黑启动风机、风电场和恢复风电场和风机的方法，以及使用该方法的风机、风电场

摘要

提供了一种在孤岛操作之后黑启动风机和风电场的方法，一种在孤岛操作之后恢复风电场的方法，以及使用该方法的风机和风电场。所述风机(1)包括辅助设备(102)、发电机(100)、可以与所述发电机(100)电连接的变流器(101)，以及能量储存系统(105)，所述发电机(100)可以经由所述变流器(101)电连接至所述辅助设备(102)，所述能量储存系统(105)可以电连接至所述辅助设备(102)，用于黑启动风机的方法包括：测量风速平滑度；如果所测量的风速平滑度高于平滑度阈值，则选择所述发电机(100)作为第一电源，以V/f控制模式向所述辅助设备(102)提供第一电力，并选择所述能量储存系统(105)作为第二电源，以便考虑到适于为所述辅助设备(102)供电的有功功率和无功功率的需求量从而调整由所述第一电源馈送到所述辅助设备(102)的有功功率和无功功率的量；否则，选择所述能量储存系统(105)作为第一电源，以V/f控制模式向所述辅助设备(102)提供第一电力，并选择所述发电机(100)作为第二电源，以便考虑到适于为所述辅助设备(102)供电的有功功率和无功功率的需求量从而调整由所述第一电源馈送到所述辅助设备(102)的有功功率和无功功率的量。

说明书

技术领域

本发明涉及在孤岛操作和恢复风电场后黑启动风机和风电场的方法以及使用该方法的风机和风电场，并且更具体地涉及调节风机中的多个电源，用于在黑启动操作期间为其辅助设备供电。

背景技术

众所周知，在离岸风电场中，当主电源出现故障时，提供独立的应急电源，为紧急用电单元(其也可以被称为辅助负载)提供电力，例如照明和信号系统等；并且对于不同的负载，供应的时间段需要满足不同的需求(例如从几小时到几天)。有两种可行的解决方案能达到这些要求：使用柴油发电机组作为紧急用电单元，或者使用ESS作为紧急用电单元。

专利EP 2236821A1公开了对与风电场相关的至少两个风机进行孤岛操作的方法和系统，其中所述风电场被配置为将由所述风电场中的风机产生的电力提供给主电网，并且其中所述方法包括：检测所述风电场中的至少两个或更多个停用的风机，所述停用的风机通过使用其不间断电源(一种能量储存系统)保持在待机操作中，并且与所述主电网断开；配置至少一个孤岛式局部电网用来对所述两个或更多个停用的风机进行电连接；使用黑启动操作启动所述停用的风机中的至少一个；以及，将所述至少一个启动的风机和至少一个所述停用的风机连接至所述局部电网，所述启动的风机充当连接至所述局部电网的所述至少一个停用的风机的电源。

专利WO 2014082757A1讨论了一种涉及将变流器单元网侧连接到电网的方法。由发电机生成的电能经由变流器单元被输入到电网中。如果变流器单元和辅助能量单元与电网断开连接，将在可调节的时间段内，辅助能量单元从能量储存单元获取电能。然后，辅助能量单元通过变流器单元吸收由发电机产生的电能。

然而，这些参考文献中的每一篇都具有以下的缺点中的一个或多个：1.在发电机和风机的能量储存系统的操作之间没有适当的协调，则可能在瞬态期间失去电压和频率的稳定性；2.在一个风机和另一个风机的操作之间没有适当的协调，则可能在瞬态期间失去电压和频率的稳定性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于在孤岛操作之后黑启动风机的方法，其中所述风机包括：辅助设备、发电机、可以与发电机电连接的变流器，以及能量储存系统，所述发电机可以经由所述变流器电连接至所述辅助设备，所述能量储存系统可以电连接至所述辅助设备，所述方法包括：测量风速平滑度；如果所测量的风速平滑度高于平滑度阈值，则选择所述发电机作为第一电源，以V/f控制模式向所述辅助设备提供第一电力，并选择所述能量储存系统作为第二电源，以便考虑到适于为所述辅助设备供电的有功功率和无功功率的需求量从而调整由所述第一电源馈送到所述辅助设备的有功功率和无功功率的量；否则，选择所述能量储存系统作为第一电源，以V/f控制模式向所述辅助设备提供电力，并选择所述发电机作为第二电源，以便考虑到适于为所述辅助设备供电的有功功率和无功功率的需求量从而调整由所述第一电源馈送到所述辅助设备的有功功率和无功功率的量；将所选择的第一电源和所选择的第二电源这两者电连接到所述辅助设备的电力输入端子，以提供所述第一电力和所述第二电力。

