CN102374121B - 用于可更新的可变发电的智能有功功率管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“用于可更新的可变发电的智能有功功率管理系统”。已提供了一种用于智能地指引在风电厂(300)中一起运行的风力涡轮发电机(310、312、314)的输出提升能力的方法和系统。风力涡轮发电机中选定的一些具有它们自己单独的提升操作模式，该提升操作模式能够提供功率输出上有限时间的增加。一旦请求，就将选定的单独的发电机(116)的此提升能力传达给风电厂控制(328)，并使用此提升能力指引发电机的单独的提升操作。在一些实施例中，使用包括风力预报信息的天气预报信息(340)来计算发电机的当前的预报的提升能力和将来的预报的提升能力。

Description

用于可更新的可变发电的智能有功功率管理系统

技术领域

本发明一般涉及风力涡轮发电机领域，以及更具体地，涉及考虑到用于在瞬态状况期间稳定功率的、风力涡轮发电机的功率输出中智能且临时的增加的方法和系统。

背景技术

风力涡轮发电机被视为利用风能产生电力的、环境友好且相对便宜的替代能源。风力涡轮发电机一般包括：具有涡轮叶片的风力转子，涡轮叶片将风能转换成驱动轴的旋转运动，然后利用该旋转运动来驱动发电机的转子，以产生电力。现代风力发电系统典型地采用风力农场(windfarm)的形式，该风力农场具有多个此类风力涡轮发电机，这些风力涡轮发电机可运行以向为实用系统提供功率的传输系统供给功率。

这些风力涡轮发电机和风力农场典型地设计成将功率递送到实用系统，同时该功率与系统频率无关。一些风力涡轮发电机具有可变频率运行，并且需要可变频率电力电子逆变器，以将风力涡轮发电机输出与应用电网接口。在一种常用方法中，直接将风力涡轮发电机输出馈送到电力电子转换器，在其中，将涡轮频率整流并逆变成如实用系统需要的固定频率。一种备选方法使用双馈异步发电机(DFAG)，其中，激励DFAG转子绕组和定子绕组的可变频率电力电子逆变器直接耦合到实用系统。

在传统电力系统中，电力系统的同步发电机的频率与实用系统匹配，实用系统的频率的动态响应依靠同步发电机和负载的惯性。传统电力系统中使用的同步发电机能够在瞬态状况期间(即，发电的突然故障、线路失效或连接大负载)对电力系统的频率和电压控制有所贡献。在此类瞬态状况期间，系统频率开始以主要由系统的总角动量确定的速率改变，系统的总角动量是所有发电机和连接到电力系统的旋转负载的角动量之和。在此类瞬态状况中，同步发电机还可以提供调制有功功率以稳定电力系统并使频率恢复到其标称值的附加控制服务。

但是，当用于电力系统中发电时，风力涡轮一般对实用系统的频率稳定没有贡献。随着通过实用系统接入的、由风力涡轮生成的电力更大，合乎需要的风力涡轮也在瞬态状况中对电力系统的电压和频率控制有所贡献，以稳定电力系统。

因此，存在增长的需求，以克服风力涡轮系统的上述限制，并提供控制技术，使得风力涡轮能够更智能地参与实用系统的频率调节和功率摆动稳定。

发明内容

下面的描述中将部分阐述本发明的方面和优点，或者本发明的方面和优点从该描述可以是显然的，或者可以通过实践本发明来认识本发明的方面和优点。

根据一个示范实施例的方面，提供了一种用于可变频率风电厂的控制方法，该风电厂包括：多个可变频率风力涡轮发电机，其中选定的一些具有输出提升(boost)能力。该方法包括：确定风力发电厂输出是否小于合乎需要的量，询问每个风力涡轮发电机以确定它们单独的输出提升能力，以及命令风力涡轮发电机的至少一个将它们的输出提升以弥补当前风力发电厂输出与期望的输出之间的差的至少一部分。在具体实施例中，该方法提供：命令风力涡轮发电机中选定的一些，以将它们的输出提升到它们单独报告的能力之内的、期望的电平。

