專利名稱：提供電網(wǎng)支持的風力渦輪機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于連接至電網(wǎng)的變速風力渦輪機，其被布置成在發(fā)生電網(wǎng)干擾時生成額外的電輸出功率。更具體而言，本發(fā)明涉及能夠在結束了額外的電功率的輸出之后進一步支持電網(wǎng)的穩(wěn)定性的風力渦輪機。
背景技術：
饋送到電網(wǎng)內(nèi)的電功率和從電網(wǎng)汲取的電功率之間的失衡導致了電網(wǎng)頻率的波動。如果發(fā)電產(chǎn)生的電功率下降到電網(wǎng)功耗以下，例如，由于發(fā)電站故障或斷路的原因， 那么電網(wǎng)頻率下降。相反地，如果功耗下降至發(fā)電量以下，那么電網(wǎng)頻率增大。為了對這樣的頻率波動做出補償，有的發(fā)電站被布置為連續(xù)改變其有效電功率輸出，直到消除所述失衡為止。將這種電輸出功率變化稱為“初級功率控制”。電網(wǎng)運營商在所謂的電網(wǎng)代碼(Grid Codes)中指定了初級功率控制要求，例如，所述電網(wǎng)代碼可以是Ε. ON Netz GmbH制訂的Grid Code 2006，所述電網(wǎng)代碼是Ε. ON Netz GmbH發(fā)布的英文版本，可以從 http://www.eon-Netz. com/pages/ene_de/Veroeffentlichungen/Netzanschluss/ Netzanschlussregeln/ENENARHS2006eng. pdf 下載。當前，風力渦輪機通常不對初級功率控制起作用，這主要是因為作為功率源“風” 是不可控的。然而，隨著風力發(fā)電站在總的電能生產(chǎn)中所占的比例越來越高，當然希望風力渦輪機能夠?qū)Τ跫壒β士刂破鹱饔?。而且，現(xiàn)在的變速風力渦輪機的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的機械旋轉(zhuǎn)部分并非電耦合至電網(wǎng)，因而需要以機械的方式解除風力渦輪機與電網(wǎng)的耦合，這與常規(guī)的固定速度同步發(fā)電機不同。按照這種方式，當電網(wǎng)遇到事件時，例如，網(wǎng)絡中的總發(fā)電量和消耗量之間突然失衡時，現(xiàn)在的風力渦輪機將無法發(fā)揮固有的實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定的作用，這與常規(guī)的固定速度同步發(fā)電機不同。因而，這樣的風力渦輪機無法借助電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣性起作用。隨著風力發(fā)電站在總的電能生成中所占的比例越來越高，固定速度同步發(fā)電機的數(shù)量也越來越少，從而喪失了在遇到電網(wǎng)事件時，例如，總發(fā)電量和電網(wǎng)消耗之間突然失衡時通過混合發(fā)電 (generation mix)來支持電網(wǎng)穩(wěn)定性的固有能力?？傠娋W(wǎng)慣性降低，從而損害了電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。希望風力渦輪機能夠借助快速、受控的有效功率調(diào)制對電網(wǎng)穩(wěn)定性發(fā)揮作用。例如，從DE 10022974A1已知，風力渦輪機能夠通過降低其輸出功率對電網(wǎng)頻率升高(即，從電網(wǎng)消耗的功率低于饋送到電網(wǎng)內(nèi)的功率)做出反應。但是卻難以對頻率降低(即，從電網(wǎng)消耗的功率高于饋送到電網(wǎng)內(nèi)的功率)做出響應，因為這意味著要在沒有更多可用的風能的情況下增大有效發(fā)電量。已知可以通過兩種不同的方案解決這一問題首先，由Rostock大學的Harald Weber等人所寫的兩篇文章 (“Netzregelverhalten von Windkraftanlagen “,公布于 2003 年 5 月 21 日至Ij 22 日在 Munich 舉辦的 GMA/ETG-Fachtagung 第六次會議〃 Sichere und zuverlassige Systemfiihrung von Kraftwerk und Netz im Zeichen der Deregulierung “上，可以 從 www.e-technik.uni-rostock. de/ee/download/publications_EEV/uni_hro_publ35_WKA_2003. pdf 下載；“Primarrege lungmit Windkraftanlagen 〃，公布于 2003 年 2 月 19 日到 20 日在 Frankfurt/Main 舉辦的 ETG-Workshop “ Neue dezentrale Versorgungsstrukturen “, 可從 www.e-technik.uni_rostock.de/ee/download/ pub 1 ications_EEV/uni_hro_pub 133_etg_frankfurt_2003. pdf 下載，在下文中將這兩篇文獻稱為“Rostock文章”)提出使風力渦輪機在亞最佳工作點上(例如，在風速給定的情況下，在比最佳旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度高的速度上)工作，以獲得可用的功率儲備，在頻率降低的情況下，可以額外輸出所述功率儲備(例如，這時通過在既定的風速下將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度降低至最佳速度實現(xiàn))。這樣，能夠在無限定的時間內(nèi)向電網(wǎng)饋送額外的電輸出功率。根據(jù)例如在WO 2005/025(^6Α1中概述的第二種方案，將存儲在風力渦輪機轉(zhuǎn)子內(nèi)的動能識別成功率儲備，可以將其轉(zhuǎn)換成電功率，并額外注入到電網(wǎng)內(nèi)，但是其只能滿足短時間周期內(nèi)的要求。利用轉(zhuǎn)子動能，還有可能通過與周期性頻率振蕩同步對轉(zhuǎn)子減速和加速而對所述周期性頻率振動做出補償。在 Ullah 等的文章〃 Temporary Primary Frequency Control Support by Variable Speed Wind Turbines-Potential and Applications “(由 IEEE 在"IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 23,No. 2"，May 2008,pages 601 to 612 中發(fā)布的， 可以從 ieeexplore. ieee. org/iel5/59/4494587/04480153. pdf 下載，下文稱為 “ULLAH” ) 中提供了一種類似的以轉(zhuǎn)子動能為代價實現(xiàn)短時功率輸入的概念。然而，這些采用轉(zhuǎn)子的動能臨時輸出額外電功率的提議尚未成熟，因為所述文獻都沒有涉及終止了非周期性的額外電功率輸出之后的風力渦輪機控制。本發(fā)明提供了一種實施快速有效功率變化以實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定性以及由風力渦輪機發(fā)揮初級功率控制作用的細化方案。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供了一種用于連接至電網(wǎng)的變速風力渦輪機。所述風力渦輪機被布置成提供額外的電功率，以抵消電網(wǎng)中的非周期性干擾。其包括轉(zhuǎn)子和控制器， 所述轉(zhuǎn)子具有葉片且耦合至發(fā)電機，所述控制器監(jiān)測指示需要增大從風力渦輪機輸出至電網(wǎng)的電輸出功率以支持電網(wǎng)穩(wěn)定性的事件。所述控制器被布置成如下所述控制風力渦輪機以非周期性方式執(zhí)行電網(wǎng)穩(wěn)定性支持活動在檢測到指示事件之后，風力渦輪機進入使電輸出功率增大到超過正常的電運行功率的超量發(fā)電周期，其中，從存儲在轉(zhuǎn)子中的動能取得額外的電輸出功率，那么至少在風力渦輪機以部分載荷模式工作時無需將風力渦輪機的運行改變到更為高效的工作點上。最遲當轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度達到最小值時，風力渦輪機進入恢復周期，從而在通過至少向電網(wǎng)輸出預定的最低電功率來進一步促進電網(wǎng)的穩(wěn)定性的同時對轉(zhuǎn)子重新加速使之達到標稱旋轉(zhuǎn)速度。根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供了一種被布置為相應地控制變速風力渦輪機的控制
