TWI543491B - 藉由風力發電設備或風力發電廠將電能饋送至供電網中之方法及將電能饋送至供電網中之風力發電設備及風力發電廠 - Google Patents

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Description

藉由風力發電設備或風力發電廠將電能饋送至供電網中之方法及將電能饋送至供電網中之風力發電設備及風力發電廠
本發明係關於用於藉由一風力發電設備或風力發電廠將電能饋送至一供電網中之一方法。再者，本發明係關於用於將電能饋送至一供電網中之一風力發電設備，且本發明係關於用於將電能饋送至一供電網中之一風力發電廠。
藉由風力發電設備或藉由包含若干風力發電設備之一風力發電廠將電能饋送至一供電網中係眾所周知。亦已知風力發電設備或風力發電廠不僅負責饋送能量，而且負責電網支援。故於此假定一AC電網係一普通供電網。
描述藉由風力發電設備之電網支援之一初期文件係(例如)美國專利案US 6,965,174。此文件尤其描述當藉由一風力發電設備饋送能量時相位角之調整。後期文件(諸如文件US 7,638,893)亦描述用於一風力發電廠之方法。
此等方法監測電網且可能地回應電網中之改變。現今，至少在一些狀態或區域中，電網中之風能共用實質上已增大，使得能量饋送(及因此亦可能地電網穩定性)可愈加取決於盛行風條件。可藉由一臨時能量儲存來滿足此問題。然而，此等臨時儲存系統可係成本高的且常不具有足夠數量，或完全不具有足夠數量。
本發明之目的因此係解決上述問題之至少一者。特定言之，其將提出將甚至進一步透過風力發電設備而改良電網支援之一解決方 案。其將至少提出一替代解決方案。
德國專利與商標局已在對本PCT申請案之優先權申請中研究下列先前技術：DE 10 2010 006 142 A1、US6 965 174 B2、US 7 638 893 B2及US 2011/0 148 114 A1。
根據本發明提出根據技術方案1之一方法。
因此，藉由一風力發電設備或風力發電廠將電能饋送至一供電網。風力發電設備或風力發電廠將動力風能轉換為電能。此處，考量風具有一可變之風速。
風速之考量係基於已知平均值，諸如10秒、1分鐘或10分鐘之平均值。
進一步假定經準備用於饋送有效功率P及用於饋送無效功率Q之一風力發電設備或風力發電廠。
在此背景中，現提出基於風速調整無效功率。此提議係基於以下發現：無論何時饋入風能在電網或電網區段中主導，電網條件(諸如頻率或電壓振幅)皆可取決於風速。然而，至少電壓振幅可藉由饋入無效功率而受風力發電設備影響，且待饋入之此無效功率比可饋入之有效功率至少在一更小程度上取決於風速。若風力發電設備尤其在一所謂「STATCOM」模式下操作，則其可不管風速(即，甚至在無風時)饋入無效功率。
因此根據本發明提出已預期此等電網影響且取決於風速而饋入無效功率以因此直接抵制有效功率之一風速相依之饋送或產生之效應。
若風速超過一風暴起始處之一風速，則無效功率宜增大。一風暴起始處之此風速係風力發電設備或風力發電廠經節流用於其自身之保護之一風速。若存在許多風力發電設備，則於存在一風暴起始處之此風速的情況下，該等風力發電設備甚至被關閉。
此係基於以下發現：風速影響供電網之饋送，尤其在達到風暴風速的強風中可係巨大的。此意謂對供電網中之條件的影響可能比在(若干)渦輪機以部分負載範圍操作(即，其中歸因於弱風，饋入小於標稱之功率)的低風速情況下強。此亦係基於以下發現：風速可在風暴情形下比在弱風情形下更顯著變化。因此，吾人亦可預期在此風暴情形中，饋入效能之一更明顯的波動。
當達到風暴風速時，若風力發電設備或風力發電廠(或相鄰風力發電設備或風力發電廠)關閉或若其等至少切換至一操作模式而不饋送有效功率，則出現一特定問題：在該情況下存在饋入效能之一突然短缺之一風險。儘管饋入有效功率中之一短缺，特別當損失足夠功率以造成對電網供應不足時，一般將主要導致一頻率降，其亦可導致一電壓降。此將由饋送無效功率抵消。在一風暴的事件下，無效功率中之此主動性增大防止電網中之上述效應。
一旦已達到一風暴起始處之一風速，則宜隨進一步增大之風速而進一步增大無效功率。再者，提出只要風速仍大於一風暴起始處之風速，則可經組合以隨風速下降而降低無效功率之態樣。特定言之，若有效功率饋送與無效功率饋送相反動作，則由有效功率饋送之風暴相關的改變所造成的效應可被主動抵消。
