CN109327041B - 在可再生发电单元、尤其风力发电设备运行时提供调节功率 - Google Patents

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Abstract

在可再生发电单元、尤其风力发电设备运行时提供调节功率。一种由在强度方面波动的主源驱动的可再生发电单元、尤其风力发电设备（1）以及一种用于提供调节功率的方法。其中，在施加低于可用功率（P可用）的待输出的减小功率（P目标）的预定值的情况下，为了使之可用而提供调节功率（ΔPRL）。本发明提出：(i)连续地确定实际不可信度，借助于该实际不可信度，在考虑该波动的主源的情况下维持该调节功率ΔPRL的预定值；(ii)基于该实际不可信度来连续地计算动态可信区间；(iii)基于所要求的调节功率和该动态可信区间来连续地适配该预定值（P目标）。确定统计学上的不可信度并根据该不可信度使该预定值动态地偏置，其方式为使得得到对应的可信缓冲区（可信区间）：该可信缓冲区在不可信度高时大、在不可信度低时小。在均匀的刮风条件下，该可信区间明显更窄，由此得到更大的预定值。借此获得较高产量，但还保证了维持所要求的调节功率（以预定的置信概率）。

Description

在可再生发电单元、尤其风力发电设备运行时提供调节功率
技术领域
本发明涉及用于在可再生发电单元运行时提供调节功率的方法。在此，可再生发电单元是由在强度方面波动的主源驱动的。该可再生发电单元尤其是由自然风驱动的风力发电设备，自然风就其强度而言通常是波动的。但本发明也可以涉及例如太阳能发电设备，其中不同的云层情况同样造成主能量载体“阳光”的显著波动。
背景技术
因此，可再生发电单元的蓬勃发展也提出了其对电网稳定性贡献的问题。在能量传输和能量分配电网运行时的主要目的不仅在于给它输送电能，而且在于在预定参数内可信且可靠地供应电能。在总体上被称为“电网稳定性”的方面是极其有意义的。保持电网稳定性尤其要求发电和耗电的平衡关系。做到这一点在实践中是一项艰巨挑战，因为尤其耗电本身波动剧烈，而由于增设可再生发电站导致发电也在更大范围内波动。为此需要调节功率，尤其用于捕获（Abfangen）耗电峰值的正调节功率和用于捕获发电峰值的负调节功率。由于可再生发电单元的广泛发展，现在也要求它们提供调节功率。
这尤其适用于提供负调节功率（即，减小功率输出——下调），这总是也可以由具有波动的主源的发电单元（例如风力发电设备）与该主源的相应条件（例如风力发电设备情况下的风力）无关地进行。因此，例如要求特别常见地作为可再生发电单元所采用的风力发电设备，这些风力发电设备必须按照如下方式来提供负调节功率：即，至少必须被下调至所要求的值，但所述下调也可以增大最多达10%（所谓的超额满足）。在此，大多情况下必须如下地进行下调：使得发电方输出比最大可能的功率小了某个值的功率。最大可能的输出功率（也被称为“可用功率”）在此是在考虑当前给出条件的情况下可能从主源供应中最大提取的功率。即，可用功率随着主源供应并且可选地随着限制可能提取的）其他边界条件而波动。在下调作用下所输出的功率（“下调功率”）的绝对值因此同样相对于可用功率而波动。因此，在考虑到如尤其在风力发电设备中出现的自然波动情况下，实际上几乎无法实现“精确下调”。因此，满足于一定程度上的统计学可信度，例如95%的可信度。
特别的挑战在于确定可用功率。因为一旦发电单元采取措施来有针对性地减小功率提取，则仅还可以估算在其他情况下可能提取怎样的功率（“如果......，则可能......”）。为了这种估算，已经已知了大多情况下基于发电方和主源的行为的数学模型的方法。但就像在每次估算时那样，经估算的可用功率就其与真正的可用功率之差而言存在一定的不可信度。当再次取消所有有针对性的减小时，只有在实际提取真正的可用功率时，才再次已知该真正的可用功率。当所估算的可用功率的减小和期望的相对减小（调节功率）的绝对值被确定时，在取消所述减小之时，才揭示所估算的可用功率与真正的可用功率相差多大以及由此实际提供的调节功率与期望的调节功率相差了多大。
由DE 10 2012 215 565 A1已知用于在风力发电设备中提供调节功率的方法及控制装置。该方法基于风预测。由这些风预测出发，借助于统计数据来预测风走向（几小时或几天），其中也可以建立在下一个15分钟的时间段上的短期预测。如果采取负调节功率，则由预测本身得到的理想值被减小了恒定的功率差。通过调节该恒定功率差而实现了：就平均值而言，实现了期望的更低功率输出。但是，限制于“就平均值而言”意味着：这些值可能间歇地向上或向下偏离。为此，无法充分可靠地满足须至少以所要求的调节功率值来下调的前述标准。
虽然，可能通过按平均值简单调节更大的功率减小来应对这一不足。但这与发电单元运营商要获得尽量高的功率输出以及由此尽量高的收益的要求相悖。
本发明的基本目的在于，给出一种改进的方法以及一种对应改进的用于可再生发电单元的控制装置，由此可以避免或至少减轻这种缺点。
发明内容
