CN108691732B - 风力发电设备及用于运行风力发电设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电设备，该风力发电设备具有：风力转子（12）、由该风力转子驱动且与变频器（15）共同作用以产生电功率的发电机（14）、转速调节装置（21）和与该转速调节装置共同作用的功率控制装置（25），其中，该转速调节装置（21）输出设定转速信号（n_设定）。根据本发明，在该转速调节装置（21）与该功率控制装置（25）之间设有偏置模块（100），该偏置模块被设计成用于生成偏置信号（n_偏置）并将其添加给设定转速信号（n_设定）。本发明的风力发电设备允许在所要求的附加功率之后减少功率下降。本发明还包括一种对应的用于运行风力发电设备的方法。

Description

风力发电设备及用于运行风力发电设备的方法

本发明涉及一种风力发电设备，该风力发电设备具有：风力转子、由风力转子驱动且与变频器共同作用以产生电功率的发电机、转速调节装置和与该转速调节装置共同作用的功率控制装置，其中，该转速调节装置输出设定转速信号至该功率控制装置。此外，本发明包括一种对应的用于运行风力发电设备的方法。

随着对风力发电设备的为了有助于在频率陡降的情况下稳定电网的越来越多的要求，电网运营商对由风力发电设备提供主调节功率后的最大功率陡降的要求也在增长。从现有技术已知提供主调节功率的各种方法，其中所要求的主调节功率来自转子的飞轮能量。

由WO 2011/124696已知一种用于风力发电设备的调节装置，该调节装置即使在风速不稳定时也提供充足的主调节功率。在此提供了附加调节装置，该附加调节装置具有用于期望的附加功率的输入端并且被设计成：由此在考虑转子惯性矩的情况下产生转速变化信号并作为输出信号而输出，该输出信号通过逻辑元件（Verknüpfungsglied）被添加给设定转速信号。

转速变化信号被理解为时间上的转速变化，所述转速变化是从风力转子的飞轮质量来提取能量的结果。所述能量对应于在考虑转速变化之前和之后的存储于飞轮质量中的动能之差。基于转速变化信号提供期望的附加功率。在此，不是调节由风力发电设备输出给电网的功率，而是控制从风力转子的飞轮质量中提取的能量。在附加功率馈入结束之后再次过渡至正常运行。但这不是突然进行、而是逐渐进行的，以避免风力发电设备的机电***的不稳定性。

本发明基于以下目的：在提供了所要求的附加功率之后减小风力发电设备的功率陡降。该目的通过独立权利要求的特征来实现。在从属权利要求中给出了有利的实施方式。

根据本发明，在转速调节装置与功率控制装置之间设有偏置模块，该偏置模块被设计成用于产生偏置信号并将其添加给设定转速信号。

本发明基于以下认识：由于设定转速信号具有偏置信号，从而可以避免在附加功率提供结束之后超出功率上限。经修正的设定转速信号实现了实际转速的较小陡降，并且由此实现了减小的功率陡降。本发明的风力发电设备由此允许在功率陡降保持不变的情况下提供更高的附加功率。

首先解释一些术语：

“所要求的附加功率”被理解为风力发电设备馈入以稳定电网的所期望的主功率。

“风力发电设备的正常状态”被理解为风力发电设备的、风力发电设备不提供所要求的附加功率的任何状态。

术语“设定转速信号”被理解为转速调节装置的输出变量，该输出变量作为参数被加载到功率控制装置（即，风力发电设备的转速控制装置）和/或发电机或者与发电机相连的变频器以调节发电机转速。在大多数情况下，这仅仅是设定转速信号，但这也可以是设定转矩信号。该转速调节装置同样可以与叶片角度调节器共同作用，从而设定风力转子叶片相对于迎面风的一定的迎角（倾斜角度）以便达到风力转子的转速。这样的信号也应被从功能上理解的术语“设定转速信号”所涵盖。

“功率控制装置”被理解为以下装置：该装置通过由发电机和变频器构成的机械能-电能转换器控制电功率输出。通常，该功率控制装置直接作用于变频器，但不应排除该功率控制装置也或替代地直接作用于发电机。

