CN103562805A

CN103562805A - 具有高度可靠实时功率控制的风力发电厂

Info

Publication number: CN103562805A
Application number: CN201280026408.5A
Authority: CN
Inventors: J·本特松; N·E·丹尼尔森
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: EP2691820B1; US10078312B2; CN103562805B; EP2691820A1; US20140049046A1; WO2012130241A1

Abstract

本发明涉及一种用于风力发电厂的容错控制系统，该风力发电厂包括多个电力单元，所述控制系统包括控制装置，其用于产生基本同时的电力单元设定点值的副本；数据通信网络，其用于向所述多个电力单元发送基本同时的电力单元设定点值；以及多个分散表决装置，其被布置成将分散表决装置分配到每个电力单元，每个分散表决装置都适于从电力单元设定点的副本中选择一个电力单元设定点值。本发明还涉及一种相关联的方法。

Description

具有高度可靠实时功率控制的风力发电厂

技术领域

本发明涉及一种为风力发电厂建立高度可靠实时功率控制系统的方法。

背景技术

在风力发电厂中，已知的现有技术是对每个风力涡轮机或子站输出的功率进行实时控制，以符合电网要求。控制通常从子站中的中央发电厂控制器单元进行，并可能涉及到对有功功率、无功功率、频率、电流和/或电压的控制。

随着风力发电厂的规模和功率输出的增大，发电厂控制中故障造成的后果变得越来越严重。

新的电网服从法规对正常运行状况下以及风力发电厂内部或外部电网故障的情况下发电厂的可靠且决定性功率输出提出了要求。

在风力发电厂外部电网故障的情况下，为了补偿电网，越来越经常依赖于风力发电厂。

因此希望具有一种高度可靠的发电厂控制系统，其特征在于：

o发电厂控制器系统的可靠性非常高。这里将“非常高的可靠性”理解为发电厂控制器系统具有以下特性：在正常运行状况下，在单一故障情况下，并也可能在双重或多重故障情况下，以非常高的概率来保证正确的发电厂控制。

o用于发电厂控制的发电厂通信网络的可靠性非常高。这里将“非常高的可靠性”理解为通信网络具有以下特性：在正常运行状况下，在单一故障情况下，并也可能在双重或多重故障情况下，以非常高的概率保证输送正确的数据。

o发电厂控制器和/或发电厂资源控制器以及连接的风力涡轮机和子站之间的通信网络中的硬实时特性。这里将“硬实时”理解为通信网络具有以下特性：在所有负载的情况下，在指定最后期限内，具有非常高的概率保证输送数据。

对发电厂控制中非常高可靠性的要求由发电厂控制系统和发电厂通信系统中的容错性来支持。该要求进一步受到分散表决方案的支持，所述分散表决方案旨在在多个可用风力涡轮机设定点值当中选择最可靠的风力涡轮机设定点值。

用于风力发电厂的容错控制系统通常被实现为包括各种关键性发电厂模块/设备的副本的冗余系统。在关键性发电厂模块/设备故障时，其功能由类似的发电厂模块/设备来接管。

US2009/0309360和US2009/0309361论述了一种用于控制风能发电场的方法和控制系统。在US2009/0309360和US2009/0309361中，主要通信单元控制着多个具有优先级的控制单元。在具有给定优先级的给定控制单元故障的情况下，主要通信单元选择优先级较低的控制单元来接管故障控制单元的功能。

在US2009/0309360和US2009/0309361中提出的方法和系统缺点在于，主要通信单元在另一个控制单元损坏或任何其它方式的故障的情况下，可选择哪个控制单元来接管。然而，在主要通信单元自身损坏的情况下，没有替换单元可用。

因此，在US2009/0309360和US2009/0309361中提出的控制方法和控制系统不能被视为容错控制方法/系统，至少在主要通信单元的层次上不是。

可以将提供风力发电厂中高度可靠的实时发电厂控制看做本发明实施例的目的。

发明内容

在第一方面，可以通过提供一种用于风力发电厂的实时容错控制系统来实现上述目的，所述风力发电厂包括多个电力单元，该控制系统包括

-控制装置，其用于产生基本同时的电力单元设定点值的副本，

-数据通信网络，其用于向所述多个电力单元发送基本同时的电力单元设定点值的副本，以及

-多个分散表决装置，其被布置成使分散表决装置被分配到每个电力单元，每个分散表决装置都适于从电力单元设定点值的副本中选择一个电力单元设定点值。

术语“电力单元”应当做宽泛理解，并因此可以覆盖风力涡轮机或其它类型的发电或电力供应单元，例如储能单元。显然，风力发电厂的电力单元可以是不同类型电力单元（即风力涡轮机、储能单元等）的组合。

