CN109209767A - 在风力发电园中多个风力发电设备中的功率降低 - Google Patents

Abstract

一种风力发电园和一种用于操作风力发电园的方法，该风力发电园具有发电园主控（3）和多个风力发电设备（1）。该发电园主控（3）预定这些风力发电设备（1）的功率输出。该风力发电园能够在正常运行方式和功率降低的节流运行方式中运行。该发电园主控（3）为此向这些风力发电设备（1）输出节流信号。根据本发明通过以下方式对于每个参与的风力发电设备确定单独的额定功率降低P_额定，i：对于每个风力发电设备确定可用功率P_{可用（i）}并且将这个可用功率减小某一降低量ΔP_i；通过具有相同升高时间的优化条件T_{恢复，优化}=T_恢复，i的优化方法，对于风力发电设备来确定该降低量ΔP_i；以及重复，直到该优化方法实现可预设的中断标准。不仅在功率降低而且还在功率升高时实现了对风力发电园的动态高品质调节行为。通过考虑单独风力发电设备的个体功率升高能力，风力发电设备同步地实现了其分别的最大功率输出。有效地避免了伴随出现的负面情况，如过冲或缓慢的渐进式近似。

Description

在风力发电园中多个风力发电设备中的功率降低

本发明涉及一种用于在风力发电园中降低功率的方法。风力发电园包括发电园主控和多个风力发电设备，这些风力发电设备产生并输出电能。除了正常运行方式之外，还可以有功率降低的运行方式，其中在发电园主控处施加用于使发电园功率降低的信号并且在此基础上风力发电设备对其功率产生进行节流。

随着可再生能源的发展，风力发电园更多地用于对电网稳定性做出贡献。风力发电园例如通过调节功率输出（包括在有效功率输出方面）来实现其贡献。在此，在调节品质方面对风力发电园提出的要求越来越高。尤其在改变功率要求时需要更高的调节速度。

当风力发电园作为整体应输出更少的功率时，必须降低单独的风力发电设备的功率输出。至今已知的是，对于单独的风力发电设备确定新的额定预定值并且将其传送到风力发电设备。通过个体的预定值，该方法在具有经常更新的预定值的动态变化的预定值的情况下是相对缓慢的并且因此不适合高调节速度。此外已知，确定共用的总体预定值并且将其传送到风力发电设备。这虽然提供了快速传送的优点，但是在具有困难的风力条件（例如少风）的风力发电设备处尤其导致问题。这些风力发电设备可能无法完全跟随经常变化的功率输出预定值（缺乏足够的风力）。这产生了风力发电园的整体调节行为的显著劣化。

从EP 2 028 368 B1已知另一种方法。在此对于每个风力发电设备确定与相应的风力条件相关的可用功率。然后与用于作为整体的风力发电园的外部预定值相关地降低每个风力发电设备在其功率输出中的百分比。因此在功率降低时，所有风力发电设备可以毫无问题地跟随；然而，在功率提升时，有时不是所有风力发电设备都能跟随。这意味着，在功率提升时调节行为的动态特性不是最优的。

本发明的基本目的在于，创造一种改进的风力发电园或操作方法，其在更高的调节品质下具有更大的调节速度。

本发明的解决方案在于独立权利要求的特征。有利的改进方案是从属权利要求的主题。

在一种用于操作风力发电园的方法，该风力发电园包括发电园主控和用于产生电功率的各具有一个控制器的多个风力发电设备，其中该发电园主控预定这些风力发电设备的功率输出，并且该风力发电园能够在正常运行方式和功率降低的节流运行方式中运行，其中在该节流运行方式中，在该发电园主控处施加用于该风力发电园的功率降低ΔP_{额定，发电园}的信号并且在此基础上使参与的风力发电设备对其功率生成进行节流，根据本发明提出通过以下步骤对于每个参与的风力发电设备确定单独的额定功率降低P_{额定（i）}：对于每个参与的风力发电设备来确定可用功率P_{可用（i）}并且将这个可用功率减小某一降低量ΔP_i；通过具有优化条件T_{恢复，优化} = T_恢复(ΔP_i, x_i)的优化方法，对于所有参与的风力发电设备来确定该降低量ΔP_i；以及重复，直到该优化方法实现可预设的中断标准。

