CN115467779A - 操作风力涡轮机的方法、对应的风力涡轮机以及风电场 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及操作风力涡轮机(100)的方法(700)、对应的风力涡轮机、控制风电场(112)的方法(800)和对应的风电场(112)。方法(700)包括步骤：确定(710)将由风力涡轮机(100)馈送至电网(120)中、特别是馈送至电力电网中的目标最大有功功率；监测(720)从风力涡轮机(100)馈送至电网(120)中的当前有功功率；确定(730)与所确定的目标最大有功功率对应的参考时间段；得到(740)在参考时间段期间从风力涡轮机(100)馈送至电网(120)中的有功功率的平均值；比较(750)有功功率的平均值与目标最大有功功率；以及在有功功率的平均值低于目标最大有功功率的情况下，在允许高于目标最大有功功率的有功功率的设定操作点处操作(760)风力涡轮机(100)。

Description

操作风力涡轮机的方法、对应的风力涡轮机以及风电场
技术领域
本公开内容涉及操作风力涡轮机的方法、对应的风力涡轮机以及风电场。
背景技术
普通的风力涡轮机使用具有基本上水平的旋转轴和多个转子叶片(通常为三个转子叶片)的空气动力学转子。每个转子叶片具有可调整的桨距角(pitch angle)，以用于调整转子叶片与使转子叶片移动的风之间的迎角。每个桨距角可以被单独调整，但是通常针对所有的转子叶片使用相同的桨距角来统一控制所有的转子叶片。因此，如果对风力涡轮机的控制仅考虑一个桨距角，则所有转子叶片被控制为相同的桨距角。桨距角也可以被描述为叶片角度。
发明内容
在亚额定操作模式下，风的强度不足以使风力涡轮机产生额定功率。在这种情况下，可以将所有转子叶片的桨距角设定为被认为是最佳值的恒定值。根据风速，风力涡轮机将以变化的转子转速操作。特定的操作点可以由所生成的功率的值和转子转速的值来表征。这样的操作点可以根据转子转速对功率特性曲线来进行选择。然而，根据稍微不同的构思，可以考虑发电机扭矩，而不是所生成的功率。
在额定风速和额定风速以上，需要控制风力涡轮机以分别限制转子转速和输出功率或发电机扭矩，以便避免对风力涡轮机的损坏。一般的构思是随着风速的增加使转子叶片倾斜以不受风，使得即使随着风速的增加，输出功率和转子转速也保持相当恒定。特别地，对风力涡轮机进行控制，使得风力涡轮机以额定转子转速和额定输出功率操作。额定转子转速和额定输出功率也可以分别被称为标称转子转速或标称输出功率。
对于风速的长期变化，调整桨距角以匹配新的风速，使得空气动力学转子基本上仅提取额定功率。然而，在风速的短期变化中，特别是在阵风的情况下，可以通过根据公式P＝M*ω，基于功率P、发电机扭矩M和转子转速ω之间的关系调整发电机扭矩来使输出功率保持恒定。
因此，这样的阵风导致转子转速ω的变化，并且相应地调整发电机扭矩M，使得输出功率P保持恒定。转子转速也可以用以每分钟转数[rpm]为单位的符号“n”表示。
因此，风速的降低将导致转子转速ω的降低，并且这将导致发电机扭矩M的增加。转子转速的这种小的变化是可接受的，因为预期只有短的变化。因此，仅短的变化应当通过发电机扭矩M的这种控制进行补偿。然而，发电机扭矩的所述增加甚至还降低了转子转速，并且因此这种(负)阵风可能导致转子转速的显著降低。当然，在正阵风的情况下，可能导致转子转速的增加。
特别地，风速的降低可能导致这样的情况，其中风力涡轮机不能满足期望的功率生成，即，其中风力涡轮机生成比指定功率更少的电功率。例如，指定功率可以是风力涡轮机的预定义标称功率或由于电网约束而降低的功率。因此，特别是在包括多个风力涡轮机的风电场中，平均功率可能劣化，并且从而导致风力涡轮机或风电场的年功率生产降低。
因此，本公开内容的目的是优化风力涡轮机和风电场的功率生产。本公开内容的另一个目的是提出操作风力涡轮机和风电场的替选方法。
提供了一种操作风力涡轮机的方法，该方法包括以下步骤：
-确定将由风力涡轮机馈送至电网中、特别是馈送至电力电网中的目标最大有功功率，
-监测从风力涡轮机馈送至电网中的当前有功功率，
-确定与所确定的目标最大有功功率对应的参考时间段，
-得到在参考时间段期间从风力涡轮机馈送至电网中的有功功率的平均值，
-将有功功率的平均值与目标最大有功功率进行比较，以及
-在有功功率的平均值低于目标最大有功功率的情况下，在允许高于目标最大有功功率的有功功率的设定操作点处操作风力涡轮机。
所提出的方法使得能够对风力涡轮机进行单独控制。优选地，受控或被操作的风力涡轮机是包括多个风力涡轮机的风电场的一部分。
所提出的方法可以部分或完全地被实现为由风力涡轮机的控制器执行。在其他实施方式中，上面所描述的步骤中的一些步骤或全部步骤可以在远离风力涡轮机的一个或更多个控制器上实现，例如在经由因特网连接的远程服务器中或在中央风电场控制器中实现。
例如，可以由电网运营商使用电网编码技术来传送目标最大有功功率。然而，还考虑了确定目标最大有功功率的其他选项。目标最大有功功率因此也可以被称为指定功率，其可以对应于例如风力涡轮机的默认标称功率或降低的功率。
