CN104454342A - 用于控制风力涡轮机的方法和机构 - Google Patents
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Abstract
描述了用于控制具有转子(813)并连接至公用电网(831)的风力涡轮机(811)的方法和机构，所述方法包括：将所述转子的旋转速度(205)从典型旋转速度(209、505)增加到增加的旋转速度(211、507)。
Description
技术领域
本发明涉及用于控制风力涡轮机特别是用于改善风力涡轮机所连接至的公用电网的稳定性的方法和机构。
背景技术
一个或多个风力涡轮机可以形成风力发电站，其连接至公用电网，其可以为多个消费者提供电能。消费者所需的电力可能不是在所有情形中都与风力涡轮机所生产的电力平衡。特别地，如果大负载被连接或接通至公用电网，则可以预期电网的频率的降低。在该情况下，风力涡轮机可能只给予有限的惯性响应，以便支持或稳定所述频率。在其它情形中，风力涡轮机所生产的电力可能大于消费者所消耗的电力，在该情况下，可能需要削减来自风力涡轮机的电力。对此，在常规方法和系统中，可以通过俯仰(pitching out)风力涡轮机的转子叶片来实现电力削减。通过俯仰转子叶片，从风向转子叶片所连接至的转子的能量传递效率可以被降低，从而导致风力涡轮机的电力输出的降低。
文献EP 2 532 888 A1公开了一种用于生成控制信号的机构，所述控制信号用于控制电力生成系统特别是风力涡轮机的电力输出，其中表明公用电网的实际电网频率的第一输入信号被接收，并且其中控制电路生成控制信号，并且其中控制电路包括继电器式控制(bang-bang)，其在第一输入信号下降为低于第一预定阈值时被激活。以上提及的文献提出了电力提升功能，其中电力输出被增加。
已观察到的是：可能不是在所有的风速条件、公用电网的需求和风力涡轮机的操作条件下都以足够的方式确保公用电网的稳定性。
可能需求一种用于控制风力涡轮机的方法和机构，其可以改善公用电网的稳定性，特别是在公用电网需要更多电力特别是电力突然增加的情形中。
发明内容
该需求可以通过独立技术方案的主题来得到满足。本发明的有利实施例由从属技术方案来描述。
根据本发明一实施例，提供了一种用于控制具有转子并连接至公用电网的风力涡轮机的方法，所述方法包括：将所述转子的旋转速度从典型特别是标称旋转速度增加到增加的旋转速度(211、507)。
风力涡轮机可以包括风力涡轮机塔、机舱，所述机舱附接在风力涡轮机塔的顶部处，使得它围绕垂直轴线是可旋转的，其中所述机舱可以包括被可旋转地支承在机舱内的转子，其中在转子处可以连接一个或多个转子叶片。转子可以在转子旋转时驱动发电机，其可以输出可变频率电力流。可变频率电力流可以被供应至转换器，特别是AC-DC-AC转换器，其可以包括多个可控开关，并且其可以输出固定频率电力流，其可以基本上具有如公用电网的电网运营商所要求的预定频率。
控制方法可以由风力发电站变压器和/或由个体风力涡轮机控制器来执行。转子的旋转速度还可以表示为转子的角速度。风可以冲击到连接至转子的一个或多个转子叶片上，从而使转子旋转。转子旋转速度可以随着风速增加而增加。特别地，旋转速度可以从没有风速时的零以线性方式增加到处于第一风速值特别是10～15m/s时的增加的旋转速度。对于增加的风速，转子的旋转速度可以保持恒定处于所述增加的旋转速度，至少用于不需要来自风力涡轮机的附加电力输出的情况。
增加转子的旋转速度可以涉及控制风力涡轮机的特别是风力涡轮机的传动系的一个或多个部件，比如转换器、发电机或其它部件。旋转速度从标称旋转速度增加到增加的旋转速度可以例如在预定时间间隔内成线性方式或者相应于预定时间间隔内的曲线。该曲线可以特别是凸曲线。
通过将旋转速度增加到增加的旋转速度，附加的动能可以被存储在转子内，其可以然后在需要来自风力涡轮机的附加电力输出的情况下，被利用来实际上提供附加的电力输出，涉及同时降低转子的旋转速度。由此，可以改善电网的稳定性。
此外，可以观察到更少的包括电网和风力发电站的整个电力系统的停电。此外，可以实现向公用电网连接较大的负载，因为附加的动能可以用于为这些负载供应电力。此外，可以实现风力涡轮机的较大渗透。此外，本发明的实施例可以改善以抑制电力系统振荡，因为附加的动能可以被用作阻尼功率。此外，电力系统可以由辅助服务(例如快速频率控制干扰储备)来支持。
根据本发明一实施例，在应该降低风力涡轮机的电力输出的情况下执行增加旋转速度，其中，特别地，在至少从0m/s～40m/s特别是从12m/s～25m/s和/或从0m/s～12m/s的风速范围中执行增加旋转速度。
该情形可以例如发生在风速增加和/或公用电网的电力需求降低时。在该情形中，在不改变风力涡轮机的操作的情况下，风力涡轮机将输出比公用电网所需的更多的电力。由此，可能发生过电压或过频率，其可能妨碍风力涡轮机发电站和/或公用电网的平滑且可靠的操作。特别地，可能激发系统振荡，其可能损坏风力涡轮机或公用电网或一个或多个传输系统的电子和/或机械部件。在这类情况下，有利地，可以通过增加转子的旋转速度来将更多动能存储在风力涡轮机的转子内，而不负面地影响电能的可靠提供。
