專利名稱：具有減小的功率波動的風電生產的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于以減小的功率波動來操作風電場或風力渦輪機的方法，并涉及一種被布置成執行該方法的控制系統和風電場或風力渦輪機。
背景技術：
在公用電網中，消費者可通常以不受控制的方式消耗電功率。因為在電網中難以存儲任何能量，在所生產的功率和所消耗的功率之間可能沒有不平衡。因此，功率的瞬時生產應匹配瞬時功率消耗。過量生產導致越過標稱值(例如，50或60Hz)的電網頻率的增加，這是因為常規同步發電機加速，而過量消耗將導致越過標稱值(例如，50或60Hz)的電網頻率的減小，這是因為常規同步發電機將接著減速。為了使電網的頻率穩定，常規地，大約10%的產生器(producer)起到所謂的“主功率控制”的作用。也被稱為“主控制器”的這些產生器在頻率降低到標稱值之下時增加功率輸出，而當它上升到標稱值之上時降低功率輸出。常規地，風力渦輪機不起到主控制的作用，首先因為風力渦輪機通常不能按照命令增加其輸出功率(因為它們通常在標稱負載下操作，或當在部分負載下操作時，它們通常在最佳工作點處操作)，且其次因為可獲得的風電應通常被完全開發。例如在US7372173B2、W02009/112605A1和W02010/000663A1中提出了例外，根據這些專利，當電網頻率降低到某個頻率限制之下時，風力渦輪機的輸出功率增加，反之亦然。通常，風電增加了電網不穩定性的額外機會，這是因為在風電在電網中占相當大一部分的情況下，不僅消耗不受控制，而且風力渦輪機的生產也不受控制。即使風力預報使風電生產能夠在長期基礎(以小時的級別)上以相當大的準確度被預測，風速通常以不可預測的方式在短期基礎(在分鐘下至幾秒的級別)上波動。在部分負載下操作的風力渦輪機(即，當風速低于所認為的風力渦輪機的標稱風速時)通常將這些風速波動轉換成被生產并供應到電網的真實功率的量的相應波動。只有在高于標稱的風速下，當風力渦輪機在標稱負載下操作時，風力渦輪機通常將其輸出功率控制為恒定于標稱輸出功率下。由風力渦輪機引起的波動功率生產對電網穩定性的影響取決于電網的特性。在大的穩定電網中，由風力渦輪機或風電場引起的功率波動將不產生以頻率波動的形式的任何明顯響應。因此，這樣的電網可應付較高的功率變化。然而，在小的隔離電網中，或在弱電網中，這樣的功率波動可產生相當大的頻率波動，使得高的短期功率變化可在電網中引起穩定性問題和調節(regulation)問題(E.Hau, Windturbines”，Springer, Berlin, 2000, sectionl3.1.5, p.390)。

發明內容
本發明提供了在部分負載下操作將功率供應到電網的風力渦輪機的方法，該電網配備有抵抗電網頻率波動的調節能力。該方法包括監測電網的穩定性，并且在檢測到降低的電網穩定性時，通過限制對電網的電力供應中由風引起的波動或通過減小對電力供應的波動的已經存在的限制來改變風力渦輪機的操作。根據另一方面，提供了一種控制系統來控制將功率供應到電網的至少一個風力渦輪機。該控制系統被布置成執行包括下列步驟的方法:監測電網的穩定性，并且在檢測到降低的電網穩定性時，通過限制對電網的電力供應中由風引起的波動或通過減小對電力供應的波動的已經存在的限制來改變風力渦輪機的操作。根據另外的方面，提供了一種風電場或風力渦輪機，該風電場或風力渦輪機包括用于控制將功率供應到電網的至少一個風力渦輪機的控制系統。該控制系統被布置成執行包括下列步驟的方法:監測電網的穩定性，并且在檢測到降低的電網穩定性時，通過限制對電網的電力供應中由風引起的波動或通過減小對電力供應的波動的已經存在的限制來改變風力渦輪機的操作。其它特征是在所公開的方法和產品中內在的，或從下面的描述和附圖，對本領域中的技術人員來說，其他特征將變得明顯。


通過示例的方式關于附圖來解釋本發明的實施例，其中圖1示意性示出示例性風力渦輪機的實施例；圖2借助于示例示出在具有波動限制功能的實施例中作為時間的函數的功率和頻率的變化；圖3是被布置成執行結合圖2解釋的方法的風電場控制器的實施例的功能電路圖；圖4是示出實施例的額外或可替代的功能的流程圖。