在一些实施例中，该方法还可包括：将来自中央位置的天气预报信息(其可包含风力预报信息)提供到多个风力涡轮发电机中选定的一些，将风力涡轮发电机控制电路配置成基于该天气预报信息预报提升能力，以及响应询问提供预报的提升能力。

在选定的实施例中，风力预报信息覆盖第一预定时间间隔，而预报的提升能力覆盖第二预定时间间隔，第二预定时间间隔包含第一预定时间间隔的至少一部分。在具体实施例中，在单独的风力涡轮发电机的位置处本地产生天气预报信息。

本公开的另一个示范实施例旨在提出一种包括多个风力涡轮发电机的风力发电厂。发电机中选定的一些具有输出提升能力，且每个发电机输出提供风电厂输出的一部分。涡轮控制与每个相应风力涡轮发电机相关联，并且可配置成分析其相应的发电机的输出提升能力。将测量设备配置成监测由多个风力涡轮发电机产生的总输出功率。将风电厂控制配置成询问多个涡轮控制的每一个，以确定它们相应的风力涡轮发电机的输出提升能力，并命令风力涡轮发电机中选定的一些进入输出提升模式，从而，风电厂控制一旦确定由测量装置监测的总输出功率小于期望的电平，就可智能地命令选定的单独风力涡轮发电机将它们的输出功率提升到它们报告的相应提升能力之内的期望的电平。

在某些实施例中，该风力发电厂还包括天气预报信息的中央源，其中天气预报信息的源向涡轮控制中选定的一些供给天气预报信息，并且其中，涡轮控制中选定的一些配置成分析天气预报信息并预报用于其相应的风力涡轮发电机的、当前的输出提升能力和将来的输出提升能力。

本公开的进一步的示范实施例旨在提出一种用于风力发电厂的控制方法，该风力发电厂包括多个风力涡轮发电机，其中，发电机中选定的一些具有输出提升能力，并且每个都对风电厂的总输出有贡献。该方法包括：监测风电厂的总输出以确定该总输出是否小于期望的电平，分析多个风力涡轮发电机中的每个的提升能力，以及命令多个风力涡轮发电机中选定的一些依靠它们单独的提升能力来提升它们的输出。在选定的实施例中，该方法提供与风力发电厂位置有关系的天气预报信息，并至少部分地基于该天气预报信息来分析多个风力涡轮发电机中的每个的提升能力。

对于本公开的这些示范实施例，能够进行多种变化和修改。

参考下面的描述和所附权利要求，将变得更好理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。并入本说明书并构成其一部分的附图图示了本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

在引用了附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的、包括其最佳方式的本发明的完整且可实施的公开，在附图中：

图1图示了概述根据本发明技术的、智能有功功率管理方法的流程图；

图2图示了说明用于本发明主题的预报能力的流程图；以及，

图3图示了并入本发明技术的风电厂的示意框图。

贯穿本说明书和附图重复使用的附图标记旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本发明而非限制本发明的方式来提供每个示例。实际上，对于本领域技术人员将显然的是，在不背离本发明的范围和精神的情况下能够在本发明中进行多种修改和变化。例如，作为一个实施例的部分图示或描述的特征能够与另一个实施例结合使用，以获得又一个实施例。因此，本发明意在涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变化。

一般地，本公开旨在提出一种用于扩展商业风电厂控制系统中当前可用的功能的方法和设备。本发明技术的焦点在于：当期望的电厂功率高于典型地由风力涡轮功率曲线定义的电厂的正常功率输出时，风电厂提升功率的能力。但是，实现这种提升能力的方面在于：具有能够在全电厂控制系统(plantwidecontrolsystem)命令时临时提升它们的功率的风力涡轮发电机(WTG)。在授予Delmerico等人并受让给GeneralElectric公司的、美国专利申请公布US2007/0120369A1中描述了一示范系统，其描述了用于临时增加来自风力涡轮发电机的功率输出的技术。

