CN110268592A - 风力发电厂中无功供电的改进 - Google Patents

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Abstract

一种风力发电厂系统，包括：多个风力涡轮发电机，每一个发电机具有对应发电机控制器，和控制风力发电厂系统产生的电力的发电厂控制器，其中将多个发电机控制器的至少一些中的每一个配置为：生成指示风力涡轮发电机中一个或多个部件的热容量的模型，根据该模型确定功率容量数据，该数据与下列相关：至少一个无功供电水平和可维持该无功供电水平的对应时间限制，以及传输确定的功率容量数据到发电厂控制器，其中所述发电厂控制器可从多个发电机控制器接收功率容量数据和传输各功率参考参数到多个发电机控制器来控制风力发电厂系统产生的电力。

Description

风力发电厂中无功供电的改进
技术领域
本发明涉及风力发电厂系统和控制风力发电厂的方法。本发明的其他方面涉及用在风力发电厂系统中的发电机控制器和用在风力发电厂系统中以及用在本文所述方法中的发电厂控制器。
背景技术
现在预计新服役的风力发电厂和其他形式的可再生能源能够在互连点提供电压控制。风力发电厂包括多个风力涡轮发电机，并且风力发电厂也被称为风电场或风电站。电厂的规范和总体运作是通过电厂控制系统或控制器(PPC)来控制，其实现了比如由输电系统运营商(TSO)或国家专用电网互连要求或电网规范规定的运行限制和要求。TSO还向PPC传达送电需求，包括无功送电需求。
无功功率限制由所谓的P-Q图来简要描述，其描述了基于实际功率输出的无功交换限制。PPC实现从TSO收到的配电需求，同时确保维护P-Q图中规定的限制和要求。
电压控制能力是许多电网规范的要求，并且因此有限的控制能力对风力发电厂并网提出了挑战。然而，风力涡轮发电机具有有限的无功功率能力，其在尝试满足这些并网要求时会引起问题。解决这些问题的尝试涉及安装额外的无功补偿设备。然而，这是一个尤其昂贵的解决办法。
本发明的目的是解决与先前技术相关的缺陷。
发明内容
根据所述发明的一个方面，提供一种风力发电厂系统，包括：多个风力涡轮发电机，每一个风力涡轮发电机具有对应的发电机控制器，和发电厂控制器，控制所述风力发电厂系统产生的电力；其中多个发电机控制器中的至少一些发电机控制器中的每一个被配置为：生成一个指示该风力涡轮发电机中一个或多个部件热容量的模型，根据该模型确定功率容量数据，该数据与至少一个无功供电水平和可维持该无功供电水平的对应时间限制相关，和传输所确定的功率容量数据到该发电厂控制器，其中该发电厂控制器用于从该多个发电机控制器处接收该功率容量数据并且将各自的功率参考参数传输到多个发电机控制器以控制该风力发电厂系统产生的电力。
有利地，生成每一个风力涡轮机专用的模型允许确定高度准确的功率容量数据并且传送到电厂控制器。以“握手”交换方式将所述数据传送到发电厂控制器确保了发电厂控制器可根据其要过载的可能性而小心地对每一个风力涡轮发电机进行决策并赋与优先级，同时确保维持每台发电机的运行安全。
根据该发明的另一个方面，提供了操作包括多个风力涡轮发电机的风力发电厂的方法，该方法包括接收来自一个或多个风力涡轮发电机的功率容量数据，该功率容量数据与至少一个无功供电水平以及可维持该无功供电水平的对应时间限制有关，根据收到的功率容量数据将各自功率参考参数传输到该多个风力涡轮发电机。该功率容量数据可由与风力涡轮发电机相关的发电机控制器生成的模型来导出。该模型可指示风力涡轮发电机的至少一个部件的热容量。使用发电厂控制器可实现该方法。
根据风力涡轮发电机的安装参数和/或各部件间预先确定的热关系可生成所述模型。例如，这些安装参数可包括WTG的高度、预先定义的部件专用参数，比如额定功率、安全限制和尺寸、或预期的温度范围。
热容量可依据每一个部件的电流强度来指示。
发电机控制器可被配置为根据风力涡轮的运行状况来改变模型。运行状况可包括当前风速、环境温度、部件的目前温度或以前建模或记录的数据。由于不同的发电机基于它们不同的位置和持续的运行将会面临不同的状况，单个风力发电厂热模型是不足的，并且在允许创建涡轮机专用模型时，可维持对所述系统的更好的概览，并且实现更安全的运作。
