CN102159830B - 风力发电场功率调节 - Google Patents

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Abstract

为了提供一种用于调节由风力发电场(1)发出的功率的方法，其中风力发电场(1)具有通过风力发电场电网(5)相互电连接的风能设备(2)，其中风力发电场调节单元(13)将风力发电场预定值传输到分别为调节风能设备(12)而提供的设备调节单元(12)，且设备调节单元(12)调节分别对应的风能设备(2)，使得由各风能设备(2)馈入风力发电场电网(5)内的设备实际功率PI小于从风力发电场预定值导出的设备最大功率Pmax，所述方法安全且廉价，建议所有设备调节单元(12)获得相同的风力发电场预定值，其中每个设备调节单元(12)基于风力发电场预定值且基于与由对应的风能设备(2)产生的功率相应的测量的设备实际功率PI确定设备最大功率Pmax，且这样调节分别对应的风能设备(2)，使得设备实际功率PI小于设备最大功率Pmax。

Description

风力发电场功率调节
技术领域
本发明涉及用于调节由风力发电场发出的功率的方法，其中风力发电场具有通过风力发电场电网相互电连接的风能设备，其中风力发电场调节单元将风力发电场预定值传输到每个为调节风能设备而提供的设备调节单元。
背景技术
此方法从DE 10 2006 032 389 A1中已知。在所述文献中描述了由多个风能设备组成的风力发电场。每个风能设备包括风力涡轮机，所述风力涡轮机的转子与转子叶片连接，使得在来风时转子旋转，且产生电力。每个风能设备进一步具有设备控制器，通过所述设备控制器可调节由风力设备产生的电功率。在此，风能设备通过电网相互连接，使得形成风力发电场。风力发电场连接在交流电网上，风能设备的电有功功率馈入所述交流电网内。为调节所馈入的总有功功率提供了风力发电场调节器，所述风力发电场调节器通过数据线与每个设备控制器连接。风力发电场调节器通过此数据线预先给定待由风能设备馈入到电网内的有功功率的额定值。
由风能设备组成的风力发电场和用于调节此风力发电场的方法进一步在DE 10 2004 048 341 A1，WO 01/52379A2，EP 1 337 754 B1和WO 97/45908中描述。
根据现有技术的方法且特别是前述类型的方法具有如下缺点，即风力发电场的上级调节与风能设备的下级调节必须通过保证快速数据传输的通信线相关联。然而特别是在更多数量的风能设备的情况下，此快速通信电网的结构的成本高且昂贵。
发明内容
本发明要解决的技术问题是低费用地且廉价地提供前述类型的方法。
本发明通过如下方式解决此技术问题，即使得所有设备调节单元获得相同的风力发电场预定值，其中每个设备调节单元根据风力发电场预定值且根据与由对应的风能设备产生的功率相应的测量的设备实际功率PI确定设备最大功率Pmax，且这样调节分别对应的风能设备，使得设备实际功率PI小于设备最大功率Pmax。
根据本发明，上级的风力发电场调节提供了对于所有设备调节单元来说是共同的风力发电场预定值。此风力发电场预定值可因此以简单方式例如通过中央遥控信号(Rundsteuersignal)传送到设备调节单元。在本发明的范围中取消了更昂贵的有针对的快速通信，在该快速通信的情况下必须传送用于调节的额定值。以此方式明显降低了通信的成本。
根据本发明的优选构造，风力发电场调节单元与换流器调节单元相关联，且这样调节与风力发电场连接的换流器，使得所述换流器在风力发电场电网内产生交流电压U1、2、3，所述交流电压的实际频率γist对应于风力发电场预定值，其中每个设备调节单元采集实际频率γist且从实际频率γist确定风力发电场预定值。在此，在上级的风力发电场调节单元和设备调节单元之间的通信通过用以施加到连接风能设备的风力发电场电网的交流电压的实际频率进行。风力发电场电网内的交流电压的建立通过换流器实现，因为仅通过风能设备不能构建电网。
