CN102144093A - 用于控制风电场的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制风电场(1)的方法，该风电场包括多个风力发电机组(WT1，…，WT9)，其中，将风电场连接到电力供应网络(12)，并将产生的电力提供给该电力供应网络，风电场具有控制输入(13)，利用其可以调整风电场的额定控制参数(15，16)，该方法能以尽可能少的调整费用适配于不同的风电场拓扑结构，以最少的调整费用为风电场添加或去除风力发电机组，该方法可以不用测量电场网络数据而在网络传输点上使用，还允许在风电场中对不同厂家的风力发电机组进行整合，该方法提出：分散地控制每个风力发电机组(WT1，…，WT9)，以满足风电场的至少一个额定控制参数(15，16)，其中，根据用于风电场的额定控制参数计算用于风力发电机组的至少一个控制输入参数(P1ref，Q1ref)。

Description

用于控制风电场的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制风电场的方法，风电场由多个风力发电机组组成，其中，风电场连接到电力供应网络，并将风电场产生的电力提供给电力供应网络；风电场具有控制输入，利用该控制输入可以调整风电场的额定控制参数。
此外，本发明还涉及一种用于风电场的风力发电机组的控制装置，用于执行以上所述的方法。
背景技术
风力发电机组通常不单独设置，而是将许多风力发电机组彼此很近地以场的形式设置在一起构成风电场。因此从这种意义上说，可以将风电场理解为至少两个风力发电机组的排列。通常将超过50个风能机组联合安装。上述类型的风电场作为位于网络传输点(PCC/公共连接点)上的单元向电网提供电力。就电网运营商而言，对于这种供电有特定的要求，这些要求被用作风电场的额定控制参数。这些要求特别是包括有功功率、无功功率和电网电压的特定值。
为了遵守电网运营商的这些要求，需要协调风电场的各个风力发电机组的行为。为此，在现有技术中采用基于中央风电场计算机的风电场控制和管理系统。根据现有技术，中央风电场控制器通过风电场网络与风电场中的涡轮机通信，并具有至电网运营商的命令接口(Befehlsschnittstelle)。根据现有技术，作为风电场的一部分的每个风力发电机组都受到风电场计算机的集中控制。为此在现有技术中，考虑到风力资源、涡轮机可用性和电网运营商的额定值要求，中央风电场计算机为每个单独的风力发电机组计算额定值。在现有技术中，中央电场计算机根据需要顺序地启动和停止风电场的各个风力发电机组。
例如，在专利文献EP 1519040 A1、US 2002/0029097、WO 002007147521A1或WO 03/030329 A1中描述了上述类型的具有中央控制架构的风电场。
但是，目前常规的中央控制装置的缺点在于，通过添加额外的风力发电机组来扩大风电场通常意味着费用昂贵的软件匹配和相应的额外的设计开销。此外，还存在潜在的风险：如果在中央风电场控制装置中出现故障，则整个风电场将无法使用。另外，中央控制装置针对风电场的各种拓扑结构的调整通常只有伴随着费用昂贵的软件调整才有可能。另一个问题是在风电场中对不同厂商的风力发电机组的整合。除此之外，已知的中央风电场控制装置的缺点还在于，必须测量进行控制所需的电场网络数据。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种用于控制上述类型的风电场的方法，该方法能够以尽可能少的调整费用适配于不同的风电场拓扑结构，其允许以最少的调整费用对风电场添加或去除风力发电机组，并且可以不用测量电场网络数据而在网络传输点上使用，此外，该方法还允许在风电场中对不同厂家的风力发电机组进行整合。
本发明的另一个目的是提供一种用于风电场中的风力发电机组的控制装置，以执行本发明的方法，克服上述缺点。
