CN107949968A - 用于馈入电功率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于通过至少一个风能设施将电功率馈入到供电电网中的方法，其中控制馈入，使得馈入的功率的变化受到限制，预设至少一个边界梯度作为限制，确定最大变化的量值，并且根据供电网的特性和/或瞬时状态设定至少一个边界梯度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于通过至少一个风能设施将电功率馈入到供电电网中的方法。本发明还涉及一种用于将电功率馈入到供电电网中的风能设施。此外，本发明涉及一种具有用于馈入到供电电网中的多个风能设施的风电场。
背景技术
风能设施是普遍已知的并且其将电功率馈入到仅一个供电电网中。这也包括配电网。除了单纯馈入电功率之外，在此期间也变得常见并且部分地由电网运营商要求的是：风能设施也对电网支持做出贡献。
例如从美国专利(6,891,281)中已知：根据电网频率、即在电网中当前存在的且测量到的频率必要时进行适配调整，尤其降低由风能设施馈入的功率。
尤其，该措施是风能设施对电网中的变化做出反应，并且对频率变化做出的反应还是在假设大型发电厂主导电网的情况下进行的控制或调节，其中所述大型发电厂使用至少一个直接与电网耦合的同步发电机。尤其，电网中的功率平衡和电网频率之间的关联性基于大型发电厂的该主导作用，其中所述上述文献也以该关联性为基础。
但是，因为这种大型发电厂的主导作用在未来下降或者至少会下降，或者在特定地区下降，所以其它关联性能够起作用。尤其，当基本稳定性由于如上所述的常规的发电厂而不再存在或者至少不希望依赖于此时，产生新的问题。
于是，特别的挑战能够在于：当这种大型发电厂不存在或少量存在时，持久地提供稳定的电网。尤其，通过分散的能量发生器、如风能设施提供、实现或运行这种稳定电网会是成问题的或者至少是挑战。在这种情况下，一个问题能够是：除了与大型发电厂已知的物理上不同的特性之外，还可能包括显著更多的单元并且可能产生、引起或至少影响稳定性，或同样可能也产生、引起或至少影响不稳定性。
德国专利商标局在本申请的在先申请中检索到如下现有技术：DE 102013 207264 A1；US 6,891,281 B2,US 8,981,755 B2；Esmaili,A；Nasiri,A.:Power smoothingand power ramp control for wind energy using energy storage.In 2011 IEEEEnergy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Phoenix,2011年09.17-22.和TenneT TSO GmbH:Netzanschlussregeln Hoch und 2012年12月1日版。
发明内容
因此，本发明所基于的目的是：解决上述问题中的至少一个。尤其，应提出一种用于稳定供电电网的解决方案。至少应相对于已知的解决方案提出一种替选的解决方案。
根据本发明，提出根据权利要求1的方法。因此，本发明涉及一种用于通过至少一个风能设施将电功率馈入到供电电网中的方法。在此，控制所述馈入，使得所馈入的功率的变化受到限制。因此，所馈入的功率的例如能够由于风速变化而产生的变化不应在任何情况下都直接转发给电网，而是将其限制。预设至少一个边界梯度(Grenzgradient)作为限制，所述边界梯度确定最大变化的量值。因此，所提出的限制涉及功率变化的速度。因此，如果从风中可用的功率突然上升或者其突然下降，但是所馈入的功率不应突然地上升或下降，而是最多以预设的边界梯度变化。直观地说，预设用于功率变化的边沿斜率。
现在，对于边界梯度提出：其与供电网的特性相关，或者其与供电网的瞬时状态相关。所述边界梯度也能够同时与这两者相关。
这尤其基于如下思想：所馈入功率的功率变化对于电网产生的作用能够与如下相关：电网具有何种特性，尤其是该特性有多强。此外或替选地，功率变化对于电网的这种影响能够与供电网的瞬时状态相关，即例如与电网当前是否具有均衡的功率平衡或者当前是否以精确处于额定频率中的频率运行或者该频率是否与该额定频率刚好或多或少地有所偏差。
因此，边界梯度根据供电网的特性和/或根据其瞬时的状态设定。换言之，馈入功率的最大变化的已经直观提出的边沿斜率匹配于电网和/或其瞬时状态。
边界梯度例如能够说明每时间单位的百分比变化。仅列举两个实例，百分比值能够涉及相关的风能设施的额定功率或相关的风电场的额定功率。列举另一实例，也能够考虑相关的电网馈入点的电网连接功率作为参考变量。
