CN108604799A - 用于将电功率馈入到供电网中的方法 - Google Patents

用于将电功率馈入到供电网中的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于至少一个风能设备在电网连接点处将电功率馈入到供电网中的方法，所述方法包括下述步骤：从风中产生电功率；将所产生的功率或者其一部分馈入到所述供电网中；供应即时储备用于附加地馈入或者降低到所述供电网中的所述馈入以支持所述供电网；以及根据电网特性和/或外部要求附加地馈入电功率或者降低所馈入的功率，直至所供应的即时储备，以便支持所述供电网，其中所供应的即时储备的等级能够作为储备水平(供应水平)来设定。

Description

用于将电功率馈入到供电网中的方法
技术领域
本发明涉及一种用于将电功率馈入到供电网中的方法。此外，本发明涉及一种用于执行这种方法的风能设备，并且本发明也涉及一种具有多个风能设备的风电场，用于执行这种方法。本发明还涉及一种用于在多个电网连接点处进行馈入的多个风能设备或者多个风电场的装置。
背景技术
已知的是，借助于风能设备将电功率馈入到供电网中，如例如馈入到欧洲集成电网中。为了进行馈入，这种风能设备通常使用变频器，借助于所述变频器直接或者间接将具有所期望的频率和相位的电流馈入到供电网中。这种类型的馈入由此本质上与传统的大型发电厂的馈入方式不同，所述大型发电厂为了进行馈入使用直接与供电网耦合的同步发电机。这种直接与电网耦合的同步发电机要对供电网有进行稳定的作用，所述供电网也能够简化地仅称为电网。
由于在电网中再生性的能量源特别是风能设备的比例越来越多，由此担心通过在电网中同步发电机实现的进行稳定的作用下降。
为了也借助于风能设备使供电网稳定，已经已知如下方法，其中例如根据电网频率或者电网电压改变所馈入的功率。作为这种与频率相关的功率调节的实例，参考文献US-2003-0155773-A1并且作为与电压相关的功率调节的实例参考文献WO99/33165。特别是对于借助于风电场支持供电网，也提出，这种风电场根据外部信号改变其所馈入的功率，所述外部信号特别是可以由电网运营商输入。为此示例性地参考公开文献US-2006-0142899-A1。这些建议中的一些部分地也已经在电网连接调节中采用。
但是，这些解决方案可能是远远不够的，特别是当供电网中一直还存在的具有直接耦合的同步发电机的大型发电站的优势地位下降或者在最极端情况下甚至完全消失时。
为此，已经提出如下解决方案，模仿同步发电机的特性。欧洲专利EP 1 790 850B1为此提出，使用内部的参考框架，所述参考框架实施为积分器并且模仿虚拟惯性，以便提供可变的参考频率信号。
但是，即使在这些解决方案中在电网中仍然存在稳定性问题，变得更大或者新增。首先需注意的是，通过同步发电机实现的电网的稳定化也并非完全理想地起作用。同步发电机的大惯性虽然一方面实现均匀化的和从而至少部分地稳定化的作用，但是也会妨碍快速的调控。例如已知电网功率波动，其中多个大型发电厂的这种同步发电机会相互振荡。也需注意的是，完全地仿效大型发电厂不仅必须仿效同步发电机的基本特性，而且也必须仿效其尺寸，所述尺寸尤其能够通过相应的额定功率来说明。现今，需要许多风能设备，以便达到大型发电厂的额定功率。甚至具有多个风能设备的风电场与大型发电厂相比通常也具有明显更小的功率。因此，至少也仍然存在如下差别：风能设备相对于大型发电厂极其更大程度地分散地进行馈入。
德国专利商标局在本申请的优先权申请中检索了下述现有技术：US 2003/0155773 A1、US2006/0142899 A1、US 2011/0074151 A1、US 2014/0316592 A1、EP 1 790850 B1、WO 99/33165 A1、WO 2014/121794 A1和Ruttledge,L,Flynn,D.:“EmulatedInertial Response From Wind Turbines:Gain Scheduling and ResourceCoordination”在IEEE的Transactions on Power Systems,第31卷第5部分，第3747-3755页，2015年12月28日。
发明内容
由此，本发明所基于的目的是：解决上述问题中的至少一个。尤其是，要提出一种解决方案，该解决方案改进已知的电网支持的方法，为电网支持做出至少一个另外的贡献。至少要提出一种可替选的解决方案。
根据本发明，由此提出一种根据权利要求1所述的方法。据此提出一种用于在电网连接点处将电功率馈入到供电网的方法，其中在所述电网连接点处的馈入借助于至少一个风能设备进行。为此也能够提出多个风能设备，尤其风电场。
在此，一个或可选地多个风能设备从风中产生电功率。这种已相应产生或者从出自的风的功率转化而来的功率被馈入到供电网中。由空气动力学的转子产生的功率和被馈入的功率会是不同的，因为例如会出现损耗和/或所存储的能量会被一起使用。但简单来说，优选从风中产生的全部功率被馈入到供电网中。这特别是可以经由变频器进行，所述变频器例如以整流的方式例如获得通过风能设备产生的电功率，并且随后从该被整流的功率中，即尤其基于在直流中间电路中被整流的电压，借助于逆变器根据绝对值和相位产生和馈入所期望的电流。
此外提出，供应即时储备(Momentanreserve)用于附加馈入或者降低到供电网中的馈入以支持供电网。至少一个风能设备抑或另一个与其关联的控制装置由此供应即时储备。这特别意味着，这种即时储备已经保持就绪并且优选也提供相关的至少一个风能设备或者所提到的控制装置的信息，使得其他风能设备、其他在供电网中的发生器或者还有电网运营商能够知悉该即时储备并且能够适应其。
