风电厂、 风电厂控制器以及控制风电厂的方法 【技术领域】
本发明大体涉及风电厂、 风电厂控制器以及控制风电厂的方法。背景技术 风电厂通常具有用于将风能转换成电能的多个风轮机。 为了将电能供应到最终的 用电方， 风电厂与电网相连。然而， 在风电厂可以与电网相连之前， 风电厂必须满足电网规 则规定的对风电厂的电力性能的要求。一个要求是风电厂的初始响应时间。一般来说， 风 电厂具有风电厂控制器， 它监视着电网电压， 并且比较电网电压和外部设定值 (setpoint)。 用真实的电网电压和外部设定值之间的差值 ( 例如误差信号 ) 来计算风电厂的无功功率产 生指令。 该指令从风电厂控制器被送到各个风轮机， 接下来， 风轮机一接到指令就做出响应 ( 例如， 为了调节电网电压， 生产更多或更少的电能 )。误差信号可能由实际电网电压的变 化或外部设定值的变化引起。 风电厂的初始响应时间被理解为从一检测到电网电压变化或 外部设定值变化开始到风电厂的多个风轮机中的第一风轮机一做出反应 ( 一检测到反应 ) 为止的时间间隔。
例如， 如图 5 中的曲线图 500 所示， 英国电网规则要求初始响应时间不超过 200ms。 也就是说， 要求风电厂的第一风轮机根据接收到的各控制数据， 在电网电压变化或外部设 定值变化发生之后在不超过 200ms 的时间里做出反应。风电厂剩余的风轮机随后也根据各 控制数据做出反应。英国电网规则要求， 1 秒钟之后， 风电厂的无功功率产生必须大于所要 求的响应 ( 例如， 无功功率产生 ) 的 95％。
一般来说， 只有在已经收集到关于所有风轮机的信息之后， 控制数据才被送给风 轮机， 收集到的信息已经过处理， 并且所有风轮机的控制数据已经做好发出准备。因此， 用 于收集有关风轮机的信息、 处理收集到的信息、 并且生成所有风轮机的控制数据的总时间 可能不满足电网规则规定的有关初始响应时间的要求。
因此， 本发明的一个目的在于避免上述问题。
发明内容 根据一个实施例， 提供了一种控制具有多个风轮机的风电厂的方法。 该方法包括 ： a) 准备电报， 电报包括用于风电厂的多个风轮机之一的风轮机控制数据 ； b) 电报一完成就 将其发给该风轮机 ； 然后 c) 对于剩余的每一个风轮机相继重复步骤 a) 和 b)。该实施例的 一个效果是风电厂的初始响应时间缩短 ； 因此， 由电网规则规定的对风电厂初始响应时间 的要求可以更容易达到。
根据一个实施例， 风轮机控制数据包括风轮机设定值控制数据。
根据一个实施例， 风轮机设定值控制数据包括由无功功率产生设定值控制数据和 有效功率生产设定值控制数据构成的组中的任何一个。
根据一个实施例， 在收集到有关风轮机的状态信息之后执行步骤 a)。可以根据收 集到的状态信息执行步骤 a)。
根据一个实施例， 从相应风轮机收集到的状态信息包括相应风轮机当前的功率输 出、 未来可能的功率输出和工况。
根据一个实施例， 电报经风电厂网络发给相应风轮机。
根据一个实施例， 风电厂的风轮机数目超过 20。
根据一个实施例， 以介于 10ms 和 100ms 之间的有规律时间间隔为基础执行步骤 a) 到 c)。
根据一个实施例， 以介于 50ms 和 100ms 之间的有规律时间间隔为基础执行步骤 a) 到 c)。
根据一个实施例， 提供风电厂控制器。风电厂控制器被配置成 ： a) 准备电报， 电报 包括用于风电厂的多个风轮机之一的风轮机控制数据 ； b) 电报一完成就将其发给该风轮 机； 然后 c) 对于剩余的每一个风轮机相继重复步骤 a) 和 b)。该实施例的一个效果是风电 厂的初始响应时间缩短 ； 因此， 由电网规则规定的对风电厂初始响应时间的要求可以更容 易达到。
