风电场中的监测和控制的制作方法

本发明涉及一种控制在风电场的一个或多个功率线缆上传输的电功率的方法。本发明进一步涉及用于执行这样的方法的计算机程序和被配置成实行这样的方法的控制系统。本发明进一步涉及包括这样的控制系统的风电场。

背景技术：

1、在过去的几十年里，风电场、特别是海上风电场的数量已经稳步上升。风电场需要定期观察和维护努力。在海上风电场的情况下，观察和维护努力包括定期线缆调查，以检查与风电场相关联的功率线缆的状况。当线缆调查的结果要求时，执行维护操作，例如维修。尽管如此，当今风电场的功率线缆常常仅在运行几年后就发生故障。故障可能是例如由于腐蚀或过热导致的。在一些情况下，在风电场的使用寿命期间，风电场的全部线缆中的多达30％必须被更换。然而，更换有故障线缆需要高的制造和实现努力。与之相关联的货币投入(monetary effort)可以用数百万欧元来量化。另外，耦合到有故障线缆的风电场的风力涡轮机与电网断连，并且因此不能够将它们生成的功率馈送到电网中。为了抵消线缆故障的高风险，当今风电场的功率线缆常常尺寸过大(over dimensioned)。然而，功率线缆的尺寸过大必然导致更高的制造和资源成本以及实现努力。文档us2020/132049 a1涉及一种风能系统，该风能系统包括连接到至少一个线缆网络的多个风力涡轮机，风力涡轮机的电功率在所述线缆网络上传输。该系统的至少一个控制装置通过提供至少一个功率设定点来控制由风力涡轮机中的至少一个馈送到线缆网络中的功率。该控制装置包括至少一个控制设备，所述控制设备基于线缆网络的所检测温度和风能系统的所检测状况来确定功率设定点。

技术实现思路

1、因此，存在对于减轻上述缺点中的至少一些并且减少风电场中的功率线缆的故障数量的需要。

2、该需要由独立权利要求的特征来满足。从属权利要求描述了本发明的实施例。

3、根据本发明的实施例，提供了一种控制在风电场的一个或多个功率线缆上传输的电功率的方法。一个或多个功率线缆中的每一个被配置成传输由风电场中包括的一个或多个风力涡轮机生成的电功率。该方法包括：针对一个或多个功率线缆中的至少一个功率线缆，监测指示作用在功率线缆上的应力的一个或多个应力参数，以生成所监测的应力参数；至少基于所监测的应力参数，确定是否需要减小功率线缆上的应力；以及当需要减小时，减小在功率线缆上传输的电功率以减小作用在功率线缆上的应力。

4、优选地，该方法包括确定功率线缆的(完全)故障是否被预期，其中该确定至少基于所监测的应力参数。

5、确定故障是否被预期可以包括使用所监测的应力参数来预测或估计故障的发生，例如通过利用模型。

6、确定是否需要减小功率线缆上的应力可以特别是确定是否需要减小功率线缆上的应力以便避免功率线缆的预期故障。

7、这样的方法可以允许在线缆完全故障之前检测由于作用在线缆上的应力所致的线缆故障的潜在风险，并且进一步响应于该检测及时做出反应。作为响应，减小了作用在功率线缆上的应力，并且避免了线缆上的长期应力。例如，减小电功率减少了进一步的应力作用在其上的功率线缆的发热，并且因此降低了线缆过热的风险。这样，对预期线缆故障及时做出反应，并且在故障发生之前应用预防措施，并且因此避免/防止预期故障。因此，避免了完全线缆故障，并且减少了风电场中的完全线缆故障的数量。另外，可以延长线缆的寿命。此外，风力涡轮机没有与电网断连，并且继续向电网馈送功率。因此，可以增加单个风力涡轮机的平均正常运行时间以及它们被包括在其中的风电场的平均功率输出。附加地，对易发生故障的功率线缆的及时检测允许应用高效且预测性的维护，即及时维护。

