CN101896872B - 用于控制至少两个风轮机的共同输出的方法、中央风轮机控制系统、风场以及风场组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制至少两个风轮机的共同输出的方法，所述方法包括以下步骤：在中央风轮机控制系统接收来自公用输电网操作员的设定点参数的至少一个设定点数值、和来自所述风轮机中至少一个的操作参数的至少一个操作数值。所述方法还包括确定包括至少一个函数变量的目标函数等式，所述函数变量反映所述风轮机的操作参数以及所述接收的设定点参数；-相对于所述至少一个函数变量对所述目标函数等式求解，从而找出所述目标函数的极值；根据获得的解答计算对于所述风轮机中的每一个的加权操作参数设定点数值；以及与所述加权操作参数设定点数值相关地控制所述风轮机中的至少一个。此外，本发明涉及到中央风轮机控制系统、风场以及风场组。

Description

用于控制至少两个风轮机的共同输出的方法、中央风轮机控制系统、风场以及风场组

技术领域

本发明涉及一种用于控制至少两个风轮机的共同输出的方法。此外，本发明涉及到中央风轮机控制系统、风场以及风场组。

背景技术

包括多个风轮机的风场通常通过与输电网规范设定相符合以及通过被看作是一个统一且可调的发电厂而被用于支持公用输电网的稳定性，所述发电厂以可控的方式将有功电流、无功电流等供应到公用输电网。公用输电网操作员能够提高公用输电网的稳定性和效率。

在风场中，风轮机由风场控制系统所控制。欧洲专利申请EP1790851描述了一种用于控制风场的方法，该风场包括连接到风轮机的中央处理及控制单元。从至少一个上游风轮机接收数据，以预测对下游风轮机的负荷冲击。此外，控制信号被发送，以减小下游风轮机的功率或者减小上游风轮机的速度。

所述现有技术的问题是控制策略仅仅考虑通过减小速度或者功率来降低多排风轮机上的应力。

本发明的目的是提供一种有利的方法，用于控制至少两个风轮机的共同输出的操作数值。

发明内容

本发明涉及到一种用于控制至少两个风轮机的共同输出的方法，所述方法包括以下步骤：

-在中央风轮机控制系统接收：

-来自公用输电网操作员的设定点参数的至少一个设定点数值；以及

-来自所述风轮机中至少一个的操作参数的至少一个操作数值；

-确定包括至少一个函数变量的目标函数等式，所述函数变量反映所述风轮机的操作参数以及所述接收的设定点参数；

-相对于所述至少一个函数变量对所述目标函数等式求解，从而找出所述目标函数的极值；

-根据获得的解答计算对于所述风轮机中的每一个的加权操作参数设定点数值；以及

-与所述加权操作参数设定点数值相关地控制所述风轮机中的至少一个。

术语“共同输出”指的是由所述至少两个风轮机所产生并且在共同点(例如共同连接点PCC)加入到输电网(例如公用输电网)的总计输出。

术语“加权操作参数设定点数值”指的是用于所述风轮机中的每一个的单独控制数值，所述控制数值可以是相同数值或者不是相同数值。

通过本发明确定的是，用于随机操作参数的分化型控制设定点(即加权控制设定点)可以被分配到风轮机组中的不同单个风轮机，由此使得所述风轮机中的每一个都能够在同一操作参数的不同设定点下进行操作。

由此确定的是，从输电网操作员处接收的设定点数值可以被分配到组中的每个风轮机或者一些风轮机，用于使风轮机中的每一个都产生需求数值的一部分，并且每个风轮机所产生的那一部分都能够根据优化目标函数而进行加权，该优化目标函数给出了最优的分配。

进一步获得的是，在所述共同输出中，所述至少两个风轮机的总计输出被保持在接收的设定点水平，即使该至少两个风轮机没有产生相同的输出。

还确定的是，根据各种参数，每个单独的风轮机都能够以不同的局部贡献而有助于整个输出需求的产生。

在本发明的第一个实施例中，所述加权操作参数设定点数值的总和基本上等于来自公用输电网操作员的设定点参数的所述设定点数值。由此确定的是，与操作参数相关地受作用的风轮机的共同输出基本上等于与从公用输电网操作员接收的相同操作参数的设定点数值。

