TW201415759A - 用於控制一風力發電場之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於控制包括數個風力發電設施(202)之風力發電場(200)以在一共同耦合點(PCC)(204)上將電力饋送至一AC電網(206)中之方法。該方法包括：在共同耦合點(204)上饋送一3相電力；識別該共同耦合點上之一電網電壓(UN)；比較在共同耦合點(204)上所識別之該電網電壓(UN)與至少一個預定設定點值；取決於為在共同耦合點(204)上滿足一穩定性準則而進行之一比較來判定風力發電設施(202)之設定點值；將該等所判定設定點值傳遞至該等個別風力發電設施(202)之電廠控制單元(212)；及取決於該等預定設定點值在該等風力發電設施(202)中之每一者處產生電力(□、□、□)以在共同耦合點(204)上聯合地饋入。

Description

用於控制一風力發電場之方法
本發明係關於一種用於控制一風力發電場之方法以及此一各別風力發電場。特定而言，本發明係關於控制一風力發電場以在一共同耦合點上將電力饋送至一AC電網中，以及此一風力發電場。
風力發電場係眾所周的，該等風力發電場係關於組織上歸屬在一起之數個風力發電設施。特定而言，屬於一風力發電場之所有風力發電設施在一共同耦合點上向一AC電網饋入。通常，每一風力發電設施自身產生待饋送之一電力，亦即，通常待饋入之一3相電力。出於此目的，風力發電設施特定而言根據電壓之振幅、頻率及相位涉及待饋入電之AC電網(其在下文亦簡稱為電網)中之電壓。
另外，同時已知並期望使用風力發電設施(尤其風力發電場)來支援電網。換言之，目標不僅係將儘可能多的能量饋送至電網中，而且以使得可在電方面支援電網之一方式將能量饋入，且若需要則甚至減少饋入電力。已處理此等話題之最早專利申請案係WO 02/086315、WO 02/086314、WO 01/86143、WO 99/33165及WO 02/044560。依據WO 03/030329 A1已知一方法，根據該方法可由所連接之供電網之操作者在外部減少風力發電場之全部輸出電力。
此外，參考V.Diedrichs等人之論文「Loss of(Angle)Stability of Wind Power Plants」，該論文經提交用於且呈現在「2011年10月25日至26日於奧胡斯(丹麥)召開之關於將風力發電大規模整合至電力系統中以及關於用於近海風力發電場之輸電網的第10屆國際研討會」。彼 時，基本上提及以下問題：基本上亦可針對連接至供電網以用於饋入電之風力發電設施發生電網中之穩定性損失。
此處，操作者可預定各別風力發電設施可減少其電力之一百分比值。
已部分地提供此等方法以使電網穩定。特定而言，此等解決方案考量饋入電力至當前需求之一調整；特定而言，該等解決方案將考量電網中之電力之一供給過多或供給不足。
當饋入電力(亦即，有效電力以及無效電力兩者)時，保證包含風力發電設施及風力發電場之電力系統及發電廠之穩定性係一總體需要。此處，穩定性係關於同時在電力系統之所有區域中之頻率及電壓。
此一穩定性之損失通常亦稱為「穩定性損失」，且可縮寫為LOS。「穩定性損失」闡述不再保證該穩定性之物理過程及狀況，且說明若已存在此等物理過程及狀況則應儘快避免或停止其。此等問題基本上係罕見的，但因此所有該等問題係較嚴重的。舉例而言，此包含電網之部分(舉例而言，如2004年發生在美國)或總體電力系統(如2004年發生在意大利)之一眾所周知之斷電。
基本上，已在深度上發展並在多種多樣之出版物中處理關於穩定性之話題之技術知識。一國際公認之標準著作係由麥克勞．希爾(McGraw-Hill)出版、P.Kundur所著之「Power Systems Stability and Control」。
所謂的「短路比」(SCR)用於在與電力系統之共同耦合點上在一全域規模上評定大部分具有同步發電機之發電廠之可操作性。
除藉助於SCR之此一全域或絕對評定之外，亦根據特殊準則進行進一步評定。此準則針對與穩定性相關之不同類型之過程(諸如一電壓崩潰之過程)，或針對通常稱為「角穩定性」的一角(亦即，電網中 之相位角)之穩定性。此等評定尤其提供穩定性距離之度量或標準。
此短路電流比係短路電力與所連接負載之比率。此處，短路電力係相關發電廠將連接至之經考量共同耦合點上之各別供電網在一短路之情形中可提供之電力。所連接負載係待連接之發電廠之所連接負載，特定而言待連接之發電機之標稱容量。
關於一短路電流比SCR之要求，SCR>4(然而，實際上通常SCR>10)之一短路電流比已被視為對於具有同步發電機之發電廠之可靠操作係必需的。出於此目的，對於德國，參考VDN輸電導則2007。市場上通常需要SCR>4...6之一短路電流比以用於風力發電設施或風力發電場之連接。
SCR之因此所需量在一給定「共同耦合點」(PCC)(如其通常所稱)上限制發電廠之電力，或其判定所需之電網強化。
若各別電網已存在於彼處，則短路電力係各別共同耦合點上之一電網特性及因此首先一預定值。由於短路電流比不應達不到一特定值，亦即，尤其在4至6之區域中，因此限制待連接至一共同耦合點之一發電廠或一風力發電場之電力。因此，發電廠可僅被連接最高達一特定值，否則擴大電網以便促進具有較高輸出之一發電廠之連接變得必要。
本發明之目標係解決上文所提及之問題中之至少一者。特定而言，將提議一解決方案，根據該解決方案一風力發電設施或一風力發電場可在儘可能低之一短路電流比之情況下、尤其在SCR>1.5...2之一短路電流比之情況下連接至一共同耦合點且以一穩定方式操作。特定而言，對於一風力發電設施或一風力發電場而言將藉助於全功率轉換器(亦即，亦稱為「電壓源轉換器」(VSC)之所謂的電壓控制之換流器)藉助一電力饋入達成此。應至少提議一替代解決方案。
根據本發明，根據技術方案1提議一種用於控制包括一或數個風 力發電設施之一風力發電場之方法。根據此，採用具有數個風力發電設施之一風力發電場，該風力發電場在一聯合之共同耦合點(PCC)上將電力饋送至一AC電網中。因此，用於控制風力發電場之方法亦可被視為或稱為用於藉助於一風力發電場饋入電力之一方法。此處，在共同耦合點上首先饋入一3相電力。
此外，在共同耦合點上識別一電網電壓。尤其藉由量測執行該識別，藉此可尤其藉由算數處理而進一步處理實際上進一步所使用之所判定電網電壓之值。
然後比較所識別電網電壓與至少一個設定點值。該方法係關於電力至一AC電網(其在下文簡稱為電網)中之穩定饋送。因此，專家知曉將儘可能快速地即時且儘可能經常地、較佳地連續地或幾乎連續地執行該比較。另外，基本上採用具有50Hz或60Hz之一電網頻率的一常見AC電網。因此，將在共同耦合點上快速地且頻繁地執行電網電壓之識別。
此外，針對每一風力發電設施判定至少一個設定點值。取決於所執行比較(亦即，所識別電網電壓與電壓之一設定點值)判定此設定點值。以使得可在共同耦合點上實施一穩定性準則之一方式判定各別設定點值。因此，此設定點值亦在一持續基礎上經判定，且取決於該比較(其亦在一持續基礎上執行)經設定，且因此根據一變化情況經更新。因此，設定點值可不斷地改變，且因此，存在數個暫時地後續之設定點值。因此，該方法亦係關於設定點值之判定。對於發電場中之數個風力發電設施而言此等設定點值可係相同的(僅最初視情況而定)，或可針對每一風力發電設施個別地調整該等設定點值。此一個別調整尤其取決於設定點值之類型，而且取決於個別風力發電設施是否係同樣的。亦即，尤其若自各別風力發電設施至聯合之共同耦合點之電連接線顯著地不同於各別風力發電設施與共同耦合點之間的電連 接，則設定點值之指派亦可取決於發電場中之各別風力發電設施之區域配置。
該等設定點值轉移至個別風力發電設施之電廠控制單元。因此，所提供為，每一風力發電設施具有其自身之控制單元，且該等設定點值轉移至該控制單元。因此，風力發電設施或其個別電廠控制單元接收來自一中央位置之至少一個設定點值或一設定點值序列；然而，其個別地調整風力發電設施中之特定控制，特定而言，具體由每一風力發電設施之每一電廠控制單元個別地產生待饋入之3相電力，亦即，根據量、相位及頻率待饋入之個別相位電流。
