用于提供电网辅助服务的发电厂和能量存储系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及发电，并且更具体地涉及用于优化由包括发电装置和能量存储 设备的发电厂所产生的功率输出的方法和系统。
【背景技术】
[0002] 风力发电厂、或风电场包括共同用作产生功率输出至电网的发电厂的一组风力涡 轮机。风力涡轮机可以用于在不需要化石燃料的情况下产生电能。通常，风力涡轮机是将 风的动能转换成机械能并随后将机械能转换成电能的旋转机器。
[0003] 风力发电厂还可以包括能量存储设备，例如一个或多个可再充电的电池或飞轮， 它们同样被连接至电网并且可以帮助满足对由发电厂进行的电力生产的要求。当能量需求 到达顶峰时，风力发电厂的风力涡轮机将使能量直接汇入（sink)电网中。当能量需求减少 时，可以将来自风力涡轮机的过剩能量存储在能量存储设备中，并且稍后根据需求向电网 放电，以减轻发电厂的输出需求中的任何逆差。
[0004] 常规方法是要独立于能量存储操作条件而决定风力涡轮机的控制动作。即，不考 虑能量存储条件，例如充电状态、剩余使用寿命等，常规风力发电厂和风力涡轮机控制被设 计为：只要涡轮机部件上的压力是可接受的，就从风中尽可能多地采集能量。根据该常规方 法，能量存储设备的出现不会对风力涡轮机的控制决定有任何直接影响。能量存储设备的 充电和放电仅在决定风力涡轮机的控制动作之后实施。
[0005] 稳定性是反作用力之间的平衡的状况。互连的同步机器彼此保持同步所使用的机 制是贯穿恢复力（throughrestoringforce)，其在存在趋向于使一个或多个机器相对于 其它机器加速或减速的力时起作用。在稳态状况下，在每个机器的输入机械转矩与输出电 转矩之间存在平衡，并且速度保持不变。如果系统被扰乱，则该平衡被破坏，根据旋转体的 运动规律，这导致机器的转子的加速或减速。对于具有由风力涡轮发电机或其它可再生电 源产生的大功率穿透的电力系统，存在对于提供风力发电厂的性能的不断增长的需求，因 此该风力发电厂像具有同步机器的正规的常规发电厂一样运行。这种发电厂在本申请中被 称为虚拟发电厂。
【发明内容】
[0006] 提供该
【发明内容】
来以简单的形式介绍以下【具体实施方式】中将进一步描述的概念 的选择。该
【发明内容】
并不是要识别所要求保护的主题内容的关键特征或基本特征，也不是 要用于帮助确定所要求保护的主题内容的范围。
[0007] 根据常规方法，不一定从发电厂的整体角度对操作控制进行优化；即，从风力发电 厂和能量存储器作为系统的角度对操作控制进行优化。例如，缺乏经协调的控制动作可能 导致能量存储设备的寿命和/或风力涡轮机的寿命的不必要的消耗。作为另一个示例，可 以在优选的操作参数（电流、电压、温度等）的范围之外操作能量存储设备，这带来非常低 的效率。作为又一个示例，缺乏经协调的控制动作可能以不必要的大驱动器速率产生改变 成例如转子桨距的风力涡轮机操作。作为又一个示例，当阵风冲击涡轮机时，可以使用能量 存储设备来吸收或释放功率，并且因此减小了在其它情况下被传递到电网的功率振荡。通 过在不需要直接确认能量存储设备的状况的情况下操作风力涡轮机，系统级的目标通常未 被优化。
[0008] 对电力系统中的辅助服务的需求随着风电穿透功率的增长而增大，因为风电引入 了由其自然变化而产生的平衡问题（除了别的以外）并且风力涡轮机技术不会自然地表现 得像同步机器。另外，随着风电穿透功率的增大，已停止使用的常规发电厂未被替换，这进 一步降低了电力系统的稳定性和控制能力。
[0009] 具有大量可再生发电的电力系统必须解决未来的辅助服务源一一电力系统稳定 特征--因为预计仅作为运转储备（spinningreserve)来操作不可再生发电是极为昂贵 的。
[0010] 在所有问题中，现有技术中的已知问题是，电网和风力涡轮机机械结构（即，塔 架、叶片、传动系统）的特征频率通常在同一范围内，风力涡轮机的有功功率的调制可能在 其机械结构与来自风力涡轮发电机控制器的要求功率之间产生不利的相互作用。
[0011] 在一方面，本发明涉及用于操作发电厂的方法，所述发电厂包括被布置用于向电 网供电的至少一个风力涡轮发电机、被布置用于向电网供电的至少一个能量存储设备、以 及发电厂控制器，所述方法包括：
[0012] -对来自电网的至少一个电气参数的测量组进行反复测量；
[0013] -针对至少一个电气参数的测量组，对公共耦合点处的有功功率的变化和/或无 功功率的所需变化进行计算；
[0014] -对用于至少一个风力涡轮发电机的第一控制参考信号和用于至少一个能量存储 设备的第二控制参考信号进行计算和调度，用以向电网提供辅助服务功能。
[0015] 第一方面的优点主要在于，提供了发电厂以将功率输出至与电网的公共连接点。 发电厂包括具有被配置为产生功率的第一部分并将其输出至公共连接点的多个风力涡轮 机的风力发电厂。发电厂还包括具有被配置为将功率的第二部分输出至公共连接点的能量 存储设备的能量存储系统。在此重要的是要强调所提供的优点是对有用资源的"组合"响 应的结果，即，以"组合"响应提供效果的方式来产生第一控制参考和第二控制参考。
