CN104169573A

CN104169573A - 风力涡轮发电机的快速启动

Info

Publication number: CN104169573A
Application number: CN201280063155.9A
Authority: CN
Inventors: A·特里帕蒂; W·于; Y·卡鲁帕纳恩
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN104169573B; EP2795112B1; ES2627023T3; EP2795112A1; WO2013091641A1

Abstract

本发明提供了风电场(100、200)，断电后，在电网变得可用之后，所述风电场(100、200)能够无延迟地快速启动。根据一个实施例，风电场(100、200)包括一个或多个主WTG(110)和辅助WTG(130)，与所述一个或多个主WTG(110)相比，所述辅助WTG具有大大降低的启动能量需求。耦合所述辅助WTG(130)来向所述一个或多个主WTG(110)供电，以准备启动所述一个或多个主WTG(110)。

Description

风力涡轮发电机的快速启动

技术领域

本发明总体涉及用于在风电场中启动风力涡轮发电机(WTG)的方法，并且具体而言，涉及用于在来自电网的电力不可用时准备启动WTG的方法。本发明总体还涉及能够在来自电网的电力不可用时准备启动其WTG的风电场。

背景技术

由于风暴、需求波动等原因，风电场和相关联的电网都会遭遇故障。此外，风电场和相关联的电网需要定期维护。因此，风电场中的风力涡轮发电机(WTG)必须在没有诸如电网之类的任何外部电源的情况下频繁启动(即，开始供电)。然而，准备启动WTG通常需要大量的能量。例如，在WTG可以开始供电之前，通常需要特定的启动程序，例如逆风偏转WTG、预热特定部件、以及预热诸如油和水之类的流体。

此外，特定的WTG，尤其是近海WTG，通过高电压DC总线向电网供电(即，DC连接的WTG)。这种DC连接的WTG通常具有功率变换级，其将由WTG中的发电机输出的AC功率变换为供应到DC总线的DC功率。在WTG能够向电网供电之前，必须对所述功率变换级中的大电容器(即，DC链路电容器)进行预充电。由于DC总线(例如，大约45kV到大约66kV)与DC链路电容器电压(例如，大约5kV)之间的大电压差，利用由电网供应的电力为DC链路电容器进行预充电通常是不切实际的。因此，即使电网电力在启动期间是可以使用的，DC连接的WTG也不能使用该电力来对它们的DC链路电容器进行预充电。

美国专利第8000840号(‘840专利)描述了在基本上没有从外部电网输送的任何能量的情况下，启动连接到外部电网的风力发电厂的至少一部分的方法。风力发电厂具有多个风力涡轮机和至少一个电源，所述电源连接到风力涡轮机的至少其中之一，从而在与其余的风力涡轮机隔离的同时，启动该风力涡轮机。然后，启动的风力涡轮机可以供电，以启动其它的风力涡轮机。根据‘840专利，用于启动初始启动的风力涡轮机的至少一个电源可以是小型燃气轮机、柴油发电机、电池、或燃料电池。

然而，与风力涡轮机不同，由‘840专利所标识的一些电源是不可再生的和/或对环境有害。因此，这种辅助电源阻碍了特定的环境益处，所述环境益处是优先使用风电场的主要原因。此外，在电网断电之后，通常存在关于电网将何时准备好接收并分配由风电场供应的电力的不确定性。因此，即使诸如‘840专利的风电场之类的风电场在没有来自电网的电力的情况下能够靠自身启动，如果电网不可用于分配风电场产生的电力，则在电网可用以前，准备启动风电场无论如何是不划算的。另外，由于启动程序可以持续很长时间，尤其是预热阶段，取决于环境温度，所述预热阶段可能持续超过半天或者甚至达到24小时，因此直到在电网变得可用于接收并分配电力之后很久，风电场才开始向电网供电。因此，风电场的电力产生因子将不期望地受到限制。

发明内容

根据第一方面，本发明提供在断电后电网变得可用之后，能够无延迟地快速启动的风电场。风电场包括一个或多个主WTG、以及辅助WTG，相较于一个或多个主WTG，辅助WTG具有大大降低的启动能量需求。耦合辅助WTG来向一个或多个主WTG供电，以准备启动一个或多个主WTG。

