CN102852721B - 用于控制风电场的方法、场控制器和程序单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制风电场的方法、场控制器和程序单元。本发明涉及一种用于控制风电场的方法，风电场包括至少两个风涡轮机，该方法包括：确定需要功率P_R，确定用于每个风涡轮机的疲劳荷载与功率曲线，以及基于确定的疲劳荷载与功率曲线，把不同的功率设置P_S,i分配给风涡轮机，以使所有风涡轮机的功率设置P_S,i之和等于需要功率P_R。另外，本发明涉及一种用于控制风电场的场控制器和一种用于控制风电场的程序单元。

Description

用于控制风电场的方法、场控制器和程序单元

技术领域

本发明涉及由风电场（wind farm）发电的领域。具体地讲，涉及一种用于控制风电场的方法、一种用于控制风电场的场控制器和一种用于控制风电场的程序单元。

背景技术

作为核电站或常规电站的生态替换形式，包括几个风涡轮机的风电场变得越来越普遍。优选地，在海上构建风电场，因为更高并且更规律的风速和风向允许更好的电力生产效率。由于海上风电场的高效率，海上风电场经常能够生产比用电设备实际需求的需要功率多的电功率。因此，风电场被提供有使由风电场提供的功率适应于需要功率的装置。海上风电场伴随有用于建造、调整（revising）、修理和替换风涡轮机的高成本。当风涡轮机的寿命结束时，需要风涡轮机的调整、修理或替换。因此，可能需要延长所述风涡轮机的平均寿命。

发明内容

这种需要可由根据独立权利要求的主题满足。本发明的有益实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制风电场的方法，风电场包括至少两个风涡轮机，该方法包括：确定需要功率P_R，确定用于每个风涡轮机的疲劳荷载与功率曲线（fatigue load versus power curve），以及基于确定的疲劳荷载与功率曲线，把不同的功率设置（power setting）P_{S, i}分配（attribute）给风涡轮机，以使所有风涡轮机的功率设置P_{S, i}之和等于需要功率P_R。

本发明的这个方面基于这样的构思：通过利用高功率设置操作一个风涡轮机并且利用低功率设置操作另一风涡轮机而非利用相同功率设置操作这两个风涡轮机，能够减小风涡轮机的平均疲劳荷载。疲劳荷载表示例如磨损、动态应力、由不平衡的转子引起的应力，它们都可导致材料失效，因此使风涡轮机在一定时间之后不可用。疲劳荷载与功率曲线描述考虑到由风涡轮机提供的功率的疲劳荷载的相关性。

根据实施例，该方法另外包括：对于每个风涡轮机定义仅包括一个相对疲劳荷载最大值的中间功率范围P_{M, i}，并且其中P_{A, i}<P_{M, i}<P_{B, i}，对于每个风涡轮机定义没有相对疲劳荷载最大值的低功率范围P_{L, i} P_{A, i}，对于每个风涡轮机定义没有相对疲劳荷载最大值的高功率范围P_{H, i} P_{B, i}，以及分配功率设置以使得对于所有风涡轮机，P_{S, i} P_{M, i}。

以这种方法，可避免引起寿命的很大程度的减小但在功率生产方面提供很少优点的功率范围。因此，风电场可更加成本有效地工作。

根据该方法的另一实施例， P_{A, i}和/或P_{B, i}对应于相对或绝对疲劳荷载最小值。

以这种方式选择P_{A, i}和/或P_{B, i}可允许在风电场的风涡轮机的平均疲劳荷载是最佳的功率范围中操作风涡轮机。

根据另一实施例，该方法包括：对于所有风涡轮机确定当前功率设置P_{C, i}，以及分配新的功率设置P_{S, i}，以使得对于最多的风涡轮机，|(P_{S, i} – P_{C, i}) / 2 | P_A或者|(P_{S, i} – P_{C, i}) / 2 | P_B。

以这种方法，通过使从每个风涡轮机的一个工作范围到另一工作范围的特别地迅速的转变的次数最小化并因此避免绕过具有相对疲劳荷载最大值的功率范围，可减小风涡轮机上的平均磨损和荷载。

根据该方法的另一实施例，对于所有风涡轮机，低功率范围P_{L, i}和/或中间功率范围P_{M, i}和/或高功率范围P_{H, i}相同或者不同。

如果低功率范围P_{L, i}和/或中间功率范围P_{M, i}和/或高功率范围P_{H, i}被选择为相同，则这可方便调节机构，因为必须优化较少的参数。然而，不同的低功率范围P_{L, i}和/或中间功率范围P_{M, i}和/或高功率范围P_{H, i}可考虑不同风涡轮机类型或者考虑风涡轮机的不同的相对正常运行时间。相对正常运行时间表示相对于风涡轮机的假设寿命的风涡轮机已工作的时间。以这种方法，至风涡轮机的下一次检修或替换的预期时间可以调整为等于另一风涡轮机的对应时间，从而它们能够同时被检修或替换，这可导致更低的成本。

