DE102014223853A1 - Use of a LIDAR system for the short-term prediction of expected wind conditions and as a basis for power plant management and power plant management process based on a signal available and expected wind conditions from a LIDAR system - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen werden die Verwendung eines LIDAR-Systems (20) zur Kurzzeitvorhersage in einem Vorhersagehorizont von 1–10 Minuten, insbesondere 1–5 Minuten, erwarteter Windverhältnisse am Ort eines Windkraftwerks (12) und zum Kraftwerksmanagement auf Basis der ermittelten erwarteten Windverhältnisse sowie ein Verfahren zum Kraftwerksmanagement einer Stromnetzeinheit (10), in welche zumindest ein Windkraftwerk (12) elektrische Energie einspeist und wobei an die Stromnetzeinheit (10) zumindest ein weiterer Energieerzeuger (14) aktivierbar angeschlossen ist, mit folgenden Schritten: Mittels des LIDAR-Systems (20) erfolgt eine Kurzzeitvorhersage in einem Vorhersagehorizont von 1–10 Minuten, insbesondere 1–5 Minuten, erwarteter Windverhältnisse am Ort des Windkraftwerks (12) und auf Basis der ermittelten erwarteten Windverhältnisse erfolgt eine Aktivierung weiterer Energieerzeuger (14) oder eines weiteren Energieerzeugers (14). It proposes the use of a LIDAR system (20) for short-term forecasting in a 1-10 minute forecast horizon, in particular 1-5 minutes, expected wind conditions at the location of a wind power plant (12) and power plant management based on the calculated expected wind conditions, and a method for Power plant management of a power grid unit (10), in which at least one wind power plant (12) feeds electrical energy and wherein at least one further power generator (14) is activably connected to the power grid unit (10), with the following steps: By means of the LIDAR system (20) a short-term forecast in a prediction horizon of 1-10 minutes, in particular 1-5 minutes, expected wind conditions at the location of the wind power plant (12) and on the basis of the determined expected wind conditions, activation of further energy generator (14) or another energy generator (14).
Description
Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Vorhersage einer zukünftigen Situation als Basis für eine optimierte Verwendung regenerativer Energien, wie zum Beispiel Windenergie. Im Speziellen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vorhersage erwarteter Windverhältnisse und ein Verfahren zur Verwendung eines diesbezüglichen Signals zum Kraftwerksmanagement. The invention relates generally to a method for predicting a future situation as the basis for optimized use of renewable energy, such as wind energy. In particular, the invention relates to a method of predicting expected wind conditions and a method of using a related power plant management signal.
Unabhängig davon, welche Energiequelle/-träger oder welche Energiequellen/-träger, also zum Beispiel Treibstoffe auf Basis fossiler Energieträger oder regenerative Energiequellen wie Windkraft, genutzt werden, besteht stets die Notwendigkeit, die Erzeugung von Energie, hier elektrischer Energie, so genau wie möglich an den jeweiligen Energiebedarf anzupassen. Die schlechte Vorhersagbarkeit eines jeweiligen Beitrags zur insgesamt zur Verfügung stehenden Energiemenge aufgrund regenerativer Energien ist dabei ein Problem. Bei sogenannten Island-grids, also kleineren, unabhängigen Stromnetzen, können einzelne oder wenige Windenergie- und/oder Photovoltaikanlagen einen wesentlichen Anteil der innerhalb des Stromnetzes verfügbaren elektrischen Energie ausmachen. Dann führen lokale Variationen zum Beispiel in der für die Energieerzeugung nutzbaren Windkraft zu erheblichen Schwankungen der innerhalb des Stromnetzes verfügbaren elektrischen Energie, die nicht ohne Weiteres durch entsprechende Schwankungen an anderer Stelle ausgeglichen werden. Auf der anderen Seite sind aber gerade in solchen kleineren Stromnetzeinheiten regenerative Energien auch hinsichtlich der Kosten konkurrenzfähig gegenüber fossilen Energieträgern, im Besonderen gegenüber einer typischen Energieerzeugung mittels zum Beispiel Dieselgeneratoren. Regardless of which energy source / carriers or which energy sources / carriers, for example fuels based on fossil fuels or regenerative energy sources such as wind power, are used, there is always the need to generate energy, in this case electrical energy, as accurately as possible to adapt to the respective energy requirements. The poor predictability of a respective contribution to the total available amount of energy due to renewable energy is a problem. In so-called Iceland grids, ie smaller, independent power grids, individual or few wind energy and / or photovoltaic systems can make up a significant proportion of the electrical energy available within the power grid. Then, local variations, for example, in the wind energy that can be used for power generation, lead to considerable fluctuations in the electrical energy available within the power grid, which are not readily compensated by corresponding fluctuations elsewhere. On the other hand, however, especially in such smaller power grids, renewable energies are also competitive in terms of cost compared to fossil fuels, in particular compared to a typical power generation by means of, for example, diesel generators.
