DE102014112700A1

DE102014112700A1 - System und Verfahren zur Spannungssteuerung von Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE102014112700A1
Application number: DE201410112700
Authority: DE
Inventors: Einar Vaughn Larsen; Alfredo Sebastian Achilles
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL Es
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2015-03-05
Also published as: BR102014021900A2; CN104426156A; US9203333B2; US20150061289A1; BR102014021900B1; CN104426156B; DK201470526A1; DK178459B1

Abstract

Ein Verfahren zur Blindleistungserzeugung für einen Windkraftanlagengenerator beinhaltet die Schritte: Empfangen eines Spannungsbefehlssignals und Einstellen dieses Spannungsbefehlssignals in Abhängigkeit von der Windkraftanlagenblindleistung. In Reaktion auf das eingestellte Spannungsbefehlssignal wird ein Blindstrom für den Windkraftanlagengenerator bestimmt und zu einer Steuereinrichtung des Generators der Windkraftanlage übertragen, um auf der Grundlage des Blindstrombefehls eine Wirk- und Blindleistung zu erzeugen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Windkraftanlagen und spezieller Systeme und Techniken zur Spannungssteuerung für den Einsatz in Windkraftanlagengeneratoren mit fortlaufender Regelung der Blindleistung für mindestens einen Teil der Blindleistungskompensationsfunktion.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erzeugung von Windstrom wird gewöhnlich durch einen Wind-"Park" bereitgestellt, der auf einer großen Anzahl von (häu100 oder mehr) Windkraftanlagen basiert. Einzelne Generatoren von Windkraftanlagen können für den Betrieb eines Stromerzeugungssystems in Zusammenhang mit einer Verminderung von Spannungsflickern, das durch Windstöße verursacht ist, und einer Verringerung von Spannungsabweichungen wichtige Vorteile bieten, die durch äußere Ereignisse hervorgerufen sind.
Über den Windpark verteilt kann jeder Generator einer Windkraftanlage eine individuelle Windkraft erfahren. Daher weist jeder Windkraftanlagengenerator gewöhnlich eine lokale Regeleinrichtung auf, um die Reaktion auf Windstöße und andere äußere Ereignisse auszuregeln. Bisher basiert die Windparksteuerung nach dem Stand der Technik allgemein auf einer von zwei Architekturen, nämlich: lokale Steuerung mit konstantem Leistungsfaktor oder konstanter Blindleistung plus Steuerung auf Windparkebene in Spannungssteuerung, oder lokale Steuerung in Konstantspannungssteuerung ohne Steuerung auf Windparkebene.
Eine lokale Steuerung mit konstantem Leistungsfaktor plus Steuerung auf Windparkebene in hinsichtlich Spannungssteuerung erfordert einen raschen Datenaustausch mit grobem Eingreifen seitens der Windparkebene auf die lokale Ebene. Falls die Windparkebenensteuerung inaktiv ist, kann die lokale Steuerung ein Spannungsflickern verschlimmern. Mit einer Konstantspannungssteuerung an jedem Generator weist ein stationärer Betrieb bei geringen Abweichungen der Belastung des Übertragungsnetzes beträchtliche Schwankungen auf. Dadurch stoßen die Windkraftanlagengeneratoren im stationären Betrieb auf Grenzen, die eine Reaktion auf Störungen verhindern, was zu einem Verlust der Spannungsregulierung führt. Da der Blindstrom während dieses Betriebsmodus‘ höher als erforderlich ist, verringert sich der Gesamtwirkungsgrad des Generators der Windkraftanlage.
Das US-Patent Nr. 7224081 beschreibt ein Verfahren und System zur Spannungssteuerung für Windkraftanlagen, wobei ein Blindleistungsregler die Erzeugung von Blindleistung einzelner Windkraftanlagen in einem Windpark durch Einstellen des Spannungsvorgabewerts regelt, der an einen Spannungsregler übertragen wird. Diese Konfiguration beruht auf dem Empfang eines Blindleistungsbefehls an jedem Generator der Windkraftanlagen. Auf der Ebene einer individuellen Windkraftanlage hält ein schneller Spannungsregler die Niederspannungsseite einer Windkraftanlage auf einem Sollwert, der durch den Blindleistungsregler in Abhängigkeit von dem Befehl der Windparksteuerung eingestellt ist. Der Blindleistungsregler weist eine erste Zeitkonstante auf, die numerisch größer ist als eine Zeitkonstante des Spannungsreglers. Dieses Regulierungsschema ist von Vorteil, insofern als es bewirkt, dass sämtliche Windkraftanlagen in dem Windpark die gleiche Blindleistungsabgabe aufweisen. Falls die Steuerung auf Windparkebene ausgeschaltet ist, behalten sämtliche Windkraftanlagen außerdem selbst dann eine vorgewählte Blindleistungsabgabe bei, wenn sich die Netzspannung ändert. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass der Windparkregler über die Zeitkonstante des Blindleistungsreglers wirken muss.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung erörtert, können sich offensichtlich aus der Beschreibung ergeben oder können durch die Praxis der Erfindung erfahren werden.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Blindleistungserzeugung für einen Generator einer Windkraftanlagen beinhaltet den Schritt: Empfangen eines Spannungsbefehlssignals von einer Steuereinrichtung einer dem Generator übergeordneten Ebene, beispielsweise eines Windparks oder einer Unterstation. In dieser Beschreibung soll der Begriff "auf Feldebene" allgemein sämtliche solcher Anordnungen, die einer Generatorebene übergeordnet sind, einschließen, beispielsweise eine Unterstation mehrerer Windkraftanlagen, ein auf mehreren Unterstationen oder mehreren Windkraftanlagen basierender Windpark, und so fort. Das Spannungsbefehlssignal wird für jede Windkraftanlage in Abhängigkeit von der aktuellen Blindleistung der Windkraftanlage eingestellt. Für den Generator der Windkraftanlage wird in Reaktion auf das eingestellte Spannungsbefehlssignal ein Blindstrombefehl erzeugt. Der Blindstrombefehl wird zu einer Konvertersteuereinrichtung des Generators der Windkraftanlage übertragen, um auf der Grundlage des Blindstrombefehls eine Blindleistung zu erzeugen.
