CN106337780A - 基于由风力涡轮机的功率转换器提供的ac输出电压信号的频率的风力涡轮机运行 - Google Patents

Abstract

基于由风力涡轮机的功率转换器提供的AC输出电压信号的频率的风力涡轮机运行。一种用于控制风力涡轮机运行的方法，该风力涡轮机包括机械驱动系、被机械连接到驱动系的发电机和被电连接到发电机的功率转换器。该方法包括（a）确定由功率转换器提供的AC输出电压信号的频率；（b）识别是否存在所确定频率相对于先前确定频率的大于给定阈值的修改；（c）如果所确定频率的修改大于给定阈值，则改变用于风力涡轮机的功率参考信号；（d）将已改变功率参考信号提供给风力涡轮机的控制器；以及 （e）基于已改变功率参考信号控制风力涡轮机的运行。此外，描述能够实现此风力涡轮机控制方法的风力涡轮机和用于控制风场的多个风力涡轮机的总体发电的方法。

Description

基于由风力涡轮机的功率转换器提供的AC输出电压信号的频 率的风力涡轮机运行

技术领域

本发明一般地涉及从风场向电力网传输由包括多个风力涡轮机的风场产生的电功率的技术领域。具体地，本发明涉及一种用于运行风力涡轮机的方法，其允许从包括风力涡轮机的风场到电力网的有效的功率传输。此外，本发明涉及一种能够实现此风力涡轮机控制方法的风力涡轮机和用于控制风场的多个风力涡轮机的总体发电的方法，其中，每个风力涡轮机能够实现所述风力涡轮机控制方法。

在本文中，术语“风场”可以是包括产生一般地被提供给公用事业电网的电功率的至少两个风力涡轮机的任何布置。还可将“风场”表示为“风力农场”或者甚至更加描述性地“风力发电厂”。风场可以位于离岸或岸上。

背景技术

风力涡轮机被用来以清洁且高效的方式将机械风能转换成电能。在风力涡轮机中，包括具有若干转子叶片的转子的机械驱动系直接地或借助于齿轮箱来驱动发电机。在发电机的定子端子处产生的结果得到的交流电（AC）频率与转子的旋转速度成正比。定子端子处的电压还根据发电机的转速而变化。为了最佳的能量捕捉，此转速根据驱动转子叶片的可用风的速度而变化。为了限制高风速下的能量捕捉并避免转子的潜在损坏，可通过改变转子叶片的俯仰角来控制发电机的转速。

通常由功率转换器来实现发电机的可变电压和频率对电力网的标称固定电压和频率的适应。功率转换器通常包括发电机桥接器，其在正常运行中充当用以向直流（DC）链路供应功率的有源整流器。发电机桥接器可以具有任何适当的拓扑，其具有使用脉宽调制（PWM）策略被完全地控制和调节的一系列半导体功率切换设备。功率转换器通常还包括网络桥接器，其将DC链路的DC功率转换成在电压、频率以及相角方面与电力网的各电量匹配的AC功率信号。当从网络桥接器或从被连接到多个网络桥接器（例如分别地经由一个变压器）的汇流条传输或运送功率时，除振幅之外，还有网络桥接器的输出处或汇流条处的电压信号相对于电力网相位的相对相位是用于可以被传输的功率数量的重要的量。

在这方面，据说此相角与某个反电动势（反EMF）相关联，其在用于解释电功率传输的另一种方法中是向电力网运送电功率所必需的。在这种方法中反EMF由电力网产生。

然而，与AC功率连接相反，还可以经由所谓的高压直流（HVDC）功率连接将特别地由被分配给风场的多个风力涡轮机产生的电功率传输到电力网。此类解决方案特别地可适合于离岸风场，其中，在（a）风力涡轮机与（b）各岸上电力网之间的距离很大（例如，数百千米）。在长距离的情况下，在HVDC输电系统内的电功率损耗比在AC输电系统内的对应损耗小得多，在AC输电系统内特别地由各电缆的寄生电感引起的感应功率损耗大得多。

在下文中，描述了经由HVDC输电系统从离岸风场向岸上电力网的电力传输：

（1）（每一个都包括具有发电机（AC-DC）桥接器、DC链路以及网络（DC-AC）桥接器的功率转换器的多个离岸风力涡轮机中的每一个产生中压AC功率信号。在第一汇流条处收集所述中压AC功率信号。

（2）经由被离岸竖立在变电站平台处的变压器将在第一汇流条处收集的中压AC功率信号转换成高压（HV）AC功率信号。

（3）HVAC功率信号和来自其它变电站平台的其它HVDC功率信号在第二汇流条处被收集并作为公共HVAC功率信号被馈送到HVDC平台，其中，公共HVAC功率信号被转换成DC功率信号。

（4）DC功率信号经由可具有比100km更多一些的长度的（低损耗）HVDC电缆被在岸上传输。

（5）在岸上，DC功率信号被馈送到（DC-AC）转换站，其产生AC功率输出信号。此AC功率输出信号被用适当的电压和频率或者说相角馈送到岸上AC电力网中。

在这方面，已提到关于电感，与AC电力网相比，HVDC电缆仅表示非常弱的功率接收器，其不能提供接收电功率所必需的显著的反EMF。因此，为了允许有效的功率传输，必须以产生必需的反EMF的这样的方式运行风力涡轮机的网络（DC-AC）桥接器。

