CN101608599B - 用于控制风力发电机组的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制具有多个风力发电站和多个控制单元的风力发电机组的方法，所述多个控制单元执行风力发电机组中的控制任务，该方法包括以下步骤：a)根据控制单元必须执行的控制任务，每次为控制单元分配一个优先级，b)在风力发电机组的运转期间，控制单元连续地彼此通信和/或与一个中央通信单元通信，c)在风力发电机组的第一控制单元出现故障的情况下，风力发电机组的第二控制单元接管出现故障的控制单元的控制任务，其中第二控制单元根据为其分配的优先级来选择，并且具有与出现故障的控制单元相同或者比其更低的优先级。

Description

用于控制风力发电机组的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制具有多个风力发电站和多个控制单元的风力发电机组(wind energy park)的方法，所述多个控制单元执行风力发电机组中的控制任务。风力发电机组由多个系统组成，其中例如有风力发电站、气象桅杆(weather mast)、转接站内的测量站、中央风力发电机组控制器、工况监控系统(CMS)和其它控制器。风力发电机组的系统中的每一个都有其自身的任务，并且具有一个或多个用于执行各自分配的控制任务的控制单元。此外，这些系统中的每一个通常都具有连接到系统所需的传感器和/或执行器的输入和/或输出组件组。因此，气象桅杆具有例如用于测量气压、风速、风向和空气湿度的传感器。相反，控制单元例如具有转速传感器或作为执行器的泵和加热装置。
背景技术
当某个控制单元发生故障时就会出现问题。在这种情况下，根据环境，不能再实现由该控制单元所执行的控制任务。这可能会影响风力发电站的运转。
发明内容
与所说明的现有技术不同的是，本发明所基于的目的是提供一种在开始处所提到的类型的方法，其中风力发电机组和它的部件总是随时可用的。
本发明通过独立权利要求1和11的主题解决了该问题。具有优点的实施例在从属权利要求、说明书和附图中给出。
根据本发明的第一个方面，该目的通过在开始处所述类型的方法来解决，该方法包括以下步骤：
a)根据控制单元必须执行的控制任务，每次为控制单元分配一个优先级，
b)在风力发电机组的运转期间，控制单元连续地彼此通信和/或与一个中央通信单元通信，
c)在风力发电机组的第一控制单元出现故障的情况下，风力发电机组的第二控制单元接管出现故障的控制单元的控制任务，其中第二控制单元根据为其分配的优先级来选择，并具有与出现故障的控制单元相同或者比其更低的优先级。
根据本发明，控制单元用于控制风力发电机组的不同部件，例如风力发电站、气象站(气象桅杆)、转接站处的测量、CMS等。它们也可以从属于一个中央风力发电机组控制器。这些控制单元可以是具有连接到各系统所需的执行器和/或传感器的输入和/或输出组件组的控制系统的组成部分。每个系统可以具有一个或多个控制单元。当然，除了简单控制之外，这些控制单元原则上还可以执行闭环控制。
根据本发明的第一个方面，为控制单元分配不同的优先级，其中根据相应控制单元对于风力发电机组的重要性来授予优先级。这样，例如在某些环境下，在某个测量点处记录风速或功率并不是像通过风力发电站产生电力那么重要。此外，单个风力发电站的运转可能不像具有多个风力发电站的风力发电机组的中央控制那么重要，例如在这种控制被规定为风力发电机组运转的前提条件的情况下。控制单元连续地通信。控制单元的通信例如也可以以周期性的方式以规则的间隔进行。在这种通信的范围内，它们可以将数据写入到其它控制单元的分散的存储器(闪存等)中，或者向一个中央通信单元告知它们的情况。例如，在通信的范围内，控制单元发送它们各自的状态。然而，它们也可以发送测量和控制数据、设置等等。中央通信单元可以是具有一个或多个主服务器的主控制器。由于控制单元的连续通信，在每个时刻都知道哪些控制单元准备好运转而哪些没有。
在本文中，当某个控制单元不再参与通信时，意味着该控制单元发生了故障(例如中断)。然后，出现故障的控制单元的控制任务由具有相同或较低优先级的另一个控制单元接管。这样，例如在接管发生故障的控制单元的控制任务的控制单元此后不能再执行它自身的控制任务的情况下，比出现故障的控制单元的控制任务更加重要的控制任务不会中断。当接管发生故障的控制单元的控制任务的控制单元具有较低优先级时，只有对于风力发电机组的运转不那么重要的控制任务发生中断。因此，在可用控制能力的范围内，确保了总是可以执行风力发电机组的最重要的控制任务。接管出现故障的控制单元的控制任务的控制单元具有可以被授予的最低优先级可能是有益的。在这种情况下，当多个控制单元中断时，只需要最小程度地改变控制任务的分配。
选择“代替”故障控制单元的控制单元可以自动地进行，例如这可以由中央通信单元执行，或者它可以根据预定的顺序发生。然而，这种选择也可以由操作人员手动地进行。中央通信单元可以具有分配控制任务的优先级规则。
