CN101223359B - 风电场的功率调节 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于调节风力发电设备(1)或风电场的方法。用于送入能量供应网络的功率的功率调节模块(55)按照本发明增添了附加功率装置(6)。附加功率装置(6)这样工作，使得可以与网络(9)中的电压相关地获得电流储备并作为校正值施加到功率调节模块(55)上。本发明利用了下述内容，即，作传输用的组件按照其额定功率基于具有低网络电压的不利情况设计。从网络电压通过公差值得出的功率储备按照发明可以用于传输。因此可以实现在不具有附加建造费用的情况下显著提高输送功率。此外，本发明还涉及按照该方法运转的风力发电设备或风电场。

Description

风电场的功率调节
技术领域
本发明涉及一种用于调节风力发电设备或者风电场的方法，所述风力发电设备具有借助转子驱动的发电机以及在发电机上连接的变流器及控制器，其中，控制器利用功率调节模块调节通过连接路段输入能量传输网络的功率。本发明还涉及按照该方法运转的风力发电设备或风电场。
背景技术
为了借助风能更大量地产生电能而制造始终具有较高的功率的风力发电设备。通常有多个在一个位置上架设的风力发电设备集中于一个风电场。然而适合架设高功率风力发电设备或风电场的强风地点在陆地上处于人口稀少的地区。在那里，能量供应企业的能量传输网络原则上仅具有很小的传输功率。这导致下述结果不在少数，即，由于能量传输网络具有受限的传输容量，所以会存在相应的运转限制。能量传输网络的运转极限通过导线以及其间接通的组件例如变压器的功率极限确定。能量传输网络的运转极限严格限定限额，所述限额阻碍了在有利的风力条件下风力发电设备或风电场的全部功率得到利用。这导致经济上的缺点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种风力发电设备或风电场以及一种用于驱动的方法以实现更好的利用。
按照本发明的方案给出了用于调节风力发电设备的方法，所述风力发电设备具有借助转子驱动的发电机和连接在所述发电机上的变流器以及控制器，其中控制器利用功率调节模块在极限值之内调节通过连接路段输入能量传输网络的功率，其中为连接路段确定最大电流，其特征在于：获得在输入能量传输网络的功率下存在的在实际通过连接路段流动的电流和最大电流之间的电流储备，取决于电流储备确定针对可输出功率的校正值，并且将校正值加载到功率调节器以提高功率。
按照本发明的方案给出了风力发电设备，所述风力发电设备具有借助转子驱动的发电机以及在所述发电机上连接的变流器及控制器，其中，控制器具有功率调节模块，该功率调节模块设计成在极限值之内对通过连接路段输入能量传输网络的功率进行调节，其中为连接路段确定最大电流，其特征在于：功率调节模块进一步设计成获得在输入能量传输网络的功率下存在的在实际通过连接路段流动的电流和最大电流之间的电流储备，以及取决于电流储备确定针对可输出功率的校正值。
按照本发明的方案给出了具有总控机构和至少一个风力发电设备的风电场，所述风力发电设备具有借助转子驱动的发电机以及在所述发电机上连接的变流器及控制器，其中，总控机构具有功率调节模块以用于对通过连接路段输入能量传输网络的功率在极限值之内进行调节，其中为连接路段确定最大电流，其特征在于：功率调节模块设置成获得在输入能量传输网络的功率下存在的在实际通过连接路段流动的电流和最大电流之间的电流储备，以及取决于电流储备确定针对可输出功率的校正值。
本发明还给出了优选的实施例。在用于调节风力发电设备的方法中，其中所述风力发电设备具有借助转子驱动的发电机以及在发电机上连接的变流器及控制器，其中控制器借助功率调节模块调节通过连接路段输入能量传输网络的功率，所述风力发电设备还具有用于测量所输送的功率的装置。
