专利名称：用于运行具有多个风力发电设备的风力发电场的方法
技术领域：
本发明涉及用于运行具有多个风力发电设备的风力发电场的一 种方法及一种装置。
背景技术：
在风力发电场中，借助于风力涡轮机的形式的风力发电设备将风 的动能转换为电功率。在传统的风力发电场中，对各个风力发电设备 的单机功率进行检测，并且如此调节风力发电设备的工作参数尤其各
个涡轮机的转子叶片的偏角，使得每个单机功率本身得到优化，也就 是说在预先给定的风力比的情况下具有最大值。
从公开文献DE 10 2005 033 229 Al中/>开了 一种用于控制风力 发电设备的网路，其中在风力发电设备上为测量目的设置了传感器并 且将一个风力发电设备的传感器数值通过相应的网络传递给其它的 风力发电设备。借助于所述传感器数值可以控制工作参数比如转子叶 片的偏角的调节值。
电设备的工作参数，而不检查将每个单个的风力发电设备的工作参数 调节到最大的功率数值的这种做法是否在实际上也产生风力发电场 的最佳的总功率。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种用于运行风力发电场的方法， 利用该方法来改善风力发电场的输出的总电功率。
该任务通过独立权利要求得到解决。本发明的改进方案在从属权 利要求中得到定义。
在按本发明的方法中，在风力发电场的运行过程中按照优化目标 对风力发电场的风力发电设备的工作参数进行调节，其中所述优化目 标是所述风力发电场的由风力发电设备的所有单机功率的总和构成 的总功率的最大值。这个优化目标对风力发电场来说并不知悉。在按 现有技术的风力发电场中，也就是说总是对风力发电设备的单机功率 进行单个优化，而不考虑可能通过各个风力发电设备的非最佳的调节
5值也仍然可以实现得到改善的总功率。
本发明尤其以这样的认识为基础，即在风力发电场中各个风力发 电设备相互影响，尤其是一个风力发电设备的随动气流影响着处于其 后面的风力发电设备的风力情况。按本发明已经发现，由于这些相互 作用，风力发电场的最佳的总功率不是通过将风力发电设备的各个工 作参数调节到单机功率的最大值来实现的，而是在考虑到所有的单机 功率的总和的最大值的情况下进行优化时实现更好的总功率数值。
在按本发明的方法的一种优选的实施方式中，按照优化目标来调 节的工作参数包括各个风力发电设备的转子叶片的相应的偏角。所述
转子叶片的偏角确定了各个风力发电设备的随动气流并且因此是优 选的参数，通过所述优选的参数可以实现风力发电场的总功率的相应 变化。
在按本发明的方法的另一种实施方式中，在风力发电场的运行过 程中检测风力发电设备的相应的单机功率并且按照优化目标在用所 检测的单机功率反馈的情况下调节转子叶片的偏角。在这种方法中保 证风力发电场的特别好的实际运行，因为在调节优化目标时也总是考 虑到实际存在的单机功率。由此可以比在不考虑实际运行的情况下仅 仅通过理论计算来确定优化目标时获得更好的结果。
在按本发明的方法的另一种实施方式中，通过风力发电设备的风 速比的优化来产生优化目标，其中通过直接在相应的风力发电设备之 后的中心的风速(也就是在该相应的风力发电设备的转子的中心的风 速)与直接在该相应的风力发电设备之前的中心的风速之比来产生所 述相应的风力发电设备的风速比。优选相应的风力发电设备的风速比 通过该相应的风力发电设备的转子叶片的偏角来调节，其中对于每个 风力发电设备来说事先知道或者说可以用简单的方式确定偏角与风 速比的关系。
在按本发明的方法的一种优选的实施方式中运行线性的风力发 电场，该风力发电场具有一个或者多个平行的由先后布置的尤其结构 相同的风力发电设备构成的列。在这样的风力发电场中，在预先给定 的风速平行于先后布置的风力发电设备的列时所述优化目标通过先 后布置的风力发电设备的列的最大功率来确定。在此考虑到这样的事 实，即在风平行于所述列刮入时不同的列的风力发电设备没有相互影响，从而对于每个列来说可以在考虑所述列中的所有风力发电设备的 最大功率的情况下单个地进行优化。
