風力發電系統及其控制方法與流程

2023-05-05 09:22:32

本發明大體涉及風力發電領域，尤其涉及一種風力發電系統及用於控制該風力發電系統的方法。

背景技術：

隨著全球能源資源的日益短缺及環境汙染的日益嚴峻，清潔可再生能源，特別是風能已經得到快速發展。風力渦輪機在該方面備受關注。

已知風力渦輪機的運行與風速有關。例如，風力渦輪機具有用於確定風力發電系統的運行狀態的預定的風速閾值。其中一個這樣的閾值為切入風速，其被定義為風力發電系統開始發電的風速。另一個閾值為切出風速，其被定義為風力渦輪機能夠運行而傳遞電力的最高風速。通常，在風速高於切出風速時，將停止發電。

基於國際電工技術委員會(International Electro-technical Commission，IEC)標準，將風區劃分為四類：一類風區(在該風區的平均風速在8.5米/秒到10米/秒的範圍內)、二類風區(在該風區的平均風速在7.5米/秒到8.5米/秒的範圍內)、三類風區(在該風區的平均風速在6.0米/秒到7.5米/秒的範圍內)、以及四類風區(在該風區的平均風速低於6.0米/秒)。在過去，大部分的技術開發都集中在中高速風區。

技術實現要素：

因此，有必要提供用於控制能夠運行在低風區時的風力發電系統的系統及方法。

本發明的一個方面在於提供一種用於控制風力發電系統的方法。所述風力發電系統包括用於產生機械能的風力渦輪機、用於將所述機械能轉換成電能的雙饋感應發電機、以及用於將所述電能轉換成期望的電能用於供應至電網的轉換器。所述方法包括：當來自所述發電機的轉子的測量到的轉速反饋值低於所述轉子的原始切入轉速時，確定出所述轉換器的直流母線電壓餘量，其中，所述轉子的所述原始切入轉速包括用於從所述風力渦輪機產生電力的默認較低閾值速度；基於所述確定出的直流母線電壓餘量來確定出所述轉換器的直流母線電壓設定值；以及基於所述確定出的直流母線電壓設定值來控制所述轉換器，從而降低所述轉子的切入轉速。

本發明的另一個方面在於提供一種用於控制風力發電系統的方法。所述風力發電系統包括用於產生機械能的風力渦輪機、用於將所述機械能轉換成電能的雙饋感應發電機、用於將所述電能轉換成期望的電能用於供應至電網的轉換器、以及有載調壓變壓器，所述發電機的定子通過所述有載調壓變壓器連接到所述電網。所述方法包括：當來自所述發電機的轉子的測量到的轉速反饋值低於所述轉子的原始切入轉速時，增加所述有載調壓變壓器的變壓比以降低來自所述電網的電網電壓，從而降低所述轉子的切入轉速。所述有載調壓變壓器的所述變壓比被定義為所述變壓器的原邊繞組與副邊繞組的變壓比。所述轉子的原始切入轉速包括用於從所述風力渦輪機產生電力的默認較低閾值速度。

本發明的又一個方面在於提供一種風力發電系統。所述風力發電系統包括用於產生機械能的風力渦輪機、用於將所述機械能轉換成電能的雙饋感應發電機、用於將所述電能轉換成期望的電能用於供應至電網的轉換器以及控制器。所述控制器用於當來自所述發電機的轉子的測量到的轉速反饋值低於所述轉子的原始切入轉速時，確定出所述轉換器的直流母線電壓餘量，基於所述確定出的直流母線電壓餘量來確定出所述轉換器的直流母線電壓設定值，並且，基於所述確定出的直流母線電壓設定值來控制所述轉換器，從而降低所述轉子的切入轉速，其中，所述轉子的所述原始切入轉速包括用於從所述風力渦輪機產生電力的默認較低閾值速度。

附圖說明

當參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其它特徵、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於表示相同的部件，其中：

