专利名称：风电场集流器系统损耗最优化的制作方法
风电场集流器系统损耗最优化
背景技术：
本发明通常涉及控制风电场(windfarm)中的功率损耗，更具体 而言，涉及对无功负荷和风电场电压最优化进行分配以降低集流器系 统(collector system ) 4员库毛的系统和方法。
基于风力涡轮机获取不排放碳基气体的可再生能源，风力涡轮机 预计会成为全世界日益增长的能源。然而，相对于竟争技术，风力涡 轮机系统的发展仍然处在早期阶段。更具体地说，对联合受控风力涡 轮机组或风电场的系统控制仍然处在其幼年时期。
当前的风力涡轮机控制技术一般涉及在各个涡轮机或在系统的 公共汇流点的电压控制和/或有功和无功功率控制。基于损耗降低，在 这些控制方案中通常不考虑系统的效率。
风电场集流器系统的损耗是电阻负荷损耗与集流器系统中的变 压器的空载励磁(no-loadexcitation)损耗之和，其中电阻负荷损耗与 电流值的平方成比例，变压器的空载励-磁损耗与电压的指数幂成比 例。该指数往往大于二。从经验来看，该指数通常接近三。
通过方程1，在任何风电场复功率输出S和电压V的负荷损耗
PlL(S,V)、有时称为传导损耗或"铜，，损耗与在额定功率输出Srated —
额定(名义)电压Vrated的负荷损耗P
LL~rated 有关。
Pll(S，V)
广v, -、2
rated
V 乂
广丄、
V Srated 乂
2
'UL-rated 方禾呈(l)
通过下面的方程，在任何电压V的集流器系统变压器的空载损耗 P见(V)、也称为励磁损耗或"铁"损耗与在额定电压V^d的空载损耗 PNL-rated有关。<formula>formula see original document page 5</formula>方程(2)
其中，N为根据经验所导出的指数，该指数对用于集流器系统的变压 器的磁性设计和材料唯一 。
如方程(3)所示，在任何电压和复功率级的总损耗PL0SS(S, V)是方 程(1)和方程(2)之和。
P應(S,v)-
,v 、
v rated V
s
、2
、Srate(j
'PLL-rated +
V
、N
、Vrated 乂
P，
NL—rated
方程(3)
能够通过V的最优化选择可使总损耗最小化。这可通过将方程(3) 对V微分且在一阶导数是零时计算V值来确定。
对于典型参数，图1示出对于四个不同功率级总损耗随电压值的 变化。在10%功率，低电压最优。在30%功率，接近额定值的电压最 优，而高于该功率级从损耗角度而言高电压最优。图2中以三维图形 式示出了相同信息。
除了控制技术方案以外，还能够通过降低集流器系统电阻(增大导 体横截面积)或设计更高电压的集流器系统来设计较低损耗的集流器 系统。这些备选方案需要大量的设备投资，并且在降低损耗上的节约 通常不务〖正明该设备投资是合算的。
因此，需要提供使系统控制通过无功功率分配和电压控制的最优 化来降低损耗同时基本维持系统的相同物理设备和控制结构的方法。
发明内容
本发明涉及为最小化电损耗而被最优化的风电场系统以及用于 使所述风电场系统中的电损耗最小化的方法。
简要地，根据本发明的一个方面，提供为最小化电损耗而被最优 化的风电场系统。该风电场系统包括多个风力涡轮发电机和包括导体 或导体网络的集流器系统。该集流器系统还包括连接在各风力涡轮发 电机和导体之间的一个或多个变压器的多个变压器，并且包括将风电
5场集流器系统连接到电网的变电站变压器。风电场系统还包括用于监 测风电场系统的电输出和热状况以及各个风力涡轮发电机的输出的 监测系统。控制系统包括到各个风力涡轮发电机上的有功和无功功率 命令以及电压。该系统包含技术作用为使风电场系统的电损耗最小化 的算法。
根据本发明的另一个方面，提供用于控制风电场运行以使电损耗 最小化的方法。该方法包括将多个风力涡轮发电机连接到风电场集流
器系统内的导体或导体网络；通过变电站变压器将风电场集流器系统 连接到电网；监测风电场系统的电输出，监测各个风力涡轮发电机的 输出；以及根据技术作用为将风电场集流器系统的电损耗最小化的算 法，向各个风力涡轮发电机提供电压及有功和无功功率命令。
