专利名称：风力发电场孤岛运行的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电场孤岛运行，尤其但不排它地涉及用于与风力发电场关联的至少两个风力涡轮机的孤岛运行的方法和控制器、使用这种控制器的风力涡轮机和风力发电场系统以及执行这种方法的计算机程序产品，其中所述风力发电场配置成向主电网提供由所述风力发电场中的风力涡轮机产生的电力。
背景技术：
风力涡轮机技术，尤其是海上风力涡轮机技术是快速发展的技术领域。相比陆上系统，在海上位置可得到较高的风速，而且可能安装较大尺寸的风力涡轮机。这种风电场的安装和运行提出了一些技术挑战。风力涡轮机漂浮或安装在水下结构上并且与水下电力传输线电互连。此外，这种风电场典型地安装在相对较远的区域，因而风力发电场的控制系统和/或风力发电场的每个风力涡轮机中的控制系统应当能够在运行当中有问题出现时采取措施。风力发电场运行中所面临的问题之一涉及所谓的孤岛效应。孤岛效应是如果风力发电场或风力发电场的部分风力涡轮机与电网断开连接则可能出现的情形，例如由于电网中的断路器的计划性开关动作或保护性开关操作。例如，在检测到电力故障之后，断路器可自动断开一个或多个涡轮机与电网的连接。之后，每个断开的风力涡轮机通过停止桨叶的旋转和倾斜(pitching)桨叶而将其自身置于停机或备用状态。备用状态将持续，一直到成孤岛的风力发电场能够与电网重新连接为止。在该状态期间，风力涡轮机控制器和其他涡轮机部件，例如将风力涡轮机安装的环境参数(温度、湿度等)控制保持在需要的界限内的环境控制器，可由辅助电源供电。传统的风力发电场涡轮机典型地使用不间断电源(例如包括电池系统、超级电容器和/或柴油发电机组)作为辅助电源。但柴油发电机需要维护和补给燃料，并且因而不太适于在海上和/或远程风力发电场系统中使用。此外，电池对温度的变化敏感，而且，为了保证长时间的电力供应，通常需要大量的电池。因此，现有技术中存在对一组成孤岛的风力涡轮机的备用运行进行改进的需要。
发明内容
本发明的一个目的是减少或消除至少一个现有技术中已知的缺陷和在本发明的第一方面提供一种与主电网断开的至少两个风力涡轮机的孤岛运行方法。该方法可包括以下步骤配置本地电网，所述本地电网与主电网断开和/或电隔离；启动所述停用的风力涡轮机中的至少一个；和/或将启动的风力涡轮机和至少一个停用的风力涡轮机与本地电网电联接，该启动的风力涡轮机用作该停用的风力涡轮机的电源。尤其是，本发明可涉及一种与风力发电场相关联的至少两个风力涡轮机的孤岛运行方法，所述风力发电场可配置成向主电网提供由所述风力发电场中的风力涡轮机产生的电力，其中该方法可包括检测所述风力发电场中的至少两个或更多个停用的风力涡轮机，所述停用的风力涡轮机与所述主电网断开；配置至少一个成孤岛的本地电网以电连接所述两个或更多个停用的风力涡轮机；利用黑起动运行来启动至少一个所述停用的风力涡轮机；以及将所述至少一个启动的风力涡轮机和至少一个所述停用的风力涡轮机与所述本地电网连接，所述启动的风力涡轮机用作与所述本地电网连接的所述至少一个停用的风力涡轮机的电源。运行中的风力涡轮机因而起到辅助电源的作用，其可以是每个风力涡轮机的辅助电源的附加辅助电源，或者是替代每个风力涡轮机的辅助电源的主辅助电源。依据本发明的方法因而提供了向一组成孤岛的风力涡轮机供电的有效且低廉的方式。当必需在较长的时期内使多个大组的风力涡轮机停用时，例如在电网维护或出现故障期间，该方法尤其有效。此外，该方法还减少了对使用燃烧型发电机组的需要。在一个实施例中，可通过控制所述停用的风力涡轮机之间的一个或多个电力传输线路中的一个或多个第一开关来配置本地电网。在另一实施例中，启动的风力涡轮机和所述至少一个停用的风力涡轮机之间的联接可通过控制分别在所述本地电网与所述启动和停用的风力涡轮机之间提供电连接的一个或多个第二开关来建立。