CN105453368A - 用于控制风能设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助于风能设备(100)或风电厂(112)将电能馈送到供电网中的方法，其中风能设备(100)或风电厂(112)将来自具有可变的风速的风的动能转换为电能，与风力预告相关地预测风速并且与预测的风速相关地计算要馈送的无功功率作为预测的无功功率(Q_P)。

Description

用于控制风能设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助于风能设备或借助于风电厂将电能馈送到供电网中的方法。本发明还涉及一种用于将电能馈送到供电网中的风能设备以及本发明涉及一种用于将电能馈送到供电网中的风电厂。

背景技术

通常已知的是，借助于风能设备或借助于包括多个风能设备的风电厂将电能馈送到供电网中。对此也已知的是，风能设备或风电厂除了仅馈送能量以外还承担电网支持的任务。就此而言，在此以通常常见的作为交流电网的供电网为出发点。

关于借助于风能设备进行电网支持，早期的文献例如是US专利US6,965,174。所述文献还描述在借助于风能设备馈送时的相位角的设定。之后，例如在文献US7,638,893中，也描述用于风电厂的方法。

这样的方法监控电网并且必要时对电网中的变化做出反应。现今，在一些国家或地区，电网中的风能的份额大幅增加，使得能量馈送进而必要时还有电网稳定性能够越来越多地与主导的风力条件相关。这个问题能够通过能量缓存来应对。当然，这种缓存器能够是昂贵的并且通常不存在的或不以足够的量存在。

德国专利和商标局检索到下述现有技术：DE102010006142A1、US6965174B2、US7638893B2和US2011/0148114A1。

发明内容

因此，本发明基于的目的是，解决所提及的问题中的至少一个。尤其应提出一种解决方案，所述解决方案能够实现通过风能设备更进一步改进电网支持。至少应提出一种替选的解决方案。

根据本发明，提出一种根据权利要求1所述的用于将电能馈送到供电网中的方法。所述方法使用风能设备或风电厂，并且风能设备或风电厂将来自具有可变的风速的风的动能转换为电能。要考虑的是，风速是可变的，其中在此不涉及瞬间值，而是涉及常用的平均值，如10秒、1分钟或10分钟的平均值。

现在还提出的是，根据风力预告预测风速。这样的风力预告或风速的预测能够根据已知的、气象学的方法进行。优选地，能够使用其他的风能设备或其他的风电厂的数值，从当前的风向观察，所述其他的风能设备或其他的风电厂的位置位于在此基于的风能设备或在此基于的风电厂之前。

然后，根据所述预测的风速来计算要馈送的无功功率作为预测的无功功率Q_P。

在此基于的认知是，风速的变化能够具有对供电网的特性或甚至对其稳定性的影响。然而，为了电网支持，风能设备或风电厂能够与风速相关地或至少取决于风速可预见地馈送无功功率。然而，这样的所期望的相关性不一定是明确清楚的并且尤其对于不同于风能设备的设备或装置，例如对于电网运营商而言是不太能预知的或甚至完全不可预知的。

如果现在由于变化的风力条件而实现风能设备的或风电厂的变化的特性，那么这能够引起补偿措施，例如电网运营商提供所述补偿措施。然而，风能设备或风电厂本身同样提供补偿措施并且这两种补偿措施可能难以相互配合或者甚至起相反作用。在风能设备或风电厂方面的重要的补偿措施能够是无功功率的馈送。因此，为了能够更好地协调这样的补偿措施而提出，风能设备或风电厂已经基于风力预告发送无功功率预测。由此，在根本上需要所述补偿措施之前，已经能够事先协调补偿措施。

因此，优选也提出，将预测的无功功率作为预告值传输给控制供电网的电网控制中心。换言之，电网运营商得到关于马上应由风能设备或风电厂馈送的无功功率的所述信息。由此，电网运营商，即电网控制中心能够更好地适应于此。

优选地，根据预测的风速也计算出要馈送的有功功率作为预测的有功功率P_P。如果现在预告大于平均风暴风速的风速，那么预测的无功功率的幅值大于预测的有功功率的幅值。在此，观察风暴范围并且平均风暴风速位于有功功率开始降低