在第一个实施例的一个优选实施例中，所述设定点参数是无功电流。由此，确定的是，所述目标函数可以通过使例如风场中由于风轮机所产生的无功电流而引起的传输电缆中的功率损失降到最低而被优化。作为示例，如果风场中连接到传输网络并且距离PCC的传输线路最长的风轮机被设定为相比距离PCC更近的风轮机产生定量且更小的无功电流，那么风场作为一个整体将会产生与输电网操作员设定一样的所需无功电流，但是与所有风轮机被设定成产生相同数量的无功电流相比，传输电缆中的功率损失被降到最低。

在本发明的另一个方面，所述目标函数等式通过最小二乘法优化而进行求解。通过用最小二乘法优化求解出目标函数，确定的是使用了一种公知地极为可靠的优化方法并且该方法不需要过多的计算装置。

在本发明的另一个方面，所述中央风轮机控制系统还接收环境条件参数的至少一个环境条件数值以及所述目标函数等式还包括反映所述环境条件参数的至少一个函数变量。对于该方面的各个实施例，所述环境条件参数可以是例如时间、风场配置、空气温度、空气湿度、风力条件等等。由此确定的是，中央风轮机控制系统可以将加权控制信号分配到单个风轮机，把所述环境条件数值考虑进去并且使风轮机对共同输出的单个贡献优化。进一步确定的是，如果例如一个风轮机由于某些原因对增强的风速敏感，那么中央风轮机控制系统能够降低来自该风轮机的输出，从而保护风轮机免受损坏，同时稍稍地增加其它联网风轮机的输出，仍然获得了相同的共同输出。

在本发明的另一个方面，所述中央风轮机控制系统还接收PCC处的公用输电网参数的至少一个公用输电网数值，以及所述目标函数等式还包括反映所述公用输电网参数的至少一个函数变量。对于该方面的不同实施例，所述公用输电网参数可以是例如电压、有功电流、无功电流、有功功率、无功功率、频率、cos

电能质量等等。由此确定的是，所述风轮机的共同输出能够根据例如从输电网操作员接收到的设定点而获得。此外，确定的是，所述中央风轮机控制系统可以检测PCC处的变化并且如果需要的话能够由此单独地控制所述风轮机。

在本发明的另一个方面，所述中央风轮机控制系统还接收预报参数的至少一个预报数值，以及所述目标函数等式还包括反映所述预报参数的至少一个函数变量。对于本发明的实施例，所述预报数值可以是例如天气预告数值。由此，联网风轮机的控制可以被中央风轮机控制系统所预测出来并且单个风轮机可以由此进行操作。

在本发明的另一个方面，所述目标函数还包括反映至少一个查询表中的存储数据的至少一个函数变量。由此确定的是，数据(例如前面获得的风轮机数据、输电网数据、环境数据、经验数据等等)可以被用于求解目标函数等式。

在本发明的另一个方面，所述目标函数等式在所述至少两个风轮机的操作期间被连续地求解。由此，确定的是，目标函数等式总是最新的，以及受作用的风轮机总是通过优化的设定点而进行更新并且总是以最优单个设定而进行操作，甚至是在操作条件刚刚突然改变之后。

