专利名称：量化发电系统的性能的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及量化发电系统的性能，并且更加具体地涉及 确定用于带有不可控输入源的发电系统的财务产品。
背景技术：
某些财务产品已知或已经提出用于发电系统，例如在电力买方和 卖方之间的供应合同。通常，财务产品基于许多可直接或间接地影响 系统的性能的参数确定。例如，用于例如煤气和煤等可控式输入能源 的财务产品可基于由通过这些燃料的燃烧产生的蒸汽驱动的涡轮机
的可用性。财务产品可规定例如对于燃气涡轮机大约96%的可用性 值。因此，如果燃气涡轮机可用超过96%的时间，那么可奖给发电设 备的所有人或操作员适当的奖金。类似地，如果燃气涡轮机可用少于 96 %的时间那么可施以适当的罚款。最近的财务产品关注例如排放或
噪音等外部参数。
在带有例如风、太阳能、波能等等不可控输入能源的发电设备的 情况下，仅基于可用性的这样的财务产品可能不是可取的，因为涡轮 机可能不在额定功率上连续运转。例如1.5MW的涡轮机在风速低于 额定风速时可能仅输出1MW并且如果风速高于阔值风速可能不得不 从电网断开。在这样的情况下，基于资源的功率曲线(例如，在风力 涡轮机的情况下关于功率输出与风速的曲线)的发电输出能力随时间 的变化是重要的。因而这样的资源可能不能满足更可预测的和可控的 资源的"可用性"类型财务安排的严格要求。类似地，在确定管理资 源生产率中将工作得最好的财务产品时，需要考虑例如寿命、效率和 环境条件的变化等可增加财务风险的因素。因此，期望确定考虑处理前述的问题的财务产品。
发明内容
根据本发明的一个示范性实施例，提供用于量化发电系统的性能 的方法。该方法包括经验地确定发电系统的不可控资源的输入和功率 输出之间的实际关系，确定发电系统的不可控资源的输入和功率输出 之间的期望关系。该方法还包括比较实际关系与期望关系并且基于比 较确定发电系统的多个财务参数。
根据本发明的另一个实施例，提供用于评估发电系统的系统。该 系统包括至少 一个传感器，其配置以测量发电系统的多个输入参数和 输出功率，输入参数包括代表不可控资源的参数。该系统还包括处理 电路，其配置以比较经验确定的发电系统的不可控资源的输入和功率
输出之间的实际关系与其之间的期望关系；以及基于比较确定财务参数。
根据本发明的再另一个实施例，提供监控为发电系统设计的财务 产品的方法。该方法包括跟踪转换不可控自然资源为功率输出的发电 系统的一个或一个以上运行参数的波动，参数包括不可控自然资源的 输入；以及基于跟踪^^改财务产品。
根据本发明的另一个实施例，提供用于发电系统的计量卡。计量 卡配置以维护奖金或罚款的数据库。计量卡还配置以预先确定的间隔 基于数据库计算合并的奖金或罚款。
当下列详细说明参考附图阅读时，本发明的这些和其他特征、方 面和优点将更好地理解，整个附图中相同的符号代表相同的部件，其 中
图1是以包括许多风力涡轮机的风电场的形式的不可控输入发电 系统的图解表示；图2是根据本发明的实施例的使用传感器收集输入参数的测量数
据的风电场发电系统的图解表示；
图3是根据本发明的实施例的用于评估发电系统的性能的示出风 速和涡轮机功率输出之间关系的风力涡轮机的示范性功率曲线；
图4是用于确定奖金连同罚款的示出功率曲线带的风电场的另一 个示范性功率曲线；以及
图5是根据本发明的实施例的表示在基于功率曲线或类似关系量 化发电系统的性能的示范性方法中的步骤的流程图。
图6是表示在监控为发电系统设计的财务产品的示范性方法中的 步骤的流程图。
元件列表
10风电场48气象塔传感器电缆
12风力涡4仑才几50风力涡轮机传感器电缆
14电力网52控制室
16风力涡轮机叶片54输出功率传感器
18涡轮机转子56处理电路
20与平面垂直的轴线58气象塔传感器信号
22发电机60风力涡轮机传感器信号
24电力电子接口62输出功率传感器信号
26涡轮机变压器74风速
28中压配电网76风力涡4仑机功率输出
30馈电线78切入风速
32发电站变压器80额定风速
34风力发电系统82切出风速
36风速传感器92以m/s的风速
38风向传感器96风电场功率输出
