专利名称：具有多个风能设备的风电场和该风电场的运行方法
具有多个风能设备的风电场和该风电场的运行方法
脉领域
本发明涉及具有多个风能设备(wind energy plant)的风电场(wind park), 每个风能设备都同时具有一个能响应于所4^JU的电变量的期望值控制和/或调 节风能设备的控制单元，以便提供对应于该期望值的实际值。而且，本发明涉 ^L一种i^ftil种风电场的方法。
背景技术：
通过预置一个期望絲限制风电场艇的电力是^^p的。这种情况会^A 在，例如当由于某些原因使得可利用的电力不能供给到电网中时。风电场的这 种节流运行使得有必要对在风电场中的至少一些风能设^t提供一种节流运 行，或者切断它们。
发明内容
基于此目的，本发明提^"种风电场的运行方法以及J1^^风电场本身， 其中风电场可由简单的装置控制，以便于在短时间内稳定地为风电场提供预置 的期望值。
才娥本发明，通itiMl权矛J^求1的特征的方法和权利要求14的特征的风 电场实 匕目的。
才緣本发明的方法涉及具有多个风能设备的风电场的运行。每个风能设备 具有一个控制单元，该控制单元可以响应于所接收到的电变量的期望#拴制 和/或调节风能设备，以便提供该期望值。而且，提^"种高滩制器(higher order control),该控制器计算和/或接收电变量的当前允许最大值。该高旨制 器还被指^风电场控制器和/或风电场管理器。例如，该高鄉制器本身可计 算电变量的最大允it^，作为对电网连接点本身的电测量的结果。该电变量的 最大允it^还可在高级控制器中M为不变值或者作为时程方案(time course plaii)。可选"^M者作为支持，该高级控制器还接收电变量的最大允i^Hl。该
高，制器为每个风能设备确定电变量的期望值并且将该值l^l^风能设备的 控制器。4娥本发明，该高滩制器4^l风能设备可以产生的当前最大和/或当 前最小可用值确定每个风能设絲望值。因此，^^$^风能设备当财以提 供的值，可以对风电场整^^供的变量进行分配。该当前最大或者最小可用值
可分別涉^Ufe—个时间点或者在某个时段期间的最大或者最小可用值。bit程 的有利4i^于在风能设备内部^f亍期望值的分配，其不W^于风电场中的 风能设备的数量，而ili^棒l^^虑剖了风电场中风能设备的实际棒性。
在本发明的方法的伏选扩展中，该高级控制器#^风电场中所有风能设备 的当前最大和/或最小可用值以瓦&电场的电变量的预置允^it确定每个风能设 备的期望值。本方法的特别有利^t在于在期望值的分配中不仅考虑了各^H殳 备的当前最大可用值，而JL^期望值的分配中M虑了风电场的所有风能设备 的当前最大可用值。
在特别怖迄的实施例中，风能设备的期望值由高，制器确定为用风电 场的最大可用值，除以风电场中的风能设备的数量，再用M风能设备的当前 最大可用值与所有风能设备的当前最大可用值的算术平均值的商进^H51。因 此，AU4iE辑的观泉看，该期望值的分配分为两个步骤。在第一步骤中，变量 被关联于风能设备，作为导致到所有风能设备的均匀射己的期望值。在第二步 骤中，如jH^角定的为风能设备预置的期望值^H又。在此过程中，所i^N501 将当前值，即风能设备的最大可用值，除以所有风能设备的当前最大可用值的 算术平均佳^^t行的。采用另外的形式表示，这表示风能设备i(i-l…N)的期 望值k〃结果是<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Bs^vva是风电场的预置的期望值除以风能设备的数量N而获得的变量。 B'隨表示风能设备i的当前最大可用值，并且S瞎狄能设备的电变量的当前 最大可用值的算术平均值。例如，该算术平均值计算为<formula>formula see original document page 6</formula>
M口权值S'舰/S隨可以直接清楚的^^，相比于只育^C^f氐于平均值的风 能设备而言，^^供高于平均值的风能设备f娥收预置的较高的期望值。
该方法的特f^Jt^于，当将某个风能设备的最大可用值指^;零时，不 需要4^别的措拖，就可以将该方法应用于切断风能设备。该方法的特5iM^:还 在于，当所有风能设备的当前最大可用值小于或者等于风电场的当前最;Ut许 值时，计算每个风能设备的期望值。因此，甚至当风电场没有利用风电场的当 前最大可用值时，^L4絲过期望值的指定而进行的分配。甚踪此情况下， 例如m不断增加时，通过预置Vh风能设备的期望值，不需凍*过多的控制或 者调节千预，就能保iiX电场能够iSti^限制到风电场的最;UL许期望值。