根据该方法的另一实施例，确定疲劳荷载与功率曲线包括：测量风涡轮机参数。

尽管基于计算的预测的疲劳荷载与功率曲线可提供良好的第一近似并避免了对测量装备的需要，但测量风涡轮机参数可提供更精确的结果。作为例子，可测量相对于由风涡轮机提供的电功率的由风涡轮机塔架经历的振动的相关性。另一方面或者另外，可测量相对于由风涡轮机提供的电功率的风涡轮机塔架上的静荷载。

根据该方法的另一实施例，确定疲劳荷载与功率曲线包括：确定功率与俯仰角曲线和疲劳荷载与俯仰角曲线。风涡轮机叶片的所述俯仰角可在一方面影响由风涡轮机提供的电功率。另一方面，俯仰角可对由例如风涡轮机的叶片和塔架经历的空气动力荷载具有影响。

根据该方法的另一实施例，把功率设置分配给风涡轮机包括：把俯仰角分配给风涡轮机。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制风电场的场控制器，该风电场包括至少两个风涡轮机，该场控制器包括：需要功率确定单元，用于确定将要由风电场提供的需要功率；疲劳荷载确定单元，用于确定每个风涡轮机的疲劳荷载与功率相关性；以及分配单元，用于把不同的功率设置分配给风涡轮机，以使所有风涡轮机的功率设置之和等于需要功率。

用于控制风电场的场控制器可提供优化风场的风涡轮机的平均寿命的容易的方法，因此降低了用于操作风电场的成本。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于控制风电场的程序单元。当由数据处理器执行该程序单元时，该程序单元适应于执行如上所述的方法。

所述程序单元可容易地适应于新的类型的风涡轮机。另外，程序单元可由现有场控制器的数据处理器执行，因此提供提高已有风电场的性能的容易的方法。

必须注意的是，已参照不同主题描述了本发明的实施例。特别地，已参照方法类型权利要求描述了一些实施例，而已参照设备类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将会从以上和下面描述意识到，除非另外指出，否则除了属于一个类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间(特别地，方法类型权利要求的特征和设备类型权利要求的特征之间)的任何组合也被视为随这个文件公开。

以上定义的各方面和本发明的另外方面通过以下将要描述的实施例的例子而变得清楚并且参照实施例的例子被解释。以下将参照实施例的例子更详细地描述本发明，但本发明不限于实施例的例子。

附图说明

图1显示根据本发明的风电场和关联的场控制器的例子。

图2显示风涡轮机的疲劳荷载与功率设置曲线的例子。

图3显示风涡轮机的俯仰角与功率减少曲线的例子。

图4是表示要求保护的方法的示例性实施例的流程图。

具体实施方式

附图中的图解是示意性的。应该注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件具有相同的标号或者具有仅在第一数字内与对应标号不同的标号。

图1显示风电场100和关联的场控制器101的例子。风电场100包括第一风涡轮机102和第二风涡轮机103。虽然第一风涡轮机102和第二风涡轮机103可通常选择为具有不同类型，但在这个例子中，为了说明性目的，它们被选择为具有相同类型。通过每个风涡轮机102、103的俯仰角和对电网的有效功率输出的组合，控制每个风涡轮机转子106、107的旋转速度。经电网转换器(未示出)控制有效功率。然而，俯仰角和旋转速度对由风涡轮机塔架108、109经历的荷载具有很大影响。

风涡轮机102、103都连接到风场控制器101。风场控制器101不仅测量由每个风涡轮机102、103当前生产的功率，还在用电设备需求的需要功率P_R改变的情况下适配每个风涡轮机102、103的功率设置P_{S, i}。如果例如需要功率P_R下降，则风场控制器101可为风涡轮机102、103提供控制信号110、111以减小俯仰角。风场控制器101可也使用控制信号间接地控制俯仰角。为了相同的目的，由风场控制器101提供的控制信号110、111可也改变风涡轮发电机112、113的参数或存在于风涡轮机转子106、107和风涡轮发电机112、113之间的齿轮的参数。这些参数可都影响每个风涡轮机的功率设置P_{S, i}。对于给定的风力状况，每个功率设置P_{S, i}伴随有由例如风涡轮机塔架108、109经历的不同的疲劳荷载。在直觉上，可预期：疲劳荷载随着功率设置P_{S, i}而或多或少稳定地增加。

然而，发明人发现：事实并非如此。图2描述风涡轮机的典型疲劳荷载L与功率设置曲线P的例子。如图中所示，对于非常低的功率设置P，疲劳荷载L对应地很低。功率设置的小的增加首先导致小的疲劳荷载平台（plateau），直至疲劳荷载显著增加以在功率设置P_M达到它的最大值。对于超出P_M的功率设置，疲劳荷载再次减小。

如果需要功率P_R是P_M的两倍，则有益地，利用功率设置P_A<P_M操作一个风涡轮机并且利用功率设置P_B>P_M操作另一风涡轮机，从而P_A和P_B之和等于P_R，而非利用功率设置P_M操作这两个风涡轮机。以这种方法，平均疲劳荷载能够从L_M减小至(L_A+L_B)/2。因此，风涡轮机的平均寿命能够延长并且风电场更加成本有效地工作。