本发明的目的通过本发明的方法得以实现，即，分散地控制各个风力发电机组，以满足风电场的至少一个额定控制参数，其中，根据风电场的额定控制参数分别计算用于风力发电机组的至少一个控制输入参数。因此，风电场的各风力发电机组都具有独立的控制装置，用以对风电场的作为输入参数的额定控制参数进行处理，以由此确定风力发电机组的控制输入参数。通过这种方式，风电场在没有中央控制装置的情况下表现为自动调节的系统。
在本发明的实施方式中，用于风电场的额定控制参数包括：有功功率预定值和/或无功功率预定值和/或电网电压预定值和/或风电场的功率因数和/或风电场的输出频率和/或用于表征风电场的至少一个额定控制参数的时间进程的参数。利用上述最后一个参数可以特别有利地预先给定功率、电压、频率和/或作为风电场输出参数的电压的时间进程。
如果附加地根据至少一个局部测量参数(优选为局部风速)计算控制输入参数，则可以进一步改善根据本发明的方法。通过这种方式利用根据本发明的方法，可以通过风电场的每个风力发电机组的局部控制装置并在考虑上一级风电场的额定控制参数以及局部测量数据的情况下，确定用于风力发电机组的局部控制输入参数。由此，可以局部地确定各个风力发电机组对于整个风电场的功率的贡献。
对根据本发明的方法做进一步地改善，其中，附加地调用风电场的另一个风力发电机组的至少一个状态参数和/或局部测量参数，特别是转速，并附加地根据该状态参数来计算控制输入参数。通过这种措施，使得整个风电场的完整信息存在于每个风力发电机组控制装置中。因此，一种用于实现由电网运营商所预先给定的用于风电场的额定值的控制装置是特别有利的。
通过了解风电场的状态信息，每个风力设备都可以触发风电场中的风力发电机组的协调的启动和停止。
其他风力发电机组的状态参数优选包括它们的可用性、功率和/或转速。
为了使以前的风力发电机组完全网络化并因此对根据本发明的方法进一步优化，调用风电场的每个其他风力发电机组的至少一个状态参数，并附加地根据这些状态参数计算控制输入参数。
在根据本发明的方法的扩展方案中，优选通过调整转子叶片的角度来分散地调整每个风力发电机组的有功功率。在此根据本发明，按照风电场的额定控制参数并可能按照风电场的其他风力发电机组的局部测量参数以及状态参数来计算每个风力发电机组的有功功率。
在根据本发明的方法的实施方式中，对每个风力发电机组就功率因数和/或无功功率和/或电压进行分散的调整。另一方面，又根据风电场的额定控制参数并可能根据风电场的其他风力发电机组的测量参数以及状态参数计算用于风力发电机组的控制额定参数。
根据本发明特别有利的是，周期性地分散地调用所述风电场的一个/另一个风力发电机组的至少一个状态参数和/或局部测量参数。也就是说这种周期性的调用并非如同现有技术中那样通过中央管理系统实现。相反，每个风力发电机组分散地请求相应的数据。通过这种方式确保能够基于关于风电场的其他风力发电机组的当前数据对各个风力发电机组进行控制。
在另一种有利的实施方式中，优选每个风力发电机组都可以将自己的数据的变化传送到风电场的其他风力发电机组。这种传送能够以多播(Multicast)的形式并行地传送到风电场的所有其他风力发电机组上，或者以单播(Unicast)的形式顺序地传送到每个风力发电机组上。因此，风电场所有的风力发电机组都通过电场网络周期性地相互通信。适宜的数据传输机制可以确保电场额定值、电场参数以及在电场中的风力发电机组的状态信息相互匹配。通过这种措施，可以使每个风力发电机组控制装置都能获得整个风电场的完整信息。所述的调用应该发生在尽可能短的时间间隔内。理想情况下会出现连续的数据调用。为了实现这种功能，电场网络应该具有尽可能高的带宽。例如，根据机组类型，时钟频率可适于为100ms。
在根据本发明方法的优选的实施方式中，根据计算得到的用于风力发电机组的控制输入参数，将用以改变风电场的至少一个其他风力发电机组的至少一个运行参数、特别是转子叶片调整角度的讯息分散地发送到其他的一个或多个风力发电机组。其有利之处例如在于，如果一个风力发电机组在局部探测到风暴，那么在风暴到达之前就可以已经在电场其他的风力发电机组中使转子叶片角度改变，以避免遭到破坏。根据本发明，通过这种方式，可以基于观察功能对叶片角度调整进行预控制。在传统的、以中央电场服务器为基础的控制装置中，该功能只能借助于中央电场服务器实现。由于根据本发明的这种功能是在风力发电机组的平台上实现的，因此其优势在于，中央计算机不再是不可或缺的。根据本发明，风电场的每个风力发电机组都能够触发风电场的单个或所有风力发电机组的停机。
