CN102834606A - 动态惯性调节装置 - Google Patents
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Abstract
风能设备，其带有风轮转子（12）、用该风轮转子驱动的与变流器（15）配合作用用于产生电功率的发电机（14）、转速调节装置（21）和与其配合作用的变流器控制装置（25），其中，该转速调节装置（21）给出目标转速信号（nref）。此外，设置有辅助调节装置（3），该辅助调节装置具有用于辅助功率的输入端（31）并且构造成用于在考虑转子惯性矩的情况下由此产生转速变化信号并且将其作为输出信号给出，该输出信号经由运算环节（29）加在目标转速信号上。通过转速的降低，从风轮转子上控制性地汲取由发电机（14）转化为辅助电能的动能。以这种方式，可以通过转速变化有针对性地提供一次调节功率，确切地说，即使是在非固定的风条件下。
Description
技术领域
本发明涉及一种风能设备，该风能设备带有风轮转子、由其驱动的与变流器配合作用用于产生电功率的发电机、转速调节装置和与其配合作用的变流器控制装置，其中，该转速调节装置给出目标转速信号到变流器控制装置上。
背景技术
伴随风能设备的增长式地更广泛的传播，也要求它们对电网稳定性作出大的贡献。在这种情况中，一个重要的方面是提供所谓的调节功率。该调节功率通常大多通过常规的发电站，特别是煤发电站或燃气轮机发电站提供，确切地说，特别是以在少数几秒内可额外调用的功率的形式（一次调节）。为了能够保证如此快速的反应，要求相应的发电站永久地保持“冒蒸汽”。这是高耗费的并且要求燃料的高投入，所述燃料在很多情况中根本没有被利用，当没有调节功率被调用时。为了减少这种高耗费，风能设备也应该被包含在一次调节过程中。
在这种情况中存在如下问题，即，在风能设备中，输出的功率由风确定并且不同于常规的发电站的情况，不能根据需求而升高。为了在这种限制下仍可以利用风能设备来提供一次调节功率，由转子的飞轮能量中取得所需要的一次调节功率是公知的。对此，发展出不同的方法。
在第一种方法中，预防性地改变风能设备的运行点。该风能设备通过特定的运行参数的、特备是转子叶片的迎角的改变如此地调节，从而使它准优化地运行（Janssens,N.et al:“Active Power ControlStrategies of DFIG Wind Turbines”,IEEE Power Tech 2007,Lausanne,Switzerland,1.-5.July 2007）。因此如下是可能的，即，根据需求向优化的运行点移动运行参数，并且因此即使在保持不变的风中也输出更多的功率和作为一次调节功率调用。这种方案的缺点在于，在正常运行中（当没有调节功率被需求时），由于准优化的运行点，通过风能设备比本来可能的情况更少地产生功率。
在备选的方案中仅在需要时进行运行点的改变，即为了汲取额外的电功率作为一次调节功率。在这种情况中，短时间内地修改风能设备的转速调节器并且相应于额外输出的一次调节功率而升高输出功率的目标值（例如通过提高目标扭矩（Morren,J.et al:“Wind TurbinesEmulating Inertia and Supporting Primary Frequency Control”,IEEETransactions on Power Systems,vol.21,no.1,February 2006））。虽然该方法也如其它公知的方法那样是简单的，但没有考虑在提供一次调节功率期间改变的风条件的影响。这些公知的方法其实仅在固定的运行条件上，也就是说在保持不变的风的情况下被设计。这带来本身的缺陷，即，在非固定的风条件时，如它们在实际中经常遇到的那样，仅达到一次调节功率的劣化的提供。
发明内容
本发明的任务在于，给出用于风能设备的经改善的调节方法，该调节方法即使在非固定的风速时也提供足够的一次调节功率。
依据本发明的解决方法存在于独立权利要求的特征中。有利的改进方案是从属权利要求的主题。
在风能设备中，该风能设备带有风轮转子、由该风轮转子驱动的与变流器配合作用用来产生电功率的发电机、转速调节装置和与其配合作用的变流器调节装置，其中，转速调节装置给出目标转速信号，依据本发明设置有辅助调节装置，该辅助调节装置具有用于希望的辅助功率的输入端并且构造成用于在考虑转子惯性矩的情况下由此产生转速变化信号并且将其作为输出信号给出，该输出信号经由运算环节加在目标转速信号上。