O根據(jù)第三方面，本發(fā)明提供了一種對應的控制風力渦輪機提供額外電功率的方法。在從屬權利要求、下文的描述和附圖中闡述了其它方面。


將相對于附圖以舉例的方式對實施例予以說明，其中圖1示意性地示出了一種變速風力渦輪機的組件；圖2是描述風力渦輪機的控制流程的簡圖；圖3以舉例的方式示出了風力渦輪機的發(fā)電量曲線；圖4是示出了根據(jù)第一實施例的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度和電輸出功率之間的關系的示意圖；圖5示出了根據(jù)第一實施例電輸出功率、可用機械葉片功率和轉(zhuǎn)子速度的發(fā)展情況；圖5A是根據(jù)圖5的第一實施例的示意性圖示，其中，在超量發(fā)電周期和恢復周期二者內(nèi)均對電輸出功率加以調(diào)制；圖6示出了根據(jù)第二實施例的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和電輸出功率之間的相關性；圖7是示出了根據(jù)第二實施例的電輸出功率、可用機械葉片功率和轉(zhuǎn)子速度的特征的示意圖；圖8示出了根據(jù)第三實施例的電和機械功率曲線以及轉(zhuǎn)子速度；圖9示出了在可用風功率高于風力渦輪機的標稱電功率的情況下(滿載荷運行) 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度和電輸出功率之間的相關性；圖10示意性示出了具有同步發(fā)電機和滿量程變換器的風力渦輪機的機械和電氣部件；圖11示意性示出了具有雙饋感應發(fā)電機(DFIG)的風力渦輪機的機械和電氣部件；圖12以舉例的方式示出了對于依賴于風速的不同電輸出功率水平而言恢復周期的持續(xù)時間；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的電網(wǎng)穩(wěn)定性支持方法。術語表將貫穿本說明書采用下述用語和縮寫。Pnoffl 是根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機的標稱(額定)電運行功率(在提到“功率”時， 我們是指以能量/時間或功/時間為量綱的物理單位)；Pe 是某一時間點上的實際電運行(輸出)功率；Pe0 代表在進入根據(jù)本發(fā)明的功率控制模式的時刻(正常的)風力渦輪機電運行功率；Δ Pop 是在超量發(fā)電周期中除了正常的電運行功率之外輸出的超量發(fā)電功率；Pefflin 是指恢復周期內(nèi)預定的最低電輸出功率；Pacc 代表在根據(jù)本發(fā)明的恢復周期中用于使轉(zhuǎn)子重新加速的功率；Pw 代表某一時間點上的可用風功率；Pffl 代表某一時間點上風力渦輪機的機械轉(zhuǎn)子功率；ω"是指在進入根據(jù)本發(fā)明的功率控制模式的時刻風力渦輪機的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度；ω-是風力渦輪機進入恢復周期時所處的風力渦輪機轉(zhuǎn)子的最低旋轉(zhuǎn)速度。
具體實施例方式在進入對實施例的詳細說明之前首先討論幾個一般的事項。根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機的主要部件是具有葉片且耦合至發(fā)電機的轉(zhuǎn)子以及被布置成控制風力渦輪機執(zhí)行電網(wǎng)穩(wěn)定性支持活動的控制器。所述風力渦輪機是一種變速風力渦輪機，即，可以在正在進行的運轉(zhuǎn)過程中改變轉(zhuǎn)子速度，從而允許在風力渦輪機的負荷和磨損最小的情況下有效地利用可用風功率。所述風力渦輪機還被布置成連接至電網(wǎng)，例如，三相公用供電網(wǎng)絡，如果所述風力渦輪機屬于風電場時，那么所述風力渦輪機則屬于所述風電場的內(nèi)部電壓網(wǎng)絡(一般而言，該網(wǎng)絡本身也可以連接至公用供電網(wǎng)絡)。為了使所述風力渦輪機以可變轉(zhuǎn)子速度運行，通過(例如)變頻器或者轉(zhuǎn)子和發(fā)電機之間的變速齒輪箱使所述風力渦輪機以機械的方式與固定電網(wǎng)頻率解耦。在按照部分載荷模式(即，可用風功率低于風力渦輪機的額定風功率)運行的過程中，風力渦輪機一般在最佳工作點上運行。根據(jù)風速和方向，持續(xù)調(diào)整轉(zhuǎn)子速度以及槳距和偏航角(假設所述風力渦輪機具備葉片槳距和偏航控制系統(tǒng))，從而保持最大空氣動力效率(例如，使風力渦輪機的葉尖速度比保持在最佳值上)，由此根據(jù)風況獲得最高的電功率(通常將這種策略稱為“最高功率跟蹤”)。如果可用風功率達到或超過了風力渦輪機的額定風功率，那么通過(例如)采用葉片槳距控制系統(tǒng)控制葉片的沖角將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度和電運行功率限定為其標稱值。由此在使所生成的電功率在其額定值上保持恒定(p_ = pe) 的同時保護風力渦輪機不發(fā)生過載。因此，只有在這種所謂的滿載荷模式中，并沒有對可用風功率盡可能地加以利用，而是通過使葉片在一定程度上從風中扭轉(zhuǎn)出來一些來限制電輸出功率。然而，“Rostock文章”則提出了一種與此相違背的風力渦輪機運行方式。為了獲得可用于初級功率控制的功率儲備，風力渦輪機一般將按照非最佳方式運行?？梢酝ㄟ^以更高或更低的旋轉(zhuǎn)速度驅(qū)動轉(zhuǎn)子或者通過使葉片轉(zhuǎn)至亞最佳槳距角實現(xiàn)這一目的(參考 "Netzregelverhalten von Windkraftanlagenρ· 6)。然而，這樣的偏離最佳工作特征曲線的系統(tǒng)運行將引起顯著的對可用風能的浪費。從經(jīng)濟的角度來看，這樣做是有問題的，因為與基于可控能源的發(fā)電站，例如，水力發(fā)電站或天然氣發(fā)電站不同，在這些發(fā)電站中沒用完從而節(jié)省下來的能源載體的量可以在以后轉(zhuǎn)換成電功率，而未加利用的風能則只能流失了。因而，這里不遵循“Rostock文章”提出的方案，根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機按照其正常的轉(zhuǎn)矩-速度特征曲線運行，至少在部分載荷模式下工作時是這樣。正如ULLAH和WO 2005/025026A1中簡要描述的，即使當風力渦輪機在其最佳工作點上運行時，也有可能通過從旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子提取動能而提供額外的輸出功率。根據(jù)ULLAH，例如，有可能在大約10秒鐘的時間內(nèi)(這與傳統(tǒng)的初級功率控制形成了對比，在傳統(tǒng)控制中由可用的功率儲備生成額外的電功率，因而一般能夠在長時間內(nèi)保持所述額外電功率)輸出額外的電功率水平，其適于對電網(wǎng)頻率保持發(fā)揮作用。又將這一瞬態(tài)的偶發(fā)的功率增大稱為“電網(wǎng)慣性響應”。動能的提取將導致轉(zhuǎn)子減速，因而在發(fā)揮頻率穩(wěn)定性作用的時間內(nèi)通常會導致偏離最佳工作點(ULLAH，p. 608，右欄)。在額外電功率輸出周期(下文將其稱為“超量發(fā)電周期”)之后，迅速降低電輸出功率，甚至可以消耗來自電網(wǎng)的功率，從而能夠使轉(zhuǎn)子再次加速(P. 609，左欄)。然而，這一快速的功率降低將引起第二次電網(wǎng)頻率下降(參考圖17(a)、18和19)，因而在最初的短期慣性響應之后，不能提供后續(xù)的頻率穩(wěn)定。本發(fā)明的焦點在于超量發(fā)電周期結束之后，直至對轉(zhuǎn)子重新加速使之達到其正常速度之前的階段(下文將這一周期稱為“恢復周期”)內(nèi)的風力渦輪機控制。其通過在恢復周期中進一步支持電網(wǎng)穩(wěn)定性的方式提供了一種被布置成發(fā)揮初級功率控制作用的風力渦輪機。WO 2005/025026A1尋求與ULLAH描述的相同的方案，并且額外提及了利用轉(zhuǎn)子的動能抑制周期性電網(wǎng)頻率振蕩(所謂的“區(qū)域內(nèi)振蕩”，W02005/025026A1, p. 14)。在給定的例子中，電網(wǎng)頻率以0. 22Hz (等于4. 5s的循環(huán)時間)的特征頻率振蕩，這意味著風力渦輪機在2. 25s的時間內(nèi)注入額外的功率來抑制這一振蕩，并通過交替的方式在另一 2. 25s 的時間內(nèi)降低功率輸出(p. 14和FigJ)。在這一方案中，計劃在增大到超過額定運行功率之后伴隨顯著的電輸出功率的下降(因為對于所述循環(huán)周期的相應的一半而言電網(wǎng)頻率超過了標稱值)，因而沒有必要抵消正在發(fā)生的頻率低谷。