此外根据本发明，每个风力发电机组都能如同在PCC上的数据接口一样地收到电场启动或电场停机命令。这些命令通过风电场网络和相关的数据同步机制来发布，并引起自动、协调的电场停机。但是，每个设备都应当按照其当前信息独立行事。在协调的电场停机的情况下，例如每个涡轮机都等待前一个涡轮机的成功关机，以便而后使自己开始关机过程。
在根据本发明的另一种优选的实施方式中，可以测量至少一个电场实际值，在此，附加地根据所测量到的电场实际值计算控制输入参数。通过位于网络传输点(PCC)上的各个涡轮机相宜地调用电场实际值，以便由此补充调整局部确定的相应风力发电机组的控制额定值。
为了在本发明的框架下进一步提高控制质量，附加地根据至少一个相邻的涡轮机特性、特别是线缆长度来计算控制输入参数。例如，单独地计算用于无功功率静态(Blindleistungsstatik)和损失补偿的部分，并用于对各个局部风力发电机组控制装置的预控制。
在本发明的优选的实施方式中，借助于分散的控制和数据记录单元(SCADA单元)和/或数据网络，将风电场的额定控制参数传送到风力发电机组。通过同样的方式可以传送控制变化(Regelmodi)以及电场启动和电场停止命令。
除了通过SCADA系统进行传送，还可以由各风力发电机组通过至电网运营商的接口上的模拟和/或数字接口来读入上述数据。
通过一种在风电场中用于风力发电机组的控制装置实现前面所述的本发明的另一个目的的装置，用于实行以上所述的方法，其中，设置用于与风电场内的其他风力发电机组直接通讯的设备和/或用于与风电场的控制输入通讯的设备；设置用于存储风电场的至少一个额定控制参数和/或至少一个其他风力发电机组的至少一个状态参数的数据区域，以及设置用于根据用于风电场的额定控制参数和/或根据状态信息计算控制输入参数的设备。在此将直接通讯理解为，在没有接入中央计算机的情况下，从一个风力发电机组到其他风力发电机组直接进行通讯。
在本发明的框架下，用于与其他风力发电机组通讯的设备优选包括特别是互联网的数据网络和/或路由器。
为了将由电网运营商预先给定的风电场的变化的参数传送到各个风力发电机组的控制装置，例如电场额定值、电场控制变化以及电场启动和停止命令，与风电场的控制输入进行通讯的设备包括数据接口。该数据接口可以是风力发电机组相互之间的数据协调机制的、集成到风电场网络中的部分。
附图说明
下面参照附图结合优选实施方式对本发明做示例性的说明，在此，在附图中可以得到其他有利的细节。
在此，对功能相同的部分标以相同的附图标记。所示附图分别示出了：
图1：可以利用根据本发明的方法进行调整的示例性风电场的示意性结构图，以及风电场在供电网络上的连接和接口；
图2：在使用根据本发明的方法时，用于根据图1的风电场的风力发电机组的通讯的电场网络的示意图。
具体实施方式
图1示出了风电场1，其由许多为了构成风电场1而相互连接在一起的风力发电机组WT1，......，WT9组成。示例性示出的风电场1的拓扑结构由三个支路2、3、4组成。支路2将风力发电机组WT1、WT2以及WT3电力地组合在一起。这种相互连接由视在阻抗Z表示。支路2直接连接在电场传输导线6上。
风电场1的支路3由相互电力连接在一起的风力发电机组WT4、WT5以及WT6组成。风力发电机组WT4、WT5以及WT6的这种相互连接也通过视在阻抗Z表示。支路3通过中间变压器5在电场传输导线6上与支路2连接。
支路4连接风力发电机组WT7、WT8、WT9。在支路4中，通过中间连接的变压器7、8、9实现这种相互连接，此外，在此还是用视在阻抗Z来示意性示出。支路4直接连接在电场传输导线6上。电场传输导线6通过传输变压器10连接到网络传输点(PCC＝公共连接点)11。
PCC 11与外部电网12电连接。因此，示例性示出的风电场1由以不同方式相互连接的支路2、3、4组成。