根据本发明的另一方面，其提供了一种风机，包括：发电机；可以电连接至所述发电机的变流器；能量储存系统；用于测量风速平滑度的第一测量设备；风机控制器；第一开关，被布置在所述变流器的电力输出端和所述辅助设备的电力输入端之间；第二开关，被布置在所述能量储存系统的电力输出端和所述辅助设备的电力输入端之间；在所述风机的孤岛操作之后，所述风机控制器适用于：如果所测量的风速平滑度高于平滑度阈值，则选择所述发电机作为第一电源，以V/f控制模式向所述辅助设备提供第一电力，并选择所述能量储存系统作为第二电源，以便考虑到适于为所述辅助设备供电的有功功率和无功功率的需求量从而调整由所述第一电源馈送到所述辅助设备的有功功率和无功功率的量；否则，选择所述能量储存系统作为第一电源，以V/f控制模式向所述辅助设备提供电力，并选择所述发电机作为第二电源，以便考虑到适于为所述辅助设备供电的有功功率和无功功率的需求量从而调整由所述第一电源馈送到所述辅助设备的有功功率和无功功率的量；以及控制闭合所述第一开关和所述第二开关，以将所述第一电力和所述第二电力提供给所述辅助设备。

通过协调由风机的所选择的第一电源和所选择的第二电源提供给同一风机的辅助设备电力供应，该风机可以在孤岛操作之后自己执行黑启动操作而不依赖于从其他风机的发电机运输过来的电力；这有益于减少风机之间的通信。另外，由于所选择的第二电源所贡献的有功功率和无功功率，关于所选择的第一电源的电压和频率在瞬态期间的稳定性增加。

附图说明

下文中将参照优选的示例性实施例(在附图中示出)更详细地说明本发明的主题，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的风机的主要部件的示意图；

图2A和2B示出了根据本发明的一个实施例的在V/f控制模式下电压和频率基准的计算；

图2C和2D示出了根据本发明的另一个实施例的在P/Q控制模式下有功和无功功率基准的计算；

图3示出了根据本发明的一个实施例的风电场；

图4示出了根据本发明的另一个实施例的风电场；

图5示出了根据本发明的另一个实施例的风电场；

在附图中使用的附图标记及其含义以概括形式列在附图标记列表中。原则上，在图中相同的部件具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的风机的主要部件的示意图。如图1中所示，风机1包括发电机100，例如永磁发电机或者同步或异步类型的发电机，其将叶片的旋转能量转换成变频交流电。发电机的电力输出端可以电连接至变流器101，以将其输出提供到变流器101，变流器通常将该交流电转换成主电网可使用的频率的交流电。该变流器101，例如可以是一种电力转换设备，其包括用于将交流电转换成直流电的交流/直流转换和用于将直流电转换成主电网使用的频率的交流电的直流/交流转换，即，一种背靠背变流器。变流器101的电力输出端经由第一开关103和变压器单元104可以电连接至辅助设备102的电力输入端。辅助设备可以是：用来示意风机位置的导航灯、用来获得风机操作参数的传感器、用来发送/接收变电站的反馈/命令的通信设备、用来为安装在风机中的设备提供所需温度的通风和加热设备，等等。第一开关103可以为断路器，其开/关的状态可以根据风机控制器109的指示而切换。能量储存系统105的电力输出经由第二开关106(例如断路器，其开/关的状态可以根据风机控制器109的指示而切换)可以电连接至辅助设备102的电力输入端。第一测量设备107可以测量风速平滑度，并且当风速达到以下范围时，风机变流器可以开始用于发电：

ω_min≤ω(t)≤ω_max，t∈[t，t+Δt]

其中ω_min和ω_max分别为风机的切入和切出风速，此处我们以全功率大型离岸风机为例，因此ω_min＝3m/s而ω_max＝20m/s，ω(t)为Δt时间段内的风速，并且根据几个重要的辅助负载的辅助电源的最小时间要求来决定Δt，此处我们定义Δt＝15秒。风机控制器109可以收集运行数据(例如功率水平、温度、风速、转换效率等)并且使用这些运行数据来控制风机，以达到风机的最优的操作。此外，风机控制器109包括发射器/接收器单元，用于提供与第一测量装置107的数据链路108，用于向第一开关103和第二开关106提供指示以改变它们的开关状态。

孤岛是一种当风电场或者风电场的一部分风机与电网断开连接(例如，由于电网中的断路器的计划性切换操作或者保护性切换)时会发生的情况。例如，在检测到失电之后，断路器会自动地从电网断开一个或多个风机。此后，每一断开的风机通过将叶片置于风向标位置而停止叶片的旋转从而将自身设置为停机或者待机状态。该待机状态将持续到孤岛化的风电场重新连接至电网。孤岛阶段后，风机将被连接至电网；因而，该风机需要在黑启动模式下操作，其中其辅助设备由风机中的电源供应电力。

