DE102016007098A1

DE102016007098A1 - Windpark mit schneller Reaktion auf Netzparameteränderungen und Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE102016007098A1
Application number: DE102016007098.6A
Authority: DE
Inventors: Jens Geisler; Tobias Koestl; Steffen Pingel; Franziska Schaube; Thomas Schröter; Matthias Seidel
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2017-12-14

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Windparks umfassend einen Parkmaster (5), ein Parknetz (3) und mehrere Windenergieanlagen (1). Der Parkmaster (5) gibt Sollwertvorgaben an Lokalregler der Windenergieanlagen (1) aus. Es wird ein Momentanparameter des Netzes (z. B. Frequenz) sowohl am Parkmaster (5) wie auch an den Windenergieanlagen überwacht (1). Bei erkannter Änderung des Momentanparameters erfolgt ein autonomes, verteiltes Generieren veränderter Wirkleistungssollwerte lokal in den Windenergieanlagen (1) und zugleich Bestimmen eines Modifizierwerts für die Parkwirkleistung zentral im Parkmaster (5). Da die Windenergieanlagen (1) autonom auf die Änderung reagieren, ist ihre Reaktion sehr schnell; sie braucht aber nicht präzise zu sein. Der Parkmaster (5) überwacht die Sofort-Reaktion der Windenergieanlagen (1) und vergleicht sie mit einer gewünschten Reaktion des gesamten Windparks unter Berücksichtigung des Modifizierwerts, und gibt einen Korrekturwert an die Windenergieanlagen (1) aus. Somit verknüpft die Erfindung äußerst schnelle Reaktion mit Präzision.

Description

Die Erfindung betrifft einen Windpark sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Windparks zur schnellen Reaktion auf Netzparameteränderungen. Der Windpark umfasst einen Parkmaster, ein Parknetz und mehrere Windenergieanlagen zur Abgabe elektrischer Leistung in ein Netz. Der Parkmaster umfasst einen Leistungsregler, der Sollwertvorgaben für die Windenergieanlagen ausgibt. Die Windenergieanlagen haben jeweils einen Lokalregler, der auf einen Generator mit Umrichter wirkt. Netzparameter werden sowohl am Parkmaster wie auch an den Windenergieanlagen überwacht.
Der Einfluss von Windparks auf das Verhalten von Übertragungsnetzen wird aufgrund von zunehmender Anzahl wie auch Größe der Windparks immer größer. Die Betreiber von Übertragungsnetzen gehen daher dazu über, auch von den Windparks Beiträge zur Gewährleistung der Sicherheit und Stabilität des Übertragungsnetzes zu verlangen. Es werden zusehends strengere Anforderungen an die Windenergieanlagen erhoben, damit diese netzstützend wirken können. Eine geforderte Maßnahme ist die Wirkleistungsmodulation bei Frequenzänderungen. Neben Anforderungen, die auf eine kurzfristige Erhöhung der Wirkleistung bei Unterschreiten einer Frequenzschwelle zielen, wird eine frequenzabhängige Wirkleistungsmodulation angefragt. Aus Stabilitätsgründen ist hierbei, insbesondere auch für letztgenannte Maßnahme, eine möglichst geringe Verzögerungszeit anzustreben.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, dass die Windenergieanlagen autark auf Parameteränderungen (bspw. Frequenzänderungen) reagieren. Jedoch hat dies den Nachteil, dass dann die Windenergieanlagen nicht abgestimmt reagieren, sodass die Gesamtreaktion des Windparks nicht hinreichend kontrolliert ist, obwohl die Anforderungen meist in Bezug auf den Netzverknüpfungspunkt des Windparks definiert werden. Bei einer übergeordneten Regelung kann hingegen wegen unvermeidbarer Kommunikationsverzögerung im Windpark mit den über den Windpark verteilten Windenergieanlagen keine hinreichend schnelle Antwort auf Parameteränderungen am Netzanschlusspunkt erzielt werden. So kann insbesondere eine schnelle Reaktion auf Frequenzänderungen, die eine Änderung der Leistungseinspeisung durch die Windenergieanlagen verlangt, nicht hinreichend schnell zu den Windenergieanlagen kommuniziert werden. Es besteht also ein Zielkonflikt dahingehend, dass die Ausregelung bei Parameteränderungen, wie Frequenzänderungen, entweder nicht ausreichend schnell oder nicht ausreichend genau ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und einen entsprechenden Windpark anzugeben, womit dieser Zielkonflikt behoben oder zumindest verringert wird.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Windparks umfassend einen Parkmaster, ein Parknetz und mehrere Windenergieanlagen zur Abgabe elektrischer Leistung in ein Netz, die eine Parkwirkleistung umfasst, wobei der Parkmaster einen Leistungsregler aufweist mit einem Eingang für eine Parksollleistung und mit einem Ausgang, aus dem mindestens eine Sollwertvorgabe für die Windenergieanlagen abgegeben wird, die Windenergieanlagen jeweils einen von einem Windrotor angetriebenen Generator mit Umrichter und einem Lokalregler zur Leistungsregelung aufweisen, wobei die Sollwertvorgabe an einem Eingang des Lokalreglers angelegt ist und der Lokalregler auf den Umrichter der Windenergieanlage wirkt, umfassend ein Vorgeben von Sollwerten für die von der jeweiligen Windenergieanlage abzugebenden Leistung von dem Leistungsregler des Parkmasters an die Lokalregler und Überwachen eines Momentanparameters des Netzes sowohl am Parkmaster wie auch an der Windenergieanlage, ist erfindungsgemäß vorgesehen bei erkannter Änderung des Momentanparameters ein autonomes, verteiltes Generieren veränderter Wirkleistungs-Sollwerte lokal in den Windenergieanlagen und zugleich Bestimmen eines Modifizierwerts für die Parkwirkleistung zentral durch den Parkmaster, mit den Schritten:
autonomes Modifizieren der Wirkleistungsabgabe durch die jeweilige Windenergieanlage, zentrales Vergleichen der tatsächlichen Wirkleistungsabgabe des Windparks mit der Parksollwirkleistung unter zusätzlicher Berücksichtigung des Modifizierwerts, und Korrigieren der Sollwerte für die Windenergieanlagen durch den Parkmaster.
