CN105917545A - 在功率调节器中具有前馈控制装置的风电场 - Google Patents
在功率调节器中具有前馈控制装置的风电场 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种风电场，该风电场具有至少两个风力发电设备并且具有场区主控器，风力发电设备借助风轮和发电机产生电功率并将其给出到聚集电网，场区主控器被构造成用于管理风力发电设备，其中，场区主控器包括功率调节器(3)，在功率调节器的输入端上施加有额定功率信号(P需求)，并且在功率调节器的输出端上输出针对这些风力发电设备的功率控制信号，其中，功率调节器(3)具有前馈控制模块(4)，该前馈控制模块将针对额定功率的参量经由乘积环节(5)接入功率调节器(3)的输出端上。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电场，该风电场具有至少两个风力发电设备并且具有场区主控器，风力发电设备借助风轮和发电机产生电功率并将其给出到聚集电网，场区主控器被构造成用于管理风力发电设备，其中，场区主控器包括功率调节器，在功率调节器的输入端上施加有额定功率信号，并且在功率调节器的输出端上输出针对风力发电设备的功率控制信号。
背景技术
由于风力发电设备和风电场的大量附加建造，它们在电网中的发电中扮演越来越重要的角色。因此，电网操作员要求风电场也主动参与电网中的调节。此外，这还涉及到提供无功功率以及用于控制已给出的有功功率的措施。然而，风电场与传统的发电厂的主要区别在于，它们给出的功率无法自由地确定，而是通常与风速和尤其是风电场的各个风力发电设备处的风况有关。
原则上，现在将待给出的功率的额定预定传输给风电场。显然，如果功率需求提高，风电场可能只会跟从到某一限度，这依赖于风况。然而，如果功率需求降低，它们总是能够通过如下方式来做出反应，即，将风电场的风力发电设备减速，因此它们不能充分地利用可获得的风力。也就是说，在这个方向上，即在向下调节针对功率的额定值的情况下，风电场原则上完全可以被用于电网调节。
这可以通过在场区主控器处施加针对要给出的功率的额定值来利用。场区主控器如下这样地驱控风力发电设备，即，如果风况允许，就产生相应的功率并给出到电网。如果不允许，则虽然未达到额定值，但风电场仍供给当前尽可能多的功率。
如果电网操作员现在要求减少功率给出，就相应地降低提供给场区主控器的额定值。为了避免在功率给出的情况下出现过冲或欠冲(Unterschwingern)，这通常不会突然地进行，而是像斜坡一样逐渐地进行。额定值的坡状降低还将如下实际情况考虑在内，相应的抑制信号必须首先传输在风电场中分布的风力发电设备(WEA)上，并且这些风力发电设备必须分别自身在定位角方面调节它们的转子叶片，以便执行所期望的功率减少。
在弱风况的情况中，经常出现的情况是，实际给出的功率小于额定值，也就是额定值相当高。这种差异在风电场中是不可避免的并且就其本身而言并不是问题。然而，在实践中，如果额定值从其相当高的值开始进行很大程度的降低，就会出现问题。由于相对低得多的实际功率给出之间的差异，使得额定值中的类斜坡式降低最初完全没有效果，这是因为额定值仍高于实际值。只有额定值已经下降到它达到实际值并进一步降低时，风电场的功率给出实际上才减少。因此，风电场延迟低对请求的功率降低做出反应。存在有不期望的停顿时间。从电网操作员的观点看，这是不利的。然而，对于电网操作员更为不利的是，停顿时间的长度不是固定的，而是最初额定值与更低的实际功率之间的差异越大，则越长。在调节方面，这种状况很难管理并且对电网的系统稳定性构成了风险。
发明内容
本发明的目标是提供避免这些缺点的改进的风电场。
该目标根据本发明通过独立权利要求的特征来实现。有利的改进方案是从属权利要求的主题。
风电场，其具有至少两个风力发电设备并且具有场区主控器的，风力发电设备借助风轮和发电机产生电功率并将其给出到聚集电网，场区主控器被构造成用于管理风力发电设备，其中，场区主控器包括功率调节器，在功率调节器的输入端上施加有额定功率信号，并且在功率调节器的输出端上输出针对风力发电设备的功率控制信号，根据本发明在该风电场的中设置的是，功率调节器具有前馈控制模块，该前馈控制模块将针对额定功率的参量经由乘积环节接入功率调节器的输出端上。
