CN114026763A - 用于优化风电场的有功功率馈入的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于具有多个风能设备(100)的风电场(112)在电网连接点(118)处将电功率馈入到供电网中的方法,其中所述风能设备(100)通过传输机构与所述电网连接点(118)连接;设有电场调节器用于将有功功率预设和无功功率预设传输给所述风能设备(100);在所述风能设备(100)中的每个风能设备处分别预设第一功率范围(401),所述第一功率范围涵盖用于要馈入的有功功率和无功功率的值范围,并且所述第一功率范围能够在所述风能设备(100)之间进行区分,其中所述第一功率范围(401)具有:要由所述风能设备(100)遵守的有功功率界限(411)以及可由所述风能设备达到的无功功率界限;在所述电网连接点(118)处预设第二功率范围(402),所述第二功率范围涵盖用于要馈入的有功功率和无功功率的值范围,其中所述第二功率范围(402)具有:要由所述风电场在所述电网连接点(118)处遵守的有功功率界限(411)以及可由所述风电场在所述电网连接点(118)处达到的无功功率界限;所述风能设备(100)中的至少一个、多个或所有风能设备分别在考虑所述电场调节器的预设的情况下产生有功功率和无功功率并且将所述有功功率和无功功率传输给所述电网连接点(118);所述至少一个、所述多个或所有风能设备分别超过其要遵守的所述第一功率范围(401)的有功功率界限(411);其中分别超过所述要遵守的有功功率界限(411),使得由所述风电场在所述电网连接点(118)处遵守所述第二功率范围(402)。

Description

用于优化风电场的有功功率馈入的方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助于风电场将电功率馈入到供电网中的方法。本发明也涉及可以实施这种方法的风电场。
背景技术
已知一种风能设备,其从风中产生电功率并且将所述电功率馈入到供电网中。通常,经由共同的电网连接点馈入到供电网中的多个风能设备组合成风电场。这种共同的电网连接点特别可以具有经由其馈入到供电网中的所谓的电网变压器,即使并不一定必须需要其。电网连接点也可以称作为馈入点。在任何情况下,这种电网连接点都针对不允许超过的馈入功率而设计的。超过通常会引起触发保险装置,尤其会通过电网分离开关在这种情况下中断馈入。最大馈入功率通常与电网运营商通过合同约定。
为了能够确保遵守所设计的馈入功率,风能设备对应地根据电网连接点处的功率界限进行尺寸设计或设定,或电网连接点处的功率界限与电场的风能设备的总和功率相协调,如电场所规划的那样。在最简单和最直观的情况下,这可以表示,风电场中的风能设备设计成,使得如果存在额定风速,则风能设备所有一起总共产生与在电网连接点处可以和允许馈入的功率同样多的功率。
每个风能设备的相应的运行设定在此通常不仅考虑可产生的有功功率,而且也考虑,附加地也可以确保可能由电网运营商要求的无功功率交换。每个风能设备因此设计用于在对应的风况下馈入预确定的有功功率,同时能够馈入预确定的无功功率。可以馈入或吸收无功功率,这对应于过励磁或欠励磁的同步发电机的性能。在下文中,为简单起见使用术语“无功功率馈入”,其中包括馈入和吸收。
但是,如果在工作点中没有调用潜在可用的无功功率,则即使在额定风速下,风能设备仍然可能提高其可馈入的有功功率,但是这可能妨碍遵守电网连接点的有功功率界限。至少只要没有调用潜在可用的无功功率,则相关风能设备不会被最优地使用。
可以通过提高电网连接点的功率界限来创建补救措施。但是,这种措施可能是非常昂贵的,并且即如果电网连接点的功率界限受到供电网在所述电网连接点的区域中的特性限制,则所述措施有时也可能是不可能的。
德国专利和商标局已在关于本申请的优先权申请中检索到如下现有技术:US2014/0248123A1;DE 10 2005 032 693A1;US 2016/0308369A1和US 2011/0133461A1。
发明内容
因此,本发明所基于的目的在于,解决上述问题中的至少一个问题。尤其要提出一种解决方案,其中在馈入电功率时尽可能高效地使用电网连接点。至少要提出相对于至今已知的解决方案的替选的解决方案。
根据本发明提出根据权利要求1的方法。这种方法因此涉及将电功率馈入到供电网中。借助于风电场在电网连接点处进行馈入。这种风电场具有多个风能设备和从而所述多个风能设备在其中一个电网连接点处按规定将其功率馈入到供电网中。
为了实施所述方法,风能设备通过传输机构与电网连接点连接。这种传输机构特别是传输线路(架空线路或地下线缆)。但是也特别补充地考虑变压器,经由变压器特别可以改变电压水平。
此外,设有电场调节器,用于在电网连接点处调节有功功率预设和无功功率预设,电场调节器将为此和从中推导出的有功功率预设和无功功率预设传输给风能设备。这种电场调节器因此设置用于实施用于风电场的调节。特别可以使用电场调节器用于调节功率管理。电场调节器为此尤其具有在电网连接点处的测量装置、用于分析和计算的算法,并且具有将有功功率预设和无功功率预设发送给风电场中的一个、多个或所有风能设备的可行性。有功功率预设和无功功率预设例如可以作为具体的功率值个体化传输给每个风能设备,或举另一实例为例,作为百分比值传输。
还提出,在风能设备中的每个风能设备处分别预设第一功率范围,所述第一功率范围涵盖用于要馈入的有功功率和无功功率的值范围,并且所述第一功率范围可以在风能设备之间进行区分。所述第一功率范围特别通过两个界限预设。所述第一功率范围即具有要由风能设备遵守的有功功率界限以及可由风能设备达到的无功功率界限。
要遵守的有功功率界限因此是如下界限:所述界限在数值上指明用于有功功率的最大值,在运行中应不超过所述值。可达到的无功功率界限在此是风能设备必须能够达到的界限。如果被调用,则风能设备因此必须能够馈入直至无功功率界限的无功功率。
在此特别考虑,可以将所述两个界限相关。可达到的无功功率特别可以与所设定的有功功率相关。不仅有功功率而且也无功功率在此描述原则上要由风能设备输出的功率。所述界限的关系特别可以在有功功率/无功功率图表中示出并且其中所述界限形成面或包围面。