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特4正、方 面及优点将会变得更好理解。在附图中相同字符表示相同部件，其中 图1为示出对于变化的功率级总功率损耗随电压级变化的曲线
图； 线图3示出三个风力涡轮发电机的简易风电场系统，以阐述用于根 据本发明最小化损耗的最优化无功负荷分配；
图4示出简易风电场系统中的电压和VAR分配与风力涡轮机当 中的标准VAR分配对最优化VAR分配的对比关系；
图5示出采用损耗最小化算法的示例性风电场集流器系统；
图6示出具有采用损耗最小化算法的有载抽头变化控制的示例性 风电场集流器系统；
图7示出用于通过给各个风力涡轮发电机分配无功负荷的算法来 最小化集流器系统损耗的方法的流程图；图8示出用于通过在风电场主变压器的集流器系统侧建立最优化 电压的算法来最小化集流器系统损^>的方法的流程图。
具体实施例方式
本发明的以下实施例具有很多优点，包括在不需要系统硬件改变 的情况下通过无功负荷分配和系统电压控制的最优化来降低风电场 的功率损耗。
风电场集流器系统中的电流流动因系统的电阻而产生损耗。风电 场集流器系统被构造为具有沿其长度方向平行连接的风力涡轮机的 长导体。该导体可以是简易放射状配置、具有一个或多个分支的树枝 状布局或者环状配置。离变电站或公共耦合点更远的风力涡轮发电机 在较长距离上传输其功率，因而比离公共耦合点更近的涡轮机呈现更 多有功和无功功率损耗。此外，对于恒定功率，电流与电压成反比。 通过提高集流器系统电压，输送同样功率需要更少电流。在电缆和变 压器中的导体损耗与电流量的平方成比例。如果能够提高集流器系统 电压，则能够降低导体损耗。风力涡轮机经变压器连接到集流器系统， 变压器具有与负荷无关的励磁损耗，但是励磁损耗随大于2的指数幂 的电压增加。在轻负荷条件下，风电场的电损耗由变压器励磁损耗支 配。在高产出(production)级时，导体损耗占优势。这样，向各个风 力涡轮发电机的VAR产出分配的最优化以及集流器系统电压的最优 化降低了集流器系统的损耗。使这些损耗最小化可获得供应到电网的 更大能量产出，并因而提高风电场所有者的收入。
在第一方法中，目的是管理风电场电压级使得总损耗最小化。为 了便于论述，不考虑风电场集流器系统中的电压量变化，也不考虑风 力涡轮发电机无功功率输出的最优化。可通过在风电场变电站变压器 上使用有载抽头变换器(on-load tap changer)将该构思结合到本发明 中，允许独立于电网电压地调整集流器系统电压。主要约束是，在各 个风力涡轮发电机的电压必须处于对该装置的运行限制内，例如0.9至1.1倍额定电压。对这种控制的功能性要求是，变电站变压器必须 具有足够的抽头范围，以提供将最优化集流器系统电压与实用电网电 压相匹配的比例。该第一方法可应用于具有有载抽头变换能力的风电 场变电站变压器，有载抽头变换能力允许独立于电网电压地调整集流 器电压。在该方法中，将集流器电压最优化以平衡电缆和变压器负荷
损耗之间的权衡(tradeoff)。在轻负荷时，P争低电压以最小化中心损 耗；而在重负荷时，升高电压以对于相同功率减小电流，从而降低电 阻导体损耗。通过利用其中不需要风电场功率因子或电压调整的风力 涡轮发电机反应性能(reactive capability)来调整集流器电压，在有载抽 头变换能力不可用时还可使用该第一方法。提供了其技术效果是通过 控制集流器电压来使风电场的电损耗最小化的算法。
在第二方法中，本发明通过集流器系统电压量的管理和无功功率 产出的分配来降低风电场集流器系统中的功率损耗。在该方法的 一种 实施例中，优先将总风电场VAR产出发送到最接近公共耦合点的风 力涡轮机。连接到集流器系统的其它可控无功功率产生组件还可被用 来控制无功功率的分配。这些装置可包括有策略地安置在风电场的各 部分或分支中以影响无功电流的分配并从而控制功率损耗的电容器 组、可插入式电容器组以及静态无功伏安(var)补偿器。
可通过通用电气(General Electric)将以下发明技术结合到风力控制 (WFMS)的风力发电厂控制系统中。
