CN107023434A - 操作风电场的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于操作风电场的至少一个风力涡轮机的方法、控制器和设备。提出了一种用于操作风电场的至少一个风力涡轮机的方法，包括以下步骤，基于以下确定风力涡轮机单独偏移信息（130，330），由相应风力涡轮机提供的无功功率，以及由风电场的至少一个另外的风力涡轮机提供的无功功率，基于以下确定风力涡轮机单独控制信息（150，350），风力涡轮机单独偏移信息（130，330），以及风电场特定控制信息（140，340），根据风力涡轮机单独控制信息（150，350）操作至少一个风力涡轮机。另外，提出用于执行所述方法的控制器和设备以及计算机程序产品和计算机可读介质。

Description

操作风电场的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及用于操作风电场的至少一个风力涡轮机的方法、控制器和设备。此外，提出相应的计算机程序产品和计算机可读介质。
背景技术
风电场控制器的一个目标是集中控制由整个风电场（还称为“风力涡轮机组”）注入到电网中的有功和无功功率。这提供以与常规发电厂所做的相同的方式主动参与用于风电场的电网上的控制任务的可能性。由此，风电场控制级表现为单个集中式单元（“中央风电场控制级”），其具有作为输入（例如系统操作员命令）的来自功率公共耦合（“PCC”）的测量结果和从风电场的风力涡轮机可得到的功率以及作为输出的针对每一个单独风力涡轮机的详尽参考信息或信号，即每一个单独风力涡轮机控制（“局部风力涡轮机控制级”）。
风电场控制器的有功功率控制功能可以包括例如自动频率控制，其中控制在风电场公共耦合点（PCC）中测量到的频率。风电场因而必须能够产生更多或更少的有功功率以便补偿频率中的偏差行为。
风电场控制器的无功功率控制功能可以包括例如自动电压控制，其中控制风电场公共耦合点（PCC）中的电压。这暗示风电场可以被命令产生或吸收到电网的一定量的无功功率以便补偿电网中的电压中的偏差。
将自动频率控制放置在风电场控制级中的一个原因是避免风电场控制器可以抵消在单独风力涡轮机中实现的频率控制。在风电场控制级中放置自动电压控制以便避免风力涡轮机之间的不稳定性和无功功率的高流动的风险。通常，频率和电压控制二者的实现将作为组合的下垂（droop）和死区控制来完成。
中央风电场控制级可以包括两个分离的控制回路，一个用于有功功率控制并且另一个用于无功功率控制。
有功和无功控制回路的一个可能实现方式可以如下：
首先，基于系统操作者所要求的一个或若干控制功能，在控制功能块中分别导出有功和无功功率参考信号。如果必要的话，这些参考信号可以分别利用来自次级控制回路的一些校正（例如聚焦于频率和电压）来进一步调节，以便确保不违反PCC中的频率和电压限制。每一个回路包括PI控制器，确保来自风电场的正确的功率产生。控制器计算功率误差并且设置用于整个风电场的功率参考。这些功率参考被进一步转换成用于风电场的每一个单独风力涡轮机的功率参考信号。
控制风电场中的无功功率可以基于例如提供给风力涡轮机的公共电压参考。
当使用这样的公共电压参考控制风电场中的无功功率时，各个风力涡轮机可以取决于其在风电场中的位置、测量容差和其它因素（比如例如转换器控制策略）而产生/消耗不同量的无功功率。这种不平衡可能导致风电场中的能量的损失和组件上的不必要的磨损，从而缩短其操作寿命。
用于控制风电场内的无功功率的一个可能的解决方案可以基于向风力涡轮机分配无功功率参考而不是电压参考。这种解决方案可能降低对电网事件的响应的性能和对处于电压控制之下的风电场中的电网电压中的改变的响应时间。
因此目的是克服前述缺点并且特别地提供一种用于优化风电场中的无功功率的控制的改进的方案。
发明内容
该问题根据独立权利要求的特征来解决。另外的实施例源自从属权利要求。
为了克服该问题，提供一种用于操作风电场的至少一个风力涡轮机的方法，包括以下步骤，
– 基于以下确定风力涡轮机单独偏移信息
– 由相应风力涡轮机提供的无功功率，以及
– 由风电场的至少一个另外的风力涡轮机提供的无功功率，
– 基于以下确定风力涡轮机单独控制信息
– 风力涡轮机单独偏移信息，以及
