风力发电厂和用于增加风力发电厂的无功功率容量的方法

风力发电厂和用于增加风力发电厂的无功功率容量的方法
【专利摘要】在本公开的多种实施方式中，提供了一种用于在控制风力发电厂时增加风力发电厂的无功功率容量的方法。根据一个实施方式，该方法包括：接收来自电网的无功功率要求。该方法还包括：确定由所述风力发电厂产生的有功功率。根据一个实施方式，该方法包括：基于由所述风力发电厂产生的有功功率检验所述风力发电厂是否满足所述无功功率要求。该方法还包括：控制所述风力发电厂，以当不满足所述无功功率要求时，并且响应于电网事件，将由所述风力发电厂产生的有功功率缩减缩减量。还提供一种相应风力发电厂。
【专利说明】
风力发电厂和用于増加风力发电厂的无功功率容量的方法
技术领域
[0001]本公开描述了总体涉及风力发电厂和用于增加风力发电厂无功功率容量的方法的实施方式。
【背景技术】
[0002]作为可替代能源的清洁且高产源的风能的开发和认可正在激增。风能可以通过风力涡轮发电机捕获，风力涡轮发电机是将风的动能转换成机械能并且随后将机械能转换成电力的旋转机器。常见的水平轴风力涡轮机包括塔、位于塔顶的机舱、以及通过轴被支承在机舱中的转子。该轴直接地或者间接地联接转子与容纳在机舱内的发电机的转子组件。多个风力涡轮发电机可以被布置在一起，以形成风电场或风力发电厂。
[0003]对风力发电的认可的显著增长已使得多个国家和电网运营商实施严格的电网连接要求，也被称为电网规范(grid code)。一些电网规范要求风力发电厂满足特定无功功率要求，使得风力发电厂能够在电网中出现电压扰动期间输入和/或输出无功功率。
[0004]功率因数通常可以被限定为流向负载的实际功率与电路中的视在功率的比率。通常，根据在公共联接点处的绝对功率因数值(其取决于由风力发电厂分派的有功功率)来限定电网要求。
[0005]然而，一些电网规范将其功率因数要求限定为基于WPP的额定值输入或输出的无功功率的量，而不管有功发电如何。同样地，功率因数要求可以被识别为无功功率要求。在这种情况下，要求额外的无功功率补偿以使风力发电厂满足电网规范。通常，该补偿由诸如静态同步补偿器(STATC0M)或静态VAR补偿器(SVR)的动态无功电源提供。然而，这种补偿设备可能非常昂贵，例如，5MVAR STATC0M为US $ lm，这不利地增加了用于实现风力发电厂的基建费用。
[0006]另外，如果由于某种原因，风力发电厂为了电网规范兼容性所依赖的无功功率补偿变得不可用，则可能出现复杂情况。结果是，风力发电厂将不能在全发电时满足电网规范要求，这可能导致对电厂运营商的经济惩罚。

【发明内容】

[0007]因此，期望一种用于控制风力发电厂的方法，该方法可以减少风力发电厂对昂贵的补偿设备的依赖，并且能够提供与电网规范功率因数要求的兼容性。
[0008]根据多种实施方式，提供了一种用于增加风力发电厂的无功功率容量的方法，该方法包括:接收来自电网的无功功率要求;确定由所述风力发电厂产生的有功功率;基于由所述风力发电厂产生的有功功率检验所述风力发电厂是否满足所述无功功率要求；以及控制所述风力发电厂，以当不满足所述无功功率要求时，并且响应于电网事件，将由所述风力发电厂产生的有功功率缩减缩减量。
[0009]根据多种实施方式，提供了一种风力发电厂，该风力发电厂包括:多个风力涡轮发电机;发电厂控制器，该发电厂控制器被配置为:接收来自电网的无功功率要求;确定由所述风力发电厂产生的有功功率;基于由所述发电厂产生的有功功率，检验所述风力发电厂是否满足所述无功功率要求；以及控制所述风力发电厂，以当不满足所述无功功率要求时，并且响应于电网事件，将由所述风力发电厂产生的有功功率缩减缩减量。
【附图说明】
[0010]在附图中，类似参考字符贯穿不同附图总体上指相同部件。附图不必须按比例，强调而不是广泛示出本公开的原理。注意，附图仅示出本公开的实施方式的示例，并且因此不被认为限制本发明的范围，对于本公开来说，可以承认其它等效实施方式。在以下描述中，参考以下附图描述本公开的多种实施方式，在附图中:
[0011]图1示出根据一个实施方式的风力发电厂。
[0012]图2示出Type3风力涡轮发电机的有功和无功功率容量。
[0013]图3A示出根据一个实施方式的风力发电厂的PQ图表。
[0014]图3B示出根据一个实施方式的处于采取缩减的第二状态的风力发电厂的PQ图表。
[0015]图4A示出要求STATC0M符合电网要求的风力发电厂的负载流概述表和PQ图表。
[0016]图4B示出根据一个实施方式的采取缩减的风力发电厂的负载流概述表和PQ图表。
[0017]图5示出根据一个实施方式的用于控制风力发电厂的方法。
[0018]图6不出根据一个实施方式的风力发电厂。
【具体实施方式】
[0019]以下参考附图详细地描述增加风力发电厂无功功率容量的方法和风力发电厂的实施方式。然而，应该理解，本公开不限于具体描述的实施方式。将想到，以下描述的实施方式的多个方面、特征和元件可以被修改，而不改变本公开的本质。另外，对多种实施方式的任何参考将不被解释为在此公开的任何发明主题的一般化并且应当不被认为是所附权利要求的元素或限制，除非在权利要求中明确阐述。
[0020]根据多种实施方式，在特定附图中对给定元件的描述或者特定元件数量的考虑或者使用或者在相应描述材料中对其的参考可以包括在另一个附图或者与其相关的描述材料中识别的相同、等效或者模拟元件或者元件数量。在此的使用是指“和/或”，除非另外特别指出。