本发明以如下思路为基础，即，不调节由风能设备输出到电网上的功率，而是（即是说在风能设备的***的输入端上）控制由风轮转子的飞轮质量中汲取的能量。通过由辅助调节装置确定转速变化的信号，而由此从风轮转子的飞轮质量中控制性地汲取特定的能量。该能量相当于在考虑转速变化前后的存储在飞轮质量中的动能之间的差值。该差值在“能量追踪”的含义中使每个时间单位由风轮转子中调用的飞轮能量的控制成为可能，该飞轮能量作为动力的支持功率使作用在发电机上的机械功率升高，该升高的机械功率可以由发电机转化为相应升高的电功率。以这种方式提供所希望的一次调节功率。
利用本发明达到，可额外提供的功率仅由转子的飞轮质量中抽取并且在此由风生成的功率是没有影响的。额外输送的功率的“计量”，也就是说一次调节功率，仅通过转速变化信号而发生。它不依赖于实际的风供应，从而使得在即使波动的风环境下，特别是即使在风速强烈下降时也确保一次调节功率的精确提供。本发明将在提供一次调节功率方面的这个显著优点与在消耗方面仅很小的需求相结合。特别是不需要额外的硬件，而是通常可以在无论如何都存在的运行控制装置中实现依据本发明的辅助调节装置。
目标转速信号的概念理解为转速调节装置的如下输出量，该输出量作为参数被呈送到风能设备的转速控制装置上和/或为设定出发电机转速而被呈送到发电机或者连接在发电机上的变流器上。在大多数情况中，这是目标转速信号本身，但这也可以是目标扭矩信号。这些信号也由从功能上理解的“目标转速信号”概念所包括。
变流器控制装置理解为如下装置，即，该装置通过由发电机和变流器形成的机电能量转换器控制电功率的输出。它通常直接作用于变流器产生影响，但不应该将如下情况排除在外，即，它也或者备选地直接作用于发电机。
辅助调节装置理解为如下装置，即，该装置不依赖于在风能设备的运行控制范围中通常存在的转速调节装置。它优选地具有转速反馈。
优选地设置有校正环节，该校正环节构造成用于依赖于调用的辅助功率来改变辅助调节装置的参数。辅助功率的量值本身也算作这些参数。利用该校正环节可以考虑到，风能设备在调用辅助功率时，伴随以此为条件的转速减小，运行在它的最优运行条件之外并且因此诱发功率损耗。如果不考虑这个诱发的功率损耗，那么可能导致不能达到希望的辅助功率值。用该校正环节可以相应地进行预备。此外，校正环节优选地具有特性曲线环节。该特性曲线环节依赖于索取的辅助功率得出目标转速的校正值。
此外，优选地设置有估计风轮转子的空气动力效率的空气动力估计器。由该效率的确定可以连同风速一起确定由风可得到的功率和在调用辅助功率时由非优化状态得出的功率损耗。为了使该功率损耗不对风能设备的输出功率产生影响，可以在功率预先给出时相应地预备。此外，空气动力估计器的输出值借助运算环节加在辅助功率的需求上。由此达到，在可能出现风轮转子的空气动力上的显著变化的高功率需求的情况下，保证辅助功率的稳定提供。优选地设置风速为空气动力估计器的输入量。在此可以涉及实际测量的量。有利地设置有风观测器，该风观测器由本就存在于运行控制装置中的参数，特别是输出的电功率、风轮转子的安装角（Einstellwinkel）和转子转速来确定风速。因此可以达到空气动力估计器的特别优良的运行表现。
此外，优选地设置有在满负载时阻断辅助调节装置的抑制环节。这以如下认知为基础，即，在额定负载运行中，也就是说当风速在额定风速之上时，可以由风本身提供足够的功率并且因此不需要由风轮转子的飞轮能量中抽取需求的辅助功率。因此避免在高风速时的不必要的转速降低。抑制环节有利地具有起动模块，该起动模块构造成用于在辅助功率需求变化时，允许短时间的转速变化并且为此超驰越过（übersteuern）该抑制模块。短时间在这里理解为大约2秒至60秒的时间段。这以如下认知为基础，即，在满负载情况中，风轮转子的叶片的桨距调节需要几秒，以便设定出新的桨距角，用该桨距角可以由风中汲取需求的辅助功率。为了度过这个直至设定出新的桨距角的时间段，可以短时间地由辅助调节器的转速下降提供需求的辅助功率。由此改善风能设备在额定负载下对辅助功率的需求的响应。
在必要时应受无依赖性保护的、优选的实施方式中，设置有极限值监控模块，该极限值监控模块依赖于极限值打破来限制或解除辅助调节装置。因此达到，风能设备不会通过提供辅助功率而运行在损坏或过载该风能设备的运行范围中。这样的极限值特别是电子技术设计极限，如视在电流、有功电流或无功电流、电压或在变流器的半导体上的热极限，特别是允许的最大功率。但极限值打破也涉及优选依赖转速的极限扭矩的超出（例如在依赖转速的特性曲线环节中实现的），从而通过限制辅助调节器避免在过载运行范围中的运行。在特别优选的改进方案中，极限值监控模块监控空气动力估计器的输出量的极限值超出。因此示出：临界的空气动力损耗的超出，从而使得风能设备在提供辅助功率后需要超量的功率，以便再次达到正常的转速。因此如下成为可能，即，提前识别通过提供辅助功率而对风能设备持续运行的抢占式负面影响，并且必要时限制辅助功率的提供。因此可以特别地避免如下情况，即，提供辅助功率之后的复原阶段过长地持续并且导致相应减少的到电网中的功率馈送。