具體實施例方式在轉向基于附圖對實施例的詳細描述之前，將討論實施例的幾個更一般的項。實施例涉及操作將功率供應到電網的風力渦輪機(例如，變速風力渦輪機)的方法，該電網配備有抵抗電網頻率波動的調節能力。“Electric grid (電網)”或“grid (電網)”是在風電場的邊界和公共耦合點之外的公用電網；當引用風電場內的電網時，作出明確指示風電場的表達，例如“風電場電網”。抵抗電網頻率波動的調節能力例如由主控制器的某一部分(一般大約10%)提供，主控制器一般是常規的產生器，該常規的產生器可使用蒸汽驅動或氣體驅動的渦輪機和礦物能源或水力發電。主控制器在頻率下降到標稱值(例如，50或60Hz)之下時增加功率輸出，且主控制器在頻率上升到標稱值之上時降低功率輸出。因為本文討論有功功率而不是無功功率,所以有功功率被簡要地稱為“功率”或“輸出功率”。在論述無功功率的場合下，將它明確地稱為“無功功率”。存在對可由根據實施例的風力渦輪機產生的輸出功率的上限，例如這是由于風力渦輪機的電氣轉換器中的結構限制和電流限制。這個數量的功率被稱為“標稱功率”。使風力渦輪機足以產生標稱功率的風速被稱為“標稱風速”。當根據實施例的風力渦輪機在高于標稱風速的風速下操作時，只有可獲得的風功率中對應于標稱功率的那一部分轉換成電輸出功率。功率產生的這一減小例如是通過朝著所謂的旗標位置(flag position)逐漸改變轉子節距角來實現。換句話說，有意地不以最佳效率操作風力渦輪機。在一些實施例中，也以次佳的葉尖速度比來操作風力渦輪機，以便減少結構負載。相反，在部分負載下的操作期間，S卩，在低于標稱風速的風速下的操作期間，根據實施例的風力渦輪機以最佳效率操作。例如，它以空氣動力學上最佳的葉片節距角和葉尖速度比來操作。通常，風速以不可預測的方式在短期基礎上(在分鐘到下至幾秒的級別)波動。當在部分負載下且以最佳效率操作時，根據實施例的風力渦輪機將這些風速波動以幾乎一對一的方式轉換成被產生并供應到電網的真實功率的量中由風引起的波動。風向的波動也可能促進被產生并供應到電網的真實功率的量中由風引起的波動，因為風力渦輪機的偏航調整機構通常不能立即將風力渦輪機的轉子軸與風向對準。未對準的轉子具有減小的效率，使得風向上的波動是被產生并供應到電網的真實功率的量中由風引起的波動的另一來源。如在一開始提到的，由風力渦輪機引起的波動電力生產對電網穩定性的影響取決于電網的特性。在大的穩定電網中，由風力渦輪機或風電場引起的功率波動將不產生以頻率波動的形式的任何明顯響應。然而，在小的隔離電網中，或在弱電網中，這樣的功率波動可產生相當大的頻率波動。電網對電力生產和補償的不平衡進行補償并對從而產生的頻率變化進行調節的某種能力，即，電網的某個程度的剛度(stiffness)或脆弱性(weakness)被稱為“電網穩定性”。本發明人已經認識到，例如由于電網相關的故障，例如電網中風力渦輪機所位于的那一部分的孤島效應，由于主產生器故障等，電網穩定性可隨著時間而變化。本發明人也認識到，可通過監測例如電網上的頻率波動來檢測電網穩定性的惡化。而且，發明人也認識至IJ，在電網穩定性條件的惡化的情況下期望限制由風力渦輪機產生并被供應到電網的輸出功率波動，或如果風力渦輪機在惡化出現之前已經以有限的輸出功率波動操作，則期望減小已經存在的波動限制。“減小”波動限制意味著使限制更嚴格。通過這個措施，雖然根據實施例的風力渦輪機不作為主控制器操作，但是它通過減小由來源引起的波動來促進電網穩定性。然而，限制輸出功率波動通常將減小累積的功率輸出，并從而降低風力渦輪機的有效效率。然而，通過將該措施限制到電網穩定性(暫時)惡化的情況中，將限制所產生的電能的損失。在實施例中，例如借助于葉片節距調節來實現限制有功功率波動。在一些實施例中，也通過對風力渦輪機的電功率轉換器的相應控制來電氣地限制有功功率波動。然而，后者導致被轉換成風力渦輪機的轉子的機械功率的風能的量與電輸出功率之間的不平衡，這例如導致轉子的加速。因此，在一些實施例中，僅結合葉片節距調節來執行對功率的電氣化限制以應付風速瞬變。例如，當風速上升得比能夠調節節距以補償風速上升更快時，首先電氣地限制輸出功率，且一旦葉片已被傾斜到其新的節距角就然后通過節距調節來限制輸出功率。本說明書著重于限制或進一步限制輸出功率波動。然而，該方法也以可比擬的方式進行放松或取消限制的其它方向。也就是說，當檢測到增加的電網穩定性時，通過取消或放松之前設置的波動限制來改變風力渦輪機的操作。監測和限制調節功能是在個體風力渦輪機的級別或在風電場的級別或在公用電網中的較高級別處的控制系統執行的自我診斷和自我調節功能。該控制系統也可被分布，例如該控制系統包括在風電場和風力渦輪機級別處的控制器。