Zuerst seien einige verwendete Begriffe erläutert:
Unter einem verteilten Generieren wird verstanden, dass die Windenergieanlagen und der Parkmaster jeweils für sich autark neue Sollwerte generieren, also ohne auf gegenseitige Kommunikation angewiesen zu sein („kommunikationslos”). Bereits vorhandene Sollwerte werden somit verändert („moduliert”).
Unter einem Momentanparameter des Netzes wird ein vom Netz auf den Windpark aufgeprägter, veränderlicher Parameter des Netzes verstanden. Hierbei kann es sich beispielsweise um die Netzfrequenz handeln.
Die Änderung kann sowohl absolut wie auch relativ bestimmt sein. Insbesondere soll der Begriff der Änderung auch eine Änderungsrate umfassen. Zweckmäßigerweise wird die Änderung bzw. Änderungsrate hinsichtlich des Überschreitens eines vorgebbaren Grenzwerts geprüft, und es wird erst dann reagiert, wenn eine Überschreitung erkannt wurde.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass die Reaktion des Windparks auf die Änderung des Momentanparameters des Netzes teilweise durch den Parkmaster und teilweise autonom durch die Windenergieanlage erfolgt, wobei das Antwortverhalten vom Parkmaster und Windenergieanlage planmäßig aufeinander abgestimmt ist. Die Erfindung sieht dazu im Kern eine verteilte Sollwertgenerierung vor. Dabei generieren die Windenergieanlagen ihre Reaktion auf die Änderung des Momentanparameters selbst, wobei diese Reaktion sowohl autonom ist aber auch nur ungefähr für den Netzverknüpfungspunkt des Windparks passen muss („sofortige autonome Grobreaktion”). Das bedeutet, dass es wichtig ist, dass die Reaktion der Windenergieanlage sehr schnell erfolgt (d. h. nicht gewartet werden muss auf externe Anweisung), sie dafür aber nicht präzise zu sein braucht. Denn, und das ist die andere Seite der Aufteilung, die Abweichung der sich so ergebenden summierten Sofort-Reaktion der Windenergieanlagen zur tatsächlich gewünschten Reaktion des gesamten Windparks wird vom Parkmaster ermittelt und durch einen Korrekturwert, der an die Windenergieanlagen übermittelt wird, ausgeglichen („zentrale Feinregelung”). Somit verknüpft die Erfindung schnelle Reaktion mit Präzision.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren der verteilten Sollwertgenerierung weist beträchtliche Vorteile auf. Zum einen können somit die einzelnen Windenergieanlagen auch ohne Vorgaben vom Parkmaster ihren Beitrag zum gewünschten Antwortverhalten auf die Änderung des Momentanparameters beitragen. Eine Kommunikation zwischen Parkmaster und Windenergieanlage ist dazu nicht erforderlich. Damit kann die Reaktion sehr schnell erfolgen. Außerdem ist dieses Verfahren robust gegenüber Kommunikationsstörungen. Ferner können keine Probleme bei der Überblendung zwischen der kurzfristigen Antwort der Windenergieanlage und der stationären Antwort des Parkmasters insgesamt auftreten, da dies allein vom Parkmaster verantwortet wird.
Zweckmäßigerweise wird dazu in mindestens einem der beiden, dem Leistungsregler des Parkmasters beziehungsweise dem Lokalregler der Windenergieanlage, ein Prädiktor verwendet, in dem vorzugsweise das erwartete Antwortverhalten auf Änderungen des Momentanparameters implementiert ist. Besonders bevorzugt ist für das Verfahren, wenn der Momentanparameter die Netzfrequenz ist und der Leistungsregler ein Wirkleistungsregler ist. Indem dann die Windenergieanlagen eigenständig eine Frequenzmessung vornehmen und somit Frequenzänderungen autark erkennen können, können sie bei erkannter Änderung den – an sich vom Parkmaster vorgegebenen – Wirkleistungssollwert selbstständig um die gewünschte, von der Frequenz abhängige Änderung anpassen. Die gewünschte Änderung ist hierbei diejenige, wie sie vom Parkmaster im Prinzip (nach einiger Zeit, also quasi stationär) eingestellt würde. Sie wird zweckmäßigerweise im Lokalregler der Windenergieanlage unter Berücksichtigung des Prädiktors für das entsprechende Verhalten des Parkmasters generiert. Die Abweichung zwischen diesem von den Windenergieanlagen sozusagen vorgesteuerten Anteil der Reaktion und der tatsächlich am Anschlusspunkt des Windparks gewünschten und gemessenen Reaktion wird von dem Parkmaster durch eine Anpassung des Sollwerts ausgeglichen, wobei die vorab autonome durchgeführte Reaktion der Windenergieanlagen explizit berücksichtigt wird.
