本發(fā)明涉及一種用于在斷開(kāi)風(fēng)電場(chǎng)與公用電網(wǎng)的連接期間協(xié)調(diào)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)的控制的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

眾所周知，所有的離岸設(shè)施/單元將提供有獨(dú)立的應(yīng)急電源，當(dāng)主電源出現(xiàn)故障時(shí)，其應(yīng)當(dāng)能夠接管對(duì)緊急負(fù)載(例如，照明和重要的通信和信號(hào)系統(tǒng)等)的供電；對(duì)不同的負(fù)載，供電時(shí)間周期應(yīng)滿(mǎn)足諸如幾小時(shí)到幾天的需求。離岸風(fēng)電場(chǎng)是一種典型的離岸應(yīng)用，預(yù)計(jì)將以穩(wěn)定的速度增長(zhǎng)，并且預(yù)計(jì)安裝功率將增加。當(dāng)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)與陸上電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)(例如在出口電纜故障的情況下)，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)符合緊急輔助負(fù)載供電(包括導(dǎo)航燈、傳感器和通信設(shè)備，通風(fēng)和加熱設(shè)備等)的要求。

在專(zhuān)利EP 1 752 659中公開(kāi)了使用柴油發(fā)電機(jī)對(duì)輔助負(fù)載供電的概念。然而，在這種情況下，來(lái)自電纜陣列的充電功率(容性無(wú)功功率)需要被柴油發(fā)電機(jī)吸收，導(dǎo)致所需柴油發(fā)電機(jī)的容量增大的問(wèn)題。在解決技術(shù)問(wèn)題時(shí)，專(zhuān)利EP 2 503 146描述了用于在公用電網(wǎng)(要向其輸送能量)處于故障期間操作電能生產(chǎn)設(shè)施(風(fēng)電場(chǎng))的方法及其裝置。該能量生產(chǎn)設(shè)施包括至少一個(gè)風(fēng)機(jī)。該方法包括將風(fēng)機(jī)與公用電網(wǎng)斷開(kāi)。該方法還包括經(jīng)由電纜將外部發(fā)電機(jī)連接到風(fēng)機(jī)的輔助設(shè)備上，以將有功功率輸送到輔助設(shè)備。電纜連接到風(fēng)機(jī)變流器，其中變流器能夠支持無(wú)功功率。由于所產(chǎn)生的無(wú)功功率可以通過(guò)適當(dāng)?shù)厍袚Q一個(gè)或多個(gè)功率晶體管而被連接到電纜的變流器吸收，使得外部發(fā)電機(jī)吸收的所產(chǎn)生的無(wú)功功率可以減少，因此能夠使得外部發(fā)電機(jī)的尺寸和成本減小，從而可以實(shí)現(xiàn)外部發(fā)電機(jī)的安全操作。變流器可用于吸收通過(guò)向電纜施加電壓而產(chǎn)生的無(wú)功功率，相比使用外部發(fā)電機(jī)或安裝其他補(bǔ)償設(shè)備(例如并聯(lián)電抗器)，使用變流器更具成本效益。然而，以上專(zhuān)利并未針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)由多個(gè)風(fēng)機(jī)組成并且它們的任何變流器能夠吸收在電纜上產(chǎn)生的無(wú)功功率的情形進(jìn)行分析；該情形下，無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)男Ч麑㈦S著對(duì)風(fēng)機(jī)變流器的各種選擇而變化(例如考慮到風(fēng)機(jī)變流器與變電站的電氣距離而進(jìn)行選擇)。如專(zhuān)利EP 2 503 146所公開(kāi)的，在多個(gè)風(fēng)機(jī)之中選擇無(wú)功功率吸收變流器而不考慮它們?cè)谘a(bǔ)償電纜產(chǎn)生的無(wú)功功率方面的相對(duì)有效性，則可能導(dǎo)致電纜充電無(wú)功功率補(bǔ)償效果下降的問(wèn)題。