然而，在常规系统中，电力输出的削减可能是通过以下方式执行的：使叶片俯仰，即围绕转子叶片的纵向轴线旋转转子叶片，以便降低从风向转子的能量传递效率。特别地，在应该降低风力涡轮机的电力输出的情况下，这些常规系统不增加转子的旋转速度和动能。
在风速增加和/或公用电网的能量或电力需求降低的情况下，风力涡轮机的电力输出可以例如被降低。
根据本发明一实施例，所述方法进一步包括：在增加旋转速度的同时和/或在以增加的速度进行操作的同时，将连接至所述转子的叶片的叶片俯仰角保持为至少大致恒定，特别是在(叶片俯仰角的前一调节值的)+/-10%内，由此降低从风向所述转子传递能量的效率。叶片俯仰角可以限定出叶片沿着叶片的纵向轴线相对于潜在旋转的取向。特别地，叶片俯仰角可以被调节至对于当前风速来说最佳化的叶片俯仰角。当在该状态中时，风力涡轮机的电力输出应该被降低，叶片俯仰角可以对于给定风速保持处于最佳化的叶片俯仰角。然而，当转子的旋转速度已经根据本发明的实施例增加时，前一调节叶片俯仰角对于改变了的即增加了的旋转速度不再是最佳的，因为叶片的效率可能随着叶尖速度与风速的比值而改变。随着旋转速度被调节至增加的旋转速度，叶尖速度也改变为增加的叶尖速度，使得相应叶尖速度与风速之间的比值可以增加。因此，对于增加的旋转速度来说，叶片可以在其关于效率的最佳取向上不被调节，使得作为将旋转速度增加至增加的旋转速度的结果，电力输出的降低也可以是由于风力涡轮机的降低的效率(加上将风能存储为转子的动能)。
根据本发明一实施例，所述控制方法进一步包括：接收信息，其特别包括测量数据和/或来自控制器的命令，指示需要削减电力输出，特别是在包括所述风力涡轮机的风力发电站正生产比公用电网所需的更多的电力时。
测量数据可以包括：关于风力涡轮机的输出端处和/或多个风力涡轮机被连接的共同联接点处的电压、频率和/或电流的测量数据，或者与甚至超过共同联接点的测量位置有关的测量数据。来自控制器的命令可以包括来自风力涡轮机控制器和/或风力发电站控制器的命令。来自控制器的命令可以例如取决于处于风力发电站和/或公用电网和/或风力发电站与公用电网之间的传输线内的一个或多个位置处的电压、频率和/或电流的测量数据。
可以经由电信号/光信号以基于线的和/或无线的方式传输信息。
根据本发明一实施例，增加的旋转速度是标称旋转速度的1.1～1.4倍。由此，附加动能的相对较大的部分可以被存储在转子内，以在电力生产与电力消耗之间突然发生不平衡时，特别是在至少从0m/s～40m/s特别是从12m/s～25m/s和/或从0m/s～12m/s的风速范围(513、519)中，有效地支持电网的稳定性。
根据本发明一实施例，所述方法进一步包括：从所述风力涡轮机输出电力，其比起所述风力涡轮机的典型特别是标称电力输出降低特别是达5%～25%。
来自风力涡轮机的电力输出可以被调节，以平衡公用电网的消费者所需求的电力。
根据本发明一实施例，如果不需要来自所述风力涡轮机的附加电力输出，则对于增加的风速来说所述转子的旋转速度保持恒定(特别是至少大致地)处于增加的速度。由此，风力涡轮机可以被制备成对于不同风速提供附加的电力输出(如有必要)，其可以再进一步改善所述方法，特别是关于公用电网的稳定性方面。
然而，如果需要风力涡轮机的附加电力输出，则可以降低转子的旋转速度，来增加风力涡轮机的电力输出。
根据本发明一实施例，所述方法在已将所述旋转速度增加到所述增加的速度之后进一步包括：要求增加来自所述风力涡轮机的电力输出；以及增加作用在转子上的扭矩，以便增加风力涡轮机特别是风力涡轮机的发电机的电力输出。
要求增加来自风力涡轮机的电力输出可以涉及或源自降低风速和/或增加公用电网的消费者的电力需求。增加作用在转子上的扭矩可以有效地降低转子的旋转速度，由此从转子提取动能，其然后可以被转换成电能或电力，其然后可以被风力涡轮机的发电机和/或转换器输出。对于附加的电力输出，可以利用由于将旋转速度增加至增加的旋转速度而存储的那部分电能。
根据本发明一实施例，所述方法进一步包括：测量公用电网的电压的频率，并且如果所测频率低于特别是至少0.1%低于电网的基准频率，则确定需要增加来自所述风力涡轮机的电力输出。
公用电网可以具有比如为50Hz或60Hz的基准频率。下降为低于基准频率的所测频率可以指示在公用电网处的电力需求与风力涡轮机或风力涡轮机发电站处的电力生产之间存在不平衡。特别地，如果所测频率下降为低于基准频率，则在公用电网处可能需要比风力涡轮机和/或风力涡轮机发电站所生产的更多的电力。在该情形中，有利地，存储在转子内的动能可以被利用来满足附加的电力需求。为了从转子提取动能，可以增加扭矩，由此将一部分旋转动能转换成电能。
测量公用电网的电压和/或电流的频率可以在共同联接点处或附近、在风力涡轮机输出端子处或附近和/或超过共同联接点的位置执行。如此测得的频率可以很好地指示电力需求与电力生产是否存在不平衡。由此，可以简化方法。
如果所测频率高于特别是至少0.1%高于电网的基准频率，则这可以指示风力涡轮机的电力输出应该被降低。
根据本发明一实施例，所述方法进一步包括：调节来自风力涡轮机的增加的电力输出，使得电网的频率保持在基准频率。由此，可以改善电网的稳定性。
