TW201526453A - 用於將電力饋送至一供應電網之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示用於藉由一風力發電廠(112)將電力(P)饋送至一電力供應電網(2)之方法，其中該風力發電廠(112)自一連接電網(4)且經由一變壓器(6)饋電至供應電網(2)，其中第一連接電網(4)具有一連接線電壓且供應電網(2)具有一電網電壓，其中饋送基於一虛擬量測電壓(UVIRT)而發生，且一虛擬量測點(12)之一電壓被計算為該虛擬量測電壓(UVIRT)。

Description

用於將電力饋送至一供應電網之方法
本發明係關於一種用於藉由一風力發電廠將電力饋送至一電力供應電網之方法。本發明此外係關於一種執行此方法或準備執行此方法之風力發電廠。
藉由一風力發電廠將電力饋送至一供應電網已為眾所周知。此處之基本概念係如圖2中示意地展示之一風力發電廠，其包括根據示意圖1之若干風力發電設備。
此風力發電廠亦被認為用於支援其中被風力發電廠饋送電力之供應電網。此意謂一風力發電廠不僅經操作以諸如將最大電力饋送至供應電網(所謂的並聯發電)，而且可在類型及量方面調整其饋送以支援供應電網。例如，此方法被認為來自美國申請案10/490,896。
如今，風力發電廠亦逐漸用於電網支援目的。雖然此趨勢大體上係一積極趨勢，但是亦存在風險：一供應電網中之許多饋送及電網穩定的風力發電廠可在一不利群集中彼此競爭，這可導致一振動行為。供應電網內將有助於穩定之其他分散的發電機亦基本上存在此風險。
德國專利與商標局已研究出以下優先權申請案中之下列先前技術：DE 10 2009 030 725 A1、EP 1 802 866 B1及EP 2 551 984 A2。
因此，本發明之目的係解決至少一前文提及的問題。特定言 之，將提出一種有助於增加一電力供應電網之穩定性或至少維持其穩定性之解決方案。應提出至少一替代性解決方案。
根據本發明提出一種根據技術方案1之方法。根據技術方案1，一風力發電廠將電力饋送至一電力供應電網。風力發電廠將此電力自一連接電網且經由一變壓器饋電至供應電網。連接電網具有一連接線電壓，且供應電網具有一電網電壓。連接電網亦可為例如連接風力發電廠之風力發電設備之一風力發電廠電網。變壓器可為饋送點或可配置在饋送點處，風力發電廠經由該饋送點饋電至電力供應電網。
饋送係基於一虛擬量測電壓。在饋送期間，因此至少在一些方面參考該虛擬量測電壓。一虛擬量測點之一電壓被計算為虛擬量測電壓。因此指定一虛擬量測點：較佳地位於供應電網之一線路中、位於連接電網之一線路中或位於變壓器中，且藉由已知拓撲計算此虛擬量測點處之電壓。
因此，量測於某個時刻發生在例如變壓器處之連接電網中。此外指定一虛擬量測點：特定言之，可位於供應電網中之一所要點處或變壓器中之一所要點處。虛擬量測點亦可位於變壓器與供應電網之間之一連接線中。接著自在實際量測點處量測之值(構成虛擬電壓)來計算虛擬量測點處之一電壓。接著將因此計算之虛擬量測電壓視為用於將電力饋送至供應電網之一基礎。
以此方式，記錄一所要點(即，虛擬量測點)處之電壓。繼續如此進行之一優勢係：發生實際電壓計量之至少一部分解耦。虛擬(即，經計算之)電壓在很低程度上取決於其他饋送線。因此尤其在連接積分項(I項)控制器時，避免即使僅發生最小的量測誤差亦可引起的問題。
在前文提及之實例中，可在連接電網(即，例如風力發電廠電網)中採取一量測，且在供應電網中之一所要位置處仍然將一電壓值視為 一基礎。順便提及，提出用於各描述之實施例之一選項：供應電網係一風力發電廠電網。
根據一實施例，提出虛擬量測點位於變壓器中。特定言之，此方法可預期存在一穩定電壓值。饋送可參考此穩定電壓值，這將增加饋送穩定性且因此亦增加供應電網之穩定性。特定言之，變壓器中之此虛擬量測點將不會被另一風力發電廠使用。以此方式，可防止(例如)兩個風力發電廠試圖控制一相同點或至少一相同位置處之電壓且因此防止彼此競爭。因此防止此等兩個例示性風力發電廠在控制相同電壓時彼此競爭。
