用于操作风电场的方法和风电场与流程

1.本主题总体上涉及操作一种具有风力涡轮的风电场，特别是在风电场可连接到的电网损耗或缺失期间，并且涉及一种相应的风电场。


背景技术：

2.风电被认为是目前可用的最清洁、最环保的能量源之一，并且风力涡轮在这方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和带有一个或多个转子叶片的转子。转子叶片使用已知的翼型件原理从风捕获动能，并且通过旋转能传递动能以转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱，则直接联接到发电机。发电机然后将机械能转换成电能，该电能可被部署到公用电网。
3.由于公用电网中的故障或其它原因，风电场可能与公用电网断开。在这种状态下，风力涡轮可能需要向其辅助负载供应功率，以使控制器、通信、偏航操作和其它关键系统保持通电。这可能是出于安全原因和/或为了有利于在电网恢复后将风电场重新连接到公用电网。诸如ups的电能存储装置可设置在风力涡轮内，可仅在失去电网期间向这些关键系统馈送例如几分钟的功率。此外，在再次连接到电网之前风力涡轮的启动要求和更高的占空比典型地需要更大的能量存储系统和/或有功和无功功率能力，特别是对于大型风电场和/或在风力涡轮之间具有更大距离的风电场。在更长的时间内，辅助功率可由柴油发电机提供。然而，特别是对于海上风电场，柴油发电机等可能太大和/或太贵而无法安装、运行、加燃料和/或维护。
4.因此，本公开提供了根据权利要求1所述的用于操作风电场的方法、根据权利要求10所述的风电场以及根据权利要求15所述的计算机程序产品或计算机可读存储介质。


技术实现要素：

5.本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践获知。
6.在一个方面，本公开涉及一种用于操作风电场的方法。风电场包括能够经由(电)功率连接相互和与电网电连接的风力涡轮的串。每个风力涡轮包括带有转子叶片的转子和与转子机械连接的功率转换系统。该方法包括：将该串与电网断开；以及在所断开的串中识别可与所断开的串的至少一个副风力涡轮电连接的主风力涡轮。主风力涡轮的功率转换系统包括无功功率能力，该无功功率能力至少与可通过将主风力涡轮与所断开的串的所述至少一个副风力涡轮电连接而形成的集群的无功功率相匹配。
7.由于识别出主风力涡轮在孤岛操作模式下(与电网断开)操作时具有带有无功功率能力的功率转换系统，该无功功率能力足以满足待形成的风力涡轮的集群的无功功率，即足以补偿在连接(操作)的风力涡轮的(后来)形成的集群中生成的无功功率，所断开的串的风力涡轮可在一个或多个集群中操作，而不是在孤岛操作模式下操作该串的每个(可用的)风力涡轮。
8.这可导致许多优点。第一，可减小或甚至优化单独的风力涡轮的(多个)电池能量存储系统(bess)的存储容量和/或尺寸。这特别适用于用于偏航和/或变桨的相应的电池能量存储系统，例如偏航备用系统。因此，可节省材料以及用于装备和维护的成本。注意的是，对于bess而言，可减少相应的充电/放电循环。因此，甚至可减少风力涡轮的生态足迹。第二，可有利于用于恢复功率系统的黑启动操作。后者是因为当风力涡轮在连接的风力涡轮的(多个)集群中操作时，已经至少部分地使该串的(电功率)收集器系统(特别是在风力涡轮之间的功率连接)通电。注意的是，在具有分布式风力涡轮的风电场、特别是在海上风电场中，风力涡轮之间的功率连接可产生相对较大的无功功率。第三，至少可避免大型柴油发电机和/或燃料箱，并且/或者在电网断电时段期间可减少它们的使用。
9.如本文中所用，术语“风力涡轮的串”旨在描述风力涡轮及其功率转换系统分别能够彼此电连接以形成串联电路，特别是经由相应的功率连接。例如，分别布置在相邻风力涡轮及其功率转换系统之间的功率线缆和功率开关可用来将风力涡轮彼此电连接(成对)并将风力涡轮断开。串的所有风力涡轮可具有相同的类型和/或具有相同的额定功率。然而，串也有可能包括不同类型和/或额定功率的风力涡轮。
10.如本文中所用，术语“风力涡轮的集群”旨在描述两个或更多个风力涡轮，它们经由相应的(电)功率连接相互连接并且典型地形成串联电路。因此，主风力涡轮的无功功率能力(至少基本上)与集群的无功功率相匹配/平衡的措辞旨在描述无功功率能力与集群的副风力涡轮和(多个)功率连接的无功功率相匹配/平衡。注意的是，根据主风力涡轮的无功功率能力以及其它风力涡轮和功率连接的无功功率，可将若干、典型地尽可能多的其它风力涡轮配属于集群。甚至可将串的所有风力涡轮配属于单个集群。集群中的风力涡轮的数量可介于2至25的范围内，更典型地介于5至10的范围内。
11.如本文中所用，术语“孤岛操作模式”是指(多个)风力涡轮不与公用电网连接的操作模式。
12.如本文中所用，术语“黑启动”是指在部分或完全停机之后恢复电网的一部分或全部的过程。特别地，可将来自主风力涡轮的功率提供给一个或多个副风力涡轮，以使一个或多个副风力涡轮重新在线并重新生成功率。
13.在一个实施例中，该方法包括(在将串与电网断开之后，例如，在检测到电网的损耗时)在与电网断开的风电场的风力涡轮的串中搜索、典型地识别主风力涡轮和至少一个副风力涡轮，它们可经由相应的功率连接相互电连接以形成风力涡轮的集群，使得主风力涡轮的功率转换系统具有至少(基本上)与集群(待形成和在操作时)的无功功率相匹配的无功功率能力。
14.特别地，识别主风力涡轮可包括搜索待识别为主风力涡轮的风力涡轮，该主风力涡轮具有至少与所述至少一个副风力涡轮以及在主风力涡轮和所述至少一个副风力涡轮之间的任何功率连接的无功功率相匹配的无功功率能力。
15.此外，可将识别出的主风力涡轮和所断开的串的尽可能多的(例如任何)剩余(可用)风力涡轮配属于集群，只要识别出的主风力涡轮的无功功率能力(仍然)至少与剩余(副)风力涡轮和/或包括在待形成的集群的风力涡轮之间的相应的功率连接的无功功率相匹配。
16.如果所断开的串的一个风力涡轮的功率转换系统可满足(补偿)可用风力涡轮和
所述串的功率连接的无功功率，则典型地形成仅一个集群。
17.否则，可针对所断开的串的相应集群搜索/识别两个或更多个主风力涡轮(以及待与主风力涡轮中的一个主风力涡轮连接的对应的副风力涡轮)。
18.注意的是，不可用的风力涡轮不会配属于(多个)集群(保留在(多个)集群之外)。然而，这样的风力涡轮可在变得再次可用时以后添加到(多个)集群。
19.典型地，将具有最大无功功率能力的风力涡轮识别为相应的集群的相应的主风力涡轮。
20.风力涡轮的群集和分别识别(多个)主风力涡轮和(多个)副风力涡轮可基于相应的串的风力涡轮以及功率连接的实际无功功率能力和/或(电)规格。
21.这甚至可至少部分地提前完成。例如，基于风力涡轮和功率连接的规格，可(提前)预定待与集群隔离的一个或多个功率连接、相应的主风力涡轮和/或(多个)对应的副风力涡轮并将其例如存储在查找表中。随后并且在将(多个)串与电网断开之后，可将(多个)预定的主风力涡轮中的可用主风力涡轮识别为用于待形成的集群的主风力涡轮(如果适用，而不需要隔离(多个)预定的功率连接)。
22.在形成(多个)集群之后，相应的识别出的主风力涡轮典型地在电网形成操作模式下操作，以为风力涡轮的相应的集群建立相应的稳定的本地电网。在下文中，相应的集群的(稳定的)电网也被称为所述串的(稳定的)电网和风电场的(稳定的)本地子电网。
23.注意的是，风电场可包括功率电网总线，(多个)串可(重新)连接到该功率电网总线。
24.进一步注意的是，如果串的风力涡轮被群集成若干(至少两个)断开的集群，则典型地针对一个串形成对应数量的稳定的本地电网。
25.在电网形成操作模式期间，主风力涡轮典型地使功率连接(集群线缆)、集群中的(多个)副风力涡轮的辅助子系统(负载)通电，所述副风力涡轮典型地在空转操作模式或静止操作模式下操作，并且保持相应的(稳定的)本地电网的电压和频率。
26.在电网形成操作模式下操作主风力涡轮期间，其功率转换系统将从转子接收的输入动力功率转换成电输出功率，至少基本上补偿所形成的集群的本地电网中产生的无功功率，并且将所形成的集群需求的有功功率的至少主要部分提供给集群的本地电网。
27.电网形成操作模式可理解为特定的孤岛操作模式。
28.在再次重新连接到公用电网之后，再次在正常操作模式下操作主风力涡轮和副风力涡轮，在该正常操作模式下，相应的功率转换系统将从转子接收的输入动力功率转换成电输出功率，并且将电输出功率的至少主要部分提供给公用电网。
29.如本文中所用的术语“辅助子系统”旨在描述(多个)(副)风力涡轮的系统，当在空转操作模式和/或静止操作模式下操作风力涡轮时，该系统可能是所需的和/或至少不时地消耗电功率。因此，术语“辅助子系统”包括在空转操作模式和/或静止操作模式期间使用的操作子系统。
30.特别地，风力涡轮中的每个风力涡轮可包括以下辅助子系统中的一个或多个、典型地若干或甚至所有辅助子系统：变桨系统、偏航系统、加热系统、冷却系统、液压系统和诸如ups的可再充电能量存储设备。
31.风力涡轮可包括若干相应的加热系统和/或冷却系统，例如用于相应的功率转换
系统的发电机、转换器和/或变压器。