本发明的主要方面在于，前馈控制模块不以加法方式，而是以乘积方式接入功率调节器的输出端上。因此，尤其是在额定值降低的情况下可以实现显著加速的响应特性。已经看出本发明的功劳在于，传统的前馈控制装置不足以实现期望的更好的特性，而且需要另一种接入，也就是通过乘积环节实现。它不仅提供更快速的响应特性的优点，而且在风电场的运行状态方面也很稳健，也就是不论产生较多或较少功率都很稳健。通过乘以由功率调节器输出的功率信号，实现前馈控制模块自动匹配于相应的功率水平。仅利用加法运算是无法完成这一点的。因此，本发明以明显简单和简洁的方式将在更快速的响应特性方面的优点与在风电场的运行状态方面的稳定性相协调。
经由乘积环节，在某个意义上可以说前馈控制装置与功率调节器并行地协同作用。适宜地，为此设置有稳态精确环节，以便能够更好地调节到所期望的功率值。这种尤其是型式为I环节的稳态精确环节本身在现有技术中是众所周知的，但没有与以乘积方式接通的前馈控制模块相组合。
由于有了前馈控制模块和由此所导致的对额定值变化，尤其是对额定值减少的快速响应，使得在这方面给功率调节器减载。在其参数化的情况下，不再需要关注快速响应特性。本发明通过如下方式利用这一点，即，本发明优选为功率调节器设置有双参数集。根据需求来利用其中一个参数集，以便对功率调节器进行参数化。在此适宜地，将功率调节器上形成的调节差的符号设成标准，即正表示提高，而负表示降低。然后根据符号，将这两个参数集中的一个参数集用于功率调节器。参数集之间的切换可以发生在任何时刻，即动态地进行。如下配置已经被证明是特别有利的，在该配置中，表示降低的参数集比表示提高的参数集具有更短的时间常数，更确切地说是，具有短了大约一个数量级的时间常数。“大约一个数量级”被认为是大约8至14的因子，优选大约为10的因子。由此正好实现对风力发电设备的情况的特别好的匹配。风力发电设备不能增加功率给出或仅能十分缓慢地增加功率给出，而风力发电设备能够胜任快速地降低功率给出。所提出的这样的调节器配置有助于风力发电设备的这种内在特性。
为了满足电网稳定性的高要求，适宜地设置的是，前馈控制模块具有校正限制器。因此限制了前馈控制模块所引起的变化，这对稳定性具有有利的影响。同时，它允许设置相当大的放大因子，不会因此原因而出现稳定性的风险。有利的是，非对称地实施校正限制器。在此，“非对称”可以被理解为下界限与上界限相比具有不同的间距。对于本发明已被证实为有利的是，固定地选择下界限，而保持上界限可变。因此，对在一方面的快速响应特性和在另一方面操作过程中的稳定性的看来似乎相反的要求有利地得到了结合。
为了生成上界限而适宜地设置有最大值探测器。它被构造成用于从风电场的不同的风力发电设备中获知产生最大电功率并被供应给电网的那个风力发电设备。在形成校正限制器的上界限的情况下，将该最大功率(更准确地说是，所属的针对风力发电设备的标称功率标准化的功率系数(例如0.75表示75％负载的风力发电设备)作为基础，从而避免了不期望地抑制烈风中运行的进而功率强劲的风力发电设备的风险。优选地，通过添加固定的值，确保了上界限总是大于下界限。
如本文开头所描述的那样，功率调节带来的快速响应本身是值得期待的。然而，必须考虑到被调节的系统(风力发电设备)具有机械组件，这些机械组件仅是由于它们的惯性质量就已经不能任意地快速进行响应。如果要求的变化速率太高，风力发电设备就不能完全跟从。结果，就会出现偏差，该偏差被识别为功率调节器的调节偏差并且将导致在其输出端上出现另外的、附加的变化，然而在任何情况下风力发电设备都不能完全跟从这种变化。这种状态是不期望的。因此适宜的是，利用一种校正措施来平衡本身作为期望的快速响应机构的前馈控制装置，该校正措施将变化速率限制为它仍与风力发电设备相兼容的那种程度。为此，优选地设置有动态阻滞环节，该动态阻滞环节联接乘积环节的输出端(也就是位于前馈控制装置后面的信号路径中，以便还检测该动态阻滞环节的影响)。动态阻滞环节被构造成用于监控该输出端的变化速率并且在超出界限值的情况下就对功率调节器进行锁止。因此阻止在该输出端上的值的进一步增加，这可能导致风力发电设备过载。优选地，以如下方式发生这种情况，即，功率调节器在锁止的状态中保留先前的值。因此，它的状态仍存在，并且当动态阻滞环节取消锁止时，可以再次柔和地被使用。
