CN113574270A

CN113574270A - 对风力涡轮机的惯性响应功率的估计

Info

Publication number: CN113574270A
Application number: CN202080023073.6A
Authority: CN
Inventors: M·N·克拉格伦德; H·史蒂芬森
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-10-29
Also published as: US20220195985A1; EP3712426A1; EP3927962A1; WO2020193111A1

Abstract

描述了一种用于针对惯性响应（IR）来估计附加功率输出（69,Pavail）的方法，所述附加功率输出将可用于遍及预设惯性响应时间间隔（65,

）来输出，所述方法包括：获得至少风力涡轮机转子（13）的旋转速度（Ȧ）和风力涡轮机（3）的功率输出（P）的当前值（77,79；43,45）；基于所获得的当前值（77,79；43,45）以及预设惯性响应时间间隔（65,

）的剩余时间间隔（91）来导出所述附加功率输出（69,Pavail），特别地，使得所述附加功率可用于在整个预定时间间隔（65,

）期间输出。

Description

对风力涡轮机的惯性响应功率的估计

技术领域

本发明涉及一种针对惯性响应来估计风力涡轮机功率输出的附加功率输出、特别是超过功率输出当前值的附加功率输出的方法和布置，该附加功率输出将可用于遍及预设惯性响应时间间隔来输出。此外，本发明涉及一种包括该布置并且被适配成执行该方法的风力涡轮机。

背景技术

在传统上，风力涡轮机向多个消费者（consumer）连接到的公用电网提供电力。在电网中的电气干扰——特别是由于公用电网内可用的功率和消费者所消耗的功率的不平衡所致的电网中的AC功率的频率降低——的情况下，可能需要风力涡轮机或整个风场（wind park）的所谓“惯性响应”，并且可能例如由公用电网的操作者来请求该“惯性响应”。在这种惯性响应中，可能需要风场或个体风力涡轮机递送比先前提供给公用电网的功率更多的功率、或者递送比标称功率更多的功率。

特别地，当在风力涡轮机处执行惯性响应时，可能需要风力涡轮机在特定时间间隔内递送特定量的附加功率。可以从存储在风力涡轮机的转子内的旋转能量中取得附加功率。当在特定时间间隔内递送附加功率时，转子的旋转速度在大多数情况下可能会降低。在其他情况（例如，大风或缩减功率操作）下，变桨距（pitching）可以防止或减少转子速度中的下降。当转子的旋转速度降低时，风力涡轮机可能不再能够提供所需的特定量的附加功率。如果（风力涡轮机的）电力容量不允许将所需的功率递送到电网，则响应的持续时间可能是优先考虑的。也就是说，可能无法以所需的总量来递送所需的附加功率。问题是估计在特定的秒数内可以递送的最大附加功率，以便能够在惯性响应期间递送恒定的功率。

在传统上，最大附加功率可能已经被确定为在给定旋转速度下可用的最大功率与提供给公用电网的当前功率的差。然而，已经观察到这种解决方案是麻烦的，因为一旦递送了所估计的附加功率，转子速度就会降低。由于最大功率曲线，这在传统上会导致有限的响应。

此外，在传统上，在转子速度的加速度比所预期的更低/更高的情况下，可能已经开发了一种被称为“运动下降估计器（kinetic drop estimator）”的功能来补偿该估计。然而，这也导致了在惯性响应开始时具有高附加功率、但是在惯性响应期间具有降低的功率的响应，这是由于功率受风力涡轮机的电气容量所限制。运动下降估计器可能由于使用了从所测量的转子速度中导出的转子加速度而非常灵敏，并且可能使惯性响应的确定性大大减少。

因此，可能需要一种用于针对惯性响应来估计风力涡轮机的附加功率输出的方法和布置，该附加功率输出将可用于遍及预设惯性响应时间间隔来输出，其中改进了可靠性和准确性。

发明内容

根据独立权利要求的主题可以满足该需要。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的实施例，提供了一种用于针对惯性响应来估计（特别是最大）附加功率输出（风力涡轮机功率输出的附加功率输出，特别是超过功率输出当前值的附加功率输出）的方法，该附加功率输出将可用于遍及预设惯性响应时间间隔来输出，该方法包括：获得至少风力涡轮机转子的旋转速度和风力涡轮机的功率输出的当前值；基于所获得的当前值以及预设惯性响应时间间隔的剩余时间间隔（特别是当前时间点与惯性响应的结束时间点之间的差）来导出附加功率输出，特别地，使得附加功率可用于在整个预定惯性响应时间间隔期间输出。