– 风电场特定控制信息，
– 根据风力涡轮机单独控制信息操作至少一个风力涡轮机。
根据所提出的解决方案，风力涡轮机单独控制信息可以是表示提供给单独风力涡轮机以用于控制风力涡轮机的无功功率产生的功率参考或其值的功率参考或功率参考信号。
风力涡轮机单独控制信息可以是由中央风电场控制器生成的电压参考信号。
风电场特定控制信息可以是比如例如，例如由控制风电场的操作的系统操作者所提供的有功和无功功率控制信息那样的控制信息。
风力涡轮机单独偏移信息可以是基于风力涡轮机单独和/或风电场特定信息确定的信息，并且可以用作应用于风电场特定控制信息的校正/偏移因子。
根据所提出的解决方案，单独操作风电场的若干风力涡轮机允许例如补偿例如不同转换器类型、测量原理和容差的风电场的若干单独风力涡轮机之中的无功功率的平衡。作为优点，可以延长风力涡轮机的寿命以及可以限制由于在风电场内交换的高无功电流所致的风电场中的损失。
在实施例中，风力涡轮机单独偏移信息被确定
– 基于由所述风力涡轮机提供的无功功率，以及
– 基于由以下提供的无功功率的平均值
– 所述风力涡轮机，以及
– 风电场的至少一个另外的风力涡轮机。
在另一实施例中，风力涡轮机单独偏移信息基于表示由所述风力涡轮机提供的无功功率与无功功率的平均值之间的偏差或差异的偏差信息来确定。
根据示例性实施例，差异可以通过从无功功率的平均值减去由所述风力涡轮机提供的无功功率来导出。
在另外的实施例中，基于来自以下功能中的至少一个来处理偏差信息：
– 应用增益因子，
– 应用积分，
– 应用限制因子。
在下一实施例中，通过风力涡轮机单独权重因子的值来对无功功率的平均值加权。由此，可以通过乘法来实现加权。
还有的实施例是向由所述风力涡轮机提供的无功功率添加风力涡轮机单独无功功率偏移。可替换地，可以联合其它信息处理操作，比如例如减法或乘法。
根据另一实施例，通过添加以下来确定风力涡轮机单独控制信息
– 风力涡轮机单独偏移信息，以及
– 风电场特定控制信息。
根据实施例，风力涡轮机单独控制信息表示控制待由相应风力涡轮机提供的无功功率的风力涡轮机单独电压参考。
以上陈述的问题还通过用于操作风电场的至少一个风力涡轮机的控制器来解决，该控制器包括处理单元，所述处理单元布置用于
– 基于以下确定风力涡轮机单独偏移信息
– 由相应风力涡轮机提供的无功功率，以及
– 由风电场的至少一个另外的风力涡轮机提供的无功功率，
– 基于以下确定风力涡轮机单独控制信息
– 风力涡轮机单独偏移信息，以及
– 风电场特定控制信息，
– 根据风力涡轮机单独控制信息操作至少一个风力涡轮机。
根据示例性实施例，控制器可以是风电场控制器的一部分或者可以实现在风电场控制器中。
以上陈述的问题还通过一种设备来解决，该设备包括处理单元和/或硬连线电路和/或逻辑器件和/或该设备与所述处理单元和/或硬连线电路和/或逻辑器件相关联，所述处理单元和/或硬连线电路和/或逻辑器件被布置成使得在其上可执行如本文所描述的方法。
所述处理单元可以包括以下中的至少一个：处理器、微控制器、硬连线电路、ASIC、FPGA、逻辑器件。
本文所提供的解决方案还包括一种计算机程序产品，该计算机程序产品可直接加载到数字计算机的存储器中，包括用于执行如本文所描述的方法的步骤的软件代码部分。
此外，以上陈述的问题通过一种计算机可读介质（例如，任何种类的储存器）来解决，该计算机可读介质具有适配成使计算机系统执行如本文所描述的方法的计算机可执行指令。
附图说明
在以下各图中示出和说明本发明的实施例：
图1示出用于平衡风电场的若干风力涡轮机之间的无功功率的示例性控制方案；
图2示出所提出的控制方案的可替换的实施例；
图3示出所提出的解决方案的另外的可替换实施例。
具体实施方式
图1示出用于平衡风电场的若干风力涡轮机之间的无功功率的示例性控制方案100。图1的控制方案100可以是单独控制风电场的N个风力涡轮机的操作的风电场控制器的一部分。
根据图1的示例性实施例，向加法元件114的负输入端116传递表示由单独风力涡轮机提供的无功功率Q[n]（在此，风电场的N个可用风力涡轮机的“第n个”风力涡轮机）的信息111。另外，将表示由N个风力涡轮机中的每一个单独提供的无功功率Q[1…N]的信息110转发到计算元件112的输入端以便基于信息110确定无功功率的平均值。将表示无功功率的平均值的结果得到的信息113转发到加法元件114的加法输入端115以便计算平均值113与由第n个风力涡轮机所提供的单独无功功率Q[n]的值111之间的差异或偏差。
