CN108603490B - 一种根据预定的功率斜变速率限制来控制风力发电厂的功率输出的方法 - Google Patents

一种根据预定的功率斜变速率限制来控制风力发电厂的功率输出的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于根据预定的功率斜变速率限制来控制风力发电厂(WPP)的功率输出的方法以及相关联的控制装置，WPP包括多个风力涡轮发电机(WTG)。所述方法包括接收指示第一WTG处于开始产生功率的就绪状态的第一信号。所述方法还包括，响应于所接收的第一信号，在确定第一WTG以预定的默认功率斜变速率开始功率产生将会导致WPP的功率输出超过功率斜变速率限制时，使用以下中的至少一个来控制第一WTG的功率产生：第一延迟、小于默认功率斜变速率的功率斜变速率参考、以及小于第一WTG的标称功率输出的功率参考。

Description

一种根据预定的功率斜变速率限制来控制风力发电厂的功率 输出的方法
技术领域
此公开中呈现的各实施方式总体上涉及用于控制风力涡轮机功率产生以满足对于相关联的风力发电厂的功率斜变速率的限制的技术。
背景技术
现代发电和配电网络越来越依赖可再生能源，诸如风力涡轮机。在一些情况下，风力涡轮机可以取代传统的基于化石燃料的发电机。除了仅向电网生成和输送电力之外，风力涡轮机还负责通过频率调节来促进电网稳定性。然而，风力涡轮发电机的操作条件以及风况的自然变化会影响风力涡轮机可预测地输送功率的能力。另外，风况可能有时不适合发电。
为了提升电网的可靠性和稳定性，电网规程要求可以指定一个或多个功率斜变速率限制，其限制由风力发电厂(WPP)向电网输送的电力基于时间的变化。在一些情况下，WPP的各个风力涡轮机(也称为风力涡轮发电机或WTG)在被请求时不能立即发电，而是在准备好产生功率之前具有相关联的延迟。因为这些延迟可能是未知长度的时间和/或可能在各WTG 之间不同，所以WTG功率产生的不可预测性可能导致集体的WPP功率输出超过强加的功率斜变速率限制。此外，被设计成确保符合功率斜变速率限制的控制策略如果过于保守则可能不必要地限制功率产生，导致对于 WPP所有者或运营商的可能的收益损失。
发明内容
本公开的一个实施方式是一种根据预定的功率斜变速率限制来控制风力发电厂(WPP)的功率输出的方法，WPP包括多个风力涡轮发电机 (WTG)。该方法包括从多个WTG中的第一WTG接收表明第一WTG处于开始产生功率的就绪状态的第一信号。该方法还包括响应于所接收的第一信号，在确定第一WTG以预定的默认功率斜变速率开始功率产生将会导致WPP的功率输出超过功率斜变速率限制时，使用以下中的至少一个来控制第一WTG的功率产生：(1)在指示第一WTG开始产生功率之前的第一延迟，(2)小于第一WTG的默认功率斜变速率的功率斜变速率参考，以及 (3)小于第一WTG的标称功率输出的功率参考。
该方法有利地允许密切地控制WPP的功率输出以防止违反强加的电网规程要求(诸如功率斜变速率限制)而不会不必要地抑制功率输送以及由此损失潜在的收益。此外，使用WTG控制器和WPP控制器之间的握手通信有助于克服与每个WTG分别准备达到用于产生功率的就绪状态相关联的未知延迟。
本公开的另一个实施方式是一种用于根据预定的功率斜变速率限制来操作风力发电厂(WPP)的控制装置，WPP包括多个风力涡轮发电机 (WTG)。控制装置包括与多个WTG对应的多个WTG控制器以及与多个 WTG控制器通信地耦合的发电厂控制器(PPC)。PPC被配置成从与多个 WTG中的第一WTG对应的多个WTG控制器中的第一WTG控制器接收表明第一WTG处于开始产生功率的就绪状态的第一信号。PPC还被配置成响应于所接收的第一信号，在确定第一WTG以预定的默认功率斜变速率开始功率产生将会导致WPP的功率输出超过功率斜变速率限制时，使用以下方式中的至少一种来控制第一WTG的功率产生：(1)在指示第一WTG控制器开始产生功率之前的第一延迟，(2)小于第一WTG的默认功率斜变速率的功率斜变速率参考，以及(3)小于第一WTG的标称功率输出的功率参考。
该方法有利地允许密切地控制WPP的功率输出以防止违反强加的电网规程要求(诸如功率斜变速率限制)而不会不必要地抑制功率输送以及由此损失潜在的收益。此外，使用WTG控制器和WPP控制器之间的握手通信有助于克服与每个WTG分别准备达到用于产生功率的就绪状态相关联的未知延迟。
另一个示例性实施方式还包括从第一WTG并且在接收第一信号之前接收第二信号，所述第二信号表明第一WTG的转子速度已经达到小于标称转子速度值的预定中间转子速度值；响应于所接收的第二信号，确定继续将转子速度从中间转子速度值增加到标称转子速度值以随后以预定的默认功率斜变速率开始发电是否会导致WPP的功率输出超过功率斜变速率限制；以及在第二延迟之后向第一WTG发送指令以将转子速度从中间转子速度值增加到标称转子速度值。
当与从静止状态启动第一WTG相比时，此实施方式有利地改善了第一 WTG达到就绪状态并且随后在被WPP控制器请求时产生功率的响应性。通过将第一WTG转换至其中转子速度显著低于标称转子速度的中间非功率产生操作状态，转子速度不太可能导致第一WTG的传动系和/或其它部件上的过度磨损。此外，当与就绪状态相比时，由于过度磨损的担忧减少，第一WTG可以保持在中间操作状态更长的时间段。
附图说明
因此，通过参考各实施方式，可以详细地理解本公开的以上所列举的各特征的方式，可以获得以上简要概述的此公开的更具体的描述，其中一些实施方式在各附图中展示。然而，应该注意的是，各附图仅展示了本公开的典型实施方式并且因此不应被认为限制了本发明的范围，对于本公开可以允许其它同等有效的实施方式。
图1展示了根据一个实施方式的水平轴风力涡轮机的示意图。
图2展示了根据一个实施方式的可操作地与电网连接的风力发电厂。
