CN100459364C - 风力发电场及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种风力发电场，具有连接到电网的至少两个风力涡轮机(1、2、3、4)，所述风力发电场还包括：控制单元(5)，连接到所述至少两个风力涡轮机(1、2、3、4)；以及传感器单元(6)，连接到所述电网和所述控制单元(5)，其中所述传感器单元(6)被适配成测量所述电网的电网频率，并且将所测量的电网频率传送到所述控制单元(5)，并且其中所述控制单元(5)被适配成根据所测量的电网频率控制所述风力发电场的实际功率输出。此外，提出了一种用于操作风力发电场的方法，所述方法包括以下步骤：以传感器单元测量电网频率；将所测量的电网频率传送到集中式控制单元；确定测量出的电网频率是否处于预定频率范围之外；以及如果测量出的电网频率处于所述预定频率范围之外，由所述集中式控制单元选择包括在所述风力发电场中的至少两个风力涡轮机当中的至少一个，并且调节所选择的至少一个风力涡轮机的功率输出。

Description

风力发电场及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电场(wind farm)以及用于操作所述风力发电场的方法，特别涉及一种用于根据风力发电场所连接的电网的测量变量来控制所述风力发电场的实际功率输出的方法。
背景技术
无论是原子能发电厂、工业废热电厂还是风力发电站，几乎每一个发电厂都通过将机械能转化成电能的发电机来产生电流。
通常，发电机连接到传导电流的电力线。该电力线应当具有规定的电网参数，具体地说，规定的电压和规定的频率，其中用户负载从电力线连接到发电机，以便获得它们的功率。例如，在低电压电平上，一般德国家庭的期望值是230伏特和50赫兹(Hz)。
电网参数的稳定性取决于各种影响变量，包括在每一个时刻所产生的功率与所消耗的功率之间的平衡。所产生的(实际)功率和所消耗的(实际)功率之间的任何不平衡将会引起电网频率的变化。当所产生的功率大于所消耗的功率时，频率升高，如果所消耗的功率大于所产生的功率，则频率降低。为了避免组合电网系统内的过载并且控制负载流量，将电网频率波动维持得尽可能小是十分关键的。
当风力涡轮机的装机功率(installed power)增大时，风力发电对电网稳定性具有增大的影响。因此，对于风力发电场而言，通过根据电网频率来控制风力发电场的实际功率输出而有助于电网稳定性变得越来越重要。
发明内容
因此，一个目的是提供一种改进的风力发电场以及用于操作其的方法，特别是可以关于电网参数、特别是关于电网频率的稳定而有效地控制的风力发电场。
该目的通过根据独立权利要求1或7所述的风力发电场、以及通过根据权利要求13和14所述的操作方法，以及根据独立权利要求20和21所述的过程来实现。根据从属权利要求、本描述以及附图，本发明的另外优点、特征、方面和细节是清楚的。这些权利要求旨在被理解为概括地限定本发明的第一非限制性方案。
根据本发明的实施例，提供了一种风力发电场，其具有连接到电网的至少两个风力涡轮机，所述风力发电场还包括：控制单元，连接到所述至少两个风力涡轮机；以及传感器单元，连接到所述电网和所述控制单元，其中所述传感器单元被适配成测量所述电网的电网频率，并且将所述测量的电网频率传送到所述控制单元，并且其中所述控制单元被适配成根据所述测量的电网频率来控制所述风力发电场的实际功率输出。
本发明的上述实施例允许在风力发电场的级别而非各个风力涡轮机的级别稳定电网频率。集中式控制单元允许考虑整个风力发电场而非单个风力涡轮机的实际状态来进行集中式风力发电场管理。这样，集中式风力发电场管理在稳定电网频率的调节中允许较高的动态性和变量可行性。此外，集中式风力发电场管理允许根据不同于仅仅频率稳定化的其它标准来选择各个涡轮机。
根据本发明的另外实施例，提供了一种风力发电场，具有连接到电网的至少两个风力涡轮机，还包括：耦合装置，用于将风力发电场耦合到电网，传感器元件，用于检测表示所述风力发电场的第一变量，其中所述传感器元件被适配成将所测量的第一变量传送到所述耦合装置，控制单元，连接到所述至少两个风力涡轮机；以及传感器单元，连接到所述电网和所述控制单元，其中所述传感器单元被适配成测量所述电网的电网频率，并且将所测量的电网频率传送到所述控制单元，并且其中所述耦合装置被适配成根据所测量的第一变量来控制所述风力发电场的第二变量，并且其中所述控制单元被适配成根据所测量的电网频率来控制所述风力发电场的实际功率输出。