[0021]本公开可以描述可以沿多个取向操作的客户电子装置的实施方式，并且因此，应该理解，在以下描述中使用的术语“顶部”、“底部”、“基座”、“向下”、“向一边”、“朝下”等中的任一个是为了方便并且有助于理解相对位置或方向，而不旨在限制记录介质或结合该记录介质的系统或装置或产品的取向。
[0022]可以根据本公开中的多种实施方式呈现提供处理容量的计算系统或控制器或微控制器或任何其它系统。这样的系统可以被认为包括处理器。根据多种实施方式的风力发电厂和在风力发电厂中运行的风力涡轮发电机可以包括控制器，该控制器可以包括例如在由风力发电厂控制器和/或风力涡轮机控制器执行的处理中使用的存储器。在该实施方式中使用的存储器可以是易失性存储器，例如，DRAM(动态随机存取存储器)，或者可以是非易失性存储器，例如，PROM (可编程只读存储器)、EPROM(可擦除PROM )、EEPROM(电可擦除PR0M)，或者可以是闪存，例如，浮栅存储器、电荷俘获存储器、MRAM(磁阻式随机存取存储器)或PCRAM(相变随机存取存储器)。
[0023]在多种实施方式中，“电路”可以被理解为任何种类的逻辑实现实体，该实体可以是执行存储在存储器、固件或其任何组合中的软件的专用电路或处理器。因此，在一个实施方式中，“电路”可以是硬连线逻辑电路或诸如可编程处理器的可编程逻辑电路，例如，微处理器(例如，复杂指令集计算机(CISC)处理器或精简指令集计算机(RISC)处理器)。“电路”还可以是执行软件(例如，任何种类的计算机程序，例如，使用诸如例如Java的虚拟机器代码的计算机程序)的处理器。以下将更详细描述的各个功能的任何其它种类的实现还可以被理解为根据多种另选实施方式的“电路”。类似地，“模块”因此被限定为根据本公开中的多种实施方式的系统的一部分并且可以包括如上“电路”，或者可以据此被理解为是任何种类的逻辑实现实体。
[0024]图1不出根据一个实施方式的风力发电厂。在一个实施方式中，提供风力祸轮机电厂或风力发电厂100。风力发电厂通常被形成为风力发电单元或风力涡轮发电机的集合，使得控制被集中化并且进行到输电网、或电网、或电网、或电力网160的单一联接。在多种实施方式中，风力发电厂100可以连接至电网160。
[0025]在一个实施方式中，风力发电厂100包括:多个输电支路110、112、114，每条输电支路包括电连接到相应输电支路的多个风力涡轮发电机或风力涡轮机120。在一个实施方式中，风力发电厂100包括类似风力涡轮发电机120的机群。风力涡轮发电机121在本公开中被用作用于可以应用至多个风力涡轮发电机120的描述的参考。在其它实施方式中，可以具有连接到风力发电厂中的输电支路的多种风力涡轮发电机。这是因为风力涡轮发电机通常在地里上分布在多种位置，在多种位置处，盛行风将通过不同类型的风力涡轮发电机被更好地利用。在一个实施方式中，存在连接至输电支路110、112,114的两个风力涡轮机。然而，通常不存在关于每输电支路的风力涡轮机的数量的准则，而是简单地通过物理位置的偏好。
[0026]每条输电支路110、112、114通过输电支路断路器130、132、134联接到电厂配电母线136，电厂配电母线136还被已知为主母线。输电支路断路器的功能是防止连接至输电支路的风力涡轮机和风力发电厂的其它部分功率骤增或者形成峰值，这可能当在电网或电厂中存在故障时发生。在这样的实例中，断路器跳脱(trip into)到开路条件并且将输电支路与风力发电厂隔离，直到识别并且寻址到故障为止，并且电气系统后退以重新连接输电支路。
[0027]电厂变电站(plant substat1n)140联接至电厂配电母线136。电厂变电站可以是风力发电厂的物理区域或遍布电厂的聚集数量的特征。在一个实施方式中，变电站140被呈现为位于一个物理区域中。根据该实施方式，变电站140的主要组件是:主变压器142，其将电厂中产生的电力逐步增加至合适电压，以提供到电网160;以及主开关设备144，其限定用于风力发电厂的有源开关。电厂变电站140位于风力发电厂100的输电支路130、132、134与到电网160的公共联接点146之间。
[0028]根据一个实施方式，一些功率补偿设备148与电厂变电站140定位在一起。在一个实施方式中，功率补偿设备148包括多个静态同步补偿器(STATC0M)，但是其它另选设备也是可以的，诸如:开关电容器组、开关电感器组、静止调相器、和同步调相器。功率补偿设备148被用于控制功率因数、所贡献的无功功率的等级、或公共联接点146的电压电平。在其它实施方式中，功率补偿设备可以被分配到并且位于每个风力涡轮发电机120处。
[0029]风力发电厂100的运行由发电厂控制器(“PPC" )150控制，发电厂控制器150将多种基准设置点分派到风力发电厂100中的各个风力涡轮发电机120。发电厂控制器150还从每个风力涡轮发电机120并且从输电支路110、112、114、配电母线136、电厂变电站140和电网160上的多种位置接收测量或输出读数的多个源，并且使用所接收的信息优化对电网的风力发电厂故障电流贡献。发电厂控制器150还可以从风力发电厂100联接到的电网160的电网运营商接收用于运行的设置点。
[0030]根据一个实施方式，风力发电厂100的PPC 150是将电厂100和电厂100中的多个风力涡轮发电机120联接到远程数据控制中心的监视控制和数据采集(SCADA)网络的一部分。电厂SCADA网络可以包括通过所铺设的光纤传输提供的联接在电厂与涡轮机控制器之间的数据传输。