图3展示了根据一个实施方式的根据预定的功率斜变速率限制来控制风力发电厂(WPP)的功率输出的方法。
图4展示了根据一个实施方式的完成用于风力涡轮发电机(WTG)的一个或多个准备动作以达到开始产生功率的就绪状态的方法。
图5包括根据一个实施方式的对于两个风力涡轮发电机(WTG)和相关联的风力发电厂(WPP)的功率输出曲线图，展示了对于WTG功率产生的第一延迟。
图6包括根据一个实施方式的对于风力涡轮发电机(WTG)的功率输出和转子速度曲线图，展示了对于WTG功率产生的第一和第二延迟。
为了便于理解，在可能的地方已经使用了相同的附图标记来表示各附图中共有的相同元件。可以设想在一个实施方式中公开的元件可以被有利地用于其它实施方式而无需特别指出。
具体实施方式
各实施方式总体上涉及根据预定的功率斜变速率限制来控制风力发电厂(WPP)的功率输出的技术。更具体地，使用以下中的至少一个来控制 WPP的第一风力涡轮发电机(WTG)的功率产生：(1)在指示第一WTG 开始产生功率之前的第一延迟，(2)小于第一WTG的默认功率斜变速率的功率斜变速率参考，以及(3)小于第一WTG的标称功率输出的功率参考。有利地，可以密切地控制WPP的功率输出以防止超过功率斜变速率限制，而不会不必要地抑制功率输送以及由此损失潜在的收益。此外，WTG控制器和WPP控制器之间的通信有助于克服与每个WTG分别准备达到用于产生功率的就绪状态相关联的未知延迟。
另外，当与从静止状态启动第一WTG相比时，有利地改善了第一WTG 达到就绪状态并且随后在被WPP控制器请求时产生功率的响应性。通过将第一WTG转换至其中转子速度显著低于标称转子速度的中间非功率产生操作状态，转子速度不太可能导致第一WTG的传动系和/或其它部件上的过度磨损。此外，当与就绪状态相比时，由于过度磨损的担忧减少，因此第一WTG可以保持在中间操作状态更长的时间段。
图1展示了水平轴风力涡轮机(WTG)100的示意图。风力涡轮机100 通常包括塔架102和位于塔架102顶部处的机舱104。风力涡轮机转子106 可以与机舱104通过延伸出机舱104的低速轴相连接。如图所示，风力涡轮机转子106包括安装在公共轮毂110上的三个转子叶片108，但是可以包括任何合适数量的叶片，诸如一个、两个、四个、五个或更多叶片。叶片108(或翼型件)通常具有气动形状，其具有用于面向风的前缘112、在叶片108的弦的相对端处的后缘114、顶端116、以及用于以任何合适的方式附接到轮毂110的根部118。对于一些实施方式，叶片108可以使用变桨轴承120连接到轮毂110使得每个叶片108可以围绕其纵向轴线旋转以调节叶片的桨距。
图2展示了根据一个实施方式的可操作地与电网连接的风力发电厂。通常，风力发电厂也可以被称为风电场或风场。风力发电厂(WPP)200 包括多个风力涡轮机(或WTG)100(即风力涡轮机100-1，100-2，......， 100-N)，所述多个风力涡轮机在公共耦合点(PCC)240处与电网235可操作地连接。电网235表示任何合适的电气传输和/或分配网，其可以以一个或多个电压操作。电网235通常包括多个传输线、变压器、变电站、发电厂等。
每个风力涡轮机(WTG)100-1，100-2，......，100-N包括发电机(未示出)，所述发电机被配置成将风力涡轮机转子106的机械能转换成一个或多个相位的电力，作为被最终输送到电网235和与其连接的任何负载的相应的功率输出250-1，250-2，......，250-N。如本领域技术人员所知，发电机可以是任何合适的类型。
使用控制装置202来控制风力发电厂200的操作，所述控制装置包括使用连接252-1，252-2，......，252-N与一个或多个WTG控制器255通信地耦合的WPP控制器205(也称为PPC)，所述连接表示任何合适的通信装置，无论是有线的还是无线的。在一些实施方式中，每个WTG 100由单独的WTG控制器255控制。在各种实施方式中，WTG 100-1，100-2，......，100-N基于由WPP控制器205(在连接252-1，252-2，......，252-N上)和/ 或WTG控制器255提供的控制信号产生电力。WTG控制器255可以使用连接252-1，252-2，......，252-N向WPP控制器205提供反馈信号和/或其它信息。
功率输出245由WPP控制器205控制并且表示由WPP 200传送到电网 235的集合的功率输出。在一个实施方式中，功率输出245是各种功率输出 250-1，250-2，......，250-N的聚合。在另一个实施方式中，除了功率输出 250-1，250-2，......，250-N之外，功率输出245还可以包括来自由WPP控制器205控制的其它电源或负载(诸如能量存储装置)的信号调节和/或操作的效果。
WPP控制器205包括一个或多个处理器210和存储器215。每个WTG 控制器255包括一个或多个处理器260和存储器265。处理器210、260可以具有任何合适的形式，诸如通用微处理器、控制器、专用集成电路(ASIC) 等。存储器215、265可以包括针对其大小、相对性能或其它能力而选择的各种计算机可读介质：易失性和/或非易失性介质、可移除和/或不可移除介质等。
存储器215、265可以包括用于执行本文中所描述的各种功能的一个或多个模块。模块通常包括由处理器210、260中的一个或多个可执行的程序代码。如图所示，风力发电厂控制器235包括功率产生控制模块216(或“功率产生模块”、“功率模块”)、功率斜变模块218以及定时器模块224。
功率模块216被配置成生成用于控制由WPP 200的每个WTG 100-1， 100-2，......，100-N产生的功率的功率设定点或其它合适的功率需求信号。在一些情况下，功率模块216根据任何合适的技术基于所接收或产生的 WPP级功率需求信号(诸如WPP功率输出设定点)生成设定点。可以使用连接252-1，252-2，......，252-N将设定点发送到各个WTG控制器255。