圖1是根據本發明的一個具體實施方式的示意性風力發電系統的示意圖；

圖2是圖1的示意性風力發電系統的另一個示意圖；

圖3是根據本發明的一個具體實施方式的示意性轉速計算模塊的示意圖；

圖4是圖1的示意性DFIG的等效電路；

圖5是根據本發明的一個具體實施方式的渦輪控制單元和轉換器控制單元的示意圖；

圖6是根據本發明的另一個具體實施方式的渦輪控制單元和轉換器控制單元的示意圖；

圖7是根據本發明的一個具體實施方式的示意性轉換器控制單元的示意圖；

圖8根據本發明的一個具體實施方式的用於控制風力發電系統的示意性方法的流程圖；以及

圖9示出如何計算出圖1的DFIG的轉子的動態切入轉速的步驟。

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發明所要求保護的主題，下面結合附圖詳細描述本發明的具體實施方式。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發明的披露。

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發明所屬技術領域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」以及類似的詞語並不表示任何順序、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」等類似詞語並不表示數量限制，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」後面列舉的元件或者物件及其等同元件，並不排除其他元件或者物件。「連接」或者「相連」等類似的詞語並非限定於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示出根據本發明的一個具體實施方式的示意性風力發電系統的示意圖。如圖1所示，示意性風力發電系統100可以包括風力渦輪機1、雙饋感應發電機(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)、轉換器3及控制器4。風力渦輪機1接收風能並且產生機械能。在一些具體實施方式中，風力發電系統100還可以包括位於風力渦輪機1與DFIG之間的變速箱5。變速箱5能夠將機械能傳輸成更合適的機械力以驅動轉子軸20。

DFIG 2能夠將機械能轉換成電能，並包括轉子21和定子22。DFIG 2的轉子21可以連接到轉子軸20，並且能夠通過轉子軸20在機械力的作用下被旋轉。DFIG 2的定子22可以機械地連接到轉子21，並且可以通過變壓器7連接到電網6。

轉換器3用於將電能轉換成期望的電能用於供應至電網6，並且可以包括轉子側轉換器31、網側轉換器32以及用於連接轉子側轉換器31和網側轉換器32的直流母線(DC Link)33。轉子側轉換器31可以包括AC-DC轉換器，其用於將來自DFIG 2的轉子21的交流(Alternating Current，AC)電壓轉換成直流母線33上的直流(Direct Current，DC)母線電壓。直流母線33可以包括串聯或並聯連接的一個或多個電容，其用於將直流母線電壓維持在一定水平，因此，能夠管理從直流母線33至電網6的電能。網側轉換器32可以包括DC-AC逆變器，其用於將直流母線33上的直流母線電壓轉換成具有合適的頻率、相位及幅值用於饋入到電網6的交流電壓。

變壓器7用於提供來自轉換器3的功率及來自DFIG 2的定子22的功率的電壓或電流變換，並且提供在轉換器3和電網6之間以及在DFIG 2和電網6之間的隔離。變壓器7用於將從網側轉換器31及DFIG 2的定子22輸出的交流電壓幅值升高以匹配電網6。變壓器7可以包括連接到電網6的原邊繞組71和與定子22及網側轉換器32連接的副邊繞組72。在一個可選的具體實施方式中，變壓器7可以為有載調壓變壓器。有載調壓變壓器7的變壓比被定義為原邊繞組71與副邊繞組72的變壓比，有載調壓變壓器7的變壓比可以被改變。

圖2示出圖1的風力發電系統100的另一個示意圖。如圖2所示，控制器4可以包括渦輪控制單元41和轉換器控制單元42。渦輪控制單元41可以接收來自風場被分配給風力渦輪機1的無功功率命令Qcmd。轉換器控制單元42可以接收來自DFIG 2的轉子21的測量到的轉速反饋值ωfbk、測量到的轉子電壓反饋值Vr_fbk及來自電網6的電網電壓，例如定子線線電壓Vgrid。轉換器控制單元42可以與渦輪控制單元41相通信，並且，能夠將轉速反饋值ωfbk、轉子電壓反饋值Vr_fbk及電網電壓Vgrid傳遞給渦輪控制單元41。

