CN107820539B - 使用风力涡轮发电机的频率调节 - Google Patents

使用风力涡轮发电机的频率调节 Download PDF

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Abstract

公开了对电力网进行频率调节的方法和控制布置，所述电力网与至少一个风力涡轮发电机操作地耦合。所述方法包括操作所述风力涡轮发电机以消耗来自所述电力网的电功率。进一步公开了用于增加风力发电厂的斜坡速率能力的方法，所述风力发电厂包括多个风力涡轮发电机。所述方法包括操作所述多个风力涡轮发电机中的至少一个风力涡轮发电机以消耗电功率。

Description

使用风力涡轮发电机的频率调节
技术领域
本公开内容中所呈现的实施例总体上涉及用于操作风力涡轮机的技术以提供对可操作地连接的电力网的频率调节。
背景技术
现代发电及配电网络越来越依赖于可再生能源，例如风力涡轮发电机。在一些情况下，风力涡轮发电机可以被常规的基于化石燃料的发电机替代。不仅仅是生成和输送电功率，风力涡轮发电机还负责通过频率调节有助于电网稳定性。然而，风力条件的自然变化可能影响风力涡轮机可预测地输送功率和调节电网频率的能力。
发明内容
本文中所公开的一个实施例包括用于对与至少一个风力涡轮发电机可操作地耦合的电力网进行频率调节的方法和控制布置。所述方法和控制布置包括操作风力涡轮发电机以消耗来自电力网的电功率。
本文中所公开的另一个实施例包括增加风力发电厂的斜坡速率能力的方法，所述风力发电厂包括多个风力涡轮发电机。所述方法包括操作多个风力涡轮发电机中的至少一个以消耗电功率。
附图说明
从而，可以详细理解本公开内容的上述特征而采用的方式、对本公开内容的更具体的描述、简要总结的上述内容可以通过参考实施例而得到，这些实施例中的一些在附图中示出。然而要注意到，附图仅示出了本公开内容的典型实施例并且因此不被认为对其范围进行限制，因为本公开内容可以允许其它等效实施例。
图1示出了根据一个实施例的水平轴风力涡轮机的图解视图。
图2示出了根据一个实施例的利用电力网进行连接的风力发电厂。
图3示出了根据一个实施例的对与至少一个风力涡轮发电机可操作地耦合的电力网进行频率调节的方法。
图4示出了根据一个实施例的在弱风或无风条件期间的示例性频率调节模式。
图5示出了根据一个实施例的在正常风力条件期间的示例性频率调节模式。
图6示出了根据一个实施例的增加风力发电厂的斜坡速率能力的方法，所述风力发电厂包括多个风力涡轮发电机。
图7示出了根据一个实施例的在功率缩减期间提供增加的斜坡速率能力的风力发电厂的示例性操作。
图8示出了根据一个实施例的在弱风条件期间提供增加的斜坡速率能力的风力发电厂的示例性操作。
为了便于理解，在可能的情况下，使用了相同的附图标记以标示附图共有的相同元件。可以设想，一个实施例中所公开的元件可以有益地用于其它实施例而无具体详述。
具体实施方式
本公开内容的实施例总体上涉及操作风力涡轮发电机以消耗来自电力网的电能，或者在一些情况下增加风力涡轮发电机的辅助系统的电力消耗，以便提供对可操作地耦合的电力网的频率调节。在一些情况下，以这种方式操作风电场的一个或多个风力涡轮发电机可以进一步在功率缩减期间和/或在弱风或无风条件期间提供风电场的增加的斜变速率能力。虽然传统上在风力条件不适合于生成电功率时已经关闭了风力涡轮发电机，但根据本文中所述的技术操作风力涡轮发电机允许风力涡轮发电机在那些不适合的风力条件期间提供市场化服务，因为对于风力涡轮发电机的操作员而言频率调节能力可以缩减或以其它方式产生收益。
虽然主要在风力涡轮发电机和风力发电的背景下进行讨论，但本领域技术人员将理解本文中所述的原理和技术可以应用于不同类型的发电系统。例如，其它类型的可再生能量系统依赖于诸如日光、降雨、潮汐、波浪、地热等的自然资源来执行发电。在一些情况下并且类似于风力发电，这些自然资源的用于发电的能力可以随时间变化。可再生能量系统可以被操作用于具有增加的电力消耗来为可操作地耦合的电力网提供频率调节，例如在低功率生产或无功率生产的时间段期间作为电力消费来操作可再生能量系统。虽然诸如采用化石燃料(例如煤、石油、天然气)或核燃料的那些发电系统之类的常规发电系统一般经受与可再生能量系统相同的可变性，但常规系统还可以通过辅助系统的增加的电力消耗来提供频率调节能力。