32.此外，转子叶片加热和/或转子叶片除冰子系统可被提供为在寒冷地区操作的风电场中的风力涡轮的相应的辅助子系统。
33.此外，风力涡轮可包括用于不同部件的若干可再充电能量存储设备。
34.甚至进一步地，涡轮控制器、测量设备和任何通信设备也可被视为辅助子系统。
35.与在静止操作模式下操作相比，在空转操作模式下操作(多个)集群的(多个)副风力涡轮可能是优选的。这是因为当风力涡轮已经在空转操作模式下操作时可有利于将该串的(多个)风力涡轮重新连接到恢复的电网并再次在正常操作模式下操作风力涡轮。
36.如果搜索成功，则分别搜索和识别(多个)主(和副)风力涡轮的过程典型地包括确定所断开的串的(总)无功功率，假设(可用的)风力涡轮相互连接(但是与公用电网和风力涡轮的任何另外的串断开)。
37.此后，可确定风力涡轮转换系统的功率转换系统的相应的(当前)无功功率能力。
38.如果所断开的串的无功功率大于所确定的无功功率能力中的任何一个，则可确定(选择)在风力涡轮之间和/或到功率电网总线的(多个)功率连接来与待形成的(多个)集群隔离，所述(多个)功率连接在连接时(预期)生成相对较大/过大的无功功率。
39.因此，在形成(多个)集群之后，不具有待隔离的(多个)功率连接的(多个)集群的无功功率可由(多个)主风力涡轮平衡。
40.例如，可在串中识别两个(或更多个)主风力涡轮，所述至少两个主风力涡轮中的每个主风力涡轮具有相应的无功功率能力，该无功功率能力至少与待通过将两个(或更多个)主风力涡轮与至少一个相应的副风力涡轮电连接而形成的两个(或更多个)电隔离集群中的相应集群的无功功率相匹配。
41.在检测到电网的恢复时，断开的串可与电网重新连接。
42.在一个方面，本公开涉及一种用于操作风电场的方法。风电场包括可经由(电)功率连接相互和与(公用)电网电连接的风力涡轮串。每个风力涡轮包括带有转子叶片的转子和与转子机械连接的功率转换系统。该方法包括：如果该串与电网断开，则确定该串的风力涡轮的功率转换系统的实际无功功率能力；确定功率连接中的至少一个功率连接，当与具有最大实际无功功率能力的功率转换系统连接时产生过大而无法满足的无功功率；以及将该串的风力涡轮划分成与功率连接中的所述至少一个(电)隔离的一个或多个集群。
43.在一个实施例中，风电场具有风力涡轮的若干串，其中，所述串可与风电场的公共联接点单独地连接，该公共联接点可连接到外部电网，特别是公用电网。在该实施例中，上面解释的方法典型地针对所述若干串中的每个串独立地执行(直到所述串待分别重新连接到外部/公用电网)。
44.在一个方面，本公开涉及一种风电场。风电场包括能够相互和与电网电连接的风力涡轮的串。每个风力涡轮包括带有转子叶片的转子和与转子机械连接的功率转换系统。该风电场还包括控制系统，该控制系统与风力涡轮的功率转换系统通信地联接，并且配置成：将该串与电网断开；并且识别主风力涡轮，该主风力涡轮可与所断开的串的至少一个副风力涡轮电连接，并且该风电场包括功率转换系统，该功率转换系统具有至少与可通过将主风力涡轮与所断开的串的所述至少一个副风力涡轮电连接而形成的集群的无功功率相匹配的无功功率能力。
45.根据实施例，控制系统包括风电场控制器和用于每个功率转换系统的相应的风力涡轮控制器。
46.风电场控制器与风力涡轮控制器通信地联接，并且能够可作为主控制器操作，而风力涡轮控制器能够可作为副控制器操作。
47.典型地，风电场控制器配置成搜索/识别所述(至少一个)主风力涡轮，所述主风力涡轮的无功功率能力至少与待通过将主风力涡轮与所断开的串的所述至少一个副风力涡轮电连接而形成的集群的无功功率相匹配，例如，如果无功功率能力足够大，则至少与所断开的串的几个或甚至任何剩余的(可用)风力涡轮和相应的功率连接的无功功率相匹配。
48.涡轮控制器可配置成在不同的模式下(特别是在孤岛操作模式、供应孤岛操作模式、空转模式和/或静止模式下)控制相应的风力涡轮。
49.该控制系统(特别是风电场控制器)典型地配置成识别至少两个主风力涡轮，所述至少两个主风力涡轮中的每个主风力涡轮可与所断开的串的至少一个副风力涡轮电连接，其中，所述至少两个主风力涡轮中的每个主风力涡轮的功率转换系统具有无功功率能力，该无功功率能力至少与待通过将相应的主风力涡轮与所断开的串的所述至少一个副风力涡轮电连接而形成的相应集群的无功功率相匹配。
50.此外，控制系统(特别是风电场控制器)典型地配置成将识别出的主风力涡轮与所断开的串的相应的至少一个副风力涡轮电连接以形成风力涡轮的相应的集群。
51.此外，控制系统(特别是风电场控制器)典型地配置成在孤岛式操作(特别是相应的电网形成)模式下操作识别出的主风力涡轮，使得集群的有功和无功功率由相应的主风力涡轮的功率转换系统来满足。
52.风电场可包括风力涡轮的若干串。在该实施例中，控制系统典型地配置成当不与电网连接(并且彼此不连接)时彼此独立地控制风力涡轮的若干串。
53.此外，风电场可为海上风电场，但也可为陆上风电场。
54.典型地，风电场配置成执行如本文中解释的方法。
55.在又一方面，本公开涉及一种计算机程序产品或非暂时性计算机可读存储介质，其包括如下指令，当由系统(特别是如本文中解释的风电场的控制系统)的一个或多个处理器执行时，所述指令导致系统执行如本文所解释的方法。
56.参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将被进一步支持和描述。并入并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
57.技术方案1. 一种用于操作风电场(500,500')的方法(1000,2000,3000)，所述风电场包括风力涡轮(100-100d)的串(s1-s3)，所述风力涡轮(100-100d)能够经由功率连接(cab-cd)相互和与电网(510,550)电连接，每个风力涡轮包括带有转子叶片(108)的转子(106)和与所述转子(106)机械连接的功率转换系统(118,210,238)，所述方法包括：
●ꢀ
将所述串(s1-s3)与所述电网(510,550)断开(1100,2100,3100)；以及
●ꢀ
识别(1200,2210,2280,3200)所断开的串(s1-s3)的主风力涡轮(100a,100c)，所述主风力涡轮(100a,100c)能够与所断开的串(s1-s3)的至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接，所述主风力涡轮(100a,100c)的所述功率转换系统(118,210,238)包括无功功率能力(rpc)，所述无功功率能力至少与能够通过将所述主风力涡轮(100a,100c)与所断
开的串(s1-s3)的所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接而形成的集群(c1,c11,c12)的无功功率(rp)相匹配。
58.技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其还包括以下至少一项：
●ꢀ
确定(2210)所述串(s1-s3)的所述无功功率(rp)；
●ꢀ
确定(2210,3220)所述风力涡轮的所述功率转换系统(118,210,238)的相应的无功功率能力；
●ꢀ
搜索包括无功功率能力(rpc)的所述主风力涡轮(100a,100c)，所述无功功率能力至少与所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)以及在所述主风力涡轮(100a,100c)和所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)之间的功率连接的无功功率(rp)相匹配；
●ꢀ
将所述主风力涡轮(100a,100c)和所述串(s1,s2,s3)的尽可能多的剩余风力涡轮、例如所述串(s1,s2,s3)的所述剩余风力涡轮中的任何一个作为相应的副风力涡轮配属于所述集群(c1,c11,c12)，使得识别出的主风力涡轮(100a,100c)的所述无功功率能力(rpc)至少与所述副风力涡轮和在所述集群(c1,c11,c12)的所述风力涡轮之间的所述相应的功率连接的所述无功功率(rp)相匹配；
●ꢀ
确定(2250)待与所述集群(c1,c11,c12)隔离的所述功率连接(cd,cbc)中的至少一个功率连接，以便至少匹配所述集群(c1,c11,c12)的所述无功功率(rp)；
●ꢀ
经由相应的功率连接(cab-cd)将识别出的主风力涡轮(100a,100c)与所断开的串(s1-s3)的所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接(1300,2230,3300)，以形成所断开的串(s1-s3)的所述集群(c1,c11,c12)；以及
●ꢀ
在孤岛操作模式下操作(1400,2400)识别出的主风力涡轮(100a,100c)，使得风力涡轮的所述集群(c1,c11,c12)的所述无功功率(rp)由所述主风力涡轮(100a,100c)的所述功率转换系统(118,210,238)满足。
