CN107223183B - 用于连接到具有有限容量的电源的风力涡轮机的电力管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于一个或多个风力涡轮机的电力管理系统，其中所述一个或多个风力涡轮机连接到具有有限容量以向多个耗电单元提供电力的电源，诸如设置用于在电网丢失状况下提供电力的应急电源。电力管理系统包括连接到电源以获得电源的可用容量的调度器、和连接到至少一个耗电单元的请求器，请求器设置成通过允许或拒绝耗电单元消耗电力来控制耗电单元的电力消耗。

Description

用于连接到具有有限容量的电源的风力涡轮机的电力管理 系统

技术领域

本发明涉及用于一个或多个风力涡轮机的电力管理系统，特别是涉及在所述一个或多个风力涡轮机连接到具有有限容量的电源的情况下的电力管理系统，所述电源诸如是设置用于在电网丢失状况下提供电力的应急电源。

背景技术

风力发电厂通常包括数个风力涡轮机，所述数个风力涡轮机产生的输出被联网以向国家或区域的电网电气系统(或简称为电网)供应电力。风力涡轮机包括复杂的电气系统，所述电气系统包括要求它们自身专用电源的多个控制单元、开关设备、冷却系统、照明系统、致动器和液压系统。这个电源自身从电网电气系统经由形成风力涡轮机设施的一部分的变电所供给。这种电源可以称为‘内部电源电网’，且其作用是管理风力涡轮机和辅助设备且向它们分配中压电源，所述辅助设备的形式为在风力发电厂内以确保发电的高可用性的耗电单元。

在风力发电厂失去到电网的连接性的所谓电网丢失(grid loss)情况下，风力涡轮机的电气系统也失去其电力。为了减轻这种电力丢失引起的问题，已知的是给风力发电厂配备一种形式的辅助电源。这可以采用基于电池的系统的形式或替换性的可以基于柴油发电机。例如，文献US 2013/0175801描述了这样一种系统，在所述系统中，柴油发电机用作离岸风电场中的备用电源。

备用电源系统可以确保风力发电厂的涡轮机即使在电网电力断开期间也维持操作，然而它们在安装和维护方面通常是昂贵的，因为它们的目的是即使在没有电网电力输入的情况下也维持风电场处于操作状况。因此，这种‘连续的’备用电力系统可能并非在所有环境下都是合适的解决方案。本发明正是针对这种背景设计。

发明内容

有利的是实现用于一个或多个风力涡轮机的电力管理系统，在需要的状况下能够基于具有有限容量的电源向所述一个或多个风力涡轮机提供电力。

因此，在第一方面中，提供一种用于一个或多个风力涡轮机的电力管理系统，所述一个或多个风力涡轮机连接到具有有限容量的电源，且所述一个或多个风力涡轮机中的每个包括多个耗电单元；其中，电力管理系统包括：

调度器，其连接到电源以获得电源的可用容量；

连接到至少一个耗电单元的请求器，所述请求器设置成控制耗电单元的电力消耗；

其中，请求器在用于消耗电力的耗电单元需要时向调度器传送对于电量的请求，且其中，调度器基于电源的可用容量允许耗电单元消耗所述电量或拒绝耗电单元消耗所述电量；以及

其中，调度器向请求器发送有关基本负载的信息，且其中，一单元被允许在没有传送对于电量的请求的情况下消耗最多达到基本负载的电量。

通过使用能够基于电源的容量控制来自电源的电力消耗的调度器，能够确保仅重要耗电单元被允许消耗电力，而不那么重要的耗电单元被拒绝消耗电力或被要求等待消耗电力。与电源需要同时给涡轮机的所有或大多数功能供电的状况相比较，以这种方式能够使用减小的电源。

一个重要的耗电单元可能是偏航电机，所述偏航电机可以被允许使转子相对于风偏航以限制沿边振动，所述沿边振动有在叶片上积累的风险。然而，还重要的是确保在特定系统上的液压压力、确保冷却风扇在高温环境下操作、确保加热元件在低温环境下操作、以及确保电机控制转子叶片的方位角位置。而且，在特定状况期间，其它耗电单元也可能是重要的。

