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CN111919354B - 黑启动恢复 - Google Patents

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CN111919354B
CN111919354B CN201980018343.1A CN201980018343A CN111919354B CN 111919354 B CN111919354 B CN 111919354B CN 201980018343 A CN201980018343 A CN 201980018343A CN 111919354 B CN111919354 B CN 111919354B
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Vestas Wind Systems AS
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Abstract

本文描述的实施例提供了用于执行黑启动操作的系统和技术。例如，一个实施例提供了一种用于执行黑启动操作的方法。该方法大体上包括使用控制系统以第一模式操作风电场中的风力涡轮机以向交流(AC)电网提供电力。该控制系统可以包括无功功率控制分支和有功功率控制分支。该方法还包括基于对电气电网执行黑启动的指示以及通过激活具有积分动作的控制器以增大风力涡轮机的输出功率，来将风力涡轮机的操作从第一模式切换到第二模式，控制器耦合在无功功率控制分支和有功功率控制分支之间，以及在以第二模式进行操作时向电气电网提供电力。

Description

黑启动恢复
技术领域
本公开中提出的实施例大体上涉及供电恢复，并且更具体地涉及执行电气电网的黑启动。
背景技术
在许多情况下，需要离岸风力涡轮机而不是岸上风力涡轮机，因为与陆地相比，离岸位置通常可获得更强的风速。此外，离岸风力涡轮机不受树木、山丘、建筑物等的阻碍。为了将离岸风力涡轮机耦合到岸上电网(其可能位于数十或数百公里以外的位置)，风力涡轮机运营商可能会使用高压直流(HVDC)链路。岸上电网可以连接到岸上风电场，由于若干因素中的一个，岸上风电场可能会遇到停电状况。在某些情况下，国家电网运营商会分配备用电源以对遇到停电状况的风电场执行黑启动。
发明内容
本公开的一个实施例提供了一种用于执行黑启动操作的方法。所述方法大体上包括：使用控制系统以第一模式操作风电场中的风力涡轮机，以向交流(AC)电网提供电力。所述控制系统可以包括无功功率控制分支和有功功率控制分支。所述方法还包括：基于对电气电网执行黑启动的指示以及通过激活具有积分动作的控制器以增大所述风力涡轮机的输出功率，来将所述风力涡轮机的操作从所述第一模式切换到第二模式，所述控制器耦合在所述无功功率控制分支和所述有功功率控制分支之间，以及在以所述第二模式进行操作时向所述电气电网提供电力。
本公开的一个实施例提供了一种风力涡轮机。所述风力涡轮机大体上包括具有无功功率控制分支、有功功率控制分支和具有积分动作的控制器的控制系统，所述控制器选择性地耦合在所述无功功率控制分支和所述有功功率控制分支之间。在某些实施例中，所述控制系统被配置为：以第一模式操作所述风力涡轮机以向本地交流电网提供电力，基于对电气电网执行黑启动的指示以及通过激活所述控制器将所述风力涡轮机的操作从所述第一模式切换到第二模式，从而增大所述风力涡轮机的电力输出，以及在以所述第二模式进行操作时向所述电气电网提供电力。
本公开的一个实施例提供了一种用于风力涡轮机的控制系统。所述控制系统大体上包括处理器和被配置为存储程序的内存，所述程序在由所述处理器执行时执行操作。所述操作包括：使用控制系统以第一模式操作风力涡轮机，以向交流电网提供电力，其中所述控制系统包括无功功率控制分支和有功功率控制分支。所述操作还包括：基于对电气电网执行黑启动的指示以及通过激活具有积分动作的控制器以增大所述风力涡轮机的功率输出，来将所述风力涡轮机的操作从所述第一模式切换到第二模式，所述控制器耦合在所述无功功率控制分支和所述有功功率控制分支之间，以及其中，当处于所述第二模式时，在切换操作之后以所述第二模式进行操作时向所述电气电网提供电力。
附图说明
为了便于可以详细理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施例来对上面简要概括的本公开进行更具体的描述，所述实施例中的一些在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了本公开的典型实施例，并且因此不应被视为是对其范围的限制，因为本公开可以允许其他等效的实施例。
图1示出了根据本公开中描述的实施例的风力涡轮机的示意图。
图2示出了根据本公开中描述的实施例的风力涡轮机的机舱和塔架内部的部件的示意图。
图3是根据本公开中描述的实施例的电力系统的框图。
图4示出了根据本公开中描述的实施例的风力涡轮机的控制系统。
图5是根据本公开中描述的实施例的矢量图。
图6是根据本公开中描述的实施例的用于以不同模式操作风力涡轮机的方法的流程图。
图7是根据本公开中描述的实施例的示例黑启动操作的流程图。
图8是描述根据本公开的实施例的用于在检测到停电状况之后启动电网形成模式的方法的流程图。
图9是描述根据本公开的一个实施例的用于由于检测到主电网的停电情景而关闭一个或多个风力涡轮机的方法的流程图。
图10是根据本公开中描述的实施例的风电场的框图，该风电场包括根据HVDC链路的功能以不同模式进行操作的至少一个风力涡轮机。
为了便于理解，在可能的地方使用了相同的附图标记来表示图中共有的相同元件。可以预期，在一个实施例中公开的元件可以在没有具体叙述的情况下有益地用于其他实施例。
具体实施方式