功率斜变模块218被配置成调节功率产生控制模块216的操作以满足包括在电网规程需求内的功率斜变需求。更具体地，功率斜变模块218的功率斜变需求包括一个或多个预定的功率斜变速率限制220。在一些实施方式中，包括多个功率斜变速率限制220，每个功率斜变速率限制对应于不同的控制策略，诸如梯度斜变速率控制、频率斜变速率控制等。当前被实施或执行的功率斜变速率限制220被表示为有功功率斜变速率限制222。功率斜变速率限制220可以以任何合适的形式表示，并且将基于电网规程需求、 WPP 200的尺寸等变化。功率斜变速率限制220的一些非限制性实施例是 300千瓦(kW)每秒(300kW/s)和0.1每单位(pu)/s，尽管许多其它值和单位是可能的。
在一些实施方式中并且为了符合有功功率斜变速率限制222，功率斜变模块218造成功率模块216在功率设定点被发送到WTG控制器255之前调节所生成的功率设定点。在一个实施方式中，功率斜变模块218计算可以被直接发送到一个或多个WTG控制器255的一个或多个功率设定点参考 230以控制对于相应的WTG 100的功率设定点。另外或者可替代地，功率斜变模块218计算一个或多个可以被直接发送到一个或多个WTG控制器 255的功率斜变速率参考228，造成在每个WTG 100的功率输出250朝向其功率设定点前进时，WTG控制器255限制或以其他方式控制对于相应的 WTG 100的功率斜变速率。
在一些实施方式中，使用功率斜变模块218调节功率设定点包括限制当前未经历功率斜变过程的一个或多个其它WTG 100的功率产生，例如通过降额正在操作以产生标称功率的一个或多个WTG。如本文中所定义的，“标称”功率产生表示可以由WTG相对于当前操作条件产生的功率的量。 WTG的标称功率水平可能随时间变化，并且受若干考虑因素影响，诸如风中的可用功率、WTG的额定功率、由WPP控制器提供的当前功率参考和/ 或WTG的任何电流降额(多种降额)。通常，风中的可用功率随风速而变化。WTG的额定功率可用于将功率产生限制为小于可用功率(例如在高风速条件期间)，WPP控制器参考可以请求比可用功率小的功率，并且在一些情况下WTG可能已经基于高部件温度或其它条件以降额功率输出操作。降额操作产生标称功率的WTG因此包括基于当前的操作条件从初始功率输出值(其可以表示可用功率、额定功率、来自WPP控制器的所需功率、降额功率水平等)降低WTG的功率输出。
如果第一WTG 100以特定功率斜变速率的功率斜变会导致WPP功率输出245超过有功功率斜变速率限制222，则至少第二WTG 100可以被降额并且其功率以相应的速率下降以抵消由第一WTG 100引起的过量。在一些实施方式中，暂时执行限制其它WTG 100的功率产生，并且一个或多个其它WTG 100返回到标称功率产生。继续所述实施例，当功率斜变模块218 确定第一WTG 100已经完成功率斜变，或者WPP功率输出245将不再超过有功功率斜变速率限制222时，功率斜变模块218可以将一个或多个其它WTG 100返回到恢复标称功率产生。
功率斜变模块218可以包括定时器模块224，所述定时器模块包括用于协调WTG100的操作的一个或多个定时器。在一些实施方式中，当WTG 100向PPC 205发送WTG 100已经达到产生功率(包括标称转子速度值下的转子速度)或另一种操作模式或状态的就绪状态时，启动定时器。为了符合有功功率斜变速率限制222，功率斜变模块218可以有意地将WTG 100 维持在就绪状态，延迟WTG 100的功率产生的开始。然而，WTG 100可能无法无限期地处于就绪状态，因为操作可能加速WTG的传动系或其它部件上的磨损。因此，当WTG 100表明就绪状态时，定时器模块224可以以第一预定间隔启动定时器。在第一预定间隔期间的任一点处，功率斜变模块 218可以基于一个或多个预定条件(诸如WPP功率输出达到预定阈值)指示WTG开始功率产生。如果在第一预定间隔已经过去之后，功率斜变模块 218尚未造成WTG开始产生功率(也就是说WPP功率输出245仍将超过有功功率斜变速率限制222)，则定时器模块224可以向WTG 100发送信号以开始产生功率，以降低对WTG部件造成伤害的可能性。可替代地，定时器的到期可以表明WTG将开始产生功率，而不需要从PPC 205接收附加指令。在任一种情况下，定时器的到期还可以导致功率斜变模块218限制来自一个或多个其它WTG的功率产生以在有功功率斜变速率限制222内调节 WTG 100的功率斜变。在一个替代实施方式中，功率斜变模块218在定时器到期时可以将“就绪”的WTG 100返回到另一种操作模式以降低对WTG 部件造成伤害的可能性。
在一些实施方式中，功率斜变模块218被配置成根据以下中的一个或多个动态地和选择性地控制功率产生：(1)在指示第一WTG控制器开始产生功率之前的第一延迟，(2)小于第一WTG的默认功率斜变速率的功率斜变速率参考，以及(3)小于第一WTG的标称功率输出的功率参考。在其它实施方式中，功率斜变模块218被配置成通过实施(1)-(3)中的一个或多个来控制功率产生，但是未被配置成动态地更新已实现的(1)-(3) 中的一个(或多个)。
包括在WTG控制器255中的存储器265包括定时器模块290，所述定时器模块通常包括用于协调WTG 100的操作的一个或多个定时器。在一些实施方式中，定时器模块290可以表现得与定时器模块224相似，例如，当WTG 100已经达到产生功率或另一种操作模式或状态的就绪状态时启动定时器。存储器265包括用于相关联的WTG 100的一个或多个操作模式266 (或状态)。如图所示，操作模式266包括静止模式268(也称为“静止状态”)、待机/空载模式270(也称为“待机状态”)、就绪/标称转子速度模式272(也称为“就绪状态”)以及标称功率模式274(也称为“标称状态”)。示出的所描绘的操作模式266旨在为非限制性实施例，因为其它模式和/或模式的组合是可能的。