相应地，也向供电网进行馈入，在需求时直至该所供应的即时储备。根据电网状态也考虑：降低电功率的馈入，以便由此支持电网。其中也包含的是，供应该即时储备。接下来的关于提高馈入的阐述类似地也涉及如下情况：降低电功率的馈入。在此，所供应的即时储备或者其中一部分能够根据电网特性并且此外或替选地根据外部要求来馈入或减少馈入，以便由此支持供电网。也就是说，即时储备被供应并且也针对实际上因此出现的需求被提供。在根据电网特性来馈入时，也考虑：这种相关性或相应存储或作为基础的相关性功能仅需要即时储备的一部分。在此，这种馈入能够根据电网特性来进行，例如馈入根据电网频率或电网电压来进行。此时进一步提出，所供应的即时储备的等级是可设定的，所述即时储备的等级在此称为储备水平或者同义地也称作供应水平。至少一个风能设备由此供应如下即时储备，所述即时储备在需求时也被馈入并且所述即时储备能够用于进行电网支持。但是，该即时储备并非是固定值，而是能够被设定。
借助于提供即时储备首先实现，原则上也能够通过风能设备，即通过这至少一个风能设备来对供电网进行支持。就此而言，可知悉与直接耦合的同步发电机的一些相似之处。这种直接耦合的同步发电机通过其高转速连带旋转质量提供即时储备，并且这于是通常通过该同步发电机的物理特性引起。如果例如在电网中出现如下状态，在该状态中与在该时刻所馈入的功率相比消耗更多的功率，那么这对直接耦合的同步发电机有影响。尤其是，所述同步发电机于是提供更多功率，由此所述同步发电机变得更慢，这通常也作为电网中的频率降低而被注意到。也就是说，在这种情况下，同步发电机将其转动能量的一部分输出给供电网。
因此，如果消耗了比所产生的功率更多的功率，通过由至少一个风能设备提供即时储备首先也实现：能够进行电网支持。为了进行补偿，能够短时馈入更多功率。如果与所消耗的功率相比在供电网中有更多功率，那么为了补偿能够短时馈入较少的功率。在要馈入更多功率的情况下，至少一个风能设备能够将其即时储备或者其中一部分馈入，用以电网支持。
这特别是基于如下构思：在风能设备的旋转运动中现今已经部分地包含非常多的储备能量。与大型发电厂在其直接耦合的同步发电机中所储存的转动能量相比，风能设备虽然允许储存更少的转动能量，但是为此存在非常多的风能设备。关于额定功率，风能设备通常具有较大的转动能量。现代风能设备的转子具有大直径，受其大小所决定也具有重的转子叶片，并且由此具有高的惯性力矩。相应地，尽管转速比较低，但是能够在其中储存更多能量。该能量能够用于电网支持。
然而，也存在其他可能性来通过风能设备提供这种即时储备。风能设备例如也可以附加地求助于电能储存器。这种电能储存器例如能够以电池形式设置，其中该电池例如能够连接在逆变器的直流中间电路上。对于该实例，也馈入从风中产生的功率的逆变器此外可以馈入出自电池储存器的电功率。馈入即时储备或其一部分因此能够以简单的方式和方法通过同样的逆变器进行。此外或者替选地，为了提供即时储备或者其一部分能够设置电容器机构，尤其电容器组。已经认识到：在大多运行时间中，待通过风能设备提供的即时储备是相对小的并且为此电容器组能够储存足够的能量。优选地，电容器机构，特别是电容器组，与电池储存器组合。在这种情况下，电容器机构能够快速地提供支持功率的第一部分并且电池在需要时能够用于提供其它支持功率，如果仍需要的话。
就此而言，通过由至少一个风能设备提供即时储备，能够对电网做出贡献，尤其当大量风能设备情况如此时。具有大量风能设备的风电场例如能够以如大型发电厂能够通过其大型旋转同步发电机所产生的量级提供即时储备。
但除此之外现在还提出，所供应的即时储备的等级可设定为储备水平。也就是说，储备水平是所供应的即时储备的等级。由此可行的是，已经在结构上有针对性地影响供电网的动态特性。例如发生：大型发电厂的将附加功率馈入供电网的同步发电机会引起电网功率波动。就此而言，电网功率波动是如下现象，其中供电网中的频率波动，在最不利的情况中甚至会跃升。
简言之，这可以解释为，同步发电机由于在上文中所描述的特性而将附加功率馈入供电网中，或者减少其功率，如果看上去存在需求的话。于是该需求被满足。可能甚至相较于所需要的，馈入略多的功率。在地点上离得远的同步发电机于是基本上完全类似地工作并且也提高其功率。相应地，于是在电网中有更多功率并且这又引起所馈入的功率减少。如果此时又馈入更少的功率，那么又出现功率不足的情况。相应地，在此会出现振荡。
在所提出的解决方案中，所供应的即时储备可按大小来设定，也就是说，储备水平是可设定的并且优选巧妙地来使用，使得多个这种风能设备在电网中表现不同。特别是也可以通过不同大小的即时储备来实现相应不同的动态特性。也可以分别实现对供电网的在相关的电网连接点附近的部分的特性的匹配。
由此能够实现的是，通过设定即时储备甚至对电网结构在其动态特性方面进行改进。换言之，通过相应地设定大量这种风能设备可以实现具有更稳定特性的供电网。
优选地，根据储备水平是设置用于附加的馈入还是设置用于减少所馈入的功率来设定不同大小的储备水平。由此也能够抵消电网功率波动。
优选地，储备水平根据电网连接点的特性来设定。这特别是涉及电网连接点关于供电网的特性。即时储备例如能够根据在电网连接点处的短路电流比来设定。在这种情况下，短路电流比理解为短路功率与连接功率的比。短路功率是相关的供电网在电网连接点处若在该处出现短路的话能够提供的功率。连接功率是所连接的馈电器的连接功率，即风能设备或者风电场的连接功率，并且由此所述连接功率是风电场的所有风能设备一起的总和的连接功率。优选地，直接观察短路功率并且与其相关地设定储备水平。由此也能够使支持特性良好地匹配于电网特性。
但例如也考虑的是，考虑电网连接点离耦合点多近，在所述耦合点处，特别是存在与另一供电网的耦合或与该供电网的在此时仍分离的部分的耦合。
由此，另一可行性是，考虑所确定的电网阻抗并且根据上述电网阻抗设定储备水平。此外或者替选地提出，根据是否已知悉子电网形成来设定储备水平，其中已经形成子电网。特别是在这种子电网形成的情况下会有利的是，供应大的即时储备。在此，也考虑：实际上仅当已经知悉这种子电网形成时，才供应即时储备。优选地，在已知悉子电网形成时，即时储备相对于额定的即时储备和/或相对于之前所设定的即时储备提高了预定的值。尤其是，在此所述即时储备提高了至少10％作为预定的值或者提高了一个绝对值。