可以通过使多个控制装置针对相同数据进行操作同时执行相同的功能，来提供基本同时的电力单元设定点值的副本产生，并因此使该副本是决定性的。

以下优点与本发明的第一方面相关联：

o本发明的控制系统架构可以满足对现代风力发电厂控制系统提出的可靠性的高要求。

o本发明的控制系统架构可以满足对现代风力发电厂控制系统中可靠实时控制的要求。

o本发明的控制系统架构可以集成功能安全性，并能够支持如在IEC61508标准中所指定的安全相关功能的低需求模式、高需求模式和连续模式类别。

o本发明的控制系统架构以能够针对各种风力涡轮机平台和各种发电厂布局调节功能的方式，而可以是可缩放和灵活的。

该发电厂控制系统架构可以包括发电厂控制器和相关传感器系统。此外，发电厂控制系统架构可以包括多个电力单元。电力单元的范例可以是风力涡轮机电力变换器系统和储能电力变换器系统。

本发明的控制系统架构可以应用具有高可靠性和安全相关特性的容错实时通信网络（RTCN）。

该容错控制系统还可以包括主控制器装置，其适于为控制装置产生参考信号，用以产生基本同时的电力单元设定点值的副本。集中式主控制器装置可以包括用于向控制装置产生参考信号的监控和数据采集系统（SCADA）。

此外，可以提供一种包括多个传感器的容错传感器系统。优选地，以冗余方式布置多个传感器。所述多个传感器适于测量在公共耦合点处或附近的至少一个电参数。这包括测量例如电压、电流、有功功率、无功功率、频率等。

数据通信网络可以包括实时通信网络，例如时间触发的以太网。时间触发的以太网通信网络可以被实现为单容错网络或双容错或多容错网络。实时通信网络能够支持数据的安全相关的通信。

在第二方面，本发明涉及一种风力发电厂，其包括根据第一方面的容错控制系统。如前所述，多个电力单元可以包括一个或多个风力涡轮机和/或一个或多个储能单元。

在第三方面，本发明涉及一种实时控制风力发电厂的方法，该风力发电厂包括多个电力单元，该方法包括以下步骤：

-产生基本同时的电力单元设定点值的副本，

-经由数据通信网络向风力发电厂中的电力单元发送电力单元设定点值，

-在每个电力单元处执行分散表决过程，该分散表决过程包括从电力单元设定点值的副本中选择一个电力单元设定点值的步骤，以及

-在每个电力单元处向所述电力单元应用所选择的电力单元设定点值。

同样，术语“电力单元”应当做宽泛理解，并因此可以覆盖风力涡轮机或任何其它类型的发电或电力供应单元，例如储能单元。显然，风力发电厂的电力单元可以是不同类型电力单元（即风力涡轮机、储能单元等）的组合。

可以将电力单元设定点值应用于所述风力发电厂中的多个风力涡轮机。替代地或与之组合，可以将电力单元设定点值应用于风力发电厂中的多个储能单元。也可以将所产生的电力单元设定点值应用于风力发电厂中的所有电力单元。

在第四方面，本发明涉及一种控制风力发电厂的方法，该风力发电厂包括多个电力单元，该方法包括以下步骤：

-提供风力发电厂内的全局时间，

-根据全局时间将电力单元中的电力切换同步，

-在电力单元之间进行同步的交错式电源切换，以及

-在电力单元中和之间进行同步的可变频率切换。

在第五方面，本发明涉及一种用于风力发电厂的容错控制系统，该风力发电厂包括多个电力单元，所述控制系统包括

-控制装置，其用于产生基本同时的测量值的副本，

-数据通信网络，其用于向所述多个电力单元发送基本同时的测量值的副本，以及

-多个分散表决装置，其被布置成将分散表决装置分配到每个电力单元，每个分散表决装置都适于选择测量值的副本中的一个测量值。

附图说明

现在将参考附图来更详细地说明本发明，其中

图1示出了发电厂控制系统的第一实施例，

图2示出了发电厂控制系统的第二实施例，

图3示出了示范性单容错通信网络，以及

图4示出了示范性双容错通信网络。

尽管容易对本发明做出各种修改和替代形式，但具体实施例已经在附图中通过举例示出并将在此详细描述。然而应当理解，并非要将本发明限于所公开的具体形式。相反，本发明旨在覆盖落在如所附权利要求限定的本发明精神和范围内的所有修改、等价体和替代体。

