CN102437808A - 用于控制风力涡轮机电功率产生量的方法和设备 - Google Patents

用于控制风力涡轮机电功率产生量的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于控制风力涡轮机电功率产生量的方法和设备。一种风力涡轮机场电力控制系统(300/500)包括至少一个风力涡轮机场调整装置(315/316/318/320/322/515/516/518/326/526)。风力涡轮机场电力控制系统还包括至少一个风力涡轮机场控制输入装置(308)。风力涡轮机场电力控制系统还包括与风力涡轮机场调整装置和风力涡轮机场控制输入装置操作性地联接的至少一个处理器(302/304/504)。处理器编程成具有表示至少一个电功率网容差范围和电功率产生量额定值之间的关系的至少一个算法。该至少一个处理器还编程成产生表示风力涡轮机场容差范围的至少一个风力涡轮机场容差调节信号。

Description

用于控制风力涡轮机电功率产生量的方法和设备
技术领域
本文中描述的主题大体涉及风力涡轮机，并且更具体而言，涉及控制至少一个风力涡轮机和/或风力涡轮机场的电功率输出的方法。
背景技术
一般而言，风力涡轮机包括转子，转子包括具有多个叶片的可旋转的毂组件。叶片将风能转化成机械旋转扭矩，机械旋转扭矩通过转子驱动一个或多个发电机。发电机有时(但不总是)通过齿轮箱旋转地联接到转子上。齿轮箱提高转子的固有地低的转速，以便发电机将旋转机械能高效地转换成电能，该电能通过至少一个电连接件而馈送到公用电网中。也存在无齿轮的直驱式风力涡轮机。转子、发电机、齿轮箱和其它构件典型地安装在定位在基座上的壳体或机舱内，基座包括例如桁架或管状塔架。已知的风力涡轮机中的至少一些在物理上一起放置在共同的地理区域中而形成风力涡轮机场。这样的已知的风力涡轮机场典型地电连接到电网上。
许多已知的电网具有电压容差范围且需要这样的功率因数容差范围：这些功率因数容差范围有利于在各种各样的运行状况下有可靠的电功率传输和分配，以服务广阔的市场。例如，许多已知的电网包括从名义额定电压的90％延伸到名义额定电压的110％的电网电压容差范围。而且，例如，发电装备的典型的电网功率因数容差范围从+0.9功率因数(pf)延伸到-0.9pf。这些运行容差范围为连接到电网上的所有构件限定了电力参数，包括在电压范围的最低端中的电压处和在电压范围的最高端处的电压处抽取的电流额定值和功率。类似地，在至少一些已知的风力涡轮机场中，各个风力涡轮机具有包括功率产生量(generation)、电流、电压和功率因数容差范围的设计或铭牌参数。因此，许多已知风力涡轮机设计成在受制(complimentary)于相关联的电网的电压和功率因数窗内运行。但是，在这样的已知电网中的这样的已知风力涡轮机的运行期间，为了适应电网中潜在的大电压瞬变，风力涡轮机在上限功率和电流参数以下运行，对那些上限参数具有足够裕度，以容忍沿任何方向的这样的大的电网引起的电压瞬变。因此，电功率产生机会可能无法由已知的风场实现，而连接到电网上的其它发电机可提供电功率，从而降低风场的运行有效性和效率，并且可能会导致风场的业主/运营商失去经济机会。
发明内容
在一方面，提供了一种控制风力涡轮机场的方法。该方法包括将至少一个算法编程在至少一个处理器内。风力涡轮机场具有包括发电机的至少一个风力涡轮机。该至少一个算法表示至少一个电功率网容差范围和电功率产生量额定值之间的关系。该方法还包括确定电功率网容差范围。该方法进一步包括产生表示风力涡轮机场容差范围的至少一个风力涡轮机场容差调节信号。该方法还包括改变风力涡轮机场容差范围。
在另一方面，提供了一种风力涡轮机场电力控制系统。风力涡轮机场电力控制系统包括至少一个风力涡轮机场调整装置。控制系统还包括至少一个风力涡轮机场控制输入装置。控制系统进一步包括与风力涡轮机场调整装置和风力涡轮机场控制输入装置操作性地联接的至少一个处理器。处理器编程成具有表示至少一个电功率网容差范围和电功率产生量额定值之间的关系的至少一个算法。处理器进一步编程成产生表示风力涡轮机场容差范围的至少一个风力涡轮机场容差调节信号。
在又一方面，提供了一种风力涡轮机场。风力涡轮机场包括多个风力涡轮机。风力涡轮机场还包括在该多个风力涡轮机中的各个风力涡轮机中实现的风力涡轮机场电力控制系统。风力涡轮机场电力控制系统包括至少一个风力涡轮机场调整装置。控制系统还包括至少一个风力涡轮机场控制输入装置。控制系统进一步包括操作性地联接到调整装置和风力涡轮机控制输入装置上的至少一个处理器。处理器编程成具有表示至少一个电功率网容差范围和电功率产生量额定值之间的关系的至少一个算法。处理器进一步编程成产生表示风力涡轮机场容差范围的至少一个风力涡轮机场容差调节信号。
附图说明
图1是示例性风力涡轮机的示意图。
