风能设备和用于运行风能设备的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于控制连接在电网上的风能设备的方法，所述风能设备具有发电机，所述发电机具有空气动力学的转子，所述转子具有可调节的转速，其中所述风能设备在关于当前存在的风力条件最佳的运行点中能够以最佳的转速运行，其中所述风能设备对于过渡时期以非最佳的转速运行或者持久地在非最佳的运行点中以非最佳的转速运行，并且所述非最佳的转速比所述最佳的转速大。
【专利说明】风能设备和用于运行风能设备的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于控制风能设备的方法以及一种相应的风能设备。
【背景技术】
[0002]风能设备一般而言是已知的，并且用于从风中获取动能并且转换为电能，以便将这种电能输入到电网中。在此现今风能设备的任务也在于支持电网，风能设备输入到所述电网中。
[0003]因此例如在来自于2000年(
【公开日】为2001年11月22日)的德国专利申请DE10022974A1中描述了一种依赖于频率的功率调控。相应地提出，随着上升的电网频率，一旦电网频率已超出极限值，那么风能设备输入电网中的功率降低。
[0004]因此考虑电网情况，其中存在能量过剩，这由于大型发电厂的行为导致频率上升，所述频率上升记载于根据所提到的公开出版物DE10022974A1的发明。
[0005]在能量供不应求或电网中提高的能量需求的情况下，产生频率下降，对于所述频率下降理想上能够以提高输入的功率作为反应。但是通过风能设备来满足提高输入的功率是困难的，因为风能设备已经以最佳的方式输入可从风中获取的最大功率。但是为了实现至少短期的功率提高，例如根据德国专利申请DE102009014012A1所提出的，在使用存储在转子-发电机系统的转动惯量中的转动能量的条件下执行短期的功率提高。但是这样的方法依赖于存储在转子-发电机系统中的转动能量。
[0006]作为其它的现有技术，在这一点上一般而言参阅:DE10341504A1，W02011/000531A2 以及 W02005/025026A1。
【发明内容】
[0007]因此本发明的目的在于，消除或降低至少一个在上文中所提到的问题。特别地，应提出一种解决方案，所述解决方案提出支持电网的一种改善的可能性。至少应提出一种可替选的解决方案。
[0008]根据本发明提出一种根据权利要求1所述的方法。
[0009]相应地提出一种用于控制连接在电网上的风能设备的方法，所述风能设备具有发电机和空气动力学的转子，所述转子具有可调节的转速。空气动力学的转子与电动力学的转子不同之处在于，所述电动力学的转子是发电机的部件。发电机并且因此风能设备总的来说是一种类型，在该类型中转速是可调节的。转速因此不是固定地与电网的频率耦合，而是能够不依赖于这个电网来调节，所述电网也能够同义地被称为电网系统。
[0010]这样的风能设备能够并且通常关于各个当前存在的风力条件在最佳的运行点中运行。当前存在的风力条件特别是与当前存在的风速有关，这在下文中简化地看作当前存在的风力条件的单个特征。在现实中，可能需要考虑其它的条件例如风的阵风性或者也需要考虑空气的密度，这在这里为了简化就忽视了。因此基本上各个风速可分配有最佳的运行点。在此这样地理解最佳的运行点，在所述最佳的运行点中风能设备从风中获取尽可能多的能量并且输入到电网中，但是其中同时需要考虑边缘条件特别是如运行点的稳定性以及设备负荷特别是也如设备的磨损。这样的最佳的运行点一这接下来对于描述是足够的一特别通过相应的最佳的转速和最佳的功率输出来表示。功率输出在这里涉及这样的功率，即被输入到电网中的功率。这样的功率，即在这里由发电机输出的功率，能够是较高的，因为从这个功率中例如扣除损耗。
[0011]虽然这样的最佳的运行点对于基本上各种风速对于相应的设备而言存在有最佳的转速，但是根据本本发明提出对于过渡时期不在最佳的运行点中运行风能设备，其中在这个非最佳的运行点中的转速，也就是说非最佳的转速，大于当前存在的风速的最佳的运行点的最佳的转速。
