CN107580660A - 用于运行风能设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行具有发电机的风能设备(WEA)的方法，所述风能设备用于将电功率馈入电力供应网络中，其中在具有第一功率输出和第一转速的第一运行状态之后控制到具有第二功率输出和第二转速的第二运行状态中，其中为了控制到所述第二运行状态中，确定可用于馈入的空气动力学的功率，从可用的所述功率确定额定转速，以及从所述额定转速预设在所述发电机上待调节的额定功率。

Description

用于运行风能设备的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行风能设备的方法。此外，本发明涉及一种风能设备。本发明还涉及一种用于观察风能设备的可用的功率的状态观察器。
背景技术
风能设备和用于运行这种风能设备的方法是已知的。风能设备将电功率馈送到电力供应网络中并且也越来越多地用于必要时在电技术方面支持电力供应网络。
这种支持的一个可行性是，在频率下降之后风能设备暂时将较高的功率馈送到电力供应网络中，所述电力供应网络也能够简称为网络，所述功率高于风能设备由于当前存在的风力在这一刻所能够产生的功率。也就是说，为此除了从风中所产生的功率外，也使用出自转子的动能的电功率。这尤其包含风能设备的空气动力学的转子以及发电机的与所述空气动力学的转子耦联的电磁转子或转动件。这尤其适合于无传动装置的风能设备，其中发电机的转动件直接与空气动力学的转子耦联，并且所述转动件也具有显著的惯性力矩。转子的这种动能影响所有这些旋转的部件。
在任何情况下动能的这种馈入导致转子的速度降低。在这种支持措施已经过去或者允许结束之后，风能设备应当回到其正常的运行状态中。简单来说，对于在所观察的时间期间内假设风速恒定而言，这表示转速必须再次提高并且为此发电机的电功率必须在一定时间期间内小于通过空气动力学的转子所产生的驱动功率，并且从而仅能够缓慢地再次提高。
但是，这种转速提高，也就是说，将设备引回到正常的运行状态中，会具有问题。首先，总是存在如下危险：风能设备在低转速的这种强制发生的运行状态中也处于在空气动力学方面不那么有效的运行状态中。相应地，所述设备在此必须小心地运行，这也适用于返回到正常的运行状态中。除此之外，电功率的降低出于再次加速的目的可能也对网络产生负面作用，所述网络在之前的干扰之后仍依赖于通过风能设备的尽可能恒定并且高的功率馈入。
德国专利商标局在关于本申请的优先权申请中检索了下述现有技术：DE 10 2009014 012 A1、DE 11 2005 000 681 T5和WO 2011/124696 A2。
发明内容
本发明由此基于下述目的，针对上述问题中的至少一个并且提出一种解决方案。尤其应当指明一种有利的途径来使风能设备在这种因通过馈入提高的功率所进行的网络支持所引起的转速降低之后尽可能有利地回到正常的运行状态中。至少应当提出一种关于迄今为止已知的解决方案的替选的解决方案。
根据本发明，提出一种根据权利要求1所述的方法。该权利要求由此涉及一种用于运行具有发电机的风能设备的方法，所述风能设备通常也简称为WEA。原则上，借助于该方法将电功率馈入到电力供应网络中。此时考虑如下情况：在具有第一功率输出和第一转速的第一运行状态之后，应当变换到具有第二功率输出和第二转速的第二运行状态中。所述方法在此尤其涉及如下情况：第一运行状态是提高的功率输出的运行状态并且应当从该第一运行状态被控制返回到正常的运行状态中。正常的运行状态在此形成该第二运行状态。在此，提高的功率输出的该运行状态是如下一种运行状态，其中风能设备与其由于当前存在的风所能够产生的功率相比暂时地输出更多的功率。也就是说，风能设备除了从风中所产生的功率外仍补充性地输出所储存的功率。这些所储存的功率从风能设备的转子和发电机的转动件的旋转的动能中提取，使得转速此时变低。
从提高的功率输出的该运行状态起，应当返回到正常的运行状态中，所述提高的功率输出的运行状态随后具体而言已经结束或者被结束。将这种正常的运行状态理解为如下运行状态，在所述运行状态中，与风能设备由于当前所存在的风力所能够从风中产生的功率相比，将同样多的功率馈入到电力网络中。在此，这原则上在向电力供应网络馈电方面涉及如下功率或功率量，所述功率或功率量是风能设备能够从风中提取的、扣除其中用于其它用途的功率的功率或功率量。这种用于其它用途的功率在使用他励同步电机时尤其也涉及提供相应的励磁电流。但是也可以考虑其它或者另外的功率输出。