59.技术方案3. 根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中，识别至少两个主风力涡轮(100a,100c)，所述至少两个主风力涡轮(100a,100c)中的每个主风力涡轮包括相应的无功功率能力(rpc)，所述相应的无功功率能力(rpc)至少与能够通过将所述至少两个主风力涡轮(100a,100c)中的每个主风力涡轮与至少一个相应的副风力涡轮(100b-100d)电连接而形成的相应的集群(c11,c12)的无功功率(rp)相匹配，其中，所形成的集群(c11,c12)彼此断开，并且/或者其中，在孤岛操作模式下操作识别出的至少两个主风力涡轮(100a,100c)，使得风力涡轮的所述集群(c11,c12)的所述无功功率(rp)由所述相应的主风力涡轮(100a,100c)的所述功率转换系统(118,210,238)满足。
60.技术方案4. 根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中，将具有最大无功功率能力(rpc)的所述风力涡轮识别为所述相应的主风力涡轮(100a,100c)。
61.技术方案5. 根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中，在电网形成操作模式下操作所述相应的主风力涡轮(100a,100c)，以在风力涡轮的所述相应的集群(c1,c11,c12)内建立稳定的本地电网。
62.技术方案6. 根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中，在形成所述相应的集群(c1,c11,c12)之后，在空转操作模式或静止操作模式下操作所断开的串(s1-s3)的所述副风力涡轮(100b-100d)。
63.技术方案7. 根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中，在检测(2100)到所述
电网的损耗之后，将所述串(s1-s3)与所述电网(550)断开。
64.技术方案8. 根据技术方案7所述的方法，在进一步检测(2500)到所述电网的恢复之后，所述方法还包括将所述串(s1-s3)与所述电网连接。
65.技术方案9. 根据前述技术方案中任一项所述的方法，其中，所述风电场(500,500')包括风力涡轮(100-100d)的若干串(s1-s3)，其中，风力涡轮(100-100d)的所述串(s1-s3)能够利用所述风电场(500,500')的公共联接点(512)单独地连接到外部电网(550)，并且/或者其中，所述方法针对风力涡轮(100-100d)的所述若干串(s1-s3)中的每个串独立地执行。
66.技术方案10. 一种风电场(500,500')，其包括：
●ꢀ
风力涡轮(100-100d)的串(s1-s3)，其能够相互和与电网(510,550)电连接，每个风力涡轮包括带有转子叶片(108)的转子(106)和与所述转子(106)机械连接的功率转换系统(118,210,238)；以及
●ꢀ
控制系统(502,202)，其与所述风力涡轮(100-100d)中的每个风力涡轮的所述功率转换系统(118,210,238)通信地联接，并且配置成：
○ꢀ
将所述串(s1-s3)与所述电网(510,550)断开(1100,2210,3100)；以及
○ꢀ
识别(1200,2280,3200)能够与所断开的串(s1-s3)的至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接的主风力涡轮(100a,100c)，所述主风力涡轮(100a,100c)的所述功率转换系统(118,210,238)包括无功功率能力(rpc)，所述无功功率能力至少与能够通过将所述主风力涡轮(100a,100c)与所断开的串(s1-s3)的所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接而形成的集群(c1,c11,c12)的无功功率(rp)相匹配。
67.技术方案11. 根据技术方案10所述的风电场(500,500')，其中，所述控制系统(502,202)与和相应的功率连接(cab-cd)连接的断路器(520-523)通信地联接，和/或配置成以下至少一项：
●ꢀ
搜索包括无功功率能力(rpc)的所述主风力涡轮(100a,100c)，所述无功功率能力至少与所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)以及在所述主风力涡轮(100a,100c)和所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)之间的功率连接的无功功率(rp)相匹配；
●ꢀ
将所述主风力涡轮(100a,100c)和所述串(s1,s2,s3)的尽可能多的剩余风力涡轮、例如所述串(s1,s2,s3)的所述剩余风力涡轮中的任何一个作为相应的副风力涡轮配属于所述集群(c1,c11,c12)，使得识别出的主风力涡轮(100a,100c)的所述无功功率能力(rpc)至少与所述副风力涡轮和在所述集群(c1,c11,c12)的所述风力涡轮之间的所述相应的功率连接的所述无功功率(rp)相匹配；
●ꢀ
典型地使用断路器(521a-521d2)经由相应的功率连接(cab-cd)将识别出的主风力涡轮(100a,100c)与所断开的串(s1-s3)的所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接，以形成所断开的串(s1-s3)的所述集群(c1,c11,c12)；以及
●ꢀ
在孤岛操作模式下操作所述主风力涡轮(100a,100c)，使得风力涡轮的所述集群(c1,c11,c12)的所述无功功率(rp)由所述主风力涡轮(100a,100c)的所述功率转换系统(118,210,238)满足。
68.技术方案12. 根据技术方案10或11所述的风电场(500,500')，其中，所述控制系统(502,202)配置成以下至少一项：
●ꢀ
识别(1200)至少两个主风力涡轮(100a,100c)，所述至少两个主风力涡轮(100a,100c)中的每个主风力涡轮能够与所断开的串(s1-s3)的至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接，所述至少两个主风力涡轮(100a,100c)中的每个主风力涡轮的所述功率转换系统(118,210,238)包括无功功率能力(rpc)，所述无功功率能力至少与能够通过将所述相应的主风力涡轮(100a,100c)与所断开的串(s1-s3)的所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接而形成的相应的集群(c1,c11,c12)的无功功率(rp)相匹配；
●ꢀ
将识别出的主风力涡轮(100a,100c)与所断开的串(s1-s3)的所述相应的至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接，以形成风力涡轮的相应的集群(c1,c11,c12)；以及
●ꢀ
在孤岛操作模式下操作识别出的主风力涡轮(100a,100c)，使得所述集群(c1,c11,c12)的所述无功功率(rp)由所述相应的主风力涡轮(100a,100c)的所述功率转换系统(118,210,238)满足。
69.技术方案13. 根据技术方案10至12中任一项所述的风电场(500,500')，其中，所述风电场(500,500')包括风力涡轮(100-100d)的若干串(s1-s3)，其中，所述控制系统(502,202)配置成彼此独立地控制风力涡轮的所述若干串(s1-s3)，其中，所述风电场是海上风电场，并且/或者其中，所述风电场配置成执行根据技术方案1至9中任一项所述的方法。
70.技术方案14. 根据技术方案10至13中任一项所述的风电场(500,500')，其中，所述控制系统包括风电场控制器(502)和用于每个功率转换系统的风力涡轮控制器(202)，其中，所述风电场控制器(502)与所述风力涡轮控制器(202)通信地联接，其中，所述风电场控制器(502)能够作为主控制器操作，其中，所述风电场控制器(502)配置成将所述串(s1-s3)与所述电网(510,550)断开(1100,2210,3100)以及识别(1200,2280,3200)所述相应的主风力涡轮(100a,100c)中的至少一项，其中，所述风力涡轮控制器(202)能够作为辅助控制器操作，并且/或者其中，所述涡轮控制器(202)配置成在所述孤岛操作模式下控制所述相应的主风力涡轮。
71.技术方案15. 一种计算机程序产品或非暂时性计算机可读存储介质，其包括指令，当由根据技术方案10至14中任一项所述的风力涡轮(100-100d)的系统、特别是控制系统(502,202)的一个或多个处理器(204)执行时，所述指令导致所述系统执行根据技术方案1至9中任一项所述的方法。
附图说明
