專利名稱：：風電場及操作風電場的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種風電場、一種用于操作風電場的方法、一種程序單元、一種計算機可讀介質和一種風電場控制器。
背景技術：
：作為常規(guī)電廠或核電廠的生態(tài)置換，風電場正變得越來越流行。多達數(shù)百個單獨的風力渦輪機可以被匯集在單個風電場中。每個風力渦輪機都將經(jīng)由該風力渦輪機的風力渦輪葉片從風中積聚的動能變換為該風力渦輪機的風力渦輪轉子的轉動能量，該風力渦輪轉子接著驅動風力渦輪發(fā)電機。盡管不是在所有約束條件下進行設想(envisagednotunderallconstrains),轉子和/或風力渦輪發(fā)電機的恒定速度仍然可以是可實現(xiàn)的。這樣的速度偏差可以轉化為頻率偏差和/或電壓偏差。然而，用戶(consumer)依賴于恒定的頻率和/或電壓。因此，風力渦輪機可以包含將由風力渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的電力轉換為恒定頻率和電壓的電力的轉換器。此夕卜，風力渦輪機可以包含風力渦輪變壓器，以將由轉換器提供的電壓變換到更高的電平，并且從而減少由于更低的電流引起的功率損耗和/或使關聯(lián)到電纜的成本保持低。由每個風力渦輪機產(chǎn)生的電力接著被饋入到提供上級電網(wǎng)(uppergrid)并且從而給用戶提供電力的集電電網(wǎng)(collectorgrid)。按照慣例，以恒定速度工作的同步發(fā)電機(例如化石燃料電站、核電站或水電站的同步發(fā)電機)被用來支持交流電網(wǎng)。在電網(wǎng)故障的情況下，這些同步發(fā)電機可以提供是在正常工作期間的高達近似10倍的電流，從而支持該電網(wǎng)。在電網(wǎng)故障的情況下，風電場的由具有轉換器的風力渦輪機饋送的集電電網(wǎng)在支持電網(wǎng)方面被限制，因為這些集電電網(wǎng)只能提供近似標稱的電流。該低電流的原因是轉換器中的小的熱時間常數(shù)。因此，風電場的上級電網(wǎng)和集電電網(wǎng)的安全且可靠的工作可能被危及，并且可能存在更高的大停電的風險。因此，可能存在針對可以提高在電網(wǎng)故障的情況下由風電場供給的電流并且從而提高視在功率的風電場、用于操作風電場的方法、程序單元、計算機可讀介質和風電場控制器的需求。
發(fā)明內容通過根據(jù)獨立權利要求的主題，該需求可以被滿足。本發(fā)明的有利的實施例通過從屬權利要求來描述。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供有包含集電電網(wǎng)和連接到集電電網(wǎng)的風力渦輪機的風電場，其中所述風力渦輪機包含風力渦輪變壓器和風力渦輪變壓器旁路開關。本發(fā)明的該方面可以基于如下思想向上變換(up-transform)由風力潤輪轉換器提供的電壓意指向下變換(down-transform)相關聯(lián)的電流。然而,風力潤輪機的風力潤輪轉換器包括通常由小的熱時間常數(shù)表征的半導體部件。在電網(wǎng)故障的情況下，這些風力渦輪轉換器可經(jīng)常僅提供有限的附加電流。因此，風力渦輪機可以向集電電網(wǎng)提供僅少量的附加的有功功率或無功功率。在集電電網(wǎng)故障的情況下，風力渦輪變壓器旁路開關可以考慮到給變壓器設旁路。集電電網(wǎng)電壓的突然的電壓降落可以例如被看作集電電網(wǎng)電壓。這可能在電網(wǎng)故障時發(fā)生，諸如例如在上級電網(wǎng)或集電電網(wǎng)處的短路故障時發(fā)生。其他電網(wǎng)故障可以包括頻移。對于給定的集電電網(wǎng)電壓給變壓器設旁路可以向上級電網(wǎng)和集電電網(wǎng)提供更多的電流并且從而提供更大的視在功率。根據(jù)風電場的示例性實施例，風電場包含轉換器過壓保護器。經(jīng)由風力渦輪變壓器旁路開關給風力渦輪變壓器設旁路可以增加風力渦輪變換器處的電壓。電壓可以比在未受到干擾的工作中的電壓更高。