附加功率输出可以特别地是风力涡轮机的附加有功功率输出。附加功率输出可以是在整个预设惯性响应时间间隔内由风力涡轮机输出的高于或超过当前输出的有功功率的最大有功功率。可以估计附加功率输出，使得所估计的附加功率输出可以实际上在预设惯性响应时间间隔期间被输出。

预设惯性响应时间间隔可以例如由公用电网操作者或由风电场操作者来设置、或者在场级别（park level）或在涡轮机级别上设置。预设惯性响应时间间隔可以例如在1秒与几分钟之间，特别地在5秒与5分钟之间，进一步特别地在5秒与20秒之间。

惯性响应可以涉及风力涡轮机的操作，在该操作期间，附加（例如，有功）功率输出被提供给公用电网。可以例如从公用电网操作者或者风力涡轮机操作者或控制者来请求惯性响应。例如，在公用电网中的频率下降的情况下，可以发起或请求惯性响应。当例如提供给公用电网的所产生功率的量小于消费者所消耗的功率时，公用电网内的AC功率的频率可能会降低。在这种情况下，可能需要风力涡轮机向公用电网提供附加功率输出，以便恢复所产生功率与所消耗功率之间的平衡，并且从而恢复公用电网的标称频率（例如，50 Hz或60Hz）。

该方法可以应用于单个风力涡轮机，或者可以例如并行地应用于风场的多个风力涡轮机。

风力涡轮机转子的旋转速度和风力涡轮机的功率输出的当前值可以与实际测量或导出的值相关，并且可以被连续地更新。风力涡轮机转子的旋转速度可以与风力涡轮机转子的电气旋转速度或机械旋转速度相关。

风力涡轮机的功率输出可以特别地与风力涡轮机的有功功率输出相关，该有功功率输出可以例如通过测量电气量来确定，该电气量诸如在风力涡轮机的输出端子处的电压和电流。风力涡轮机可以特别地包括作为发电机的永磁同步电机，该永磁同步电机耦合到转子，在该转子处，连接有多个转子叶片。此外，可以将转换器连接到发电机的输出端子，该转换器特别地包括AC-DC部分、DC链路和DC-AC部分，该转换器能够将可变频率的AC功率流转换成基本上固定频率的AC功率流。此外，在转换器的下游，可以提供风力涡轮机变压器，以用于将输出功率流变换到更高的电压。

该方法可以（紧接）在开始惯性响应之前开始，并且可以遍及惯性响应持续时间、即遍及预设惯性响应时间间隔而继续。该方法可以例如在风力涡轮机的操作期间一直运行。惯性响应可以例如在惯性响应的开始时间点处开始，并且可以在惯性响应的结束时间点处终止。剩余时间间隔可以是惯性响应的结束时间点与当前时间点（该当前时间点特别地在惯性响应已经开始之后）之间的差。因此，该方法可以基于连续更新的当前值和连续更新的剩余时间间隔来连续且重复地导出附加功率输出。因此，可以计及外部或环境条件中的改变，特别地用于改进所导出的附加功率输出的可靠性和/或准确性。

特别地，该方法被设计成导出附加功率输出，使得所导出的附加功率输出实际上可用于在整个预定惯性响应时间间隔期间输出到公用电网。因此，在理想情况下，实际上在整个预定惯性响应时间间隔期间输出的附加功率不需要变化超过10%，特别地超过5%，因此可以基本上是恒定的。因此，稳定公用电网的电气性质可以以改进的方式来实现。根据本发明的实施例，该方法使用与惯性响应发起之前或发起时的操作状态相对应的起始在先值（prior-value）作为当前值，并且使用预设惯性响应时间间隔作为剩余时间间隔。

功率输出的在先值可以与风力涡轮机的有功功率输出的在先值相关，有功功率输出的在先值可以特别地低于风力涡轮机根据与旋转速度和最大功率相关的功率曲线能够输出的最大功率。此外，旋转速度的在先值可以高于旋转速度的下限。操作状态可以至少由旋转速度值和功率输出值来定义。此外，可以包括其他操作参数，诸如桨距角（pitchangle）等。

根据本发明的实施例，遍及预设惯性响应时间间隔来更新当前值和剩余时间间隔，并且基于更新的值来重复地导出附加功率输出。

旋转速度和/或功率输出的当前值可能由于环境条件中的改变（诸如，风速中的改变）而变化，但是也可能由于附加输出的功率而变化。在执行该方法时，剩余时间间隔可能会不断地减少。