图2是可用于包括图1中所示的风力涡轮机的风力涡轮机场的示例性风力涡轮机场电力控制系统的示意图。
图3是用于图2中所示的风力涡轮机场电力控制系统的示例性参数表。
图4是可用于包括图1中所示的风力涡轮机的风力涡轮机场的另一个示例性风力涡轮机场电力控制系统的示意图。
图5是运行可用于图2和3中所示的风力涡轮机场的风力涡轮机场电力控制系统的示例性方法的流程图。
部件列表
100风力涡轮发电机
102机舱
104塔架
106转子
108叶片
110毂
112低速轴
114加速齿轮箱
116高速轴
118PM发电机(单馈异步)
120发电机定子
122发电机转子
200风力涡轮机场
202电功率系
206定子同步开关
208定子母线
210全功率转换组件
212转换母线
213电功率传输和分配网
214主变压器断路器
216系统母线
234电功率主变压器
236发电机侧母线
238电网断路器
240断路器侧母线
242电网母线
250风力涡轮机场开关板/变电站
252变电站母线
254变电站断路器
300风力涡轮机场电力控制系统
302涡轮机控制器
304风力涡轮机场控制器
306通讯通道
308风力涡轮机场控制输入装置
310电网命令输入通道
312电网监测输入通道
314监测和/或命令输入通道
315风力涡轮机电功率产生量调整器
316风力涡轮机场电压容差调整器
318风力涡轮机场功率因数容差调整器
319场控制通道
320风力涡轮机电压容差调整器
322风力涡轮机功率因数容差调整器
323涡轮机控制通道
324表
326风力涡轮机变压器抽头变换器
328调节输入通道
400风力涡轮机场
402电功率系
438变电站断路器
440断路器侧母线
450风力涡轮机场开关板/变电站
452变电站母线
454变电站断路器
456风力涡轮机场变压器
458发电机侧母线
460电网断路器
462断路器侧母线
464电网母线
500风力涡轮机场电力控制系统
504风力涡轮机场控制器
510电网命令输入通道
512电网监测输入通道
515风力涡轮机电功率产生量调整器
516风力涡轮机场电压容差调整器
518风力涡轮机场功率因数容差调整器
519场控制通道
526风力涡轮机场变压器抽头变换器
600方法
602对至少一个算法编程...
604确定至少一个电功率网容差范围...
606产生至少一个风力涡轮机场容差调节...
608改变风力涡轮机场容差范围
具体实施方式
本文中描述的实施例提供了用于风力涡轮机和风力涡轮机场的控制系统。实现了风力涡轮机场电力控制系统。控制系统集成在现有的风力涡轮机和风力涡轮机场硬件和软件内，以测量和控制风力涡轮机电压和功率因数容差范围。在一个实施例中，控制系统动态地确定电网状况且修改运行容差范围，以有利于将风力涡轮机场中的风力涡轮机保持在预定参数内。在另一个实施例中，电网管理机构确定电网容差范围更改时的时间，并且将该时间和相关联的容差范围传输给风力涡轮机场电力控制系统。在又一个实施例中，风力涡轮机场内的单独的风力涡轮机接收经修改的运行容差范围，以有利于将风力涡轮机保持在预定参数内。在另一个实施例中，基于电网和风力涡轮机场的业主/运营商之间的协议，根据(as a function of)时间(即随时间而变化)来调节风力涡轮机场内的一个或多个风力涡轮机的容差范围。实施例使用现有硬件，例如传感器和处理器，实现如本文中描述的那样的风力涡轮机场电力控制系统，降低了建造的资本成本以及与常规的预防性和矫正性维护相关联的运营成本。
本文中描述的风力涡轮机场电力控制系统的技术效果在于，调节风力涡轮机场中的至少一个风力涡轮机的电压和/或功率因数容差范围，以有利于更加高效和有效地使用其中的发电能力。本文中描述的风力涡轮机场电力控制系统的另一个技术效果包括缩小电压和/或功率因数容差范围以及相当地提高电功率和电流产生量，同时对功率参数和电流参数保持足够的裕度，以适应电网中潜在的大电压瞬变。如本文中描述的控制系统的另一个技术效果在于，有利于为风场的业主/运营商实现较宽的电压和/或功率因数容差范围可能无法实现的电功率产生机会。
图1是示例性风力涡轮发电机100的示意图。风力涡轮发电机100包括容纳发电机(在图1中未显示)的机舱102。机舱102安装在塔架104(塔架104的一部分在图1中显示)上。塔架104可为有利于风力涡轮发电机100如本文所描述的那样运行的任何高度。风力涡轮发电机100还包括转子106，转子106包括附连到旋转毂110上的三个转子叶片108。备选地，风力涡轮发电机100包括有利于风力涡轮发电机100如本文中描述的那样运行的任何数量的叶片108。在该示例性实施例中，风力涡轮发电机100包括可旋转地联接到转子106和发电机(在图1中未显示)上的齿轮箱(在图1中未显示)。
