专利名称：用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的装置和包括该装置的发电系统。特别地，本发明涉及一种用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的装置和ー种发电系统，其适合于使发电系统应该向其供应电能的公用电网的频率振荡稳定。
背景技术：
可以将诸如风カ涡轮机的一个或多个发电系统连接到公用电网以向该公用电网供应电能。另ー方面，ー个或多个消耗装置或负载被连接到公用电网以从该公用电网提取电能。公用电网可以以AC功率流(或信号或电磁波)的形式递送电能，该AC功率流具有预 定的标称电网频率，诸如50 Hz或60 Hz。从而，电网频率可以在很大程度上取决于生成的功率和消耗的功率的平衡。生成的功率和消耗的功率的此平衡是保持频率稳定所必需的，但是由于停机、发电损耗和功率的突然増加，常常观察到频率的变化。US 7，345，373 B2公开了ー种用于公用事业和风力涡轮机控制的系统和方法，其中，响应于公用事业系统相对于内部參考系的频率扰动或功率波动来调制通过转换器的功率流，所述内部參考系被实现为用由常数M定义的特定量值来模拟虚拟惯性的积分器(integrator)。从而，内部參考系具有可变且是内部參考系的频率的输出。获得作为测量频率(測量公用事业系统频率)和内部參考系的频率的差的相对频率。特别地，内部參考系的频率在频率扰动期间可能不同于公用事业系统。可能需要一种用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的装置和一种在公用电网的频率振荡的情况下提供改善的控制的发电系统。
发明内容
可以由根据独立权利要求的主题来满足此需要。由从属权利要求来描述本发明的有利实施例。根据ー个实施例，提供了一种用于生成控制发电系统、特别是风カ涡轮机的功率输出的控制信号的装置。该功率输出被供应给公用电网。该装置包括用于接收指示公用电网的实际电网频率的第一输入信号的第一输入端子、用于生成控制信号的控制电路以及输出端子，所述控制信号被供应给该输出端子。该控制电路包括用于生成指示将被添加到发电系统的功率输出的预定义功率量的第一功率信号的继电器式控制器(bang-bang)。继电器式控制器适合于在第一输入信号下降到第一预定义阈值以下时被激活。此外，控制信号取决于第一功率信号。术语“输入/输出端子”可以表示电输入/输出端子或输入/输出节点。术语“输入信号”可以表示电信号，诸如模拟信号或数字信号。术语“实际电网频率”可以表示公用电网的瞬时频率，特别地包括频率的特别在不同的时间点处的ー个或多个值，其中，所述ー个或多个值可以指示公用电网的实际频率的时间进程。术语“公用电网”可以表示发电系统向其供应能量且ー个或多个消耗装置从其提取电能的电网。控制电路可以特别地包括ー个或多个集成电路和/或计算机，在该计算机上执行计算机程序以便生成控制信号，其可以特别地是电控制信号，诸如模拟信号或数字信号。可以连续地或在相对于彼此在时间上间隔开的许多样本点处测量输入信号。在本申请的背景下，还可以将控制信号表示为惯性响应信号。特别地，可以将控制信号供应给风カ涡轮机控制器，其接着又基于该控制信号生成将被供应给风カ涡轮机的转换器以便根据功率基准信号来控制转换器的(和因此风カ涡轮机的)功率输出的功率基准信号。特别地，当实际电网频率下降至某个极限以下时，可以生成控制信号以引起发电系统的有功功率输出的増加。特别地，可以为风力涡轮机装配满刻度转换器，有效地将转子侧从电网去耦。特别 地，风カ涡轮机可以包括塔架、安装在塔架顶部上的吊舱以及被可旋转地支撑在轴内的转子，其中，在转子处，安装了一个或多个转子叶片。转子轴可以被机械地耦合到发电机以便在转子轴由于风撞击在转子叶片上而旋转时生成电能。特别地，风カ涡轮机的发电机可以生成可变频率AC功率信号(或AC功率流)，其可以被供应给满刻度转换器。该满刻度转换器可以首先将可变频率功率信号转换成DC功率信号且然后可以将该DC功率信号转换成在正常条件下具有公用电网的频率的固定频率功率信号(即标称电网频率)。特别地，转换器可以能够控制风力涡轮机的功率输出，特别地可以适合于将转子的惯性从电网去耦。特别地，电网可以不具有到转子的旋转质量的惯性的直接链接。