用于在与公用电网断开期间协调风电场的控制的方法和控制器与流程

本发明涉及用于在风电场与公用电网断开期间协调风电场的风力涡轮机的控制的方法和控制器。

背景技术：

众所周知，所有的海上设施/单元都要提供独立的电功率的应急源，其应能够在主电源发生故障时接管应急用电器件的供电，例如照明及重要通讯和信号系统等等；并且供电时间周期应对于不同的负载满足从例如几小时到几天的要求。

海上风电场是预计会稳步增长并且安装功率预计会增加的一个典型的海上应用。当整个风电场与陆上电网断开时(例如在输出电缆故障的情形下)，电气系统设计也应符合对于应急辅助设备负载供电的要求，包括导航灯、传感器和通讯装置、暖通设备等等。

专利wo2014082757a1讨论了使用变换器单元进行电气网络连接的方法。由发电机产生的电能经由变换器单元被馈送到电气网络中。如果变换器单元和辅助设备与电气网络断开，辅助设备可在一段可调节的时间周期内由能量存储单元供电。然后，由发电机产生的电能接着经由变换器单元向辅助设备供电。

然而，该方案包含如下缺点：需要独立的设备用于在能量存储单元的能量被消耗时给能量存储单元充电，这将导致成本的增加。

技术实现要素：

因此本发明的目的是提供一种用于在公用电网中的故障期间协调风电场的多个风力涡轮机的控制的方法，功率经由风电场的至少一个电缆被输送至公用电网，其中风力涡轮机包括辅助设备、能量存储系统、发电机、变换器，变换器的功率输入可电气连接至发电机的功率输出且其功率输出可电气连接至辅助设备的功率输入、能量存储系统的功率输入和相对应的电缆，风电场的变电站包括变电站级辅助设备，变电站级辅助设备的功率输入可电气连接至至少一个电缆；方法包括：使电气连接中的每一个断开；根据如下准则来选择多个风力涡轮机中的至少一个风力涡轮机：其中可从选择的至少一个发电机得到的有功功率供给的值的总和等于或高于可由选择的至少一个风力涡轮机的能量存储系统、选择的至少一个风力涡轮机的辅助设备和变电站级辅助设备消耗的有功功率消耗的值的总和；激活选择的风力涡轮机；对于选择的风力涡轮机：将其变换器的功率输入电气连接至其发电机的功率输出，将其变换器的功率输出电气连接至其辅助设备的功率输入、其能量存储系统的功率输入和相对应的电缆；和将变电站级辅助设备的功率输入电气连接至与选择的风力涡轮机电气连接的电缆，激活的风力涡轮机充当用于变电站级辅助设备的有功功率供给。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于执行上面的方法的风电场控制系统。

该方法和使用该方法的控制系统提供了在风电场以孤岛模式操作期间使用由风力涡轮发电机产生的功率向风力涡轮机的辅助设备供电、给风力涡轮机的能量存储系统充电并且向变电站级辅助设备供电的有效且经济的方式。当风力涡轮机能量存储系统向风力涡轮机辅助设备持续供电并因此导致其充电水平降低而需要充电时，该方法和控制系统尤其有效。此外，变电站级辅助设备可以由从选择的风力涡轮发电机馈送的能量来供电。最后，变电站级储能系统可以通过来自选择的风力涡轮机的能量来充电。

附图说明

在下文中将参照在附图中图示出的优选示例性实施例更详细地说明本发明的主题，其中：

图1示意性地图示出根据本发明的实施例的风电场；

图2是图示出用于在公用电网中的故障期间协调根据图1的风电场的风力涡轮机的控制的方法的流程图。

图3示出根据本发明的实施例的风力涡轮机的电路拓扑图。

附图中所使用的附图标记及其含义以简要形式列在附图标记列表中。原则上，同样的部件在附图中设置有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地图示出根据本发明的实施例的风电场。如图1所示，风电场1包括多个风力涡轮机10-15、20-25、30-35、变电站4、至少一个电缆50、51、52和控制系统6。电缆50、51、52中的每一个可经由第一开关7(例如断路器)电气连接至公用电网。第一开关7可以在公用电网中发生故障时被断开。风力涡轮机布置在三个组中，其中组g1由风力涡轮机10-15组成，组g2由风力涡轮机20-25组成，并且组g3由风力涡轮机30-35组成。

