用于协调传统发电厂与风力发电厂之间的频率控制特性的方法

用于协调传统发电厂与风力发电厂之间的频率控制特性的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于运行电力系统的方法，所述电力系统包括至少一个风力涡轮发电机和至少一个其它电源，所述方法包括以下步骤：为所述电力系统设置一组技术要求和限制，所述一组技术要求和限制包括总功率储备、以及以下参数的至少其中之一：最大电频率偏移和允许的风力发电电频率波动；将所述总功率储备分配在所述至少一个其它电源与来自所述至少一个风力涡轮发电机的可用的总风力发电容量之间，以及，响应于此，计算来自所述至少一个风力涡轮发电机的功率储备量；以及为风力发电控制器提供设置，所述设置包括所述一组技术要求和来自所述至少一个风力涡轮发电机的所述功率储备量。本发明还涉及根据所述方法运行的发电厂。
【专利说明】用于协调传统发电厂与风力发电厂之间的频率控制特性的方法

【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及运行发电厂以及控制电网的电频率的方法，所述发电厂具有连接至电网的至少一个风力涡轮发电机以及至少一个其它电源。本发明还涉及根据所述方法运行的发电厂。

【背景技术】
[0002]在公用电网中，消费者通常可以以不受控制的方式消耗电功率。由于电网内几乎不能存储任何能量，因而在产生的功率与消耗的功率之间不可能存在不平衡。因此，功率的瞬时产量应当与瞬时功率消耗匹配。由于传统的同步发电机加速，过度生产使电网频率的增加超过额定值(例如，50或者60Hz)，而过度消耗使电网频率的减小超过额定值(例如，50或60Hz)的，因为传统的同步发电机那时将减速。
[0003]为了使电网的频率稳定，通常大约10%的发电机促进所谓的“主要功率控制”。也被称为“主要控制器”的这些发电机在频率下降至额定值以下时增大功率输出，并且在频率上升至额定值以上时减小功率输出。
[0004]通常，风力涡轮发电机对主要控制不起作用，首先是因为风力涡轮发电机通常不能通过命令来增大其输出功率(因为它们通常以额定负载运行，或者当以部分负载运行时，它们以最佳工作点运行)，并且其次是因为通常应该充分利用可用的风力。
[0005]一般而言，风力发电增加了额外的电网不稳定性时刻，因为在风力发电在电网中占大部分的情况下，不仅消耗是不受控制的，风力涡轮发电机的产量也是不受控制的。尽管风力预报能够在长期上(在数小时的水平上)相当准确地预测风力发电产量，但是风速通常在短期上(在数分钟到几秒的水平上)以不可预测的方式发生波动。以部分负载运行的(即，在风速低于所考虑的风力涡轮发电机的额定风速时)风力涡轮发电机通常会将这些风速波动转换成所产生的并且被供应到电网的实际功率量的相应波动。当风力涡轮发电机以额定负载运行时，通常只有在超过额定值的风速下，风力涡轮发电机才会控制其输出功率，使其输出功率在额定输出功率下保持恒定。
[0006]风力涡轮发电机的波动功率产量对电网稳定性的影响取决于电网的特性。在大型稳定电网中，风力涡轮发电机或者风力发电厂的功率波动将不会产生频率波动的形式的任何明显响应。因此，这种电网能够处理较高的功率变化。
[0007]需要在调节特性和功率储备方面协调相对大量的风力发电与传统发电厂的运行，旨在实现电网的功率平衡和频率稳定。当风力发电产量参与系统的调节服务时，对协调的需要更加明显。


【发明内容】

[0008]提供该
【发明内容】
来以简单的形式介绍以下【具体实施方式】中将进一步描述的概念的选择。该
【发明内容】
并不是要识别所要求保护的主题内容的关键特征或基本特征，也不是要用于帮助确定所要求保护的主题内容的范围。
[0009]在一方面中，本发明涉及用于运行电力系统的方法，所述电力系统包括至少一个风力涡轮发电机和至少一个其它电源，所述方法包括以下步骤:
[0010]为电力系统设置一组技术要求和限制，包括:总功率储备、以及最大电频率偏移和允许的风力发电电频率波动的至少其中之一；
[0011]将总功率储备分配在至少一个其它电源与来自至少一个风力涡轮发电机的可用的总风力发电容量之间，以及，响应于此，计算来自至少一个风力涡轮发电机的功率储备量;
[0012]为风力发电控制器提供设置，所述设置包括所述一组技术要求和来自至少一个风力涡轮发电机的功率储备量。
[0013]第一方面的优点在于，所述方法提供了具有大量的风力发电的电力系统的更稳定的电网运行。
[0014]根据本发明的一个实施例，所述方法还包括以下步骤:
