發(fā)電機(jī)16為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(doubly fed induction generator,DFIG)。轉(zhuǎn)子108通過齒輪箱24與主軸22機(jī)械耦合，主軸22與風(fēng)力渦輪機(jī)100的多個葉片110機(jī)械耦合。

定子106的多個繞組通過第二開關(guān)元件82和第一開關(guān)元件80分別與變壓器14的多個初級線圈電性耦合。變壓器14的多個次級線圈與公用電網(wǎng)12電性耦合。

轉(zhuǎn)子108的多個繞組與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30電性耦合。直流鏈路32電性耦合于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30和網(wǎng)側(cè)變流器34之間。網(wǎng)側(cè)變流器34電性耦合于第二開關(guān)元件82和第一開關(guān)元件80之間的多個連接點(diǎn)。在一個非限定的示例中，直流鏈路32包括一個或多個電容器C1，用于將直流鏈路32的電壓波動維持在較小狀態(tài)。

保護(hù)系統(tǒng)902包括多個定子側(cè)電阻元件44及多個定子側(cè)開關(guān)元件46。在一個非限定的示例中，多個定子側(cè)電阻元件44中的每一者包括電阻或任意功率阻尼裝置。

定子106的多個繞組還通過對應(yīng)的多個定子側(cè)開關(guān)元件46與對應(yīng)的多個定子側(cè)電阻元件44電性耦合，多個定子側(cè)電阻元件44分別電性耦合在多個定子側(cè)開關(guān)元件46和地之間。在其他的實(shí)施例中，多個定子側(cè)電阻元件44分別電性耦合在多個定子側(cè)開關(guān)元件46和預(yù)定電位之間。

保護(hù)系統(tǒng)902還包括轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35、儲能元件36、轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38及控制器60。在一個非限定的示例中，轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38包括電阻或任意功率阻尼裝置。在一個非限定的示例中，儲能元件36包括電池或任意能量儲存裝置。電池可能以可充電電池作為舉例。

儲能元件36和轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38通過轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35與直流鏈路32電性耦合。在一個非限定的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35包括第一直流斬波器350和第二直流斬波器352，儲能元件36通過第一直流斬波器350與直流鏈路32電性耦合，轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38通過第二直流斬波器352與直流鏈路32電性耦合。

根據(jù)本發(fā)明的多個方面，保護(hù)系統(tǒng)902用于在發(fā)生電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件時保護(hù)發(fā)電機(jī)16和齒輪箱24。作為一個非限定的示例，電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件可 能由于電網(wǎng)損失事件導(dǎo)致或第二開關(guān)元件82的異常動作，例如第二開關(guān)元件82的異常關(guān)斷等等。

在一個非限定的實(shí)施例中，定子電壓傳感器和定子電流傳感器(未圖示)可以偵測電網(wǎng)損失事件，定子電壓傳感器偵測定子電壓，定子電流傳感器偵測定子電流；如果偵測到的定子電壓和偵測到的定子電流均大于或者小于預(yù)定值，則控制器60確定已經(jīng)發(fā)生了電網(wǎng)損失事件。

控制器60用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第一開關(guān)元件80將網(wǎng)側(cè)變流器34和定子106的多個繞組與公用電網(wǎng)12斷開連接。

控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件在發(fā)電機(jī)16的超同步模式期間控制轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35導(dǎo)通轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38和直流鏈路32之間的電性連接，以在發(fā)電機(jī)16中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件在發(fā)電機(jī)16的次同步模式期間控制轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35導(dǎo)通儲能元件36與直流鏈路32之間的電性連接，以在發(fā)電機(jī)16中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

在此需要說明的是，在風(fēng)力渦輪機(jī)100的正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件80，82均處于導(dǎo)通狀態(tài)，如果發(fā)電機(jī)16以超同步模式運(yùn)轉(zhuǎn)，則定子106的多個繞組通過第二開關(guān)元件82和第一開關(guān)元件80輸出電能至公用電網(wǎng)12，并且轉(zhuǎn)子108的多個繞組通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30、直流鏈路32、網(wǎng)側(cè)變流器34和第一開關(guān)元件82輸出電能至公用電網(wǎng)12。也就是說，風(fēng)力渦輪機(jī)100實(shí)現(xiàn)了最高的電能輸出。

