CN101461116A - 风场功率调节和风场功率调节方法 - Google Patents

风场功率调节和风场功率调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一个风场，带有多个产生电能向网络输出的风能设备(3，3’)和带有一个控制风能设备(3，3’)的风场主控制器(5)，其中风能设备(3，3’)具有一个借助于转子(32，32’)被驱动的产生电功率的发电机(34，34’)，和风场主控制器(5)具有一个功率调节器，根据本发明规定，功率调节装置(50)是多回路实施的，带有一个包括有一个作用在第一组(1)风能设备(3’)上的调节器(51)的快速回路(I)，和带有一个包括有一个作用在第二组(2)风能设备(3)上的调节器(52)的缓慢回路(II)，其中快速调节器(51)比缓慢调节器(52)具有一个显著较高的动力。

Description

风场功率调节和风场功率调节方法
本发明涉及风场，其带有多台风能设备和用于控制风能设备的风场主控制器，其中风能设备具有一个借助于转子被驱动的用于产生电功率的发电机，风场主控制器具有一个功率调节装置。
最近，风能设备不是单个而优选的是联合成组作为风场建立。这种风场大多是设在于风特别有利的位置，如在海岸边或在高地上。因为现在单个风能设备已经达到以前整个风场才提供的功率，现代化的风场具有一个很高的安装电功率。这种带有高功率的风场接到供电网络上还不是没有问题。特别必须把注意力放在保持高的电网质量上。随着接到供电网络上的风场数量不断增加，关于网络上风场的特性，供电公司提出严格的预先规定是必要的。属于此的例如有在出现故障时风场对电网的特性。这种故障的一个例子是电压降落，这些电压降落可以是通过短路或电站线路突然中断造成。
一个风场的主控制器担任对风场各个风能设备发号施令控制的任务。此时，将风场经营者的要求以及风场连接供电网络经营者的要求转换成各个风能设备的控制信号。因此，要达到使风场在其与供电网络的连接点上满足所提出的要求。风场主控制器的一个重要功能是监控和调节输出到网络的功率，既有有功功率也有无功功率。
这个公知装置的一个缺点是，它对更改了的要求有时反应相当迟缓。虽然主控制器一般都设置有足够高的计算能力，然而向各个风能设备传输控制信号需要相对多的时间。虽然通常设置有另外的通信线路，尽管如此还产生显著的滞后。对于经过通信线路传输典型的滞后时间是1至2秒钟，对于转换是另外的0.1秒钟，直至最后变换器可以转换成信号。通过这些长的滞后时间，在更改了要求时风场的特性就不是最佳的。这特别适用于在快速交变的条件时，如在起风暴时。此外，可以通过高的滞后时间造成在调节特性中振荡。
本发明的任务在于，提供一种在开头时提到类型的风场和一种运行的方法，该方法要避免或至少是减少上述的那些缺点。本发明的解决方案在独立权利要求的特征中。有利的扩展方案是从属权利要求的内容。
根据本发明，对于一个带有多个产生电能以向网络输出的风能设备和用于控制风能设备的风场主控制器的风场(其中风能设备具有一个借助于转子被驱动的发电机，风场主控制器具有一个功率调节装置)，规定功率调节装置是多回路实施的，其带有一个包括有一个作用在第一组风能设备上的快速调节器的快速回路和一个包括有一个作用在第二组风能设备上的缓慢调节器的缓慢回路，其中快速调节器比缓慢调节器具有一个显著较高的动态性。
在下面阐述几个所应用的概念：
对于一台发电机理解为一种将机械能转换成电能的机器。属于其中的既有直流电机也有用于单相或多相交流发电机。可以是一种同步或异步电机。一般有一个变换器(Umrichter)连接到发电机上，然而这不是绝对的。变换器优选为双变换器实施。它可以以各种类型来实施，例如用电压中间回路，用电流中间回路或作为直接变换器。
