CN1886593A - 支持电网的、具有无功功率模块的风力发电设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力发电设备，该风力发电设备具有：一转子，由该转子驱动的、产生电功率并将该电功率输出到电力网上的发电机，以及控制该设备的运行并具有无功功率模块的控制单元。根据本发明规定，控制单元具有针对安全最低有功功率的确定设备。此外，该风力发电设备还以如下的方式包括无功功率控制模块的限制设备，即将无功功率限制到在考虑可供使用的视在功率的情况下还有安全最低有功功率可供使用的这种程度上。因此实现了，除了为了设备的可靠运行所必要的有功电流之外，在电压回落时可以将整个所产生的电流作为用于支持的无功电流馈入电网中。本发明此外还涉及一种相应的方法。

Description

支持电网的、具有无功功率模块 的风力发电设备及其方法
本发明涉及一种风力发电设备，该风力发电设备具有：一转子，由该转子驱动的、产生电功率并将电功率输出到电力网上的发电机，和控制风力发电设备的运行并具有无功功率模块的控制单元。
风力发电设备获得越来越广泛的推广。常常不是单独地竖立这些风力发电设备，而是将这些风力发电设备组合成所谓的风电场。由风力发电设备所提供的电站容量是相当多的。因而转向不再将风力发电设备连接到中压范围中的配电网上，而是越来越多地将这些风力发电设备直接连接到高压和超高压范围中的输电网上。这随之带来了在电压波动时对风力发电设备性能的改变的要求。不同于被连接到配电网上的发电站，在短时电压波动的情况下不应将被连接到输电网上的发电站与电网脱开。在例如由于短路引起的电压波动的情况下，这些风力发电设备必须支持电网，并且将有功功率馈入电网中。否则，对于电网可能发生紧急情况，该紧急情况可能导致电网中的频率下降并导致设备过载以及最后导致切断整个发电站。但是馈入有功功率的前提是，在电网中还维持着足够的电压水平。如果电网中的电压下降过多，则根据电功率与电压和电流的乘积成比例的已知的关系，必须以相同程度来提高电流，以便还可以将同样的有功功率馈入电网中。由于基于发电站的设计而不能任意提高电流，所以对于电压存在着关键的极限值；低于该值就不再可能将所期望的功率馈入电网中。
公知的是，只要引起干扰的短路位于距连接点的某一距离上，通过馈入电容性无功电流就能提高发电站和电网之间的连接点上的电压水平。电网运营商因而给予发电站运营商关于在电压回落的情况下馈入无功电流方面的某些预给定。可以图6中所示出的特性曲线的形状来实现这种预给定。因此，从DE-A-100 19 362中公知一种用于调节被输送给电网的有功功率的方法，其中，可以附加地馈入用于支持电网电压的无功功率。为了在此不超越允许的总电流，规定了必要时减小所输出的有功功率。
此外，从GB-A-2 330 256中还公知了一种用于在弱小电网上运行风电场的方法，其中，为了避免在弱的电网负载中的紧急的电压上升，规定了降低由风电场所输出的有功功率。没有说明在下降的电网电压中应该如何来实现支持。此外还公知了设置单纯的电流限制的调节方法(DE-A-101 38 399)。附加地可以预定如要馈入的电流的数额或者功率因数的数额那样的其它参数。这首先用来保护免受有关所馈入的电流的极限值超越，没有说明某个电压水平或者功率水平的维持。
最后从DE-C-100 59 018中公知一种用于风力发电设备的功率调节的方法，该方法规定了馈入尽可能恒定的视在功率。所期望的有功功率的预给定被规定为输入值，调节器于是从中调节用于保持视在功率恒定的相应的无功功率。提供恒定的视在功率具有以下的缺点，即在具有弱的电网负载时馈入高数额的无功功率。这可导致对于电网电压的高度的不期望的负面影响。
由单个部件的工作极限限制了可由风力发电设备最大提供的电流。这导致了设计中的困难。如果如此来设计该设备，以致该设备已经在微小的电压回落的情况下将相当高的无功电流馈入到电网中，则仅还有少量的有功电流和因此少量的有功功率可供使用。如果与此相反地如此来设计该设备，以致该设备在电压回落时仅将无功电流少量馈入电网中，则虽然有足够的有功电流可供使用，可是只以微小的程度支持了电网。