只要出现故障的控制单元已准备好重新工作，它将再次接管它自己的任务，而先前临时接管其任务的控制单元将重新执行它自己的任务，或者执行另一个中断的控制单元的控制任务。这样，可以根据优先级相继地重新开始控制任务。
本发明的方法通过智能的冗余任务分配提高了风力发电机组中控制系统的可用性。其中，可以临时替代出现故障的重要的单个系统控制器，使得总是能够确保执行重要的任务。该方法例如在较大型的或难以接近的风力发电机组、例如海岸风力发电机组中是特别有利的。其中，不必将冗余性局限于风力发电机组中的控制器。相反，它也可以分别被用在例如基于个人电脑运行的可视化或历史数据存储器中。
优选地，控制器之间的通信以及控制器与中央通信单元之间的通信经由总线技术进行。例如，可以经由无线形式、光波导形式、或者甚至是电的形式使用如以太网、Profinet、Ethercat等的不同协议技术来操作。其中，所需的协议媒介对于在风力发电机组网络中的每个控制单元都是可用的。这样，相应的硬件必须针对所使用的协议/总线系统来设计。
根据一个实施例，在接管故障控制单元的控制任务之前，第二控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)可能已经执行了其自身的控制任务。在接管了故障控制单元的控制任务之后，第二控制单元可以继续执行它先前已经执行的其自身的控制任务。因此，在这种情况下，控制单元可以同时执行多个任务，例如两个或更多个任务。在这种情况下控制活动不中断。但是，第二控制单元也可以在接管故障控制单元的控制任务之后不再执行它先前已经执行的其自身的控制任务。在这种情况下，可以设想由风力发电机组的第三控制单元接管第二控制单元的控制任务。第三控制单元可以在它自身的任务之外接管第二控制单元的控制任务，或者也可以用第二控制单元的控制任务来代替它自身的任务。在每一种情况下，均可以通过控制任务的连续重新分配进一步提高风力发电机组控制器的可用性。特别地，当第三控制单元执行第二控制单元的控制任务以代替它自身的任务时，可以根据分配给它的优先级依次选择第三控制单元，并且第三控制单元可以具有与第二控制单元相同或者比其更低的优先级。这样，同样确保了只有对于风力发电机组而言不那么重要的控制任务中断。
第二控制单元也可以是替换控制单元，它在接管故障控制单元的控制任务之前不执行自身的控制任务。因此，预留控制单元保持随时可用，其只用于接管出现故障的控制单元的任务。这样，确保了在某个控制单元发生故障的情况下风力发电机组的控制任务不发生中断。
为了确保当控制单元进一步中断时，已经弥补了具有较高优先级的控制单元的空缺的控制单元不被用于接管其它可能的具有较低优先级的控制任务，否则的话可能会导致该控制单元不再执行首先中断的控制单元的具有较高优先级的控制任务，只要其执行了第二控制单元的控制任务，在接管了具有较高优先级的第二控制单元的控制任务之后，可以把第二控制单元的较高优先级分配给第一控制单元。
根据本发明的第二个方面，所述目的通过先前提到类型的方法得以解决，该方法包括以下步骤：
a)在风力发电机组的运转期间，控制单元连续地彼此通信和/或与一个中央通信单元通信，
b)在风力发电机组的第一控制单元出现故障的情况下，风力发电机组的先前已执行了其自身的控制任务的第二控制单元接管出现故障的控制单元的控制任务，其中根据除了其自身的控制任务外是否还具有用于执行出现故障的控制单元的控制任务的足够的能力来选择第二控制单元，随后第二控制单元执行其自身的控制任务并执行发生故障的控制单元的控制任务。
关于本发明的第二个方面，以与本发明的第一个方面类似的方式来说明。然而，与本发明的第一个方面不同的是，不必为控制单元分配优先级(但是，当然也可以像在本发明的第一个方面中那样把优先级分配给控制单元)。在本发明的这个方面中，接管出现故障的控制单元的控制任务的控制单元的选择是根据该控制单元是否具有用于执行其自身的控制任务以及故障控制单元的控制任务的足够能力来进行的。而无论如何只要为控制单元分配了优先化，接管故障控制单元的任务的控制单元就可以具有比故障控制单元更高的优先级。因此，在本发明的这个方面中确保了即使当某个控制单元中断时，仍然能够执行风力发发电机组的所有控制任务。
根据本发明的另一实施例，至少一个控制单元可以具有用于执行风力发电机组的至少一个其它控制单元的控制任务的至少一个控制程序。原则上，风力发电机组的某些风力发电站控制单元可以具有相同的控制程序。此外，风力发电机组的所有气象桅杆可以具有它们自己的程序，并且依次例如中央机组控制器具有它们自己的程序。为此，单个风力发电站例如仅仅是具有不同的参数。为了确保在发生故障的情况下一个风力发电站控制器无论如何都可以代替例如中央机组控制器，需要向风力发电站控制器提供故障控制单元的控制程序。为此，特别是一次性地和/或周期性地、手动地和/或自动地、中央地和/或分散地记忆任务字段、程序、传感器/执行器的地址以及操作参数。在本发明的这个实施例中，除了自身的相应控制程序外，其它控制单元、特别是那些具有较高优先级的一个或多个控制单元的所有或某些控制程序可以在每个控制单元中随时保持可用。
