CN103140671A - 风电场和用于运行风电场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电场以及一种用于运行风电场的方法。如果在风电场（1）和风能机组（10）中用于无功功率的额定值通过场调节装置（50）被预先给定，那么根据本发明设置如下，即，无功功率的额定值在供电网络（40）中的网络故障的情况中在控制各自的风能机组（10）时不被控制单元（17）考虑。只有在网络故障去除之后，该额定值在控制各自的风能机组（10）时又被控制单元（17）考虑。

Description

风电场和用于运行风电场的方法

技术领域

本发明涉及一种风电场以及一种用于运行风电场的方法。

背景技术

风电场一般包括多个风能机组，其中，在风能机组中所产生的功率首先被馈入到风电场内部网络中。在传输点处，功率被从风电场内部网络馈入到外部的供电网络中。一般来说，风电场内部网络是中压网络，而外部的供电网络是高压网络。在传输点处于是设置有如下变压器，利用该变压器在中压网络的电压与高压网络的电压之间变换。

由于风电场中的较高的安装电功率，这样的风电场到供电网络上的联接不是没有问题的。尤其地须注意供电网络中的较高的网络质量的保持。此外这应通过如下方法来确保，即，被联接到供电网络上的风电场须维持关于所馈入的功率的质量的严格的指标。因此，在被馈入到供电网络中的功率中例如须维持无功功率与有功功率的一定的比例（所谓的功率因数）。即使当在供电网络中出现干扰时，对所馈入的功率的质量的要也求须被遵守。这种干扰的例子是可能由短路或由发电功率的突然消失形成的电压骤降。

在风电场中一般设置有如下场调节装置（也被称作“场主控器”），其充当用于风电场的各个风能机组的上一级的控制装置且可将控制信号发送到各个风能机组的控制设备处。在此，场调节装置的任务在于，监控和确保遵守用于将电气功率馈入到供电网络中的要求。因此场调节装置构造用于，如下这样作用于各个风能机组的控制装置，即，在传输点处实际满足用于将电气功率馈入到供电网络中的要求。在此尤其地，场调节装置的任务在于，监控且调节给出到供电网络中的无功功率，对此其确定各个风能机组的无功功率额定值且可传输到其控制单元处。场调节装置可在调节无功功率时遵循在传输点处测得的在供电网络中的复功率或电压。

如果在供电网络中出现干扰，那么风电场的场调节装置根据现有技术计算风电场的各个风能机组的新的无功功率额定值。该无功功率额定值于是被传输到各个风能机组处且在其控制时被考虑。无功功率额定值的计算和传输需要一些时间，从而使得至少在供电网络中的干扰的情况中不可持续满足对由风电场所馈入的功率的质量的要求。

发明内容

本发明的任务是，由先前所提及的现有技术出发提供一种风电场以及一种用于运行风电场的方法，在其中风电场在网络故障期间的特性被改善。

本发明通过一种根据主权利要求的方法以及一种根据并列的权利要求的风电场来解决。有利的改进方案由从属权利要求得出。

相应地，本发明涉及一种用于运行风电场的方法，该风电场带有多个被联接到风电场内部网络上的各带有自己的用于考虑用于无功功率的额定值的控制单元的风能机组、在其处在风电场中所产生的功率被由风电场内部网络传输到供电网络中的传输点和与风能机组的控制单元连接的用于调节用于无功功率的额定值的场调节装置，其中，在出现网络故障的情形中场调节装置的用于无功功率的额定值在控制风能机组时不被控制单元考虑，而在网络故障去除之后场调节装置的用于无功功率的额定值在控制风能机组时被控制单元考虑。

此外，本发明涉及一种风电场，其包括多个被联接到风电场内部网络中的各带有自己的用于考虑用于无功功率的额定值的控制单元的风能机组、在其处由风电场所产生的电能被由风电场内部网络传输到供电网络处的传输点和与风能机组的控制单元连接的用于调节用于无功功率的额定值的场调节装置，其中，控制单元构造用于，使在出现网络故障的情形中场调节装置的用于无功功率的额定值在控制风能机组时不被考虑，而在网络故障去除之后场调节装置的用于无功功率的额定值在控制风能机组时被考虑。