較佳地，風力發電廠自一中電壓電網饋電至一高電壓電網，意謂連接電網係一中電壓電網，且因此連接線電壓係一中電壓，且供應電網係一高電壓電網，意謂電網電壓係一高電壓。此意謂當饋電至該高電壓電網時，風力發電廠因此作用於一相當高的電網位準下。至此高電網位準之饋送範圍對應地較大。
因此，高電壓大部分位於110kV處，其中不同的國家可不同地定義此值。中電壓近似位於1kV與50kV之間之一範圍內。此定義亦可隨著國家而變化。
根據一實施例，提出將變壓器中之虛擬量測點設定為一預定值。較佳地，此值可大約為20kV。
當例如一20kV電網及變壓器中之量測上升至110kV時，相對於量測電壓計算虛擬電壓。例如，可自量測電壓20.2kV加上一電壓差(即，例如依據0.7kV之虛擬變壓器分接而計算)來計算虛擬電壓。在此實例中，因此虛擬電壓係20.9kV。此情況下使用之一電壓控制器現在操作於20.9kV之一虛擬電壓下且操作於前文提及之實例中之20kV之一額定電壓下。
根據一實施例，考慮位於實際量測點與虛擬量測點之間之各自 電阻及各自電抗，自一量測電壓、當前饋入功率及當前饋入無功功率來計算虛擬量測點處之虛擬量測電壓。
取決於選定的虛擬量測點，此亦可為位於實際量測點與虛擬量測點之間之一線路之電阻及電抗。可能需要增加變壓器之電阻及電抗。若可忽略電阻或電抗之任一者，則僅考慮電阻或僅考慮電抗便可能已經足夠了。
然而，除此之外，諸如變壓器之一電流(可自其導出功率及/或無功功率)之其他值亦可被視為量測值，或亦可單獨被視為量測值。
順便提及，在量測及計算期間，可採取一有效值作為一基礎。然而，較佳地，將至少對量測電壓及/或經計算之虛擬電壓(即，依量及相位之一電壓值)使用一複數值。若考慮電流且只考慮電流，則此電流亦可被視為一複數值(即，依量及相位)。以此方式，可判定有功及無功功率。請注意，饋入功率在此處意謂饋入有功功率。
根據一實施例，提出饋入功率及/或饋入無功功率基於虛擬量測電壓而改變。因此提出一種參考虛擬量測電壓之一電壓相依型功率控制及/或一電壓相依型有功功率控制。
此外根據本發明提出一種根據上述實施例之至少一者將電力饋入或準備饋入至一供應電網之風力發電廠。特定言之，此準備包含：風力發電廠包括一對應控制單元，其控制一饋送點(特定言之，變壓器)處之電力饋送及/或可估計一量測電壓及可能饋入有功及無功功率之對應量測值。此外或替代地，本發明提供此對應控制單元或可計算虛擬量測電壓之又另一控制單元或運算單元。此控制單元(特定言之，一風力發電場控制單元)包括(特定言之)一對應的微處理器。
下文使用實施例作為參考隨附圖式之實例更加詳細地描述本發明。
圖1展示具有一塔102及一機艙104之一風力渦輪機100。具有三 個轉子葉片108及一旋轉器110之一轉子106位於機艙104上。當進行操作時，轉子106藉由風力進行一旋轉運動且藉此驅動機艙104中之一發電機。
圖2展示具有例如可相同或不同之三個風力發電設備100之一風力發電廠112。該三個風力發電設備100因此表示一風力發電廠112之基本上隨機數目個風力發電設備。風力發電設備100經由一電力風力發電廠電網114提供其等電力，特定言之所產生的電力。合計分別由個別風力發電設備100產生之電流或電力。通常來說，將提供一變壓器116，其傳輸風力發電廠處之電壓，接著在饋送點118處將電壓饋送至供應電網120，饋送點118一般亦稱作一共同耦合點(PCC)。圖2僅僅係一風力發電廠112之一簡化繪示，其並未展示(例如)一控制，但是當然存在一控制。此外，僅提及另一實施例，風力發電廠電網114可經不同地設計，包含(例如)各風力發電設備100之輸出處之一變壓器。
