CN103097726B - 具有减小的功率波动的风电生产 - Google Patents

Abstract

在部分负载下操作将功率供应到电网（20）的风力涡轮机（1）的方法包括：监测电网的稳定性，并且在检测到降低的电网稳定性时，通过限制对电网的有功功率供应中由风引起的波动或通过减小对有功功率供应的波动的已经存在的限制来改变风力涡轮机的操作。

Description

具有减小的功率波动的风电生产

技术领域

本发明涉及一种用于以减小的功率波动来操作风电场或风力涡轮机的方法，并涉及一种被布置成执行该方法的控制系统和风电场或风力涡轮机。

背景技术

在公用电网中，消费者可通常以不受控制的方式消耗电功率。因为在电网中难以存储任何能量，在所生产的功率和所消耗的功率之间可能没有不平衡。因此，功率的瞬时生产应匹配瞬时功率消耗。过量生产导致越过标称值（例如，50或60Hz）的电网频率的增加，这是因为常规同步发电机加速，而过量消耗将导致越过标称值（例如，50或60Hz）的电网频率的减小，这是因为常规同步发电机将接着减速。

为了使电网的频率稳定，常规地，大约10%的产生器（producer）起到所谓的“主功率控制”的作用。也被称为“主控制器”的这些产生器在频率降低到标称值之下时增加功率输出，而当它上升到标称值之上时降低功率输出。

常规地，风力涡轮机不起到主控制的作用，首先因为风力涡轮机通常不能按照命令增加其输出功率（因为它们通常在标称负载下操作，或当在部分负载下操作时，它们通常在最佳工作点处操作），且其次因为可获得的风电应通常被完全开发。例如在US7372173B2、WO2009/112605A1和WO2010/000663A1中提出了例外，根据这些专利，当电网频率降低到某个频率限制之下时，风力涡轮机的输出功率增加，反之亦然。

通常，风电增加了电网不稳定性的额外机会，这是因为在风电在电网中占相当大一部分的情况下，不仅消耗不受控制，而且风力涡轮机的生产也不受控制。即使风力预报使风电生产能够在长期基础（以小时的级别）上以相当大的准确度被预测，风速通常以不可预测的方式在短期基础（在分钟下至几秒的级别）上波动。在部分负载下操作的风力涡轮机（即，当风速低于所认为的风力涡轮机的标称风速时）通常将这些风速波动转换成被生产并供应到电网的真实功率的量的相应波动。只有在高于标称的风速下，当风力涡轮机在标称负载下操作时，风力涡轮机通常将其输出功率控制为恒定于标称输出功率下。

由风力涡轮机引起的波动功率生产对电网稳定性的影响取决于电网的特性。在大的稳定电网中，由风力涡轮机或风电场引起的功率波动将不产生以频率波动的形式的任何明显响应。因此，这样的电网可应付较高的功率变化。然而，在小的隔离电网中，或在弱电网中，这样的功率波动可产生相当大的频率波动，使得高的短期功率变化可在电网中引起稳定性问题和调节（regulation）问题（E.Hau,Windturbines”,Springer,Berlin,2000,section13.1.5,p.390）。

发明内容

本发明提供了在部分负载下操作将功率供应到电网的风力涡轮机的方法，该电网配备有抵抗电网频率波动的调节能力。该方法包括监测电网的稳定性，并且在检测到降低的电网稳定性时，通过限制对电网的电力供应中由风引起的波动或通过减小对电力供应的波动的已经存在的限制来改变风力涡轮机的操作。

根据另一方面，提供了一种控制系统来控制将功率供应到电网的至少一个风力涡轮机。该控制系统被布置成执行包括下列步骤的方法：监测电网的稳定性，并且在检测到降低的电网稳定性时，通过限制对电网的电力供应中由风引起的波动或通过减小对电力供应的波动的已经存在的限制来改变风力涡轮机的操作。

根据另外的方面，提供了一种风电场或风力涡轮机，该风电场或风力涡轮机包括用于控制将功率供应到电网的至少一个风力涡轮机的控制系统。该控制系统被布置成执行包括下列步骤的方法：监测电网的稳定性，并且在检测到降低的电网稳定性时，通过限制对电网的电力供应中由风引起的波动或通过减小对电力供应的波动的已经存在的限制来改变风力涡轮机的操作。