时的风暴起始风速和要馈送的有功功率达到数值0时的风暴终止风速之间。因此，在此有针对性地提出用于风暴范围的解决方案，所述风暴范围能够是对于电网稳定性特别重要的。这尤其在于，在风暴中风速也能够相对大地波动，并且现今多个设备在风暴中还设计且编程为，使得所述设备部分地将其功率立即降低到0以进行保护或甚至将风能设备从电网断开。因此，在风暴中预期通过风能设备和风电厂的特别大程度的馈送波动。

此外，有功功率的由风暴引起的降低能够造成，风能设备或风电厂的馈送单元通过减小的有功功率提供用于馈送无功功率的更多的能力。根据本发明，也充分利用所述效应进而提出，甚至将比有功功率更多的无功功率馈送到电网中。由此，至少能够对电网中的电压高度产生影响，并且电网运营商能够适应于所述影响。

根据一个实施方式提出，预测对于预告时间段的预测的无功功率。现在对于所述预告时间段提出，风能设备或风电厂也实际馈送预测的无功功率，即使应设定与预告的风速不同的风速时也如此。由此，通过计算和尤其转发预测的无功功率产生可靠的量值。其他，尤其电网运营商能够不仅与所述量值相适应，而且甚至依赖所述量值。这提高电网中的稳定性。

这引起，所述实施方式也基于下述认知，能馈送的无功功率仅轻微程度地与风速相关或甚至完全不与风速相关。即由此可能的是，尽管风具有其他的值，也提供这种预测的无功功率。唯一成问题可能是，风能设备或风电厂的馈送单元的能力由于馈送不期望的高的有功功率而无法馈送预测的无功功率。在此情况下，一方面要注意的是，通过参与各方的约定，尤其通过电网运营商的约定，不馈送所述无功功率，或在紧急情况下为了保持预测的进而基本上承诺的无功功率而降低有功功率馈送，以便能够保持无功功率馈送的预测的进而承诺的数值。

优选地，仅在预测的风速大于风暴起始风速时，才进行预测的无功功率的计算和必要时作为预告值的预测的无功功率到电网控制中心的传输。由此，有针对性地提出，仅对于风暴情况执行无功功率的预测。由此，特别考虑的认知是，尤其在风暴情况下无功功率的预测是重要的，以便提供所述无功功率作为用于稳定电网的量值。

此外，这也避免不必要的计算或可能的在不太重要的状态下的不必要的传输。由此也能够实现，当风速低于风暴情况时，避免对预测的无功功率的可能的确定。在低于风暴情况时，通常预期较小强度的和较小自发波动的风速，尤其当用下述风电厂馈送时是如此，在所述风电厂中小幅的波动分布在电厂上并且在馈送时不太能觉察出。由此，在这种小的风速下预期整体上更稳定的情况，所述情况能够不借助于无功功率预测来应对并且为此能够使馈送更精确地针对瞬时电网需求、尤其瞬时电网状态。当不预测无功功率时，仍能够例如根据当前电网状态馈送无功功率。

根据一个实施方式提出，经由无功功率函数设定无功功率。这优选对于在风暴起始风速和风暴终止风速之间的风速提出。对于该范围，无功功率函数限定在要馈送的无功功率和风速之间的相关性。所述无功功率函数优选是一阶的或二阶的多项式函数，即具有斜率的直线或者甚至抛物线函数。优选地，能够应用滞后函数，所述滞后函数就其而言为升高的风速限定与在风速再次降低的情况下不同的、在无功功率和风速之间的其他相关性。优选地，这样的滞后函数能够通过两个不同的二阶的抛物线函数来实现。优选应用这种函数，然而也能够应用其他函数，例如更高阶的多项式函数、三角函数，例如正弦函数的部段或者还有样条函数，其描述在多个支撑部位上所描述的函数的相关性。