根据一个实施方式提出，根据相关的风能设备在此时是否从风中产生电功率来供应即时储备。也可以优选地提出，根据风能设备的运行状态来设定储备水平。特别是考虑，风能设备在风弱并且产生功率相应少时具有小的储备水平，即提供或供应小的即时储备。但是也考虑相反的情况，即在风弱时提供或供应高的即时储备，因为在有些情况下在风弱时提供明显更高的逆变器容量。此外，如果风能设备从风中没有产生功率但是例如拥有电储存器如电池储存器，那么所述风能设备例如也能够提供即时储备，其中从所述电储存器中可能提供即时储备。
优选提出，经由设定功能的电功率的附加的馈入或者所馈入的功率的减少与供电网的状态相关并且与储备水平相关。也就是说，提出一种双重相关性。附加馈入的功率——同样类似地适用于所馈入的功率的减少，也适用于其它实例——例如能够与电网频率的改变相关。电网频率的这种改变也能够经由时间上的频率梯度df/dt来说明。优选地，附加馈入的功率与该频率梯度相关并且该频率梯度越大，则该功率就越大。储备水平此时附加地影响这种相关性。列举一个简单实例，附加馈入的功率于是能够与频率梯度成比例并且与储备水平成比例。
一个设计方案提出，储备水平用作设定功能的放大。储备水平于是可以作为系数而采用。对于与频率梯度df/dt的相关性的实例而言，所述实例能够通过下述等式来说明：
Pz＝Pz0 ＊df/dt＊Res＊K
在该等式中，Pz是附加馈入的功率，Pz0是功率参考值，df/dt是频率梯度，Res是储备水平，并且K是比例系数或者归一化系数，所述比例系数或者归一化系数也能够调整所述等式的物理单位。功率参考值和比例系数也能够合并。
由此能够实现：储备水平像放大系数那样起作用，使得对相同的df/dt作出不同强度的反应，视储备水平具有何种值而定，即视提供了多少即时储备而定。
根据一个实施方式提出，经由接口将用于改变储备水平的预设值输入给至少一个风能设备。因此特别是，能够从外部改变储备水平。这特别是为电网运营商或者中央控制单元或者控制中心提供了如下可行性：设定储备水平。由此也能够考虑电网中的当前情况或者预期的情况。例如能够通过储备水平的这种改变针对如下事件设定即时储备：例如大型用电器的预期的接通或者切断，或者也可以是电网部段的连接或分离。
接口能够有线或者无线地实现。特别是也考虑，使用现有的数据传输途径，尤其现有的数据线路，用于这样输入预设值。
此外或者替选地，根据一个实施方式提出，至少一个风能设备提供其被设定的储备水平作为信息。由此，其它有源单元，特别是其它馈入单元能够遵循这。特别是由此已知，提供何种即时储备。优选地，这些信息被转送给其它风能设备并且此外或者替选地被转送给监控多个电网连接点的中央控制单元。特别是，这种监控多个电网连接点的中央控制单元能够由此总览供电网或者相关的子部段中可用的即时储备的总体情况并且必要时采取控制措施，其中所述中央控制单元可以构成为电网控制装置。
优选地，即时储备以储备水平的等级来提供并且这能够通过不同的措施来进行，所述措施也能够组合。这些所提出的措施中的一个是，设置一个转速范围以使风能设备以在该范围中的转速运行。在这种情况下，转速原则上涉及风能设备的转子的转速。在风能设备无传动装置的情况下，该转速与发电机的转速是相同的。
转速范围和具体的转速被选择为，使得转速下降直至转速范围的下值能够从转动能量中以储备水平的等级提供即时储备。首先这涉及：与随后是完全地调用还是部分地调用该即时储备无关，实现这种提供的可行性。所提出的对转速范围的预设，这也可以称为转速带，特别是利用如下知识：风能设备优选虽然以最优转速运行，但是该转速在预设的范围中能够改变，而不显著地使功率产生变差，所述预设的范围在此即作为转速范围来设定。在此需注意的是，极少例如少于每年一次，完全调用全部储备功率。
此外，较高的即时储备也能够通过支持措施的较高的增强来实现。也就是说，通常于是能够馈入较高的支持功率。如果观测传统的大型发电厂的特性并且以直接耦合的同步发电机为出发点，那么该同步发电机例如在电网频率的+-2％的所允许的频带(例如50Hz+-1Hz)中由于其直接耦合也仅以+-2％的转速改变提供支持功率。因在频率和转速之间的直接耦合，这种关系是固定的。
即使在所提出的方法中，也能够想象地将转速范围与所允许的频带相关联。在此，nN+-2％的转速范围例如也能够与所允许的为fN+-2％的频带相关联。但是，如果此时提高储备水平并且经由转速范围的提高来提供，那么更高的转速范围也能够与所允许的频带相关联，所述频带原则上不改变。如果储备水平已经相应地提高，那么nN+-10％的转速范围于是例如能够与示例性提出的fN+-2％的频带相关联。这表明，此时使用来自转动的发电机的转动能量的支持功率是可控的。这也是所提出的方法的一个优点。
但是此外可行的是，例如仅调节较窄的频带。转速范围于是能够与该较窄的频带相关联。为了与上述实例相联系，于是nN+-10％的转速范围例如能够与fN+-1％的频带相关联。成比例的支持功率由此已经加倍。这对应于增强的提高。借助于在上文中所提到的公式Pz＝Pz0 ＊df/dt＊Res＊K，这能够通过相应地提高比例系数，即使比例系数加倍来实现。
就此而言，转速范围不允许预设得过大，因为随后仍可能在其边缘处出现大程度的功率变差。需注意的是，鲜少发生： 出现如此强烈的偏差。在此情况下这里，在一方面为提供高即时储备的必要性与另一方面风能设备尽可能在其最优工作点运行之间进行权衡。尤其是，转速能够被选择为，使得所述转速具有其最优的值。随后围绕该最优的值设置转速范围，例如对称地设置，使得该转速范围的边缘分别以10％高于低于该最优转速。此时如果转速在所提到的实例中即从最优转速减少到该转速范围的下部范围，也就是说，在所提到的实例中减少10％，那么在此输出转动能量。其可计算并且形成由此可提供的即时储备。但是，如此大的改变只是鲜少发生。其在50Hz的电网中可能对应于到47.5Hz或者51.5Hz的频率扰动，这预期比每年一次更稀少。