所估计的附加功率输出可以被传送到风场控制器，并且特别地还被传送到公用电网操作者。当公用电网操作者接收到关于多个风力涡轮机所输出的附加功率的信息时，公用电网操作者可以有利地根据风场的所有风力涡轮机的所估计的附加功率输出向风力涡轮机分配不同的功率参考。因此，用于稳定公用电网的电气性质的稳定动作可以得到改进。

此外，当附加功率输出被重复且连续地导出并传送给公用电网操作者时，公用电网可以进而连续且重复地向风力涡轮机提供（新的或更新的）功率参考，以用于可靠地支持公用电网。

根据本发明的实施例，导出附加功率进一步基于特别是遍及预设惯性响应时间间隔所使用的风速的在先值、和/或风速的连续更新的当前值，其中特别地根据功率输出和旋转速度的在先值来估计风速的在先值。

当还考虑风速的在先值时，使得能够将叶片桨距角设置为功率最优值，以用于进一步允许增加风力涡轮机的功率输出。根据本发明的实施例，假设风速在整个预设惯性响应时间间隔期间不改变。在这种情况下，可以在执行该方法的整个过程中利用风速的在先值。在其他实施例中，可以连续地导出并考虑风速值，从而也考虑可能改变的风条件。

根据本发明的实施例，可以根据功率输出和旋转速度来估计风速值，或者在仍其他实施例中，可以使用安装在相应风力涡轮机处或靠近或远离风力涡轮机的桅杆（mast）处的一个或多个风速计来测量风速值。

根据本发明的实施例，导出附加功率输出进一步基于取决于旋转速度值和功率输出值的桨距角的功率最优值的关系。

桨距角的功率最优值可以是桨距角的特定值，针对该特定值，在目前的环境条件（包括风速、旋转速度）下的功率输出可以是最大的。特别地，在发起惯性响应之前，桨距角可以不被调节到桨距角的功率最优值，例如因为已经达到了标称功率和/或也已经达到了标称旋转速度。此外，可能已经达到了标称风速。如果例如风速大于标称风速，并且风力涡轮机可以被操作成使得功率输出处于标称功率输出（例如，低于最大功率）并且旋转速度处于标称旋转速度。在这种情况下，随着风速增加，可以使桨距角朝向顺桨位置（featherposition）连续地增加，以便将旋转速度和功率输出维持在相应的标称值处。在这种情形下，当需要激活惯性响应时，可以将风力涡轮机调节到功率优化的桨距角，以用于仍然增加超过标称功率输出的功率输出。

根据本发明的实施例，导出附加功率输出包括求解优化问题，在优化问题中，旋转速度的在后值（post-value）是优化变量，其中旋转速度的在后值被确定为使得附加功率输出最大化，其中特别地使用单纯形（simplex）方法来求解优化问题。

优化问题可以特别地是非线性优化问题。可以应用求解线性优化问题的其他方法。

在优化问题中，可以最大化附加功率输出，这可能需要找到旋转速度的特定在后值。因此，旋转速度的在后值可能不是预先给定的量，但是可以在执行该方法时被找到或确定。旋转速度的在后值可以是在终止惯性响应之后、即在惯性响应的开始时间点之后经过了预设惯性响应时间间隔之后达到的旋转速度。因此，旋转速度的在后值可以是如存在于惯性响应的结束时间点处或之后的旋转速度值。

单纯形算法或单纯形方法是用于线性规划的一种传统算法。特别地，可以应用针对非线性优化的下坡单纯形方法（也被称为Nelder-Mead方法）。在该方法期间或在该方法中，利用了单纯形锥（simplicial cone），并且这些锥成为具有附加约束的适当单纯形。单纯形锥是被称为多面体的几何对象的拐角（即，顶点的邻域）。该多面体的形状可以通过应用于目标函数的约束来定义。线性不等式系统将多面体定义为可行区域。单纯形算法可以从起始顶点开始，并且可以沿着多面体的边移动，直到它到达最优解的顶点为止。通过采用单纯形方法，可以提供简单的实现方式。