經產生用於每一風力發電設施之饋送之電流然後聯合地轉移至風力發電場之共同耦合點且饋送至該耦合點中。特定而言，出於此目的，該等電流與其他風力發電設施之其他電流線性疊加。出於此目的，每一風力發電設施可包括一輸出電感器及/或一輸出變壓器。
基本上，證明用於判定SCR>4或甚至SCR>6之一短路電流比之理由合理。在低短路電流比之情況下，亦即，取決於分別經饋入之無效及有效電力或作為對此之一回應，將預期強增加或下降(特定而言，聯合之共同耦合點[PCC]上之當前靈敏度之指數增加或下降)。此處，若共同耦合點上之電壓用作風力發電設施中之內部控制之一實際值，則此等控制可變得不穩定。此外，電壓控制可變得不穩定。類似地，在一電壓崩潰之機制之基礎上及/或在一角度穩定性或此一角度穩定性之一損失之基礎上存在一穩定性損失之威脅。
所提議解決方案尤其意欲防止風力發電設施之內部控制在使用聯合之耦合點上之電壓作為一實際值時變得不穩定。
類似地，將防止使用風力發電設施或風力發電場之無效電力作為一操縱變數之電壓控制變得不穩定。
最後，亦將防止系統(亦即，尤其饋送風力發電場)太接近於一穩 定性邊界或一所謂的LOS(穩定性損失)邊界。
較佳地，提議，亦識別在共同耦合點上饋入之電力且尤其在彼處量測該電力，或者在直接在共同耦合點上或直接在共同耦合點後面之一量測之基礎上識別饋入電力。此導致控制基於實際上饋入之電流。因此考量該或該等設定電流與實際上饋入之電力之間的可能偏差。類似地，若根據量及相位知曉各別電流及電壓，則可識別實際上饋入之電力(尤其經饋入有效電力)。在對電網之量測期間，亦識別並考量電網之回應。電網之此回應對實際饋入電力(亦即，實際饋入電流)做出反應，且在此方面，該等量測允許電網之回應指派給實際上饋入之電變數。
另外或另一選擇係，識別饋入電力、識別共同耦合點上之電網電壓、比較在共同耦合點上所量測之電網電壓與至少一個預定設定點值及/或判定該設定點值係由一中央控制單元完成。因此，提供數個風力發電設施(尤其發電場之所有風力發電設施)之一單元，該單元識別、量測及/或計算該靈敏資料。此亦用於防止個別風力發電設施或其控制可妨礙彼此，此乃因此一中央控制單元亦可預定隨時間係穩定之一設定點值。因此，一較小控制波動並非立即引人注目地及/或無法或極不可能導致連接至同一共同耦合點之其他風力發電設施之一連鎖反應。特定而言，避免此等效應，藉此(舉例而言)一第一風力發電設施引起共同耦合點上之一電壓改變，且一第二風力發電設施基於此偵測到之電壓改變而(舉例而言)在控制方面起反作用，此又可引起一效應(諸如一電壓改變)，此又導致第一風力發電設施起反作用，此可起始一連鎖反應。
尤其在此處自中央控制單元接收其設定點值的個別風力發電設施之電廠控制單元分別個別地控制風力發電設施及尤其待饋入之3相電力之產生。因此，此產生適應於特定風力發電設施，且因此個別地 控制此電廠控制單元。關於引用(亦即，尤其識別)一頻率及相位，每一風力發電設施之每一電廠控制單元可個別地量測且個別地考量共同耦合點上之在中央記錄之量測值或填入值。然而，個別電廠控制單元中之量測值之該直接考量尤其限於該引用。特定而言，待饋入之有效電力及無效電力之量並非由每一個別電廠控制單元判定，而是由該中央控制單元預定。
簡言之，該中央控制單元係一平穩影響，且提供指定聯合地及個別地與穩定性相關之重要設定點值之機率，然而個別電廠控制單元在功能上適應於每一個別風力發電設施以便尤其預定待饋入之特定電流。
個別電廠控制單元之個別及功能調試可較佳地作用於風力發電設施之操作控制，且(舉例而言)藉由調整風力發電設施之轉子葉片而控制藉由風產生之電力之一減少。調整轉子葉片通常稱為葉片間距且由風力發電設施(尤其由其電廠控制單元)個別地執行。然而，尤其係中央控制單元預定並觸發此一減少之實施。
若其不僅用於引用，則藉助所闡述任務或所闡述任務分佈的一中央控制單元與個別電廠控制單元之間的該劃分可尤其防止一風力發電設施之一內部控制在使用共同耦合點之電壓作為一實際值時變得不穩定。類似地，將防止使用風力發電設施或風力發電場之無效電力作為一操縱變數之電壓控制變得不穩定。
另外或另一選擇係，取決於至少一個可變穩定性準則判定設定點值，藉此穩定性準則尤其取決於在共同耦合點上的AC電網之一電網狀況。舉例而言，穩定性準則可取決於電網電壓之振幅，或電網電壓之振幅之一改變或一改變速度，或電網電壓之頻率或頻率改變。穩定性準則因此可係實際電壓與設定點電壓之一偏差，且自身取決於電壓。
為命名一簡單及說明性實例，若電壓頻率完全地對應於設定點值，則穩定性準則可係(舉例而言)10%過電壓之一最大容許電壓偏差。若頻率無論如何至少稍微高於設定點頻率，或若頻率在電網中上升，則所提及之容許過電壓可自10%減少至5%。因此，在此實例中，將在電壓之基礎上(亦即，藉由檢查電壓位準)檢查且同時取決於頻率調整穩定性準則，亦即，在說明性實例中，其將在5%與10%過電壓之間變化。
此處，可能考量電網側或發電場側上之共同耦合點上之電壓。亦可考量風力發電設施之末端上之電壓。
取決於此穩定性準則，針對風力發電設施改變至少一個設定點值。特定而言，可分別針對無效電力、有效電力或兩者改變一設定點值。
另一選擇係，由風力發電場饋入之無效電力及/或有效電力亦可視為穩定性準則之一基礎。在此情形中，穩定性準則可尤其係呈待饋入之有效電力或無效電力之一值或一區域之形式之一現有規範，而且符合檢查此規範之規定。可僅在一定程度上影響饋入有效電力，此乃因可饋入之有效電力取決於盛行風。在一所提議之穩定性準則之情況下，有效電力與無效電力比可係相關的。舉例而言，無效電力與有效電力之一特定調適可係相關的且被視為一基礎。
較佳地，基於根據對稱分量之方法的正序分量與負序分量之一分解來判定設定點值，且設定點值係正序分量之值，亦即，待饋入且與正序分量相關的各別風力發電設施之至少一個無效電力，及另外或另一選擇係與正序分量相關的各別風力發電設施之至少一個輸出或箝位電壓，及另外或另一選擇係待饋入且與正序分量相關的各別風力發電設施之至少一個有效電力，尤其待饋入之一最大有效電力。
藉由預定待饋入之無效電力及/或有效電力，可預定支援電網或 影響電網穩定性之一重要值。一各別無效電力可幫助解決或減少AC電網中之一長供應線或長線路中之一電壓下降。
可藉由減少饋入有效電力而解決由一極低短路電流比所致(亦即，由一相對大的所連接負載所致)之一威脅性之不穩定性。尤其提供預定待饋入之一最大有效電力，此乃因盛行風永久地限制待饋入之有效電力，且因此無法實施超過此一限制之一特定有效電力設定點值。
待饋入之有效電力及無效電力之一經組合及協調規範亦係有利的，此乃因根據有效電力及無效電力判定之一操作點在饋送期間對於風力發電場之穩定性係尤其關鍵的。
藉由將對稱分量之方法視為一基礎，亦可考量一非對稱3相系統。理想地，亦即，若3相系統係對稱的，則負序分量之分量設定為0。
根據一項實施例，提議，計算並儲存一穩定性邊界以用於控制，尤其提議將該穩定性邊界儲存於中央控制單元中作為一特性映射。舉例而言，此一穩定性邊界可係一特性映射或(以圖解方式展示)由數個無效電力及有效電力值對形成之一特性。因此，以使得根據無效電力及有效電力定義之一操作點僅位於該穩定性邊界之一側(亦即，穩定側)上之一方式分別判定無效電力及有效電力之設定點值。
此一穩定性邊界尤其係關於電網饋送點的所連接電網之一特性。因此，較佳地提議量測或以其他方式識別所連接AC電網以便判定此一穩定性邊界。當判定並儲存此一穩定性邊界時，因此可容易地及/或可靠地設定或監視一穩定操作點。然後不需要或至少較不需要風力發電場之控制(亦即，共同耦合點上之饋入)以尤其在共同耦合點上偵測因突然偵測到之動態過程所致之一威脅性之穩定性損失。相反，若不採取對策則，則在將出現一穩定性損失(且視情況而定亦在 此時)之一早期階段可辨識出其。藉此，若安全地設定一操作點則可避免可能突然對策或根本對策。較佳地，可藉由饋入有效電力及饋入無效電力定義此一操作點，且較佳地因此限制待饋入之有效電力及無效電力及/或因此設定一操作點。較佳地，以使得設定並維持操作點與穩定性邊界之間的一安全距離之一方式設定或限制此一操作點。