8、监测可以例如基于但不限于传感器、传感(sensoring)系统、以软件实现的模型以及基于滤波器的监测系统中的至少一个来执行，基于滤波器的监测系统可以例如是状态观测器、卡尔曼滤波器等。监测可以进一步包括信号预处理和后处理，例如滤波。另外，监测可以利用从硬件(例如传感器)获得的信息，该硬件被实现用于监测的目的，和/或监测可以利用从其他硬件获得的信息，所述其他硬件被实现用于另一目的。监测可以进一步包括基于所获得的信息的估计和预测。

9、监测可以由风电场中包括的监测单元集中(centrally)执行，或者由多个监测单元分散(decentrally)执行，每个监测单元与风电场中包括的多个风力涡轮机之一相关联。

10、应力可以是与功率线缆的状况相关的影响因素，即，该影响因素与功率线缆的健康状态相关。更具体地，应力可能对功率线缆的状况具有负面影响/可能加重功率线缆的负担。应力可能特别地导致功率线缆的故障。示例可以是热应力，例如由于高温所致。另一示例可以是机械应力，例如由于功率线缆的弯曲或由于作用在功率线缆上的机械负载所致。

11、所监测的应力参数可以包括一个或多个应力参数，并且因此可以被实现以便表示多个应力参数。多个应力参数可以具有不同的类型。

12、应当清楚的是，本文中描述的每个方法步骤可以由一个或多个风力涡轮机中的每一个在风力涡轮机级别上分散执行，或者在更高的层次级别上集中执行，例如由风电场级别上的风电场服务器执行。

13、风电场可以以非限制性的方式是海上风电场。

14、在一实施例中，该方法可以包括控制风电场的一个或多个组件，使得在功率线缆上传输的电功率减小。这样的组件的示例可以是风电场中包括的风力涡轮机，风力涡轮机例如被控制以减小它们在功率线缆上生成的功率输出。组件的另一示例是开关，开关例如是可控制的，以将风电场中的功率流重新路由，使得在功率线缆上传输的功率减小。

15、在一实施例中，减小的步骤可以包括将电功率重新路由或重定向，使得电功率至少部分地绕过至少一个功率线缆。

16、应当清楚的是，重新路由或重定向在至少一个功率线缆发生故障之前执行。

17、在一实施例中，仅当需要减小时，才执行减小在功率线缆上传输的电功率以减小作用在功率线缆上的应力的步骤。

18、根据一实施例，功率线缆是输出线缆、阵列间线缆或场内线缆。

19、阵列间线缆可以互连风电场中包括的多个风力涡轮机或个体风力涡轮机。互连的风力涡轮机可以被互连，以便以一种结构来布置，例如环形结构、并联结构和/或串联结构或其组合。串联结构可以包括5至10个数量的风力涡轮机。然而，应当清楚的是，偏离数量的风力涡轮机也是可能的。以一种结构的风力涡轮机的其他类型的布置也可能是可能的。阵列间线缆可以传输从一个或多个风力涡轮机生成的电功率。电功率可以朝向海上变电站被传输。

20、场内线缆可以将海上变电站附近的风力涡轮机互连。

21、输出线缆可以将由风电场的一个或多个风力涡轮机生成的电功率从海上区域传输到岸上区域。输出线缆可以传输从一个或多个风力涡轮机和/或一个或多个阵列间线缆传输的电功率。输出线缆可以将电功率从海上变电站传输到岸上变电站。

22、根据一实施例，一个或多个应力参数包括指示功率线缆上的热应力的至少一个参数和/或指示功率线缆上的机械应力的至少一个参数。

23、热应力可能是由于功率线缆的高温所致的。例如，高温可能是由风力涡轮机生成的电功率以及在持续强风的较长时段期间沿着功率线缆传输的电功率的结果。电功率沿着功率线缆传输中的损耗可能会使功率线缆变热。功率线缆上的机械应力可能是暴露的功率线缆的结果，即线缆从其附接件或其固定件或其安装件脱离。因此，可能发生功率线缆的运动和/或弯曲，其结果是作用在功率线缆上的机械应力。另外，作为海底移动、侵蚀或甚至地震活动的结果，机械力(例如摩擦力)可能作用在功率线缆上。机械应力可以起作用以支持热应力，使得功率线缆可以更快地变热，或者使得热点出现在功率线缆的特定部分处。因此，机械应力可能增加由于热应力(即过热)所致的故障的风险。