Den Anteil, den jede Windenergieanlage an der vom gesamten Windpark geforderten Änderung erbringt, kann zweckmäßigerweise durch einen wählbaren Verstärkungsfaktor berücksichtigt werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Verstärkungsfaktor den Anteil der jeweiligen Windenergieanlage an der Leistungserzeugung des Windparks darstellt. Hierzu kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass der Anteilsfaktor vom Parkmaster bestimmt und an die einzelnen Windenergieanlagen übermittelt wird, wobei der Anteilsfaktor dann vorzugsweise in der jeweiligen Windenergieanlage gespeichert wird. Damit kann auch bei Ausfall der Kommunikationsverbindung beziehungsweise in zeitkritischen Fällen auf den zuletzt eingespeicherten Anteilsfaktor zurückgegriffen werden. Im Grundsatz genügt es, dass der Anteilsfaktor statisch bestimmt ist, beispielsweise anhand der Nennleistung der jeweiligen Windenergieanlage bezogen auf die Gesamtleistung des Windparks. Vorzugsweise kann aber vorgesehen sein, dass der Anteilsfaktor dynamisch bestimmt ist, zweckmäßigerweise anhand der abgegebenen Leistung der Windenergieanlage. Damit kann berücksichtigt werden, dass mit mehr Leistung laufende Windenergieanlagen einen größeren Beitrag liefern können. Zweckmäßigerweise ist ferner vorgesehen, dass der Parkmaster bei der Bestimmung des Anteilsfaktors nur die aktiven Windenergieanlagen des Windparks berücksichtigt. Das ist insbesondere bei ausgedehnten Windparks von Vorteil, bei denen Windenergieanlagen durch die über die Fläche des Windparks hinweg variierenden Wetterbedingungen inaktiv sind oder durch Wartung oder andere Ereignisse nicht betrieben werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Anteilsfaktor abhängig von der Regelreserve der jeweiligen Windenergieanlage bestimmt wird. Hierzu erfasst der Parkmaster die Regelreserve aller aktiven Anlagen (in vielen Fällen genügt eine Schätzung). Damit kann berücksichtigt werden, dass gewisse Windenergieanlagen beispielsweise aufgrund schlechterer Windverhältnisse bereits ihre maximal mögliche Leistung abgeben oder schon eine untere Grenze erreicht haben und somit keine Reserve mehr haben, sodass im Bedarfsfall die Reaktion der übrigen Windenergieanlagen, die noch eine Reserve haben, entsprechend größer ausfallen muss. Damit ist das Verfahren robust auch bei wechselnden Windbedingungen. Vorzugsweise wird diese Anpassung der Anteilsfaktoren durch den Parkmaster getrennt für positive und negative Änderungen vorgenommen. Damit wird berücksichtig, dass insbesondere auch die Regelreserve meist unterschiedlich für positive und negative Änderungen ausfällt. Damit kann insgesamt eine wesentliche feinfühligere Reaktion des Windparks erfolgen.
Es hat sich bewährt, dass das autonome Modifizieren durch die Windenergieanlagen eine Störgrößenaufschaltung umfasst. Es kann so auf regeltechnisch elegante Weise eine schnelle Reaktion der Windenergieanlagen erreicht werden. Diese ist zwar nicht zwingend stationär genau, jedoch ist dies wegen der erfindungsgemäßen verteilten Sollwertgenerierung auch nicht erforderlich, da dies ohnehin vom Parkmaster übernommen wird.
Die korrigierten Sollwerte des Parkmasters sind vorzugsweise so bestimmt, dass eine stationär möglichst genaue Regelung der Leistungsabgabe insgesamt bewirkt wird.
Der auf den Umrichter der Windenergieanlage wirkende Lokalregler ist zweckmäßigerweise als ein Leistungsregler ausgeführt, kann aber auch als ein Drehmomentregler ausgeführt sein. Letzteres bietet den Vorteil einer unmittelbareren Steuerung des Generators über den Umrichter.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf einen Windpark umfassend einen Parkmaster, ein Parknetz und mehrere Windenergieanlagen zur Abgabe elektrischer Leistung an ein Netz, die eine Parkwirkleistung umfasst, wobei der Parkmaster einen Leistungsregler aufweist mit einem Eingang für eine Parksollleistung und mit einem Ausgang, aus dem mindestens eine Sollwertvorgabe für die Windenergieanlagen abgegeben wird, und die Windenergieanlagen jeweils einen von einem Windrotor angetriebenen Generator mit Umrichter und einem Lokalregler aufweisen, wobei die Sollwertvorgabe an einem Eingang des Lokalreglers angelegt ist und der Lokalregler auf den Umrichter der Windenergieanlage wirkt, wobei Momentanparameter des Netzes am Parkmaster und an den Windenergieanlagen überwacht werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Lokalregler mit einem autonomen lokalen Sollwertmodulator zusammenwirkt, der dazu ausgebildet ist, abhängig von der lokal erkannten Änderung des Momentanparameters die Leistungsabgabe der jeweiligen Windenergieanlage zu modifizieren, der Parkmaster einen eigenen zentralen Sollwertmodulator aufweist, der dazu ausgebildet ist, auf Basis der von ihm zentral erkannten Änderung des Momentanparameters einen Modifizierwert für die Parkwirkleistung zu generieren und ihn mit der tatsächlichen Leistungsabgabe des Windparks unter Berücksichtigung des Modifizierwerts zu vergleichen, und der mit dem Leistungsregler des Parkmasters so zusammenwirkt, dass abhängig von der detektierten Änderung die Sollwerte korrigiert und an die Windenergieanlagen ausgegeben werden. Zur näheren Erläuterung wird auf vorstehende Beschreibung verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele angegeben sind. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Windparks gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 Blockdiagramme zu einem Parkregler und einem Lokalregler einer Windenergieanlage des Windparks;
3 eine beispielhafte Kennlinie eines Prädiktors;
4 Diagramme zum Zeitverlauf einiger Parameter bei einem Frequenzanstieg;
5 ein Blockdiagramm zu einer alternativen Ausführung des Leistungsreglers des Parkmasters;
6 ein Detail zu dem Lokalregler der Windenergieanlage;
7 eine Variante für den Lokalregler der Windenergieanlage; und
8 eine weitere Variante zu dem Leistungsregler des Parkmasters.