本发明的其它方面涉及到中央风轮机控制系统、风场和风场组。

附图说明

接下来参考附图对本发明进行描述，其中：

图1显示了从前面观察时、本领域公知的大型现代化营运风轮机；

图2示意性地显示了包括多个根据现有技术中一个实施例的风轮机1的风场；

图3示意性地显示了本发明中关于风场的实施例，该风场包括多个风轮机1；

图4a示意性地显示了本领域公知的风场作为说明性示例，该风场包括5个风轮机T1到T5；以及

图4b示意性地显示了根据本发明一个实施例的风场作为说明性示例，该风场包括5个风轮机T1到T5。

公知技术的描述

图1显示了现代化营运风轮机1，其包括塔架2以及设置在塔架2顶部的风轮机机舱3。包括三个风轮机叶片5的风轮机转子4通过低速轴连接到机舱3，该低速轴从机舱3伸出。

图2示意性地显示了根据现有技术中一个实施例的多个联网风轮机1。风轮机1通过相互连接的、风轮机共用的电力输电网6将能量在共用供应连接点(通常被称为共用连接点(PCC))13加入到公用输电网。

从本发明的一个实施例，所述多个联网风轮机包括至少两个风轮机并且可被看作是风场。

对于现有技术的各个实施例，中央控制单元7例如从公用输电网操作员接收设定点数值12和/或从例如测量装置或其它来源接收环境数值11(例如风速、温度、空气湿度等)。

此外，控制单元7可以接收表示公用输电网和/或实际联网的风轮机的数值的反馈数值10，所述数值包括有功功率、无功功率、电压、频率、相位角等。

在接收到的信息的基础上，控制单元7处理风轮机1的共同设定点指令并且通过共同的风轮机数据连接将所述共同设定点数值分配到每个联网的风轮机1。

具体实施方式

图3示意性地显示了本发明的实施例，用于多个联网风轮机1。风轮机1通过相互连接的、风轮机共用的电力输电网6将能量在PCC13处加入到公用输电网。

中央风轮机控制系统8从公用输电网操作员接收至少一个控制参数，例如一个或多个设定点数值12。

每个单独的联网风轮机1都通过数据连接14被连接到中央风轮机控制系统8，用于控制系统8与单个风轮机1之间的数据分配。对于本发明的一个实施例，所述数据连接14是集成的SCADA系统，以及对于本发明的其它实施例，所述数据连接是单独的数据连接，用于分别地将数据传送到单个风轮机以及从单个风轮机接收数据。

根据本发明的各个实施例，中央风轮机控制系统8在所述接收到的至少一个控制参数(例如来自公用输电网操作员的一个或多个设定点数值12)的基础上计算出风轮机1的单个设定点数值。

在本发明的其它实施例中，控制系统8接收表示公用输电网数值和/或至少两个风轮机共同输出的反馈数值10，所述数值10包括有功功率、无功功率、频率、电压、相位角等等。

对于其它实施例，控制系统8从所述风轮机中的至少一个接收至少一个操作数值。

该数值被用于风轮机1的单个控制数值的计算中。

在本发明的另一个实施例中，控制系统8从例如测量装置或者其它来源进一步接收环境数据11，例如风速、温度、空气湿度等。数值10被用于风轮机1的单个控制数值的计算中。

风轮机1的所述单个设定值数值是加权数值，该加权数值产生自所述中央风力发电机控制系统8的数据处理程序以及计算。

对于本发明的不同实施例，根据接收到的数据(来自输电网操作员的设定点、来自风轮机的操作数值、公用输电网的反馈数值和/或共同输出和/或环境数据)，控制系统8产生了用于单个风轮机的一组加权控制数值。加权控制数值由此控制风轮机。

对于不同实施例，关于一个或多个风轮机的加权设定点数值是不相等的。

对于不同实施例，加权设定点数值是超过一个加权子控制数值的倍乘的结果。

对于本发明的不同实施例，权重因子可以被及时地固定以补偿静态参数(例如校准差异、风轮机铭牌额定值差异等等)，或者权重因子是可变的以补偿动态参数(例如风轮机部件温度、发电电压、频率、断网风轮机、日/夜设定、寿命磨损等)。

对于本发明的一个优选实施例，权重因子被及时地固定，以补偿单个风轮机之间或者单个风轮机与例如共同连接点(PCC)之间的输电网电缆中的电缆损耗。

图4a和4b显示了现有技术的一个示例以及单个加权无功功率设定点数值用于多个联网风轮机从而减小电力电缆中电缆损耗的一个示例。

图4a示意性地显示了将本领域公知的联网风轮机作为说明性示例，其包括5个风轮机T1到T5。风轮机通过风轮机内部的电力输电网6而在一些PCC13处将能量加入到公用输电网，如前面图2中所描述。

