CN102472250B - 提供电网支持的风力涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种变速风力涡轮机被布置为提供额外电功率,以抵消电网中的非周期性干扰。一种控制器监测指示需要增大从风力涡轮机向电网的电输出功率的事件。所述控制器被布置为按照如下方式控制风力涡轮机:在检测到指示事件之后,风力涡轮机进入增大电输出功率的超量发电周期,其中,从存储在转子中的动能取得额外的电输出功率,而无需将风力涡轮机的运行改变到更有效率的工作点上。当转子的旋转速度达到最小值时,风力涡轮机进入恢复周期,从而在通过至少输出预定的最低功率来进一步促进电网的稳定性的同时对转子重新加速使之达到标称旋转速度。

Description

提供电网支持的风力涡轮机
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种用于连接至电网的变速风力涡轮机,其被布置成在发生电网干扰时生成额外的电输出功率。更具体而言,本发明涉及能够在结束了额外的电功率的输出之后进一步支持电网的稳定性的风力涡轮机。
背景技术
[0002] 馈送到电网内的电功率和从电网汲取的电功率之间的失衡导致了电网频率的波动。如果发电产生的电功率下降到电网功耗以下,例如,由于发电站故障或断路的原因,那么电网频率下降。相反地,如果功耗下降至发电量以下,那么电网频率增大。为了对这样的频率波动做出补偿,有的发电站被布置为连续改变其有效电功率输出,直到消除所述失衡为止。将这种电输出功率变化称为“初级功率控制”。电网运营商在所谓的电网代码(Grid Codes)中指定了初级功率控制要求,例如,所述电网代码可以是E.0NNetz GmbH制订的Grid Code2006,所述电网代码是E.0N Netz GmbH发布的英文版本,可以从 http://www.eon-Netz.com/pages/ene_de/Veroeffentlichungen/Netzanschluss/Netzanschlussregeln/ENENARHS2006eng.pdf 下载。
[0003] 当前,风力涡轮机通常不对初级功率控制起作用,这主要是因为作为功率源“风”是不可控的。然而,随着风力发电站在总的电能生产中所占的比例越来越高,当然希望风力涡轮机能够对初级功率控制起作用。
[0004] 而且,现在的变速风力涡轮机的能量转换系统的机械旋转部分并非电耦合至电网,因而需要以机械的方式解除风力涡轮机与电网的耦合,这与常规的固定速度同步发电机不同。按照这种方式,当电网遇到事件时,例如,网络中的总发电量和消耗量之间突然失衡时,现在的风力涡轮机将无法发挥固有的实现电网稳定的作用,这与常规的固定速度同步发电机不同。因而,这样的风力涡轮机无法借助电网转动惯性起作用。随着风力发电站在总的电能生成中所占的比例越来越高,固定速度同步发电机的数量也越来越少,从而丧失了在遇到电网事件时,例如,总发电量和电网消耗之间突然失衡时通过混合发电(generat1n mix)来支持电网稳定性的固有能力。总电网惯性降低,从而损害了电网频率稳定性。希望风力涡轮机能够借助快速、受控的有效功率调制对电网稳定性发挥作用。
[0005] 例如,从DE10022974A1已知,风力涡轮机能够通过降低其输出功率对电网频率升高(即,从电网消耗的功率低于馈送到电网内的功率)做出反应。但是却难以对频率降低(即,从电网消耗的功率高于馈送到电网内的功率)做出响应,因为这意味着要在没有更多可用的风能的情况下增大有效发电量。已知可以通过两种不同的方案解决这一问题:
[0006] 首先,由Rostock大学的Harald Weber等人所写的两篇文章("Netzregelverhalten von Windkraftanlagen〃,公布于 2003 年 5 月 21 日到 22 日在Munich举办的 GMA/ETG-Fachtagung 第六次会议"Sichere und zuverl assige Systemfiihrungvon Kraftwerk und Netz im Zeichen der Deregulierung^ 上,可以从 www.e-technik.un1-rostock.de/ee/download/publicat1ns_EEV/uni_hro_publ35_WKA_2003.pdf 下载;"Primarrege lung mit ffindkraftanlagen",公布于 2003 年 2 月 19 日到 20 日在Frankfurt/Main 举办的 ETG-fforkshop^Neue dezentrale Versorgungsstrukturen^,可从www.e-technik.un1-rostock.de/ee/download/publicat1ns_EEV/uni_hr o_publ33_etg_frankfurt_2003.pdf下载,在下文中将这两篇文献称为“Rostock文章”)提出使风力润轮机在亚最佳工作点上(例如,在风速给定的情况下,在比最佳旋转转子速度高的速度上)工作,以获得可用的功率储备,在频率降低的情况下,可以额外输出所述功率储备(例如,这时通过在既定的风速下将旋转转子速度降低至最佳速度实现)。这样,能够在无限定的时间内向电网馈送额外的电输出功率。
[0007] 根据例如在W02005/025026A1中概述的第二种方案,将存储在风力涡轮机转子内的动能识别成功率储备,可以将其转换成电功率,并额外注入到电网内,但是其只能满足短时间周期内的要求。利用转子动能,还有可能通过与周期性频率振荡同步对转子减速和加速而对所述周期性频率振动做出补偿。
[0008] 在 Ullah 等的文章"Temporary Primary Frequency Control Support by VariableSpeed Wind Turbines - Potential and Applicat1ns"(由 IEEE 在 〃IEEE Transact1ns onPower Systems, Vol.23,N0.2", May2008, pages601to612 中发布的,可以从 ieeexplore.1eee.0rg/iel5/59/4494587/04480153.pdf 下载,下文称为 “ULLAH”)中提供了一种类似的以转子动能为代价实现短时功率输入的概念。
[0009] 然而,这些采用转子的动能临时输出额外电功率的提议尚未成熟,因为所述文献都没有涉及终止了非周期性的额外电功率输出之后的风力涡轮机控制。本发明提供了一种实施快速有效功率变化以实现电网稳定性以及由风力涡轮机发挥初级功率控制作用的细化方案。
发明内容
[0010] 根据第一方面,本发明提供了一种用于连接至电网的变速风力涡轮机。所述风力涡轮机被布置成提供额外的电功率,以抵消电网中的非周期性干扰。其包括转子和控制器,所述转子具有叶片且耦合至发电机,所述控制器监测指示需要增大从风力涡轮机输出至电网的电输出功率以支持电网稳定性的事件。所述控制器被布置成如下所述控制风力涡轮机以非周期性方式执行电网稳定性支持活动:在检测到指示事件之后,风力涡轮机进入使电输出功率增大到超过正常的电运行功率的超量发电周期,其中,从存储在转子中的动能取得额外的电输出功率,那么至少在风力涡轮机以部分载荷模式工作时无需将风力涡轮机的运行改变到更为高效的工作点上。最迟当转子的旋转速度达到最小值时,风力涡轮机进入恢复周期,从而在通过至少向电网输出预定的最低电功率来进一步促进电网的稳定性的同时利用所述转子的剩余机械功率对转子重新加速使之达到标称旋转速度。