为了在HVDC平台处将公共HVAC功率信号转换成DC功率信号（参见上文（3）项），可使用高功率AC-DC转换器，其包括总共六个功率半导体开关，其中，在（三个中的）一个半桥路径内分别地串联地连接两个功率半导体开关，每个在高功率AC-DC转换器的两个DC输出端子之间延伸。可借助于脉宽调制（PWM）以已知方式驱动功率半导体开关。此类AC-DC转换具有优点：通过提供适当的切换模式，双向功率流是可能的。然而，此类AC-DC转换的缺点是高功率AC-DC转换器是复杂、大且极其沉重的实体。为了可靠的运行，必须提供空气绝缘。

最近，已提出了用于HVDC平台处的AC-DC功率转换的另一方法，该方法是基于具有六个无源高功率二极管的整流器的概念。再次地，在（三个中的）一个半桥路径内分别地串联地连接两个高功率二极管，每个在对应的功率整流器的两个DC输出端子之间延伸。这种方法具有优点：可以作为密封设备并以简单且稳健的方式实现整流器。整流器内的功率损耗是小的，并且整流器的运行仅要求相当低的维护成本。

然而，“整流器方法”的缺点可能是只有单向功率流是可能的。在必须从岸上电力网向风场传输功率的情况下，对应的HVDC输电系统必须被装配有在岸上电力网与风场之间延伸的相对于HVDC电力电缆平行的所谓的脐带AC电缆。当其它风力涡轮机的功率产生不足时例如在风场的至少某些风力涡轮机的启动阶段期间经由脐带AC电缆的功率传输可能是必需的以便允许可靠的启动。当使用（无源）整流器时的另一挑战是必须通过每个单独的风力涡轮机的DC-AC网络桥接器排他性地控制应被整流的公共HVAC功率信号的振幅、频率以及相位。

已指出除脐带AC电缆之外，还可以在必要时由本地电源对风场进行供电。此类本地电源可以是电池蓄能器、发电机、燃料电池、压缩空气、热蓄能器或抽水蓄能器或者各种电源的可能组合。

发明内容

可能需要控制在HVDC输电系统中必须被转换成HVDC功率信号的HVDC功率信号的特性量。

可用根据独立权利要求的主题来满足此需要。用从属权利要求来描述本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的运行的方法，该风力涡轮机包括（i）机械驱动系，（ii）被机械地连接到所述驱动系的发电机，以及（iii）被电连接到所述发电机的功率转换器。所提供的方法包括（a）确定由功率转换器提供的AC输出电压信号的频率；（b）识别是否存在所确定频率相对于先前确定频率的修改，该修改大于给定阈值；（c）如果所确定频率的修改大于给定阈值，则改变用于风力涡轮机的功率参考信号；（d）将已改变功率参考信号提供给风力涡轮机的控制器；以及（e）基于已改变功率参考信号来控制风力涡轮机的运行。

本发明的这方面是基于这样的思想，即将所述风力涡轮机且特别是风场的多个风力涡轮机与电力网（常常也被称为公用事业电网）相连接的输电系统内的某个点或节点处的潜在功率不平衡将引起频率变化。当检测或监视频率时且当进一步认识到此频率已改变至一定程度或在一定程度上改变时，可以至少部分地通过以适当方式改变或调整功率参考信号来减少功率不平衡。具体地，当认识到频率已至少以预定程度下降或下降至预定程度时，应增加风力涡轮机的功率产生。只要存在可用的足够的风，这将通过增加功率参考信号以已知方式实现。相反地，当认识到频率已至少提高预定程度或提高至预定程度，则应减少风力涡轮机的功率产生。这将通过减小功率参考信号来实现。

用所描述的方法，可以以协调方式自动地协调整个风场的功率产生而不要求或恢复成借助于高级风场控制器的协调，该高级风场控制器常常被称为高性能风场导向（HPPP）控制器且仅允许相对缓慢的控制。具体地，可以在不需要单独风力涡轮机之间的控制信息的任何交换的情况下有效地实现整个风场的协调控制。在此概念中，每个风力涡轮机作为单独实体但相对于至少部分地实现由稳定频率所指示的功率平衡的目标而言以负责的方式起作用。

描述性地说，风力涡轮机可在正常条件下自主地控制其自己的有功功率输出，因为其将处于常规风力涡轮机控制规程中。根据本发明的实施例，风力涡轮机然后可以基于局部测量和/或推导来进行自主判定从而以与也正在进行自主判定的风场的其余风力涡轮机协调的某种方式起作用。

可（a）根据风力涡轮机的端子处的电压测量结果确定和/或（b）直接地从用于功率转换器的内部控制变量导出AC输出电压信号的频率。在后一种情况下，可以例如根据旋转参考系的角速度来确定频率，该旋转参考系是作为用于控制功率转换器的DC-AC网络桥接器的半导体开关的运行以便生成AC输出电压的策略的一部分而应用的。

