CN107078511B - 控制风力发电厂的有功功率生成和风力发电厂的方法 - Google Patents

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Abstract

在本公开内容的各种实施例中，提供了一种控制耦合到电网的风力发电厂的有功功率生成的方法，所述风力发电厂包括用于控制多个风力涡轮发电机的发电厂控制器。在实施例中，所述方法包括监测工厂补偿设备的操作状态，当所述工厂补偿设备的操作状态指示所述工厂补偿设备中有故障时，调整工厂无功功率容量。根据实施例，所述方法包括控制所述风力发电厂以将由所述风力发电厂生成的有功功率削减基于所调整的工厂无功功率容量而确定的削减量。还提供了一种相对应的风力发电厂。

Description

控制风力发电厂的有功功率生成和风力发电厂的方法
技术领域
本公开内容描述了总体上涉及控制风力发电厂的方法的实施例。实施例可以提供一种控制风力涡轮发电厂的有功功率生成的方法。本公开内容还描述了被配置为执行控制风力发电厂的方法的风力发电厂。
背景技术
作为清洁和多产的替代能源，风能的发展和接受度在增长。风能可以由风力涡轮发电机采集，风力涡轮发电机是将风的动能转化为机械能并随后将机械能转化为电功率的旋转机器。常见的水平轴风力涡轮机包括塔架、位于塔架顶部的机舱和借助于轴在机舱中支撑的转子。轴将转子与容纳在机舱内部的发电机的转子组件直接或间接耦合。多个风力涡轮发电机可以被布置在一起以形成风力发电场或风力发电厂。
风力发电接受度的显著增长导致各国和电网运营商实施严格的电网连接要求，这也被称为电网规则(grid code)。一些电网规则要求风力发电厂满足特定的无功功率要求，以使得风力发电厂能够在电网电压扰动期间输入和/或输出无功功率。
功率因数通常可以被定义为电路中流向负载的有效功率与视在功率的比值。一般来说，电网要求是根据功率因数绝对值定义的，功率因数绝对值取决于风力发电厂在公共耦合点处调度的有功功率。
然而，一些电网规则确实将其功率因数要求定义为基于风力发电厂的标称额定值而输入或输出的无功功率的量，而不考虑有功功率生成。因此，功率因数要求可以被确定为无功功率要求。在这种情况下，风力发电厂需要额外的无功功率补偿来满足电网规则。
通常，该补偿可以由诸如静态同步补偿器(STATCOM)或静态VAR补偿器(SVC)之类的动态无功功率源或者由诸如MSC(机械转换电容器)之类的静态设备来提供。然而，如果出于某些原因，风力发电厂所依赖的无功功率补偿对于电网规则的遵守变得不可用，例如由于设备故障甚至数据通信故障或错误，则会导致复杂化。结果，风力发电厂将不能够控制MSC或STATCOM，并且将不能满足整整一代电网规则要求，这可能导致对风力发电厂运营商的经济处罚或更有害的情况下导致与电网断开连接，因为风力发电厂不能够按照电网规则所要求的来保持所需无功容量，并存在电网内无功功率可用性的潜在风险。
发明内容
对于操作风力发电厂的方法存在这样的需求，其提供了相对于风力发电厂的容量的对电网规则功率因数或无功功率要求的遵守。
根据各种实施例，提供了一种控制耦合到电网的风力发电厂的有功功率生成的方法，所述风力发电厂包括用于控制多个风力涡轮发电机的发电厂控制器，所述方法包括：监测工厂补偿设备的操作状态；当工厂补偿设备的操作状态指示工厂补偿设备中有故障时，调整工厂无功功率容量；控制风力发电厂以将由风力发电厂生成的有功功率削减基于所调整的工厂无功功率容量而确定的削减量。
根据各种实施例，提供了一种风力发电场，包括多个风力涡轮发电机；工厂补偿设备，其包括多个补偿模块；以及发电厂控制器，其被配置为用于控制所述多个风力涡轮发电机，其包括：监测模块，其被配置为监测所述工厂补偿设备的操作状态；无功功率容量模块，其被配置为当所述工厂补偿设备的操作状态指示所述工厂补偿设备中有故障时，调整工厂无功功率容量；削减模块，其被配置为控制风力发电厂以将由风力发电厂生成的有功功率削减基于所调整的工厂无功功率容量而确定的削减量。
附图说明
在附图中，在所有不同的视图中，相同的附图标记通常指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在对本公开内容的原理进行例示。要注意的是，附图仅示出了本公开内容的实施例的示例，并且因此不应被认为是限制其范围，因为本公开内容可以允许其它同等有效的实施例。在下面的描述中，参考以下附图描述了本公开内容的各种实施例，在附图中：
图1示出了根据实施例的风力发电厂。
图2示出了根据实施例的风力发电厂的操作中的控制原理图。
图3示出了根据实施例的回退方法(fall back method)的方框原理图。
图4A示出了具有完全可操作的装机无功功率容量的风力发电厂的PQ图。
图4B示出了图4A的具有降低的无功功率容量的风力发电厂的PQ图。
图5示出了根据实施例的用于操作风力发电厂的方法。
图6示出了根据实施例的风力发电厂。
具体实施方式
以下参考附图详细描述了操作风力发电厂的方法和风力发电厂的实施例。然而，应当理解，本公开内容不限于具体描述的实施例。将理解的是，下面描述的实施例可以对各个方面、特征和要素进行修改，而不改变本公开内容的实质。此外，对各种实施例的任何引用不应被解释为本文中所公开的任何发明主题的概括，并且不应被认为是所附权利要求的要素或限制，除非在(多项)权利要求中明确叙述。