例如,无功功率界限可以预设至少要达到的无功功率值,但所述至少要达到的无功功率值仅在同样预设的有功功率界限或区域内必须能够达到。例如可以提出,所述预设的无功功率值在小的有功功率下不必能够达到,而是需要例如以kVAr为单位的无功功率不大于以kW为单位的有功功率。
所述方法还设计成,使得在电网连接点处预设第二功率范围,所述第二功率范围涵盖用于要馈入的有功功率和无功功率的值范围,其中第二功率范围具有要由风电场在电网连接点处遵守的有功功率界限并且具有可由风电场在电网连接点处达到的无功功率界限。
原则上,因此在电网连接点处以与在风能设备处预设为第一功率范围相同的方式和方法预设第二功率范围。然而根据值和必要时也根据方式或形式,第一功率范围和第二功率范围可以进行区分。特别地,不仅电网连接点处的要遵守的有功功率界限而且也可达到的无功功率界限的第二功率范围的功率值大于每个风能设备处的值,特别为每个风能设备处的值的多倍。理想地,在此仅出于阐述的目的提及,第二功率范围的每个界限可以从相关风能设备的第一功率范围的所有对应的界限的总和得出。然而实际上,这仅可理想化地假定,但传输机构的影响也起作用。通常,电网运营商预设,风电场在电网连接点处在一定状况下必须达到何种具体无功功率值。所述点处于风电场原理上必须能够实现的第二功率范围内,处于最大范围内。
于是,风电场的所有所述风能设备工作,使得所有所述风能设备分别在考虑电场调节器的预设的情况下产生有功功率和无功功率并且将其传输给电网连接点。也考虑,例如一个风能设备或多个风能设备暂时失效并且然后仅剩余的风能设备分别产生对应的有功功率和无功功率并且将其传输给电网连接点。风能设备中的一个风能设备至少应这样做。
还提出,各个风能设备分别超过其要遵守的第一功率范围的有功功率界限。这可以适用于所有风能设备、多个风能设备或至少一个风能设备。因此提出,与实际基于相关的第一功率范围的要遵守的有功功率界限允许或设置的功率相比,由至少一个或多个风能设备有针对性地产生更多功率并且将其传输给电网连接点。结果因此是,由风能设备、至少由一个风能设备分别不再遵守第一功率范围。
但为此同时提出,分别超过相应风能设备的要遵守的有功功率界限,使得由风电场在电网连接点处遵守第二工作范围。
因此有针对性地超过第一功率范围,其中但是严格遵守第二功率范围。在此特别认识到,甚至也可以在不脱离第二功率范围的情况下超过第一功率范围。特别在此已认识到,由于传输机构的影响可能产生功率范围的扭曲,使得脱离第一功率范围不一定引起脱离第二功率范围。
分别脱离第一功率范围的风能设备但是仅在考虑电场调节器的预设的情况下这样做。因此在此至少就此而言通过电场调节器引导所述风能设备。电场调节器特别可以监控在电网连接点处对第二功率范围的遵守并且与此相关地将对应的预设、即特别用于要馈入的有功功率和无功功率的预设传输给相应风能设备。
这特别也可以表示,电场调节器检测分别在电网连接点处当前馈入的有功功率和无功功率并且还确定所述有功/无功功率距第二功率范围的界限的间距并且与此相关地将用于有功功率和无功功率的对应的预设传输给相应风能设备。这特别也可以取决于什么有功功率预设和无功功率预设先前被传输给对应风能设备。
因此,如果例如认识到,当前在电网连接点处馈入的有功功率由于在电网连接点处要遵守的有功功率界限还可能提高了10%,因此可以例如实施这,使得总有功功率预设提高了10%。然后,每个风能设备检查其是否可以将其有功功率还提高10%或更少并且在此受控地超过其第一功率范围。但这仅是直观实例并且例如也可以提出,各个风能设备处的有功功率预设和无功功率预设的改变个别失效。
还认识到,要避免在电网连接点处脱离第二功率范围,尤其超过要遵守的有功功率界限,并且通常甚至可能导致风电场与供电网的强制分离。特别可能在此导致用于打开对应的安全保护装置的安全预防措施。
但是在风电场的相应风能设备中并不立即预期有这种后果。在此也认识到,包含特别在相应风能设备处要遵守的有功功率界限的这种预设的风能设备的设计原则上分别从但是在具体情况下不必存在的设计界限出发。
有功功率界限例如可以是防过热的保护。但是通常在短时超过为了保护为此预设的有功功率界限的情况下并不达到这种过热。根据多强地超过有功功率界限,例如在特别冷的环境温度下甚至持久超过可以是可接受的。因此,这种有功功率界限在风能设备处是否总是严格遵守可以取决于多个因素,其中以下也予以进一步描述,并且原则上可获得对于个体化评估。
根据一个实施方式提出,分别控制风能设备中的至少一个、多个或所有风能设备,使得分别不能够达到第一功率范围的无功功率界限,相反,风电场可以达到第二功率范围的无功功率界限。
在此特别基于如下考虑:传输机构特别大地影响无功功率的传输。这例如可以表示,风能设备处的通过风能设备输出的有功功率和无功功率限定的工作点通过朝向电网连接点传输引起扭曲,使得风能设备的所述工作点引起电网连接点处的具有更大无功功率分量的工作点。
还认识到,特别风能设备的非常高的有功功率分量的输出,特别在所述有功功率分量高于所述风能设备的有功功率界限时,仅还能够实现输出比较低的无功功率分量。这例如可以通过限制视在电流的电流限制引起。如果输出高有功功率和进而输出高有功电流,则已经几乎达到用于视在电流的上限,并且在视在电流达到所提及的电流界限之前,可以仅还附加地输出小无功电流。
但是,经由传输机构朝向电网连接点传输所述视在电流例如会通过传输线路的感应特性引起电流的相位偏移,所述相位偏移会引起更高的无功电流分量和进而会引起更高的无功功率分量。所述偏移会引起,在风能设备处可视在地输出不足够的无功功率或不能输出足够的无功功率,由于与电网连接点相关的传输基础设施的影响仍提供或能够提供足够的无功功率。
在此也基于如下认知:在风能设备处的这种无功功率预设实际上仅用于在电网连接点处确保足够的无功功率。通常,仅在电网连接点处需要也可以称作无功功率调节能力的这种无功功率输出可行性,即用于支持供电网的局部电压。在风能设备处遵守这种无功功率界限在此可以定期仅作为用于遵守在电网连接点处可达到的无功功率的间接预设来确定。
