用于在低风速期间操作风场的系统和方法与流程

本公开内容大体上涉及风力涡轮，且更特别地涉及一种用于在低风速期间操作具有一个或多个风力涡轮的风场以提高效率的系统和方法。

背景技术：

大体上，在风力涡轮的操作期间，风冲击转子叶片，且叶片将风能转换为驱动低速轴的机械转矩。低速轴驱动齿轮箱，该齿轮箱随后逐步提高低速轴的低旋转速度，以增加的旋转速度驱动高速轴，其中高速轴可旋转地驱动发电机转子。在许多常规的风力涡轮配置中，发电机电联接到双向功率转换器，该双向功率转换器包括经由调节的dc链路连结到线路侧转换器(lsc)的转子侧转换器(rsc)。lsc将dc链路上的dc功率转换为ac输出功率，该ac输出功率与来自发电机定子的功率组合来提供多相功率，该多相功率具有基本保持在电网总线频率(例如50hz或60hz)处的频率。

上文系统大体上称为双馈感应发电机(dfig)系统，该系统的操作原理包括转子绕组经由滑环连接到电网且功率转换器控制转子电流和电压。转子电压和电流的控制使发电机能够在风力涡轮速度变化(例如，转子频率可与电网频率不同)时保持与电网频率同步。而且，来自dfig系统的无功功率的主要源是经由发电机来自rsc(发电机定子侧无功功率)和来自lsc(发电机线路侧无功功率)。使用功率转换器(特别是rsc)来控制转子电流/电压使得可能独立于发电机的旋转速度来调整从rsc馈送到电网的无功功率(和有功功率)。另外，发电机能够输入或输出无功功率，这允许系统在电网上极端电压波动期间支持电网。

典型地，在稳态和瞬态状况期间由风场向电网供应的无功功率的量通过由电网操作者指示的规范需求来确定，其中风场控制器确定对风场内每个风力涡轮所提的无功功率要求。每个风力涡轮处的本地控制器在发电机源之间(例如，在发电机侧无功功率与线路侧无功功率之间)接收和分配无功功率要求。

大体上，dfig的最小速度(即切入速度)是基于由rsc施加的电压极限(本文中也称为转子电压)来决定的。降低或延长涡轮的最小速度增加dfig的操作滑差，这要求(mandate)rsc在较高电压下操作。因此，对于转子电压的上限通常确定可能的最低转子切入速度。

除了最小涡轮速度之外，来自dfig的无功功率需求还影响rsc的端子处的电压。此外，如提到的，大多数的电网规范要求在风力涡轮的整个操作期间(即从切入速度到额定速度)的额定无功功率支持。以最小涡轮速度提供额定无功功率进一步迫使rsc在较高电压下操作。

降低转子电压的一种方法是减小过激励(或容性)无功功率的量，且如果可能，增加由发电机产生的欠激励(或感性)无功功率的量。此外，当风速接近于切入风速时，大多数电网规范允许风场产生小于满负载的无功功率。例如，德克萨斯州电力可靠性委员会(ercot)大体上允许当场在其额定功率输出的10%以下操作时的零无功功率能力(capability)。相比之下，对于美国的其余部分，联邦能源管制委员会(ferc)的需求需要无功功率能力仅与由风场产生的有功功率成比例。

因此，用于在低风速期间操作风力涡轮功率系统以利用低风速下无功功率需求放宽(relaxation)的改进系统和方法在本领域中将受欢迎。相应地，本公开内容涉及用于在低风速期间操作风力涡轮功率系统而还满足由该功率输出水平的电网规范所设定的无功需求的系统和方法。

技术实现要素：

本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明来学习。

在一方面，本公开内容涉及一种用于操作连接到功率网的风场的方法，该功率网要求无功功率需求随有功功率变化。风场具有多个风力涡轮，该多个风力涡轮各自包括联接到功率转换器的发电机。方法包括监测在风场中的多个风力涡轮中的每个处的风速。当风速在切入风速范围内时，方法包括经由风场的控制器基于对应于风速的有功功率输出下的无功功率需求和在该风速下多个风力涡轮中每个的无功功率可用性来确定风场的无功功率裕度。方法还包括经由控制器确定满足无功功率裕度的对于多个风力涡轮中每个的可能的最低切入转子速度。此外，方法包括经由控制器命令多个风力涡轮中的每个切入且开始以满足无功功率裕度的可能的最低切入转子速度来产生功率。

在实施例中，切入风速范围可包括最多达约5米/秒(m/s)的风速。

在一个实施例中，基于对应于风速的有功功率输出下的无功功率需求和在该风速下多个风力涡轮中每个的无功功率可用性来确定风场的无功功率裕度可包括确定无功功率需求与多个风力涡轮中的每个的无功功率可用性的总和之间的差，以及基于该差来确定对于多个风力涡轮中每个的可能的最低切入转子速度。

