CN104696160A - 控制具有负功率能力的风力发电站以对电网频率不稳定进行响应 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制具有负功率能力的风力发电站以对电网频率不稳定进行响应。描述了一种控制风力发电站的方法，所述风力发电站包括多个风力涡轮机(102)且被连接到电力网(120)，所述方法包括：(a)检测电网频率不稳定，(b)选择风力涡轮机的子集，(c)修改风力涡轮机的所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考以对电网频率不稳定进行响应，以及(d)将修改的功率参考应用到风力涡轮机的所选子集中的相应风力涡轮机。还描述了风力发电站控制器、风力发电站、计算机程序和计算机程序产品。

Description

控制具有负功率能力的风力发电站以对电网频率不稳定进行响应
技术领域
本发明涉及控制风力发电站中的风力涡轮机的领域，尤其涉及控制风力发电站以对电网频率不稳定进行响应的方法。本发明还涉及风力发电站控制器、风力发电站、计算机程序和计算机程序产品。
背景技术
电力网操作员遭遇维持频率稳定的问题。随着风力发电在很多地区中的与日俱增的渗透，对于电网操作员来说将期望的是，如果风力发电站（也被称为风力发电场）能够以频率响应做出贡献以维持频率稳定。由于风力发电站处的变化的风力条件，用以例如通过减少有效功率的产生来提供频率响应的风力发电站能力也变化。
因此，存在对能够独立于风力条件提供频率响应的风力发电站的需要。
发明内容
这种需要可由根据独立要求的主题来满足。本发明的有益实施例通过从属权利要求被描述。
根据发明的第一方面，提供一种控制风力发电站的方法，风力发电站包括多个风力涡轮机且被连接到电力网。该方法包括：(a) 检测电网频率不稳定，(b) 选择风力涡轮机的子集，(c) 修改风力涡轮机的所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考以对电网频率不稳定进行响应，以及(d) 将修改的功率参考应用到风力涡轮机的所选子集中的相应风力涡轮机。
本发明的这个方面是基于频率响应通过修改用于风力发电站中的风力涡轮机的所选子集的功率参考而被提供的想法。
在本情景中，术语“风力涡轮机的子集”可以特别表示包括风力发电站中的任意数量的风力涡轮机的集合，尤其是风力发电站中的单个的风力涡轮机，一些风力涡轮机或所有风力涡轮机。换而言之，如果风力发电站包括N个风力涡轮机，则“风力涡轮机的子集”可包括 1,2,3，...，N-1或N个风力涡轮机。
在本情景中，术语“功率参考”可特别表示用于给定风力涡轮机的指示其应当产生的有效功率量的设定点。
在操作中，检测到电网频率不稳定的发生，并选择风力涡轮机的子集。特别地，对风力涡轮机的子集的选择可考虑一个或多个参数，诸如频率不稳定的种类（例如，过高频率情形、过低频率情形）、不稳定的意义（例如，从预定的目标频率偏离）以及风力涡轮机的当前运行状况。由此，可以确定的是，风力涡轮机的所选子集包含用于提供期望响应的足够的且合适的风力涡轮机。
然后，修改用于风力涡轮机的所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考以提供对电网频率不稳定的响应。特别地，功率参考可被调整以便更改由风力发电站所产生的有效功率量。最终，修改的功率参考被应用到风力涡轮机的所选子集中的相应风力涡轮机。特别地，修改的功率参考可以例如通过风力发电站中的数据网络从诸如高性能发电场控制器的中央控制单元被传输到每个所选的风力涡轮机。
由此，可以由风力发电站中的风力涡轮机的所选子集提供对电网频率不稳定事件的正确响应。
根据本发明的实施例，检测到的频率不稳定是过高频率情形，并且修改用于风力涡轮机的所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考包括降低用于风力涡轮机的所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考。
在本情景中，术语“过高频率情形”可特别表示其中电力网频率超过电网频率的允许范围的上限的情形。例如，50 Hz的电网可被允许在介于49.5 Hz和50.5 Hz之间的范围内波动。在此情况下，在电网频率超过50.5 Hz时发生过高频率情形。