在任何情况下，风能设备应当从功率输出提高从而转速降低的这种运行状态被控制返回到具有与风相匹配的功率输出并且也具有与其相匹配的转速的这种正常的运行状态中。在此，在功率提高的这种运行状态之后或者在其结束时功率通常也强烈下降。
对此提出，首先确定可用于馈入的空气动力学的功率。这种可用的空气动力学的功率由此是如下功率，所述功率首先以可从风中提取的空气动力学的功率为出发点，但是减掉在馈电之前需要用作它途的功率。这接下来简称为可用的功率。根据这种可用的功率，即作为可用的功率来确定的功率，随后确定额定转速。因此，在该支持措施之前不简单地使用最新的转速，而是根据该可用的功率来确定转速，所述最新的转速即在风能设备馈送提高的功率不久之前所存在的转速。
如果此时已确定该额定转速，那么根据所述额定转速来预设在发电机处待调节的额定功率。所述设备随后能够以该额定功率为出发点来控制所述设备。因此，在此通常能够被跟踪的该额定功率预设调节目标，所述调节目标最终引导至该正常的运行状态。
因此，此时在考虑实际情况的条件下立即执行回到正常的运行状态中的返回控制。在此，也需注意的是，可用的空气动力学的功率在相应的时刻不仅与当前存在的风力相关，而且与风能设备的当前转速相关，这根据本发明已经获悉并且已被考虑。特别可能是如下情况：因转速降低而存在更小的尖速比，所述尖速比又不是最佳的从而无法从风中提取像在尖速比最佳的情况时的时刻那样多的功率。这也被所提出的方法考虑到。
但是特别也可以考虑从第一运行状态控制到，尤其控制返回到第二运行状态中，其中所述第一运行状态出于其它原因并非具有最佳的功率输出或者最佳的转速。在此，第二运行状态与第一运行状态相比也能够具有更高的转速。随后从较高的转速控制至较低的转速。
第一转速和第二转速以及第一功率输出和第二功率输出原则上是不同的，但是能够出现下述情况：第一功率输出和第二功率输出是相同的。
根据一个实施方式提出，可用的功率根据发电机的转速和馈入到电的中间储存器，尤其直流电压中间回路中的功率来确定。由此可行的是，在可用的功率中也考虑发电机的转速并且使用来自该中间储存器的信息。
优选地，以具有所谓的全变流器设计的风能设备为基础。在此，所有通过发电机产生的功率被整流并且输入到直流电压中间回路中，所述直流电压中间回路由此形成电的中间储存器。随后从该直流电压中间回路借助于逆变器进行向电力供应网络的馈电。就此而言，馈入到直流电压中间回路或者其它中间储存器中的功率能够给出关于可用的功率的信息。在此已经认识到，通过共同地考虑发电机的转速和中间储存器中的功率能够导出关于可用的空气动力学的功率的信息。
根据一个实施方式提出，可用的功率通过状态观察器来确定。由此，也能够通过基于观察器的系统或子系统检测无法直接测量的变量。也能够通过观察器更好地检测难以测量的变量，所述难以测量的变量的测量例如是不精确的或者受噪音影响的。
优选地，状态观察器具有发电机的转速和发电机的机械扭矩作为待观察的状态变量。发电机的转速通常能够以测量技术被检测并且常常也作为测量变量存在。但是通过将其考虑作为状态观察器中的状态变量，可以改进测量质量。特别地，在此能够使在精确性和动力学的方面的测量质量匹配于关于对可用的功率的所执行的检测的需求。这尤其也通过观察器的参数化，尤其通过参数kω而是可行的，这也将在下文中阐述。
将发电机的机械扭矩考虑作为状态观察器中的状态变量尤其具有如下优点：该变量无法以测量技术进行检测或者无法容易地以测量技术进行检测而同时适合于确定可用的功率。由此，通过这种状态观察器，使发电机的转速和发电机的机械扭矩作为对于其它的确定而言直接可用的变量而存在。状态观察器能够在每个采样步骤中从而也在在线执行时确定和提供这些变量。
优选地，状态观察器通过下述结构来限定，所述结构在此如下作为以矩阵示出的系统描述来说明：
其中，
-J表示转子和发电机的共同的惯性力矩，
-ω是发电机的转速，
-kω和kT是用于影响观察器的动力学的参数，
-Tel表示电磁扭矩并且计算为馈入到一个或所述电的中间储存器中的功率PDC和所述转速ω的商，以及
-Tmech表示转子和发电机的机械扭矩，其中
所观察的变量以符号^来表示，并且待确定的可用的功率作为所观察的转速和所观察的机械扭矩的乘积来计算。
J由此表示转子和发电机的共同的惯性力矩，这就此而言意味着无传动装置的风能设备，其中空气动力学的转子直接与发电机的转动件机械耦联。最后，该惯性力矩自然也包括在此与所述转子以及发电机的转动件牢固耦联并且一起旋转的所有一切。然而，反正所有的这些元件，例如转子轮毂，也允许是转子的一部分。但是，原则上在具有传动装置的风能设备的情况下，发电机的惯性力矩的部分经由相应的传动比计算到该整个惯性力矩中。