如果發(fā)電機(jī)16以次同步模式運(yùn)轉(zhuǎn)，則定子106的多個繞組通過第二開關(guān)元件82和第一開關(guān)元件80輸出電能至公用電網(wǎng)12，并且轉(zhuǎn)子108的多個繞組通過第一開關(guān)元件82、網(wǎng)側(cè)變流器34、直流鏈路32和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30從公用電網(wǎng)12獲取電能。也就是說，風(fēng)力渦輪機(jī)100輸出的電能有所降低了。

控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制多個定子側(cè)開關(guān)元件46導(dǎo)通對應(yīng)的多個定子側(cè)電阻元件44與定子106的多個對應(yīng)繞組之間的電性連接， 以在發(fā)電機(jī)16中產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

控制器60還用于在電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件發(fā)生一預(yù)定時間段之后，控制多個定子側(cè)開關(guān)元件46將對應(yīng)的多個定子側(cè)電阻元件44與定子106的多個對應(yīng)繞組斷開連接，和/或控制轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35將儲能元件36和轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38與直流鏈路32斷開連接，從而使得發(fā)電機(jī)16停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

在其它的實(shí)施例中，控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第二開關(guān)元件82將定子106的多個繞組與網(wǎng)側(cè)變流器34斷開連接。

如上所描述的，在發(fā)生電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件期間，發(fā)電機(jī)16中仍然產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。因此通過利用本公開具體實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)了電制動支持，風(fēng)力渦輪機(jī)100以更平穩(wěn)的方式停止運(yùn)轉(zhuǎn)，相對于風(fēng)力渦輪機(jī)100快速地/迅速地停止運(yùn)轉(zhuǎn)，顯著地降低了風(fēng)力渦輪機(jī)100的機(jī)械部件上的負(fù)荷。

圖3是根據(jù)本發(fā)明第二個實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)904的示意圖。圖3所示保護(hù)系統(tǒng)904與圖2保護(hù)系統(tǒng)902之間的區(qū)別在于保護(hù)系統(tǒng)904不包括圖2所示的多個定子側(cè)開關(guān)元件46和多個定子側(cè)電阻元件44。

在圖3所示實(shí)施例中，控制器60用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第一開關(guān)元件80將網(wǎng)側(cè)變流器34與變壓器14和公用電網(wǎng)12斷開連接以及控制第二開關(guān)元件82導(dǎo)通定子106的多個繞組與網(wǎng)側(cè)變流器34之間的電性連接，使得在發(fā)電機(jī)16的次同步模式期間，轉(zhuǎn)子108的多個繞組可通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30、直流鏈路32、網(wǎng)側(cè)變流器34的二極管D1,D2,D3,D4,D5,D6或電子開關(guān)S1,S2,S3,S4,S5,S6從定子106的多個繞組獲取電流。因此，發(fā)電機(jī)16內(nèi)產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩。

控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件在發(fā)電機(jī)16的超同步模式期間控制轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35導(dǎo)通轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38與直流鏈路32之間的電性連接。

進(jìn)一步地，控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件在發(fā)電機(jī)16的次同 步模式期間控制轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35導(dǎo)通直流鏈路32與儲能元件36之間的電性連接，使得轉(zhuǎn)子108的多個繞組可通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30和直流鏈路32從儲能元件36獲取電流。

在其它的實(shí)施例中，保護(hù)系統(tǒng)902不包括儲能元件36，轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35不包括第一直流斬波器350。

圖4是根據(jù)本發(fā)明第三個實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)906的示意圖。圖4所示保護(hù)系統(tǒng)906與圖2保護(hù)系統(tǒng)902之間的區(qū)別在于保護(hù)系統(tǒng)906不包括圖2所示轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35、儲能元件36及轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38。

在圖4所示實(shí)施例中，控制器60用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第一開關(guān)元件80將網(wǎng)側(cè)變流器34與變壓器14和電網(wǎng)12斷開連接。

控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制多個定子側(cè)開關(guān)元件46導(dǎo)通對應(yīng)的多個定子側(cè)電阻元件44與定子106的多個對應(yīng)繞組之間的電性連接，使得定子106的多個繞組的輸出電能在多個定子側(cè)電阻元件44上消耗。