下面将首先解释所使用的若干术语：

“可用功率”理解为在实际主导的（风力）条件下一台风力发电设备最大可输出的功率。

“升高时间”理解为风力发电设备用于将其功率输出从较低的第一值提高到较高的第二值、尤其无节流的功率值所需的持续时间。

本发明基于如下认识：在通过考虑单独风力发电设备的功率升高能力的优选方法的背景下能够明显提高整个风力发电园的动态调节品质。通过本发明可以实现的是，不仅在功率降低而且还在功率升高时实现了对风力发电园的动态高品质调节行为。本发明通过考虑单独风力发电设备的个体功率升高能力完成了，使风力发电设备同步地实现了其各自的最大功率输出。有效地避免了伴随出现的负面情况，如在现有技术中部分情况下出现的过冲或缓慢的渐进式近似。

本发明还已知，在适当时不完全执行该优化方法也可以是有利的。这提供了更快速处理的优势。由此可以实现改进的实时能力。这尤其适用于当在固定的时长上不完全执行时。由此确保，对于下一个处理步骤实时提供新的优化结果。

该固定的时长有利地是持续时间。这提供了如下优势：可以以此方式（在限定的极限之内）实现实时能力。但是也可以提出，该时长通过优化方法的重复次数来确定。

便利的是，尤其从上一次执行的优化运行的结果出发以增量的方式执行该优化方法（也称为暖启动）。由此，无需在每次运行中执行全部计算。而是，仅部分地运行该优化方法就已经足够（例如通过固定地预先给出的迭代步骤数量）。在此然后将先前运行的中间结果用在该优化方法的后续运行中。因此明显降低了单独运行中的计算强度并且最终仍然在多次运行中实现收敛。

尤其在不完全优化的情况下，已经证实有用的是，强制满足次要条件。于是作为次要条件可以提出，风力发电设备处的功率降低的总和应总体上对应于风力发电园的所要求的功率降低（Σ ΔP_i = ΔP_{额定，发电园}），并且这作为次要条件考虑到优化方法中且在适当时是强制的。然而，依据优化算法，只有在实现收敛时才满足次要条件。于是必须在提前中断之后采取适当的措施来强制满足次要条件。这可以例如借助于通过修正因子缩放来进行。

该方法有利地可以通过引入风力发电设备的需要保持的最小功率作为另外的次要条件而进一步改进。由此保证每个风力发电设备供应一定的有效功率，并且另一方面还负载有有效功率。因此避免了使风机转子完全解除负载，由此有效消除了由于大幅度解除负载造成的风力发电设备的驱动系中不稳定的危险。

此外可以提出，关闭风力发电园的风力发电设备中的一部分，尤其具有低于可设定阈值的可用功率的那些风力发电设备。由此防止具有过低可用功率的风力发电设备妨碍该优化方法。

有利地提出，储存用于映射所参与的风力发电设备的升高时间的函数，优选作为多项式。由此可以分析的方式直接用数值计算相应的风力发电设备的延迟时间。但是也可以提出，将升高时间的函数储存在特征曲线图中，优选多维的特征曲线图。这提供了高速度的优点。

此外可以预先设定，将优化方法至少部分地分散式实施。由此可以高效利用保存在当地的风力发电设备数据。

特别便利的是，使用非线性的优化方法，例如牛顿方法。由此可以使优化方法更好地匹配风力发电设备的特性。由此可以改进调节品质以及优化速度。

本发明还涉及一种对应地运行的风力发电园。更详细的说明参见前文的说明。

下面将参考附图借助于实施例来详细解说本发明。附图示出：

图1根据本发明实施例的风力发电园的概览图示；

图2发电园主控的功率调节器的示意图；

图3流程图；

图4展示风力发电园和风力发电装置的功率行为的图表；以及

图5与现有技术的对比。

图1示出根据本发明实施例的风力发电园。该风力发电园包括多个风力发电设备1以及发电园主控3，这些风力发电设备通过发电园内部的网络2彼此相连。

风力发电设备1在所示的实施例中基本上相同地建造。它们分别具有塔架10，在其上端安排有在方位角方向上可旋转的机舱11。在机舱11的端面处可旋转移动地安排有风力转子12，该风力转子通过（未示出的）转子轴来驱动发电机13。发电机13与逆变器14一起作用以产生电能，该电能通过连接导线16（带有安排在其上的设备变压器17）输出到园内网络2的主干网21。风力发电设备1的运行由相应地运行控制器15控制，该运行控制器同样安排在机舱11中。运行控制器15通过信号导线18连接到园内网络2的信号网络22。

