控制水力發電渦輪發電機的輸出的改進方法
2023-11-01 03:38:37 3
專利名稱：控制水力發電渦輪發電機的輸出的改進方法
技術領域：
本發明涉及一種控制水力發電渦輪發電機的輸出的方法，尤其是經由用於該輸出的傳輸系統進行控制的方法，該輸出附加地在降低的發電機輸出的時間段內提供對傳輸系統中的故障情況的監控。
背景技術：
對環境警告的日益關注以及對依賴非再生資源的牴觸已經導致了對可再生能源系統(例如太陽能、風能、熱能以及潮汐能)的更多利用。後者包括在潮汐流的區域中安裝渦輪發電機，並且將潮汐的能量轉換成電能。參見圖1和圖2，在PCT申請PCT/EP2007/006258描述了水力發電渦輪發電機的一個示例。發電機10具有直接驅動的無軸永磁發電機結構。發電機10包括環形定子12和轉子14，定子12具有繞轉子12外周布置的多個線圈17 (圖2)。轉子14包括內邊緣16，內邊緣16限定了一個開口中心。轉子14還包括限定在內邊緣16和外邊緣20之間的總體徑向延伸的葉片18的陣列。轉子14還包括繞外邊緣20布置的磁體21的陣列(圖2)。定子 12同心地圍繞轉子14，其中多個線圈為磁體提供了磁通返回通路。發電機10位於潮汐流的區域中，使得海水通過發電機10的運動對葉片18產生作用，由此造成轉子14在定子12內的轉動。磁體相對於定子12線圈的運動導致由磁體產生的磁場在每個線圈中感應出了 EMF。這些感應出的EMF提供了從渦輪發電機10輸出的電能。隨著對這種潮汐能發電機越來越多的利用，能夠精確並有效地控制發電機的操作 (尤其是確保渦輪發電機工作在其最佳的「葉尖速度比」下工作)變得更加重要。「葉尖速度比」是渦輪的葉片的尖端的轉速與潮汐流的實際速度之間的比值，其一般取決於渦輪設計，其中每個渦輪具有針對由該渦輪產生的最佳發電的最佳葉尖速度比。因此，渦輪的工作速度應該變化來確保針對可獲得的水平或潮汐能的最佳輸出功率。此外，根據主電網的要求，有時必須使所產生的功率輸出「回調(rim back)」。在標準的發電器系統中，從發電器提取的能量的大小可通過改變工作電壓或頻率來控制。該控制通常針對發電機局部執行。通常很容易為了投入使用、檢修測試、維護和設置調節而獲取發電機及相關控制器。除了控制器之外，可再生能源發電機通常在發電機附近布置能量轉換和監控設備，以便迅速地將輸出功率轉換成固定電壓和頻率，並且監控每個單獨的發電機的情況。傳遞輸出功率的傳輸系統利用固定至特定值的電壓和頻率，在相對小的容限帶隙內在高電壓下長距離工作。因此，發電器輸出的電壓一般遞升值與利用變壓器的發電器相近的傳輸電平。在維護渦輪以確保在惡劣的水下環境中的連續有效工作方面，利用潮汐能存在嚴峻挑戰。水下渦輪發電機的安裝和退役相對昂貴，並且對系統中的各種組件進行常規維護也不經濟。並且，也不能靈活地在水下發電機附近增加敏感電子設備、功率轉換和/或冷卻系統(即，要求常規檢修和日常維護以保持長期可靠性的組件)。因此，本發明的一個目的是提供一種用於的控制水輪的轉速及水力發電渦輪發電機的輸出的替換系統和方法，其消除了控制和監控位於水下發電機附近的組件的必要。
發明內容
由此，提供了一種用於利用至少一個水下功率電纜從遠程變電站遠程地控制由至少一個離岸潮汐水力發電渦輪發電機產生的輸出功率的方法，該水下功率電纜將功率從所述至少一個渦輪發電機傳輸至所述變電站，該方法包括改變水下功率電纜的線電壓以控制渦輪發電機的轉速的步驟，該渦輪發點機的轉速與渦輪發電機所產生的輸出功率相關。