优选地，为了提高馈入的功率能够设有与用于降低馈入的功率不同的边界梯度。在该情况下，不仅预设一个边界梯度，而是预设两个边界梯度。所述边界梯度能够以不同的方式和方法预设或者简单地以不同的值预设。
优选地，至少一个边界梯度根据供电网的电网灵敏度来设定。以该方式和方法，也能够设有两个边界梯度，其中关联性能够在定量上是不同的，但是也能够是相同的。
在任何情况下，电网灵敏度定义为电网电压变化与馈入的有功功率的变化之比。这涉及电网馈入点。通过例如分别以百分比变化为基础，这两种变化能够是无单位的。因此考虑：馈入的有功功率的变化对于电网电压的变化具有何种影响。电网电压的变化相对于馈入的有功功率的相同变化越强，电网灵敏度就越大。于是，该电网对于功率变化也更灵敏或更敏感。
以这种电网灵敏度为基础，其中然而不必执行电网灵敏的检测，使得有意地预设百分比功率变化，并且观察电网的反应。电网灵敏度例如能够在线地通过同时观察馈入功率的变化和电网电压的变化来检测。
这种电网灵敏度可视作为电网特性。但是这不排除：也能够改变电网的该特性。电网灵敏度能够与相关的电网的物理扩展相关，但是尤其也与电网的大小和所连接的消耗器和发生器相关。如果例如将大的消耗器，如工业设施与电网分离，那么通常产生更高的电网敏感度。
优选地，边界梯度，即根据其量值，设定得越小，电网灵敏度就越大。因此，如果电网灵敏度大进而电网是灵敏的，那么设有小的边界梯度，进而为功率变化设有扁平的、即不太陡的边沿作为边界。馈入的功率于是因此仅还能够仅极其慢地变化。而如果电网灵敏度小，那么功率变化也能够更强地、即更快地执行，这通过如下方式获得许可：将至少一个边界梯度设定得更高。
根据一个实施方式提出：为了限制馈入的功率的上升而预设第一边界梯度，并且为了限制馈入的功率的下降，预设第二边界梯度，所述第一和第二边界梯度不同。由此，能够考虑功率提高对于电网的作用一方和功率降低对于电网的作用另一方的不同的关联性。优选地，第一边界梯度选择为大于第二边界梯度。这也能够表示：使用如下设定规定，其在第一边界梯度和第二边界梯度之间进行区分，尤其在定量上进行区分，使得得出不同大的边界梯度。
用于功率上升的较大的边界梯度的预设基于：与功率下降相比，功率提高对于电网稳定性的重要性底。
根据一个实施方式提出：为了限制馈入的功率的下降，使用出自电的中间存储器中的电功率。首先要注意的是：风能设施通常馈入如其根据当前的风况能够从风中获取的那样多的功率。如果现在风力下降，那么原则上也能够存在更少的要馈入的功率。功率下降的限制于是能够表示：与实际存在相比应至少短暂地馈入更多的功率。为了在该情况下尽管能够执行这种边界梯度，即将功率下降限制于特定的梯度，需要附加的功率。对此，提出中间存储器。尤其对于短期的过程而言的一种可行性在于，当风能设施根据全功率变换器设计来工作时，使用直流电压中间回路。但是，这种直流电压中间回路仅能够在极其短的时间段内提供电功率。一方面，在其中存储少量功率，并且另一方面从直流电压中间回路提取电功率引起中间回路电压的电压下降，所述电压下降会不利地影响馈入。
此外或替选地，能够使用风能设施的动能，尤其是出自发电机的旋转的气动转子和/或旋转的转动件中的动能。在此需要注意的是：这种动能仅在短的时间段内才足以延缓功率的下降。但是根据情况，所存储的动能会是足够的。此外需要注意的是：可能存在如下危险：降低转速在此能够引起不利的运行状态。在极端情况下，甚至能够危害设施的继续运行，这会引起附加的问题。
优选地，设有附加的、尤其外部的中间存储器，尤其电的中间存储器。所述中间存储器例如能够构成为电池组，所述电池组设置用于这种功率缓存并且也能够针对该目的设计尺寸。
根据一个设计方案提出：风能设施配置成用于：从供电网中接收电功率。所述电功率例如能够存储在电的中间存储器中，尤其存储在之前描述的中间存储器中。此外或替选地，这种从电网中提取的功率也能够经由相应的电阻组消耗，即转换成热量并且输出。
现在，对于从供电网中要吸收的所述电功率提出：其变化经由至少一个边界梯度或所述至少一个边界梯度限制。因此，在此也提出：也仅沿着相应的变化边沿提高或降低该提取的电功率。尤其当开始这种提取过程时，应缓慢地升高要提取的功率。即使结束该功率提取，所提取的功率也应再次缓慢的退回，即降回。这能够通过边界梯度限制或也能够具体地预设。在此，能够使用与用于所输出的功率的变化相同的边界梯度。但是也能够确定另外的边界梯度，并且所述另外的边界梯度也能够满足这种要求或者在原理上如上面在用于设定用于馈入的功率的边界梯度的一些实施方式中描述的那样设定。