本公开的某些实施例大体上涉及用于给将被用作已失去电力的岸上电网的黑启动巨额负荷(block load)源的离岸风力涡轮机电场阵列、离岸变电站和电力输出电缆通电的技术。在一个实施例中，离岸风力涡轮机电场可用于给停电的物理孤岛(physicalisland)、较大网状电网中的其他离岸风电场单元和/或连接到不同同步区域之间的高压直流(HVDC)互连器的其他离岸风电场通电。
随着城市基础设施几乎所有方面对电力使用的依赖增加，尽快恢复可能由级联故障引起的电力失去(停电)是很重要的。因此，许多国家的国家电网运营商会分配备用电源(通常能够供应30至40兆瓦(MW)的巨额负荷并具有无功功率能力)，以在两个小时内执行电气电网的黑启动(例如，通过使用燃煤或燃气电厂)，从而在将停电地区与电网的其余部分重新同步之前恢复其电力。
由于计划关闭化石能源发电厂，因此在不久的将来备用电源的数量将会减少。本公开的某些实施例大体上涉及通过从跨海岸线广泛分布的具有岸上公共耦合点(PCC)的离岸风电场供应黑启动电力来填充该空缺的技术。许多离岸风电场可以提供大于60MW的巨额负荷黑启动电力，尽管这可能会随一年中的时间而变化。
本公开的某些实施例提供了一种用于离岸风力涡轮机的控制系统，所述离岸风力涡轮机被配置为向将被用于黑启动操作的HVDC链路提供电力。在某些情况下，代替使用中央控制系统，每个风力涡轮机可以具有各自的控制系统。在正常操作期间，风力涡轮机的控制系统可以以电网跟随模式操作，其中，风力涡轮机将电流注入到电压和频率固定的刚性主电网(stiff main grid)。但是，在某些情况下，主电网可能会遇到停电状况，在此之后，控制系统可以以两种不同的模式操作。例如，控制系统可以以第一模式操作，该第一模式可以称为电网形成模式，其中，风力涡轮机切换成在风力涡轮机输出处以给定的频率产生其自身的电压。在电网形成模式中，风力涡轮机(以及随后的整个风电场)形成其自身的本地电网。使用电网形成模式，风力涡轮机也可以被认为处于本文中称为孤岛模式的模式，因为风力涡轮机与传统的电气电网(例如，主电网)隔离。在孤岛模式中，风电场中的风力涡轮机可以为其自身提供辅助电力，或者为风电场平台硬件提供辅助电力。当风力涡轮机不在HVDC链路或HVAC链路上传输电力时，可以使用孤岛模式。取而代之，孤岛模式允许电场中的风力涡轮机生成用于辅助控制(诸如使涡轮机偏航、冷却泵、通风机、空调负荷、UPS和电子负荷)的电力。在另一个示例中，风力涡轮机可以耦合到本地交流电网并且可以使用孤岛模式向本地电网输出电力。控制系统也可以以第二模式操作，该第二模式可以称为高功率模式。在高功率模式中，风力涡轮机增大其输出功率，以通过向HVDC链路提供电力来执行黑启动操作。
在一个实施例中，为了在孤岛模式和高功率模式之间切换，风力涡轮机激活比例积分(PI)控制器，该比例积分控制器耦合在其控制系统中的无功功率控制分支和有功功率控制分支之间。PI控制器接收期望有功功率值与由风力涡轮机生成的实际有功功率值之间的差作为输入，并输出对应的电压调节。然后，在无功功率控制分支中使用此电压调节来改变电压值的幅值。在一个实施例中，当从孤岛模式切换到高功率模式时，风力涡轮机激活PI控制器，该PI控制器增大风力涡轮机的输出功率。
示例实施例
图1示出了水平轴风力涡轮发电机100的示意图。风力涡轮发电机100通常包括塔架102和位于塔架102顶部的风力涡轮机机舱104。风力涡轮机转子106可以通过延伸出机舱104的低速轴与机舱104连接在一起。风力涡轮机转子106包括安装在公共轮毂110上的在转子平面内旋转的三个转子叶片108，但是风力涡轮机转子106可以包括任何合适数量的叶片(诸如一个、两个、四个、五个或更多个叶片)。叶片108(或翼型件)通常均具有空气动力学形状，其具有用于面向风的前缘112、位于叶片108的弦线的相对端处的后缘114、梢端116和用于以任何合适的方式附接到轮毂110的根部118。
对于一些实施例，叶片108可以使用变桨轴承120连接到轮毂110，使得每个叶片108可以围绕其纵向轴线旋转以调节叶片的桨距。叶片108相对于转子平面的桨距角可以由例如连接在轮毂110和叶片108之间的线性致动器、液压致动器或步进电动机控制。
图2示出了风力涡轮发电机100的机舱104和塔架102内部的典型部件的示意图。当风200吹在叶片108上时，转子106旋转并使低速轴202旋转。齿轮箱204中的齿轮将低速轴202的低旋转速度机械地转换为适于使用发电机206生成电力的高速轴208的相对较高的旋转速度。
控制器210可以感测轴202、208中的一个或两个的旋转速度。如果控制器210确定轴旋转得太快，则控制器可以向制动系统212发送信号以减慢轴的旋转，这将减慢转子106的旋转——即降低每分钟转数(RPM)。制动系统212可以防止风力涡轮发电机100的部件受到损伤。控制器210还可以接收来自风速计214(提供风速)和/或风向标216(提供风向)的输入。基于所接收的信息，控制器210可以向叶片108中的一个或多个发送控制信号，以调节叶片的桨距218。通过相对于风向调节叶片的桨距218，可以增大或减小转子(以及因此轴202、208)的旋转速度。例如，基于风向，控制器210可以将控制信号发送到包括偏航电动机220和偏航驱动器222的组件，以使机舱104相对于塔架102旋转，使得可以将转子106定位成面向更多的(或在某些情况下更少的)逆风。
图3是根据本公开中描述的实施例的电力系统300的框图。电力系统300包括风力涡轮机100A-100C，所述风力涡轮机100A-100C经由交流(AC)电网331在公共耦合点(PCC)330处耦合到输出电缆335。输出电缆335又耦合到电网345。在一个实施例中，风力涡轮机100位于离岸风电场中，而电网345是岸上电气电网。然而，在其他实施例中，风电场和电网345可以都在岸上。也就是说，本文描述的实施例不限于离岸风电场，而是可以由岸上风电场用于执行黑启动。
