CN102510946B - 频率响应风力涡轮机输出控制 - Google Patents

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Abstract

一种风力田（10）可包括多个可变速度风力涡轮机（12，14，16）。中央控制器（50）可构造成选择性地调整来自每个风力涡轮机的各自的电输出功率。所述控制器可包括监视器（52），其构造成监视从电网频率的偏差和风力功率变化之间的相关性。所述控制器可构造成基于所监视的相关性调整所述电输出功率的响应。所述电输出功率响应可构造成满足电网频率调节，尽管风力功率变化的随机出现。

Description

频率响应风力涡轮机输出控制
技术领域
本发明一般地涉及风力涡轮机，并且更具体地涉及风力涡轮机控制器和/或控制技术，其有助于满足电网频率调节要求，尽管风力功率变化会随机出现。
背景技术
在交流（ac）电系统中，通过维持电力产出和电力消耗之间的平衡来调节频率。当例如产出超过消耗时，过剩的能量被传唤为在线的同步涡轮发电机的轴动能，增加它们的旋转速度并且从而增加系统频率。类似地，当消耗超过产出时，轴动能被从系统涡轮发电机提取出来并被传唤为电能，由此降低轴速度和频率。由于消耗通常是不可控的，因此通过调整产出来控制频率以平衡需求。在世界的不同地区决定这种平衡如何进行的规则是不同的。例如，在北美的大多数地区，根据北美电力可靠性公司（NERC）建立的控制性能标准来对电力设施进行频率调节。当前，用诸如控制性能标准1和2（CPS1和CPS2）之类的产生来测量与这种频率调节标准的相符性。
例如，CPS1是区域控制误差及其与频率误差的关系的统计测量。区域控制误差（ACE）代表了实际功率互换和计划功率互换之间的差异，由频率校正来调节。归结起来，其代表了实际功率加上外部购买与计划产出之间的差异，该计划产出是基于预期需求的。只要产出以支持频率的方式来操作，即当频率高于标称值（在北美，为60.000Hz）时降低产出并且当频率低时降低产出，就能获得可接受的CPS1分数。风力涡轮机通常不以这种方式操作。与响应于频率相反，风力涡轮机响应于风力性质来输出。在任何给定时间，有50%的可能性，风力功率变化将以加重频率变化的方式进行。因此，已经观察到风力的不断增加导致NERC CPS1上的性能降低，例如在ERCOT（得克萨斯电力可靠性委员会）中，其已经观察到随着透风水平增加，CPS1上的性能降低。另一个性能标准是CPS2，其是不可接受的高或低净产出的统计测量。一些区域（例如蒙大拿州）已经观察到由于增加的透风水平导致的降低的CPS2性能，降低的CPS2性能导致了与计划产出相比实际功率产出的高变化。这些结果是所预期的，因为风力功率的变化根本不与电力系统频率的改变相关。可用的风力功率和系统频率是独立的。
因此，与基于化石的发电（其通常响应于系统频率和/或载荷需求）不同，风力功率的随机性很可能导致一般而言将在约一半时间不利的分数。有可能的是，任何与无法符合适当频率调节标准相关联的金钱损失可能是显著的，并且如果可以显示不相符的频率调节是由无法适当地控制风力涡轮机的输出功率造成的话，则这种损失可能转嫁给风力田主。无论如何，很清楚，风力涡轮机当前并没有以在连续基础上支持系统频率的方式起作用。
将会意识到的是，尽管上面已经在基于北美的频率调节标准的背景下描述了这些问题，下面的问题也适用于世界范围内的任何风力涡轮机，因为风力的随机本性并无地理政治界限，并且在世界其它地区采用的频率控制方法与美国和加拿大采用的那些方法是类似的。因此，需要克服上述问题并且提供设备和控制技术，以有助于与风力驱动发电系统的频率调节有关的改善。