在根据本发明的第一方面的风电场的实施例中，辅助WTG是垂直轴WTG。

在根据本发明的第一方面的风电场的另一个实施例中，在来自外部电网的电力变得可用之后，一个或多个主WTG的至少其中之一基本上无延迟地启动。

在根据本发明的第一方面的风电场的另一个实施例中，一个或多个主WTG的至少其中之一通过利用由辅助WTG供应的电力达到以下目的至少其中之一来准备启动：对一个或多个主WTG中的每个主WTG的流体和部件的至少其中之一进行预热，以及逆风偏转一个或多个主WTG中的每个主WTG。

在根据本发明的第一方面的风电场的另一个实施例中，在来自外部电网的电力变得不可用之前，耦合一个或多个主WTG的至少其中之一来供电，以启动辅助WTG。

在根据本发明的第一方面的风电场的另一个实施例中，风电场还包括燃料电池，所述燃料电池供电来启动辅助WTG。

在根据本发明的第一方面的风电场的另一个实施例中，风电场还包括高电压DC总线。此外，一个或多个主WTG的至少其中之一向高电压DC总线输出DC功率。

根据第二方面，本发明提供用于快速启动向电网供电的风电场中的一个或多个风力涡轮发电机(WTG)的方法。所述方法包括，在电网断电后，在电网能够接收并分配由风电场产生的电力之前，利用本地供应的电力来准备启动风电场中一个或多个WTG。此外，所述方法包括，在电网能够接收并分配由风电场产生的电力之后，一个或多个WTG的至少其中之一基本上无延迟地启动。

在根据本发明的第二方面的方法的实施例中，由垂直轴WTG提供本地供应的电力。

在根据本发明的第二方面的方法的另一个实施例中，准备启动一个或多个WTG包括以下步骤的至少其中之一：对一个或多个主WTG中的每个主WTG的流体和部件的至少其中之一进行预热，以及逆风偏转一个或多个主WTG中的每个主WTG。

在根据本发明的第二方面的方法的另一个实施例中，所述方法还包括使用由风电场供应的电力来启动发电机，以提供本地供应的电力。

在根据本发明的第二方面的方法的另一个实施例中，所述方法还包括使用由燃料电池供应的电力来启动发电机，以提供本地供应的电力。

在根据本发明的第二方面的方法的另一个实施例中，所述方法还包括启动发电机来提供本地供应的电力，提供本地供应的电力的发电机是自启动的。

在根据本发明的第二方面的方法的另一个实施例中，所述方法还包括一个或多个WTG的至少其中之一向高电压DC总线输出DC功率。

附图说明

参考具体实施方式并结合非限制性示例和附图时，将得到对本发明的更好的理解。

图1示出在来自电网的电力不可用时，能够快速启动的第一示例性风电场。

图2示出在来自电网的电力不可用时，能够快速启动的第二示例性风电场。

图3示出了表示用于在来自电网的电力不可用时快速启动风电场的示例性方法的流程图。

具体实施例

以下是附图中所描绘的本发明的实施例的具体实施方式。实施例是示例，并且具体是关于清晰地揭示本发明。然而，所提供的细节的数量并不是为了限制实施例的预期变化；而实际上，其目的是涵盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等价物、和替换。

此外，在各种实施例中，本发明提供与现有技术相比的大量优势。然而，尽管本发明的实施例可以实现与其它可能的解决方案相比和/或与现有技术相比的优势，但是给定的实施例是否实现特定的优势并不是本发明的限制。因此，除了权利要求中明确列举的内容，以下方面、特征、实施例和优点仅是说明性的，并且并不将其看作所附权利要求的要素或限制。同样，除了权利要求中明确列举的内容，提及的“本发明”不应当被解释为本文中所公开的任何创造性主题内容的概括，并且不应当被认为是所附权利要求的要素或限制。

当来自电网的电力不可用时，本文中所描述的示例性方法和系统可以用于利用本地供应的电力来准备启动风电场。此外，示例性方法和系统有助于在已知电网电力的可用时间之前开展启动准备，因此，相对于在电网电力可用以前或在已知电网电力在预定的时间段内变为可用以前都不开始准备启动的风电场，提高了风电场的电力生产因子。风电场的运行环境越冷，对风电场的WTG中的部件和/或流体进行预热所花费的时间就越长。因此，在相对冷的环境中，提早开始诸如预热之类的启动准备的能力是最有价值的。然而，由于WTG通常需要额外的启动准备活动，例如逆风偏转，本发明的实施例也可以有利地用于温暖的环境中。

