專利名稱：風(fēng)力設(shè)備及其運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)能系統(tǒng)及設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及控制由這樣的系統(tǒng)和 設(shè)備產(chǎn)生的功率提供給網(wǎng)絡(luò)或電網(wǎng)進行功率分配的方式。
背景技術(shù)：
風(fēng)能系統(tǒng)和設(shè)備包括安排成通過風(fēng)引起的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能的一個 或多個風(fēng)力發(fā)電機或渦輪機。由這些發(fā)電機中的一個或多個(例如， 由形成所謂的"風(fēng)電場"的一部分或構(gòu)成這樣的"風(fēng)電場"的幾個發(fā) 電機)產(chǎn)生的電能提供給電網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)以進行能量分配。通常，大量電 力發(fā)電機連接到所述電網(wǎng)，及通常幾個電力用戶也連接到所述電網(wǎng)。
為保持網(wǎng)絡(luò)上的電壓和頻率實質(zhì)上恒定不變，在每一時刻對電網(wǎng) 的功率輸入完全等于耗用的功率非常重要。因此，功率的產(chǎn)生(包括 由各個發(fā)電機或風(fēng)輪機和/或視為整體的一個或多個風(fēng)電場產(chǎn)生的功 率)必須根據(jù)耗用進行控制和修改。
相比其它類型的電力發(fā)電如水力電氣發(fā)電、核電等，風(fēng)能的問題 在于即使在短期內(nèi)風(fēng)也波動很大。如果風(fēng)力產(chǎn)生的功率僅代表輸入給 網(wǎng)絡(luò)的功率的非常小的部分，則這些變化與網(wǎng)絡(luò)的總體性能不是非常 有關(guān)。然而，隨著風(fēng)力發(fā)電己日漸普及地增加及構(gòu)成注入網(wǎng)絡(luò)的總電 功率的實質(zhì)部分，對風(fēng)力產(chǎn)生的功率(由各個風(fēng)輪機和/或視為整體 的風(fēng)電場)注入及提供給電網(wǎng)的方式的調(diào)節(jié)已變得日漸重要。大量專 利、專利申請及其它文獻教示了控制將風(fēng)力產(chǎn)生的功率提供給網(wǎng)絡(luò)的 不同方式。
這樣的專利申請的一個例子是DE-A1-102005052011 (E.ON Netz GmbH)，其描述了從風(fēng)力設(shè)備注入電網(wǎng)的有功功率怎樣根據(jù)規(guī) 定的公式進行改變，其與網(wǎng)絡(luò)上的頻率有關(guān)。通常，網(wǎng)絡(luò)被安排成以 預(yù)先建立的頻率運行，例如在實踐中為50Hz或60Hz。為了將實際網(wǎng)絡(luò)頻率保持在該額定頻率，注入網(wǎng)絡(luò)的功率應(yīng)等于耗用的功率。當(dāng)耗 用的有功功率多于注入網(wǎng)絡(luò)的功率時，瞬時或?qū)嶋H網(wǎng)絡(luò)頻率趨于降 低。當(dāng)注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率多于耗用的功率時，實際網(wǎng)絡(luò)頻率趨于上 升。網(wǎng)絡(luò)或電網(wǎng)，及連接到網(wǎng)絡(luò)或電網(wǎng)以注入和/或耗用有功功率的 裝備和設(shè)備，通常設(shè)計成容忍與額定頻率有小偏差。然而，實質(zhì)的偏 差對網(wǎng)絡(luò)及連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的運行有負面作用。
隨著風(fēng)力日漸變成重要的能源及隨著風(fēng)輪機產(chǎn)生的、注入網(wǎng)絡(luò)的 功率日漸變成注入網(wǎng)絡(luò)的總有功功率的重要部分，控制風(fēng)力設(shè)備使得 它們有助于電網(wǎng)穩(wěn)定性或者至少使得它們盡可能小地影響電網(wǎng)穩(wěn)定 性非常重要。
如DE-A1-102005052011中提及的，先前的申請DE-A1-10022974 (AloysWobben)己提出，當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)頻率增加超出網(wǎng)絡(luò)頻率限制時 減少有功功率，其中所述網(wǎng)絡(luò)頻率限制為高于額定網(wǎng)絡(luò)頻率0.3%。 同樣，DE-A1-10022974公開了當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)頻率高于額定網(wǎng)絡(luò)頻率2% 時不應(yīng)再向網(wǎng)絡(luò)注入功率。還提及了控制器，但未確切地公開其應(yīng)怎 樣起作用。
DE-A1-102005052011提出當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)頻率增加超出50.2Hz時， 應(yīng)根據(jù)下面的公式動態(tài)減少有功功率
△P = 20PM[ (50.2Hz-fgrid) ]/50Hz,
射
△P為注入的有功功率P的減少百分比； PM為當(dāng)前注入電網(wǎng)的有功功率；及
;id為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)頻率。 其中陳述了僅在從50.2Hz到最高(含)51.5Hz的頻率范圍內(nèi)進 行調(diào)節(jié)。此外，還暗示當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)頻率降低低于47.5Hz的下限頻率 限制和/或增加超出51.5Hz的上限頻率限制時風(fēng)力發(fā)電機將自動與電 網(wǎng)斷開連接，其中所述斷開連接應(yīng)為"物理上"斷開連接。其中還陳 述這樣，當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)頻率達到上述范圍47.5 Hz-51.5 Hz之外的值時， 沒有發(fā)電機仍然保持連接到網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險。

發(fā)明內(nèi)容
然而，已發(fā)現(xiàn)，如果假設(shè)只要實際網(wǎng)絡(luò)頻率返回到所述頻率范圍
47.5 Hz-51.5 Hz內(nèi)即再次進行"重新連接"，則出現(xiàn)問題。例如，如 果只要測量或?qū)嶋H的網(wǎng)絡(luò)頻率從"剛好高于"51.5Hz下降到51.5Hz 時即"重新連接"風(fēng)力設(shè)備，該重新連接及對應(yīng)地向電網(wǎng)注入更多的 有功功率將把實際網(wǎng)絡(luò)頻率"推回"到高于51.5Hz，這將迫使所述設(shè) 備再次與電網(wǎng)斷開連接。當(dāng)所述設(shè)備與注入電網(wǎng)的總功率相比具有高 功率容量時，"重新連接"的風(fēng)險將使這種影響更大，例如，如果所 述設(shè)備包括大容量風(fēng)力發(fā)電機和/或大量風(fēng)力發(fā)電機(例如，如果所 述設(shè)備為風(fēng)電場)，或者如果幾個設(shè)備根據(jù)同一斷開連接"條件"運 行，在這種情況下它們將同時重新連接。如果這樣，將出現(xiàn)振蕩狀態(tài)， 其中所述設(shè)備將反復(fù)斷開連接(當(dāng)頻率增加超出上限頻率限制)和重 新連接(當(dāng)頻率再次下降回到所述上限頻率限制)。這將引起很難從 其退出的循環(huán)。