Ein Windpark gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst mehrere Windenergieanlagen 1 zur Erzeugung elektrischer Energie, die über ein parkinternes Netz 3 und einen Verknüpfungspunkt 39 (sogenannter Point of Common Coupling – PCC) an ein Übertragungsnetz 99 angeschlossen sind. Der Windpark umfasst ferner einen Parkmaster 5 zur Kontrolle des Betriebs der Windenergieanlagen 1, der über ein Kommunikationsnetz 35 mit Betriebssteuerungen 2 der einzelnen Windenergieanlagen 1 verbunden ist. An dem Verknüpfungspunkt 39 sind Messstellen 30, 31 für Strom und Spannung angeordnet. Aus diesen Signalen werden mittels einer Messschaltung 32 Signale für die Frequenz im Parknetz 3 sowie für die vom Parknetz 3 über den Verknüpfungspunkt 39 an das Netz 99 abgegebene Leistung (Windpark-Leistung) bestimmt und als Eingangssignale an den Parkmaster 5 angelegt. Ist, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, ein Parktransformator 38 vorgesehen, so ist er im Parknetz 3 angeordnet, und zwar windenergieanlagenseitig von den Messeinrichtungen 30, 31.
Die Windenergieanlagen 1 umfassen jeweils einen Turm 10, an dessen oberen Ende eine Gondel 11 in Azimutrichtung schwenkbar angeordnet ist. Sie weist an ihrer einen Stirnseite einen drehbar angeordneten Windrotor 12 auf, der über eine (nicht dargestellte) Rotorwelle einen Generator 13 in der Gondel 11 der Windenergieanlage 1 antreibt. Der Generator 13 wirkt mit einem Umrichter 14 zusammen und wandelt die von dem Windrotor 12 zugeführte mechanische Leistung in elektrische Leistung um. Sie wird über (nicht dargestellte) Leitungen an eine Anschlussleitung 16 übertragen, über welche die Leistung in das Parknetz eingespeist wird. An der Anschlussleitung 16 sind Sensoren 18, 19 für Spannung und Strom angeordnet. Sie sind mit einer Lokalmesseinrichtung 17 verbunden, welche daraus Signale für die Frequenz f_a,WT des parkinternen Netzes 3 an der Windenergieanlage 1 und für die von der jeweiligen Windenergieanlage eingespeisten Leistung P_i erzeugt und an der Betriebssteuerung 2 der Windenergieanlage 1 anlegt. Der Betrieb der Windenergieanlage insgesamt und insbesondere deren Leistungseinspeisung wird von der Betriebssteuerung 2 überwacht und kontrolliert. Ferner ermittelt sie Betriebsdaten und übermittelt diese, insbesondere die von der Windenergieanlage 1 abgegebene Leistung, über das parkinterne Kommunikationsnetz 35 an den Parkmaster 5. Umgekehrt erhält die Betriebssteuerung 2 der jeweiligen Windenergieanlage 1 vom Parkmaster 5 über das Kommunikationsnetz 35 Sollwertvorgaben p_s für die von der jeweiligen Windenergieanlage als abzugebende Leistung. Die Betriebssteuerung 2 kontrolliert über die Ansteuerung des Umrichters 14 die von der Windenergieanlage 1 an das Parknetz 3 abgegebene Leistung. Hierzu ist für die Regelung der von der Windenergieanlage 1 abgegebenen Wirkleistung ein Lokalregler 20 an der Betriebssteuerung 2 vorgesehen.
Es wird nun unter Bezug auf die obere Bildhälfte in 2 der Aufbau des Leistungsreglers 50 des Parkmasters 5 erläutert. An einem Eingang des Leistungsreglers 50 ist ein Sollwertsignal 59 für eine Sollwertvorgabe für die Leistungseinspeisung des Windparks angelegt. Das in der Regel von einer übergeordneten Instanz, insbesondere einem Netzbetreiber, stammende Signal ist vorliegend als P_s,WP bezeichnet. Es ist an einem positiven Eingang eines Differenzglieds 52 angeschlossen. An dessen anderen, negativen Eingang ist über ein Summationsglied 77, welches später näher erläutert wird, als weiteres Eingangssignal 53 das Signal für die von dem Windpark tatsächlich abgegebenen Leistung P_a,WP angelegt. Daraus bildet das Differenzglied 52 eine Regeldifferenz, welches als Eingangssignal an einen Regelkern 51 des Leistungsreglers 50 des Parkmasters 5 angelegt ist. Der Regelkern 51 ist vorzugsweise in dem Fachmann an sich bekannter Weise als ein PI-Regler ausgeführt (es kann aber auch eine andere Reglertopologie vorgesehen sein). Das Ausgangssignal des Reglerkerns 51 ist P_s, welches von einer (optionalen) Distributionseinheit 55 aufgespalten wird in einzelne Sollwertsignale P_si für die einzelnen Windenergieanlagen 1.
Es wird nunmehr Bezug genommen auf 2, und zwar der untere Bildbereich. Dort ist die lokale Regelung an der jeweiligen Windenergieanlage 1 dargestellt. Der Lokalregler 20 umfasst einen eigentlichen Regelkern 21, in dem der eigentliche Wirkleistungsregler implementiert ist (dessen Ausführung ist dem Fachmann an sich bekannt und braucht daher nicht weiter erläutert zu werden). Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich hauptsächlich auf eine Ausführung als (Wirk-)Leistungsregler, sie gelten aber entsprechend auch für eine Ausführung als Drehmomentregler, sofern nicht anders beschrieben. Er wirkt mit seinem Ausgang auf den Umrichter 14 der Windenergieanlage. An den Eingang des Reglerkerns 21 ist ein Differenzglied 22 angeschlossen, das ein Signal für eine Wirkleistungsdifferenz bildet. Das weist einen positiven und einen negativen Eingang auf. An dem positiven Eingang ist ein Signal für eine (modifizierte) Sollleistungsvorgabe P_{_si} angelegt, während an dem negativen Eingang das von der Lokalmesseinrichtung 17 bestimmte Signal für die von der jeweiligen Windenergieanlage 1 tatsächlich abgegebene Wirkleistung P_i angelegt ist. Die daraus gebildete Differenz wird als Eingangssignal an den Reglerkern 21 angelegt. Die modifizierte Sollwertvorgabe P_{_si} stammt von einem Summationsglied 48, an dessen einen Eingang ein von dem Parkmaster, genauer gesagt einem Leistungsregler 50 des Parkmasters 5 ausgegebenes grundlegendes Sollwertsignal P_si für die von der jeweiligen Windenergieanlage abzugebende Leistung angelegt ist.