本发明的上述另外实施例还允许考虑整个风力发电场而非单个风力涡轮机的实际状态来进行集中式风力发电场管理。然而，通过提供检测表示风力发电场的实际状态的特定变量的传感器元件，可以不仅根据电网参数，而且根据风力发电场的内部状态，执行风力发电场的调节和控制。具体地说，不仅可以监测电网参数例如电网频率，而且可以监测内部变量的设置点，例如输送到电网的实际功率、与电网的耦合点的最大功率设置点或实际电压。从而，由于监测和适当的调节，可以遵循甚至可以由外部方例如公用事业机构规定的特定设置点。而且，风力发电场的控制可以经由所测量的相同变量或者通过不同变量来完成。例如，传感器元件可以测量实际电压，但是耦合装置通过电流控制来调节风力发电场。
根据本发明的一方面，提出了一种用于操作风力发电场的方法，所述方法包括以下步骤：以传感器单元测量电网频率，将所述测量的电网频率传送到控制单元，确定测量出的电网频率是否位于预定频率范围之外，并且如果测量出的电网频率位于所述预定频率范围之外，则由所述控制单元选择包括在所述风力发电场中的至少两个风力涡轮机当中的至少一个风力涡轮机，并且调节所述选择的至少一个风力涡轮机的功率输出。
上述方法允许集中式风力发电场控制，并且由此允许集中式风力发电场管理。由于在最高级别即以风力发电场级别进行管理，因此所提出的方法允许在稳定例如电网频率的电网参数的调节中允许高的动态性和变量使用。此外，由于中央风力发电场管理可以访问包括在风力发电场中的每个风力涡轮机的操作数据，因此可以针对各个参数优化集中式风力发电场管理。这样，当选择要被缩减(curtail)的一个或多个风力涡轮机时，不仅可以考虑频率稳定化，而且可以使用其它标准，例如各个涡轮机的涡轮机部件磨损即寿命考虑和/或维护考虑和/或(实际)工作或负载条件来选择涡轮机。这样，相比于未经协调地控制风力发电场内的各个风力涡轮机，集中式风力发电场管理可以提高风力发电场管理的效率。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于操作风力发电场的方法，所述方法包括以下步骤：由所述传感器元件测量表示所述风力发电场的第一变量，以传感器单元测量电网频率，将所测量的第一变量传送到耦合装置，将所测量的电网频率传送到控制单元，确定测量出的第一变量是否处于预定范围之外，并且如果测量出的第一变量处于预定范围之外，则由所述耦合装置选择包括在所述风力发电场中的至少两个风力涡轮机当中的至少一个，并且通过控制所述风力发电场的第二变量来调节所选择的至少一个风力涡轮机的功率输出，以及确定测量出的电网频率是否处于预定频率范围之外，并且如果测量出的电网频率处于所述预定频率范围之外，由所述控制单元选择包括在所述风力发电场中的至少两个风力涡轮机当中的至少一个，并且调节所选择的至少一个风力涡轮机的功率输出。
同样，根据本发明另一方面的上述方法允许集中式风力发电场控制，并且由此允许集中式风力发电场管理。从而，该方法也具有已经结合前述操作方法而描述的优点。然而，上述方法还允许不仅获得电网参数的值，而且获得风力发电场的内部参数的值，例如，输送到电网的实际功率，或者与电网的耦合点的实际电流或电压。因此，风力发电场管理也可以基于风力发电场的内在限制、或者由外部方例如公用事业机构或者公共主管机构规定的要求。例如，可以从外部命令实际功率设置点或者最大功率设置点。只有集中式风力发电场管理才能够遵循这样的要求。因为风力发电场的总输出功率未被连贯地管理，所以基于包括在风力发电场中的各个风力涡轮机的独立控制的分布式管理不能有效地对与电网参数的稳定相关的突然需求做出反应。从而，上述集中式控制方法比各个风力涡轮机的独立控制具有高得多的灵活性。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于操作风力发电场的过程，所述过程包括以下步骤：在电网频率保持在预定频率范围之内时，以其最大总功率输出操作风力发电场；以及当电网频率超过所述范围的上限值时，根据按照本发明的一方面操作风力发电场的方法来减小功率输出。