根据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。
在一种用于在可再生发电单元、尤其风力发电设备运行时提供调节功率的方法中，该可再生发电单元由在强度方面波动的主源来驱动，从而产生电功率，该电功率被输出至电网，其中，在施加低于可用功率（P可用）的待输出减小功率（P目标）的预定值的情况下，为了使之可用而至少提供负调节功率（ΔPRL），根据本发明提出以下步骤：连续地确定实际不可信度，借助于该实际不可信度，在考虑该波动的主源的情况下维持该调节功率（ΔPRL）的预定值；基于该实际不可信度来连续地计算动态可信区间（Sicherheitsbands）；基于所要求的调节功率和该动态可信区间来连续地适配该预定值。便利地，仅在以该预定值（包括可信区间）维持调节功率的程度上进行对该预定值的适配。“维持调节功率”在此是指，满足（可选地甚至超额满足）与调节功率（ΔPRL）相关的要求。
本发明的核心是如下构思：动态地依据实际测量值（实际值）连续地计算该可信区间。由此，本发明的方法与预测值和随之而来的不可信度无关。通过连续的计算和随之而来的动态，本发明的方法也可以自动地针对主源强烈波动状况进行调节，而在此在主源平稳、均匀的情况下没有形成不需要的储备并由此白白浪费收益。因此，例如可以在主源为“风”时在强烈波动的刮风条件下计算功率输出的预定值，从而得到相对较大的可信区间，以便能够因此保证维持所要求的调节功率（以预定的置信概率）；而在均匀的刮风条件下可以根据本发明选择明显更窄的可信区间，从而得到功率输出的更大的预定值。由此获得较高产量，但还保证了维持所要求的调节功率（以预定的置信概率）。因此，本发明确定了统计学上的不可信度且根据该不可信度动态地选择预定值，其方式为使得得到对应应的可信缓冲区（通过可信区间来表达）：该可信缓冲区在不可信度高时大、在不可信度低时小。
根本上讲，本发明提供一种不可信度追踪器。该不可信度追踪器根据刮风条件（可信度有多大或多小）来确定维持某个预定值，并由此计算出可信区间的宽度。于是，该追踪器进一步使预定值偏置成使得围绕预定值设定的可信区间对应于所要求的调节功率。由一方面动态地确定可信区间和连续追踪构成的组合由此实现了满足看起来矛盾的目的：即，一方面可靠地维持调节功率和另一方面保持最大收益。这在已知的现有技术中是空前的。
便利地，在考虑实际功率与预定功率之间的滑差的情况下、优选借助标准偏差计算来确定实际不可信度，通过确定实际不可信度可以调节所要求的调节功率（ΔPRL）。因此，可以通过简单且精巧的方式在采用当前数据的情况下执行动态计算，而不必依赖预测。此外，这样的滑动计算在数值方面很好地适合于在计算机、例如运行控制装置及其部件上实时执行。此外，可以通过按照频率计算滑差的权重（尤其借助低通滤波）来进一步优化对不可信度的计算。通过这种方式，仅考虑低频的和残留的偏差。高频干扰（如测量噪音）因此不会导致失真。
为了更简单说明起见，以具有主源“风”的风力发电设备为例来进一步说明。
此外，优选在确定实际不可信度时考虑在确定风力和/或风向时的测量误差。因此，尤其风向测量遇到不可信度，尤其当风向传感器如常见的那样布置在转子叶片后方且位于转子叶片的尾流（Strömungsnachlauf）中时。在此可能容易导致失真。对应的情况适用于风力测量，尤其当为此利用风力发电设备的主转子时。数据单和校准值的不精确可信度性在此同样加强地影响不。
有利地，在采用置信概率的情况下，从实际不可信度计算出可信区间。置信概率的95%或98%的值已经证明是适用的。
事实表明，在确定不可信度时还要考虑模型误差，例如在确定可用功率时关于损耗功率模型等的模型误差。由此考虑到以下认识：即，常用模型已经出于耗费原因不是完全精确的、而是被简化。因此，也可以考虑或补偿通常在模型中未包含的方面。有利地，尤其考虑环境形貌、尤其地势和/或相邻的发电单元。为此考虑以下认识：即，在某些风向下，当风力发电设备在后运行中被地面不平和/或相邻的风力发电设备驱动时，可能出现失真。因此，可以有利地尤其就后运行的遮蔽效果而言考虑与相邻风力发电设备的叠加效果。当考虑相邻风力发电设备的运行状态时，这尤其适用。特别便利的是，在此考虑风力发电设备、尤其是其中一个相邻风力发电设备的当前节流。因为事实已经表明：如果不做这样的考虑就可能出现明显误差。对应情况适用于考虑多个参数的统计学叠加，所述参数选自以下组，该组由主源强度（尤其风速）、发电单元的可用的有效功率和/或具有多个发电单元的分组式组件中的损耗构成。
便利地还提出，尤其通过在未节流运行时的理想-实际比较调适模型参数。由此，可以获得对模型的精细适配和改进，从而可以减小不可信度。如果该模型不可进一步改进，则也可以通过模型和测量值之差与某些环境参数之间的关联来确定模型在何种条件下有较大误差。
在计算动态可信区间时有利地考虑可选因素。由此可以影响可信区间的宽度B，尤其取决于对置信概率的期待程度。值2被证明适用于95%的可信度，或值2.5被证明适用于98%的可信度。