作为替代，在接管另一控制单元的控制任务之前，控制单元可以从中央通信单元根据必要性取回用于执行另一控制单元的控制任务的控制程序。此外，它们可以从另一控制单元、例如中央风力发电机组控制单元取回程序。
当控制单元与中央通信单元进行通信时，在某个控制单元出现故障的情况下，中央通信单元可以执行对控制单元的控制任务分配。中央通信单元可以由中央风力发电机组控制单元形成。但是它也可以形成一个与控制单元分开的控制单元。该通信单元接管对控制单元的控制任务分配，特别是还在发生故障的情况下判断哪个控制单元需要接管故障控制单元的任务。为了这个目的，它可以具有分配优先级的规则，例如优先级分配表。为了进一步开发冗余度，中央通信单元甚至可以多重提供，因此是冗余的。
根据一个替代实施例，控制单元可以彼此进行通信，并且在某个控制单元出现故障的情况下，可以根据先前预设的顺序自动地进行控制任务到控制单元的分配。因此，在这个实施例中，不必经由中央通信单元进行通信。相反，任务是自动协调的，其中控制单元自己决定任务的分配。为了这个目的，可以先前预设控制单元的适当顺序。
本发明的这两个方面和它们各自的实施例当然也可以相互结合。
附图说明
下面借助附图更加详细地解释实现本发明的一个例子。
图1示出了风力发电机组的示意图，以及
图2示出了图1所示风力发电机组的另一示意图。
具体实施方式
只要没有明确说明，附图中相同的附图标记均表示相同的对象。在图1和2中示出了风力发电机组，其主要部分是离岸的，即位于海岸前面的海中。该风力发电机组具有多个风力发电站12A、12B、12C、12D。为了控制它们，风力发电站12A、12B、12C、12D中的每一个具有一个示意性示出的控制单元2A、2B、2C、2D。此外，风力发电机组具有气象桅杆13，其也具有一个示意性示出的控制单元3。另一个控制单元4用于控制附加测量，例如对于测量点4。此外，设置了中央通信单元15，其在所示的例子中具有两个中央服务器5，其上分别设置了控制程序、测量和控制数据以及设置或参数。作为设置在海岸(滨岸)上的唯一部件，设置了另一个控制单元1，在这个例子中设置的是用于驱动风力发电机组的不同部件的中央风力发电机组控制器。风力发电机组的所有部件均经由相应的线路彼此连接并与中央通信单元15相连接。当然，还可以提供其它控制单元。实际上，通常为风力发电机组中的每个控制任务提供一个具有自身控制单元的自身控制系统。这种风力发电机组的构造本身对于本领域的技术人员是已知的，所以不再详细解释。
在图2中，示出了图1的风力发电机组，其中已经根据由控制单元执行的控制任务对于风力发电机组的运转的重要性而把优先级分配给控制单元1、2A、2B、2C、2D。其中，优先级A是最高优先级，优先级B是下一个较低的优先级，优先级C是下一个更低的优先级，优先级D是最低的优先级。在所示的例子中，风力发电机组必须满足州或供电公司的某些电网连接条件，以便被允许进行运转。这种关于功率降低、电压控制、无功功率控制等的条件在某些传输点处发生，在所示的例子中是控制单元1，其可能位于远离风力发电机组的其余部件的许多公里以外。无功功率可能由于电缆电容、变压器电感而强烈偏离风力发电站产量，如果这样，其必须被重新调节以满足预定的要求。此外，在某些情况下需要由供电公司执行有功功率降低预设，以便避免电网过载。因此，中央控制单元1必须总是可用于控制和调节。为此，控制单元1获得最高优先级A。为了能够以经济的方式运作风力发电机组，风力发电站必须产生电力，因此风力发电站控制器获得下一个较低的优先级B。然而，利用气象桅杆13和所分配的控制单元3监视气象以及利用控制单元4监视另一个测量点较为不重要，因此这些控制器获得较低的优先级C和D。当然，优先级分配随着项目而不同。例如，在例外情形中可能电网连接规则不能被满足，因此即使控制单元1也只获得较低优先级。
本发明的方法将通过例子的方式进行解释。
风力发电机组的所有控制单元1、2A、2B、2C、2D与中央通信单元15的服务器5连续地、例如每秒钟进行通信，并且其中通过这样做来传送它们各自的状态。当然，通信周期期间的过程可能是不同的。现在，例如风力发电站12C仅由它的控制单元2C通知发生了故障，使得发电站12C不能再工作。虽然如此，控制单元2C仍为工作而做好准备。因此，例如现在可以把最低优先级D或更低的优先级分配给它。接下来，风力发电站12D不再经由它的控制单元2D参与通信。因此，可以假定控制单元2D发生了故障。仍处于待机状态的风力发电站12C的控制单元2C可以相应地接管发生故障的控制单元2D的控制任务。作为替代，甚至气象桅杆3的控制单元3也可以接管控制单元2D的控制任务。在各种情形下，确保了适于工作的风力发电站12D可以继续工作。为此，可以在接管发生故障的控制单元2D的任务的控制单元处预先提供所需的相应控制程序，或者该控制程序可以从中央通信单元15的服务器5下载。
