包含电站损失的快速回流控制的制作方法

包含电站损失的快速回流控制的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于操作具有至少一个风力涡轮发电机和发电站控制器的风力发电站的方法，所述方法包括以下步骤：接收减小从所述风力发电站输出的有功功率的请求；给所述至少一个风力涡轮发电机配送降低所述至少一个风力涡轮发电机的电压水平的参考设定点；以及所述至少一个风力涡轮发电机控制所述至少一个风力涡轮发电机的所述电压水平至新的较低设定点。本发明还涉及实施该方法的风力发电站。
【专利说明】包含电站损失的快速回流控制
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及风力发电站(wind power plant),并且特别是涉及用于操作来自风力发电站的功率生产的快速减小的方法。
【背景技术】
[0002]风力润轮机(wind turbine)是将动力风能转换为用于公用事业功率电网的电能的能量转换系统。特别是，入射到风力润轮发电机(wind turbine generator)的叶片上的风引起风力涡轮发电机的转子旋转。旋转的转子的机械能量依次由发电机转换为电能。因为风速波动，所以施加至WTG叶片的力并且因此转子/发电机的旋转速度能够变化。然而，功率电网需要由风力涡轮发电机生成恒定频率的电功率。
[0003]风力发电站通常称为风力涡轮发电机组，该风力涡轮发电机组一般通过公共连接点连接至电网，该公共连接点也称为公共耦合点(PCC)。另外，风力发电站可以包括发电站控制器和/或一些种类的无功功率补偿器具，无功功率补偿器具诸如是静止同步补偿器(STATC0M)或开关电容器等。
[0004]例如归因于电网中的故障、风力涡轮发电机中的部件失效、风电场(wind farm)或由电网操作员请求，可以请求关闭风力发电站的一个或多个风力涡轮机。风力涡轮发电机在关闭期间减小其功率，由风力涡轮发电机产生的功率以规定的速率减低至零。一般称为功率斜坡下降速率的功率减低速率取决于发电机的功率斜坡下降速率。在关闭期间风力涡轮机功率能够多快地减低经常受到发电机的最大斜坡下降速率的限制，最大斜坡下降速率例如是 0.2pu/sec。
[0005]然而，某些电网规范(code)/公用事业可能要求涡轮机以比涡轮机/发电机的最大斜坡下降速率快的速率斜坡下降，例如0.4pu/sec0也预见一些国家可以在它们的电网规范要求中规定关闭期间涡轮机的最小斜坡下降速率。
[0006]一些传输电网可以要求来自风力发电站(WPP)的输出功率的迅速减低；通常，该迅速减低称为“快速回流(fast run-back)”。这可以由过频偏移或其它电网事件触发。
[0007]可以以不同方式对迅速的功率减小进行归档，归因于机械负载，各种类型的涡轮机可以在其执行迅速的功率减小的自由度上受到限制，该迅速的功率减小通过完全关闭涡轮机或通过叶片俯仰(pitching)来执行。
[0008]因此，期望提供操作风力涡轮机以提供功率斜坡下降的方法，该功率斜坡下降对风力涡轮发电机及其组件引起有限的机械负载。

【发明内容】

[0009]提供此
【发明内容】
是为了以简化的形式提供以下在【具体实施方式】中进一步描述的概念的集合。此
【发明内容】
不旨在标识所声称的主题的关键特征或本质特征，其也不旨在用于帮助确定所声称的主题的范围。
[0010]本发明提供了一种对上述问题的新颖解决方案，S卩如何减小从风力发电站输出的有功功率，而不在风力涡轮发电机上引起机械负载。
[0011]在一个方面，本发明涉及操作具有至少一个风力涡轮发电机和发电站控制器的风力发电站，该方法包括以下步骤:
[0012]-接收减小从所述风力发电站输出的有功功率的请求；
