CN102076959B - 风力涡轮机的功率削减 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种削减从风力涡轮机设施供给到相关供电网的电功率的方法，所述方法包括确定从所述风力涡轮机设施可用的电功率水平、和对于所述风力涡轮机设施设置风速独立的削减水平的步骤。该削减水平可以是实际可用电功率水平的百分比或固定功率水平。该方法进一步包括步骤：以这种方式运转所述风力涡轮机设施，使得从所述风力涡轮机设施供给的所产生的电功率等于实际可用电功率水平与所述削减水平之间的差。本发明还涉及风力涡轮机设施和用于执行本发明的削减控制器。

Description

风力涡轮机的功率削减

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机或风力涡轮机风场的功率削减。特别地，本发明涉及一种能够在削减功率运转模式下运转的风力涡轮机设施和方法。通过采用风力涡轮机设施的功率削减，有关快速并且有效的电网频率控制的电网规程需要可以被满足。

背景技术

运行风力涡轮机或风场时，目标是为了从投入的资金中获得最大的收益。为此，风力涡轮机控制系统配置成使输出功率最大化。

控制风力涡轮机运行的一种方式是使风力涡轮机的转子叶片桨距变化。例如这种转子叶片桨距变化能够通过电力或水力驱动叶片变桨距系统来操控。

风力涡轮机的运转模式可以分成两个部分：

1.以在几m/s与额定风速之间的风速部分负荷运转。

2.以在额定风速与关闭风速之间的风速满负荷运转。

众所周知，控制转子叶片桨距提供了有效的控制方式，以控制风力涡轮机在额定风速下的性能从而保持风力涡轮机的转子速度在额定转子速度附近且尽可能恒定。

如果在每个风力涡轮机上都需要功率缓冲器，就可以减小风力涡轮机额定功率的设定值。然而，在部分负荷运转下，该风力涡轮机仍然追求可利用风能产生最大功率，这样的结果是该所需功率缓冲器不再可用。因此，在部分负荷运转下减小风力涡轮机额定设定值不提供所需功率缓冲器。

例如，如果3MW风力涡轮机降低额定值到2.5MW以制造500kW缓冲，如果该风能只允许1MW产生这样做将没有影响：因此，该500kW缓冲不可利用。换句话说，根据所知控制方案，在部分负荷运转下，不可能确保该风力涡轮机的产量比该风力涡轮机在实际风速条件下可以产生的低。在低风速下减小功率产生的唯一方式是将该风力涡轮机转换成额定功率控制算法，该算法包括给该风力涡轮机提供减小的功率设定值。该减小的功率设定值确保功率产生低于该所需量。

发明内容

作为本发明具体实施例的目的是提供一种特别是在部分负荷运转下促进快速和有效的电网频率控制的一种方法和配置。

以上提到的目的依据在第一方面提供一种削减从风力涡轮机设施供给到相关供电网的电功率的方法，所述方法包括步骤：

—确定从所述风力涡轮机设施可用的电功率水平；

—对于所述风力涡轮机设施设置风速独立的削减水平；以及

—以这种方式运转所述风力涡轮机设施，使得从所述风力涡轮机设施供给的所产生的电功率等于实际可用电功率水平与所述削减水平之间的差。

术语风力涡轮机设施应该被广义地解释。因此，术语风力涡轮机设施涵盖单个风力涡轮机或形成风力涡轮机场的一组风力涡轮机。

同时，可用电功率的意思是如果风力涡轮机被允许在最佳条件下运转所能获得的可能发电量。

可用电功率水平在给定的当前运转条件下确定并且可能以不同方式确定。一种确定该可用电功率水平的方式是基于该实际风速的测量值。

削减水平可被设置成可用电功率水平的百分比。原则上，该削减水平可以是在该可用电功率水平的0％和100％之间的任何百分比。因此，该削减水平可能比该可用电功率水平的40％小，如小于该可用电功率水平的30％，如小于该可用电功率水平的20％，如小于该可用电功率水平的10％。

可选择地，该削减水平可以被设置成固定功率水平。例如，对于3MW风力涡轮机的削减水平可以被固定到500kW。因此，在满负荷运转下该风力涡轮机将产生2.5MW，而该风力涡轮机在部分负荷运转下将产生在该可用电功率水平以下的500kW。

根据本发明的一个实施例，从所述风力涡轮机设施供给到供电网的电功率通过使风力涡轮机的至少一个转子叶片或至少一组转子叶片改变预定的桨距角被削减。如前所述，该风力涡轮机可以是单个的风力涡轮机或可以是形成风场的一组风力涡轮机的一部分。该预定的桨距角可以从该可用电功率水平和该削减水平推导出。