控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第二開關(guān)元件82導(dǎo)通定子106的多個繞組與網(wǎng)側(cè)變流器34之間的電性連接，使得在發(fā)電機(jī)16的超同步模式期間，轉(zhuǎn)子108的多個繞組的輸出電能通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30、直流鏈路32、網(wǎng)側(cè)變流器34、第二開關(guān)元件82、多個定子側(cè)開關(guān)元件46傳輸至多個定子側(cè)電阻元件44并在多個定子側(cè)電阻元件44上消耗，以及在發(fā)電機(jī)16的次同步模式期間，轉(zhuǎn)子108的多個繞組通過第二開關(guān)元件82、網(wǎng)側(cè)變流器34、直流鏈路32及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30從定子106的多個繞組獲取電流。因此，發(fā)電機(jī)16內(nèi)產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩。

圖5是根據(jù)本發(fā)明第四個實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)908的示意圖。圖5所示保護(hù)系統(tǒng)908與圖2保護(hù)系統(tǒng)902之間的區(qū)別在于發(fā)電機(jī)16始終工作于超同步模式期間，因此保護(hù)系統(tǒng)908可以不包括圖2所示儲能元件36，轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35可以不包括圖2所示第一斬波器350。

在圖5所示實(shí)施例中，控制器60用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第一開關(guān)元件80將網(wǎng)側(cè)變流器34與變壓器14和公用電網(wǎng)12斷開連接以及控制第二開關(guān)元件82將定子106的多個繞組與網(wǎng)側(cè)變流器34斷開連接。因為發(fā)電機(jī)16不與公用電網(wǎng)12電性連接，所以沒有必要維持1200rpm的同步速度。

根據(jù)上述描述，在發(fā)生電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件時，控制器60內(nèi)的同步速度參考值被修改成預(yù)定值，發(fā)電機(jī)16的轉(zhuǎn)動速度等于該預(yù)定值和預(yù)定的轉(zhuǎn)差速度之和。該預(yù)定的轉(zhuǎn)差速度為負(fù)值，

同步速度參考值確定由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30提供的可變頻率驅(qū)動電壓，該可變頻率驅(qū)動電壓用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子108的多個繞組。同步速度參考值對應(yīng)于定子106的同步頻率。發(fā)電機(jī)16的旋轉(zhuǎn)速度可以通過速度傳感器(圖未示)來測量。

由于定子106的同步頻率fs始終小于發(fā)電機(jī)16的轉(zhuǎn)動頻率fr，因此可確保發(fā)電機(jī)16工作于超同步模式。其中，fr＝fs+fslip，fslip是轉(zhuǎn)差頻率，其與轉(zhuǎn)差速度對應(yīng)；發(fā)電機(jī)16的轉(zhuǎn)動頻率fr與發(fā)電機(jī)16的轉(zhuǎn)動速度對應(yīng)。發(fā)電機(jī)16的轉(zhuǎn)動頻率和定子106的同步頻率的兩個例子在下附表1中示出。

表1發(fā)電機(jī)16的轉(zhuǎn)動頻率和定子106的同步頻率

在圖5所示實(shí)施例中，由于發(fā)電機(jī)16工作于超同步模式，因此保護(hù)系統(tǒng)908可以不包括圖2所示的儲能元件，簡化了風(fēng)力渦輪機(jī)100的設(shè)計。

在圖5的其它實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)16可以工作于超同步模式或次同步模式，控制器60用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第一開關(guān)元件80將網(wǎng)側(cè)變流器34 與變壓器14和電網(wǎng)12斷開連接，以及控制第二開關(guān)元件82導(dǎo)通定子106的多個繞組和網(wǎng)側(cè)變流器34之間的電性連接，使得在發(fā)電機(jī)16的次同步模式下，轉(zhuǎn)子108的多個繞組可通過網(wǎng)側(cè)變流器34、直流鏈路32及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30從定子106的多個繞組獲取電流。

圖6是根據(jù)本發(fā)明第五個實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)910的示意圖。圖6所示保護(hù)系統(tǒng)910與圖2所示保護(hù)系統(tǒng)902之間的區(qū)別在于網(wǎng)側(cè)變流器34通過多個定子側(cè)電阻元件44與多個定子側(cè)開關(guān)元件46電性耦合。