根据ー个实施例，在特定电网事件期间提取动能，诸如转子的旋转能，当实际电网频率在标称预定电网频率以下时是这种情況。特别地，可以在电网掉电事件期间向公用电网递送附加有功功率以使公用电网频率稳定。特别地，可以以频率衰减被朝着标称电网频率拉动的这种方式将存储在转子中的能量的有功功率注入到公用电网。根据ー个实施例，生成控制信号，以使得最后被供应基于控制信号的信号的风カ涡轮机控制器控制风力涡轮机或风カ涡轮机转换器，从而防止电网频率的进ー步下降。可以将所述装置布置在涡轮机层级处或风カ发电厂园区导向器(park pilot)层级处。这意味着可以将该装置从功率控制分离以进行正常操作。由所述装置执行的功率输出的控制可以是不连续的，这意味着必须满足某个规定(下降到第一阈值以下)以便发起惯性响应的生成。控制可以基于固定频率激活阈值和固定増量P (deltaP)规则。两个值可以是之前在控制策略中确定的，例如在发电系统的设计期间。还可以将继电器式控制器的输出表示为有功功率响应。当频率越过给定频率阈值时，继电器式控制器可以被激活。可以例如在公共连接点(PCC)处或在电网外部測量此频率，其中，可以由位于园区导向器中的惯性响应控制方案来处理输入。当输入频率(输入信号)违反(Violate)用于IR控制的激活阈值时，在园区导向器中生成的IR功率基准(用预定附加功率水平来修改)将被馈送到WT控制系统中以便转换器对新的IR功率基准起作用。根据ー个实施例，当第一输入信号超过第二预定义阈值时，继电器式控制器还适合于被去激活。
第二预定义阈值指示与公用电网的正常操作相关联的公用电网的频率。根据一个实施例，控制电路与在发电系统的正常操作期间使用的发电系统的功率控制系统并联地连接。由于并联布置，控制电路可以使正常操作控制系统去激活。这可以意味着控制信号可以忽视控制正常操作的信号。 根据一个实施例,第ー输入信号指不实际电网频率相对于固定标称电网频率的偏差，其中，所述装置特别地包括比较器，其用于确定实际电网频率相对于固定标称电网频率的频率偏差。根据ー个实施例，输入信号指示实际电网频率相对于固定标称电网频率的偏差，其中，所述装置可以包括用于确定实际电网频率相对于固定标称电网频率的频率 差的比较器，诸如逻辑电路。包括用于确定频率偏差的比较器可以允许基于该频率偏差来生成控制信号。这特别地可以允许将对输入信号的绝对值敏感的其它控制元件包括在该装置中。 根据ー个实施例，所述装置还包括用于接收指示发电系统的发电机的平均加速度的第二输入信号的第二输入端子，其中，所述控制电路包括用于生成第二功率信号的恢复単元，其中，所述第二功率信号基于第一和第二输入信号，并且其中，所述控制信号取决于第二功率信号。根据本实施例，可以将继电器式控制器与由恢复单元或软恢复单元提供的频率恢复功能(function)组合,这保证惯性响应(IR)功能的激活随后不会导致过频事件。如果频率恢复到给定阈值(例如刚好在公用电网的最佳频率或正常频率以下)以上，则可以激活软恢复功能且可以根据指定下降来减小增量P (即附加功率)。用于IR的有功功率(増量P)是从存储在风力涡轮机的旋转质量中的动能汲取的。恢复单元可以在风力涡轮机被释放以进行正常操作之前执行转子和发电机的受控加速。为此目的，恢复单元还可以包括用于向转子发送信号的输出端和/或用于提供加速信号的发电机。此类信号可以包括转子和/或发电机可以根据定义的加速方案加速的信息。根据ー个实施例，当继电器式控制器被去激活吋，恢复单元适合于被激活。如上文所解释的，当第一输入信号超过第二预定义阈值时，可以将继电器式控制器去激活。此阈值可以刚好在公用电网的最佳频率以下。当继电器式控制器停止其控制信号的生成吋，恢复单元可以接管功率输出的控制，即控制信号的生成。根据ー个实施例，当第二输入信号达到预定阈值吋，恢复单元适合于被去激活。控制电路忽视在正常操作中使用的功率控制以便从旋转系统提取附加有功功率，旋转系统被相应地减速。当惯性响应完成且正常操作将被重新激活吋，由于涡轮机控制系统内的不同功率和/或速度操作模式，在某些操作条件下可能生成双降。为了避免此不期望的结果，在发电机速度与当前或确定的最佳操作条件的速度匹配之前，可能不会恢复正常功率控制。为实现这个，可以临时地根据正常功率控制器的功率和/或速度控制方案忽略其功率基准。