通過渦輪發電機處呈現的傳輸線電壓以及潮汐速度來控制渦輪發電機的渦輪轉速，其中轉速與所產生的輸出功率水平相關。由於發電機的線電壓改變，可直接控制渦輪速度至在該水平下潮汐沒有旋壓渦輪的這樣一個水平，由此發電機所產生的輸出功率水平可按需調節。使用功率傳輸系統來控制渦輪發電機的輸出實現了對位於遠離發電機位置的發電機輸出的適當控制，這實現了更有效的系統監控及維護。由於水下功率電纜的線電壓可由遠程功率變電站改變，所以這就實現了轉速的遠程控制，並且由此實現了離岸渦輪發電機所產生的功率水平的遠程控制。消除了控制海中發電機位置處電路的必要。可以理解的是，遠程功率變電站可以是岸上變電站。優選地，線電壓的改變正比於在渦輪發電機處可獲得的潮汐能，使水下功率電纜的線電壓提供了針對可獲取的潮汐能的渦輪發電機的最佳葉尖速度比。可由渦輪發電機產生的輸出功率的量由該發電機處可獲取的潮汐能確定。可獲得越多的潮汐能，則發電機可產生更多數量的輸出功率。由此，更高潮汐流的時間段的最佳渦輪操作處於更高速度，以保持最佳葉尖速度比。類似地，如果可獲取的潮汐能有所下降，則最佳渦輪操作處於更低的葉尖速度以保持最佳葉尖速度比。由於渦輪轉速與允許渦輪在其下操作的傳輸線電壓相關，所以線電壓可改變來確保渦輪發電機總是在其最佳電平下工作。優選地，方法包括步驟(i)監控在至少一個離岸潮汐水力發電渦輪發電機處可獲得的潮汐能的信號表示，所述信號表示是在所述遠程變電站通過所述水下功率電纜接收到的；(ii)從所述遠程變電站調節所述水下功率電纜的線電壓，其中在可獲取的潮汐能下降時降低所述線電壓，並且在可獲取的潮汐能增大時增大所述線電壓；以及(iii)重複步驟(i)至(ii)，使得所述水下功率電纜的線電壓電平正比於可獲取的潮汐能而變化。優選地，對於所述水下功率電纜的給定線電壓值執行步驟(i)，並且其中可獲得的潮汐能的所述信號表示是所述給定線電壓值下的輸出功率水平，並且其中步驟(ii)還包括將線電壓值更新為調節後的線電壓值。由於潮汐渦輪發電機所產生輸出功率直接正比於該時刻可獲取的潮汐能，所以所產生的輸出功率的水平表示了可獲取的潮汐能的當前強度。利用所產生的輸出功率的水平表示當前潮汐流強度意味著不要求附加的潮汐流監控組件和通信網絡，這是因為可以通過監控所產生的輸出功率的水平的變化來判斷潮汐流強度的改變。
優選地，方法包括步驟(i)接收所述至少一個離岸潮汐水力發電渦輪發電機所產生的輸出功率將被限制的限制情況的信號，包括希望由所述至少一個離岸水力發電渦輪發電機產生的輸出功率的一組水平的表示；(ii)監控所述至少一個離岸水力發電渦輪發電機產生的、通過所述水下功率電纜在所述遠程變電站接收到的輸出功率；(iii)比較監控到的輸出功率水平與所述設置的輸出功率水平；(iv)從所述遠程變電站調節所述水下功率電纜上的線電壓，該調節基於所述比較，使得所述至少一個渦輪發電機所產生的輸出功率緊密地跟隨所設置的輸出功率水平； 以及(ν)重複(ii)至(iv)，使得監控到的輸出功率緊密地跟隨所設置的輸出功率水平，直到限制情況消除。有時希望能夠「回調」發電機的輸出，例如如果由於傳輸限制而使傳輸系統操作人員可能發送暫時降低發電直到限制消除的請求。在這種情況下，可以改變水下功率電纜的線電壓，直到達到了所設置的輸出功率水平。在限制消除之後，可以再次改變線電壓以將輸出功率帶入最佳水平。優選地，在另一實施例中，該方法提供用於利用水下功率電纜從遠程變電站遠程地控制離岸潮汐水力發電渦輪發電機的陣列的輸出功率，所述水下功率電纜將功率從所述陣列傳輸至所述遠程變電站，所述方法包括改變所述水下功率電纜的線電壓以控制陣列中的渦輪發電機的轉速的步驟，所述陣列中的渦輪發點機的轉速與渦輪發電機的陣列所產生的輸出功率相關。按照這個方式，利用單個水下功率傳輸電纜可監控整個渦輪發電機陣列的輸出、 以及改變來控制陣列的總體輸出的線電壓。優選地，線電壓的改變正比於在陣列處可獲得的潮汐能，以使水下功率電纜的線電壓提供了實現了針對可獲取的潮汐能的由整個陣列產生的最大功率發電的陣列中的每個渦輪發電機的葉尖速度。這確保了陣列的線電壓可改變來確保可針對主要的潮汐情況從陣列提取的最大量的功率發電。