Es wird nunmehr die erfindungsgemäße Modifizierung des Sollwertsignals erläutert. Als Momentanparameter fungiert die Netzfrequenz im Parknetz 3 und am Verknüpfungspunkt 39. Die Windenergieanlage 1 weist lokal jeweils einen Sollwertmodulator 4 auf. An einem Eingang 40 des Sollwertmodulators 4 ist ein Sollwert für die Frequenz angelegt (f_s,wt). Dieser Sollwert ist an dem positiven Eingang eines Differenzglieds 42 angelegt. An dessen anderen, negativen Eingang 41 ist ein Signal für die tatsächlich an der Windenergieanlage 1 gemessene Netzfrequenz angelegt (f_a,wt). Dieses Signal ist durch eine Lokalmesseinrichtung 17 der Windenergieanlage 1 gebildet, an die Strom- und Spannungssensoren 18, 19 angeschlossen sind. Von dem Differenzglied 42 wird als Referenz ein Frequenzfehlersignal Δf_wt gebildet. Es ist als Eingangssignal einem autonomen Prädiktor 6 zugeführt. In ihm ist das erwünschte Verhalten des Windparks implementiert. Ein Beispiel für das erwünschte Verhalten ist eine Kennlinie, wie in 3 abgebildet. Es wird somit anhand des Prädiktors 6 aus dem erkannten Signal für die Frequenzabweichung Δf_wt an der jeweiligen Windenergieanlage ein Signal für eine erwartete stationäre Leistungsänderung ΔP(f) gebildet und am Ausgang 66 ausgegeben und an einem zweiten Eingang des Summationsglieds 48 angelegt. Hierdurch wird der von dem Leistungsregler 50 des Parkmasters 5 an die einzelne Windenergieanlage 1 gelieferte Sollwert für die von der einzelnen Windenergieanlage abzugebende Wirkleistung P_si modifiziert, und somit der modifizierte Leistungssollwert P_{_si} gebildet. Dieser Wert wird schließlich an den lokalen Leistungsregler 20 der Windenergieanlage 1 angelegt.
Erfindungsgemäß weist der Parkmaster 5 an seinem Leistungsregler 50 ebenfalls eine Einrichtung auf, um den Momentanparameter, hier die Frequenz, zu überwachen und entsprechend bei Änderungen zu reagieren. Dazu weist der Parkmaster 5 einen zentralen Sollwertmodulator 7 auf. Er ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ähnlich aufgebaut wie der lokale Sollwertmodulator 4 der Windenergieanlage 1. Er weist einen ersten Eingang 70 für eine Sollfrequenz am Verknüpfungspunkt f_s,wp sowie einen zweiten Eingang 71 für eine am Verknüpfungspunkt gemessene tatsächliche Frequenz f_a,wp auf. Beide Eingänge sind geführt auf ein Differenzglied 72, welches als sein Ausgangssignal ein Maß für eine Frequenzabweichung Δf_wp bereitstellt. Dieses ist angelegt als ein Eingangssignal an einen zentralen Prädiktor 8 für das Verhalten der einzelnen Windenergieanlagen bei Frequenzänderungen. Dies ist in 3 durch eine Kennlinie P(f) für eine gewünschte von der Frequenz abhängige Leistungsabgabe symbolisiert. Somit wird mittels des zentralen Prädiktors 8 aus dem zentral erkannten Wert für die Frequenzabweichung Δf_wp ein zentraler Korrekturwert für die Leistungsabgabe des Windparks ΔP(f) gebildet. Dieser wird an einem Eingang eines Korrekturglieds 77 ausgegeben. Es ist als ein Differenzenglied ausgeführt, an dessen anderen (positiven) Eingang 53 ein Signal für die tatsächlich von dem Windpark insgesamt abgegebene Leistung P_a,wp angelegt ist. Dieses Signal ist gebildet von der Signalverarbeitungseinrichtung 32, an welche Spannungs- und Strommesseinrichtungen 30, 31 für den Verknüpfungspunkt 39 angeschlossen sind. Es wird hieraus das Signal für die tatsächlich von dem Windpark eingespeiste Leistung P_a,wp und ein Signal für die gemessene Frequenz f_a,wp gebildet. Letzteres wird als Signal an den Eingang 71 ausgegeben. Das Korrekturglied 77 bildet somit abhängig von dem von dem zentralen Prädiktor 8 ermittelten Wert eine Modifizierung des Messsignals für die tatsächlich abgegebene Leistung, und legt diesen modifizierten Wert als modifizierten Ist-Wert an die Summationsstelle 52 am Eingang des zentralen Leistungsreglers 50 an.