其它特征是在所公开的方法和产品中内在的，或从下面的描述和附图，对本领域中的技术人员来说，其他特征将变得明显。

附图说明

通过示例的方式关于附图来解释本发明的实施例，其中

图1示意性示出示例性风力涡轮机的实施例；

图2借助于示例示出在具有波动限制功能的实施例中作为时间的函数的功率和频率的变化；

图3是被布置成执行结合图2解释的方法的风电场控制器的实施例的功能电路图；

图4是示出实施例的额外或可替代的功能的流程图。

具体实施方式

在转向基于附图对实施例的详细描述之前，将讨论实施例的几个更一般的项。

实施例涉及操作将功率供应到电网的风力涡轮机（例如，变速风力涡轮机）的方法，该电网配备有抵抗电网频率波动的调节能力。“Electric grid（电网）”或“grid（电网）”是在风电场的边界和公共耦合点之外的公用电网；当引用风电场内的电网时，作出明确指示风电场的表达，例如“风电场电网”。抵抗电网频率波动的调节能力例如由主控制器的某一部分（一般大约10%）提供，主控制器一般是常规的产生器，该常规的产生器可使用蒸汽驱动或气体驱动的涡轮机和矿物能源或水力发电。主控制器在频率下降到标称值（例如，50或60Hz）之下时增加功率输出，且主控制器在频率上升到标称值之上时降低功率输出。

因为本文讨论有功功率而不是无功功率，所以有功功率被简要地称为“功率”或“输出功率”。在论述无功功率的场合下，将它明确地称为“无功功率”。

存在对可由根据实施例的风力涡轮机产生的输出功率的上限，例如这是由于风力涡轮机的电气转换器中的结构限制和电流限制。这个数量的功率被称为“标称功率”。使风力涡轮机足以产生标称功率的风速被称为“标称风速”。当根据实施例的风力涡轮机在高于标称风速的风速下操作时，只有可获得的风功率中对应于标称功率的那一部分转换成电输出功率。功率产生的这一减小例如是通过朝着所谓的旗标位置（flag position）逐渐改变转子节距角来实现。换句话说，有意地不以最佳效率操作风力涡轮机。在一些实施例中，也以次佳的叶尖速度比来操作风力涡轮机，以便减少结构负载。

相反，在部分负载下的操作期间，即，在低于标称风速的风速下的操作期间，根据实施例的风力涡轮机以最佳效率操作。例如，它以空气动力学上最佳的叶片节距角和叶尖速度比来操作。通常，风速以不可预测的方式在短期基础上（在分钟到下至几秒的级别）波动。当在部分负载下且以最佳效率操作时，根据实施例的风力涡轮机将这些风速波动以几乎一对一的方式转换成被产生并供应到电网的真实功率的量中由风引起的波动。风向的波动也可能促进被产生并供应到电网的真实功率的量中由风引起的波动，因为风力涡轮机的偏航调整机构通常不能立即将风力涡轮机的转子轴与风向对准。未对准的转子具有减小的效率，使得风向上的波动是被产生并供应到电网的真实功率的量中由风引起的波动的另一来源。

如在一开始提到的，由风力涡轮机引起的波动电力生产对电网稳定性的影响取决于电网的特性。在大的稳定电网中，由风力涡轮机或风电场引起的功率波动将不产生以频率波动的形式的任何明显响应。然而，在小的隔离电网中，或在弱电网中，这样的功率波动可产生相当大的频率波动。电网对电力生产和补偿的不平衡进行补偿并对从而产生的频率变化进行调节的某种能力，即，电网的某个程度的刚度（stiffness）或脆弱性（weakness）被称为“电网稳定性”。

本发明人已经认识到，例如由于电网相关的故障，例如电网中风力涡轮机所位于的那一部分的孤岛效应，由于主产生器故障等，电网稳定性可随着时间而变化。本发明人也认识到，可通过监测例如电网上的频率波动来检测电网稳定性的恶化。而且，发明人也认识到，在电网稳定性条件的恶化的情况下期望限制由风力涡轮机产生并被供应到电网的输出功率波动，或如果风力涡轮机在恶化出现之前已经以有限的输出功率波动操作，则期望减小已经存在的波动限制。“减小”波动限制意味着使限制更严格。通过这个措施，虽然根据实施例的风力涡轮机不作为主控制器操作，但是它通过减小由来源引起的波动来促进电网稳定性。然而，限制输出功率波动通常将减小累积的功率输出，并从而降低风力涡轮机的有效效率。然而，通过将该措施限制到电网稳定性（暂时）恶化的情况中，将限制所产生的电能的损失。

在实施例中，例如借助于叶片节距调节来实现限制有功功率波动。在一些实施例中，也通过对风力涡轮机的电功率转换器的相应控制来电气地限制有功功率波动。然而，后者导致被转换成风力涡轮机的转子的机械功率的风能的量与电输出功率之间的不平衡，这例如导致转子的加速。因此，在一些实施例中，仅结合叶片节距调节来执行对功率的电气化限制以应付风速瞬变。例如，当风速上升得比能够调节节距以补偿风速上升更快时，首先电气地限制输出功率，且一旦叶片已被倾斜到其新的节距角就然后通过节距调节来限制输出功率。