另一問題在于，上述公式實際上有助于在頻率達到上面提及的 50.2Hz限制時避免或降低實際網(wǎng)絡(luò)頻率的進一步增加，因為任何進一 步的增加意味著注入網(wǎng)絡(luò)的功率減少。然而，該簡單的"P"(比例) 控制及開環(huán)控制不能有助于使實際網(wǎng)絡(luò)頻率向額定網(wǎng)絡(luò)頻率恢復(fù)，其 僅有助于使之穩(wěn)定在超出50.2Hz的某一水平。
也就是說，基本上，上面提及的DE-A1-102005052011和 DE-A1-10022974 (及許多已知的現(xiàn)有技術(shù)"電網(wǎng)編碼")均基于某些 類型的"P"(比例)調(diào)節(jié)或基于一些具有固定P增益的開環(huán)控制，至 少在某些情況下，這有助于減少風(fēng)力設(shè)備對實際網(wǎng)絡(luò)頻率的進一步增 加的貢獻，但不足以使實際網(wǎng)絡(luò)頻率恢復(fù)到額定網(wǎng)絡(luò)頻率?？赡苓@是 因為，傳統(tǒng)上已認為使網(wǎng)絡(luò)頻率向?qū)嶋H頻率恢復(fù)的任務(wù)不是應(yīng)在風(fēng)力 設(shè)備幫助下解決的任務(wù)，而是應(yīng)由系統(tǒng)操作員使用其它手段進行處理 的任務(wù)，如通過減少其它發(fā)電機產(chǎn)生的功率，通常通過控制具有氣輪 機的快速發(fā)電廠(其中功率輸出可快速變化)或水力電氣發(fā)電廠產(chǎn)生 的功率。然而，己發(fā)現(xiàn)也可對風(fēng)輪機進行控制以快速修改其功率輸出。因 此，已感興趣的認為通過更有效地使用風(fēng)輪機的控制器而使用風(fēng)輪機 的該優(yōu)點。
同樣，考慮風(fēng)力設(shè)備產(chǎn)生的、注入電網(wǎng)的總有功功率的增加部分， 已認為風(fēng)力設(shè)備同樣有助于使實際網(wǎng)絡(luò)頻率實際上向額定頻率恢復(fù)， 且沒有與上限或下限頻率限制一致的"開/關(guān)"振蕩。
因此，在此公開的本發(fā)明可用于
a) 降低開/關(guān)振蕩的風(fēng)險；禾口/或
b) 有效穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，和/或有助于使電網(wǎng)頻率恢復(fù)到其"正常" 或額定值。
因此，本發(fā)明的第一方面涉及運行連接到網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力設(shè)備以進行 電功率分配的方法，所述風(fēng)力設(shè)備包括至少一風(fēng)力發(fā)電機(即風(fēng)力設(shè) 備可對應(yīng)于單一風(fēng)力發(fā)電機或風(fēng)輪機，或?qū)?yīng)于一組風(fēng)力發(fā)電機或風(fēng) 輪機，如風(fēng)電場或風(fēng)電場的一部分)，所述風(fēng)力設(shè)備與所述網(wǎng)絡(luò)相關(guān) 以將功率注入所述網(wǎng)絡(luò)(即對于注入有功功率(可選地)及無功功率， 在風(fēng)力設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的一個或多個互連點)，所述網(wǎng)絡(luò)具有額定網(wǎng) 絡(luò)頻率(f》(例如50Hz)，及所述網(wǎng)絡(luò)安排成在所述額定網(wǎng)絡(luò)頻率運 行(通常，在所述額定網(wǎng)絡(luò)頻率左右的范圍內(nèi))。
所述方法包括，考慮所測得的、網(wǎng)絡(luò)在其運行的實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa) 控制從所述風(fēng)力設(shè)備注入所述網(wǎng)絡(luò)的有功功率。更具體地，所述方法 包括步驟
-測量所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa);
-確定所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa)和所述額定網(wǎng)絡(luò)頻率(fn)之間的 差(E);
-如果所述差大于預(yù)定閾值(其可以為OHz或更高的值，例如 0.2Hz)，以使實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa)向額定網(wǎng)絡(luò)頻率(fn)恢復(fù)的方式 調(diào)整(即增加或減少)從所述風(fēng)力設(shè)備注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率量。
這樣，通過使實際網(wǎng)絡(luò)頻率向額定網(wǎng)絡(luò)頻率恢復(fù)(而不是如現(xiàn)有 技術(shù)暗示的僅調(diào)整注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率量以減少對實際網(wǎng)絡(luò)頻率和
8額定網(wǎng)絡(luò)頻率之間的差的進一步增加的貢獻)而實現(xiàn)使風(fēng)力設(shè)備可有 效地有助于穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)。
因此，與上面提及的DE-A1-102005052011和DE-A1-10022974
公開的系統(tǒng)中所發(fā)生的相反，本發(fā)明方法確保風(fēng)力設(shè)備不僅減少其對 增加的頻率誤差(即實際頻率和額定頻率之間增加的差)的貢獻，而 且有效地幫助降低所述誤差。
例如，在DE-A1-102005052011中提及的公式AP = 20 PM [(50.2Hz-fgnd) ]/50Hz代表純粹的"P"(比例)調(diào)節(jié)，增益因子或P 因子為0.4 (即20/50)。然而，該純粹的P (比例)控制具有缺點， 即其沒有消除所述誤差，在沒有干擾的情況下，純粹的比例控制趨于 保留穩(wěn)態(tài)誤差。
相反，本發(fā)明可包括積分和/或微分控制元件，即例如PI、 PD或 PID調(diào)節(jié)。這些類型的控制器對控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是眾所 周知的，它們用于根據(jù)本發(fā)明的頻率控制已被發(fā)現(xiàn)有助于降低頻率誤 差的風(fēng)險和/或頻率誤差的持續(xù)時間。
基本上，比例-積分-微分控制器(PID控制器)可被視為一般開 環(huán)反饋機制，其通過產(chǎn)生校正作用而校正測得的過程變量及所希望的 設(shè)定值之間的誤差，因而可調(diào)節(jié)所述過程。