在一些實施例中，永久地確定由電網頻率波動覆蓋的頻率范圍，且在所允許的頻率范圍Fmax/Fmin (在允許的最大頻率Fmax和允許的最小頻率Fmin之間)外部的電網頻率的變化被認為是檢測到降低的電網穩定性條件。可替代地或此外，永久地確定電網頻率的方差，且越過方差閾值的上升被認為是檢測到降低的電網穩定性條件。然后減小風力渦輪機或風電場的輸出功率的所允許波動。在一些實施例中，監測電網頻率波動是否在允許的頻率范圍內或它們的方差是否低于方差閾值以絕對的方式被執行，即，不考慮電網頻率與風力渦輪機或風電場所產生的輸出功率的任何相關性。然而，在不確保所考慮的風力渦輪機或風電場的波動實際上促進了所觀察到的電網頻率波動的意義上，無相關性地對電網頻率波動進行監測是稍微不確定的。因此，在這些實施例中，波動限制的減小可能是徒勞的，且將只產生代價(通過它所引起的累積功率輸出的減小)。因此，在其它實施例中，電網穩定性的監測包括確定供應到電網的功率與電網頻率之間的相關性。相關性意味著如果功率輸出增加，則電網頻率也增加。例如在風力渦輪機的端子處或在風電場到電網的耦合點處測量電網頻率。然而，如果在輸出功率增加時沒有觀察到電網頻率的增加，則沒有相關性。實際上，“相關性”可以是衡量輸出功率增加與電網頻率上升之間的一致程度的連續參數。在一些實施例中，由此確定的相關性越大，所檢測的電網穩定性就越小。為了被考慮為對降低的電網穩定性的指示器，相關性的上升在一些實施例中必須明顯，例如上升必須超過最大可接受的相關性閾值。風力渦輪機的輸出功率的允許波動接著被減小。將波動限制的減小關聯到輸出功率波動與電網頻率波動之間的觀察到的相關性確保了輸出功率波動限制的減小實際上促進電網頻率波動的減小。在一些實施例中，相關性信息被用于通過只考慮電網頻率中的那些峰值(或下沉)來確定電網頻率的變化是否延伸出所允許的頻率范圍Fmax/Fmin，或來確定頻率方差是否超過方差界限，所述峰值(或下沉)可能歸因于所考慮的風力渦輪機或風電場的輸出功率的相應峰值(或下沉)。這在逐個峰值的基礎上考慮了相關性。在其它實施例中，通過將不相關的波動振幅乘以相關性的幅值(或通過將不相關的頻率方差乘以波動的平方)來將相關性信息更全局地用于相同的目的(不是逐個峰值)，相關性的幅值可以是O和I之間的數字。以這種方式“稀釋”觀察到的不相關的波動振幅或方差考慮到:觀察到的不相關的波動振幅或方差的僅僅一部分是由于所考慮的風力渦輪機或風電場的輸出功率波動所致的。這樣的相關性測量的先決條件是，存在風力渦輪機的輸出功率的變化。在也稱為“被動變化實施例”的一些實施例中，利用由自然風速變化所引起的輸出功率變化。這些被動功率變化被跟蹤并與所測量的電網頻率相關。在也稱為“主動變化實施例”的其它實施例中，主動執行被供應到電網的功率的一個或多個測試性變化(test var iat ion )。對輸出功率的限制對于主動執行的變化不是有效的；即，主動執行的變化可以大于對輸出功率的限制。測量電網頻率響應。確定測試功率和電網頻率之間的相關性，如同被動變化實施例一樣。相應地，電網頻率響應越大，所檢測的電網穩定性就越小。主動變化適合于由自然風速變化引起的輸出功率變化不足(在頻率和/或振幅上)以確定相關性的情況。例如，在已設置嚴格的輸出功率限制的操作狀態中，該限制將防止任何足夠的自然功率波動出現。然后通過放松或取消波動限制并等待導致高輸出功率峰值的自然波動來執行主動變化。在一些實施例中，提供了被動和主動變化功能兩者。例如，在正常操作模式(其中沒有設置變化限制或寬的變化限制)中，執行被動變化，而在減小波動模式(例如其中設置了嚴格的變化限制)中，執行主動變化。在一些實施例中，根據相關性函數來確定相關性:
權利要求
1.種在部分負載下對將功率供應到電網(20)的風力渦輪機(I)進行操作的方法，所述電網(20)具有抵抗電網頻率波動的調節能力，所述方法包括: -監測所述電網(20)的穩定性；以及 -在檢測到電網穩定性降低時，通過對向所述電網(20)的功率供應中的由風引起的波動進行限制(Limit Δ P)或通過減小已經存在的對所述功率供應的波動的限制(Limit Δ P)來改變所述風力渦輪機的操作。
2.權利要求1所述的方法，其中，對電網穩定性的所述監測包括確定電網頻率波動的方差和電網頻率波動范圍中的至少一個。
3.權利要求1或2所述的方法，其中，對電網穩定性的所述監測包括確定被供應到所述電網(20)的功率與電網頻率之間的相關性，其中，所述相關性越大，所檢測到的所述電網穩定性就越小。
4.權利要求3所述的方法，其中，確定所述相關性包括:執行被供應到所述電網(20)的所述功率的測試性變化(24)并測量電網頻率響應(24’)。
5.權利要求3或4所述的方法，其中，所述相關性是根據相關性函數
6.權利要求2到5中的任一項所述的方法，其中，通過對應地選擇對功率波動的所述限制(Limit △ P)，將由所述功率供應弓丨起的電網頻率波動維持在從最小可允許頻率到最大可允許頻率的范圍(Fmax/Fmin)內，或將由所述功率供應引起的電網頻率波動的方差維持在方差界限之下。
7.權利要求2到6中的任一項所述的方法，其中，連續地調整所述波動限制(Limit ΔP)以將所述電網頻率保持在從最小可允許頻率到最大可允許頻率的范圍(Fmax/Fmin)內，或將電網頻率波動的方差保持在方差界限之下。
8.權利要求1到7中的任一項所述的方法，其中，響應于檢測到所述電網穩定性降低到越過模式切換閾值，將所述風力渦輪機(I)的操作從正常操作模式切換到減小波動模式，在所述減小波動模式中，激活或減小所述波動限制(Limit Δ P)。
9.權利要求2到8中的任一項所述的方法，其中，供應到所述電網的所述功率與所述電網頻率之間的相關性越大，所述功率供應的所述波動被限制(Limit Λ P)得就越多。
10.權利要求1到9中的任一項所述的方法，其中，通過削減高輸出峰值來限制(LimitAP)所述風力渦輪機(I)的所述功率供應的正波動。
11.權利要求1到10中的任一項所述的方法，其中，所述風力渦輪機(I)具有最佳工作點，并且其中，采用波動限制(LimitAP)或減小的波動限制來操作所述風力渦輪機包括:使所述風力渦輪機在非最佳工作點操作，并且其中，通過使所述工作點朝著所述最佳工作點移動來抵消所述風力渦輪機(I)的所述功率供應的負波動。
12.權利要求1到11中的任一項所述的方法，使用風力預報，來響應于預示增大的風力波動的風力預報，減小所述波動限制(Limit ΛΡ)，或提高模式切換電網穩定性閾值，所述模式切換電網穩定性閾值定義了從正常操作模式到減小波動模式的切換。
13.權利要求1到12中的任一項所述的方法，還包括:使用所述電網的功率消耗的預期，來響應于引起增大的電網頻率波動的預期的功率消耗預期，減小所述波動限制(Limit Λ P)，或提高模式切換電網穩定性閾值，所述模式切換電網穩定性閾值定義了從正常操作模式到減小波動模式的切換。
14.種用于對將功率供應到電網(20)的至少一個風力渦輪機(I)進行控制的控制系統(13、23)，所述控制系統(13、23)被布置成執行根據權利要求1到13中的任一項所述的方法。
15.種配備有權利 要求14所述的控制系統(13、23)的風電場(2)或風力渦輪機(I)。
全文摘要
在部分負載下操作將功率供應到電網(20)的風力渦輪機(1)的方法包括監測電網的穩定性，并且在檢測到降低的電網穩定性時，通過限制對電網的有功功率供應中由風引起的波動或通過減小對有功功率供應的波動的已經存在的限制來改變風力渦輪機的操作。
文檔編號H02J3/24GK103097726SQ201180043944
公開日2013年5月8日 申請日期2011年8月10日 優先權日2010年8月13日
發明者G·C·塔爾諾夫斯基 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司