CN101542117B - 控制连接到市电网的风力涡轮机集群的方法、设计包含连接到市电网的风力涡轮机集群的市电厂策略的方法、风力涡轮机集群 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制连接到市电网的风力涡轮机集群的方法。该方法包含以下步骤：确定市电网的频率；检测市电网中的频率偏差，在高于标称频率值的不同预定频率值下，断开风力涡轮机。本发明还涉及计划包含连接到市电网的风力涡轮机集群的市电网的策略的方法以及风力涡轮机集群。

Description

控制连接到市电网的风力涡轮机集群的方法、设计包含连接到市电网的风力涡轮机集群的市电厂策略的方法、风力涡轮机集群

技术领域

本发明涉及控制连接到市电网的风力涡轮机集群(cluster)的方法、设计包含连接到市电网的风力涡轮机集群的市电厂的策略的方法以及风力涡轮机集群。

背景技术

标准的市电网包含多个发电机和电力用户。当所产生与所消耗的电力处于平衡时，市电网保持稳定的频率值。

如果所消耗电力突然下降并产生所产生与所消耗电力之间的不平衡，市电网的频率可能上升。不幸的是，当频率上升时，可能导致连接于其上的任何电气设备的故障或甚至是损坏。

欧洲专利申请EP 1 467 463 A公开了一种运行风电场的方法，其中，供到电网的有功功率依赖于电网频率受到控制。

欧洲专利EP 1 282 774 B公开了一种在电力下降期间运行风力涡轮机的方法，其中，传送到电网的电力依赖于电网的网络频率受到调整或调节。

上面提到的现有技术的缺点在于，在电力严重下降时，涡轮机上的磨损可能高到危重的程度，导致涡轮机的早期损坏。

本发明的目的在于提供一种没有上面提到的缺点的技术，特别地，目的在于提供可与任何类型的风力涡轮机结合使用的技术。

发明内容

本发明涉及一种控制连接到市电网的风力涡轮机集群的方法，所述方法包含以下步骤：

确定市电网的频率；

检测市电网中的频率偏差，以及

在高于标称频率值的不同预定频率值下，断开所述风力涡轮机。

“集群”意味着分布在一区域、范围中的一个或一个以上的风电场中的一个以上的风力涡轮机。

由此，实现了用于在市电网频率变化期间控制风力涡轮机集群的优越方法，以便使得频率偏差稳定和最小化。另外，确保了所述风力涡轮机集群在所述频率偏差的情况下支撑市电网。

在本发明一实施例中，所述确定市电网的频率在所述风力涡轮机集群的各个个体风力涡轮机中进行，或者通过与风力涡轮机连接的中央控制装置集中地确定。

通过在各个个体风力涡轮机中确定市电网的频率，在不必连接到用于确定频率的中央装置的情况下，确保了所述频率被提供给风力涡轮机集群的各个个体风力涡轮机的控制装置。由此，进一步确保了控制装置能将所述确定的频率值与例如所存储的频率值进行比较，并在风力涡轮机由于检测到的高于标称频率值的频率偏差值而必须从市电网断开时进行控制。

通过由与风力涡轮机连接的中央控制装置集中地确定市电网的频率，确保了同样的所确定的频率值被分配给所述风力涡轮机集群中的各个个体风力涡轮机。由此，确保了风力涡轮机的准确控制。

在本发明另一实施例中，风力涡轮机的所述断开由各个风力涡轮机中的本地控制装置本地地进行控制，或者，由与风力涡轮机连接的中央控制装置集中地进行控制。

通过本地地控制风力涡轮机的断开，确保了个体风力涡轮机独立于与风力涡轮机连接的中央控制结构的状态而受到控制。进一步地，确保了在风力涡轮机的所述断开的控制上，中央控制结构不使用额外的计算容量，而是能使用用于其它控制目的的所述容量。

通过借助与风力涡轮机相连的中央控制装置集中地控制风力涡轮机的断开，确保了能够容易地相应改变对于所述风力涡轮机集群的断开的策略。

在本发明另一实施例中，风力涡轮机相继断开。由此，确保了遵照电网规程，且风力涡轮机集群响应于市电网频率的上升。

在本发明另一实施例中，所述中央控制装置随机选择要断开的风力涡轮机。由此，确保了对于市电网频率上升的多种事件，不会断开同样风力涡轮机序列。通过这样做，确保了由于断开而造成的在个体风力涡轮机上的磨损在风力涡轮机集群中的风力涡轮机之间均匀分布。

