CN101933211B - 用于运行风能装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于运行风能装置的方法，该风能装置具有：为电网提供电能的发电机装置，其中发电机装置包括定子；以及用于控制发电机装置的控制装置，其中至少通过第一测量装置测量发电机装置的定子电压，并且至少通过第二测量装置测量提供到电网上的电网电流。本发明的目的在于提出一种开头所述类型的用于运行风能装置的方法，即在电网电压波动时确保风能装置的有效运行，该目的由此实现，即利用电网模型至少根据定子电压和电网电流确定电网电压，通过所确定的电网电压及在定子电压和电网电压之间预设的最大相角确定风能装置的可最大输出的有效功率，并且被输出的有效功率根据所确定的可最大输出的有效功率和由控制装置预设的额定有效功率来调节。

Description

用于运行风能装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行风能装置的方法，该风能装置具有：为电网提供电能的发电机装置，其中发电机装置包括定子；以及用于控制发电机装置的控制装置，其中至少通过第一测量装置测量发电机装置的定子电压并且至少通过第二测量装置测量提供到电网上的电网电流。本发明还涉及一种计算机程序以及一种计算机程序产品，都用于执行采用处理器的方法，本发明还涉及一种风能装置的发电机装置的控制装置及一种风能装置。

背景技术

在现有技术中始终希望，风能装置的有效功率最佳化的输出到电网上并且避免损伤到电网及风能装置。特别是在电压干扰时，由风能装置输出的有效功率会超过可最大输出到电网上的有效功率。这将会导致风能装置的发电机装置不稳定。如果发电机装置不稳定则会造成，风能装置必须关闭，以避免风能装置受到损害。

EP 1 040 564 B1公开了一种用于运行风能装置的方法，其用于避免电网电压不合理的波动，从而能防止风能装置在不利情况下的去激活。在此，风能装置包括用于吸收处于电网上电压的电压吸收器。当电网电压大于或小于预设的电网电压时，风能装置在电网上不启动功率输送。然而，这种用于运行风能装置的方法的缺点在于，该方法能够保护电网，但不能对风能装置形成保护。同样不令人满意的是，在电网电压强烈波动时也要无功率输出地运行，同时不能够保证对风能装置的足够保护。

发明内容

基于这样的现有技术，本发明的目的在于提出一种开头所述类型的用于运行风能装置的方法，即在电网电压波动时确保风能装置的有效运行，并且同时能够在无需关闭风能装置的条件下实现风能装置的有效保护而不受损害。

根据本发明的第一方案，上述目的通过一种开头所述类型的方法以此实现，即利用电网模型至少根据定子电压和电网电流确定电网电压，通过所确定的电网电压及在定子电压和电网电压之间预设的最大相角确定风能装置的可最大输出的有效功率，并且被输出的有效功率根据所确定的可最大输出的有效功率和由控制装置预设的额定有效功率来调节。

相对于已知的方法，根据本发明的方法的目的在于，为风能装置提供保护，其中避免了风能装置的这些不稳定的状态。通过确定出电网电压并通过定子电压和电网电压之间可预设的最大相角能够确定出通过发电机装置可输出到电网上的最大有效功率，该有效功率还能够实现风能装置的稳定运行。因此，实际输出的有效功率可以根据可最大输出的有效功率来调节并能够避免极端运行情况，而不必要求风能装置进行空转运行或去激活。

根据本发明的第一设计方案，所确定的可最大输出的有效功率与预设的额定有效功率进行比较，并且在可最大输出的有效功率超过额定有效功率时额定有效功率被限定为可最大输出的有效功率。否则，额定有效功率被输出到电网上。众所周知，当在较小的可最大输出的有效功率中，输出的额定有效功率被限定为可最大输出的有效功率时，则能够特别容易避免由电网中电压降引发的不稳定的运行情况。通过降低实际上输出的有效功率可以避免发动机装置的不理想的提速。另外，风能装置可以在稳定的工作点上运行并且可以避免风能装置的去激活。

此外，根据本发明的另一实施例，可最大输出的有效功率被持续地、周期性地和/或一次性地确定。在功率几乎恒定且不可能出现电压干扰的电网上，可最大输出的有效功率一次性地，例如在风能装置的调试阶段被确定出。由此可以降低为确定出可最大输出的有效功率的计算成本。更高的安全性要求可以通过周期性地，或者如必要的话持续性地确定出可最大输出的有效功率，以便于也能够合理地反应出相对突然的电压干扰，并且尤其是可以输出的额定有效功率足够快速地限制到可最大输出的有效功率上。