[0012]特别地在如下情况中提出这样的具有较高的转速的运行，即当风能设备应将附加的有效功率输入到电网中是所期望的或者是非常可能的时，所述附加的有效功率即超出有效功率的附加的有效功率，所述有效功率当前能够根据存在的风力条件也就是说特别是风速，被输入到电网中。对于这种情况，也就是说特别是对于过渡时期，风能设备以较高的转速运行，因此更多的动能不仅被存储在空气动力学的转子中而且被存储在发电机的电动力学的转子中。过渡时期基本上例如能够持续10至30秒，2至10分钟或者也能够持续I至5小时或者I至5天。在这里分别依赖于情况来决定，在非最佳的运行点中的运行在过渡时期的相应的长度内被保证多久。基本上风能设备也能够持久地在非最佳的运行点中以提高的转速来运行。当然这对风能设备产生不利的效果，使得在非最佳的运行点上的这样的持久的运行可能是不合比例的。但是在这技术上是可能的。
[0013]基本上可能的是，以高于最佳的转速的转速运行风能设备，而相对于最佳的运行点不降低输入到电网中的功率。这个非最佳的运行点可能仍然是不利的，因为提高的转速例如导致提高的磨损。此外提高的转速在空气动力学上可能是不利的，使得所述运行点与最佳的运行点相比稳定性较差。可能的是，这使得提高的调控耗费是必要的并且因此使得如调节扭矩或者转子角的执行器的增多的使用是必要的，这例如也可能提高磨损。
[0014]优选使用一种无传动装置的风能设备。这样的无传动装置的风能设备具有发电机的转子的非常大的转动惯量，所述转动惯量能够有利地用来存储动能。因此通过提高转速能够存储更多的动能。在此需注意的是，被存储在这些转动的部件中的动能与转速的平方成正比。被存储的能量与其成正比的转动惯量在均匀的实心圆柱体中随着半径以四次幂增力口。直径为两米的实心圆柱体因此相对于同样材料和同样长度的直径为一米的实心圆柱体具有16倍的转动惯量。这表明，无传动装置的风能设备能够存储许多动能并且这些被存储的动能能够通过提高转速再次比例过大地被提高。
[0015]根据一个实施方式提出，在部分负荷范围中为了设置相应最佳的运行点将第一运行特征线存储在风能设备中。风能设备能够根据这个运行特征线相应地设定最佳的运行点。对此运行特征线能够存储为转速-功率-特征线。转换能够这样地实现，使得转速被测量并且对此根据运行特征线设定相应的功率。如果例如能够从风中获取更多的功率，那么转速进一步提高并且根据运行特征线设定相应的新的功率值。能够借助于设定发电机的扭矩来设置功定。扭矩的设定依赖于设备型号。如果例如使用具有直流励磁的转子的同步发电机，那么扭矩经由相应的用于设定励磁的直流电来设定。
[0016]这样的最佳的运行特征线基本上是许多最佳的运行点的彼此结合，所述最佳的运行点对于当前存在的风力条件，特别是对于当前存在的风速而言分别是最佳的。相应地根据本申请，将一个或多个最佳的运行点一按意义这也适用于一个或多个非最佳运行点一理解为用于相应的当前存在的风力条件或风速的运行点。最佳的运行点因此对于各种条件对于风能设备而言不是一个单一的绝对的运行点，而是许多个中的用于当前的风力条件的仅一个。
[0017]这样的运行特征线特别是针对部分负荷运行被存储。在转速可变的在这里展示的风能设备的部分负荷运行中，通常转子叶片角，只要它是可调节的，则不依赖于风力条件也就是风速对于这种部分负荷运行保持恒定。如在上文中所描述的仅进行相应的有利的运行点也就是功率和转速的设定。此时为了在部分负荷运行中对于过渡时期设定提高的转速，提出以第二非最佳的运行特征线为基础，代替第一最佳的运行特征线。基于这个非最佳的运行特征线，因此设定较高的转速，优选在与处于相应的最佳的运行点时相同的功率情况下设定较高的转速。这个第二运行特征线因此是多个非最佳的运行点的彼此结合，所述非最佳的运行点分别具有比相应的最佳的运行点更高的转速。具有提高的转速的风能设备的运行的转换因此能够以简单的方式在部分负荷范围中执行，通过存储相应的第二运行特征线的方式。