根据一实施例，可用附加功率被最大化，其中在后转子速度作为自由变量。它受到以下约束：

在先功率+所估计的附加功率应当小于或等于在后速度下的最大功率包络，

在后速度和最优桨距下的功率应当大于在先功率−最大允许下降（dip），

在后速度应当大于关于转子速度的最小极限。

根据本发明的实施例，满足以下约束中的至少一个：旋转速度值特别地遍及该方法高于预设旋转速度下限；在惯性响应之后的从功率输出在先值到功率输出在后值的功率降低高于预设功率降低极限；预设功率曲线指定取决于旋转速度的最大功率输出。

预设旋转速度下限可能已经由风场操作者或公用电网操作者所设置。如果旋转速度值高于预设旋转速度下限（特别地，遍及该方法），则可以执行转子的再加速（reacceleration）以在合理的短时间间隔内达到标称旋转速度。如果功率降低高于预设功率降低极限，则功率输出到标称功率输出的恢复也可能会加速。

在该优化中，还可以使用最小功率极限来预测附加功率，使得可以在不违反该最小功率极限的情况下递送附加功率。当涡轮机在恢复期间达到该功率极限时，它可以将输出维持到最小功率极限，直到转子速度恢复，或者如果当它达到最小功率极限时转子速度降低到某个极限以下（该极限是相对于转子速度而言的），则涡轮机在功率方面会进一步降低。

预设功率曲线可以是旋转速度与最大功率输出、特别是风力涡轮机的最大有功功率输出之间的关系。最大功率输出可以与取决于旋转速度最大程度地可提供给公用电网的功率输出相关。

如果单独地或以任何组合满足了这些约束，则在惯性响应之后恢复风力涡轮机的标称操作行为可以被简化。根据本发明的实施例，所导出的附加功率输出小于特别是针对旋转速度在先值的根据预设功率曲线的最大功率输出与功率输出在先值之间的差。

在传统上，功率输出可能已经从功率输出的在先值增加到最大可能功率输出，即增加到针对旋转速度在先值的预设功率曲线上的功率输出。相比之下，根据本发明的该实施例，所导出的附加功率输出小于针对旋转速度在后值的最大功率输出与功率输出在先值之间的差。因此，使得能够在整个预设惯性响应时间间隔期间提供该导出的附加功率输出，而无需对公用电网进行重大改变。在传统方法中，附加功率输出会改变，特别是在预设惯性响应时间间隔期间大幅度下降。当实际输出的附加功率基本上恒定时，用于稳定电网的控制可以更高效和/或简化。

根据本发明的实施例，为了导出附加功率输出，考虑以下各项中的至少一个、特别是全部：转子减速相关的功率增益，其特别地取决于旋转速度当前值的平方与旋转速度在后值的平方之间的差；桨距优化相关的功率增益，其特别是作为最优桨距角——特别是为了针对（功率输出和）旋转速度的当前值来优化功率输出而设置的桨距角——下的功率输出与功率输出在先值之间的差而获得的；转子效率相关的功率损失，其特别是作为功率输出在先值与功率输出在后值之间的差的一半而获得的，该功率输出在后值是惯性响应之后的、能够在不损失旋转速度的情况下以旋转速度在后值来输出的功率输出的在后值。

转子减速相关的功率增益可以被确定为当前在转子内的旋转能量与惯性响应终止之后的旋转能量之间的差，其中该差可以除以预设惯性响应时间间隔的两倍。因此，转子减速相关的功率增益可以与能量守恒相关。

如果在该方法期间还调节转子叶片的桨距角，则可以特别地考虑桨距优化相关的功率增益。当桨距角取决于当前操作条件被设置为功率最优值时，可以得到另外的功率以用于增加附加功率输出的量。

转子效率相关的功率损失可以与用于在转子速度下降时处理转子效率改变的补偿相关。转子效率补偿的目的可以是：在给定恒定风速的情况下，补偿较低转子速度下转子的效率降低。因此，功率输出的在先值是发起惯性响应之前的功率输出（转子能够在不损失旋转速度的情况下以惯性响应之前的速度产生的功率）。功率的在后值是转子能够在不损失速度的情况下以旋转速度的在后值产生的功率（例如，在查找表中基于旋转速度的在后值、风速、特别是风速的在先值、以及最优桨距角来查找）。从旋转速度的在先值进行到旋转速度的在后值花费了预设惯性响应时间间隔。然后，通过这两个转子速度之间的能量平衡的一半来近似能量损失。

该近似假设：在惯性响应期间、即在预设惯性响应时间间隔期间，转子速度以恒定的转子速度降低速率而降低。因此，可以以简单的方式来计及效率改变。

根据本发明的实施例，附加功率输出是作为转子减速相关的功率增益和桨距优化相关的功率增益的总和减去转子效率相关的功率损失而获得的。因此，可以以简单的组合来考虑用于导出附加功率输出的最重要因素。

