TWI594539B - 電網、充電站、風力發電裝置、風力發電場及用於操作一充電站之方法 - Google Patents

電網、充電站、風力發電裝置、風力發電場及用於操作一充電站之方法 Download PDF

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柏提那 蘭茲
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Description

電網、充電站、風力發電裝置、風力發電場及用於操作一充電站之方法
本發明係關於一種用於操作一電網(特定言之，孤島電網)之方法及連接至該電網之至少一風力發電裝置及連接至該電網之一充電站之操作。另外，本發明係關於此一電網、一對應充電站及一對應風力發電裝置、及包括連接至該電網之此等風力發電裝置之一風力發場。
就此而言，一孤島電網應被理解為意指與一大電網(諸如(例如)歐洲互連電網)分離且自主操作之一電網。就地理而言，此一孤島電網實際上通常位於島或群島上。然而，尤其在一偏遠地區中，其亦可為一孤立自主操作電網。
吾人已知孤島電網之操作且(例如)在兩個美國專利申請案US 10/380,786及US 10/506,944中描述孤島電網之操作，特定言之，該等美國專利申請案描述自一孤島電網之風力發電裝置提供儘可能多之能量。若該等風力發電裝置無法供應足夠能量，則自能量儲存器補充能量，且若甚至該等能量儲存器亦無法滿足，則可補充性地連接一柴油發電機。
此處，不利的是：一電池之能量之一次消耗縮短(有時顯著地縮短)該電池之壽命。僅就孤島電網而言，除將由更換一電池引起之成本之外，必須實施不必要維修或修復措施亦為非所要的。若藉此不時危害孤島電網之操作，則此係特別不適當的。
一柴油發電機之嚴格需求相依操作亦會對孤島電網構成不適當 負載，從長遠看，其亦會縮短柴油發電機之預期壽命或維修週期。一額外因數係：柴油發電機在磨損特別少且特別經濟之情況下依一特定旋轉速度頻繁操作。換言之，若在一孤島電網之操作期間同時考量其性能，則其對柴油發電機亦係有利的。
因此，本發明係基於解決上文所提及之問題之至少一者之目的。特定言之，本發明提出儘可能地小心操作孤島電網中之電池及柴油發電機之一解決方案。本發明至少提出先前解決方案之一替代解決方案。
因此，根據本發明，提出如技術方案1之方法，即，一種用於操作一電網(特定言之，一孤島電網)中之一充電站之方法，該電網包括與電負載並排之至少一再生能源產生器(特定言之，一風力發電裝置或一風力發電場)、藉由化石燃料來操作之至少一發電機、及用於儲存及重新發出電力之至少該充電站，該方法包括以下步驟：- 藉由該至少一風力發電裝置來產生電力且將該電力饋送至該孤島電網中；- 將未由該等負載消耗之電力儲存於該充電站中；- 若該等負載消耗比饋送至該電網之電力還多之電力，則藉由該充電站以及藉由該至少一再生能源產生器及該至少一習知發電機來饋入電力，其中- 在該電網之一第一組態中，饋送至該電網中之一饋入電力係以下之一總和：該至少一再生能源產生器之電力，及該充電站之電力且視情況加上指派給該充電站之該至少另一發電機之電力，或- 在該電網之一第二組態中，饋送至該電網中之該饋入電力係由 該至少一習知發電機產生之電力，且其中以使得該饋入電力受限於其隨時間之變化之一方式控制該充電站。
就此而言，該充電站係包括可充電及放電之一或複數個電池之一系統。因此，充電及放電經由連接至該孤島電網來發生。因此，可在該電網中之電力過剩時對該電池充電且在相反情況中使該電池放電以藉此將電力饋送至該電網中。在此情況中，放電亦描述其中僅使該電池部分放電(且若適當，則亦僅使該電池小部分放電)之一程序。為了簡化，該孤島電網在此處簡稱為電網。此等孤島電網亦操作為AC電壓網且該充電站對應地亦經製備以將一AC電流饋送至該電網中。特定言之，將本發明提供給一孤島電網，但原則上亦可將本發明用於一不同供電網中。
藉由該至少一再生能源產生器，特定言之，藉由一風力發電裝置或一風力發電場，電力自再生能源產生且被饋送至該孤島電網，此處所提及之孤島電網在某種意義上亦表示其他電網。在此情況中，為了簡化，產生電力表示將機械能或其他能量(例如太陽能)轉換成電力。對應地，此處將機械能或其他能量轉換成電能。當儲存電力時，瞬時電力由該充電站自該電網汲取且儲存於該充電站中(特定言之，儲存於該電池中)，使得能量因此被儲存。
為將再生能源饋送至該孤島電網中，此處較佳地提供包括複數個風力發電裝置之至少一風力發電場。作為一例外，若該孤島電網相對較小或該風力發電裝置相對較大，則(例如)僅使用一單一風力發電裝置亦可為足夠的。
此外，存在一柴油發電機，其在此處亦表示藉由化石燃料來操作之其他可能發電機。此等發電機可為(例如)使用石油或天然氣來操作之一發電機。除非另有明確解釋，否則關於一柴油發電機所作之任 何後續解釋在原則上亦適用於藉由化石燃料來操作或驅動之其他可能發電機。
接著，本發明之一目標係：儘可能地小心或至少比以前更小心地操作該處存在之該充電站及因此該等電池，且在此內文中儘可能連續地實施饋送至該電網中。為此，尤其應重視相關電池之充電狀態。原則上，使此等電池完全放電係不適當的，即，應尤其避免一所謂之深度放電。使一電池完全充電至100%亦可為不適當的。一額外因數係：極端之充電狀態(即，幾乎完全充電或幾乎完全放電)限制該充電站之可操縱性。舉例而言，一幾乎完全放電之充電站無法提供電力來調節饋入。
