CN111075653A - 用于管理风力涡轮功率系统中的共振的系统和方法 - Google Patents

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E.V.拉森
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Abstract

提供用于管理或控制风力涡轮功率系统中的共振的系统和方法。具体而言，可提供一种用于控制功率系统的方法，该功率系统包括中央主控制器和通过互连点电连接于电力网的一个或多个风力涡轮，其中各个风力涡轮包括电压调节器。方法可包括由控制器从传感器接收与风力涡轮相关联的信号，以及至少部分地基于传感器信号确定哪些风力涡轮在指示风力涡轮电功率系统中的共振条件的条件下操作。方法还可包括至少部分地基于相交点处的功率需求来生成一个或多个控制信号，以及基于控制信号来控制电压调节器中的各个的操作状态。

Description

用于管理风力涡轮功率系统中的共振的系统和方法
技术领域
本公开大体上涉及用于控制风力涡轮的系统和方法，并且更具体而言，涉及用于管理或控制风力涡轮功率系统中的共振的系统和方法。
背景技术
风功率被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源之一，并且风力涡轮在这方面获得越来越多的关注。如果利用控制系统和方法学来协调由可再生能源产生的功率、功率分配系统上的功率需求以及基于变化的操作状态(关于可再生能源为固有的)消耗的功率，则现有的电功率分配系统(例如，电力网)可用于分配来自可再生能源(如风)的功率。例如，风力涡轮的操作状态可基于风速或在没有风的情况下变化。
风功率并非总是具有恒定的功率输出，而是可包括变化；因此，功率分配系统的运营商必须考虑到这一点。结果之一是，例如，分配和传输网络变得更加难以管理。这还和包括风力涡轮的功率分配系统中的共振的管理有关。与常规发电厂一样，应当管理或控制风力发电厂或风电场，以向电力网提供稳定的功率(例如，具有恒定的电压和频率、最小的干扰，以及低谐波发射)，以确保可靠性和正确的功率输送。
可包括风力涡轮和风电场的风力涡轮功率系统具有多个机械和电气构件。电气和/或机械构件中的各个可具有独立或不同的操作限制，如电流、电压、功率和/或温度限制。在某些情况下，当风力涡轮功率系统、风力涡轮和/或风电场集成到功率分配系统(例如，主电力网和/或现有电力网)中或者与其连接时，共振可引起失真，其可负面地影响功率质量。共振可由风力涡轮功率系统的电气基础结构的某些构件(如与多个风力涡轮中的各个、电网或风电场相关联的互连功率转换器)之中和之间的相互作用引起。
在风力涡轮功率系统或风电场内，电气基础结构的若干构件可彼此共振(例如，变压器、电力电缆、电容器等)。当频率(电压或电流)经历等于或几乎等于电容元件电抗的电感元件电抗时，共振可发生。此外，关于可再生能源工厂(如风电场)，这些可再生能源工厂至电网的连接可包括长的高压传输线，这是由于这些工厂可定位的远程的地点。传输线(即，电力电缆)和附加的电气基础结构(例如，变压器、电抗器、电容器)可导致低频共振(例如，低于二次谐波或三次谐波)。低频共振由于与高压传输线相关联的电容而发生。传输线的电容随着传输线长度的增加而增加。低频处发生的共振可与风电场功率转换器或其构件(如转换器控制调节器(即，风力涡轮终端电压调节器))相互作用，并且导致关于由风电场提供的功率的不稳定。
共振可引起关于由风电场提供的功率的不稳定，因为共振可在风电场和/或电网的电流低于正常操作水平时，引起电压显著地高于用于风电场和/或电力网的正常操作水平。电功率分配系统内的电压的维持对系统关于功率输送和功率流的稳定性而言为重要的。未能维持电功率分配系统内的电压可对系统造成消极的后果和影响，包括电压崩溃，其可引起对生成、传输以及分配设备的损坏并且导致停电。电功率分配系统(例如，电网)的稳定性与共振有关；因此，通常必要的是管理与可再生源有关的共振以满足电气需求，同时为电网提供稳定性。
基于逆变器的资源(如风力涡轮)的操作需要电网强度，其使得电网能够以可靠且稳定的方式操作。然而，在许多情况下，由于许多风电场所定位的远程或恶劣的条件，风电场经常与弱电网集成在一起，该弱电网可被共振消极地影响。将基于逆变器的资源集成到弱电网中可呈现许多挑战(如在系统中产生共振条件的可能性)，其可由不同的方法减轻，该不同的方法包括传输线的增强或将附加的设备集成到电网中以提高强度。电网增强的这些方法包括缺点，其包括附加的空间需求、多个控制地点和设定、增加的系统构件成本、增加的系统安装成本，以及增加的系统维护成本。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述为明显的，或者可通过本公开的示例性实施例的实践学习。
本公开的一个示例性方面涉及一种用于控制风电场电功率系统的方法。风电场电功率系统可包括控制器，和通过互连点电连接于电力网的一个或多个风力涡轮。各个风力涡轮还可包括电压调节器。方法包括由控制器从传感器接收与一个或多个风力涡轮相关联的一个或多个信号，以及至少部分地基于传感器信号中的一个或多个来由控制器确定在指示风力涡轮电功率系统中的共振条件的条件下操作的一个或多个风力涡轮。方法还包括至少部分地基于相交点处的功率需求来由控制器生成一个或多个控制信号，以及至少部分地基于一个或多个控制信号来由控制器控制电压调节器中的各个的操作状态，以减少共振条件。
本公开的另一示例性方面涉及一种用于操作风电场电功率系统的控制系统。风电场电功率系统可包括通过互连点电连接于电力网的一个或多个风力涡轮。控制系统可包括一个或多个处理器和一个或多个存储装置。存储装置可构造成储存指令，该指令在由一个或多个处理器执行时使一个或多个处理器执行操作。操作可包括由处理器从传感器接收与一个或多个风力涡轮相关联的一个或多个信号，以及至少部分地基于传感器信号中的一个或多个来由处理器确定在指示风力涡轮电功率系统中的共振条件的条件下操作的一个或多个风力涡轮。操作还可包括至少部分地基于相交点处的功率需求来由处理器生成一个或多个控制信号，以及至少部分地基于一个或多个控制信号来控制电压调节器中的各个的操作状态，以减少共振条件。