组g1的风力涡轮机10-15中的每一个可经由第二开关800-805中的相应的一个第二开关电气连接至电缆50，组g2的风力涡轮机20-25中的每一个可经由第二开关810-815中的相应的一个第二开关电气连接至电缆51，并且组g3的风力涡轮机30-35中的每一个可经由第二开关820-825中的相应的一个第二开关电气连接至电缆52。本领域技术人员应理解，电缆的数量可以等于或高于一个，并且风力涡轮机可以布置在一个或更多组中以将能量输送至一个或多个电缆。在存在有超过一个电缆50、51、52的情况下，风电场1可以包括布置在第一开关7与相应的电缆50、51、52之间并将第一开关7与相应的电缆50、51、52电气连接的母线8。在公用电网与第一开关7之间，在变电站4中可以布置一个或多个变压器以将由风力涡轮机供给的电压变换成更高的电压，并且第一开关7也可以布置在变电站4中。

风力涡轮机10-15、20-25、30-35中的每一个包括发电机100-150、200-250、300-350、变换器101-151、201-251、301-351、辅助设备102-152、202-252、302-352、变压器单元103-153、203-253、303-353和能量存储系统106-156、206-256、306-356。变换器101-151、201-251、301-351的功率输入可电气连接至发电机100-150、200-250、300-350的功率输出，变换器101-151、201-251、301-351的功率输出可电气连接至辅助设备102-152、202-252、302-352的功率输入、能量存储系统106-156、206-256、306-356的功率输入和相应的电缆50、51、52。例如，变压器单元103-153、203-253、303-353具有可电气连接至辅助设备102-152、202-252、302-352的功率输入和能量存储系统106-156、206-256、306-356的功率输入的第一绕组电路、可经由第三开关104-154、204-254、304-354电气连接至变换器101-151、201-251、301-351的功率输出的第二绕组电路、可经由相应的第二开关800-805、810-815、820-825电气连接至至少一个电缆50、51、52中的相应的一个电缆的第三绕组电路，并且变换器101-151、201-251、301-351的功率输入可经由第四开关105-155、205-255、305-355电气连接至发电机100-150、200-250、300-350。相应的发电机100-150、200-250、300-350可以将能量供给至相应的变换器101-151、201-251、301-351。各变换器101-151、201-251、301-351将从发电机100-150、200-250、300-350输送的通常可变频率能量流转换成固定频率能量流，固定频率能量流被供给至电缆50、51、52中的相应的一个电缆、辅助设备102-152、202-252、302-352中的相应的一个辅助设备和能量存储系统106-156、206-256、306-356中的相应的一个的能量存储系统。供给至电缆50、51、52中的相应的一个电缆的固定频率能量流经由相应的第三开关104-154、204-254、304-354、相应的变压器单元103-153、203-253、303-353和相应的第二开关800-805、810-815、820-825来供给。

风电场1还可以包括位于变电站4内的变电站级辅助设备3，其可经由第五开关2和相应的母线8电气连接至电缆50、51、52。通过使第五开关2闭合，能量可以从风力涡轮机10-15、20-25、30-35的所有发电机100-150、200-250、300-350中的一些发电机输送至变电站辅助设备3并由其消耗。

优选地，变电站4进一步包括可经由第六开关5电气连接至至少一个电缆50、51、52的变电站级能量存储系统9。控制系统6可以控制成切换第二开关800-805、810-815、820-825、第三开关104-154、204-254、304-354、第四开关105-155、205-255、305-355、第五开关2和第六开关5的通/断状态。例如，控制系统6可以向开关发送命令使得它们相应地实施切换，或者从开到关或者从关到开。第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和第六开关可以例如是断路器。在正常操作期间，能量可以经由相应的闭合的第二开关800-805、810-815、820-825、相应的闭合的第三开关104-154、204-254、304-354、相应的闭合的第四开关105-155、205-255、305-355、相应的一个电缆50、51、52和闭合的第一开关7从涡轮发电机10-15、20-25、30-35中的相应的一个涡轮发电机输送至公用电网。

电缆50、51、52包括分布电容，分布电容可造成产生无功功率。分布电容的效果通过相应的电缆旁边的电容器c来表示。当多个风力涡轮机10-15、20-25、30-35中的任一个经由相对应的电缆50、51、52将功率供给至变电站级辅助设备3时，在电缆上将产生无功功率。

