本發(fā)明涉及用于向電力網(wǎng)提供快速無(wú)功功率支持的方法。具體而言，本發(fā)明涉及用于從風(fēng)力發(fā)電設(shè)施提供快速無(wú)功功率支持的方法，該風(fēng)力發(fā)電設(shè)施已經(jīng)以其額定功率電平或接近其額定功率電平進(jìn)行操作。

背景技術(shù)：

向電力網(wǎng)提供來(lái)自風(fēng)力渦輪機(jī)的支持是公認(rèn)的方法。無(wú)功功率支持典型地在電網(wǎng)電壓出于某種原因降低的情況下提供。

然而，根據(jù)傳統(tǒng)方法，如果出于這種目的選擇的風(fēng)力渦輪機(jī)已經(jīng)以其額定功率電平或接近其額定功率電平進(jìn)行操作，快速無(wú)功功率支持(如果可能的話)可能難以提供。其原因主要在于：如果在風(fēng)力渦輪機(jī)已經(jīng)以其額定功率電平或接近其額定功率電平進(jìn)行操作時(shí)發(fā)起無(wú)功功率支持，則可能超過(guò)所選擇的風(fēng)力渦輪機(jī)的整體電流限制。明顯地，超過(guò)風(fēng)力渦輪機(jī)的電流限制會(huì)損壞風(fēng)力渦輪機(jī)。

傳統(tǒng)的方法通過(guò)緩慢地降低所選擇的風(fēng)力渦輪機(jī)的定額來(lái)解決電流限制問(wèn)題。然而，這通常會(huì)導(dǎo)致不必要的電網(wǎng)不穩(wěn)定性以及增加的轉(zhuǎn)子速度(其必須通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的漿距以使得轉(zhuǎn)子葉片避開(kāi)風(fēng)來(lái)處理)以便于使風(fēng)力發(fā)電輸入與降低定額的功率電平相匹配。

提供一種方法可以被看作是本發(fā)明的實(shí)施例的目標(biāo)，該方法用于：即使風(fēng)力渦輪機(jī)以其額定功率電平進(jìn)行操作，也提供快速無(wú)功功率支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

上述目標(biāo)與在第一方面通過(guò)提供以下方法符合：一種用于操作風(fēng)力發(fā)電設(shè)施以便于向電力網(wǎng)提供無(wú)功功率支持的方法，所述方法包括以下步驟：

-增加注入到所述電力網(wǎng)中的無(wú)功功率的量，

-使注入到電力網(wǎng)中的有功功率的量降低一定量，以及

-在功率耗散和/或功率存儲(chǔ)模塊中實(shí)質(zhì)上耗散和/或存儲(chǔ)所述一定量的有功功率。

在目前的背景下，應(yīng)當(dāng)寬泛地理解術(shù)語(yǔ)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施。因此，術(shù)語(yǔ)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施可以涵蓋單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)或包括多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)力發(fā)電廠。

本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以快速且敏捷地提供無(wú)功功率從而例如可以避免電網(wǎng)不穩(wěn)定性。電網(wǎng)不穩(wěn)定性可以在電網(wǎng)電壓下降到預(yù)定值以下的情況下出現(xiàn)，例如低于標(biāo)稱電壓電平左右的預(yù)定電壓死區(qū)。

注入到電力網(wǎng)中的有功功率的量和耗散和/或存儲(chǔ)的有功功率的量的總和在給定的時(shí)間段內(nèi)是實(shí)質(zhì)上恒定的。因此，在開(kāi)始轉(zhuǎn)子葉片槳距調(diào)節(jié)、功率降低等之前，由風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)生成的功率在給定的時(shí)間段內(nèi)實(shí)質(zhì)上保持恒定。該時(shí)間段在0-2秒的范圍內(nèi)。

通常，本發(fā)明的方法確保在風(fēng)力發(fā)電設(shè)施以其額定功率電平或接近其額定功率電平進(jìn)行操作時(shí)即使電力網(wǎng)的無(wú)功功率的量增加也不會(huì)超過(guò)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的電流限制。這通過(guò)降低被提供到電力網(wǎng)的有功功率的量來(lái)確保。優(yōu)選地，實(shí)質(zhì)上同時(shí)執(zhí)行增加無(wú)功功率和降低有功功率的步驟。