通过减小用于所选风力涡轮机的功率参考，有效功率的总产量减少，以使得电网频率减小。
根据本发明的另一实施例，风力涡轮机的所选子集中的第一风力涡轮机在电网频率不稳定被检测到时正在产生有效功率。
通过减小用于产生有效功率的风力涡轮机的功率参考，可以以简单方式快速减少有效功率的产量。特别地，如果第一风力涡轮机运行在标称功率处，例如，在3.0 MW处，则可以通过减小相应的功率参考来实现有效功率的产量的显著减小。
根据本发明的另一实施例，风力涡轮机的所选子集中的第二风力涡轮机在电网频率不稳定被检测到时仍在空转或待机，并且其中用于第二风力涡轮机的功率参考被减小至负值。
通过将负功率参考应用到不产生有效功率或仅产生无关紧要的量的有效功率的风力涡轮机，风力涡轮机将用作消耗有效功率的负载。由此，有效功率的总产量被相应地减少，或者在无风的情况下从电网吸收有效功率。在两种情况下，第二风力涡轮机都引起电网频率的减小。
根据本发明的另一实施例，减小用于风力涡轮机的所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考受到保护性极限值的限制。
在本情景中，术语“保护性极限值”可特别表示允许应用到用于风力涡轮机的功率参考的最大变化量。
通过利用保护性极限值限制功率参考的减小，风力涡轮机被保护免受由于功率参考的显著变化而导致的危险的大影响。特别地，可以避免的是，运行在例如，3.0 MW的标称功率处的风力涡轮机突然被控制为变化到负的最小功率，例如，- 1.8 MW。这样的变化将导致涡轮机中马达、齿轮等上的巨大的机械负载，并且甚至会导致这样的部件的即时毁坏。
根据本发明的另一实施例，该方法还包括：(a) 选择风力涡轮机的另一子集，(b) 通过修改用于风力涡轮机的所选另一子集中的每个风力涡轮机的状态信号来增大风力涡轮机的所选另一子集中的每个风力涡轮机中的内部功率消耗。
风力涡轮机的另一子集可以不同于风力涡轮机的所选子集或者与其相同。
通过增大所选另一子集中的每个风力涡轮机中的内部功率消耗，可以提供对于减少有效功率的总体产量的进一步的贡献或对于从电网吸收有效功率的进一步的贡献，并且由此可以提供对于减小电网频率的相应的进一步的贡献。
根据本发明的另一实施例，增大风力涡轮机的所选另一子集中的每个风力涡轮机中的内部功率消耗包括增大风力涡轮机的所选另一子集中的每个风力涡轮机中的加热或冷却。
通过增大风力涡轮机中的加热或冷却（取决于风力发电站地点处的室外温度条件），可以以容易的方式至少在有限时间量内提供有效功率的快速的附加消耗。
根据本发明的另一实施例，检测到的频率不稳定是过低频率情形，并且修改用于风力涡轮机的所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考包括增大用于风力涡轮机的所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考。
在本情景中，术语“过低频率情形”可特别表示其中电力网频率超出电网频率的允许范围的下限的情形。例如，50 Hz的电网可被允许在介于49.5 Hz和50.5 Hz之间的范围内波动。在此情况下，在电网频率低于49.5 Hz时发生过低频率情形。
通过增大用于所选风力涡轮机的功率参考，有效功率的总产量增大，以使得电网频率相应地增大。
根据本发明的另一实施例，选择风力涡轮机的子集是基于风力发电站中的每个风力涡轮机的使用寿命消耗和/或负载考虑。
例如，可选择与风力发电站中的其他风力涡轮机相比具有高预期使用寿命的风力涡轮机，以避免例如由于它们在风力发电站中的位置而导致的具有相对低预期使用寿命的风力涡轮机容易招致由频率响应功能、尤其是负功率参考的应用造成的附加负载和磨损。
根据发明的第二方面，提供一种风力发电站控制器，其包括被适配为执行根据以上实施例中的第一方面或任何方面的方法的处理单元。
本发明的这个方面是基于与上述第一方面基本相同的想法。
特别地，风力发电站控制器可以是高性能发电场控制器（HPPP），其通过软件和/或硬件被修改以使得它能够执行根据其以上实施例中的第一方面或任何方面的方法。该实施还可能需要修改像涡轮机接口或涡轮机控制器的子系统或者甚至机械系统，以便接受由HPPP下发的控制命令。
根据本发明的第三方面，提供一种风力发电站。该风力发电站包括：(a) 多个风力涡轮机，以及(b) 根据第二方面的风力发电站控制器。