[0011] 根据第二方面,本发明提供了一种被布置为相应地控制变速风力涡轮机的控制器,所述变速风力涡轮机具有带有叶片的转子,并且被布置为连接至电网,所述控制器被布置为按照非周期性的方式执行电网稳定性支持活动,具体如下:
[0012]-监测指示需要增大从所述风力涡轮机向所述电网的电输出功率以支持所述电网的稳定性的事件,
[0013]-在检测到指示事件之后,控制所述风力涡轮机,使之进入使所述电输出功率增大到超过正常电运行功率的超量发电周期,其中,额外电功率是从存储在所述转子中的动能获得的,并且至少在所述风力涡轮机以部分载荷模式工作时无需将所述风力涡轮机的运行改变到更为高效的工作点上,
[0014] 最迟当所述转子的旋转速度达到最小值时,控制所述风力涡轮机进入恢复周期,从而在通过至少向所述电网输出预定的最低电功率来进一步促进所述电网的稳定性的同时利用所述转子的剩余机械功率对所述转子重新加速使之达到正常旋转速度。
[0015] 根据第三方面,本发明提供了一种对应的控制风力涡轮机提供额外电功率的方法,所述风力涡轮机具有带有叶片的转子,并且被布置为连接至电网,所述非周期性方法包括:
[0016]-监测指示需要增大从所述风力涡轮机向所述电网的电输出功率以支持所述电网的稳定性的事件,
[0017]-在检测到指示事件之后,进入使所述电输出功率增大到超过正常电运行功率的超量发电周期,其中,额外电功率是从存储在所述转子中的动能获得的,并且至少在所述风力涡轮机以部分载荷模式工作时无需将所述风力涡轮机的运行改变到更为高效的工作点上,
[0018] 最迟当所述转子的旋转速度达到最小值时,进入恢复周期,从而在通过至少向所述电网输出预定的最低电功率来进一步促进所述电网的稳定性的同时利用所述转子的剩余机械功率对所述转子重新加速使之达到正常旋转速度。
[0019] 在从属权利要求、下文的描述和附图中阐述了其它方面。
附图说明
[0020] 将相对于附图以举例的方式对实施例予以说明,其中:
[0021] 图1示意性地示出了一种变速风力涡轮机的组件;
[0022] 图2是描述风力涡轮机的控制流程的简图;
[0023] 图3以举例的方式示出了风力涡轮机的发电量曲线;
[0024] 图4是示出了根据第一实施例的转子的旋转速度和电输出功率之间的关系的示意图;
[0025] 图5示出了根据第一实施例电输出功率、可用机械叶片功率和转子速度的发展情况;
[0026] 图5A是根据图5的第一实施例的示意性图示,其中,在超量发电周期和恢复周期二者内均对电输出功率加以调制;
[0027] 图6示出了根据第二实施例的转子旋转速度和电输出功率之间的相关性;
[0028] 图7是示出了根据第二实施例的电输出功率、可用机械叶片功率和转子速度的特征的示意图;
[0029] 图8示出了根据第三实施例的电和机械功率曲线以及转子速度;
[0030] 图9示出了在可用风功率高于风力涡轮机的标称电功率的情况下(满载荷运行)转子的旋转速度和电输出功率之间的相关性;
[0031] 图10示意性示出了具有同步发电机和满量程变换器的风力涡轮机的机械和电气部件;
[0032] 图11示意性示出了具有双馈感应发电机(DFIG)的风力涡轮机的机械和电气部件;
[0033] 图12以举例的方式示出了对于依赖于风速的不同电输出功率水平而言恢复周期的持续时间;
[0034] 图13示出了根据本发明的一个方面的电网稳定性支持方法。
[0035] 术语表
[0036] 将贯穿本说明书采用下述用语和缩写。
[0037] Pnoffl:是根据本发明的风力涡轮机的标称(额定)电运行功率(在提到“功率”时,我们是指以能量/时间或功/时间为量纲的物理单位);
[0038] Pe:是某一时间点上的实际电运行(输出)功率;
[0039] Pe0:代表在进入根据本发明的功率控制模式的时刻(正常的)风力涡轮机电运行功率;
[0040] ΔΡορ:是在超量发电周期中除了正常的电运行功率之外输出的超量发电功率;
[0041] Pemin:是指恢复周期内预定的最低电输出功率;
[0042] Pacc:代表在根据本发明的恢复周期中用于使转子重新加速的功率;
[0043] Pw:代表某一时间点上的可用风功率;
[0044] Pffl:代表某一时间点上风力涡轮机的机械转子功率;
[0045] ω0:是指在进入根据本发明的功率控制模式的时刻风力涡轮机的转子的旋转速度;
[0046] COmin:是风力涡轮机进入恢复周期时所处的风力涡轮机转子的最低旋转速度。
具体实施方式
[0047] 在进入对实施例的详细说明之前首先讨论几个一般的事项。
[0048] 根据本发明的风力涡轮机的主要部件是具有叶片且耦合至发电机的转子以及被布置成控制风力涡轮机执行电网稳定性支持活动的控制器。所述风力涡轮机是一种变速风力涡轮机,即,可以在正在进行的运转过程中改变转子速度,从而允许在风力涡轮机的负荷和磨损最小的情况下有效地利用可用风功率。所述风力涡轮机还被布置成连接至电网,例如,三相公用供电网络,如果所述风力涡轮机属于风电场时,那么所述风力涡轮机则属于所述风电场的内部电压网络(一般而言,该网络本身也可以连接至公用供电网络)。为了使所述风力涡轮机以可变转子速度运行,通过(例如)变频器或者转子和发电机之间的变速齿轮箱使所述风力涡轮机以机械的方式与固定电网频率解耦。
[0049] 在按照部分载荷模式(S卩,可用风功率低于风力涡轮机的额定风功率)运行的过程中,风力涡轮机一般在最佳工作点上运行。根据风速和方向,持续调整转子速度以及桨距和偏航角(假设所述风力涡轮机具备叶片桨距和偏航控制系统),从而保持最大空气动力效率(例如,使风力涡轮机的叶尖速度比保持在最佳值上),由此根据风况获得最高的电功率(通常将这种策略称为“最高功率跟踪”)。如果可用风功率达到或超过了风力涡轮机的额定风功率,那么通过(例如)采用叶片桨距控制系统控制叶片的冲角将旋转转子速度和电运行功率限定为其标称值。由此在使所生成的电功率在其额定值上保持恒定(Pmm=Pe)的同时保护风力涡轮机不发生过载。因此,只有在这种所谓的满载荷模式中,并没有对可用风功率尽可能地加以利用,而是通过使叶片在一定程度上从风中扭转出来一些来限制电输出功率。
[0050] 然而,“Rostock文章”则提出了一种与此相违背的风力涡轮机运行方式。为了获得可用于初级功率控制的功率储备,风力涡轮机一般将按照非最佳方式运行。可以通过以更高或更低的旋转速度驱动转子或者通过使叶片转至亚最佳桨距角实现这一目的(参考“Netzregelverhalten von Windkraftanlagenρ.6)。然而,这样的偏离最佳工作特征曲线的系统运行将引起显著的对可用风能的浪费。从经济的角度来看,这样做是有问题的,因为与基于可控能源的发电站,例如,水力发电站或天然气发电站不同,在这些发电站中没用完从而节省下来的能源载体的量可以在以后转换成电功率,而未加利用的风能则只能流失了。因而,这里不遵循“Rostock文章”提出的方案,根据本发明的风力涡轮机按照其正常的转矩一速度特征曲线运行,至少在部分载荷模式下工作时是这样。