[0031]在一个实施方式中，传感器152设置在公共联接点146处，并且所得到的输出被提供到PPC 150，以用于监测电网160的电特性。电压、电流和功率特性可以被监测，并且通过PPC 150被后处理成多种有用特性格式。
[0032]风力涡轮发电机121可以包括多个转子叶片，所述多个转子叶片驱动机械联接到齿轮箱的旋转主轴，齿轮箱逐步增加用于发电系统122的高速发电机轴的旋转。在一个实施方式中，发电系统122包括双馈感应发电机(发电机轴联接到发电机转子的DFIG或Type3)。在一个实施方式中，发电机是全功率变流器发电机(Type4)发电机。Type4发电机联接到全功率变流器。在本公开的实施方式中描述的方法可应用至Type3和Type4机器。在双馈感应发电机中，机械扭矩被转换成电功率，电功率此后被提供到变频器，以用于进行功率调节。利用在涡轮机中设置的变压器逐步增加变频器的输出，该输出随后产生到输电支路110的额定30kV的电功率(其可以是从1kV至35kV的任何电压额定值)。在多种实施方式中，变压器可以将电功率逐步增加到从1kV至35kV的电压额定值。
[0033]在其它实施方式中，电厂中的涡轮机可以包括具有发电机的发电系统，该发电机可以是单馈同步发电机、感应发电机、永磁体发电机或包括定子绕组的任何其它类型的发电机。另外，其它实施方式中的涡轮机可以包括发电系统，发电系统包括直接驱动或其它另选驱动系统，其免除使用传统齿轮箱。为了满足从动力风捕捉发电的目的，任何风力涡轮机发电系统电气构造都是可以的。
[0034]根据一个实施方式，在正常运行时，风力涡轮发电机121从PPC150接收功率基准，使得产生电功率的受控输出。由PPC 150产生的功率基准取决于电网160运营商经历的电网运行条件、以及用于能量转换的当前经历的风。在一个实施方式中，来自PPC 150的功率基准可以被设置为有功功率基准P*和无功功率基准Q*，向风力涡轮发电机121指示将由风力涡轮发电机121产生和提供的所要求功率量作为风力发电厂对电网160的贡献的一部分。在一个实施方式中，来自PPC 150的功率基准也可以是功率因数基准，功率因数基准可以被限定为实际功率与电路中的视在功率的比率。
[0035]在一个实施方式中，风力涡轮发电机121包括风力涡轮机控制器(未示出)。风力涡轮机控制器包括用于控制风力涡轮机功能性的多个方面的控制能力，例如，机舱偏航和叶片螺距容量方面的风力捕获优化、诸如紧急制动或风力涡轮机停机的紧急过程、或发电控制。在多种实施方式中，风力涡轮机控制器被构造成在防止对风力涡轮机或负载的损害的同时使发电最大化。
[0036]在一个实施方式中，风力涡轮机控制器可以包括风力涡轮机功率控制器124。风力涡轮机功率控制器124可以设置有处理能力，诸如，具有计算机、微处理器、微控制器、数字信号处理(DSP)板、专用集成电路(ASIC)或任何其它，并且具有附加的合适存储器模块或任何非暂时性计算机可读存储介质。
[0037]风力涡轮机功率控制器124被设置用于监视风力涡轮发电机121的发电容量。在多种实施方式中，风力涡轮机功率控制器124联接到PPC 150并且从PPC接收有功功率基准P*和无功功率基准Q*，以用于风力涡轮发电机121到电厂100的供应要求。另外，风力涡轮机功率控制器124联接到风力涡轮机控制器并且与其进行持续通信。在多种实施方式中，关于风力涡轮发电机121的控制的信息被提供到风力涡轮机控制器以用于执行，并且传感器信息被提供到风力涡轮机功率控制器124以用于在优化通过风力涡轮发电机120的发电时使用。在正常运行条件下，涡轮机将遵循来自PPC的P*和Q*基准。
[0038]图2示出Type3风力涡轮发电机121的有功和无功功率容量。在一个实施方式中，Type 3风力涡轮机包括双馈感应发电机作为风力涡轮发电机121的发电系统122的一部分。在该实施方式中，风力涡轮发电机121具有2MW的发电容量。图表200示出了风力涡轮发电机121的PQ容量。如上所述，在风力发电厂中可以利用任何类型的风力涡轮发电机进行发电。
[0039]曲线210示出了风力涡轮发电机121的无功功率容量。可以观察到，风力涡轮发电机121在全有功发电时具有有限无功功率容量，并且在较低有功发电时提供大得多的容量。例如，在2.0MW的风力涡轮发电机输出处，风力涡轮发电机121能够产生0.406MVAR的无功功率输出，而在1.4MW的有功功率输出处，风力涡轮发电机可以产生1.0MVAR的无功功率输出。
[0040]如上所述，功率因数可以被限定为实际功率与电路中的视在功率的比率，值从O到I。使用正号和负号来区分电容运行和电感运行。因此，功率因数可以被限定为:P/S，其中，P是有功功率(以瓦(W)计量)，S是视在功率(以伏-安(VA)计量)。
[0041]此外，交变电流(AC)功率分量可以被表示为为矢量三角形的矢量，使得:S2= P2+Q2，其中，Q是无功功率(以无功伏-安(VAR)计量)。如果Φ是电流与电压之间的相位角，则功率因数等于角度的余弦，即，cos Φ和IP I = I S I cos Φ。
[0042]曲线220示出了风力涡轮发电机在其全额定值处的最大可用无功功率。可以观察至IJ，在无功功率容量曲线210处，风力涡轮发电机121能够提供较大量的无功功率。然而，可以注意到，风力涡轮机的有功发电必须被减少以实现风力涡轮发电机的较高无功功率容量。
