CN116888850A - 用于减少由风电场引起的电网中的场级功率振荡的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制风电场的方法，所述风电场具有通过互连点电连接到电力网的多个风力涡轮，所述方法包括(a)经由风电场的控制器确定来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅。方法还包括(b)经由控制器基于来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡来确定风电场的场级功率振荡。另外，方法包括(c)经由控制器使用来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅来实现相移控制方案，以便维持场级功率振荡低于预定振荡阈值。

Description

用于减少由风电场引起的电网中的场级功率振荡的系统和 方法
技术领域
本公开通常涉及用于控制具有一个或多个风力涡轮的风电场的系统和方法，并且更特别地，涉及用于减少由风电场引起的电网中的场级功率振荡的系统和方法。
背景技术
风能被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能源之一，并且风力涡轮在这方面已经获得增加的关注。如果利用控制系统和方法论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和基于关于可再生能源固有的变化的操作状态所消耗的功率，则现有的电功率分配系统(例如，电力网)可以用于分配来自可再生能源(诸如，风力)的功率。例如，风力涡轮的操作状态可基于风速或无风而变化。
风能并不总是具有恒定的功率输出，而是可以包括变化；因此，功率分配系统的操作员必须考虑到这点。例如，后果之一是分配和传输网络已经变得更加难以管理。这也涉及功率分配系统(包括风力涡轮)中的谐振管理。像常规发电厂一样，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、最小的扰动和低谐波发射)，从而确保功率的可靠性和适当输送。
关于可再生能源发电厂，诸如风电场，由于这些发电厂可位于遥远的位置，这些可再生能源发电厂到电网的连接可包括长的高压传输线。此外，风电场可能会连接到不稳定的电网。这样的电网对任何种类的功率和电压振荡敏感，尤其是大型工厂(例如采矿)连接到相同线路的时候。另外，由风电场引起的功率振荡可以导致所连接的组件(诸如马达)的振荡。在一些实例中，公用电网要求将这样的功率振荡减少到尽可能低。作为示例，公用电网可以禁止风电场中所有可用的风力涡轮的连接，以便维持功率振荡低于某个水平。
鉴于上述，在本领域中，用于抑制(damping)由风电场引起的电网中的场级功率振荡的系统和方法将是受欢迎的。
发明内容
发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本公开的示例实施例的实施来了解。
在方面中，本公开针对一种用于控制风电场的方法，所述风电场具有通过互连点电连接到电力网的多个风力涡轮。方法包括(a)经由风电场的控制器确定来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅。方法还包括(b)经由控制器基于来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡来确定风电场的场级功率振荡。另外，方法包括(c)经由控制器使用来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅来实现相移控制方案，以便维持场级功率振荡低于预定振荡阈值。
在实施例中，确定来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅可以包括基于测量塔架侧到侧加速度或通过测量涡轮级功率振荡来确定多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的涡轮级不平衡，涡轮级不平衡中的每个涡轮级不平衡限定其幅度和相位。
在另一个实施例中，基于来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡来确定风电场的场级功率振荡可以包括将风电场的累积场级不平衡作为来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的涡轮级不平衡的函数来计算。
在另外的实施例中，基于来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡来确定风电场的场级功率振荡可以包括：识别贡献高于某个阈值的累积场级不平衡的百分比的多个风力涡轮功率系统的子集；确定多个风力涡轮功率系统的子集中的哪些需要相移以减少场级功率振荡；以及将相移一次一个地应用于多个风力涡轮功率系统的子集。
在一个实施例中，例如，识别贡献高于某个阈值的场级功率振荡的百分比的多个风力涡轮功率系统的子集可以包括执行场级不平衡和涡轮级不平衡的矢量相加，其中所得矢量幅度指示贡献高于某个阈值的累积场级不平衡的百分比的子集中的风力涡轮。
在附加的实施例中，方法可以包括在每个相移之间重新计算风电场的场级功率振荡。另外，在实施例中，相移可以与多个风力涡轮功率系统的所得不平衡的相位相反。
在特定实施例中，相移控制方案可以包括当多个风力涡轮功率系统的某个百分比的功率振荡的相位相等时，变更多个风力涡轮功率系统的子集的操作，并且当来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的功率振荡的相位跨风电场变化某个量时，维持多个风力涡轮功率系统按原样操作。
例如，在一个实施例中，当多个风力涡轮功率系统的某个百分比的功率振荡的相位相等时，变更多个风力涡轮功率系统的子集的操作可以包括改变多个风力涡轮功率系统的子集的额定速度，直到已经实现了相移。
在若干实施例中，方法还可以包括通过将来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位与场级功率振荡相关来验证相移。
