CN105453366A - 用于控制风能设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于风能设备(1)或风电厂(112)将电能馈送到供电网(14)中的方法，其中风能设备(1)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；风能设备(1)或风电厂(112)配置成用于馈送有功功率(P)和无功功率(Q)，并且根据风速(VW)设定要馈送的无功功率(Q)。

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并且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。
描述借助于风能设备进行电网支持的早期的文献例如是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。
这种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，在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或不以足够的量存在。
发明内容
由此，本发明基于的目的是，解决所述问题中的至少一个。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。
德国专利和商标局在本PCT申请的优先权申请中检索到下述现有技术：DE102010006142A1、US6965174B2、US7638893B2和US2011/0148114A1。
根据本发明提出一种根据权利要求1所述的方法。
据此，借助于风能设备或风电厂将电能馈送到供电网中。在此，风能设备或风电厂将来自风的动能转换为电能。在此考虑，风具有可变的风速。
在此，风速的考虑基于已知的平均值，例如10秒、1分钟或10分钟的平均值。
此外，以风能设备或风电厂为出发点，所述风能设备或风电厂配置成用于馈送有功功率P并且用于馈送无功功率Q。
现在，为此提出，根据风速设定无功功率。所述建议基于下述认知：尤其当馈送的风能在电网中或电网部段中占主导时，电网状态，例如频率或电压幅值能够与风速相关。然而，至少电压幅值能够由风能设备通过馈送无功功率来进行影响，并且与可馈送的有功功率相比，所述要馈送的无功功率至少明显更小程度地与风速相关。此外，如果风能设备以所谓的“STATCOM模式(静止同步补偿器模式)”工作，那么所述风能设备甚至与风速无关地、即甚至在无风时馈送无功功率。
因此，根据本发明提出，已经预期到这种电网影响进而根据风速馈送无功功率，以便由此直接抵消有功功率的与风速相关的馈送或由此产生的效应。
优选地，当风速超过风暴起始风速时，提高无功功率。这样的风暴起始风速是下述风速：在所述风速下风能设备或风电厂为了自身的保护而节流(abgeregelt)。在这种风暴起始风速下，多个风能设备甚至关断。
在此基于的认知是：尤其在风暴风速的范围中的强风下，风速对到供电网中的馈送的影响能够是非常大的。由此，对供电网中的状态的影响也能够是比在低风速下更强的，在所述低风速下设备在部分负荷范围中运行，即由于弱风少于额定功率地馈送。在此，也基于的认知是：在风暴情况下与在弱风下相比，能够存在风速的较大的波动。相应地，在这种风暴情况下也能够期望馈送功率的更大的波动。
当风能设备或风电厂或者相邻的风能设备或风电厂在达到风暴风速时关断或者至少切换为不具有有功功率馈送的运行中时，是特别成问题的。在此情况下，即存在非常突然地降低非常多的馈送功率的风险。尤其当降低如此大的功率使得在电网中存在供电不足时，馈送的有功功率的降低虽然通常首先造成频率下降，然而也能够造成电压的下降。无功功率的馈送应抵消所述电压的下降。通过在每次主动地在出现风暴情况下这样提高无功功率而预期到电网中所描述的效应。
优选地，在风暴起始风速之上，随着风速的进一步升高而进一步提高无功功率。此外提出的是，能够进行组合的是，只要风速还高于风暴起始风速，那么就随着风速的下降而减小无功功率。特别是当有功功率馈送与无功功率馈送相反地进行时，由此能够已经每次主动地抵消有功功率馈送的由风暴引起的变化的效应。
优选地，预设用于风暴区域的无功功率馈送的连续的曲线分布。这种风暴区域在此是风速位于风暴起始风速和风暴终止风速之间的区域。风暴终止风速是使得风能设备或风电厂不再将有功功率馈送到供电网中的风速，其中在此以风能设备或风电厂的在高于风暴起始风速时节流而不立即关断的特性为出发点。
因此，对于所述风暴区域提出，无功功率从风暴起始风速至风暴终止风速连续地提高或者在相反的情况下连续地降低。
尤其，在风暴终止风速下，无功功率达到最大值，风能设备或风电厂能够将所述最大值最大地作为无功功率馈送。所述最大值能够通过馈送单元如风电厂的风能设备或风能设备的逆变器确定和/或通过取决于功率横截面的最大电流确定。
根据另一实施方式提出，在风速高于风暴起始风速时，尤其在风速高于平均风暴风速时，馈送的无功功率的幅值选择为高于额定功率的幅值。在此所基于的是风能设备或风电厂的额定有功功率，所述额定有功功率是风能设备或风电厂的表征性特征。在此，平均风暴风速是位于风暴起始风速和风暴终止风速之间的风速，例如所述风速采用这两种风速的算术平均值。根据所述实施方式，当达到风暴终止风速或者至少几乎达到风暴终止风速时，无功功率的幅值至少应高于额定有功功率的幅值。