根据第二实施例，从所述风力涡轮机设施供应的电功率通过改变风力涡轮机的转子的旋转速度被削减。因此，削减可以通过增大或减小风力涡轮机转子的旋转速度获得。此外，该风力涡轮机可以是单个的风力涡轮机或可以是形成风场的一组风力涡轮机的一部分。

在第三个实施例中，从所述风力涡轮机设施供应的电功率通过改变(增大或减小)风力涡轮机的转子的旋转速度、以及通过改变所述风力涡轮机的一个转子叶片或一组转子叶片的桨距预定的桨距角而被削减。此外，该预定的桨距角可以从该可用电功率水平和该削减水平推导出。

在第二方面，本发明涉及一种适合产生并且给相关供电网供给电功率的风力涡轮机设施，所述风力涡轮机设施包括削减控制器，所述削减控制器包括：

—用于确定从所述风力涡轮机设施可用的电功率水平的装置；和

—对于所述风力涡轮机设施储存设定风速独立的削减水平的装置；

其中，所述削减控制器适应于以这种方式运转所述风力涡轮机设施，使得从所述风力涡轮机设施供给的电功率等于实际可用电功率水平与所述削减水平之间的差。

此外，术语风力涡轮机设施应该被广义地解释。因此，术语风力涡轮机设施涵盖单个风力涡轮机或形成风力涡轮机场的一组风力涡轮机。该风力涡轮机或多个风力涡轮机可以包括双馈感应发电机，以产生三相交流功率输出。

确定该可用电功率水平的所供方式可以包括风速传感器。

该设置削减水平可以是在该可用电功率水平的0％和100％之间的百分比。例如，该削减水平可能比该可用电功率水平的40％小，如小于该可用电功率水平的30％，如小于该可用电功率水平的20％，如小于该可用电功率水平的10％。可选择地，该削减水平可以被设置成固定功率水平。例如，对于3MW风力涡轮机的削减水平可以被固定到500kW。因此，在满负荷运转下，该风力涡轮机将产生2.5MW，而该风力涡轮机在部分负荷运转下将产生在该可用电功率水平以下的500kW。

为了在削减运转模式下运转该风力涡轮机，该风力涡轮机设施可以还包括使风力涡轮机的至少一个转子叶片改变预定的桨距角以遵从所述设定削减水平的结构。

该削减控制器可适合从所述可用电功率水平和所述削减水平推导出所述预定的桨距角。

该风力涡轮机设施可以还包括改变(增大或减小)风力涡轮机的转子的旋转速度以遵从所述设置削减水平的结构。

在第三个方面本发明涉及一种用于风力涡轮机设施的削减控制器，包括：

—用于确定从所述风力涡轮机设施可用的电功率水平的装置；和

—对于所述风力涡轮机设施储存设定风速独立的削减水平的装置；

其中，所述削减控制器适应于以这种方式运转所述风力涡轮机设施，使得从所述风力涡轮机设施供给的电功率等于实际可用电功率水平与所述削减水平之间的差。

此外，该削减水平可以是实际可用电功率水平的百分比或固定功率水平。

该削减控制器可以根据本发明第二方面提出的设计途径实施。

在第四个方面本发明涉及一种计算机程序产品，用于当所述计算机程序产品在计算机上运行时执行根据本发明第一方面的方法。

在第五个方面本发明涉及一种数据载体，包括计算机程序产品，用于当所述计算机程序产品在计算机上运行时执行根据本发明第一方面的方法。

附图说明

本发明目前的实施例的不同方面和实施方式现将联系附图被描述，其中：

图1示出了普通、削减和降额的风力涡轮机的理想功率曲线；

图2显示了风力涡轮机控制系统的框图；和

图3显示了从该转子空气动力学效率计算的该转子桨距调整的计算的框图(cp)。

尽管本发明易被各种修正和替代形式影响，具体实施方式通过附图中的示例方式被显示并且在此被细节地描述。然而，需要理解本发明不打算限制于公开的特别形式。而是，本发明覆盖了落在如通过附加权利要求定义的本发明精神和范围内的所有修正、等效和替代。

具体实施方式

通常，本发明始于观察到当电网频率偏离额定电网频率时对风力涡轮机或风场反应的增加需求。

根据本发明，在部分或满负荷状态下都可以以比最大输出功率低的功率水平运行风力涡轮机或风场。这通过建立所需功率系数的功率缓冲来实现。这种功率缓冲根据风速在部分负荷范围和在额定功率输出范围中有利地可用。

