CN117120720A - 在通信中断期间运行风力发电厂中的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力涡轮机，特别是涉及在风力涡轮机与发电厂控制器之间通信中断期间控制风力涡轮机。在通信中断的情况下，风力涡轮机进入后备运行模式，其中风力涡轮机将风力涡轮机的电力生产升降至预定义的后备设定点。

Description

在通信中断期间运行风力发电厂中的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种在风力涡轮机与发电厂控制器之间通信中断(通信丢失)期间运行风力发电厂中的风力涡轮机的方法。

背景技术

当运行向公用电网输送能量的风力发电厂中的风力涡轮机时，风力涡轮机和风力发电厂之间可能会发生通信中断。通信中断可能是由通信故障引起的，即可能发生了故障，从而中断了通信。然而，通信中断也可能是由风力涡轮机或发电厂控制器的计划内的维修或更新造成的。

在通信中断期间，风力涡轮机通常会关闭并停止生产电力。然而，当风力涡轮机停止生产电力时，将影响风电园区为公用电网提供的总产量，而且，停止风力涡轮机可能会影响公用电网的稳定性。

因此，一种改进的在通信中断期间控制风力涡轮机的方法将是有利的，特别是一种降低对用于公用电网的电力生成的影响的更有效和/或可靠的方法将是有利的。

发明内容

本发明的目的

本发明的目的尤其可以被视为提供一种在风力涡轮机与风力发电厂之间通信中断期间控制风力涡轮机，从而降低通信中断对电力生产的影响的方法。

发明概述

因此，在本发明的第一方面，旨在通过提供一种运行风力发电厂中的风力涡轮机的方法来实现上述目的和若干其他目的；风力发电厂包括发电厂控制器，该方法包括以下步骤：

-通过风力涡轮机检测风力涡轮机与发电厂控制器之间的通信中断，

-在检测到通信中断的情况下进入风力涡轮机的后备(fallback，备用/回退)运行模式，

-其中，后备运行模式包括将风力涡轮机的电力生产升降(ramp)至预定义的后备设定点。

风力涡轮机包括控制系统。在正常运行期间，控制系统可以从发电厂控制器接收运行设定点，然后控制系统可以根据从发电厂控制器接收的运行设定点控制风力涡轮机的电力生成。

但是，如果风力涡轮机与发电厂控制器之间发生通信中断，则风力涡轮机由其控制系统控制，而不会从发电厂控制器接收到运行设定点。因此，当检测到风力涡轮机与发电厂控制器之间通信中断时，风力涡轮机进入后备运行模式。在后备运行模式下，风力涡轮机根据预定义的后备设定点运行以控制电力生产。预定义的后备运行设定点可能不止一个，诸如有功功率设定点和无功功率设定点。

控制系统是风力涡轮机的一部分，因此在写风力涡轮机正在做某事时，例如检测通信中断或接收设定点，应理解为可能是风力涡轮机控制系统正在做该事。

风力发电厂可以包括两个或更多个风力涡轮机，发电厂控制器控制风力发电厂，并与各个风力涡轮机通信，向各个风力涡轮机发送运行设定点，并与各个风力涡轮机交换数据。

例如，风力涡轮机可以通过在一个时间段内没有从发电厂控制器接收到任何通信来检测通信中断，该时间段可以在500ms至1、2、3、5或10秒之间，或者可以是任何合适的时间段，这可以由发电厂运营商调整。

当进入后备运行模式时，在检测到通信中断后，风力涡轮机将风力涡轮机的电力生产升降至预定义的后备设定点。这样就可以在通信中断期间以预定义的安全运行点运行涡轮机，此时风力涡轮机可以生产电力，而不会对风力涡轮机造成不必要的负载。预定义的后备设定点可以存储在风力涡轮机控制系统的内存中，以便在通信中断的情况下使用。预定义的后备设定点优选地可以是有功功率设定点。可以通过逐步改变风力涡轮机的电力生产，直到电力生产与预定义的后备设定点相匹配，来将风力涡轮机的电力生产升降至预定义的后备设定点。替代地，预定义的后备设定点可以是无功功率设定点、电压设定点或功率因数设定点。风力涡轮机可以具有存储在内存中的若干个预定义的后备设定点，如果发生通信中断，则选择预定义的后备设定点中的一个或多个。