在另一实施例中，方法还可包括将不同切入风速下多个风力涡轮中每个的无功功率可用性存储在控制器中。另外或备选地，方法可包括经由多个风力涡轮中的每个将不同切入风速下多个风力涡轮中每个的无功功率可用性实时动态地发送到控制器。

在若干实施例中，方法可包括实时确定满足无功功率裕度的对于多个风力涡轮中每个的可能的最低切入转子速度。

在额外的实施例中，当有功功率输出增加到超过额定功率的约10%时，方法可包括根据其相应的标准功率-速度曲线来操作风场中的多个风力涡轮中的每个。

在又一实施例中，在风场的训练期期间，方法可包括经由控制器在不同的无功功率设定点和电压设定点下操作风场。此外，方法可包括经由控制器确定多个风力涡轮中的每个的端子与风场的互连点之间的电压降和无功功率上的改变。此外，方法可包括经由控制器将多个风力涡轮中的每个的端子与风场的互连点之间的电压降和无功功率上的改变转换成可与风场的收集器系统的等效电路相比的量。而且，方法可包括经由控制器使该量与风场的收集器系统的等效电路匹配。

在备选实施例中，在风场的训练期期间，方法可包括经由控制器计算多个风力涡轮中的每个的端子与风场的互连点之间的电压降和无功功率上改变的量。方法还可包括经由控制器使该量与风场的收集器系统的等效电路匹配。

在又一实施例中，在风场的训练期期间，方法可包括在控制器中将多个风力涡轮中的每个的端子与风场的互连点之间的电压降和无功功率上改变的量存储在查找表中，以及经由控制器使该量与风场的收集器系统的等效电路匹配。

在特定实施例中，发电机可为双馈感应发电机(dfig)。

在另一方面，本公开内容涉及一种连接到功率网的风场。风场包括多个风力涡轮，该多个风力涡轮各自包括联接到功率转换器和涡轮控制器的发电机以及通信地联接到涡轮控制器的控制器。控制器配置成用于执行多个操作，包括但不限于：监测风场的有功功率输出，以及当有功功率输出等于或低于功率阈值时，基于功率输出和由功率网指定的有功功率-无功功率(p-q)曲线来计算风场的无功功率需求，计算风场的互连点处的无功功率可用性，比较无功功率可用性和无功功率需求，以及当无功功率可用性大于无功功率需求时允许风场的多个风力涡轮中的一个或多个切入且开始以可能的最低切入转子速度来产生功率。

在实施例中，多个操作还可包括：确定其中风速高于切入风速的所有风力涡轮是否切入，且如果是这样，确定多个风力涡轮中任何一个的功率系数是否将随转子速度上的逐步降低而提高。在另一实施例中，如果多个风力涡轮中任何一个的功率系数将随转子速度上的逐步降低而提高，多个操作还可包括命令那些风力涡轮降低它们的速度。

在一个实施例中，多个操作可包括确定其中风速高于切入风速的所有风力涡轮是否切入，且如果不是，允许来自多个风力涡轮的至少一个额外的风力涡轮以可能的最低切入转子速度切入。

在另外的实施例中，多个操作可包括当功率输出高于功率阈值时禁止多个风力涡轮以可能的最低切入转子速度切入。

在又一实施例中，功率阈值可等于或低于额定功率的10%。

在另一实施例中，当有功功率输出增加到超过功率阈值时，多个操作可包括根据标准功率曲线来操作风场。

应理解的是，该方法和风场还可包括如本文中描述的额外特征和/或步骤的任何组合。

参照以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且连同描述一起用来解释本发明的原理。

附图说明

针对本领域普通技术人员的本发明的完整且开放(enabling)的公开内容(包括其最佳模式)在参照附图的说明书中阐述，在附图中：

图1示出根据本公开内容的风力涡轮的实施例的透视图；

图2示出适于与图1中示出的风力涡轮使用的风力涡轮电功率系统的一个实施例的示意图；

图3示出根据本公开内容的风力涡轮的功率转换器的一个实施例的示意图；

图4示出根据本公开内容的风场的一个实施例的系统配置；

图5示出根据本公开内容的用于操作连接到功率网的风场的方法的一个实施例的流程图，该功率网要求无功功率需求随有功功率输出变化；

图6示出根据本公开内容的用于使风场的互连点处的无功功率需求与涡轮端子处的无功功率可用性匹配的方法的一个实施例的流程图；

图7示出根据本公开内容的用于使风场的互连点处的无功功率需求与涡轮端子处的无功功率可用性匹配的方法的另一实施例的流程图；以及

图8示出根据本公开内容的用于操作连接到功率网的风场的方法的另一实施例的流程图，该功率网要求无功功率需求随有功功率变化。

具体实施方式

现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个示例在图中示出。每个示例提供作为本发明的解释，不是本发明的限制。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可在本发明中作出各种修改和变化。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例使用，以产生还另外的实施例。因此，意图的是，本发明覆盖如落入所附权利要求书和其等效物的范围内的此类修改和变化。

