阅读说明：本技术 控制风力涡轮发电机的方法 (Method of controlling wind turbine generator ) 是由 G·K·安德森 L·赫勒 P·M·戴尔伦 M·拉比 D·D·团 于 2018-12-05 设计创作，主要内容包括：一种用于基于风力发电厂中的功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的条件来控制风力发电厂的风力涡轮发电机(1)的方法。所述方法包括确定功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的初始条件,以及基于风力涡轮发电机(1)的名义功率参考值确定所述条件从所述初始条件的演变。所述方法还包括将所述条件的演变与预定阈值进行比较,并根据该比较确定功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的条件将基本上等于预定阈值的时间段。(A method for controlling a wind turbine generator (1) of a wind power plant based on a condition of a power converter or a component forming part of the power converter in the wind power plant. The method comprises determining an initial condition of the power converter or a component forming part of the power converter, and determining an evolution of the condition from the initial condition based on a nominal power reference value of the wind turbine generator (1). The method further comprises comparing the evolution of the condition with a predetermined threshold value and determining from the comparison a period of time during which the condition of the power converter or a component forming part of the power converter will be substantially equal to the predetermined threshold value.)

控制风力涡轮发电机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制风力发电厂的风力涡轮发电机中的功率转换器的方法。

背景技术

风力涡轮发电机将风中包含的能量转换成电能，该电能通常被输送到电网。由于风的可变性势必造成具有变化特征的电功率输出，因此还包括功率转换器，以将发电机产生的变化频率的电功率修改为更适合于输送到电网的固定频率的电功率输出。

为此，提供了一种用于根据环境风力条件调节功率转换器输出的转换器控制器。鉴于安全考虑和物理约束，转换器控制器还可以用于管理发电机，以通过防止部件故障和最大程度地减少停机时间来维持成本有效的能源生产。

正是基于这种背景设计了本发明。

发明内容

本发明的一方面提供了一种用于基于风力发电厂中的功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的条件来控制所述风力发电厂的风力涡轮发电机的方法。所述方法包括确定功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的初始条件，以及基于所述风力涡轮发电机的名义功率参考值确定所述条件从所述初始条件的演变。所述方法还包括将所述条件的演变与预定阈值进行比较，以及根据该比较确定功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的条件将基本上等于所述预定阈值的时间段。优选地，所述功率转换器的条件是功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的温度。

优选地，所述方法还包括基于所述功率参考值确定有功功率极限和无功功率极限。优选地，所述有功功率极限和所述无功功率极限采用P-Q图表的形式。

优选地，所述方法还包括在确定所述有功功率极限和所述无功功率极限时在有功功率和无功功率之间进行优先级排序。

优选地，所述方法还包括在不超过所述时间段的持续时间内以所述名义功率参考值控制所述风力涡轮发电机。

优选地，基于功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件在当前操作参数下的功率损耗和环境温度，将所述初始温度和所述温度演变确定为非线性函数。

优选地，基于所述功率转换器两端的电压和通过所述功率转换器的电流来确定功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的功率损耗。更优选地，所述功率转换器的功率损耗是所述功率转换器两端的电压和通过所述功率转换器的电流的乘积。这些特性中的每一个都可以直接测量或以其他方式估算。

优选地，在应用于多个功率转换器时，所述方法还包括从多个时间段中选择最短的时间段作为所述时间段。

优选地，所述环境温度是最接近所述功率转换器的可测量温度。也就是说，所述环境温度是在合理可行的范围内测量的所述功率转换器周围的区域的温度。这可以包括例如环境空气温度。

优选地，所述方法还包括将所述功率转换器的初始条件与预定阈值进行比较，并且如果所述条件基本上等于或超过所述预定阈值，则修改所述风力涡轮发电机的功率参考值。特别地，修改所述风力涡轮发电机的当前功率参考值的步骤包括使参数降额(降低)。