为此所使用的换流器有利地具有功率半导体支路，所述支路按照一个或多个桥路连接相互连接。在此，每个功率半导体支路包括例如由功率半导体构成的串联，例如由每个带有与之反并联连接的续流二极管的可开关功率半导体组成。与之不同的是，每个功率半导体支路包括双极的子模块的串联，其中每个子模块具有其上具有压降的储能器。此外，每个子模块与功率半导体的电路对应，使用所述功率半导体-根据功率半导体的控制-在子模块输出处可以施加在储能器上降落的电压或零电压。带有此子模块的换流器也称为多级换流器，其结构和控制对于专业人员是已熟知的，因本文中此无需对此详细论述。然而，本发明的范围内的换流器拓扑结构基本上是任意的。
为控制换流器提供了换流器调节单元，所述换流器调节单元取决于预先给定的额定值提供用于换流器的功率半导体的控制信号。通过此换流器调节单元，因此可预先给定风力发电场电网内交流电压U1、2、3的实际频率。
合理地，每个设备调节单元采集风力发电场电网内的交流电压U1、2、3的实际频率。然后由所确定的实际频率确定风力发电场预定值。然后基于风力发电场预定值进行风能设备的调节，使得由各风力发电场设备发出的设备实际功率PI小于给定的设备最大功率PMax。限制发出的设备实际功率的方法在本发明的范围内基本上是任意的，且取决于各风能设备的结构型式。例如，在本发明的范围内可以使得设备调节单元改变转子叶片的调整角(Anstellwinkel)，相应地控制风能设备自身的发电机或与风能设备对应的风能设备换流器。
有利地，换流器将由风力发电场生成的电功率
Figure BDA0000050227630000031
(即所有的设备实际功率PI的和)通过直流连接传输到与交流电网连接的另外的换流器，使得在风力发电场电网和交流电网之间提供
Figure BDA0000050227630000032
(高压直流输电)连接。根据此合理的实施例，风力发电场电网通过
Figure BDA0000050227630000033
连接与交流电网连接。因此，例如在所谓的离岸风力发电场中，即具有多个海洋中风能设备的风力发电场中，提供了中央换流器，该中央换流器例如同样在海洋侧布置在海洋平台上，风力发电场电网在所述中央换流器上形成节点。提供了从海洋侧换流器直至布置在陆地侧的逆变器换流器的廉价的直流连接。作为逆变器运行的换流器又生成了合适的交流电压，所述交流电压例如通过变压器馈入待供电的交流电网。
在根据本发明的变形中，风力发电场预定值通过无线电信号、卫星信号或廉价的通信导体传输到每个设备调节单元。作为风力发电场预定值的频率编码的替代或补充，在此存在通过无线或有线通信的分开的传输。与现有技术的通信连接相反，所选择的通信连接是廉价的。有线通信连接例如实施为商用的且因此廉价的LAN连接。
合理的是风力发电场预定值是风力发电场功率的梯度dP/dt，其中每个设备调节单元由风力发电场功率梯度dP/dt导出与之匹配的设备功率梯度dp/dt，且基于其设备功率梯度dp/dt计算与其对应的设备最大功率Pmax。例如借助于特征线单元(Kennlinieneinheit)从一般的风力发电场功率梯度确定特定的设备功率梯度，在所述特征线单元内存储用于将风力发电场功率梯度换算为设备功率梯度的可参数化的特征线。作为用来将特征线与外部边界条件匹配的参数或影响变量，例如使用与风能设备分别对应的额定功率、对应该额定功率确定的风向、风速和各风能设备的位置。功率梯度的传输使得操作者也可预先给定速度，以此速度例如应转向风力发电场的新的运行点。虽然在实践中这是关键的信息量，但对于传输没有提出新的要求，因此这可保持是简单且廉价。
当风力发电场功率梯度dP/dt借助于风力发电场电网的实际频率γist传输到设备调节单元上时，存在另外的优点。然后可通过简单的方法由频率差的时间改变dγ/dt导出风力发电场功率梯度dP/dt的确定，其中频率差dγ由所测量的实际频率γist和预先给定的固定的额定频率γnenn根据dγ＝γnenn-γist计算。
合理地，每个设备调节单元根据设备功率梯度dp/dt改变由其产生的设备实际功率PI而获得设备最大功率Pmax。但在此，设备实际功率限制于预先给定的额定最大功率Pmax，nenn。
根据与之相关的合理的扩展，每个风能设备对应一个额定最大功率Pmax，nenn。这使得调节可以与各风能设备的不同的边界条件单独匹配。
