專利名稱：風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)損耗最優(yōu)化的制作方法
風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)損耗最優(yōu)化
背景技術(shù)：
本發(fā)明通常涉及控制風(fēng)電場(chǎng)(windfarm)中的功率損耗，更具體 而言，涉及對(duì)無功負(fù)荷和風(fēng)電場(chǎng)電壓最優(yōu)化進(jìn)行分配以降低集流器系 統(tǒng)(collector system ) 4員庫(kù)毛的系統(tǒng)和方法。
基于風(fēng)力渦輪機(jī)獲取不排放碳基氣體的可再生能源，風(fēng)力渦輪機(jī) 預(yù)計(jì)會(huì)成為全世界日益增長(zhǎng)的能源。然而，相對(duì)于竟?fàn)幖夹g(shù)，風(fēng)力渦 輪機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展仍然處在早期階段。更具體地說，對(duì)聯(lián)合受控風(fēng)力渦 輪機(jī)組或風(fēng)電場(chǎng)的系統(tǒng)控制仍然處在其幼年時(shí)期。
當(dāng)前的風(fēng)力渦輪機(jī)控制技術(shù)一般涉及在各個(gè)渦輪機(jī)或在系統(tǒng)的 公共匯流點(diǎn)的電壓控制和/或有功和無功功率控制。基于損耗降低，在 這些控制方案中通常不考慮系統(tǒng)的效率。
風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)的損耗是電阻負(fù)荷損耗與集流器系統(tǒng)中的變 壓器的空載勵(lì)磁(no-loadexcitation)損耗之和，其中電阻負(fù)荷損耗與 電流值的平方成比例，變壓器的空載勵(lì)-磁損耗與電壓的指數(shù)冪成比 例。該指數(shù)往往大于二。從經(jīng)驗(yàn)來看，該指數(shù)通常接近三。
通過方程1，在任何風(fēng)電場(chǎng)復(fù)功率輸出S和電壓V的負(fù)荷損耗
PlL(S,V)、有時(shí)稱為傳導(dǎo)損耗或"銅，，損耗與在額定功率輸出Srated —
額定(名義)電壓Vrated的負(fù)荷損耗P
LL~rated 有關(guān)。
Pll(S，V)
廣v, -、2
rated
V 乂
廣丄、
V Srated 乂
2
'UL-rated 方禾呈(l)
通過下面的方程，在任何電壓V的集流器系統(tǒng)變壓器的空載損耗 P見(V)、也稱為勵(lì)磁損耗或"鐵"損耗與在額定電壓V^d的空載損耗 PNL-rated有關(guān)。<formula>formula see original document page 5</formula>方程(2)
其中，N為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所導(dǎo)出的指數(shù)，該指數(shù)對(duì)用于集流器系統(tǒng)的變壓 器的磁性設(shè)計(jì)和材料唯一 。
如方程(3)所示，在任何電壓和復(fù)功率級(jí)的總損耗PL0SS(S, V)是方 程(1)和方程(2)之和。
P應(yīng)(S,v)-
,v 、
v rated V
s
、2
、Srate(j
'PLL-rated +
V
、N
、Vrated 乂
P，
NL—rated
方程(3)
能夠通過V的最優(yōu)化選擇可使總損耗最小化。這可通過將方程(3) 對(duì)V微分且在一階導(dǎo)數(shù)是零時(shí)計(jì)算V值來確定。
對(duì)于典型參數(shù)，圖1示出對(duì)于四個(gè)不同功率級(jí)總損耗隨電壓值的 變化。在10%功率，低電壓最優(yōu)。在30%功率，接近額定值的電壓最 優(yōu)，而高于該功率級(jí)從損耗角度而言高電壓最優(yōu)。圖2中以三維圖形 式示出了相同信息。
除了控制技術(shù)方案以外，還能夠通過降低集流器系統(tǒng)電阻(增大導(dǎo) 體橫截面積)或設(shè)計(jì)更高電壓的集流器系統(tǒng)來設(shè)計(jì)較低損耗的集流器 系統(tǒng)。這些備選方案需要大量的設(shè)備投資，并且在降低損耗上的節(jié)約 通常不務(wù)〖正明該設(shè)備投資是合算的。
因此，需要提供使系統(tǒng)控制通過無功功率分配和電壓控制的最優(yōu) 化來降低損耗同時(shí)基本維持系統(tǒng)的相同物理設(shè)備和控制結(jié)構(gòu)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及為最小化電損耗而被最優(yōu)化的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)以及用于 使所述風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中的電損耗最小化的方法。
簡(jiǎn)要地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供為最小化電損耗而被最優(yōu) 化的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)。該風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)包括多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和包括導(dǎo)體 或?qū)w網(wǎng)絡(luò)的集流器系統(tǒng)。該集流器系統(tǒng)還包括連接在各風(fēng)力渦輪發(fā) 電機(jī)和導(dǎo)體之間的一個(gè)或多個(gè)變壓器的多個(gè)變壓器，并且包括將風(fēng)電
