CN101515722A - 用于提高功率受限的风力发电厂的性能的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于提高功率受限的风力发电厂的性能的系统和方法。公开了一种风力涡轮机发电厂(10a)，其包括具有至少一个由风力驱动的转子(16，16a)，其将风能转化为回转运动以向电网传输系统(12)提供电能。多台风力涡轮机发电机(18，18a)连接到一个或多个由风力驱动的转子(16，16a)上。还提供了主动功率限制控制器(22)。主动功率限制控制器(22)配置成将多台涡轮发电机(18，18a)的实际功率输出限制在预定的最大输出功率级，该预定的输出最大功率级小于多台涡轮发电机(18，18a)的额定功率的总和。

Description

用于提高功率受限的风力发电厂的性能的系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及风力发电(energy production)，更具体而言，涉及通过增加已安装的涡轮机铭牌额定值来提高风力发电厂的发电的方法和系统。
背景技术
近来，风力涡轮机作为环境安全和相对便宜的替代能源已获得更多的关注。随着这种日益增长的兴趣，已做了相当大的努力来发展可靠而有效的风力涡轮机。
风力发电系统通常包括具有多台给公用电网或别的终端用户提供电能的风力涡轮发电机的风力发电厂。已知由于风速的变化，例如阵风期间，风力涡轮机功率输出会经历相对快速的变动。风力发电厂的总的功率输出极大地受到单台风力涡轮发电机上的风况影响。单台风力涡轮机的内在惯量和大风力发电厂中变化的风力涡轮机的运行状况一定程度上可能促成平滑化风力发电厂功率输出的一些波动。然而，考虑到风变化的本质，风力发电厂的总输出可能在相对短的时期内可以从相对低的输出水平变化到全功率输出，或者反向变化。由于电能不能以任何有意义的量存储在发电系统中，因此必须在发电和电能消耗之间总是存在平衡。
可以将单台风力涡轮发电机的功率输出，以及从而将单台风力涡轮发电机的功率斜坡上升率(ramp-up rate)限制在任何水平，直至特定主要风况可提供的最大功率。这通过限制一部分功率输出来实现，以便功率斜坡率(ramp rate)不会超过预期的最大斜坡率。然而这样限制了风能捕获，并增加了风力发电厂能量的有效成本。同样，在风速突然下降的情况下，风力涡轮发电机的输出可按风速实际开始下降前优先的方式进行控制，以便功率的下降率是缓变的，并且控制在辅助电源的斜坡率极限范围内。尽管作为控制斜坡率的一种方式而言是有用的，但是这种方式又限制了风力涡轮发电机的功率输出，导致了风能捕获的损失。
风力发电厂常被电网调节限制于该发电厂绝不能超过的输出功率上限值。典型地，风力发电厂的上限值是风力发电厂总的装机容量。典型地，由于不可控的风速分布和波动，风力发电厂只在部分时间里以额定水平发电，这经常不是额定的发电厂功率输出值。结果，由典型风力发电厂产生的总功率通常小于总功率容量期望的百分比，并且功率输出和斜坡率面临大的波动。由于风力发电厂中涡轮发电机的数量和额定功率典型地等于限制的上限值，不牺牲能量捕获就没有备用功率来提供下降能力。而且，当其中一台单独的风力涡轮发电机发生故障时，风力发电厂就不能维持总的额定容量。
因此，需要一种技术来在风力发电厂级别控制有效的功率输出，以产生更多输电系统运营商规定的能量极限和斜坡率限制，同时使有用风能损失最小化，并从而使能量的实际成本最小化。
发明内容
公开了一种提高风力涡轮机发电厂的性能的方法，该方法包括增加发电厂的铭牌额定容量，以及通过主动功率限制控制器将发电厂的输出限制至限定值。
根据本发明的第一个实施例，有一种用于将风力涡轮机发电系统的输出功率级限制在预定的最大功率级的方法。该方法包括确定预定的最大功率级的步骤；提供至少一个由风力驱动的用来将风能转化为回转运动的转子；用至少一个转子将多台涡轮发电机连接起来，多台涡轮发电机中的每台涡轮发电机均有标称最大功率输出；配置多台涡轮发电机以提供总的输出功率级，该总的输出功率级等于标称最大功率输出乘以多台涡轮发电机中涡轮发电机的台数，当由最少一个转子驱动时，总的功率级大于预定的最大功率级；以及将总的输出功率级控制在预定的最大功率级。