因而，轉換器過壓保護器可以防止電壓超過額定的轉換器電壓。轉換器過壓保護器可以以限制電壓的壓敏電阻器的形式來實現(xiàn)。可替換地，轉換器過壓保護器可以通過其他類型的限制器來實現(xiàn)。根據(jù)風電場的另一示例性實施例，風電場進一步包含連接到集電電網(wǎng)和總電力電網(wǎng)(generalpowergrid)的風電場變壓器以及包含風電場變壓器旁路開關。集電電網(wǎng)可以經(jīng)由風電場變壓器被連接到總電力電網(wǎng)。風電場變壓器可以將集電電網(wǎng)電壓向上變換到對于例如以380kV工作的常規(guī)傳輸線路可接受的電平。給這樣的風電場提供風電場變壓器旁路開關可以幫助支持總電力電網(wǎng)，因為更多的電流可以被饋入到總電力電網(wǎng)中。如果很少的常規(guī)同步發(fā)電機被連接到總電力電網(wǎng)，則這可以特別是有用的。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供有一種用于操作風電場的方法，其中所述方法包含測量集電電網(wǎng)電壓，以及包含如果所測量的集電電網(wǎng)電壓在第一預定閾值電壓以下，則給風力渦輪變壓器設旁路。在集電電網(wǎng)故障時，集電電網(wǎng)電壓可能降落到第一預定閾值電壓以下。第一預定閾值電壓可能低于額定的轉換器電壓。因此可以能夠給風力渦輪變壓器設旁路，并且讓轉換器以集電電網(wǎng)電壓工作，并且從而給集電電網(wǎng)供給更大的有功功率和無功功率，即以支持集電電網(wǎng)。根據(jù)用于操作風電場的方法的第一實施例，所述方法進一步包含如果集電電網(wǎng)電壓在第二預定閾值電壓以上，則中斷風力渦輪變壓器的旁路。當集電電網(wǎng)從電網(wǎng)故障中恢復時，集電電網(wǎng)電壓可能超過額定的轉換器電壓。接著，當集電電網(wǎng)電壓在第二預定閾值電壓以上時中斷風力渦輪變壓器的旁路可以保護轉換器以防過電壓。根據(jù)用于操作風電場的方法的第二實施例，所述方法進一步包含選擇第一預定閾值電壓等于第二預定閾值電壓或者選擇第一預定閾值電壓不同于第二預定閾值電壓。選擇第一預定閾值電壓等于第二預定閾值電壓可以減少控制參數(shù)的數(shù)目以及操作復雜度。如果第一預定閾值電壓和第二預定閾值電壓被選擇為彼此不同，則從旁路狀態(tài)到非旁路狀態(tài)的振蕩的風險可以被減少。根據(jù)用于操作風電場的方法的另一實施例，所述方法進一步包含非常快地、特別是即時中斷風力渦輪變壓器的旁路，以及從而包含最小化在風力渦輪轉換器處的過電壓。根據(jù)用于操作風電場的方法的另一實施例，所述方法進一步包含延遲風力渦輪變壓器的旁路。換言之，可以包括從非旁路狀態(tài)切換到新的旁路狀態(tài)的延遲時間，以減少電壓波動。根據(jù)用于操作風電場的方法的另一實施例，所述方法進一步包含測量總電力電網(wǎng)電壓，以及如果總電力電網(wǎng)電壓在第三預定閾值電壓以下，則給風電場變壓器設旁路?？梢杂欣氖牵占蓡为毜娘L力渦輪機以在通常用于傳輸線路的總電力電網(wǎng)電壓以下的集電電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的電力。因此，風電場變壓器可以被提供來將集電電網(wǎng)電壓變換成總電網(wǎng)電壓。當總電力電網(wǎng)電壓在第三預定閾值電壓以下時給風電場變壓器設旁路可以以與當給集電電網(wǎng)提供風力渦輪變壓器旁路開關時在上面針對集電電網(wǎng)已描述的方式相同的方式來支持總電力電網(wǎng)。根據(jù)用于操作風電場的方法的又一實施例，所述方法進一步包含如果總電力電網(wǎng)電壓在第四預定閾值電壓以上，則中斷風電場變壓器的旁路。當總電力電網(wǎng)從電網(wǎng)故障中恢復時，總電力電網(wǎng)電壓可能超過額定的集電電網(wǎng)電壓。例如，在這些情況下，確保風力渦輪機的足夠的絕緣水平可能是困難的。當總電力電網(wǎng)電壓在第四預定閾值電壓以上時中斷風電場變壓器的旁路可以因而確保風力渦輪機的安全工作。