Ein optimaler Ausgleich eines jeweiligen Beitrags der einzelnen Energiequellen in einem Stromnetz erfordert eine Vorausschau. Dies ist speziell dann der Fall, wenn Energiequellen hinzukommen, die auf Basis von Windkraft- und/oder Sonnenenergie elektrische Energie in das jeweilige Stromnetz einspeisen. Bei den Randbedingungen für eine solche Vorausschau ist zu berücksichtigen, dass ein Dieselgenerator üblicherweise eine Vorlaufzeit von 1–5 Minuten benötigt, bis mittels des Dieselgenerators elektrische Energie in das jeweilige Stromnetz eingespeist werden kann. Der Verlust einer jeweils verfügbaren Energiemenge aufgrund zum Beispiel einer plötzlichen Abschattung einer Photovoltaikanlage durch eine Wolkenschicht oder einer Flaute bei einer Windkraftanlage kann zwar grundsätzlich durch Zuschalten eines Dieselgenerators kompensiert werden, während des Einschaltens und der Vorlaufzeit des Dieselgenerators steht aber zunächst nur eine aufgrund des verringerten Beitrags der Photovoltaikanlage bzw. Windkraftanlage resultierende Mindermenge zur Verfügung. Wünschenswert wäre also, meteorologische Einflüsse wie Wolken und wechselnde Windverhältnisse auf die innerhalb des Stromnetzes jeweils verfügbare Energie ausreichend rechtzeitig zu erkennen und vorherzusagen, um gegebenenfalls noch Maßnahmen einleiten zu können, mit denen ein Rückgang, aber auch eine Zunahme der eingespeisten Energie an anderer Stelle kompensiert werden kann. An optimal balancing of a respective contribution of the individual energy sources in a power grid requires a foresight. This is especially the case when energy sources are added, which feed electrical energy into the respective power grid on the basis of wind power and / or solar energy. In the boundary conditions for such a forecast, it should be borne in mind that a diesel generator usually requires a lead time of 1-5 minutes until electrical energy can be fed into the respective power grid by means of the diesel generator. Although the loss of each available amount of energy due to, for example, a sudden shading of a photovoltaic system by a cloud layer or a doldrums in a wind turbine can be compensated in principle by connecting a diesel generator, while switching on and the lead time of the diesel generator is initially only one due to the reduced contribution the photovoltaic system or wind turbine resulting reduced amount available. It would therefore be desirable to be able to detect and predict meteorological influences such as clouds and changing wind conditions on the energy available within the power grid in sufficient time, if necessary, to take measures to compensate for a decline or an increase in the energy input elsewhere can be.
Von besonderer Bedeutung ist dabei auch die Windkraft. Bei einer Änderung der Windverhältnisse werden bekanntlich die Anstellwinkel der Rotorblätter (pitch) einer Windkraftanlage angepasst, woraus Fluktuationen in der jeweils in das Stromnetz eingespeisten Energiemenge resultieren können. In größerem Umfang Einfluss auf die jeweils eingespeiste Energiemenge haben allerdings Windböen, die zum Beispiel auch zu einer Notabschaltung einer Windkraftanlage führen können, so dass innerhalb kürzester Zeit der bisherige Energiebeitrag der Windkraftanlage oder einer Gruppe von Windkraftanlagen verschwindet und andernorts kompensiert werden muss. Ähnliche Auswirkungen gehen grundsätzlich mit Wetterfronten einher. Weniger drastisch sind zwar die Auswirkungen von Windstille oder einem plötzlichen Rückgang der Windstärke. Aber auch der dadurch bedingte Rückgang eingespeister Energie muss aber an anderer Stelle kompensiert werden. Umgekehrt muss auch bei plötzlichem Auffrischen des Windes eine resultierende erhöhte Energieeinspeisung an anderer Stelle kompensiert werden. Of particular importance is the wind power. When changing the wind conditions, the pitch of the rotor blades (pitch) are known to be adapted to a wind turbine, resulting in fluctuations in the amount of energy each fed into the power grid can result. However, wind gusts, which can also lead to an emergency shutdown of a wind turbine, for example, have a greater influence on the amount of energy fed in, so that the previous energy contribution of the wind power plant or a group of wind turbines disappears within a very short time and must be compensated elsewhere. Similar effects are generally associated with weather fronts. The effects of calm or a sudden decrease in wind force are less drastic. But the resulting decline in energy fed in must also be compensated for elsewhere. Conversely, even when the wind is suddenly refreshed, a resulting increased energy input must be compensated for elsewhere.
