具有辅助电源的涡轮机发电场 |
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| 申请号 | CN200980140792.X | 申请日 | 2009-09-18 | 公开(公告)号 | CN102187094B | 公开(公告)日 | 2014-12-10 |
| 申请人 | 维斯塔斯风力系统集团公司; | 发明人 | P·罗森瓦尔德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 涡轮 机发 电场 ，所述 涡轮机 发电场包括多个单个涡轮机，每一个单个涡轮机具有辅助部件 电路 。所述发电场进一步包括：主 变压器 ，所述主变压器被配置为耦合在所述多个单个涡轮机中的每一个单个涡轮机与 电网 之间；以及辅助变压器，所述辅助变压器耦合在子站变压器与每一个所述单个涡轮机中的所述辅助部件电路之间。在使用时，将功率从所述子站变压器传输回到每一个辅助部件电路。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种涡轮机发电场(50)，包括： |
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| 说明书全文 | 具有辅助电源的涡轮机发电场技术领域背景技术[0002] 在发电产业中，使用涡轮机来生成电力，并且将该电力传输到被称为电网的用户供电网络。在制造和运行期间，每一种形式的涡轮机都具有其自身的问题。例如，风力涡轮机通常架设在经历严格选择过程的场所中的称为发电场的集群中。该选择过程通常将风力涡轮机发电场放置在距该风力涡轮机发电场所生成的电力的最终用户相当远的距离处。部分原因是需要具有合适天气状况的场所。然而，由于现代风力涡轮机高达120米的规格，因此还要选择这样的地点，即在这样的地点中，涡轮机发电场或者风电场的架设不太可能遭到反对。这使得风力涡轮机的制造、运输和架设在物流上具有挑战性。 [0003] 各个风力涡轮机也具有许多重量限制，并且各个风力涡轮机的设计、构造和运行必须要考虑这些重量限制。具体而言，既为了在公共高速公路上将涡轮机运输到将要架设该涡轮机的地点，也为了在使用期间的安全原因，容纳在涡轮机机舱中的部件的设计必须符合严格的重量限制。 [0004] 因此，从现在起的相当长的一段时间内，一直出于使机舱中的全部额外重量最小化的目的来设计涡轮机。因此，一直将重量不降低看作是太小的要求而不必在风力涡轮机设计中考虑。 [0005] 而且，考虑到放置涡轮机发电场的偏远场所，也需要在每一个涡轮机的架设和试运行期间向该每一个涡轮机供应功率。 [0006] 机舱中的部件包括那些专门用于发电的部件以及那些具有次要性质的被称为辅助部件的部件。下面参照图2和图3来详细描述所有前述部件。 [0007] 对于传统的风力涡轮机，从主变压器13(参见图3)汲取用于辅助部件的功率。在每一个涡轮机2中，主变压器13的输出端耦合到主电路，在本文中，将主电路定义为从每一个涡轮机2到公用电网电路34的电路，在该主电路处，涡轮机可以产生功率或者当低风力时从电网供应功率。如果主电路由于任何原因离线，则辅助部件也将失去功率。这使得很难诊断和解决导致发电机功率失去的原因。如果功率失去是由于电网断电，则涡轮机将没有灯、控制、操作或者维护，即没有偏航、润滑、加热、送货升降机和灯。这也意味着简单的实用性也将成为问题。例如，如果主电路离线，则在所必需的应急灯时间(通常为1小时)过去之后，机舱内将没有提供给灯的功率，这在风力涡轮机的日常维护和误差校正方面是个重大问题。现今，如果涡轮机发生故障，则在能够诊断和解决涡轮机的问题或者其它外部问题之前，必须将柴油发电机带到风电场并且将其耦合到出现问题的发电机以对辅助部件电路供电。而且，在安装和架设期间，电网有时是要完成的最后部件，并且在开启电网供电之前，风电场中的每一个涡轮机必须准备完毕。 发明内容[0008] 提供本发明内容部分来以简化的形式介绍下面在具体实施方式中进一步描述的精选概念。本发明内容部分并非旨在标识所请求保护的主题的关键特征或者必要特征，也并非旨在用作确定所请求保护的主题的范围的辅助手段。 [0009] 根据本发明的第一方面，提供了一种涡轮机发电场，所述涡轮机发电场包括：多个单个涡轮机，每一个所述单个涡轮机包括辅助部件电路；主电路，所述主电路被配置为耦合在所述多个单个涡轮机中的每一个单个涡轮机与电网之间；以及辅助变压器，所述辅助变压器耦合在所述主电路与每一个所述单个涡轮机中的所述辅助部件电路之间，从而将功率从每一个涡轮机传输回到每一个辅助部件电路。 [0011] 在该实施例中，所述辅助部件变压器仅具有两组绕组，并且所述涡轮机发电场进一步包括备用电源，所述备用电源被配置为耦合到所述辅助变压器。 [0012] 更加优选地，所述备用电源是柴油发电机，所述柴油发电机被配置为：在功率停止通过子站变压器来传输时，自动激活所述柴油发电机。 [0013] 优选地，提供了一种控制处理器，所述控制处理器被配置为通过在任意一个时间仅利用辅助部件电路的部件的子集来对所述辅助部件电路的所述部件的操作进行智能控制以便使功耗最小化。 [0015] 在该实施例中，每一个涡轮机是风力涡轮机。更加优选地，对于每一个涡轮机，发电机和基本上所有的所述辅助部件电路都容纳在风力涡轮机机舱内。 [0016] 优选地，所述主电路包括仅具有两组绕组的子站变压器，所述子站变压器被配置为将功率从所述发电机耦合到所述电网。 [0017] 根据本发明的第二方面，提供了一种操作涡轮机发电场的方法，所述涡轮机发电场包括：多个单个涡轮机，每一个所述单个涡轮机包括辅助部件电路；主电路，所述主电路被配置为耦合在所述多个单个涡轮机中的每一个单个涡轮机与电网之间；以及辅助变压器，所述辅助变压器耦合在所述主电路与每一个所述单个涡轮机中的所述辅助部件电路之间，所述方法包括：经由所述辅助变压器将电流从每一个涡轮机引导回到每一个涡轮机中的每一个辅助部件电路以便为每一个涡轮机中的所述辅助部件电路供电。 [0018] 优选地，所述方法进一步包括通过在任意一个时间仅利用辅助部件电路的部件的子集来对所述辅助部件电路的所述部件的操作进行智能控制以便使功耗最小化。 [0019] 在该实施例中，监视所述辅助部件电路的所述功耗，并且仅在激活不会使所述功耗超出预定界限时，才激活附加部件。 [0020] 最优选地，仅在激活不会使所述功耗在超过预定时间量的时间内超出预定界限时，才激活附加部件。 [0021] 进一步更加优选地，在整个涡轮机发电场中，对位于所述辅助部件电路内的所述部件的控制进行集中控制。 [0022] 根据本发明的再一方面，提供了一种或者多种具有用于操作涡轮机发电场的设备可执行指令的有形设备可读介质，所述涡轮机发电场包括：多个单个涡轮机，每一个所述单个涡轮机包括辅助部件电路；主电路，所述主电路被配置为耦合在所述多个单个涡轮机中的每一个单个涡轮机与电网之间；以及辅助变压器，所述辅助变压器耦合在所述主电路与每一个所述单个涡轮机中的所述辅助部件电路之间，所述指令包括：经由所述辅助变压器将电流从每一个涡轮机引导回到每一个涡轮机中的每一个辅助部件电路以便为每一个涡轮机中的所述辅助部件电路供电。 [0023] 优选地，所述指令包括：通过在任意一个时间仅利用辅助部件电路的部件的子集来对所述辅助部件电路的所述部件的操作进行智能控制以便使功耗最小化。 [0024] 在该实施例中，监视所述辅助部件电路的所述功耗，并且仅在激活不会使所述功耗超出预定界限时，才激活附加部件。 [0025] 最优选地，仅在激活不会使所述功耗在超过预定时间量的时间内超出预定界限时，才激活所述附加部件。 [0027] 通过参照下面结合附图进行的详细描述，许多附加特征将被更加容易地意识到，这是因为这些附加特征变得更好地理解。对于本领域技术人员显而易见的是，可以根据情况对优选特征进行组合，并且这些优选特征可以与本发明的任何方面进行组合。 [0028] 将参照下面的附图以示例的方式来描述本发明的实施例，在附图中： [0029] 图1是适用于现有技术的风电场中的风力涡轮机的外部示意图； [0030] 图2是图1的风力涡轮机的内部示意图； [0031] 图3是图1的涡轮机的电路图，包括现有技术的辅助部件电路的一部分； [0032] 图4是根据本发明的风电场的电路图；以及 [0033] 图5是根据本发明的一个方面的图4的风电场或者其中的单个涡轮机的操作方法的流程图。 [0034] 在整个附图中，使用共同的附图标记来表示类似的特征。 具体实施方式[0035] 下面仅以示例的方式来描述本发明的实施例。