在某些实施例中，确定来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅可以包括过滤来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的功率信号，并且对过滤的功率信号使用曲线拟合来确定各个功率振荡的相位和振幅。
此外，或在备选方案中，确定来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅可以包括过滤来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的功率信号，并且对过滤的功率信号使用锁相环(PLL)来确定各个功率振荡的相位和振幅。
此外，在实施例中，方法可以包括在多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统达到额定速度之后，确定来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的功率振荡中的每个功率振荡的相位和振幅。在另外的实施例中，各个功率振荡可以是低频功率振荡。
在又一实施例中，方法可以包括周期性地或连续地重复(a)至(c)。
在另一方面中，本公开针对一种用于控制风电场的系统，所述风电场具有通过互连点电连接到电力网的多个风力涡轮。系统包括用于分别控制多个风力涡轮功率系统的多个涡轮控制器，以及通信地耦合到多个涡轮控制器以用于控制风电场的场级控制器。场级控制器包括至少一个处理器，所述处理器用于实现多个操作，包括但不限于，一旦多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统达到额定速度，就确定来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅，基于来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡确定风电场的场级功率振荡，以及使用来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅来实现相移控制方案，以便维持场级功率振荡低于预定振荡阈值。
应当理解，系统可以进一步包括本文中描述的附加特征中的任何附加特征。
可以对本公开的这些示例方面进行变化和修改。参考以下描述和所附权利要求，各种实施例的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合在这个说明书中并构成这个说明书的一部分的附图说明了本公开的实施例，并且与描述一起用于解释相关原理。
附图说明
针对本领域普通技术人员的实施例的详细讨论在参考附图的说明书中阐述，其中：
图1说明根据本公开的示例实施例的风力涡轮的一部分的透视图；
图2说明根据本公开的示例实施例的风力涡轮电功率系统的示意图，所述风力涡轮电功率系统适合供图1中所示的风力涡轮使用；
图3说明根据本公开的示例实施例的风电场电功率系统的示意图；
图4说明根据本公开的示例实施例的控制器的框图；
图5说明用于控制风电场的方法的一个实施例的流程图，所述风电场具有通过本公开的互连点电连接到电力网的多个风力涡轮；
图6说明根据本公开的风电场中模拟不平衡分布的一个实施例的示例数据标绘图，特别说明具有均匀分布的涡轮不平衡的风电场；
图7说明根据本公开的风电场中不平衡分布的一个实施例的示例数据标绘图，特别说明具有不均匀分布的涡轮不平衡的风电场；
图8说明根据本公开的具有最高不平衡贡献的多个风力涡轮功率系统的一个实施例的数据标绘图；
图9说明根据本公开的在场级平衡之前和在场级平衡之后的场级功率偏移的一个实施例的数据标绘图；以及
图10说明场级功率偏移(y轴)对转子位置(x轴)的曲线图，以说明根据本公开的场级功率振荡。
具体实施方式
现在将详细参考公开的实施例，在附图中说明了公开的实施例的一个或多个示例。通过解释公开而不是限制公开的方式提供每个示例。实际上，对于本领域技术人员将是显而易见的是，在不背离公开的范围或精神的情况下，可以在本公开中进行各种修改和变化，例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以产生又一另外的实施例。因此，本公开意图覆盖如包括在所附权利要求及其等效物的范围内的这样的修改和变化。
现在参考附图，图1描绘根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所示出的，风力涡轮10通常包括从支撑表面(未示出)延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱14以及耦合到机舱14的转子16。转子16包括可旋转的毂18和至少一个转子叶片20，所述转子叶片20耦合到毂18并从毂18向外延伸。例如，在说明的实施例中，转子16包括三个转子叶片20。然而，在备选实施例中，转子16可以包括多于或少于三个转子叶片20。每个转子叶片20可围绕毂18间隔开，以便于旋转转子16，从而使得来自风的动能能够转化成可用的机械能，并且随后转化成电能。例如，毂18可以可旋转地耦合到位于机舱14内的发电机28(图2)，以允许产生电能。
现在参考图2，说明了包括风力涡轮10和相关联的功率系统102的风力涡轮功率系统100。随着风冲击转子叶片20，叶片20将风能变换成可旋转地驱动低速轴22的机械旋转扭矩。低速轴22被配置成驱动齿轮箱24(在存在的情况下)，所述齿轮箱24随后提高低速轴22的低转速，从而以增加的旋转速度驱动高速轴26。高速轴26通常可旋转地耦合到发电机28(诸如双馈感应发电机或DFIG)，以便可旋转地驱动发电机转子30。像这样，可以由发电机转子30感应出旋转磁场，并且可以在磁耦合到发电机转子30的发电机定子32内感应出电压。相关联的电功率可以从发电机定子32传送到主三绕组变压器34，所述主三绕组变压器34经由电网断路器36连接到POI 56处的电力网。因此，变压器34提高电功率的电压振幅，使得变换的电功率可以进一步传送到电力网。