功率耗散模塊包括DC斬波器，所述DC斬波器包括許多備用負(fù)載電阻器，而功率存儲(chǔ)模塊可以包括許多電池和/或電容器。組合的功率耗散和功率存儲(chǔ)模塊關(guān)于本發(fā)明也可以是適用的。

根據(jù)本發(fā)明的方法還可以包括以下步驟：隨著時(shí)間調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的槳距以使風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片避開(kāi)風(fēng)，以便于降低風(fēng)力發(fā)電輸入?？梢栽?-2秒的可選延遲期之后開(kāi)始轉(zhuǎn)子葉片槳距調(diào)節(jié)。在可選延遲期之后，可以在5-10秒的時(shí)間段期間執(zhí)行轉(zhuǎn)子葉片槳距調(diào)節(jié)。類似地，可以隨著時(shí)間相應(yīng)地降低耗散和/或存儲(chǔ)的有功功率的量以便于匹配降低的風(fēng)力發(fā)電輸入。因此，在0-2秒的可選延遲期之后，所耗散和/或存儲(chǔ)的有功功率的量在5-10秒的時(shí)間段內(nèi)可以降低。

在第二方面，本發(fā)明涉及一種用于向電力網(wǎng)提供無(wú)功功率支持的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)施，所述風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)施包括：

-無(wú)功功率控制模塊，其用于增加注入到電力網(wǎng)中的無(wú)功功率的量，以及

-有功功率控制模塊，其用于使注入到電力網(wǎng)中的有功功率的量降低一定量，并且用于在功率耗散和/或功率存儲(chǔ)模塊中實(shí)質(zhì)上耗散和/或存儲(chǔ)所述一定量的有功功率。

因此，本發(fā)明的第二方面涉及用于執(zhí)行根據(jù)第一方面所述的方法的模塊。再次，風(fēng)力發(fā)電設(shè)施可以包括風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)力發(fā)電廠。

如關(guān)于本發(fā)明的第一方面所提及的，所述功率耗散模塊可以包括DC斬波器，所述DC斬波器包括許多備用負(fù)載電阻器。此外，所述功率存儲(chǔ)模塊可以包括許多電池和/或電容器，如果需要的話可以由此提供無(wú)功功率。

在需要快速無(wú)功功率支持的情況下的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)施的操作遵循關(guān)于本發(fā)明的第一方面概述的程序。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在將參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)解釋，其中：

圖1示出了典型的PC圖，

圖2示出了各種參數(shù)如何變化，

圖3示出了本發(fā)明的方法的各方面的流程圖，以及

圖4示出了能夠執(zhí)行本發(fā)明的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)施。

盡管本發(fā)明易受到各種修改和替代形式的影響，但具體實(shí)施例已經(jīng)通過(guò)示例的方式在附圖中示出并且將在本文中詳細(xì)描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明不旨在局限于所公開(kāi)的特定形式。相反，本發(fā)明是要涵蓋落在本發(fā)明的由所附權(quán)利要求限定的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物以及替代物。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明最普遍的方面中，本發(fā)明涉及一種方法和風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)施，該方法和風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)施有助于對(duì)電力網(wǎng)的快速且敏捷的無(wú)功功率支持，即使用于輸送無(wú)功功率的電力源已經(jīng)以其額定功率電平或接近其額定功率電平進(jìn)行操作。電力源典型地為風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)施，例如單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)或包括多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的風(fēng)力發(fā)電廠或其部分。

通過(guò)迅速降低注入到電力網(wǎng)中的有功功率的量并且在某些備用負(fù)載和/或功率儲(chǔ)存器中耗散和/或存儲(chǔ)該有功功率的量從而使風(fēng)力渦輪機(jī)上的負(fù)載保持實(shí)質(zhì)上不受影響來(lái)提供本發(fā)明的方法的快速且敏捷的性能。風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)上的實(shí)質(zhì)上不受影響的負(fù)載防止轉(zhuǎn)子速度增大。如之后將進(jìn)行解釋的，功率的耗散和/或存儲(chǔ)可以在相對(duì)短期的規(guī)模上執(zhí)行，即從幾秒到幾分鐘。

現(xiàn)在參考圖1，示出了風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的典型PQ圖。本發(fā)明的基本思想在于擴(kuò)展PQ圖以便于提供風(fēng)力渦輪機(jī)的大且快速的無(wú)功功率能力(capability)。