图2是可用于风力涡轮发电机100的示例性风力涡轮机场电力控制系统300的示意图。在该示例性实施例中，各个风力涡轮发电机100定位在风力涡轮机场200内，风力涡轮机场200至少部分地在地理方面和/或在电力方面被限定，即，场200可由特定的地理区域中的许多风力涡轮发电机100限定，或备选地，由各个风力涡轮发电机100与公共变电站的电连接限定。在该示例性实施例中，限定风力涡轮机场200的各个风力涡轮发电机100与各个其它风力涡轮发电机100是基本相同的。备选地，使用使得风力涡轮机场电力控制系统300能够如本文中描述的那样运行的任何类型的风力涡轮发电机的任何组合。
在该示例性实施例中，转子106包括联接到旋转毂110上的多个转子叶片108。转子106还包括可旋转地联接到毂110上的低速轴112。低速轴112联接到加速齿轮箱114上。齿轮箱114构造成提高低速轴112的转速且将该速度传递给高速轴116。在该示例性实施例中，齿轮箱114具有大约70∶1的加速比率。例如，联接到具有大约70∶1的加速比率的齿轮箱114上的、以大约20转每分钟(rpm)旋转的低速轴112产生大约1400rpm的高速轴116速度。备选地，齿轮箱114具有有利于风力涡轮发电机100如本文中描述的那样运行的任何加速比率。风力涡轮发电机100还可包括直驱发电机，该直驱发电机具有可旋转地联接到转子106上而无需任何居间齿轮箱的发电机转子(未在图1中显示)。
高速轴116可旋转地联接到发电机118上。在该示例性实施例中，发电机118是同步永磁体发电机(PMG)，其包括构造有多个永磁体(未显示)的转子122和在转子122的周围延伸的定子120。发电机定子120以磁的方式耦联到发电机转子122上。备选地，发电机118是电励磁同步发电机(EESG)，其包括构造有多个励磁绕组(未显示)的转子和定子。可使用使得风力涡轮发电机100能够如本文中描述的那样运行的任何发电机。
在该示例性实施例中，各个风力涡轮发电机100电联接到电功率系202上。电功率系202包括定子同步开关206。发电机定子120通过定子母线208电联接到定子同步开关206上。定子母线208将来自定子120的三相功率传输给开关206。在该示例性实施例中，电功率系202包括全功率转换组件210。同步开关206通过转换母线212电联接到全功率转换组件210上，转换母线212将来自定子120的三相功率传输给组件210。全功率转换组件210有利于在定子120和电功率传输和分配网213之间输送电功率。定子同步开关206通过系统母线216电联接到主变压器断路器214上。
电功率系202进一步包括电功率主变压器234。系统断路器214通过发电机侧母线236电联接到电功率主变压器234上。主变压器234通过断路器侧母线240电联接到电网断路器238上。电网断路器238通过电网母线242连接到电功率传输和分配网213上。
在该示例性实施例中，多个电功率系202通过风力涡轮机场开关板(switchyard)和/或变电站250电联接到电网213上。变电站250包括多个变电站母线252和至少一个变电站断路器254，以有利于相关联的风力涡轮发电机100和电功率系202的电互连和电隔离两者。
在运行期间，风撞击叶片108，并且叶片108将风能转化成机械旋转扭矩，机械旋转扭矩通过毂110旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，齿轮箱114接着提高轴112的低的转速，以便以增大的转速驱动高速轴116。高速轴116旋转地驱动转子122。转子122引起旋转磁场，而在以磁的方式耦联到转子122上的定子120内引起电压。发电机118将旋转机械能转换成定子120中的正弦三相交流(AC)电能信号。
另外，在运行期间，在定子120内产生的电功率传输给全功率转换组件210。在该示例性实施例中，三相正弦AC电功率在定子120内产生且通过母线208、开关206和母线212传输给组件210。在组件210内，电功率被从正弦三相AC功率整流成直流(DC)功率。DC功率传输给将DC电功率转换成具有预定的电压、电流和频率的三相正弦AC电功率的逆变器(未显示)。组件210针对例如毂110和叶片108处的风速的变化而补偿或调节来自定子120的三相功率的频率。因此，照这样，机械和电转子频率就与定子频率分离。
此外，在运行中，经转换的AC功率通过母线216、断路器214和母线236从转换组件210传输给主变压器234。主变压器234提高电功率的电压幅度，并且经变压的电功率通过母线240、断路器238、母线242和/或母线252和断路器254进一步传输给变电站250和电网213。