为了理解电网频率控制的一些运转模式和参数，功率降额和功率削减之间的差别必须清楚。功率削减将涡轮机电网功率降低规定功率水平(低于可用功率)。该规定的功率水平可以是固定功率水平，如500kW，或可以是可用功率的百分比，如10％。仅仅在部分负荷运转下功率削减不同于功率降额，因为在部分负荷运转下降额的风力涡轮机与非降额涡轮机产生相同量的功率(最优功率)。相反，削减的风力涡轮机在全部风速下产生小于可用电功率水平的功率水平。因此10％削减的风力涡轮机产生在部分负荷运转和全负荷运转可能的功率的90％。

图1示出了削减的和降额的风力涡轮机的理想功率曲线。注意到，削减的风力涡轮机在与非削减的涡轮机一样的风速下将转换到满负荷。降额的涡轮机在更低风速下转换到满负荷。

如通常所知风力涡轮机包括控制系统，其控制和操纵该风力涡轮机的不同内部特征。

图2仅仅部分和框架地画出一种可能的控制系统以及其与风力涡轮机100的相互作用。转子叶片101由风旋转。该转子叶片101通过轴102机械地连接到齿轮箱103。该齿轮箱103通过轴105机械地连接到发电机104。

通过该发电机104产生的电功率通过电转换器106供给到相关电网。该发电机104可以是双馈感应发电机。

包括主处理器的主控制器107控制涡轮机的整体控制功能，显著地桨距控制器108利用桨距参考值，功率控制器109利用功率参考值。

如前所述，本发明一个实施例涉及削减由风力涡轮机100产生的功率的方法。这种方法涉及低于其最大可能功率以给定风速运转该风力涡轮机100以建立如果需要时可以供应到电网的功率缓冲或功率保存。因此，通过提供这种功率缓冲，当需要时--例如电力需求增大的情况或电网频率减小的情况，风力涡轮机功率产生可以被增大。

在正常运转期间，风力涡轮机转子叶片可以变桨距成最佳桨距角。该最佳桨距角定义成从风中获得最大功率的叶片角。

为了在需要时能够向电网提供更大功率，管理整个控制的该主控制器107从例如风速计124接收表示风速的值。该值可以例如每秒10次被提供，转子叶片的桨距角被响应地调节。

可选择地，风力涡轮机的管理器给该主控制器107发送(或之前已经发送)是空气动力学效率的削减系数。削减系数定义成在由该风力涡轮机在给定风下产生的实际功率与由该风力涡轮机转子从风中吸取的功率之间的比率。

削减系数可以是分别例如产生10％或15％的功率缓冲的90％或85％。

该主控制器107计算与所需削减系数对应的桨距偏移量并且给桨距控制器108发送计算的桨距参考值(包括该桨距偏移量)，以给最佳桨距角加上桨距偏移量。

在特定实施例中，通过示例方式，如果想要风力涡轮机10％的削减，该风力涡轮机额定功率设定点首先降低10％。然后，为了在部分负荷下取得10％的削减，取决于测量风速的桨距偏移量被计算并且被加到也取决于该风速的计算的最佳桨距角。可以是正数或负数的桨距偏移量以这种方式被计算，即它准确地减小10％的功率产生。任何时候，通过变桨距减小桨距偏移量，更多电力可以被输送到电网。

以上提到的功率削减/减小通过计算空气动力学效率(Cp)的减小而获得，空气动力学效率可能给出功率产生所需的减小。此计算应该考虑(在从风中获取电力和将其输送到该电网的路径中的)机械的、电的和各种其它功率损失。

在另一个实施例中，Cp的相同减小可以通过改变发电机速度参考值获得。然而，此速度常常比桨距更多地被限制(例如，由于发电机和/或转换器的考虑)。也在另一个实施例中，可以使用桨距偏移和改变发电机速度参数值的组合。

图3显示了根据本发明的一个实施例的用于计算转子空气动力学效率Cp的方法的框图。因此，也可采用其它计算框图。

根据图3，Cp的计算通过提供最佳桨距角和最佳末端速率的代表值开始，最佳末端速率是叶片末端速度与风速之间的比率。已知当前风速，最佳空气动力学效率，最佳Cp，可以被计算。随后通过考虑削减参考值和该系统的电和机械损失重新计算最佳Cp。重新计算的结果是空气动力学效率，削减的Cp。如前所述，削减参考值可以表示成实际可用电功率水平的百分比或其可以表示固定的功率水平。现已知削减的Cp，进行导致桨距偏移量和调节的末端速率的逆计算。桨距偏移量和调节的末端速率可以分别直接应用于使转子叶片变桨距或改变转子速度。