根据本发明的实施例，在预设惯性响应时间间隔期间，桨距角被改变，特别是针对功率输出和旋转速度的相应当前值关于功率输出而被优化。当桨距角被改变时，可附加地输出的功率可以仍进一步增加。在另一个实施例中，桨距角被保持在固定（例如，功率最优）值处。

根据本发明的实施例，提供了一种用于在惯性响应期间控制包括多个风力涡轮机的风场的方法，该方法包括：针对多个风力涡轮机中的至少一个风力涡轮机来执行根据前述实施例之一的方法；基于所估计的附加功率输出来控制至少一个风力涡轮机，所估计的附加功率输出特别地用作对实际输出功率的上限。

当针对风力涡轮机中的一个或全部来估计附加功率输出时，可以利用不同的功率参考来单独地控制相应的风力涡轮机，同时确保相应的风力涡轮机实际上能够提供所估计的附加功率输出。因此，稳定公用电网可以得到改进。

该方法可以进一步包括：将不同的功率参考分配给风力涡轮机，功率参考取决于所有风力涡轮机的所估计的附加功率输出，使得功率参考的总和遍及预设惯性响应时间间隔恒定为预设总功率值。

预设总功率值可以例如由公用电网操作者导出并计算，使得当预设总功率值实际上被提供给公用电网时可以实现电网稳定。根据不同的功率参考，不同的风力涡轮机可以根据所估计的相应功率输出来提供不同的附加功率输出。

应当理解的是，所公开、描述或被应用到针对惯性响应来估计附加功率输出的方法的特征（单独地或以任何组合）也可以单独地或以任何组合被应用于根据本发明的实施例的用于针对惯性响应来估计附加功率输出的布置，并且反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种用于针对惯性响应来估计（特别是最大）附加功率输出（风力涡轮机功率输出的附加功率输出）的布置，该附加功率输出将可用于遍及预设惯性响应时间间隔来输出，该布置包括：输入模块，其被适配成获得至少风力涡轮机转子的旋转速度和风力涡轮机的功率输出的当前值；处理器，其被适配成基于所获得的当前值以及预设惯性响应时间间隔的剩余时间间隔来导出附加功率输出，特别地，使得附加功率可用于在整个预定时间间隔期间输出。

此外，根据一实施例，提供了一种风力涡轮机，包括：转子，其上安装有多个转子叶片，转子叶片关于桨距角是可调节的；与转子耦合的发电机；以及根据前述实施例的布置。

此外，提供了一种风场，其包括如前述实施例中定义的多个风力涡轮机。

根据下文将描述的实施例的示例，本发明的上面定义的方面以及进一步方面是明显的，并且参考实施例的示例来进行解释。下面将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些示例。

附图说明

现在参考附图来描述本发明的实施例。本发明不限于所图示或描述的实施例。

图1示意性地图示了包括根据本发明的实施例的风力涡轮机的风场，该风力涡轮机包括根据本发明的实施例的用于估计附加功率输出的布置；

图2图示了用于解释本发明的实施例的曲线；

图3图示了用于解释本发明的实施例的曲线；以及

图4图示了根据现有技术的曲线。

具体实施方式

图1中示意性图示的风场1包括多个风力涡轮机3，风力涡轮机3在其输出端子5处连接到公共耦合点7，公共耦合点7（特别是经由风场变压器9）连接到公用电网11。风力涡轮机3包括转子13，轮毂15被安装在转子13处，多个转子叶片17被安装到轮毂15。转子叶片17被配置成关于桨距角是可调节的，该桨距角即围绕桨距角轴线19的旋转调节角。因此，提供了桨距调节系统21，其包括相应的致动器，以用于使叶片17围绕纵向轴线19转动，以便调节特定的桨距角。

风力涡轮机3进一步包括耦合到转子13的发电机23。发电机23的三相输出端子耦合到转换器25，转换器25包括AC-DC部分27、DC链路29和DC-AC部分31，并且被配置成用于将可变频率的AC功率流转换成基本上固定频率的功率流32。固定频率的功率流32被提供给风力涡轮机变压器33，该变压器33将该功率流变换到更高的电压，并且将其作为功率流34提供给公共耦合点7。