在该示例性实施例中，风力涡轮机场电力控制系统300包括多个涡轮机控制器302。各个控制器302包括至少一个处理器和存储器、至少一个处理器输入通道、至少一个处理器输出通道，并且可包括至少一个计算机(在图2中没有显示一个)。如本文中所用，用语计算机不限于在本领域中称为计算机的集成电路，而是宽泛地指处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路(在图2中没有显示一个)，而且这些用语在本文中可互换地使用。在该示例性实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，例如随机存取存储器(RAM)(在图2中没有显示一个)。备选地，也可使用软盘、紧致盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能盘(DVD)(在图2中没有显示一个)。另外的输入通道(在图2中没有显示)可包括(不限于)与操作员接口相关联的计算机外围设备，例如鼠标和键盘(在图2中均未显示)。备选地，也可使用其它计算机外围设备，这可包括例如扫描仪(在图2中未显示)。在该示例性实施例中，额外的输出通道可包括(不限于)操作员接口监视器(在图2中未显示)。
用于各个控制器302的处理器处理从可包括(不限于)电压和电流变送器(未显示)的多个电力和电子装置传输出的信息。RAM和存储装置存储和传递待由处理器执行的信息和指令。RAM和存储装置还可用来在处理器执行指令期间存储临时变量、静态(即不变的)信息和指令或其它中间信息且将它们提供给处理器。所执行的指令包括(不限于)常驻的转换和/或比较器算法。指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何具体组合。
在该示例性实施例中，各个涡轮机控制器302构造成接收来自电压和电流传感器(未显示)的多个电压和电流测量信号(未显示)。这样的传感器可联接到电功率系202的任何部分上，例如母线242和/或系统母线216的三相中的各个中的至少一个。备选地，电压和电流传感器电联接到电功率系202和/或开关板250和/或电网213的有利于风力涡轮机场电力控制系统300如本文中描述的那样运行的任何部分上。备选地，控制器302构造成接收来自任何数量的电压和电流传感器的任何数量的电压和电流测量信号。
各个涡轮机控制器302构造成接收来自与相关联的全功率转换组件210相关联的电压和电流传感器(未显示)的多个电压和电流测量信号(未显示)，从而有利于控制转换器210。备选地，联接成与涡轮机控制器302通讯的额外的控制器有利于控制转换器210。此外，在该示例性实施例中，各个控制器302构造成监测和控制与风力涡轮发电机100相关联的运行变量中的至少一些，包括(不排除)发电机磁场强度、轴速度、励磁电压和电流、发电机118的总发电量、轴承温度和/或叶片桨距中的至少一个。
在该示例性实施例中，风力涡轮机场电力控制系统300包括操作性地联接(例如通讯联接)到各个涡轮机控制器302上的风力涡轮机场控制器304。控制器304在物理上类似于控制器302，并且在功能上类似于控制器302，例外在于各个控制器302控制相关联的风力涡轮发电机100和电功率系202，而相反，控制器304控制不止一个风力涡轮发电机100和不止一个电功率系202。在该示例性实施例中，控制器304通过多个通讯通道306监测和控制风力涡轮机场200中所有的风力涡轮发电机100和电功率系202。因此，以与控制器302的方式类似的方式，控制器304接收来自多个风力涡轮发电机100、电功率系202和变电站250中的各个的多个电压和电流信号。
此外，控制器304和/或各个控制器302操作性地联接到至少一个风力涡轮机场控制输入装置308上。在该示例性实施例中，装置308由电网运营商(包括但不限于电力公司)操作。另外，装置308是监督控制和数据采集(SCADA)系统(仅显示了装置308)的至少一部分。
风力涡轮机场电力控制系统300包括通讯联接到装置308和控制器304上的至少一个电网命令输入通道310。装置308起到将命令传输给风力涡轮机场200和/或风力涡轮发电机100的电网命令装置的作用。风力涡轮机场电力控制系统300还包括通讯联接到装置308和控制器304上的至少一个电网监测输入通道312。装置308起到电网/风场监测装置的作用，以有利于电网运营商和风场200之间的双向通讯。备选地，风力涡轮机场电力控制系统300包括多个监测和/或命令输入通道314。各个通道314操作性地联接到各个涡轮机控制器302和装置308上。
在该示例性实施例中，装置308典型地通过通道310传输这样的信号：这些信号命令风力涡轮机场200和风力涡轮发电机100在电网电压容差范围和电网功率因数容差范围中的至少一个内运行。例如，电网213的初始电网电压容差范围是从名义额定电网电压的90％延伸到名义额定电网电压的110％的电网电压值的范围。而且，例如，电网213的初始电网功率因数容差范围是从+0.9功率因数(pf)延伸到-0.9pf的电网功率因数值的范围。正号“+”指示滞后功率因数，而负号“-”指示超前功率因数。另外，在该示例性实施例中，这样的电网电压和功率因数容差范围信号由风力涡轮机场控制器304接收且此后被传输给风力涡轮机控制器302。备选地，容差范围信号直接传输给控制器302。