风力涡轮机被设计为能够对负功率参考进行响应，即机械元件被设计为允许例如通过使涡轮机作为马达旋转 - 沿操作的法线方向或沿相反的方向 - 而消耗来自电网的有效功率的操作模式。特别地，每个涡轮控制器被设计为接收负功率参考并相应地调整涡轮机的操作。
根据另一实施例，风力发电站还包括用于在过低频率情形的情况下向电网提供额外有效功率的能量存储装置。
该额外的能量存储装置在其中风力发电站运行在全功率产量或者接近全功率产量处并且因此无法明显增大其有效功率的产量以对过低频率情形进行响应的情形中是尤其有用的。此外，在没有风的情形中，存储装置可被用来在高频率事件期间进行再充电，从而实质上消耗功率并因此减小涡轮机上的负功率需求量以实现期望的聚合响应。
根据另一实施例，所述多个风力涡轮机的每个风力涡轮机包括内部风力涡轮机控制器，其被适配为执行控制风力发电站的方法的至少一部分。
在该实施例中，控制系统的一部分被分散到风力涡轮机。分布式控制系统提供改善的稳健性以防中央控制器中的故障。
根据发明的第四方面，提供一种用于风力发电站控制器的计算机程序，该计算机程序包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被适配为在被计算机处理器执行时执行根据其以上实施例中的第一方面或任何方面的方法。
根据本发明的第五方面，提供一种计算机程序产品，其包括加载有根据第四方面的计算机程序的计算机可读数据载体。
应当指出的是，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，参考方法类型的权利要求描述了一些实施例，而参考设备类型的权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从以上和下列描述推断出，除非另外指明，否则，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合，涉及不同主题的特征的任何组合、尤其是方法类型的权利要求的特征和设备类型的权利要求的特征的组合也是本文件的公开内容的一部分。
上面所定义的各方面和本发明的其它方面通过下文中有待描述的实施例的示例是明显的并且参考实施例的示例被解释。在下文中将参考实施例的示例更详细地描述本发明。然而，应明确指出的是，本发明不限于所述的示例性实施例。
附图说明
图1示出根据实施例的连接到电力网的风力发电站。
图2示出根据比较示例的正功率域中的风力发电站频率响应。
图3示出根据实施例的正和负功率域中的风力发电站频率响应。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。应当指出的是，在不同附图中，除非特别地另外指明，否则类似的或者同样的元素被提供有相同的附图标记或以仅在第一个数字内不同的附图标记。
图1示出根据实施例的连接到电力网120的风力发电站100。风力发电站100包括被布置在多个行中的多个风力涡轮机102，其中每个行通过开关106被连接至发电场电网104。发电场电网104通过变压器105被耦合到外部电力网120。风力发电站100还包括发电场控制器（高性能发电场控制器，HPPP）110，其通过发电场数据网络108与每个风力涡轮机进行数据通信。发电场控制器110被连接到用于测量电力网120上的相关参数、诸如电网频率和电压的各种传感器单元112、114。发电场控制器110还被连接至发电场电网104内的用于测量风力发电站100在操作期间的相关内部参数的各种传感器（未示出）。发电场控制器110如本领域中已知的那样用于控制风力发电站100的操作，其尤其用于通过发送相应的控制信号和消息并经由发电场数据网络108接收来自风力涡轮机的响应来控制每个单个的风力涡轮机102。
此外，根据该实施例，发电场控制器110被适配为经由传感器单元112，114检测电网频率不稳定，即电网频率高于或低于相应的最大或者最小频率极限值的情形。在过低频率情形的情况中，发电场控制器110将通过增大风力发电站100中的有效功率的产量、即通过增大风力涡轮机102中的一个或多个的功率参考（如果可能的话）来发起频率响应。一旦电网频率返回至允许的变化范围，增大的功率参考就可以再次被减小。