40温度传感器98期望功率曲线42湿度传感器 ioo实际数据点
44气象塔 102输出功率的可接受范围
45风力涡轮冲几风速计 46风力涡轮机风向标
64风力涡4仑机功率曲线的图示
72风力涡轮机的示范性功率曲线
90风力涡轮机功率曲线的图示
110量化发电系统的性能的示范性方法
112-118方法步骤
130监控财务产品的示范性方法
132-134方法步骤
具体实施例方式
如下文详细论述的，本技术的实施例提供量化发电系统性能的方 法和系统。该技术也基于当前性能为发电系统提供财务产品。尽管本 论述集中于风力发电系统，它适用于任何带有不可控输入能源的发电 系统，例如太阳能发电系统。
现在参考附图，图1是以包括许多可运转用于向电力网14供应 电力的风力涡轮机12的风电场10的形式的不可控输入发电系统的图 解表示。电力网14也从其他例如热、水电或核电站等发电单元接收 电力。这是可取的因为风是间歇的并且不能控制，因此由风电场产生 的电力也是间歇的和不可控的(即，不能通过简单的燃料添加和燃料 消耗的控制来随意调节)。
穿过风力涡轮机12的叶片16的风使涡轮机转子18绕与图1的 平面垂直的轴线20旋转。与涡轮机转子18联:接的发电机22响应于 旋转而产生电力。此外电力电子接口 24与发电机22联接以确保有效 的运转。在特定的实施例中，发电机22产生在例如600伏特的低电 压的电力。
与电力电子接口联接的涡轮机变压器26逐步提高发电机22的电
7压。然后电力进一步传输到中压配电网28。馈电线30从涡轮机变压 器26收集电力并且将它传输到中压配电网28。在某些实施例中，通 常使用开关装置(没有示出)以在疾风条件下关闭风力涡轮机发电机 的一个或一个以上的发电。发电站变压器32逐步提高来自中压配电 网的电压并且将它传输到电力网14。如将被本领域4支术人员认识到
步到电力网的电力的相位，控制功率因数等等。
图2是使用至少一个传感器的示范性风力发电系统34的图解图 示。在图示的实施例中，风力发电系统34包括多个安装在气象塔 (meteorological mast) 44上的测量整个涡轮机12的代表例如风等不 可控资源的多个输入参数的传感器36、 38、 40、 42。在一个实施例中， 传感器36测量风速，而传感器38测量风向。例如，传感器36可是
他的仪器。在另一个实施例中，传感器38是风电场风向标。此外， 传感器40可测量在风电场的温度，并且传感器42可测量空气湿度。 在示范性实施例中，在涡轮机中每个上使用传感器45、 46以各自测 量风速和风向。空气压力传感器(没有示出)、空气密度传感器(没 有示出)和温度传感器40可安装在气象塔上，尽管这样的参数在风 能生产中可能不起重要的作用。传感器42的湿度读数也可帮助例如 评估在风电场结冰的可能性。
传感器36和38通过风力涡轮机控制器(没有示出)控制风力涡 轮机的运转。在一个实施例中，控制风力涡轮机的运转包括风力涡轮 机的开启和停止。在再另一个实施例中，控制风力涡轮机的运转包括 将涡轮机转子沿风向对准。来自设置在气象塔上的传感器36、 38、 40、 42以及来自传感器45、 46的信号分别通过电缆48和50传输到控制 室52。 一个或一个以上输出传感器54测量涡轮机12中的每个的输出 功率，其进一步传输到控制室52。如将被本领域技术人员认识到的， 这样的传感器可测量例如电流和电压，或可包"fe在基于电流和电压测量直接测量并且记录功率输出的功率监测器(对于本目的视作传感器 54)中。
在控制室52中的处理电路56处理代表来自输入传感器的各个输 入参数的输入信号58 、 60和来自输出功率传感器的输出功率信号62。 特别地，处理电路56确定输入参数58、 60和输出功率62之间的实 际关系。在一个实施例中，这个关系用于建立关于输入参数与每个发 电机、 一组发电机或整个风电场的输出的功率曲线。确定的关系进一 步与期望关系比较，例如理想、模型，以及参考或在测得的输入参数 状态下可获得的基准或者底线输出等。在一个实施例中，期望关系是 在合同中电力买方和卖方同意的输入参数和输出参数之间的关系。
