CN110024252A

CN110024252A - 用于将电功率馈入到供电网中的方法

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Publication number: CN110024252A
Application number: CN201780072516.9A
Authority: CN
Inventors: 约翰内斯·布龙巴赫
Original assignee: Wobben Properties GmbH
Current assignee: Wobben Properties GmbH
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-07-16
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: EP3545599B1; DK3545599T3; US20190312431A1; CA3043449C; US11196262B2; KR20190082945A; WO2018096030A1; BR112019010336A2; EP3545599A1; JP2020513717A; DE102016122580A1; CA3043449A1; CN110024252B

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，其中至少一个所述风能设备具有空气动力学的转子，所述转子具有转子叶片，并且所述转子具有惯性力矩并且能够以可变的转子转速运行，至少一个所述风能设备具有用于产生发电机功率的发电机，多个能量发生器将功率馈入所述供电网中，并且多个耗电器从所述供电网提取功率，使得在供电网中在所馈入的和所提取的功率之间获得功率平衡，如果所馈入的功率比所提取的更多，那么所述功率平衡被视为是正的，并且所述方法包括下述步骤：根据可用的风能馈入基本电功率，预设附加地要馈入的辅助功率，和附加地馈入所预设的附加地要馈入的辅助功率，以辅助所述供电网，其中确定对于所述要馈入的辅助功率可用的辅助能量，和根据所确定的可用的辅助能量数量预设所述附加地要馈入的辅助功率。

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。本发明还涉及一种用于将电功率馈入到供电网中的风能设备。此外，本发明涉及一种用于将电功率馈入到供电网中的具有多个风能设备的风电场。

背景技术

借助于风能设备或风电场将电功率馈入到供电网中是已知的。在此期间也已知的是，借助风能设备或风电场提供所谓的系统服务，所述系统服务有助于以电气方式辅助和/或改进供电网。

特别成问题的是，为了辅助供电网应提高要馈入的功率，因为风能设备经常馈入与其当前能够从风中提取的功率一样多的功率。为此，为了进行改进已经针对短期的功率提高而提出，使用来自转动的转子的飞轮质量的功率。但是如果馈入提高的功率并且为此使用来自转动的转子的功率，那么所述转子减慢，使得以相应提高的方式所馈入的功率仅能够在短的时间段内馈入。

因此，在该处虽然提出短期的功率提高的解决方案，但是要接受或者不考虑或较少地考虑通过这种短期的功率提高对相应的风能设备产生的影响。通过从飞轮质量中提取功率，降低风能设备的转速。这不仅对相关的风能设备具有影响，而且也将相关的供电网置于削弱的状态下。例如，在过强地提取飞轮能量的情况下，风能设备会丧失其运行点并且于是必要时必须首先继续运行到如下运行点中，所述运行点与由于盛行风而可行的功率馈入相比可能实现更低的功率馈入。

此外，调用这种支持能量也引起，如果相关的风能设备或总体所涉及的风能设备已经提供其在辅助能量方面的潜力，那么首先无法再提取进一步的辅助能量。

德国专利和商标局在关于本申请的优先权申请中检索到以下现有技术：DE 102011 006 670 A1、DE 10 2015 208 554 A1、WO 2012/171 532 A2和EP 1 665 494 B1。

发明内容

因此，本发明所基于的目的是，针对至少一个上文提及的问题。尤其应提出一种解决方案，其中一个或多个风能设备能够对于短期的功率提高提供相应的辅助功率，但是在此不会丧失稳定的工作点。尤其应避免，一个或多个风能设备通过这样提供辅助功率而变得不稳定或者甚至停机。至少应相对于至今为止已知的解决方案提出一个替选的解决方案。

根据本发明提出一种根据权利要求1所述的方法。所述方法涉及借助于至少一个风能设备在电网连接点将电功率馈入供电网中。也就是说，风能设备在电网连接点处向供电网馈电。所述方法也能够涉及多个风能设备，即尤其设置在风电场中并且一起在电网连接点处向供电网馈电的多个风能设备。

至少一个风能设备具有空气动力学的转子，所述转子具有转子叶片，并且所述转子具有惯性力矩并且能够以可变的转子转速运行。也就是说，其基于所谓的转速可变的风能设备。至少一个风能设备也具有用于产生发电机功率的发电机。

此外所基于的是，多个能量发生器将功率馈入供电网中。也就是说，不仅至少一个风能设备将功率馈入供电网中，而且至少一个另外的能量发生器，尤其多个或大量能量发生器将功率馈入供电网中。也基于的是，多个耗电器从供电网提取功率。在此，在供电网中在所馈入的和所提取的功率之间产生功率平衡。如果所馈入的功率比所提取的更多，那么所述功率平衡被视为是正的。如果所馈入的功率与所提取的一样多，那么理想情况下，这种功率平衡为0。

现在对于所述方法提出，根据可用的风能通过至少一个风能设备将基本电功率馈入供电网中。所述基本电功率因此基本上是风能设备直接从风中提取并且馈入到供电网中的功率。在这种考虑中，仍然未考虑例如通过风能设备的进行传输或进行转换的元件中的线路损耗和/或热量损耗而引起的功率损耗。也就是说，出于进行阐述的目的，假定：从风中提取的功率也作为所述基本电功率馈入供电网中。