[0051] 正如ULLAH和W02005/025026A1中简要描述的,即使当风力涡轮机在其最佳工作点上运行时,也有可能通过从旋转的转子提取动能而提供额外的输出功率。根据ULLAH,例如,有可能在大约10秒钟的时间内(这与传统的初级功率控制形成了对比,在传统控制中由可用的功率储备生成额外的电功率,因而一般能够在长时间内保持所述额外电功率)输出额外的电功率水平,其适于对电网频率保持发挥作用。又将这一瞬态的偶发的功率增大称为“电网惯性响应”。动能的提取将导致转子减速,因而在发挥频率稳定性作用的时间内通常会导致偏离最佳工作点(ULLAH,p.608,右栏)。在额外电功率输出周期(下文将其称为“超量发电周期”)之后,迅速降低电输出功率,甚至可以消耗来自电网的功率,从而能够使转子再次加速(P.609,左栏)。然而,这一快速的功率降低将引起第二次电网频率下降(参考图17(a)、18和19),因而在最初的短期惯性响应之后,不能提供后续的频率稳定。
[0052] 本发明的焦点在于超量发电周期结束之后,直至对转子重新加速使之达到其正常速度之前的阶段(下文将这一周期称为“恢复周期”)内的风力涡轮机控制。其通过在恢复周期中进一步支持电网稳定性的方式提供了一种被布置成发挥初级功率控制作用的风力涡轮机。
[0053] W02005/025026A1寻求与ULLAH描述的相同的方案,并且额外提及了利用转子的动能抑制周期性电网频率振荡(所谓的“区域内振荡”,W02005/025026A1,p.14)。在给定的例子中,电网频率以0.22Hz (等于4.5s的循环时间)的特征频率振荡,这意味着风力涡轮机在2.25s的时间内注入额外的功率来抑制这一振荡,并通过交替的方式在另一 2.25s的时间内降低功率输出(P.14和Fig.3)。在这一方案中,计划在增大到超过额定运行功率之后伴随显著的电输出功率的下降(因为对于所述循环周期的相应的一半而言电网频率超过了标称值),因而没有必要抵消正在发生的频率低谷。
[0054] 与此相反,本发明的构思是抵消电网中的非周期性干扰。具体而言,如果由于时间持续更长的来自电网的功耗的增大或者另一发电站的停机/故障的原因导致电网频率在更长的周期内下降,那么根据本发明的风力涡轮机能够以瞬时的方式提供额外的电功率,并且在额外发电结束之后仍然能够起到促进电网稳定性的作用。
[0055] 具体而言,根据本发明的风力涡轮机被布置成执行分为两个阶段的辅助控制模式,第一阶段是使从风力涡轮机提供给电网的电功率增大到超过正常电运行功率的超量发电周期,第二阶段是使风力涡轮机进一步发挥促进电网稳定性的作用的恢复周期。通过使输出的电功率的量高于或等于预定的下阈值实现这一进一步的作用。通过这种方式,能够削弱在ULLAH中发生的电网频率的(第二次)显著降低。
[0056] 根据本发明的风力涡轮机包括负责控制风力涡轮机进入所述的二阶段控制模式的控制器。出于这一目的,所述控制器(持续或周期性地)监测指示应当将输入至电网的电功率增大到超过正常的,即当前的电运行功率Pe的事件。例如,这样的指示事件可以是由风力涡轮机外部实体,例如,电网运营商或风电场控制器生成的控制信号。或者,其可以是由风力涡轮机内部的诸如电网频率或电压角变化的运行参数的测量结果,尤其是运行参数与其正常值的偏离达到了预定程度的判断所触发的警报。所述指示事件不仅可以包括需要增大电输出功率的指示,还可以包括与所需的功率增大的实质相关的进一步的信息。例如,其可以含有有关功率增大的幅度(作为相对或绝对值)、相应的频率下降的幅度、电输出功率增大的预期持续时间或变化或者其它/额外管理或元数据的信息。于是,能够将所述控制器布置为对这一信息进行评估和处理,并触发对应的控制活动。
[0057] 具体而言,在检测到指示事件之后,控制器启动从超量发电周期开始的电网稳定性支持活动。在这一时间内,通过输出处于正常电运行功率之上的超量发电功率(八?。£))支持电网的稳定性,所述正常电运行功率是在超量发电周期开始时生成的功率(Pm)。因而,可以通过Pe=P^APtjp表示超量发电周期中的电输出功率(假设在超量发电周期期间风况不发生变化,因而保持了倘若风力涡轮机不进入超量发电周期其运行将处于的推测工作点,即,在这一时间间隔期间Pe=PetlX额外的超量发电功率ΛΡορ可以是预定的固定值(对于任何超量发电周期都取相同的值,而且在整个超量发电周期内也不发生变化),也可以随不同情况发生变化,但在每一超量发电周期上仍然是恒定的,或者其可以在超量发电周期内变化,例如,响应于控制器检测到的其它事件或者其它管理数据(例如,可以是连同所述指示事件一起提供的)而发生变化,由此能够通过对电输出功率的调制使风力涡轮机能够根据电网稳定性的实质和特征发挥促进电网稳定性的作用。
[0058] 超量发电功率APtjp并不是通过将风力涡轮机的运行转换到更加有利的工作点上而生成的,而是从存储在风力涡轮机的旋转质量,即其转子内的动能中提取的,至少当风力涡轮机以部分载荷模式工作时是这样。因此,在超量发电周期中转子转速的降低取决于所提取的能量的量。
[0059] 这里列出的考虑事项都是以可用风功率(Pw)在所述二阶段辅助控制模式期间保持恒定的假设为基础的。基于所述假设,转子转速在超量发电期间的降低将使得风力涡轮机偏离最佳工作点,受到(相对轻微的)效率损失(这意味着,实际上,风力涡轮机运行恰恰与“Rostock文章”相反:在具有最高效率的工作点上运行,只有当在二阶段辅助控制模式内执行电网稳定性支持活动时才会发生与正常工作点的(负)偏离)。如果风力涡轮机装备有叶片桨距控制系统,那么可以通过在转子速度发生变化时调整转子叶片的桨距角对效率降低进行部分补偿。
[0060] 然而,转子速度不应降至某一最小值以下。这一阈值可能与风力涡轮机的构造参数相关,例如,与风力涡轮机的发电机或变换器的工作范围相关,或者与效率考虑事项相关,尤其是与在后续运行中应当输出至电网的最低电功率相关。最迟当旋转的转子速度达到了这一最小值时,控制器终止超量发电周期,并启动恢复周期。
[0061] 所述恢复周期以基本上彼此相反的两项任务为特征。一方面,电网可能仍然不稳定(即,来自电网的功耗仍然高于馈送到电网内的功率),因而仍然需要某一电输出功率。另一方面,由于转子速度降低,风力涡轮机正运行于亚最佳工作点上,因此无法产生像超量发电周期之前一样高的电功率。因而,在中期电网稳定性和对转子重新加速以实现高效的长期功率生产之间存在矛盾冲突。
[0062] 根据本发明,在所述辅助控制模式的这一第二阶段中,风力涡轮机至少向电网输出预定的最低电功率(Pemin)。这意味着,电输出功率匕在恢复周期的整个持续时段内都未降至这一预定阈值以下(因此,在恢复周期的任何时间点上,电输出功率均大于等于预定最小值)。这样,风力涡轮机将继续发挥促进电网稳定性的作用。与此同时,利用转子的剩余机械功率(pa。。)使转子再一次重新加速。这意味着,一般而言,在恢复周期中并未将全部的机械转子功率(Pm)转换为电功率(匕)。所述重新加速可能占用显著的时间量,其取决于可用机械转子功率(Pm)向用于生成电输出功率的部分(Pe)和用于对转子重新加速的部分(Pa。。)的分配。例如,有可能对于某一段时间而言,全部的机械转子功率(Pm)供应都转换成了电输出功率(Pe),根本未对转子加速,因而可能使恢复周期额外延长。