在图1中还示意性示出了位于电网运营商和风电场1之间的控制接口13。通过控制接口13将控制命令14传送到风电场1。控制命令14在风电场1一侧被解释为有功功率额定值(PPark，Ref)15以及无功功率额定值(QPark， Ref)16。此外，从电网12的运营商传送到风电场1的控制命令14还包括用于协调风电场1的启动的电场启动命令17和用于协调停止整个风电场1的电场停止命令18。
在网络传输点11，风电场1的有功功率的实际值PPark，Curr作为计算出的、各个风力发电机组WT1，......，WT9的部分有功功率Pi的和给出。该实际值在图中示意性地由求和公式PPark，Curr＝∑Pi示出。
同样，在网络传输点11，电场无功功率的实际值QPark，Curr作为各个风力发电机组WT1，......，WT9的部分无功功率的和给出。该实际值在图中同样示意性地由求和公式QPark，Curr＝∑Qi示出。
在图中以风力发电机组WT2为例阐述了与风力发电机组WT1，......，WT9的通讯。然后，网络运营商的可改变的的电场参数、例如特别是电场额定值和电场控制变化通过相应风力发电机组WT1或WT2的分散的控制和数据记录单元(SCADA单元)19、20传送到该风力发电机组。如图1所示，由每个风力发电机组WT1，......，WT9的局部控制装置所发出的数据特别是包括：风力发电机组WT1的部分有功功率的实际值P1Curr以及风力发电机组WT1的部分无功功率的实际值Q1Curr。此外，如反向箭头所示，每个风力发电机组WT1，......，WT9的局部控制装置产生用于相应风力发电机组WT1的部分有功功率P1，Ref的额定值、无功功率Q1，Ref的额定值以及可能的用于启动或停止相应风力发电机组WT1，......，WT9的启动命令WT1Start和停止命令WT1Stop的信号。对于WT2，以改变的下标类似地示出这些关系
Figure BPA00001317520700071
在图2中示出了风电场网络21，该网络使根据图1的风力发电机组WT1，......，WT9可以互相通讯。风电场网络21被设计为以太网环22，其包括网络路由器23。以太网环22例如可以由玻璃纤维、电缆、铜电缆构成，或无线地设计为无线网络(WLAN)。
以太网环22通过连接网络路由器23使得在风电场1中每个风力发电机组WT1，......，WT9可以和所有其他的风力发电机组WT1，......，WT9进行数据通讯。在此，图2的圆形设置仅用于示意性地说明，而绝不应被误解为，其仅可以表示相邻的风力发电机组之间的顺序通讯。
在具有风力发电机组WT1，......，WT9的风电场1中如下所述地执行根据本发明的方法，其中，所述风力发电机组WT1，.....，WT9通过风电场网络21相互联网。
网络运营商发送控制命令14到风电场1。控制命令14包括有功功率15和无功功率16的额定值，风电场1应该通过位于网络传输点11上的传输变压器10将这些额定值输送到电网12中。此外，控制命令14还包括用于风电场1启动(Hochfahren)的电场启动命令17。然后，通过隶属于各个风力发电机组WT1，......，WT9的SCADA单元19、20等，将有功功率额定值15、无功功率额定值16以及电场启动命令17输送到各风力发电机组WT1，......，WT9的局部控制装置中。随后，每个风力发电机组WT1，......，WT9的局部控制装置确定局部测量参数，例如，在各个风力发电机组WT1，......，WT9本地的风速。另外，通过风电场网络21并借助于以太网环22，各风力发电机组WT1，......，WT9的局部控制装置还涉及到与风电场1的一个、多个或所有其他的风力发电机组的运行状态有关的数据。这些其他风力发电机组的状态数据特别涉及到当前有功功率以及其他(多个)风力发电机组的当前有功功率和无功功率。
然后，根据外部控制命令14所获得的风电场的额定值、根据例如风速的局部测量值以及其他风力发电机组的状态数据，通过各风力发电机组的局部控制装置来计算局部额定值。局部额定值用于控制相应的风力发电机组。