风力涡轮机3进一步包括根据本发明的实施例的布置35，布置35用于针对惯性响应来估计风力涡轮机的附加功率输出。布置35包括输入模块37，输入模块37包括输入端子39和41，以用于接收风力涡轮机3的至少旋转速度43和功率输出45的当前值。

因此，功率输出由测量模块47所导出的测量信号45来表示，测量模块47连接到变压器33的输出端子，并且能够测量输出功率流34的电压和/或电流。

旋转速度值由旋转速度传感器49所获得的测量信号43来表示，旋转速度传感器49测量转子13的旋转速度。

布置35包括处理器51，处理器51被适配成基于旋转速度和功率输出的所获得的当前值43、45、以及预设惯性响应时间间隔的剩余时间间隔来导出附加功率输出，使得附加功率可用于在整个预定时间间隔期间输出。

在惯性响应期间，布置35（其可以例如被包括在风力涡轮机控制器中（特别地，在软件和/或硬件中递增））可以分别向桨距调节系统21和转换器25提供控制信号53、55，以便控制这些组件，以用于实际上使得能够在先前输出的功率输出之上输出附加功率输出作为功率流34。

图2图示了具有横坐标57和纵坐标59的曲线图，横坐标57指示时间，纵坐标59指示附加功率输出，即除了图1中图示的风力涡轮机3所输出的功率输出的在先值（在惯性响应之前）以外的有功功率输出。惯性响应在开始时间点61处开始，并且在惯性响应的结束时间点63处结束。惯性响应的结束时间点63与开始时间点61之间的差对应于预设惯性响应时间间隔65（也被称为Δt），如图2中所图示。

曲线67指示根据本发明的实施例的图1中图示的风力涡轮机3所输出的附加功率输出。从图2可以领会的是，在惯性响应的开始时间点61以后，附加功率67急剧增加到零以上，即风力涡轮机3输出了有功功率，该有功功率大于在惯性响应之前并且因此在开始时间点61之前的输出功率的在先值。附加输出功率67在预设惯性响应时间间隔65期间基本上是恒定的。特别地，它在开始时间点61处从零迅速增加，并且迅速达到值69。附加输出功率67在惯性响应的结束时间点63处从值69快速下降到零。

在惯性响应之后，附加功率为负，达到值71（表示预设功率降低极限），该值71持续直到时间点73为止，在时间点73处，附加功率再次为零，即风力涡轮机输出了与惯性响应之前已经输出的功率量相同的功率量。因此，根据曲线67，在惯性响应之后的功率输出（从在先值）的下降高于或等于预设功率降低极限71。图2中的曲线67是根据本发明的实施例的用于估计附加功率输出69的方法而获得的，布置35被适配成执行该方法。

图2还图示了根据传统方法的附加功率输出的曲线75。可以看出的是，功率输出75在预设惯性响应时间间隔期间降低，从而使得更加难以适当地控制或适当地恢复公用电网的稳定性。此外，在IR之后、即在时间点63之后，根据传统曲线75，功率下降落到了预设功率降低极限71以下，例如直到恢复标称旋转速度为止。

图3图示了根据本发明的实施例中所考虑的曲线，其中横坐标77指示转子13的旋转速度ω，并且纵坐标79指示风力涡轮机3的总功率输出。

曲线81指示取决于旋转速度ω来定义最大功率输出的预设功率曲线。曲线83指示根据风力涡轮机的正常操作的速度-功率轨迹。

点85（ωprior, Pprior）指示风力涡轮机3在惯性响应之前的工作点，即旋转速度和功率输出具有在先值的地方。根据本发明的实施例，在惯性响应期间、即在如图2中图示的预设惯性响应时间间隔65期间，根据曲线67而遍历了（traverse）轨迹87。特别地，考虑到旋转速度和功率输出的在先值、即图3中的点85，基于风力涡轮机转子的旋转速度和功率输出的所获得的当前值以及如图2中图示的剩余时间间隔91来导出附加功率输出69。剩余时间间隔91是惯性响应的结束时间点63与当前时间点t之间的差。

在轨迹87的垂直部分中，功率输出从Pprior增加到Pprior加上附加功率69，到达点93，在点93处，输出了功率P_IR。从图3中的点93开始，轨迹87遵循水平路径、即具有恒定附加功率输出的路径，直到碰到了预设功率曲线81为止。预设功率曲线81在旋转速度ωpost处被碰到，该旋转速度ωpost已经被确定为使得附加功率输出69最大。