特别地，可以在并联的一个或多个风力涡轮机处执行根据上述或下述实施例中的每个所述的方法。特别地，可以对于风力发电站中的所有风力涡轮机执行所述方法。由此，可以实现可观量的电力储备，其可以在公用电网的电力需求大于风力涡轮机的当前电力生产的情况下供应至公用电网。
根据本发明一实施例，所述标称(nominal)速度是所述风力涡轮机被设计为进行连续操作特别是关于风力涡轮机部件的电子和/或机械磨损以及电力输出中的至少一个得到最佳化的速度，所述风力涡轮机部件特别为轴承、发电机、转换器、转子叶片中的至少一个。
根据本发明一实施例，增加转子的旋转速度涉及将控制信号发送到转换器，其转换联接至所述转子的发电机的电力流输出，以便使由所述发电机生成且作用在所述转子上的扭矩降低，比起与典型特别是标称旋转速度相对应的扭矩降低特别为5%～30%。
发送至转换器的控制信号可以包括基准电压、基准功率、基准有功功率、基准无功功率和/或基准功率因数。转换器可以包括AC-DC部段、DC链路、和DC-AC部段。在AC-DC部段和DC-AC部段的每个中，转换器可以包括特别是六个功率晶体管，比如IGBT。转换器可以进一步包括栅极驱动器电路，其可以基于控制信号确定或计算脉冲宽度调制信号，其可以被传输至功率晶体管的栅极。在接收到脉冲宽度调制信号时，功率晶体管可以打开和关闭，以便在转子处产生所需的扭矩，并且以便依据基准电压、基准功率、基准无功功率、基准有功功率等来输出电力流。由此，可以利用常规转换器。
根据本发明一实施例，如果不需要来自所述风力涡轮机的附加电力输出，则在至少从12m/s～25m/s和/或0m/s～12m/s特别是从12m/s～25m/s和/或0m/s～12m/s的风速范围中，将所述旋转速度维持在增加的旋转速度。
由此，可以在不同风速条件中提供可获得电力或能量的储备，由此扩展所述控制方法。由此，可以在扩展的风速范围中改善公用电网的稳定性。
根据本发明的一个实施例，增加转子的旋转速度涉及增加被包含在旋转的转子内的动能。动能可以取决于转子的旋转速度和惯性矩，所述转子包括连接至转子的转子叶片。
应该明白的是：已经对于用于控制风力涡轮机的方法所单独地或以任意组合公开、描述、说明或提供的特征也可以单独地或以任意组合适用于根据本发明一实施例的用于控制风力涡轮机的机构，并且反之亦然。
根据本发明一实施例，提供了一种用于控制具有转子并连接至公用电网的风力涡轮机的机构，所述机构包括：处理器，其用于生成控制信号，以传输到所述风力涡轮机的传动系，以将所述转子的旋转速度从典型特别是标称旋转速度增加到增加的旋转速度。
所述机构可以被包括在风力涡轮机控制器和/或风力发电站控制器内。
必须指出的是：已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。具体地，一些实施例已经参考方法类型技术方案得到描述，而另一些实施例已经参考设备类型技术方案得到描述。然而，本领域的技术人员将从以上和以下描述推断出：除非另有指明，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，与不同主题有关的特征之间的特别是方法类型技术方案的特征与设备类型技术方案的特征之间的任意组合也被视为被本文公开。
本发明的以上限定出的多个方面和再一些方面将从在以下描述的实施例中变得清楚明了，并且参考实施例得到说明。下面将参考实施例的示例详细描述本发明，但是本发明并不局限于所述实施例的示例。
现在将参考附图来描述本发明的实施例。本发明并不受限于或局限于所说明或所示的实施例。
附图说明
图1示意性地示出了根据常规方法和本发明一实施例的控制方法的风力涡轮机的电力输出的时间进程；
图2示出了根据常规方法和本发明一实施例的控制方法的风力涡轮机的转子的旋转速度的时间进程；
图3示出了在常规方法和本发明一实施例的控制方法中的转子的惯性的时间进程；
图4示出了如在常规方法和本发明一实施例的控制方法中观测到的电网频率的时间进程；
图5示出了依赖于风速的根据常规方法和根据本发明一实施例的控制方法的电力曲线和旋转速度曲线；
图6示出了依赖于转子的旋转速度的根据常规方法和根据本发明一实施例的控制方法的转子扭矩；
图7示出了如可以用于本发明一实施例的控制方法的转子叶片的特定俯仰角的效率曲线(Cp曲线)；并且
图8示意性地示出了根据本发明一实施例的用于控制风力涡轮机的机构以及受到控制的风力涡轮机。
具体实施方式
附图中的图示是示意图形式。
在图1-4中，横坐标101、201、301和401表示时间，102-402、104-404表示特定时间点。纵坐标103表示风力涡轮机的电力输出(图1中)，203表示风力涡轮机的转子的旋转速度(图2中)，303表示风力涡轮机惯性，即包括叶片的转子的惯性(图3)，而403表示任意单元中的电网频率(图4)。图1-4中的曲线105、205、305、405由此示出了如在根据本发明一实施例用于控制风力涡轮机的方法中实现的相应电气/机械量的示例性时间进程。由此，在不同图中在相同水平位置处的事件发生在同时。
