使用风力涡轮机为储能系统充电的方法与流程

本公开涉及一种使用一个或多个风力涡轮机为储能系统充电的方法。

背景技术：

风力涡轮机是从风能产生电能的设备。实际上，来自风的动能经由风力涡轮机中的发电机转化为电能。

已经知道，使用风力涡轮机发电受到可获得足够的风来驱动涡轮机的限制。如果没有风，或者风很小，涡轮机的转子就不能够产生电能。此外，如果风速过高，操作风力涡轮机是不安全的，同样不能发电。

电力发电行业的标准做法是，电网拥有者/运营者要求发电公司至少在一天前提供说明会有多少功率投入电网的预测。如果预测的功率上传量出现偏差，就会产生负面的财务影响。这对风电场/园运营者来说是一个特别的挑战，因为任何功率预测都依赖于准确的天气预报，而已经知道的是这一学科是不可靠的。

风力涡轮机的额定功率是指风力涡轮机在一段持续时间内能够提供的最大功率输出。在有限的时间内，涡轮机可以在有限的时间段内高于此功率水平操作，这样的时间段称为功率提升(powerboost)。

为了避免偏离功率生产预测，已经知道，风力涡轮机运营者将风力涡轮机操作在其额定功率输出之下，以便能够在需要时增加功率，以更好地匹配预测。

此外，在低于额定功率输出的情况下操作风力涡轮机以防止过度磨损和疲劳也是有益的。功率提升可用于在风速波动期间保持平均功率生产高。

已经知道，风力涡轮机运营者还使用备用电池电源，以在涡轮机不能发电期间继续向电网提供功率。这种电池可安装在每个单独的涡轮机上，也可作为风电场/园的独立系统/子系统安装。当然，电池只能在有限的时间内提供电力，然后必须重新充电。

一般来说，当电池再次能够操作时，利用风力涡轮机产生的功率对电池进行再充电，或者利用电网的功率对电池进行再充电。在这两种情况下，电池的再充电对风力涡轮机运营者来说都是有成本的，这是因为要么向电网出售的功率减少，要么风力涡轮机运营者必须从电网购买功率。

技术实现要素：

本发明提供了一种使用风力涡轮机为储能系统充电的方法，所述方法包括：使用风力涡轮机产生功率；建立是否涡轮机功率生产能够增加；建立是否储能系统能够接受充电；将由风力涡轮机产生的功率增加到高于风力涡轮机的额定功率；以及使用由功率增加产生的额外功率，为储能系统充电。

本发明的方法是有利的，这是因为风力涡轮机操作者不需要为了给电池充电而减少对电网的供电，或从电网中使用电力。储能系统可包括至少一个储能部件，其中，所述至少一个储能部件包括由电池、电容器或超级电容器构成的组中的任何一个。可任意组合使用任何数量的储能部件。所述一个或多个储能部件可位于风力涡轮机上，或位于单独的储能设施中，或其任意组合。

优选地，增加产生的功率可包括创建功率提升。

在一优选实施方式中，增加产生的功率可包括创建两个或更多个功率提升，其中，由风力涡轮机产生的功率在每个功率提升之间基本上恢复到额定功率。

所述或每个功率提升可具有预定持续时间。可替代地，所述或每个功率提升可以是在幅度和/或持续时间上可控制的。功率提升的控制可依赖于一个或多个风力涡轮机或储能系统的操作参数。在一个实施方式中，一个或多个功率提升可以被启动，然后一旦储能系统达到目标充电状态就中断。可替代地或另外地，可启动一个或多个功率提升，如果风力涡轮机、风或其它辅助系统的一些其它条件变得不利于继续进行功率提升，然后中断功率提升。所述或每个功率提升可具有预定最大持续时间。