在过高频率情形的情况中，发电场控制器110如下那样行动：作为第一步骤，其确定风力发电站当前是否正在产生有效功率。如果情况是这样，则其通过将用于该正在产生的风力涡轮机102的选集的功率参考减小预定量来修改这些功率参考，以便减小有效功率的总产量并由此帮助电网120减小频率。所述预定量具有受限制的大小，以避免可能损坏涡轮机上的机械负载。如果需要有效功率的大的降低，可以随着时间的流逝逐步减小功率参考，并且最终是负值，从而导致风力涡轮机102例如通过作为马达旋转而消耗能量。然而，由于优选的是提供快速响应，因此也可以例如通过增大风力涡轮机102中的冷却或加热系统所消耗的功率临时增大风力涡轮机102中的内部功率消耗。风力涡轮机中的内部消耗将被视为从电网互连点的功率输出减小。
此外，为进一步增大风力发电站100的频率响应或在没有风并且因此在风力发电站地点处没有有效功率产生的情形下提供频率响应，负功率参考可被传送至仍在空转（即很缓慢地旋转）或待机的风力涡轮机102的选集。负功率参考是受限的以避免风力涡轮机102上的过多的机械负载或改变功率流的方向时的动态震动。此外，当选择将接收负功率参考的风力涡轮机102时，可以将使用寿命消耗考虑考虑进去，以使得与风力发电站100的其他风力涡轮机102相比具有高剩余预期使用寿命的风力涡轮机102首先被选择用于接收负功率参考。因此，可以确定的是，具有相对短的剩余使用寿命预期的风力涡轮机102不会或较少会暴露于与负功率参考的应用相关联的额外磨损。与负功率参考相关联的风力涡轮机操作模式可以与风力涡轮机转子的实际旋转相反或不与其相反。
以上所描述的用于响应过高频率情形的动作可在若干步骤中随着时间的流逝被执行。由此，发电场控制器110能够控制各个风力涡轮机102的频率响应以调制测量点处的聚集响应，以便按比例对频率增大做出响应，直到互连点（在风力发电站100和电网120之间）达到为本地互连需求指定的设计能量输入。
图2示出根据比较示例的正功率域中的风力发电站频率响应200，其不允许各个风力涡轮机的负功率参考。风力发电站的标称生产功率被表示为垂直功率轴上的Pp。目标电网频率被表示为水平频率轴上的fT。在该目标频率fT周围，如以平坦曲线部分230所表示的，只要电网频率停留在允许过低偏离范围232和允许过高偏离范围234之内就不采取动作。
如果过高频率情形发生，即如果频率超过范围234的最大频率，则使功率产量降低，如由针对被表示为fOL的过高极限频率之下的频率的倾斜曲线部分240所表示的。在fOL之上，应用最大功率减小242，如由平坦曲线部分244所表示的。
在一实施例中，对于在不同地理区域中的频率响应，响应曲线可能在响应曲线中具有更多或更少的步骤或者在不同频率水平或电网操作员认为对本地电网状况最优的任何其它函数处具有不同的斜率。
相似地，在过低频率情形的情况下，即如果频率低于范围232的最小频率，则增大功率产量，如由倾斜曲线部分250所表示的，直到在过低极限频率fUL达到最大功率增长252。对于小于fUL的频率，应用最大功率增长252，如由平坦曲线部分254所表示的。作为对过低频率的响应的功率稳态增长要求风力发电站包括能量存储装置或在过低频率发生之前风力发电站以降低功率模式被操作。
如从上面可以看出的，在这种情况下风力发电站在风力发电站地点处没有风并且因此在风力发电站中没有产生有效功率的情况下将不能提供对过高频率情形的响应。
图3示出根据实施例的正和负功率域中的风力发电站频率响应300。频率响应300与上面讨论的比较示例的频率响应200相似，但是在一个重要方面与其不同。也就是说，通过将负功率参考应用到风力发电站中的风力涡轮机的选集，风力发电站的总功率产量可以是负值，以使得风力发电站充当消耗来自电网的有效功率的负载。更具体地说，如由倾斜曲线部分340所表示的，在过高频率情形的情况下，“所产生”的功率跨越到频率轴的负侧。
由此，对过高频率情形的可能响应的范围与比较响应200相比明显增大并且风力发电站甚至能够在风力发电站地点处没有风的情况下提供对过高频率的响应。
利用用于具有有效功率情况下的操作的独特曲线对比用于在没有风力条件期间的操作的独特曲线，可以定义频率响应的特性。可能存在电网操作员对有关频率响应的功率输入的大小所施加的限制。与其他辅助服务相比辅助服务频率响应可以取决于风力发电站是正在产生功率或还是在没有风力条件期间正在进行响应而被不同地指定优先级。
在一实施例中，频率响应的实施可在下发命令或参考给涡轮机的子集的中央控制器处。然而，频率响应控制器的实施也可分布到各个涡轮机。最后，可以利用上面提到的两种实施方式的组合，即具有中央部分以及位于各个涡轮机控制器处的分布式部分的实施方式。
用于频率响应的触发功能的实施可以作为状态命令或作为数字参考值或者这两种类型的信号的任何组合。