在一重要实施方式中，电力管理系统是单一涡轮机的中心，以管理来自单一涡轮机内的耗电单元的电力请求，从而管理单一涡轮机应急电源。

在另一重要实施方式中，电力管理系统是风力发电厂的一部分或甚至全部的中心，以管理来自连接到风力发电厂应急电源的多个涡轮机内的耗电单元的电力请求。

电力管理系统或至少其一部分可以在专用或通用目的计算器上的软件中实施。

在第二方面中，本发明涉及一个或多个风力涡轮机的电力管理的方法，所述一个或多个风力涡轮机连接到具有有限容量的电源，且所述一个或多个风力涡轮机中的每个包括多个耗电单元；所述方法包括：

接收操作耗电单元的指令；

确定用于操作耗电单元的电量；

确定基本负载，所述单元被允许消耗最多达到基本负载的电力；

如果所述电量小于基本负载则允许耗电单元消耗所述电量；以及

如果所述电量大于基本负载，则：

请求用于操作耗电单元的电量；

获得电源的可用容量；

基于电源的可用容量确定所述电量是否能够使用，且生成请求结果；并且

依据请求结果允许耗电单元消耗所述电量或拒绝耗电单元消耗所述电量。

概括而言，在本发明的范围内，本发明的各方面可以按任何可能的方式结合和耦合。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面，特征和/或优点将变得显见并得以阐明。

附图说明

将参考附图仅以示例的方式描述本发明的实施方式，其中

图1以示意性透视图示出风力涡轮机的示例；

图2示出属于风力发电厂的风力涡轮机的集合；

图3示出电力管理系统的图示；以及

图4示出电力管理系统的实施方式和操作系统的方法。

具体实施方式

图1以示意性透视图示出风力涡轮机1的示例。风力涡轮机1包括塔架2、布置在塔架2的顶点处的机舱3、以及操作性地耦连到容置在机舱3内侧的发电机的转子4。除发电机之外，机舱容置将风能转换成电能所需的各种各样的部件以及操作、控制和优化风力涡轮机1的性能所需的各种部件。风力涡轮机的转子4包括中心轮毂5和从中心轮毂5向外突伸的多个叶片6。在示出的实施方式中，转子4包括三个叶片6，但是数量可以变化。偏航驱动器7定位在塔架2和机舱3之间，以使机舱旋转且由此使转子相对于风的方向旋转。

图2示出属于风力发电厂20的风力涡轮机1的集合，所述风力发电厂也称为风电场或风场，充当通过传输线21与电网22连接的发电厂。电网大致包括发电站网络、传输电线、以及通过传输线的网络耦连的子站，传输线的网络将电力传输到形式为电气设施的终端用户和其它消费者的负载。本图示出六个风力涡轮机，风力发电厂可以包括更少或更多的风力涡轮机。

图3示出根据本发明的实施方式的电力管理系统的图示。

图3示出具有有限容量和多个耗电单元(PCU)30A-30D的电源7。在此示出为四个耗电单元，但是可以设想任意数量的耗电单元。耗电单元的示例包括但不限于用于使涡轮机偏航的偏航电机、用于操作液压系统的泵和电源、用于操作冷却系统的电源、用于操作加热系统的电源、用于操作以使转子转动从而调整叶片的方位角位置的电源、用于润滑需要润滑的运动部件的泵、以及需要且消耗电力以操作的风力涡轮机中的其它元件。各种电源可以是电压互感器的形式。

电力管理系统包括调度器31，所述调度器经由通信线34连接到电源7以获得电源的可用容量。调度器也可以称为电力管理器。电力管理系统还包括连接到耗电单元30A至30D的请求器32。请求器设置成控制耗电单元的电力消耗。这可以按任何合适的方式完成，例如通过将启用或禁用耗电单元的输入提供给耗电单元。

当对于电力的需求上升时(例如与电网丢失状况或涡轮机从电网的其它脱离耦连有关)，电力管理系统的作用是确保重要或特定的耗电单元被供应充足量的电力。在一实施方式中，这通过将请求器设置成向调度器传送对于电量的请求来完成。基于电源的可用容量，调度器允许耗电单元消耗所述电量或拒绝耗电单元消耗所述电量。如果耗电单元被允许消耗电力，则其经由耗电单元和电源之间的电连接器33从电源7提取电力。