在本发明另一实施例中，所述中央控制装置基于生产参数——例如关于前面的序列的数据、前一以及预定时间段内由风力涡轮机产生的电力、风力涡轮机的磨损值等——来断开风力涡轮机。由此，确保了能够将必要的参数——例如风力涡轮机磨损参数——考虑在内获得风力涡轮机集群中最优的风力涡轮机断开。

在本发明另一实施例中，所述不同的预定频率值f_trip，1……f_trip，x低于市电网的预定频率上限f_highlim。由此，确保了能够随着频率上升获得来自风力涡轮机集群的对市电网的最大功率支撑。

在本发明另一实施例中，所述风力涡轮机以与市电网中的所述频率偏差的预定关系相继断开，例如以基本为线性的关系。由此，确保了相继断开风力涡轮机与市电网频率偏差之间的关系符合预定的电网规程，并能实现市电网的最优功率支撑。

在本发明另一实施例中，以非线性关系，例如对数关系、二次关系或任何其它的非线性关系，所述风力涡轮机以与市电网所述频率偏差的预定关系断开。由此，确保了风力涡轮机被断开的关系符合电网的要求和/或例如电网运行者的要求。

在本发明另一实施例中，各个风力涡轮机包含唯一的预定频率值，其定义该风力涡轮机何时必须从市电网断开。由此，确保了风力涡轮机在市电网频率等于或高于所述预定频率值时断开。

在本发明另一实施例中，两个或两个以上的风力涡轮机包含定义风力涡轮机何时必须从市电网断开的同样的唯一预定频率值。由此，确保了更多的风力涡轮机由于市电网频率上升而同时断开，由此，在同样的预定频率断开更大量的电力。

本发明还涉及通过以下步骤计划包含连接到市电网的风力涡轮机集群的市电网的策略的方法：

通过使用

$\mathrm{\ΔP}=k\·P_m\frac{f_{\lim }-f_{\mathrm{act}}}{f_{\mathrm{ref}}}$

P_m＝n_turbine·P_turbine

$z=\frac{\text{\ΔP}}{P_{\mathrm{turbine}}}$

$f_{\mathrm{trip},x}=f_{\lim }+\frac{(f_{\mathrm{highlim}}-f_{\lim })}{z}(x-1)$

来定义风力涡轮机x必须从市电网断开的频率f_trip，x。由此，确保了频率f_trip，x基于实际风力涡轮机集群参数以及市电网频率偏差的演进(progression)来限定。

本发明还涉及风力涡轮机集群，其包含：

连接到市电网的至少两个风力涡轮机，所述风力涡轮机各自包含：

用于在市电网频率达到预定频率值时断开该风力涡轮机的装置，其中，所述至少两个风力涡轮机包含不同的所述预定频率值。

由此，确保了所述风力涡轮机集群能在电网频率偏差期间支撑市电网。

在本发明另一实施例中，各个个体风力涡轮机包含用于测量市电网频率的装置，或者，各个个体风力涡轮机连接到测量市电网频率的中央控制装置。由此，确保了能够依赖于个体风力涡轮机和/或风力涡轮机集群的控制结构获得市电网频率的最优测量。

在本发明另一实施例中，各个所述风力涡轮机包含用于存储高于市电网标称频率值的预定频率值的装置。由此，确保了即使风力涡轮机未连接到中央控制器，风力涡轮机能在高于标称的频率偏差的情况下从市电网断开。

在本发明另一实施例中，各个个体风力涡轮机包含用于将风力涡轮机从市电网断开的装置，或者，各个个体风力涡轮机通过中央控制装置断开。由此，确保了各个个体风力涡轮机被断开，以便以最优的方式支撑市电网。

在本发明又一实施例中，两个或两个以上的风力涡轮机包含用于在高于市电网标称值的同一预定频率值断开风力涡轮机的装置。由此，确保了例如在包含大量风力涡轮机的集群中，一个以上的风力涡轮机能在同一频率断开，其结果是随着市电网频率上升，在同样的预定频率断开更大量的电力。