图1示出了水平轴风力涡轮机100的图解视图。风力涡轮机100一般包括塔架102和位于塔架102的顶部处的风力涡轮机机舱104。风力涡轮机转子106可以通过延伸到机舱104以外的低速轴与机舱104连接。风力涡轮机转子106包括安装在公用轮毂110上的三个转子叶片108，但可以包括任何适合数量的叶片，例如一个、两个、四个、五个或更多个叶片。叶片108(或机翼)一般具有气动外形，所述气动外形具有迎着风的前缘112、位于叶片108的翼弦的相对端处的后缘114、尖端116以及用于以任何适合的方式附接到轮毂110的根部118。
对于一些实施例，叶片108可以使用变桨轴承120连接到轮毂110，使得每个叶片108可以围绕其纵轴旋转以调整叶片的桨距。叶片108的桨距角可以由例如连接在轮毂110与叶片108之间的线性致动器或步进电动机来控制。叶片桨距控制可以在其它系统中使用以最大化在额定风速以下生成的功率并且减少在额定风速以上生成的功率以防止对涡轮机部件(例如发电机和齿轮箱)的过度加载。尽管在风力涡轮机的背景下描述了以下实施例，但实施例并不限于此。确实，本公开内容可以应用于能够消耗电功率来支持可操作地连接的电力网的频率调节的任何发电系统。
图2示出了根据一个实施例的利用电力网进行连接的风力发电厂。风力发电厂205包括在公共耦合点(PCC)235处与电力网230可操作地连接的多个风力涡轮机100。在一些实施例中，风力发电厂205的风力涡轮机100与包括工厂级控制器225的变电站220耦合；在这种情况下，变电站220的输出端与电力网230耦合。风力涡轮机100可以被分成许多支路215A、215B，支路215A、215B与可以包括工厂级控制器225的变电站220连接。变电站220的输出端可以连接到PCC 235。在其它实施例中，一个或多个风力涡轮机可以直接连接到电力网，而非通过变电站220引导和/或分组。
电力网230代表可以在一个或多个电压下操作的输电网和/或配电网。电力网230通常包括许多输电线、变压器、变电站等。电力网230可以与诸如一个或多个附加风力发电厂之类的一个或多个发电设施240或诸如基于化石燃料、地热、太阳能、水力发电、核能等的一个或多个不同类型的发电设施连接。电力网230还与一个或多个负载245连接，一个或多个负载245通常代表工业、商业和/或住宅用电消费者。
通常，所生成的电功率的量(例如，由风力发电厂205和其它发电设施250产生的)与在电力网上由负载(例如负载245)要求的电功率的量之间的差异使得电网频率偏离其规定或标称值。标称电网频率的典型值在美国为60Hz并且在欧洲为50Hz。电网频率偏差的一个示例包括当功率需求超出所生成的功率时——能量的差异可以从风力涡轮发电机250的动能(惯性)中提取，这使得转子(例如图1的风力涡轮机转子)减速并且使得电网频率相应地降低。换句话说，电网频率由连接到电力网230的旋转机器的总体惯性管理，旋转机器被包括在风力发电厂205和/或其它发电设施240中。能量缺乏使得旋转机器旋转机器变慢。相反地，当发电超过功率需求量时，电网频率可以增加。在一些情况下，在断开或执行调节程序以将电网频率恢复到预定频率范围内之前，风力涡轮发电机可以被配置为在预定频率范围(例如标称电网频率的±1％)内进行操作。
每个风力涡轮机100包括被配置为将风力涡轮机转子106的机械能转换为一个或多个相位的电功率的风力涡轮发电机250，电功率最终被输送到电力网230并且引线245连接到电力网230。在各种实施例中，风力涡轮发电机250在以不同的发电机模式由控制器260操作时产生电功率。在一些情况下，控制器260可以以单独的“电动机”(或等同物)模式操作风力涡轮发电机250，在该模式下风力涡轮发电机250被配置为消耗来自电力网230和/或来自其它耦合的电源的电功率。在一些情况下，控制器260可以在受限的环境下以发动机模式操作风力涡轮发电机250，并且便于执行风力涡轮发电机的特定有限范围的功能。例如，发电机可以在对风力涡轮机100进行调试和校准期间使用发动机模式。在一些情况下，发电机一般不在风力涡轮发电机250的“正常”操作期间使用(即，在进行操作以生成电功率并向电力网230输送电功率时)。
风力涡轮机100包括通常用于支持风力涡轮机100的启动和操作的许多辅助系统255。辅助系统255的一些非限制性示例包括用于冷却风力涡轮电力部件(例如，电力变压器)、用于冷却风力涡轮发电机250的冷却水泵、以及用于预热风力涡轮发电机250的流体的加热系统。辅助系统255的附加非限制性示例包括气候控制系统(例如空气调节、加热、除湿等)以用于针对技术人员等维持基于计算机的设备(例如控制器260)的适合的操作条件。辅助系统255还可以包括用于风力涡轮机100的内部和/或外部照明设备。