对于一个风场主控制器理解为一种控制装置，该装置作为上级控制器作用于一个风场的各个风能设备。在一般情况，它的任务是在连接点控制由风能设备产生的电能。此外，它通常还设计用于接收和转换风场经营者方面或风场所连接的电网的经营者方面预先规定的数值。风场主控制器往往是分开的结构单元；但并不排除将它设置在风场风能设备之一之中或甚至完全集成在其中，从而与容纳的风能设备的设备控制共同利用某些部件。容纳的风能设备最好列入快速调节回路。
对于风能设备的组理解为一个自然数的风能设备，其中最小的数为1。
对于动态性理解为在调整调节偏差时用于一个调节回路速度的一个尺度。在连续的调节器方案时，如尤其是在PI和PID-调节器时，调节器相应的时间常数是动态性的一个尺寸。在带有最后调整时间的调节器方案时，如尤其是在非周期性的调节器(Deadbeat-Regler)时，调整时间是动态性的一个尺寸。在此，在一般的意义上这样去理解动态性的概念，即该动态性可以说明在指令参数和干扰参数突变上调节器的应答特性。
本发明的基本构思是为功率调节装置设置一个双回路结构。将风场的风能设备至少分为由风场主控制器不同地控制的两组。第二组的风能设备连接到一个调节器上，该调节器以通常的方式较缓慢地对功率变更作出反应。而第一组的风能设备连接到一个快速回路上，该快速回路的调节器具有一个较高的动态性。因此，就有可能通过作用到第一组风能设备快速对额定值变更或对干扰作出反应。在这种情况下，经过一个较长时间的稳定态的精确度通过连接到缓慢通道上的第二组风能设备得以确保。本发明以这种方式，将关于快速调整干扰或额定值突变的快速控制的优点与对振荡的阻碍那样缓慢调整的优点统一起来。随着按照本发明将功率调节装置分成两个带有不同动态性的调节回路(在下面也称作为缓慢的和快速的调节器)，这以惊人简单的方式达到预定目的。对此不需要昂贵的调节器方案。本发明也可以用相对简单的调节器方案，如用P-或PI-调节器就实现良好的结果。
调节装置的快速和缓慢回路最好是串联(kaskadiert)实施的。在此时，对于串联理解为将快速调节器的输出信号利用为缓慢调节器的输入信号。这有个优点，即只需要在本发明多回路的调节器上放置一个指令参数。以这样的方式去减少连接方面的费用。此外，与分开的指令参数预给定相比有优点，免除了用于相互协调分开指令参数的必要性。以这种方式，避免了由于像在分开的指令参数加载时可以出现的那样没有彼此协调或甚至相互矛盾的指令参数造成的不稳定性危险。此时的另一个优点是，缓慢调节器的额定值没有平均值因而是理想的。缓慢调节器的指令参数特性因而可以最佳化到零位附近的稳定态精确度。此外，快速调节器可以优选的为平衡干扰(或瞬变，额定值突变)而设计。
特别实用的是将本发明多回路调节装置设计成无功功率调节装置。在这种情况，为有功功率设置一个自己的调节装置，该调节装置可以是以本身任意的方式实施的。恰恰对于无功功率调节装置为保持高的网络质量重要的是，无功功率调节装置要进行快速反应。用本发明的无功功率调节装置，可以通过多回路的结构特别快地对变化、故障等作出反应。因此，由于本发明也可以用相对少的费用满足网络经营者的严格要求。本发明以多回路结构和它的快速回路利用无功功率的特别特性，即它没有机械等价物。本发明认识到，以此可以形成一个快速调节回路，该快速调节回路可以对调节参数“无功功率”的快速改变作出反应，而不用担心对机械系统的损坏或不利影响(例如通过冲击式交变负荷造成的过载)。因此，快速回路可以唯一地最佳化到良好的无功功率-故障特性上，而不必在涉及稳定态精确度方面接受妥协。用本发明的多回路-结构可以将这个优点完全利用。