根据如图1中所示出的本发明的实施例，在风机控制器109的控制下，发电机100和能量储存系统被选作电源而为风机1的辅助设备102在黑启动模式下供电。在用作电源的情况下，发电机/能量储存系统可以在电压/频率(V/f)控制模式下或在有功/无功功率(P/Q)控制模式下操作。P/Q控制模式可以作为电流源为辅助负载提供有功/无功功率，这意味着P/Q控制模式可以为系统提供电力支撑；但不能为孤岛操作中的辅助负载提供稳定的电压和频率。因此，至少一个发电机/能量储存系统应当在V/f控制模式下工作，其可以作为电压源为辅助负载生成电力，并且为系统提供电压和频率支撑。风机1在其孤岛操作之后进入黑启动操作模式，风机控制器109适用于：如果测量的风速平滑度高于平滑度阈值，则选择发电机100作为第一电源，以V/f控制模式向辅助设备102提供第一电力，并选择能量储存系统105作为第二电源，以便在考虑适于为辅助设备102供电的有功功率和无功功率的需求量的情况下调整由第一电源馈送到辅助设备102中的有功功率和无功功率的量；否则，选择能量储存系统105作为第一电源，以V/f控制模式向辅助设备102提供电力，并选择发电机100作为第二电源，以便在考虑适于为辅助设备102供电的有功功率和无功功率的需求量的情况下调整由第一电源馈送到辅助设备102中的有功功率和无功功率的量。选择之后，风机控制器109可以控制闭合第一开关和第二开关以将第一电力和第二电力提供给所述辅助设备。优选地，所选择的第二电源以P/Q控制模式提供第二电力。如果选择发电机100作为第一电源：如果能量储存系统105的容量对于具有最小电力供应时间段的辅助电源来说是足够的，则所选择的第二电源以V/f控制模式提供第二电力，否则所选择的第二电源以P/Q控制模式提供第二电力。优选地，该风机1进一步包括：第二测量设备110，用于测量第一电源的输出端处的无功功率、有功功率、电压和频率；以及第三测量设备111，用于测量第二电源的输出端处的无功功率、有功功率、电压和频率；其中：对于V/f控制模式中所选的第一电源，风机控制器还适于根据第一电源的输出端处的无功和有功功率的测量值来计算其基准电压和基准频率；并且对于P/Q控制模式中所选的第二电源，风机控制器还适于根据第二功率的输出端处的频率和电压的测量值来计算其有功和无功功率基准。

例如，如果选择第一/第二电源在V/f控制模式下工作，如图2A中所示出的，则此电源的电压和频率基准将根据预定义的操作点(V₀,Q₀)和(f_e,P₀)、测量的无功功率和有功功率输出值Q和P，以及下垂因子K_Q和K_P进行计算。通过这样做，我们可以保护此电源不会将容量耗尽。V/Q和f/P特性在图2B中进一步示出。

另外一方面，如果选择第一/第二电源在P/Q控制模式下工作，如图2C中所示出的，有功和无功功率基准将根据预定义的操作点(P₀,f₀)和(Q₀,V₀)、测量的频率f和电压V，以及下垂因子K_f和K_V进行计算。通过这样做，我们可以确保带有以自主方式一起操作的多个电源的系统的稳定操作。P/f和Q/V特性可以在图2D中进一步示出。

通过协调由风机的所选择的第一电源和所选择的第二电源对同一风机的辅助设备的电力供应，该风机可以在孤岛操作之后自己执行黑启动操作，而不需要依赖于从其他风机的发电机运输过来的电力；这有益于减少风机之间的通信。另外，由于所选择的第二电源对有功功率和无功功率的贡献，在瞬态期间，对于所选择的第一电源的V/f控制的电压和频率稳定性增加。这是因为在瞬态期间，辅助负载的大幅变化将导致系统电压振幅和频率的变化，然后，具有P/Q控制的电源将根据系统电压振幅和频率的所述变化立即调整它们的输出功率，这有助于实现系统电力平衡，进而提高系统电压和频率的稳定性。

