TW201711370A - 操作風力發電設備之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種操作包括一發電機之一風力發電設備(WPI)之方法，該風力發電設備用於將電力饋送至一供電網路中，其中在具有一第一電力輸出及一第一旋轉速度之一第一操作狀態之後，進行至具有一第二電力輸出及一第二旋轉速度之一第二操作狀態中之一受控制改變，其中為進行至該第二操作狀態中之該受控制改變，判定可用於該饋送之一空氣動力功率，依據此可用功率判定一設定點旋轉速度，且依據該設定點旋轉速度規定將在該發電機處調整之一設定點功率。

Description

操作風力發電設備之方法
本發明係關於一種操作一風力發電設備之方法。此外，本發明亦關於一種風力發電設備。此外，本發明亦關於一種用於觀測一風力發電設備之一可用功率之狀態觀測器。
已知風力發電設備及其操作方法。風力發電設備將電力饋送至一供電網路中，且亦在適當情況下愈來愈多地用於在電工學方面支援供電網路。
此支援之一個可能性係在一頻率下降(frequency dip)之後，風力發電設備可暫時地將一較高電力饋送至供電網路(為簡潔起見，其亦可僅稱為網路)中，所饋送功率高於風力發電設備可基於彼時之盛行風條件而產生之功率。具體而言，除自風力產生之電力之外，亦將來自轉子之動能之電力用於饋送至網路中。特定而言，此涉及風力發電設備之空氣動力轉子及耦合至空氣動力轉子的發電機之一電磁轉子。特定而言，此適用於無齒輪風力發電設備，其中發電機之轉子直接耦合至空氣動力轉子且該轉子亦具有一顯著慣性力矩。轉子之此動能影響所有此等旋轉零件。
在任何情形中，饋送此動能會導致轉子之速度減小。在此支援措施終結或可以結束之後，風力發電設備應返回至其正常操作狀態。簡言之，由於假定在所考量時間段內風速恆定，此意味著必須再次增加旋轉速度，且為此發電機之電力必須必要地低於由空氣動力轉子產 生之驅動電力達一特定時間段，且因此可僅緩慢地再次增加。
然而，此一旋轉速度增加(亦即使設備返回至正常操作狀態)可引起諸多問題。首先，始終存在以下風險：在已不可避免地出現之此低旋轉速度操作狀態中，風力發電設備亦可處於一空氣動力上不太有效之操作狀態中。在此狀態中，必須對應地謹慎操作該設備，此亦適用於返回至正常操作狀態。此外，出於再加速目的而減小電力可在特定情形下對網路具有不利效果，此在先前干擾之後仍依賴於來自風力發電設備之一最大恆定且高的電力輸入。
在本申請案之優先權申請中，德國專利及商標局已研究以下先前技術文件：DE 10 2009 014 012 A1、DE 11 2005 000 681 T5及WO 2011/124696 A2。
因此，本發明之目標係解決上文所提及問題中之至少一者並提供一解決方案。特定而言，意欲提出在由於藉由饋入經增加電力之網路支援所致之此一旋轉速度減小之後，使一風力發電設備儘可能順利地返回至正常操作狀態中之一有利方式。至少，意欲提供對迄今已知解決方案之一替代解決方案。
根據本發明，提供根據技術方案1之一方法。此技術方案係關於一種操作一風力發電設備之方法，風力發電設備(包括一發電機)照慣例亦縮寫為WPI。有利地，運用此方法將電力饋送至一供電網路中。現在，考慮以下情況：其中在具有一第一電力輸出及一第一旋轉速度之一第一操作狀態之後，意欲進行至具有一第二電力輸出及一第二旋轉速度之一第二操作狀態之一改變。在此情形中，該方法特定而言係關於其中第一操作狀態係經增加電力輸出之一操作狀態之情況，且意欲以一受控制方式自該第一操作狀態返回至一正常操作狀態中。在此情形中，正常操作狀態構成第二操作狀態。經增加電力輸出之此操作狀態係其中風力發電設備暫時地輸出比其能夠基於盛行風條件而產生 之電力多之電力的操作狀態。因此，風力發電設備亦輸出所儲存電力以作為除自風力產生之電力之外的一補充。此所儲存電力已自風力發電設備之轉子及發電機之轉子之旋轉之動能取得，於是使得旋轉速度變得較慢。
意欲自經增加電力輸出之此操作狀態(具體而言，其然後已結束或然後結束)返回至正常操作狀態。此正常操作狀態意欲意味著其中經饋送至電網路中之電力之量係風力發電設備可基於盛行風條件自風力產生之電力之量之操作狀態。此基本上係關於將風力發電設備已能夠自風力汲取之電力或電力之量饋送至供電網路中，自風力汲取之較少電力係以另一方式使用。當使用一經外部激勵同步機器時，以另一方式使用之此電力尤其亦關於提供對應激勵電流。然而，亦可設想其他電力輸出或另外電力輸出。