[0063] 所述超量发电周期和恢复周期构成了一种非周期性控制模式。由于这里的焦点在于电网稳定性(与快速的转子重新加速相对立),因而恢复周期通常要比超量发电周期长。此外,在恢复周期结束之后,一般将出现在无限定的时间内具有正常的风力涡轮机控制和运行的阶段。只有当控制器检测到另一指示事件(从风力涡轮机的角度来看,其可能发生在任意时间点上)时,控制器才启动另一超量发电阶段。因而,不存在像这样的连续过程,即,交替发生的超量发电周期和恢复周期,或者在紧随前一恢复周期的预定间隔之后重新进入超量发电阶段。
[0064] 理论上可以将恢复周期中的电输出功率的最小值(Peniin)确定为绝对功率值。然而,由于风力涡轮机是在变化的风况下运行的,相应地,根据本发明的风力涡轮机也要在变化的风况下执行电网稳定性支持活动,因此这样做在实践中可能没用。因此,在本发明的一些其它任选配置中,将Pailin定义为在风力涡轮机进入超量发电周期(Pm)的时刻正在提供给电网的电运行功率的固定百分比。在其它变型中,选择其它参考值,例如,在启动超量发电周期之前的某一时间窗口内的运行功率的平均值、风力涡轮机的标称电运行功率(Pm)或者对应于(恢复周期中)当前可用风功率的正常电功率。
[0065] 在一些其它的配置选项中,恢复周期中的最低电输出功率(Pemin)相当于在超量发电周期之前提供给电网的电运行功率(Petl)的80%。在其它实施例中,将所述阈值设为Pm的85%或90%。甚至有可能选择更高的值,例如,Pe0的95%。因而在恢复周期中在更高的水平上支持电网。然而,可用于使转子重新加速的剩余功率将因而对应地变小,从而使恢复期延长,风力涡轮机也将在更长的时间内以亚最佳工作点运行。
[0066] 在一些其它配置中,控制器被布置为不仅确保电输出功率在恢复周期中不降至预定最小值以下,还对用于使转子重新加速的功率(Pa。。)加以控制。因此,所述控制器能够确保转子加速度不降至某一最小值以下。此外,由此有可能(连续或周期性地)估算恢复周期的剩余持续时间。
[0067] 为了能够控制转子加速功率(Pa。。),在本发明的一些任选配置中,所述风力涡轮机包括用于测量转子的旋转速度和风速、叶片根部的力矩和/或转子轴的转矩的传感器设备。于是,所述控制器能够通过(连续或周期性地)测量这些参数并至少由这些测得的参数计算可用的机械转子功率(Pm)来控制转子加速度。因而,控制器总是“知道”可用的机械功率,并且能够在恢复周期中将其分割成两个部分,即,用于转化成电输出功率,从而确保输出功率不降至给定下阈值以下的第一部分以及用于使转子重新加速到其标称速度的第二部分。因此,有可能做出与恢复周期的剩余持续时间有关的更为具体的预测。
[0068] 超量发电周期未必一直持续到实际达到了预定的最低旋转转子速度(ω_)为止。例如,在电网快速地恢复了其稳定性的时候,由于不再需要向电网注入增大的电功率,因而能够更早地启动恢复周期。而且,超量发电周期可以存在预定的时间限制,从而保护风力涡轮机不会发生过长的增大电功率发电(例如,以避免功率转换部件过热)。因而,在达到这样的增大电功率发电的时间限制时,也可以在达到最低旋转转子速度(ω_)之前启动恢复周期。另一个(额外的)进入恢复周期的条件可以是在超量发电周期中提供给电网的额外能量的量的上限。最后,所述风力涡轮机可以被布置为取消增大电功率发电,并响应于控制信号或外部事件,例如,接收自电网运营商或上级控制实体的规定进入恢复周期。
[0069] 此外,在一些变型中,设定转子速度恢复其标称速度(标志着恢复周期的结束)的时间周期。于是,控制器既能够改变转子加速度(pa。。),又能够改变电输出功率(pe),因此,只要遵守了两个先决条件(最低电功率值Pailin和达到正常转子速度的时限),就能够使电输出功率不仅可以在超量发电周期内受到调制(如上文所述),还可以在恢复周期内受到调制,由此使风力涡轮机能够依据不稳定性的特征发挥促进电网稳定性的作用(例如,响应于电网测量或者电网运营商提供的控制信号)。可以采用上述转子速度和风速、力矩和转矩测量以及机械转子功率计算来确保这些约束条件得到满足。
[0070] 在一些其它的配置选项中,控制器被布置成根据适于实现电网稳定性的预定(数学)函数或控制算法控制转子速度和/或电输出功率。优选地,可以根据预定梯度增大两种参数。所述梯度在整个恢复周期内未必是常数或者说未必是统一的。例如,有可能在恢复周期的第一部分内,根本未增大电输出功率(Pe)(例如,等于预定最小值),而只增大了加速功率(Pa。。)。在这一例子中,由于在增大转子速度的同时提高了效率的原因而得到的额外功率被完全投入到了转子加速当中,从而使转子加速度不断增大(假设风速恒定)。只有在恢复周期的第二部分中,才增大Pe,从而使转子加速度不会进一步增大(甚至可以再次降低)。通过这种方式,可以使恢复周期保持相对较短。也有可能对两种参数加以控制,使其按照非线性的方式增大,例如,使其取决于风力涡轮机的效率曲线。此外,所述控制器可以被布置成控制电输出功率,从而在超量发电周期和恢复周期之间提供温和的过渡。这意味着,在超量发电周期结束时,电输出功率不会骤然降低,而是需要一定量的时间来降低。通过这样的“平滑”过渡,能够避免对电网和/或风力涡轮机造成的不利影响。
[0071] 通常,恢复周期的持续时间将比超量发电周期的持续时间长。在超量发电周期内,例如,响应于指示事件内含有的信息,例如,频率下降幅度、频率梯度或端电压角,或者响应于控制器在正在进行的超量发电周期内接收到的其它控制信号增大电输出功率。超量发电周期的最长可能持续时间一般取决于转子内存储的动能和最低旋转转子速度。例如,可行的持续时间可以是10秒。为了在恢复周期内继续发挥促进电网稳定性的作用,一般在同一(相对较短的)时巾贞(time frame)内使转子重新加速到其正常速度是不切实际的。另一方面,恢复周期也不应拉得过长,因为风力涡轮机在这一时帧内以亚最佳效率运行。因而,在一些其它的配置选项内,优选使恢复周期是超量发电周期的五倍。在其它变型中,所述因数为三,在另一些配置中,恢复周期是超量发电周期的两倍。
[0072] 在一些任选的其它配置中,风力涡轮机包括桨距控制系统。于是,所述控制器被布置为在整个辅助电网稳定性支持模式内调整转子叶片的桨距角,从而缓和由偏离正常运行点引起的电输出功率生成的效率降低。具体而言,可以在超量发电周期内调整转子叶片,以补偿(由转子减速引起的)亚最佳风攻角。其效果是可能在某种程度上减少转子的减速。因此,在恢复周期中,可以在转子重新加速的同时调整桨距角,从而再一次调整风攻角,使之适合不断增大的转子速度。理所当然,所述桨距控制系统也可以对与特定的电网稳定性支持模式无关的变化因素,例如,变化的风速和/或方向做出响应。
[0073] 与风力涡轮机通常在最佳工作点上运行的部分载荷模式中的运行不同,在满载荷模式中(即,当可用风功率Pw与超过风力涡轮机标称运行功率Pm的电运行功率匕关联时),那么风力涡轮机控制将限制风力涡轮机的运行功率。这一点是通过(例如)使转子叶片旋转到风中,即,进入旗位方向,从而使叶片至少部分处于旗位上实现的(“旗位”是指叶片所处位置的风攻角为零)。“部分旗位”是指叶片处于最佳风攻角和旗位之间的位置,从而使风攻角小于正常值。“旗度”是指使叶片转向旗位方向的程度。这意味着降低了风攻角,进而降低了提升力(与叶片位置处于部分载荷模式相比),其将引起预期的电输出功率限制。在本发明的一些其它配置中,当风力涡轮机以满载荷模式工作时,在超量发电周期内采用桨距系统降低叶片旗度的量(即,使风攻角重新增大)。通过这一额外的措施,增大了叶片上的升力,从而将额外的可用风功率输出用于所述辅助控制模式。例如,可以采用这一额外支持增大超量发电功率(APtjp)和/或放慢转子减速,进而延长超量发电周期。相应地,在恢复周期中,可以应用其增大电输出功率和/或增大转子重新加速,即,增大加速功率(pa。。),从而缩短恢复周期。