此外，如所示出的，发电机28可以电耦合到双向功率转换器38，所述双向功率转换器38包括经由调节的DC链路44接到线路侧转换器42的转子侧转换器40。转子侧转换器40将从发电机转子30提供的AC功率转换成DC功率，并将DC功率提供给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功率可以与来自发电机定子32的功率相组合，以提供多相功率(例如，三相功率)，所述多相功率具有基本上维持在电力网频率(例如，50Hz/60Hz)的频率。
在一些配置中，功率系统102可以包括涡轮级控制器224(图3中所示)。涡轮级控制器224可以是控制装置，诸如图4中示出和描述的控制器。
变压器34可以具有(1)连接到电力网的33千伏(kV)中压(MV)一次绕组33，(2)连接到发电机定子32的6到13.8kV MV二次绕组35，以及(3)连接到线路侧转换器42的690到900伏(V)低压(LV)三次绕组37。
特别地参考图3，说明了根据本公开的示例实施例的风电场200的一个实施例的示意图。更具体地，如所示出的，风电场200可以包括经由POI 56连接到电力网的多个风力涡轮功率系统100。风电场200可以包括用来形成电功率系统的至少两个集群204。包括多个风力涡轮10的各个风力涡轮功率系统100可以布置在预定的地理位置中，并且电连接在一起以形成风电场202。
与每个风力涡轮功率系统100相关联的电功率可以经由一个或多个集群线路220传送到干线206。每个风力涡轮功率系统100可以经由一个或多个开关222或断路器连接到一个或多个集群线路220或者与其断开。风力涡轮功率系统100可以被布置成多个组(或集群)204，其中每个组分别经由开关208、210、212单独连接到干线206。因此，如所示出的，每个集群204可以分别经由开关208、210、212连接到单独的变压器214、216、218，以用于提高来自每个集群204的电功率的电压振幅，使得变换的电功率可以进一步传送到电力网。此外，如所示出的，变压器214、216、218连接到干线206，所述干线206在经由POI 56将功率发送到电网之前组合来自每个集群204的电压。POI 56可以是断路器、开关或连接到电力网的其他已知方法。
每个风力涡轮功率系统100可以包括电压调节器228(即，风力涡轮终端电压调节器)。像这样，电压调节器228调节由每个风力涡轮功率系统100输出的电压。另外，电压调节器228可以与涡轮控制器224或场级控制器226电通信。因此，涡轮级控制器224或场级控制器226可以将电压调节器增益命令(VCMD)输送到电压调节器228中的一个或多个电压调节器，其又决定经由集群线路220分配给POI56的功率量。
每个风力涡轮功率系统100可以包括一个或多个控制器，诸如涡轮控制器224。涡轮控制器224可以被配置成控制风力涡轮功率系统100的组件(包括开关222或电压调节器228)，和/或实现如本文中所描述的一些或所有方法步骤。涡轮控制器224可以位于每个风力涡轮10上或每个风力涡轮10内，或者可以位于远离每个风力涡轮10的位置。涡轮控制器224可以是与风力涡轮功率系统100和/或风电场200相关联的其他控制器中的一个或多个其他控制器的一部分或与其一起被包括。涡轮控制器224可以操作开关222，以将一个或多个风力涡轮功率系统100与集群线路220连接或断开，并且至少部分地基于POI 56处所要求的功率，和/或至少部分地基于环境状况(例如，一个或多个风力涡轮的风力状况)和/或电网上的负载的特性(例如，重的或可变的负载)、电力网的特性(例如，电网的强度或状况、风电场或风力涡轮到电网的连接的强度或状况、电网架构、电网位置)、风力涡轮10的特性(例如，风力涡轮大小、位置、年龄、维护状态)和/或风力涡轮功率系统100、风电场200的特性，来控制电压调节器228，诸如电压调节器增益。
风电场200可以包括一个或多个控制器，诸如场级控制器226(本文中也被称为场级控制器)。场级控制器226可以被配置成控制风电场200的组件(包括开关208、210和212、电压调节器228)，与一个或多个其他控制器(诸如涡轮级控制器224)通信和/或实现如本文中描述的一些或所有方法步骤。场级控制器226可以位于风电场200或其任何部分的地理区域内，或者可以位于远离风电场200或其任何部分的位置。场级控制器226可以是与风力涡轮功率系统100中的一个或多个风力涡轮功率系统和/或风电场200相关联的其他控制器中的一个或多个其他控制器的一部分或与其一起被包括。集群204、风力涡轮功率系统100或涡轮级控制器224中的每个都可以与场级控制器226通信地耦合。
场级控制器226可以生成控制信号并将控制信号发送到涡轮控制器224，以操作开关222，从而至少部分地基于POI 56处所要求的功率将一个或多个风力涡轮功率系统100与集群线路220连接或断开。场级控制器226可以生成控制信号并将控制信号发送到电压调节器228，以操作或控制电压调节器228，并至少部分基于POI 56处所要求的功率来控制通过集群线路220从一个或多个风力涡轮功率系统100输送到POI的功率量。场级控制器226可以至少部分地基于POI56处所要求的功率，和/或至少部分地基于环境状况(例如，一个或多个风力涡轮的风力状况)和/或电网上的负载的特性(例如，重的或可变的负载)、电力网的特性(例如，电网的强度或状况、风电场或风力涡轮到电网的连接的强度或状况、电网架构、电网位置)、风力涡轮10的特性(例如，风力涡轮大小、位置、年龄、维护状态)和/或风力涡轮功率系统100、风电场200的特性，生成控制信号并将控制信号发送到开关208、210和/或212和/或电压调节器228，以调节输送到POI 56的功率。
现在参考图4，说明了根据本公开的示例实施例的控制器400的框图。如所示出的，控制器400可以是涡轮级控制器224或场级控制器226。另外，如所示出的，控制器400可以包括被配置成执行各种计算机实现的功能(例如，执行方法、步骤、计算等，并存储如本文中公开的相关数据)的一个或多个处理器402和(一个或多个)相关联的存储器装置404。存储器装置404还可以存储与环境状况(例如，一个或多个风力涡轮的风力状况)和/或电网上的负载的特性(例如，重的或可变的负载)、电力网的特性(例如，电网的强度或状况、风电场或风力涡轮到电网的连接的强度或状况、电网架构、电网位置)、风力涡轮10的特性(例如，风力涡轮大小、位置、年龄、维护状态)和/或风力涡轮功率系统100、风电场200的某些特性相关的数据。