專(zhuān)利EP 2 236 821描述了一種用于與風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)的至少兩個(gè)風(fēng)機(jī)的孤島運(yùn)行的方法和系統(tǒng)，其中所述風(fēng)電場(chǎng)被配置為將所述風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電力提供給主電網(wǎng)，并且該方法包括：檢測(cè)所述風(fēng)電場(chǎng)中的至少兩個(gè)或更多個(gè)失效的風(fēng)機(jī)，所述失效的風(fēng)機(jī)與所述主電網(wǎng)斷開(kāi)；配置至少一個(gè)孤島本地電網(wǎng)以用于電氣連接所述兩個(gè)或更多個(gè)失效的風(fēng)機(jī)；使用黑啟動(dòng)運(yùn)行激活所述失效的風(fēng)機(jī)中的至少一個(gè)；以及將所述至少一個(gè)激活的風(fēng)機(jī)和所述失效的風(fēng)機(jī)中的至少一個(gè)連接到所述本地電網(wǎng)，所述激活的風(fēng)機(jī)用作連接到所述本地電網(wǎng)的所述至少一個(gè)失效的風(fēng)機(jī)的電源。然而，專(zhuān)利EP 2 236 821沒(méi)有討論將多個(gè)風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)和可替代的外部發(fā)電機(jī)用作輔助設(shè)備電源的情形。在該情形下，如控制不當(dāng)將可能產(chǎn)生對(duì)于負(fù)載的過(guò)度供電或供電不足的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于在公用電網(wǎng)處于故障期間協(xié)調(diào)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)的控制的方法，能量將經(jīng)由至少一根電纜并經(jīng)由所述風(fēng)電場(chǎng)的變電站被輸送到所述公用電網(wǎng)，其中，所述風(fēng)機(jī)布置在至少一個(gè)組中，所述方法包括：將所述公用電網(wǎng)與所述風(fēng)機(jī)斷開(kāi)；經(jīng)由至少一根電纜中相應(yīng)的一根電纜，電氣連接至少一組風(fēng)機(jī)的輔助設(shè)備；在所述至少一組風(fēng)機(jī)的相應(yīng)一組中選擇與所述風(fēng)電場(chǎng)的變電站電氣接近的至少一個(gè)風(fēng)機(jī)；以及通過(guò)所選擇的至少一個(gè)風(fēng)機(jī)變流器吸收在所述至少一根電纜上產(chǎn)生的無(wú)功功率。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于在公用電網(wǎng)處于故障期間控制風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)的協(xié)調(diào)系統(tǒng)，能量將經(jīng)由至少一根電纜并經(jīng)由所述風(fēng)電場(chǎng)的變電站將能量輸送到所述公用電網(wǎng)。所述協(xié)調(diào)系統(tǒng)包括：第一開(kāi)關(guān)，其布置在所述公用電網(wǎng)與所述風(fēng)機(jī)中的每一個(gè)之間，并且適于在所述公用電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下斷開(kāi)；至少一個(gè)第二開(kāi)關(guān)，其布置在所述至少一個(gè)風(fēng)機(jī)組中相應(yīng)的一組中相應(yīng)的一個(gè)風(fēng)機(jī)與所述至少一根電纜中的相應(yīng)一根電纜之間；以及控制系統(tǒng)；其中：所述風(fēng)機(jī)中的每一個(gè)包括輔助設(shè)備、變壓器單元、變流器和發(fā)電機(jī)，所述變壓器單元具有能夠電氣連接到所述輔助設(shè)備的輸入端的第一繞組電路、能夠經(jīng)由第三開(kāi)關(guān)電氣連接到所述變流器的第二繞組電路、能夠經(jīng)由相應(yīng)的第二開(kāi)關(guān)電氣連接到至少一根電纜中相應(yīng)的一根電纜的第三繞組電路，并且變流器能夠經(jīng)由第四開(kāi)關(guān)電氣連接到所述發(fā)電機(jī)；以及所述控制系統(tǒng)，其適于隨著所述第一開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)，在所述至少一組風(fēng)機(jī)中相應(yīng)的一組中選擇電氣接近于所述變電站的風(fēng)機(jī)，并且閉合所選擇的風(fēng)機(jī)的第三開(kāi)關(guān)，使得所選擇的風(fēng)機(jī)變流器吸收在所述至少一根電纜上產(chǎn)生的無(wú)功功率。

通過(guò)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，確保了最有效的電纜充電功率補(bǔ)償。

附圖說(shuō)明

在下文中，參照在附圖中示出的優(yōu)選示例性實(shí)施例更詳細(xì)地解釋本發(fā)明的主題，其中：

圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的風(fēng)電場(chǎng)；

圖2是示出根據(jù)圖1的風(fēng)電場(chǎng)的混合APS解決方案的流程圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)控制器獲得用于柴油發(fā)電機(jī)的頻率和電壓基準(zhǔn)f*/V*的流程圖；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的柴油發(fā)電機(jī)的本地控制的框圖。

在附圖中使用的附圖標(biāo)記及其含義以概括形式列在附圖標(biāo)記列表中。原則上，在圖中相同的部件具有相同的附圖標(biāo)記。

具體實(shí)施方式

圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的風(fēng)電場(chǎng)。如圖1所示，風(fēng)電場(chǎng)1包括多個(gè)風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35，變電站4，至少一根電纜50、51、52和控制系統(tǒng)6。電纜50、51、52中的每一個(gè)可經(jīng)由第一開(kāi)關(guān)7(例如斷路器)電氣連接到公用電網(wǎng)。第一開(kāi)關(guān)7可以在公用電網(wǎng)中的故障發(fā)生的情況下斷開(kāi)。風(fēng)機(jī)布置成三組，其中組G1由風(fēng)機(jī)10-15組成，組G2由風(fēng)機(jī)20-25組成，組G3由風(fēng)機(jī)30-35組成。

