CN106062358B - 在尾流状况期间的有功功率提升 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在尾流状况中操作风力发电厂的方法，所述风力发电厂被连接到电网，所述方法包括如下步骤：以预定功率操作模式来操作风力发电厂；终止所述预定功率操作模式；并且将风力发电厂的功率生成增加到超过风力发电厂的经优化的尾流功率水平的功率水平；并且将增加的功率量作为功率提升来注入到所述电网中。因此，本发明能够为相关联的电网生成功率提升，所述功率提升超过在尾流状况下常规可用的功率水平。本发明还涉及用于执行所述方法的系统。

Description

在尾流状况期间的有功功率提升

技术领域

本发明涉及在风力发电厂的尾流状况期间的有功功率提升。具体而言，本发明涉及超过通常在经优化的尾流方案期间能实现的功率水平的有功功率提升。

背景技术

在风力发电厂内，如果风来自特定的方向，则风力涡轮发电机会相互阻挡风。这导致损失—所谓的尾流损失—因为由于风能已经被上风处的风力涡轮发电机提取，下风处的风力涡轮发电机遇到减小的风速。

大量焦点已经关注于对整个风力发电厂的优化而不是关注于对个体风力涡轮发电机的优化。风力发电厂的发展在其他主题中间通常聚焦于如下主题：

1.对功率的控制从而为电网稳定性提供超前服务；

2.在风力涡轮发电机之间的尾流损失的减小。

领域1)起源于一种包括系统(电网)控制和稳定性的电-功率方法。例如，电网操作者看到了在由于电网中的短路、发电机断路等导致的突发功率下降的情况下具有功率储备站的优点。如果风力发电厂能够提供用于在需要时的快速功率注入的能力，发电厂的拥有者可以从销售更高质量的功率中潜在地增加收益。

通常，提供和建立初始功率储备的最为明显的方式是保留特定量的可用功率产生。例如，如果风力发电厂具有10MW的额定功率水平，则其可以被缩减至8MW，从而剩余的2MW能够作为初始功率储备来销售。如果所有者从所提供的初始功率储备中获得足够的补偿，其依然是具有吸引力的商业项目。

然而，如果在依然产生10MW的额定功率的同时可以提供初始功率储备，则这样的商业项目将更加有利。初始功率储备意图用于在有限时间段内的非常快速的功率注入，通常直到次级控制方案接管。

领域2)更聚焦于空气动力学发展以及对在涡轮机叶片相互作用时的风与风传播的理解。一种常规理论是：允许风通过一排中的第一风力涡轮发电机将导致上风处较小的功率产生，但是将导致在下风处较大的功率产生，因为更多的风对下风处的风力涡轮发电机变得可用。这通常将增加下风处的风力涡轮发电机的功率产生。所得到的组合功率产生与所有风力涡轮发电机都“贪婪”相比能够被提高。然而，存在与其理论相关联的很大的不确定性。

发明内容

鉴于以上内容，本发明的实施例的目标可以被视为是利用这样的事实：通过上风处的风力涡轮发电机所引起的风变化传播到一个或多个下风处的风力涡轮发电机需要时间。

本发明的实施例的另一目标可以被视为利用该延迟时间来进行临时功率提升。

本发明的实施例的更进一步的目标可以被视为利用该临时功率提升作为用于电网支持/稳定的初始储备。

以上提到的目标是通过在第一方面中提供一种用于操作处在尾流状况中的风力发电厂的方法来实现的，所述风力发电厂被连接至电网，所述方法包括如下步骤：

-以预定功率操作模式来操作风力发电厂，

-终止所述预定功率操作模式，并且

-将风力发电厂的功率生成增加至超过风力发电厂的经优化的尾流功率水平的功率水平，并且将所增加的功率量注入到电网中作为功率提升。

尾流状况发生在当上风处的风力涡轮发电机降低在其之后的风速并且因此在整体上降低了风力发电厂的功率产生时。

因此，作为本发明的结果的可用的功率提升超过了如果风力发电厂根据经优化的尾流功率方案操作时从所述风力发电厂可用的功率水平。

预定功率操作模式可以包括调低额定功率的(de-rated)操作模式。所述调低额定功率操作模式可以生成的功率低于风力发电厂的额定功率水平的95％、诸如低于90％、诸如低于80％、诸如低于70％、诸如低于60％、诸如低于50％。

