CN102400849A - 变频风力设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变频风力设备。具体而言，提供了一种用于降低组合的海上风力设备的成本的方法与系统，其通过在将直流电传输到陆上直流-交流逆变器(40)位置之前将多个风力涡轮发电机(10，12，14，16)的交流输出联接至单个交流-直流转换器(30)而提供。在该风力设备内的选定位置处监测风速(60，62，64，66)，并且根据组合的风速信号来调节(70)交流-直流转换器的操作频率，以便允许多个风力涡轮成组地操作。交流-直流转换之后是直流-交流转换使得由风力涡轮引起的交流频率解耦，并且允许涡轮成组地在可变频率下操作。

Description

变频风力设备
技术领域
本发明大体而言涉及风力发电机的领域，并且更特定而言，涉及允许降低多个风力发电设备和相关联的传输系统的操作成本的方法与系统。
背景技术
在发电位置远离可用电网或负载点的分布式发电应用中，大电力(bulk power)常常跨过长的距离传输。在海上风电场中，例如，由各风力涡轮发电机产生的电力通过电力电子转换器(power electronicconverter)处理以将变压、变频的输出转换成固定电压、固定频率的输出。来自各发电机的输出与公共电网频率同步，即使各机械以不同速度运行并且因此输出不同频率。
然后通过收集系统将从涡轮产生的电力聚集在一起，该收集系统包括变压器和开关装置(switchgear)，用于隔离各涡轮并且逐步升高电压，通常到数十千伏。收集网络然后被电缆连接至海上变电站，海上变电站进一步升高电压，通常到数百千伏。然后通过海底电缆将该电压传输至陆上变电站，其在那里通过隔离开关装置和变压器联接至公共电网。
对于其中大电力跨过长的距离传输的应用，传统的交流(AC)传输带来技术挑战。电容导致充电电流沿着交流电缆的长度流动。由于电缆必须承载该电流以及有用的源电流，这种物理限制降低电缆的源承载能力。由于电容沿着电缆的整个长度分布，更长的长度导致更高的电容以及更高的引起的充电电流。随着电缆系统设计电压被提高以最大程度地减小线路损耗和电压降，充电电流也增加。
与交流传输相比，直流(DC)传输可跨过更长的距离更高效地实现。中压(MV)或高压(HV)直流传输通常需要电力电子转换器，其能在HVAC(高压交流)与HVDC(高压直流)之间转换。在常规转换器拓扑学中，转换器的每个开关被设计成处理高电压，该高电压取决于应用可在数十千伏到数百千伏的范围之间。这样的开关通常被布置成若干半导体装置的串联连接，诸如绝缘栅极双极晶体管(IGBT)和晶闸管。
鉴于这些已知的大电力的发电、收集和传输所涉及的复杂性，需要用以降低组合的风力发电设备和传输系统的成本的方法与系统。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而被教导。
本公开的一示例性实施例针对一种用于变频风力设备的控制方法，该风力设备包括多个变频风力涡轮发电机。该方法包括提供来自风力设备内选定位置的风速信号。举例而言，风速信号可从位于风力设备内的选定位置处或可选地与选定的风力涡轮相关联的单独的风速测量装置(例如风速计)提供。来自多个风力涡轮发电机的输出被收集并应用至共同的交流-直流转换器。该共同的交流-直流转换器的操作频率基于组合的风速信号而调节，从而使得风力涡轮可成组地以可变频率操作。
在特定实施例中，风速信号也可用于调节风力涡轮中任一个或一组风力涡轮的单独的速度。
在这些实施例的其中一些实施例中，多个变频风力涡轮发电机在涡轮旋转速度与产生的交流输出的频率之间具有固定关系，而在其它实施例中，允许涡轮旋转速度与产生的交流输出的频率之间的关系变化。
在其它实施例中，该方法还设置为将风速信号传输至中央控制系统，中央控制系统设置为用以产生信号以调节共同的交流-直流转换器的操作频率。在特定实施例中，风速信号通过导线、光纤和无线电通信中的一种被传送至控制系统。
本公开的另一示例性实施例针对一种电力系统，其包括：多个变频风力涡轮发电机、多个风速测量装置、交流-直流转换器、收集系统以及控制系统，收集系统设置为用以从多个变频风力涡轮发电机的其中每一个收集产生的电力，并将所收集的产生的电力施加至交流-直流转换器，控制系统设置为用以将来自多个风速测量装置的风速信号组合成组合的风速信号，并产生用于交流-直流转换器的控制信号，以便基于组合的风速信号控制其操作频率。