当根据用于功率转换器的内部控制变量来确定时，可以采用对AC输出电压信号的角频率的不同贡献中的全部或选择部分以便实现风力涡轮机的运行的期望性能/目标。

根据本发明的当前优选实施例，AC输出电压信号的频率是根据风力涡轮机的功率控制器的输出导出或者说间接地确定的。从而，功率误差信号被转换成频率，可以将其理解为对功率（控制）误差信号的同步匹配的正常反应。与借助于AC输出电压的（直接）测量结果来确定AC输出电压信号相反，使用功率误差信号可提供各运行控制将包括延迟的优点。此类延迟通常导致降低的总体性能且潜在地还导致稳定性问题。

在本文的上下文中，术语机械驱动系被用于为机械地驱动发电机的转子而提供的风力涡轮机的所有机械组件。具体地，驱动系可包括优选地具有被安装在轮毂处的三个转子叶片的风力转子、以直接方式或经由例如齿轮箱以间接方式将轮毂与发电机的转子相连接的可旋转驱动轴。

根据本发明的实施例，在将功率转换器与电力网相连接的输电系统的节点处确定频率，其中所述输电系统包括高压直流，HVDC，输电线。

取决于（所监视的）频率的所述功率平衡控制在使用HVDC输电时是特别有利的，因为如上文已在本文的介绍小节中提到的，输电系统的HVDC部分仅表示非常弱的功率接收器，其仅提供将电功率运送到电力网所必需的非常小的反EMF（在二极管整流器的情况下，所提供的反EMF实际上是零）。因此，同样如上文已提到的，必须由风力涡轮机的网络（DC-AC）桥接器产生所必需的反EMF。所述方法允许以将提供所必需的反EMF的这样的方式容易且可靠地控制风力涡轮机且特别是功率转换器（的DC-AC网络桥接器）的运行。

在这方面，已提到电力网通常是AC电力网。这当然意味着在HVDC输电线的末端处（该末端被分配给AC电力网），必须安装有DC-AC功率转换器，其以已知方式将经由HVDC输电线传输的高功率DC信号转换成在频率和相位方面与AC电力网的AC信号匹配的高功率AC信号。

根据本发明的另一实施例，HVDC输电系统包括整流器。与原则上也可以被使用且通常包括六个功率半导体开关的AC-DC转换器相反，整流器是更加简单的功率电器件，其仅包括无源组件，即高功率二极管。如上文已提到的，使用整流器具有优点，即可以在密封设备内且以简单并稳健的方式实现AC-DC转换。功率损耗是相当小的，并且整流器的运行仅仅要求相当低的维护成本。

根据本发明的另一实施例，HVDC输电系统包括辅助输电线，其相对于HVDC输电线被并行地电气布置，并将电力网与输电系统的节点相连接。

辅助输电线与所述节点之间的连接可以是直接连接或者替换地经由输电系统的一个或多个其它设备的间接连接。辅助输电线特别地可以是辅助AC输电线。

关于其输送高电流或者说功率的能力，辅助输电线可以比DC输电线弱得多。具体地，可使用辅助输电线作为所谓的脐带AC电缆，其可仅被用于两个目的：

（1）当风场的发电不足以允许风力涡轮机中的至少某些的可靠启动时，例如在没有或极少风的一段时间之后，必须从AC电力网向所述至少某些风力涡轮机传输AC功率。

（2）AC电力网与输电系统的所述节点之间的较低功率AC连接可被用于测量（a）电力网的AC信号（该AC信号对于其它输电系统或其它风场而言也通常被用作用于频率和相位的参考）以及（b）输电系统的风场侧处存在的AC信号之间的相角。

根据本发明的另一实施例，基于已改变功率参考信号来控制风力涡轮机的运行包括（a）控制功率转换器的运行且特别地控制功率转换器的DC-AC网络桥接器的运行；和/或（b）控制风力涡轮机的风力转子的叶片的俯仰角。这可提供优点，即已改变功率参考信号以容易且可靠的方式导致对应地改变的功率产生。

为了控制功率转换器的运行，可将功率参考信号馈送到转换器控制器，其通过向各功率半导体开关提供适当的脉宽调制（PWM）而以已知方式控制特别地DC-AC桥接器的运行。

为了控制或调整至少一个叶片的俯仰角，可将功率参考信号馈送到风力涡轮机控制器，其可以已知方式、以实际功率产生至少部分地对应于如功率参考信号所指示的所请求功率产生的这样的方式来调整俯仰角。换言之，通过控制俯仰角，可以以容易且有效的方式调整被转换成电功率的机械风力的数量或分数。