在任何情形中，意欲以一受控制方式使風力發電設備自經增加電力輸出(且因此經減小旋轉速度)之此操作狀態返回至具有與風力匹配之電力輸出及與風力匹配之一旋轉速度之此正常操作狀態中。在此情形中，在經增加電力之此操作狀態之後或結束時電力亦規律地劇烈減少。
為此，提議最初判定可用於饋送之一空氣動力功率。此可用空氣動力功率係最初基於可自風力汲取之空氣動力功率之功率，但在被饋入之前因以另一方式被需要之功率而減小。為簡潔起見，此可用空氣動力功率在下文稱為可用功率。依據此可用功率(亦即經判定為可用功率之功率)，然後判定一設定點旋轉速度。因此，並不簡單地使用在此支援措施之前的最後旋轉速度(亦即在風力發電設備饋入一經增加電力之前不久而存在的旋轉速度)，而是將其判定為隨此可用功率而變化。
此設定點旋轉速度一旦經判定，即可規定將在發電機處調整的 隨此設定點旋轉速度而變化之一設定點功率。然後，設備可基於設定點功率而控制設備。可在此情形中規律地被追蹤之此設定點功率因此規定調節目標，此最終導致此正常操作狀態。
因此，藉由考慮現場實際情況，現在可實現至正常操作狀態中之受控制返回。在此情形中，亦應注意，在各別瞬間處之可用空氣動力功率不僅僅取決於盛行風條件，且亦取決於風力發電設備之現有旋轉速度，根據本發明已偵測並考慮該現有旋轉速度。特定而言，情況可能係由於經減小旋轉速度，存在一較低葉尖速度比，該較低葉尖速度比轉而並非最佳的且因此可自風力汲取之電力不如在彼瞬間處具有一最佳葉尖速度比之情形多。所提議方法亦已考慮此情形。
然而，特定而言，可構想自一第一操作狀態至第二操作狀態中之受控制改變(尤其係受控制返回)，其中由於其他原因第一操作狀態不具有最佳電力輸出或最佳旋轉速度。在此情形中，第二操作狀態亦可具有高於第一操作狀態之一旋轉速度。然後進行自一較高旋轉速度至一較低旋轉速度之一受控制改變。
第一旋轉速度及第二旋轉速度以及第一電力輸出及第二電力輸出原則上係不同的，但可出現第一電力輸出與第二電力輸出相等之情形。
根據一項實施例，提議依據發電機之一旋轉速度及經饋送至一中間電儲存單元(特定而言一DC電壓中間電路)中之功率而判定可用功率。以此方式，亦可考慮發電機之旋轉速度且使用來自此中間儲存單元之資訊來達成可用功率。
較佳地，一風力發電設備係基於一所謂的全設備概念。在此情形中，將由發電機產生之所有電力整流並放至DC電壓中間電路中，該DC電壓中間電路然後形成中間電儲存單元。然後，藉助一電力換流器，實現自此DC電壓中間電路至供電網路中之饋送。在此程度 上，經饋送至DC電壓中間電路或另一中間儲存單元中之電力可給出關於可用功率之資訊。在此情形中，發現關於可用空氣動力功率之資訊可藉由聯合地考慮發電機之旋轉速度及中間儲存單元中之此電力而推導出。
根據一項實施例，提議藉由一狀態觀測器判定可用功率。以此方式，藉由在該觀測器中建立之一系統或子系統甚至可記錄一不可直接量測之變數。亦可藉由該觀測器較好地記錄一很難量測變數(舉例而言，其量測係不準確的或受雜訊影響)。
較佳地，狀態觀測器使發電機之旋轉速度及發電機之機械轉矩作為待觀測之狀態變數。發電機之旋轉速度可照慣例藉由量測技術記錄，且通常亦可用作一經量測變數。然而，藉由將其考慮為狀態觀測器中之一狀態變數，可改良量測品質。特定而言，可就準確性及對可用功率之既定記錄之要求的動態回應而言調適量測品質。特定而言藉由亦將在下文闡釋之觀測器之參數化(特定而言藉由參數kω)，此係可能的。
將發電機之機械轉矩考慮為狀態觀測器中之一狀態變數具有(特定而言)以下優勢：此變數不可藉由量測技術記錄或不可藉由量測技術容易地記錄，但同時高度適合於判定可用功率。藉助此一狀態觀測器，發電機之旋轉速度及發電機之機械轉矩因此可用作可直接用於進一步判定之變數。在每一取樣步驟處且因此亦在一線上實施方案中，狀態觀測器可判定此等變數且使此等變數可用。
較佳地，藉由以下結構定義狀態觀測器，此處給出作為以矩陣表示之一系統說明之如下結構：
其中 - J表示轉子與發電機之經組合慣性力矩，- ω係發電機之旋轉速度，- k ω 及k T 係影響觀測器之動態回應之參數，- Tel稱為一電轉矩且經計算為經饋送至一中間電儲存單元或該中間電儲存單元中之功率PDC與旋轉速度ω之比，且- Tmech表示轉子及發電機之機械轉矩，其中運用一^符號標記經觀測變數且將待判定之可用功率計算為經觀測旋轉速度與經觀測機械轉矩之乘積。
