CN103827482B - 风力涡轮机发电厂的选择性下垂响应控制 - Google Patents

Abstract

描述了一种发电厂控制器（36）。发电厂控制器（36）控制具有一个或多个发电机（12）和能量存储系统（22）的发电系统（10），并为供电电网或输电系统运营商提供选择由所述发电系统提供的下垂响应的能力。因此，运营商能够请求具体的发电机下垂响应，以便提供适当的频率和电网控制服务。发电厂控制器（36）实时工作，确定发电系统（10）的一个或多个功率特性。基于这些特性和针对发电系统的将来预测功率输出，发电厂控制器能够采取必要步骤以确保发电系统能够利用选定的下垂响应做出响应或能够通知运营商优选进行不同的下垂。

Description

风力涡轮机发电厂的选择性下垂响应控制

技术领域

本发明涉及风力涡轮机发电厂的控制系统，具体而言，涉及为调节发电系统的初级和次级频率响应的量和比率提供选择性下垂响应控制的控制系统。

背景技术

下垂是发电机的功率频率特征，在传统上被定义为电网处速度或频率的变化量，该变化量对于使发电机的主要原动机控制机构从完全闭合变为完全打开来说是必要的。

因此，就连接到电网的发电机组来说，如果连接到发电机组的负荷从全负荷变为零负荷，4%的下垂表示发电机组的转子转速会（不存在其他发电机的情况下）变化4%。如果发电机组转子转速在默认情况下等于60Hz，那么负荷的突然丢失（例如由将发电机组连接到电网的一次输电线路的丢失导致）会造成转子转速增加2.4Hz（0.04x60Hz），变为62.4Hz。类似地，如果发电机组以60Hz的速度运行，负荷从零增加到100%，那么发电机组的转子转速会降低2.4Hz，变为57.6Hz。

已知使用发电机组以用于电网频率控制。在这种情况下，由连接到控制系统的传感器探测电网频率，其中发现电网频率降至低于期望的稳态值或范围时，控制系统使得发电机组向电网注入功率，以增大电网频率。类似地，如果探测到电网频率高于期望的稳态值或值的范围，那么控制系统指示发电机组降低其功率输出，直到电网频率恢复到期望的水平。在这种情况下，下垂设置也有助于确定为了特定频率变化可以向电网供应的功率的量。因此，可能需要发电机组为稳态值的每个0.01Hz频率偏差提供3.5MW。依赖于发电机组尺寸的发电机组的下垂设置规定了发电机组提供该功率的能力，现在将参考图1对其进行描述。

图1是发电机组的范例下垂曲线图，表示（每个发电机组中）功率变化与（每个发电机组中）频率变化之间的关系。正如本领域技术人员将认识到的，每个发电机组都被用于使参数与潜在基线图相关，其通常是电气装置的额定功率。下垂R的倒数是曲线图的梯度△p/△f。在历史上，下垂响应特征是根据可用的发电机涡轮机技术发展的。例如，由于燃煤发电站中采用的蒸汽涡轮机的物理限制，煤电厂通常会选择下垂5%运行。假定发电机组在额定转速60Hz下运行，并且额定功率为例如，900MW，那么下垂响应允许如下确定对频率偏差的可用功率响应：

△P=(1/R).△f或△p/900=(1/0.05).△f/60

假定△f为1Hz，那么在这个范例中功率响应会等于300MW/Hz。因此可以看到下垂的较高值以降低注入电网中针对特定频率变化的功率量，同时，下垂的较低值意味着需要更多的功率。发电机组注入电网中以弥补频率偏差的功率变化被称为下垂响应。

利用如上所述提供频率控制的发电机组，在电网处发生的频率扰动通常导致初级和次级响应。初级响应在原始扰动的几秒内发生，并且是用于在新的频率下稳定该系统的同步发电机电枢的惯性的结果。次级响应是在发电机组实施的频率控制的结果，通常在初始扰动之后几分钟以上发生。为了提供该次级响应，需要发电机组具有一些额外的容量，以提供一致的功率响应。这种额外的功率容量通常被称为旋转备用：本质上是一个或多个发电机组自旋进入运行状态，产生功率，但是还未向电网供应功率。当需要额外功率时，连接提供旋转备用的发电机组以满足额外的功率需求。

已经预计到风力涡轮机会在稳定电网频率、在低频下向电网中注入功率以及在超频下相应缩减功率中发挥作用。我们已认识到，随着能源生产中风力涡轮机穿透（penetration）的增加，公用运营商会越来越需要风力涡轮机促进电网频率响应的稳定。风力涡轮机使用基于逆变器的发电技术，并且与它们历史上的发电同类（例如煤炭、汽油、或者核能发电）不具有相同的物理限制。不过，我们已认识到，通常不考虑这个事实而进行风力涡轮机发电。例如，在发电电网的单个控制区域中，不管个体发电机组的能力差别如何，通常会将所有发电机的下垂设置设为相同的值，例如5%。