在又一实施例中，每个风力涡轮机都包括风力发电机和/或辅助配电系统，所述风力发电机和/或辅助配电系统可使用一个或多个第三开关与本地电网连接。在又一实施例中，所述辅助配电系统还可使用一个或多个第四开关与不间断电源连接。通过控制电力传输网络和/或风力涡轮机中的开关，例如，断路器或与这种断路器等效的高电压开关，运行中(启动)的风力涡轮机可简单地向停用的风力涡轮机供电。此外，风力发电机的辅助电源可用于短期供电事件，例如， 用于黑起动停用的风力涡轮机。对于较长时期，启动的风力涡轮机为该风力涡轮机中的电气元件，例如风力涡轮机的气候控制器和风力涡轮机控制器，提供必需的电力。在另一实施例中，至少一个所述风力涡轮机包括风力涡轮机控制器，所述风力涡轮机控制器配置成执行至少一个如下工序配置与主电网断开的本地电网；启动至少一个所述停用的风力涡轮机；和/或将启动的风力涡轮机和至少一个停用的风力涡轮机联接至本地电网，该启动的风力涡轮机作为该停用的风力涡轮机的电源。在该实施例中，与主电网隔离的停用的风力涡轮机可自主地启动一个停用的风力涡轮机并且将另一个停用的风力涡轮机的辅助供电线路连接到作为辅助电源的所述启动的风力涡轮机。在一个实施例中，停用的风力涡轮机可包括倾斜(pitched)到叶片位置的风力桨叶。在另一实施例中，每个所述风力涡轮机都包括风力涡轮机控制器，所述风力涡轮机控制器经由一个或多个通信链路与风力发电场控制器连接，该风力发电场控制器配置成执行至少一个如下工序配置与主电网断开的本地电网；启动至少一个所述停用的风力涡轮机；和/或将启动的风力涡轮机和至少一个停用的风力涡轮机联接至本地电网，该启动的风力涡轮机作为该停用的风力涡轮机的电源。在该实施例中，停用的风力涡轮机的备用运行由风力发电场控制器在进行中央管理，该控制器经由电信网络与风力发电场中的风力涡轮机连接。该风力发电场控制器可利用电信网络从所述风力涡轮机收集运行信息，例如停用事件和/或电力或系统故障，并且可以根据所收集的运行信息个别地控制风力涡轮机。在另一方面，本发明涉及一种用于与主电网断开的两个或更多停用的风力涡轮机的孤岛运行的控制器，其中该控制器可至少包括一个或多个用于检测风力涡轮机与主电网的隔离和/或所述风力涡轮机的停用的检测器；用于配置本地电网的装置，所述本地电网与主电网断开和/或电隔离；用于启动至少一个所述停用的风力涡轮机的风力涡轮机启动器；和/或用于将启动的风力涡轮机和至少一个停用的风力涡轮机联接至本地电网电的
联接装置。在一种变型中，所述用于配置本地电网的装置可包括用于控制由所述一个或多个检测器识别的风力涡轮机之间的一个或多个电力传输线路中的一个或多个第一开关的第一开关控制器。在另一种变型中，所述联接装置可包括用于控制一个或多个第二开关的第二开关控制器，该第二开关用于分别在所述本地电网与所述启动和停用的风力涡轮机之间提供电连接。在又一种变型中，该控制器可包括用于与至少一个与主电网断开的所述停用的风力涡轮机或与风力发电场控制器建立通信链路的接收器/发送器单元。在另外的方面，本发明涉及包括上述控制器的风力涡轮机，以及涉及风力发电场系统，其配置成管理所述风力发电场系统中的两个或更多停用的风力涡轮机的孤岛运行， 其中所述停用的风力涡轮机与主电网断开并且其中该风力发电场可包括多个可通过一个或多个电力传输线路与主电网和至少一个上述控制器可切换地连接的风力涡轮机。本发明也涉及包括软件代码部分的计算机程序产品，其配置成当在计算机存储器或在诸如风力发电场控制器或风力涡轮机控制器中运行时执行至少一个上述方法步骤。下面将参照附图进一步举例说明本发明，附图将示意性地示出依据本发明的几个实施例。应当理解的是，本发明并不受这些具体实施例任何形式的限制。
