来自风力涡轮机设施的无功功率支持的制作方法

本发明涉及用于向电力网提供快速无功功率支持的方法。具体而言，本发明涉及用于从风力发电设施提供快速无功功率支持的方法，该风力发电设施已经以其额定功率电平或接近其额定功率电平进行操作。

背景技术：

向电力网提供来自风力涡轮机的支持是公认的方法。无功功率支持典型地在电网电压出于某种原因降低的情况下提供。

然而，根据传统方法，如果出于这种目的选择的风力涡轮机已经以其额定功率电平或接近其额定功率电平进行操作，快速无功功率支持(如果可能的话)可能难以提供。其原因主要在于：如果在风力涡轮机已经以其额定功率电平或接近其额定功率电平进行操作时发起无功功率支持，则可能超过所选择的风力涡轮机的整体电流限制。明显地，超过风力涡轮机的电流限制会损坏风力涡轮机。

传统的方法通过缓慢地降低所选择的风力涡轮机的定额来解决电流限制问题。然而，这通常会导致不必要的电网不稳定性以及增加的转子速度(其必须通过调节转子叶片的浆距以使得转子叶片避开风来处理)以便于使风力发电输入与降低定额的功率电平相匹配。

提供一种方法可以被看作是本发明的实施例的目标，该方法用于：即使风力涡轮机以其额定功率电平进行操作，也提供快速无功功率支持。

技术实现要素：

上述目标与在第一方面通过提供以下方法符合：一种用于操作风力发电设施以便于向电力网提供无功功率支持的方法，所述方法包括以下步骤：

-增加注入到所述电力网中的无功功率的量，

-使注入到电力网中的有功功率的量降低一定量，以及

-在功率耗散和/或功率存储模块中实质上耗散和/或存储所述一定量的有功功率。

在目前的背景下，应当宽泛地理解术语风力发电设施。因此，术语风力发电设施可以涵盖单个风力涡轮机或包括多个风力涡轮机的风力发电厂。

本发明的方法的优点在于可以快速且敏捷地提供无功功率从而例如可以避免电网不稳定性。电网不稳定性可以在电网电压下降到预定值以下的情况下出现，例如低于标称电压电平左右的预定电压死区。

注入到电力网中的有功功率的量和耗散和/或存储的有功功率的量的总和在给定的时间段内是实质上恒定的。因此，在开始转子叶片桨距调节、功率降低等之前，由风力涡轮发电机生成的功率在给定的时间段内实质上保持恒定。该时间段在0-2秒的范围内。

通常，本发明的方法确保在风力发电设施以其额定功率电平或接近其额定功率电平进行操作时即使电力网的无功功率的量增加也不会超过风力发电设施的电流限制。这通过降低被提供到电力网的有功功率的量来确保。优选地，实质上同时执行增加无功功率和降低有功功率的步骤。

功率耗散模块包括DC斩波器，所述DC斩波器包括许多备用负载电阻器，而功率存储模块可以包括许多电池和/或电容器。组合的功率耗散和功率存储模块关于本发明也可以是适用的。

根据本发明的方法还可以包括以下步骤：随着时间调节风力涡轮机转子叶片的桨距以使风力涡轮机转子叶片避开风，以便于降低风力发电输入。可以在0-2秒的可选延迟期之后开始转子叶片桨距调节。在可选延迟期之后，可以在5-10秒的时间段期间执行转子叶片桨距调节。类似地，可以随着时间相应地降低耗散和/或存储的有功功率的量以便于匹配降低的风力发电输入。因此，在0-2秒的可选延迟期之后，所耗散和/或存储的有功功率的量在5-10秒的时间段内可以降低。