关于控制任务的协调的判断既可以由操作人员做出，也可以由中央通信单元15例如通过预先设定优先级模式或自适应优化功能自动地执行。当替换控制单元除了其自身的程序之外或者代替其自身的程序将故障控制单元2D的控制程序下载到它的存储器中时，它还从中央通信单元15接收故障控制单元的必要的最终设置，如参数集以及传感器和执行器的可能的地址，然后它可以启动风力发电站2D的控制程序。在气象桅杆13的控制单元3已经接管控制单元2D的控制任务的情形下，此后还可能发生这样的情况：中断的风力发电站12C的现在不需要的控制单元2C以类似的方式接管用于气象桅杆13的控制单元3的任务。因此，确保了控制任务的中断不会一起发生。
在以下的表1中示出了本发明所述方法的过程的另一个例子：
Figure G2009101474964D00091
其中，在第一栏示出不同事件1到6的时间顺序，其中最小的数字代表时间上的第一个事件，最后一个数字代表在时间上最后的事件。在栏2至8中，列出了风力发电机组的不同的控制器1、2A、2B、2C、2D、3和4。而控制单元1原则上执行优先级A的控制任务，在通常情况下优先级B和C的控制任务被分配给其余的控制单元2A、2B、2C、2D、3和4作为主控制任务(分别是“主B”和“主C”)。然而，作为替代，它们也可以接管优先级A和B的其它控制任务，例如分别是“替代A”和“替代B”。在时间1至6的不同时刻处，在该表的栏2至8中示出了分别由控制单元1至4执行的不同优先级A、B、C和D的控制任务。表单元格中的X表示在相关的栏中所提供的控制单元由于故障不能再执行它的任务。在下一栏中分别列出了这样的控制任务或控制程序，如在最后一栏中所列出的，在某些时刻或者当某些事件发生时，这些控制任务或控制程序不能再由任何控制单元执行。
在表1中，示出了不使用单独的中央通信单元来进行控制单元协调的例子。控制单元彼此进行通信并与中央风力发电机组控制器1通信，并且其中它们发送它们各自的状态。此外，在这种情况下，它们可以在任意时刻下载实现任务所需的控制程序，并从中央风力发电机组控制器将当前设置下载到存储器中(例如自身的闪存)。为了该目的，可以从中央风力发电机组控制器1确定相应的控制数据，并且例如以周期性的方式提交。通过以主控制任务和替代控制任务进行的预先配置，确保了当一个控制单元发生中断的情形下，具有与故障控制单元相同或比其更低优先级的另一个控制单元接管故障控制单元的任务。
通过下面的表2解释另一个例子：
Figure G2009101474964D00111
类似于在表1中解释的例子，即使在该例子中，由于其存储器或其处理器性能，一个控制单元在同一时间只能处理一个控制任务。在该例子中，控制单元经由中央通信单元15连续地彼此通信。其中，总是通知中央通信单元15各个控制单元的状态，并且中央通信单元15通过其它控制单元协调故障控制单元的控制任务的接管。为此，在中央通信单元15中提供了适当的优先级分配表。此外，通过中央通信单元15确保了相应的必要控制程序对于各控制单元是可用的。
下面的表3示出了本发明所述方法的另一个例子：
Figure G2009101474964D00122
Figure G2009101474964D00131
Figure G2009101474964D00141
其中，示出了类似于表2的例子。与表2的例子不同的是，由于它们具有较高的性能，某些控制单元能够同时处理多个控制程序，并且因此接管多个控制任务。在所示的例子中，某些控制单元可以同时执行两个控制任务。通过这种方式，可以进一步提高发电站的可用性。

Claims (12)

1.一种用于控制具有多个风力发电站和多个控制单元的风力发电机组的方法，所述多个控制单元执行风力发电机组中的控制任务，该方法包括以下步骤：
a)根据控制单元必须执行的控制任务，每次为控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)分配一个优先级，
b)在风力发电机组的运转期间，控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)连续地彼此通信和/或与一个中央通信单元(15)通信，
c)在风力发电机组的第一控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)出现故障的情况下，风力发电机组的第二控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)接管出现故障的控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务，其中所述第二控制单元根据为其分配的优先级来选择，并且具有与出现故障的控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)相同或者比其更低的优先级。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在接管出现故障的控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务之前，第二控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)已经执行了其自身的控制任务。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，在接管出现故障的控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务之后，第二控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)继续执行它先前已经执行的其自身的控制任务。
4.根据权利要求2的方法，其特征在于，在接管出现故障的控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务之后，第二控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)不再执行它先前已经执行的其自身的控制任务。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，风力发电机组(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的第三控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)接管第二控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，所述第三控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)根据为其分配的优先级来选择，并且具有与第二控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)相同的或者比其更低的优先级。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于，第二控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)是替换控制单元，它在接管出现故障的控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务之前不执行任何自身的控制任务。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于，在接管具有较高优先级的第一控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务之后，只要第二控制单元执行第一控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务，就把第一控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的较高优先级分配给第二控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于，至少一个控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)具有用于执行风力发电机组的至少一个其它控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务的至少一个控制程序。
10.根据权利要求1的方法，其特征在于，在接管另一控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务之前，控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)根据必要性从中央通信单元(15)取回用于执行另一控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务的控制程序。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于，控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)与中央通信单元(15)进行通信，在控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)出现故障的情况下，中央通信单元(15)执行对控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务分配。
12.根据权利要求1的方法，其特征在于，控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)彼此进行通信，在控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)出现故障的情况下，对控制单元(1、2A、2B、2C、2D、3、4)的控制任务分配根据先前预设的顺序自动地进行。
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