在按本发明的方法的另一种设计方案中，相应的由先后布置的风 力发电设备构成的列的最大功率通过一个列的相应的风力发电设备
的风速比的优化按照以下等式来确定
其中N是一个列中的风力发电设备的数目，并且一个列中的风力 发电设备沿风向以升序编号；
其中qi是直接在第i个风力发电设备之后的中心的风速与直接在 第i个风力发电设备之前的中心的风速"之比；
其中Pi(qil")是在直接在第i个风力发电设备之前产生中心的风 速"时第i个风力发电设备的依赖于风速比qi的单机功率。
在此优选通过以下等式来产生功率Pi(qilvO:
其中p是空气密度并且R是第i个风力发电设备的转子的半径并 且其中Vi是直接在第i个风力发电设备之前的中心的风速。
对于风力发电领域内的技术人员来说足以了解上面的关系，并且 这种关系可以在按本发明的方法中用于通过计算机辅助的方式确定 涡轮才几的单机功率Pi。
在按本发明的方法的一种特别优选的实施方式中，借助于以下公 式来确定直接在第i个风力发电设备之前的中心的风速v"
;r((i + ;c tan a)2 — / 2 >二1 + ^V,—iv,—i = + A*tan ")2 v), (/》2)
其中R是第(i-1)个风力发电设备的转子的半径； 其中x是第(i-l)个风力发电设备与第i个风力发电设备的间距； 其中vVi是在第(i-1)个风力发电设备的转子的边缘上的外围 的风速；
其中a是第(i-1)个风力发电设备的随动气流的偏角。 所述偏角a是一个对于相应的风力发电设备来说固定分配的参上面所定义的外围的风速V、a在此通过一个数值来估算，该数值 处于直接在第(i-l)个风力发电设备的转子的中心之前的中心的风速 VM与直接在第一个风力发电设备的转子的中心之前的中心的风速Vi之间。
在本发明的另一种优选的实施方式中，按照优化目标借助于数字 方法尤其梯度方法来确定工作参数。
在按本发明的方法的一种设计方案中，按照优化目标为预先给定 的数目的基准风条件来事先设定工作参数。在调节工作参数时，在此 优选使用人工智能尤其人工神经网络和/或概率网络(比如贝叶斯网 络)的形式的人工智能。在此所述人工神经网络或者说概率网络以用 于预先给定的数目的基准风条件的工作参数来学习。通过这种方式， 用所述方法总是可以为任意的不同于基准条件的风条件算出用于风 力发电场的最大总功率的最佳的工作参数。
除了上面所说明的方法之外，本发明还包括一种用于运行具有多 个风力发电设备的风力发电场的装置，其中该装置包括控制单元，用 该控制单元能够依赖于优化目标来调节风力发电设备的工作参数，其 中所述优化目标是所述风力发电场的由风力发电设备的所有单机功 率的总和构成的总功率的最大值。优选如此构造这个装置，从而可以 按照上面所说明的按本发明的方法的每种变型方案来运行风力发电 场。
在一种优选的设计方案中，按本发明的装置包括网络，尤其有线 的网络和/或无线的网络，所述控制单元通过该网络与风力发电设备 相连接，其中通过该网络将用于调节风力发电设备的工作参数的控制 指令传输给风力发电设备。此外，优选可以通过该网络将风力发电设 备的单机功率的数值报告给所述控制单元。
除此以外，本发明涉及一种具有多个风力发电设备的风力发电 场，所述风力发电设备包括刚刚说明的用于运行风力发电场的装置。
下面借助于附图对本发明的实施例进行详细解释。其中 图1是具有先后布置的风力发电设备的线性的风力发电场的示 意图，该风力发电场用按本发明的方法的一种实施方式来运行；
图2是一张图表，该图表为一个由五个先后布置的风力发电设备在运行方法的两种按本发明的设计方案的基础上对各个风力发电设
备的风速比进行调节的情况；以及
图3和4是图表，这些图表为按本发明的方法的两种设计方案分 别将按本发明的方法的效率与按现有技术的方法进行比较。
具体实施例方式
图1示意示出了风力发电场的俯视图，该风力发电场具有大量的 构造为单个的结构相同的发电机用涡轮机的形式的风力发电设备
L.....TN1、 T"…，所述发电机用涡轮机以恒定的间距x相互隔开