[0074] 为了将变速风力涡轮机连接至电网,可以使风力涡轮机的电子系统的频率与电网解耦。一般有两种方式实现这一目的。首先,利用满量程变频器使风力涡轮机的发电机与电网彻底解耦。于是发电机生成具有可变频率的AC,通过整流器对其进行整流,之后将所得到的DC转换成具有一般为常数的电网频率(欧洲为50Hz)的AC。第二种替代方案是双馈感应发电机(DFIG)。这里,将(异步)发电机的定子绕组直接连接至网络,即,不采用变换器实施这一连接。通过使发电机的转子以可变速度相对于发电机的转子旋转生成激励场。通过对应地调整所述激励场相对于转子的速度来补偿所述(可变的)转子速度。因此,两速度之和,即,激励场相对于定子的速度总是适应固定电网频率的恒定值。这里,只需要变换器生成具有可变频率的激励场电流(=转子电流)。
[0075] 因此,在本发明的一些其它配置中,风力涡轮机的发电机是具有满量程变换器的发电机。在这种解决方案中,经常使用同步发电机。由于通过满量程变换器实施完全解耦,因而控制器启动恢复周期时所处的风力涡轮机的最低转子速度(ω_)不受风力涡轮机的电网连接的限制。相反,仅由风力涡轮机在恢复周期中至少保持的最低电输出功率和使转子重新加速所需的额外机械功率(Pa。。)设定所述限制。
[0076] 在风力涡轮机的其它形配置中,采用DFIG。这里,可以通过发电机的旋转速度限制变换器的工作范围,从而使发电机转子的旋转速度(进而使风力涡轮机转子的旋转速度)不会在希望起生成一定量的电功率时无限定地降低。因而,在这些配置中,DFIG的这一与构造相关的速度范围下阈值可以用作额外的启动恢复周期的最低转子速度值(ω_)阈值(除了提供风力涡轮机在恢复周期中保持的最低电输出功率和预期的转子重新加速这两者所需的机械功率(Pm)的标准之外)。风力涡轮机运行在超量发电周期中首先达到的标准(即,两个值中的较高者)定义了额外电功率输出的最迟结束点。
[0077] 上述考虑通常是以风力在超量发电周期和恢复周期内恒定的假设为基础的。风速的变化还将对处于根据本发明的辅助电网稳定性支持模式的风力涡轮机运行产生额外的影响。例如,超量发电阶段内风速的降低可能导致提前抵达预定的最低转子速度,从而在实际上向电网输出更少的电功(与恒定风速相比),而风速增大则会导致相反的作用。也可以根据风速,例如,根据超量发电周期或另一给定时间窗口内的平均风速确定最低转子速度的值(«fflin)0此外,与标准恢复周期运行相比,恢复周期中风力降低可能导致转子重新加速的延迟,而风力增大则将使风力涡轮机能够更快地对转子重新加速。风速变化还可能对超量发电周期和恢复周期中的预期电输出调制产生影响。
[0078] 本发明能够使风力涡轮机更有效率地发挥促进电网稳定性的作用。具体而言,由于风力涡轮机能够相对更快地对电网频率下降做出反应(例如,与水电站、天然气发电站或蒸汽发电站实施的初级功率控制相比),因而能够采用其填补空白,直到较慢的发电站介入为止。
[0079] 最后,本发明允许电网运营商针对电网和风速的不同状况计算或估算可以预期的来自风力涡轮机的电网稳定性支持。
[0080] 图1示意性地示出了变速风力涡轮机的组件。其包括通过变速齿轮(齿轮箱)7为发电机9提供动力的转子2。发电机9生成通过输电线16提供给电网17的电功率(图1未示出)。控制器10负责根据诸如风速和风向的环境条件和电功率需求控制风力涡轮机I的子系统。
[0081] 转子2包括转子中心体4和叶片3。在一些实施例中,风力涡轮机I的特点在于具有桨距控制系统6,该系统具有能够围绕其纵轴转动的叶片3。因而,有可能(例如)通过使叶片向风中旋转而降低作用于叶片3上的风功率(转矩)。根据盛行风速调整转子的旋转速度ω (S卩,所述风力涡轮机是一种变速风力涡轮机,通常缩写为:VSWT)。例如,转子速度处于10转每分和20转每分之间的范围内。齿轮箱7连接至转子2,齿轮箱7的作用在于将相对较慢的旋转转子速度ω转化为更高的发电机9的转子的旋转速度(在其它实施例中,风力涡轮机I不具有齿轮箱,但其当然还是被布置为能够执行电网稳定性支持活动)。断路器8允许降低转子速度,从而(例如)使风力涡轮机停机。内部的机械子系统、电子系统和控制子系统可以容纳于安装在塔架15上的短舱5内。
[0082] 在一些实施例中,风力涡轮机I的另一部件是传感器和测量设备11。例如,风速计12起着确定当前风速的作用,而风向计13则提供风向测量结果。此外,可以提供量测装置36测量转子叶片3的根部的力矩,提供量测装置37测量转子轴的旋转速度和/或转矩。最后,在一些实施例中,偏航驱动14允许根据盛行风向围绕竖直(塔)轴调整具有转子2的短舱5。
[0083] 例如,控制器10被布置为执行控制软件的具有相关存储器的微处理器。在一些实施例中,其被布置为单部件,而在其它实施例中,其由分布式子系统构成,例如,其具有相互连接的几个微处理器的形式。其通过总线耦合至风力涡轮机的各子系统,具体而言,耦合至发电机9、转子2、桨距控制系统6、传感器设备11,即风速计12、风向计13和测量装置36、37以及偏航驱动14。此外,还将其连接至管理系统18 (图1中未示出)。
[0084] 图2以举例的方式更详细地示出了风力涡轮机I的控制流程。控制器10接收传感器装备11 (风速计12、风向计13以及测量装置36和37)提供的测量结果以及来自电网17和发电机9的运行参数。其对这些输入数据进行处理,并生成传输至风力涡轮机I的各个子系统的致动器的控制信号。后者执行接收自控制器10的控制命令,并实现相应的子系统的状态的变化。例如,控制器10通过改变发电机频率或者改变齿数比操纵转子速度ω(在图2中没有示出后一种操纵的控制流)。
[0085] 此外,控制器10还接收来自管理系统18的命令,管理系统18可以位于风力涡轮机I之内或之外。提供一种远程运行监测设备19,例如,监控和数据采集(SCADA)系统来监督风力涡轮机I的运行。出于这一目的,其请求来自管理系统18的有关风力涡轮机I的状态的数据,并实施远程参数设定(即,将有关参数设置的命令传输至管理系统18)。
[0086] 控制器10执行的两项任务具有与各实施例相关的特殊重要性:首先,其被布置为监测指示将电输出功率增大到超过正常运行功率的必要性的事件。例如,这样的指示事件可以是由远程运行监测设备19 (通过管理系统18)接收到的,或者可以是控制器10本身生成的,二者均响应于诸如电网频率(例如,由电网频率分析器提供的,图2未示出)或电压角变化的电网参数的测量结果。其次,控制器10被布置为启动根据本发明的辅助二阶段控制模式。
