本發明涉及一種用于在斷開風電場與公用電網的連接期間協調對風電場的風機的控制的方法和系統。

背景技術：

眾所周知，所有的離岸設施/單元將提供有獨立的應急電源，當主電源出現故障時，其應當能夠接管對緊急負載(例如，照明和重要的通信和信號系統等)的供電；對不同的負載，供電時間周期應滿足諸如幾小時到幾天的需求。離岸風電場是一種典型的離岸應用，預計將以穩定的速度增長，并且預計安裝功率將增加。當整個風電場與陸上電網斷開時(例如在出口電纜故障的情況下)，電氣系統設計還應符合緊急輔助負載供電(包括導航燈、傳感器和通信設備，通風和加熱設備等)的要求。

在專利EP 1 752 659中公開了使用柴油發電機對輔助負載供電的概念。然而，在這種情況下，來自電纜陣列的充電功率(容性無功功率)需要被柴油發電機吸收，導致所需柴油發電機的容量增大的問題。在解決技術問題時，專利EP 2 503 146描述了用于在公用電網(要向其輸送能量)處于故障期間操作電能生產設施(風電場)的方法及其裝置。該能量生產設施包括至少一個風機。該方法包括將風機與公用電網斷開。該方法還包括經由電纜將外部發電機連接到風機的輔助設備上，以將有功功率輸送到輔助設備。電纜連接到風機變流器，其中變流器能夠支持無功功率。由于所產生的無功功率可以通過適當地切換一個或多個功率晶體管而被連接到電纜的變流器吸收，使得外部發電機吸收的所產生的無功功率可以減少，因此能夠使得外部發電機的尺寸和成本減小，從而可以實現外部發電機的安全操作。變流器可用于吸收通過向電纜施加電壓而產生的無功功率，相比使用外部發電機或安裝其他補償設備(例如并聯電抗器)，使用變流器更具成本效益。然而，以上專利并未針對風電場由多個風機組成并且它們的任何變流器能夠吸收在電纜上產生的無功功率的情形進行分析；該情形下，無功功率補償的效果將隨著對風機變流器的各種選擇而變化(例如考慮到風機變流器與變電站的電氣距離而進行選擇)。如專利EP 2 503 146所公開的，在多個風機之中選擇無功功率吸收變流器而不考慮它們在補償電纜產生的無功功率方面的相對有效性，則可能導致電纜充電無功功率補償效果下降的問題。

專利EP 2 236 821描述了一種用于與風電場相關的至少兩個風機的孤島運行的方法和系統，其中所述風電場被配置為將所述風電場中的風機產生的電力提供給主電網，并且該方法包括：檢測所述風電場中的至少兩個或更多個失效的風機，所述失效的風機與所述主電網斷開；配置至少一個孤島本地電網以用于電氣連接所述兩個或更多個失效的風機；使用黑啟動運行激活所述失效的風機中的至少一個；以及將所述至少一個激活的風機和所述失效的風機中的至少一個連接到所述本地電網，所述激活的風機用作連接到所述本地電網的所述至少一個失效的風機的電源。然而，專利EP 2 236 821沒有討論將多個風機的發電機和可替代的外部發電機用作輔助設備電源的情形。在該情形下，如控制不當將可能產生對于負載的過度供電或供電不足的技術問題。

技術實現要素：

因此，本發明的目的是提供一種用于在公用電網處于故障期間協調對風電場的風機的控制的方法，能量將經由至少一根電纜并經由所述風電場的變電站被輸送到所述公用電網，其中，所述風機布置在至少一個組中，所述方法包括：將所述公用電網與所述風機斷開；經由至少一根電纜中相應的一根電纜，電氣連接至少一組風機的輔助設備；在所述至少一組風機的相應一組中選擇與所述風電場的變電站電氣接近的至少一個風機；以及通過所選擇的至少一個風機變流器吸收在所述至少一根電纜上產生的無功功率。

根據本發明的另一方面，提供了一種用于在公用電網處于故障期間控制風電場的風機的協調系統，能量將經由至少一根電纜并經由所述風電場的變電站將能量輸送到所述公用電網。所述協調系統包括：第一開關，其布置在所述公用電網與所述風機中的每一個之間，并且適于在所述公用電網發生故障的情況下斷開；至少一個第二開關，其布置在所述至少一個風機組中相應的一組中相應的一個風機與所述至少一根電纜中的相應一根電纜之間；以及控制系統；其中：所述風機中的每一個包括輔助設備、變壓器單元、變流器和發電機，所述變壓器單元具有能夠電氣連接到所述輔助設備的輸入端的第一繞組電路、能夠經由第三開關電氣連接到所述變流器的第二繞組電路、能夠經由相應的第二開關電氣連接到至少一根電纜中相應的一根電纜的第三繞組電路，并且變流器能夠經由第四開關電氣連接到所述發電機；以及所述控制系統，其適于隨著所述第一開關的斷開，在所述至少一組風機中相應的一組中選擇電氣接近于所述變電站的風機，并且閉合所選擇的風機的第三開關，使得所選擇的風機變流器吸收在所述至少一根電纜上產生的無功功率。