在M实施例中，当所有风能设备的当前最大可用值大于或者等于风电场 的最大允i，值时，还计算每个风能设备的期望值。itA当M风能设备的电变 量存在限制的情况，目的A^了不超錄;Ub^Hi。
在本发明的方法的M实施例中，当一个风能设备的期望^E过一个P艮制 值时，该期望值被限制为此限制值。仅姊为风电场预置的期望值大于补风
能设备育y^供的数值总和的情况下，会n大于最大可用值100%的期望值被 指定给单个风能设备的情况。在这种情况下，预置到风能设备的控制器的期望
值被限制为一个限制值。M地，在此情况下，未指定给jtbK能设备的部分能
够##@￡^剩余的风能设备。对于期望值的分配，本发明的方法肖W皮再次^^1,
其中在之后的分配中不考虑，望值已经被设置为该限制值的风能设备。 ##本发明，为每个风能设^"^^"个特征曲线，其中4娥一个或多个外
部变量M^指^K能设备的最大可用值。该夕h^变量与例如^sU4和/或风力方向 相关。然后，对于一个预定的风速，该特征曲g示^tm下风能设备最大 可以提供的数值。基于才緣特征曲线确定的最大可用值，然后对期望值进行指 定。
在本发明的方法中，在风电场中分配的电变量可以M能设备的有功功率 和/或有功电流。可选择的是，还可以采用无功功率和/或无功电流和/或^JC功率 和/或表观电流和/或相位角和/或功率因数作为电变量。
在一^i^实施例中，为一些或者所有风能设备预置统一的最小可用值作 为最小期望值，或者为一些或者所有风能设*别预置单独的最小可用值作为 最小期望值。当高,制器确定的期望值小于该最小可用值时，该最小期望值 总A^作对应的风能设备的期望值。这确保了没有过小的期望值被指定给风能 设备，例如，将过小的期望值指定给风能设备可能会导致该风能设备中的磨损
增大。Jl^卜，假设当用于至少一个风能设备的期望值被限制为最小可用值时， 至少一个其它的风能设备的期望值被斷氐。有意地，只要最小期望值净紐用到
至少一个风能i更备，该斷氐的期望值^^皮保留。
本发明的目的g过具有^5U'J要求16的特征的风电场解决。 本发明的风电场具有多个风能设备，每个风能设备同时具有一个控制单元， 以便于响应于接收到的电变量的期望值控制和/或调节风能设备，从而获得该期 望值。在风电场中，4d个高M^制器，其能够^^允许风电场产生的电变 量的最U许值。该^^4^在高级控制器中的最大允i^Ht能够由高级控制器
计算或者接收。而且，电变量的最^w械能够在高縱制器中^j:为一个不
变值或者时程方案。jH^卜，该高级控制器可以确定每个风能设备的电变量的期
望值，并且可以将所确定的期望值^rit^风能设备的控制器。该高旨制器能 够确定每个风能设备的期望值，该期望值M于风电场中的风能设备的当前最 大可用值。具有本发明的高,制器的风电场能够在没有^g的情况下并 且在短时间内对风电场的预置的期望值作出反应。
在风电场的优选扩展中，4娥在风电场中的所有风能设备的最大可用值以 及电变量的预置允许值，该高 制器能够确定每个风能设备的期望值。
特别^i^,该高级控制器可以将风能设备的期望值确定为用风电场的 当前最大可用值，除以风能设备的数量，再用对应的风能设备的当前最大可用 值与所有风能设备的当前最大可用值的算术平均值的商进O权。在风电,
置的期望值高于风电场产生的电变量的实际值，以;5Ut风电场产生的变量没有 达到风电场的期望值的情况下，采用此方式实现的高级拴制器确保了对每个风 負&殳备指定单独的期望值，M虑到了该风能设备为实m电场的期望值而作 出的贡献。在一W逸的实施例中，在高级控制器并iiy或者在风能设备的控制 器中同时提^-H^^征曲线，其中4Mt—个或多个夕Mp变量M^:指线能设备
的最大可用值。通过利用夕h^变量的MX值，例如;ru4和/或风力方向，这种特
征曲线提供确定指;tx能设备的最大可用值的可能性。
M地，将有功功争ft为电变量，在风电场中可以预置该电变量的期望值。 可选择地，还可以将^jc功率、无功功率和/或无功电流和/或相位角和/或功率角 作为电变量。