发电机的转速ω在这种无传动装置的设计中相应地同时是与其牢固连接的转子的转速。参数kω和kT是用于影响观察器的动力学的参数并且其作用也根据所说明的公式的关系中得出。特别地，参数kω影响根据所观察的和所测量的ω之间的差对所观察的转速的跟踪。该差经由用于跟踪机械扭矩的参数kT来影响。
由此，借助于该状态观察器也可通过相对简单的结构确定这两个状态，即转速ω和机械扭矩Tmech。
电磁扭矩Tel在此作为馈入到中间储存器中的电功率和转速ω的商来计算。也就是说，适用下述等式：
转速ω是可测量的，但是在此也能够使用状态观察器的所观察的转速馈入到中间储存器中的，尤其馈入到直流电压中间回路中的功率PDC能够被检测或测量并且在全变流器或所属的或者所包含的控制装置中通常是已知的并且在该处作为变量存在。
待确定的可用的功率此时能够简单地作为这种所观察的转速和所观察的机械扭矩的乘积来计算。这例如是在相关时刻可用于馈入的空气动力学的功率。这种可用的功率随后形成输出点，从所述输出点预设额定转速并且由此预设待设定到发电机上的额定功率，如这在上文中也已经根据一些实施方式所阐述的那样。
因此，状态观察器也实时地确定可用的功率并且仅由此来确定待设定在发电机上的额定功率，该额定功率与可用的所述功率不同。
根据一个实施方式，能够根据转速-功率特征曲线来确定额定转速。由此，这种转速-功率特征曲线说明转速和功率之间的预先确定的关系并且能够用于相对于所存在的转速或者所期望的转速选择所属的功率值。在此，能够基于常规的、也在其它情况下在风能设备控制装置中使用的转速-功率特征曲线，或者能够基于专用于这种应用情况的转速-功率特征曲线。
根据另一实施方式，提出使用调节器，以便从可用的功率和发电机的实际转速确定额定功率。
优选地，为此在调节器中首先形成额定转速和实际转速之间的差。在此，将借助于状态观察器所观察的实际转速用作为实际转速。转速即发电机转速的这种差，在此也能够称为调节偏差。
根据额定转速和实际转速的该差，经由调节算法确定扭矩差，所述扭矩差确定所观察的机械扭矩和电磁扭矩之间的差。这能够在最简单的情况下经由P调节器，但是优选经由Pl调节器或者经由PID调节器进行。
将如此确定的扭矩差——这就此而言也首先是调节技术方面的内部变量——与所观察的机械扭矩相加并且该总和形成额定扭矩。
该额定扭矩随后能够被提供给风能设备的控制装置，其中事先或者也在风能设备的控制装置中根据额定扭矩通过与实际转速相乘来计算额定功率。在此，对于实际扭矩，也能够使用在状态观察器中所观察的实际扭矩，或者所测量的实际扭矩。
在风能设备中总归存在的控制装置或调节装置因此实现该额定功率，使得风能设备在如下运行点工作，所述运行点也应当即刻具有该额定功率作为实际功率或者在该也变化的额定功率处跟踪运行点。相应地，也设定新的实际转速，所述新的实际转速由该调节器如一开始所阐述的那样继续使用。
借助该实施方式，也应当再次示例性地阐述本发明的基本思想。风能设备在进行网络支持之后处于具有降低的转速的运行状态中。所输出的功率事先是过高的并且此时必须快速下降，以便实现再次加速。风能设备此时应当尽可能返回到正常的运行状态中，并且在此提出一种尤其有利的、尤其有针对性地被控制的进入该正常的运行状态中的返回。作为这种返回控制的基础，确定可用的功率，这能够尤其有利地经由状态观察器实现。以这种所确定的可用的功率为出发点，尤其经由动态过程确定待设定的额定功率并且作为预设值输送给设备控制装置。该额定功率在此通常本身也是动态的，最后所述设备应当返回至该正常的运行点并且在此改变为，使得用于所提出的该返回的输出值也改变。
尤其在此也防止：因不受控的返回或不受控的返回尝试甚至能够引起设备停止运行。这例如能够在如下时刻发生：需要这样高的功率，所述功率是风能设备在该时刻并且在其当前的运行状态无法从风中提取的功率，从而风能设备可能继续制动，这可能使情况变得更差直至所述设备在极端情况下停下来。
优选的目标也在于，功率首先完全不过强地下降，因为这可能导致网络中的又一次的干扰情况。
该方法由此尤其对于如下运行状态是有用的，在所述运行状态中，风能设备由于事先过高的功率输出已经降低其转速并且随后也降低其功率。但是，当由于其它情况，例如网络运营商的其它预设或者法律规定而使所述设备处于转速更低的运行状态中时，该方法原则上也是可以考虑的。也就是说，处在转速与当前风况相比更小的状态中可能是常见或正常的。
另一应用情况是持续运行，即风能设备的转速被调节的运行，以便分别针对当前的风速实现最佳的工作点。