如果由于网络故障在供电网络中产生电压降，那么这在风电场内部网络中同样引起电压降。各个风力设备的控制设备根据本发明构造用于，可（例如经由传感器或电压表）识别出这样的电压降且如下这样对此做出反应，即，防止在风力设备或者其部件处的损伤。在这样的情况中，用于无功功率的额定值不继续被控制设备考虑。一旦网络故障被排除且因此在供电网络中或者在风电场内部网络中的电压又达到正常的水平，各个风能机组的控制单元再次将由场控制装置所传输的用于无功功率的额定值作为调节风能机组的基础。

如下是可能的，即，场调节装置在网络故障期间可不变地继续运转，即使当用于无功功率的额定值在网络故障期间不被各个风能机组的控制单元考虑时。然而因为场调节装置作为输入值考虑在供电网络中测到的复功率或电压，其在网络故障的情形中较强地变化，所以产生由场调节装置预先给定的用于无功功率的额定值的变化。一旦网络故障被排除且因此正常的电压在供电网络中再次存在，由于网络故障而改变的用于无功功率的额定值就必须匹配于在网络故障之后的实际情况。

为了可在网络故障的排除之后马上满足对将功率馈入到供电网络中的要求，备选地可以在网络干扰的情形中将用于无功功率的额定值设置为0。同时，通过风能机组的控制单元同样将有功功率的额定值设置为0。在网络故障的排除之后，场调节装置于是可由该0值出发再次改变用于无功功率的额定值直至其达到如下值，其一方面适合于对将功率馈入到供电网络中的要求且同时确保可由风能机组总地产生的功率的馈入。

当在排除网络故障之后首先整个由风电场在进入网络故障之前所馈入的功率缺失且仅缓慢地被再次升高到在网络故障之前的水平上时，用于无功功率的额定值在网络故障去除之后的前面所描述的匹配可能需要一些时间，在其中不能持续地满足对将功率馈入到供电网络中的要求，或产生在风电场内部网络中（且由此同样地在供电网络中）的不期望的电压跳变。因此如下是优选的，即，当在出现供电网络中的网络故障时在场调节装置中的用于无功功率的额定值被冻结且在供电网络中的网络故障去除之后基于无功功率的冻结的额定值继续进行调节。对于用于无功功率的额定值的冻结而言，必要时可要求独立的保护。

“冻结的值”意味着，相应的值被保持恒定。在此，调节装置的输出不改变，不依赖于调节装置或其中的一部分是否试图改变该值。当在调节装置的输出处该调节装置的瞬时值被提供，此外调节装置被禁止时，于是调节装置的输出例如保持不变。备选地调节装置可以被短接或被停止。在PI调节器或PID调节器中，在冻结的情形中I部分和/或P部分同样可被保持恒定。“基于冻结的值的调节继续进行”意味着，在值的冻结的结束之后调节装置由先前冻结的值出发来调节。

尤其地，在短暂的网络故障的情形中，在风电场中在进入网络故障之前的用于无功功率的额定值实际上与在短暂的网络故障去除之后的无功功率的理想的额定值相同。至少，在网络故障之前的额定值如下这样接近于在网络故障之后的理想的额定值，即，使得在可能存在偏差的情形中仍然满足将功率馈入到供电网络中的要求。此外，前面所提及的偏差一般如下这样较小，即，使得其可在很短的时间内通过场调节装置的调节来消除。

对于各个风能机组或者其部件的保护所必需的在网络故障期间的调节过程通过在各个风能机组上的控制单元来执行。然而通过所描述的解决方案确保各个风能机组的控制单元在网络故障去除之后将有功功率和无功功率的这样的额定值作为其控制的基础，并且所有在风电场中所产生的能量在传输点处满足馈入到供电网络中的要求。

用于无功功率的额定值可优选地以无功功率额定值或电压额定值的形式存在。如果其作为无功功率额定值存在，那么其可直接被风能机组的控制设备考虑。如果用于无功功率的额定值作为电压额定值存在，那么风能机组的控制设备可由在电压额定值与在风电场内部网络中在各个风能机组处存在的电压之间的差来确定所期望的无功功率。在风能机组中的相应的局部电压调节可通过P调节器来实现。

用于无功功率的额定值可优选地由在供电网络中的电压和/或复功率来确定。在此，在供电网络中的电压或者复功率可在传输点处被测量且被输送给场调节装置。场调节装置由此于是生成用于无功功率的额定值。然而，例如同样可由网络提供商将额定值传输给场调节装置，场调节装置于是将该额定值转化为用于无功功率的额定值并且传输给各个风能机组的控制单元。