此外，控制器400可以包括通信模块406，所述通信模块406用来便于控制器与风力涡轮功率系统100、风电场200和/或场级控制器226的各种组件之间的通信，包括场级控制器226与涡轮级控制器224之间的通信。另外，通信模块406可以包括传感器接口408(例如，一个或多个模数转换器)，所述传感器接口408用来允许从一个或多个传感器410、412和414传送的信号被转换成可以被处理器402理解和处理的信号。传感器410、412和414可以用于测量、确定或收集关于环境状况(例如，一个或多个风力涡轮的风力状况)和/或电网上的负载的特性(例如，重的或可变的负载)、电力网的特性(例如，电网的强度或状况、风电场或风力涡轮到电网的连接的强度或状况、电网架构、电网位置)、风力涡轮10的特性(例如，风力涡轮大小、位置、年龄、维护状态)和/或风力涡轮功率系统100、风电场200的特性的数据。
仍然参考图4，控制器400还可以包括用户接口(user interface)416。用户接口416可以具有各种配置，并且控制装置可以被安装或在用户接口416中。用户接口416还可以位于风电场200或其任何部分的地理区域内，或者可以位于远离风电场200或其任何部分的位置。用户接口416可以包括输入组件418。输入组件418可以是例如电容式触摸屏。输入组件418可以允许选择性地激活、调整或控制场级控制器226和涡轮控制器224，以及任何定时器特征或其他用户可调整的输入。各种电气、机械或机电输入装置(包括旋转式拨号盘、按钮和触摸板)中的一个或多个也可以单独或组合用作输入组件418。用户接口416可以包括显示组件，诸如被设计成向用户提供操作反馈的数字或模拟显示装置。
应当领会到，传感器410、412和414可以使用任何合适的方式通信地耦合到通信模块406。例如，传感器410、412和414可以经由有线连接耦合到传感器接口408。然而，在其他实施例中，传感器410、412和414可以经由无线连接耦合到传感器接口408，诸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到传感器接口408。像这样，处理器402可以被配置成从传感器410、412和414接收一个或多个信号。传感器410、412和414可以是与风力涡轮功率系统100中的一个或多个风力涡轮功率系统和/或风电场200相关联的其他控制器中的一个或多个其他控制器的一部分或与其一起被包括。传感器410、412和414还可以位于风电场200或其任何部分的地理区域内，或者可以位于远离风电场200或其任何部分的位置。
还应该理解，传感器410、412和414可以是任何数量或类型的电压和/或电流传感器，它们可以用在风力涡轮功率系统100内和任何位置处。例如，传感器可以是电流变压器、分流传感器、罗哥夫斯基(rogowski)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他合适的电压或电流传感器。因此，一个或多个控制器(诸如场级控制器226和涡轮控制器224)被配置成从传感器410、412和414接收一个或多个电压和/或电流反馈信号。
如本文中所使用的，术语“处理器”不仅指本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且还指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)，专用集成电路和其它可编程电路。处理器402还被配置成计算高级控制算法并与各种以太网或基于串行的协议(Modbus，OPC，CAN等)通信。此外，(一个或多个)存储器装置404通常可以包括(一个或多个)存储器元件，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，闪速存储器)、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件。这样的(一个或多个)存储器装置140通常可以被配置成存储合适的计算机可读指令，所述计算机可读指令在由(一个或多个)处理器402实现时将控制器配置成执行如本文中描述的各种功能。
现在参考图5，根据本公开的用于控制具有通过互连点电连接到电力网的多个风力涡轮的风电场的方法500的一个实施例的流程图。通常来说，本文中参考图1-4中说明的风力涡轮10、风力涡轮功率系统100、风电场200和各种控制器来描述方法500。然而，应当领会到，所公开的方法500可以用具有任何其他合适配置的风力涡轮和风电场来实现。此外，尽管图5出于说明和讨论的目的描绘了以特定顺序执行的步骤，但是本文中讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中提供的公开，本领域技术人员将领会到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或修改本文中公开的方法的各个步骤。此外，应当理解，方法500可以由一个或多个控制器执行，诸如场级控制器226和/或涡轮级控制器224，以及由与风力涡轮功率系统100和/或风电场200一起被包括的其他装置执行。
特别地参考图5，如(502)处所示，方法500包括(a)经由风电场的控制器确定来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅。更具体地，在实施例中，方法500可以包括在多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统达到额定速度之后，确定来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的功率振荡中的每个功率振荡的相位和振幅。在某些实施例中，各个功率振荡可以是低频功率振荡。例如，在实施例中，场级控制器226可以通过基于测量塔架侧到侧加速度来确定多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的涡轮级不平衡，或者通过测量涡轮级功率振荡，来确定来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅，其中涡轮级不平衡中的每个涡轮级不平衡限定其幅度和相位。