在静止模式268内，WTG 100的转子速度基本上为零，并且WTG 100 不产生功率。例如，在静止模式中转子制动器可以与停止的转子接合。在一些情况下，指示与WTG 100相关联的WTG控制器255——当WTG 100 处于静止模式268时——达到用于产生功率的就绪状态272。响应于指令， WTG控制器255使用准备动作模块276开始用于WTG 100的一个或多个准备动作。准备动作模块276被配置成使WTG 100准备用于标称功率模式 274，并且还可以被配置成使WTG 100准备用于一个或多个其它操作模式 266。要对WTG 100采取的特定准备动作取决于当前操作模式266以及目标操作模式266。例如，将WTG 100从静止状态268转换到待机状态270 通常需要比转换到标称状态274中的标称功率产生更小规模的准备动作。准备动作的一些实施例包括释放转子制动器、将转子速度增加到标称转子速度值、执行WTG100的变桨系统的功能检查、将用于WTG 100的传动系的油加热到预定温度值以及将用于变桨系统的油压增加到预定压力值，但是附加的准备动作和/或准备动作的组合是可能的。在一些情况下，准备动作模块276要求在将WTG 100转换到标称状态274之前完成所有的准备动作。为了将WTG 100转换到其它(中间)状态，可以进行一些或所有准备动作。例如，将WTG100转换到待机状态270需要将转子速度增加到小于标称转子速度的中间值，并且作为结果WTG 100尚未准备好开始功率产生。
操作模式266包括两种或更多种模式，其中WTG 100的转子速度是非零值但是没有发生功率产生。在就绪/标称转子速度模式272中，WTG 100 的转子速度遵循“标称”转子速度值，所述标称转子速度值表示对应于标称功率产生的转子速度。如以上所讨论的，标称功率产生可以基于WTG的当前操作条件而变化；标称转子速度值可以类似地变化。例如，标称转子速度值可以基于当前风速、WTG的额定速度和/或所选择的功率产生水平。
因为WTG 100在就绪/标称转子速度模式272中以标称转子速度值操作时不产生功率(即没有扭矩)，所以可能有对传动系部件伤害的增加的风险。例如，在就绪/标称转子速度模式272中，传动系可以展现出齿轮扭矩反转、弄脏或对轴承的其它损坏等。作为结果，WTG 100可能在转换到标称状态 274之前保持在就绪状态272至多相对较短的时间段——例如使用定时器模块224和/或定时器模块290。可替代地，WTG 100在规定的间隔过去时可以转换到另一操作模式266，诸如静止模式268或待机模式270。在一些实施方式中，基于WTG100的功率斜变时间将用于定时器模块224/290的第一预定间隔确定为预定功率水平。在一些实施方式中，第一预定间隔为一分钟或更短的量级。例如，如果第一WTG 100需要最多约15秒以将功率从零上升到预定功率水平——诸如技术上的最小功率水平(其可以对应于第一WTG 100的标称功率的百分比)——与第二WTG 100的斜变功率相关的用于定时器模块224/290的第一预定间隔可以被设定为大于此量，留下一个或多个余量用于优化。例如，第一预定间隔可以被设定为对应于第一 WTG 100的15秒斜变时间的大约30秒。
在待机/空载模式270中，转子速度已从接近零增加到显著小于WTG 的标称转子速度(如在就绪状态272和标称状态274中所使用的)的值，使得减少了传动系上的负载并且还减少了加速磨损的顾虑。例如，取决于期望的发电机转速和传动系的传动比，标称转子速度可以是10转每分钟 (rpm)或更大(例如12rpm、16rpm)的量级，而待机状态270内的转子速度可以是数rpm(诸如4rpm、5rpm)的量级。因此，WTG 100可以将待机状态270维持比就绪状态272显著更长的时间。定时器模块224和/或定时器模块290用于在第二预定间隔之后将WTG100从待机状态270转换出来。在一些实施方式中，第二预定间隔为一小时或更短的量级，诸如约30 分钟。在第二预定间隔过去之后，WTG控制器255可以继续使WTG 100 朝向功率产生前进，将WTG 100转换到就绪状态272或标称状态274。
标称功率模式274对应于WTG 100的标称功率产生，其还对应于WTG 100的标称转子速度。在一些实施方式中，PPC 205的功率斜变模块218被配置成使一个或多个WTG 100从自其标称功率产生暂时地降额功率产生以便满足有功功率斜变速率限制222。
存储器265还维持与WTG 100的操作有关的一个或多个参数278，所述参数可以在WTG控制器255和PPC 205之间通信。另外或者可替代地，一些或全部参数278被存储在PPC205的存储器215中。参数278包括WTG 100的转子速度280，所述转子速度可以由一个或多个传感器测量。参数278 还包括用于WTG 100的功率设定点282，所述功率设定点在一些情况下由 PPC 205指定并且可以受功率斜变模块218的影响。在一些情况下，WTG 控制器255从PPC 205接收功率斜变速率参考228和功率设定点参考230，并且WTG控制器基于这两个参考产生功率设定点282。参数278还包括 WTG 100的标称功率值284和标称转子速度值286。参数278还包括默认功率斜变速率288，WTG 100被配置成在所述默认功率斜变速率处在没有由PPC 205指定的或者由WTG控制器255计算的另一个斜变率的情况下提升功率。在一些实施方式中，通过PPC 205计算传递到WTG 100的功率斜变速率参考228，使其小于WTG 100的默认功率斜变速率288。
