CN105518293B - 具有频率测量的风力发电厂 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机连接至一个电网(10)、检测该电网中存在的电网频率，并且在这种情况下，一个控制器(20)基于该电网频率调节功率输出，并且尤其，在超过电网频率的极限值时切断向该电网的功率馈送，其中检测该电网频率随时间的变化，确定变化速率并且将该变化速率与变化速率极限值进行比较，并且在超过该变化速率极限值的情况下将经修改的频率值用于调节该功率输出。

Description

具有频率测量的风力发电厂
本发明涉及一种用于控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机连接至一个电网、检测电网中存在的电网频率，并且在这种情况下，一个控制器基于电网频率调节功率输出，并且尤其在超过电网频率的极限值时切断向电网的功率馈送。
在风力涡轮机情况下，在电网中的频率变化的事件中风力涡轮机的输出功率必须变化。在这种情况下，如果频率增加，则可能需要减小功率。还已知的是以节流的方式操作风力涡轮机以便能够在频率下降的实际中增加功率。在电网中的极端频率事件情况下，功率必须减小至零或者涡轮机必须与电网隔离。
例如从DE10022974A1、从EP1790850或者从WO2010/000648A2中了解到诸如这种方法。
由于电网频率的变化通常基于电网中供需平衡的扰动，所以需要所述调节。然而，存在对所述平衡没有影响但作为电网测量中显著的电网频率扰动而被感知的多个电网事件。通过举例的方式，电网中转换过程情况下的相移可能改变两个零点交叉之间的时间，其结果是电网测量根据突然的频率跃变来获取这些内容。
风力涡轮机由于对电网运营商的高要求而以功率的突然且巨大的变化来对这种事件作出反应，这还包括在极端情况下断开功率馈送。所述功率变化引起频率变化并且必须由电网运营商调节。因此，这种事件是不令人希望的。
本发明的所解决的问题是避免以上缺点、更好地检测电网频率的变化和允许风力涡轮机对电网中的事件作出更好的反应。
根据本发明的解决方案在于如下的用于控制风力涡轮机的方法和如下的风力涡轮机。
在根据本发明的用于控制风力涡轮机的方法中，该风力涡轮机连接至电网、检测该电网中存在的电网频率，并且其中，通过控制器基于该电网频率来调节功率输出，
其中，
检测该电网频率随时间的变化，确定变化速率并且将该变化速率与变化速率极限值进行比较，并且在超过该变化速率极限值时将经修改的频率值用于调节该功率输出
根据本发明的风力涡轮机具有：由风动转子驱动的、用于输出电功率的发电机，用于对由该发电机输出的功率中的至少一些功率进行转换的转换器，频率检测模块，该频率检测模块用于检测所连接的电网中存在的频率并且将所检测到的频率输出至控制器，该控制器基于所检测到的频率调节该风力涡轮机的功率输出，
其中，
该频率检测模块还包括用于确定所检测到的频率随时间的变化速率并且与变化速率极限值进行比较的增加模块，并且
包括限制模块，该限制模块被设计成用于在超过该增加模块中的该变化速率极限值时计算经修改的频率值并且将该经修改的频率值输出至该控制器。
本发明具有有利的扩展方案。
根据本发明的程序在于，在连接至一个电网、检测该电网中存在的电网频率的风力涡轮机情况下，并且在一个控制器基于该电网频率调节功率输出的情况下，并且尤其在超过一个电网频率的极限值时切断向该电网的功率馈送，检测该电网频率随时间的变化，确定变化速率并且将该变化速率与一个变化速率极限值进行比较，并且在超过该变化速率极限值时将一个经修改的频率值用于调节该功率输出。
本发明已经确定在转换过程和故障情况下对电网电压、尤其是对零点交叉的正沿的估计导致错误测量，并且因此风力涡轮机的调节由于错误测量而作出错误反应。该反应引起风力涡轮机剧烈改变其功率馈入，也就是说在频率过高情况下，剧烈减小，或者在频率过低情况下，剧烈增加(条件是已经保留了功率储备)并且因此触发频率波动或使其恶化。在极端情况下，不再将功率馈入。因此，在电网平衡中突然缺少发电。于是，所述波动必须由常规发电站的调节性干预来补偿。
在这种情况下，本发明利用了以下事实：调节不补偿其自己的错误而是修改所测量的变量。在这种情况下，检测频率随时间的变化速率并且针对变化速率将其与有技术意义的变化速率极限值进行比较。在超过了变化速率极限值的事件中，作为风力涡轮机的调节器的输入变量的、所测量的电网频率的值被限制到相对于所测量的电网频率而修改的频率值。所述经修改的频率值可以优选地是引起变化时或之前的值加上变化速率极限值乘以自引起频率变化以来的时间。如果没有超过变化速率极限值，则所测量的电网频率用于调节功率输出。
所述方法排除了如例如由相移引起的错误频率测量，并且由于避免了控制电路中的平均值形成或积分部分，同时获得了调节器的高动态特性。此外，错误测量没有被完全忽略并且接下来是功率馈入中的与常规发电站的已知反应相对应的适中变化；尤其，不再发生突然断开。