请求器32被示出为连接到耗电单元30A-30D的单独单元，然而其它实施方式也是可行的。例如，每个耗电单元可以设有专用请求器。在另一示例中，耗电单元组(诸如指向转子控制的单元或指向偏航控制的单元)可以连接到组请求器。

在实施方式中，请求器可以包括与哪些耗电单元在电网丢失状况中需要电力有关的指令。然而，请求器也可以连接到总是被确保电力的控制系统、或由所述控制系统实施。尽管请求器可以在硬件中实施，所述请求器通常是由计算机指令指示以执行其任务的计算单元。请求器也可以实施为软件部件、或电连接到耗电单元的电子部件。

在实施方式中，调度器也可以包括与哪些耗电单元在电网丢失状况中需要电力、以及电网丢失状况中各种耗电单元的作用有关的指令。然而，调度器也可以连接到总是被确保电力的控制系统，或由所述控制系统实施。尽管调度器可以在硬件中实施，所述调度器通常是由计算机指令指示以执行其任务的计算单元。调度器也可以实施为软件部件、或电耦连到耗电单元的电子部件。

请求器和/或调度器也可以实施为风力涡轮机控制系统的一部分(诸如在安全认证控制系统中)，或连接到风力涡轮机控制系统。

在一实施方式中，调度器不主动监测电源的可用容量，而是所述调度器可以例如在电网丢失时或从注册表获得电源的可用容量以确定起始容量，而后基于被允许的请求确定在电力丢失期间的可用容量。在另一实施方式中，调度器主动监测电源的实际电力容量，以使得被允许的请求基于可用容量的测量值。

在电网丢失状况下，内部电源电网33不能由公用电网供给。在一实施方式中，切换元件(23，图2)可以将内部电源电网33连接到具有有限容量的电源7、7A、7B，且由此为耗电单元提供获得电力的途径。

在这种状况下，各种耗电单元的请求器在需要电力时向调度器传送对于电量的请求。调度器的作用是依据电源的可用容量允许耗电单元消耗所述电量或拒绝耗电单元消耗所述电量。

图1还示出经由通信线33和电线34连接到风力涡轮机的具有有限容量的电源7A的实施方式。在这个实施方式中，电源是专门用于在电网丢失期间支持单一涡轮机的单一涡轮机应急电源。调度器和请求器局部针对特定涡轮机。

图2还示出经由通信线33和电线34连接到风力涡轮机的具有有限容量的电源7B的实施方式。而且，调度器31与电源7B一起示出。在这个实施方式中，电源是专门用于支持风力发电厂中的所有风力涡轮机或至少其中一些的风力发电厂应急电源。在这些情况下，调度器和请求器可以都局部针对电源。请求器可以局部针对涡轮机，而调度器局部针对电源。而且，请求器和调度器之一或两者都可以与发电厂控制器一起实施、或作为发电厂控制器的一部分。

在实施方式中，电源7、7A、7B可以是柴油发电机和/或电池。电池可以基于可充电电池。在一实施方式中，可充电电池可以在电网连接期间被充电且在电网丢失期间用作电源。电源的容量根据其需要支持的涡轮机的数量、以及其需要支持的耗电单元的数量和属性来扩展。

电源可用于任何目的，但是在通常状况下电源是设置用于在所述一个或多个涡轮机与电网脱离连接的情况下供电的应急电源。

调度器可以向请求器发送有关基本负载的信息，以使得一单元被允许在没有传送对于电量的请求的情况下消耗最多达到基本负载的电量。这可以在电源被扩展以供应在电网丢失期间操作的任何单元(例如电压互感器)的空转消耗的状况下使用。如果耗电单元需要比由基本负载覆盖的更多的电力，则耗电单元向调度器发送对于更多电力的请求。在一实施方式中，电力管理系统可以通过将基本负载设定到无限大来禁用。

请求最少可以包括包含电力需求的元素(即数据元素)。然而，优先级也可以被包括在内。优先级可以被扩展以使得最高优先级被赋予如果不被保证则有损坏涡轮机或涡轮机的一部分的风险的耗电单元。在一实施方式中，调度器同意具有最高优先级的请求，而较低优先级的请求根据一系列分配原则被同意。然而，所有优先级可以依据分配原被操纵。