根据一个实施例， 提供风电厂。 风电厂包括多个风轮机和风电厂控制器， 风电厂控 制器被配置成 ： a) 准备电报， 电报包括用于风电厂的多个风轮机之一的风轮机控制数据 ； b) 电报一完成就将其发给该风轮机 ； 然后 c) 对于剩余的每一个风轮机相继重复步骤 a) 和 b)。 该实施例的一个效果是风电厂的初始响应时间缩短 ； 因此， 由电网规则规定的对风电厂 初始响应时间的要求可以更容易达到。
根据一个实施例， 每台风轮机包括控制器， 该控制器被配置成从风电厂控制器接 收电报， 并发送有关风轮机的状态信息给风电厂控制器。
根据一个实施例， 风轮机控制数据包括风轮机设定值控制数据。
根据一个实施例， 风轮机设定值控制数据包括由无功功率产生设定值控制数据和 有效功率生产设定值控制数据构成的组中的任何一个。
根据一个实施例， 相应风轮机的状态信息包括相应风轮机当前的功率输出、 未来 可能的功率输出和工况。
根据一个实施例， 风电厂还包括连接在多个风轮机和风电厂控制器之间的风电厂 网络。
根据一个实施例， 风电厂网络被配置成将电报从风电厂控制器传输给多个风轮 机， 并将多个风轮机的状态信息传输给风电厂控制器。
根据一个实施例， 风电厂控制器在可编程逻辑控制器 (PLC) 上实施。
根据一个实施例， 风电厂控制器包括若干通信模块， 这些模块被配置成向相应风 轮机发送电报。
根据一个实施例， 风电厂的风轮机数目超过 20。
根据一个实施例， 以介于 10ms 和 100ms 之间的有规律的时间间隔为基础执行步骤 a) 到 c)。 附图说明
在附图中， 相同的附图标记一般表示不同视图中的相同部件。附图没有必要按比 例绘制， 重点一般放在展示发明的原理。 在下面的说明中， 参照以下各图来说明发明的各实施例， 其中 ：
图 1 展示了常规风轮机的一般结构。
图 2 显示了根据本发明的一个实施例的风电厂的示意图。
图 3a 显示了准备和传输电报的常规顺序。
图 3b 显示了根据本发明的一个实施例准备和传输电报的顺序。
图 4 显示了根据本发明控制风电厂的一个实施例的流程图。
图 5 显示了一幅曲线图， 它展示了由英国电网规则规定的对风电厂初始响应时间 的要求。 具体实施方式
下面将参照附图详细说明根据本发明的风电厂、 风电厂控制器和控制风电厂的方 法的各典型实施例。不难理解下面说明的各典型实施例可以在各个方面进行改进， 只要不 改变发明的本质。
图 1 展示了常规的风轮机 100 的一般结构。风轮机 100 安装在底座 102 上。风轮 机 100 包括具有多个塔架段 ( 例如塔架环 ) 的塔架 104。 风轮机的机舱 106 安放在塔架 104 的顶部。风轮机转子包括轮毂 108 和至少一个转子叶片 110， 例如三个转子叶片 110。转子 叶片 110 与轮毂 108 相连， 轮毂 108 又通过伸出机舱 106 前部的低速轴与机舱 106 相连。 图 2 显示了根据本发明的一个实施例的风电厂 200( 也称为风电场或风电园 ) 的 示意图。在图 2 中， 风电厂 200 包括多个风轮机 100。风电厂 200 的风轮机 100 的数目可 以超过 20。然而， 不难理解本发明意义上的术语 “风电厂” 也可以包括至少两台风轮机的情 况。
在一个实施例中， 风电厂 200 的每台风轮机 100 可以包括一台位于风轮机 100 内、 例如位于塔架 104 或机舱 106 内的控制器 202。替代地， 控制器 202 也可以位于风轮机 100 的外部。每台风轮机 100 的控制器 202 被配置为接收电报并发送有关相应风轮机 100 的状 态信息。控制器 202 也可以被配置为控制相应风轮机 100 的所有功能。另外， 每台风轮机 100 可以包括用于控制相应风轮机 100 的所有功能的单独控制器 202。