在此短时间段期间，功率基准略微减小到实际功率基准水平(在继电器式控制器成为被去激活的情况下的功率水平)以下，并且由恢复单元发起发电机的受控加速。根据ー个实施例，恢复单元包括用于生成第二功率信号的PI控制器。知道发电机速度何时已恢复至优选水平的方式可以是使用PI (比例积分)控制器。此类PI控制器可以跟踪发电机的平均加速度且一旦发电机已加速回至优选水平，则可以重新激活正常功率控制。根据一个实施例，所述恢复单元还包括限制电路，其连接在PI控制器与恢复单元的输出端子之间以便将控制信号限制于每次的预定变化以下(使得特定时间间隔内的控制信号的变化在变化阈值以下)和/或在预定范围内(控制信号的值范围)，其中，所述预定范围是发电系统的标称功率输出(也称为额定功率输出，即发电系统、特别是风力涡轮机用于连续操作或正常操作的功率输出)的O. O至O. 2倍、特别是O. O至O. I倍。从而，可以避免发电系统在发电系统未被设计为进行操作的条件下被操作。从而，可以增加发电系统的寿命O根据一个实施例，所述预定范围取决于由发电系统供应给公用电网的实际功率和/或发电系统的机械部分的动能。从而，有可能使得惯性响应递送更加高效，因为系统恢复期间的惯性响应信号(或控制信号)可以取决于涡轮机递送多少功率(预频率下降)和在发
电机转子中存储了多少动能。替换地，静态限制电路可以是涡轮机能够提供多少有功功率的简单实施方式，涡轮机能够提供多少有功功率可以在很大程度上取决于被递送到电网的有功功率(就在惯性响应之前)和发电机旋转速度。根据一个实施例，所述装置适合于与控制包括所述发电系统的多个发电系统的发电厂控制器(诸如风力发电厂控制器HPPP)就其功率输出进行通信(使得正常操作中的发电厂控制器向发电系统传送控制信号以控制其功率输出)，其中，特别地，控制信号被传递到发电厂控制器。从而，使得发电厂控制器可以将控制信号考虑在内，这可以防止发电厂控制器起反作用。特别地，作为示例，可以将风力发电厂设置为在公共连接点(PCC)处产生50丽。可能突然发生频率下降且风力涡轮机可能将更多的功率注入到公用电网，导致PCC处的功率增加，诸如增加至54 MW。风力发电厂控制器(也称为发电厂控制器)可以检测PCC处的该增加的功率且可以确定PCC处的功率在额定功率以上4 MW。此外,风力发电厂控制器可以减小其到涡轮机的功率基准设置点。为了避免此类不期望情况，根据一个实施例，提供风力涡轮机与风力发电厂控制器之间的通信机会。根据一个实施例，所述装置还包括负载确定单元(特别地包括测量设备、计算机和/或在计算机上运行的计算机程序)，用于(a)基于控制信号和/或(b)基于发电系统的功率输出和标称功率输出来确定发电系统的负载(特别是机械负载和/或电负载)(该负载包括例如转子轴的轴承或齿轮中的负载)，其中，特别地，所述负载确定单元包括计数器，其用于对控制信号引起发电系统的功率输出增加的次数进行计数(或者其中该计数器还适合于测量控制信号引起发电系统的功率输出增加的时间间隔或多个时间间隔)，特别地用于对控制信号引起发电系统的功率输出增加到标称功率输出之上的次数进行计数(其中特别地该计数器还适合于测量控制信号引起发电系统的功率输出增加到标称功率输出之上的时间间隔或多个时间间隔，其中所述标称功率输出还可以称为定义发电系统的正常连续操作期间的功率输出的额定功率输出)。特别地，负载确定单元可以允许估计或测量功率产生系统或风力涡轮机系统经历的累积负载。此外，负载确定单元可以允许估计或测量发电系统、特别是风力涡轮机的预期寿命。此外，可以考虑负载确定单元的测量或估计以便生成控制信号。因此，还可以基于由负载确定单元确定的负载来生成控制信号。从而，可以改善发电系统的关于其功率输出的控制。根据一个实施例，提供了一种用于向公用电网供应电功率的发电系统，特别是风力涡轮机系统，其中该发电系统包括根据上述实施例中的一个的用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的装置；以及发电机和/或转换器，其被布置为接收控制信号(或基于控制信号生成的信号，例如使用另一个风力涡轮机控制器)并根据该控制信号来修改功率输出。特别地，可以向附加风力涡轮机控制器供应控制信号，该附加风力涡轮机控制器接着又将信号、特别是功率基准信号供应给发电机和/或转换器。