在备选实施例中，场级控制器226可以通过过滤来自多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的功率信号并对过滤的功率信号使用曲线拟合来确定各个功率振荡的相位和振幅，从而确定来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅。
此外，或在另一备选方案中，场级控制器226可以通过过滤来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的功率信号并对过滤的功率信号使用锁相环(PLL)来确定各个功率振荡的相位和振幅，从而确定来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅。
仍然参考图5，如(504)处所示，方法500包括(b)经由场级控制器226基于来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡来确定风电场200的场级功率振荡。例如，在一个实施例中，场级控制器226可以基于来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡，通过将风电场200的累积场级不平衡作为来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的涡轮级不平衡的函数计算来确定风电场200的场级功率振荡。在另一个实施例中，场级功率振荡可以被确定为经由场级控制器226的直接测量(例如，在风电场的互连点处测量的功率振荡)。
例如，在特定实施例中，图6说明了根据本公开的风电场中不平衡分布的一个实施例的示例模拟数据标绘图。如涡轮不平衡和涡轮功率偏移数据标绘图600、602中所示，每个风力涡轮功率系统的功率振荡均匀分布，导致数据标绘图604、606中说明的低的场不平衡(park imbalance)和场功率偏移(park power offset)。因此，如经由数据标绘图608和610所示，当场不平衡和功率偏移低时，风电场也具有低的所得的场级振荡。
相反，如图7中所示，说明了风电场中不平衡分布的一个实施例的示例模拟数据标绘图。如涡轮不平衡和涡轮功率偏移数据标绘图700、702中所示，每个风力涡轮功率系统的功率振荡分布不均匀，导致数据标绘图704、706中说明的高的场不平衡和场功率偏移。因此，如经由数据标绘图708和710所示，当场不平衡和功率偏移高时，风电场贡献增加的场级振荡。因此，涡轮级不平衡可用作场级功率振荡的指标。
在另外的实施例中，场级控制器226可以基于来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡，通过识别贡献高于某个阈值的累积场级不平衡的百分比的多个风力涡轮功率系统100的子集，确定风电场200的场级功率振荡，确定子集内的风力涡轮功率系统100中的哪些需要相移以减少场级功率振荡，并且将相移一次一个地应用于子集中需要相移的风力涡轮功率系统100。
例如，在一个实施例中，场级控制器226可以通过执行场级不平衡和涡轮级不平衡的矢量相加来识别贡献高于某个阈值的场级功率振荡的百分比的多个风力涡轮功率系统100的子集。在这样的实施例中，所得矢量幅度指示贡献高于某个阈值的累积场级不平衡的百分比的子集中的风力涡轮功率系统100。
更具体地，如图8中所示，场级控制器226可以通过执行场级不平衡和涡轮级不平衡的矢量相加并使用所得矢量幅度作为指标，来识别最具有影响力的风力涡轮功率系统100。具有最高幅度的风力涡轮功率系统100对当前的不平衡贡献最大。因此，如图8中所示，标绘图800经由标记802指示所得的场级不平衡(park level imbalance)，并且经由标记804示出各个涡轮不平衡。阴影刻度806(例如，从暗到亮)指示贡献最大不平衡量的涡轮(最亮的阴影)。
此外，在附加的实施例中，方法500可以包括在每个相移之间重新计算风电场200的场级功率振荡，例如，以确定功率振荡是否已经返回到可接受的水平。另外，在实施例中，相移可以与多个风力涡轮功率系统100的所得的不平衡的相位相反。
返回参考图5，如(506)处所示，方法500包括(c)经由场级控制器226使用来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅实现相移控制方案，以便维持场级功率振荡低于预定振荡阈值。在又一实施例中，方法500可以包括周期性地或连续地重复步骤(a)至(c)。
另外，在特定实施例中，相移控制方案可以包括当多个风力涡轮功率系统100的某个百分比的功率振荡的相位相等时，变更多个风力涡轮功率系统100的子集的操作。例如，在一个实施例中，当多个风力涡轮功率系统100的某个百分比的功率振荡的相位相等时，变更多个风力涡轮功率系统100的子集的操作可以包括改变多个风力涡轮功率系统100的子集的额定速度，直到已经实现了相移。在特定实施例中，作为示例，如果意图进行180°或π的相移，并且风力涡轮功率系统100正在以12转每分(RPM)的额定速度操作，则速度可以由场级控制器226减少到11.5RPM达一分钟。
另外，在若干实施例中，方法500还可以包括通过将来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位与场级功率振荡相关来验证相移。例如，在这样的实施例中，场级控制器226可以通过将各个涡轮相位(例如，转子位置加上不平衡方向)与总计的场级相位(例如，所有转子位置和不平衡方向的总和)相关来验证相移。场级控制器226然后可以计算风力涡轮中的哪些需要移动哪个相位以达到可接受的功率振荡水平(例如，简单地使用数学方程而没有对于模拟的需要)。因此，在一个实施例中，如图9的数据标绘图900中所示，场级控制器226可以选择风力涡轮，所述风力涡轮通过它们对总的场不平衡的贡献进行排序，其中最差情况的风力涡轮首先被移位，因为一旦相移这样的风力涡轮补偿最多。因此，如所示出的，可以通过将初始场级不平衡902减少到减少的场级不平衡904来减少总功率振荡。