图1中的曲线105指示在根据本发明一实施例的控制方法中的风力涡轮机的电力输出。在从时间点0到时间点102的时间间隔107中，电力输出保持在标称电力输出109。在时间点102处，电力输出从标称电力输出109降低到降低的电力输出111，其在时间间隔113内被维持。在时间点104处，从公用电网需求比当前由风力涡轮机供应的更多的电力。因此，在与时间点104(例如此时将大负载连接至公用电网)相邻的时间间隔115中，电力输出增加(几乎以线性方式)为在时间间隔115的端部处达到增加的电力输出117。增加的电力输出117在时间间隔119内被维持，随后降低，因为增加的电力需求可能不再存在。
图2示出了作为曲线205的风力涡轮机的转子的旋转速度，所述风力涡轮机根据本发明一实施例的控制方法受到控制。在与图1中的时间间隔107相对应的时间间隔207期间，转子的旋转速度保持在标称旋转速度，其中所述标称旋转速度由附图标记209指示。在与图1中的时间点102相对应的时间点202处，确定的是风力涡轮机的电力输出应该降低。因此，为了存储动能在转子中，旋转速度从标称旋转速度209增加到增加的标称速度211。增加的旋转速度211在时间间隔213内被维持成高于标称旋转速度209。在时间点204处，这时公用电网的电力需求增加，例如这时大负载被连接至公用电网，旋转速度开始以凸状方式缓慢地降低，甚至在时间点206处下降为低于标称旋转速度209。在时间间隔215期间，存储在转子内的旋转动能已经被提取并转换成电能，并且已经被风力涡轮机输出，以便满足附加的电力需求。超过时间点206，旋转速度然后可能在时间间隔217中增加到或超过标称旋转速度209。
本发明一实施例的控制方法中的旋转速度以依赖于时间的曲线205来指示。
图3示出了作为曲线305的在根据本发明一实施例的控制方法期间存储在风力涡轮机的转子内的惯性或动能。在与图2中的时间间隔207相对应的时间间隔307中，惯性保持在标称惯性309。在与图2中的时间点202相对应的时间点302之后的时间间隔313中，惯性根据曲线305增加，然后在增加的惯性311处保持大致恒定。在时间点304处，惯性仍然处于增加的惯性311，并且在时间间隔315期间，惯性缓慢地降低甚至低于标称惯性，而在时间点306处达到最小值。在时间点306之后，惯性在时间间隔315之后的时间间隔317内缓慢地增加。
图4在曲线405中示出了根据本发明一实施例的风力涡轮机所连接至的公用电网的电网频率的时间进程。在与图3中的时间间隔307、313的结合相对应的时间间隔407中，电网频率保持在基准频率或标称频率409。在与图3中的时间点304相对应的时间点404处，电网频率在时间间隔415内相对较急剧地下降到降低的电网频率411。然而，频率并不如此剧烈地降低以致影响电网的稳定性。相反，在时间间隔417内，频率从降低的频率411恢复到标称频率409，使得公用电网的正常操作得到确保。此外，在时间间隔419中，电网频率基本上保持在标称电网频率409。
在图1-4中，曲线125、225、325和425表示如根据常规控制方法观测到的电力输出、旋转速度、惯性和电网频率的相应时间进程。例如，根据常规方法，电力输出125(见图1)在时间间隔119内降低，而根据本发明一实施例的电力输出(图1中的曲线105)在时间间隔119中保持大致恒定。
此外，如在图2中示出的，根据常规方法的旋转速度225在时间间隔213中保持在标称旋转速度209，而该时间间隔中的旋转速度205先增加然后维持在增加的旋转速度211。
此外，根据常规方法的转子(图3中)的惯性(或动能)325在时间间隔313中保持在标称惯性309，而根据本发明一实施例的控制方法，风力涡轮机惯性(见图3中的曲线305)先增加到然后维持在增加的惯性311。
此外，根据常规方法(见图4中的曲线425)，电网频率在时间点404之后的增加的电力需求之后保持下降得更强烈并进一步至低于降低的电网频率411，使得根据该常规控制方法不能排除停电。
图5示出了依赖于横坐标501的风速的根据常规方法的旋转速度(见曲线505)和根据本发明一实施例的控制方法的旋转速度(见曲线507)、根据常规方法的电力输出(见曲线509)和根据本发明一实施例的方法的电力输出(见曲线511)。其中，纵坐标503表示相对单位(pu)的旋转速度或电力输出。因此，例如，标称旋转速度可以对应于标记1.0或1.1处的竖直位置，并且标称电力输出也可以对应于标记1.0处的竖直位置。
如从图5可理解的，在从大约0m/s达到12m/s的风速范围513中，根据常规方法的转子的旋转速度以线性方式从0增加到大约1.1的相对值(附图标记515)，而根据本发明一实施例的控制方法的旋转速度(见曲线507)从0增加到大约1.3的增加的旋转速度，如以附图标记517标出的。因此，增加的旋转速度517高于以常规方法取得的标称旋转速度515大约30%。
在后续时间间隔519中，根据本发明一实施例的控制方法的旋转速度507基本上保持在增加的旋转速度517，由此存储动能在转子内。
在时间间隔513内，根据常规方法的电力输出(见曲线509)从0增加到标称电力输出521，并在后续时间间隔519内基本上保持在标称电力输出521。相比之下，根据本发明一实施例的控制方法，电力输出(见曲线511)从0增加到降低(相对于标称值)的电力输出，如以附图标记523指示的。此外，在后续时间间隔519中，根据本发明一实施例的控制方法的电力输出基本上保持在降低的电力输出523。