根据各种实施例，给定元件的图示或特定图中特定元件编号的考虑或使用，或对其对应的说明性材料的引用都可以包括在另一图或与之相关的说明性材料中标识的相同的、等效的或类似的元件或元件编号。本文中使用的“/”是指“和/或”，除非另行指明。
本公开内容可以描述可以以各种取向操作的系统和/或装置的实施例，因此应当理解，术语“顶部”、“底部”、“基座”、“下”、“侧向”、“向下”等中的任一项在以下描述中使用时是出于方便而使用的并且有助于理解相对位置或方向，并且不旨在限制系统或装置的取向。
根据本公开内容中的各种实施例，可以呈现计算系统或控制器或微控制器或提供处理能力的任何其它系统。可以采用这样的系统来包括处理器。根据各种实施例的系统或装置可以包括控制器，控制器可以包括例如在由控制器执行的处理中使用的存储器。在实施例中使用的存储器可以是易失性存储器，例如DRAM(动态随机存取存储器)，或非易失性存储器，例如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除PROM)、EEPROM(电可擦除PROM)或闪速存储器，例如浮栅存储器、电荷俘获存储器、MRAM(磁阻式随机存取存储器)或PCRAM(相变随机存取存储器)。
在各种实施例中，“电路”可以被理解为任何种类的逻辑实施实体，其可以是专用电路或执行存储在存储器、固件或其任何组合中的软件的处理器。因此，在实施例中，“电路”可以是硬连线逻辑电路或可编程逻辑电路，例如可编程处理器，例如微处理器(例如，复杂指令集计算机(CISC)处理器或精简指令集计算机(RISC)处理器)。“电路”还可以是执行软件的处理器，软件例如是任何种类的计算机程序，例如使用诸如Java的虚拟机代码的计算机程序。将在下面更详细描述的各个功能的任何其它种类的实施方式也可以被理解为根据各种替代实施例的“电路”。类似地，“模块”因此被定义为根据本公开内容中的各种实施例的系统的一部分，并且可以包含如上所述的“电路”，或者可以被理解为是来自于其的任何种类的逻辑实施实体。
图1示出了根据实施例的风力发电厂。在实施例中，提供了风力涡轮发电厂或风力发电厂100。风力发电厂典型地被形成为风力发电单元或风力涡轮发电机的集合，以便于使控制集中，并且构成到电网或输电网或配电网或电力网160的单个耦合。在各种实施例中，风力发电厂100可以连接到电网160。
在实施例中，风力发电厂100可以包括与风力发电厂100电耦合的多个风力涡轮发电机或风力涡轮机120。在实施例中，风力发电厂100包括一队类似的风力涡轮发电机120。在其它实施例中，可以将各种风力涡轮发电机连接到风力发电厂中的传输支路。这是因为风力涡轮发电机典型在地理上分布在不同的位置，其中盛行风将被不同类型的风力涡轮发电机更好地利用。
风力涡轮发电机120通过传输支路110耦合到工厂配电母线(bus bar)130，其可以被称为主母线或中压(MV)总线。风力发电厂100可以包括多个传输支路110，其均包括电连接到相对应的传输支路的多个风力涡轮发电机120。在实施例中，存在连接到传输支路的两个风力涡轮机。然而，典型地没有关于每个传输支路的风力涡轮机的数量的准则(仅根据物理位置的偏好)。
在实施例中，传输支路110可以包括断路器112，断路器112可以被配置为保护连接到传输支路110的风力涡轮发电机120和风力发电厂100的其它部分免受在电网160或工厂100中存在故障时发生的电力浪涌或尖峰的影响。在这种实例中，断路器112跳到开路状态，并将传输支路110与风力发电厂100隔离，直到识别并解决了故障，并且工厂电气系统返回以便重新连接传输支路110。
风力发电厂100可以包括工厂变电站140，其可以耦合到工厂配电母线130。工厂变电站可以是风力发电厂的物理区域，也可以是分布在工厂上的特征的聚集数。在实施例中，变电站140被呈现为位于一个物理区域中。根据实施例，变电站140的主要组件是：主变压器142，其将工厂中所生成的电力升高到要提供给电网160的适当电压；以及主开关设备144，其定义用于风力发电厂的有源开关。工厂变电站140位于风力发电厂100的风力涡轮机120与到电网160的公共耦合点146之间。
风力发电厂100的操作由发电厂控制器(“PPC”)150控制，发电厂控制器150将各种参考设定点调度到风力发电厂100中的各个风力涡轮发电机120。发电厂控制器150还从风力涡轮发电机120以及传输支路110、配电母线130、工厂变电站140和电网160上的各个位置接收多个源的测量结果或输出读数，并且使用所接收到的信息来优化风力发电厂对电网的帮助。发电厂控制器150还可以从风力发电厂100所耦合到的电网160的电网运营商接收用于操作的设定点。
根据实施例，风力发电厂100的PPC 150是将工厂100和工厂100中的多个风力涡轮发电机120耦合到远程数据和控制中心的监控和数据采集(SCADA)网络154的一部分。工厂SCADA网络154可以包括由铺设的光纤传输提供的工厂和涡轮机控制器之间的数据传输耦合。此外，SCADA网络154可以包括工厂控制器150和风力发电厂100中的各种辅助设备(例如功率补偿设备、能量储存系统、高级控制系统、天气检测系统等)之间的连接。SCADA网络154还可以便于数据信息和测量信息的通信。在实施例中，可以提供单独的通信线路以用于数据信息和测量信息的通信。在各种实施例中，在风力发电厂100中提供了数据通信线路157。也可以在风力发电厂100中提供测量通信线路158。