电场调节器或为此设置的传感器可以在电网连接点处直接通过测量或测量的评估来检查在电网连接点处对有功功率界限的遵守,而对于要遵守的无功功率提出另一路径。为了遵守在电网连接点处可达到的无功功率特别提出,以计算方式或在仿真中考虑传输机构的特性。特性可以为此被测定或从物理条件推导出。也可以借助于仿真来执行从物理条件即对应的传输线路多长和其具有何种电特性的推导。此外或替选地,可以使用在电流和电压测量时获得的相位角以确定在无功功率方面的传输特性。
也考虑,从风能设备的输出的功率和在电网连接点处出现的无功功率推导出所述无功功率因传输机构引起的改变。为了以基于线性特性的简单实例阐明这,由风能设备输出的10%的无功功率例如会引起在电网连接点处20%的无功功率。如果在电网连接点处必须达到40%水平的无功功率,则这会表示,风能设备必须达到20%的无功功率。
根据一个实施方式提出,分别控制风能设备中的至少一个、多个或所有风能设备,使得其分别输出具有用于传输给电网连接点的有功功率分量和无功功率分量的输出功率。为此提出,输出功率超过要遵守的第一功率范围的有功功率界限。所述有功功率因此与根据在风能设备处要遵守的第一有功功率界限根据静态设计标准而允许的有功功率相比更大。
补充地或替选地提出,输出功率具有视在功率值,所述视在功率值大到使得在不减小有功功率分量的情况下不能够达到第一功率范围的无功功率界限。也在此因此在风能设备处产生和输出过大的有功功率分量。有功功率分量过大可以表示,有功功率分量尽管低于要遵守的有功功率界限,但是引起视在功率值大到使得不能够达到第一功率范围的无功功率界限、即风能设备处的第一功率范围的无功功率界限。仅如果减小有功功率分量,则才能够达到无功功率界限。
但是也考虑如下可行性:输出的有功功率还高到使得其超过在风能设备处要遵守的有功功率界限。
但是,对于两个所述变型方案或其中至少一个变型方案提出,传输机构完全或部分地引起输出功率改变,使得遵守第二功率范围、即电网连接点处的功率范围。因此有功功率产生和输出在风能设备处被有意近乎耗尽和甚至过度激励,但是使得在电网连接点处遵守得出的值。
为此,可以在产生有功功率和无功功率、或其在风能设备处的输出的情况下,考虑传输机构的已知特性,尤其风电场电网的拓扑、风电场电网中的至少一部分的拓扑。但是也考虑,电场调节器将关于电网连接点处的状况的当前信息回报给风能设备并且所述风能设备根据所述当前信息控制功率产生和输出的所述过度激励。
在此特别已认识到,有功功率的这种过度激励即提高是可能的并且由此可以提高收益。特别地,至今严格遵守第一功率范围即风能设备处的功率范围有时已被证明为过于谨慎。
特别在此也已认识到,单独考虑一方面有功功率和另一方面无功功率不是最优的,并从而提出:考虑具有有功功率分量和无功功率分量的、即特别在要遵守的第一功率范围而且也第二功率范围方面的输出功率。
根据一个实施方式提出,传输机构通过热消耗减小用于传输而输出的输出功率的输出的有功功率分量,使得遵守第二功率范围的有功功率界限。特别可以在此例如传输机构的欧姆损耗或欧姆特性是已知的并且在各个风能设备在第一功率范围之外运行中产生和输出有功功率分量时一起予以考虑。
在此特别已认识到,有功功率可能会被浪费,因此从风中获取并且转换成电有功功率的功率比不考虑这种损耗时可能的功率更少。在这种情况下,可能为了假定性保护电网连接点遵守在风能设备处的有功功率范围,尽管最终到达电网连接点处的有功功率较少,进而在电网连接点处可能的有功功率范围不耗尽。在此已认识到,在电网连接点处的可能的有功功率范围的这种耗尽可以表示超过在风能设备处的界限。但是,如果在一定程度上允许超过有功功率的界限,则这可以是有意义的选项。
此外或替选地提出,传输机构引起改变输出的输出功率的无功功率分量,使得达到第二功率范围的无功功率界限,使得因此尤其达到典型地由电网运营商预设并且处于第二功率范围的无功功率界限内的无功功率值。也在此已认识到,在一些情况下不必提供风能设备处的无功功率界限的可达性,因为传输机构特别引起传输的电流的相移,然而可以达到第二范围即电网连接点处的第二范围的无功功率界限。在此也可以由此达到更高的有功功率的馈入,因为就此而言有功功率和无功功率相关联,并且如果可以降低无功功率,则这可以引起由此能够实现有功功率提高。
根据一个设计方案提出,风能设备的所有输出功率的总和在借助于传输机构传输之前不遵守第二功率范围,相反,所有朝向电网连接点传输的输出功率的总和在电网连接点处遵守第二功率范围。在此基于如下认知:尽管所有风能设备一起产生并且朝向电网连接点传输与在电网连接点处允许的有功功率相比更多的有功功率,仍可以特别在电网连接点处遵守有功功率界限。但相同内容也可以适用于无功功率,即就此而言可能的是,所有风能设备一起不能够,以其可达到的无功功率的总和达到电网连接点处的无功功率界限,并且然而在经由风电场的传输机构传输之后,可以在电网连接点处达到无功功率界限。
根据一个设计方案提出,一个、多个或所有风能设备分别根据多个检查条件超过其要遵守的第一功率范围的有功功率界限、即相应风能设备处的有功功率界限。因此不能轻易超过分别要遵守的有功功率界限,而是需要特别检查,这是否可接受。
作为至少一个检查条件在此提出:遵守电场调节器的电场预设。电场调节器可以因此做出预设,例如将有功功率上限划分到各个风能设备上。但是仅只要所述检查条件、即在此遵守电场调节器的电场预设被确保,则风能设备超过要遵守的有功功率界限。
附加地或替选地,作为至少一个检查条件,检查对相应风能设备的设备条件的遵守。以下还详细阐述这种设备条件,其例如可以涉及风能设备的构件处的最大温度的遵守。
优选地检查至少一个电场预设和至少一个设备条件,因此检查两个条件类型。
优选地在此检查至少两个设备条件。例如因此检查,在风能设备处是否遵守温度范围,以及在风能设备处是否遵守机械负载界限。在此特别已认识到,不应轻率地超过要遵守的第一功率范围的有功功率界限、即风能设备处的要遵守的第一功率范围的有功功率界限,并且为此应考虑完全不同的各个负载界限,所述负载界限也可以彼此无关,使得考虑单个条件不足够或不适当地足够。特别已认识到,以上述实例为例,可以遵守机械界限,而不遵守热学界限,并且反之亦然。因此,优选地检查至少两个设备条件。