即，本發明現針對該充電站(即，最終為該充電站之電池或複數個電池)之充電或放電來提出亦可繪示性地指稱最大邊緣之預定義最大梯度，即，限制梯度。
因此，預定義由該充電站饋送至該電網中之電力意欲依其來最大限度地增加之一邊緣。此亦指稱一上升限制梯度。另外，預定義一值，由該充電站自該電網汲取之電力意欲依該值來最大限度地增加且接著該等電池之充電量意欲依該值來最大限度地增加。因此，換言之，此處預定義變化之動態範圍。意外地，此現亦已可影響該充電站或其電池之絕對充電位準(其在此處亦指稱充電狀態)。此等兩個最大值之適當選擇可在一較長時間段內達成其中充電位準更趨向於向上變動或更趨向於向下變動或趨向於一平均值之一情形。藉此，充電位準可受控於一上限、一下限或一不同範圍。
此上限及下限可經預定義以防止該電池之完全充電或該電池之完全放電。若充電位準趨向於下限，則(例如)可藉由該充電站饋入電力以減小梯度來達成充電位準不再趨向於該下限或在一較小程度上趨向於該下限。因此，此可藉由該充電站將電力饋送至該電網中以使最 大邊緣變平來達成。
藉此，可以使得充電狀態保持於此等兩個預定義限制值之間且無需為了控制目的來直接評估充電狀態之一方式調節該充電站。當然，亦可提供一安全詢問來防止低於充電位準下限值或防止超過充電位準上限值。然而，此應為一非常緊急措施且平常調節並不需要該緊急措施且在該孤島電網之正常操作期間將充電位準控制於所要限制內，且無需在此情況中每次直接監測此等限制。
在此情況中，所提出之方法原則上可用於兩個組態中。就該第一組態而言，饋入電力由該至少一再生能源產生器之電力及該充電站之電力組成。就此而言，組合此等再生能源產生器及該充電站。舉例而言，該充電站可為包括複數個風力發電裝置之一風力發電場之部分。若風力(就此實例而言)在一過大程度上波動，則該充電站可採取對應反制措施。饋入之饋入電力可由該等風力發電裝置及該充電站之電力構成。因此，若風力大幅減弱，則饋入電力之總和可藉由對應地上升該充電站之發出電力來滿足變化之所要預定義限制。
因此，該等再生能源產生器及該充電站之此組合接著將受限於其變化之一電力饋送至該電網中。尤其在此情況中，該電網感知此組合饋入電力展現很小波動且相應地無需補償一過大波動。
再生能源產生器及充電站之此一組合(即，例如，具有充電站之風力發電場)亦可由一習知或其他另一發電機補充。接著，會將此一發電機指派給該充電站。特定言之，此意謂：對應再生能源產生器之電力、該充電站之電力及該額外發電機之電力經由一共同電網連接點來共同饋送至該電網中。
在另一組態中，藉由至少一習知發電機饋送至該電網中之電力被視為饋入電力且使其變化保持較小。就此組態而言，考量該至少一習知發電機之此饋入電力。該習知發電機原則上可永久穩定且均勻地 運行。然而，若該習知發電機(例如)作為一柴油發電機或燃氣發電廠抵消該電網中之波動，則發生其饋入電力之波動。一孤島電網之該考量在此處尤其被視為一基準，但此亦並非限制性的。若(例如)該電網之該等負載瞬間共同分接更多電力，則該習知發電機採取反制措施且增加其饋入電力以補償此增加消耗。
接著，該充電站用於此情況，該充電站將大量電力饋送至該電網中，使得其補償該電網中之此等電力波動之至少一部分。因此，接著可依很小變化操作該至少一習知發電機。
因此，具體而言，該至少一習知發電機經受較小負載。在此情況中，此一習知發電機亦表示包括複數個此等發電機之此等發電站。待饋入之電力(即，饋入電力)之大幅上升經常具有另一發電機補充性地連接於此一發電站中之效應。就待發出之電力之一對應下降而言，對應地斷接至少一發電機。具體而言，此第二組態尤其應避免習知發電機之此過度頻繁之補充連接及斷接。
然而，無論如何，以使得饋入電力受限於其隨時間之變化(即，不過度上升且亦不過度下降)之一方式實施藉由該充電站之負載解除動作。
較佳地，至少一限制梯度經預定義以限制饋入電力之該隨時間變化。該至少一限制梯度可為一上升限制梯度，其判定饋入電力意欲依每時間變化多少來最大限度地增大。提出一下降限制梯度作為第二限制梯度，其判定饋入電力意欲依每時間變化多少來最大限度地減小。亦取決於應用來設想：僅預定義此等兩個限制梯度之一者，但較佳地預定義該等兩個限制梯度。
因此，可控制電力變化之限制，同時，此等限制梯度之選擇亦提供影響此貢獻以由該充電站提供支援之可能性。特定言之，該等限制梯度之選擇可影響該充電站之充電狀態之分佈。
較佳地，該上升限制梯度及該下降限制梯度彼此不同。藉此，亦可尤其影響隨時間推移來建立之該充電站之平均充電狀態。在此內文中，具體而言，隨時間推移表示一天之時間段。
根據一實施例，以使得以下之一方式控制該充電站：饋入電力之變化受控於該上升限制梯度及該下降限制梯度內且若該充電站具有高於一預定義目標充電狀態之一充電狀態，則饋入電力之變化係正的，或若該充電站具有低於一預定義目標充電狀態之一充電狀態，則饋入電力之變化係負的。當然，就此而言，該下降限制梯度在此處係一負值。因此，繪示性地，該上升限制梯度預定義一上升邊緣且該下降限制梯度預定義一下降邊緣作為限制。因此，使饋入電力之變化保持於一正限制及一負限制內。