對於風暴範圍，宜指定無效功率饋送之一連續過程。風暴範圍係風速位於一風暴起始處之風速與一風暴結尾處之風速之間的範圍。一風暴結尾處之風速係一風力發電設備或風力發電廠停止將有效功率饋送至供電網中之風速，其中將風力發電設備或風力發電廠之一行為假定成：在大於一風暴起始處之風速時，節流風力發電設備或風力發電廠而非立即將其關閉。
因此對於此風暴範圍提出連續增大或(相反地)連續降低自一風暴起始處之風速至一風暴結尾處之風速的無效功率。
特定言之，無效功率接著已達到對於一風暴結尾處之風速之一最大值，風力發電設備或風力發電廠可將其作為無效功率饋入。可由饋入單元(諸如風力發電設備或風力發電廠之風力發電設備之反相器)及/或由纜線剖面相關之最大電流指定該最大值。
根據又一實施例，提出在風速大於一風暴起始處之風速的情況下(特定言之，在風速大於一平均風暴風速的情況下)選擇在其值方面大於標稱功率之一無效功率。此處將構成風力發電設備或風力發電廠之一特徵特性之風力發電設備或風力發電廠之一標稱有效功率當作一基準。此處平均風暴風速係在一風暴起始處之風速與一風暴結尾處之風速之間的一風速，其採取(例如)兩個風速之一算術平均值。根據此實施例，一旦已達到(或至少幾乎達到)一風暴結尾處之風速，則無效功率無論如何將高於標稱有效功率。
將一風力發電設備當作一基準或(實情係)本文提出該風力發電設備，其經設計用於饋送大於當饋入標稱有效功率時達到之一饋入電流之電流。除標稱有效功率外，此一設計亦可能饋入無效功率。在此情況下饋入顯然大於標稱有效功率之一功率。此實施例係基於以下發現：無論何時饋入少數有效功率或不饋入有效功率，風力發電設備或風力發電廠之設計可完全用於饋入無效功率。此可能饋入比曾意在作為有效功率饋入具有一更高值之無效功率。
宜對在一風暴起始處之風速與一風暴結尾處之風速之間之一風速範圍之待饋入的無效功率指定一無效功率函數，其定義無效功率與風速之間之一連接。此無效功率函數宜係指定為一個一階或二階多項式函數，即，指定為一風速相依直線或拋物線函數。另外或替代地，其可經提供為一滯後函數，使得函數對於與在下降風條件相同之上升風條件下的風值，至少部分定義其他無效功率值。如此之一多項式函數無法係一滯後函數，但該滯後函數可(例如)由具有不同參數化之兩 個二階多項式函數定義。宜使用此等函數，但吾人亦可使用其他函數，舉例而言，諸如高階多項式函數、三角函數(諸如一調諧函數之區段)，或描述經由若干支撐點描述之一函數連接的樣條函數。
再者，根據本發明提出用於將電能饋送至一供電網之一風力發電設備，該風力發電設備經準備用於至少依照所描述之實施例之一者來執行一方法。
該風力發電設備宜以經設計以產生一發電機標稱功率之一發電機為特性，且其宜以經提供用於執行饋送程序之一饋入裝置為特性。該饋入裝置經設計以饋送一最大饋入電流，且該最大饋入電流係大於用於饋送發電機標稱功率之一饋入電流。因此，即使發電機標稱功率已被饋送，該風力發電設備仍經準備用於饋送額外無效功率。
風力發電設備宜以經設計為(特定言之)電力箱之若干饋入單元為特性。(特定言之)當具有相同大小時，饋入單元之數量或電力箱之數量定義可饋入之電力(特定言之可饋入之電流)。所需之饋入單元或電力箱之數量取決於待饋入之有效功率，其係由發電機限制。現提出提供比饋送該發電機標稱功率所必須更多之饋入單元或更多之電力箱。特定言之，提供至少一個其他饋入單元(特定言之，至少兩個其他饋入單元)。使用比所需更多之饋入單元促進上述饋送額外之無效功率。
再者，根據本發明提出組合若干風力發電設備之一風力發電廠。在此方面，一風力發電廠以下列事實為特徵：組合至該風力發電廠之風力發電設備透過相同電網連接點饋送至供電網中，或風力發電廠透過相同電網連接點饋送至供電網中。該提出之風力發電廠亦經準備，使用依照用於饋送目的之上述實施例之一者之一方法。
風力發電廠宜以用於控制風力發電廠之一中心控制單元為特性，且用於執行饋送方法之方法步驟係實施於該中心控制單元上。根 據此實施例，尤其待饋入之無效功率之規格係實施於中心控制單元上。若需要，該中心控制單元可進一步按百分比或絕對無效功率目標值提供此經計算或特定之無效功率，以轉送至風力發電廠之個別風力發電設備。
針對最大有效功率來設計風力發電廠，該風力發電廠宜經設計用於饋送比饋送該最大有效功率所需之電流更大之一電流。因此，此處亦提出更大之饋入單元之尺寸。就風力發電廠而言，此可藉由提供一足夠數量之饋入單元而完成。