图2是图示出用于在公用电网中的故障期间协调根据图1的风电场的风力涡轮机的控制的方法。如图2所示，在步骤200中，在风电场中断开电气连接。例如，在公用电网中的故障状态期间，可以断开第一开关7使得风力涡轮机10-15、20-25、30-35与公用电网断开电气连接。例如，断路器自动地断开以保护电路免受由过载或短路引起的损坏。此外，将风力涡轮机10-15、20-25、30-35连接至电缆50、51、52的所有第二开关800-805、810-815、820-825也被断开。第三开关104-154、204-254、304-354和第四开关105-155、205-255、305-355也可以如此。当开关被断开时，控制系统6可以通过控制风力涡轮机的桨叶调节系统使其处于顺桨待机状态。处于待机模式的风力涡轮机(下文中也称作“停用的”风力涡轮机)与主电网断开连接。因此为了确保风力涡轮机(例如风力涡轮机10)的连续待机操作，其辅助设备102的功率输入可以电气连接至其能量存储系统106(例如，不间断电源(ups))的功率输出。典型地ups包括安装在风力涡轮机中或附近的电池和超级电容器组的系统。本领域技术人员应理解，能量存储系统的功率输入和功率输出可以共享相同的端子。之后，一般来说，可以激活风力涡轮机10-15、20-25、30-35，以在由公用电网故障引起的孤岛操作期间为风力涡轮机10-15、20-25、30-35的辅助设备负载和能量存储负载以及风电场1中的变电站级辅助设备负载和变电站级能量存储系统供电。到风力涡轮机的辅助设备和能量存储系统以及变电站级辅助设备的功率源的选择可以通过控制系统6命令第二开关800-805、810-815、820-825、第三开关104-154、204-254、304-354、第四开关105-155、205-255、305-355、第五开关2和第六开关5处于不同的通/断状态来控制。

在步骤201中，根据如下准则来选择多个风力涡轮机10-15、20-25、30-35中的至少一个风力涡轮机。

其中n是选择的风力涡轮机的数量，a是可用的风力涡轮机的数量，其中可用的风力涡轮机是指其在孤岛模式下能够发出比本地ess充电功率和本地辅助设备负载的总和大的本地风力涡轮机功率，b是需要的风力涡轮机的数量，其中其风力涡轮机有功功率产生能力的总和等于或高于可由选择的至少一个风力涡轮机的能量存储系统、选择的至少一个风力涡轮机的辅助设备和变电站级辅助设备消耗的有功功率消耗的值的总和。例如，假设在场景1中，需要的风力涡轮机的数量b等于2，然而可用的风力涡轮机的数量a等于1，例如风力涡轮机10。在该情况中，选择的风力涡轮机的数量n将设定为1，并且将仅选择风力涡轮机10。假设在另一情况场景2中，要求的风力涡轮机的数量b等于2，然而可用的风力涡轮机的数量a也等于3，例如风力涡轮机10、风力涡轮机11和风力涡轮机20。在该情况中，选择的风力涡轮机的数量将设定为2，并且将选择两个风力涡轮机、例如风力涡轮机10和风力涡轮机11。

可以调节可从选择的风力涡轮机的发电机得到的有功功率供给。根据本发明的方法可以进一步包括通过参考功率产生参考值来操作选择的风力涡轮机的发电机的步骤；其中：功率参考值在第一功率产生参考值与第二功率产生参考值之间选择，取较小者；第一功率产生参考值代表由选择的风力涡轮机的发电机产生的最大有功功率供给；并且第二功率产生参考值是以下值的和：可由选择的风力涡轮机的能量存储系统消耗的有功功率消耗、可由选择的风力涡轮机的辅助设备消耗的有功功率消耗、和可由所述变电站级辅助设备消耗的有功功率消耗的预定部分。例如，在场景1中，其中a＝1，b＝2，并且根据上面介绍的准则，选择的风力涡轮机的最终数量n＝1，其中选择了风力涡轮机10。在该情况下，风力涡轮机10的有功功率产生能力小于可由风力涡轮机10的能量存储系统、风力涡轮机10的辅助设备和变电站级辅助设备3消耗的有功功率消耗的值的总和。因此，中央控制器6将命令风力涡轮机10通过参考其等于可从风力涡轮机10的发电机得到的最大有功功率供给的第一功率产生参考值来使风力发电机发电。