本公开的另一示例性方面涉及一种风电场。风电场可包括通过互连点电连接于电力网的一个或多个风力涡轮。风电场可包括构造成执行一个或多个操作的控制器。操作可包括由处理器从传感器接收与一个或多个风力涡轮相关联的一个或多个信号，以及至少部分地基于传感器信号中的一个或多个来由处理器确定在指示风力涡轮电功率系统中的共振条件的条件下操作的一个或多个风力涡轮。操作还可包括至少部分地基于相交点处的功率需求来由处理器生成一个或多个控制信号，以及至少部分地基于一个或多个控制信号来控制电压调节器中的各个的操作状态，以减少共振条件。
技术方案1. 一种用于控制风电场电功率系统的方法，其中所述风电场电功率系统包括控制器、通过互连点电连接于电力网的一个或多个风力涡轮，并且其中各个风力涡轮包括电压调节器，所述方法包括：
由所述控制器从传感器接收与所述一个或多个风力涡轮相关联的一个或多个信号；
至少部分地基于所述传感器信号中的所述一个或多个来由所述控制器确定在指示所述风力涡轮电功率系统中的共振条件的条件下操作的一个或多个风力涡轮；
至少部分地基于所述相交点处的功率需求来由所述控制器生成一个或多个控制信号；以及
至少部分地基于所述一个或多个控制信号来由所述控制器控制所述电压调节器中的各个的操作状态，以减少所述共振条件。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
由所述控制器确定由一个或多个活动风力涡轮产生的总功率量；
至少部分地基于由所述活动风力涡轮产生的所述总功率与功率阈值之间的比较来由所述控制器生成一个或多个信号，所述功率阈值至少部分地基于所述共振条件来确定。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述控制器包括中央主控制器，其构造成控制所述一个或多个风力涡轮的所述电压调节器中的各个的操作状态。
技术方案4. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，所述功率阈值至少部分地基于在低风或无风条件下操作的活动风力涡轮的数量。
技术方案5. 根据技术方案3所述的方法，其特征在于，至少部分地基于所述一个或多个控制信号来控制所述电压调节器中的各个的操作状态还包括：
当由所述活动风力涡轮产生的所述总功率小于所述功率阈值时，由所述中央主控制器改变用于所述电压调节器中的一个或多个的所述电压调节器增益。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其特征在于，用于所述电压调节器中的各个的所述电压调节器增益由所述中央主控制器的所述改变至少部分地基于所述相交点处的所述功率需求。
技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其特征在于，用于所述电压调节器中的各个的所述电压调节器增益由所述中央主控制器的所述改变还至少部分地基于与所述相交点相关联的磁滞窗。
技术方案8. 一种用于操作风电场电功率系统的控制系统，其中所述风电场电功率系统包括通过互连点电连接于电力网的一个或多个风力涡轮，所述控制系统包括：
一个或多个处理器；
一个或多个存储装置，其中所述一个或多个存储装置构造成储存指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括：
由所述处理器从传感器接收与所述一个或多个风力涡轮相关联的一个或多个信号；
至少部分地基于所述传感器信号中的所述一个或多个来由所述处理器确定在指示所述风力涡轮电功率系统中的共振条件的条件下操作的一个或多个风力涡轮；
至少部分地基于所述相交点处的功率需求来由所述处理器生成一个或多个控制信号；以及
至少部分地基于所述一个或多个控制信号来控制所述电压调节器中的各个的操作状态。
技术方案9. 根据技术方案8所述的控制系统，其特征在于，操作还包括：
由所述处理器确定由一个或多个活动风力涡轮产生的总功率量；
至少部分地基于由所述活动风力涡轮产生的所述总功率与功率阈值之间的比较来由所述控制器生成一个或多个控制信号，所述功率阈值至少部分地基于所述共振条件来确定。
技术方案10. 根据技术方案8所述的控制系统，其特征在于，所述处理器包括中央主处理器，其构造成控制所述一个或多个风力涡轮的所述电压调节器中的各个的操作状态。
技术方案11. 根据技术方案9所述的控制系统，其特征在于，所述功率阈值至少部分地基于在低风或无风条件下操作的活动风力涡轮的数量。
技术方案12. 根据技术方案10所述的控制系统，其特征在于，至少部分地基于所述一个或多个控制信号来控制所述电压调节器中的各个的操作状态还包括：
当由所述活动风力涡轮产生的所述总功率小于所述功率阈值时，由所述中央主处理器改变用于所述电压调节器中的一个或多个的所述电压调节器增益。
技术方案13. 根据技术方案12所述的控制系统，其特征在于，用于所述电压调节器中的各个的所述电压调节器增益由所述中央主处理器的所述改变至少部分地基于所述相交点处的所述功率需求。
技术方案14. 根据技术方案13所述的控制系统，其特征在于，用于所述电压调节器中的各个的所述电压调节器增益由所述中央主处理器的所述改变还至少部分地基于与所述相交点相关联的磁滞窗。
技术方案15. 一种用于减少电功率系统中的共振的方法，其中所述风电场电功率系统包括控制器、通过互连点电连接于电力网的一个或多个风力涡轮，并且其中各个风力涡轮包括电压调节器，所述方法包括：
由所述控制器从传感器接收一个或多个信号，所述一个或多个信号与处于活动状态的一定量的风力涡轮相关联；
至少部分地基于所述传感器信号中的所述一个或多个来由所述控制器确定在指示所述风力涡轮电功率系统中的共振条件的条件下操作的所述活动风力涡轮中的一个或多个；