要注意的是，本发明的方法不仅可以被用于未节流运行的可再生发电单元，也可以被用于节流运行的可再生发电单元。节流运行在此是指：存在对可再生发电单元的功率限制（例如，风力发电设备或风力发电园仅允许馈送其标称功率的最多80%）。该节流值是待输出功率的绝对上限，并且因此也限制可用功率。因此，额外地要求的调节功率可选地必须参照节流值来维持。这意味着：节流值小于可用功率，因此为了本发明的目的可以将该节流值用作可用功率（P可用）。而在未节流设备中，该调节功率总是参照可用功率来理解。
还要注意的是，替代地也可以提出：待维持的可信区间的宽度B不是累加至所采取的负调节功率，而是从被限制的可用功率中被减去，这在计算P目标时的最终结果中导致同一值。在此情况下，也可能将可信区间视为“误差区间”，并将由此修正的可用功率视为以给定的置信度K（最小）可用的功率。
优选采用风力发电设备作为可再生发电单元。它可以是一个单独的风力发电设备，或者是在工作中组合的多个风力发电设备（也称为风力发电园）。
本发明还涉及一种用于运行单独的风力发电设备或者具有多个风力发电设备的风力发电园的对应方法。本发明还涉及一种被实施成具有用于执行所述方法的控制装置的风力发电设备以及一种具有对应风力发电设备的风力发电园。
附图说明
下面将参考附图借助于实施例来详细解说本发明。在附图中：
图1示出根据本发明的一个实施例的风力发电设备的示意图；
图2示出用于实施该方法的风力发电设备的功率控制装置的局部的电路框图；
图3示出根据所述实施例的在采取调节功率时的功率的时间曲线；以及
图4A、4B示出根据现有技术的在采取调节功率时的功率的时间曲线。
具体实施方式
图1示出了用于实施根据本发明的一个实施例的本发明方法的风力发电设备1，并且在图2中示出了用于实施所述方法的风力发电设备1（或风力发电园）的功率控制装置3的对应部分的实施例。
风力发电设备1优选与其他类似的风力发电设备1’一起被布置成风力发电园的一部分，该风力发电园由风力发电园主控5集中控制。以下借助风力发电设备1示例性地解释用于实施本发明方法的风力发电设备1和功率控制装置3的结构。
总体上以附图标记1标示的风力发电设备包括带有机舱11的塔架10，该机舱在方位角方向上可枢转运动地布置在塔架10的上端。具有多个转子叶片13的风轮12可转动地部布置在机舱11的一个端面上。风轮12通过（未示出的）转子轴来驱动发电机14，该发电机与逆变器15相连以产生电能。由此产生的电能经由连接导线16经过塔架10被传输至布置在塔架10脚下的设备变压器18，并从那里在转变为中压级后被输出至电网9（在此，该电网可以是发电园内部电网或者传输或分配电网）。另外，电压和电流传感器17、17’布置在连接导线16上。
风力发电设备1的运行由运行控制装置2控制，该运行控制装置布置在机舱11中。来自电压和电流传感器17、17’的测量信号（经由未示出的导线）被连接至运行控制装置2。另外，来自上级主管部门（例如电网运营商）的输入信号被连接至运行控制装置2。这些输入信号在图1中通过两个箭头图示被示出，这两个箭头图示代表到最大理想值P理想的实际功率节流和所采取的（负）调节功率ΔPRL。
首先解释从现有技术中已知的用于提供负调节功率的方法。负调节功率是指为了使风力发电设备可用而将功率输出下调了预定的值。这容许电网运营商在功率供应超额的情况下稳定电网。电网运营商期望快速且准确地满足预定值；为此在此意义上电网运营商一般允许如下容差，使得在任何情况下必须满足预定值（最低程度满足），但还可以超出一定的值（例如10%超额满足）。重要的是至少必须产生该预定值——这是要保证的。
在此，针对图4A、4B假定：风力发电设备（或风力发电园）在占主导的刮风条件下输出约10 MW的功率（见图4A、4B中最上方的线）。另外假定，在时刻t0要求3 MW的负调节功率ΔPRL。这在图4A、4B中由在时刻t0的呈实线的线条突变被示出。在占主导的刮风条件下随后本身可能有的功率输出（真正的可用功率）由点状线示出。可以看到，在从t0起的时刻，实线正好比本身可能有的功率输出（可用功率P可用）的点状线低了3 MW。但这个值无法直接用作风力发电设备的功率输出的预定值，因为该值在下调运行中是未知的。
因为相对于电网运营商虽然作为最小值必须保证维持所要求的调节功率，但也可以实现超额满足，因此出于谨慎考虑而将减小的值用作预定值。在如图4A所示的已知变型中，如此调节理想值，使得所要求的3 MW的调节功率被增大约24%，即最终与本身可能的功率输出P可用（见点状线）的间距约为3.7 MW。因此得到的预定值在图4A中由点划线示出。但对功率预定值的调节只能伴随波动来实现，并且另外实际上已经表明：对风速的确定和由此对本身可能的可用功率P可用的确定也可遇到显著的不精确性。因此，出现与实际馈入功率和真正的储备功率（调节功率）相关的不可信区间。该不可信区间在图4A中由虚线界定且通过灰色阴影来强调。可以看到，不可信区间在一些时刻向上超出实线。这意味着，馈入了过多的功率，即无法维持容许的负调节功率。即，就此而言，电网运营商的预定值未被满足。