并且通过相应的具有速度Vl的正面风来驱动。风的方向在此垂直于 风力发电设备的由多个转子叶片构成的转子RO的伸展方向，其中各 个转子叶片的半径用R来表示。除此以外，在图1中示出了涡轮机 Tw后面的随动气流的偏角a。所述随动气流的处于所述转子RO的 横截面之外的区域在此从相邻的涡轮机Tw与Ti之间的间距x中产生 并且覆盖径向的区段xtana。
在图1的示意图中，直接在第(i-l)个涡轮机或者说第i个涡轮 机之前的气流用vw或者说Vj来表示。此外，直接在第(i-l)个涡轮
机之后的气流用qwv"来表示。参数qi(i-l.....N)由此反映直接
在第i个涡轮机之后和之前的风速之比。这个比qi可以通过涡轮机的 转子叶片的相应的偏角来控制。
如前文早已解释的一样，依赖于优化目标来如此调节各个涡轮机 的工作参数，使得代表着所有涡轮机的单机功率的总和的总输出电功 率最大。在本发明的这里所说明的实施方式中，在此作为工作参数使 用转子叶片的偏角，该偏角可以以合适的方式通过转子叶片上的相应 的马达加以改变。
下面由经过优化的风速比qi来代表所述优化目标，其中qi又依 赖于转子叶片的偏角。用于qi的最佳的数值通过数学的优化方法来计 算。由此可以事先通过数字模拟来计算出优化的风速比化并且由此计 算出转子叶片的用于不同的正面速度v,的优化的偏角，从而接着在 风力发电场的实际运行中依赖于所产生的风速Vl来最佳地调节优化 的偏角。此外，设置了相应的控制单元S，该控制单元S优选设有人 工智能，以便也为新的风速确定优化的偏角，在此事先没有为所述新
9的风速计算优化的偏角。这种人工智能尤其可以通过神经网络或者说 通过概率网络比如贝叶斯网络来构成，其中这些网络用最佳的偏角和 涡轮机的所属的单机功率来学习。
在按本发明的方法的这里所说明的实施方式中，使用下面的在风
力发电设备的涡轮机的物理参量之间的基于贝努里(Bernoulli)等式 的关系
;r((/ + ;c tan <2)2 - / 2 〉() + ;^2仏,—,v,—, = +义加a)2 v,. ，(/》2)
<〗).
如早已解释的一样，R是涡轮机的相应的转子叶片的半径，x是 两个相邻的涡轮机之间的间距并且a是随动气流的偏角。此外"和 vw代表着直接在涡轮机Tj或者说T"之前的中心的风速(也就是在 相应的转子的中心的速度)。qwv"代表着直接在涡轮机Tw之后的 中心的风速。v^描述了在涡轮机Tw的转子的外部边缘上的风速，
其中使用下面两个用于/"的估算值
* ,上估算働 m
VM—iv,(下估算值) 。
对于下估算值假设，在转子的边缘上的速度/w刚好和直接在涡 轮机Tw之前的转子的中心的速度Vm —样大。这个估算值对于各个涡 轮机之间的小的间距x来说是有效的。对于上估算值假设，所述转子 的边缘上的风速v ^又已加速到正面的风速Vl。下估算值适用于具有
各个涡轮机彼此间大的间距X的风力发电场。VY!的数值因此依赖于 风力发电场的配置在V"与Vi之间如此选择，从而最好地反映实际情
况。然后借助于/w的上估算值或者说下估算值，可以通过等式(l) 的使用以如下方式确定以下的直接在第i个风力发电设备的转子的中
心之前的速度Vj:
<formula>formula see original document page 10</formula>
借助于本领域的技术人员已充分了解的用于描述涡轮机Ti的单机功率Pi的z厶式，可以依赖于速度Vj和风速比qi以如下方式来描述这个 单机功率P皿-:
<formula>formula see original document page 11</formula>
在等式(4)中，p代表空气密度并且系数C(q)=(l+q)(l-q2)/2在 q=l/3时具有最大值。这是用于对风力发电场中的涡轮机的相应的单机 功率进行优化的已知的传统的结果。在这个结果中，将涡轮机之前的
风速v减速到涡轮机之后的v/3。为所有的涡轮机选择q尸l/3， i=l.....