在风电场网络21内为每个风力发电机组分配一个唯一的逻辑地址，其他的风力发电机组可以通过该逻辑地址与该机组会话。现在所有的风力发电机组都通过风电场网络21周期性地彼此通讯。风力发电机组之间周期性的数据传输将确保在风电场1中风力发电机组的参数和状态信息相匹配。
现在，在考虑风电场1中的其他风力发电机组WT1，......，WT9的可用性以及其他信息(例如局部风速)和电场额定控制参数的情况下，各风力发电机组控制装置周期性地计算局部作用的额定值，以便在网络传输点11上满足网络运营商对风电场1的预先给定。
通过对风电场1的每个单独的风力发电机组WT1，......，WT9的有功功率和无功功率的叠加，计算在网络传输点11上产生的电场实际值。因此，根据本发明的有利之处在于，在网络传输点11上对电场实际值的测量不是必不可少的。
相应地还可以利用不同厂商的风力发电机组在风电场内实现电场拓扑结构。唯一的要求是，每个风力发电机组都具有额外的用于传输状态和命令信息的数据接口。所以每个风力发电机组都可以通过风电场网络21将各自的状态传送给其他的风力发电机组。
在风电场网络21内，每个风力发电机组在层次上都是相同的。因此，各风力发电机组WT1，......，WT9还可以根据计算得到的局部额定值通过风电场网络21将启动或停止命令发送给风电场1的其他风力发电机组，从而关闭或启动风电场1的单个风力发电机组。
根据本发明的方法不要求中央控制的电场计算机作为风电场1的管理系统。根据本发明，对电场额定值的调整仅以各风力发电机组的局部测量的实际值为基础。
根据本发明，分散式的风电场控制可以使电场控制行为原则上与风电场1的风力发电机组的数量无关。因为每个单独的风力发电机组都可完成电场控制的所有功能。
通过这种分散的方式使得电场控制独立于电场拓扑结构的变化，并且由于快速的局部控制，相对于例如个别风力发电机组的停机和内部以及外部的电网故障这样的暂态过程，电场控制是鲁棒的。
在根据图1和图2的实施例中特别阐明了电场拓扑结构的这种独立性，每一个风电场1的支路2、3、4都可以不同的方式电连接，在此，这种差异在风电场网络21的架构中不起作用。
附图标记列表
1 风电场(Windpark)
WT1风力发电机组
……
WT9风方发电机组
2 支路
3 支路
4 支路
Z 视在阻抗
5 中间变压器
6 电场传输导线
7 变压器
8 变压器
9 变压器
10 传输变压器
11 网络传输点
12 供电网络
13 控制接口
14 控制命令
15 有功功率额定值
16 无功功率额定值
17 电场启动命令
18 电场停止命令
19 SCADA单元
20 SCADA单元
21 风电场网络
22 以太网环
23 网络路由器

Claims (16)

1.一种用于控制风电场(1)的方法，所述风电场(1)由多个风力发电机组(WT1，......，WT9)组成，其中，所述风电场(1)连接到电力供应网络(12)，并将由该风电场(1)产生的电力提供给该电力供应网络(12)，所述风电场(1)具有控制输入(13)，利用该控制输入(13)可以调整所述风电场(1)的额定控制参数(15，16)，其特征在于，分散地控制每个风力发电机组(WT1，......，WT9)，以满足所述风电场(1)的至少一个额定控制参数(15，16)，其中，根据用于所述风电场(1)的额定控制参数(15，16)分别计算用于所述风力发电机组(WT1，......，WT9)的至少一个控制输入参数(P1ref，Q1ref)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于所述风电场(1)的额定控制参数(15，16)是：有功功率预定值和/或无功功率预定值和/或电网电压预定值和/或所述风电场(1)的功率因数和/或所述风电场的输出频率和/或用于表征所述风电场的至少一个额定控制参数的时间进程的参数。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述计算控制输入参数(P1Ref，Q1Ref)还附加地根据至少一个局部测量参数、优选是局部风速和/或转速来进行。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，附加地调用所述风电场(1)的另一个风力发电机组(WT1，......，WT9)的至少一个状态参数和/或局部测量参数、特别是转速，并附加地根据该状态参数计算所述控制输入参数。