[0013]-给所述至少一个风力涡轮发电机配送降低所述至少一个风力涡轮发电机的电压水平的参考设定点；
[0014]-所述至少一个风力涡轮发电机控制所述至少一个风力涡轮发电机的所述电压水平至新的较低设定点，所述电压水平的所述新的较低设定点引起所述风力发电站中的有功功率损失的增高，由此减小从所述风力发电站输出的有功功率。
[0015]第一方面的优点主要是缆线和其它分站器具中的损失将增高。这将非常快地减低风力发电站的输出，而不给风力涡轮发电机增加任何机械应力。其次，如果由过频状况触发快速回流，则下拉电网上的电压将对整个电网系统有益。
[0016]第一方面的进一步的优点是控制器易于实施。其利用基本物理和存在的硬件来减低风力涡轮发电机上的机械负载并使得根据本发明的风力发电站更加电网友好。
[0017]根据本发明的一个实施例，请求减小功率归因于回流事件。该回流事件可以是对迅速减低来自风力发电站(WPP)的输出功率的请求的接收。此实施例的优点是本发明提供了减小供应指电网的有功功率的快速方式，并且回流事件要求快速的有功功率减小。
[0018]根据本发明的一个实施例，所述配送的参考设定点是无功功率的设定点Qref。
[0019]此实施例的优点是本发明还旨在实施于已经建立的风力发电站中，其中已经配送的以控制公共耦合点的电压水平的参考设定点是无功功率参考。
[0020]根据本发明的一个实施例，所述参考设定点是所述至少一个风力涡轮发电机的所述电压水平的设定点。
[0021]此实施例的优点类似于与先前实施例相关地描述的优点，但是该优点与可以以至每一个风力涡轮发电机的配送的电压参考设定点操作的风力发电站相关。
[0022]根据本发明的一个实施例，基于所述至少一个风力涡轮发电机的连接点处的阻抗来计算参考设定点。
[0023]此实施例的优点是本发明是考虑阻抗给出了有功功率损失的更好效果，但是也确保了每一个风力涡轮发电机处的电压水平不达到最低水平以下，达到最低水平以下将使涡轮机切断。
[0024]根据本发明的一个实施例，基于用于风力发电站中的组件的电参数值来计算阻抗。
[0025]此实施例的优点是知道电网中的组件的电参数的本发明使得能够容易地计算阻抗并且从而配送校正的设定点而不切断涡轮机。
[0026]根据本发明的一个实施例，在风力发电站的操作期间测量阻抗。
[0027]此实施例的优点是本发明中，能够以许多不同方式计算无功功率的设定点Qref和/或电压水平的设定点VMf。只要功率误差为负就减低电压(或无功功率)的反馈环一个选项。预先知道关于WPP的结构，能够建立查找表来对每一个单独的风力涡轮发电机提供无功功率Q或电压V中的正确增高以满足确切的功率改变。如果将WPP缆线数据输入计算机程序中，则也能够实时计算这个。另一可能性是基于过去的观察结果来确定最佳参考的学习算法的使用。
[0028]在第二方面，本发明涉及一种用于控制具有至少一个风力涡轮发电机的风力发电站的发电站控制器，其中，所述发电站控制器布置为在请求减小来自所述风力发电站的有功功率时向所述至少一个风力涡轮发电机配送参考信号，所述参考信号布置为提供所述至少一个风力涡轮发电机的电压水平的减低，并且其中，减低的所述电压水平引起所述风力发电站中的有功功率损失的增高，由此减小从所述风力发电站输出的有功功率。
[0029]第二方面的优点及其实施例与本发明的第一方面的优点是等同的。
[0030]任何伴随特征将是更容易理解的，因为通过参照结合附图考虑的以下【具体实施方式】，那些特征将变得更好理解。可以合适地组合优选特征，这对于本领域技术人员来说是明显的，并且优选特征可以与本发明的任何方面组合。
【专利附图】

【附图说明】
[0031]当结合非限制性范例和附图考虑【具体实施方式】时，参照【具体实施方式】将可以更好地理解本发明。
[0032]图1示出了风力涡轮机的总体结构；
[0033]图2示出了根据本发明的风力发电站；