特别地，该控制信号可以被转换器用来触发一个或多个半导体开关(诸如IGBTMA导通状态，其控制通过转换器的功率流动。特别地，转换器可以使用一个或多个半导体开关(诸如隔离栅双极晶体管(IGBT))接收来自发电机(其可以被机械地耦合到具有固定到其的转子叶片的转子轴)的可变频率AC功率信号至DC功率信号。DC功率信号然后可以被转换 器使用一个或多个IGBT转换成具有接近于固定标称电网频率的频率的固定频率AC功率信号。控制包括在转换器中的IGBT的导通状态可以允许控制通过IGBT到公用电网中的功率的流动。从而，可以减少公用电网中的频率振荡。根据一个实施例，当实际电网频率在标称电网频率以下、特别是长于预定时间间隔时，生成控制信号，使得促使发电系统增加其到公用电网的功率供应(因此增加发电系统的功率输出)。应理解的是关于用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的装置的实施例的描述所公开、描述、使用或提到的特征(单独地或以任何组合方式)还可以(单独地或以任何组合方式)被应用于、用于或采用于一种用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的方法。根据一个实施例，提供了一种用于生成控制发电系统、特别是风力涡轮机的功率输出的控制信号的方法，其中所述功率输出被供应给公用电网。该方法包括接收指示公用电网的实际电网频率的第一输入信号、由包括继电器式控制器的控制电路来生成控制信号、以及将该控制信号供应给输出端子。该方法还包括由继电器式控制器来生成指示将被添加到发电系统的功率输出的预定义功率量的第一功率信号，其中，当第一输入信号下降至第一预定义阈值以下时，该继电器式控制器被激活，并且其中，所述控制信号取决于第一功率信号。根据本发明的另一方面，提供了一种用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的计算机程序。当该计算机程序被数据处理器执行时，其适合于控制用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的上述方法。如本文所使用的那样，对计算机程序的参考意图等效于对包含用于控制计算机系统以协调上述方法的执行的指令的程序元件的参考。可以将计算机程序实现为处于任何适当编程语言(诸如，例如JAVA、C++)的计算机可读指令，并且可以将其存储在计算机可读介质(可移动盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等)。指令代码可操作用于对计算机或任何其它可编程设备进行编程以执行预期功能。所述计算机程序可从诸如万维网的网络获得，可以从那里将其下载。可以借助于计算机程序(相应地软件)来实现本发明。然而，还可以借助于一个或多个特定电子电路(相应地硬件)来实现本发明。此外，还可以以混合的形式、即以软件模块和硬件模块的组合来实现本发明。根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读介质(例如⑶、DVD、USB棒、软盘或硬盘)，在其中存储了用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的计算机程序，当该计算机程序被处理器执行时，其适合于执行或控制用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的方法。必须注意的是已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已参考方法类型权利要求描述了某些实施例，而参考装置类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域的技术人员将从以上和以下描述推断除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，认为将利用本文档来公开与不同主题有关的特征之间、特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征之间的任何组合，除非另外通知。