风力涡轮机100A包括：用于生成交流电的发电机206；用于将由发电机206提供的交流信号转换成期望频率的电力转换器305；以及用于从转换器305的输出中去除噪声和谐波的滤波器320。如图所示，电力转换器305包括经由直流(DC)总线312耦合在一起的发电机侧转换器310和电网侧转换器315。在一个实施例中，发电机侧转换器310包括多个开关(例如，功率晶体管)，所述多个开关将由发电机206提供的交流信号转换为在直流总线312上传输的直流电。电网侧转换器315接收直流电，并使用开关将直流电转换回具有期望频率(例如，50Hz或60Hz)的交流电(例如，三相交流电)。尽管未示出，但是风力涡轮机100B和100C可以具有与风力涡轮机100A类似的布置。风力涡轮机110A、100B和100C可以使用电缆阵列连接。
风力涡轮机100A包括涡轮机变压器325，该涡轮机变压器325经由交流(AC)电网331将风力涡轮机100A耦合到PCC 330。在一个实施例中，电网变压器325在风力涡轮机100A内——例如在塔架内。此外，尽管未示出，但是风力涡轮机100B和100C也可以使用相应的涡轮机变压器耦合到交流(AC)电网331和PCC 330。
涡轮机变压器的输出形成本地交流电网。如下面更详细地描述的那样，在第一操作模式(例如，孤岛模式)中，风力涡轮机100中的一个或多个向耦合到本地交流电网的负荷350提供电力。例如，尽管风力涡轮机100可以位于离岸位置，但是涡轮机100可以耦合到本地负荷350(诸如附近的人口密集的陆地)。因此，即使在风力涡轮机100未在电网345上传输电力时，风力涡轮机100也可以向本地负荷350供应电力。此外，当处于孤岛模式时，风力涡轮机100中的一个或多个可以为电场中其余的涡轮机100供应辅助电力。例如，一些风力涡轮机100仍可以使用孤岛操作模式生成电力，以提供辅助电力来使其余的涡轮机100偏航或使涡轮机100中的泵运转。这避免了必须在离岸风电场中具有替代的电源(例如，柴油发电机)以在风力涡轮机不向电网345提供电力时提供辅助电力。在某些实施例中，为了向电网345提供电力以进行黑启动操作，风力涡轮机100切换到第二操作模式(例如，高功率模式)，以将其在PCC 330处的组合电力输出增大到超过为电网进行黑启动操作提供电力所需的阈值电压。如果在从第一模式切换到第二模式时发生电网故障，则在检测到故障时切换到第三模式可能是有利的，其中第三模式包括电流限制，使得涡轮机跟随电网，由此其不会提供最大电流，而只会提供所请求的电流。因此，保护涡轮机自身。
图4示出了根据本公开中描述的实施例的风力涡轮机的控制系统400。在一个实施例中，风电场中的每个风力涡轮机包括如根据图4所描述的控制系统。控制系统400可以由风力涡轮机控制器控制，并且可以仅使用软件、仅使用硬件或软件和硬件元素的某种混合来实现。在一个实施例中，控制系统400使用包括一个或多个处理器和内存的计算系统来实现。
控制系统400的一个优点在于它可以不使用风电场的各个风力涡轮机中的控制系统400之间的高速数据通信。也就是说，尽管各个控制系统400可以从中央风电场控制器接收参考设定点，但是各个风力涡轮机中的控制系统400在操作期间不需要同步。通过不需要不同控制系统400之间的通信，控制系统400的可靠性得以提高。此外，与需要在风力涡轮机中的控制系统之间进行通信的系统不同，控制系统400不需要锁相环(PLL)来进行操作。
控制系统400具有无功功率控制分支485和有功功率控制分支480。无功功率控制分支485从风电场控制器接收期望无功功率值QD以及接收代表在电网侧转换器315的输出处生成的当前无功功率的实际无功功率值QA。实际无功功率值QA通过可选的滤波器405，并与期望无功功率值QD一起被提供给第一加法器410。第一加法器410确定期望无功功率值QD(即，风电场控制器希望风力涡轮机输出的无功功率)与风力涡轮机当前输出的实际无功功率QA的差。该差被输入到电压查找模块415，该电压查找模块415输出用于调节风力涡轮机的输出电压的电压调节值VADJ。在一个实施例中，电压查找模块包括多个递增的电压值，其被映射到期望无功功率值和实际无功功率值之间的相应差。各种风力涡轮机中的每个控制系统400的多个电压值可以是不同的或相同的电压值。也就是说，一个风力涡轮机中的电压查找模块415的电压值可以不同于第二风力涡轮机中的电压值。
第二加法器420将电压调节值VADJ与标称电压VN(其可以由风电场控制器提供)相加以输出幅值电压VMAG。第二加法器420还耦合到具有积分动作的控制器(例如，PI控制器465，其将在后面进行描述)。幅值电压VMAG通过可选的滤波器425并到达三相变换模块430。通常，三相变换模块430将幅值电压VMAG和由有功功率控制分支480输出的电压因数角θW转换为电网侧转换器315的控制信号。换句话说，变换模块430使用无功功率控制分支485和有功功率控制分支480的输出来生成控制信号，该控制信号操作电网侧转换器315中的开关(例如，功率晶体管)以输出对应的三相交流电压信号。
在有功功率控制分支480中，控制系统400从风电场控制器接收期望有功功率值PD以及接收代表电网侧转换器315输出的当前有功功率的实际有功功率值PA。实际有功功率值PA通过可选的滤波器435。第三加法器440将期望有功功率值PD与实际的有功功率值PA进行比较，并输出两者的差。该差被提供给角度查找模块445，该角度查找模块445输出对应的角度调节ωV。角度查找模块445可以包括多个递增的角度调节值，其对应于实际有功功率值PA和期望有功功率值PD之间的相应差。对于电场中的不同风力涡轮机，存储在角度查找模块445中的角度调节值可以相同或不同。
由角度查找模块445输出的角度调节ωV被传递到第四加法器450，第四加法器450将角度调节ωV与从风电场控制器接收的期望角度ωD进行组合。由无功功率控制分支485输出的幅值电压VMAG控制由电网侧转换器315生成的交流信号的幅值，而角度ωV和ωD控制交流信号的频率。例如，期望角度ωD可以代表本地交流电网的期望频率(例如50Hz)。控制系统400使用角度调节ωV来增大或减小由电网侧转换器生成的有功功率以匹配期望有功功率值PD。