在各种实施例中，风力发电厂100包括SCADA控制模块156，其被配置为提供对SCADA网络154的控制和监管。SCADA控制模块156可以包括子系统以用于整合从工厂的组件接收到的测量数据，以进行信息和各种其它操作功能的通信。在实施例中，SCADA控制模块156和PPC 150可以物理地位于工厂变电站中。在实施例中，SCADA控制模块156和PPC 150可以位于风力发电厂100的附件中。要理解的是，物理位置对风力发电厂100的操作没有限制。
在实施例中，在公共耦合点146处提供了传感器152，并且将所得到的输出提供给PPC 150，以用于监测电网160的电气特性。电压、电流和功率特性可以由PPC 150监测并被后处理为各种有用的特性格式。风力发电厂100的测量点(PoM)可以位于主变压器142的高压侧，或者位于公共耦合点146处。在PoM处可以提供额外的设备，例如但不限于电能表、以及电流互感器或电位互感器。
根据各种实施例，多个风力涡轮发电机可以包括一种或多种类型或形式的风力涡轮发电机。示意性地示出了风力涡轮发电机121，并且风力涡轮发电机121可以代表性地例示多个风力涡轮发电机中的风力涡轮发电机。风力涡轮发电机121可以包括驱动旋转主轴的多个转子叶片，该旋转主轴机械地耦合到齿轮箱，该齿轮箱提升了用于发电系统122的高速发电机轴的旋转。在实施例中，发电系统122包括双馈感应发电机(DFIG，其中，发电机轴耦合到发电机转子或类型3)。在实施例中，发电机是全转换器发电机(类型4)发电机。类型4发电机耦合到全尺寸功率转换器。本公开内容的实施例中描述的方法可应用于类型3和类型4机器。在双馈感应发电机中，机械转矩被转换为电力，电力此后被提供给用于功率调节的频率转换器。频率转换器的输出借助涡轮机中提供的变压器而升高，其随后产生额定为30kV的电力(其可以是10kV至35kV的任何额定电压)到传输支路110。在各种实施例中，变压器可以将电力升高到从10kV至35kV的额定电压。
在其它实施例中，工厂中的涡轮机可以包括发电系统，发电系统包括发电机，发电机可以是单馈同步发电机、感应发电机、永磁发电机或包括定子绕组的任何其它类型的发电机。此外，在其它实施例中的涡轮机可以包括具有直接驱动或其它替代驱动系统的发电系统，其不使用传统的齿轮箱。任何风力涡轮机发电系统电气配置都可以满足从动能风力捕获发电的目的。
根据实施例，在正常操作中，风力涡轮发电机121从PPC 150接收功率参考，以使得生成受控的功率输出。由PPC 150生成的功率参考取决于电网160运营商所经历的电网操作状态，以及目前经历的用于能量转换的风。在实施例中，来自PPC 150的功率参考可以作为有功功率参考P*和无功功率参考Q*提供，其向风力涡轮发电机121指示要由风力涡轮发电机121生成和供应的所需功率量，作为风力发电厂对电网160的贡献的一部分。在实施例中，来自PPC 150的功率参考也可以是功率因数参考，其可以被定义为电路中的有效功率与视在功率的比值。
在实施例中，风力涡轮发电机121包括风力涡轮机控制器(未示出)。风力涡轮机控制器包括用于控制风力涡轮机功能的各个方面的控制能力，例如，对机舱偏航和叶片间距的风力捕获优化的能力，诸如紧急制动或涡轮机关闭之类的紧急程序、或发电控制。在各种实施例中，风力涡轮机控制器被配置为使得发电最大化，同时防止对风力涡轮机或负载的损坏。
在实施例中，风力涡轮机控制器可以包括风力涡轮机功率控制器124。风力涡轮机功率控制器124可以提供有处理能力，例如提供有计算机、微处理器、微控制器、数字信号处理(DSP)板、专用集成电路(ASIC)或任何其它的处理能力以及附随的适当存储器模块或任何非暂态计算机可读储存介质。
风力涡轮机功率控制器124被提供用于监管风力涡轮发电机121的发电能力。在各种实施例中，风力涡轮机功率控制器124耦合到PPC 150，并且从PPC 150接收有功功率参考P*和无功功率参考Q*，以用于风力涡轮发电机121到工厂100的供应要求。此外，风力涡轮机功率控制器124耦合到风力涡轮机控制器并且与风力涡轮机控制器不断通信。在各种实施例中，将关于风力涡轮发电机121的控制的信息提供给风力涡轮机控制器以用于执行，并且将传感器信息提供给风力涡轮机功率控制器124，以用于优化风力涡轮发电机120的发电。在正常操作条件下，涡轮机将遵循来自PPC的P*和Q*参考。
根据实施例，风力发电厂100可以包括功率补偿设备或工厂补偿设备170。功率补偿设备170可以耦合到工厂配电母线130上。功率补偿设备170可以包括动态无功功率支持设备，例如，SVC或静态同步补偿器(STATCOM)172，其中，STATCOM可以包括较小的功率输送单元的组合。功率补偿设备170还可以包括静态无功功率支持设备，例如开关电容器组174和开关电感器组176。此外，其他种类的功率补偿设备也是可能的，例如静态调相机和同步调相机。根据各种实施例，功率补偿设备170可以包括一组补偿器模块178。这种补偿模块178可以包括电容器组、STATCOM模块、SVC组或可以提供用于调节的无功功率的任何其它补偿设备。在实施例中，补偿模块178可以包括3组电容器组。
功率补偿设备170可以用于控制功率因数、贡献的无功功率的电平或公共耦合点146的电压电平。在实施例中，功率补偿设备也可以与工厂变电站140位于一起。在其它实施例中，可以将功率补偿设备分配并定位在每个风力涡轮发电机121处。
功率补偿设备170可以被配置为通过电网160中的各种干扰来支持风力发电厂100。例如，功率补偿设备170可以被配置为在例如电压骤降和下陷、电压骤升、电压波动、短时间中断、不平衡或其它形式的干扰期间支持电网160。