通常也是由电网运营商设置预计会有次级响应期望的时间尺度（time scale），但是其至今依赖于历史发电机组的响应速度。我们已认识到，可以将风力涡轮机用于为下垂响应提供更加灵活的时间尺度，根据需求比历史发电机组运行得更快或更慢。具体而言，因为如果需要的话，风力涡轮机有能力提供更快的下垂响应，所以我们认识到，风力涡轮机的生产潜能未充分发挥出来。

因此我们已认识到，有必要提供一种风力涡轮机发电厂控制系统，其中风力涡轮机的运行可以被更精确地配置以反映需求的变化。

发明内容

在独立权利要求中定义了本发明，现在将参考独立权利要求。在从属权利要求中阐述了有利的特征。

本发明的实施例提供了一种发电系统，包括：用于利用可再生能源发电的发电机；将发电机连接到电网的连接点，所述连接点具有变压器，所述变压器具有低压侧和高压侧，所述发电机耦合到所述低压侧；耦合到所述连接点低压侧的能量存储系统，其中所述能量存储系统可操作地提供或存储功率，以调节从所述发电机向电网输出的功率；发电厂控制器，用于接收表示所述电网、所述发电机、所述能量存储系统和/或所述连接点的一个或多个功率特性的功率输入，以及来自电网运营商的、要求以指定的可选择的下垂响应提供发电的请求，其中基于所述功率输入和所述指定的可选择的下垂响应，所述发电厂控制器控制所述发电机和/或所述能量存储系统。

所述发电厂控制器可以包括存储器，用于记录来自电网运营商对将来一段时间的指定的可选择的下垂响应的请求。

如果来自电网运营商的要求以指定的可选择的下垂响应来提供发电的请求与独立的较早请求一致，所述发电厂控制器可操作地向电网运营商发出警报。

所述发电厂控制器可以确定在与已经请求了指定的可选择的下垂响应的时间段相对应的时间段内的预测的将来功率输出，并基于确定的所预测的将来功率输出，控制所述能量存储装置和发电机中的一个或多个。

基于确定的所预测的将来功率输出，所述发电厂控制器可以控制所述能量存储装置，以确保所述能量存储装置具有满电荷，以满足对指定的可选择的下垂响应的请求。

所述发电厂控制器可以在已请求了指定的可选择的下垂响应的时间段之前使发电机减载运行，以便提供发电能力来满足所述指定的可选择的下垂响应。

所述发电厂控制器可以在由于预测的将来功率输出和/或能量存储系统的存储容量不足而不能提供选定下垂响应时发出警报。

所述能量存储系统可操作地在所述发电机产生的功率超过电网需要的功率时存储来自所述发电机的功率，在所述发电机产生的功率小于电网需要的功率时向所述电网输出功率。

所述可选择的下垂响应包括下垂设置、下垂响应幅度和下垂响应时间中的一个或多个。

所述发电机可以包括风能涡轮机、波浪或潮汐能涡轮机或太阳能电池中的一种或多种。所述发电机可以包括风电场中的多个风力涡轮机。

本发明的第二实施例提供了一种用于控制发电系统的运行的发电厂控制器，所述发电系统包括：用于利用可再生能源发电的发电机；将所述发电机连接到电网的连接点，所述连接点具有变压器，所述变压器具有低压侧和高压侧，所述发电机耦合到所述低压侧；以及耦合到所述连接点低压侧的能量存储系统，其中所述能量存储系统可操作地提供或存储功率，以调节从所述发电机向电网输出的功率，其中所述发电厂控制器可用于接收表示所述电网、所述发电机、所述能量存储系统和/或所述连接点的一个或多个功率特性的功率输入，以及来自电网运营商的、要求以指定的可选择的下垂响应提供发电的请求，其中基于所述功率输入和指定的可选择的下垂响应，所述发电厂控制器来控制所述发电机和/或所述能量存储系统。

本发明的第三实施例提供了一种利用发电系统发电的方法，发电系统包括：用于利用可再生能源发电的发电机；将发电机连接到电网的连接点，所述连接点具有变压器，所述变压器具有低压侧和高压侧，所述发电机耦合到所述低压侧；以及耦合到所述连接点低压侧的能量存储系统，其中所述能量存储系统可操作地提供或存储功率，以调节从所述发电机向电网输出的功率，该方法包括：在发电厂控制器处接收表示所述电网、所述发电机、所述能量存储系统和或所述连接点的一个或多个功率特性的功率输入；在发电厂控制器处接收来自电网运营商的、要求以在指定的可选择的下垂响应下提供发电的请求；基于所述功率输入和所述指定的可选择的下垂响应控制所述发电机和/或所述能量存储系统。