根据一个实施方式提出,设备条件是以下描述的条件之一。如果检查多个设备条件,则这对应地可以是以下描述的条件中的多个条件。
可行的设备条件是遵守相应风能设备处的扩展的功率范围,所述扩展的功率范围至少部段地大于相同风能设备的第一功率范围。因此在第一功率范围周围设置另外的功率范围,所述另外的功率范围因此可以实现,在超过第一功率范围的情况下至少不任意程度超过所述另外的功率范围。借此可以创建第一安全界限。
另外的或其他设备条件可以是遵守相应风能设备中的预确定的最大温度。为此可以特别对于功率产生或馈入考虑关键部件。所述关键部件例如可以是用于变频的功率半导体开关处的温度。也考虑发电机的绕组处的温度。
在此特别已认识到,一些用于设备保护的功率界限实际上旨在避免过热。就此而言,这种功率界限对于过热的保护也是有意义的并且不应轻率地忽略。但仍可以鉴于相关的温度或在考虑多个温度的情况下允许功率超过。
在此,一方面如下构思起作用:提高的功率、尤其伴随提高的电流不立即引起过热,因为与在电特性方面相比,大多数系统在其热特性方面更迟钝。此外,温度特性也与环境温度相关。如果环境温度因此例如比较低,即低于设计温度,则在出现过热之前,更强的或更长的功率过高可以是可接受的。
另一或替选的条件是遵守相应风能设备中的预确定的最大电流。这种最大电流可以是发电机中的电流、特别定子电流。从这种电流可以产生对于对应的元件如发电机的所述实例中的元件的具体负载。
但是例如也考虑风能设备输出的输出电流。这种输出电流也可能引起直接的负载和从而提出检查对作为设备条件的预确定的最大电流的遵守。
作为另一或替选的条件提出:遵守相应风能设备的预确定的最大机械负载。通常,构思在此基于,过高的有功功率输出也可以表示,从风中获取对应地高的功率。这引起相关部件的对应的机械负载。在此特别提及转子叶片和转子毂。在无传动装置的设备的情况下也考虑轴颈,所述轴颈承载转子毂连同转子叶片,并且所述轴颈也承载发电机、至少发电机的转子。所提及的元件的过渡部和也特别发电机在其余吊舱处的另外的紧固件在高有功功率输出的情况下也可以承受强机械强负载。
在此特别也已认识到,超过机械界限比超过功率界限更难以容忍,超过功率界限仅仅在时间延迟之后可能导致温度升高。特别已认识到,超过要遵守的有功功率界限至少可能暂时引起良好容忍的温度,特别在低于设计温度的环境温度下,而超过要遵守的有功功率界限同时可能引起不可容忍的机械负载。
此外,强烈的机械负载特别是当其引起断裂时已经在出现一次的情况下不能够容忍,相反热负载往往引起风能设备的使用寿命减少。特别是如果使用寿命的减少导致总使用寿命仍然长于批准的运行时间,则这是可以接受的。
尤其优选地提出,根据风能设备的预测的使用寿命预设和/或监控第一功率范围的有功功率界限。
优选地提出,只有当遵守就此而言形成条件列表的上述设备条件的至少一个标准时,则在遵守扩展的功率范围的情况下才允许超过第一功率范围。尤其提出,只要遵守条件列表的至少两个标准和进一步优选只要遵守条件列表的所有标准,则这才允许。
特别在此基于简化的检查标准,其中首先超过第一功率范围受到另外的功率范围限制。借此在第一步骤中对于超过设置安全界限。于是附加地检查,另外的条件中的至少一个条件是否被遵守并且如果至少一个条件、多个条件或所有其余条件被遵守,则可以超过第一功率范围。由此可以必要时馈入附加的有功功率,而同时考虑因此避免设备损伤的有约束力的条件。当然此外,也始终应遵守如下标准:在电网连接点处遵守第二功率范围。这例如可以通过遵守由电场调节器传输给相关风能设备的期望值或界限值来实现。
优选地因此提出,在遵守扩展的功率范围的情况下,如果也在电网连接点处遵守第二功率范围,如果遵守所提及的条件列表的标准中的至少一个标准,在任何情况下如果遵守条件列表的多个或所有标准,则总是允许超过第一功率范围。借此能够实现正面的和完全的检查。特别已认识到,条件列表的所提及的条件在任何情况下如果都被遵守则会足以定义这种用于超过第一功率范围的例外情况。
此外或替选地提出,如果遵守预确定的最大机械负载并且尤其遵守条件列表的其余标准、或其中的至少一个标准,则在预确定的例外持续时间中允许超过扩展的功率范围。由此,即使超过扩展的功率范围,必要时仍然可以馈入更多功率。通过遵守所述条件和特别通过遵守预确定的最大机械负载,可以排除设备损伤。
此外或替选地提出,根据预确定的容忍持续时间来对预确定的最大温度预确定。这特别基于如下构思:通常在持续负载或至少更长的负载的情况下,过高的温度才会导致不可忍受的损伤并从而提出借助于预确定的容忍持续时间对预确定的最大温度进行预确定的时间限界。
优选地提出,还进一步改进这,即在预确定的第一容忍持续时间中预设至少一个预确定的第一最大温度并且在预确定的第二容忍持续时间中预设至少一个预确定的第二最大温度,其中预确定的第一最大温度小于预确定的第二最大温度并且预确定的第一容忍持续时间大于预确定的第二容忍持续时间。借此可以在不同长度的持续时间中预设不同的最大温度即温度界限值。
在此,对于较小的第一最大温度对应地预确定较长的第一容忍持续时间并且可以更高地选择预确定的第二最大温度,但是仅在更短的时间中,即仅在更短的预确定的第二容忍持续时间中更高地选择预确定的第二最大温度。
在此,特别基于如下构思:状况相关地、即特别根据风电场的和/或在电网连接点处的总体状况,通常较小的功率提升在较长的时间中可以是符合目的的,而在其他状况中,没有很多时间可用并且在所述时间中应馈入尽可能多的功率。例如,如果超过在风能设备处的功率由于在电网连接点处遵守第二功率范围通过比较小的裕量被强烈限制,则对应地小的功率提高是更有意义的,于是优选地尽可能长时间地执行所述功率提高。
此外或替选地提出,如果遵守预确定的最大机械负载并且尤其遵守条件列表的其余标准,则在预确定的第二例外持续时间中允许超过预确定的最大电流。在此已认识到,时间限界对于最大电流也可以是有意义的。一方面,高电流有时在更长时间的情况下才会带来不再可容忍的损伤,或不再可容忍的损害,另一方面,高电流但也会导致热负载,即在如下元件处导致热负载:所述元件的温度未被测量,使得不能够检查温度并且替代地监控电流。