从最后提及的现有技术出发，本发明所基于的任务在于，这样来改善开始时所述类型的风力发电设备，使得该风力发电设备避免了视在功率调节的缺点，并且在电压回落时尤其是具有用于支持电网的较好的性能。
本发明的解决方案在于独立权利要求的特征。有利的扩展方案是从属权利要求的主题。
风力发电设备具有：一转子，由该转子驱动的、产生电功率并将该电功率输出到电力网上的发电机，和控制该设备的运行并具有无功功率控制模块的控制单元。根据本发明，在该风力发电设备中规定，控制单元具有安全最低有功功率的确定设备，并且设置了限制设备，该限制设备与确定设备和无功功率控制模块相连接而且如此来共同作用，以致最多产生如此多的无功功率，以至于还有安全最低有功功率可供使用。
以下阐述本发明的若干所采用的概念：
发电机被理解为将机械能转换成电能的机器。该概念不局限于常规的直流电机，而是也包括了单相或者多相交流电的发电机。可以涉及同步电机，或者涉及异步电机。发电机通常也包括逆变器，可是这不是强制性的。逆变器也可被实施为双逆变器。逆变器可以被实施在诸如电压中间回路、电流中间回路、直接转换器(Direktumrichter)的不同的拓扑中。
转子被理解为单叶或多叶地来实施的空气螺旋桨。叶片优选地在其安装角(Anstellwinkel)方面是可调节的。
安全最低有功功率被理解为以下的有功功率，该有功功率需要用于以如下的方式来保持风力发电设备的转速，即该转速不离开允许的工作范围，并且传动系统的机械负载被保持在某些极限之下。
本发明基于以下想法，即如此来控制风力发电设备，以致该风力发电设备在电压回落的情况下为稳定电网作出尽可能大的贡献，其方式是该风力发电设备确定对于其自己的更可靠的继续运行所必要的功率需求，并且将多余的功率尽可能完全用于支持电网。为此本发明规定了，借助确定设备来确定对于可靠的运行至少必要的有功功率。根据本发明如此来设计该调节装置，以致至少产生了该有功功率。以此确保了，风力发电设备保持在其工作极限之内，尤其是转子的转速不离开允许的工作范围。因为可能不再产生安全最低有功功率，则可能存在以下的危险，即由此卸载的转子将其转速提高到超过工作范围之外，由此可能发生对风力发电设备的损坏。如此来设计无功功率控制模块，以致用于支持的可供使用的视在功率的(矢量的)差值可以作为无功功率被输出到电网中。以为了支持电网而快速且很多地输出无功功率的方式来实现本发明。由于本发明，而将可供使用的视在功率最大地用于支持电网，但是却不尝试使视在功率保持恒定，由此在弱的电网负载的情况下仍可能发生高的无功功率馈入，同时对于电网电压的质量常常有负面后果。在视在功率调节(如从现有技术中所公知的那样)中，由原理决定了，不能确保有功功率不低于某个数额。因此利用视在功率调节不能实现维持安全最低有功功率。通过本发明克服了在现有技术中存在的困境、即在具有微小电网支持的平缓特性曲线或者具有以下危险的陡峭特性曲线之间找到折中方案，并且在此为了具有足够的安全系数而舍弃效率，该危险是不再产生用于设备可靠运行的足够的有功功率。尤其是可以单独地为了提高支持作用而考虑当前的设备条件、所在地条件和环境条件。
可以不同的方式来实现安全最低有功功率的确定。可以规定，直接确定为此所必需的功率，或者确定必要的转矩(安全最低转矩)。该必要的转矩通过角速度(转速)与安全最低有功功率直接链接。确定设备优选地具有转速备用模块(Drehzahlreservemodul)。该模块被设计用于确定转子的当前转速，并且与转速工作范围的界限进行比较。间距越小，则必须产生越多的有功功率，以便防止超越工作范围。优选地还存在其它的模块。为了达到良好的动态性能，可以附加地设置旋转加速模块。这检测转速变化并以该方式来确定，从当前的转速出发是否有即将超越转速工作范围的威胁。视情况而定，提高或降低用于保持稳定运行所必要的安全最低有功功率。因此在某些工作点中，必要的安全运行功率甚至于可能是零。为了进一步的改进，可以相应的方式设置针对转子的叶片角度的模块。