[0043]图3A示出了根据一个实施方式的风力发电厂的PQ图表300JQ可以被理解为是指有功功率(P)和无功功率(Q)。在一个实施方式中，提供风力发电厂，风力发电厂100包括多个风力涡轮发电机120，风力涡轮发电机用于将风能转换成电能。在一个实施方式中，风力发电厂包括额定功率均为2MW的22个风力涡轮发电机。同样地，风力发电厂的额定功率为44MW。换句话说，风力发电厂中的22个风力涡轮发电机120能够提供高达44MW的组合有功功率输出。在形成风力发电厂时当然可以使用其它型号和构造的风力涡轮发电机及其组合。
[0044]曲线310提供了风力发电厂100符合的代表性电网规范要求。通常，期望风力发电厂100关于从8MW到44MW的电厂有功功率输出(额定输出)提供大约14.9MVAR的无功功率输出。考虑到负输出，要求曲线310指示从8MW到约22MW的增加无功功率要求，在那里，约_14.9MVAR的无功功率输出被要求用于从22MW到44MW的电厂有功功率输出(额定输出)。
[0045]值得注意的是，即使电网要求要求风力发电厂能够产生相应无功功率，也不必须要求风力发电厂一直注入所指示的无功功率。无功功率通常当存在电网电压的波动或电网电压偏离正常运行范围时被提供给电网。无功功率通常被调节以在电网电压波动期间稳定电网电压。在电网电压波动时，风力发电厂相应地将基于电网电压的无功电流注入提供给电网，当电网电压下降到0.4p.u.时，这可能要求多达1.0p.u.的无功电流。
[0046]如上所述，在电网电压波动的情况期间，要求风力发电厂的无功功率。在实施方式中，波动不具有持久持续时间，例如，从10到20秒。根据多种输电网规范要求，为风力发电厂提供短窗口(例如5秒)，以符合电网规范要求，如曲线310所示。
[0047]曲线320强调了风力发电厂100的无功功率容量。曲线320可以提供风力发电厂在第一正常运行状态下的无功功率容量的代表性前景(outlook)。这样的曲线320被建立作为电网互连研究或者电气初步设计研究的结果或副产品。这样的研究通常在风力发电厂的安装和调试之前进行。针对将被安装的实际电厂设备执行彻底的基于计算机的模拟，以获得关于期望风力发电厂的行为、以及关于电网要求的发电厂的容量的信息。
[0048]无功功率容量曲线320通过多种研究和模拟获得，并且绘制出了关于有功功率输出的风力发电厂的容量。此外，提供了针对在多种电网电压条件下运行的多种曲线。曲线320涉及在0.9p.u.的电网电压下运行，其稍微偏离1.0p.u.的正常运行电网电压。曲线330涉及在1.0p.u.的电网电压下运行，而曲线340涉及在1.1Op.u.的电网电压下运行。由于所得到的响应的类似性，320、330和340共享针对正无功功率容量响应的类似曲线，而320和330共享针对负无功功率容量响应的类似曲线。
[0049]关于风力发电厂100的发电容量可以观察到，当风力发电厂100产生大于31MW的有功发电量时，风力发电厂100将不能产生足够的无功功率以符合由电网规范阐明的无功功率要求310。在一个实施方式中，在电网规范要求310与风力发电厂的无功功率容量320之间提供了交点322，在该交点处，能够在符合针对无功功率容量的电网规范要求的同时提供最大有功功率。
[0050]根据多种实施方式，提供了一种用于控制风力发电厂的方法，该风力发电厂从电网接收功率因数要求或无功功率要求。在实施方式中，无功功率要求是作为针对风力发电厂100联接到的输电网160的电网规范的一部分的曲线310。在实施方式中，无功功率要求还包括由输电网160作出的无功功率请求。在实施方式中，输电网进入电网电压波动期，并且风力发电厂100进入穿越(ride through)模式，其中，无论有或没有由电网160作出的无功功率请求，无功功率都被产生并被提供给电网作为来自电网的无功功率要求的一部分。关于无功功率要求，给风力发电厂100提出关于在由风力发电厂100实际发电时的有功功率的量能够提供特定量无功功率的要求。
[0051]虽然可能不必须要求风力发电厂100关于实际有功发电产生所要求量的无功功率，但是在每个给定时间实例处，它由电网规范要求310管理以能够在请求或要求时提供这样的无功功率。通常，为风力涡轮机提供短窗口(例如，5秒)以符合电网规范中阐明的要求。在这样的时间内，如果在支持电网电压恢复时存在对这样做的需要，则期望风力发电厂在提供这样的量的无功功率时符合电网要求。
[0052]根据多种实施方式，该方法包括:确定由风力发电厂产生的有功功率，并且基于由风力发电厂产生的有功功率检验风力发电厂是否满足无功功率要求。在一个实施方式中，风力发电厂产生超过交点322的有功功率基准的有功功率量，其中，在交点322处，可以提供最大有功功率，同时仍然符合电网要求。在电网要求符合电网规范的情况下，例如，在电网电压波动事件期间，要求来自风力发电厂100的一定量无功功率，但是风力发电厂在其当前运行条件下不能支持这样的所请求量的无功功率。
[0053]根据一个实施方式，该方法包括:控制风力发电厂，以当不满足无功功率要求时将由风力发电厂产生的有功功率缩减缩减量。在一个实施方式中，在要求风力发电厂100符合电网规范要求的事件期间，风力发电厂100的PPC 150执行由多个风力涡轮发电机120产生的有功功率的缩减。在一个实施方式中，执行有功功率的缩减，使得风力发电厂中的多个风力涡轮发电机可以产生一定量无功功率以用于提供给输电网，这符合电网规范要求，特别是无功功率要求。
[0054]在代表性示例中，风力发电厂100中的多个风力涡轮发电机120通常在第一运行状态下运行，并且享有理想运行条件，由此产生44MW的额定有功功率输出。在遇到电网电压偏差时，要求向输电网输入无功功率，以支持电网电压恢复。根据电网规范要求曲线310，假设风力发电厂100给输电网160提供多达14.9MVAR的无功功率。为了使风力发电厂100能够做到这一点，根据本公开的实施方式，在第二运行状态下缩减风力发电厂100的有功功率输出，以改进风力发电厂100的无功功率容量，并且产生所要求量的无功功率。在该代表性示例中，缩减量AP是13MW。