在风电场的优^i^扩展中，可以将最小期望值指定给^Ml能设备或者所有 的风能设备。最小期望值具有例^^风能设备的磨损增大的功能。该最小期 望值由高^制器监测，并且一个小于该最小期望值的附带期望值被设置为最 小期望值。^匕情况下，舰的是，只要预置了一个最小期望值，则另一个风 能设备的期望值也可以^J^f氐。
下面，利用两个卡，J子^^详细地3兌明;^发明。 图i示出了在^的功率斷氐情况下三个风能设备的功率分布， 图2示出了功率分布的中间结果，其中风能设备的当前期望值高于风能设 备的限制值，和
图3示出了具有it;l功率斷氐的风电场的功率分布，其中一个风能设备被 限制为一个限制值。
M实施方式
对于一个实际的例子，假im电场具有三个风能设备WTl、 WT2和WT3， 其通过电力电缆将产生的有功功^^'J输电网。^EJL常的情况下，这种风电 场在没有功率限制的情况下运行。然而，会发生不AK能设备的4^P可用有功 功率都^L^许^到输电网的情况，从而使得风电场必须以节流方iC^行。假 i殳一个风电场控制器被提供用于此目的。
该风电场控制器能够4^见为一个控制单元。该风电场控制器的功能也可以 通过多个分布的控制器的协作来实现。
在风能设备的功率必须被斷氐的情况下，风电场控制ll^收一个变量，其 表示当前允^#给到输电网中的功率。为了简化，假设功率f^f氐的信号表示为 百分比，然后通过将该百分比应用到额定功率上得出功率值。当风能设备的额 定功率为6.28 MW时，功率降低到80。/。意味着风电场最大允许供给 6.28x0.8MW=5,02。
除了上述的#-~个期望<1^卜部预置到风电场的情况"卜，还可肯汰生一 种情况，在输电网中由于偏离惯常量值，风电场独立地产生一个期望值，或者 一个预定的期望值被iM在风电场控制器中。
而且，为每个风能设备提^#征曲线，^#风能设备能产生的功率表示为
K^4的函数。这也意味着风能设备的最大可用功率总是可以针对实际测量的风 速计算出。下面，此功率表示为尸二 (i=l，2^)。
该短if最大值"不一定被i^为AX能设备的J^L,而是该最大值指定了 在一个时间间隔内的平均值，也可在短时间低于或者超过该值。
例l:
假i线电场产生的功率被斷^30。/。。而且，假i线能设备l的最大可用 功率为100%,因此，风力M足以使该风能设备在其额定功率下运行。与此 相对照的是，风能设备2和3仅仅能产生它们额定功率的30%和50% 。
在图1中，风能设备WT1至WT3的最大可用功率表示在后面的柱行中， 其中柱10表示100%的值，柱12表示30%的值，并且柱14表示50%的值。 在接下来的步骤中，计算每^S殳备的最大可用功率的算术平均值。xife^例子中
所得到的结果如下
; (訓％+30%+50%)_60%
r max 3
jtl^t錄示抖风能设M均能够提供的值。^jt匕计算中，假iitit风电场 中每个风能设备正好具有相同的额定功率。在不均匀的风电场的情况下(其中 M风能设备具有不同的额定功率)，在所能供给的平均可用功率的算术平均值
的计算中必须考虑^^额定功率。
下面，期望值,紛酉ei^^个风能设备WTl、…WT3，如下
<formula>formula see original document page 10</formula>^jHi例子中，功^#要#处艮制到的期望值(也^130%的值)在#~"种情
况下都先用风能设备的当前最大可用功4^i除以每个风能设备的平均当前可用 功^w口权。
总而言之，从当前的功率分配结果可以清楚地认识到每个风能设备采用一
个节流*行，并ilitit^样能够对波动的凤值作出反应而不会产生问题。 例2
在下面的例子中，假设期望值限制是80%。而且，再次假设各风能设备同
#^别以100%、 30%和50%作为可用功#。再次应用例l的计算方案，下 面的数^l:对于^^风能设备预置的期望值结果
<formula>formula see original document page 11</formula>
在此例子中，清楚地看到采用风电场的该私变的功率限制和可用功率，得 出了不育fe^供的各风能设备的期望值。
在#^本发明的方法中，风能设备1的期望值^^一个限制值。如图2
所示，在风能设备l中的可用功率为柱22,在风能设备2中的可用功率为柱24, 在风能设备3中的可用功率为柱26。柱22-26均都小于相关联的表示风能设备 的所需期望值的柱28-32。在图2中，还可清楚地认识到釆用柱28的风能设备 1得出了 133%的期望值。