N,由此以如下方式产生由所述风力发电场产生的总功率
<formula>formula see original document page 11</formula>
按等式(5)的总功率代表着涡轮机的单机功率的优化，而没有考 虑到由涡轮机产生的气流彼此间的相互作用。该总功率由此是用于每 个单个涡轮机的"自利的(eigenntitzige)"的优化，并且在这种优化 的基础上求得的结果下面称为基准优化。按本发明已发现，这种基准 优化没有提供涡轮机的所有单机功率的总和的最佳的总功率并且取而 代之使用一种优化，在该优化中作为优化目标对所有单个涡轮机的总 功率进行优化。在这种情况下考虑到以下实际情况，即各个涡轮机的 气流相互影响，使得总功率的最大值无法简单地通过计算所述涡轮机 的所有单机功率的最大值这种方式来确定。
按本发明，寻找N个涡轮机的风速比qi (i=l..... N)的最佳的
数据组，其中这个最佳的数据组可以在数学上如下表示
<formula>formula see original document page 11</formula>
在此，Pi (qi|Vi)表示在直接在涡轮机Ti之前的中心的速度值" 的条件下对于风速比qi来说第i个涡轮机的单机功率。
在按本发明的方法的一种实施方式中，使用一种用于图1的风力 发电场的准牛顿优化方法用于确定用于qi的最佳的数值，其中对具有 N=5个以等距的间距x/R=20和tana=0.1先后布置的涡轮机的风力发 电场进行研究。因为最后一个涡轮机Tjv的随动气流不再影响任何的涡轮机，所以为速度比qN产生用于这个涡轮机的单机功率的最佳数值， 也就是qiv=l/3。对于所有其它的涡轮机i=l:N-l来说，相应的风速比 屮>1/3，也就是说这些比总是大于在基准优化中。图2示出了一张图表， 该图表示出了涡轮机T!到Ts的用于基准优化以及用于按等式(6)的 优化的各个优化的数值qi，其中一方面使用了上估算值v -产Vi (在图 2中称为化上)并且另一方面使用了 vY尸v"的下估算值(在图2中称 为qj)。所述基准优化称为q,气如早已解释的一样，在基准优化 中对于各个涡轮机的所有数值qi来说适用q产l/3。与此相对，对于按 等式(6)的优化来说，用于qi的数值总是大于1/3,仅仅最后一个用 于涡轮机Ts的数值也相当于数值1/3。
图3和图4示出了具有不同数目的涡轮机的线性的风力发电场的 计算的效率，其中效率i]通过以下公式来产生
从公式(7)中获得，在所有涡轮机以完全的正面风Vl来运行并 且每个涡轮机都调节到风速比q=l/3这种条件下，效率1]通过将风力
率的总和这种方式来获得。"''
在图3和4中不仅为上估算值vY产Vi而且为下估算值W产v"分 别将用基准优化求得的效率与按本发明求得的效率进行比较。在图3 中在此示出了用于上估算值的结果并且在图4中示出了用于下估算值 的结果。在图3和4中可以看出三个由竖条构成的三合块BT1、 BT2、 和BT3,其中每个三合块代表着相应的比x/R。尤其对于三合块BT1 来说适用x/R=10，对于三合块BT2来说适用x/R=15并且对于三合块 BT3来说适用x/R=20。在各个三合块中，左边的竖条Bi或者说B^示 出了对于具有N-5个涡轮机的风力发电场来说用于基准优化或者说用 于按等式(6)的优化的效率。在各个三合块中，中间的竖条B2或者 说82，示出了对于具有N=6个涡轮机的风力发电场来说用于基准优化 或者说用于按等式(6)的优化的效率。在各个三合块中，右边的竖条 B3或者说83，示出了对于具有N=7个涡轮机的风力发电场来说用于基 准优化或者用于按等式(6)的优化的效率。如可以从图3和图4中看 出的一样，按本发明根据等式(6)求得的效率也就是按竖条Br、 B2，、