风力涡轮机场电力控制系统300还包括至少一个风力涡轮机调整装置。在一个实施例中，风力涡轮机调整装置包括风力涡轮机电功率产生量调整器315、风力涡轮机场电压容差调整器316、风力涡轮机场功率因数容差调整器318、至少一个风力涡轮机电压容差调整器320和至少一个风力涡轮机功率因数容差调整器322中的至少一个。调整器315、316和318中的各个通过场控制通道319操作性地联接到风场控制器304上。调整器315、320和322中的各个通过涡轮机控制通道323操作性地联接到风力涡轮机控制器302上。在该示例性实施例中，调整器315是电功率产生量调整器。备选地，调整器315是风力涡轮机电流调整器。电功率产生量和产生的电流是直接相关的。
在该示例性实施例中，调整器316和318中的各个被编程在风场控制器304的处理器内。而且，在该示例性实施例中，调整器320和322中的各个被编程在风力涡轮机控制器302的处理器内。另外，在该示例性实施例中，调整器315被编程在控制器302和控制器304两者的处理器内，其中，为控制器304赋予高于控制器302的优先级。控制器302和304编程成具有表示至少一个电功率网容差范围和电功率产生量额定值(例如上限产生量参数)之间的关系的至少一个算法。
风力涡轮机电功率产生量调整器315操作性地联接到相关联的风力涡轮发电机100的功率产生量调节装置上。从调整器315中传输出来的信号调控可包括(不限于)发电机磁场强度的运行值。调控功率产生量有利于调控产生的电流。
在该示例性实施例中，调整器315、316、318、320和322中的各个编程成具有表示至少一个电功率网容差范围和电功率产生量额定值之间的关系的至少一个算法。另外，调整器315、316、318、320和322中的各个编程成具有至少一个算法，以产生表示风力涡轮机场容差范围的至少一个风力涡轮机场容差调节信号。更具体而言，风力涡轮机电功率产生量调整器315、风力涡轮机场电压容差调整器316、风力涡轮机场功率因数容差调整器318、风力涡轮机电压容差调整器320和风力涡轮机功率因数容差调整器322中的各个包括足够的程序设计，包括算法，以有利于基于由风力涡轮机场控制器304和/或风力涡轮机控制器302从风力涡轮机场控制输入装置308接收到的电网电压和功率因数容差范围信号来建立电功率产生量参数。
图3是图2中所示的风力涡轮机场电力控制系统的示例性参数表324。表324将电功率产生量参数显示为针对预定义的电压容差范围和预定义的功率因数容差范围的名义功率额定值的百分比(％)值。表324显示了针对这样电网电压值的电功率产生量参数：该电网电压值从相对于名义电压额定值的1％的偏差延伸到相对于名义电压额定值的10％偏差，即，从名义额定电网电压的90％延伸到110％。表324还显示了针对从±0.9pf的功率因数延伸到整(unity)功率因数的电网功率因数值的电功率产生量参数。
例如，在±10％的命令的电网电压容差范围(等同于名义电压范围)和±0.9pf的命令的电网功率因数容差范围(等同于名义功率因数范围)处，电功率产生量的相关联的上限参数是名义额定值的100％。因此，如果电网运营商需要最宽的范围的电压和功率因数容差范围以便在整个电网213(在图2中显示)中有最宽的范围的电连接的装备，则风力涡轮机场200内的各个风力涡轮发电机100(两者均在图2中显示)限于额定功率产生量的100％。100％的上限电功率产生量参数是由系统200建立的。在一个实施例中，系统200产生表示额定产生量的100％的上限电功率产生量参数信号。
而且，例如，如果电网运营商已经确定将较窄的范围的电连接的装备连接到电网213上，则电网运营商可命令风力涡轮机场200和相关联的风力涡轮发电机100在较窄的电压和/或功率因数容差范围内运行。具体而言，当命令的功率因数容差范围缩小到±0.95pf且保持±10％的命令的电网电压容差范围时，功率产生量的上限参数提高6％而到达名义额定功率产生量的106％。106％的上限电功率产生量参数是由系统200建立的。具体而言，系统200产生表示额定产生量的106％的上限电功率产生量参数信号。
另外，如果命令的电网电压容差范围也缩小到±5％，同时命令的功率因数容差范围保持在±0.9pf处，则功率产生量的上限参数提高5％而到达名义额定功率产生量的105％。105％的上限电功率产生量参数是由系统200建立的。具体而言，系统200产生表示额定产生量的105％的上限电功率产生量参数信号。
另外，如果命令的功率因数容差范围缩小到±0.95pf且命令的电网电压容差范围也缩小到±5％，则功率产生量的上限参数提高11％而到达名义额定功率产生量的111％。111％的上限电功率产生量参数是由系统200建立的。具体而言，系统200产生表示额定产生量的111％的上限电功率产生量参数信号。