第四加法器450将组合角度ωV*输出到积分器455，积分器455输出电压因数角θW。三相变换模块430使用电压因数角θW以及幅值电压VMAG来生成控制信号，该控制信号设置由电网侧转换器315输出的三相交流信号的幅值和频率。
控制系统400还包括：开关460，其选择性地将第三加法器440的输出耦合到PI控制器465；以及开关470，其选择性地将第一加法器410的输出耦合到无功功率调节器475。当以孤岛模式操作时，开关460和470断开，从而停用PI控制器465和无功功率调节器475，使得这些部件不影响由无功功率控制分支485和有功功率控制分支480生成的电压因数角θW以及幅值电压VMAG。然而，即使当PI控制器465和无功功率调节器475被停用时，控制系统400仍可以生成交流信号以给耦合到本地交流电网的本地负荷供电。如上所述，在孤岛模式中，电网侧转换器315可以输出用于连接到本地交流电网的附近人口密集的陆地的交流电。附加地或替代地，电场中的风力涡轮机中的一个或多个可以为电场中的其余风力涡轮机生成辅助电力。也就是说，风力涡轮机中的一些可以被关闭(即，不生成电力)，而其他风力涡轮机以孤岛模式操作以为关闭的涡轮机提供辅助电力。
在一个实施例中，当以孤岛模式操作时，控制系统400可能不能将输出到风力涡轮机的实际功率(即，实际无功功率值QA和有功功率值PA)设置为期望功率值(即，期望无功功率值QD和有功功率值PD)。取而代之，风力涡轮机输出的实际功率由涡轮机上的本地负荷确定。
为了从孤岛模式切换到高功率模式，控制系统400闭合开关460和470，从而将PI控制器465和无功功率调节器475的输入分别连接到有功功率控制分支480和无功功率控制分支485。尽管控制系统400示出了将具有积分动作的控制器(例如，PI控制器465)和无功功率调节器475的输入连接到相应的分支480和485的开关，但是可以使用其他激活方式(诸如打开和关闭输送到PI控制器465和无功功率调节器475的功率)。
当开关460闭合时，PI控制器465从第三加法器440接收期望有功功率值PD与实际有功功率值PA之间的差。尽管示出了PI控制器，但是可以使用具有积分动作的任何控制器(诸如PI控制器465或比例积分微分(PID)控制器)，换言之，所示的控制器465是具有积分动作的控制器。PI控制器465输出被加到幅值电压VMAG的调节电压，直到实际有功功率值PA与期望有功功率值PD匹配为止。在一个实施例中，PI控制器465使无功功率控制支线485增大由电网侧转换器315生成的交流信号的幅值，直到该幅值达到设置用于黑启动操作的电压为止。控制系统400可以继续使用PI控制器465来控制由风电场控制器设置的风力涡轮机的输出功率。也就是说，与处于孤岛模式时不同，在高功率模式中，控制系统400可以控制输出功率以匹配用于黑启动操作的期望功率。例如，如果风电场控制器发送新的期望有功功率值PD，则PI控制器465可以调节交流信号的幅值以输出期望的有功功率。
在以高功率模式进行操作时，除了激活PI控制器465之外，控制系统400还通过闭合开关470来激活无功功率调节器475。通常，无功功率调节器475防止在耦合到PPC的风力涡轮机之间形成循环无功功率。因为根据每个涡轮机正在产生的无功功率的多少存在无数种方案，所以这可能会导致循环无功功率。当开关470闭合时，由加法器410输出的期望无功功率值QD与实际无功功率值QA之间的差(或误差)被提供给无功功率调节器475。继而，无功功率调节器475输出被发送到加法器450的角度值。也就是说，角度值被加到角度调节ωV和期望角度ωD上以生成组合的角度电压因数角ωV*。期望无功功率值QD与实际无功功率值QA之间的较大的差意味着风力涡轮机正在生成太多无功功率。因此，由无功功率调节器475生成的角度值使控制系统400减小由电网侧转换器315输出的无功功率。相反，期望无功功率值QD与实际无功功率值QA之间的较小的差意味着风力涡轮机生成的无功功率太小。作为响应，无功功率调节器475增大由涡轮机生成的无功功率。如果风力涡轮机的每个控制系统400包括无功功率调节器475，则这导致风力涡轮机在它们之间共享无功电流的生成，并且减轻循环无功电流的可能性。
图5是根据本公开中描述的实施例的矢量图500。矢量VF示出PCC处的公共电压，而矢量VW1、VW2、IW1和IW2表示电场中两个风力涡轮机(即风力涡轮机1(W1)和风力涡轮机2(W2))的相应电压和电流。两个电流矢量IW1和IW2示出两个风力涡轮机生成不同的无功功率。具体地，风力涡轮机2比风力涡轮机1输送更多的无功功率，这意味着电压矢量VW2太大。换句话说，矢量VF和VW2之间的角度不是最佳的。如上面在图4中所描述的那样，控制系统400包括无功功率调节器475，其可以调节风力涡轮机2的输出，使得VF和VW2之间的角度更接近VF和VW1之间的角度。结果，风力涡轮机更均等地分享了无功功率输出，这可以防止风力涡轮机之间的循环无功电流。
图6是根据本公开中描述的实施例的用于以不同模式操作风力涡轮机的方法600的流程图。在框605处，风电场控制器指示一个或多个风力涡轮机中的每一个中的控制系统以第一模式(例如，孤岛模式或以其他方式称为电网形成模式)操作以向本地交流电网提供电力。在一些情况下，风力涡轮机可响应于确定主电网已遇到停电状况而以第一模式操作，并因此形成本地交流电网以便为一个或多个风力涡轮机提供辅助电力。在一个实施例中，风电场控制器指示风力涡轮机的子集以第一模式操作。例如，电场中仅几个涡轮机可以以第一模式操作以为其余的不生成任何电力的涡轮机生成辅助电力。替代地，电场中的所有涡轮机可以以第一模式操作以向本地交流电网提供电力。在一个实施例中，本地交流电网还可以向附近的人口密集的陆地(诸如岛)提供电力。