[0018]此外根据另一个设计方案提出，在风速下降时在从全负荷运行过渡到部分负荷运行时首先特别是对于预定的风速范围降低功率，而保持转速恒定。全负荷运行是这样的，其中风速已经到达额定风速的值并且风能设备在最佳情况中以额定功率和额定转速运行。在进一步提高转速时进行转子叶片角即所谓的俯仰角的改变，以便削弱转子的空气动力性能，以便从风中获取较少的能量，以便因此产生克服转速进一步提高的效果。如果此时风速再一次下降，以至于风能设备从全负荷运行再次过渡为部分负荷运行，那么在这里提出，首先仅降低功率，但是仍然不降低转速或者以比平常小的程度降低转速。转速首先不被降低就此而言意味着，这个转速仅在风速以预定的值下降到额定风速以下时才被降低。转速首先不被降低就此而言不是在时间方面来理解的。
[0019]根据一个实施方式此外提出，在全负荷运行中对于过渡时期的转速风能设备以高于额定转速的转速运行。这样的具有过高的转速的运行可能损害风能设备的使用寿命，并且因此应被保持为尽可能的短。也就是说过渡时期应被保持为尽可能的短，例如仅10分钟或者仅I分钟。
[0020]有利的是，风能设备具有一个或多个具有可调节的转子叶片角的转子叶片并且非最佳的运行点的转子叶片角分别相对于最佳的运行点的转子叶片角被改变。具有一个或多个具有可调节的转子叶片角的转子叶片的风能设备的使用就此而言也描述了一种设备型号。将对转子叶片角的调节理解为主动地、决定性地调节转子叶片角。换句话说，这涉及借助于马达或其它促动器调节转子叶片角。优选风能设备具有水平的或基本上水平的转子轴线。也将这个水平的转子轴线理解为一种设备型号，也就是所谓的水平轴线-风能设备。转子轴线的相对于水平线轻微的倾斜角也以较小的角度例如大约5°或10°下降到所述水平线以下。
[0021]相对于最佳的转速设定较高的转速因此通过或者借助于相应的转子叶片角设定来完成。因此非最佳的运行特征线在部分负荷运行中以与在最佳的运行特征线的情况下不同的转子叶片角为基础。也能够不同于已知的并且也已经存储的最佳的特征运行线在部分负荷运行中对于非最佳的运行特征线选择一种调控，在所述调控中转子叶片角假设不是恒定的。
[0022]优选从最佳的运行点中的运行变换为非最佳的运行点中的运行。这特别是对于如下情况而提出，即当提高的动能可能被需要是所期望的时。所述变换优选能够通过接收预告信号或者变换信号来触发。这样的预告信号或者变换信号能够外部的电网运营商来传输。所述电网运营商例如能够传输这样的信号，当它看见产生支持电网的需要时。因此例如特别已知这些情况，所述情况可能导致临界的电网状态，或者所述情况可能显示临界的电网状态。例如电网的传输线的断开使得电网处于临界的状态中，所述断开例如为了维修目的或者由于其它的原因而短暂地进行。对于这种情况，电网运营商能够将这样的预告信号或者变换信号传送到风能设备或者具有多个风能设备的风电厂。
[0023]优选提出，如果风能设备在非最佳的运行点中运行，那么风能设备获取动能，并且这些能量被使用，以便与风能设备能够从根据当前存在的风力条件的瞬时风中获取的能量相比，短暂地将更多的有效功率输入到电网中。因此通过提高的转速运行的风能设备使用存储的动能，以便支持电网。
[0024]优选对此提出，这种对动能的获取这样地实现，使得通过获取动能将附加的有效功率输入到电网中，风能设备的转速从非最佳的转速降低至少直至最佳的转速。优选所述转速相对于最佳的转速仍进一步降低。因此能够首选借助附加地存储的动能将附加的有效功率输入到电网中用于支持并且因此与当时相比能够从风中获取更多的动能。
[0025]优选非最佳的转速以大约0.5U/min至1.5U/min高于最佳的转速。此外优选非最佳的转速以lU/min高于所述最佳的转速。因此能够提出显著的转速提高并且因此提出伴随转速提高的显著的动能的提高，不需要风能设备在过度不利的运行点运行，特别是不会达到过高的磨损并且不会冒关于风能设备的稳定性的过高的风险。