有利地，通过平滑单元降低设备实际功率PI的改变的动力学。根据此变体，设备实际功率的快速且仅短期的波动不传输到风能设备的调节装置。为此，将单个设备的功率测量值在此进行准平滑，使得在调节时仅考虑设备功率的持续的改变。作为平滑单元例如可考虑斜坡单元，所述斜坡单元将斜坡函数应用于相继出现的设备实际功率值，或可考虑延迟单元。在使用斜坡单元时，先出现的测量值以总是恒定的斜度接近随后出现的测量值。平滑单元的输出信号因此不存在快速的强烈的波动。在使用延迟单元时，输入侧波动向输出侧移动的速度与相继的测量值的差异成比例。差异越大，则平滑单元的输出侧越快地跟随其输入侧的改变。
根据有利的构造，将设备功率梯度dp/dt提供到设有积分器上极限和积分器下极限的积分器，且积分器的输出PI+1、设备实际功率PI和额定最大功率Pmax，nenn作为输入信号被提供到最小值选择单元，所述最小值选择单元将三者中最小的输入信号传输到加法单元，所述加法单元将预先给定的偏置功率加到最小值选择单元的最小的输入信号以获得设备最大功率Pmax，其中设备最大功率Pmax同时用作新的积分器上极限。以此方式保证，设备实际功率随预先给定的设备实际功率如希望地改变。
在此所使用的功率概念有利地仅考虑有功功率。
附图说明
本发明的另外的合理的构造和优点是如下结合附图对于本发明实施例的描述的对象，其中相同的附图标号指示相同作用的部件，且其中各图为：
图1示出了安装在海洋区域内的风力发电场的示意性图示，
图2以示意图示的形式示出了根据本发明的方法的实施例，和
图3示出了图2的调节部分的更详细的图示。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的风力发电场1的实施例，所述风力发电场1具有多个风能设备2。每个风能设备2具有图中未图示的发电机，所述发电机的转子与来风时发生旋转的转子叶片3抗扭地连接。以此方式，由发电机提供电功率，所述电功率通过换流器转化为直流电压且然后又转化为交流电压。因此获得的交流电压然后通过变压器4馈入风力发电场电网5，所述风力发电场电网5通过变压器6和7与作为整流器运行的换流器8连接。风力发电场2、风力发电场电网5和换流器8提供在海洋区域中，因为在所述海洋区域中出现的高的来风。为将由风能设备2获得的电功率传输到布置在陆地侧的交流电网9，使用了直流连接10，所述直流连接10在换流器8和另外的换流器11之间延伸，其中换流器11作为逆变器运行。通过直流连接10相互连接的换流器8和11形成高压直流输电设备。
在图1中图示的实施例中，换流器8和11是所谓的多级换流器，且分别具有由功率半导体支路形成的桥路，所述功率半导体支路又由串联的双极的子模块组成。每个子模块具有储能器，例如电容器，且具有由功率半导体组成的线路，借助于所述线路可在每个子模块的输出上施加在储能器上降落的电压、反向电压或零电压。通过控制换流器支路的所有子模块的功率半导体，因此可实现逐级地控制在换流器支路上分别降落的电压。在此，电压调节的步幅对应于储能器上的压降。
而在与之不同的实施例中，换流器包括可关断功率半导体的串联，所述可关断功率半导体分别与续流二极管反并联。以此方式形成了二级、三级或五级的换流器。
直流连接10例如由所谓双极的直流连接形成且具有正极导线以及负极导线，它们通常称为极。直流连接的极可根据所使用的换流器拓扑结构通过电容器相互连接。但不同的换流器拓扑关系本身是已知的，因此在此无需对其详细论述。
为调节由每个风能设备2生成的设备实际功率，每个风能设备2配备设备功率单元12。在此，每个设备调节单元12与布置在风力发电场电网5内的用于确定交流电流i1、2、3的电流传感器以及用于确定三相电压U1、2、3的电压传感器连接。为此，用于采集交流电流i1、2、3和交流电压的测量传感器从风能设备角度看直接连接于各变压器之后。每个设备调节单元12以已知的方式从电流值i1、2、3和电压值U1、2、3确定由与之对应的风能设备12产生的且馈入风力发电场电网内的设备实际功率PI。由测量的交流电压值U1、2、3可进一步确定在风力发电场电网5内通过换流器8产生的实际频率。
为调节整个风力发电场发出的总功率使用了与换流器调节单元14连接的风力发电场调节单元13，其中换流器调节单元14负责调节换流器8。换言之，换流器调节单元14确定风力发电场电网5的实际频率γist。如果例如由风力发电场1发出的总功率