Das eingestellte Spannungsbefehlssignal kann in Abhängigkeit von einer Generatorklemmenspannung auf einen Bereich oberer und unterer Grenzen beschränkt sein, und der Blindstrombefehl ist auf der Grundlage einer Nennstromstärke des Generators der Windkraftanlage auf einen Bereich beschränkt.
Jedes oben erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass das eingestellte Spannungsbefehlssignal mit einer gemessenen Klemmenspannung des Generators der Windkraftanlage verglichen wird, um ein Fehlerspannungssignal zu erzeugen, das zu einem Spannungsregler übertragen wird.
Jedes oben erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass das Spannungsbefehlssignal ein Befehlssignal auf Windparkebene ist, das auf sämtliche oder auf einen Teilsatz der Windkraftanlagen in einem Windpark anzuwenden ist.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann die Schritte beinhalten: Erzeugen eines Spannungstrimmwerts in Abhängigkeit von einem Referenzblindleistungssignal und von der aktuellen Blindleistung der Windkraftanlage; und Anwenden des Spannungstrimmwerts auf das Spannungsbefehlssignal, um das eingestellte Spannungsbefehlssignal zu erzeugen.
Jedes oben erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass das Referenzblindleistungssignal einem mittleren Blindleistungsausgabesignal auf Feldebene für sämtliche oder einen Teilsatz der Windkraftanlagen in einem Windpark oder in einer Unterstation entspricht.
Jedes oben erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass das ausgegebene mittlere Blindleistungsausgabesignal auf Feldebene durch eine Feldebenensteuereinrichtung erzeugt wird, die gemessenen Blindstrom von den Windkraftanlagen aufnimmt und die mittlere Blindleistungsausgabe für die Windkraftanlagen berechnet.
Jedes oben erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass das ausgegebene mittlere Feldebenenblindleistungsausgabesignal durch eine Feldebenensteuereinrichtung erzeugt wird, die eine Gesamtblindleistung auf der Feldebene erfasst und eine geschätzte mittlere Blindleistungsausgabe für die Windkraftanlagen berechnet.
Jedes oben erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass ein Blindleistungsrückführsignal von dem Generator der Windkraftanlage und das Referenzblindleistungssignal zu einem Blindleistungsregler übertragen werden, um den Spannungstrimmwert zu erzeugen.
Jedes oben erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass der Spannungstrimmwert durch den Blindleistungsregler beschränkt wird.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel wird ein Spannungstrimmwert in Abhängigkeit von der Blindleistung der Windkraftanlage, beispielsweise mittels eines Blindleistungsreglers, erzeugt und auf den Spannungsbefehl angewandt, um das eingestellte Spannungsbefehlssignal zu erzeugen. In speziellen Ausführungsbeispielen ist das eingestellte Spannungsbefehlssignal in Abhängigkeit von einer Generatorklemmenspannung auf einen Bereich oberer und unterer Grenzen beschränkt, und der Blindstrombefehl ist auf der Grundlage einer Nennstromstärke des Generators der Windkraftanlage auf einen Bereich beschränkt.
Das eingestellte Spannungsbefehlssignal kann mit einer gemessenen Klemmenspannung des Generators der Windkraftanlage verglichen werden, um ein Fehlerspannungssignal zu erzeugen, das als ein Eingangssignal oder Sollwert zu einem Spannungsregler übertragen wird.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist das Spannungsbefehlssignal ein Feldebenensignal, das auf sämtliche oder auf einen Teilsatz der Windkraftanlagen in einem Windpark oder in einer Unterstation anzuwenden ist.
In speziellen Ausführungsbeispielen werden ein Blindleistungsrückführsignal von dem Generator der Windkraftanlage und ein Referenzblindleistungssignal zu dem Blindleistungsregler übertragen, um den Spannungstrimmwert zu erzeugen. Der Deltaspannungstrimmwert kann durch den Blindleistungsregler beschränkt sein.