5場(chǎng)集流器系統(tǒng)連接到電網(wǎng)的變電站變壓器。風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)還包括用于監(jiān) 測(cè)風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的電輸出和熱狀況以及各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的輸出的 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括到各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)上的有功和無功功率 命令以及電壓。該系統(tǒng)包含技術(shù)作用為使風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的電損耗最小化 的算法。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供用于控制風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行以使電損耗 最小化的方法。該方法包括將多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)連接到風(fēng)電場(chǎng)集流
器系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)體或?qū)w網(wǎng)絡(luò)；通過變電站變壓器將風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng) 連接到電網(wǎng)；監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的電輸出，監(jiān)測(cè)各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的 輸出；以及根據(jù)技術(shù)作用為將風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)的電損耗最小化的算 法，向各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)提供電壓及有功和無功功率命令。


當(dāng)參考附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特4正、方 面及優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更好理解。在附圖中相同字符表示相同部件，其中 圖1為示出對(duì)于變化的功率級(jí)總功率損耗隨電壓級(jí)變化的曲線
圖； 線圖3示出三個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)易風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)，以闡述用于根 據(jù)本發(fā)明最小化損耗的最優(yōu)化無功負(fù)荷分配；
圖4示出簡(jiǎn)易風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中的電壓和VAR分配與風(fēng)力渦輪機(jī)當(dāng) 中的標(biāo)準(zhǔn)VAR分配對(duì)最優(yōu)化VAR分配的對(duì)比關(guān)系；
圖5示出采用損耗最小化算法的示例性風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)；
圖6示出具有采用損耗最小化算法的有載抽頭變化控制的示例性 風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)；
圖7示出用于通過給各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)分配無功負(fù)荷的算法來 最小化集流器系統(tǒng)損耗的方法的流程圖；圖8示出用于通過在風(fēng)電場(chǎng)主變壓器的集流器系統(tǒng)側(cè)建立最優(yōu)化 電壓的算法來最小化集流器系統(tǒng)損^>的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的以下實(shí)施例具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括在不需要系統(tǒng)硬件改變 的情況下通過無功負(fù)荷分配和系統(tǒng)電壓控制的最優(yōu)化來降低風(fēng)電場(chǎng) 的功率損耗。