附图说明

现在将参考附图说明本发明的范例实施例，在附图中：

图1是曲线图，示出了发电系统的下垂特征；

图2示出了本发明的范例实施例；

图3示出了能量存储系统和发电厂控制器的范例实施例；

图4是流程图，示出了用于发电系统的运行的算法控制回路；以及

图5是流程图，示出了算法控制回路，其中用户已选择指定的下垂值。

具体实施方式

本发明的范例包括发电系统，其包括风电场和能量存储系统。能量存储系统被布置成在需求增大时补充从风电场输出的功率，在需求低时存储多余能量。发电系统在新型发电厂控制器的控制下运行，该控制器使得电力运营商动态地选择该系统提供的下垂响应以满足他们的需求成为可能。在当前语境中，由风力发电系统提供的下垂响应就电力运营商可以选择功率响应幅度、功率输送或保留的时间尺度以及应用于发电机组的实际下垂设置而言是可配置的。

现代风力涡轮机在诸如SCADA（监测控制和数据采集）的控制系统的指导下运行，以提供电网频率调节服务。电网频率由电网中的总功率平衡来管理，简单近似的话，其与同步发电机的转速成比例。本质上，转动惯量的惯量确定电网频率。在稳态运行中，电网运营商试图确保来自所有连接的发电机的功率供应与消费者，负载需求的功率匹配。因为全天的需求是变化的，所以电网运营商会向供应商发出信号：在特定的时候需要更多或更少的功率。

现代风力涡轮机的SCADA系统具有用于控制注入电网的功率的频率控制器功能，并且通常被配置成匹配常规发电机的下垂特征。频率控制器在低频下增大风力涡轮机的功率基准P(ref)，在超频下减小功率基准。通常参考为了适合局部电网规定需求而发展的有功功率控制曲线图来设置增大或减小的量。可调节的死区意味着仅持续短时间的频率偏差没有激活频率控制器。因为频率控制器基于瞬时电网频率运行，通常在风力涡轮机入口处或者公共耦合点测量，所以实际上不需要对风电场的集中控制。

现在参考图2和3描述本发明的范例实施例。图2是示意图，示出了根据本发明第一范例实施例，具有有着能量存储系统（ESS）和发电厂控制器（PPC）的风电场的风力发电厂。图3是用于图2中的发电系统的能量存储系统和发电厂控制器的范例实施例。

发电系统10包括风电场中的一个或多个风力涡轮机12，风电场连接到终端是变压器16的低电压线路14。该变压器具有连接到低电压线路14低压侧以及连接到公用电网18的高压侧。风电场及其部件风力涡轮机在被称为公共耦合点（PCC）20处连接到低电压线路14。此外，能量存储系统22在PCC20处通过更低的电压线路24被连接到低电压线路14。在这一语境中，电线14和24处于相同的电压，并且参考较高的电网电压将其描述为低电压。

在本范例中，能量存储系统22包括能量存储装置26，在这种情况下一个或多个电池（尽管可以使用任何合适的能量存储装置）通过保险丝28被连接到转换器和滤波器设备30。转换器和滤波器设备30将一个或多个电池26连接到低电压线路24，并且在适于在低电压线路24上传输的形式和适于在电池终端表示的形式之间转换电信号。当为一个或多个电池充电时，转换器和滤波器设备30充当将AC转换成DC的整流器。当一个或多个电池放电时，其充当将DC转换成AC的逆变器。如图2中所示，电压线路24还可以包括一个或多个断路器32以及任选的保护继电器34。

发电系统包括用于接收来自低电压线路14和24的传感器输入以及用于向能量存储系统20和风电场的涡轮机发出控制命令的发电厂控制器36PPC。在本范例中，正如在本领域中所知的，风电场中的个体风力涡轮机在SCADA系统的控制下运行。因此每台涡轮机都具有经由适当的控制和信号传输线路40连接到SCADA风电场控制器38的个体SCADA控制器（未示出）。发电厂控制器经过线路41与能量存储系统22通信。风电场控制器38既接收控制和信令信息，又经由线路42向该风电场中的个体涡轮机以及更大的控制网传输控制和信令信息。线路42将风电场控制器连接到风电场运营商、电力公司或者传输系统运营商的控制网。

发电厂控制器提供风电场中个体风力涡轮机12和能量存储系统22的实时控制，并且起着高水平电力调度的作用。在这个范例中，发电厂控制器36可以被实现为SCADA风电场控制器38的组成部分或者配置成与SCADA风力发电机组控制器38通信的单独部件。正如技术人员将认识到的，可以利用通过适当的信令网络连接到发电系统的运行元件的计算机处理器和存储器实现发电厂控制器。发电厂控制器的功能可以存在于单独的软件或硬件，或者软件和硬件的组合中。

图3示意性示出了发电厂控制器和能量系统的运行，重点放在不同部件之间的信息交换。尽管在这个范例中，能量存储装置26再次被示为包括一个或多个电池，但是将认识到，实际上可以使用任何形式的能量存储器，例如基于化学的存储器、基于飞轮的存储器、基于电容的存储器、热能存储器、引力能存储器、压缩空气能源存储器、基于流体动力和磁流体力学的存储器。正如本领域技术人员将认识到的，其他的存储系统也是可能的。

