CN102472248A - 用于避免共因关机的风力发电场控制器 - Google Patents

用于避免共因关机的风力发电场控制器 Download PDF

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Abstract

一种包括多个风力涡轮机的风力发电场，该风力发电场进一步包括：发电场控制器，其连接到所述多个风力涡轮机中的至少第一风力涡轮机和第二风力涡轮机；该发电场控制器包括用于检测第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机的装置；该发电场控制器进一步包括响应于检测到第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机来对第二风力涡轮机进行控制从而修改第二风力涡轮机的运行参数的装置。

Description

用于避免共因关机的风力发电场控制器
技术领域
本发明涉及风力发电场(wind power plant)的控制。特别地，本发明涉及按照以下方式对风力发电场的控制，即通过控制方法链接多个风力涡轮机(wind turbine)以便于避免由于共因导致风力涡轮机关机。
背景技术
风力发电场是多个风力涡轮机，并且也可以称为风电场或者风力发电园。
风力发电场可以包括两个风力涡轮机，或者甚至多达几百个风力涡轮机。当然希望的是，最大化风力发电场的功率输出，但是认识到还需要将作用于风力涡轮机上的负载保持在设计负载内以避免故障。
在US2004/0258521中描述了能够如何设置风力发电场从而提供早期报警系统。在第一风力涡轮机的区域中测量风力条件，并且基于在第一风力涡轮机的区域中的风力测量控制位于第一风力涡轮机的下游的第二风力涡轮机。因此，如果在第一风力涡轮机的区域中测量的风力条件被认为危害到了第一风力涡轮机，则将该信息传送给第二风力涡轮机，该第二风力涡轮机将被控制为采取适当的措施，从而风力条件将不会危害第二风力涡轮机。然而，如在US2004/0258521中描述的风力传感器或者负载传感器的使用可能易于自己发生故障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电场和方法，从而最小化由于共因事件引起的风力涡轮机关机。
根据本发明的第一方面，提供了一种包括多个风力涡轮机的风力发电场，该风力发电场进一步包括：
发电场控制器，其连接到所述多个风力涡轮机中的至少第一风力涡轮机和第二风力涡轮机；
所述发电场控制器包括用于检测第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机的装置；
所述发电场控制器进一步包括响应于检测到第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机来对第二风力涡轮机进行控制从而修改第二风力涡轮机的运行参数的装置。
通过监测风力发电场以确定第一风力涡轮机是否关机，能够修改第二风力涡轮机的运行参数，从而减小第二风力涡轮机上的负载。这具有下述效果，即第二风力涡轮机将由于同样的原因而关机的可能性较小。
风力发电场控制器检测第一风力涡轮机是否响应于当前风力条件而关机。因此，不需要监测第一风力涡轮机承受的风力条件或者负载的任何传感器。这导致非常安全的系统，这是因为该系统不依赖于传感器。作为替代，发电场控制器仅有的输入可以是风力涡轮机是否已关机。
当第二风力涡轮机的运行参数被修改时，这是风力的声振粗糙度(harshness)的指示符，而不是风速的指示符。
风力发电场可以包括多于两个风力涡轮机。发电场控制器可以检测第一风力涡轮机的关机并且控制风力发电场中的所有剩余风力涡轮机或者仅控制其中的一些。第二涡轮机通常位于第一风力涡轮机的下游。
发电场控制器包括用于检测第一风力涡轮机响应于当前风力条件的关机。这意味着发电场控制器能够监测第一风力涡轮机并且检测其由于当前风力条件而关机或者处于关机过程中。这样的关机可以是由例如阵风或者风向的突然变化引起的。这些极端的风力条件引起第一涡轮机关机并且不输出任何功率以便于避免对第一涡轮机的损害。
第二风力涡轮机的运行参数可以是第二风力涡轮机的功率输出；并且响应于检测到第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机部分地减小第二风力涡轮机的功率输出。当第二风力涡轮机的功率输出被减小时，第二风力涡轮机在较不积极的模式中运行，这最小化了第二风力涡轮机承受的负载。可以通过对涡轮机的转子叶片进行变桨使得它们产生减小的驱动力来减小第二风力涡轮机的功率输出。第二风力涡轮机的功率输出被部分地减小，使得第二风力涡轮机继续产生功率，从而避免了共因关机。然而，也可能存在必须关闭第二风力涡轮机的情况。