風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)中的電流流動(dòng)因系統(tǒng)的電阻而產(chǎn)生損耗。風(fēng)電 場(chǎng)集流器系統(tǒng)被構(gòu)造為具有沿其長(zhǎng)度方向平行連接的風(fēng)力渦輪機(jī)的 長(zhǎng)導(dǎo)體。該導(dǎo)體可以是簡(jiǎn)易放射狀配置、具有一個(gè)或多個(gè)分支的樹枝 狀布局或者環(huán)狀配置。離變電站或公共耦合點(diǎn)更遠(yuǎn)的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī) 在較長(zhǎng)距離上傳輸其功率，因而比離公共耦合點(diǎn)更近的渦輪機(jī)呈現(xiàn)更 多有功和無功功率損耗。此外，對(duì)于恒定功率，電流與電壓成反比。 通過提高集流器系統(tǒng)電壓，輸送同樣功率需要更少電流。在電纜和變 壓器中的導(dǎo)體損耗與電流量的平方成比例。如果能夠提高集流器系統(tǒng) 電壓，則能夠降低導(dǎo)體損耗。風(fēng)力渦輪機(jī)經(jīng)變壓器連接到集流器系統(tǒng)， 變壓器具有與負(fù)荷無關(guān)的勵(lì)磁損耗，但是勵(lì)磁損耗隨大于2的指數(shù)冪 的電壓增加。在輕負(fù)荷條件下，風(fēng)電場(chǎng)的電損耗由變壓器勵(lì)磁損耗支 配。在高產(chǎn)出(production)級(jí)時(shí)，導(dǎo)體損耗占優(yōu)勢(shì)。這樣，向各個(gè)風(fēng) 力渦輪發(fā)電機(jī)的VAR產(chǎn)出分配的最優(yōu)化以及集流器系統(tǒng)電壓的最優(yōu) 化降低了集流器系統(tǒng)的損耗。使這些損耗最小化可獲得供應(yīng)到電網(wǎng)的 更大能量產(chǎn)出，并因而提高風(fēng)電場(chǎng)所有者的收入。
在第一方法中，目的是管理風(fēng)電場(chǎng)電壓級(jí)使得總損耗最小化。為 了便于論述，不考慮風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)中的電壓量變化，也不考慮風(fēng) 力渦輪發(fā)電機(jī)無功功率輸出的最優(yōu)化?？赏ㄟ^在風(fēng)電場(chǎng)變電站變壓器 上使用有載抽頭變換器(on-load tap changer)將該構(gòu)思結(jié)合到本發(fā)明 中，允許獨(dú)立于電網(wǎng)電壓地調(diào)整集流器系統(tǒng)電壓。主要約束是，在各 個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的電壓必須處于對(duì)該裝置的運(yùn)行限制內(nèi)，例如0.9至1.1倍額定電壓。對(duì)這種控制的功能性要求是，變電站變壓器必須 具有足夠的抽頭范圍，以提供將最優(yōu)化集流器系統(tǒng)電壓與實(shí)用電網(wǎng)電 壓相匹配的比例。該第一方法可應(yīng)用于具有有載抽頭變換能力的風(fēng)電 場(chǎng)變電站變壓器，有載抽頭變換能力允許獨(dú)立于電網(wǎng)電壓地調(diào)整集流 器電壓。在該方法中，將集流器電壓最優(yōu)化以平衡電纜和變壓器負(fù)荷
損耗之間的權(quán)衡(tradeoff)。在輕負(fù)荷時(shí)，P爭(zhēng)低電壓以最小化中心損 耗；而在重負(fù)荷時(shí)，升高電壓以對(duì)于相同功率減小電流，從而降低電 阻導(dǎo)體損耗。通過利用其中不需要風(fēng)電場(chǎng)功率因子或電壓調(diào)整的風(fēng)力 渦輪發(fā)電機(jī)反應(yīng)性能(reactive capability)來調(diào)整集流器電壓，在有載抽 頭變換能力不可用時(shí)還可使用該第一方法。提供了其技術(shù)效果是通過 控制集流器電壓來使風(fēng)電場(chǎng)的電損耗最小化的算法。
在第二方法中，本發(fā)明通過集流器系統(tǒng)電壓量的管理和無功功率 產(chǎn)出的分配來降低風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)中的功率損耗。在該方法的 一種 實(shí)施例中，優(yōu)先將總風(fēng)電場(chǎng)VAR產(chǎn)出發(fā)送到最接近公共耦合點(diǎn)的風(fēng) 力渦輪機(jī)。連接到集流器系統(tǒng)的其它可控?zé)o功功率產(chǎn)生組件還可被用 來控制無功功率的分配。這些裝置可包括有策略地安置在風(fēng)電場(chǎng)的各 部分或分支中以影響無功電流的分配并從而控制功率損耗的電容器 組、可插入式電容器組以及靜態(tài)無功伏安(var)補(bǔ)償器。
可通過通用電氣(General Electric)將以下發(fā)明技術(shù)結(jié)合到風(fēng)力控制 (WFMS)的風(fēng)力發(fā)電廠控制系統(tǒng)中。
提供了 一種最優(yōu)化算法，該最優(yōu)化算法的技術(shù)效果是確定到各個(gè) 風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和變電站變壓器抽頭的VAR分派命令，因而使風(fēng)電 場(chǎng)輸出最大化，該變電站變壓器抽頭降低了風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)中各饋 電線(feeder)的總損耗。本發(fā)明與風(fēng)電場(chǎng)電壓和功率因子調(diào)整兼容 且是對(duì)其的擴(kuò)展。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行于約50。/。VAR產(chǎn)出/消耗時(shí)，估計(jì)損 耗降低了 2畫3%。
該技術(shù)能夠最優(yōu)化任何風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在數(shù)學(xué)上，最優(yōu) 化問題一般通過使?jié)M足某些約束條件的目標(biāo)函數(shù)J(u, x)最小化來描述。