还已认识到,应附加地遵守机械负载并且在此特别已认识到,高电流可能导致机械负载。这特别在可能引起大发电机力矩的高定子电流的情况下适用。这但也可以适用于其他电流,所述其他电流例如可能间接引起高发电机电流和引起发电机力矩。
此外或替选地完全一般性地提出,遵守预确定的最大机械负载必须始终被确保。在此特别基于如下认知:对于热负载提出的和以上已阐述的时间考虑不太适用于机械负载。此外已认识到,但是为此在显著超过功率的情况下才达到所述机械负载,使得最大机械负载的观察允许比较大地超过特别要遵守的有功功率界限,但是为此比较不能容忍还进一步超过或机械的过载。
根据一个实施方式提出,电场预设包括输出给每个风能设备的至少一个电场预设值。电场预设值可以是要由每个风能设备遵守的有功功率最大值,或其可以是要由每个风能设备达到的无功功率值。也可以提出多个电场预设值,其中至少一个电场预设值是要遵守的有功功率最大值或具有要遵守的有功功率最大值作为值,并且至少一个另外的电场预设值是要由每个风能设备达到的无功功率最小值或具有该值。为了遵守第二功率范围因此提出,电场调节器产生与此对应的电场预设值并且将至少一个电场预设值转送给风能设备。
优选地提出,由电场调节器根据第二功率范围和当前在电网连接点处馈入的功率确定至少一个电场预设值。电场调节器因此检查当前遵守第二功率范围的程度并且可以对应地调整电场预设值。如果电场调节器例如识别出:在电网连接点处当前馈入有功功率,所述有功功率比电网连接点处的有功功率界限低20%,则在电场预设值涉及要遵守的有功功率最大值时可以对应地提升电场预设值。优选地提出,对于电场调节器定期重新确定的这种可变的有功功率最大值设有上限。
优选地输出至少一个电场预设值作为相对值。特别在此考虑百分比值,所述百分比值涉及风能设备的额定功率。由此可以以简单的方式和方法考虑不同的风能设备变量。特别可以在此提出,如果在电网连接点处馈入的有功功率低于在电网连接点处的有功功率界限,则将分别对于各个风能设备要遵守的有功功率最大值设置到高于100%的值。作为上限例如可以总共提出120%的值,其中假定:每个风能设备不能够或仅最大能够实现如此强地超过其要遵守的有功功率界限。也考虑,通过仿真或对应的设备分析来确定这种值。
但是,根据一个实施方式可以提出,对于每个风能设备个体化确定这些电场预设值,其中的至少一个电场预设值。这能够实现预设具体的功率值或无功功率值,但是也在个体化考虑时来考虑,由电场调节器确定和输出相对的尤其百分比的值。通过使用这种个体化的值例如可以考虑,对于不同的风能设备,不同的最大值是有意义的。
根据本发明也提出一种风电场。这种风电场具有多个风能设备并且风电场在电网连接点处馈入到供电网中。所述电网连接点可以被视为风电场的界限和部分。
风电场具有用于将风能设备与电网连接点连接的传输机构并且尤其风能设备经由传输机构与电网连接点连接。这种传输机构特别构成为传输线路。但也可以存在其他元件如变压器或开关机构。
此外,提出一种电场调节器,其配置为用于将有功功率预设和无功功率预设传输给风能设备。所述有功功率预设和无功功率预设可以称为电场调节器的预设。借此,电场调节器可以预设,风能设备允许产生和传输多少有功功率和/或风能设备必须能够产生和传输多少无功功率。
风能设备中的每个风能设备的特征分别在于预设的第一功率范围,所述预设的第一功率范围涵盖用于要馈入的有功功率和无功功率的值范围、即用于所述相关的相应风能设备的用于要馈入的有功功率和无功功率的值范围。所述第一功率范围可以在风能设备之间进行区分。如果在风电场中仅设立相同的风能设备,则也考虑,不区分所述第一功率范围。
所述第一功率范围的特征分别在于,所述第一功率范围具有要由风能设备遵守的有功功率界限并且所述第一功率范围具有可由风能设备达到的无功功率界限。为了阐明所述不同的界限也参照对于用于馈入的方法的上述实施方式的对应地上述实施方案。
电网连接点由预设的第二功率范围来表征,所述预设的第二功率范围涵盖用于要遵守的有功功率和无功功率的值范围,其中第二功率范围具有要由风电场在电网连接点处遵守的有功功率界限以及可由风电场在电网连接点处达到的无功功率界限。对于阐述也在此参照用于馈入的方法的上述实施方式。
风能设备中的至少一个、多个或所有风能设备具有设备控制装置,所述设备控制装置分别配置为用于根据电场调节器的预设来控制相关风能设备。这种设备控制装置特别可以配置为,例如具有对应的接收装置,或与这种接收装置连接,接收电场调节器的所提及的预设并且然后与此相关地控制相关风能设备。
此外,分别设有至少一个馈入设备,所述馈入设备配置为用于根据电场调节器的预设来产生有功功率和无功功率,并且将其传输给电网连接点。
设备控制装置还配置为用于控制相应风能设备,使得其分别超过其要遵守的第一功率范围的有功功率界限,但是在此分别仅超过要遵守的有功功率界限,使得由风电场在电网连接点处遵守第二功率范围。这特别可以通过风能设备为此遵守电场调节器的预设来实现。在此特别提出,设备控制装置和电场调节器配置为用于由风能设备在电网连接点处遵守第二功率范围。这特别可以是由电场调节器确定的和传输的电场预设与借助于设备控制装置与此相关地对相应风能设备执行的控制之间的共同作用。
特别提出,风电场配置为,执行根据上述实施方式中的至少一个实施方式的至少一种方法。电场调节器和/或风能设备的相应的设备控制装置为此尤其对应地配置。这种配置可以包含,设有对应的处理计算机或控制计算机,对应的方法或所述方法的对应的部分在所述处理计算机或控制计算机上编程。此外,存在能够实现或至少支持所述方法的实施的对应的传输机构和/或评估机构和/或传感器。
附图说明
在下文中根据实施方式参考附图示例性详细地阐述本发明。
图1在立体图中示出风能设备。
图2在示意图中示出风电场。
图3在P-Q图表中示意性示出第一功率范围和第二功率范围。