根据本发明的另一实施例，所确定频率的修改是所确定频率的值的增加。此外，给定阈值是用于所确定频率的预定上边界值。

描述性地说，当所确定频率达到或跨过预定上边界值时，将发起功率参考信号的改变且特别是功率参考信号的降低。

在这方面，已提到由功率转换器的DC-AC网络桥接器提供的AC输出电压信号的频率的增加可指示朝向AC电力网的输电被阻断或者至少被严重地减少或缩减。在这种情况下，非常快速地减少功率产生以便避免特别是风力涡轮机处的损坏是很重要的。鉴于所述方法的上文阐述的优点，即鉴于在包括多个风力涡轮机的风场内可以独立地控制每个风力涡轮机的事实，可以实现总体功率产生的非常快速的减少。与借助于高级HPPP控制器进行风场的协调控制相反，用于用所述方法实现的发电减少的响应时间短得多。因此，用所述方法，可以增加包括整个风场和输电系统的大型发电布置的运行可靠性。

根据本发明的另一实施例，（a）所确定频率的修改是所确定频率的值的改变的绝对值，并且（b）给定阈值是用于该改变的绝对值的预定阈值值。

描述性地说，改变的绝对值从表示由风场产生的功率与被传输到AC电力网的功率之间的功率平衡的中心频率着手定义用于该频率的两个阈值值。这意味着当所确定频率达到或超过上阈值值时且当所确定频率达到下阈值值或在其以下时，将实现功率参考信号的改变。具体地，如上文已提到的，当所确定频率达到或超过上阈值值时，将减小功率参考信号，并且对应地，当所确定频率达到下阈值值或在下阈值值以下时，将增加功率参考信号。两个措施都将对实现所产生的功率与经由输电系统被运送到电力网络的功率之间的（功率）平衡有所贡献。

换言之，（AC输出电压信号的）所确定频率的修改可由在上阈值以上或在下阈值以下的频率的改变给定。从而，上阈值确定频率的最大正改变，并且下阈值确定频率的最大负改变。

定义用于所确定频率的阈值值可提供优点，即可以以非常简单的方式实现风力涡轮机的运行控制。因此，也可以保持功率平衡。

根据本发明的另一实施例，功率参考信号在某个可允许频率范围内保持恒定。

换言之，对应于所确定频率的某个可允许频率范围的某个功率不平衡将在不改变功率参考信号的情况下被接受。这可提供优点，即风力涡轮机的运行控制将是非常简单的，并且结果也是非常可靠的。

该可允许频率范围可例如由上频率阈值和下频率阈值定义。

根据本发明的另一实施例，（a）所确定频率的修改是相对于所确定频率的时间的微分，并且（b）给定阈值条件包括用于相对于所确定频率的时间的微分的值的上边界值。这可提供优点，即根据频率改变的所确定的速度，可以及时地实现功率参考信号的适当改变。具体地，当存在非常强烈和/或快速的频率改变时，风力涡轮机的所述运行控制可以在短时间段内起作用。这可对上述功率平衡的非常高的稳定性有所贡献。

在这方面，已提到对于技术人员显而易见的是计算由功率转换器提供的AC输出信号的频率的相对于时间的微分要求在至少两个不同的时间点处的频率的确定。这意味着必须执行确定由功率转换器提供的AC输出电压信号的另一频率的另一步骤，其中，所述频率和所述另一频率是在不同的时间点处确定的。

描述性地说，基于绝对值的所确定频率的导数或基于（i）所确定频率的导数和（ii）所确定频率本身两者，可以发起预定控制程序序列。此类序列可以通过例如（a）针对设定时间将有功功率极限减小至预置值，并且然后（b）使有功功率以设定斜坡速率（ramprate）斜坡返回直至风力涡轮机达到正常功率产生水平为止来进行工作。

根据本发明的另一实施例，用于风力涡轮机的功率参考信号被限制在预定义范围内。

换言之，独立于频率修改的量级而限制用于功率参考信号（的级）的可容许范围。

描述性地说，根据本实施例，功率参考信号（的量级）被钳位至或者定义范围的上限（在存在强烈频率下降的情况下）或者定义范围的下限（在存在强烈频率增加的情况下）。此钳位可提供优点，即风力涡轮机的运行控制将被进一步简化且可靠。具体地，通过对功率参考信号进行限制或钳位于其中，可以确保测量失败将不会导致不可控的运行情况。

已指出对功率参考信号进行限制或钳位将本质上允许当在系统中不存在显著的有功功率不平衡时以正常方式（即基于由风力涡轮机的风力转子的实际转速且由风力转子的叶片的实际俯仰角定义的可用有功功率产生）控制风力涡轮机的功率参考，并且因此简化控制。

根据本发明的另一实施例，在用于功率参考信号的预定义范围内，功率参考信号的改变与（i）所确定频率与（ii）与具有由风力涡轮机产生的功率和经由输电系统递送到电力网的功率之间的功率平衡的运行状态相对应的期望频率之间的差成比例。这可提供优点，即风力涡轮机的所述运行控制一方面非常灵敏且另一方面非常简单。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制风场的多个风力涡轮机的总体发电的方法。从而，每个风力涡轮机包括（i）机械驱动系，（ii）被机械地连接到所述驱动系的发电机，以及（iii）被电连接到所述发电机的功率转换器。此外，所述多个功率转换器被电连接到将风场与电力网相连接的输电系统的公共节点。所提供的方法包括通过分别地实现如上所述的方法来控制至少某些和优选地所有风力涡轮机的运行。在公共节点处确定AC输出电压信号的频率。