參照圖1-2並結合圖3所示，控制器4可以包括轉速計算模塊8，轉速計算模塊8用於計算出DFIG 2的轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn。當轉子21的轉速反饋值ωfbk達到轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn時，渦輪控制單元41可以給轉換器控制單元42發送運行請求信號SE。而且，渦輪控制單元41可以根據轉子21的轉速反饋值ωfbk產生DFIG 2的扭矩命令Tcmd，並且將扭矩命令Tcmd和無功功率命令Qcmd發送給轉換器控制單元42。

以下，將結合圖3詳細描述轉速計算模塊8是如何計算出轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn的。

圖3示出根據本發明的一個具體實施方式的示意性轉速計算模塊8的示意圖。示意性轉速計算模塊8可以包括第一DFIG模型81。第一DFIG模型81可以接收來自第一查找表821的DFIG 2的目標有功功率Ptarget、無功功率命令Qcmd、電網電壓Vgrid及轉子21的計算出的動態切入轉速ωcutin_dyn。

第一查找表821可以接收轉子21的計算出的動態切入轉速ωcutin_dyn作為輸入，並且可以輸出目標有功功率Ptarget。例如，在一個具體實施方式中，第一查找表821可以通過使用DFIG 2的扭矩與轉子21的轉速的曲線及如下所示的公式來建立。

Ptarget＝ωcutin_dynTtarget (1)

Ttarget代表DFIG 2的目標扭矩，其可以根據轉子21的計算出的動態切入轉速ωcutin_dyn從DFIG 2的扭矩與轉子21的轉速的曲線中獲得。

在第一DFIG模型81中，DFIG 2的目標滑差率starget可以根據以下的公式計算出：

在該公式中，ω0代表轉子21的同步速。因此，可以獲得來自定子側的定子功率Ps，如下所示：

圖4示出DFIG 2的示意性等效電路。第一DFIG模型81可以包括在DFIG 2的等效電路中的一些函數公式。如圖4所示，這些函數公式可以表示為如下：

Vsy＝0 (5)

Vsx1＝Vsx-ωoL1Isy (8)Vsy1＝0+ωoL1Isx (9)Vmx＝Vsx1+R1Isx (10)Vmy＝Vsy1+R1Isy (11)

I′rx＝Isx+Imx (14)

I′ry＝Isy+Imy (15)V′rx1＝Vmx-ωoL2I′ry (16)V′ry1＝Vmy+ωoL2I′rx (17)

Vsx和Vsy分別代表定子電壓幅值的x和y分量，Isx和Isy分別代表定子電流的x和y分量，Vsx1和Vsy1分別代表在等效電路的A1點處的電壓幅值的x和y分量，L1代表定子側的電感，Vmx和Vmy分別代表在勵磁支路中的電壓幅值的x和y分量，R1代表定子側的電阻，Imx和Imy分別代表在勵磁支路中的電流的x和y分量，Lm代表勵磁支路中的電感，I′rx和I′ry分別代表轉子電流的x和y分量，V′rx1和V′ry1分別代表在等效電路的A2點處的電壓幅值的x和y分量，V′rx和V′ry分別代表折算到定子側的電壓幅值的x和y分量，R2代表轉子側的電阻，Vrx和Vry分別代表轉子電壓幅值的x和y分量，NSR代表定子22與轉子21的匝數比，以及Vr_est代表轉子電壓估算值。所有的這些x和y分量均在同一坐標系下。

在以上的公式中，定子側和轉子側的電感L1和L2、定子側和轉子側的電阻R1和R2、轉子21的同步速ω0、以及定子22與轉子21的匝數比NSR均是已知的。因此，一旦DFIG 2的目標有功功率Ptarget、無功功率命令Qcmd、電網電壓Vgrid及轉子21的計算出的動態切入轉速ωcutin_dyn饋入到第一DFIG模型81中，則第一DFIG模型81就可以根據以上的公式(4)-(22)計算出轉子電壓估算值Vr_est。