由所述控制器确定由一个或多个活动风力涡轮产生的总功率量；
至少部分地基于由所述活动风力涡轮产生的所述总功率与功率阈值之间的比较来由所述控制器生成一个或多个信号，所述功率阈值至少部分地基于所述共振条件来确定；
至少部分地基于所述相交点处的功率需求来由所述控制器生成一个或多个控制信号，并且其中所述控制信号至少对应于在零和一之间的增益水平命令；以及
至少部分地基于所述一个或多个控制信号来由所述控制器控制所述电压调节器中的各个的操作状态，以减少所述共振条件。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述控制器包括中央主控制器，其构造成控制所述一个或多个风力涡轮的所述电压调节器中的各个的操作状态。
技术方案17. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述功率阈值至少部分地基于在低风或无风条件下操作的活动风力涡轮的数量。
技术方案18. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，至少部分地基于所述一个或多个控制信号来控制所述电压调节器中的各个的操作状态还包括：
当由所述活动风力涡轮产生的所述总功率小于所述功率阈值时，由所述中央主控制器改变用于所述电压调节器中的一个或多个的所述电压调节器增益。
技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，所述增益水平命令至少部分地基于所述相交点处的所述功率需求。
技术方案20. 根据技术方案19所述的方法，其特征在于，用于所述电压调节器中的各个的所述电压调节器增益由所述中央主控制器的所述改变还至少部分地基于与所述相交点相关联的磁滞窗。
可对本公开的这些示例性方面作出变型和改型。各个实施例的这些及其它的特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的部分的附图示出本公开的实施例，并且连同描述用于阐释相关的原理。
附图说明
针对本领域技术人员的实施例的详细论述在参照附图的说明书中阐述，在该附图中：
图1描绘根据本公开的示例性实施例的风力涡轮的部分的透视图；
图2描绘根据本公开的示例性实施例的风力涡轮电功率系统的示意图，该风力涡轮电功率系统适合于与图1中示出的风力涡轮一起使用；
图3描绘根据本公开的示例性实施例的风电场电功率系统的示意图；
图4描绘根据本公开的示例性实施例的控制器的框图；以及
图5描绘用于管理或控制风力涡轮系统中的共振的示例性方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照本公开的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。各个实例经由阐释本公开提供，而不限制本公开。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，可在本公开中作出各种改型和变型，而不脱离本公开的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，意图是，本公开覆盖归入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此类改型和变型。
风力涡轮电功率系统(例如，可包括一个或多个风力涡轮和一个或多个风电场的功率系统)至电力网的连接可包括长的高压传输线。与风力涡轮功率系统相关联的这些传输线和其它电气基础结构(例如，变压器、电抗器、电容器)可导致低频共振(即，低于二次谐波或三次谐波)。共振可与为风力涡轮功率系统的部分的转换器控制调节器(即，风力涡轮终端电压调节器)相互作用，并且导致由风力涡轮电功率系统提供的功率的不稳定。因此，本公开的示例性方面涉及用于控制风力涡轮电功率系统的系统和方法，并且更具体而言，涉及用于控制或管理风力涡轮电功率系统中的共振的系统和方法。
根据本公开的示例性方面，可动态地管理或控制包括风力涡轮和风电场的风力涡轮电功率系统，使得这些可再生能源(例如，风力涡轮)关于共振更有效地操作，而不需要附加的电气基础结构或电网增强。例如，本公开的示例性方面可包括控制器(如中央主控制器)，其用于收集和处理指示风力涡轮或风电场的一个或多个操作条件的风力涡轮或风电场级操作信息(例如，风力涡轮或风电场的电压水平或功率输出)。所述涡轮级或电场级信息可由控制器利用，以动态地控制风力涡轮电功率系统的一个或多个操作方面。例如，涡轮级或电场级信息可由控制器利用以生成一个或多个控制信号，以构造，调整或调谐可与一个或多个风力涡轮或风电场相关联的用于一个或多个电压调节器(如与用于一个或多个风力涡轮的功率转换器相关联的电压调节器)的电压调节器增益。
根据本公开的示例性方面，系统和方法可包括与一个或多个风电场中的各个相关联的中央主控制器和/或中央控制单元，以在低频共振存在于风力涡轮电功率系统中时，将稳定的功率(例如，稳定的电压和电流)提供至一个或多个风电场与电力网之间的互连点(POI)。风力涡轮电功率系统可包括一个或多个风电场。一个或多个风电场可包括一个或多个风力涡轮。各个风力涡轮可包括功率转换器，其可包括一个或多个电压调节器。
当低频共振存在于风力涡轮电功率系统中时，共振可经由基于用以将稳定或一致的电压提供至电力网的在POI处所需的电压水平，并且/或者基于操作的风力涡轮的数量，和操作的风力涡轮的一个或多个特性(例如，风力涡轮大小、地点、使用年限、维护状态)、电力网的特性(例如，电网的强度或状况、风电场或风力涡轮至电网的连接的强度或状况、电网架构、电网地点)、电网上的负载的特性(例如，重或可变的负载)和/或环境条件(例如，用于一个或多个风力涡轮的风力条件)同步或独立地选择性地调节或构造一个或多个电压调节器的增益，来通过本公开的示例性实施例动态且有效地管理。