通過本發明的方法和系統，確保了最有效的電纜充電功率補償。

附圖說明

在下文中，參照在附圖中示出的優選示例性實施例更詳細地解釋本發明的主題，其中：

圖1示意性地示出了根據本發明的實施例的風電場；

圖2是示出根據圖1的風電場的混合APS解決方案的流程圖；

圖3示出了根據本發明的實施例的系統控制器獲得用于柴油發電機的頻率和電壓基準f*/V*的流程圖；

圖4示出了根據本發明的實施例的柴油發電機的本地控制的框圖。

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

具體實施方式

圖1示意性地示出了根據本發明的實施例的風電場。如圖1所示，風電場1包括多個風機10-15、20-25、30-35，變電站4，至少一根電纜50、51、52和控制系統6。電纜50、51、52中的每一個可經由第一開關7(例如斷路器)電氣連接到公用電網。第一開關7可以在公用電網中的故障發生的情況下斷開。風機布置成三組，其中組G1由風機10-15組成，組G2由風機20-25組成，組G3由風機30-35組成。

組G1的風機10-15中的每一個可經由第二開關800-805中相應的一個電氣連接到電纜50，組G2的風機20-25中的每一個可經由第二開關810-815中相應的一個電氣連接到電纜51，并且組G3的風機30-35中的每一個可經由第二開關820-825中相應的一個電氣連接到電纜52。本領域技術人員應當理解，電纜的數量可以等于或大于一，并且風機可以布置成一個或多個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，風電場1可以包括母線8，該母線8布置在第一開關7和相應的電纜50、51、52之間，并且電氣連接第一開關7和相應的電纜50、51、52。在公用電網和第一開關7之間，在變電站4中，可以布置一個或多個變壓器，以將由風機提供的電壓變換為更高的電壓，并且第一開關7也可以布置在變電站4中。

風機10-15、20-25、30-35中的每一個包括發電機100-150、200-250、300-350，變流器101-151、201-251、301-351，輔助設備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備102-152、202-252、302-352的輸入端；第二繞組電路，其可經由第三開關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，其可經由相應的第二開關800-805、810-815、820-825電氣連接到至少一根電纜中的相應一根；并且變流器可經由第四開關105-155、205-255、305-355電氣連接到發電機。相應的發電機100-150、200-250、300-350可以向相應的變流器101-151、201-251、301-351提供能量。變流器101-151、201-251、301-351中的每一個將發電機100-150、200-250、300-350輸送來的、通常為可變頻率的能量流轉換為供應給電纜50、51、52中相應一個的、固定頻率的能量流。供應給電纜50、51、52中相應一個的固定頻率的能量流經由相應的第三開關104-154、204-254、304-354，相應的變壓器單元103-153、203-253、303-353，以及相應的第二開關800-805、810-815、820-825而被供應。

風電場1還可以包括位于變電站4內的外部發電機9，外部發電機9可以經由第五開關2和相應的母線8電氣連接到電纜50、51、52。外部發電機可以是，例如，柴油發電機。

控制系統6可以控制切換第二開關800-805、810-815、820-825，第三開關104-154、204-254、304-354，第四開關105-155、205-255、305-355和第五開關2的開/關狀態。例如，控制系統6可以向開關發送命令，使得它們相應地進行切換，從閉合到斷開，或者反過來。例如，第二開關、第三開關、第四開關和第五開關可以是斷路器。

在正常操作時，能量可以經由相應的閉合的第二開關800-805、810-815、820-825，相應的閉合的第三開關104-154、204-254、304-354，相應的閉合的第四開關105-155、205-255、305-355，以及電纜50、51、52中的相應一個，以及閉合的第一開關7，從風機10-15、20-25、30-35中的相應一個輸送到公用電網。