风力涡轮的最小切入转子速度大体上确定为风力涡轮可产生有功功率同时还能够在指定的端子电压范围(诸如最大电压)内产生/吸收满无功功率所处的速度。在端子电压的高端处产生过激励(或容性)满无功功率的需求限定对于转子电压的最大值，且因此限定对于切入转子速度的最小值。这导致用于切入的rpm非常高，非常高的rpm导致低风速下差的功率系数(cp)。

大多数电网规范指定具有多个风力涡轮的风场的互连点(poi)处的无功功率需求。因此，本公开内容涉及一种可实时预测涡轮端子与poi之间的无功功率和电压降的系统和方法，以允许风力涡轮切入和停留在允许满足对于无功功率关于电网规范在poi处需求的足够裕度的最低转子速度(例如rpm)处。

相应地，本公开内容涉及一种用于操作连接到功率网的风场的系统和方法，该功率网要求无功功率需求随有功功率变化。更特别地，本公开内容的系统和方法包括确定单独风力涡轮将切入且生成有功功率所处的转子速度(例如按rpm)。切入rpm将是风力涡轮连同所有其它已经在线的风力涡轮在切入之后立即将具有满足风场的互连点(poi)处无功功率/电压需求的足够无功功率裕度所处的最小rpm。

在切入之后，低功率输出期间，本公开内容的系统和方法还配置成确保风力涡轮在足以产生满足风场需求的足够无功功率的rpm下操作。本公开内容通过基于无功功率可用性来设定rpm下限以实现该目标。典型地，当风力涡轮产生的功率大于其功率输出的约10%时，旋转速度自然高到足以确保转子电压不再是产生无功功率方面的限制因素。在这点之外，本公开内容可放弃或禁用其控制的这方面。

现在参照图，图1示出风力涡轮10的一个实施例的透视图。如示出的，风力涡轮10大体上包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16，以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转毂20以及联接到毂20且从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在示出的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可围绕毂20间隔，以便于旋转转子18来使动能能够从风转换为可用的机械能且随后转换为电能。例如，如下文将描述的，转子18可以可旋转地联接到发电机120(图2)以用于产生电能。一种或多种风况(诸如风速和/或风向)还可经由位于机舱16上或风力涡轮10附近任何其它合适位置的风传感器24(诸如风速计)来监测。

风功率生成典型地由具有带有相关联的风力涡轮发电机120(图2)的大量(通常为100个或更多个)风力涡轮10的风场提供，其中每个单独的风力涡轮10典型地经历独特的风力。相应地，用于每个单独的风力涡轮发电机120的输出功率可在风场内从一个风力涡轮10变化到另一风力涡轮10。

如大体上理解的，由每个风力涡轮发电机120提供有功功率和无功功率。在一些实施例中，场级控制器基于传输电网的需要(其可由电网操作者指示或基于电网电压来确定)向风力涡轮发电机120提供无功功率命令(qcmd)。对于每个风力涡轮发电机，无功功率要求可相同。在备选的控制方法中，无功功率命令可基于相应风力涡轮发电机120的不同功率生成特性来对风场中的风力涡轮发电机120单独定制。应了解的是，本发明不限于其中对单独的风力涡轮发电机120生成无功功率命令的方式或方法。

现在参照图2，示出根据本公开内容的方面的风力涡轮dfig功率系统100(“风力涡轮系统”)的一个实施例的示意图。虽然本文中将参照图2中示出的系统100来大体上描述本公开内容，本领域普通技术人员(使用本文中提供的公开内容)应理解，本公开内容的方面也可适用于其它功率生成系统中，且如上文提到的，本发明不限于风力涡轮系统。

在图2的实施例中，风力涡轮10(图1)的转子18可以可选地联接到齿轮箱118，齿轮箱118继而联接到发电机120，发电机120可为双馈感应发电机(dfig)。如示出的，dfig120可连接到定子总线154。此外，如示出的，功率转换器162可经由转子总线156连接到dfig120，且经由线路侧总线188连接到定子总线154。因而，定子总线154可从dfig120的定子提供输出多相功率(例如三相功率)，且转子总线156可从dfig120的转子提供输出多相功率(例如三相功率)。功率转换器162还可包括转子侧转换器(rsc)166和线路侧转换器(lsc)168。dfig120经由转子总线156联接到转子侧转换器166。另外，rsc166经由dc链路136联接到lsc168，dc链路电容器138横跨dc链路136。lsc168继而联接到线路侧总线188。