此外，预设附加地要馈入的辅助功率。因此，要馈入的这种辅助功率超出基本电功率，进而所述辅助功率也超出当前能够通过所涉及的风能设备从风中提取的功率。

然后，附加地馈入这种预设的辅助功率，即除了用于辅助供电网的基本电功率之外附加地馈入这种预设的辅助功率。

为此现在提出，确定对于要馈入的辅助功率可用的辅助能量数量。预设的和附加地馈入的辅助功率需要除了风以外的能量源。所述能量源例如能够是空气动力学的转子的旋转能量。也能够存在和使用其它的或附加的能量源，例如蓄电池。现在提出，确定这种对于待馈入的辅助功率可用的辅助能量数量。换言之，确定存在于对于辅助功率可用的能量源中的能量量数量。在此有意地确定可用的辅助能量数量，而不是当前可用的辅助功率，以便因此能够实现超出当前的时间点的考虑。

最终，根据所确定的可用的辅助能量数量预设辅助功率。也就是说，辅助功率不仅与当前对供电网的辅助功率的需求相关，并且也不仅与如下技术边界条件相关：馈入该附加的辅助功率，所述技术边界条件例如是电流限制，而且也有意地考虑可用的辅助能量数量。

因此也能够特别规划，除了基本电功率以外，在哪个时间段内能够馈入多大的辅助功率。换言之，提出：完全地考虑在附加的能量源中的能量储备。因此特别是也能够避免：可用的辅助能量数量突然耗尽，也就是说，相应的能量源被耗尽，并且于是辅助功率必须突然下降。也实现下述可行性：在当前的辅助需求和短时间后仍需要的辅助需求之间取得平衡。也实现下述可行性：规划可馈入的辅助功率的时间变化曲线。在此，这种规划涉及在秒的范围内的时间段，尤其是在5秒到30秒的范围内。

优选地，使用至少一个逆变器来馈入电功率。这非常普遍地也对于任何实施形式提出。优选地，根据至少一个逆变器的负载率确定附加地要馈入的辅助功率。原则上，要馈入的辅助功率尤其根据功率平衡来确定，尤其与供电网的频率相关，所述频率能够是功率平衡的良好的指示器。为此附加地提出，考虑至少一个逆变器的负载率。这尤其表示：在此考虑附加地馈入辅助功率的可行性。此外或替选地能够考虑所馈入的无功功率，并且相应地根据所述无功功率确定附加地要馈入的辅助功率。所馈入的无功功率也有助于至少一个逆变器的负载率，并且已经认识到：因此能够有利地在确定附加的辅助功率时考虑所馈入的无功功率。

优选提出，降低所馈入的无功功率，以便能够馈入更高的辅助功率。然后，在确定附加地要馈入的辅助功率时，就已经能够考虑这种无功功率降低。换言之，如果所馈入的无功功率减小到新的值，则必要时能够以与可能基于当前所馈入的无功功率的值相比更大的值确定附加地要馈入的辅助功率。在这种情况下，考虑所馈入的无功功率的这个新的值，以确定要馈入的辅助功率。

优选地，可用的辅助能量数量从转子的惯性力矩、风能设备的当前的运行点的至少一个运行特征变量和所允许的较低的转子转速中求得。为此，特别假定下述情况：储存在风能设备的转子中的旋转能量是可用的辅助能量数量的能量源。只要存在附加的能量源，那么这些能量源能够附加地被考虑。

在这里提出的从转子的旋转能量中求得可用的辅助能量数量的情况下，因此首先考虑转子的惯性力矩。在此仍能够添加惯性力矩发电机的转子的惯性力矩，但是其通常具有比空气动力学的转子的惯性力矩小得多的位值。

此外，考虑风能设备的当前的运行点的至少一个运行特征变量，这尤其是当前的转子转速。但是在此也能够考虑或添加其它变量，如转子的转子叶片的当前的叶片迎角和当前输出的发电机功率。从转子的惯性力矩和转子转速中能够计算出储存在转子的当前的转动运动中的动能。

然而，转动的转子的这种动能，即旋转能量，不一定是对于要馈入的辅助功率可用的辅助能量数量，因为这种旋转能量通常无法被完全调用，或者完全地调用所述旋转能量通常没有意义。完全调用所述旋转能量可能表示：将转子减少到零。然而，从许多角度来看，这可能会是不利的，因为此后风能设备首先完全不能馈送任何功率，这使整体情况变差。此外，在将转子转速降低到非常低的值或者甚至降低到0的情况下，可从风中提取的功率也减少，使得能够减少所馈入的总功率，进而实际上馈入较少的附加的辅助功率。

因此提出，附加地考虑所允许的较低的转子转速。这种所允许的较低的转子转速是转子针对这种辅助所允许减速到其上的转子转速。因此，所允许的较低的转子转速尤其考虑到：在该转子转速下，风能设备的继续运行仍是可行的。附加地，该转子转速能够考虑从风中提取的功率的减少进而被置于下述值上，其中将可从风中提取的功率仅减小预定的值，该预定的值优选选择为是尽可能小的。

根据一个实施形式提出，当前的运行点的至少一个运行变量包括以下变量中的至少一个，即当前的转子转速、当前的发电机功率和盛行的风速。

当前的转子转速特别用于确定转动的转子的现有的动能，即旋转能量。

当前的发电机功率，尤其连同转子转速一起，是风能设备的当前的运行点的一个重要的运行特征变量。从中能够了解：风能设备是否正在转换大量或少量的功率，并且从中也能够推断出，风能设备具有多少储备来移动其运行点。旋转能量的调用引起，风能设备的运行点移动，并且根据该运行点位于何处可以相应大程度或小程度地移动运行点。特别是当风能设备转换大量的功率时，盛行的风速通常也是高的。但是，然后，如果运行点从其最佳方位移动到不那么理想的方位中，那么所述运行点在风特别强的情况下，即盛行的风速高时能够更容易地再次返回到先前的运行点中。