電纜50、51、52含有分布電容參數，其可導致無功功率的產生。除了相應的電纜之外，分布電容參數的效果由電容C表示。

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

接下來，一般來說，要么是柴油發電機9，要么是柴油發電機9和風機10-15、20-25、30-35可以啟動，以便在由公用電網故障引起的孤島運行期間為風電場1的風機10-15、20-25、30-35的輔助負載供電。對風機的輔助設備的電源的選擇可以由控制系統6控制(命令第二開關800-805、810-815、820-825，第三開關104-154、204-254、304-354，第四開關105-155、205-255、305-355和第五開關2處于不同的開/關狀態)。

例如，在形成孤島式風電場1之后，控制系統6選擇相應的柴油發電機9作為風機的輔助設備的電源。一旦柴油發電機9運行，控制系統6即可發送命令以閉合柴油發電機9和相應的電纜50、51、52之間的第五開關2。之后，控制系統6控制第二開關800-805、810-815、820-825閉合，并且由柴油發電機9產生的有功功率流過電纜50、51、52。流過電纜50、51、52的有功功率被供應到相應的風機10-15、20-25、30-35的輔助設備102-152、202-252、302-352上。

作為替代，在柴油發電機連接到相應的電纜50、51、52之后，控制系統6還可以選擇失效的風機10-15、20-25、30-35中的一個(例如選擇風機22)并指示所選擇的風機開始啟動程序。這樣的啟動程序是本領域公知的。控制系統6通過閉合風機22的第二開關812、第三開關224和第四開關225將風機22連接到電纜51。此外，風機22的發電逐漸增加，直到實現穩定的運行。控制系統6通過閉合失效的風機20的第二開關810而將失效的風機20的輔助設備202連接到相應的電纜51；以類似的方式，控制系統6將其他失效的風機的輔助設備連接到本地電網，其由柴油發電機9和運行中的風機22供電。

上述兩個通過柴油發電機9和被激活的風機對輔助負載供電的操作可以由控制系統6協調，因此風機的輔助設備的負載由外部發電機和選定的風機協同支持。下面通過實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架構

如圖1所示出的，混合式輔助電源(APS)系統包括柴油發電機9和分布式風機發電機10-15、20-25、30-35，控制系統6用于接收測量值和發送控制基準。應當注意，混合APS系統應當適用于離岸風電場的不同類型的傳輸技術，例如，高壓交流傳輸、高壓直流傳輸等。下面列出了風機發電機的不同連接模式。

模式l：僅將輔助負載連接到集電網絡(此處為電纜50、51、52)，其在孤島系統中僅充當負載。例如，控制系統6控制相應的第二開關800-805、810-815、820-825閉合，因此在相應的電纜50、51、52上流動的有功功率經由相應的變壓器單元103-153、203-253、303-353被供應給相應的輔助設備102-152、202-252、302-352。

模式2：連接風力變流器和輔助負載，它們作為孤島系統中的無功功率源。例如，通過閉合第二開關800和第三開關104，選擇風機10以模式2操作。由柴油發電機9產生的有功功率和/或由另一風機(例如風機22)產生的有功功率流過電纜50、51、52，從而產生無功功率。流過電纜的有功功率被供應到電氣連接到電纜50的輔助設備102上。無功功率或至少一部分由于電纜50、51、52產生的無功功率通過閉合的第二開關800和第三開關104被饋送到風機10(在模式2中)的變流器101上。因此，變流器101消耗了由于通過電纜50、51、52的能量流動而產生的無功功率。由此，柴油發電機的額定容量可以適度設計。特別地，柴油發電機可以不需要支持無功功率。

模式3：風機發電機、風力變流器和輔助負載連接到集電網絡，并進一步用作孤島系統中的有功/無功功率源。例如，通過閉合第二開關810、第三開關204和第四開關205而選擇風機20以模式3操作。由柴油發電機9產生的有功功率和/或由風機20(或與另一個風機，例如風機11一起)產生的有功功率流過電纜50、51、52，從而產生無功功率。流過電纜的有功功率被供應給風機20的輔助設備202。無功功率或至少一部分由于電纜50、51、52產生的無功功率通過閉合的第二開關810和第三開關204被饋送到風機20(在模式3中)的變流器201。由此，變流器201消耗了由于通過電纜50、51、52的能量流動而產生的無功功率。由此，柴油發電機的額定容量可以適度設計。特別地，柴油發電機可以不需要支持無功功率。此外，柴油發電機可以以較少的燃料消耗運行，因為其向風電場的輔助負載供應較少的能量。

B)用于混合APS解決方案的協調控制方法

考慮風力條件，在混合APS解決方案的控制解決方案中需要考慮兩種情況：

當公用電網故障并且有風時，可以選擇風機發電機100-150、200-250、300-350中的至少一個來負責提供大部分的有功功率并且可以選擇風機變流器101-151、201-251、301-351以供應無功功率輸出；而柴油發電機9僅需要貢獻小部分有功/無功功率以向風機發電機提供電源；以及

