将风轮机操作为阻尼负载的制作方法
【专利摘要】本发明描述了一种用于风电场的控制设备，所述风电场包括用于生成电力的多个风轮机，其中风轮机通过风电场电网而电互连。所描述的控制设备包括（a）确定单元，用于确定是否要启用用于消耗来自风电场电网的电力的风电场负载，（b）计算单元，用于计算对于多个风轮机中每一个的功率参考值，所述功率参考值指示对应的风轮机应当产生的功率量，以及（c）传输单元，用于将计算的功率参考值传输到对应的风轮机，其中，如果确定单元已经确定了要启用风电场负载，则由处理单元计算的至少一个功率参考值为负。另外，描述了包括控制设备和多个风轮机的风电场。还此外的，描述了一种方法和一种计算机程序。
【专利说明】将风轮机操作为阻尼负载
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力产生风力田(wind farm)的领域，特别地涉及由风力田产生的过量电力的消耗。
【背景技术】
[0002]在现代风力田中，存在若干场景，其中需要负载来消耗由风力田的风轮机产生的至少一部分电力并且确保瞬时稳定性和/或短期稳定性。
[0003]这样的场景的第一示例是在黑启动期间，其中所有风轮机从主电网断开。为了建立到主电网的重连接和与主电网的重同步,一些风轮机在与主电网的重连接实际上发生之前以V/f (电压/频率)模式运行并且开始产生电。因此，由于主电网尚未可用，需要本地负载来吸收或阻尼由v/f控制的风轮机所生成的功率。该场景还适用于所谓的“岛式操作”(其中风轮机连同诸如柴油发电机之类的另一种电力发电机一起连接到封闭电网)和调试(其中风轮机在它们连接到外部电网之前被测试)。
[0004]第二示例场景是在许多大型离岸风力田中，风轮机经由HVDC连接而连接到主电网。万一 HVDC连接失败，由风力田生成的电力必须在涡轮功率降低到O MW之前快速耗散。
[0005]第三示例场景可以发生在经由HVDC连接到主电网的风力田中的低电压穿越(ride through)期间。而且在这种情况下，需要大负载来耗散过量功率。
[0006]其中需要负载来耗散来自风电场(wind park)的过量功率的第四场景发生在风电场连接到弱电网时，使得传输容量受限。
[0007]第五场景可以发生在如果由于系统稳定性问题(例如，系统中频率增加或者部分岛式操作，即很少消耗方连同能量产生)而存在对吸收来自其它能量产生方的功率的需要时。
[0008]时常以大型电阻器组(resistor bank)的形式提供以上场景中需要的负载。然而，这样的电阻器组庞大并且安装和服务昂贵，特别是在与离岸风力田连接时。
[0009]因此，可能存在对吸收由风力田产生的过量功率的简单且成本有效的方式的需要。
【发明内容】
[0010]这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。
[0011]根据本发明的第一方面，提供了一种用于风电场的控制设备，所述风电场包括用于生成电力的多个风轮机，其中风轮机通过风电场电网(grid)而电互连。所描述的控制设备包括(a)确定单元，用于确定是否要启用用于消耗来自风电场电网的电力的风电场负载，(b)计算单元，用于计算对于多个风轮机中每一个的功率参考值，功率参考值指示对应的风轮机应当产生的功率量，以及(C)传输单元，用于将计算的功率参考值传输到对应的风轮机，其中，如果确定单元已经确定了要启用风电场负载，则由处理单元所计算的至少一个功率参考值为负。
[0012]本发明的该方面是基于以下想法:可以通过向至少一个风轮机传输负功率参考值来启用风电场负载的功能，使得至少一个风轮机将通过被驱动为逆风的电机来吸收来自风电场电网的电力。由此，如果风电场电网不能将电力(其由接收正功率参考值的风轮机产生)递送到外部电网等，则所述至少一个风轮机可以充当负载。因此，根据该方面的控制设备能够实现风电场负载而无需附加硬件，诸如电阻器组。