优选地，在供电网络中的电压的下降被认为是网络故障。为了确定这种电压降可参考在传输点处测到的电压。然而如下同样是可行的，即，场调节装置接收来自供电网络提供商的告知网络故障的控制信号。

如下是进一步优选的，即，在场调节装置在网络故障去除之后基于冻结的值继续进行调节之前有复位延迟。换而言之，场调节装置在其在网络故障去除之后再次开始用于无功功率的额定值的调节之前应等待一定的时间。在复位延迟期间，无功功率的冻结的额定值继续被传输给控制单元。由此可确保在电压恢复之后的动态过程不具有对场调节的负面影响。复位延迟优选地处在0至200ms之间，进一步优选地在50ms的情形中。

此外规定，用于无功功率的额定值的冻结在确定有网络故障时马上进行，在确定有网络故障的情形中的延迟于是为0ms。由于用于无功功率的额定值的冻结，当场调节装置已将较小的电压尖峰认为是网络故障且立即做出反应（也就是说冻结该额定值）时，这（不同于现有技术）是无损的。具体而言，场调节装置在实际的网络故障的情形中立即做出反应是有利的。

以无功功率额定值或电压额定值形式的用于无功功率的额定值的确定可以通过场调节装置借助于闭合调节回路来进行，该调节回路包括积分环节（I环节）。相应的I环节通过调节偏差的在时间上的积分作用于带有通过调整时间加权的调节量。为了在网络故障去除之后不出现由I环节引起的不期望的效应，调节偏差在网络故障去除时优选地被设置为零。前面所提及的调节偏差的置零优选地在网络故障持续的预先给定的时间段之后且/或在与供电网络的正常电压的预先给定的电压偏差的情形中才进行。备选地，前面所提及的调节偏差在网络故障期间同样可被保持恒定或者被冻结。

根据本发明的风电场通过执行根据本发明的方法来构造。因此其参照上述的说明。

附图说明

此时，借助有利的实施方式在参照附图的情形下示例性地对发明进行说明。其中：

图1示出根据本发明的风电场；

图2示出图1中的场调节装置在网络故障的情形中的状态的流程图；且

图3示出用于冻结用于无功功率的额定值的调节器的电路图。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的风电场1，其构造用于执行根据本发明的方法。

在此，风电场1包括多个风能机组10，其中示例地示出了一个详细说明的风能机组。风能机组10包括转子11，其可转动地布置在塔13的尖部处的悬舱12上。转子11驱动发电机14，其优选地可以是双馈异步发电机。与该发电机连接的是变流器15。此外设置有变压器16，其变换由变流器15发出的电压。风能机组10的运行由控制设备17来控制。控制设备17经由控制线路18作用到风能机组10的各个部件上。除了示出的部件之外，风能机组10显然还可包括另外的部件（例如用于转子叶片的叶片调距系统或伺服马达），利用该部件悬舱12可以相对塔13被摆动。

风能机组10如下这样与风电场内部网络20连接，即，使得由风能机组10所产生的功率被馈入到风电场内部网络20中。同样联接到风电场内部网络20上的是传输点30。在该传输点30处，由风能机组10所产生的电功率被从风电场内部网络20传输到外部的供电网络40中。风电场内部网络20是中压网络，而供电网络40是高压网络。为了可将功率由风电场内部网络馈入到供电网络中，传输点30包括变压器（未示出）。

同样地设置有场调节装置50，其经由控制线路51与传输点30和各个风能机组10的控制单元17连接。

为了可将由风能机组10所产生的电功率馈入到供电网络40中，其须满足一定的要求。这些要求中的其中一个尤其地鉴于功率因数（也就是说在有功功率与无功功率之间的比例）产生。其它要求可以无功功率指标（Q额定值和/或tanφ额定值）形式给定或通过电压静态性（Spannungsstatik）给定。有功功率实际仅依赖于使风能机组10的转子11运动的风，而所产生的无功功率可被主动地调节，从而使得期望的功率因数被维持。在风电场中，不是每个风能机组10都必须满足这些前提条件，而是具体而言如下足够，即，在传输点30处如下这样存在来自风电场内部网络20的功率，即，该功率（必要时在变换之后）与供电网络40的要求相符。