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处设置有具有三个转子叶片108和整流罩110的转子106。转子106在运行中通过风置于旋转运动中并且由此驱动吊舱104中的发电机。
此外,风能设备100具有控制单元130,所述控制单元与通信单元132耦合并且具有通信接口133,以便与中央电场控制单元通信。为了检测外部温度,还设有外部温度传感器134,所述外部温度传感器可以将其测量值传输给控制单元130用于评估,或所述外部温度传感器由控制单元130操控来进行测量。此外,也还设有变压器136,所述变压器与风能设备100相关联并且可以称作为风能设备变压器。
图2示出具有示例性三个风能设备100的风电场112,所述三个风能设备可以是相同的或不同的。三个风能设备100因此基本上代表风电场112的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、即尤其所产生的电流。在此,各个风能设备100的分别所产生的电流或功率相加。在具有也可以同义地称作电网连接点或PCC的电网连接点的风电场中,在高电网或最高电网处设有变压器116,所述变压器将电场中的电压升压变换,以便然后在电网连接点118处馈入到电网运营商120的电网中。图2仅是风电场112的简化视图,例如虽然当然存在控制装置,然而该简化视图未示出控制装置。电场电网114例如也可以不同地设计,在所述电场电网中,例如在每个风能设备100的输出端处也存在变压器,仅列举一个另外的实施例。
图2还示出中央电场控制单元140,所述中央电场控制单元也可以称为电场调节器或电场控制装置。也设有电场测量单元141,其可以测量电网连接点118处的电流和电压。从中可以检测在电网连接点118处当前馈入的有功功率和无功功率。电场控制单元或电场调节器获得所述信息并且可以基于所述信息将期望值或其他信息传输给各个风能设备100。在图2中示出的空间分离仅用于更好显示,其中重要的是传输期望值或其他信息。电场控制单元140和电场测量单元141也可以设置在相同的位置,即特别设置在馈入点处,并且优选地形成一个单元。图3示意性示出两个P-O图表,即在左边示图中示出第一功率范围401并且在右边图表中示出第二功率范围402。特别应在左边图表中清楚地表明,第一功率范围401通过有功功率界限411向上限界,有功功率界限因此说明在持续运行中和在设计条件下最大的有功功率。通常,这是额定功率Pnenn。在其上以阴影描绘可能的提升范围416。必要时可以充分使用所述提升范围。在所述提升范围416中可以因此脱离第一功率范围401。但这仅短期和/或在特定边界条件下例如原则上低的温度下发生。但是在考虑通过风电场的传输机构引起的改变和/或扭曲效果的情况下,只要所有有功功率的总和不脱离电网连接点处的第二功率范围402的最大有功功率界限,则这就有效。
上述提升范围416形成扩展的功率范围并且向上例如通过圆弧限界,所述圆弧通过产生电流的逆变器的功率半导体的最大电流负载限界。对应地,所述例如点虚线示出的界限形成在此称作功率半导体界限460的界限。因为所述界限通过电流水平预设,其基本上形成围绕P-Q图表的原点的圆。对于所述电流限制或得出的电流负载,电流的相位角基本上不显著。
同样内容适用于同样绘出的持续电流界限462,持续电流界限特别可以通过变压器预设。所述持续电流界限462还距功率开关界限460有间距地和进而距提升范围416有间距地示出。应尽可能不达到或超过所述持续电流界限。
提升范围416也可以附加地或替选地在预确定的第一容忍持续时间中通过预确定的第一最大温度预设,其中持续电流界限462于是可以在预确定的第二容忍持续时间中通过预确定的第二最大温度预设。在这种情况下,可以超过温度界限直至预确定的第一最大温度,与直至预确定的第二最大温度相比时间更长。此外,还绘出机械决定的界限464,所述机械决定的界限指示最大有功功率,所述最大有功功率受用于机械负载例如转子叶片的负载的上限决定。所述机械决定的界限464描述预确定的最大机械负载并且因此基本上仅涉及有功功率并且因此构成为平行于Q轴的水平线。
但是除了根据左边的图表要观察的所有界限之外,必须确保:不脱离第二功率范围402。第二功率范围402的在图3中在右边的图表中示例性示出的变型方案靠近Q轴具有有功功率下界限425,所述有功功率下界限基本上说明,从一定的最小有功功率起才特别需要无功功率以经调节的形式的馈入。但是这种下限是特殊情况,使得所述界限在另外的实施方式中不必存在。就此而言,不取决于所述下限。
现在特别创建一种解决方案,其至少短期,以高于额定功率的有功功率能够实现风能设备的运行。
借此可以作为目标实现风能设备的P-Q调节容量的尽可能好的利用,同时通过风电场整体同时满足电网连接规则。特别可以由此也提高风能设备的收益,而不损害满足电网连接规则(并网导则(Grid Codes))。
在此也解决至今风能设备的P-Q图表在额定功率的情况下基本上水平地截断的问题。借此不允许高于额定功率的运行。但是已认识到,不一定需要这种严格限界。在额定功率的情况下的所述界限对于满足电网连接点(PCC)处的规则既不在每种情况下都强制性需要,以高于额定功率的瞬时有功功率的运行在技术上一般也不是不可行的,如现在认识到的那样。
即已认识到,如果风能设备可以至少获得和转换额定风,并且在一个时刻恰好不必输出其无功功率,则所述风能设备可以在如下运行点中运行,在所述运行点中,其有功功率P可以超过其额定有功功率(Pnenn)。为此提出,风电场调节器、即中央电场控制单元同时在电网连接点处负责风电场总共馈入所要求的无功功率,并且同时不超过在风电场的电网连接点处的最大允许的有功功率。
对于此也已认识到,可以提升各个风能设备的有功功率超过其额定功率,直至至少达到以下可能界限中的最低界限:
a.发电机的有功功率界限。
b.在风能设备中使用的换流器、DC线缆、或风能设备中的限界视在功率的另外元件的视在功率界限。
c.与风能设备相关联的变压器的视在功率界限。
d.特别形成转子叶片或塔的负载界限的机械负载界限。
对于此也已认识到,例如在发电机或变压器中的热惯性的利用甚至可以构造相关部件的暂时过载。在此也已认识到,额定风的出现和高的或甚至最大的无功功率的同时调用通常并不持久地一起发生。