本领域普通技术人员将意识到，缩减或限制总风电厂输出是公知的风力控制系统中已经可用的能力。另一方面，本发明的技术允许风电厂基于每个涡轮的提升能力来至少临时地增加其正常输出。

现在参考附图，图1图示了概述根据示范方法实施例的、智能有功功率管理方法的流程图100。在步骤110处进行初始化之后以及一旦接到命令，全电厂控制系统检查(在步骤112处)当前风电厂功率输出是否小于期望的值。如果风电厂功率输出小于期望的值，则全电厂控制系统命令(步骤114)风力涡轮发电机(WTG)中选定的一些在其控制下进入提升模式。在某些实例中，单独的涡轮控制系统将需要修改，以接受提升命令。

期望的风电厂功率输出基于多种因素，这些因素可包括：可基于电网状况(例如，低频信号)的外部命令、满足可基于定义的全电厂功率曲线的一些原始设备制造商(OEM)保证的功率的需求、以及逐渐短缺的预报的可用功率。

在这些情况的每个中，风电厂控制系统持续地从每个WTG接收(或向每个WTG发信号以指示)特定“提升”模式状况，以使得WTG以在此特定提升模式中它能够提供的功率范围做出响应(步骤116)。风电厂内的一些风力涡轮发电机可不具有提升能力。一般地，每个涡轮配置成通过以下方式来响应此命令：基于其操作状况(包括但不限于风速、涡轮可用性等)确定其在“提升”以及“正常”模式中的可用功率，并向全电厂控制系统返回响应。该涡轮控制还可以提供能够提供“提升”的持续时间。从每个WTG接收到单独的提升模式能力之后，风电厂控制系统就能够智能地决定：如何至少尽可能多地实现期望的电厂输出，并在需要时调整单独的WTG(步骤118)。基于报告的能力，风电厂控制系统可命令单独的涡轮中选定的一些将它们单独的输出提升到：正常(即，无提升)电平直到它们最大报告的能力和其间的任何期望的设置点之间的任何期望的设置点。根据本发明的技术，可以命令具有提升能力的单独一个、小数量的、或所有涡轮将它们单独的输出提升到单独设置的、可能不同的设置点，以尝试达到期望的风电厂输出。

现在参考图2，其中图示了说明用于本发明主题的预报能力的流程图200，其中，可使天气预报信息210对涡轮控制220可用。涡轮控制220配置成提供它预期在由天气预报信息210覆盖的时间间隔的至少一部分上能够提供的、功率提升的预报230。然后，风电厂控制系统接收(图1的步骤116)包含提升信息的预期持续时间以及当前可用的提升信息的预报提升信息，以准许该系统和方法智能地指定从每个WTG需要的额外功率，并单独命令它们(图1的步骤118)到新设置。天气预报信息210可包含可能对风力涡轮的功率输出能力有影响的多个不同参数，包括但不限于风速、风向、空气温度、和大气压。

现在参考图3，其中图示了并入本发明技术的风电厂300的示意框图。如图所示，风电厂300包括多个风力涡轮发电机310、312、314，每个都包括涡轮控制装置320、322、324。风力涡轮发电机310、312、314中每个的输出通过适合的线缆或线路330、332、334以及变压器348耦合到电力网380。测量装置326监测由风电厂300提供到电力网380的输出功率，并将其发现报告给风电厂控制328。

从中央位置、经由通信装置350、352、354，将天气预报信息340供给到涡轮控制装置320、322、324，这些涡轮控制装置320、322、324配置成分析供给的天气预报信息并确定它们相应的风力涡轮发电机310、312、314的当前的提升能力和将来的提升能力。应该意识到，通信装置350、352、354可以对应于任何的线路、光纤或无线通信装置。