图1示出了根据实施例的示例性风电场100。如图1中所示，风电场100包括经由交流(AC)总线120连接到电网的变电站的多个主WTG 110、辅助WTG 130、以及辅助燃料电池140。在风电场100中，相较于多个主WTG 110，辅助WTG 130具有大大降低的启动能量需求。至少部分地由于辅助WTG 130的相对小的启动能量需求，可以在来自电网的电力不可用时准备启动风电场100的主WTG 110中的至少一些主WTG 110。此外，由于辅助WTG 130汲取用之不竭的能量源(即，风能)，因此风电场100或其至少一部分可以在不浪费宝贵的燃料的情况下在任何时间准备启动。

电网是用于将来自多个电力发电机的电力分配给电力用户的电力输送和/或分配网络。风电场100只是向电网供电的多个电力发电机的其中之一。电网的运行通常由电力发电机必须遵守的特定标准来管理，在某些情况下，所述标准包括供应特定频率(例如，50Hz或60Hz)下的AC功率。

在一个实施例中，主WTG 110包括能够通过AC总线120供电的水平轴发电机。主WTG 110可以是具有相同尺寸和额定功率的WTG，或者可以是具有不同尺寸和/或额定功率的WTG。在一个实施例中，主WTG 110中的每个主WTG 110的启动能量需求在大约30千瓦到大约80千瓦的范围内，并且可能至少部分地取决于环境温度。此外，启动能量需求可能取决于启动程序进行得多快。例如，如果多个系统并行预热，启动能量需求通常会高于多个系统中的每一个顺序预热的情况。所采用的发电机的类型也可能影响启动能量需求。例如，在其它条件都相同的情况下，相较于感应发电机，永磁发电机通常需要较少的能量来启动，因为与永磁发电机不同，感应发电机必须产生无功功率，以使电流能够产生。

相对于来自电网的外部供应的电力，辅助WTG 130向风电场100提供本地供应的电力。此外，与主WTG 110相比，辅助WTG 130具有较小的启动能量需求。例如，在一个实施例中，辅助WTG 130是自启动的垂直轴风力涡轮机(VAWT)，即，其不具有启动能量需求(例如，Savonius WTG)。在这个实施例中，可以省略辅助燃料电池140。在另一个实施例中，辅助WTG 130是具有相对较小的启动能量需求的垂直轴风力涡轮机(VAWT)，其启动能量需求近似于例如大约1到5千瓦(例如，Darrieus WTG)。如果辅助WTG 130具有较小的启动能量需求，则辅助燃料电池140可以提供所需要的启动能量。替代地，由主WTG 110供应的电力可以用于在电网发生中断或期望发生中断之前或之后不久启动辅助WTG 130。因此，可以在风电场100中省略辅助燃料电池140，或者可以将辅助燃料电池140作为用于启动辅助WTG 130的附带电源而包括在内。此外，在包括辅助燃料电池140的实施例中，辅助燃料电池140可以帮助辅助WTG 130向风电场100提供本地供应的电力，如图1中的从辅助燃料电池140和辅助WTG 130出发的虚线箭头所表示的。

辅助WTG 130和辅助燃料电池140连接到AC总线120，并且可以在电网不运行时经由AC总线120为主WTG 110供电，用于启动程序。此外，当电网再次运行时，可以关闭辅助WTG 130来减少磨损，并且可以关闭辅助燃料电池140来节省燃料。然而，在实施例中，辅助WTG 130可以被配置为当电网运行时，向电网以及主WTG 110供电，并且当电网不运行时，向主WTG 110供电。

尽管风电场100被描述为具有仅一个辅助WTG 130和仅一个辅助燃料电池140，风电场100还可以包括多个辅助WTG 130和/或多个辅助燃料电池140。例如，取决于主WTG 110的启动能量需求和辅助WTG 130的供应能力，可能需要多个辅助WTG 130来准备启动单个主WTG 110。相应地，可能需要多个辅助燃料电池140来用于多个辅助WTG 130中的每个辅助WTG 130。在启动能量需求较低的实施例中，利用由单个辅助WTG 130供应的电力可能能够准备启动多个主WTG 110。在特定的其它实施例中，为每个主WTG 110提供辅助WTG 130。例如，在一个实施例中，风电场100仅包括单个主WTG 110、单个辅助WTG 130、和单个辅助燃料电池140(在辅助WTG 130是自启动的情况下可以省略)。此外，如果辅助WTG 130供应足够的电力，则可以并行执行用于单个主WTG 110的多个启动准备程序，以节省时间。例如，可以同时预热空气、水、齿轮润滑油、和/或诸如液压动力机组之类的部件。此外，或替代地，如果足够的辅助电力可用，则多个主WTG 110可以并行准备启动。

