用于在孤岛操作的黑启动期间协调风电场的控制的方法与流程

本发明涉及用于协调风电场的控制的方法，并且更特别地涉及用于在孤岛操作的黑启动期间协调风电场的控制的方法。

背景技术：

已经知道，在所有的海上风电场中，当主电源发生故障时，要为应急消耗器、例如照明和信令系统等等的电源提供独立的电功率的应急源；并且供给时间周期应满足对于不同的负载从例如几小时到几天的要求。此外，考虑到在该孤岛操作中可能的完全熄火情况，在电气系统中还要求用于海上风电场辅助电源的稳定的黑启动控制。

由专利ep1752659b公开了使用柴油发电机组来供给辅助负载的解决方案。从该专利的教导可知，黑启动序列通过首先检测主电源的故障、其次启动紧急电源装置的操作并且第三以受控的方式(应急发电机的电流限制)增加风力涡轮机辅助负载来执行。然而，在该情形下，来自电缆阵列的充电功率(容性无功功率)仍需要由柴油发电机吸收，这会导致柴油发电机的尺寸过大问题。

为了解决该尺寸过大问题，在专利ep2503146b1中公布了使用风力涡轮机变换器吸收来自电缆系统的无功功率的另一解决方案。根据该专利的教导，黑启动序列通过以下来执行：首先检测主电源的故障、其次启动柴油发电机、第三将一个风力涡轮机连接上并启动其电网侧变换器以吸收无功功率并且最后重复步骤三以逐个启动风力涡轮机变换器直到每一个风力涡轮机被连接上。来自专利ep2503146b1的解决方案经受如下缺点中的至少一个：1.未充分利用外部发动机的可用容量；2.可能会发生电缆产生的无功功率的过冲，其在合闸风力涡轮机变换器之前不可能被吸收；3.用于黑启动的完成的周期相对长；4.外部发电机消耗燃料用于至辅助负载的有功功率供给。

技术实现要素：

因此本发明的目的是提供一种用于在孤岛操作的黑启动期间协调风电场的控制的方法，包括：选择风电场中的导体，外部发电机能够经由该导体电气连接至风电场的至少一个风力涡轮机的辅助设备以将有功功率输送至风力涡轮机的辅助设备，其中选择的导体能够电气连接至风力涡轮机的变换器；和选取风力涡轮机中的至少一个，其中选取的风力涡轮机的变换器可以在电压施加在选择的导体的至少两个部分之间时吸收由选择的导体产生的无功功率的量的一部分；在功率极限曲线周围的操作区域中操作外部发电机以输出能量；经由选择的导体将外部发电机的输出与风力涡轮机的辅助设备电气连接；经由选择的导体将外部发电机的输出与选取的风力涡轮机变换器电气连接；和通过外部发电机和选取的风力涡轮机变换器来吸收由选择的导体产生的无功功率，使得外部发电机的操作点被保持在功率极限曲线周围的操作区域内。通过进行根据本发明的方法，可以充分利用外部发电机的可用容量。

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；和

图2是图示出用于在孤岛操作的黑启动期间协调风电场的控制的方法的流程图。

图3是制造商提供的外部发电机的功率极限曲线的示例。

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、包括至少一个电缆50、51、52的导体和控制系统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可以在发生公用电网中的故障时被断开。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中的相应的一个电气连接电气连接至电缆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中的相应的一个电气连接电气连接至电缆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，导体进一步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电气连接电气连接的母排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较高的电压，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和变压器单元103-153、203-253、303-353。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中的相应的一个的第三绕组电路，并且变换器可经由第四开关105-155、205-255、305-355电气连接至发电机。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输送的大体变频率能量流转换成供给至电缆50、51、52中的相应的一个的能量流。供给至电缆50、51、52中的相应的一个的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还包括位于变电站4内的外部发电机9，其可以是可经由第五开关2和相应的母排8电气连接至电缆50、51、52的。外部发电机可以是例如柴油发电机。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和第五开关2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动作切换，或者从开到关或者反之亦然。第二开关、第三开关、第四开关和第五开关可以例如是断路器。电缆开关s41、s42、s43分别布置成将母排8与电缆50、51、52中的相应的一个电气连接。控制系统6进一步适于控制电缆开关s41、s42、s43的断开/闭合以便将电缆与母排电气连接/断开连接。