借助于所描述的方法，可以在时间平均周期内调整功率规格。特别地，该方法使得能够在“负阵风”之后通过随后在平均周期内施加额外的功率来再次实现目标平均有功功率，在所述“负阵风”期间由于风速不足而不能实现指定功率。
特别地，这使得能够更精确地调整电网运营商、能源营销商、官方的最大功率规格，以及调整发电厂的标称功率或操作模式的最大功率。
与没有这样的程序的发电厂控制相比，发电厂的产量通常得到提高。该方法可以被特定场地地参数化，并且可以在负载增加与额外产量之间实现特定场地的优化。
为此，在参考时间段内的有功功率的平均值低于目标最大有功功率的情况下，风力涡轮机可以在目标最大有功功率以上操作。在这种情况下，风力涡轮机可以生成高于其默认标称功率的功率值。为了生成额外的功率，调整操作点。
操作点可以被简单地表示为设定功率值，其中风力涡轮机的控制单元相应地调整风力涡轮机的操作参数。在其他示例中，风力涡轮机的操作点可以包括风力涡轮机的操作参数——例如转子转速、桨距角和发电机扭矩中的至少一个——的组合。
如此设定的操作点可以包括在不损坏风力涡轮机的情况下不可能永久进行的风力涡轮机的操作，即风力涡轮机可能只能被操作达一定量的时间的操作点。例如，操作可能产生过量的热，这将在一定量的时间之后导致临界热累积。
在本发明的上下文中可以接受这种潜在的关键“长期”操作，因为本发明的目的是使有功功率的平均值尽可能接近目标最大有功功率，为此，在目标最大有功功率以上的操作仅在一定有限量的时间内是必需的，即不是永久的。
优选地，可以通过测量单个风力涡轮机的发电机的有功功率输出来确定有功功率，例如在变压器输入端处的低压侧测量。在其他示例中，可以测量和可选地校正近似对应于发电机输出功率的发电机的气隙功率。
最后，在其他示例中，可以在风电场级别上确定有功功率，其中多个风力涡轮机的有功功率被共同确定。例如，可以测量风电场的公共耦合点处的功率。
在优选实施方式中，目标最大有功功率是在考虑下述各项中的至少一项、优选地下述各项中的多于一项以及特别是下述各项中的全部项的情况下确定的：
-来自电网运营商或能源营销商的限制规范，
-来自操作控制例如热惰性发电机部件的温度管理的缩减规范(curtailmentspecification)，
-官方要求，
-风力涡轮机的标称输出，
-风力涡轮机在特定操作模式下的最大有功功率。
来自电网运营商或能源营销商的限制规范也被称为电网连接准则或电网并网导则(grid code)。
官方要求可以包括关于馈入资费(feed-in tariff)的法律或条例，例如取决于所连接的负载的馈入资费的分级级别。在这样的示例中，从经济角度来看，优化所生成的平均功率使得馈入资费最大化可能是有益的。
要求的其他示例可以包括操作许可，操作许可包括噪音降低操作，例如在预定时间期间(例如，在晚上10点与早上6点之间)降低至例如3000kW的特定功率。
关于噪声降低操作或噪声限制操作，优选的是除了所生成的有功功率之外还考虑所生成的噪声，即使操作许可将仅限定最大功率。为此，已经证明调整参考时间段以对应于针对噪声确定的平均时段是有效的，该平均时段可以例如小于5分钟，例如在30秒与60秒之间。
在优选实施方式中，参考时间段被确定为有功功率的平均值不应超过目标最大有功功率的时间段。
由于将该参考时间段内的有功功率的平均值与目标最大有功功率进行比较，并且由于仅在平均值被确定为低于目标最大有功功率的情况下将有功功率增加至目标最大有功功率以上，因此有功功率的平均值可能仅在短于参考时间段的时段内超过目标最大有功功率。
在优选实施方式中，参考时间段是直到当前时间的预定长度的时段，其中预定长度特别在1秒与20分钟之间，并且优选地大约为10分钟或正好为10分钟。
在该实施方式中，参考时间段是移动时间段，其中参考时间段的起始点总是处于其间的固定距离。10分钟的参考时间段在过去已经被广泛地考虑用于电网连接点。预期将来参考时间段的持续时间将变得更短，例如在30秒至2分钟的范围内，优选为1分钟。
在其他实施方式中，参考时间段是固定时间段，例如固定计费时段。这样的固定时间段可以具有限定的持续时间(例如，在1分钟与1小时之间，并且优选地正好为15分钟或大约为15分钟)以及固定的起始点(例如，整点或每一刻钟等)。
参考时间段可以是例如预定义的静态时间段，或可以例如由电网运营商动态地改变。在大多数实际实现方式中，参考时间段的持续时间将是恒定的，并且不随时间改变或仅很少随时间改变。
在优选实施方式中，有功功率的平均值被确定为风力涡轮机的所监测的当前有功功率的移动平均值。
该平均值例如可以是算术平均值或几何平均值或加权平均值。还考虑了确定平均值的替选方式。
在优选实施方式中，有功功率的平均值与目标最大有功功率的偏差被称为平均功率偏差，并且根据所操作的操作点的有功功率与目标最大有功功率的偏差被称为目标有功功率偏差，该方法在操作步骤中还包括：
-将目标有功功率偏差设定为平均功率偏差的函数。
在该实施方式中，目标有功功率偏差与平均功率偏差的函数相关性允许例如平均功率偏差的较高值导致根据所操作的操作点的成比例地较高的有功功率。换言之，函数关系可以允许可以实现对平均功率偏差的充分补偿。
在优选实施方式中，该方法在设定目标有功功率偏差的步骤中包括：
-将目标有功功率偏差设定为与平均功率偏差成线性比例。