有利的是，在动态阻滞环节中执行风力发电设备的优选简化的模型。因此，尤其是在要求的功率发生变化的情况下，更为精确地可以将它与风力发电设备的特性相协调。为此，该模型不一定必须是特别复杂的。出于更快速计算的原因，简化的模型甚至是有利的。特别适宜的是，该简化模型是双模的，在此意义下设置有针对降低功率和提高功率的不同的时间常数。通常，风力发电设备能够快速地跟从功率降低，但是由于对风轮的所需的调节，针对功率提高出现了延迟时间。因此，特别简单并且适宜的模型为功率提高设置了延迟环节，其中，一阶就足够了。因此，不需要过多花费就实现了明显更好的动态特性，尤其还是在高变化速率的情况下。
此外，本发明还涉及相应的方法。为了更为详细的解释，参考以上描述。
附图说明
下面参照附图结合有利的实施例详细地解释本发明。其中：
图1示出根据本发明的实施例的具有场区主控器和多个风力发电设备的风电场的概览图；
图2示出具有前馈控制装置的场区主控器的简图；
图3示出场区主控器的功率调节器以及前馈控制装置的方框图；
图4示出校正限制器的详细视图；
图5示出动态阻滞环节的详细视图；
图6示出初始化模块的详细视图；并且
图7示出利用本发明和不利用本发明的风电场特性的对比图。
具体实施方式
针对根据本发明的风电场的实施例在图1中示出。它包括场区主控器2和多个风力发电设备1，为了区分，这些风力发电设备进一步以符号I、II、和III标记。风力发电设备1分别具有风轮11，风轮具有受其驱动的发电机12用以产生电功率，将电功率供给到风电场的聚集电网22中并在联接点29处给出到输电网99中。
场区主控器2监控并控制风力发电设备1的运行。为此，场区主控器包括功率调节器3。施加优选由外部的上级控制器(未示出)所提供的额定值P需求和由监控联接点28上的电压和电流的功率测量模块28来确定的针对当前功率输入值P当前作为输入信号。由求差环节30获知的差作为针对调节差的信号施加给功率调节器3。由此，功率调节器3从中获知针对风力发电设备1的预定值。为此，该功率调节器包含I环节33，该I环节在所示的实施例中实施为具有求和环节34和反馈的延迟环节(1/z)35的离散积分器。
在功率调节器3的输入端上形成的调节差不直接输送给I环节，而是借助可切换的参数集6进行预处理。为此设置有符号检测器40，符号检测器检查由求差环节30形成的调节差是正的还是负的。如果符号为正，选出参数集61并且利用属于该参数集的参数来处理调节差。在所示的实施例中，仅有一个参数，确切地说是用于P环节62的参数。如果符号为负，选出参数集61’并且利用属于该参数集的参数来处理调节差，确切地说在所示的示例中，借助P环节62’进行处理。由此产生的值借助由符号检测器60驱控的合并环节63进行集合并输送给I环节33。如下这样地选择参数集的值，即，表示负符号(也就是向下变化)的参数集61’的时间常数比表示正符号的参数集61的时间常数更短，更确切地说是优选短了因子10(相当于一个数量级)。
此外，根据本发明，场区主控器2还具有前馈控制模块4。它与功率调节器3并联，并且在前馈控制模块的输入端处施加有针对功率额定值P需求的信号以及针对由场区实际给出的功率P当前的值和各个风力发电设备1的功率。由前馈控制模块4确定的输出值经由乘积环节5被接入功率调节器3的输出信号，并且由此所获得的乘积随后经由场区内部的信号网络21传送给风力发电设备1。
以下更为详细地解释前馈控制模块4及其与功率调节器3的协同租用。针对额定功率值P需求的信号作为输入信号被施加到前馈控制模块4并被施加到功率调节器3的输入端上的求差环节30。此外，由功率测量模块28所获知的实际的当前功率P当前仍然被施加到求差环节30。
前馈控制模块4包括快速的前向通道40，施加在前向通电的输入端上的针对额定功率P需求的信号经由该快速的向前通道被直接给出并被施加至乘积环节5上。因此，实现了期望的对额定值变化的快速反应，由于有了以乘积方式的接入，使得该额定功率被自动地标定以实际被给出的功率等级。因而实现了快速且稳健的响应。