优选地，应用其他风能设备和/或其他风电厂的信息以便建立风力预告。对此，也能够考虑已知的气象服务的信息，尤其是关于高压和低压地区和相应的大空间的大范围的气象情况和空气运动的信息。然而，有利的是，应用至少一个其他风能设备和/或至少一个其他风电厂的信息，因为风能设备和风电厂能够经由信息系统，尤其经由所谓的SCADA(数据采集与监视控制系统)连接。由此可能的是，构成联网的系统，所述系统也能够基于同类的气象信息。尤其，风速的测量能够与多个因素相关，尤其与测量传感器和在所述测量传感器中所测量到的高度相关。如果风能设备例如通过其空气动力学的转子检测风速，那么所述风速测量基于非常高的测量高度，所述测量高度现今通常能够高于100米并且风速测量基于非常均匀的量值，因为至少与已知的掠过大的面积的风速计相比，空气动力学的转子是相对缓慢的。通过应用其他风能设备或其他风电厂的风力数据最终有针对性地准确地基于下述风力值，所述风力值之后在相关的风能设备上也变得重要和有效。

此外提出一种用于将电能馈送到供电网中的风能设备，所述风能设备配置成用于执行根据至少一个所描述的实施方式的方法。优选地，这种风能设备具有发电机和馈送设备，所述发电机设计为用于产生发电机额定功率，所述馈送设备配置成用于实施馈送。在此，馈送单元设计为用于馈送大于用于馈送发电机额定功率的馈送电流的最大馈送电流。

就此而言，风能设备配置成用于馈送比用于仅将发电机的持续最大功率馈送到电网中所需的电流更大的电流。

优选地，馈送设备具有多个馈送单元，更确切地说这样多的馈送单元：存在比用于馈送能由风能设备产生的功率所需的数量更多的馈送单元。因此，尤其存在比用于馈送发电机功率所需的数量更多的馈送单元。优选地，这种馈送单元设置为电源柜进而与用于馈送额定功率或最大能持续产生的功率所需的相比设有至少一个附加的电源柜。由此能够在馈送额定功率同时，有针对性地馈送无功功率。此外，在极端情况下，当完全不馈送额定功率时，或仅馈送少量额定功率时，馈送比额定功率更多的无功功率。就此而言，对于在无功功率和额定功率之间的所述比较而言，单位VAr与单位W是等同的。

此外提出，设有用于将电能馈送到供电网中的风电厂。所述风电厂配置成用于，为了馈送而采用馈送方法的根据上述实施方式中的至少一个的方法。

优选地，这种风电厂具有用于控制风电厂的中央控制单元。相应地在中央控制单元中实施用于执行馈送方法的方法步骤。至少根据一个实施方式，其意味着，中央控制单元为风电厂的各个风能设备预设应馈送给相应的设备的有功功率和无功功率的数值。每个单个设备的有功功率和/或无功功率馈送的实际的实施由所述设备执行，或者所述设备执行整个风电厂的所述馈送的其自身的份额。就此而言，每个风能设备贡献馈送电流，所述馈送电流符合中央控制单元的预设值，并且其中将所有所述单个的馈送电流相加到一起并且在风电厂的共同的电网接点上馈送给电网。

优选地，风电厂设计为，用于馈送比用于馈送为风电厂设计的最大有功功率所需的电流更大的电流。尤其，所述最大有功功率能够对应于风电厂的额定功率，即风电厂的风能设备的所有额定功率的总和。由此，所述风电厂能够馈送比有功功率更多的无功功率或者即使当所述风电厂已经馈送最大有功功率时，其还能够馈送无功功率。

优选地，风电厂具有多个风能设备，如上文结合风能设备的至少一个实施方式所描述的那样。尤其，所有风能设备是如上文根据至少一个实施方式所描述的风能设备。

附图说明

在下文中示例地借助实施方式参考附图详细地阐述本发明。

图1示意地示出风能设备的立体视图。

图2示意地示出风电厂。

图3示意地示出图解说明实际的风力、风力预告和预测的无功功率之间的相关性的图表。

图4示意地示出图解说明预测的无功功率和预告的风速之间的优选的相关性的图表。

具体实施方式

图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子106在运行中通过风而处于转动运动中进而驱动吊舱104中的发电机。