如上文参考图2所述，一个或多个风力涡轮机12和能量存储系统22二者都连接到公共耦合点20。在图3中，公共耦合点20被示意性示为与位于变压器16的低压侧的电器开关设备一致。实际上，PCC20可以如图2中所示位于开关设备46之前。能量存储装置26经由转换器30连接到该开关设备。

功率质量（PQ）分析器48位于开关设备处，以实时读出电网有功功率P、电网无功功率Q以及由风力涡轮机和能量存储系统提供的有功功率和无功功率中的一个或多个。PQ分析器的操作在本领域中众所周知，本文不对其进行描述。PQ分析器进行的实时测量经由合适的传输线路被传输到发电厂控制器36。在这个范例中，尽管使用的是TCP/IP协议，具体而言是其变体网络通信协议TCP，但是其他的信令协议也是可能的。在其他实施例中，可以省略功率质量分析器48，并且可以使用SCADA系统的固有感测能力。此外，尽管已描述了单个PQ分析器48，但是这可以由多个位置分开的PQ分析器部件组成。

如图3中所示，能量存储装置26包括也具有用于实时测量能量存储装置26的运行特征（例如有功P(ess)功率和无功Q(ess)功率、电荷状态（SoC）和健康状态（SoH））的局部控制器50。这些信号也经由合适的输电线路被传输到发电厂控制器36。此外，这个范例中使用TCP/IP协议传输机制实现控制线，但是该范例实施例不必局限于此。

最后，发电厂控制器也从线路42上接收若干外部输入。这些输入中的第一个是预测有功功率和无功功率读数，其与将来一段时间一致，以用于发电厂控制器的控制算法。正如本领域中已知的，考虑到个体涡轮机的尺寸和容量，这些输入可以基于针对风力涡轮机发电厂安装处预测的将来风速。有许多可以产生这种输入并且将其供应到风力涡轮机运营商的方法。例如基于“持续性”或者“基准”的预测依赖于当地地形的气候数据以及从风力涡轮机采集的过去生产值的平均值，以进行将来预测。例如气候数据可以基于计算机模型和模拟，或者可以从涡轮机处获得的实际风传感器读数中建立随时间变化的气候数据。这些技术很发达并且在四至六小时时间范围内是高度可靠的。更加先进的技术会考虑到遍布比当地地形更广阔的区域的气象数据和天气预报，并且包括天气形势的预测。这些技术还经常结合风力涡轮机功率曲线图的分析和一些统计分析使用在风力涡轮机处采集的数据。不过它们的可靠性不如上文所述的预测或基准模型好。因此电力公司或者风电场运营商通常会获得描述预测的功率的输入，所以本文不会对其进行更详细的描述。

此外，发电厂控制器还被配置成在将来的特定时间以及针对特定时间段，接收指定下垂设置、下垂响应、下垂响应幅度以及应用至发电系统10的输出的输送时间段中的一个或多个的输入。当为发电系统指定特定的下垂设置时，这会用于在指定的时间段覆盖默认下垂值（例如设为5%）。一旦该时间段过去，风力涡轮机的下垂设置会恢复到默认值，除非在该点处指定另一下垂值，将再次覆盖该默认值。尽管在实施例中可以将不同的下垂设置和不同的下垂响应单独地应用到风电场中的每台涡轮机中，但是在这个范例中如果将下垂设置和下垂响应整体应用于风电场和能量存储系统更好。这在试图提供期望响应的不同风力涡轮机之间避免了乱调（hunting）现象。

下垂设置经由SCADA控制系统和/或专用信令线路（例如采用上文所述的TCP/IP协议的线路）被输送到个体风力涡轮机控制器和能量存储装置26的控制器50中。下垂设置输入尤其允许电力或者传输系统运营商灵活地决定如何利用由风电场12提供的发电能力以满足电网需求。根据情况，若干不同的下垂设置和下垂响应可能是合适的。

例如，在300MW系统处3%的下垂配置要求风电场和能量存储系统组合的下垂设置为3%，下垂响应的幅度为300MW，并且假如默认时间段为3分钟的话，在设置的时间段内将其传输。这意味着根据频率特征，每分钟向电网传输或者保留100MW（300MW/3m）。正如在引言中解释的，3%的下垂设置将在每个发电机组中测量的功率响应与频率响应联系起来。此外，假定系统频率为60Hz，风电场的额定功率例如为900MW，那么3%下垂设置等于如下的频率变化：

△f=△P.R

△f/60=300/900.(0.03)

△f=0.6Hz

因此，利用这种设置，对于每0.6Hz的频率变化，会需要在三分钟的响应期间内供应（或者保留）300MW的功率。另一方面，在150MW处3%的下垂设置要求对于每0.3Hz的频率变化，需要在相同的三分钟期间内供应（或者保留）150MW的功率。最后，在50MW处8%的下垂设置将表示对于每0.26Hz电网频率变化，将在相同的三分钟期间内注入（或者保留）50MW的功率。

