用于针对电网适应性改造风场的方法与流程

本公开内容大体上涉及风场，并且更具体地涉及用于针对电网适应性改造风场的方法。

背景技术：

风力被认为是一种目前可用的最清洁的、最环境友好的能源，且就此而言，风力涡轮得到了更多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、变速箱、机舱和一个或多个转子叶片。机舱包括耦合到变速箱和发电机的转子组件。转子组件和变速箱安装在位于机舱内的台板部件支承框架上。更确切地说，在许多风力涡轮中，变速箱经由一个或多个转矩支承件或臂安装到台板部件。一个或多个转子叶片使用已知的翼型原理获得风的动能。转子叶片传送呈旋转能形式的动能，以便转动将转子叶片耦合到变速箱的轴(或如果未使用变速箱，则直接地耦合到发电机)。发电机然后将机械能转化成可被部署至公用电网上的电能。

多个风力涡轮通常结合彼此而使用以发电，且通常被称为"风场"。典型的风场包括场级控制器，其通信地耦合到风场中的各个风力涡轮的单独涡轮控制器。因此，场级控制器提供电力网与各个风力涡轮之间的接口。因此，场级控制器将各种命令传输至涡轮控制器。

对于常规风场，当场级控制器检测到电力网中的一个或多个约束时，场级控制器配置成将关闭命令发送至风场中的各个风力涡轮。单独的涡轮控制器然后使其相应的风力涡轮与电力网断开，且将涡轮速度减小至零。当释放关闭命令时，涡轮控制器将涡轮速度增大到切入速度，且然后将涡轮重新连接回电力网。

然而，有时，电网适应性可能需要风场在高或低电压的周期期间保持连接到电网。此能力通常被称为零电压穿越、低电压穿越或高电压穿越。

然而，本领域中的许多现有的涡轮配备有此能力。因此，用于运行风场使得风场可被改造用于此电网适应性的系统及方法将是本领域中受欢迎的。

技术实现要素：

本发明的方面和优点将在以下描述中被阐明，或可根据描述而显而易见，或可通过实践本发明而被习知。

一方面，本公开内容涉及一种用于控制连接到电力网的风场的方法。风场具有多个风力涡轮。该方法包括终止风场的现有的场级控制器的使用。该方法还包括安装升级的场级控制器代替现有场级控制器。此外，该方法包括将升级的场级控制器通信地耦合到多个风力涡轮中的各个。此外，该方法包括用能够满足一个或多个电网要求的升级构件替换风力涡轮的子集中的至少一个构件。因此，该方法还包括经由升级的场级控制器来控制风场。

在一个实施例中，(多个)构件可包括子集中的各个风力涡轮的升级的电力转换器。在此实施例中，经由升级的场级控制器控制风场的步骤可包括经由升级的电力转换器控制风力涡轮的子集，以及经由现有的电力转换器控制其余风力涡轮。在另一实施例中，风力涡轮的子集可包括多个风力涡轮中的大约10%到大约50%。

在其它实施例中，该方法可包括控制风力涡轮的子集，以便满足电力网的一个或多个频率下降要求。在特定实施例中，控制风力涡轮的子集以便满足电力网的一个或多个频率下降要求的步骤可包括经由升级的场级控制器使升级的网络协议与子集中的各个风力涡轮通信。

在若干实施例中，方法可包括从风场移除现有的场级控制器。

在附加实施例中，电网要求可包括零电压穿越、低电压穿越或高电压穿越。

另一方面，本公开内容涉及一种用于改造连接到电力网的风场以满足一个或多个电网要求的方法。风场具有多个风力涡轮。该方法包括终止风场的现有的场级管理系统的使用。该方法还包括安装能够满足一个或多个电网要求的升级的场级管理系统代替现有的场级管理系统。此外，该方法包括将升级的场级管理系统通信地耦合到多个风力涡轮中的各个。应当理解的是，该方法还可包括如本文所述的任何附加步骤和/或特征。

又一方面，本公开内容涉及一种风场管理系统。风场管理系统包括场级控制器和各自具有涡轮级控制器的多个风力涡轮。涡轮级控制器通信地耦合到场级控制器。因此，风力涡轮的第一子集包括升级的电力转换器，并且风力涡轮的第二子集包括现有的电力转换器。更确切地说，各个升级的电力转换器能够满足一个或多个电网要求。应理解，风场管理系统还可包括如本文所述的任何附加的特征。

参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入且构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且连同描述用于阐释本发明的原理。