第二风力涡轮机的运行参数可以是转子的转速；并且响应于检测到第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机部分地减小第二风力涡轮机的转子的转速。当第二风力涡轮机的转子的转速被减小时，第二风力涡轮机承受的负载被最小化。第二风力涡轮机的转子的转速被部分地减小，使得第二风力涡轮机继续产生功率，从而避免了共因关机。然而，也可能存在必须关闭第二风力涡轮机的情况。
第二风力涡轮机可以包括控制单元和传动系统，该传动系统具有基准转速，并且控制单元被构造为：
在第一模式中，控制传动系统的转速，使得传动系统的转速低于比基准转速高的第一转速上限；
在第二模式中，控制传动系统的转速，使得传动系统的转速低于比基准转速高的第二转速上限，其中第一转速上限高于第二转速上限；并且其中
响应于检测到第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机，发电场控制器控制第二风力涡轮机使得第二风力涡轮机的控制单元从第一模式切换到第二模式。
传动系统包括发电机，并且它还可以包括齿轮箱。传动系统的组成部分在给定的风速下具有预定的基准转速。
第二风力涡轮机可以在第一或第二模式中运行。在第一模式中，控制器被调谐为其在速度基准附近以松散的控制来运行，即允许传动系统的转速偏离速度基准一定范围。第二模式涉及控制器的更积极的调谐，从而与第一模式相比，传动系统的转速被保持为更接近于基准速度。从第一模式到第二模式的切换是有利的，这是因为其允许传动系统的转速更紧密地跟随基准速度。尽管这可能在短期内导致更高的疲劳负载，但是避免了第二风力涡轮机的共因关机。
根据本发明的第二方面，提供了一种控制包括多个风力涡轮机的风力发电场的方法，该方法包括以下步骤：
检测第一风力涡轮机响应于当前风力条件的关机；
响应于检测到第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机，控制第二风力涡轮从而修改第二风力涡轮机的运行参数。
附图说明
将参考附图详细地描述本发明的示例，在附图中：
图1示出了风力涡轮机的示意性视图；
图2示出了风力涡轮机的功率曲线；
图3示出了风力发电场的示意性视图。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机10的视图。风力涡轮机10包括塔架11、安装在塔架11的顶部上的机舱12、安装在机舱12上的轮毂13以及安装在轮毂13上的多个叶片14。在该示例中(尽管未示出)，风力涡轮机包括三个叶片14，它们形成安装到轮毂13的转子。在使用时，风作用于叶片14使叶片14旋转，并且机舱内的发电机将叶片14的动能转换为电能。
风力涡轮机10被配置为转子面向来风。偏航电机(未示出)位于机舱12内，其使得机舱12围绕塔架11的纵轴旋转，从而使转子面向来风。通过安装在轮毂中的变桨驱动器(未示出)，叶片14可以围绕其纵轴变桨(pitch)。这样的变桨驱动器可以是气动或者电气的。控制单元15控制风力涡轮机的运行。
图2示出了通常的风力涡轮机的功率曲线，其中在x轴上为风速，在y轴上为功率。曲线20是风力涡轮机的功率曲线，并且将由风力涡轮机发电机输出的功率定义为风速的函数。如本领域公知的，风力涡轮机以切入风速Vmin开始发电。涡轮机然后在部分负载(也称为部分负载)下运行直到在点Vr处达到额定风速。在点Vr处的额定风速下达到额定发电机功率(也称为标称功率)。通常风力涡轮机中的切入风速为3m/s，并且额定风速为12m/s。在点Vmax为切出风速；这是风力涡轮机可以运行同时传递功率的最高风速。在等于并且超过切出风速的风速下，出于安全原因，风力涡轮机关机以减小作用在风力涡轮机上的负载。
当风力涡轮机10在部分负载条件下运行时，叶片14围绕其纵轴以一定角度变桨以便于最大化从来风捕获的能量。当风力涡轮机在全负载区域中运行时，叶片14的变桨被控制为不超过发电机的最大额定功率。在变桨控制式(pitch controlled)风力涡轮机中，这通过将叶片变桨为减小了叶片的抬升力并且减小了风力恢复的能量的平桨(feather)来实现。在失速型(stall controlled)风力涡轮机中，这通过将叶片变桨为叶片上的气流停止并且释放多余的能量来实现。
如果风力涡轮机10受到超过Vmax的高速的阵风，那么风力涡轮机转子会被强制超速，即，转子以超过预定安全速度的速度旋转。这将引起风力涡轮机10的控制单元15中的超速警报，并且叶片14将被非常快速地变桨以便于使转子变为静止或者怠速，使得风力涡轮机关机，从而减小了风力涡轮机经受的负载。