在第二方面，本发明涉及一种用于向电力网提供无功功率支持的风力涡轮机设施，所述风力涡轮机设施包括：

-无功功率控制模块，其用于增加注入到电力网中的无功功率的量，以及

-有功功率控制模块，其用于使注入到电力网中的有功功率的量降低一定量，并且用于在功率耗散和/或功率存储模块中实质上耗散和/或存储所述一定量的有功功率。

因此，本发明的第二方面涉及用于执行根据第一方面所述的方法的模块。再次，风力发电设施可以包括风力涡轮机或风力发电厂。

如关于本发明的第一方面所提及的，所述功率耗散模块可以包括DC斩波器，所述DC斩波器包括许多备用负载电阻器。此外，所述功率存储模块可以包括许多电池和/或电容器，如果需要的话可以由此提供无功功率。

在需要快速无功功率支持的情况下的风力涡轮机设施的操作遵循关于本发明的第一方面概述的程序。

附图说明

现在将参考附图对本发明进行进一步详细解释，其中：

图1示出了典型的PC图，

图2示出了各种参数如何变化，

图3示出了本发明的方法的各方面的流程图，以及

图4示出了能够执行本发明的风力涡轮机设施。

尽管本发明易受到各种修改和替代形式的影响，但具体实施例已经通过示例的方式在附图中示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解的是，本发明不旨在局限于所公开的特定形式。相反，本发明是要涵盖落在本发明的由所附权利要求限定的精神和范围内的所有修改、等同物以及替代物。

具体实施方式

在本发明最普遍的方面中，本发明涉及一种方法和风力涡轮机设施，该方法和风力涡轮机设施有助于对电力网的快速且敏捷的无功功率支持，即使用于输送无功功率的电力源已经以其额定功率电平或接近其额定功率电平进行操作。电力源典型地为风力涡轮机设施，例如单个风力涡轮机或包括多个风力涡轮机的风力发电厂或其部分。

通过迅速降低注入到电力网中的有功功率的量并且在某些备用负载和/或功率储存器中耗散和/或存储该有功功率的量从而使风力涡轮机上的负载保持实质上不受影响来提供本发明的方法的快速且敏捷的性能。风力涡轮发电机上的实质上不受影响的负载防止转子速度增大。如之后将进行解释的，功率的耗散和/或存储可以在相对短期的规模上执行，即从几秒到几分钟。

现在参考图1，示出了风力涡轮发电机的典型PQ图。本发明的基本思想在于扩展PQ图以便于提供风力涡轮机的大且快速的无功功率能力(capability)。

在风力涡轮机以其额定有功功率电平进行操作的情况下，无功功率控制范围典型地为与图案填充区域(hatched region)(范围从Q_基本,ind到Q_基本,cap)相对应的基本区域。指数“ind”和“cap”此处分别指代电感和电容。为了使无功功率能力增加到超过该图案填充区域，风力涡轮机必须降低其有功功率产量。否则就违反了风力涡轮机的电流限制(虚线圆)。

为了能够提供快速且敏捷的无功功率响应，本发明的目标在于在整个扩展范围内(即，图案填充区域内部和外部)保持相同的无功功率斜率。无功功率斜率可以在每秒1-50个单位的范围内变化，这给出了取决于风力涡轮机尺寸的一定MVar/s。作为示例，无功功率斜率可以是每秒20个单位。对于3MV的风力涡轮机，这意味着无功功率斜率为60MVar/s，而在1MV风力涡轮机的情况下，无功功率斜率为20MVar/s。

通过从工作点(1)到工作点(2)迅速改变风力涡轮机的工作点来提供快速的无功功率增加。向电力网提供的有功功率应当以实质上相同的速度降低。对于具有DC斩波器的风力涡轮机，在其它情况下可以通过耗散和/或存储有功功率到例如备用负载电阻器中来抵消不可避免的转子速度增大。

通过实施上述类型的控制，避免了对昂贵备用StatComs的需要，因为可以利用具有高无功功率斜率速率的风力涡轮机的充分扩展能力(Q_扩展,ind至Q_扩展,cap)。