在圖3上部，圖3展示具有一饋送點之一電網之一區段，即，一電力供應電網2、一經描繪連接電網4及一變壓器6，變壓器6用於將連接電網4中之一電壓(即，一連接線電壓)逐漸增加至供應電網2中之一電壓(即，一電網電壓)。此外描繪三個量測點或多個量測點，即，一風力發電廠量測點8、一電網量測點10及一虛擬量測點12。風力發電廠量測點8(亦可稱作風力發電廠量測點)在連接電網4中直接配置在變壓器6前面，在此情況下連接電網4亦形成風力發電廠電網4。電網量測點10(亦可稱作電網量測點)在供應電網2中直接配置在變壓器6處。從風力發電場電網或連接電網4之觀點來看，電網量測點10因此配置在變壓器6後面。虛擬量測點12基本上配置在供應電網4中之一隨機點處，特定言之配置在與電網量測點10相距一淨距處。虛擬量測點係供應電網中處於其中特定言之對於依賴電壓之一調整控制而言電壓極為 重要之一位置處之一點。圖3及圖4亦展示供應電網2中之虛擬量測點12。然而，虛擬量測點亦可位於變壓器6中。
因而，電網量測點10或變壓器6可稱作共同耦合點(PCC)。
此外，圖3除所描繪之電網區段(包含饋送點)以外亦展示一等效電路圖ECD。電阻RT及電抗XT構成變壓器6之替代組件。替代組件RL及XL表示電網量測點10與虛擬量測點12之間之區段之供應電網2之特性。電網量測點10展示一電流線電壓U act，其在等效電路圖ECD中被指示為針對中性導體N之相電壓U act/。此外電流係I。此意謂電流及電壓在此處使用複數值。圖3展示其中虛擬量測點對應於實際量測點(即，在此情況下，電網量測點10)之情況。此處，虛擬量測電壓被指定為U ＊ act。因為量測電壓及虛擬電壓在此處相同，所以適用以下項：U ＊ act=U act以數學觀點而言，此可加以表達使得替代值R及X具有值0：R=X=0
圖4展示其中虛擬量測點12配置在與供應電網2中之電網量測點10相距一淨距處之情況。在此情況下，可在供應電網2之電阻RL及電抗XL的輔助下自量測電壓U act計算虛擬電壓U ＊ act。在該計算中，為方便之原因，使用供應電網2之等效電路圖ECD之此等參數且不加索引。在以下等式中，R及X因此描述電網量測點10與虛擬量測點12之間之供應電網2之電阻或電抗。因此根據以下等式計算虛擬量測電壓U ＊ act之值：
因此自電阻R及電抗X且自線電流I計算虛擬量測電壓U＊ act。因此，線電流I亦可被細分為實部及虛部且可自當前有功功率Pact、饋入無功功率Qact及當前量測之線電壓Uact計算：
因此，用於計算虛擬電壓U＊ act之上述計算公式假定電阻R及電抗X並非0但是小於0，這係因為其等效果係用於補償虛擬量測電壓U ＊ act之計算。
對於電流計算，可以正規化形式使用該等值，特定言之，用於電阻R及電抗X之參數。例如根據以下公式自待饋入之額定電壓Urat及額定有功功率Prat計算之阻抗ZBase可用作比例縮放目的之一參考參數或基本參數：
因此可對虛擬量測點12判定虛擬量測電壓U ＊ act。
根據另一實施例，提出將虛擬量測點12定位於變壓器6中。接著可如上所述對供應電網2中之虛擬量測點12類似地計算虛擬量測電壓U ＊ act，其中各自部分(即，變壓器6之各自線圈部分)必須使用電阻R'及電抗X'。
可基於量測或基於對基礎拓撲的瞭解判定用於電阻R或R'及電抗X或X'之值。特定言之對於變壓器中之一虛擬量測點，亦可自量測值計算此等值。
圖5展示如何基於一函數塊50計算虛擬量測電壓UVIRT。該函數塊50需要各自電阻R及各自電抗X作為一輸入參數且需要當前饋入無功功率Q、當前饋入有功功率P及當前施加電壓U作為參考點或量測點之量測值。一般來說，接著，虛擬量測電壓UVIRT依據此等兩個參數及此等三個量測值而變化：U VIRT =f(R,X,P,Q,U)
因此計算之虛擬量測電壓UVIRT可用作一電壓控制之一實際(ACTUAL)值，其接收一參考電壓Uref作為其目標值且自此計算一操 縱變數，即，特定言之待饋入之一無功電流。