风电厂 200 包括风电厂控制器 (PPC)204。 风电厂控制器 204 可以根据例如可编程 逻辑控制器 (PLC) 来实施。风电厂 200 包括多个通信模块 206。通信模块 206 可以是 EWEB 模块。然而， 也可以使用其他通信模块。通信模块 206 被集成到风电厂控制器 204 中。
风电厂 200 还包括风电厂 (WPP) 网络 208。WPP 网络 208 通过控制线 210 连接在 风轮机 100 和风电厂控制器 204 之间。
在风电厂 200 中， 所有的风轮机 100 都可以通过 WPP 网络 208 与风电厂控制器 204 通信。例如， 风轮机 100 可以被配置为使用各控制器 202 经 WPP 网络 208 发送有关风轮机 100 的状态信息给风电厂控制器 204。只要风电厂控制器 204 一提出请求， 有关风轮机 100 的状态信息就可以发送给风电厂控制器 204。另外， 有关风轮机 100 的状态信息可以按照 规律的时间间隔发送风电厂控制器 204。例如， 可能的时间间隔范围可以从约 10ms 到约 100ms。
在一个实施例中， 从风轮机 100 发给风电厂控制器 204 的状态信息表明相应风轮 机 100 是否处于操作模式、 是否被触发或者被启动。状态信息可以包括例如相应风轮机当
前的功率输出和 / 或未来可能的功率输出。相应风轮机可能的功率输出一般取决于风速。 状态信息还可以包括相应风轮机 100 一般的工况， 例如， 风轮机 100 的例如马达的温度、 电 网电压等。
做出响应的风电厂控制器 204 经 WPP 网络 208 控制风轮机 100。 风电厂控制器 204 也可以控制某些部件， 例如风轮机 100 中的齿轮、 马达、 等等。在收到有关风轮机 100 的状 态信息之后， 风电厂控制器 204 根据从相应风轮机 100 收到的状态信息， 为每台风轮机 100 准备电报， 电报包括相应的风轮机控制数据， 并且经 WPP 网络 208 将每份电报发给相应的风 轮机 100。风电厂控制器 204 可以被配置成为风电厂 200 中选择的风轮机 100 准备电报， 并且电报一完成， 就将它发给选择的风轮机 100。风电厂控制器 204 可以被配置成为每一 台剩余的风轮机 100 连续重复相同的过程。也就是说， 在发完前一份电报之后， 就准备下一 份电报。风电厂控制器 204 可以基于离散的时间取样系统工作。不难理解在离散的时间取 样系统中， 连续信号按固定的时间间隔 (Ts) 来读取。连续信号的值用它在各时间瞬间 Ts、 2Ts、 3Ts、 4Ts、…、 KTs 的瞬时值来表示。连续信号在各时间瞬间 Ts、 2Ts、 3Ts、 4Ts、…、 KTs 的瞬时值分别被称为 1#、 2#、 3#、 4#、 …、 K# 信号瞬时值。也就是说， 在通信模块 206 为选择 的前一个风轮机 N 发送电报的同时， 风电厂控制器 204 可以为选择的风轮机 N+1 准备电报。 更一般地说， 在通信模块处理根据电厂控制器的第 K 号信号瞬时值已经准备好的电报的发 送的同时， 电厂控制器自己可以开始计算电厂控制器的第 K+1 号信号瞬时值的设定值。 风电厂控制器 204 为每台风轮机 100 准备和发送一份电报。在另一个实施例中， 风电厂控制器 204 可以为每台风轮机 100 准备和发送不止一份电报。对于所有电报来说， 包括在电报内的控制信息可以相同。 另外， 电报与电报之间的控制数据也可以不同， 即每台 风轮机可以接收到单独的控制数据。