提供了 一种最优化算法，该最优化算法的技术效果是确定到各个 风力涡轮发电机和变电站变压器抽头的VAR分派命令，因而使风电 场输出最大化，该变电站变压器抽头降低了风电场集流器系统中各馈 电线(feeder)的总损耗。本发明与风电场电压和功率因子调整兼容 且是对其的扩展。当风电场运行于约50。/。VAR产出/消耗时，估计损 耗降低了 2画3%。
该技术能够最优化任何风电场集流器系统设计。在数学上，最优 化问题一般通过使满足某些约束条件的目标函数J(u, x)最小化来描述。
在矩阵表示法中，该运算能够表示为最小化J(u，x)，满足约束 d(u, xh0且e(u, x)《0，其中x表示系统变量(例如母线电压、功率因 子)，u表示控制变量(例如风力涡轮发电机无功功率)，J(u,x)表示目标 函数，d(u,x)表示等式约束，且e(u,x)表示不等式约束。
在方程(3)中提供了目标函数的一个示例。可在本发明中使用该函 数来在满足维持风电场7>共耦合点(point of common coupling: POCC) 的功率因子的条件下使配线损耗(PLOSS)最小化。建立性能分层、因 而加强在节点的子集的更严格电压容限带也是合乎需要的。方程4给 出了应用到风电场系统中的损耗的最小化函数。
最小化 <formula>formula see original document page 9</formula>PF为0.95(过激)的系统约束。
针对图3的简易风电场，图4中示出了用于分配无功负荷Q以使 损耗最小化的、根据本发明的最优化比较。使用每单位(unit)值来 示出本实施例。
为了示出根据本发明的最优化无功负荷分配，图3示出三个风力 涡轮发电机的简化风电场集流器系统。简化网络10包括三个风力涡 轮发电机U0、120和B0，这三个风力涡轮发电机以在POCCl的0.95 功率因子(PF)在1.0 PU的SI 140输送总复功率需求的负荷S5=0.33 +jQ5、 S6=0.33+jQ6、 S7=0.33+jQ7。各风力涡轮发电机经由具有引起 变压器损耗的阻抗0.25 +J0.18的相同变压器115、 125和135馈送主 母线。分别来自风力涡轮发电机110、 120和130的变压输出145、 155 和165连接到在母线2、3和4的公共系统线路，并与电网连接到POCC 连接母线1。
根据在风力涡轮发电机110、 120和130当中总量Q到Q5、 Q6和Q7的分配，简化风电场集流器系统10引起变压器115、 125和135 上的空载损耗以及母线1到2、 2到3及3到4之间的线路损耗。
当将方程4应用到图3的网络10时，满足在POCC 1以0.95 PF 的功率输送的约束，得出图4的结果。
图4示出图3的系统的VAR分配和电压分配与风力涡轮发电机 当中的标准VAR分配和最优化VAR分配的对比关系。左手边的垂直 轴线为PU VAR值，而右手边的垂直轴线为PU电压值，假设母线1 至5被指定在水平轴线上。情形(case)l表示在风力涡轮发电机中在母 线5、 6和7相等地绘制无功功率的标准现有技术方法。情形2表示 根据损耗的最小化的算法在母线5、 6和7的无功功率的最优化值。 基于上述确定，发明系统命令风力涡轮发电机110、 120和130产生 约0.28PUVAR、 0.13 PUVAR和0.06 PUVAR。类似地确定各个风 力涡轮发电机以功率输送和功率因子的其它PU的损耗最小化输出。
在实践中，风电场由很多(有时多于100)独立风力涡轮发电机组
成。虽然这种系统的复杂性远大于简易示例，但是对于此类应用可同
样执行最'J、化处理。电压调节的动态仿真和电子表格(spreadsheet)分析 已经证明了该构思。