如果在框610处，风电场控制器确定是否通过对输出电缆进行充电来为黑启动操作做准备，并且如果是，则方法600进行到框615，以向电网提供电力以用于黑启动操作。在一个实施例中，激活黑启动操作的确定可以基于来自电网的传输系统运营商(TSO)的命令。否则，方法600返回到框605，其中，所述一个或多个风力涡轮机继续以第一模式操作。
在框615处，风电场控制器通过激活风力涡轮机控制器(例如，图4中的控制系统400)的有功控制分支和无功控制分支之间的PI控制器来指示所述风力涡轮机中的至少一个以第二模式操作。在一个实施例中，PI控制器使用在风力涡轮机控制器的无功控制分支中确定的实际无功功率值和期望无功功率值之间的差(或误差)来生成在涡轮机控制器的有功控制分支中使用的电压调节。该电压调节增大了由风力涡轮机生成的交流电压的幅值，以便为黑启动操作提供足够的电力。在框620处，所述一个或多个风力涡轮机可以执行黑启动操作，如关于图8更详细地描述的那样。在一个实施例中，在已经以根据可获得的风力形成的电压和频率以及TSO指定的巨额负荷功率设置对期望数量的风力涡轮机通电之后，可以执行如关于图8描述的黑启动操作。
如本文中所使用的那样，风力涡轮机的第一操作模式大体上是指电网形成模式，其中，在主电网遇到停电状况之后，风力涡轮机(以及随后的整个风电场)形成其自身的本地电网。使用电网形成模式，由于风力涡轮机与传统的电气电网(例如，主电网)隔离，因此风力涡轮机也可以被认为处于本文中称为孤岛模式的模式。此外，风力涡轮机的第二操作模式大体上是指高功率模式，其中，风力涡轮机增大其输出功率，以便通过向主电网提供电力来执行黑启动操作。
图7是根据本公开中描述的实施例的对应于图6的框620的示例黑启动操作的流程图。在框710处，风电场控制器指示控制系统(例如，控制系统400)为用于将离岸风电场连接至电网变电站的输出电缆通电。在一个实施例中，通过使用关于图4描述的控制系统400逐渐增大风力涡轮机的输出电压来执行输出电缆的通电。一旦输出电缆被通电，离岸风电场就处于黑启动模式并等待TSO命令(例如，经由电场控制器)以通过闭合岸上PCC切断器(例如，断路器)来连接到岸上电网。例如，在框720处，可以从TSO接收指示PCC切断器(例如，断路器)已经闭合的指示。在框730处，可以从TSO接收指示将被提供用于黑启动操作的有功功率(P)和无功功率(Q)的量的指示，并且在框740处，可以根据接收到的TSO指示以线路频率提供有功功率(P)和无功功率(Q)，以逐渐给主电网通电并恢复主电网。
在一个实施例中，当提供电力以用于黑启动操作时，在将风力涡轮机耦合到PCC之前，将当前没有为黑启动操作提供电力的风力涡轮机与正在为黑启动操作提供电力的风力涡轮机同步。例如，当将新的风力涡轮机电耦合到PCC时，如果新的涡轮机的控制系统中的角度ω不同步，则将新的风力涡轮机耦合到已经生成电力的风力涡轮机会造成短路。因此，在增加新的涡轮机之前，其控制系统可以将其角度ω的值与已经为黑启动操作提供电力的风力涡轮机的控制系统中使用的相同角度值同步。参照图4，在一个实施例中，通过测量本地交流电网的低压侧上的电压的相位来导出用于新的涡轮机的积分器455的初始值。通过将积分器455初始化为该初始值，新的涡轮机具有与当前连接的风力涡轮机相同的角度，因此，当新的涡轮机被耦合到PCC时，PCC处的功率增大并且避免了短路。可以重复此同步过程，以根据需要将其他风力涡轮机耦合到PCC。
返回图6，在框625处，风电场控制器确定风力涡轮机是否应保持在第二操作模式中。例如，在框630处，只要主电网处于停电情景下，风电场控制器就可以将各个控制系统保持在高功率模式中。但是，如果主电网已经恢复(例如，不再处于停电状况)，则在框635处，风电场控制器指示各个控制系统停用PI控制器。
尽管本文的实施例描述了一种将命令(例如，在第一模式和第二模式之间切换的命令，包含期望有功功率值和无功功率值的命令，功率削减命令等)发送至风力涡轮机的各个控制系统的中央风电场控制器，但是即使在控制系统和风电场控制器之间的通信链路丢失的情况下，各个控制系统也可以进行操作。
在某些情况下，主电网会遇到部分停电状况，因此可能会在主电网处保留低电信号，这需要来自离岸风电场的附加的有功/无功功率支持。在这种情况下，以第二模式(例如，高功率模式)操作的风电场可以获取(例如，确定)主电网频率和相位角(例如，使用锁相环(PLL))，并且在按风电场运营商请求的巨额负荷提供电力之前，将离岸风电场输出电信号的频率和相位与主电网频率和相位同步。
在一个实施例中，风电场控制器可以不为离岸风电场中的所有风力涡轮机通电以执行黑启动操作。例如，风电场控制器可以给提供足够的电力来使主电网黑启动所需要的最小数量的风力涡轮机通电。在某些情况下，风电场控制器可以给在风电场中彼此相距最远地分布的两个以上地风力涡轮机通电，以减少尾流影响并以最小的风速变化增加风捕获量以用于TSO指定的所请求的黑启动巨额负荷。这项技术与对风速时隙的准确预测相结合，可以提高离岸风电的可利用性，以提供黑启动巨额负荷。
图8是描述根据本公开的实施例的用于启动电网形成模式的方法800的流程图。在框802处，可以从TSO接收指示离岸风力涡轮机将用于主电网的黑启动操作的信号。在框804处，离岸风电场中的风力涡轮机的内部电力消耗切换到UPS。例如，从UPS接收的电力可用于给电子设备充电、对风力涡轮机的直流链路进行预充电以及启动离岸风电场中的风力涡轮机转子。在框806处，降低风力涡轮机的功率，并且低压(LV)断路器和高压开关装置均断开。LV断路器用于将电网侧转换器(例如，电网侧转换器315)选择性地耦合到变压器(例如，变压器325)，而高压(HV)开关装置用于将变压器经由交流(AC)电网331选择性地耦合到PCC((例如PCC330)。