Ein Beispiel für die Kennlinie, wie sie lokal an der Windenergieanlage 1 implementiert ist, ist in 3 dargestellt. Liegt die gemessene Frequenz im Bereich der Sollfrequenz (hier 50 Hertz), so besteht kein Bedarf für eine Leistungsmodifizierung, das heißt ΔP = 0. Das gleiche gilt für einen Toleranzbereich von +/–0,2 Hertz um die Sollfrequenz. Ist die detektierte Frequenzabweichung Δf_wt größer, so wird anhand der Kennlinie ein entsprechender Wert ΔP bestimmt, mit dem die Sollwertvorgabe modifiziert wird. Beispielsweise ist bei einer Überfrequenz von f = 51 Hertz ein Wert von ΔP von –0,044 p. u. bestimmt. Es wäre also in diesem Fall für die von dem Parkmaster 5 an die Windenergieanlage 1 übermittelte Sollwertvorgabe für die normierte Leistungsabgabe P_si eine Verringerung um 0,044 p. u. zu erwarten. Dieser autonom ermittelte Wert dient zur sofortigen lokalen Modifizierung der lokalen Leistungsregelung 20. Somit kann die Windenergieanlage 1 bei erkannter Frequenzänderung lokal schnell durch eine Änderung der Leistungsabgabe reagieren, ohne dass dazu eine Kommunikation mit dem Parkmaster 5 erforderlich ist.
Vorzugsweise ist der im Parkmaster 5 implementierte Sollwertmodulator 7 so ausgeführt, dass er erweitert ist um ein optionales Modell 80 für das dynamische Verhalten der Windenergieanlage. Damit kann der Parkmaster 5 selbst zentral das Verhalten der Windenergieanlagen 1 bei Frequenzänderungen bestimmen, und zwar ohne auf Kommunikation mit den Windenergieanlagen 1 angewiesen zu sein. Da der Parkmaster somit sozusagen „weiß”, wie die dynamischen Reaktionen der Windenergieanlagen 1 ausfallen werden, kann er entsprechend handeln, ohne auf Kommunikation mit den Windenergieanlagen angewiesen zu sein.
Mit der Kombination dieser Reaktion am Parkmaster 5 zusammen mit der sofortigen autonomen Reaktion ist somit eine sowohl schnelle Reaktion gewährleistet, die auch zudem stationär genau ist. Dies ist in den 4a–e dargestellt.
In den 4a–e ist das erfindungsgemäße Verhalten (durchgezogene Linie) des Windparks mit den Windenergieanlagen 1 im Vergleich zum Stand der Technik (gestrichelte Linie) dargestellt. Es sei angenommen, dass zum Zeitpunkt t = 1 ein Frequenzanstieg auf einen Wert f = 52 Hertz auftritt (s. 4a). Der in dem Sollwertmodulator 4 der Windenergieanlage 1 beziehungsweise in dem zentralen Sollwertmodulator 7 des Parkmasters 5 implementierte Prädiktor 6 bzw. 8 sieht für den Fall eines solchen Frequenzanstiegs eine Reduktion der Leistungsabgabe um einen Wert ΔP(f) = –0,1 p. u. vor (vgl. Kennlinie in 3). Ausgehend von einem vorherigen Betrieb des Windparks mit voller Leistung verringert sich somit der modifizierte Wert am Eingang des zentralen Leistungsreglers 50. Der zentrale Leistungsregler beginnt daraufhin, den an die Anlagen verschickten Sollwert P_si (Signal 81) ausgehend von dem normierten Vollleistungswert bei 1,0 p. u. auf den modifizierten Wert von 0,9 p. u. abzusenken (siehe 4c). Erfindungsgemäß beginnen nun gleichzeitig auch die Windenergieanlagen 1 mit der eigenständigen Modifikation ihres lokalen Sollwertes P _si (Signal 49, abgebildet in 4d) und der Parkmaster 5 kann seine eigene Vorgabe wieder zurückfahren. Man erkennt, dass der Sollwert an dem lokalen Leistungsregler 20 der jeweiligen Windenergieanlage nunmehr sofort reagiert und deutlich schneller auf den neuen Wert von 0,9 p. u. zustrebt, als es im dargestellten Stand der Technik der Fall ist (siehe 4d). Zum einen erfolgt die Reaktion deutlich schneller, da keine Signalübertragungszeit zur Übermittlung eines neuen Sollwerts an die Windenergieanlage abgewartet zu werden braucht (siehe Zeitversatz von Δt = 0,3 zwischen der durchgezogenen Kurve und der gestrichelten Kurve beim Verlassen der Abszisse). Ferner erreicht die erfindungsgemäße Windenergieanlage 1 durch den Prädiktor 6 praktisch sofort jedenfalls ungefähr ihren neuen Sollwert, während im dargestellten Stand der Technik zuerst überhaupt keine Reaktion kommt, und wenn sie denn eintritt, dann initial auch nur halb so groß ausfällt wie gemäß der Erfindung.
In 4e ist dargestellt die tatsächlich von der Windenergieanlage 1 abgegebene Leistung (die aufsummiert der von dem Windpark insgesamt abgegebenen Leistung entspricht). Wie bereits bei dem Sollwertverhalten gemäß 4d zu erwarten war, reagiert die Erfindung schneller, nämlich praktisch sofort mit einer Reduzierung der Leistungseinspeisung. Sie beginnt nicht nur sofort, sondern strebt auch deutlich schneller auf den neuen Zielwert, als dies im Stand der Technik der Fall ist. Damit vereint die Erfindung die vorher gegensätzlich erscheinenden Ziele, nämlich schnelle Reaktion und höhere Genauigkeit.
In 5 ist eine Variante für den Leistungsregler 50' des Parkmasters 5 dargestellt. Sie basiert auf der in 2 dargestellten Ausführungsform. Gleichartige Elemente tragen dieselben Bezugszeichen. Die in 5 dargestellte Variante unterscheidet sich von der in 2 dargestellten im Wesentlichen dadurch, dass der zentrale Sollwertmodulator 7 auf den Sollwert-Zweig des Leistungsreglers 50 wirkt. Es wird also der von der übergeordneten Instanz angelegte Sollwert für die Parkleistung P_s,wp abhängig von der Frequenzabweichung verändert. Der sich daraus ergebende Wert P_{_s,WP} ist in 4b dargestellt. Im Übrigen entsprechen Aufbau und Funktionsweise derjenigen, wie in 2 dargestellt. Es wird insoweit auf die dortigen Ausführungen verwiesen.