优选的是，快速调节器直接作用地连接到第一组风能设备的变换器上。对于直接作用在此理解为，至少在功能上是避开了各风能设备的运行控制器。因此达到使滞后时间最小化。变换器可以快速地对快速调节器改变的调节参数作出反应。从而，在故障或额定值突变时引发出整个风场的一个较好的响应特性。直接连接可以以不同方式实现。一种有利的可能性在于，快速调节器的输出端经过一个自己的传输通道与第一组风能设备的变换器连接。自己的传输通道例如可以是一根自己的导线。这种单芯线技术的实施形式，有个方案简单和一目了然的优点；此外它确保传输时间短和从而反应时间也短。但是，一个缺点是相对较高的费用。为了降低这些费用，也可以考虑在快速调节器的输出端上连接一个分开的高速数据网络并与第一组风能设备的变换器连接。对于高速在此理解为数据网络，比在风场中为其它通信使用的数据网络具有一个较高，用于加在快速调节器输出端上的数据的传输速度。用这样一种高速网络同样可以像在单芯线技术那样实现减少传输时间，然而安装费用降低了。优选的是，高速数据网络设计得有实时能力。
为了进一步改善调节特性，可以考虑的是将第一组的风能设备电气上靠近与网络的连接点布置。在此，对于电气上靠近理解为直至相应风能设备的连接导线距离是尽可能地短。一般电气距离与空间的距离相关，然而由于线路走向迂回的原因可以产生偏差。通过电气上短的布置使快速调节器的调节信号只需要经过短的路径传输并因此快速地加到第一组风能设备的变换器上。接着，这些风能设备功率输出紧接着的改变就快速作用到连接点上。因此，产生关于缩短反应时间的一个双重的效果。
调节器的指令参数可以规定为常数，但优选的是它可以改变。为使，这也在外部是有可能的，适宜的方式是调节器的指令参数接头接到一个控制输入端。以这种方式可以将风场经营者或网络经营者预先规定的值传输到调节器。
根据本发明的另一个可能值得独立保护的方案，设置一个带有产生向网络输出电能的多个风能设备的风场和一个用于控制风能设备的风场主控制器(其中风能设备具有一个用转子驱动的发电机，风场主控制器具有一个功率调节器)，将风能设备分为一个第一组和一个第二组，其中调节器是一个多回路结构的缓慢的作用到第二组上的回路的部分，该多回路结构还具有一个作用到第二组上的快速回路。在这种调节回路结构中，与上述实施形式的区别在于风场主控制器不主管第一组风能设备的快速回路。快速回路最好是独立运行。因此，这可以带有优点地如下达到，将一个相应的调节功能性集成到第一组风能设备之一的控制装置中。如果第一组仅由唯一一个风能设备构成，这样一种实施形式特别有利。这不仅使不昂贵的构造成为可能，而且由于传输时间短也使一个良好的工作特性成为可能。如此容易地有可能去实施快速回路，使它直接作用到风能设备的变换器上。不言而喻，在本发明的这个方案中也要将快速回路的风能设备布置得尽可能靠近连接点。
为了进一步阐述和为了有利的实施形式，参阅为本发明第一个方案所做的说明。
此外，本发明还涉及运行一个风场的方法，该风场带有多个产生向网络输出的电能的风能设备和用于控制风能设备的风场主控制器，其中风能设备具有一个用转子驱动的发电机，主控制器具有一个功率调节器，该方法包括按照一个调节算法计算用于一个向网络输出风能设备电功率的调节数值的步骤，将调节数值输出到风能设备。根据本发明规定，用于第一组风能设备要输出的功率的第一额定值在调节算法的第一回路中计算和用于第二组风能设备的第二额定值用调节算法的第二个回路计算，其中为调节算法的第一回路设置一个比为第二回路高的动态性。
为了详细阐述参阅上述说明，从该说明中得出本发明方法的工作原理。
本发明在下面用附图来阐述，在图中示出了本发明的一个有利的实施例。示出的有：
图1按照本发明一个实施例的一个风场的示意视图；
图2a，b 用于在图1中所示风场的一个调节器结构的示意概况；
图3a，b 在两个组中应用的风能设备的示意断面图；
图4带有调节回路的调节器结构示意视图；
图5图2中所示调节结构一种替换形式实施例的图；和
图6另一个替换的实施例的调节器结构的示意视图。
在图1中示出的是按照本发明的风场的一个实施例。它包括有多个风能设备3和一个中央主导计算机(风场主控制器)5。风能设备3连接到风场内部的汇流网6上，该汇流网经过一个连接点69与供电企业的一个供电网(未示出)连接。