[0055]根据一个实施方式，缩减量可以由无功功率容量曲线320来确定，该曲线通过风力发电厂电网互连研究获得。要求风力发电厂缩减以能够提供所要求的无功功率的有功功率量可以通过比较无功功率容量曲线320与电网规范要求曲线310来确定。通常，有功功率的缩减到交点322，在该交点322处，能够提供最大有功功率同时符合针对无功功率提供的电网规范要求。
[0056]图3B示出根据一个实施方式的在第二状态下采取缩减的风力发电厂的PQ图表302。曲线310提供风力发电厂100符合的代表性电网规范要求。根据一个实施方式，风力发电厂100的有功功率已被缩减了缩减量，使得风力发电厂100能够符合电网要求并且提供无功功率容量。根据风力发电厂100的有功功率缩减，曲线321强调风力发电厂的无功功率容量。在一个实施方式中，风力发电厂的有功功率被缩减到能够提供最大有功功率同时符合针对无功功率容量的电网规范要求的程度。在一个实施方式中，这是交点322。
[0057]另外，图表302中，提供了曲线331和341，它们涉及风力发电厂在1.0p.u.和
1.1p.u.的电网电压下运行的PQ能力。还可以观察到，缩减允许风力发电厂符合在电网电压变化下运行的电网规范要求。
[0058]还应当强调的是，关于本公开的缩减不同于在风力涡轮发电机运行时通常已知的降额(derating)功能。降额功能通常在风力祸轮发电机低于其额定最大功率运行时针对风力涡轮发电机执行，以延长其剩余使用寿命。降额功能通常是半永久事件，其中，一旦在降额时确定并激活了运行参数以产生降额功率，风力涡轮发电机就不会恢复到先前运行设置，并且产生比降额功率更高的功率。
[0059]在本公开中，风力发电厂的缩减旨在是动态的和可调整的，并且提供了不损害风力发电厂的有功发电同时在适当时间符合无功功率或功率因数要求的解决方案。
[0060]根据一个实施方式，风力发电厂100的有功功率从44MW的额定最大有功功率提供被缩减为3IMW，该最大量有功功率可以被提供并且仍然符合电网规范无功功率要求。在一个实施方式中，缩减是风力发电厂的额定有功发电容量的约30%。根据多种实施方式，缩减量从电网互连或电气初步设计研究得出。
[0061 ]在一个实施方式中，风力发电厂100的有功功率在单一步骤中被缩减。根据一个实施方式，风力发电厂100的PPC 150根据电网互连研究得到电厂缩减量，并且然后确定针对电厂中的每个风力涡轮发电机的涡轮机缩减量。在代表性示例中，确定要求风力发电厂100缩减13MW的其当前产生的有功功率，以符合无功功率要求。根据一个实施方式，在风力发电厂100中总计缩减13MW时，PPC 150可以简单地要求风力发电厂中的22个风力涡轮发电机中的每个将其当前有功发电缩减约0.6MW。
[0062]根据一个实施方式，控制风力发电厂中的风力涡轮发电机以用于基于分布式缩减的缩减。根据一个实施方式，根据优先级列表，缩减由风力发电厂中的多个风力涡轮发电机产生的有功功率。在一个实施方式中，PPC 150连续地监测风力发电厂中的风力涡轮发电机的有功发电，并且将发电输出编辑为列表。这样的列表按照所产生的相对最高量的有功功率进行排序(sort)，并且该列表还可以提供或基于额定功率按照运行效率或输出百分比进行排序，例如，额定功率为2MW产生1.6MW功率的风力涡轮发电机可以被认为以80 %的运行效率运行。
[0063]在代表性示例中，包括22个风力涡轮发电机且额定功率为44MW的风力发电厂正在产生大约37.4MW的有功功率，或以约85%的效率运行。因此，可以确定不是所有22个风力涡轮发电机都以100%的运行效率运行。通常，电厂中的风力涡轮发电机由于不同风力条件、不同运行设置、不同健康状态等，不以相等效率运行。根据一个实施方式，PPC确定将被缩减的有功功率量。在本示例中，缩减量为6.4MW。在一个实施方式中，PPC基于风力发电厂中的风力涡轮发电机的当前运行效率编辑这些风力涡轮发电机的列表并且对其进行排序。
[0064]在一个实施方式中，PPC识别风力发电厂的当前运行效率和所要求的运行效率以符合电网要求。根据代表性示例，PPC识别当前运行效率为85%，并且所要求的运行效率为大约70%。在一个实施方式中，PPC识别风力涡轮发电机在运行效率以上运行。根据一个实施方式，在缩减由风力发电厂中的其余风力涡轮发电机产生的有功功率之前，PPC首先缩减由在所述运行效率以上运行的所识别的风力涡轮发电机产生的有功功率。
[0065]在一个实施方式中，PPC根据优先级列表识别在70%效率以上运行的风力涡轮发电机的数量。PPC此后向所识别的风力涡轮机提供将所识别的涡轮机的有功功率输出缩减到70%的参考和指令。根据一个实施方式，70%基于风力涡轮发电机无功功率容量被确定。从图1中可以观察到，用于获得最大有功功率和最大可能无功功率的最有效运行设置发生在1.4MW输出处或额定功率的70%处。这样的方案允许用于容易识别和容易控制。
[0066]在一个实施方式中，PPC根据优先级列表识别在85%的效率以上运行的风力涡轮发电机的数量。PPC此后将6.4MW的电厂缩减量平均分配在所识别的风力涡轮发电机之间，并且将缩减有功功率输出的参考和指令提供给所识别的风力涡轮机。在其它实施方式中，PPC可以识别在80%或75%或70%以上运行的风力涡轮发电机。这种方案的优点在于，缩减仅影响相对少的涡轮机，允许电厂中的其余风力涡轮机能够继续运行而不中断。