此外，如果命令的功率因数容差范围缩小到整功率因数且命令的电网电压容差范围也缩小到±1％，则功率产生量的上限参数提高21％而到达名义额定功率产生量的121％。
大体上，命令的电网功率因数容差范围每缩小1％，就获得来自各个风力涡轮发电机100的功率产生量的上限参数的大约1％的提高。类似地，命令的电网电压容差范围每缩小1％，就获得来自各个风力涡轮发电机100的功率产生量的上限参数的大约1％的提高。
可根据电网213上的状况来调控风力涡轮机场200中的电压参数、功率因数参数和功率产生量参数。此外，可根据时间来执行这种调控。例如，电网运营商可在临时时间段上或无限期地调节电压和功率因数。如果电网运营商永久地缩小电压和/或功率因数容差范围，则风力涡轮机场运营商可提高相关联的风力涡轮发电机100的功率产生量额定值。
此外，电网运营商可根据电网状况来调控电网电压，在此期间，电网运营商可临时命令有超过风力涡轮发电机100的名义电压额定值的电压容差范围。因此，风场运营商可将风力涡轮机场200的电压调节到名义电压以下，从而线性地扩大过电压裕度。在这样的情况下，在降低的电压处运行的持续时间里可接受比名义额定功率更低的功率产生量值。
表324中定义的上限功率产生量参数是以与风力涡轮发电机100相关联的运行参数为基础的。这样的运行参数包括(不限于)轴112和116(两者在图2中均有所显示)上的扭矩、发电机定子120和转子122(两者在图2中均有所显示)的温度、全功率转换组件210(在图2中显示)内的功率电子器件(未显示)和风力涡轮机场200内的紊流状况与环境温度。
再次参看图2，风力涡轮机场电力控制系统300包括另一个风力涡轮机场调整装置，即至少一个风力涡轮机变压器抽头变换器326。在该示例性实施例中，抽头变换器326是联接到主变压器234上的机动可控加载抽头变换器(OLTC)。在该示例性实施例中，抽头变换器326通过调节输入通道328操作性地联接到调整器316、318、320和322上，并且根据从调整器316、318、320和322中的至少一个接收到的信号而改变抽头设置，从而改变在断路器侧母线240上引起的二次电压和/或功率因数。基于如表324(在图3中显示)中显示的电压设置来确定变压器234内的各个抽头设置。此外，全功率转换组件210通过输入通道328操作性地联接到调整器316、318、320和322上，并且根据从调整器316、318、320和322中的至少一个接收到的信号来改变组件210的至少一个设置，从而改变系统母线216上引起的电压和/或功率因数。
在该示例性实施例中，电网电压容差范围和电网功率因数容差范围是密切相关的，并且有利于确定风力涡轮机场200处的电压。因此，这样的容差范围还有利于确定各个风力涡轮发电机100的过电压和欠电压脱扣装置(未显示)的设置。抽头变换器326的典型响应为大约10秒每±2％的各个递增抽头变换。因此，在该示例性实施例中，在接收来自调整器316、318、320和/或322中的一个的抽头变换信号的一分钟内，可根据或者电压以及/或者功率因数容差带的变化来调节风场200和风力涡轮发电机100的电压。如果期望有更加迅速的响应，则可使用静态转接开关(未显示)，以有利于在几个循环内执行抽头变换。
图4是可用于包括风力涡轮发电机100的风力涡轮机场400的另一个示例性风力涡轮机场电力控制系统500的示意图。风力涡轮机场400包括多个风力涡轮发电机100(在图4中显示了仅两个)。在这个备选的示例性实施例中，各个风力涡轮发电机100电联接到电功率系402上。电功率系402类似于电功率系202(在图2中显示)，并且包括定子同步开关206、定子母线208、全功率转换组件210和转换母线212。但是，功率系402与功率系202不同，因为功率系402不包括主变压器。作为代替，电功率系402包括通过断路器侧母线440联接到组件210上的变电站断路器438。多个电功率系402电联接到风力涡轮机场开关板和/或变电站450上。变电站450包括多个变电站母线452和至少一个变电站断路器454，以有利于风力涡轮机场400与电网213的电互连和电隔离两者。
电功率系402进一步包括风力涡轮机场变压器456。变电站断路器454通过发电机侧母线458电联接到电功率主变压器456上。主变压器456通过断路器侧母线462电联接到电网断路器460上。电网断路器460通过电网母线464连接到电功率传输和分配网213上。
在这个备选的示例性实施例中，风力涡轮机场电力控制系统500包括在功能上类似于控制器304(在图2中显示)的风力涡轮机场控制器504。通过可接收或可不接收来自控制器504的前馈和/或反馈信号的独立的控制器(在图4中未显示)来执行对风力涡轮发电机的单独控制。控制器504操作性地联接到风力涡轮机场控制输入装置308上。风力涡轮机场电力控制系统500还包括通讯联接到装置308和控制器504上的电网命令输入通道510和电网监测输入通道512。通道510和512分别基本类似于通道310和312(两者均在图2中示出)。