Wünschenswert wäre also eine Möglichkeit, die am Ort einer Windkraftanlage oder einer Gruppe von Windkraftanlagen zukünftig herrschenden Windverhältnisse ausreichend sicher vorhersagen zu können, um darauf eine Strategie zum Kraftwerksmanagement, nämlich zum Lastausgleich innerhalb des Stromnetzes, stützen zu können. Die Vorhersage muss dabei nicht sehr weit in die Zukunft zu reichen. Ausreichend ist zum Beispiel eine Vorhersage für die jeweils kommenden fünf oder zehn Minuten, wobei sich dieser Zeitwert (Zeithorizont der Vorhersage) zum Beispiel nach einer Einschalt- und Vorlaufzeit anderer, zu Kompensationszwecken zuschaltbarer Energieerzeuger/quellen, wie zum Beispiel einem Dieselgenerator, richtet. It would therefore be desirable to be able to predict with sufficient certainty the prevailing wind conditions at the location of a wind power plant or a group of wind power plants in order to be able to support a strategy for power plant management, namely for load balancing within the power grid. The prediction does not have to reach very far into the future. Sufficient is, for example, a prediction for each coming five or ten minutes, with this time value (time horizon of the prediction), for example, after a switch-on and lead time of other, for compensation purposes switchable energy generator / sources, such as a diesel generator, directed.
Für Messungen in der Atmosphäre sind sogenannte LIDAR-Systeme bekannt. Diese senden bekanntlich Laserpulse aus und detektieren das aus der Atmosphäre zurückgestreute Licht. Aus der Laufzeit der Signale und der Lichtgeschwindigkeit lässt sich die Entfernung zum Ort der Streuung und damit zum Beispiel auch eine Entfernung einer Wetterfront oder einer Wolke berechnen. Mittels variierender Strahlrichtungen (Abtastrichtungen) lässt sich ein dreidimensionales Modell der Atmosphärenverhältnisse in der untersuchten Richtung erstellen. Mittels zeitlich gestaffelter Abtastungen lässt sich auch eine Geschwindigkeit von Wolkenbewegungen und daraus die am Abtastort herrschende Windgeschwindigkeit ermitteln. For measurements in the atmosphere so-called LIDAR systems are known. These are known to emit laser pulses and detect the backscattered from the atmosphere light. From the transit time of the signals and the speed of light, the distance to the location of the scattering and thus, for example, a distance of a weather front or a cloud can be calculated. By means of varying beam directions (scanning directions) a three-dimensional model of the atmospheric conditions in the investigated direction can be created. Using temporally staggered scans, it is also possible to determine a speed of cloud movements and from this the wind speed prevailing at the scanning location.
Die Erfindung ist einerseits die Verwendung eines LIDAR-Systems für ein Windkraftwerk für eine Kurzzeitvorhersage zu erwartender Windverhältnisse und andererseits die Verwendung eines solchen Systems und der damit erhältlichen Vorhersageergebnisse für ein optimiertes Management (Kraftwerksmanagement) der in ein jeweiliges Stromnetz einspeisenden Energieerzeuger/Kraftwerke. Als Kurzzeitvorhersage ist dabei eine Vorhersage zu verstehen, welche die zu erwartenden Windverhältnisse und die daraufhin zu erwartende Energieeinspeisung der jeweiligen Windkraftanlage oder einer Gruppe von Windkraftanlagen – einzeln und zusammen hier und im Folgenden als Windkraftwerk bezeichnet – der jeweils kommenden etwa 5–10 Minuten, insbesondere der jeweils kommenden 1–5 Minuten, betrifft. The invention is on the one hand the use of a LIDAR system for a wind power plant for a short-term forecast of expected wind conditions and on the other hand the use of such a system and the resulting forecast results for an optimized management of the power plants / power plants feeding into a respective power grid. A short-term prediction is to be understood as a prediction which predicts the wind conditions to be expected and the energy input of the respective wind power plant or a group of wind turbines individually and together here and hereinafter referred to as the wind power plant of the next approximately 5-10 minutes, in particular each coming 1-5 minutes, concerns.