附图说明
在以下描述中参照附图来解释本发明，附图示出了：
图1是发电系统（例如风力田）的示例性实施例的示意图，该发电系统可从本发明的方面受益；
图2分别示出了来自风力涡轮机的可用电输出功率和实际电输出功率的一段时间上的曲线图，根据本发明的方面，根据一个示例性控制策略来动态地控制该风力涡轮机，以有利于满足适当的频率调节要求；
图3是在图2所示的相同一段时间上的频率偏差的示例的曲线图；
图4分别示出了根据另一示例性控制策略来控制的可用电输出功率（Pavail）和实际电输出功率（Pact）的一段时间上的曲线图；
图5是在图4所示的相同一段时间上的频率偏差的示例的曲线图。
具体实施方式
根据本发明的一个或多个实施例，本文描述了结构性的布置和/或技术，其有助于与风力驱动发电系统的频率调节有关的改善。在下面的详细描述中，说明了各种特定的细节以便提供这些实施例的全面理解。然而，本领域技术人员将会理解的是，本发明的实施例可以在没有这些特定细节的情况下实施，本发明不限于所描述的实施例，并且本发明可以在多种替代实施例中实施。在其它例子中，并没有详细地描述可被本领域技术人员完全理解的方法、程序和部件，以避免不必要的和繁琐的解释说明。
此外，各种操作可被描述为多个分立的步骤，其以有助于理解本发明实施例的方式执行。然而，描述的顺序不应当被理解为暗示这些操作需要以它们所被给出的顺序来执行，这些操作甚至不是顺序相关的。而且，短语“在一个实施例中”的反复使用不一定表示同一个实施例，但也有可能是同一个实施例。最后，如本申请所使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”等并不意图是同义的，除非另有所指。
图1是发电系统（例如风力田10）的示例性实施例的示意图，该发电系统可从本发明的方面受益。在该示例性实施例中，风力田10包括三个风力涡轮机系统12、14、16（此后称为风力涡轮机），其在示例性的互连布置中被耦接到各自的发电机和相关联的功率转换电子器件。将会意识到的是，风力涡轮机的数量无论如何不限于三个风力涡轮机。另外，本发明的方面不限于图1所示的风力涡轮机实施方式的特定示例，其它类型的实施方式对于风力涡轮机也是可能的。例如，除了图1所示的齿轮传动全转换器实施方式之外，DFIG（双供给感应发电机）和DD（直接驱动）风力涡轮机实施方式也可类似地从本发明的方面受益。而且，本发明的方面不限于位于任何特定区域的风力涡轮机，而是可以在世界范围的基础上适用。
每个风力涡轮机12、14、16包括各自的具有转子轴26、28、30的转子20、22、24，转子轴26、28、30将转动转子20、22、24的扭矩传递到各自的齿轮箱（GB）31、33、35。齿轮箱（GB）31、33、35布置成以某个齿轮比从转子20、22、24传递旋转到输出轴37、38、39。
每个输出轴37、38、39被机械地耦接到AC（交流）发电机（G）40、41、42的相应转子，AC（交流）发电机（G）40、41、42将输出轴37、38、39的旋转所提供的机械功率分别转变为电功率。作为示例，AC发电机可以是同步发电机。在同步发电机中，转子以与发电机定子产生的旋转磁场相同的旋转频率来旋转，或者以与旋转磁场的频率的积分关系来旋转，这取决于转子中存在的磁极数量。发电机40、41、42是可变速度发电机，即各自转子的旋转速度被允许例如取决于根据风力条件而变化。