Figure BDA0000050227630000062
应下降，则风力发电场调节单元13控制换流器调节单元14，使得换流器调节单元14在风力发电场电网5内生成具有实际频率γist的交流电压U1、2、3，每个设备调节单元12由所述实际频率γist确定对于所有风能设备2共同的希望的风力发电场预定值。风力发电场预定值在图示的实施例中是风力发电场功率梯度。每个设备调节单元12基于所确定的或预先给定的设备参数-如位置、风能、风向等-由所述风力发电场功率梯度导出与各风能设备2相关的设备功率梯度dp/dt。以此方式确定的设备功率梯度因此通常在风能设备之间不同。设备功率梯度最后作为各风能设备的调节的基础。风力发电场调节单元13和设备调节单元12之间的附加的通信在此是多余的。
风力发电场调节单元13例如从图中未图示的控制中心获得风力发电场预定值。
图2更详细解释了根据本发明的方法的实施例，其中解释了在每个设备调节单元12内进行的调节步骤。可认识到的是采集的风力发电场电网5的实际频率γist被提供到设备调节单元12的加法器15，所述加法器15通过形成在固定的预先给定的额定频率γnenn和实际频率γist之间的差异确定了频率差dγ。解码单元16从频率差的时间改变dγ/dt导出风力发电场功率梯度dP/dt。在所示的实施例中，此风力发电场功率梯度dP/dt此外也通过无线电信号从风力发电场调节单元13被传输到每个设备调节单元12，其中提供了选择单元17，所述选择单元17在传输路径故障时切换到每个另外的传输路径。风力发电场功率梯度dP/dt最后提供到设备特征线单元18，所述设备特征线单元18由风力发电场功率梯度dP/dt导出设备功率梯度dp/dt。在此，对于每个风能设备2考虑特定的设备参数，例如与风能设备2对应的额定功率PNenn，在风能设备2处测量的风向和风速，以及风能设备的其他位置参数。在此，风力发电场功率梯度归一化地存在，使得所述风力发电场功率梯度可与单位[p.u]/秒对应。而设备功率梯度dp/dt非归一化地存在，且具有单位MW/秒。借助于计算单元19，从设备功率梯度dp/dt且从由各风能设备2生成的设备实际功率确定设备最大功率PMax。
图3更详细地解释了计算单元19。可认识到，将设备功率梯度dp/dt提供到积分器20。积分器20具有积分器上极限PMax以及积分器下极限I，其中积分器下极限I例如对应于各风能设备的特征功率需求(Eigenleistungsbedarf)。积分器PI+1的输出与测量的设备实际功率PI和与各风能设备固定对应的额定最大有功功率PMax，Nenn一起被提供到最小值选择单元21，所述最小值选择单元21从所述输入变量中将最小值传递到其输出处。设备实际功率PI由于快速的风力改变而受到高的波动。为抑制此快速波动的不利影响，设备实际功率在被提供到最小值选择单元21之前被时域平滑。这在图3中通过斜坡单元22实现，所述斜坡单元22在所涉及的设备实际功率值上使用了斜坡函数。以此方式，仅传递持续的改变或换言之带有较慢持续时间的改变。此斜坡单元22对于专业人员是已知的，因此在此无需对其详细论述。
最小值选择单元的输出40被提供到加法器23，所述加法器23在最小值选择单元21的最小输入信号上添加了对于每个风能设备来说是固定的预先给定的偏置功率而获得设备最大功率PMax。设备最大功率PMax然后作为风能设备的另外的调节的基础，使得如在图2中所指示使设备实际功率PI保持为小于设备最大功率PMax。此外，设备最大功率PMax也用作积分器20的积分器上极限。
在交流电网9内存在高能量需求时，见图1，风能设备2的调节被运行为使得提供最大功率PMax，Nenn+偏置功率。如果风力发电场1的功率应降低，则风力发电场调节单元13影响换流器调节单元14，使得风力发电场电网5内的实际频率γist相对于额定频率γnenn降低。解码单元16生成了相应的风力发电场功率梯度dP/dt，由所述风力发电场功率梯度dP/dt通过设备特征线单元18提供负的设备功率梯度dp/dt。积分器20的输出PI+1因此小于PI，glatt且小于PMax，Nenn，且因此导致PMax减小，且因此导致各风能设备2的PI变小。