图3示出了根据本发明的一个实施例的风电场。如图3中所示出的，该风电场2包括风电场控制器200、电缆201、根据图1的多个风机1。每一个风机1进一步包括：布置在其变流器101的电力输出端和电缆201之间的第三开关112，以及用于测量其与电缆201连接处的电压和频率的第四测量设备113。例如，该第四测量设备113可以为电压和电流传感器，其可以在风机输出点检测电压和电流的值。另外，基于这些电压和电流的值，计算电压振幅、系统频率，以及风机输出的有功功率和无功功率等等。在孤岛阶段之后，风电场2被连接至电网；因而，多个风机1中的每一个需要在黑启动模式下操作，其中其辅助设备由风机中的电源供应电力。在风电场的孤岛模式之后的黑启动阶段中，风电场控制器200适用于：在多个风机1中选择一个风机。例如，选择虚线框中的风机1。风电场控制器200进一步指示所选择的风机1(在虚线框中)的风机控制器109控制闭合所选风机1的第三开关112，并且指示另一个风机(不在虚线框中)的风机控制器109调节其第一电源的电压和频率以接近其第四测量装置113在电缆上的电压和频率的测量值，以使得未选择的风机与所选择的风机同步。在所选择的风机和未选择的风机的同步之后，另一个风机(不在虚线框中)的风机控制器109还适于在所选风机1(在虚线框中)的风机控制器109进行调节后控制闭合其第三开关112。例如，基于在电缆上测得的电压和频率，未选择的风机(其正在与所选择的风机同步)的风机控制器109可以得到其自身风机与电缆之间的电压差。为了限制当闭合此同步中的风机的第三开关时的冲击电流，在闭合其第三开关112之前此电压差应当遵循三个条件：

—频率差：ω_S＝ω_WT-ω_电缆≈0

—电压矢量幅度差：V_S＝V_WT-V_电缆≈0

—相角差：∠φ_S＝∠θ_WT-∠θ_电缆≈0°

通过使其它风机与所选择的自身黑启动的风机同步，可以抑制在同步期间在所选和未选风机之间形成的涌入电流。

图4示出了根据本发明实施例的风电场。如图4所示出的，该风电场3包括风电场控制器300、电缆301、根据图1的多个风机1、变电站级能量储存系统302、变电站级辅助设备303、布置在变电站级能量储存系统302和电缆301之间的第四开关304、布置在变电站级辅助设备303和电缆301之间的第五开关305，以及用于测量其与电缆301连接处的电压和频率的第五测量装置306。该多个风机1中的每一个进一步包括布置在其变流器101的电力输出端和电缆301之间的第三开关112。在孤岛阶段之后，风电场3被连接至电网；因而，多个风机1中的每一个需要在黑启动模式下操作，其中其辅助设备由风机中的电源供应电力。在风电场的孤岛模式之后的黑启动阶段中，风电场控制器300适用于：在多个风机1中选择一个风机。例如，选择虚线框中的风机1。风电场控制器300进一步指示所选择的风机1(在虚线框中)的风机控制器109控制闭合所选风机1的第三开关112，并且指示调节以V/f控制模式操作的变电站级能量储存系统302的电压和频率以接近其在电缆301上连接处的电压和频率的测量值，以使得变电站级能量储存系统302与所选择的风机1同步。风电场控制器300然后可以在变电站级能量储存系统302和所选择的风机1同步之后控制闭合第四开关304和第五开关305。例如，基于在电缆301上测得的电压和频率，变电站级能量储存系统控制器可以得到其自身的变电站级能量储存系统302与电缆301之间的电压差。为了限制当闭合能量储存系统302的第三开关112时的冲击电流，在闭合该第三开关112之前此电压差应当遵循三个条件：

—频率差：ω_ES＝ω_ESS-ω_电缆≈0

—电压矢量幅度差：V_ES＝V_ESS-V_电缆≈0

—相角差：∠φ_ES＝∠θ_ESS-∠θ_电缆≈0°

通过使变电站级储能系统与所选择的自身黑启动的风机同步，可以抑制它们之间形成的涌入电流。

图5示出了根据本发明的实施例的风电场。如图5中所示出的，风电场4包括风电场控制器400、电缆401、布置在电缆401和主电网之间的第六开关402、根据图1的多个风机1。该多个风机1中的每一个进一步包括布置在其变流器101的电力输出端和电缆401之间的第三开关112以及用于测量其与电缆401的连接处的电压和频率的第四测量装置113。在风电场的孤岛模式之后的恢复模式期间，风电场控制器400适用于：在多个风机中选择至少一个风机；控制闭合第六开关；指示所选择的风机的风机控制器来调节其第一电源的电压和频率以接近通过其第四测量装置测量的电缆上的电压和频率的测量值；以及在所选择的风机的风机控制器的调节之后控制闭合所选风机的第三开关。

尽管已经基于一些优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，这些实施例不应当限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和概念的情况下，对实施例的任何变化和修改应当在本领域普通技术人员的理解范围内，并且因此落入由所附权利要求限定的本发明的范围内。