每个风力涡轮机可经由各自的功率转换器电子器件45、46、47被电连接到节点43以供应输出功率，功率转换器电子器件45、46、47分别将发电机40、41、42输送的电功率信号的可变频率转换为构造成满足固定电网频率（例如北美的60Hz，欧洲的50Hz）的电功率输出。同步发电机40、41、42输送的功率信号的各自频率根据风力涡轮机20、22、24的各自旋转频率（例如每分钟转数，RPM）来变化。然而，通过首先将发电机40、41、42输送的AC功率（借助于各自的整流电路48）整流为DC功率，然后将DC功率（借助于各自的转换电路49）转换回AC功率，可将各自的发电机可变频率转换为电网频率。
风力田10还包括中央控制器50，其通信地耦接到每个风力涡轮机12、14、16并且构造成根据本发明的方面来控制来自风力涡轮机的各自的输出功率。将会意识到的是，中央控制器50的位置可以在风力田内或者远离风力田。另外，中央控制器50和风力涡轮机12、14、16之间的耦接连接可由任何合适的通信链路实现，例如有线或无线通信链路。将会意识到的是，风力涡轮机12、14、16可分散在相对大的风力田区域上，并且因此，每个风力涡轮机在给定时间段上经历的风力条件对于每个涡轮机不必是相同的。因此，基于适用于给定风力涡轮机的各自条件来单独地控制每个风力涡轮机。
本发明的发明人提出了创造性的控制技术，其构造成控制可变速度风力涡轮机，使得能够适当地调整（例如延迟或逐渐影响）可能导致不相符的频率调节要求的（由于风力功率变化引起的）输出功率变化，以降低或避免这种输出功率变化对于频率调节的潜在负面影响。例如，在过频率（+Δf）的时间段期间，增大的输出功率变化（例如由于增大的风力功率）可被延迟或缓慢地上升。类似地，在欠频率（－Δf）的时间段期间，减小的输出功率变化（例如由于减小的风力功率）可被延迟或缓慢地下降。
相反，相对于被延迟或逐渐实现，可以立刻（或者根据适当的本地规则）实现有助于符合频率调节要求的输出功率的变化。例如，在欠频率（－Δf）的时间段期间，增大的输出功率（例如由于增大的风力功率）可被快速地上升。类似地，在过频率（+Δf）的时间段期间，减小的输出功率（例如由于减小的风力功率）可被快速地下降。
如下面更详细描述的，控制器50可构造成调整来自风力涡轮机12、14、16的各自的电输出功率。在一个示例性实施例中，控制器50包括监视器52，其构造成监视从电网频率的偏差和风力功率变化之间的相关性。作为示例，在全转换器涡轮机中，可通过监视轴速度来检测风力功率变化。增大的轴速度对应于增大的能量生产，并且减小的轴速度对应于减小的能量生产。控制器构造成基于所监视的相关性来调整电输出功率的响应。经调整的输出功率响应构造成满足电网频率调节，尽管风力功率变化会随机出现。
图2分别示出了示例性风力田的可用电输出功率（Pavail）和实际电输出功率（Pact）的一段时间上的曲线图，根据本发明的方面，动态地控制该示例性风力田，以有利于满足任何适当的频率调节要求。为了进行说明，风力田可以是120 MW风力田，其具有每分钟10%额定功率的增减速率。在该示例中，可用电输出功率代表基于普遍操作条件（例如风力条件）的可用电输出功率，并且实际电输出功率代表用体现本发明方面的控制器控制的实际电输出功率。
图3是在图2所示的相同一段时间上的频率变化的曲线图。该示例假设在频率值处于预定死带值（Dead+或Dead-）之外时执行体现本发明方面的控制动作。
在第一示例情形中，例如从t=1到t=14秒，频率值处于死带值Dead+和Dead-之内，因此，不提供控制动作并且Pact=Pavail。
在第二示例情形中，例如从t=15秒到t=29秒，频率值高于死带值Dead+（过产出条件），因此，在增大的可用输出功率的时间段期间（例如从t=15秒到t=22秒），实际功率被控制成以相对慢的速率（例如每分钟10%或0.2MW/秒）增大。这允许降低或避免这种增大的可用输出功率在过产出条件期间对频率调节的潜在负面影响。相反，在减小的可用输出功率的时间段期间（例如从t=23秒到t=29秒），实际功率不受限制地降低。也就是说，基本上立刻（或根据适当的本地规则）实现了有助于符合频率调节要求的可用输出功率的变化。