具体实施方式

总体而言，本发明旨在提供一种用于风力发电厂的容错控制系统。本发明的控制系统架构大致反映了“形式遵循功能”的创建设计原则。

根据本发明，风力发电厂中的容错控制伴随着提供一种支持分散表决的方法和系统，即，在发电/供应单元（例如风力涡轮机或电力存储单元）的地方进行功率设定点的选择。

因此，功率控制能力不限于控制风力涡轮机的输出功率。能够向电网提供电力的其它合适发电/供应单元可以是受发电厂控制器控制的蓄能设施。

功率设定点可以反映要由风力发电厂内的风力涡轮机或另一发电/供应单元产生的功率（有功和/或无功）、频率、电压或电流，总的目的是确保整个发电厂的功率输出符合应用于电厂电网连接的电网法规。

此外，本发明将能够：

o提高电网接口处的功率质量

o提高发电厂的稳定性

o优化发电厂效率

o提高在故障条件下发电厂的可用性和电力生产

o减小电网电力滤波器的尺寸和成本。

在下文中，将参考包括多个风力涡轮机的风力发电厂来描述本发明。然而，应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以由其它类型的发电/供应单元替代或补充这些风力涡轮机。

现在参考图1，示出了根据本发明实施例的风力发电厂控制系统100的布局。如图1中所示，子站116经由m个数据通信网络128-130连接到n个风力涡轮机101-103。

每个风力涡轮机101-103包括风力涡轮机功率控制器（WTPC）104-106、或可选地n+m冗余配置的多个风力涡轮机功率控制器、以及连接到其上的多个通信网络交换机（CNS）107-115。每个CNS107-115都与其它风力涡轮机的其它CNS级联耦合，以在子站116和n个风力涡轮机101-103之间形成环形通信路径128-130。环形通信路径128-130经由分配CNS设备125-127连接到子站116。每个分配CNS服务于环形通信路径128-130之一。

环形通信路径128-130允许一个风力涡轮机CNS107-115可能故障，而不会使环中的其它风力涡轮机与同一通信路径之内的其它CNS接触不良。在本发明的实施例中，在环形通信路径128-130上双向通信数据，以获得更高的故障容忍度。对环形连接路径的替代可以是具有分配CNS的星形连接，这是因为可以建立中心点。

通常，应当指出，本发明不限于通信路径的特定拓扑。可以使用任何拓扑，级联耦合行、级联耦合环、星形耦合或其组合。

每个WTPC104-106都具有内置的表决器，用于经由风力涡轮机CNS107-115在一个或多个子站中的冗余发电厂控制器（PPC）119-121、冗余传感器系统118或其它冗余数据源提供的设定点或数据值之间表决。每个通信路径128-130都向所连接的风力涡轮机发送设定点或数据值。因此，对于风力涡轮机101而言，WTPC104的表决器适于通过冗余通信路径128-130在对应的冗余发电厂控制器119-121和/或传感器系统118提供的设定点和数据值之间进行表决。

可能的情形可以是，表决器根据“3中取2”（2oo3）的原则进行表决，即，如果设定点值之一显著偏离其它2个，则忽略偏离的设定点值。结果，选择两个相对等的设定点值之一，并随后应用于功率控制器。

应当指出，应用的表决原则取决于控制系统布局，并可以与前述2oo3原则不同。

图1中示出的子站116包括控制多个冗余布置的PPC119-121的SCADA117。此外，每个PPC从容错传感器系统118的多个传感器接收测量数据。容错传感器系统可以包括多个冗余布置的传感器，这些传感器被定位在风力发电厂的公共耦合点（PCC）处或附近。传感器可直接连接到PPC，或它们可以经由本地总线与PPC通信，或者它们可以通过至CNS的连接经由通信网络来通信。

如图1中所示，传感器子系统118向三个PPC119-121提供其测量数据（功率、频率、电压、电流等）。在本发明的优选实施例中，基本同时向PPC119-121提供相同的数据。这样允许PPC119-121同时处理相同的数据，并因此只要PPC119-121没有内部故障，就产生相同的输出。该原理确保了从PPC在设定点之间的“副本决定论”。这种特性防止发生由PPC中的不同计算轨迹导致的电力单元中的错误表决。