在预定时间内可创建两个或更多个功率提升。可替代地或另外地，每个功率提升之间可具有预定最小时间段。

在一优选实施方式中，功率增加的幅度可以是额定功率的系数。

建立是否储能系统能够接受充电可优选包括建立储能系统的充电状态或操作温度。

优选地，建立是否涡轮机功率生产能够增加可包括建立是否风力涡轮机的转换器的操作条件有助于功率增加的产生。

在一优选实施方式中，建立转换器的操作条件可包括建立转换器的操作温度或电压。

建立是否涡轮机功率生产能够增加可优选包括建立是否盛行风条件有助于功率增加的产生。

优选地，建立是否盛行风条件有助于功率增加的产生可包括计算或询问转子速度的标准偏差。

在一优选实施方式中，建立是否涡轮机功率生产能够增加可包括建立是否风力涡轮机的发电机或转子的操作速度或其派生信号高于预定最小值。

优选地当发电机或转子的操作速度或其派生信号高于预定最小值时，可产生非零控制信号，其中，所述方法还包括每次当控制信号从零变为非零状态时，建议功率增加。

优选地，建立是否涡轮机功率生产能够增加包括感应风力涡轮机的振动条件并确定是否振动条件有助于功率增加的创建。

优选地，建立是否涡轮机功率生产能够增加可包括产生一个或多个关于风力涡轮机操作条件的状态的控制信号；和建立是否储能系统能够接受充电可包括产生一个或多个关于储能系统操作条件的状态的控制信号；其中，所述一个或多个关于风力涡轮机操作条件的状态的控制信号和所述一个或多个关于储能系统操作条件的状态的控制信号可以被主控制器用于确定是否功率增加将被创建。

在一优选实施方式中，可使用多个风力涡轮机为储能系统充电。

可使用至少一个其它类型的发电机来为储能系统充电。

优选地，根据旨在向储能系统提供稳定的充电功率水平的控制方式，主控制器可请求从一个或多个风力涡轮机中增加功率。

主控制器优选根据旨在预测有助于产生功率增加的风条件恶化之前提供一个或多个功率增加的控制方式，请求从一个或多个风力涡轮机增加功率。风条件恶化的预测可实现，例如通过使用光探测和测距(lidar)技术。这样的系统在ep2516849中公开。

在一优选实施方式中，功率增加可维持直到储能系统基本上充满电。

在本申请的范围内，明确地意图是，在前述段落、权利要求书和/或在以下描述和图中列出的各种方面、实施方式、示例和替代方案，特别是其各个特征，可以独立地或以任何组合方式进行。也就是说，所有实施方式和/或任何实施方式的特征可以以任何方式和/或组合，除非这些特征是不相容的。申请人保留相应地改变任何原提交的权利要求或提交任何新的权利要求的权利，包括修改任何原提交的权利要求以从属和/或纳入任何其它权利要求的任何特征，尽管原来没有以这种方式要求。

附图说明

现在将参照附图仅以举例说明对本发明的一个或多个实施方式进行描述，其中，

图1示出了风力涡轮机的示意图；

图2示出了风力涡轮机的典型功率曲线；

图3示出了风力涡轮机的理想化示例功率输出随时间变化的轨迹；

图4示出了风力涡轮机的另一理想化示例功率输出随时间变化的轨迹；

图5示出了风力涡轮机的理想化示例功率输出轨迹随时间的变化以及相关的理想化示例发电机速度轨迹；

图6示出了使用风力涡轮机为储能系统充电的一种可能方法的流程图；以及

图7示出了示例性充电定时控制系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了典型的风力涡轮机101的示意图。风力涡轮机101包括塔104，所述塔支撑机舱103。机舱103典型地容纳发电机和转换器(未示出)。包括叶片105和轮毂106的转子102安装在机舱103上。传动轴(未示出)将轮毂106直接或经由齿轮箱连接到发电机。随着转子102被风驱动时，传动轴旋转导致发电机产生电功率。经常，在机舱中装有转换器，以将所产生的功率转换为具有与连接的电网相匹配的频率的功率。

图2示出了如图1所示的水平轴风力涡轮机的典型功率曲线。大多数风力涡轮机有切入速度10，低于所述切入速度时，则风速太慢，不能引起转子102的旋转。在切入速度10和额定功率输出速度11之间，风力涡轮机产生的功率以特征性“s”形曲线增加。一旦风力达到额定输出速度11，风力涡轮机产生的额定功率13基本上保持不变，直到达到切出速度12，超过所述切出速度，则操作风力涡轮机101是不安全的。如上所述，风力涡轮机的额定功率是风力涡轮机在持续的时间段内能够提供的最大功率输出。