另一方面，关于当前的转速相对高的功率能够表示：所述设备不在最佳运行点中工作。这也能够表示：转速/功率特征曲线上的运行点位于边沿上，进而转速的变化能够引起相对强的功率减小。在这种情况下，旋转能量的提取可能引起相对强的功率损耗。这也能够表示：转速仅能够小程度地降低。通过考虑发电机功率，在确定可用的辅助能量时能够考虑该内容。

此外或替代于此，能够考虑盛行的风速。为此，能够对盛行的风速进行测量，其中考虑在风能设备处借助相应的测量设备进行的测量，或者也考虑借助位于附近的测量桅杆进行测量。因为风速的测量通常是不准确的，因此还能够考虑从转子转速和发电机功率中推导出风速。

在任何情况下，从中都能够更好地认识到，能够以何种程度改变运行点，并且尤其能够以何种强度降低转子转速，从而能够实际提取多少旋转能量。正是这种可提取的旋转能量于是导致可用的辅助能量数量。如果不存在其它能量源并且不考虑损耗，那么这种可提取的旋转能量是可用的辅助能量数量。

根据另一实施形式提出，为了求得可用的辅助能量数量，考虑通过降低转子转速而引起的功率损耗。如果为了提取功率而降低转子转速，那么从风中提取功率也因如此减慢的转子而变差。这限制了实际可用的辅助能量数量，进而在求得可用的辅助能量数量时能够被考虑。

替选地或附加地提出，通过降低转子转速根据功率损耗来预设附加地要馈入的辅助功率。由此，能够通过相应地调整辅助功率来补偿功率损耗。

根据一个设计方案提出，至少一个风能设备与至少一个蓄电器耦联以提供辅助功率，并且为了求得可用的辅助能量数量，考虑转子的旋转能量和至少一个蓄电器的相应的储能量。在这种情况下，辅助功率能够与多个能量源有关，即与转动的转子的旋转能量的一部分和至少一个蓄电器有关。特别地，能够设有这样的蓄电器来提高可能的辅助能量数量，即提高超出能够从转动的转子中所使用的数量。

蓄电器能够是电池，并且此外或附加地能够是高功率电容器，所述高功率电容器在技术领域中也称为Super-Cap或Ultra-Cap(超级电容器)。特别提出，使用这种高功率电容器，因为所述高功率电容器维护成本低并且能够非常快速地提供能量或功率。尽管如此，在此还重要的是，所述高功率电容器具有何种储能量，即所述高功率电容器以何种强度充电。并且对于这种适用于电池和高功率电容器的蓄电器也能够考虑，所述蓄电器也能够不完全地放电。这在电容器中尤其由于电压下降产生而在电池中由于在放电时内部电阻增加而产生。因此，在这里也提出：考虑实际能够提取多少现有的能量。这也能够与下述电子开关单元有关，所述电子开关单元分别从蓄电器提取能量。因此例如能够是，充电到800伏的电压的电容器例如仅能够放电至300伏，因为300伏或更低的这种低电压可能需要下述电子单元，所述电子单元相应地将所述电压设定为高的以在风能设备中使用。这仅是一个示例并且所提及的电压值也仅示例性地提及。在电池中可能出现类似问题。在电池中还引起：所述电池可能会因过强的放电而被破坏。

在求得可用的辅助能量数量时，优选考虑所有这些效果。

根据一个实施形式提出，在馈入辅助功率时，更新、尤其是连续更新可用的辅助能量数量。也就是说，在馈入辅助功率时应进行所述更新，并且必须相应地快速更新或者与馈入同时更新。在此提出，所述更新根据所馈入的辅助功率进行。因此，监控所馈入的辅助功率，并且使用该信息来不断地更新可用的辅助能量数量。为此特别考虑，所馈入的辅助功率连续地针对时间进行积分成为所馈入的辅助能量。在这种情况要特别注意的是，如果可用的辅助能量数量允许，那么根据供电网中的频率馈入辅助功率。因此，频率的波动也会导致辅助功率的波动。还提出，需考虑在预先规定的辅助功率即辅助功率期望值和实际馈入的辅助功率即辅助功率实际值之间会产生差异。尽管如此，除了考虑测量所馈入的辅助功率之外，还要经由所馈入的辅助功率的期望值考虑所述馈入的辅助功率并且必要时考虑在期望功率和实际功率之间的已知的尤其动态的偏差。

此外或替选地提出：在考虑风能设备的变化行为作为对馈入辅助功率的响应的情况下，更新可用的辅助能量数量。在此特别考虑：考虑转子转速的降低作为对转子的旋转能量的输出的响应。

特别是，能够定期地非常准确和快速地检测转子转速。因为转子的惯性力矩没有明显改变，因此当前也可检测存在于转子中的旋转能量。尤其在假定对于当前的辅助情况不改变所允许的较低的转子转速的情况下，通过观察转子转速的降低，能够快速和准确地检测可用的辅助能量数量的变化。

通过监控所述蓄电器的输出电压，能够定期地检测一个或多个现有的蓄电器的现有的能量的减少。但是特别是对于蓄电池也考虑其它方法，所述方法原则上是本领域技术人员所熟悉的。