本发明的上文定义的方面和其它方面从下文将描述的实施例的示例是显而易见的，并将参考实施例的示例来对其进行解释。下面将参考本发明的示例来更详细地描述本发明，但本发明不限于所述实施例的示例。
现在将参考附图来描述本发明的实施例，本发明不限于所述附图。图I图示根据一个实施例的用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的装置；
图2图示根据一个实施例的包括图I所示装置的风力涡轮机功率控制；
图3图示根据一个实施例的恢复单元；
图4图示根据常规方法和根据用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的方法的实施例的实际电网频率的图表；
图5图示欠频事件中的惯性控制器的频率响应特性的图表；
图6图示欠频事件中的惯性控制器的有功功率特性的图表；
图7图示频率恢复的图表；
图8图示示出风力涡轮机速度和功率曲线的图表；
图9图示示出没有恢复功能的风力涡轮机有功功率的图表；
图10图示示出没有恢复功能的风力涡轮发电机速度的图表；
图11图示示出具有恢复功能的风力涡轮机有功功率的图表；
图12图示示出具有恢复功能的风力涡轮发电机速度的图表；以及 图13示意性地图示包括由图I所示的装置控制的发电系统的发电厂的一部分。
具体实施例方式图中的图示是以示意性形式。应注意的是在不同的图中，为类似或相同的元件提供相同的附图标记。在发电系统中，电网频率在很大程度上取决于生成的功率和消耗的功率的平衡。此平衡是保持电网频率稳定所必需的，但是由于停机、发电损耗和功率的突然增加，看到频率变化。普通发电厂在频率下降至某个极限以下时增加有功功率的产生，并且在具有过频事件时相反地减少功率产生。普通发电厂在即将到来的十年内将被大规模风力发电厂取代，这对风力发电厂(WPP)的操作和控制提出了新要求。具有满刻度转换器的风力涡轮机(WT)已有效地将转子侧从电网动力学去耦。此去耦导致电网不具有到旋转质量的惯性的直接链接。根据如图I所示的实施例，提供了一种用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的装置100。该发电系统可以特别地是风力涡轮机。发电系统将功率输出供应给公用电网。该装置包括用于接收指示公用电网的实际电网频率的第一输入信号的第一输入端子105。提供了用于生成控制信号的控制电路101。该装置还包括输出端子103，将控制信号供应到所述输出端子103。该控制电路包括用于生成指示将被添加到发电系统的功率输出的预定义功率量的第一功率信号的继电器式控制器104。该继电器式控制器适合于在第一输入信号下降到 第一预定义阈值以下时被激活。控制信号取决于第一功率信号。可以经由输入端子102向该装置供应预定义功率量。此装置向发电系统生成虚拟惯性响应。在电网事件期间从WT转子提取动能。通过所述装置，有可能通过在欠频事件期间向电网递送超出当前最佳生成的附加有功功率以使电网频率稳定来减少/去除在某种频率稳定化模式下运行时在WT中从缩减功率基准生成的功率损耗。这是通过从存储在转子中的能量提取附加功率(由控制信号和预定义功率量给出)来完成，出于使净频率稳定的目的将所述附加功率注入到电网中。在附加能量提取期间，驱动系的旋转质量将在速度方面被暂时地减小。可以在涡轮机层级处以及在电网中的风力发电厂园区导向器层级或等同物处实现惯性响应(IR)的所述控制结构。在图4中示出了典型欠频事件。所述装置的目的是以初始频率下降受到限制的这种方式来注入从存储在转子中的能量提取的有功功率。图4图示在其横坐标上示出以秒为单位的时间t且在其纵坐标上示出以赫兹为单位的公用电网的实际频率f的图表。从而，曲线401描绘不执行控制发电系统的功率输出的情况下的实际频率的时间进程，并且曲线402表示当根据实施例来控制发电系统的功率时的实际电网频率的时间进程。特别地，标称电网频率等于50Hz。如从图4可以看到的，与其中不执行此类控制的情况相比，当根据实施例来控制发电系统的功率输出时，实际电网频率相对于标称电网频率的偏差较低。惯性控制器或装置的包括示出与没有虚拟惯性控制器的情况下的频率相比，控制器的影响防止了频率的进一步下降。所述装置是不连续的种类，这意味着必须满足某个规定以便发起IR。并且，该装置不涉及任何控制哲学，诸如PID控制方案或同步机的任何模拟。