雖然這可能意味著不是所有或者有可能沒有渦輪發電機工作在其具體的最佳點下，但是這確保了當利用單個功率電纜來控制陣列時陣列的總體輸出是最大化的。還可以理解的是，線電壓的變化可以說是跟隨了半波正弦信號，以其與潮汐能的退卻和流動並行改變的方式改變。可選地，該方法提供用於從遠程變電站遠程地控制離岸潮汐水力發電渦輪發電機的陣列的輸出功率，其中陣列中的每個渦輪發電機具有各自的水下功率電纜，所述水下功率電纜將功率從所述渦輪發電機傳輸至所述遠程變電站，所述方法包括改變每個水下功率電纜的線電壓以控制陣列中的每個渦輪發電機的轉速的步驟，渦輪發點機的轉速與渦輪發電機所產生的輸出功率相關。應該理解的是，渦輪發電機的陣列可包括至少一個渦輪發電機。優選地，線電壓的改變正比於在渦輪發電機處可獲得的潮汐能，以使每個水下功率電纜的線電壓提供了針對陣列處可獲取的潮汐能的陣列中的每個渦輪發電機的最佳葉尖速度比。優選地，改變水下功率電纜的線電壓以控制渦輪發電機的轉速的步驟是基於渦輪發電機處可獲取的預測潮汐能的。如果線電壓的變化基於可獲取的潮汐能的預測水平，則基於已知的關於預測潮汐的信息等實現了對發電機操作的簡單的自動控制。優選地，對照該時刻下針對給定線電壓設置點所期望的能量的量來檢查該點處產生的能量的量。給定潮汐能的可預測特性，通過追蹤日期和時間，可從資料庫得到對期望的能量的量的估計，並且如果控制系統和渦輪發電機陣列正在正確執行，則可對該估計進行比較以提供監控方法。並且，提供了一種用於利用至少一個水下功率電纜從遠程變電站遠程地控制由至少一個離岸潮汐水力發電渦輪發電機所產生的輸出功率的方法，所述水下功率電纜將功率從所述至少一個渦輪發電機傳輸至所述變電站，所述方法包括改變所述水下功率電纜的線電壓以控制所述至少一個渦輪發電機的轉速的步驟，所述渦輪發點機的轉速與所述至少一個渦輪發電機所產生的輸出功率相關，其特徵在於所述方法包括當所述至少一個渦輪發電機所產生的輸出功率下降至低於預定的輸出功率水平時保持所述水下功率電纜上的最小線電壓水平的步驟。由於在水下功率電纜上保持了最小電壓水平，所以實現了平潮時間段期間對電纜中的故障情況的監控。並且，由於功率電纜上的電壓變化範圍減小，作用於功率電纜上的電張力減小，從而增大了電纜壽命。優選地，線電壓的改變正比於在渦輪發電機處可獲得的潮汐能，並且特徵還在於所述方法還包括當渦輪發電機處可獲得的潮汐能下降至渦輪發電機的切斷速度之下時保持水下功率電纜上的最小線電壓的步驟。優選地，線電壓在與低於其則所述至少一個渦輪發電機不會產生輸出功率的第一值相對應的第一值與所述至少一個渦輪發電機在該電平下產生最大功率的第二值之間改變。優選地，最小線電壓電平介於渦輪發電機的峰值電壓的25% -35%之間。可選地，最小線電壓電平在開路或「回調」工作期間遠遠更高。並且，可能存在最小電平高達峰值電壓的50-60%的情況。而且，可以理解的是，在渦輪發電機所產生的功率達到0之前(即，在可獲取的潮汐能達到渦輪發電機的切斷速度之前)，線電壓可保持在最小電平。優選地，所述方法包括步驟(i)監控在所述至少一個離岸潮汐水力發電渦輪發電機處可獲得的潮汐能的信號表示，所述信號表示是在所述遠程變電站通過所述水下功率電纜接收到的；(ii)從所述遠程變電站調節所述水下功率電纜的線電壓，其中在可獲取的潮汐能下降時降低所述線電壓，並且在可獲取的潮汐能增大時增大所述線電壓；以及(iii)重複步驟⑴至(ii)，使得所述水下功率電纜的線電壓電平正比於可獲取的潮汐能而變化，其特徵在於所述方法還包括步驟(iv)無論何時，只要所述至少一個離岸潮汐水力發電渦輪發電機處可獲取的潮汐能下降至低於所述潮汐水力發電渦輪發電機的切斷速度之下，則保持水下功率電纜上的最小線電壓電平。