如关于图3将更详细论述的，rsc166和lsc168可配置成用于使用绝缘栅双极晶体管(igbt)开关元件的三相脉宽调制(pwm)布置中的正常操作模式。

另外，功率转换器162可联接到控制器174，以便控制转子侧转换器166和线路侧转换器168的操作。应注意的是，转换器控制器174可配置成功率转换器162与本地风力涡轮控制系统176之间的接口且可包括任何数量的控制装置。在一个实施例中，控制器174可包括执行存储在计算机可读介质中的计算机可读指令的处理装置(例如微型处理器、微型控制器等)。指令在由处理装置执行时可引起处理装置执行操作，包括向功率转换器162的开关元件提供控制命令(例如开关频率命令)。

在典型的配置中，还可包括各种线路接触器和断路器，其包括例如电网断路器182，以用于在连接到负载(诸如电网184)或从负载断开期间隔离对dfig120的正常操作所必需的各种构件。例如，系统断路器178可将系统总线160联接到互感器180，该互感器180可经由电网断路器182联接到电网184。在备选实施例中，保险器可替代断路器中的一些或全部。

在操作中，通过旋转转子18在dfig120处生成的交流电功率经由双路径(其由定子总线154和转子总线156限定)提供至电网184。在转子总线侧156上，正弦多相(例如三相)交流电(ac)功率提供至功率转换器162。转子侧功率转换器166将从转子总线156提供的ac功率转换为直流(dc)功率，且将dc功率提供至dc链路136。如大体上理解的，在转子侧功率转换器166的桥接电路中使用的开关元件(即，igbt)可调制成将从转子总线156提供的ac功率转换为适于dc链路136的dc功率。

另外，lsc168将dc链路136上的dc功率转换为适于电网184的ac输出功率。特别地，在lsc168的桥接电路中使用的开关元件(例如igbt)可调制成将dc链路136上的dc功率转换为线路侧总线188上的ac功率。来自功率转换器162的ac功率可与来自dfig120的定子的功率组合，以提供具有基本保持在电网184的频率(例如50hz或60hz)处的频率的多相功率(例如三相功率)。在某些情况下，如提到的，对于单独的dfig风力涡轮功率系统100，无功功率可主要由rsc166经由发电机120和lsc168供应。

另外，各种断路器和开关(诸如电网断路器182、系统断路器178、定子同步开关158、转换器断路器186和线路接触器172)可包括于风力涡轮功率系统100中，以连接或断开对应的总线，例如，当电流过大且可损坏风力涡轮功率系统100的构件时或出于其它操作考虑。额外的保护构件也可包括于风力涡轮功率系统100中。

而且，功率转换器162可经由转换器控制器174从例如本地控制系统176(本文中也称为涡轮控制器)接收控制信号。控制信号尤其可基于风力涡轮功率系统100的感测状态或操作特性。典型地，控制信号提供用于控制功率转换器162的操作。例如，呈dfig120的感测速度形式的反馈可用来控制来自转子总线156的输出功率的转换，以保持合适且平衡的多相(例如三相)功率供应。来自其它传感器的其它反馈也可由控制器174或控制系统176用来控制功率转换器162，包括例如定子和转子总线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可生成开关控制信号(例如用于igbt的栅定时命令)、定子同步控制信号和断路器信号。

功率转换器162还补偿或调整来自转子的三相功率的频率，以用于例如毂20和叶片22处的风速上的改变。因此，机械和电气转子频率去耦，且便于电气定子和转子频率匹配，基本独立于机械转子速度。

在一些状态下，功率转换器162的双向特性(且特别是lsc168和rsc166的双向特性)便于使生成的电功率中的至少一些反馈到发电机转子120中。更特别地，电功率可从定子总线154传输到线路侧总线188，且随后通过线路接触器172且进入功率转换器162，特别是lsc168，lsc168用作整流器且将正弦三相ac功率整流成dc功率。dc功率传输到dc链路136中。电容器138通过便于减轻dc波纹(有时与三相ac整流相关联)以便于减轻dc链路电压幅度变化。

dc功率随后传输到rsc166，rsc166通过调整电压、电流和频率将dc电功率转换成三相正弦ac电功率。该转换经由转换器控制器174监测和控制。转换的ac功率经由转子总线156从rsc166传输到发电机转子。以该方式，通过控制转子电流和电压以便于发电机无功功率控制。

现在参照图3，示出根据本公开内容的方面的图2中示出的功率转换器162的一个实施例的详细示意图。如示出的，rsc166包括多个桥接电路(例如h桥电路)，其中输入到转子侧转换器166的转子总线156的每个相联接到单个桥接电路。另外，lsc168还可包括多个桥接电路。类似于转子侧转换器166，线路侧转换器168还包括用于线路侧转换器168的每个输出相的单个桥接电路。在其它实施例中，在不脱离本公开内容的范围的情况下，线路侧转换器168、转子侧转换器166或者线路侧转换器168和转子侧转换器166两者可包括并联桥接电路。