在副本决定性系统中，节点的期望特性是“故障-沉默”，这意味着在内部故障的情况下，节点将不能进入无源状态。在PPC的设计中强制了这种特性。

每个PPC119-121都从SCADA117接收参考信号，并据此产生风力涡轮机设定点值。经由可独立工作的数据通信网络128-130向风力发电厂中的风力涡轮机提供风力涡轮机设定点值。因此，参考图1，风力涡轮机101-103的每个都根据PPC系统中的容错水平，接收两个或三个独立产生的风力涡轮机设定点值。每个WTPC104-106中并入的表决器表决并选择设定点值中的一个有效设定点。

通过定位于子站116内的分配CNS125-127进行涡轮机设定点值的分配。在两种或更多实例中实施CNS，以支持期望的容错性。分配CNS能够支持多个独立的风力涡轮机数据通信网络，并因此，支持风力发电厂中的多行风力涡轮机。

在被分配在数据通信网络128-130上之前，可以通过位于子站之内的两个或三个控制CNS122-124传递所产生的风力涡轮机设定点值。这样允许可以将设定点值传递到其它分配CNS组131-132，从而能够控制风力发电厂中另外的风力涡轮机。

图2示出了风力发电厂控制系统200的布局的另一实施例。与图1相比，省略了子站216的PPC119-121。相反，将PPC的功能并入风力涡轮机201-203的WTPC204-206中。通过子站216内的控制CNS219-221和分配CNS225-227向风力涡轮机中的WTPC系统204-206分配容错传感器数据。类似于图1所示的实施例，每个CNS207-215都与其它风力涡轮机的其它CNS级联耦合，以在子站216和n个风力涡轮机201-203之间形成环形通信路径222-224。可以经由控制CNS219-221向其它分配CNS组228-229传递设定点值，从而能够控制风力发电厂中的其它风力涡轮机。

如前所述，本发明不限于通信路径的特定拓扑。可以使用任何拓扑，级联耦合行、级联耦合环、星形耦合或其组合。

在图1和2中所示的实施例中，PPC和CNS系统可以是单容错的，利用PPC和CNS的两个实例；或者它们可以是双容错的，利用PPC和CNS的三个实例。

在图1和2中所示的实施例中，数据通信网络应当是高度可靠的网络，并表现出实时能力，该实时能力保证以非常高的概率在指定最后期限内输送数据。

优选地，发电厂控制系统应当能够以1ms、500μs、100μs或甚至更短间隔通信硬实时设定点值。

合适的网络可以是以太网/IP、以太网POWERLINK、EtherCAT、SERCOS III、PROFInet-IRT、TTEthernet或具有类似特性的其它数据通信网络。

在本发明的优选实施例中，RTCN是具有时间触发特性的高决定性通信网络。这样的网络可以是TTEthernet或具有类似特性的其它通信网络。这种RTCN使得数据在冗余RTCN信道上基本同时可用，并从而为系统水平的容错提供强大支持。

TTEthernet将时间触发的通信样式的优点与广泛传播的以太网的灵活性相结合。它支持标准以太网流量，同时确保不干扰关键性数据流量。在这样的通信样式中，在设计阶段规划RTCN上的实时数据的通信，并且相关联的节点具有数据何时可用的先验知识。

TTEthernet还向系统中的所有节点提供了容错精确度全局时间。这些特性使得能够保证通过订阅相同数据的两个或更多副本节点同时对相同数据进行操作，并由于精确度全局时间的缘故，而被设计成基本同时执行相同功能，并从而是副本决定性的。

在本发明的优选实施例中，RTCN具有如在IEC61508标准中定义的支持“连续模式”安全相关功能的特性。连续模式安全功能将取决于在RTCN上的节点之间通信的安全相关数据，以执行安全功能。TTEthernet固有地通过其容错和安全相关特性来支持连续模式安全功能。TTEthernet通信系统是可证明安全性的。通过利用这种通信网络，可以根据IEC61508标准中的定义来扩展本发明容错架构的能力，以包括全部类别的安全功能：低需求模式、高需求模式和连续模式安全功能。

发电厂控制系统的可依赖性可进一步的特征在于：

o可以根据在IEC61508标准中的定义将进行发电厂控制的失败概率保证为安全完整性等级2（SIL2）。

o可以根据在IEC61508标准中的定义将进行发电厂控制的失败概率保证为安全完整性等级3（SIL3）。

在分配式系统中，可以通过建立精确的全局时间来支持容错和实时特性，其中节点所具有的公共时间概念偏差微乎其微，通常在微秒或更小的范围内，然而不限于该精度。全局时间支持：

o跨节点数据采集的同步

o跨节点过程的同步

o数据通信（时间触发的通信）的同步

o容错控制器和分配式节点中的副本决定论

可以通过在风力涡轮机中以及整个风力发电厂中实施兼容IEEE-1588的精确度时间协议来建立全局时间。可替换地，可以利用对于作为很多工业RTCN的部分的精确全局时间的固有支持，来建立全局时间。在精确全局时间对于系统可用性和/或安全性至关重要的系统中，必须要在分配精确全局时间时建立足够水平的容错和可靠性，以支持这一点。TTEthernet支持具有非常高可靠性特性的全局时间。