因此，目标有功功率偏差的例如2％的平均功率偏差可以导致高于目标有功功率2％(即，比例因子为1)或4％(即，比例因子为2)的目标有功功率偏差。当然，还考虑了其他线性比例因子或其他函数关系，例如指数、对数或多项式函数关系。
在优选实施方式中，该方法还包括：
-在考虑风力涡轮机的施工场地的至少一个环境因素的情况下，确定有功功率偏差与平均功率偏差之间的比例因子。
在该实施方式中，对与目标有功功率的平均功率偏差的补偿可以适应于风力涡轮机的实际环境。
环境因素可以包括基本静态环境因素例如空气密度水平或风力等级或动态环境因素例如当前测量的风速或湍流强度中的一种或更多种环境因素，仅列举一些。
例如，在可以确定增加的湍流强度以便限制作用在风力涡轮机上的附加负载的情况下，比例因子可以较低。相反，具有较低湍流强度的平静风可以允许较高的比例因子。考虑了其他应用。
在优选实施方式中，预定义的最大目标有功功率偏差限制了正有功功率偏差的量。
在该实施方式中，即使平均功率偏差变大，即平均功率显著低于目标功率，操作点也将被设定成将有功功率限制到最大量。
在优选实施方式中，该方法包括：
-在有功功率的平均值高于目标最大有功功率的情况下，在确保低于目标最大有功功率的有功功率的操作点处操作风力涡轮机。
在优选实施方式中，用于负平均功率偏差的预定义比例因子大于用于正平均功率偏差的预定义比例因子。
因此，对于负平均功率偏差，对平均功率偏差的补偿——即平均功率接近目标最大有功功率的速度——更高。因此，在一定时段内可获得的风能的缺乏(即，低风速)可以在较短时段内利用可获得的风能的过剩量来补偿。
在优选实施方式中，设定操作点的设定有功功率是根据功率提升因子确定的，该设定有功功率被确定为目标最大有功功率与功率提升因子的乘积。
设定有功功率与目标最大有功功率之间的差，即目标有功功率偏差，可以被称为“功率提升”。相对于目标最大有功功率，可以获得功率提升因子。
最大目标有功功率偏差可以被表示为最大功率提升因子，例如，到目标最大有功功率的某个因子。
在一个实施方式中，功率提升因子可以被限制为目标最大有功功率的110％，同时当然也考虑其他值。
在优选实施方式中，功率提升因子是下述的至少之一：
a)在有功功率的平均值高于目标最大有功功率的情况下增加，并且
b)在有功功率的平均值低于目标最大有功功率的情况下降低。
因此，根据功率提升因子来调整设定有功功率，功率提升因子因此在0与最大功率提升因子之间，0将对应于0kW的设定有功功率。优选地，功率提升因子因此在0.9至1.2的范围内，更优选地在0.9与1.1之间。
在优选实施方式中，该方法还包括：
-与有功功率的平均值与目标最大有功功率的偏差成比例地确定功率提升因子的最大值。
例如，功率提升因子被限制为平均值与目标最大有功功率的偏差的至多两倍，使得如果偏差等于有功功率的平均值的1％，则功率提升因子至多比目标最大有功功率高2％。在其他示例中，当然设想其他比例因子。
在优选实施方式中，该方法还包括：
-限制功率提升因子的变化率，使得避免风力涡轮机控制中的振荡。
振荡可能导致必要的负载增加和高控制输入，并且因此是不期望的。由于功率提升因子的变化率(例如，被表示为功率提升因子的时间导数)是受限的，即不超过预定义的最大变化率，因此不太可能发生振荡。
例如，最大变化率可以相对于目标最大有功功率来表示，和/或可以是每时间单位(例如，每秒)的绝对功率或目标最大有功功率的某个百分比。
在一个示例中，功率提升因子的最大变化率可以导致不超过10kW/s的功率变化，这将可靠地避免振荡的发生。
在优选实施方式中，该方法还包括：
-通过预期未来的功率下降来估计设定操作点是否将导致所生成的有功功率的下降，以及
-在估计步骤的结果为肯定的情况下，降低功率提升因子。
在该实施方式中，可以预期未来的功率下降，其中使用大的功率提升因子的操作会适得其反。在当前风力减小使得例如无法在预期功率水平处操作的情况下，风力涡轮机可以在所谓的部分负载区域中操作，在该部分负载区域中，除了控制风力涡轮机的桨距角之外或作为控制风力涡轮机的桨距角的替选，通过例如减小发电机扭矩来使风力涡轮机的转子转速保持恒定。
特别是在这种情况下，即，在风下降到部分负载操作不可避免的程度的情况下，因此减小功率提升因子以减小或避免根据本发明的方法对风力涡轮机的转子转速控制的影响可能是有益的。
在优选实施方式中，风力涡轮机包括转子，该转子包括至少一个转子叶片，所述至少一个转子叶片在其叶片角度方面可调整，并且该方法包括：
-在所增加的功率生成将降低转子的转子转速的情况下，特别是在转子叶片中的至少一个转子叶片的叶片角度接近设定最小桨距角的情况下，估计设定操作点将导致所生成的有功功率的减小。
在这种情况下，设定最小桨距角是桨距角的范围的下边界或下限，其可以由风力涡轮机的转子转速控制器设定。在接近该最小桨距角时，转子转速控制器的一种反应方式——即桨距角的进一步减小——将不再可用，并且当然，假设持续或进一步降低风速，风力涡轮机的转子转速将下降。接近设定最小桨距角的叶片桨距角，例如，叶片角度与设定最小桨距角之间的差下降到例如0.5度或2度的某个阈值以下，可以被认为是预期未来的功率下降的一个示例，同时还考虑了其他形式。