根据本发明，也提出一种状态观察器，所述状态观察器能够确定可用的功率。特别地，该状态观察器如在上文中关于运行风能设备的实施方式所阐述的那样工作。根据本发明已经得知，当该可用的功率不用于或者不仅用于将风能设备控制返回到正常的运行状态中时，这种状态观察器对于确定可用的功率，即对于确定可用于馈入的空气动力学的功率也是有利的。就这一点而言，在此相应地适用在不同的上下文中关于状态观察器所做的说明。
根据本发明，也提出一种风能设备，所述风能设备能够借助于根据在上文中阐述的实施方式中的任一个实施方式所述的方法从第一运行状态被控制返回到第二运行状态，尤其控制返回到正常的运行状态，或者所述风能设备此外或者替选地具有根据在上文中所描述的实施方式中的至少任一个实施方式所述的状态观察器，以便确定可用的功率。
优选地，风能设备具有返回控制单元，在所述返回控制单元中执行并且能够实施用于返回到正常的运行状态中的方法。由此，返回控制单元能够从第一运行状态控制到第二运行状态中。这种返回控制单元优选与风能设备的运行控制单元连接或者能够形成所述运行控制单元的一部分。
此外或者替选地提出，设置观察器控制单元，所述观察器控制单元具有用于确定可用的功率的所述状态观察器，使得状态观察器在所述观察器控制单元中被执行并且在所述观察器控制单元中被实施。该状态观察器也能够是返回控制单元的一部分，或者，尤其当状态观察器应当在没有用于返回到正常的运行状态中的方法的情况下实施时，分开地构成。优选地，该观察器控制单元与风能设备的运行控制单元连接或者能够形成所述运行控制单元的一部分。
附图说明
接下来根据实施例示例性地参照附图详细阐述本发明。
图1示出风能设备的立体视图。
图2示出用于预设额定功率的结构以阐述所提出的方法。
图3在结构图中阐述转速调节器结构。
图4示出多个图表以阐述具有通过风能设备的支持的进程和效果的频率下降的过程。
图5类似于图4示出图表以阐述频率下降的进程连同通过风能设备引起的支持，其中在此不同于图4对于进行支持的功率可设定可变的额定值。
图6根据本发明的一个实施方案并且与其它实施方案相比示出功率返回正常功率从而返回正常的运行点的模拟的功率曲线。
具体实施方式
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子106在运行时通过风进入旋转运动从而驱动吊舱104中的发电机。
图2示出用于预设额定功率Psoll的框结构2，所述额定功率对于风能设备应当作为功率额定值来预设，以便基于所述功率额定值使风能设备返回到正常的运行点。该框结构2在此示意性地以概览的方式示出流程。
作为输入变量，将馈入到电的直流电压中间回路中的功率PDC和发电机的转速ω在功率观察器4的输入端6处输入到所述功率观察器中。该功率观察器4是状态观察器，所述状态观察器能够具有发电机的转速和发电机的机械扭矩作为被观察的状态变量。作为结果产生可用的功率可用的所述功率也称为可用于馈入的空气动力学的功率。这种被观察的功率的下标也表明：该功率涉及直流电压中间回路。该功率也就是如下功率，所述功率虽然与当前存在的风速和风能设备此时的运行状态相关，也就是说，与能够从风中提取多少功率相关，但是也已经考虑：这种可从风中提取的功率的一部分用作他途，尤其用于对发电机励磁或用于抵偿在发电机中进行能量转换时的损耗。由此，该可用的功率描述了如下功率，所述功率实际上也是可用的并且能够通过变流器馈入到电的供给网络中。
就此而言，该可用的功率虽然是在中间回路上可用的功率，但是与馈入到中间回路中的功率的不同之处在于，该可用的功率通过风的连续补给也连续地存在并且可能不引起风能设备的转速的改变。
此时，根据该可用的功率经由特征曲线块8来确定额定转速ωsoll，在所述特征曲线块中保存有转速-功率特征曲线。该额定转速是用于转速调节器块10中的转速调节器的输入变量，所述转速调节器块仍将在图3中阐述。
可用的功率同样是用于块10中的转速调节器的输入变量，并且转速是用于转速调节器块10中的该转速调节器的另一输入变量。在此，能够使用所测量的或者在功率观察器4中作为被评估的状态变量而存在的转速。
由此，块10中的转速调节器此时在动态过程中在其调节器输出端12处产生所述风能设备的额定功率。
图3就转速调节器块10而言示出转速调节器。相应地，在此也考虑额定转速ωsoll、实际转速ω并且间接地考虑可用的功率作为输入变量。可用的功率在图3中未示出，但是可用的机械扭矩与其相关联并且间接地形成相应的输入变量。