[0015]检测电力系统是处于正常运行模式还是处于干扰调节下，并且相应地采取行动。
[0016]实施例的优点在于，可以根据模式利用两组不同的参数来运行电力系统。
[0017]根据本发明的一个实施例，所述一组技术要求包括允许的风力发电电波动的值和最大可接受电频率偏移的值。
[0018]实施例的优点在于，其在风力发电电波动与可接受的电频率之间提供协调。
[0019]根据本发明的一个实施例，确定总功率储备的步骤基于:
[0020]最大电频率偏移和系统频率激活的功率储备，以及
[0021]最大允许的风力发电电频率波动，以及
[0022]至少一个传统发电厂的调速器的死区。
[0023]根据本发明的一个实施例，总功率储备是来自至少一个其它电源的功率储备和来自至少一个风力涡轮发电机的功率储备量的总和。
[0024]根据本发明的一个实施例，风力发电缩减大于或等于来自至少一个风力涡轮发电机的功率储备量。
[0025]实施例的优点在于，相较于功率储备所需的量，存在更多的可用风力发电缩减。
[0026]根据本发明的一个实施例，确定用于风力发电频率控制器的一组参数，包括以下参数中的至少一个或多个:
[0027]频率死区、频率响应特性、风力发电波动、风力发电缩减和功率跟踪变化率。
[0028]根据本发明的一个实施例，频率响应特性被计算为:
Af — η/?-wppi
[0029]D _ ixJMax ljnWind η_
Windr.a ttj

/o^^Reswind
[0030]第一方面的优点在于，很好地限定了频率响应特性。
[0031]根据本发明的一个实施例，风力发电波动被计算为:
[0032]^Pwmmuci = $广,~ DBco'-.APResCom,
UBcom,
[0033]第一方面的优点在于，很好地限定了风力发电波动。
[0034]在第二方面中，本发明涉及电力系统，其包括至少一个风力涡轮发电机和至少一个其它电源、以及被设置为根据所述方法运行的控制器。
[0035]第二方面及其实施例的优点与本发明的第一方面的优点相同。
[0036]本发明的各个方面均可以与任何其它方面结合。参考所描述的实施例，本发明的这些和其它方面从下文的说明中将变得显而易见。
[0037]任何伴随的特征将变得更容易领会，因为通过结合附图参考以下【具体实施方式】能够更好地理解这些特征。如本领域技术人员所显而易见的，可以适当地组合优选特征，并且可以将优选特征与本发明的任何方面组合。

【专利附图】

【附图说明】
[0038]现在将参考附图来更详细地描述根据本发明的电力系统及其方法。附图示出了实施本发明的一种方式，并且该方式不应该被解释为对落在所附权利要求集的范围内的其它可能的实施例进行限制。
[0039]图1示出了根据本发明的风力涡轮发电机。
[0040]图2示出了频率响应特性。
[0041]图3是传统发电(左)和风力发电发电(右)的系统频率响应特性；
[0042]图4示出了用于电力系统中的风力发电产量的控制架构的示例；
[0043]图5示出了电频率要求的数值的示例；
[0044]图6是方法的实施例的示意性流程图。

【具体实施方式】
[0045]现在将更详细地说明本发明。尽管本发明可能有各种修改和替换形式，但是已经通过示例的方式公开了特定实施例。然而，应该理解，本发明并不是要限制于所公开的特定形式。相反，本发明是要涵盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替换物。
[0046]可以采用任何适合的方式在物理上、功能上和逻辑上实施本发明的实施例的各个元件，所述任何适合的方式例如在单个单元中、在多个单元中、或者作为单独的功能单元的一部分。可以在单个单元中实施本发明，也可以在物理上和功能上将本发明分配在不同的单元和处理器之间。
[0047]本发明的实施例涉及具有多个风力涡轮发电机(例如，变速风力涡轮发电机)的电力系统，并且需要在调节特性和功率储备方面协调相对大量的风力发电与传统发电厂的运行，旨在实现电网的功率平衡和频率稳定。当风力发电产量参与系统的调节服务时，对调节的需要更加明显。
[0048]风力发电产量与传统产量之间的协调包括为i)正常运行调节；ii)干扰调节(意外事件)以及iii)惯性响应设置风力发电控制的参数。
