CN117561378A - 包括辅助系统的风力涡轮机发电站 - Google Patents

Abstract

提供了一种风力涡轮机发电站，其包括：至少一个风力涡轮机(10)；一个或多个涡轮机辅助设备(300)；传输设备(100)，其用于将由所述至少一个风力涡轮机(10)产生的电功率传输到电力系统(200)，所述传输设备(100)包括用于将功率传输到一个或多个涡轮机辅助设备(300)的辅助电路(180、181)，所述辅助电路(180、181)被连接到所述至少一个风力涡轮机(10)、所述电力系统(200)以及所述一个或多个涡轮机辅助设备(300)，所述涡轮机辅助设备(300)由至少一个风力涡轮机(10)或所述电力系统(200)通过所述辅助电路(180、181)供电。所述辅助电路(180、181)至少包括：能量存储器(186)，所述涡轮机辅助设备(300)被电连接到所述能量存储器(186)；以及控制器(250)。

Description

包括辅助系统的风力涡轮机发电站

技术领域

本发明涉及向至少包括风力涡轮机的发电站中包括的辅助系统高效地提供电力的技术领域。

背景技术

风力涡轮机通过如下方式来运行，即：将移动的风转换成旋转运动，然后使用功率转换系统将该旋转运动转换成电功率。该功率转换系统通常包括由空气动力转子叶片构成的风力涡轮机转子、旋转轴、传动系统或齿轮箱、发电机以及最后的功率调节系统，该功率调节系统可包括高功率频率转换器。然后，产生的电功率被馈送到电力网中或者馈送到用电设备。

由于功率转换系统的设计和/或功率转换系统中的低效率，风力涡轮机无法在所有风速下发电，并且通常具有切入风速和/或切入转子速度，该速度是在风力涡轮机可将电力输送到电力网之前的最小所需风速或转子速度。当风速或风力涡轮机的转子速度低于该切入速度时，于是风力涡轮机必须消耗功率来为运行和保护所需的内部系统供电。这些系统被称为辅助系统，并且可能包括诸如泵、风扇和马达的部件以及灯、加热器、传感器、控制系统、通信系统和其他类似的装置和系统。

这些辅助系统的功率消耗可范围从仅几瓦到超过100千瓦或更多，这取决于单个风力涡轮机的运行状态和尺寸。对于风力涡轮机运营商来说，这种功率消耗可能导致高成本，因为电力可能需要从电网络购买或者通过其他昂贵的来源供应。对于由多个风力涡轮机组成的风电场的运营商来说，来自非发电风力涡轮机的功率消耗会从正在发电的风力涡轮机的输出中减去，从而导致较低的收入。

在其他一些情况下，例如当风力涡轮机功率调节系统中存在故障时，无论风速如何，风力涡轮机都将无法向电网络输送电力。在这段时间期间，风力涡轮机内的辅助系统将再次使用来自电网络的功率消耗。EP 2 282 055 A2、EP 1 903 213 A2、WO 2004/059814A2、US2020/166017A1和WO 2011/019321 A2中描述了使用能量存储器的可能性。然而，辅助系统、能量存储器和电力网的连接还不允许方便的功率消耗管理。

因此，仍然需要提供更高效的电力传输线，以用于将电力提供给在至少包括风力涡轮机的发电站中包括的辅助系统。

发明内容

该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。

根据本发明的一个方面，提供了一种风力涡轮机发电站，其包括：

至少一个风力涡轮机，

一个或多个涡轮机辅助设备，

传输设备，其用于将由所述至少一个风力涡轮机产生的电功率传输到电力系统，所述传输设备包括用于将功率传输到一个或多个涡轮机辅助设备的辅助电路，所述辅助电路被连接到所述至少一个风力涡轮机、所述电力系统以及所述一个或多个涡轮机辅助设备，所述涡轮机辅助设备由所述至少一个风力涡轮机或所述电力系统通过所述辅助电路供电，其中，所述辅助电路包括至少能量存储器，所述涡轮机辅助设备被电连接到所述能量存储器，以及

控制器，其配置成用于：

使所述风力涡轮机投入运行，

将功率发送到所述电力系统和所述能量存储器，

如果所述风力涡轮机停止为所述电力系统产生电功率，则使用所述辅助电路给所述涡轮机辅助设备供应能量，

其中，如果所述风力涡轮机正在产生最大可允许功率，或者如果所述风力涡轮机正在产生高于预定功率阈值的功率，所述预定功率阈值低于所述最大可允许功率，或者如果识别出通常与预定电力值相关联的条件，或者如果所述电力值低于预定阈值，则功率被发送到所述能量存储器。