尽管在这三个范例情况下，输送功率的时间段是相同的，但是可以认为，在300MW处3%的下垂设置比150MW处3%的下垂配置提供更快的下垂响应。这是因为，对于相同的频率偏差（例如0.6Hz），在两种情况下供应相同的功率，但是在300MW处3%的情况下，用一半的时间供应功率，也就是3分钟时间，然而在150MW处35的情况下，在第一个3分钟内提供150MW，在接下来的3分钟内提供另一150MW。

当在电网的发电能力中风力涡轮机发电厂的穿透高时，例如界定“快”功率响应的高设置（例如在这种情况下在300MW处3%）可以是合适的，并且电网公用运营商要求获得更高的发电能力以满足短时间内的需求。例如当运营商为了进行维修工作而打算使传输线不起作用时可以是这种情况。通过要求发电厂控制器36来确保在计划维修时在300MW处下垂3%，电力运营商可以进行传输线路的维修，相信万一发生功率不平衡，额外的发电能力可以容易地稳定系统。这还意味着需要确保传统发电能力（例如煤炭和核能）可以提供旋转备用以满足意料之外的额外需求的时候更少。

另一方面，当电力运营商希望支持其他发电，不强调风力发电在产生频率中的作用，或者电网中的风力发电穿透没有如此高时，可以使用在50MW处的下垂设置8%，其可以被看作高于提供的“慢”响应。

在这些范例设置中，认为响应的速度与默认时间3分钟相关。这反映出在响应时间的速度方面没有当前惯例的事实。在本发明的范例实施例中，也可指明输送功率的时间段的长度，并且可以将其设为任意数字。当然，可以通过指定提供300MW功率的响应时间为1.5分钟，将诸如上文所述的在300MW处的3%下垂配置的“快”响应加快两倍。

在实践中，在任何时间从风电场获得的实际下垂响应将取决于可获得的风能。出于这种原因，由能量存储系统（ESS）22提供的功率提高风电场12提供的功率。这确保了发电厂控制器26履行其许下的提供将来发电或者响应率的承诺。

正如从上文的论述中会认识到的，将特定的下垂配置应用到发电机组需要假定可以将风力涡轮机的功率输出缓变率相应地设置成在预定时间段输送功率。例如，要求将来时间段的在150MW处3%下垂率需要假定该发电厂能够以具体的功率缓变率833KW/S（150MW/3x60s）增加功率输出。不过，如果输出功率要增加，这也假定风力发电机组没有在增加程序的开始时以全容量运行，换言之，其能够提供旋转备用。不过，即使风力涡轮机在低于全容量下运行，由于需要功率时风况差，期望的功率供应率也可能不可能。出于这种原因，将需要从能量存储装置26中供应额外的功率。

因此发电厂控制器36接收的代表性控制参数和信号如下：

P(ess)_ref ESS有功功率基准

Q(ess)_ref ESS无功功率基准

P(PP)_ref 发电厂有功功率基准

Q(ess)_ref 发电厂无功功率基准

P(wtg) 风力涡轮机有功功率

Q(wtg) 风力涡轮机无功功率

P(grid) 电网有功功率

Q(grid) 电网无功功率

P(ess) ESS有功功率

Q(ess) ESS无功功率

SoC 充电指示状态

Alarm 健康指示状态

P(forecast) 预测有功功率

Q(forecast) 预测无功功率

DroopConfiguration期望的电力或者传输系统运行下垂配置（包括下垂设置、下垂功率幅度、下垂响应时间中的一个或多个）Time当前时间

发电厂有功和无功功率基准P(pp)_ref和Q(ess)_ref是供应到发电系统10的控制信号，其反映对功率的当前电网需求以及任何频率和电压控制考虑。正如本领域中将知道的，基于来自PQ分析器44的瞬时功率、电压和电流读数以及为了更多或者更少功率，来自电力或传输系统运营商的任何超过控制信号来确定它们。

基于P(pp)_ref和Q(ess)_ref，发电厂控制器计算需要控制由能量存储系统26供应到电网的输出功率的有功和无功功率基准P(ess)_ref和Q(ess)_ref，这样考虑到来自风力涡轮机的功率输出P(wtg)和Q(wtg)，满足了P(pp)_ref和Q(ess)_ref值。可以如下表示控制算法：

P(ess)_ref=P(pp)_ref-P(wtg)[1]

当电网处的功率频率特征不平衡时（例如由故障导致的供应和负荷突然失配），发电厂的P(pp)_ref会变化，以反映新的运行状况。

然后个体风力涡轮机控制器将工作以从风力发电机缓升或缓降从风力发电机输出的功率，以解决电网处的不稳定性，并根据所请求的下垂配置和针对该时间段的对风轮机控制器有效的缓变率设置这样做。通常通过控制转子叶片的俯仰角以针对给定的入射风强度增大发电机转子上的转矩，来实现个体风力涡轮发电机提供的功率缓升或缓降，而对于同步发电机，转子轴的速度保持基本相同。在个体风力涡轮机由于风力不足而不能提供请求的功率增大时，发电厂控制器36必须要调节用于能量存储系统的输出功率控制信号P（ess）_ref，以便补偿来自风力涡轮机的期望可用功率的缺少。