本发明的另一方面提供了一种用于风力涡轮发电机的控制器，所述控制器包括数据处理装置和内存模块，其中，所述内存模块包括一组程序代码指令，当所述程序代码指令由所述数据处理装置执行时，实现根据本发明的第一方面的方法。

本发明的另一方面提供了一种可从通信网络下载和/或存储在机器可读介质上的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于实现根据本发明的第一方面的方法的程序代码指令。

应当理解，本发明的第一方面的优选和/或可选的特征也可以单独地或以适当的组合结合在本发明的第二方面中。

附图说明

现在将参考以下附图仅以示例的方式描述本发明的上述和其他方面，其中：

图1是适于与本发明的实施例一起使用的风力涡轮发电机的示意图；

图2是适于与本发明的实施例一起使用的基于全尺寸转换器的风力发电厂的架构的示意图；

图3是图2中的转换器的转换器控制器的框图表示；

图4是图3的转换器控制器的热能力管理器的框图；

图5是图4的热能力管理器的部件热模型的框图；

图6是图5的部件热模型的热模型；以及，

图7是图3的转换器控制器使用的典型P-Q图表的表示；

图8是示出使用图5的部件热模型的部件温度的演变的曲线图；

图9是适于与本发明的实施例一起使用的DFIG布置的架构的示意性框图。

在附图中，相似的部分由相似的附图标记表示。

具体实施方式

为了提供本发明的内容，图1示出了可以根据本发明的实施例进行控制的种类的单个风力涡轮发电机1。应当理解，这里仅以示例的方式提及图1的风力涡轮发电机1，并且有可能将本发明的实施例实现到许多不同类型的风力涡轮机系统中。

所示的风力涡轮发电机1是三叶片逆风水平轴风力涡轮机(HAWT)，其是使用中最常见类型的涡轮机。风力涡轮发电机1包括具有三个叶片3的涡轮机转子2，转子2以通常的方式支撑在机舱4的前部。应当注意，尽管三个叶片是常见的，但是在替代实施例中可以使用不同数量的叶片。机舱4又被安装在支撑塔架5的顶部，支撑塔架5被固定到嵌入地下的基部(未示出)上。

机舱4包含由转子2驱动以产生电能的发电机(图1中未示出)。因此，风力涡轮发电机1能够从流过转子2的扫掠区域从而引起叶片3的旋转的风流生成电力。

现在参考图2，示出了可以将根据本发明的实施例的方法应用到其中的风力发电厂12的示例。示出的示例仅是代表性的，并且本领域技术人员将理解，以下描述的方法可以适用于许多不同的配置。例如，尽管图2所示的示例是基于全尺寸转换器架构的，但是实际上本发明可以与其他类型的转换器一起使用，并且总的来说，本发明适合于与所有拓扑结构(诸如DFIG布置)一起使用。

此外，风力发电厂12的功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件是常规的，并且对于本领域技术人员来说是熟悉的，因此将仅进行概述。

图2中所示的风力发电厂12包括单个风力涡轮发电机1(诸如图1中所示的风力涡轮发电机)，但是在实践中可以包括其他的风力涡轮发电机。

如已经指出的那样，风力涡轮发电机1包括发电机20，发电机20由转子(图2中未示出)驱动以产生电力。风力涡轮发电机1包括由终止于耦合变压器18的一束低压线16限定的低压链路14，该耦合变压器18用作将风力涡轮发电机1连接到电网传输线的端子，该电网传输线又连接到电网。由风力涡轮发电机1产生的电力通过耦合变压器18被输送到电网。

发电机20中产生的电力是三相AC(交流)，但是其形式不适合于输送到电网，特别是因为它通常不处于正确的频率或相位角。因此，风力涡轮发电机1包括设置在发电机20与耦合变压器18之间的功率转换器22和滤波器24，以将发电机20的输出处理成具有与电网相同的频率和适当的相位角的合适波形。

功率转换器22通过将电流馈送通过串联的AC-DC(交流-直流)转换器26和随后的DC-AC转换器28，来提供AC到AC的转换。AC-DC转换器26通过常规的DC链路30连接到DC-AC转换器28，该DC链路30包括：开关31和与其串联的电阻器32，其用作卸荷负载以使多余的能量能够被释放；以及电容器34，其提供DC输出的平滑。