此外，辅助调节装置优选地包括扭矩限制环节。因此，即使在需求辅助功率时，也将总的作用扭矩限制到可设定的值上。这个可设定的值可以是固定的或者优选地来自特性曲线环节。这不仅用于避免驱动系的过载，而且此外在使用特性曲线环节时也具有如下优点，即，可以避免特定的运行范围或者更快地连续运行。如下地构造扭矩限制环节是特别有针对性的，即，在同步转速的区域中强烈地限制扭矩。由此保护变流器不过载。
在优选的实施方式中，特性曲线可由原先使用的特性曲线切换到带有更高扭矩的特性曲线上。为此设置有与风能设备的转速调节装置配合作用的特性曲线切换模块。在此，如果需求辅助功率，则切换到比较原先的特性曲线提供更多扭矩的另外的特性曲线上。因此可以立即升高功率输出。在这种情况中，“特性曲线”的概念包括工作特性曲线和/或极限特性曲线。到另外的特性曲线上的切换可以理解为到另外的调节特性的切换，和/或在经改变的，特别是在允许的扭矩方面，经放大的工作范围中继续调节。
为了避免特别是电气组件的、如发电机的和变流器的过载，这种即为有功功率升高的功率升高，伴随无功功率输出的限制。因此减小无功电流，从而使得电气组件不超过允许的最大电流。在很多情况中可以要求如下，即，无功功率不是仅被强烈地限制，而是甚至被阻断或者被设置为“零”。
优选地设置有辅助功率确定装置，该辅助功率确定装置构造成用于借助在电网中测量的频率确定辅助功率。由此达到不必等待中心的辅助功率目标值的预先给出，而是可以在电网中的干扰出现后直接作出反应。在此，不同备选的确定调节器可以设置在辅助功率确定装置中。首先可以作如下设置，即，与频率偏差成比例地确定辅助功率，其中，频率偏差越大，辅助功率就越高。但其次也可以作如下设置，即，依赖频率偏差的确定的值逐级地升高辅助功率。再次也可以仅作如下设置，在超出确定的频率偏差后调用最大可能的辅助功率。在此，示例性提及的确定调节器的频率偏差可以确定为电网中的频率的实际值与频率的目标值或者目标值范围的偏差。
辅助功率确定装置优选地与动态模块配合作用，该动态模块优选地由电网中频率干扰的强度和/或时间上的梯度确定辅助功率。因此可以以有效率的方式转化电网运营的特别具体的规定，如风能设备通过辅助功率的馈送对频率干扰作出反应。如果借助上升环节和衰减环节，针对开始和结束分别地执行不同的函数，那么该动态模块是更加适合的。例如可以如此地设置，即，风能设备在识别出特定时间段的频率偏差时，例如10秒，额外地馈送10%的辅助功率，其中紧接其后，风能设备的功率输出不允许落到输出值的特定的百分比之下，即例如必须有总计至少80%的频率干扰前馈送的功率持续至少20秒。其它上升和衰减的函数自然也是可能的。
辅助调节器优选地包括转速梯度模块，该转速梯度模块构造成用于在辅助功率结束后将剩余的功率限制到最小功率上。在辅助功率的馈送结束后，风能设备需要来自风中的额外的能量，以便在各个风条件时再次达到正常的转速范围。该转速梯度模块如下作用，即，转速在结束辅助功率的产生后优先地再次升高（以最小梯度），从而再次快速地达到在空气动力方面有利的运行范围（转速与风速之间的关系）。于是如下被阻止，即，转速如下程度地下降，即，风能设备产生如此少的功率，以致该风能设备要么关闭、不再覆盖功率方面的能量要求要么向下超越对风能设备安全运行来说的需要的最小扭矩。直到确定的转速提高后才进行带有最大梯度的进一步的转速上行，从而当前优先地产生馈送到电网中的功率（其中优选地维持当前减少的最小梯度）。因此，本发明解决如下目标冲突，即，在辅助功率馈送结束后一方面继续尽可能多地馈送功率并且另一方面将风能设备快速地再次引回到有效的和稳定的运行范围中。
此外，本发明涉及带有多个风能设备的风电场，所述风能设备各配设有风轮转子、用该风轮转子驱动的带有变流器的用于产生电功率的发电机、转速调节装置和与它配合作用的变流器控制装置，其中，转速调节装置给出目标转速信号并且此外设置有用于风能设备的上层调节的场管理中心，其中，依据本发明，在至少一部分风能设备上设置有辅助调节装置，该辅助调节装置具有用于辅助功率的输入端并且构造成用于在考虑转子惯性矩的情况下由此产生转速变化信号并且将其作为输出信号给出，该输出信号经由运算环节加在目标转速信号上，并且场管理中心具有将需求的辅助功率分配到转动的风能设备上的惯性控制模块。这种分配优选地如下方式地发生，即，所有转动的风能设备在不考虑由它们输出的功率情况下***控。因此达到，尽可能大量的风能设备参与辅助功率的提供，确切地说还有那些目前仅输出少量功率的风能设备。因此不仅达到那些输出高有效功率的风能设备的减负，而且此外还达到在风电场中更好的随机分布，从而随机地、更好地补偿风造成的波动。