在将来一段时间需要快速下垂响应时，因此一开始将在欠容量运行的工况下操作风力涡轮机发电厂，由此生成净空（headroom）以在需要时供应更多功率，以便满足下垂承诺。例如，在已经请求高下垂响应的时间内在其额定输出功率的80%处操作风力涡轮机（假设该时间段内有风），因此在需要额外的功率缓升时，风力涡轮机能够提供其发电能力的额外20%。

为了管理所需下垂响应的提供，发电厂控制器维持已经指定期望下垂的将来时间段的日志，并将此与来自风的将来可用功率，因此来自风力涡轮发电机P(forecast)和Q(forecast)的可用功率的指示进行比较。

例如，考虑在将来7天内开始的72小时时间段内需要的期望3%下垂的情形。发电厂控制器将首先在调度程序中记录指示，并确认在同一时间段内没有预先存在或交叠的指令。假设没有预先存在的提供不同下垂的承诺，发电厂控制器然后将参考针对72小时时间段的预测可用功率，并判断预计风况良好或不良。在对于所述时间段风况不良的情况下，发电厂控制器将确保在接下来的7天时间段内，能量存储系统26上的电荷累积，因此在需要更高的下垂时，有足够电荷可用于满足风力的不足。在最坏情况下，可能需要能量存储系统从发电厂提供所有功率而在整个时间段不求助于风力发电。

现在将参考图4和5描述用于发电厂控制器36的范例控制算法。图4为流程图，示出了用于在正常操作条件下操作能量存储系统22和风力涡轮机12的算法控制环路，正常操作条件即将系统提供的下垂设置成默认值，例如5%。图5为流程图，示出了算法控制环路，其中已经由用户，例如供电电网或输电系统运营商，选择了指定的下垂值。理论上，可以将可选的下垂设置为任何值，但可能在1%到15%的范围内。

控制算法开始于步骤S2。在步骤S4中，发电厂控制器（PPC）从能量存储系统22和一个或多个风力涡轮机12或风电场读取一个或多个功率输入。如上所述，这些功率输入包括ESS有功功率基准（P(ess)_ref）、ESS无功功率基准（Q(ess)_ref）、发电厂有功功率基准（P(pp)_ref）、发电厂无功功率基准（Q(ess)_ref）、风力涡轮机有功功率（P(wtg)）、风力涡轮机无功功率（Q(wtg)）、电网有功功率（P(Grid)）、电网无功功率（Q(Grid)）、ESS有功功率（P(ess)）、ESS无功功率（Q(ess)）和ESS充电状态指示（SoC）。该输入还可以包括表示ESS健康状态的警报信号。

具体而言，在步骤S4中，发电厂控制器（PPC）确定来自一个或多个风力涡轮机12P（wtg）的功率输出，在步骤S6中，PPC判断这一功率输出是否足以满足发电系统10必须向电网18供应的功率需求。如果不是这样，那么在步骤S8中，PPC36向ESS22发送信号，指示它增大其功率基准并输出更多功率（参见以上方程1），从而满足任何不足。在步骤S6中，如果风力涡轮机正在供应足够的功率以满足电网需求，那么在步骤S10中，PPC判断ESS是否有剩余的存储容量。如果有未使用的存储容量，那么可以在步骤S12中在ESS22中存储风力涡轮机产生的超过电网需求的任何功率。

如上所述，步骤S8中提供的功率将包括出于频率控制目的而提供的任何额外功率，因此将取决于针对该时刻请求的下垂配置以及电网处的状况。在运行期间，可以在几秒之内从能量存储系统向电网提供功率，控制风力涡轮机提供花费更长时间的输出功率。在步骤S8中，控制系统因此能够指导能量存储系统在扰动之后的最初几秒输出功率，并允许这种情况逐渐变少，因为涡轮机变得能够在30s和/或几分钟之后提供期望的功率响应。其他响应分布曲线当然也是可能的。

控制从步骤S8和S12转向步骤S14，其中PPC判断电力或输电系统运营商是否请求过对具体下垂响应的新请求。如果未接收到新的下垂请求，那么控制算法返回到步骤S2，以重复控制步骤，用于调节发电系统的功率输出。

如果在PPC的存储器中在将来时间段内存储有现有的下垂请求，那么在控制返回到步骤S2时，PPC可以确定额外的措施以控制ESS中的电荷存储。例如，可能不希望操作ESS，使得在风力涡轮机产生剩余功率时，它始终被自动存储在ESS中，因为这可能长期降低存能量存储力。不过，在不久的将来预计会有高下垂响应时，PPC可能需要ESS为全容量或接近全容量，使得存在可用的额外功率储备。