24、根据一实施例，一个或多个应力参数包括指示功率线缆的弯曲半径、功率线缆的运动、以及功率线缆的温度中的至少一个的参数。

25、监测温度例如允许及时检测可能导致线缆故障的已发生或正在发生的热热点。另外，对功率线缆的弯曲半径的监测和/或对功率线缆的运动的监测允许检测功率线缆被暴露，即脱离，并且可能受到机械应力。

26、在一实施例中，功率线缆至少包括具有第一直径的第一部分和具有第二直径的第二部分。第二直径大于第一直径。另外，确定是否需要减小功率线缆上的应力是以第一频率针对第一部分和以第二频率针对第二部分来执行的，并且第一频率大于第二频率。

27、在一实施例中，功率线缆至少包括第一部分和第二部分，由第一多个风力涡轮机输出的功率在第一部分上传输，以及由第二多个风力涡轮机输出的功率在第二部分上传输。第一多个大于第二多个。另外，确定是否需要减小功率线缆上的应力是以第一频率针对第一部分和以第二频率针对第二部分执行的，并且第一频率大于第二频率。

28、确定步骤中的这样的直径依赖性允许对功率线缆的可能潜在地承受更高应力的这样的部分进行更强的监测。

29、根据一实施例，减小在功率线缆上传输的电功率包括控制一个或多个风力涡轮机——由所述一个或多个风力涡轮机生成的功率在功率线缆上传输——以便减小它们的功率输出。优选地，减小它们的功率输出，以便维持或降低功率线缆中的温度。

30、风电场的其他风力涡轮机可以保持不改变并且继续它们的操作。被缩减的(功率减小的)风力涡轮机可以尽可能快地返回到完全操作。

31、减小易发生故障的功率线缆上的功率维持或降低了功率线缆中的温度。因此，可以控制风力涡轮机以便避免功率线缆的故障。如果检测到作用在功率线缆上的机械应力，则可以在减少的功率生产期间应用维护，以便解决造成机械应力的问题，例如，可以重新附接暴露的线缆(例如，通过再次将其埋在海底的碎石材料中)和/或可以修复受损的线缆。

32、在一实施例中，在功率线缆上传输的电功率减小，并且该方法进一步包括确定作用在功率线缆上的应力是否减小，并且当应力减小时，逆转在功率线缆上传输的电功率的减小。在另一实施例中，该逆转响应于其他状况或者在预定时间段之后执行。

33、这样做，确保了风电场的应力以及相应地功率输出仅在所需的时间段内减小。

34、根据一实施例，对一个或多个风力涡轮机的所述控制包括缩减一个或多个风力涡轮机中的至少一个风力涡轮机的电功率输出，由所述一个或多个风力涡轮机生成的功率在功率线缆上传输。优选地，选择所述至少一个风力涡轮机，以便最低程度地减小风电场的总功率生产，或者使得当选择由一个或多个风力涡轮机所包括的至少一个另外的风力涡轮机时，总功率生产小于当选择所述至少一个风力涡轮机时的总功率生产。

35、可能并不始终需要缩减耦合到功率线缆的所有风力涡轮机，以便减小在功率线缆的特定部分上传输的电功率。仅选择相关的风力涡轮机则允许可以避免功率线缆故障，并且减少由于所述缩减所致的风电场的功率生产损失。

36、在一实施例中，一个或多个风力涡轮机串联地耦合，包括第一风力涡轮机和第二风力涡轮机，并且功率线缆包括第一部分和第二部分，第一部分从与第一风力涡轮机相关联的第一耦合点开始，第二部分从与第二风力涡轮机相关联的第二耦合点开始。并且，第一部分传输由第一风力涡轮机生成的电功率，并且第二部分传输由第一风力涡轮机和第二风力涡轮机两者生成的电功率。该方法包括：确定仅在第一部分中需要减小功率线缆上的应力，并且控制第一风力涡轮机以便减小在功率线缆上传输的电功率。优选地，对第一风力涡轮机的所述控制包括缩减第一风力涡轮机的电功率输出。