替代地，该装置基于固定频率激活阈值和固定增量P规则，其中，这两者都是在控制策略中预定的。在图5、6和7中示出了示意性欠频事件。图5示出了欠频事件中的惯性控制器的响应特性，其中，频率不会恢复至恢复阈值以上(501)且运行标称IR序列(图6，601)。图6还示出根据该装置的IR响应602的示例，其为有功功率响应。该响应是在频率越过给定频率阈值时被激活的继电器式控制。此频率是在公共连接点(PCC)处或在电网外部测量的，其中可以由处于园区导向器中的IR控制方案来处理该输入。继电器式控制方法的基本概念如下当输入频率违反用于IR控制的激活阈值时，在园区导向器中生成的IR功率基准(用预定附加功率水平来修改)将被馈送到WT控制系统中以便转换器对新的IR功率基准起作用。可以将继电器式控制与频率恢复功能组合，这保证IR功能的激活随后不会导致过频事件。如果频率恢复至给定阈值之上，则软恢复功能被激活且增量P被根据指定下降减小。用于IR的有功功率(增量P)是从存储在WT的旋转质量中的动能汲取的。可以用下述参数来设计惯性响应，fop (当IR被激活时的频率阈值)、f s(在其之上的频率被称为要恢复的频率阈值)、ΔΡορ (增量P，IR的振幅)、T μ (IR的上升时间)、Tss(具有全IR的时间段)、Ττκ(其中APtjp被斜降的时间段)和4 (标称电网频率)。图5中的频率事件501表示具有相应频率下降的发电事件的损耗。当频率下降至阈值fop以下时，IR被激活且在预定上升时间内，附加有功功率输出(过度生产)从O斜升至有功功率的期望贡献第二频率阈值确定何时将频率看作已经被恢复和因此有功功率输出应该何时开始减小以避免追赶。在这里提出两个方案，Dffcs = 4和2)€恢复=f2。在编号为I的情况下，频率恢复至恢复阈值以上，并且IR遵循图6中的虚线曲线602，其是由图7中 标称IR曲线表示频率具有第二下降的情况下的最大输出。在情况2中，频率不会恢复至恢复阈值以上，并且IR完成标称序列，稳态输出和斜降，而不考虑频率恢复下降特性。图2示出已修改的风力涡轮机功率控制200，其中，用IR功率控制101和恢复单元201来扩展正常功率操作控制210。风力涡轮机功率控制包括用于设置功率控制的值的设置单元。IR块将增量P功率基准从IR控制器通过WT控制器传递至转换器，使得从发电机汲取附加有功功率。包括增量P的激活和生成二者的IR块可以集中地定位(在电网外部)，并且其随后被分布到涡轮机中的控制单元。恢复单元201在WT被释放以进行正常操作之前进行转子和发电机的受控加速。IR控制方案忽视在正常操作中使用的功率控制以便从旋转系统提取附加有功功率，该旋转系统被相应地减速。当IR已完成且正常操作将被重新激活时，由于涡轮机控制系统中的不同功率/速度操作模式，在某些操作条件下可能生成双降。其后面的过程在图8中示意性地示出，其中，1-2是来自IR的减速过程。一个方案可以如下在(I)处激活IR操作(802)，这导致发电机速度的减速(801)，并在(2)处重新激活正常功率控制(IR操作完成)。由于在(2)处的减小的发电机速度，WT控制器将向下调节对应于给定发电机速度曲线(3)的最佳功率输出。基于WT控制功率/速度曲线，将功率基准设置为对应于发电机速度的最佳功率输出，因此，WT功率基准被设置为(4)。在图9和10中示出了其模拟，其中，曲线901示出WT有功功率且曲线1001示出WT发电机速度。在IR序列之后立即启用正常功率控制(902)。为了避免此类不期望结果，在发电机速度与当前最佳操作条件的速度匹配之前，不恢复正常功率控制。为实现这个，可以临时地根据正常功率控制器的功率/速度控制方案忽视其功率基准。在此短时间段期间，功率基准略微地减小到实际功率基准水平以下(其中IR变成被去激活的功率水平)，并发起发电机的受控加速。此行动可以由恢复单元201来提供，该恢复单元201可以经由端子204来接收激活信号。在图3所示的示例性恢复单元300中示出了知道发电机速度何时被再次恢复至功率/速度控制曲线上的优选水平的方式。恢复单元接收两个输入信号，即实际速度202和速度基准值203。PI控制器303跟踪发电机的平均加速度，并且一旦发电机已加速回到功率/速度曲线上的优选水平，则可以重新激活正常功率控制。其模拟在图11和12中示出，其中，曲线1101示出WT有功功率，并且曲线1201示出WT发电机速度。