根據(jù)用于操作風電場的方法的另一實施例，所述方法進一步包含選擇第三預定閾值電壓等于或者不同于第四預定閾值電壓。選擇第三預定閾值電壓等于第四預定閾值電壓可以減少控制參數(shù)的數(shù)目以及操作復雜度。如果第三預定閾值電壓和第四預定閾值電壓被選擇為彼此不同的，則從旁路狀態(tài)到非旁路狀態(tài)的振蕩的風險可以被減少。根據(jù)用于操作風電場的方法的又一實施例，所述方法進一步包含非?？斓?、特別是即時中斷風電場變壓器的旁路。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供有用于操作風電場的程序單元，當所述程序單元被數(shù)據(jù)處理器運行時，所述程序單元適于控制和/或適于執(zhí)行如在上文所闡明的方法。所述程序單元可以以諸如例如JAVA、C++之類的任何合適的編程語言而被實施為計算機可讀指令代碼，并且可以被存儲在計算機可讀介質(可移動磁盤、易失性存儲器或非易失性存儲器、嵌入式存儲器/處理器等)上。所述指令代碼在工作中對計算機或任何其他可編程裝置進行編程，以執(zhí)行預期的功能。所述程序單元可以是從諸如萬維網(wǎng)之類的網(wǎng)絡是可得到的，從所述網(wǎng)絡，程序單元是可下載的。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供有用于處理物理對象的計算機程序被存儲在上面的計算機可讀介質，當該計算機程序被數(shù)據(jù)處理器運行時，所述計算機程序適于控制和/或適于執(zhí)行上面闡明的方法。所述計算機可讀介質可以是由計算機或處理器可讀的。所述計算機可讀介質可以例如是但不限于電、磁、光、紅外或者半導體系統(tǒng)、裝置或傳輸介質。所述計算機可讀介質可以包括下列介質中的至少一種計算機可分發(fā)介質(computer-distributablemedium)、程序存儲介質、記錄介質、計算機可讀存儲器、隨機存取存儲器、可擦寫可編程只讀存儲器、計算機可讀軟件分發(fā)包、計算機可讀信號、計算機可讀電信信號、計算機可讀印刷品和計算機可讀壓縮軟件包。根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供有風電場控制器，其中所述風電場控制器適于利用如上文闡明的方法來控制如上文闡明的風電場。必須注意的是，參考不同的主題已描述了本發(fā)明的實施例。特別地，一些實施例已參考方法類型的權利要求被描述，而其他實施例已參考設備類型的權利要求被描述。然而，本領域技術人員將從上面和下面的描述獲悉除非另外告知，除了屬于一種類型的主題的特征的任意組合之外，在關于不同主題的特征之間的、特別是在方法類型權利要求的特征和設備類型權利要求的特征之間的任意組合也被考慮，如要與本文獻一起被公開的那樣。本發(fā)明的上面所限定的方面以及其他方面從下文將要描述的實施例的例子中是明顯的，并且參考實施例的例子被解釋。參考但是本發(fā)明并不限于其的實施例的例子，本發(fā)明將在下文更詳細地被描述。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的風電場的單線圖。圖2示出了用于操作風電場的方法的流程圖。圖3示出了在常規(guī)風電場的集電電網(wǎng)故障期間的電壓和視在功率的特性。圖4示出了在根據(jù)本發(fā)明的風電場的集電電網(wǎng)故障期間的電壓和視在功率的特性。圖5示出了在常規(guī)風電場和根據(jù)本發(fā)明的風電場的集電電網(wǎng)故障期間的視在功率的比較。具體實施例方式附圖中的圖示是示意性的。圖I示出了連接到上級電網(wǎng)101的風電場100的單線圖。風電場包含四個風力渦輪機102、103、104、105。所述風力渦輪機102、103、104、105被連接到集電電網(wǎng)106。所述風力渦輪機102、103、104、105中的每個都包含相應的發(fā)電機107、108、109、110。