[0067]在一个实施方式中，PPC识别将执行缩减处理的运行有效的风力涡轮发电机的数量。例如，识别电厂中的5个最高发电涡轮机。此外，此后确定将从所识别的风力涡轮发电机缩减的电厂缩减量的百分比。在该示例中，5个所识别的风力涡轮机中的每个都将承担6.4MW的缩减量的20% (S卩1.28丽)以用于缩减有功功率。根据一个实施方式，将被识别的风力涡轮发电机的数量可以基于所确定的电厂缩减量的百分比。例如，将由风力涡轮机缩减12.5 %的百分比量将使得8个涡轮机被识别以用于缩减。
[0068]上述缩减方案是通过在控制风力发电厂时给电厂运营商提供选项得到的。这样的方案提供了以下优:以有功发电的较低效率运行的风力涡轮发电机已被认为准备好支持电网无功功率要求。
[0069]根据一个实施方式，缩减可以被分成多个步骤。在实施方式中，由风力发电厂产生的有功功率在两个步骤中被缩减所述缩减量。根据代表性不例，13MW的缩减量可以被分为每个步骤6.5MW。换句话说，缩减可以在两个0.15p.u.步骤中发生。
[0070]根据一个实施方式，如果风力发电厂在70%至90%之间运行，并且请求高无功功率需求，并且风力发电厂在I秒内不满足该需求，则缩减可以在两个6.5MW步骤中执行。划分缩减量在风力涡轮发电机发电少于2MW的情况下是有利的，一些WTG可以比其它WTG提供更多无功功率。由于这样的特性，较小缩减有时足以使电厂符合电网要求。这种方案的优点在于，需要缩减减少数量的风力涡轮发电机、以及减少量的有功功率。
[0071]根据一个实施方式，在执行缩减时，PPC利用优先级列表。在一个实施方式中，缩减
6.5MW或0.15p.u.的第一步骤可以由正以高于涡轮机的额定Mff的70 %的效率发电的风力涡轮发电机执行。对于2MW机器，如果风力涡轮发电机正发电多于1.4MW，则它应落在优先级列表中的缩减阈值内。优先级列表可以根据所设定的采样时间被更新。在一个实施方式中，采样时间为I秒。如果第一步骤缩减不足以使风力发电厂兼容，则0.15p.u.缩减的下一个步骤可以相等地分配给所有WTG。在另一个实施方式中，第二缩减步骤可以涉及所识别数量的风力涡轮机。
[0072]根据一个实施方式，由风力发电厂产生的有功功率在三个步骤或四个步骤中被缩减缩减量。通过分解缩减量，并且逐渐缩减有功功率，风力发电厂可以调整被缩减的有功功率量并且可以减少受影响的风力涡轮发电机的数量。
[0073]—般地，对所涉及的缩减步骤的数量的限制可以是针对风力发电厂符合电网规范的时序要求。例如，针对输电网的特定电网规范提供针对风力发电厂的5秒要求，以符合到电网的所要求的无功功率注入。同样地，根据本公开的实施方式，在逐步缩减时通常考虑平衡。
[0074]这种平衡的实现可能受风力涡轮发电机发电系统中的发电机的倾斜下降率不利地影响。多种类型的发电机可以例如具有0.2p.u./sec的倾斜下降率。施加这种物理限制可能要求PPC启动比必要更多的涡轮机以在步骤中实现缩减，或限制可能采用的步骤的数量。
[0075]在多种实施方式中，风力发电厂的风力涡轮发电机利用快减负荷方案(fastrunback scheme)以在实现缩减处理时快速地按比例缩减有功发电和提供。在快减负荷方案中，风力涡轮发电机能够很快地按比例减少到其标称运行功率的大约20%，而没有在风力涡轮机的机械部件上的过度或附加显著负载。在快减负荷方案中执行的其它操作中，即使技术限制阻碍发电机的倾斜下降率，这也可以通过消耗通过电阻器组产生的多余有功功率发生。同样地，利用用于缩减风力蜗轮发电机有功功率的快减负荷方案允许满足来自电网规范的时序要求，并且在从哪些涡轮机缩减功率的实际决定时提供灵活性。根据一个实施方式，利用快减负荷还允许更短采样时间周期。在一个实施方式中，有功采样时间可以是
0.5秒。根据一个实施方式，风力发电厂中的风力涡轮发电机能够在要求无功功率提供的电网事件已经停止之后执行有功发电的快速倾斜升高。在实施方式中，风力涡轮发电机能够以高达480KW/S的速率或更高速度倾斜升高。
[0076]图4A示出要求STATC0M符合电网要求的风力发电厂的负载流概述表和PQ图表。根据代表性示例，包括多个风力涡轮发电机的风力发电厂被提供有标称额定功率26MW。图表400包括电网PQ要求410的指示，其中可以观察到，要求当风力发电厂产生26MW的有功功率输出时，该风力发电厂提供大约9MVAR的无功发电容量。
[0077]另外，在该代表性示例中，该风力发电厂包括STATC0M以支持风力发电厂的无功功率容量。在该示例中，安装在风力发电厂中的STATC0M能够进行6MVAR运行。曲线421、422、423涉及根据该代表性示例的风力发电厂的无功功率容量，分别对应于0.94、1.0和
1.06p.u.电网电压。可以观察到，该涡轮机的无功功率容量在有功发电的每个点处都符合电网要求410AMVAR STATC0M的提供将正偏移和补充提供给风力发电厂的实际无功功率容量。然而，还应该指出，这种电厂补偿设备的成本可能多于百万美元，这影响风力发电厂规划中的资本考虑和投资回报计算。图4A进一步提供了统计数字，示出了代表性风力发电厂如何运行。
[0078]图4B示出了根据一个实施方式的进行缩减的风力发电厂的负载流概述表和PQ图表。在图表450中，为额定功率为26MW的风力发电厂类似地提供电网PQ要求410。曲线461、462、463示出了根据该代表性示例的风力发电厂的无功功率容量，但是没有STATC0M以补充其容量。可以观察到，当风力发电厂提供过去22MW的有功发电时，风力发电厂将不符合无功功率电网要求410。