快速提供用于支持电网的无功功率和随之而来的将所产生的有功功率减小到安全最低有功功率是可导致强大的机械负载的冲击负载。如果在转子和发电机之间的传动系统中布置变速箱，则这尤其适用。通过这种冲击负载可以激励传动系统的振动。为了衰减这些振动，优选地设置了冲击振动衰减模块。将该冲击振动衰减模块构造用于如此来干预风力发电设备的电的和必要时还有机械的参数，以致衰减了传动系统和转子叶片的由冲击负载所激励的固有频率。为了实现足够快速的反应，冲击振动衰减模块的时间常数有利地明显小于可能存在的正常运行减震器的时间常数，也就是说，该冲击振动衰减模块的时间常数优选地少于正常运行减震器的时间常数的1/8。由此，比这在正常运行的被设计用于衰减周期过程的振动衰减的情况，可以更好地补偿跳跃式的变化。为了不是不必要地损坏电网支持，如此来合宜地构造冲击振动衰减模块，以致该冲击振动衰减模块只将可供使用的有功功率的有限部分用于衰减振动。
优选地设置与上述模块共同作用的超越模块，该超越模块允许预定极限值的与时间有关的超越。该超越模块为此尤其是具有动态的极限值和静态的极限值。如此来设计该超越模块，以致对于一定时间不允许超越动态的极限值和此后不允许超越(较低的)静态极限值。也就是，超越模块产生与时间有关的极限值。这实现了，为了改善风力发电设备的运行性能而短时地超越极限值。这在涉及冲击振动衰减模块的方面是特别有利的，因为该冲击振动衰减模块于是在短时期地利用较高的动态极限值的情况下可以快速地衰减由于冲击负载而出现的振动。
在优选的实施形式中将无功功率控制模块实施为状态调节器。这具有可以更好地调节多参量系统的优点，而在风力发电设备中，这典型地是这种情况。这首先在设备的上升的复杂性的情况下是显著的优点。状态调节器进一步具有可以更好地考虑非线性的和时间变化的系统或系统组成部分的优点。与此相对应地，确定设备也优选地具有状态观察器。尤其是当风力发电设备在其系统中具有非线性和时变性时，改善了在确定安全最低有功功率时的精度。
本发明还进一步涉及一种用于在具有发电机的电力网上控制风力发电设备运行的相应的方法，其中，根据电力网中的电压回落将无功功率馈入电力网中，其中，根据本发明确定用于可靠的继续运行所必要的安全最低有功功率，并且将所产生的无功功率限制到这种优选最大可能的值上，使得还产生了安全最低有功功率。本发明方法负责，为了支持而被馈入的无功功率达到尽可能高的值，直至限制该无功功率为止。关于其它的细节和有利的扩展方案，相应地适用以上所述的情况。
以下参考附图来阐述本发明，在附图中示出了本发明的有利的实施例。其中：
图1示出了按照本发明的、被连接到电力网上的风力发电设备的示意性视图：
图2示出了本发明风力发电设备的控制单元的示意性视图：
图3示出了确定设备的示意性视图：
图4示出了本发明风力发电设备的动作图；
图5示出了根据图4的动作图的一种变型方案；和
图6示出了有关无功电流馈入相对电压的特性曲线。
在其总体上用参考符号1来表示的本发明风力发电设备包括塔2，该塔2具有被布置在其上端上的(具有转子4的)电机外壳3。风力发电设备1通过连接设备5与电力网6相连接。电力网6是用于远程传输电能的高压电网或者超高压电网。连接设备5具有合适的变压装置，以便将由风力发电设备1所提供的电功率提升到适于馈入电网6中的电压水平。
转子4旋转运动地被安置在电机外壳3的正面上。转子4具有三个被布置在中间轮毂40上的转子叶片41。通过叶片角度调节器44可以改变转子叶片41的安装角。在电机外壳中此外作为主要组件还布置了异步电机30、逆变器单元(Wechselrichtersatz)31以及控制单元32。该装置仅仅是示范性的；不言而喻，在可替换的实施形式中也可以采用双端馈电的异步发电机、他激或永磁励磁的同步发电机。转子4通过传动轴42直接或间接地经过(未示出的)变速箱来驱动异步电机30。该异步电机30将由转子4所提供的机械功率转换成电功率，该电功率作为多相电流被输送给逆变器单元31。逆变器单元31在其朝向异步电机30的输入侧上具有无源的或者有源的逆变器310。从该逆变器310将电功率通过具有存储电容器312的中间回路311作为直流电压导向逆变器313。电功率在那里被转换成三相的多相电流。尤其是将二极管、可控硅、IGBT、IGST或者GTO用作逆变器的器件。该逆变器的器件也可以双端馈电地来实施。通过控制单元32来控制逆变器单元31的运行。该控制单元32通过合适的(仅部分地示出的)控制线路来确定电压、电流、以及将输出功率划分成有功功率和无功功率。由逆变器单元31作为多相电流输出的电功率通过连接设备5被输送给电力网6。测量了所输出电功率的电压以及相位，并且向控制设备32反馈。在可替换的发电机类型中以合适的方式匹配变换器。