转速范围的上值，即所选择的转速范围的上限，能够用于减少向电网的功率馈入，也就是说，特别是用于通过减少功率进行电网支持，如果在电网中有过多的功率的话。
在任何情况下，预设转速范围的该变型形式都具有如下优点：风能设备能够继续在其最优工作点中，即尤其以最优转速继续运行。仅当实际出现如下情况：调用即时储备或者必须提供即时储备，才执行所提到的转速降低。在此，即时储备的预设一方面实现了用于供电网的电网支持的可计算的值，借助于所述可计算的值，供电网的运营商例如能够进行计算。但是，此外该预设的即时储备也确定：在哪个工作点风能设备因该即时储备的输出而改变。也就是说，事先已知并且能够估计，工作点何种程度地变差，并且尤其是，但是风能设备能够以这种工作点继续工作。
根据另一个完全类似的实施方式提出，设有下转速和相对于下转速以转速差提高的上转速。风能设备于是在上转速中运行。也就是说，有意地提高转速，以便由此能够提供比即时储备更高的转动能量。
转速差在这种情况下被选择为，使得上转速下降到下转速以储备水平的等级输出转动能量作为即时储备。也设有相应的转速，所述转速实现转速的有针对性的下降以释放转动能量。在此特别是也提出，风能设备以高于最优转速的转速来运行。
此外或者替选地提出，至少一个风能设备的工作点相应地改变。这也可以涉及转速的改变。但是也考虑其它可能性，如例如在子负荷范围中设定其它叶片角。这在此能够与改变的转速相组合，也就是说，其中转速和叶片角被改变。
此外或者替选地提出，设有电能储存器，其具有以储备水平的等级储存在其中的并且可调用的储存能量。也就是说，首先提出储能器，所述储能器例如可以是电池储存器。但是所述储能器也可以具有其他储存器介质，如例如气体储存器或者独立的飞轮储存器，其在需要时将其所储存的能量转换为电能。通过设置这种电能储存器能够实现：风能设备能够根据该储能器提供附加的功率和从而提供附加的即时储备。
也考虑，风能设备本身原则上继续在其最优工作点中运行并且仅所提到的电能储存器提供相应的即时储备。这也能够受情况所定而改变。例如提出，在预设或供应相对小的即时储备时，为此仅设置电储存器，而在供应高的即时储备时，才附加地提供在上文中所描述的风能设备的转子的转动能量。此外，该实施方式在储能器中以可调用的储存能量为出发点。这例如可以涉及电池储存器，所述电池储存器仅放电至一定放电水平，自所述放电水平起会出现损伤。于是可能总是储存有能量，但是所述能量不再能够称为可调用。
根据另一实施方式提出，在供电网中检测电网功率波动，所述电网功率波动描述供电网中的振荡频率，并且储备水平根据所检测的电网功率波动来设定。也就是说，如果检测到频率振荡地提高并且又减少，那么这能够被利用来改变相应所供应的即时储备。由此，能够改变相关的风能设备的用于进行电网支持的特性和从而也改变供电网的固有动态性。这特别是在如下情况下出现：非常多的风能设备采取相应的措施。
原则上，所述实施方式是可组合的。在此，特别指出的是，储备水平的改变也能够根据所检测到的电网功率波动有利地与如下建议组合：储备水平根据电网连接点的特性来设定。因此，特别提出，在检测到电网功率波动时，各个电网连接点的储备水平不同地设定或改变，所述电网功率波动对于整个供电网或者至少一个包括多个电网连接点的电网部段而言是重要的。
优选地，储备水平根据电网连接点的耦合强度来设定。这种耦合强度是电网连接点多强地与供电网耦合的量度。这特别涉及如下问题：供电网中的改变，尤其电压改变和/或功率平衡的改变对相关的电网连接点有何种程度的影响。这影响越小，则耦合强度就越小。优选地，储备水平设定得越小，则耦合强度就越小。
根据一个设计方案提出，为了进行电网支持，除了所产生的功率外，还将能量馈入供电网，直至储备水平的等级。这优选根据供电网的电网电压改变来进行。特别是在电网电压下降到额定电压以下时提出，馈入功率用于支持。附加馈入电功率或者降低所馈入的功率直至所供应的即时储备也能够根据电网频率来进行，所述电网频率可以是功率平衡的指示器。
此外或者替选地提出，附加的功率根据供电网的电网频率改变来馈入。由此不考虑或者不仅仅考虑供电网的绝对频率，而且考虑其改变。特别是，可以考虑频率梯度df/dt，并且提出，频率梯度的绝对值越大，则越多功率馈入供电网中用以支持或越强地降低所馈入的功率，。
此外或者替选地提出，附加的能量根据在供电网中所产生的和所消耗的功率之间的功率差来馈入。特别是，当与通过产生单元所馈入的功率相比消耗更多的功率时，这样附加的能量可以被馈入以进行补偿和从而进行支持。
此外或者替选地提出，附加的能量根据从外部传送的要求来馈入。这尤其能够根据由供电网的运营商的要求来进行。由此，供电网的运营商，即电网运营商，能够使用这种风能设备作为控制机构。特别地，如果电网运营商或者另一中央的控制单元不仅能够设定储备水平而且能够预设何时这种通过储备水平所输入的即时储备实际也被馈入，那么在此组合也是有利的。例如为了子电网中的频率同步，能够提出，短暂地馈入较高的功率。
根据另一实施方式提出，为了进行电网支持，附加地馈入电功率或者降低所馈入的功率在提取或者储存至少一个电容器机构的储存能量、至少一个风能设备的转动能量和至少一个电池储存器的储存能量的条件下进行，其中根据待提取的或待储存的能量数量首先提取或储存来自电容器机构的储存能量，如果还进一步需要能量，那么使用来自至少一个风能设备的转动能量，而如果随后一直还进一步需要能量，那么使用来自电池储存器的能量。使用转动能量特别涉及风能设备的空气动力学的转子的转动能量。也就是说，在此提出，使用来自空气动力学的转子的转动能量或者将能量作为转动能量储存在空气动力学的转子中。
由此首先实现：通过使用多个能量源或能肼，实现大容量的调节能量。有针对性的顺序，即首先使用电容器机构，随后使用转子并且最后使用电池储存器，巧妙地利用这些不同的储存器介质。通常，电容器机构的储存能量作为即时储备就足够了并且能够由电容器机构快速地并且无记忆效应地提供。