根據另一實施例，提議，關於電網饋入點比較電網饋入點之參數或根據電網饋入點上之量測的AC電網之參數以便評定AC電網之特性。特定而言，使用在電網饋入點上識別之電壓及/或在電網饋入點上識別之電力。據此，一參數可係電網對饋入值之一靈敏度。此一靈敏度係關於饋入電力之一改變的共同耦合點上之電壓之一改變。特定而言，其可係依據取決於饋入有效電力之改變的電壓改變與取決於饋入無效電力之改變的電壓改變之總和計算的。換言之，此處根據一方面有效電力及另一方面無效電力依據電壓之一偏導數計算靈敏度。亦稱為電網靈敏度且係關於共同耦合點之該靈敏度可能亦用於偵測一威脅性之穩定性損失，或至少電網穩定性之一弱化。另外或另一選擇係，提議將此用於風力發電場之操作點或風力發電設施之操作點之品質及尤其穩定性之一評定。在此基礎上，若需要則可能採取校正動作。
較佳地，提議，在一先前進行之電網分析期間記錄並儲存電網靈敏度，且另外，識別關於一當前操作點之電網靈敏度。然後取決於當前電網靈敏度與先前所記錄之電網靈敏度之一比較實現至少一個設定點值之一控制、規定及/或改變。特定而言，若該比較揭示一偏差超過一預定臨限值，則減小待饋入之有效電力之一設定點值。電網靈敏度係電網對改變(尤其饋送之改變)之回應。此處，尤其一電網靈敏度之一考量被視為對饋入有效電力之一改變之一回應，且一電網靈敏度被視為對饋入無效電力之一改變之一回應。亦可將該兩個電網靈敏 度組合或考量在一起。此一電網靈敏度係一電網特性且因此可先前經記錄或儲存，其可幫助偵測一早期階段之不穩定性且避免該等不穩定性。特定而言，一高電網靈敏度意味電網係極強的，亦即，其係極靈敏的且已回應於小改變。因此可調整控制，如根據一項實施例所提議。
另外，必須注意，狀況亦可在電網中改變，且邊界狀況可對電網靈敏度具有一影響。藉由比較當前收集之電網靈敏度與各別先前判定之電網靈敏度，可能偵測電網是否仍以先前所判定方式表現或是否將預期一相異行為。在後一情形中，可需要特殊關心，此乃因控制規範可能不再充足，或至少不再最佳地適應於電網。針對此情形，減少饋入有效電力可係第一保護措施。特定而言，此可幫助增加操作點與穩定性邊界之間的一距離。
根據另一實施例，提議待饋入之無效電力及/或待饋入之有效電力之一設定點值的一突然改變或者一或兩個步階之一改變。此導致具有一相應地強烈影響之一主要改變。另外，一逐漸改變亦可引起以下事實：在較少情形中需要一改變，尤其不需要連續地改變待饋入之有效電力及/或無效電力。較佳地，藉助一預定延時進行此一突然或逐漸改變。
根據一項實施例，亦提議基於共同耦合點上的電網之電壓對此一突然改變之一回應判定一當前電網靈敏度。此處，可藉由產生一差(亦即，藉由在突然改變之前之一時間處以及在突然改變之後之一時間處識別電壓以及突然改變之有效電力或無效電力)及藉由得出該兩個差彼此之間的關係達成電網靈敏度。
根據一項實施例，另外提議使用一滯後控制器來預定設定點值。一滯後控制器係其輸出(亦即，操縱變數(諸如，在此情形中，設定點值之規範))並非直接及清晰地與一各別輸入值有關而是亦取決於 先前值之一控制器。若一電壓形成在此情形中僅用作一普通實例之控制器之輸入，且一無效電力形成該控制器之輸出，則電壓超過其設定點值之一增加可(舉例而言)引起無效電力之一增加。若電壓返回至其設定點值，或至少返回至區域，則無效電力可至少暫時地維持其值。類似地，一所提議滯後控制器可包含一延時以使得使用同一說明性實例，一超額電壓不立即而是僅在一特定時間流逝之後引起控制器之一回應。然而，若在此時間流逝之前不再存在一超額電壓，則在控制器之輸出處不存在回應。特定而言，一滯後控制器亦係一非線性控制器。作為一純粹預防措施，指出其之傳輸行為係振幅相依之一控制器係一非線性控制器。
另外或另一選擇係，提議，用於控制一風力發電場之方法之特徵在於：若電網中之一狀態變數滿足一特定準則且若已過去一預定停機時間且該預定準則保持滿足，則做出設定點值中之至少一者之一改變。此尤其關係到共同耦合點上之電網電壓，且此處，預定準則之實現可超過或達不到預定臨限值或另一預定臨限值或超過另一臨限值之值。可經考量之另一準則係，相關值(尤其電網電壓)在容差帶外側。
較佳地，提議，若將考量供應線上待預期之一電壓降，則當指定設定點值時考量自一風力發電設施至共同耦合點之至少一個供應線之阻抗。此處，可考量尤其自一線路至共同耦合點之一阻抗，即使其位於遠離風力發電場。尤其在該情形中，對於發電場中之諸多風力發電設施而言，自風力發電設施至共同耦合點之該阻抗可係類似的，且僅被視為相同的。亦即，尤其針對待饋入之無效電力及有效電力及因此針對待饋入之電流的風力發電設施之設定點值較佳地基於風力發電設施上之一虛擬電壓。較佳地，作為一虛擬電壓之一輸出電壓在此處被視為一基礎，歸因於一電壓降，其係由於自供應線至共同耦合點之有效阻抗而被導致或預期。
下文所闡述之負載流計算用於分析能量供應系統之固定操作狀況。基本基礎係各別電網透過其阻抗Z或其導納Y(複雜電導)之表示(圖9)。
傳統電網分析藉助呈矩陣符號之以下線性方程組經由歐姆定律判定電網，其闡述n個節之一相關性。
亦即： Y ． U = I (線性方程組)。
目的係判定n個電網節中之每一者上之電壓(→電壓維持)。
由於電網中之電流係未知的但(計劃性)饋入及電下降係已知的，因此電流錶達為輸出。
經由輸出表示電網等式導致一非線性方程組之形成。
在數學上求解此非線性方程組(通常藉由牛頓法)。當在數學上求解該方程組時，必須使其線性化。此係藉由在未知數(亦即，此處仍係節電壓之振幅(U2...Un)及角(δ2...δn))之基礎上而使矩陣元素偏導(Partial derivation)來進行。
具有偏導之矩陣稱作一雅可比(Jacobian)矩陣。為了求解方程組，此必須係可逆的，亦即，正則的。
雅可比矩陣
1‧‧‧風力發電設施
1'‧‧‧風力發電設施
2‧‧‧電網連接點
2'‧‧‧電網連接點/連接點
2"‧‧‧電網連接點/連接點
4‧‧‧電網/網路/供電網
4'‧‧‧弱電網/電網
4"‧‧‧實際電網
6‧‧‧發電機/同步發電機
6'‧‧‧發電機
8‧‧‧整流器
8'‧‧‧整流器
10‧‧‧直流電流線
10'‧‧‧直流線
12‧‧‧短艙
14‧‧‧塔
16‧‧‧換流器
16'‧‧‧換流器
18‧‧‧變壓器
18'‧‧‧變壓器
20‧‧‧箭頭
22‧‧‧控制單元
23‧‧‧比較單元
24‧‧‧電力控制區塊
24'‧‧‧激發器控制
26‧‧‧電力評估區塊
28'‧‧‧中間電路電容器
30'‧‧‧電網變壓器
32‧‧‧存取線
34‧‧‧評估區塊
36‧‧‧量測區塊
38‧‧‧穩定性控制區塊
40‧‧‧觀測器區塊
42‧‧‧系統模型區塊
44‧‧‧靈活交流輸電系統控制區塊
50‧‧‧電網區塊
52‧‧‧有效電力區塊
54‧‧‧無效電力區塊
56‧‧‧求和區塊
58‧‧‧風力發電設施區塊/區塊
60‧‧‧控制區塊
62‧‧‧無效電力預設區塊
64‧‧‧靈活交流輸電系統
100‧‧‧風力發電設施
102‧‧‧塔
104‧‧‧短艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧旋轉體
200‧‧‧風力發電場
202‧‧‧風力發電設施
204‧‧‧不穩定區域/共同耦合點/聯合之共同耦合點/連接點/電網饋入點
206‧‧‧直流電網/電網
208‧‧‧中央控制單元
210‧‧‧增加之操作範圍/所要操作範圍/預設輸入
212‧‧‧電廠控制單元
214‧‧‧控制區塊/脈衝寬度調變區塊
216‧‧‧換流器
218‧‧‧中間電路
220‧‧‧變壓器
222‧‧‧供應線
226‧‧‧輸出
228‧‧‧狀態觀察器
230‧‧‧計算區塊
232‧‧‧評估區塊
234‧‧‧控制區塊
236‧‧‧靈敏度區塊
238‧‧‧特性映射區塊
242‧‧‧第一次序之延時元件
244‧‧‧第一次序之延時元件
246‧‧‧正弦分量區塊
248‧‧‧總當前區塊/區塊
250‧‧‧電力區塊
I‧‧‧電力
I N‧‧‧饋入電力/電力
i1、i2、i3‧‧‧電流/電力分量
、、‧‧‧電流