根据一个实施方式提出：至少一个边界梯度还根据短路电流比率来设定。经由关于电网连接点限定的短路电流比率能够考虑关于供电电网的特性的附加的信息。如果短路电流比率大，并且如果例如值为10，那么在任何情况下关于该电网连接点存在相对强的电网，使得经得住更强的且更快的功率波动。
此外或替选地提出：至少一个边界梯度也根据电网电压的绝对值设定。由此例如能够考虑：已经很低的电压会需要对功率变化的更强的限制。优选地，在此，优选地提出：在电压低、尤其低于额定电压的情况下，选择在量值方面大于负边界梯度的正的边界梯度。在电压相应高的情况下，能够相反地进行，即选择在量值方面小于负的边界梯度的正的边界梯度。
此外或替选地，根据另一设计方案提出：根据电网频率改变边界梯度或至少一个边界梯度，即根据供电电网中的所检测到的实际频率来改变。电网频率也能够提供关于电网状态的指示。尤其在电网频率极其高的情况下能够假定电网中的功率过量供应，并且相应地设定边界梯度或至少一个边界梯度。
例如，在电网中的这种假设的功率过量供应的情况下能够提出：仅列举应用的一个实例，将正的边界梯度在量值方面选择为小于负的边界梯度。
根据另一设计方案提出：边界梯度根据供电网的特性和/或瞬时的状态来进行适配调整。
因此，边界梯度动态地匹配于供电网。因此，不设定唯一的刚性的边界梯度，而是将其中一个边界梯度匹配于供电网的占优的特性。在此，边界梯度本身根据供电网的相应的瞬时状态或相应的特性来设定。
根据另一设计方案提出：边界梯度根据供电网的特性和/或瞬时状态来改变。
因此，边界梯度在设施正运行时动态地改变并且匹配于供电网的特性和/或瞬时状态。例如，供电网具有正常的第一运行状态，并且所述设施以对应于该状态的第一边界梯度运行。如果现在例如因干扰而引起供电网的状态变化，那么相应地改变边界梯度并且所述设施以该改变的第二边界梯度运行。
此外，根据本发明，提出一种风能设施，所述风能设施将电功率馈入到供电电网中并且使用根据上述实施方式中的至少一个实施方式的方法。
根据本发明还提出一种风电场，所述风电场具有多个风能设施。风电场也能够通过根据上述实施方式中的至少一个实施方式的方法馈入到供电电网中。此外或替选地，所述风电场能够使用根据借助上面针对至少一个实施方式描述的方法来控制的风能设施的一个、多个或全部其风能设施。
就此而言，风电场一方面整体上如上面阐述的那样馈电，即尤其通过边界梯度限制其功率的变化，或者风电场中的每个风能设施本身执行这种方法或者本身限制馈入的功率。当场中的全部风能设施以相同的方式工作并且设定相同的边界梯度或以相同的方式和方法设定时，结果能够是相同的。但是，当尤其存在混合场时，可能会有意义的是：集中地通过风电场预设该功率变化限制。
附图说明
现在，在下文中根据实施方式参考所附的附图详细阐述本发明。
图1示出风能设施的立体图。
图2示意地示出风电场的结构图。
图3为了解释说明而示意地示出本发明的一个实施方式的结构。
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上设置有转子106，所述转子具有三个转子叶片108和导流罩110。转子106在运行时通过风置于旋转运动从而驱动吊舱104中的发电机。
图2示出具有例如三个风能设施100的风电场112，所述风能设施能够是相同的或不同的。这三个风能设施100因此基本上代表风电场112的任意数量的风能设施。风能设施100经由电场电网114提供其功率，即尤其所产生的电流。在此，将各个风能设施100的分别所产生的电流或功率相加，并且通常设有变压器116，所述变压器将场中的电压升频转换，以便随后在馈入点118处馈入供电网120中，所述馈入点也通常称作为PCC。图2仅示出风电场112的简化图，尽管当然存在控制装置，而所述视图例如未示出控制装置。场电网114例如也能够不同地构成，仅列举另一实施例，在所述场电网中例如也在每个风能设施100的输出端处存在变压器。
图3为了解释说明而示意地示出本发明的一个实施方式的结构。其中，示意地绘出风能设施300，所述风能设施具有至少一个控制单元302以及逆变器304。控制单元302还控制电功率P的馈入，所述馈入借助于逆变器304执行。就此而言，控制单元302控制逆变器304。但是，控制单元302能够具有多样的其他的功能并且尤其控制风能设施300的其他的元件。
因此，逆变器304将功率P经由变压器308馈入到供电电网306中。变压器308的输出端能够视作为电网连接点310。变压器308的使用是常见的，但是不是强制性必需的。