在本发明的一些实施例中，确定所述对应时间限制以避免超过一个或多个部件的热容量。时间限制对于避免部件过热和无法修复的受损是重要的。
可选地，功率容量数据也包括冷却时间周期。冷却周期也是尤其重要的，并且可在其他功率容量数据提供后来提供。冷却周期确保在高无功供电期间已经接近热极限的部件可充分冷却，使得它们可再次在更高的无功供电水平下运作。
发电机控制器可配置为响应于来自发电厂控制器的请求，将所确定的功率容量数据传输到发电厂控制器。方法可包括从风力涡轮发电机中的一个或多个请求功率容量数据，该功率容量数据与至少一个无功供电水平以及可维持该无功供电水平的对应时间限制有关。该至少一个无功供电水平可超过预先确定的无功供电限制以便提供无功功率提升。提供无功功率提升对于能够满足电网要求以及减少风力发电厂系统在对昂贵补偿设备装置的依赖是尤其重要的。通过在风力涡轮发电机中提供的超提升(over-boost)能力，可立即向电网提供瞬时响应而无需等待补偿设备预热。
所述发电厂控制器可被配置为响应于从输电系统运营商接收的无功供电请求，请求功率容量数据。所述方法可包括从与输电网络相关的输电系统运营商接收无功供电请求，并且其中响应于来自输电系统运营商的无功供电请求来提出对功率容量数据的请求。
所述发电厂控制器可被配置为根据无功供电请求将各自功率参考参数传输到所述多个发电机控制器。所述方法可包括根据无功供电请求传输各自功率参考参数。所述发电厂控制器可被配置为根据接收到的功率容量数据将各自的功率参考参数传输到所述多个发电机控制器。
所述发电厂控制器可被配置为：将各自的功率参考参数传输到多个发电机控制器，直到输电系统运营商不再请求无功供电为止。所述方法可包括传输各自的功率参考参数，直到输电系统运营商输电系统运营商不再请求无功供电为止。
每一个功率参考参数可包括给所述发电机控制器的至少一个第一命令，以操作所述风力涡轮发电机在一个时间段内提供水平等于所确定的功率容量数据的无功供电水平的无功功率，该时间段小于或等于对应于无功供电水平的时间限制。
每一个功率参考参数可包括给所述发电机控制器的至少一个进一步命令，以操作所述风力涡轮发电机提供水平低于第一命令的水平的无功功率。
每一个功率参考参数可包括给所述发电机控制器的降额命令(de-ratingcommand)，以降低所述风力涡轮出力以减少所述无功供电和/或有功供电，并且其中在该第一命令的时间段后将该降额命令传输到对应的发电机控制器。例如，当所述进一步命令可逐步降低无功供电水平直到再次达到通常的无功供电水平为止时，所述第一命令可实施最大提升无功供电水平。然后，实施所述降额命令来减少风力涡轮的输出以相对于电力供应优先考虑冷却。在所述第一命令和所述进一步命令实施期间，无功供电可优先于有功供电。
每一个发电机控制器可被配置为根据所传输的各自的功率参考参数控制所述风力涡轮发电机的运转。
所述风力发电厂可包括补偿设备。所述发电厂控制器可用于将功率参考参数传输到补偿设备来维持风力发电厂系统的无功供电水平。所述方法可包括将功率参考参数传输到无功补偿设备来维持所述风力发电厂的无功供电水平。
根据本发明的另一个方面，提供了用在上述风力发电厂系统或为了实施上述方法的发电厂控制器。
根据本发明的另一个方面，提供用在上述风力发电厂系统的发电机控制器。
根据本发明的另一个方面，提供了包括上述发电厂控制器的风力发电厂。
根据本发明的另一个方面，提供了计算机可读的存储介质包括：命令，当在风力发电厂的发电厂控制器上执行该命令时使所述发电厂控制器执行如上所述的方法。
附图说明
现在仅通过例子的方式描述本发明的一个或多个实施例，参考附图，其中：
图1是风力发电厂及其与电网连接的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例，阐明风力涡轮发电机中无功功率性能相对有功发电的P-Q图；
图3是根据本发明的一个实施例，响应于来自输电系统运营商的增加无功供电的请求而管理发电厂控制器的操作的流程图；和
图4是根据本发明的一个实施例，展示实施图3的过程的发电厂控制器和风力涡轮发电机之间的信息/数据交换和消息队序的交互图。
具体实施方式