图1图示了依据本发明一个实施例的风力发电场系统的示意图。图2图示了风力涡轮机的主要部件的示意图。图3A-3C示出了依据本发明一个实施例的风力发电场系统中的示例性孤岛运行的过程。图4图示了依据本发明一个实施例的孤岛运行的过程。
具体实施例方式图1图示了依据本发明一个实施例的示例性风力发电场系统100的示意图。该风力发电场包括多个风力涡轮机10加-1021，这多个风力涡轮机经由一个或多个诸如断路器的开关和一个或多个(分站)变压器104连接至外部电力传输系统(也即，主电网，典型的是公共电网)106，例如，三相50或60Hz电网，或高电压直流(HVDC)链路。该风力发电场的风力涡轮机可利用本地电力传输系统(也即，本地电网)电互连，本地电力传输系统可包括电力传输线路llOa-llOc和一个或多个用于连接风力发电场系统至外部电力传输系统的主电力传输线路112。在图1的实施例中，风力涡轮机可以线性阵列108a-108c( “串”)的形式布置，但本领域公知的其它互连布置也是可以的。例如在另一实施例(未示出)中，风力涡轮机可以封闭环构型或星形构型的方式布置。为了保护风力发电场系统不受因电力和/或系统故障导致的损害，或为了可控地断开风力发电场或风力发电场的部分，在电力传输线路中提供许多开关lHa_114i、 116a-116c。这些开关配置成可控地从主电网断开一个或多个单独的风力涡轮机、或一串或多串风力涡轮机和/或其它构型的组的风力涡轮机。在图1的实施例中，每个风力涡轮机都可经由开关114a-114i与本地电网的电力传输线路连接。风力发电场控制器118可与主电力传输线路和与风力发电场系统中的开关连接。该风力发电场控制器可经由双向数据链路 120与风力涡轮机控制器以及风力发电场系统中的开关连接。风力发电场系统中的电感测单元(未示出)可检测和定位风力发电场系统中的压降、电力和/或系统故障，以及向风电场控制器报告这种压降和/或故障。响应于由感测单元提供的信息，风电场控制器可-作为安全措施-远程地使风力发电场中的一个或多个风力涡轮机的运行停用。图2图示了用在图1所示发电场中的示例性风力涡轮机200的主要部件的示意图。该风力涡轮机包括发电机202，例如永磁体(PM)发电机或同步或异步发电机，其将桨叶的旋转能量转换成变频ac电功率。发电机的输出被馈送到转换器204中，该转换器典型地包括用于将ac功率转换成dc功率的变换器和用于将dc功率转换成主电网使用频率的ac 功率的变换器。优选的是，转换器204涉及本领域公知的自换向变换器。这种自换向变换器配置成产生稳定的ac输出信号，而无需使输出信号与外部电源同步。转换器的输出经由主变压器206、主开关208、主母线210和公共母线212与本地电网214连接。风力涡轮机由风力涡轮机控制器216控制。该控制器可收集运行数据(例如，功率水平、温度、风速、转换效率等)并使用这些运行数据控制风力涡轮机，从而实现风力涡轮机的最佳运行。此外，风力涡轮机控制器包括发送器/接收器单元，用于提供与风力发电场系统中的其它控制器(风力涡轮机和/或风力发电场)的数据链路218。在一个实施例中，风力发电场的风力涡轮机的风力涡轮机控制器形成通信网络，其中风力涡轮机控制器可经由该通信网路向风力发电场中的其它风力涡轮机的风力涡轮机控制器和/或风力发电场控制器发送运行、感测和/或控制数据。风力涡轮机还包括低电压辅助配电系统220，其经由辅助变压器222和辅助母线 224与公共母线212连接。辅助配电系统为诸如风力涡轮机中的风力涡轮机控制器和环境控制系统(加热和冷却系统)的电气部件提供低电力供应。辅助配电系统可利用本地电网开关2 与本地电网连接或断开。在正常运行过程中，本地电网开关可闭合，从而由本地电网为辅助配电系统馈电。辅助配电系统可以各种不同的方式与本地电网连接。在一种变型(未示出)中， 可使用双重二级绕组变压器替代分开的主、辅变压器，其中辅助配电系统可与该二级线圈连接。