风电场集流器系统损耗最优化技术方案

提供为最小化电损耗而最优化的风电场系统。风电场系统包括多个风力涡轮发电机以及包括导体或导体网络的集流器系统。集流器系统还包括具有连接在各个风力涡轮发电机和导体之间的一个或多个变压器的多个变压器以及将风电场集流器系统连接到电网的变电站变压器。风电场系统还包括用于监测风电场系统的电输出和热状况以及各个风力涡轮发电机的输出的监测系统。控制函数可包括电压以及到各个风力涡轮发电机的有功和无功功率命令。控制函数包含技术效果为使风电场系统的电损耗最小化的算法。

【技术实现步骤摘要】
风电场集流器系统损耗最优化
技术介绍
本专利技术通常涉及控制风电场(windfarm)中的功率损耗，更具体 而言，涉及对无功负荷和风电场电压最优化进行分配以降低集流器系 统(collector system ) 4员库毛的系统和方法。基于风力涡轮机获取不排放碳基气体的可再生能源，风力涡轮机 预计会成为全世界日益增长的能源。然而，相对于竟争技术，风力涡 轮机系统的发展仍然处在早期阶段。更具体地说，对联合受控风力涡 轮机组或风电场的系统控制仍然处在其幼年时期。当前的风力涡轮机控制技术一般涉及在各个涡轮机或在系统的 公共汇流点的电压控制和/或有功和无功功率控制。基于损耗降低，在 这些控制方案中通常不考虑系统的效率。风电场集流器系统的损耗是电阻负荷损耗与集流器系统中的变 压器的空载励磁(no-loadexcitation)损耗之和，其中电阻负荷损耗与 电流值的平方成比例，变压器的空载励-磁损耗与电压的指数幂成比 例。该指数往往大于二。从经验来看，该指数通常接近三。通过方程1，在任何风电场复功率输出S和电压V的负荷损耗PlL(S,V)、有时称为传导损耗或"铜，，损耗与在额定功率输出Srated —额定(名义)电压Vrated的负荷损耗PLL~rated 有关。Pll(S，V)广v, -、2ratedV 乂广丄、V Srated 乂2'UL-rated 方禾呈(l)通过下面的方程，在任何电压V的集流器系统变压器的空载损耗 P见(V)、也称为励磁损耗或"铁"损耗与在额定电压V^d的空载损耗 PNL-rated有关。<formula>formula see original document page 5</formula>方程(2)其中，N为根据经验所导出的指数，该指数对用于集流器系统的变压 器的磁性设计和材料唯一 。如方程(3)所示，在任何电压和复功率级的总损耗PL0SS(S, V)是方 程(1)和方程(2)之和。P應(S,v)-,v 、v rated Vs、2、Srate(j'PLL-rated +V、N、Vrated 乂P，NL—rated方程(3)能够通过V的最优化选择可使总损耗最小化。这可通过将方程(3) 对V微分且在一阶导数是零时计算V值来确定。对于典型参数，图1示出对于四个不同功率级总损耗随电压值的 变化。在10%功率，低电压最优。在30%功率，接近额定值的电压最 优，而高于该功率级从损耗角度而言高电压最优。图2中以三维图形 式示出了相同信息。除了控制技术方案以外，还能够通过降低集流器系统电阻(增大导 体横截面积)或设计更高电压的集流器系统来设计较低损耗的集流器 系统。这些备选方案需要大量的设备投资，并且在降低损耗上的节约 通常不务〖正明该设备投资是合算的。因此，需要提供使系统控制通过无功功率分配和电压控制的最优 化来降低损耗同时基本维持系统的相同物理设备和控制结构的方法。
技术实现思路
本专利技术涉及为最小化电损耗而被最优化的风电场系统以及用于 使所述风电场系统中的电损耗最小化的方法。简要地，根据本专利技术的一个方面，提供为最小化电损耗而被最优 化的风电场系统。该风电场系统包括多个风力涡轮发电机和包括导体 或导体网络的集流器系统。该集流器系统还包括连接在各风力涡轮发 电机和导体之间的一个或多个变压器的多个变压器，并且包括将风电5场集流器系统连接到电网的变电站变压器。风电场系统还包括用于监 测风电场系统的电输出和热状况以及各个风力涡轮发电机的输出的 监测系统。控制系统包括到各个风力涡轮发电机上的有功和无功功率 命令以及电压。该系统包含技术作用为使风电场系统的电损耗最小化 的算法。根据本专利技术的另一个方面，提供用于控制风电场运行以使电损耗 最小化的方法。该方法包括将多个风力涡轮发电机连接到风电场集流器系统内的导体或导体网络；通过变电站变压器将风电场集流器系统 连接到电网；监测风电场系统的电输出，监测各个风力涡轮发电机的 输出；以及根据技术作用为将风电场集流器系统的电损耗最小化的算 法，向各个风力涡轮发电机提供电压及有功和无功功率命令。