‧‧‧電力/餘弦份額
P‧‧‧有效電力/饋入電力/饋入有效電力/電力/標準化有效電力
PGen‧‧‧所連接負載
Pmax‧‧‧最大有效電力
‧‧‧正序分量之有效電力之一最大值/值
PCC‧‧‧共同耦合點
Q‧‧‧無效電力/饋入無效電力/標準化無效電力
QSET‧‧‧預設值/預設定無效電力/無效電力之一各別預設
‧‧‧風力發電設施之正序分量之無效電力/待饋入之正序分量之無效電力/設定點值
SSC‧‧‧短路電力
SVCS‧‧‧穩定性電壓控制系統
tA‧‧‧第一計時器時間/值
tB‧‧‧第二計時器時間/值
U1、U2、U3‧‧‧電壓
、、‧‧‧電壓
U N‧‧‧電網電壓
‧‧‧正序分量之電壓
‧‧‧正序分量之電壓/風力發電設施上之正序分量之所識別及所計算之電壓/風力發電設施之正序分量之電壓
‧‧‧設定點值/風力發電設施之電壓設定點值/各別設定點值/電壓設定點值
VGRID‧‧‧電壓/電網電壓
VPCC‧‧‧電壓
VSET‧‧‧預設值
VWEC‧‧‧風力發電設施之電壓
VWP‧‧‧電壓/風力發電設施側上之電壓
VCS‧‧‧電壓控制系統
VSC‧‧‧電壓源控制
WEC‧‧‧風力發電設施
Z PCC-WEC‧‧‧有效阻抗
△P‧‧‧有效電力之改變
△Q‧‧‧無效電力之改變
‧‧‧值/正序分量之一無效電力值差/步階/無效電力增量
△Ut‧‧‧電壓差/預定電壓差/值
△V‧‧‧電壓偏差
△VSET‧‧‧預定電壓偏差
△VW‧‧‧風速之改變
φ U ‧‧‧相位角
‧‧‧角
‧‧‧電網靈敏度
‧‧‧電網靈敏度
下文參考附圖藉由作為實例之實施例更詳細地闡述本發明。
圖1以一透視圖展示一風力發電設施。
圖2展示基於一電壓控制系統(VCS)之連接至一電網之一風力發電設施之一示意圖。
圖3展示一風力發電設施之至一AC電網中之一電壓控制之饋入之一電路配置之一示意圖。
圖4展示經由一聯合之電網連接點連接至一電網之兩個風力發電設施之一示意圖。
圖5圖解說明可影響連接至一電網之一風力發電設施之靈敏度之參數。
圖6展示取決於饋入無效電力及饋入有效電力而將電網連接點上 之電網行為分析為電壓進程之一圖式。
圖7取決於體入及標準化無效電力及有效電力將一靈敏度展示為由有效電力之改變造成之一電壓改變。
圖8取決於標準化無效電力及有效電力將一靈敏度展示為由無效電力之一改變造成之一電壓改變。
圖9展示一一般化電網圖解說明。
圖10展示包含一中央控制單元及一電廠控制單元的一風力發電場之一控制結構之一示意圖作為一實例。
圖11展示圖10中所展示之中央控制單元之結構之一示意圖。
圖12展示在圖11之中央控制單元中所展示之一子控制區塊之一示意圖。
圖13展示亦在圖10中經展示之一電廠控制單元之一示意圖。
下文，可提供用於類似但不相同元件之相同參考符號，或亦可提供該等相同參考符號用於僅示意性地或象徵性地經圖解說明且可具有不同細節但該等不同細節並非相關的以用於各別闡釋之元件。
圖1展示具有塔102及短艙104之風力發電設施100。具有三個轉子葉片108及旋轉體110之轉子106位於短艙104上。在操作中，藉由風力將轉子106設定於一旋轉移動中，藉此驅動短艙104中之一發電機。
圖2展示經由電網連接點2連接至供電網4之一風力發電設施1之一示意圖。供電網4簡稱為電網4或網路4，藉此同義地使用此等術語。
風力發電設施1包括發電機6，藉由風驅動該發電機，藉此產生電能。發電機6之實施例中之一者係具有2個分別星形有線之3相系統的一經電激發之多相同步發電機6，該2個分別星形有線之3相系統在圖2之發電機6中藉助於兩個星形符號經圖解說明。所產生交流電(亦即，所提及實例中之6相交流電)由整流器8整流，且作為直流電經由 可包括數個個別線路之各別DC電流線10自短艙12沿塔14向下傳輸至換流器16。換流器16自直流電產生交流電，亦即在所展示之實例中，待饋送至電網4中之一3相交流電。為此，藉助於變壓器18升高由換流器16產生之交流電之電壓以便在電網連接點2上將交流電饋送至電網4中。所圖解說明之變壓器18使用此處僅作為一項實施例之一實例經圖解說明之一星形三角形連接，亦即且主要地一星形連接及次要地一個三角形連接。除有效電力P之饋入外，至電網4中之饋送亦可包含無效電力Q之饋入，該饋送由箭頭20圖解說明。針對具體饋入，由各別控制單元22控制換流器16，藉此控制單元22可與換流器16在結構上組合。圖2係用以圖解說明基本構造，且可以不同於此處所圖解說明之方式選擇個別元件之特定配置。舉例而言，變壓器18可提供於塔14之外側。
特定而言，控制單元22控制換流器16以使得控制至電網中之饋送之方式。藉此執行任務，諸如按電網4中之情況(特定而言，電網中之電壓之頻率、相位及振幅)調整待饋送之電力。另外，控制單元22經設計以控制實際上饋送至電網4中之電力中之有效電力P及無效電力Q之部分。此處，在電網4中(特定而言，在電網連接點2上)執行量測，且因此評估該等量測。除其他之外，亦量測電網4中之實際電壓(特定而言以電壓之實際有效值之形式)，且比較該實際電壓與電壓之預設值(亦即，預設值VSET)．
因此，所圖解說明之系統與特定而言具有控制單元22之換流器16形成縮寫為VCS之一電壓控制系統。
為控制風力發電設施之發電機，在短艙之區域中提供電力控制區塊24及電力評估區塊26。在所圖解說明之實施例之實例中，電力控制區塊24尤其控制激發，亦即單獨經激發之同步發電機之激發電流。電力評估區塊26評估引導至整流器8之電力，且比較該電力與由整流 器8經由DC電流線10釋放至換流器16之輸出電力。此評估之結果轉發至電力控制區塊24。
圖2亦圖解說明，所展示之系統應具有一電壓控制系統以進行一智能饋入以便儘量穩定地(特定而言，在一穩定性邊界附近)操作風力發電設施。
圖3圖解說明風力發電設施1'至所謂的弱電網4'之連接。此處之一弱電網係指具有高阻抗之一電網。在圖3中藉助於串聯阻抗5'圖解說明此高阻抗。另外，該串聯阻抗5'提供於對應於圖3中之結構之一測試結構中，且其用於檢查風力發電設施1'在電網4'上之行為。
圖3之結構採用藉由風力驅動且提供為一同步發電機之發電機6'。發電機6'之所產生電力在整流器8'中整流，且藉助中間電路電容器28'在一DC鏈上之輸入側上提供至換流器16'。所展示之結構比較DC線10'與在輸入側上之換流器16'之DC鏈以簡化圖解說明。輸入側上之一DC線實際上可與一中間電路電相同，或在輸入側上提供此處未詳細闡釋之一升壓轉換器。整流器8'及換流器16'亦可彼此實體上分離，如圖2中已關於整流器8及換流器16闡釋。
最後，提供激發器控制24'，該激發器控制可藉助來自由中間電路電容器28'表示之DC鏈之能量經饋電。該激發器控制24'控制單獨經激發之發電機6'之激發電流且基本上對應於圖2之電力控制區塊24。
換流器16'可饋入有效電力P及/或無效電力Q。圖3陳述在輸出側上之換流器16'之電壓作為風力發電設施之電壓VWEC。針對饋入，此係由變壓器18升高電壓，且然後在電網連接點2'上饋送至電網4'中。此處，電網4'亦包括電網變壓器30'。在電網變壓器30'之後開始之實際電網係用參考符號4"指定。電網連接點2'上之電壓稱為電網電壓VGrid。
為圖解說明弱電網，在電網連接點2'之前部展示串聯阻抗5'。該 串聯阻抗5'僅存在於此測試結構或圖解說明之結構中，且指示電網阻抗。因此，緊挨著變壓器18'展示之點亦可稱為電網連接點2"。此等兩個電網連接點2'與2"之間的此差異僅由串聯阻抗5'之此使用造成，且通常不以此形式存在於真實電網中。
圖4展示另一說明性及示意性實例，根據該實例兩個風力發電設施1連接至供電網4。每一風力發電設施1基本上設計為圖2中所闡釋，亦即具有發電機6、整流器8及DC線10，DC線10實際上包括至少兩個個別線路，亦即用於正及負電流，此亦適用於圖2之DC線10。此外，風力發電設施1包括換流器16及變壓器18。存取線32自兩個風力發電設施1中之每一者引導至風力發電設施側上之一或該電網連接點2'。因此，作為實例展示之此等兩個風力發電設施1(其可表示具有多得多之風力發電設施之一風力發電場)在風力發電設施側上之此電網連接點2'上聯合地饋送其所產生之電力。饋入電力P及饋入無效電力Q(若存在)然後引導至電網側上之連接點2"，且饋送至供電網4中。