在發(fā)電機107、108、109、110的輸出端提供轉換器111、112、113、114，以把由發(fā)電機107、108、109、110生成的電力的值參數(shù)轉換為適合于變換和/或電力用戶使用的參數(shù)的值。尤其是，所述轉換器111、112、113、114可以轉換由發(fā)電機107、108、109、110所生成的電力的頻率和/或相位的值。例如，轉換器111、112、113、114可以使由發(fā)電機107、108、109、110生成的電力的起伏頻率均衡為恒定值(例如50赫茲或60赫茲)。此外，所述轉換器111、112、113、114可以包含過壓保護器，從而保護轉換器111、112、113、114免受超過轉換器111、112、113、114的額定電壓的電壓影響。所轉換的電力的電壓通常被風力渦輪變壓器115、116、117、118變換到更高的電壓。向上變換電壓可以減少由電纜阻抗導致的功率損耗。每個風力渦輪機102、103、104、105的所轉換的和經(jīng)過變換的電力接著被饋入到集電電網(wǎng)106中。然而，每個風力渦輪機102、103、104、105此外都被配備有允許給相對應的風力渦輪變壓器115、116、117、118設旁路的風力渦輪變壓器旁路開關119、120、121、122。在集電電網(wǎng)故障和/或上級電網(wǎng)故障的情況下，這可以允許支持集電電網(wǎng)106和/或上級電網(wǎng)101。由集電電網(wǎng)106提供的電力通常被風電場變壓器123變換到甚至更高的適合于上級電網(wǎng)101的傳輸線路的電壓電平。風電場變壓器旁路開關124被關聯(lián)到風電場變壓器123，并且在上級電網(wǎng)故障的情況下，可以通過給風電場變壓器123設旁路來允許利用附加的電流和/或附加的視在功率、特別是無功功率支持上級電網(wǎng)101。圖2示出了一種用于操作風電場的方法。集電電網(wǎng)電壓連續(xù)地被測量。在步驟200，集電電網(wǎng)電壓與第一預定閾值電壓相比較。如果所測量的集電電網(wǎng)電壓降落到該第一預定閾值電壓以下，則在步驟201，至少一個風力渦輪機的風力渦輪變壓器旁路開關被閉合，從而允許電流給該風力渦輪變壓器設旁路。因此，更多的電流可以由風力渦輪機被饋入到集電電網(wǎng)中。進一步地，在步驟202，確定集電電網(wǎng)電壓是否超過第二預定閾值電壓。如果這不是這種情況，則變壓器旁路開關保持閉合，并且繼續(xù)將集電電網(wǎng)電壓與第二預定閾值電壓相比較。否則，在步驟203，旁路開關被再次打開，使得僅給集電電網(wǎng)供給經(jīng)過變換的電流。在步驟203，旁路開關的打開優(yōu)選地可以被非?？斓乇粓?zhí)行和/或可以基于電壓的瞬時測量，因此在風力渦輪機處沒有過電壓發(fā)生。旁路開關可以優(yōu)選地是半導體類型的旁路開關，從而實現(xiàn)快速關斷。旁路開關閉合應該基于被延遲的信號，該被延遲的信號可以是RMS信號。圖3示出了在針對常規(guī)風電場的在從A到t2的時間間隔內集電電網(wǎng)故障的情況下的集電電網(wǎng)電壓Ve、轉換器電壓Vac以及由轉換器遞送的視在功率Sc的特性。當集電電網(wǎng)電壓\在&降落時，轉換器電壓(即在轉換器輸出端的電壓)基于風力渦輪變壓器的放大倍數(shù)成比例地下降。由于轉換器不可能能夠提供顯著更多的電流，所以由于關系式S=sqrt(3)*電壓*電流，風力渦輪機只能向集電電網(wǎng)提供稍微更多的視在功率S。。因此，常規(guī)風電場的風力渦輪機僅提供有限的集電電網(wǎng)支持。圖4示出了在針對根據(jù)本發(fā)明的風電場的實施例的在從h到t2的時間間隔內集電電網(wǎng)故障的情況下的集電電網(wǎng)電壓Ve、轉換器電壓Vai以及由轉換器遞送的視在功率S1的特性。當在時間^的集電電網(wǎng)電壓Ve降落到第一預定閾值電壓以下時，風力渦輪變壓器旁路開關被閉合，并且轉換器電壓Vai變得等于ve。因此，風力渦輪機可以給風電場集電電網(wǎng)提供更多的視在功率Sp當電網(wǎng)電壓Ve在t2再次上升時，視在功率S1因此也上升，并且當電網(wǎng)電壓Ve變得高于第二預定閾值電壓時，風力渦輪變壓器旁路開關再次被打開，視在功率S1降落并且接著從下面收斂于其在電網(wǎng)故障發(fā)生之前所具有的電平。