在许多情况下，辅助系统255以经济方式进行操作，从而仅消耗最小量的电功率。然而，在本文中所公开的一些实施例中，操作辅助系统255以消耗更大量的电功率从而提供对电力网230的功率调节可能是有益的。增加的功率消耗的一些示例包括增加风扇的速度、设定相对于需要更低或更高的温度设定点、使用内部和外部照明设备等。在一个实施例中，可以通过辅助系统255的通常具有抵消或相对效应的并行操作实现增加的功率消耗。例如，并行操作风力涡轮发电机的加热和冷却系统可能普遍被认为是浪费能量，但在增加电消耗时加热系统的效应可以与冷却系统的效应抵消以提供更大的频率调节能力。
在一些实施例中，辅助系统255的并行操作可以基于其特性进行控制。例如，全力运转的加热系统相对于能够散热的全力的冷却系统更快地产生热量。如果两个系统都将全力运转，则结果将通常是增加相关联的风力涡轮发电机的温度，这可能是不期望的。尽管以其能力操作加热系统可能期望增加其电力需求并提供更大的频率调节能力，但控制器260可以限制加热系统的输出从而使其加热效应可以完全被冷却系统抵消。
控制器260包括处理器265和存储器275。处理器265可以具有任何适合的形式，例如通用微处理器、控制器、专用集成电路(ASIC)等。在一些实施例中，处理器265包括一个或多个集成电路(IC)中的部分(或所有)和/或其它电路部件。在一些实施例中，处理器265还包括电子可读的指令，例如固件代码、软件代码等。在一些实施例中，部件包括位于一起的处理器265，例如包括在公用印刷电路板中。处理器265进一步与处理器275耦合。存储器275可以包括针对其尺寸、相对性能、或其它能力选择的多种计算机可读介质：易失性和/或非易失性介质、可去除和/或不可去除介质等。存储器275可以包括寄存器、高速缓存器、随机存取存储器(RAM)、储存器等。作为存储器275的部分被包括的储存器一般可以为存储器265提供非易失性存储器，并且可以包括一个或多个不同的储存器元件，例如闪速存储器、硬盘驱动器、固态驱动器、光学储存设备和/或磁性储存设备。
处理器265可以包括确定模块270，所述确定模块270被配置为确定风力涡轮机100的操作环境的一个或多个方面，例如测量电力网230的特性(例如，电网电压、电网频率等)、测量风力涡轮机100处的风力条件等。确定模块270可以体现在硬件或固件中或体现为存储在存储器275中的软件、或其组合。此外，确定模块270可以单独地实施在风力涡轮机100的控制器260内、分布在风力发电厂205的多个风力涡轮机100的控制器上、和/或分布在(多个)控制器260与工厂级控制器225之间。确定模块270可以与一个或多个基于传感器的设备(例如，电压传感器、电流传感器、风速计等)耦合。存储器275可以包括一个或多个阈值280，处理器265针对所述一个或多个阈值280对所确定的方面进行比较。例如，阈值280可以包括形成大约标称电网频率值的范围的上电网频率和下电网频率。如果所确定的电网频率落在范围之外，那么控制器可以执行一个或多个动作，例如使用风力涡轮发电机250开始频率调节、增加所施加的频率调节量等。
通过选择性地增加风力涡轮发电机250的电功率需求(通过在不同电动机模式下操作和/或操作辅助系统255以增加其电消耗)，在电力网230上生成的电功率与消耗的电功率之间平衡可以被更好地控制以维持所需的电网频率。此外，可以甚至在弱风或无风的时间段期间(其通常不适用于发电目的)由风力涡轮发电机250执行操作。频率调节能力可以缩减或其它方式市场化以针对风力涡轮发电机的操作员产生收益。另外，风力发电厂105内的一个或多个风力涡轮发电机250作为电力消费者的操作(而非仅关闭风力涡轮发电机250)通常增加了风力发电厂105斜升和斜降功率输出的能力(也被称为“斜坡速率能力”)。
图3示出了根据一个实施例的对与至少一个风力涡轮发电机可操作地耦合的电力网进行频率调节的方法。在一些实施例中，方法可以由风力涡轮机级控制器和/或工厂级控制器中所包括的确定模块来执行。方法在方框305开始，其中，控制器(或确定模块)确定电力网的频率。在一些情况下，控制器使用由诸如电压或电流传感器之类的传感器提供的测量值。
在方框310，确定模块判断电网频率是否超出阈值。在一些情况下，阈值涉及标称电网频率左右的范围，例如50或60Hz。例如，阈值可以比标称电网频率大1％。如果电网频率不超过阈值(“否”)，方法可以返回到方框305并且继续监测电网频率。然而，如果电网频率超过阈值(“是”)，方法继续进行到可选方框315、或到方框325。