PID控制算法包括三個不同的參數(shù)或部分，即比例部分(P)、積 分部分(I)和微分部分(D)。比例部分基于瞬時測得的誤差確定反 應(yīng)(如上面提及的DE-A1-10022974和DE-A1-102005052011中所教 示的)?，F(xiàn)在，積分部分基于某一時間段的綜合誤差確定反應(yīng)，即基 本上基于多個或多或少最近測得的誤差值的和(因而用于避免上面提 及的剩余穩(wěn)態(tài)誤差)。另一方面，微分部分基于最近的誤差變化率確 定反應(yīng)。這三個部分的加權(quán)和用于經(jīng)控制元件調(diào)節(jié)過程，其調(diào)整提供 給電網(wǎng)的有功功率。
通過在PID控制器算法中"協(xié)調(diào)"這三個部分的貢獻，所述PID 可提供為具體過程要求設(shè)計的控制作用。控制器的響應(yīng)可描述為控制 器對誤差的響應(yīng)、控制器過沖設(shè)定值的程度、及系統(tǒng)振蕩的程度。此外，部分設(shè)置可由系統(tǒng)操作員給出以確保連接到電網(wǎng)的風(fēng)力設(shè) 備以系統(tǒng)或電網(wǎng)操作員希望的方式對頻率變化進行反應(yīng)。例如，如果 系統(tǒng)操作員想要每一風(fēng)輪機或風(fēng)電場以相同方式對頻率控制起作用， 則可對"I"部分(這將根據(jù)誤差的持續(xù)時間修改功率減少)和/或"D" 部分(這將根據(jù)網(wǎng)絡(luò)頻率的變化率確定功率減少)定義某一設(shè)置。
有時，為提供適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)控制只需要三個部分的一個或兩個。這 通過禁止不希望的控制部分實現(xiàn)。
因此，注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率可使用至少包括隨時間對所述實際網(wǎng) 絡(luò)頻率(fa)和所述額定網(wǎng)絡(luò)頻率(fn)之間的所述差(E)積分的控 制器進行調(diào)整。也就是說，至少可應(yīng)用上面提及的積分(I)部分。
因此，所述控制器可以是PI控制器、PID控制器或ID控制器，或僅
I控制器。
積分期間的貢獻正比于誤差的大小及誤差的持續(xù)時間。因此，通 過隨時間對瞬時誤差求和(即通過積分誤差)，確定"累計偏移量"。 之后，該累計偏移量按已知方式乘以控制器的積分增益并增加到控制 器輸出。
因此，通過使用該積分期間，控制器累計向設(shè)定值的變化并消除 隨"純粹"比例控制器出現(xiàn)的剩余穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，當(dāng)設(shè)計控制系統(tǒng) 時必須小心以不(過分)過沖設(shè)定值并限制輸出(積分部分將求積分 直到誤差為零為止，但如果連續(xù)有誤差，則積分部分將一直求積分， 如果沒有(強加于控制器輸出的)限制這將引起嚴重的問題)。
作為備選或補充，注入網(wǎng)絡(luò)的所述有功功率可使用至少包括所述
(fa)和所述額定網(wǎng)絡(luò)頻率(fn)之間的所述差(E)的時間微分的控 制器進行調(diào)整。也就是說，所述控制器可以是ID控制器或PID控制 器(如上所述)，或為D控制器或PD控制器。
微分期間降低控制器輸出的變化率，在接近控制器設(shè)定值時該效 果最顯而易見。因此，微分控制可用于降低由積分部分引起的過沖的 大小并提高組合的控制器-過程穩(wěn)定性。由于微分部分的貢獻直接取 決于變化率，相應(yīng)的功率輸出減少將完全取決于變化率(,)而不
10是(和/或除之外)頻率誤差的絕對值。這是一個大優(yōu)點，因為具有 相對快功率輸出控制(相比于許多傳統(tǒng)發(fā)電廠)的風(fēng)輪機可通過使用 高"D"部分而有助于更快速地穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。因此，通過使用"D" 部分，頻率誤差將不如許多現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)增加那么多，因為系統(tǒng)可以
快得多地穩(wěn)定。因此，"D"部分有助于防止大的頻率誤差。
本發(fā)明的另一方面涉及運行連接到網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力設(shè)備以進行電功 率分配的方法，所述風(fēng)力設(shè)備包括至少一風(fēng)力發(fā)電機(即風(fēng)力設(shè)備可 對應(yīng)于單一風(fēng)力發(fā)電機或風(fēng)輪機，或?qū)?yīng)于一組風(fēng)力發(fā)電機或風(fēng)輪 機，如風(fēng)電場或風(fēng)電場的一部分)，所述風(fēng)力設(shè)備與所述網(wǎng)絡(luò)相關(guān)或 連接到所述網(wǎng)絡(luò)以將功率注入所述網(wǎng)絡(luò)(即對于注入有功功率(可選 地)及無功功率，在風(fēng)力設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的一個或多個互連點)，所
述網(wǎng)絡(luò)具有額定網(wǎng)絡(luò)頻率(fn)(例如50Hz)，及所述網(wǎng)絡(luò)安排成在所 述額定網(wǎng)絡(luò)頻率運行(通常，在所述額定網(wǎng)絡(luò)頻率左右的范圍內(nèi))。
所述方法包括，考慮所測得的、網(wǎng)絡(luò)在其運行的實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa) 控制從所述風(fēng)力設(shè)備注入所述網(wǎng)絡(luò)的有功功率。更具體地，所述方法
包括步驟
-如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率增加并高于第一上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f,)
(如DE-A1-102005052011中所述，這可對應(yīng)于50.2Hz，或?qū)?yīng)于任 何其它適當(dāng)選擇的值)，隨實際網(wǎng)絡(luò)頻率的變化減少注入網(wǎng)絡(luò)的有功 功率(即，根據(jù)基于所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率的"規(guī)則"一如根據(jù)"比例" 規(guī)則如上述DE-A1-102005052011中提及的公式，或根據(jù)PID、 PD、 ID、 PI、 I或D "規(guī)則")；及
-如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率增加并超出比所述第一上網(wǎng)絡(luò)頻率閾 值(&)更高的第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f2)時，停止向網(wǎng)絡(luò)注入有功 功率。