在步骤S14中，如果接收到新的下垂响应请求，那么控制转向步骤S16，从那里转向图5中的步骤S18。在步骤S18中，PPC判断已请求下垂响应的时间段，以及这一新的可选择下垂请求是否与存储器中存储的现有请求冲突。如果针对新下垂响应请求的时间段完全或部分与现有存储器条目交叠，将发生冲突。如果有交叠，那么在步骤S20中，PPC向请求指示确认的供电电网或输电系统运营商发出警报。如果确认新的请求，那么存储器中存储的现有下垂响应请求例如能够简单地被重写。不过，在实践中，设想到下垂响应请求将不会从多方接收，而是始终从电力或输电系统运营商接收。因此，所请求下垂响应中的真实冲突是不可能的。

控制然后转向S22，在此PPC针对已经请求了可选择的下垂响应的时间段确定发电系统的预测发电能力。描述预测发电能力的数据可以采取很多形式，并可以通过已知样式供应给PPC。至少从该时间段的天气和风速预报简单地计算预测功率，调整所述预测功率以考虑发电系统所在位置的波动。在没有该时间段的具体天气和风速信息可用时，那么也可以从过去几年为该风力发电系统收集的历史数据预测功率。预测的功率数据被表达为预测有功功率（P（forecast））和预测无功功率Q（forecast）。

在针对相关时间段（请求具体下垂响应的时间段）确定预测功率输出时，还可能需要考虑紧邻相关时间段之前的时间段的发电能力，因为前一时间段的功率可用性将对能量存储系统中事先存储的电荷量有影响。

在步骤S24中，PPC然后计算发电系统的能力以满足请求的下垂。这种能力将依赖于在相关时间段期间有充足的可用风能。如果预计风能低，那么仍然可以使用从能量存储系统供应的功率满足请求的下垂。ESS的存储容量还将对可以提供的下垂响应量进行限制。

在步骤S26中，如果PPC判定发电系统能够针对相关时间段提供的下垂的量不足以满足下垂响应需求，那么在步骤S28中PPC发出报警信号。报警信号可以采取若干形式。如果由于极低的预期功率输出，请求响应下垂就是过高而无法满足，那么报警信号将通知电力或输电系统运营商这种情况。报警信号还可以提供重新计算的下垂响应，可以在相关时间段期间的条件下提供该响应，并请求电力运营商或输电系统运营商确认可接受的建议下垂值。PPC能够通过降低风力涡轮机功率输出，使得它们具有更多净空以对电网处的波动做出响应，从而增大在任何时间可用的下垂响应。因此，也可以向供电电网或输电系统运营商建议伴随下垂响应的增大的发电系统的减载运行。

如果可以满足请求的响应，那么在步骤S30中，基于相关时间段被设置成在多远的将来发生，PPC确定调度表以确保ESS针对所需时间段及时充满电。可以将这一调度表反馈到图4所示的控制算法中，以在步骤S6、S10和S12中考虑。控制最后转向步骤S2。

因此，已经描述了发电厂控制器。该发电厂控制器控制具有一个或多个发电机和能量存储系统的发电系统，并为供电电网或输电系统运营商提供选择由所述发电系统提供的下垂响应的能力。因此，运营商能够请求具体的发电机下垂响应，以便提供适当的频率和电网控制服务。发电厂控制器实时工作，确定发电系统的一个或多个功率特性。基于这些特性和针对发电系统的将来预测功率输出，发电厂控制器能够采取必要步骤以确保发电系统能够利用选定的下垂响应做出响应或能够通知运营商优选进行不同的下垂。

尽管已经参考风力发电系统描述了本发明的以上范例实施例，但本发明不限于此。替代实施例例如包括从其他形式的可再生能源资源，例如波力、潮汐发电和太阳能发电，其中不会保证发电，但需要稳定输出功率容量和响应。已经描述了本发明的不同范例实施例，要认识到，可以在本发明的其他范例实施例中使用一个实施例的特征。

Claims (20)

1.一种发电系统，包括：

用于利用可再生能源发电的发电机；

将所述发电机连接到电网的连接点，所述连接点具有变压器，所述变压器具有低压侧和高压侧，所述发电机耦合到所述低压侧；

耦合到所述连接点的所述低压侧的能量存储系统，其中所述能量存储系统可操作地向所述电网提供除了由所述发电机提供的功率之外的功率，或存储由所述发电机生成的功率，以调节从所述发电机向所述电网输出的功率；

发电厂控制器，用于接收：

i)表示所述电网、所述发电机、所述能量存储系统和/或所述连接点的一个或多个功率特性的功率输入，以及

ii)从电网运营商输入的、要求以指定的可选择的下垂响应提供发电的请求，其中所述可选择的下垂响应包括下垂设置、下垂响应幅度和下垂响应时间中的一个或多个，

其中基于所述功率输入和所述指定的可选择的下垂响应，所述发电厂控制器控制所述发电机和/或所述能量存储系统。

2.根据权利要求1所述的发电系统，其中所述发电厂控制器包括存储器，所述存储器用于记录来自所述电网运营商的针对将来时间段的指定的可选择的下垂响应的请求。

3.根据权利要求2所述的发电系统，其中如果来自所述电网运营商的要求以指定的可选择的下垂响应来提供发电的请求与独立的较早请求一致，则所述发电厂控制器可操作地向电网运营商发出警报。