本发明的这方面基于这样的思想，即即使当将每个风力涡轮机视为独立或单独的发电设备时，也可以有效地且自动地实现整个风场的协调控制。具体地，当实现用于控制风力涡轮机的运行的上述方法时，每个风力涡轮机（控制器）将相对于任务对于所有风力涡轮机而言是公共的而以负责的方式起作用，即用以优化到电力网的输电。在这方面，本发明的发明人已发现简单地通过监视公共节点处的频率，将以简单且有效的方式解决此任务，该频率指示由整个风场产生的功率的量与由电力网接收到的功率的量之间的功率平衡或者说功率不平衡。根据本发明，基于所确定或者说所监视的实际频率来调整功率参考信号（的水平）。

并且，如果输电系统是HVDC输电系统，则用于控制所述多个风力涡轮机的总体发电的所述方法可以是特别有利的。如果HVDC输电系统包括用于将由所述多个风力涡轮机提供的AC功率信号转换成被馈送到HVDC输电系统的HVDC输电线中的DC功率信号的整流器，则此优点将甚至更加重要。

所述公共节点可例如由风场和/或输电系统的汇流条定义。从而，可将所述多个风力涡轮机的功率转换器直接地连接到适当AC输电电缆的汇流条电线。替换地，可以以间接方式、例如经由一个或多个功率变压器将所述多个风力涡轮机的功率转换器与汇流条相连接。所述至少一个功率变压器可以特别地是增加各AC功率信号的电压（并产生电流）的所谓升压变压器。

根据本发明的另一方面，提供了一种风力涡轮机，包括（a）机械驱动系，其具有带有至少两个转子叶片的风力转子；（b）发电机，其被机械地连接到所述驱动系；（c）功率转换器，其被电连接到所述发电机，其中，所述功率转换器包括（c1）AC-DC发电机桥接器，其用于对由发电机提供的AC功率信号进行整流，（c2）直流链路，其接收整流AC功率信号，以及（c3）DC-AC网络桥接器，其将DC链路的DC功率转换成AC输出功率信号；（d）用于调整转子叶片的俯仰角的转子叶片调整系统；以及（e）风力涡轮机控制器，其用于控制所述功率转换器和所述转子叶片调整系统中的至少一个的运行。风力涡轮机控制器被配置用于实现用于控制风力涡轮机的运行的上述方法。

并且，本发明的此方面是基于这样的思想，将风力涡轮机与电力网相连接的输电系统内的某个点处的功率不平衡将引起频率变化。当认识到所述频率已改变至一定程度或以一定程度改变时，可以至少部分地通过改变用于风力涡轮机控制器的功率参考信号来减少功率不平衡。

在本文中所使用的语言中，风力涡轮机控制器可负责控制转子叶片调整系统和功率转换器（特别是功率转换器的DC-AC网络桥接器）两者。在这方面，已指出风力涡轮机控制器可以是单个计算设备，或者可以替换地借助于两个不同的计算设备来实现，其中，一个计算设备负责控制转子叶片调整系统的运行，并且另一计算设备负责控制功率转换器或者说DC-AC网络桥接器的运行。

必须注意的是已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已参考方法类型权利要求描述了某些实施例，同时参考装置类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域的技术人员将从以上和以下描述得知，除非被另外通知，除属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间、特别是方法类型权利要求的特征与装置类型权利要求的特征之间的任何组合也被视为用本文件公开。

根据下文要描述的实施例的示例，上文定义的方面和本发明的另外的方面是显而易见的并参考实施例的示例来对其进行解释。下面将参考实施例的示例（但是本发明不被限于其）更详细地描述本发明。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的包括具有多个风力涡轮机的风场的功率产生和转送系统。

图2示出了在图1中描绘的风场的风力涡轮机。

图3示出了在图1中描绘的HVDC输电系统的整流器。

图4根据本发明的实施例示出了描绘用于取决于频率偏移的功率参考信号的极限的图。

图5根据本发明的另一实施例示出了描绘用于取决于频率偏移的已改变功率参考信号的极限的图。

具体实施方式

图中的图示是示意性的。应注意的是在不同的图中，为类似或相同的元件或特征提供相同的参考符号或仅在第一位内与对应参考符号不同的参考符号。为了避免不必要的重复，在本描述的稍后位置处并未再次阐述相对于先前所描述的实施例已阐述的元件或特征。

图1示出了包括具有多个风力涡轮机120的风场110的功率产生和转送系统100。根据这里所描述的实施例位于离岸处的风场110所产生的电能被经由AC系统160和HVDC输电系统170转送到位于岸上的电力网195。

风力涡轮机120被分组布置，其中，每个组被分配给汇流条112。如风场110的图示左侧处的箭头所指示的，连接到一个汇流条112的风力涡轮机120的数目不受限制。每个汇流条112经由断路器114被连接到AC系统160，其将在下面进一步被描述。