與此相反，本發(fā)明的構思是抵消電網(wǎng)中的非周期性干擾。具體而言，如果由于時間持續(xù)更長的來自電網(wǎng)的功耗的增大或者另一發(fā)電站的停機/故障的原因?qū)е码娋W(wǎng)頻率在更長的周期內(nèi)下降，那么根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機能夠以瞬時的方式提供額外的電功率， 并且在額外發(fā)電結束之后仍然能夠起到促進電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用。具體而言，根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機被布置成執(zhí)行分為兩個階段的輔助控制模式，第一階段是使從風力渦輪機提供給電網(wǎng)的電功率增大到超過正常電運行功率的超量發(fā)電周期，第二階段是使風力渦輪機進一步發(fā)揮促進電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用的恢復周期。通過使輸出的電功率的量高于或等于預定的下閾值實現(xiàn)這一進一步的作用。通過這種方式，能夠削弱在ULLAH中發(fā)生的電網(wǎng)頻率的(第二次)顯著降低。根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機包括負責控制風力渦輪機進入所述的二階段控制模式的控制器。出于這一目的，所述控制器(持續(xù)或周期性地)監(jiān)測指示應當將輸入至電網(wǎng)的電功率增大到超過正常的，即當前的電運行功率Pe的事件。例如，這樣的指示事件可以是由風力渦輪機外部實體，例如，電網(wǎng)運營商或風電場控制器生成的控制信號?；蛘?，其可以是由風力渦輪機內(nèi)部的諸如電網(wǎng)頻率或電壓角變化的運行參數(shù)的測量結果，尤其是運行參數(shù)與其正常值的偏離達到了預定程度的判斷所觸發(fā)的警報。所述指示事件不僅可以包括需要增大電輸出功率的指示，還可以包括與所需的功率增大的實質(zhì)相關的進一步的信息。例如， 其可以含有有關功率增大的幅度(作為相對或絕對值)、相應的頻率下降的幅度、電輸出功率增大的預期持續(xù)時間或變化或者其它/額外管理或元數(shù)據(jù)的信息。于是，能夠?qū)⑺隹刂破鞑贾脼閷@一信息進行評估和處理，并觸發(fā)對應的控制活動。具體而言，在檢測到指示事件之后，控制器啟動從超量發(fā)電周期開始的電網(wǎng)穩(wěn)定性支持活動。在這一時間內(nèi)，通過輸出處于正常電運行功率之上的超量發(fā)電功率(ΔΡ。ρ)支持電網(wǎng)的穩(wěn)定性，所述正常電運行功率是在超量發(fā)電周期開始時生成的功率(PJ。因而， 可以通過Pe = P⑷+ΔΡ。ρ表示超量發(fā)電周期中的電輸出功率(假設在超量發(fā)電周期期間風況不發(fā)生變化，因而保持了倘若風力渦輪機不進入超量發(fā)電周期其運行將處于的推測工作點，即，在這一時間間隔期間Pe = Pj。額外的超量發(fā)電功率ΔΡορ可以是預定的固定值 (對于任何超量發(fā)電周期都取相同的值，而且在整個超量發(fā)電周期內(nèi)也不發(fā)生變化)，也可以隨不同情況發(fā)生變化，但在每一超量發(fā)電周期上仍然是恒定的，或者其可以在超量發(fā)電周期內(nèi)變化，例如，響應于控制器檢測到的其它事件或者其它管理數(shù)據(jù)(例如，可以是連同所述指示事件一起提供的)而發(fā)生變化，由此能夠通過對電輸出功率的調(diào)制使風力渦輪機能夠根據(jù)電網(wǎng)穩(wěn)定性的實質(zhì)和特征發(fā)揮促進電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用。超量發(fā)電功率ΔΡ。ρ并不是通過將風力渦輪機的運行轉(zhuǎn)換到更加有利的工作點上而生成的，而是從存儲在風力渦輪機的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，即其轉(zhuǎn)子內(nèi)的動能中提取的，至少當風力渦輪機以部分載荷模式工作時是這樣。因此，在超量發(fā)電周期中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的降低取決于所提取的能量的量。這里列出的考慮事項都是以可用風功率(Pw)在所述二階段輔助控制模式期間保持恒定的假設為基礎的?；谒黾僭O，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在超量發(fā)電期間的降低將使得風力渦輪機偏離最佳工作點，受到(相對輕微的)效率損失(這意味著，實際上，風力渦輪機運行恰恰與“Rostock文章”相反在具有最高效率的工作點上運行，只有當在二階段輔助控制模式內(nèi)執(zhí)行電網(wǎng)穩(wěn)定性支持活動時才會發(fā)生與正常工作點的(負)偏離)。如果風力渦輪機裝備有葉片槳距控制系統(tǒng)，那么可以通過在轉(zhuǎn)子速度發(fā)生變化時調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的槳距角對效率降低進行部分補償。然而，轉(zhuǎn)子速度不應降至某一最小值以下。這一閾值可能與風力渦輪機的構造參數(shù)相關，例如，與風力渦輪機的發(fā)電機或變換器的工作范圍相關，或者與效率考慮事項相關，尤其是與在后續(xù)運行中應當輸出至電網(wǎng)的最低電功率相關。最遲當旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子速度達到了這一最小值時，控制器終止超量發(fā)電周期，并啟動恢復周期。所述恢復周期以基本上彼此相反的兩項任務為特征。一方面，電網(wǎng)可能仍然不穩(wěn)定(即，來自電網(wǎng)的功耗仍然高于饋送到電網(wǎng)內(nèi)的功率)，因而仍然需要某一電輸出功率。 另一方面，由于轉(zhuǎn)子速度降低，風力渦輪機正運行于亞最佳工作點上，因此無法產(chǎn)生像超量發(fā)電周期之前一樣高的電功率。因而，在中期電網(wǎng)穩(wěn)定性和對轉(zhuǎn)子重新加速以實現(xiàn)高效的長期功率生產(chǎn)之間存在矛盾沖突。根據(jù)本發(fā)明，在所述輔助控制模式的這一第二階段中，風力渦輪機至少向電網(wǎng)輸出預定的最低電功率(Praiin)。這意味著，電輸出功率Pe在恢復周期的整個持續(xù)時段內(nèi)都未降至這一預定閾值以下(因此，在恢復周期的任何時間點上，電輸出功率均大于等于預定最小值)。這樣，風力渦輪機將繼續(xù)發(fā)揮促進電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用。與此同時，利用轉(zhuǎn)子的剩余機械功率(PaJ使轉(zhuǎn)子再一次重新加速。這意味著，一般而言，在恢復周期中并未將全部的機械轉(zhuǎn)子功率(Pm)轉(zhuǎn)換為電功率(Pe)。所述重新加速可能占用顯著的時間量，其取決于可用機械轉(zhuǎn)子功率(Pm)向用于生成電輸出功率的部分(Pe)和用于對轉(zhuǎn)子重新加速的部分 (Pacc)的分配。例如，有可能對于某一段時間而言，全部的機械轉(zhuǎn)子功率(Pm)供應都轉(zhuǎn)換成了電輸出功率(Pe)，根本未對轉(zhuǎn)子加速，因而可能使恢復周期額外延長。所述超量發(fā)電周期和恢復周期構成了一種非周期性控制模式。由于這里的焦點在于電網(wǎng)穩(wěn)定性(與快速的轉(zhuǎn)子重新加速相對立)，因而恢復周期通常要比超量發(fā)電周期長。 此外，在恢復周期結束之后，一般將出現(xiàn)在無限定的時間內(nèi)具有正常的風力渦輪機控制和運行的階段。只有當控制器檢測到另一指示事件(從風力渦輪機的角度來看，其可能發(fā)生在任意時間點上)時，控制器才啟動另一超量發(fā)電階段。因而，不存在像這樣的連續(xù)過程， 艮口，交替發(fā)生的超量發(fā)電周期和恢復周期，或者在緊隨前一恢復周期的預定間隔之后重新進入超量發(fā)電階段。