在第三示例情形中，例如从t=30秒到t=45秒，频率值再一次处于死带值之内，因此Pact=Pavail。
在第四示例情形中，例如从t=46秒到t=60秒，频率值降至低于死带值Dead-（欠产出条件），因此，在减小的可用输出功率的时间段期间（例如从t=46秒到t=54秒），实际功率被控制成以相对慢的速率（例如0.2MW/秒）减小。这允许降低或避免这种减小的可用输出功率在欠产出条件期间对频率调节的潜在负面影响。相反，在增大的可用输出功率的时间段期间（例如从t=54秒到t=60秒），实际功率被控制成不受限制地增大。也就是说，基本上立刻（或根据适当的本地规则）实现了有助于符合频率调节要求的可用输出功率的变化。如本领域技术人员将会意识到的，风力涡轮机能够提供基本上即时的输出功率响应，因此在实际的实施方式中，可能期望该响应具有在快速转变期间有助于符合频率调节要求的某个速率限制，例如以相对于风力涡轮机的额定输出功率每秒1%或更大的平均速率来转变输出功率。
前述输出功率控制策略基于频率偏差和风力功率变化之间的两种类型的相关性，其可影响频率调节。例如，Δf和风力功率之间的正相关性（Δf和风力功率二者沿相同方向移动，即Δf是正的且风力功率变化也是正的，或者Δf是负的且风力功率变化也是负的）意味着可用风力功率将会恶化与频率调节要求的相符性，因此，当建立了这种类型的正相关性时，相对低的增减速率（或延迟）是期望的。相反，Δf和风力功率之间的负相关性（Δf和风力功率二者沿相反方向移动，即Δf是正的且风力功率变化是负的，或者Δf是负的且风力功率变化是正的）意味着可用风力功率将会促进与频率调节要求的相符性，因此，当建立了这种类型的负相关性时，相对快的增减速率是期望的。
因此，当可用风力功率将会恶化与频率调节要求的相符性时，风力涡轮机的电功率输出可以以第一变化率转变（即相对缓慢地上升（或下降））。在一个示例性实施例中，第一变化率可以是相对于风力涡轮机的额定输出功率每分钟50%或更小的速率。相反，当可用风力功率将会促进与频率调节要求的相符性时，风力涡轮机的功率输出以高于第一变化率的第二变化率转变。在一个示例性实施例中，第二变化率可以是相对于风力涡轮机的额定输出功率每秒1%或更大的平均速率。
在替代的控制策略中，升高的（或减小的）输出功率可被延迟一时间延迟，该时间延迟通常可在从3秒到数分钟或更多的范围内，代替输出功率的相对低的上升（或下降）。图4分别示出了根据该替代控制策略的示例风力田的可用电输出功率（Pavail）和实际电输出功率（Pact）的一段时间上的曲线图。图5是在图4所示的相同一段时间上的频率变化的曲线图。请注意，图5所示的频率变化酷似图3所示的频率变化，并且图5被并列置于图4下面以在视觉上有助于相对于所示样本频率变化来观察图4所示的控制动作。
在图5所示的示例中，升高的（或减小的）输出功率被延迟了五秒的示例性时间延迟。例如，在过产出条件期间，不是允许Pact立刻响应于增大的Pavail，而是使Pact延迟5秒（例如，从t=17秒到t=20秒）以降低这种增大的可用输出功率在过产出条件期间对频率调节的负面影响。类似地，在欠产出条件期间，不是允许Pact立刻响应于减小的Pavail，而是使Pact延迟5秒（例如，从t=48秒到t=53秒）以降低这种减小的可用输出功率在欠产出条件期间对频率调节的负面影响。应当意识到，前述示例性控制策略可进行组合。也就是说，不是使控制策略基于纯时间延迟或基于缓慢增减，而是可以采用混合方式，其中，使用时间延迟和缓慢增减来降低或避免对频率调节的负面影响。在一个示例性实施例中，控制策略可包括至少第一部分，其中输出功率以第一变化率转变，并且还包括至少第二部分，其中输出功率被延迟预定的时间延迟。