图3示出了风力发电场30的示意性平面图，其中风力发电场30包括多个风力涡轮机10，在该情况下为16个风力涡轮机。每个风力涡轮机10通过控制链路31连接到调节整个风力发电场30的功率输出的发电厂控制器32。
在第一示例中，标识为10a的风力涡轮机经受转子超速，这表示阵风已经袭击了风力涡轮机10a。风力涡轮机10a经由控制链路31将其已经处于关机过程中通知给发电场控制器32。发电场控制器32然后将控制信号发送给场风力发电场30中的所有其它风力涡轮机，指示它们减小其转速。每个风力涡轮机中的控制单元15将减小每个风力涡轮机的转速，这将也减小由每个风力涡轮机产生的功率。因此，当阵风通过风力发电场30时，剩余的涡轮机由于超速情况而需要关机的可能性较小，这是因为它们已经充分地减小了转速，从而避免了超速。在设置的时间段之后，风力涡轮机可以返回到其正常的运行速度。
尽管每个风力涡轮机10的功率输出被暂时地减小，但是随着时间风力发电场30的功率输出增大了，这是因为避免了由于共因事件导致的风力涡轮机的关机。此外，这导致风力发电场30中的风力涡轮机10的低使用寿命负载。
在第二示例中，风力涡轮机10a由于极端的偏航错误导致关机。当来风的方向与转子的水平轴没有对齐时发生偏航错误。由于风力发电场30所在的复杂地形，使得其不容易自动地开始偏航风力发电场中的剩余涡轮机。然而，当风力涡轮机10a由于极端的偏航错误已经遭受关机时，一些“极端”风力条件很可能将袭击风力发电场中的剩余涡轮。这些“极端”风力条件可以例如是风向的快速变化。风力涡轮机10a已经关机的信息被传送给发电场控制器32，发电场控制器32然后指示风力发电场30中的剩余的风力涡轮减小其转子的转速，这将减小每个风力涡轮的功率输出。这具有下述效果，即减小极端偏航错误的严重性，因此增加剩余风力涡轮机无须关机的可能性。该方法没有直接减少共因警报，而是减小了共因负载。
通过减小风力涡轮机的功率输出，意味着对于给定的风速，由风力涡轮机输出的功率小于根据图2的功率曲线指示的功率。
在第三示例中，风力涡轮机10的控制单元15被构造为将传动系统(drive train)和转子的转速保持在基准转速的一定转速内，换言之，在基准转速以上和以下允许一定的速度偏离。在正常运行模式中，如果发电机的速度基准为1500rpm(转每分钟)，那么控制单元15将发电机的转速保持在基准速度的+/-150rpm内。发电机的转速表示发电机的转子的转速。当允许发电机的转速偏离基准速度时，这导致较少的疲劳负载，因为传动系统能够响应于当前的风力条件增大或者减小速度。
然而，控制单元15也能够根据更积极的运行模式来控制传动系统的转速。采用更积极的运行模式表示传动系统的转速保持在基准转速附近的较小的转速带内。例如，控制单元15将发电机的转速保持在速度基准的+/-50rpm内。由于传动系统的转速更紧密地匹配基准转速，因此这将引起风力涡轮机组件上的更高的疲劳负载，特别是塔架和主轴上的更高的疲劳负载。
在第三示例中，如果风力涡轮机10a经历转子超速，这将表示阵风已经袭击了风力涡轮机10a，那么风力涡轮机10a将经由控制链路31把它处于关机过程通知给发电场控制器32。发电场控制器32然后将控制信号发送给风力发电场30中的所有其它风力涡轮机，指示它们从正常运行模式切换到积极运行模式，从而与+/-150rpm相比，相对于基准转速的转速偏离较小，即为+/-50rpm。因此，当阵风通过发电场30时，剩余的涡轮机由于超速情况而需要关机的可能性较小，这是因为它们的传动系统速度更接近基准速度。在设置的时间段之后，风力涡轮机可以返回到它们的正常运行速度。尽管这会在短时期内增加疲劳负载，但是避免了风力发电场30的共因关机并且避免了整个风力发电场的超速的风险。此外，在设置的时间段内由根据积极模式的运行引起的疲劳损害可以远小于由于超速导致的风力涡轮机的关机引起的损害。
在另一示例中，风力涡轮机10a能够记录由于例如塔架加速、倾斜/偏航矩、转换器中的高DC电压或者叶片根部弯曲矩的关机事件。在每个示例中，对风力发电场中的剩余风力涡轮机的运行参数进行修改使得避免同样的问题。例如，如果风力涡轮机10a由于在其转换器单元中经历了高DC电压而关机，则减小剩余涡轮机中的转换器单元中的DC电压以避免同样的问题。
如上所述，第一风力涡轮机10a响应于当前的风力条件而关机并且剩余的涡轮机被控制为避免共因关机。可以在预定的时间段(例如两分钟)控制剩余的涡轮机以避免共因关机。
尽管已经参考来风首先袭击风力涡轮机10a而描述了本发明，但是风力发电场中的所有风力涡轮机都可以被设置为将关机事件通知给发电场控制器32。