在框808处，发电机侧转换器被切换到直流链路控制模式。在这种模式中，发电机侧转换器变桨控制转子转速，以生成足够的电力来控制直流链路。在框810处，通过控制(例如，经由控制系统400)电网侧转换器来激活电网形成模式。一旦电网侧转换器被激活，就从电网侧转换器接收用于风力涡轮机的内部消耗的电力。在框812处，LV断路器闭合，并且在框814处，逐渐给变压器通电。在框816处，风电场控制器确定变压器是否被通电，并且如果是，则方法800继续至框818，其中，HV开关装置闭合。
在框820处，由风电场中的风力涡轮机逐渐给连接风电场中的风力涡轮机的阵列电缆通电。在框822处，风电场中的其他风力涡轮机也以时延方式给阵列电缆通电，以控制电压浪涌，否则，如果风电场中的所有风力涡轮机同时给阵列电缆通电，则可能由涌入电流引起电压浪涌。在框824处，风电场控制器确定阵列电缆是否被通电，并且如果是，则方法800继续至框826，其中，可能与风电场中的其他风力涡轮机耦合的其他阵列电缆也被通电。例如，取决于用于执行黑启动操作的功率设定点(例如，如可以由TSO所指定的功率设定点)，可以给一定数量的其他阵列电缆通电以满足功率需求。
尽管本文描述的实施例已经提供了用于执行黑启动操作的示例技术，但是本文描述的技术还可以用于向离岸网状电网中的离岸风电场的相邻部分(其中辅助备用电力可能不可用或辅助备用电力是维持离岸的昂贵选项，和/或其中输出电缆可能被损坏)提供电力。此外，可以向连接到不同同步区域之间的HVDC互连器(例如，两个不同国家之间的互连链路)的离岸风电场(其中辅助备用电力可能不可用或辅助备用电力是维持离岸的昂贵选项，和/或互连链路电力不可用)提供电力。在一个实施例中，可以将电网形成电力提供给可以位于更远的离岸位置的混合发电场。混合发电场可以是使用可再生动力源(例如，光伏，波浪和/或潮汐能)以及其他动力源(例如柴油或燃气)的混合的发电场。混合发电场可以位于离岸电力枢纽，在该枢纽处收集风电场的点对点连接并经由输出电缆进行岸上传输。
即使在低风力时段期间，本文描述的实施例也可以用于提供黑启动支持。这些低风力时段可以通过增加各个风力涡轮机的存储容量或作为整体增加风电场的存储容量来进行补偿。例如，可以将附加的UPS电池存储容量增加到每个风力涡轮机。在一个实施例中，可以将附加能量存储单元增加到离岸风电场的岸上连接点。这些能量存储单元的容量可能高达风电场总能量的5-10％，并且可以合并到可用于电网合规性的现有柔性交流传输系统单元中。这些能量储存单元还可用于为输出电缆和/或离岸变压器通电，以用于本文描述的黑启动支持。
图9是描述根据本公开的一个实施例的用于由于检测到主电网的停电情景而关闭一个或多个风力涡轮机的方法900的流程图。在框910处，风电场控制器确定主电网(例如，如将关于图10更详细描述的高压直流(HVDC)链路)是否在起作用。例如，可以切断HVDC链路或断开岸上电站，从而将风电场与主电网(例如，岸上电网)断开。在某些情况下，电网运营商可能会自愿决定断开HVDC链路。因此，无论是由于事故(例如，线路被切断或电网故障)还是有意的(例如，岸上电网尚未准备好连接到风电场)，只要HVDC链路未通电，该链路就不起作用。如果HVDC链路保持起作用，则方法900返回至框905。然而，如果HVDC链路不起作用，则方法900进行至框915，其中，风电场控制器关闭风电场中的一部分风力涡轮机。在该示例中，关闭风力涡轮机意味着这些风力涡轮机不会在本地交流电网上生成输出功率。但是，已关闭的风力涡轮机中的其他辅助系统(诸如偏航电动机、泵或用于防止机舱或叶片上积冰的加热元件)仍可以操作。
在框920处，风电场中的其余的操作中的风力涡轮机(即，未关闭的风力涡轮机)中的至少一个使用辅助控制系统来向关闭的风力涡轮机中的辅助系统供电。也就是说，电场中的风力涡轮机中的至少一个继续在本地交流电网上输出电力(尽管在HVDC链路上没有电力传输)。关闭的涡轮机接收该电力，并使用该电力操作其辅助系统。这样做避免了需要在风电场中具有替代能量来源(诸如柴油或燃气发电机)来在HVDC链路不起作用时给风力涡轮机中的辅助系统供电。
在一个实施例中，当风力涡轮机在与HVDC链路断开时以孤岛模式(电网形成模式)操作时，用于在框920期间操作风力涡轮机的辅助控制系统类似于图4所示的控制系统400。也就是说，辅助控制系统生成主要由负荷指定的功率(例如，关闭的风力涡轮机上的辅助系统所汲取的功率)，而不是由涡轮机控制器或风电场控制器提供的期望功率。
在框925处，风电场控制器确定HVDC链路是否在起作用。如果否，则方法900返回到框920。但是，如果HVDC链路在起作用，则方法900返回到框905，其中，使用主控制系统操作风电场中的所有风力涡轮机，并且在HVDC链路上传输电力。换句话说，当HVDC链路再次起作用时，关闭的涡轮机将重新启动，并且使用辅助控制系统操作的风力涡轮机将取而代之使用主控制系统操作。
图10是根据本公开中描述的实施例的包括以本文描述的不同模式操作的多个风力涡轮机的风电场1000的框图。在该示例中，风电场1000是经由HVDC链路1040耦合到岸上电网1045的离岸风电场。然而，以下实施例也可以应用于使用HVDC链路1040(或高压交流(HVAC)链路)向远方的电网传输电力的岸上风电场。
风电场1000包括三个风力涡轮机1005A、1005B和1005C，每个风力涡轮机包括涡轮机控制器1010和辅助系统1025(例如，偏航控制器/电动机、泵、除冰系统等)。涡轮机控制器1010具有两个单独的控制系统，其根据HVDC链路1040的功能来控制相应的风力涡轮机1005的操作。当HVDC链路1040在起作用时，涡轮机控制器1010使用主控制系统1015，这导致电力从电场1000传输到岸上电网1045。然而，当HVDC链路1040不起作用时，风电场控制器1050可以指示涡轮机控制器1010中的一个或多个取而代之使用辅助控制系统1020进行操作。例如，这里示出的三个风力涡轮机1005可以被指定为电场1000中的备用风力涡轮机，当HVDC链路1040断开时，其为电场1000中的所有风力涡轮机的辅助系统1020提供电力。换句话说，当HVDC链路被禁用时，风电场1000中的除图10中所示的三个涡轮机1005之外的所有涡轮机都可以被关闭。代替被关闭，风力涡轮机1005A、1005B和1005C从使用主控制系统1015操作切换为使用辅助控制系统1020操作，该辅助控制系统1020在本地交流电网1030上输出足够量的电力以操作关闭的涡轮机中的辅助系统以及涡轮机1005A、1005B和1005C上的辅助系统1025A、1025B、1025C。