當公用電網發生故障并且沒有風時，可以選擇風機變流器l01-151、201-251、301-351來負責提供大部分的無功功率輸出；而柴油發電機9不僅需要為風機變流器提供電源，也要負責提供大部分的有功功率。

為了實現這些功能，需要分層協調控制，其目的和所需的信號詳細闡述如下：

柴油發電機9和風機10-15、20-25、30-35之間的第一層協調：其目的是平衡有功功率和無功功率，同時仍保持最小燃料消耗；輸入信號包括可接受的頻率/電壓變化范圍、風速等，可能的輸出包括用于柴油發電機的功率/電壓基準、用于風機發電機組的有功/無功功率命令等；

多個風機10-15、15-25和30-35之間的第二層協調：由于離岸風電場的風機發電機的總容量遠大于輔助負載，所以風機發電機應當被選擇性地接通，以處理由第一層協調所分配的有功/無功功率命令，同時在風機發電機和集電網絡內達到最佳效率；輸入信號包括發電機類型、位置、風機發電機狀態等，可能的輸出包括相應開關的開/關命令和用于多個風機發電機的有功/無功功率命令等。

表I示出了根據圖1的混合APS解決方案的控制系統6的輸入/輸出定義。

表I

圖2示出了根據圖1的用于風電場的混合APS解決方案的流程圖。控制系統6可以運行根據圖2的計算方法。其示出了當系統電源不可用并且混合APS解決方案啟用時，系統控制器6將開始計算柴油發電機9和風機10-15、20-25、30-35的P/Q(P：有功功率，Q：無功功率)基準，并且據此進一步將P/Q基準分配到各個風機10-15、20-25、30-35。

下面將詳細解釋圖2的三個步驟：柴油發電機控制基準計算，風機控制基準計算，風機連接模式確定和控制基準分配。

步驟：柴油發電機控制基準計算

圖3示出了系統控制器6如何獲得柴油發電機的頻率和電壓基準f^*/V^*的流程圖。首先，柴油發電機的有功/無功功率輸出的界限[P_{DG_min}，P_{DG_max}]和[Q_{DG_min}，Q_{DG_max}]將由風電場運行人員直接定義，或者基于孤島系統的可接受的頻率/電壓范圍[f_min，f_max]和[V_min，V_max]、柴油發電機安全操作范圍、燃料存儲條件等而確定。其次，將從柴油發電機測量的有功/無功功率輸出P_DG/Q_DG分別與界限進行比較。如果測量值和給定的界限之間的差異超過特定閾值，則將相應地調節頻率和電壓基準f^*/V^*。例如，如果測量的有功功率輸出P_DG高于界限P_{DG_max}，則頻率基準f^*將減小，以便減小P_DG；如果測量的無功功率Q_DG高于界限Q_{DG_max}，則電壓基準V^*將減小，以便減小Q_DG。

使用f^*/V^*基準，柴油發電機將進行如圖4所示出的本地控制，其中P_DG將通過閉環調節器控制來調節，Q_DG將通過閉環勵磁電壓(由圖4中V_f示出)來調節。

步驟：風機控制基準計算

如方程(1)所示出的，時刻t的風機組的有功功率基準增量ΔP_wind(t)可以根據來自柴油發電機P_DG(t)的有功功率輸出和柴油發電機的有功功率輸出的界限[P_{DG_min}，P_{DG_max}]來計算，這意味著如果柴油發電機的有功功率輸出超過界限，則將計算風機組的有功功率基準增量以補償差異，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增量之后，時刻t的風機組的總有功功率基準P_wind(t)可以通過將有功功率增量ΔP_wind(t)、時刻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)](其可以通過使用風速、風機的設計數據和狀態以實時方式計算出)相加來計算。

類似地，如方程(3)所示出的，可以根據柴油發電機的無功功率輸出Q_DG(t)和柴油發電機的無功功率輸出的界限[Q_{DG_min}，Q_{DG_max}]來計算時刻t的風機組的無功功率基準增量ΔQ_wind(t)，這意味著如果柴油發電機的無功功率輸出超過界限，則將計算風機組的無功功率基準增量以補償差異，否則無功功率增量將保持不變。如方程(4)所示出的，在獲得無功功率基準增量之后，時刻t的風機組的總無功功率基準Q_wind(t)可以通過將無功功率增量ΔQ_wind(t)、時刻t-1的總輸出無功功率Q_wind(t-1)和來自風機變流器的可用的無效功率的界限[Q_{wind_min}(t)，Q_{wind_max}(t)](其可以通過風機發電機的設計數據和條件計算出)相加來計算。下面的四個方程示出了計算ΔP_wind(t)，P_wind(t)，ΔQ_wind(t)和Q_wind(t)的一種方式。