在其它实施例中，例如，由辅助WTG 130所供应的电力的量是有限的，则可以顺序执行启动准备程序中的一些或全部。例如，在一个实施例中，利用由辅助WTG 130供应的电力来准备启动主WTG 110中的第一个或主WTG110组。然后，当第一主WTG(或主WTG组)110已经启动时，利用由第一主WTG 110供应的电力来准备启动第二主WTG 110(或主WTG组)。启动序列可以以类似的方式延续下去，直到整个风电场100已经启动。因此，当启动风电场100时，由辅助WTG 130供应的辅助电力可以用于仅准备启动单个主WTG(或主WTG组)110，并且可以利用由初始启动的(多个)主WTG 110或稍后启动的主WTG 110供应的电力来启动所有其它的主WTG 110。在一个实施例中，初始启动的(多个)主WTG 110是预先指定的。替代地，可以利用预先指定的候选WTG清单来选择初始的(多个)主WTG 110。因此，如果候选WTG的第一个是无法使用的，则可以选择另一个候选WTG来替代。根据从辅助WTG 130到主WTG 110的距离和/或根据一些其它标准，例如，在风电场100中相对于其它WTG的位置，可以优先考虑预先指定的清单中的候选WTG。

在可选的实施例中，图2中所示的风电场200使用DC总线210，而不是风电场100的AC总线120。为了避免传输损耗，DC总线210可以承载高电压功率信号，并且因此可以被称为高电压DC(HVDC)总线。例如，功率信号的电压可以是在从大约45千伏到大约66千伏的范围内的值。由于由HVDC总线210承载的功率信号的电压较高，因此为了主WTG 110处的启动准备而必须逐步降低电压。然而，由于设计可以充分逐步降低电压的降压变压器的高昂成本，逐步降低电压是不实际的。因此，在风电场200中，辅助WTG 130和(可选的)辅助燃料电池140可以替代地用于向主WTG 110供电，用于启动准备。此外，代替将辅助WTG 130和辅助燃料电池140直接连接到HVDC总线210，电力经由与HVDC总线210并行运行的另一个总线从辅助WTG 130供应到主WTG 110。

图3示出了用于快速启动诸如风电场100或风电场200的主WTG 110之类的一个或多个WTG的示例性方法300。至少出于向风电场供电以及分配来自风电场的电力的目的，可以在电网变得不可用之后实施方法300。由于例如由风暴、主网故障、或其它异常条件所导致的长期故障或关闭，电网可能不可用。在这种条件下，电网的可用时间通常是未知的。

方法300包括第一步骤310，其中启动风电场的本地发电机以向风电场供电。本地发电机可以是风电场100或风电场200的辅助WTG 130。此外，可以响应于风电场控制器的指令、或者自动地响应于检测到电网电力故障或损失而启动本地发电机。此外，如上所述，在来自外部电网的电力变得不可用之前，可以利用由风电场供应的电力启动本地发电机。例如，尽管在电网变得不可用之后，风电场逐渐关闭，但是WTG可以继续提供一些电力，本地发电机可以利用这些电力来启动。替代地，可以利用由诸如辅助燃料电池140之类的燃料电池供应的电力来启动本地发电机。作为另一个选择，本地发电机可以是自启动的。

在本地发电机已经启动之后，在步骤320处，利用本地产生的电力来准备启动风电场中的一个或多个WTG。准备启动一个或多个WTG包括：对一个或多个WTG中的每个WTG的部件进行预热；对一个或多个WTG中的每个WTG中的流体进行预热；逆风偏转一个或多个WTG中的每个WTG；和/或前述准备程序的组合。在电网能够接收并分配由风电场产生的电力之前，可以有利地执行启动准备。

在步骤330处，在来自电网的电力能够接收并分配由风电场产生的电力之后，一个或多个WTG的至少其中之一基本上无延迟地启动。启动至少一个WTG可以包括向AC总线120供应AC功率(在风电场是风电场100的情况下)或者向HVDC总线210输出DC功率(在风电场是风电场200的情况下)。向电网的变电站提供AC功率或DC功率，并且通过电网将AC功率或DC功率从变电站分配到电力用户。

本文中通过示例的方式而不是限制的方式来描述方法300。更具体地，可以将额外的步骤添加到所述方法中，和/或可以修改或省略方法300的至少一个步骤。例如，当来自电网的电力可用于一个或多个WTG时，或者当电网的可用时间是已知时，可以执行启动准备。然而，当在电网不可用并且在已知电网的可用时间之前实施方法300更有助于增大电力产生因子。通过这样做，当电网变得可用并且可以接收并分配由风电场产生的电力时，将无延迟地启动风电场、或其至少一部分。