尽管这些示例不是能够实现本发明的唯一方式，但是这些示例代表了申请人目前已知的实践本发明的最佳方式。 [0036] 关于附图，图1举例说明了已知的风力涡轮机2的外部示意性表示。图1举例说明了耦合到涡轮机2的主轴6(图2)的涡轮机转子4。如在图2中能够看出的那样，机舱8容纳涡轮机的大多数部件。机舱8接着由涡轮机塔10来支撑。涡轮机2还具有子站变压器12，在该特定示例中，该子站变压器12位于邻近塔10的地平面处，尽管如现有技术中已知的那样，可以为变压器2采用其它可供选择的位置，包括位于机舱8内。电流从涡轮机2经过电缆14流到变压器12。 [0037] 图2举例说明了容纳在机舱8内或者邻近机舱8的涡轮机2的关键主要部件和辅助部件。 [0038] 辅助部件包括风力涡轮机控制器16，该风力涡轮机控制器16是一个被配置为用于控制风力涡轮机2的操作的计算机处理器。控制器16控制机舱8相对风的偏航，并且当存在足够的风来发电时，控制器16允许风力涡轮机转子4起动。控制器16从传感器获得进行这些判断所依据的信息，在本实施例中，所述传感器包括用于测量风速的风速计18以及用于测量风向的风向标20。然而，进行这些判断所采用的具体手段在本领域中是公知的，并且所述具体手段不是特别与这里的本发明相关，因此在本文档中将不对其做进一步描述。 [0039] 控制器16通过偏航电机22来控制机舱8的偏航，偏航电机22接着使位于偏航轴承24上的机舱8旋转，从而使转子4相对于风转动。该机构在本产业中是公知的，并且这里将不对其做进一步描述。 [0040] 控制器16还对在机舱8内提供光的照明系统26以及温度控制机构54进行控制。 [0041] 利用风力涡轮机2来发电也是公知的，并由此这里仅包括概要就足够了。转子4耦合到主轴6，接着主轴6耦合到传动装置28。转子4和主轴6以大约每分钟22转进行旋转；针对转子在发电机30内的旋转，传动装置28将其转换为大约每分钟1500转。具有一个用于控制系统内的旋转的中断器32，该中断器32能够停止旋转以便例如能够对涡轮机进行维修。将来自发电机30的电流沿着电缆14传输到子站变压器12，从该子站变压器12向电网34馈电。 [0042] 具体而言，将来自发电机30的电流馈送到子站变压器12的第一组绕组38。例如，该发电机可以是产生几千安培的1000V电力的3MW发电机。从第二组绕组40提取大约6-36kV和几百安培的去往电网的功率。在该实施例中，从第三组绕组42提取大约400V和几百安培的用于使与涡轮机相关联的辅助部件进行运行的功率。为此，辅助部件电耦合到辅助部件电路44。 [0043] 图3是涡轮机2中的现有技术的布置的电路图，电流经由该现有技术的布置从发电机30经由涡轮机2中的主变压器13馈送到辅助电路44。 [0044] 变频器36位于发电机30与主变压器13之间，由于该变频器36提取发电机30的稍微不规则的AC输出并且将其转换为适合于由变压器12操作并且转发到电网34的具有标准电压和频率的AC供电，因此该变频器36是重要的。取决于电网需求和要与变频器36一起使用的具体发电机30的特性，变频器36可以具有宽范围的设计。它们所具有的一个共同点是在使用中配置了耦合到发电机30的AC/DC变换器或者整流器46以及连接到变压器12的DC/AC变换器或者逆变器48。此外，普通变频器的标准需求和设计在本产业中是公知的。 [0045] 尽管变频器包括在本实施例中，但是变频器不是必不可少的部件，这是因为发电机可以直接连接到电网。 [0046] 可以在根据本发明的涡轮机发电场内使用参照图3描述的现有技术的辅助电路，在适当时经由每一个涡轮机2内的主变压器13并且在适当时经由辅助变压器60向辅助电路44提供功率。 [0048] 图4举例说明了根据本发明的涡轮机发电场电路。其中的子站变压器12位于远离风电场50中的每一个单个涡轮机2的主电路中。而且，子站变压器12仅具有两组绕组38和40。将来自每一个涡轮机2的发电机30的电流馈送到子站变压器12的第一组绕组 38，并且将其从第二组绕组40馈送到电网34。然而，与现有技术不同，不直接从每一个单个涡轮机2的主变压器13向位于该特定涡轮机2内的辅助部件电路44传送功率并且仅向位于该特定涡轮机2内的辅助部件电路44传送功率。 [0049] 取而代之的是，如图4所举例说明的那样，经由绕组40输出到电网34的子站变压器12经由其中的第一组绕组62连接到被称为辅助变压器60的辅助部件电路变压器。