儘管使饋入電力保持或受控於此等兩個限制內，但該充電站仍具有具體控制之範圍。接著，此處提出：簡言之，該充電站以使得在對該充電站完全充電之條件下饋入電力之變化係相當正向之一方式利用此範圍。在此情形中，該充電站具有大量儲存能量可用且因此可趨向於饋入略微更多電力且藉此在目標充電狀態之方向上進一步降低其充電狀態。
否則，若充電狀態相對較低，則該充電站可以使得其更趨向於饋入較少電力(當然，其亦包含更趨向於自該電網吸取更多電力且儲存電力)之一方式利用其範圍。因此，在朝向目標充電狀態之方向上引導充電狀態。
然而，應考量，就必須藉由該充電站來抵消之電力特別大下降而言，即使充電狀態相對較低且至少低於該預定義目標充電狀態，可藉由該充電站來將電力饋送至該電網中，此係因為遵從最大變化係頭等重要的。
然而，潛在洞察係：在相對較長操作中，即，特定言之，在一 天中，可促使該充電站之充電狀態實質上朝向該預定義目標充電狀態發展。平均統計地，原則上總是可達成該目標充電狀態，即，(例如)滿量充電之50%。然而，就風力發電裝置而言，連續地精確發生之波動可證明：充電狀態不會趨向於目標充電狀態，而是會趨向於一最大或最小充電狀態。作為抵消此之一可能性，提出更改該等限制梯度或該等限制梯度之至少一者(即，該上升限制梯度或該下降限制梯度)。
較佳地，適應性地設定該等限制梯度之至少一者。換言之，接著可在操作期間(例如)取決於充電狀態來更改該限制梯度或該等限制梯度。因此，僅舉一實例而言，若(例如)充電狀態大體上非常高(即，高於目標充電狀態)，則可增大該上升限制梯度或可減小該下降限制梯度，使得該充電站趨向於饋入比其自該電網汲取且儲存之穩定電力量還多之穩定電力。
較佳地，取決於該充電站之一平均充電狀態來設定該限制梯度或該等限制梯度。因此，例如，藉助於一濾波器或一整合，在一相對較長時間段(諸如(例如)數小時或一天)內，充電狀態之發展經觀察且經平均以獲得一平均充電狀態。接著，可藉此設定該等限制梯度或該等限制梯度之至少一者。
類似地，亦可較佳地預定義不意欲超過之一最大充電狀態。類似地，相同情況適用於一預定最小充電狀態之預定義。較佳地，可以使得該平均充電狀態趨向於呈現一預定充電設定點值(其亦可指稱目標充電狀態)之一方式實施該設定。
在此情況中，可(例如)在一模擬中預先測試該等限制梯度之具體設定。另外或替代地，亦設想在某種程度上逐漸(例如，逐日)改變限制值且觀察該充電站之充電狀態之發展且接著選擇一對應限制梯度或若干對應限制梯度。
根據一實施例，提出：自一預定義基準限制梯度乘以至少一加 權因數計算該等限制梯度之至少一者。此處，可將尤其作為基準限制梯度之一限制梯度(即，上升限制梯度或下降限制梯度)預定義為必須絕對遵從之限制。接著，可以使得加權因數最大限度地呈現值1之一方式選擇一加權因數或複數個加權因數之乘積。因此，將不會超過該基準限制梯度，或就該下降限制梯度之一負值而言，將不會低於該基準限制梯度。因此，在兩種情況中，絕對值將不再增大，而是至多大減小小於1之一因數。
較佳地，該等加權因數之至少一者係取決於該充電站之充電狀態。另外或替代地，該等加權因數之至少一者可在0至1之範圍內變動。因此，在該情況中，就絕對值而言，其無法增大該基準限制梯度。
較佳地，可以使得加權因數至少具有值1(特定言之，在1至10之範圍內)之一方式選擇另一加權因數。較佳地，可組合兩個加權因數，其等之一者係在0至1之範圍內且另一者係在高於1之範圍內，特定言之，在1至10之範圍內。若使此等加權因數共同乘以該基準限制梯度且若不意欲上升該基準限制梯度，則此等兩個加權因數之選擇可證明：該等加權因數之乘積不會變成大於1。
一實施例提出：- 若該再生能源產生器之電力依一梯度來減少，且就絕對值而言，該梯度大於該預定義下降限制梯度，則該充電站發出與該至少一再生能源產生器之電力一起饋送至該電網中之電力；或- 若該再生能源產生器之電力依一梯度來增加，且就絕對值而言，該梯度大於該預定義上升限制梯度，則該充電站吸取電力以減少饋送至該電網中之該至少一再生能源產生器之電力。
相應地，若該再生能源產生器(特定言之，該風力發電裝置或該風力發電場)之電力過度或過快減少，則該充電站發出電力。藉此， 該充電站可採取反制措施。相反地，此處提出：若該再生能源產生器之電力過度或過快增加，則該充電站吸取電力。因此，在兩種情況中，使饋入之總饋入電力保持於所要限制內。
另外，較佳地，提出：考量一目前第二時間點與一早先第一時間點之間的一時間差來控制該充電站，且在該早先第一時間點處，考量在該第一時間點處由該至少一再生能源產生器及該充電站及(若適當)至少另一發電機共同饋送至該電網中之電力之一梯度作為早先饋入梯度。
因此，為控制該充電站，將兩個時間點處之量測視為一基準，其包含此等時間點之間的該時間差。此處，將一先前時間點處之電力之一梯度視為一基準。特定言之，在此早先時間點處，使用該梯度且無需為此使用該時間差。
較佳地，自此等兩個量測時間點(該時間差及該早先饋入梯度)計算在該第二時間點處由該充電站發出或吸取之電力。此較佳地取決於該充電站之充電狀態來實施。為此，提出：若該充電站具有高於一預定義目標充電狀態之一充電狀態，則自由以下各者組成之一乘積計算在該第二時間點處發出或吸取之此電力：- 該時間差；及- 以下各者之間之一差：- 該上升限制梯度之絕對值，及- 該早先饋入梯度；否則，自以下各者之一乘積計算在該第二時間點處發出或吸取之此電力：- 負時間差；及- 以下各者之總和：- 該下降限制梯度之絕對值，及 - 該早先饋入梯度。