較佳地，風力發電廠之一些或所有風力發電設備係具有上文依照至少一項實施例描述之類型之風力發電設備。
圖1展示具有一塔架102及一短艙104之一風力發電設備100。具有三個轉子葉片108及一旋轉器110之一轉子106定位於短艙104上。當在操作中時，轉子106由風帶至一旋轉運動且從而驅動短艙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。三個風力發電設備100因此係一風力發電廠112之一基本上隨機數量之風力發電設備之代表。風力發電設備100經由一風力發電廠電網114提供其等之電力(特定言之，產生之電)。合計各自由個別風力發電設備100產生之電流或電力。通常將提供一變壓器116，其輸送風力發電廠處之電壓以接著將其饋送至在饋送點118處之供電網120中，饋送點118亦大體上稱為一PCC。圖2僅係一風力發電廠112之一簡化圖解說明，儘管當然存在一控制，但圖2並未展示(例如)一控制。而且，可不同地設計風力發電廠電網114，包含(例如)在各風力發電設備100之輸出處之一變壓器(僅提及另一項實施例)。
在圖3之曲線圖中，風速VW經標繪於橫座標上，其中圖解說明以一風暴起始處之風速VSA開始。此處，較弱風之範圍與下列解釋無 關。
無效功率Q及有效功率P經標繪於Y軸上。Y軸自0延伸至標稱有效功率PN。在此方面，無效功率Q與有效功率P之定標相同，此意謂1瓦特(W)等於1無效伏安(VAr)。
曲線圖展示對於一風暴起始處之一風速VSA，有效功率P具有標稱功率PN。隨著風速增大，該有效功率連續降至0直至達到一風暴結尾處之風速VSE。
另一方面，無效功率Q自一風暴起始處之風速VSA連續增大至一風暴結尾處之風速VSE。在此實例中，其已達到可饋入之最大無效功率Qmax。較佳地，儘管風速增大，其仍可保持此值。
一虛線路線展示無效功率Q'對風速VW之一替代相依性，其中對於一風暴起始處之風速VSA之無效功率Q'已係大於0。此路線亦展示無效功率Q'已在平均風暴風速VSM處達到標稱功率值PN。在此情況下，(例如)在比一風暴起始處之風速VSA略小之風速條件下，無效功率Q'可已展示一穩定值，其可能歸因於一電網狀態而設定。
在此方面，圖3展示如何基於對於無效功率Q或Q'之風速而提供無效功率之兩個。代號Q'僅係用於繪示一變體。除此以外，該Q'(正如Q)指定各自描述之實施例之待饋入之無效功率。
圖4展示以一發電機2為特性之一風力發電設備1之示意圖。該發電機2經設計(例如)用於2MW之一標稱功率。描繪之實施例以一整流器4為特性，其整流發電機2之整個電力，且經由匯流排條6將其引至開關箱或饋入單元8。
所有饋入單元8因此連接至相同匯流排條6，且此等饋入單元8之各者產生饋送至輸出線10之三相交流電。經由一變壓器12發生自輸出線10饋送至示意性展示之供電網14中。
各饋入單元或開關箱8經設計用於饋送三相電流，其將等於在僅 饋入1MW有效功率時將達到之電流。提供此等1-MW開關箱之三者，因此對於僅用於饋送2-MW發電機2之有效功率，其等係尺寸過大。憑藉此等開關箱8，可能饋入全部2MW之有效功率且亦可能饋入無效功率。再者，只要饋入有效功率係相應小的，則可能饋入超過2MVAr之一無效功率Q。憑藉此等三個開關箱8，若無有效功率饋入，則吾人理論上可饋入多達3MVAr。
1‧‧‧風力發電設備
2‧‧‧發電機
4‧‧‧整流器
6‧‧‧匯流排條
8‧‧‧饋入單元/開關箱
10‧‧‧輸出線
12‧‧‧變壓器
14‧‧‧供電網
100‧‧‧風力發電設備
102‧‧‧塔架
104‧‧‧短艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧旋轉器
112‧‧‧風力發電廠
114‧‧‧風力發電廠電網
116‧‧‧變壓器
118‧‧‧饋送點
120‧‧‧供電網
P‧‧‧有效功率
PN‧‧‧標稱有效功率/標稱功率/標稱功率值
Q‧‧‧無效功率
Qmax‧‧‧最大無效功率
Q'‧‧‧無效功率
VSA‧‧‧一風暴起始處之風速
VSE‧‧‧一風暴結尾處之風速
VSM‧‧‧平均風暴風速
VW‧‧‧風速
現在下文中參考隨附圖使用作為實例之實施例來更詳細地描述本發明。
圖1展示一風力發電設備之示意性透視圖。
圖2展示一風力發電廠之示意圖。