图1阐明将风力发电厂(WPP)连接到作为更宽电网的一部分的主输电网的典型架构。示出的例子仅是有代表性的并且本领域人员将意识到关于风力发电厂和其他可再生能源发电厂的其他特定架构也是可行的。此外，本领域人员将意识到以下描述的方法、系统和技术可应用到电网的许多不同配置。此外，所述风力发电厂和电网的部件是常规的并且因此对于本领域人员是熟悉的。
图1示出了包含风力发电厂(WPP)12的电网10，风力发电厂(WPP)12包括通常被称为风力涡轮机的多个风力涡轮发电机(WTG)14。单个的WTG也是可行的。多个WTG 14的每一个转变风能为电能，将该电能从WTG 14传输到主输电网16或主电网，作为有功功率进行配电。
WTG 14既生成有功功率也生成无功功率。主电网16通常具有无功功率需求来支持电压变化，并且WTG 14的输出可实时变换以匹配这些需求。一些无功功率需求不能只通过操作WTG 14来实现，所以补偿设备46可用来弥补不足。本发明提供的方法100和系统10可在全有功功率输出下操作WTG 14时，提供额外无功功率来减少对补偿设备46的依赖。
回到图1，将WPP 12的WTG 14中的每一个连接到连结WTG 14的本地电网。WPP 12依次、适当地经由馈线线路20被连接到集电器母线18。集电器母线18可处于中间电压水平以适于相对短距离的电力传输，例如处于10kV至150kV的范围内，最常用地在110kV至150kV之间。尽管这里为简单起见只示出了单个WPP 12，但是集电器母线18还可对多个风力发电厂提供公共耦合点(PCC)。
通过输电线路24将集电器母线18连接到主升压变压器22。通过另一个输电线路28，在互联点(Pol)26处将主升压变压器22依次连接到主电网16。Pol 26是在WPP 12和主电网16之间的接口。
当要求集电器母线18可跨越100km左右的距离时，主电网16可以是一个国际、国家、或地区电网，比如大不列颠国家电网，并且因此要求可跨越250km或更远的距离。于是为了更好的输电效率，主电网16的电压水平比集电器母线18的电压水平可能要高很多。
在极端状况下或极端状况之后，连接线路比如输电和馈线线路20、24、28的每一个可包括保护系统30来保护各部件免受伤害。例如，可以想到的是每一个线路中包括至少一个适当的电路断电器。
在下文中，除非另有说明，否则假定对当前连接的部件的指代或部件间的连接包括适当的馈线或输电线路。
WTG 14包括附到中心毂的多个转子叶片。将该中心毂可旋转地附接到机箱和发电机单元。WTG 14也包括至少一个中央控制器，该中央控制器被配置为监控WTG 14的运作状态来维持最佳的能源生成，并且该中央控制器还被配置为与WTG 14外部的发电厂控制器PPC 32和其他控制系统通信。中央控制器还用于响应于自PPC 32的命令，改变WTG14中的其他部件的运行以在WTG 14的无功和有功输出中产生变化。中央控制器还向PPC 32提供有关WTG 14的运转和监控的信息。在一些实施例中，若干WTG 14可共享单个WTG控制器。
特别地，中央控制器监控有关WTG 14热状态的参数。参数可包括：例如，环境温度、各部件温度、部件的转速、部件的累积运营期、湿度、电压与电流水平、和无功/有功发电。然后中央控制器利用对所述参数的监控来更新WTG 14的热映射或模型。该WTG或每一个WTG可生成所述热模型，该模型用于预测在不超过热极限的情形下驱动部件超过其额定性能的潜力。当被请求时，来自热模型的功率容量数据和有关WTG 14运作状态的其它参数适当地从WTG 13传送给PPC 32。稍后讨论可集成到WTG 14的中央控制器的热模型的示例性实施例。
仍然考虑图1，除了与WPP 12通信外，将PPC 32在测量点(PoM)34处连接到电网并还将PPC 32直接连接到WPP 12、以及每一个WTG 14。PPC 32的角色是在WPP 12和电网运营商或输电系统运营商(TSO)36之间充当命令和控制接口。TSO 36负责给PPC表明主电网16的需要和要求。在其作为命令和控制接口的角色中，PPC 32解读来自TSO 326请求的配电需求，并且在考虑其他运行因素，比如电网故障和输出或所测量的电网电压的突然变化的同时，管理WPP 12中的风力涡轮14以便满足这些请求。