Das Kraftwerksmanagementverfahren bezieht sich vornehmlich, aber nicht notwendig ausschließlich auf eine Stromnetzeinheit der eingangs genannten Art, also eine kleinere, unabhängige Stromnetzeinheit, in die zumindest ein Windkraftwerk elektrische Energie einspeist und an das zumindest ein weiterer Energieerzeuger, zum Beispiel ein Dieselgenerator, aktivierbar angeschlossen ist, und umfasst die folgenden Schritte: Mittels eines LIDAR-Systems erfolgt eine Kurzzeitvorhersage für in einem Vorhersagehorizont von 1–10 Minuten, insbesondere einem Vorhersagehorizont von 1–5 Minuten, erwartete Windverhältnisse am Ort des Windkraftwerks. Auf Basis der ermittelten erwarteten Windverhältnisse und/oder einer aufgrund der erwarteten Windverhältnisse erwarteten Energieeinspeisung erfolgt zum Beispiel eine Aktivierung weiterer Energieerzeuger oder eines weiteren Energieerzeugers, wenn aufgrund der erwarteten Windverhältnisse von einem abnehmenden Energiebeitrag des Windkraftwerks auszugehen ist, oder zum Beispiel eine Aktivierung von Energiespeichern, wie zum Beispiel Batterien oder dergleichen, wenn aufgrund der erwarteten Windverhältnisse von einem zunehmenden Energiebeitrag des Windkraftwerks auszugehen ist. The power plant management process relates primarily, but not necessarily exclusively to a power grid unit of the type mentioned, ie a smaller, independent power grid unit, in which at least one wind power plant feeds electrical energy and to which at least one other power generator, for example a diesel generator, is activated connected, and comprises the following steps: By means of a LIDAR system, a short-term forecast for wind conditions expected in a forecast horizon of 1-10 minutes, in particular a forecast horizon of 1-5 minutes, takes place at the location of the wind power plant. On the basis of the calculated expected wind conditions and / or expected due to the expected wind energy input, for example, an activation of further energy producers or another energy producer, if due to the expected wind conditions of a decreasing energy contribution of the wind power plant is assumed, or for example an activation of energy storage, such as batteries or the like, if based on the expected wind conditions from an increasing energy contribution of the wind power plant is expected.
Beim Betrieb eines Windkraftwerks werden bereits bisher Vorhersagewerte ermittelt und verwendet. So ist es üblich, langfristige Vorhersagen von bis zu vier Tagen mit einer 30- oder 60-minütigen Auflösung auf Basis numerischer Wettervorhersagen zu verwenden. Außerdem kann innerhalb eines Windkraftwerks mit mehreren Windkraftanlagen der aufgrund einer Windkraftanlage zukünftig resultierende Energiebeitrag anhand eines momentanen Energiebeitrags einer luvseitigen Windkraftanlage desselben Windkraftwerks geschätzt werden. Dabei werden die bekannten Abstände der Windkraftanlagen untereinander und der Energiebeitrag der jeweils entfernten Windkraftanlage oder eine dort gemessene Windgeschwindigkeit berücksichtigt. Ein sogenannter Vorhersagehorizont solcher Vorhersagen ist von der jeweiligen Windgeschwindigkeit abhängig und bei einem Windkraftwerk mit einem Durchmesser von zum Beispiel 1 km und einer Windgeschwindigkeit von 25 m/s ergibt sich ein Vorhersagehorizont von ca. 40 Sekunden. Des Weiteren werden für eine Steuerung oder Regelung einer einzelnen Windkraftanlage schon die Messwerte eines LIDAR-Systems für luvseitige Messungen mit Distanzen von bis zu 200 m verwendet. Dies führt für die jeweilige einzelne Windkraftanlage zu einem Vorhersagehorizont in der Größenordnung von 20 Sekunden. When operating a wind power plant, predictive values are already being determined and used. So it is common to use long-term forecasts of up to four days with a 30- or 60-minute resolution based on numerical weather forecasts. In addition, within a wind power plant with several wind turbines, the future resulting from a wind turbine energy contribution based on a momentary energy contribution of a windward wind turbine of the same wind power plant can be estimated. The known distances of the wind turbines with each other and the energy contribution of each remote wind turbine or a wind speed measured there are taken into account. A so-called forecast horizon of such predictions is dependent on the respective wind speed, and in the case of a wind power plant with a diameter of, for example, 1 km and a wind speed of 25 m / s, the forecast horizon is approximately 40 seconds. In addition, the measured values of a LIDAR system for windward measurements with distances of up to 200 m are used to control or regulate a single wind turbine. This leads to a forecast horizon of the order of 20 seconds for the respective individual wind turbine.
Solche Vorhersagen sind allesamt nicht oder zumindest nicht gut als Basis für ein Kraftwerksmanagement geeignet, weil gerade der Zeitabschnitt der jeweils kommenden 1–10 Minuten, insbesondere der Zeitabschnitt der jeweils kommenden 1–5 Minuten, nicht abgedeckt ist. Ohne eine belastbare Vorhersage genau für diesen Zeitbereich muss bisher im Rahmen des Kraftwerksmanagements (häufig unnötig) eine große Menge schnell verfügbarer Reserveenergie vorgehalten werden. Zu diesem Zweck ist es zum Beispiel notwendig, dass Dieselgeneratoren, auf die im Rahmen des Kraftwerksmanagements zurückgegriffen werden kann, bereits laufen oder dauerhaft laufen und damit jederzeit für eine zusätzliche Energieeinspeisung zur Verfügung stehen und/oder dass eventuell ebenfalls für eine Energieeinspeisung nutzbare Batterien oder dergleichen geladen sind und auf einem ausreichenden Ladezustand gehalten werden. Diese Notwendigkeiten begrenzen den im Rahmen einer hybriden Energieerzeugung verwendbaren Windkraftanteil üblicherweise auf etwa 30 %. Such predictions are all not or at least not well suited as a basis for power plant management, because just the period of each coming 1-10 minutes, especially the period of each coming 1-5 minutes, is not covered. Without a reliable prediction precisely for this time range, a large amount of reserve energy, which is often unnecessary, has to be maintained within the scope of power plant management. For this purpose, it is necessary, for example, that diesel generators, which can be used in the context of power plant management, already running or running permanently and thus at any time for an additional energy supply available and / or that may also be used for an energy feed batteries or the like are charged and maintained at a sufficient state of charge. These requirements usually limit the amount of wind energy usable in the context of hybrid power generation to about 30%.