優選地，該方法還包括步驟在保持水下功率電纜上的最小線電壓電平的同時，監控水下功率電纜所形成的電路的狀態以判斷電纜中故障的存在。優選地，該方法提供用於利用水下功率電纜從遠程變電站遠程地控制離岸潮汐水力發電渦輪發電機的陣列的輸出功率，所述水下功率電纜將功率從所述陣列傳輸至所述遠程變電站，所述方法包括改變所述水下功率電纜的線電壓以控制陣列中的渦輪發電機的轉速的步驟，所述陣列中的渦輪發點機的轉速與渦輪發電機的陣列所產生的輸出功率相關， 其特徵在於所述方法包括當至少一個渦輪發電機所產生的輸出功率下降至低於預定的輸出功率水平時保持所述水下功率電纜上的最小線電壓水平的步驟。
現在將僅僅通過示例的方式參考附圖來描述本發明的實施例，其中圖1示出了一個已知的潮汐水力發電渦輪發電機；圖2示出了圖1的發電機的一部分的截面圖；圖3示出了與岸上變電站相連的圖1的發電機；圖4是針對潮汐流的不同水平中的樣本渦輪發電機的多個轉矩速度曲線的示圖；圖5是針對一個樣本渦輪發電機的電壓和電流的示圖；圖6是針對本發明的方法的樣本控制算法的示意圖；圖7是示出了水下功率電纜的傳輸線電壓相對於潮汐速度的樣本變化的示圖；圖8是示出了渦輪發電機的相對於在該渦輪發電機處的潮汐流的速度最佳葉尖速度；以及圖9是示出了根據本發明實施例針對樣本潮汐流情況、針對半日潮而在M小時的時間段內施加至與離岸潮汐渦輪發電機耦接的水下功率電纜的線電壓。
具體實施例方式參見圖2，離岸潮汐水力發電渦輪發電機10被安裝在潮汐流的區域中。發電機10 經由水下功率電纜M連接至岸上變電站22。變電站22提供水電發電機網絡與電力分配網 26之間的接口。功率電纜M在離岸渦輪10至岸上變電站22之間的距離上傳遞發電機10 所產生的功率。總體上，渦輪10所產生的AC功率在經由功率電纜M傳遞之前先被整流為 DC。可以理解的是，雖然圖2中的系統示出了單個水力發電渦輪發電機10，但是水下功率電纜M可連接至作為潮汐水力發電渦輪發電機10陣列的一部分的其它渦輪發電機。 水力發電渦輪發電機10的陣列可包括並行連接的多個發電機，這多個發電機將功率分配給同一功率電纜。可選地，水力發電渦輪發電機10的陣列可包括位於同一潮汐區域中的多個發電機，這多個發電機將功率分配給一系列的功率電纜。隨後可經由單個功率電纜M將陣列中的發電機產生的累積功率傳遞迴岸上變電站22。可選地，陣列中的每個渦輪發電機10可通過與該渦輪發電機10關聯的各自的水下功率電纜M連接至岸上變電站22。岸上變電站22包括適當的功率轉換及功率變換設備。功率轉換設備可包括能夠操作來改變水下功率電纜M上的DC線電壓的控制器。在系統的優選操作中，電纜M上的DC電壓的變化以與發電機10處可獲得的潮汐能的量成比例的方式執行。對於最佳操作， 發電機10的輸出功率沿著電纜M，在強潮汐情況期間以高壓、在弱潮汐情況期間以低壓傳遞。應該理解的是，所感應出的電壓具有足夠高的電平以適合於在長距離(例如，從遠程離岸潮汐發電機至岸上變電站和電網)上傳送功率。在特定潮汐流水平之上，渦輪轉速正比於允許渦輪發電機10工作的電壓。為了從潮汐流不斷汲取最大功率，必須使渦輪在固定葉尖速度比下工作。該葉尖速度比是葉片的葉尖的轉速與潮汐流的實際速度之間的比值。如果葉尖的速度實際上與潮汐速度相同，那麼該葉尖速度比為1。針對特定渦輪發電機的最佳葉尖速度比通過針對特定渦輪的葉片18 設計來確定。因此，期望與流速正比地改變轉速，以確保渦輪發電機10的最佳工作。由於控制了轉速，則可以針對發電機10處可獲得的潮汐功率以最佳水平保持發電機10的輸出功率。利用控制器通過將水下功率電纜M上的DC線電壓的電平控制成正比於潮汐速度來實現轉速的控制，從而允許單個渦輪在固定的葉尖速度比下工作，或者渦輪陣列儘量接近針對陣列的最佳葉尖速度比工作。在相對恆定的潮汐速度的區域中，渦輪的最佳轉速取決於針對渦輪的轉矩速度曲線。