如從比較Sc和S1的圖5中明顯的是，在集電電網(wǎng)或上級電網(wǎng)故障的情況下，根據(jù)本發(fā)明的風電場的示例性實施例可以提供顯著更大的視在功率。應該注意，術語“包含”并不排除其他單元或步驟，并且冠詞“一”或“一個”的使用并不排除多個。與不同的實施例相關聯(lián)地被描述的單元也可以被組合。還應注意的是，權利要求書中的附圖標記不應該被解釋為限制權利要求書的范圍。權利要求1.一種風電場，其包含集電電網(wǎng)(106)，和連接到集電電網(wǎng)(106)的風力渦輪機(102)，其中，所述風力渦輪機(102)包含風力渦輪變壓器(115)，和風力渦輪變壓器旁路開關(119)。2.根據(jù)前述權利要求I所述的風電場，所述風電場進一步包含轉換器過壓保護器。3.根據(jù)前述權利要求I和2中的任一權利要求所述的風電場，所述風電場進一步包含風電場變壓器(123)，和風電場變壓器旁路開關(124)。4.一種用于操作風電場的方法，所述方法包含測量集電電網(wǎng)電壓，和如果所測量的集電電網(wǎng)電壓在第一預定閾值電壓以下，則給風力渦輪變壓器設旁路。5.根據(jù)前述權利要求4所述的用于操作風電場的方法，所述方法進一步包含如果集電電網(wǎng)電壓在第二預定閾值電壓以上，則中斷風力渦輪變壓器的旁路。6.根據(jù)前述權利要求5所述的用于操作風電場的方法，所述方法進一步包含選擇第一預定閾值電壓等于第二預定閾值電壓或者選擇第一預定閾值電壓不同于第二預定閾值電壓。7.根據(jù)前述權利要求5或6所述的用于操作風電場的方法，所述方法進一步包含非?？斓刂袛囡L力渦輪變壓器的旁路。8.根據(jù)前述權利要求5至7中的任一權利要求所述的用于操作風電場的方法，所述方法進一步包含延遲風力渦輪變壓器的旁路。9.根據(jù)前述權利要求5至8中的任一權利要求所述的用于操作風電場的方法，所述方法進一步包含測量總電力電網(wǎng)電壓，和如果總電力電網(wǎng)電壓在第三預定閾值電壓以下，則給風電場變壓器設旁路。10.根據(jù)前述權利要求9所述的用于操作風電場的方法，所述方法進一步包含如果總電力電網(wǎng)電壓在第四預定閾值電壓以上，則中斷風電場變壓器的旁路。11.根據(jù)前述權利要求9或10所述的用于操作風電場的方法，所述方法進一步包含選擇第三預定閾值電壓等于第四預定閾值電壓或者選擇第三預定閾值電壓不同于第四預定閾值電壓。12.根據(jù)前述權利要求10或11所述的用于操作風電場的方法，所述方法進一步包含非?？斓刂袛囡L電場變壓器的旁路。13.一種用于操作風電場的程序單元，當數(shù)據(jù)處理器運行所述程序單元時，所述程序單元適于控制和/或適于執(zhí)行根據(jù)權利要求4至12中的任一權利要求所述的方法。14.一種計算機可讀介質，在所述計算機可讀介質上存儲有用于處理物理對象的計算機程序，當數(shù)據(jù)處理器運行所述計算機程序時，所述計算機程序適于控制和/或適于執(zhí)行根據(jù)權利要求4至12中的任一權利要求所述的方法。15.一種風電場控制器，其適于利用根據(jù)權利要求4至12中的任一權利要求所述的方法來控制根據(jù)權利要求I至3中的任一權利要求所述的風電場。全文摘要本發(fā)明涉及風電場及操作風電場的方法。描述了一種包含集電電網(wǎng)(106)和連接到集電電網(wǎng)(106)的風力渦輪機(102)的風電場，其中所述風力渦輪機(102)包含風力渦輪變壓器(115)和風力渦輪變壓器旁路開關(119)，并且公開了一種用于操作風電場的方法，所述用于操作風電場的方法包含測量集電電網(wǎng)電壓，并且包含如果所測量的集電電網(wǎng)電壓在第一預定閾值電壓以下，則給風力渦輪變壓器設旁路。文檔編號F03D9/00GK102957164SQ20121028195公開日2013年3月6日申請日期2012年8月9日優(yōu)先權日2011年8月9日發(fā)明者J.貝赫申請人:西門子公司