72.在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳模式，其中：图1示出了根据本公开的可为风电场的一部分的风力涡轮的一个实施例的透视图；图2示出了适合与图1中所示的风力涡轮一起使用的电功率系统和控制系统的一个实施例的示意图；图3示出了适合与图1中所示的风力涡轮一起使用的控制器的一个实施例的框图；图4示出了根据本公开的风电场的一个实施例的框图；图5示出了根据本公开的风电场的一个实施例的框图；
图6a示出了根据本公开的实施例的方法的流程图；图6b示出了根据本公开的实施例的方法的流程图；以及图6c示出了根据本公开的实施例的方法的流程图。
73.附图中描绘的单个特征相对于彼此相对地示出，并且因此不一定按比例绘制。即使在不同的实施例中显示，附图中相似或相同的元件也用相同的附图标记表示。
具体实施方式
74.现在将详细参考本发明的实施例，其中的一个或多个示例在附图中示出。每个示例都通过对本发明的解释的方式来提供，该解释不应限制本发明。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变型，例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖如落入所附权利要求书的范围内的这样的修改和变型及其等同物。
75.图1是示例性风力涡轮100的一部分的透视图。在示例性实施例中，风力涡轮100是水平轴线风力涡轮。备选地，风力涡轮100可为竖直轴线风力涡轮。风力涡轮100包括容纳发电机(图1中未示出)的机舱102。机舱102安装在塔架104上(塔架104的一部分在图1中示出)。塔架104可具有有利于如本文中所述的风力涡轮100的操作的任何合适的高度。风力涡轮100还包括转子106，该转子包括附接到旋转毂110的三个叶片108。备选地，风力涡轮100包括有利于如本文中所述的风力涡轮100的操作的任何数量的叶片108。在示例性实施例中，风力涡轮100包括可操作地联接到转子106的齿轮箱(图1中未示出)和发电机(图1中未示出)。
76.转子叶片108围绕毂110间隔开，以有利于使转子106旋转，从而使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。
77.在一个实施例中，转子叶片108具有介于约15米(m)到约91m的长度。备选地，转子叶片108可具有使风力涡轮100能够如本文中所述那样起作用的任何合适的长度。例如，叶片长度的其它非限制性示例包括20m或更短、37m、48.7m、50.2m、52.2m或大于91m的长度。当风从风向28击打转子叶片100时，转子106围绕旋转轴线30旋转。当转子叶片108旋转并受到离心力时，转子叶片108也受到各种力和力矩。照此，转子叶片108可从中性位置或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。
78.此外，转子叶片108的桨距角(即确定转子叶片108相对于风向的视角的角度)可由变桨系统109改变，以通过调整至少一个转子叶片108相对于风矢量的角位置来控制由风力涡轮100产生的负载和功率。在风力涡轮100的操作期间，变桨系统109可改变转子叶片108的桨距角，使得转子叶片108移动到顺桨位置，使得至少一个转子叶片108相对于风矢量的视角提供朝向风矢量定向的转子叶片108的最小表面积，这有利于降低旋转速度和/或有利于转子106的失速。
79.每个转子叶片108的叶片桨距可由风力涡轮控制器202或变桨控制系统单独控制。备选地，所有转子叶片108的叶片桨距可由所述控制系统同时控制。
80.此外，在示例性实施例中，随着风向28改变，机舱102的偏航方向可由偏航系统105围绕偏航轴线38旋转，以相对于风向28定位转子叶片106。
81.偏航系统105可包括由机舱102提供的偏航驱动机构。
82.此外，偏航系统105也可由风力涡轮控制器202控制。
83.为了相对于风向28适当地定位机舱102以及检测风速，机舱102还可包括至少一个气象桅杆107，该气象桅杆可包括风向标和风速计(均未在图2中示出)。桅杆107可向风力涡轮控制器202提供关于环境条件的信息。这可包括风向和/或风速以及环境温度、环境湿度、降水类型和/或降水量(如果有的话)。
84.在示例性实施例中，风力涡轮控制器202示出为集中在机舱102内，然而，风力涡轮控制器也可为遍布风力涡轮100、在支撑系统(图1中未示出)上、在风电场内和/或在远程控制中心处的分布式系统。风力涡轮控制器202包括处理器，该处理器配置成执行如本文中所述的方法和/或步骤。
85.现在参考图2，示出了可与风力涡轮100一起使用的电(功率)和控制系统200的一个实施例的示意图。在操作期间，风冲击叶片108，并且叶片108将风能转换成机械旋转扭矩，该机械旋转扭矩经由毂110可旋转地驱动低速轴112。
86.在示例性实施例中，低速轴112构造成驱动齿轮箱114，该齿轮箱随后升高低速轴112的低旋转速度，以便以增加的旋转速度驱动高速轴116。高速轴116大体上可旋转地联接到发电机118，以便可旋转地驱动具有场绕组(未示出)的发电机转子122。
87.更具体地，在一个实施例中，发电机118可为绕线转子、三相、双馈感应(异步)发电机(dfig)，其包括磁联接到发电机转子122的发电机定子120。照此，旋转磁场可由发电机转子122感应，并且电压可在磁联接到发电机转子122的发电机定子120内感应。在这样的实施例中，发电机118配置成在发电机定子120中将旋转机械能转换成正弦三相交流(ac)电能信号。相关联的电功率可经由定子总线208、定子同步开关206、系统总线216、主变压器断路器214和发电机侧总线236传输到主变压器234。主变压器234升高电功率的电压幅度，使得经变换的电功率可经由电网断路器238、断路器侧总线240和电网总线242进一步传输到电网。
88.备选地，系统200配置为本领域中已知的全功率转换系统(未示出)，其中，在设计和操作上类似于组件210的全功率转换组件(未示出)电联接到定子120，并且这样的全功率转换组件有利于在定子120与电功率传输和分配电网(未示出)之间引导电功率。定子总线208将三相功率从定子120传输，并且转子总线212将三相功率从转子122传输到组件210。定子同步开关206经由系统总线216电联接到主变压器断路器214。
89.由于在给定尺寸/成本下可能的高额定功率，带有全功率转换组件的风力涡轮在海上风电场中广泛地使用。
90.此外，电功率和控制系统200可包括风力涡轮控制器202，该风力涡轮控制器配置成控制风力涡轮100的任何部件和/或实现如本文中所述的任何方法步骤。例如，如图3中特别地所示，控制器202可包括一个或多个处理器204和(多个)相关联的存储器设备207，其配置成执行各种计算机实现的功能(例如，执行本文中公开的方法、步骤、计算等和存储相关数据)。另外，控制器202还可包括通信模块，以有利于控制器202和风力涡轮100的各种部件(例如，图2的部件中的任何)之间的通信。
91.此外，如图3中所示，通信模块209可包括传感器接口211(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从一个或多个传感器传输的信号被转换成可由处理器204理解和处理的信号。应当意识到，传感器(例如，传感器252,254,256,258)可使用任何合适的手段通信地联
接到通信模块209。例如，如图3中所示，传感器252,254,256,258可经由有线连接联接到传感器接口211。然而，在其它实施例中，传感器252,254,256,258可经由无线连接联接到传感器接口211，诸如通过使用本领域已知的任何合适的无线通信协议。照此，处理器204可配置成从传感器接收一个或多个信号。
92.传感器252,254,256可为用于控制对于风力涡轮100的功率转换所需的电流和/或电压的传感器。下面更详细地解释这一点。
93.此外，可为参考气象数据的传感器数据提供至少一个附加传感器(未示出)，例如由图1中所示的气象桅杆107提供的(多个)传感器。所述至少一个附加传感器258可特别地包括用于确定在风力涡轮100的转子106处或在该转子前的风速的传感器。
94.如本文中所用，术语“处理器”不仅指在本领域中被称为包含在计算机中的集成电路，还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(plc)、专用集成电路和其它可编程电路。处理器204还配置成计算高级控制算法，并与各种以太网或基于串行的协议(modbus、opc、can等)进行通信。另外，(多个)存储器设备207大体上可包括(多个)存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(ram))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存存储器)、软盘、紧凑型光盘只读存储器(cd-rom)、磁光盘(mod)、数字多功能光盘(dvd)和/或其它合适的存储器元件。(多个)这样的存储器设备207可大体上配置成存储合适的计算机可读指令，当由(多个)处理器204实现时，所述指令配置控制器202以执行本文中所述的各种功能。