图5示出采用损耗最小化算法的示例性风电场集流器系统。风电 场集流器系统200示出了三台风力涡轮发电机201 、 202和203 ，但是， 在实际应用中风力涡轮发电机的数量可广泛扩展。风力涡轮发电机 201 、 202和203提供输出Pi十jQi (207)、 P2 +jQ2 (208)和P3 +jQ3 (209)。 各风力涡轮发电坤几201、 202和203分别通过风力涡轮发电才几集流变 压器210、 211和212连接到集流器母线205，其中变压器表示对集流 器系统的阻抗Zl、 Z2和Z3。风力涡轮发电机集流变压器210、 211 和212可位于离集流母线205变化的物理距离215、 216和217处， 所述物理距离215、216和217表示对系统的不同线路阻抗和电抗(Z4、 Z5和Z6)。也可给集流母线205和风电场主变压器224之间的集流器 系统、例如218(Z7)提供一个或多个风力涡轮发电机负荷的公共通道。虽然为了说明性目的将阻抗示出为离散元件，但是要明白这些阻抗可 以代表表示变化的线路距离的分布式线路元件。
此外，在这个系统中，虽然没有在图5中示出，但是多台风力涡
轮发电机可沿不同引线(leg)以不同长度结合，然后连接到集流器母 线205。其它配置可包括具有一个或多个分支的树枝形布局或环状网 络。虽然这种布局更复杂，但是对这种系统可执行电路建模。
再参考图5,集流器母线205经由风电场主变压器224通过^^共 连接点连接到传输电网225。在POCC 220的感测装置232可以将所 测量的电压、电流、功率因子、有功功率和无功功率信号提供给风电 场控制系统。虽然没有示出，但是感测装置可备选地位于不同于POCC 220的其它位置以侵j是供电压和其它测量，正如在本领域中所7>知的， 该其它位置可以参考POCC 220。在另一实施例中，可基于风电场系 统测量和网络阻抗的知识来计算在公共连接点的信号。此外，为风电 场提供控制系统270。为了控制有功功率和无功功率，向风电场控制 系统270提供参考命令。然而，只向加法器(summer)240提供有无功 负荷参考命令信号Q虹f和无功测量负荷信号Qm(測量的)235。为了确 定到各个风力涡轮发电机的无功负荷分配，向控制函数H(S) 250提供 加法器240的输出。控制函数H(S) 250包含损耗最小化算法248，最 小化算法248的技术效果是基于从Zl 、 Z2和Z3风力涡轮发电机连 接变压器损耗以及从Z4、 Z5和Z6线路损耗与Z7线鴻4员耗而产生的 损耗，通过无功负荷Q,51、 (52252和(53253的分配来使风电场集流 器系统损耗最小化。此外，风电场控制算法可满足各种约束，其中一 种约束可为在POCC的约0.95的功率因子。
在其中至电网的主变压器上存在有载抽头变换能力的风电场中，
可以类似地实行电压控制以使损耗最小化。在这种情况下，可采用将 VAR均等分配到所有风力涡轮发电机的标准方法，但是可控制在风电 场集流器的电压以使损耗最小化。假设有载抽头变换能力允许预期集 流器电压与POCC的所需电网电压匹配，则可采用该方法。基于被均等地命令到各风力涡轮发电机(201， 202， 203)的无功负 荷命令QJ51、 Q2 252和Q3 253，可确定本发明的最小化算法。备选 地，损耗最优化算法可结合VAR分配技术和电压最优化技术。
图6示出具有采用损耗最小化算法的有载抽头变换控制的示例性 风电场集流器系统。具有有载抽头变换能力290的风电场集流器系统 以与图5的风电场集流器系统相类似的方式来构造。在组件和功能未 改变的地方保留图5的参考标号。三台风力涡轮发电机201、 202和 203向系统提供输出Pi+jQt (207)、 P2+jQ2 (208)和P3+jQ3 (209),该 系统的损耗可以建模为包括在风力涡轮发电机连接变压器210、 212 和213中的空载变压器损耗；来自Z2和Z3的变压器负荷损耗；
来自Z4、 Z5和Z6的线路损耗以及来自Z7的公共线路损耗。虽然为了
说明性目的将阻抗示出为离散元件，但是要明白这些阻抗代表表示变 化的线路距离的分布式线路元件。
