CN102570494A - 用于风力涡轮和风力涡轮发电站的电力传输系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称为“用于风力涡轮和风力涡轮发电站的电力传输系统及其操作方法”。一种用于电力发电机(120)的电力传输系统(200)，包括：高电压直流(HVDC)导体(108)。该系统还包括耦合到所述HVDC导体的功率转换组装件(205)，所述功率转换组装件配置成调制直流(DC)功率以生成DC分量和交流(AC)分量。该系统还包括耦合到所述功率转换组装件的电装置(210)，所述电装置配置成将DC分量与AC分量分离。

Description

用于风力涡轮和风力涡轮发电站的电力传输系统及其操作方法
技术领域
本文描述的主题一般涉及风力涡轮，以及更具体来说，涉及用于地理上隔离的风力涡轮发电站中的风力涡轮的电力传输系统及其黑启动性能。
背景技术
一般地，风力涡轮包括转子，其包括具有多个叶片的可旋转毂组装件。叶片将风能转换成机械旋转转矩，该转矩经转子驱动一个或多个发电机。这些发电机有时但不总是通过变速箱与转子旋转地耦合。变速箱为发电机加速转子的固有低转速，以有效率地将旋转机械能转换成电能。也存在无齿轮直接驱动风力涡轮。转子、发电机、变速箱和其他组件典型地安装在箱体中或工作舱中，箱体或工作舱位于包括桁架或管式塔架的基座上。生成的电力经至少一个电连接传输到电网。此类公知的风力涡轮典型地经公知的全功率转换组装件耦合到电网。此类公知的全功率转换组装件包括将发电机生成的交流电(AC)转换成直流电(DC)的整流器部分和将DC转换成预定频率和电压振幅的AC的逆变器。
至少一些公知的风力涡轮在物理上设在遥远的地理区域或物理接近困难的区域，如离岸安装。可以在物理上将这些风力涡轮一起嵌套在共同地理区域中，以形成风力涡轮发电站并将其电耦合到共同的AC收集器系统。许多这些公知的风力涡轮发电站包括电耦合到AC收集器系统的、分离的全功率转换组装件。分离的全功率转换组装件的整流器部分设在关联的风力涡轮的紧靠附近，而分离的全功率转换组装件的逆变器部分设在远程设施中，如基于陆地的设施。典型地经水淹没的高电压直流(HVDC)电力电缆来电连接此类整流器和逆变器部分。
公知的风力涡轮包括促进此类风力涡轮的运转的支承设备，例如，叶片节距驱动电动机和润滑油泵电动机。而且，此类设备典型地设在机舱或塔架中。而且，许多公知的风力涡轮包括辅助电力设备，其接收风力涡轮发电站中的发电机生成的至少一部分电功率，以促进经AC收集器系统对此类支承设备的供电。风力涡轮发电站中的单个风力涡轮发电机典型地具有足够的电力生成能力，用于对从服务移除的剩余风力涡轮的设备供电。
在远程发电站中的所有风力涡轮发电机均从服务中移除的情况中，必须使用向辅助电力设备和关联的风力涡轮支承设备传输电力的一备选方法来促进重新启动至少一个风力涡轮发电机，即执行风电场的黑启动。一种此类方法是提供本地设在塔架附近或塔架内的附加设备，例如，柴油机动力发电机。另一个此类方法可以包括独立的电力传输设备，其一些部分可能需要设在塔架和/或基于陆地的设施内，这些部分经独立的电缆耦合。此类附加设备需要增加的基本建造成本和远程风力涡轮发电站的增加的运行维护成本。
发明内容
在一个方面中，提供一种操作风力涡轮的方法。该方法包括经由交流(AC)电源对功率转换组装件的至少一部分赋能。该方法还包括经功率转换组装件将AC功率转换成具有直流(DC)分量和AC分量的DC功率。该方法还包括通过DC电力传输线路传输DC分量和AC分量。该方法还包括将DC分量与AC分量分离。该方法还包括将AC分量传输到至少一个风力涡轮电装置。
在另一个方面中，提供用于电力发电机的电力传输系统。该电力传输系统包括高电压直流(HVDC)导体。该系统还包括耦合到HVDC导体的功率转换组装件。该功率转换组装件配置成调制直流(DC)功率以生成DC分量和交流(AC)分量。该系统还包括耦合到功率转换组装件的电装置，该电装置配置成从AC分量移除DC分量。
在又一个方面中，提供一种执行设在风力涡轮发电站中的风力涡轮的黑启动的方法。该方法包括将多个风力涡轮的每个耦合到交流(AC)收集器系统，以使得AC收集器系统基本是每个风力涡轮的唯一电力源。该方法还包括将从AC电网传送的AC功率转换成具有直流(DC)分量和AC分量的DC功率。该方法还包括通过DC电力传输线路传输DC分量和AC分量。该方法还包括将DC分量与AC分量分离。该方法还包括将AC分量传送到AC收集器系统。