附图说明

下面将参照附图介绍本发明，在附图中：

图1示出了大型现代风力涡轮机，其在风力涡轮机转子中包含三个风力涡轮机叶片；

图2原理性地示出了现有技术中已知的连接到市电网的风电场的一个集群的电气互联；

图3示出了对于本发明一实施例的功率vs频率曲线；

图4原理性地示出了对于本发明一实施例的控制图；

图5原理性地示出了对于本发明另一实施例的控制图。

具体实施方式

图1示出了现代风力涡轮机1，其具有塔架2以及位于塔架顶部的风力涡轮机机舱3。

风力涡轮机转子包含至少一个叶片、例如图示的三个风力涡轮机叶片5，其通过变桨距机构6被连接到轮毂4。各个变桨距机构包含叶片轴承以及变桨距致动装置，该装置允许叶片变桨距。变桨距过程受到变桨距控制器的控制。

电网规程要求连接到市电网7的风力涡轮机1在市电网频率上升事件期间对频率控制产生贡献。具体而言，当频率超过由电网运营者定义的预定水平时，需要风力涡轮机1减少发电。

根据本发明，发电的所述减少通过与市电网7的频率有关地断开风力涡轮机集群中的个体具体风力涡轮机1、10a、10b、......10x、12来进行。

在本发明一实施例中规定，在突然电力下降事件的情况下，当电网频率超过预定值f_lim时，风力涡轮机集群必须通过由公式1定义的电力减少对市电网7频率的稳定化做出贡献，电力减少被定义为例如所供给电力的线性减少：

$\mathrm{\ΔP}=k\·P_m\frac{f_{\lim }-f_{\mathrm{act}}}{f_{\mathrm{ref}}}---\left[1\right]$

其中，ΔP为所需要的发电减少

k为定义减少斜率的常数

P_m为正常运行中的可获得电力

f_lim为预定的频率下限

f_highlim为公式有效的频率上限

f_act为电网内的实际频率

f_ref为电网的基准频率，例如50或60Hz。

公式1对于从f_lim到f_highlim的范围内的f_act有效。如果f_act上升到高于或等于f_highlim的值，所述风力涡轮机集群中的所有的风力涡轮机1、10a、10b、......10x、12必须从市电网7断开。

另外，对于本发明此实施例，P_m计算为：

P_m＝n_turbine·P_turbine  [2]

其中，n_turbine为受控的风力涡轮机集群中的风力涡轮机1、10a、10b、......10x、12的数量，以及

P_turbine为一个个体风力涡轮机的发电。

对于本发明其他的实施例，P_m可通过其他参数定义，例如额定功率、对于正常运行有效的外部电力基准等等，和/或，P_turbine可通过其他的参数定义，例如额定风力涡轮机功率、对于正常运行有效的外部风力涡轮机电力基准设置点等等。

根据本发明，发电中的所述减小通过与所述市电网频率的上升有关地相继断开个体具体风力涡轮机1、10a、10b、......10x、12来进行。

为了满足所要求的发电减少而需要断开的风力涡轮机1、10a、10b、......10x、12的数量能由公式3计算：

$z=\frac{\mathrm{\ΔP}}{P_{\mathrm{turbine}}}---\left[3\right]$

其中，z为表示需要断开的风力涡轮机1、10a、10b、......10x、12的数量的整数。

在本发明一优选实施例中，由于电力的所述减小，风力涡轮机1、10a、10b、......10x、12将随着市电网频率上升以线性的方式相继从市电网7断开。对于此实施例个体涡轮机1、10a、10b、......10x、12必须断开的实际频率由公式4计算：

$f_{\mathrm{trip},x}=f_{\lim }+\frac{(f_{\mathrm{highlim}}-f_{\lim })}{z}(x-1)---\left[4\right]$

其中，x为从1到z的间隔内的整数，表示断开序列中的个体风力涡轮机号码。

f_trip，x为涡轮机x必须断开的实际频率。

对于本发明其他实施例，由于所消耗电力的所述减小，风力涡轮机1、10a、10b、......10x、12将随着市电网频率上升以非线性方式相继从市电网7断开。

图2原理性地示出了根据本发明一实施例连接到分布式市电网7的风力涡轮机1、10a、10b、......10x、12的集群。

如果市电网7经历超过由例如电网运营者定义的所述预定频率f_lim的频率上升，多个风力涡轮机1、10a、10b、......10x、12必须根据本发明并按照公式1到4断开。

根据本发明一实施例，风力涡轮机集群中的各个个体风力涡轮机12a、12b、......12x被预设为以根据公式4的不同的频率值从市电网7断开，即，所述个体涡轮机包含用于存储预定频率值f_trip，x的装置以及用于在市电网频率f_act达到所述预定频率值时断开风力涡轮机的装置。此实施例不需要任何外部断开控制，而是需要各个风力涡轮机12a、12b、......12x通过分散的检测实质上连续获取实际电网频率(f_act)的信息。

