TWI543492B - 用於藉由風力發電設備或風力發電場將電能饋送至電力供應電網之方法及用於將電能饋送至電力供應電網之風力發電設備及風力發電場 - Google Patents

Description

用於藉由風力發電設備或風力發電場將電能饋送至電力供應電網之方法及用於將電能饋送至電力供應電網之風力發電設備及風力發電場

本發明係關於一種用於藉由一風力發電設備或風力發電場將電能饋送至一電力供應電網之方法。此外，本發明係關於一種用於將電能饋送至一電力供應電網之風力發電設備，且本發明係關於一種用於將電能饋送至一電力供應電網之風力發電場。

藉由風力發電設備或藉由包括若干風力發電設備之一風力發電場將電能饋送至一電力供應電網係常識問題。亦已知風力發電設備或風力發電場不僅負責饋送能量，而且負責電網支援。因此，此處假定一常見的電力供應電網作為一AC電網。

描述藉由風力發電設備進行電網支援之一早期文件係(例如)美國專利US 6,965,174。此文件尤其描述當藉由一風力發電設備饋送能量時對相角之調整。諸如文件US 7,638,893之後期文件亦描述用於一風力發電場之方法。

此等方法監控電網且可對電網變化作出回應。如今，至少在一些國家或地區實質上已增加電網中之風能共用，使得能量饋送可愈來愈多地取決於主風狀況，且因此電網穩定性亦可愈來愈多地取決於主風狀況。一暫時能量儲存可面臨此問題。然而，此等暫時儲存系統可能昂貴且通常不可大量使用或根本不能使用。

德國專利與商標局已研究出下列先前技術：DE 10 2010 006 142 A1、US 6 965 174 B2、US 7 638 893 B2及US 2011/0148114 A1。

本發明之目的因此係解決至少一前文提及的問題。特定言之，將提出一種將甚至更進一步透過風力發電設備改良電網支援之解決方案。應提出至少一替代性解決方案。

根據本發明提出依照技術方案1之用於將電能饋送至一電力供應電網之方法。此方法使用一風力發電設備或風力發電場，且該風力發電設備或風力發電場將來自具有可變風速之風力之動能轉換為電能。雖然考慮風速可變之事實，但是此方法並非關於瞬時值，而是關於共同的平均值，諸如一10秒鐘、1分鐘或10分鐘之平均值。

現在進一步提出基於一風力預報預測一風速。可基於熟知的氣象程序對風速進行此風力預報或預測。較佳地，使用其他風力發電設備或風力發電場之值，從當前風向之觀點來看，其他風力發電設備或風力發電場在此處位於基礎風力發電設備或風力發電場前面。

接著基於此經預測風速計算一待饋入之無效電力，即，經預測無效電力Q_P。

此係基於以下發現：風速變化可影響電力供應電網之行為或甚至影響其穩定性。然而，為電網支援目的，一風力發電設備或風力發電場可饋入基於風速之一無效電力或饋入將鑑於風速而變得有意義之至少一無效電力。然而，所預期之此等相關性不一定具有限定性，且特定言之，其等對於除風力發電設備以外之裝置或設備(例如，一電網運營商)而言幾乎不或根本不可預見。

現在，若一風力發電設備或風力發電場之行為將歸因於風力狀況變化而變化，則此可導致例如由電網運營商提供補償措施。然而，風力發電設備或風力發電場亦提供此等補償措施，且該兩組補償措施可能不太協調或甚至可彼此違背。由風力發電設備或風力發電場提供之一重要的補償措施可為無效電力之饋送。為能夠更好地協調此等補償措施，因此提出風力發電設備或風力發電場應已基於一風力預報作 出一無效電力預測。以此方式，將可能在一早期階段已協調補償措施，甚至在補償措施變得必要之前便協調補償措施。

較佳地，因此亦提出將經預測無效電力作為一預報值傳輸至控制電力供應電網之一電網控制中心。換言之：電網運營商被告知立刻由風力發電設備或風力發電場饋入無效電力。電網運營商(即，電網控制中心)可因此較好地適應該情形。

較佳地亦基於此經預測風速計算一待饋入之有效電力，即，經預測有效電力P_P。現在，若一風速經預報大於一平均暴風雨風速，則經預測無效電力就值而言將大於經預測有效電力。此處觀察到一暴風雨情形，且平均暴風雨風速處於一暴風雨開始時之一風速(其中有效電力開始減小)與一暴風雨結束時之一風速(其中待饋入之有效電力已達到0值)之間。因此此處尤其提出一種針對暴風雨情形之解決方案，對於電網穩定性而言該解決方案可能尤為重要。此尤其係歸因於以下事實：一暴風雨中之風速亦可大幅改變且如今許多風力發電設備仍經設計及規劃以(諸如)立即將其等效能減小至0以保護自身或甚至停止工作。此意謂在暴風雨狀況下，風力發電設備或風力發電場可預期特別強烈的饋送波動。