J因此表示轉子與發電機之經組合慣性力矩，在此程度上此暗示一無齒輪風力發電設備，其中發電機之轉子以機械方式直接耦合至空氣動力轉子。最終，此慣性力矩自然地涉及牢固地耦合至轉子及發電機之轉子並一起旋轉之一切。然而，所有此等元件(舉例而言轉子轂)亦可係轉子之一部分。然而，原則上，在一帶齒輪風力發電設備之情形中，可藉助一對應傳動比而將發電機之慣性力矩之一部分計入此總慣性力矩中。
發電機之旋轉速度ω在此無齒輪概念中對應地同時係牢固地連接至該發電機之轉子之旋轉速度。參數kω及kT係影響觀測器之動態回應之參數，且其效應係藉由理解所指示之公式而給出。特定而言，參數kω影響依據彼經觀測與彼經量測ω之間的差而對經觀測旋轉速度之追蹤。藉助用於追蹤機械轉矩之參數kT影響同一差。
運用此狀態觀測器，此等兩個狀態(亦即旋轉速度ω及機械轉矩Tmech)亦可因此藉由一相當簡單結構判定。
此處將電轉矩Tel計算為經饋送至中間儲存單元中之電力與旋轉速度ω之一比。以下等式因此適用：
旋轉速度ω係可量測的，但在此情形中亦可使用狀態觀測器之經 觀測旋轉速度。經饋送至中間儲存單元(特定而言DC電壓中間電路)中之功率PDC可被記錄或量測，且在全設備或者相關聯或所含有控制件中通常已知且在彼處作為一變數存在。
現在可簡單地將待判定之可用功率計算為此經觀測旋轉速度與經觀測機械轉矩之一乘積。此表示可用於在相關瞬間處饋入之空氣動力功率。然後此可用功率形成開始點，依據此開始點規定一設定點旋轉速度且依據此規定待在發電機處設定之一設定點功率，如上文已在某些實施例之輔助下所闡釋。
狀態觀測器因此亦即時地判定可用功率，且僅依據該可用功率判定待在發電機處設定的不同於此可用功率之一設定點功率。
根據一項實施例，可將設定點旋轉速度判定為隨一旋轉速度/功率特性曲線而變化。因此，此一旋轉速度/功率特性曲線指示旋轉速度與功率之間的一預定義關係，且該旋轉速度/功率特性曲線經使用使得可針對一現有旋轉速度或一所要旋轉速度而選擇一相關聯功率值。此可基於照慣例用於風力發電設備控制中之一正常旋轉速度/功率特性曲線，或可將一特殊旋轉速度/功率特性曲線用作用於本申請案之一基礎。
根據另一實施例，提供一調節器之使用，使得依據可用功率及發電機之實際旋轉速度而判定設定點功率。
較佳地，為此最初形成設定點旋轉速度與實際旋轉速度之間的一差。在此情形中，由狀態觀測器觀測之實際旋轉速度可用作實際旋轉速度。旋轉速度(亦即發電機旋轉速度)之此差在此處亦可稱為一系統偏差。
依據設定點旋轉速度與實際旋轉速度之此差，藉助一調節演算法判定一差動轉矩，該差動轉矩判定經觀測機械轉矩與電轉矩之間的差。在最簡單情形中，此可藉助一P調節器(但較佳地藉助一PI調節器 或藉助一PID調節器)實現。
將經觀測機械轉矩與以此方式判定之此差動轉矩(其在此程度上亦最初表示一內部調節變數)相加且此總和形成一設定點轉矩。
亦可將設定點轉矩遞送至風力發電設備之控制件，在控制風力發電設備之前或甚至在控制風力發電設備時，依據設定點轉矩乘以實際旋轉速度而計算設定點功率。此處再次地，在狀態觀測器中觀測之實際旋轉速度或經量測旋轉速度可用於實際旋轉速度。
在任何情形中提供的對風力發電設備之控制或調節然後實施此設定點功率，使得風力發電設備在意欲使此設定點功率成為一實際功率之一操作點處立即操作，或追蹤操作點至此設定點功率(其亦變化)。對應地，亦設置一新實際旋轉速度，如在介紹中所闡釋該新實際旋轉速度進一步由此調節器使用。
在此實施例之輔助下，將以實例方式再次闡釋本發明之一基本概念。在一網路支援之後，風力發電設備處於具有經減小旋轉速度之一操作狀態中。所遞送之電力先前經增加且現在必須迅速減少以便達成再加速。現在應使風力發電設備儘可能返回至一正常操作狀態中，且此處提議至此正常操作狀態中之一尤其有利(特定而言方便受控制)之返回。可用功率經判定作為此受控制返回之一基礎，此可藉助一狀態觀測器尤其順利地實現。基於此經判定可用功率，(特定而言)藉助一動態程序判定待設置之一設定點功率，且將該設定點功率作為一規範值而遞送至設備控制件。此設定點功率本身通常亦係動態的，且設備應最終返回至此正常操作點，但在此情形中設定點功率會變化使得針對此所提議返回之輸出值亦變化。
特定而言，在此情形中亦防止由於一不受控制返回或在一返回時之一不受控制嘗試而實際處於靜止之設備。此可(舉例而言)在需求對風力發電設備而言太大而無法在彼瞬間處且在其當前操作狀態中自 風力汲取之一電力時發生，且可因此進一步被制動，此將進一步使情況惡化直至在極端情形中設備停止為止。
一較佳目標亦係最初電力不會過於劇烈地減少，此乃因此可再次導致網路之一破壞情形。