組G1的風(fēng)機(jī)10-15中的每一個(gè)可經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)800-805中相應(yīng)的一個(gè)電氣連接到電纜50，組G2的風(fēng)機(jī)20-25中的每一個(gè)可經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)810-815中相應(yīng)的一個(gè)電氣連接到電纜51，并且組G3的風(fēng)機(jī)30-35中的每一個(gè)可經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)820-825中相應(yīng)的一個(gè)電氣連接到電纜52。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，電纜的數(shù)量可以等于或大于一，并且風(fēng)機(jī)可以布置成一個(gè)或多個(gè)組以向一根或多根電纜輸送能量。在存在多于一根電纜50、51、52的情況下，風(fēng)電場(chǎng)1可以包括母線8，該母線8布置在第一開(kāi)關(guān)7和相應(yīng)的電纜50、51、52之間，并且電氣連接第一開(kāi)關(guān)7和相應(yīng)的電纜50、51、52。在公用電網(wǎng)和第一開(kāi)關(guān)7之間，在變電站4中，可以布置一個(gè)或多個(gè)變壓器，以將由風(fēng)機(jī)提供的電壓變換為更高的電壓，并且第一開(kāi)關(guān)7也可以布置在變電站4中。

風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35中的每一個(gè)包括發(fā)電機(jī)100-150、200-250、300-350，變流器101-151、201-251、301-351，輔助設(shè)備102-152、202-252、302-352，以及變壓器單元103-153、203-253、303-353。變壓器單元103-153、203-253、303-353具有：第一繞組電路，其可電氣連接到輔助設(shè)備102-152、202-252、302-352的輸入端；第二繞組電路，其可經(jīng)由第三開(kāi)關(guān)104-154、204-254、304-354電氣連接到變流器101-151、201-251、301-351；第三繞組電路，其可經(jīng)由相應(yīng)的第二開(kāi)關(guān)800-805、810-815、820-825電氣連接到至少一根電纜中的相應(yīng)一根；并且變流器可經(jīng)由第四開(kāi)關(guān)105-155、205-255、305-355電氣連接到發(fā)電機(jī)。相應(yīng)的發(fā)電機(jī)100-150、200-250、300-350可以向相應(yīng)的變流器101-151、201-251、301-351提供能量。變流器101-151、201-251、301-351中的每一個(gè)將發(fā)電機(jī)100-150、200-250、300-350輸送來(lái)的、通常為可變頻率的能量流轉(zhuǎn)換為供應(yīng)給電纜50、51、52中相應(yīng)一個(gè)的、固定頻率的能量流。供應(yīng)給電纜50、51、52中相應(yīng)一個(gè)的固定頻率的能量流經(jīng)由相應(yīng)的第三開(kāi)關(guān)104-154、204-254、304-354，相應(yīng)的變壓器單元103-153、203-253、303-353，以及相應(yīng)的第二開(kāi)關(guān)800-805、810-815、820-825而被供應(yīng)。

風(fēng)電場(chǎng)1還可以包括位于變電站4內(nèi)的外部發(fā)電機(jī)9，外部發(fā)電機(jī)9可以經(jīng)由第五開(kāi)關(guān)2和相應(yīng)的母線8電氣連接到電纜50、51、52。外部發(fā)電機(jī)可以是，例如，柴油發(fā)電機(jī)。

控制系統(tǒng)6可以控制切換第二開(kāi)關(guān)800-805、810-815、820-825，第三開(kāi)關(guān)104-154、204-254、304-354，第四開(kāi)關(guān)105-155、205-255、305-355和第五開(kāi)關(guān)2的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。例如，控制系統(tǒng)6可以向開(kāi)關(guān)發(fā)送命令，使得它們相應(yīng)地進(jìn)行切換，從閉合到斷開(kāi)，或者反過(guò)來(lái)。例如，第二開(kāi)關(guān)、第三開(kāi)關(guān)、第四開(kāi)關(guān)和第五開(kāi)關(guān)可以是斷路器。

在正常操作時(shí)，能量可以經(jīng)由相應(yīng)的閉合的第二開(kāi)關(guān)800-805、810-815、820-825，相應(yīng)的閉合的第三開(kāi)關(guān)104-154、204-254、304-354，相應(yīng)的閉合的第四開(kāi)關(guān)105-155、205-255、305-355，以及電纜50、51、52中的相應(yīng)一個(gè)，以及閉合的第一開(kāi)關(guān)7，從風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35中的相應(yīng)一個(gè)輸送到公用電網(wǎng)。