图3展示了根据一个实施方式的根据预定的功率斜变速率限制来控制风力发电厂(WPP)的功率输出的方法。方法300总体上对应于以上讨论的风力发电厂200(及其控制装置202)的操作。左列中包括的功能框可以由WPP控制器205执行，并且右列中包括的功能框可以由对应于特定WTG 的WTG控制器255执行。然而，普通技术人员将理解，某些功能能够由WPP控制器205或WTG控制器255执行，或者完全由其它元件执行。
方法300开始在框302处开始，在此处WPP控制器205指示WPP的一个或多个WTG达到用于产生功率的就绪状态。所述一个或多个WTG可能处于静止状态或处于其它非功率产生状态，诸如空载状态或其它待机状态。在框304处接收到指令时，对应于第一WTG的第一WTG控制器在框 306处继续完成用于第一WTG达到就绪状态的一个或多个准备动作。一个准备动作包括在框308处将第一WTG的转子速度增加到标称转子速度值。在框306处可以执行和/或完成一个或多个其它准备动作，诸如执行第一 WTG的变桨系统的功能检查，将用于第一WTG的传动系的油加热到预定温度值，以及将用于变桨系统的油压增加到预定的压力值。
在完成准备动作并且达到就绪状态时，在框310处第一WTG控制器 255将第一信号发送到WPP控制器205，表明第一WTG处于就绪状态。在框302处的初始指令和第一信号可以被视为用于协调WPP控制器205和 WTG控制器255的动作的第一次“握手”通信。在框312处接收到第一信号时，在框314处WPP控制器可以可选地以第一预定定时器间隔启动定时器，所述第一预定定时器间隔对应于在转换到另一个状态之前允许第一WTG 保持在就绪状态的最大时间量。在一些实施方式中，第一预定定时器间隔为一分钟或更短的量级。在框316处，WPP控制器205确定通过第一WTG 立即开始的功率产生是否会导致WPP的功率输出超过功率斜变速率限制。如果功率输出会超过限制(框318；是)，则在框320处WPP控制器205 可选地确定第一预定定时器间隔是否已经过去，表明第一WTG将(或应该被指示)开始功率产生。如果第一预定定时器间隔尚未过去(框320；否)，则所述方法返回到框316。
如果第一预定定时器间隔已经过去(框320；是)或者WPP的功率输出不会超过功率斜变速率限制(框318；否)，则在框322处WPP控制器 205发送指令到第一WTG控制器255以开始功率产生。另外，WPP控制器 205可以向第一WTG控制器255提供功率设定点参考和/或功率斜变速率参考以确保通过第一WTG的功率产生不会导致WPP功率输出超过功率斜变速率限制。此外，并且基于框316的确定，在框326处WPP控制器205可以暂时地诸如通过降额第二WTG来限制至少第二WTG的功率产生使得 WPP不会超过功率斜变速率限制。框312和322之间的时间差表示在第一 WTG表明其处于用于产生功率的就绪状态之后由WPP控制器205施加的第一延迟。
返回到框310，在发送表明第一WTG处于就绪状态的第一信号之后，在框328处第一WTG控制器255以第一预定定时器间隔启动定时器。以此方式，第一WTG处于就绪状态的时间可以被第一WTG控制器255和/或 WPP控制器205密切地监视和控制。在框330处，第一WTG控制器255 等待以下中的第一个：(1)接收来自WPP控制器205的指令，(2)第一预定定时器间隔过去，以及(3)满足开始功率产生的一个或多个预定条件。当然，第一WTG控制器255可以在此等待时间段期间执行其它任务。如果没有从WPP控制器205接收到指令并且没有满足预定条件(框332；否) 并且第一预定间隔尚未过去(框334；否)，则在框330处第一WTG控制器255继续等待。然而，如果从WPP控制器接收到指令或者满足预定条件 (框332；是)，或者第一预定定时器间隔已经过去(框334；是)，则在框 336处第一WTG控制器255开始功率产生。响应于确定第一WTG开始功率产生，在一个实施方式中，所述方法前进到框326，在此处WPP控制器 205暂时地限制至少第二WTG的功率产生使得WPP不会超过功率斜变速率限制。通常，方法300在完成框336之后结束。
图4展示了根据一个实施方式的完成风力涡轮发电机(WTG)的一个或多个准备动作以达到开始产生功率的就绪状态的方法。方法400总体上对应于以上讨论的风力发电厂200(及其控制装置202)的操作。功能框可以在以上讨论的方法300的框306的一部分处执行。
方法400开始于框402处，在此处第一WTG控制器255将第一WTG 的转子速度增加到小于标称转子速度值的中间转子速度值。在一些实施方式中，此中间转子速度值对应于第一WTG的待机状态或空载状态。在一些实施方式中，中间转子速度值显著小于标称转子速度值，使得减小了传动系上的负载并且减小了加速磨损的顾虑。
在框404处，可能与框402和/或方法400中的任何其它功能框同时发生，第一WTG控制器255完成一个或多个其它准备动作(即除了增加第一WTG的转子速度之外)，诸如执行第一WTG的变桨系统的功能检查、将用于第一WTG的传动系的油加热到预定温度值以及将用于变桨系统的油压增加到预定压力值。
在框406处，第一WTG控制器将第二信号发送到WPP控制器205，表明转子速度已达到中间转子速度值。来自WPP控制器205的初始指令(在图3的框302处)和第二信号可以被视为用于协调WPP控制器205和WTG 控制器255的动作的第一次“握手”通信。在框408处接收到第二信号时， WPP控制器205可选地以第二预定定时器间隔启动定时器，所述第二预定定时器间隔对应于在转换到另一状态之前允许第一WTG保持在待机状态的最大时间量。在一些实施方式中，第二预定定时器间隔为一小时或更短的量级。