在另一变型中，主开关和本地电网开关可作为由风力涡轮机控制器控制的单一开关来实现。如果风力涡轮机控制器和/或风力发电场控制器检测到电力故障，则其可-作为保护措施-通过打开主开关208和预定数目的风力涡轮机的电网开关2 而从本地电网断开一个或多个风力涡轮机。在断开期间，诸如二级开关228、230的其它开关可打开，以提供风力涡轮机与该电网的进一步的电隔离。这些(高电压)开关和/或高速断路器中的每个可都由风力涡轮机控制器、风力发电场控制器和/或保护装置来控制(打开/闭合)。当断路器打开时，风力涡轮机控制器可通过停止涡轮机的旋转和通过使风力桨叶倾斜(pitching)到叶片位置中而将风力涡轮机设定在备用模式。备用模式中的风力涡轮机(后面称为“停用的”风力涡轮机)与主电网断开。因此为了保证风力涡轮机连续的备用运行，辅助配电系统220可通过供电开关332与不间断电源(UPS) 234连接。UPS典型地包括安装在风力涡轮机中或其附近的电池、超级电容器和/或柴油发电机组的系统。风力涡轮机控制器还可配置成使得如果处在停用状态中则黑起动风力涡轮机。这种黑起动程序是本领域公知的(例如参见US7，394，166，其描述了示例性风力涡轮机黑起动程序)。如果触发控制器以开始黑起动程序，其可使用UPS提供的电力，以便将风力桨叶倾斜(pitching)出叶片位置以及逐渐增加功率运行，直到达到稳定的开路运行。停用的风力涡轮机上的信息可由风力涡轮机控制器收集以及经由数据链路218 发送至风力发电场控制器和/或风力发电场中其它风力涡轮机的风力涡轮机控制器。因此，风力发电场控制器和/或风力涡轮机的一个或多个风力涡轮机控制器能够交换关于它们运行状况的信息以及检测和定位哪些风力涡轮机与主电网隔离。当断开的风力涡轮机需要在备用模式中保持较长的一段时间时，UPS的电力可能会用完。为了防止出现这种不期望的情形，风力涡轮机控制器和/或风力发电场控制器还可包括孤岛模式控制单元(IMCU) 122、236，其适于检测一个或多个与电网断开的停用的风力涡轮机并且适于响应于检测到停用的风力涡轮机来起动孤岛运行程序。下面参照图3和 4更详细地描述孤岛运行程序。图3A-3C和图4示意性地图示了依据本发明一个实施例的孤岛运行程序。尤其是， 图3A-3C图示了与风力发电场相关联的一组四个风力涡轮机的示例性孤岛运行。图3A示意性示出了四个风力涡轮机30加-302(1，在电力故障或受控停机(由一个或多个风力涡轮机控制器或者风力发电场控制器自主地控制)之后，它们可能已经停用。每个停用的风力涡轮机都通过打开主开关3(Ma-304d、电网开关306a_306d和二级开关308a-308d、310a_310d 与电网隔离，而每个停用的风力涡轮机都通过利用其自身的UPS保持备用运行，该UPS可切换地连接至风力涡轮机。在检测到电力故障或受控关闭后，IMCU可检测和定位停用的风力涡轮机并通过顺序闭合停用的风力涡轮机的二级开关308b、308d、310a-310d(这些开关的闭合由箭头象征性地表示)来开始重新配置本地电网的程序。在闭合所述开关之后，成孤岛的本地电网由互连的电力传输线路312、314、316形成，其中当主传输线路中的开关318、320处在打开位置时，本地电网与主电网断开(即，不连接和/或电隔离)。图:3B示出了孤岛运行程序的第二阶段。在成孤岛的本地电网形成之后，IMCU选择一个停用的风力涡轮机302c并且命令所选的风力涡轮机302c起动黑起动程序。在黑起动过程中，风力涡轮机在不依赖外部能源的情况下恢复运行。作为替代的是，风力涡轮机使用其自身的UPS(例如电池和/或柴油发电机)将风力桨叶倾斜(pitch)出叶片位置并且逐渐增加风力涡轮机的功率运行，直到实现稳定的开路运行(例如10kV/50Hz)。一旦实现稳定运行，IMCU则通过远程闭合运行中的风力发电机322的主开关3(Mc 使该运行中的风力发电机与本地电网连接。此外，IMCU还通过分别远程闭合运行中的风力涡轮机和停用的风力涡轮机的本地电网开关306c、306d来使运行中的风力涡轮机302c的辅助配电系统和第一停用风力涡轮机302d连接至本地电网。IMCU以相似的方式使其它停用的风力涡轮机30h、302b顺序连接至本地电网，其由运行中的风力涡轮机302c供电。