電纜50、51、52含有分布電容參數(shù)，其可導(dǎo)致無(wú)功功率的產(chǎn)生。除了相應(yīng)的電纜之外，分布電容參數(shù)的效果由電容C表示。

在公用電網(wǎng)處于故障狀況期間，第一開(kāi)關(guān)7可以被斷開(kāi)，使得風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35與公用電網(wǎng)電斷開(kāi)。例如，斷路器自動(dòng)打開(kāi)以保護(hù)電路免受由過(guò)載或短路引起的損壞。此外，所有將風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35連接到電纜50、51、52的第二開(kāi)關(guān)800-805、810-815、820-825也將被斷開(kāi)。第三開(kāi)關(guān)104-154、204-254、304-354和第四開(kāi)關(guān)105-155、205-255、305-355也可以如此。

接下來(lái)，一般來(lái)說(shuō)，要么是柴油發(fā)電機(jī)9，要么是柴油發(fā)電機(jī)9和風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35可以啟動(dòng)，以便在由公用電網(wǎng)故障引起的孤島運(yùn)行期間為風(fēng)電場(chǎng)1的風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35的輔助負(fù)載供電。對(duì)風(fēng)機(jī)的輔助設(shè)備的電源的選擇可以由控制系統(tǒng)6控制(命令第二開(kāi)關(guān)800-805、810-815、820-825，第三開(kāi)關(guān)104-154、204-254、304-354，第四開(kāi)關(guān)105-155、205-255、305-355和第五開(kāi)關(guān)2處于不同的開(kāi)/關(guān)狀態(tài))。

例如，在形成孤島式風(fēng)電場(chǎng)1之后，控制系統(tǒng)6選擇相應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)9作為風(fēng)機(jī)的輔助設(shè)備的電源。一旦柴油發(fā)電機(jī)9運(yùn)行，控制系統(tǒng)6即可發(fā)送命令以閉合柴油發(fā)電機(jī)9和相應(yīng)的電纜50、51、52之間的第五開(kāi)關(guān)2。之后，控制系統(tǒng)6控制第二開(kāi)關(guān)800-805、810-815、820-825閉合，并且由柴油發(fā)電機(jī)9產(chǎn)生的有功功率流過(guò)電纜50、51、52。流過(guò)電纜50、51、52的有功功率被供應(yīng)到相應(yīng)的風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35的輔助設(shè)備102-152、202-252、302-352上。

作為替代，在柴油發(fā)電機(jī)連接到相應(yīng)的電纜50、51、52之后，控制系統(tǒng)6還可以選擇失效的風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35中的一個(gè)(例如選擇風(fēng)機(jī)22)并指示所選擇的風(fēng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)程序。這樣的啟動(dòng)程序是本領(lǐng)域公知的。控制系統(tǒng)6通過(guò)閉合風(fēng)機(jī)22的第二開(kāi)關(guān)812、第三開(kāi)關(guān)224和第四開(kāi)關(guān)225將風(fēng)機(jī)22連接到電纜51。此外，風(fēng)機(jī)22的發(fā)電逐漸增加，直到實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)6通過(guò)閉合失效的風(fēng)機(jī)20的第二開(kāi)關(guān)810而將失效的風(fēng)機(jī)20的輔助設(shè)備202連接到相應(yīng)的電纜51；以類(lèi)似的方式，控制系統(tǒng)6將其他失效的風(fēng)機(jī)的輔助設(shè)備連接到本地電網(wǎng)，其由柴油發(fā)電機(jī)9和運(yùn)行中的風(fēng)機(jī)22供電。

上述兩個(gè)通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)9和被激活的風(fēng)機(jī)對(duì)輔助負(fù)載供電的操作可以由控制系統(tǒng)6協(xié)調(diào)，因此風(fēng)機(jī)的輔助設(shè)備的負(fù)載由外部發(fā)電機(jī)和選定的風(fēng)機(jī)協(xié)同支持。下面通過(guò)實(shí)施例描述混合式輔助電源解決方案。

A)混合APS解決方案的控制系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示出的，混合式輔助電源(APS)系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機(jī)9和分布式風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)10-15、20-25、30-35，控制系統(tǒng)6用于接收測(cè)量值和發(fā)送控制基準(zhǔn)。應(yīng)當(dāng)注意，混合APS系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)適用于離岸風(fēng)電場(chǎng)的不同類(lèi)型的傳輸技術(shù)，例如，高壓交流傳輸、高壓直流傳輸?shù)?。下面列出了風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的不同連接模式。