如果达到了希望的设备功率PI，则dp/dt等于零，因此PI+1时间上恒定。根据值PI或PI+1哪个更小，在最小值选择单元21的输出上存在PI或PI+1。然而PMax由于偏置功率更大，使得风能设备的调节被实现为使得PI也更大或者可变得更大。而只要设备功率梯度dp/dt为零，则PI+1不改变，使得不导致增加。PI+1保持为最小值选择单元21的最小的输入值。设备实际功率PI的升高仅以导致PI+1增加的正的设备功率梯度dp/dt进行。

Claims (10)

1.一种用于调节由风力发电场（1）发出的功率的方法，其中风力发电场（1）具有通过风力发电场电网（5）相互电连接的风能设备（2），其中
风力发电场调节单元（13）将风力发电场预定值传输到分别为调节风能设备（12）而提供的设备调节单元（12），其特征在于，
所有设备调节单元（12）获得相同的风力发电场预定值，
其中每个设备调节单元（12）根据风力发电场预定值且根据与由对应的风能设备（2）产生的功率相应的测量的设备实际功率PI确定设备最大功率Pmax，和
调节每个对应的风能设备（2），使得设备实际功率PI小于设备最大功率Pmax。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风力发电场调节单元（13）与换流器调节单元（14）连接，且与风力发电场（1）连接的换流器（8）被调节为，使得所述换流器（8）在风力发电场电网（5）内产生交流电压U1、U2、U3，所述交流电压的实际频率γist对应于风力发电场预定值，其中每个设备调节单元（12）采集实际频率γist且从实际频率γist确定风力发电场预定值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述换流器（8）将由风力发电场（1）生成的电功率通过直流连接（10）传输到与交流电网（9）连接的另外的换流器（11），使得在风力发电场电网（5）和交流电网（9）之间提供HGü连接。
4.根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，所述风力发电场预定值是风力发电场功率梯度dP/dt，其中每个设备调节单元（12）由风力发电场功率梯度dP/dt导出与之匹配的设备功率梯度dp/dt，且基于其设备功率梯度dp/dt计算与其对应的设备最大功率Pmax。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，每个设备调节单元（12）根据设备功率梯度dp/dt改变由与其对应的设备实际功率PI而获得设备最大功率PMax，其中设备实际功率限制于预先给定的额定最大功率Pmax,nenn。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，每个风能设备（2）对应一个额定最大功率Pmax,nenn。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，通过平滑单元（22）降低设备实际功率PI的改变的动力学。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述平滑单元（22）应用斜坡函数或延迟函数。
9.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，设备功率梯度dp/dt被提供到设有积分器上极限和积分器下极限的积分器（26），且积分器（26）的输出（20）、设备实际功率PI和额定最大功率Pmax,nenn作为输入信号被提供到最小值选择单元（21），所述最小值选择单元（21）将三者中最小的输入信号传输到加法单元（23），所述加法单元（23）将预先给定的偏置功率加到最小值选择单元的最小的输入信号以获得设备最大功率Pmax，其中设备最大功率Pmax同时用作新的积分器上极限。
10.根据前述权利要求1-6中一项所述的方法，其特征在于，所述风力发电场预定值通过无线电信号、卫星信号或通信导体被传输到每个设备调节单元（12）。
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