在矩陣表示法中，該運(yùn)算能夠表示為最小化J(u，x)，滿足約束 d(u, xh0且e(u, x)《0，其中x表示系統(tǒng)變量(例如母線電壓、功率因 子)，u表示控制變量(例如風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)無功功率)，J(u,x)表示目標(biāo) 函數(shù)，d(u,x)表示等式約束，且e(u,x)表示不等式約束。
在方程(3)中提供了目標(biāo)函數(shù)的一個(gè)示例?？稍诒景l(fā)明中使用該函 數(shù)來在滿足維持風(fēng)電場(chǎng)7>共耦合點(diǎn)(point of common coupling: POCC) 的功率因子的條件下使配線損耗(PLOSS)最小化。建立性能分層、因 而加強(qiáng)在節(jié)點(diǎn)的子集的更嚴(yán)格電壓容限帶也是合乎需要的。方程4給 出了應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中的損耗的最小化函數(shù)。
最小化 <formula>formula see original document page 9</formula>PF為0.95(過激)的系統(tǒng)約束。
針對(duì)圖3的簡(jiǎn)易風(fēng)電場(chǎng)，圖4中示出了用于分配無功負(fù)荷Q以使 損耗最小化的、根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)化比較。使用每單位(unit)值來 示出本實(shí)施例。
為了示出根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)化無功負(fù)荷分配，圖3示出三個(gè)風(fēng)力 渦輪發(fā)電機(jī)的簡(jiǎn)化風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)。簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)10包括三個(gè)風(fēng)力渦 輪發(fā)電機(jī)U0、120和B0，這三個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)以在POCCl的0.95 功率因子(PF)在1.0 PU的SI 140輸送總復(fù)功率需求的負(fù)荷S5=0.33 +jQ5、 S6=0.33+jQ6、 S7=0.33+jQ7。各風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)經(jīng)由具有引起 變壓器損耗的阻抗0.25 +J0.18的相同變壓器115、 125和135饋送主 母線。分別來自風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)110、 120和130的變壓輸出145、 155 和165連接到在母線2、3和4的公共系統(tǒng)線路，并與電網(wǎng)連接到POCC 連接母線1。
根據(jù)在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)110、 120和130當(dāng)中總量Q到Q5、 Q6和Q7的分配，簡(jiǎn)化風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)10引起變壓器115、 125和135 上的空載損耗以及母線1到2、 2到3及3到4之間的線路損耗。
當(dāng)將方程4應(yīng)用到圖3的網(wǎng)絡(luò)10時(shí)，滿足在POCC 1以0.95 PF 的功率輸送的約束，得出圖4的結(jié)果。
圖4示出圖3的系統(tǒng)的VAR分配和電壓分配與風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī) 當(dāng)中的標(biāo)準(zhǔn)VAR分配和最優(yōu)化VAR分配的對(duì)比關(guān)系。左手邊的垂直 軸線為PU VAR值，而右手邊的垂直軸線為PU電壓值，假設(shè)母線1 至5被指定在水平軸線上。情形(case)l表示在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)中在母 線5、 6和7相等地繪制無功功率的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)有技術(shù)方法。情形2表示 根據(jù)損耗的最小化的算法在母線5、 6和7的無功功率的最優(yōu)化值。 基于上述確定，發(fā)明系統(tǒng)命令風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)110、 120和130產(chǎn)生 約0.28PUVAR、 0.13 PUVAR和0.06 PUVAR。類似地確定各個(gè)風(fēng) 力渦輪發(fā)電機(jī)以功率輸送和功率因子的其它PU的損耗最小化輸出。
在實(shí)踐中，風(fēng)電場(chǎng)由很多(有時(shí)多于100)獨(dú)立風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)組
成。雖然這種系統(tǒng)的復(fù)雜性遠(yuǎn)大于簡(jiǎn)易示例，但是對(duì)于此類應(yīng)用可同
樣執(zhí)行最'J、化處理。電壓調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)仿真和電子表格(spreadsheet)分析 已經(jīng)證明了該構(gòu)思。