在某些实施例中，该电力系统还包括直流-交流逆变器以及交流电网，直流-交流逆变器通过直流传输线路联接至交流-直流转换器，其中，直流-交流逆变器的输出频率设置为用以匹配交流电网的操作频率。
本公开的还有一示例性实施例针对一种用于电力系统的控制方法，其中该电力系统包括转换器和逆变器，该转换器设置为用以从以可变频率操作的多个交流电源提供直流电，该逆变器设置为用以将由该转换器提供的直流电转换成处于单个额定频率的交流电，该方法包括：基于与多个交流电源中选定的交流电源的操作频率相关联的监测变量产生信号，将由多个交流源的其中每一个产生的电力施加至转换器，以及，根据所产生的信号的组合来控制转换器的操作频率。在选定实施例中，所监测的变量可对应于发电机的旋转速度，发电机对应于多个交流电源中选定的交流电源。
在选定的实施例中，该控制方法使用对应于多个交流发电风力涡轮的多个交流电源，并且产生这样的信号，该信号对应于基于该多个交流发电风力涡轮中选定者附近的风速的信号。
可对本公开的这些示例性实施例作出变型和修改。
参考下文的描述和所附权利要求，本发明的这些与其它特点、方面和优点将会更好理解。附图被包括到该说明书中并构成该说明书的一部分，附图示出本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本发明的完全和充分的公开，包括其针对本领域技术人员而言的最佳模式，在该说明书中被更具体地阐述，其对附图进行了参考，在附图中：
图1是根据本技术的发电、收集和大电力传输系统的示意性框图。
在该说明书以及附图中重复使用的参考标号意图表示本发明相同或相似的特征或元件。
项目清单
  参考标号   构件
  10   风力涡轮
  12   风力涡轮
  14   风力涡轮
  16   风力涡轮
  20   收集系统
  30   电力整流器
  40   逆变器
  50   DC电缆
  60   风速计
  62   风速计
  64   风速计
  66   风速计
  70   中央控制系统
  80   通信装置
  90   控制链路
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参考，其中一个或多个示例在附图中示出。各示例以解释本发明而不是限制本发明的方式提供。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的范围或精神的情况下可做出各种修改和变型。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到更进一步的实施例。因此，本发明意图包括落在所附权利要求和其等同物的范围内的这样的修改和变型。
一般而言，本公开针对这样的方法与装置，其用于降低对应于多个风力涡轮或发电机以及相关联的传输系统的组合的风力发电设备的成本。本技术通过利用单个交流-直流转换器以将多个风力涡轮发电机连接到直流传输线路而提供显著的成本节省。通过这样的技术，直流电可传输到远程转换位置，直流电在该转换位置被转换成交流以用于传输至交流电网。
本主题的一个方面在于，交流至直流以及直流回到交流的转换使得由风力涡轮引起的交流频率与远程交流电网的交流频率解耦。这允许风力涡轮成组地以可变频率操作，以便实现风力涡轮的变速操作的效率优点的其中许多优点，而没有在每个风力涡轮处提供电力转换功能的负担，从而允许固定频率收集系统中的变速操作。
各风力涡轮可使用同步发电机、永磁体发电机或带有受限速度变化的发电机(例如感应发电机)。海上收集系统的频率被选择为使得风力涡轮的旋转速度被成组地优化。在每个风力涡轮的发电机允许受限的速度变化的情况下，该速度变化可应用于机械振荡阻尼、负载管理或进一步优化各风力涡轮发电机的速度。
应当理解，虽然本主题被描述为涉及海上收集系统，这样的技术同样可应用于陆基安装，从而使得所述主题的海上方面不应被认为是对本主题的特定限制。
现在参见图1，将看出其中示出了根据本技术的发电、收集和大电力传输系统的示意性框图。该系统的各构件包括多个风力涡轮10、12、14、16，每个风力涡轮具有发电机，该发电机在涡轮旋转速度与产生的交流输出的频率之间具有固定关系。或者，该发电机可对应于允许旋转速度与交流频率之间的这种关系小程度变化的发电机，但其并不经过由风力涡轮产生的通过每个单独的风力涡轮发电机处的电力电子转换过程的所有电力输出。