[0049]向电网供电的风力涡轮发电机(例如，变速风力涡轮发电机)可以配备有针对电网频率和有功功率波动的其它调节能力。“电力网”或“电网”是风力发电厂的边界和公共耦合点外部的公用电网；当提到风力发电厂内的电网时，做出具有对风力发电厂的明确指示的表达，例如，“风电场电网”。针对电网频率波动的调节能力例如由一定比例(通常约为10% )的主要控制器提供，所述主要控制器通常是可以使用蒸汽或者气体驱动的涡轮机以及化石能源、或者水力发电的传统发电机。主要控制器在频率下降至额定值(例如，50或60Hz)以下时增大功率输出并且在频率升高至额定值以上时减小功率输出。
[0050]由于本文涉及有功功率而非无功功率,所以将有功功率简称为“功率”或“输出功率”。在提到无功功率的地方，其明确地被称为“无功功率”。
[0051]例如，由于风力涡轮发电机的电变换器中的结构限制和电流限制，因此可以由根据实施例的风力涡轮发电机产生的输出功率存在上限。该功率量被称为“额定功率”。足以使风力涡轮发电机产生额定功率的风速被称为“额定风速”。当根据实施例的风力涡轮发电机以超过额定风速的风速运行时，仅将可用风力的那部分转换成对应于额定功率的电输出功率。功率产量的这种减小通过例如朝向所谓的标志位置逐渐改变叶轮桨距角来实现。换言之，风力涡轮发电机有意地不以最佳效率运行。在一些实施例中，风力涡轮发电机以次佳的叶尖速度比运行，以便减小结构负载。
[0052]相比之下，在以部分负载运行，即以低于额定风速的风速运行期间，根据实施例的风力涡轮发电机以最佳效率运行。例如，其利用空气动力学的最佳桨距角和叶尖速度比运行。通常，风速在短期上(在数分钟到几秒的级别上)以不可预测的方式发生波动。根据实施例的风力涡轮发电机在以部分负载和最佳效率运行时将这些风速波动以近似一对一的方式转换成所产生的并且被供应到电网的实际功率量的相对应的风致波动。风向的波动也可能加剧所产生的并且被供应到电网的实际功率量的风致波动，因为风力涡轮机的偏航调整机制通常不能立即将风力涡轮发电机的叶轮轴与风向对准。未对准的叶轮具有降低的效率，从而使风向的波动成为所产生的并且被供应到电网的实际功率量的风致波动的另一来源。
[0053]如开头部分提到的，风力涡轮发电机的波动功率产量对电网稳定性造成的影响取决于电网的特征。在大型、稳定的电网中，风力涡轮发电机或者风力发电厂的功率波动将不会产生频率波动的形式的任何显著响应。然而，在小型隔离电网中，或者在弱电网中，这种功率波动可能产生显著的频率波动。电网的对功率产量的不均衡进行补偿以及对所产生的频率波动进行补偿和调节的某种能力，即电网的强弱的某种程度被称为“电网稳定性”。
[0054]本发明人已经认识到，电网稳定性可能随着时间的推移而变化，例如，由于诸如风力涡轮发电机所处的电网部分的孤立之类的电网相关的故障，由于主要发电机故障，等等。本发明人还认识到，可以通过监测例如电网的频率波动来检测电网稳定性下降。此外，本发明人还认识到，在电网稳定性状态下降的情况下，期望的是限制由风力涡轮发电机所产生并且被供应到电网的输出功率波动，或者在出现下降之前风力涡轮发电机已经以有限的输出功率波动运行的情况下，减小已经存在的波动限制。“减小”波动限制是指使限制更严格。通过该措施，尽管根据实施例的风力涡轮发电机不用作主要控制器，但是其仍然通过减小源所引起的波动来增强电网稳定性。然而，在限制输出功率波动的情况下，通常会减小累计的功率输出，并且由此降低了风力涡轮发电机的有效效率。然而，通过将该措施限制到电网稳定性(暂时)下降的情况，将限制所产生的电能的损失。
[0055]在实施例中，通过例如叶片桨距调整的方式来实现对有功功率波动的限制。在一些实施例中，还通过对风力涡轮发电机的电功率转换器的相应控制，对有功功率波动进行了电气控制。然而，后者将导致转换成风力涡轮发电机的叶轮的机械功率的风力发电量与产生例如叶轮加速度的电输出功率之间的不平衡。
[0056]因此，在一些实施例中，对功率的电气限制仅仅与叶片桨距调整结合进行，以处理风速瞬变。例如，当风速升高较快，可以调整桨距来补偿风速升高时，首先对输出功率进行电气限制，并且一旦将叶片定位到其新桨距角，就通过桨距调整来限制输出功率。
[0057]监测和限制调整功能是由各个风力涡轮发电机级别上的、或者风力发电厂级别上的、或者公用电网中的较高级别上的控制系统所执行的自诊断和自调整功能。控制系统也可以是分布式的，例如，包括风电场和风力涡轮机级别上的控制器。
[0058]在一些实施例中，电网频率波动所覆盖的频率范围是永久确定的，并且处于允许的频率范围Fmax/Fmin(在允许的最大频率Fmax与允许的最小频率Fmin之间)范围以外的电网频率的变化被看作是检测到电网稳定性状况降低，即频率死区。替代地或此外，电网频率的方差是永久确定的，并且超过方差阈值的升高被看作是检测到电网稳定性状况降低。然后，减小风力涡轮发电机或者风力发电厂的功率输出的允许波动。