In 6 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher unterschiedliche Verstärkungsfaktoren für die einzelnen Windenergieanlagen 1 vorgesehen sind. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus der lokalen Regelung. Man erkennt den lokalen Sollwertmodulator 6, an dessen Ausgang zusätzlich vorgesehen ist ein Multiplizierglied 61 für einen Verstärkungsfaktor v_i, welcher an einem Eingang 62 des Multiplizierglieds 61 angelegt ist. Dieser Verstärkungsfaktor v_i ist bestimmt von einer Umrechnungseinheit 63. An ihrem Eingang ist ein Wert für einen Anteilsfaktor a_i 64 angelegt, wobei der Anteilsfaktor den Anteil der jeweiligen Windenergieanlage 1 an der Leistungserzeugung des Windparks darstellt. Jener Wert ist bestimmt von einer Anteilsbestimmungseinrichtung 9, welche am Leistungsregler 50, 50' des Parkmasters 5 angeordnet ist. Dies ist beispielhaft in 5 dargestellt, sie kann aber nicht nur bei dieser Ausführungsform, sondern auch bei den anderen Varianten für den Parkmaster 5 vorgesehen sein. Sie ist dazu ausgebildet, anhand verschiedener Parameter, insbesondere den von den jeweiligen Windenergieanlagen 1 abgegebenen Leistungen, ihren Aktivitätsstatus (ob sie betriebsbereit oder abgeschaltet ist) und deren Lastzustand (insbesondere Volllast- oder Teillastbetrieb) zu ermitteln, inwieweit die jeweiligen Windenergieanlagen 1 zu Leistungsänderungen gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept beitragen sollen. Es wird somit die vom Parkmaster 5 angeforderte Leistungsänderung auf die Windenergieanlagen 1 aufgeteilt. Dies kann vorzugsweise dynamisch geschehen, wobei nur diejenigen Windenergieanlagen 1 berücksichtigt werden, welche aktiv zur Leistungserzeugung beitragen. Ferner kann berücksichtigt werden, ob Windenergieanlagen über eine ausreichende Reserve verfügen oder nicht. Vorzugsweise werden zur Modulation der Leistungserzeugung diejenigen Windenergieanlagen herangezogen (und daher mit größeren Anteilsfaktoren versehen), die über eine ausreichende Reserve verfügen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass für Leistungssteigerungen andere Windenergieanlagen herangezogen werden als zur Leistungssenkung. So können insbesondere zur Leistungssenkung auch solche verwendet werden, die bei höherer Leistung laufen und daher über eine ausreichende Reserve zu ihrer unteren Betriebsgrenze verfügen. Zur Leistungssteigerung werden hingegen zweckmäßigerweise solche Windenergieanlagen bevorzugt herangezogen (und daher mit größeren Anteilsfaktoren versehen), welche einerseits über ausreichend Wind verfügen und deren aktueller Betriebspunkt andererseits zudem die benötigte Leistungssteigerung zulässt. Dies wird von der Einrichtung 9 ermittelt. Sie weist jeder Windenergieanlage 1 einen Anteilsfaktor a_i zu. Dieser Anteilsfaktor a_i wird als Eingangssignal 64 angelegt, woraus ein lokaler Verstärkungsfaktor v_i bestimmt wird, der dem Multiplizierglied 61 zugeführt ist. Auf diese Weise kann der Anteil der jeweiligen Windenergieanlage 1 an der Leistungsanpassung variiert werden. Dies ermöglicht einen effizienteren Einsatz der Windenergieanlagen 1 angepasst an die jeweiligen Betriebsbedingungen.
In 7 ist eine Variante dargestellt für ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Lokalregler 20' als Drehmomentregler ausgeführt ist. An seinem Eingang weist er genauso ein Differenzglied 22 auf wie bei der Ausführung des Lokalreglers 20, wie zu 2 beschrieben. Der Ausgang des Differenzglieds 22 ist angelegt an ein Divisionsglied 25. Es weist einen weiteren Eingang auf, an den ein Signal für die Drehzahl n_i des Windrotors 12 der Windenergieanlage 1 angelegt ist. Als Ausgangssignal gibt das Divisionsglied 25 ein Drehmomentsignal aus, welches an den zur Drehmomentregelung ausgebildeten Regelkern 21' angelegt ist. Sein Ausgangssignal wird angelegt an den Umrichter 14 zur direkten Steuerung des Drehmoments des Generators 13.
