CN103987961A - 用于运行风能设备或风电厂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于运行风能设备、风电厂等和与其电连接的电产气单元的方法。风能设备或风电厂在充足的风的情况下产生电功率并且将所述电功率馈送到连接于风能设备或风电厂的电网中。每个风能设备以预定的功率曲线运行。电功率通过风能设备或风电厂从达到第一风速(起始风)起产生。只要风速处于第一风速(起始风)和第二风速(额定风)之间，风能设备或风电厂处于部分负荷运行中。当风速处于大于第二风速(额定风速)的范围中时，风能设备或风电厂处于额定功率范围。由风能设备或风电厂产生的电功率、优选电功率的至少预定部分在电产气单元中消耗，使得在电产气单元中产生可燃的气体、尤其是氢气和/或沼气等。由风能设备或风电厂在部分负荷运行中产生并且没有在电产气单元中消耗的电功率的部分对预定的时间间隔、例如10分钟或更久、例如一个小时设定成是几乎恒定的。

Description

用于运行风能设备或风电厂的方法

背景技术

风能设备和由多个风能设备构成的发电厂长久以来已知并且更确切地说以不同的形式、实施方案、大小和变型形式已知。

在此，风能设备是将在风中存在的能量通过转变而转换成电能的设备。所述电能尤其馈送到电网中。

风能的已知的缺点在于，所述风能随着风波动，也就是说风能设备产生的电能能够与当前的风速相关地波动。然而，这严格地说仅适合于部分负荷范围，即风能设备的在第一风速(起始风)和第二风速(额定风)之间的范围。如果风力大于额定风速，那么风速的在额定风速之上出现的波动不引起产生电能时的波动，因为例如通过调整风能设备的转子叶片对风能设备进行控制，使得转速和/或所产生的电功率近似保持恒定。

当然，风能设备在其运行的大部分中处于部分负荷范围中，并且在所述部分负荷范围中，风能设备产生的电功率也始终直接随着风速而波动，即随着波动的风速也持续波动的功率、即电功率(也就是有效功率)的波动的数值被馈送到网络中。

因此，风能设备在更多地考虑网络管理时作为用于基本负荷的产生器而失效，因为不能够以足够的概率预测风能设备提供给网络的功率份额。

虽然现在理论上可能的是，风能设备始终次优地开动，例如在部分负荷范围中从不以最大功率开动，而是以次优的功率收益运行，使得在风速波动时在部分负荷运行范围中风能设备的转子叶片始终控制成，使得风速的波动得到补偿进而风能设备将近似恒定的功率份额馈送到网络中。

但是，这种解决方案的缺点在于，随后也必须在风能设备的部分负荷范围中始终并且持续地再控制风能设备的风能收益，例如通过倾斜(调节)转子叶片或者通过控制适当的发电机平衡力矩或相应的其他措施，这一方面对于风能设备的运行而言附加地消耗能量并且另一方面持续占用相应的构件，使得加速其老化和磨损。

但是，尤其地，在这种运行方式中，功率的有价值的份额消失进而整个风能设备仅具有相对低的效率。

发明内容

本发明的目的在于，提高由风能设备输出到网络上的电功率，而在此没有由现有技术中已知的缺点。

现有技术：

德国专利和商标局已经在优先权申请中对本申请检索下述现有技术：DE 27 51 341 A1、GB 2 263 734 A、DE 197 16 645 A1和US2004/0267466A1。

根据本发明，所述目的尤其借助权利要求1的特征来实现。有利的改进方案在从属权利要求中描述。

本发明提出，如期望的那样，实际上能够实现风能设备的电功率的稳定。对此，风能设备或(具有多个风能设备的)风电厂能够与电产气单元(功率至气体的转换单元)一起运行。电产气单元例如将电功率转换成可燃气体(氢气、沼气等)。

要理解的是，对风能设备的电功率的输出的预测不能够在所有时间可靠地预告，因为风还波动并且在完全不同的天时间波动、在完全不同的年时间波动，根据本发明尤其重要的是，选择可靠的预测时间段并且在所述预测时间段之内馈送到网络中的功率具有期望的值(预测功率)，然而在每种情况下不低于所期望的值。