风能设备3的构造，示范性地用图1和3a阐述。风能设备3包括有一个可摆动地安装在塔31上的机器外壳30。在机器外壳30的一个端面上可转动地装有转子32。转子32经过一个转子轴和一个传动装置33驱动一个发电机34。优选的是一个双重馈电的异步发电机，然而其它结构类型也是可能的。在发电机34上连接的是一个变换器35以及所产生电能的输出导线36。以此，由发电机34提供的电能是作为带有固定频率(工频)的三相交流电提供的。风能设备3的运行是由控制装置38控制的。该控制装置经过适当的、只部分示出的控制导线作用于风能设备3的各个部件。尤其是它与一个变换器控制装置37连接，该变换器控制装置控制变换器35中(未示出)的有源开关，从而调整所希望的电流、电压、频率和相的输出数值。为此，变换器控制装置37设计用于借助于变换器35去调节由风能设备3输出的有功功率P和无功功率Q。此外，在风能设备3上还装有一个变压器39，该变压器将由变换器35输出的电压转变到一个较高水平用于供到风场内部的汇流线路6。在图3b中示出的风能设备3’是相应实施的。它在其变换器控制装置37’上还具有一个附加输入端。
汇流线路6是连接到风场的所有风能设备3上的。它将由这些风能设备产生的电能传送到一个(象征性示出的)连接点69，在该连接点将电能供给到一个(未示出的)供电网。在示出的实施例中，汇流线路6具有一个树状分支的结构；它也可以同样良好地用虚线表示的总线结构实施，混合形式也同样是可能的。在汇流线路6的一个中央位置上，在连接点69之前设置一个开关装置68。它是为此设计的，即为了将风场与连接点69并从而与供电网络连接，或与其隔离开。在该开关装置68的风场一侧，设置一个风场主控制器的功率测量装置59。有必要时，可以在开关装置(68)的风场一侧或网络一侧为供电企业设置另一个功率测量装置(未示出)。
风场的风能设备3划分为两组。第一组1在所示出的实施例2中包括有风能设备3’。这里涉及的风场的风能设备3’是电气上靠近连接点69布置的。在此时，对于电气上靠近理解为，从风能设备的变压器39经过汇流网6到连接点69测量的导线长度是短的。一般这意味着，风能设备空间上也是靠近连接点69布置的；但这也不是非这样不可。
为了运行风场和为了控制在连接点69上提供的电功率，设置有风场主控制器5。它执行风场风能设备3的主导功能。为了将控制信号传送到风场各个风能设备3上，设置一个信号线路网络8。它将风场主控制器5与各个风能设备3的控制装置38连接起来。风场主控制器5包括一个作为带有多个功能模块51至53的功率调节装置50的主导计算机、一个测量模块56以及一个输入/输出单元54。有一个输入接线55连接到其上。该输入接线设计用于接受风场经营者或供电网经营者的主导指示并传送到功率调节装置50；有必要时还可为输出数据设置一个返回通道能力。在测量模块56上为从风场输出的电能连接一个功率测量装置59。功率调节装置50用功能模块51，52调节输出的无功功率Q，用功能模块53调节有功功率P。
现在参考图4阐述调节器结构。用于调节无功功率Q的功能模块51，52是作为快速和缓慢调节器设计的。一个快速回路I是通过作为调节器的功能模块51、通过作为执行环节的组1两个风能设备3’的变换器控制装置37’、通过作为调节对象的所属变换器35’和通过作为反馈的带有测量模块56的功率测量装置59形成的。后者是连接在一个加法环节57的一个负的输入端上的，在其正的输入端上是待输出的无功功率Qs的一个额定值。在功能模块51中的调节器例如是一个P-或PD-调节器。它的时间常数是很短的，优选在0.5ms-10s范围内，优选的是50ms-3s。快速调节回路的工作原理参阅图4和图2a进行说明。要输出的无功功率的额定值Qs通过风场经营者或通过网络经营者预先规定。这个预先规定可以明确地进行，但它也可以含蓄地得出，例如通过一个所谓的电压统计。将这个额定值加到快速调节回路I。另一个输入端参数是实际输出的无功功率Qi。同样将它加到快速调节回路中。这个值是一个测量量，该测量量是用带有测量模块56的功率测量装置59从输出的电压、输出的电流以及相位来确定。作为快速调节器的功能模块51由此计算出一个快速调整值SQ！。这个值经过一个直接连接9放到组1风能设备3’的变换器控制装置37’上。变换器控制装置37’相应于调整值SQ！控制属于它的变换器35’。以这种方式控制变换器35’，使它们快速调整干扰量或在额定值突变时快速过渡到新的值。带有测量模块56的测量装置59用于反馈。这样快速调节回路I就是闭环的。