控制WT发电机速度的加速，直至实现正常操作且正常操作被重新启用为止。恢复单元包括用于提供平均加速度信号的比较单元301。比较单元可以适合于基于经由端子202输入的速度来生成平均加速度信号。信号和基准值被组合(302)并提供给PI控制器。PI控制器的输出信号被提供给饱和单元304且随后至限制电路305。恢复单元的输出306对应于控制信号。当使用静态限制器作为限制电路时，信号被限制为具有在O和O. I之间的值？_。 这是最简单的实施方式，但其不是最高效的解决方案，因为在SWT在某些情况下可能能够 向电网提供更多的有功功率。涡轮机能够提供多少有功功率在很大程度上取决于被递送到电网(就在惯性响应之前)的有功功率和发电机速度。使用动态限制器可以使得IR递送更高效，因为？_惯性(P_inertia)将取决于涡轮机递送多少功率(预先频率下降)和多少动能被存储在发电机转子中。所述限制器将防止由于低发电机rpm而引起的截止。这种方法还应通过不减小利用低系统电压的操作期间的无功功率能力来防止FRT操作的错误激活。风力发电厂控制器中的另一功能是对涡轮机已向电网释放IR多少次进行计数以便不缩短涡轮机的寿命。这可以通过在系统中包括计数器来完成，其管理涡轮机在特定时间范围内激活IR多少次以考虑涡轮机的负载和寿命。巨大的转子加速将对齿轮箱加载，并且因此，需要实现计数器系统以管理特定时间范围内的惯性响应的数目。可以中心地从园区导向器控制器触发IR并将其分派到各个WT。各个WT然后能够在本地条件要求其的情况下判定拒绝IR请求，例如在WT已达到最大激活数目的情况下。WT的第一优先要考虑的是保护其正常操作，并且WT因此可以能够终止IR以针对WT的断开进行保护，例如在IR将WT推入其中WT的操作受到威胁的操作条件的情况下。其一个示例可以是发电机的切入旋转速度。在另一实施例中，可以在各个WT上实现IR。对于此实施方式而言，IR控制结构的整个链可以位于涡轮机层级处。这意味着在WT控制器内包括检测、控制和通信。可能必须针对风力发电厂控制器隐藏到电网的IR的量。这在图13中示出。已建立涡轮机与风力发电厂控制之间的通信的思想将防止园区起反作用。示例说明这一点风力发电厂被设置为在PCC处产生50[丽]。突然发生频率下降事件，并且涡轮机向电网中注入更多的功率，导致PCC处的功率增加至例如54[MW]。风力发电厂控制器将检测此差异并识别4[MW]的误差。其结果将是从园区导向器到(多个)涡轮机的功率基准设置点的减小。图13示意性地图示包括一个或多个发电系统1312(在图13中图示其中的仅一个发电系统)的发电厂的一部分，其中，高性能园区导向器或发电厂控制器1301控制发电系统1312。诸如风力涡轮机系统的每个发电系统1312包括控制器1302，其包括可以被适配作为图2所示的功率控制器200的功率控制器1313，其中功率控制器1313包括用于生成控制发电系统1312的功率输出的控制信号的装置100。如控制和/或通信线路1311和1305所指示的，使得功率控制器1313且特别地还有包括在功率控制器1313内的装置100能够与发电厂控制器1301通信，以便特别地传送在装置100的输出端子103处提供的控制信号P—惯性。从而，发电厂控制器1301可以将控制信号考虑在内以便不起反作用。从而，可以更快速地或更准确地实现电网频率的稳定化。控制器1313向涡轮机轴1309输出控制信号1308，该涡轮机轴1309向控制器1313提供反馈信号1310。功率经由线路1306被提供给网络桥接器1307，其将功率信号转换成固定频率。发电厂控制器1301从公共耦合点1303接收输入信号并在端子1304处输出控制信号。
应注意的是术语“包括”不排除其它元件或步骤且“一”或“一个”不排除多个。还可以将结合不同实施例所述的元素组合。还应注意的是不应将权利要求中的附图标记理解为限制权利要求的范围。
权利要求
1.一种用于生成控制发电系统、特别是风力涡轮机的功率输出的控制信号的装置(100)，其中，该功率输出被供应给公用电网，该装置包括 第一输入端子(105)，其用于接收指示公用电网的实际电网频率的第一输入信号； 控制电路(101)，其用于生成控制信号；以及 输出端子(103)，将所述控制信号供应到该输出端子； 其中，所述控制电路包括继电器式控制器(104)，其用于生成指示将被添加到发电系统的功率输出的预定义功率量的第一功率信号， 其中，所述继电器式控制器适合于在第一输入信号下降至第一预定义阈值以下时被激活，以及 其中，所述控制信号取决于第一功率信号。