在本发明的一个优选实施方式中，该偏置模块被设计成根据状态值来生成偏置信号，该状态值尤其描述正常状态或附加功率产生状态。在附加功率产生状态下对设定转速施加正偏置可能起到反效果，因为这反作用于功率提供，但这在正常运行中可能有助于捕获降低的转速信号。该偏置可以因此有针对性地被应用在预期出现低于转速下限的场合中，即在附加功率产生状态之后。

在本发明的一个有利实施方式中，在该状态值从附加功率产生状态过渡至正常状态之后，该偏置信号升高。为了在提供了附加功率后避免转速进一步地、不希望地降低，给该转速设定信号添加优选连续升高的偏置值以实现转速的连续变化。可以通过这种方式避免在风力发电设备的机电***内的不稳定性。在附加功率产生期间转速降低，提升设定转速的升高的偏置值在此可能只妨碍附加功率的提供。

该偏置信号优选具有阶跃式升高。根据本发明，阶跃式升高或急剧升高实现了完全避免低于功率下限，无论在附加功率馈送结束之后是首先转速再次升高还是首先产生用于馈入电网的功率。根据本发明，设定转速的急剧升高实现实际转速的稳定曲线，进而实现较小的功率陡降。

该偏置模块优选包括存储的功率值，且偏置信号根据所存储的功率值而升高。本发明的这个实施方式实现了：偏置值大小可以与输出功率相对应地来选择。在生成偏置信号时考虑功率值允许通过该偏置信号精确地调节预定的功率值并因此也避免超出转速上限。

所存储的功率值有利地对应于在风力发电设备的正常运行中的当前功率值并且在该状态值每次从正常状态过渡至附加功率产生状态时被更新。所述升高因此总是根据风力发电设备的所存储的功率值进行，所存储的该功率值描述风力发电设备的正常运行，所存储的该功率值在附加功率被馈入电网中一定时间段后也应该再次被调节。该时间间隔一般只在几秒的范围内，因此值得期待的是：在附加功率产生之后再次产生风力发电设备的初始状态。

该偏置模块优选具有计时器，该计时器预先设定固定的时间间隔，偏置信号在该时间间隔的持续时间上升高，特别优选是稳定升高。偏置信号升高的时间上的限制有以下优点：即，没有引起显著地超出转速值上限并且该***保持在稳定状态下。

由计时器限定的时间间隔优选不超过5秒、优选2秒、更优选1秒的持续时间。已经证明：几秒钟的持续时间足以产生大到足以防止低于功率下限的偏置值。

在一个优选实施方式中，该偏置信号在计时器停止后降低。这允许实际转速连续且不超出地接近该设定转速。通过这种方式，保证了风力发电设备柔和地过渡至正常运行。

可以有利地提出：该偏置信号降低至以下数值，该数值对应于所存储的功率值与一个因数的乘积。偏置值减小至与初始功率值对应地定标的数值，这允许风力发电设备的偏置模块尽管环境条件可变但仍实现功率陡降保持不变地减小。

根据本发明的一个有利实施方式，该偏置模块包括斜率限制器，该斜率限制器限定偏置信号的升高和/或降低。风力发电设备经受大的机械力。因此，偏置信号变化速度的限制对于将作用于设备的力保持在可掌控的范围内而言是重要的。为此目的，偏置值和由此转速设定信号的变化得到限制。所述限制可以针对升高和/或降低被独立地适配。

本发明还包括一种对应的用于运行风力发电设备的方法，该风力发电设备包括：风力转子、由该风力转子驱动且与变频器共同作用以产生电功率的发电机、转速调节装置和与该转速调节装置共同作用的功率控制装置，该方法具有以下步骤：通过该转速调节装置输出设定转速信号；生成偏置信号；将该偏置信号添加给该设定转速信号；并且输出经修正的设定转速信号至该功率控制装置。