IMCU因而将单独隔离和停用的风力发电机的辅助配电系统连接至运行中的风力涡轮机，从而形成成孤岛的一组停用风力涡轮机，其中风力涡轮机控制器和/或风力涡轮机中的诸如环境控制系统的其它电气元件由一个运行中的风力涡轮机供电。运行中的风力涡轮机因而用作辅助电源Pw。如果由启动的运行中的风力涡轮机产生的电力足够大，则使其辅助配电系统与成孤岛的本地电网连接的每个停用的风力涡轮机可使用由启动的风力涡轮机供应的电力，以替代由它的UPS提供的电力。因此，在一个实施例中，IMCU可选择性地命令风力涡轮机控制器停止使用由UPS供应的电力。该程序象征性地描述在图3C中。只要有适当的风力条件，依据本发明的方法因而提供了一种有效且廉价的向成孤岛的一组风力涡轮机供电的方式，要求其将风力涡轮机保持在备用模式中。利用该孤岛运行程序，一个4MW的风力涡轮机可例如向20个停用风力涡轮机(每个在备用模式下都需要 200kff)提供电力。当必需在较长的时期内使大部分组的风力涡轮机停用时，该方法尤其有效，例如在水下电力传输线路出现故障或在其维护期间。而且，该方法减少了对使用燃烧型发电机的需要。在大组停用的风力涡轮机的情况下，IMCU可确定需要启动一个或多个另外的风力涡轮机。IMCU可选择例如两个运行中的风力涡轮机，其中每个风力涡轮机定位成使得这两个在运行风力涡轮机的电力负荷是共享的。 在另一变型中，一个或多个风力涡轮机控制器配置成自主地起动一组停用的风力涡轮机的孤岛运行，如参照图3A-3C所述。在该变型中，替代风力发电场控制器，IMCU被定位在一个或多个风力涡轮机控制器中。在其它变型中，参照图1-4所述的方法和系统可用于运行两个或更多成孤岛的本地电网，其中每个成孤岛的本地电网将一个或多个停用的风力涡轮机连接至至少一个启动的风力涡轮机。应当理解的是，所描述的与任何一个实施例有关的任何特征均可单独使用，或与所描述的其它特征组合使用，也可与任何其它实施例的一个或多个特征组合使用，或者与任何其它实施例的任何组合相组合。而且，需要注意的是，本领域技术人员清楚，程序步骤-尤其是配置本地电网的步骤、将启动和/或停用的风力涡轮机连接至本地电网和从参照图3A-3C所述的辅助配电系统断开UPS的步骤-的顺序可以按各种不同的方式改变，而不脱离本发明的范围。还可使用上面未描述过的其它等同方式和修正，而不脱离本发明的范围，该范围在后附的权利要求中限定。
权利要求
1.一种用于与风力发电场相关联的至少两个风力涡轮机的孤岛运行的方法，所述风力发电场配置成向主电网提供由所述风力发电场中的风力涡轮机产生的电力，该方法包括检测所述风力发电场中的至少两个或更多停用的风力涡轮机，所述停用的风力涡轮机与所述主电网断开；配置至少一个成孤岛的本地电网以电连接所述两个或更多停用的风力涡轮机；利用黑起动运行来启动至少一个所述停用的风力涡轮机；将所述至少一个启动的风力涡轮机和至少一个所述停用的风力涡轮机连接至所述本地电网，所述启动的风力涡轮机用作与所述本地电网连接的所述至少一个停用的风力涡轮机的电源。
2.如权利要求1所述的方法，包括通过控制所述停用的风力涡轮机之间的一个或多个电力传输线路中的一个或多个第一开关来配置所述本地电网。