控制设备32包括运行管理处理器323、无功功率控制模块321、以及限制设备322。无功功率控制模块321用来控制从逆变器31输出到电网的无功功率。限制设备322负责，无功功率的由无功功率控制模块321输出的值不超越某些界限。控制单元32可选地通过数据总线33与数据远程传输单元34相连接。该数据远程传输单元34被构造用于接收远离的中心的预给定和参数变化，并且将这些预给定和参数变化传送给控制单元32，而与此相反地将关于风力发电设备的运行的信息传送给远离的中心。
根据本发明设置了安全最低有功功率的确定设备35。在第一支路中，作为输入量将转速(n)、该转速对时间的导数、以及叶片角度输送给安全最低有功功率的确定设备。在图3中详细地示出了安全最低有功功率的确定设备的结构。该转速(n)相对于极限值(n极限)来评价并且通过第一处理元件351被输送给求和元件354。如此来限制其输出信号，以致该输出信号至少为零。转速对时间的导数通过第二处理元件352以相反的符号被输送给求和元件354。此外，将叶片角度和可选地将风速以及将在传动轴42或(未示出的)变速箱上所测量的转矩通过第三处理元件353以相反的符号引向求和元件354。由此构成的和是用于维持稳定运行至少必要的有功功率的量度。将该和作为第一被加数给出到第二求和元件355上。在第二支路中确定用于衰减冲击振动所必要的有功功率。这借助第四处理元件356来实现。将用于振动衰减的、因此所确定的有功功率作为第二被加数给到第二求和元件355上。要指明的是，有关冲击振动衰减的第二支路不一定是必要的。通过累加，在第二求和元件355的输出上获得了安全最低有功功率。将安全最低有功功率作为确定设备35的输出信号传送到控制单元32上。按照变换P＝M*ω，也可以来实现用转矩代替用有功功率的表达。
以下参考图4说明了在具有电网电压回落的电网干扰的情况下的工作方式。由风力发电设备的未示出的运行管理单元预定有功功率额定值(步骤101)和无功功率额定值(111)。从其中通过与电网电压的除法、更准确地说与在多相电流网中的所链接的电压的因数√3的除法，可以计算出有功电流的额定值(步骤102)以及无功电流的额定值(步骤112)。借助确定设备(35)确定在当前的工作点得出的安全最低有功功率(步骤121)。从该安全最低有功功率中同样通过除以电网电压来计算出必要的安全最低有功电流(步骤122)。
如果现在出现了导致电网电压下降的电网干扰，则为了支持电网6必须由风力发电设备1馈入无功电流。按照电网运营商的预给定来测量要馈入的无功电流的高度。对此在图6中给出了实例。涉及在电网中的电压回落和要馈入的无功电流之间的简单的关系。不言而喻，该关系也可能是更复杂的，例如是以在发电站范围中本身已知的电压调节的形式，在该电压调节中，借助无功电流应调节电网中的电压，或者由电网运营商通过相应的数据远程传输装置来直接传送要由风力发电设备1提供的无功电流。在步骤132中实现了所期望的支持无功电流的确定。该支持无功电流是无功电流的下限；如果在步骤112中所计算出的额定值较低，则通过该限制将该额定值提升到最低值上(步骤113)。也可能的是，借助(未示出的)相似的特性曲线做出了对于附加地所期望的支持无功电流的预给定。从因此修正的无功电流额定值中，基于最大的视在电流(142)计算出最高允许的有功电流(步骤114)。通过在步骤122中所确定的安全最低有功电流，向下来限制该最高允许的有功电流(步骤123)。从中得到的、至少如安全最低有功电流那样大的有功电流是在步骤102中所计算出的有功电流额定值的上限(步骤103)。从该所谓的被限制的有功电流额定值中，通过与电网电压相乘(步骤106)，计算出所限制的有功功率额定值；与此相对应地从修正过的无功电流额定值中同样通过与电网电压相乘而计算出所限制的无功功率额定值(步骤116)。将该值输送给逆变器单元31。因此保证了风力发电设备1的可靠运行。