Das Referenzblindleistungssignal kann auf vielerlei Weise erzeugt werden. Beispielsweise kann ein Feldebenenblindleistungssignal erzeugt werden, das die mittlere Blindleistung sämtlicher oder eines Teilsatzes der Windkraftanlagen in einem Windpark oder in einer Unterstation kennzeichnet. Dieses Signal kann durch eine Feldebenensteuereinrichtung erzeugt werden, die einen gemessenen Blindstrom von sämtlichen oder von einem Teilsatz von Generatoren der Windkraftanlagen in dem Windpark oder in der Unterstation empfängt und anhand dessen ein mittleres Blindleistungssignal berechnet. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel wird das Feldebenenblindleistungssignal durch eine Feldebenensteuereinrichtung erzeugt, die einen Gesamtblindstrom auf der Feldebene misst und anhand dessen ein geschätztes mittleres Blindleistungssignal für einzelne Windkraftanlagen bestimmt.
Ein alternatives Verfahren zur Blindleistungserzeugung für einen Generator einer Windkraftanlage beinhaltet die Schritte: Empfangen eines Spannungsbefehls für einen Windkraftanlagengenerator von einer Feldebenensteuereinrichtung; und Empfangen eines Referenzblindleistungssignals und eines Rückführungsblindleistungssignal für die einzelne Windkraftanlage. Anhand des Referenzblindleistungssignals und des Rückführungsblindleistungssignals wird ein Spannungstrimmwert erzeugt und auf einen vorbestimmten Spannungsbereich beschränkt. Der Deltaspannungstrimmwert wird auf den Spannungsbefehl angewandt, um ein eingestelltes Spannungsbefehlssignal zu erzeugen, das auf einen vorbestimmten Spannungsbereich beschränkt ist. Auf der Grundlage einer gemessenen Spannung des einzelnen Windkraftanlagengenerators und des eingestellten Spannungsbefehls wird ein Spannungsfehlersignal erzeugt. Auf der Grundlage des Spannungsfehlersignals wird ein Stromstärkebefehl erzeugt und auf einen vorbestimmten Stromstärkebereich beschränkt.
Jedes oben erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass der Spannungstrimmwert durch einen Blindleistungsregler in dem Windkraftanlagengenerator erzeugt wird, und dass der Stromstärkebefehl durch einen Spannungsregler in dem Windkraftanlagengenerator erzeugt wird, wobei der Blindleistungsregler eine Steuereinrichtung mit einer Zeitkonstanten aufweist, die größer ist als eine Zeitkonstante der Spannungsreglereinrichtung.
Jedes oben erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass der Blindleistungsregler eine Proportional-Integral-(PI)-Steuereinrichtung mit einer Zeitkonstanten im Bereich von 1 bis 10 Sekunden aufweist, und dass der Spannungsregler eine Proportional-Integral-(PI)-Steuereinrichtung mit einer Zeitkonstanten von weniger als 1 Sekunde aufweist.
Jedes oben erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass die Feldebenensteuereinrichtung einen Spannungs- oder Blindleistungsregler aufweist und Spannungssignale an einer Stelle eines Verknüpfungspunkts (PCC) mit einem Stromnetz empfängt, wobei die Feldebenensteuereinrichtung den Spannungsbefehl erzeugt und zu mehreren einzelnen Windkraftanlagen in einem Windpark oder in einer Unterstation überträgt.
Jedes oben erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass die Feldebenensteuereinrichtung außerdem ein Bedienerblindleistungsbefehlssignal (Q_Cmd) erzeugt und zu den einzelnen Windkraftanlagen überträgt, das eine an den Windkraftanlagengeneratoranschlüssen gewünschte Blindleistung kennzeichnet.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel kann der Spannungstrimmwert durch einen Blindleistungsregler in dem Windkraftanlagengenerator erzeugt werden, und der Stromstärkebefehl wird durch einen Spannungsregler in dem Windkraftanlagengenerator erzeugt, wobei der Blindleistungsregler eine Steuereinrichtung mit einer Zeitkonstanten aufweist, die größer ist als eine Zeitkonstante der Spannungsreglereinrichtung. Beispielsweise kann der Blindleistungsregler eine Proportional-Integral-(PI)-Steuereinrichtung mit einer geregelte Antwort aufweisen, die äquivalent zu einer Zeitkonstante im Bereich von 1 bis 10 Sekunden ist, und der Spannungsregler kann eine Proportional-Integral-(PI)-Steuereinrichtung mit einer geregelten Antwort aufweisen, die äquivalent zu einer Zeitkonstanten von weniger als 1 Sekunde ist.