95.重新参考图2，发电机定子120可经由定子总线208电联接到定子同步开关206。在示例性实施例中，为了有利于dfig配置，发电机转子122经由转子总线212电联接到双向功率转换组件210。备选地，发电机转子122经由有利于如本文中所述的电和控制系统200的操作的任何其它设备电联接到转子总线212。作为另外的备选方案，电和控制系统200配置为全功率转换系统(未示出)，该全功率转换系统包括在设计和操作上类似于功率转换组件210并且电联接到发电机定子120的全功率转换组件(图2中未示出)。全功率转换组件有利于在发电机定子120与电功率传输和分配电网(未示出)之间引导电功率。在示例性实施例中，定子总线208将三相功率从发电机定子120传输到定子同步开关206。转子总线212将三相功率从发电机转子122传输到功率转换组件210。在示例性实施例中，定子同步开关206可经由系统总线216电联接到主变压器断路器214。在备选实施例中，使用一个或多个熔断器(未示出)代替主变压器断路器214。在另一个实施例中，既不使用熔断器也不使用主变压器断路器214。
96.功率转换组件210包括经由转子总线212电联接到发电机转子122的转子滤波器218。转子滤波器总线219将转子滤波器218电联接到转子侧功率转换器220，并且转子侧功率转换器220电联接到线路侧功率转换器222。转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222是包括功率半导体(未示出)的功率转换器桥。在示例性实施例中，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222配置成三相脉宽调制(pwm)配置，该配置包括如本领域中已知那样操作的绝缘栅双极晶体管(igbt)开关设备(图2中未示出)。备选地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222具有使用有利于如本文中所述的电和控制系统200的操作的任何开关设备的任何配置。功率转换组件210与涡轮控制器202以电子数据通信方式联接，以控制转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的操作。
97.在示例性实施例中，线路侧功率转换器总线223将线路侧功率转换器222电联接到线路滤波器224。另外，线路总线225将线路滤波器224电联接到线路接触器226。此外，线路接触器226经由转换断路器总线230电联接到转换断路器228。此外，转换断路器228经由系统总线216和连接总线232电联接到主变压器断路器214。备选地，线路滤波器224经由连接总线232直接电联接到系统总线216，并且包括配置成考虑从电和控制系统200移除线路接触器226和转换断路器228的任何合适的保护方案(未示出)。主变压器断路器214经由发电机侧总线236电联接到电功率主变压器234。主变压器234经由断路器侧总线240电联接到电网断路器238。电网断路器238经由电网总线242连接到电功率传输和分配电网。在备选实施例中，主变压器234经由断路器侧总线240电联接到一个或多个熔断器(未示出)，而不是电联接到电网断路器238。在另一个实施例中，既不使用熔断器也不使用电网断路器238，而是主变压器234经由断路器侧总线240和电网总线242联接到电功率传输和分配电网。
98.在示例性实施例中，转子侧功率转换器220经由单个直流(dc)链路244与线路侧功率转换器222电通信地联接。备选地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222经由单独和分离的dc链路(图2中未示出)电联接。dc链路244包括正轨246、负轨248和联接在正轨246和负轨248之间的至少一个电容器250。备选地，电容器250包括串联和/或并联地配置在正轨246和负轨248之间的一个或多个电容器。
99.涡轮控制器202配置成从第一组电压和电流传感器252接收多个电压和电流测量信号。此外，涡轮控制器202配置成监测和控制与风力涡轮100相关联的操作变量中的至少一些。在示例性实施例中，三个电压和电流传感器252中的每个传感器电联接到电网总线242的三相中的每个相。因此，电网的电流频率可由控制器202确定。备选地或附加地，涡轮控制器202能够在功能上与可与电网连接的频率传感器联接。此外，控制器202能够经由主工厂控制器(诸如在功能上与相应传感器联接的风电场控制器)接收电网的当前频率或至少代表电网的当前频率的信号。
100.如图2中所示，电和控制系统200还包括转换器控制器262，该转换器控制器配置成接收多个电压和电流测量信号。例如，在一个实施例中，转换器控制器262从与定子总线208以电子数据通信方式联接的第二组电压和电流传感器254接收电压和电流测量信号。转换器控制器262从与转子总线212以电子数据通信方式联接的第三组电压和电流传感器256接收第三组电压和电流测量信号。转换器控制器262还从与转换断路器总线230以电子数据通信方式联接的第四组电压和电流传感器264接收第四组电压和电流测量信号。第二组电压和电流传感器254基本上类似于第一组电压和电流传感器252，并且第四组电压和电流传感器264基本上类似于第三组电压和电流传感器256。转换器控制器262基本上类似于涡轮控制器202，并且以电子数据通信方式与涡轮控制器202联接。此外，在示例性实施例中，转换器控制器262物理地集成在功率转换组件210内。备选地，转换器控制器262具有有利于如本文中所述的电和控制系统200的操作的任何配置。
101.在操作期间，风冲击叶片108，并且叶片108将风能转换成机械旋转扭矩，该机械旋转扭矩经由毂110可旋转地驱动低速轴112。低速轴112驱动齿轮箱114，该齿轮箱随后升高低速轴112的低旋转速度，以便以增加的旋转速度来驱动高速轴116。高速轴116可旋转地驱动发电机转子122。旋转磁场由发电机转子122感应，并且电压在磁联接到发电机转子122的发电机定子120内感应。发电机118在发电机定子120中将旋转机械能转换成正弦三相交流
(ac)电能信号。在示例性实施例中，相关联的电功率经由定子总线208、定子同步开关206、系统总线216、主变压器断路器214和发电机侧总线236传输到主变压器234。主变压器234升高电功率的电压幅度，并且经变换的电功率经由断路器侧总线240、电网断路器238和电网总线242进一步传输到电网。
102.在示例性实施例中，提供了第二电功率传输路径。三相正弦ac电功率在发电机转子122内生成，并经由转子总线212传输到功率转换组件210。在功率转换组件210内，电功率被传输到转子滤波器218，并且电功率针对与转子侧功率转换器220相关联的pwm信号的变化率被修改。转子侧功率转换器220充当整流器并将正弦三相ac功率整流为dc功率。dc功率被传输到dc链路244中。电容器250通过有利于减轻与ac整流相关联的dc纹波来有利于减轻dc链路244电压幅度变化。
103.dc功率随后从dc链路244传输到线路侧功率转换器222，并且线路侧功率转换器222充当逆变器，该逆变器配置成将来自dc链路244的dc电功率转换为具有预定电压、电流和频率的三相正弦ac电功率。该转换经由转换器控制器262来监测和控制。经转换的ac功率经由线路侧功率转换器总线223和线路总线225、线路接触器226、转换断路器总线230、转换断路器228和连接总线232从线路侧功率转换器222传输到系统总线216。线路滤波器224补偿或调整从线路侧功率转换器222传输的电功率中的谐波电流。定子同步开关206配置成闭合以有利于将来自发电机定子120的三相功率与来自功率转换组件210的三相功率连接。
104.转换断路器228、主变压器断路器214和电网断路器238配置成例如当过大的电流可能损坏电和控制系统200的部件时断开对应的总线。还提供了包括线路接触器226的附加保护部件，通过开断对应于线路总线225的每条线路的开关(图2中未示出)，可控制线路接触器226以形成断开。
105.功率转换组件210针对例如在毂110和叶片108处的风速中的变化来补偿或调整来自发电机转子122的三相功率的频率。因此，以这种方式，机械和电气转子频率与定子频率解耦。
106.在一些条件下，功率转换组件210的双向特性和具体地转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的双向特性有利于将生成的电功率中的至少一些电功率反馈到发电机转子122中。更具体地，电功率从系统总线216传输到连接总线232，并且随后通过转换断路器228和转换断路器总线230进入功率转换组件210。在功率转换组件210内，电功率通过线路接触器226、线路总线225和线路侧功率转换器总线223传输到线路侧功率转换器222中。线路侧功率转换器222充当整流器并将正弦三相ac功率整流为dc功率。dc功率被传输到dc链路244中。电容器250通过有利于减轻有时与三相ac整流相关联的dc纹波而有利于减轻dc链路244电压幅度变化。