本说明书着重于限制或进一步限制输出功率波动。然而，该方法也以可比拟的方式进行放松或取消限制的其它方向。也就是说，当检测到增加的电网稳定性时，通过取消或放松之前设置的波动限制来改变风力涡轮机的操作。

监测和限制调节功能是在个体风力涡轮机的级别或在风电场的级别或在公用电网中的较高级别处的控制系统执行的自我诊断和自我调节功能。该控制系统也可被分布，例如该控制系统包括在风电场和风力涡轮机级别处的控制器。

在一些实施例中，永久地确定由电网频率波动覆盖的频率范围，且在所允许的频率范围F_max/F_min（在允许的最大频率F_max和允许的最小频率F_min之间）外部的电网频率的变化被认为是检测到降低的电网稳定性条件。可替代地或此外，永久地确定电网频率的方差，且越过方差阈值的上升被认为是检测到降低的电网稳定性条件。然后减小风力涡轮机或风电场的输出功率的所允许波动。

在一些实施例中，监测电网频率波动是否在允许的频率范围内或它们的方差是否低于方差阈值以绝对的方式被执行，即，不考虑电网频率与风力涡轮机或风电场所产生的输出功率的任何相关性。

然而，在不确保所考虑的风力涡轮机或风电场的波动实际上促进了所观察到的电网频率波动的意义上，无相关性地对电网频率波动进行监测是稍微不确定的。因此，在这些实施例中，波动限制的减小可能是徒劳的，且将只产生代价（通过它所引起的累积功率输出的减小）。因此，在其它实施例中，电网稳定性的监测包括确定供应到电网的功率与电网频率之间的相关性。相关性意味着如果功率输出增加，则电网频率也增加。例如在风力涡轮机的端子处或在风电场到电网的耦合点处测量电网频率。然而，如果在输出功率增加时没有观察到电网频率的增加，则没有相关性。实际上，“相关性”可以是衡量输出功率增加与电网频率上升之间的一致程度的连续参数。在一些实施例中，由此确定的相关性越大，所检测的电网稳定性就越小。为了被考虑为对降低的电网稳定性的指示器，相关性的上升在一些实施例中必须明显，例如上升必须超过最大可接受的相关性阈值。风力涡轮机的输出功率的允许波动接着被减小。将波动限制的减小关联到输出功率波动与电网频率波动之间的观察到的相关性确保了输出功率波动限制的减小实际上促进电网频率波动的减小。

在一些实施例中，相关性信息被用于通过只考虑电网频率中的那些峰值（或下沉）来确定电网频率的变化是否延伸出所允许的频率范围F_max/F_min，或来确定频率方差是否超过方差界限，所述峰值（或下沉）可能归因于所考虑的风力涡轮机或风电场的输出功率的相应峰值（或下沉）。这在逐个峰值的基础上考虑了相关性。

在其它实施例中，通过将不相关的波动振幅乘以相关性的幅值（或通过将不相关的频率方差乘以波动的平方）来将相关性信息更全局地用于相同的目的（不是逐个峰值），相关性的幅值可以是0和1之间的数字。以这种方式“稀释”观察到的不相关的波动振幅或方差考虑到：观察到的不相关的波动振幅或方差的仅仅一部分是由于所考虑的风力涡轮机或风电场的输出功率波动所致的。

这样的相关性测量的先决条件是，存在风力涡轮机的输出功率的变化。在也称为“被动变化实施例”的一些实施例中，利用由自然风速变化所引起的输出功率变化。这些被动功率变化被跟踪并与所测量的电网频率相关。

在也称为“主动变化实施例”的其它实施例中，主动执行被供应到电网的功率的一个或多个测试性变化（test variation）。对输出功率的限制对于主动执行的变化不是有效的；即，主动执行的变化可以大于对输出功率的限制。测量电网频率响应。确定测试功率和电网频率之间的相关性，如同被动变化实施例一样。相应地，电网频率响应越大，所检测的电网稳定性就越小。主动变化适合于由自然风速变化引起的输出功率变化不足（在频率和/或振幅上）以确定相关性的情况。例如，在已设置严格的输出功率限制的操作状态中，该限制将防止任何足够的自然功率波动出现。然后通过放松或取消波动限制并等待导致高输出功率峰值的自然波动来执行主动变化。在一些实施例中，提供了被动和主动变化功能两者。例如，在正常操作模式（其中没有设置变化限制或宽的变化限制）中，执行被动变化，而在减小波动模式（例如其中设置了严格的变化限制）中，执行主动变化。

在一些实施例中，根据相关性函数来确定相关性：

$R_{\mathrm{xy}}=\frac{1}{T_F}{\∫}_{-T_F/2}^{T_F/2}x\left(t\right)\·y\left(t\right)\mathrm{dt}$