Die Feldebenensteuereinrichtung kann unterschiedlich konstruiert sein. In speziellen Ausführungsbeispielen enthält die Feldebenensteuereinrichtung einen Spannungsregler mit Eingangssignalen (a) einer Spannung auf Kraftwerksebene und (b) einer Blindleistungsausgabe einzelner Windkraftanlagen und mit Ausgangssignale (a) eines Spannungsbefehls und (b) eines Blindleistungsbefehls.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche verständlicher. Die beigefügten Zeichnungen, die dieser Beschreibung einverleibt sind und einen Bestandteil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundzüge der Erfindung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und in die Praxis umsetzbare Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die die beste Ausführungsart der Erfindung beinhaltet und sich an den Fachmann richtet, ist in der Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren unterbreitet:
1 zeigt in einem Blockschaltbild einen Windpark mit mehreren Windkraftanlagengeneratoren, die mit einem Übertragungsnetz verbunden sind;
2 zeigt ein Regelungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Windkraftanlagengeneratorregelungssystems; und
3 zeigt ein Regelungsdiagramm eines abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Windkraftanlagengeneratorregelungssystems unter manueller oder lokaler Steuerung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, wobei einige Beispiele davon in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Sämtliche Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Gegenstand oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht oder beschrieben sind, in Verbindung mit einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um noch ein weiteres Ausführungsbeispiel hervorzubringen. Somit ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Änderungen einschließt, soweit diese in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren äquivalenten Formen fallen.
Ein Windkraftanlagengeneratorregelungssystem gemäß Aspekten der Erfindung basiert darauf, anstelle eines Blindleistungsbefehls, wie es in dem Stand der Technik der Fall ist, einen Referenzspannungsbefehl zu sämtlichen Windkraftanlagen in einem Windpark oder in einer Unterstation zu übertragen. Für Netze, die eine Stabilisierung erfordern, ist dieser Regulierungsansatz vorteilhaft, da die Spannungsreferenzwertänderung den Windkraftanlagenbetrieb schneller beeinflusst. Das Referenzspannungsregulierungsschema wird in Verbindung mit einer verhältnismäßig schnellen Regelung der Spannung für einzelne Generatoren an den Generatorklemmen oder an einem synthetisierten entfernt angeordneten Punkt (z.B. zwischen den Generatorklemmen und dem Kollektorbus) verwendet. Ein verhältnismäßig langsamer Blindleistungsregler passt den Sollwert des verhältnismäßig schnellen Spannungsreglers in Abhängigkeit von dem Referenzblindleistungsbefehl an, der von der Windfeldsteuereinrichtung und von der Blindleistungsrückführung her empfangen ist. Das Spannungstrimsignal wird somit genutzt, um den Spannungsvorgabewert eines verhältnismäßig schnellen Spannungsreglers einzustellen, der den Blindstrombefehl für den Generator der Windkraftanlage erzeugt.
Zu beachten ist, dass das Referenzspannungsbefehlssignal durch eine beliebige Steuereinrichtung auf Feldebene (d.h. auf einer dem Generator übergeordneten Ebene), beispielsweise durch eine Steuereinrichtung einer Unterstation oder durch eine Steuereinrichtung auf Windparkebene erzeugt werden kann. Für Zwecke der Beschreibung sind Ausführungsbeispiele hier in Zusammenhang mit einem Windpark beschrieben, wobei viele Windkraftanlagen in Datenaustausch mit einer Steuereinrichtung auf Windparkebene verbunden sind.
1 zeigt in einem Blockschaltbild einen Windpark 100 mit mehreren Windkraftanlagengeneratoren, die mit einem Übertragungsnetz verbunden sind. 1 veranschaulicht lediglich drei Windkraftanlagen; allerdings können in einem Windpark beliebig viele Windkraftanlagen verwendet werden.
Jeder Windkraftanlagengenerator 110 weist eine lokale Steuereinrichtung auf, die auf die Bedingungen des zu regelnden/steuernden Windkraftanlagengenerators anspricht. In einem Ausführungsbeispiel erfasst die Steuereinrichtung (über Spannungs- und Stromwandler) für jeden Windkraftanlagengenerator lediglich die Klemmenspannung und den Klemmenstrom. Die erfasste Spannung bzw. der Strom werden von der lokalen Steuereinrichtung genutzt, um eine angemessene Antwort bereitzustellen, um den Windkraftanlagengenerator zu veranlassen, die gewünschte Blindleistung und Spannung zu erzeugen. Ein Regelungsdiagramm, das einem Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung eines Windkraftanlagengenerators entspricht, ist weiter unten mit Bezug auf 2 eingehender beschrieben.
Jeder Windkraftanlagengenerator 110 ist über Generatoranschlusstransformatoren 115 mit einem Kollektorbus 120 verbunden, um dem Kollektorbus 120 (mit P_wg bzw. Q_wg bezeichnete) Wirk- und Blindleistung bereitzustellen. Generatoranschlusstransformatoren und Kollektorbusse sind in der Technik bekannt.