[0087] 当风速处于风力涡轮机的工作范围内时风力涡轮机I生成电功率。在图3中通过举例的方式(以粗黑线)示出的作为旋转转子速度ω和电输出功率Pe的函数(并且考虑了不同风速)的风力涡轮机的(静态)产量曲线是非线性的。低于下转子速度阈值《thMsh,不产生任何电功率。从下转子速度阈值《thresh开始,Pe最初在低风速下竖直升高。随着风速越来越大,根据不同风速下的效率曲线,转子速度ω增大,直到达到标称转子速度ω_为止。尽管转子2不再进一步加速,但是Pe仍然升高(还是借助进一步增大的风速),直到达到风力涡轮机的标称电输出功率(图3中Pmm=LOpu (即功率单位))为止。从图3可以看出,产量特征线在某种程度上偏离了理论上可能的最佳曲线(细黑线)。然而,由于这一理论曲线在实践中是不可行的,因而将所述(粗)产量线上的风力涡轮机运行看作是最佳的。然而,根据风力涡轮机I的发电机类型的不同,其运行范围在一定程度上是动态的(图3中的条纹区域所标示的),即,实际功率输出Pe和旋转转子速度ω可能在一定程度上偏离静态产量线。
[0088] 现在将描述用于说明恢复周期中的不同风力涡轮机运行的三个实施例。根据第一实施例(图4和图5),利用固定量的可用机械转子功率Pm使转子重新加速,其作用在于从恢复周期的开始增大电输出功率IV第二实施例(图6和图7)遵循了一种不同的方案。这里,首先使Pe保持在恢复周期中所需的最低水平上(Pemin)。因此,可用于转子重新加速的功率随着效率的增大而增大,从而使得恢复周期比第一实施例更短。第三实施例(图8,与图4结合),是第一实施例的特定修改。在恢复周期的第一阶段,将所有可用的机械转子功率Pm都用于生成Pe,一恩荣在这一阶段,转子根本未加速。根据第一实施例给出的方案,只有在第二阶段,匕才稍微下降,并利用当前可用部分对转子重新加速。对于所有实施例均假定在超量发电周期和恢复周期风速恒定。
[0089] 在图4中形象地示出了第一实施例的超量发电周期和恢复周期中的Pe、Pm和ω的值(Pe为实线、Pm为点划线、Pm为点线、P“为点点划线)。在正常运行中,风力涡轮机在具有最佳效率的工作点上运行,即,根据其产量曲线(参考图3)设定运行功率Pe和转子速度ω。当控制器10检测到指示事件时,其启动根据本发明的辅助电网稳定性支持活动。在风力涡轮机I进入第一阶段,即超量发电周期的时刻,电输出功率和转子速度对应于图4中的点A (Petl和Coci,其中,在第一实施例的例子中,Peo=0.8pu)。随着超量发电周期的开始,Pe增大到超过其正常值,从而使风力涡轮机的工作点转换至图4中的点B。将这一额外的功率称为APf在实施例中,假定APtjp在超量发电周期的持续期间为常数(如上文简述,然而其也可能随时间改变)。由于Λ Ptjp是从存储在转子2内的动能获得的,因而ω随着正在发生的增大电输出功率的输出而降低,因而风力涡轮机的工作点将从图4中的B点变为C点。仍然如图4所示,由于伴随转子速度降低而导致的效率变差的原因(参考图3中的效率曲线)机械转子功率Pm降低。
[0090] 控制器10继续测量ω,并监测发电机9的运行。其(最迟)在达到相应的最小值«min的时刻(图4中的C点)停止增大的电功率的输出。来自C点和D点的箭头标示出了超量发电周期的结束和恢复周期的开始。在旋转转子速度为的情况下,可用机械转子功率Pm大约为0.7pu (与处于点A的正常风力涡轮机运行中的0.Spu形成对照)。现在,这一降低的可用Pm的量成为了在进一步向电网17输送电功率的同时对转子2重新加速,从而使风力涡轮机I的运行点从点D逐渐重新移回到点A的基础。第一实施例中,采用恒定功率值(Pa。。)实施转子重新加速,即,大约0.025pu。采用可用Pm的其余部分进行电功率生产(其满足:Pm_Pe=Pa。。,忽略效率降低)。随着转子速度的不断增大,效率再次增大,电输出功率也相应地增大(与此同时仍然采用恒定Pa。。对转子2加速)。在恢复周期中,Pe决不会下降至预定最低电输出功率之下,例如,在第一实施例中,所述最低电输出功率被设为0.65pu(BP, Pe0的81.25%)。当转子速度再次达到标称速度ωΟ时恢复周期结束,风力涡轮机继续在其正常运行点(图4中的点Α)上工作。
[0091] 还通过图5形象地示出了本发明的第一实施例(超量发电周期:点A到D,恢复周期:D到Α’)。上图示出了随时间变化的Pe (实线)和?111 (虚线),下图示出了旋转转子速度ω。由于仅在转子重新加速中投入了相对小的功率量,因而恢复周期的长度大约是超量发电周期的四倍。由于恒定的Pa。。的原因,旋转转子速度在恢复周期内恒定增长。
[0092] 图5A示出了第一实施例的变型,其中,在超量发电周期和恢复周期两者内均对电输出功率加以调制。例如,这样的调制是在电网运营商的规定(例如,其包含于指示事件中)的基础上响应于正在进行的电网参数测量执行的,所述测量的结果通过管理系统18传输至控制器10。通过执行这样的输出功率调制,使得增大风力涡轮机I对电网稳定性的促进作用成为了可能。旋转转子速度ω相应地发生变化。此外,从超量发电周期到恢复周期的过渡未必一定是电输出功率的陡然降低(如图5所示),其可以是温和,例如,根据数学函数而定(所述过渡可以比图5所示的“平滑得多”)。
[0093] 第二实施例(图6和图7)的主要特征在于在恢复周期中对Pm的利用方式不同。还是在控制器10检测到指示事件之后,由其启动所述二阶段辅助电网稳定性支持模式。使电输出功率Pe增大到0.9pu (和第一实施例中中一样P e(l也是0.8pu),从而使风力涡轮机I的工作点从A点变到B点,进而在旋转转子速度降低的同时变到C点在第二实施例中,最低旋转转子速度ω民比第一实施例中稍慢(例如,因为根据第二实施例的风力涡轮机具有满量程变换器而不是DFIG,其允许存在较大的发电机速度和电网频率的偏差)。相应地,超量发电周期稍长(具有与第一实施例中相同的ΛΡ。。)。在达到后,控制器再次启动恢复周期。在第二实施例中,将恢复周期中的最低电输出功率Pemin设为0.64pu(其等于P e(l=0.8pu的80%)。D点上的可用的机械转子功率Pm只是稍微处于下阈值Pemin之上。现在控制器10将通过这样一种方式控制风力涡轮机1,即,对于恢复周期的第一部分而言,实际上只生成最低电输出功率(即,在这一时帧内Pe=Pemin)。通过这种方式,用于对转子2重新加速的功率随着效率的不断增大而增大(换言之:在恢复周期的这一第一部分内Pn^P匕之间的“差距”越来越大,因为Pm随着ω增大而增大,而Pe则保持恒定)。之后在ω几乎已经达到了的恢复周期的第二部分内,Pe才(相对快速地)增大,Pacc则相应地降低。
[0094] 这一过程的作用在于使得恢复周期更短,因为与第一实施例相比达到的速度要快得多(图7)。因而,这里恢复周期的长度大约只是超量发电周期的两倍。然而,实现这一优点的代价只是在恢复周期的主要部分内具有较低的IV
[0095] 第三实施例(图8)基本上遵循了联系第一实施例给出的图4的示意图。然而,与第一实施例形成对比的是,现在恢复周期分成了两个阶段。在第一阶段(在图8中从D’点到D点),将全部的机械转子功率均转换为电输出功率(即Pm=Pe)。结果,没有留下任何功率对转子重新加速(Ρ.=0,转子速度ω在上保持恒定)。风力涡轮机的工作点等于图4中的箭头C-D与Pm曲线的交点。在第二阶段内(在图8中从D到Α’),电输出功率稍微降低(但是仍然保持大于等于最低Praiin),从而释放一部分Pm进行转子重新加速。之后,按照与第一实施例中相似的方式执行所述重新加速。