因此，此方法對以下之一操作狀態尤其有用：其中由於一先前提高之電力輸出風力發電設備已減小其旋轉速度且隨後亦減小其電力。然而，原則上，當設備處於由於其他情形(舉例而言，網路業者之其他規範或法定規定)所致之較低旋轉速度之一操作狀態中時，亦可設想此方法。亦即，其處於其中旋轉速度小於原本在盛行風條件下習用或正常速度之一狀態中。
又一應用係持續操作，亦即，具有旋轉速度調節以便達成針對各別當前風速之一最佳工作點的一風力發電設備之操作。
本發明亦提供可判定一可用功率之一狀態觀測器。特定而言，此狀態觀測器(如上文所闡釋)結合一風力發電設備之操作之實施例而操作。根據本發明，現在已發現，當可用功率不用於或不僅用於以一受控制方式使風力發電設備返回至一正常操作狀態時，用於判定此可用功率(亦即用於判定可用於饋入之一空氣動力功率)之此一狀態觀測器亦係有利的。對應地，已在或將在上文或下文於一不同內容脈絡中做出之關於狀態觀測器之評論因此亦適用於此處。
本發明亦提供一風力發電設備，該風力發電設備可藉由根據上文所闡釋之實施例中之一者之一方法、以一受控制方式自一第一操作狀態返回至一第二操作狀態(特定係一正常操作狀態)中，該風力發電設備(另外或作為一替代方案)包括根據如上文所闡述之實施例中之至少一者之用於判定一可用功率之一狀態觀測器。
較佳地，風力發電設備包括一返回控制單元，其中實施並可實現用於返回至正常操作狀態之方法。因此，該返回控制單元可以一受 控制方式自一第一操作狀態改變至一第二操作狀態。此一返回控制單元較佳地鏈接至風力發電設備之一操作控制單元，或可形成風力發電設備之一部分。
此外或作為一替代方案，提議提供包括用於判定可用功率之狀態觀測器之一觀測器控制單元，使得在觀測器控制單元中實施並可在其中操作該狀態觀測器。特定而言當意欲在無用於返回至正常操作狀態之方法之情況下操作該狀態觀測器時，觀測器控制單元亦可係返回控制單元之一部分或可單獨經組態。較佳地，該觀測器控制單元連接至該風力發電設備之操作控制單元，或可形成該風力發電設備之一部分。
圖1展示具有一塔架102及一機艙104之一風力發電設備100。具有三個轉子葉片108及一旋轉體110之一轉子106經配置於機艙104上。 在操作期間，轉子106藉由風力設定成一旋轉移動且藉此驅動機艙104中之一發電機。
圖2展示針對一設定點功率Psetpoint之規定之一方塊圖2，意欲將設定點功率Psetpoint作為一功率設定點值而提供至風力發電設備以便基於該功率設定點值而使風力發電設備返回至一正常操作點。此方塊圖2在一概述中示意性地展示順序。
作為輸入變數，經饋送至一DC電壓中間電路中之一功率PDC及發電機之旋轉速度ω在功率觀測器4之輸入6處饋送至功率觀測器4中。此功率觀測器4係一狀態觀測器，其可使發電機之旋轉速度及發電機之機械轉矩作為經觀測狀態變數。因此，獲得可用功率，其亦稱為可用於饋入之空氣動力功率。此經觀測功率之指數亦指示其與DC電壓中間電路有關。具體而言，儘管此功率取決於盛行風速且亦取決於風力發電設備之當前操作狀態(亦即其取決於可自風力汲取多少電力)，然而其亦已考慮到可自風力汲取之此電力之一部分以另一方式被使用，特定而言用於發電機之激勵或用於彌補在發電機之能量轉換期間之損失。因此，此可用功率闡述實際可用且可藉由電力換流器饋送至供電網路中之一功率。
在此程度上，儘管此可用功率係在中間電路處可用，然而其不同於經饋送至中間電路中之功率，此乃因可用功率由於來自風力之持續補給而係持續可用的且不會導致風力發電設備之旋轉速度之一改變。
依據此可用功率，然後在其中儲存一旋轉速度/功率特性曲線之一特性曲線區塊8中判定一設定點旋轉速度ωsetpoint。此設定點旋轉速度係用於旋轉速度調節器區塊10中之旋轉速度調節器之一輸入變數，此將在圖3中進一步予以闡釋。
同樣地，可用功率係用於區塊10中之旋轉速度調節器之一輸 入變數，且旋轉速度亦係用於旋轉速度調節器區塊10中之此旋轉速度調節器之又一輸入變數。在此情形中，可使用在功率觀測器4中呈現為一經估計狀態變數之經量測旋轉速度或旋轉速度。
然後，區塊10中之旋轉速度調節器在一動態程序中在其調節器輸出12處產生用於風力發電設備之設定點功率。
圖3就旋轉速度調節器區塊10的意義圖解說明一旋轉速度調節器。對應地，設定點旋轉速度ωsetpoint、實際旋轉速度ω及間接地可用功率此處亦被考慮為輸入變數。圖3中未指示可用功率，但可用機械轉矩與可用功率有關且間接形成一對應輸入變數。
最初可透過一數位濾波器30(舉例而言其可係一個一階低通濾波器)饋送設定點旋轉速度。可以此方式形成具有兩個自由度之一調節器結構，此允許相對於調節路徑之模型化不準確性的調節迴路之穩健性之一改良以達成一貫良好之設定點值追蹤效能。此處亦應提及相反情形，亦即存在良好穩健性與良好模型化準確性但不存在如此良好之設定點值效能。