此外，本发明包括用于风能设备的或风电场的运行的相应的方法。为了详细描述，参考之前的阐释。
附图说明
接下来，参照附加的附图更详细地阐释本发明，在附图中示出有利的实施例。其中：
图1在本发明的实施例中示出风能设备的概要图；
图2依据本发明的实施例示出辅助调节装置的和辅助校正环节的方框视图；
图3示出在部分负载情况中的带有运行参数的图表；
图4示出在满负载情况中的带有运行参数的图表；
图5示出用于辅助校正环节的作用方式的图表；
图6示出在非固定的风的情况中相应于图3的图表；
图7示出不同风电场的功率图表；
图8示出上升函数和衰减函数的图表；
具体实施方式
依据本发明的实施例，风能设备1在其基本特征方面常规地被建造。该风能设备该包括塔10，在它的上端部、可在偏航方向上转动地布置有机舱11。在该风能设备的正面上可旋转地布置有风轮转子12，该风轮转子配设有多个关于其安装角可调节的转子叶片13。为了调节安装角而设置有桨距调节装置23。风轮转子12经由转子轴驱动发电机14。该发电机连同连接在它上面的变流器15一起产生电能。发电机14优选地实施为双馈异步发电机，在该发电机的定子上之直接连接有用于导出电能的导线，其中，该导线此外连接到变流器15上，该变流器又与发电机14的转子连接。导线17经由未示出的变压器连接到风电场内部的汇集电网9上。该导线也可以经由变压器直接连接到中压电网或高压电网99上。此外，在机舱11上布置有运行控制装置2，该运行控制装置经由（未示出的）通信机构与风电场的场管理中心8连接。运行控制装置2指导风能设备1的运行并且此外配设有不同的、专门化的装置，其中有用于风轮转子12的转速调节装置21。由风能设备1产生的和经由导线17输出的电功率通过功率测量装置18检测，并且呈送到运行控制装置2上。
风能设备1可以单个地建立。然而该风能设备大多处于由多个风能设备1、1’组成的风电场中。其它的风能设备1’如风能设备1那样建造，但不应该排除其它类型的风能设备也布置在该风电场中。经由（未示出的）通信机构与各个风能设备1、1’连接的场管理中心8形成用于风能设备1、1’的上层指导机构。经由风电场内部的汇集电网9向如下结点引导由不同的风能设备1、1’产生的电功率，在该结点上，风电场经由未示出的变压器连接到用于能量传输的中压电网或高压电网99上。
运行控制装置2带有其转速调节器21地包括如下单元，该单元确定风轮转子12的转速的目标值并且与变流器调节器25以如下方式配合作用，即，设定出这样的电力矩，以便达到风轮转子12的相应的转速。转速调节器21同样地与叶片角度调节器23以如下方式配合作用，即，相对于吹来的风，设定出转子叶片13的特定的迎角（桨距角），以便达到风轮转子12的转速。根据风能设备1的工作点，调节转速调节器21与变流器调节器25与叶片角度调节器23的配合作用。如果风条件如下，即，风能设备1仅可以运行在它的额定功率（备选地也可为它的额定转速或额定风）以下，则称为部分负载运行并且转速调节器与变流器调节器25配合作用。如果风条件如下，即，风能设备1可以以它的额定功率运行，则称为额定负载运行并且转速调节器21与叶片角度调节器23配合作用。在从部分负载运行到额定负载运行的过渡区域中可以如下设置，即，转速调节器21不但与叶片角度调节器23，也与变流器调节器25同时地配合作用。
在图2中示出来自转速调节器21的目标值转速的相应的输出端。依据本发明，在该输出导线上连接有辅助调节器3。此外，在导线中设置有运算环节29，该运算环节构造为求和环节，并且将由辅助调节器3确定的值加和到由转速调节器21计算的转速目标值nref上，以便为变流器控制装置25生成最终的目标值n设。
辅助调节器3具有两个输入端。在它的第一输入端31上连接有针对要提供的动能P动的信号。在它的第二输入端32上连接有针对目标转速n设的信号。辅助调节器3具有使输入端31的值除以输入端32的值的除法环节33。通过以恒定因子、借助P环节34进行变换，由此产生用于惯性矩θ的度量。该度量借助另外的P环节35除以相应于风轮转子12的转动惯量J的恒定的因子。由此得出用于转速下降的值，该值被输送给积分器36。该积分器通过在步进时间上的积分确定用于转速的离散差值Δn，该差值被接到运算环节29上。由此形成经校正的转速目标值n设。该转速目标值经由反馈导线37被引回到转速调节器的第二输入端32。