可以使用任何合适的功率转换器22。在该实施例中，功率转换器22的AC-DC和DC-AC部分由开关器件(未示出)的相应桥接器限定(例如以常规的两级背对背转换器的配置)。用于此目的的合适的开关器件包括集成栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。开关器件通常使用脉宽调制的驱动信号来操作。

AC-DC转换器26的平滑后的DC输出被DC-AC转换器28作为DC输入接收，并创建三相AC输出以输送到耦合变压器18。

如上所述，在全尺寸架构中，DC-AC转换器28被配置为提供对所产生的AC电力的特征的一定控制水平，例如以根据电网需求来增加相对无功功率。注意，输出的幅度、角度和频率由电网要求规定，并且根据低压链路14的规格将电压设置为恒定水平，在实践中，仅AC输出的电流被控制，并且提供转换器控制器36以用于此目的。转换器控制器36形成控制风力发电厂12的操作的整体控制系统的一部分，并且稍后参考图3更详细地描述。

该控制系统基于由采样系统获得的采样数据来工作，该采样系统在各个阶段探测风力涡轮发电机1以采样例如指示电流和/或电压的电信号。特别地，如对于全尺寸架构典型的那样，采样系统收集与来自发电机20的定子23以及来自电网侧的功率转换器22的输出的电流和电压有关的原始数据。该原始数据被处理成采样数据，然后该采样数据被传递给例如转换器控制器36。转换器控制器36使用采样数据来确定风力涡轮发电机1的操作参数。例如，可以至少部分地基于由发电机20提供的生成功率的瞬时特性来确定功率转换器22的发电机侧IGBT的控制信号的占空比。

AC输出通过三条电力线16离开电力转换器22，每条电力线承载一个相，这三条电力线一起限定了低压链路14。低压链路14包括滤波器24，在该实施例中，滤波器24包括相应的电感器38，所述相应的电感器38具有用于三条电力线16中的每一条的并联的滤波电容器40，以提供低通滤波以从AC波形中去除开关谐波。

三条电力线16还可以各自包括用于管理风力发电厂12内的故障的相应的断路器(未示出)。

如上所述，低压链路14终止于耦合变压器18，该耦合变压器18提供所需的电压升高。从耦合变压器18输出的高电压限定了风力涡轮发电机端子42，该风力涡轮发电机端子42用作风力发电厂12的公共耦合点。

低压链路14也包括三个分支(每个分支用于一个相)，所述分支限定辅助电力线44，该辅助电力线44将从滤波器24输出的功率中的一些转移以用于为风力发电厂12的辅助系统(诸如偏航、俯仰和冷却系统)供电。

由于从功率转换器22输出的功率(或P_CONV)中的一些被转移以为辅助系统提供功率(或P_AUX)，因此P_CONV大于输送到电网的功率(或“线功率”P_L)。

转换器控制器36可以被配置为对它接收的各种功率参考进行优先级排序，并且相应地调整根据其控制功率转换器22的总功率参考。

例如，如果总需求功率(即总电网需求P_L与为辅助系统供电的总需求P_AUX相结合)大于风力发电厂12能够相对于环境温度和风力条件产生的总功率P_CONV，系统中某处的需求将无法被满足。在这种情况下，转换器控制器36可以根据按优先级排序的功率参考的列表来控制功率转换器22，以确保满足总电网需求。替代地，可以牺牲总电网需求，以有利于为辅助系统供电的总需求。

如图3所示，该实施例的转换器控制器36包括有功功率控制器46、无功功率控制器48、定义功率管理模块50的软件块和热能力管理器49。本领域技术人员将理解，在实践中，转换器控制器36可以包括各种其他控制模块，但是出于本公开的目的，仅提及了与功率控制有关的那些控制模块。