如果还需要更多能量，那么使用空气动力学的转子。在此已经认识到：该转子也无记忆效应地工作，并且会有利的是，从电容器转变为空气动力学的转子作为能量源。当这也不足够时，才使用电池储存器。
此外提出一种方法，所述方法用于借助于相应至少一个风能设备在多个电网连接点处将电功率馈入到供电网中，其中为了在电网连接点中的每个电网连接点处进行馈入分别使用根据至少一个在上文中所描述的实施方式所述的方法，并且储备水平对于电网连接点中的每个而言都可不同地设定。
由此特别是能够进行有针对性地并且协调地改变或设定供电网的或供电网的至少所相关的部段的动态性。优选地，这经由中央的控制单元，特别是电网控制装置来执行，并且此外或者替选地提出，实现对于电网运营商的中央设定可行性。
优选地，对于多个电网连接点而言根据等级共同地预设总共所供应的即时储备。与此相关地，随后对这些电网连接点中的每个，确定储备水平，尤其是，这些储备水平的总和对应于总共所供应的即时储备的等级。由此，也能够通过协调地设定多个尤其大量电网连接点的储备水平或大量电网连接点的风能设备的储备水平来设置整体上显著大的即时储备。就此而言，能够在第一步骤中预设总共所需的或者至少所期望的即时储备。在第二步骤中，随后此外为了影响供电网的动态性，可以设置：相应地分配即时储备。由此，一方面可实现在绝对的水平中的电网支持而另一方面例如可影响供电网或相关的电网部段的振荡特性。
此外，提出一种用于在电网连接点处将电功率馈入到供电网中的风能设备。这种风能设备包括：空气动力学的转子和用于从风中产生电功率的发电机；用于将所产生的功率或者其一部分馈入到供电网中的馈入单元；控制单元，所述控制单元用于供应即时储备以馈入到供电网中对供电网进行支持；控制机构，所述控制机构用于控制风能设备，使得所供应的即时储备或其一部分根据电网特性和/或外部的要求被馈入到供电网中，以便支持供电网，并且所述风能设备包括设定机构，所述设定机构用于设定所供应的即时储备的等级作为储备水平(供应水平)。
由此，借助于具有空气动力学的转子的风能设备使风转换为旋转运动并由此借助于发电机从风中产生电功率。该电功率，必要时减去损耗或其他功率损失，借助于馈入单元馈入到供电网中。馈入单元特别是能够构成为逆变器。
如果即时储备或其一部分被馈入，经由控制单元供应即时储备，以便由此支持供电网。控制机构控制风能设备，使得所供应的即时储备或者其一部分根据电网特性并且此外或替选地根据外部的要求被馈入到供电网中，以便实现对供电网的所期望的支持。
最后，提出一种设定机构，所述设定机构设定储备水平。也就是说，设定机构设定所供应的即时储备的等级。设定机构能够设置为附加单元或者在这种风能设备中本来就存在的控制单元的部件，这同样适用于控制单元。
尤其提出，风能设备配置用于实施根据在上文中所描述的实施方式中的至少一个实施方式所述的方法。特别是提出，风能设备为此具有控制装置。该控制装置能够包括用于供应即时储备的控制单元并且此外或替选地包括用于设定所供应的即时储备的等级的设定机构，或者控制单元和/或设定机构设置为单独的元件。控制装置例如也能够控制用于进行数据交换的接口，不仅用于接受而且用于发送信息。
优选地，风能设备具有至少一个用于提供即时储备或者其一部分的电能储存器。在储备水平的等级中的即时储备因此能够通过该至少一个电能储存器提供，或者所述提供通过该电能储存器进行并且通过风能设备的转子的转动能量补充。
此外，提出一种具有多个风能设备的风电场，其中一个、多个或者所有风能设备是根据至少一个上述实施方式所描述的风能设备。此外或替选地，风电场配置用于实施根据至少一个上述实施方式所述的方法。尤其是，风电场为此能够具有控制装置，所述控制装置执行或者至少协调相应的方法步骤。
此外，提出一种电网控制装置，所述电网控制装置用于控制多个馈入装置以将电功率馈入到供电网中。这些馈入装置中的每个包括至少一个风能设备以从风中产生电功率。馈入装置在此也能够分别包括风电场或者分别是风电场。
此外，每个馈入装置具有馈入单元以将电功率或者其一部分分别经由电网连接点馈入到供电网中。也就是说，为每个馈入装置设有一个电网连接点。电网连接点也能够视为馈入装置的一部分。
每个馈入装置也具有用于供应即时储备的控制单元，以便在需要时提供该即时储备用于馈入到供电网中以支持供电网。此外，该馈入装置具有设定机构，所述设定机构用于设定所供应的即时储备的等级作为储备水平。
电网控制装置为此包括用于在电网控制装置和馈入装置之间交换数据的数据传输机构。这种数据传输机构能够是无线电连接、有线连接或者它们构成的组合。也能够一起使用现有的电信装置。
此外，电网控制装置具有预设机构，所述预设机构用于分别给馈入装置预设不同的储备水平，由此馈入装置基于此设定所供应的即时储备的等级。因此，能够通过该电网控制装置关于相关的馈入装置的所供应的即时储备中央地对所述相关的馈入装置进行控制或者至少协调。电网控制装置因此协调：馈入单元中的每个馈入单元供应并且随后必要时馈入多少即时储备。
优选地，馈入装置分别构成为风电场，特别是如之前根据风电场的至少一个实施方式所描述的那样构成。此外或者替选地，每个馈入装置具有至少一个根据上述实施方式中的一个实施方式所述的风能设备。因此，通过该电网控制装置能够相应地协调多个经由不同的电网连接点进行馈入的风能设备或者风电场。
优选地，电网控制装置具有至少一个测量记录器，所述测量记录器用于记录供电网的电网状态，并且就此，尤其供电网的电压水平以及供电网的频率能够被记录。与此相关地，随后能够经由评估设备根据所记录的电网状态中的至少一个确定储备水平。评估设备例如能够在确定电网功率波动(这是电网状态的另一种可能性)时相应地针对不同的馈入装置设置不同的储备水平。
优选地，电网控制装置配置用于：实施或者协调根据上述实施方式所述的用于在多个电网连接点处馈入电功率的方法。尤其是，馈入设备也配置用于，将已识别为必需的或者从外部预设的总即时储备分配到各个馈入装置上。
附图说明