然後在差區塊32中形成旋轉速度之設定點值與實際值之間的一差。將此差發送至調節區塊34，調節區塊34藉助一調節演算法依據此差判定對應差動轉矩。特定而言，該調節演算法可包括一P結構、一PI結構或一PID結構。
在加法器組件36處將以此方式判定之差動轉矩與經觀測機械轉矩相加，使得獲得作為Tsetpoint之一設定點轉矩，可將Tsetpoint作為一輸入變數及經規定變數傳輸至風力發電設備之控制件。此藉由風力發電設備區塊38表示。亦可在風力發電設備區塊38中實現藉由將設定點轉矩Tsetpoint與旋轉速度ω相乘得到設定點功率Psetpoint之計算。
對應地，因此在風力發電設備區塊38中調節風力發電設備，且風力發電設備本身亦含於風力發電設備區塊38中，且最終遞送其旋轉 速度之實體變數(亦即發電機之旋轉速度ω)作為輸出，旋轉速度ω經饋送回至差組件32。在負輸入之情況下，差組件32亦可自然地稱為一加法器組件32。
本發明之應用領域集中於在頻率下降之情形(舉例而言在發電站故障之情形)中，將風力發電設備用於網路支援。在此內容脈絡中，功率觀測器亦可用作用於一風力發電設備之各種其他調節演算法之一基礎，舉例而言，用作在風力發電設備之正常操作期間工作點之所保留功率調節或經最佳化調節之基礎。
本發明尤其具有使藉由功率增加進行之一網路支援比之前更具相容性且特定而言在功率增加結束之後使有效電力之減小儘可能小之目標。以此方式，將能量系統電力平衡之一進一步破壞限於一最小量。
在圖4中示意性地表示在一功率增加結束之後至一最佳工作點之一返回，圖4展示一典型行為。
圖4表示風速v、網路頻率f、旋轉速度n(其亦可表示為ω)及經饋入之功率P隨時間t之變化。在時間t0處，出現或偵測到頻率下降。頻率f因此下降，功率P經設定為遠高於先前值，且針對此使用動能，結果旋轉速度n緩慢減小。假定在所研究之整個時間段內風速係基本上恆定的。
藉由經增加電力輸入進行之網路支援在時間t1處結束，然後在時間t1處功率P緩慢降低，亦即先前極大地低於先前值且因此亦極大地低於由於現有風速所致之可能量。
然後在時間t2處，功率再次逐漸增加。然後旋轉速度n亦再次逐漸增加。
在時間t3處，條件已再次經正規化且操作點係一正常操作點，其中一功率P經饋入且一旋轉速度n與頻率下降之前相同。然而，在實例 中，頻率f已較早地顯著恢復。
如在圖4中所表示，在時間段tinertia,lead,back內經調整功率增加持續時間結束之後，風力發電設備(WPI)之功率設定點值因此減小。在此時間段結束之後(亦即例如在時間t2處)，功率設定點值處於根據一經固定預調整旋轉速度/功率特性曲線而指派給當前旋轉速度之值處。然而，由於旋轉速度針對當前風力條件而言相對於一最佳值過低(由於先前功率增加之制動效應)，因此此功率設定點值並不對應於當前由風力所致之空氣動力功率。替代地，功率設定點值通常顯著低於在網路支援起始之前遞送之有效電力位準，參考文獻[1、2]亦與其有關。由於有效電力極大減少，因此風力發電設備(WPI)在數秒內加速回至一較高旋轉速度且返回至一正常操作行為。然而，自能量系統之角度看，有效電力輸出之此一極大減小將被評估為一新破壞，且因此將儘可能減小；參考文獻[1]亦與此有關。
在圖5中表示一功率增加與一變數設定點值。
圖5之量變曲線及條件對應於圖4之量變曲線及條件，且因此出於闡釋目的而參考圖4。根據圖5之行為之重要差別在於：在t0處頻率下降之情形中，經饋入功率最初逐漸增加至一開始功率，但該開始功率並未維持而是比經指派給減小之旋轉速度n之一無功功率高出大致一恆定差動值。在圖5及在圖4中，分別在下部圖式中藉由虛線指示此無功功率。
然而，因此，此處功率下降表現得極類似於參考圖4所闡釋。
根據參考文獻[3]，一種經公開方法係由Repower Systems稱為「動態慣性調節(Dynamic Inertia Regulation)」之方法。以此方法，對自具有一經減小旋轉速度之一工作點至一最佳工作點(其亦可稱為一正常工作點)的風力發電設備(WPI)之返回之控制係藉由規定一設定點旋轉速度梯度或由最小梯度及最大梯度定義之一梯度廊道(corridor)而 實現。因此，此導致在返回時間段期間空氣動力轉矩與電轉矩之間的一恆定差。此方法之一個缺點係在調節方法之內容脈絡中使用一旋轉速度梯度。此需要對旋轉速度信號之一高品質量測，使得一數值求導並不由於過高雜訊位準而不適合於調節。