（即，自相关函数），其中x(t)是作为时间t的函数的所供应的输出功率，y(t)是作为时间t的函数的电网频率，T_F是相关性被确定的时间段。在数字（离散）实施方式中，可以用在离散的时间段（discrete bins of time）上的求和来代替积分。在主动变化的实施例中，可将功率变化选择为在时间上如此短，以致只有一个求和项，即，不需要求和。

在某些情况下，电网频率对输出功率变化的反应被延迟。相应地，在一些实施例中，根据交叉相关函数来确定相关性，交叉相关函数评估将在不同的时间相关的函数：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{T_F}{\∫}_{-T_F/2}^{T_F/2}x\left(t\right)\·y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

其中τ是x(t)和y(t)之间的时间偏移。在响应的延迟被假定是固定的和提前已知的一些实施例中，变量τ可被设置为延迟。在τ是变量的其它实施例中，则针对多个不同的τ值来评估该积分（或和），R_xy(τ)的最大值最终被确定并被认为是输出功率和电网频率之间的相关性。

在一些实施例中，选择对功率波动的限制，使得由功率的供应引起的电网频率波动被维持在范围F_max/F_min内，或由功率的供应引起的电网频率波动的方差被维持在方差界限之下。

在这些实施例的一些中，整个电网频率波动（包括未由所考虑的风力涡轮机或风电场引起的贡献）将被维持在范围F_max/F_min内或在方差阈值之下，而在其它实施例中，只有电网频率波动中由所考虑的风力涡轮机或风电场的功率供应引起的那部分被维持在范围F_max/F_min内或方差阈值之下。

在（整个或部分）电网频率波动将被维持在范围F_max/F_min内或方差阈值之下的一些实施例中，对输出功率的波动限制继续被调节到仅仅将电网频率保持在范围F_max/F_min内或将方差保持在方差阈值之下所需要的限制的程度。这意味着，如果电网频率变得超出F_max/F_min，通过让输出功率波动来使由风力涡轮机或风电场产生的功率最大化，但该波动被限制或调制。因此，连续调节的目的是避免电网频率离开F_max/F_min范围，而不损失比必要的更多的功率生产。

在一些实施例中，风力涡轮机的操作在两个分立的操作模式之间自动切换，也就是说，从正常操作模式（即，没有功率波动限制或有相对放松的功率波动限制的模式）到减小波动模式（其中功率波动限制被激活）。在这些实施例的一些中，通过检测电网稳定性的减小超出下模式切换阈值，来触发从正常操作模式到减小波动模式的自动模式切换。可同样通过检测电网稳定性的增加超出上模式切换阈值，来触发从减小波动模式回到正常操作模式的切换。

在一些模式切换的实施例中，在模式能够切换回到正常操作模式之前，将减小波动模式维持一段最小时间间隔。通过这个措施，可避免太频繁的模式切换。而且，可以存在与电网提供者的合同协定，风电产生器根据该合同协定致力于在预定的时间间隔（比如15分钟）期间提供具有强烈限制的输出功率波动的输出功率。可针对由于这个（示例性）15分钟时间段的平稳的输出功率供应而遭受的损失来补偿风电产生器。

在一些模式切换的实施例中，在减小波动模式期间保持功率波动限制恒定。功率波动限制的恒定性涉及该限制相对于平均输出功率的宽度；它不一定意味着上功率限制和下功率限制的绝对值保持不变。在一些实施例中，该限制与所产生的功率的平均值有关。例如，如果所产生的平均功率随着时间而增加，则上功率波动限制和下功率波动限制的绝对值也将增加。

在其它模式切换的实施例中，如上所述那样，还调节波动限制以避免电网频率离开F_max/F_min范围，而不损失比必要的更多的电力生产。这个调节可以是逐步的（在模式切换开始时被调节并接着在某个时间段内保持不变的设置）或连续的。因此，在仅仅将电网频率保持在范围F_max/F_min内或将方差保持在方差阈值之下所需要的限制的程度上的用于将电网频率保持在范围F_max/F_min内或方差阈值之下的输出功率调节适用于连续调节的实施例和模式切换的实施例两者。

已经提到，限制功率波动可导致累积功率的损失。如果不仅输出功率的峰值（“正波动”）被削减，而且输出功率的下沉（“负波动”）以对称的方式被提高或填补，则可以避免累积功率的损失。然而，在一些实施例中，风力涡轮机在正常模式操作期间处于其最佳工作点处，其不允许输出功率的任何增加。因此，宁愿以非对称方式来执行限制输出波动，通过在正波动期间削减输出功率（削减高输出峰值）来，而不（或不显著地）在负波动期间提高相对输出功率。如上文解释的，在正波动期间削减输出功率例如通过朝着旗标位置相应地调节叶片节距角来实现。