根据本公开的示例性方面的、用于共振的管理或控制的示例性方法可包括经由中央主控制器从多个涡轮级控制器接收一个或多个信号，其指示一个或多个风电场内的活动风力涡轮的数量。方法还可包括经由中央主控制器确定一个或多个风电场内的一定量的活动风力涡轮的总功率产生能力(即，可由一个或多个活动涡轮产生的最大总功率量)。方法还可包括经由中央主控制器确定从一个或多个风场内的一定量的活动风力涡轮产生的功率的量。
方法可进一步包括将由一个或多个活动涡轮产生的功率量与预定功率阈值比较。共振经常在低功率情况期间经历(例如，在风力涡轮产生低于预定功率阈值的功率水平期间的环境条件、风速)。预定功率阈值还可至少部分地基于风电场中的一个或多个风力涡轮的总功率产生能力。预定功率阈值可对应于条件，在该条件期间，一个或多个风力涡轮不生成足够的功率来补偿在风力涡轮保持在线时由风力涡轮所消耗的功率(即，风力涡轮产生比所消耗的低的有效功率)。在各种情况下，预定功率阈值指示一个或多个风力涡轮处的条件，其可导致风力涡轮电功率系统中的共振条件。共振条件在风力涡轮电功率系统或其部分处于共振状态时发生。在共振条件期间，电气系统(即，风力涡轮电功率系统和电力网)的电感元件的崩溃磁场为电气系统的电容元件充电，并且接着电容元件放电以提供电流，其在电气系统的电感元件中建立磁场。该过程可连续重复，直到其被控制或管理。共振条件可对电气系统的操作不利，因为其可引起不需要的持续且瞬时的振荡，这可引起噪声、信号失真以及对电路元件的损坏。因此，示例性方法可用于减少共振条件或者以其它方式减少电气系统中存在的共振量。
方法可进一步包括至少部分地基于由一个或多个活动涡轮产生的功率量与预定功率阈值的比较，经由中央主控制器生成一个或多个控制信号用于控制一个或多个风力涡轮。控制信号可对应于并控制与一个或多个风力涡轮中的各个相关联的用于电压调节器的电压调节器增益。电压调节器命令可对应于在零和一之间的缩放器或增益水平命令。通过调节电压调节器增益，可减少共振条件，或者可减少电气系统中存在的共振量。
更具体而言，根据本公开的示例性实施例的一个或多个控制信号的生成可包括以下：当由一个或多个活动涡轮产生的功率量超过或等于预定功率阈值时，方法包括经由中央主控制器生成用于风力涡轮的电压调节器中的各个的电压调节器增益命令，使得各个电压调节器的增益保持恒定(即，电压调节器命令为一)。该电压调节器命令可从中央主控制器发送至各个涡轮级控制器，或者可从中央主控制器直接发送至电压调节器中的各个。响应于电压调节器增益命令，与各个风力涡轮相关联的功率转换器和电压调节器继续在其当前条件下并基于其当前参数操作。
根据本公开的示例性实施例的一个或多个控制信号的生成还可包括以下：当由一个或多个活动涡轮产生的功率量小于预定功率阈值时，方法包括经由中央主控制器生成用于风力涡轮的电压调节器中的各个的电压调节器增益命令，使得各个电压调节器的增益至少部分地基于POI处的功率需求(即，小于一的电压调节器命令)来动态地调谐。该电压调节器命令可从中央主控制器发送至各个涡轮级控制器，或者可从中央主控制器直接发送至电压调节器中的各个。响应于电压调节器增益命令，一个或多个控制器将减少与各个操作的风力涡轮相关联的各个电压调节器的终端电压增益，其修改成使得风电场在POI处提供功率，POI包括磁滞窗内的电压和电流水平。与POI相关联的磁滞窗表示与功率系统相关联的功率波动，其并未不利地影响电力网的稳定性。在某些情形下，磁滞窗基于POI处的电气设备的容差。在某些情况下，磁滞窗在POI处所需的功率量的10％内。
以这些方式，中央主控制器可用于动态地调谐在特定区域中操作和/或在特定POI处连接于电网的多个风力涡轮和/或风电场的参数。以该方式，根据本公开的示例性系统和方法可用于调谐多个功率转换器，使得功率转换器和与其相关联的风力涡轮基于POI处的共同条件以期望的操作模式操作(例如，在其中共振条件减少，或存在于电气系统中的共振量以其它方式减少的操作状态下)。
以该方式，本公开的示例性方面可提供许多技术效果和益处，包括同步调谐或控制在某个地理区域内操作的一个或多个功率转换器(和相关联的电压调节器)的参数，以使所述转换器的操作动态地适应于POI处的电力网的变化需求、POI处的功率条件(即，电压或电流水平)、能够从一个或多个风力涡轮和/或一个或多个风电场获得的总功率，并且基于变化的电网条件来适应所述转换器的操作。
通过选择性地调节一个或多个功率转换器的电压调节器的增益来动态和同步或接近同步地管理一个或多个功率转换器，以控制或管理风力涡轮电气系统中包含的共振，还可允许减少或消除为校正弱电网条件而专门设计或需要的电网增强(例如，包括传输线的增强或将附加的设备集成到电网中以提高强度)，使得风力涡轮电气系统提供在POI处由电网需要的稳定功率(包括稳定的电压水平)。此类系统和方法还提供如下优点：容许使用现有风力涡轮向电网提供稳定的功率，而不需要添加另外的系统构件(例如，包括传输线的增强或将附加的设备集成到电网中以提高强度)来解决弱电网条件。本公开的示例性系统或方法的此类优点的其它技术效果和益处包括针对电网事件的增强电网安全性、在变化条件下的严格电压调节，以及免受系统电压干扰的安全性。以该方式，本公开的示例性方面可提供许多技术效果和益处。
现在参照附图，将更详细地论述本公开的示例性方面。
图1描绘根据本公开的示例性实施例的风力涡轮10。如示出的，风力涡轮10包括机舱14，其典型地收纳发生器28(在图2中示出)。机舱14安装在从支承表面延伸的塔架12上。风力涡轮10还包括转子16，其包括附接于旋转毂18的多个转子叶片20。