全局时间域可以包括整个风力发电厂或仅仅其部分。

全局时间的特定方面是能够对风力涡轮机及其它发电厂应用中的电力切换进行同步。这种能力能够支持风力涡轮机和子站应用内以及风力发电厂中的风力涡轮机和子站应用之间的交错式功率切换。全局时间还能够支持同步的可变频率切换，其能够减少来自切换系统的窄带噪声发射。组合交错的切换和频率切换会是有益的。功率切换对准的目的是减少滤波器系统、减少电磁干扰、以及减少电网连接处的电噪声。

现在参考图3，容错控制系统300中的DCN305-314由冗余CN连接。图3例示了应用冗余通信交换机301-304的单容错CN300。这种结构满足系统高可靠性所需的容错性。相对于本发明，DCN可以是WTPC。

每个DCN305-314通常包括分配式控制系统单元，该分配式控制系统单元是单独地或与其它DCN305-314的其它分配式控制系统单元相组合，来形成给定风力涡轮机或发电厂子系统的完整控制系统。经由冗余通信路径315提供与其它通信交换机的通信。

图4例示了应用三重冗余通信架构的双容错RTCN400，该架构包括三个通信交换机401-403和六个DCN404-409。这种结构满足非常高的系统可靠性以及在首次故障之后对于长的平均时间的修理的任务关键性容错系统所需的容错性。经由三重冗余通信路径410提供与其它通信交换机的通信。

Claims

1.一种用于风力发电厂的实时容错控制系统，所述风力发电厂包括多个电力单元，所述控制系统包括：

-多个分散表决装置，其被布置成使分散表决装置被分配到每个电力单元，每个分散表决装置都适于从电力单元设定点值的所述副本中选择一个电力单元设定点值。

2.根据权利要求1所述的容错控制系统，还包括集中式主控制器装置，所述集中式主控制器装置适于为所述控制装置产生参考信号，用以产生基本同时的电力单元设定点值的副本。

3.根据权利要求1或2所述的容错控制系统，还包括容错传感器系统，所述容错传感器系统包括多个传感器。

4.根据权利要求3所述的容错控制系统，其中所述多个传感器以冗余方式来布置。

5.根据权利要求3或4所述的容错控制系统，其中所述多个传感器适于测量在公共耦合点处或附近的至少一个电参数。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的容错控制系统，其中所述数据通信网络包括实时通信网络。

7.根据权利要求6所述的容错控制系统，其中所述实时通信网络包括时间触发的以太网。

8.根据权利要求7所述的容错控制系统，其中所述时间触发的以太网通信网络被实现为单容错网络。

9.根据权利要求7所述的容错控制系统，其中所述时间触发的以太网通信网络被实现为双容错网络。

10.根据权利要求6-9中的任一项所述的容错控制系统，其中所述实时通信网络支持安全相关的数据通信。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的容错控制系统，还包括用于建立全局时间的装置。

12.一种风力发电厂，包括根据前述权利要求中的任一项所述的实时容错控制系统。

13.根据权利要求12所述的风力发电厂，其中所述多个电力单元包括一个或多个风力涡轮机。

14.根据权利要求12或13所述的风力发电厂，其中所述多个电力单元包括一个或多个储能单元。

15.一种用于实时控制风力发电厂的方法，所述风力发电厂包括多个电力单元，所述方法包括以下步骤：

-产生基本同时的电力单元设定点值的副本，

-经由数据通信网络向所述风力发电厂中的所述电力单元发送所述电力单元设定点值，

-在每个电力单元处执行分散表决过程，所述分散表决过程包括从电力单元设定点值的所述副本中选择一个电力单元设定点值的步骤，以及

16.根据权利要求15所述的方法，其中，将所选择的电力单元设定点值应用于所述风力发电厂中的多个风力涡轮机。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，将所选择的电力单元设定点值应用于所述风力发电厂中的多个储能单元。

18.根据权利要求15-17中的任一项所述的方法，其中，将所选择的电力单元设定点值应用于所述风力发电厂中的所有电力单元。