根據(jù)本發(fā)明的該方面， 一旦所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率已增加到超出所述 第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f2)(例如該第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f2)可以為 51.5Hz，與DE-A1-102005052011中公開的一致)時，向網(wǎng)絡(luò)注入有 功功率不再繼續(xù)直到實際網(wǎng)絡(luò)頻率已降低到低于第三上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f3)為止，該第三上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值低于所述第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值 (f2)(可選地或有效地高于所述第一上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(&))。也就是
i兌，如果f產(chǎn)50.2 Hz禾口f尸51.5 Hz，則f3可以設(shè)定為稍低于51.5 Hz 的值，如51.4Hz、 51.3 Hz、 51.2 Hz或51.0 Hz。通過使用第三上網(wǎng) 絡(luò)頻率閾值，可實現(xiàn)注入有功功率不再繼續(xù)直到實際網(wǎng)絡(luò)頻率已降低 到足夠低于所述第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值為止以"保證"(或至少使其可 能)重新開始注入有功功率不會立即將網(wǎng)絡(luò)頻率向上"推"并超出所 述第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值。因此，注入有功功率的開/關(guān)狀態(tài)中的"振 蕩"可被避免，這可用于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種類型的控制系統(tǒng)堅 固且易于實施。
該方法還包括步驟如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率降低到低于第一下網(wǎng)
絡(luò)頻率閾值(f4)(例如這可對應(yīng)于49.8Hz)，隨實際網(wǎng)絡(luò)頻率的變化 (即根據(jù)基于所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率的"規(guī)則")減少注入網(wǎng)絡(luò)的有功功 率；如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率降低到低于比所述第一下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值
(f4)更低的第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)，停止向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率。 此外， 一旦所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率已降低到低于所述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值 (f5)(例如，該第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)可以是47.5Hz)，向網(wǎng)絡(luò) 注入有功功率將不再繼續(xù)直到實際網(wǎng)絡(luò)頻率已增加到超出(即高于) 第三下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f6)為止，該第三下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f6)高于 所述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(fs)(及可選地或優(yōu)選地低于所述第一下網(wǎng) 絡(luò)頻率閾值(f4))。因此，在低于額定網(wǎng)絡(luò)頻率的范圍中注入有功功 率的開/關(guān)狀態(tài)中的"振蕩"也同樣可被避免或減少，這可用于進一 步增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
作為備選方案，如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率降低到低于第一下網(wǎng)絡(luò)頻
率閾值(f4)，不是隨實際網(wǎng)絡(luò)頻率的變化減少注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率量，
而是可能增加注入系統(tǒng)的有功功率量。這可有助于進一步穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)/ 電網(wǎng)(頻率下降意味著耗用的有功功率比注入電網(wǎng)的有功功率多，因 而對頻率下降的適當(dāng)響應(yīng)可包括增加注入電網(wǎng)的有功功率量，當(dāng)這樣 做可能時)，但另一方面，這可能在風(fēng)力設(shè)備中要求某些類型的"功率儲備"或"熱備用"。同樣在此，可實施上述滯后功能，例如在實 際頻率下降到低于所述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)時使得沒有功率或 較少功率注入電網(wǎng)中，及當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)頻率增加到高于所述第三下網(wǎng)絡(luò) 頻率閾值(f6)時使得功率注入重新開始或再次增加。
本發(fā)明第二方面的該"滯后"功能可與本發(fā)明的第一方面結(jié)合， 使得一旦頻率增加到超出(降低到低于)所述第一上(下)頻率閾值 時即開始控制(例如PI、 PD、 PID等)。
本發(fā)明的第三方面涉及連接到或安排為將連接到網(wǎng)絡(luò)以進行電 功率分配的風(fēng)力設(shè)備，所述風(fēng)力設(shè)備包括至少一風(fēng)力發(fā)電機(即風(fēng)力 設(shè)備可對應(yīng)于單一風(fēng)力發(fā)電機或風(fēng)輪機，或?qū)?yīng)于一組風(fēng)力發(fā)電機或 風(fēng)輪機，如風(fēng)電場或風(fēng)電場的一部分)，所述風(fēng)力設(shè)備與所述網(wǎng)絡(luò)相 關(guān)(例如通過一個或多個變壓器連接到網(wǎng)絡(luò))以將功率注入所述網(wǎng)絡(luò) (即對于注入有功功率(可選地)及無功功率，在風(fēng)力設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之 間的一個或多個互連點)。所述風(fēng)力設(shè)備還包括安排成根據(jù)本發(fā)明上 述任一方面的方法或根據(jù)本發(fā)明的兩方面控制有功功率注入網(wǎng)絡(luò)的 控制器或控制系統(tǒng)。