另外，发电园主控3连接到信号网络22。发电园主控用于向上级引导风力发电设备1并且为此目的通过信号网络22与风力发电设备1的运行控制器15相连。发电园主控3具有引导连接端31，在该引导连接端可以施加预定值（例如由作为整体的风力发电园所需的功率降低P_{额定，发电园}或ΔP_{额定，发电园}）。这可以源自上级的实体（如网络运营商）或者在风力发电园中本地生成（例如借助于频率统计）。

借助于主干网络21将所有由风力发电设备1产生的电功率收集并通过主变压器29输出到供电网络9。在变压器29的区域中，输出到供电网络9的功率的电压和电流强度借助于对应的电压传感器和电流传感器27、28来测定并且作为测量值施加到发电园主控3。

发电园主控3尤其包括功率调节器4。该功率调节器被设计为调节从风力发电园通过主变压器29输出到供电网络9的功率。

在正常运行方式中，风力发电装置1产生与在实际风力条件下可实现的一样多的电能并且通过主变压器29将电能馈送到供电网络9中。但是还可以选择功率降低的运行方式，通过在上级实体侧向发电园主控3预定功率降低值。于是，发电园主控3获得风力发电园整体的要执行的功率降低值ΔP_{额定，发电园}。根据本发明，功率调节器4形成为，在此情况下对于风力发电设备1确定新的额定值，尤其使得新的额定值最优地匹配发电园中的功率升高动态特征。更详细的说明参见图2、3。为此设置了额定值分配单元5。该额定值分配单元的输入值是要执行的功率降低ΔP_{额定，发电园}并且它作为输出信号输出对于参与的风力发电设备的单独的功率额定值P_额定，i的由该功率降低计算的信号向量。

本发明的方法提出，每个风力发电设备获得一个功率额定值P_额定，i，该功率额定值由其实际可用的功率P_可用，i减去单独的降低量ΔP_i而组合成，其中下标代表在风力发电园中运行的风力发电设备1的数量：

P_{额定，i =} P_可用，i - ΔP_i。

为了确定实际的可用功率，设置有确定单元7。该确定单元形成为，借助于一般无论如何都存在于发电园主控3中的参数（例如在相应风力发电设备1处的局部风速）对于每个风力发电设备1来计算可用功率P_可用，i。替代地，确定单元还可以定位为分布在相应的风力发电设备上并且将计算结果通过信号网络传递给发电园主控。风力发电园的风力发电设备1的这些值的总和P_可用，i作为向量输出并且施加到差分构件65的正输入端。

借助于计算单元6对于相应的风力发电设备1单独地确定降低量ΔP_i。在此计算单元6与优化单元8（该优化单元具有在其中实现的优化条件单元80）如下地共同作用，使得优选在考虑到两个次要条件的情况下进行优化。

作为优化条件80，在优化单元8中实现，每个风力发电设备1用于将功率输出从降低的运行方式升高到最大可能的可用功率所需的持续时间相等。如果将风力发电设备i用于将其功率输出从降低的运行方式再度提高到最大可能的可用功率所需的时间称为T_恢复，i(ΔP_i, x_i)，则对于优化条件单元80有：

T _恢复，i (ΔP _i , x _i ) = T _{恢复，优化} 。

在此时间T_恢复，i(ΔP_i, x_i)是设备的功率升高动态特性的度量。它取决于所计划的降低的深度和在适当时该风力发电设备的其他内部状态。这些状态x_i尤其可以包括局部地作用在风力发电设备1处的风速或者风力发电设备1的可用功率。