每台风轮机 100 的电报可以按介于约每 10ms 到约每 100ms 之间的有规律的时间 间隔发出。每台风轮机 100 的电报可以由控制发送过程的通信模块 206 发给相应风轮机 100。在风电厂 200 具有大量风轮机 100 的情况下， 每个通信模块 206 被配置成为风电厂 200 内的各组风轮机 100 发送电报。例如， 如果风电厂 200 具有 24 个风轮机 100 和 3 个通 信模块， 那么 24 个风轮机 100 可以在 3 个通信模块之间均匀分布， 以便每个通信模块 206 控制风电厂 200 的风电厂控制器 204 和相应一组例如 8 台风轮机之间的电报通信。
不难理解没有必要将风轮机 100 的数目均匀分布在通信模块 206 的数目之间。与 其他通信模块 206 相比， 一些通信模块可以配置成为数目更多的风轮机 100 发送电报。 对每 个通信模块来说， 风轮机 100 的数目可以由用户手动调节， 或者可以由软件程序自动确定。
从风电厂控制器 204 发给相应风轮机 100 的电报可以是数据包 / 数据包的链接。 数据包 / 数据包的链接可以用以太网 IP 网络技术发送。然而， 也可以用其他网络技术来发 送数据包。在一个实施例中， 电报的风轮机控制数据包括风轮机设定值控制数据。风轮机 设定值控制数据可以只包括无功功率产生设定值控制数据或者有效功率生产设定值控制 数据， 或者同时包括无功功率产生设定值控制数据和有效功率生产设定值控制数据。
风轮机 100 的相应控制器 202 还被配置成从风电厂控制器 204 接收电报。一接收 到电报， 如果风轮机 100 现有的无功功率产生设定值和现有的有效功率生产设定值不同于 电报中的无功功率产生设定值控制数据和有效功率生产设定值控制数据， 风轮机 100 就可 以根据电报中的无功功率产生设定值控制数据和有效功率生产设定值控制数据调节现有
的无功功率产生设定值和现有的有效功率生产设定值。不难理解在风轮机 100 可以对控制 数据， 像电报中的无功功率产生设定值控制数据和有效功率生产设定值控制数据， 做出响 应之前， 风轮机 100 一般应该处于操作模式。
图 3a 显示了风电厂控制器 204 准备和传输电报的常规顺序 302。根据常规顺序 302， 风电厂控制器 204 为有待控制的所有风轮机 100 按时间间隔 t1 准备所有的电报， 并且 在所有电报准备完并且准备好发送之后按时间间隔 t2 将电报发给相应的风轮机 100。准备 和发送所有电报花费的总时间为 T 总。
使用如图 3a 所示的常规顺序 302 的风电厂可能不满足电网规则涉及风电厂初始 响应时间的要求。使用常规顺序 302 的风电厂的初始响应时间可以是准备所有电报所花的 时间 ( 即 t1)、 发送第一份电报所花的时间 ( 即 t3) 和第一风轮机从收到第一电报到对包含 在第一电报中的控制信息做出响应所花时间的总和。为了满足电网规则的要求， 风电厂的 风轮机数目可能不得不减少， 以实现更快的响应时间。 但是， 如果需要建设另外的风电厂以 满足电能需求， 可能招致更高的花费。
图 3b 显示了根据本发明的一个实施例的风电厂控制器 204 准备和传输电报的顺 序 304。风电厂控制器 204 使用图 3b 所示的顺序 304 按时间间隔 ta 为第一风轮机 100 准 备包括风轮机控制数据的电报， 并且电报一完成， 就在时间 T1 将其发给风轮机 100。第一风 轮机 100 接收电报由通信模块 206 决定， 并且可以用软件程序来改变。更一般地说， 多个风 轮机接收电报的顺序可以用软件程序来改变。在发送用于第一风轮机 100 的电报之后， 风 电厂控制器 204 接着为第二风轮机 100 准备电报。第二风轮机 100 的电报一完成， 就在时 间 T2 发出。这一过程继续进行， 直到风电厂 200 中的所有风轮机 100 都收到各自的电报。 这一过程按介于约 10ms 和约 100ms 之间的有规律的时间间隔进行。