Der Windpark 100 stellt über einen Windparkhaupttransformator 130 eine (mit P_wf bzw. Q_wf bezeichnete) Wirk- und Blindleistungsausgabe bereit. Eine Steuereinrichtung 150 auf Windparkebene erfasst die Windparkleistungsausgabe sowie die Spannung an dem Verknüpfungspunkt (PCC) 140, um einen Generatorklemmenspannungsbefehl 155 auf Windparkebene (V_{wtg Cmd} Windparkebene) vorzusehen. In einem Ausführungsbeispiel gibt die Windparkebenensteuereinrichtung 150 an sämtliche Windkraftanlagengeneratoren in dem Windpark 100 ein einzelnes V_{wtg Cmd}-Signal 155 aus. In abgewandelten Ausführungsbeispielen kann die Windparkebenensteuereinrichtung 150 für Teilsätze von Windkraftanlagengeneratoren des Windparks 100 mehrere Steuerbefehle bereitstellen. Die an Teilsätze von Windkraftanlagengeneratoren ausgegebenen Steuerbefehle können beispielsweise auf einem Spannungsregler auf Windparkebene basieren.
Mit weiterem Bezug auf 1 kann der lokalen Steuereinrichtung jedes Windkraftanlagengenerators 110 außerdem ein Q-Befehlssignal 105 (Q_Cmd) von der Windparkebenensteuereinrichtung bereitgestellt werden, das eine an den Generatorklemmen gewünschte Blindleistung kennzeichnet, um eine angemessene Verteilung der Blindleistung auf die Windkraftanlagen zu gewährleisten. In abgewandelten Ausführungsbeispielen kann dieses Q-Befehlssignal (Q_Cmd) 105 als die (in 1 durch die "lokale" Linie angezeigte) lokale oder Bedienerebene erzeugt werden, beispielsweise falls sich der Windkraftanlagengenerator in einem manuellen Modus befindet oder, wie nachfolgend eingehender erläutert, in sonstiger Weise nicht in Datenaustausch mit dem Windparkregler 150 verbunden ist.
Das Regelungssystem nach 2 schafft eine verbesserte Regelungstruktur, die sowohl die Steuerung auf Windkraftanlagen- als auch auf Windparkebene nutzt und in der Lage ist, einen robusten Spannungssteuerungsbetrieb auf Windparkebene mit einer einheitlichen Blindleistungsausgabe der Windkraftanlagen durchzuführen.
Unter Bezugnahme auf das Diagramm des Windkraftanlagenregelungssystems des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels nach 2 weist das Regelungssystem allgemein zwei Schleifen auf: eine Spannungsreglerschleife und eine Blindleisungs-(Q)-Balancereglerschleife. Die Spannungsreglerschleife arbeitet im Vergleich zu der Q-Balancereglerschleife verhältnismäßig schnell (z.B. 20 rad/s) (der beispielsweise mit einer allgemein langsameren Regelkreiszeitkonstante von mehr als einer 1 Sekunde arbeitet). Der Q-Balanceregler stellt den Sollwert des Spannungsreglers ein, wie es weiter unten beschrieben ist.
In diesem Sinne ermöglicht das Regelungssystem nach 2 eine Regelung der Windkraftanlagengeneratorklemmenspannung durch Regeln der Spannung in Abhängigkeit von einem Referenzwert, der durch eine der Generatorebene übergeordnete Steuereinrichtung (z.B. der Unterstation oder des Windparks) eingestellt wird. Im vorliegenden Fall ist dieser höhere Referenzpunkt das V_{wtg Cmd}-Signal 155 auf Windparkebene. Die Blindleistung wird über einen längeren Zeitraum (z.B. über mehrere Sekunden) geregelt, um die Blindleistung auf die Windkraftanlagen gleichmäßig zu verteilen, während die Windkraftanlagengeneratorklemmenspannung über eine kürzere Zeitspanne (z.B. über wenige Sekunden) geregelt wird, um die Effekte schneller Netzeinschwingvorgänge zu verringern.
Mit weiterem Bezug auf das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der Windkraftanlagensteuereinrichtung nach 2 empfängt der Q-Balanceregler 220 das mittlere Windkraftanlagenblindleistungsausgabesignal 200 (Q_Avg), das die mittlere Blindleistungsausgabe sämtlicher Windkraftanlagen 110 kennzeichnet. Dieses Q_Avg-Signal 200 kann auf vielerlei Weise erzeugt sein. In einem Ausführungsbeispiel wird der gemessene Blindstrom jeder Windkraftanlage 110 zu dem Windparkregler 150 übermittelt, der einen Mittelwert berechnet und das Q_Avg-Signal 200 zu jeder Windkraftanlage 110 überträgt. In einer weiteren Ausführungsform kann die Gesamtblindleistung auf der Windparkebene erfasst sein und durch den Windparkregler 150 genutzt werden, um auf der Grundlage der Anzahl der Windkraftanlagen 110 einen approximierten Mittelwert zu bestimmen, wobei dieser approximierte Mittelwert als Q_Avg-Signal 200 zu den einzelnen Windkraftanlagen 110 übertragen wird.