[0016] 监视控制器被耦合成与能量存储系统进行通信并且与风力发电厂进行通信。监视 控制器被配置为实施控制算法以通过风力发电厂来动态地计算用于功率输出的第一部分 的第一功率参考并且通过能量存储系统来动态地计算用于功率输出的第二部分的第二功 率参考。
[0017] 在实施例中，方法还包括：
[0018] _基于单个测量组来计算用于第一控制参考信号的有功功率参考和无功功率参 考，以及，
[0019] _基于单个测量组来计算用于第二控制参考信号的有功功率参考和无功功率参 考，以及；
[0020] 其中，第一控制参考信号和第二控制参考信号允许至少一个风力涡轮发电机的操 作和至少一个能量存储设备的操作彼此独立。
[0021] 该实施例的优点在于，发电装置可以在不触发机械共振的激励的情况下调制特定 功率输出。
[0022] 该实施例的另一个优点在于，本发明允许同时调制两种VPP控制输出（例如，有 功功率和无功功率），从而与已知技术相比获得了每安装MVA的更好的阻尼能力。此外，如 果阻尼控制可能导致与涡轮机机械结构的不利的相互作用，那么利用VPP内的不同有用资 源，可以避免风力涡轮机有功功率的调制。更重要的是，如果ESS部分地/唯一地对阻尼有 功功率的提供负责，那么可以部分或完全避免风力涡轮发电机的有功功率的削减。
[0023] 在实施例中，发电厂控制器被分成控制至少一个风力涡轮发电机的第一发电厂控 制器、以及控制至少一个能量存储设备的第二发电厂控制器。
[0024] 通常，本发明的实施例的控制算法接收关于风力发电厂和能量存储器的状态的信 息，并且计算对受到施加在发电厂上的给定限制组限制的给定发电厂目标进行优化的功率 参数。使发电厂控制器被分成两部分仍需要较高级的协调。
[0025] 在实施例中，分别用于第一控制参考和第二控制参考的有功功率参考的划分和无 功功率参考的划分被设定为预定义的比例。
[0026] 在实施例中，以优化算法对分别用于第一控制参考和第二控制参考的有功功率参 考的划分和无功功率参考的划分进行在线计算。
[0027] 该实施例的优点为可以实现特定性能，例如算法可以是基于最大产量、延长的使 用寿命等。
[0028] 在实施例中，所提供的辅助服务利用主要储备（primaryreserve)来支持电网。
[0029] 在实施例中，所提供的辅助服务利用惯性响应来支持电网。
[0030] 在实施例中，所提供的辅助服务利用功率振荡阻尼来支持电网。
[0031] 在实施例中，方法还包括：
[0032] _当振荡干扰具有低于至少一个发电机的机械结构的特征频率的频率时，计算用 于抑制电网中的振荡干扰的第一功率参考的有功功率参考，和/或；
[0033] _当振荡干扰具有高于至少一个发电机的机械结构的特征频率的频率时，计算用 于抑制电网中的振荡干扰的第二功率参考的有功功率参考。
[0034] 在实施例中，方法还包括：
[0035] -计算用于第一功率参考的无功功率参考，所述第一功率参考用于抑制电网中的 第一振荡干扰。
[0036] -计算用于第二功率参考的有功功率参考，所述第二功率参考用于抑制电网中的 第二振荡干扰。
[0037] 优点在于第一振荡干扰与第二振荡干扰相互独立。振荡干扰可以在其中包含多于 一个振荡频率。因此第一功率参考将抑制频率的其中之一，并且第二功率参考将抑制另一 振荡频率。这并不限于仅一个或两个振荡频率。
[0038] 在实施例中，所提供的辅助服务利用同步功率来支持电网，由此使电网稳定。
[0039] 在实施例中，发电厂还包括至少一个光电太阳能发电厂和/或至少一个微型动力 涡轮机和/或热太阳能发电厂和/或波能发电厂。
[0040] 该实施例的优点在于可以将若干能量源组合到虚拟发电厂中。各种可再生的能量 源关于时间具有不同的功率分布，其在组合中是有益的，即太阳能在太阳光线射到地球时 正好处于峰值，然而风力发电是太阳能加热的副作用，并且因此，空气将从一个地方移动到 另一个地方，以使风吹动。更加滞后的动作来自于波能，因为海洋波浪是风的副作用。
[0041] 在实施例中，本发明另外涉及用于抑制电网干扰后出现的振荡暂态的虚拟发电厂 (VPP)的控制方法。本发明中所提及的虚拟发电厂包括一个或多个风力涡轮发电机和/或 一个或多个光伏阵列和/或一个或多个太阳能热力发电装置和/或一个或多个能量存储系 统（例如，蓄电池、抽水储能、生物气体存储、氢存储、动能存储等等）和/或一个或多个微 型气涡轮机。
[0042] 本发明的第二方面涉及发电厂，其包括被布置用于向电网供电的至少一个风力涡 轮发电机、被布置用于向电网供电的至少一个能量存储设备、以及被布置有根据权利要求1 至权利要求12所述的控制算法的发电厂控制器。
[0043] 本发明的第三方面涉及发电厂，其包括被布置用于向电网供电的至少一个风力涡 轮发电机、被布置用于向电网供电的至少一个能量存储设备、以及发电厂控制器，其被布置 为实施控制算法来计算用于控制至少一个风力涡轮发电机的第一功率参考和用于控制至 少一个能量存储设备的计算第二功率参考，由此从发电厂向电网提供辅助服务功能。
[0044] 第二方面及其实施例的优点与本发明的第一方面的优点相同。
[0045] 本发明的各个方面均可以与任何其它方面组合。参考所描述的实施例，本发明的 这些和其它方面从下文的说明中将变得显而易见。<