该方法优选可以在使用本发明的风力发电设备的情况下被实施。为了进一步说明，参照之前的说明。

本发明的方法可以通过与本发明的风力发电设备相关联的特征继续进行。本发明的风力发电设备可以通过与本发明的方法相关联的特征继续进行。

以下参照附图并结合有利实施方式示例性地说明本发明。在附图中：

图1：示出根据本发明的一个实施例的风力发电设备的概览图；

图2：示出本发明的偏置模块的框图；

图3：示出本发明的用于运行风力发电设备的方法的示意图；

图4：示出转速曲线图，包括了现有技术（a）、本发明风力发电设备（b）和本发明偏置信号；

图5：示出对应于图4b的本发明风力发电设备的功率曲线（a）和转矩曲线（b）。

图1示出了根据本发明的一个实施例的风力发电设备。该风力发电设备包括塔10，在塔顶端按照在方位角方向上可枢转的方式安排有机舱11。具有在其调节角度方面可调节的多个转子叶片13的风力转子12可转动地安装在机舱11的一个端侧。风力转子12通过转子轴驱动发电机14。发电机连同与之相连的变频器15产生电能。线路17经由未示出的变压器被连接至风力发电园内部的集电网9。该线路也可以经由变压器被直接连接至中压电网或高压电网99。

风力发电设备还包括安排在机舱11处的运行控制装置2，该运行控制装置经由（未示出的）通信装置与风力发电园的发电园主控设备8连接。运行控制装置2尤其包括用于风力转子12的转速调节装置21。由风力发电设备1产生且经线路17输出的电功率通过功率测量装置18来获取并被加载至运行控制装置2。

发电园主控设备8形成用于风力发电园的风力发电设备1、1'的上级主控，该发电园主控设备经由未示出的通信装置与这些风力发电设备相连。风力发电设备1'可以是与风力发电设备1同类型的，但这不是必然的前提条件。由各种风力发电设备产生的电功率经由风力发电园内部的集电网9被引导至连接点，风力发电园在该连接点处经由未示出的变压器被连接至用于电能传输的电网。

转速调节器21是运行控制装置2的以下单元：该单元确定风力转子12的转速设定值且与功率调节器25、尤其变频器调节器共同作用，从而设定这样的电气转矩以达到风力转子12的对应转速。转速调节器25同样可以与叶片角度调节器23共同作用，从而设定风力转子叶片相对于迎面风的一定迎角（倾斜角度），以达到风力转子12的转速。

图2示出了偏置模块100的本发明的实施方式。在此实施方式中，提供了存储的功率值101、状态值102以及激活值103作为偏置模块100的输入值。所存储的功率值101是描述风力发电设备状态的当前功率值。只要状态值102指示“正常运行”就可以持续读取和更新所存储的功率值，或者可以在从正常状态过渡至附加功率产生状态时读取所存储的功率值。在任何情况下，所存储的功率值代表在提供所要求的附加功率之前的风力发电设备功率值。

状态值102显示风力发电设备的当前状态，在此例如用0表示正常状态，用1表示附加功率产生状态。在转变为附加功率产生状态时也将激活值103设为1。因此，一旦激活值103处于1且状态值102处于0，则计时器105启动。只要计时器105未停止，则在加法元件107上只在上输入端出现不为0的值，即，K1乘以所存储的功率值101。因此，这个值现在处于斜率限制器106的输入端。如果这个值与之前在那里出现的值之差被证明大于斜率限制器106所允许的最大差，则这个值被限制到最大差。这一直进行，直到在斜率限制器106的输出端存在状态值101乘以K1的值，或者计时器105停止。斜率限制器106的输出值作为n_偏置在偏置模块100的输出端被输出。结果是，信号n_偏置在此时间段上升高或是恒定的。如果计时器105停止，则在加法元件107上，从状态值101与K1的乘积中减去状态值101与K2的乘积。这个结果也再次受到斜率限制器106的限制。因此缘故，在计时器105停止后，信号n_偏置降低。但偏置信号未降低到低于零值。根据本发明的偏置模块还具有在开关上的另一个控制输入端（图2中未示出），该另一个控制输入端在附加功率结束后在时间到期后“释放”该偏置值。

图3示意性示出了用于运行根据本发明的风力发电设备的方法。转速调节装置21输出设定转速信号n_设定。在加法元件上给该设定转速信号添加由偏置模块100生成的偏置信号n_偏置。所述结果、即经修正的设定转速信号n_设定，m作为设定值被转递至功率控制装置25。