In 8 ist eine weitere Variante für den Parkmaster 5 dargestellt. Sie unterscheidet sich von der in 2 dargestellten im Wesentlichen dadurch, dass in dem zentralen Sollwertmodulator 7 ein Prädiktor 8' für die Windenergieanlagen 1 implementiert ist, welcher frequenzabhängig eine Maximalleistung der Windenergieanlage vorgibt. Daraus ergibt sich somit eine Maximumsbegrenzung. Das von ihr ausgegebene Maximumsbegrenzungssignal P_max(f) ist angelegt an den Eingang eines Begrenzungsglieds 77'. Dieses Begrenzungsglied 77' ist in die Signalleitung für den übergeordneten Sollwert 59 eingesetzt. Es wird damit der von extern vorgegebene Sollwert frequenzabhängig begrenzt, und dieser so begrenzte Sollwert dann an die Differenzbildungsstelle 52 vor dem eigentlichen Regelkern 51 des Leistungsreglers 50 angelegt. Hierbei handelt es sich im Grunde um eine vereinfachte Version der in 5 dargestellten Ausführungsform, welche sich insbesondere zur Nachrüstung bestehender Parkmaster eignet. Das nachträgliche Implementieren des Begrenzungsglieds 77' greift im Übrigen in die Regelung des Parkmasters 5 nicht ein. Aus Sicht des Parkmasters 5 handelt es sich lediglich um einen modifizierten Sollwert. Es kann somit der Parkmaster 5 nahezu unverändert belassen werden, insbesondere ist eine erneute Zertifizierung nicht erforderlich. Die Erfindung eignet sich damit auch zur Nachrüstung bestehender Windparks.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Windparks umfassend einen Parkmaster, ein Parknetz und mehrere Windenergieanlagen zur Abgabe elektrischer Leistung in ein Netz, die eine Parkwirkleistung umfasst, wobei der Parkmaster einen Leistungsregler aufweist mit einem Eingang für eine Parksollleistung und mit einem Ausgang, aus dem mindestens eine Sollwertvorgabe für die Windenergieanlagen abgegeben wird, die Windenergieanlagen jeweils einen von einem Windrotor angetriebenen Generator mit Umrichter und einen Lokalregler zur Leistungsregelung aufweisen, wobei die Sollwertvorgabe an einen Eingang des Lokalreglers angelegt ist und der Lokalregler auf den Umrichter der Windenergieanlage wirkt, umfassend ein: – Vorgeben von Sollwerten für die von der jeweiligen Windenergieanlage abzugebende Leistung von dem Leistungsregler des Parkmasters an die Lokalregler, und – Überwachen eines Momentanparameters des Netzes sowohl am Parkmaster wie auch an den Windenergieanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass bei erkannter Änderung des Momentanparameters ausgeführt wird: autonomes, verteiltes Generieren veränderter Wirkleistungs-Sollwerte lokal in den Windenergieanlagen und zugleich Bestimmen eines Modifizierwerts für die Parkwirkleistung zentral durch den Parkmaster, mit den Schritten: – autonomes Modifizieren der Wirkleistungsabgabe durch die jeweilige Windenergieanlage, – zentrales Vergleichen der tatsächlichen Wirkleistungsabgabe des Windparks mit der Parksollwirkleistung unter zusätzlicher Berücksichtigung des Modifizierwerts und – Korrigieren der Sollwerte für die Windenergieanlagen durch den Parkmaster.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Momentanparameter die Netzfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem autonomen Generieren in mindestens einem der beiden, Leistungsregler des Parkmasters und Lokalregler, ein Prädiktor verwendet wird, in dem vorzugsweise ein erwartetes Antwortverhalten auf die Änderung des Momentanparameters implementiert ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das autonome Modifizieren Störgrößenaufschaltung umfasst, die beim Korrigieren der Sollwerte berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die korrigierten Sollwerte des Parkmasters eine stationäre genaue Regelung der Leistungsabgabe bewirken.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokalregler als ein Wirkleistungs- oder Drehmomentregler ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das autonome Modifizieren mit einem vorzugsweise Windenergieanlagen-individuellen Verstärkungsfaktor erfolgt, der abhängig ist von einem Anteilsfaktor.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteilsfaktor den Anteil der jeweiligen Windenergieanlage an der Leistungserzeugung des Windparks darstellt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteilsfaktor vom Parkmaster bestimmt und an die Windenergieanlagen übermittelt wird, wobei der Anteilsfaktor vorzugsweise in den Windenergieanlagen gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteilsfaktor dynamisch bestimmt wird, vorzugsweise anhand der abgegebenen Leistung der Windenergieanlagen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Parkmaster bei der Bestimmung des Anteilsfaktors nur die aktiven Windenergieanlagen des Windparks berücksichtigt, vorzugsweise der Parkmaster eine Regelreserve der jeweiligen Windenergieanlagen ermittelt und den Anteilsfaktor anhand der Regelreserve bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass voneinander verschiedene Sätze von Anteilsfaktoren für Leistungserhöhungen und Leistungsverringerungen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Änderung eine Änderungsrate des Momentanparameters bestimmt wird und diese hinsichtlich Überschreiten des vorgebbaren Grenzwerts geprüft wird.
Windpark umfassend einen Parkmaster (5), ein Parknetz und mehrere Windenergieanlagen (1) zur Abgabe elektrischer Leistung in ein Netz, die eine Parkwirkleistung umfasst, wobei der Parkmaster (5) einen Leistungsregler (50) aufweist mit einem Eingang für eine Parksollleistung und mit einem Ausgang, aus dem mindestens eine Sollwertvorgabe für die Windenergieanlagen (1) abgegeben wird, die Windenergieanlagen (1) jeweils einen von einem Windrotor (12) angetriebenen Generator (13) mit Umrichter (14) und einen Lokalregler (2) aufweisen, wobei die Sollwertvorgabe an einen Eingang des Lokalreglers (2) angelegt ist und der Lokalregler (2) auf den Umrichter (14) der Windenergieanlage (1) wirkt, wobei weiter mindestens ein Momentanparameter des Netzes am Parkmaster (5) und an den Windenergieanlagen (1) überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokalregler (2) mit einem autonomen lokalen Sollwertmodulator (4) zusammenwirkt, der dazu ausgebildet ist, abhängig von der lokal erkannten Änderung des Momentanparameters die Leistungsabgabe der jeweiligen Windenergieanlage (1) autonom zu modifizieren, der Parkmaster (5) einen eigenen zentralen Sollwertmodulator (7) aufweist, der dazu ausgebildet ist, auf Basis der von ihm zentral erkannten Änderung des Momentanparameters einen Modifizierwert für die Parkwirkleistung zu generieren und ihn mit der tatsächlichen Wirkleistungsabgabe des Windparks unter zusätzlicher Berücksichtigung des Modifizierwerts zu vergleichen, und der mit dem Leistungsregler (50) des Parkmasters (5) so zusammenwirkt, dass abhängig von der detektierten Änderung die Sollwerte korrigiert und an die Windenergieanlagen (1) ausgegeben werden.
Windpark nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Parkmaster (5) und die Windenergieanlagen (1) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 13 ausgebildet sind.