作用原理如下，即，在所需求的动力功率除以各当前的转速目标值时，形成由风轮转子12的飞轮质量要提供的惯性矩θ的值，并且在考虑转动惯量的情况下由此求得所需的转速变化。该转速变化经由运算环节29加到由运行控制装置2给出的目标转速值上。
然而，在高风速的情况中，其中，风能设备1运转在额定负载运行中，不需要由风轮转子12的动能馈送额外需求的功率。为了在这里预防不希望的转速下降，设置有抑制模块4。它由运行控制装置2提供的额定负载信号操控。这样的话，不会发生由运行控制装置2给出的目标转速的值的下降。尽管如此，自然可以动态地，也就是说，在对功率支持的要求开始时或在其结束时，有利地执行转速下降。这有如下目的，即，度过如下时间段，即，直到叶片角度调节器23已能如此程度地再调节，以便在没有转速下降时也提供辅助功率。此外，优选地设置有时间环节41，该时间环节如之前描述的那样使得转速目标值可以校正一段时间，即叶片角度调节器23的激活时间段。
此外，选择性地设置有辅助校正环节5。该辅助校正环节包括空气动力估计器51以及风观察器52。在风观察器52上设置有输入端。输入端53用于产生的电功率（由传感器18测量）。第二输入端用于由叶片角度调节器23传递的、设定出的桨距角。在第三输入端55上连接有发电机14的转速的值，在这种情况下，优选地为由传感器得出的测量值。风估计器52由此确定风速v的值，该风速在输出端56上给出。此外，空气动力效率cP的值在输出端57上给出。空气动力估计器51构造成用于由风速v的值和空气动力效率cP的值计算空气动力诱发的损耗功率ΔP空。这可以例如借助它的二维综合特性曲线进行。相应的值由空气动力估计器51在输出端50上给出。这个值经由运算位置30加在由外部呈送的、需求的辅助功率P辅助的目标值上并且如此得出要由动力***提供的功率P动的值，该值被呈送到辅助调节器3上。需求的辅助功率P辅助的值也可以选择性地在风能设备1上局部地产生。为此，设置有辅助功率确定装置44，针对汇集电网98中的频率的信号呈送到它的输入端。如果出现与可设定的目标频率fnom的偏差，则有辅助功率的需求。它的高度可以预先设定或者优选地由频率偏差的程度确定。为此，辅助功率确定装置44适当地配设有特性曲线环节。
选择性地设置有在它的整体上以标号6标识的极限值监控模块。该极限值监控模块包括作为核心环节的限制器69，该限制器将要由动力***提供的功率P动的信号限制在最大值上。如情况可能，本发明的这个方面应受无依赖性的保护。可以限制到固定不变的最大值上，但优选地、该限制适应性地并且针对多个参数进行。接下来这将详细地阐明。极限值监控模块6包括多个、在示出的例子中为三个极限信号模块61、63、65。所述三个极限信号模块构造成用于参照可预先给出的极限值来监控特定的参数并且将相应的信号传递到评价逻辑件60上。由空气动力估计器51得出的空气动力损耗功率ΔP空的和可预先给出的最大损耗功率值ΔP空最大的信号被呈送到第一极限信号模块61上，例如ΔP空最大=20%的额定功率。极限信号模块61比较这些值并且在超出最大损耗功率值时仅将其值给出到评价逻辑件60上。求和环节62置于第二极限信号模块63前，风能设备的来自输入端53的功率的信号和需求的动力功率P动的信号被呈送到该求和环节上，并且由此形成需求的总功率，并且作为输入端信号被呈送到第二极限信号模块63上。此外，针对允许的最大功率P最大的信号被呈送到第二极限信号模块63上。在超过这个值时，第二极限信号模块63仅将该值给出到评价逻辑件60上。第三极限信号模块65监控：由功率需求得出的扭矩Mb是否保持在允许的极限以下。为了确定这个扭矩，可以设置有除法环节64，该除法环节使所需求的总功率P总除以例如由输入端55呈送的转速并且如此确定所需求的扭矩Mb。如果所需求的转矩超出允许的极限扭矩M最大，那么相应限制的值被传递到评价逻辑件60上。
评价逻辑件60评价不同的、呈送的信号并且由此确定被呈送到限制器69上的最大值。该评价逻辑件60在示出的实施例中实施为低选逻辑电路（Select-Low-Logik），在该低选逻辑电路中，最低的极限值起决定作用。
选择性地设置有用于转速调节装置的特性曲线切换模块24。除了在正常运行中使用的基本特性曲线（参见虚线）外，该特性曲线切换模块具有至少一条其它的、提供升高的扭矩的特性曲线（参见实线）。也可以备选地如下设置，即，特性曲线切换模块24设置用于正常运行的极限特性曲线和至少一条用于扩展的扭矩范围的极限特性曲线（参见点状线），从而使得扩展的运行范围可供扭矩/转速调节器使用。