当出现一^置的期望值大于它的P艮制值的情况时，相应的期望值蜂射艮制 为该限制值。如图3所示，该P艮制值假设i议为105% (柱34)。剩余的功率 133%-105%=28%被均匀地分酉嫩|]余的设备(柱36、 38)。因此，下面是期望 值的结果
<formula>formula see original document page 11</formula>
在剩余功率的分配中，将该剩余功率均匀地分酉ei^N^i殳备。原则上，同 4f^可以将剩余的功率加—5U^分酉ei^^^H殳备。
在此例子中105%的限制#^任意选择的。在限制值的选取中，风能设备 的控制器能够在按额定功率(=100%)运4沐按限制*行之间进行辨别对于 风能设备的运行是很重要的。
在当前的例子中，风电场的风能设备的最后期望值分配的结果A^t许对风
波动作出i5iil和灵活的^ 。
在风电场的运行中，可負汰生对于M风能设备预置一个最小期望值的情况。该最小期望m^M^亍中不能将更低的期望值预置给该设备。为了i^ 此限制条ft，可以实施随后的期望值调整，痴降利用下面的例子说明
对于具有三个风能设备的风电场，该期望值P艮制辆9.33%。各风能设备 ^ 12%、 30%和36%作为当1^用功#。 一个在功率分配中不应当低于的 最小期望值被指定^^^S殳备。设备的最小期望值假设为16%、 4%和4%。
才M居已经描述的期望值分配，在7隱=，+曹。+ 36%) = 26。/(>的情况下，
3
得到以下值
PrL = 9.33% *~^ = 4.31% 隨 26%
P2 = 9.330/0 = 10.77%
隨 26%
卢二 = 9.33% * ， = 12.92% 隨 26%
可以清楚絲到，被指定给风能设备l的期望值小于12%的最小期望值。 如同在最大值的限制中已经实施的那样，即使在最小期望值的限制中，i^也 实施期望值的重分配。为了此目的，首先要确定当前最大可用值和一开始计算 的期望值^,之间的差值。iH^t值结^bt匕为12%-4.31%=7，69%。如同树 最大期望值的限制中所做的那样，期望#此设置为最小期望值并到目应的差 ^^^期望值中减去，只要M期望值高于它们的最小期望值。当在减法之 后一^H务正的期望值低于相应的最d、期望值时，剩余的风能设备重复该过程。 扭匕重射e^，得到下面值
1=16%
气=,。-12%一4'31%".92。/0
max 2
t，％ — 12%-2"1%=腦
在期望值的重分配中，期望值被均匀地分酉eiH殳备2和3。可选择地，也可 以加;)3U^分配它们。而且，要注意，与最大值的分配不同的是，只有与第^"i殳 备的当前最大可用功摊的差值被减去，即使16%的最小期望值高于12%的当 前最大可用值。
当全部可用功率大于期望值的总和时，可以扭行上述在功率低于最小期望 值时的分配方法，只，望值的总和小于M风能设备的最小功率的总和。
权利要求
1. 一种用于具有多个风能设备的风电场的运行方法，其中每个风能设备同时具有一个控制单元，该控制单元响应于所接收到的电变量的期望值控制和/或调节该风能设备，该方法具有以下步骤高级控制器计算和/或接收允许风电场提供的电变量的当前允许最大值；该高级控制器确定每个风能设备的电变量的期望值并且将该期望值输送给风能设备，其特征在于，该高级控制器根据所有风能设备的当前最大和/或最小可用值确定每个风能设备的期望值。
2. 如45U'j要求1所述的方法，^ft棘于，该高滩制器才娥风能设备的 当前最大和/或最小可用值和电变量的预设当前最;Ub许值，确定每个风能设备 的期望值。
3. 如权利要求1或2所述的方法，^#棘于，将风能设备的期望值确定 为风电场的当前最大可用值除以风能设备的数量，再用风能设备的当前最大 可用值与所有风能设备的当前最大可用值的算术平均值的商进4沐权。
4. 如权利要求l到3中的4—项所述的方法，其特征在于，当风电场的当 前最大可用值小于或者等于风电场的当前最^^Hi时，计算每个风能设备的 期望值。
5. 如权利要求1到4中的1"—项所述的方法，^#棘于，当所有风能设 备的当前最大可用值大于或者等于最大允"i午值时，计算每个风能设备的期望值。
6. 如权矛漆求l到5中的^-项所述的方法，^#棘于，当一个风能设 备的期望it^过该风能设备的限制值时，该风能设备的期望值被限制为该风能 设备的限制值。