图6示出了根据常规方法605和根据本发明一实施例的控制方法(曲线607)的横坐标601处的旋转速度对纵坐标603处的扭矩的图形。如从图6可理解的，其中横坐标601处的旋转速度以相关于标称旋转速度的相对单位示出，在根据本发明一实施例的控制方法内施加的扭矩607低于根据常规方法的扭矩605。由于根据本发明一实施例的控制方法的扭矩607保持低于根据常规方法的扭矩605，所以转子将加速以达到增加的旋转速度，比如图5中示出的旋转速度517，这是比起常规方法中达到的标称旋转速度517。
图7在横坐标701上示出了叶尖速度与风速之间的比值λ，其中叶尖速度是转子叶片的叶尖的速度，所述转子叶片再次连接至风力涡轮机的转子。纵坐标703表示效率，并且Cp曲线705示出了特定固定俯仰角的效率。如从关连于叶片的效率的曲线705可理解的，效率从比值λ=叶尖速度/风速=0到大约λ=8增加，并从λ=8到λ=12降低。曲线705只适用于特定俯仰角，并且对于不同俯仰角可能看起来不同。
根据常规方法，通过改变叶片俯仰角可以改变转子叶片的效率，而在根据本发明一实施例的方法中，叶片俯仰角可以保持恒定。特别地，用以限制电力输出的常规方式可以是将俯仰角改变为效率较低的Cp曲线。根据本发明一实施例，反而是转子的旋转速度增加，而俯仰角可以保持恒定。如果例如在λ值=8时考虑效率，则从图7可理解的是：Cp将降低，并且电力输出也将降低，以将λ从8增加到9。因此，同样根据本发明一实施例，因为旋转速度增加，所以电力输出可由于降低的效率Cp而降低。然而，比起常规系统，存储的动能较大，并且可以有利地用于在需要时提供附加的电力输出，例如在电网频率下降时。
图8示意性地示出了机构801，用于控制根据本发明一实施例的风力涡轮机811以及一示例性风力涡轮机811和再一些示例性风力涡轮机827，其连接至公用电网831。
机构801包括处理器803，用于生成控制信号805，以传输至风力涡轮机811的传动系809的转换器807或另一部件。由此，控制信号805被生成来用于将转子813的旋转速度从标称旋转速度增加到增加的旋转速度。由此，转子813具有与之连接的一个或多个转子叶片815，并且被机械地联接至发电机817，其将可变频率电力流819提供到转换器807，其将该电力流转换成固定频率电力流821，其被供应到风力涡轮机变压器823，并从那里到共同联接点825，所述风力涡轮机811和多个其它风力涡轮机827连接于此。经由厂用变压器827，组合电力流829被提供到公用电网831。
机构801可以适于实施根据本发明一实施例的控制方法。根据一示例性实施例，机构801接收用以降低电力输出的信息833，在接收到信息时，可以生成控制信号805。稍后在根据本发明一实施例的控制方法中，机构801可以接收另一信息833，其指示应该增加电力输出。随即，另一控制信号805可以被传输到转换器807，以使转换器807提取存储在转子813内的动能，以便将动能在转换成电能之后提供到公用电网831。
应当指出的是：术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，关联于不同实施例描述的要素可以进行组合。还应指出的是：权利要求中的附图标记不应该被解释为限制权利要求的范围。
Claims (15)
1. 用于控制具有转子(813)并连接至公用电网(831)的风力涡轮机(811)的方法，所述方法包括：
将所述转子的旋转速度(205)从典型旋转速度特别是标称旋转速度(209、505)增加到增加的旋转速度(211、507)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，通过降低作用在所述转子(813)上的扭矩来实现增加旋转速度，
其中，特别地，在应该降低所述风力涡轮机的电力输出的情况下，执行增加旋转速度(205)，
其中，特别地，在至少从0m/s～40m/s特别是从12m/s～25m/s和/或从0m/s～12m/s的风速范围(513、519)中执行增加旋转速度。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
在增加旋转速度的同时和/或在以增加的速度进行操作的同时，将连接至所述转子(813)的叶片(815)的叶片俯仰角保持为至少大致恒定，特别是在+/-10%内，由此降低从风向所述转子(813)传递能量的效率(Cp)。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：
接收信息(833)，其特别包括测量数据和/或来自控制器的命令，指示需要削减电力输出，特别是在包括所述风力涡轮机(811)的风力发电站(827)正生产比公用电网(831)所需的更多的电力时。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，增加的旋转速度(211、507)是所述标称旋转速度(209、505)的1.1～1.4倍，
特别是在至少从0m/s～40m/s特别是从12m/s～25m/s和/或从0m/s～12m/s的风速范围(513、519)中。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：