额定转速此时首先能够引导经过数字滤波器30，所述数字滤波器例如能够是一阶低通滤波器。由此，能够产生具有两个自由度的调节器结构，所述调节器结构允许在保持良好的额定值序列性能的同时改进调节回路相对于调节路段的建模不精确性的稳健性。对于相反的情况，即在建模精确性好但是额定值性能并非如此好的情况下存在好的稳健性，在此也将被提及。
此时在求差块32中形成转速的额定值和实际值之间的差。该差被提供到调节器块34上，所述调节器块由此经由调节算法来确定相应的差值扭矩。调节算法尤其能够具有P结构、Pl结构或者PID结构。
如此被确定的扭矩差在求和元件36处与所观察的机械扭矩相加，使得由Tsoll得到额定扭矩，所述额定扭矩能够作为输入变量和预设变量传送给风能设备的控制装置。这通过风能设备块38示出。在风能设备块38中也能够根据额定扭矩Tsoll与转速ω的乘积计算额定功率Psoll。
也就是说，相应地在风能设备块38中调节风能设备，并且风能设备本身也包含在其中并且最后提供其转速的物理变量作为输出，所述转速即发电机的反馈至求差元件32的转速ω。求差元件32自然也能够称为具有负的输入的求和元件32。
本发明的应用领域聚焦于将风能设备在频率下降时，例如在发电厂停运时用于进行网络支持。在此，功率观察器也能够用作为用于风能设备的其它不同的调节算法的基础，例如用于维持功率调节或者在风能设备的正常运行时对工作点的优化调节。
本发明尤其具有下述目的：与迄今为止相比通过功率提高将网络支持的实施设计为是更兼容的，并且尤其将在功率提高结束之后有功功率的减小保持得尽可能小。由此，将对能量系统功率平衡的再一次干扰限制到最小程度。
在图4中示意性地示出在功率提高结束之后回到最佳的工作点，图4示出典型的特性。
图4示出在时间t上的风速v、网络频率f、转速n和馈入的功率P，所述转速也能够表示为ω。在时间点t0，出现频率下降或者获悉频率下降。频率f由此下降，功率P被设置为远超过到目前为止的值并且为此使用动能，结果是，转速n缓慢地下降。以如下为出发点：风速在整个所研究的时间期间内基本上是恒定。
通过提高的功率馈入所进行的网络支持在时间点t1结束，在所述时间点，功率P随后缓慢下降，也就是说，到现在为止强烈地小于迄今为止的值从而也强烈地小于由于现有的风速而可行的程度。
在时间点t2，功率随后逐渐再次提高。转速n随后也逐渐再次提高。
在时间点t3，情况已经再次正常化并且存在正常的运行点，具有如在频率下降之前那样的馈入功率P和转速n。然而，在所述实例中，频率f已经明显更早地恢复。
由此，如在图4中所示出的那样，在所设定的功率提高期间结束之后，风能设备(WEA)的功率额定值在时间期间tinertia,lead,back内降低。在该时间期间结束时，也就是说，大约在时间点t2，功率额定值置于如下值上，所述值根据固定地预先设定的转速-功率特征曲线与当前转速相关联。然而，因为转速由于之前的功率提高的制动作用而相对于对于当前的风况而言最佳的值过低，所以该功率额定值不对应于当前通过风引起的空气动力学的功率。替代于此，功率额定值通常明显低于在触发网络支持之前所产生的有功功率水平，这也涉及参考文献[1，2]。由于有功功率强烈降低，风能设备(WEA)在几秒内再次加速到较高的转速并且返回到正常的运行特性。然而，从能量系统的角度来看，有功功率输出的这种强烈降低被评估为再一次的干扰从而需要尽可能减少，并且这也涉及参考文献[1]。
具有可变的额定值的功率提高在图5中示出。
图5的曲线和条件对应于图4的曲线和条件，并且对于阐述由此参见图4。根据图5的特性的主要区别在于，在频率在t0下降时，所馈入的功率首先完全类似地提高到初始功率，但是初始功率不维持，而是大约以恒定的差值超出与下降的转速n相关联的假设功率。该假设功率在图5中并且也在图4中分别在下部的图表中以虚线示出。
但是结果仍然是功率下降在此完全类似于关于图4所阐述的那样表现。
所公开的方法是如下方法，所述方法称为根据参考文献[3]的德国瑞能系统股份公司(Repower Systems)的“动态惯性调节”。在该方法中，控制风能设备(WEA)从具有降低的转速的工作点返回最佳的工作点，经由预设额定转速梯度或经由预设通过最小和最大梯度限定的梯度通道来进行，所述最佳的工作点也能够称为正常的工作点。这据此在返回期间内引起空气动力学的扭矩和电磁扭矩之间的恒定的差。该方法的缺点在于，在调节方法的过程中使用转速梯度。这需要相对高质量地测量转速信号，以便数值求导不会由于对于调节而言过高的噪音水平是不合适的。
在其它情况下，对转速信号的强的滤波或者类似于根据本发明的方法使用用于转速和/或其导数的状态观察器是一个解决方案。然而这在参考文献[3]中未描述。