在场景2中，其中a＝3，b＝2，并且根据上面介绍的标准，选择风力涡轮机的最终数量n＝2，其中选择了风力涡轮机10和风力涡轮机11。在该情况下，风力涡轮机10和风力涡轮机11的有功功率产生能力大于可由风力涡轮机10和风力涡轮机11的能量存储系统、风力涡轮机10和风力涡轮机11的辅助设备和变电站级辅助设备3消耗的有功功率消耗的值的总和。因此中央控制器6将命令风力涡轮机10和风力涡轮机11通过参考其可如下计算的第二功率产生参考值pref_i来共同承担变电站级辅助设备的有功功率消耗：

pref_i＝pawti+pesswti+kpass

其中，pass是变电站级辅助设备的有功功率负载，pawti是选择的风力涡轮机i的辅助设备负载的有功功率，pesswti是安装在选择的风力涡轮机i中的ess的充电功率，k是预定系数，可以或者设定为1/n，或者由pmax_wti/σpmax_wti计算，即选择的风力涡轮机i的最大有功功率供给能力除以所有选择的风力涡轮机的最大有功功率供给能力的总和。

优选地，为了给变电站级能量存储系统9充电，变电站有功功率消耗值的总和进一步计入所述变电站级能量存储系统的有功功率消耗。在该情形下，选择的风力涡轮机的数量应遵循如下准则：

其中a是可以在孤岛模式下能够发出比本地ess充电功率和本地辅助设备负载的总和大的本地风力涡轮机功率的风力涡轮机的数量，b是需要的风力涡轮机的数量，其中风力涡轮机有功功率产生能力的总和等于或高于可由变电站级能量存储系统、选择的至少一个风力涡轮机的能量存储系统、选择的至少一个风力涡轮机的辅助设备和变电站级辅助设备消耗的有功功率消耗的值的总和。

当考虑到由变电站级能量存储系统产生的影响时，与上面的相比，可以在进一步考虑变电站级能量存储系统的影响下调节可从选择的风力涡轮机的发电机得到的有功功率供给。根据本发明的方法可以进一步包括通过参考功率产生参考值来操作选择的风力涡轮机的发电机的步骤；其中：功率参考值在第一功率产生参考值与第二功率产生参考值之间选择，取较小者；第一功率产生参考值代表由选择的风力涡轮机的发电机产生的最大有功功率供给；并且第二功率产生参考值是以下值的和：可由选择的风力涡轮机的能量存储系统消耗的有功功率消耗、可由选择的风力涡轮机的辅助设备消耗的有功功率消耗、可由所述变电站级辅助设备和所述变电站级能量存储系统消耗的有功功率消耗的预定部分。

例如，在场景1中，其中a＝1，b＝2，并且根据上面介绍的准则，选择的风力涡轮机的最终数量n＝1，其中选择了风力涡轮机10。在该情况下，风力涡轮机10的有功功率产生能力小于可由风力涡轮机10的能量存储系统、风力涡轮机10的辅助设备，变电站级辅助设备3和变电站级能量存储系统9消耗的有功功率消耗的值的总和。因此，中央控制器6将命令风力涡轮机10通过参考其等于可从风力涡轮机10的发电机得到的最大有功功率供给的第一功率产生参考值来使风力发电机发电。

在场景2中，其中a＝3，b＝2，并且根据上面介绍的标准，选择风力涡轮机的最终数量n＝2，其中选择了风力涡轮机10和风力涡轮机11。在该情况下，风力涡轮机10和风力涡轮机11的有功功率产生能力大于可由风力涡轮机10和风力涡轮机11的能量存储系统、风力涡轮机10和风力涡轮机11的辅助设备、变电站级辅助设备3和变电站级能量存储系统9消耗的有功功率消耗的值的总和。因此中央控制器6将命令风力涡轮机10和风力涡轮机11通过参考其可如下计算的第二功率产生参考值pref_i来共同承担变电站级辅助设备和能量存储系统的有功功率消耗：

pref_i＝pawti+pesswti+k(pass+pessss)

其中pessss是安装在变电站中的ess的充电功率，并且其他变量的定义与上面相同，因此这里将不重复。

在步骤202中，控制系统6控制成通过控制风力涡轮机的桨叶调节系统来激活选择的风力涡轮机。例如，在场景1下，其中a＝1，b＝2，选择的风力涡轮机的最终数量n＝1，并且选择了风力涡轮机10。在该情况下，中央控制器将命令风力涡轮机10使其输出断路器800闭合并启动其风力发电机。