風力發電設施側上之電網連接點2'與電網側上之連接點2"之間的連接不可被忽視，且因此，在風力發電設施側上之電網連接點2'上達到電壓VWP，然而在電網側上之連接點2"上達到電壓VGrid。
在評估區塊34中判定及評估風力發電設施側上之電壓VWP以用於控制。首先以使得藉助量測區塊36記錄所量測值之一方式執行評估。除其他之外，量測結果亦轉發至亦可稱為SVCS(穩定性電壓控制系統)區塊之穩定性控制區塊38。穩定性控制區塊38計算待提供之無效電力之一預設值QSet。待達到之此無效電力然後作為各別預設值轉移至兩個風力發電設施1，且因此將一次性地傳送至所有風力發電設施。特定而言若風力發電設施1具有同一大小且遭受相同風況，則此預設值可作為一絕對值轉移。然而，其亦可提供為諸如係指各別風力發電設施之性質之一百分比值的一預設值，例如，提供為相關風力發 電設施之標稱容量。
此外，量測區塊36將值傳輸至觀測器區塊40，該觀測器區塊在所判定量測值之基礎上計算進一步狀況(諸如饋入有效電力或饋入無效電力)，且將其結果傳輸至系統模型區塊42。若需要，則觀測器區塊40亦可獲得或導出關於電力需求之資訊。
系統模型區塊42之系統模型用於判定待饋入之一最大有效電力Pmax，且將該最大有效電力饋送至風力發電設施1。待饋入之此最大有效電力可提供為一絕對或相對值。注意，評估區塊34之圖解說明係用以闡釋結構。一般而言，將評估區塊34實體上設計為一獨立裝置係不必要的。
預設定無效電力Qset及最大有效電力Pmax然後轉移至每一風力發電設施1之FACTS控制區塊44。術語「FACTS」亦用於德語中且係「靈活AC輸電系統」之一縮寫。然後，FACTS控制區塊44實施預設值且因此控制換流器16，藉此其亦可考量來自風力發電設施狀況之量測值。
特定而言，但不排他地，評估區塊34可提供穩定性相關預設以用於至電網4中之一穩定饋送。特定而言，可設定關於待饋送之能量或關於電力量及穩定性係有利之一操作點。特定而言，在此處可判定具有一穩定性儲備之一操作點。此處，穩定性控制區塊38可藉助於無效電力之一各別預設Qset達到關於待饋入之無效電力之一穩定性儲備。
圖5圖解說明連接至一電網之一風力發電設施之靈敏度及對應影響因素。圖5之電網區塊50經代表地指定以用於電網行為，亦即在電網連接點上。電網區塊50圖解說明電網可對由一電壓改變所致之影響做出反應。所有影響在此處圖解說明為有效電力之改變△P及無效電力之改變△Q。有效電力區塊52考量電力改變之影響，且無效電力區 塊54考量無效電力改變之影響。有效電力區塊52展示在有效電力之基礎上之電壓之一偏導，且因此，無效電力區塊54展示在無效電力之基礎上之電壓之一偏導。此係藉助於各別偏導考量電網行為(即，電網靈敏度)之各別動態(亦即對有效電力及無效電力之改變之反應)之一可能性，其結果在求和區塊56中相加。因此，電網區塊50連同求和區塊56一起考量電網連接點上之電網電壓對兩個變數(亦即，有效電力及無效電力)之一相依性。在此處藉由偏導考量該相依性。
有效電力之改變特定而言由影響風力發電設施區塊58之風速之改變△VW造成。此風力發電設施區塊58圖解說明風速之改變△VW對有效電力之改變△P之影響，藉此風力發電設施之控制亦將經考量，且由此區塊58考量。
無效電力之改變△Q亦可取決於風力發電設施，或至少風力發電設施之控制；然而，其通常取決於與風速之無關其他環境。其改變由控制區塊60圖解說明。出於闡釋性目的，將此控制區塊60劃分成無效電力預設區塊62及FACTS區塊64。控制區塊60及因此無效電力預設區塊62最初相依於亦即電網連接點上之一電壓偏差△V減去一預定電壓偏差△V SET 。在此所得電壓偏差之基礎上，無效電力預設區塊62判定待饋入之一無效電力，或取決於一電壓改變，判定待饋入之無效電力之一預定改變。此轉發至FACTS區塊64，因此該FACTS區塊實施無效電力之饋入或無效電力之饋入之改變。
風力發電設施區塊58及控制區塊60亦可理解為各別輸入值之一轉移函數，且無效電力預設區塊62及FACTS區塊64各自可理解為在控制區塊60中互相聯繫之個別轉移函數。
圖6展示在饋入無效電力Q及饋入有效電力P之基礎上的電網連接點上之一項實施例之電壓之一相依性。無效電力Q在經檢查電網連接 點上標準化為電網之短路電力SSC，且標繪於橫座標上。電力P亦標準化為同一電網連接點之短路電力SSC，且建立於縱座標上。電壓VPCC係電網連接點上標準化為標稱電壓VN之電壓。分別針對不同值且取決於標準化無效電力Q及標準化有效電力P將電網連接點上之此標準化電壓標繪為一圖表。因此，具有值1之圖表或特性係表示達成標稱電壓所需之無效電力及有效電力值之特性。
舉例而言，若關於短路電力SSC饋入無效電力Q之10%及有效電力P之50%，則達成標稱電壓。
圖6之圖表至少關於具有高阻抗之一電網之一電網連接點展示此電網連接點之特性。
通常，針對電網實例之所圖解說明之電網連接點，將在一標準操作範圍200內實現一饋入。因此將藉助短路電力SSC之大約10%之一有效電力P、藉助短路電力SSC之無效電力之大約5%之一饋入實現該饋入。在饋入有效電力P對應於連接至電網連接點之發電機或者發電機之總和之額定功率或所連接負載的理想假定下，短路電力SSC之10%之饋入將意味：所連接負載PGen係短路電力SSC之10%。因此短路電流比Scr=SSC/PGen係大約10。此對應於所圖解說明之標準操作範圍200之大約中心。圖6展示另外短路電流比Scr作為短劃以用於定向，亦即用於10；6；4；2及1.5之Scr之值。
然而，根據本發明，提議饋入顯著較多之有效電力P，亦即在短路電力SSC之60%至70%之範圍內。因此，將提供與短路電力SSC相關之無效電力Q之20%至30%之一饋入以便針對此將電網連接點上之電壓維持在標稱電壓之100%至110%之範圍內。作為一預防措施，指出電網連接點上之標稱電壓之110%之饋入不意味可在消費者側上量測110%之一增加電壓。首先，通常在電網連接點與第一相關消費者之間存在一相當大的電網區段。其次，升降壓變壓器可提供於電網中， 此可在一特定程度上提供一平衡。在此申請案中無法解決待對其採取之措施(其取決於個別電網，包含消費者及生產者及各種其他框架狀況)。一專家通常熟悉所需要之措施。
此所提議區段在圖6中展示為增加之操作範圍210。此增加之操作範圍具有大約1.5之一短路電流比Scr。在此短路電流比之情形下，迄今為止無值得注意之生產者連接至電網。
圖6之圖解說明係關於相關電網連接點對基本電網之一電網分析之結果。出於此目的，如上文所闡釋，藉由求解雅可比矩陣分別而分析並判定電網中之相關元素。此產生圖6之當前圖解說明，根據該圖解說明，簡言之，右側之特性(亦即，具有較高饋入無效電力Q)亦反映電網連接點上之增加電壓。在減小之無效電力Q(亦即在左側)之情況下，電網連接點上之電壓減小。然而，無效電力Q不可任意地減小，且在過低(已為負)之一無效電力Q之情況下，雅可比矩陣根據相關聯之有效電力P變為奇異的，亦即，在數學方面不可能求解。一奇異雅可比矩陣意味存在一不穩定狀況。此產生因此在圖6中之圖解說明之左手側上經展示之穩定性邊界202。分別具有一較高有效電力P及/或一較低無效電力Q的穩定性邊界202之左邊之區域係不穩定區域204。作為一純粹預防措施，指出穩定性邊界202不與電網連接點上之一電壓值之一單個特性一致，而是似乎與複數個特性相切。然而，無法與複數個特性相切，此乃因在穩定性邊界202以外不存在任何值，且因此不存在複數個特性。
較佳地操作範圍(亦即增加之操作範圍210)距穩定性邊界202具有比標準操作範圍200小之一距離。然而，應注意，未關於電網特性進行特定考量或分析，如圖6中所展示。特定而言，距一穩定性邊界(如其在圖6中展示為穩定性邊界202)之距離係未知的，至少在圖6中所展示之品質及數量方面係未知的。相反，大發電廠之設施經定向符合短 路電流比之標準，且此比率係儘可能大的，較佳地在(或甚至顯著在)10以上。迄今為止，小型生產者(諸如風力發電設施)通常已連接至容易地能夠應付另一風力發電設施之連接的強電網。因此，以高短路電流比進行連接(其係有意地或非有意地)。