在轨迹87碰到预设功率曲线81之后，惯性响应在惯性响应的结束时间点63处完成。在理想情况下，这是当曲线81被碰到的时候，即在点95处。然而，在现实中，其可能要么永远无法到达它，要么由于高估/低估而在短时间内受它所限制。

从那时起，功率输出从P_IR降低到与如下功率输出相对应的点97：该功率输出比功率输出在先值Pprior低了71的量。从点97开始，旋转速度再次增加，直到水平线碰到曲线83为止。

因此，对风力涡轮机进行控制，以从点95处的惯性响应的结束开始、经由轨迹99到达点85。在其他实施例中，遍历了轨迹101以便再次返回到正常操作。例如在95与97之间的过渡期间，转子速度可以改变。因此，点97不一定在ωpost处，而是可能具有更低或更高的旋转速度。

本发明的实施例估计在惯性响应期间可以恒定地递送的可用惯性响应功率，该可用惯性响应功率也被称为P_avail。所估计的最大可用功率P_avail基于转子性能数据表，即，作为由P（ω,ν,β）给出的转子速度、桨距角和风速的函数的功率。

因此，考虑了当前转子速度ω、最优桨距曲线β_opt、IR激活时的风速ν_pre、IR激活时的功率Pprior、惯性响应持续时间（即，具有附加功率的时间）Δt（也被称为预设惯性响应时间间隔65）。

根据一实施例，以上内容可以被制定为受到以下约束的优化问题：

• 最大功率曲线（例如，图3中的曲线81），

• 关于转子速度的下限，例如图3中所指示的ω_low，

• 惯性响应之后的最大功率下降，例如图3中的P_dip或图2中的量71。

可以通过可从转子减速并且通过变桨距至最优桨距而生成的功率量来近似可用惯性响应功率。这可以通过下式来表达：

因此，P_RotExtract是来自转子减速的功率平衡

POptPitch是通过变桨距至最优桨距所得到的功率（例如，从Cp功率表中获得的功率）

PEffComp是用于在转子速度下降时处理转子效率改变的补偿。

可以遍及该响应来更新该估计（可用功率或附加功率输出P_avail，参考符号69），从而估计在该响应的剩余时间91内有多少可用的附加功率。

本发明的实施例提供了若干个优点：

• 提供了更具确定性的IR，

• 最大化IR期间的恒定功率输出，

• 针对场级别控制和消费者使用提供了可用的IR功率估计，

• 消除了调整（tuning），

• 使得IR功能符合电网要求，

○ 递送了y秒的x kW附加功率，

○ 在恢复时段期间（在过量产生（overproduction）之后），功率不得下降超过zkW。

进一步的特征可能对上述优点具有贡献：

• 所估计的可用IR功率可以用作对IR期间实际提供的附加功率的上限，

• 该估计可以被制定为优化问题，从而最大化针对整个响应可以递送的附加功率的量，

• 由于该估计考虑了转子速度和转子效率的降低，因此它可能足够精确，以便被用于场级别上的闭环控制中、以及用于向消费者进行报告，

• 估计器可以利用来自APE的转子性能数据，这消除了对许多调整手柄（tuninghandle）的需要，

• 由于该估计可以用于闭环控制中，因此它使得IR功能能够在电网所要求的响应的整个持续时间内递送恒定的功率输出。它将P_dip下限实现为该优化中的约束。该估计还被用于场级别控制以及对湍流（turbulence）的参考分配中，从而使得该场能够提供甚至更好的总体响应。

图4图示了根据传统方法所遍历的轨迹103。点105处的功率输出在先值被留下，并且功率增加，直到碰到最优功率曲线81为止。然后，在惯性响应期间，附加功率输出（根据图2中的曲线75）沿着轨迹103而降低（例如，这是由于降低的转子速度以及最大功率曲线所强加的限制），直到到达点107为止。因此，根据传统方法，可能无法向公用电网提供恒定的附加功率输出，从而使公用电网的稳定复杂化。

应当注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一（a或an）”不排除多个。而且，结合不同实施例所描述的元件可以被组合。还应当注意的是，权利要求中的参考符号不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种用于针对惯性响应（IR）来估计附加功率输出（69, Pavail）的方法，所述附加功率输出将可用于遍及预设惯性响应时间间隔（65,Δt）来输出，所述方法包括：