[0026]所描述的本发明因此涉及一种用于控制风能设备的方法。在此将这样的控制方法一般而言理解为一种控制，所述控制也就是说能够具有反馈，以便因此形成闭环控制，或者所述控制即使没有反馈也足够了。换句话说，闭环控制是具有反馈的控制并且因此包括控制。术语控制作为通用术语来使用。
[0027]根据本发明，此外提出一种具有发电机和空气动力学的转子的风能设备，所述转子具有可调节的转速，所述风能设备通过根据本发明的方法运行。优选在这里使用无传动装置的风能设备。
[0028]根据一个实施方式提出，风能设备是具有柔性交流输电系统(FACTS)能力的。名称FACTS代表柔性交流输电系统(Flexible-AC-Transmission-System)并且在德语语言使用中对于本领域技术人员也是常用的。它在电气能源技术中理解为一种控制系统，所述控制系统在供电电网中用于有针对性地影响功率流。特别地，这样的系统能够有针对性地输入有效功率和/或无功功率。除此之外，这样的输入能够依赖于电网中的测量来进行，以便因此例如直接对频率改变做出反应。因此提出一种风能设备，所述风能设备能够以优选的方式用于电网支持。通过对于过渡时期设置提高的转速的这种可能性，实现提供提高的以动能形式的能量用于支持电网的可能性。因此支持这样的电网的系统能够提供附加的有效功率用于支持并且在需要时输入电网中。
[0029]优选风能设备具有至少一个逆变器，所述逆变器使发电机的所产生的电能整流并且为了输入到电网中再次逆整流，以便因此完成对电网的频率、电压和相位的适应。具有一个或多个这样的逆变器的风能设备也被称为所谓的全功率变流器系统，在所述风能设备中一除了损耗一全部所产生的电能被引导经过所述一个或多个逆变器。
[0030]根据本发明，此外提出一种风电厂，所述风电厂具有至少两个借助根据本发明的控制方法的风能设备。风电厂就此而言是多个风能设备的聚合，所述风能设备被耦连，特别是具有一个共同的输入点或者多个共同的输入点用于将电能输入到电网中。关于根据本发明的方法和关于根据本发明的风能设备所描述的优点能够被这个风电厂结合，以便因此能够提供显著高的备用功率。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]接着根据实施例在参考附图的情况下示例性地阐述本发明。
[0032]图1示出水平轴线-风能设备。
[0033]图2示出具有两个转速-功率-特征线的图表。
[0034]图3示出三个依赖于风速的图表。
【具体实施方式】
[0035]图1示出一种水平轴线-风能设备，如基本上从现有技术中已知的。根据本发明，图1的这个水平轴线-风能设备装配有一种方法，也就是根据本发明的运行管理方法。
[0036]图2示意性地示出两条运行特征线，也就是两条转速-功率-特征线。在这个图表中，最佳的运行特征线I通过实线来表示而非最佳的运行特征线2通过虚线来表示。这两条运行特征线I和2仅描述了一种示意性的曲线，所述曲线可能与实际曲线不同。特别地，实际曲线可能与简化的直线描述不同。这种描述应基本上阐明最佳的运行特征线I和非最佳的运行特征线2之间的关系。除此之外，这也适用于图3的图表，所述图3的图表同样可能相对于实际的曲线严重地简化。
[0037]此时从图2的图表中可以获悉，非最佳的运行特征线2与最佳的运行特征线I相比在相同的功率P情况下相应地具有更大的转速η。所述转速相对于相应的最佳的转速的提高因此通过使用非最佳的运行特征线2来代替最佳的运行特征线I来实现。
[0038]这两条运行特征线I和2在额定点4中相交，在所述额定点中风能设备以额定转速ηΝ和额定功率Pn运行。这个额定点或者额定运行点4能够从达到额定风速起运行。除此之外既不应提高功率P也不应提高转速N，以便避免设备的过载。但是尽管如此至少还是能够在短暂的时期内成比例地提高转速η。这通过替选的特征线部段6来阐明，所述特征线部段被记录为点线。