Claims (13)

1.一种削减从风力涡轮机设施供给到相关供电网的电功率的方法，

所述风力涡轮机设施能够以部分负荷运转、和以在额定风速与关闭风

速之间的风速满负荷运转，所述方法包括步骤：

—确定从所述风力涡轮机设施可用的电功率水平，所述可用的电功率水平对应于所述风力涡轮机设施在实际风速条件下能够产生的电功率水平；

—对于所述风力涡轮机设施设置风速独立的削减水平，所述削减水平被设置成所述可用的电功率水平的百分比；以及

—以这种方式运转所述风力涡轮机设施，使得根据风速在部分负荷范围和在额定功率输出范围从所述风力涡轮机设施供给的所产生的电功率等于实际可用电功率水平与所述削减水平之间的差，以在部分负荷范围和在额定功率输出范围中提供功率缓冲，从而使得所述风力涡轮机设施在全部风速下产生小于所述可用的电功率水平的功率水平、以及所述风力涡轮机设施在与非削减的运转一样的风速下从部分负荷运转转换到满负荷运转。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述风力涡轮机设施供应的电功率通过使风力涡轮机的至少一个转子叶片改变预定的桨距角被削减。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定的桨距角从所述可用电功率水平和所述削减水平推导出。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述风力涡轮机设施供应的电功率通过改变风力涡轮机的转子的旋转速度被削减。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述风力涡轮机设施供应的电功率通过改变风力涡轮机的转子的旋转速度、以及通过改变所述风力涡轮机的转子叶片的桨距预定的桨距角被削减。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预定的桨距角和旋转速度的改变从所述可用电功率水平和所述削减水平推导出。

7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机设施包括具有多个风力涡轮机的风力涡轮机场。

8.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮机设施是风力涡轮机。

9.一种适合产生并且给相关供电网供给电功率的风力涡轮机设施，所述风力涡轮机设施能够以部分负荷运转、和以在额定风速与关闭风速之间的风速满负荷运转，并且包括削减控制器，所述削减控制器包括：

—用于确定从所述风力涡轮机设施可用的电功率水平的装置，所述可用的电功率水平对应于所述风力涡轮机设施在实际风速条件下能够产生的电功率水平；和

—对于所述风力涡轮机设施储存设定风速独立的削减水平的装置，所述削减水平被设置成所述可用的电功率水平的百分比；

其中，所述削减控制器适应于以这种方式运转所述风力涡轮机设施，使得根据风速在部分负荷范围和在额定功率输出范围从所述风力涡轮机设施供给的电功率等于实际可用电功率水平与所述削减水平之间的差，以在部分负荷范围和在额定功率输出范围中提供功率缓冲，从而使得所述风力涡轮机设施在全部风速下产生小于所述可用的电功率水平的功率水平、以及所述风力涡轮机设施在与非削减的运转一样的风速下从部分负荷运转转换到满负荷运转。

10.如权利要求9所述的风力涡轮机设施，其特征在于，还包括使风力涡轮机的至少一个转子叶片改变预定的桨距角以遵从所述设定削减水平的结构。

11.如权利要求10所述的风力涡轮机设施，其特征在于，所述削减控制器适合从所述可用电功率水平和所述削减水平推导出所述预定的桨距角。

12.如权利要求9至11之一所述的风力涡轮机设施，其特征在于，还包括改变风力涡轮机的转子的旋转速度以遵从所述设置削减水平的结构。

13.一种用于风力涡轮机设施的削减控制器，所述风力涡轮机设施能够以部分负荷运转、和以在额定风速与关闭风速之间的风速满负荷运转，所述削减控制器包括：

—用于确定从所述风力涡轮机设施可用的电功率水平的装置，所述可用的电功率水平对应于所述风力涡轮机设施在实际风速条件下能够产生的电功率水平；和

—对于所述风力涡轮机设施储存设定风速独立的削减水平的装置，所述削减水平被设置成所述可用的电功率水平的百分比；

其中，所述削减控制器适应于以这种方式运转所述风力涡轮机设施，使得根据风速在部分负荷范围和在额定功率输出范围从所述风力涡轮机设施供给的电功率等于实际可用电功率水平与所述削减水平之间的差，以在部分负荷范围和在额定功率输出范围中提供功率缓冲，从而使得所述风力涡轮机设施在全部风速下产生小于所述可用的电功率水平的功率水平、以及所述风力涡轮机设施在与非削减的运转一样的风速下从部分负荷运转转换到满负荷运转。