107.dc功率随后从dc链路244传输到转子侧功率转换器220，并且转子侧功率转换器220充当逆变器，该逆变器配置成将从dc链路244传输的dc电功率转换为具有预定电压、电流和频率的三相正弦ac电功率。该转换经由转换器控制器262来监测和控制。转换后的ac电功率经由转子滤波器总线219从转子侧功率转换器220传输到转子滤波器218，并且随后经由转子总线212传输到发电机转子122，从而有利于次同步操作。
108.功率转换组件210配置成从涡轮控制器202接收控制信号。控制信号基于风力涡轮100以及电和控制系统200的感测到的条件或操作特性。控制信号由涡轮控制器202接收并
用于控制功率转换组件210的操作。来自一个或多个传感器的反馈可由电和控制系统200用于经由转换器控制器262控制功率转换组件210，包括例如经由第二组电压和电流传感器254、第三组电压和电流传感器256以及第四组电压和电流传感器264的转换断路器总线230、定子总线和转子总线电压或电流反馈。使用该反馈信息，并且例如开关控制信号、定子同步开关控制信号和系统断路器控制(脱扣)信号可以任何已知的方式生成。例如，对于具有预定特性的电网电压瞬变而言，转换器控制器262将至少暂时基本上暂停igbt在线路侧功率转换器222内的传导。线路侧功率转换器222的操作的这样的暂停将使通过功率转换组件210引导的电功率基本上减轻至大约零。
109.在示例性实施例中，发电机118、电联接到发电机118的功率转换组件210和升压变压器234形成风力涡轮100的功率转换系统。
110.典型地，功率转换系统至少包括发电机和功率转换组件，该功率转换组件包括功率转换器，特别是间接ac-ac功率转换器(ac/dc-ac转换器)或矩阵转换器，例如取决于发电机的相应的全转换器或dfig转换器。
111.图4示出了风电场500的框图。在示例性实施例中，风电场500是海上风电场。
112.风电场500具有风力涡轮的若干串s1-s3。为了清楚起见，仅串s1在图4中更详细地示出。其它串s2,s3中的每个串可类似于或者甚至等于串s1(至少在群集之前)。然而，至少风力涡轮的数量和/或(功率连接的)长度可在串s1-s3之间变化。
113.为了清楚起见，串s1包括四个示例性风力涡轮100a,100b,100c,100d，例如如上面关于图1至图3所解释的四个风力涡轮。然而，串s1也可具有至少五个或至少十个风力涡轮。
114.风力涡轮100a,100b,100c,100d经由功率线缆cab,cbc,ccd和闭合的功率开关521a,521b1,521b2,521c1,521c2,521d1彼此电连接。
115.此外，风力涡轮100a-100d可经由与功率开关521d2和断路器521连接的馈线(功率线缆)cd与本地风电场电网510的功率电网总线510a电连接。还提供相应的断路器522,523用于风力涡轮串s2,s3。
116.功率线缆cab,cbc,ccc和馈线cd可实现为相应的海底线缆。
117.图4图示了风电场500的状态，在该状态下，断路器521-523断开并且因此串s1-s3与功率电网总线510a和(陆上)公用电网550断开，例如响应于公用电网550的故障或缺失或者在本地风电场电网510和公用电网550之间的电连接中的故障。
118.在示例性实施例中，本地电网510的公共联接点(pcc)可经由主断路器520(示出为开断状态)、电网变电站534和典型地实现为海底线缆的功率链路540与公用电网550连接。
119.在示例性实施例中，风电场500是海上风电场。然而，下面解释的实施例也可应用于使用功率链路540将功率传输到远侧(公用)电网的陆上风电场。
120.功率链路540可为dc链路、特别是高压dc链路(hvdc链路)或ac链路、特别是高压ac链路(hvac链路)。
121.在风电场500可使用ac链路540电连接到电网550的实施例中，可连接在本地ac电网和功率链路540之间的(海上)风电场电网变电站534典型地包括由框534中的虚线电气符号指示的电网变压器。
122.在风电场500可使用dc链路540电连接到电网550的实施例中，风电场电网变电站534包括ac-dc功率转换器(功率逆变器)。
123.注意的是，主断路器520和/或用于测量在电网变电站534的低压侧和/或高压侧(图4中未示出)处的电流和/或电压的一个或多个传感器258也可由变电站534提供。
124.如由图4中的虚线箭头所指示，风电场控制器502与风力涡轮100a-100d、更特别地其涡轮控制器(图4中未示出)、断路器520-523、传感器253,258和可选的变电站534通信地联接。
125.在该实施例中，风电场控制器502和风力涡轮控制器202一起形成与风力涡轮100a-100d的功率转换系统和辅助子系统通信联接的控制系统。
126.风电场控制器502典型地与涡轮控制器、变电站534和主断路器520直接通信地联接。此外，风电场控制器502可直接地或经由涡轮控制器与断路器521-523、电流传感器253,258并且可选地与由风力涡轮100a-100d提供的气象数据传感器通信地联接。
127.风电场控制器502的总体设计可至少基本上对应于如上面关于图3所解释的风力涡轮控制器的设计。然而，风电场控制器502可更复杂和/或更强大。此外，风电场控制器502典型地作为主控制器操作，该主控制器在控制正常操作模式、空转操作模式、电网形成模式和静止操作模式下的风力涡轮期间监督风力涡轮控制器。例如，风电场控制器502可为风电场500提供scada(监督控制和数据采集)功能。
128.在风电场500的示出状态下，断路器520-523是开断的。因此，风电场500的串s1-s3相互和与公用电网550电气地断开。这可能是由于公用电网550的断电或另一种故障，该故障可例如使用由传感器258提供的数据来检测。
129.在该状态下并且在分别将风电场500与公用电网550断开之后，风电场控制器502可搜索串s1中的风力涡轮中的主风力涡轮，该主风力涡轮的无功功率能力足以匹配串s1的无功功率，即其它风力涡轮在空转操作模式或静止模式下操作时的无功功率以及功率连接(功率线缆cab,cbc,ccc和馈线cd)的无功功率。
130.在所示实施例中，没有发现这样的风力涡轮。然而，风电场控制器502已经确定，如果馈线cd与风力涡轮100a-100d电隔离，例如因为馈线cd的长度太大而导致电感或电容，该电感或电容将吸收或产生无功功率，该无功功率与其它部件(特别是功率线缆cab,cbc,ccc)产生的无功功率一起不能由风力涡轮中的一个风力涡轮的功率转换系统补偿(在当前条件下)，则无功功率可由风力涡轮中的一个风力涡轮(例如，风力涡轮100a)平衡。
131.因此，风电场控制器502决定将形成与馈线cd电隔离的集群c1。
132.集群c1的形成可通过控制断路器521a-521d2使得在功率线缆cab-ccd之间的断路器521a-521d1闭合(如由图4中的带阴影的相应矩形所示)并且在风力涡轮100d和馈线cd之间的断路器521d2开断(如由图4中的未填充矩形521d2所示)，例如通过向断路器521a-521d2发送相应的命令来实现。
133.备选地，如果发现具有如下功率转换系统的风力涡轮，该功率转换系统具有足够大的无功功率能力，以在连接时也补偿馈线cd产生的无功功率，则风电场控制器502可分别决定待形成和形成包括馈线cd的集群。在该实施例中，控制器502还可控制断路器521d2以闭合。
134.备选地，如果发现隔离馈线cd不足以平衡串s1的无功功率，则风电场控制器502可尝试将串s1群集在若干集群c11,c12中。
135.这在图5中图示，图5示出了类似的风电场500’，其甚至可对应于风电场500。
136.在图示实施例中，风电场控制器502已经确定，风力涡轮100b,100c之间的功率线缆cbc也待在两个集群c11,c12中进行无功功率平衡的电隔离，所述两个集群待通过适当地控制断路器521a-521d2的状态(开断状态和闭合状态分别对应于未填充和填充的矩形/正方形)而形成。
137.备选地并且类似于上面关于图4所解释的那样，风电场控制器502可决定，如果风力涡轮100c,100d中的至少一个风力涡轮的无功功率能力足够大，则可形成包括馈线cd的集群c12。
138.在形成如图4、图5中所示的集群c1,c11,c12之后，具有最大无功功率能力的风力涡轮(例如，集群c1的涡轮100a、集群c11的涡轮100a和集群c12的涡轮100c)可由风电场控制器502选择作为相应的主风力涡轮，并且其它风力涡轮可由风电场控制器502选择作为相应的副风力涡轮。
139.随后，风电场控制器502可指示和/或监督涡轮控制器在相应的模式下操作串s1的主风力涡轮和副风力涡轮。
140.特别地，可在孤岛操作模式下(特别是在电网形成模式下)操作(所选择的或识别出的)主风力涡轮，使得风力涡轮的相应的集群c1,c11,c12的无功功率由主风力涡轮的功率转换系统满足，而在空转模式下操作(所选择的或识别出的)副风力涡轮。