在这种情况下，为了防止转子转速下降，建议缓慢降低发电机功率。下降的转子转速将导致效率更低的操作，并且因此导致生成更少的有功功率。
在优选实施方式中，风力涡轮机包括转子，该转子包括至少一个转子叶片，所述至少一个转子叶片在其叶片角度方面可调整，在允许高于目标最大有功功率的有功功率的设定操作点处操作风力涡轮机的步骤包括：
-确定转子叶片中的至少一个转子叶片的当前叶片角度，
-确定作为叶片角度的最小值的最小叶片角度，以及
-仅在当前叶片角度超过限制角度加上预定义的差值限制角度的情况下，才在设定操作点处操作风力涡轮机。
当前叶片角度可以被确定为转子叶片中的仅一个转子叶片的当前叶片角度，或者如果合适的话，可以被确定为所有转子叶片的公共值，例如平均值的最小值。
最小叶片角度可以例如由风力涡轮机的转子转速控制器或不同的单元提供，并且表示可调整的叶片桨距角的范围的下限。
预定义的差值限制角度可以被视为高于所确定的最小叶片角度的安全余量，以确保即使是在环境条件例如风力条件改变的情况下风力涡轮机的稳定操作。
在阵风的情况下，发生风速的快速变化，并且为了简化解释，除非有不同的解释，否则假设在风的这种短暂偏差期间将不会发生转子叶片的俯仰。因此，对于以下解释，假设所有转子叶片的桨距角是恒定的。
通常使用的控制构思是在这样的阵风期间保持功率恒定。在正阵风的情况下，转子转速n将增加，并且风力涡轮机被控制成使得功率保持恒定。如果存在导致风速下降的负阵风，这同样适用。在这种情况下，转子转速n将下降，但是通过风力涡轮机的控制，功率仍然保持恒定。要提到的是，即使在这样的负阵风期间转子转速下降至低于额定转子转速nN的值，风速也仍然高于标称风速，并且因此功率将不会下降。也就是说，即使转子转速下降至低于额定转子转速nN，操作也不一定变回亚额定操作。
然而，如果转子转速增加并且功率保持恒定，则发电机扭矩将下降。如果在功率保持恒定的同时转子转速下降至低于额定转子转速nN，则对应的发电机扭矩将升高。
发电机扭矩的这种下降或上升会导致对风力涡轮机的负载并且将被减小，并且因此建议恒定的扭矩功率曲线。因此，在正阵风导致转子转速n增加的情况下，可以控制功率升高，还具有使所产生的发电机扭矩保持恒定的效果。因此，相同的恒定扭矩功率曲线可以用于转子转速下降，特别是由于负阵风引起的转子转速下降。因此，在转子转速n下降时，功率也应根据恒定扭矩功率曲线下降。这也导致保持发电机扭矩恒定。
在优选实施方式中，该方法还包括：
-根据当前叶片角度与限制角度和预定义的差值角度的总和之间的差来限制、特别是与该差成比例地来限制或根据预定特性曲线来限制高于最大功率的功率的增加。
在该实施方式中，由于功率增加受到限制，因此可以避免功率的过度增加，该功率的过度增加对于转子转速或叶片桨距角控制器可能是不允许的或有风险的。因此，可以确保风力涡轮机的控制的可靠且安全的操作。预定特性曲线可以例如指示根据叶片角度储备——即当前叶片角度与限制角度和预定义的差值角度的总和之间的差——的高于目标最大有功功率的过量有功功率的限制。
在优选实施方式中，在下述情况中的至少一种情况下，避免在设定点处操作风力涡轮机：
-平均功率低于目标最大平均值是由于叶片负载限制器的干预，
-通过风暴控制操作进行的干预，以及
-噪声优化操作。
因此可以避免根据本发明的操作风力涡轮机的方法与风力涡轮机的其他安全特征的干扰，这可能例如导致两种方法彼此对抗、使相应其他方法的效果劣化或者甚至导致风力涡轮机的不可靠操作。
例如，这样的其他操作模式可以包括叶片负载限制，这可以增加或减少风力涡轮机的操作参数中的任何操作参数以避免叶片上的过度负载。此外，风暴控制操作可以在高风速的情况下减少或停止风力涡轮机的操作，以避免对风力涡轮机的任何部件的潜在损坏。接下来，噪声优化操作避免了在风力涡轮机以增加的功率设定点操作的情况下可能劣化的过度噪声。
在另一方面，提供了一种用于控制风电场的方法，该风电场包括多个风力涡轮机。该方法包括下述步骤：
-确定将由多个风力涡轮机馈送至电网中、特别是馈送至电力电网中的组合目标最大有功功率，
-监测从多个风力涡轮机馈送至电网中的组合当前有功功率，
-确定与所确定的组合目标最大有功功率对应的参考时间段，
-得到在参考时间段期间从多个风力涡轮机馈送至电网中的组合有功功率的平均值，
-将组合有功功率的平均值与组合目标最大有功功率进行比较，以及
-在组合有功功率的平均值低于组合目标最大有功功率的情况下，在允许下述有功功率的设定操作点处操作风力涡轮机中的至少一个风力涡轮机：该有功功率使得组合有功功率高于多个风力涡轮机的组合目标最大有功功率。
控制风电场的方法使得能够在风电场级别上获得与关于根据本公开内容的操作风力涡轮机的方法所详细描述的相同的优点。实际上，根据该方面的方法导致尽可能接近风电场的目标最大有功功率的增加的能量产生。
根据该方面的方法可以与根据本公开内容的操作风力涡轮机的方法的所有优选实施方式组合，并且可以同时实现相同的益处。
根据另一方面，提出了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括控制器，该控制器适于基于根据本公开内容的一方面或优选实施方式的方法来控制风力涡轮机。