2.根据权利要求I所述的装置(100)， 其中，所述继电器式控制器(104)还适合于在第一输入信号超过第二预定义阈值时被去激活。
3.根据前述权利要求之一所述的装置(100)， 其中，所述控制电路(101)与在发电系统的正常操作期间使用的发电系统的功率控制系统并联地连接。
4.根据前述权利要求之一所述的装置(100)， 其中，所述第一输入信号指示实际电网频率相对于固定标称电网频率的偏差，其中，所述装置特别地包括用于确定实际电网频率相对于固定标称电网频率的频率偏差的比较器。
5.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，还包括 第二输入端子(202)，其用于接收指示发电系统的发电机的平均加速度的第二输入信号， 其中，所述控制电路(101)包括用于生成第二功率信号的恢复单元(201)， 其中，所述第二功率信号基于第一和第二输入信号，以及 其中，所述控制信号取决于第二功率信号。
6.根据权利要求5所述的装置(100)， 其中，所述恢复单元(201)适合于在继电器式控制器(101)被去激活时被激活(204)。
7.根据权利要求5和6之一所述的装置(100)， 其中，所述恢复单元(201)适合于在第二输入信号达到预定阈值时被去激活。
8.根据权利要求5至7之一所述的装置(100)， 其中，所述恢复单元(300)包括用于生成第二功率信号的PI控制器(303)。
9.根据权利要求8所述的装置(100)， 其中，所述恢复单元(300)包括限制电路(305)，其连接在PI控制器(303)与恢复单元的输出端子(306)之间以便将第二功率信号限制于在每次预定变化以下和/或在预定范围内，其中，所述预定范围是发电系统的标称功率输出的O. O至O. 2倍，特别是O. O至O. I倍。
10.根据权利要求9所述的装置(100)，其中，所述预定范围取决于由发电系统供应给公用电网的实际功率和/或发电系统的机械部分的动能。
11.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述装置适合于与控制包括所述发电系统的多个发电系统的发电厂控制器就其功率输出进行通信，其中，特别地所述控制信号被传送至发电厂控制器。
12.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，还包括 负载确定单兀，其用于基于控制信号和/或基于发电系统的功率输出和标称功率输出两者来确定发电系统的负载， 其中，特别地，所述负载确定单元包括计数器，其用于对控制信号引起发电系统的功率输出增加的次数进行计数，特别地用于对控制信号引起发电系统的功率输出增加到标称功率输出之上的次数进行计数。
13.用于向公用电网供应电功率的发电系统，特别是风力涡轮机系统，该发电系统包括 根据前述权利要求之一所述的用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的装置；以及发电机和/或转换器，其被布置为接收控制信号并根据该控制信号来修改功率输出。
全文摘要
本发明涉及用于生成控制发电系统的功率输出的控制信号的装置。描述了一种用于生成控制发电系统、特别是风力涡轮机的功率输出的控制信号的装置(100)，其中，所述功率输出被供应给公用电网。该装置包括用于接收指示公用电网的实际电网频率的第一输入信号的第一输入端子(105)；用于生成控制信号的控制电路(101)；以及被供应控制信号的输出端子(103)。所述控制电路包括用于生成指示将被添加到发电系统的功率输出的预定义功率量的第一功率信号的继电器式控制器(104)，其中，所述继电器式控制器适合于在第一输入信号下降至第一预定义阈值以下时被激活，并且其中所述控制信号取决于第一功率信号。此外，描述了一种发电系统。
文档编号H02J3/38GK102817775SQ20121018793
公开日2012年12月12日 申请日期2012年6月8日 优先权日2011年6月8日
发明者T.克努佩尔, S.库马尔, P.图林 申请人:西门子公司