在图6中示出用于已知的方法的模拟的功率曲线Palt和用于根据本发明所提出的方法的功率曲线Pneu的比较，所述比较在大约60s的返回期间内在风速为vw＝8.5m/s的情况下被参数化。可以看到，根据本发明所提出的方法的功率Pneu，在功率提高于t1处结束时，与根据对照方法的功率Palt相比，明显更小地下降。
由此，本发明的目的是在功率提高结束之后在进行网络支持期间减少风能设备(WEA)的功率降低和对风能设备(WEA)的返回到最佳的工作点的持续时间的可控性。
特别地，应当在网络支持-功率提高阶段结束之后通过调节方法中的额定值滤波器的可设置性来实现功率下降的深度的可控性，并且在滤波器即状态观察器适当地参数化时，相对于迄今为止已知的方法明显减少功率下降从而降低相关的能量系统中的功率平衡失调的干扰。
参照已详细阐述的实施方式和结果，但是一般而言下文中的描述也应补充用于阐述。
本发明涉及一种在网络频率显著下降时用于通过风能设备进行网络支持的方法，所述风能设备在此简称为WEA。暂时提高风能设备的所输出的有功功率的可行性在这种情况下是已知的并且在此称为支持。
有功功率提高作为对网络频率下降的反应能够在可设定的时间期间内通过相对于在支持触发的时刻的有功功率特定的、固定的提高来实现。
提高的有功功率输出的结果通常是WEA的转速相对于支持触发时刻的降低。这可直观地借助于转动的单质量系统的加速度等式来描述：
在该公式中，J表示WEA的转动质量的惯性力矩，ω表示WEA的转速，Tmech和Pmech表示在轴处通过风产生的扭矩或功率，并且Tel/Pel表示发电机的电动机械的扭矩或功率。如果在一定时间期间内提取超过所述机械功率的发电机功率，那么进行WEA的制动。
功率平衡的这种失调在支持事件期间在风速大约保持不变的情况下出现。所述效果还通过如下方式增强：WEA的空气动力学的效率在转速下降时并且在风速保持不变时相对于在支持功能开始之前的最佳的工作点能够变差。最佳的工作点在特定的尖速比中，即在叶片尖端圆周速度与风速的特定的比值中实现。尖速比在支持触发期间的降低通常导致在风速保持不变时空气动力学的功率的下降。因此，在功率提高结束之后，WEA关于转速和风速通常位于次优的工作点处，也就是说，转速与风速相比是过低的，使得不存在最佳的尖速比。因此，出现如下问题：WEA随后再次加速，以便实现更高的转速和与其相关联的更高的空气动力学的效率。为此，存在用于选择的不同选项：
-在支持-功率提高结束之后强烈地降低有功功率输出，所述降低引起WEA的快速加速从而引起快速地返回到最佳的工作点。这涉及参考文献[2]。
-在支持-功率提高结束之后小程度地降低有功功率输出，所述降低引起缓慢地加速或者在降低的程度过小时甚至引起WEA进一步制动。
从能量系统中的频率稳定性的角度来看，后一选项是有利的，这也涉及参考文献[1]。通过能量系统中的大数量的WEA引起的有功功率的强烈下降是对该能量系统的功率平衡的再一次干扰。通常，对功率平衡的这种干扰恰好是，例如通过电厂停运或者线路失效引起的干扰，所述线路对于频率下降从而对于支持功能的触发是负有责任的。由此适合的是，将功率降低限制到最小程度，使得WEA的转速不进一步下降而是能够受控地并且在较长的时间期间内再次提高到最佳的转速。
在此所描述的发明描述了一种用于在支持-功率提高结束之后以相对于在支持触发之前所放出的有功功率尽可能小的功率降低使WEA返回到最佳的运行点上的解决方案。为此提出一种方法，所述方法在图2中以图示的方式示出。
每次测量都检测如下变量：转速(ω)和直流中间回路中的功率(PDC)。由此借助于状态观察器计算关于中间回路的可用的空气动力学的功率也就是说，所述可用的空气动力学的功率对应于空气动力学的功率减去发电机损耗。为了该可用的功率，经由特征曲线计算额定转速(ωsoll)。利用所计算的可用的功率最后通过转速调节器输出功率额定值。该功率额定值由WEA的现有的功率调节软件转换为用于电激励的发电机的控制信号，所述控制信号引起WEA在可参数化的时间期间内达到额定转速。各个方法组成部分此时分开来描述：
对于功率观察器并且从等式(1)出发，能够建立WEA的下述状态空间模型，具有状态变量转速(ω)和机械扭矩(Tmech)：
在此处所使用的变量中，机械扭矩Tmech是无法测量的从而应当经由状态观察器从测量数据中计算。因为除此之外转速信号通常仅以小的分辨率并且通过低的采样率被测量，所以也针对该值提出状态观察。适当的观察器结构可如下表示，其中关于进一步的阐述参见参考文献[4]：