PPC 32是一个用于执行如上所述的控制和命令的适当的计算机系统，所以包含处理模块38、连接模块40、存储器模块42和检测模块44。
为了监控和调节WPP 12的输出和正确解读电力需求，在PoM 34处将PPC 32连接到位于主变压器22和Pol 26之间的输电线路28。PPC32被配备为测量各种参数，包括WPP 12在Pol 26处将供给主电网16的有代表性的功率输出。由于PoM 34不在Pol 26，PoM 34与Pol26之间和PoM 34与PPC 32之间的线路中的存在损失，可对测量有影响，所以测量参数仅是有代表性的。可采取适当的补偿来抵消损失以确保测量结果是准确的。
此外，PPC 32测量功率输出的参数比如频率和电压、和在WPP 12和主电网16之间的无功交换以及主电网16的电压水平。PPC 32将测量的参数与专用的电网要求作比较，并且相应地将控制命令传送到WPP12的特定部件。WPP 12能够通过改变WTG 14的运转，改变其无功输出以回应接收自PPC 32的命令。
为了确保对无功交换更高水平的控制，将无功补偿设备46集成在WPP 12中，比如电容器组、静态同步补偿器(STATCOM)或静态VAR补偿器(SVC)，并且该补偿设备以与多个WTG 14并联方式连接到集电器母线18。补偿设备46被配置为当被请求的时候提供无功补偿，比如根据控制策略当收到来自PPC 32的命令时。
PPC 32以适当的方式将控制命令传送到补偿设备46和WTG 14。需要注意的是，图1是一个示意图，因此将控制命令传送到补偿设备46和/或WPP 12的方式没有明确描述。然而，可以理解，可提供适合的缆连接线以互联PPC 32和补偿设备46/WTG 14。该互联可以是直接或“点到点”连接，或可以是在适合的协议下(例如CAN-总线或以太网)的局域网(LAN)的一部分。也应该意识，除了使用缆线连接，可通过适合的无线网络无线传输控制命令，例如在WiFiTM或ZigBeeTM(分别是IEEE802.11和802.15.4)标准下工作。
图1的示意图应该仅被当作指示风力发电厂12。风力发电厂的可替代的配置也是公知的，并且可预料到还可包含其他已知部件作为图1中所示和所述部件的补充或替代。这些变化将在技术人员的能力范围内。例如，可以想到根据包括在多个WTG 14中的WTG 14的数量，在风力发电厂中包含变电站或额外变压器。
在一些实施例中，PoM 34可被布置在系统中的不同位置，使得由PPC 32测量的参数不代表这些参数在Pol 26处的实际值，并且这些值可相差一个数量级或更多。在这种情形下，可将修正系数应用到测量结果，以针对PoM 34相对于Pol 26的不同位置进行调整。因此只要有预先确定的修正系数，PoM 34关于Pol 26的位置就变得无关紧要。因此，即使不在互连点处直接测量电压，测量到的电压可指示该互连点处的电压或与互连点处的电压关联。
图2示出了具有2MW的额定最大发电功率的WTG 14的无功功率限制水平与有功功率(P)之间的关系，x轴表示有功功率(P)，y轴表示无功功率。线(“A”)从对应于0kVAr或没有净无功交换的y轴和x轴的交点延伸。处于0kVAr到1000kVAr之间的无功功率水平表明由WPP12供给主电网16的无功功率水平。被检测处于-1000kVAr至0kVAr之间的无功功率水平表示由WPP 12从主电网16吸收来的无功功率水平。
无功功率限制水平由WTG 14操作参数定义并考虑各种运行因素，以便建立安全界限。超出无功功率限制水平生成更高无功功率水平是可能的，但是会导致WTG 14的不安全操作。需要注意的是，图2中示出的值仅代表一个2MW的WTG。然而，图2的关系也可适用于其他WTG额定功率或甚至其他可再生能源发电机，比如波浪能量发电机和光伏发电机，并且2MW WTG的规格纯粹是为了说明的目的。本申请中概述的原则并非专用于特定WTG，并且适用于与PPC组合的任何额定功率的WTG。技术人可以知道：在图2中示出的无功功率容量关系是一种典型的无功功率限制-有功功率关系。