141.该控制方案可独立地用于串s1-s3中的任一个。
142.在下文中，解释可由风电场500执行和/或由风电场500的控制系统控制的方法。
143.图6a图示了用于操作风电场(特别是如上面关于图4、图5所解释的风电场)的方法1000的流程图。
144.在第一框1100中，风力涡轮的一个或多个串与公用电网(以及相互)断开。
145.此后，在框1200中，针对一个或多个断开的串中的每个串识别相应的主风力涡轮。主风力涡轮能够与相应的所断开的串的一个或多个副风力涡轮电连接，并且其功率转换系统可提供无功功率能力，该无功功率能力至少与可通过将主风力涡轮与相应的所断开的串的一个或多个副风力涡轮电连接而形成的集群(包括(多个)功率连接)的无功功率相匹配。
146.此后，在框1300中，可针对一个或多个断开的串形成风力涡轮的(多个)集群。这可通过经由相应的功率连接将(多个)识别出的主风力涡轮与(多个)对应的副风力涡轮电连接来实现。
147.此后，在框1400中，在孤岛操作模式(特别是电网形成模式)下操作相应的主风力涡轮的功率转换系统，使得风力涡轮的所形成的集群的有功和无功功率由功率转换系统来满足。
148.图6b图示了用于操作风电场(特别是如上面关于图4、图5所解释的风电场)的方法2000的流程图。方法2000可类似于方法1000，但是更具体。
149.在第一框2100中，检查是否检测到风电场正在/已经向其馈送输出功率的公用电网的损耗或故障。
150.如果是，则至少将风电场的风力涡轮的串与公用电网(以及相互)断开。
151.此后，在框2210中，可确定(多个)串的相应的无功功率rp和(多个)串的风力涡轮的(当前)无功功率能力rpc。
152.在随后的框2220中，针对(多个)串中的每个串检查(至少一个风力涡轮的)无功功
率能力rpc是否大于相应的无功功率rp。
153.如果是，则在框2230中将(多个)串的(可用)风力涡轮配属于一个相应的集群。
154.否则，在框2250中搜索相应的串中的(多个)功率连接，特别是在两个风力涡轮之间的功率连接，该功率连接在连接时预期产生过大的无功功率(例如，具有过大的电感或电容)。
155.如果是，则在框2260中决定串中的(多个)相应的功率连接待隔离(从待形成的集群中排除)。
156.此后，在框2270中，可在不具有(多个)隔离的功率连接的情况下形成集群。
157.典型地，在框2280中，将具有最大无功功率能力rpc的风力涡轮识别为(多个)集群的相应的主风力涡轮。
158.此后，在框2400中，在孤岛操作模式下操作(多个)识别出的主风力涡轮，使得相应的集群的无功功率rp由主风力涡轮的功率转换系统来满足。
159.典型地，框2400包括：分别发出在孤岛模式下操作(多个)主风力涡轮以及在孤岛操作模式下操作主风力涡轮的子块(子块a))；使(多个)集群的功率连接通电(子块b))；在子块c)中，将(多个)集群中的(多个)副风力涡轮的辅助子系统分别与主风力涡轮的功率连接和功率转换系统联接；以及在子块d)中，为(多个)集群中的(多个)副风力涡轮的辅助子系统接通功率。
160.此后，在框2500中，检查公用电网是否恢复/已经恢复。
161.如果是，则可停止方法2000。此后，可启动将(多个)串(将由(多个)集群和任何隔离的功率连接形成)重新连接到公用电网的过程。
162.否则，方法2000可返回到框2400。
163.图6c图示了用于操作风电场(特别是如上面关于图4、图5所解释的风电场)的方法3000的流程图。
164.类似于上面针对方法1000,2000所解释的那样，在第一框3100中，将风电场的风力涡轮的(多个)串与公用电网(以及相互)断开。
165.此后，在框3220中，可确定功率转换系统的实际无功功率能力。
166.此后，在框3250中，可识别一个或多个功率连接，当与具有最大(预期)当前(实际)无功功率能力的功率转换系统连接时，所述功率连接预期产生过大而不能(也)由相应的功率转换系统满足的无功功率。
167.此后，将该串的风力涡轮群集成一个或多个集群，使得识别的功率连接与(多个)集群(电)隔离。每个集群典型地包括作为主风力涡轮的具有最大当前无功功率能力的风力涡轮和一个或多个副风力涡轮。
168.此后，主风力涡轮和副风力涡轮可如上面关于框1400,2400所解释的那样操作。
169.注意的是，方法3000的框3220和3250也可被视为识别相应的所断开的串的集群的主风力涡轮和副风力涡轮的框3200(的相应子过程)。
170.进一步注意的是，也可执行方法3000(以及方法1000)，直到检测到电网恢复。
171.此后，风电场可重新连接到公用电网。
172.上面详细描述了风电场和用于操作风电场的方法的示例性实施例。系统和方法不限于本文中所述的具体实施例，而是，系统的部件和/或方法的步骤可单独地和独立于本文
中所述的其它部件和/或步骤来利用。
173.尽管本发明的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出，而在其它附图中没有示出，但这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征来引用和/或要求保护。
174.上面已经参照方法、装置(即，系统)和计算机程序产品的框图和流程图图示描述了本发明的实施例。将理解的是，框图和流程图图示的每个框以及框图和流程图图示中的框的组合可分别通过包括计算机程序指令的各种手段来实现。这些计算机程序指令可被加载到通用计算机、专用计算机或诸如上面参照图3讨论的(多个)处理器204的其它可编程数据处理装置上，以产生机器，使得在计算机或其它可编程数据处理装置上执行的指令创建用于实现一个或多个流程图框中指定的功能的手段。
175.这些计算机程序指令也可存储在非暂时性计算机可读存储器中，该非暂时性计算机可读存储器可指导计算机或其它可编程数据处理装置(例如，图3的(多个)处理器204)以特定方式工作，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生包括用于实现一个或多个流程图框中指定的功能的计算机可读指令的制品。计算机程序指令还可被加载到计算机或其它可编程数据处理装置上，以导致在计算机或其它可编程装置上执行一系列操作步骤来产生计算机实现的过程，使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供用于实现一个或多个流程图框中指定的功能的步骤。
176.因此，框图和流程图图示的框支持用于执行指定功能的手段的组合、用于执行指定功能的步骤的组合和用于执行指定功能的程序指令手段。还将理解的是，框图和流程图图示的每个框以及框图和流程图图示中的框的组合可由执行指定功能或步骤的基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
177.除非另有明确说明，否则本文中阐述的任何方法绝不意图被理解为要求以特定顺序执行其步骤。因此，如果方法权利要求实际上没有详述其步骤所遵循的顺序或者在权利要求书或描述中没有以其它方式具体陈述这些步骤将应限制于特定的顺序，则在任何方面都不意图推断顺序。这适用于任何可能的非明示的解释基础，其包括：关于步骤安排或操作流程的逻辑问题；源自语法组织或标点符号的简单含义；说明书中描述的实施例的数量或类型。
178.本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。尽管前面已经公开了各种具体实施例，但是本领域技术人员将认识到的是，权利要求的精神和范围允许同等有效的修改。特别地，上述实施例的相互非排他性特征可彼此组合。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。例如，风电场的控制系统可由一个集中式控制器或多个互连的控制器提供。如果这样的其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元件，则这样的其它示例意图落入权利要求书的范围内。
179.附图标记列表风力涡轮 100
–
100d机舱 102塔架 104
偏航系统 105转子 106气象桅杆 107叶片 108变桨系统 109毂 110低速轴 112变速箱 114高速轴 116发电机 118发电机定子 120发电机转子 122控制系统 200涡轮控制器 202处理器 204同步开关 206存储器 207定子总线 208通信模块 209功率转换组件 210传感器接口 211转子总线 212变压器断路器 214系统总线 216转子滤波器 218滤波器总线 219转子侧功率转换器 220线路侧功率转换器 222线路侧功率转换器总线 223线路滤波器 224线路总线 225线路接触器 226转换断路器 228转换断路器总线 230连接总线 232电功率主变压器 234发电机侧总线 236电网断路器 238,538断路器侧总线 240