相應地，繪示性地表達：若該充電站具有一相對較高之充電狀態，則使用該上升限制梯度，且若該充電站具有一相對較低之充電狀態，則使用該下降限制梯度。
藉由此計算，遵從該等限制梯度(即，上升限制梯度及下降限制梯度)，同時，取決於該充電站之充電狀態來計算待發出或待吸取之該充電站之電力。因此，同時，只要情況容許，則該充電站之充電狀態之發展經受影響以儘可能地將其控制至一所要範圍中。
較佳地，亦將不同量測位置視為不同量測時間點處之一基準。提出：在該第一時間點處選擇一第一量測點之一量測值且在該第二時間點處使用一第二量測點之一量測值。因此，在操作過程中，在該第一量測點及該第二量測點或該第一量測位置及該第二量測位置處同時實施量測，但分別地，該第一時間點之量測值(即，該早先量測值)由該第一量測點使用且該第二時間點之量測值(即，該目前量測值)由該第二量測點使用。該早先量測值及因此該第一量測點與該早先饋入梯度相關。對應地，在至該電網中之饋入點處或在附近之一位置處量測該早先饋入梯度，藉此傳輸相同電力。
在此情況中，在該第一量測點及該第一時間點處，該充電站之目前電力發出或吸取經量測以在此基礎上設定接著待由該充電站發出或吸取之新計算電力。就此而言，該第一量測點處之該第一時間點處之量測特別影響待由該充電站提供之電力之具體設定。相應地，亦提出：將該第二量測點配置於該充電站之輸出處。不同時間處之不同位置處之此一量測可在適當情況下防止由在一計算中即時使用一量測值引起之一不穩定性(其直接影響該量測值)。
根據另一實施例，提出：待由該充電站發出或吸取之電力取決於一充電狀態來由一補償值更改以使目前充電狀態接近於一預定義目 標充電狀態。因此，提出：不管該充電站之控制如何使該等限制梯度被遵從，在一較小程度上對該充電站充電或使該充電站放電。舉例而言，例如，當該風力發電場(若其形成該再生能源產生器)無風時，可使用一低電力來對該充電站充電，同時其根本不用於控制。藉此，可抵消其中充電狀態進一步移動且進一步遠離所要之充電目標狀態之一情形。此亦可為(例如)僅發生於一天中之一現象。
根據一實施例，提出：若由該至少一習知發電機饋送至該電網中之電力依一梯度來增加，且就絕對值而言，該梯度大於該預定義上升限制梯度，則該充電站將電力饋送至該電網中；或若由該至少一習知發電機饋送至該電網中之電力依一梯度來減少，且就絕對值而言，該梯度大於該預定義下降限制梯度，則該充電站自該電網吸取電力。
尤其針對該至少一習知發電機及該充電站不經由一共同饋入點來饋送至該電網中時之情況來提出此實施例。換言之，該充電站以使得其以使得對一過大電力變化之一需求因該習知發電機而不再發生之一方式補償該電網中之電力波動之至少一部分之一方式饋送至該電網中。
一實施例提出該至少一再生能源產生器(特定言之，該風力發電裝置)：- 將其饋入電力瞬間增加至高於當時可自風力取得之最大電力；- 將其饋入電力瞬間增加至高於瞬時饋入電力；- 將其饋入電力瞬間減少至低於當時可自風力取得之最大電力；或- 將其饋入電力瞬間減少至低於瞬時饋入電力，以藉此減少待由該充電站或由該至少一習知發電機補償之電力尖波。
本發明提出藉由對應地控制一充電站來有利地限制饋入電力之電力變化。然而，吾人已認識到，此可與該再生能源產生器之一控制(特定言之，一或複數個風力發電裝置之一控制)協同相關。較佳地，再生能源產生器(特定言之，風力發電裝置)在本發明之條件基礎上產生儘可能多之電力。因此，一風力發電裝置產生儘可能與當時可自風力汲取之電力一樣多之電力。所得波動可受限於該充電站之使用。然而，亦可有益地將該風力發電裝置用於控制。特定言之，若該充電站具有一不適當的充電狀態，則可有益地由該風力發電裝置瞬間接管或補充該控制。在此情況中，該風力發電裝置可增加或減少其電力。該風力發電裝置可將電力增加至高於目前電力或將電力減少至低於目前電力，或替代地，將電力增加至高於可自風力取得之電力或將電力減少至低於可自風力取得之電力。可在特別短之時間內藉由使用該風力發電裝置之轉子之動能來實現此一增加。
因此，亦可尤其達成：將該充電站實施成更小且更具成本效益地實施該充電站。可以使得一充電站可(例如)在一年之所有天數之95%中完成其任務之一方式設定該充電站之尺寸。為亦覆蓋一年中之此剩餘5%之天數，可能必須將其設計成顯著更大。若該或該等風力發電裝置(作為一例外)在此情況中接管或補充該充電站之任務，則將無需該充電站。
另外，本發明提出一種供電網，其亦可簡稱為電網。特定言之，提出一種孤島電網。此電網經製備以藉由根據上述實施例之任一者之一方法來操作。
另外，本發明提出一種充電站，其經製備以在所提出之電網中操作。
另外，本發明提出一種風力發電裝置，其經製備以在該電網中操作。
本發明亦提出一種風力發電場，其經製備以在如上文所描述之一電網中用作為一再生能源產生器。
下文將基於參考附圖之例示性實施例來以舉例方式更詳細地解釋本發明。
圖1展示包括一塔102及一機艙104之一風力發電裝置100。包括三個轉子葉片108及一旋轉器110之一轉子106配置於機艙104上。在操作期間，由風力引起轉子106產生旋轉運動且轉子106藉此驅動機艙104中之一發電機。