或者，對旋轉速度信號進行強濾波或(類似於根據本發明之方法)使用用於旋轉速度及/或其求導之一狀態觀測器可係一解決方案。然而，此在參考文獻[3]中未經闡述。
圖6展示針對一已知方法之經模擬功率量變曲線Pold與針對根據本發明提議之一方法之經模擬功率量變曲線Pnew的一比較，該比較在一風速vw=8.5m/s下經參數化達約60s之一返回持續時間。可看出按照根據本發明提議之方法，在於t1處之功率增加結束之後功率Pnew減少得遠比根據比較方法之功率Pold少。
因此，本發明之目標係在網路支援及返回至風力發電設備(WPI)之最佳工作點之持續時間之可控性期間，在功率增加結束之後減少風力發電設備(WPI)之功率減小。
一特定意圖係藉由在調節方法中之一設定點值濾波器之可調整性而在網路支援功率增加階段結束之後達成功率下降之深度之可控制性，及運用濾波器(亦即狀態觀測器)之適合參數化而達成與先前已知方法相比的功率下降之顯著減小，且因此達成討論中之能量系統中之對電力平衡之破壞(非平衡)之一減少。
參考詳細地且亦以可一般化之一方式闡釋之實施例及結果，亦將出於闡釋目的而添加以下內容。
本發明係關於在網路頻率之一顯著下降之情形中，藉由風力發電設備(其縮寫為WPI)進行網路支援之一方法。在此一情形中暫時地增加一風力發電設備之經遞送有效電力之可能性係已知的，且此處將稱為支援。
在起始支援之時間處，在一可調整時間段內且運用相對於有效電力之一特定已建立增加，可實現回應於一網路頻率下降之有效電力增加。
與支援之起始之前的力矩相比，一經增加有效電力輸出之結果通常係WPI之旋轉速度之一減小。在一旋轉單質量系統之加速等式之輔助下，此可說明性地表示為：
在此公式中，J表示WPI之旋轉質量之慣性力矩，ω表示WPI之旋轉速度，Tmech及Pmech分別表示由於風力而出現於軸件上之轉矩及功率，且Tel/Pel表示發電機之機電轉矩或功率。若在一時間段內汲取超過機械功率之一發電機功率，則發生WPI之制動。
在一支援情形期間，在一大致恆定風速之情況下，會出現此電力平衡之不相等。電力平衡不相等效應被進一步加劇，此乃因在支援功能開始之前，在一減小旋轉速度及恆定風速之情況下，WPI之空氣動力效率可相對於一最佳工作點退化。在一特定葉尖速度比(亦即葉尖之繞轉之速度與風速之比)之情況下，會達成一最佳工作點。在一恆定風速之情況下，在支援之起始期間葉尖速度比之減小通常導致一減小之空氣動力功率。因此，在功率增加結束之後，就旋轉速度及風速而言WPI通常處於一次最佳工作點，亦即旋轉速度相對於風速過低，使得葉尖速度比並非最佳的。因此，出現隨後再加速WPI以便達到一較高旋轉速度及與其相關聯之較高空氣動力效率之問題。為此，可選擇各種選項：
- 在支援功率增加結束之後，有效電力輸出之一劇烈減小，其導致WPI之一迅速加速且因此導致至一最佳工作點之一迅速返回。參考文獻[2]與此有關。
- 在支援功率增加結束之後，有效電力輸出之一小的減小， 其導致一緩慢加速或在過少減小之情形下導致WPI之進一步制動。
就一能量系統中之頻率穩定性而言，後一選項係有利的，參考文獻[1]亦與後一選項有關。在一能量系統中，藉由大量WPI進行之有效電力之一劇烈減小相當於對此能量系統之電力平衡之另一破壞。通常，正是(舉例而言)由一發電站或一線路之一故障導致之對電力平衡之此一破壞對一頻率下降負責且因此對支援功能之起始負責。因此，將功率減小限制於一最小程度係適當的，使得WPI之旋轉速度不會進一步減小而是以一受控制方式增加並在一較長時間段內返回至最佳旋轉速度。
此處所闡述之本發明闡述用於在一支援功率增加結束之後以相對於藉由起始支援遞送之有效電力之儘可能小之功率減小使WPI返回至一最佳操作點之一解決方案。為此，提供在圖2中以圖形方式表示之一方法。
針對每一量測，記錄旋轉速度(ω)及DC中間電路中之功率(PDC)之值。依據此等值，在一狀態觀測器之輔助下，計算與中間電路有關之一可用空氣動力功率()，亦即其對應於減去發電機損失之空氣動力功率。針對此可用功率，藉助一特性曲線計算一設定點旋轉速度(ωsetpoint)。最後，一旋轉速度調節器藉由使用該經計算可用功率而輸出一功率設定點值。WPI之現有功率調節軟件將此功率設定點值轉換成用於經電激勵發電機之一控制信號，該控制信號致使WPI在一可參數化時間段內達到設定點旋轉速度。現在將單獨地闡述個別方法分量：針對功率觀測器且基於等式(1)，可使用狀態變數旋轉速度(ω)及機械轉矩(Tmech)設置WPI之以下狀態空間模型：