此外，应当理解，相移控制方案还可以包括当来自多个风力涡轮功率系统100中的每个风力涡轮功率系统的功率振荡的相位跨风电场200变化某个量(即，相位跨风电场均匀分布，诸如图6中说明的)时，维持多个风力涡轮功率系统100按原样操作。
现在参考图10，提供场级功率偏移(y轴)对转子位置(x轴)的又一曲线图1000，以说明根据本公开的场级功率振荡。特别地，如所示出的，曲线1002说明了在实现本文中描述的相移控制方案之前的场级功率振荡。相反，如所示出的，曲线1004说明了在实现本文中描述的相移控制方案之后的场级功率振荡。因此，如所示出的，本公开的相移控制方案被配置成使用本文中描述的方法来减少场级功率振荡。
本发明的各个方面和实施例由以下编号的条款限定：
条款1.一种用于控制风电场的方法，所述风电场具有通过互连点电连接到电力网的多个风力涡轮功率系统，所述方法包括:
(a)经由所述风电场的控制器确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅；
(b)经由所述控制器基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的场级功率振荡；以及，
(c)经由所述控制器，使用来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡的所述相位和所述振幅来实现相移控制方案，以便维持所述场级功率振荡低于预定振荡阈值。
条款2.根据条款1所述的方法，其中，确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的所述相位和所述振幅进一步包括:
基于测量塔架侧到侧加速度中的至少一个或通过测量涡轮级功率振荡来确定所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的涡轮级不平衡，所述涡轮级不平衡中的每个涡轮级不平衡限定其幅度和相位。
条款3.根据条款2所述的方法，其中，基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的所述场级功率振荡进一步包括:
将所述风电场的累积场级不平衡作为来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述涡轮级不平衡的函数来计算。
条款4.根据条款3所述的方法，其中，基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的所述场级功率振荡进一步包括:
识别贡献高于某个阈值的所述累积场级不平衡的百分比的所述多个风力涡轮功率系统的子集；
确定所述多个风力涡轮功率系统的所述子集中的哪些需要相移来减少所述场级功率振荡；以及，
将所述相移一次一个地应用于所述多个风力涡轮功率系统的所述子集。
条款5.根据条款4所述的方法，其中，识别贡献高于所述某个阈值的所述场级功率振荡的所述百分比的所述多个风力涡轮功率系统的所述子集进一步包括:
执行所述场级不平衡和所述涡轮级不平衡的矢量相加，其中所得矢量幅度指示贡献高于所述某个阈值的所述累积场级不平衡的所述百分比的所述子集中的风力涡轮。
条款6.根据条款4-5所述的方法，进一步包括在每个相移之间重新计算所述风电场的所述场级功率振荡。
条款7.根据条款4-6所述的方法，其中，所述相移与所述多个风力涡轮功率系统的所得不平衡的相位相反。
条款8.根据条款4-7所述的方法，其中，所述相移控制方案包括：
当所述多个风力涡轮功率系统的某个百分比的所述功率振荡的所述相位相等时，变更所述多个风力涡轮功率系统的子集的操作；以及，
当来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述功率振荡的所述相位跨所述风电场变化某个量时，维持所述多个风力涡轮功率系统按原样操作。
条款9.根据条款8所述的方法，其中，当所述多个风力涡轮功率系统的所述某个百分比的所述功率振荡的所述相位相等时，变更所述多个风力涡轮功率系统的所述子集的操作进一步包括：
改变所述多个风力涡轮功率系统的所述子集的额定速度，直到已经实现了所述相移。
条款10.根据条款9所述的方法，进一步包括通过将来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的所述相位与所述场级功率振荡相关来验证所述相移。
条款11.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的所述相位和所述振幅进一步包括：
过滤来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的功率信号；以及，
对所述过滤的功率信号使用曲线拟合来确定各个功率振荡的所述相位和所述振幅。
条款12.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的所述相位和所述振幅进一步包括：
过滤来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的功率信号；以及，
对所述过滤的功率信号使用锁相环(PLL)来确定各个功率振荡的所述相位和所述振幅。
条款13.根据前述条款中任一项所述的方法，进一步包括在所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统达到额定速度之后，确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述功率振荡中的每个功率振荡的所述相位和所述振幅。
条款14.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述各个功率振荡包括低频功率振荡。
条款15.根据前述条款中任一项所述的方法，进一步包括周期性地或连续地重复(a)至(c)。
条款16.一种用于控制风电场的系统，所述风电场具有通过互连点电连接到电力网的多个风力涡轮，所述系统包括：