如图 3b 所示， 为每个风轮机 100 准备电报所花的时间间隔都相同 ( 例如对每个风 轮机 100 来说， 为 ta)。然而， 根据包含在每份电报内的单独的控制信息， 准备电报所花的时 间间隔可能因电报的不同而不同。各份电报分别在时间 T1、 T2、…、 T16 时连续发出。
比较图 3a 和 3b， 按图 3b 所示的顺序准备和发送所有的电报所花的总时间大约与 按图 3a 所示的常规顺序 302 所花的总时间相同。因此， 与使用图 3a 所示的常规顺序 302 相比， 使用图 3b 所示的顺序 304 不会导致总处理时间更长。
此外， 由于用于第一风轮机 100 的电报一准备好就发出， 因此使用图 3b 所示的顺 序可以使风电厂 200 的初始控制滞后 ( 即初始响应时间 ) 最小化， 从而实现更快的响应时 间。 使用顺序 304， 风电厂 200 的初始响应时间可以是准备和发送第一电报所花的时间 ( 即 T1) 和第一风轮机 100 对包含在第一电报内的控制信息作出响应所花的时间之和。比较常 规顺序 302 的初始响应时间和顺序 304 的初始响应时间， 使用顺序 304 的风电厂 200 具有 更快的初始响应时间。
另外， 如果每个通信模块 206 对应有 8 个风轮机 100， 并且使用顺序 304， 每个通信 模块 206 的第一风轮机 100 可以在开始为第一风轮机准备电报之后约 3-5ms 后接收电报， 并且每个通信模块 206 的最后一个风轮机 100 可以在开始为第一风轮机准备电报之后约 25-30ms 后接收电报。这样， 根据一个实施例， 风电厂 200 的初始响应时间可以看做下列时 间周期之和 ： 风电厂控制器 204 计算包含在第一风轮机 100 的电报内的新设定值控制数据 的一个取样周期， 第一风轮机 100 接收电报所花的时间 ( 例如约 3-5ms) 和第一风轮机 100对包含在接收到的电报内的设定值控制数据作出响应的通信滞后。因此， 具有大量风轮机 100 的风电厂 200 仍可满足电网规则涉及风电厂 200 初始响应时间的要求。
在一个实施例中， 风电厂 200 可以使用常规顺序 302 和顺序 304 的组合顺序。例 如， 假定风电厂 200 的 6 台风轮机 100 可以实现图 5 所示的所需响应 502， 那么首先可以用 顺序 304 准备和发送风电厂 200 的 6 台风轮机 100 的电报， 然后可以用常规顺序 302 准备 和发送风电厂 200 的剩余风轮机 100 的电报。更一般地说， 根据一个实施例， 风电厂控制器 204 可以确定为了实现所需响应， 根据本发明的各实施例， 必须控制多少台风轮机 100。然 后， 可以相应地控制这些风轮机 100( 使用顺序 304)。 剩余的所有风轮机可以使用常规顺序 302 来控制。
图 4 显示了根据本发明控制风电厂的一个实施例的流程图 400。 在 402 处， 给风电 厂的多个风轮机中的每一个连续准备和发送电报的过程开始。在 404 处， 为风电厂的多个 风轮机之一准备具有风轮机控制数据的电报。在 406 处， 电报一完成就发送给风轮机。在 408 处， 核实是否还有任何剩余的尚未给其发送过相应电报的风轮机。如果有， 在 404 处为 剩余的该风轮机准备具有风轮机控制数据的电报， 并且电报一完成， 就在 406 处将其发给 剩余的该风轮机。为剩余的每个风轮机连续重复这一迭代过程。如果风电厂的所有风轮机 都收到了相应的电报， 在 410 处结束该过程。
尽管已经参照特定实施例特别展示和说明了本发明的各实施例， 但本领域熟练技 术人员不难理解， 只要不背离由所附的权利要求书限定的发明思想和范围， 就可以在形式 和细节上对其进行各种变化。 这样， 本发明的范围由所附的权利要求书表明， 并且因此打算 包含落在各权利要求的等同的内涵和范围内的所有变化。