本发明尤其地(但不是排他性的)具有以下优点：风力涡轮机能够穿越短期通信中断(在短期通信中断的情况下继续运行)，而对电力生成的影响很小。此外，在系统维护期间，可以使用后备运行模式，而无需使风力涡轮机停机。因此，本发明可以例如在发电厂控制器的软件更新期间使用，其中发电厂控制器将在短时间段内不运行。

通常情况下，发电厂控制器通过测量传送到公用电网的电力来持续监测风力发电厂的电力生产。如果电力生产降低(可能是由于与风力涡轮机的通信中断造成的)，发电厂控制器可以指示其他风力涡轮机增加电力生产，以补偿降低的电力生产。

根据一个实施例，该方法还包括：将风力涡轮机的电力生产升降至预定义的后备设定点是以预定义的升降速率或在预定义的时间内执行的。

有功功率生产的降低可以通过以预定义的升降速率降低风力涡轮机的电力生产，或者在预定义的时间内降低功率来逐步完成；在这种情况下，可以为风力涡轮机计算一个升降速率，以便在预定义的时间内降低功率。预定义的时间可以是5、10、15、20、30分钟或任何合适的时间。预定义的时间可由发电厂运营商进行调整。

将风力涡轮机的电力生产升降至后备设定点可快可慢，这取决于公用电网和风力发电厂中其他风力涡轮机补偿因通信中断造成的功率变化的能力。

根据一个实施例，在检测到通信中断后，该方法包括在设定的时间延迟后进入后备运行模式。

当检测到通信中断时，风力涡轮机可以在设定的时间延迟后进入后备运行模式。如果通信中断只是一个小故障，通信可能会在几秒钟内重新建立，因此只有在通信中断持续时间超过设定的时间延迟的情况下，风力涡轮机才会进入后备运行模式。设定的时间延迟可以是10分钟，也可以是任何合适的时间，如5、15、20或30分钟。设定的时间延迟可以由电厂运营商调整。

替代地，或者附加地，在检测到通信中断后，该方法可以包括立即进入后备运行模式，但只有在经过一段时间延迟后，后备运行模式下的风力涡轮机才开始向预定义的后备设定点降低电力生产，以防通信中断重新建立。

根据一个实施例，该方法还包括：如果通信中断不是计划内的，则用预定义的降低系数来降低设定的时间延迟。

如果通信中断是计划外的，则其可能是由系统故障造成的。当系统出现故障时，优选地是在开始向后备设定点升降之前具有缩短的时间延迟。因此，时间延迟可以降低，例如，时间延迟可以由降低系数来降低。预定义的降低系数可以是1/4、1/2、3/4，或者其也可以完全取消。发电厂运营商可以将降低系数调整为任何合适的系数。此外，当系统出现故障时，优选地是能更快地将电力生产升降至后备设定点。对于计划内的通信中断，风力涡轮机控制系统中可能会设定维护参考点，显示通信中断是计划内的，或者在计划内的通信中断之前向风力涡轮机发送消息。

根据一个实施例，预定义的后备设定点被确定为使得：在进入后备运行模式时，风力涡轮机上的负载下降。

优选地是确定预定义的后备设定点，以便在进入后备运行模式时涡轮机上的负载下降。风力涡轮机进入降低风力涡轮机上的负载的设置可能是有利的。根据一个实施例，可以使用风力涡轮机负载模型来确定风力涡轮机上的负载。根据经验和/或计算，可以构建风力涡轮机模型，并据此确定其中风力涡轮机上的负载最小化的后备设定点。

根据一个实施例，预定义的后备设定点被确定为使得风力涡轮机的电力生产将降低或升高到预定义的后备设定点，其中风力涡轮机上的负载处于局部最小值。

预定义的后备设定点可以通过找到风力涡轮机上的负载的局部最小值并选择后备设定点以处于局部负载最小值来确定。

根据一个实施例，预定义的后备设定点是从一组后备设定点中选择的，每个后备设定点是其中风力涡轮机上的负载处于局部最小值的设定点。

在分析风力涡轮机上的负载时，可以针对不同的运行设定点确定风力涡轮机上的负载的若干个局部最小值。这些不同的设定点可以保存在风力涡轮机控制器中，作为一组可能的后备设定点，当进入后备运行模式时，风力涡轮机控制器可以选择该组后备设定点中的一个。这可以基于风力涡轮机的当前运行条件。