返回參照圖3，示意性轉速計算模塊8可以包括轉子電壓限幅器871。轉子電壓限幅器871可以將計算出的轉子電壓估算值Vr_est限制在轉子電壓最大值Vr_max與轉子電壓最小值Vr_min的範圍內。轉子電壓最大值Vr_max與轉子電壓最小值Vr_min均為設定值。限制後的轉子電壓估算值Vr_est1然後能夠被送入到乘法器831。乘法器831可以將限制後的轉子電壓估算值Vr_est1乘以從而獲得在轉子側處的直流母線電壓估算值Vrdc_est，如下所示：

電網電壓Vgrid可以發送到乘法器832。乘法器832可以將電網電壓Vgrid乘以從而獲得在網側處的直流母線電壓估算值Vldc_est，如下所示：

轉子側處的直流母線電壓估算值Vrdc_est和網側處的直流母線電壓估算值Vldc_est可以被送入到大值選擇器(Max)84中。大值選擇器84可以從轉子側處的直流母線電壓估算值Vrdc_est和網側處的直流母線電壓估算值Vldc_est選出大值。該大值與用於補償額外壓降的電壓增量Vadd可以進一步被送入到加法器851。加法器851可以將該大值與電壓增量Vadd相加總，從而獲得直流母線電壓需求值Vdc_req，如下所示：

Vdc_req＝max(Vrdc_est,Vldc_est)+Vadd (25)

轉速計算模塊8可以包括第二查找表822。第二查找表822可以包括例如三維(Three-Dimensional，3D)表格，該三維表格可以從試驗中獲得以保持足夠的安全餘量。第二查找表822可以接收DFIG 2的目標有功功率Ptarget作為輸入及接收無功功率命令Qcdm作為額外的輸入，並且可以輸出目標直流母線電壓最大值Vtdc_max。

直流母線電壓需求值Vdc_req和目標直流母線電壓最大值Vtdc_max可以被送入到減法器852。減法器852可以從目標直流母線電壓最大值Vtdc_max中減去直流母線電壓需求值Vdc_req，從而獲得直流母線電壓餘量估算值Vdc_marginest。轉速計算模塊8可以包括比較器88和與比較器88連接的動態限制器872。比較器88可以將轉子電壓反饋值Vr_fbk與轉子電壓最大值Vr_max進行比較。當轉子電壓反饋值Vr_fbk大於等於轉子電壓最大值Vr_max時，比較器88的輸出為1。當轉子電壓反饋值Vr_fbk小於轉子電壓最大值Vr_max時，比較器88的輸出為0。如果比較器88的輸出為1，則動態限制器872的輸出可以被鉗制在0。如果比較器88的輸出為0，則動態限制器872可以將直流母線電壓餘量估算值Vdc_marginest傳送給直流母線電壓餘量調節器86。直流母線電壓餘量調節器86可以包括例如，但不限於，I(Integral，積分)調節器或PI(Proportional-Integral，比例積分)調節器。直流母線電壓餘量調節器86可以對直流母線電壓餘量估算值Vdc_marginest進行調節，從而獲得轉子21的轉速餘量ωmarfin。轉速計算模塊8還可以包括限制器873，其用於將轉子21的轉速餘量ωmargin限制在上下限的範圍內。

轉子21的轉速餘量ωmargin和轉子21的原始切入轉速ωcutin0可以被送入到減法器853。轉子21的原始切入轉速ωcutin0包括用於從風力渦輪機1產生電力的默認較低閾值速度。減法器853可以從轉子21的原始切入轉速ωcutin0中減去轉子21的轉速餘量ωmargin，從而在線獲得轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn。