參見圖4，對照四個不同潮汐速度水平針對具體的渦輪示出了轉矩速度曲線，其中示出了隨著渦輪轉速變化而產生的轉矩變化、以及各種轉矩速度曲線的最佳點。該曲線示出的最佳點表示電壓和電流，圖5示出了更多的細節。從示圖可以看出，4m/s的潮汐流時的最佳功率輸出出現在大約17RPM的葉尖速度處，由此得到大約520kNm的輸出轉矩。從V-I 示圖可以看出，為了以17RPM操作渦輪，必須在4，200V下操作電纜。渦輪葉尖速度自該點的任何增大或減小都將造成輸出功率的相應下降。雖然操作人員對傳輸線電壓的手工控制是可行的，但是還可以預見的是，可以例如經由位於岸上功率變電站22的可編程邏輯控制器(PLC)實現的控制邏輯或其它適當的處理裝置自動規定控制操作。PLC或處理裝置可操作來改變水下功率電纜M的傳輸線電壓。參見圖6，示出了一個樣本控制算法。該算法可操作來在DC電壓值的範圍內改變傳輸線電壓，從而確保最佳功率發電。在算法的初始100，線電壓被設置為起始電壓X(步驟102)。隨後，控制器在步驟 104針對水下功率電纜M上所設置線電壓值X的測量發電機10所產生的功率輸出。可通過對一段時間內產生的DC輸出功率水平求平均來執行該測量動作。針對該具體線電壓X測得的功率水平隨後在步驟106被記錄下來。功率電纜上的傳輸線電壓隨後增大步長電壓A，由此產生一個新的電壓電平Y = X+A(步驟108)。在步驟 110測量針對該具體線電壓值Y產生的輸出功率。隨後在步驟112執行比較操作，比較線電壓Y處測得的輸出功率的水平以及線電壓X處記錄的輸出功率的水平。如果當前測得的輸出功率的水平大於所記錄的針對線電壓X的功率水平，那麼這表示線電壓Y值由於更接近針對該發電機的最佳葉尖速度比(部分地由渦輪發電機10處可獲得的潮汐能所確定)的葉尖速度比而得到改進的輸出功率發電。
根據渦輪特徵曲線(參見圖4)的當前位置，進一步增大傳輸線電壓可能會造成增大的功率輸出。在改點處，線電壓被進一步增大步長電壓A，由此得到新的傳輸線電壓電平 Z = Y+A(步驟 114)。針對該具體線電壓Z測得的功率水平隨後在步驟116中被記錄下來。隨後在步驟 118執行比較操作，比較線電壓Z處測得的輸出功率的水平以及線電壓Y處記錄的輸出功率的水平。如果測得的輸出功率Z的水平大於所記錄的針對線電壓Y的功率水平，那麼渦輪特徵曲線上的最佳點有可能還沒有達到。算法隨後往回循環，對X進行賦值以使X = Z(步驟120)，並且返回算法的步驟108，以進一步測試輸出功率水平。但是，如果Z處的輸出功率小於Y處的輸出功率，那麼很可能Y的傳輸線電壓值提供了最佳功率發電，並且線電壓值Y在功率電纜M上保持一個時間段T (步驟122)，隨後算法返回步驟104。時間段T被選擇來提供預測潮汐能水平會多快地劇烈變化與希望多頻繁地改變水下功率電纜M上傳輸線電壓之間的平衡，例如5分鐘。如果步驟112中針對測得的線電壓Y的輸出功率小於針對測得的線電壓X的輸出功率，那麼這表示增大水下功率電纜M上的線電壓將造成所產生的輸出功率的下降。這樣，算法旨在檢查傳輸線電壓的下降是否會造成提高的輸出功率發電。這同樣取決於渦輪特徵曲線的當前位置。首先，在步驟124中線電壓被下降至電平Z = X-A。隨後，在步驟126，控制器測量針對線電壓Z產生的輸出功率。隨後在步驟1 進行針對線電壓X測得的輸出功率水平與針對線電壓Z測得的輸出功率水平之間的比較。如果針對線電壓Z測得的輸出功率水平小於針對線電壓X測得的輸出功率水平， 則最佳輸出功率看起來產生於線電壓電平X處。由此，線電壓值X在功率電纜M上保持一個時間段τ (步驟131)，隨後算法返回步驟104。如果針對線電壓Z測得的輸出功率水平大於針對線電壓X測得的輸出功率水平， 則進一步降低傳輸線電壓電平將造成所產生的輸出功率的相應增大(參見圖3)。首先，傳輸線電壓降低至一個新的電平，賦值X = Z-A (步驟130)。