[0013]确定单元可以基于手动操作者输入来确定要启用风电场负载。所述确定还可以基于从风电场的其它单元或设备(例如从通过使用适当的测量装备来监视风力田的各种状态变量的风电场监视系统)接收一个或多个控制信号。在任一种情况下，对启用风电场负载的需要可以在其涉及操作风电场的特定模式这一意义上被预定，或者对启用风电场负载的需要可以由于故障或某些外部条件而突然和临时发生。
[0014]每个风轮机参考值是对单个对应风轮机的控制系统的输入信号。风轮机参考值可以因此被风轮机控制系统使用，风轮机控制系统将测量的功率值(风轮机当前产生的功率)与接收的参考功率值进行比较并且调整影响所产生功率的风轮机参数(诸如旋转速度、转矩和桨距角(pitch angle)),以便最小化在测量的功率与参考功率值之间的差。
[0015](绝对)功率参考值可以在0.5丽(兆瓦)到20 MW的范围中，诸如在I丽到15MW的范围中，诸如在2丽到10 MW的范围中，诸如在3丽到8 MW的范围中，诸如在4 ■到6丽的范围中，诸如在5丽左右。
[0016]通过用负功率参考值来操作风电场的至少一个风轮机，该至少一个风轮机可以充当吸收由正常操作(即以正功率参考值)的其它风轮机产生的功率的负载。由此，在其中风电场出于某种原因不能将电力递送到外部接收方(诸如主功率电网)的情况下，许多风轮机可以在不需要专用风电场负载(诸如相当大尺寸的昂贵电阻器组)的情况下保持产生功率，而不是被关断。
[0017]根据本发明的实施例，传输单元被适配成将功率参考值经由风电场通信网络传输到对应的风轮机。
[0018]风电场通信网络可以是任何适合的通信网络，诸如LAN网络，其中每个风轮机经由电学或光学通信线缆而连接到网络。
[0019]根据本发明另外的实施例，计算的功率参考值之和基本上为零。
[0020]当功率参考值中至少一个为负时，基本上为零的和将确保由风电场的风轮机产生的基本上所有功率将被接收负功率参考值的至少一个风轮机消耗。因此，甚至在其中风电场不能将任何功率递送到外部接收方的情况下，许多风轮机将能够“照常”产生电力而无需风电场中的诸如电阻器组之类的专用负载。
[0021]根据本发明另外的实施例，计算的功率参考值之和为负。
[0022]由此，同样外部产生的功率可以被接收负功率参考值的至少一个风轮机吸收。
[0023]根据本发明另外的实施例，计算的负功率参考值的数量等于或大于计算的正功率参考值的数量。
[0024]通过具有至少与正功率值的数量相同的数量的负功率参考值，可以确保充当负载的风轮机的数量至少等于产生(正)功率的风轮机的数量。由此，充当负载的每个风轮机将必须最大地吸收由一个功率产生风轮机所产生的功率量。另外，通过具有比功率产生风轮机更多的功率吸收风轮机，可以确保总负载能力超过总功率产生，使得可以防止具有不充足负载能力的情形。
[0025]根据本发明另外的实施例，确定单元被适配成如果以下事件之一发生则确定要启用风电场负载:黑启动、HVDC故障、低电压穿越、传输限制、岛式操作、电网约束。
[0026]在黑启动或岛式操作的情况下，开启风电场而不连接到主功率电网，使得需要负载来吸收由活动风轮机产生的功率，直到建立与主功率电网的连接。
[0027]在HVDC故障或传输限制的情况下，到主电网的功率传输突然不可能或者受限，并且需要负载来吸收功率，直到故障或限制已经被克服或者在风电场的关断期间。
[0028]在低电压穿越的情况下，主功率电网暂时不能够消耗由风电场产生的所有功率并且结果需要负载以便吸收由风电场产生的过量功率。
[0029]在以上实施例中，控制单元可以被配置为分离的单元或者作为场区操纵(parkpilot)(即风电场的主控制系统)的一部分。另外，确定、计算和传输单元可以被配置为分离的物理单元，例如，在印刷电路板上，或者它们可以被配置为基于软件的控制系统的功能部分。
[0030]根据本发明的第二方面，提供了用于产生电力的风电场。所描述的风电场包括(a)多个风轮机，用于生成电力，风轮机通过风电场电网而电互连，以及(b)根据第一方面或以上实施例中任一个的控制设备。