根据现有技术，中央控制单元7通过共同的风轮机数据连接14而将例如无功功率的共同设定点数值分配到各个联网风轮机1，风轮机设定它的无功功率产出到风轮机数据连接。对于本示例，由各个风轮机加入的电流基本上等于假定数值i_Q，如图中所示。由联网风轮机在PCC处加入的i_Q总量由此等于5*i_Q。

对于示例性示例，风轮机中相互连接的电力输电网的电缆(例如风轮机T1到T5之间以及从风轮机T5到PCC)包括电缆阻抗Z1-Z5，如图所示。

因此，由于流过阻抗的无功电流而引起的功率损耗与下式相对应：

P_Qloss＝i_Q ²*(1*Z1+2*Z2+3*Z3+4*Z4+5*Z5)

假定Z1＝Z2＝…＝Z5＝Z，那么推导出：

P_Qloss＝i_Q ²*15*Z

图4b示意性地显示了根据本发明的一个优选实施例作为说明性示例，包括5个风轮机T1到T5的联网风轮机。中央风轮机控制系统8通过风轮机数据连接14将例如无功功率的单个加权设定点数值分配到联网风轮机T1到T5中的每一个。单个风轮机由此设定了它的无功功率产出。

对于一个实施例，所述单个设定点数值被加权，从而降低了由于无功电流流过阻抗Z1到Z5而引起的功率损耗。

对于该示例，所述加权的因子为：

可以看到，加入的i_Q总量没有改变，即5*i_Q，因此两种情况下在PCC处获得了相同的响应。

风轮机内部的电力输电网6的电缆(例如在风轮机T1到T5之间以及从风轮机T5到PCC)包括电缆阻抗Z1到Z5，如图4b所示。

因此，根据示例，由于流经阻抗的无功电流而引起的功率损耗与下式相对应：

P_Qloss＝i_Q ²*(0*Z1+0.5*Z2+1.5*Z3+3*Z4+5*Z5)

如先前的现有技术中的示例假定Z1＝Z2＝…＝Z5＝Z，那么推导出：

P_Qloss＝i_Q ²*10*Z

由此，避免了由于无功功率损失而引起的相当大的能量损失。

对于本发明的各个实施例，在图4a和4b的示例中作出的假定(其中Z1＝Z2＝…＝Z5＝Z是不合乎逻辑的，并且必须替换成有关实际电缆阻抗的信息。此外，随机数值可以替换为实际数值。

在本发明中与由于电缆而引起的无功功率损耗的最小化有关的另一个实施例中，所述电缆包括在风轮机的组或者行、风场，风场组或者风轮机的其它指定电缆路径之间的电缆，等等。

在本发明一个实施例的另一个说明性示例中，多个联网风轮机包括5个风轮机T1到T5。中央风轮机控制系统8通过风轮机数据连接14将例如有功功率的单个加权设定点数值分配到联网风轮机T1到T5中的每一个。单个风轮机由此设定了它的有功功率产出。

对于该示例，所述单个设定点数值被加权，从而通过降低T1的有功功率产出而使得例如风轮机T1的转换器的温度降到最低，同样地温度的降低可以通过降低风轮机电流(可以是有功功率或者无功功率或者两者均有)而实现。对于有功功率调节，当计算出的权重因子高于1时，需要存储系统。

对于该示例，所述加权的因子为：

可以看到，联网风轮机的总体生成的有功功率保持没有改变，即5*i_Q，但是每个风轮机的单个贡献发生改变。T1的设定点数值降低从而降低转换器的温度，以及其余联网风轮机的设定点数值增加用于对此进行补偿。