然后，经由其中的第二组绕组64将功率从辅助变压器60传输回到涡轮机发电场50中的每一个涡轮机2。因此，如果涡轮机发电场50中的任意单个涡轮机2停机，则与该涡轮机2相关联的辅助部件电路44仍然会接收到功率。显然，用于该辅助电路44的功率不是由停机的涡轮机产生的而是由风电场50中的每一个剩余涡轮机产生的。如果图4中的剩余涡轮机电连接到辅助变压器60，则图4中的剩余涡轮机也会从该辅助变压器60接收功率。然而，如果那些涡轮机与变压器60电隔离，则它们将需要其自己的辅助变压器(未示出)以便于从本发明中受益。因此，对于本发明，可以将术语“风电场”认为是连接到相同辅助变压器60的涡轮机集合中的所有涡轮机。 [0050] 因而，在涡轮机发电场50的建造期间，可以从已经架设的第一涡轮机获得功率并且将其馈送到每一个随后要架设的涡轮机的辅助部件电路44。而且，由于子站变压器12和辅助变压器60二者都仅需要两组绕组，因此与具有三组绕组的变压器相比，这明显降低了成本。而且，在风电场50中的任意涡轮机发生故障期间，可以将功率路由到出现问题的涡轮机，而不必等待柴油发电机或者其它备用电源连接到该出现问题的涡轮机，后者将不得不将功率运输到风电场50。因此，利用在根据本发明的风电场50中公开的辅助功率电路，极大增强了故障诊断和校正。 [0051] 然而，如果到电网34的链路出现问题而切断了子站变压器12的输出，则可以配置柴油发电机66来向发电场50中的每一个涡轮机2内的辅助电路44提供功率源。由于这是应急布置，因此也可以将柴油发电机66配置为：在传感器(未示出)感测到功率没有通过子站变压器12来传输时，激活柴油发电机66。如图4中举例说明的那样，可以将这样的柴油发电机66容易地连接到辅助变压器60的第一绕组62。 [0052] 图5是举例说明了如上面参照图4描述的风电场50内的每一个涡轮机2的操作方法的流程图，具体而言，图5举例说明了对辅助部件电路44内的每一个部件的操作进行智能控制的方法。控制器16或者主控制器68管理每一个辅助部件电路44和其中的具体部件的操作，主控制器68与每一个涡轮机2的每一个单个机舱8内的每一个控制器16通信。 [0053] 首先，对于每一个涡轮机2，从辅助涡轮机60获得用于操作辅助电路44的功率。监视辅助电路内的功耗(框120)。控制器16自动地或者机舱8内的工程师人工地监视对激活的请求(框140)。如果接收了这样的请求，则做出关于对部件激活所要求的附加功率是否将超出预定最小功率以及持续多长时间的判断(框160)。功率超出界限的时间长度可以只是使用新部件的持续时间，或者存在控制器16知道的附加部件，该附加部件将在已知的将来时间被去激活，该已知的将来时间比该新部件的预期去激活时间要早。 [0054] 如果回答为“否”，则将不会超出最大功率，或者超出了该最大功率但是在可接受的短时间段内处于安全参数内，则激活新的部件(框180)并且如果请求来自用户，则向用户通知成功激活(框200)。 [0055] 然而，如果新部件的激活将超出最大功率，并且预期该新部件的激活在不可接受的时间段内都将超出最大功率，则做出关于从安全角度来看新部件的激活是否是必要的判断(框220)。如果不认为激活是必要的，则不激活新部件(框240)。而且，如果请求来自用户，则向用户通知没有成功激活新部件(框260)。 [0056] 尽管如此，如果新部件的激活被认为是必要的，则激活该新部件，但是仅在对请求时处于活动状态的非必要部件进行快速去激活之后，再激活该新部件(框280)，以使得结果是新部件激活，但是采用这样一种方式，即功耗超出预定最大值的时间不会比被认为是安全的时间长。再次，如果用户发起该请求，则向用户通知该结果(框300)。 [0057] 向用户通知可以仅仅涉及在控制器16上激活诸如绿灯之类的灯。可选择地，如果请求来自于远离机舱8的源，则可以向发起该请求的用户发送电信消息。 [0058] 安全要求意味着：例如，由于风力状况的突然改变，激活偏航电机22以使机舱8偏航以及去激活非必要的部件以允许上述情况发生。 [0059] 其它要求意味着：例如，液压变桨(hydraulic pitch)需要在蓄压器中具有足够的备用功率或者采用一些其它方式，以便创建一种安全方式，从而在出现阵风的情况下，对叶片进行变桨以脱离风。