在圖6所示實(shí)施例中，控制器60用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第一開關(guān)元件80將網(wǎng)側(cè)變流器34和定子106的多個繞組與電網(wǎng)12斷開連接。

控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件在發(fā)電機(jī)16的超同步模式期間控制轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35導(dǎo)通轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38與直流鏈路32之間的電性連接，在發(fā)電機(jī)16的次同步模式期間控制轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35導(dǎo)通儲能元件36與直流鏈路32之間的電性連接。

控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第二開關(guān)元件82將定子106的多個繞組和網(wǎng)側(cè)變流器34斷開連接，以及控制多個定子側(cè)開關(guān)元件46導(dǎo)通對應(yīng)的多個定子側(cè)電阻元件44與定子106的多個對應(yīng)繞組之間的電性連接，使得定子106的多個繞組分別與多個定子側(cè)電阻元件44電性連接。

此外，在發(fā)電機(jī)16的次同步模式期間，轉(zhuǎn)子108的多個繞組通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30、直流鏈路32、網(wǎng)側(cè)變流器34、多個定子側(cè)電阻元件44及多個定子側(cè)開關(guān)元件46從定子106的多個繞組獲取電流。因此，發(fā)電機(jī)16內(nèi)產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩。

在其它的實(shí)施例中，保護(hù)系統(tǒng)910不包括儲能元件36，轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35不包括第一直流斬波器350。

圖7是根據(jù)本發(fā)明第六個實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)912的示意圖。圖7所示保護(hù)系統(tǒng)912與圖2所示保護(hù)系統(tǒng)902之間的區(qū)別在于控制器60用于響應(yīng)電 磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第二開關(guān)元件82導(dǎo)通定子106的多個繞組與網(wǎng)側(cè)變流器34之間的電性連接，使得轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30通過直流鏈路32和網(wǎng)側(cè)變流器從定子106的多個繞組獲取電流。

在圖7所示實(shí)施例中，控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制第一開關(guān)元件80將網(wǎng)側(cè)變流器34與變壓器14和公用電網(wǎng)12斷開連接。

控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35導(dǎo)通儲能元件36與直流鏈路32之間的電性連接，以及控制多個定子側(cè)開關(guān)元件46導(dǎo)通定子106的多個對應(yīng)繞組與對應(yīng)的多個定子側(cè)電阻元件44之間的電性連接。

控制器60還用于響應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩?fù)p失事件控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30提供直流電流至轉(zhuǎn)子108的任意兩個繞組，使得發(fā)電機(jī)16作為永磁發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此發(fā)電機(jī)16內(nèi)產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩。

在其它的實(shí)施例中，保護(hù)系統(tǒng)912不包括儲能元件36，轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35不包括第一直流斬波器350。

圖8是本發(fā)明第七實(shí)施方式的保護(hù)系統(tǒng)920的電路圖。圖8所示保護(hù)系統(tǒng)920和圖2-7所示保護(hù)系統(tǒng)之間的區(qū)別在于圖8所示保護(hù)系統(tǒng)920降低由電網(wǎng)故障事件引起的機(jī)械負(fù)荷。

作為一個非限定的實(shí)施例，電網(wǎng)故障事件可以是公用電網(wǎng)12中發(fā)生的低電壓瞬態(tài)事件或零電壓瞬態(tài)事件。在其他的實(shí)施例中，電網(wǎng)故障事件可以是公用電網(wǎng)12中的高電壓瞬態(tài)事件。

在圖8所示實(shí)施例中，保護(hù)系統(tǒng)920包括轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35、儲能元件36、轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38、多個電感元件90及多個電感元件92。

多個電感元件90、第二開關(guān)元件82及第一開關(guān)元件80串聯(lián)連接在定子106的多個繞組與變壓器14的多個初級線圈之間，變壓器14的多個次級線圈與公用電網(wǎng)12電性耦合。

多個電感元件92電性耦合在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30與轉(zhuǎn)子108的多個繞組之間。在其他的實(shí)施例中，多個電感元件90、第二開關(guān)元件82及第一開關(guān)元件80串聯(lián)連接在定子108的多個繞組與公用電網(wǎng)12之間；變壓器14的多個初級線圈與網(wǎng)側(cè)變流器34電性耦合，變壓器14的多個次級線圈電性耦合至第二開關(guān)元件82與第一開關(guān)元件80之間的多個連接點(diǎn)。