圖5示出采用損耗最小化算法的示例性風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)。風(fēng)電 場(chǎng)集流器系統(tǒng)200示出了三臺(tái)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)201 、 202和203 ，但是， 在實(shí)際應(yīng)用中風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的數(shù)量可廣泛擴(kuò)展。風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī) 201 、 202和203提供輸出Pi十jQi (207)、 P2 +jQ2 (208)和P3 +jQ3 (209)。 各風(fēng)力渦輪發(fā)電坤幾201、 202和203分別通過風(fēng)力渦輪發(fā)電才幾集流變 壓器210、 211和212連接到集流器母線205，其中變壓器表示對(duì)集流 器系統(tǒng)的阻抗Zl、 Z2和Z3。風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)集流變壓器210、 211 和212可位于離集流母線205變化的物理距離215、 216和217處， 所述物理距離215、216和217表示對(duì)系統(tǒng)的不同線路阻抗和電抗(Z4、 Z5和Z6)。也可給集流母線205和風(fēng)電場(chǎng)主變壓器224之間的集流器 系統(tǒng)、例如218(Z7)提供一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷的公共通道。雖然為了說明性目的將阻抗示出為離散元件，但是要明白這些阻抗可 以代表表示變化的線路距離的分布式線路元件。
此外，在這個(gè)系統(tǒng)中，雖然沒有在圖5中示出，但是多臺(tái)風(fēng)力渦
輪發(fā)電機(jī)可沿不同引線(leg)以不同長(zhǎng)度結(jié)合，然后連接到集流器母 線205。其它配置可包括具有一個(gè)或多個(gè)分支的樹枝形布局或環(huán)狀網(wǎng) 絡(luò)。雖然這種布局更復(fù)雜，但是對(duì)這種系統(tǒng)可執(zhí)行電路建模。
再參考圖5,集流器母線205經(jīng)由風(fēng)電場(chǎng)主變壓器224通過^^共 連接點(diǎn)連接到傳輸電網(wǎng)225。在POCC 220的感測(cè)裝置232可以將所 測(cè)量的電壓、電流、功率因子、有功功率和無功功率信號(hào)提供給風(fēng)電 場(chǎng)控制系統(tǒng)。雖然沒有示出，但是感測(cè)裝置可備選地位于不同于POCC 220的其它位置以侵j是供電壓和其它測(cè)量，正如在本領(lǐng)域中所7>知的， 該其它位置可以參考POCC 220。在另一實(shí)施例中，可基于風(fēng)電場(chǎng)系 統(tǒng)測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)阻抗的知識(shí)來計(jì)算在公共連接點(diǎn)的信號(hào)。此外，為風(fēng)電 場(chǎng)提供控制系統(tǒng)270。為了控制有功功率和無功功率，向風(fēng)電場(chǎng)控制 系統(tǒng)270提供參考命令。然而，只向加法器(summer)240提供有無功 負(fù)荷參考命令信號(hào)Q虹f和無功測(cè)量負(fù)荷信號(hào)Qm(測(cè)量的)235。為了確 定到各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的無功負(fù)荷分配，向控制函數(shù)H(S) 250提供 加法器240的輸出?？刂坪瘮?shù)H(S) 250包含損耗最小化算法248，最 小化算法248的技術(shù)效果是基于從Zl 、 Z2和Z3風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)連 接變壓器損耗以及從Z4、 Z5和Z6線路損耗與Z7線鴻4員耗而產(chǎn)生的 損耗，通過無功負(fù)荷Q,51、 (52252和(53253的分配來使風(fēng)電場(chǎng)集流 器系統(tǒng)損耗最小化。此外，風(fēng)電場(chǎng)控制算法可滿足各種約束，其中一 種約束可為在POCC的約0.95的功率因子。
在其中至電網(wǎng)的主變壓器上存在有載抽頭變換能力的風(fēng)電場(chǎng)中，
可以類似地實(shí)行電壓控制以使損耗最小化。在這種情況下，可采用將 VAR均等分配到所有風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)方法，但是可控制在風(fēng)電 場(chǎng)集流器的電壓以使損耗最小化。假設(shè)有載抽頭變換能力允許預(yù)期集 流器電壓與POCC的所需電網(wǎng)電壓匹配，則可采用該方法?；诒痪鹊孛畹礁黠L(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(201， 202， 203)的無功負(fù) 荷命令QJ51、 Q2 252和Q3 253，可確定本發(fā)明的最小化算法。備選 地，損耗最優(yōu)化算法可結(jié)合VAR分配技術(shù)和電壓最優(yōu)化技術(shù)。