在此處所使用之變數中，機械轉矩Tmech不可量測且因此需要藉助一狀態觀測器依據量測資料來計算。此外，由於通常僅運用一低解析度及一低取樣速率來量測旋轉速度信號，因此亦提議針對此值進行一狀態觀測。如下，可將一適合觀測器結構進行如下公式化，參考參考文獻[4]以便進一步闡釋：
此處，相比於經量測輸入變數旋轉速度ω及電轉矩，經觀測變數係藉由^表示。兩個參數kω及kT影響動態行為，且由於時間離散實施方案亦影響狀態觀測器之穩定性，且在考慮此等態樣時，必須對該兩個參數進行選擇。
藉助旋轉速度與轉矩之乘積實現空氣動力功率之計算。
關於特性曲線，應做以下闡釋
此分量(舉例而言)藉助一靜態特性曲線而將一設定點旋轉速度ωsetpoint指派給每一經計算可用功率。
在考慮儘可能小的一有效電力減小時，旋轉速度調節器必須達成至經計算設定點旋轉速度之WPI之一返回。圖3中以一經簡化方塊圖形式表示旋轉速度調節器之結構。計算旋轉速度誤差，且藉助一P/PI/PID調節器C並依據旋轉速度誤差而計算經觀測機械轉矩與電轉矩之間的一差動轉矩。將該差動轉矩與經觀測機械轉矩相加，且因此計算出一設定點轉矩，或在乘以當前旋轉速度之後計算出一設定點電力。
較佳地，在計算旋轉速度誤差之前，藉由一數位濾波器F(舉例而言一個一階低通濾波器)濾波設定點旋轉速度。此產生具有兩個自由度之一調節器結構，此允許相對於調節路徑之模型化不準確性的調節迴路之穩健性之一改良以達成一貫良好之設定點值追蹤效能或反之 亦然。可根據所要要求透過選擇濾波器F之一參數而調整WPI自經減小旋轉速度返回至設定點旋轉速度之持續時間。舉例而言，調節迴路之60s之一穩定時間係一較佳選擇。
在恢復階段中，除功率下降之減小之外，所闡述功率觀測器亦允許在偵測到一頻率下降之後針對功率之增加之又一選項。在此情形中，功率可相對於時變「正常」旋轉速度相依功率設定點值增加一固定值。此處，運用功率觀測器，對此存在將經計算空氣動力功率(而非如先前一旋轉速度相依功率設定點值)用作用於功率增加之一參考的可能性。
至少根據一項實施例，本發明具有以下目標：使藉由在一頻率下降之後的支援進行之一網路支援對於能量系統尤其相容，且特定而言使在功率增加結束之後有效電力之減小儘可能小。以此方式，將能量系統電力平衡之一進一步破壞限於一最小量。
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2‧‧‧方塊圖
4‧‧‧功率觀測器
6‧‧‧輸入
8‧‧‧特性曲線區塊
10‧‧‧旋轉速度調節器區塊/區塊
12‧‧‧調節器輸出
30‧‧‧數位濾波器
32‧‧‧差區塊/差組件/加法器組件
34‧‧‧調節區塊
36‧‧‧加法器組件
38‧‧‧風力發電設備區塊
100‧‧‧風力發電設備
102‧‧‧塔架
104‧‧‧機艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧旋轉體
C‧‧‧P/PI/PID調節器
F‧‧‧數位濾波器/濾波器
f‧‧‧網路頻率
n‧‧‧旋轉速度
P‧‧‧經饋入之功率/功率
‧‧‧經計算可用功率/可用功率/經觀測功率/可用空氣動力功率/空氣動力功率
Pnew‧‧‧針對根據本發明提議之一方法之經模擬功率量變曲線/功率
Pold‧‧‧針對一已知方法之經模擬功率量變曲線/功率
PDC‧‧‧中間電儲存單元中之功率/中間儲存單元中之功率/經饋送至DC電壓中間電路中之功率/DC中間電路中之功率
Psetpoint‧‧‧設定點功率
Tsetpoint‧‧‧設定點轉矩
‧‧‧可用機械轉矩/經觀測機械轉矩
t‧‧‧時間
t0‧‧‧時間
t1‧‧‧時間
t2‧‧‧時間
t3‧‧‧時間
tinertia,lead back‧‧‧時間段
v‧‧‧風速
ω‧‧‧發電機之旋轉速度/旋轉速度/實際旋轉速度
ωsetpoint‧‧‧設定點旋轉速度
下文將參考附圖在例示性實施例之輔助下以實例方式更詳細地闡釋本發明。
圖1 以一透視圖法展示一風力發電設備。
圖2 展示用於規定設定點功率之一結構以圖解說明一所提議方法。
圖3 以一方塊圖圖解說明一旋轉速度調節結構。
圖4 展示用以圖解說明按順序之一頻率下降之一程序及藉由一風力發電設備進行之支援之效應之複數個圖式。
圖5 以類似於圖4之一方式展示用以圖解說明一頻率下降順序及藉由一風力發電設備進行之支援之圖式，其中相比於圖4可針對支援功率調整一變數設定點值。
圖6 展示根據本發明之一項實施例且與另一實施例相比針對至正常功率且因此至正常操作點之功率之返回之經模擬功率量變曲線。
2‧‧‧方塊圖