为了补救可以提出，在更大程度上减小被改变的理想值。这在图4B中被示出。在此，本身所要求的3 MW的调节功率被增大约75%（即相比于根据图4A的变型大致是三倍的可信缓冲区）。在图4B中可清楚看到，如此改变的预定值（点划线）现在明显较小。由此实现了：不可信区间（灰色阴影区域，由两条虚线界定）在任何时刻都未超出实线，而是总低于实线或最多到达一个点。
即，在图4B所示的变型中，可靠地维持电网运营商的预定值。但这样做付出高昂代价，即，现在对极其低的预定值（点划线）进行调节。即，关于极限值（实线）白白浪费了无法给风力发电设备的运营商带来收益的显著馈电功率。
本发明避免所述缺点。现在参见图2，其示出作为运行控制装置2或风力发电园主控5的一部分的功率控制装置3。在该功率控制装置中实施本发明的方法。功率控制装置3包括限制器31。在该限制器的输入端接入针对由估算器30估算的可用功率P可用的值。此外，限制器31具有用于在节流运行中最大待维持的功率P理想的输入端。限制器31被设计成用于输出这两个功率P可用和P理想中的较小功率。因此被限定的功率值被施加到减法器32的正输入端。功率控制装置3还具有偏置单元4。该偏置单元包括计算模块41。在计算模块上施加有多个参数。这些参数括：测量不可信度（尤其与风速vw和风向角vα的确定相关以及与确定/估算可用功率P可用时的模型不可信度相关）、由地貌或相邻的风力发电设备引起的影响等。由此，借助当前数据计算实际不可信度并将其输出为值σ。这个值被作为输入信号被施加到倍增器42。倍增器具有可调的倍增值K。通过修正值K调节与值σ相关的可信区间的宽度B。在所示实施例中，值K = 2.5被选择用于约98%的置信概率。因此，得到用于待维持可信区间的宽度B的大小，其作为输出信号从倍率器42被输出并被施加到加法器43的输入端。在加法器43的另一输入端，作为输入值施加有针对所采取的负调节功率ΔPRL的参数。加法器43由此通过加法计算出偏置功率P偏置的值并且将其输出给减法器32的负输入端。由限制器31输出的输出值由此对应地以偏置功率P偏置的值被减小。由此得到改变的值，该值作为预定值P目标由功率控制装置3输出。于是，该改变的值被运行控制装置2或者风力发电园主控5按照本身已知方式用于调节风力发电设备1的功率输出。尤其当在计算模块41中求出的不可信度涉及估算的可用功率时，替代地也可以设想的是：待维持的可信区间的宽度B不是被添加至所采取的负调节功率，而是从被限制的可用功率中被减去，这可能在所述计算的最终乘积（P目标）中具有相同效果。在此情况下，也可能将可信区间视为“误差区间”，并将由此修正的可用功率视为以给定的置信度K（最小）可用的功率。
图3示出了本发明的作用。如也在图4A、4B中那样，用粗实线示出一开始不受限地输出的功率。在时刻t0，采取3 MW的负调节功率ΔPRL，从而实线从此时刻起突然减小3 MW（从此时刻起在图3中以粗虚线被示出）。
不同于根据图4A、4B的现有技术，该预定值（点划线）不是以恒定值下向更低的功率偏置，而是所述偏置总是被重新动态计算且只进行到不可信区域（虚线）的界限恰好满足与调节功率相关的要求的程度（粗线）。这两条线的这种有计划的重合在图3中用粗虚线示出。可以看到，不可信区间在任何时刻都没有高出所要求的调节功率（粗线），即，始终满足关于调节功率的要求。
这相比于根据图4A的现有技术是一项显著改善，在图4A中偶尔出现超出情况。另外，根据本发明在图3中，预定值（点划线）明显高于根据图4B的现有技术；即同时获得较高产量。因此，本发明在提供品质以及产量方面带来了相比于现有技术的优点。

Claims (31)

1.一种用于在可再生发电单元运行时提供调节功率的方法，该可再生发电单元由在强度方面波动的主源驱动来产生电功率，该电功率被输出至电网（9），其中，在施加低于可用功率（P可用）的待输出的减小功率（P目标）的预定值的情况下，为了使可再生发电单元可用而至少提供负调节功率（ΔPRL），
其特征在于以下步骤：
连续地确定实际不可信度，借助于该实际不可信度，在考虑该波动的主源的情况下维持该负调节功率的预定值；
基于该实际不可信度来连续地计算动态可信区间；
基于所要求的调节功率和该动态可信区间来连续地适配该预定值（P目标）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可再生发电单元是风力发电设备（1）。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在考虑实际功率与预定功率之间的滑差的情况下确定该实际不可信度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助标准偏差计算在考虑实际功率与预定功率之间的滑差的情况下确定该实际不可信度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，按频率来计算该滑差的权重。