本发明的核心在于下述构思，即，对用于连接到能量传输网络上的连接路段的可支配容量始终加以充分利用，更确切地说是尽可能与各个运转状态无关。本发明基于下述认识，即：大量用于在能量传输网络上的网络连接端的组件例如电缆或变压器的运转极限，可以通过各自的热极限确定。而且，为了保证运转安全性，在单个组件中形成的损耗功率不允许在不利的条件下超过各关键值。在确定关键值的时候须注意的是，网络中的电压不是常数，而是具有重要的变化范围。因此，根据电网经营商协会的相关规程(传输法典2003)在高压网络中的电压可以与额定电压偏差+10％/-13％。为了在各种情况下都保证工作安全性，按照经典做法在该范围的不利的点上进行设计。以此为基础算出允许的输送功率，需要时需在考虑附加的无功功率供给或相关项的情况下进行计算。本发明认识到，对于这种计算方式来说，并没有对组件加以充分的利用。基于已知的针对在组件中以复数电阻(komplexer Widerstand)产生的损耗功率的公式PV＝IN×IN/实际的(ZL)具有下述认识，即，当在能量传输网络中出现最低允许的电压时，(根据已知关系P＝U×I)便会出现最高的损耗功率。于是流动着最大的电流(最大电流)。本发明认识到，对于每个其他的较高电压值而言，实际在组件中产生的损耗功率由于变低的电流值而减少。如果电压例如恰好是额定值，那么不再流动最大电流，而是流动着根据关系P＝U×I得到减小的电流。它的值与电压成反比。在实际在额定点范围内流动的电流与算得的最大电流之间具有差数。因此存在电流储备。本发明使用所述电流储备以用于提高实际输入能量传输网络的功率。可获得的盈利依赖实际存在的、有关于最低许可电压的网络电压。如果许可的电压差值如上所述为额定电压的+10与-13，那么对于能量传输网络中的实际电压而言，根据额定电压的高度具有13％的电流储备。通过按照发明使用所述电流储备可以将传输的功率提高13％而不会因此导致组件的过载。如果实际电压超过额定电压的上限值，那么电流储备甚至计为23％。因此按照发明实现了将近1/4之多的功率输入了能量传输网络而不会超过许可的损耗功率。通过这样提高可能的传输功率可以明显改善风电场的效率。因此也提高了运转的经济性。
按照目的设有限制装置，限制装置在达到最大电流时依赖选择信号调节在输入能量传输网络的电流与网络电压之间的相位角。电流的总额就此而言保持不变，即处于最大电流的高度，电流与电压之间的角度发生改变。因此可以实现的是：利用选择信号可以预定，是优先将有效功率还是优先将无功功率输送到网络中。因此，利用选择信号可以选择，是应该通过提高有效功率输出提供较高产量，还是应该通过优先提高无功功率输出提供网络的电压支持。按照目的，借助电压平衡装置产生选择信号。电压平衡装置可以获得支持网络所需的无功功率需求。以此为基础可以决定，是优先输出有效功率还是优先输出无功功率。作为替代方案或附加方案也可以如下地设置，即，从外界、尤其通过网络驱动器引入选择信号。网络驱动器就此可以依赖能量传输网络的状态做出决定，是应该需要并输送更多的有效功率还是更多的无功功率。
依赖各所需的有效功率或无功功率可以借助可预定的特征线确定各个其他的参数、即无功功率或有效功率。为此可以设置特征线模块，特征线模块例如可以集成在电压平衡装置中。特征线模块出于下述目的设置，即，依赖例如有效功率的大小借助所提供的特征线获得其他例如无功功率的大小。特征线可以自由选取。就此而言优选的是椭圆函数，椭圆函数按照目的在最大功率的标准化下为：1＝P2∶a2+Q2∶b2。通过选择系数a、b可以实现有效功率或无功功率的优先性。
按照目的可以确定并附加输送用于补偿导线容量的附加电流。该电流的确定无关于网络电压和电流极限或现时有效电流输送。这一点优选通过方程式iq＝U/Z＝U×jwc计算而实现。该电流用于补偿连接路段风力发电设备侧的电容负载并因此在不影响电流极限的情况下流入网络。电容负载的补偿尤其在将多个风力发电设备连入风电场的时候具有意义。