为了操控特性曲线切换模块24，设置有带有平滑过渡环节43的切换传感器42。切换传感器42监控针对需求的辅助功率P辅助的信号导线并且当该辅助功率被需求时打开并操控特性曲线切换模块24。通过扭矩升高立即产生更多的有功功率。为了避免过电流，同时强烈地减小或完全阻断无功电流的输出。为此，给出相应的阻断信号Q限制到运行控制装置2上。在辅助功率需求结束后，再次发生向正常运行的过渡。但这不是突变地，而是逐渐地进行，以便避免在风能设备的机械的和电气的***中的不稳定性。为此，特性曲线切换模块24不是立即切换回到正常运行上，而是与平滑过渡环节43配合作用，从而逐渐地回到正常运行的原先的特性曲线。在此，该平滑过渡环节43如下地设计，即，直到风能设备再次达到它的正常运行点，才再次达到原先的特性曲线。为此，平滑过渡环节43评价空气动力的损耗功率ΔP空的信号。如果这个值是零或者在可设定的阈值以下，则再次达到了正常的运行点。也可以如下地设置，即，这种平滑过渡通过到一个或多个过渡特性曲线中的、受控制的切换来施行。
此外，设置有转速梯度模块39。该转速梯度模块在输入端31上监控辅助功率需求的消失。此外，风轮转子14的转速n的信号被呈送。转速梯度模块39包括最高梯度限制器和最低梯度限制器。该转速梯度模块在辅助功率需求结束时***控。在这个时间点上，由于动能被汲取，相对于输出值减小了风轮转子14的转速n。该减小是显著的，从而使得风轮转子远远地运转在它的优化的运行条件外。因此，首先给出最低梯度，从而使得转速再次快速地升高。因而存在针对转速升高的优先。另一方面，通过最高梯度阻止过快的升高，从而使得仍旧有足够的用于产生电能的功率可供使用。在达到切换转速时，优选地改变最大梯度和最小梯度，更确切地说，到更小的最低梯度和最高梯度。因此存在针对承担转速升高任务的能量产生的优先，该转速升高因此大多较慢地进行。
因此在部分负载运行中得出在图3中示出的特性。假设风速为恒定的，如在图3A中示出。因此，转子叶片13的桨距角同样是恒定的，参见图3B。在时间点t=25秒时，值为100kW的支持功率的需求被呈送10秒（参见图3中的虚线）。辅助调节器3持续地确定相对于原先的目标值计算的转速变化，由此得出在t=25秒至t=35秒的时间段中的转速的连续下降。通过这个转速下降，风轮转子12中的动能减少，由此得出的功率作为额外的功率输送给发电机和变流器14、15并且作为一次调节功率经由导线17给出（图3中的实线）。在自时间点t=35秒开始的需求结束时，风轮转子12的转速显著地下降，从而接下来不能立即地，而是直到逐渐进行的转速升高（由于相对低的风速，这个过程持续的相当长直至时间点t=80秒）之后才可以再次设定出原先馈送的功率。在这种情况中，通过转速梯度模块39，在最初的二十秒中存在转速上行的优先，而自t=55开始，在于是平缓进行的转速上升中（更低的转速梯度），存在功率产生的优先。
在图4中再次示出自t=25秒开始、持续10秒的对辅助功率的需求；但区别于图3的图示，风能设备处于额定负载运行中。风速（参见图4A）与此相应地更高并且超出11米/秒的额定风速。这使得辅助功率本身由风生成成为可能，为此必须调节转子叶片13的桨距角；这在图4B中示出。可看出，桨距角的调节持续少许时间，更确切地说，在示出的实施例中大约2秒。为了即使在此期间也已经可以提供所需要的辅助功率，在辅助功率的需求开始时、通过抑制模块4与它的起动模块41的配合作用，执行转速的下降，如之前描述的那样。如果桨距角在时间点t=28秒达到它的值，则可以结束这个过程。抑制模块4与转速下降关联，因此转速然后再次升高并且缓慢地达到它的输出值。如果对辅助功率的需求消失，则在时间点t=35秒同一个过程带有相反的符号地重复。在图4D中看出，利用起动模块41的作用，分别在辅助功率的要求的开始和结束时，即在t=25秒和t=35秒时，以及利用抑制模块4在其间的时间段中达到所需求的功率（虚线）和输出的功率（实线）之间良好的一致。
空气动力估计器51的工作方式在图5中详细地示出。再次涉及在部分负载中的运行（对比图3），其中，在时间点t=25秒，需求辅助功率10秒。通过连续的转速下降（参见图5A）提供辅助功率，由此可以使电功率升高所需要的值（参见图5B）。因为伴随着下降的转速，风轮转子12上的空气动力比率越来越差，风能设备1非优化地运行。由此得出的诱发的损耗功率由空气动力估计器51确定。这个值在图5C中示出。可以看出，该值达到多于可供使用的辅助功率的一半的数量级，即不可以忽略。借助设置的空气动力估计器51，尽管有这个很大的、诱发的损耗，仍可以在时间段上稳定地提供需求的辅助功率。