可以看出，在图2中存在两个不同配置，是关于WTG 14的电枢绕组的不同配置。如图2中标记的那样，在0kW至650kW的有功水平之间，存在第一电枢绕组配置，并且在第一配置中，无功限制是-500kVAr至500kVAr。在第二电枢绕组配置中，在近似200kW至2000kW(2MW)的有功发电性能之间，无功限制是-1000kVAr至1000kVAr。如图2中的阴影区域(“B”)所示，在第一和第二配置之间存在两个切换区域，其中这些配置的额定功率重叠。
如技术人员所知，在不同的风速下使用不同的绕组配置以便优化转换效率。例如，在一个相对低的风速下可以使用星型配置，因此有较低电压；而在较高的风速下可以优选使用三角形(delta)配置，因此有较高电压。
在第二配置中，用实线表示的无功交换限制随着有功输出水平趋于最大值而减小。在图2中，在1400kW至2000kW有功功率水平之间，用于无功电源的无功功率限制水平线性地从1000kVAr降低至410kVAr，而在1800kW至2000kW有功功率之间，无功功率的吸收极限从-1000kVAr降低到-589kVAr。如上述讨论地，该降低是为了保证WTG 14的安全运作。
在图2中定义了由阴影线(“C”)指示的另外两个区域，其中区域的一侧由无功功率交换限制水平限定，并且剩余三侧由图2中的虚线(“D”)所指示的新的限制线限定。在阴影线区域的无功功率值由每一个处于“超提升”模式的WTG 14实现，其中WTG 14被驱动超过其正常额定值以在高有功水平下提供高无功功率水平。
当处于“超提升”模式时，WTG 14在比正常使用期间的运行水平更高的运行水平下运行。在特定的持续时间内在“超提升”模式下运行可引起部件达到热极限。因此尽管WTG14可在较高运行水下平运行，该水平不能维持超过特定持续时间，否则将对WTG 14造成损坏，这可引起性能下降或更糟糕的部件故障或损坏。
利用集成在每一个WTG控制器中的热模型可基于若干参数预测可维持超提升水平的持续时间。每一个水平的持续时间的预测可基于以下一个或多个状况参数：风速、涡轮机机箱内的温度、WTG14的温度、外部温度、WTG 14的转速、自上一次超提升运行的时间和桨距角(blade pitch angle)。在一些实施例中，可将WTG 14的当前需求和状况与有关之前超提升情形的信息作比较，该信息存储在与WTG控制器相关的存储器模块中。预测可基于先前的超提升情形，在该先前的超提升情形下可进行超提升的状况与当前状况匹配。根据在超提升情形期间测量的参数通过迭代过程可对模型进行自我更新。如稍后将结合图3和图4所讨论的，根据即时条件，热模型可以相对高的频率被定期更新，或者可选地，可仅在PPC 32请求时进行输出和更新。
能够预测每一个超提升水平的持续时间的能力对于使TSO 36的需求能够安全满足是尤其有用的。图3阐明在TSO 36需要高于WPP 12的一般性能的增加的有功功率情况下，管理PPC 32的操作的流程图100。图4阐明了超提升模式下在PPC32和WTG控制器之间典型的信息交换200。现在将进一步参考图2来讨论图3和图4。PPC 32根据图3的过程100持续运行，直到TSO 36提出的需求被满足为止。
在使用中，每一个WTG 14被配置为具有上限的最大无功功率水平Qmax(cap)，这里以在所有的有功水平下+410kVAr来描述。这个上限的最大水平在图2中以点划线(“E”)表示。WTG 14能够在两个电枢配置中并且在超出大约100kW的所有有功功率水平下，以上限的最大无功供电水平运行。给Qmax(cap)选择的值允许在电枢切换期间这种持续运行并被选为WTG14可运行的安全运转水平。在Qmax(cap)下，WTG 14在其运转性能内工作良好，并因此在其热极限范围内工作良好，以及在该水平下的运转可长期持续而不会出现任何问题。
在以Qmax(cap)以及高有功功率水平即>1400kW下运转期间，TSO36可请求来自WPP 12的超过Qmax(cap)以及图2中示出的针对特定的有功功率水平的限制线E的增加的无功供电。为此，PPC 32实施图3中所示的过程100，并且根据图4相应地与每一个WTG控制器通信，向WTG控制器请求和接收来自WTG控制器的信息200。