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、电缆50、51、52中的相应的一个和闭合的第一开关7被从风力涡轮机10-15、20-25、30-35中的相应的一个被输送至公用电网。

电缆50、51、52包括可造成无功功率的产生的分布电容。分布电容的效果通过相应的电缆之外的电容器c来表示。

在故障状态期间，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的第二开关800-805、810-815、820-825中的所有也被断开。第三开关104-154、204-254、304-354和第四开关105-155、205-255、305-355及电缆开关s41、s42、s43也可以如此。

之后，一般来说，可以启动柴油发电机9以在由故障引起的孤岛操作的黑启动期间供给风电场1中的风力涡轮机10-15、20-25、30-35的辅助负载。由外部发电机9向风力涡轮机的辅助设备的能量的供给可以通过命令第二开关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和第五开关2的不同的通/断状态的控制系统6来控制。图2是图示出用于在孤岛操作的黑启动期间协调风电场的控制的方法的流程图。

步骤200是选择风电场1中的导体，外部发电机9可经由该导体电气连接至风电场1的至少一个风力涡轮机10-15、20-25、30-35的辅助设备102-152、202-252、302-352以将有功功率输送至风力涡轮机的辅助设备，其中选择的导体可电气连接至风力涡轮机的变换器。例如，可以是控制系统6选择导体。选择的导体可以是电缆50、51、52中的任一个，并且选择的电缆50、51、52可分别电气连接至组g1(风力涡轮机10-15)、g2(风力涡轮机20-25)、g3(风力涡轮机30-35)的风力涡轮机。或者它可以包括从电缆50、51、52中选择的任何两个或三个和电气连接选择的电缆的母排8，例如选择的导体包括电缆50、电缆51和将电缆50与电缆51电气连接的母排8，或者作为另一示例，选择的导体包括电缆50、电缆51、电缆52和电气连接电缆50、51、52的母排8。

步骤201是选取风力涡轮机10-15、20-25、30-35中的至少一个，其中选取的风力涡轮机的变换器可以在电压施加在选择的导线的至少两个部分之间时吸收由选择的导体产生的无功功率的量的一部分。可以是控制系统6选取风力涡轮机。首先，控制系统6可以获得由选择的导体和电气连接至选择的导体的风力涡轮机的辅助负载所要求的功率的总值pl和ql，其包括由导体产生的和由连接的辅助负载所要求的有功和无功功率的稳态量和峰值量两者。其次，来自外部发电机9的有功功率输出pdg可以被确定为pdg＝pl；第三，来自外部发电机9最大可用无功功率输出qdg_max可以根据由外部发电机9的制造商提供的功率极限曲线(其在图3中以示例示出)来确定。如果qdg_max高于ql，那么来自外部发电机9的无功功率输出可以被确定为qdg＝ql。第四，如果qdg_max小于ql，则控制系统6将外部发电机的无功功率输出确定为qdg＝qdg_max，并接着基于风力涡轮机的容量和状况来评价单个风力涡轮机变换器的无功功率产生容量qw，并接着通过使用准则n≥(qdg_max-ql)/qw来确定需要选取的风力涡轮机的数量n。通过进行这样的计算，可以充分利用外部发电机9的容量，并且可以有效地避免由选择的导体和辅助负载的切换过程引起的外部发电机的潜在的功率过冲。

步骤202是在功率极限曲线周围的操作区域中操作外部发电机9以输出能量。应注意，用于外部发电机9的功率极限曲线是由机器制造商提供的调整参数，在图3中以示例示出。图3中的实线内的区域是外部发电机9的稳定操作区域，这意味着当保持在功率极限曲线周围的操作区域内时可以充分地使用外部发电机的功率产生容量。并且此外，这种操作可以提供外部发电机9的更好的功率效率并且同时确保电压和频率稳定性。[…]将柴油发电机9投入操作以建立整个系统的电压和频率。变电站4的负载自然可以由柴油发电机9供给。