根据实施例，功率补偿设备170中的各种组件可以为了通信目的耦合在一起。在实施例中，STATCOM 172、电容器组174和电感器组176可以为了在内部通信网络180中通信的目的而耦合在一起。中央补偿控制器171可以提供对功率补偿设备170的操作功能的监管。此外，可以在内部测量网络179中获得补偿设备170中的各种组件的输出信息并将其提供给补偿控制器171以用于测量目的。在实施例中，PPC 150可以通过数据通信线路157和测量通信线路158耦合到补偿控制器171，并且通过补偿控制器171实现对功率补偿设备170的各种组件的操作控制和监测。在实施例中，PPC可以与工厂补偿设备的各种组件直接通信。例如，SCADA网络154可以包括与STATCOM 172的直接连接。在实施例中，STATCOM 172可以耦合到数据通信线路157和测量通信线路158。以这种方式，可以由PPC 150直接并且有效地控制STATCOM 172。在实施例中，补偿器模块178中的每一个直接耦合到PPC 150，并且可以由PPC150直接且有效地进行控制。
在操作中，工厂补偿设备170被接通以通过电网160中的各种干扰来支持风力发电厂100。PPC 150可以通过传感器152监测电网160并确定对额外功率的需求。在例如电网电压骤降的情况下，需要来自风力发电厂100的额外无功功率以支持电网恢复。如所示的，无功功率参考Q*由PPC 150确定。如果无功功率注入不能完全由风力涡轮发电机120支持，则PPC 150进一步将设备170接通，以提供额外的无功功率。
根据实施例，工厂补偿设备可以包括在执行风力发电厂100的补偿功能时耦合在一起的多个补偿器模块178。根据实施例，补偿器模块178可以是电容器组。在代表性的实施例中，由多个风力涡轮发电机120构成的风力发电厂100可以处于满容量、额定值为83MW。在支持这种额定风力发电厂100时，补偿器模块178可以包括18.5MVAR的额定值，以支持风力发电厂100，以符合电网要求或电网无功功率要求。在实施例中，补偿器模块178可以分别包括6、6和6.5MVAR的三个电容器组178、179、180。
图2示出了根据实施例的风力发电厂的操作中的控制原理图。在各种实施例中，风力发电厂100可以包括诸如微控制器或微处理器之类的相关控制机构，其被配置为在风力发电厂100的操作中执行控制方案200。根据实施例，测量模块210被配置为接收关于电网160的信息。测量模块210可以包括设置为测量电网160的电气特性的传感器。测量模块210可以测量公共耦合点(PCC)处的电气参数，例如电压、电流、有功功率、无功功率等。此外，测量模块210还可以包括被布置为测量由风力发电厂100生成的并被布置为输送到电网160的电能的电气特性的传感器。
测量模块210此后提供电网和风力发电厂生成的功率的测量的电读数并将测量结果传送到PPC 250。PPC 250可以包括Q控制模块252，Q控制模块252被配置为从测量模块210接收电网160的测量读数，并被布置为产生和发出无功功率参考Qref。Q控制模块252可以包括Qref控制器254，Qref控制器254被配置为接收测量的电网和工厂的电气特性并由其产生Qref输出。随后将Qref值提供给Qref调度模块256，Qref调度模块256将Qref值传送给风力发电厂100中的各种组件。在实施例中，Qref调度模块256可以将无功功率参考分解到子系统级，并将Q设定点提供给各个组件。
PPC 250还可以包括P控制模块258，P控制模块258被配置为从测量模块210接收电网160的测量读数，并被布置为产生并发出有功率参考Pref。P控制模块258可以包括Pref控制器260，Pref控制器260被配置为接收测量的电网和工厂的电气特性并由其产生Pref输出。随后将Pref值提供给Pref调度模块262，Pref调度模块262将Pref值传送给风力发电厂100中的各种组件。
PPC 250通信地耦合到风力发电厂100中的多个风力涡轮机。块220代表性地示出了与单个风力涡轮机有关的控制方案200。块220可以代表风力涡轮机功率控制器。在实施例中，相关于控制方案类似地控制风力发电厂的风力涡轮机。当然，根据涡轮机额定值和条件，各个参数和设定点可能会相对于各个风力涡轮发电机不同。通常，每个风力涡轮机220包括Q控制器222和P控制器224，其被布置为分别从PPC 250中的Q控制模块252和P控制模块258接收Qref和Pref。在接收到无功功率参考Qref和有功功率参考Pref时，风力发电机功率控制器220配置发电系统以生成和输出所需功率类型和功率量。
在实施例中，PPC 250通信地耦合到补偿控制器270。补偿控制器270可以监管补偿设备的操作，补偿设备可以包括多个补偿器模块，例如电容器组，其被布置为根据要求提供一定量的无功功率。要注意的是，补偿控制器不仅还包括对补偿器模块的监管和操作，还包括对工厂补偿设备的各种其它组件(例如STATCOM 172、电容器174和电感器176)的监管和操作。然而，本说明书特别仅针对补偿器模块178的操作和功能，但可以容易地扩展到各种其它组件。例如，STATCOM 172可以包括多个小的生成单元。例如，额定值为20MVAR的STATCOM可以包括10个单元的2MVAR额定模块。这样的模块可以由补偿控制器270或PPC 250进行监管。