当根据上述过程操作风力发电场时，因为除了电网频率超过风力发电场应当保持的期望范围的上限值之外的情况，风力发电场总是以最大输出功率操作，所以获得了来自风力发电场的最大收益。在这种情况下，减小风力发电场的输出功率，以稳定电网频率。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于操作风力发电场的过程，所述过程包括以下步骤：在电网频率保持在预定频率范围之内时，以所述风力发电场的最大功率输出之下的预定功率输出操作风力发电场；当电网频率高于所述范围的上限值时，根据按照本发明一方面操作风力发电场的方法来减小功率输出，并且当电网频率低于所述范围的下限值时，根据按照本发明的一方面操作风力发电场的方法来增大功率输出。
当风力发电场连接到小型或者不稳定的电网时，如上所述根据本发明另一方面的过程尤其是有利的。在这种情况下，不仅来自风力发电场的最大收益是重要的问题，而且电网参数的稳定也是重要的问题。因此，风力发电场甚至在具有合适电网频率的稳定电网条件下也以部分负载操作，以便用于“运转备用”：如果电网频率偏离其设置点，则可以增大或减小风力发电场的功率输出以稳定电网频率。如果电网频率值从限定的设置点升高，则将减小风力发电场的实际功率输出。另一方面，如果频率下降，则将增大功率输出。这样，通过对风力发电场的集中式控制相应地偏移实际功率输出抵消了电网频率变化。
附图说明
图1是根据本发明实施例的风力发电场的示意图。
图2是根据本发明另外实施例的风力发电场的示意图。
图3是根据本发明另一实施例的风力发电场的示意图。
图4示出了根据按照本发明一方面操作风力发电场的过程的电网频率和实际功率输出的相关变化。
图5示出了根据按照本发明另一方面操作风力发电场的过程的电网频率和实际功率输出的相关变化。
图6示出了根据按照本发明一方面操作风力发电场的方法的实际功率输出的变化。
图7示出了根据按照本发明另一方面操作风力发电场的另外方法的实际功率输出的变化。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的风力发电场的示意图。风力发电场包括连接到电网的风力涡轮机1、2、3、4。风力发电场还包括集中式控制单元5，其连接到风力涡轮机1、2、3、4的每一个。控制单元5被适配成个别地选择和控制风力发电场的风力涡轮机1、2、3、4。由于风力涡轮机1、2、3、4的控制可以是远程的，因此可以将控制单元5放置在风力发电场的内部或外部。此外，风力发电场还包括传感器单元6，所述传感器单元6连接到所述电网和所述控制单元5。传感器单元6被适配成测量相关电网参数，例如，电网频率。然而，适当时也可以使用其它电网参数。以下，示例性地使用电网频率作为所测量的电网参数。可以在风力发电场内部或者其外部的任意点测量电网频率。这可以在分站处或者在各个风力涡轮机处或者在电网远程点完成，即，传感器单元6可以被形成为分站，或者可以被集成到风力发电场的单独风力涡轮机中。
下面参照图6和7描述上述风力发电场的操作。如上所述，如果供给电网的功率大于所消耗的功率，电网频率升高，相反，如果所消耗的功率大于提供给电网的功率，则电网频率下降。为了保持期望电网频率，例如对于美国为60Hz而对于德国为50Hz，期望控制风力发电场的实际功率输出。该控制实现了如果电网频率值升至预定上限值之上，则将减小风力发电场的实际功率输出。对于减小实际功率输出，存在若干可能性，即通过关断风力发电场内的各个风力涡轮机，和/或通过逐渐地减小各个风力涡轮机的功率输出，和/或通过连续地减小各个风力涡轮机的功率输出。在相反的情况下，即如果电网频率降至预定下限值之下，则稳定电网将需要增大的风力发电场功率输出。通过控制可以实现实际功率输出的增大，这是通过启动风力发电场内的一个或多个风力涡轮机和/或通过逐渐地增大各个风力涡轮机的功率输出和/或通过连续地增大各个风力涡轮机的功率输出完成的。然而，当风力发电场已经以完全功率输出工作时，该电网稳定化模式是不可能的。
图6示出了当通过连续地增大或减小各个风力涡轮机的功率输出来控制风力发电场时的风力发电场的实际输出功率的变化。与此相对，图7示出了当通过逐渐地增大或减小各个风力涡轮机的功率输出来控制风力发电场时的风力发电场的实际输出功率的变化。当关断或启动各个风力涡轮机而非仅仅减小或增大它们的功率输出时，可以获得如同图7中的曲线。在这种情况下，图7的曲线中的“向上”台阶源于被启动的风力涡轮机，而“向下台阶”源于被关断的风力涡轮机。