图2描绘风力涡轮功率系统100，其包括风力涡轮10和适合于与风力涡轮10一起使用的相关联的功率系统102。在风撞击转子叶片20时，叶片20将风能转化成机械旋转扭矩，其可旋转地驱动低速轴22。低速轴22构造成驱动齿轮箱24(在存在的情况下)，其随后逐步升高低速轴22的低旋转速度，用以以增加的旋转速度驱动高速轴26。高速轴26大体上可旋转地联接于发生器28(如双馈感应发生器或DFIG)，以便可旋转地驱动发生器转子30。就此而言，旋转磁场可由发生器转子30感应，并且电压可在磁耦合于发生器转子30的发生器定子32内感应。相关联的电功率可从发生器定子32传输至主三绕组变压器34，其经由电网断路器36在POI 56处连接于电力网。因此，主变压器34逐步升高电功率的电压幅度，使得转化的电功率可进一步传输至电力网。
此外，如示出的，发生器28电耦合于双向功率转换器38，其包括经由调节的DC链路44连结于线路侧转换器42的转子侧转换器40。转子侧转换器40将从转子30提供的AC功率转换成DC功率，并且将DC功率提供至DC链路44。线路侧转换器42将DC链路44上的DC功率转换成适合于电力网的AC输出功率。因此，来自功率转换器38的AC功率可与来自定子32的功率组合，以提供具有大致上维持在电力网的频率(例如，50Hz/60Hz)的频率的多相功率(例如，三相功率)。
在一些构造中，功率系统102可包括涡轮级控制器224(在图3中示出)。涡轮级控制器224可为控制机构，如图4中示出和描述的控制器。
示出的三绕组变压器34可具有(1)连接于电力网的33千伏(kV)中压(MV)一次绕组33、(2)连接于发生器定子32的6到13.8 kV MV二次绕组35，以及(3)连接于线路侧功率转换器42的690到900伏(V)低压(LV)三次绕组37。
图3描绘根据本公开的示例性实施例的风电场电功率系统200的一个实施例的示意图。风电场电功率系统200可包括经由POI 56连接于电力网的多个风力涡轮功率系统100。风电场电功率系统200可包括至少两个集群204，以形成电功率系统200。包括多个风力涡轮10的单个风力涡轮功率系统100可布置在预定的地理地点并且电连接在一起，以形成风电场202。
与各个风力涡轮功率系统100相关联的电功率可经由一个或多个集群线220传输至干线206。各个风力涡轮功率系统100可经由一个或多个开关或断路器222连接于一个或多个集群线220或与其断开连接。风力涡轮功率系统100可布置成多个组(或集群)204，其中各个组分别经由开关208、210、212单独地连接于干线206。因此，如示出的，各个集群204可分别经由开关208、210、212连接于单独的变压器214、216、218，用于逐步升高来自各个集群204的电功率的电压幅度，使得转化的电功率可进一步传输至电力网。此外，如示出的，变压器214、216、218连接于干线206，其在经由POI 56将功率发送至电网之前组合来自各个集群204的电压。POI 56可为断路器、开关，或连接于电力网的其它已知方法。
各个风力涡轮功率系统100可包括电压调节器228(即，风力涡轮终端电压调节器)。电压调节器228调节由各个风力涡轮功率系统100输出的电压。电压调节器228可与涡轮控制器224或中央主控制器226电连通。因此，涡轮级控制器224或中央主控制器226可向电压调节器228中的一个或多个输送电压调节器增益命令(VCMD)，其继而指示经由群集线220分配至POI 56的功率的量。
各个风力涡轮功率系统100可包括一个或多个控制器，如涡轮控制器224。涡轮控制器224可构造成控制风力涡轮功率系统100的构件(包括开关222或电压调节器228)，并且/或者实施如本文中描述的方法步骤中的一些或全部。涡轮控制器224可定位在各个风力涡轮10上或内，或者可从各个风力涡轮10远程地定位。涡轮控制器224可为与风力涡轮功率系统100和/或风电场电功率系统200相关联的其它控制器中的一个或多个的部分或者关于其被包括。涡轮控制器224可至少部分地基于POI 56处所需的功率并且/或者至少部分地基于风力涡轮功率系统100、风电场电功率系统200的特性，和/或风力涡轮10的特性(例如，风力涡轮大小、地点、使用年限、维护状态)、电力网(例如，电网的强度或状况、风电场或风力涡轮至电网的连接的强度或状况、电网架构、电网地点)、电网上的负载(例如，重或可变的负载)和/或环境条件(例如，用于一个或多个风力涡轮的风力条件)来操作开关222，以使一个或多个风力涡轮功率系统100从集群线220连接或断开连接，并且控制电压调节器228，如电压调节器增益。
风电场电功率系统200可包括一个或多个控制器，如中央主控制器226。中央主控制器226可构造成控制风电场电功率系统200的构件(包括开关208、210和212、电压调节器228)，与一个或多个其它控制器(如涡轮级控制器224)通信，并且/或者实施如本文中描述的方法步骤中的一些或全部。中央主控制器226可定位在风电场电功率系统200或其任何部分的地理区域内，或者可从风电场电功率系统200或其任何部分远程地定位。中央主控制器226可为与风力涡轮功率系统100中的一个或多个和/或风电场电功率系统200相关联的其它控制器中的一个或多个的部分或者关于其被包括。集群204、风力涡轮功率系统100或涡轮级控制器224中的各个可与中央主控制器226通信地耦合。
中央主控制器226可至少部分地基于POI 56处所需的功率来生成控制信号并且将其发送至涡轮控制器224以操作开关222，以将一个或多个风力涡轮功率系统100从集群线220连接或断开连接。中央主控制器226可至少部分地基于POI 56处所需的功率来生成控制信号并且将其发送至电压调节器228，以操作或控制电压调节器228，并且控制从一个或多个风力涡轮功率系统100通过群集线220输送至POI的功率的量。中央主控制器226可至少部分地基于POI 56处所需的功率并且/或者至少部分地基于风力涡轮功率系统100、风电场电功率系统200的特性，和/或风力涡轮10的特性(例如，风力涡轮大小、地点、使用年限、维护状态)、电力网(例如，电网的强度或状况、风电场或风力涡轮至电网的连接的强度或状况、电网架构、电网地点)、电网上的负载(例如，重或可变的负载)和/或环境条件(例如，用于一个或多个风力涡轮的风力条件)，来生成控制信号并且将其发送至开关208、210和/或212以及/或者电压调节器228，以调节输送至POI 56的功率。