隨後針對該線電壓電平X測量針對該電平產生的輸出功率(步驟13 。在步驟134中，進行線電壓X處測得的輸出功率水平與線電壓Z處測得的輸出功率水平之間的比較。如果線電壓Z處測得的輸出功率水平大於線電壓X處測得的輸出功率水平，則線電壓Z得到針對可獲得的潮汐能的當前水平的最佳功率發電。所以，傳輸線電壓增大回到電平Z (步驟136)，並且線電壓值Z在功率電纜M上保持一個時間段T (步驟138)，隨後算法返回步驟104以進行進一步監控。但是，如果輸出功率針對進一步降低的線電壓值繼續增大，那麼算法繼續降低傳輸線電壓電平，直到達到了最佳功率發電(步驟140、142)。所述算法的使用將得到傳輸線電壓的電平的不斷變化，從而確保連續保持最佳功率發電。參見圖7，針對樣本潮汐水力發電渦輪發電機系統示出了一個示圖，其中圖示了針對潮汐流的值的範圍的最佳線電壓電平。從示圖可以看出，最佳電壓隨著潮汐流速度增大而增大，這是因為需要在更高的RPM下操作渦輪來保持同樣的最佳葉尖速度比。參見圖8，所示的示圖示出了樣本渦輪相對於該渦輪處潮汐流速度的最佳渦輪 RPM水平。該關係應該被遵循以保持最佳葉尖速度比。可從該示圖中看出潮汐能與轉速之間的更線性的關係。但是，在固定的潮流中，例如3波節(knot)，渦輪轉速高於或低於月 4. 5RPM的任何變化將導致小於最佳功率輸出(參見上述圖4)。雖然所示的樣本算法適於找到針對最佳功率發電的傳輸線電壓，但是應該理解的是，在不脫離本發明範圍的情況下可以實現該算法的不同變化。例如，同一控制系統還可用來在需要時降低發電輸出一一例如由於傳輸限制，傳輸系統操作人員(例如國家電網工作人員)可能請求輸出功率暫時回調或降低，直到處理了該傳輸限制。一旦接受到該請求，岸上控制系統可相應地修改線電壓並且將渦輪的機臺(farm)移動至遠離它們的最佳葉尖速度比，直到達到期望的輸出功率水平。當來自操作人員的限制移除，機主可回到正常操作。並且，可以理解的是，操作人員可以在任意時間中斷算法以允許對傳輸線電壓電平的手工控制。還可以理解的是，算法可適用於接收附加的輸入信號，例如來自渦輪發電機上遊的潮汐速度傳感器的輸出，從而確保線電壓被調節成使得渦輪發電機總是在其最佳葉尖速度比下工作。此外，在替換實施例中，水下功率電纜的線電壓的變化可基於估計出的在渦輪發電機出可獲取的潮汐能。在可以相對容易地例如通過潮汐表預測潮汐能的水平的位置處， 可以使線電壓的變化基於預測的潮汐能水平，從而確保最佳工作。給定渦輪發電機處的潮汐流的足夠知識，則可以簡單地每6小時改變一次線電壓，由此設置渦輪的適當的RPM，其中平潮處允許最小RPM/電壓，在給定一天中由期望峰潮速度支配那一天的最大電壓/rpm， 年的最大電壓出現在春潮期間。應該理解的是，例如通過將線電壓改變至渦輪有目的地停機的程度，渦輪發電機的轉速的遠程控制可用來停止渦輪本身的轉動。應該注意到，對於特定潮汐速度，增大線電壓可實際地降低可獲得的能量的量，參見圖4。降低線電壓增大了渦輪停機的風險，這是因為隨著渦輪減速，功率輸出將有相當大的改變。將渦輪速度增大至高於最佳葉尖速度會造成功率輸出的更漸變的下降，並且這可能是實現控制的更優選的方式。在進一步的改進中，該方法可用來處理與平潮水平時電纜損壞檢測相關的問題， 並且出於增大所使用的組件的壽命的目的而減小應用至水下電纜的強度。在潮汐流的區域中，可獲取的潮汐能水平在潮汐周期的過程中改變，S卩，當水平面正在增高(上升潮汐，稱為漲潮)時，以及當水平面下降時(下降潮汐，稱為退潮)。在漲潮期間，潮流將逐漸增大，直到海水在滿潮時到達其最高水平。在這時，潮流到達其最低點，並且被稱為平潮。一旦到達平潮，潮流方向反轉並且進入退潮。類似於漲潮，在退潮期間，潮流將逐漸增大，直到到達退潮峰。潮流的功率水平隨後逐漸下降，直到海水在低潮時到達其最低水平。