在風(fēng)力渦輪機(jī)以其額定有功功率電平進(jìn)行操作的情況下，無(wú)功功率控制范圍典型地為與圖案填充區(qū)域(hatched region)(范圍從Q_基本,ind到Q_基本,cap)相對(duì)應(yīng)的基本區(qū)域。指數(shù)“ind”和“cap”此處分別指代電感和電容。為了使無(wú)功功率能力增加到超過(guò)該圖案填充區(qū)域，風(fēng)力渦輪機(jī)必須降低其有功功率產(chǎn)量。否則就違反了風(fēng)力渦輪機(jī)的電流限制(虛線圓)。

為了能夠提供快速且敏捷的無(wú)功功率響應(yīng)，本發(fā)明的目標(biāo)在于在整個(gè)擴(kuò)展范圍內(nèi)(即，圖案填充區(qū)域內(nèi)部和外部)保持相同的無(wú)功功率斜率。無(wú)功功率斜率可以在每秒1-50個(gè)單位的范圍內(nèi)變化，這給出了取決于風(fēng)力渦輪機(jī)尺寸的一定MVar/s。作為示例，無(wú)功功率斜率可以是每秒20個(gè)單位。對(duì)于3MV的風(fēng)力渦輪機(jī)，這意味著無(wú)功功率斜率為60MVar/s，而在1MV風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，無(wú)功功率斜率為20MVar/s。

通過(guò)從工作點(diǎn)(1)到工作點(diǎn)(2)迅速改變風(fēng)力渦輪機(jī)的工作點(diǎn)來(lái)提供快速的無(wú)功功率增加。向電力網(wǎng)提供的有功功率應(yīng)當(dāng)以實(shí)質(zhì)上相同的速度降低。對(duì)于具有DC斬波器的風(fēng)力渦輪機(jī)，在其它情況下可以通過(guò)耗散和/或存儲(chǔ)有功功率到例如備用負(fù)載電阻器中來(lái)抵消不可避免的轉(zhuǎn)子速度增大。

通過(guò)實(shí)施上述類型的控制，避免了對(duì)昂貴備用StatComs的需要，因?yàn)榭梢岳镁哂懈邿o(wú)功功率斜率速率的風(fēng)力渦輪機(jī)的充分?jǐn)U展能力(Q_{擴(kuò)展,ind}至Q_{擴(kuò)展,cap})。

現(xiàn)在參考圖2，描繪了所選擇的參數(shù)的示意圖。無(wú)功功率增加在T＝0處開(kāi)始。圖2中所示的參數(shù)如下：

a)注入到電力網(wǎng)中的無(wú)功功率與時(shí)間相比

b)注入到電力網(wǎng)中的有功功率與時(shí)間相比

c)DC斬波器中耗散的有功功率與時(shí)間相比

d)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)終端處的有功功率與時(shí)間相比

e)轉(zhuǎn)子速度與時(shí)間相比

f)轉(zhuǎn)子漿距與時(shí)間相比

如圖a)中所示，進(jìn)入電力網(wǎng)的無(wú)功功率增加在T＝0處開(kāi)始。對(duì)此的原因可能有許多，例如下降的電網(wǎng)電壓。為了避免超過(guò)風(fēng)力渦輪機(jī)的電流限制，被提供到電力網(wǎng)的有功功率在實(shí)質(zhì)上相同的時(shí)間降低(參見(jiàn)b))并且以實(shí)質(zhì)上相同的速率降低。當(dāng)不再需要增加的無(wú)功功率的量時(shí)(未示出)，無(wú)功功率電平和有功功率電平返回到它們?cè)赥＝0之前的相應(yīng)電平。

未被注入到電力網(wǎng)中的有功功率的量在DC斬波器中耗散c)，從而使發(fā)電機(jī)上的負(fù)載d)以及轉(zhuǎn)子速度e)在短期上保持實(shí)質(zhì)上不變。在實(shí)線上示出了實(shí)質(zhì)上恒定的轉(zhuǎn)子速度e)。為了比較，e)還顯示(虛線)如果DC斬波器是無(wú)功的或不存在則轉(zhuǎn)子速度將如何增加。