理論上可以將恢復周期中的電輸出功率的最小值(Pemin)確定為絕對功率值。然而，由于風力渦輪機是在變化的風況下運行的，相應地，根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機也要在變化的風況下執(zhí)行電網(wǎng)穩(wěn)定性支持活動，因此這樣做在實踐中可能沒用。因此，在本發(fā)明的一些其它任選配置中，將Pailin定義為在風力渦輪機進入超量發(fā)電周期(PJ的時刻正在提供給電網(wǎng)的電運行功率的固定百分比。在其它變型中，選擇其它參考值，例如，在啟動超量發(fā)電周期之前的某一時間窗口內(nèi)的運行功率的平均值、風力渦輪機的標稱電運行功率(Pm) 或者對應于(恢復周期中)當前可用風功率的正常電功率。在一些其它的配置選項中，恢復周期中的最低電輸出功率(Praiin)相當于在超量發(fā)電周期之前提供給電網(wǎng)的電運行功率(PJ的80%。在其它實施例中，將所述閾值設為P^1 的85%或90%。甚至有可能選擇更高的值，例如，Petl的95%。因而在恢復周期中在更高的水平上支持電網(wǎng)。然而，可用于使轉(zhuǎn)子重新加速的剩余功率將因而對應地變小，從而使恢復期延長，風力渦輪機也將在更長的時間內(nèi)以亞最佳工作點運行。在一些其它配置中，控制器被布置為不僅確保電輸出功率在恢復周期中不降至預定最小值以下，還對用于使轉(zhuǎn)子重新加速的功率(PaJ加以控制。因此，所述控制器能夠確保轉(zhuǎn)子加速度不降至某一最小值以下。此外，由此有可能(連續(xù)或周期性地)估算恢復周期的剩余持續(xù)時間。為了能夠控制轉(zhuǎn)子加速功率(PaJ，在本發(fā)明的一些任選配置中，所述風力渦輪機包括用于測量轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度和風速、葉片根部的力矩和/或轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)矩的傳感器設備。于是，所述控制器能夠通過(連續(xù)或周期性地)測量這些參數(shù)并至少由這些測得的參數(shù)計算可用的機械轉(zhuǎn)子功率(Pm)來控制轉(zhuǎn)子加速度。因而，控制器總是“知道”可用的機械功率，并且能夠在恢復周期中將其分割成兩個部分，即，用于轉(zhuǎn)化成電輸出功率，從而確保輸出功率不降至給定下閾值以下的第一部分以及用于使轉(zhuǎn)子重新加速到其標稱速度的第二部分。因此，有可能做出與恢復周期的剩余持續(xù)時間有關的更為具體的預測。超量發(fā)電周期未必一直持續(xù)到實際達到了預定的最低旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度(ω.)為止。 例如，在電網(wǎng)快速地恢復了其穩(wěn)定性的時候，由于不再需要向電網(wǎng)注入增大的電功率，因而能夠更早地啟動恢復周期。而且，超量發(fā)電周期可以存在預定的時間限制，從而保護風力渦輪機不會發(fā)生過長的增大電功率發(fā)電(例如，以避免功率轉(zhuǎn)換部件過熱)。因而，在達到這樣的增大電功率發(fā)電的時間限制時，也可以在達到最低旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度(《min)之前啟動恢復周期。另一個(額外的)進入恢復周期的條件可以是在超量發(fā)電周期中提供給電網(wǎng)的額外能量的量的上限。最后，所述風力渦輪機可以被布置為取消增大電功率發(fā)電，并響應于控制信號或外部事件，例如，接收自電網(wǎng)運營商或上級控制實體的規(guī)定進入恢復周期。此外，在一些變型中，設定轉(zhuǎn)子速度恢復其標稱速度(標志著恢復周期的結束)的時間周期。于是，控制器既能夠改變轉(zhuǎn)子加速度(PaJ，又能夠改變電輸出功率(PJ，因此， 只要遵守了兩個先決條件(最低電功率值Pailin和達到正常轉(zhuǎn)子速度的時限)，就能夠使電輸出功率不僅可以在超量發(fā)電周期內(nèi)受到調(diào)制(如上文所述)，還可以在恢復周期內(nèi)受到調(diào)制，由此使風力渦輪機能夠依據(jù)不穩(wěn)定性的特征發(fā)揮促進電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用(例如，響應于電網(wǎng)測量或者電網(wǎng)運營商提供的控制信號)?？梢圆捎蒙鲜鲛D(zhuǎn)子速度和風速、力矩和轉(zhuǎn)矩測量以及機械轉(zhuǎn)子功率計算來確保這些約束條件得到滿足。在一些其它的配置選項中，控制器被布置成根據(jù)適于實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定性的預定(數(shù)學)函數(shù)或控制算法控制轉(zhuǎn)子速度和/或電輸出功率。優(yōu)選地，可以根據(jù)預定梯度增大兩種參數(shù)。所述梯度在整個恢復周期內(nèi)未必是常數(shù)或者說未必是統(tǒng)一的。例如，有可能在恢復周期的第一部分內(nèi)，根本未增大電輸出功率(Pe)(例如，等于預定最小值)，而只增大了加速功率(pa。。)。在這一例子中，由于在增大轉(zhuǎn)子速度的同時提高了效率的原因而得到的額外功率被完全投入到了轉(zhuǎn)子加速當中，從而使轉(zhuǎn)子加速度不斷增大(假設風速恒定)。只有在恢復周期的第二部分中，才增大Pe，從而使轉(zhuǎn)子加速度不會進一步增大(甚至可以再次降低)。通過這種方式，可以使恢復周期保持相對較短。也有可能對兩種參數(shù)加以控制，使其按照非線性的方式增大，例如，使其取決于風力渦輪機的效率曲線。此外，所述控制器可以被布置成控制電輸出功率，從而在超量發(fā)電周期和恢復周期之間提供溫和的過渡。這意味著，在超量發(fā)電周期結束時，電輸出功率不會驟然降低，而是需要一定量的時間來降低。通過這樣的“平滑”過渡，能夠避免對電網(wǎng)和/或風力渦輪機造成的不利影響。通常，恢復周期的持續(xù)時間將比超量發(fā)電周期的持續(xù)時間長。在超量發(fā)電周期內(nèi)， 例如，響應于指示事件內(nèi)含有的信息，例如，頻率下降幅度、頻率梯度或端電壓角，或者響應于控制器在正在進行的超量發(fā)電周期內(nèi)接收到的其它控制信號增大電輸出功率。超量發(fā)電周期的最長可能持續(xù)時間一般取決于轉(zhuǎn)子內(nèi)存儲的動能和最低旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度。例如，可行的持續(xù)時間可以是10秒。為了在恢復周期內(nèi)繼續(xù)發(fā)揮促進電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用，一般在同一 (相對較短的)時幀(time frame)內(nèi)使轉(zhuǎn)子重新加速到其正常速度是不切實際的。另一方面，恢復周期也不應拉得過長，因為風力渦輪機在這一時幀內(nèi)以亞最佳效率運行。因而，在一些其它的配置選項內(nèi)，優(yōu)選使恢復周期是超量發(fā)電周期的五倍。在其它變型中，所述因數(shù)為三，在另一些配置中，恢復周期是超量發(fā)電周期的兩倍。在一些任選的其它配置中，風力渦輪機包括槳距控制系統(tǒng)。于是，所述控制器被布置為在整個輔助電網(wǎng)穩(wěn)定性支持模式內(nèi)調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的槳距角，從而緩和由偏離正常運行點引起的電輸出功率生成的效率降低。具體而言，可以在超量發(fā)電周期內(nèi)調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片，以補償(由轉(zhuǎn)子減速引起的)亞最佳風攻角。其效果是可能在某種程度上減少轉(zhuǎn)子的減速。 因此，在恢復周期中，可以在轉(zhuǎn)子重新加速的同時調(diào)整槳距角，從而再一次調(diào)整風攻角，使之適合不斷增大的轉(zhuǎn)子速度。理所當然，所述槳距控制系統(tǒng)也可以對與特定的電網(wǎng)穩(wěn)定性支持模式無關的變化因素，例如，變化的風速和/或方向做出響應。與風力渦輪機通常在最佳工作點上運行的部分載荷模式中的運行不同，在滿載荷模式中(即，當可用風功率Pw與超過風力渦輪機標稱運行功率pn。m的電運行功率Pe關聯(lián)時)，那么風力渦輪機控制將限制風力渦輪機的運行功率。這一點是通過(例如)使轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)到風中，即，進入旗位方向，從而使葉片至少部分處于旗位上實現(xiàn)的(“旗位”是指葉片所處位置的風攻角為零)。“部分旗位”是指葉片處于最佳風攻角和旗位之間的位置， 從而使風攻角小于正常值?！捌於取笔侵甘谷~片轉(zhuǎn)向旗位方向的程度。這意味著降低了風攻角，進而降低了提升力(與葉片位置處于部分載荷模式相比)，其將引起預期的電輸出功率限制。在本發(fā)明的一些其它配置中，當風力渦輪機以滿載荷模式工作時，在超量發(fā)電周期內(nèi)采用槳距系統(tǒng)降低葉片旗度的量(即，使風攻角重新增大)。通過這一額外的措施，增大了葉片上的升力，從而將額外的可用風功率輸出用于所述輔助控制模式。例如，可以采用這一額外支持增大超量發(fā)電功率(ΔΡ。ρ)和/或放慢轉(zhuǎn)子減速，進而延長超量發(fā)電周期。