本发明的优点在于，在调低的操作模式中，在对风力发电厂的连续操作期间所需要的缩减与现有技术的系统相比仅仅是小部分。例如，仅为1MW的功率缩减通常将允许3MW的有功功率提升。

备选地，预定功率操作模式可以包括经优化的尾流操作模式，其中，风力发电厂针对实际风向生成经优化的尾流功率水平。所述经优化的尾流操作模式可以基于根据至少一台上风处的风力涡轮发电机以及至少一台下风处的风力涡轮发电机的功率计算。然而，本发明并没有被限制到任何具体的尾流计算方法。

作为功率提升被注入到电网中的功率可以包括有功功率。

所述预定功率操作模式的终止在原则上可以通过诸如下降的电网频率的任意事件来触发。

在第二方面中，本发明涉及一种在被连接到电网的同时操作在尾流状况中的风力发电厂，所述风力发电厂包括：

-用于在预定功率操作模式下操作所述风力发电厂、并在检测到预定事件时终止所述预定功率操作模式的控制单元(means)，以及

-用于将所述风力发电厂的功率生成增加至超过所述风力发电厂的经优化的尾流功率水平的功率水平、并且将所增加的功率量作为功率提升注入到所述电网中的控制单元。

再次地，尾流状况出现在当上风处的风力涡轮发电机降低在其后面的风速并因此降低整个风力发电厂的功率产生的时候。

所述风力发电厂还可以包括用于测量电网频率的单元。

类似于第一方面，所述预定功率操作模式可以包括调低额定功率操作模式，或者包括经优化的尾流操作模式，其中，所述风力发电厂生成经优化的尾流功率水平。

附图说明

现在将参考附图进一步详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了功率注入序列的示意图，

图2示出了功率注入序列的功率水平的范例，

图3示出了针对不同风速的功率注入水平(相对于额定功率)，

图4示出了针对上风处和下风处的风力涡轮发电机的功率产生水平，以及

图5示出了在常规缩减与采用本发明时的缩减之间的比较。

尽管本发明易于进行各种修改和备选形式，具体实施例已经通过附图中的范例的方式被示出并且将在此详细地描述。然而，应当理解，本发明并非意图限于所公开的特定形式。事实上，本发明是要覆盖落在由随附的权利要求所限定的主旨和范围内的所有修改、等价物以及替代物。

具体实施方式

通常，本发明能应用在其中上风处的风力涡轮发电机可以降低针对一个或多个下风处的风力涡轮发电机的风速的状况中，即，能应用在尾流状况中。

本发明总体适用于如下两种基于尾流的情形中：

1.经优化的尾流操作模式(在实际风速下的最大输出功率)；

2.缩减的操作模式(在尾流状况下的调低的输出功率)。

本发明旨在通过关闭经优化的尾流操作模式，或者备选地通过终止缩减的操作模式，来提供初始功率储备。

根据本发明的功率注入旨在用于其中风向导致尾流损失的状况。如果没有风力涡轮发电机处在其他风力涡轮发电机的尾流中，则本发明仅仅提供微小的优点。此外，根据本发明的功率注入主要旨在用于部分负载风的情况，因为尾流优化在较低风速时最为有效。

本发明基于对在风力发电厂内的风的传播的如下理解。风力发电厂包括多个风力涡轮发电机。想象风力发电厂的所述风力涡轮发电机中的一些或所有根据给定的尾流优化方法以降低的效率来操作。然后，每台风力涡轮发电机将经历通过简单地增加局部效率来增加其功率产生。这的确是正确的，至少在短时间段内是正确的。当上风处的风力涡轮发电机增加其效率时，其背后的风速降低。然而，随着风以降低的风速传播，下一台风力涡轮发电机(下风处的风力涡轮发电机)不会立刻经历这种降低。因此，将存在短的时间段，在所述短的时间段中，来自所述风力发电厂的所生成的功率实际上将增加，并且因此形成了功率提升。然而，随着尾流传播通过风力发电厂，所生成的功率的总量将停留在低于原始功率水平的功率水平。