由补偿器模块提供的无功功率的量可以依据从PPC 250中的Qref调度模块256接收到的Qref值得出。Qref值由补偿控制器270中的Q控制器272接收，其随后控制补偿器模块以提供所请求的无功功率。
要注意，补偿控制器270监视补偿器模块的操作能力。在实施例中，补偿控制器270可以与补偿器模块178中的每一个通信地耦合。因此，在各种实施例中，PPC 250通信地耦合到补偿器模块178中的每一个。可以监测补偿器模块的操作状态和输出功能和效率以及其它参数。可以通过补偿控制器270将这样的监测信息提供回PPC 250用于进一步的动作。
根据实施例，补偿控制器270可以包括Q可用性模块274，Q可用性模块274可以包括操作状态监测数据的处理，并向PPC 250提供指示补偿器模块178能够支持的无功功率容量的量的反馈。
监测信息可以包括在工厂补偿设备的操作中指示故障所在的位置。在实施例中，监测信息可以包括在补偿器模块的操作中指示故障所在的位置。如上所述，存在安装的补偿器模块可能没有以满容量进行操作的情况。例如，一个或多个单独的补偿器模块可以由于物理组件故障而以非最佳效率进行操作，或者处于部分或完全故障的状态。另外，故障可能包括任何一个补偿器模块和补偿控制器之间的，或者在将PPC链接到补偿控制器和补偿器模块的SCADA网络中的通信故障。此外，故障可以包括例如电开关或组件故障，其可以防止安装的补偿器模块免于被PPC接通或切断。
在安装的补偿器模块中指示故障，并且补偿器模块以非最佳容量进行操作或完全不进行操作，或者部分或全部补偿模块不能够被PPC操作的情况下，风力发电厂的无功功率贡献受到影响。在目前的方法中，在PPC识别出工厂补偿设备中有故障时，PPC记录降低的无功功率容量，例如在一个或多个补偿模块不可操作的情况下，PPC的Q控制模块进行修改并降低Qref并由此进行调度。这种目前方法的缺点在于，由于风力发电厂的无功功率注入容量与工厂补偿设备的故障相妥协，所以可能无法遵守电网规则。这种违规行为可能导致电网运营商对违反电网规则的严重处罚。
图3示出了根据实施例的回退方法的方框示意图。根据本公开内容的各种实施例，提供了回退策略300。这种回退方法提供了考虑风力发电厂100的无功功率容量的风力发电厂100对各种电网规则的动态遵守。根据实施例，在310中，该方法可以包括监测工厂补偿设备的操作状态。在320中，该方法考虑了补偿设备的可用性。如果补偿设备可用，则不需要削减有功功率，如根据330。此后该方法循环回到310，以继续监测操作状态。
根据实施例，如果补偿设备的部分或全部不可用，则该方法执行块340，其中，削减有功功率。在实施例中，在340中，将有功功率削减一个量ΔP以满足来自风力涡轮发电机的MVAR中的额外无功功率的需求。根据实施例，该方法还可以包括基于不可用的补偿设备来识别风力发电厂的无功功率容量的不足。
不足可能是由于补偿设备中的故障而产生的，包括补偿设备的操作状态降低，从而导致非最佳的贡献。故障还可以包括补偿设备的完全不运行。这种故障还可以包括与补偿设备的数据通信故障，从而导致无法进行补偿设备的操作或使其能力降低。
在削减有功功率的情况下，该方法可以包括削减风力发电厂的有功功率生成，以遵守根据耦合电网的电网连接规则的风力发电厂的操作。根据实施例，削减风力发电厂的有功功率以遵守需要基于风力发电厂的标称额定值的固定量的无功功率输出的电网规则要求。在实施例中，削减风力发电厂的有功功率以克服风力发电厂相对于风力发电厂的标称额定值的无功功率容量的不足。在实施例中，风力发电厂根据降低的无功功率容量来调整风力发电厂的标称额定值。在实施例中，基于降低的无功功率容量来优化风力发电厂的有功功率容量。在实施例中，在优化有功功率生成中基于降低的无功功率容量来削减风力发电厂的有功功率生成。
根据各种实施例，引入回退策略并将其并入风力发电厂操作方案中。响应于识别出风力发电厂100的工厂补偿设备170中的故障，启动并执行这种回退策略。再次参考图2，补偿控制器270执行对工厂补偿设备170的操作状态的监测。在实施例中，补偿控制器270执行对补偿器模块178的操作状态的监测。此外，补偿控制器270监测与补偿器模块178的数据通信，作为操作状态监测的一部分。
在检测到故障的情况下，补偿器模块的操作状态可能受到损害，并且工厂补偿设备170不再能够提供额定量的无功功率，从而导致工厂补偿设备170的无功功率容量的向下调整。STATCOM控制器270可以利用Q可用性模块274对工厂补偿设备无功功率容量进行这种调整，并向PPC 250提供这样的反馈。PPC 250接收这样的反馈信息并向下调整风力发电厂100的总工厂无功功率容量。
根据各种实施例，为了遵守电网规则要求，向下调整风力发电厂100的有功功率容量。PPC 250可以包括削减模块264，削减模块264可以被配置为削减可以由风力发电厂100提供给电网的有功功率量。如上所述，削减或减小风力发电厂100的有功功率容量或标称额定值，从而允许风力发电厂100在功能上遵守电网要求。在实施例中，削减有功功率容量以遵守电网要求，但被优化以基于电网要求和无功功率容量提供最大可允许有功功率。
削减模块264可以包括Q容量模块266，Q容量模块266可以被配置为编辑风力发电厂的无功功率容量。这种无功功率容量可以考虑到风力涡轮发电机120的无功功率生成容量以及工厂补偿设备170的无功功率容量。根据实施例，当在工厂补偿设备170中检测到故障时，Q可用性模块274减少了工厂补偿设备无功功率容量，并且将减小的容量值提供给削减模块264和Q容量模块266以用于进一步处理。