现在参考图2，描绘了所选择的参数的示意图。无功功率增加在T＝0处开始。图2中所示的参数如下：

a)注入到电力网中的无功功率与时间相比

b)注入到电力网中的有功功率与时间相比

c)DC斩波器中耗散的有功功率与时间相比

d)风力涡轮发电机终端处的有功功率与时间相比

e)转子速度与时间相比

f)转子浆距与时间相比

如图a)中所示，进入电力网的无功功率增加在T＝0处开始。对此的原因可能有许多，例如下降的电网电压。为了避免超过风力涡轮机的电流限制，被提供到电力网的有功功率在实质上相同的时间降低(参见b))并且以实质上相同的速率降低。当不再需要增加的无功功率的量时(未示出)，无功功率电平和有功功率电平返回到它们在T＝0之前的相应电平。

未被注入到电力网中的有功功率的量在DC斩波器中耗散c)，从而使发电机上的负载d)以及转子速度e)在短期上保持实质上不变。在实线上示出了实质上恒定的转子速度e)。为了比较，e)还显示(虚线)如果DC斩波器是无功的或不存在则转子速度将如何增加。

如f)中所描绘的，在较长的时间标度上调节转子叶片的浆距以使转子叶片其避开风。浆距调节可以即刻或在典型地0-2秒的时间延迟之后开始。这还会影响所生成的功率d)以及DC斩波器中耗散的功率量c)。如d)中所示，随着调节转子叶片的浆距以使转子叶片避开风，发电机功率降低。典型地，浆距调节过程花费5-10秒。由于降低发电机功率的原因，DC斩波器中耗散的功率也在相同的时间段内降低。

功率耗散和/或存储的降低c)、所生成的功率d)以及转子叶片浆距f)被描绘为随着时间的线性变化。然而，非线性相关性也可适用。这还应用于无功功率a)以及有功功率b)变化，其也可能是非线性本质。

因此，当检测到对无功功率支持的需要时，增加电网的无功功率的量而降低有功功率的量。启动DC斩波器(或功率存储模块)以维持发电机上的负载。在较长的时间标度上调节转子叶片的浆距以使转子叶片避开风，从而使发电机功率并且由此还使耗散/存储的功率的量降低。

增加无功功率的量的需求可以通过例如下降的电网电压触发。因此，如果电网电压下降到某个极限以下(例如低于预定死区)，则功率分配器可能需要附加的无功功率注入到电网中，以便于增加或至少稳定电网电压。在该背景下，功率分配器还可能需要一定量的无功功率储备可用于支持目的。

图3示出了简化的流程图，该流程图示出了根据本发明的方法的各发面。接收到增加无功功率的量的要求。为了符合该要求，并且同时不超过风力发电设施的任何电流限制，增加了电力网的无功功率，并且使同一电力网的有功功率降低一定量。不再被提供到电力网的有功功率的量替代地在适当的功率耗散/功率存储模块中耗散和/或存储。在0和2秒间的可选延迟期之后，开始调节转子叶片的浆距以使转子叶片避开风，并且相应地降低耗散和/或存储的有功功率的量。在之后的时间，使工作状态正常化并且提供降低无功功率的量的要求。响应于该要求，无功功率和有功功率可以回到它们原始的功率电平。

图4描绘了风力涡轮机设施，该风力涡轮机设施包括一组可旋转安装的转子叶片，所述转子叶片经由齿轮箱耦合到发电机。所生成的功率经由功率转换器提供到相关联的电力网。功率转换器典型地包括发电机侧的AC/DC转换器和电网侧的DC/AC转换器。AC/DC转换器将来自发电机的三相AC功率转换成DC功率。类似地，DC/AC转换器将DC功率转换成具有与电力网的标称频率匹配的频率的AC功率。AC/DC转换器和DC/AC转换器由中间的DC链路分隔开，功率耗散或功率存储布置耦合到该DC链路。功率耗散布置典型地包括DC斩波器和许多电阻式备用负载。对于功率存储，电池和/或电容可以是适用的。风力涡轮机控制器响应于来自至少电力网和发电机的控制或感应信号而至少控制功率转换器和转子叶片浆距调节机构。