Unabhängig davon werden LIDAR-Messungen auch für eine Planung von Windkraftanlagen, nämlich zur Auswahl eines Standorts einer Windkraftanlage und/oder für standortspezifische Anpassungen der Windkraftanlage, verwendet. Weitere Anwendungsfälle sind eine Leistungsüberwachung (performance monitoring) einer Windkraftanlage und Steuerungen oder Regelungen für einen optimierten Betrieb einer einzelnen Windkraftanlage innerhalb eines jeweils betrachteten ultrakurzen Zeitraums von weniger als 20 Sekunden und einem Erfassungsbereich von etwa 200 m (siehe oben). Schließlich werden LIDAR-Messungen auch bei der Projektierung von Windkraftanlagen und bei der Grundlagenforschung für die Entwicklung von Windkraftanlagen verwendet, zum Beispiel zur Validierung numerischer Simulationen der Strömungsverhältnisse sogenannter Wirbelschleppen der Rotorblätter (wake field). Irrespective of this, LIDAR measurements are also used for planning of wind power plants, namely for selecting a location of a wind power plant and / or for location-specific adaptations of the wind power plant. Further applications are a performance monitoring of a wind turbine and controls or arrangements for optimized operation of a single wind turbine within each considered ultrashort period of less than 20 seconds and a detection range of about 200 m (see above). Finally, LIDAR measurements are also used in the design of wind turbines and in basic research for the development of wind turbines, for example for the validation of numerical simulations of the flow conditions of so-called wake wake turbulence.
Der Vorteil des hier vorgeschlagenen Ansatzes besteht darin, dass unter Verwendung eines LIDAR-Systems auch für den für das Kraftwerksmanagement so wesentlichen Zeitbereich von 1–10 Minuten, insbesondere 1–5 Minuten, eine belastbare Aussage hinsichtlich der innerhalb dieses Zeitbereichs zu erwartenden Windverhältnisse und eines daraufhin zu erwartenden Energiebeitrags des Windkraftwerks oder einzelner oder mehrerer davon umfasster Windkraftanlagen ermitteln lässt. The advantage of the approach proposed here is that using a LIDAR system also for the for the Power plant management so essential time range of 1-10 minutes, especially 1-5 minutes, a reliable statement in terms of expected within this time range wind conditions and a subsequently expected energy contribution of the wind power plant or single or multiple wind turbines comprising it can be determined.
Die im Rahmen der Kraftwerkssteuerung verwendeten und von dem LIDAR-System generierten Ausgangssignale können dabei einen ganz unterschiedlichen Informationsinhalt aufweisen. Dies geht von einfachen binären Signalen, die zum Beispiel eine „Änderung der Windverhältnisse innerhalb der nächsten 1–5 Minuten“ anzeigen, bis hin zu konkreten numerischen Schätzwerten, wie zum Beispiel „Änderung der Windverhältnisse in drei Minuten“, „Energiebeitrag erhöht sich um 1 MW/s innerhalb der nächsten 3 Minuten“ oder „Energiebeitrag in Höhe von 8,3 MW in 5 Minuten“. The output signals used as part of the power plant control and generated by the LIDAR system can have a very different information content. This goes from simple binary signals that indicate, for example, a "change in wind conditions within the next 1-5 minutes" to concrete numerical estimates, such as "changing wind conditions in three minutes", "energy contribution increases by 1 MW / s within the next 3 minutes "or" Energy contribution of 8.3 MW in 5 minutes ".