在一些实施例中，不考虑本地风力条件，控制器可以操作风力涡轮发电机和/或辅助系统以提供对电力网的频率调节。在这些实施例中，方法继续从方框310进行到325。在其它实施例中，可以在判断是否提供频率调节时考虑本地风力条件。相应地，在可选方框315，控制器确定风力涡轮发电机处的风力条件。控制器可以从一个或多个传感器(例如风速计、激光雷达(LIDAR)传感器等)接收数据以测量风力条件。在可选方框320，控制器判断对于风力涡轮发电机而言风力条件是否足以生成最小阈值功率输出。在一些实施例中，最小阈值功率输出可以反映额定功率输出的百分比。最小阈值功率输出可以由行政法规(例如本地电网代码)或者风力涡轮发电机的可能操作考虑因素(例如机械限制)规定。在一个示例中，最小阈值功率输出是额定功率输出的20％。相应地，3兆瓦(MW)额定风力涡轮发电机将具有600千瓦(kW)的最小阈值功率输出。通常，对于小于最小阈值功率输出(例如，600kW)的功率输出，控制器可以被配置为关闭风力涡轮发电机以免产生电功率。
如果风力条件足以产生最小阈值功率(“是”)，那么风力涡轮发电机可以继续产生电功率，并且方法可以结束。在这种情况下，控制器可以通过调整来自风力涡轮发电机的功率输出来提供频率调节。替代地，方法可以返回到方框315并且继续监测风力条件。然而，如果风力条件不足以生成最小阈值功率(“否”)，方法继续进行到方框325。
在方框325，控制器操作风力涡轮发电机以消耗来自电力网的电功率。在一些情况下，该操作以风力涡轮发电机处于关闭状态开始。在一些实施例中，控制器可以以与发电模式不同的“电动机模式”来操作风力涡轮发电机。控制器可以基于所需频率调节量来控制风力涡轮发电机的电消耗量。
在方框335，控制器操作风力涡轮机的辅助系统以增加其电功率消耗。在一些实施例中，增加电功率消耗包括增加风扇速度、设置更低或更高的温度设定点等。在一些实施例中，增加电功率消耗包括并行操作提供抵消或相对效应的辅助系统，例如相对于一个或多个风力涡轮机部件的温度曲线抵消的加热系统和冷却系统。在风力涡轮机部件继续在可接受的温度范围内进行操作时由此增加风力涡轮机的电功率消耗。在替代的实施例中，控制器可以操作辅助系统以甚至在风力涡轮发电机生成电功率时增加电功率消耗，从而通过减小功率输出和增大功率消耗中的一者或两者来提供对电力网的频率调节。方法300在完成方框335之后结束。
在一些实施例中，方框325、335可以并行执行或以相反的顺序执行。在一些实施例中，方框325、335可以被执行为对超过阈值的电网频率的分级响应。例如，辅助系统的电功率消耗通常可以相对于风力涡轮发电机的操作模式之间的过渡更快速地斜升和斜降。因此，在一个实施例中，方框335可以被执行为“第一分级”响应，因为辅助系统可以更响应性地受控以解决相对较小的电网频率偏移。相应地，方框325可以被执行为“第二分级”响应，以用于超过经由辅助系统可得到的频率调节能力的更严重的电网频率偏移。
在方法600的一些替代的实施例中，方框315、320可以在不执行方框305、310的情况下执行。换言之，当风力条件不适合于发电时，控制器可以操作风力涡轮发电机以将其作为电负载(方框325)或使其具有增加的电加载(例如，在方框335中由辅助系统增加的消耗)，而不考虑电网频率。以这种方式，当与风力涡轮发电机将响应于不适合的风力条件而关闭的配置相比时，将增加风力发电厂的斜变速率。
图4示出了根据一个实施例的在弱风或无风条件期间的示例性频率调节模式。图表400示出了根据一个示例性频率调节模式的风力涡轮发电机的功率输出。在一些实施例中，图表400可以代表风力涡轮发电机与风力涡轮机的辅助系统的组合功率输出。水平轴代表以赫兹(Hz)为单位的电网频率f电网。竖直轴代表以每单位(pu)为单位的有功功率P有功，无论有功功率是否被风力涡轮发电机生成或消耗。对于图表400，操作风力涡轮发电机以仅在向下方向上提供频率调节，即适当地减小电网频率。
图表400示出了遍及标称电网频率f标称左右的频率范围的风力涡轮发电机的发电或功率消耗的零值。该零值通常可以指示风力涡轮发电机针对频率范围在弱风或无风条件期间关闭。f标称的值可以随位置变化，例如在美国为60Hz以及在欧洲为50Hz等。在一些实施例中，f标称可以由任何期望的频率值替换。在f标称±f1的范围内，风力涡轮发电机不会提供对电力网的任何频率调节。频率f1通常可以代表电网频率变化的可接受量，这在一些情况下由本地电网代码规定。在一个示例中，f1是f标称的1％，使得f1的值针对f标称＝60Hz为0.6Hz，并且针对f标称＝50Hz为0.5Hz。