[0059]在一些实施例中，监测电网频率波动是否处于允许频率范围内或者它们的方差是否低于方差阈值是以绝对的方式进行的，即不考虑电网频率与风力涡轮发电机或风力发电厂所产生的输出功率的任何相关性。
[0060]然而，对电网频率波动进行不考虑相关性的监测不保证所考虑的风力涡轮机或风力发电厂的波动实际促进了所观察到的电网频率波动，从这个意义讲，对电网频率波动进行不考虑相关性的监测有些不具体。因此，在这些实施例中，波动限制的减小可能徒然无功，并且只会增加成本(由其导致的累计功率输出的减小所产生)。因此，在其它实施例中，电网稳定性的监测包括确定供应到电网的功率与电网频率之间的相关性。相关性表示如果功率输出增大，则电网频率也增大。例如，在风力涡轮发电机的端子处或者在风力发电厂与电网的耦合点处测量电网频率。然而，如果在输出功率增大时没有观察到电网频率的增大，则不存在相关性。实际上，“相关性”可以是测量输出功率增大与电网频率升高之间的一致程度的连续参数。
[0061]在一些实施例中，由此确定的相关性越大，则检测到的电网稳定性越低。在一些实施例中，为了将相关性看作电网稳定性降低的标志，相关性的升高必须是显著的，例如，该升高必须超过最大可接受相关性阈值。然后，减小了风力涡轮发电机的输出功率的允许的波动。将波动限制的减小与所观察到的输出功率波动与电网频率波动之间的相关性联系起来确保了输出功率波动限制的减小实际上促进了电网频率波动的减小。
[0062]在一些实施例中，相关性信息用于通过仅考虑可以归因于所考虑的风力涡轮发电机或风力发电厂的输出功率的峰值(或下降)的电网频率中的那些相应的峰值(或者下降)来确定电网频率的变化是否延伸到允许的频率范围Fmax/Fmin以外，或者频率方差是否超过方差限制。这在峰-峰值的基础上考虑相关性。
[0063]在其它实施例中，(非峰-峰值)通过将非相关的波动幅度乘以可以是O到I之间的数值的相关性的量值(或者通过将非相关的频率方差乘以波动的平方)，相关性信息更全面地用于相同目的。以这种方式“削弱”所观察到的非相关的波动幅度或方差考虑到:所观察到的非相关的波动幅度或方差中的仅一部分是由所考虑的风力涡轮发电机或风力发电厂的输出功率波动所导致的。
[0064]这种相关性测量的先决条件是风力涡轮发电机的输出功率存在变化。在一些又被称为“无功变化实施例”的实施例中，利用由自然风速变化所引起的输出功率变化。对这些无功功率变化进行跟踪并使其与所测量的电网频率相关。
[0065]在一些实施例中，选择对功率波动的限制，以使由功率的供应所导致的电网频率波动保持在Fmax/Fmin范围内，或者使由功率的供应所导致的电网频率波动的方差保持在方差限制以下。
[0066]在这些实施例中的一些实施例中，整体电网频率波动(包括并非由所考虑的风力涡轮机或风电场所产生的电网频率波动)保持在Fmax/Fmin范围内或者在方差阈值以下，而在其它实施例中，仅仅将由所考虑的风力涡轮机或风电场的功率供应所导致的电网频率波动的部分保持在Fmax/Fmin范围内或者在方差阈值以下。
[0067]在将(整体或部分)电网频率波动保持在FniajZFniin范围内或者在方差阈值以下的实施例中的一些实施例中，将输出功率的波动限制连续地调整到将电网频率保持在Fmax/Fmin范围内或者使方差在方差阈值以下所仅需的限制程度。这意味着，通过允许输出功率波动，但是在电网频率超过Fmax/Fmin的情况下对波动进行限制或调整，使风力涡轮机或风电场的功率产量最大化。因此，连续调整目标是为了在不非必要地损失功率产量的情况下避免电网频率超出Fmax/Fmin范围。
[0068]在一些实施例中，风力涡轮机的运行在两个分立的运行模式之间自动转换，也就是，从正常运行模式(即，没有功率波动限制或者具有相对宽松的功率波动限制的模式)到减小波动模式(其中，启用功率波动限制)。在这些实施例中的一些实施例中，通过检测到电网稳定性的减小超过模式转换下阈值来触发从正常运行模式到减小波动模式的自动模式转换。通过检测到电网稳定性的提高超过模式转换上阈值可以类似地触发从减小波动模式回到正常运行模式的转换。
[0069]在模式转换实施例中的一些实施例中，减小波动模式在其能够转换回正常运行模式之前保持了最小时间间隔。通过该措施能够避免过于频繁的模式转换。此外，可以与电网供应商达成合同协议，根据该协议，风力发电机保证在例如15分钟的预定时间间隔内供应输出功率波动受到强烈限制的输出功率。可以针对由于这(示例性)15分钟时间的平稳输出功率供应而遭受的产量损失来对风力发电机进行补偿。