技术方案1.一种用于控制连接到电力网的风场的方法，所述风场具有多个风力涡轮，所述方法包括：

终止所述风场的现有的场级控制器的使用；

安装升级的场级控制器代替所述现有场级控制器；

将所述升级的场级控制器通信地耦合到所述多个风力涡轮中的各个；

用能够满足一个或多个电网要求的升级构件替换所述风力涡轮的子集中的至少一个构件；以及

经由所述升级的场级控制器控制所述风场。

技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述至少一个构件包括在所述子集中的各个风力涡轮的升级的电力转换器。

技术方案3.根据技术方案2所述的方法，其特征在于，经由所述升级的场级控制器控制所述风场还包括经由所述升级的电力转换器控制所述风力涡轮的子集，以及经由现有的电力转换器控制其余风力涡轮。

技术方案4.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮的子集包括所述多个风力涡轮中的大约10%到大约50%。

技术方案5.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括控制所述风力涡轮的子集，以便满足所述电力网的一个或多个频率下降要求。

技术方案6.根据技术方案5所述的方法，其特征在于，控制所述风力涡轮的子集以便满足所述电力网的一个或多个频率下降要求还包括经由所述升级的场级控制器来使升级的网络协议与所述子集中的各个所述风力涡轮通信。

技术方案7.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括从所述风场移除所述现有的场级控制器。

技术方案8.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个电网要求包括至少一个零电压穿越、低电压穿越或高电压穿越。

技术方案9.一种用于改造连接到电力网的风场以满足一个或多个电网要求的方法，所述风场具有多个风力涡轮，所述方法包括：

终止所述风场的现有的场级管理系统的使用；

安装能够满足一个或多个电网要求的升级的场级管理系统代替所述现有的场级管理系统；

将所述升级的场级管理系统通信地耦合到所述多个风力涡轮中的各个。

技术方案10.根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述升级的场级管理系统包括场级控制器和多个升级的电力转换器。

技术方案11.根据技术方案10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用所述多个升级的电力转换器替换所述多个风力涡轮的现有的电力转换器的子集。

技术方案12.根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮的子集包括所述多个风力涡轮中的大约10%到大约50%。

技术方案13.根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括经由所述升级的电力转换器控制所述风力涡轮的子集，以及经由现有的电力转换器控制其余风力涡轮。

技术方案14.根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括控制所述风力涡轮的子集，以便满足所述电力网的一个或多个频率下降要求。

技术方案15.根据技术方案14所述的方法，其特征在于，控制所述风力涡轮的子集以便满足所述电力网的一个或多个频率下降要求还包括经由所述升级的场级控制器来使升级的网络协议与所述子集中的各个所述风力涡轮通信。

技术方案16.根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括从所述风场移除所述现有的场级控制器。

技术方案17.根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述一个或多个电网要求包括至少一个零电压穿越、低电压穿越或高电压穿越。

技术方案18.一种风场管理系统，包括：

场级控制器；

各自包括涡轮级控制器的多个风力涡轮，所述涡轮级控制器通信地耦合到所述场级控制器，

其中，所述风力涡轮的第一子集包括升级的电力转换器，并且所述风力涡轮的第二子集包括现有的电力转换器，所述升级的电力转换器中的各个能够满足一个或多个电网要求。

技术方案19.根据技术方案18所述的风场管理系统，其特征在于，所述风力涡轮的第一子集包括所述多个风力涡轮中的大约10%到大约50%。

技术方案20.根据技术方案18所述的风场管理系统，其特征在于，所述一个或多个电网要求包括至少一个零电压穿越、低电压穿越或高电压穿越。

附图说明

针对本领域技术人员的本发明的完整且开放的公开内容(包括其最佳模式)在参照附图的说明书中被阐述，在附图中：

图1示出根据本公开内容的风力涡轮电力系统的一个实施例的示意图；

图2示出适于与图1中所示的风力涡轮电力系统一起使用的控制器的一个实施例的框图；

图3示出根据常规构造的风场的一个实施例的示意图；

图4示出根据本公开内容的用于控制连接到电力网的风场的方法的一个实施例的流程图；

图5示出根据本公开内容的风场的一个实施例的示意图，特别示出了现有的场级控制器的终止；

图6示出根据本公开内容的风场的一个实施例的示意图，特别示出了升级的风场管理系统；以及

图7示出将升级的网络协议传输至风场中的风力涡轮的子集中的多个风力涡轮发电机的升级的场级控制器的一个实施例的示意图。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被示出。各个示例通过阐释本发明的方式提供，而不限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本发明中制作出各种改型和变型，而不会脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，意在本发明覆盖归入所附权利要求和其等同物的范围内的此类改型和变型。

现在参看附图，图1示出根据本公开内容的风力涡轮电力系统100的一个实施例的示意图。为了图示和论述的目的，参照图1中的风力涡轮电力系统100论述了本公开内容的示例性方面。本领域普通技术人员使用本文提供的公开内容将理解，本公开内容的示例性方面还适用于其它电力系统，诸如风力、太阳能、燃气轮机或其它适合的发电系统。