优选地，如果经修改的频率值与未经修改的频率值相比较具有更低的变化速率，则要使用该方法；因此，变化速率受到限制，并且尤其，经修改的频率值是使用增加值或增加函数来计算的。因此，经修改的频率值的偏差与之前所测量的频率值偏差较小。变化速率极限值和/或增加值在这种情况下可以被选择成使其在电网的最大频率变化速率范围内。所述频率变化速率尤其在从3到15Hz/s范围内。这种变化速率存在于常规热力发电站的电网联接同步发电机中。
可以进一步提供有待暂时受到限制的经修改的频率值的使用。这是特别有意义的，因为一旦已经过去一段具体的时间(假设是由于电网中的瞬变、突然过程)，就没有对电网频率测量的持续影响；而是，所测量的频率实际上存在并且测量结果不再是有错误的。优选地，所述时间在从20到100ms范围内，特别优选地在20-50ms范围内。尤其，可以进一步提供，一旦已经过去一段可预定义的时间，经修改的频率值就平滑地返回至所测量的极限值。术语“平滑地”在此方面被理解成是指没有突然切换至未经修改的所测量的频率值；反而，经修改的频率值例如通过斜坡函数接近未经修改的频率值。在优选的改进方案中提出，除了该电网频率以外，还测量电网中存在的电网电压的水平，并且在该电网频率变化在极限值以上的同时只要不超过预定义的电压极限值，就不修改该频率值。在此方面，电压极限值可以被理解成是指电压的水平和电压随时间的增加两者。通过将电网电压的水平与极限值进行比较，检测电压的瞬变过程并且因此将电网故障与其他过程(例如，相移)区分开。频率测量的这种附加的拟真性控制进一步提高了错误检测的可靠性。
在优选改进方案中提出，频率是根据具有正梯度并且具有负梯度的电压的零点交叉的时间间隔确定的，并且尤其，该频率能够根据所有三个相的电压特征曲线来确定。对频率测量的以上两种改进措施是迄今未知的。在风力涡轮机情况下，这些措施是特别有利的，因为由此更频繁地并且以改进的方式测量频率。
对所有三个相的测量可以同样用于拟真性检查，其结果是单相的偏差特别强的测量不被作为测量错误来考虑并且因此不被输出。还可以对频率测量加以发展，这样使得在一个相或两个相上的信号质量差的事件中，根据信号质量足够好的相计算所述相的频率。本发明还涉及一种用于执行该方法的相应的风力涡轮机。
以下参照附图基于有利的实施例通过举例方式描述了本发明。至于根据本发明的、在正文中没有更详细解释的所有细节，明确参照附图，在附图中：
图1：示出了风力涡轮机并且
图2：示出了根据本发明的转换器调节器。
参照图1简要解释了风力涡轮机的设计。风力涡轮机1的风动转子2被设置成依靠风旋转。在这种情况下，风动转子2可以通过传动器3以机械方式连接至发电机4并且设定发电机4的转子6进入旋转。发电机的定子5通过导管电缆连接至转换器7，该转换器进而同样通过塔14中的导管电缆连接至电网10、变压器8和断路器9。借助于电压测量装置21测量转换器7与电网10之间的电压或电压特征曲线。电压测量装置21的确切安排在这种情况下可以基于进一步的技术要求来选择。在图1中，电压测量装置21在变压器8的高压侧。
频率是根据在测量点21处所测量的电压特征曲线、在频率估计模块25中计算的，并且被输出至控制器20。如果电网10中的频率有变化，则风力涡轮机的输出功率变化。在这种情况下，取决于频率变化之前风力涡轮机的工作点，根据转子叶片的工作角度的调节和/或根据发电机的转矩的调节，功率可以在频率变化之后或过程中增加或降低。
一般来讲，功率变化的水平和类型是由所连接的电网的运营商参考实际频率与标称频率的偏差来确定的。
图2更详细地示出了根据本发明的调节器的设计。
通过举例的方式，电压的电压特征曲线式是使用电压测量装置21测量的，并且至少一个相的电压特征曲线被输出至频率估计模块25。在频率估计模块25内，频率是根据电压特征曲线的零点交叉的时间间隔而在频率确定模块22中确定的，并且被输出至增加模块23。增加模块23基于预定义的极限值确定从前面的频率值到目前的频率值的增加。附加地或替代地，增加模块23还可以被设计成使得该增加模块计算相对于过去的任意多个频率值的增加并且与一个或多个极限值进行比较。
如果没有要超过极限值，则增加模块23输出无限制的频率值至控制器20，该控制器任选地对应于所述控制器的内部参数化而变化的设定转矩值输出至转换器14、将新的叶片角度要求输出至叶片调整装置(未示出)或者通过打开断路器9和/或相应地致动转换器7来断开风力涡轮机1的功率馈入。
如果该增加模块要确定被超过的极限值，则该增加模块将频率值转发至限制模块24，该限制模块基于最大增加值或增加函数或前面的频率值来计算新的受限制的频率值并且将所述新的受限制的值输出至控制器20。