通过更新可用的辅助能量数量，还能够尤其以简单的方式和方法确定当前预设的附加地要馈入的辅助功率。

根据一个实施形式提出，至少一个风能设备与至少一个能够在其消耗方面可控地减少的耗电器耦联，并且确定可用的辅助能量数量，考虑通过减少至少一个可控地可减少的耗电器而可用的能量量数量。在此特别基于如下基本思想：与风能设备耦联的耗电器消耗风能设备的功率。因此，风能设备将所述功率较少地馈入供电网中。如果所述耗电器能够至少短时间地并且也临时地减少或切断，那么通常在馈电时缺失的、由所述耗电器消耗的所述功率现在能够用于辅助。这优选在确定可用的辅助能量数量时被考虑。

要指出的是，耗电器在辅助情况期间不消耗的这种功率可以直接添加到辅助功率中。这根据一个实施形式，但是是在考虑如下事实的情况下：辅助功率的一部分，尤其一大部分从转子的旋转能量中提取，也提出：要考虑整体情况并且为此提出，也通过消耗减少的耗电器而可用的所述功率转化为可用的能量，并且添加到可用的辅助能量数量中或者在考虑所述通过耗电器而可用的能量的情况下确定可用的辅助能量数量。为此，例如能够将通过耗电器而可用的功率针对待期望的辅助情况的持续时间积分为能量。如果该持续时间发生变化，则能够更新对可用的辅助能量数量的计算。替选地，所述通过耗电器而可用的功率直接添加到辅助功率中。

要指出的是，在耗电器固定地与风能设备耦联并且在其消耗方面可控地可减少的这种情况下，所述基本电功率与从风中产生的功率消耗功率相比小了该消耗功率。

根据一个实施形式提出，为了预设辅助功率，根据辅助能量数量来预设辅助功率的变化曲线。尤其提出，根据辅助能量数量来预设辅助功率经由与时间相关的变化曲线来进行。辅助功率的与辅助能量数量相关的这种变化曲线尤其能够表现为：在最初足够地存在的辅助能量数量的情况下，基于边界条件如逆变器的负载率、恒定的辅助功率来预设所述辅助功率。如果现在可用的辅助能量数量减少到低于可预设的最小辅助能量数量，则辅助功率于是随着可用的辅助能量数量的进一步降低而减小。优选地，在此能够提出在可用的辅助能量数量和所馈入的或相应预设的辅助功率之间的比例关系。在这种情况下，可能产生总是缓慢下降的辅助功率，该辅助功率在理想情况下将会渐进地近似于0。根据另一变型形式提出，对于所提及的剩余的最小辅助能量数量计算剩余的时间间隔，在该时间间隔中，功率随时间成比例地下降到0并且在此精确地馈送所述剩余的最小辅助能量数量，仅作为另一示例列举。

如果使用与时间相关的变化曲线，则也能够提出，对于总的可用的辅助能量数量，已预先确定辅助功率关于时间的变化曲线，所述变化曲线刚好引起可用的辅助能量数量的消耗。当然，如果不再需要对供电网进行辅助，那么始终中断辅助功率的馈入。

根据一个实施形式提出，至少一个风能设备在运行点处运行，所述运行点在输出旋转能量时首先被改进，尤其：风能设备这样高的转子转速运行，使得通过输出飞轮能量，即旋转能量来将转子转速暂时降低到功率最佳的转子转速上。这特别对于较低的部分负载运行提出，其中风速仍然远低于额定风速，例如最大为额定风速的50％。

在此基于以下认知：虽然在理论上对于风能设备仅存在一个最佳的、即功率最佳的运行点，但是在该最佳的运行点附近存在一个与理论上功率最佳的运行点相比仅以最小的程度不利的运行范围。尤其通常存在功率最佳的转子转速，所述转子转速尤其也关于从风中提取功率是最佳的。较高的转子转速和较低的转子转速都是较为不利的，但是都是轻微不利的。因此，特别认识到，高于功率最佳的转子转速的转子转速仅引起工作点的最小程度的变差，但是同时实现明显更高的旋转能，尤其是显着更高的可用的旋转能量。通常甚至也能够的是，由此在测量技术上几乎无法证实运行点的变差。特别是在这种情况下提出，风能设备在相应移动的运行点中，即以相应更高的转速运行。

优选地，可用的辅助能量数量，即在此是可用的，也就是说有意义地仍可提取的旋转能量数量，用作为转子转速以何种程度提高超过作为功率最佳地计算出的转子转速的量度。在此，能够在提高的可用的辅助能量数量和通过提高转子转速而引起的运行点的变差的效率之间取得平衡。尤其取决于：在供电网中是否预期到辅助情况，或者在供电网中的其它生成器是否能够实施足够的辅助或者多少其它生成器能够实施足够的辅助，能够借助这种平衡来设定或改变相应的转子转速。

根据一个实施形式提出，根据供电网的电网状态，尤其是根据供电网的功率平衡来预设辅助功率，其中附加地根据可用的辅助能量数量确定和遵循功率上限，并且一旦可用的辅助能量数量达到预设的极限值，那么预设的辅助功率以随着时间而降低的变化曲线，尤其以在时间上降低的边沿而下降。

也就是说，首先根据供电网的电网状态预设辅助功率。这尤其能够是电网频率，即供电网的电压的频率，所述频率能够是功率平衡的指示器。必要时需重视的是，在其它方面考虑供电网的功率平衡。这例如能够通过外部发送的信息来进行，所述信息例如可以发送给电网运营商。