[0034]图3示出了风力发电站的阻抗源；
[0035]图4示出了根据实施例的用于提供快速回流的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0036]现在将进一步详细地解释本发明。虽然本发明容许各种修改和替代形式，但是通过范例方式公开了具体实施例。然而，应当理解，不旨在将本发明限制于公开的特定形式。相反，本发明将涵盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代。
[0037]一些传输电网可能需要来自风力发电站(WPP)的有功功率的输出的迅速减低，通常，该迅速减低称作“快速回流”。这可以由过频偏移或其它电网事件触发。
[0038]涡轮机输出的此要求的功率斜坡下降速率可以基于来自电网规范的要求。其也可以由用户或操作员限定或规定。例如，电网规范可以要求WPP能够以0.4pu/sec使其功率斜坡下降。期望的涡轮机功率可以是涡轮机的期望的功率分布的瞬时涡轮机功率输出。
[0039]本领域技术人员已知的电功率能够分为有功功率分量和无功功率分量。对于回流，将需要减小有功功率分量。
[0040]本发明提供减小从风力发电站输出的有功功率,而不会在风力涡轮发电机上引起机械负载，的新颖方案。这在需要功率的快速减小时容许快速回流。
[0041]本发明包括发电站控制器及其操作方法，其减低快速回流事件期间风力发电站内的电压水平。
[0042]电压应当减低至最小水平，而不违背连接协议或切断(trip)任何风力涡轮发电机。
[0043]风力发电站的较低电压水平将具有两个益处:
[0044]-缆线和其它分站器具中的损失将增高。这将非常快地减低WPP的输出，而不会给风力涡轮发电机增加任何机械应力。
[0045]-其次，如果由过频状况触发了快速回流，则下拉电网上的电压将使整个系统受.
Mo
[0046]当前风力发电站控制器通常向每一个风力涡轮机配送功率参考。对于此当前发明，通过降低无功功率参考或配送独立的电压参考点，发电站控制器能够降低每一个风力涡轮发电机处的电压水平。
[0047]回流事件可以在发电站控制器探测到负的功率误差(Praiuiral - Pdelivered)或过剩功率，且发电站控制器于是促发回流事件，时开始，回流事件通过配送电压参考或无功功率(Qref)参考而开始，电压参考或无功功率(Qref)参考比风力发电站内的每一个风力涡轮发电机的电压或Q的当前值低。存在功率不平衡以外的促发回流事件的数个触发参数；这将是高频率、高的频率改变率、或来自传输系统操作员的专用回流信号等。
[0048]能够以许多不同方式来计算VMf的QMf。只要功率误差为负就减低电压(或Q)的反馈环是一个选项。根据关于风力发电站的构成并且从而阻抗的知识，能够创建查找表来给每一个单独的WTG提供无功功率(Q)或电压水平的正确增高以满足确切的功率改变。如果风力发电站缆线数据被输入到一些计算机规范中，则也能够实时计算这个。也能够存在基于过去的观察结果来确定最佳参考的类型的学习算法。
[0049]在优选实施例中，Q参考用作参数，因为相信这个的响应时间更快速。
[0050]在实施例中，配送的Qref可以在涡轮机与涡轮机之间不同。可以基于对每一个涡轮机的测得的阻抗、或基于反馈、或替代地基于发电站控制器正常操作期间基于小的信号响应或数据捕获测量/学习每一个涡轮机的阻抗水平时的学习算法，来计算每一个涡轮机的 Qref。
[0051]在实施例中，配送的Vref可以在涡轮机与涡轮机之间不同。可以基于对每一个涡轮机的测得的阻抗、或基于反馈、或替代地基于发电站控制器正常操作期间基于小的信号响应或数据捕获学习每一个涡轮机的阻抗水平时的学习算法，来计算每一个涡轮机的vMf。对每一个风力涡轮发电机的不同Vref应当考虑沿功率线/缆线的电压水平归因于该线/缆线的阻抗下降的事实。