[0039]图3示出三个图表用于阐述风能设备的运行。所有的三个图表分别描述了依赖于风速Vw的运行参数，也就是在图表A中输出的功率P，风能设备的转速η，也就是在图表B中的空气动力学的转子和图表C中的转子叶片角a。所有的图表以相同的横坐标为基础，风速表示在所述横坐标上。
[0040]图表A示出依赖于风速Vw的功率P的特征曲线。在接通风速Vwein的情况开始功率生产。功率P在额定风速Vw中上升直至额定功率PN。这个范围也被成为部分负荷范围。从额定风速Vwn直至最大风速Vwmax,所输出的功率P保持恒定并且风能设备输出额定功率PN。从最大的风速Vwmax起，功率P被降低用于在风速Vw进一步提高时保护设备。在根据本发明提高转速时，功率至少根据一个实施方案在理想情况下保持不变并且就此而言图表A仅示出一条代表功率P的特征线，所述特征线适用于使用最佳的运行点也适用于使用非最佳的运行点。但是根据一个实施方案，相应的最佳的运行点的功率与非最佳的运行点的相应的功率不同，特别是与之相比更大。
[0041]图表B示意性地示出作为最佳的转速特征线31的转速η的曲线和非最佳的转速特征线32的曲线，所述最佳的转速特征线通过实线来描述，所述非最佳的转速特征线通过虚线来描述。这两条转速特征线31和32相应于图表A的功率特征线P，其中也在本文中重复，所述描述是示意性的并且是理想化的，以便更好地阐述发明思想。
[0042]根据图3的图表B，根据非最佳的转速特征线32的转速因此直至达到额定风速Vwn——也就是说在部分负荷范围中——超出根据最佳的转速特征线31的转速。在达到额定风速Vwn时，设备达到其运行点并且转速η因此不仅根据最佳的转速特征线31也根据非最佳的转速特征线32达到额定转速ηΝ，所述非最佳的转速特征线由虚线描述。作为替选方案能够提出，仍提高转速η超过额定转速ηΝ,这通过可替选的特征线分支34来表明,所述特征线点状地来描述。在这里，至少对于预定的时期忍受因相应的高的转速引起的风能设备的过载。
[0043]除此之外，最佳的和非最佳的运行的转速η，在全负荷范围或者全负荷运行中，也就是说从风速起直至最大的风速Vwmax均一致，也就是具有额定转速％。它们也对于所谓的风暴区域，也就是对于比最大的风速Vwniax还大的风速而言是一样的。
[0044]基本上所示出的根据图表A的功率曲线和根据图表B的转速曲线能够以根据图表C的转子叶片角α的曲线为基础。图表C也示意性地示出所描述的曲线。最佳的转子叶片角特征线41通过在图表C中的实线来表示。这条最佳的转子叶片角特征线在部分负荷区域或者部分负荷运行中伸展，也就是说，直至额定风速Vwn变平，也就是说在这里转子叶片角保持不变。在全负荷范围或全负荷运行中，也就是说从额定风速Vwn起，转子叶片角增大，以便由于风旋转转子叶片用于保护。从达到最大的风速Vwmax起，进行对转子叶片角的进一步的特别是更强的调节，以便进一步保护设备。代替转子叶片角的提高，对用于全负荷运行的转子叶片角的下降的描述也是已知的，但是这不描述任何其它的效果，而是仅以另一个命名为基础。全负荷运行中的转子叶片角的调节，这一般而言被称为俯仰角，对于本领域技术人员基本上是已知的。
[0045]非最佳的转子叶片特征线42由虚线来描述并且在部分负荷范围中示出比最佳的转子叶片角特征线41在相同的范围中所示出的转子叶片角略小的转子叶片角。这个较小的转子叶片角首先能够被看作为“较不利的”。因此能够根据较小的扭矩也就是反扭矩达到较高的转速。通过较小的发电机转矩，能够产生较高的转速——如在图表B中所示出的——这又可能导致改变的迎风角，所述发电机转矩相应地也描述了反扭矩。所述迎风角也就是说不仅依赖于风速\也依赖于转子的速度，并且由这两种速度矢量地组成。除此之外，参照一般而言已知的根据下述公式的功率P、转速η和扭矩N之间的关联:
[0046]Ρ=2 31 nM。
[0047]在达到额定风速Vwn时，根据非最佳的转子叶片特征线42的转子叶片角与最佳的转子叶片角特征线41的转子叶片角相适配。如果在额定风速乂胃的范围中应使用比额定转速更高的转速，那么在达到额定风速Vwn时首先不增大转子叶片角一不俯仰一这通过可替选的特征线分支44来说明，所述特征线分支由点线来描述。如在上文中所描述的，在这种情况下无论如何在预定的时期内忍受设备的过载。