风力涡轮机场电力控制系统500还包括至少一个风力涡轮机调整装置，或者更具体而言，多个风力涡轮机电功率产生量调整器515、风力涡轮机场电压容差调整器516和风力涡轮机场功率因数容差调整器518中的至少一个。调整器515、516和518中的各个通过场控制通道519通讯联接且操作性地联接到风场控制器504上。此外，调整器515、516和518分别基本类似于调整器315、316和318(全部在图2中示出)。在这个备选的示例性实施例中，调整器515是电功率产生量调整器。备选地，调整器515是风力涡轮机电流调整器，其中，电功率产生量和产生的电流是直接相关的。
风力涡轮机场电力控制系统500进一步包括基本类似于抽头变换器326(在图2中显示)的至少一个风力涡轮机场变压器抽头变换器526。抽头变换器526通过基本类似于通道328(在图2中显示)的调节输入通道528操作性地联接到调整器516和518上。此外，全功率转换组件210通过输入通道528操作性地联接到调整器516和518上，并且根据从调整器516和518中的至少一个接收到的信号来改变组件210的至少一个设置，从而改变断路器侧母线440上引起的电压和/或功率因数。参照表324(在图3中显示)，风力涡轮机场电力控制系统500的运行类似于系统300的运行。
图5是运行可用于风力涡轮机场200(在图2中显示)和400(在图4中显示)的风力涡轮机场电力控制系统300和500(在图2和4中显示)的示例性方法600的流程图。在该示例性实施例中，将至少一个算法编程602在控制器302和304(两者均在图2中示出)和504(在图4中显示)内的至少一个处理器内。该算法表示至少一个电功率网容差范围和电功率产生量额定值之间的关系。确定604至少一个电功率网容差范围，并且产生606表示风力涡轮机场容差范围的至少一个风力涡轮机场容差调节信号。根据该风力涡轮机场容差调节信号来改变608风力涡轮机场容差范围。
本文中描述的实施例提供了用于风力涡轮机和风力涡轮机场的控制系统。在一个实施例中，如本文中描述的风力涡轮机场电力控制系统集成在现有的风力涡轮机和风力涡轮机场硬件和软件内，以测量和控制风力涡轮机电压和功率因数容差范围。更具体而言，控制系统动态地确定电网状况且修改运行容差范围，以有利于将风力涡轮机场中的风力涡轮机保持在预定参数内。备选地或者结合上面描述的控制，电网管理机构确定时间和相关联的容差范围，并且将它们传输给风力涡轮机场电力控制系统。而且，备选地或者结合上面描述的控制，风力涡轮机场内的单独的风力涡轮机接收经修改的运行容差范围，以有利于将风力涡轮机保持在预定参数内。另外，备选地或者结合上面描述的控制，基于电网和风力涡轮机场的业主/运营商之间的协议，风力涡轮机场内的一个或多个风力涡轮机根据时间来调节容差范围。本文中描述的风力涡轮机场电力控制系统根据风力涡轮机场中的至少一个风力涡轮机的上述命令来调节电压和/或功率因数容差范围，以有利于更加高效和有效地使用其中的发电能力。更具体而言，本文中描述的风力涡轮机场电力控制系统缩小了电压和/或功率因数容差范围，并且相当地提高了电功率和电流产生量，同时对功率参数和电流参数保持足够的裕度，以适应电网中潜在的大电压瞬变。因此，如本文中描述的控制系统将有利于为风场的业主/运营商实现较宽的电压和/或功率因数容差范围可能无法实现的电功率产生机会。此外，本文中描述的控制系统使用现有硬件，例如传感器和处理器，因此，实现如本文中描述的那样的风力涡轮机场电力控制系统的实施例降低了建造的资本成本以及与常规的预防性和矫正性维护相关联的运营成本。
以上详细地描述了风力涡轮机、风力涡轮机场、风力涡轮机场电力控制系统和控制风力涡轮机和风力涡轮机场的方法的示例性实施例。风力涡轮机、风力涡轮机场、风力涡轮机场电力控制系统和方法不限于本文中描述的具体实施例，而是相反，风力涡轮机和/或风力涡轮机场和/或风力涡轮机场电力控制系统的构件和/或方法的步骤可单独地并且与本文中描述的其它构件和/或步骤分开来使用。例如，风力涡轮机场电力控制系统和方法也可与其它功率系统和方法结合起来使用，而不限于仅用本文中描述的风力涡轮机和风力涡轮机场来实践。相反，可结合许多其它风力涡轮机或功率系统应用来实现和使用示例性实施例。
虽然本发明的多种实施例的具体特征可在一些图中有所显示而不在其它图中显示，但是这仅是为了方便。根据本发明的原理，可与任何其它图的任何特征结合起来参照和/或要求保护图的任何特征。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机场电力控制系统(300/500)，包括：