附图说明当参考附图阅读以下详细描述时，本专利技术的这些和其它特4正、方 面及优点将会变得更好理解。在附图中相同字符表示相同部件，其中 图1为示出对于变化的功率级总功率损耗随电压级变化的曲线图； 线图3示出三个风力涡轮发电机的简易风电场系统，以阐述用于根 据本专利技术最小化损耗的最优化无功负荷分配；图4示出简易风电场系统中的电压和VAR分配与风力涡轮机当 中的标准VAR分配对最优化VAR分配的对比关系；图5示出采用损耗最小化算法的示例性风电场集流器系统；图6示出具有采用损耗最小化算法的有载抽头变化控制的示例性 风电场集流器系统；图7示出用于通过给各个风力涡轮发电机分配无功负荷的算法来 最小化集流器系统损耗的方法的流程图；图8示出用于通过在风电场主变压器的集流器系统侧建立最优化 电压的算法来最小化集流器系统损^>的方法的流程图。具体实施例方式本专利技术的以下实施例具有很多优点，包括在不需要系统硬件改变 的情况下通过无功负荷分配和系统电压控制的最优化来降低风电场 的功率损耗。风电场集流器系统中的电流流动因系统的电阻而产生损耗。风电 场集流器系统被构造为具有沿其长度方向平行连接的风力涡轮机的 长导体。该导体可以是简易放射状配置、具有一个或多个分支的树枝 状布局或者环状配置。离变电站或公共耦合点更远的风力涡轮发电机 在较长距离上传输其功率，因而比离公共耦合点更近的涡轮机呈现更 多有功和无功功率损耗。此外，对于恒定功率，电流与电压成反比。 通过提高集流器系统电压，输送同样功率需要更少电流。在电缆和变 压器中的导体损耗与电流量的平方成比例。如果能够提高集流器系统 电压，则能够降低导体损耗。风力涡轮机经变压器连接到集流器系统， 变压器具有与负荷无关的励磁损耗，但是励磁损耗随大于2的指数幂 的电压增加。在轻负荷条件下，风电场的电损耗由变压器励磁损耗支 配。在高产出(production)级时，导体损耗占优势。这样，向各个风 力涡轮发电机的VAR产出分配的最优化以及集流器系统电压的最优 化降低了集流器系统的损耗。使这些损耗最小化可获得供应到电网的 更大能量产出，并因而提高风电场所有者的收入。在第一方法中，目的是管理风电场电压级使得总损耗最小化。为 了便于论述，不考虑风电场集流器系统中的电压量变化，也不考虑风 力涡轮发电机无功功率输出的最优化。可通过在风电场变电站变压器 上使用有载抽头变换器(on-load tap changer)将该构思结合到本专利技术 中，允许独立于电网电压地调整集流器系统电压。主要约束是，在各 个风力涡轮发电机的电压必须处于对该装置的运行限制内，例如0.9至1.1倍额定电压。对这种控制的功能性要求是，变电站变压器必须 具有足够的抽头范围，以提供将最优化集流器系统电压与实用电网电 压相匹配的比例。该第一方法可应用于具有有载抽头变换能力的风电 场变电站变压器，有载抽头变换能力允许独立于电网电压地调整集流 器电压。在该方法中，将集流器电压最优化以平衡电缆和变压器负荷损耗之间的权衡(tradeoff)。在轻负荷时，P争低电压以最小化中心损 耗；而在重负荷时，升高电压以对于相同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于最小化电损耗的风电场系统，包括：　多个风力涡轮发电机（２０１）、（２０２）、（２０３）；　集流器系统（２０５），包括导体（２２３）及导体网络（２１５）、（２１６）、（２１７）中至少之一，其中，所述风力涡轮发电机（２０１） 、（２０２）、（２０３）连接到所述导体（２２３）或导体网络（２１５）、（２１６）、（２１７）中至少之一；　多个变压器（２１０）、（２１１）、（２１２），包括连接在每个风力涡轮发电机（２０１）、（２０２）、（２０３）与所述导体（２１５） 、（２１６）、（２１７）之间的至少一个变压器；　变电站变压器（２２４），将所述集流器系统（２０５）连接到电网（２２５）；　监测系统（２３２），包括监测所述风电场电输出（２４５）与热状况以及所述各个风力涡轮发电机（２０１）、（２０ ２）、（２０３）的输出（２０７）、（２０８）、（２０９）中至少之一；　控制系统（２７０），包括电压和到所述各个风力涡轮发电机（２０１）、（２０２）、（２０３）的有功和无功功率命令（２５１）、（２５０）、（２５３）；以及　算法（２ ２０），所述算法的技术效果是使所述风电场集流器系统（２００）的电损耗最小化。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：ME卡迪纳尔，RW德尔梅里科，NW米勒，RA沃林，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]