步骤203是经由选择的导体将外部发电机9的输出与风力涡轮机的辅助设备电气连接。例如，控制系统6可以命令第二开关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和电缆开关s41、s42、s43的不同的通/断状态。特别是例如，如果在步骤200中选择导体中的电缆50，那么控制系统6可以命令第二开关800-805和第五开关2及电缆开关s41的通状态，而留下其他开关断开；如果在步骤200中选择导体中的电缆50、51和母排8，那么控制系统6可以命令第二开关800-805、810-815和第五开关2及电缆开关s41、s42的通状态，而留下其他开关断开；并且如果在步骤200中选择导体中的电缆50、51、52和母排8，那么控制系统6可以命令第二开关800-805、810-815、820-825和第五开关2及电缆开关s41、s42、s43的通状态，而留下其他开关断开。通过使相关的开关闭合，有功功率可以被供给至相对应的辅助设备102-152、202-252、302-352。

步骤204是经由选择的导体将外部发电机9的输出与选取的风力涡轮机变换器电气连接。例如，如果在步骤s200中选择电缆50并在步骤s201中选取风力涡轮机10，那么控制系统6可以命令在风力涡轮机10内接通104，并接着完成外部发电机9与风力涡轮机10内的选取的风力涡轮机变换器的电气连接。

步骤205是通过外部发电机9和选取的风力涡轮机变换器来吸收由选择的导体产生的无功功率，使得外部发电机的操作点被保持在功率极限曲线周围的操作区域内。在步骤202中计算用于选取的风力涡轮机的功率参考。通过进行根据本发明的方法，可以充分利用外部发电机的可用容量。优选地，选取的风力涡轮机的发电机的输出经由导体被进一步电气连接至至少一个风力涡轮机的辅助设备，以将有功功率输送至至少一个风力涡轮机的辅助设备。例如，如果在步骤200中选择导体中的电缆50并通过使第四开关105闭合而选取风力涡轮机10，则由选取的风力涡轮机10的发动机100产生的有功功率经由变压器单元103被供给至辅助设备102并经由电缆50被供给至辅助设备112-152；如果在步骤200中选择导体中的电缆50、51并通过使第四开关105、115闭合而选取风力涡轮机10、11，则由选取的风力涡轮机10、11的发电机100、110产生的有功功率经由变压器单元103、113被供给至辅助设备102、112并经由电缆50、51被供给至辅助设备122-152、202-252；如果在步骤200中选择导体中的电缆50、51、52并通过使第四开关105、115闭合而选取风力涡轮机10、11，则由选取的风力涡轮机10、11的发电机100、110产生的有功功率经由变压器单元103、113被供给至辅助设备102、112并经由电缆50、51、52被供给至辅助设备122-152、202-252、302-352。通过使风力涡轮机发电机向辅助负载供给有功功率，可以降低外部发电机燃料消耗。

优选地，假设在步骤s201中选取风力涡轮机10，则经由多个电缆50、51、52的中的第一电缆50建立外部发电机9的至选取的风力涡轮机10和风力涡轮机11-15的辅助设备102-152的电气连接发生在经由多个电缆中的其他电缆51、52建立外部发电机9的至其他风力涡轮机20-25、30-35的辅助设备202-252、302-352的电气连接之前。根据本发明的方法进一步包括外部发电机9在功率极限曲线周围的操作区域中操作、经由第一电缆50将有功功率输出至风力涡轮机10-15的辅助设备102-152的步骤s206。这样的顺序有助于在黑启动的周期的初始阶段期间由外部发电机将能量输送至辅助设备并吸收电缆产生的无功功率而无需来自风力涡轮机变换器的帮助。

优选地，选择的导体包括第一导体和第二导体。例如，第一导体限定了电缆50，并且第二导体限定了电缆51、52。外部发电机9的输出与风力涡轮机10-15的辅助设备102-152的电气连接通过使第五开关2、电缆开关s41、第二开关800-805闭合而经由第一导体50而建立；如果在s201的步骤中选取风力涡轮机变换器101，则外部发电机9的输出的至选取的风力涡轮机变换器101的电气连接通过使第三开关104闭合而经由第一导体50而建立，并且随后外部发电机9的输出与风力涡轮机20-25、30-35的辅助设备202-252、302-352的电气连接通过使电缆开关51、52和第二开关810-815、820-825闭合而经由第二导体中的多个电缆51、52而同时建立。本领域技术人员应理解，在s201的步骤中，可以依照如上所述的准则从变换器101-151中选择一个或多个变换器，并因此可以相应地布置第三开关104-154的各种闭合状态。通过电缆进行的电气连接的同时建立使风电场的黑启动速度加速。

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。