对于大于f标称+f1的电网频率，控制器操作风力涡轮发电机和/或辅助系统以增加功率消耗。功率消耗的量通常随着增加电网频率而增加。尽管被描绘为线性，但功率消耗与电网频率之间的关系可以采用任何适合的形式(非线性、分段、分步等)。
图表420示出了根据另一个示例性频率调节模式的风力涡轮发电机的功率输出。在一些实施例中，图表420可以代表风力涡轮发电机与风力涡轮机的辅助系统的组合功率输出。在这种情况下，风力涡轮发电机被配置为提供向上和向下频率调节两者。在f标称±f1的范围内，控制器操作风力涡轮发电机以消耗功率P1的常量。对于大于f标称+f1的电网频率，风力涡轮发电机以与针对图表400所述的类似方式提供向下频率调节。
对于小于f标称-f1的电网频率，风力涡轮发电机通过随着减小电网频率而减小其功率消耗提供了向上频率调节。继续接着减小电网频率值，风力涡轮发电机在特定频率f标称-f2下可以达到最小功率消耗值P2。在一些实施例中，最小功率消耗值P2接近于零，因为风力涡轮发电机的转子速度不会被电动机模式下的叶片的空气动力特性控制。在一些实施例中，P2可以反映辅助系统的最小功率消耗。
图5示出了根据一个实施例的在正常风力条件期间的示例性频率调节模式。图表500示出了根据一个示例性频率调节模式的风力涡轮发电机的功率输出。在一些实施例中，图表500可以代表风力涡轮发电机与风力涡轮机的辅助系统的组合功率输出。普通技术人员将认识到甚至在风力涡轮发电机生成功率时，可以增加辅助系统的功率消耗以减小风力涡轮机的净功率输出，反之亦然。
在f标称±f1的范围内，控制器操作风力涡轮发电机以生成常数量的功率P1。对于小于f标称-f1的电网频率，风力涡轮发电机通过随着减小电网频率而增大其发电来提供向上频率调节。风力涡轮发电机在特定频率f标称-f3下可以达到最大发电值P3。
对于大于f标称+f1的电网频率，控制器操作风力涡轮发电机以随着增大电网频率值而减小发电。在特定频率f6下达到风力涡轮发电机的最小发电值Pmin。在一些实施例中，Pmin可以对应于风力涡轮发电机的额定功率输出的百分比。对于超过f6的电网频率值，可以需要控制器关闭风力涡轮发电机以免发电。在一些实施例中，控制器使得关闭风力涡轮发电机进入电动机模式以提供对电网的进一步向下频率调节。例如，风力涡轮发电机可以在电网频率范围f标称+f4±f5内保留在关闭状态，从而既不发电也不消耗功率(大约等于零的功率水平P4)。然而，对于大于f标称+f4+f5的电网频率，控制器操作风力涡轮发电机以增加功率消耗以进一步增加电力网的加载并且从而减小电网频率f电网。风力涡轮发电机的功率消耗的量通常随着增加电网频率而增加。
图6示出了根据一个实施例的增加风力发电厂的斜坡速率能力的方法，所述风力发电厂包括多个风力涡轮发电机。方法600通常可以由与风力涡轮机级控制器连通的工厂级控制器执行。
方法600在可选方框605开始，其中控制器确定风力发电厂的多个风力涡轮发电机处的风力条件。控制器可以使用从传感器获取的数据，所述传感器设置在多个风力涡轮发电机(或风力涡轮发电机的分组)中的每个附近以测量风力条件。
在可选方框615，控制器确定风力发电厂输出的缩减。如本文中所使用的，缩减通常指代生成的功率量小于可以在当前风力条件下产生的功率量。功率缩减通常可以用于处理电力网中的故障或其它传输限制。
一般，在执行后续方框625、635之前，可选方框605和615中的一个或两个可以在方法600期间发生。在方框625，多个风力涡轮发电机中的一个或多个由控制器关闭。这可以响应于在方框605和/或615做出的确定，例如响应于弱风或无风条件、或响应于风力发电厂输出的缩减。
在方框635，控制器操作一个或多个关闭风力涡轮发电机中的至少一个以消耗电功率并且从而增加风力发电厂的斜坡速率能力。在一些实施例中，至特定风力涡轮机级控制器的工厂级控制器信号以分立电动机模式操作对应的风力涡轮发电机，并且还可以规定风力涡轮发电机中的每个的功率消耗。方法600在完成方框635之后结束。
图7示出了根据一个实施例的在功率缩减期间提供增加的斜坡速率能力的风力发电厂的示例性操作。在该示例中，配置705中的风力发电厂包括十个风力涡轮发电机710。每个风力涡轮发电机710具有3兆瓦(MW)的额定功率以及300千瓦每秒(kW/s)的斜坡速率能力。此外，每个风力涡轮发电机具有600kW的最小功率水平；当风力条件使得输出功率小于最小值时，风力涡轮发电机由控制器关闭。风力发电厂的总体特性30MW的额定工厂功率、3000kW/s(或3MW/s)的工厂斜坡速率能力以及6000kW/s(或6MW/s)的工厂最小功率，其中所有风力涡轮发电机在其最小功率水平下进行操作。