參照圖5，在一個具體實施方式中，本發明的具體實施方式的轉速計算模塊8可以設置在渦輪控制單元41中。轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn可以在渦輪控制單元41中由轉速計算模塊8計算出之後，可以直接保存在渦輪控制單元41中。作為可選的實現方式，渦輪控制單元41還可以包括切入選擇模塊411。切入選擇模塊411可以接收轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn和轉子21的原始切入轉速ωcutin0，並且可以根據用戶的需求從轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn和轉子21的原始切入轉速ωcutin0中選擇一個作為轉子21的切入轉速ωcutin。因此，本發明的具體實施方式的轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn可以作為一種增值服務被使用以供用戶選擇。當然，在本發明的具體實施方式中，為了降低轉子21的切入轉速ωcutin，渦輪控制單元41將會選擇轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn作為轉子21的切入轉速ωcutin，因為轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn小於轉子21的原始切入轉速ωcutin0。在轉速計算模塊8被包括在渦輪控制單元41中的具體實施方式中，在渦輪控制單元41和轉換器控制單元42之間的通信不需要新的數據。

參照圖6，在另一個具體實施方式中，本發明的具體實施方式的轉速計算模塊8也可以設置在轉換器控制單元42中。轉子21的動態切入轉速ωcutim_dyn可以在轉換器控制單元42中由轉速計算模塊8計算出之後，需要反饋回渦輪控制單元41中。因此，在這種情況下，需要增加從轉換器控制單元42到渦輪控制單元41的新的信號，即，轉子21的動態切入轉速ωcutim_dyn。

參照圖2並結合圖5-6，轉換器控制單元42可以遵循運行請求信號SE、扭矩命令Tcmd及無功功率命令Qcmd，並且可以確定出轉換器3的直流母線電壓餘量Vdc_margin。然後，轉換器控制單元42可以基於確定出的直流母線電壓餘量Vdc_margin進一步確定出轉換器3的直流母線電壓設定值Vdc_setpoint，並且基於確定出的直流母線電壓設定值Vdc_setpoint來控制轉換器3，從而能夠降低轉子21的切入轉速ωcutin。

以下，將參照圖7詳細描述轉換器控制單元42是如何確定出轉換器3的直流母線電壓餘量Vdc_margin和直流母線電壓設定值Vdc_setpoint的。

圖7示出根據本發明的一個具體實施方式的示意性轉換器控制單元42的示意圖。轉換器控制單元42可以包括乘法器421、第三查找表422及加法器4231。來自DFIG 2的轉子21的轉速反饋值ωfbk及來自渦輪控制單元41的扭矩命令Tcmd可以被送入到乘法器421中，從而獲得DFIG 2的輸出有功功率Po，如下所示：

Po＝ωfbkTcmd (26)

第三查找表422可以包括例如三維(Three-Dimensional，3D)表格，該三維表格可以從試驗中獲得以維持足夠的安全餘量。第三查找表422可以接收DFIG 2的輸出有功功率Po作為輸入及接收無功功率命令Qcmd作為額外的輸入，並且可以輸出轉換器3的直流母線電壓餘量Vdc_margin。

然後，轉換器3的直流母線電壓餘量Vdc_margin和在轉子21的原始切入轉速ωcutim0下的轉換器3的原始直流母線電壓最大值Vdc_max0可以被送入到加法器4231。加法器4231可以將轉換器3的確定出的直流母線電壓餘量Vdc_margin增加到轉換器3的原始直流母線電壓最大值Vdc_max0中，從而產生增加後的直流母線電壓最大值Vadc_max。

繼續參照圖7，轉換器控制單元42可以包括第二DFIG模型424和第三DFIG模型425。第二DFIG模型424可以接收來自渦輪控制單元41的扭矩命令Tcmd，並且產生轉子有功電流命令Ixcmd。第三DFIG模型425可以接收無功功率命令Qcmd，並且產生轉子無功電流命令Iycmd。轉換器控制單元42還可以包括電流調節器426和調製器427。電流調節器426可以接收轉子有功電流命令Ixcmd、轉子無功電流命令Iycmd、測量到的轉子有功電流反饋值Ixfbk及測量到的轉子無功電流反饋值Iyfbk，並且產生轉子有功電壓命令Vxcmd和轉子無功電壓命令Vycmd。調製器427可以接收轉子有功電壓命令Vxcmd和轉子無功電壓命令Vycmd，並且產生轉子側調製指數MR及轉子側和網側脈寬調製(Pulse Width Modulation，PWM)信號Sr_PWM、Sl_PWM。轉子側和網側脈寬調製信號Sr_PWM、Sl_PWM可以分別被送入到轉子側轉換器31和網側轉換器32。