在此，首先不重要的是，是否将风能设备的或风电厂的全部电功率馈送到网络中，而是一方面风能设备或风电厂并且另一方面电产气单元必须从网络侧看去作为整体单元。

也就是始终重要的是，将哪些电功率提供给连接于网络的负载，并且当电产气单元也连接于网络时，所述电产气单元在这样考虑时不视为常规的负载，而是作为工具，风能设备或风电厂提供给网络的电功率借助所述工具保持恒定。

因此，也不重要的是，当首先将风能设备的或风电厂的全部功率馈送到网络中时，电产气单元得到的电功率是否从风能设备的中间电路中或者直接由风能设备的输出端或风电厂的输出端得到或者功率从网络中得到。

最后，对于网络重要的仅是馈送到网络中并且没有由电产气单元消耗的电功率。如果也称作“预测功率”或“基本负荷”的所述电功率(近似)恒定，那么由风能设备和电产气单元组成的单元能够将恒定的功率馈送到网络中，这明显地简化了网络的使用者对其网络的控制。

即当风能设备的或风电厂的从风波动中得出的所有的功率波动在电产气单元中消耗时，这些最终没有提供给网络的电功率可能没有消失，而是这些电功率仅转换成其他的形式，即转换成可燃气体，例如氢气、沼气等。换言之：电产气单元是用于将电功率转换成可燃气体的转换单元。

所述可燃气体能够以不同的类型和方式被继续处理，可能的是，将所述可燃气体存储或者馈送到气体网络中。也可能的是，电产气单元具有可控的内燃机，所述内燃机在输出侧上连接有发电机，使得借助之前由电产气单元生成并且中间存储的可燃气体也又能够产生电功率并且所述电功率随后在发电机连接到电网上时能够在期望时馈送到电网中。

为了能够以期望的类型和方式控制电产气单元的消耗，电产气单元与风电厂或风能设备也能够经由数据线路连接。

现在，在风能设备中或在风电厂中，风预测数据例如由气象中心、气象站等处理并且基于所述风预测数据建立功率预测。

例如当存在风预测时，根据所述风预测，风对于接下来的30分钟持续地在6和8m/sec之间波动，也就是根据预测不低于6m/sec但是也不高于8m/sec，例如能够建立可靠的预测，根据所述预测，能够对于接下来的30分钟可靠地产生电功率，所述电功率基于风能设备的或风电厂的功率曲线相应于下述电功率，所述电功率例如在6m/sec时或者当期望一定的安全距离时在例如5.7m/sec的风速时是可能的。

所述预测值作为预测功率来测定并且所述值也能够经由数据线路传递到电产气站点和/或用于控制电网的控制装置或中心上。

现在，在风能设备或风电厂运行时，也持续地检测当前的分别通过风预设的功率。

例如如果对预定的时间段、例如30分钟基于每秒5.7m的风速得出恒定的预测功率并且当前的风速为7.7m，那么因此差值2m/sec为等价电功率、当前提供给电产气单元的电功率，因此所述电功率在那里也作为消耗输出。

因为持续地检测风能设备的或风电厂的当前的输出功率，也能够相应地将高于预测功率的功率作为值持续地输送给电产气单元，也就是除了预测之外的由风能设备和/或风电厂产生的电功率能够输送给电产气单元，并且相应地控制所述电产气单元，使得所述电产气单元始终消耗不再提供给网络中的负载、而是应当在电产气单元中消耗的电功率，因此由一方面风能设备或风电厂和另一方面电产气单元组成的单元从网络看去将近似恒定的电功率馈送到网络中。

因此，在风能设备的或风电厂的数据处理装置中，持续地始终再次为特定的(新的)预测时间段测定新的预测功率并且在预测时间段结束时，运行在接下来的预测时间段中继续，在所述接下来的预测时间段中，随后根据存在的风预测重新设定功率。