多个涡轮控制器，所述涡轮控制器用于分别控制所述风电场的多个风力涡轮功率系统；以及，
场级控制器，所述场级控制器通信地耦合到所述多个涡轮控制器，以用于控制所述风电场，所述场级控制器包括用于实现多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括：
一旦所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统达到额定速度，就确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅；
基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的场级功率振荡；以及，
使用来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡的所述相位和所述振幅来实现相移控制方案，以便维持所述场级功率振荡低于预定振荡阈值。
条款17.根据条款16所述的系统，其中，确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的所述相位和所述振幅进一步包括：
基于测量塔架侧到侧加速度或通过测量涡轮级功率振荡来确定所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的涡轮级不平衡，所述涡轮级不平衡中的每个涡轮级不平衡限定其幅度和相位。
条款18.根据条款17所述的系统，其中，基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的所述场级功率振荡进一步包括：
将所述风电场的累积场级不平衡作为来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述涡轮级不平衡的函数来计算。
条款19.根据条款18所述的系统，其中，基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的所述场级功率振荡进一步包括：
识别贡献高于某个阈值的所述累积场级不平衡的百分比的所述多个风力涡轮功率系统的子集；
确定所述多个风力涡轮功率系统的所述子集中的哪些需要相移来减少所述场级功率振荡；以及，
将所述相移一次一个地应用于所述多个风力涡轮功率系统的所述子集；以及
在每个相移之间重新计算所述风电场的所述场级功率振荡。
条款20.根据条款19所述的系统，其中，所述相移控制方案包括：
当所述多个风力涡轮功率系统的某个百分比的所述功率振荡的所述相位相等时，变更所述多个风力涡轮功率系统的子集的操作；以及，
当来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述功率振荡的所述相位跨所述风电场变化某个量时，维持所述多个风力涡轮功率系统按原样操作。
这个书面描述使用示例来公开发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实施发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。发明的可取得专利的范围由权利要求来限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括没有与权利要求的文字语言不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们规定为在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于控制风电场的方法，所述风电场具有通过互连点电连接到电力网的多个风力涡轮功率系统，所述方法包括：
(a)经由所述风电场的控制器确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅；
(b)经由所述控制器基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的场级功率振荡；以及，
(c)经由所述控制器，使用来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡的所述相位和所述振幅来实现相移控制方案，以便维持所述场级功率振荡低于预定振荡阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的所述相位和所述振幅进一步包括：
基于测量塔架侧到侧加速度中的至少一个或通过测量涡轮级功率振荡来确定所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的涡轮级不平衡，所述涡轮级不平衡中的每个涡轮级不平衡限定其幅度和相位。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的所述场级功率振荡进一步包括：
将所述风电场的累积场级不平衡作为来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述涡轮级不平衡的函数来计算。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的所述场级功率振荡进一步包括：
识别贡献高于某个阈值的所述累积场级不平衡的百分比的所述多个风力涡轮功率系统的子集；
确定所述多个风力涡轮功率系统的所述子集中的哪些需要相移来减少所述场级功率振荡；以及，
将所述相移一次一个地应用于所述多个风力涡轮功率系统的所述子集。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，识别贡献高于所述某个阈值的所述场级功率振荡的所述百分比的所述多个风力涡轮功率系统的所述子集进一步包括：
执行所述场级不平衡和所述涡轮级不平衡的矢量相加，其中所得矢量幅度指示贡献高于所述某个阈值的所述累积场级不平衡的所述百分比的所述子集中的风力涡轮。