相應地，在恢復周期中，可以應用其增大電輸出功率和/或增大轉(zhuǎn)子重新加速，即，增大加速功率(PaJ，從而縮短恢復周期。為了將變速風力渦輪機連接至電網(wǎng)，可以使風力渦輪機的電子系統(tǒng)的頻率與電網(wǎng)解耦。一般有兩種方式實現(xiàn)這一目的。首先，利用滿量程變頻器使風力渦輪機的發(fā)電機與電網(wǎng)徹底解耦。于是發(fā)電機生成具有可變頻率的AC，通過整流器對其進行整流，之后將所得到的DC轉(zhuǎn)換成具有一般為常數(shù)的電網(wǎng)頻率(歐洲為50Hz)的AC。第二種替代方案是雙饋感應發(fā)電機(DFIG)。這里，將(異步)發(fā)電機的定子繞組直接連接至網(wǎng)絡，即，不采用變換器實施這一連接。通過使發(fā)電機的轉(zhuǎn)子以可變速度相對于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)生成激勵場。 通過對應地調(diào)整所述激勵場相對于轉(zhuǎn)子的速度來補償所述(可變的)轉(zhuǎn)子速度。因此，兩速度之和，即，激勵場相對于定子的速度總是適應固定電網(wǎng)頻率的恒定值。這里，只需要變換器生成具有可變頻率的激勵場電流(=轉(zhuǎn)子電流)。因此，在本發(fā)明的一些其它配置中，風力渦輪機的發(fā)電機是具有滿量程變換器的發(fā)電機。在這種解決方案中，經(jīng)常使用同步發(fā)電機。由于通過滿量程變換器實施完全解耦， 因而控制器啟動恢復周期時所處的風力渦輪機的最低轉(zhuǎn)子速度(ω_)不受風力渦輪機的電網(wǎng)連接的限制。相反，僅由風力渦輪機在恢復周期中至少保持的最低電輸出功率和使轉(zhuǎn)子重新加速所需的額外機械功率(PaJ設定所述限制。在風力渦輪機的其它形配置中，采用DFIG。這里，可以通過發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)速度限制變換器的工作范圍，從而使發(fā)電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度(進而使風力渦輪機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度) 不會在希望起生成一定量的電功率時無限定地降低。因而，在這些配置中，DFIG的這一與構造相關的速度范圍下閾值可以用作額外的啟動恢復周期的最低轉(zhuǎn)子速度值(ω_)閾值 (除了提供風力渦輪機在恢復周期中保持的最低電輸出功率和預期的轉(zhuǎn)子重新加速這兩者所需的機械功率(Pm)的標準之外)。風力渦輪機運行在超量發(fā)電周期中首先達到的標準 (即，兩個值中的較高者)定義了額外電功率輸出的最遲結束點。上述考慮通常是以風力在超量發(fā)電周期和恢復周期內(nèi)恒定的假設為基礎的。風速的變化還將對處于根據(jù)本發(fā)明的輔助電網(wǎng)穩(wěn)定性支持模式的風力渦輪機運行產(chǎn)生額外的影響。例如，超量發(fā)電階段內(nèi)風速的降低可能導致提前抵達預定的最低轉(zhuǎn)子速度，從而在實際上向電網(wǎng)輸出更少的電功(與恒定風速相比)，而風速增大則會導致相反的作用。也可以根據(jù)風速，例如，根據(jù)超量發(fā)電周期或另一給定時間窗口內(nèi)的平均風速確定最低轉(zhuǎn)子速度的值(《min)。此外，與標準恢復周期運行相比，恢復周期中風力降低可能導致轉(zhuǎn)子重新加速的延遲，而風力增大則將使風力渦輪機能夠更快地對轉(zhuǎn)子重新加速。風速變化還可能對超量發(fā)電周期和恢復周期中的預期電輸出調(diào)制產(chǎn)生影響。本發(fā)明能夠使風力渦輪機更有效率地發(fā)揮促進電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用。具體而言，由于風力渦輪機能夠相對更快地對電網(wǎng)頻率下降做出反應(例如，與水電站、天然氣發(fā)電站或蒸汽發(fā)電站實施的初級功率控制相比)，因而能夠采用其填補空白，直到較慢的發(fā)電站介入為止。最后，本發(fā)明允許電網(wǎng)運營商針對電網(wǎng)和風速的不同狀況計算或估算可以預期的來自風力渦輪機的電網(wǎng)穩(wěn)定性支持。圖1示意性地示出了變速風力渦輪機的組件。其包括通過變速齒輪(齒輪箱)7 為發(fā)電機9提供動力的轉(zhuǎn)子2。發(fā)電機9生成通過輸電線16提供給電網(wǎng)17的電功率(圖 1未示出)?？刂破?0負責根據(jù)諸如風速和風向的環(huán)境條件和電功率需求控制風力渦輪機1的子系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子2包括轉(zhuǎn)子中心體4和葉片3。在一些實施例中，風力渦輪機1的特點在于具有槳距控制系統(tǒng)6，該系統(tǒng)具有能夠圍繞其縱軸轉(zhuǎn)動的葉片3。因而，有可能(例如)通過使葉片向風中旋轉(zhuǎn)而降低作用于葉片3上的風功率(轉(zhuǎn)矩)。根據(jù)盛行風速調(diào)整轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度ω (即，所述風力渦輪機是一種變速風力渦輪機，通?？s寫為VSWT)。例如，轉(zhuǎn)子速度處于10轉(zhuǎn)每分和20轉(zhuǎn)每分之間的范圍內(nèi)。齒輪箱7連接至轉(zhuǎn)子2，齒輪箱7的作用在于將相對較慢的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度ω轉(zhuǎn)化為更高的發(fā)電機9的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度(在其它實施例中，風力渦輪機1不具有齒輪箱，但其當然還是被布置為能夠執(zhí)行電網(wǎng)穩(wěn)定性支持活動)。 斷路器8允許降低轉(zhuǎn)子速度，從而(例如)使風力渦輪機停機。內(nèi)部的機械子系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)可以容納于安裝在塔架15上的短艙5內(nèi)。在一些實施例中，風力渦輪機1的另一部件是傳感器和測量設備11。例如，風速計 12起著確定當前風速的作用，而風向計13則提供風向測量結果。此外，可以提供量測裝置 36測量轉(zhuǎn)子葉片3的根部的力矩，提供量測裝置37測量轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)速度和/或轉(zhuǎn)矩。最后，在一些實施例中，偏航驅(qū)動14允許根據(jù)盛行風向圍繞豎直(塔)軸調(diào)整具有轉(zhuǎn)子2的短艙5。例如，控制器10被布置為執(zhí)行控制軟件的具有相關存儲器的微處理器。在一些實施例中，其被布置為單部件，而在其它實施例中，其由分布式子系統(tǒng)構成，例如，其具有相互連接的幾個微處理器的形式。其通過總線耦合至風力渦輪機的各子系統(tǒng)，具體而言，耦合至發(fā)電機9、轉(zhuǎn)子2、槳距控制系統(tǒng)6、傳感器設備11，即風速計12、風向計13和測量裝置36、 37以及偏航驅(qū)動14。此外，還將其連接至管理系統(tǒng)18(圖1中未示出)。圖2以舉例的方式更詳細地示出了風力渦輪機1的控制流程。控制器10接收傳感器裝備11 (風速計12、風向計13以及測量裝置36和37)提供的測量結果以及來自電網(wǎng)17 和發(fā)電機9的運行參數(shù)。其對這些輸入數(shù)據(jù)進行處理，并生成傳輸至風力渦輪機1的各個子系統(tǒng)的致動器的控制信號。后者執(zhí)行接收自控制器10的控制命令，并實現(xiàn)相應的子系統(tǒng)的狀態(tài)的變化。例如，控制器10通過改變發(fā)電機頻率或者改變齒數(shù)比操縱轉(zhuǎn)子速度ω (在圖2中沒有示出后一種操縱的控制流)。此外，控制器10還接收來自管理系統(tǒng)18的命令，管理系統(tǒng)18可以位于風力渦輪機1之內(nèi)或之外。提供一種遠程運行監(jiān)測設備19，例如，監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)來監(jiān)督風力渦輪機1的運行。出于這一目的，其請求來自管理系統(tǒng)18的有關風力渦輪機1的狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并實施遠程參數(shù)設定(即，將有關參數(shù)設置的命令傳輸至管理系統(tǒng)18)?？刂破?0執(zhí)行的兩項任務具有與各實施例相關的特殊重要性首先，其被布置為監(jiān)測指示將電輸出功率增大到超過正常運行功率的必要性的事件。例如，這樣的指示事件可以是由遠程運行監(jiān)測設備19 (通過管理系統(tǒng)18)接收到的，或者可以是控制器10本身生成的，二者均響應于諸如電網(wǎng)頻率(例如，由電網(wǎng)頻率分析器提供的，圖2未示出)或電壓角變化的電網(wǎng)參數(shù)的測量結果。其次，控制器10被布置為啟動根據(jù)本發(fā)明的輔助二階段控制模式。當風速處于風力渦輪機的工作范圍內(nèi)時風力渦輪機1生成電功率。在圖3中通過舉例的方式(以粗黑線)示出的作為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度ω和電輸出功率Pe的函數(shù)(并且考慮了不同風速)的風力渦輪機的(靜態(tài))產(chǎn)量曲線是非線性的。低于下轉(zhuǎn)子速度閾值《thMsh，