在场景2下，其中a＝3，b＝2，选择的风力涡轮机的最终数量n＝2，并且选择了风力涡轮机10和风力涡轮机11。在该情况下，控制器将首先命令使其输出断路器800闭合，以建立电缆50的电压，接着命令风力涡轮机11通过与电缆50的电压和频率同步来启动其风力发电机。同步之后，风力涡轮机1l接着将其输出断路器801闭合，通过这样做以限制浪涌电流通过断路器801，并提高系统的稳定性。

在步骤203中，对于选择的风力涡轮机：将其变换器的功率输入电气连接至其发电机的功率输出；将其变换器的功率输出电气连接至其辅助设备的功率输入、其能量存储系统的功率输入和相对应的电缆。例如，假设选择了风力涡轮机10，并且其电路拓扑示出在图3中。安装在风力涡轮机10中的分布式控制器将使开关107和108闭合以实现能量存储系统和辅助设备的电气连接，其中使用能量存储系统为辅助设备提供电源。同时第四开关105将被闭合以连接发电机的功率输出和变换器的功率输入，此后第三开关104和开关109将被闭合以使用风力功率向本地辅助设备负载和本地ess供电。最后，第二开关800将被闭合以将风力涡轮机10连接至电缆50。

在步骤204中，为了将变电站级辅助设备的功率输入电气连接至与选择的风力涡轮机电气连接的电缆，第五开关2将被闭合，其中被激活的风力涡轮机充当用于变电站级辅助设备的有功功率供给。优选地，为了给变电站级能量存储系统9充电，将变电站级能量存储系统电气连接至与选择的风力涡轮机电气连接的电缆，第六开关5将被闭合。根据图2的方法提供了在风电场以孤岛模式操作期间使用由风力涡轮发电机产生的功率向风力涡轮机的辅助设备供电、给风力涡轮机的能量存储系统充电并且向变电站级辅助设备供电的有效且经济的方式。当风力涡轮机能量存储系统向风力涡轮机辅助设备持续供电并因此导致其充电水平降低而需要充电时，该方法特别有效。此外，变电站级辅助设备可以由从选择的风力涡轮发电机馈送的能量来供电。最后，变电站级储能系统可以通过来自选择的风力涡轮机的能量来充电。

对于多个风力涡轮机中的未选择的风力涡轮机，维持未选择的风力涡轮机的变压器单元的第三绕组与相对应的电缆之间的电气连接的断开。例如，假设风力涡轮机10未被选择，那么其第二开关800将保持断开以与电缆50隔离。

对于多个风力涡轮机中的未选择的风力涡轮机，将其能量存储系统的功率输出电气连接至其辅助设备的功率输入。例如，如图3所示，假设风力涡轮机10未被选择，风力涡轮机10将使开关107和108闭合以实现本地能量存储系统和本地级辅助设备的电气连接，使用能量存储系统为辅助设备提供电源。

对于多个风力涡轮机中的未选择的风力涡轮机，如果风速足够强，并且风力涡轮发电机能够进行孤岛操作，那么风力涡轮机会将其变换器的功率输入电气连接至其发电机的功率输出，并且将其变换器的功率输出电气连接至其辅助设备的功率输入。例如，假设风力涡轮机10未被选择，如图3所示，风力涡轮机10将进一步使第三开关104、第四开关105和开关109闭合，以实现风力风力发电机100、风力变换器101、辅助设备102和能量存储系统106之间的电气连接，使用风力发电机为能量存储系统和辅助设备两者提供电源。在该情况下，风力涡轮发电机的功率参考也可以从第一功率参考值与第二功率参考值之间选取，取较小者，如以下公式所示：

pref＝min(pref1，pref2)

其中pref是未选择的风力发电机的功率参考，pref1是未选择的风力涡轮机的最大风力功率产生能力，pref2是包括未选择的风力涡轮机的辅助设备的有功功率负载和能量存储系统的最大充电功率能力的动作功率消耗值的总和。

虽然已在一些优选实施例的基础上描述了本发明，但本领域技术人员应领会的是，这些实施例绝不应该限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和概念的情况下，对实施例做出的任何变化和修改都应该在本领域普通技术人员的理解范围内，并因此落入由随附权利要求限定的本发明的范围中。