然而，在其它实施例中，提供了提高相对输出功率的能力。这可通过通常在其最佳工作点外操作并通过将工作点朝着最佳工作点移动来抵消负的风功率波动的风力涡轮机来实现。虽然这个措施使输出波动的限制变得更加对称，它也减小了累积发电，这是由于风力涡轮机在最佳工作点之外的操作。

对输出功率波动的限制的严格性和/或阈值的位置（电网不稳定性必须超过该阈值，使得模式切换被执行）也可取决于除了所监测的电网稳定性以外的其它因素。

例如，在一些实施例中，风力预报用于改变波动限制，例如以当预报预测了增大的风电波动时使它更严格。而且，在模式切换的实施例中，模式切换阈值可响应于风力预报而改变。例如，阈值可在预测到增大的风电波动时改变，使得从正常操作模式到减小波动模式的切换在电网稳定性的较不显著的减小时已经被触发。

类似地，在其它实施例中，电网中的功率消耗的预期被用于改变波动限制，或改变模式切换阈值。例如，引起增大的电网频率波动的预期的功率消耗预期可使波动限制变得更严格，或修改模式切换阈值，使得从正常操作模式到减小波动模式的切换在电网稳定性的较不显著的减小时已经被触发。

一些实施例涉及布置成以上述方式控制至少一个风力涡轮机的控制系统，该风力涡轮机可包括整个风电场的风力涡轮机中的一些或所有。控制系统可以是个体风力涡轮机控制器、风电场控制器或在电网中处于较高级别并连接到风力涡轮机控制器以发送限制波动命令的控制器。控制系统可被分布，例如包括在风电场和风力涡轮机级别或公用电网级别的控制器。

控制系统包括例如以一个或多个微控制器（其被称为“计算机”）的形式的一个计算机或多个分布式计算机。优选地提供控制系统所执行的方法，作为存储在与计算机相关联的一个或多个存储器中的计算机程序。程序可由计算机执行。因此，由方法步骤定义的在控制系统权利要求中的措词“……被布置成执行方法……”意味着：对计算机进行编程，使得它在计算机程序被执行时使所要求保护的方法步骤被执行。以这种方式定义的控制系统、风力涡轮机和风电场至少通过这个特殊编程（即，这个特殊计算机程序的存储）与具有然而未被布置成（例如，未编程）为执行所述方法的相同的硬件的控制系统、风力涡轮机和风电场区分开。

在上述实施例的至少一个中使用的并能够连接到电网的变速风力涡轮机配备有上面描述的控制系统。它包括具有轮毂的转子和如上所述地安装到该转子的至少一个叶片。转子例如经由主轴连接到用于将转子的扭矩转换成电功率的发电机。在一些实施例中，齿轮箱互连在转子和发电机之间，以便将转子的旋转速度转换成用于发电机的较高速度。

现在翻到图1，示例性的变速风力涡轮机1是风电场2的多个风力涡轮机之一。它具有带有轮毂的转子3，例如三个叶片4安装到该转子。转子叶片4的节距角借助于节距致动器是可变的。转子3由机舱5支承并经由主轴8、齿轮箱10和高速轴11来驱动发电机12。该结构是示例性的；其它实施例例如使用直接驱动的发电机。

发电机12（例如同步或同步发电机）产生与转子3的旋转速度有关的频率的电输出功率，该频率由转换器9转换成电网频率（例如，大约50到60Hz）。由此产生的电功率的电压由变压器9来升压。变压器9的输出是风力涡轮机的端子9a。来自风力涡轮机1和来自风电场的其它风力涡轮机的电功率被馈送到风电场电网18（在图1中由“a”表示）。风电场电网18连接在公共耦合点21处，且可选的另一升压变压器22连接到风力涡轮机外部的电公用电网20。电网20配备有例如以常规产生器的形式的抵抗电网频率波动的调节能力，该产生器可在短时间范围（short-time scale）内增加并减少生产以控制频率。

控制系统包括风力涡轮机控制器13和风电场控制器23。风力涡轮机控制器13控制个体风力涡轮机1的操作，例如根据当前风速来选择全负载操作模式或部分负载操作模式，在部分负载模式中通过将叶片角调节到并将叶尖速度定量控制到当前风速下的空气动力学最佳值来使风力涡轮机操作在最佳工作点处，并控制转换器19根据风电场控制器的指示，例如提供某个量的无功功率（除了有功功率以外）的指令等来产生电力。风电场控制器13使用不同的输入信号来执行其控制任务，该输入信号例如是表示当前风状况的信号（例如，来自风速计14和风向标15）、表示节距角、转子位置、以及在发电机12和端子9a等处的电压和电流的振幅和相位的反馈信号、以及来自风电场控制器23的命令信号。