在此，基于或也提出一种风能设备，所述风能设备将电流馈送确定尺寸为大于在馈送额定有功功率时设定的馈送电流。借助于这种设计方案可能的是，即使在馈送额定有功功率时，也还馈送无功功率。现在，所述实施方式基于的认知是，当仅还馈送少量有功功率或完全不馈送有功功率时，能够充分利用用于馈送无功功率的风能设备或风电厂的确定量度。由此能够馈送具有比曾应借助设备馈送的有功功率的幅值更大的幅值的无功功率。
优选地，对于在风暴起始风速和风暴终止风速之间的风速范围为要馈送的无功功率预设无功功率函数，所述无功功率函数限定在无功功率和风速之间的相关性。这种无功功率函数优选预设为一阶或二阶的多项式函数，即与风速相关的直线或抛物线函数。此外或替选地，能够将所述无功功率函数设为滞后函数，使得用于升高的风力的函数至少部分地限定相同的风力值的与在风力下降时不同的无功功率值。多项式函数本身能够不是滞后函数，然而滞后函数例如能够通过不同的参数化的两个二阶的多项式函数限定。优选使用这种函数，然而也能够使用其他函数，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进行描述的函数的相关性。
根据本发明，还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至少根据所描述的实施方式中的一个的方法。
优选地，所述风能设备具有发电机，所述发电机设计为用于产生发电机额定功率并且所述风能设备具有馈送设备，所述馈送设备设置为用于实施馈送。所述馈送设备设计为用于馈送最大馈送电流，并且所述最大馈送电流大于用于馈送发电机额定功率的馈送电流。由此，所述风能设备配置成用于甚至在馈送发电机额定功率时附加地还馈送无功功率。
优选地，风能设备具有多个馈送单元，所述馈送单元尤其构成为电源柜。尤其当所述馈送单元分别具有相同的大小时，馈送单元的数量或电源柜的数量确定能馈送的功率、尤其能馈送的电流。根据通过发电机限制的要馈送的功率需要相应多的馈送单元或电源柜。现在提出，设置比用于馈送所述发电机功率所需的更多的馈送单元或更多的电源柜。尤其设有至少一个另外的馈送单元、尤其至少两个另外的馈送单元。通过这样使用比所需的更多的馈送单元，能够实现无功功率的所描述的额外馈送。
根据本发明还提出一种将多个风能设备组合的风电厂。就此而言，风电厂的特征在于组合在其中的风能设备经由相同的电网接点馈送到供电网中或者就此而言风电厂经由所述电网接点馈送到供电网中。所提出的这种风电厂也配置成用于根据上述实施方式中的一个的方法进行馈送。
优选地，风电厂具有用于控制风电厂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。尤其，根据所述实施方式，在中央控制单元上实施要馈送的无功功率的预设。必要时，所述中央控制单元还能够提出，将计算出的或所确定的所述无功功率作为无功功率理论值，或者以绝对值或百分比的方式将其转发给风电厂的各个风能设备。
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。就此而言，在此也提出馈送单元的更大的确定尺寸。对于电厂，这也能够通过设有相应多的馈送单元来实现。
优选地，风电厂的所有风能设备或其中一些风能设备是如上文根据实施方式中的至少一个描述的风能设备。
附图说明
在下文中借助于实施方式参考附图示例性地描述本发明。
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示意地示出下述图表，所述图表示出根据一个实施方式的要馈送的无功功率Q和要馈送的有功功率P与风速的相关性。
图4示意地示出具有多个馈送单元的风能设备的构造。
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在运行中通过风而置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的分别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的例如不示出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。
在图3的图表中将风速VW绘制在横坐标上，其中视图首先以风暴初始风速VSA开始。较弱的风的区域在此对于下面的阐述是不重要的。
在纵坐标上绘制无功功率Q和有功功率P。纵坐标为从0至额定有功功率PN。就此而言，用于无功功率Q和有功功率P的刻度是相同的，其中在此要理解的是，1瓦特(W)对应于1无功伏安(VAr)。
图表示出，有功功率P在风暴起始风速VSA下具有额定功率PN。随着风速的增加，所述有功功率持续地减少至0直至达到风暴终止风速VSE。
而无功功率Q从风暴起始风速VSA持续地增加直至风暴终止风速VSE。在所示出的示例中，所述无功功率在此达到最大能馈送的无功功率Qmax。优选地，尽管风速升高，但是所述无功功率能够保持该数值。
作为无功功率Q’与风速VW的替选的相关性，点划线地绘出下述曲线分布，其中无功功率Q’在风暴起始风速VSA下已经大于0。在所述曲线分布中也能看到的是，在平均风暴风速VSM下无功功率Q’在幅值方面已经达到额定功率PN的数值。在此情况下，无功功率Q’例如能够在比风暴起始风速VSA略小的风速下具有恒定的数值，所述数值尽可能基于电网状态来设定。
就此而言，图3为无功功率Q或Q’示出根据风速预设无功功率的两个变型形式。标记Q’仅用于示出一个变型形式。在其他方面，所述Q’与Q相同地标记相应地阐述的实施方式的要馈送的无功功率。