至少一个风力涡轮机场调整装置(315/316/318/320/322/515/516/518/326/526)；
至少一个风力涡轮机场控制输入装置(308)；以及
与所述风力涡轮机场调整装置和所述风力涡轮机场控制输入装置操作性地联接的至少一个处理器(302/304/504)，所述处理器编程成具有表示至少一个电功率网容差范围和电功率产生量额定值之间的关系的至少一个算法，所述至少一个处理器进一步编程成产生表示风力涡轮机场容差范围的至少一个风力涡轮机场容差调节信号。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机场电力控制系统(300/500)，其特征在于，所述风力涡轮机场电力控制系统(300/500)进一步包括：
至少一个风力涡轮机控制器(302)；以及
操作性地联接到所述风力涡轮机控制器上的至少一个风场控制器(304)。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮机场电力控制系统(300/500)，其特征在于，所述风力涡轮机场控制输入装置(308)包括下者中的至少一个：
通讯联接到电网命令装置(308)上的至少一个输入通道(310/314)；以及
通讯联接到电网监测装置(308)上的至少一个输入通道(312/314)。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机场电力控制系统(300/500)，其特征在于，通讯联接到所述电网命令装置(308)上的所述输入通道(310/314)构造成接收下者中的至少一个：
电网电压容差范围信号；以及
电网功率因数容差范围信号。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机场电力控制系统(300/500)，其特征在于，所述风力涡轮机场调整装置(315/316/318/320/322/515/516/518/326/526)包括下者中的至少一个：
风力涡轮机电功率产生量调整器(315/515)；
风力涡轮机场电压容差调整器(316/516)；
风力涡轮机场功率因数容差调整器(318/518)；
至少一个风力涡轮机电压容差调整器(320)；以及
至少一个风力涡轮机功率因数容差调整器(322)。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机场电力控制系统(300/500)，其特征在于，所述风力涡轮机场调整装置(315/316/318/320/322/515/516/518/326/526)包括下者中的至少一个：
至少一个风力涡轮机场变电站变压器抽头变换器(526)；以及
至少一个风力涡轮机变压器抽头变换器(326)。
7.一种风力涡轮机场(200)，包括：
多个风力涡轮机(100)；以及
在所述多个风力涡轮机中的各个风力涡轮机中实现的风力涡轮机场电力控制系统(300/500)，所述风力涡轮机场电力控制系统包括：
至少一个风力涡轮机场调整装置(315/316/318/320/322/515/516/518/326/526)；
至少一个风力涡轮机场控制输入装置(308)；以及
与所述调整装置和所述风力涡轮机控制输入装置操作性地联接的至少一个处理器(302/304/504)，所述处理器编程成具有表示至少一个电功率网容差范围和电功率产生量额定值之间的关系的至少一个算法，所述处理器进一步编程成产生表示风力涡轮机场容差范围的至少一个风力涡轮机场容差调节信号。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机场(200)，其特征在于，所述风力涡轮机场(200)进一步包括：
至少一个风力涡轮机控制器(302)；以及
操作性地联接到所述风力涡轮机控制器上的至少一个风场控制器(304)。
9.根据权利要求7所述的风力涡轮机场(200)，其特征在于，所述风力涡轮机场控制输入装置(308)包括下者中的至少一个：
通讯联接到电网命令装置(308)上的至少一个输入通道(310/314)；以及
通讯联接到电网监测装置(308)上的至少一个输入通道(312/314)。
10.根据权利要求7所述的风力涡轮机场(200)，其特征在于，所述风力涡轮机场调整装置(315/316/318/320/322/515/516/518/326/526)包括下者中的至少一个：
风力涡轮机电功率产生量调整器(315/515)；
风力涡轮机场电压容差调整器(316/516)；
风力涡轮机场功率因数容差调整器(318/518)；
至少一个风力涡轮机电压容差调整器(320)；以及
至少一个风力涡轮机功率因数容差调整器(322)。
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