37、这样做，第二涡轮机可以继续在全功率上操作，并且因此，可以减少风电场的所述功率生产损失。

38、在一实施例中，功率线缆包括多个部分，并且该方法进一步包括定位需要减小应力的功率线缆的部分。

39、在特殊实施例中，减小在功率线缆上传输的电功率包括控制风电场中的电功率的功率流，使得在功率线缆上传输的电功率的至少一部分绕过功率线缆。

40、当一个或多个风力涡轮机在允许沿着多个功率流路径引导所生成的电功率的布置中互连时，受到应力的功率线缆可以被绕过。因此，风力涡轮机可以继续它们的操作(直到全功率)，并且仍然避免了功率线缆的故障。功率流的这样的引导可以例如通过根据环形结构或根据并联结构的风力涡轮机的布置以及可控制的开关来实现，以激活/停用部分，并且因此激活/停用该结构中的功率流路径。

41、根据一实施例，功率线缆包括至少一个光纤线缆，并且对一个或多个应力参数的监测包括应用利用至少一个光纤线缆的光学测量方法。

42、优选地，光学测量方法可以基于分布式温度感测和/或光学时域反射计。

43、在一实施例中，监测应力参数包括监测与作用在功率线缆上的应力和/或功率线缆的预期故障相关的至少一个参数，并且确定是否需要减小应力的步骤附加地或替代地基于至少一个相关参数。

44、在一实施例中，监测应力参数包括监测至少模型输入参数，并且该方法进一步包括基于至少一个模型输入参数和模型来导出至少模型输出参数，并且其中至少一个模型输出参数与作用在功率线缆上的应力以及功率线缆的预期故障中的至少一个相关和/或近似和/或估计作用在功率线缆上的应力以及功率线缆的预期故障中的至少一个，并且确定是否需要减小应力附加地或替代地基于至少一个模型输出参数。该模型可以根据系统理论和/或人工智能领域中已知的技术在软件中建模。模型输出可以包括预测性信息和/或实际信息。该模型可以例如是表示功率线缆上的应力的影响的仿真，或者是功率线缆的完全故障何时被预期的预测。

45、根据一实施例，该方法包括获得对功率线缆上的应力具有影响的环境参数和/或操作参数的预测，并且使确定是否需要减小应力基于该预测。

46、确定是否需要减小应力的步骤可以附加地或替代地基于该预测。

47、获得该预测可以例如包括监测该预测和/或从另一参数导出该预测。获得还可以包括例如从数据源，例如服务器或任何种类的数据载体等接收所需的信息。数据源可以是外部的或者包括在风电场中。作为示例，功率线缆的疲劳可以基于功率线缆的所监测运动来预测。这样的预测可以从包括气象数据(例如来自天气预报的天气数据)的信息和/或包括水状况数据(例如水中的流)的信息导出。这样的信息可以从外部服务器来接收和/或借助于一个或多个相应的监测单元(例如风电场中包括的传感器)来监测。

48、根据一实施例，该预测包括在功率线缆上传输的电功率的预测，和/或该预测包括对功率线缆上的应力具有影响的预测。

49、根据一实施例，获得在功率线缆上传输的电功率的预测包括获得气象数据，以及从气象数据导出由一个或多个风力涡轮机生成的功率的预测，由所述一个或多个风力涡轮机生成的功率在功率线缆上传输。并且，替代地或附加地，获得对功率线缆上的应力具有影响的预测包括获得水状况数据，并且从水状况数据导出功率线缆能够在没有故障或没有故障风险的情况下传输的功率的预测。替代地或附加地，可以从水状况数据导出功率线缆能够在不离开预定范围(例如温度范围)的情况下传输的功率的预测。

50、气象数据可以例如包括指示风速、风向、气温、湿度、能见度、气压和云底的参数。气象数据可以附加地或替代地包括天气预报。气象数据可以至少部分地在风电场中被监测，例如通过借助于相应的监测单元进行传感。如上所述，气象数据可以进一步至少部分地从外部数据源来接收。