圖6至圖8展示用於一風力發電場連接之不同群集，包含已提出之虛擬電壓計量。依照圖6，從風力發電場112之觀點來說，一中央風力發電場控制單元FCU在變壓器6前面的連接電網4中實行量測。此處，虛擬量測點12位於變壓器6中。當開始計算虛擬電壓時，本質上亦可藉由所描繪的等效電路圖由電感部分Xtransformer及歐姆部分Rtransformer之串聯連接描述變壓器。
群集中特別重要地展示包括一發電機G及一消耗裝置C(其等表示各種組件)之電力供應電網2之一局部區段602。局部區段602最終經由一線路604連接至供應電網2之一剩餘區段606。
依照圖7之設置對應於圖6之設置，其中虛擬量測點12位於一連接線608之區域中，連接線608位於變壓器6與電力供應電網2之局部區段602之間。此處，連接線608佔主導地位，至少不可忽略不計，使得此處可如所示般選擇虛擬量測點12。關於風力發電場112，藉由風力發電場控制單元FCU進行之量測發生在變壓器6後面。
依照圖8之群集，未提供局部區段602，至少其並未展示為至關重要。此處，從風力發電場112之觀點來看，虛擬量測點12位於變壓器6中，且藉由風力發電場控制單元FCU在變壓器6後面及一線路604前面發生量測，該線路形成至供應電網2或至供應電網2之剩餘或更遠區段606之一連接。
圖6至圖8因此展示虛擬量測點可取決於具體的當前拓撲而位於變壓器中或位於一線路之一位置處。此外，如從風力發電場之觀點可見，實際量測可發生在變壓器前面或後面。無論如何，基於一量測計算虛擬電壓，其中特定言之，對此計算考慮一饋入電流，特定言之無功電流。
因此提出在補償供應電網中之一導體及/或其他組件處之一電壓 降的輔助下計算電網中之一虛擬電壓。特定言之，根據一實施例提出以此方式計算一變壓器中之一虛擬電壓。優勢係：實際電壓計量發生一對應解耦。
為計算之目的，補償需要待補償之電阻及電抗之一指示。進一步考慮在各自量測點處量測之值。結果係虛擬量測點處之電壓。此虛擬量測點係其中發生調整控制之點，即，特定言之，饋送之調整控制(包含任何電網支援量測)係基於虛擬點處之此電壓或基於此虛擬電壓。
因此提出其中解耦電壓計量之一解決方案。風力發電場之線電壓並非僅僅受該風力發電場影響，而且可受連接在相同或一附近電網點處之其他發電機或消耗裝置影響。
若此解決方案中若干單元(即，特定言之，若干風力發電場)特定言之使用一PI控制器或PID控制器對該電網點執行一電壓控制，則此可導致控制引發不穩定性。此可歸因於此等單元之各者量測一稍微不同的線電壓之事實。僅舉幾個實例，此偏差可由量測之容差所引起，量測之容差繼而可取決於在不同時間使用之量測裝置、不同量測方法或具有容差之轉換器核心。
現在，若每個控制器(即，該等單元之各自控制器)試圖控制該電壓，則此可導致特定言之由積分項(I項)所引起的問題。積分項將遲早將每個微乎其微的偏差積分至一有效值。
為解決此問題，特定言之提出以任何合適方式解耦經量測線電壓。因此，本發明提出使用一虛擬量測點。藉由一線路或變壓器之電力計算來計算虛擬量測點，即，虛擬量測點中之電壓。此處假定此組件(即，線路或變壓器)作為歐姆電感組件。上文已提供用於計算虛擬量測電壓U＊ act之對應公式。
現在，藉由使用虛擬量測點(即，其計算之電壓)，不再使用實際 電壓計量作為調整控制之實際值，但是歐姆電感組件(即，變壓器或線路之歐姆電感組件)之實際電壓及電壓降增加。因此自R及X之參數基於風力發電場之饋入電流I(即，基於流過對應組件之電流)計算此電壓降。
例如，若現在由於此電壓控制而饋入更多無功電流，則此將影響實際電壓，且同時亦將影響經由線路或變壓器之電壓降。因此，部分解耦真正的實際電壓量測。
虛擬電壓因此係取決於值Uactual、Pactual及Qactual之一函數。在此轉換(虛擬)電壓下，現在可使用特定言之一PI電壓控制器。
2‧‧‧供應電網
4‧‧‧第一連接電網
6‧‧‧變壓器
8‧‧‧風力發電廠量測點