Der Q-Balanceregler 220 empfängt außerdem ein Rückführungs-Q-Wert-(Q_Fbk)-Signal 202, das die aktuelle Blindleistungsausgabe der einzelne Windkraftanlage kennzeichnet, das durch das Q-Befehlssignal 105 (Q_Cmd) eingestellt oder modifiziert werden kann, das eine gewünschte Blindleistungsausgabe an dem Generator kennzeichnet.
Der Q-Balanceregler 220 dient dazu, ein Deltaspannungstrimmwertsignal (dV_trim) 208 zu erzeugen, das zu dem Spannungsbefehlssignal (V_{wtg cmd}) 155 der Windparkebene zu addieren ist, um ein eingestelltes Befehlspannungssignal (V_{Adj cmd}) 210 zu ergeben, das im Wesentlichen die Vorgabespannung für den nachgeschalteten Spannungsregler 270 ist. Das dV_trim-Signal 208 wird mit eingestellten Grenzen dV_max 204 und dV_min 206 aufrechterhalten. Somit wird das Spannungsbefehlssignal V_{wtg cmd} 155 auf Windparkebene, das die Grundlage für den Spannungsvorgabewert für den nachgeschalteten Spannungsregler 270 ist, durch den Q-Balanceregler 220 modifiziert oder eingestellt.
Der Q-Balanceregler 220 dient dazu, die Differenz zwischen der entsprechende Blindleistungsausgabe einer Windkraftanlage und der mittlere Blindleistungsausgabe Q_Avg 200 auf ein Minimum zu reduzieren. In einem Ausführungsbeispiel ist der Q-Balanceregler 220 eine Proportional-Integral-(PI)-Steuereinrichtung mit einer verhältnismäßig langsamen Ansprechzeit, beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 10 Sekunden (z.B. 3 Sekunden, 5 Sekunden, 5,5 Sekunden). Es ist selbstverständlich, dass andere Arten von Steuereinrichtungen und Zeitkonstanten genutzt werden können, beispielsweise Proportional-Differential-(PD)-Regeleinrichtungen, Proportional-Integral-Differential-(PID)-Regeleinrichtungen, Zustandsraumsteuereinrichtungen, und dergleichen. Es können für den Q-Balanceregler 220 andere Zeitkonstanten verwendet werden, vorausgesetzt die Zeitkonstante für den Q-Regler 220 ist numerisch größer als die Zeitkonstante für den Spannungsregler 270.
Das eingestellte Spannungsbefehlssignal V_{Adj cmd} 210 wird zu einem Begrenzerschaltkreis 240 übertragen, der dazu dient, den Signalwert innerhalb definierter Grenzen zu halten und ein Sollspannungsbefehlssignal V_command 250 zu erzeugen, das einem Generator die Blindleistung angibt, die durch den Generator bereitzustellen ist.
V_command 250 ist durch den Begrenzer 240 auf einen vorbestimmten Bereich zwischen V_max 242 und V_min 244 beschränkt. In einem Ausführungsbeispiel sind V_max 242 und V_min 244 als Prozentsatz einer Generatornennleistung definiert. V_max 242 kann beispielsweise 105% der Generatornennspannung betragen, und V_min 244 kann 95% der Generatornennspannung betragen. Es können auch andere Grenzen verwendet werden.
In speziellen Ausführungsbeispielen wird V_command 250 mit einem Signal 255 verglichen, das die gemessene Klemmenspannung für den Generator kennzeichnet. Die Differenz zwischen V_command 250 und der gemessenen Klemmenspannung 255 ist ein Spannungsfehlersignal 260 (V_Error), das durch den Spannungsregler 270 verringert wird, um zu veranlassen, dass die gemessene Spannung dem Spannungsbefehl folgt.
Basierend auf dem Spannungsfehlersignal 260 (V_Error) erzeugt der Spannungsregler 270 einen Blindstrombefehl 280 (I_{rq Cmd}), der genutzt wird, um den Generatorstrom zu steuern. In einem Ausführungsbeispiel ist der Spannungsregler 270 eine PI-Regeleinrichtung, die eine Regelkreiszeitkonstante von etwa 50 Millisekunden aufweist. Es können auch andere Arten von Regel-/Steuereinrichtungen verwendet werden, beispielsweise PD-Regeleinrichtungen, PID-Regeleinrichtungen und dergleichen. Weiter können für den Spannungsregler 270 andere Zeitkonstanten verwendet werden (z.B. 1 Sekunde, 20 Millisekunden, 75 Millisekunden, 45 Millisekunden), vorausgesetzt die Zeitkonstante für den Spannungsregler 270 ist kleiner als die Zeitkonstante für den Q-Balanceregler 220.