在编辑和向下调整风力发电厂的无功功率容量时，Q容量模块266识别风力发电厂在需要时可以提供的无功功率量。此后将无功功率容量值提供给P确定模块268，P确定模块268可以被配置为得出要削减的有功功率的量。P确定模块268从风力发电厂100的额定功率确定要削减的有功功率量，从而得出风力发电厂100降低的有功功率容量。
在各种实施例中，在相对于所需的无功功率容量确定风力发电厂要产生的最佳有功功率量时执行参考比较。根据各种实施例，削减模块264可以包括查找表(LUT)模块269，LUT模块269能够作为P确定模块268的一部分进行操作。在实施例中，LUT模块269可以提供相对于无功功率容量，在电网规则要求内优化的风力发电厂的降低的有功功率容量。要注意，根据本实施例的回退策略方法，风力发电厂能够在电网规则要求内连续运行，而不需要任何昂贵的硬件升级。
要注意，基于在风力发电厂的安装或调试之前可以执行的全面和完整的工程设计电力系统研究来综合性地计算和提取用于在LUT模块269内进行比较的值。这样的工程设计研究是相对于相关联的电网规则要求根据多个风力发电厂参数生成的，并且需要相当大的处理能力和计算时间来编辑。可以注意到，确定导致遵守电网规则要求的LUT值的这种研究同时针对根据相同要求的生产进行了优化。预先确定LUT值可以使PPC免于必须基于无功功率容量执行降低的有功功率容量的同时计算，这可能需要强大的处理能力，并且花费相当长的时间来完成这种复杂的计算，因为这些计算考虑了现场条件和安装参数。在这种情况下，与计算减少的有功功率容量相比，利用查找表提供了降低的有功功率容量的快速且足够准确的返回结果。然而，在各种实施例中，P确定模块可以包括计算模块，以基于无功功率容量提供降低的有功功率容量。
根据各种实施例，LUT模块269可以包括用于在无功功率容量和优化的有功功率容量之间进行比较的表。在实施例中，该表可以提供根据电网规则遵守的可用补偿器模块的数量与最大有功功率之间的比较结果。在示例性实施例中，风力发电厂可以处于满容量、额定值为83MW，并且包括分别以6、6和6.5MVA的三个电容器组形式的功率补偿设备。调谐这样的风力发电厂以便根据电网规则要求在满容量下进行优化的操作。在实施例中，可以在LUT模块269中提供以下表1以用于有功功率确定。
表1
从表中可以注意到，每当补偿器模块或电容器组故障并从操作中去除时，风力涡轮机可以提供给电网的有功功率的量相应地减少。针对补偿电容器组的各种组合可用性提供了该表。可以注意到，上表代表了这种回退策略中所涉及的参数，替代地可以利用指示无功功率容量和有功功率容量的其它参数。根据各种实施例，可以使用基于先前确定的工程设计模拟的控制算法代替LUT来确定由风力发电厂产生的有功功率的优化量。
一旦确定了，就将无功功率容量值和优化的有功功率能量值提供给Qref控制模块254和Pref控制模块260，以用于进一步处理并相应地将功率控制设定点传递到风力涡轮发电机120和功率补偿设备170。根据各种实施例，Pref控制器260可以包括功率限制模块，功率限制模块被配置为根据从削减模块264接收到的优化有功功率值来限制由风力发电厂产生的功率。
在各种实施例中，PPC 250能够基于LUT模块269来优化风力发电厂应产生的有功功率的量，以便于在工厂补偿设备故障的情况下一直满足电网规则。可以利用对通信信号的监测，以1秒采样时间来修正有功功率容量。此外，如果补偿器模块存在通信信号故障，则识别补偿器模块，并且可以用P确定模块268来修正有功功率容量。
在实施例中，PPC 150还可以测量工厂配电母线130或主变压器142的LV端子处的总无功功率注入，以找出没有与之通信的电容器组是接通还是关闭。如果电容器组接通且如果这不是预期的状况，则PPC 150可以触发警报或修正Qref，并且反之亦然。
图4A示出了具有完全可操作的装机无功功率容量的风力发电厂的PQ图。根据代表性示例，为风力发电厂提供83MW的标称额定功率。图400包括电网PQ要求或功率因数要求410的指示，其中可以观察到，当风力发电厂生成83MW的标称有功功率输出时，要求风力发电厂提供约27MVAR的无功功率生成容量。无功功率生成容量可以由工厂中的风力涡轮发电机提供，由功率补偿设备补充。在实施例中，当需要时，电容器组可以提供高达18.5MMAR的补偿。
曲线422、424、426涉及根据代表性示例的风力发电厂的无功功率容量，分别对应于0.9、1.0和1.1p.u.的电网电压。可以观察到，在有功功率生成的每一点，风力发电厂的无功功率容量遵守电网要求410。提供功率补偿设备为风力发电厂的实际无功功率容量提供了积极的抵消和补充。
图4B示出了图4A的具有降低的无功功率容量的风力发电厂的PQ图。在图450中，对于额定值为83MW的风力发电厂，类似地提供电网PQ要求410。在这个代表性示例中，补偿器模块的其中之一，额定值为6.5MVAR的电容器组被认为有故障，并且因此不可进行操作。因此，功率补偿设备的无功功率容量处于12MVAR。曲线462、464、466示出了根据代表性示例的风力发电厂的无功功率容量，分别对应于0.9、1.0和1.1p.u.的电网电压。依据参考线470可以观察到，当风力发电厂以标称容量(即83MW)进行操作时，不能满足电网规则功率因数要求。