Claims (8)

1.一种包括多个风力涡轮机的风力发电场，所述风力发电场进一步包括：
发电场控制器，其连接到所述多个风力涡轮机中的至少第一风力涡轮机和第二风力涡轮机；
所述发电场控制器包括用于检测所述第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机的装置；
所述发电场控制器进一步包括响应于检测到所述第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机来对所述第二风力涡轮机进行控制从而修改所述第二风力涡轮机的运行参数的装置。
2.如权利要求1所述的风力发电场，其中，所述第二风力涡轮机的运行参数是所述第二风力涡轮机的功率输出；并且
响应于检测到所述第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机，所述第二风力涡轮机的功率输出被部分地减小。
3.如权利要求1所述的风力发电场，其中，所述第二风力涡轮机的运行参数是转子的转速；并且
响应于检测到所述第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机，所述第二风力涡轮机的转子的转速被部分地减小。
4.如权利要求1所述的风力发电场，其中，所述第二风力涡轮机包括控制单元和传动系统，所述传动系统具有基准转速，并且所述控制单元被构造为：
在第一模式中，控制所述传动系统的转速，使得所述传动系统的转速低于比所述基准转速高的第一转速上限；
在第二模式中，控制所述传动系统的转速，使得所述传动系统的转速低于比所述基准转速高的第二转速上限，其中所述第一转速上限高于所述第二转速上限；并且其中
响应于检测到所述第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机，所述发电场控制器控制所述第二风力涡轮机使得所述第二风力涡轮机的所述控制单元从所述第一模式切换到所述第二模式。
5.一种控制风力发电场的方法，所述风力发电场包括多个风力涡轮机，所述方法包括以下步骤：
检测第一风力涡轮机响应于当前风力条件的关机；
响应于检测到所述第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机，控制第二风力涡轮从而修改所述第二风力涡轮机的运行参数。
6.如权利要求5所述的控制风力发电场的方法，其中，所述第二风力涡轮机的运行参数是所述第二风力涡轮机的功率输出；并且
响应于检测到所述第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机，部分地减小所述第二风力涡轮机的功率输出。
7.如权利要求5所述的控制风力发电场的方法，其中，所述第二风力涡轮机的运行参数是转子的转速；并且
响应于检测到所述第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机，部分地减小所述第二风力涡轮机的转子的转速。
8.如权利要求5所述的控制风力发电场的方法，其中，所述第二风力涡轮机包括传动系统，所述传动系统具有基准转速，并且所述方法进一步包括以下步骤：
在第一模式中，控制所述第二风力涡轮机的所述传动系统的转速，使得所述传动系统的转速低于比所述基准转速高的第一转速上限；
在第二模式中，控制所述第二风力涡轮机的所述传动系统的转速，使得所述传动系统的转速低于比所述基准转速高的第二转速上限，其中所述第一转速上限高于所述第二转速上限；以及
响应于检测到所述第一风力涡轮机响应于当前风力条件而关机，控制所述第二风力涡轮机使得所述第二风力涡轮机的控制单元从所述第一模式切换到所述第二模式。
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