图4示意性地示出风能设备1，所述风能设备具有发电机2。所述发电机2示例性地以2MW的额定功率设计。在此，所示出的实施方式具有整流器4，所述整流器将发电机2的所有功率整流并且经由导电轨6引向开关柜或馈送单元8。
因此，所有馈送单元8与同一导电轨6连接并且每个所述馈送单元8产生三相的交流电流，所述交流电流馈送到输出导线10。然后，由输出导线10最后实现经由变压器12到示意地示出的供电网14的馈送。
每个馈送单元或每个开关柜8设计为用于馈送三相电流，所述三相电流对应于当馈入1MW的纯有功功率时出现的电流。设有三件这种1MW开关柜，由此所述开关柜对于只馈送用于2MW发电机2的有功功率是过大的。借助于所述开关柜8能够馈送2MW的全部有功功率并且此外附加地还馈送无功功率。此外，由此可能的是，当仅所馈送的有功功率相应小时，馈送多于2MVAr的无功功率Q。理论上，当不馈送有功功率时，在三MVAr以内能够用三个这种开关柜8馈送。

Claims (13)

1.一种用于借助于风能设备(1)或风电厂(112)将电能馈送到供电网(14)中的方法，其中
-所述风能设备(1)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；
-所述风能设备(1)或所述风电厂(112)配置成用于馈送有功功率(P)和无功功率(Q)，其中
-根据所述风速(VW)设定要馈送的所述无功功率(Q)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
当所述风速(VW)超过风暴起始风速(VSA)时，提高所述无功功率(Q)，在所述风暴起始风速下所述风能设备(1)或所述风电厂(112)为了自身的保护而节流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
在风暴起始风速(VSA)之上
-随着风速(VW)的进一步提高而进一步提高所述无功功率(Q)和/或
-随着风速(VW)的进一步下降而减小所述无功功率(Q)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在风暴起始风速(VSA)之上
-随着风速(VW)的增大持续地提高所述无功功率(Q)，直至所述风速(VW)达到风暴终止风速(VSA)，在所述风暴终止风速下所述风能设备(1)或所述风电厂(112)不再将有功功率(P)馈送到所述供电网(18)中；和/或
-随着风速(VW)的下降在所述风暴终止风速(VSE)之下持续地减小所述无功功率(Q)，直至所述风速(VW)达到所述风暴起始风速(VSA)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-所述风能设备(1)或所述风电厂(112)设计为用于馈送额定有功功率(PN)，以及
-在所述风速(VW)高于所述风暴起始风速(VSA)时，尤其高于在所述风暴起始风速(VSA)和所述风暴终止风速(VSE)之间的平均风暴风速(VSM)时，馈送的所述无功功率(Q)的幅值高于所述额定有功功率(PN)的幅值。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
-在风暴起始风速(VSA)和风暴终止风速(VSE)之间
-经由无功功率函数设定所述无功功率(Q)，所述无功功率函数限定所述无功功率(Q)和所述风速(VW)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。
7.一种用于将电能馈送到供电网(18)中的风能设备(1)，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所述的方法。
8.根据权利要求7所述的风能设备(1)，
其特征在于，
所述风能设备(1)
-具有发电机(2)，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，所述馈送设备用于执行馈送，其中所述馈送设备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。
9.根据权利要求7或8所述的风能设备(1)，
其特征在于，
所述馈送设备具有多个馈送单元(8)、尤其电源柜(8)，并且与用于馈送能由所述风能设备(1)产生的功率、尤其其额定功率所需的数量相比，所述馈送设备设有更多的馈送单元(8)或电源柜(8)。
10.一种用于将电能馈送到供电网(18)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根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
11.根据权利要求10所述的风电厂(112)，
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。
12.根据权利要求10或11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。
13.根据权利要求10至12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7至9中任一项所述的风能设备(1)，尤其使得所述风电厂的所有风能设备(1)是根据权利要求7至9中任一项的风能设备(1)。
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