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，借助低通滤波按频率来计算该滑差的权重。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用置信概率来计算该可信区间。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，置信概率是95%或98%的置信概率。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，仅在以包含该可信区间在内的该预定值维持该调节功率（ΔPRL）的程度上进行对该预定值（P目标）的适配。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在确定风力和/或风向时，在考虑测量误差的情况下确定该实际不可信度。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在确定可用功率时，在考虑模型误差的情况下确定该实际不可信度。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在就损耗功率模型而言确定可用功率时，在考虑模型误差的情况下确定该实际不可信度。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，考虑环境形貌和/或相邻的发电单元。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，环境形貌是地势。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过理想-实际比较来调适模型参数。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过未节流运行时的理想-实际比较来调适模型参数。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，借助多个参数的统计学叠加来确定该实际不可信度。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，借助该可再生发电单元的内部参数和/或外部参数来确定该实际不可信度。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，外部参数是环境参数。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，环境参数是风速、该发电单元的可用的有效功率和/或具有多个发电单元的分组式组件中的损耗。
21.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，考虑与相邻的发电单元的叠加效果。
22.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，就在后运行的遮蔽效果而言考虑与相邻的发电单元的叠加效果。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，引入发电单元之一的当前节流。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，发电单元是相邻的发电单元。
25.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在计算该动态可信区间时考虑可选因素。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，可选因素根据置信概率来选择。
27.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，该可再生发电单元以节流或未节流的方式运行。
28.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，作为发电单元采用一个风力发电设备。
29.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，作为发电单元采用工作中组合的多个风力发电设备。
30.一种可再生发电单元，该可再生发电单元由在强度方面波动的主源驱动，该可再生发电单元具有用于输出所产生的功率的输出端、和信号输入端、以及包括功率控制装置（3）的运行控制装置（2），该信号输入端用于在施加低于可用功率（P可用）的待输出的减小功率（P目标）的预定值的情况下采取至少负调节功率（ΔPRL），
其特征在于，
该功率控制装置被设计成用于实施根据权利要求1至29之一所述的方法。
31.根据权利要求30所述的可再生发电单元，其特征在于，可再生发电单元是风力发电设备（1）。
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