Allgemein sind zwei Komponenten eines Generatorstromstärkebefehls vorhanden. Diese sind die mit I_{d Cmd} bezeichnete Wirkleistungskomponente und die mit I_{q Cmd} bezeichnete Blindleistungskomponente. Der Stromstärkebefehl 280, der wie anhand von 2 beschrieben erzeugt ist, ist die Blindkomponente (I_{rq Cmd}) des Stromstärkebefehls. Die Wirkkomponente oder I_{d Cmd} kann in einer beliebigen aus dem Stand der Technik bekannten Weise erzeugt werden. Der Blindstrombefehl 280 ist auf I_{q max} 272 und I_{q min} 274 beschränkt. Die Werte für I_{q max} 272 und I_{q min} 274 können auf Generatornennstromstärken basieren. Beispielsweise kann I_{q max} 272 auf einen Prozentsatz der Nennstromstärke für den Generator eingestellt werden, und I_{q min} 274 kann auf – I_{q max} eingestellt werden. Es können auch andere Grenzen verwendet werden.
Der Stromstärkebefehl 280 wird zu einer Steuereinrichtung des Generators der Windkraftanlage übertragen, um auf der Grundlage der Stromstärkebefehle Wirk- und Blindleistung zu erzeugen. In einem Ausführungsbeispiel sind sämtliche Grenzen, die mit Bezug auf 2 erörtert sind, Anti-windup-Grenzen; jedoch kann in abgewandelten Ausführungsbeispielen ein Teilsatz der Grenzen Anti-windup-Grenzen sein. Die Grenzen wurden mit Blick auf feststehende Parameter erörtert; allerdings können die Grenzen auch durch dynamisch variable Parameter vorgesehen sein, die beispielsweise durch eine Nachschlagtabelle oder einen Prozessor oder durch eine Ablaufsteuereinheit bereitgestellt sind, die einen Steuerungsalgorithmus ausführt. Eine derartige dynamisch variable Grenze kann auf einer Nennstromstärke des Generators und auf einer zeitlich zusammenfallenden Wirkleistungsausgabe begründet sein.
Wie oben erwähnt, kann das lokale oder Bediener-Q-Befehlssignal (Q_Cmd) 105, das eine an den Generatorklemmen gewünschte Blindleistung kennzeichnet, an die lokale Steuereinrichtung 110 ausgegeben werden, falls sich der Windkraftanlagengenerator in einem manuellem Modus befindet oder in sonstiger Weise mit dem Windparkregler 150 nicht in Datenaustausch verbunden ist. In diesem Modus wird das Regelungssystem wie in 3 gezeigt arbeiten. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Q_Cmd-Signal 105 mit dem Q_Fbk-Signal 202 zusammengeführt, um ein Signal Q_Error 235 hervorzubringen, das an einen VAR-(Q)-Regler 240 ausgegeben wird. Der Regler 240 erzeugt das begrenzte Signal V_command 250, das mit einem gemessenen Klemmenspannungsignal 255 verglichen wird, um das Spannungsfehlersignal 260 (V_Error) zu erzeugen, das, wie im Vorausgehenden näher erläutert, dem Spannungsregler 270 eingegeben wird.
In der Beschreibung bedeuten Bezugnahmen auf "ein Ausführungsbeispiel", dass ein spezielles Merkmal, eine spezielle Konstruktion oder eine spezielle Eigenschaft, wie in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschrieben, in wenigstens einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten ist. Die Verwendungen des Begriffs "in einem Ausführungsbeispiel" an unterschiedlichen Stellen in der Beschreibung beziehen sich nicht notwendig sämtliche auf dasselbe Ausführungsbeispiel. Während der vorliegende behandelte Gegenstand im Einzelnen in Zusammenhang mit speziellen Ausführungsbeispielen und deren Verfahren erläutert wurde, versteht es sich darüber hinaus, dass der Fachmann nach dem verständnisvollen Lesen des Vorausgehenden ohne weiteres Änderungen und äquivalent Formen solcher Ausführungsbeispiele hervorbringen kann. Dementsprechend ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung exemplarisch und nicht zur Beschränkung veranschaulicht, und die unterbreitete Beschreibung schließt nicht die Einbeziehung derartiger für einen Fachmann ohne weiteres ersichtlichen Modifikationen und Veränderungen an dem hier behandelten Gegenstand und/oder Hinzufügungen zu demselben aus.