本发明的多个方面认识到如在图1的背景下描述的可变速度风力涡轮机能够通过调整轴速度来存储或释放能量，以使风力功率的变化平滑，这被称为飞轮效应。例如，如果风力涡轮机低于额定功率操作并且风速增大，则轴可在不增大输出功率的情况下吸收额外能量，如果系统频率高的话。或者替代地，涡轮机可缓慢地增大功率输出到较高的水平。将会意识到的是，在某个操作条件期间，例如当以慢于Pavail的速率使Pact下降时，风力涡轮机轴可被驱动到最小速度。因此，在这种操作条件期间，可期望调整下降速率到相对较快的速率并至少持续某个时间段。
如还将会意识到的，上述技术可采取计算机或处理器实施的过程以及用于实施这些过程的设备的形式。本技术的方面还可体现为包含指令的计算机程序代码的形式，该指令体现为有形介质，例如CD-ROM、硬盘驱动器或任何其它计算机可读存储介质，其中，当计算机或处理载入并执行计算机程序代码时，该计算机变成了用于实施本发明的设备。所描述的技术还可体现为计算机程序代码或信号的形式，例如存储在存储介质中，由计算机或处理器载入和/或执行，或者在一些传输介质上传输，例如在电线或缆线上传输，通过纤维光学传输或者经由电磁辐射传输，其中，当计算机载入并执行计算机程序代码时，该计算机变成了用于实施本发明的设备。当在通用微处理器上实施时，计算机程序代码部分构造该微处理器以产生特定逻辑电路。
虽然本文已经示出和描述了本发明的各种实施例，但明显的是，这种实施例仅以示例的方式给出。在不偏离本文中的本发明的情况下，可作出许多变化、改变和替代。因此，所意图的是，本发明仅受所附权利要求的精神和范围限制。

Claims (23)

1.一种风力田，包括：
多个可变速度风力涡轮机；和
中央控制器，所述中央控制器构造成选择性地调整来自每个风力涡轮机的各自的电输出功率，其中，所述控制器包括监视器，所述监视器构造成监视从电网频率的偏差和风力功率变化之间的相关性，所述控制器构造成基于所监视的相关性调整每个风力涡轮机的所述电输出功率的响应，所述电输出功率的响应构造成满足电网频率调节，尽管风力功率变化的随机出现，
其中，所述控制器还构造成使得当所监视的相关性指示从电网频率的偏差和风力功率变化之间的正相关性时，则根据第一控制策略调整所述输出功率响应。
2.如权利要求1所述的风力田，其中，所述控制器还构造成使得当所监视的相关性指示从电网频率的偏差和风力功率变化之间的负相关性时，则根据第二控制策略调整所述输出功率响应。
3.如权利要求1所述的风力田，其中，所述第一控制策略包括所述输出功率以第一变化率的转变，并且其中，所述第二控制策略包括所述输出功率以第二变化率的转变，其中，所述第二变化率高于所述第一变化率。
4.如权利要求3所述的风力田，其中，所述第一变化率包括使所述电功率输出以相对于所述风力涡轮机的额定输出功率每分钟50%或更小的速率上升或下降。
5.如权利要求1所述的风力田，其中，所述第一控制策略包括所述输出功率的延迟的转变。
6.如权利要求3所述的风力田，其中，所述第二变化率包括使所述输出功率以相对于所述风力涡轮机的额定输出功率每秒1%或更大的平均速率转变。
7.如权利要求1所述的风力田，包括选自由双供给感应发电机实施方式、直接驱动实施方式和齿轮传动全转换器实施方式组成的组的风力涡轮机实施方式。
8.如权利要求1所述的风力田，其中，所述第一控制策略包括至少一转变部分，其中，所述输出功率以第一变化率转变，并且所述第一控制策略还包括至少一延迟部分，其中，所述输出功率被延迟预定的时间延迟。