[0031]本发明的该方面是基于以下想法:可以通过向至少一个风轮机传输负功率参考值来启用风电场负载的功能，使得所述至少一个风轮机将通过被驱动为逆风的电机而吸收来自风电场电网的电力。由此，如果风电场不能将产生的电力递送到外部主功率电网等，则所述至少一个风轮机将充当负载。因此，根据该方面的风电场能够使得能够实现风电场负载而无需附加的硬件，诸如电阻器组。
[0032]通过用负功率参考值来操作风电场的所述至少一个风轮机，该至少一个风轮机可以充当吸收由正常操作(即以正功率参考值)的其它风轮机产生的功率的负载。由此，在其中风电场不能将电力递送到外部接收方的情况下，许多风轮机可以保持产生功率而无需专用风电场负载，诸如相当大尺寸的昂贵电阻器组。
[0033]根据本发明的实施例，风轮机被适配成响应于接收到负功率参考值而被驱动为电机，从而消耗来自风电场电网的电力。
[0034]更特别地，在接收到负功率参考值的情况下，风轮机能够逆风转动，即充当大型风扇而不是发电机。
[0035]取决于风轮机必须吸收的功率量，即负功率参考值的绝对值，风轮机还可以被适配成调整转子叶片的旋转速度和桨距角，以便优化负载功能并且同时最小化损害的风险。
[0036]根据本发明另外的实施例，风电场还包括用于吸收电力的负载单元。
[0037]在一些情形中，为了在充当负载的至少一个风轮机的激活期间的短时间内(即直到所述至少一个风轮机已经响应于接收到负功率参考值而从充当发电机转换到充当负载)吸收功率，相对小的专用风电场负载单元(例如以电阻器组的形式)可以是有利的。然而，这样的风电场负载单元相比于被设计成充当用于整个风电场的单个负载的负载单元是小型且不昂贵的。
[0038]根据本发明的第三方面，提供了控制风电场的方法，风电场包括用于生成电力的多个风轮机，其中风轮机通过风电场电网而电互连。所描述的方法包括(a)确定是否要启用用于消耗来自风电场电网的电力的风电场负载，(b)计算对于多个风轮机中每一个的功率参考值，功率参考值指示对应风轮机应当产生的功率量，以及(C)向对应风轮机传输所计算的功率参考值，其中(d)如果已经确定要启用风电场负载，则所计算的功率参考值中至少一个为负。
[0039]本发明的该方面是基于与以上描述的第一和第二方面相同的想法。
[0040]根据本发明的第四方面，提供了用于控制风电场的计算机程序。所描述的计算机程序包括计算机可执行指令，其当被计算机运行时使计算机执行根据前述权利要求的方法。
[0041 ] 本发明的该方面是基于与以上描述的第三方面相同的想法。
[0042]根据本发明的第五方面，提供了被适配成响应于接收到负功率参考值而被驱动为电机从而消耗电力的风轮机。
[0043]根据本发明的第六方面，提供了通过响应于接收到负功率参考值而将风轮机驱动为电机从而消耗电力来将风轮机作为负载的使用。
[0044]要指出，已经参照不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参照方法类型权利要求描述了一些实施例，而已经参照装置类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中明了，除非另行指示，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，还有涉及不同主题的特征的任何组合，特别是方法类型权利要求的特征与装置类型权利要求的特征的组合，是本文献的公开内容的部分。
[0045]以上限定的方面和本发明另外的方面从要在下文描述的实施例的示例中显而易见并且参照实施例的示例加以解释。将在下文中参照实施例的示例更加详细地描述本发明。然而，明确指出，本发明不限于所描述的示例性实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]图1示出风轮机的示意性概览。
[0047]图2示出用于风轮机的电网侧转换器控制系统的框图。
[0048]图3示出用于风轮机的发电机侧转换器控制系统的框图。
[0049]图4示出风轮机的原理性框图。
【具体实施方式】
[0050]附图中的图示是示意性的。要指出，在不同的图中，类似的或相同的元件被提供有相同的参考数字或仅在第一数位内不同的参考数字。