在图3的过程的第一步102，PPC 32请求来自WTG控制器的对每一个WTG 14的热容量的预测102。热容量可定义为在达到热极限之前，在正常运行水平之上运转WTG 14的可能性。热极限可以由单个部件的温度、多个部件的平均温度、WTG 14本身机箱内环境温度或另外的指示参数定义，并且可通过将相关参数与预定阈值进行比较来评估，或通过将该相关参数与基于热模型和先前数据的阈值进行比较来评估。这种由PPC 32请求的WTG 14的容量或可能性可被PPC 32在预先确定的标准下设置。例如，PPC32可请求若干WTG在特定运转水平下运行特定持续时间以满足需求，并且该所选的持续时间和水平可取决于补偿设备46的状态或来自TSO 36的需求。通过将PPC 32接收的预测与标准进行比较，PPC 32可容易地正确地分发命令。
反过来，每一个WTG控制器以热映射/建模预测的形式将其热容量104传送到PPC32。在图3和图4的实施例中，预测包含可满足Qref的增加的最大无功水平QOB和在达到热极限之前可维持该水平的持续时间QOB_Duration。此外，每一个WTG控制器还可提供预先确定数量的中间无功水平的持续时间的预测。
中间无功水平可以是QOB至Qmax(cap)之间多个预先确定的值或多个设定的间隔。如果在无功水平最终降低到Qmax(cap)之前顺序地以上述那些间隔中的每个间隔驱动WTG，则每一个持续时间值是可实现相应无功功率水平的持续时间。例如，设想在一些实施例中，QOB可被请求为852kVAr，作为响应，WTG会返回一个对应的90秒的QOB_Duration，以及针对中间值为例如714kVAr和578kVAr的持续时间。
如上所述，如果WTG 14顺序地请求所有无功功率的水平直到在WTG14达到热极限的点处无功功率水平最终回归到Qmax(cap)，针对可实现的这些水平，这些持续时间由WTG控制器利用热模型计算。作为这些持续时间的补充或替代，也可提供可选的一组持续时间。该可选的一组持续时间可取决于WTG 14的容量和无功参考水平，如果请求的是无功功率水平从Qmax(cap)到QOB再回到Qmax(cap)的单次跳跃而不是从QOB逐渐阶梯地减小到Qmax(cap)，则可选的一组持续时间就是能够实现的持续时间。
因此，通过请求和随后接收来自WTG控制器的热模型的水平和持续时间，PPC 32实施握手协议，该协议可提高WTG 14运行安全性。通过接收来自每一个WTG控制器针对每一个WTG 14定制的信息，PPC 32能够给予具有最大超提升容量的WTG 14优先权，并减少运转在热极限或接近热极限下的WTG的负担。这在延长WTG 14的使用寿命方面尤其有益。
一旦PPC 32从WTG控制器接收到热映射预测，PPC 32就分析从WTG控制器接收的预测，并将各命令分发106给各个WTG 14，以优化地实现由TSO 36提出的无功请求。该命令包括超提升请求,和可包括指定的无功功率水平(例如以kVAR为单位)和可持续水平(例如以秒为单位)。在WTG 14处实施该命令并满足无功请求。依据图2的P-Q图，在该阶段WTG 14在阴影线或“超提升”区域内运转。
PPC 32还将启动命令分发到WPP 12中的无功补偿设备46。当需求时，增加WTG 14无功功率输出提供了快速响应的无功功率输出，并且优选单独使用补偿设备46，因为比如电容器组这样的补偿设备46可能需要预热时间才能实现完全无功补偿。因此，在补偿设备46到达完全操作潜能之前使用WTG 14可瞬间安全地满足无功需求。
当由于补偿设备46引起的无功补偿增加时，在超提升模式下运转的每一个WTG 14的无功输出可降低110至安全上限水平。在补偿设备46和WTG 14之间将会有一定程度的重叠以保证提供的无功水平没有衰退(dip)。如前面关于所提供的预测描述的那样，由每一个WTG 14提供的无功功率的降低110可以是逐步地或单次跳跃或步进方式。在所示的实施例中，无功功率可以逐渐地从QOB降低到Qmax(cap)。PPC 32在相应的时间控制无功供电中每一次的逐渐下降。如果WTG 14在PPC32命令它减少其无功供电前达到其热极限，WTG控制器可自动地减少输出至一个较低或安全的水平并且通知PPC 32。为了逐渐增加无功功率补偿，可设想补偿设备46将被顺序接通以提供无功功率供电的逐步增加。在某种程度上顺序接通与每一个WTG 14的无功供电的减少对应。