功率曲线的中间区域14被称为“膝盖(knee)”。典型地，风力涡轮机设计成使得在此区域中有大量的操作时间，这是改变转子大小和名义功率的成本-效益分析的结果。在功率曲线上端区域15中的操作更不常见，但风力涡轮机确实有规律地在这个区域中操作。

在风力发电行业，最大平均功率水平低于系统的短期峰能力是很常见的。这是为了提供当需要时和按照需要提升功率的能力。风力涡轮机的操作功率输出称为额定功率。电力系统的短期功率能力经常为0％至10％。

风力涡轮机的功率输出可由包括叶片105桨距角和发电机扭矩的多个因素控制。这样的控制策略在技术中是很好理解的，这里不详细讨论。

可以理解的是，图2中所示的功率曲线是理想化的曲线。在现实中，由于驱动转子102的力的微小变化，发电机的功率输出随时间而变化。这种变化由图3中所示的示例功率输出vs时间曲线来说明。

从图3中可以看出，风力涡轮机的功率输出在额定功率r处基本保持恒定，直到时间16，功率输出出现明显下降。这种下降是由风速下降和相关的转子速度下降引起的。

将理解的是，随着转子102减速，其动能下降。为了恢复下降前的功率输出水平，一旦风速恢复，就需要将转子102加速回到其下降前的速度。

如上所述，在常态操作条件下，风力涡轮机101以其额定功率输出而不是以可能的最大功率输出操作。然而，为了恢复在下降过程中损失的部分能量，临时改变风力涡轮机控制以允许风力涡轮机以高于其额定功率水平的水平发电从而保持平均功率生产更接近额定功率是有利的。这种类型的风力涡轮机控制在领域上是已经知道的。

在图3中的圈出区域17中可看到功率提升对功率输出轨迹的影响。在这里可以看到，功率输出暂时高于下降前的功率输出水平，然后逐渐返回到下降前的功率水平。典型地，功率提升设置为额定功率的系数，例如额定功率的101-125％。功率提升的持续时间可以根据所使用的控制策略来选择。功率提升的持续时间示例可以是例如1秒到10分钟之间。一旦功率提升停止，功率输出就会按照指数衰减的方式逐渐下降，直到达到下降前的功率输出。

图3还示出了圈出区域18和19中的两个另外的功率提升事件。在这里，风速的下降小于在时间点16所经历的风速下降。因此，功率输出的下降小于在时间点16所看到的下降。在这个示例中，使用较小幅度的功率提升来恢复转子102的速度。这在图3中通过区域18和19的功率输出轨迹中较小的峰反映出来。当然，功率提升的幅度和持续时间可以根据所需的结果来选择，而且功率的较小下降将通过较小和/或较短的功率提升来补偿不是必需的。

目前，功率提升一般只在功率曲线(图2)的中间区域14的风速处使用。这是因为功率输出对风速变化的敏感性在功率曲线的中间区域14，或“膝盖”处要大得多。在顶部区域15中的风速处，如图3中区域17所示的剧烈功率下降更不常见。

功率提升用于补偿风速突然上升时的转子过速。如果电网由于某些原因意外地需要额外的电力，也可以使用功率提升。例如，在电力来源下降的情况下，或者如果消费者从电网获取的电力突然增加。在这种情况下，风力涡轮机可以被控制以超额定发电，这是通过一系列离散的提升或持续的超过额定得到的，直到满足额外的电力需求。当然，只有在风速足够即高于额定输出速度11的情况下，风力涡轮机才能被超额定(图2)。

如上所述，经常使用电池来补偿风条件的间歇性，以满足电网或功率预测的要求。很明显，这种电池一旦电量耗尽，就需要重新充电。在一个实施方式中，可以通过使一个或多个风力涡轮机的超过额定功率并利用产生的额外功率，为电池充电。通过这种方式，风电场/园能够继续以预测的水平向电网供电，并且还能够对电池进行再充电，以备需要时使用。然而，如下面所讨论的，这并不是利用未使用的发电能力或未使用的可用风能的优选方法，这是因为以最大功率输出能力或接近最大功率输出能力长时间操作对风力涡轮机及其部件有潜在的损害。