[0052]本发明的实施例考虑阻抗，给出有功功率损失的较佳效果，但是其也确保每一个风力涡轮发电机的电压水平不会达到最小水平以下，达到最小水平以下将引起涡轮机切断。
[0053]作为范例，风力发电站可以将电能馈入IlOkV的功率供应电网。从而，公共耦合点(PCC)的电压Vpcc等于llOkV。风力发电站电压Vpp可以例如在大约30kV的量级。从而，需要功率变换器以使Vpp与Vpcc匹配。然而，应当注意，因为Vpcc固定并且因为功率变换器具有随注入功率供应电网的功率量变化的不可忽略的固有阻抗，所以发电站电压Vpp需要随注入功率供应电网的功率量变化。从而，发电站电压Vpp将取决于注入功率供应电网的功率量而向上和向下移动。
[0054]图1示出了风力涡轮发电机I的总体设置。风力涡轮发电机I包含:塔2，具有若干塔部分；位于塔2顶上的舱室3 ；以及从舱室3延伸的转子4。塔2竖立在构建于地中的基底7上。转子相对于舱室3旋转，并且包含轴5和一个或多个叶片6。入射到叶片6上的风引起转子4相对于舱室3旋转。来自转子4的旋转的机械能量由舱室3中的发电机(未示出)转换为电能。电能随后由功率转换器转换为固定频率的电功率，以供应至功率电网。风力涡轮发电机也可以形成包括多个风力涡轮机的风电场或风力发电站的部分。由风电场中的单独的风力涡轮发电机生成的电功率经由公共耦合点(PCC)被合并并供应至功率电网。
[0055]虽然图1中示出的风力涡轮机I具有三个叶片6，但是应当注意，风力涡轮机可以具有不同数量的叶片。发现具有两至四个叶片的风力涡轮机是常见的。图1中示出的风力涡轮发电机是水平轴风力涡轮机(HAWT)，因为转子4绕水平轴旋转。应当注意，转子4可以绕竖直轴旋转。其转子绕竖直轴旋转的该风力涡轮发电机已知为竖直轴风力涡轮机(VAffT)0今后描述的实施例不限制于具有3个叶片的HAWT。它们实施于HAWT和VAWT中，并且在转子4中具有任何数量的叶片6。
[0056]图2示出了具有两个风力涡轮发电机201a、201b的风力发电站200。数量二仅仅是为了简化；风力发电站200能够包含大于二的任何合适的数量。风力涡轮发电机201a具有输出信号204a，在此范例中，其为电压(但是其也能够被理解为具有关于电压、频率、无功和有功功率的信息的输出向量)。输出信号204a、204b分别由电压传感器(未不出)分别205a、205b测量并且分别馈入风力涡轮发电机的电压控制器202a、202b中。控制器202a、202b分别生成分别的电压设定点206a、206b，分别在加法块207a、207b中对该分别的电压设定点206a、206b与来自发电站控制器213的分别的电压参考V,ef203a、203b进行比较。控制器误差208a、208b用作风力涡轮发电机201a中的控制器参数。发电站控制器210在公共耦合点(PCC) 220处得到由另一电压传感器(未示出)获得的电压的测量结果214。在加法块211中将测量结果214与电压参考212进行比较，可以在发电站控制器(PPC) 210内生成此参考212，或可以外部供应此参考212。加法块211的输出馈入PPC电压控制器213中，PPC电压控制器213给独立的风力涡轮发电机201配送独立的电压参考203a、203b。
[0057]虽然图2示出了风力涡轮发电机201a、201b接收Vref203a、203b，但是一些实施例可以不具有VMf203a、203b信号，即没有从PPC210至涡轮机控制器202、207的信号，涡轮机水平处的电压控制器202控制其自己的电气端子204处的电压水平。
[0058]在实施例中，电压参考203a、203b可以替代地为无功功率参考。即使参考信号是无功功率参考，待测量的输出信号也可以为电压信号，在其它实施例中，其可以是无功功率信号。