51、利用气象数据、天气数据、水状况数据及其预测允许确定是否需要减小在功率线缆上传输的电功率，并且响应于此来减小作用在功率线缆上的应力。例如，预期强风不会继续的预测可以允许确定不需要减小电功率。当预期风强度自然减小时，预期相应的风力涡轮机生成更少的功率，并且因此，相应地，可以预期在功率线缆上传输更少的功率。在功率线缆上传输的更少功率时段期间，功率线缆冷却下来，并且其上的热应力减小，而不缩减任何风力涡轮机。类似地，并且作为另一示例，低水温可以指示或预测功率线缆的自然冷却，并且可以考虑温度来确定不需要减小由风力涡轮机生成的功率。换句话说，在功率线缆上传输的电功率/作用在功率线缆上的应力可以(仅)当预期在没有减小的情况下功率线缆以所确定的概率发生故障或将要发生故障或者发生故障/将要发生故障时被减小。

52、这样的预测可以进一步增加风电场的总功率生产，并且并行地减少风电场中的线缆故障。

53、根据一实施例，确定是否需要减小功率线缆上的应力包括获得与所监测的应力参数相关联的阈值，并且确定所监测的应力参数是否超过预定阈值。

54、这样的阈值可以从经验或历史数据导出。

55、因此，这样的确定可能不需要很大的计算努力，并且可以仍然是精确的。

56、根据一实施例，一个或多个应力参数在沿着功率线缆分布的多个位置处被监测，并且每个位置与位置信息相关联。并且，该方法进一步包括基于位置信息来定位需要减小应力的功率线缆的该部分的位置。优选地，多个位置中的第一位置和第二位置之间的距离可以是15米、10米、1至3米、或者甚至在1米以下。尽管如此，更长的距离(例如15米以上)也是可能的。

57、在一个实施例中，该方法可以进一步包括提供位置。该位置可以是gps数据等。可以示例性地提供这样的数据，以用于将维护操作单元引导到故障可能在其处发生的位置或者功率线缆在其处损坏的位置，即在其处需要维护的位置。

58、根据一实施例，该方法进一步包括基于所监测的应力参数来检测功率线缆的疲劳，并且在功率线缆故障之前通知该疲劳。优选地，疲劳是由于作用在功率线缆上的热应力和/或机械应力所致，并且指示功率线缆的预期故障。

59、根据一实施例，该方法进一步包括基于所监测的应力参数来检测功率线缆从功率线缆的附接件脱离，并且通知功率线缆脱离。

60、该通知可以包括功率线缆脱离和/或疲劳的警告。

61、响应于这样的警告，可以派出维护单元以对功率线缆的脱离做出反应。特别地，可以例如通过gps信息向其提供功率线缆在何处脱离的信息，该信息通过监测步骤来获得。

62、根据本发明的实施例，提供了一种用于控制在风电场的一个或多个功率线缆上传输的电功率的控制系统。一个或多个功率线缆中的每一个被配置成传输由风电场中包括的一个或多个风力涡轮机生成的电功率。并且，控制系统被配置成执行本文中描述的方法中的任一个。

63、控制系统可以例如包括处理单元和存储器，存储器存储控制指令，控制指令在被控制系统的处理单元执行时，使控制系统执行本文中描述的方法中的任一个。处理单元可以例如包括数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、微处理器等。存储器可以包括ram、rom、闪速存储器、硬盘驱动器以及诸如此类。

64、控制系统可以是主控制系统或中央控制系统。

65、控制系统可以包括多个控制系统以及主控制系统，其中多个控制系统中的每一个可以与一个或多个风力涡轮机之一通信地耦合或者被包括在一个或多个风力涡轮机之一中，并且进一步与主控制系统通信地耦合。多个控制系统中的每一个以及主控制系统可以包括处理单元和存储器单元。控制系统可以被配置成执行本文中描述的方法中的任一个，其中该方法的步骤可以分布在多个控制系统以及主控制系统上执行。

66、主控制系统例如可以是风电场级别上的控制系统，例如风电场服务器。主控制系统可以直接或间接地与控制系统通信，该控制系统与风力涡轮机通信地耦合或者被包括在风力涡轮机中。