4.根据权利要求1所述的发电系统，其中基于确定的所预测的将来功率，所述发电厂控制器控制所述能量存储装置，以确保所述能量存储装置具有满电荷，以满足对所指定的可选择的下垂响应的请求。

5.根据权利要求1所述的发电系统，其中所述发电厂控制器在已请求了指定的可选择的下垂响应的时间段之前使所述发电机减载运行，以便提供满足所指定的可选择的下垂响应的发电能力。

6.根据权利要求1所述的发电系统，其中所述发电厂控制器在由于预测的将来功率输出和/或能量存储系统的存储容量不足而不能提供选定的下垂响应时发出警报。

7.根据权利要求1所述的发电系统，其中所述能量存储系统可操作地在所述发电机产生的功率超过所述电网需要的功率时存储来自所述发电机的功率，并且在所述发电机产生的功率小于所述电网需要的功率时向所述电网输出功率。

8.根据权利要求1所述的发电系统，其中所述发电厂控制器确定在与已经请求了指定的可选择的下垂响应的时间段相对应的时间段内的预测的将来功率输出，并基于确定的所预测的将来功率输出，所述发电厂控制器控制所述能量存储装置和所述发电机中的一个或多个。

9.根据权利要求1所述的发电系统，其中所述发电机包括风能涡轮机、波浪或潮汐能涡轮机或太阳能电池中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的发电系统，其中所述发电机包括风电场中的多个风力涡轮机。

11.一种用于控制发电系统的运行的发电厂控制器，所述发电系统包括：用于利用可再生能源发电的发电机；将所述发电机连接到电网的连接点，所述连接点具有变压器，所述变压器具有低压侧和高压侧，所述发电机耦合到所述低压侧；以及耦合到所述连接点的所述低压侧的能量存储系统，其中所述能量存储系统可操作地向所述电网提供除了由所述发电机提供的功率之外的功率，或存储由所述发电机生成的功率，以调节从所述发电机向所述电网输出的功率，其中所述发电厂控制器可用于接收：i)表示所述电网、所述发电机、所述能量存储系统和/或所述连接点的一个或多个功率特性的功率输入，以及ii)从电网运营商输入的、要求以指定的可选择的下垂响应提供发电的请求，其中所述可选择的下垂响应包括下垂设置、下垂响应幅度和下垂响应时间中的一个或多个，其中基于所述功率输入和所述指定的可选择的下垂响应，所述发电厂控制器控制所述发电机和/或所述能量存储系统。

12.一种利用发电系统发电的方法，所述发电系统包括：用于利用可再生能源发电的发电机；将所述发电机连接到电网的连接点，所述连接点具有变压器，所述变压器具有低压侧和高压侧，所述发电机耦合到所述低压侧；以及耦合到所述连接点的所述低压侧的能量存储系统，其中所述能量存储系统可操作地向所述电网提供除了由所述发电机提供的功率之外的功率，或存储由所述发电机生成的功率，以调节从所述发电机向所述电网输出的功率，所述方法包括：

在发电厂控制器处接收表示所述电网、所述发电机、所述能量存储系统和/或所述连接点的一个或多个功率特性的功率输入；

在发电厂控制器处接收从电网运营商输入的、要求以指定的可选择的下垂响应提供发电的请求，其中所述可选择的下垂响应包括下垂设置、下垂响应幅度和下垂响应时间中的一个或多个；以及

基于所述功率输入和所述指定的可选择的下垂响应来控制所述发电机和/或所述能量存储系统。

13.根据权利要求12所述的方法，包括：在存储器中存储来自所述电网运营商针对将来时间段的指定的可选择的下垂响应的请求。

14.根据权利要求13所述的方法，包括：如果来自所述电网运营商的要求以指定的可选择的下垂响应提供发电的请求与独立的较早请求一致，则向所述电网运营商发出警报。

15.根据权利要求12所述的方法，包括：基于确定的所预测的将来功率输出，控制所述能量存储装置以确保所述能量存储装置具有满电荷，以满足对所述指定的可选择的下垂响应的请求。

16.根据权利要求12所述的方法，包括：在已请求了指定的可选择的下垂响应的时间段之前使所述发电机减载运行，以提供用于满足所述指定的可选择的下垂响应的发电能力。

17.根据权利要求12所述的方法，包括：如果由于预测的将来功率输出和/或所述能量存储系统的存储容量不足而不能提供选定的下垂响应，则发出警报。

18.根据权利要求12所述的方法，包括：确定在与已请求了指定的可选择的下垂响应的时间段相对应的时间段内的预测的将来功率输出；以及基于确定的所预测的将来功率输出来控制所述能量存储装置和所述发电机中的一个或多个。

19.根据权利要求12所述的方法，其中所述发电机包括风能涡轮机、波浪或潮汐能涡轮机或太阳能电池中的一种或多种。

20.根据权利要求12所述的方法，其中所述发电机包括风电场中的多个风力涡轮机。