参考线472指示曲线462和电网要求410的交点，该曲线462展示了电网电压为0.9p.u.的电厂的无功功率容量。可以观察到，参考线指示工厂在遵守电网要求的情况下执行时可以生成并提供给电网的最大或优化的有功功率量。可以观察到削减量ΔP是参考线470和472的有功功率值之间的差值。这是风力发电厂响应于功率补偿设备的损耗而减小的有功功率的量。此外，这个削减量可以被认为是最佳削减量。这个削减量可以基于由于无功补偿设备的不可用性而需要的额外无功功率。
根据各种实施例，当执行根据本公开内容的这种回退策略方法时，风力发电厂100可以支持电网频率调节活动。目前，电网运营商有时包括运转备用(spinning reserves)，以支持频率波动并恢复操作频率。通常，将有功功率增大并提供给电网以支持频率恢复。在执行如上所述的这种回退策略时，风力发电厂可以如此保持运转备用的形式，工厂操作者可以使其可用于电网。
风力发电厂可以考虑由于在减小的无功功率容量下遵守电网规则而产生的削减的有功功率量，作为提供给电网的储备形式。在频率波动的情况下，需要来自耦合到电网的发电机组的全有功功率。因此，使得电网规则功率因数要求暂时忽略不计。在电网频率恢复后，风力发电厂可以稳定回到以降低的标称功率生成水平进行操作。
图5示出了根据实施例的用于操作风力发电厂的方法500。在实施例中，该方法是用于控制风力发电厂的发电的方法。风力发电厂可以包括用于控制风力发电厂中的多个风力涡轮发电机的发电厂控制器。在510中，该方法包括监测工厂补偿设备的操作状态。在520中，该方法包括当工厂补偿设备的操作状态指示工厂补偿设备中有故障时调整工厂无功功率容量。在530中，该方法包括控制风力发电厂，以将由风力发电厂产生的有功功率削减基于调整的无功功率容量而确定的削减量。
通过提供用于控制风力发电厂有功功率容量的这种方法，为风力发电厂提供了遵守电网规则功率因数要求的容量。用于控制风力发电厂的有功功率生成的这种方法在诸如电容器组或STATCOM的无功补偿模块由于故障或维修等而导致的暂时失效的情况下允许风力发电厂满足由适用的电网规则制定的无功功率或功率因数要求。即使在功率补偿设备的一个或多个组件发生故障的情况下也能够实现这样的容量。借助对有功功率容量的控制的这个动态调整，风力发电厂不需要从电网断开，直到有故障的设备得到维修或更换，也不会受到不遵守电网规则要求的处罚。
利用该方法，还可以基于风力发电厂的无功功率容量来动态地调整工厂的再确定额定值。有利的是，遵守电网规则要求可以通过软件或固件的改进来执行，而不是实际昂贵的设备或硬件变化。
在实施例中，该方法还包括基于电网规则要求优化由风力发电厂生成的有功功率。在实施例中，该方法还包括基于由于工厂补偿设备的不可用性而需要的额外的无功功率来优化由风力发电厂生成的有功功率。
在实施例中，该方法还包括将工厂无功功率容量与电网规则要求进行比较，以优化由风力发电厂生成的有功功率。有功功率的优化可以包括优化所生成的有功功率的削减。
在实施例中，该方法还包括根据查找表比较来获得削减量。
在实施例中，查找表中的削减量的值由电力系统研究预先确定。
在实施例中，监测工厂补偿设备的操作状态包括监测工厂补偿设备的操作容量和监测工厂补偿设备与发电厂控制器之间的通信中的任一项。
在实施例中，该方法还包括在监测工厂补偿设备的操作状态中的约1秒的采样率。
在实施例中，该方法还包括针对电网频率中的下降来监测电网频率；
在实施例中，该方法还包括控制风力发电厂以最大化有功功率输出，包括使用削减量，以支持电网频率恢复。
在实施例中，该方法还包括将削减量分配给电网的电网运营商作为用于支持电网频率下降的运转备用。
图6示出了根据实施例的风力发电厂。提供了风力发电厂600。在实施例中，风力发电厂被配置为执行用于控制风力发电厂的上述方法。在实施例中，风力发电厂被配置为执行用于控制风力发电厂的有功功率生成的方法。风力发电厂600包括多个风力涡轮发电机610。风力发电厂600还包括可以包括多个补偿模块622的工厂补偿设备620。风力发电厂还包括发电厂控制器630。根据实施例中，发电厂控制器630被配置为控制多个风力涡轮发电机610。此外，发电厂控制器630可以包括监测模块632，监测模块632被配置为监测工厂补偿设备的操作状态。发电厂控制器630可以包括无功功率容量模块634，无功功率容量模块634被配置为当工厂补偿设备的操作状态指示工厂补偿设备中有故障时调整工厂无功功率容量。另外，发电厂控制器630可以包括削减模块636，削减模块636被配置为控制风力发电厂，以将由风力发电厂生成的有功功率削减基于调整的工厂无功功率容量而确定的削减量。
在实施例中，发电厂控制器被配置为基于电网规则要求来优化由风力发电厂生成的有功功率。
在实施例中，电厂控制器被配置为将工厂无功功率容量与电网规则要求进行比较，以优化由风力发电厂生成的有功功率。
在实施例中，发电厂控制器被配置为根据查找表比较来获得削减量。
在实施例中，查找表中的削减量的值由电力系统研究预先确定。
在实施例中，发电厂控制器被配置为监测工厂补偿设备的操作容量并且监测工厂补偿设备与发电厂控制器之间的通信。
在实施例中，发电厂控制器包括在监测工厂补偿设备的操作状态中的约1秒的采样率。
在实施例中，发电厂控制器被配置为针对电网频率中的下降来监测电网频率；
在实施例中，发电厂控制器被配置为控制风力发电厂以最大化有功功率输出，包括使用削减量，以支持电网频率恢复。
在实施例中，发电厂控制器被配置为由以上进行操作的风力涡轮发电机生成的有功功率将削减量分配给电网的电网运营商作为用于支持电网频率的运转备用。