附图说明
图1是现有技术的风力涡轮发电站电力传输系统的示意图。
图2是示范风力涡轮发电站辅助电力传输系统的示意图。
图3是可以与图2所示的风力涡轮发电站辅助电力传输系统一起使用的示范耦合和功率调整系统的示意图。
图4是操作图2和图3所示的风力涡轮发电站辅助电力传输系统的示范方法的流程图。
图5是执行设在图1和图2所示的风力涡轮发电站中的风力涡轮的黑启动的示范方法的流程图。
具体实施方式
本文所述的实施例提供一种用于风力涡轮和风力涡轮发电站的辅助电力传输系统。该辅助电力传输系统至少部分地包括现有风力涡轮和促进每个风力涡轮的黑启动能力的风力涡轮发电站硬件。在一个实施例中，该辅助电力传输系统经现有高电压直流(HVDC)电缆向远程风力涡轮传送辅助电力。在另一个实施例中，该辅助电力传输系统经多个现有HVDC电缆向风力涡轮发电站中嵌套的多个远程风力涡轮传送辅助电力。而且，本文所述的实施例使用至少一些附加的现有硬件，例如全功率转换器的至少一部分，以使得本文描述的辅助电力传输系统降低了基础建设成本和与例行预防性和校正性维护相关的运行成本。
本文描述的风力涡轮和风力涡轮发电站辅助电力传输系统的技术效果是促进地理位置上遥远的风力涡轮的黑启动能力。在一个实施例中，本文描述的风力涡轮和风力涡轮发电站辅助电力传输系统的技术效果包括，将足够的辅助电力传送到远程风力涡轮中的辅助设备以支持关联的风力涡轮的重启。本文描述的辅助电力传输系统的进一步的技术效果是，在风力涡轮生成足够的辅助电力以支持辅助设备时促进将该系统转移到待机状态。
如本文使用的，术语“黑启动”是指从风力涡轮发电站外的源向地理位置上隔离的风力涡轮发电站中的至少一个风力涡轮提供电力。当风力涡轮发电站中没有风力涡轮发电机在服务且地理位置上隔离的风力涡轮发电站中没有其他电力源以促进其中至少一个风力涡轮重启时，被考虑存在黑启动条件。
图1是现有技术的风力涡轮发电站电力传输系统100的示意图。电力传输和配电网102电耦合到系统100并从系统100接收电力。系统100包括高电压直流(HVDC)系统104。HVDC系统104典型地包括分离的全功率转换组装件106和至少一个HVDC导体或HVDC传输线路108，至少一个HVDC导体或HVDC传输线路108包括任何数量的电缆并由能够使本文描述的系统104和HVDC传输线路108运行的任何材料制成。
在至少一些实施例中，HVDC传输线路108包括多个双极HVDC电缆(未示出)，这些双极HVDC电缆又包括多个电极。按基本相似的值调制每个电极处的电压，但是，相对于另一个电极约90°的异相调制每个电极处的电压，从而促进减少通过HVDC传输线路108的交流(AC)功率传输。
全功率转换组装件106典型地包括整流器部分110，整流器部分110接收三相正弦AC功率并将其整流成预定电压的直流(DC)功率。全功率转换组装件106典型地还包括逆变器部分112，逆变器部分112经HVDC传输线路108电耦合到整流器部分110。逆变器部分112接收从整流器部分110传送的DC功率，并且将DC功率转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦AC功率。全功率转换组装件106还包括典型地与全功率转换组装件关联且如本文所述使系统104能够运行的任何其他组件，包括但不限于DC轨(rail)和电容装置(均未示出)。
系统100还包括电耦合到系统104和AC收集器系统116的升压变压器114。AC收集器系统116耦合到包括多个风力涡轮120的风力涡轮发电站118。在该示范实施例中，风力涡轮120是电力发电机。在该示范实施例中，风力涡轮120和风力涡轮发电站118至少部分是在地理位置和/或电方面上定义的，即，风力涡轮发电站118可以由具体地理区域中的多个风力涡轮120定义，或者备选地由每个风力涡轮120至公共AC收集器系统或子站的电连接定义。在该示范实施例中，HVDC传输线路108至少部分被淹没。备选地，风力涡轮120和风力涡轮发电站118在地理位置上位于崎岖和/或遥远的地域，例如山地山腰处。逆变器部分112可以在地理位置上位于与风力涡轮120和风力涡轮发电站118所在位置分离的任何易到达的地域。而且，HVDC传输线路108可以跨过/通过任何地域以如本文描述的促进系统100的运行的任何方式在逆变器部分112和整流器部分110之间延伸。