每个桥接电路大体上可包括彼此串联联接的多个开关元件(例如igbt)。例如，如图3中示出的，每个桥接电路包括上igbt(例如igbt212)和下igbt(例如igbt214)。另外，二极管可与igbt中的每个并联联接。在备选实施例中，并联的igbt和二极管可用来增加转换器的电流额定值。如大体上理解的，线路侧转换器168和转子侧转换器166可例如通过使用合适的驱动器电路向igbt的栅提供控制命令来控制。例如，转换器控制器174可向桥接电路的igbt的栅提供合适的栅定时命令。控制命令可控制igbt的开关频率以提供期望的输出。应由本领域普通技术人员了解的是，作为对igbt的备选，功率转换器162可包括任何其它合适的开关元件。

大体上参照图4，示出具有与传输电网184(本文中也称为功率网)联接的多个风力涡轮系统100的风场175的框图。例如，如示出的，每个风力涡轮系统100可包括响应于所控制的风力涡轮发电机的状态的本地涡轮控制器176。在一个实施例中，本地控制器176仅感测端子电压和电流(经由电位和电流互感器)，该电压和电流由本地控制器176用来提供适当的响应以引起风力涡轮发电机120提供期望的无功功率或功率因素和电压。

每个风力涡轮系统100可通过发电机连接互感器180联接到收集器总线183，以向收集器总线183提供有功功率和无功功率(分别标记为pwg和qwg)。发电机连接互感器和收集器总线在本领域中是已知的。

风场175经由风场主互感器179提供场级有功功率和无功功率输出(分别标记为pwf和qwf)。场级控制器190感测风场输出以及在与电网184的公共联接点181(本文中也称为互连点)处的电压，以提供场级无功功率命令(场级q_cmd)。

生成本地无功功率命令(操作者q_cmd)且将该命令传输到风场175中的每个单独的风力涡轮系统100。在一个实施例中，放置在风场175上的总无功功率要求(qwf)可在风力涡轮系统100之间基本相等地划分，使得本地操作者q_cmd命令对于所有风力涡轮系统100是相同的。在备选实施例中，本地操作者q_cmd命令可基于关于该风力涡轮发电机120的可用无功功率值。例如，提供相对较多有功功率(pwg)的单独风力涡轮发电机120可接收相对较小的个性化操作者q_cmd命令，且提供相对较少有功功率pwg的单独风力涡轮发电机120可接收相对较大的个性化操作者q_cmd命令。这减小提供相对较多有功功率的单独风力涡轮发电机120的缩减，因此相对于增加的场级无功功率命令(qwf)增加由风场175产生的有功功率(pwf)。

应了解的是，转换器控制器174、本地风力涡轮控制器176和场级控制器190可各自对应于任何合适的计算装置和/或计算装置的任何组合。例如，控制器可包括一个或多个处理器以及配置成执行多种计算机实施的功能的相关联的存储器装置。如本文中使用的，用语“处理器”不仅指本领域中被认为是包括于计算机中的集成电路，而且指控制器、微型控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(plc)、专用集成电路和其它可编程电路。另外，存储器装置大体上可包括存储器元件，其包括但不限于：计算机可读介质(例如，随机存取存储器(ram))、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、光盘-只读存储器(cd-rom)、磁光盘(mod)、数字多功能盘(dvd)和/或其它合适的存储器元件。此类存储器装置大体上可配置成存储合适的计算机可读指令，该计算机可读指令在由处理器实施时使控制器配置成执行各种功能，诸如本文中公开的步骤。

现在参照图5，示出根据本公开内容的方面的用于操作连接到功率网的风场的方法300的实施例的流程图，该功率网要求无功功率需求随有功功率变化。大体上，方法300在本文中描述为使用例如上文描述的风力涡轮功率系统100来实施。然而，应了解的是，所公开的方法300可使用配置成供应功率(包括无功功率)以用于施加到负载(诸如功率网)的任何其它合适的风功率生成系统来实施。另外，虽然图5出于说明和论述的目的来描绘以特定顺序执行的步骤，本文中描述的方法不限于任何特定的顺序或布置。本领域技术人员(使用本文中提供的公开内容)将了解，方法的各种步骤可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或调节。

如(302)处示出的，方法300包括监测在风场175中的多个风力涡轮中的每个处的风速。如(304)处示出的，方法300包括确定风速是否在切入风速范围内。更特别地，在实施例中，切入风速范围可包括最多达约5米/秒(m/s)的风速。然而，大体上，切入风速或切入风速范围大体上是指允许风力涡轮开始生成有功功率的风速。

如果风速在切入风速范围内，如(306)处示出的，方法300包括经由例如风场175的场级控制器190基于对应于风速的有功功率输出下的无功功率需求和在该风速下多个风力涡轮中每个的无功功率可用性来确定风场175的无功功率裕度。

因此，如(308)处示出的，方法300包括经由场级控制器190确定满足无功功率裕度的对于多个风力涡轮中每个的可能的最低切入转子速度。在一个实施例中，例如，场级控制器190可通过确定无功功率需求与多个风力涡轮中的每个的无功功率可用性的总和之间的差以及基于该差确定对于多个风力涡轮中每个的可能的最低切入转子速度来确定可能的最低切入转子速度。更特别地，在一个实施例中，场级控制器190可配置成实时监测无功功率需求与无功功率可用性之间的差。