图4描绘根据本公开的示例性实施例的控制器400的框图。控制器400可为涡轮级控制器224或中央主控制器226。控制器400可包括一个或多个(多个)处理器402和相关联的(多个)存储装置404，其构造成执行多种计算机实施的功能(例如，执行方法、步骤、计算等，并且储存相关数据，如本文中公开的)。存储装置404还可储存与风力涡轮功率系统100、风电场电功率系统200的某些特性，和/或风力涡轮10的特性(例如，风力涡轮大小、地点、使用年限、维护状态)、电力网(例如，电网的强度或状况、风电场或风力涡轮至电网的连接的强度或状况、电网架构、电网地点)、电网上的负载(例如，重或可变的负载)和/或环境条件(例如，用于一个或多个风力涡轮的风力条件)有关的数据。
此外，控制器400可包括通信模块406，以促进控制器与风力涡轮功率系统100、风电场电功率系统200和/或中央主控制器226的各个构件之间的通信，包括中央主控制器226与涡轮级控制器224之间的通信。此外，通信模块406可包括传感器接口408(例如，一个或多个模拟-数字转换器)，以容许从一个或多个传感器410、412和414传输的信号转换成可由处理器402理解和处理的信号。传感器410、412和414可用于测量，确定或收集关于风力涡轮功率系统100、风电场电功率系统200的特性，和/或风力涡轮10的特性(例如，风力涡轮大小、地点、使用年限、维护状态)、电力网(例如，电网的强度或状况、风电场或风力涡轮至电网的连接的强度或状况、电网架构、电网地点)、电网上的负载(例如，重或可变的负载)和/或环境条件(例如，用于一个或多个风力涡轮的风力条件)的数据。
控制器400还可包括用户界面416。用户界面416可具有各种构造和控制机构，其可安装在用户界面416中或者位于用户界面416中。用户界面416还可定位在风电场电功率系统200或其任何部分的地理区域内，或者可从风电场电功率系统200或其任何部分远程地定位。用户界面416可包括输入构件418。输入构件418可为例如电容式触摸屏。输入构件418可允许风电场控制器226和涡轮控制器224以及任何计时器特征或其它用户可调节输入的选择性激活、调节或控制。包括旋转式拔号盘、按钮以及触摸板的多种电气、机械或机电输入装置中的一个或多种还可单独地或组合地用作输入构件418。用户界面416可包括显示构件，如数字或模拟显示装置，其设计成将操作反馈提供至用户。
应当认识到的是，传感器410、412和414可使用任何合适的器件通信地耦合于通信模块406。例如，传感器410、412和414可经由有线连接耦合于传感器接口408。然而，在其它实施例中，传感器410、412和414可经由无线连接(如通过使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议)耦合于传感器接口408。就此而言，处理器402可构造成从传感器410、412和414接收一个或多个信号。传感器410、412和414可为与风力涡轮功率系统100中的一个或多个和/或风电场电功率系统200相关联的其它控制器中的一个或多个的部分或者关于其被包括。传感器410、412和414还可定位在风电场电功率系统200或其任何部分的地理区域内，或者可从风电场电功率系统200或其任何部分远程地定位。
还应当理解的是，传感器410、412和414可为任何数量或类型的电压和/或电流传感器，其可在风力涡轮功率系统100内以及在任何地点处采用。例如，传感器可为电流变压器、分流传感器、罗戈夫斯基线圈、霍尔效应电流传感器、微惯性测量单元(MIMU)，或类似物，和/或本领域中现在已知或以后开发的任何其它合适的电压或电流传感器。因此，一个或多个控制器(如风电场控制器226和涡轮控制器224)构造成从传感器410、412和414接收一个或多个电压和/或电流反馈信号。
如本文中使用的，用语“处理器”不仅是指本领域中称为包括在计算机中的集成电路，而且是指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其它可编程电路。处理器402还构造成计算先进的控制算法，并且与多种以太网或基于串行的协议(Modbus、OPC、CAN等)通信。此外，(多个)存储装置404可大体上包括(多个)存储元件，其包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存)、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)，和/或其它合适的存储元件。此类(多个)存储装置140可大体上构造成储存合适的计算机可读指令，其在由(多个)处理器402实施时将控制器构造成执行各种功能，如本文中描述的。
图5描绘用于管理或控制风力涡轮系统中的共振的示例性方法的流程图。方法500可由一个或多个控制器(如中央主控制器226和/或涡轮级控制器224)执行，并且由关于风力涡轮功率系统100和/或风电场电功率系统200被包括的其它装置执行。图5描绘出于说明和论述目的以特定顺序执行的方法500的步骤。使用本文中提供的公开的本领域技术人员将理解的是，本文中论述的方法可以以各种方式来改变，重新布置，扩展，省略，同步执行或修改，而不脱离本公开的范围。
方法500可用于动态地管理或控制可再生能源(例如，如风电场电功率系统200和/或风力涡轮功率系统100)，使得它们关于共振更有效地操作，而不需要附加的电气基础结构或电网增强。方法500还可用于在低频共振存在于风力涡轮电功率系统200中时，将稳定的功率(例如，稳定的电压和电流)提供至一个或多个风电场电功率系统200与电力网之间的互连点(如POI 56)。风力涡轮电功率系统可包括一个或多个风电场100。一个或多个风电场可包括一个或多个风力涡轮10。各个风力涡轮可包括功率转换器，其可包括一个或多个电压调节器228。