轉換器控制單元42還可以包括減法器4232、調製指數調節器428及限制器429。轉子側調製指數MR和調製指數設定值M0(例如0.98)可以被送入到減法器4232。減法器4232可以從轉子側調製指數MR中減去調製指數設定值M0，從而獲得相減後的轉子側調製指數MR1。相減後的轉子側調製指數MR1可以被送入到調製指數調節器428中。調製指數調節器428可以對相減後的轉子側調製指數MR1進行調節，從而產生直流母線電壓參考值Vdc_ref。直流母線電壓參考值Vdc_ref和增加後的直流母線電壓最大值Vadc_max可以被送入到限制器429中，從而產生轉換器3的直流母線電壓設定值Vdc_setpoint。產生的直流母線電壓設定值Vdc_setpoint可以被送入到轉換器控制單元42的網側轉換器控制單元(未示出)中，用於控制轉換器3，從而能夠增加轉換器3的直流母線電壓。

通過增加轉換器3的直流母線電壓，本發明的具體實施方式的風力發電系統100可以延伸轉換器3的電壓範圍，因此可以降低DFIG 2的轉子21的切入轉速ωcutin以在低風速工況下捕獲更多的風能。這個切入延伸的好處不僅可以提前啟動風力渦輪機1。實際上，年發電量(annual electricity production，AEP)的增加相對較小。而且，更重要的是，其可以降低在低風速下由於高湍流所造成的風力渦輪機1的停機與重新切入之間的死區。即，可以降低年發電量的損失。

在包括有載調壓變壓器7的具體實施方式中，本發明的具體實施方式的風力發電系統100也可以通過改變有載調壓變壓器7的變壓比來降低DFIG 2的轉子21的切入轉速ωcutim。

返回參照圖3，在本發明的具體實施方式的風力發電系統100中，控制器4還可以包括使能模塊43、變壓比計算單元44及有載調壓(On-Load Tap-Changing，OLTC)控制單元45。轉換器3的直流母線電壓餘量估算值Vdc_marginest可以被送入到使能模塊43中。當直流母線電壓需求值Vdc_req接近目標直流母線電壓最大值Vtdc_max時，即，當直流母線電壓餘量估算值Vdc_marginest小於預定值，例如10伏時，使能模塊43的輸出可以變為1。否則，使能模塊43的輸出可以被鉗制為0。變壓比計算單元44可以包括變壓比調節器441和限制器442。變壓比調節器441可以為PI或I調節器。當使能模塊43的輸出為1時，變壓比計算單元44可以通過變壓比調節器441和限制器442的限制功能來計算出有載調壓變壓器7的目標變壓比NX。有載調壓變壓器7的目標變壓比NX可以被送入到OLTC控制單元45中，並且，OLTC控制單元45可以根據目標變壓比NX來控制有載調壓變壓器7。

在風力渦輪機1啟動並且風速增加之後，使能模塊43的輸出可以被鉗制為0，即，變壓比計算通道可以被禁用，OLTC控制單元45將恢復到其正常控制。

通過增加有載調壓變壓器7的變壓比，本發明的具體實施方式的風力發電系統100可以降低電網電壓Vgrid，因此也可以降低DFIG 2的轉子21的切入轉速ωcutin以在低風速工況下捕獲更多的風能，並且能夠降低在低風速下由於高湍流所造成的風力渦輪機1的停機與重新切入之間的死區。