从所述风力涡轮机(811)输出电力(821)，其比起所述风力涡轮机的典型特别是标称电力输出降低特别是达5%～25%。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果不需要来自所述风力涡轮机的附加电力输出，则对于增加的风速(519)来说所述转子的旋转速度(507)保持恒定处于增加的速度。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，在已将所述旋转速度增加到所述增加的速度之后，进一步包括：
要求增加来自所述风力涡轮机的电力输出；
增加作用在所述转子上的扭矩(603)，以便增加所述风力涡轮机特别是所述风力涡轮机的发电机的电力输出。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：
测量所述公用电网(831)的电压的频率(403)；
如果所测频率低于特别是至少0.1%低于所述公用电网(831)的基准频率(409)，则确定需要增加来自所述风力涡轮机的电力输出。
10. 根据前述权利要求8或9中任一项所述的方法，进一步包括：
调节来自所述风力涡轮机的增加的电力输出，使得电网的频率与所述基准频率(409)的不同少于5%特别是1%，或者保持在所述基准频率(409)。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述标称速度(209、505)是所述风力涡轮机被设计为进行连续操作特别是关于风力涡轮机部件的电子和/或机械磨损以及电力输出(821)中的至少一个得到最佳化的速度，所述风力涡轮机部件特别为轴承、发电机(817)、转换器(807)、转子叶片(815)中的至少一个。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，增加旋转速度涉及：
将控制信号(805)发送到转换器(807)，其转换联接至所述转子(813)的发电机(817)的电力流输出(819)，以便使由所述发电机生成且作用在所述转子上的扭矩(607)降低，比起与典型特别是标称旋转速度(505)相对应的扭矩(605)降低特别为5%～30%。
13. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果不需要来自所述风力涡轮机的附加电力输出，则在至少从12m/s～25m/s和/或0m/s～12m/s特别是从12m/s～25m/s和/或0m/s～12m/s的风速范围(519)中，将所述旋转速度(205)维持在增加的旋转速度(211)。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，增加旋转速度(205)涉及增加被包含在旋转的转子内的动能(305)。
15. 用于控制具有转子(813)并连接至公用电网(831)的风力涡轮机(811)的机构(801)，所述机构包括：
处理器(803)，其用于生成控制信号(805)，以传输到所述风力涡轮机(811)的传动系(809)，以将所述转子(813)的旋转速度(205)从典型特别是标称旋转速度(209)增加到增加的旋转速度(211)。
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|---|---|---|---|---|
| DE102011081795A1 (de) * | 2011-08-30 | 2013-02-28 | Wobben Properties Gmbh | Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage |
| US8862279B2 (en) * | 2011-09-28 | 2014-10-14 | Causam Energy, Inc. | Systems and methods for optimizing microgrid power generation and management with predictive modeling |
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| US9157415B1 (en) * | 2014-03-21 | 2015-10-13 | General Electric Company | System and method of controlling an electronic component of a wind turbine using contingency communications |
| KR101564978B1 (ko) * | 2014-07-15 | 2015-11-02 | 전북대학교산학협력단 | 풍력발전기의 적응형 관성 제어 방법 |
| WO2016192731A1 (en) | 2015-06-03 | 2016-12-08 | Vestas Wind Systems A/S | Overboosting techniques for wind power plant |