此外，形成一个缓慢的调节回路II。这个调节回路包括有作为缓慢调节器的第二功能模块52，在其输出端上连接组2风能设备3的控制装置38。在其输入端上连接一个可选的预滤器VF。其用于进行可能要求的信号预处理或信号加工。在所示出的实施例中是作为低通的。在其输入端设置一个连接位置。将无功功率Q！的一个额定值输入放到这个位置上，但是该额定值输入固定在0上。这意味着缓慢调节回路II的稳定态额定值是0。但是，设立不等于零的值并不少见，该值也可以是相对于输出的功率确定的(例如作为功率因数cosφ＝0.8)。此外，连接位置与快速调节回路I的功能模块51的输出端连接。其调节参数SQ！被可选地平整并放到连接位置。从而达到缓慢调节回路II的额定值由快速调节回路I接收。以这种方式达到两个调节回路I和II的一个有利的结合。优选的是，第二功能模块52中的调节器是为稳定态精确度设计的。在所示出的实施例中，它是作为PI-调节器实施的。用一个PID-调节器也获得很好的结果。因而较长期地达到一个足够稳定态的精确度。调节器参数可以在这方面被最佳化，因为快速调节回路I是为了平衡较高的动态干扰而设置的。
功能模块52的输出端上输出的调节信号LQ！经过通用的信号线路网8放到组2风能设备的控制装置38上。因此，调节组2的风能设备3的变换器35，使所希望的无功功率额定值稳定地经过连接点69供给到网络中。在这个实施例中，缓慢调节器II不具有自己的反馈，而是为此利用通过测量装置59和测量模块56形成的快速调节器I的反馈。
在图5中示出了图4中所示略图的一个变型方案。它们主要区别在于，用作为缓慢调节器的具有功能模块52的缓慢调节回路II额定值不是在作为快速调节器的功能模块51的输出端从快速调节回路I的调节参数分接，而更确切地说是在加法环节57与功能模块51的输入端之间分接。与在图4中所示方案不同，在这个方案中缓慢调节回路II首要不是为了达到输出无功功率的一个稳定态精确度设计的，而也是为了平衡干扰。这样，组2的风能设备3也可以被用于平衡干扰或支持额定值突变。为了可以实现这个优点，小心协调作为两个调节回路I和II调节器的功能模块51，52是必要的。否则就有危险，即基于两个功能模块51，52不同的调节特性造成自动调节振荡。为了将这个风险最小化，在所示的实施例中设计一个作为带阻的预滤器VF。设计它使通过曲线在干扰的主要范围有最低值。以此达到使快速调节回路I的功能模块51自己调节地作用于大多数干扰。在某些，特别是在高频干扰时，例如通过对快速调节回路I不可控的振荡引起的干扰，附加接通缓慢调节回路II。它可以在这些情况下，以它的在组2的风能设备3中的较大数量，以有利的方式阻尼地起作用，从而减少无功功率Q的高频振荡。
图6示出的是按照并列权利要求的另一个转换形式实施例的一种调节器结构。在这个实施例中，与上述实施例的不同，风场主控制器不是为调节第一组风能设备设计的，而是只调节风能设备的第二组II。为此，风场主控制器是以前面提到的方式设置测量装置59和测量模块56。此外，缓慢调节回路II是连接在要输出的无功功率的额定值Qs的额定值输入端上的。以这种方式，用风场主控制器5达到无功功率Q的调节，也就是作为缓慢调节回路II。对于快速调节回路I规定，同样经过测量装置59采集实际输出的额定功率。为了进一步处理，设置一个特殊测量模块156以及一个特殊模块151，其作为快速调节器执行任务。特殊模块151优选地和测量模块156，最好集成到快速调节回路I风能设备的控制装置38中。