就此而言，供电网确定辅助功率，因为辅助功率应辅助供电网。但是，风能设备仅能够受限地提供辅助功率，进而提出，以该辅助功率可经济地运行。为此提出，根据可用的辅助能量数量确定功率上限，并且然后当然也遵循所述上限。为此能够基于根据本发明待期望的辅助时间段。为此考虑，以10秒的时间段为基础。优选地，该时间段位于5秒至30秒的范围中。根据所确定的可用的辅助能量数量，从中产生辅助功率的功率值。在最简单的情况下，这表示：选择所述辅助功率的该功率值，即所述功率上限，使得可用的辅助能量数量在借助该功率上限持续地馈入辅助功率的情况下在假定的辅助时间段结束时耗尽，或者除了剩余的最小辅助能量数量以外耗尽。为了随后避免突然终止所述辅助功率而提出，在接近结束时以在时间上下降的变化曲线降低预设的辅助功率。

根据本发明还提出一种风能设备，并且所述风能设备配置用于将电功率在电网连接点处馈入供电网中。所述风能设备包括具有转子叶片的空气动力学的转子，并且所述转子具有惯性力矩并且能够以可变的转子转速运行。此外，所述风能设备具有用于产生发电机功率的发电机和用于根据可用的风能控制基本电功率的馈送的控制单元。这种控制单元例如能够是过程计算机，所述过程计算机承担部分对风能设备的一部分或全部控制。所述控制单元例如能够控制逆变器并且必要时控制风能设备的其它元件。

此外，风能设备包括用于预设附加地要馈入的辅助功率的预设机构。这种预设机构能够是控制装置如风能设备的控制处理器的一部分。但是，这种预设机构也能够作为单独的控制机构或至少单独的控制程序来设置。例如，根据在供电网中检测到的频率或基于外部请求信号，预设附加地要馈入的辅助功率。预设的辅助功率能够预设为绝对值或者也预设为相对值。例如，关于风能设备的额定功率考虑作为相对值的所述预设，或者关于当前实际馈入的功率考虑作为相对值的所述预设。

此外，风能设备具有用于馈入预设的辅助功率的馈电装置，以辅助供电网。这种馈电装置例如能够是逆变器，所述逆变器例如从发电机获得作为直流电压或直流电流的功率并且从中产生要馈入的交流电流。在此优选地，馈电装置设置用于同时馈送总计要馈入的功率。换言之，能够使用常用的馈电装置如逆变器，并且在此也能够承担附加地馈入预设的辅助功率以辅助供电网的任务。

也提出，风能设备具有用于确定对于要馈入的辅助功率可用的辅助能量数量的计算单元。因此，所述计算单元确定可用的辅助能量数量，所述可用的辅助能量数量于是能够用作为要馈入的辅助功率的源。根据所确定的可用的辅助能量数量预设辅助功率。预设附加地要馈入的辅助功率的预设机构因此考虑由所述计算单元确定的可用的辅助能量数量并且根据其确定辅助功率。用于预设附加地要馈入的辅助功率的预设机构和用于确定辅助能量数量的计算单元也能够集成在一个单元中，如集成在共同的微处理器中。

优选地，所述风能设备配置用于执行根据所述实施形式中的至少一个实施形式的方法。

还提出了一种具有多个风能设备的风电场，其中所述风电场的风能设备根据风能设备的所述实施形式中的至少一个实施形式构成。此外或替选地，风电场配置用于实施根据所述实施形式的方法。因此，所述实施能够能够进行为，使得风电场的每个风能设备本身执行相应的方法。

此外或替选地还能够提出，风电场作为单元执行根据所描述的实施形式的至少一种方法。尤其能够为了预设辅助功率和/或为了确定可用的辅助能量数量而设置中央的场计算机或其它中央单元，其整体承担针对所述场的任务。所述结果例如能够分配给各个风能设备以用于具体实施。在此，预设的辅助功率和/或可用的辅助能量数量能够分布到各个风能设备上。特别是在风中使用中央的能量储存器时，包含于其中的辅助能量数量能够被划分到风能设备上并且添加给和增加给风能设备的转子的旋转能量的可用的辅助能量数量。

根据另一实施形式，在场中设有这种中央的能量储存器的情况下，能够设有从该中央能量储存器直接向供电网馈电的馈电装置。在这种情况下还提出，这种通过风电场在不使用风能设备的情况下直接馈入的辅助功率通过场调控器或以其它方式进行协调。在此，所述馈入的辅助功率的协调也借助于由风能设备馈入的或者提供用于馈电的功率来进行。对可用的辅助能量数量的计算，考虑了这两种能量源类型，即旋转能量和蓄电池能量。

附图说明

现在在下文中根据实施例参考附图详细阐述本发明。

图1示出风能设备的立体图。

图2示出风电场的示意图。

图3示意性地示出风能设备的控制结构。

图4示出功率和能量时间图表。

图5以图表示意性地示出与转速相关的旋转能的变化曲线。

具体实施方式

图1示出风能设备100，其具有塔102和吊舱104。在吊舱104上设有具有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子106在运行中通过风进入转动运动进而驱动吊舱104中的发电机。

图2示出风电场112，其示例性地具有三个风能设备100，所述风能设备能够是相同的或不同的。因此，三个风能设备100代表风电场112的基本上任意数量的风能设备。风能设备100经由场电网114提供其功率，即尤其是所产生的电流。在此，各个风能设备100的相应产生的电流或功率相加并且通常设有变压器116，所述变压器将风电场中的电压进行升压转换，以便然后在馈电点118处馈入供电网120中，所述馈电点118通常也被称为PCC。图2仅是风电场112的简化视图，其例如没有示出控制装置，尽管当然存在控制装置。例如，场电网114也能够不同地设计，其中例如在每个风能设备100的输出端处也存在变压器，仅列举一个不同的实施例。