在框412处，WPP控制器205确定将转子速度继续增加到标称转子速度值以随后由第一WTG开始功率产生是否会导致WPP的功率输出超过功率斜变速率限制。作为所述确定的一部分，WPP控制器205可以评估第一 WTG达到就绪状态所需的时间长度，并且基于来自第一WTG的开始功率输出确定在所评估的时间长度之后是否会超过功率斜变速率限制。如果功率输出会超过限制(框414；是)，则在框416处WPP控制器205可选地确定第二预定定时器间隔是否已经过去，表明第一WTG将(或应该被指示) 进行到开始功率产生的就绪状态。如果第二预定定时器间隔尚未过去(框 416；否)，则所述方法返回到框412。
如果第二预定定时器间隔已经过去(框416；是)或者WPP的功率输出不会超过功率斜变速率限制(框414；否)，则在框418处WPP控制器 205向第一WTG控制器255发送指令以将第一WTG的转子速度增加到标称转子速度值。此外，并且基于框412的确定，在框422处WPP控制器205 可以暂时限制(或安排暂时限制)至少第二WTG的功率产生使得WPP不会超过功率斜变速率限制(诸如通过降额第二WTG)。可以基于评估的第一WTG达到就绪状态的时间长度来执行对第二WTG的功率产生的限制，以便最大化WPP的功率产生。框408和420之间的时间差表示在第一WTG 表明其处于中间、空载状态或具有预定的非零转子速度的其它待机状态之后由WPP控制器205施加的第二延迟。
返回到框406，在发送表明第一WTG的转子速度已经达到中间转子速度值的第二信号之后，在框424处第一WTG控制器255以第二预定定时器间隔启动定时器。以此方式，第一WTG处于待机状态的时间可以被第一 WTG控制器255和/或WPP控制器205密切监视和控制。在框426处，第一WTG控制器255等待以下中的第一个：(1)接收来自WPP控制器205 的指令，(2)第二预定定时器间隔过去，以及(3)满足开始功率生产的一个或多个预定条件。当然，第一WTG控制器255可以在此等待时间段期间执行其它任务。如果没有从WPP控制器205接收到指令并且没有满足预定条件(框428；否)并且第二预定间隔尚未过去(框430；否)，则在框426 第一WTG控制器255处继续等待。然而，如果从WPP控制器接收到指令或满足预定条件(框428；是)，或者第一预定定时器间隔已经过去(框430；是)，则在框432处第一WTG控制器255将转子速度增加到标称转子速度值。响应于确定第一WTG正在进行增加转子速度以随后产生功率，在一个实施方式中，所述方法前进到框422，在此处WPP控制器205暂时限制(或安排暂时限制)至少第二WTG的功率产生使得WPP不会超过功率斜变速率限制。通常，方法400在完成框432之后结束。在框428处来自WPP控制器205的指令和表明第一WTG的第一信号已经达到就绪状态(图3的框 310)的第一信号可以被视为用于协调WPP控制器205和WTG控制器255 的动作的第二次“握手”通信。
图5包括对于两个风力涡轮发电机(WTG)和相关联的风力发电厂 (WPP)的功率输出曲线，展示了根据一个实施方式的WTG功率产生的第一延迟。图表500包括表示第一WTG100-1的功率输出的曲线505、表示来自第二WTG 100-2的功率输出的曲线520、以及表示来自包括第一WTG 100-1和第二个WTG 100-2的WPP 200的功率输出的曲线545。在时间t0处，第一WTG 100-1和第二WTG 100-2可以处于任何非功率产生状态，诸如静止状态或任何待机状态。虽然曲线505、520在时间t0处各自具有零功率值，但是WPP 200的曲线545处于初始功率值Pi，所述初始功率值可以是零或者可以是正功率值。例如，一个或多个其它WTG 100(未示出)可以产生在初始功率值Pi中反映的标称功率水平。
在时间t1处，WPP控制器指示第一WTG 100-1和第二WTG 100-2达到用于产生功率的就绪状态。作为响应，第一WTG 100-1和第二WTG 100-2 各自在间隔510、525期间完成一个或多个准备动作以便达到就绪状态，所述准备动作包括将转子速度增加到标称转子速度值。基于每个WTG 100-1、 100-2的操作状态，完成准备动作所需的时间可能不同——间隔510短于 525。在时间t2处，第一WTG 100-1向WPP控制器发送表明第一WTG 100-1 已经达到就绪状态的信号。随后WPP控制器确定由第一WTG 100-1立即开始的功率产生是否会导致WPP功率输出超过功率斜变速率限制550。时间t0和t2之间的WPP功率斜变速率为零，如曲线545保持在Pi值，并且为了此实施例的目的，假设没有WPP的其它WTG在时间t2处斜变功率，WPP 控制器确定第一WTG 100-1立即开始的功率产生将不会导致WPP功率输出超过功率斜变速率限制550。WPP控制器指示第一WTG 100-1在时间t2处开始功率产生，并且在时间t2和t4之间(曲线段515)，第一WTG 100-1 将功率从零上升到相应的标称功率Pnom,1。
在时间t3处，当第一WTG 100-1斜变功率输出时，第二WTG 100-2向 WPP控制器发送表明第二WTG 100-2已经达到就绪状态的信号。第二WTG 100-2如果在时间t3被允许或者被指示立即开始产生功率，则可以如段530 所示上升功率(以虚线展示)。然而，WPP控制器确定来自第二WTG 100-2 的立即上升功率会导致WPP功率输出斜变速率(段555)超过功率斜变速率限制550，并且在时间t4处指示第二WTG 100-2开始斜变之前提供第一延迟324。在时间t4处第二WTG 100-2开始功率产生，并且在时间t4和t5之间(曲线段540)，第二WTG 100-2将功率从零上升到相应的标称功率 Pnom,2。