根据该方面的风力涡轮机使得能够获得与关于根据本公开内容的操作风力涡轮机的方法所详细描述的相同的优点。实际上，根据该方面的风力涡轮机导致尽可能接近目标最大有功功率的增加的能量产生。
此外，根据该方面的风力涡轮机可以与根据本公开内容的操作风力涡轮机的方法的所有优选实施方式组合，并且可以同时实现相同的益处。
在另一方面中，提出了一种风电场控制器，该风电场控制器适于基于根据本公开内容的方法控制风电场。
风电场控制器使得能够在风电场级别上获得与关于根据本公开内容的操作风力涡轮机的方法所详细描述的相同的优点。实际上，根据该方面的风电场控制器导致尽可能接近风电场的目标最大有功功率的增加的能量产生。
根据该方面的风电场控制器可以与根据本公开内容的所有优选实施方式组合，并且可以同时实现相同的益处。
本发明还涉及一种风电场，该风电场具有根据上面所提及的风力涡轮机的方面中的任何方面的多个风力涡轮机。这样的风电场可以具有由所有风力涡轮机使用的公共耦合点，以便将所产生的功率馈送至供电电网中。已经发现，所提出的方法和所提出的风力涡轮机可能由于阵风而导致波动的输出功率。然而，这样的阵风不会恰好同时到达风电场中的所有风力涡轮机，并且因此功率波动也至少在从风电场中的一个风力涡轮机到另一个风力涡轮机的时间内变化。因此，风电场正在消除这种波动，并且因此，如果所建议的控制方法用于风电场内的多个风力涡轮机，则由于该方法引起的功率波动与供电电网不太相关。
附图说明
下面基于附图使用实施方式通过示例的方式来解释本发明。
图1以透视图示出了风力涡轮机。
图2以示意性视图示出了风电场。
图3示出了说明功率随时间变化的图。
图4示出了说明经修改的功率随时间变化的图。
图5说明了用于图4的时间段的功率增加因子。
图6示出了解释最大功率控制的操作的两个图。
图7示意性且示例性地说明了方法的流程图。
图8示意性且示例性地说明了方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的风能设施的示意图。风能设施100包括塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱104上设置有包括三个转子叶片108和整流罩110的空气动力学转子106。在风能设施的操作期间通过风使空气动力学转子106实现旋转运动，并且由此也使发电机的电动力学转子旋转，该发电机的电动力学转子直接或间接地耦接至空气动力学转子106。发电机被布置在吊舱104中并且生成电能。转子叶片108的桨距角可以通过在相应的转子叶片108的转子叶片根部109上的桨距马达来改变。
风能设施100包括在吊舱104中指示的发电机101。可以借助发电机101生成电功率。特别地，可以被配置为逆变器的馈电单元105被设置用于馈入电功率。因此可以根据幅度、频率和相位生成三相馈电电流和/或三相馈电电压，以用于在网络连接点PCC处进行馈电。这可以直接实现，或者与风电场中的其他风能设施联合实现。设施控制器103被设置用于控制风能设施100以及还有馈电单元105。设施控制器103还可以从外部源、特别是从中央场计算机获取预定义值。
图2示出了包括例如三个风能设施100的风电场112，所述三个风能设施100可以相同或不同。三个风能设施100因此基本上代表风电场112的任意数目的风能设施。风能设施100经由电场网络114提供其功率，即特别是所生成的电流。在这种情况下，将各个风能设施100的分别生成的电流或功率相加，并且通常提供变压器116，该变压器116升高场中的电压，以便然后在馈电点118处将其馈入供电网络120中，该馈电点118通常也被称为PCC。图2仅仅是风电场112的简化图示。此外，作为示例，场网络114可以被不同地配置，例如其中变压器也存在于每个风能设施100的输出端处，以仅提及一个不同的示例性实施方式。
风电场112另外包括中央场计算机122。该中央场计算机122可以经由数据线124或以无线方式连接至风能设施100，以便由此与风能设施交换数据，并且特别是从风能设施100获取所测量的值并且将控制值发送至风能设施100。
在一个示例中，根据本公开内容的方法可以被表示为包括以下步骤：
(1)确定要针对的目标功率(有功功率)。针对此的可能来源例如是：来自电网运营商或能源营销商的控制规范、来自运营管理(例如，热惰性部件的发电机温度管理)的控制规范、官方要求、设计参数(发电厂的标称功率、操作模式的最大功率)。
(2)确定来自步骤(1)的目标功率所涉及的平均时段。典型的规格是10分钟的平均值，同时也考虑其他时段。
(3)测量特别是连续测量所注入的有功功率，并且存储所得到的时间历史。
(4)在来自(2)的所选择的时段内基于(3)上的所存储的时间历史计算移动平均值。
(5)计算功率增加因子(提升因子)，该功率增加因子指示要针对的临时功率增加的度量。为此，优选地将从步骤(4)中已知的平均实际功率与从步骤(1)中已知的目标功率进行比较。如果平均实际功率低于目标功率，则提高也被称为功率升压因子的功率增加因子。如果实际功率高于目标功率，则降低功率增加因子(这种情况特别在目标功率改变时发生)。
功率增加因子可以提高(或降低)到什么程度优选地取决于平均功率低于(或超过)目标功率多少。