为了进行细化，前馈控制模块4还具有附加的通道41和42，利用这些通道前馈控制模块对功率调节器造成影响。通道41作用到校正限制器7上并获得针对由各个风力发电设备1给出的功率PI、PII、和PIII的值。这些值由场区主控器2经由信号网络21从各个风力发电设备1进行查问。这些值被施加到最大值探测器73，该最大值探测器获知这些功率值的最高者并将它作为标准化的功率信号输出给求和环节74。此外，还将针对基值偏置的信号也施加到求和环节74。从中所形成的求和信号被施加到限制环节75，该限制环节限制到与标称功率相应的1。将如此获得的信号施加到除法环节76，该除法环节执行被同样进行标准化的针对额定功率P需求的值进行除法。由此获得的信号被输送给第二限制环节77，该第二限制环节将该信号向下地限制到1，然后施加给校正限制器7的上界限输入端72。在所示的实施例中，将固定的标准化的功率值0.5施加到下界限输入端71，然而可选地，该固定的标准化的功率值也可以由更高的值替代。
通道42作用到初始化器9上，初始化器作为前馈控制装置4的一部分被构成，在特定的状况下借助斜坡函数来初始化功率调节器3。为了识别出这些特定的状况，初始化器9具有输入级，该输入级由两个比较模块93、94构成。针对额定功率P需求和当前功率P当前的信号被施加给第一比较模块93。该第一比较模块检查所要求的额定功率是否小于当前的由风电场所给出的功率。如果是这个情况，输出逻辑信号作为放行(Freigabe)。针对当前功率P当前的信号以及通过求差环节95比较速率容差值T产生作为校正限制器7的输出信号的差信号还施加到第二比较模块94。如果当前功率较低，则同样输出放行逻辑信号；如果它不是这样，这意味着当前功率足够接近于它可以直接实现的新的额定值，并且不要求对斜坡进行初始化。如果存在两个放行信号，在施加了激活信号97的情况下将逻辑模块96接通。然后将初始化器9的输出端设定到当前所给出的功率P当前的值。因此，迫使针对额定值P需求的斜坡函数直接在当前功率P当前的值上开始，这样实现了自发的响应。
此外，预测器98可以联接初始化器9。该预测器被构造成用于在出现向上的额定值跃变的情况下为针对风力发电设备的额定功率预定生成估计值。通过如下方式可以实现更好的过渡特性，即，在发生这样的额定值跃变的情况下初始化到该估计值。预测器98是本申请人同时提交的另一个申请的主题。
为了在非常快速变化的情况下避免通过前馈控制模块4对功率调节器3造成的不利影响，设置有动态阻滞环节8。将乘积环节5所产生的信号联接到该动态阻滞环节。该动态阻滞环节借助风力发电设备1的简化的数学模型82监控信号，并且在变化太快的情况下对作用到参数集61、61’上的阻滞元件81造成影响。因此，实现了针对功率调节器3的所谓的抗饱和(Anti-Windup)。但是为了保证期望的快速响应特性，优选地如下这样地构建模型82，即，在积分器83之后作为输入级，该模型包括具有一阶延迟环节86以及限制器88的上路径84和下路径85，上和下路径在求差部件89上汇合，该求差部件转而将输出信号输出以激活阻滞元件81。因此，在功率提高时，延迟环节86负责将出现在实际的风力发电设备上的缓慢进程，如转子叶片的间距调整的进程考虑仅模型中。因此，在该情况下还实现了正确的调节器管理。
在图3中示出了前面所描述的组件的协同作用。该图示出了功率调节器5，该功率调节器具有用于在开始处求调节差的求差环节30，从该处出来信号经由可选的参数集61、61’被输送给具有求和环节34和延迟环节35的I环节33，更确切地说，包括由前馈控制模块4的通道进行驱控的初始化器9和校正限制器7在内。此外，前馈控制模块4利用它的通道41直接作用在乘积环节5上。也联接到该乘积环节上的输出端的动态阻滞环节8将该信号反馈回参数选择模块6。
图7中示出了针对风电场的功率图，该风电场具有(图7a)和不具有(图7b)根据本发明的前馈控制模块4。风情稍微弱却并不紊流，从而风力发电设备以波动的方式产生了其标称功率的大约70％。在时刻t＝0时，风电场的给出的功率通过如下方式受到限制，即，针对功率的额定值从先前无限制减少到0.5(相当于标称功率的一半)。