当低频共振存在于风力涡轮电功率系统200中时，方法500可用于通过基于用以将稳定或一致的电压提供至电力网的在POI 56处所需的电压水平，并且/或者基于操作的风力涡轮10的数量，和操作的风力涡轮10的一个或多个特性(例如，风力涡轮大小、地点、使用年限、维护状态)、电力网的特性(例如，电网的强度或状况、风电场或风力涡轮至电网的连接的强度或状况、电网架构、电网地点)、电网上的负载的特性(例如，重或可变的负载)和/或环境条件(例如，用于一个或多个风力涡轮的风力条件)同步或独立地选择性地调节或构造一个或多个电压调节器228的增益，来动态且有效地管理共振。
在(502)处，方法可包括接收启动信号，其使控制算法开始，用于提供共振的动态管理。启动信号可由一个或多个控制器(如中央主控制器226和/或涡轮级控制器224)生成和/或接收。响应于指示使方法500开始的期望的用户输入或与一个或多个控制器的交互，启动信号可由一个或多个控制器(如中央主控制器226和/或涡轮级控制器224)生成。用户输入可通过用户界面(如用户界面416(图4))提供。响应于指示在POI 56处的功率的状态或量或者指示一个或多个环境条件(例如，一个或多个风力涡轮10处的低风或无风条件)的、从传感器410、412和414接收的一个或多个信号，启动信号可由一个或多个控制器(如中央主控制器226和/或涡轮控制器224)生成。在存在不充足的风量，以容许风力涡轮10产生或生成超过风力涡轮10保持操作所消耗的功率量的功率量时，低风条件可存在。换言之，在风力涡轮10处可用的风速使得风力涡轮10不可生成足够的有效功率来满足风力涡轮10的有功效率需求或需要。
无风条件在风力涡轮处的风速低于风速阈值时存在，该风速阈值表示使转子和转子叶片转动所必需的最小风量。低风条件在风速低于风速阈值时存在，在该风速阈值处存在不充足的风量，以容许风力涡轮产生或生成有效功率的量，其超过风力涡轮保持操作所消耗的有效功率的量。换言之，在风力涡轮处可用的风速使得风力涡轮不可生成足够的有效功率来满足风力涡轮的有效率功率需求或需要。低风条件还可表示稳定的风条件，这将使风力涡轮的转子移动超过涡轮的切入速度(该稳定的风条件典型为近似3到4 m/s的稳定状态风速)。
在(504)处，方法可包括经由中央主控制器226从多个涡轮级控制器224接收一个或多个信号，其指示一个或多个风电场202内的活动风力涡轮10的数量。此类确定可至少部分地基于一个或多个信号作出，该一个或多个信号由一个或多个控制器(如风电场控制器226和/或涡轮控制器224)从传感器410、412和414接收，指示一个或多个风力涡轮10的操作状态或者指示一个或多个环境条件(例如，一个或多个风力涡轮10处的低风或无风条件)。如果没有风力涡轮10能够提供功率，则方法500返回至(502)。
在(506)处，方法可包括经由中央主控制器226确定一个或多个风电场202内的一定量的活动风力涡轮10的总功率产生能力(即，可由一个或多个活动涡轮产生的最大总功率量)。
在(508)处，方法可包括经由中央主控制器226确定从一个或多个风电场202内的一定量的活动风力涡轮10产生的功率的量。
在(510)处，方法可包括经由一个或多个控制器将在(508)处确定的由一个或多个活动涡轮产生的功率量与预定功率阈值比较。共振经常在低功率情况(例如，在风力涡轮10产生低于预定功率阈值的功率水平期间的环境条件、风速)期间经历。
在(512)处，方法可包括至少部分地基于由一个或多个活动涡轮产生(504)的功率量与预定功率阈值的比较(510)，经由中央主控制器生成一个或多个控制信号用于控制一个或多个风力涡轮。预定功率阈值可至少部分地基于在(506)处确定的风电场中的一个或多个风力涡轮的总功率产生能力。预定功率阈值还可对应于条件，在该条件期间，一个或多个风力涡轮10不生成足够的功率来补偿风力涡轮保持在线时由风力涡轮所消耗的功率(即，风力涡轮产生比所消耗的低的有效功率)。在该情况下，预定功率阈值指示一个或多个风力涡轮处的条件(如低风或无风条件)，其可导致风力涡轮电功率系统中的共振条件。控制信号可对应于并控制与一个或多个风力涡轮10中的各个相关联的用于各个电压调节器228的电压调节器增益。在(512)处生成的电压调节器命令可对应于在零和一之间的缩放器或增益水平命令。通过利用(512)处生成的电压调节器命令来调节电压调节器增益，可减少共振条件，或者可减少电气系统200中存在的共振量。
在一些情况下，与风力涡轮电功率系统200相关联的功率波动可迅速地发生，或者某些功率波动不需要通过控制与一个或多个风力涡轮10中的各个相关联的用于各个电压调节器228的电压调节器增益的校正或调节。因此，可生成电压调节器命令(可在(512)处生成并且可对应于在零和一之间的缩放器或增益水平命令)的生成，使得增益水平命令逐渐地调节之后的用于各个电压调节器228的电压调节器增益。在某些情况下，转换速率限制器电路可用于管理用于各个电压调节器228的电压调节器增益在预定时间段期间的调节。转换速率限制器可用于管理电压调节器命令在(512)处生成的时间或点。在其它情况下，计时器可用于至少部分地基于预定时间段来管理用于各个电压调节器228的电压调节器增益的调节。预定时间段可为设定的时间段，如一分钟。在其它情况下，预定时间段可与时间段相关联，在该时间段期间，与风力涡轮电功率系统200相关联的波动在与POI 56相关联的磁滞窗内发生。计时器可用于基于预定时间段来管理电压调节器命令在(512)处生成的时间或点。计时器或转换速率限制可因此用于同步地调谐或控制在某个地理区域内操作的一个或多个电压调节器228的参数，以使所述转换器的操作动态地适应于POI 56处的电力网的变化需求、POI 56处的功率条件(即，电压或电流水平)、能够从一个或多个风力涡轮和/或一个或多个风电场获得的总功率，并且基于变化的电网条件来适应所述转换器的操作。