应当指出的是，术语“包括”不排除其他元素或步骤并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。另外，也可以组合与不同实施例相关联地描述的元素。还应当指出的是，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种控制风力发电站的方法，所述风力发电站包括多个风力涡轮机(102)且被连接到电力网(120)，所述方法包括
检测电网频率不稳定，
选择风力涡轮机的子集，
修改用于风力涡轮机的所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考以对所述电网频率不稳定进行响应，以及
将修改的功率参考应用到风力涡轮机的所述所选子集中的相应风力涡轮机。
2.根据前述权利要求所述的方法，其中检测到的频率不稳定是过高频率情形，并且其中修改用于风力涡轮机的所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考包括减小用于风力涡轮机的所述所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考。
3.根据前述权利要求所述的方法，其中风力涡轮机的所述所选子集中的第一风力涡轮机在所述电网频率不稳定被检测到时正在产生有效功率。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中风力涡轮机的所述所选子集中的第二风力涡轮机在所述电网频率不稳定被检测到时仍在空转或待机，并且其中用于第二风力涡轮机的功率参考被减小至负值。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其中减小用于风力涡轮机的所述所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考受到保护性极限值的限制。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，还包括
选择风力涡轮机的另一子集，以及
通过修改用于风力涡轮机的所选另一子集中的每个风力涡轮机的状态信号来增大风力涡轮机的所述所选另一子集中的每个风力涡轮机中的内部功率消耗。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，其中增大风力涡轮机的所述所选另一子集中的每个风力涡轮机中的内部功率消耗包括增大风力涡轮机的所述所选另一子集中的每个风力涡轮机中的加热或冷却。
8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中检测到的频率不稳定是过低频率情形，并且其中修改用于风力涡轮机的所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考包括增大用于风力涡轮机的所述所选子集中的每个风力涡轮机的功率参考。
9.根据前述任一权利要求所述的方法，其中选择风力涡轮机的子集是基于所述风力发电站中的每个风力涡轮机的使用寿命消耗和/或负载考虑。
10.一种风力发电站控制器，其包括被适配为执行根据任一前述权利要求的方法的处理单元。
11.一种风力发电站，包括
多个风力涡轮机(102)，以及
根据前述权利要求的风力发电站控制器(110)。
12.根据前述权利要求的风力发电站，还包括用于在过低频率情形的情况下向电网提供额外有效功率的能量存储装置。
13.根据权利要求11或12所述的风力发电站，其中所述多个风力涡轮机(102)中的每个风力涡轮机(102)包括内部风力涡轮机控制器，所述内部风力涡轮机控制器被适配为执行所述控制风力发电站的方法的至少一部分。
14.一种用于风力发电站控制器的计算机程序，该计算机程序包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被适配为在被计算机处理器执行时执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法。
15.一种计算机程序产品，其包括加载有根据前述权利要求的计算机程序的计算机可读数据载体。
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