其中，所观察的变量相对于所测量的输入变量转速ω和电磁扭矩标记有^。这两个参数kω和kT影响观察器的动态特性，并且在时间离散的执行中也影响状态观察器的稳定性，并且必须在考虑这方面的情况下被选择。
空气动力学的功率的计算经由转速和扭矩的乘积来实现。
关于特征曲线需阐述的是，
该部件例如经由静态的特征曲线给每个所计算的可用的功率分配额定转速ωsoll。
转速调节器必须在考虑尽可能小的有功功率降低的条件下实现WEA返回到所计算的额定转速。其结构在图3中以简化的框图的形式示出。计算转速误差并且根据该转速误差经由P/PI/PID调节器C计算所观察的机械扭矩和所述电磁扭矩之间的扭矩差。将其与所观察的机械扭矩相加从而计算额定扭矩或在与当前的转速相乘后计算额定电功率。
优选地，在计算转速误差之前通过数字滤波器F，例如一阶低通滤波器对额定转速进行滤波。由此产生具有两个自由度的调节器结构，所述调节器结构在额定值跟踪性能保持良好的情况下允许调节回路相对于调节线路的建模误差的稳健性的改善或者反之亦然。WEA从降低的转速返回额至定转速的返回持续时间可经由对滤波器F的参数的选择根据所期望的要求来调节。调节回路的60s的过渡状态持续时间例如是优选的选择。
除了在恢复阶段中减少功率降低，所描述的功率观察器还允许在识别功率降低之后用于提高功率的另一选项。在此，功率能够相对于时间上可变的“正常的”、与转速相关的功率额定值被提高一个固定值。在此，借助于功率观察器为此产生如下可行性：使用所计算的空气动力学的功率并且并非像之前那样使用与转速相关的功率额定值作为用于功率提高的基准。
本发明至少根据一个实施方式具有下述目的：对于能量系统而言在频率下降之后通过支持将网络支持的实施构造得尤其兼容，并且尤其将在功率提高结束之后的有功功率的降低保持得尤其小。由此，将对能量系统功率平衡的再一次干扰限制到最小程度。
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Claims (13)

1.一种用于运行具有发电机的风能设备(WEA)的方法，所述风能设备用于将电功率馈入电力供应网络中，其中在具有第一功率输出和第一转速的第一运行状态之后控制到具有第二功率输出和第二转速的第二运行状态中，其中
为了控制到所述第二运行状态中，
-确定可用于馈入的空气动力学的功率，
-从可用的所述功率确定额定转速，以及
-从所述额定转速预设在所述发电机上待调节的额定功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述发电机的转速并且从馈入电的中间储存器中的功率确定可用的所述功率，所述电的中间储存器尤其是直流电压中间回路。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，可用的所述功率通过状态观察器确定。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于确定可用的所述功率的状态观察器或者所述状态观察器具有所述发电机的转速和所述发电机的机械扭矩作为待观察的状态变量。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于确定可用的所述功率的状态观察器或所述状态观察器通过如下结构限定：
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其中
-J表示转子和所述发电机的共同的惯性力矩，
-ω是所述发电机的转速，
-kω和kT是用于影响观察器的动力学的参数，
-Tel表示电磁扭矩并且作为馈入到一个或所述电的中间储存器中的功率PDC和所述转速ω的商来计算，以及
-Tmech表示所述转子和所述发电机的机械扭矩，其中
所观察的变量以符号^来表示，并且待确定的可用的功率作为所观察的转速和所观察的机械扭矩的乘积来计算。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在调节器中从可用的所述功率和所述发电机的所述实际转速来确定所述额定功率。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据可用的空气动力学的所述功率从转速-功率-特征曲线中确定额定转速。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在调节器或者所述调节器中
-形成所述额定转速和所述实际转速之间的差，所述实际转速尤其是所观察的实际转速，
-从所述差经由调节算法确定所观察的机械扭矩和所述电磁扭矩之间的扭矩差，