在下文中根据实施方式参照附图示例性地详细阐述本发明。
图1示出风能设备的立体视图。
图2示出风电场的示意性视图。
图3示意性地示出可行的电网结构以图解说明中央的和分散的区域。
图4图解说明不同的转速特征曲线。
图5图解说明转速和功率之间的关系。
图6图解说明供电网的电网部段。
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在运行时通过风被置于旋转运动中并由此驱动吊舱104中的发电机。
图2示出具有示例性三个风能设备100的风电场112，所述风能设备可以是相同或者不同的。这三个风能设备100因此代表风电场112的基本上任意数量的风能设备。这些风能设备100经由场电网114提供其功率，即尤其所产生的电流。在此，各个风能设备100分别所产生的电流或功率加和，并且大多设有变压器116，所述变压器将场中的电压升压变换，以便随后在馈入点118处馈入到供电网120中，所述馈入点通常也称为PCC。图2仅为风电场112的一个简化的视图，所述视图例如未示出控制装置，尽管控制装置自然是存在的。场电网114例如也可以不同地构成，其中例如在每个风能设备100的输出端处也存在变压器，仅是列举一个不同的实施例。
图3示出供电网50或者其一部分的示意图。该供电网50示例性地示出大型发电厂52、工业级用电器54例如炼钢厂或者另一制造工厂以及城市56。此外，绘制了各种较小的村庄58和四个风能设备WT1至WT4。该电网具有不同电压的不同电网部段，即最高电压电网HH、高电压电网H、多个中等电压电网M和多个低电压电网N。在这些不同的电网之间并且至大型发电厂52、工业级用电器54和风能设备WT1至WT4分别设有变压器T。不仅变压器T而且村庄58在其附图标记上不作区分，虽然它们自然具体而言分别不同地设计。风能设备或风力涡轮机WT1至WT4也能够分别代表风电场，所述风电场各包括多个风能设备。风能设备WT1至WT4中的一个风能设备的相应的变压器T也可以被视为电网连接点，以便理解在此所阐述的教导。
在该供电网50中，大型发电厂52是就所提供的能量数量而言大的生产器。工业级用电器54在此意义下大的用电器。城市56同样形成相对大的用电器，并且村庄58分别形成较小的用电器。风力涡轮机WT1至WT4在任何情况下与大型发电厂52相比都可以视为更小的能量产生单元。但是需注意的是，风力涡轮机WT1至WT4，在此也能够分别代表风电场。在这种情况下，所述风力涡轮机，作为风电场，为能量产生给出了显著贡献。但是其占现有的至少潜在的转动能量的份额更大。这在此已被认识到并且提出：有利地使用所述转动能量。
在正常运行时，尤其当工业级用电器54也运行并且大型发电厂52也运行时，提供从大型发电厂52到工业级用电器54的显著的能量流和从大型发电厂52到城市56的显著的能量流。如果工业级用电器54改变其功耗，特别是当所述工业级用电器脱离电网或者接入电网时，那么这对风力涡轮机WT2有特别强地影响。这同样适用于大型发电厂52的改变，特别是当该大型发电厂要脱离电网时。风力涡轮机WT2的电网连接点因此特别强地与供电网50耦合。
通常，在供电网的中心或者子中心中的耦合强度于在周边处的耦合。中心在此直观地绘制为“Z”。作为两个周边，以“Per”绘制两个区域。然而，中心和周边的附图标记予以直观地理解。实际上，在大型发电厂52附近的最高电压线路HH处通过小点标明：供电网在那里仍继续并因此也能够形成其它中心或子中心。
但是，耦合的强度不必或者不必仅取决于到中心的远近。其它标准也是重要的，例如还有传输线路的特性。耦合强度能够与状况相关地和/或与时间相关地改变。所述耦合强度例如在日间可以与在夜间是不同的。以该实例为例，特别是要图解说明各个电网连接点的不同强度的耦合。
风力涡轮机WT2的电网连接点据此非常强地与供电网耦合。风力涡轮机WT1相当远，并且因此风力涡轮机WT1的电网连接点会较弱与供电网耦合。工业级用电器54处的强功率波动会对风力涡轮机WT1或其电网连接点的影响小于对风力涡轮机WT2的影响。
图6的其它风力涡轮机WT3和WT4，就风力涡轮机的电网连接点的耦合强度而言，位于这两个风力涡轮机WT1和WT2之间。风力涡轮机WT3或其电网连接点，与风力涡轮机WT2相比更弱地耦合，但是与风力涡轮机WT1相比更强地耦合，因为风力涡轮机WT3馈入与城市56连接的中等电压电网中。风力涡轮机WT4就此而言与风力涡轮机WT3相比更弱地耦合，但是与风力涡轮机WT1相比更强地耦合，因为风力涡轮机WT1馈入与村庄58连接的中等电压电网中，而风力涡轮机WT4馈入与两个村庄58连接的中等电压电网中。所有这些在此仅理解为图解说明的实例，这忽略许多其它因素。对于示例性提出的耦合强度，能够使用分级或者用数表示的评价，例如借助于0至1的值进行评价。这种分级或这种评价优选能够用于：供应不同的即时储备并且随后在需要时也提供。即，能够根据对耦合强度的分级或评价来设定储备水平。特别是提出，耦合强度越大或所述耦合强度被评价得越大，则储备水平设定得越大。对于在图3中所示出的结构的实例而言，这可能意味着，对于风力涡轮机WT2，可能设置最大的即时储备，即最大的储备水平，而对于风力涡轮机WT1设置最小的即时储备。
特别是为了提供这种即时储备所需的能量，会有利的是，风能设备以较高的转速运行，或者至少允许较大的转速带，以便能够提供相应大量的转动能量。大多情况下，对于每个风能设备在每个工作点，特别是在每种风速中存在最优的转速，即使事实上所述设定并不经由风速的测量来进行时，这仍然可以用于阐述。
尽管如此，风能设备能够以较高的或者较低的转速近似最优地运行，而不必忍受大的损耗或者大的负荷。也就是说，如果一个风能设备要提供特别多的即时储备，如例如图3的风力涡轮机WT2，那么这能够通过风能设备100的转子108中的转动能量来实现。如果例如将转速提高10％，那么由此已经在物理上存在多大约20％的转动能量。但是如果仅考虑可调用的转动能量，因为适宜的是，仅调用如此多的转动能量使得所述设备随后继续运转，那么在可调用的转动能量方面转速的这样示例性所述的10％的提高实现了与所述的20％相比仍高得多的能量提供。