一旦到了低潮，潮流再次平潮，並且潮流方向反轉，且變成漲潮。上述循環本身不斷重複，對於半日潮每天出現兩次(每天兩次高水位以及兩次低水位)，或者對於全日潮每天一次(每天一個潮汐循環)。嚴格地應用上述控制方法包括在與可獲取的潮汐能水平相關的潮汐周期(即，半日潮的每6個小時，或者全日潮的每12個小時)內將水下功率電纜的線電壓從OV改變成峰值電壓。該方案存在一些不足。總體上，水下功率電纜易於出現諸如由漁具、環境條件等造成的損壞之類的故障。如果電纜故障在電纜的線電壓為OV時的平潮期間出現，那麼這種故障將不容易被檢測到。在這種情況下，隨著潮汐功率水平開始上升作為潮汐周期的一部分， 並且隨著功率發電啟動，水下功率電纜中未檢測的故障將造成對電纜的進一步損壞。該損壞將初始地出現在故障區域，但是如果功率發電被允許繼續，則該損害將造成電纜的巨大失效。如果該情況出現，則整個電纜將需要替換，從而導致沒有考慮到的用於修復和替換的開銷和時間。而且，電纜絕緣層上的電張力中的恆定變化降低了其壽命，這是因為電纜絕緣層將逐漸受到極化的損耗。在改進的控制方法中，在一旦可獲取的潮汐能低於閾值水平則將固定電壓施加至功率電纜的其它條件下，水下功率電纜的線電壓根據離岸發電機處可獲取的潮汐能水平而改變。在電纜上保持固定電壓，直到可獲取的潮汐能上升至高於閾值。閾值可以選擇為任意潮汐能的值，但是優選地是低於該潮汐能水平則渦輪發電機不能提取能量的該潮汐能水平。該水平被稱為渦輪的切斷速度。由於在渦輪的切斷速度之下渦輪不能產生能量，所以渦輪可以產生的能、量的總水平將不會有損失。但是，在水下功率電纜上保持固定電壓將實現對任何電纜故障的快速檢測，這是因為故障將迅速顯現。一旦檢測到，出故障的電纜將在對電纜造成任何其它損壞之前(即，在允許發電繼續之前)很容易地與發電網絡隔離。利用該方法意味著在故障或者毀壞的情況下，僅僅需要修復故障附近小部分的電纜，而不是可能要替換整個電纜。該方法的進一步優勢包括延長的電纜壽命，這是因為降低了施加至電纜的電張力。並且，用於發電系統中的功率轉換設備和其它電組件可設計成具有降低的操作範圍。而且，平潮期間對故障的早期識別(即在峰值發電輸出之前)對傳輸系統操作人員給出了將會出現潮汐機臺的停用的足夠提醒，這樣替換發電系統將被用來彌補不足。為了檢測電纜故障的存在，系統接地點(earth point)處於岸上並且通過高阻抗連接。可測量該阻抗兩端的電壓，並且在健康的條件(即無故障條件)下期望為0。但是， 應該理解的是，各種不同方法可用來檢測電纜和線路上的故障(例如，不同保護、過流/接地故障電壓不足、中性的電壓偏移等)。所有這些保護方法要求電路處於活動狀態來檢測由於故障引起的狀態改變。參見圖9，示出了對於半日潮的在M小時期間內針對樣本潮汐流條件應用至與離岸潮汐渦輪發電機耦接的水下功率電纜的線電壓的示圖。從示圖可以看出，隨著潮汐速度 (即潮汐能水平)在峰值漲潮(標為『A』 )與峰值退潮(標為『B』 )之間改變時，應用至水下功率電纜上的電壓相應地改變。但是，一旦潮汐速度降低至大約0. 7m/s(即具體渦輪的切斷速度)之下，則電纜線電壓保持為大約1500V。一旦潮汐速度恢復至切斷速度之上，則線電壓相應地再次改變，並且功率發電可恢復。應該理解的是，施加至水下功率電纜的具體的固定電壓將取決於所採用的渦輪發電機的設計。優選地，切斷速度大約是峰值電壓的30%。例如，對於500V的機器，對應於切斷速度的電壓大約為150V，同時對於3300V的機器，對應於切斷速度的電壓大約為990V。
還可以理解的是，在利用單個水下功率電纜控制渦輪發電機陣列的情況下可應用改進方法。在這種情況下，切斷速度對應於低於其則從陣列提取的功率達到OW的該潮汐能水平。改進方法的使用通過總是保持水下功率電纜上的電壓來增大電纜壽命，以及提供快速檢測有故障或有損壞的電纜的手段，實現了更可靠的操作單個渦輪發電機或多個渦輪發電機的方法。本發明並不限於文本所述的實施例，而是可以在不脫離本發明範圍的情況下做出修改或修訂。