如上所述，根据测量出的电网频率来调节或控制风力发电场的实际功率输出。电网频率由传感器单元6测量，其中传感器单元6将测量出的电网频率值传送到控制单元5。该传送可以通过任何无线或有线绑定(bound)装置进行。集中式控制单元5调节风力发电场的实际功率输出。在第一步骤中，它确定实际电网频率是否在预定的频率范围内。如果电网频率在该范围之外，则控制单元选择要被控制的一个或多个风力涡轮机。将用来选择涡轮机以便执行关断或减小操作的选择标准可以是各个风力涡轮机的涡轮机部件磨损(寿命考虑)和/或维护考虑和/或差的工作或负载条件。另一方面，将使用相同的选择标准来选择涡轮机以便执行启动或增大操作，但是采用相反的符号。通过缩减(curtail)风力涡轮机，例如通过改变倾斜角(pitch)或者甚至使转子叶片变距(feather)，可以实现各个涡轮机的控制。
接下来，参照图2描述本发明的另外实施例，其中图2也示出了包括若干风力涡轮机1、2、3、4的风力发电场。在本实施例中，风力涡轮机不直接耦合到电网，而是通过耦合装置7来连接。该风力发电场还包括传感器元件8，用于测量风力发电场的变量。表示风力发电场状态的该变量可以例如是风力发电场的实际功率输出或电流，或者与电网的耦合点的实际电压。风力涡轮机1、2、3、4通过传感器元件8连接到耦合装置7，由此传感器元件8被布置在耦合装置7的外部。然而，传感器元件8也可以类似于图3所示的实施例而被集成到耦合装置7中。
在操作中，传感器元件8测量表示风力发电场的内部状态的变量，例如总功率输出。然后，它将测量功率值传送到耦合装置7，然后，耦合装置7检查测量出的功率值是否在预定范围的功率值之内、或者在预定的设置点处。例如，网络操作员可以规定风力发电场的特定最大功率输出，该特定最大功率输出小于风力发电场的完全容量。在这种情况下，必须调节风力发电场的功率输出，以便保持最大功率值。在耦合装置7检测到与预定期望值的偏差的情况下，它从风力发电场中选择一个或多个风力涡轮机1、2、3、4，并且减小或增大它们各自的功率输出。关于各个风力涡轮机的控制，参考上面说明。然而，应当提及的是，在本实施例中，可以通过控制风力发电场的内部变量，例如，通过电流控制来实现功率输出的控制。特别地，当通过内部变量控制所选风力涡轮机时，例如，控制和调节各个所选风力涡轮机的电流输出或者与电网的耦合点的电压。
应当理解，可以组合上述第一和第二实施例的特征，以便实现进一步的有利效果。例如，风力发电场可以包括用于检测电网参数的传感器单元以及用于检测风力发电场的内部变量的传感器元件。此外，根据本发明的实施例，可以由安设在风力发电场中的附加传感器检测不仅仅是一个而是更多的外部变量即电网变量和内部变量。
最后，参照图4和5描述按照本发明两个不同方面的两个不同的用于操作风力发电场的过程。
图4示出了根据第一过程操作风力发电场时的频率和功率输出的相关变化。根据该过程，当电网频率保持在预定频率范围内的时候，风力发电场以其最大总功率输出操作。然而，如果电网频率超过所述范围的上限值，则根据前述用于操作风力发电场的方法中的任一种方法来减小风力发电场的功率输出。由于风力发电场以其最大功率输出操作，因此它不能抵消频率下降(这需要另外的功率输出)，而只能抵消频率升高。
图5示出了当根据第二过程操作风力发电场时的频率和功率输出的相关变化。根据该过程，当电网频率保持在预定频率范围内的时候，风力发电场以所述风力发电场的最大功率输出之下的预定功率输出操作。然而，如果电网频率超过所述范围的上限值，则根据前述用于操作风力发电场的方法中的任一种方法来减小功率输出，而如果电网频率低于所述范围的下限值，则根据前述用于操作风力发电场的方法中的任一种方法来增大功率输出。该操作模式还可以稳定没有连接到公共电网的风力发电场内的电网(隔离的电网)。该操作模式还可以稳定弱电网(weak grid)，其中风力发电场装机功率是电网的发电单元的装机功率的相当大一部分。例如，风力柴油机(wind diesel)应用或者汽油(bio gas)电机/风力、太阳能/风力、或者上述的任何组合。

Claims (18)

1.一种风力发电场，具有连接到电网的至少两个风力涡轮机(1、2、3、4)，还包括：
耦合装置(7)，用于将风力发电场耦合到电网，
传感器元件(8)，用于检测表示所述风力发电场的第一变量，其中所述传感器元件(8)被适配成将所测量的第一变量传送到所述耦合装置(7)，
控制单元(5)，连接到所述至少两个风力涡轮机(1、2、3、4)；以及