按照目的将限制信号施加到风力发电设备上以用于限制从其输出的电流。所输出的电流可以例如处于0至100％的许可电流范围内。因此可以直接在电功率的根源上进行干涉，更确切地说，尤其涉及了有效电流部分。按照目的在确定限制信号的时候把连至风力发电设备的导线的复数电阻也一起计算在内。
本发明还涉及一种用于调节风电场的方法，所述放电场具有总控机构和至少一个按照本发明的风力发电设备，其特征在于：总控机构按照本发明所述的方法实施功率调节。
按照目的为单个的风力发电设备设定不同的校正值。虽然也可以为风电场的所有风力发电设备相同地预设校正值，但是原则上更有利的是，对不同风力发电设备之间的各有效和无功功率部分做出各异的预设。因此能够减少损失并实现更高的效率。
此外，根据目的为风力发电设备设置并加载个性化的限制信号。同时，通过在风电场的尤其大功率的风力发电设备中预设较之小功率风力发电设备更高的极限值这一方式也可以实现风电场总功率的优化。此处所述的大功率和小功率不仅与单个风力发电设备的结构设置有关，而且还包括有关于地点的参数、例如特别利于风的位置等等。
附图说明
本发明此外还涉及用于实施上述方法的风力发电设备以及风电场。
下面结合附图阐述本发明，在附图中示有优选实施例。其中：
图1是根据本发明第一实施例的风力发电设备的示意图；
图2是图1所示风力发电设备的基于电压的功率图；
图3是用于确定按照第一实施例的校正值的示意性详图；以及
图4是特征线模块的示意性详图；
图5是根据本发明第二实施例的风电场的示意图。
具体实施方式
对于图1中示出的风力发电设备来说所涉及的是传统的转速可变风力发电设备的基本结构。风力发电设备1包括塔体11，塔体11具有设于其上的机器室12。转子13转动地支承在机器室12的一个端面上并通过驱动轴(未示出)与发电机14连接。对于发电机14来说所涉及的优选是双馈异步机，当然也可以使用其他构造种类的电机，例如同步、异步电机或永久磁铁激励的电机。发电机14与变流器15并进一步与导线3电连接。变流器15可以作为全功率变流器或分功率变流器构成和接通。出于控制的目的在风力发电设备上设置了控制器2。为了明确示出控制器2而将其从风力发电设备1移离地示出，在实际情况中，控制器2原则上只设置在风力发电设备1上，甚至常常设置在机器室12中。另外，控制器2这样构成，使得风力发电设备1按照可调节的预定值运转。预定值可以内部地确定或从外界通过连线29导入。连线29常常作为借助调制解调器的数据连线构成，从而可以实现通过电话网络或数据网络的访问或者无线的数据传送。控制装置2设有测量装置，其中典型的是导线3中的电压测量装置22和电流测量装置23。它们用于查明由风力发电设备1送入导线3中的功率并用于相应地对风力发电设备1进行调节。还设有其他测量装置，出于清晰的原因未将它们示出。
由风力发电设备1送入导线3中的电功率通过连接路段4传入能量传输网络9。连接路段4的作用在于把风力发电设备1连接到能量传输网络9上。视风力发电设备1关于能量传输网络9的位置而定，连接路段4时常具有可观的长度。就此而言，超过许多公里数的距离不在少数。就海上设备而言距离可达100km，就此而言，出于安全的原因通常设置平行的连接路段。所示的连接路段4由中等电压导线41、变压器42和高电压导线43以及与能量传输网络9的连接点49组成。就所示实施例而言，能量传输网络9是高压网络。如果设有到中等电压网络或高电压网络上的连接，则可以取消变压器42。
风力发电设备1的控制器2具有功率调节模块25。功率调节模块25出于下述目的设置，即，让风力发电设备按照内部预定值和/或按照在外界由能量传输网络9的驱动器通过连线29所提供的预定值运转。为此目的，功率调节模块25对变流器15产生作用，视情况也对转子13产生作用。为了测量由风力发电设备1送入导线3的功率而使用了测量装置22、23。利用它们可以确定全部送入的电功率、有效功率部分、以及无功功率部分。从而也能够满足有关于应输送的有效功率和无功功率的特殊预定值。