在WTG无功功率输出减少110至Qmax(cap)之后，每一个WTG 14的有功功率输出被降额(de-rated)112。例如，对于运转在2MW的有功功率水平且其无功功率输出降至Qmax(cap)为410kVAr的2MW WTG，如图2所示，WTG 14的有功功率被降低至1.8MW。这样做可更快地冷却WTG14，同时在仍然需要无功功率的情形下实现无功供电相对有功代供电的优先级，或者如果TSO 36在第一次需求之后快速传送第二无功需求。
在过程100的下一步骤，PCC 32从WTG控制器的热模型接收对超提升模式将不可用的持续时间的进一步预测114。重要的是，这允许PPC 32规划每一个WTG 14下一个时期的超提升。
因为WTG 14的不可用性是基于热模型并取决于几个条件，所以持续时间可比最初打算的长或短。因此WTG控制器随后将超提升模式的可用性和超提升模式可用的持续时间尽快地传送，然后由PPC 32接收116。基于不同的超提升水平和不同的持续时间，或者可传送单个QOB，PCC 32可接收116若干个单独的预测116。
在已经接收到116来自每一个WTG控制器的新的预测之后，并且尚未满足TSO 36的需求时，PPC 32将新命令分发118到WTG 14以启动额外的超提升时期，而且过程继续120，进行无功输出、冷却期和额外预测，直到满足TSO 36需求为止。尽管没有在图3中示出，但是新命令可与补偿设备46输出的无功补偿中的减少一致。
如果TSO 36的需求被满足或TSO 36不再需求无功供电增长，图3的过程100可在任何时候停止。PPC 32随后实现另一个冷却程序，其中无功功率补偿设备46被关闭，并且WTG14回归到正常操作模式。
图4示出了在PPC 32和一个WTG控制器之间实现的握手协议和信息交换200。除了显示的信息交换200之外，WTG控制器可在任何时间点传送它已经达到热极限，或者传送除了来自热映射的预测之外的参数给PPC 32。例如，WTG 14被配置为向PPC 32传送它正在接近热极限的信息，进行该传送的阈值是预先确定的。
现在讨论可由每一个WTG 14的中央控制器实施的热模型的一个示例性实施例。在这个示例性实施例中热模型由多个预先确定的“默认”关系形成。每一个关系都是部件专用的，并且在达到热极限之前在部件内部测量的电流幅度与可实现该电流时间之间形成。另外，对于每一个关系，定义了第一电流水平，在该第一电流水平之下部件可以运转任何时间长度，而不会达到其热极限。此外，定义了最大电流水平，在该最大电流水平之上，部件不可能运转。
在中央控制器内对每一个部件的默认关系进行初始编程。安装WTG14之后，使用基于WTG14的安装参数计算的主要权重来调整该关系。为了计算主要权重，可使用热模型的若干不同参数输入，比如：WTG的高度、WTG的产能、特定部件专用的预先确定的参数，以及环境温度范围等。
在WTG14的运转期间，该关系可通过次要权重进一步调整，次级权重是使用部件、系统或电网内的瞬时测量值来计算的。为了计算次级权重，热模型的输入可包括：部件的电流测量、相邻部件的电流测量、瞬时环境温度、用热电偶或电阻温度检测器测量的部件的温度、相邻部件的温度、和/或自上次达到热极限后经历的时间。
因此，热模型的关系随着WTG 14的状况改变或者WTG 14外部状况改变而改变。由于热模型权重的改变，一个部件相对于其他部件将具有最低的第一电流水平并因此设定极限，WTG 14必须运转在该极限以下以降低所有部件的运转温度。类似地，具有最低的最大电流水平的部件也将在超提升模式期间设置WTG 14的一个或多个运转水平。
在PPC 32请求102WTG控制器请求进行热预测时，热模型的输出因此将至少是最低的最大电流水平和可实现该水平的时间，其他中间水平可如上所述输出。
当考虑热模型的冷却预测时，将包含类似的系统，由此，WTG控制器使用WTG14内的多个传感器，将WTG 14的状况和WTG 14周围的外部状况考虑进来，以便在以降额的有功功率输出运转时提供每一个部件的温度与该部件达到该温度所花费的时间之间的调整的关系。