图2示出示例性地具有三个风能设备100的风电厂112，所述风能设备能够是相同的或不同的。由此，三个风能设备100代表风电厂112的基本上任意数量的风能设备。风能设备100经由电厂电网114提供其功率、即尤其所产生的电流。在此，将各个风能设备100的相应产生的电流或功率相加并且通常设有变压器116，所述变压器将电厂中的电压向上变压，以便然后将其在通常也称作PCC的馈送点118处馈送到供电网120中。图2仅示出风电厂112的例如不具有控制装置的简化的示图，尽管当然存在控制装置。电厂电网114例如也能够不同地构造，仅列举一个不同的实施例：在所述电厂电网中例如在每个风能设备100的输出端处也存在变压器。

图3在第一图表D1中示意地示出例如在一天的时间段中的风速的可能的曲线分布。中间的图表D2还给出可能的风力预告，在所示出的示例中，所述风力预告为了图解说明的目的基于六小时的预告时间。就此而言，所述中间的或第二图表D2提前六小时。根据第一图表D1的在预告的时间和实际的风的时间之间的相关性通过虚线表明，所述虚线分别将时间六小时、12小时、18小时和24小时在视觉上连接。

下部的和第三图表D3给出对要馈送的无功功率Q的预测的可能的曲线分布。

为了图解说明的目的，选择风速V_ist的曲线分布，所述曲线分布在0点至9点的范围中具有大约每秒五米的风速。这大致对应于三Bft的风力。在此，风速不作为平滑的直线显示，以便表明自然的风力波动。

在9点时，风速逐渐开始升高并且在大约12:30时达到大约每秒25米的值。这通常大约对应于9至10Bft的风力。每秒25米是常用的，并且也是在所示出的示例中的风速，在该风速下风能设备也为了其自身的保护而节流(abgeregelt)。在此所述风速是风暴起始风速V_SA。

现在风力继续升高并且大约在14:30时达到每秒34米的数值，这对应于风力12进而对应于飓风。在此，每秒34米的数值也是下述风速，在所述风速下风能设备通常并且也在所示出的示例中不再馈送有功功率并且就此而言完全地节流，尤其其转子叶片完全地转到叶片位置中，只要这是可行的。每秒34米的所述风速在此也是风暴终止风速。

大约在21点时风力又减小并且降至低于风暴风速，并且在大约22点时降低为低于风暴起始风速。由此这意味着，风能设备从22点起再次正常运行，使得所述风能设备不必再节流。图表也尝试图解说明，在较高的风速下风速的波动也增加。

现在，对于图表D1的所述风速，在图表D2中示出风力预告，所述风力预告对于6点至9点的时间段预告大约为每秒5米的风速(风力3)。在9点时风速根据预告升高并且大约在13:30时达到每秒25米的风暴起始风速。这在大约一个小时之后作为根据图表1的根据之后的实际曲线分布或者对于时间点12:30预告比实际出现的风速更低的风速。在14:30时预告的风速达到每秒34米的风暴终止风速并且继续升高。在21点时预告的风速再次降低为低于风暴终止风速，并且在23点时所述风速降低为低于风暴起始风速。

在图表D3中示出要馈送的无功功率Q_pro的预测。其设定针对根据图表D2的预告的风速。由此，在13:30时，即当预告的风速达到风暴起始风速V_SA并且继续升高时，预告的无功功率Q_pro升高。随着预告的风速进一步升高，预测的无功功率也升高，并且当预告的风速达到风暴终止风速V_SE时，在14:30时达到其最大值。所述预测的无功功率Q_pro保持其最大值，直至预告的风速在21:30时再次降低为低于风暴终止风速，并且直至23点，预测的无功功率Q_pro也随着预告的风速的进一步降低而降低。在此，预告的风速达到风暴起始风速并且进一步降低为低于风暴起始风速。在此，预测的无功功率Q_pro达到数值0。

由此清楚的是，与预告的风速V_vor相关地确定预测的无功功率，所述无功功率就此而言首先仅是一个数值。优选地，之后也如所预测的那样，即如在图表3中示出的那样馈送所述预测的无功功率Q_pro。即换言之，在所示出的示例中，预测的无功功率的升高，并且然后相应地所馈送的无功功率在13:30时升高，尽管实际的风速然而已经在12:30时达到风暴起始风速V_SA。同样，出现反转的情况，其中预告的风速较早地达到比之后的实际风速更高的值。优选地，基本上，即不仅对于图3的实施例而言提出：当出现的实际风速对应于预告的风速或小于预告的风速时，之后馈送对应于预测的无功功率Q_pro的无功功率。此外和替选地，通常也不仅对于所示出的实施例提出：当实际风速高于预测的风速时，馈送的无功功率高于预测的无功功率。在此提出，然而不超过无功功率的最大值，即当预测的无功功率已经采用最大值时不提高无功功率。