根据本发明的第二个实施例，一种风力涡轮机发电系统包括至少一个由风力驱动的用来将风能转化为回转运动的转子。多台涡轮发电机连接到一个或多个由风力驱动的转子上。还提供了主动功率限制控制器。该主动功率限制控制器配置成将多台涡轮发电机的实际功率输出限制在预定的最大输出功率级，该预定的最大输出功率级小于多台涡轮发电机总的标称功率额定值。
具有高于受限功率的极限值的额定功率的风力涡轮机发电厂与具有等于受限的功率极限值的额定功率的风力涡轮机发电厂相比的一个好处是，在其寿命期间通过平均运行于受限极限值的更高百分比处而产生更多的能量。
另一个好处是如对输出和斜坡率的变化进行的测量，具有增加的额定容量的风力涡轮机发电厂的功率输出比总额定功率等于受限的功率极限值的风力涡轮机发电厂更稳定。
另一个好处就是降低了涡轮机不可用的影响。
还有一个好处是可以保持备用功率以提供下行能力(down-rampcapability)，而没有能量捕获方面大的牺牲。这些特征使风力发电厂更易于结合到公用电力系统或电网中。
本文还公开了该方法和系统的其它方面。从下面的详细描述以及附图，本领域内的技术人员将领会并理解本发明的上述特征以及本发明别的特征和优点。
附图说明
图1示出了当前技术的功率受限的风力涡轮机发电厂的原理图，其中风力涡轮机发电机总的铭牌额定功率等于受限的功率极限值。
图2示出了功率受限的风力涡轮机发电厂的原理图，其中风力涡轮发电机总的铭牌额定功率大于受限的功率极限值。
图3为具有不同铭牌额定功率的风力涡轮机发电厂的电厂功率曲线比较的图解。
图4为对于总电厂功率输出受限的示例性电厂功率输出范围的图解。
图5为通用的功率曲线和风力分布曲线的图解。
具体实施方式
以下将参考附图对本发明进行更全面的描述，其中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同的形式实施，并且不应被视为限于本文所述的实施例；相反，提供这些实施例以使得本公开透彻而完整，并且将完整地将本发明的范围传递给本领域技术人员。
图1示出了通过传输系统14连接到电网传输系统12上的一个示例性风力涡轮机发电厂10。在图1的示例性风力涡轮机发电厂10中，有三个叶片转子16，各叶片转子驱动多台涡轮发电机18。将要理解，涡轮发电机18由符号20显示，该符号在本实施例中实际上代表了20台并联的涡轮发电机18，每台涡轮发电机额定功率为1.5兆瓦(MW)。在风力涡轮机发电厂10中，有三个叶片转子16，各叶片转子驱动由二十台额定功率为1.5MW的涡轮发电机18组成的机组(battery)20。也就是说，图1中的风力发电厂的总的铭牌额定功率为90MW(风力涡轮机的总台数乘以每台涡轮发电机18的额定功率输出)。假如电网传输系统12控制(或限制)风力涡轮机发电厂的最大功率输出为90MW，则风力涡轮机发电厂10的铭牌额定功率等于受限的上限值。
接下来参考图2，示出了本发明的风力涡轮机发电厂10a，其包括附加的叶片转子16a和二十台涡轮发电机组成的机组20a，用于总共四个叶片转子16，16a。每台单独的涡轮发电机18，18a具有铭牌额定值为1.5MW的输出功率。与图1的示例相同，风力涡轮机发电厂10由传输线14连接到电网传输系统12。与图1所示的方式相同，电网传输系统12被限制而将风力涡轮机发电厂的功率输出限制为90MW。然而，在图2的实施例中，1.5MW涡轮发电机18，18a的数量为80台。风力涡轮机发电厂10a总的铭牌额定功率为120MW，但是风力涡轮机发电厂10a的总的功率输出被电网传输系统12限制在最大为90MW。
为了满足电网传输系统12的限制最大功率要求，风力涡轮机发电厂10a通过主动功率限制控制器22进行控制，该控制器控制每台涡轮发电机18，18a的最大输出，并且平衡涡轮发电机18，18a之间的负载分配。这种主动功率限制控制器在该领域内是众所周知的。美国专利NO.7,199,482中公开了这种主动功率限制控制器22的一个例子，并在此通过引用而结合。美国专利应用出版NO.20070001461公开了另一种主动功率限制控制器，其也通过引用结合。现有的主动功率限制控制器22具有将电厂限制在给定值的能力。控制器22可进行修改，以便(1)MW限制变成上限值；(2)执行利用了附加涡轮机的算法；(3)执行提供更多智能功能的算法，如斜坡率可包括上升功率输出速率和下降功率输出速率。这些特征将使风力涡轮机发电厂10a更容易结合在公用电网中，因为它将具有与常规发电厂相似的功能。上述的主动功率限制控制器以实例的方式给出，但不局限于此，如本领域内的技术人员已知的其它此类功率限制控制器。主动功率限制控制器22通过通讯通道24与每台涡轮发电机18，18a进行通讯，并用于负荷管理控制，以及发电机组20，20a中各个涡轮发电机18，18a的一些其它功能。