如果如在此假设的那样，只给快速调节回路I分配一个风能设备，这就是特别合适的。要输出的无功功率的额定值Qs以及带负号的测量出的实际输出的无功功率又经过一个特殊加法环节157连接在作为快速调节器的特殊模块151的输入端上。由于特殊模块156和151集成到快速调节回路I的风能设备的控制装置38中，可以直接而不是间接作用到这个风能设备的变换器35’上。因而使一个高的调节动态性成为可能。干扰或额定值突变可以以这种方式快速得到调节。除此之外，这种实施形式提供的优点是，方案简单且不要求对风场主控制器5进行修改。

Claims (13)

1.风场，带有多个产生电能以向网络输出的风能设备(3，3’)和用于控制风能设备(3，3’)的风场主控制器(5)，其中风能设备(3，3’)具有借助于转子(32，32’)驱动的发电机(34，34’)，风场主控制器(5)具有功率调节装置，
其特征在于，
功率调节装置(50)是多回路实施的，并带有包括有作用在风能设备(3’)的第一组(1)上的调节器(51)的快速回路(I)还带有包括有作用在风能设备(3)的第二组(2)上的调节器(52)的缓慢回路(II)，其中快速调节器(51)具有比缓慢调节器(52)显著较高的动态性。
2.如权利要求1的风场，
其特征在于，
快速和缓慢回路(I，II)是串联实施的。
3.如权利要求2的风场，
其特征在于，
快速调节器(51)的调节信号作为指令信号连接到缓慢调节器(52)上。
4.如权利要求1至3之一的风场，
其特征在于，
多回路实施的功率调节装置是无功功率调节器。
5.如上述权利要求之一的风场，
其特征在于，
快速调节器(51)直接作用到第一组(1)的风能设备(3’)的变换器(37’)上。
6.如权利要求5的风场，
其特征在于，
快速调节器(51)的输出端经过分开的传输线路作用到变换器(37’)上。
7.如权利要求5的风场，
其特征在于，
快速调节器(51)的输出端经过分开的高速数据网络(9)作用到变换器(37’)上。
8.如上述权利要求之一的风场，
其特征在于，
第一组(1)的风能设备(3’)电气靠近连接点(69)地布置。
9.如上述权利要求之一的风场，
其特征在于，
快速调节器(51)设计用于平衡干扰的，缓慢调节器(52)为了稳定态精确度而设计。
10.如上述权利要求之一的风场，
其特征在于，
指令参数是经过预先规定数值的控制输入端(55)加到调节器上的。
11.风场，带有多个产生电能以向网络输出的风能设备(3，3’)和控制风能设备(3，3’)的风场主控制器(5)，其中风能设备(3，3’)具有借助于转子(32，32’)驱动的发电机(34，34’)，风场主控制器具有功率调节器(52)，
其特征在于，
风能设备(3，3’)分为第一组和第二组(1，2)，其中调节器(52)是多回路结构的缓慢的作用到第二组(2)上的回路(II)的部分，该多回路结构还具有作用到第一组(I)上的快速回路(I)。
12.运行风场的方法，该风场带有多个产生向网络输出电能的风能设备(3，3’)和用于控制风能设备(3，3’)的风场主控制器(5)，其中风能设备各具有用转子(32，32’)驱动的发电机(34，34’)，主控制器(5)具有功率调节器，
包括以下步骤，
读入预先规定的数值，
按照调节算法计算用于风能设备(3)的向网络输出电功率的调节数值，
将调节数值输出到风能设备(3，3’)，
其特征在于
在调节算法的第一回路(I)中计算用于风能设备(3’)的第一组(1)的待输出的功率的第一额定值和，
在调节算法的第二回路(II)中计算用于风能设备(3)的第二组(2)的第二额定值，其中为第一回路(I)设置比为第二回路(II)高的动态性。
13.如权利要求12的方法，
其特征在于
运行具有如权利要求1至10之一的特征的风场。
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