[0048]根据本发明，因此对于过渡时期提出，风能设备以至少轻微提高的转速运行，以便具有可作为动能使用的确定的能量储备。
【权利要求】
1.一种用于控制连接在电网上的风能设备的方法，所述风能设备具有发电机，所述发电机具有空气动力学的转子，所述转子具有能调节的转速，其中所述风能设备在关于当前存在的风力条件最佳的运行点中能够以最佳的转速运行，其中所述风能设备对于过渡时期以非最佳的转速运行或者持久地在非最佳的运行点中以非最佳的转速运行，并且所述非最佳的转速比所述最佳的转速大。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在部分负荷运行中为了调节相应的最佳的运行点，存储第一运行特征线，并且为了控制具有所述非最佳的转速的所述风能设备使用第二运行特征线，并且所述非最佳的转速根据所述第二运行特征线来设定。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在风速下降时，在从全负荷运行过渡到所述部分负荷运行时首先特别是对于预定的风速范围降低功率，而所述转速保持恒定。
4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述风能设备具有一个转子叶片或者多个转子叶片，所述一个转子叶片或者多个转子叶片具有能调节的转子叶片角，并且所述非最佳的运行点的转子叶片角相应地相对于所述最佳的运行点的所述转子叶片角改变。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，从所述最佳的运行点中的运行变化到所述非最佳的运行点中的运行，特别是通过接收预告信号来触发，特别是通过外部的由电网运营商传输的预告信号来触发。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，如果所述风能设备在所述非最佳的运行点中运行，那么所述风能设备获取动能，并且使用这些动能，以便与所述风能设备能够从根据当前存在的风力条件的瞬时风中获取的能量相比，短暂地将更多的有效功率输入到电网中。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过获取所述动能将更多的有效功率输入到所述电网中，所述风能设备的转速从所述非最佳的转速下降至少直至所述最佳的转速。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述非最佳的转速以大约0.5转/分钟至1.5转/分钟，特别是大约I转/分钟高于所述最佳的转速。
9.一种风能设备，所述风能设备具有发电机，所述发电机具有空气动力学的转子，所述空气动力学的转子具有能调节的转速，其特征在于，所述风能设备借助根据上述权利要求之一所述的方法来运行。
10.根据权利要求9所述的风能设备，其特征在于，在所述空气动力学的转子和所述发电机之间不设置传动装置。
11.根据权利要求9或10所述的风能设备，其特征在于，所述风能设备具有柔性交流输电系统能力，和/或具有一个或多个逆变器，以便整流所述发电机所产生的电能，并且逆整流用于以适应于所述电网中的频率、电压和相位的方式输入到所述电网中。
12.一种风电厂，所述风电厂包括至少两个根据权利要求9至11之一所述的风能设备，以及至少一个共同的输入点，用于给至少两个或所述两个风能设备输入电功率。
【文档编号】F03D7/02GK103459838SQ201280017560
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年3月23日 优先权日:2011年4月1日
【发明者】阿尔弗雷德·贝克曼 申请人:乌本产权有限公司