传感器单元(6)，连接到所述电网和所述控制单元(5)，其中所述传感器单元(6)被适配成测量所述电网的电网频率，并且将所测量的电网频率传送到所述控制单元(5)，并且
其中所述耦合装置(7)被适配成根据所测量的第一变量来控制所述风力发电场的第二变量，并且
其中所述控制单元(5)被适配成根据所测量的电网频率来控制所述风力发电场的实际功率输出。
2.根据权利要求1所述的风力发电场，其中所述传感器单元(6)是单独的分站，或者被集成到所述至少两个风力涡轮机(1、2、3、4)之一中。
3.根据权利要求1或2所述的风力发电场，其中所述控制单元(5)被适配成关断风力发电场内的各个风力涡轮机。
4.根据权利要求1或2所述的风力发电场，其中控制单元(5)被适配成逐渐地或连续地减小风力发电场内的各个风力涡轮机的功率输出。
5.根据权利要求1或2所述的风力发电场，其中所述控制单元(5)还包括选择单元，其用于选择所述风力发电场内的各个风力涡轮机(1、2、3、4)。
6.根据权利要求1或2所述的风力发电场，其中所述传感器单元(6)被适配成通过无线电、光、声音或电信号装置将所测量的电网频率传送到所述控制单元(5)。
7.根据权利要求1或2所述的风力发电场，其中所述传感器元件(8)被集成到所述耦合装置(7)中。
8.根据权利要求1或2所述的风力发电场，其中所述第一变量是风力发电场的实际功率输出、风力发电场的实际输出电流、或者在风力发电场耦合于电网的点处的实际电压。
9.根据权利要求1或2所述的风力发电场，其中所述第二变量是风力发电场的总电流输出。
10.根据权利要求1或2所述的风力发电场，其中耦合装置包括用于控制所述风力发电场的功率输出的半导体开关装置。
11.一种用于操作根据权利要求1或2所述的风力发电场的方法，所述方法包括以下步骤：
由所述传感器元件测量表示所述风力发电场的第一变量，
以传感器单元测量电网频率，
将所测量的第一变量传送到耦合装置，
将所测量的电网频率传送到控制单元，
确定测量出的第一变量是否处于预定范围之外，并且如果测量出的第一变量处于预定范围之外，则由所述耦合装置选择包括在所述风力发电场中的至少两个风力涡轮机当中的至少一个，并且通过控制所述风力发电场的第二变量来调节所选择的至少一个风力涡轮机的功率输出，以及
确定测量出的电网频率是否处于预定频率范围之外，并且如果测量出的电网频率处于所述预定频率范围之外，由所述控制单元选择包括在所述风力发电场中的至少两个风力涡轮机当中的至少一个，并且调节所选择的至少一个风力涡轮机的功率输出。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二变量是所选择的至少一个风力涡轮机的电流输出或者在风力发电场耦合于电网的点处的实际电压。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中用于选择至少一个风力涡轮机的标准包括各个风力涡轮机的寿命、维护考虑和工作或负载条件至少之
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，如果测量出的电网频率处于所述预定频率范围外，则调节所选择的至少一个风力涡轮机的功率输出包括关断或启动所选择的至少一个风力涡轮机。
15.根据权利要求11所述的方法，其中第二变量包括所选择的至少一个风力涡轮机的在耦合于电网的点处的功率输出、电流输出或者电压，所述第二变量逐渐地减小或增大。
16.根据权利要求11所述的方法，其中第二变量包括所选择的至少一个风力涡轮机的在耦合于电网的点处的功率输出、电流输出或者电压，所述第二变量连续地减小或增大。
17.一种用于操作风力发电场的方法，包括以下步骤：
当电网频率保持在预定频率范围之内的时候，以风力发电场的最大总功率输出操作风力发电场，以及
当电网频率超过所述预定频率范围的上限值时，根据权利要求11或12所述的方法来减小风力发电场的功率输出。
18.一种用于操作风力发电场的方法，包括以下步骤：
当电网频率保持在预定频率范围之内的时候，以所述风力发电场的最大功率输出之下的预定功率输出操作风力发电场，
当电网频率超过所述预定频率范围的上限值时，根据权利要求11或12所述的方法来减小风力发电场的功率输出，并且
当电网频率低于所述预定频率范围的下限值时，根据权利要求11或12所述的方法来增大风力发电场的功率输出。
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