所述控制器可包括一个或多个单元。如果发电站包括多个涡轮机，则可在集中发电站级设置一个单一的控制器，或者作为“控制器”，其可意指多个控制器，例如包括处于集中发电站级的集中式部分和处于涡轮机级的多个分布式部分。

根据本发明的实施例，所述辅助电路包括辅助线路，以用于绕过所述能量存储器将所述涡轮机辅助设备连接到所述至少一个风力涡轮机或所述电力系统。所述传输设备可包括至少一个辅助断路器，以用于将所述辅助电路与所述至少一个风力涡轮机和所述电力系统断开。

根据本发明的实施例，所述能量存储器可包括电池电存储系统、超级电容器、飞轮、氢电解或燃料电池系统或者可通过电功率补充的任何其他能量存储器中的任何一种。

上述传输设备提供了多个优点。使用能量存储系统防止或减少了进入到风力涡轮机或风力发电场中的功率流，从而防止了发电站成为能源消耗者。这通过降低与电能购买相关联的成本而提供了益处。通过避免消耗来自外部电网的能量，风力涡轮机或风力发电场可通过避免使用可能通过碳密集型技术产生的能量来减少其碳排放。

本发明可被集成在单个风力涡轮机中或者集成在包括多个风力涡轮机的风力发电场中。

根据本发明的另一方面，提供了一种操作如上所述的风力涡轮机发电站的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

使所述至少一个风力涡轮机投入运行，

将功率发送到所述电力系统和所述能量存储器，

如果所述风力涡轮机停止为所述电力系统产生电功率，则使用所述辅助电路给所述涡轮机辅助设备供应能量。

如果所述风力涡轮机正在产生最大可允许功率，或者如果所述风力涡轮机正在产生高于预定功率阈值的功率，所述预定功率阈值低于所述最大可允许功率，或者如果识别出通常与预定电力值相关联的条件，则功率被发送到能量存储器。

根据本发明的实施例，提供了一种操作如上所述的包括多个风力涡轮机的风电场的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

使所述风力涡轮机投入运行，

将功率发送到所述电力系统和所述风力涡轮机的所述能量存储器，

如果风力涡轮机停止为所述电力系统产生电功率，并且如果由风力发电场产生的功率低于预定阈值，则使用所述辅助电路给相应的涡轮机辅助设备供应能量。

仅使用风力发电场级的功率流，而不是单个风力涡轮机级的功率流，避免了能量存储系统的过度使用。一些能量存储系统(例如，电池电存储器)可能具有有限的生命周期数量，并且因此过度使用可能会导致寿命提前终止和更换。

附图说明

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

图1示意性地图示了根据本发明的第一实施例的风力发电站，该风力发电站包括用于在风力发电站和电力系统之间传输电功率的传输设备。

图2示意性地图示了根据本发明的第二实施例的风力发电站，该风力发电站包括用于在风力发电站和电力系统之间传输电功率的传输设备。

图3图示了根据本发明的实施例的用于在风力发电站、电力系统以及一个或多个辅助设备之间传输电功率的方法的第一实施例的步骤。

图4图示了根据本发明的实施例的用于在风力发电站、电力系统以及一个或多个辅助设备之间传输电功率的方法的第二实施例的步骤。

图5图示了根据图4的第二实施例的方法的进一步的步骤。

具体实施方式

附图中的图示采用示意性的形式。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记。

图1图示了根据本发明的第一实施例的风力发电站10，其包括置于风力发电站10和电力系统200之间的传输设备100。传输设备100根据单线方案呈现，但可以是三相系统，其中图1的单线单独表示典型三相系统的三个导体。风力发电站10可包括一个或多个风力涡轮机(在图1的实施例的示意图中呈现了一个风力涡轮机10)。风力发电站10包括一个或多个控制器250(图1中示出了一个控制器)。如果风力发电站10包括多个风力涡轮机，则可设置多个控制器250，每个涡轮机一个。控制器250可包括处于发电站级的集中式部分以及处于涡轮机级的多个分布式部分。风力发电站10可以是离岸风力发电站或陆上风力发电站。电力系统200可由公用电网或其他用电设备组成。传输设备100被连接到发电站10和电力系统200，以用于将由风力发电站10产生的电功率传输到电力系统200。风力发电站10的每个风力涡轮机包括发电机15(在图1中的实施例的示意图中呈现了一个发电机15)。发电站10的每个风力涡轮机还包括风力涡轮机频率转换器20。风力涡轮机功率转换器20被连接到发电机15。在频率转换器20和发电机15之间设置有发电机断路器16。