7. 如权矛虔求6所述的方法，^#棘于，未^tF艮制的期望值和限制值之 间的差值净*酉￡^~个或多个剩余风能设备。
8. :M又利要求1至7中的《—项所述的方法，*#絲于，为每个风能设备提^#征曲线，该曲线中+W—个或多个夕Np变量^:该风能设备或一MK能设备的最大可用值。
9. 如才WJ^求1至8中的4—项所述的方法，其特征在于，>5(1漣和/ 力方向4皮作为，h^变量。
10. 如4WJ要求1至9中的^^项所述的方法，^##于，该电变量表 示风能设备的有功功率和/或有功电流。
11. 如权矛JJMU至9中的^^项所述的方法，其特抓在于，该电变量表 示无功功率和/或无功电流。
12. 如斥WJ^求1至9中的^^项所述的方法，^#征在于，电变量表示 相位角和/或功率因数。
13. 如拟'J要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于，电变量表示 4^见功率和/或^^见电流。
14. 如^X^要求1至13中的^""项所述的方法，^#絲于，对于至少一 个风能设备，指定最小可用值，当由高^4t制器确定的期望值小于该最小可用 值时，将该最小可用值提供为期望值。
15. 如 '〗^"求14所述的方法，^##于，当将至少一个风能设备的期 望值限制为最小可用值时，M的风能设备中的至少一个的期望值被降低。
16. —种具有多个风能设备的风电场，其中每个风能设备同时具有一个控 制单元，该控制单元响应于接^^的电变量的期望值控制和/或调节风能设备， 其中风电场具有至少一个高 制器，其能够^ft风电场提供的电变量的最大允许值，该高^:制器能够确定每个风能设备的电变量的期望值并且将该期望 值^r^风能设备， 絲棘于，该高，制器才Mt风能设备的当前最大和/或最小可用值确定每个风能设 备的期望值。
17. 如权利要求16所述的风电场，^#棘于，该高雌制器才娥风能设 备的当前最大可用值和电变量的预i5JtilHl确定每个风能设备的期望值。
18. 如权利要求16或17所迷的风电场，^#棘于，该高雄制絲风 能设备的期望值确定为风电场的当前最大可用值除以风能设备的数量，再用 风能设备的当前最大可用值与风能设备的所有当前最大可用值的算术平均值的 商进根口权。
19. 如权利要求16至18中的^-~项所述的风电场，^#絲于，为每个 风能设备提##征曲线，其中才鹏一个或多个外部变量M^:该风能设备或一組风能i殳备的电变量的最大可用值。
20. :MM']要求16至19中的任一项所述的风电场，其特征在于，风速和 / 力方向被作为夕(^变量。
21. 如^'J^求16至20中的任一项所述的风电场，其特征在于，该电变 量表示风能设备的有功功率和/或有功电流。
22. 如斥M'j要求16至20中的^-~项所述的风电场，^##于，该电变 ^^^示无功功率和/或无功电流。
23. 如权利要求16至20中的任一项所述的风电场，其特征在于，电变量 表示相位角和/或功率因数。
24. 如权利要求16至20中的任一项所述的风电场，其特征在于，电变量表示^;见功率和/或4^见电流。
25. :M5U'漆求16至24中的^-项所述的风电场，^#*于，对于至 少一个风能设备，指定最小可用值，当由高M^制器确定的期望值小于该最小 可用值时，将该最小可用值提供为期望值。
26. 如权利要求25所述的风电场，^#摊于，当将至少一个风能设备的 期望值P艮制为最小可用值时，其他的风能设备中的至少一个的期望值被斷氐。
全文摘要
本发明涉及具有多个风能设备的风电场及其运行方法。一种用于具有多个风能设备的风电场的运行方法，其中每个风能设备同时具有一个控制单元，该控制单元响应于所接收到的电变量的期望值控制和/或调节该风能设备，该方法具有以下步骤高级控制器计算和/或接收允许风电场提供的电变量的当前允许最大值；该高级控制器确定每个风能设备的电变量的期望值并且将该值输送给风能设备，其特征在于，该高级控制器根据所有风能设备的当前最大和/或最小可用值确定每个风能设备的期望值。
文档编号F03D7/00GK101392724SQ200810176980
公开日2009年3月25日 申请日期2008年8月1日 优先权日2007年8月2日
发明者U·哈姆斯, 马克·尤卡特 申请人:诺德克斯能源有限公司