在稳定的或准稳定的工作点中，风能设施300在风足够的情况下产生电功率P并且将其馈入供电电网306中。实际上，逆变器304为此产生电流i，所述电流应以相应的电压馈入并且通常是三相的。现在，能够出现不同的原因：使得该馈入的功率P改变或应该改变。一个可行性是，例如风速提高，使得如果之前没有已经馈入最大的功率，则能够馈入更多的功率。但是也能够考虑其他的可行性，例如降低功率以降低噪声或基于电网运营商要求而改变功率。相应地也考虑的是：当由于噪声而降低功率的运行结束时，提高功率。
在任何情况下，控制单眼302控制功率P，逆变器馈入或应馈入所述功率。
控制单元302为此能够产生功率理论值Ps。逆变器304可以实现这种功率理论值Ps。
现在提出：馈入的功率P不应任意快地变化。至少应监控这种变化，并且随后在必要时进行控制。因此，首先，将功率理论值Ps输送给限制块312。该限制块312预设用于功率上升的边界梯度dPp并且该功率限制块预设用于在量值方面最大的功率下降的负的边界梯度dPn，即用于功率下降的最大的负的斜率。因此，当该功率理论值的变化位于预设的边界梯度之内时，如果因此功率理论值Ps不过快地上升并且也不过快下降，则将功率理论值Ps输入到该限制块312中并且作为修改后的功率理论值Ps*不变地再次输出。
然而，当功率理论值Ps过快上升时，即使得会超过边界梯度dPp或者低于负的边界梯度dPn，那么随后适配调整该功率理论值，使得不超过或低于边界。在该情况下，修改后的功率理论值Ps*与输入到限制块312中的功率理论值Ps不同。
在任何情况下，都将修改后的功率理论值Ps*输送给控制单元302并且随后控制逆变器304，使得馈入的功率P对应于修改后的功率理论值Ps*。
在一些情况下，实际上修改后的理论值Ps*能够对应于功率预设，所述功率预设不对应于当前在风中可用的功率。
该修改后的理论值Ps*能够至少暂时地大于或小于可用的功率。由此在可用的功率和要馈入的功率Ps*之间存在功率差。该功率差在图3中作为ΔP给出，并且能够是正的或负的。根据图3的实施方式提出：这种功率差ΔP存储在能量存储器314中或者可从中提取。功率变化的该所提出的限制能够首先对于风能设施300的运营商是不期望的。但是在此被接受，以便首要确保供电电网306的稳定。此外，能量存储器314作为电池存储器图解示出，但是也能够不同地构成，列举另外的实例，例如作为飞轮储能器，作为氢储能器或作为不同存储器类型的组合。
但是现在认识到：有时相同的边界梯度不总是最佳的或者也简单必要的电网支持。因此提出：边界梯度dPn和dPp根据电网特性和/或电网状态而变化。一个优选的实施方式是：该变化根据电网灵敏度执行。这在图3中图解说明。但是，如在那里未示出的是，能够考虑另外的或补充的电网特性或电网状态。
在测量点318处至少测量电流I和电压U并且在测量块316中对其进行评估。测量块316从中确定馈入的功率P并且将其连同电压U传输给灵敏度块320。在此，替选地也能够使用修改后的功率理论值功率Ps*，因为该功率理论值给出应馈入的功率。但是在此，为了实际上检测电网灵敏度而提出：检测实际馈入的功率进而使用测量点318的测量和测量块316的评估。
在电网连接点310处检测电流I和电压U。该检测也能够在变压器308处在风能设施侧执行。一个可行的替选方案是：存在附加的变压器309，以便再次提高在变压器308下游流至供电电网306的电压。该附加的变压器309因此以虚线示出。测量点318能够针对该情况设置在两个变压器308和309之间，或者在电网侧设置在附加的变压器309和供电电网306之间。
优选地，电压测量借助于状态观察器或测量滤波器来进行。这能够在测量块316中执行。优选地，如在公开文献US 8,981,755B2中为了电压测量而提出的那样执行电压测量。
基于如此检测到的功率P和如此检测到的电压U，在灵敏度块320中能够确定电网灵敏度Sen。要注意的是：在这种情况下，功率P和电压U尽可能高动态地检测，并且尤其，在此也考虑变化。电网灵敏度Sen在此能够作为电压变化与馈入的功率的变化之比来检测。
随后，将该电网灵敏度Sen提供给梯度块322。该梯度块至少根据该输入的电网灵敏度Sen产生用于正的边界梯度dPp和负的边界梯度dPn的相应的值。所述产生例如能够根据预先确定的表格来进行。但是也能够考虑另外的值。例如，也能够存在与绝对的电压值U的相关性。相应地，所检测到的电压U也传送给梯度块322，这在此为了简单性而未示出。