10‧‧‧實際量測點/電網量測點
12‧‧‧虛擬量測點
50‧‧‧函數塊
100‧‧‧風力渦輪機/風力發電設備
102‧‧‧塔
104‧‧‧機艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
112‧‧‧風力發電廠
114‧‧‧電力風力發電廠電網
116‧‧‧變壓器
118‧‧‧饋送點
120‧‧‧供應電網
602‧‧‧局部區段
604‧‧‧線路
606‧‧‧剩餘區段
608‧‧‧連接線
C‧‧‧消耗裝置
G‧‧‧發電機
ECD‧‧‧等效電路圖
FCU‧‧‧中央風力發電場控制單元
N‧‧‧導體
P‧‧‧饋入有功功率
PCC‧‧‧共同耦合點
Q‧‧‧饋入無功功率
R‧‧‧電阻
RT‧‧‧電阻
X‧‧‧電抗
XT‧‧‧電抗
U‧‧‧施加電壓
UVIRT‧‧‧虛擬量測電壓
圖1展示一風力發電設備之示意透視圖。
圖2展示一風力發電廠之示意圖。
圖3及圖4各者示意地展示包含一共同連接點之一供應電網之部分及一等效電路圖。
圖5展示用於繪示一虛擬電壓之計算之一計算運算子。
圖6至圖8展示具有不同的虛擬量測點之一經連接風力發電廠之三個可能群集。
2‧‧‧供應電網
4‧‧‧第一連接電網
6‧‧‧變壓器
8‧‧‧風力發電廠量測點
10‧‧‧實際量測點
12‧‧‧虛擬量測點
ECD‧‧‧等效電路圖
R‧‧‧電阻
RT‧‧‧電阻
X‧‧‧電抗
XT‧‧‧電抗

Claims (8)

  1. 一種用於藉由一風力發電廠(112)將電力(P)饋送至一電力供應電網(2)之方法，其中該風力發電廠(112)自一連接電網(4)且經由一變壓器(6)饋電至該供應電網(2)，其中該第一連接電網(4)具有一連接線電壓且該供應電網(2)具有一電網電壓，饋送係基於一虛擬量測電壓(UVIRT)，及一虛擬量測點(12)之一電壓被計算為該虛擬量測電壓(UVIRT)。
  2. 如請求項1之方法，其中該虛擬量測點(12)位於該供應電網(2)之一線路中，位於該連接電網(4)之一線路中或位於該變壓器與該供應電網之間之一導體中。
  3. 如請求項1之方法，其中該虛擬量測點(12)位於該變壓器(6)中及/或被設定為較佳地在近似20kV之一範圍中之一預定額定值。
  4. 如請求項1、2或3之方法，其中該電網電壓係一高電壓，特定言之近似110kV及/或該連接線電壓係一中電壓，特定言之近似20kV。
  5. 如請求項1、2或3之方法，其中自以下項計算該虛擬量測點(12)處之該虛擬量測電壓(UVIRT)該連接線電壓，該變壓器之一電流(I)，該當前饋入功率(P)及/或一當前饋入無功功率(Q) 及/或該計算係基於該變壓器(6)或其部分及/或一實際量測點(10)與該虛擬量測點(12)之間之一線路之以下項而執行一電阻(R)及/或一電抗(X)。
  6. 如請求項1、2或3之方法，其中該虛擬量測點(12)配置在該變壓器(6)中，該變壓器(6)之繞組之一部分在該虛擬量測點處係有功的且藉由此等有功繞組之數目與該變壓器(6)之該等繞組之總數之比率定義該量測點之電位置，此等有功繞組之該電阻(R)及該電抗(X)被視為計算此虛擬量測點處之該虛擬電壓(UVIRT)之一參數，及自該整個變壓器(6)之該電阻及電抗且自有功繞組之該數目與該變壓器(6)之該等繞組之該總數之該比率來計算該等有功繞組之此電阻(R)及電抗(X)之該等值。
  7. 如請求項1、2或3之方法，其中該饋入功率(P)基於該虛擬量測電壓(UVIRT)增加或減小及/或一饋入無功功率(Q)基於該虛擬量測電壓(UVIRT)增加或減小。
  8. 一種用於將電力(P)饋送至一供應電網(2)之風力發電廠(112)，其中準備該風力發電廠(112)以使用如上述請求項中之一項之一方法用於饋送目的。
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