为了实施，风能设备能够从不同的、可行的转速特征曲线中选择相应的转速，即较高的转速，如果期望如此，例如对于风力涡轮机WT2而言。
图4图解说明这些不同的转速特征曲线。在该处，示例性地绘制三个转速特征曲线K1、K2和K3。但是该图4仅用于图解说明，因为通常在风能设备中保存有转速功率特征曲线，但是没有保存转速风速特征曲线。在子负荷范围中，即如下范围，在所述范围中风能设备尚不能够提供全功率并且所述范围在图4中位于起始风速VWS和额定风速VWM之间，在假设最优的固定运行的条件下也能够为每个风速相关联一功率。在任何情况下，在该子负荷范围中，能够选择不同的特征曲线K1、K2或K3，视较高的转速是否期望来提供较高的能量而定。
如果在额定风速中，或者更早，VVN，达到额定转速nN，那么出于设备安全性的原因大多不使用比额定转速高的转速。然而，在例外状况中，特别是当短期地预期有电网支持时，可以考虑较高的转速。这在图4中通过点状的特征曲线在额定风速VWM之后的区域中标明。
图5示出一组功率/转速曲线，即针对3m/s至13m/s的不同风速的功率/转速曲线。视图仅是示意性的，不具有数值。假设能够分别归一化到转子的额定转速或额定功率上。
首先可认识到，在每个所述曲线中根据转速n所绘制的功率P随着转速升高，直至最大值。在该处是功率最优值。对于3m/s至10m/s的风速，该最优值通过与曲线组相交的运行特征曲线描绘。所述运行特征曲线在针对10m/s的曲线中达到最大的转速和到此示出转速最优值。对于更高的风速，转速最优值位于最大转速之上，所述最大转速绘制为n_max。由此，自针对10m/s的功率/转速曲线起，运行特征曲线垂直上升，因为随后所述设备在转速方面受限。
示例性地，在针对10m/s的功率/转速曲线中绘制两个与运行特征曲线偏差的工作点，所述工作点比最优转速低或高大约10％。可认识到，与最优转速的转速偏差仅引起功率的明显更小的减少。这两个偏差的工作点能够说明如下转速带，在所述转速带中，风能设备能够运作以提供即时储备。该转速带优选能够根据针对不同的风能设备的、针对不同的电网连接点的和/或针对不同的状况的边缘条件不同宽度地来选择。
由此，所提出的解决方案实现如下可行性：通过有针对性地提供即时储备来进行电网支持，所述电网支持能够以供电网的结构为导向。由此，供电网的动态特性也能够整体上受正面影响。
图6图解说明电网部段650，所述电网部段具有大型发电厂652、居民点658、工业级用电器654、城市656和多个风电场WP1至WP3。这些元素分别也示例性地代表其类型的其它元素并且为了图解说明分别经由变压器T与共同的线路连接。所述视图部分地基于图3的视图，其中为了简单起见没有区分电网的不同的电压水平。
借助于示例性的风电场WP1至WP3，能够将电功率馈入到供电网650中。这些风电场WP1至WP3原则上独立地工作。但是，在此提出，所述风电场能够供应和提供即时储备，并且这通过电网控制装置651来协调。为此，电网控制装置651对于风电场WP1至WP3中的每个预设储备水平并且传输到相应的风电场WP1、WP2或WP3上。为了进行传输，设置传输机构，所述传输机构经由数据传输通道653将数据传输到风电场WP1至WP3，所述数据在该处分别经由接口输入。每个风电场WP1至WP3为此能够具有中央的场控制单元，以便将由电网控制装置651预设的储备水平划分到风电场的风能设备。
风电场WP1至WP3和电网控制装置651之间的通信也能够双向地进行，如数据传输通道的相应的视图借助于箭头在两个方向上所图解说明的那样。所述传输能够有线地进行或者无线地进行或者在由这两者构成的组合的方式进行。
由此，电网控制装置651也能够考虑相应的风电场的数据。考虑相应的风电场WP1、WP2或WP3的状态就足够了。双向的信息传输也开启如下可行性：风电场用作测量传感器并且记录供电网650的测量值，尤其电压和频率，并且将这些测量数据传输给电网控制装置以进行进一步使用。
优选地，关于实际馈入即时储备的信息被传输给电网控制装置651。电网控制装置651优选也识别所供应的即时储备并且就其而言能够将其转发给另一控制中心和/或进行评估以确定相应的储备水平。

Claims (21)

1.一种用于借助于至少一个风能设备在电网连接点处将电功率馈入到供电网中的方法，所述方法包括下述步骤：
-从风中产生电功率，
-将所产生的功率或者其一部分馈入到所述供电网中，
-供应即时储备用于附加地馈入所述供电网或者降低到所述供电网中的馈入，以支持所述供电网，以及
-根据电网特性和/或外部的要求附加地馈入电功率或者减少所馈入的功率直至所供应的即时储备，以便支持所述供电网，其中
-所供应的所述即时储备的等级能够作为储备水平(供应水平)来设定。
2.根据权利要求1所述的用于馈入的方法，其特征在于，所述储备水平根据所述电网连接点的特性来设定。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述储备水平根据至少一个标准来设定，所述标准选自如下列表，所述列表具有：
-在所述电网连接点处的短路功率，
-在所述电网连接点处的电网阻抗，
-在所述电网连接点处的短路电流比，和
-子电网形成的识别。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，经由设定功能附加地馈入电功率或者减少所馈入的功率与所述供电网的状态相关并且与所述储备水平相关。
5.根据权利要求4所述的方法，所述储备水平用作对所述设定功能的放大。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，经由接口将用于改变所述储备水平的预设值输入到至少一个所述风能设备，并且此外或者替选地，至少一个所述风能设备将其所设定的储备水平作为信息尤其提供给其它风能设备和/或监控多个电网连接点的中央的控制单元。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过出自下述项构成的列表的至少一个措施以储备水平的等级来提供即时储备：