风电场控制器23接收表示公共耦合点21处的电压、电流和频率的信号（可被认为表示公用电网20中的电压、电流和频率的参数），并可选地从公用电网提供者接收信息或命令信号（在图1中的“c”）。基于这些输入参数（以及可选地，另外的输入参数）中的一些，风电场控制器23监测电网稳定性，并在检测到电网稳定性的减小时命令风电场2的风力涡轮机1和其它风力涡轮机的风力涡轮机控制器13（在图1中的“b”处）通过限制所供应的输出功率的波动来改变操作。当接收到这样的命令时，在风速增加时，风力涡轮机控制器13例如通过朝着旗标位置调节叶片节距角来削减高输出峰值（其接着在正常部分负载操作中以最大效率产生），以依从风电场控制器的限制波动命令。因此，在图1的示例性实施例中，由风电场控制器23和风力涡轮机控制器13共享控制系统的限制输出波动的控制任务。在其它实施例中，这个控制任务只由风力涡轮机控制器13单独执行；在那些实施例中，“控制系统”仅由涡轮机控制器13表示，而不由风电场控制器表示。

图2示出作为时间的函数的功率和频率的示例性变化。图2的上半部分示出（i）理论上可得到的或“可获得的”输出功率P_available（其是风功率乘以机电转换效率），以及（ii）例如在端子9a处测量的风力涡轮机1的实际输出功率P_output。P_output几乎总是低于P_available。在所示的示例中，风力涡轮机1被假定具有3MW的标称功率；因为在所示的示例性时间间隔中可获得的功率P_available保持低于3MW，图2示出风力涡轮机1在部分负载模式中操作的情况。在其它实施例中，实际输出功率P_output涉及风电场2，而不是个体涡轮机1，并在公共耦合点21处被测量。

从图2中可看到，可获得的功率P_available从大约为2.5MW的可获得的功率P_available的最大值的大约30%波动到100%。波动时间范围（即，时间上的连贯长度）从大约5秒到100秒。在图2中，在时间点“200s”和“600s”之间在正常操作模式中操作风力涡轮机1。在正常操作模式中，在所示示例中根本不限制功率波动；因此，实际输出功率P_output差不多跟踪可获得的功率P_available，并因此呈现与P_available的波动类似的波动。

图2的下半部分示出作为时间的函数的频率变化。在正常操作时间间隔的第一部分期间，从大约“200s”到大约“500s”，频率的变化相对小。这是由于在该部分期间抵抗电网频率波动的规则调节能力。由于规则调节能力，在电网20中注入的功率的波动由主控制器和/或大电网20的刚度来极大地补偿（如果与风力涡轮机1或风电场2所注入的功率比较，在电网20中注入和消耗的功率的总量非常大，则它对总功率的相对贡献是可忽略的）。频率波动的相对小意味着风力涡轮机1的输出功率和电网频率之间的相关性小（接近于零）。风力涡轮机控制器13或风电场控制器23例如通过评估所述相关性并对照阈值测试它来监测抵抗电网频率波动的调节能力。在正常操作时间间隔的这个第一部分期间，因此没有将限制施加到实际输出功率P_output的波动。

然而，在大约“500s”时，频率波动的量增大并变得与实际输出功率P_output的波动强烈地相关。通过评估相关性来监测调节能力的风力涡轮机控制器13或风电场控制器23现在例如通过确定相关性超出所述阈值而检测到电网稳定性降低了。这可能是由于例如主控制器的孤岛效应或故障。

响应于该检测，在某个时间延迟之后，风力涡轮机控制器13或风电场控制器13将操作模式从正常模式切换到减小波动模式。在示例性的图2中，减小波动模式在“600s”处开始。风力涡轮机控制器13现在通过朝着旗标位置调节叶片节距角来削减将在正常部分负载操作中产生的高输出峰值。更具体地，风力涡轮机控制器23发送命令以将输出功率波动限制到被称为“LimitΔP”的某个值。选择LimitΔP的幅值，以使得电网频率波动被维持在可允许的电网频率变化的范围F_max/F_min内。该幅值对应于将电网频率保持在范围F_max/F_min内所仅仅需要的限制。因此，由风力涡轮机1或风电场2引起的电力生产被最大化，而不听任电网频率在F_max/F_min之外波动。风力涡轮机控制器13通过将上限施加到输出功率P_output来依从限制命令。选择这个上限，以使得输出功率P_output保持在参考功率±0.5LimitΔP内。参考功率不是固定的，但被确定为输出功率P_output的移动平均，其中平均的时间常数大于波动时间范围。作为结果，如在图2中所示的，输出功率P_output保持在宽度LimitΔP的带内，宽度LimitΔP在某种程度上跟随P_available的长期变化。