圖2展示包括(例如)可相同或不同之三個風力發電裝置100之一風力發電場112。因此，三個風力發電裝置100根本上表示一風力發電場112之任何所要數目個風力發電裝置。風力發電裝置100經由一電場電網114來提供其電力，即，特定言之，所產生之電流。在此情況中，匯總個別風力發電裝置100之各自產生電流或電力且通常提供一變壓器116，其逐步升高電場中之電壓以接著在饋入點118(其大體上亦標示為PCC)處將該電壓饋送至供電網120。圖2僅為展示無控制(例如，即使當然存在一控制)之一風力發電場112之一簡圖。再者，舉例而言，可(例如)藉由使一變壓器亦存在於電場電網114內之各風力發電裝置100之輸出處來不同地設計電場電網114(僅作為另一例示性實施例)。
因此，本發明係關於用於對耦合至一電網之一能量儲存器充電及使其放電之一策略，該策略可限制可(例如)由再生能源產生器(諸如(例如)風力發電裝置或光伏打裝置)引起之電力梯度。
此處，亦將能量儲存器標示為充電站或僅標示為電池。然而，在此情況中，能量儲存器或充電站可包括用於控制充電及放電之控制構件。
可將各種電網組態視為一基準，其特徵可為風力發電裝置、充 電站或電池及習知發電機之互連。將圖3中所繪示之一電網組態視為下文針對本發明之例示性解釋之一基準。
根據圖3來示意性地繪示意欲將電流供應給負載2之一供電網1。作為能源產生器，一習知發電機4連接至電網1。再者，至少一風力發電裝置6及一充電站8經由一電網饋入點10來連接至電網。在各情況中，電網1之所有示意性繪示部分(即，負載2、習知發電機4、風力發電裝置6及充電站8)亦可包括其類型或表示其類型之複數個此等元件。特定言之，風力發電裝置6亦表示一風力發電場6。
風力發電裝置6提供一電力Pwec(t)且充電站8(為了簡化，其亦可指稱電池8)提供一電力Pbat(t)。因此，此等電力可隨時間變動且在電網饋入點10處將該等電力之總和饋送至電網1中。風力發電裝置之電力Pwec(t)及充電站之電力Pbat(t)兩者可被饋送至電網及自電網汲取。就自電網汲取而言，其意謂針對充電站8之電力Pbat(t)，藉此對充電站或充電站中之一電池充電。然而，風力發電裝置6實質上經由斬波電阻器或緩衝儲存器來饋入電力，例如，若此對電網支援係必需或有益的，則風力發電裝置6亦可分接且藉此消耗來自電網之電力或緩衝儲存電力。再者，圖3象徵性地繪示可使各自元件與電網隔離之各種開關S。
就根據圖3之此組態而言，饋送至電網1中之一饋入電力係風力發電裝置6之電力Pwec及充電站8之電力Pbat之總和。亦可將此總和標示為Pgrid。因此，此係在電網饋入點10處饋送至電網中之電力，或就一負號而言，其係自電網汲取之電力。習知發電機4亦饋入電力，但在圖3所基於之考量中未提及該電力。
可視情況給風力發電裝置6及充電站8指派另一習知發電機，該習知發電機之電力將為在電網饋入點10處之饋入之饋入電力Pgrid之部分。例如，僅舉一實例而言，若風力不夠強，則可補充性地連接此一 習知發電機，即，特定言之，柴油發電機。
就此組態而言，接著提出：饋入電力Pgrid受限於其隨時間之變化。因此，提出：在電網饋入點10處，電力改變且因此使饋入電網中之電力之電力梯度保持於限制內。此可藉由充電站8之一對應控制根據本發明來加以實施。
根據圖3，一或複數個風力發電裝置6及電池系統8(其亦可指稱充電站)經由一共同電網饋入點10來接入至一電網1中，該電網另外包括一習知發電機4及各種負載。
可將電網饋入點10處饋入之時間點t處之一電力梯度定義如下： 其中P wec (t2)係在時間點t2處量測之風力發電場電力，且P grid (t1)係在時間點t1處量測之電網饋入點處之饋入電力。在此情況中，t2係t1之後之目前時間點。△t係經選擇以用於判定電力梯度之時間步長且自時間t2與t1之間的差得出。
若在電網饋入點處饋入之有效電力梯度意欲分別受限於一最大限制值及一最小限制值(，))或保持於此等限制值內，則必須取決於梯度(高於或低於限制值)之類型(正或負)及絕對值來將一特定有效電力(P bat )饋送至電網或自電網汲取一特定有效電力(P bat )。對於此一電力，提出：可由一能量儲存系統吸取或發出該電力，在本申請案中，該能量儲存系統被同義地標示為充電站8且(例如)可體現為一電池或可包括一電池。
圖4繪示連續時間點t1及t2處之風力發電裝置電力P wec 及電網饋入點處之電力P grid 兩者。在此情況中，P grid 由P wec 及P bat 相加組成。
在該圖4及圖5至圖9中，時間點t1處之電網饋入點處之電力P grid (t1) 及風力發電裝置電力P wec (t1)呈現為相同的。應在時間點t2處顯現風力發電裝置電力P wec (t2)。接著，電力梯度自方程式[1]得出，在根據圖 4之實例中，其大於給定為一上限值之上限值，即，一上升限制梯度。
為確保電網饋入點處之之一電力梯度，電池必須在時間點t2處吸取電力P bat (t2)。該電力在所描述之情況中係負的且被計算為：
允許提供電池電力P bat 之一能量儲存器之容量係受限制的。電池電力P bat 之可用性係取決於電池之充電狀態，此被標示為SoC。若未對儲存器充電(SoC=0%)，則可不饋入額外電力。若對儲存器完全充電(SoC=100%)，則可不吸取額外電力。