图6示出在非固定的风条件的情况中的依据本发明的辅助调节器3的特性，特别是渐增的风。也如在图3中示出的情况，在时间点t=25秒，需求辅助功率10秒。风速同步地开始增加（图6A）。本身需求的功率（该功率不考虑事先不知到的风速升高）在图6D中虚线地示出。实际输出的功率用实线示出。可以看出，由风能设备实际输出的功率伴随风速的升高一起升高并且仍如所需求那样输出过剩功率，如在输出功率的下降处、在需求结束的时间点t=35秒时清楚看出的那样。因此，借助依据本发明的辅助调节装置不但可以利用提高的风速和此时升高的功率供应，以及除此之外也还可以为了满足一次调节而提供额外地需求的辅助功率。这表明，本发明即使在非固定的条件中也最优地工作。
本发明在带有多个风能设备的风电场中的应用在图7中示出。图7A作为参照而起作用并且示出单个的风能设备，图7B示出带有10个风能设备的风电场，图7C示出带有50个风能设备的风电场并且图7D示出带有240个风能设备的风电场。分别在时间点t=60秒时出现持续10秒的值为安装功率5%的辅助功率需求。在单个的风能设备中，几乎不能看出这个辅助功率的满足，因为由于变化的风速，相应的功率升高由功率差别覆盖。在带有十个风能设备的风电场中（图7B），风速的随机变化被部分地平均掉了，从而更明显地体现出辅助功率。对于带有更多风能设备的风电场（图7C和图7D），这种现象得以加强，其中，最终在图7D中观察到，借助大量风能设备实用地补偿随机波动。因此，在其中应用本发明的大风电场适合以出色的方式提供辅助功率。
在带有场管理中心的风电场中，可以设置如下，即，通过场管理中心将需要的辅助功率分配到各个风能设备上。到各个风能设备上的风电场的辅助功率目标值的分配与其相对风电场的总功率的功率份额成比例地进行。但优选地，所有在风电场中存在的风能设备的转子惯性矩总和可以由场管理中心确定，并且依赖于各个风能设备的转子惯性矩占风电场中的转子惯性矩总和的份额，确定各个风能设备的辅助功率目标值。
在图8a和8b中，示出由风能设备在频率干扰情况下所馈送的辅助功率的两个不同的上升函数和衰减函数的例子。这些函数在动态模块45中实现（参见图2）。因为上升和衰减相互区别，它们分别独立实现在上升环节46或衰减环节47中。在图8a的情况中，如此地实施上升环节，即，在时间点10秒时、在出现电网干扰的情况下，额外地馈送10%的辅助功率，确切地说持续10秒。接着，衰减环节47直接作用，该衰减环节移去辅助功率并且保证至少80%的在频率偏差出现前馈送的功率也在复原阶段期间被馈送，确切地说持续20秒。为此，动态模块45可以方便地与上面描述的梯度模块36配合作用。
在图8b中示出另一种动态分布。在这种情况中，上升和衰减非常显著地相互区别。如下地设置，即，在时间点10秒出现频率偏差时，上升环节46直接立即切换到最大辅助功率上，然后，该最大辅助功率在频率干扰期间呈双曲线形地持续下降（直到大概在时间点20秒时）。在这种情况中，在曲线下的面积（通过阴影线辨识）是由风轮转子汲取的动能的度量。如果频率在干扰结束时缓慢地再次回到它的原先的值上，那么衰减环节47可以用轻微的下冲使得在随后的30秒后再次达到原先的状态。利用在动态模块中的这样的实现，风能设备相对于电网表现得如同常规发电站的大型同步发电机。借助这个发明理念，它的优良的电网支持的特性可以移植到风能设备上。
Claims (17)
1.风能设备，其带有：风轮转子（12）、用所述风轮转子驱动的与变流器（15）配合作用用于产生电功率的发电机（14）、转速调节装置（21）和与所述转速调节装置配合作用的变流器控制装置（25），其中，所述转速调节装置（21）给出目标转速信号（nref），
其特征在于，
设置有辅助调节装置（3），所述辅助调节装置具有用于辅助功率的输入端（31）并且构造成用于在考虑转子惯性矩的情况下由此产生转速变化信号并且将转速变化信号作为输出信号给出，所述输出信号经由运算环节（29）加在所述目标转速信号上。
2.根据权利要求1所述的风能设备，其特征在于，设置有校正环节（5），所述校正环节构造成用于依赖于所调用的辅助功率改变所述辅助调节器（3）的参数。
3.根据权利要求2所述的风能设备，其特征在于，设置有估计空气动力效率和/或风能设备的功率的空气动力估计器（51）。
4.根据权利要求3所述的风能设备，其特征在于，此外设置有风观察器（52），所述风观察器由功率的和转速的数据确定风速并且将风速给出到所述空气动力估计器（51）上。
5.根据之前的权利要求的其中一个所述的风能设备，其特征在于，设置有抑制环节（4），所述抑制环节在满负载运行中阻断所述辅助调节装置（3），并且优选地与起动模块（41）配合作用，所述起动模块构造成用于在辅助功率变化时超驰越过所述抑制环节（4）。