预测的无功功率在图3中在图表D3中对于从6点至13:30和从23点至6点的时间给出数值0。这首先意味着，或者对于预测的无功功率设定数值0并且必要时传输到相应的控制单元，或者对于这些区域，即对于预告的风速低于风暴起始风速的区域，完全不计算预测的无功功率并且相应地也没有预测的无功功率或相应的数值被传输。

在不预测无功功率或其数值为0的所述时间范围中，同样能够将无功功率馈送到电网中。所述无功功率尤其与电网状态相关，例如在电网接点处的或在供电网的其他测量点处的电网电压。

就此而言已经馈送无功功率，即在风速或预告的风速达到风暴起始风速之前就已经得到与预测的无功功率组合的不同的可能性。

当在所示出的示例中，在13:30时预测的有功功率变为有效的并且升高，那么根据一个实施方式提出，保持所述馈送的无功功率，直至预测的无功功率刚好达到瞬时馈送的无功功率的该数值。然后，无功功率馈送能够转变为预测的无功功率的曲线分布。

根据另一实施方式提出，预测的无功功率在其最低点升高至已经馈送的无功功率，即沿纵坐标方向标出的，使得当预测的无功功率升高时，在所示出的示例中在13:30时馈送的无功功率升高。该情况在图表D3中示意地通过点划线的特征曲线示出，所述特征曲线图解说明实际馈送的无功功率Q_F。

此外，图3的示例示出预测的无功功率Q_pro还有实际馈送的无功功率Q_f，所述实际馈送的无功功率采用3MVA的最大值。在此，图解说明的示例基于风能设备，所述风能设备具有2MW的额定功率并且就此而言能够产生并且馈送持续最大2MW的有功功率。同样，风能设备配置成用于馈送较高的无功功率，即在所示出的示例中为3MVA。

对图3的图表而言要注意的是，所述图表示例性地基于六小时的预告时间段。然而，原则上也考虑完全不同的预告时间段，尤其一个小时或较少小时的较短的预告时间段，或优选也还考虑更短的预告时间段如少于一个小时，少于半个小时和/或少于一刻钟。所述预告时间段通常优选地不仅是针对图3的示例所基于的实施方式提出的，而且是非常普遍的。

尤其对于供电网的运营商而言，要馈送的无功功率的这种预测能够是对于电网控制的规划有益的。这种馈送预测，尤其可靠的馈送预告的时间越长，能够使得电网运营商的调节自由度越大，因为所述电网运营商为了其规划也能够考虑下述发电厂，所述发电厂需要更多时间用于完全或部分地启动或关闭。另一方面，这尤其是短时间的变化，即关于在此基于的问题，风能设备的馈送功率的短时间的变化，所述变化对于运营商能够在其规划时引起问题。如果这种短时间出现的问题伴随着同样短时间的预测或短时间的且可靠的预告，那么这能够简化电网运营商的规划。

图4示出下述图表，所述图表示出根据一个实施方式的与风速、即预告的风速V_wvor相关的预测的无功功率Q_pro。在此，示图仅涉及高的风速，即基本上从风暴起始风速V_SA至风暴终止风速V_SE的风速。在示例中，预测的无功功率Q_pro随着风速的增加大致根据反抛物线形状地升高，直至所述无功功率在风暴终止风速V_SE下达到其最大值。如果风速再次降低，那么预测的无功功率也再次降低，然而根据所示出的示例以与在升高时不同的曲线，即以不同的曲线分布降低。就此而言，用于预测的无功功率Q_pro的所述两个曲线设有方向箭头。