图6还示出包括控制函数H(s) 250的风电场控制系统270,所述 控制函数H(s) 250基于最小化系统损耗来确定最优化的系统电压设 置。根据损耗最小化算法249，确定风电场主变压器224的集流器母 线侧上的电压V。 233，该电压使上述系统损耗最小化，满足在POCC 220的有功功率和无功功率(分别为Pwf和Qwp)的风电场输出245的约 束。在223的损耗最小化电压与在通过变压器224特性所反映的主变 压器输出222的测量电压VwF对应。H(s) 250提供损耗最小化电压信 号VLM 265。向有载抽头变换器控制290提供VLM 265和VwF反馈信 号255。有载抽头变换器290调整风电场主变压器上的电压抽头设置， 以便在风电场主变压器224的输入223建立损耗最优化电压。损耗最 小化算法249将满足以下约束为在各风力涡轮发电机的输出的电压 (Vl、 V2和V3)必须处于对该装置的运行限制内，例如0.9至1.1 倍额定电压。
图7示出用于通过将无功负荷分配到各个风力涡轮发电机的算法 来最小化集流器系统损耗的方法的流程图。最初，在步骤710，将风电场集流器系统损耗建模为电阻R、电抗X、非线性电导G、电纳B、 电压以及有功和无功负荷的函数。在步骤720, 4是供了包括例如功率 流、功率因子和电压要求的因素的系统约束。在步骤730，由控制接 收风电场无功功率或电压命令。在步骤740,由系统控制接收在POCC 的所感测无功功率。在步骤750，将风电场无功功率命令与所感测无 功功率进行比较。在步骤750,根据损耗最小化算法分配到各个风力 涡轮发电机的无功功率命令。在步骤760,将各个无功功率命令传输 到各个风力涡轮发电机。
图8示出用于通过建立风电场主变压器的集流器系统侧上的最优 化电压的算法来最小化集流器系统损耗的方法的流程图。最初，在步 骤810，将风电场集流器系统损耗建模为电阻R、电抗X、非线性电 导G、电纳B、电压以及有功和无功负荷的函数。在步骤820,提供 系统约束，包括例如在风力涡轮发电机的输出的电压范围的因素。在 步骤830，由系统控制器接收在POCC的风电场有功和无功功率输出。 在步骤840,由系统控制器接收在POCC的所感测电压输出。在步骤 850,根据满足系统约束的损耗最小化算法来确定主变压器的集流器 母线侧上的最佳电压。在步骤870,控制主变压器上的有载抽头变换 器以建立用于损耗最小化的最佳电压。
早期的风电场装装备有调整POCC电压和功率因子量的风电场 控制器，但是直到目前为止，没有一个风电场包含同时调整这些系统 量并最优化损耗的方法。
本发明的一个方面(适用于具有用于主风电场变压器的有载抽头 变换器的风电场集流器系统)包含确定用于最小化损耗的最佳电压并 接着控制抽头变换器以建立最佳电压的算法。本发明的第二方面包含 考虑集流器系统阻抗并以不同VAR输出选择性地操作各涡轮机还同 时维持如在POCC所测量的所需输出的算法。该两种方法都纟是供减少 系统的损耗而无需另外的系统硬件。
虽然本文仅示出和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员可进行很多修改和改变。因此，要理解，随附权利要求书旨在覆 盖落入本发明的实际精神之内的所有此类修改和改变。
标号清单
1公共耦合点
2母线 3母线 4母线
10简化风电场集流系统 110风力涡轮发电冲几 115风力涡轮机变压器 120风力涡轮发电才几 125风力涡轮机变压器 130风力涡轮发电机 135风力涡轮机变压器 140负荷S1 145变压输出 155变压输出 165变压输出 200风电场集流系统 201风力涡轮发电机 202风力涡轮发电才几 203风力涡轮发电机 205风电场集流器母线 207风力涡I^发电^L输出 208风力涡轮发电机输出 209风力涡轮发电机输出 210发电机集流变压器211发电机集流变压器
212发电机集流变压器
215线路距离
216线路距离
217线路距离
218 />共通道
220 7>共耦合点
222主变压器输出侧
223主变压器的集流器系统侧
224风电场主变压器
225传输电网
230无功负荷参考命令信号QREF 232感测装置
235在公共耦合点所测量的Q 240比较器
245在POCC的Pwf、 Qwf风电场输出 247在POCC的Pwf、 Qwf所测量信号 248损耗最小化算法 249损耗最小化算法 250控制函数
251 Ql var命令
252 var命令
253 Q3 var命令 255 VwF反馈信号
265损耗最小化电压信号V^M 270控制系统 280比较器