6.根据之前的权利要求的其中一个所述的风能设备，其特征在于，设置有极限值监控模块（6），所述极限值监控模块构造成用于依赖于极限值打破来限制或解除所述辅助调节装置（3），特别是当超过空气动力效率的极限值、电气极限和/或依赖转速的扭矩极限特性曲线时。
7.根据之前的权利要求的其中一个所述的风能设备，其特征在于，所述辅助调节器（3）具有扭矩限制环节，所述扭矩限制环节优选构造成用于限制转速变化。
8.根据之前的权利要求的其中一个所述的风能设备，其特征在于，设置有用于所述转速调节装置（21）的特性曲线切换模块（24），所述特性曲线切换模块在辅助功率的情况下切换到带有更高扭矩的另外的特性曲线上，其中，优选地产生用于降低无功功率输出的限制信号（Q限制），并且此外优选地在所述辅助功率结束时借助平滑过渡环节（43）逐渐地切换回到原先的特性曲线上。
9.根据之前的权利要求的其中一个所述的风能设备，其特征在于，设置有辅助功率确定装置（44），所述辅助功率确定装置构造成用于借助在电网（9、99）中测量的频率来确定辅助功率，特别是借助依赖频率的特性曲线环节。
10.根据权利要求9所述的风能设备，其特征在于，所述辅助功率确定装置（44）与动态模块（45）配合作用，所述动态模块优选由电网（9、99）中频率陷落的深度和/或时间上的梯度确定辅助功率，更确切地说，优选地分别针对开始和结束借助上升环节（46）和衰减环节（47），所述上升环节和所述衰减环节优选地实现不同的函数。
11.根据之前的权利要求的其中一个所述的风能设备，其特征在于，所述辅助调节器（3）具有转速梯度模块（39），所述转速梯度模块构造成用于在辅助功率结束后预先给出转速提高的最低梯度和优选地最高梯度。
12.风电场，其带有场管理中心（8）和多个风能设备（1、1’），其中，所述风能设备各配设有风轮转子（12）、用所述风轮转子驱动的与变流器（15）配合作用用于产生电功率的发电机（14）、转速调节装置（21）和与所述转速调节装置配合作用的变流器控制装置（25），其中，所述转速调节装置（21）给出目标转速信号（nref），
其特征在于，
至少在一部分风能设备（1）上设置有辅助调节装置（3），所述辅助调节装置具有用于辅助功率的输入端（31）并且构造成用于在考虑转子惯性矩的情况下由此产生转速变化信号并且将转速变化信号作为输出信号给出，所述输出信号经由运算环节（29）加在所述目标转速信号上，并且所述场管理中心（8）具有将所需求的辅助功率分配到所提及的部分风能设备（1、1’）上的惯性控制模块（70）。
13.根据权利要求12所述的风电场，其特征在于，所述惯性控制模块（70）构造成用于将所述辅助功率均匀地分配到转动的风能设备上，并且特别是构造成用于将所述辅助功率如下方式地分配到转动的风能设备上，即，由各个风能设备的转子惯性矩占风电场中转动着的风能设备的转子惯性矩总和的份额确定所述各个风能设备的辅助功率的份额。
14.用于运行风能设备的方法，所述风能设备包括有风轮转子（12）、用所述风轮转子驱动的与变流器（15）配合作用用于产生电功率的发电机（14）、转速调节装置（21）和与所述转速调节装置配合作用的变流器控制装置（25），所述方法包括给出目标转速信号（nref），
其特征在于，
呈送辅助功率的信号，
在考虑转子惯性矩的情况下确定并给出转速变化信号，并且
将所述转速变化信号加到所述目标转速信号（nref）上。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法根据权利要求2至11的其中一个进行了改进。
16.用于运行带有场管理中心（8）和多个风能设备（1、1’）的风电场的方法，其中，所述风能设备各配设有风轮转子（12）、用所述风轮转子驱动的与变流器（15）配合作用用于产生电功率的发电机（14）、转速调节装置（21）和与所述转速调节装置配合作用的变流器控制装置（25），所述方法包括给出目标转速信号（nref），
其特征在于
在至少一部分风能设备上
呈送辅助功率的信号，
在考虑转子惯性矩的情况下确定并给出转速变化信号，并且
将所述转速变化信号加到所述目标转速信号（nref）上，以及
由所述场管理中心（8）将所需求的辅助功率分配到这部分风能设备上。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法根据权利要求12或13中的一个进行了改进。
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