如果风速在其在升高的情况下达到风暴终止风速V_SE之前变化，或者风速在其在其下降的情况下达到风暴起始风速V_SA之前变化，那么预测的无功功率能够变换到在两个所示出的Q_pro的分支之间的水平的曲线分布上。这种水平的曲线分布示例性地示作Q_z。然而，这种水平的曲线分布能够基本上在所述两个曲线分支之间的每个部位上出现。在滞后函数的所述两个分支之间的所述变换具有下述优点，即无功功率在此首先保持稳定的值并且就此而言实现调节的一定程度的稳定性。就此而言，提出在预测的无功功率的滞后函数的分支之间的变换，使得预测的无功功率在此保持恒定的值。这通常作为有利的实施方式提出，所述实施方式不仅局限于图4中示出的示例。

Claims (14)

1.一种用于借助于风能设备(100)或风电厂(112)将电能馈送到供电网中的方法，其中

-所述风能设备(100)或所述风电厂(112)将来自具有可变的风速的风的动能转换为电能；

-与风力预告相关地预测风速；并且

-与预测的所述风速相关地计算要馈送的无功功率作为预测的无功功率(Q_P)。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

将预测的所述无功功率(Q_P)作为预告值传输给控制所述供电网的电网控制中心。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

-能够与预测的所述风速相关地计算要馈送的有功功率作为预测的有功功率(P_P)；并且

-当预测到大于平均风暴风速的风速时，预测的所述无功功率的幅值大于预测的有功功率的幅值，所述平均风暴风速位于风暴起始风速和风暴终止风速之间；其中

-所述风暴起始风速表示下述风速：从该风速起在风速进一步升高时所述有功功率降低；并且

-所述风暴终止风速表示下述风速：在该风速下不再将有功功率馈送到所述供电网中。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

-预测用于预告时间段的预测的所述无功功率；并且

-所述风能设备(100)或所述风电厂(112)在所述预告时间段的稍晚的时刻如所计算的那样馈送预测的所述无功功率，即使出现与预测的所述风速不同的风速时也如此。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

当预测的所述风速大于风暴起始风速时，才进行对预测的所述无功功率的计算并且必要时将预测的所述无功功率(Q_P)作为预告值传输给所述电网控制中心。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

-在所述风暴起始风速和所述风暴终止风速之间

-经由无功功率函数设定所述无功功率，所述无功功率函数限定所述无功功率和所述风速之间的相关性，其中所述无功功率函数

-是一阶或二阶的多项式函数，和/或

-是滞后函数。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

基于至少一个其他的风能设备(100)和/或至少一个其他的风电厂(112)的信息建立所述风力预告。

8.一种用于将电能馈送到供电网中的风能设备(100)，所述风能设备配置成用于执行根据上述权利要求中任一项的方法。

9.根据权利要求8所述的风能设备(100)，

其特征在于，

所述风能设备(100)

-具有发电机，所述发电机设计为用于产生发电机额定功率，并且

-具有馈送设备，所述馈送设备用于实施馈送，其中馈送单元设计为用于馈送大于用于馈送所述发电机额定功率的馈送电流的最大馈送电流。

10.根据权利要求8或9所述的风能设备(100)，

其特征在于，

与用于馈送能由所述风能设备产生的功率、尤其其额定功率所需的数量相比，所述馈送设备具有更多的馈送单元、尤其电源柜，并且设有更多的馈送单元或电源柜。

11.一种用于将电能馈送到供电网中的风电厂(112)，其中所述风电厂(112)配置成用于为了馈送而应用权利要求1至6中任一项所述的方法。

12.根据权利要求11所述的风电厂，

其特征在于，

所述风电厂(112)具有用于控制所述风电厂(112)的中央控制单元，并且在所述中央控制单元上实施用于执行馈送方法的方法步骤。

13.根据权利要求11或12所述的风电厂(112)，

其特征在于，

所述风电厂(112)设计为用于馈送比用于馈送为所述风电厂(112)设计的最大有功功率的电流更大的电流。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的风电厂(112)，

其特征在于，

所述风电厂包括一个或多个根据权利要求8至10中任一项所述的一个或多个风能设备(100)，尤其：所述风电厂(112)的所有风能设备(100)是根据权利要求8至10中任一项所述的风能设备(100)。