[0059]如关于输出向量204a、204b提到的，类似的观察结果对于发电站配送的参考203a、203b是有效的，因为这也能够是具有关于电压参考、频率参考、无功和有功功率参考的信息的向量。配送的信号可以仅仅是一个值，或上述参考的集合。在参考是具有η个值的向量时，控制器202应当被理解为η个控制器，每一个具有用于其相应的参考信号的反馈环。
[0060]以该方式，配送额外的参考值以降低WTG201a、201b的电压输出204a、204b是相当
简单的。
[0061]如图3中示例的，以及后面更详细地解释的，经历至公共耦合点的最高阻抗的风力涡轮发电机需要生成最高风力涡轮机电压水平，以补偿内部功率电网中的电压下降。
[0062]然而，通过遵循此途径，电站内的最高风力涡轮机电压水平可以变得危险地接近，甚至超过，具有损坏内部电网的风险的上限电压水平。此外，长时间地暴露于比名义电压水平低的电压水平能够导致对器具的损坏。这归因于为了保持功率水平恒定的较高的电流。连接至内部功率电网的风力涡轮机的电压分布取决于阻抗值和流过内部功率电网的视在功率。这也意指在应用本发明时，最远离公共耦合点的WTG具有最高的进入低电压模式的风险。
[0063]图3示出了根据实施例的风力发电站300的示意性布局。图3的示意性布局示例了引入到风力发电站300中的阻抗。为清楚起见，图3中仅示例了一个风力涡轮发电机301。应当注意，风力发电站300可以包含一个以上的风力涡轮发电机301。也假定无功和有功电流均由风力涡轮发电机301生成。风力涡轮发电机301连接至风力涡轮机变换器302。风力涡轮机变换器302依次经由功率缆线305连接至风力发电站变换器304。功率缆线305的阻抗能够由缆线阻抗303表示。风力发电站300使用架空线(OVL) 310连接至公用事业系统或电网311。0VL310的阻抗由OVL阻抗306表示。风力发电站300通过PCC312与电网311相连接。电网311向负载，例如家用单元320，供应功率。另外的发电站，例如常规煤发电站321，也可以向电网311供应功率。根据实施例，在确定待生成的有功和无功功率时，考虑缆线阻抗303和OVL阻抗306，以便在PCC312处提供最佳无功电流。
[0064]本发明能够对在额定功率的0-10%的范围内减小来自风力发电站的总功率起作用。
[0065]对此发明的替代是断开风力涡轮发电机或甚至快速切断可以在WTG结构和传动链上引起高机械负载的WTG。
[0066]在实施例中，风力涡轮发电机201a、201b (图2)具有使能信号(未示出)，该使能信号使能控制器202a、202b以仅在探测到使能信号时考虑回流参考信号。可以仅在探测到风力涡轮发电机关闭信号时生成使能信号。在未由分别的涡轮发电机201a、201b的分别的控制器202a、202b探测到此使能信号时，回流参考信号由控制器202a、202b忽略。这增高了由控制器202a、202b执行的控制算法的鲁棒性。
[0067]图4示出了根据实施例的用于控制具有至少一个风力涡轮发电机和发电站控制器的风力发电站的方法的流程图。步骤401包含发电站接收减小从风力发电站输出的有功功率的请求的步骤。
[0068]随后的步骤402包含向涡轮发电机配送降低风力涡轮发电机的电压水平的参考设定点。
[0069]随后和最终的步骤403包含风力涡轮机控制器的控制环将风力涡轮发电机的电压水平调节至新的较低设定点。
[0070]总之，本发明涉及一种用于操作具有至少一个风力涡轮发电机和发电站控制器的风力发电站的方法，所述方法包括以下步骤:接收减小从所述风力发电站输出的有功功率的请求；给所述至少一个风力涡轮发电机配送降低所述至少一个风力涡轮发电机的电压水平的参考设定点；以及所述至少一个风力涡轮发电机控制所述至少一个风力涡轮发电机的所述电压水平至新的较低设定点。本发明还涉及其中实施该方法的风力发电站。