在所示实施例中，风力涡轮电力系统100包括转子102，转子102包括耦合到可旋转的毂106的多个转子叶片102，且一起限定螺旋桨。螺旋桨耦合到可选的变速箱108，且可选的变速箱108继而又耦合到发电机110。根据本公开内容的方面，发电机110可为任何适合的发电机，包括但不限于双馈感应发电机(dfig)或全馈感应发电机。此外，发电机110包括定子112和转子114。定子112典型地经由转子总线118耦合到定子总线116和电力转换器120。定子总线116从定子112提供输出多相电力(例如，三相电力)，且转子总线118提供转子114的输出多相电力(例如，三相电力)。

参看电力转换器120，发电机110经由转子总线118耦合到转子侧转换器122。转子侧转换器122耦合到线侧转换器124，线侧转换器124继而又耦合到线侧总线126。在示例性构造中，转子侧转换器122和线侧转换器124配置成用于使用绝缘栅双极晶体管(igbt)开关元件的三相脉宽调制(pwm)布置中的正常操作模式。转子侧转换器122和线侧转换器124可经由dc链路128耦合，dc链路电容器130跨过dc链路128。

风力涡轮电力系统100可还包括涡轮级控制器132，其配置成控制系统100的各种构件的操作，以及实施如本文所述的任何方法步骤。因此，控制器132可包括任何数量的控制装置。在一种实施方式中，如图2所示，控制器132可包括一个或多个处理器134和相关联的存储器装置136，它们配置成执行多种计算机可执行的功能和/指令(例如，执行方法、步骤、计算等以及储存如本文公开的相关数据)。指令在由处理器134执行时可致使处理器134执行操作，包括对各种系统构件提供控制命令。另外，控制器132可包括通信模块138以便于控制器132和电力系统100的各种构件(例如，图1中的任何构件)之间的通信。此外，通信模块138可包括传感器接口140(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从一个或多个传感器传输的信号转换成可由处理器176理解和处理的信号。应当认识到的是，传感器(例如，传感器206,208)可使用任何适合的手段通信地耦合到通信模块138。例如，如所示的，传感器206,208经由有线连接耦合到传感器接口140。然而，在其它实施例中，传感器206,208可经由无线连接，诸如通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议，耦合到传感器接口140。因此，处理器134可配置成从传感器接收一个或多个信号。

如本文使用的，用语"处理器"不但是指本领域中被称作是包括在计算机中的集成电路，而且是指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(plc)、专用集成电路以及其它可编程电路。处理器134还配置成计算先进控制算法，且通信至多种基于以太网或串行的协议(modbus,opc,can等)。另外，(多个)存储器装置136可大体上包括(多个)存储器元件，包括但不限于，计算机可读介质，例如，随机存储存储器(ram)、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、紧凑型光盘只读存储器(cd-rom)、磁光盘(mod)、数字多功能盘(dvd)和/或其它适合的存储器元件。此类存储器装置136可大体上配置成存储适合的计算机可读指令，所述可读指令在由(多个)处理器134执行时，将控制器132配置成执行如本文所述的各种功能。

在操作期间，在发电机110处由转子102的旋转生成的交流(ac)电力经由双通路提供至电网150。双通路由定子总线116和转子总线118限定。在转子总线侧118上，正弦多相(例如，三相)ac电力被提供至电力转换器120。转子侧电力转换器122将从转子总线118提供的ac电力转换成直流(dc)电力，且将dc电力提供至dc链路128。用于转子侧电力转换器122的桥接电路中的切换元件(即，igbt)可调制成将从转子总线118提供的ac电力转换成适用于dc链路128的dc电力。

线侧转换器124将dc链路128上的dc电力转换成适用于电网150的ac输出电力。尤其，用于线侧电力转换器124的桥接电路中的切换元件(例如，igbt)可被调制成将dc链路128上的dc电力转换成线侧总线126上的ac电力。来自电力转换器120的ac电力可与来自发电机110的定子的电力组合，以提供具有基本上保持在电网150的频率(例如，50hz/60hz)下的多相电力(例如，三相电力)。

各种电路断路器和开关，诸如断路器146,148，可被包括在电力系统100中，以例如在电流过大且可损坏系统100的构件时或出于其它操作考虑连接或断开对应的总线。附加的保护构件也可被包括在电力系统100中。