与存在风预测数据相关地，预测时间段本身也能够改变，例如根据提供的预测数据可靠的程度从30分钟改变成20分钟或者从30分钟改变成40分钟。

风能设备与电产气单元电连接。电连接装置在本实施例中由电线路组成，所述电线路同样也能够构成为电网的一部分。

如所描述的那样，电产气单元能够从电流中产生气体，例如氢气或沼气等，即适合于燃烧、但是尤其也作为适合于马达的燃料的气体。对于安装风能设备或风电厂而言总归需要大的设备，例如起重机、载重汽车等，所述设备迄今通常借助柴油、汽油等运行。现在当这种设备适应燃烧气体，例如CH₄(沼气)时，借助电产气单元产生的气体也能够用于驱动用于建立风能设备的设备。

例如当在偏远地区建立风能设备时，所述第一风能设备产生的电能能够在电产气单元中用于产生气体，使得借助气体通过下述方式建立风电厂的其他的风能设备：将气体提供给对于建立风电厂的风能设备是必需的驱动设备，即起重机、载重汽车、车辆等。因此，风电厂不需要化石燃料以用于建立，而能够借助“绿色气体”、即例如所述方式的风气体来建立，这整体上改进了风电厂的生态平衡。在偏远地区中购进燃料通常总归是费事的，通常任何情况下是困难的进而燃料本身也是非常贵的并且通过立即产生燃料能够在一定程度上减少燃料购进成本，所述燃料购进成本对于用于建立风电厂的设备是必需的。那么，当电产气单元安置在容器等中时，在建立风电厂之后能够将容器连同电产气单元运输至最近的建筑工地。

附图说明

在下文中根据实施例详细阐述本发明。

图1示出风能设备的示意图，

图2示出根据本发明的风能设备和电产气单元的示意概览图，

图3示出电流网络、天然气网络和负载的示意图，

图4示出根据本发明的用于运行风能设备或电产气单元的方法的示例性概览的示意图并且

图5示出风能设备的功率曲线。

相同的附图标记能够在下文中表示相同的、但是也能够表示相似的不相同的元件。在下文中，由于完整性阐述具有同步发电机和无变速器具有全额变流器的无变速器的构造的风能设备。

具体实施方式

图1示出风能设备1的示意图。尤其地，作为示例示出无变速器的风能设备的吊舱。毂2由于部分打开示出的覆盖物(整流罩)而可见。在毂2上固定三个转子叶片4，其中转子叶片4仅在其靠近毂的区域中示出。毂2连同转子叶片4形成气动的转子7。毂2与发电机的也能够称作旋转体6并且在下文中称作旋转体6的转子6机械固定连接。旋转体6相对于定子8可旋转地支承。

旋转体6在其相对于定子8转动期间通电，通常由直流电流通电，以便由此产生磁场并且生成发电机力矩或发电机平衡力矩，也能够通过所述激励电流相应地设定和改变所述发电机力矩或发电机平衡力矩。如果旋转体6因此被电激励，那么其相对于定子8的转动在定子8中产生电场进而产生交流电流。

本发明不仅能够借助无变速器的风能设备、而且也能够借助可传动的风能设备来实现。

图2示出根据本发明的风能设备和电产气单元的示意概览图。尤其地，概览图借助在风能设备连同与其连接的电产气单元中的具有频率测量装置的无变速器的转子发电机耦合装置来示出。

在基本上由旋转体6和定子8构造的发电机10中产生的交流电流根据在图2中示出的构造经由整流器12整流。经过整流的电流或经过整流的电压那么借助于逆变器14转换成具有期望频率的三相系统。这样产生的三相电流电压系统借助于变压器16尤其转变成更高的电压，以便馈送到连接的电流网络18中。理论上，能够弃用变压器16或者所述变压器能够由扼流圈所替代。通常，但是，电流网络18中的电压要求为使得需要借助于变压器16向高压变换。