接下来参考图3，示出了一对功率曲线302，304的图形。第一条功率曲线，由线302所示(用菱形间隔标识)，该线代表风力涡轮机发电厂10a的工作曲线。其中由70台额定功率为1.5MW的风力涡轮机发电机18，18a组成了风力涡轮机发电厂10a，并且风力涡轮机发电厂10a被限制或缩减至90MW的最大功率输出级。图形展示风力涡轮机发电厂10a的以MW为单位的总功率输出为以米/秒为单位的风速的函数。第二条功率曲线，由线304所示(用正方形间隔表示)，代表风力涡轮机发电厂10a的功率曲线，其中由60台额定功率为1.5MW的风力涡轮机18，18a组成了风力涡轮机发电厂10a，风力涡轮机发电厂10a的最大输出功率级限制或缩减至90MW的最大功率输出级。第二条功率曲线是一条基准功率曲线，代表的是铭牌额定功率等于电网最大功率输出约束的风力涡轮机发电厂10。如从图形300中轻易地明显可见，线302和线304限制边界的区域306代表带过量额定功率的风力涡轮机发电厂10a与额定功率等于受限的最大功率输出级90MW的风力涡轮机发电厂10相比，所实现的功率输出优势。风力涡轮机发电厂10a在稍稍低于10米/秒的风速处大约达到了90MW的功率输出，而风力涡轮机发电厂10直到风速大约为13米/秒时才达到受限的输出极限值。注意在图3所示的实例中，风力涡轮机发电厂10a总共有70台风力涡轮发电机18，18a，比图2的图示中对于风力涡轮机发电厂10a所示的发电机台数稍少。
接下来参考图4，示出了两种风力涡轮机发电厂10，10a的最大功率和最小功率范围的一个实例的图形图示，其中一种风力涡轮机发电厂的额定功率输出等于受限的最大功率级，另一种风力涡轮机发电厂的额定功率大于受限的最大功率级。
在功率仿真分析中，风力涡轮机发电厂的功率容量增加10％，能量捕获能增加5.8％，而能量成本仅增加4％。
现在参考图4，图形200有4条线202，204，206，208，代表下述的风力涡轮机发电厂10，10a的最大或最小功率的变化。该图形提供了风力涡轮机发电厂10，10a的输出功率的波动对于增加的每台涡轮发电机而降低的可视化的证明。水平轴线212表示风力涡轮机发电厂10，10a中涡轮机的总台数。垂直轴线表示风力涡轮机发电厂10，10a的总的功率输出。假定风力涡轮机发电厂10，10a的总功率输出限制在90MW，而提供90MW的受限的功率极限需要的发电机最少数量是60台单台额定功率为1.5MW的涡轮发电机18，18a。水平线202代表风力涡轮机发电厂10，10a的受限的功率极限。其余的线204，206，208表示对于由于风速变化引起不同的功率变化级的总功率输出。线204代表各单台涡轮发电机输出功率级在1.4MW和1.5MW之间变化时的情况。在这种情况下，对于具有六十台涡轮发电机18的风力涡轮机发电厂10，在最小功率级的总的电厂功率输出将总共为84MW，在功率输出坐标的低端留有6MW的余量或变动范围。对于增加的每台1.5MW的涡轮发电机18a，最大的受限的功率级202和最小的功率级之间的变动范围被减少。例如，对于1.4MW的最小功率，如线204所示，六十一台发电机的风力涡轮机发电厂可以输出85.4MW，六十二台发电机的风力涡轮机发电厂可以输出86.8MW，六十三台发电机的风力涡轮机发电厂可以输出88.2MW，六十四台发电机的风力涡轮机发电厂可以输出89.6MW。因此在风力涡轮机发电厂的六十五台发电机处于1.4MW的最小功率的情况下，变动范围就降至零。
同理，如果由于风速的变化，最小功率级降到1.3MW，七十台发电机，也就是说，如线206所示，需要额外的5台1.5MW的发电机，以将变动减至零。发电机的数量越多，风力涡轮机发电厂就越靠近最大功率线202运行。如线208所示，对于1.2MW的最小功率级，七十台发电机的风力涡轮机发电厂将不会产生最大功率级，但是，处于最小功率级的风力涡轮机发电厂将比标准的六十台发电机的风力涡轮机发电厂更靠近受限的极限值运行。