如f)中所描繪的，在較長(zhǎng)的時(shí)間標(biāo)度上調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的漿距以使轉(zhuǎn)子葉片其避開(kāi)風(fēng)。漿距調(diào)節(jié)可以即刻或在典型地0-2秒的時(shí)間延遲之后開(kāi)始。這還會(huì)影響所生成的功率d)以及DC斬波器中耗散的功率量c)。如d)中所示，隨著調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的漿距以使轉(zhuǎn)子葉片避開(kāi)風(fēng)，發(fā)電機(jī)功率降低。典型地，漿距調(diào)節(jié)過(guò)程花費(fèi)5-10秒。由于降低發(fā)電機(jī)功率的原因，DC斬波器中耗散的功率也在相同的時(shí)間段內(nèi)降低。

功率耗散和/或存儲(chǔ)的降低c)、所生成的功率d)以及轉(zhuǎn)子葉片漿距f)被描繪為隨著時(shí)間的線性變化。然而，非線性相關(guān)性也可適用。這還應(yīng)用于無(wú)功功率a)以及有功功率b)變化，其也可能是非線性本質(zhì)。

因此，當(dāng)檢測(cè)到對(duì)無(wú)功功率支持的需要時(shí)，增加電網(wǎng)的無(wú)功功率的量而降低有功功率的量。啟動(dòng)DC斬波器(或功率存儲(chǔ)模塊)以維持發(fā)電機(jī)上的負(fù)載。在較長(zhǎng)的時(shí)間標(biāo)度上調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的漿距以使轉(zhuǎn)子葉片避開(kāi)風(fēng)，從而使發(fā)電機(jī)功率并且由此還使耗散/存儲(chǔ)的功率的量降低。

增加無(wú)功功率的量的需求可以通過(guò)例如下降的電網(wǎng)電壓觸發(fā)。因此，如果電網(wǎng)電壓下降到某個(gè)極限以下(例如低于預(yù)定死區(qū))，則功率分配器可能需要附加的無(wú)功功率注入到電網(wǎng)中，以便于增加或至少穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。在該背景下，功率分配器還可能需要一定量的無(wú)功功率儲(chǔ)備可用于支持目的。

圖3示出了簡(jiǎn)化的流程圖，該流程圖示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的各發(fā)面。接收到增加無(wú)功功率的量的要求。為了符合該要求，并且同時(shí)不超過(guò)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的任何電流限制，增加了電力網(wǎng)的無(wú)功功率，并且使同一電力網(wǎng)的有功功率降低一定量。不再被提供到電力網(wǎng)的有功功率的量替代地在適當(dāng)?shù)墓β屎纳?功率存儲(chǔ)模塊中耗散和/或存儲(chǔ)。在0和2秒間的可選延遲期之后，開(kāi)始調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的漿距以使轉(zhuǎn)子葉片避開(kāi)風(fēng)，并且相應(yīng)地降低耗散和/或存儲(chǔ)的有功功率的量。在之后的時(shí)間，使工作狀態(tài)正?；⑶姨峁┙档蜔o(wú)功功率的量的要求。響應(yīng)于該要求，無(wú)功功率和有功功率可以回到它們?cè)嫉墓β孰娖健?/p>

圖4描繪了風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)施，該風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)施包括一組可旋轉(zhuǎn)安裝的轉(zhuǎn)子葉片，所述轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)由齒輪箱耦合到發(fā)電機(jī)。所生成的功率經(jīng)由功率轉(zhuǎn)換器提供到相關(guān)聯(lián)的電力網(wǎng)。功率轉(zhuǎn)換器典型地包括發(fā)電機(jī)側(cè)的AC/DC轉(zhuǎn)換器和電網(wǎng)側(cè)的DC/AC轉(zhuǎn)換器。AC/DC轉(zhuǎn)換器將來(lái)自發(fā)電機(jī)的三相AC功率轉(zhuǎn)換成DC功率。類似地，DC/AC轉(zhuǎn)換器將DC功率轉(zhuǎn)換成具有與電力網(wǎng)的標(biāo)稱頻率匹配的頻率的AC功率。AC/DC轉(zhuǎn)換器和DC/AC轉(zhuǎn)換器由中間的DC鏈路分隔開(kāi)，功率耗散或功率存儲(chǔ)布置耦合到該DC鏈路。功率耗散布置典型地包括DC斬波器和許多電阻式備用負(fù)載。對(duì)于功率存儲(chǔ)，電池和/或電容可以是適用的。風(fēng)力渦輪機(jī)控制器響應(yīng)于來(lái)自至少電力網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的控制或感應(yīng)信號(hào)而至少控制功率轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)子葉片漿距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。