为了控制而使用主控制装置20，所述主控制装置也能够称作主控制单元并且形成风能设备的最高级的调节和控制单元。主控制装置20此外经由下级的网络测量单元22的网络频率(但是例如还有网络电压、相位角)获得其信息。主控制装置20控制逆变器14以及整流器12。原则上，当然也能够使用不受控的整流器。此外，主控制装置20能够控制直流调节器24以用于将激励电流馈送到旋转体6中，所述旋转体是发电机10的一部分。主控制装置20此外在低于预设的网络频率极限值的情况下改变发电机10的工作点或馈送。因为发电机10以转速可变的方式运行，所以到网络中的馈送如所描述的那样借助全额变流器进行，所述全额变流器基本上通过整流器12和逆变器14来形成。

在运行中，由网络测量单元22长期三相地测量网络电压和网络频率。从测量中——在网络频率为50Hz的情况下在任何情况下——全部3.3ms得出用于三相电压中的一相的新的值。因此，网络频率根据电压半波来检测、过滤并且与预先设定的边界值比较。对于60Hz的系统而言，例如对于全部2.7ms、即例如对于每次交零，用于三相电压中的一相的值可用。

在图2中也示出，风能设备1与电产气单元23电连接。电产气单元23能够在变压器16下游(或替选地在其上游)连接。

这种电产气单元23(用于将电功率转换成可燃气体的转换单元)本身已经以不同的形式已知，例如也从WO2009/065577中已知。这种电产气单元23也从SolarFuel公司(www.SolarFuel.de)中已知并且也在图3中示意示出。在这种电产气单元23上能够例如借助于电解首先产生氢气，对此(在具有电产生的情况下)涉及风能设备1的、日光源的或生物源的电功率。电产气单元23也能够具有沼气化单元，所述沼气化单元利用CO₂源将产生的氢气用于制造沼气(CH₄)。可能为氢气或沼气的所产生的气体能够被引导到气体存储器中或者馈送到气体管道网络、例如天然气网络中。

最后，电产气单元23也能够具有控制装置24，所述控制装置经由通信线路26(它可能是有线的、例如光导体)或无线地与风能设备的主控制装置20连接。

对于电产气单元23中的电解而言需要直流电流，所述直流电流能够借助于例如与电网18连接的整流器产生或者所述整流器将来自电网18中的电功率转换成直流电流进而将电功率提供给电产气单元23的电解装置。在此，整流器例如能够具有IGBT(绝缘栅双极型晶体管)开关、晶闸管或二极管并且具有控制单元。以常用的方式控制开关，以便从由网络18得到的交流电流中产生直流电流。

电产气单元是单元23，在所述单元23中消耗电能或电功率，以便最终生成气体(可燃气体)。

图3示出电流网络、天然气网络和负载的示意图。在示出的示例中，也构成燃气和蒸汽厂或中央供暖站28，在所述燃气和蒸汽厂或中央供暖站中，可燃气体在内燃机中燃烧，使得在连接于内燃机的发电机中又能够产生电功率，所述电功率随后又能够提供给电网。

风能设备1能够是单个设备，但是所述风能设备也能够代表性地为风电厂存在，所述风电厂由多个风能设备构成。

风能设备具有带有数据处理装置DV的主控制装置20。所述数据处理装置DV此外具有数据输入端25，经由所述数据输入端将风预测数据提供给数据处理装置DV。数据处理装置DV从对于预定的预测时间段，例如20、30、40、50或60分钟或更长时间的所述风预测数据中建立功率预测并且基于建立的功率预测基于对风能设备1或风电厂的功率曲线的处理——对此的一个示例在图5中示出——也能够非常可靠地测定预测功率，即最小电功率，所述最小电功率最后能够可靠地在可选的预测时间段中可靠恒定地提供给网络。

同时，风能设备1或风电厂当前始终重新例如以5至10秒(或更短的)间距测定风能设备1的当前的电功率，所述电能率与当前的风相关。

风能的当前的功率的在此高于预测功率(最小功率)的值例如作为信息、数据、信号等输送给电产气单元23的控制和数据处理装置24，使得为电产气单元23预设电消耗。

因此，例如如果在风能设备1中或在风电场中确定为1兆瓦(MW)的预测功率，那么但是风能设备1或风电厂当前产生为1.3MW的功率，因此将差值、即300kW作为值测定并且电产气单元23的控制和数据处理装置24获得所述值作为控制值，使得随后相应地借助300kW的消耗运行电产气单元23。