为了能够在无损害的情况下实现这种提升的运行,特别脱离第一功率范围,提出热学或机械地监控所有关键部件并且必要时将有功功率工作点降至正常特性曲线。
也已认识到,在风电场中所有风能设备同时经受额定风并且分别提供额定有功功率(Pnenn)仅是非常罕见的,所述额定有功功率也可以简化和同义地称为额定功率。由风电场在电网连接点处同样罕见地需要最大无功功率。然而,至今每个各个风能设备限制于其个体化的界限,特别限制于其个体化的额定功率PN作为上限,即使在电网连接点处根据由电网运营商最大允许的风电场(PN_WP)的有功功率可以馈入更多有功功率也如此,因为例如另外的风能设备由于其风况不充分使用恰好其最大可产生的额定功率(PN_WEA)。
在此已考虑,一般也称作并网导则的电网连接规则通常涉及风电场的电网连接点处的最大允许的馈入功率。在此通常是,对于风电场的每个有功功率工作点同时必须将由电网运营商预设的无功功率调节范围提供给所述有功功率工作点。只要风电场总体上在电网连接点处遵守电网连接规则的要求,则根据要应用的结构和电的许可可以允许各个风能设备在一定条件下以高于其额定功率的功率运行。
如果考虑根据本发明提出的关系,则根据情况对于风电场而言可以实现更多收益。在此也能够在风电场中实现通常不同风况的更好利用。
此外,更好地利用在电网连接点处和在上游电网中用于向消耗器输送功率的电网的容量。具体地,在电网连接点处和在其另一边的运行机构可以实现具有更高利用率的更高小时数,这对于电网运行而言在经济上又是有利的。
借此对于风能设备可以实现何种额外收益可以取决于相关场地处的强烈风况的频繁性。调用最大无功功率的频繁性也起作用,以及其与风况和外部温度的时间相关性也起作用。
如果单个风能设备的工作范围被限制到额定功率上,虽然确保技术部件不过载,但是必要时为此也从硬件提取出技术上可行的最大值。
风电场调节器在此期间通常存在于每个新设立的风电场中。即使在旧库存的情况下,改造通常在技术上也是可行的。允许即使各个风能设备高于其额定功率运行,仍然遵守并网导则条件,并且尤其无论如何在电网连接点处都确保最大有功功率。因此优选地提出,为此使用风电场调节器和对应地对风电场调节器进行编程。
因此提出,风能设备明确允许也在标称P-Q调节范围之外运行。尤其提出,如果在相关风能设备处的当前风速允许馈入比额定功率更多的有功功率,则只要其他限制因素不禁止这,就可以这样做。
作为这种限制因素列举如下:
a.在例如发电机磁化具有最大值时风能设备之内的限界;转子叶片的弯曲具有最大值,变压器温度达到最大值,或DC线缆的温度达到最大值,仅列举一些实例。在处于从发电机至供电网即至电网连接点的功率流中的电构件的情况下,在此优选地不是额定电流、或持久的最大电流是决定性的,而是温度也可以是决定性的,并且为此提出动态监控相关构件的温度。
b.风电场调节器的限界信号,以便防止,在电网连接点处超过风电场的允许的总有功功率。
c.由电网运营商要求的要考虑的无功功率。其中风电场调节器引起,给各个风能设备输送对应的调节指令,所述对应的调节指令引起风能设备的对应的无功功率输出。在此应考虑,相关风能设备在所述时刻是否已经引导最大视在电流。对于所述情况提出,对应地移动工作点,即特别沿着说明最大视在功率的曲线移动工作点。(Smax曲线)。在这种情况下提出,使无功功率优先,因为无功功率通常是电网运营商的强制预设,而有功功率馈入以接受的方式与当前风速相关。

Claims (11)

1.一种用于借助于具有多个风能设备(100)的风电场(112)在电网连接点(118)处将电功率馈入到供电网中的方法,其中
-所述风能设备(100)通过传输机构与所述电网连接点(118)连接,
-设有电场调节器,用于将有功功率预设和无功功率预设传输给所述风能设备(100),
-在所述风能设备(100)中的每个风能设备处分别预设第一功率范围(401),所述第一功率范围涵盖用于要馈入的有功功率和无功功率的值范围,并且所述第一功率范围能够在所述风能设备(100)之间进行区分,其中所述第一功率范围(401)具有:
-要由所述风能设备(100)遵守的有功功率界限(411),以及
-由所述风能设备能够达到的无功功率界限,
-在所述电网连接点(118)处预设第二功率范围(402),所述第二功率范围涵盖用于要馈入的有功功率和无功功率的值范围,其中所述第二功率范围(402)具有:
-要由所述风电场在所述电网连接点(118)处遵守的有功功率界限(411),以及
-由所述风电场在所述电网连接点(118)处能够达到的无功功率界限,
-所述风能设备(100)中的至少一个、多个或所有风能设备分别在考虑所述电场调节器的预设的情况下产生有功功率和无功功率并且将所述有功功率和无功功率传输给所述电网连接点(118),
-所述风能设备中的至少一个、多个或所有风能设备分别超过其要遵守的所述第一功率范围(401)的有功功率界限(411),其中
-分别超过要遵守的所述有功功率界限(411),使得由所述风电场在所述电网连接点(118)处遵守所述第二功率范围(402)。
2.根据权利要求1所述的方法,
其特征在于,
分别控制所述风能设备(100)中的至少一个、多个或所有风能设备,使得分别不能够达到所述第一功率范围(401)的无功功率界限,而所述风电场能够达到所述第二功率范围(402)的无功功率界限,尤其即能够达到从电网运营商(120)方面在一个时刻要求的无功功率值直至所述无功功率界限。
3.根据权利要求1或2所述的方法,
其特征在于,
分别控制所述风能设备(100)中的至少一个、多个或所有风能设备,使得其分别输出具有用于传输给所述电网连接点(118)的有功功率分量和无功功率分量的输出功率,其中
-所述输出功率超过所述第一功率范围(401)的要遵守的有功功率界限(411),和/或
-所述输出功率具有视在功率值,所述视在功率值大到使得在不减小所述有功功率分量的情况下不能够达到所述第一功率范围(401)的无功功率界限,其中