风场110包括中央风场控制器（WPC）118，其借助于控制线被通信连接到风力涡轮机120中的每一个。在图1中，在风场110内，用虚线来指示这些控制线。为了不使图1含糊难懂，以中断方式来描绘将WPC 118与未分配给最上分支的风力涡轮机120连接的虚线。该中断的相应端点被指示为已填充圆。已指出可借助于有线或无线数据连接来实现控制线或者说经由这些控制线的对应的数据传输。

WPC 118可以是所谓的高性能风场导向（HPPP）控制器，其充当用于所有单独风力涡轮机控制器的高级控制器（在图1中未描绘）。通过监督单独风力涡轮机控制器，WPC 118可以以协调方式来控制单独风力涡轮机120的运行。此外，经由到单独风力涡轮机120的控制线，WPC 118可以收集关于单独风力涡轮机120的运行信息，并且可以向相应的单独风力涡轮机控制器传输适当的控制信号。

在下文中，将参考图2来描述一个风力涡轮机120的可能结构设计。

风力涡轮机120包括被安装到驱动轴228的风力转子222。风力转子222包括未描绘的轮毂，在该轮毂处附着了一定数目的且优选地三个转子叶片224。每个转子叶片224可以借助于转子叶片调整系统226绕着其纵轴旋转以便调整各转子叶片224的俯仰角。根据风力涡轮机的基本原理，俯仰角是用于将被从全部可用的风力提取的机械功率的重要参数。

风力涡轮机120还包括发电机230，其包括由驱动轴228驱动的发电机转子232。在这方面，已提到这里描绘的风力涡轮机120是所谓的直接驱动风力涡轮机120，其不包括被连接在风力转子222与发电机230之间的齿轮箱，并且其可被用于增加被机械地连接到发电机转子232的另一驱动轴的转速。当然，也可以使用具有带有齿轮箱的配置的风力涡轮机。

发电机230包括定子234，其具有用来产生电功率、通常是三相功率的绕组系统。相对于定子234在下游连接了功率转换器240。功率转换器240包括发电机（AC-DC）桥接器242，其在正常运行中充当用以向直流（DC）链路244供应功率的有源整流器。功率转换器240还包括网络桥接器246，其将DC链路244的DC功率转换成AC功率信号。根据这里所述的实施例，此AC功率信号包括三相电流并被馈送到升压变压器248。升压变压器248的输出被设定到图1中所示的各汇流条112。

风力涡轮机120包括风力涡轮机控制器250且被其控制。根据这里所述的实施例，风力涡轮机控制器250包括两个控制器部分，即转换器控制器252和俯仰控制器254。如图2中的虚线所指示的，转换器控制器252控制功率转换器240的（半导体开关的）运行。俯仰控制器254控制俯仰调整系统226的运行，其负责根据风力涡轮机120的实际运行状态来设定每个转子叶片224的叶片俯仰角。

转回至图1，AC系统160包括汇流条161、电源开关162和开关163。在汇流条161处，将由汇流条112收集的电功率合计。当电源开关162被闭合时，AC系统160被连接到HVDC输电系统170，其在下面被更详细地描述。

根据这里描述的示例性实施例，功率产生和转送系统100包括辅助输电系统164。该系统164包括辅助输电线或脐带AC电缆165，借助于其可以在必要的情况下建立电力网195与风场110之间的AC功率连接。如上文已提到的，当其它风力涡轮机120的功率产生不足以允许可靠的启动规程时，经由脐带AC电缆165的功率传输可能是风场110的至少某些风力涡轮机120的启动阶段所需要的。

如从图1中可见的那样，辅助输电系统164包括变压器167和电源开关168，其连同开关163一起可以被用来将辅助输电系统164激活或者说去激活。

如从图1可以进一步看到的，AC辅助输电系统164包括用于测量特别地从电力网195被运送到风场110的功率的功率测量设备166。对应的功率测量是以已知方式经由如在图1中指示的电压测量和电流测量用将功率测量设备166与脐带AC电缆165连接的两个线路实现的。测量的功率值被转送到WPC 118，其在协调风力涡轮机120的运行时考虑经由脐带AC电缆165运送的功率的实际水平。

HVDC输电系统170包括多个（在本发明的描绘实施例中为三个）二极管整流器电源模块172，每个包括三相整流器180和相应的三相变压器174。二极管整流器电源模块172被用于将所提供的AC功率转换成DC功率。二极管整流器电源模块172被以这样的方式连接，即在上二极管整流器电源模块172的三相整流器180的一个输出端子与下二极管整流器电源模块172的三相整流器180的一个输出端子之间提供具有电压Udc的DC功率。

如上文已提到的，根据这里所描述的实施例，风场110位于离岸处。这适用于二极管整流器电源模块172及电源开关162和163。为了将所产生的功率从离岸运送到岸上，使用HVDC输电电缆175。在岸上，HVDC输电系统170包括岸上DC-AC转换器176和变压器178，其向电力网195递送具有适当相位和适当振幅的所得到的AC功率（在电源开关179被闭合的情况下）。