而且，从AC收集器系统116对多个风力涡轮辅助负载(未示出)供电。此类辅助负载包括风力涡轮支持设备，包括但不限于叶片节距驱动电动机和轴承润滑油驱动电动机(均未示出)。因此，这些辅助负载典型地以风力涡轮120的至少其中之一生成的电功率的一部分经AC收集器系统116供电。
在操作中，风力发电站118中的每个风力涡轮120将旋转机械功率转换成包括正弦三相AC的电功率。风力发电站118生成的电功率按约33千伏(kV)AC的电压振幅传送到AC收集器系统116。变压器114将该电功率的电压振幅从约33kVAC升压到约150kVAC，并将升压的电压传送到全功率转换组装件106，即，传送到整流器部分110。整流器部分110将该电功率从正弦三相AC功率整流成DC功率。DC功率经由HVDC传输线路108传送到逆变器部分112，逆变器部分将DC功率转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦AC功率，用于进一步传输到电力传输和配电网102。
一般来说，从风力发电站118通过系统100到电网102的电力流是在箭头122的方向中的。但是，整流器部分110和逆变器部分112都可以是双向的，如箭头124所示。
图2是示范风力涡轮发电站辅助电力传输系统200的示意图。在该示范实施例中，系统200包括电耦合到HVDC传输线路108和电网102的双向逆变器部分112。
在该示范实施例中，系统200包括操作地耦合到逆变器部分112的至少一个DC电压控制器202。控制器202操作地耦合到逆变器部分112内的DC电压基准装置(未示出)。控制器202调制传送到DC电压基准装置的电压命令信号(未示出)。控制DC电压基准装置以调制朝向HVDC传输线路108传送的DC电压，如箭头204所示。在该示范实施例中，将DC电压按预定DC电压值的约1％以约100赫兹(Hz)的频率调制DC电压。备选地，使用如本文描述使系统200能够运行的任何频率下的电压调制的任何百分比值。
在该示范实施例中，控制器202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，并且可以包括至少一个计算机(图2中均未示出)。正如本文所使用的，术语计算机不限于本领域中称为计算机的集成电路，而是广义地指处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路(图2中均未示出)，并且这些术语在本文中可互换使用。在该示范实施例中，存储器可以包括但不限于计算机可读媒体，如随机存取存储器(RAM)(图2中未示出)。或者，还可以使用软盘、压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、和/或数字多功能盘(DVD)(图2中均未示出)。在该示范实施例中，附加的输入通道(图2中未示出)可以包括但不限于，与操作员接口关联的计算机外设，如鼠标或键盘(图2中均未示出)。备选地，还可以使用其他计算机外设，其可以非限定性地包括例如扫描仪(图2中未示出)。而且，在该示范实施例中，附加的输出通道可以包括但不限于操作员接口监视器(图2中未示出)。
控制器202的处理器处理从至少一个HVDC信号测量装置传送的信息，该至少一个HVDC信号测量装置可以包括但不限于电压换能器(未示出)。RAM和存储装置存储并传送信息和处理器要执行的指令。RAM和存储装置还能用于在处理器执行指令期间，存储临时变量、静态(即，不改变的)信息和指令、或其他中间信息并将其提供到处理器。执行的指令包括但不限于驻留转换和/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特定组合。
在该示范实施例中，控制器202促进风力发电站118的黑启动功能，因此控制器202典型地仅包括支持使系统200能够按本文描述运行所需的那些功能的足够硬件和足够编程。例如，控制器202典型地由外部电源供电(例如，逆变器部分112)，并且可以包括电池后备能力(未示出)。控制器202编程为促进在没有风力涡轮120处于运行中的情况下将系统200从待机条件转移到黑启动条件，以及在至少一个风力涡轮120恢复服务、即至少一个风力涡轮120正在发电的情况下从黑启动条件转移到待机条件。备选地，可以实现控制器202的工作模式的手动控制。