有功功率控制器46和无功功率控制器48串联操作以与电流控制器(未示出)对接，电流控制器向功率转换器22的开关器件发出驱动信号，以基于从有功功率控制器46和无功功率控制器48接收的信号来控制其AC输出的有功分量和无功分量。有功功率控制器46被配置为从功率管理模块50接收有功功率参考，无功功率管理器48被配置为从功率管理模块50接收无功功率参考。

功率管理模块50提供一组功能，其使得能够处理和优化在风力发电厂12内出现的功率参考，以及例如从外部源(诸如负责电网的传输系统操作员、负责单个风力发电厂内的多个风力涡轮发电机的发电厂控制器或涡轮机控制器)接收到的那些功率参考。

功率管理模块50是模块化的，因为它包括一组离散的模块，每个模块提供特定功能。在该实施例中，那些模块被实现为公共处理单元内的各个软件块，但是在其他布置中，可以使用专用硬件模块。

模块化的布置增强了与转换器控制器36的集成，特别是因为它使得能够在不影响其他功能的情况下开发和升级各个功能。此外，可以在不同功能之间创建明确定义的层次结构，从而改善功能之间的交互作用，以及因此提高转换器控制器36的效率。

更具体地，在该实施例中，功率管理模块50包括功率参考管理器52、功率能力管理器54和降级模式管理器56。这些模块根据如下层次结构来排序：降级模式管理器56向功率能力管理器54输入提供，功率能力管理器54又向功率参考管理器52提供输入，功率参考管理器52然后将有功功率参考和无功功率参考分别输送到有功功率控制器46和无功功率控制器48。

降级模式管理器56被布置为基于瞬时操作参数来使发电机20的电力生成能力降级或降额。例如，如果风力涡轮发电机1的冷却剂系统的温度高于其应有的温度，或者如果功率转换器22内的模块发生故障，则可能使发电机20的电力生成能力降级。

因此，鉴于安全考虑或物理约束，降级模式管理器56涉及风力涡轮发电机1能够在基本水平上生产的功率水平。

为此，降级模式管理器56还被布置为根据风力发电厂12的至少一个部件的温度来使发电机20的电力生成能力降级。例如，如果确定部件的温度接近或超过部件的预定阈值(该预定阈值可以是部件的操作温度极限或整体温度极限)，则可以使电力生成能力降级。超过前一极限的温度可能会损害部件的性能，而超过后一极限的温度将使部件处于发生故障并成为火灾隐患的风险。这意味着将需要关闭风力涡轮发电机1以便修理或以其他方式更换部件，从而导致生产时间的损失。

可以将其温度用于使发电机20的电力生成能力降级的部件的一些示例如下：电感器38；AC-DC转换器26；DC-AC转换器28；开关31；电阻器32；发电机20中使用的定子断路器(未示出)；以及，电力线16中使用的相应断路器(未示出)。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，该部件列表并不是排他性的，并且在确定是否使发电机20的电力生成能力降级时，可以使用风力发电厂12的其他部件的温度。

热能力管理器49被布置为计算功率转换器的部件的温度，并且基于计算出的温度与功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的预定阈值之间的比较，将降额参考输出到功率管理模块36。下面将重点关注风力发电厂12的单个部件来更详细地描述热能力管理器49的操作。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，热能力管理器49能够同时计算多个功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的温度并执行多个功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的温度的比较。

图4以示意图形式示出了热能力管理器49的架构。热能力管理器49包括一系列模块，每个模块均提供专用功能，其按阶段顺序处理从采样系统接收的采样数据，以生成传递到功率管理模块52的降额参考。该降额参考根据风力发电厂12的功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的估算温度来限制发电机20和转换器22的输出。本领域技术人员将理解，在可能的情况下，也可以基于部件温度的直接测量结果来生成降额参考。

具体地，热能力管理器49包括四个模块：操作点扰动器60；部件热模块62；转换器能力评估器64；以及降额控制器66。这些模块可以体现为例如软件块，或者替代地体现为专用硬件部件。尽管为了简单起见仅示出了一个部件热模型62，但是在实践中，每个要监测的部件都包括相应的部件热模型。