图3更详细地示出了整流器180。与通常具有六个可控高功率半导体开关的功率AC-DC转换器相反，整流器180仅具有作为功率二极管382的无源功率电组件。如从图3可以看到的，整流器180包括三个桥接器，其中的每一个在两个输出端子之间延伸。在这两个输出端子之间，提供了输出电压U_DC。每个桥接器包括两个功率二极管382的串联连接。在每个桥接器的两个功率二极管382之间的未描绘的中间节点处，施加被馈送到整流器180中的三相AC功率信号的一个相。

在下文中，将给出用于理解本文中所述的运行控制方法的某些信息，其中，根据例如在图1中所示的汇流条112或汇流条161处存在的风场的AC功率输出的所确定或所测量的频率，以至少近似地实现所接收和所运送的正向功率（forward power）之间的功率平衡的这样的方式来调整用于风力涡轮机120的功率参考信号。

在常规HVAC输电系统内，基本AC频率由于同步发电机以及其调速器的机电性质而固有地平衡功率产生和负载。

在这里所述的运行控制方法中，每个风力涡轮机的功率转换器具有类似的性质，因为当所产生的有功功率高于被从离岸AC系统迁移的有功功率及相反时，离岸AC系统内的基频将增加。

在整个功率产生和转送系统的正常稳态运行期间，风力涡轮机的运行控制被设计成以改变到岸上的有功功率流的这样的方式起作用，以便有效地使离岸AC系统中的有功功率产生与被岸上系统迁移的有功功率消耗平衡。这连同缓慢频率控制器一起意味着如果到岸上的功率流不受限制，则频率将处于或至少接近于设定参考频率。

在有功功率传输例如由于HVDC输电系统的故障而受到限制或者甚至被阻断的情况下，风力涡轮机不能再平衡离岸AC系统中可用的有功功率，并且所确定或测量的频率将改变。具体地，由例如岸上“低压穿越”（LVRT）事件引起的最大功率极限将促使频率上升。对应地，例如由于风场的岛式运行的最小功率极限将促使频率下降。

在本文中，提出了针对此问题的解决方案，其中，对每个风力涡轮机内的有功功率参考施加有功功率极限。（1）当所确定或测量的频率增加时施加最大极限，并且（2）当此频率低时施加最小极限。应理解的是最大功率极限将使有功功率产生限制到小于在用可用风的情况下将可能的功率产生，并且最小功率极限将促使各风力涡轮机的风力转子减速。最后，各风力涡轮机甚至可被从各汇流条断开连接。

图4示出了此类极限的示例。在此图中

-P是相对于可用有功功率而言的用于单独风力涡轮机的功率参考信号的值（取决于实际风力条件）。

-Δf是各风力涡轮机内的相对于频率参考而言的频率改变。

-P1、P2和P3是寄存在查找表中的功率参考设定点。

-f-3、f-2和f-1是用以定义最小有功功率参考的查找表内的Δ频率设定点，并且f+1、f+2和f+3是用以定义最大有功功率参考的查找表内的Δ频率设定点。

图5示出了此类极限的另一示例。在此图中

-ΔP是相对于可用有功功率而言的用于单独风力涡轮机的功率参考信号的改变的值（取决于实际风力条件）。

-Δf是各风力涡轮机内的相对于频率参考而言的频率改变。

-ΔP1和ΔP2是寄存在查找表中的Δ功率参考设定点。

-f-2和f-1是用以定义最小有功功率参考的查找表内的Δ频率设定点，并且f+1和f+2是用以定义最大有功功率参考的查找表内的Δ频率设定点。

已指出在图4和5中极限是作为Δ极限而给出的，即相对于可用有功功率的功率偏差和相对于设定频率参考的频率偏差。然而，也可以使用绝对值或相对和绝对值的结合。

在下文中将介绍用于控制风力涡轮机的运行的另一方法。这种方法依赖于所确定或测量的频率的时间方面的微分。用这种方法，可以以快速且可靠的方式检测HVDC输电系统和/或电力网的故障，该故障引起功率流的中断：

在用于风力涡轮机的运行条件的正常范围内，功率流的改变速率通常被用于被提供给内部风力涡轮机控制器的功率参考（信号）的斜坡速率限制到例如20%/s。可以将对于功率的改变速率的上限定义为故障后功率恢复斜坡速率，例如200%/s。在岸上电网故障的情况下，经由HVDC输电系统的功率流被中断，并且HVDC输电系统的DC链路电压将上升。这将具有短暂地减少从离岸系统到HVDC输电系统中的功率流的效果。因此，每个风力涡轮机将通过增加其频率进行响应以求满足其局部功率参考，并且由于风场的所有风力涡轮机都将同时地完成此运行，所以离岸频率将非常快速地上升，比在运行的正常范围内预期的离岸频率的改变速率快得多。

类似的情况在离岸故障的情况下出现：到HVDC输电系统中的功率流被减少，并且所有风力涡轮机通过尝试增加其频率来尝试补偿这一点，导致随时间的显著频率改变（df/dt）。