场调节装置50构造用于确定用于无功功率的额定值，从而在传输点30处存在期望的无功功率。用于无功功率的额定值可借助在传输点30处获得的关于供电网络40的信息被确定。在这种情况下，尤其可以是在风电场内部网络或供电网络40中的电压或复功率。在传输点30处所获得的值经由控制线路51被传输到场调节装置50处，且在该处作为确定无功功率的额定值的基础。

用于无功功率的额定值由场调节装置50于是经由控制线路51被传输到各个风能机组10的控制设备17处。在此，控制设备17如下这样构造，即，在控制风能机组10时考虑用于无功功率的额定值。通过使风能机组10根据所接收的用于无功功率的额定值除了有功功率之外同样将无功功率馈入到风电场内部网络20中的方式确保在传输点30处存在期望的无功功率。

如果在供电网络40中出现网络故障，一般在供电网络40中的电压下降也与其相关联。经由传输点30，该电压下降同样传递到风电场内部网络20中。风能机组10的控制设备17构造用于，在相应的电压下降的情况中如下这样来控制风能机组10，即，不产生风能机组10或其部件11-16的损伤且额外地遵守用于在网络故障期间运行的特别的要求。在网络故障和与其相关联的在风电场内部网络20中的电压下降期间，来自场调节装置50的用于无功功率的额定值不被风能机组10的控制单元17考虑，以便于可尽可能快速地调整用于在网络故障期间运行的特别的要求且尤其地避免由场调节装置50引起的通讯延迟。在网络故障的排除且由此到“正常的”电压水平上的电压上升之后，用于无功功率的额定值才被再次考虑。

设置如下，即，场调节装置50在相应的网络故障期间冻结用于无功功率的额定值（也就是说保持恒定），且在网络故障去除之后调节基于无功功率的冻结的额定值被继续进行。如已示出的那样，场调节装置50借助在供电网络40中在传输点30处的电压或复功率调节用于无功功率的额定值。

用于无功功率的额定值的冻结以如下知识为基础，即，在网络故障之前的用于无功功率的额定值等于或至少非常接近于在网络故障之后的无功功率的理想的额定值。通过在出现网络故障时额定值的冻结确保无功功率的如下额定值在网络故障去除之后被传输给控制单元，该额定值等于或至少非常接近于在网络故障之后的无功功率的理想的额定值，从而使得在传输点30处满足供电网络40的用于将功率馈入到供电网络40中的要求。用于无功功率的额定值的调节于是可基于先前冻结的额定值被继续进行。通过该方法确保不像在现有技术中那样用于无功功率的额定值如下这样被网络故障影响，即，使得用于无功功率的额定值在网络故障去除之后与理想的额定值如下这样大地偏差，即，使得用于在传输点30处将功率馈入到供电网络40中的要求不再被满足或在调节过程之后才到达。

场调节装置50在网络故障的情形中的状态在图2中详细地示出。

在第一步骤100中，场调节装置50以闭合调节回路调节用于无功功率的额定值。在步骤101中检查是否在供电网络40中存在网络故障。如果不是这样的情况，则返回至步骤100的且用于无功功率的额定值的调节被继续进行。然而如果在步骤101中网络故障被确定，则在步骤102中用于无功功率的额定值被冻结。如在步骤101中那样，用于无功功率的额定值的调节于是不进行。在步骤103中确定网络故障是否继续存在。只有当网络故障去除时才继续进行步骤104。在用于无功功率的额定值的调节通过步骤101被再次开始之前，通过步骤104实现50ms的复位延迟。在步骤104中的复位延迟提供了如下优点，即，不期望的电压波动可被阻止，因为在故障清除之后没有动态过程作用到调节器上。

场调节装置50如下这样设计，即，其在确定有网络故障的情形中立即冻结用于无功功率的额定值。一旦由场调节装置50登记了网络故障的去除，就设置有50ms的复位延迟，也就是说基于无功功率的冻结的额定值的调节在网络故障实际去除之后50ms才开始。由此可防止不期望的电压波动。为了避免其他调节误差此外设置如下，即，如果用于调节用于无功功率的额定值的场调节装置50包括积分环节（I环节），调节偏差在网络故障去除时被设置为零或被保持恒定。由此，通过该I环节引起的不期望的效应可在用于无功功率的额定值的调节的再次开始时被避免。