处理电路56还基于比较确定财务参数。在特定的实施例中，财 务参数包括根据实际关系和期望关系之间的差别的奖金或罚款。在另 一个实施例中，奖金或罚款归因于不是由输入参数中的自然偏差造成 的偏差。在再另一个实施例中，财务参数包括保证或保险计划，其中 基于实际关系和期望关系之间的差别的预付费或保费由电力的买方 支付。货币偿还额或例如提供等价的电力等的非货币债务可基于差别 向买方提供。这些财务参数称为财务产品。在一个实施例中，处理电 路生成报表或账单。在示范性实施例中，计量卡可与财务产品一起使 用，其中计量卡维护奖金或罚款的数据库并且还以预先确定的时间间 隔基于数据库计算合并的奖金或罚款。
图3是上文论述的类型的风力涡轮机12的功率曲线的示范性图
度。风速和涡轮才几输出功率之间的关系通过功率曲线72示出。水平 轴线74代表风速而垂直轴线76代表额定风力涡轮机功率输出(在这 个情况下作为系统的满载输出能力的百分比)。
功率曲线测量从风力涡轮机产生的电力的卖方的观点来看是重 要的。它提供计算涡轮机年度产能量的简单方法。功率曲线又经常是 涡轮机特定的和位点特定的。"切入风速(cut-in wind speed) " 78是风力涡轮机开始旋转并且发电的风速。在示范性功率曲线72中， 切入风速大约是10MPH (16KPH)。风力涡轮机产生额定功率的风速 称为"额定风速"由标号80代表。在这个速度下能量转换效率通常 在最大值。超过额定风速80,风力涡轮机的功率输出通过机械控制器 或电控制器维持在恒定水平(额定功率输出)。风力涡轮机被编程为 在"切出风速(cut-out wind speed) ，， 82关闭以避免对涡轮机12和发 电机22的损伤。在示范性功率曲线72中，切出风速82是50MPH (80KPH)。
图4是通过从不同的风电场传感器收集的数据生成的风电场功率 曲线的图示90。水平轴线92代表以m/s的风速并且垂直轴线96代表 以MW的风电场功率输出。功率曲线98代表在合同中电力买方和卖 方都同意的功率曲线，其也可称为期望功率曲线。数据点100代表实 际或测量到的输出功率，其与期望输出功率比较。如果测量到的输出 功率超过期望输出功率容差范围102,可施以奖金到卖方的收益中。 类似地，当测量到的输出功率比期望输出功率小时，又伸至合乎范围 102，可向卖方施以适当的罚款(成本)。如本领域一支术人员将^人识 到的，这样的确定可基于在指定的持续时间或取样周期中的性能做 出，并且例如低通滤波器等的滤波技术可应用于确定在与期望关系做 出比较中使用的输入参数、实际输出功率，以及其他因素的实际价值。
图5是表示在量化发电系统的性能的示范性方法110中的步骤的 流程图。该方法110包括经验确定输入参数或不可控资源的状态和发 电系统的功率输出之间的实际关系，例如通过步骤112指出的。在特 定的实施例中，确定实际关系包括测量关于发电系统的多个输入参数 的总输出功率，已经以所考虑的输入参数的多种不同的组合进行这样 的分析。在示范性实施例中，输入参数包括风力发电系统的风速、风 向、空气的温度和湿度。
发电系统的不可控资源参数的输入和功率输出之间的期望关系 在步骤114中确定。在特定的实施例中，确定期望的关系包括确定用
10于最终确定电力买方和卖方之间的合同的期望功率曲线。许多技术可 用于这样的确定，例如各种不同的曲线拟合算法。也应该注意到关系 可是多维的，取决于买方和卖方意见一致的因素，以及取决于对电力 的生产影响最大的那些因素或参数。也应该注意到功率曲线(或更加 普遍的，期望关系)可在系统的试运转阶段期间或在正常运转期间建 立。此外，因为输入参数的某些组合可能不像其他的经常碰到，关系 可在这样的新状态组合出现时调整或更新。
一旦这个期望关系在正常操作期间建立(或达成协议)，实际关
系在步骤116中与期望关系比较。在特定的实施例中，这个比较包括 比较发电系统的实际功率输出和期望功率输出并且确定实际功率是 否超过或达不到期望功率一定范围。此外，发电系统的多个财务参数 基于在步骤118中的比较确定。在一个实施例中，确定财务参数可包 括根据实际关系和期望关系之间的差别施以奖金或罚款。在另 一 个实 施例中，确定财务参^:可包括^4居实际关系和期望关系之间的差别确 定货币支付额或等价的电力。这些财务参数可是在买方和卖方之间建 立的协议或财务产品的一部分。应该注意到本发明也考虑由第三方或 甚至由不直接包括电力买方和/或卖方的市场提供或建立的这样的财 务产品。因此，该产品可与保值合同(hedge contract)、保险合同 (insurance contract)、供应/需求合同等等相4以。