為完成描述及更好地理解本發(fā)明，提供一組附圖。所述附圖形成 本說明書的組成部分并示出本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，這不應(yīng)被解釋 為限制本發(fā)明的范圍，而是僅作為怎樣具體實施本發(fā)明的例子。這些 附圖包括下述示圖
圖1為連接到網(wǎng)絡(luò)以進行功率分配的風(fēng)力設(shè)備的示意性圖示。 圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個可能實施例的風(fēng)力設(shè)備的控制器的框圖。
圖3為所述控制器的可能實施例的詳細框圖。
圖4為由根據(jù)本發(fā)明的一個可能實施例運行的風(fēng)力設(shè)備向電網(wǎng)
提供功率的示意圖。
圖5為由根據(jù)本發(fā)明兩個其它可能實施例運行的風(fēng)力設(shè)備向電
13網(wǎng)提供功率的示意圖。
圖6A和6B為包括微分(D)部分的風(fēng)輪機控制的作用的示意圖。 圖7A和7B為可用于實施本發(fā)明的不同實施例的兩個基本控制 器概念的示意圖。
具體實施例方式
圖1示意性地示出了包括多個風(fēng)輪機或風(fēng)力發(fā)電機1的風(fēng)力設(shè) 備，每一風(fēng)輪機或風(fēng)力發(fā)電機通過第一變壓器4連接到第二變壓器5， 風(fēng)輪機1借助于第二變壓器連接到電網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)2以將電功率分配給多 個連接到網(wǎng)絡(luò)的用電設(shè)備(未示出)。傳統(tǒng)上，其它功率產(chǎn)生系統(tǒng)(未 示出)也連接到網(wǎng)絡(luò)。
此外，提供控制系統(tǒng)或控制器3 (—個控制器可用于整個設(shè)備， 或者可為每一風(fēng)輪機1或一組風(fēng)輪機單獨提供控制器)?？刂破? (例 如從內(nèi)部內(nèi)存或從遠地控制站)接收網(wǎng)絡(luò)2的額定頻率(fn)的基準 值指示，即網(wǎng)絡(luò)2優(yōu)選在其運行的頻率的指示。通常，該頻率可以為 50Hz或60Hz。
同樣，控制器接收對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)實際在其運行的所測得"實際頻率" (fa)的另一輸入。顯然，該實際頻率可偏離額定頻率(由于注入的 有功功率過?；蛴捎谧⑷氲挠泄β什蛔?。如圖2中所示，控制器 3被設(shè)計來確定額定頻率和實際頻率之間的差E (這可由簡單的減法 器電路31實現(xiàn))，及(借助于由模塊32代表的適當(dāng)硬件和軟件)產(chǎn) 生功率參考信號(Pref)，其按權(quán)利要求及上面描述的方式以調(diào)節(jié)風(fēng)力 設(shè)備注入網(wǎng)絡(luò)2的有功功率的方式確定風(fēng)輪機l(包括其變流器系統(tǒng)) 的運行(也可參看圖3)。
根據(jù)一個可能實施例的控制器在圖3中更詳細地示出?？梢钥闯?所述硬件和軟件模塊32怎樣包括P (比例)模塊、I (積分)模塊及 D (微分)模塊，因而實現(xiàn)PID控制器。對應(yīng)于P、 I和D部分的增 益可由技術(shù)人員考慮系統(tǒng)的具體特性設(shè)定(或根據(jù)系統(tǒng)操作員要求/ 經(jīng)系統(tǒng)操作員同意設(shè)定)。這樣的PID控制在本領(lǐng)域是眾所周知的，技術(shù)人員將能夠以適當(dāng)?shù)姆绞皆O(shè)定控制參數(shù)。因此，不需要對PID(或 PD、或PI、或ID、或D或I)控制的細節(jié)進行進一步的描述。
因此，控制器32產(chǎn)生參考信號Pref，其作為控制風(fēng)力設(shè)備l的輸 入值，因而調(diào)節(jié)注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率P。
圖6A和6B示意性地示出了控制器32的微分(D)部分在幫助 防止頻率誤差的過多增加方面的重要或作用，例如當(dāng)從網(wǎng)絡(luò)消耗的功 率突然下降時。
圖6A包括頻率圖，其示出了在風(fēng)力設(shè)備沒有微分控制部分的情 況下實際頻率(fa)怎樣隨時間(t)變化(圖6A中的上圖)，該變化 由電網(wǎng)中的功率消耗(Pc)、從連接到電網(wǎng)的不同功率提供者注入電 網(wǎng)的有功功率總量(Pt)及從受控風(fēng)力設(shè)備注入的功率(Pw)的變化 引起(該圖僅為示意性的表示，不同曲線水平之間的"比例"不對應(yīng) 于任何真實情形)。圖6B示出了相同的組成部分，但用于具有適當(dāng)設(shè) 定的微分(D)控制部分的風(fēng)力設(shè)備。因此，圖6A和6B示出了微分 控制部分可怎樣對頻率誤差的增加提供非?？烨覐娏业捻憫?yīng)，因而使 從風(fēng)力設(shè)備注入的功率量(Pw)適當(dāng)快且足夠的變化，從而降低頻率 誤差的最大水平(圖6B中的頻率誤差的最大水平遠低于圖6A中的 水平)。
控制模塊32可另外或二中擇一地配置成實現(xiàn)滯后。例如，如圖 4中所示(曲線Pi表示從風(fēng)力設(shè)備注入電網(wǎng)的有功功率根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò) 頻率變化的方式)，控制模塊可被配置成考慮網(wǎng)絡(luò)在其運行的所測得 的實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa)控制從所述風(fēng)力設(shè)備注入所述網(wǎng)絡(luò)的有功功率 PA，所述控制通過
-如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率增加并高于第一上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f,)
(例如這可對應(yīng)于50.2Hz)，隨實際網(wǎng)絡(luò)頻率的變化(即，根據(jù)如上 所述的基于所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率的"規(guī)則")減少注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率
(例如，從對應(yīng)于風(fēng)力設(shè)備可產(chǎn)生和輸出的有功功率的最大量的水平 P ) 及
1脂x y ，
-如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率增加并超出比所述第一上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(&)更高的第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f2)時，停止向網(wǎng)絡(luò)注入有功 功率。