如图所示，风力涡轮机1005经由包括交流-直流转换器1035的离岸电网变电站1033耦合到HVDC链路1040。在一个实施例中，离岸电网变电站1033设置在离岸风电场1000中的平台上，并包括包围交流-直流转换器1035的结构。但是，在另一个实施例中，离岸电网变电站1033和交流-直流转换器1035可以设置在同一平台上，但可以包含在不同的包围结构中。在任一情况下，交流-直流转换器1035用于将本地交流电网1030上的电力转换为用于在HVDC链路1040上传输的直流电。
交流-直流转换器1035可以是非受控转换器或受控转换器(例如，自整流或偶线整流的转换器)。例如，许多当前的离岸风电场使用受控转换器将涡轮机连接到岸上电网。无论用于将本地交流电网1030耦合到HVDC链路1040的交流-直流转换器1035的类型如何，都可以使用本文描述的控制技术。例如，主控制系统1015可以是其中交流-直流转换器1035由风电场控制器1050主动控制的控制技术。在一个实施例中，由风力涡轮机1005在使用主控制系统1015时输出的电力由交流-直流转换器1035确定。也就是说，由各个风力涡轮机1005输出的电力可由转换器1035而不是由例如风电场控制器1050传输的期望设定点指定。
除了向电场1000中的关闭的风力涡轮机提供辅助电力之外，风力涡轮机1005A-C还可以在HVDC链路不起作用时向离岸电网变电站1033和交流-直流转换器1035提供电力。例如，变电站1033和转换器1035可以包括控制系统和电路，当不存在到岸上电网1045的有效连接时，该控制系统和电路可以使用由涡轮机1005A-C提供的辅助电力来操作。因此，当HVDC链路1040不起作用时，风电场1000可能不需要发电机或电池系统来向电网变电站1033和转换器1035提供电力。在一个实施例中，可以通过变电站中的发电机(例如柴油发电机)提供另外的电力。
在一个实施例中，辅助控制系统1020和主控制系统1015是根据HVDC链路的状态执行的相应软件应用或模块。因此，风电场控制器可以根据HVDC链路的状态指示各个涡轮机控制器执行辅助控制系统1020或主控制系统1015。例如，涡轮机控制器1010可以包括至少一个处理器和足够的内存来存储软件应用程序。然而，在其他实施例中，辅助控制系统1020和主控制系统1015包括硬件或固件部件。
此外，尽管图10示出了将风电场1000耦合到HVDC链路，但是在另一实施例中，风电场1000经由交流-交流转换器耦合到HVAC链路，该交流-交流转换器将本地交流电网1030上的交流电信号转换成适用于HVAC链路的高压交流电信号。
在前面，参考了在本公开中提出的实施例。然而，本公开的范围不限于具体描述的实施例。取而代之，可以设想以上提供的特征和元素(无论其是否涉及不同的实施例)的任何组合来实现和实践所设想的实施例。此外，尽管本文公开的实施例可以实现优于其他可能的解决方案或优于现有技术的优点，但是通过给定的实施例是否能够实现特定的优点并不限制本公开的范围。因此，本文描述的各方面、特征、实施例和优点仅是示例性的，并且不应被视为所附权利要求的元素或限制(除非在权利要求中明确叙述)。
如本领域的技术人员将理解的那样，本文公开的实施例可以体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，各方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或结合软件和硬件方面的实施例的形式，其在本文中可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，各方面可以采取体现在其上体现有计算机可读程序代码的一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。该计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质(例如，便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取内存(RAM)、只读内存(ROM)、可擦除可编程只读内存(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读内存(CD-ROM)、光存储设备、磁存储设备或上述的任何合适组合)，所述计算机可读存储介质在其上具有用于使处理器执行本发明的各方面的计算机可读程序指令。
参考根据本公开中提出的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图在下面描述了本公开的各方面。将理解的是，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机程序指令来实现。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以生产机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的框中指定的功能/动作的手段。