传输设备100包括变压器110，其可连接在风力发电站10和电力系统200之间。根据本发明的其他实施例(未示出)，传输设备100可包括多于一个变压器110。变压器110被配置成用于在运行中将由风力发电站10提供的第一AC电压电平改变为待提供给电力系统200的第二AC电压电平。本发明可独立于第一AC电压电平和第二AC电压电平的值而应用于任何传输设备100和任何变压器110。传输设备100包括电抗器140，其可串联连接在频率转换器20的输出和变压器110的第一侧111之间。电抗器140可用于在控制沿传输设备100传输的无功功率方面协作。传输设备100还包括谐波滤波器150，其具有连接在电抗器140和变压器110的第一侧111之间的端子。电抗器140和阻抗150一起可形成用于频率转换器20的电压输出的滤波器。传输设备100还包括连接到变压器110的第一侧111的电流互感器160以及置于电流互感器160和电抗器140之间的主断路器170。传输设备100包括在变压器110和频率转换器20之间延伸的第一电压部分以及在变压器110和电力系统200之间延伸的第二电压部分。

传输设备100还包括至少一个辅助电路180，其具有连接在变压器110的第一侧111上游的端子。辅助电路180将功率传输到一个或多个涡轮机辅助设备300。辅助电路180被连接到风力发电站10、电力系统200以及一个或多个涡轮机辅助设备300。辅助电路180从传输设备100的第一电压部分分支。涡轮机辅助设备300可包括冷却泵或风扇，或者与风力涡轮机的叶片相关联的变桨驱动器，或者与风力涡轮机的机舱相关联的偏摆驱动器，或者风力发电站10内的类似的其他用电设备，如除湿系统或外部照明系统或者控制和监测系统。涡轮机辅助设备300由风力发电站10或电力系统200通过辅助电路180供电，如下文中更好地描述的。辅助电路180可通过辅助断路器190与风力发电站10和电力系统200断开。

在图1的实施例中，辅助电路180包括AC/DC转换器185、能量存储器186和DC/AC转换器187，它们从辅助断路器190到涡轮机辅助设备300并且通过该辅助断路器190到风力发电站10和电力系统200串联布置。能量存储器186可包括电池电存储系统、超级电容器、飞轮、氢电解或燃料电池系统或者另一能量存储系统。旁路线路188与AC/DC转换器185、能量存储器186和DC/AC转换器187并联布置，以用于直接将涡轮机辅助设备300连接到辅助断路器190并且通过该辅助断路器190连接到风力发电站10和电力系统200。旁路线路188包括旁路断路器189。

图2图示了根据本发明的第二实施例的置于风力发电站10和电力系统200之间的传输设备100。第二实施例与第一实施例的不同之处在于包括辅助电路181、风力发电站10、电力系统200以及一个或多个涡轮机辅助设备300之间的另一种类型的连接。传输设备100包括辅助线路191，以用于直接将涡轮机辅助设备300连接到辅助断路器190并且通过该辅助断路器190连接到风力发电站10和电力系统200。该第二实施例的辅助电路181包括AC/DC转换器185和能量存储器186，其中，该AC/DC转换器185在辅助断路器190和涡轮机辅助设备300之间连接到辅助线路191。

图3图示了操作包括一个风力涡轮机的上述风力发电站10的方法500。该方法可在风力涡轮机的控制器250中实施。在该方法的第一步骤501中，风力涡轮机被投入运行。当风力涡轮机处于运行中时，能量被发送到电力系统200。在方法500的第二步骤502中，检查用于允许将功率发送到能量存储器186的条件。如果满足第二步骤502中的条件，则执行方法500的第三步骤503，在此期间能量被存储到能量存储器186中。在一个实施例中，如果风力涡轮机正在产生电网连接所允许的最大可允许功率，则满足第二步骤502中的条件。风力涡轮机可从风中提取超出允许供应给电网的功率，并且将该过剩功率输送到能量存储系统。在另一个实施例中，如果风力涡轮机正在产生高于预定功率阈值的功率，该预定功率阈值低于最大可允许功率，则满足第二步骤502中的条件。在另一实施例中，如果存在通常与相对低的电力值(value of electricity)相关联的条件(一天中的时间、风速、温度等)，则满足第二步骤502中的条件。所述电力值也可被直接监测并用作条件。如果不满足第二步骤502中的条件，则执行方法500的第四步骤504，在此期间检查风力涡轮机是否可运行。例如，当风速变低时，风力涡轮机停止为电力系统200产生功率。这可通过测量流动到电力系统200的电流或者通过设置风力涡轮机的旋转速度的最小阈值或者通过其他手段来检测。当风力涡轮机经历故障时，其也可能停止为电力系统200发电并进入到停止或空转模式中。如果在第四步骤504中检测到风力涡轮机已停止为电力系统200产生电功率，则执行方法500的第五步骤505，在此期间辅助电路180、181向涡轮机辅助设备300供应能量。在一个实施例中，辅助断路器190将辅助电路180、181与电力系统200断开，并且能量存储器186向涡轮机辅助设备300供应必要的功率。在另一个实施例中，辅助电路180、181保持连接到电力系统200，并且能量存储器186向涡轮机辅助设备300和电网连接提供功率，使得进入到风力涡轮机中的功率流减少或反转。通过将来自能量存储器的功率供应到电网连接，可抵消来自相邻风力涡轮机的功率消耗，从而减少具有非发电风力涡轮机的风力发电场的总功率消耗。监测能量存储器186中的可用能量的量，使得在能量存储器186达到预定耗尽阈值之前，中止来自能量存储器186的电力供应。当这发生时，辅助电路180、181返回到由电力系统200供应电力。一旦条件合适，风力涡轮机就将恢复运行(故障清除，或者风速或转子速度足以实现从风力涡轮机中向外的正功率流)。当再次满足第二步骤502中的条件时，将再次执行方法503的第三步骤。