此外，控制模塊32可被配置成使得， 一旦所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率已 增加到超出所述第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f2)(例如該第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾
值(f2)可以為51.5Hz)時，向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率不再繼續(xù)直到實際
網(wǎng)絡(luò)頻率已降低到低于第三上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f3)為止，該第三上網(wǎng) 絡(luò)頻率閾值低于所述第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f2)。也就是說，如果
f尸50.2 Hz禾卩ff51.5 Hz，則f3可以設(shè)定為稍低于51.5 Hz的值，如 51.2 Hz或51.0 Hz。通過使用第三上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值，可實現(xiàn)注入有功 功率不再繼續(xù)直到實際網(wǎng)絡(luò)頻率已降低到足夠低于所述第二上網(wǎng)絡(luò) 頻率閾值為止以"保證"(或至少使其可能)重新開始注入有功功率 不會立即將網(wǎng)絡(luò)頻率向上"推"到超出所述第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值。因 此，注入有功功率的開/關(guān)狀態(tài)中的"振蕩"可被避免，這可用于增 加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
此外，如圖4的左邊部分所示，控制模塊32還可被配置成，如
果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率降低到低于第一下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f4)(例如這可
為49.8Hz)，隨實際網(wǎng)絡(luò)頻率的變化減少注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率；及
-如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率降低到低于比所述第一下網(wǎng)絡(luò)頻率閾 值(f4)更低的第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)，停止向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率。 此外， 一旦所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率已降低到低于所述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率 閾值(f5)(例如，其可以是47.5Hz)，不再繼續(xù)向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率 直到實際網(wǎng)絡(luò)頻率已增加到超出第三下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f6)為止，該 第三下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f6)高于所述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)。因此， 在低于額定網(wǎng)絡(luò)頻率的頻率范圍中注入有功功率的開/關(guān)狀態(tài)中的 "振蕩"也同樣可被避免，這可用于進一步增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
作為備選方案，控制模塊可被配置成，如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率降 低到低于第一下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f4)，隨實際網(wǎng)絡(luò)頻率的變化增加(而 不是減少)注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率量(考慮風(fēng)力設(shè)備的輸出限制只要這 樣的增加可能即可)，例如直到所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率下降到低于第二下
16網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)為止。 一旦低于所述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值，例如， 注入的有功功率可保持恒定不變、或可減少、或可進一步增加、甚或 設(shè)定為零，取決于電網(wǎng)編碼或網(wǎng)絡(luò)操作員或風(fēng)力設(shè)備的操作員的參數(shù) 選擇。例如，根據(jù)可能的實施例，控制模塊可被配置成，如果所述實 際網(wǎng)絡(luò)頻率下降到低于比所述第一下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f4)更低的所述 第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)時停止向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率；及進一步配 置成，當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)頻率下降到低于所述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)時， 不再繼續(xù)向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率直到實際網(wǎng)絡(luò)頻率已增加到超出比所 述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)更高的第三下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f6)時為 止。
圖5示出了本發(fā)明的兩個可能實施例。在第一實施例中，對應(yīng)于 功率曲線P2，當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)頻率對應(yīng)于額定網(wǎng)絡(luò)頻率fn時從風(fēng)力設(shè)備 注入網(wǎng)絡(luò)的功率在最大水平Pmax。當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)頻率增加到超出f,時， 功率注入被減少，當(dāng)所述頻率增加到超出f2時最終停止，不再重新開 始直到所述頻率已降低到低于f3為止，如結(jié)合圖4所述。