[0071]可以扩展或更改于此给出的任何范围或装置值，而不损失所寻求的效果，这对于本领域技术人员是明显的。
[0072]应当理解，以上描述的益处和优点可以涉及一个实施例或可以涉及数个实施例。还应当理解，对“一”项的引用指一个或多个那些项。
[0073]应当理解，仅通过范例方式给出了优选实施例的以上描述，并且本领域技术人员可以进行各种修改。以上说明书、范例和数据提供了本发明的示范性实施例的结构和使用的完整的描述。虽然以上以一定程度的特殊性或参照一个或多个单独的实施例描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员能够对公开的实施例进行许多更改而不脱离此发明的精神或范围。
【权利要求】
1.一种用于操作具有至少一个风力涡轮发电机和发电站控制器的风力发电站的方法，所述方法包括以下步骤: -接收减小从所述风力发电站输出的有功功率的请求； -给所述至少一个风力涡轮发电机配送降低所述至少一个风力涡轮发电机的电压水平的参考设定点； -所述至少一个风力涡轮发电机控制所述至少一个风力涡轮发电机的所述电压水平至新的较低设定点，所述电压水平的所述新的较低设定点引起所述风力发电站中的有功功率损失的增高，由此减小从所述风力发电站输出的有功功率。
2.根据权利要求1所述的用于操作风力发电站的方法，其中，减小功率的所述请求归因于回流事件。
3.根据权利要求1至2所述的用于操作风力发电站的方法，其中，配送的所述参考设定点是无功功率的设定点Qref。
4.根据权利要求1至3所述的用于操作风力发电站的方法，其中，所述参考设定点是所述至少一个风力涡轮发电机的所述电压水平的设定点。
5.根据权利要求1至4所述的用于操作风力发电站的方法，其中，基于在所述至少一个风力涡轮发电机的连接点处的阻抗来计算所述参考设定点。
6.根据权利要求5所述的用于操作风力发电站的方法，其中，基于用于所述风力发电站中的组件的电参数值来计算所述阻抗。
7.根据权利要求5所述的用于操作风力发电站的方法，其中，在所述风力发电站的操作期间测量所述阻抗。
8.一种用于控制具有至少一个风力涡轮发电机的风力发电站的发电站控制器，其中，所述发电站控制器布置为在请求减小来自所述风力发电站的有功功率时向所述至少一个风力涡轮发电机配送参考信号，所述参考信号布置为提供所述至少一个风力涡轮发电机的电压水平的减低，并且其中，减低的所述电压水平引起所述风力发电站中的有功功率损失的增高，由此减小从所述风力发电站输出的有功功率。
9.根据权利要求8所述的发电站控制器，其中，减小有功功率的所述请求归因于回流事件。
10.根据权利要求8或9所述的发电站控制器，其中，配送的所述参考设定点是无功功率的设定点Qref。
11.根据权利要求8至10所述的发电站控制器，其中，所述参考设定点是所述至少一个风力涡轮发电机的所述电压水平的设定点。
12.根据权利要求8至11所述的发电站控制器，其中，基于在所述至少一个风力涡轮发电机的连接点处的阻抗来计算所述参考设定点。
13.根据权利要求12所述的发电站控制器，其中，基于用于所述风力发电站中的组件的电参数值来计算所述阻抗。
14.根据权利要求12所述的发电站控制器，其中，在所述风力发电站的操作期间测量所述阻抗。
【文档编号】F03D7/02GK103827483SQ201280047719
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年9月29日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】P·F·迈尔 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司