在减小波动模式中操作的某个时间段（例如，在图5的示例中将近600秒）过去之后，风电场控制器23使风力涡轮机控制器在图2中大约1200s执行以高输出测试峰值的形式的输出功率P_output的测试性变化24。高输出测试峰值例如通过不削减在可获得的功率P_available中的高峰值来产生。然而，为了与自然风是否提供具有足以用作测试峰值24的振幅的正波动独立，在其它实施例中，高输出测试峰值24通过使用存储在旋转转子3中的动能来产生。这可使转子减速到低的次佳的转子速度。

评估对高输出测试24的峰值的频率响应24’。如在图2的下半部分中在1200s处所示的，通过风电场控制器23对在阈值之下的小相关性的检测被理解为电网稳定性在此时已恢复的指示，因此，风电场控制器23将操作模式从减小波动模式切换回到正常模式。在示例性的图2中，在1200s之后立刻恢复正常模式操作。风力涡轮机控制器13现在例如通过将叶片节距角调节回到对应于最佳效率的位置上来取消波动限制LimitΔP。由于电网稳定性的恢复，频率波动现在相对小，且几乎再次与输出功率波动不相关。

图3是布置成执行结合图2解释的方法的风电场控制器23的实施例的功能电路图。风电场控制器23实施电网观测者的功能25，该电网观测者监测例如在风电场2的公共耦合点21处的电网频率和输出功率。电网观测者功能25的输出被提供到波动控制器26，波动控制器26被布置成确定输出功率与电网频率波动之间的相关性，并确定功率减小的量，即，LimitΔP。如所解释的那样，LimitΔP被确定，以便允许可接受的波动的量。

LimitΔP被输入到风电场设置点计算器27，风电场设置点计算器27被布置成将它转换为风电场2的功率输出设置点。为了确定功率输出设置点，风电场设置点计算器27也可考虑例如来自电网提供者的外部点信号。基于设置点，输出功率控制器28使用表示风电场2所产生的实际功率的反馈信号，来产生用于将由风电场2输出的功率的控制信号。控制信号被馈送到布置成在风电场2的个体风力涡轮机（在这里被称为WT1、WT2、…WTn）当中分摊调节的分配器，并计算个体的设置点。例如由于风力涡轮机WT1、WT2、WTn的不同风条件，个体的设置点针对风力涡轮机WT1、WT2、WTn可以是不同的。分配器使分离动作基于关于风力涡轮机WT1、WT2、WTn的操作状态的反馈。

各个设置点被传输到个体的风力涡轮机控制器，其中一个是图1的风力涡轮机控制器13。

发电站控制器23因此被布置成计算并发送用于风力涡轮机的设置点，以便得到总功率的减小以促进电网频率稳定性。该较小使得它最大化风力涡轮机产出。这也被称为“系统功率平衡”。风电场控制器23连续地调整风电场设置点和风力涡轮机设置点以平衡电力生产和频率波动。

图4的流程图示出了实施例的额外或可替代的功能。

在一些实施例中，通过不将电网频率波动与输出功率相关的情况下分析电网频率波动，来执行监测电网稳定性的动作，如在图4的31处那样。例如，电网频率波动的适当定量度量是方差（离平均值的二次偏差的和）。方差是波动的振幅和频率的组合加权度量。随着时间前进，在一些实施例中，计算电网频率相对于时间的移动方差。

在32，确定电网稳定性是否相对于之前的电网稳定性确定而改变（特别是减小）。例如，在基于无相关性的电网频率评估的实施例中，确定在31中确定的方差是否增大。

也可基于相关性和/或测试信号分析结合实施例采用下面的动作，但只结合图4中的无相关性的分析来示出下面的动作。

如果32中的答案是肯定的，则评估另外的参数，其可影响待施加的波动限制的严格性。一个影响是风力预报。一般，风电波动的绝对振幅随着风速增大而增加，且还取决于风方向。因此，在一些实施例中，例如由风电场控制器从风速和方向的预报得到，来自总体连接到电网的风力涡轮机（不是所考虑的特定一个）的预期总频率波动的估计。风电场控制器可从电网提供者通过通信线路来接收表示风力预报的信号。而且，供应到电网的（通常波动的）风功率的部分通常取决于风速。在没有风时，在电网中将没有由于风功率所致的波动。在33，波动限制LimitΔP被调整到由于风力预报所预期的波动（预期波动越大，限制越严格）。

对波动限制的严格性的另一影响是在公用电网中的预期总功率消耗。因此，在一些实施例中，总功率消耗的预期例如由风电场控制器得到，风电场控制器转而可通过通信线路从电网提供者接收表示预期总功率消耗的信号。一般，虽然电网中的绝对功率波动振幅被预期随着总功率消耗而增加，但是相对振幅被预期随着总功率消耗而下降。因为频率波动比起相关于绝对功率波动更相关于相对功率波动，频率波动被预期随着增大的总消耗而降低。而且，在增大的总消耗的情况下，供应到电网的风功率的部分将降低，所以将降低电网波动。因此，在一些实施例中，预期的总频率波动的估计从对总功率消耗的预测得到。在34，波动限制LimitΔP被调整到由于总功率消耗的预测所预期的波动（预期波动越大，限制越严格）。