| BR112018002103A2 (pt) * | 2015-12-23 | 2018-09-18 | Obshchestvo S Ogranichennoj Otvetstvennostyu ''vdm-Tekhnika'' | método para ajustar a tomada de força de turbina eólica |
| DE102016106590A1 (de) * | 2016-04-11 | 2017-10-12 | Wobben Properties Gmbh | Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage |
| ES2817534T3 (es) * | 2016-07-06 | 2021-04-07 | Vestas Wind Sys As | Una instalación de energía eólica que tiene una pluralidad de generadores de turbina eólica y un controlador de instalación de energía |
| US11268494B2 (en) * | 2016-09-19 | 2022-03-08 | General Electric Company | Wind turbine and method for controlling wind turbine |
| EP3382198A4 (en) * | 2016-12-13 | 2019-11-13 | Obshchestvo S Ogranichennoj Otvetstvennostyu "VDM-Tekhnika" | PROCESS FOR ADJUSTING THE STARTING PERFORMANCE OF A WIND TURBINE |
| DE102018114935A1 (de) * | 2018-06-21 | 2019-12-24 | Wobben Properties Gmbh | Leistungsreduzierter Betrieb einer Windenergieanlage |
| US11255309B2 (en) * | 2018-08-28 | 2022-02-22 | General Electric Company | System and method for increasing mechanical inertia of a wind turbine rotor to support a power grid during an over-frequency or under-frequency disturbance of the grid |
| US10826297B2 (en) * | 2018-11-06 | 2020-11-03 | General Electric Company | System and method for wind power generation and transmission in electrical power systems |
| US10975847B1 (en) * | 2019-11-08 | 2021-04-13 | General Electric Company | System and method for farm-level control of transient power boost during frequency events |
| EP3869031B1 (en) * | 2020-02-21 | 2022-09-28 | Siemens Gamesa Renewable Energy A/S | Method of controlling a blade pitch angle of a wind turbine by use of a hydraulic system |
| JP2021139306A (ja) * | 2020-03-03 | 2021-09-16 | 日本製鋼所Ｍ＆Ｅ株式会社 | 風力発電装置制御部、風力発電装置、風力発電装置制御方法および制御プログラム |
| CN111786404B (zh) * | 2020-06-10 | 2022-09-27 | 东南大学 | 一种考虑最优转子动能的风电场有功优化分配方法 |
| WO2022105975A1 (en) | 2020-11-17 | 2022-05-27 | Vestas Wind Systems A/S | Wind turbine boost setting |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010000648A2 (en) * | 2008-06-30 | 2010-01-07 | Vestas Wind Systems A/S | Power curtailment of wind turbines |