[0070]在模式转换实施例中的一些实施例中，功率波动限制在减小波动模式期间保持恒定。功率波动限制恒定指的是相对于平均输出功率的限制的宽度；其不一定表示功率限制的上限和下限的绝对值保持恒定。在一些实施例中，限制是所产生的功率的相对平均值。例如，如果所产生的平均功率随时间而增加，则功率波动限制的上限和下限的绝对值也将增大。
[0071]在其它模式转换实施例中，也调整了波动限制，以在不非必要地损失功率产量的情况下避免电网频率超出Fmax/Fmin范围，如上所述。该调整可以是逐步的(在模式转换开始时进行调整并且然后在一段时间内保持恒定的设置)或者连续的。因此，将电网频率保持在F_/Fmin范围内或者在方差阈值以下的输出功率的调整适用于连续调整实施例和模式转换实施例，仅需要那种程度的限制来将电网频率保持在Fmax/Fmin范围内或者在方差阈值以下。
[0072]已经提到了限制功率波动可能导致累计功率的损失。如果不仅削减输出功率的峰值(“正波动”)，还以对称的方式提升或填充输出功率的下降(“负波动”)，则可以避免累计功率的损失。然而，在一些实施例中，风力涡轮机在正常模式运行期间处于最佳工作点，该最佳工作点不允许输出功率的任何增大。因此，通过削减正波动期间的输出功率(削减高输出峰值)而不提升(或者不显著提升)负波动期间的相应的输出功率来以非对称的方式进行输出波动限制更合适。如上所述，例如，通过朝向标志位置相应地调整叶片桨距角来实现削减正波动期间的输出功率。
[0073]对输出功率波动的限制的严格性和/或电网不稳定性必须超过才能执行模式转换的阈值位置也可能取决于所监测的电网稳定性以外的其它因素。
[0074]例如，在一些实施例中，风力预报用于改变波动限制，从而例如在预报预测到风力发电波动增大时，使波动限制更严格。此外，在模式转换实施例中，可以响应于风力预报来改变模式转换阈值。例如，可以在预报风力发电波动增大时改变阈值，从而在发生不太显著的电网稳定性降低时就已经触发了从正常运行模式到减小波动模式的转换。
[0075]类似地，在其它实施例中，电网中的功耗的期望用于改变波动限制，或者用于改变模式转换阈值。例如，产生使电网频率波动增大的期望的功耗期望可以使波动限制更加严格，或者可以修改模式转换阈值，从而在发生不太显著的电网稳定性降低时就已经触发了从正常运行模式到减小波动模式的转换。
[0076]一些实施例涉及控制系统，所述控制系统被布置为以上述方式控制至少一个风力涡轮机，所述至少一个风力涡轮机包括整个风电场的风力涡轮机中的一些或全部风力涡轮机。控制系统可以是单独的风力涡轮机控制器、风力发电厂控制器、发电厂控制器或者处于电网中的较高级别上并且连接至风力涡轮机控制器以发送限制波动命令的控制器。控制系统可以是分布式的，例如可以包括风电场和风力涡轮机级别或公用电网级别上的控制器。
[0077]一些实施例涉及控制系统，所述控制系统被布置为以上述方式控制至少一个风力涡轮机，所述至少一个风力涡轮机包括整个风电场的风力涡轮机中的一些或全部风力涡轮机。控制系统可以是单独的风力涡轮机控制器、风力发电厂控制器、发电厂控制器或者处于电网中的较高级别上并且连接至风力涡轮机控制器以发送限制波动命令的控制器。控制系统可以是分布式的，例如可以包括风电场和风力涡轮机级别或公用电网级别上的控制器。
[0078]在上述实施例的至少其中之一中所使用的并且能够连接至电网的变速风力涡轮发电机配备有上述控制系统。所述控制系统包括具有轮毂的叶轮以及安装到叶轮上的至少一个叶片，如上所述。叶轮例如经由主轴连接至发电机，用于将叶轮的转矩转换成电功率。在一些实施例中，将齿轮箱互连在叶轮与发电机之间，从而将叶轮的旋转速度转换成发电机的较高速度。
[0079]图1显示，示例性变速风力涡轮发电机(WPS) I是风力发电厂(WPP) 2的多个风力涡轮发电机的其中之一。示例性变速风力涡轮发电机(WPS)I具有带有轮毂的叶轮3，例如三个叶片4安装到叶轮3上。叶轮叶片4的桨距角可以借助于变桨距执行机构发生变化。叶轮3由机舱5支撑，并且经由主轴8、齿轮箱10和高速轴11驱动发电机12。该结构是示例性的；例如，其它实施例使用直接驱动15发电机。
[0080]发电机12 (例如，感应发电机或同步发电机)产生与叶轮3的旋转速度相关的频率的电输出功率，通过变换器19将该频率变换成电网频率(例如，大约50或60Hz)。由变压器9对由此产生的电功率的电压进行升压变压。变压器9的输出是风力涡轮发电机的端子9a。将来自风力涡轮发电机I以及来自风力发电厂2的其它风力涡轮发电机的电功率注入到风力发电厂电网18(由图1中的“a”表示)。风力发电厂电网18连接在公共耦合点21，并且任选的另一升压变压器22连接至风力发电厂外部的公用电网20。电网20配备有针对电网频率波动的调节能力，例如，能够在短时间内提高和降低产量以控制频率的传统发电机的形式。