操作点扰动器60接收包括当前有功功率参考和无功功率参考的输入数据，以及指示操作参数(诸如风力发电厂12的各个段处的电压和电流)的采样数据和环境温度。

参照图5，部件热模型62包括三个软件块：部件电路模型67；部件损耗模型68；以及热模型70。

部件电路模型67基于从操作点扰动器60接收的与当前有功功率参考和无功功率参考有关的输入数据，来模拟部件两端的电压和通过部件的电流。

一旦电压和电流已经被确定，它们就被用作部件损耗模型68的输入，该部件损耗模型68被配置为确定由部件耗散的相关联的功率。然后耗散的功率与部件的环境温度一起用作热模型70的输入，该热模型70估算部件的当前温度。

在这种情况下，环境温度是最接近部件的可测量温度。也就是说，环境温度是在合理可行的范围内测量的部件周围区域的温度的指示。例如，这可以包括空气温度或部件附近的冷却系统的温度。可以使用常规方法或系统来估算或测量环境温度，所有这些对于本领域技术人员来说都是熟悉的。

图6示出了在部件热模型62中使用的总体由70表示的热模型的示例。热模型70是包括多个串联布置的福斯特(Foster)电路72的高阶模型。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，热模型70也可以被实现为一阶、二阶或更高阶的模型。在该示例中，相同的热流(其等效于使用部件损耗模型确定的功率损耗)穿过每个福斯特电路72。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，部件可能暴露于一个以上的热流，其中在部件之间共享相同的热模型。每个福斯特电路72包括并联布置的电容器74和电阻器76，并且每个部分两端的电压降之和等于部件温度与环境温度之间的温差。这可以简单地表示为：

每个福斯特电路72均为一阶函数，其可以用时间常数和增益(H)描述：

其中，

τ_i＝R_i·C_i

然后部件温度可以被估算为：

T_component(s)＝H(s)P_loss(s)+T_amb(s)

来自部件热模型62的输出被传递到转换器能力评估器64，转换器能力评估器64将部件的温度与预定阈值进行比较。

转换器能力评估器64将关于部件的估算温度是否基本上等于或超过预定阈值的指示输出到降额控制器66。如果确定部件的估算温度基本上等于或超过预定阈值，则降额控制器66相应地生成有功功率和无功功率的相应降额因子。降额因子被传递到功率管理模块50的降级模式管理器56，降级模式管理器56使用降额因子更新用于控制转换器22和发电机20的操作的有功功率参考和无功功率参考。在部件的温度超过预定阈值的情况下，降额因子可以与阈值被超过的程度成比例关系或成非线性关系。

降级模式管理器56计算在整个系统中全局应用的0和1之间的降级因子。在简化示例中，如果降级模式管理器56确定由于过高的部件温度而导致发电机20仅能够输出其正常容量的一半(就有功功率而言)，则降级模式管理器56计算出用于有功功率的0.5的降级因子。

在这方面，应当注意，由于应避免过高的部件温度，因此在该实施例中，由降额控制器66计算出的降额因子限定了转换器22以及进而发电机20的最大能力。然后，任何可能导致进一步降级的其他因素(诸如下面提及的那些)在由降额因素所建立的参数内被应用。因此，例如，如果将降额因子设定为0.8，则降级模式管理器将输出范围为0到0.8的降级因子。

由降级模式管理器56计算出的降级因子被输出到功率能力管理器54，功率能力管理器54使用这些因子来更新P-Q图表，该P-Q图表限定风力涡轮发电机1能够产生的有功功率与无功功率的比率，以及每种类型的功率的绝对幅度。可以由转换器控制器36使用的P-Q图表80的示例在图7中示出，其在x轴上绘制了以千瓦为单位的有功功率，在y轴上绘制了以千伏安无功为单位的无功功率。