-设置转速范围以使所述风能设备以在该范围中的转速来运行，其中所述转速范围和所述转速选择为，使得所述转速下降至所述转速范围的下值能够以储备水平的等级从转动能量中提供所述即时储备，
-设置下转速和相对于所述下转速以转速差提高的上转速，并且在上转速中运行所述风能设备，其中所述转速差选择为，使得通过将所述上转速下降到所述下转速，能够以所述储备水平的等级释放转动能量作为即时储备，
-改变至少一个所述风能设备的工作点，以及
-设置电能储存器，所述电能储存器具有以所述储备水平的等级储存在其中的并能调用的储存能量。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述供电网中检测描述所述供电网中的频率振荡的电网功率波动，并且所述储备水平根据所检测的电网功率波动来设定。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述储备水平根据所述电网连接点的耦合强度来设定，所述耦合强度是所述电网连接点与所述供电网多强地耦合的量度。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了进行电网支持，根据出自如下述项构成的列表的标准中的至少一个标准执行附加地馈入电功率或者减小所馈入的功率，这些标准如下：
-所述供电网的电网电压改变，
-所述供电网的电网频率改变，
-在所述供电网中所产生的功率和所消耗的功率之间的功率差，以及
-从外部传送的要求。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了进行电网支持，在提取或储存如下能量的情况下进行附加地馈入电功率或减小所馈入的功率：
-至少一个电容器机构的储存能量，
-至少一个所述风能设备的转动能量，和
-至少一个电池储存器的储存能量，
其中根据待提取或待储存的能量数量，
-首先提取或储存出自所述电容器机构的储存能量，
-如果还需要其他能量，那么使用出自至少一个所述风能设备的转动能量，以及
-如果仍需要其他能量，那么使用出自所述电池储存器的储存能量。
12.一种用于分别借助于至少一个风能设备在多个电网连接点处将电功率馈入到供电网中的方法，其中为了在所述电网连接点中的每个电网连接点处进行馈入，分别使用根据上述权利要求中任一项所述的方法，并且储备水平对于所述电网连接点中的每个电网连接点能够不同地设定。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，对于多个所述电网连接点，按水平共同地预设总共所供应的即时储备，并且与此相关地，针对所述电网连接点中的每个电网连接点确定储备水平，尤其使得所述储备水平的总和对应于总共所供应的即时储备的等级。
14.一种风能设备，所述风能设备用于在电网连接点处将电功率馈入到供电网中，所述风能设备包括：
-空气动力学的转子和用于从风中产生电功率的发电机，
-用于将所产生的功率或其一部分馈入到所述供电网中的馈入单元，
-控制单元，所述控制单元用于供应用于馈入到所述供电网中的即时储备以进行所述供电网的支持，
-控制机构，所述控制机构用于控制所述风能设备，使得所供应的即时储备或其一部分根据电网特性和/或外部的要求馈入到所述供电网中，以便支持所述供电网，和
-用于设定所供应的即时储备的等级作为储备水平(供应水平)的设定机构。
15.根据权利要求14所述的风能设备，其特征在于，所述风能设备配置用于，实施根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
16.根据权利要求14或15所述的风能设备，其特征在于，设有至少一个电能储存器，所述电能储存器用于提供所述即时储备或者其一部分，尤其是至少一个电池储存器和/或电容器机构，尤其电容器组。
17.一种具有多个风能设备的风电场，其中
-所述风能设备中的一个、多个或者所有风能设备根据权利要求14至16中任一项构成，和/或
-所述风电场配置用于，实施根据权利要求1至11中任一项所述的方法。
18.一种电网控制装置(651)，所述电网控制装置用于控制多个用于将电功率馈入到供电网中的馈入装置，其中
-每个馈入装置
-包括至少一个用于从风中产生电功率的风能设备，
-具有馈入单元，所述馈入单元用于将所产生的功率或者其一部分分别经由电网连接点馈入到所述供电网中，
-控制单元，所述控制单元用于供应用于馈入到所述供电网中的即时储备以进行所述供电网的支持，和
-设定机构，所述设定机构用于设定所供应的即时储备的等级作为储备水平(供应水平)，并且
-所述电网控制装置包括：
-数据传输机构，所述数据传输机构用于在所述电网控制装置和所述馈入装置之间交换数据，以及
-预设机构，所述预设机构用于分别将不同的储备水平预设给所述馈入装置以设定所供应的即时储备的等级。
19.根据权利要求18所述的电网控制装置，其特征在于，
每个馈入装置分别构成为根据权利要求17所述的风电场，或者具有至少一个根据权利要求14至16中任一项所述的风能设备。
20.根据权利要求18或19所述的电网控制装置，其特征在于，所述电网控制装置至少具有：
-测量记录器，所述测量记录器用于记录所述供电网的电网状态，和
-评估设备，所述评估设备用于根据所记录的电网状态中的至少一个来确定所述储备水平。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的电网控制装置，其特征在于，所述电网控制装置配置用于，实施或协调根据权利要求12或13所述的方法。
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