在另一实施例中，场级控制器190可将不同切入风速下多个风力涡轮中每个的无功功率可用性存储在场级控制器190中。在备选实施例中，场级控制器190可从多个风力涡轮中的每个实时动态地接收多个风力涡轮中的每个的无功功率可用性。

仍参照图5，如(310)处示出的，方法300还包括经由场级控制器命令多个风力涡轮中的每个切入且开始以满足无功功率裕度的可能的最低切入转子速度来产生功率。在一个实施例中，场级控制器190还可实时命令风力涡轮以根据需要来改变它们的转子速度(rpm)。

大体上，如果风速在切入风速范围之后继续增加(且因此对于风场175的有功功率输出增加到超过额定功率的约10%)，预期风力涡轮的转子速度自然增加到其中转子电压不再是极限的点。因此，在这点之外，场级控制器190可放弃控制的这方面，且允许风场175的风力涡轮遵循其标准功率-速度曲线。

现在参照图6，示出根据本公开内容的方面的用于使风场175的互连点181处的无功功率需求与涡轮端子处的无功功率可用性匹配的方法400的实施例的流程图。用于使互连点处的无功功率需求与涡轮端子处的无功功率可用性匹配的常规途径将是通过收集器系统的等效电路将无功功率可用性从涡轮端子数学地转换到互连点。然而，实际上，难以获得收集器系统的等效电路。因此，图6的方法400提供“训练和学习”途径。

大体上，方法400在本文中描述为使用例如上文描述的风力涡轮功率系统100来实施。然而，应了解的是，所公开的方法400可使用配置成供应功率(包括无功功率)以用于施加到负载(诸如功率网)的任何其它合适的功率生成系统来实施。另外，虽然图6出于说明和论述的目的来描绘以特定顺序执行的步骤，本文中描述的方法不限于任何特定的顺序或布置。本领域技术人员(使用本文中提供的公开内容)将了解，方法的各种步骤可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或调节。

如(402)处示出的，在风场175的训练或试运行(commission)期期间，方法400可包括经由场级控制器190在低的风速范围内在不同的无功功率和电压设定点下操作风场175。如(404)处示出的，在风场175的操作期间，方法400可包括经由场级控制器190确定或记录多个风力涡轮中的每个的端子与风场175的互连点181之间的电压降和无功功率上的改变(例如损耗或增益)。

此外，如(406)处示出的，方法400可包括经由场级控制器190将多个风力涡轮中的每个的端子与风场175的互连点181之间的电压降和无功功率上的改变转换成可与风场175的收集器系统的等效电路(即系统中相同的点)相比的量。换句话说，如(408)处示出的，方法400可包括经由场级控制器190使该量与风场175的收集器系统的等效电路匹配。

在备选实施例中，可对场级控制器190编程以用相对有限的训练量来计算风场175的收集器系统的等效电路的参数。

在备选实施例中，如图7中示出的，示出根据本公开内容的方面的用于使风场175的互连点181处的无功功率需求与涡轮端子处的无功功率可用性匹配的方法450的另一实施例的流程图。大体上，方法450在本文中描述为使用例如上文描述的风力涡轮功率系统100来实施。然而，应了解的是，所公开的方法450可使用配置成供应功率(包括无功功率)以用于施加到负载(诸如功率网)的任何其它合适的功率生成系统来实施。另外，虽然图7出于说明和论述的目的来描绘以特定顺序执行的步骤，本文中描述的方法不限于任何特定的顺序或布置。本领域技术人员(使用本文中提供的公开内容)将了解，方法的各种步骤可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或调节。

如(452)处示出的，在风场175的训练或试运行期期间，方法450可包括经由场级控制器190在低的风速范围内在不同的无功功率和电压设定点下操作风场175。如(454)处示出的，在风场175的操作期间，方法450可包括经由场级控制器190确定或记录多个风力涡轮中的每个的端子与风场175的互连点181之间的电压降和无功功率上的改变(例如损耗或增益)。

此外，如(456)处示出的，场级控制器190可产生对于风场175的不同操作条件(例如对于p、q和v操作点的范围)的δv(vpoi-vterm)和δq(qpoi-qterm)的查找表。而且，如(458)处示出的，场级控制器190然后可直接使用δv和δq值的查找表来将poi量转换成对于操作点的涡轮量(例如不必将它拟合(fit)到收集器系统的r、x和b参数中)。