因此，提出在操作期間依一充電狀態SoC(其儘可能恆定地介於兩個極端充電狀態之間)操作儲存器。可將此一充電目標狀態預定義為一設定點值SoC target 。為使充電狀態SoC之時間分佈儘可能小地自設定點充電狀態SoC target 偏離，提出充電電力及放電電力通常隨時間彼此對應。
吾人已認識到，可分別預定義為下降限制梯度及上升限制梯 度之限制梯度及之絕對值對電池操作具有以下影響：˙其影響電池充電或放電之機率；˙其影響待由電池提供或吸取之電力。
接著，提出藉由對應地選擇限制梯度來影響電池之充電狀態。
即，取決於充電狀態SoC與設定點充電狀態SoC target 之間的差異來選 擇一電力梯度之一下限值或上限值(或)。因此，可控制是否使電池充有一最大/最小電力或使電池放出一最大/最小電力。
圖4至圖9針對一電力梯度之三個例示性情形(即，針對饋入 電力P grid )來繪示藉由所提出之方法來達成之所得電池電力P bat (t)。說明圖之基本類型已在上文相對於圖4而部分地加以解釋且亦可類似地應用於其他圖5至圖9。
此等三個例示性情形原則上亦表示電力梯度之三個可能情形且其等係： 1.電力梯度大於上限梯度； 2.電力梯度小於下限梯度； 3.電力梯度小於上限梯度且大於下限梯度。
上限梯度亦被同義地標示為上升限制梯度，且下限梯度亦被同義地標示為下降限制梯度。
除電力梯度之上述可能情形之外，充電站或其之一或若干電池之充電狀態亦具有一影響。為了解釋，亦將僅參考電池(為了簡化)。充電狀態在圖中被標示為SoC且被視為與一目標充電狀態(本文中標示為SoCtarget)相關。
電池可處於以下兩個充電狀態中：1. SoC>SoCtarget；2. SoC<=SoCtarget。
此處，已將理論狀態(充電狀態準確對應於目標狀態(SoC=SoCtarget))指派給第二變體，此並非為必不可少的。
因此，可組合相對於電力梯度及充電狀態之六個可能情況，其等展示於表1及圖4至圖9中。
表1指示根據一實施例之針對此等六個情況之方程式，藉此電池電力P bat (t)經判定以引起充電狀態SoC儘可能朝向目標充電狀態SoCtarget收斂。該表亦指示展示針對此等六個不同情況之對應電力梯度之圖。
表1
表1中所展示之情況可經彚總使得待由電池提供之電力P bat (t)可計 算如下：
圍繞目標值SoC target 之電池之充電狀態SoC(t)之時間偏差取決於風力發電如何改變，其導致無法預料之電力變化且因此導致電力梯度。換言之，該時間偏差取決於負電力梯度或正電力梯度之一隨機序列。該隨機序列意欲受限於電池操作。補償負梯度越頻繁，將越可能消耗該儲存器，且反之亦然。
圖4至圖9揭露：以使得饋入電力之一梯度處於由上升限制梯度及下降限制梯度定義之一範圍中之一方式控制充電站。在此情況中，試圖將梯度改變至上升限制梯度或下降限制梯度。上升限制梯度與下降限制梯度之間的決定取決於充電狀態。若充電狀態高於其目標值，則選擇上升限制梯度，否則選擇下降限制梯度。
此外，提出：使饋入電力P grid 接近於風力發電場之時間平均電力分佈。此可在使電池充有或放出一平均電力之條件下達成。根據圖4至圖9，可將此電力疊加於由電池發出或吸取之動態電力上。該電力與與P grid 之間的差值成比例且其可藉由使用一加權F來設定如下：
因此，加權F係待選定之一適合比例因數。
為確保遵從藉助於電池之限制電力梯度(特定言之，如結合圖4至圖9所描述)且同時確保依充電之一穩定狀態操作儲存媒體，提出針對儲存媒體來預定義一設定點電力Pbat_total(t)，其自P bat (t)及之疊加得出如下：
為改良風力發電裝置及電池之饋入行為，亦提出：取決於充電 狀態SoC來調適方程式[3]及方程式[4]中之限制梯度及。吾人已認識到，若以相對於圖4至圖9所描述之方式控制充電站，則可藉此至少依任何速率影響充電狀態，特定言之，平均充電狀態。
圖10以舉例方式展示針對根據圖3之組態之兩個時間電力分佈圖，即，至少一風力發電裝置之電力Pwec及風力發電裝置及充電站或電池之共同總饋入電力PGrid之電力分佈圖。原則上，考量兩個參數化。第一參數化將上述加權因數F設定為0且亦將上升限制梯度及下降限制梯度之兩個相同且不變之值視為一基準。在下文中，將此組態數學地定義為「參數化1」。
然而，較佳地，使用標示為「參數化2」之一參數化，為了簡化，其在圖10及圖11中被標示為「風力+電池(最佳化)」。在此較佳實施例中，未將加權因數F設定為0且將上升限制梯度及下降限制梯度之不同且可變之值視為一基準。圖10及圖11僅展示此第二參數化之結果。
圖11展示針對電力饋入之控制之第二組態之電池之充電狀態之分佈圖。該說明圖中描繪50%之一目標充電狀態且將其標示為「SoC目標」。
˙參數化1：
風力+電池：F=0(方程式[5])且、
˙參數化2：
風力+電池(最佳化)：F≠0(方程式[5])且、
因此，第二參數化中之F可隨時間變動且取決於：○瞬時充電狀態SoC；○目標充電狀態「SoC目標」；及/或 ○風力發電場之時間平均電力分佈。
無因次正因數F取決於應用來隨時間變動於值0與1(或更大)之間。目前充電狀態SoC與目標充電狀態SoC_target之間的差異越大，根據一較佳實施例來依任何速率選擇之因數F越大。在此情況中，取決於充電狀態來更改或設定因數F。
就參數化2而言，、可同樣隨時間變動且取決於目前充電狀態SoC與目標充電狀態SoC_target之間的差異。