比例耦合在这里是特别合适的(例如，如果目标功率被削弱了1％，则功率增加因子被增加至102％，并且如果目标功率被削弱了2％，则功率增加因子被增加至104％，等等)。
优选地将功率增加因子的变化率选择得足够低，以避免所得到的控制回路中的振荡(例如，10kW/s)。
优选地将功率增加因子限制于可调整的范围(例如，以对先前的功率不足情况进行补偿，随后以目标功率的110％的最大值馈送)。
在达到增加的功率消耗导致随后的功率下降的操作状态时，优选地降低功率增加因子。这特别发生在风速明显下降至这样的程度时：目标转子转速不再能够随着增加的功率输入而保持(即，在高风速的情况下脱离速度控制操作，叶片角度前进至最小叶片角度)。
(6)经由功率增加因子来调整(通常增加几个百分点)否则将被设定的最大功率和相关联的功率设定点。增加的功率被馈入。
特别地，功率增加因子的上限(例如，最大110％)和目标功率下冲功率增加因子限制之间的比例耦合因子是用于特定场地参数化的有用参数。
根据本公开内容的方法在风力涡轮机的最大功率的动态确定方面是有益的。在一些实施方式中，还可以设想在风电场级别上的应用。
这将通过风力涡轮机的10分钟时间序列的示例来说明，该风力涡轮机在技术上可以生成5500kW的功率。在该时间序列中，技术上生成的功率在1900kW(在负阵风期间)与5500kW(WEA的技术限制)之间波动。
4000kW的示例性目标功率(例如，网络运营商规范)根据经典程序导致将功率设定点限制为4000kW。这导致(由于阵风/湍流)示例性10分钟时间间隔内的平均功率低于目标功率设定点。
图3示出了在引入根据本发明的“临时功率提升”之前的情况300，其中每个最大功率被理解为即时和短期的限制。在纵轴上，绘制所生成的功率。单位是任意的，并且例如可以以kW为单位。在横轴上，绘制时间。单位也是任意的，并且例如可以以秒(s)为单位。
第一虚线310示出了技术上可获得的功率，该功率在大约1900kW与5500kW之间波动。使用将功率设定点限制为4000kW导致指示所生成的功率的线320。在该示例中，所生成的功率的平均值330仅达到3604kW，即，远低于例如4000kW的目标功率。
图4示出了在类似于图3的附图中引入“临时功率提升”之后的情况400。同样，第一虚线410示出了技术上可获得的功率，并且实线420指示所生成的功率。利用第二虚线430指示目标平均值，并且可以看出，所生成的功率的平均值440比图3的示例中更接近目标功率。
在第一时间段402中，所生成的功率对应于例如4000kW的目标功率设定点。在例如由于负阵风引起的功率产生的短暂减少之后，在第二时间段404期间所生成的功率增加以对先前功率产生中的下降进行补偿。在该时段期间所生成的功率低于技术上可获得的功率，使得生成目标平均功率但不大于目标平均功率。
在低生成功率(例如，低风速)的较长时段406之后，在时段408期间，所生成的功率位于远高于目标平均功率。
在时段409中，随着所生成的功率430水平行进，可以看到增加的所生成的功率高于目标功率的限制。功率提升的上限，即所生成的功率在目标功率以上的增加，例如可以是目标功率的130％。
图5示意性且示例性地在图500中示出了针对与图4中所示的相同时间段的对应的功率增加因子(被称为功率提升因子)。在该示例中，功率提升因子可以在目标有功功率的100％与130％之间。
图6示意性且示例性地示出了所生成的功率随时间变化的另一示例图610以及风力涡轮机的转子叶片在相同时间段内的对应桨距角的图620。
利用曲线下方的目标功率以下的表面面积A1来指示时段612期间所生成的功率的缺乏。该表面面积对应于时段614期间的表面面积A2，在该时段614中生成多于目标功率。该时段614可以被称为功率提升时段。
平均生成功率630对应于没有功率提升的所生成的功率，并且所生成的功率640包括功率提升。可以看出，所生成的功率640接近目标功率，而所生成的功率630由于在时段612期间所生成的功率的缺乏而保持在大约95％处。
在对所生成的功率的缺乏进行补偿之后，即，Pavg等于期望的目标功率，在时段616期间将可获得潜在的过量功率。在该时段616中，可以减少所生成的功率618，使得平均生成功率(例如，在前10分钟内的移动平均值)不超过目标功率。
在图620中指示叶片桨距角的设定值。在负阵风或低风的时段期间，设定最小叶片角度622。该角度也被称为αmin。更多可用的风将导致增加的桨距角，以将所生成的功率限制为期望的功率值。在时间点624处，风下降至例如标称风，使得桨距角减小。在时间点626处，可以增加叶片角度，以便例如限制风力涡轮机上的振荡或负载。
图7示意性且示例性地示出了操作风力涡轮机100的方法700的流程图。方法700包括步骤710至步骤760，并且可选地包括以下描述的可选步骤762至步骤770中的至少一个步骤。
步骤710，确定将由风力涡轮机100馈送至供电网络120例如电网中、特别是馈送至电力电网中的目标最大有功功率。目标最大有功功率特别是在考虑下述各项中的至少一项、优选地下述各项中的多于一项以及特别是下述各项中的所有项的情况下确定的：来自电网运营商或能源营销商的限制规范、来自操作控制例如热惰性发电机部件的温度管理的缩减规范、官方要求、风力涡轮机的标称输出以及风力涡轮机100在特定操作模式下的最大有功功率。