如果风稍微减弱并且随后仅仍出现为1.2MW的当前的功率，那么相应地，电产气单元23的电消耗也下降到200kW，如果风增强，使得风能设备或风电厂产生1.4MW，那么电产气单元的消耗相应地升高到400kW等。

在预测时间段结束之前，建立新的预测并且对于所述新的预测时间段又确定新的恒定的功率(新的预测功率)，使得总的来说，预测功率在从一个预测时间段过渡到下一个预测时间段时改变。

通过在一方面风能设备1的或风电厂的主控制装置20和另一方面电产气单元的控制和数据处理装置24之间的共同的通信线路26，当前的风数据或关于电产气单元的消耗功率的数据也能够交换，以便因此确保恒定地提供馈送到电流网络18中的恒定的最小功率。

此外，主控制装置20也还能够与用于控制电流网络的电网的控制装置27或中心连接，使得在那里始终能够输出或存在到电网中的恒定的电馈送的值。

如果当前的风速进而风能设备1的或风电厂的当前的产生的电功率下降到预测功率之下，那么电产气单元的电消耗转变成“零”(或者转变成尽可能小的值)并且同时可能开动蒸汽和燃气蒸汽发电厂或BHKW28，以便附加地提供不能够由风能设备1或风电厂提供的电功率，使得结果仍能够始终将预测电功率可靠地提供给电流网络，在需要时甚至提供更多，其方式在于，通过相应地比必要时以更高的功率运行GuD/BHKW。

图4以示例性的概览图并且尤其如本发明的风能设备1的功率份额能够被分配的那样示出根据本发明的用于运行风能设备1或电产气单元23的方法的示意图。

在图4的示例性的概览图中示出，风能设备1在30分钟中产生哪些功率并且为了简化而假设，产生的功率精确地对应于也通过预测来预报的功率。

由于预测，已经确定预定的预测电功率。所述预测电功率也由风能设备1在整个预测时间段期间产生并且所述预测电功率作为恒定的功率提供给电流网络18。

由于风在预测时间段之内的波动，但是，风能设备1产生下述电功率，所述电功率高于预测电功率进而风能设备1的高于预测电功率的功率在电产气单元23中消耗，使得在整个预测时间段期间由风能设备馈送到电流网络18中的电功率能够始终保持恒定。

本身要理解的是，在示出的示例中，例如在选择更短的预测时间段、例如20分钟P20时，预测功率也能够设计成更高，使得随后根据点划线能够设定更高的预测电功率。

最终是否设定更高的预测电功率P20或更低的预测电功率P30决定性地也与在网络控制装置27方面预设的要求相关。

如果要求更长的预测时间段，那么如在示出的示例中那样，当要求30分钟的预测时间段时，仅设定相对小的可靠的预测电功率。如果相反地，要求尽可能高的恒定的预测功率并且在此预测时间段能够缩短，那么这也借助于确定预测功率P20来实现。

图5如所示出的那样示出风能设备1的典型的功率特征曲线(功率曲线)。风能设备1以在达到例如大约为3m/s起始风时产生功率开始。在风速继续增大时，那么，风能设备1处于所述的“部分负荷运行”中，直至达到例如大约为13.5m/s的额定风速。在风速高于额定运行时，风能设备处于额定运行中，即在此产生其最大电功率。

尤其感兴趣的是部分负荷运行，因为在那里，产生的电功率与风速相关并且当风在特定的时间段中波动时，风能设备1的或风电厂的产生的电功率也波动。通过相应的控制线路也可能的是，电产气单元23由网络控制装置27直接控制，例如实现关于减小的进而在电产气单元23中消耗的电功率的规定。

本发明涉及一种用于控制风能设备或风电厂和电产气单元的方法。当风能设备与其当前能够馈送到电源网络中的能量相比产生更多的能量时，那么能够使用这些多余的能量以便用电能供给电产气单元，所述电能随后用于转换或产生可燃气体。此外，基于风预测，同样能够确定关于风能设备的或风电厂的推测地可实现的电功率的预测。然而，如果在预测时间段期间存在多于原始预测的风，那么通过风能设备基于更高的风速附加产生的电功率例如不能够馈送到电源网络中，而是传递到电产气单元上，所述电产气单元将电能用于产生可燃气体。