连接路段4为了确定的额定功率PN而设置。该额定功率可以通过在连接点49上送入能量传输网络的最大可送入功率确定，也可以通过连接路段4的单独组件例如导线或变压器的几何形状确定。利用该额定功率可以确保在维持能量传输网络9中针对电压的标准条件时不会出现过载。现在，本发明利用了下述内容，即，从热负荷中通过损耗功率基本确定出这些组件的功率限制。为了保证安全的运转，损耗功率也不允许在不利的条件下低于确定的关键极限。就此而言需要顾及的是，网络9中的电压不能是恒定的。正如图2所示那样，存在一个有关于额定电压的公差范围。对于高压网络来说，该公差范围例如按照相应的电网经营商协会VDN(传输法典2003)的规程计为额定电压的+10和-13％。在该范围中，电压网络必定连同其所配的组件安全地工作。相应地设置了连接路段4。这意味着，当电压处于电压带的最下端即例如额定功率之下的13％时，连接路段4也必定能够传送额定功率PN。其中所传送的最大电流从P＝U×I与IN＝PN/(UN×0.87)的关系中得出。所得出的最大电流比依照IN＝PN/UN算出的额定电流大13％。这意味着，该连接路段基于比其在额定功率PN和额定电压UN下算出的额定电流IN高13％的电流设计。
如果现在利用“为了维持允许的损耗功率而具有不可逾越的最大电流IM”这一标准驱动传输路段4，那么从网络电压的下限值出发示有随着变高的电压增加的功率增益。该功率增益在图2中作为阴影区表示。如果能量传输网络9中的电压实际上处于额定值的高度，那么因此示有相对于额定功率PN13％的增益；如果能量传输网络9中的实际电压到达了上公差限值，则示有23％的增益。本发明利用了下述内容，即，其中尽管超出额定功率近1/4，通过电流IM确定的损耗功率仍然处于许可的范围内，因此不会出现传输路段4的过载。本发明因此无须结构上的改变就能大大改善对已有传输路段4的利用。为了让风力发电设备1能够以这种工作形式在维持最大电流IM的情况下运转，设置了附加功率装置6。
附加功率装置6根据其在图3中的示意性结构详细示出。它包括作为主要组件的差分器63以及乘法器65。在差分器63的输入端61上关联的是最大电流IM的输入值。该输入值可以通过手动机构输入，也可以由来自控制器2或外界的存储范围提供，并且也可以在其中随时间变化。在另一个输入端62上加载的是实际通过导线3流入连接路段4的电流。差分器63从中获得电流储备ΔI，并且电流储备ΔI通过连接线路64和乘法器65进行加载。在乘法器65的另一连接端上，电压U通过连线29加载在连接线路3上。从中可以算出针对可送出功率的校正值ΔP并在输出端67上给出。该输出端67与控制器2的功率调节器25连接。因此，由风力发电设备送出的功率可以相应地提高。
图4示出了特征线模块7。它的用处在于，借助可预定的需传输的有效功率的值获得在考虑极限值的情况下仍可传输的无功功率。为此在特征线模块7中启用了椭圆特征线。该特征线遵循“1＝P2∶a2+Q2∶b2”这一关系，该关系根据图示与最大可传输功率有关。通过有效功率部分P或相位角φ的预定值，特征线模块7可以借助所实行的椭圆特征线获得各个针对有效功率P和无功功率Q的最高值组。特征线模块7可以设置在风力发电设备的控制器2中，或者在具有多个风力发电设备的风电场的情况下按照目的设置在风电场的总控机构5中。
首先涉及的是图5所示的按照发明设置的风电场的示意性展示。在那里模拟示出了四个风力发电设备1，它们通过两个导线3的支路3′连接。关于单个风力发电设备的结构和工作原理方面在前面的图示中已有展示。下面将阐述区别之处。