5.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述另一风力发电机组(WT1，......，WT9)的状态参数包括其可用性和/或其功率。
6.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，还附加地调用所述风电场(1)的每个其他的风力发电机组(WT1，......，WT9)的至少一个状态参数，并附加地根据这些状态参数计算所述控制输入参数。
7.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，优选通过调整转子叶片的角度来分散地调整每个风力发电机组(WT1，......，WT9)的有功功率。
8.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，对每个风力发电机组(WT1，......，WT9)就功率因数和/或无功功率和/或电压进行分散的调整。
9.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，周期性地分散地调用所述风电场(1)的一个/另一个风力发电机组(WT1，......，WT9)的所述至少一个状态参数和/或局部测量参数。
10.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，根据计算出的用于所述风力发电机组(1)的控制输入参数，将用以改变所述风电场(1)的至少一个其他风力发电机组(WT1，......，WT9)的至少一个运行参数、特别是转子叶片调整角度的讯息分散地发送给一个或多个其他风力发电机组(WT1，......，WT9)。
11.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，测量至少一个风电场实际值，在此，附加地根据测得的所述风电场实际值计算所述控制输入参数。
12.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，附加地根据至少一个相邻涡轮机的特性、特别是线缆长度，来计算所述控制输入参数。
13.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，借助于分散的控制和数据记录单元(SCADA单元)(19，20)和/或借助于数据网络(21)，将所述风电场(1)的额定控制参数传送到所述风力发电机组(WT1，......，WT9)。
14.一种用于风电场(1)中的风力发电机组(WT1，......，WT9)的控制装置，用于实现如前面权利要求1到13中任一项所述的方法，其特征在于，设置用于与所述风电场(1)内的其他风力发电机组(WT1，......，WT9)直接通讯的设备(21，22，23)和/或用于与所述风电场(1)的控制输入(13)通讯的设备；设置用于存储所述风电场(1)的至少一个额定控制参数和/或至少一个其他风力发电机组(WT1，......，WT9)的至少一个状态参数的数据区域，以及设置用于根据用于所述风电场(1)的所述额定控制参数和/或根据所述状态信息计算控制输入参数的设备。
15.如权利要求14所述的控制装置，其特征在于，所述用于与其他风力发电机组通讯的设备包括数据网络(21)、特别是以太网(22)，和/或路由器(23)。
16.如权利要求14和15所述的控制装置，其特征在于，所述与所述风电场的控制输入进行通讯的设备包括数据接口。
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