在風(fēng)力渦輪機(jī)100的正常運(yùn)行期間，第一開關(guān)元件80和第二開關(guān)元件82呈導(dǎo)通狀態(tài)。定子106的多個繞組通過多個電感元件90、第二開關(guān)元件82、第一開關(guān)元件80及變壓器14輸出電能至電網(wǎng)12，轉(zhuǎn)子108的多個繞組通過多個電感元件92、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器30、直流鏈路32、轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35、網(wǎng)側(cè)變流器34、第一開關(guān)元件80及變壓器14輸出電能至電網(wǎng)12或從電網(wǎng)12吸收電能。

根據(jù)本發(fā)明的多個方面，保護(hù)系統(tǒng)920實(shí)現(xiàn)了發(fā)生瞬態(tài)事件期間對發(fā)電機(jī)16和齒輪箱24的保護(hù)。作為一個例子，保護(hù)系統(tǒng)920進(jìn)一步包括控制器60，該控制器60用于根據(jù)電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流中至少一者的變化，控制保護(hù)系統(tǒng)920。

控制器60可能通過一個或多個感應(yīng)器(未圖示)監(jiān)控電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流中的至少一者。如果發(fā)生電網(wǎng)故障事件，例如，在低電壓瞬變事件或零電壓瞬變事件發(fā)生的情況下，電網(wǎng)電壓降低至或者電網(wǎng)電流升高至預(yù)定閾值，并且第一峰值電磁轉(zhuǎn)矩可能是標(biāo)稱操作電磁轉(zhuǎn)矩的三倍以上。

控制器60響應(yīng)電網(wǎng)側(cè)故障事件產(chǎn)生指令以控制風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)的實(shí)時電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38和儲能元件36用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)的實(shí)時電磁轉(zhuǎn)矩。

具體而言，控制器60用于根據(jù)預(yù)計的峰值電磁轉(zhuǎn)矩值觸發(fā)轉(zhuǎn)子側(cè)開關(guān)元件35導(dǎo)通轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38和儲能元件36中的一者或兩者與直流鏈路32之間的電性連接。轉(zhuǎn)子側(cè)電阻元件38吸收轉(zhuǎn)子108的電流，并使得控制器10能夠控制風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)的實(shí)時電磁轉(zhuǎn)矩。在儲能元件38也與直流鏈路32 電性耦合的情況下，儲能元件36通過在風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)生成有效功率以提供反向轉(zhuǎn)矩，有助于降低風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)的實(shí)時電磁轉(zhuǎn)矩。

多個電感元件92被配置成足夠的尺寸以降低由電網(wǎng)故障事件引起的定子及轉(zhuǎn)子過電流，以有助于降低實(shí)時電磁轉(zhuǎn)矩。

備選地或作為補(bǔ)充地，電感元件90被配置成足夠的尺寸以降低由電網(wǎng)故障事件引起的定子及轉(zhuǎn)子過電流，以有助于降低實(shí)時電磁轉(zhuǎn)矩。

繼續(xù)參照圖8，此外，在第一可替代的實(shí)施方式中，發(fā)電機(jī)16的磁漏電感被足夠地增大至期望電感值以降低由電網(wǎng)故障事件引起的定子及轉(zhuǎn)子過電流。作為一個非限定的實(shí)施例，定子106與轉(zhuǎn)子108之間的氣隙被足夠地增大以實(shí)現(xiàn)上述期望電感值。

在第二可替代的實(shí)施方式中，定子106的多個繞組通過變壓器14與公用電網(wǎng)12電性耦合，網(wǎng)側(cè)變流器34通過變壓器14與公用電網(wǎng)12電性耦合；

變壓器14的磁漏電感被足夠地增大至期望電感值以降低由電網(wǎng)故障事件引起的定子及轉(zhuǎn)子過電流。作為一個非限定的實(shí)施例，變壓器14的多個初級線圈與多個次級線圈被隔開成預(yù)定間距以實(shí)現(xiàn)該期望電感值。

在其它的可替代實(shí)施方式中，保護(hù)系統(tǒng)920僅包括多個電感元件90和多個電感元件92中的一者。

雖然結(jié)合特定的具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認(rèn)識到，權(quán)利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。