分散的检测意味着实质上各个风力涡轮机12a、12b、......12x包含用于单独检测实际电网频率(f_act)的装置。

通过对于各个个体风力涡轮机(x)实质上连续比较所获取的关于电网频率(f_act)的信息与所存储的预定频率值(f_trip，x)，所述个体风力涡轮机12a、12b、......12x中的控制装置能检测风力涡轮机何时以及是否必须从市电网断开以及重新连接到市电网。

根据本发明另一实施例，各个风力涡轮机1、10a、10b、......10x通过集中检测来实质上连续获取实际电网频率(f_act)的信息。

集中检测意味着频率检测装置9，其经由数据通信网络8将检测到的实际电网频率(f_act)的同样的值分配给一个或一个以上的风力涡轮机1、10a、10b、......10x。

对于本发明另一实施例，存在中央控制装置9。中央控制装置9意味着这样的装置：出于对所述风力涡轮机中的一个或一个以上的控制参数进行控制的目的，其经由数据通信网络8连接到两个或两个以上的风力涡轮机1、10a、10b、......10x。

对于本发明，所述控制参数可以为发送到个体风力涡轮机1、10a、10b、......10x的“断开”指令，其结果是将该涡轮机从市电网7断开。

在一优选实施例中，中央控制装置9连接到多个风力涡轮机1、10a、10b、......10x——优选为风力涡轮机集群中的所有风力涡轮机——并对之进行控制。中央控制装置9实质上连续获得关于市电网频率的信息。此信息用于选择从市电网7断开的风力涡轮机1、10a、10b、......10x。

在本发明一实施例中，风力涡轮机1、10a、10b、......10x从市电网7断开的顺序由所述中央控制装置9以固定的结构定义。由此，意味着，风力涡轮机1、10a、10b、......10x对于市电网频率上升的各个事件以同样的序列断开。

在本发明另一实施例中，风力涡轮机1、10a、10b、......10x从市电网7断开的顺序由所述中央控制装置9随机地或以预定的变化顺序定义。由此意味着当市电网频率上升时风力涡轮机1、10a、10b、......10x以随机选择的序列断开。

在本发明另一实施例中，风力涡轮机1、10a、10b、......10x从市电网7断开的顺序由所述中央控制装置9以变化的选定序列定义。由此意味着，风力涡轮机1、10a、10b、......10x以由所述中央控制装置9定义的序列断开，且在市电网频率上升时所述序列从一个事件到下一个事件改变。所述改变的序列的控制能基于例如关于前面的序列的数据、前一以及预定时间段内风力涡轮机1、10a、10b、......10x产生的电力、风力涡轮机1、10a、10b、......10x的负载和/或磨损值等参数。

图3a对于本发明一实施例示出了一实例，该实例示出了由于电网频率上升到51.5Hz来自风力涡轮机集群的响应，该集群包含100个风力涡轮机。对于此实例，定义了：一直到f_highlim的频率，如果电网频率上升超过特定频率(f_lim)，要求所产生电力根据公式1到4减小。

对于所示出的实例，使用下面的参数：

k＝20(即对于50Hz电网，每Hz 40％的降低)

f_act＝50.0Hz到51.5Hz

f_lim＝50.2Hz

f_highlim＝51.5Hz

f_ref＝50Hz.

n_turbine＝100

P_turbine＝2MW

ΔP＝104MW(根据公式1)

P_m＝200MW(根据公式2)

z＝52(根据公式3)

由图3a可见，随着电网频率上升超过f_lim(50.2Hz)，风力涡轮机1、10a、10b、......10x相继断开。各个个体风力涡轮机1、10a、10b、......10x断开的频率由公式4定义。对于此实例，风力涡轮机1、10a、10b、......10x对于0.025Hz的各个频率上升步进相继断开。

图3b对于本发明另一实施例示出了一实例，该实例示出了来自包含48个风力涡轮机1、10a、10b、......10x的风力涡轮机集群的响应，即n_turbine＝48。使用与图3a相同的控制参数。对于此实例，随着频率上升0.052Hz，风力涡轮机1、10a、10b、......10x相继断开。

图4原理性地示出了对于本发明一实施例的控制图，其中，市电网频率检测在各个个体风力涡轮机12a、12b、......12x中进行。

如果检测到的频率f_act高于或等于其存储的预定频率值f_trip，x——其高于市电网的标称频率值，风力涡轮机12a、12b、......12x中的控制装置将之从市电网7断开。