拟真性模块26测量时间并且如果转移(Umleitung)超过预定义的时间值或者只要电网中的电压没有同时超过电压极限值则过调制(übersteuert)频率值从增加模块23到限制模块24的转移，这样使得频率确定模块22所计算的频率值从增加模块23直接输出至控制器。

Claims (20)

1.一种用于控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机连接至电网(10)、检测该电网中存在的电网频率，并且其中，通过控制器(20)基于该电网频率来调节功率输出，
其特征在于
检测该电网频率随时间的变化，确定变化速率并且将该变化速率与变化速率极限值进行比较，并且在超过该变化速率极限值时将经修改的频率值用于调节该功率输出，其中，该经修改的频率值与未经修改的频率值相比具有更低的变化速率，其中，该经修改的频率值最多为引起变化时或之前的值加上变化速率极限值乘以自引起频率变化以来的时间。
2.如权利要求1所述的用于控制风力涡轮机的方法，其特征在于，在超过电网频率的极限值时切断向该电网的功率馈送。
3.如权利要求1所述的用于控制风力涡轮机的方法，其特征在于，该经修改的频率值是使用增加值或增加函数计算的。
4.如权利要求1所述的用于控制风力涡轮机的方法，其特征在于，该变化速率极限值被选择成使其在该电网的最大频率变化速率的范围内。
5.如权利要求4所述的用于控制风力涡轮机的方法，其特征在于，该变化速率极限值在从3到15Hz/s的范围内。
6.如权利要求3所述的用于控制风力涡轮机的方法，其特征在于，该增加值被选择成使其在该电网的最大频率变化速率的范围内。
7.如权利要求6所述的用于控制风力涡轮机的方法，其特征在于，该增加值在从3到15Hz/s的范围内。
8.如权利要求1至7中任一项所述的用于控制风力涡轮机的方法，其特征在于，在时间上限制对该经修改的频率值的使用。
9.如权利要求8所述的用于控制风力涡轮机的方法，在一段可预定义的时间已经过去之后该经修改的频率值就返回至所测量的极限值。
10.如权利要求1至7中任一项所述的用于控制风力涡轮机的方法，其特征在于，除了该电网频率以外，还测量该电网中存在的电网电压，并且在该电网频率变化的同时只要不超过电压极限值，就不修改该频率值。
11.如权利要求1至7中任一项所述的用于控制风力涡轮机的方法，其特征在于，该频率根据具有正斜率以及具有负斜率的电压的零点交叉的时间间隔来确定。
12.如权利要求1至7中任一项所述的用于控制风力涡轮机的方法，其特征在于，该频率根据所有三个相的电压特征曲线确定。
13.一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有：由风动转子(2)驱动的、用于输出电功率的发电机(4)，用于对由该发电机(4)输出的功率中的至少一些功率进行转换的转换器(7)，频率检测模块(25)，该频率检测模块用于检测所连接的电网(10)中存在的频率并且将所检测到的频率输出至控制器(20)，该控制器基于所检测到的频率调节该风力涡轮机的功率输出，
其特征在于
该频率检测模块(25)还包括用于确定所检测到的频率随时间的变化速率并且与变化速率极限值进行比较的增加模块(23)，并且
包括限制模块(24)，该限制模块被设计成用于在超过该增加模块中的该变化速率极限值时计算经修改的频率值并且将该经修改的频率值输出至该控制器(20)，其中，该经修改的频率值与未经修改的频率值相比具有更低的变化速率，其中，该经修改的频率值最多为引起变化时或之前的值加上变化速率极限值乘以自引起频率变化以来的时间。
14.如权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，预定义的增加值或预定义的增加函数存储在该限制模块(24)中，并且该经修改的频率值是使用所述增加值或增加函数计算的。
15.如权利要求13所述的风力涡轮机，其特征在于，该变化速率极限值被选择成使其在该电网的最大频率变化速率的范围内。
16.如权利要求15所述的风力涡轮机，其特征在于，该变化速率极限值在从3到15Hz/s的范围内。
17.如权利要求14所述的风力涡轮机，其特征在于，该增加值被选择成使其在该电网的最大频率变化速率的范围内。
18.如权利要求17所述的风力涡轮机，其特征在于，该增加值在从3到15Hz/s的范围内。
19.如权利要求13至18中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，该频率检测模块(25)包括拟真性模块(26)，该拟真性模块被设计成用于将该经修改的频率值的输出过调制，这样使得所检测到的频率被输出至该控制器。
20.如权利要求19所述的风力涡轮机，其特征在于，该拟真性模块(26)基于自该频率增加开始以来已经过去的时间和/或电压极限值来执行该过调制。
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