在图5中示出了一种变型方案，其中，在步骤123′中实现了到至少安全最低值上的限制。
基于所限制的有功电流额定值，又在考虑最大的视在电流(步骤142)的情况下，在计算步骤142中计算出最高允许的无功电流。该无功电流是风力发电设备(1)为了支持而馈入电网中的无功电流的上限。从中通过与电网电压相乘来计算出所限制的无功功率额定值(步骤116)。将该值同样输送给逆变器单元31。
例如，对于具有双端馈电的异步电机(DASM)的风力发电设备，根据发电机转速将无功功率的可供使用的数额以良好的近似能描述为
Figure A20048003484600111
其中，
Figure A20048003484600112
S定子   可供使用的视在功率定子分支
S转子   可供使用的视在功率转子分支(也就是尤其是电网侧的变换器)
P定子   通过定子分支的有功功率数额
Q定子   通过定子分支的无功功率数额
Q转子   通过转子分支的无功功率数额
s       转差率
n同步   同步转速
n       发电机转速。
逆变器单元31借助这些所限制的有功功率额定值和所限制的无功功率额定值如此来调节逆变器313，以致相应的有功功率和无功功率通过连接设备5被输出到电网6上。如果逆变器单元代替输入侧的全波整流器310具有第二逆变器，则优选地将相应的额定值输送给该第二逆变器。具有电荷存储器312的中间回路于是附加地作为用于减震的储能器来供使用。
如果风力发电设备根本没有逆变器单元31，而是直接通过相应调节发电机30来实现必要的有功功率和无功功率，则直接在发电机30上供给相应的额定值。

Claims (10)

1.风力发电设备，其具有：一转子(4)，由该转子(4)所驱动的、产生电功率并将该电功率输出到电力网(6)上的发电机(3)，以及控制所述风力发电设备的运行并具有无功功率控制模块(321)的控制单元(32)，
其特征在于，
所述控制单元(32)具有安全最低有功功率的确定设备(35)，并且设置了限制设备(323)，该限制设备(323)与所述确定设备(35)和所述无功功率控制模块(321)相连接并且如此共同作用，以致最多产生如此多的无功功率，以至于还有所述安全最低有功功率可供使用。
2.按权利要求1所述的风力发电设备，
其特征在于，
所述确定设备(35)具有转速备用模块(351)。
3.按权利要求2所述的风力发电设备，
其特征在于，
所述确定设备(35)具有旋转加速模块(352)和/或叶片角度模块(353)。
4.按权利要求2或3之一所述的风力发电设备，
其特征在于，
所述确定设备(35)具有冲击振动衰减模块(356)。
5.按权利要求5所述的风力发电设备，
其特征在于，
所述冲击振动衰减模块(356)的时间常数小于正常运行的减震器时间常数的1/8。
6.按以上权利要求之一所述的风力发电设备，
其特征在于，
设置了针对所述模块中的至少一个模块的极限值超越模块。
7.按权利要求6所述的风力发电设备，
其特征在于，
所述极限值超越模块包括动态的极限值和静态的极限值。
8.按以上权利要求之一所述的风力发电设备，
其特征在于，
将所述无功功率控制模块(321)实施为状态调节器。
9.按以上权利要求之一所述的风力发电设备，
其特征在于，
所述确定设备(35)具有状态观察器。
10.用于在具有发电机的电力网上控制风力发电设备的运行的方法，其中，根据所述电力网中的电压回落将无功功率或无功电流馈入所述电力网中，
其特征在于，
确定为了安全地继续运行所必要的安全最低有功功率，并且
将所述无功功率限制到这种值上，以致至少还产生所述安全最低有功功率。
CNB2004800348461A 2003-09-25 2004-09-27 支持电网的、具有无功功率模块的风力发电设备及其方法 Expired - Fee Related CN100400862C (zh)

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