6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括在每个相移之间重新计算所述风电场的所述场级功率振荡。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述相移与所述多个风力涡轮功率系统的所得不平衡的相位相反。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述相移控制方案包括：
当所述多个风力涡轮功率系统的某个百分比的所述功率振荡的所述相位相等时，变更所述多个风力涡轮功率系统的子集的操作；以及，
当来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述功率振荡的所述相位跨所述风电场变化某个量时，维持所述多个风力涡轮功率系统按原样操作。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，当所述多个风力涡轮功率系统的所述某个百分比的所述功率振荡的所述相位相等时，变更所述多个风力涡轮功率系统的所述子集的操作进一步包括：
改变所述多个风力涡轮功率系统的所述子集的额定速度，直到已经实现了所述相移。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括通过将来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的所述相位与所述场级功率振荡相关来验证所述相移。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的所述相位和所述振幅进一步包括：
过滤来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的功率信号；以及，
对所述过滤的功率信号使用曲线拟合来确定各个功率振荡的所述相位和所述振幅。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的所述相位和所述振幅进一步包括：
过滤来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的功率信号；以及，
对所述过滤的功率信号使用锁相环(PLL)来确定各个功率振荡的所述相位和所述振幅。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统达到额定速度之后，确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述功率振荡中的每个功率振荡的所述相位和所述振幅。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述各个功率振荡包括低频功率振荡。
15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括周期性地或连续地重复(a)至(c)。
16.一种用于控制风电场的系统，所述风电场具有通过互连点电连接到电力网的多个风力涡轮，所述系统包括：
多个涡轮控制器，所述涡轮控制器用于分别控制所述风电场的多个风力涡轮功率系统；以及，
场级控制器，所述场级控制器通信地耦合到所述多个涡轮控制器，以用于控制所述风电场，所述场级控制器包括用于实现多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括：
一旦所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统达到额定速度，就确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的相位和振幅；
基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的场级功率振荡；以及，
使用来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡的所述相位和所述振幅来实现相移控制方案，以便维持所述场级功率振荡低于预定振荡阈值。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，确定来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的各个功率振荡的所述相位和所述振幅进一步包括：
基于测量塔架侧到侧加速度或通过测量涡轮级功率振荡来确定所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的涡轮级不平衡，所述涡轮级不平衡中的每个涡轮级不平衡限定其幅度和相位。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的所述场级功率振荡进一步包括：
将所述风电场的累积场级不平衡作为来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述涡轮级不平衡的函数来计算。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，基于来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述各个功率振荡来确定所述风电场的所述场级功率振荡进一步包括：
识别贡献高于某个阈值的所述累积场级不平衡的百分比的所述多个风力涡轮功率系统的子集；
确定所述多个风力涡轮功率系统的所述子集中的哪些需要相移来减少所述场级功率振荡；以及，
将所述相移一次一个地应用于所述多个风力涡轮功率系统的所述子集；以及
在每个相移之间重新计算所述风电场的所述场级功率振荡。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述相移控制方案包括：
当所述多个风力涡轮功率系统的某个百分比的所述功率振荡的所述相位相等时，变更所述多个风力涡轮功率系统的子集的操作；以及，
当来自所述多个风力涡轮功率系统中的每个风力涡轮功率系统的所述功率振荡的所述相位跨所述风电场变化某个量时，维持所述多个风力涡轮功率系统按原样操作。
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