此外，暴風雨相關的有效電力減小可導致風力發電設備或風力發電場之饋入單元歸因於有效電力減小而具有更多可用容量用於饋送無效電力。亦根據本發明使用此效果，且因此提出與有效電力相比將甚至更多無效電力饋送至電網。以此方式，可至少影響電網中之電壓位準，且電網運營商可對此影響作出回應。

根據一實施例，提出預測一預報時段內之經預測無效電力。關於此預報時段，現在提出即使實際上達到之風速將不同於預報風速，風力發電設備或風力發電場仍實際上饋入經預測無效電力。以此方式，藉由該計算及特定言之經預測無效電力之傳輸來產生一可靠值。 其他設備(尤其係電網運營商)不僅對該值作出回應，而且甚至依賴於該值，此將增加電網的穩定性。

此外，此實施例亦係基於以下發現：可饋入之無效電力僅稍微或甚至可能根本不取決於風速。此意謂即使風力展示不同值，仍可提供此一經預測無效電力。可能出現一問題，前提係風力發電設備或風力發電場之饋入單元之容量歸因於非預期之高有效電力饋送而無法饋入經預測無效電力。在該情況下，一方可與所涉方(尤其電網運營商)協商決定不再饋入該無效電力，或一方可以其他方式減小有效電力饋入以符合經預測且因此基本上符合經預示的無效電力饋送。

較佳地，經預測無效電力經計算作為一預報值且照此可能傳輸至電網控制中心，前提係該經預測風速大於一暴風雨開始時之風速。因此具體提出僅在發生一暴風雨時預測無效電力。此特別符合以下發現：尤其在發生一暴風雨時預測無效電力極為重要，以使該無效電力可用作用於穩定電網之一參數。

此亦避免在不太重要的情形中進行不必要的計算及可能不必要的傳輸。若風速小於暴風雨情形中的風速，則此亦可避免對一經預測無效電力作出任何保證。除非發生一暴風雨，尤其在少許波動跨風力發電場均勻地分散且在饋送期間不太顯著之一風力發電場之情況下，否則通常可預期風速的波動不太強烈且不太具有自發性。因此，在此等較低風速下可預期一整體更穩定情形，此可在無一無效電力預測的情況下實現且反之可面向電網的當前需求(尤其面向當前電網狀況)更精確地調整饋送。若尚未預測無效電力，則例如仍可基於當前電網狀況饋入無效電力。

根據一實施例，提出經由一無效電力函數設定無效電力。此經提出較佳地用於範圍在自一暴風雨開始時之風速至一暴風雨結束時之風速的風速。對於此範圍，無效電力函數定義待饋入之無效電力與風 速之間之一相關性。該無效電力函數較佳係一階或二階多項式函數，即，具有一斜率之一直線或甚至一拋物線函數。較佳地，可使用一滯後函數，其迄今為止定義無效電力與風速上升之風速之間與無效電力與風速下降之風速之間之一不同相關性。較佳地，可透過兩個不同的二階多項式函數實現此一滯後函數。較佳地使用此等函數，但是亦可使用其他函數，諸如(例如)高階多項式函數、三角函數，諸如一諧和函數之多段，或描述經由若干支撐點描述之一函數關係之樣條函數。

較佳地，由其他風力發電設備及/或其他風力發電場提供之資訊用以製作風力預報。亦可使用由熟知氣象服務提供之資訊，尤其關於高壓及低壓地區及對應大範圍的一般天氣情形及氣流之資訊。然而，使用至少一其他風力發電設備及/或風力發電場之資訊係有利的，此係因為風力發電設備及風力發電場可透過一資訊系統(尤其透過所謂的SCADA系統)連接。此使得可設定一聯網系統，其係或可基於可比較的天氣資訊。量測風速尤其可取決於多種因素，尤其取決於感測器及執行量測時之高度。若風力發電設備例如以其氣動轉子量測風速，則此風速量測係基於一極高量測高度(如今該高度通常可超過100米)，且其係基於一極其均質參數，此係因為氣動轉子的惰性至少與掠過一大表面之一常見的風速計相比相當大。藉由使用其他風力發電設備或風力發電場之風力效能資料，各自風力發電設備最終採取隨後變得相關且有效之合適的風力效能值作為基礎。

此外提出一種用於將電能饋送至一電力供應電網之風力發電設備，該風力發電設備經製作用於執行依照所述實施例之至少一者之一方法。較佳地，此風力發電設備包括經設計以產生一發電機標稱功率之一發電機，且其包括經製作用於執行饋送過程之一饋入裝置。該饋入單元經設計以饋送大於用於饋送該發電機標稱功率之一饋入電流之一最大饋入電流。

風力發電設備迄今為止經製作用於將大於僅饋送發電機之永久最大電力所需之電流之一電流饋送至電網。

較佳地，饋入裝置包括若干饋入單元，即，饋入單元多於用於饋送可由風力發電設備產生之電力所需，即，特定言之，饋入單元多於用於饋送發電機標稱功率所需。較佳地，此等饋入單元被提供作為電力櫃；即，電力櫃比提供用於饋送可永久產生之標稱功率或最大電力所需多至少一個。以此方式，可具體饋入無效電力，同時饋入標稱功率。此外，在不饋送或僅饋入少許標稱功率的極端情況下，則因此可饋入的無效電力大於標稱功率。為無效電力與標稱功率之間之此比較之目的，單位VAr與單位W相當。