向示例性地包括放大器121、积分器123和限制器125的处理单元160的输入端提供表示计算的结果得到的值的加法元件114的输出端117处所提供的偏差信息120。
根据图1的示例性控制方案，将信息120转发到例如向信息120应用增益因子k的放大器121的输入端。将放大器121的输出端处可得到的结果得到的信息122提供给积分器123的输入端以便基于所提供的信息122处理积分。可以将积分器123的输出端处的结果得到的信息124转发到限制器125以便基于信息124生成受限电压信息，其中向加法元件135的第一正输入端传递结果得到的风力涡轮机单独偏移信息130。
另外，将大体控制待由风电场提供的无功功率的公共电压参考信息140传递到加法元件135的第二正输入端。公共电压参考信息140可以作为风电场特定控制信息URefPark由控制风电场的操作的系统操作者来示例性地提供。向加法元件135的输出端提供表示公共电压参考信息140和风力涡轮机单独偏移信息130之和的值的结果得到的信息150。
根据图1的示例性控制方案，风力涡轮机单独控制信息150表示风力涡轮机单独电压参考UR[n]，该控制信息150可能被转发到相应的第n个风力涡轮机，从而基于该控制信息150来控制待由该第n个风力涡轮机提供的无功功率Q[n]。
可以向负责根据控制信息150适当产生风力涡轮机单独无功功率的相应风力涡轮机的局部风力涡轮机控制级提供风力涡轮机单独电压参考UR[n] 150。
图2示出所提出的控制方案的可替换的实施例，其允许所提出的控制方案的更快实现。如图2中可视化的所提出的解决方案200主要基于图1的控制方案，因此使用相同的附图标记并且参照描述的相应部分。与图1所提出的解决方案不同的特征是图2的处理单元160中的缺失的积分器（通过图1中的附图标记123来指示），其中放大器121的输出端直接链接到限制器125的输入端。
图3示出所提出的解决方案的另外的可替换的实施例300。
由此，将表示由单独的第n个风力涡轮机提供的无功功率Q[n]的信息311传递到加法元件314的负输入端316。另外，将表示由N个风力涡轮机中的每一个提供的单独无功功率Q[1…N]的信息310转发到平均（“平均值计算”）元件312的输入端（或根据可替换的实施例的若干输入端）以便基于信息310确定无功功率的平均值。与如图1中所示的解决方案不同，将表示由风电场的所有N个风力涡轮机提供的无功功率Q[1…N]的平均值的结果得到的信息313转发到乘法元件319的输入端，所述乘法元件319将无功功率313的平均值与提供给乘法元件319的另外的输入端的风力涡轮机单独权重因子w[n]的值301相乘。将表示经加权的平均值的结果得到的值303路由到加法元件314的另外的正输入端315。与图1的实施例不同，将表示风力涡轮机单独无功功率偏移QOffest[n]的值302提供给加法元件314的另外的正输入端318。基于提供给相应输入端315、318、316的信息303、302和311，由加法元件314计算表示所提供的信息303、302、311之和的值320。将表示计算结果的在计算元件314的输出端317处可得到的信息320提供给处理单元360的输入端，所述处理单元360可能具有像如图1中所示的处理单元160的类似功能（包括例如放大器321、积分器323和电压限制器325），因此参照图1的相应描述。
类似于图1的场景，向加法元件335的第一正输入端传递表示经由电压限制器325的输出端提供的风力涡轮机单独偏移信息的结果得到的信息330，其中将控制待由风电场提供的无功功率的公共电压参考信息340路由到加法元件335的第二正输入端。表示公共电压参考信息340和风力涡轮机单独偏移信息330之和的值的结果得到的信息350被提供给加法元件335的输出端并且可以作为风力涡轮机单独控制信息UR[n]转发到相应的第n个风力涡轮机。