Zur automatischen Generierung eines einfachen binären Signals, das zum Beispiel eine Änderung der Windverhältnisse innerhalb des jeweiligen Vorhersagehorizonts anzeigt, wird zum Beispiel ein vorgegebener oder vorgebbarer Schwellwert verwendet und sobald eine aufgrund einer LIDAR-Messung erwartete zukünftige Windstärke die momentane Windstärke um mehr als den Schwellwert über- oder unterschreitet, wird ein solches Signal erzeugt. Bei einer besonderen Ausführungsform solcher binären Signale wird ein erstes Binärsignal erzeugt, wenn die zukünftige Windstärke die momentane Windstärke um mehr als den Schwellwert überschreitet und ein zweites Binärsignal, wenn die zukünftige Windstärke die momentane Windstärke um mehr als den Schwellwert unterschreitet. Dann kann anhand des jeweiligen Binärsignals unmittelbar eine entsprechende Ansteuerung eines weiteren Energieerzeugers derselben Kraftwerksanlage, also zum Beispiel eines Dieselgenerators, erfolgen. Ein Beispiel für eine derartige Ansteuerung besteht darin, dass bei einem Binärsignal, das eine zukünftige Windstärke anzeigt, welche die momentane Windstärke um mehr als den Schwellwert unterschreitet, der Dieselgenerator gestartet wird, so dass in dem Moment, wenn sich die verringerte Windstärke auf den Energiebeitrag des Windkraftwerks oder einzelner Windkraftanlagen auswirkt, der Dieselgenerator zur Einspeisung der dann fehlenden Energie zur Verfügung steht. For example, to automatically generate a simple binary signal indicating, for example, a change in wind conditions within the respective forecast horizon, a predetermined or predeterminable threshold is used and, as soon as a future wind force expected due to a LIDAR measurement transduces the instantaneous wind force by more than the threshold - or falls below, such a signal is generated. In a particular embodiment of such binary signals, a first binary signal is generated when the future wind strength exceeds the instantaneous wind force by more than the threshold and a second binary signal when the future wind force falls below the instantaneous wind force by more than the threshold. Then, based on the respective binary signal directly a corresponding control of another power generator of the same power plant, so for example a diesel generator done. An example of such a drive is that with a binary signal indicating a future wind speed which is less than the current wind speed by more than the threshold, the diesel generator is started, so that the moment the reduced wind strength affects the energy contribution the wind power plant or individual wind turbines, the diesel generator is available for feeding the then lack of energy.
Je genauer ein auf Basis von LIDAR-Messungen erzeugtes Signal die zukünftigen Windverhältnisse oder davon abhängige Größen (Energiebeitrag pro Zeiteinheit; Energiebeitrag pro Zeitraum absolut; Energiebeitrag ab Zeitpunkt absolut; etc.) wiedergibt, desto spezifischer kann im Rahmen des automatischen Kraftwerksmanagements reagiert werden. Wenn zum Beispiel ein numerischer Schätzwert für einen zukünftig erwarteten verringerten Energiebeitrag zur Verfügung steht, können rechtzeitig vorher eine zur Kompensation des verringerten Energiebeitrags notwendige Anzahl von Dieselgeneratoren oder ein Dieselgenerator mit einer ausreichenden Leistung gestartet oder vergleichbare Maßnahmen ausgelöst werden. The more accurately a signal generated on the basis of LIDAR measurements reflects the future wind conditions or their dependent variables (energy contribution per time unit, energy contribution per period absolute, energy contribution from time to absolute, etc.), the more specific can be reacted in the context of automatic power plant management. If, for example, a numerical estimated value is available for a future expected reduced energy contribution, a number of diesel generators or a diesel generator with sufficient power required to compensate for the reduced energy contribution can be started in good time or comparable measures can be initiated.
Zur Generierung eines auf LIDAR-Messungen basierenden Signals (Steuersignal) ist eine im Folgenden auch als Steuerungseinheit bezeichnete Vorrichtung bestimmt und eingerichtet, die einerseits zumindest ein LIDAR-System zur Generierung von Laserstrahlen und zur Auswertung der in der Atmosphäre reflektierten Anteile der Laserstrahlen nach dem LIDAR-Prinzip und andererseits eine Signalaufbereitungseinheit umfasst. Die Signalaufbereitungseinheit erzeugt zum Beispiel die oben erwähnten Binärsignale und/oder die oben erwähnten numerischen Schätzwerte. In order to generate a signal based on LIDAR measurements (control signal), a device which is also referred to below as the control unit is determined and set up, on the one hand at least one LIDAR system for generating laser beams and for evaluating the portions of the laser beams reflected in the atmosphere according to the LIDAR Principle and on the other hand comprises a signal conditioning unit. The signal conditioning unit generates, for example, the above-mentioned binary signals and / or the above-mentioned numerical estimates.