用在本文中描述的运行控制方法，通过使用超过预定义阈值的df/dt值作为用于使每个风力涡轮机能够自主地检测到已发生的功率平衡中的显著中断的机制也可以至少缓解此问题。在各单独风力涡轮机内的结果产生的控制动作中，将减小内部功率参考信号的水平，并且将以对应方式来控制风力涡轮机的运行。在本上下文中，使用df/dt的值作为（电网）故障检测机制。

以类似方式，在功率流的显著中断期间，在正常运行范围之外，风力涡轮机内的功率误差将显示出与df/dt检测机制类似的特性。因此，功率误差可以是离岸系统内的功率不平衡的类似指示符，并且可以被用于风力涡轮机进行（电网）故障的类似自主检测。功率误差还可以具有向其施加的阈值和持续时间特性以抵制与例如变压器切换、滤波器激励等相关联的离岸扰动，以便使得（电网）故障检测更加抗噪声。

应注意的是术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。还可将与不同实施例相关联地描述的元件组合。还应注意的是不应将权利要求中的参考符号解释为限制权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种用于控制风力涡轮机（120）的运行的方法，所述风力涡轮机（120）包括（i）机械驱动系（222、228），（ii）被机械地连接到所述驱动系（111、228）的发电机（230）以及（iii）被电连接到所述发电机（230）的功率转换器（240），该方法包括

确定由所述功率转换器（240）提供的AC输出电压信号的频率；

识别是否存在所确定频率相对于先前确定的频率的修改，该修改大于给定阈值；

如果所确定频率的修改大于所述给定阈值，则改变用于所述风力涡轮机（120）的功率参考信号；

将已改变功率参考信号提供给所述风力涡轮机（120）的控制器（250）；以及

基于已改变功率参考信号来控制所述风力涡轮机（120）的运行。

2.如前述权利要求所述的方法，其中在将所述功率转换器（240）与电力网（195）相连接的输电系统（170）的节点处确定频率，其中，所述输电系统（170）包括高压直流，HVDC，输电线（175）。

3.如前述权利要求所述的方法，其中所述HVDC输电系统（170）包括整流器（180）。

4.如前述权利要求所述的方法，其中所述HVDC输电系统（170）包括辅助输电线（162），其被相对于所述HVDC输电线（175）并行地电气布置，并且其将所述电力网（195）与所述输电系统（170）的节点相连接。

5.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中基于已改变功率参考信号来控制风力涡轮机（120）的运行包括

控制所述功率转换器（240）的运行且特别地控制所述功率转换器（240）的DC-AC网络桥接器（246）的运行；和/或

控制所述风力涡轮机（120）的风力转子（222）的叶片（224）的俯仰角。

6.如前述权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中

所确定频率的修改是所确定频率的值的增加，并且

所述给定阈值是针对所确定频率的预定上边界值。

7.如前述权利要求5所述的方法，其中

所确定频率的修改是所确定频率的值的改变的绝对值，并且

所述给定阈值是针对所述改变的绝对值的预定阈值值。

8.如前述权利要求7所述的方法，其中在某个可容许频率范围内，所述功率参考信号保持恒定。

9.如前述权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中

所确定频率的修改是所确定频率的相对于时间的微分，并且

所述给定阈值条件包括针对所确定频率的相对于时间的微分的值的上边界值。

10.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中用于所述风力涡轮机（120）的功率参考信号被限制在预定义范围内。

11.如前述权利要求所述的方法，其中在用于功率参考信号的预定义范围内，功率参考信号的改变与所确定频率与对应于具有由所述风力涡轮机（120）产生的功率与经由输电系统（170）被递送到电力网（195）的功率之间的功率平衡的运行状态的期望频率之间的差成比例。

12.一种用于控制风场（110）的多个风力涡轮机（120）的总体发电的方法，其中，每个风力涡轮机（120）包括（i）机械驱动系（222、228），（ii）被机械地连接到所述驱动系（222、228）的发电机（230），以及（iii）被电连接到所述发电机（230）的功率转换器（240），并且其中，所述多个功率转换器（240）被电连接到将所述风场（110）与电力网（195）相连接的输电系统（170）的公共节点，所述方法包括

通过分别地实现如在前述权利要求中的任一项中阐述的方法来控制至少某些且优选地所有风力涡轮机（120）的运行，其中

在所述公共节点处确定AC输出电压信号的频率。

13.一种风力涡轮机，包括

机械驱动系（222、228），其具有带有至少两个转子叶片（224）的风力转子（222）；

发电机（230），其被机械地连接到所述驱动系（222、228）；

功率转换器（240），其被电连接到所述发电机（230），其中所述功率转换器（240）包括（i）用于对由所述发电机（230）提供的AC功率信号进行整流的AC-DC发电机桥接器（242），（ii）接收整流AC功率信号的直流链路（244），以及（iii）DC-AC网络桥接器（246），其将所述DC链路（244）的DC功率转换成AC输出功率信号；

转子叶片调整系统（226），用于调整所述转子叶片（224）的俯仰角；以及

风力涡轮机控制器（250），用于控制所述功率转换器（240）和所述转子叶片调整系统（226）中的至少一个的运行；

其中，所述风力涡轮机控制器（250）被配置用于实现如在前述权利要求1至11中的任一项中阐述的方法。