除了风力发电设备1以外，风电场还具有总控机构5。总控机构5为风电场的全部风力发电设备1提供上级的运行管理并监视风电场与能量传输网络9的连接。来自外界、例如来自能量传输网络9的驱动器的预定值，可以通过连线59加载到风电场总控机构5上并且不再直接传输到单个的风力发电设备1上。风电场总控机构5借助工作条件和预定值获得单个风力发电设备1运转的理论值。理论值通过通讯连接32传输到单个风力发电设备1的控制器2上。为此在风电场主控机构5中设有功率调节模块55。此外还在风电场主控机构5中安置了附加功率装置6。附加功率装置6在其结构上基本与图1所示实施例中的单个风力发电设备1的情况相符。相应地在风电场总控机构5上设有用于输入最大电流IM的输入端和电流与电压的测量装置52、53。相应地，附加功率装置6的输出端67通过控制线路32与单个风力发电设备1的控制器2连接。
其他可选的功能借助第二实施例说明。在总控机构5中附设了限制装置68。限制装置68出于下述目的设置，即，当导线3中流动的电流上升至有关于选择信号输入59的最大电流IM值时，可以调节电流I和网络电压UN之间的相位角。该相位角根据选择信号如下地确定，即，要么优先将有效功率(相位角尽可能小)、要么优先将无功功率(相位角值在90°范围内)供入能量传输网络9。由此可以借助输入端59上的选择信号进行如下调节，即，是优先输出有效功率还是优先输出无功功率。选择信号可以由驱动器或能量传输网络9的驱动器从外界提供。当然也可以设置成，借助电压-相位角-特征线获得选择信号。为此在风电场调节机构5中设有特征线模块(未示出)，该特征线模块从电压中获得无功功率的需求并相应地调出选择信号。
另外，在风电场调节机构5中可以设置叠加的电压调节器69。在电压调节器69的输入端连有电压测量装置52。它的作用在于，识别点41处因为较高电流IM导致的欧姆损失或感应损失所造成的电压升高并相应地对其反作用。这一点可以通过干涉附加电流模块6以及减少输出功率实现，或者优选通过给单个风力发电设备1的控制器2预设较大的无功功率部分实现。
在风电场调节器5中还可以设置补偿模块57。补偿模块57出于下述目的设置，即，通过选择性地给单个风力发电设备分配无功功率使得导线3或3′的功率容量效应得到补偿。所述补偿是针对风电场内部的，也就是说是针对连接路段4的风力发电设备侧的。该模块确定出补偿所需的无功电流，更确切地说，要么通过借助测量装置52、53的测量受到调节，要么按照关系iq＝U/Z＝U×j×wC(其中，Z是导线3、3′的复数电阻，C是它们的频率，w是圆周率2×π×f)受到控制。由此可以实现的是，使得在风电场中远距连接路段4设置的风力发电设备1即使存在由功率容量产生的电压升高的危险(直至在各风力发电设备上产生超电压)也能够将尽可能大的有效功率供入能量传输网络9。
优选在总控机构5上进一步设置一个单独的预定装置60。该预定装置60与附加功率装置6以如下方式共同作用，即，给单个的风力发电设备传输个性化的、针对由它们所送出的最大电流的预定值。由此可以设置确定的、用于加大提供有效功率的风力发电设备，同时设置其他的、用于加大提供无功功率的风力发电设备。因此可以实现与单个风力发电设备的各个特点的配合，例如可以设置在特别上风的位置处定位的风力发电设备以用于加大提供有效功率，同时提供其余加大的无功功率。因此进一步提高了风电场的效率并由此进一步提高了经济性。

Claims (18)

1.用于调节风力发电设备(1)的方法，所述风力发电设备具有借助转子(13)驱动的发电机(14)和连接在所述发电机上的变流器(15)以及控制器(2，5)，其中控制器(2，5)利用功率调节模块(25，55)在极限值之内调节通过连接路段(4)输入能量传输网络(9)的功率，其中为连接路段(4)确定最大电流(IM)，
其特征在于：
获得在输入能量传输网络(9)的功率(P)下存在的在实际通过连接路段(4)流动的电流和最大电流(IM)之间的电流储备(ΔI)，取决于电流储备(ΔI)确定针对可输出功率的校正值(ΔP)，并且将校正值(ΔP)加载到功率调节模块以提高功率。
