[发明专利]分布式容错控制和保护系统

说明书

技术领域

本发明涉及利用具有容错和安全相关特性的分布式控制节点的风力发电设施控制系统。通过确定性容错通信网络连接分布式控制节点。分布式控制节点包括分散表决方案，所述分散表决方案目的在于在多个可用的控制设定点或数据值当中选择最可靠的控制设定点或数据值。分布式控制节点依据电子、电气或液压电路包括内在的表决功能。

背景技术

现代风力涡轮机被设计成用于成批生产。模块化用作建立子组件的精益生产的手段。因此根据风力涡轮机模块化来对控制系统进行模块化以使能在精益生产设置中的子组件制造和测试是合乎需要的。

现代发电厂不仅包括风力涡轮机而且包括例如功率测量系统、相位补偿系统、计量系统、开关柜系统和能量存储系统之类的其它设施。这样的系统也可被模块化以使能在精益生产设置中的子组件制造和测试。系统本身可被考虑为风力发电厂中的模块并因此保存分布式控制节点。根据系统模块化来对控制系统进行模块化被认为是有益的。

现代风力涡轮机和其它发电厂系统经受对可用性和功率产生的高要求，且因此由控制系统引起的生产停止被认为是不可接受的。对风力涡轮机控制系统的可靠性要求因此非常高。基于容错的控制系统是获得期望可靠性和安全性要求的手段。

现代风力涡轮机经受高安全性要求。大的现代风力涡轮机具有对功能安全的高要求。控制系统必须具有功能安全特性以支持该要求。能量存储设施、功率转换器系统、功率开关柜系统和其它发电厂系统也可具有对功能安全的高要求，因为故障的影响可能与人类健康和对资产的损坏极度有关。

用于风力发电厂的容错控制系统一般被实施为包括各种关键厂模块/设备的副本的冗余系统。在关键厂模块/设备出故障的情况下，它的功能由类似的厂模块/设备接管。

US2009/0309360和US2009/0309361讨论了用于控制风能场的方法和系统。在US2009/0309360和US2009/0309361中，主通信单元控制若干个按优先顺序排列的控制单元。在具有给定优先级的给定控制单元出故障的情况下，主通信单元选择较低优先的控制单元来接管有缺陷的控制单元的功能。

在US2009/0309360和US2009/0309361中提议的方法和系统的缺点是，主通信单元在另一控制单元损坏或以任何其它方式发生故障的情况下选择哪个控制单元来接管。然而，在主通信单元本身损坏的情况下，没有替代单元是可用的。

因此，在US2009/0309360和US2009/0309361中提议的该控制方法和该控制系统不能被认为是容错控制方法/系统——至少在主通信单元级别上不能被认为是容错控制方法/系统。而且，在US2009/0309360和US2009/0309361中提议的该控制方法和该控制系统不能被认为是安全的，因为没有实施安全特征。

为风力发电厂应用提供具有内在容错和安全相关特性的分布式控制系统可被看作是本发明的实施例的目的。

发明内容

在第一方面中，可通过提供用于包括子组件的模块化风力发电设施的分布式容错控制系统来依从上面提到的目的，该控制系统包括：

-适合于产生控制设定点和/或数据值的容错控制装置，所述容错控制装置根据风力发电设施的模块化被分布在子组件中，以及

-用于在基本上相同的时间将控制设定点和/或数据值传输到分布式控制系统中的多个节点的容错通信网络，所述多个分布式节点能够从在容错通信网络上提供的两个或多个传输包中选择有效的传输包。

下面的优点与本发明的第一方面相关：

1.本发明的分布式控制系统架构兼容现代风力发电设施（例如现代风力涡轮机和现代风力发电厂）的模块化。

2.本发明的容错分布式控制系统架构满足在现代风力涡轮机和风力发电厂控制系统上提出的对可用性和可靠性的高要求。

3.本发明的容错分布式控制系统架构使能了有利地支持子组件的成批生产的电子、电气和液压表决功能的集成。

4.本发明的分布式控制系统架构集成了功能安全性并能够支持如在IEX61508标准中定义的安全相关功能的低需求模式等级、高需求模式等级和连续模式等级。

5.本发明的分布式控制系统架构以使得功能能够适应于各种风力涡轮机平台和风力发电厂应用的方式而是可升级的和灵活的。

本发明的控制系统架构通常反映已建立的设计原理“形式遵从功能”。如上面提到的，本发明的控制系统架构可应用在风力涡轮机、风力发电厂、功率子站、能量存储系统、计量站中和其它电力相关应用中。