典型地，在不需要运行变桨泵的情况下，变桨系统能够将功率的安全保留维持2到3分钟。在这些关掉时间段中，可以为辅助系统的剩余部分供电。 [0060] 涡轮机中的功率的最主要用户是偏航系统、变桨系统和制动系统。这些系统必须能够以没有大的延迟来运行，而几乎所有其它系统都能够在需要运行之前等待长达10分钟。 [0061] 可以出于除了安全之外的原因做出关于对辅助部件电路44内的具体部件进行激活的判断。例如，简单的维护要求意味着：要求周期性地激活某些部件。然而，系统可以仅仅确保只同时激活这些部件中的最小量。 [0062] 在其最简单的形式中，辅助部件电路44的智能激活可以简单地意味着：在一个时间不激活电路44的所有部件或者电路44的所有部件的激活时间不超过预定的时间段。 [0063] 可以采用多种方式来做出关于激活哪些部件优先于其它部件的判断。例如，可以将辅助部件电路44的每一个部件按照它对安全的影响或者它的重要性的顺序排列在保存于控制器16中的查找表中。例如，可以认为照明26比温度控制机构54重要，但是没有偏航控制22重要。 [0064] 为了提供涡轮机的安全操作，必须采用优先顺序对可用功率的消耗进行排列以使得运行时间、使用的重要性以及典型使用是已知的。在正常操作期间，偏航运行花费少于10秒钟，对叶片变桨花费大约10秒钟并且要求大约每两分钟对叶片变桨一次。另外，润滑花费十分钟并且要求每二十四小时进行一次润滑。冷却和加热取决于环境条件，但是在不引起涡轮机运行的任何问题的情况下，可以容易地使冷却和加热中断多个时间段。 [0065] 取决于所生成的功率，基于三种模式来设置涡轮机的智能控制，即：不生产；低生产；以及全能力生产。对于不同的生产标准，所操作的系统以及操作的顺序是不同的，如在下面的表中详细描述的那样。 [0066] [0067] 当利用主控制器68来使每一个辅助电路44的控制与风电场50相配合时，单个涡轮机2的这种智能控制的优点能够被极大地增强。例如，可以对辅助电路44内的部件的非应急操作进行轮换，以使得单个涡轮机2内的全部或者相当数量的控制器16不试图同时进行辅助部件的非应急操作。 [0070] 应当理解：上述的益处和优点可以涉及一个实施例或者可以涉及几个实施例。进一步应当理解：对“一”项的引用表示这些项中的一个或者多个。 [0071] 应当理解，仅以示例的方式给出了优选实施例的上面描述并且本领域技术人员可以进行各种修改。上面的说明书、示例和数据提供了对本发明示例性实施例的结构和使用的完整描述。尽管上面已经以一定程度的具体性或者参照一个或者多个单个实施例描述了本发明的各种实施例，但是在不偏离本发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员能够对所公开的实施例做出各种修改。 [0072] 可以由位于存储介质上的机器可读形式的软件来执行本文所述的方法。所述软件可以适合于在并行处理器或串行处理器上执行，使得能够按照任何适合的顺序或者同时执行所述方法的步骤。这确认了软件可以是有价值的单独可买卖的商品。旨在包括运行于或者控制“哑”硬件或者标准硬件上的软件，以实现期望的功能。也旨在包括用于“描述”或者定义硬件配置的软件，例如HDL(硬件描述语言)软件，用于设计硅芯片或者用于配置通用可编程芯片，以实现期望的功能。 [0073] 本领域技术人员应当意识到，用于存储程序指令的存储设备可以分布在网络上。例如，远程计算机可以将所描述的过程的示例存储为软件。本地计算机或者终端计算机可以访问远程计算机并且下载该软件的一部分或者全部以运行程序。可选地，本地计算机可以根据需要而下载几段软件，或者在本地控制处理器处执行一些软件指令以及在远程计算机(或者计算机网络)处执行一些软件指令。本领域技术人员还应当意识到，通过利用本领域技术人员公知的常规技术，可以利用诸如DSP、可编程逻辑阵列之类的专用电路来执行所述软件指令的全部或者一部分。可以按照任何适合的顺序或者在适当的时候同时执行本文所述的方法步骤。另外，在不偏离本文描述的主题的精神和范围的情况下，可以从任意方法中删除单个框。在不丧失所寻求的效果的情况下，可以将上述的任意示例的方面与所描述的任何其它示例的方面进行组合以形成另外的示例。 |
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