14不產(chǎn)生任何電功率。從下轉(zhuǎn)子速度閾值Qthresh開始，Pe最初在低風速下豎直升高。隨著風速越來越大，根據(jù)不同風速下的效率曲線，轉(zhuǎn)子速度ω增大，直到達到標稱轉(zhuǎn)子速度ωΜ 為止。盡管轉(zhuǎn)子2不再進一步加速，但是Pe仍然升高(還是借助進一步增大的風速)，直到達到風力渦輪機的標稱電輸出功率(圖3中Pn。m = 1. Opu(即功率單位))為止。從圖3 可以看出，產(chǎn)量特征線在某種程度上偏離了理論上可能的最佳曲線(細黑線)。然而，由于這一理論曲線在實踐中是不可行的，因而將所述(粗)產(chǎn)量線上的風力渦輪機運行看作是最佳的。然而，根據(jù)風力渦輪機1的發(fā)電機類型的不同，其運行范圍在一定程度上是動態(tài)的 (圖3中的條紋區(qū)域所標示的)，S卩，實際功率輸出Pe和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度ω可能在一定程度上偏離靜態(tài)產(chǎn)量線?，F(xiàn)在將描述用于說明恢復周期中的不同風力渦輪機運行的三個實施例。根據(jù)第一實施例(圖4和圖5)，利用固定量的可用機械轉(zhuǎn)子功率Pm使轉(zhuǎn)子重新加速，其作用在于從恢復周期的開始增大電輸出功率IV第二實施例(圖6和圖7)遵循了一種不同的方案。這里，首先使Pe保持在恢復周期中所需的最低水平上(Pe5min)。因此，可用于轉(zhuǎn)子重新加速的功率隨著效率的增大而增大，從而使得恢復周期比第一實施例更短。第三實施例(圖8，與圖4結合)，是第一實施例的特定修改。在恢復周期的第一階段，將所有可用的機械轉(zhuǎn)子功率Rii都用于生成Pe，一恩榮在這一階段，轉(zhuǎn)子根本未加速。根據(jù)第一實施例給出的方案，只有在第二階段，Pe才稍微下降，并利用當前PmW可用部分對轉(zhuǎn)子重新加速。對于所有實施例均假定在超量發(fā)電周期和恢復周期風速恒定。在圖4中形象地示出了第一實施例的超量發(fā)電周期和恢復周期中的Pe、Rii和ω 的值憶為實線、Pw為點劃線、Pm為點線、Praiin為點點劃線)。在正常運行中，風力渦輪機在具有最佳效率的工作點上運行，即，根據(jù)其產(chǎn)量曲線(參考圖3)設定運行功率Pe和轉(zhuǎn)子速度ω。當控制器10檢測到指示事件時，其啟動根據(jù)本發(fā)明的輔助電網(wǎng)穩(wěn)定性支持活動。 在風力渦輪機1進入第一階段，即超量發(fā)電周期的時刻，電輸出功率和轉(zhuǎn)子速度對應于圖4 中的點A(PeCI和Coci，其中，在第一實施例的例子中，Peo = O. 8pu)。隨著超量發(fā)電周期的開始，Pe增大到超過其正常值，從而使風力渦輪機的工作點轉(zhuǎn)換至圖4中的點B。將這一額外的功率稱為ΔΡ。ρ。在實施例中，假定ΔΡ。ρ在超量發(fā)電周期的持續(xù)期間為常數(shù)(如上文簡述，然而其也可能隨時間改變)。由于Δ ？㈤是從存儲在轉(zhuǎn)子2內(nèi)的動能獲得的，因而ω隨著正在發(fā)生的增大電輸出功率的輸出而降低，因而風力渦輪機的工作點將從圖4中的B點變?yōu)镃點。仍然如圖4所示，由于伴隨轉(zhuǎn)子速度降低而導致的效率變差的原因(參考圖3 中的效率曲線)機械轉(zhuǎn)子功率Pm降低。控制器10繼續(xù)測量ω，并監(jiān)測發(fā)電機9的運行。其(最遲)在達到相應的最小值《min的時刻(圖4中的C點)停止增大的電功率的輸出。來自C點和D點的箭頭標示出了超量發(fā)電周期的結束和恢復周期的開始。在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度為《min的情況下，可用機械轉(zhuǎn)子功率Pm大約為0. 7pu (與處于點A的正常風力渦輪機運行中的0. Spu形成對照)?，F(xiàn)在，這一降低的可用Pm的量成為了在進一步向電網(wǎng)17輸送電功率的同時對轉(zhuǎn)子2重新加速，從而使風力渦輪機1的運行點從點D逐漸重新移回到點A的基礎。第一實施例中，采用恒定功率值(PaJ實施轉(zhuǎn)子重新加速，即，大約0.025pu。采用可用Pm的其余部分進行電功率生產(chǎn)(其滿足=Pm-Pe = Pacc,忽略效率降低)。隨著轉(zhuǎn)子速度的不斷增大，效率再次增大， 電輸出功率也相應地增大(與此同時仍然采用恒定Pa。。對轉(zhuǎn)子2加速)。在恢復周期中，Pe決不會下降至預定最低電輸出功率之下，例如，在第一實施例中，所述最低電輸出功率被設為0. 65pu(即，Petl的81. 25% )。當轉(zhuǎn)子速度再次達到標稱速度ω0時恢復周期結束，風力渦輪機繼續(xù)在其正常運行點(圖4中的點Α)上工作。還通過圖5形象地示出了本發(fā)明的第一實施例(超量發(fā)電周期點A到D，恢復周期D到A’)。上圖示出了隨時間變化的Pe(實線)和Pm(虛線)，下圖示出了旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度 ω。由于僅在轉(zhuǎn)子重新加速中投入了相對小的功率量，因而恢復周期的長度大約是超量發(fā)電周期的四倍。由于恒定的Pa。。的原因，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度在恢復周期內(nèi)恒定增長。圖5A示出了第一實施例的變型，其中，在超量發(fā)電周期和恢復周期兩者內(nèi)均對電輸出功率加以調(diào)制。例如，這樣的調(diào)制是在電網(wǎng)運營商的規(guī)定(例如，其包含于指示事件中)的基礎上響應于正在進行的電網(wǎng)參數(shù)測量執(zhí)行的，所述測量的結果通過管理系統(tǒng)18傳輸至控制器10。通過執(zhí)行這樣的輸出功率調(diào)制，使得增大風力渦輪機1對電網(wǎng)穩(wěn)定性的促進作用成為了可能。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度ω相應地發(fā)生變化。此外，從超量發(fā)電周期到恢復周期的過渡未必一定是電輸出功率的陡然降低(如圖5所示)，其可以是溫和，例如，根據(jù)數(shù)學函數(shù)而定(所述過渡可以比圖5所示的“平滑得多”)。第二實施例(圖6和圖7)的主要特征在于在恢復周期中對Pm的利用方式不同。 還是在控制器10檢測到指示事件之后，由其啟動所述二階段輔助電網(wǎng)穩(wěn)定性支持模式。使電輸出功率Pe增大到0. 9pu (和第一實施例中中一樣Petl也是0. 8pu)，從而使風力渦輪機 1的工作點從A點變到B點，進而在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度降低的同時變到C點在第二實施例中，最低旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度ω民比第一實施例中稍慢(例如，因為根據(jù)第二實施例的風力渦輪機具有滿量程變換器而不是DFIG，其允許存在較大的發(fā)電機速度和電網(wǎng)頻率的偏差)。相應地，超量發(fā)電周期稍長(具有與第一實施例中相同的ΔΡ。ρ)。在達到后，控制器再次啟動恢復周期。在第二實施例中，將恢復周期中的最低電輸出功率Pemin設為0. 64pu (其等于Petl = 0. Spu的80%)。D點上的可用的機械轉(zhuǎn)子功率Pm只是稍微處于下閾值Pemin之上?，F(xiàn)在控制器10將通過這樣一種方式控制風力渦輪機1，即，對于恢復周期的第一部分而言，實際上只生成最低電輸出功率(即，在這一時幀內(nèi)Pe = Pefflin)。通過這種方式，用于對轉(zhuǎn)子2重新加速的功率隨著效率的不斷增大而增大(換言之在恢復周期的這一第一部分內(nèi)P1^PPe之間的“差距”越來越大，因SPm隨著ω增大而增大，而Pe則保持恒定)。之后在ω幾乎已經(jīng)達到了 Qci的恢復周期的第二部分內(nèi)，Pe才(相對快速地)增大，Pa。。