虚线表示由场区主控器2输出到风力发电设备1的针对功率的额定值，而实线表示场区的总共的实际给出功率。可以看出，在图7a中，传输到风力发电设备的额定值一开始比不具有本发明的情况下降的更快，如图7b所示。在考虑实际结果，亦即实际上由风电场所给出的功率(实线)的情况下，通过本发明所获得的改进是显而易见的，。不具有本发明的情况下，尽管施加给场区的额定值要求减少到0.5，但在前25秒过程中它仍然增长到0.5以上的值(参见图7b)。这种不期望的提高通过剖面线来表示。相比而言显而易见的是，利用本发明就不存在这种不期望的特性(图7a)，实际上所给出的功率几乎恒定地位于所期望的值上，并且只有在后面的时间点上才稍微偏离。
Claims (15)
1.一种风电场，所述风电场具有至少两个风力发电设备(1)并且具有场区主控器(2)，所述风力发电设备借助风轮(11)和发电机(12)产生电功率并将其给出到聚集电网(22)，所述场区主控器被构造成用于管理所述风力发电设备(1)，其中，所述场区主控器(2)包括功率调节器(3)，在所述功率调节器的输入端上施加有额定功率信号，并且在所述功率调节器的输出端上输出针对所述风力发电设备(1)的功率控制信号，
其特征在于，
所述功率调节器(3)具有前馈控制模块(4)，所述前馈控制模块将针对额定功率的参量经由乘积环节(5)接入所述功率调节器(3)的输出端上。
2.根据权利要求1所述的风电场，其特征在于，所述前馈控制模块包括稳态精确环节，特别是I环节(33)。
3.根据权利要求1或2所述的风电场，其特征在于，所述功率调节器(3)经由至少一个参数进行参数化并且具有双参数集。
4.根据权利要求3所述的风电场，其特征在于，设置有符号检测器(40)，并且所述符号检测器被构造成根据调节差的符号来选出两个参数集中的一个参数集。
5.根据权利要求4所述的风电场，其特征在于，针对相应于向下变化的符号的参数集被选出，并且与针对相应于向上变化的符号的参数集相比具有更短的时间常数，更确切地说，优选具有短了一个数量级的时间常数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的风电场，其特征在于，所述前馈控制模块(4)具有校正限制器(7)，所述校正限制器优选非对称地构造。
7.根据权利要求6所述的风电场，其特征在于，所述校正限制器(7)设有固定的下界限和可变的上界限。
8.根据权利要求7所述的风电场，其特征在于，设置有最大值探测器(73)，所述最大值探测器获知具有最大功率给出的风力发电设备(1)并且确定所述具有最大功率给出的风力发电设备的功率系数，所述功率系数施加到所述校正限制器(7)上，用以改变所述上界限。
9.根据前述权利要求中任一项所述的风电场，其特征在于，动态阻滞环节(8)联接在所述乘积环节(5)的输出端上，所述动态阻滞环节监控所述输出端的变化速率，并且在超出界限值时锁止所述功率调节器。
10.根据权利要求9所述的风电场，其特征在于，所述前馈控制模块(4)被构造成使其在锁止的状态下保留先前的值。
11.根据权利要求9或10所述的风电场，其特征在于，在所述动态阻滞环节(8)中执行所述风力发电设备的优选简化的模型(82)。
12.所述权利要求11所述的风电场，其特征在于，所述模型(82)是双模的，具有针对功率降低和功率提高的不同的时间常数。
13.根据权利要求12所述的风电场，其特征在于，针对功率提高，所述模型包括延迟环节(86)，优选是一阶的延迟环节。
14.一种用于运行风电场的方法，所述风电场具有至少两个风力发电设备(1)并且具有场区主控器(2)，所述风力发电设备借助风轮(11)和发电机(12)产生电功率并将其给出到聚集电网(22)上，所述场区主控器被构造成用于管理所述风力发电设备(1)，其中，所述场区主控器(2)包括功率调节器(3)，在所述功率调节器的输入端上施加有额定功率信号，并且在所述功率调节器的输出端上输出针对所述风力发电设备(1)的功率控制信号，
其特征在于
实行在所述功率调节器(3)上的前馈控制，其中，生成针对额定功率的参量，将所述参量与在所述功率调节器(3)的输出端上输出的信号相乘，并将乘积的结果传送给所述风力发电设备(1)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，根据权利要求2至13中任一项对所述场区主控器(2)进行改进。
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