本主题还提供一种收集系统，其包括电缆或线路20，电缆或线路20将各风力涡轮发电机10、12、14、16的输出连接至中央电力整流器30。本领域普通技术人员应当理解，虽然在附图中示出了单个线路来表示收集系统，这意图用以表示多相交流收集系统。
收集系统电缆或线路20将所产生的电力输送到中央电力整流器30，其中由风力涡轮10、12、14、16所引起的变频电力被转换成处于合适电压的直流电，以用于将电力传输至远程逆变器40或多个这样的逆变器。逆变器40设置为用以将电力从直流转换成交流，该交流处于与它们所连接的交流电网相容的频率和电压。直流线路或电缆50设置为用以将电力从整流器30传输至逆变器40。
根据本主题，在每个风力涡轮10、12、14、16的位置处提供了感测风速的装置。在一示例性构造中，风速传感装置可对应于风速计60、62、64、66。或者，风速传感装置可单独地放置在风力设备内的选定位置。这样的单独放置可以或可不与任何特定风力涡轮相关联，并且可以或可不在数量上对应于该风力设备内的风力涡轮的数量。
中央控制系统70设置为用以确定交流收集系统的预期操作频率，从而使风力涡轮10、12、14、16的电力输出、机械负载或效率被共同优化。通信装置80设置为用以将来自风速计60、62、64、66的风速度的测量值传送至中央控制系统70。在示例性构造中，通信装置80可包括(但不限于)导线、光纤和无线传输(例如无线电通信)。应当注意，如在本文中不同地使用的用语“风速度”和“风速”被视为是作为同义用语这样的目的。
中央控制70包括用于通过控制链路90来控制整流器30的系统，控制链路90确定交流收集系统的操作频率。风速计60、62、64、66在风力涡轮10、12、14、16中的每一个处测量风速度，或者可选地在风力设备内选定位置处测量风速度，并且经由通信链路或系统80将风速数据传送至中央控制系统70。中央控制系统70确定交流频率，由风力涡轮10、12、14、16组成的局部系统以及收集系统20应在该交流频率下操作，从而使得风力涡轮的速度优化成共同的组的风力涡轮10、12、14、16的电力生产、机械负载减轻或效率。由于各涡轮局部的风力条件，各风力涡轮10、12、14、16可具有在有限范围内调节它们单独的速度的能力，以进一步优化电力生产、负载管理或效率。
电力整流器30将由风力涡轮10、12、14、16产生的变频交流电转换成处于高电压量级的直流电，该高电压量级的直流电适合于使电力在直流线路或电缆50上传输至远程位置。在线路或电缆50的一个或多个远程终端，该电力被逆变器40转换成处于合适的电压和频率的交流，以用于经由交流传输系统传送至负载。
如之前所提到的那样，本技术可最有利地用于海上风力设备应用中，这是由于这样的事实：由于使用长的绝缘电缆来使电力到岸上的需要，来自海上风力设备的电力的直流传输常常是有利的或必需的。在直流传输用于传统固定频率收集系统设计的情况下，在各风力涡轮处需要某种形式的转换从而有助于变速操作，并且电力被再次转换以将海上收集系统连接至直流电缆。本技术可在海上具有特定应用的另一原因在于，海上风速通常比陆上风力设备中的更均匀，这至少部分地由于缺少地形特征。在这样的海上操作条件下，可有利地采用仅仅相对少量的风速传感器来实现如本文所述的预期操作特征。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还允许本领域技术人员来实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于变频风力设备的控制方法，所述风力设备包括多个变频风力涡轮发电机(10，12，14，16)，所述方法包括：
提供多个风速信号(60，62，64，66)，所述多个风速信号对应于来自所述风力设备内选定位置的风速信号；
收集来自所述多个风力涡轮发电机的其中每一个的输出并将所述输出施加至共同的交流-直流转换器(30)；以及，
基于所述多个风速信号调节所述共同的交流-直流转换器(30)的操作频率，
由此所述风力涡轮成组地在可变频率下操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供多个风速信号包括：