然而，相比于所述Pi實施例，根據(jù)P2實施例，區(qū)別在于當(dāng)實際 頻率下降到低于f4時不減少注入的功率，而是最大可用有功功率被繼 續(xù)注入電網(wǎng)中，直到實際頻率下降到低于fs為止，在這種情況下，停
止功率注入，且不再次重新開始直到所述頻率上升到高于fe為止。
另一實施例由功率曲線P3圖示，與P2類似但區(qū)別在于在f。及向 上直到&為止的網(wǎng)絡(luò)頻率，注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率量不是風(fēng)力設(shè)備可提
供的最大功率，而是較低的有功功率量，其減少x量，該x量構(gòu)成
所謂的"功率儲備"或"熱備用"。這使得在實際網(wǎng)絡(luò)頻率下降到低 于第一下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值f4時可增加有功功率量，直到達到最大pmax
為止，如圖5中所示(同樣在此，注入可在f5停止及在f6重新開始)。 這樣，所述安排有助于進一步穩(wěn)定系統(tǒng)，因為導(dǎo)致實際網(wǎng)絡(luò)頻率降低 的有功功率的不足注入至少可部分由"功率儲備"進行補償。
在欠頻率情形下，頻繁采用的減少注入的有功功率通常主要與渦 輪機的內(nèi)部限制有關(guān)。然而，從系統(tǒng)/電網(wǎng)角度，當(dāng)電網(wǎng)中的實際頻
17率下降到低于所希望的值時，增加注入電網(wǎng)的有功功率的量更好。當(dāng) 然，這在風(fēng)輪機中要求某些類型的"功率儲備"，也就是說，產(chǎn)生和 注入比先前產(chǎn)生的有功功率更多的容量。
圖7A和7B示意性地示出了可用于實施本發(fā)明的不同實施例的 兩個基本控制器概念。在圖7A中，示出了二級滯后控制器，具有第 一輸入信號fref (該信號可對應(yīng)于"所希望的"頻率值，例如上面提 及的額定頻率fn)和第二輸入信號fm (該信號可以是所測得的"真實" 頻率值，例如上面提及的實際電網(wǎng)頻率fa)，及可具有兩個不同電平 (例如"0"或"1")的輸出信號，其中輸出信號的電平取決于所述 兩個輸入信號之間的差。
圖7B示出了類似的概念，但輸出信號可具有三個不同的電平， 如"-l"、 "0"禾n "1"。
在本說明書中，術(shù)語"包括"及其派生(如"包含"等)不應(yīng)按 排除意義進行理解，也就是說，這些術(shù)語不應(yīng)被解釋為排除所描述及 所定義的內(nèi)容可包括另外的元件、步驟等的可能性。
另一方面，本發(fā)明顯然不限于在此所述的具體實施例，而是可包 括本發(fā)明技術(shù)人員在本發(fā)明范圍內(nèi)可考慮到的任何變化(例如，關(guān)于 材料、尺寸、組成部分、配置等的選擇)。
權(quán)利要求
1、運行連接到網(wǎng)絡(luò)(2)的風(fēng)力設(shè)備以進行電功率分配的方法，所述風(fēng)力設(shè)備包括至少一風(fēng)力發(fā)電機(1)，所述風(fēng)力設(shè)備與所述網(wǎng)絡(luò)相關(guān)以將功率注入所述網(wǎng)絡(luò)，所述網(wǎng)絡(luò)具有額定網(wǎng)絡(luò)頻率(fn)及所述網(wǎng)絡(luò)安排成在所述額定網(wǎng)絡(luò)頻率運行，其中所述方法包括，考慮所測得的、網(wǎng)絡(luò)在其運行的實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa)控制從所述風(fēng)力設(shè)備注入所述網(wǎng)絡(luò)的有功功率，所述方法包括步驟-測量所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa)；及-確定所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa)和所述額定網(wǎng)絡(luò)頻率(fn)之間的差(E)；其特征在于所述方法還包括步驟如果所述差大于預(yù)定閾值，以使實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa)向額定網(wǎng)絡(luò)頻率(fn)恢復(fù)的方式調(diào)整從所述風(fēng)力設(shè)備注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中注入網(wǎng)絡(luò)的所述有功功率使用至少包括隨時間對所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa)和所述額定網(wǎng)絡(luò)頻率(fn)之間的所述差(E)進行積分的控制器(3)進行調(diào)整。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述控制器為比例-積分PI控制器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述控制器為比例-積分-微分PID控制器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述控制器為積分I控制器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述控制器為積分-微分ID控制器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中注入網(wǎng)絡(luò)的所述有功功率使用至少包括所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa)和所述額定網(wǎng)絡(luò)頻率(fn)之間的所述差(E)的時間微分的控制器進行調(diào)整。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述控制器為積分-微分ID控制器。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述控制器為比例-積分-微分PID控制器。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述控制器為微分D控制器。
11、 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述控制器為比例-微分PD控制器。