[0081]控制系统包括风力涡轮机控制器13和风力发电厂控制器23。风力涡轮机控制器13控制单独的风力涡轮发电机I的运行，例如，根据当前风速选择完全负载或者部分负载运行模式；在部分负载模式中，通过调整叶片角并且控制叶尖速度比以使叶片角和叶尖速度比在当前风速下达到空气动力学最佳，使得风力涡轮发电机的运行处于最佳工作点；以及控制变换器19来根据风电场控制器的指示进行发电，所述指示例如是提供除了有功功率之外的一定量的无功功率的指令等。风力涡轮机控制器13使用不同的输入信号执行其控制任务，例如，表示当前风力状况的信号(例如，来自风速计14和风向标15)、表示桨距角、叶轮位置、发电机12和端子9a等处的电压和电流的幅度和相位的反馈信号、以及来自风力发电厂控制器23的命令信号。风力发电厂控制器23接收表示公共耦合点21处的电压、电流和频率的信号(可以被视为代表公用电网20中的电压、电流和频率的参数)，并且任选地接收来自公用电网供应商的信息或者命令信号(图1中的“c”处)。基于这些(以及任选地其它)输入参数中的一些输入参数，风力发电厂控制器23监测电网稳定性，并且在检测到电网稳定性降低时，命令风力涡轮发电机I以及风力发电厂2的其它风力涡轮发电机(图1中的“b”处)的风力涡轮机控制器13通过限制所供应的输出功率的波动来改变运行。在接收到这种命令时，风力涡轮机控制器13在风速增大时通过例如朝向标志位置调整桨距角来削减随后在具有最大效率的正常的部分负载运行中会产生的高输出峰值，以遵守风电场控制器的限制波动命令。因此，在图1的示例性实施例中，风力发电厂控制器23和风力涡轮机控制器13分担了控制系统的限制输出波动的控制任务。在其它实施例中，由风力涡轮机控制器13单独执行该控制任务；在那些实施例中，“控制系统”仅由风力涡轮机控制器13表示，而不用风力发电厂控制器表示。
[0082]尽管期望图1中所示的风力涡轮发电机I具有三个叶片4，但是应该注意的是，风力涡轮发电机可以具有不同数量的叶片。通常风力涡轮发电机具有两个到四个叶片。图1中所示的风力涡轮发电机I是水平轴风力涡轮机(HAWT)，因为叶轮4围绕水平轴旋转。应该注意的是，叶轮4可以围绕垂直轴旋转。叶轮围绕垂直轴旋转的这种风力涡轮发电机被称为垂直轴风力涡轮机(VAWT)。此后所描述的实施例并不限于具有3个叶片的HAWT。所述实施例可以采用HAWT和VAWT来实现，并且叶轮4中可以具有任何数量的叶片4。
[0083]正常调节和干扰调节的协调需要对控制参数进行设置。那些参数为:频率控制死区DBwind(在Fmax/Fmin范围内)、频率响应特性Rwind(下降)、允许的总风力发电波动△ P?ndfluc；t、功率跟踪斜坡率Rampwind、和风力发电储备量Plteswindtl本文中提出了用于该协调的基本算法。
[0084]为了简化该概念的介绍，算法中并未考虑正常调节与干扰调节之间的区别。这意味着，最大频率偏移和所需功率储备的规定值可以被认为是描绘正常调节或干扰调节的运行特性(显然，相应的值将不同)。由于电网导则明确说明了来自传统发电厂的线性频率响应(静态)，所以系统级别上的组合(等效)的响应如图3中左侧所示，其中，使用了最大频率偏移Afttax 38和所需的传统功率储备APKes&mv 35。图3的右侧还在此描绘了如图2中所限定的风力发电频率响应。在图2中，频率响应21由低频率阈值24与低频率下降率Ru22、以及高频率阈值25与高频率下降率Ru 23给出。由于在选定的风力发电控制架构中，频率响应为中央管理，所以图3将以下两个王要组中的总系统频率响应合并在一起:
[0085]a)传统发电频率响应；以及
[0086]b)风力发电频率响应。在此基于图3实施这两组之间的协调。
[0087]图3示出了传统功率31的频率响应，其具有死区DB_V 39，该死区明显在风力发电死区40的上限33和下限34内。风的下降率32和36与死区40 —起限定了风力发电的总频率响应，在一些实施例中，高频率和低频率情况的下降率可能不同。与传统功率31的响应相比，显然，允许的总风力发电波动APwindnurt 41是可用的。
[0088]所提出的协调算法由以下三个步骤给出:
[0089]1.限定:
[0090]a.随着尺寸标注负载变化的系统频率的最大(允许的)静态偏移Δ--Μ。该值在不同的电网导则中不同，例如，如图15中所示；
[0091]b.所需的系统频率激活的储备量APltessystj该值在不同的系统中也不同，并且其取决于尺寸标注负载变化和负载频率特性；
[0092]c.由风力发电波动所引起的最大允许频率偏移APWindFllKt ;
[0093]d.在相应电网导则中限定的传统发电厂的调速器的死区DB_V。
[0094]2.确定来自各个发电机的功率储备，所述各个发电机包括作为例如调节需求中的交换的结果的WPP。这给出了:
[0095]a.来自传统发电厂的总储备量Λ PEesConv ；
[0096]b.来自风力发电产量的总储备量APKesWind;
[0097]c.贡献调节储备，即，连接至如图12中所示的控制系统的风力发
[0098]电厂WPP-1的装机容量PN_WPi。应满足以下基本等式:
[0099]^ PEesSys — Δ PEesConv+ Δ PEesffind (I)
[0100]3.确定用于集中的风力发电频率控制的参数:DBWind、RWind、APff
indFluct、八 PResWind 矛口
Rampffindo基于图3和以上步骤，这些参数由以下等式给出:
[0101]DBffind = Δ Pff

indFluct (2)
Af _ AOΣ ^N-WPPi
[0102]R —』版WindFluct η(3)
]U"d/o^pRcsWind
[0103]APcurt ^ APEesffind (4)
[0104]为Rampwind设置固有值存在争议，因为该斜坡是要随着可用功率的最终增大而变化。该产量增加是可行的，只要:
[0105]i)允许风力发电产量产生与预定功率不同的功率；
[0106]ii)电网频率低于(fQ+DBWind)，否则将激活频率控制器产生自约束效应；以及
[0107]iii)根据二次频率控制的带宽来设置斜坡率。
[0108]尽管如此，不存在该斜坡增加产生过频率的风险，因为风力发电频率控制在频率超过(+) DBwind时被激活，以这种方式产生自约束效应。斜坡限制器的明显缺陷在于其不能约束风力发电下降。
[0109]如果风力发电产量利用如图3中所示的特定APlteswind 37来运行，则由可用风力发电下降所导致的频率下降将自行利用来自APlteswind 37的频率激活的储备。以这种方式，由风力所导致的频率偏移将被自约束为(_)DBwind 40，从而为启动二次频率控制提供了时间。此外，在可用功率增加之前的最终功率下降之后，风力发电产量将利用斜坡率自动恢复。应该根据输电系统运营商(TSO)的一些标准来选择Rampwind的值，但是Rampwind的值通常不应该大于二次频率控制的带宽。
[0110]图4示出了风力发电厂的集中控制架构的示例。
[0111]图5示出了用于作为电网系统状态的函数的各种电网要求的频率范围的不同示例的表，其中该范围设置了死区的阈值。频率范围越大，则电网系统所处的状态越严峻。
[0112]图6示出了根据本发明的运行电力系统的方法的流程图，所述电力系统包括至少一个风力涡轮发电机和至少一个其它电源。步骤900为电力系统设置一组技术要求和限制，包括总功率储备以及以下参数的至少其中之一:最大电频率偏移和允许的风力发电电频率波动。步骤901将总功率储备分配在至少一个其它电源与来自至少一个风力涡轮发电机的可用总风力发电容量之间，以及，响应于此，计算来自至少一个风力涡轮发电机的功率储备量。以及，步骤902为风力发电控制器提供设置，所述设置包括一组技术要求和来自至少一个风力涡轮发电机的功率储备量。
[0113]术语“其它电源”应该被理解为“非风力发电”电源，S卩，传统燃煤发电厂、核能发电厂或水力发电厂，但不限于这些类型。
[0114]可以将术语风力涡轮发电机、WPS均理解为根据图1的单个风力涡轮发电机，但是在一些实施例中，其也可以是连接在公共耦合点处的一组根据图1的风力涡轮发电机，因此从电力系统运营商的角度，可以将它们看作是来自一个位置的一个风力发电源。
[0115]在一些实施例中，术语风力发电厂、WPP可以是具有多个根据图1的风力涡轮发电机的单个风力发电厂。在其它实施例中，风力发电厂应该被理解为位于不同地理位置、或者彼此相邻或者彼此远离的风力发电厂的集合，但是所有所述风力发电厂都可以通过本发明的调度程序来控制。