模式l：僅將輔助負(fù)載連接到集電網(wǎng)絡(luò)(此處為電纜50、51、52)，其在孤島系統(tǒng)中僅充當(dāng)負(fù)載。例如，控制系統(tǒng)6控制相應(yīng)的第二開(kāi)關(guān)800-805、810-815、820-825閉合，因此在相應(yīng)的電纜50、51、52上流動(dòng)的有功功率經(jīng)由相應(yīng)的變壓器單元103-153、203-253、303-353被供應(yīng)給相應(yīng)的輔助設(shè)備102-152、202-252、302-352。

模式2：連接風(fēng)力變流器和輔助負(fù)載，它們作為孤島系統(tǒng)中的無(wú)功功率源。例如，通過(guò)閉合第二開(kāi)關(guān)800和第三開(kāi)關(guān)104，選擇風(fēng)機(jī)10以模式2操作。由柴油發(fā)電機(jī)9產(chǎn)生的有功功率和/或由另一風(fēng)機(jī)(例如風(fēng)機(jī)22)產(chǎn)生的有功功率流過(guò)電纜50、51、52，從而產(chǎn)生無(wú)功功率。流過(guò)電纜的有功功率被供應(yīng)到電氣連接到電纜50的輔助設(shè)備102上。無(wú)功功率或至少一部分由于電纜50、51、52產(chǎn)生的無(wú)功功率通過(guò)閉合的第二開(kāi)關(guān)800和第三開(kāi)關(guān)104被饋送到風(fēng)機(jī)10(在模式2中)的變流器101上。因此，變流器101消耗了由于通過(guò)電纜50、51、52的能量流動(dòng)而產(chǎn)生的無(wú)功功率。由此，柴油發(fā)電機(jī)的額定容量可以適度設(shè)計(jì)。特別地，柴油發(fā)電機(jī)可以不需要支持無(wú)功功率。

模式3：風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)、風(fēng)力變流器和輔助負(fù)載連接到集電網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)一步用作孤島系統(tǒng)中的有功/無(wú)功功率源。例如，通過(guò)閉合第二開(kāi)關(guān)810、第三開(kāi)關(guān)204和第四開(kāi)關(guān)205而選擇風(fēng)機(jī)20以模式3操作。由柴油發(fā)電機(jī)9產(chǎn)生的有功功率和/或由風(fēng)機(jī)20(或與另一個(gè)風(fēng)機(jī)，例如風(fēng)機(jī)11一起)產(chǎn)生的有功功率流過(guò)電纜50、51、52，從而產(chǎn)生無(wú)功功率。流過(guò)電纜的有功功率被供應(yīng)給風(fēng)機(jī)20的輔助設(shè)備202。無(wú)功功率或至少一部分由于電纜50、51、52產(chǎn)生的無(wú)功功率通過(guò)閉合的第二開(kāi)關(guān)810和第三開(kāi)關(guān)204被饋送到風(fēng)機(jī)20(在模式3中)的變流器201。由此，變流器201消耗了由于通過(guò)電纜50、51、52的能量流動(dòng)而產(chǎn)生的無(wú)功功率。由此，柴油發(fā)電機(jī)的額定容量可以適度設(shè)計(jì)。特別地，柴油發(fā)電機(jī)可以不需要支持無(wú)功功率。此外，柴油發(fā)電機(jī)可以以較少的燃料消耗運(yùn)行，因?yàn)槠湎蝻L(fēng)電場(chǎng)的輔助負(fù)載供應(yīng)較少的能量。

B)用于混合APS解決方案的協(xié)調(diào)控制方法

考慮風(fēng)力條件，在混合APS解決方案的控制解決方案中需要考慮兩種情況：

當(dāng)公用電網(wǎng)故障并且有風(fēng)時(shí)，可以選擇風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)100-150、200-250、300-350中的至少一個(gè)來(lái)負(fù)責(zé)提供大部分的有功功率并且可以選擇風(fēng)機(jī)變流器101-151、201-251、301-351以供應(yīng)無(wú)功功率輸出；而柴油發(fā)電機(jī)9僅需要貢獻(xiàn)小部分有功/無(wú)功功率以向風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)提供電源；以及

當(dāng)公用電網(wǎng)發(fā)生故障并且沒(méi)有風(fēng)時(shí)，可以選擇風(fēng)機(jī)變流器l01-151、201-251、301-351來(lái)負(fù)責(zé)提供大部分的無(wú)功功率輸出；而柴油發(fā)電機(jī)9不僅需要為風(fēng)機(jī)變流器提供電源，也要負(fù)責(zé)提供大部分的有功功率。

為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要分層協(xié)調(diào)控制，其目的和所需的信號(hào)詳細(xì)闡述如下：

柴油發(fā)電機(jī)9和風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35之間的第一層協(xié)調(diào)：其目的是平衡有功功率和無(wú)功功率，同時(shí)仍保持最小燃料消耗；輸入信號(hào)包括可接受的頻率/電壓變化范圍、風(fēng)速等，可能的輸出包括用于柴油發(fā)電機(jī)的功率/電壓基準(zhǔn)、用于風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的有功/無(wú)功功率命令等；