[0096] 第三实施例允许在恢复周期的第一阶段内实现稍高的对电网17的稳定性的促进作用。当然,转子的零重新加速的持续时间延长了恢复周期,因而在图8的例子中,恢复周期大约是超量发电周期的6.5倍。
[0097] 到现在为止已经在当控制器I检测到指示事件并启动辅助控制模式时风力涡轮机I以部分载荷模式运行的假设下描述了实施例一到三。当然,风力涡轮机I也可以在以满载荷模式运行的同时执行电网稳定性支持活动(即,在可用风功率Pw对应于比风力涡轮机的标称电功率闻的功率的情况下Ρ(;(ΐ=Ρη(Μ,参考图9)。在这种情况下,超量发电周期通常与部分载荷运行没有什么区别(除了这种情况,即,由于风力涡轮机I在超量发电周期之前将以其标称运行功率运行,因而超量发电周期的输出功率增大将导致暂时超过其标称功率但仍然处于风力涡轮机的容许范围内的临时功率输出)。保持增大的电输出功率,直到达到最低旋转转子速度《min为止。由于存储在转子2内的动能增大和叶片桨距操作的额外支持的原因,所述超量发电周期可能比部分载荷模式中要长,具体取决于相应的1\_和发电机9的运行约束条件,即,风力涡轮机I的动态运行范围(参考图3)。在根据图9的实施例中,在超量发电周期中对叶片去旗位,从而获得了能够转换成额外电功率或者用来降低转子减速的额外升力。类似地,可以通过类似的方式将过多的风力用于转子重新加速,从而缩短恢复周期。因此,在图9的例子中,超量发电周期更长(与先前涉及部分载荷模式的实施例相比,例如,参考图5),并且恢复周期的长度仅为超量发电周期的两倍。
[0098] 在所描述的所有实施例中,例如,风力涡轮机I都可以配备有具有满量程变换器的同步发电机(图10),或者配备有双馈感应发电机(DFIG)(图11)。在第一种情况下,所生成的电功率Pe100%通过变换器20,变换器20具有整流器21和逆整流器22。在后一种情况下,将定子绕组23直接连接至电网17,并利用变换器20实现转子一电网连接,例如,所述变换器20可以是具有DC链路的级联变换器(参考图11)。因而,所生成的电输出功率Pe中只有大约30%通过变换器20,其主要部分被直接馈送到电网17。
[0099] 恢复周期的持续时间不仅取决于用于对转子重新加速的功率(Pa。。),还取决于盛行风速。图12形象地示出了取决于风速的根据第一实施例的各种控制方式下的(在恢复周期中具有固定量的重新加速功率Pa。。)恢复周期的持续时间。在第一种变型中,将Pa。。选为相对较小(0.02pu),因而恢复周期相对较长。如果将Pacx设为较高的量(在图12中为0.06pu和0.lpu),那么恢复周期的持续时间一般将缩短。较高的风速一般倾向于导致较长的持续时间。具体而言,如果将Pa。。设为相对较小的值(图12中的0.02pu),那么更高的风速下,恢复周期的持续时间将显著延长。然而,在风速高于标称值的情况下(满载荷运行),恢复周期将急剧缩短(如果与图9不同,采用于与部分载荷模式中相同的Pm的量进行转子加速)。
[0100] 根据本发明的一个方面,提供了一种用于电网稳定性支持的风力涡轮机控制方法(图13)。一般,风力涡轮机I根据其标准策略30运行(例如,最高功率跟踪,也可以参考图3中的产量曲线)。在30中监测指示需要额外P6供给的事件。所述监测还可以包括对电网参数的测量(例如频率变化或电压角变化)、电网支持程度的确定和对风力涡轮机I的(详细)指令。在检测到这样的指示事件时(箭头31),风力涡轮机I在32中执行超量发电周期。如上文详细描述的,从转子2提取动能,并在转子速度ω越来越低的同时将所述动能转换成额外的电功率可以改变所述电输出功率或对其进行调制。可以在达到最低转子速度«min之前,例如,当电网似乎再次稳定时,经过了一定时间以后,或者满足风力涡轮机内部运行条件,例如,部件过热或达到一定风力涡轮机载荷时启动恢复周期。然而,最迟在达到最低转子速度时(箭头33)进入恢复周期。在恢复周期中,对转子2再一次重新加速,并至少仍向电网17提供一定量的Pe。也可以在恢复周期中执行取决于先前的电网稳定性支持的其它活动,以恢复正常的风力涡轮机运行,例如,对受热部件冷却,对机械振荡阻尼等。在转子2达到其正常旋转速度(例如,Qci,假设自在32中进入超量发电周期以后风速不变)时,风力涡轮机I返回其正常运行(箭头35)。
[0101] 文中描述并要求保护的风力涡轮机功能和控制方法并不是排他的。可以将文中描述的风力涡轮机布置为执行除了所描述的活动之外的其它电网稳定化活动,例如,在电网功率突然过度供应的情况下(例如,当重要的电力用户从电网断开时)以临时的方式减少发电或者抵消周期性干扰(例如,电网频率振荡)等。

Claims (24)

1.一种用于连接至电网(17)的变速风力涡轮机(I),所述变速风力涡轮机(I)被布置为提供额外的电功率,以抵消电网中的非周期性干扰,所述变速风力涡轮机包括: -转子(2),具有叶片(3)且耦合至发电机(9), -控制器(10),所述控制器(10)监测指示需要增大从所述风力涡轮机(I)向所述电网(17)的电输出功率(Pe)以支持所述电网的稳定性的事件, -所述控制器(10)被布置为如下所述控制所述风力涡轮机(I)按照非周期性的方式执行电网稳定性支持活动: -在检测到指示事件之后,所述风力涡轮机(I)进入使所述电输出功率(Pe)增大到超过正常电运行功率(PJ的超量发电周期,其中,额外电输出功率是从存储在所述转子(2)中的动能获得的,并且至少在所述风力涡轮机(I)以部分载荷模式工作时无需将所述风力涡轮机的运行改变到更为高效的工作点, -最迟当所述转子(2)的旋转速度达到最小值(Comin)时,所述风力涡轮机(I)进入恢复周期,从而在通过至少向所述电网(17)输出预定的最低电功率(Pailin)来进一步促进所述电网的稳定性的同时利用所述转子的剩余机械功率对所述转子(2)重新加速使之达到正常旋转速度(ω。)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1),其中,所述控制器(10)被布置为控制所述风力涡轮机(I),从而使所述恢复周期期间的预定最低电功率(Pailin)等于所述超量发电周期之前提供给所述电网的所述电运行功率(PJ的固定百分比。
3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)被布置为控制所述风力涡轮机(I),从而在所述恢复周期期间,将所述超量发电周期之前提供给所述电网的所述电运行功率(PJ的至少80%输出至所述电网(17)。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)被布置为控制所述风力涡轮机(I),从而在所述恢复周期期间,将所述超量发电周期之前提供给所述电网的所述电运行功率(PJ的至少85%输出至所述电网(17)。
5.根据权利要求3所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)被布置为控制所述风力涡轮机(I),从而在所述恢复周期期间,将所述超量发电周期之前提供给所述电网的所述电运行功率(PJ的至少90%输出至所述电网(17)。
6.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)控制用于对所述转子加速的功率,从而确保预定的最低转子加速度。