获得至少风力涡轮机转子（13）的旋转速度（ω）和风力涡轮机（3）的功率输出（P）的当前值（77, 79；43, 45）；

基于所获得的当前值（77, 79；43, 45）以及预设惯性响应时间间隔（65,Δt）的剩余时间间隔（91）来导出所述附加功率输出（69, Pavail），

特别地，使得所述附加功率可用于在整个预定时间间隔（65,Δt）期间输出。

2.根据前一个权利要求所述的方法，其中所述方法使用与惯性响应发起之前或发起时的操作状态相对应的起始在先值（ωprior, Pprior）作为当前值，并且使用预设惯性响应时间间隔（65,Δt）作为剩余时间间隔。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中遍及预设惯性响应时间间隔来更新当前值（77, 79；43, 45）和剩余时间间隔（91），并且基于更新的值来重复地导出所述附加功率输出（69, Pavail）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中导出所述附加功率（69, Pavail）进一步基于特别是遍及预设惯性响应时间间隔所使用的风速的在先值（νprior）、和/或风速的连续更新的当前值，其中特别地根据功率输出和旋转速度的在先值来估计风速的在先值。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中导出所述附加功率输出（69, Pavail）进一步基于取决于旋转速度值和功率输出值的桨距角的功率最优值的关系（P（ω,νprior,βopt））。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中导出所述附加功率输出（69, Pavail）包括求解优化问题，在所述优化问题中，旋转速度的在后值是优化变量，其中旋转速度的在后值被确定为使得所述附加功率输出最大化，

其中特别地使用单纯形方法来求解所述优化问题。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中满足以下约束中的至少一个：

旋转速度值特别地遍及所述方法高于预设旋转速度下限；

在惯性响应之后的从功率输出在先值到功率输出在后值的功率降低高于或等于预设功率降低极限（71）；

预设功率曲线（81）指定取决于旋转速度的最大功率输出。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所导出的附加功率输出（69, Pavail）小于特别是针对旋转速度在后值（ωpost）的根据预设功率曲线（81）的最大功率输出（94）与功率输出在先值（Pprior）之间的差。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中为了导出所述附加功率输出（69,Pavail），考虑以下各项中的至少一个、特别是全部：

转子减速相关的功率增益，其特别地取决于旋转速度当前值的平方与旋转速度在后值的平方之间的差；

桨距优化相关的功率增益，其特别是作为最优桨距角——特别是为了针对旋转速度的当前值来优化功率输出而设置的桨距角——下的功率输出与功率输出在先值之间的差而获得的；

转子效率相关的功率损失，其特别是作为功率输出在先值与功率输出在后值之间的差的一半而获得的，所述功率输出在后值是惯性响应之后的、能够在不损失旋转速度的情况下以旋转速度在后值来输出的功率输出的在后值。

10.根据前一个权利要求所述的方法，其中所述附加功率输出（69, Pavail）是作为转子减速相关的功率增益和桨距优化相关的功率增益的总和减去转子效率相关的功率损失而获得的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在预设惯性响应时间间隔期间，桨距角被改变，特别是针对功率输出和旋转速度的相应当前值关于功率输出而被优化。

12.一种用于在惯性响应期间控制包括多个风力涡轮机（3）的风场（1）的方法，所述方法包括：

针对所述多个风力涡轮机中的至少一个风力涡轮机来执行根据前述权利要求中任一项所述的方法；

基于所估计的附加功率输出来控制至少一个风力涡轮机（3），所估计的附加功率输出特别地用作对实际输出功率的上限。

13.根据前一个权利要求所述的方法，进一步包括：

将不同的功率参考分配给风力涡轮机，功率参考取决于所有风力涡轮机的所估计的附加功率输出，使得功率参考的总和遍及预设惯性响应时间间隔恒定为预设总功率值。

14.一种用于针对惯性响应来估计附加功率输出（69, Pavail）的布置（35），所述附加功率输出将可用于遍及预设惯性响应时间间隔（65,Δt）来输出，所述布置包括：

输入模块（37），其被适配成获得至少风力涡轮机（3）转子的旋转速度和风力涡轮机的功率输出的当前值（43, 45）；

处理器（51），其被适配成基于所获得的当前值（43, 45）以及预设惯性响应时间间隔的剩余时间间隔（91）来导出所述附加功率输出（69, Pavail），

特别地，使得所述附加功率可用于在整个预定时间间隔期间输出。

15.一种风力涡轮机（3），包括：

转子（13），其上安装有多个转子叶片（17），所述转子叶片关于桨距角（β）是可调节的；

与所述转子耦合的发电机（23）；以及

根据前一个权利要求所述的布置（35）。