图3以示意性和说明性的结构示出风能设备吊舱2，所述风能设备吊舱具有控制结构4连同逆变器6，所述逆变器形成馈电装置。此外，蓄电池8作为2另外的能量源存在。借助馈电装置6，即逆变器，经由变压器10向示意性表示的电网12馈电。其它能量发生器也馈电到该电网12中并且其上连接有耗电器，其中这两者在此均未示出。

风能设备(其中示出吊舱2和塔延长部14)的工作原理在下文中首先进行一般性描述。在吊舱2上设置有同样示意性地示出的转子叶片16，即在导流罩20的毂18的区域中。所述转子叶片16，其中优选以三个转子叶片的方式存在，但是在图3中仅示出了两个，被风驱动并且使转子22进入转动运动，所述转子基本上由转子叶片16、毂18和导流罩0构成。从中借助于发电机24产生电功率，即发电机功率。为此，发电机24具有发电机转子26和定子28。术语发电机转子在此与发电机24的类型无关地使用，以便避免与空气动力学的转子22混淆。发电机转子26在此与毂18进而与转子22牢固地连接。但是原则上也能够中间接入传动装置。

优选的发电机24是同步发电机。尤其提出外部励磁的同步发电机。为了给外部励磁的同步发电机提供励磁功率，设有电流调节器30，所述电流调节器给发电机转子26输送励磁电流。这里没有示出待用于此目的的滑环。

由发电机24产生的发电机功率由定子28提供给整流器32，所述整流器对其进行整流并将相应经整流的直流电流与相应的直流电压提供给汇流条34。在运行进行时，电流调节器30还能够从汇流条34获取其能量。对于接下来考虑馈电和电网辅助，忽略电流调节器30所需的功率份额。

汇流条34与逆变器6的输入端耦联，所述汇流条不一定构成为条，而是也能够通过导线或导线束实现。

因此，逆变器6将汇流条34的直流电流或直流电压转换为交流电流或交流电压，所述交流电流或交流电压经由变压器10变换并且馈入电网12中。

如果现在引起或多或少的突然的功率需求，因为例如供电网12中的功率平衡变为负的，那么能够提出，通过逆变器6馈入附加的辅助功率。在图3中所示出的实施形式中，为此尤其考虑：使用来自蓄电池8的功率或来自转子22的旋转能。为此，控制单元36能够给逆变器6a预设相应的期望功率P_S。此外表明，控制单元36还能够给逆变器6预设无功功率Q_S。此外，逆变器6能够将视在功率S作为信息提供给控制单元36。

就此而言作为期望功率的要馈入的所述功率P_S由基本电功率和要馈送的辅助功率组成。在正常情况下，如果不存在对辅助功率的需求，则期望功率P_S基本上对应于基本电功率。因此，经由其也在正常运行中控制风能设备的功率输出。如果然后附加地应馈入辅助功率，也就是说，因为所述期望功率P_S的值应附加地增加，那么控制单元36必须首先具有该动机。通常所述动机从检测电网频率f中获得。特别是当电网频率f下降时，会存在下述需求，馈入附加的功率以进行电网辅助。为此设有电压测量装置38，所述电压测量装置除了逆变器6的输出电压U以外还检测电网频率f并将其输送给控制单元36。替选地，电压和频率的测量也能够在不同的位置处进行，例如在变压器10和供电网12之间，即在电网连接点40处进行。

此外或替选地，也能够经由在图3中表示为“ext”的外部信号识别或触发对电网辅助的需求。所述信号“ext”能够由电网运营商提供。

因此，控制单元36能够基于这些所提到的变量中的至少一个来识别对馈入附加的辅助功率以进行电网辅助的需求。

现在提出，除了根据表明这种需求的这些变量来计算要馈入的辅助功率以外，首先检测并且随后考虑整体存在的辅助能量的数量。

为了确定可用的辅助能量E_V而设有计算单元42。所述计算单元42在图3的实施形式中考虑来自转子22的旋转能量的可用的能量和来自蓄电池8的蓄积能量，所述计算单元也可以与控制单元36共存于一个设备中或在一个过程控制装置中。然后考虑由此整体确定的可用的辅助能量的数量E_V以预设辅助功率，并且为此根据图3的结构将其传输给控制单元36。

在此，可用的辅助能量的数量E_V相加地由转子22和蓄电池8的各个可用的辅助能量的子集组成。也就是说，其由转子22的可用的旋转能量和蓄电池8的可用的蓄积能量组成。

蓄电池8的可用的蓄积能量例如能够根据电池电压U_B确定。为此，蓄电池能够将电池电压U_B的该值传输给计算单元42。替选地，特别是如果所述蓄电池是具有多个单元的复杂的蓄电器组，蓄电池8本身也能够确定可用的蓄积能量并且将其传输给计算单元42，或者例如将充电状态传输给计算单元42，然后计算单元42从所述充电状态中确定可用的蓄电器能量的数量。

为了确定或计算转子22的可用的旋转能量，计算单元42尤其获得转速n，所述转速能够借助转速传感器44检测。转子22的惯性力矩已交给计算单元42，进而根据转速n计算旋转能量。