12、 運行連接到網(wǎng)絡(luò)(2)的風(fēng)力設(shè)備以進行電功率分配的方法，所述風(fēng)力設(shè)備包括至少一風(fēng)力發(fā)電機(1)，所述風(fēng)力設(shè)備與所述網(wǎng)絡(luò)相關(guān)以將功率注入所述網(wǎng)絡(luò)，所述網(wǎng)絡(luò)具有額定網(wǎng)絡(luò)頻率(fn)及所述網(wǎng)絡(luò)安排成在所述額定網(wǎng)絡(luò)頻率運行，其中所述方法包括，考慮所測得的、網(wǎng)絡(luò)在其運行的實際網(wǎng)絡(luò)頻率(fa)控制從所述風(fēng)力設(shè)備注入所述網(wǎng)絡(luò)的有功功率，所述方法包括步驟-如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率增加到超出第一上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f。，隨實際網(wǎng)絡(luò)頻率的變化減少注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率；及-如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率增加到超出比所述第一上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(fi)更高的第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f2)時，停止向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率；其特征在于一旦所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率已增加到超出所述第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f2)時，向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率不再繼續(xù)直到實際網(wǎng)絡(luò)頻率己降低到低于第三上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f3)為止，該第三上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值低于所述第二上網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f2)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述方法還包括步驟-如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率降低到低于第一下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f4)，隨實際網(wǎng)絡(luò)頻率的變化減少注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率；及-如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率降低到低于比所述第一下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f4)更低的第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)，停止向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率；其中， 一旦所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率已降低到低于所述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)，向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率將不再繼續(xù)直到實際網(wǎng)絡(luò)頻率已增加到超出第三下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f6)為止，該第三下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f6)高于所述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述方法還包括步驟-如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率降低到低于第一下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f4)，隨實際網(wǎng)絡(luò)頻率的變化增加注入網(wǎng)絡(luò)的有功功率。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括步驟如果所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率降低到低于比所述第一下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f4)更低的第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(fs)，停止向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率；其中， 一旦所述實際網(wǎng)絡(luò)頻率己降低到低于所述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)，向網(wǎng)絡(luò)注入有功功率將不再繼續(xù)直到實際網(wǎng)絡(luò)頻率已增加到超出第三下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f6)為止，該第三下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f6)高于所述第二下網(wǎng)絡(luò)頻率閾值(f5)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求12-15任一所述的方法，還包括權(quán)利要求l-ll任一所述的方法。
17、 安排為連接到網(wǎng)絡(luò)(2)以進行電功率分配的風(fēng)力設(shè)備，所述風(fēng)力設(shè)備包括至少一風(fēng)力發(fā)電機(1)，所述風(fēng)力設(shè)備與所述網(wǎng)絡(luò)相關(guān)以將功率注入所述網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述風(fēng)力設(shè)備包括安排成根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法控制有功功率注入網(wǎng)絡(luò)的控制器G)。
全文摘要
本發(fā)明公開了風(fēng)力設(shè)備及其運行方法，所述方法包括使用PID控制和/或具有滯后的控制以考慮所測得電網(wǎng)頻率和額定電網(wǎng)頻率之間的偏差調(diào)節(jié)注入電網(wǎng)的有功功率。本發(fā)明可減少風(fēng)力設(shè)備對電網(wǎng)頻率誤差的貢獻，優(yōu)選地可有助于消除這樣的誤差。
文檔編號H02J3/38GK101483344SQ20081018656
公開日2009年7月15日 申請日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者B·安德森 申請人:歌美颯創(chuàng)新技術(shù)公司