[0116]尽管已经结合特定实施例描述了本发明，但是本发明不应该被解释为以任何方式限制于所介绍的示例。应该根据所附权利要求集来解释本发明的范围。在权利要求的语境中，术语“包括”不排除其它可能的元件或步骤。另外，诸如“一”等的引用的提及不应被解释为排除复数。在权利要求中针对附图中所指示的要素的附图标记的使用也不应该被解释为限制本发明的范围。此外，可以有利地组合不同权利要求中所提到的各个特征，并且不同权利要求中的这些特征的提及不排除特征的组合是不可能的并且并非有利的。
[0117]可以在不失去所追求的效果的情况下扩展或者改变本文中给定的任何范围或者设备值，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。
[0118]应该理解，上文描述的益处和优点可以涉及一个实施例或者可以涉及若干实施例。还应该理解，术语“一”的引用涉及这些项目中的一个或多个项目。
[0119]应该理解，对优选实施例的以上描述仅通过示例的方式给出，并且本领域技术人员可以做出各种修改。上述说明、示例和数据提供了对本发明的示例性实施例的结构和使用的完整描述。尽管以上已经利用一定程度的特殊性或者参考一个或多个单独实施例描述了本发明的各种实施例，但是在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员可以对所公开的实施例做出许多改变。
【权利要求】
1.一种用于运行电力系统的方法，所述电力系统包括至少一个风力涡轮发电机和至少一个其它电源，所述方法包括以下步骤: 为所述电力系统设置一组技术要求和限制，所述一组技术要求和限制包括总功率储备、以及以下参数的至少其中之一:最大电频率偏移和允许的风力发电电频率波动； 将所述总功率储备分配在所述至少一个其它电源与来自所述至少一个风力涡轮发电机的可用的总风力发电容量之间，以及，响应于此，计算来自所述至少一个风力涡轮发电机的功率储备量； 为风力发电控制器提供设置，所述设置包括所述一组技术要求和来自所述至少一个风力涡轮发电机的所述功率储备量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤: 检测所述电力系统是处于正常运行模式还是处于干扰调节，并且相应地采取行动。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一组技术要求包括允许的风力发电电波动的值和最大可接受的电频率偏移的值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述总功率储备的所述步骤基于: 所述最大电频率偏移和系统频率激活的功率储备，以及 所述最大允许的风力发电电频率波动，以及 所述至少一个传统发电厂的调速器的死区。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述总功率储备是来自所述至少一个其它电源的功率储备与来自所述至少一个风力涡轮发电机的所述功率储备量的总和。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述风力发电缩减大于或等于来自所述至少一个风力涡轮发电机的所述功率储备量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，确定用于风力发电频率控制器的一组参数，所述一组参数包括以下参数中的至少一个或多个: 频率死区、频率响应特性、风力发电波动、风力发电缩减和功率跟踪斜坡率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述频率响应特性被计算为:
Af _ ad?^Ν—wppi D — ^ MaxWindFluct._n_ WindfAF
JO山 Resihfid
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述风力发电波动被计算为:
Λ O— ^fwindFluct ^^Conv \ η
l^rWwdFlu, t — ^TZi2irResa
-mConr
10.—种电力系统，包括至少一个风力涡轮发电机和至少一个其它电源、以及被布置为根据权利要求1至9所述的方法运行的控制器。
【文档编号】H02J3/38GK104321944SQ201380024634
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年5月10日 优先权日:2012年5月11日
【发明者】G·C·塔尔诺夫斯基 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司