在本發明的另一個具體實施方式的風力發電系統100中，變壓比改變的具體實施方式也可以與直流母線電壓設定值的具體實施方式相結合。在這種具體實施方式中，在OLTC控制單元45根據目標變壓比NX增加有載調壓變壓器7的變壓比之後，可以降低電網電壓Vgrid。基於降低後的電網電壓通過使用上述方法可以再次確定出轉子21的新轉速餘量，從而確定出轉子21的新動態切入轉速。當轉子21的新轉速反饋值達到轉子21的新動態切入轉速時，渦輪控制單元41將會給轉換器控制單元42發送運行請求信號，並且可以根據新轉速反饋值來產生DFIG 2的新扭矩命令。類似地，轉換器控制單元42可以基於轉子的新轉速反饋值和新扭矩命令來確定出新直流母線電壓餘量，並且因此可以確定出轉換器3的新直流母線電壓設定值。因此，通過增加轉換器3的直流母線電壓和增加有載調壓變壓器7的變壓比，本發明的具體實施方式的風力發電系統100可以降低DFIG 2的轉子21的切入轉速ωcutin，從而能夠在低風速狀況下捕獲更多的風能，並且，可以降低年發電量的損失。

本發明的具體實施方式還提供了一種用於控制風力發電系統100的方法。圖8示出根據本發明的一種具體實施方式的用於控制風力發電系統100的示意性方法的流程圖。

如圖8所示，在步驟B81中，例如可以通過使用傳感器來測量出來自DFIG2的轉子21的轉速反饋值ωfbk。

在步驟B82中，可以判定轉子21的轉速反饋值ωfbk是否低於轉子21的原始切入轉速ωcutin0。當轉子21的轉速反饋值ωfbk低於轉子21的原始切入轉速ωcutin0時，則過程可以前進到步驟B83。否則，過程可以返回到步驟B81。

在步驟B83中，可以確定出轉換器3的直流母線電壓餘量Vdc_margin。

首先可以計算出轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn。當轉子21的轉速反饋值ωfbk達到轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn時，可以根據轉速反饋值ωfbk產生DFIG 2的扭矩命令Tcmd。然後，可以基於轉子21的轉速反饋值ωfbk及扭矩命令Tcmd來計算出DFIG 2的輸出有功功率Po。例如通過使用DFIG 2的計算出的輸出有功功率Po和無功功率命令Qcmd從第三查找表422中可以確定出轉換器3的直流母線電壓餘量Vdc_margin。

圖9示出如何計算出轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn的步驟。在圖9的步驟B91中，可以基於轉子21的計算出的動態切入轉速ωcutin_dyn、來自電網6的電網電壓Vgrid、分配給風力渦輪機1的無功功率命令Qcmd、及使用轉子21的計算出的動態切入轉速ωcutin_dyn從第一查找表821中獲得的DFIG2的目標有功功率Ptarget來計算出轉子電壓估算值Vr_est。

在步驟B92中，可以將計算出的轉子電壓估算值Vr_est限制在轉子電壓最大值Vr_max與轉子電壓最小值Vr_min的範圍內。

在步驟B93中，可以基於限制後的轉子電壓估算值Vr_est1來計算出轉換器3的直流母線電壓需求值Vdc_req。

在步驟B94中，例如可以根據無功功率命令Qcmd和目標有功功率Ptarget從第二查找表822中確定出轉換器3的目標直流母線電壓最大值Vtdc_max。

在步驟B95中，通過從目標直流母線電壓最大值Vtdc_max中減去直流母線電壓需求值Vdc_req，可以獲得直流母線電壓餘量估算值Vdc_marginest。

在步驟B96中，可以將轉子電壓反饋值Vr_fbk與轉子電壓最大值Vr_max進行比較。

在步驟B97中，可以確定出轉子21的轉速餘量ωmargin。

步驟B95中的直流母線電壓餘量估算值Vdc_marginest和步驟B96中的比較結果可以被送入到動態限制器872。動態限制器872可以基於比較結果來限制直流母線電壓餘量估算值Vdc_marginest。當轉子電壓反饋值Vr_fbk大於等於轉子電壓最大值Vr_max時，比較結果為1。當轉子電壓反饋值Vr_fbk小於轉子電壓最大值Vr_max時，比較結果為0。如果比較結果為1，則動態限制器872的輸出可以被鉗制在0。如果比較結果為0，則動態限制器872可以輸出直流母線電壓餘量估算值Vdc_marginest。然後，基於動態限制器872的輸出來確定出轉子21的轉速餘量ωmargin。