现在参照图8，示出根据本公开内容的方面的用于操作连接到功率网的风场的方法500的另一实施例的流程图，该功率网要求无功功率需求随有功功率变化。大体上，方法500在本文中描述为使用例如上文描述的风力涡轮功率系统100来实施。然而，应了解的是，所公开的方法500可使用配置成供应功率(包括无功功率)以用于施加到负载(诸如功率网)的任何其它合适的风功率生成系统来实施。另外，虽然图8出于说明和论述的目的来描绘以特定顺序执行的步骤，本文中描述的方法不限于任何特定的顺序或布置。本领域技术人员(使用本文中提供的公开内容)将了解，方法的各种步骤可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或调节。

如(502)处示出的，方法500开始。如(504)处示出的，方法500包括监测风场175的有功功率输出，以及将有功功率输出与功率阈值(例如plim)比较。例如，在一个实施例中，功率阈值可等于或低于额定功率的10%，额定功率的10%大体上是阈值，高于该阈值，转子电压是非限制性的。

如(530)和(532)处示出的，如果风场175的有功功率输出高于功率阈值，场级控制器190可放弃对本公开内容的速度管理算法的控制，且算法结束。换句话说，如果风场175的有功功率输出高于功率阈值，场级控制器190可禁止风力涡轮以可能的最低切入转子速度切入。在此类实施例中，当有功功率输出增加到超过功率阈值时，场级控制器190可包括根据一个或多个标准功率曲线来操作风场175的单独风力涡轮。

然而，当有功功率输出等于或低于功率阈值时，如(506)处示出的，方法500包括计算互连点181处的风场175的无功功率需求q。此外，如(508)处示出的，(506)处的计算可基于有功功率输出和由功率网指定的有功功率-无功功率(p-q)曲线。如(510)处示出的，方法500还可包括基于涡轮可用性和bop(辅助车间)损耗来计算在风场175的互连点181处的无功功率可用性。更特别地，如(512)处示出的，(510)处的计算可使用对于每个速度(rpm)的涡轮q可用性(例如，在从最小切入速度(rpm)到转子电压不再限制无功功率可用性所处的rpm的速度范围内每个风力涡轮的最大过激励无功功率可用性)的数据库来完成。备选地或另外，如(514)处示出的，(510)处的计算可使用所学习的δq和δv(即，无功功率上的增益/损耗和/或电压降)的数据库来完成。更特别地，在实施例中，在风场175的试运行期间，场级控制器190可通过成组的q和v值在低功率下运行(这允许场级控制器190学习如何解决bop损耗)且将涡轮端子量转换成poi量。

仍参照图8，如(516)处示出的，方法500包括比较无功功率可用性和无功功率需求，以便确定可用的无功功率是否大于无功功率需求。如果不是，如(518)处示出的，场级控制器190可引导所有风力涡轮通过逐步增加(例如增加约15%)来增加它们的速度，且然后在(504)处，方法500将重新开始。备选地，如果可用的无功功率大于无功功率需求，如(520)处示出的，方法500配置成确定其中风速高于切入风速阈值的风场175中的所有风力涡轮是否开始生成功率。如果不是，如(522)示出的，方法500包括允许下一风力涡轮(或者一个或多个风力涡轮)以可能的最低切入速度切入，且然后在(504)处重新开始。

备选地，如果其中风速高于切入风速阈值的风场175中的所有风力涡轮开始生成功率，如(524)处示出的，方法500配置成确定风力涡轮中的任一个的功率系数(cp)是否将随速度上的逐步降低(例如约1%)而提高。更特别地，如(526)处示出的，场级控制器190可基于使涡轮速度与它们相应的功率系数相关的查找表来确定风力涡轮中的任一个的cp是否将随速度上的逐步降低而提高。

如果如(528)处示出的，风力涡轮中的任一个的cp将随速度上的逐步降低而提高，然后方法500配置成引导或命令那些风力涡轮通过逐步降低来减小它们的速度(rpm)。然后，方法500在(504)处重新开始。

本发明的各个方面和实施例由以下编号的条款来限定：

条款1.一种用于操作连接到功率网的风场的方法，该功率网要求无功功率需求随有功功率变化，该风场具有多个风力涡轮，该多个风力涡轮各自包括联接到功率转换器的发电机，该方法包括：

监测在风场中的多个风力涡轮中的每个处的风速；

当风速在切入风速范围内时，

经由风场的控制器基于对应于风速的有功功率输出下的无功功率需求和在该风速下多个风力涡轮中每个的无功功率可用性来确定风场的无功功率裕度；

经由控制器确定满足无功功率裕度的对于多个风力涡轮中每个的可能的最低切入转子速度；以及

经由控制器命令多个风力涡轮中的每个切入且开始以满足无功功率裕度的可能的最低切入转子速度来产生功率。

条款2.根据条款1所述的方法，其中切入风速范围包括最多达约5米/秒(m/s)的风速。

条款3.根据条款1或2所述的方法，其中经由风场的控制器基于对应于风速的有功功率输出下的无功功率需求和在该风速下多个风力涡轮中每个的无功功率可用性来确定风场的无功功率裕度还包括：