图3表示俯仰角如何影响风涡轮机的功率设置。纵坐标对应于风涡轮机的俯仰角范围的百分比，其中百分之零对应于用于最大功率设置的俯仰角。横坐标对应于功率减少的百分比。对于20%至40%的功率减少百分比，风涡轮机经历高疲劳荷载。因此，风涡轮机优选地在这个区域之外工作。因此，优选地在5%至40%俯仰角范围之外选择俯仰角。

现在将参照图4描述要求保护的方法的示例性实施例。

在第一步骤401中，确定用于所有风涡轮机的疲劳荷载与功率曲线并且定义工作范围。然后，在第二步骤402中，确定风涡轮机在哪个范围中工作。然后，在第三步骤403中，确定用电设备需求的需要功率。然后，在另一步骤404中，评估在所有风涡轮机保持在当前工作范围中的同时是否能够提供需要功率。如果事实并非如此，则在下一步骤405中，不管当前工作范围增加(还是减小)，选择所有风涡轮机的功率设置，并在步骤406中把其转发给风涡轮机。如果在所有风涡轮机保持在当前工作范围中的同时能够提供需要功率，则控制器从步骤404前进至步骤407，并评估是否能够通过改变一些风涡轮机的工作范围减小平均疲劳荷载。如果事实如此，则在步骤408中，选择一些风涡轮机的功率设置，以使一些风涡轮机改变它们的工作范围并且所有功率设置之和跟踪需要功率；如果事实并非如此，则在步骤409中选择功率设置，以使所有风涡轮机保持在它们的当前工作范围中。最后，在步骤406中把功率设置分配给风涡轮机并且过程重新开始。然而，因为疲劳荷载与功率曲线经常不会在两个周期之间改变，所以可省略步骤401。

虽然已参照具有水平旋转轴线的风涡轮机描述了要求保护的发明，但对于具有垂直轴线的风涡轮机而言其当然也是适用的。

应该注意的是，术语“包括”不排除其它元件或步骤并且冠词“一个”或“一”的使用不排除多个的情况。此外可组合结合不同实施例描述的元件。还应该注意的是，权利要求中的标号不应解释为限制权利要求的范围。

Claims (8)

1.一种用于控制风电场的方法，该风电场包括至少两个风涡轮机，该方法包括：

确定需要功率P_R，

确定用于每个风涡轮机的疲劳荷载与功率曲线，以及

基于确定的疲劳荷载与功率曲线，把不同的功率设置P_{S, i}分配给风涡轮机，以使所有风涡轮机的功率设置P_{S, i}之和等于需要功率P_R；

还包括：

对于每个风涡轮机定义仅包括一个相对疲劳荷载最大值的中间功率范围P_{M, i}，并且其中P_A,i<P_{M, i}<P_{B, i}，

对于每个风涡轮机定义没有相对疲劳荷载最大值的低功率范围P_{L, i} P_{A, i}，

定义没有相对疲劳荷载最大值的高功率范围P_{H, i} P_{B, i}，以及

分配功率设置以使得对于所有风涡轮机，P_{S, i} P_{M, i}。

2.根据权利要求1所述的方法，其中P_{A, i}和/或P_{B, i}对应于相对或绝对疲劳荷载最小值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：

对于所有风涡轮机确定当前功率设置P_{C, i}，以及

分配新的功率设置P_{S, i}，以使得对于最多的风涡轮机，|(P_{S, i} – P_{C, i}) / 2 | P_A或者| (P_{S, i} – P_{C, i}) / 2 | P_B。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中对于所有风涡轮机，低功率范围P_{L, i}和/或中间功率范围P_{M, i}和/或高功率范围P_{H, i}相同或者不同。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定疲劳荷载与功率曲线包括：测量风涡轮机参数。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定疲劳荷载与功率曲线包括：确定功率与俯仰角曲线和疲劳荷载与俯仰角曲线。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中把功率设置分配给风涡轮机包括：把俯仰角分配给风涡轮机。

8.一种用于控制风电场的场控制器，该风电场包括至少两个风涡轮机，该场控制器包括：

需要功率确定单元，用于确定将要由风电场提供的需要功率，

疲劳荷载确定单元，用于确定每个风涡轮机的疲劳荷载与功率相关性，以及

分配单元，用于把不同的功率设置分配给风涡轮机，以使所有风涡轮机的功率设置之和等于需要功率；

其中所述场控制器还被适配成：

对于每个风涡轮机定义仅包括一个相对疲劳荷载最大值的中间功率范围P_{M, i}，并且其中P_A,i<P_{M, i}<P_{B, i}，

对于每个风涡轮机定义没有相对疲劳荷载最大值的低功率范围P_{L, i} P_{A, i}，

定义没有相对疲劳荷载最大值的高功率范围P_{H, i} P_{B, i}，以及

分配功率设置以使得对于所有风涡轮机，P_{S, i} P_{M, i}。