形成梯形形状的实线82表示发电机20在正常容量下操作时的能力。本领域技术人员将理解，该形状对于风力涡轮发电机的发电机20的任何P-Q图表都是典型的。在实线82内，形成较小梯形的虚线84表示发电机20的降级后的能力。

注意，在图7所示的示例中，有功功率和无功功率都以虚线84表示的降级能力降级，并且均以相等的量降级。但是，在其他操作模式中，仅其中一种可能会降级，或者可以对每种类型的功率应用不同的权重。例如，如果有功功率的优先级高于无功功率，则无功功率被降级到比有功功率更大的程度，并且可选地，仅无功功率被降级。相应地，如果无功功率的优先级排序较高，则有功功率被降级到比无功功率更大的程度。

因此，P-Q图表80上所示的线限定了风力涡轮发电机1的长期电力生成能力。如果由降级模式管理器56生成的降级因子下降到1以下，则功率能力管理器54根据这些因子来更新P-Q图表80。

然后，功率能力管理器54通过针对有功功率与无功功率的优先级排序检查更新后的P-Q图表80来生成有功功率极限和无功功率极限，该优先级排序由风力涡轮发电机1的由发电厂控制器或涡轮机控制器指示的操作模式限定。

例如，如果无功功率的优先级排序较高，但是在更新后的P-Q图表80的限度内无法满足发电厂控制器或涡轮机控制器提供的无功功率参考，则功率能力管理器54会通过使有功功率极限进一步降低来相应地调整有功功率极限和无功功率极限，以使得无功功率需求能够被满足。

继而，一旦功率能力管理器54已经根据降级模式管理器56提供的降级因子更新了P-Q图表80，并且根据两种类型的功率之间的优先级排序生成了有功功率极限和无功功率极限，则这些功率极限将作为减少功率的请求传送回发电厂控制器或涡轮机控制器。然后，在生成下一组功率参考时，发电厂控制器和涡轮机控制器可以将该请求考虑在内，从而为该控制元素提供反馈回路。以这种方式，基于部件的温度与其相应的预定阈值相比较的由降额因子限定的变化在整个风力发电厂12中传播。

更新后的P-Q图表80被传输到功率参考管理器52，该功率参考管理器52还从各种源接收若干个功率参考。在这方面，功率参考管理器52包括被配置为接收各种功率参考的输入(未示出)。功率参考管理器52还包括处理器58，其被布置为分析输入功率参考，以确定输出有功功率参考和无功功率参考；以及如将描述的被配置为将那些参考传输到功率转换器22的输出(未示出)。

在功率参考管理器52的输入处接收的参考包括从发电厂控制器或涡轮机控制器接收的有功功率参考和无功功率参考，以及共同限定辅助需求的各种内部有功功率参考。

功率参考管理器52还根据由功率能力管理器54施加的相同优先级顺序在短期内来将无功功率优先于有功功率(反之亦然)。这需要在较短时间段内将有功功率参考或无功功率参考设定在P-Q图表80之外，以满足需求的优先级排序类型，如下文更详细说明的那样。

通常，发电厂控制器或涡轮机控制器发出指示风力发电厂12必须输送的真实功率水平的有功功率参考，以及无功功率参考。作为无功功率参考的替代，或者除无功功率参考之外，发电厂控制器或涡轮机控制器还可以提供功率因子(或“CosPhi”)参考，该功率因子参考定义真实功率与系统中耗散的总功率(或“视在功率”)的比率，在这种情况下，功率参考管理器52负责基于有功功率参考和功率因子参考确定无功功率参考。如本领域技术人员将理解的那样，可以使用基本几何和三角关系从这些输入中导出无功功率参考。功率参考管理器52可以具有以下选择：根据功率因子和有功功率参考计算无功功率参考，或者使用由发电厂控制器或涡轮机控制器提供的无功功率参考。

功率参考管理器52将其接收的功率参考与风力涡轮发电机1的当前能力(如从功率能力管理器54接收的P-Q图表80所指示)进行比较，并确定与那些参考相关的需求是否全部都能够被满足，同时提供足够的无功功率。