步骤720，例如在风力涡轮机100的变压器的输入端处监测从风力涡轮机100馈送至电网120中的当前有功功率。
步骤730，确定与所确定的目标最大有功功率对应的参考时间段。参考时间段特别被确定为有功功率的平均值不应超过目标最大有功功率的时间段。参考时间段特别是直到当前时间的预定长度的时段，其中，预定长度特别在1秒与20分钟之间，并且优选地大约为10分钟或正好为10分钟。
步骤740，得到在参考时间段期间从风力涡轮机馈送至电网120中的有功功率的平均值。有功功率的平均值可以被确定为风力涡轮机的所监测的当前有功功率的移动平均值。
步骤750，将有功功率的平均值与目标最大有功功率进行比较。
步骤760，在有功功率的平均值低于目标最大有功功率的情况下，在允许高于目标最大有功功率的有功功率的设定操作点处操作风力涡轮机。
有功功率的平均值与目标最大有功功率的偏差可以被称为平均功率偏差，并且根据所操作的操作点的有功功率与目标最大有功功率的偏差被称为目标有功功率偏差。步骤760操作可以可选地包括步骤762将目标有功功率偏差设定为平均功率偏差的函数，特别是与平均功率偏差成线性比例的函数。
此外，步骤760可以包括可选步骤764在考虑风力涡轮机100的施工场地的至少一个环境因素的情况下确定有功功率偏差与平均功率偏差之间的比例因子。
如果风力涡轮机100包括转子106，该转子106包括至少一个转子叶片108，所述至少一个转子叶片108在其叶片角度方面可调整，则步骤760还可以包括：
步骤766，确定转子叶片中的至少一个转子叶片的当前叶片角度。
步骤768，确定作为可操作的叶片角度范围的最小值的最小叶片角度，以及
步骤770，仅在当前叶片角度超过最小角度加上预定义的差值限制角度的情况下，才在设定操作点处操作风力涡轮机。
图8示意性且示例性地示出了用于例如使用中央场计算机122来控制风电场112的方法800的流程图。风电场112包括多个风力涡轮机100，并且方法800包括以下描述的步骤810至步骤860。
确定810将由多个风力涡轮机100馈送至电网120中、特别是馈送至电力电网中的组合目标最大有功功率的步骤。
监测820从多个风力涡轮机100馈送至电网120中的组合当前有功功率的步骤，
确定830与所确定的组合目标最大有功功率对应的参考时间段的步骤，
得到840在参考时间段期间从多个风力涡轮机100馈送至电网120中的组合有功功率的平均值的步骤，
将组合有功功率的平均值与组合目标最大有功功率进行比较850的步骤，以及
在组合有功功率的平均值低于组合目标最大有功功率的情况下，在允许下述有功功率的设定操作点处操作860风力涡轮机100中的至少一个风力涡轮机的步骤，该有功功率使得组合有功功率高于多个风力涡轮机100的组合目标最大有功功率。

Claims (18)

1.一种操作风力涡轮机(100)的方法(700)，所述方法包括下述步骤：
-确定(710)将由所述风力涡轮机(100)馈送至电网(120)中、特别是馈送至电力电网中的目标最大有功功率，
-监测(720)从所述风力涡轮机(100)馈送至所述电网(120)中的当前有功功率，
-确定(730)与所确定的目标最大有功功率对应的参考时间段，
-得到(740)在所述参考时间段期间从所述风力涡轮机(100)馈送至所述电网(120)中的有功功率的平均值，
-将所述有功功率的平均值与所述目标最大有功功率进行比较(750)，以及
-在所述有功功率的平均值低于所述目标最大有功功率的情况下，在允许高于所述目标最大有功功率的有功功率的设定操作点处操作(760)所述风力涡轮机(100)。
2.根据权利要求1所述的方法(700)，其中，所述目标最大有功功率是在考虑下述各项中的至少一项、优选地下述各项中的多于一项以及特别是下述各项中的全部项的情况下确定(710)的：
-来自电网运营商或能源营销商的限制规范，
-来自操作控制例如热惰性发电机部件的温度管理的缩减规范，
-官方要求，
-所述风力涡轮机的标称输出，
-所述风力涡轮机(100)在特定操作模式下的最大有功功率。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法(700)，其中，所述参考时间段被确定(730)为所述有功功率的平均值不应超过所述目标最大有功功率的时间段。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(700)，其中，所述参考时间段是直到当前时间的预定长度的时段，其中，所述预定长度特别在1秒与20分钟之间，并且优选地大约为10分钟或正好为10分钟。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(700)，其中，所述有功功率的平均值被确定(740)为所述风力涡轮机(100)的所监测的当前有功功率的移动平均值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(700)，其中，所述有功功率的平均值与所述目标最大有功功率的偏差被称为平均功率偏差，并且根据所操作的操作点的有功功率与所述目标最大有功功率的偏差被称为目标有功功率偏差，所述方法在所述操作(760)的步骤中还包括：