附图中的流程图和框图示出了根据各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个框可以表示代码的包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令的模块、部段或部分。还应注意，在一些替代实施方式中，框中指出的功能可以不按图中指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，实际上可以基本上同时执行连续示出的两个框，或者有时可以以相反的顺序执行这些框。还应注意，框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统、或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
鉴于前述内容，本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种用于执行黑启动操作的方法，包括：
使用控制系统以第一模式操作风电场中的风力涡轮机以向交流电网提供电力，其中，所述控制系统包括无功功率控制分支和有功功率控制分支，并且其中在所述第一模式期间，具有积分动作的控制器被停用或与所述有功功率控制分支断开；
基于对主电网执行黑启动的指示将所述风力涡轮机的操作从所述第一模式切换到第二模式，其中从所述第一模式切换到所述第二模式包括：(i)激活向所述有功功率控制分支供应电力的所述控制器，或者(ii)将所述控制器连接到所述有功功率控制分支，其中在所述第二模式中，所述控制器的输入连接到所述有功功率控制分支，所述控制器的输出连接到所述无功功率控制分支，使得所述控制器基于所述风力涡轮机生产的有功功率向所述无功功率控制分支输出调节电压，从而增大所述风力涡轮机的输出功率；以及
在以所述第二模式进行操作时向所述主电网提供电力。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在以所述第一模式进行操作时，为将所述风力涡轮机连接到风电场中的一个或多个其他风力涡轮机的电缆阵列以及所述风力涡轮机的变压器通电。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
接收指示将用于所述黑启动操作的巨额负荷功率的一个或多个值，其中，在为所述电缆阵列和所述变压器通电之前，根据所述一个或多个值为所述风力涡轮机通电。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：在向所述主电网提供电力之前，为用于将所述风电场连接到所述主电网的输出电缆通电。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过逐渐增大由所述风力涡轮机输出的电信号的电压来执行所述通电。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，还包括：
接收所述交流电网通过断路器的闭合耦合到所述主电网的第二指示，其中，响应于所述第二指示向所述主电网提供电力。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，还包括：
检测所述主电网的停电情景，其中，响应于检测到所述停电情景，所述风力涡轮机以所述第一模式操作。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，以所述第一模式进行操作包括：
从不间断电源接收电力以启动所述风力涡轮机的转子；以及
增大由所述风力涡轮机输出的电信号的电压以给所述风力涡轮机的变压器充电。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述电力经由所述主电网被提供给遇到停电状况的相邻的离岸风电场。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述电力被提供给同步区域之间的互连节点。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，如果由所述风力涡轮机生成的电力量不足以使所述主电网黑启动，则从所述风力涡轮机和至少一个不间断电源两者向所述主电网提供电力。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，向所述主电网提供电力包括向用于电网形成的混合发电场提供电力，所述混合发电场位于离岸位置。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，还包括：
确定所述主电网处的电信号的频率和相位，其中在以所述第二模式进行操作时提供电力包括以所确定的频率和相位提供电力。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述风力涡轮机是风场中的多个风力涡轮机中的一个，所述方法还包括：为所述风电场中的彼此相距最远的两个以上的风力涡轮机通电以对所述主电网执行黑启动。
15.一种风力涡轮机，其包括：
控制系统，所述控制系统包括：
无功功率控制分支，
有功功率控制分支，以及
具有积分动作的控制器，
其中，所述控制系统被配置为：
以第一模式操作所述风力涡轮机以向本地交流电网提供电力，其中在所述第一模式期间，所述控制器被停用或与所述有功功率控制分支断开；
基于对主电网执行黑启动的指示以及通过(i)激活向所述有功功率控制分支供应电力的所述控制器，或者(ii)将所述控制器连接到所述有功功率控制分支，以增大所述风力涡轮机的输出功率，来将所述风力涡轮机的操作从所述第一模式切换到第二模式，其中在所述第二模式中，所述控制器的输入连接到所述有功功率控制分支，所述控制器的输出连接到所述无功功率控制分支，使得所述控制器基于所述风力涡轮机生产的有功功率向所述无功功率控制分支输出调节电压；以及
在以所述第二模式进行操作时向所述主电网提供电力。
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