在任何情况下，都将这两个所产生的梯度值dPn和dPp输入到限制块312中，以便必要时相应地改变边沿。
因此，由此能够避免功率馈入的过强的波动。在此，具有低的电网灵敏度的电网与具有高的电网灵敏度的电网相比承受更强的或更快的功率变化。在此要注意的是：该电网灵敏度能够快速变化，进而也提出：检测所述电网灵敏度并且随后适配调整相应的边界梯度。
因此，图3图解说明唯一的风能设施300的原理。所图解说明的功能块，即尤其限制块312、灵敏度块320和梯度块322也能够是风能设施300的一部分，尤其控制单元302的一部分。图3中的图示尤其应用于观察。
此外，图3中示出的结构能够完全类似地用于风电场。风电场的可行的修改方案在于：限制块312获得场中的全部风能设施的全部功率理论值的总和作为输入功率来代替功率理论值Ps。随后，该总和功率作为理论值输入到限制块312中并且必要时进行修改。相应输出的修改后的功率理论值就此而言也是功率总和或总和功率值，所述功率总和或总和功率值随后能够经由分配块来提供，其中分配块根据预设的密匙和/或根据风电场中的具体情况来分配该总和功率。在最简单的情况下，进行分配，使得场中的每个风能设施获得相同的份额。这尤其当风电场仅具有理想的风能设施、至少风能设施具有相同大小并且风能设施都没有故障时才是适用的。但是，如果风能设施是不同大的并且在场中组合，那么也能够不同地选择这种分配密匙。
优选地，边界梯度的选择或至少一个边界梯度的选择也或者替选地还与供电电网306相对于电网连接点310的短路电流比率相关。此外或替选地，至少一个边界梯度的选择也与电网中的当前的电压相关，即与电网中的电压的绝对值相关。因此例如在电网电压U下的情况下，通过于是因此尤其设有在量值方面小的边界梯度的方式，能够与在电网灵敏度高的情况下类似地进行处理。就此而言，也能够将电网电压视作为电网状态，并且将短路电流比率视作为电网特性。
Claims (11)
1.一种用于通过至少一个风能设施将电功率馈入到供电电网中的方法，其中
-控制馈入，使得馈入的功率的变化受到限制，
-预设至少一个边界梯度作为限制，所述边界梯度确定最大变化的量值，并且
-根据供电网的特性和/或瞬时状态设定至少一个所述边界梯度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述供电网的电网灵敏度来设定至少一个所述边界梯度，其中所述电网灵敏度定义为电网电压变化与馈入的有功功率的变化之比。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述边界梯度设定得越小，那么所述电网灵敏度就越大。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了限制馈入的功率的上升而预设第一边界梯度，并且为了限制馈入的功率的下降，预设第二边界梯度，所述第一边界梯度和第二边界梯度不同，尤其，所述第一边界梯度大于所述第二边界梯度。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了限制馈入的功率的下降，使用出自中间存储器、尤其电的中间存储器的电功率。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述风能设施配置成用于：从所述供电网中接收电功率，并且经由至少一个边界梯度或所述至少一个边界梯度来限制所提取的功率的变化。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还根据列表中的至少一个特性或状态来设定至少一个所述边界梯度，所述列表包括：
-关于电网连接点的短路电流比率，
-所述供电电网的电网电压，和
-电网频率。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述供电网的特性和/或瞬时状态来对至少一个所述边界梯度进行适配调整。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述供电网的特性和/或瞬时状态来改变至少一个所述边界梯度。
10.一种用于将电功率馈入到供电电网中的风能设施，其中实施根据上述权利要求中任一项所述的方法。
11.一种具有多个风能设施的风电场，其中为了将电功率馈入到供电电网中使用根据权利要求1至9中任一项所述的方法，和/或一个、多个或全部风能设施根据权利要求10构成。
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