在可選的步驟B98中，可以將轉子21的轉速餘量ωmargin限制在上下限的範圍內。

在步驟B99中，可以從轉子21的原始切入轉速ωcutin0中減去轉子21的轉速餘量ωmargin，從而獲得轉子21的動態切入轉速ωcutin_dyn。

返回參照圖8，在步驟B84中，可以基於確定出的直流母線電壓餘量Vdc_margin確定出轉換器3的直流母線電壓設定值Vdc_setpoint。確定出的直流母線電壓餘量Vdc_margin可以被增加到在轉子21的原始切入轉速ωcutin0下的轉換器3的原始直流母線電壓最大值Vdc_max0中，從而產生增加後的直流母線電壓最大值Vadc_max。可以基於增加後的直流母線電壓最大值Vadc_max、轉子側調製指數MR和調製指數設定值M0來確定出轉換器3的直流母線電壓設定值Vdc_setpoint。

在步驟B85中，可以基於確定出的直流母線電壓設定值Vdc_setpoint來控制轉換器3，從而降低轉子21的切入轉速ωcutin。

在本發明的具體實施方式的方法中，在變壓器7包括有載調壓變壓器的具體實施方式中，當轉子21的轉速反饋值ωfbk低於轉子21的原始切入轉速ωcutin0時，過程可以替代地進入到步驟B86。

在步驟B86中，可以確定出有載調壓變壓器7的目標變壓比NX。

在步驟B87中，可以基於有載調壓變壓器7的目標變壓比NX來控制有載調壓變壓器7，從而降低轉子21的切入轉速ωcutin。

在本發明的具體實施方式的方法中，改變變壓比也可以與確定直流母線電壓設定值相結合。在這種情況中，在步驟B87中增加有載調壓變壓器7的變壓比之後，過程可以繼續到步驟B83。在步驟B83中，可以基於降低後的電網電壓再次確定出轉子21的新轉速餘量，從而確定出轉子21的新動態切入轉速。當轉子21的新轉速反饋值達到轉子21的新動態切入轉速時，可以根據新轉速反饋值來產生DFIG 2的新扭矩命令。因此，可以基於轉子21的新轉速反饋值和新扭矩命令來確定出轉換器3的新直流母線電壓餘量。然後，在步驟B84中，可以確定出轉換器3的新直流母線電壓設定值。

本發明的具體實施方式的用於控制風力發電系統100的方法通過增加轉換器3的直流母線電壓可以延伸轉換器3的電壓範圍，和/或通過增加有載調壓變壓器7的變壓比可以降低電網電壓Vgrid，因此，可以降低DFIG 2的轉子21的切入轉速ωcutin，進而能夠在低風速工況下捕獲更多的風能，並且，可以降低在低風速下由於高湍流所造成的風力渦輪機1的停機與重新切入之間的死區。

儘管根據本發明的具體實施方式的用於控制風力發電系統100的方法的動作被示出為功能塊，但是，在圖8-9所示的各個功能塊的順序和各個功能塊之間的動作的分離並不意圖是限制性的。例如，可以以不同的順序來執行各個功能塊，並且，與一個功能塊相關聯的動作可以與一個或者多個其它功能塊相結合或者可以被細分成多個功能塊。

雖然結合特定的具體實施方式對本發明進行了詳細說明，但本領域的技術人員可以理解，對本發明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到，權利要求書的意圖在於覆蓋在本發明真正構思和範圍內的所有這些修改和變型。