4‧‧‧功率觀測器
6‧‧‧輸入
8‧‧‧特性曲線區塊
10‧‧‧旋轉速度調節器區塊/區塊
12‧‧‧調節器輸出
‧‧‧經計算可用功率/可用功率/經觀測功率/可用空氣動力功率/空氣動力功率
PDC‧‧‧中間電儲存單元中之功率/中間儲存單元中之功率/經饋送至DC電壓中間電路中之功率/DC中間電路中之功率
Psetpoint‧‧‧設定點功率
ω‧‧‧發電機之旋轉速度/旋轉速度/實際旋轉速度
ωsetpoint‧‧‧設定點旋轉速度

Claims (13)

  1. 一種操作包括一發電機之一風力發電設備(WPI)之方法，該風力發電設備用於將電力饋送至一供電網路中，其中在具有一第一電力輸出及一第一旋轉速度之一第一操作狀態之後，進行至具有一第二電力輸出及一第二旋轉速度之一第二操作狀態中之一受控制改變，其中，為進行至該第二操作狀態中之該受控制改變，判定可用於該饋送之一空氣動力功率，依據此可用功率判定一設定點旋轉速度，且依據該設定點旋轉速度規定將在該發電機處調整之一設定點功率。
  2. 如請求項1之方法，其中該可用功率係依據該發電機之一旋轉速度及經饋送至特定而言一DC電壓中間電路之一中間電儲存單元中之功率而判定。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該可用功率係藉由一狀態觀測器判定。
  4. 如前述請求項中任一項之方法，其中用於判定該可用功率之該狀態觀測器或一狀態觀測器使該發電機之該旋轉速度及該發電機之該機械轉矩作為待觀測之狀態變數。
  5. 如前述請求項中任一項之方法，其中用於判定該可用功率之該狀態觀測器或一狀態觀測器係藉由以下結構定義： 其中J表示轉子與發電機之經組合慣性力矩， ω係該發電機之該旋轉速度，k ω 及k T 係影響該觀測器之動態回應之參數，Tel稱為一電轉矩且經計算為經饋送至一中間電儲存單元或該中間電儲存單元中之該功率PDC與該旋轉速度ω之比，且Tmech表示該轉子及該發電機之該機械轉矩，其中運用一^符號標記該等經觀測變數且將待判定之該可用功率計算為經觀測旋轉速度與經觀測機械轉矩之乘積。
  6. 如前述請求項中任一項之方法，其中依據該可用功率及該發電機之實際旋轉速度而在一調節器中判定該設定點功率。
  7. 如前述請求項中任一項之方法，其中將一設定點旋轉速度判定為隨依據一旋轉速度/功率特性曲線之該可用空氣動力功率而變化。
  8. 如前述請求項中任一項之方法，其中在一調節器或該調節器中，形成該設定點旋轉速度與特定而言該經觀測實際旋轉速度之該實際旋轉速度之間的一差，藉助一調節演算法依據該差判定該經觀測機械轉矩與該電轉矩之間的一差動轉矩，依據該差動轉矩與該經觀測機械轉矩之總和判定一設定點轉矩，且依據該設定點轉矩乘以該實際旋轉速度判定該設定點功率。
  9. 如前述請求項中任一項之方法，其中該第一操作狀態係具有經增加電力輸出之一操作狀態，在該第一操作狀態中該風力發電設備暫時地輸出比其能夠基於盛行風條件而產生之電力多的電力。
  10. 一種用於判定包括一發電機之一風力發電設備之一可用功率之 狀態觀測器，其中該狀態觀測器使該發電機之旋轉速度及該發電機之機械轉矩作為待觀測之狀態變數。
  11. 如請求項10之狀態觀測器，其中該狀態觀測器係藉由以下結構定義： 其中J表示轉子與發電機之經組合慣性力矩，ω係該發電機之該旋轉速度，k ω 及k T 係影響該觀測器之動態回應之參數，Tel稱為一電轉矩且經計算為儲存於一中間電儲存單元或中間電儲存單元中之功率PDC與該旋轉速度ω之比，且Tmech表示該轉子及該發電機之該機械轉矩，其中運用一^符號標記該等經觀測變數且將待判定之該可用功率計算為經觀測旋轉速度與經觀測機械轉矩之乘積。
  12. 一種具有一發電機之風力發電設備，該風力發電設備用於將電力饋送至一供電網路中，其中在具有一第一電力輸出及一第一旋轉速度之一第一操作狀態之後，該風力發電設備經組態以進行至具有一第二電力輸出及一第二旋轉速度之一第二操作狀態中之受控制改變，且/或其中該風力發電設備包括用於判定一可用功率的如請求項10及11中任一項之一狀態觀測器。
  13. 如請求項12之風力發電設備，其中該風力發電設備包括：用於實現如請求項1至8中任一項之方法之一返回控制單元，該方法在該返回控制單元中經實施；及/或用於操作一狀態觀測器之一觀測器控制單元，該狀態觀測器在該觀測器控制單元中經實施。
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