如果需求能够被满足，则功率参考管理器52简单地生成表示其接收的不同有功功率参考和无功功率参考的相应总和的有功功率参考和无功功率参考。如果在P-Q图表80的约束内需求无法被满足，则功率参考管理器52根据预定方案对其接收的参考进行优先级排序。

通过基于整个系统中出现的各种需求来创建有功功率参考和无功功率参考，功率参考管理器52避免始终在风力涡轮发电机1的操作容量(如功率能力管理器54所指示)下操作该风力涡轮发电机1。这进而提高了操作效率，并降低了因部件温度过高而导致故障的风险。

总而言之，本发明利用热能力管理器49的功能来监测风力发电厂12内的部件的温度。这继而被用于更新降额因子，该降额因子被传输到功率管理模块52，其被结合到限定转换器22的能力极限(如P-Q图表80所限定)的降级因子中。通过监测若干个部件，能力管理器49为所评估的部件系统提供总体降额。这最终馈送到由功率参考管理器52输出并相应地传递到有功功率控制器46和无功功率控制器48的最终有功功率参考和无功功率参考。这继而反馈给涡轮机控制器，并且因此根据需要影响对发电机20输出的限制。

如果风力涡轮发电机1***作到操作极限，则该实施例的热能力管理器49还可以用于对功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件上的该影响随时间的变化进行建模。在这种情况下，功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的热模型62用于如下目的：基于名义或扰动功率参考确定部件从其初始温度开始的温度演变。名义功率参考限定了发电机20产生的视在功率的位于由P-Q图表80限定的正常操作极限之外的短期极限。该短期极限由图7中的虚线86表示，并且与在风力涡轮发电机1的操作极限下对其进行操作有关。从该图可以看出，虚线86形成梯形形状。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，限定风力涡轮发电机1的短期极限的虚线86也可以形成不同的形状。在视在功率极限内，可以改变无功功率分量和有功功率分量以适用于瞬时优先级排序。在该上下文中，“短期”通常需要最多几分钟的持续时间。也可以考虑限定中期极限(位于正常操作极限82和短期极限86之间)的其他名义功率参考，但是在此不给出。此外，可以连续评估多个短期极限和/或中期极限。

根据在功率转换器或形成功率转换器的一部分的部件的温度达到其预定阈值之前风力涡轮发电机1可以在其操作极限下操作的持续时间来确定该短期极限。

为此，操作点扰动器60接收包括当前有功功率参考和无功功率参考、限定风力涡轮发电机1的操作极限的名义功率参考、和指示操作参数(诸如风力发电厂12的各个段处的电压和电流)以及环境温度和部件的温度的输入数据。名义功率参考可以是固定的，也可以是在线命令/调整的。

部件电路模型67基于从操作点扰动器60接收的与当前功率参考和名义功率参考有关的输入数据来模拟部件两端的电压和通过部件的电流。

一旦电压和电流已经被确定，它们就被用作部件损耗模型68的输入，该部件损耗模型68被配置为确定由部件耗散的相关联的功率。然后将耗散的功率与部件的环境温度一起用作热模型70的输入，该热模型70确定在当前功率参考和名义功率参考下部件的温度演变。

图8示出了部件的温度演变的两个示例，一个示例基于当前功率参考(如线90所指示)，另一个示例基于名义功率参考(如线92所表示)。水平线93指示该部件的预定义阈值。在该实施例中，预定义阈值是部件的操作温度，但是它也可以与部件温度极限有关。从该图可以看出，风力涡轮发电机1可以无限期地以当前功率参考操作，而部件的温度不会达到其操作温度极限。然而，线92指示风力涡轮发电机1只能在部件的温度达到其极限或热容量之前以名义功率参考操作有限的时间段(由T_LIMIT表示)。在这种情况下，T_LIMIT对应于发电机20产生的视在功率位于P-Q图表80所限定的正常操作极限之外的短期极限。也就是说，T_LIMIT对应于用于以输入的名义功率参考操作发电机20的短期极限。可以针对不同的名义功率参考计算若干个短期极限。