本发明实施例的另一个示例是通过对风轮机的有功功率设定点数值以及由此对输出进行加权，从而在上述示例中使得沿着电缆的压降(即经过阻抗Z1到Z5的压降)进行均衡。

本发明实施例的另一个示例是通过动态地加权无功功率设定点数值而在操作期间在所有风轮机中维持相同的视在功率。

本发明实施例的另一个示例是借助中央风轮机控制系统的加权设定点数值来改变有功功率，继而控制频率。

根据本发明的各个实施例，中央风轮机控制系统8从联网风轮机中的至少一个接收至少一个操作数值，所述数值能够代表例如加入的有功功率、加入的无功功率、电压水平、频率、电缆数据(例如阻抗)、风轮机部件的温度数据、转矩或应力、风轮机容量、备用功率、备用电压

容量

容量、电能质量等等。

此外，根据本发明，中央风轮机控制系统8从公用输电网操作员接收到至少一个设定点数值。所述数值可以代表无功功率水平、有功功率水平、电压、频率等等。

对于本发明的另一个实施例，中央风轮机控制系统8进一步接收在PCC处测量的至少一个公用输电网数值。所述数值可以代表例如电压、有功电流、无功电流、有功功率、无功功率、频率，cos

电能质量等等。

在本发明的另一个实施例中，中央风轮机控制系统8进一步接收环境条件数值，例如时间、风场配置、空气温度、空气适度、风力条件数值等等。

根据本发明，所述加权控制数值可以通过中央风轮机控制系统8中建模以及处理的一个或多个目标函数优化问题的最优解法而得出。

通常地，术语“目标函数最优化”指的是通过从允许的一组数值中选择出函数变量的最佳可用数值而使数学函数(等式)最小化或者最大化，即找到建模后给定的确定(outlined)系统的最佳解决方案。

根据一个实施例，所述数学函数的最小化或者最大化根据初等微积分被认为是：

1.相对于自由变量对目标函数等式进行求导

2.使结果等于零，以及

3.求解所得到的等式。

对于图4b中描述的示例，在包括5个风轮机(T1…T5)的风场内部使电缆损失最小化，包括一组等式的目标函数可以被构造成：

$\mathrm{Loss}=({\mathrm{Id}}_1^2+{\mathrm{Iq}}_1^2)(Z1+Z2+Z3+Z4+Z5)+$

$({\mathrm{Id}}_1^2+{\mathrm{Iq}}_1^2+{\mathrm{Id}}_2^2+{\mathrm{Iq}}_2^2)(Z2+Z3+Z4+Z5)+$

$({\mathrm{Id}}_1^2+{\mathrm{Iq}}_1^2+{\mathrm{Id}}_2^2+{\mathrm{Iq}}_2^2+{\mathrm{Id}}_3^2+{\mathrm{Iq}}_3^2)(Z3+Z4+Z5)+$

$({\mathrm{Id}}_1^2+{\mathrm{Iq}}_1^2+{\mathrm{Id}}_2^2+{\mathrm{Id}}_2^2+{\mathrm{Id}}_3^2+{\mathrm{Iq}}_3^2+{\mathrm{Id}}_4^2+{\mathrm{Iq}}_4^2)(Z4+Z5)+$

$({\mathrm{Id}}_1^2+{\mathrm{Iq}}_1^2+{\mathrm{Id}}_2^2+{\mathrm{Iq}}_2^2+{\mathrm{Id}}_3^2+{\mathrm{Iq}}_3^2+{\mathrm{Id}}_4^2+{\mathrm{Iq}}_4^2+{\mathrm{Id}}_5^2+{\mathrm{Iq}}_5^2)\·Z5$