-所述传输机构完全或部分地引起改变所述输出功率,使得遵守所述第二功率范围(402)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法,
其特征在于,
-所述传输机构通过热消耗减小为了传输而输出的输出功率或所述为了传输而输出的输出功率的输出的有功功率分量或所述输出的有功功率分量,使得遵守所述第二功率范围(402)的有功功率界限(411),和/或
-所述传输机构引起改变输出的输出功率或所述输出的输出功率的无功功率分量或所述无功功率分量,使得达到所述第二功率范围(402)的无功功率界限。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法,
其特征在于,
-所述风能设备(100)在借助于所述传输机构传输之前的所有输出功率的总和不遵守所述第二功率范围(402),相反,
-朝向所述电网连接点(118)传输的所有输出功率的总和在所述电网连接点(118)处遵守所述第二功率范围(402)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法,
其特征在于,
所述风能设备(100)中的至少一个、多个或所有风能设备分别根据多个检查条件超过其要遵守的所述第一功率范围(401)的有功功率界限(411),其中
-作为至少一个检查条件检查对所述电场调节器的电场预设的遵守,和/或
-作为至少一个检查条件检查对相应风能设备的设备条件的遵守,其中优选地
-检查至少一个电场预设和至少一个设备条件,并且尤其
-检查至少一个电场预设和至少两个设备条件。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法,
其特征在于,
-设备条件或所述设备条件是选自如下条件列表的条件:
-遵守相应的所述风能设备处的扩展的功率范围,所述扩展的功率范围至少部段地大于相同风能设备(100)的第一功率范围,
-遵守相应的所述风能设备中的预确定的最大温度,
-遵守相应的所述风能设备(100)中的预确定的最大电流,以及
-遵守相应的所述风能设备(100)的预确定的最大机械负载。
8.根据权利要求7所述的方法,
其特征在于,
控制相应的所述风能设备(100),使得
-只有当遵守所述条件列表的至少一个标准,尤其只要遵守所述条件列表的至少两个标准、优选地所有标准,则在遵守所述扩展的功率范围的情况下才允许超过所述第一功率范围(401),
-如果遵守所述预确定的最大机械负载并且尤其遵守所述条件列表的其余标准,则在预确定的例外持续时间中允许超过所述扩展的功率范围,
-根据预确定的容忍持续时间来预确定所述预确定的最大温度,其中尤其
-在预确定的第一容忍持续时间中预设至少一个预确定的第一最大温度,和
-在预确定的第二容忍持续时间中预设至少一个预确定的第二最大温度,其中
-所述预确定的第一最大温度小于所述预确定的第二最大温度并且所述预确定的第一容忍持续时间大于所述预确定的第二容忍持续时间,
-如果遵守所述预确定的最大机械负载并且尤其遵守所述条件列表的其余标准,则在预确定的第二例外持续时间中允许超过所述预确定的最大电流,和/或
-必须始终确保遵守所述预确定的最大机械负载。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法,
其特征在于,
-电场预设或所述电场预设包括输出给每个风能设备(100)的至少一个电场预设值,所述电场预设值选自如下列表:
-要由每个风能设备(100)遵守的有功功率最大值,以及
-要由每个风能设备(100)达到的无功功率最小值,其中
-由所述电场调节器根据所述第二功率范围(402)和在所述电网连接点(118)处馈入的当前功率来确定所述至少一个电场预设值,并且其中所述至少一个电场预设值优选地作为所述风能设备的额定功率(Pnenn)的相对值特别百分比值输出和/或对于每个风能设备个体化确定。
10.一种用于在电网连接点(118)处将电功率馈入到供电网中的具有多个风能设备的风电场,所述风电场包括:
-用于将所述风能设备与所述电网连接点(118)连接的传输机构,
-用于将有功功率预设和无功功率预设传输给风能设备的电场调节器,其中
-所述风能设备中的每个风能设备分别由预设的第一功率范围(401)来表征,所述预设的第一功率范围涵盖用于要馈入的有功功率和无功功率的值范围,并且所述预设的第一功率范围能够在所述风能设备之间进行区分,其中所述第一功率范围(401)具有:
-要由所述风能设备(100)遵守的有功功率界限(411),以及
-由所述风能设备(100)能够达到的无功功率界限,
-所述电网连接点(118)由预设的第二功率范围来表征,所述预设的第二功率范围涵盖用于要馈入的有功功率和无功功率的值范围,其中所述第二功率范围(402)具有:
-要由所述风电场(112)在所述电网连接点(118)处遵守的有功功率界限(411),以及
-由所述风电场(112)在所述电网连接点(118)处能够达到的无功功率界限,
-所述风能设备(100)中的至少一个、多个或所有风能设备
-分别具有设备控制装置,所述设备控制装置配置为用于根据所述电场调节器的预设来控制相关的所述风能设备(100),并且
-分别具有馈入设备,所述馈入设备配置为用于根据所述电场调节器的预设来产生有功功率和无功功率并且将所述有功功率和无功功率传输给所述电网连接点(118),其中所述设备控制装置配置为用于,
-控制相应的所述风能设备,使得其分别超过其要遵守的所述第一功率范围(401)的有功功率界限(411),并且其中
-所述设备控制装置和/或所述电场调节器配置为用于控制相应的所述风能设备(100),使得分别仅超过要遵守的有功功率界限(411),使得由所述风电场在所述电网连接点(118)处遵守所述第二功率范围(402)。
11.根据权利要求10所述的风电场,
其特征在于,
所述风电场(112)配置为用于执行至少一种根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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