圖6示出具有采用損耗最小化算法的有載抽頭變換控制的示例性 風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)。具有有載抽頭變換能力290的風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng) 以與圖5的風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)相類似的方式來構(gòu)造。在組件和功能未 改變的地方保留圖5的參考標(biāo)號(hào)。三臺(tái)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)201、 202和 203向系統(tǒng)提供輸出Pi+jQt (207)、 P2+jQ2 (208)和P3+jQ3 (209),該 系統(tǒng)的損耗可以建模為包括在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)連接變壓器210、 212 和213中的空載變壓器損耗；來自Z2和Z3的變壓器負(fù)荷損耗；
來自Z4、 Z5和Z6的線路損耗以及來自Z7的公共線路損耗。雖然為了
說明性目的將阻抗示出為離散元件，但是要明白這些阻抗代表表示變 化的線路距離的分布式線路元件。
圖6還示出包括控制函數(shù)H(s) 250的風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)270,所述 控制函數(shù)H(s) 250基于最小化系統(tǒng)損耗來確定最優(yōu)化的系統(tǒng)電壓設(shè) 置。根據(jù)損耗最小化算法249，確定風(fēng)電場(chǎng)主變壓器224的集流器母 線側(cè)上的電壓V。 233，該電壓使上述系統(tǒng)損耗最小化，滿足在POCC 220的有功功率和無功功率(分別為Pwf和Qwp)的風(fēng)電場(chǎng)輸出245的約 束。在223的損耗最小化電壓與在通過變壓器224特性所反映的主變 壓器輸出222的測(cè)量電壓VwF對(duì)應(yīng)。H(s) 250提供損耗最小化電壓信 號(hào)VLM 265。向有載抽頭變換器控制290提供VLM 265和VwF反饋信 號(hào)255。有載抽頭變換器290調(diào)整風(fēng)電場(chǎng)主變壓器上的電壓抽頭設(shè)置， 以便在風(fēng)電場(chǎng)主變壓器224的輸入223建立損耗最優(yōu)化電壓。損耗最 小化算法249將滿足以下約束為在各風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的輸出的電壓 (Vl、 V2和V3)必須處于對(duì)該裝置的運(yùn)行限制內(nèi)，例如0.9至1.1 倍額定電壓。
圖7示出用于通過將無功負(fù)荷分配到各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的算法 來最小化集流器系統(tǒng)損耗的方法的流程圖。最初，在步驟710，將風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)損耗建模為電阻R、電抗X、非線性電導(dǎo)G、電納B、 電壓以及有功和無功負(fù)荷的函數(shù)。在步驟720, 4是供了包括例如功率 流、功率因子和電壓要求的因素的系統(tǒng)約束。在步驟730，由控制接 收風(fēng)電場(chǎng)無功功率或電壓命令。在步驟740,由系統(tǒng)控制接收在POCC 的所感測(cè)無功功率。在步驟750，將風(fēng)電場(chǎng)無功功率命令與所感測(cè)無 功功率進(jìn)行比較。在步驟750,根據(jù)損耗最小化算法分配到各個(gè)風(fēng)力 渦輪發(fā)電機(jī)的無功功率命令。在步驟760,將各個(gè)無功功率命令傳輸 到各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)。
圖8示出用于通過建立風(fēng)電場(chǎng)主變壓器的集流器系統(tǒng)側(cè)上的最優(yōu) 化電壓的算法來最小化集流器系統(tǒng)損耗的方法的流程圖。最初，在步 驟810，將風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)損耗建模為電阻R、電抗X、非線性電 導(dǎo)G、電納B、電壓以及有功和無功負(fù)荷的函數(shù)。在步驟820,提供 系統(tǒng)約束，包括例如在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的輸出的電壓范圍的因素。在 步驟830，由系統(tǒng)控制器接收在POCC的風(fēng)電場(chǎng)有功和無功功率輸出。 在步驟840,由系統(tǒng)控制器接收在POCC的所感測(cè)電壓輸出。在步驟 850,根據(jù)滿足系統(tǒng)約束的損耗最小化算法來確定主變壓器的集流器 母線側(cè)上的最佳電壓。在步驟870,控制主變壓器上的有載抽頭變換 器以建立用于損耗最小化的最佳電壓。
早期的風(fēng)電場(chǎng)裝裝備有調(diào)整POCC電壓和功率因子量的風(fēng)電場(chǎng) 控制器，但是直到目前為止，沒有一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)包含同時(shí)調(diào)整這些系統(tǒng) 量并最優(yōu)化損耗的方法。
本發(fā)明的一個(gè)方面(適用于具有用于主風(fēng)電場(chǎng)變壓器的有載抽頭 變換器的風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng))包含確定用于最小化損耗的最佳電壓并 接著控制抽頭變換器以建立最佳電壓的算法。本發(fā)明的第二方面包含 考慮集流器系統(tǒng)阻抗并以不同VAR輸出選擇性地操作各渦輪機(jī)還同 時(shí)維持如在POCC所測(cè)量的所需輸出的算法。該兩種方法都纟是供減少 系統(tǒng)的損耗而無需另外的系統(tǒng)硬件。