根据本发明方法的又一设计方案，用于确定出可最大输出的有效功率的电网电压可以通过定子电压、电网电流和电网阻抗计算出。通过运用这些确定电网电压的参数能够以简单的方式确定出电网电压，而无需其他的电网电压测量条件，这些测量条件会提高成本。

为了获得电网阻抗的准确数值，电网阻抗可以通过至少两个不同时间点上测量出的定子电压以及至少两个不同时间点上测量出的电网电流计算出。确定出包括真实部分及虚拟部分的电网阻抗可以通过定子电压和电网电流的两次测量以简单的方式根据从中得出的两个方程式实现。在控制装置中可以设置，用于测量的合适的测量装置以及用于确定出电网阻抗的合适的处理装置。

电网阻抗可以持续地、周期性地和/或一次性地确定。尤其是在具有几乎恒定的电网阻抗(无实质变化)的电网中，为减少计算时间电网阻抗可以一次性地，例如在风能装置的调试阶段被确定。对于电网阻抗可能变化的电网，电网阻抗可以有利地、周期性地被确定，在电网阻抗快速变化时也可以持续地进行确定，以便于将电网阻抗的变化包含在可最大输出的有效功率的计算中。改善电网模型及基于电网模型的参数确定的准确度，能够进一步地改善风能装置的安全性。

众所周知，通过合理的选择定子电压和电网电压之间的最大相角能够实现充分的装置保护。根据本发明方法的又一设计方案，定子电压和电网电压之间的最大相角可以设定为小于或等于85°，优选小于或等于70°。对于理论上最大可输出的有效功率所需的且最大可能的相角为90°。然而为了相对于稳定运行的风能装置而保持足够的安全性，其可能在相角小于90°时，则相角至少优选设定为至少小于或等于85°，其中最大相角为小于或等于70°时将提供更大的安全性储备。

根据本发明的另一实施例，可以采用双馈电式异步电机。双馈电式异步电机尤其适合于作为风能装置中的发电机装置。

根据本发明的第二方案，上述目的通过一种具有命令的计算机程序来实现，该命令能够促使处理器执行根据本发明的方法。同时也通过一种计算机程序产品来实现，其含有促使处理器执行根据本发明方法的命令。关于根据本发明的计算机程序及计算机程序产品的优点，业已在根据本发明方法的说明中证实。

根据本发明的又一方案，上述目的通过风能装置的发电机装置的控制装置实现，其中控制装置包括根据本发明的方法用于控制发电机装置在电网上进行有效功率输出的装置。根据本发明的控制装置可以运行风能装置的发电机装置的运行，并且避免极端的运行情况，尤其是发电机装置的不稳定，以及由此而联系到的风能装置的去激活。此外，也可以在强烈的电网电压波动时确保功率输出。

上述目的通过也可以通过一种包括发电机装置及根据本发明所述的控制装置的风能装置来实现。根据本发明的风能装置尤其适用于到“波动”的电网上或与波动的电网连接。这例如涉及在海岸风力环境中的风能装置。

附图说明

设计及改进根据本发明的方法、控制装置及风能装置具有多种可行性方案。在此，一方面通过从属于权利要求1的从属权利要求来证实，另一方面通过联系附图的多个实施例的说明来证实。在附图中：

图1示出了根据本发明风能装置的实施例的示意图，

图2示出了根据本发明方法的实施例的流程图，

图3示出了根据本发明方法的实施例的功率特征曲线图表。

具体实施方式

图1首先示出了根据本发明风能装置的实施例的示意图。所示的定子1设置用于驱动发电机装置2。双馈电式异步电机可以优选作为发电机装置2使用。发电机装置2能够将有效功率输出到具有电网阻抗7的电网8上。输出到电网8上的电网电流可以通过第二测量装置4测量。此外，借助于第一测量装置3可以获取发电机装置2的定子电压。所获取的定子电压及输出到电网8上的电网电流的数值可以以合适的格式，例如作为模拟数据或数字数据传输到控制装置5上。控制装置5可以具有合适的根据本发明的方法、以处理所获取的数据的装置，其中尤其可以是一种数字处理装置。此外，控制装置5适用于控制限幅装置6，以便于如果需要的话限制实际输出的有效功率。