多個(gè)風(fēng)機(jī)10-15、15-25和30-35之間的第二層協(xié)調(diào)：由于離岸風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的總?cè)萘窟h(yuǎn)大于輔助負(fù)載，所以風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)被選擇性地接通，以處理由第一層協(xié)調(diào)所分配的有功/無(wú)功功率命令，同時(shí)在風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)和集電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)達(dá)到最佳效率；輸入信號(hào)包括發(fā)電機(jī)類(lèi)型、位置、風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)狀態(tài)等，可能的輸出包括相應(yīng)開(kāi)關(guān)的開(kāi)/關(guān)命令和用于多個(gè)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的有功/無(wú)功功率命令等。

表I示出了根據(jù)圖1的混合APS解決方案的控制系統(tǒng)6的輸入/輸出定義。

表I

圖2示出了根據(jù)圖1的用于風(fēng)電場(chǎng)的混合APS解決方案的流程圖。控制系統(tǒng)6可以運(yùn)行根據(jù)圖2的計(jì)算方法。其示出了當(dāng)系統(tǒng)電源不可用并且混合APS解決方案啟用時(shí)，系統(tǒng)控制器6將開(kāi)始計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)9和風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35的P/Q(P：有功功率，Q：無(wú)功功率)基準(zhǔn)，并且據(jù)此進(jìn)一步將P/Q基準(zhǔn)分配到各個(gè)風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35。

下面將詳細(xì)解釋圖2的三個(gè)步驟：柴油發(fā)電機(jī)控制基準(zhǔn)計(jì)算，風(fēng)機(jī)控制基準(zhǔn)計(jì)算，風(fēng)機(jī)連接模式確定和控制基準(zhǔn)分配。

步驟：柴油發(fā)電機(jī)控制基準(zhǔn)計(jì)算

圖3示出了系統(tǒng)控制器6如何獲得柴油發(fā)電機(jī)的頻率和電壓基準(zhǔn)f^*/V^*的流程圖。首先，柴油發(fā)電機(jī)的有功/無(wú)功功率輸出的界限[P_{DG_min}，P_{DG_max}]和[Q_{DG_min}，Q_{DG_max}]將由風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員直接定義，或者基于孤島系統(tǒng)的可接受的頻率/電壓范圍[f_min，f_max]和[V_min，V_max]、柴油發(fā)電機(jī)安全操作范圍、燃料存儲(chǔ)條件等而確定。其次，將從柴油發(fā)電機(jī)測(cè)量的有功/無(wú)功功率輸出P_DG/Q_DG分別與界限進(jìn)行比較。如果測(cè)量值和給定的界限之間的差異超過(guò)特定閾值，則將相應(yīng)地調(diào)節(jié)頻率和電壓基準(zhǔn)f^*/V^*。例如，如果測(cè)量的有功功率輸出P_DG高于界限P_{DG_max}，則頻率基準(zhǔn)f^*將減小，以便減小P_DG；如果測(cè)量的無(wú)功功率Q_DG高于界限Q_{DG_max}，則電壓基準(zhǔn)V^*將減小，以便減小Q_DG。

使用f^*/V^*基準(zhǔn)，柴油發(fā)電機(jī)將進(jìn)行如圖4所示出的本地控制，其中P_DG將通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)器控制來(lái)調(diào)節(jié)，Q_DG將通過(guò)閉環(huán)勵(lì)磁電壓(由圖4中V_f示出)來(lái)調(diào)節(jié)。

步驟：風(fēng)機(jī)控制基準(zhǔn)計(jì)算

如方程(1)所示出的，時(shí)刻t的風(fēng)機(jī)組的有功功率基準(zhǔn)增量ΔP_wind(t)可以根據(jù)來(lái)自柴油發(fā)電機(jī)P_DG(t)的有功功率輸出和柴油發(fā)電機(jī)的有功功率輸出的界限[P_{DG_min}，P_{DG_max}]來(lái)計(jì)算，這意味著如果柴油發(fā)電機(jī)的有功功率輸出超過(guò)界限，則將計(jì)算風(fēng)機(jī)組的有功功率基準(zhǔn)增量以補(bǔ)償差異，否則有功功率增量將保持不變。

如方程(2)所示出的，在獲得有功功率基準(zhǔn)增量之后，時(shí)刻t的風(fēng)機(jī)組的總有功功率基準(zhǔn)P_wind(t)可以通過(guò)將有功功率增量ΔP_wind(t)、時(shí)刻t-1的總輸出有功功率P_wind(t-1)，以及可用的有效功率的界限[P_{wind_min}(t)，P_{wind_max}(t)](其可以通過(guò)使用風(fēng)速、風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和狀態(tài)以實(shí)時(shí)方式計(jì)算出)相加來(lái)計(jì)算。