经由电网总线的分配电网 242,524dc链路 244正轨 246负轨 248电容器 250电流传感器 252电流传感器 253电流传感器 254电流传感器 256气象数据传感器 258转换器控制器 262电流传感器 264(海上)风电场 500,500'本地(ac)电网 510电网总线 510apcc 512断路器 520-523(海上)电网变电站 534到公用电网的(hvdc-)链路 540(陆上)公用电网 550风力涡轮集群 c1-c12电缆连接/馈线 cab-cd风力涡轮的串 s1,s2,s3方法、方法步骤 1000-3300。

技术特征：
1.一种用于操作风电场(500,500')的方法(1000,2000,3000)，所述风电场包括风力涡轮(100-100d)的串(s1-s3)，所述风力涡轮(100-100d)能够经由功率连接(cab-cd)相互和与电网(510,550)电连接，每个风力涡轮包括带有转子叶片(108)的转子(106)和与所述转子(106)机械连接的功率转换系统(118,210,238)，所述方法包括：
●ꢀ
将所述串(s1-s3)与所述电网(510,550)断开(1100,2100,3100)；以及
●ꢀ
识别(1200,2210,2280,3200)所断开的串(s1-s3)的主风力涡轮(100a,100c)，所述主风力涡轮(100a,100c)能够与所断开的串(s1-s3)的至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接，所述主风力涡轮(100a,100c)的所述功率转换系统(118,210,238)包括无功功率能力(rpc)，所述无功功率能力至少与能够通过将所述主风力涡轮(100a,100c)与所断开的串(s1-s3)的所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接而形成的集群(c1,c11,c12)的无功功率(rp)相匹配。2.根据权利要求1所述的方法，其还包括以下至少一项：
●ꢀ
确定(2210)所述串(s1-s3)的所述无功功率(rp)；
●ꢀ
确定(2210,3220)所述风力涡轮的所述功率转换系统(118,210,238)的相应的无功功率能力；
●ꢀ
搜索包括无功功率能力(rpc)的所述主风力涡轮(100a,100c)，所述无功功率能力至少与所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)以及在所述主风力涡轮(100a,100c)和所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)之间的功率连接的无功功率(rp)相匹配；
●ꢀ
将所述主风力涡轮(100a,100c)和所述串(s1,s2,s3)的尽可能多的剩余风力涡轮、例如所述串(s1,s2,s3)的所述剩余风力涡轮中的任何一个作为相应的副风力涡轮配属于所述集群(c1,c11,c12)，使得识别出的主风力涡轮(100a,100c)的所述无功功率能力(rpc)至少与所述副风力涡轮和在所述集群(c1,c11,c12)的所述风力涡轮之间的所述相应的功率连接的所述无功功率(rp)相匹配；
●ꢀ
确定(2250)待与所述集群(c1,c11,c12)隔离的所述功率连接(cd,cbc)中的至少一个功率连接，以便至少匹配所述集群(c1,c11,c12)的所述无功功率(rp)；
●ꢀ
经由相应的功率连接(cab-cd)将识别出的主风力涡轮(100a,100c)与所断开的串(s1-s3)的所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接(1300,2230,3300)，以形成所断开的串(s1-s3)的所述集群(c1,c11,c12)；以及
●ꢀ
在孤岛操作模式下操作(1400,2400)识别出的主风力涡轮(100a,100c)，使得风力涡轮的所述集群(c1,c11,c12)的所述无功功率(rp)由所述主风力涡轮(100a,100c)的所述功率转换系统(118,210,238)满足。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，识别至少两个主风力涡轮(100a,100c)，所述至少两个主风力涡轮(100a,100c)中的每个主风力涡轮包括相应的无功功率能力(rpc)，所述相应的无功功率能力(rpc)至少与能够通过将所述至少两个主风力涡轮(100a,100c)中的每个主风力涡轮与至少一个相应的副风力涡轮(100b-100d)电连接而形成的相应的集群(c11,c12)的无功功率(rp)相匹配，其中，所形成的集群(c11,c12)彼此断开，并且/或者其中，在孤岛操作模式下操作识别出的至少两个主风力涡轮(100a,100c)，使得风力涡轮的所述集群(c11,c12)的所述无功功率(rp)由所述相应的主风力涡轮(100a,100c)的所述功率转换系统(118,210,238)满足。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将具有最大无功功率能力(rpc)的所述风力涡轮识别为所述相应的主风力涡轮(100a,100c)。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在电网形成操作模式下操作所述相应的主风力涡轮(100a,100c)，以在风力涡轮的所述相应的集群(c1,c11,c12)内建立稳定的本地电网。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在形成所述相应的集群(c1,c11,c12)之后，在空转操作模式或静止操作模式下操作所断开的串(s1-s3)的所述副风力涡轮(100b-100d)。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在检测(2100)到所述电网的损耗之后，将所述串(s1-s3)与所述电网(550)断开。8.根据权利要求7所述的方法，在进一步检测(2500)到所述电网的恢复之后，所述方法还包括将所述串(s1-s3)与所述电网连接。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风电场(500,500')包括风力涡轮(100-100d)的若干串(s1-s3)，其中，风力涡轮(100-100d)的所述串(s1-s3)能够利用所述风电场(500,500')的公共联接点(512)单独地连接到外部电网(550)，并且/或者其中，所述方法针对风力涡轮(100-100d)的所述若干串(s1-s3)中的每个串独立地执行。10.一种风电场(500,500')，其包括：
●ꢀ
风力涡轮(100-100d)的串(s1-s3)，其能够相互和与电网(510,550)电连接，每个风力涡轮包括带有转子叶片(108)的转子(106)和与所述转子(106)机械连接的功率转换系统(118,210,238)；以及
●ꢀ
控制系统(502,202)，其与所述风力涡轮(100-100d)中的每个风力涡轮的所述功率转换系统(118,210,238)通信地联接，并且配置成：
○ꢀ
将所述串(s1-s3)与所述电网(510,550)断开(1100,2210,3100)；以及
○ꢀ
识别(1200,2280,3200)能够与所断开的串(s1-s3)的至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接的主风力涡轮(100a,100c)，所述主风力涡轮(100a,100c)的所述功率转换系统(118,210,238)包括无功功率能力(rpc)，所述无功功率能力至少与能够通过将所述主风力涡轮(100a,100c)与所断开的串(s1-s3)的所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接而形成的集群(c1,c11,c12)的无功功率(rp)相匹配。

技术总结
公开了一种用于操作风电场的方法，所述风电场具有可经由功率连接(Cab-Cd)相互和与电网(510,550)电连接的风力涡轮(100-100d)的串(S1-S3)。每个风力涡轮包括具有转子叶片(108)的转子(106)和与转子(106)机械连接的功率转换系统(118,210,238)。所述方法包括将该串(S1-S3)与电网(510,550)断开，以及识别断开的串(S1-S3)的主风力涡轮(100a,100c)，该主风力涡轮能够与所断开的串(S1-S3)的至少一个副风力涡轮(100b-10d)电连接。主风力涡轮(100a,100c)的功率转换系统(118,210,238)包括无功功率能力(RPC)，该无功功率能力至少与待通过将主风力涡轮(100a,100c)与所断开的串(S1-S3)的所述至少一个副风力涡轮(100b-100d)电连接而形成的集群(C1,C11,C12)的无功功率(RP)相匹配。(RP)相匹配。(RP)相匹配。


技术研发人员：K
受保护的技术使用者：通用电气可再生能源西班牙有限公司
技术研发日：2022.12.05
技术公布日：2023/6/7