图4和图5图示了操作上述风力发电站10的方法600、700，该风力发电站10包括布置在风力发电场中的多个风力涡轮机。该方法可在风力发电站10的控制器250中实施。在该实施方式中，风力发电场运营商的目标可为减少进入到风力发电场(而不仅仅是各个风力涡轮机)中的总功率流。在该实施例中，使用单功率流测量或者组合的多个分布式测量来进行整个风力发电场的净功率流的测量。操作风力发电站10的方法包括第一组步骤600，其在发电站10的每个风力涡轮机处执行。在第一组步骤600的第一步骤601中，风力涡轮机被投入运行。当风力涡轮机处于运行中时，能量被发送到电力系统200。在第二步骤602中，检查用于允许将功率发送到能量存储器186的条件。如果满足第二步骤602中的条件，则执行第三步骤603，在此期间能量被存储到能量存储器186中。在一个实施例中，如果风力涡轮机正在产生电网连接所允许的最大可允许功率，则满足第二步骤602中的条件。风力涡轮机可从风中提取超出允许供应给电网的功率，并且将该过剩功率输送到能量存储系统。在另一个实施例中，如果风力涡轮机正在产生高于预定功率阈值的功率，该预定功率阈值低于最大可允许功率，则满足第二步骤602中的条件。在另一实施例中，如果存在通常与相对低的电力值相关联的条件(一天中的时间、风速、温度等)，则满足第二步骤602中的条件。所述电力值也可被直接监测并用作条件。如果不满足第二步骤602中的条件，则执行方法500的第四步骤604，在此期间检查风力涡轮机是否可运行。例如，当风速变低时，风力涡轮机停止为电力系统200产生电功率。这可通过测量流动到电力系统200的电流或者通过设置风力涡轮机的旋转速度的最小阈值或者通过其他手段来检测。当风力涡轮机经历故障时，其也可能停止为电力系统200发电并进入到停止或空转模式中。如果在第四步骤604中检测到风力涡轮机已停止为电力系统200产生电功率，则执行方法500的第五步骤605，在此期间检查发电站10的控制器250是否已发送减少功率消耗的命令。这通过该方法的第二组步骤700来执行(图5中所示)。发电站10的控制器250使风力发电场投入运行(第一步骤701)，并且执行控制以检查由风力发电场产生的功率是否低于预定阈值(第二步骤702)。如果满足该条件，则减少功率消耗的命令被发送到风力涡轮机(第三步骤703)。此后，在第五步骤605中，每个涡轮机检测到该命令的存在，然后执行方法600的第六步骤606，在此期间辅助电路180、181向相应风力涡轮机的涡轮机辅助设备300供应能量。每个单独的风力涡轮机不使用其能量存储器186来供应其涡轮机辅助设备300，直到随后来自集中式控制系统的命令被发送。一旦风力发电场内足够数量的风力涡轮机停止运行，使得功率开始流入到风力发电场中，通信系统就用于与停止运行的风力涡轮机通信，以开始使用其能量存储系统来供应其辅助系统。该集中式控制系统可被设计成使得其尝试仅使用来自能量存储系统的最少量的功率来保持进入到风力发电场中的功率流处于零。这可通过如下方式来完成，即：通过仅将利用能量存储系统的命令发送到停止运行的一部分风力涡轮机，或者(对于在由能量存储系统供电的同时保持电网连接的辅助系统)通过将参考功率发送到能量存储系统，使得它们仅减少足够量的辅助消耗。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机发电站，包括：