在另一实施方式中，创建一个或多个功率提升，并且由功率提升产生的额外功率用于为电池充电。再次，通过使用这种方法为电池充电，可以继续以预测的水平向电网供应电力，并且仍然可以为电池充电。与前一方法相比，这种方法的一个优点是，风力涡轮机不会长时间处于超额状态。因此，风力涡轮机及其部件因过度磨损或疲劳而损坏的可能性小。特别是，通过适当选择功率提升幅度、时间间隔和持续时间，可以管理由涡轮机部件产生的热量。

图4示出了额定功率为r的典型风力涡轮机组的功率输出vs时间的曲线。在这里可以看到，在圈出区域20中功率提升产生，以补偿由风速下降引起的功率下降22。假设的功率提升21已经叠加到在功率提升20之后的一段时间的功率轨迹上。从图4中可以看出，在功率提升21之前没有功率下降。相反，功率提升21是为了给电池充电的特定目的而产生的。

功率提升包含由提升的幅度和持续时间决定的能量的量。在任何给定的时间段内，可以多次产生能量的量。例如，可以由控制逻辑决定，在特定的时间间隔内产生2-15次提升，如下面更详细描述。

正如本技术领域的技术人员将理解的那样，条件并不总是适合创建功率提升。必须考虑许多因素，例如风速、风稳定性、振动模式、发电机速度和涡轮机操作条件。

发电机速度由包括叶片102桨距角和发电机扭矩的许多因素决定。在常态操作条件中，在风速高于额定输出速度11时，风力涡轮机的功率输出由转子速度控制器控制，其利用叶片102桨距角和发电机扭矩(由转换器施加)将发电机速度维持在一范围内，所述范围使得功率输出在风力涡轮机的额定功率输出r的可接受范围内。叶片桨距角和发电机扭矩之间经常存在控制反馈关系。

功率提升的创建将产生发电机扭矩的变化，也因此一些振动模式将被功率提升激发。在一个实施例中，功率提升的开始或结束与相关振动模式的偏转状态之间可存在协调，诸如降低振动的振幅。例如，如果塔104以侧-侧弯曲模式振动，则功率提升优选开始在其产生的扭矩变化将产生塔偏转速度降低时。功率提升开始的适当时间将是塔偏转的相位的函数。例如，通过使用加速度计或负载传感器，可确定塔偏转的相位。在另一实施例中，功率的变化率也是作为模态偏转的相位的函数来调整的，诸如调整或限制功率斜坡(ramp)的频率内容。

图5示出了具有额定功率r的典型风力涡轮机的理想化功率输出vs时间轨迹，以及相关发电机速度的理想化轨迹。在24点区域可以看到发电机速度的下降。这种下降可能是由于风速下降，也可能是由于对发电机施加额外的扭矩，使其从之前最大的27点处减速。一般来说，在时间位置24处应用功率提升是不期望的，这是因为提升将对发电机施加更多的扭矩，并导致发电机进一步减速。这将对转子速度控制器控制转子/发电机的速度的能力产生负面影响。

相反，再次参考图5，发电机速度在25点区域中处于最大值。在这个时间点处或在高加速期间，应用功率提升将是有益的，这是因为功率提升产生的额外扭矩将有助于减缓发电机的速度并同时产生额外的功率。在一控制策略中，每次当发电机速度超过预定水平时，可产生控制信号。例如，在图5的系统中，预定发电机速度可以是“a”，如线26所示。可替代地或可附加地，控制信号可以在发电机速度高于预定速度26的整个时间段内保持“开”。例如，当发电机速度低于预定速度26时，控制信号可以为零，并且当发电机速度高于预定速度26时，控制信号可以为非零值，例如1。可替代地或可附加地，根据发电机的加速度，控制信号可以从零变为非零值，在这种情况下，控制信号由发电机速度的导数确定。

在另一或附加的控制步骤中，风力涡轮机或风电场/园的控制器可建议每次控制信号从零值变为非零值时，创建功率提升。以这种方式，当发电机速度处于有助于产生功率提升的水平时，可定时发生功率提升(取决于其它系统条件，如下文讨论)。