对于对其而言存在辅助功率需求的风力发电设备来说，从现有技术中得到如图4a中所示的情况。在此情况下，风力发电设备在时刻t = 50秒提供所要求的附加功率10秒。这通过在此区域内的转速连续降低来实现。由于这种转速降低，风力转子12中的动能被减小，由此产生的功率作为附加功率被供应给发电机和变频器14、15并且作为主调节功率经由线路17被输出。在时刻t = 60秒，设备再次过渡到正常状态并且逐渐地再次产生在提供附加功率之前的运行状态。虽然设定转速值n_设定未降低到低于1200 rpm的值（虚线），但在图4a中的实际转速（实线）中可以看到明显地低于实际转速下限。

可行的是，实际转速和由此低于功率下限的问题由图4b中的经修正的设定转速n_设定，m来消除。在此，如图4c所示的偏置值n_偏置被添加至设定转速值n_设定。该偏置值表明：在时刻t = 60秒之后以及由此在由风力发电设备提供附加功率之后设定转速急剧升高。实际转速在此情况下不再降低到低于1200 rpm的转速。实际转速的陡降相比于图4a被减小。

图5中示出了功率曲线（a）和转矩曲线（b），它们对应于图4中所示的曲线。如图5a中可看到的，风力发电设备从时刻t = 50秒起提供附加功率10秒钟。图5b中所示的转矩在此时间段内增大。实线表示在使用如图4b和图4c中所示的、根据本发明的偏置值的情况下的参数情况。为了比较，绘制出根据现有技术的虚线。在提供附加功率之后的功率陡降可通过这种方式被显著减小。

Claims (11)

1.一种风力发电设备，该风力发现设备具有：风力转子（12）、由该风力转子驱动且与变频器（15）共同作用以产生电功率的发电机（14）、转速调节装置（21）和与该转速调节装置共同作用的功率控制装置（25），其中，该转速调节装置（21）输出设定转速信号（n_设定），其中，在该转速调节装置（21）与该功率控制装置（25）之间设有偏置模块（100），该偏置模块被配置成用于根据状态值（102）来生成偏置信号（n_偏置）并将其添加给该设定转速信号（n_设定），其特征在于，在该状态值（102）从附加功率产生状态过渡至正常状态之后，该偏置信号（n_偏置）升高。

2.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，该偏置信号（n_偏置）具有阶跃式升高。

3.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，该偏置模块（100）包括存储的功率值（101），且该偏置信号（n_偏置）根据所存储的功率值（101）而升高。

4.根据权利要求3所述的风力发电设备，其特征在于，所存储的功率值（101）对应于在该风力发电设备的正常运行中的当前功率值，并且在该状态值（102）每次从该正常状态过渡至该附加功率产生状态时被更新。

5.根据权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，该偏置模块（100）具有计时器（105），该计时器预先设定一个固定的时间间隔，该偏置信号（n_偏置）在该时间间隔持续时间上升高。

6.根据权利要求5所述的风力发电设备，其特征在于，由该计时器（105）限定的间隔时间不超过5秒的持续时间。

7.根据权利要求5或6之一所述的风力发电设备，其特征在于，该偏置信号（n_偏置）在该计时器（105）停止后降低。

8.根据权利要求7所述的风力发电设备，其特征在于，该偏置信号（n_偏置）降低至以下数值，该数值对应于所存储的功率值（101）与一个因数的乘积。

9.根据权利要求1或2所述的风力发电设备，其特征在于，该偏置模块（100）包括斜率限制器（106），该斜率限制器限制该偏置信号（n_偏置）的升高和/或降低。

10.一种用于运行风力发电设备的方法，该风力发电设备包括：风力转子（12）、由该风力转子驱动且与变频器（15）共同作用以产生电功率的发电机（14）、转速调节装置（21）和与该转速调节装置共同作用的功率控制装置（25），该方法具有以下步骤：

a. 通过该转速调节装置（21）输出设定转速信号（n_设定），

b. 根据状态值（102）生成偏置信号（n_偏置），其中，在该状态值（102）从附加功率产生状态过渡至正常状态之后，该偏置信号（n_偏置）升高，

c. 将该偏置信号（n_偏置）添加给该设定转速信号（n_设定），

d. 输出经修正的设定转速信号（n_设定，m）至该功率控制装置（25）。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使用根据权利要求1至9之一所述的风力发电设备。

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