圖3展示一曲線圖之示意圖，其展示根據一項實施例在待饋入之無效功率Q及待饋入之有效功率P與風速之間的互依性。
圖4展示具有若干饋入單元之一風力發電設備之組成之示意圖。
P‧‧‧有效功率
PN‧‧‧標稱有效功率/標稱功率/標稱功率值
Q‧‧‧無效功率
Qmax‧‧‧最大無效功率
Q'‧‧‧無效功率
VSA‧‧‧一風暴起始處之風速
VSE‧‧‧一風暴結尾處之風速
VSM‧‧‧平均風暴風速
VW‧‧‧風速

Claims (13)

  1. 一種藉由一風力發電設備(1)或風力發電廠(112)將電能饋送至一供電網(14)中之方法，其中該風力發電設備(1)或風力發電廠(112)將來自具有可變風速之風之動能轉換為電能，該風力發電設備(1)或風力發電廠(112)經準備用於饋送有效功率(P)及無效功率(Q)，其中基於風速(VW)來調整待饋入之該無效功率(Q)，其中該無效功率(Q)隨增大之風速(VW)而增大，及/或該無效功率(Q)隨下降之風速(VW)而降低。
  2. 如請求項1之方法，其中若該風速(VW)超過一風暴起始處之一風速(VSA)，則增大該無效功率(Q)，其中該風力發電設備(1)或風力發電廠(112)經節流用於其自身之保護。
  3. 如請求項1或2之方法，其中若該風速超過一風暴之該起始處之一或該風速(VSA)，則該無效功率(Q)隨進一步增大之風速(VW)而進一步增大，及/或該無效功率(Q)隨下降之風速(VW)而降低。
  4. 如請求項1或2之方法，其中若該風速超過一風暴之該起始處之一或該風速(VSA)，則該無效功率(Q)隨增大之風速(VW)連續增大直至該風速(VW) 已達到一風暴結尾處之一風速(VSE)，此處該風力發電設備(1)或風力發電廠(112)不再饋送有效功率(P)至該供電網(18)中，及/或該無效功率(Q)隨低於一風暴之該結尾處之該風速(VSE)之下降風速(VW)連續降低直至該風速(VW)已達到一風暴之該起始處之一或該風速(VSA)。
  5. 如請求項1或2之方法，其中該風力發電設備(1)或風力發電廠(112)經設計用於饋送一標稱有效功率(PN)及在大於一風暴該起始處之該風速(VSA)之風速(VW)，特定言之，大於在一風暴之該起始處之該風速(VSA)與一風暴之該結尾處之該風速(VSE)之間之一平均風暴風速(VSM)，該饋入無效功率(Q)在其值方面係大於該標稱有效功率(PN)。
  6. 如請求項1或2之方法，其中在一風暴之該起始處之一或該風速(VSA)與一風暴之該結尾處之一或該風速(VSE)之間，該無效功率(Q)係由定義該無效功率(Q)與該風速(VW)之間之一連接之一無效功率函數設定，其中該無效功率函數係一個一階或二階多項式函數，及/或一滯後函數。
  7. 一種將電能饋送至一供電網(18)中之風力發電設備(1)，其經準備用於執行如上述請求項中之一項之一方法。
  8. 如請求項7之風力發電設備(1)，其中 該風力發電設備(1)以一發電機(2)為特性，該發電機(2)經設計用於產生一發電機標稱功率及以用於饋送之一饋入裝置為特性，其中該饋入裝置經設計用於饋送大於用於饋送該發電機標稱功率之一饋入電流之一最大饋入電流。
  9. 如請求項7或8之風力發電設備(1)，其中該饋入裝置以若干饋入單元(8)為特性，特定言之，以電力箱(8)為特性，且提供比饋送可由該風力發電設備(1)產生之該功率且特定言之其標稱功率所必須更多之饋入單元(8)或電力箱(8)。
  10. 一種饋送電能至一供電網(18)之風力發電廠(112)，其中該風力發電廠(112)經準備用於使用如請求項1至6中之一項之一方法用於饋送目的。
  11. 如請求項10之風力發電廠(112)，其中該風力發電廠(112)以用於控制該風力發電廠(112)之一中心控制單元為特性，且用於執行該饋送方法的方法步驟係實施於該中心控制單元上。
  12. 如請求項10或11之風力發電廠(112)，其中該風力發電廠(112)經設計用於饋送比饋送一最大有效功率所需該電流更大之一電流，該風力發電廠(112)經設計用於該最大有效功率。
  13. 如請求項10或11之風力發電廠(112)， 其中其包括如請求項7至9中之一項之一或多個風力發電設備(1)，特定言之，該風力發電廠之所有風力發電設備(1)係如請求項7至9中之一項之風力發電設備(1)。
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