如在图3中示例性示出的控制方案300，特别地通过应用风力涡轮机单独权重因子w[n]的附加值301并且通过应用基于无功功率的风力涡轮机单独偏移QOffest[n]的值302，允许例如无功功率平衡策略的适当定义，比如例如控制物理上定位成更靠近PCC的风力涡轮机以递送比具有到PCC的更大距离的风力涡轮机更多的无功功率。另外，控制方案300使得能够在涡轮机变压器的中电压侧上优化风电场内的无功功率和电压控制。
尽管已经以优选实施例及其上的变更的形式公开了本发明，但是将理解到，可以对其做出众多附加修改和变更而不脱离本发明的范围。
为了清楚起见，要理解到，遍及本申请的“一”或“一个”的使用不排除多个，并且“包括”不排除其它步骤或元件。“单元”或“模块”的提及不排除多于一个单元或模块的使用。

Claims (12)

1.用于操作风电场的至少一个风力涡轮机的方法，包括以下步骤，
– 基于以下确定风力涡轮机单独偏移信息（130，330）
– 由相应风力涡轮机提供的无功功率，以及
– 由风电场的至少一个另外的风力涡轮机提供的无功功率，
– 基于以下确定风力涡轮机单独控制信息（150，350）
– 风力涡轮机单独偏移信息（130，330），以及
– 风电场特定控制信息（140，340），
– 根据风力涡轮机单独控制信息（150，350）操作至少一个风力涡轮机。
2.根据权利要求1的方法，其中
风力涡轮机单独偏移信息（130，330）被确定
– 基于由所述风力涡轮机提供的无功功率（111，311），以及
– 基于由以下提供的无功功率的平均值（113，313）
– 所述风力涡轮机，以及
– 风电场的至少一个另外的风力涡轮机。
3.根据权利要求2的方法，其中
风力涡轮机单独偏移信息（130，330）基于表示由所述风力涡轮机提供的无功功率（111，311）与无功功率的平均值（113，313）之间的偏差或差异的偏差信息（120）来确定。
4.根据权利要求3的方法，其中，基于来自以下功能中的至少一个来处理偏差信息（120）：
– 应用增益因子（121，321），
– 应用积分（123，323），
– 应用限制因子（125，325）。
5.根据前述权利要求2至4中任一项的方法，其中
通过风力涡轮机单独权重因子（301）的值来对无功功率的平均值（313）加权。
6.根据前述权利要求2至5中任一项的方法，其中
向由所述风力涡轮机提供的无功功率（311）添加风力涡轮机单独无功功率偏移（302）。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其中，通过添加以下来确定风力涡轮机单独控制信息（150，350）
– 风力涡轮机单独偏移信息（130，330），以及
– 风电场特定控制信息（140，340）。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，其中风力涡轮机单独控制信息（150，350）表示控制待由相应风力涡轮机提供的无功功率的风力涡轮机单独电压参考。
9.一种用于操作风电场的至少一个风力涡轮机的控制器，包括处理单元，所述处理单元布置用于
– 基于以下确定风力涡轮机单独偏移信息（130，330）
– 由相应风力涡轮机提供的无功功率，以及
– 由风电场的至少一个另外的风力涡轮机提供的无功功率，
– 基于以下确定风力涡轮机单独控制信息（150，350）
– 风力涡轮机单独偏移信息（130，330），以及
– 风电场特定控制信息（140，340），
– 根据风力涡轮机单独控制信息（150，350）操作至少一个风力涡轮机。
10.一种设备，所述设备包括处理器单元和/或硬连线电路和/或逻辑器件和/或所述设备与所述处理器单元和/或硬连线电路和/或逻辑器件相关联，所述处理器单元和/或硬连线电路和/或逻辑器件被布置成使得在其上可执行根据前述权利要求1至8中任一项的方法。
11.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品可直接加载到数字计算机的存储器中，包括用于执行根据前述权利要求1至8中任一项的方法的步骤的软件代码部分。
12.一种计算机可读介质，具有适配成使计算机系统执行根据前述权利要求1至8中任一项的方法的步骤的计算机可执行指令。
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