9.一种可变速度风力涡轮机，包括：
控制器，所述控制器构造成调整来自所述风力涡轮机的电输出功率，其中，所述控制器包括监视器，所述监视器构造成监视从电网频率的偏差和风力功率变化之间的相关性，所述控制器构造成基于所监视的相关性调整所述电输出功率的响应，所述电输出功率的响应构造成满足电网频率调节，尽管风力功率变化的随机出现，
其中，所述控制器还构造成使得当所监视的相关性指示从电网频率的偏差和风力功率变化之间的正相关性时，则根据第一控制策略调整所述输出功率响应。
10.如权利要求9所述的风力涡轮机，其中，所述控制器还构造成使得当所监视的相关性指示从电网频率的偏差和风力功率变化之间的负相关性时，则根据第二控制策略调整所述输出功率响应。
11.如权利要求9所述的风力涡轮机，其中，所述第一控制策略包括所述输出功率以第一变化率的转变，并且其中，所述第二控制策略包括所述输出功率以第二变化率的转变，其中，所述第二变化率高于所述第一变化率。
12.如权利要求11所述的风力涡轮机，其中，所述第一变化率包括使所述电功率输出以相对于所述风力涡轮机的额定输出功率每分钟50%或更小的速率上升或下降。
13.如权利要求9所述的风力涡轮机，其中，所述第一控制策略包括所述输出功率的延迟的转变。
14.如权利要求11所述的风力涡轮机，其中，所述第二变化率包括使所述输出功率以相对于所述风力涡轮机的额定输出功率每秒1%或更大的平均速率转变。
15.如权利要求9所述的风力涡轮机，包括选自由双供给感应发电机实施方式、直接驱动实施方式和齿轮传动全转换器实施方式组成的组的风力涡轮机实施方式。
16.如权利要求9所述的风力涡轮机，其中，所述第一控制策略包括至少一转变部分，其中，所述输出功率以第一变化率转变，并且所述第一控制策略还包括至少一延迟部分，其中，所述输出功率被延迟预定的时间延迟。
17.一种用于控制可变速度风力涡轮机的方法，包括：
调整来自所述风力涡轮机的电输出功率；
监视从电网频率的偏差和风力功率变化之间的相关性；
基于所监视的相关性调整所述电输出功率的响应，其中，所述电输出功率的响应构造成满足电网频率调节，尽管风力功率变化的随机出现，
其中，当所监视的相关性指示从电网频率的偏差和风力功率变化之间的正相关性时，根据第一控制策略调整所述输出功率响应。
18.如权利要求17所述的方法，其中，当所监视的相关性指示从电网频率的偏差和风力功率变化之间的负相关性时，根据第二控制策略调整所述输出功率响应。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述第一控制策略包括使所述输出功率以第一变化率转变，并且其中，所述第二控制策略包括使所述输出功率以第二变化率转变，其中，所述第二变化率相对于所述第一变化率更高。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一变化率包括使所述输出功率以相对于所述风力涡轮机的额定输出功率每分钟50%或更小的速率上升或下降。
21.如权利要求17所述的方法，其中，所述第一控制策略包括延迟所述输出功率的转变。
22.如权利要求19所述的方法，其中，所述第二变化率包括使所述输出功率以相对于所述风力涡轮机的额定输出功率每秒1%或更大的平均速率转变。
23.如权利要求17所述的方法，其中，所述第一控制策略包括在转变部分期间使所述输出功率以第一变化率转变，并且所述第一控制策略还包括在延迟部分期间使所述输出功率延迟预定的时间延迟。
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