在时刻1，风力涡轮发电机710中的所有十个都在发电(“G”)。在时刻2，风力发电厂接收其输出缩减到4200kW。作为结果，风力发电厂控制器必须确定风力涡轮发电机710的不同配置以将工厂功率水平从6000kW的最小值减小至4200kW。在时刻3A，控制器确定配置715。控制器确定在600kW的最小功率下进行操作的七个风力涡轮发电机710满足所需的4200kW的工厂输出，并且相应地关闭三个风力涡轮发电机710(“S”，备用)。对于三个关闭风力涡轮发电机710，工厂斜坡速率能力减小至2100kW/s(7×300kW/s)，其对应于0.07pu/s(2100kW/s/30MW)。
然而，在时刻3B，控制器确定交替的配置720。假设出于以电动机模式操作风力涡轮发电机的该示例的目的，其中相关联的辅助系统的增加的电消耗总共消耗了1200kW。通过操作一个或多个风力涡轮发电机以消耗电功率，风力发电厂生成的功率不需要如配置715中一样严格地减少。
在配置720中，单个风力涡轮发电机710被转换到电动机模式(“M”)，而剩余的九个风力涡轮发电机710均在600kW的最小值下发电。相应地，工厂的总体发电为5400kW(9×600kW)，并且电消耗为1200kW(1×1200)，产生4200kW的净发电并且从而满足缩减需要。针对在电动机模式下操作的单个风力涡轮发电机，工厂斜坡速率能力仅减小到2700kW/s(9×300kW/s)，其对应于0.09pu/s(2700kW/s/30MW)。相应地，仅与用于满足功率缩减的关闭风力涡轮发电机，可以借助于以电动机模式操作一个或多个风力涡轮发电机来增加风力发电厂斜坡速率能力。
因此，图7示出了仅以电动机模式操作一个或多个风力涡轮发电机710，额外的风力涡轮发电机710可以保持操作并且从而增加风力发电厂的斜坡速率能力。此外，以电动机模式操作的那些(多个)风力涡轮发电机710可以进一步有助于风力发电厂的斜坡速率能力。例如，配置720的转换的风力涡轮发电机710(即，以电动机模式操作)提供60kW/s的额外斜坡能力。风力发电厂的总斜坡速率能力因此将增加到2760kW/s或0.092pu/s。
图8示出了根据一个实施例的在弱风条件期间提供增加的斜坡速率能力的风力发电厂的示例性操作。风力发电厂包括十个风力涡轮发电机710。在时刻1，十个风力涡轮发电机710中的七个由于当前风力条件而不能生成最小阈值量的功率。如上所讨论的，功率的最小阈值量可以由行政法规(例如本地电网代码)或者风力涡轮发电机的操作考虑因素来确定，并且在一些情况下可以被规定为风力涡轮发电机的额定功率的部分。相应地，控制器确定配置805，其中关闭了七个风力涡轮发电机710(“S”，备用)。基于三个发电的风力涡轮发电机710，工厂斜坡速率能力是900kW/s(3×300kW/s)，其对应于0.03pu/s。
然而，在时刻2，控制器确定交替的配置810，其中七个关闭风力涡轮发电机710被转换为电动机模式(“M”)。假设风力涡轮发电机710可以以电动机模式与发电模式一样地快速斜变，十个风力涡轮发电机的工厂斜坡速率能力保持在3000kW/s(10×300kW/s)，其对应于0.1pu/s(3000kW/s/30MW)。然而，即使斜坡速率在电动机模式下比在发电模式下更慢，仅与使风力涡轮发电机由于弱风条件而关闭相比，可以仅借助于以电动机模式操作一个或多个风力涡轮发电机来增加风力发电厂斜坡速率。
在上文中，参考本公开内容中所呈现的实施例。然而，本公开内容的范围不限于具体描述的实施例。相反，前述特征和元件的任何组合(无论是否与不同实施例相关)被设想为实施并实践所设想的实施例。此外，尽管本文中所公开的实施例可以实现优于其它的可能解决方案或现有技术的优点，无论由给定实施例实现的特定优点是否不限于本公开内容的的范围。因此，前述方面、特征、实施例和优点仅是说明性的并且不被认为是所附权利要求中的除(多个)权利要求明确陈述以外的元件或限制。同样地，对“本发明”的引用不应被认为是本文中所公开的发明主题的一般化并且不应被认为是所附权利要求中的除(多个)权利要求明确陈述以外的元件或限制。