Ein Verfahren zur Blindleistungserzeugung für einen Windkraftanlagengenerator beinhaltet die Schritte: Empfangen eines Spannungsbefehlssignals und Einstellen dieses Spannungsbefehlssignals in Abhängigkeit von der Windkraftanlagenblindleistung. In Reaktion auf das eingestellte Spannungsbefehlssignal wird ein Blindstrom für den Windkraftanlagengenerator bestimmt und zu einer Steuereinrichtung des Generators der Windkraftanlage übertragen, um auf der Grundlage des Blindstrombefehls eine Wirk- und Blindleistung zu erzeugen. Bezugszeichenliste:

Bezugszeichen	Komponente
100	Windpark
105	Q-Befehlssignal
110	Windkraftanlagengenerator
115	Transformator
120	Kollektorbus
130	Haupttransformator
140	Verknüpfungspunkt
150	Windparkebenensteuereinrichtung
155	Windparkebenenspannungsbefehlssignal
200	Blindleistungsausgabesignal
202	Q_FBK-Signal
204	dV_max-Signal
206	dV_min-Signal
208	Deltaspannungstrimsignal
210	Eingestelltes Befehlspannungssignal
220	Q-Balanceregler
235	Q-Fehlersignal
240	Begrenzerschaltkreis
242	V_max-Signal
244	V_min-Signal
250	Sollwertspannungsbefehlssignal
255	Klemmenspannung
260	Spannungsfehlersignal
270	Spannungsregler
272	I_QMAX-Signal
274	I_QMIN-Signal
280	Blindstrombefehlssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7224081 [0005]

Claims

Verfahren zur Blindleistungserzeugung für einen Generator einer Windkraftanlage, mit den Schritten: Empfangen eines Spannungsbefehlssignals; Einstellen des Spannungsbefehlssignals in Abhängigkeit von der aktuellen Blindleistung der Windkraftanlage; Bestimmen eines Blindstrombefehls für den Generator der Windkraftanlage in Reaktion auf das eingestellte Spannungsbefehlssignal; Übertragen des Blindstrombefehls zu einer Steuereinrichtung des Generators der Windkraftanlage und Erzeugen einer Blindleistung auf der Grundlage des Blindstrombefehls.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das eingestellte Spannungsbefehlssignal auf einen Bereich oberer und unterer Grenzen beschränkt ist, die auf einer Generatorklemmenspannung basieren, und wobei der Blindstrombefehl auf einen Bereich beschränkt ist, der auf einer Nennstromstärke des Generators der Windkraftanlage basiert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das eingestellte Spannungsbefehlssignal mit einet gemessenen Klemmenspannung des Generators der Windkraftanlage verglichen wird, um ein Fehlerspannungssignal zu erzeugen, das zu einem Spannungsregler übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Spannungsbefehlssignal ein Befehlssignal auf Windparkeben ist, das auf sämtliche oder auf einen Teilsatz der Windkraftanlagen in einem Windpark anzuwenden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten: Erzeugen eines Spannungstrimmwerts in Abhängigkeit von einem Referenzblindleistungssignal und der aktuellen Blindleistung der Windkraftanlage; und Anwenden des Spannungstrimmwerts auf das Spannungsbefehlssignal, um das eingestellte Spannungsbefehlssignal zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Referenzblindleistungsignal einem mittlere Blindleistungsausgabesignal auf Feldebene für sämtliche oder einen Teilsatz der Windkraftanlagen in einem Windpark oder in einer Unterstation entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das ausgegebene mittlere Feldebenenblindleistungsausgabesignal durch eine Feldebenensteuereinrichtung erzeugt wird, die gemessenen Blindstrom von den Windkraftanlagen aufnimmt und die mittlere Blindleistungsausgabe für die Windkraftanlagen berechnet; und/oder wobei das ausgegebene mittlere Feldebenenblindleistungsausgabesignal durch eine Feldebenensteuereinrichtung erzeugt wird, die die Gesamtblindleistung auf der Feldebene erfasst und eine geschätzte mittlere Blindleistungsausgabe für die Windkraftanlagen berechnet; und/oder wobei ein Blindleistungsrückführsignal von dem Generator der Windkraftanlage und das Referenzblindleistungssignal zu einem Blindleistungsregler übertragen werden, um den Spannungstrimmwert zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Spannungstrimmwert durch den Blindleistungsregler beschränkt wird.
Verfahren zur Blindleistungserzeugung für einen Windkraftanlagengenerator, mit den Schritten: Empfangen eines Spannungsbefehls für einen Windkraftanlagengenerator von einer Feldebenensteuereinrichtung; Empfangen eines Referenzblindleistungssignals und eines Rückführungsblindleistungssignals für die einzelne Windkraftanlage; Erzeugen eines Spannungstrimmwerts anhand des Referenzblindleistungssignals und des Rückführungsblindleistungssignals; Beschränken des Spannungstrimmwerts auf einen vorbestimmten Spannungsbereich; Anwenden des Spannungstrimmwerts auf den Spannungsbefehl, um einen eingestellten Spannungsbefehl zu erzeugen; Beschränken des eingestellten Spannungsbefehl auf einen vorbestimmten Spannungsbereich; Erzeugen eines Spannungsfehlersignals auf der Grundlage einer gemessenen Spannung des Generators der Windkraftanlage und des eingestellten Spannungsbefehls; und Erzeugen eines Stromstärkebefehls auf der Grundlage des Spannungsfehlersignals und Beschränken des Stromstärkebefehls auf einen vorbestimmten Stromstärkebereich.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Spannungstrimmwert durch einen Blindleistungsregler in dem Windkraftanlagengenerator erzeugt wird, und wobei der Stromstärkebefehl durch einen Spannungsregler in dem Windkraftanlagengenerator erzeugt wird, wobei der Blindleistungsregler eine Steuereinrichtung mit einer Zeitkonstanten aufweist, die größer ist als eine Zeitkonstante der Spannungsreglereinrichtung.