[0079]根据一个实施方式，响应于可以包括来自电网的无功功率请求或电网电压的偏差的电网事件，风力发电厂要求风力发电厂支持无功功率，从第一正常运行状态转变为第二缩减状态。关于该代表性示例，风力发电厂执行4MW到22MW的缩减，这与风力发电厂在符合无功功率要求时可以提供的有功功率的最大量有关。
[0080]标绘线470示出了施加到以22MW有功发电运行的风力发电厂的PQ电网要求。可以观察到，当缩减时，风力发电厂符合由电网运营商设定的无功功率要求。另外且有利地，一旦电网事件终止，风力发电厂就能够从第二缩减状态转变回第一正常运行状态，并且根据风力条件继续产生额定电平的有功功率输出。同样地，可以提供与电网要求的兼容性，而无需物理补偿设备的额外费用。图4B进一步提供了统计数字，示出了根据一个实施方式的缩减方法的可行性。
[0081]图5示出了根据一个实施方式的用于控制风力发电厂的方法500。在一个实施方式中，该方法是用于增加风力发电厂的无功功率容量的方法。在510中，该方法包括接收来自电网的无功功率要求。在520中，该方法包括确定由风力发电厂产生的有功功率。在530中，该方法包括基于由风力发电厂产生的有功功率检验风力发电厂是否满足无功功率要求。在540中，该方法包括控制风力发电厂，以当不满足无功功率要求时，并且响应于电网事件，将由风力发电厂产生的有功功率缩减缩减量。
[0082]通过提供用于增加风力发电厂无功功率容量的这样的方法，风力发电厂被提供有在当电网要求无功功率来支持电网电压恢复时的适当时间遵守电网规范无功功率要求的容量。在不需要昂贵的电厂补偿设备的情况下，实现这样的容量。随着这样的电厂支出平衡的降低(其直接贡献于能量的成本)，风力发电厂进行更好的商业案例研究，并且改进交易确定性。
[0083]此外，该方法还提供用于降低由于不满足无功功率要求使得风力发电厂运营商被电网运营商惩罚的概率，特别是在补偿设备不可用的情况下。通过该方法，也可以基于来自电网的Q要求，动态地调节电厂的重估。有利的是，符合电网规范要求可以通过软件或固件改进实现，而没有实际昂贵设备或硬件改变。
[0084]在一个实施方式中，该方法还包括:基于风力发电厂的电特性确定缩减量。
[0085]在一个实施方式中，该方法还包括:通过根据电特性识别满足无功功率要求的最大有功功率量来确定缩减量。
[0086]在一个实施方式中，该方法还包括:控制风力发电厂，以在单个步骤中将由风力发电厂产生的有功功率缩减所述缩减量。
[0087]在一个实施方式中，该方法还包括:控制风力发电厂，以在多个步骤中将由风力发电厂产生的有功功率缩减所述缩减量。
[0088]在一个实施方式中，该方法还包括:控制所述风力发电厂中的多个风力涡轮发电机，以将由所述多个风力涡轮发电机产生的有功功率缩减所述缩减量。
[0089]在一个实施方式中，该方法还包括:由所述多个风力涡轮发电机产生的有功功率的分布式缩减。
[0090]在一个实施方式中，该方法还包括:首先缩减由在运行效率以上运行的风力涡轮发电机产生的有功功率。
[0091]在一个实施方式中，该方法还包括:根据优先级列表，缩减由多个风力涡轮发电机产生的有功功率。
[0092]在一个实施方式中，该方法还包括:当电网事件终止时，停止缩减由风力发电厂产生的有功功率。
[0093]提供了一种风力发电厂600。在一个实施方式中，风力发电厂被构造为执行用于控制风力发电厂的上述方法。在一个实施方式中，风力发电厂被构造为执行用于增加风力发电厂无功功率容量的方法。风力发电厂600包括多个风力涡轮发电机610。风力发电厂600还包括发电厂控制器620。根据一个实施方式，发电厂控制器620被构造为接收来自电网的无功功率要求;确定由所述风力发电厂产生的有功功率;基于由发电厂产生的有功功率检验风力发电厂是否满足无功功率要求；以及控制风力发电厂，以当不满足无功功率要求时，并且响应于电网事件，将由风力发电厂产生的有功功率缩减缩减量。
[0094]在一个实施方式中，缩减量基于风力发电厂的电特性被确定。
[0095]在一个实施方式中，缩减量通过根据电特性识别满足无功功率要求的最大有功功率量被确定。
[0096]在一个实施方式中，在单个步骤中将由风力发电厂产生的有功功率缩减所述缩减量。
[0097]在一个实施方式中，在多个步骤中将由风力发电厂产生的有功功率缩减所述缩减量。
[0098]在一个实施方式中，控制风力发电厂中的多个风力涡轮发电机，以将由所述多个风力涡轮发电机产生的有功功率缩减所述缩减量。
[0099]在一个实施方式中，基于分布式缩减控制所述多个风力涡轮发电机。
[0100]在一个实施方式中，首先缩减由在生产力阈值以上运行的风力涡轮发电机产生的有功功率。
[0101]在一个实施方式中，根据优先级列表，缩减由所述多个风力涡轮发电机产生的有功功率。
[0102]在一个实施方式中，当电网事件终止时，停止缩减由风力发电厂产生的有功功率。
[0103]根据多种实施方式，提供了至少一个计算机程序产品，其可直接加载到设置在风力发电厂中的至少一个数字计算机的内部存储器中，包括软件代码部分，所述软件代码部分用于当所述至少一个产品在所述至少一个计算机上运行时，执行根据本公开的实施方式的方法的步骤。
[0104]在多种实施方式中，用于执行风力发电厂中的运行功能的控制器(例如包括但不限于，发电厂控制器、发电厂控制器、SCADA控制器、风力涡轮机控制器、风力涡轮机功率控制器、或无功电流控制器)包括被构造成接收计算机程序产品的数字计算机。在实施方式中，设置在风力发电厂中的数字计算机与整个系统同步并且作为其一部分协同工作。