本发明依赖上述能力使得功率提升可用，并且使用该功率提升作为初始功率储备。为了利用所述提升用于初始储备，需要关于提升水平的知识。亦即，风力发电厂的拥有者必须能够提供对能够在电网出问题的情况下临时供应的额外功率的水平的精确估计。同样地，获知当尾流完全地传播并且再次获得稳定状态操作时可以获得的功率水平是有利的。

功率提升能力取决于单个涡轮发电机根据在提升的时间处所遇到的风的情形使局部功率最大化的能力。所述功率提升仅在从提升被使能直到尾流已经传播的时间间隔内获得。因此，假设所述提升开始于稳定的尾流状况，则尾流的相互作用对提升能力没有影响。因此，所述提升能力能够根据局部涡轮机变量单独地估计。

例如，其能够通过测量风速并且制作功率曲线的查找表来找到。备选地，所述提升估计能够通过评估基本功率公式来获得：

其中，P是功率估计，ρ是空气密度，A是由转子扫掠的面积，Cp是针对给定环境的最佳可获得的效率，并且V是风速。应当注意，也能够使用其他估计方法，例如，涉及齿距(pitch)以及转子速度相关的Cp，和/或涉及转子系统动力学的表达式。

在尾流已经传播并且稳定后所达到的功率水平的估计需要涉及尾流本身的更为详细的模型。这样的模型的简单的、容易实施的范例可以是所谓N.O.Jensen模型或者S.Fransen模型。然而，能够使用任何合适的模型。所述模型应当考虑到这样的事实：在风力涡轮发电机处的局部风速取决于上风处的涡轮发电机的功率产生。

估计的功率水平可以被用于如下方面：

范例#1：尾流优化的操作

假设风力发电厂正在根据一些(这里未指定)尾流经优化的方法进行操作。亦即，目的是使风力发电厂产生尽可能多的功率。那么，能够使用任何提升能力以提供初始储备。在这种情形中，局部提升估计被用于指示针对初始储备的可用的功率水平。拥有者能够使用该估计与TSO交易/协商针对该储备的报酬。

相反，在没有提升估计的情况下，拥有者将不能获知提升水平并且不能销售所述初始储备。

范例#2：缩减的操作模式

假设风力发电厂能够产生其所能产生的尽可能多的功率(并得到相应的报酬)，但是必须提供特定量的初始储备(例如，5MW)。这能够通过两种方式了完成：

1)：缓慢地减小功率产生，同时监视局部提升估计。调节所述功率产生直到在当前的产生与提升估计之间的差等于初始储备的所要求的水平。

2)：基于来自稳定功率水平的模型以及用于估计的局部提升水平的公式，确定了功率产生和提升水平的组合，该组合给出了初始储备的所要求的水平。这能够作为搜索算法或者作为查找表来实施。

在任一种方式中，通过使用上文提到的功率估计，拥有者能够使发电厂运行在较高的功率水平，同时仍然提供所要求的初始储备。越高的预提升相当于拥有者的越高的利润。在没有所述估计的情况下，对于拥有者将不可能获知为了利用提升能力风力发电厂应被缩减到什么水平以及所述风力发电厂必须缩减完全的初始储备水平。

现在参见图1，将详细地解释尾流优化的操作的情形。在注入前阶段①中，所有风力涡轮发电机根据尾流优化的操作来产生功率。在给定时间处，风力发电厂被要求向电网注入功率。所有风力涡轮发电机偏转其转子叶片以从风获得最多的功率捕获。结果，所有风力涡轮发电机的功率产生增加相对较快②并且在一个较短的时间内保持恒定③。功率产生中的这种增加将导致在上风处的风力涡轮发电机之后的较低的风速，并且该较低的风速将随着风传播至下风处的风力涡轮发电机。因此，不久之后，下风处的风力涡轮发电机将经历风速降低，并且即使转子叶片被偏转以提取尽可能多的功率，功率产生将下降④。在所有风速已经稳定之后，风力发电厂将递送新的稳定状态的功率产生⑤，该功率产生低于在功率注入①之前的功率产生。