權利要求
1.一種用於利用至少一個水下功率電纜從遠程變電站遠程地控制由至少一個離岸潮汐水力發電渦輪發電機所產生的輸出功率的方法，所述水下功率電纜將功率從所述至少一個渦輪發電機傳輸至所述變電站，所述方法包括改變所述水下功率電纜的線電壓以控制所述至少一個渦輪發電機的轉速的步驟，所述渦輪發點機的轉速與所述至少一個渦輪發電機所產生的輸出功率相關，其特徵在於所述方法包括當所述至少一個渦輪發電機所產生的輸出功率下降至低於預定的輸出功率水平時保持所述水下功率電纜上的最小線電壓水平的步驟。
2.根據權利要求1所述的方法，其中改變線電壓是正比於在渦輪發電機處可獲取的潮汐能的，並且其特徵進一步在於所述方法還包括當渦輪發電機處可獲得的潮汐能下降至渦輪發電機的切斷速度之下時保持水下功率電纜上的最小線電壓的步驟。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中線電壓在與低於其則所述至少一個渦輪發電機不會產生輸出功率的第一值相對應的第一值與所述至少一個渦輪發電機在該電平下產生最大功率的第二值之間改變。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中所述最小線電壓電平介於渦輪發電機的峰值電壓的25% -35%之間。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中所述方法包括下列步驟(i)監控在所述至少一個離岸潮汐水力發電渦輪發電機處可獲得的潮汐能的信號表示，所述信號表示是在所述遠程變電站通過所述水下功率電纜接收到的；( )從所述遠程變電站調節所述水下功率電纜的線電壓，其中在可獲取的潮汐能下降時降低所述線電壓，並且在可獲取的潮汐能增大時增大所述線電壓；以及(iii)重複步驟(i)至(iii)，使得所述水下功率電纜的線電壓電平正比於可獲取的潮汐能而變化，其特徵在於所述方法還包括下列步驟(iv)無論何時，只要所述至少一個離岸潮汐水力發電渦輪發電機處可獲取的潮汐能下降至低於所述潮汐水力發電渦輪發電機的切斷速度之下，則保持水下功率電纜上的最小線電壓電平。
6.根據權利要求5所述的方法，還包括下列步驟在保持水下功率電纜上的最小線電壓電平的同時，監控水下功率電纜所形成的電路的狀態以判斷電纜中故障的存在。
7.根據權利要求1所述的方法，用於利用水下功率電纜從遠程變電站遠程地控制離岸潮汐水力發電渦輪發電機的陣列的輸出功率，所述水下功率電纜將功率從所述陣列傳輸至所述遠程變電站，所述方法包括改變所述水下功率電纜的線電壓以控制陣列中的渦輪發電機的轉速的步驟，所述陣列中的渦輪發點機的轉速與渦輪發電機的陣列所產生的輸出功率相關，其特徵在於所述方法包括當所述離岸潮汐水力發電渦輪發電機的陣列所產生的輸出功率下降至低於預定的輸出功率水平時保持所述水下功率電纜上的最小線電壓水平的步馬聚ο
8.根據前述任一權利要求所述的方法，其中改變水下功率電纜的線電壓以控制渦輪發電機的轉速的步驟是基於所述渦輪發電機處可獲取的預測潮汐能的。
全文摘要
描述了一種用於從遠程位置控制潮汐水力發電渦輪發電機(10)的輸出不需要控制將被裝在發電機附近的電路的方法。通過利用岸上變電站(22)改變與離岸渦輪相連的水下功率電纜(24)的傳輸線電壓來控制發電機(10)的轉速以及發電機的輸出功率水平。
文檔編號H02P9/08GK102439285SQ200980158958
公開日2012年5月2日 申請日期2009年12月17日 優先權日2009年4月17日
發明者D·塔菲, J·艾夫斯, P·鄧恩 申請人:開放水智慧財產權有限公司