67、根据本发明的实施例，提供了一种监测单元，监测单元被配置成监测功率线缆上的一个或多个应力参数，这些参数指示作用在功率线缆上的应力。功率线缆由风电场的一个或多个功率线缆所包括。一个或多个功率线缆中的每一个被配置成传输由风电场中包括的一个或多个风力涡轮机生成的电功率。

68、优选地，功率线缆可以是阵列间线缆、输出线缆或场内线缆。

69、同样优选地，功率线缆可以包括至少一个光纤线缆，并且监测单元可以被配置成应用利用至少一个光纤线缆的光学测量方法。

70、另外，与本文中描述的本发明的不同方面和实施例中的任一个相关的其他特征可以对应地由被配置成监测功率线缆上的一个或多个应力参数的监测单元所包括。

71、根据本发明的实施例，提供了一种风电场。风电场包括耦合到一个或多个功率线缆的一个或多个风力涡轮机、以及所述一个或多个功率线缆。一个或多个功率线缆中的每一个被配置成传输由所述一个或多个风力涡轮机生成的电功率。风电场进一步包括本文中描述的监测单元中的任一个。

72、根据本发明的实施例，提供了一种风电场。风电场包括耦合到一个或多个功率线缆的一个或多个风力涡轮机、以及所述一个或多个功率线缆。一个或多个功率线缆中的每一个被配置成传输由所述一个或多个风力涡轮机生成的电功率。风电场进一步包括本文中描述的控制系统中的任一个，其中控制系统被配置成控制在所述一个或多个功率线缆上传输的电功率。

73、根据本发明的实施例，提供了一种用于控制在风电场的一个或多个功率线缆上传输的电功率的计算机程序。风电场包括控制系统，控制系统被配置成控制在风电场的一个或多个功率线缆上传输的电功率。计算机程序包括控制指令，控制指令在被控制系统的处理单元执行时，使控制系统执行本文中描述的方法中的任一个。计算机程序可以在易失性或非易失性存储介质或数据载体上提供。

74、根据本发明的实施例，提供了一种用于控制在风电场的一个或多个功率线缆上传输的电功率的计算机程序，其中计算机程序包括控制指令，控制指令在被处理单元执行时使处理单元执行本文中描述的方法中的任一个。计算机程序可以在易失性或非易失性存储介质或数据载体上提供。

75、根据本发明的实施例，提供了一种控制在风电场的一个或多个管线中传输的介质的传输参数的方法。一个或多个管线中的每一个被配置成传输从由风电场中包括的一个或多个风力涡轮机生成的电功率生成的介质。该方法包括：针对一个或多个管线中的至少一个管线：监测指示作用在该管线上的应力的一个或多个应力参数以生成所监测的应力参数，至少基于所监测的应力参数来确定是否需要减小管线上的应力，以及当需要减小时，操纵介质的传输参数以减小作用在管线上的应力。

76、根据本发明的实施例，提供了一种监测单元，监测单元被配置成监测管线上的一个或多个应力参数，所述应力参数指示作用在管线上的应力。该管线由风电场的一个或多个管线所包括。一个或多个管线中的每一个被配置成传输从由风电场中包括的一个或多个风力涡轮机生成的电功率生成的介质。

77、根据控制介质的传输参数的方法以及被配置成监测管线上的一个或多个应力参数的监测单元两者，介质可以优选地是氢气。进一步优选地，至少一个光纤线缆可以被包括在管线中，并且监测单元可以被配置成应用利用至少一个光纤线缆的光学测量方法。此外，与本文中描述的本发明的不同方面和实施例中的任一个相关的其他特征可以对应地由控制介质的传输参数的方法以及被配置成监测管线上的一个或多个应力参数的监测单元两者所包括。应当清楚的是，还可以包括与本文中描述的实施例相关的这样的特征以及与功率线缆的保护相关的各方面。当需要时，这样的特征可以被适配，以便可转移到管线的保护上。

78、要理解的是，在不离开本发明的范围的情况下，上述特征和下面将要解释的那些特征不仅可以在所指示的相应组合中使用，而且还可以在其他组合中使用或者单独地使用。特别地，本发明的不同方面和实施例的特征可以彼此组合，除非相反地指出。