在一些实施方式中，对第二WTG 100-2的指令可以响应于WPP控制器确定第一WTG100-1已经完成其功率斜变(例如确定达到第一WTG 100-1的功率设定点)。对于第二WTG100-2的第一延迟另外或者可替代地， WPP控制器可以控制第一WTG 100-1和/或第二WTG100-2的组合的功率输出以防止超过使用功率斜变速率参考、功率设定点参考、暂时降额WPP 200的另一个WTG等的功率斜变速率限制550。
图6包括风力涡轮发电机(WTG)的功率输出和转子速度曲线图，展示了根据一个实施方式的WTG功率产生的第一和第二延迟。图表600包括表示来自WPP的WTG 100-1的功率输出的曲线605以及表示WTG 100-1 的转子速度的曲线615。
在时间t0处，WTG 100-1具有零功率输出和零转子速度，其可对应于 WTG 100-1的静止状态。可替代地，在时间t0处WTG 100-1可以具有非零转子速度。在时间t1处，WPP控制器指示WTG 100-1达到用于产生功率的就绪状态。WTG 100-1在时间t1和t3之间(对应于间隔630)开始一个或多个准备动作，所述准备动作包括将转子速度增加到中间转子速度值。用于准备动作的间隔630可以包括间隔625，在所述间隔中在时间t2处开始增加转子速度之前转子速度没有增加。在时间t3处，WTG 100-1向WPP控制器发送表明WTG 100-1已经达到中间转子速度值(或待机状态、空载状态等) 的信号。随后，WPP控制器确定继续增加转子速度以随后开始WTG 100-1 的功率产生是否会导致WPP功率输出超过功率斜变速率限制(未示出)。确定前进到开始来自WTG 100-1的功率产生会导致WPP功率输出超过功率斜变速率限制，WPP控制器在指示WTG 100-1在时间t4处继续增加转子速度之前提供第二延迟420。在时间t5处WTG 100-1将转子速度增加到标称转子速度值ωnom,1，并且向WPP控制器发送表明WTG100-1已经达到就绪状态的信号。WPP控制器确定立即上升来自WTG 100-1的功率会导致WPP功率输出超过功率斜变速率限制，并在指示WTG 100-1在时间t6处开始斜变之前提供第一延迟324。来自WTG 100-1的功率产生在时间t6和t7之间斜变，此时WTG 100-1的功率输出达到标称功率输出Pnom,1。
在前文中，参考了此公开中呈现的各实施方式。然而，本公开的范围并不限于特别描述的各实施方式。相反，前述各特征和元素的任何组合，无论是否涉及不同的实施方式，都被预期用于实现和实践所预期的各实施方式。此外，尽管本文所公开的各实施方式可以实现超过其它可能的解决方案或超过现有技术的优点，但是是否通过给定实施方式实现的特定优点不是对本公开的范围的限制。因此，前述各方面、特征、实施方式和优点仅是说明性的并且不被认为是所附权利要求的要素或限制，除非在权利要求(多个权利要求)中明确地陈述。同样地，对“本发明”的引用不应被解释为本文中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，除非在权利要求(多个权利要求)中明确地陈述。
如本领域技术人员将理解的，本文中公开的各实施方式可以被实施为系统、方法或计算机程序产品。因此，各方面可以采用完全硬件实施方式、完全软件实施方式(包括固件、驻留软件、微代码等)或者组合软件和硬件方面的实施方式的形式，这些实施方式在本文中通常都可称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，各方面可以采取包括在一个或多个计算机可读介质(多种介质)中的计算机程序产品的形式，所述计算机可读介质具有包括在其上的计算机可读程序代码。包括在计算机可读介质上的程序代码可以使用任何适当的介质(包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等或者前述的任何合适的组合)传输。
以上参考根据此公开中呈现的各实施方式的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各方面。将要理解的是，各流程图和/或框图中的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令还可以被存储在计算机可读介质中，所述计算机可读介质可以引导计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备以特定方式起作用，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现流程图和/或框图框或多个框中指定的功能/动作的指令的制品。
附图中的各流程图和框图展示了根据各种实施方式的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系结构、功能和操作。在此方面，各流程图或框图中的每个框可以表示代码的模块、片段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能(多个逻辑功能)的一个或多个可执行指令。还应该注意到，在一些替代实施方式中，框中提到的功能可以不按附图中提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个框实际上可能大致上同时执行，或者这些框有时可能以相反的顺序执行。还应该注意到，各框图和/或流程图中的每个框以及各框图和/或流程图中的框的组合可以由执行指定功能或动作的专用基于硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
鉴于前述内容，本公开的范围由以下各权利要求确定。

Claims (13)

1.一种根据预定的功率斜变速率限制来控制风力发电厂的功率输出的方法，风力发电厂包括多个风力涡轮发电机，所述方法包括：
从所述多个风力涡轮发电机中的第一风力涡轮发电机接收表明第一风力涡轮发电机处于开始产生功率的就绪状态的第一信号；