3.如权利要求1或2所述的方法，包括通过控制一个或多个第二开关来将所述至少一个启动的风力涡轮机和至少一个所述停用的风力涡轮机联接至所述本地电网，从而分别在所述本地电网与所述至少一个启动的和停用的风力涡轮机之间提供电连接。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其中每个所述风力涡轮机都包括风力发电机， 所述方法包括利用一个或多个第三开关将至少一个所述启动的风力涡轮机的风力发电机连接至所述本地电网。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其中每个所述风力涡轮机都包括辅助配电系统和不间断电源。
6.如权利要求5所述的方法，包括所述辅助配电系统利用至少一个所述启动的风力涡轮机产生的电力，而非与所述不间断电源相关联的电力。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其中至少一个所述风力涡轮机包括风力涡轮机控制器，所述风力涡轮机控制器配置成执行至少一个如权利要求1所限定的程序步骤。
8.如权利要求1-6任一项所述的方法，其中每个所述风力涡轮机包括风力涡轮机控制器，所述风力涡轮机控制器经由一个或多个通信链路连接至配置成执行至少一个权利要求 1所限定的程序步骤的风力发电场控制器。
9.一种用于与风力发电场相关联的至少两个风力涡轮机的孤岛运行的控制器，所述风力发电场配置成向主电网提供由所述风力发电场中的风力涡轮机产生的电力，该控制器包括一个或多个检测器，用于检测所述风力发电场中的风力涡轮机与主电网的电隔离和/ 或所述风力发电场中的风力涡轮机的停用；本地电网控制器，用于配置与主电网电隔离的本地电网；风力涡轮机启动器，用于利用黑起动运行来启动至少一个所述停用的风力涡轮机；以及电网联接器，用于将启动的风力涡轮机和至少一个停用的风力涡轮机联接至本地电网。
10.如权利要求9所述的控制器，其中所述本地电网控制器包括第一开关控制器，用于控制由所述一个或多个检测器识别的风力涡轮机之间的一个或多个电力传输线路中的一个或多个第一开关。
11.如权利要求9或10所述的控制器，其中所述电网联接器包括第二开关控制器，用于控制分别在所述本地电网与所述启动的和停用的风力涡轮机之间提供电连接的一个或多个第二开关。
12.如权利要求9-11任一项所述的控制器，其中所述控制器还包括接收器/发送器单元，用于与从主电网断开的至少一个所述停用的风力涡轮机或与风力发电场控制器建立通信链路。
13.一种风力涡轮机，包括如权利要求9-12任一项所述的控制器。
14.一种风力发电场系统，配置成向主电网提供由所述风力发电场中的风力涡轮机产生的电力，所述风力发电场系统还配置成管理所述风力发电场系统中的至少两个停用的风力涡轮机的孤岛运行，所述至少两个停用的风力涡轮机与主电网断开，所述风力发电场包括多个通过一个或多个电力传输线路可切换地连接至主电网的风力涡轮机和至少一个如权利要求9-12任一项所述的控制器。
15.一种计算机程序产品，包括软件代码部分，其配置成当在计算机存储器中运行时执行如权利要求1-8任一项所述的方法的步骤。
全文摘要
本发明提供了一种用于与风力发电场相关联的至少两个风力涡轮机的孤岛运行的方法和系统，其中所述风力发电场配置成向主电网提供由所述风力发电场中的风力涡轮机产生的电力，其中该方法包括检测所述风力发电场中的至少两个或更多停用的风力涡轮机，所述停用的风力涡轮机与所述主电网断开；配置至少一个成孤岛的本地电网以电连接所述两个或更多停用的风力涡轮机；利用黑起动运行来启动至少一个所述停用的风力涡轮机；以及将所述至少一个启动的风力涡轮机和至少一个所述停用的风力涡轮机连接至所述本地电网，所述启动的风力涡轮机用作与所述本地电网连接的所述至少一个停用的风力涡轮机的电源。
文档编号F03D9/00GK102439299SQ201080022233
公开日2012年5月2日 申请日期2010年4月6日 优先权日2009年4月3日
发明者F·J·博德韦斯, F·L·H·斯特里克 申请人:湘电达尔文有限责任公司