根据一个实施例，预定义的后备设定点被选择为该组后备设定点中最接近的设定点。

从该组后备设定点中选择的预定义的后备设定点可以是最接近风力涡轮机的当前电力生产的设定点。通过选择最接近的后备设定点，可以使电力生产的变化最小化。

根据一个实施例，预定义的后备设定点被选择为该组后备设定点的在降低电力生产时最先到达的设定点。

从该组后备设定点中选择的预定义的后备设定点可以是如下设定点：它是最接近的设定点，也小于风力涡轮机的当前电力生产。

根据一个实施例，该方法包括以下步骤：在进入后备运行模式后，如果在给定时间后未重新建立通信，则使风力涡轮机停机。

当进入后备运行模式时，可以启动计时器，当计时器在给定时间后跑完(run out)时，风力涡轮机关闭电力生产并停止为公用电网输送电力。风力涡轮机断开与发电厂控制器通信的时间越长，风力涡轮机不能输送期待电力量并破坏电网稳定的风险就越大，因此风力涡轮机在一段时间后就会停机。这优选地可以是在10分钟后，但也可以是在任何合适的时间之后，如5、15、20、30分钟之后。设定的时间延迟可以由电厂运营商调整。替代地，风力涡轮机可以在计时器跑完时不完全关闭生产，而是将电力生产降低到一个较低的水平，例如降低到较低的后备设定点，然后其可以重新启动计时器。

如果通信中断不是计划内的，则风力涡轮机停机的给定时间可以小于计划内的通信中断时风力涡轮机停机的时间。

根据一个实施例，该方法包括以下步骤：当重新建立通信时，将风力涡轮机的电力生产升降至从发电厂控制器接收的运行设定点。

当通信中断后重新建立通信时，风力涡轮机将修正电力生产以适应发电厂的需求。重新建立通信后，风力涡轮机从发电厂接收运行设定点，然后风力涡轮机将电力生产进行升降以适应运行设定点。升降速率可以基于后备设定点和/或接收的运行设定点和/或基于预定义的时间段来确定。

替代地，根据一个实施例，该方法包括以下步骤：当重新建立通信时，将风力涡轮机的电力生产升降至检测到通信中断前的最后一个已知运行设定点。

在重新建立通信后，发电厂控制器可能需要一些时间来计算运行设定点并将其发送到风力涡轮机。在等待来自发电厂控制器的运行设定点时，风力涡轮机可以使用检测到通信中断前的最后一个已知运行设定点，假设最后接收的运行设定点接近即将从发电厂控制器接收的运行设定点。

根据一个实施例，该方法包括在接收到运行设定点时或接收到运行设定点后的一个时间段离开后备运行模式。当重新建立通信且风力涡轮机从发电厂控制器接收到运行设定点时，风力涡轮机可以离开后备运行模式并恢复正常运行。但是，风力涡轮机可能不会立即恢复正常运行，而是会缓慢地升降电力生产以满足运行设定点，而且风力涡轮机可能会等待一个时间段后才回到正常运行。过快地回到正常运行可能会导致电力生产不稳定，当风力涡轮机在处于后备运行模式一段时间后回到正常运行时，其他风力涡轮机可能需要时间调整电力生产以满足公用电网要求。

此外，根据一个实施例，风力涡轮机保持在后备运行模式，直到风力涡轮机的电力生产达到运行设定点或达到运行设定点后一个时间段。在这种情况下，风力涡轮机会保持在后备运行模式，直到重新建立正常电力生产，这表明在电力生产符合从发电厂控制器接收的运行设定点之前，情况没有恢复正常。

在第二方面，本发明涉及一种用于在通信中断期间运行风力涡轮机的控制系统，其中控制系统被布置为执行根据本发明第一方面的方法的步骤。

在第三方面，本发明涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括根据本发明第二方面的用于在通信中断期间运行风力涡轮机的控制系统。