转换器能力评估器64计算T_LIMIT，然后T_LIMIT被传递到功率管理模块50。功率管理模块50然后使用T_LIMIT来更新用于如上所述地控制转换器22和发电机20的操作的有功功率参考和无功功率参考。也就是说，T_LIMIT被传送到发电厂控制器或风力涡轮发电机控制器，以便建立部件的热容量。

例如，如果功率参考管理器52确定无法维持基本服务，同时还向电网提供一些功率，则它可以通过将有功功率优先级排序设置为高于无功功率来提供短期提升。换句话说，如果基本服务和电网的有功功率需求超出了P-Q图表80指示可以提供的有功功率，则功率参考管理器52将有功功率参考增加到正常P-Q图表极限以上，并在发电机20可以产生的总电功率的约束内相应地降低无功功率参考。

在另一种情形下，如果发电厂控制器或涡轮机控制器为提高稳定性而将无功功率优先级排序设置为较高，则功率参考管理器52会在短时间内将无功功率参考增加到P-Q图表80之外(在短期视在功率极限86限定的界限内)。

这示出了功率参考管理器52提供了升压功能，以使得有功功率和/或无功功率能够在短期内(例如在局部风速较低时并且因此风力涡轮发电机1的电力生成能力被削减时)被提供给电网。以这种方式，功率参考管理器52使得风力涡轮发电机1能够以安全的方式在短时间段内以其最大电力生成潜能操作。

如上所述，可以连续评估多个短期极限和/或中期极限。这意味着T_LIMIT的计算是迭代的，并根据来自前一次迭代的信息进行更新。因此，如果使用了部件的短期热容量，则T_LIMIT将减小为零。然后，当部件冷却时，T_LIMIT将增加。T_LIMIT的减小实际上是允许在正常P-Q图表80之外进行短期操作，同时仍确保该部件未达到或超过其操作极限。

从长远来看，必须遵守由功率能力管理器54确定的正常极限80或降额极限84，使得风力涡轮发电机1不会长时间段在其预期范围之外操作，以避免风力涡轮发电机1内的长时间的热应力，该长时间的热应力可能导致如上所述的磨损或故障。因此，每当功率参考管理器52确定发电厂控制器或涡轮机控制器对有功功率和无功功率的需求能够被满足，同时在功率能力管理器54限定的正常P-Q图表80内操作，同时还满足有功功率和无功功率之间的当前优先级排序，则功率参考管理器52计算用于相应控制器的落入这些极限内的有功功率参考和无功功率参考。如果无法在不长时间段在P-Q图表80之外操作的情况下将功率提供给电网，则必须关闭风力发电厂12，直到电力生成能力变得足够用于稳定操作为止。

如已经指出的那样，本发明的实施例也适用于其他类型的风涡轮机系统(包括具有双馈感应发电机与转子连接的转换器的DFIG拓扑结构)。尽管本领域技术人员将熟悉这种布置，但是为了完整起见，图9概要地示出了具有这种架构的风力发电厂81的示例。

图9的风力发电厂81具有发电机83，该发电机83包括由转子2驱动的一组转子绕组和一组定子绕组。为了使发电机83在转子绕组旋转时产生电功率，通过功率转换器85将励磁电流馈送到转子绕组。

发电机83的输出连接到三通耦合变压器87，该三通耦合变压器87提供到公共耦合点(未示出)、到电网以及到功率转换器85的电连接。继而，功率转换器85被连接到发电机83的转子绕组，从而限定反馈回路。因此，一旦开始生成电力，功率转换器85就可以使用发电机83的输出来产生输送到转子绕组的励磁电流。

总而言之，本实施例的功率管理模块50将风力涡轮发电机1的功率管理分为两个不同的类别，即用于稳定操作的长期功率管理和用于在需要时临时提升有功功率和/或无期功率的短期功率管理。

本领域技术人员将理解，可以在不脱离由权利要求限定的发明构思的情况下对上述特定实施例进行修改。