圖10中之結果展示：充電站8之所提出控制(即，基於參數化2之一控制)可相較於無需一電池之風力發電裝置之饋入來達成一明顯穩定之饋入電力。
圖11展示根據圖10之相對於來自風力發電裝置及充電站之總饋入電力PGrid之分佈的充電狀態SoC之相關聯分佈圖。圖11揭露：參數化2(即，所提出之較佳控制)可依一相對穩定充電狀態操作電池。若電池之充電狀態由於風力發電裝置電力之一瞬間減少而下降(其(例如)發生於550s處)，則充電狀態在一短時間之後再次朝向其目標值SoCtarget收斂。
與圖3相比，圖12展示一基礎或考量電網201之一第二組態。此電網201基本上亦包括圖3中所解釋之元件或參與者，即，負載202、一風力發電裝置206(其亦可表示一風力發電場)、一電池208(其在此處亦表示充電站)及至少一習知發電機204。
接著，針對此組態來提出：以使得由發電機204饋送至電網中之電力PGen受限於其隨時間之變化之一方式控制充電站208或電池208。就此而言，藉由發電機饋送至電網中之此電力PGen形成受限於其隨時間之變化之饋入電力。接著，此處被視為一基準之考量係：負載202之波動及風力發電裝置206(無充電站208或電池208)之饋入電力Pwec 之波動將具有此動波動必須由發電機饋入之電力PGen補償之效應。若隨時間之此等變化過大，則習知發電機必須非常快地改變其負載，或就發電機組而言，其將意謂必須非常快地補充性連接或斷接發電機。特定言之，對於基於化石燃料之發動機(即，特定言之，柴油發動機)，此非常不利於其壽命。充電站或電池208意欲補償此。為此，偵測饋入電力PGen之變化且相應地控制充電站或電池208。
若負載202實質上以一恆定方式分接其電力，則電池208或充電站208之此組態及對應控制可導致非常類似於根據圖3之組態之情況中之結果的結果。此係因為：在此情況中，所提及之電力波動僅由風力發電裝置206之電力波動引起。因此，在此情況中，電池208或充電站208亦將防止風力發電裝置206之一過大電力變化。
然而，對於其中負載亦波動之情況，電池208將偵測且考量由負載202及風力發電裝置206引起之總電力波動。
對於進一步細節，接著參考上述文本、描述關於此第二組態之特徵及實施例之一般描述之部分。
1‧‧‧電網
2‧‧‧負載
4‧‧‧習知發電機
6‧‧‧再生能源產生器/風力發電裝置/風力發電場
8‧‧‧充電站/電池/電池系統
10‧‧‧電網饋入點
100‧‧‧風力發電裝置
102‧‧‧塔
104‧‧‧機艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧旋轉器
112‧‧‧風力發電場
114‧‧‧電場電網
116‧‧‧變壓器
118‧‧‧饋入點
120‧‧‧供電網
201‧‧‧電網
202‧‧‧負載
204‧‧‧習知發電機
206‧‧‧風力發電裝置
208‧‧‧充電站/電池
圖1示意性地展示一風力發電裝置之一透視圖。
圖2展示包括複數個風力發電裝置之一風力發電場之一示意圖。
圖3展示根據一第一組態之包括一風力發電裝置、一充電站、一習知發電機及負載之一電網。
圖4至圖9繪示根據一實施例且針對根據圖3之組態之相對於預定義限制梯度之不同狀態或邊界條件之一充電站之控制。
圖10展示針對充電站之控制之不同參數化之一些電力之時間分佈圖。
圖11展示關於被視為圖10中之一基準之控制之各情況中之受控充電站之一充電狀態之時間分佈圖。
圖12展示根據一第二組態之包括一風力發電裝置、一充電站、一習知發電機及負載之一電網。
1‧‧‧電網
2‧‧‧負載
4‧‧‧習知發電機
6‧‧‧再生能源產生器/風力發電裝置/風力發電場
8‧‧‧充電站/電池/電池系統
10‧‧‧電網饋入點

Claims (19)

  1. 一種用於操作一孤島或隔離電網(1)中之一充電站(8)之方法，該孤島或隔離電網(1)包括與電負載(2)並排之至少一再生能源產生器(6)、藉由化石燃料來操作之至少一習知發電機(4)、及用於儲存及重新發出電力之至少該充電站(8)，該方法包括以下步驟：藉由該至少一再生能源產生器(6)來產生電力且將該電力饋送至該孤島或隔離電網(1)中；將未由該等負載(2)消耗之電力儲存於該充電站(8)中；若該等負載(2)消耗比由該至少一再生能源產生器(6)及該至少一習知發電機共同饋送至該孤島或隔離電網(1)中之電力還多之電力，則藉由該充電站(8)來將電力饋送至該孤島或隔離電網(1)中，其中在該孤島或隔離電網(1)之一第一組態中，饋送至該孤島或隔離電網(1)中之一饋入電力係以下之一總和：該至少一再生能源產生器(6)之電力，及該充電站(8)之電力且視情況加上指派給該充電站(8)之至少另一發電機之電力；及在該孤島或隔離電網(1)之一第二組態中，饋送至該孤島或隔離電網(1)中之該饋入電力係由該至少一習知發電機(4)產生之電力，且其中以使得該饋入電力受限於其隨時間之變化之一方式控制該充電站(8)，其中為限制該饋入電力隨時間之變化，預定義至少一限制梯度。
  2. 如請求項1之方法， 其中該至少一限制梯度係選自包括以下各者之列表：一上升限制梯度，其判定該饋入電力意欲依每時間變化多少來最大限度地增大；及一下降限制梯度，其判定該饋入電力意欲依每時間變化多少來最大限度地減小。