步驟：風機連接模式確定和控制基準分配

在控制系統6計算出風機10-15、20-25、30-35的總有功功率基準和總無功功率基準之后，其將進一步執行分配邏輯以確定用于單個風機10-15、20-25、30-35的連接模式和控制命令。

風機連接模式的確定應考慮以下標準：

從以連接模式2工作的風機組G1、G2和G3中的每一個選擇至少一個風機。組G1的風機10-15中的每一個經由第二開關800-805中相應的一個可電氣連接到電纜50，組G2的風機20-25中的每一個經由第二開關810-815中相應的一個可電氣連接到電纜51，組G3的風機30-35中的每一個經由第二開關820-825中相應的一個可電氣連接到電纜52。所選擇的風機的位置應盡可能接近變電站，即，首先，所選擇的風機具有到風機組之外的變電站4的最短電氣距離；其次，所選擇的風機具有無功功率控制的能力；以及第三，所選擇的風機可以正常運行，意味著在風機內部沒有發生故障(這將使其不能工作)。以這種方式選擇風機的原因是確保最有效的電纜充電功率補償。根據離岸風電場的典型功率流分配，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，與使用每個可能的風機用于電纜充電功率補償的方法相比，這種選擇方式實際上將無功功率需求集中到有限數量的風機上，從而確保風機變流器的更合理的運行點。例如，控制系統6可以選擇電氣接近變電站4的風機10、20、30，并因此閉合相應的第二開關800、810、820和相應的第三開關104、204、304。因此，在相應的電纜50、51、52上流動的有功功率可以經由相應的變壓器單元103、203、303被供應給所選擇的風機的相應的輔助設備102、202、302。由于模式2的風機發電機的數量取決于所需的總無功功率Q_wind(t)，并且還取決于出于系統電壓可靠性考慮的冗余要求，所以對風機的選擇可以從選擇風機10、20、30中的一些(例如，選擇風機10、30，并因此閉合相應的第二開關800、820和相應的第三開關104、304)到選擇風機10，20，30以及盡可能接近變電站4的其余風機(例如，選擇風機10、20、30以及風機11、31，并且因此閉合相應的第二開關800、810、820、801、821和相應的第三開關104、204、304、114、314)而變化。

從已選擇的以連接模式2工作的風機中選取至少一個可用的風機，其作為模式3操作。通過這樣做，首先，可以充分利用用于有功功率和無功功率輸出的風機變流器的容量；其次，可以限制在離岸風電場的孤島運行期間激活的風機的總數，以減少離岸風電場的控制復雜性。例如，控制系統6可以從所選擇的風機10、20、30中選取風機20，并且因此閉合第四開關205。由于模式3的風機發電機的數量取決于所需的總有功功率P_wind(t)并且出于系統頻率可靠性考慮的冗余要求，對風機的選取可以從所選擇的風機10，20，30中選取一個到全部選取而變化。本領域技術人員應當理解，用于供應有功功率的風機也可以選取自除了所選擇的那些之外的風機。例如，控制系統6通過閉合第二開關811、第三開關214和第四開關215來選取風機21。

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

用于以模式2和模式3工作的風機發電機的P/Q控制命令確定應該考慮以下標準：

控制系統6可以控制以將總無功功率Qwind(t)均等地分配在以模式2和模式3工作的所有風機中。例如，如果選擇風機10、20、30以模式2和模式3工作，則每個風機的無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，將無功功率控制命令與它們的無功功率的可用容量成比例地分配，以避免風機的過載，其中Q_wind1、Q_wind2、Q_wind3表示風機10、20、30的無功功率控制命令；Q_ava1、Q_ava2、Q_ava3表示風機10、20、30的可用無功功率容量。

類似地，控制系統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工作的所有風機中。例如，如果選擇風機10、20以模式3工作，則每個風機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，以避免風機的過載，其中P_wind1、P_wind2表示風機10、20的有功功率控制命令；P_ava1、P_ava2表示風機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，由風機發電機的本地控制器來遵循并保持對基準的跟蹤。

雖然已經基于一些優選實施例描述了本發明，但是本領域技術人員應當理解，這些實施例絕不應當限制本發明的范圍。在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，對于本領域普通技術人員來說，對實施例的任何變化和修改都應當被理解為落在由所附權利要求限定的本發明的范圍內。