在操作中，风电厂控制328就涡轮控制装置320、322、324的分析的结果询问它们，并在有关调整每个风力涡轮发电机310、312、314的相应报告的提升能力的方法的、它自己的分析中利用这些响应。可以经由通信装置360、362、364来实施多个风力涡轮发电机310、312、314的操作调整，通信装置360、362、364以与通信装置350、352、354相似的方式，可对应于任何的线路、光纤或无线通信装置。

在备选实施例中，可经由通信装置370将天气预报信息340直接传送到风电厂控制328，并经由通信装置360、362、364将其再分发到涡轮控制装置320、322、324。在又一些实施例中，可分别在单独的风力涡轮发电机310、312、314的位置处本地生成天气预报信息342、344、346，并将其直接递送到它们相应的涡轮控制装置320、322、324，用于分析。

本领域普通技术人员将意识到，能够提供的总提升存在限度。因此，能够通过此特征来弥补的总功率短缺也存在限度。还应该记住的是，存在提升WTG功率时要考虑的折衷，以使得不应该在所有时间将WTG设置为提升功率模式，从而最大化从风电厂获取的能量。

还应该意识到，某些单独的风力涡轮发电机控制能够以提供非常短期的暂时提升的特征来进行响应，如在授予Delmerico等人、也受让给GeneralElectric公司的美国专利申请公布US2009/0194995A1中描述的那样。但是，应该意识到，本发明主题除了此特征外，还在于本发明的“提升”是具有相当长的持续时间的(即，在数分钟对数秒方面)，以满足本发明系统和方法的、期望的性能特性。

本领域普通技术人员还将意识到，这些期望的性能特性可取决于不仅包括技术需求、而且包括商业需求的多个不同方面。因此，特定的控制算法可依靠有关此类方面的决定而变化。例如，可以基于每个瞬时的差或给定时间间隔上平均的差、或基于其他参数，来决定在实际功率输出和期望的功率输出之差的实际测量上的规范。

不同于常规发电厂，正常运行的风电厂不具有在电网频率急降且电网需要额外功率以将电网频率恢复到其标称值时增加其功率的能力。虽然先前通过提供能够将一些风力功率保持在“保留(reserve)”的特征已解决了此缺点，但是在此期间任由风力流失的经济影响是巨大的，从商业角度来说，作出此选择是非常不合乎需要的。

先前提到的保留特征提供非常短期的提升，这是本发明主题能够利用的能力，但是本发明技术能够较好地超越其当前的限制。

有客户期望从原始设备制造商保证的电厂级功率曲线。这种功率曲线表示基于定义的风速测量的总电厂功率输出。预期的是，该电厂将根据这种功率曲线产生功率。如果电厂控制系统检测到总电厂输出不足以达到此目标，例如，因为一些WTG断开线路，则本发明的技术提供了方法，其中该方法能够尝试通过提升其他涡轮来弥补该差。

对于风电厂，存在以下逐渐增长的需求：提供近期时间范围上的可用功率的预报，例如在下半小时或下一个小时上平均的可用功率的预报。在此情况中，本发明的系统能够通过提供带有提升和不带有提升的可用功率预报来满足此需求，并在需要时尝试弥补该差。

本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，并且还使本领域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并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求来定义，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则它们规定为落入权利要求的范围之内。

组件列表

附图标记组件

100方法流程图

110步骤

112步骤

114步骤

116步骤

118步骤

200方法流程图

210步骤

220步骤

230步骤

300风电厂

310风力涡轮发电机

312风力涡轮发电机

314风力涡轮发电机

320涡轮控制装置

322涡轮控制装置

324涡轮控制装置

326测量装置

328风电厂控制

330线缆

332线缆

334线缆

340天气预报信息

342天气预报信息

344天气预报信息

346天气预报信息

348变压器

350通信装置

352通信装置

354通信装置

360通信装置

362通信装置

364通信装置

370通信装置

380电力网

Claims (14)