在实施例中，补偿模块可以包括电容器模块、STATCOM模块、SVC模块或电感器模块中的任何一个。
在实施例中，在发电厂控制器与补偿模块之间进行数据通信耦合。
在实施例中，在发电厂控制器与每个补偿模块之间提供数据通信耦合。
根据各种实施例，提供了一种能够直接加载到风力发电厂中所提供的至少一个数字计算机的内部存储器中的计算机程序产品，包括用于当计算机程序产品在至少一个数字计算机上运行时执行根据本公开内容的实施例的方法的步骤的软件代码部分。
在各种实施例中，用于在风力发电厂中执行操作功能的控制器，其包括例如但不限于工厂控制器、发电厂控制器、SCADA控制器、补偿控制器、风力涡轮机控制器、风力涡轮机功率控制器或无功电流控制器，包括被配置为接收计算机程序产品的数字计算机。在实施例中，在风力发电厂中提供的数字计算机是同步的，并且作为整个系统的一部分协同操作。
如在对应的图中描述和示出的上述装置、方法和/或系统并非旨在限制根据实施例的一个或任何装置、方法或系统以及本公开内容的范围。该说明书还明确或隐含地包括根据本公开内容的方法或系统的各种特征和优点，其可以包含在根据本公开内容的装置、方法或系统内。
虽然已经参考具体实施例具体示出和说明了本公开内容的实施例，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开内容的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。因此，本公开内容的范围由所附权利要求指示，并且因此旨在包含权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化。

Claims (15)

1.一种控制耦合到电网的风力发电厂的有功功率生成的方法，所述风力发电厂包括用于控制多个风力涡轮发电机的发电厂控制器，所述方法包括：
监测工厂补偿设备的操作状态；
当所述工厂补偿设备的所述操作状态指示所述工厂补偿设备中有故障时，调整工厂无功功率容量；
控制所述风力发电厂以将由所述风力发电厂生成的有功功率削减基于所调整的工厂无功功率容量而确定的削减量。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括基于电网规则要求来优化由所述风力发电厂生成的所述有功功率。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述工厂无功功率容量与所述电网规则要求进行比较，以优化由所述风力发电厂生成的所述有功功率。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括根据查找表比较来获得所述削减量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述查找表中的所述削减量的值由电力系统研究预先确定。
6.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，监测所述工厂补偿设备的操作状态包括监测所述工厂补偿设备的操作容量和监测工厂补偿设备与所述发电厂控制器之间的通信中的任一项。
7.根据权利要求1、2或3所述的方法，还包括在监测所述工厂补偿设备的操作状态中的约1秒的采样率。
8.根据权利要求1、2或3所述的方法，还包括：针对电网频率中的下降来监测所述电网频率；
控制所述风力发电厂以最大化有功功率输出，包括使用所述削减量，以支持所述电网频率的恢复。
9.根据权利要求1、2或3所述的方法，还包括将所述削减量分配给所述电网的电网运营商作为用于支持电网频率下降的运转备用。
10.一种风力发电厂，包括：
多个风力涡轮发电机；
工厂补偿设备，所述工厂补偿设备包括多个补偿模块；以及
发电厂控制器，所述发电厂控制器被配置为用于控制所述多个风力涡轮发电机，所述发电厂控制器包括：
监测模块，所述监测模块被配置为监测所述工厂补偿设备的操作状态；
无功功率容量模块，所述无功功率容量模块被配置为当所述工厂补偿设备的所述操作状态指示所述工厂补偿设备中有故障时，调整工厂无功功率容量；
削减模块，所述削减模块被配置为控制所述风力发电厂以将由所述风力发电厂生成的有功功率削减基于所调整的工厂无功功率容量而确定的削减量。
11.根据权利要求10所述的风力发电厂，所述风力发电厂被配置为执行根据权利要求1至9中的任一项所述的对风力发电厂进行操作的方法。
12.根据权利要求10或11所述的风力发电厂，其中，所述补偿模块包括电容器模块、STATCOM模块、SVC模块或电感器模块中的任何一个。
13.根据权利要求10或11所述的风力发电厂，还包括在所述发电厂控制器与所述补偿模块之间的数据通信耦合。
14.根据权利要求13所述的风力发电厂，其中，在所述发电厂控制器与每一个所述补偿模块之间提供所述数据通信耦合。
15.一种控制耦合到电网的风力发电厂的有功功率生成的装置，所述风力发电厂包括用于控制多个风力涡轮发电机的发电厂控制器，所述装置包括：
用于监测工厂补偿设备的操作状态的模块；
用于当所述工厂补偿设备的所述操作状态指示所述工厂补偿设备中有故障时，调整工厂无功功率容量的模块；
用于控制所述风力发电厂以将由所述风力发电厂生成的有功功率削减基于所调整的工厂无功功率容量而确定的削减量的模块。
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