Bei einer besonderen Ausführungsform kann die Signalaufbereitungseinheit auch einen oder mehrere Filter, zum Beispiel auf Basis neuronaler Netzwerke, genetischer Algorithmen und dergleichen, umfassen, die das oder ein vom LIDAR-System jeweils erhältliches Signal (LIDAR-Signal) zum Beispiel anhand historischer Daten optimieren. Diese Optimierung erfolgt, indem der Filter anhand historischer LIDAR-Signale und zeitlich korrelierter Daten für tatsächliche Windverhältnisse und/oder Energiebeiträge usw. trainiert wird, so dass das von der Steuerungseinheit ausgegebene Steuersignal mit fortschreitendem Training des Filters immer besser die tatsächlichen zukünftigen Verhältnisse repräsentiert. Zusätzlich oder alternativ kann bei einem solchen Filter auch ein Modell berücksichtigt werden, zum Beispiel ein Modell, das die umgebende Topographie und/oder Vegetation, den oder die Orte einer Windkraftanlage oder einzelner Windkraftanlagen, die Effekte einer Abschattung und/oder eine sogenannte CFD-Simulation berücksichtigt. Bei dem Modell kann es sich um ein Modell handeln, dem die jeweils berücksichtigten Randbedingungen in einer eher feinen Auflösung, also zum Beispiel in einem 1 m-, 2 m- oder 5 m-Raster, oder in einer mittleren Auflösung, zum Beispiel einem 100 m-Raster, zugrunde liegen. Weiter zusätzlich oder auch alternativ kann ein solcher Filter auch ein Wettermodell auf einer Makroebene (1–50 km-Raster) berücksichtigen, um die lokalen LIDAR-Messungen mit regionalen langfristigen Wettereffekten zu kombinieren. In a particular embodiment, the signal conditioning unit may also comprise one or more filters, for example based on neuronal networks, genetic algorithms and the like, which optimize the signal or LIDAR signal available from the LIDAR system, for example on the basis of historical data. This optimization is done by training the filter on the basis of historical LIDAR signals and time correlated data for actual wind conditions and / or energy contributions, etc. so that the control signal output by the control unit progressively better represents the actual future conditions as the filter progresses. Additionally or alternatively, such a filter can also take into account a model, for example a model, the surrounding topography and / or vegetation, the location (s) of a wind turbine or individual wind turbines, the effects of shading and / or a so-called CFD simulation considered. The model can be a model that has the respective boundary conditions considered in a rather fine resolution, for example in a 1 m, 2 m or 5 m grid, or in a medium resolution, for example a 100 m-raster, underlying. Additionally or alternatively, such a filter may also take into account a weather model on a macro level (1-50 km grid) to combine the local LIDAR measurements with regional long term weather effects.
Innerhalb des Kraftwerksmanagements fungiert die Steuerungseinheit als Steuerung, die auf Basis eines von der Steuerungseinheit jeweils erzeugten Steuersignals das automatische Zu- oder Abschalten weiterer Energieerzeuger, wie zum Beispiel eines Dieselgenerators oder mehrerer Dieselgeneratoren, bewirkt. Within the power plant management, the control unit acts as a controller which, on the basis of a control signal generated by the control unit, automatically activates or deactivates further energy producers, such as a diesel generator or several diesel generators.
Die Erfindung ist damit ebenfalls eine solche Steuerungseinheit und eine insbesondere in Form von Software vorliegende Implementation des hier und im Folgenden beschriebenen Verfahrens, also ein entsprechendes Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen und ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm, sowie eine Steuerungseinheit mit einer Verarbeitungseinheit in Form von oder nach Art eines Mikroprozessors und einem Speicher, in den ein solches Computerprogramm als Mittel zur Implementation und Ausführung des Verfahrens geladen und durch die Verarbeitungseinheit ausführbar ist und beim Betrieb der Steuerungseinheit durch die Verarbeitungseinheit ausgeführt wird. The invention is thus likewise such a control unit and an implementation of the method described here and hereinafter, in particular in the form of software, ie a corresponding computer program with program code instructions executable by a computer and a storage medium with such a computer program, and a control unit with a processing unit in Form of or in the manner of a microprocessor and a memory in which such a computer program is loaded as means for implementing and executing the method and executable by the processing unit and executed in the operation of the control unit by the processing unit.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Corresponding objects or elements are provided in all figures with the same reference numerals.
Das Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung durchaus auch Ergänzungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen. The embodiment is not to be understood as limiting the invention. Rather, additions and modifications are quite possible in the context of the present disclosure, in particular those, for example, by combination or modification of individual in conjunction with the described in the general or specific description part and in the claims and / or the drawing features or method steps for those skilled in the art with regard to the solution of the problem can be removed and lead by combinable features to a new subject or to new process steps or process steps.