在特定阶段处，发电厂拥有者将可能希望获得来自风力发电厂的全部潜力并且因此选择将风力发电厂设置回到经优化的尾流操作模式。这可以通过偏航使转子叶片脱离风以使得风通过到达下风处的风力涡轮发电机来实现。因为这从局部风力涡轮发电机来看是非最优的，由个体风力涡轮发电机生成的功率将进一步降低⑥并且导致总体功率生成的下降⑦。随着在下风处的风力涡轮发电机的风速开始增加⑧，总电厂功率回归到其初始水平，并且最终，全部的功率产生已经恢复并且风力发电厂回归至其最优的功率产生⑨。

功率注入和恢复时段两者均通过例如控制单元启动，即，启动这两者是慎重的选择。在注入时段中的功率的下降④是被通过风的传播来驱动的并且因此不受控制。类似地，在恢复时段期间的功率增加⑧不受控制。

恢复时段并不必如图1中所图示的那样剧烈。尾流优化的操作可以被周期性地恢复-或者通过在所有风力涡轮发电机上缓慢地偏转，或者通过一次改变一台风力涡轮发电机。然而，能量损失将是大致相同的，因为其需要较长的时间来恢复到最优。

注入后时段⑤的长度因此是设计参数。为了使拥有者获得最多的产生，注入后阶段应当在注入时段之后立刻进行。然而，因为功率注入被启动以补偿电网中常规的功率缺乏，所述电网将不会喜欢来自风力发电厂的突然功率下降。因此，所述恢复时段将在已经重新获得电网的稳定之后启动。

图1还指示了区域A、B和C。在区域A和C中，风力发电厂根据经优化的尾流模式来操作，而在区域B中，所有的风力涡轮发电机被允许产生最大功率。

本发明的基本原理并不限于任何具体的尾流优化方案。本发明仅仅假设个体风力涡轮发电机相比于它们各自的额定功率水平以降低的效率来操作。

如果不应用经优化的尾流操作模式，则也能够获得先前提到的优点。考虑到这种情况，风力发电厂为了缩减总体风力发电厂功率水平已经调低了第一风力涡轮发电机。如果对于电网的功率注入要求之后将第一风力涡轮发电机改变至最优功率产生，则将非常快地增加该风力涡轮发电机的功率产生，并且来自风力发电厂的功率会上升到高于常规“可用功率”的水平。随着尾流沿着风力涡轮发电机的排向下传播，来自风力发电厂的功率会将降低至对应于100％的可用功率的稳定状态水平。

在下文中，将进一步详细地解释经优化的尾流操作模式和缩减的操作模式。

范例#1：尾流优化的操作

为了示出本发明在经优化的尾流情形中的潜力，已经调查了实际风力发电厂的功率水平。所研究的风力发电厂包括五台风力涡轮发电机，五台风力涡轮发电机沿着直线以对应于四个转子直径的距离进行定位。

现在参考图2，图示了功率注入序列。如所看到的，注入序列与在图1中所描绘的具有相同的总体形状。因此，所述注入序列包括注入前水平、注入水平、注入后水平、恢复水平和“恢复正常”水平。

从在图2中能够看到，在选定环境风速处，风力发电厂能够将～500kw(注入水平)作为功率提升注入到电网中。这对应于实际功率产生的大约9％。通常，能实现在额定电厂水平的5％与10％之间的有功功率提升。

图3示出了针对不同风速(从4-20m/s)的实际风力发电厂的功率注入能力(相对于额定功率)。如所看到的，功率注入只对部分负载风可用。此外，图3示出了应当能实现的额定电厂水平的大约6％的功率注入峰值。在图3所示的模拟中，功率注入峰值是在约10m/s的风速处达到的。