[0051]图1示出风轮机的示意性概览。风轮机包括发电机110、发电机侧转换器系统120、电网侧转换器系统130、PWM滤波器140、开关142以及变压器144。更特别地，当风轮机转子(未示出)由于影响于对应转子叶片(未示出)的风而旋转时，发电机110将旋转能量变换成三相电流。来自发电机110的电流被馈送到发电机侧转换器系统120并且被转换至DC。DC电流进而被馈送到电网侧转换器系统130，其将它转换成三相的交流电流。这些AC电流通过PWM滤波器140经由开关142被馈送到变压器144，其连接到电网(未示出)。
[0052]图2示出电网侧转换器控制系统231的框图。控制系统231包括减法单元232、电压控制器233、减法器(subtract1n) 234、电流控制器235、电网侧转换器设施236以及用于dc链路电容器组237的设施。更特别地，减法单元接收目前输出电压Vdc和参考电压V*DC作为输入并且将对应的差值馈送到电压控制器233。来自电压控制器233的输出被馈送到减法单元234的正输入端并且当前输出电流ia，e被馈送到减法单元234的负输入端。来自减法单元234的输出通过电流控制器235、PWM放大器236和输出阻抗237被馈送。由此，电网侧转换器控制系统能够通过递送由发电机生成/消耗的有效功率而将dc链路电压调节到其参考电压。
[0053]图3示出发电机侧转换器控制系统321的框图。控制系统321包括减法单元322、功率控制器323、减法器324、电流控制器325和发电机侧转换器设施326。更特别地，减法单元322在其相应输入端处接收功率参考值P*和实际的功率值P并且将差值(即P*_P)馈送到功率控制器323。来自功率控制器323的输出被馈送到减法单元324的正输入端并且相对于实际输出功率P的差被馈送到电流控制器325。来自电流控制器325的输出被馈送到发电机侧转换器设施326以便调整电力的频率。
[0054]图4示出依照本发明的风轮机400的原理性框图。如所示，风轮机400包括涡轮控制器450、桨距致动器454和叶片456。要指出，可以使用多于一个的叶片456并且本公开同样涉及包括多个叶片456 (例如3个叶片456)的风轮机。
[0055]在操作中，风轮机400经由输入端452接收功率参考值以及各种测量值，诸如叶片位置、转子速度、消耗的功率等等。要指出，输入端452可以由若干单独的输入端构成，尽管它在图4中被描绘为单个输入端。鉴于接收到的功率参考值而调整由转动风轮机发电机(未示出)的叶片而引起的功率负载。为了将功率负载适配成尽可能接近地匹配所接收到的功率参考，可以通过调整叶片456的桨距角和/或通过调整叶片转动的旋转速度来调整功率负载。因此，控制系统(图4中的涡轮控制器450)可以自由地和依赖于环境决定通过调整叶片456的旋转速度和/或桨距角来调整功率负载。
[0056]更特别地，如果桨距角保持恒定，则通过用于转动转子的功率量来调整旋转速度。类似地，如果旋转速度保持恒定，则可以通过修改叶片456的桨距角来调整功率。要指出，贯穿整个旋转，叶片桨距角不必保持恒定。从机械负载的角度来看，根据每个叶片在哪里而使用变化的(例如正弦的)桨距角(即计算对每个叶片的桨距参考)可以是优势。
[0057]如图4中所示，涡轮控制器450基于经由输入端452接收的功率参考值和测量数据来计算对于每个叶片456的期望的叶片位置和桨距致动器动作。结果得到的控制信号被馈送到桨距致动器454，其相应地调整叶片456的桨距角。