请求也可以包括指示电力消耗的持续时间的时间段。因此请求可以在一实施方式中是诸如：请求＝(50千瓦，高，45秒)。

响应于接收请求，调度器可以通过回应来回复。在一实施方式中，回应可以包括对消耗特定电量的许可。然而，许可可以由多个限制来决定。这些限制可以是电力消耗的上限和需要提取电力的时间段。通过施加上限，涡轮机可能仍能够执行期望动作，但是可能较慢。持续时间可以例如被施加以确保从各个单元提取的电力及时散播以减小峰值消耗。在一实施方式中，回应可以诸如是：回应＝(允许，40千瓦，在t1和t2之间)。

在一实施方式中，系统信任的是耗电单元仅在被允许这样做时提取电力，且在不被允许这样做时不提取电力。这可以通过下述方式来改进：实施请求器以使得请求器设置成当被调度器允许时将耗电单元连接到电源且从电源提取允许的电量，且设置成当被调度器拒绝消耗电力时将耗电单元从电源脱离连接。例如可以使用开关，所述开关打开或关闭，且由此仅在当允许时的周期中提供电连接。

在一实施方式中，调度器基于至少一个附加输入允许耗电单元消耗所述电量或拒绝耗电单元消耗所述电量，所述附加输入指向风力涡轮机或耗电单元中的一个或多个的操作状态或物理状态。在一实施方式中，指向操作状态或物理状态的输入可以作为请求的一部分来提供、或可以作为到调度器的单独输入来提供(例如由涡轮机控制器和/或涡轮机中的传感器提供)。通过将操作状态或物理状态考虑在内，能够确保被允许消耗电力的耗电单元被动态选定以确保在给定状况或状态下，最重要的单元被允许消耗电力。

在一实施方式中，操作状态可以是耗电单元是否处于待机状态或停机状态。从停机启动耗电单元所需的电力可能是不被许可的，而将单元从待机唤醒所需的电力可能是被许可的。例如泵可以在待机中使用可能已经被先前请求允许的5千瓦，且在正常操作期间不产生额外成本地使用50千瓦，然而泵从停机启动可能需要150千瓦。在这些情况下，泵的使用在其待机的情况下可以被允许，但可能在需要从停机启动的情况下不被允许。

另一操作状态可以例如是给定部件的温度。这可以例如用于决定冷却系统是否能够被操作，以使得冷却仅对于关键温度启动，而不具有关键温度的部件不被冷却，即便如此，所述不具有关键温度的部件在电力功率是无限的情况下也会被冷却。

在一实施方式中，物理状态可以例如是偏航的位置。可能关键的是例如依据风的方向，特定的涡轮机被允许偏航，而其它的涡轮机不被允许。如果涡轮机不被允许逆风偏航，则沿边振动可能有积累的风险且损坏叶片。风险可能对于特定的偏航位置比对于其它位置高。物理状态也可以指向叶片振动传感器，以使得涡轮机仅被允许在叶片振动高于给定阈值的情况下偏航(即，消耗电力)。

物理状态的另一示例是转子的方位角位置，以使得在使叶片处于撞击塔的风险中的转子被允许转动，而停在没有塔撞击风险的位置中的转子不被允许转动。

图4示出电力管理系统和操作所述系统的方法的实施方式。在示出的实施方式中，调度器31实施成发电厂控制器PPC40，所述发电厂控制器能够获得有限电源LPS的可用容量。请求器32实施成风力涡轮机控制器WTC41。连接到请求器的多个耗电单元PCU的控制也被示出。

在一实施方式中，风力涡轮机需要通过从具有有限容量的电源传递的电力来操作耗电单元中的一个。操作耗电单元的指令例如通过耗电单元自身的控制系统或通过风力涡轮机控制器WTC生成，这个指令42由请求器接收。

在接收到操作耗电单元的指令时，对于用于操作耗电单元的电量的请求43从请求器传送到调度器。调度器31获得44电源的可用容量，且确定所述电量是否能够基于电源的可用容量使用，并且生成请求结果回应45(例如形式为许可)，依据请求结果允许耗电单元消耗所述电量或拒绝耗电单元消耗所述电量。基于结果，耗电单元将被操作或不被操作。