如本领域技术人员将意识到的，本文中所公开的实施例可以体现为系统、方法或计算机程序产品。相应地，各方面可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、伪代码等)或组合软件和硬件方面的实施例(其通常在本文中可以称为“电路”、“模块”或“系统”)的形式。此外，各方面可以采用体现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，所述计算机可读介质可以具有体现在其上的计算机可读程序代码。
可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、或设备或以上各项的组合。计算机可读存储介质的更加具体的示例(非穷举性列表)将包括以下各项：具有一个或多个电线的电连接、便携式计算机硬盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或以上项的任何适合组合。在该文件的上下文中，计算机可读存储介质是任何有形介质，其可以包括、或存储程序以用于或结合指令执行系统、装置或设备。
计算机可读信号介质可以包括具有体现于其中的计算机可读程序代码的传播数据信号例如在基带中或作为载波的部分。这样的传播的信号可以采用各种形式中任一种，包括但不限于电磁、光或其任何适合的组合。计算机可读信号介质可以是任何计算机可读介质，其不是计算机可读存储介质并且可以传送、传播、或传输程序以用于或结合指令执行系统、装置或设备。
体现在计算机可读介质上的程序代码可以使用任何适当的介质来发送，包括但不限于无线、有线、光纤、RF等、或之前各项的任何适合的组合。
用于执行本公开内容的各方面的操作的计算机程序代码可以用一个或多个编程语言的任何组合来书写，包括诸如Java、Smalltalk、C++等的面向对象编程语言以及诸如“C”编程语言或类似编程语言之类的常规程序编程语言。程序代码可以完全在用户的计算机上执行、部分在用户的计算机上执行、作为独立式软件封装执行、部分在用户的计算机上执行以及部分在远程计算机上执行或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情形中，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN)、或与外部计算机的连接(例如通过使用因特网服务供应商的因特网))连接到用户的计算机。
参考根据本公开内容中所呈现的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图在上文描述了本公开内容的各方面。将理解流程图和/或方框图中的每个方框和流程图和/或方框图中的方框的组合可以由计算机程序指令实施。这些计算机程序指令可以供应到通用计算机的处理器、专用计算机、或其它可编程数据处理装置以产生机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的指令，创建用于在流程图和/或方框图的一个或多个方框中规定的功能/动作的模块。
这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，计算机可读介质可以引导计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备以用特定方式起作用，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括执行的人工制品，其实施在流程图和/或方框图的一个或多个方框中规定的功能/动作。
计算机程序指令还可以加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上以使得一系列操作步骤在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行以产生计算机实施的过程，使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供用于实施在流程图和/或方框图的一个或多个方框中规定的功能/动作的过程。
附图中的流程和方框图示出了根据各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可行实施方式的架构、功能和操作。在这个方面，流程或方框图中的每个方框可以代表模块、区段、或代码部分，其包括用于实施所规定的(多个)逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当注意的是，在一些替代的实施方式中，方框中所提到的功能可以不按图中提到的顺序出现。例如，连续示出的两个方框事实上可以大体上并行执行或者方框有时可以以反向顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，方框图和/或流程图中的每个方框和方框图和/或流程图中的方框的组合可以由专用基于硬件的系统实施，其执行特定功能或动作或专用硬件和计算机指令的组合。