12和B3，的效率总是好于按照传统的基准优化获得的相应的通过竖条B!、
B2和B3表示的效率。在图4中示出的在使用下估算值v -产vw时获得 的这种改进特别显著。按照根据图3和图4示出的模拟的结果，由此 应该认为，如果考虑到所有涡轮机的总功率的最大化来调节各个涡轮 机的工作参数，那么在风力发电场的实际运行中就获得明显的效率提升。
如可以从图3和4中看出的一样，用按本发明的方法可以将总功 率提高几个百分点。在配备着50个各具有2.3兆瓦的功率的涡轮机的、 目前每年产生大约500千兆瓦时的风力发电场中，如果将输出功率提 高1%，就已达到500000欧元的额外盈利。
权利要求
1.用于运行具有多个风力发电设备(T1、Ti-1、Ti)的风力发电场的方法，其中在所述风力发电场的运行过程中按照优化目标来调节风力发电设备(T1、Ti-1、Ti)的工作参数，其中所述优化目标是所述风力发电场的由风力发电设备(T1、Ti-1、Ti)的所有单机功率(Pi)的总和构成的总功率的最大值。
2. 按权利要求1所述的方法，其中，按照所述优化目标调节的工作参数包括各个风力发电设备(TV TM、 Tj)的转子叶片的相应的偏角。
3. 按权利要求2所述的方法，其中，在所述风力发电场的运行过程中检测所述风力发电设备(TV TM、 Tj)的相应的单机功率(Pi)并且按照所述优化目标在用所检测的单机功率(Pi)反馈的情况下调节转子叶片的偏角。
4. 按前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述优化目标通过所述风力发电设备(TV TM、 Tj)的风速比(qi)的优化来产生，其中相应的风力发电设备(1\、 TM、 Tj)的风速比通过直接在该相应的风力发电设备(TV T"、 Tj)之后的中心的风速与直接在该相应的风力发电设备(TV TM、 Tj)之前的中心的风速(Vj)之比来产生。
5. 按权利要求4所述的方法，其中，相应的风力发电设备(TVTM、的风速比(qi)通过该相应的风力发电设备(TV T"、 Ti)的转子叶片的偏角来调节。
6. 按前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风力发电场是线性的风力发电场，该风力发电场具有一个或者多个平行的由先后布置的尤其结构相同的风力发电设备(TV TU1、 Tj)构成的列。
7. 按权利要求6所述的方法，其中，在预先给定的风速(Vl)平行于先后布置的风力发电设备(TV TM、 Tj)的列时，所述优化目标通过先后布置的风力发电设备(TV Tw、 Tj)的列的最大功率来产生。
8. 按权利要求7结合权利要求4或5所述的方法，其中，相应的由先后布置的风力发电设备(IV Tm、 Tj)构成的列的最大功率通过一个列的相应的风力发电设备(IV T"、 T。的风速比(qi)的优化按照以下等式来确定其中N是一个列中的风力发电设备(TV TM、 Ti)的数目，并且一个列中的风力发电设备(TV TM、 沿风向以升序来编号；其中qi是直接在第i个风力发电设备之后的中心的风速与直接在第i个风力发电设备之前的中心的风速"之比；其中Pi(qilvO是在直接在第i个风力发电设备之前产生中心的风速Vi时第i个风力发电设备的依赖于风速比qi的单机功率。