提供来自多个风速计(60，62，64，66)的风速信号，所述多个风速计分别与所述多个风力涡轮发电机中选定的风力涡轮发电机相关联。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括设置所述多个变频风力涡轮发电机(10，12，14，16)中选定的风力涡轮发电机，以便基于各涡轮局部的风速信号调节其各自的速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个变频风力涡轮发电机的其中每一个在涡轮旋转速度与产生的交流输出的频率之间具有固定的关系。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个变频风力涡轮发电机(10，12，14，16)中选定的风力涡轮发电机对应于设置为允许涡轮旋转速度与产生的交流输出的频率之间的关系变化的发电机。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
提供中央控制系统(70)；
将所述多个风速信号(80)传送至所述中央控制系统(70)；以及，
设置所述中央控制系统以产生信号(90)，以便调节所述共同的交流-直流转换器(30)的操作频率。
7.一种电力系统，包括：
多个变频风力涡轮发电机(10，12，14，16)；
多个风速测量装置(60，62，64，66)；
交流-直流转换器(30)；
收集系统(20)，所述收集系统(20)设置为用以从所述多个变频风力涡轮发电机的其中每一个收集产生的电力，并将所收集的产生的电力施加至所述交流-直流转换器(30)；以及，
控制系统(70)，所述控制系统(70)设置为用以将来自所述多个风速测量装置的风速信号组合成组合的风速信号，并产生用于所述交流-直流转换器(30)的控制信号，以基于所述组合的风速信号来控制所述交流-直流转换器(30)的操作频率。
8.根据权利要求7所述的电力系统，其特征在于，所述多个变频风力涡轮发电机(10，12，14，16)的其中每一个在涡轮旋转速度与产生的交流输出的频率之间具有固定关系。
9.根据权利要求7所述的电力系统，其特征在于，所述多个变频风力涡轮发电机(10，12，14，16)中选定的风力涡轮发电机对应于设置为允许涡轮旋转速度与产生的交流输出的频率之间的关系变化的发电机。
10.根据权利要求7所述的电力系统，其特征在于，所述多个风速测量装置(60，62，64，66)对应于多个风速计。
11.根据权利要求7所述的电力系统，其特征在于，所述电力系统还包括：
直流-交流逆变器(40)，所述直流-交流逆变器(40)通过直流传输线路(50)联接至所述交流-直流转换器(30)，以及，
交流电网，
其中，所述直流-交流逆变器(40)的输出频率设置为用以匹配所述交流电网的操作频率。
12.一种用于电力系统的控制方法，所述电力系统包括转换器(30)和逆变器(40)，所述转换器(30)设置为用以从以可变频率操作的多个交流电源(10，12，14，16)提供直流电，并且所述逆变器(40)设置为用以将由所述转换器提供的直流电转换成处于单个频率的交流电，所述方法包括：
基于与所述多个交流电源(10，12，14，16)的其中每一个的操作频率相关联的监测变量而产生信号(80)；
将由所述多个交流源(10，12，14，16)的其中每一个产生的电力施加至所述转换器(30)；以及，
根据产生的信号的组合来控制(70)所述转换器(30)的操作频率。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多个交流电源对应于多个交流发电风力涡轮(10，12，14，16)，并且，其中，产生信号对应于基于所述多个交流发电风力涡轮中选定的风力涡轮附近的风速度而产生信号(80)。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多个交流发电风力涡轮(10，12，14，16)的其中每一个在涡轮旋转速度与产生的交流电力的频率之间具有固定的关系。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多个变频风力涡轮发电机(10，12，14，16)中选定的风力涡轮对应于设置为允许涡轮旋转速度与产生的交流输出的频率之间的关系变化的发电机。
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