确定无功功率需求与多个风力涡轮中的每个的无功功率可用性的总和之间的差；以及

基于该差来确定对于多个风力涡轮中每个的可能的最低切入转子速度。

条款4.根据条款3所述的方法，还包括将不同切入风速下多个风力涡轮中每个的无功功率可用性存储在控制器中。

条款5.根据条款3所述的方法，还包括经由多个风力涡轮中的每个将不同切入风速下多个风力涡轮中每个的无功功率可用性实时动态地发送到控制器。

条款6.根据前述条款中任一项所述的方法，还包括实时确定满足无功功率裕度的对于多个风力涡轮中每个的可能的最低切入转子速度。

条款7.根据条款1所述的方法，还包括：当有功功率值增加到超过额定功率的约10%时，根据它相应的标准功率-速度曲线来操作风场中的多个风力涡轮中的每个。

条款8.根据前述条款中任一项所述的方法，还包括：

在风场的训练期期间，

经由控制器在不同的无功功率设定点和电压设定点下操作风场；

经由控制器确定多个风力涡轮中的每个的端子与风场的互连点之间的电压降和无功功率上的改变；

经由控制器将多个风力涡轮中的每个的端子与风场的互连点之间的电压降和无功功率上的改变转换成可与风场的收集器系统的等效电路相比的量；以及

经由控制器使该量与风场的收集器系统的等效电路匹配。

条款9.根据前述条款中任一项所述的方法，还包括：

在风场的训练期期间，

经由控制器计算多个风力涡轮中的每个的端子与风场的互连点之间的电压降和无功功率上改变的量；

经由控制器使该量与风场的收集器系统的等效电路匹配。

条款10.根据前述条款中任一项所述的方法，还包括：

在风场的训练期期间，

在控制器中，将多个风力涡轮中的每个的端子与风场的互连点之间的电压降和无功功率上改变的量存储在查找表中；以及

经由控制器使该量与风场的收集器系统的等效电路匹配。

条款11.根据前述条款中任一项所述的方法，其中发电机包括双馈感应发电机(dfig)。

条款12.一种连接到功率网的风场，该风场包括：

多个风力涡轮，该多个风力涡轮各自包括联接到功率转换器和涡轮控制器的发电机；以及

控制器，该控制器通信地联接到涡轮控制器，该控制器配置成用于执行多个操作，包括：

监测风场的有功功率输出；

当有功功率输出等于或低于功率阈值时，

根据功率输出和由功率网指定的有功功率-无功功率(p-q)曲线，计算风场的无功功率需求；

计算风场的互连点处的无功功率可用性；

比较无功功率可用性和无功功率需求；以及

当无功功率可用性大于无功功率需求时，允许风场的多个风力涡轮中的一个或多个切入且开始以可能的最低切入转子速度来产生功率。

条款13.根据条款12所述的风场，其中多个操作还包括：确定其中风速高于切入风速的多个风力涡轮中的所有风力涡轮是否切入，且如果是这样，确定多个风力涡轮中任何一个的功率系数是否将随转子速度上的逐步降低而提高。

条款14.根据条款13所述的风场，其中如果多个风力涡轮中任何一个的功率系数将随转子速度上的逐步降低而提高，多个操作还包括命令那些风力涡轮降低它们的速度。

条款15.根据条款12、13或14所述的风场，其中多个操作还包括确定其中风速高于切入风速的多个风力涡轮中的所有风力涡轮是否切入，且如果不是，允许来自多个风力涡轮的至少一个额外的风力涡轮以可能的最低切入转子速度切入。

条款16.根据条款12、13、14或15所述的风场，其中功率阈值等于或低于额定功率的10%。

条款17.根据条款16所述的风场，其中当有功功率输出增加到超过功率阈值时，多个操作还包括根据其相应的标准功率-速度曲线来操作风场中的多个风力涡轮中的每个。

条款18.根据条款12、13、14、15、16或17所述的风场，其中计算风场的互连点处的无功功率可用性还包括将不同切入风速下多个风力涡轮中每个的无功功率可用性存储在控制器中，以及基于所存储的不同切入风速下多个风力涡轮的无功功率可用性来计算风场的互连点处的无功功率可用性。

条款19.根据条款12、13、14、15、16、17或18所述的风场，其中计算风场的互连点处的无功功率可用性还包括经由多个风力涡轮中的每个将多个风力涡轮中的每个的无功功率可用性实时动态地发送到控制器，以及基于所计算的不同切入风速下多个风力涡轮的无功功率可用性来计算风场的互连点处的无功功率可用性。

条款20.根据条款12、13、14、15、16、17、18或19所述的风场，其中多个操作还包括：

在风场的训练期期间，

提供多个风力涡轮中的每个的端子与风场的互连点之间的电压降和无功功率上改变的量；

经由控制器使该量与风场的收集器系统的等效电路匹配。

该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括带有与权利要求书的字面语言非实质性差异的等效结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。