便利地，在优化条件单元80中将函数T_恢复，i(ΔP_i, x_i)储存为特征曲线图或多项式。由于T_恢复，i(ΔP_i, x_i)的通常非线性的特性，为了根据前述公式计算ΔP_i，一般要求由优化单元8进行迭代优化。

这是在考虑到在第一和第二次要条件单元81、82中实现的两个次要条件的情况下完成的。在此，在第一次要条件单元81中实现，所有风力发电设备1的降低量ΔP_i的总和对应于发电园总体的所希望的降低：

ΣΔP _i = ΔP _{额定，发电园} 。

在第二次要条件单元82中，作为次要条件实现，每个风力发电设备1即使降低了ΔP_i也仍然在高于预定的绝对最小有效功率运行。

由于计算单元6相组合的优化单元8计算的单独风力发电设备1的降低量ΔP_i的值作为输出向量64从计算单元6输出并且施加到差分构件65的负输入端。差分构件65于是从中计算功率额定值P_额定，i，如先前给出的，并且将其作为信号向量66输出。这个功率额定值从发电园主控3通过信号网络22施加到相应的风力发电设备1。

借助于图3和4解说执行过程和结果。

开始时，风力发电设备1（示例性地展示了三个风力发电设备）以未节流的方式运行。在此，这些风力发电设备中的两个具有例如5 MW的标称功率的风力发电设备输出通过风力造成的3.5 MW或3 MW的全部的可用功率，而第三个较小的具有3 MW标称功率的风力发电设备由于局部不利的风力仅输出1 MW（见图4a、b中直到t₀的时间段）。因此发电园总计输出7.5 MW（步骤101）。

在时间点t₀节流生效，确切的说节流到6 MW（步骤102）。由此从7.5 MW出发，功率降低ΔP_{额定，发电园} = 1.5 MW。在下文中对于每个风力发电设备1单独确定新的功率额定值ΔP_i。这在步骤103中完成。在此由优化单元8如上文所述地在考虑到次要条件的情况下（如在单元81、82中实现的）对于风力发电设备1单独计算降低量，假定相同的升高时间。因此对于这三个风力发电设备产生了如在图4b）中在时间范围（从t₀到t₁）展示的分别为2.8、2.45和0.75 MW的经节流的功率值。由此，在经节流的运行方式中风力发电园的总功率为6 MW，如在图4a中在时间点t₁所示。经节流的功率值的差异来自优化条件，该优化条件试图使在取消节流之后用于功率升高所需的时间相等。该降低值在此被设定为，在取消节流之后所有风力发电设备1在相同的时间下再次达到其最大值。

在时间点t = 1.2 min，将节流取消（步骤102）并且风力发电设备1分别提高其功率，尤其使得风力发电园的总功率再次升高到7.5 MW的起始功率。

在此每个风力发电设备1的有效功率值连续升高（参见图4b中1.2至1.5 min的时间范围）并且风力发电园的总功率输出总体上对应地提高（参见图4a）。可以看出，在风力发电设备中虽然以不同斜率进行功率升高，但是在所有参与的风力发电设备1中持续相同的时长。这从上述的优化条件得出。由此实现了所希望的效果，即最终所有参与的风力发电设备1在同一时间点（在此：t = 1.5 min）再次达到其未节流的最大值。由此发电园也以恒定升高的功率在最短时间内再次实现了其最大值。可以在图4a中很好地看到，风力发电园的总功率输出在没有过冲或没有渐进的蠕动行为的情况下迅速地再次与起始的功率输出值相联系。这是迅速且准确地完成的。

在步骤103，在此无须完全执行该优化。在可设定的时长上执行该优化可能也是足够的。这在询问104中实现。在此，检验了优化步骤的数量或可预定的收敛标准。如果收敛标准尚未完成，则分支回到优化方法中（步骤105）。如果满足了收敛标准（已经到达了一定的优化步骤数量或者收敛情况好于可预定的边界值），则在步骤106中将新的功率输出值从发电园主控3传送到风力发电设备1，并且对应地运行风力发电设备1。然后，在适当时，在下一步107（新的计算循环）中继续优化方法，建立在先前步骤中实现的结果之上。由此可以将快速的计算与（长期）有保证的收敛相联系。替代地，还可以结束优化方法（步骤108）。