-将所述目标有功功率偏差设定(762)为所述平均功率偏差的函数，特别是与所述平均功率偏差成线性比例的函数。
7.根据权利要求6所述的方法(700)，还包括：
-在考虑所述风力涡轮机的施工场地的至少一个环境因素的情况下，确定(764)所述有功功率偏差与所述平均功率偏差之间的比例因子。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的方法(700)，其中，预定义的最大目标有功功率偏差限制了正有功功率偏差的量。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法(700)，所述方法包括：
-在所述有功功率的平均值高于所述目标最大有功功率的情况下，在确保低于所述目标最大有功功率的有功功率的操作点处操作所述风力涡轮机。
10.根据权利要求6至8中任一项和权利要求9的组合所述的方法(700)，其中，用于负平均功率偏差的预定义比例因子大于用于正平均功率偏差的预定义比例因子。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法(700)，其中，所述设定操作点的设定有功功率是根据功率提升因子确定的，所述设定有功功率被确定为所述目标最大有功功率与所述功率提升因子的乘积，其中，所述功率提升因子特别地是下述的至少之一：
a)在所述有功功率的平均值高于所述目标最大有功功率的情况下增加，并且
b)在所述有功功率的平均值低于所述目标最大有功功率的情况下降低。
12.根据权利要求11所述的方法(700)，还包括下述的至少之一：
-与所述有功功率的平均值与所述目标最大有功功率的偏差成比例地确定所述功率提升因子的最大值，以及
-限制所述功率提升因子的变化率，使得避免风力涡轮机控制中的振荡。
13.根据权利要求11至12中任一项所述的方法(700)，所述风力涡轮机(100)包括转子(106)，所述转子(106)包括至少一个转子叶片(108)，所述至少一个转子叶片(108)在其叶片角度方面能够调整，所述方法包括：
-通过预期未来的功率下降来估计所述设定操作点是否将导致所生成的有功功率的下降，以及
-在估计步骤的结果为肯定的情况下，降低所述功率提升因子，
而对所述未来的功率下降的预期特别包括所增加的功率生成将降低所述转子的转子转速，优选地在所述转子叶片中的至少一个转子叶片的叶片角度接近设定最小桨距角的情况下。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法(700)，其中，所述风力涡轮机(100)包括转子(106)，所述转子(106)包括至少一个转子叶片(108)，所述至少一个转子叶片(108)在其叶片角度方面能够调整，在允许高于所述目标最大有功功率的有功功率的设定操作点处操作所述风力涡轮机的步骤包括：
-确定(766)所述转子叶片中的至少一个转子叶片的当前叶片角度，
-确定(768)作为能够操作的叶片角度范围的最小值的最小叶片角度，
-仅在所述当前叶片角度超过所述最小角度加上预定义的差值限制角度的情况下，才在所述设定操作点处操作(770)所述风力涡轮机，以及可选地
-其中，根据所述当前叶片角度与限制角度和预定义的差值角度的总和之间的差来限制、特别是与所述差成比例地来限制或根据预定特性曲线来限制高于所述目标最大有功功率的功率的增加。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法(700)，其中，在下述情况中的至少一种情况下，避免在所述设定点处操作所述风力涡轮机：
-所述平均功率低于所述目标最大平均值是由于叶片负载限制器的干预，
-通过风暴控制操作进行的干预，以及
-噪声优化操作。
16.一种用于控制风电场的方法(800)，所述风电场(112)包括多个风力涡轮机(100)，所述方法(800)包括下述步骤：
-确定(810)将由所述多个风力涡轮机(100)馈送至电网(120)中、特别是馈送至电力电网中的组合目标最大有功功率，
-监测(820)从所述多个风力涡轮机(100)馈送至所述电网(120)中的组合当前有功功率，
-确定(830)与所确定的组合目标最大有功功率对应的参考时间段，
-得到(840)在所述参考时间段期间从所述多个风力涡轮机(100)馈送至所述电网(120)中的组合有功功率的平均值，
-将所述组合有功功率的平均值与所述组合目标最大有功功率进行比较(850)，以及
-在所述组合有功功率的平均值低于所述组合目标最大有功功率的情况下，在允许下述有功功率的设定操作点处操作(860)所述风力涡轮机(100)中的至少一个风力涡轮机：该有功功率使得所述组合有功功率高于所述多个风力涡轮机(100)的所述组合目标最大有功功率。
17.一种风力涡轮机(100)，包括控制器，所述控制器适于基于根据权利要求1至15中任一项所述的方法(700)来控制所述风力涡轮机(100)。
18.一种风电场控制器(122)，其适于根据如权利要求16中定义的方法(800)来控制风电场(112)。
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