应当注意在整个说明书自始至终，对WTG 14的引用通常可涉及到WTG 14、控制器、或WTG14的其他控制模块或部分。
尽管这里将系统10描绘为应用于风力发电厂12，但是可将该系统应用于任何其他形式的可再生能源发电厂，例如光伏发电厂。
在不脱离所附权利要求所定义的本发明的范围的情形下，可对上述例子进行许多修改。

Claims (16)

1.一种风力发电厂系统，包括：
多个风力涡轮发电机，每一个风力涡轮发电机具有对应的发电机控制器，和
发电厂控制器，用于控制所述风力发电厂系统产生的电力；
其中所述多个发电机控制器中的至少一些发电机控制器中的每一个发电机控制器被配置为：
生成指示所述风力涡轮发电机中一个或多个部件的热容量的模型；
根据所述模型确定功率容量数据，所述数据相关于：至少一个无功供电水平和能够维持所述无功供电水平的对应时间限制；和
向所述发电厂控制器传输所确定的功率容量数据；
其中所述发电厂控制器可操作以用于从所述多个发电机控制器接收所述功率容量数据并且将各功率参考参数传输到所述多个发电机控制器以控制所述风力发电厂系统产生的电力。
2.根据权利要求1所述的风力发电厂系统，其中根据所述风力涡轮发电机的安装参数和/或每一个部件的预先确定的热关系来生成所述模型。
3.根据前述任一权利要求所述的风力发电厂系统，其中所述发电机控制器被配置为根据所述风力涡轮的运行状况来改变所述模型。
4.根据前述任一权利要求所述的风力发电厂系统，其中所述至少一个无功供电水平超过预先确定的无功供电限制以便提供无功功率提升。
5.根据前述任一权利要求所述的风力发电厂系统，其中确定所述对应时间限制来避免超出所述一个或多个部件的热容量。
6.根据前述任一权利要求所述的风力发电厂系统，其中所述功率容量数据也包括冷却时间段。
7.根据前述任一权利要求所述的风力发电厂系统，其中所述发电机控制器被配置为响应于来自所述发电厂控制器的请求，传输所确定的功率容量数据到所述发电厂控制器。
8.根据权利要求7所述的风力发电厂系统，其中所述发电厂控制器被配置为响应于从输电系统运营商接收的无功供电请求，请求功率容量数据。
9.根据权利要求8所述的风力发电厂系统，其中所述发电厂控制器被配置为根据所述无功供电请求和/或直到所述输电系统运营商不再请求无功供电为止，传输各功率参考参数到所述多个发电机控制器。
10.根据前述任一权利要求所述的风力发电厂系统，其中所述发电厂控制器被配置为根据所接收的功率容量数据，传输各功率参考参数到所述多个发电机控制器。
11.根据前述任一权利要求所述的风力发电厂系统，其中每一个功率参考参数包括给所述发电机控制器的至少第一命令，以操作所述风力涡轮发电机在一个时间段内提供水平等于所确定的功率容量数据中的无功供电水平的无功功率，所述时间段小于或等于对应于所述无功供电水平的时间限制。
12.根据权利要求11所述的风力发电厂系统，其中每一个功率参考参数包括：给所述发电机控制器的至少一个进一步命令，以操作所述风力涡轮发电机提供水平低于所述第一命令的水平的无功功率；和/或给所述发电机控制器的降额命令，以降额所述风力涡轮发电机来减少所述无功供电和/或有功供电，并且其中在所述第一命令的时间段后将所述降额命令传输到对应的发电机控制器。
13.根据前述任一权利要求所述的风力发电厂系统，其中所述发电机控制器中的每一个发电机控制器被配置为根据所传输的各功率参考参数，控制所述风力涡轮发电机的运转。
14.根据前述任一权利要求所述的风力发电厂系统，包括补偿设备，并且其中所述发电厂控制器可操作以用于将功率参考参数传输到所述补偿设备以维持所述风力发电厂系统的无功供电水平。
15.一种操作包括多个风力涡轮发电机的风力发电厂的方法，所述方法包括：
从所述风力涡轮发电机中的一个或多个风力涡轮发电机接收功率容量数据，所述功率容量数据相关于：至少一个无功供电水平，和能够维持所述无功供电水平的对应时间限制，
根据所接收的功率容量数据将各功率参考参数传输到所述多个风力涡轮发电机。
16.一种包括指令的计算机可读存储介质，其中当所述指令在风力发电厂的发电厂控制器上执行时使所述发电厂控制器执行权利要求15的方法。
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