2.按权利要求1所述的方法，
其特征在于：
设有限制装置(68)，该限制装置在达到最大电流IM时依据选择信号这样调节在电网电压与输出电流之间的相位角，使得有效功率被优先供入能量传输网络(9)或无功功率被优先供入能量传输网络(9)。
3.按权利要求2所述的方法，
其特征在于：
所述选择信号借助电压-相位角特征线产生。
4.按权利要求2所述的方法，
其特征在于：
所述选择信号由外界接通地施加。
5.按权利要求2所述的方法，
其特征在于：
所述选择信号由能量传输网络(9)的驱动器接通地施加。
6.按权利要求2至4之一所述的方法，
其特征在于：
借助优先输入的有效功率或无功功率并利用可预定的特征线计算要次级别输入的无功功率或有效功率。
7.按权利要求6所述的方法，
其特征在于：
可预定的所述特征线通过具有标准式1＝P2∶a2+Q2∶b2的椭圆函数形成，其中，“P”表示有功功率，“Q”表示无功功率，“a”和“b”都是系数。
8.按权利要求1至5之一所述的方法，
其特征在于：
获得限制信号并施加到风力发电设备(1)上以用于限制由其送出的电流。
9.按权利要求8所述的方法，
其特征在于：
在确定限制信号的时候将连至风力发电设备(1)的连接导线(3)的复数电阻包含在内。
10.用于调节风电场的方法，所述风电场具有总控机构(5)和至少一个风力发电设备(1)，
其特征在于：
总控机构(5)按照权利要求1至9之一所述的方法实施功率调节。
11.按权利要求10所述的方法，其特征在于，为各单个风力发电设备确定不同的功率校正值。
12.按权利要求11所述的方法，
其特征在于：
将为各单个风力发电设备所确定的不同的功率校正值作为与最大可输入有效电流有关的相关值进行确定。
13.用于实施按权利要求10至12之一所述方法的风电场。
14.风力发电设备，所述风力发电设备具有借助转子(13)驱动的发电机(14)以及在所述发电机上连接的变流器(15)及控制器(2，5)，其中，控制器(2，5)具有功率调节模块(25，55)，该功率调节模块设计成在极限值之内对通过连接路段(4)输入能量传输网络(6，9)的功率进行调节，其中为连接路段(4)确定最大电流(IM)，
其特征在于：
功率调节模块(25，55)进一步设计成获得在输入能量传输网络(9)的功率(P)下存在的在实际通过连接路段(4)流动的电流和最大电流(IM)之间的电流储备(ΔI)，以及取决于电流储备(ΔI)确定针对可输出功率的校正值(ΔP)。
15.按权利要求14所述的风力发电设备，
其特征在于：
所述功率调节模块设计成用于实施按权利要求2至9之一所述的方法。
16.具有总控机构(5)和至少一个风力发电设备(1)的风电场，所述风力发电设备(1)具有借助转子(13)驱动的发电机(14)以及在所述发电机上连接的变流器(15)及控制器(2)，其中，总控机构(5)具有功率调节模块(55)以用于对通过连接路段(4)输入能量传输网络(6，9)的功率在极限值之内进行调节，其中为连接路段(4)确定最大电流(IM)，
其特征在于：
功率调节模块(55)设置成获得在输入能量传输网络(9)的功率(P)下存在的在实际通过连接路段(4)流动的电流和最大电流(IM)之间的电流储备(ΔI)，以及取决于电流储备(ΔI)确定针对可输出功率的校正值(ΔP)。
17.按权利要求16所述的风电场，
其特征在于：
所述功率调节模块进一步设置成用于为各单个的风力发电设备(1)确定不同的功率校正值。
18.按权利要求17所述的风电场，
其特征在于：
将为各单个风力发电设备所确定的不同的功率校正值作为与最大可输入有效电流相关的值进行确定。
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