图4示出了在如下四种操作模式中的风力发电厂的个体风力涡轮发电机的典型功率水平：

1.提升前功率水平(左边条形)，

2.提升的功率水平(左边第二条形)，

3.提升后功率水平(右边第二条形)，以及

4.恢复的功率水平(右边条形)。

在图4中，上风处的风力涡轮发电机的所生成的功率水平在左边被示出(左边的一组条形)，而剩下的四台下风处的风力涡轮发电机的所生成的功率水平被描绘为右边的四组列。

如在图4中所看到的，功率提升主要是由上风处的风力涡轮发电机以及紧挨着其的三台下风处的风力涡轮发电机生成的。第四下风处的风力涡轮发电机对功率提升并没有显著的贡献。

范例#2—缩减的操作模式

如先前所论述的，本发明同样也适用于并非在经优化的尾流操作模式中操作的风力发电厂。设想这样的情形，其中，风力发电厂被要求提供例如3MW的功率注入能力。应用常规的方法，所述风力发电厂因此需要在连续操作期间缩减3MW。亦即，所述风力发电厂必须在实际风所允许的情况的3MW之下操作。根据本发明，风力发电厂需较小的缩减。例如，在尾流状况中，1MW的缩减能够提供2MW的提升。在这种情况下，风力发电厂在连续操作中产生了额外的2MW，从而给拥有者带来更多利润。

图5示出了使用常规的技术(虚线)和使用本发明(实线)的缩减的水平与功率注入能力之间的关系。例如，其示出了，如果应用本发明的原理，为了提供3MW的功率注入能力，风力发电厂仅必须缩减1MW的电力。因此，通过使用本发明，拥有者能够在缩减时段期间多产生2MW的电力。使用常规的技术，功率注入能力与缩减水平之间是1:1的关系。

Claims (17)

1.一种用于在尾流状况中操作风力发电厂的方法，所述风力发电厂被连接到电网，所述方法包括如下步骤：

-以预定功率操作模式来操作所述风力发电厂，

-在检测到预定事件时终止所述预定功率操作模式，并且

-通过至少增加上风处的涡轮发电机的功率产生将所述风力发电厂的功率生成增加到超过所述风力发电厂的优化的尾流功率水平的功率水平，并且将增加的功率量作为功率提升来注入到所述电网中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定功率操作模式包括调低额定功率操作模式。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述风力发电厂在所述调低额定功率操作模式中生成的功率低于所述风力发电厂的额定功率水平的95％。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述风力发电厂在所述调低额定功率操作模式中生成的功率低于所述风力发电厂的额定功率水平的90％。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述风力发电厂在所述调低额定功率操作模式中生成的功率低于所述风力发电厂的额定功率水平的80％。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述风力发电厂在所述调低额定功率操作模式中生成的功率低于所述风力发电厂的额定功率水平的70％。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述风力发电厂在所述调低额定功率操作模式中生成的功率低于所述风力发电厂的额定功率水平的60％。

8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述风力发电厂在所述调低额定功率操作模式中生成的功率低于所述风力发电厂的额定功率水平的50％。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定功率操作模式包括优化的尾流操作模式，在所述优化的尾流操作模式中，所述风力发电厂生成所述优化的尾流功率水平。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述优化的尾流操作模式基于来自至少一台上风处的风力涡轮发电机以及至少一台下风处的风力涡轮发电机的功率计算。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，作为所述功率提升被注入到所述电网中的所述功率包括有功功率。

12.根据权利要求1-10中的任一项所述的方法，其中，所述预定功率操作模式的所述终止由下降的电网频率来触发。

13.根据权利要求1-10中的任一项所述的方法，还包括估计作为功率提升被注入到所述电网中的所述增加的功率量的大小的步骤。

14.一种在被连接到电网的同时操作在尾流状况中的风力发电厂，所述风力发电厂包括：

-用于以预定功率操作模式来操作所述风力发电厂、并在检测到预定事件时终止所述预定功率操作模式的控制单元，以及

-用于通过至少增加上风处的涡轮发电机的功率产生将所述风力发电厂的功率生成增加至超过所述风力发电厂的优化的尾流功率水平的功率水平、并且将增加的功率量作为功率提升注入到所述电网中的控制单元。

15.根据权利要求14所述的风力发电厂，还包括用于测量电网频率的单元。

16.根据权利要求14或15所述的风力发电厂，其中，所述预定功率操作模式包括调低额定功率操作模式。

17.根据权利要求14或15所述的风力发电厂，其中，所述预定功率操作模式包括优化的尾流操作模式，在所述优化的尾流操作模式中，所述风力发电厂生成所述优化的尾流功率水平。

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