  3. 如請求項2之方法，其中就絕對值而言，該上升限制梯度及該下降限制梯度彼此不同。
  4. 如前述請求項1至3中任一項之方法，其中以使得符合以下條件之一方式控制該充電站(8)：該饋入電力之該變化受控於一正限制及一負限制內或受控於該上升限制梯度及該下降限制梯度內；且對於該第一組態之情況，若該充電站(8)具有高於一預定義目標充電狀態之一充電狀態，則該饋入電力之該變化係正的，或若該充電站(8)具有低於一預定義目標充電狀態之一充電狀態，則該饋入電力之該變化係負的；且對於該第二組態之情況，若該充電站(8)具有高於一預定義目標充電狀態之一充電狀態，則該饋入電力之該變化係負的，或若該充電站(8)具有低於一預定義目標充電狀態之一充電狀態，則該饋入電力之該變化係正的。
  5. 如前述請求項1至3中任一項之方法， 其中該等限制梯度之至少一者經適應性地設定；取決於該充電站(8)之一平均充電狀態來設定；以使得該充電站(8)不下降至低於一預定最小充電狀態(SoC)之一方式設定；以使得該充電站(8)不超過一預定最大充電狀態(SoC)之一方式設定；及/或以使得該充電站(8)之一平均充電狀態(SoC)呈現一預定充電設定點值(SoC_target)之一方式設定。
  6. 如前述請求項1至3中任一項之方法，其中自一預定義基準限制梯度乘以至少一加權因數(F)計算該等限制梯度之至少一者。
  7. 如請求項6之方法，其中該等加權因數(F)之至少一者係取決於該充電站(8)之一充電狀態(SoC)，該等加權因數(F)之至少一者可在0至1之範圍內變動，該等加權因數(F)之至少一者具有至少1之一值，特定言之，在1至10之範圍內，及/或至少兩個加權因數(F)用於一各自限制梯度之計算。
  8. 如前述請求項1至3中任一項之方法，其中對於該第一組態之情況，若該再生能源產生器(6)之電力依一梯度來減少，且就絕對值而言，該梯度大於該預定義下降限制梯度，則該充電站(8) 發出與該至少一再生能源產生器之電力一起饋送至該孤島或隔離電網(1)中之電力，或若該再生能源產生器(6)之電力(P)依一梯度來增加，且就絕對值而言，該梯度大於該預定義上升限制梯度，則該充電站(8)吸取電力(P)以減少饋送至該孤島或隔離電網(1)中之該至少一再生能源產生器(6)之電力(P)。
  9. 如前述請求項1至3中任一項之方法，其中考量一目前第二時間點與一早先第一時間點之間的一時間差來控制該充電站(8)，且其中在該早先第一時間點處，考量在該第一時間點處由該至少一再生能源產生器及該充電站及，若適當，至少另一發電機共同饋送至該孤島或隔離電網中之電力之一梯度作為早先饋入梯度。
  10. 如請求項9之方法，其中對於該第一組態之情況，若該充電站(8)具有高於一預定義目標充電狀態(SoC_target)之一充電狀態(SoC)，則自以下各者之一乘積計算在該第二時間點處由該充電站(8)發出或吸取之電力：該時間差，及以下各者之間之一差值：該上升限制梯度之絕對值，及該早先饋入梯度；否則，自以下各者之一乘積計算在該第二時間點處由該充電站(8)發出或吸取之電力：該負時間差，及 以下各者之總和：該下降限制梯度之絕對值，及該早先饋入梯度。
  11. 如請求項9之方法，其中在該第一時間點處使用一第一量測點之一量測值且在該第二時間點處使用一第二量測點之一量測值。
  12. 如前述請求項1至3中任一項之方法，其中取決於一充電狀態來由一補償值更改待由該充電站(8)發出或吸取之電力以使目前充電狀態接近於一預定義目標充電狀態。
  13. 如請求項1至3中任一項之方法，其中對於該第二組態之情況，若由該至少一習知發電機饋送至該孤島或隔離電網(1)中之電力依一梯度來增加，且就絕對值而言，該梯度大於該預定義上升限制梯度，則該充電站(8)將電力發出至該孤島或隔離電網(1)，或若由該至少一習知發電機饋送至該孤島或隔離電網(1)中之電力依一梯度來減少，且就絕對值而言，該梯度大於該預定義下降限制梯度，則該充電站(8)自該孤島或隔離電網吸取電力。
  14. 如請求項1至3中任一項之方法，其中考量一目前第二時間點與一早先前第一時間點之間的一時間差來控制該充電站，且其中在該早先第一時間點處，考量在該第一時間點處由該至少一習知發電機饋送至該孤島或隔離電網中之電力之一梯度 作為早先饋入梯度。
  15. 如前述請求項1至3中任一項之方法，其中該至少一再生能源產生器(6)係一風力發電裝置(6)將其饋入電力瞬間增加至高於當時可自風力取得之最大電力，將其饋入電力瞬間增加至高於瞬時饋入電力，將其饋入電力瞬間減少至低於當時可自風力取得之最大電力，或將其饋入電力瞬間減少至低於瞬時饋入電力，以藉此減少待由該充電站或該至少一習知發電機補償之電力尖波。
  16. 一種孤島或隔離電網(1)，其經製備以藉由如前述請求項中任一項之方法來操作。
  17. 一種充電站(8)，其經製備以用於如請求項16之孤島或隔離電網(1)中。
  18. 一種風力發電裝置(6)，其經製備以用於如請求項16之孤島或隔離電網(1)中。
  19. 一種風力發電場(112)，其經製備以在如請求項16之孤島或隔離電網(1)中用作為一再生能源產生器(6)。
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