而且，在该示范实施例中，系统200包括分离的全功率转换组装件205，该分离的全功率转换组装件205与全功率组装件106(如图1所示)相似，除了组装件205包括单向整流器部分206以外。单向整流器部分206与整流器部分110(如图1所示)相似，除了不同于整流器部分110、整流器部分206不促进双向电功率流，而只促进在箭头208方向中的电功率流以外。
在该示范实施例中，系统200包括电装置，即电耦合到AC收集器系统116的耦合和滤波单元210。耦合和滤波单元210包括用于阻止传送至此的电压的DC分量的至少一个无源部件。在具体实施例中的耦合和滤波单元210包括至少一个电感电容电路，即L-C储能电路(图2中未示出)，下文对此予以进一步论述。耦合和滤波单元210由此促进将调制的DC功率的一部分传送到AC收集器系统116和由其供电的辅助负载，如箭头212所示。而且，在该示范实施例中，系统200包括电耦合到耦合和滤波单元210和AC收集器系统116的三相传输线路214。
图3是可以与风力涡轮发电站辅助电力传输系统200一起使用的示范耦合和功率调整单元210的示意图。耦合和滤波单元210包括典型地被赋能到约150kV DC的HVDC传输线路108的HVDC线路连接220和222。耦合和滤波单元210还包括耦合电容器224，耦合电容器224额定为用于至少150kV DC，并且配置成通过AC收集器系统116(如图2所示)按选择的HVDC调制频率、跨过电容器224的约150kV DC的电压差传导足够的电流用于对辅助电力设备供电。耦合和滤波单元210还包括耦合感应器226，耦合感应器226额定为用于约1.5kV AC，并且配置成通过AC收集器系统116按选择的HVDC调制频率传导足够的电流用于对辅助电力设备供电。电容器224和感应器226形成L-C储能电路227。
在该示范实施例中，将L-C储能电路227调谐到约为100Hz的调制频率的频率值。还将L-C储能电路227调谐以将调制的频率从100Hz更改到辅助设备运行必须的60Hz或50Hz。耦合和滤波单元210由此通过将调制的DC功率的DC分量隔离、并将该调制的DC功率的AC分量传送到AC控制器系统116和由其供电的辅助负载，促进了将调制的DC功率的一部分传送到AC收集器系统116(如箭头212所示)。备选地，使用使系统200能够按本文描述运行的任何电路配置。
耦合和滤波单元210还包括隔离变压器228，其配置成将电压从约1.5kV AC转换成适于功率调整模块230的电压。功率调整模块230以50Hz或60Hz的选择的调制频率调整转换的AC功率以便与AC收集器系统116和由其供电的辅助负载一起使用。而且，在该示范实施例中，单元210包括将耦合和滤波单元210电耦合到AC收集器系统116的、三相传输线路214的线路连接232。
参考图2和图3，在操作中，当风力发电站118中的每个风力涡轮120都从服务移除时，控制器202从待机条件转移到黑启动条件。在黑启动条件中，以标准电网电压振幅值将电网AC功率从电网102传送到逆变器部分112，其中将该AC功率整流到约150kV DC的预定DC电压，通过HVDC传输线路108传送到耦合和滤波单元210。DC电压控制器202促进逆变器部分112按预定DC电压值的约1％(即，在该示范实施例中，按约1.5kV AC)和约100Hz的频率对该DC电压进行调制。由此，控制器202控制逆变器部分112以传送包含DC分量和AC分量的混合或调制的DC电压。
在操作中，在黑启动条件中，耦合和滤波单元210接收调制的DC电压并促进基本分离调制的DC功率的约150kV DC分量，并以约50Hz或60Hz的频率将调制的DC功率的约1.5kV AC分量传送到变压器228。变压器228将约1.5kV AC电压转转换成辅助AC电压，并且将转换的电功率传送到AC收集器系统116和由其供电的辅助负载。
图4是操作风力涡轮120(如图1和图2所示)、包括风力涡轮发电站118(如图1和图2所示)以及辅助电力传输系统200(如图2和图3所示)的示范方法400的流程图。在该示范实施例中，经由交流(AC)电源(即，电力传输和配电网102(如图1和图2所示))对全功率转换组装件205(如图2所示)的至少一部分赋能402。经由全功率转换组装件205将AC功率转换404成具有直流(DC)分量和AC分量的DC功率。而且，通过DC功率传输线路108传送406DC分量和AC分量。将DC分量与AC分量分离408，并将AC分量传送410到至少一个风力涡轮电装置。