所提議之解決方案關於所提供之電網連接點、特定而言藉由數量上併入有如圖6中及較佳地下文將闡釋之圖7及圖8中所展示之環境準確地分析電網。特定而言，藉由多樣點之雅可比矩陣之一重複形成及求解執行此一分析。基於此一電網分析，可判定根據穩定性邊界202之一穩定性邊界，且可選擇根據圖6中之增加之操作範圍210之一所要操作範圍。
另外，提議，在一閉合控制迴路之意義上控制風力發電設施，如特定而言圖2及圖4中所展示。在圖2中，控制迴路基本上包括換流器16、變壓器18及控制單元22，考量電網連接點2上之量測值且控制換流器16以便達成根據箭頭20之饋入有效電力P及無效電力Q。該控制亦可影響對在發電機6之區域中的風力發電設施之控制；然而，包括換流器16、變壓器18及控制單元22的所闡述之控制迴路不需要機械元件且能夠極快速地反應。針對上述情形，特定而言在控制單元22中，亦可考量電網連接點(亦即，根據圖2之電網連接點2)上之電網特性之知識。因此，可實施辨識電網連接點上之電網行為(尤其穩定性邊界)之一快速控制。此使得可能在諸如圖6之增加之操作範圍210之一所要操作範圍內操作風力發電設施或風力發電場及其他生產者(若適用)，且同時確保高穩定性及安全。
圖7及圖8展示取決於無效電力Q及有效電力P之電壓靈敏度。因此，圖7及圖8在橫座標及縱座標上使用相同值，亦即橫座標上之標準化無效電力及縱座標上之標準化有效電力。
所展示之電壓靈敏度係依照圖7之隨有效電力之改變的電壓之改 變或依照圖8之隨無效電力的電壓之改變。換言之，圖解說明圖7中根據有效電力之電網連接點上之電壓之偏導及圖8中根據無效電力之電壓之偏導。因此，圖7展示圖5之有效電力區塊52之行為。圖8展示圖5之無效電力區塊54之行為，藉此在兩種情形中，取決於由當前饋入無效電力Q及饋入有效電力P判定之操作點展示圖解說明。各別特性之值係關於具有一短路電力SSC=3.73 MVA之一電網連接點，具有2MW之一額定功率之兩個風力發電設施各自將經連接至該電網連接點作為一實例。因此，此測試配置允許測試效能具有比1小一些之一短路電流比。然而，針對所執行之測試，測試風電場之各別實際功率用作一基礎，且判定為目標風電場(亦即，待檢查之(假設)風電場)之一所連接負載。
關於本發明實施例，亦即，例示性組態，闡述與電力P(以MW為單位)之一改變或無效電力Q(以MVAr為單位)之一改變相關之標準化電壓之改變。圖7及圖8亦圖解說明所要(亦即，增加之)操作範圍210。因此，根據圖7之關於有效電力之改變之電壓靈敏度係大約-0.2至-0.4。根據圖8之關於無效電力之改變之在增加之操作範圍210內之電壓靈敏度係大約0.3至0.5。因此提議，當設計風力發電設施時，將其連接至具體電網連接點，以併入有並考量關於有效電力之改變(如圖7中之實例中所展示)及/或關於無效電力之改變(如圖8中之實例中所展示)的控制中之此電壓靈敏度。特定而言，將亦在控制中且較佳地亦在控制之設計中考量此等值。較佳地，取決於靈敏度(特定而言，電壓靈敏度)選擇一控制器放大。
特定而言，提議考量閉合迴路(如由圖2中所展示之元件(亦即，換流器16、變壓器18及控制單元22)示意性地實現)中之此等值。此處，變壓器18係較不重要的；然而，其經常必須存在且需要其以饋入已在電網連接點2上之一分別高電壓。特定而言，考量關係到控制單 元22中之電壓靈敏度的發現。這樣，已知此等值，可能設計並實施具體電網連接點之一經定製控制。此使得可能減小10及甚至更高之短路電流比之先前高值，且提供提供諸如短路電流比之1.5之低值，且因此在圖6至圖8中展示之增加之操作範圍210內操作風力發電設施。
因此，本發明特定而言提議不再根據電網並聯操作之舊原理連接一風力發電設施亦及最終一風力發電場(假定電網容量係充足的)，而是具體分析連接點且在操作之前已考量結果，且一經定製風力發電設施或風力發電設施發電場然而連接於彼處。較佳地，尤其關於待饋入之無效電力Q及有效電力P的控制及待選擇之操作範圍比先前由專家所完成靠近於一穩定性邊界而經定製及配置。在如此做時，以一定標方式使用一風力發電設施之益處，亦即用以迅速地及以一定標方式對改變(特定而言，電網狀況之改變)做出回應。此係為避免電網(特定而言，特定電網連接點)之一過分大之大小，至少用於將風力發電設施連接至電網。雖然如此，但若控制或調節器關於電網連接點極好地辨識電網連接點或電網之特性且若其觀測電網狀況，則可能維持且甚至改良穩定性。
作為一純粹預防措施，指出，一調節器基本上理解為具有回饋之一閉合迴路，藉此一控制基本上係指一開「迴路」，亦即，不具有回饋之一情況。雖然如此，但實施一控制方法之一控制區塊可用於一控制迴路中。關於圖2中之實例，此意味，控制單元22就其包括一特定控制函數或轉移函數(其亦可係非線性及/或揮發性，及/或係關於數個大小)而言係一控制。然而，此控制單元用於圖2中所展示之迴路中，除控制單元22以外，該迴路基本上亦包括換流器16、變壓器18及最終具有一比較單元23的電網連接點2上之一量測單元。控制單元22控制換流器且因此整合於閉合迴路中，從而使其為一控制之部分。
圖10展示一風力發電場200之一示意圖，該風力發電場在此實例 中包括由符號WEC指示之3個風力發電設施202。另外控制元件指派給由一虛線框指示之每一風力發電設施202。此一虛線框指示為每一風力發電設施202，然而僅在一個風力發電設施(亦即，上文圖10中所展示之風力發電設施202)中展示所指派之元件。此等元件中之大多數元件亦可局部地配置於風力發電設施中，例如，風力發電設施之塔中。
就圖10至圖13之控制結構不同於關於圖2及圖4所提及之以上陳述而言，圖2至圖4之該上文所提及之結構作為補充闡釋係有幫助的且作為大體闡釋係有用的。
風力發電場200經由亦稱為PCC之共同耦合點204連接至AC電網206。AC電網206亦及因此共同耦合點204係3相，然而為省事而未在圖10中突出顯示該3相。
在共同耦合點204上或後面，量測一電網電壓U N，包括3個電壓u1、u2及u3。另外，在共同耦合點204上或右後方識別饋入電力I N，含有個別電力分量i1、i2及i3。連續地識別針對電網電壓U N及饋入電力I N量測之此等值，且將該等值鍵入至中央控制單元208中。中央控制單元208提供為整個風力發電場200之一中央控制單元。另外，中央控制單元208接收其預設輸入210上之某些預設值，亦即，待用作所有風力發電設施之箝位電壓之設定點值的正序分量之電壓之一設定點值，且考量風力發電設施與共同耦合點之間的線路上之一預期電壓降。另一選擇係，此處亦可針對風力發電設施202中之每一者鍵入此一值。此外，預定控制器參數，亦即，一電壓差△Ut以及第一及第二計時器時間tA及tB及一無效電力增量。此外，預定一有效阻抗Z PCC-WEC及(另外)2個特性映射。有效阻抗Z PCC-WEC闡述風力發電設施202與共同耦合點204之間的供應線之阻抗。可分別針對一風力發電設施202與共同耦合點204之間的每一連接線或尤其在大偏差之情況下針 對風力發電場內之每一個別風力發電設施聯合地預定該值。
該阻抗用於補償各別線路上之一電壓降，此亦稱為線路電壓降補償，此僅由於一發電場中之個別風力發電設施之大程度之並聯連接而係實際上可能的。在通常係有效之一考量之意義上尤其進行該考量。出於此原因，較佳地提議針對整個發電場考量僅一單個阻抗。
中央控制單元208然後將3個設定點值(亦即，待饋入之正序分量之無效電力、待在風力發電設施之輸出處設定的正序分量之電壓及待饋入之正序分量之有效電力之一最大值)傳遞至風力發電設施202。
基本上針對僅在圖10中示意之每一風力發電設施202預定此等3個設定點值。
然後將此等預設值鍵入至電廠控制單元212中，藉此在預定最大有效電力之基礎上計算正序分量之餘弦電力分量I +c 。舉例而言，可使用以下公式計算該分量：
與前述一致，使用以下公式計算風力發電設施之正序分量之電力之一正弦分量：