由场调节装置50被传输到风能机组10的控制单元17处的用于无功功率的额定值可构造为无功功率额定值或构造为电压额定值。在后者的情况中，控制单元17可由在额定电压与在风电场内部网络中的电压之间的差来确定无功功率各自的额定值。

在图3中概略地示出了用于冻结用于无功功率的额定值的调节器的电路图。通过仅示意性示出的闭合调节回路199确定的用于无功功率的额定值经由线路201输送给调节环节200。在此，调节环节200可如下这样来调整，即，经由线路201接收的额定值被发出到线路202处。在线路202中存在的用于无功功率的额定值于是可被传输到风能机组的控制单元17处。在该处所发出的值经由线路203同样流回到用于确定用于无功功率的额定值的闭合调节回路199中。如果在供电网络40中出现网络故障，其通过未详细示出的在场调节装置50中的调节器被确定，该调节器于是经由线路204将脉冲发送到开关单元200处。该脉冲引起开关元件200切换，从而使得经由线路201接收的信号不进一步被引导至线路202。具体而言，回线205与集成在其中的延迟元件206闭合。经由回线205和延迟元件206，在调节元件200中在输出线路202处存在的用于无功功率的额定值又被输送给调节元件200。如果调节元件200在相应的位置中，那么经由回线204引导的用于无功功率的额定值被重新馈入到输出线路202中。此外，这样冻结的额定值被输送给闭合调节回路199。因此实现了用于无功功率的额定值的根据本发明的冻结。如果确定在供电网络40中的网络故障不继续存在，那么出现新的脉冲经由控制线路204且控制元件200被切换。用于无功功率的额定值的冻结因此被消除且闭合调节回路199基于事先经由线路203获得的冻结的值继续进行调节。

Claims (10)

1.一种用于运行风电场（1）的方法，所述风电场带有多个被联接到风电场内部网络（20）上的风能机组（10）、传输点（30）和与所述风能机组（10）的控制单元（17）连接的用于调节所述用于无功功率的额定值的场调节装置（50），风能机组各带有自己的用于考虑用于无功功率的额定值的控制单元（17），在传输点上在所述风电场（1）中所产生的功率由所述风电场内部网络（20）传输到供电网络（40）中，其特征在于，在出现网络故障的情形中所述场调节装置（50）的用于无功功率的额定值在控制所述风能机组（10）时不被所述控制单元（17）考虑，而在网络故障去除之后所述场调节装置（50）的用于无功功率的额定值在控制所述风能机组（10）时被所述控制单元（17）考虑。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在出现供电网络（40）中的网络故障的情形中所述在场调节装置（50）中的用于无功功率的额定值被冻结且在供电网络中的网络故障去除之后基于所述冻结的值继续进行调节。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在确定有网络故障时所述用于无功功率的额定值被立即冻结。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的方法，其特征在于，在调节所述用于无功功率的额定值的情形中设置有I环节，其调节偏差在网络故障去除时被设置为零或被保持恒定。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，在网络故障去除之后复位延迟被维持优选在0至200ms之间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述用于无功功率的额定值以无功功率额定值或电压额定值的形式存在。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的风电场，其特征在于，在所述传输点（30）处的电压下降被识别为所述供电网络（40）的网络故障。

8.一种风电场（1），其包括多个被联接到风电场内部网络（20）中的风能机组（10）、传输点（30）和与所述风能机组（10）的控制单元（17）连接的用于调节所述用于无功功率的额定值的场调节装置（50），风能机组各带有自己的用于考虑用于无功功率的额定值的控制单元（17），在传输点上由所述风电场（10）所产生的电能由所述风电场内部网络（20）传输到供电网络（40）上，其特征在于，所述控制单元（17）构造用于，使在出现网络故障的情形中所述场调节装置（50）的用于无功功率的额定值在控制所述风能机组（10）时不被考虑，而在网络故障去除之后所述场调节装置（50）的用于无功功率的额定值在控制所述风能机组（10）时被考虑。

9.根据权利要求8所述的风电场，其特征在于，所述场调节装置（50）构造用于，在出现供电网络（40）中的网络故障的情形中冻结所述用于无功功率的额定值，而在供电网络（40）中的网络故障去除之后基于所述冻结的值继续进行调节。

10.根据权利要求8或9所述的风电场，其特征在于，所述风电场（1）构造用于执行根据权利要求3至7所述的方法。

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