根据在图2中简化示出的流程图描述了根据本发明方法的实施例的功能。为调节实际输出的有效功率，首先需要确定出电网模型的参数。但是也可以考虑，固定地预设电网阻抗。尤其是可以首先确定出电网阻抗Z_N。在第一步骤10中，定子电压U _S1和输出到电网8上的电网电流I _NI通过设置的测量装置3、4来获取。该测量数值的获取在第一处理时间点t₁上进行。应当了解，该步骤也可以以两个分步骤进行。对于第二处理时间点t₂，在第二步骤11中可以通过设置的测量装置3、4进行定子电压U _S2和输出的电网电流I _N2的第二次测量。所获取的测量数值可以传输到为继续处理的控制装置5。在下一个步骤12中，电网阻抗Z_N的所查找的值R_N和X_N借助于控制装置5的合适的处理装置进行如下计算。如果通过电压U _Q的一般方程式

U _Q＝U _S-Z_N I _N，

Z_N＝R_N+jX_N    (a)

则获得了以下两个工作时间点t₁和t₂的两个方程式

U _Q1＝U _S1-(R_N1+jX_N1)I _N1    (b)

U _Q2＝U _S2-(R_N2+jX_N2)I _N2    (c)

此外，由此而可以说明，在第一工作时间点t₁和第二工作时间点t₂之间的足够短的时间间隔中的电压是几乎恒定的，并且由此分量R_N和X_N也几乎保持恒定。随后可以简化上述方程式，从而可以得出下列方程式

U _Q＝U _S1-(R_N+jX_N)I _N1    (d)

U _Q＝U _S2-(R_N+jX_N)I _N2    (e)

通过两个方程式(d)和(c)相减而得出方程式

0＝U _S1-U _S2-(R_N+jX_N)(I _N1-I _N2)    (f)

根据方程式(f)，通过以真实部分及虚拟部分拆解方程式(f)而获得具有两个未知数R_N和X_N的两个方程式。通过这些方程式求解能够确定出所查找的分量R_N和X_N。方法步骤10至12特别可以一次性地，例如在风能装置调试阶段进行，当从中得出，则电网阻抗Z_N保持恒定。此外优选地，电网阻抗Z_N也可以周期性地或持续地确定。电网阻抗Z_N的变化可以被获取并且在电网模型中被参考，尤其是在其产生之后。这些计算可以通过在控制单元5中合适的处理装置，例如微处理器或类似装置实现。应当了解，根据本发明的其他的变体，步骤10至12也可以放弃并且电网阻抗Z_N通过评估或求导类似电网的已知电网阻抗值来确定。

当确定出电网模型的参数R_N和X_N，在步骤13中可以通过设置的测量装置3、4获取定子电压U _s和输出的电网电流I _N。也可以求助于用于确定电网模型的已获取的测量值。在下一步骤14中，通过在控制装置5中设置的处理装置至少从所测量的定子电压U _s和输出到电网8上的电网电流I _N借助于电网模型确定电网电压U _N。尤其是可以根据下列方程式

U _N＝U _S-I _N(R_N+jX_N)    (g)

计算出电网电压U _N。

在接下来的步骤15中确定出可最大输出的有效功率。通常，可输出到电网8上的有效功率P由方程式

$P=\left|{\underset{\‾}{U}}_N\right|\left|{\underset{\‾}{U}}_S\right|\frac{1}{|R_N+j{X}_N|}\sin \left(\mathrm{\δ}\right)---\left(h\right)$

得出。其中δ是定子电压U _S和电网电压U _N之间的相角。根据本发明，处于安全因素，尤其是为了保护在电网波动中的风能装置而预设在定子电压U _S和电网电压U _N之间的最大相角δ_max。优选地，定子电压U _S和电网电压U _N之间的最大相角δ_max小于或等于85°，特别是小于或等于70°，以便于提供用于调节波动的安全性储备。

为了明确可输出的有效功率P和相角δ之间的关系，在图3中示出了根据本发明方法的实施例的功率特征曲线图表。从图3的功率特征曲线中可以明显看出，理论上可最大输出的有效功率，相角为δ＝π/2或90°。但是，最大相角δ将导致发电机装置2的加速并由此而导致发电机装置2的不稳定。在这种情况下，可能会使风能装置关闭，以避免风能装置被损坏。因此，一定要避免过大的相角δ。从而要预防性地保持相对于相角δ＝π/2或90°的安全性间距，其中，最大相角δ_max为70°是特别合适的。