在35，根据风电场控制器自己对电网稳定性的确定，来调整波动限制LimitΔP，例如基于在31的电网频率方差分析或基于相关性或测试信号响应分析，如结合图2所描述的那样。

在36，调整33、34和35被组合到组合的LimitΔP中。

在37，以在组合调节的波动限制LimitΔP中的输出功率来操作风力涡轮机1。在模式切换实施例中，这结合切换到减小限制模式来执行，在该模式中，LimitΔP可至少在预定的一段时间内保持不变。在其它实施例中，没有模式切换被执行，但LimitΔP被连续地调整。

在本说明书中提到的所有公开物通过引用被并入本文。

虽然在本文描述了根据本发明的教导构造的某些方法和产品，但本专利的覆盖范围不限于此。相反，本专利涵盖字面地或在等效形式的教义下清楚地落在所附权利要求的范围内的本发明的教导的所有实施例。

Claims (15)

1.一种在部分负载下对将功率供应到电网(20)的风力涡轮机(1)进行操作的方法，所述电网(20)具有抵抗电网频率波动的调节能力，所述方法包括：

-监测所述电网(20)的稳定性；以及

-在检测到电网稳定性降低时，通过对向所述电网(20)的功率供应中的由风引起的波动进行限制或通过减小已经存在的对所述功率供应的波动的限制来改变所述风力涡轮机的操作。

2.如权利要求1所述的方法，其中，对电网稳定性的所述监测包括确定电网频率波动的方差和电网频率波动范围中的至少一个。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，对电网稳定性的所述监测包括确定被供应到所述电网(20)的功率与电网频率之间的相关性，其中，所述相关性越大，所检测到的所述电网稳定性就越小。

4.如权利要求3所述的方法，其中，确定所述相关性包括：执行被供应到所述电网(20)的所述功率的测试性变化(24)并测量电网频率响应(24’)。

5.如权利要求3所述的方法，其中，所述相关性是根据相关性函数来确定的，其中x(t)是作为时间t的函数的供应到所述电网(20)的所述功率(P_electric)，y(t)是作为时间t的函数的所述电网频率，T_F是相关性被确定的时间段。

6.如权利要求2所述的方法，其中，通过对应地选择对功率波动的所述限制，将由所述功率供应引起的电网频率波动维持在从最小可允许频率到最大可允许频率的范围内，或将由所述功率供应引起的电网频率波动的方差维持在方差界限之下。

7.如权利要求2所述的方法，其中，连续地调整所述波动限制以将所述电网频率保持在从最小可允许频率到最大可允许频率的范围内，或将电网频率波动的方差保持在方差界限之下。

8.如权利要求1或2所述的方法，其中，响应于检测到所述电网稳定性降低到越过模式切换阈值，将所述风力涡轮机(1)的操作从正常操作模式切换到减小波动模式，在所述减小波动模式中，激活或减小所述波动限制。

9.如权利要求2所述的方法，其中，供应到所述电网的所述功率与所述电网频率之间的相关性越大，所述功率供应的所述波动被限制得就越多。

10.如权利要求1或2所述的方法，其中，通过削减高输出峰值来限制所述风力涡轮机(1)的所述功率供应的正波动。

11.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述风力涡轮机(1)具有最佳工作点，并且其中，采用波动限制或减小的波动限制来操作所述风力涡轮机包括：使所述风力涡轮机在非最佳工作点操作，并且其中，通过使所述工作点朝着所述最佳工作点移动来抵消所述风力涡轮机(1)的所述功率供应的负波动。

12.如权利要求1或2所述的方法，使用风力预报，来响应于预示增大的风力波动的风力预报，减小所述波动限制，或提高模式切换电网稳定性阈值，在所述模式切换电网稳定性阈值处，所述风力涡轮机从正常操作模式切换到减小波动模式。

13.如权利要求1或2所述的方法，还包括：使用所述电网的功率消耗的预期，来响应于引起增大的电网频率波动的预期的功率消耗预期，减小所述波动限制，或提高模式切换电网稳定性阈值，在所述模式切换电网稳定性阈值处，所述风力涡轮机从正常操作模式到减小波动模式。

14.一种用于对将功率供应到电网(20)的至少一个风力涡轮机(1)进行控制的控制系统(13、23)，所述控制系统(13、23)被布置成执行根据权利要求1到13中的任一项所述的方法。

15.一种配备有权利要求14所述的控制系统(13、23)的风电场(2)或风力涡轮机(1)。