但是，转子22由于其当前转速n所存储的旋转能量实际上并非完全可用的，因为转子尤其在应辅助电网的时刻不应减小到转速为0或另一过低的转速，或者不允许减小。

相应地，计算单元42还整体考虑风能设备的运行点，其也能够称为工作点。为此特别需重视的是，也考虑当前的功率P，即考虑当前的设备功率，即风能设备目前输出的功率。计算单元42从控制单元36获得所述当前的功率P。控制单元36通常了解所述当前的功率P，因为其使用所述功率P来控制风能设备本身。尤其地，控制单元36设定风能设备的工作点。

预先加以考虑地，要指出的是，风能设备的这种控制也能够在另一控制单元中执行，或者也能够设有一个共同的中央控制单元，所述中央控制单元共同实现控制单元36和计算单元42的任务。

基于计算单元42因此至少关于转速n和功率P已知的该运行点，现在能够估计，转子22可以减速至哪个转速。从中于是不仅可确定现有的旋转能量，而且也可确定可用的旋转能量，所述可用的旋转能量是整体上存在的旋转能量的一部分。

此外，计算单元42能够向控制单元36提供针对转速提高的建议或期望值，所述转速能够提高到所述转速提高上，以便由此实现更高的旋转能量，以便然后仍然实现更高的可用的旋转能量。然而，这未进一步在图3中示出。

附加地，转子叶片的叶片角度也能够考虑用于评估运行点。所述叶片角度α例如能够在转子叶片16处测量，如在图3中所表明的那样。替选地，控制单元36也能够预设这样的叶片角度并且同时将其转发给计算单元42。如果例如在部分负荷运行中，也就是说，当所述设备未以期望功率运行时，叶片角度大于对于所述运行典型的部分负荷角度，这表明：与可能仅基于转速和功率所假定的相比，更强的风吹动。这例如能够表示，当前的运行点位于速度/功率特征曲线的边沿上，进而转速不会大幅降低，因为这可能会引起大的功率损耗。这在确定现有的辅助能量时将被考虑。如果现在已经确定可用的辅助能量的数量E_V，则控制单元36因此能够确定附加地要馈入的辅助功率并且相应地提高期望功率P_S并且将相应的期望值提供给逆变器6。

附加地，控制单元36为此能够提高励磁电流I_E并且为此将相应的信号提供给电流调节器30。

原则上也需重视的是，代替使用无源的整流器32，使用受控的整流器并且经由其改变定子电流，从而改变发电机功率。通过改变发电机功率，尤其通过提高励磁电流I_E，转子22被减速并且由此提取旋转能量。

现在可行的是，已经根据可用的辅助能量的数量的一部分预先规划为了进行电网辅助而馈入的辅助功率，从而实现对供电网的辅助，并且同时确保：风能设备在任意时间点具有稳定的运行点。特别是由此防止：风能设备在其将附加的辅助功率馈入供电网中期间其功率输出突然崩溃。

根据可用的辅助能量E_V规划辅助功率PA的可行性在图4中图解说明。在该处，辅助能量的数量中的可用部分或可用的辅助能量E_V根据时间t绘制并且在相同的图表中同样绘制了辅助功率P_A。在该处图解说明的实施形式提出，首先根据在供电网中检测到的频率过低来预设辅助功率P_A，并且对于辅助能量的数量E_V检查，其是高于还是低于预设的极限值，即，其是否低于最小辅助能数量E_min。为此，以简化方式假定，触发辅助功率P_A的标准原则上会引起恒定的辅助功率P_A，所述标准例如是过低的频率。相应地，对于要馈入的辅助功率P_A首先假定恒定值。但是，所述恒定值例如也能够根据电网频率与电网频率期望值的偏差改变，或者能够根据电网频率的频率梯度来确定。

因此，所述辅助功率P_A首先具有值P_A0并且从时间点t₀直至时间点t₁保持所述值。可用的辅助能量数量E_V在具有最大的辅助能量数量值E_max的时间点t₀开始，并且由于所馈入的恒定的辅助功率P_A而线性下降直至时间点t₁。

在时间点t₁，其达到并且不超过最小辅助能量子集E_min的值，并且引起辅助功率P_A减小。

该处示出的实施形式在此提出，辅助功率P_A从时间点t₁起线性地减小到0，更确切地说，在此刚好在时间点t₁耗尽仍可用的辅助能量数量。对于功率从初始值线性地减小到0特殊情况，所述初始值在此即恒定的辅助功率值P_A0，在此所需的能量E能够用公式E＝1/2P*t来计算。因为在此待消耗的能量对应于在时间点t₁仍存在的能量，即最小辅助能量数量E_min和功率P_A0的初始功率，所以计算如下时间，在所述时间中功率以公式t＝2*E_min/P_A0线性地减小到0。这样计算的时间根据图4的图表是从时间点t₁至时间点t₂的持续时间。该变化曲线在图4中图解说明并且借助该变型形式，首先能够馈入大的辅助功率P_A，所述辅助功率稍后才减少并且在开始时仍然能够借助减小的值做出辅助贡献。同时，最佳地利用可用的辅助能量数量E_V。

图5图解说明在转速n和可用的旋转能量之间的关系。该图表在横坐标上示出从值0直至超出所扩展的转速n_e的转速n。为此，将旋转能量E_R根据转速n绘制。可以看到，旋转能量E_R在具有值0的转速下同样是0并且从该处随转速n平方地增加。