下文結合圖13詳細闡釋電廠控制單元212。電廠控制單元212然後輸出待設定之電流i1'、i2'及i3'之設定點值。將此等電流饋送至控制區塊214以實施脈衝寬度調變，且在圖10中該控制區塊亦指示為PWM。然後，PWM 214控制接收其至中間電路218之輸入能量之換流器216。因此，換流器216基於電壓而工作，且亦被專家稱為「電壓源控制」(VSC)。
因此，換流器216輸出正序分量之一電力，其在發電場內經由 變壓器220及供應線222饋送聯合之共同耦合點204。共同耦合點204展示用以連接另外風力發電設施202之另外連接224之一示意圖。
針對尤其透過電廠控制單元212的風力發電設施之內部控制，在風力發電設施或換流器216之輸出226處識別3個電壓u1'、u2'及u3'，且將該等電壓鍵入至亦在圖10中指示為SO1之狀態觀察器228中。在此基礎上，狀態觀察器228判定鍵入至電廠控制單元212中之一相位角φ U 。在德國專利申請案DE 10 2009 031 017 A1中詳細闡述狀態觀察器228之功能性。特定而言，在圖4中彼處闡述狀態觀察器228。彼處，電壓u1、u2及u3指定為輸入值，且相位角φ1、φ 2 及φ3指定為輸出值。因此，該德國專利申請案之內容亦應被視為本申請案之內容。在任何情形中，德國專利申請案之根據圖4之狀態觀察器之說明應係本申請案之部分。一美國申請案13/381,302連同德國專利申請案一起存在。
因此，中央控制單元208量測風力發電場之連接點204上之電壓及總電力。
圖11中圖解說明中央控制單元208之設置。因此，在共同耦合點204上所量測之電壓u1、u2及u3以及彼處所量測之電流i1、i2及i3係中央控制單元208之輸入量測。該等電壓及電流係瞬時值且經鍵入至在圖11中亦指示為單元1.1之計算區塊230中。
在經鍵入之電流及電壓(其在共同耦合點204上經量測)之基礎上，舉例而言以5KHz之一取樣速率，計算區塊230計算饋入有效電力P及無效電力Q，以及電力I及正序分量之電壓。基本上已知一3相系統(諸如，在此情形中，根據對稱分量之方法之一3相電壓)分解成一正序分量及一負序分量。舉例而言，可實施此計算區塊230中之計算，如德國專利申請案10 2011 084 910.6中連同圖3一起所闡述。
在圖11中亦指示為單元1.2之評估區塊232在於共同耦合點204上所量測之值或自其導出之值之基礎上計算或評估待在風力發電設施之 箝位上預期之電壓，亦即，在風力發電設施之箝位上、尤其在換流器216之輸出226上之正序分量電壓。出於此目的，使用共同耦合點上之正序分量之電壓、電力I及相位角=arctan(Q/P)。此外，需要共同耦合點與風力發電設施之間的有效阻抗Z PCC-WEC(其係先前判定的)，且在此處將有效阻抗Z PCC-WEC鍵入於中央控制單元208及評估區塊232中。基本上，考量風力發電設施至共同連接點之間的連接線上之一電壓降。考量或補償此電壓降。風力發電設施上之正序分量之所識別及所計算之電壓係一等效物(亦即，一假定虛擬電壓)之一評估。
在圖11中亦指示為單元1.3之控制區塊234係中央控制單元208之一重要元件。下文連同圖12一起詳細闡釋該控制區塊234。在任何情形中，其接收風力發電設施之正序分量電壓作為一輸入值，而且接收數個控制器參數，亦即，、△Ut、tA、tB及風力發電設施之電壓設定點值。
控制區塊234輸出風力發電設施之正序分量之電壓，基本上轉送該值，且輸出待透過風力發電設施饋入之正序分量之無效電力之一設定點值。此外，控制區塊234輸出被靈敏度區塊236需要且傳遞給該靈敏度區塊之一計時器2。靈敏度區塊236在圖11中亦指示為單元1.4。
靈敏度區塊236在基於共同耦合點上之量測而在計算區塊230中所計算之值之基礎上判定電網靈敏度。藉助以下公式進行該計算：
視為該計算之一基礎之差係指屬於不同時間點之值，且因此，由計時器2之值之時間間隔(尤其在當計時器2具有值0之一時間處及在當計時器2具有其最大值之一時間處)所得之彼等所計算之值被視為一 基礎，藉由以下公式闡述此：
△P=P(timer2=max)-P(timer2=0)
△Q=Q(timer2=max)-Q(timer2=0)
因此，值計時器2=0闡述在已設定或起動計時器2之前直接經記錄或判定之值。
因此，靈敏度區塊236輸出亦即關於有效電力或無效電力之改變的電網靈敏度，亦即，及。
最後，存在在圖11中亦指示為單元1.5之一特性映射區塊238。
該特性映射區塊238接收有效電力及無效電力以及電網靈敏度作為輸入信號。另外，在彼處鍵入並儲存亦即作為一先前進行之電網分析之一結果的特性映射。因此，特性映射區塊238含有電網靈敏度及作為先前記錄及儲存於特性映射中(亦即，2個特性映射中)之值，且作為由饋入有效電力之當前值及饋入無效電力之當前值所得的當前操作點之當前值。此處，分別比較2個電網靈敏度，亦即，先前所儲存之電網靈敏度與當前所記錄之電網靈敏度，亦即，電網分析之與當前操作點之以及電網分析之與當前操作點之。
較佳地，亦在此處儲存一穩定性邊界，且識別自當前操作點至穩定性邊界之一距離。若當前操作點達不到距穩定性邊界之一預定距離，及/或若當前所識別之電網靈敏度存在與待預期之靈敏度(亦即，儲存於特性映射中之先前所記錄之電網靈敏度)之一顯著偏差，則減小待饋入之最大有效電力PmaxWEC。因此，在特性映射區塊238處輸出該值。
圖12中亦在一示意性流程圖之意義上詳細闡述控制區塊234(單元1.3)。在步驟S1中，比較風力發電設施之正序分量電壓與一各 別設定點值，亦即，。風力發電設施上之正序分量之電壓係根據共同耦合點上之所量測電壓及有效阻抗之考量由評估區塊232判定之虛擬電壓。在該步驟S1中，首先檢查該虛擬電壓是否在容差帶240中。此處，容差帶240係其在預定電壓差△U t 周圍之邊際在電壓設定點值以上或以下之一帶。
若電壓(舉例而言)在時間t1處超過容差帶，則起動一第一計時器1。
然後，量測在時間點t2(此時電壓返回至容差帶240)之前度過之時間。若電壓離開容差帶向下，則一類似程序係可能的，如步驟1中之圖表中所指示。
邏輯步驟S2闡述計時器1之行為。步驟S1及S2以及下文所闡述之另外步驟基本上同時發生，且亦可同時發生。因此，該等步驟S1及S2闡述控制區塊234之部分功能或部分過程或功能性。
步驟S2闡釋，時間1增加直至其超過值tA。在其中超過該值之該情形中，時間1設定為0，且步驟S2中所闡述之加速迴路再次重新開始。若容差帶中之電壓在計時器1已超過值tA之前返回，則計時器1再次設定為0，且保持於彼處直至電壓再次離開容差帶240。無其他任何東西被觸發。
然而，若计時器1已超過值tA，則突然地或逐步階地改變預定無效電力，在S3中闡釋此。因此，若差超過值△U t 或達不到值-△U t ，則預定正序分量之一無效電力差。因此，設定正序分量之一無效電力值差或一各別負值。然後在其當前值之基礎上，風力發電設施之正序分量之預定無效電力值由差值改變，亦即，若電壓已離開容差帶240向上則增加一個步階，或若電壓已離開容差帶240向下則減少一個步階。在步驟S4中之等式中展示此。因此，值係步階之量。
藉由使風力發電設施之無效電力改變一個步階，另外起始一計時器2。針對風力發電設施之正序分量之無效電力增加步階之實例藉由步驟S5圖解說明此。相應地，上述情形適用於一減少。計時器2在一迴路中增加直至無效電力達一個步階之該增加即將發生。若計時器2超過比較值tB，則將其輸出至計時器2以使得其可進一步用於靈敏度區塊236中。在步驟S6中圖解說明計時器2之迴路。
提議在可再次改變無效電力之前藉由所有手段等待計時器2。因此，在此週期期間，無效電力未減少一個步階。
除其他以外，控制區塊234亦輸出電壓設定點值且然後分別由風力發電設施用作。
另外，輸出待設定且若需要則改變的風力發電設施之正序分量之無效電力以使得其可由中央控制單元208總計輸出，且傳遞至各別電廠控制單元212，如圖10中所展示。