類(lèi)似地，如方程(3)所示出的，可以根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率輸出Q_DG(t)和柴油發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率輸出的界限[Q_{DG_min}，Q_{DG_max}]來(lái)計(jì)算時(shí)刻t的風(fēng)機(jī)組的無(wú)功功率基準(zhǔn)增量ΔQ_wind(t)，這意味著如果柴油發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率輸出超過(guò)界限，則將計(jì)算風(fēng)機(jī)組的無(wú)功功率基準(zhǔn)增量以補(bǔ)償差異，否則無(wú)功功率增量將保持不變。如方程(4)所示出的，在獲得無(wú)功功率基準(zhǔn)增量之后，時(shí)刻t的風(fēng)機(jī)組的總無(wú)功功率基準(zhǔn)Q_wind(t)可以通過(guò)將無(wú)功功率增量ΔQ_wind(t)、時(shí)刻t-1的總輸出無(wú)功功率Q_wind(t-1)和來(lái)自風(fēng)機(jī)變流器的可用的無(wú)效功率的界限[Q_{wind_min}(t)，Q_{wind_max}(t)](其可以通過(guò)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和條件計(jì)算出)相加來(lái)計(jì)算。下面的四個(gè)方程示出了計(jì)算ΔP_wind(t)，P_wind(t)，ΔQ_wind(t)和Q_wind(t)的一種方式。

步驟：風(fēng)機(jī)連接模式確定和控制基準(zhǔn)分配

在控制系統(tǒng)6計(jì)算出風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35的總有功功率基準(zhǔn)和總無(wú)功功率基準(zhǔn)之后，其將進(jìn)一步執(zhí)行分配邏輯以確定用于單個(gè)風(fēng)機(jī)10-15、20-25、30-35的連接模式和控制命令。

風(fēng)機(jī)連接模式的確定應(yīng)考慮以下標(biāo)準(zhǔn)：

從以連接模式2工作的風(fēng)機(jī)組G1、G2和G3中的每一個(gè)選擇至少一個(gè)風(fēng)機(jī)。組G1的風(fēng)機(jī)10-15中的每一個(gè)經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)800-805中相應(yīng)的一個(gè)可電氣連接到電纜50，組G2的風(fēng)機(jī)20-25中的每一個(gè)經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)810-815中相應(yīng)的一個(gè)可電氣連接到電纜51，組G3的風(fēng)機(jī)30-35中的每一個(gè)經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)820-825中相應(yīng)的一個(gè)可電氣連接到電纜52。所選擇的風(fēng)機(jī)的位置應(yīng)盡可能接近變電站，即，首先，所選擇的風(fēng)機(jī)具有到風(fēng)機(jī)組之外的變電站4的最短電氣距離；其次，所選擇的風(fēng)機(jī)具有無(wú)功功率控制的能力；以及第三，所選擇的風(fēng)機(jī)可以正常運(yùn)行，意味著在風(fēng)機(jī)內(nèi)部沒(méi)有發(fā)生故障(這將使其不能工作)。以這種方式選擇風(fēng)機(jī)的原因是確保最有效的電纜充電功率補(bǔ)償。根據(jù)離岸風(fēng)電場(chǎng)的典型功率流分配，越靠近變電站，電纜充電功率越高。這種選擇方式可以確保充電功率的最大部分可以在本地被吸收，從而確保最高的效率。此外，與使用每個(gè)可能的風(fēng)機(jī)用于電纜充電功率補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ啾?，這種選擇方式實(shí)際上將無(wú)功功率需求集中到有限數(shù)量的風(fēng)機(jī)上，從而確保風(fēng)機(jī)變流器的更合理的運(yùn)行點(diǎn)。例如，控制系統(tǒng)6可以選擇電氣接近變電站4的風(fēng)機(jī)10、20、30，并因此閉合相應(yīng)的第二開(kāi)關(guān)800、810、820和相應(yīng)的第三開(kāi)關(guān)104、204、304。因此，在相應(yīng)的電纜50、51、52上流動(dòng)的有功功率可以經(jīng)由相應(yīng)的變壓器單元103、203、303被供應(yīng)給所選擇的風(fēng)機(jī)的相應(yīng)的輔助設(shè)備102、202、302。由于模式2的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的數(shù)量取決于所需的總無(wú)功功率Q_wind(t)，并且還取決于出于系統(tǒng)電壓可靠性考慮的冗余要求，所以對(duì)風(fēng)機(jī)的選擇可以從選擇風(fēng)機(jī)10、20、30中的一些(例如，選擇風(fēng)機(jī)10、30，并因此閉合相應(yīng)的第二開(kāi)關(guān)800、820和相應(yīng)的第三開(kāi)關(guān)104、304)到選擇風(fēng)機(jī)10，20，30以及盡可能接近變電站4的其余風(fēng)機(jī)(例如，選擇風(fēng)機(jī)10、20、30以及風(fēng)機(jī)11、31，并且因此閉合相應(yīng)的第二開(kāi)關(guān)800、810、820、801、821和相應(yīng)的第三開(kāi)關(guān)104、204、304、114、314)而變化。