[0058]在本发明的实施例中，风力田包括对应于图1的多个风轮机。每个风轮机包括对应于图2和3的相应图示的电网侧转换器控制系统231和发电机侧转换器控制系统321。风轮机通过相应的变压器144连接到风电场电网并且连接到风力部分通信网络(未示出)。风轮机被控制设备(场区操纵)控制，所述控制设备基于诸如涉及例如风电场电网中的功率、电压、电流、相位等的测量数据之类的各种内部参数和诸如来自外部公用电网的测量和状态数据之类的外部参数来控制单独的风轮机。该控制的一部分在于将功率参考值通过风电场通信网络馈送到每个风轮机以便控制由每个风轮机产生的功率量。如果发生使通过风电场内负载的功率消耗成为必需的情形，例如，其中外部公用电网断开或者不能消耗由风电场产生的一些或所有功率的情形，则控制设备将生成一个或多个负功率参考值，使得接收(这些)负功率参考值的(多个)风轮机将在它/它们将被逆风驱动的意义上产生负功率并且由此，通过在相反方向上旋转，充当消耗过量功率(即风电场不能递送到外部公用电网的功率)的负载。
[0059]根据本发明的控制设备提供了在短期功率系统稳定性中的显著改善而不招致显著的附加成本。更特别地，控制设备允许风电场以有效方式应对短期HVDC故障和低电压穿越而无需附加的硬件，诸如电阻器组。此外，控制设备能够在没有诸如电阻器组之类的专用负载的情况下应对黑启动。
[0060]要指出，术语“包括”不排除其它元件或步骤并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。而且，与不同实施例相关联地描述的元件可以组合。还要指出，权利要求中的参考标记不会被解释为限制权利要求的范围。
【权利要求】
1.一种用于风电场的控制设备，所述风电场包括用于生成电力的多个风轮机，其中所述风轮机通过风电场电网而电互连，所述控制设备包括 确定单元，用于确定是否要启用用于消耗来自风电场电网的电力的风电场负载， 计算单元，用于计算对于多个风轮机中每一个的功率参考值，所述功率参考值指示对应的风轮机应当产生的功率量，以及 传输单元，用于将计算的功率参考值传输到对应的风轮机， 其中，如果确定单元已经确定了要启用风电场负载，则由处理单元计算的至少一个功率参考值为负。
2.根据前项权利要求所述的设备，其中所述传输单元被适配成将功率参考值经由风电场通信网络传输到对应的风轮机。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中计算的功率参考值之和为零。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中计算的负功率参考值的数量等于或大于计算的正功率参考值的数量。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述确定单元被适配成如果以下事件之一发生则确定要启用风电场负载:黑启动、HVDC故障、弱电网传输限制以及低电压穿越。
6.一种用于产生电力的风电场，所述风电场包括 多个风轮机，用于生成电力，所述风轮机通过风电场电网而电互连，以及 根据前述权利要求中任一项所述的控制设备。
7.根据前项权利要求所述的风电场，其中风轮机被适配成响应于接收到负功率参考值而被驱动为电机，从而消耗来自风电场电网的电力。
8.根据前述权利要求6或7所述的风电场，还包括用于吸收电力的负载单元。
9.一种控制风电场的方法，所述风电场包括用于生成电力的多个风轮机，其中所述风轮机通过风电场电网而电互连，所述方法包括 确定是否要启用用于消耗来自风电场电网的电力的风电场负载， 计算对于多个风轮机中每一个的功率参考值，所述功率参考值指示对应风轮机应当产生的功率量，以及 向对应的风轮机传输所计算的功率参考值， 其中，如果已经确定了要启用风电场负载，则所计算的功率参考值中至少一个为负。
10.一种用于控制风电场的计算机程序，所述计算机程序包括计算机可执行指令，其当被计算机运行时使计算机执行根据前述权利要求的方法。
11.一种被适配成响应于接收到负功率参考值而被驱动为电机从而消耗电力的风轮机。
12.通过响应于接收到负功率参考值而将风轮机驱动为电机从而消耗电力来将风轮机作为负载的使用。
【文档编号】F03D9/00GK104279122SQ201410330570
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2013年7月12日
【发明者】B.安德烈森, N.戈尔登鲍姆, M.斯托埃特鲁普, J.蒂斯泰德, 殷波 申请人:西门子公司