在第四方面，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品适于使包括至少一个计算机的计算机系统根据本发明的第一方面控制风力涡轮机，所述至少一个计算机具有与之连接的数据存储装置，所述计算机程序产品诸如是包括指令的计算机程序产品，当程序由计算机执行时，该指令使计算机执行本发明第一方面的方法。

本发明的这一方面尤其地(但不是排他性地)有利的是，本发明可以通过计算机程序产品来实现，当下载或上传到计算机系统时，该计算机程序产品能够使计算机系统执行本发明第一方面的风力涡轮机的运行。这种计算机程序产品可以在任何一种计算机可读介质上提供，也可以通过网络提供。

本发明的各个方面都可以各自与任何其他方面相结合。本发明的这些方面和其他方面将从以下参照描述的实施例的描述中变得显而易见。

附图说明

现在将关于附图更详细地描述根据本发明的风力发电厂和控制风力发电厂的方法。图中显示的是本发明的一种实施方式，并且不能被解释为对落入所附权利要求的范围内的其他可能实施例的限制。

图1显示了风力涡轮机。

图2显示了发电厂控制器与风力发电厂中的风力涡轮机之间的通信概览。

图3是根据本发明的方法的流程图。

图4显示了用于控制风力涡轮机的方法的状态图。

具体实施方式

图1显示了风力涡轮机100，它包括塔架101和转子102，转子102带有从轮毂105伸出的至少一个转子叶片103，诸如三个叶片。转子连接到机舱104，机舱104安装在塔架101的顶部，并且适于经由传动系统驱动位于机舱内的发电机。转子102可在风的作用下旋转。转子叶片103的由风引起的旋转能量经由轴传递给发电机。因此，风力涡轮机100能够借助于转子叶片将风的动能转化为机械能，然后借助于发电机将其转化为电能。发电机与电力转换器相连，电力转换器包括发电机侧转换器和线路侧转换器。发电机侧转换器将发电机交流电转换为直流电，线路侧转换器将直流电转换为交流电，以用于注入公用电网。此外，风力涡轮机100还包括控制系统。控制系统可以放置在机舱104内，也可以分布在涡轮机100内的多个位置并进行通信连接。

图2显示了发电厂控制器201与风力发电厂200中的风力涡轮机100之间的通信概览。风力涡轮机100连接到内部中压网络204，风力涡轮机100向内部中压网络204传输实际功率P以及传输和接收无功功率Q。中压网络204连接到变压器205，其中电压从中压网络204传送到高压网络206，高压网络206通过公共耦合点209连接到公用电网210。

发电厂控制器201在公共耦合点209处或附近测量实际功率、无功功率、电压和其他相关数据。发电厂控制器201可以基于公共耦合点处或附近的测量值，优选地还基于风力涡轮机100的运行参数，为风力涡轮机100生成设定点。发电厂控制器201通过通信线路211与风力涡轮机100通信，该通信线路可以是无线的。通信内容可以是从发电厂控制器201发送到风力涡轮机100的运行设定点，以及从风力涡轮机100发送到发电厂控制器201的相关运行参数。

图3显示了本发明方法的一种可能实施方式的示例。风力涡轮机的控制系统持续监测风力涡轮机与发电厂控制器之间的通信中断301。通信中断可以通过在一个时间段内(例如500ms内)没有接收到来自发电厂控制器的任何通信来检测。当检测到通信中断时，风力涡轮机的控制系统可以等待设定的时间延迟304，例如五秒或十秒，如果仍然没有接收到来自发电厂控制器的任何通信，则控制系统意识到仍然存在通信中断305。通信中断可能只是一个小故障，通信可能会在很短的时间(可能只有几秒钟)后重新建立。如果在设定的时间延迟内，短时间后仍未重新建立通信，风力涡轮机将进入后备运行模式306。在后备运行模式下，风力涡轮机控制系统选择预定义的后备设定点，并将电力生产升降至后备设定点307。选定的预定义的后备设定点可以从一组后备设定点中选择，其中每个设定点代表风力涡轮机上的负载的局部最小值。例如，依据其是计划内的通信中断还是计划外的通信中断，可以快速或缓慢地将电力生产升降至后备设定点。此外，在进入后备运行模式时，风力涡轮机控制系统启动停机计时器308。如果停机计时器到期309，则风力涡轮机停机310。如果停机计时器未到期，且检测到通信中断已结束311并重新建立了通信，则风力涡轮机回到正常运行312。当风力涡轮机再次从发电厂控制器接收到运行设定点时，风力涡轮机将确定通信中断已结束。然后，风力涡轮机将回到正常运行，并将电力生产进行升降以满足接收的运行设定点。