图6是表示在监控为上文说明的类型的发电系统设计的财务产品 的示范性方法130中的步骤的流程图。方法130包括跟踪在将不可控 自然资源转换为功率输出的发电系统的一个或一个以上运转参数中 的波动，如在步骤132中指出的，其中参数包括不可控自然资源的输 入。在示范性实施例中，跟踪在电力生产的成本上的波动。在另一个 实施例中，监测环境条件的变化。环境条件的变化可包括在风电场的 平均温度的变化或湿度的变化。
财务产品可基于这样的跟踪而修改，如在步骤134中指出的。在 示范性实施例中，修改财务产品包括调整奖金或调整罚款。在另一个实施例中，调整如果不足要提供的电力量。在一个实施例中，调整电 力卖方的风险值。如这里使用的术语'风险值，，是电力卖方的财务 风险的测量。在再另一个实施例中，发电系统的不可控自然资源的输 入和功率输出之间的经验确定的实际关系与如上文论述的其间的期
望关系比较。在一个示范性实施例中，发电系统的不可控自然资源的 输入和功率输出之间的经验确定的实际关系在系统的实际运转期间
确定，也如上文^r述的。
尽管仅本发明的某些特征于此图示和说明，本领域技术人员将想 到许多改动和变化。因此要理解附加权利要求是要包含所有这样的如 落入本发明的实际精神范围内的改动和变化。
权利要求
1.一种用于量化发电系统(34)的性能的方法(110)，包括经验确定(112)所述发电系统的不可控资源的输入和功率输出之间的实际关系；确定(114)所述发电系统的不可控资源的输入和功率输出之间的期望关系；比较(116)所述实际关系与所述期望关系；以及基于所述比较确定(118)所述发电系统的多个财务参数。
2. 如权利要求1所述的方法，其中确定所述实际关系包括测量 关于所述发电系统的多个输入参数的总输出功率。
3. 如权利要求1所述的方法，其中确定所述多个财务参数包括 根据所述实际关系和所述期望关系之间的差别施以奖金或罚款。
4. 如权利要求1所述的方法，其中确定所述多个财务参数包括 根据所述实际关系和所述期望关系之间的差别确定货币支付额或等 价的电力。
5. —种用于评估发电系统的系统，包括至少 一个传感器，配置以测量所述发电系统的多个输入参数和输 出功率，所述输入参数包括代表不可控资源的参数；以及 处理电^各，其配置以比较经验确定的所述发电系统的不可控资源的输入和功率输出 之间的实际关系与其之间的期望关系；以及 基于所述比较确定财务参数。
6. 如权利要求5所述的系统，其中所述实际关系包括关于所述 发电系统的不可控资源与实际功率输出的功率曲线。
7. 如权利要求5所述的系统，其中所述财务参数包括根据所述 实际关系和所述期望关系之间的差别的奖金或罚款。
8. 如权利要求5所述的系统，其中所述财务参数包括根据所述实际关系和所述期望关系之间的差别的货币支付额或等价的电力。
9. 一种监控为发电系统设计的财务产品的方法(130)，包括 跟踪(132)在转换不可控自然资源为功率输出的发电系统的一个或一个以上运转参数中的波动，所述参数包括所述不可控自然资源 的输入；以及基于所述跟踪修改(134)所述财务产品。
10. —种用于发电系统的计量卡，配置以 维护奖金或罚款的数据库；以及以预先确定的间隔基于所述数据库计算合并的奖金或罚款。
全文摘要
提供用于量化发电系统(34)的性能的方法(110)和系统。该方法包括经验确定(112)发电系统的不可控资源的输入和功率输出之间的实际关系。该方法还包括确定(114)发电系统的不可控资源的输入和功率输出之间的期望关系。该方法还包括比较(116)实际关系与期望关系。该方法还包括基于比较确定(118)发电系统的多个财务参数。
文档编号H02J3/00GK101582139SQ200910138930
公开日2009年11月18日 申请日期2009年5月12日 优先权日2008年5月12日
发明者A·安巴拉苏, A·萨卡, V·C·古贾 申请人:通用电气公司