-从所述扭矩差和所观察的所述机械扭矩的总和计算额定扭矩，以及
-从所述额定扭矩通过与所述实际转速相乘计算所述额定功率。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一运行状态是功率输出提高的运行状态，在该运行状态中所述风能设备与基于当前存在的风力条件所能够产生的功率相比短时地输出更多的功率。
10.一种用于确定具有发电机的风能设备的可用的功率的状态观察器，其中所述状态观察器具有所述发电机的转速和所述发电机的机械扭矩作为待观察的状态变量。
11.根据权利要求10所述的状态观察器，其特征在于，所述状态观察器通过如下结构来限定：
<mrow> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mover> <mover> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mover> <mover> <mi>T</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>m</mi> <mi>e</mi> <mi>c</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>&amp;omega;</mi> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>J</mi> </mfrac> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>T</mi> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mover> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>^</mo> </mover> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mover> <mi>T</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mi>m</mi> <mi>e</mi> <mi>c</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>+</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>k</mi> <mi>&amp;omega;</mi> </msub> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>J</mi> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>k</mi> <mi>T</mi> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>&amp;omega;</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
其中
-J表示转子和所述发电机的共同的惯性力矩，
-ω是所述发电机的转速，
-kω和kT是用于影响观察器的动力学的参数，
-Tel表示电磁扭矩并且作为馈入到一个或所述电的中间储存器中的功率PDC和所述转速ω的商来计算，以及
-Tmech表示所述转子和所述发电机的机械扭矩，其中
所观察的变量以符号^来表示，并且待确定的可用的功率作为所观察的转速和所观察的机械扭矩的乘积来计算。
12.一种具有发电机的风能设备，所述风能设备用于将电功率馈入电力供应网络中，其中所述风能设备配置用于在具有第一功率输出和第一转速的第一运行状态之后控制到具有第二功率输出和第二转速的第二运行状态中，和/或其中所述风能设备具有根据权利要求10或11所述的状态观察器用于确定可用的功率。
13.根据权利要求12所述的风能设备，其特征在于，所述风能设备具有返回控制单元以执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法，在所述返回控制单元中执行所述方法，和/或所述风能设备具有观察器控制单元以实施状态观察器，在所述观察器控制单元中执行所述状态观察器。
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