在(512)处，当由一个或多个活动涡轮产生的功率量超过或等于预定功率阈值时，方法包括经由中央主控制器生成用于风力涡轮10的电压调节器228中的各个的电压调节器增益命令，使得各个电压调节器228的增益保持恒定(即，电压调节器命令为一)。在(512)处，当由一个或多个活动涡轮产生的功率量超过或等于预定功率阈值时，方法进行至(514)。
在(514)处，方法可包括将(512)处生成的电压调节器命令信号从中央主控制器226发送至各个涡轮级控制器224，或者命令信号可从中央主控制器226直接发送至电压调节器228中的各个。响应于电压调节器增益命令，与各个风力涡轮相关联的功率转换器和电压调节器继续在其当前条件下并基于其当前参数操作。此后，方法500返回至(502)。
在(516)处，当由一个或多个活动涡轮产生的功率量小于(510)处的预定功率阈值时，方法包括经由中央主控制器生成用于风力涡轮10的电压调节器228中的各个的电压调节器增益命令，使得各个电压调节器228的增益至少部分地基于POI处的功率需求(即，在零与一之间，但是小于一的电压调节器命令)来动态地调谐。该电压调节器命令可从中央主控制器226发送至各个涡轮级控制器224，或者可从中央主控制器226直接发送至电压调节器228中的各个。响应于电压调节器增益命令，一个或多个控制器(例如，中央主控制器226或涡轮级控制器224)将减少或修改与各个操作的风力涡轮10相关联的各个电压调节器228的终端电压增益，其修改成使得风电场202在POI 56处提供功率，POI 56包括磁滞窗内的电压和电流水平。与POI 56相关联的磁滞窗表示与风力涡轮电功率系统200相关联的功率波动，其并未不利地影响电力网的稳定性。在某些情形下，磁滞窗基于POI 56处的电气设备的容差。在某些情况下，磁滞窗在POI 56处所需的功率量的10％内，以维持电力网的稳定性。在各个电压调节器228的终端电压增益基于电压调节器增益命令减少或修改之后，方法500返回至(502)。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于控制风电场电功率系统的方法，其中所述风电场电功率系统包括控制器、通过互连点电连接于电力网的一个或多个风力涡轮，并且其中各个风力涡轮包括电压调节器，所述方法包括：
由所述控制器从传感器接收与所述一个或多个风力涡轮相关联的一个或多个信号；
至少部分地基于所述传感器信号中的所述一个或多个来由所述控制器确定在指示所述风力涡轮电功率系统中的共振条件的条件下操作的一个或多个风力涡轮；
至少部分地基于所述相交点处的功率需求来由所述控制器生成一个或多个控制信号；以及
至少部分地基于所述一个或多个控制信号来由所述控制器控制所述电压调节器中的各个的操作状态，以减少所述共振条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
由所述控制器确定由一个或多个活动风力涡轮产生的总功率量；
至少部分地基于由所述活动风力涡轮产生的所述总功率与功率阈值之间的比较来由所述控制器生成一个或多个信号，所述功率阈值至少部分地基于所述共振条件来确定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制器包括中央主控制器，其构造成控制所述一个或多个风力涡轮的所述电压调节器中的各个的操作状态。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述功率阈值至少部分地基于在低风或无风条件下操作的活动风力涡轮的数量。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，至少部分地基于所述一个或多个控制信号来控制所述电压调节器中的各个的操作状态还包括：
当由所述活动风力涡轮产生的所述总功率小于所述功率阈值时，由所述中央主控制器改变用于所述电压调节器中的一个或多个的所述电压调节器增益。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，用于所述电压调节器中的各个的所述电压调节器增益由所述中央主控制器的所述改变至少部分地基于所述相交点处的所述功率需求。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用于所述电压调节器中的各个的所述电压调节器增益由所述中央主控制器的所述改变还至少部分地基于与所述相交点相关联的磁滞窗。
8.一种用于操作风电场电功率系统的控制系统，其中所述风电场电功率系统包括通过互连点电连接于电力网的一个或多个风力涡轮，所述控制系统包括：
一个或多个处理器；
一个或多个存储装置，其中所述一个或多个存储装置构造成储存指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括：
由所述处理器从传感器接收与所述一个或多个风力涡轮相关联的一个或多个信号；
至少部分地基于所述传感器信号中的所述一个或多个来由所述处理器确定在指示所述风力涡轮电功率系统中的共振条件的条件下操作的一个或多个风力涡轮；
至少部分地基于所述相交点处的功率需求来由所述处理器生成一个或多个控制信号；以及
至少部分地基于所述一个或多个控制信号来控制所述电压调节器中的各个的操作状态。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，操作还包括：
由所述处理器确定由一个或多个活动风力涡轮产生的总功率量；
至少部分地基于由所述活动风力涡轮产生的所述总功率与功率阈值之间的比较来由所述控制器生成一个或多个控制信号，所述功率阈值至少部分地基于所述共振条件来确定。
10.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述处理器包括中央主处理器，其构造成控制所述一个或多个风力涡轮的所述电压调节器中的各个的操作状态。
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