重新参照图2中示出的流程图，在步骤15中可最大输出的有效功率P_max根据以下方程式通过控制装置5的合适的处理装置计算出。

$P_{\max }=\left|{\underset{\‾}{U}}_N\right|\left|{\underset{\‾}{U}}_S\right|\frac{1}{|R_N+{\mathrm{jX}}_N|}\sin \left({\mathrm{\δ}}_{\max }\right)---\left(i\right)$

确定可最大输出的有效功率P_max可以持续地、周期性地和/或一次性地进行。在此例如可以考虑，电网波动的可能性有多少，该电网波动会是多大，所提供的计算功率有多大，或者是否应该实现风能装置更大程度的保护。

在随后的步骤16中，所确定的可最大输出的有效功率P_max与额定有效功率P_soll进行比较，该额定有效功率由控制装置5预设。例如，额定有效功率P_soll可以根据系统的先决条件(如风能装置的生产效能)预设。另外，额定有效功率P_soll可以在风能装置运行进行更改，例如配合风速。在步骤16的比较中可能三种不同的情况。额定有效功率P_soll小于可最大输出的有效功率P_max，额定有效功率P_soll等于可最大输出的有效功率P_max，额定有效功率P_soll大于可最大输出的有效功率P_max。

接下来，根据图3的功率特征曲线来描述这三种情况。第一种所观察到情况是，根据最大相角δ_max确定出可最大输出的有效功率P_max。从图3中获悉，可最大输出的有效功率P_max大于预设的额定有效功率P_soll。在这种情况下，通过发电机装置2将额定有效功率P_soll输出到电网8上(步骤17)。对于这种情况，同样在步骤17中进行，所确定出的可最大输出的有效功率P_max可以与预设的额定有效功率P_soll相同。在这种情况下，额定有效功率P_soll也输出到电网8上。

在第三种情况中，所确定的可最大输出的有效功率P_max小于额定有效功率P_soll。例如这种情况会由于电压降在电网8中出现。如果发电机装置2在这种情况下尝试，将额定有效功率P_soll输出到电网8上，则发电机装置2会不稳定，并且发电机装置2需要关闭，以防止风能装置受到损害。为了防止这样的后果，输出的有效功率P被限制到可最大输出的有效功率P_max上(步骤18)。例如，控制装置5可以相应地控制限幅装置6，并且将实际输出的有效功率P限制到可最大输出的有效功率P_max上。在此应当理解，当可最大输出的有效功率P_max至少再次升高到额定有效功率P_soll上时，则实际输出的有效功率P可以又调节到额定有效功率P_soll上。

Claims (11)

1.一种用于运行风能装置的方法，所述风能装置具有：为电网提供电能的发电机装置，其中所述发电机装置包括定子；以及用于控制发电机装置的控制装置，其中至少通过第一测量装置测量发电机装置的定子电压，并且至少通过第二测量装置测量提供到电网上的电网电流，其特征在于，

利用电网模型至少根据定子电压和电网电流确定电网电压，通过所确定的电网电压及在定子电压和电网电压之间预设的最大相角确定风能装置的可最大输出的有效功率，并且被输出的有效功率根据所确定的可最大输出的有效功率和由控制装置预设的额定有效功率来调节。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述所确定的可最大输出的有效功率与预设的所述额定有效功率进行比较，并且在所述可最大输出的有效功率超过所述额定有效功率时额定有效功率被限定为可最大输出的有效功率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可最大输出的有效功率被持续地、周期性地和／或一次性地确定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电网电压通过定子电压、电网电流和电网阻抗计算出。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电网阻抗通过至少两个不同时间点上测量出的定子电压以及至少两个不同时间点上测量出的电网电流计算出。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电网阻抗持续地、周期性地和／或一次性地确定。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定子电压和所述电网电压之间的最大相角(δ_max)设定为小于或等于85°。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述最大相角(δ_max)设定为小于或等于70°。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用双馈电式异步电机作为风能装置中的发电机装置。

10.一种风能装置的发电机装置的控制装置，其中控制装置包括根据权利要求1至9中任一项所述的方法用于控制发电机装置在电网上进行有效功率输出的处理装置。

11.一种风能装置，包括发电机装置及根据权利要求10所述的控制装置。

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