现在参考图5，示出了通用的功率曲线500和风速分布曲线502。在左边的纵轴线504上显示功率级，在右边的纵轴线506上显示每年的小时数(小时/年)。风速沿水平轴线510显示，单位为米/秒。另一条曲线515表示为风速的函数的每年总的兆瓦小时数(兆瓦时/年)。如曲线502所示，在此示例中风速经常集中在约5米/秒至10米/秒之间，且最大风速分布点512发生在大约7米/秒处，该最大风速每年大约出现400小时以上。在曲线515上，最大点514表示对应于大约12.5米/秒风速的兆瓦分布峰值，该峰值每年稍微小于400小时。最后，功率曲线500表明在风速等于或大于大约12.5米/秒处，也满足最大限制功率的要求。在低于大约12.5米/秒的风速时，风力涡轮机发电厂不能提供最大的受限功率级。
尽管已经参考优选的实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员将会懂得在不离开本发明的范围的情况下可以做许多变化以及采用等价件对要件进行替代。此外，可以在不背离本发明的实质范围的情况下进行多种更改以使得特定的环境或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不意图局限于此处作为实施本发明的最佳模式而公开的特定的实施例，而是本发明包括落在所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机发电系统，包括：
用于将风能转化为回转运动的至少一个由风力驱动的转子；
连接到所述至少一个由风力驱动的转子上的多台涡轮发电机；以及
主动功率限制控制器；
所述主动功率限制控制器配置成将所述多台涡轮发电机的实际功率输出限制在预定的最大输出功率级，该预定的输出最大输出功率级小于所述多台涡轮发电机的标称功率值的总和。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，所述风力涡轮机发电系统还包括：到电网传输系统的电连接。
3.如权利要求1所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，该预定的最大功率级是由电网传输系统设定的约束参数。
4.如权利要求1所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，所述多台涡轮发电机的总的标称功率值等于1.5兆瓦乘以所述多台涡轮发电机的台数。
5.如权利要求1所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，所述主动功率限制控制器还配置成大致相等地平衡所述多台涡轮发电机之间的负荷分布。
6.如权利要求1所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，所述主动功率限制控制器还配置成运行在等于总的标称最大功率输出的80％至95％之间的最大负载工作循环处。
7.如权利要求1所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，该预定的最大输出功率级为90兆瓦，总的额定功率为至少97.5兆瓦，而所述多台涡轮发电机每台的额定功率为1.5兆瓦。
8.如权利要求7所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，所述多台涡轮发电机是六十五台发电机。
9.如权利要求1所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，该预定的最大功率级为90兆瓦，总的功率级为至少105兆瓦，而所述多台涡轮发电机每台的额定功率为1.5兆瓦。
10.如权利要求9所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，所述多台涡轮发电机是七十台涡轮发电机。
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