7.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I),还包括用于测量所述转子(2)的旋转速度、风速、叶片根部的力矩和转子轴处的转矩的设备(11),并且其中,所述控制器(10)被布置为通过连续测量所述转子(2)的旋转速度、所述风速、所述叶片根部的力矩和所述转子轴处的转矩并由这些参数的至少其中之一计算可用的机械转子功率(Pm)而在所述恢复周期期间控制用于对所述转子加速的功率。
8.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)被布置为在所述电网(17)稳定时,或者在在所述超量发电周期的持续时间达到时间限制时,或者当所述超量发电周期期间提供给所述电网(17)的额外能量的量达到了极限时,在达到最低旋转转子速度之前启动所述恢复周期。
9.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)被布置为在所述恢复周期期间控制所述转子⑵的所述旋转速度和/或所述电输出功率(P上从而在预定时间周期内达到正常的旋转转子速度。
10.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)被布置为在所述恢复周期期间控制所述转子⑵的所述旋转速度和/或所述电输出功率(Pe),从而使所述转子(2)的所述旋转速度和/或所述电输出功率(Pe)在所述恢复周期期间根据预定函数变化。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)被布置为在所述恢复周期期间控制所述转子⑵的所述旋转速度和/或所述电输出功率(Pe),从而使所述转子(2)的所述旋转速度和/或所述电输出功率(Pe)在所述恢复周期期间根据预定梯度增大。
12.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)被布置为控制所述风力涡轮机(I),从而使所述恢复周期比所述超量发电周期长。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机(1),其中,所述控制器(10)被布置为控制所述风力涡轮机(I),从而使所述恢复周期是所述超量发电周期的五倍长。
14.根据权利要求12所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)被布置为控制所述风力涡轮机(I),从而使所述恢复周期是所述超量发电周期的三倍长。
15.根据权利要求12所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)被布置为控制所述风力涡轮机(I),从而使所述恢复周期是所述超量发电周期的两倍长。
16.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I),还包括叶片桨距控制系统(6),其中,所述控制器(10)被布置为在所述超量发电周期和/或恢复周期期间调整叶片桨距角,以补偿由于转子速度变化而导致的风攻角的变化,从而在所述超量发电周期和/或恢复周期期间减少功率转换的效率降低。
17.根据权利要求12所述的风力涡轮机(1),其中,所述控制器(10)控制所述风力涡轮机(I),使得如果可用风功率(Pw)对应于比所述风力涡轮机(I)的标称运行功率(Pm)高的电功率,即,如果所述风力涡轮机(I)在其叶片(3)至少部分处于旗位的情况下以满载荷模式工作,则在所述超量发电周期和/或恢复周期期间降低旗度的量,从而采用额外的可用风功率来降低减速度或增大新加速度和/或增大电输出功率(P』。
18.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I),其中,所述控制器(10)被布置为监测、检测和处理指示事件或者所述风力涡轮机(I)对一个或多个电网参数的测量和评估的结果。
19.根据权利要求18所述的风力涡轮机(I),其中,所述指示事件是外部控制信号。
20.根据权利要求18所述的风力涡轮机(I),其中,所述电网参数是电网频率和/或电压角变化。
21.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I),其中,所述发电机(9)是满量程发电机,其中,所述控制器(10)启动所述恢复周期时的所述旋转速度的最小值(Omin)是所述风力涡轮机(I)用于产生在所述恢复周期中所需的最低电功率(Pemin)以及对所述转子(2)重新加速的最低速度。
22.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机(I),其中,所述发电机(9)是双馈感应发电机,其中,所述控制器(10)启动所述恢复周期时的所述旋转速度的最小值(Omin)是下述情况之一:所述双馈感应发电机用于产生在所述恢复周期期间所需的所述最低电功率(Pemin)以及对所述转子重新加速的最低速度;或者所述发电机(9)的旋转速度范围的结构性下限阈值,取其中较高的值。
23.一种用于控制变速风力涡轮机(I)的运行的控制器(10),所述变速风力涡轮机(I)具有带有叶片(3)的转子(2),并且被布置为连接至电网(17),所述控制器(10)被布置为按照非周期性的方式执行电网稳定性支持活动,具体如下: -监测指示需要增大从所述风力涡轮机(I)向所述电网(17)的电输出功率(Pe)以支持所述电网(17)的稳定性的事件, -在检测到指示事件之后,控制所述风力涡轮机(I),使之进入使所述电输出功率(Pe)增大到超过正常电运行功率(PJ的超量发电周期,其中,额外电功率是从存储在所述转子(2)中的动能获得的,并且至少在所述风力涡轮机(I)以部分载荷模式工作时无需将所述风力涡轮机的运行改变到更为高效的工作点上, -最迟当所述转子(2)的旋转速度达到最小值(Omin)时,控制所述风力涡轮机(I)进入恢复周期,从而在通过至少向所述电网(17)输出预定的最低电功率(Pailin)来进一步促进所述电网(17)的稳定性的同时利用所述转子的剩余机械功率对所述转子(2)重新加速使之达到正常旋转速度(ω。)。
24.一种用于控制变速风力涡轮机(I)以提供额外的电功率来抵消非周期性的电网干扰的方法,所述风力涡轮机(I)具有带有叶片(3)的转子(2),并且被布置为连接至电网(17),所述非周期性方法包括: -监测指示需要增大从所述风力涡轮机(I)向所述电网(17)的电输出功率(Pe)以支持所述电网(17)的稳定性的事件, -在检测到指示事件之后,进入使所述电输出功率(Pe)增大到超过正常电运行功率(Pe0)的超量发电周期,其中,额外电功率是从存储在所述转子(2)中的动能获得的,并且至少在所述风力涡轮机(I)以部分载荷模式工作时无需将所述风力涡轮机的运行改变到更为高效的工作点上, -最迟当所述转子(2)的旋转速度达到最小值(Comin)时,进入恢复周期,从而在通过至少向所述电网(17)输出预定的最低电功率(Praiin)来进一步促进所述电网(17)的稳定性的同时利用所述转子的剩余机械功率对所述转子(2)重新加速使之达到正常旋转速度(ω)。
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