图5是执行设在风力涡轮发电站118(如图1和图2所示)中的风力涡轮120(如图1和图2所示)的黑启动的示范方法500的流程图。在该示范实施例中，将每个风力涡轮120耦合到交流(AC)收集器系统116(如图1和图2所示)，以使得AC收集器系统116基本是每个风力涡轮120的唯一电力源。将AC功率转换504成具有直流(DC)分量和AC分量的DC功率。进一步通过DC功率传输线路108(如图1、图2和图3所示)传送506DC分量和AC分量。将DC分量与AC分量分离508，并将AC分量传送510到AC收集器系统116。
本文所述的实施例提供了一种用于风力涡轮和风力涡轮发电站的辅助电力传输系统。该辅助电力传输系统至少部分地包括现有风力涡轮和促进每个风力涡轮的黑启动能力的风力涡轮发电站硬件。在一个实施例中，该辅助电力传输系统经由现有高电压直流(HVDC)电缆向远程风力涡轮传送辅助电力。在另一个实施例中，该辅助电力传输系统经由多个现有HVDC电缆向风力涡轮发电站中嵌套的多个远程风力涡轮传送辅助电力。而且，本文所述的实施例使用至少一些附加的现有硬件，例如全功率转换器的至少一部分，以使得本文描述的辅助电力传输系统降低了基础建设成本和与例行预防性和校正性维护相关的运行成本。
上文中详细地描述了风力涡轮、风力涡轮发电站、辅助电力传输系统、以及操作风力涡轮的方法的示范实施例。该风力涡轮、风力涡轮发电站、辅助电力传输系统、和方法不限于本文描述的特定实施例，相反，可以将该风力涡轮和/或风力涡轮发电站和/或辅助电力传输系统的组件和/或该方法的步骤独立于及分离于本文描述的其他组件和/或步骤来利用。例如，该风力涡轮、风力涡轮发电站、辅助电力传输系统、和方法也可以与其他电力系统和方法组合使用，并且不限于仅在本文描述的风力涡轮和风力涡轮发电站的情况中实践。相反，该示范实施例可以结合许多其他风力涡轮或电力系统应用来实现和利用。
虽然一些附图中可能示出而另一些附图中未示出本发明的多种实施例的特定特征，但是这仅是出于方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征组合来引用和/或要求专利保护。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求确定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求文字语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。
部件表
Figure BSA00000610812300111
Figure BSA00000610812300131

Claims (6)

1.一种用于电力发电机(120)的电力传输系统(200)，所述电力传输系统包括：
高电压直流(HVDC)导体(108)；
耦合到所述HVDC导体的功率转换组装件(205)，所述功率转换组装件配置成调制直流(DC)功率以生成DC分量和交流(AC)分量；以及
耦合到所述功率转换组装件的电装置(210)，所述电装置配置成将所述DC分量与所述AC分量分离。
2.根据权利要求1所述的电力传输系统(200)，其中，所述功率转换组装件(205)包括如下的至少其中之一：
全功率转换组装件的双向逆变器部分(112)；以及
所述全功率转换组装件的单向整流器部分(206)。
3.根据权利要求2所述的电力传输系统(200)，其中，所述电装置(210)包括滤波器单元(210)，所述滤波器单元(210)耦合到所述全功率转换组装件(205)的所述单向整流器部分(206)。
4.根据权利要求3所述的电力传输系统(200)，其中，所述滤波器单元(210)包括隔离所调制的DC功率的所述DC分量并传送所述调制的DC功率的所述AC分量的至少一个装置(227)。
5.根据权利要求1所述的电力传输系统(200)，还包括操作地耦合到所述功率转换组装件(205)的至少一个控制器(202)，所述控制器编程为促进调制DC功率以生成所述DC分量与所述AC分量。
6.根据权利要求5所述的电力传输系统(200)，其中，所述控制器(205)编程为调制从全功率转换组装件(205)的双向逆变器部分(112)传送的DC功率的电压振幅。
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