从以上内容来看，本公开内容的范围由所附权利要求确定。

Claims (8)

1.一种对电力网进行频率调节的方法，所述电力网与至少一个风力涡轮发电机操作地耦合，所述方法包括：
操作所述风力涡轮发电机以消耗来自所述电力网的电功率；其中，操作所述风力涡轮发电机以消耗电功率包括：
如果电网频率高于标称电网频率之上的阈值频率，随着电网频率增大而增加功率消耗，以提供向下频率调节；以及
如果电网频率低于所述标称电网频率之下的阈值频率，随着电网频率减小而降低功率消耗，以提供向上频率调节；
其中，所述风力涡轮发电机包括在具有至少一个辅助系统的风力涡轮机中，所述方法进一步包括：
操作所述辅助系统以增加其电功率消耗；
其中，操作所述风力涡轮发电机以消耗电功率还包括以下步骤中的一个或多个步骤：
通过选择性地增加所述风力涡轮发电机的电功率需求，控制在所述电力网上生成的电功率与电功率消耗之间的平衡，以维持所需的电网频率；
通过所述辅助系统的具有抵消或相对效应的并行操作来增加电功率消耗；以及
通过减小所述风力涡轮发电机的功率输出和增大所述辅助系统的功率消耗中的一者或两者，提供对所述电力网的频率调节。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，操作所述风力涡轮发电机以消耗电功率包括：以电动机模式操作所述风力涡轮发电机。
3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
确定所述电力网的电网频率，
其中，响应于确定所述电网频率超过阈值来执行：操作所述风力涡轮发电机以消耗电功率。
4.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
确定所述风力涡轮发电机处的风力条件，
其中，当所述风力条件不足以使所述风力涡轮发电机生成最小阈值功率输出时，执行：操作所述风力涡轮发电机以消耗电功率。
5.一种用于提供对电力网的频率调节的控制布置，所述电力网与一个或多个风力涡轮发电机操作地耦合，所述控制布置包括：
计算机处理器，其与所述风力涡轮发电机中的至少第一风力涡轮发电机耦合，并且被配置为操作所述第一风力涡轮发电机以消耗来自所述电力网的电功率；
其中，所述控制布置被配置为操作所述第一风力涡轮发电机以执行以下操作：
如果电网频率高于标称电网频率之上的阈值频率，随着电网频率增大而增加其功率消耗，以提供向下频率调节；以及
如果电网频率低于所述标称电网频率之下的阈值频率，随着电网频率减小而降低其功率消耗，以提供向上频率调节；
其中，所述第一风力涡轮发电机包括在具有至少一个辅助系统的风力涡轮机中，其中，所述计算机处理器进一步被配置为操作所述辅助系统以增加其电功率消耗；
其中，所述计算机处理器进一步被配置为通过以下操作中的一个或多个操作来操作所述第一风力涡轮发电机以消耗电功率：
通过选择性地增加所述第一风力涡轮发电机的电功率需求，控制在所述电力网上生成的电功率与电功率消耗之间的平衡，以维持所需的电网频率；
通过所述辅助系统的具有抵消或相对效应的并行操作来增加电功率消耗；以及
通过减小所述第一风力涡轮发电机的功率输出和增大所述辅助系统的功率消耗中的一者或两者，提供对所述电力网的频率调节。
6.根据权利要求5所述的控制布置，其中，操作所述第一风力涡轮发电机以消耗电功率包括：所述计算机处理器向所述第一风力涡轮发电机发送信号以使所述第一风力涡轮发电机在电动机模式下进行操作。
7.根据权利要求5或6所述的控制布置，进一步包括：
确定模块，其与所述计算机处理器耦合并且被配置为确定所述电力网的电网频率，
其中，所述计算机处理器被配置为：响应于确定所述电网频率超过阈值来操作所述第一风力涡轮发电机以消耗电功率。
8.根据权利要求5或6所述的控制布置，进一步包括：
确定模块，其与所述计算机处理器耦合并且被配置为确定所述第一风力涡轮发电机处的风力条件，
其中，所述计算机处理器被配置为：当所述风力条件不足以使所述第一风力涡轮发电机生成最小阈值功率输出时，操作所述第一风力涡轮发电机以消耗电功率。
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