Es zeigen Show it
Aufgrund des Energiebedarfs des oder jedes an die Stromnetzeinheit
Eine solche automatische Einflussnahme auf das Windkraftwerk
Bei dem hier vorgestellten Ansatz für ein optimiertes Kraftwerksmanagement besteht der zentrale Aspekt darin, dass die Steuerungseinheit
Dazu umfasst die Steuerungseinheit
Die Signalaufbereitungseinheit
Neben solchen zu Erläuterungszwecken gewählten, einfachen Ausgangssignalen, wie zum Beispiel den erwähnten Binärsignalen
- – bei einem zum Beispiel eine prozentuale Abnahme der Windstärke kodierenden LIDAR-Signal wird auf Basis des LIDAR-Signals oder einer auf Basis des LIDAR-Signal ermittelten erwarteten Energiemenge ein Zeitpunkt zum Aktivieren eines Dieselgenerators oder dergleichen ermittelt;
- – und/oder bei einem zum Beispiel eine prozentuale Abnahme der Windstärke kodierenden LIDAR-Signal wird auf Basis des LIDAR-Signals oder einer auf Basis des LIDAR-Signal ermittelten erwarteten Energiemenge eine notwendige Energiemenge und eine zum Einspeisen der notwendigen Energiemenge erforderliche Anzahl von zum Beispiel Dieselgeneratoren ermittelt und der oder jeder Dieselgenerator wird gestartet;
- – und/oder bei einem zum Beispiel eine prozentuale Abnahme der Windstärke kodierenden LIDAR-Signal werden auf Basis des LIDAR-Signals eine minimal notwendige Reserveenergiemenge und/oder eine minimal notwendige Schwungmasse und auf deren Basis bevorzugte Betriebsmodi (netzgeführt, netzbildend, aus) von in
der Stromnetzeinheit 10 vorhandenen Umrichtern von zum Beispiel Photovoltaikanlagen oder Batterieanlagen ermittelt, um einen kostenoptimalen Betrieb bezüglich eines Hilfsenergieverbrauchs und/oder einer Komponentenalterung zu erreichen.
- - For example, in a LIDAR signal encoding a percentage decrease in wind force, a time to activate a diesel generator or the like is determined based on the LIDAR signal or an expected amount of energy determined based on the LIDAR signal;
- - And / or at a, for example, a percentage decrease in the wind force encoding LIDAR signal is based on the LIDAR signal or on the basis of the LIDAR signal determined amount of energy required amount of energy and a number required for feeding the necessary amount of energy, for example Diesel generators determined and the or each diesel generator is started;
- - And / or at a, for example, a percentage decrease in the wind force encoding LIDAR signal based on the LIDAR signal a minimum amount of reserve energy required and / or a minimum necessary flywheel and based on their preferred operating modes (network-guided, network-forming, off) of in the
power grid unit 10 existing converters of, for example, photovoltaic systems or battery systems determined in order to achieve a cost-optimal operation in terms of auxiliary power consumption and / or component aging.
Die Darstellungen in
Die Darstellung in
In der obersten Darstellung in
Mit dem hier vorgestellten Konzept gelingt mittels des LIDAR-Systems
Die Darstellung in
Alternativ umfasst die Optimierungseinheit
Auf Basis von LIDAR-Signalen
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. While the invention has been further illustrated and described in detail by the exemplary embodiment, the invention is not limited by the disclosed or disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Vorgeschlagen werden die Verwendung eines LIDAR-Systems
Messungen auf Basis eines LIDAR-Systems
Wesentliche Vorteile des hier beschriebenen Ansatzes bestehen speziell in der Möglichkeit der Verringerung der laufenden Betriebskosten (OPEX), weil weitere Energieerzeuger
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- Stromnetzeinheit Mains unit
- 12 12
- Windkraftwerk Wind power plant
- 14 14
- Energieerzeuger / Dieselgenerator Power generator / diesel generator
- 16 16
- Verbraucher consumer
- 18 18
- Steuerungseinheit control unit
- 20 20
- LIDAR-System LIDAR system
- 22 22
- Signalaufbereitungseinheit Signal conditioning unit
- 24 24
- LIDAR-Signal LIDAR signal
- 26 26
- (erstes) Binärsignal (first) binary signal
- 28 28
- (zweites) Binärsignal (second) binary signal
- 30 30
- Steuersignal control signal
- 32 32
- Windstärkesignal Wind strength signal
- 34 34
- Schwellwert threshold
- 36 36
- Strahl, Laserstrahl Beam, laser beam
- 38 38
- Aerosol aerosol
- 40 40
- reflektierter Strahl reflected beam
- 42 42
- Graph (der Windgeschwindigkeit) Graph (the wind speed)
- 44 44
- Optimierungseinheit optimization unit
- 46 46
- Daten / historische Daten Data / historical data
- 48 48
- (frei) (free)
- 50 50
- Zelle (eines meso-skalischen Modells) Cell (of a meso-scaled model)
- 52 52
- Zelle (eines marko-skalischen Modells) Cell (of a marko-scale model)
- 54 54
- Windbarriere/ Waldstück Wind barrier / woodland
- 56 56
- Flusslinie flow line
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