响应于所接收的第一信号，在确定第一风力涡轮发电机以预定的默认功率斜变速率开始功率产生将会导致风力发电厂的功率输出超过功率斜变速率限制时：
使用以下中的至少一个来控制第一风力涡轮发电机的功率产生：
(1)在指示第一风力涡轮发电机开始产生功率之前的第一延迟，(2)
小于第一风力涡轮发电机的默认功率斜变速率的功率斜变速率参考，以及(3)小于第一风力涡轮发电机的标称功率输出的功率参考，
所述方法进一步包括：
从第一风力涡轮发电机并且在接收第一信号之前接收第二信号，所述第二信号表明第一风力涡轮发电机的转子速度已经达到小于标称转子速度值的预定中间转子速度值；
响应于所接收的第二信号，确定继续将转子速度从中间转子速度值增加到标称转子速度值以随后以预定的默认功率斜变速率开始功率产生是否会导致风力发电厂的功率输出超过功率斜变速率限制；以及
在第二延迟之后，向第一风力涡轮发电机发送指令以将转子速度从中间转子速度值增加到标称转子速度值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中就绪状态对应于第一风力涡轮发电机开始产生功率的一个或多个完成的准备动作，所述一个或多个完成的准备动作包括将第一风力涡轮发电机的转子速度增加到对应于第一风力涡轮发电机的标称功率产生的预定标称转子速度值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其进一步包括：
在以下中的一个到期之后确定第一风力涡轮发电机已经开始功率产生：接收第一信号之后的第一预定间隔，以及接收第二信号之后的第二预定间隔；以及
限制所述多个风力涡轮发电机中的至少第二风力涡轮发电机的功率产生，使得第一风力涡轮发电机的功率产生不会导致风力发电厂的功率输出超过功率斜变速率限制。
4.根据权利要求3所述的方法，其中限制至少第二风力涡轮发电机的功率产生包括降额第二风力涡轮发电机的功率产生。
5.根据权利要求3所述的方法，其中第一预定间隔被选择为限制对以标称转子速度值操作而不产生功率的第一风力涡轮发电机的传动系的影响。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中第一延迟对应于所述多个风力涡轮发电机中的第三风力涡轮发电机的功率产生，其中指示第一风力涡轮发电机开始产生功率在确定第三风力涡轮发电机已经完成功率斜变时进行。
7.一种用于根据预定的功率斜变速率限制来操作风力发电厂的控制装置，风力发电厂包括多个风力涡轮发电机，控制装置包括：
对应于所述多个风力涡轮发电机的多个风力涡轮发电机控制器；
与所述多个风力涡轮发电机控制器通信地耦合的发电厂控制器，其中发电厂控制器被配置成：
从与所述多个风力涡轮发电机中的第一风力涡轮发电机对应的所述多个风力涡轮发电机控制器中的第一风力涡轮发电机控制器接收表明第一风力涡轮发电机处于开始产生功率的就绪状态的第一信号；
响应于所接收的第一信号，在确定第一风力涡轮发电机以预定的默认功率斜变速率开始功率产生将会导致风力发电厂的功率输出超过功率斜变速率限制时：
使用以下中的至少一个来控制第一风力涡轮发电机的功率产生：
(1)在指示第一风力涡轮发电机控制器开始产生功率之前的第一延迟，
(2)小于第一风力涡轮发电机的默认功率斜变速率的功率斜变速率参考，以及(3)小于第一风力涡轮发电机的标称功率输出的功率参考，
其中发电厂控制器还被配置成：
从第一风力涡轮发电机控制器并且在接收第一信号之前接收第二信号，所述第二信号表明第一风力涡轮发电机的转子速度已经达到小于标称转子速度值的预定中间转子速度值；
响应于所接收的第二信号，确定继续将转子速度从中间转子速度值增加到标称转子速度值以随后以预定的默认功率斜变速率开始功率产生是否会导致风力发电厂的功率输出超过功率斜变速率限制；以及
在第二延迟之后，向第一风力涡轮发电机控制器发送指令以将转子速度从中间转子速度值增加到标称转子速度值。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其中就绪状态对应于第一风力涡轮发电机开始产生功率的一个或多个完成的准备动作，所述一个或多个完成的准备动作包括将第一风力涡轮发电机的转子速度增加到对应于第一风力涡轮发电机的标称功率产生的预定的标称转子速度。
9.根据权利要求8所述的控制装置，其中所述一个或多个完成的准备动作还包括以下中的至少一个：第一风力涡轮发电机的变桨系统的功能检查、将用于第一风力涡轮发电机的传动系的油加热到预定温度值，以及将用于变桨系统的油压增加到预定压力值。
10.根据权利要求7或8所述的控制装置，其中第一风力涡轮发电机控制器包括一个或多个定时器并且被配置成在以下之一到期之后将第三信号发送到发电厂控制器：在将第一信号发送到发电厂控制器之后的第一预定定时器间隔，以及在将第二信号发送到发电厂控制器之后的第二预定定时器间隔，第三信号表明第一风力涡轮发电机正在开始功率产生，以及
其中发电厂控制器还被配置成限制所述多个风力涡轮发电机中的至少第二风力涡轮发电机的功率产生使得第一风力涡轮发电机的功率产生不会导致风力发电厂的功率输出超过功率斜变速率限制。
11.根据权利要求10所述的控制装置，其中限制至少第二风力涡轮发电机的功率产生包括降额第二风力涡轮发电机的功率产生。
12.根据权利要求10所述的控制装置，其中第一预定定时器间隔被选择为限制对以标称转子速度值操作而不产生功率的第一风力涡轮发电机的传动系的影响。
13.根据权利要求7或8所述的控制装置，其中第一延迟对应于所述多个风力涡轮发电机中的第三风力涡轮发电机的功率产生，其中发电厂控制器还被配置成在确定所述第三风力涡轮发电机已完成功率斜变时指示第一风力涡轮发电机开始产生功率。
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