以及

${\mathrm{Iq}}_1^2\≤{\mathrm{In}}_1^2-{\mathrm{Id}}_1^2$

${\mathrm{Iq}}_2^2\≤{\mathrm{In}}_2^2-{\mathrm{Id}}_2^2$

${\mathrm{Iq}}_3^2\≤{\mathrm{In}}_3^2-{\mathrm{Id}}_3^2$

${\mathrm{Iq}}_4^2\≤{\mathrm{In}}_4^2-{\mathrm{Id}}_4^2$

${\mathrm{Iq}}_5^2\≤{\mathrm{In}}_5^2-{\mathrm{Id}}_5^2$

|I_q1|+|I_q2|+|I_q3|+|I_q4|+|I_q5|＝|I_qtotal|

其中：

Z1＝连接风轮机T1和风轮机T2的电缆的阻抗

In_n＝风轮机Tn的额定电流

Iq_n＝风轮机Tn的正交分量(无功电流)

Id_n＝风轮机Tn的直流分量(有功电流)

Iq_total＝PCC处所需的总体正交分量

根据本发明的任务是关于所述至少一个函数变量对目标函数等式进行求解以找到所述目标函数的极值，由此根据获得的解答计算出每个所述风轮机的加权操作参数设定点数值，以及进一步控制与所述加权操作参数设定点数值有关的至少一个风轮机。

对于不同实施例，所述目标函数最优化是基于最小二乘法优化。

对于另一个实施例，所述目标函数最优化包括对一个或多个联网风轮机的存储数值进行处理。

对于本发明中所述加权控制数值从一个或多个目标函数最优化问题的最优解法而推导出来的实施例而言，所述中央风轮机控制系统8包括用于处理数学操作从而实现所述推导的装置。

对于本发明的一个实施例，中央风轮机控制系统8包括存储和处理操作数据(例如用于一个或多个联网风轮机的定期维修)的装置。对于这个实施例，中央风轮机控制系统对其余运转的联网风轮机定期地改变所述权重控制数值，以补偿一个或多个进行维修的风轮机。

术语表

1.风轮机

2.塔架

3.机舱

4.转子

5.叶片

6.风轮机共同的电力输电网

7.中央控制单元

8.根据本发明的中央风轮机控制系统

9.全体风轮机控制数据连接

10.代表公用输电网数值和/或至少两个风轮机的实际共同输出的反馈数值

11.环境数据

12.公用输电网操作员的设定点数值

13.公共连接点(PCC)

14.数据连接

Claims (12)

1.一种用于控制至少两个风轮机的共同输出的方法，所述方法包括以下步骤：

-在中央风轮机控制系统接收：

-来自公用输电网操作员的设定点参数的至少一个设定点数值；以及

-来自所述风轮机中至少一个的操作参数的至少一个操作数值；

-确定包括至少一个函数变量的目标函数等式，所述函数变量反映所述风轮机的操作参数以及所述接收的设定点参数；

-相对于所述至少一个函数变量对所述目标函数等式求解，从而找出所述目标函数的极值；

-根据获得的解答计算对于所述风轮机中的每一个的加权操作参数设定点数值；以及

-与所述加权操作参数设定点数值相关地控制所述风轮机中的至少一个。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加权操作参数设定点数值的总和等于来自公用输电网操作员的设定点参数的所述设定点数值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述设定点参数是无功电流。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述目标函数等式通过最小二乘法优化求解。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述中央风轮机控制系统还接收环境条件参数的至少一个环境条件数值，以及所述目标函数等式还包括反映所述环境条件参数的至少一个函数变量。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述中央风轮机控制系统还接收在PCC处的公用输电网参数的至少一个公用输电网数值，以及所述目标函数等式还包括反映所述公用输电网参数的至少一个函数变量。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述中央风轮机控制系统还接收预报参数的至少一个预报数值，以及所述目标函数等式还包括反映所述预报参数的至少一个函数变量。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述目标函数还包括反映来自至少一个查询表中的存储数据的至少一个函数变量。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述目标函数等式在所述至少两个风轮机的操作期间被连续地求解。

10.一种中央风轮机控制系统，包括适合于执行如权利要求1-9中任一所述方法的数据处理装置。

11.一种风场，包括至少两个或更多个风轮机以及如权利要求10所述的中央风轮机控制系统。

12.一种风场组，包括至少两个如权利要求11所述的风场。

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