則相應地降低。這一過程的作用在于使得恢復周期更短，因為與第一實施例相比達到的速度要快得多(圖7)。因而，這里恢復周期的長度大約只是超量發(fā)電周期的兩倍。然而，實現(xiàn)這一優(yōu)點的代價只是在恢復周期的主要部分內(nèi)具有較低的IV第三實施例(圖8)基本上遵循了聯(lián)系第一實施例給出的圖4的示意圖。然而，與第一實施例形成對比的是，現(xiàn)在恢復周期分成了兩個階段。在第一階段(在圖8中從D’點到D點)，將全部的機械轉(zhuǎn)子功率均轉(zhuǎn)換為電輸出功率(即Pm = Pe)。結果，沒有留下任何功率對轉(zhuǎn)子重新加速(Pa。。= 0，轉(zhuǎn)子速度ω在上保持恒定)。風力渦輪機的工作點等于圖4中的箭頭C-D與Pm曲線的交點。在第二階段內(nèi)(在圖8中從D到A’ )，電輸出功率稍微降低(但是仍然保持大于等于最低Praiin),從而釋放一部分Pm進行轉(zhuǎn)子重新加速。之后，按照與第一實施例中相似的方式執(zhí)行所述重新加速。第三實施例允許在恢復周期的第一階段內(nèi)實現(xiàn)稍高的對電網(wǎng)17的穩(wěn)定性的促進作用。當然，轉(zhuǎn)子的零重新加速的持續(xù)時間延長了恢復周期，因而在圖8的例子中，恢復周期大約是超量發(fā)電周期的6. 5倍。到現(xiàn)在為止已經(jīng)在當控制器1檢測到指示事件并啟動輔助控制模式時風力渦輪機1以部分載荷模式運行的假設下描述了實施例一到三。當然，風力渦輪機1也可以在以滿載荷模式運行的同時執(zhí)行電網(wǎng)穩(wěn)定性支持活動(即，在可用風功率Pw對應于比風力渦輪機的標稱電功率高的功率的情況下Petl = Pnofflj參考圖9)。在這種情況下，超量發(fā)電周期通常與部分載荷運行沒有什么區(qū)別(除了這種情況，即，由于風力渦輪機1在超量發(fā)電周期之前將以其標稱運行功率運行，因而超量發(fā)電周期的輸出功率增大將導致暫時超過其標稱功率但仍然處于風力渦輪機的容許范圍內(nèi)的臨時功率輸出)。保持增大的電輸出功率，直到達到最低旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度《min為止。由于存儲在轉(zhuǎn)子2內(nèi)的動能增大和葉片槳距操作的額外支持的原因，所述超量發(fā)電周期可能比部分載荷模式中要長，具體取決于相應的發(fā)電機9 的運行約束條件，即，風力渦輪機1的動態(tài)運行范圍(參考圖3)。在根據(jù)圖9的實施例中， 在超量發(fā)電周期中對葉片去旗位，從而獲得了能夠轉(zhuǎn)換成額外電功率或者用來降低轉(zhuǎn)子減速的額外升力。類似地，可以通過類似的方式將過多的風力用于轉(zhuǎn)子重新加速，從而縮短恢復周期。因此，在圖9的例子中，超量發(fā)電周期更長(與先前涉及部分載荷模式的實施例相比，例如，參考圖5)，并且恢復周期的長度僅為超量發(fā)電周期的兩倍。在所描述的所有實施例中，例如，風力渦輪機1都可以配備有具有滿量程變換器的同步發(fā)電機(圖10)，或者配備有雙饋感應發(fā)電機(DFIG)(圖11)。在第一種情況下，所生成的電功率Pe100%通過變換器20，變換器20具有整流器21和逆整流器22。在后一種情況下，將定子繞組23直接連接至電網(wǎng)17，并利用變換器20實現(xiàn)轉(zhuǎn)子-電網(wǎng)連接，例如，所述變換器20可以是具有DC鏈路的級聯(lián)變換器(參考圖11)。因而，所生成的電輸出功率 Pe中只有大約30%通過變換器20，其主要部分被直接饋送到電網(wǎng)17?；謴椭芷诘某掷m(xù)時間不僅取決于用于對轉(zhuǎn)子重新加速的功率(Pacx)，還取決于盛行風速。圖12形象地示出了取決于風速的根據(jù)第一實施例的各種控制方式下的(在恢復周期中具有固定量的重新加速功率PaJ恢復周期的持續(xù)時間。在第一種變型中，將Pa。。選為相對較小(0. 02pu)，因而恢復周期相對較長。如果將Pa。。設為較高的量(在圖12中為 0. 06pu和0. Ipu)，那么恢復周期的持續(xù)時間一般將縮短。較高的風速一般傾向于導致較長的持續(xù)時間。具體而言，如果將Pa。。設為相對較小的值(圖12中的0.02pu)，那么更高的風速下，恢復周期的持續(xù)時間將顯著延長。然而，在風速高于標稱值的情況下(滿載荷運行)， 恢復周期將急劇縮短(如果與圖9不同，采用于與部分載荷模式中相同的Pm的量進行轉(zhuǎn)子加速)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于電網(wǎng)穩(wěn)定性支持的風力渦輪機控制方法 (圖13)。一般，風力渦輪機1根據(jù)其標準策略30運行(例如，最高功率跟蹤，也可以參考圖3中的產(chǎn)量曲線)。在30中監(jiān)測指示需要額外Pe供給的事件。所述監(jiān)測還可以包括對電網(wǎng)參數(shù)的測量(例如頻率變化或電壓角變化)、電網(wǎng)支持程度的確定和對風力渦輪機1的 (詳細)指令。在檢測到這樣的指示事件時(箭頭31)，風力渦輪機1在32中執(zhí)行超量發(fā)電周期。如上文詳細描述的，從轉(zhuǎn)子2提取動能，并在轉(zhuǎn)子速度ω越來越低的同時將所述動能轉(zhuǎn)換成額外的電功率ΔΡ。ρ?？梢愿淖兯鲭娸敵龉β驶?qū)ζ溥M行調(diào)制?？梢栽谶_到最低轉(zhuǎn)子速度《min之前，例如，當電網(wǎng)似乎再次穩(wěn)定時，經(jīng)過了一定時間以后，或者滿足風力渦輪機內(nèi)部運行條件，例如，部件過熱或達到一定風力渦輪機載荷時啟動恢復周期。然而， 最遲在達到最低轉(zhuǎn)子速度《min時(箭頭3 進入恢復周期。在恢復周期中，對轉(zhuǎn)子2再一次重新加速，并至少仍向電網(wǎng)17提供一定量的Ρ-也可以在恢復周期中執(zhí)行取決于先前的電網(wǎng)穩(wěn)定性支持的其它活動，以恢復正常的風力渦輪機運行，例如，對受熱部件冷卻，對機械振蕩阻尼等。在轉(zhuǎn)子2達到其正常旋轉(zhuǎn)速度(例如，Oci，假設自在32中進入超量發(fā)電周期以后風速不變)時，風力渦輪機1返回其正常運行(箭頭35)。 文中描述并要求保護的風力渦輪機功能和控制方法并不是排他的。可以將文中描述的風力渦輪機布置為執(zhí)行除了所描述的活動之外的其它電網(wǎng)穩(wěn)定化活動，例如，在電網(wǎng)功率突然過度供應的情況下(例如，當重要的電力用戶從電網(wǎng)斷開時)以臨時的方式減少發(fā)電或者抵消周期性干擾(例如，電網(wǎng)頻率振蕩)等。
權利要求
1.一種用于連接至電網(wǎng)(17)的變速風力渦輪機(1)，所述變速風力渦輪機(1)被布置為提供額外的電功率，以抵消電網(wǎng)中的非周期性干擾，所述變速風力渦輪機包括-轉(zhuǎn)子(2)，具有葉片(3)且耦合至發(fā)電機(9)，-控制器(10)，所述控制器(10)監(jiān)測指示需要增大從所述風力渦輪機(1)向所述電網(wǎng) (17)的電輸出功率(Pe)以支持所述電網(wǎng)的穩(wěn)定性的事件，-所述控制器(10)被布置為如下所述控制所述風力渦輪機(1)按照非周期性的方式執(zhí)行電網(wǎng)穩(wěn)定性支持活動-在檢測到指示事件之后，所述風力渦輪機(1)進入使所述電輸出功率(Pe)增大到超過正常電運行功率(PJ的超量發(fā)電周期，其中，所述額外電輸出功率是從存儲在所述轉(zhuǎn)子 (2)中的動能獲得的，并且至少在所述風力渦輪機(1)以部分載荷模式工作時無需將所述風力渦輪機的運行改變到更為高效的工作點，-最遲當所述轉(zhuǎn)子(2)的旋轉(zhuǎn)速度達到最小值(ω_)時，所述風力渦輪機⑴進入恢復周期，從而在通過至少向所述電網(wǎng)(17)輸出預定的最低電功率(Praiin)在進一步促進所述電網(wǎng)的穩(wěn)定性的同時對所述轉(zhuǎn)子( 重新加速使之達到正常旋轉(zhuǎn)速度(Qci)。
2.根據(jù)權利要求1所述的風力渦輪機(1)，其中，所述控制器(10)被布置為控制所述風力渦輪機(1)，從而使所述恢復周期期間的預定較低輸出功率(Praiin)等于所述超量發(fā)電周期之前提供給所述電網(wǎng)的所述電運行功率(PJ的固定百分比。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的風力渦輪機(1)，其中，所述控制器(10)被布置為控制所述風力渦輪機(1)，從而在所述恢復周期期間，將所述超量發(fā)電周期之前提供給所述電網(wǎng)的所述電運行功率(Petl)的至少80%，更優(yōu)選為至少85%，更優(yōu)選為至少90%輸出至所述電網(wǎng)(17)。