9.按权利要求8所述的方法，其中，Pi(qih)通过以下等式来产生其中p是空气密度并且R是第i个风力发电设备(TV Tw、的转子(RO)的半径并且其中Vi是直接在第i个风力发电设备之前的中心的风速。
10. 按权利要求9所述的方法，其中，借助于以下公式来确定直接在第i个风力发电设备之前的中心的风速Vi:"((A +义tan a)2 — / 2 >二j +狀2《,—iv,—i = + x加1 <^ )2 v,, 2 2)，其中R是第(i-1)个风力发电设备的转子(RO)的半径；其中x是第(i-l)个风力发电设备与第i个风力发电设备的间距；其中"w是在第(i-1)个风力发电设备的转子(RO)的边缘上的外围的风速；其中a是第(i-1)个风力发电设备的随动气流的偏角。
11. 按权利要求10所述的方法，其中，所述外围的风速V^M在此通过一个数值来估算，该数值处于直接在第(i-l)个风力发电设备之前的中心的风速vN1与直接在第 一个风力发电设备之前的中心的风速V!之间。
12. 按前述权利要求中任一项所述的方法，其中，按照优化目标借助于用数字方法尤其梯度方法来确定工作参数。
13. 按前述权利要求中任一项所述的方法，其中，按照优化目标为预先给定的数目的基准风条件来预先设定工作参数。
14. 按权利要求13所述的方法，其中，工作参数的调节在人工智能的基础上进行，尤其在人工神经网络和/或概率网络的基础上进行，所述网络借助于用于预先给定的数目的基准风条件的工作参数来学习。
15. 用于运行具有多个风力发电设备(T!、 TM、 Tj)的风力发电场的装置，包括用于依赖于优化目标来调节所述风力发电设备(Ti、Tw、 Ti)的工作参数的控制单元(S)，其中所述优化目标是所述风力发电场的由风力发电设备(Tp TM、 Tj)的所有单机功率(Pi)的总和构成的总功率的最大值。
16. 按权利要求15所述的装置，构造该装置，使得所述风力发电场能够用按权利要求2到14中任一项所述的方法来运行。
17. 按权利要求15或16所述的装置，包括网络，尤其是有线的网络和/或无线的网络，所述控制单元(S)通过该网络与所述风力发电设备(TV Tw、 Ti)相连接，其中通过该网络将用于调节所述风力发电设备(TV Tw、 Tj)的工作参数的控制指令传输给所述风力发电设备(TV TU1、 Ti)。
18. 按权利要求17所述的装置，其中，通过所述网络将所述风力发电设备(T!、 Tw、 Ti)的单机功率(Pi)的数值报告给所述控制单元(S)。
19. 具有多个风力发电设备(TV Tw、 Ti)的风力发电场，包括按权利要求15到18中任一项所述的装置。
全文摘要
本发明涉及用于运行具有多个风力发电设备的风力发电场的一种方法及一种装置。在该方法中，按照优化目标来调节风力发电场的风力发电设备的工作参数，其中所述优化目标是所述风力发电场的由风力发电设备的所有单机功率的总和构成的总功率的最大值。这个优化目标不同于传统的优化目标，在传统的优化目标中在不考虑总功率的情况下相应地对风力发电设备的单机功率进行优化。发明人能够证明，用这个全新的优化目标可以实现得到改善的总功率。
文档编号F03D7/04GK101680427SQ200880016046
公开日2010年3月24日 申请日期2008年4月28日 优先权日2007年5月15日
发明者E·迈耶, J·克莱夫, M·格雷纳, P·B·厄尼沃尔德森, P·埃格达尔, S·霍尔特 申请人:西门子公司