| EP2270332A1 (en) * | 2008-03-14 | 2011-01-05 | Ingeteam Energy, S.A. | Method of operation of a wind turbine to guarantee primary or secondary regulation in an electric grid |
| CN102472249A (zh) * | 2009-08-06 | 2012-05-23 | 三菱重工业株式会社 | 风力发电装置、风力发电装置的控制方法、风力发电系统及风力发电系统的控制方法 |
| CN102472250A (zh) * | 2009-06-29 | 2012-05-23 | 维斯塔斯风力系统集团公司 | 提供电网支持的风力涡轮机 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4994684A (en) * | 1989-01-30 | 1991-02-19 | The State Of Oregon Acting By And Through The State Board Of Higher Education On Behalf Of Oregon State University | Doubly fed generator variable speed generation control system |
| EP2434146A1 (en) * | 2010-09-24 | 2012-03-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Method of and device for determining a mass condition of a rotor of a wind turbine, and method of operating a wind turbine |
| DK2668398T3 (en) * | 2011-01-30 | 2018-08-13 | Vestas Wind Sys As | HYDRAULIC TRANSMISSION PROCEDURES AND APPARATUS FOR WINDMILLS |
| DK2528184T3 (da) * | 2011-05-25 | 2014-10-20 | Siemens Ag | Fremgangsmåde og indretning til styring af en jævnstrømstransmissionsforbindelse |
| EP2532888B2 (en) | 2011-06-08 | 2021-06-09 | Siemens Gamesa Renewable Energy A/S | Arrangement for generating a control signal for controlling a power output of a power generation system |
| CN103732914B (zh) * | 2011-07-21 | 2016-05-18 | 维斯塔斯风力系统集团公司 | 风力涡轮机操作方法及其控制器 |
| US8704393B2 (en) * | 2012-08-09 | 2014-04-22 | General Electric Company | System and method for controlling speed and torque of a wind turbine during post-rated wind speed conditions |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2270332A1 (en) * | 2008-03-14 | 2011-01-05 | Ingeteam Energy, S.A. | Method of operation of a wind turbine to guarantee primary or secondary regulation in an electric grid |
| WO2010000648A2 (en) * | 2008-06-30 | 2010-01-07 | Vestas Wind Systems A/S | Power curtailment of wind turbines |
| CN102472250A (zh) * | 2009-06-29 | 2012-05-23 | 维斯塔斯风力系统集团公司 | 提供电网支持的风力涡轮机 |
| CN102472249A (zh) * | 2009-08-06 | 2012-05-23 | 三菱重工业株式会社 | 风力发电装置、风力发电装置的控制方法、风力发电系统及风力发电系统的控制方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| E.L.VAN DER HOOFT等: "wind turbine control algorithms", 《ECN-C--03-111》 * |
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