根据本发明的一个方面，对于风能设备在部分负荷运行中(也就是说，风速高于起始风速但是小于额定风速)运行的情况而言，将在预测的电功率之外生成的电功率传递给电产气单元。

Claims (11)

1.一种用于运行风能设备、由多个风能设备构成的风电厂等和与其电连接的电产气单元的方法，

其中所述风能设备或所述风电厂在风充足的情况下产生电功率并且将所述电功率馈送到连接到所述风能设备或所述风电厂上的电网中，

其中所述风能设备或所述风电厂的风能设备借助预定的功率曲线运行，

其中从达到第一风速(起始风)起通过所述风能设备或所述风电厂产生电功率，

其中只要风速位于所述第一风速(起始风)和第二风速(额定风)之间，所述风能设备或所述风电厂就处于部分负荷运行中并且

其中在风速位于高于所述第二风速(额定风速)的范围中时，所述风能设备或所述风电厂处于额定功率范围中，

其中由所述风能设备或所述风电厂产生的电功率的仅仅预定部分在所述电产气单元中消耗，使得在所述电产气单元中产生可燃气体，尤其是氢气和/或沼气等并且

其中对于预定的时间间隔、例如10分钟或更多、例如1小时近似恒定地设定由所述风能设备或所述风电厂在部分负荷运行中产生并且没有在所述电产气单元中消耗、而是馈送到连接的电网中的电功率的部分。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述风能设备和所述电产气单元经由数据通信装置彼此连接并且所述风能设备的数据、例如风速数据、当前的电生产能力、风预测数据等传递到所述电产气单元上并且在那里被处理用于控制所述电产气单元。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述风能设备和所述电产气单元在空间上彼此靠近地设置，例如以500m至20km的间距。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述风能设备和/或所述风电厂将数据在将近似恒定的功率馈送到网络中的时间段中传递到用于控制电网的数据中心上。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

依据预报和当前的风情况进而依据当前通过所述风能设备或所述风电厂产生电能或电功率来控制所述电产气单元。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中在所述风能设备中或在所述风电厂中构成或者配设数据处理装置，在所述数据处理装置中处理适用于特定的时间段的风预测数据，基于所述风预测数据确定功率的预测值(恒定的预测功率)，所述风能设备或所述风电厂能够在预测时间段上可靠地或以大的可靠性、例如以大于90％、优选95％的概率产生所述功率。

7.根据权利要求6所述的方法，

其中所述风能设备或所述风电厂持续地确定在一方面所述风能设备或所述风电厂的当前的通过风预设的功率和另一方面当前的预测值之间的差并且将所确定的差值作为控制信号传递给所述电产气单元，在所述电产气单元中，为了控制所述电产气单元而处理所确定的值，使得所述电产气单元始终接收下述功率，所述功率对应于在一方面所述风能设备的或所述风电厂的当前的通过风预设的功率和另一方面预测值之间的所确定的差值。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述预测时间段多于10分钟，优选多于20分钟或者多于30分钟或多于1小时。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述风能设备或所述风电厂具有数据输入端，所述数据输入端与所述数据处理设备连接，

其中所述数据输入端与用于控制所连接的网络的控制装置或中心连接并且在那里能够预设能够替代所确定的差值的值，并且经由数据线路将所确定的差值传递到用于控制电网的所述控制装置或中心上。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述电产气单元具有内燃机，通过所述电产气单元产生的气体输送给所述内燃机，在所述内燃机的下游设置有发电机，借助所述发电机能够产生能够馈送到所连接的电网中的电能或电功率，并且如果所述风能设备或所述风电厂对于预定的时间段产生的功率保持低于预测功率，所述内燃机或所连接的所述发电机产生电功率。

11.一种组合发电厂，所述组合发电厂由一方面风能设备、风电厂或类似装置(例如光电设备)和另一方面与其电连接的电产气单元组成以用于执行根据上述权利要求任一项所述的方法。