盛行风条件可由传感器监测，例如，由诸如ep2516849中公开的lidar系统监测。在一可选的实施例中，如果预测风条件将恶化以致于风条件不再有助于风力涡轮机的发电，则控制信号可以从零变为非零状态。在这种情况下，控制器可请求在风力涡轮机停止从风中发电之前，产生功率提升，以最大限度地提高电池的充电水平。

是否可使用功率提升来给电池充电将取决于许多因素，包括但不限于：电池条件(充电状态、温度)、风条件(速度、湍流)、转换器条件(电压温度)、风力涡轮机条件(包括振动模式)以及转子/发电机速度。此外，在另一实施方式中，有可能一个或多个电池可以从多个风力涡轮机中充电，每个风力涡轮机根据总体控制策略产生功率提升，其旨在为电池提供稳定的充电水平。此外，可使用替代电源与风力涡轮机一起为电池充电。示例包括光伏电池或其它可再生或不可再生的能源。在这种情况下，必须在总体电池充电控制系统中考虑到由这些设备提供给电池的额外功率。

图6示出了说明使用风力涡轮机对一个或多个电池充电的一种可能过程的流程图。所述过程从步骤30开始。在步骤31处示出了所述过程中的第一决定，其中确定是否可产生功率提升。如方框37中的列表所示，可使用多个输入来确定是否可创建提升。示例性输入包括但不限于：转子/发电机速度、风速、风条件(湍流，其可从转子速度的标准偏差中确定，如本领域中已经知道的)、振动条件(诸如塔的弯曲)、转换器条件(电压、温度)、转子速度控制(诸如上面结合图5讨论的零/非零控制信号)、自上次提升以来经过的时间。如果确定可创建提升，则所述过程继续进行到步骤32。如果否，所述过程返回到步骤30。

如果可创建提升，则在步骤32处，确定所述一个或多个电池是否能够接受充电。如方框38中的列表所示，可使用多个输入来确定电池是否能够接受充电。示例性输入包括但不限于：充电状态、温度、从其它来源接收的充电功率。如果确定电池可接受充电，则所述过程继续进行到步骤33。如果否，则所述过程移至步骤35，其中确定电池是否已完全充电。如果是，则所述过程在步骤36处结束。如果否，则所述过程返回到步骤30处的开始。

如果电池能够接受充电，在步骤33处，风力涡轮机或风电场/园、监督逻辑指示一个或多个风力涡轮机产生功率提升，并在步骤34处使用来自功率提升的功率对电池进行充电。然后，所述过程返回到步骤30处的开始。

可以理解的是，在步骤33处，监督逻辑必须确定一个或多个功率提升的适当幅度和持续时间。正如下面参照图7所讨论的那样，这样的确定是利用上面讨论的涡轮机条件输入37和电池条件输入38来进行的。

图7示出了示例性充电定时控制系统40的示意图。所述系统40包括监督逻辑42，所述监督逻辑接收关于一个或多个涡轮机以及一个或多个电池的条件的输入47、48。涡轮机条件输入47和电池条件输入48对应于图6的涡轮机条件输入37和电池条件输入38。监督逻辑42还接收提升定时输入45，所述提升定时输入包括但不限于：来自系统中所有风力涡轮机的提升定时信息、转子速度、转子/发电机速度控制信号(诸如上面结合图5讨论的零/非零控制信号)。监督逻辑42使用接收到的有关涡轮机条件47、电池条件48和提升定时信息45的信息。监督逻辑确定哪个或哪些风力涡轮机将在哪个时间处提升以提供电池充电提升46。

对本领域技术人员来说明显的是，上述实施方式只是示例，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出许多修改。特别是，在上述示例中，电池被用作储能系统的主要部件。储能系统并非必须包括电池，并且可使用任何合适的储能部件。合适的储能部件包括电池、电容器和超级电容器。储能系统可包括任意数量的储能部件，并且储能部件的任何组合可以一起作为同一储能系统的部分使用。储能系统可包括安装到涡轮机的储能部件，或者其位于单独的储能设施中。在一些示例中，一些储能部件可安装到涡轮机，而其它储能部件则位于单独的储能设施中。