雖然本文僅示出和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可進(jìn)行很多修改和改變。因此，要理解，隨附權(quán)利要求書旨在覆 蓋落入本發(fā)明的實(shí)際精神之內(nèi)的所有此類修改和改變。
標(biāo)號(hào)清單
1公共耦合點(diǎn)
2母線 3母線 4母線
10簡(jiǎn)化風(fēng)電場(chǎng)集流系統(tǒng) 110風(fēng)力渦輪發(fā)電沖幾 115風(fēng)力渦輪機(jī)變壓器 120風(fēng)力渦輪發(fā)電才幾 125風(fēng)力渦輪機(jī)變壓器 130風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī) 135風(fēng)力渦輪機(jī)變壓器 140負(fù)荷S1 145變壓輸出 155變壓輸出 165變壓輸出 200風(fēng)電場(chǎng)集流系統(tǒng) 201風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī) 202風(fēng)力渦輪發(fā)電才幾 203風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī) 205風(fēng)電場(chǎng)集流器母線 207風(fēng)力渦I^發(fā)電^L輸出 208風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)輸出 209風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)輸出 210發(fā)電機(jī)集流變壓器211發(fā)電機(jī)集流變壓器
212發(fā)電機(jī)集流變壓器
215線路距離
216線路距離
217線路距離
218 />共通道
220 7>共耦合點(diǎn)
222主變壓器輸出側(cè)
223主變壓器的集流器系統(tǒng)側(cè)
224風(fēng)電場(chǎng)主變壓器
225傳輸電網(wǎng)
230無功負(fù)荷參考命令信號(hào)QREF 232感測(cè)裝置
235在公共耦合點(diǎn)所測(cè)量的Q 240比較器
245在POCC的Pwf、 Qwf風(fēng)電場(chǎng)輸出 247在POCC的Pwf、 Qwf所測(cè)量信號(hào) 248損耗最小化算法 249損耗最小化算法 250控制函數(shù)
251 Ql var命令
252 var命令
253 Q3 var命令 255 VwF反饋信號(hào)
265損耗最小化電壓信號(hào)V^M 270控制系統(tǒng) 280比較器
290有載抽頭變換器控制
權(quán)利要求
1. 一種用于最小化電損耗的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)，包括多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(201)、(202)、(203)；集流器系統(tǒng)(205)，包括導(dǎo)體(223)及導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)(215)、(216)、(217)中至少之一，其中，所述風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(201)、(202)、(203)連接到所述導(dǎo)體(223)或?qū)w網(wǎng)絡(luò)(215)、(216)、(217)中至少之一；多個(gè)變壓器(210)、(211)、(212)，包括連接在每個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(201)、(202)、(203)與所述導(dǎo)體(215)、(216)、(217)之間的至少一個(gè)變壓器；變電站變壓器(224)，將所述集流器系統(tǒng)(205)連接到電網(wǎng)(225)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(232)，包括監(jiān)測(cè)所述風(fēng)電場(chǎng)電輸出(245)與熱狀況以及所述各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(201)、(202)、(203)的輸出(207)、(208)、(209)中至少之一；控制系統(tǒng)(270)，包括電壓和到所述各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(201)、(202)、(203)的有功和無功功率命令(251)、(250)、(253)；以及算法(220)，所述算法的技術(shù)效果是使所述風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)(200)的電損耗最小化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于最小化電損耗的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)(200)， 所述導(dǎo)體(223)及導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)(215)、 (216)、 (217)中至少之一包括放射狀配置、樹枝狀配置和環(huán)狀配置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于最小化電損耗的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)(200), 所述算法(220)包括確定到所迷各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(201)、 (202)、 (203)的最優(yōu)化VAR 負(fù)荷分配(251)、 (250)、 (253)以使電損耗最小化。