[0105]在相应附图中描述和示出的以上装置、方法和/或系统不旨在限制根据实施方式的一个或任一个装置、方法或系统和本公开的范围。说明书明确地或隐含地还包括可以被包含在根据本公开的装置、方法或系统内的根据本公开的方法或系统的多种特征和优点。
[0106]虽然已参考特定实施方式特别示出和描述了本公开的实施方式，但是本领域技术人员应该理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，在此进行形式和详情的多种改变。本公开的范围因此由所附权利要求指示，并且因此旨在涵盖落入权利要求的等价物的意义和范围内的所有改变。
【主权项】
1.一种用于增加风力发电厂的无功功率容量的方法，所述方法包括: 接收来自电网的无功功率要求； 确定由所述风力发电厂产生的有功功率； 基于由所述风力发电厂产生的所述有功功率，检验所述风力发电厂是否满足所述无功功率要求;以及 控制所述风力发电厂，以当不满足所述无功功率要求时，并且响应于电网事件，将由所述风力发电厂产生的所述有功功率缩减一缩减量。2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括:基于所述风力发电厂的电特性确定所述缩减量。3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括:通过根据所述电特性识别满足所述无功功率要求的最大有功功率量来确定所述缩减量。4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括:控制所述风力发电厂，以在单个步骤中将由所述风力发电厂产生的所述有功功率缩减所述缩减量。5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括:控制所述风力发电厂，以在多个步骤中将由所述风力发电厂产生的所述有功功率缩减所述缩减量。6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括:控制所述风力发电厂中的多个风力涡轮发电机，以将由所述多个风力涡轮发电机产生的有功功率缩减所述缩减量。7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括:由所述多个风力涡轮发电机产生的所述有功功率的分布式缩减。8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括:首先缩减由在运行效率以上运行的风力涡轮发电机产生的所述有功功率。9.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括:根据优先级列表缩减由所述多个风力涡轮发电机产生的所述有功功率。10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法还包括:当所述电网事件终止时，停止缩减由所述风力发电厂产生的所述有功功率。11.一种风力发电厂，所述风力发电厂包括: 多个风力涡轮发电机； 发电厂控制器，所述发电厂控制器被配置为: 接收来自电网的无功功率要求； 确定由所述风力发电厂产生的有功功率； 基于由所述发电厂产生的所述有功功率，检验所述风力发电厂是否满足所述无功功率要求；以及 控制所述风力发电厂，以当不满足所述无功功率要求时，并且响应于电网事件，将由所述风力发电厂产生的所述有功功率缩减一缩减量。12.根据权利要求11所述的风力发电厂，其中，所述缩减量基于所述风力发电厂的电特性被确定。13.根据权利要求12所述的风力发电厂，其中，通过根据所述电特性识别满足所述无功功率要求的最大有功功率量来确定所述缩减量。14.根据权利要求11至13中的任一项所述的风力发电厂，其中，由所述风力发电厂产生的有功功率在单个步骤中被缩减所述缩减量。15.根据权利要求11至14中的任一项所述的风力发电厂，其中，由所述风力发电厂产生的有功功率在多个步骤中被缩减所述缩减量。16.根据权利要求11至15中的任一项所述的风力发电厂，其中，控制所述风力发电厂中的多个风力涡轮发电机，以将由所述多个风力涡轮发电机产生的所述有功功率缩减所述缩减量。17.根据权利要求16所述的风力发电厂，其中，基于分布式缩减控制所述多个风力涡轮发电机。18.根据权利要求16所述的风力发电厂，其中，首先缩减由在生产力阈值以上运行的风力涡轮发电机产生的有功功率。19.根据权利要求17所述的风力发电厂，其中，根据优先级列表缩减由所述多个风力涡轮发电机产生的有功功率。20.根据权利要求19所述的风力发电厂，其中，当所述电网事件终止时，停止缩减由所述风力发电厂产生的有功功率。21.至少一个计算机程序产品，所述至少一个计算机程序产品能够直接加载到设置在风力发电厂中的至少一个数字计算机的内部存储器中，所述至少一个计算机程序产品包括软件代码部分，所述软件代码部分用于当所述至少一个产品在所述至少一个计算机上运行时，执行根据权利要求1至10中的任一项所述的方法的步骤。
【文档编号】F03D7/04GK105850000SQ201480067149
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年11月25日
【发明人】M·古普塔, A·萨布尔
【申请人】维斯塔斯风力系统有限公司