如所提及的，多个风力涡轮，诸如图1中的风力涡轮电力系统100，可一起布置在共同的地理位置，且结合彼此使用来发电。此布置大体上被称为风场。例如，如图3中所示，示出了根据本公开内容的系统和方法控制的风场200。如所示的，风场200可包括多个风力涡轮202，包括上文所述的风力涡轮电力系统100和场级控制器204。例如，如在示出的实施例中所示的，风场200包括十二个风力涡轮，包括风力涡轮电力系统100。然而，在其它实施例中，风场200可包括任何其它数量的风力涡轮，诸如少于十二个风力涡轮或多于十二个风力涡轮。在一个实施例中，风力涡轮电力系统100的控制器132可通过有线连接通信地耦合到场级控制器204，诸如通过经由适合的通信链路210(例如，适合的线缆)连接控制器132。备选地，控制器132可经由无线连接来通信地耦合到风场控制器204，诸如通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议。另外，场级控制器204可大体上配置成与风场200内的单独风力涡轮202中的各个的控制器132相似。

在若干实施例中，风场200中的风力涡轮202中的一个或多个可包括用于监测单独风力涡轮202的各种操作数据点或控制设置和/或风场200的一个或多个风参数的多个传感器。例如，如所示的，风力涡轮202中的各个包括风传感器206，诸如风速计或任何其它适合的装置，其配置成用于测量风速或任何其它风参数。另外，风力涡轮202还可包括一个或多个附加传感器208，用于测量风力涡轮202的附加操作参数。例如，传感器208可配置成监测各个风力涡轮202的发电机110的涡轮速度和/或电气性质。备选地，传感器208可包括可用于监测风力涡轮202的电力输出的任何其它传感器。还应当理解，风场200中的风力涡轮202可包括本领域已知的用于测量和/或监测风参数和/或风力涡轮操作数据的任何其它适合的传感器。

现在参看图4，示出了方法400的一个实施例的流程图，方法400用于改造连接到电力网150的风场200来满足一个或多个电网要求且基于更新的系统控制风场200。如402处所示，方法400包括终止风场200的现有的场级控制器204的使用。例如，如图5中所示，风场204的现有的场级控制器204终止且与操作断开。在若干实施例中，方法400还包括从风场200移除现有的场级控制器204。备选地，方法400可包括将现有的场级控制器204留在适当位置。

回头参看图4，如在404处所示，方法400还包括安装升级的场级控制器304代替现有的场级控制器204。另外，如在406处所示，方法400包括将升级的场级控制器304通信地耦合到风场200中的多个风力涡轮202中的各个。例如，如图6中所示，示出了根据本公开内容的风场管理系统300的一个实施例的示意图。如所示的，用升级的场级控制器304替换了风场204的现有的场级控制器204。此外，如所示的，升级的场级控制器304经由一个或多个通信链路210通信地耦合到风场200中的风力涡轮202的各个涡轮级控制器132。备选地，应理解，此通信还可包括无线通信。

如在图4的408处所示，方法400还包括用能够满足一个或多个电网要求的升级构件替换风力涡轮202的第一子集306中的至少一个构件。更确切地说，在一个实施例中，风力涡轮202的子集306可包括多个风力涡轮202中的大约10%到大约50%。在其它实施例中，风力涡轮202的子集306可包括风场200中的少于100%的涡轮202的任何适合百分比的风力涡轮202。

另外，在图6的示出的实施例中所示，风力涡轮202的(多个)替换构件可包括子集306中的各个风力涡轮202的升级的电力转换器320。因此，升级的电力转换器320可包括相对于现有电力转换器120的特征的新特征。此外，在示例性实施例中，这些特征中的一个或多个可为技术上先进的构件(相对于现有电力转换器的对应构件)，其便于较新的更高效的技术的实施。更确切地说，在本公开内容中，升级的电力转换器320能够在各种不利电网事件期间保持连接到电力网150。因此，需要具有改进能力(诸如零电压穿越、低电压穿越和/或高电压穿越)的升级的电力转换器320。

因此，仍参看图4，如在410处所示，方法400包括经由升级的场级控制器304来控制风场200。更确切地说，在某些实施例中，升级的场级控制器304可通过经由升级的电力转换器320控制风力涡轮202的子集306和经由现有的电力转换器120控制其余风力涡轮202(例如，具有第二子集308)来控制风场200。

在其它实施例中，升级的场级控制器304还可控制风力涡轮202的子集306，以便满足电力网150的一个或多个频率下降要求。例如，如图7中所示，升级的场级控制器304可使升级的网络协议310与子集306中的各个风力涡轮202通信，以便满足一个或多个频率下降要求。更确切地说，如所示的，升级的网络协议310配置成驱动风力涡轮202的子集306的发电机110以并行地运行，使得由所述发电机110按与其电力额定值的比例分担负载。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何合并的方法。本发明的可专利性范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求的书面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构要素，则此类其它示例意在权利要求的范围内。