4.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的風力渦輪機(1)，其中，所述控制器(10)控制用于對所述轉(zhuǎn)子加速的功率(PaJ，從而確保預定的最低轉(zhuǎn)子加速度。
5.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的風力渦輪機(1)，還包括用于測量所述轉(zhuǎn)子 (2)的旋轉(zhuǎn)速度、風速、葉片根部的力矩和/或轉(zhuǎn)子軸處的轉(zhuǎn)矩的設備(11)，并且其中，所述控制器(10)被布置為通過連續(xù)測量所述轉(zhuǎn)子O)的旋轉(zhuǎn)速度、所述風速、所述葉片根部的力矩和/或所述轉(zhuǎn)子軸處的轉(zhuǎn)矩并由這些參數(shù)的至少其中之一計算可用的機械轉(zhuǎn)子功率 (Pffl)而在所述恢復周期期間控制用于對所述轉(zhuǎn)子加速的功率(PaJ。
6.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的風力渦輪機(1)，其中，所述控制器(10)被布置為在所述超量發(fā)電周期的持續(xù)時間達到時間限制時或者當所述超量發(fā)電周期期間提供給所述電網(wǎng)(17)的額外能量的量達到了極限時，在所述電網(wǎng)(17)穩(wěn)定時，在達到最低旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度(《min)之前啟動所述恢復周期。
7.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的風力渦輪機(1)，其中，所述控制器(10)被布置為在所述恢復周期期間控制所述轉(zhuǎn)子O)的所述旋轉(zhuǎn)速度和/或所述電輸出功率(Pe)， 從而在預定時間周期內(nèi)達到正常的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子速度(Otl)。
8.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的風力渦輪機(1)，其中，所述控制器(10)被布置為在所述恢復周期期間控制所述轉(zhuǎn)子O)的所述旋轉(zhuǎn)速度和/或所述電運行功率(Pe)， 從而使它在所述恢復周期期間根據(jù)預定函數(shù)變化，優(yōu)選使它在所述恢復周期期間根據(jù)預定梯度增大。
9.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的風力渦輪機(1)，其中，所述控制器(10)被布置為控制所述風力渦輪機(1)，從而使所述恢復周期比所述超量發(fā)電周期長，優(yōu)選是所述超量發(fā)電周期的五倍，更優(yōu)選是所述超量發(fā)電周期的三倍，最優(yōu)選是所述超量發(fā)電周期的兩倍。
10.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的風力渦輪機(1)，還包括葉片槳距控制系統(tǒng) (6)，其中，所述控制器(10)被布置為在所述超量發(fā)電周期和/或恢復周期期間調(diào)整葉片槳距角，以補償由于轉(zhuǎn)子速度變化而導致的風攻角的變化，從而在所述超量發(fā)電周期和/或恢復周期期間減少功率轉(zhuǎn)換的效率降低。
11.根據(jù)權利要求9所述的風力渦輪機(1)，其中，所述控制器(10)控制所述風力渦輪機(1)，使得如果可用風功率(Pw)對應于比所述風力渦輪機(1)的標稱運行功率(Pm)高的電功率，即，如果所述風力渦輪機(1)在其葉片(3)至少部分處于旗位的情況下以滿載荷模式工作，則在所述超量發(fā)電周期和/或恢復周期期間降低旗度的量，從而采用額外的可用風功率來降低減速度/增大新加速度和/或增大電輸出功率(Pe)。
12.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的風力渦輪機(1)，其中，所述控制器(10)被布置為監(jiān)測、檢測和處理諸如外部控制信號等指示事件或者所述風力渦輪機(1)對一個或多個電網(wǎng)參數(shù)，尤其是電網(wǎng)頻率和/或電壓角變化的測量和評估的結果。
13.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的風力渦輪機(1)，其中，所述發(fā)電機(9)是滿量程發(fā)電機，其中，所述控制器(10)啟動所述恢復周期時的所述旋轉(zhuǎn)速度的最小值(Omin) 是所述風力渦輪機(1)用于產(chǎn)生在所述恢復周期中所需的最低功率輸出(Praiin)以及對所述轉(zhuǎn)子( 重新加速的最低速度。
14.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的風力渦輪機(1)，其中，所述發(fā)電機(9)是雙饋感應發(fā)電機，其中，所述控制器(10)啟動所述恢復周期時的所述旋轉(zhuǎn)速度的最小值 (ωω η)是下述情況之一所述雙饋感應發(fā)電機用于產(chǎn)生在所述恢復周期期間所需的所述最低功率輸出(Pailin)以及對所述轉(zhuǎn)子重新加速的最低速度；或者所述發(fā)電機(9)的旋轉(zhuǎn)速度范圍的結構性下限閾值，取其中較高的值。
15.一種用于控制變速風力渦輪機(1)的運行的控制器(10)，所述變速風力渦輪機(1) 具有帶有葉片( 的轉(zhuǎn)子O)，并且被布置為連接至電網(wǎng)(17)，所述控制器(10)被布置為按照非周期性的方式執(zhí)行電網(wǎng)穩(wěn)定性支持活動，具體如下-監(jiān)測指示需要增大從所述風力渦輪機(1)向所述電網(wǎng)(17)的電輸出功率(Pe)以支持所述電網(wǎng)(17)的穩(wěn)定性的事件，-在檢測到指示事件之后，控制所述風力渦輪機(1)，使之進入使所述電輸出功率(Pe) 增大到超過正常電運行功率(PJ的超量發(fā)電周期，其中，額外電功率是從存儲在所述轉(zhuǎn)子 (2)中的動能獲得的，并且至少在所述風力渦輪機(1)以部分載荷模式工作時無需將所述風力渦輪機的運行改變到更為高效的工作點上，-最遲當所述轉(zhuǎn)子O)的旋轉(zhuǎn)速度達到最小值(Qmin)時，控制所述風力渦輪機(1)進入恢復周期，從而在通過至少向所述電網(wǎng)(17)輸出預定的最低電功率(Pailin)來進一步促進所述電網(wǎng)(17)的穩(wěn)定性的同時對所述轉(zhuǎn)子( 重新加速使之達到正常旋轉(zhuǎn)速度(ω》。
16.一種用于控制變速風力渦輪機(1)以提供額外的電功率來抵消非周期性的電網(wǎng)干擾的方法，所述風力渦輪機(1)具有帶有葉片(3)的轉(zhuǎn)子O)，并且被布置為連接至電網(wǎng)(17)，所述非周期性方法包括-監(jiān)測指示需要增大從所述風力渦輪機(1)向所述電網(wǎng)(17)的電輸出功率(Pe)以支持所述電網(wǎng)(17)的穩(wěn)定性的事件，-在檢測到指示事件之后，進入使所述電輸出功率(Pe)增大到超過正常電運行功率 (Pe0)的超量發(fā)電周期，其中，額外電功率是從存儲在所述轉(zhuǎn)子O)中的動能獲得的，并且至少在所述風力渦輪機(1)以部分載荷模式工作時無需將所述風力渦輪機的運行改變到更為高效的工作點上，-最遲當所述轉(zhuǎn)子( 的旋轉(zhuǎn)速度達到最小值(《min)時，進入恢復周期，從而在通過至少向所述電網(wǎng)(17)輸出預定的最低電功率(Praiin)來進一步促進所述電網(wǎng)(17)的穩(wěn)定性的同時對所述轉(zhuǎn)子( 重新加速使之達到正常旋轉(zhuǎn)速度(Qtl)。
全文摘要
一種變速風力渦輪機被布置為提供額外電功率，以抵消電網(wǎng)中的非周期性干擾。一種控制器監(jiān)測指示需要增大從風力渦輪機向電網(wǎng)的電輸出功率的事件。所述控制器被布置為按照如下方式控制風力渦輪機在檢測到指示事件之后，風力渦輪機進入增大電輸出功率的超量發(fā)電周期，其中，從存儲在轉(zhuǎn)子中的動能取得額外的電輸出功率，而無需將風力渦輪機的運行改變到更有效率的工作點上。當轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度達到最小值時，風力渦輪機進入恢復周期，從而在通過至少輸出預定的最低功率來進一步促進電網(wǎng)的穩(wěn)定性的同時對轉(zhuǎn)子重新加速使之達到標稱旋轉(zhuǎn)速度。
文檔編號F03D9/00GK102472250SQ201080029244
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權日2009年6月29日
發(fā)明者G·C·塔爾諾夫斯基 申請人:維斯塔斯風力系統(tǒng)集團公司