1.一种用于可变频率风电厂的控制方法，所述风电厂包括：多个可变频率风力涡轮发电机，至少一些可变频率风力涡轮发电机具有输出提升能力，所述方法包括：

确定所述风力发电厂输出是否小于合乎需要的量；

询问每个所述风力涡轮发电机，以确定它们单独的输出提升能力；以及

命令所述风力涡轮发电机的至少一个将它们的输出提升，以弥补当前风力发电厂输出与所期望的输出之间的差的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的方法，其中命令所述风力涡轮发电机包括：

命令所述多个风力涡轮发电机中选定的一些将它们的输出提升到它们单独报告的能力之内的、期望的电平。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将天气预报信息提供到所述多个风力涡轮发电机中的至少一些；

将风力涡轮发电机控制电路配置成基于所述天气预报信息预报提升能力；以及，

响应所述询问提供所预报的提升能力。

4.根据权利要求3所述的方法，其中提供天气预报信息包括提供风力预报信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述风力预报信息覆盖第一预定时间间隔，而所述预报的提升能力覆盖第二预定时间间隔，所述第二预定时间间隔包含所述第一预定时间间隔的至少一部分。

6.根据权利要求3所述的方法，其中，在单独的风力涡轮发电机的位置处本地产生所述天气预报信息。

7.一种风力发电厂，包括：

多个风力涡轮发电机，所述发电机的至少一些具有输出提升能力，每个发电机具有提供所述风力发电厂输出的一部分的输出；

多个涡轮控制，每个涡轮控制与相应的风力涡轮发电机相关联，并且选定的涡轮控制配置成分析它们相应的发电机输出提升能力；

测量装置，配置成监测由所述多个风力涡轮发电机产生的总输出功率；以及，

风力发电厂控制，配置成询问所述多个涡轮控制的每一个，以确定它们相应的风力涡轮发电机输出提升能力，并命令所述风力涡轮发电机的至少一个进入输出提升模式，

从而，所述风力发电厂控制配置成一旦确定由所述测量装置监测的所述总输出功率小于期望的电平，就命令所述多个风力涡轮发电机中选定的一些将它们的输出功率提升到它们报告的相应提升能力之内的期望的电平。

8.根据权利要求7所述的风力发电厂，还包括：

天气预报信息的源，

其中所述天气预报信息的源向所述涡轮控制的至少一些供给天气预报信息，以及其中，所述涡轮控制的所述至少一些配置成分析所述天气预报信息，并预报用于其相应的风力涡轮发电机的当前的输出提升能力和将来的输出提升能力。

9.根据权利要求8所述的风力发电厂，其中所述天气预报信息的源是中央源，并且将风力预报信息供给到所述涡轮控制的至少一些。

10.根据权利要求9所述的风力发电厂，其中所述风力预报信息覆盖第一预定时间间隔，而所预报的将来的输出提升能力覆盖第二预定时间间隔，所述第二预定时间间隔包含所述第一预定时间间隔的至少一部分。

11.根据权利要求8所述的风力发电厂，其中，在所述多个风力涡轮发电机中选定的一些的位置处本地产生所述天气预报信息。

12.一种用于风力发电厂的控制方法，所述风力发电厂包括多个风力涡轮发电机，所述发电机中的至少一些具有输出提升能力，每个发电机具有对所述风力发电厂的总输出有贡献的输出，所述方法包括：

监测所述风力发电厂的总输出，以确定所述总输出是否小于期望的电平；

询问每个所述风力涡轮发电机，以确定它们单独的输出提升能力；

分析所述多个风力涡轮发电机中的每个的所述提升能力；以及，

命令所述多个风力涡轮发电机中的至少一个依靠它们单独的提升能力来提升它们的输出。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

提供与所述风力发电厂位置有关系的天气预报信息；以及，

至少部分地基于所述天气预报信息，分析所述多个风力涡轮发电机中的每个的所述提升能力。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所提供的天气信息是风力信息。