在图5中示出了与根据现有技术的解决方案的对比。其中以类似于图4a的方式示出风力发电园随时间的总功率输出。根据本发明的曲线用实线示出，根据现有技术的曲线（只要有偏差）用虚线示出。可以看到，在节流结束后再次达到未节流运行方式的值时，在现有技术中出现了延迟，类似于渐进的（蠕动式）近似。这在本发明中得以避免，使得快速且均匀地进行升高，并且既没有看到蠕动行为也没有看到过冲。根据本发明运行的风力发电园因此更迅速且更均匀地实现了未节流的值。这对于风力发电园的整体可调节性而言是显著的优点。

Claims (15)

1.一种用于操作风力发电园的方法，该风力发电园包括发电园主控和用于产生电功率的各具有一个控制器的多个风力发电设备，其中该发电园主控预定这些风力发电设备的功率输出，并且该风力发电园能够在正常运行方式和功率降低的节流运行方式中运行，其中在该节流运行方式中，在该发电园主控处施加用于该风力发电园的功率降低ΔP_{额定，发电园}的信号并且在此基础上使参与的风力发电设备对其功率生成进行节流，

其特征在于，

通过以下步骤对于每个参与的风力发电设备来确定单独的额定功率降低P_额定，i：

对于每个参与的风力发电设备来确定可用功率P_{可用（i）}并且将这个可用功率减小某一降低量ΔP_i；

通过具有相同升高时间的优化条件T_{恢复，优化} = T_恢复，i的优化方法，对于所有参与的风力发电设备来确定该降低量ΔP_i；以及

重复，直到该优化方法实现可预设的中断标准。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于不完全执行该优化方法，尤其优选在规定的时长上不完全执行该优化方法。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该时长是持续时间。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该时长是重复次数。

5.根据权利要求2至4之一所述的方法，其特征在于，从上一次执行的结果出发以增量的方式执行该优化方法。

6. 根据权利要求2至5之一所述的方法，其特征在于在不完全优化时也强制实现次要条件，其中优选考虑到这些降低量ΔP_i的总和，尤其进一步优选使得Σ ΔP_i = ΔP_{额定，发电园}。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该强制实现通过修正因子来进行。

8.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于引入每个参与的风力发电设备的需要保持的最小功率作为另外的次要条件。

9.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于排除一部分风力发电设备、尤其具有低于可设定阈值的可用功率的风力发电设备。

10.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于作为多项式来储存用于这些参与的风力发电设备的升高时间的函数。

11.根据权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于作为多维特征曲线图来储存用于升高时间的函数。

12.根据权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于局部地计算对于这些参与的风力发电设备的单独的升高时间，并且将结果传输到用于实施该优化算法的中央单元。

13.根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于至少部分地分散式实施该优化算法。

14.一种风力发电园，包括发电园主控（3）和用于产生电功率的各具有一个控制器（15）的多个风力发电设备（1），其中该发电园主控（3）预定这些风力发电设备（1）的功率输出，并且该风力发电园能够在正常运行方式和功率降低的节流运行方式中运行，其中在该节流运行方式中，在该发电园主控（3）处施加用于该风力发电园的功率降低（ΔP_{额定，发电园}）的信号并且该发电园主控（3）在此基础上向参与的风力发电设备（1）输出节流信号，

其特征在于，

该发电园主控（3）还形成为，以如下步骤对于每个参与的风力发电设备（1）来确定单独的额定功率降低P_{额定（i）}：对于每个参与的风力发电设备（1）来确定可用功率P_{可用（i）}并且将这个可用功率减小某一降低量ΔP_i；

通过具有相同升高时间的优化条件T_{恢复，优化} = T_恢复，i的优化方法，对于所有参与的风力发电设备来确定该降低量ΔPi；以及

重复，直到该优化方法实现可预设的中断标准。

15.根据权利要求14所述的风力发电园，其特征在于，该发电园主控（3）还形成为用于实施根据权利要求2至13之一所述的方法。