当然，本方法的实现方式可以与上述不同，因为根据本发明的方法，有许多方法可以形成实施例。

图4显示了用于控制风力涡轮机的方法的状态图。风力涡轮机以正常运行进行运行401，但当发生通信中断404时，风力涡轮机将变化到后备运行模式402。进入后备运行模式时，计时器启动，在给定时间后，风力涡轮机停机403。但是，如果在给定时间逝去前重新建立通信405，则风力涡轮机将回到正常运行401。

尽管本发明已结合具体实施例进行了描述，但不应理解释为本发明以任何方式仅限于所介绍的示例。本发明的范围由随附的权利要求确定。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”并不排除其他可能的元件或步骤。此外，提到诸如“一”或“一个”等参考不应被解释为排除多个。权利要求中对图中所示元件使用的参考符号也不应被解释为限制本发明的范围。此外，在不同的权利要求中提到的各个特征可能可以有利地组合在一起，并且在不同的权利要求中提到这些特征并不排除这些特征的组合是不可能的和有利的。

Claims (15)

1.一种运行风力发电厂中的风力涡轮机的方法，所述风力发电厂(200)包括发电厂控制器(201)，所述方法包括以下步骤：

-通过所述风力涡轮机(100)检测所述风力涡轮机与所述发电厂控制器(201)之间的通信中断，

-在检测到通信中断的情况下进入所述风力涡轮机(100)的后备运行模式(402)，

-其中，所述后备运行模式(402)包括将所述风力涡轮机(100)的电力生产升降至预定义的后备设定点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述风力涡轮机(100)的电力生产升降至所述预定义的后备设定点是以预定义的升降速率或在预定义的时间内执行的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在检测到通信中断后，所述方法包括在设定的时间延迟后进入所述后备运行模式(402)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法包括：如果所述通信中断不是计划内的，则以预定义的降低系数降低所述设定的时间延迟。

5.根据权利要求1-4所述的方法，其中，所述预定义的后备设定点被确定为使得，当进入所述后备运行模式(402)时，所述风力涡轮机(100)上的负载下降。

6.根据权利要求1-5所述的方法，其中，所述预定义的后备设定点被确定为使得，所述风力涡轮机(100)的电力生产被降低或升高到所述预定义的后备设定点，其中所述风力涡轮机上的负载处于局部最小值。

7.根据权利要求1-6所述的方法，其中，所述预定义的后备设定点是从一组后备设定点中选择的，每个后备设定点是其中所述风力涡轮机(100)上的负载处于局部最小值的设定点。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预定义的后备设定点被选择为该组后备设定点中最接近的设定点。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预定义的后备设定点被选择为该组后备设定点中在降低电力生产时最先到达的设定点。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：在进入所述后备运行模式后，如果在给定时间后未重新建立通信，则使所述风力涡轮机(100)停机(403)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：当重新建立通信时，将所述风力涡轮机(100)的电力生产升降至从所述发电厂控制器接收的运行设定点。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述风力涡轮机(100)的电力生产升降至运行设定点是以预定义的升降速率或在预定义的时间内执行的。

13.一种用于在通信中断期间运行风力涡轮机的控制系统，其中，所述控制系统被布置为执行根据权利要求1-12中任一项所述的方法的步骤。

14.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括根据权利要求13所述的用于在通信中断期间运行风力涡轮机(100)的控制系统。

15.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括软件代码，当在数据处理系统上执行时，所述软件代码适于控制风力涡轮机(100)，所述计算机程序产品适于执行根据权利要求1-12中任一项所述的方法。