290有载抽头变换器控制
权利要求
1. 一种用于最小化电损耗的风电场系统，包括多个风力涡轮发电机(201)、(202)、(203)；集流器系统(205)，包括导体(223)及导体网络(215)、(216)、(217)中至少之一，其中，所述风力涡轮发电机(201)、(202)、(203)连接到所述导体(223)或导体网络(215)、(216)、(217)中至少之一；多个变压器(210)、(211)、(212)，包括连接在每个风力涡轮发电机(201)、(202)、(203)与所述导体(215)、(216)、(217)之间的至少一个变压器；变电站变压器(224)，将所述集流器系统(205)连接到电网(225)；监测系统(232)，包括监测所述风电场电输出(245)与热状况以及所述各个风力涡轮发电机(201)、(202)、(203)的输出(207)、(208)、(209)中至少之一；控制系统(270)，包括电压和到所述各个风力涡轮发电机(201)、(202)、(203)的有功和无功功率命令(251)、(250)、(253)；以及算法(220)，所述算法的技术效果是使所述风电场集流器系统(200)的电损耗最小化。
2. 根据权利要求1所述的用于最小化电损耗的风电场系统(200)， 所述导体(223)及导体网络(215)、 (216)、 (217)中至少之一包括放射状配置、树枝状配置和环状配置。
3. 根据权利要求2所述的用于最小化电损耗的风电场系统(200), 所述算法(220)包括确定到所迷各个风力涡轮发电机(201)、 (202)、 (203)的最优化VAR 负荷分配(251)、 (250)、 (253)以使电损耗最小化。
4. 才艮据权利要求3所述的用于最小化电损耗的风电场系统(200), 所述算法(220)包括通过将VAR负荷转移到最接近公共耦合点(220)的所述风力涡轮发电机(201)、 (202)、 (203)来确定到所述各个风力涡轮发电才几的最优 化VAR负荷分配(251)、 (250)、 (253)。
5. 根据权利要求4所述的用于最小化电损耗的风电场系统(200)， 被最小化的所述电损耗包括传导损耗；和 空载(励磁)损耗。
6. 根据权利要求5所述的为最小化电损耗而最优化的风电场系 统(200),其中，被最小化的所述电损耗满足包括下列项的约束在所述公共耦合点(220)维持功率因子、功率流和电压中至少之
7. 根据权利要求2所述的用于最小化电损耗的风电场系统(200), 所述系统还包括具有受控变压器抽头变换器(290)的变电站。
8. 根据权利要求7所述的用于最小化电损耗的风电场系统(200), 所述算法(249)包括确定在所述抽头变换变压器(224)的所述集流器系统侧(223)的最 优化电压以用于电损耗最小化。
9. 根据权利要求8所述的用于最小化电损耗的风电场系统(200)， 其中，被最小化的所述电损耗包括传导损耗；和 空载(励磁)损耗。
10. 根据权利要求9所述的用于最小化电损耗的风电场系统 (200)，其中，被最小化的所述电损耗满足包括下列项的约束在所述公共耦合点(220)并在所述风力涡轮发电机(201)、 (202)、 (203)的电压范围内维持功率因子、功率流和电压中至少之一 。
全文摘要
提供为最小化电损耗而最优化的风电场系统。风电场系统包括多个风力涡轮发电机以及包括导体或导体网络的集流器系统。集流器系统还包括具有连接在各个风力涡轮发电机和导体之间的一个或多个变压器的多个变压器以及将风电场集流器系统连接到电网的变电站变压器。风电场系统还包括用于监测风电场系统的电输出和热状况以及各个风力涡轮发电机的输出的监测系统。控制函数可包括电压以及到各个风力涡轮发电机的有功和无功功率命令。控制函数包含技术效果为使风电场系统的电损耗最小化的算法。
文档编号H02J3/38GK101521388SQ200910128109
公开日2009年9月2日 申请日期2009年2月27日 优先权日2008年2月28日
发明者M·E·卡迪纳尔, N·W·米勒, R·A·沃林, R·W·德尔梅里科 申请人:通用电气公司