從已選擇的以連接模式2工作的風(fēng)機(jī)中選取至少一個(gè)可用的風(fēng)機(jī)，其作為模式3操作。通過(guò)這樣做，首先，可以充分利用用于有功功率和無(wú)功功率輸出的風(fēng)機(jī)變流器的容量；其次，可以限制在離岸風(fēng)電場(chǎng)的孤島運(yùn)行期間激活的風(fēng)機(jī)的總數(shù)，以減少離岸風(fēng)電場(chǎng)的控制復(fù)雜性。例如，控制系統(tǒng)6可以從所選擇的風(fēng)機(jī)10、20、30中選取風(fēng)機(jī)20，并且因此閉合第四開(kāi)關(guān)205。由于模式3的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的數(shù)量取決于所需的總有功功率P_wind(t)并且出于系統(tǒng)頻率可靠性考慮的冗余要求，對(duì)風(fēng)機(jī)的選取可以從所選擇的風(fēng)機(jī)10，20，30中選取一個(gè)到全部選取而變化。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，用于供應(yīng)有功功率的風(fēng)機(jī)也可以選取自除了所選擇的那些之外的風(fēng)機(jī)。例如，控制系統(tǒng)6通過(guò)閉合第二開(kāi)關(guān)811、第三開(kāi)關(guān)214和第四開(kāi)關(guān)215來(lái)選取風(fēng)機(jī)21。

除了所選擇和所選取的風(fēng)機(jī)以外的其他風(fēng)機(jī)工作于模式1。例如，控制系統(tǒng)6選擇風(fēng)機(jī)10，20，30，從所選擇的風(fēng)機(jī)中選取風(fēng)機(jī)20并且閉合相應(yīng)的第二開(kāi)關(guān)800、810、820和相應(yīng)的第三開(kāi)關(guān)104、204、304和相應(yīng)的第四開(kāi)關(guān)205，因此，控制系統(tǒng)6控制相應(yīng)的第二開(kāi)關(guān)801-805、811-815、821-825閉合，從而在相應(yīng)電纜50、51、52上流動(dòng)的有功功率可以經(jīng)由相應(yīng)的變壓器單元113-153、213-253、313-353供應(yīng)給相應(yīng)的輔助設(shè)備112-152、212-252、312-352。

用于以模式2和模式3工作的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的P/Q控制命令確定應(yīng)該考慮以下標(biāo)準(zhǔn)：

控制系統(tǒng)6可以控制以將總無(wú)功功率Qwind(t)均等地分配在以模式2和模式3工作的所有風(fēng)機(jī)中。例如，如果選擇風(fēng)機(jī)10、20、30以模式2和模式3工作，則每個(gè)風(fēng)機(jī)的無(wú)功功率控制命令等于Q_wind(t)/3。另一種方式是，如方程(5)所示，將無(wú)功功率控制命令與它們的無(wú)功功率的可用容量成比例地分配，以避免風(fēng)機(jī)的過(guò)載，其中Q_wind1、Q_wind2、Q_wind3表示風(fēng)機(jī)10、20、30的無(wú)功功率控制命令；Q_ava1、Q_ava2、Q_ava3表示風(fēng)機(jī)10、20、30的可用無(wú)功功率容量。

類(lèi)似地，控制系統(tǒng)6可以控制以將總有功功率P_wind(t)均等地分配在以模式3工作的所有風(fēng)機(jī)中。例如，如果選擇風(fēng)機(jī)10、20以模式3工作，則每個(gè)風(fēng)機(jī)的有功功率控制命令等于P_wind(t)/2。另一種方式是，如方程(6)所示，將有功功率控制命令與它們的有功功率的可用容量成比例地分配，以避免風(fēng)機(jī)的過(guò)載，其中P_wind1、P_wind2表示風(fēng)機(jī)10、20的有功功率控制命令；P_ava1、P_ava2表示風(fēng)機(jī)10、20的可用有功功率容量。

在確定連接模式和控制命令之后，由風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的本地控制器來(lái)遵循并保持對(duì)基準(zhǔn)的跟蹤。

雖然已經(jīng)基于一些優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些實(shí)施例絕不應(yīng)當(dāng)限制本發(fā)明的范圍。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)實(shí)施例的任何變化和修改都應(yīng)當(dāng)被理解為落在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。