方法300的步骤中的至少一些可以使用数字逻辑电路和/或模拟电路来实现。电路可以包括例如执行计算机可读介质上所记录的指令的一个或多个控制器或处理器。一个或多个控制器或处理器可以包括风电场的中央控制器、本地发电机的控制器、和/或启动的至少一个WTG的控制器。

应该强调的是，上述实施例是实施方式的可能的示例，所述实施方式仅阐述本发明的原则的清晰的理解。本领域技术人员可以对上述(多个)实施例做出任何改变和修改，所述改变和修改在此旨在包括在以下权利要求的范围之内。

Claims

1.一种能够快速启动的风电场(100、200)，所述风电场(100、200)包括：

一个或多个主WTG(110)；以及

辅助WTG(130)，与所述一个或多个主WTG(110)相比，所述辅助WTG(130)具有实质上较小的启动能量需求，

其中，耦合所述辅助WTG(130)来向所述一个或多个主WTG(110)供电，以准备启动所述一个或多个主WTG(110)。

2.根据权利要求1所述的风电场(100、200)，其中所述辅助WTG(130)是垂直轴WTG。

3.根据权利要求1和2中的任何一项所述的风电场(100、200)，其中，在来自外部电网的电力变得可用之后，所述一个或多个主WTG(110)的至少其中之一基本上无延迟地启动。

4.根据权利要求1到3中的任何一项所述的风电场(100、200)，其中，所述一个或多个主WTG(110)的至少其中之一通过利用由所述辅助WTG(130)供应的电力达到以下目的的其中之一来准备启动：

预热所述一个或多个主WTG(110)中的每个主WTG(110)的流体和部件的至少其中之一；以及

逆风偏转所述一个或多个主WTG(110)中的每个主WTG(110)。

5.根据权利要求1到4中的任何一项所述的风电场(100、200)，其中，在来自所述外部电网的电力变得不可用之前，耦合所述一个或多个主WTG(110)的至少其中之一来供电，以启动所述辅助WTG(130)。

6.根据权利要求1到4中的任何一项所述的风电场(100、200)，还包括：

燃料电池(140)，所述燃料电池(140)供应电力，以启动所述辅助WTG(130)。

7.根据权利要求1到4中的任何一项所述的风电场(100、200)，其中，所述辅助WTG(130)不需要启动能量，并且是自启动的。

8.根据权利要求1到7中的任何一项所述的风电场(200)，还包括：

高电压DC总线(210)，所述一个或多个主WTG(110)的至少其中之一向所述高电压DC总线(210)输出DC功率。

9.一种用于快速启动风电场(100、200)中的一个或多个风力涡轮发电机(WTG)的方法(300)，所述方法包括：

在电网断电后，在所述电网能够接收并分配由所述风电场(100、200)产生的电力之前，利用本地供应的电力来准备启动所述风电场(100、200)中的一个或多个WTG；以及

在所述电网能够接收并分配由所述风电场(100、200)产生的电力之后，基本上无延迟地启动所述一个或多个WTG(110)的至少其中之一。

10.根据权利要求9所述的方法(300)，其中，所述本地供应的电力是由垂直轴WTG(130)供应的。

11.根据权利要求9和10中的任何一项所述的方法(300)，其中，准备启动所述一个或多个WTG(110)包括以下步骤的至少其中之一：

预热所述一个或多个WTG(110)中的每个WTG(110)的流体和部件的至少其中之一；以及

逆风偏转所述一个或多个WTG(110)中的每个WTG(110)。

12.根据权利要求9到11中的任何一项所述的方法(300)，还包括：

利用由所述风电场(100、200)供应的电力来启动发电机(130)，以提供所述本地供应的电力。

13.根据权利要求9到11中的任何一项所述的方法(300)，还包括：

利用由燃料电池(140)供应的电力来启动发电机(130)，以提供所述本地供应的电力。

14.根据权利要求9到11中的任何一项所述的方法(300)，还包括：

启动发电机(130)以提供所述本地供应的电力，其中，提供所述本地供应的电力的所述发电机(130)是自启动的。

15.根据权利要求9到14中的任何一项所述的方法(300)，还包括：

所述一个或多个WTG(110)的至少其中之一向高电压DC总线(210)输出DC功率。