尽管本发明已经结合规定的实施方式被描述，但是不应将其解释为以任何方式限于所呈现的实施例。本发明可以通过任何合适的方式实现；并且本发明的范围将根据所附权利要求书进行解释。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种用于一个或多个风力涡轮机的电力管理系统，所述一个或多个风力涡轮机连接到具有有限容量的电源，且所述一个或多个风力涡轮机包括多个耗电单元；其中，电力管理系统包括：

调度器，其连接到电源并且配置成：

获得电源的可用容量；

确定用于电源的基本负载，所述基本负载被应用于来自所述多个耗电单元的耗电请求，其中基本负载小于可用容量；以及

根据可用容量，确定是允许还是拒绝所述耗电请求；以及

请求器，其连接到所述多个耗电单元并且配置成：

接收来自所述多个耗电单元中的第一耗电单元的第一耗电请求；

接收来自调度器的关于基本负载的信息；

将第一耗电请求与基本负载进行比较；

允许在不将第一个请求转发给调度程序的情况下由电源满足第一个请求；

当第一耗电请求未超过基本负载时，允许在不将第一耗电请求转发给调度器的情况下由电源满足第一耗电请求；以及

当第一耗电请求超过基本负载时，将第一耗电请求转发给调度器。

2.根据权利要求1所述的电力管理系统，其中，所述第一耗电请求至少包括电力需求和优先级，以及

其中，调度器部分地基于优先级确定是允许还是拒绝第一耗电请求。

3.根据权利要求1或2所述的电力管理系统，其中，所述第一耗电请求包括指示出耗电时长的时间段。

4.根据权利要求1或2所述的电力管理系统，其中，所述调度器还配置成：

在接收第一耗电请求时，向请求器传输包括对于第一耗电单元消耗特定电量的许可的答复。

5.根据权利要求1或2所述的电力管理系统，其中，确定是允许还是拒绝耗电还基于以下输入中的一个：

(i)所述一个或多个风力涡轮机中的至少一个的操作状态，

(ii)所述一个或多个风力涡轮机中的至少一个的物理状态，

(iii)所述多个耗电单元中的至少一个的操作状态，以及

(iv)所述多个耗电单元中的至少一个的物理状态。

6.根据权利要求1或2所述的电力管理系统，其中，所述电源是设置用于在所述一个或多个风力涡轮机中的至少一个从电网脱离连接的情况下供应电力的应急电源。

7.根据权利要求1或2所述的电力管理系统，其中，所述请求器还配置成：

当调度器允许第一耗电请求时，将第一耗电单元连接到电源以允许第一耗电单元从电源提取所允许的电量，以及

当调度器拒绝第一耗电请求时，将第一耗电单元从电源脱离连接。

8.根据权利要求1或2所述的电力管理系统，其中，所述电源是用于所述一个或多个风力涡轮机中的第一风力涡轮机的单一涡轮机应急电源。

9.根据权利要求1或2所述的电力管理系统，其中，所述一个或多个风力涡轮机被设置为风力发电厂，且其中，电源是用于风力发电厂的应急电源。

10.根据权利要求1或2所述的电力管理系统，其中，所述电源包括柴油发电机。

11.根据权利要求1或2所述的电力管理系统，其中，所述电源包括电池。

12.根据权利要求11所述的电力管理系统，其中，所述电池包括配置为当连接到电网时被充电的可充电电池。

13.一种风力涡轮机系统，其包括一个或多个风力涡轮机和根据权利要求1-12中任一项所述的电力管理系统。

14.一种用于根据权利要求1-12中任一项所述的电力管理系统的电力管理方法，所述电力管理方法包括：

接收操作所述多个耗电单元中的第一耗电单元的指令；

确定用于操作第一耗电单元的电量；

使用从连接到电源的调度器接收的信息确定用于电源的基本负载，所述第一耗电单元被允许从电源消耗最多达到所述基本负载的电力而不向调度器转发第一耗电请求，其中基本负载小于电源的可用容量；

将所述电量与基本负载进行比较；以及

响应于确定所述电量不超过基本负载，允许第一耗电单元消耗所述电量。

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