因此，控制區塊234指示一特殊滯後停機時間控制器，其具有值△U t 、t A 、t B 及作為參數。計時器具有以下之意義及效應：若計時器1達到值tA則僅進行無效電力之增加或減少之一步階之一啟動。若電壓較早返回至容差帶240，則離開容差帶對控制不具有影響。然而，若計時器1達到值tA，則啟動無效電力之增加或減少達一個步階，且起動計時器2。然後籍由所有手段等待直至計時器2達到值tB。
在控制區塊234中闡述之該滯後控制器目的在於連同電廠控制單元212一起防止風力發電設施內部控制若使用共同耦合點之電壓作為一實際值則變得不穩定。另外，將防止使用風力發電設施或風力發電場之無效電力作為一操縱變數之電壓控制變得不穩定。
控制區塊234或單元1.3實現亦可在除中央控制單元208(中央單元1)中以外之地方中(亦即，在個別風力發電設施之電廠控制單元212中)使用之數學函數。其他輸入資料、尤其量測資料然後引起不同發現，亦即，不同結果。
電廠控制單元212(其中之數者提供於一風力發電場中)尤其執行某些計算，如圖13中所闡釋。風力發電設施之正序分量電力之餘弦分量然後進入該電廠控制單元212。此外，風力發電設施之正序分量之電壓或虛擬電壓進入，且風力發電設施之正序分量之無效電力(其待設定)進入。該兩個值經由第一次序之一延時元件242或244分別導出，且然後引導至正弦分量區塊246。在正弦分量區塊246中，根據彼處所展示之公式計算風力發電設施之正序分量之待設定之電力之正弦分量，亦即：
在待設定之電力之餘弦及正弦分量之基礎上，然後在總當前區塊248中計算正序分量之待設定之電力之電力振幅及其角，如區塊248中所展示，亦即，藉由以下公式：
最終，在後續單個電力區塊250中，藉由彼處所展示之等式計算待設定之3個個別相位電流i1'、i2'及i3'，且根據圖10結果輸出至電廠控制單元212，且傳遞至PWM區塊214。因此，藉由以下等式計算電流：
因此，在由中央控制單元208在中央預定之值之基礎上，針對每一風力發電設施202由電廠控制單元212個別地判定電力分量。在所展示之實例中，角取決於在特定風力發電設施之輸出處之特定量測， 且因此針對風力發電設施經個別化。
除彼之外，餘弦份額由風力發電設施之電力控制產生。第一次序之延時元件242及244因此構成濾波器。該等濾波器參數調整至控制區塊234。
因此，風力發電設施控制限制電力，且因此若需要則更詳細地將電力限制於值。
200‧‧‧風力發電場
202‧‧‧風力發電設施
204‧‧‧共同耦合點/聯合之共同耦合點/連接點/電網饋入點
206‧‧‧直流電網/電網
208‧‧‧中央控制單元
210‧‧‧預設輸入
212‧‧‧電廠控制單元
214‧‧‧控制區塊/脈衝寬度調變區塊
216‧‧‧換流器
218‧‧‧中間電路
220‧‧‧變壓器
222‧‧‧供應線
226‧‧‧輸出
228‧‧‧狀態觀察器
i1、i2、i3‧‧‧電流/電力分量
、、‧‧‧電流
I N‧‧‧饋入電力/電力
‧‧‧電力/餘弦份額
‧‧‧正序分量之有效電力之一最大值/值
‧‧‧風力發電設施之正序分量之無效電力/待饋入之正序分量之無效電力/設定點值
U1、U2、U3‧‧‧電壓
、、‧‧‧電壓
U N‧‧‧電網電壓
‧‧‧正序分量之電壓/風力發電設施上之正序分量之所識別及所計算之電壓/風力發電設施之正序分量之電壓
VSC‧‧‧電壓源控制
φ U ‧‧‧相位角

Claims (14)

  1. 一種用於控制包括數個風力發電設施(202)之風力發電場(200)以在一共同耦合點(PCC)(204)上將電力饋送至一AC電網(206)中之方法，該方法包括以下步驟：在該共同耦合點(204)上饋送一3相電力，識別該共同耦合點上之一電網電壓(U N)，比較在該共同耦合點(204)上所識別之該電網電壓(U N)與至少一個預定設定點值，取決於為在共同耦合點(204)上滿足一穩定性準則而實施之該比較來判定風力發電設施(202)之設定點值，將該等該所判定設定點值傳遞至個別風力發電設施(202)之電廠控制單元(212)，及取決於該等預定設定點值在該等風力發電設施(202)中之每一者上產生電力(、、)以用於該共同耦合點(204)上之聯合饋送。
  2. 如請求項1之方法，其中識別在共同耦合點(204)上饋送之電力(I N)，且尤其在共同耦合點(204)上量測該電力(I N)，在共同耦合點(204)上識別該饋入電力(I N)及該電網電壓(U N)，比較該共同耦合點(204)上之該電網電壓(U N)與至少一個預定設定點值，及/或由一中央控制單元(208)判定該設定點值，取決於至少一個可變穩定性準則判定該等設定點值，藉此該穩定性準則尤其取決於共同耦合點(204)上的該AC電網(206) 之一電網狀況，及/或由該風力發電場(200)饋入之無效電力，及/或由該風力發電場饋入之有效電力。
  3. 如請求項1或2之方法，其中基於根據對稱分量方法而分解成一正序分量與一負序分量來判定該等設定點值，且該等設定點值係該正序分量之值，亦即，待饋入且與該正序分量相關的該各別風力發電設施(202)之至少一個無效電力，與該正序分量相關的該各別風力發電設施(202)之至少一個輸出或箝位電壓，及/或待饋入且與該正序分量相關的該各別風力發電設施(202)之至少一個有效電力，尤其係待饋入之一最大有效電力。
  4. 如前述請求項中任一項之方法，其中計算並儲存一穩定性邊界以用於控制，尤其在該中央控制單元(208)中儲存該穩定性邊界作為一特性映射。
  5. 如前述請求項中任一項之方法，其中限制待饋入之該有效電力QWEC及待饋入之該無效電力PWEC，且判定各別設定點值並將該等各別設定點值傳遞給該等電廠控制。
  6. 如前述請求項中任一項之方法，其中依據對電網饋入點(204)之量測、尤其依據該電壓及/或該電力之該識別導出該電網饋入點(204)之參數，以便評定該AC電網 (206)之特性。
  7. 如前述請求項中任一項之方法，其中在一先前進行之電網分析期間記錄並儲存電網靈敏度，且針對一當前操作點及一控制識別當前電網靈敏度，尤其係取決於該當前電網靈敏度與該等先前所記錄之電網靈敏度之一比較來預定並改變至少一個設定點值，尤其係若作為該比較之一結果一偏差超過或達不到一預定臨限值(△U t )則減小待饋入之該有效電力之一設定點值。
  8. 如前述請求項中任一項之方法，其中突然地改變待饋入之該無效電力及/或待饋入之該有效電力之一設定點值，及/或基於該共同耦合點(204)上的該電網(206)之該電壓之回應，基於一(或該)突然改變判定一當前電網靈敏度。
  9. 如前述請求項中任一項之方法，其中使用一滯後控制器來預定該等設定點值，及/或若該電網(206)中之至少一個狀態變數滿足一預定準則，亦即，尤其共同耦合點(204)上之該電網電壓超過或達不到一預定臨限值，或超過一預定臨限值之該值，或離開一容差帶，且此後已過去一預定停機時間，且該狀態變數繼續滿足該預定準則，則改變該等設定點值中之至少一者。
  10. 如前述請求項中任一項之方法，其中若將考量預期在自一風力發電設施(202)至共同耦合點(204)之至少一個供應線上之一電壓降，則當指定該等設定點值時考量 該供應線之阻抗。
  11. 一種具有數個風力發電設施(202)之風力發電場(200)，藉此藉助如請求項1至10之一方法控制風力發電場(200)。
  12. 如請求項11之風力發電場(200)，其中風力發電場(200)包括一中央控制單元(208)，且風力發電場(200)之每一風力發電設施(202)包括一電廠控制單元(212)，藉此中央控制單元(208)準備給電廠控制單元(212)提供待饋入之無效電力及/或有效電力之預定設定點值。
  13. 如請求項11或12中任一項之風力發電場(200)，其中在共同耦合點(204)上，存在<4(較佳地<2，甚至更佳地<1.5)之一短路電流比(SCR)。
  14. 一種用於自風力產生電力之風力發電設施(202)，其特徵在於風力發電設施(202)經製備以在如請求項11至13中任一項之一風力發電場(200)中使用，且尤其包括一各別電廠控制單元(212)以自風力發電場(200)之中央控制單元(208)接收設定點值。
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