至少一个风力涡轮机(10)，

一个或多个涡轮机辅助设备(300)，

传输设备(100)，其用于将由所述至少一个风力涡轮机(10)产生的电功率传输到电力系统(200)，所述传输设备(100)包括用于将功率传输到一个或多个涡轮机辅助设备(300)的辅助电路(180、181)，所述辅助电路(180、181)被连接到所述至少一个风力涡轮机(10)、所述电力系统(200)以及所述一个或多个涡轮机辅助设备(300)，所述涡轮机辅助设备(300)由所述至少一个风力涡轮机(10)或所述电力系统(200)通过所述辅助电路(180、181)供电，其中，所述辅助电路(180、181)包括至少能量存储器(186)，所述涡轮机辅助设备(300)被电连接到所述能量存储器(186)，以及

控制器(250)，其配置成用于：

使所述风力涡轮机(10)投入运行，

将功率发送到所述电力系统(200)和所述能量存储器(186)，

如果所述风力涡轮机停止为所述电力系统(200)产生电功率，则使用所述辅助电路(180、181)给所述涡轮机辅助设备(300)供应能量，

其中，如果所述风力涡轮机正在产生最大可允许功率，或者如果所述风力涡轮机正在产生高于预定功率阈值的功率，所述预定功率阈值低于所述最大可允许功率，或者如果识别出通常与预定电力值相关联的条件，或者如果所述电力值低于预定阈值，则功率被发送到所述能量存储器(186)。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机发电站，其中，所述辅助电路(180、181)包括辅助线路(188、191)，以用于绕过所述能量存储器(186)将所述涡轮机辅助设备(300)连接到所述至少一个风力涡轮机(10)或所述电力系统(200)。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机发电站，其中，所述传输设备(100)包括至少一个辅助断路器(190)，以用于将所述辅助电路(180、181)与所述至少一个风力涡轮机(10)和所述电力系统(200)断开。

4.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机发电站，其中，所述能量存储器(186)包括电池电存储系统、超级电容器、飞轮、氢电解或燃料电池系统。

5.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机发电站，其中，所述传输设备(100)包括一个变压器(110)，所述变压器具有连接到所述至少一个风力涡轮机(10)的第一侧(111)以及连接到所述电力系统(200)的第二侧(112)，所述辅助电路(180、181)被连接到所述变压器的所述第一侧(111)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机发电站，其中，所述涡轮机辅助设备(300)包括冷却泵或风扇或变桨驱动器或偏摆驱动器液压和分配泵或除湿系统或外部照明系统或控制和监测系统中的任何一种。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机发电站，其中，所述电力系统(200)为公用电网。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机发电站，其中，所述风力涡轮机发电站包括多个风力涡轮机(10)，所述控制器(250)被配置成用于：

使所述多个风力涡轮机(10)投入运行，

将功率发送到所述电力系统(200)和所述风力涡轮机(10)的所述能量存储器(186)，

如果风力涡轮机停止为所述电力系统(200)产生电功率，并且如果由风力发电场产生的功率低于预定阈值，则使用所述辅助电路(180、181)给相应的涡轮机辅助设备(300)供应能量。

9.一种操作根据权利要求1至7中任一项所述的风力发电站的方法(500)，其中，所述方法包括以下步骤：

使至少一个风力涡轮机(10)投入运行，

将功率发送到电力系统(200)和能量存储器(186)，

如果所述风力涡轮机停止为所述电力系统(200)产生电功率，则使用所述辅助电路(180、181)给所述涡轮机辅助设备(300)供应能量，其中，如果所述风力涡轮机正在产生最大可允许功率，或者如果所述风力涡轮机正在产生高于预定功率阈值的功率，所述预定功率阈值低于所述最大可允许功率，或者如果识别出通常与预定电力值相关联的条件，或者如果所述电力值低于预定阈值，则功率被发送到所述能量存储器(186)。

10.根据权利要求9所述的操作风力涡轮机的方法(600、700)，其中，所述方法包括以下步骤：

使所述风力涡轮机投入运行，

将功率发送到所述电力系统(200)和所述风力涡轮机的所述能量存储器(186)，

如果风力涡轮机停止为所述电力系统(200)产生电功率，并且如果由风力发电场产生的功率低于预定阈值，则使用所述辅助电路(180、181)给相应的涡轮机辅助设备(300)供应能量。