4. 才艮據(jù)權(quán)利要求3所述的用于最小化電損耗的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)(200), 所述算法(220)包括通過將VAR負(fù)荷轉(zhuǎn)移到最接近公共耦合點(diǎn)(220)的所述風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(201)、 (202)、 (203)來確定到所述各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電才幾的最優(yōu) 化VAR負(fù)荷分配(251)、 (250)、 (253)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于最小化電損耗的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)(200)， 被最小化的所述電損耗包括傳導(dǎo)損耗；和 空載(勵(lì)磁)損耗。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的為最小化電損耗而最優(yōu)化的風(fēng)電場(chǎng)系 統(tǒng)(200),其中，被最小化的所述電損耗滿足包括下列項(xiàng)的約束在所述公共耦合點(diǎn)(220)維持功率因子、功率流和電壓中至少之
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于最小化電損耗的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)(200), 所述系統(tǒng)還包括具有受控變壓器抽頭變換器(290)的變電站。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于最小化電損耗的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)(200), 所述算法(249)包括確定在所述抽頭變換變壓器(224)的所述集流器系統(tǒng)側(cè)(223)的最 優(yōu)化電壓以用于電損耗最小化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于最小化電損耗的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)(200)， 其中，被最小化的所述電損耗包括傳導(dǎo)損耗；和 空載(勵(lì)磁)損耗。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于最小化電損耗的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng) (200)，其中，被最小化的所述電損耗滿足包括下列項(xiàng)的約束在所述公共耦合點(diǎn)(220)并在所述風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(201)、 (202)、 (203)的電壓范圍內(nèi)維持功率因子、功率流和電壓中至少之一 。
全文摘要
提供為最小化電損耗而最優(yōu)化的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)包括多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)以及包括導(dǎo)體或?qū)w網(wǎng)絡(luò)的集流器系統(tǒng)。集流器系統(tǒng)還包括具有連接在各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和導(dǎo)體之間的一個(gè)或多個(gè)變壓器的多個(gè)變壓器以及將風(fēng)電場(chǎng)集流器系統(tǒng)連接到電網(wǎng)的變電站變壓器。風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)還包括用于監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的電輸出和熱狀況以及各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的輸出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?？刂坪瘮?shù)可包括電壓以及到各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的有功和無功功率命令?？刂坪瘮?shù)包含技術(shù)效果為使風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的電損耗最小化的算法。
文檔編號(hào)H02J3/38GK101521388SQ200910128109
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月28日
發(fā)明者M·E·卡迪納爾, N·W·米勒, R·A·沃林, R·W·德爾梅里科 申請(qǐng)人:通用電氣公司