在图5的图表中假定，风能设备以速度n₀运行。这在该处为正常的转速，所述正常的转速可能尤其在通常盛行的风速中使用。因此，该转速n₀与旋转能量E_R0相关联。然而，所述旋转能量E_R0不是可用的旋转能量数量，因为转速仅允许降低至最小转速n_min。相应地，这里可用的旋转能量数量仅是称为E_V0的正常的可用的旋转能量数量。假设没有其它的能量源，那么尤其这种正常的可用的旋转能量数量E_V0在此计算为可用的辅助能量数量。

图5还图解说明，当风能设备以较高的转速运行时，可用的旋转能量数量的增加是可行的。为此以图解说明的方式提出提高的或扩展的转速n_e。这引起作为转子的扩展的旋转能量的能量值E_Re。因此，通过如此将转速提高到该扩展的转速n_e上，能够将可用的旋转能量数量提高到扩展的可用的旋转能量数量E_Ve的值上。由于在旋转能量E_R和转速n之间的平方关系，所提出的这种速度提高具有非常大的效应。预先加以考虑地，应指出的是，图5是图解说明性的，并且根据运行点还能够考虑较小的转速提高，并且就此而言图5仅是图解说明性的。

Claims

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，其中

-至少一个所述风能设备具有空气动力学的转子，所述转子具有转子叶片，并且所述转子具有惯性力矩并且能够以可变的转子转速运行，

-至少一个所述风能设备具有用于产生发电机功率的发电机，

-多个能量发生器将功率馈入所述供电网中，和

-多个耗电器从所述供电网提取功率，

使得在所述供电网中在所馈入的功率和所提取的功率之间获得功率平衡，如果所馈入的功率比所提取的功率多，那么所述功率平衡被视为是正的，并且所述方法包括下述步骤：

-根据可用的风能馈入基本电功率，

-预设附加地要馈入的辅助功率，和

-附加地馈入所预设的附加地要馈入的辅助功率，以辅助所述供电网，其中

-确定对于所述要馈入的辅助功率可用的辅助能量数量，和

-根据所确定的可用的辅助能量数量预设所述附加地要馈入的辅助功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

至少根据下列各项求出所述可用的辅助能量数量：

-所述转子的惯性力矩，

-所述风能设备的当前的运行点的至少一个运行特征变量，和

-所允许的较低的转子转速。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

-所述当前的运行点的至少一个运行变量包括选自下述列表的至少一个变量：

-当前的转子转速，

-当前的发电机功率，和

-盛行的风速，

并且此外或替选地，

-所允许的较低的转子转速根据所述当前的运行点来确定，尤其根据所述当前的转速来确定。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

为了馈入所述电功率使用至少一个逆变器，并且根据所述至少一个逆变器的负载率以及此外或替选地根据所馈入的无功功率确定所述附加地要馈入的辅助功率。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

为了求得所述可用的辅助能量数量，考虑通过降低所述转子转速而引起的功率损耗。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

至少一个所述风能设备与至少一个蓄电器耦联以提供所述辅助功率，并且为了求得所述可用的辅助能量数量，考虑所述转子的旋转能量和所述至少一个蓄电器的相应的储能量，其中所述至少一个蓄电器是电池和/或高功率电容器。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在馈入辅助功率时，

-根据所馈入的所述辅助功率，并且此外或替选地，

-在考虑所述风能设备的变化行为作为对馈入所述辅助功率的响应的情况下，特别是在考虑所述转子转速的降低作为对输出所述转子的旋转能量的响应的情况下，

更新所述可用的辅助能量数量。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

至少一个所述风能设备与至少一个能够在其消耗方面可控地减少的耗电器耦联，并且确定所述可用的辅助能量数量，考虑通过减少至少一个能够可控地减少的耗电器而可用的能量数量。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

为了预设所述辅助功率，根据所述可用的辅助能量数量来预设所述辅助功率的变化曲线，尤其地，根据所述辅助能量数量经由与时间相关的变化曲线来预设所述辅助功率。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

至少一个所述风能设备在运行点中运行，所述运行点在输出旋转能量时首先被改进，尤其地，所述风能设备以这样高的转子转速运行，使得能够通过输出飞轮能量来将所述转子转速暂时降低到功率最佳的转子转速上。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

根据所述供电网的电网状态，尤其是根据所述供电网的功率平衡来预设所述辅助功率，其中

-附加地根据所述可用的辅助能量数量确定和遵循功率上限，并且

-一旦所述可用的辅助能量数量达到预设的极限值，尤其最小辅助能量数量，那么预设的所述辅助功率借助于在时间上下降的变化曲线，尤其在时间上下降的边沿来降低。

12.一种用于在电网连接点处将电功率馈入供电网中的风能设备，包括：

-具有转子叶片的空气动力学的转子，并且所述转子具有惯性力矩并且能够以可变的转子转速运行，

-用于产生发电机功率的发电机，

-用于根据可用的风能来控制基本电功率的馈入的控制单元，

-用于预设附加地要馈入的辅助功率的预设机构，

-用于馈入预设的所述辅助功率的馈电装置，以辅助所述供电网，

-用于确定对于要馈入的辅助功率可用的辅助能量数量的计算单元，并且其中

-根据所确定的所述可用的辅助能量数量预设所述辅助功率。

13.根据权利要求12所述的风能设备，所述风能设置配置用于，执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法。

14.一种具有多个风能设备的风电场，其中

-使用根据权利要求12或13所述的风能设备，和/或

-应用根据权利要求1至11中任一项所述的方法。