图5原理性地示出了对于本发明另一实施例的控制图，其中，市电网频率检测集中地通过检测装置9进行，且风力涡轮机1、10a、10b、......10x的断开通过与风力涡轮机1、10a、10b、......10x连接的控制装置9集中地受到控制。

在本发明多个实施例中，特别是关于但不限于包含大量风力涡轮机的集群，一个以上的风力涡轮机能在同样的频率断开。

列表

1.风力涡轮机

2.塔架

3.机舱

4.轮毂

5.转子叶片

6.变桨距机构

7.市电网

8.数据通信网络

9.频率和/或控制装置

10a、b......x.具有集中检测和/或控制的风力涡轮机集群中的风力涡轮机

11.风电场

12a、b......x.不具有集中检测和/或控制的风力涡轮机集群中的风力涡轮机

Claims (20)

1.一种控制连接到市电网的风力涡轮机集群中的个体风力涡轮机的方法，所述方法包含以下步骤：

确定市电网的频率；

检测市电网中的频率偏差，以及

以与所述频率偏差的预定关系在高于标称频率值的不同预定频率值下相继断开一个或一个以上的所述个体风力涡轮机。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述确定市电网的频率在所述风力涡轮机集群的各个个体风力涡轮机中进行，或者通过与风力涡轮机连接的中央控制装置集中地确定。

3.根据权利要求2的方法，其中，风力涡轮机的所述断开由各个风力涡轮机中的本地控制装置本地地进行控制，或者，由与风力涡轮机连接的中央控制装置集中地进行控制。

4.根据权利要1的方法，其中，风力涡轮机的所述断开由各个风力涡轮机中的本地控制装置本地地进行控制，或者，由与风力涡轮机连接的中央控制装置集中地进行控制

5.根据权利要求3或4的方法，其中，所述中央控制装置随机选择要断开的风力涡轮机。

6.根据权利要求3或4的方法，其中，所述中央控制装置基于生产参数来断开风力涡轮机。

7.根据权利要求6的方法，所述生产参数包括下列中的一个或多个：关于前面的序列的数据、前面以及预定的时间段内风力涡轮机产生的电力、风力涡轮机的磨损值。

8.根据权利要求1-4中任意一项的方法，其中，所述不同的预定频率值f_trip，1……f_trip，x低于市电网的预定频率上限f_highlim。

9.根据权利要求1-4中任意一项的方法，其中，所述风力涡轮机以与市电网中的所述频率偏差的预定关系相继断开。

10.根据权利要求9的方法，其中所述预定关系实质上为线性的关系。

11.根据权利要求1-4中任意一项的方法，其中，以非线性关系，所述风力涡轮机以与市电网的所述频率偏差的预定关系断开。

12.根据权利要求11的方法，其中所述非线性关系是对数关系、二次关系或任何其它的非线性关系。

13.根据权利要求1-4中任意一项的方法，其中，各个风力涡轮机包含唯一的预定频率值，该值定义风力涡轮机何时必须从市电网断开。

14.根据权利要求1-4中任意一项的方法，其中，两个或两个以上的风力涡轮机包含定义风力涡轮机何时必须从市电网断开的同样的唯一预定频率值。

15.一种控制连接到市电网的风力涡轮机集群中的个体风力涡轮机的装置，所述装置包含：

-确定装置，其用于确定市电网的频率，

-检测装置，其用于检测市电网中的频率偏差，以及

-断开装置，其用于以与所述频率偏差的预定关系在高于标称频率值的不同预定频率值下相继断开一个或一个以上的所述个体风力涡轮机。

16.根据权利要求15的装置，其中，所述确定装置被包含在各个个体风力涡轮机中并用于测量市电网频率，或为连接到各个个体风力涡轮机并测量市电网频率的中央控制装置。

17.根据权利要求16的装置，其中，各个所述风力涡轮机包含用于存储高于市电网标称频率值的预定频率值的装置。

18.根据权利要求15的装置，其中，各个所述风力涡轮机包含用于存储高于市电网标称频率值的预定频率值的装置。

19.根据权利要求15-18中任意一项的装置，其中，所述断开装置被包含在各个个体风力涡轮机中并用于将风力涡轮机从市电网断开，或为用于断开各个个体风力涡轮机的中央控制装置。

20.根据权利要求15-18中任意一项的装置，其中，两个或两个以上的风力涡轮机包含用于在高于市电网标称值的同一预定频率值断开风力涡轮机的装置。

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