此外提出提供一種用於將電能饋送至一電力供應電網之風力發電場。該風力發電場經製作用於使用依照用於饋送目的之饋送過程之上述實施例之至少一者之一方法。

較佳地，此風力發電場包括用於控制風力發電場之一中央控制單元。因此對中央控制單元實施用於執行饋送過程之方法步驟。此意謂至少根據一實施例，中央控制單元將值提供給風力發電場的個別風力發電設備，告訴其等各自風力發電設備要饋入多少有效電力及無效電力。此風力發電設備實際上藉由每一個別風力發電設備實現有效電力及/或無效電力之饋送，或實情係其對整個風力發電場執行其饋送部分。就此而言，每一風力發電設備促成符合中央控制單元之規格之一饋入電流，其中全部此等個別饋入電流被添加且於風力發電場的共同耦合點處饋送至電網。

較佳地，風力發電場經設計用於饋送大於該風力發電場所設計之饋送一最大有效電力所需之一電流。此最大有效電力可尤其對應於風力發電場的標稱功率，即，對應於風力發電場的風力發電設備之全部標稱功率之和。該風力發電場因此可饋入的無效電力多於有效電 力，或實情係，即使饋入最大量的有效電力，其仍可饋入無效電力。

較佳地，風力發電場包括如上文結合一風力發電設備之至少一實施例描述之若干風力發電設備。較佳地，全部風力發電設備係上文依照至少一實施例描述之類型之風力發電設備。

下文基於例示性實施例參考隨附圖式更加詳細地描述本發明。

圖1展示具有一塔102及一機艙104之一風力渦輪機100。具有三個轉子葉片108及一旋轉器110之一轉子106位於機艙104上。當進行操作時，轉子106藉由風力進行一旋轉運動且藉此驅動機艙104中之一發電機。

圖2展示具有例如可相同或不同之三個風力發電設備100之一風力發電場112。該三個風力發電設備100因此表示一風力發電場112之數目基本隨機的風力發電設備。風力發電設備100提供其等電力，特定言之經由一電力風力發電場電網114產生的電力。合計分別由個別風力發電設備100產生之電流或電力。通常來說，將提供一變壓器116，其輸送風力發電場處之電壓，接著於饋送點118處將電壓饋送至供應電網120，饋送點118亦一般稱作一PCC。圖2僅僅係一風力發電場112之一簡化圖解，其並未展示(例如)一控制器，但是當然存在一控制器。此外，僅提及另一實施例，風力發電場電網114可經不同地設計，在各風力發電設備100之輸出處包含(例如)一變壓器。

在一第一圖式D1中，圖3展示例如一天的過程中風速之一可能過程。中間圖式D2提供此態樣中之一可能風力預報，在所示實例中，風力預報經提供用於繪示目的，係基於6個小時之一預報時段。中間或第二圖式D2因此提前6小時。預報時間與依照第一圖式D1之實際風速之時間之間之一相關性係由直觀地鏈結時間6小時、12小時、18小時及24小時之虛線指示。

底部圖式(即，第三圖式D3)指示待饋入之無效電力Q之一預測之 一可能過程。

為繪示目的，選擇一風速V_actual之過程，其展示0：00 a.m.與9：00 a.m.之間之範圍中每秒鐘大約5米之一風速。此等於約3Bft之一風力。風速並未被示為一均線，以指示自然風波動。

在9 a.m.，風速開始緩慢上升且在約12：30 p.m.達到每秒鐘25米。此等於約9Bft至10Bft之一風力。通常且在所示實例中，每秒鐘25米係抑制風力發電設備以保護其自身時之風速。此處，其構成一暴風雨開始時之風速V_SA。

風力增加得更大且在約14：30 p.m.達到每秒鐘34米，其等於12級風力且因此等效於一颶風。每秒鐘34米亦係風力發電設備(通常且在所示實例中)不再饋入有效電力且因此完全關閉且特定言之將其等轉子葉片轉動至風向標位置(若可能)之風速。此處，每秒鐘34米之該風速係一暴風雨結束時之風速。

在約9：00 p.m.，風力開始下降且降低至一暴風雨結束時之風速以下且接著在約10：00 p.m.下降至一暴風雨開始時之風速以下。此意謂，如自10：00 p.m.以來，風力發電設備就其無需抑制而言可正常操作。該圖式亦嘗試繪示風速之波動亦將隨著風速增高而增大。

對於圖式D1之該風速，圖式D2中展示一風力預報，其預報自6：00 a.m.至9：00 a.m.之時段內每秒鐘約5米之一風速(風力3級)。在9：00 a.m.，風速根據預報增加且在約1：30 p.m.達到一暴風雨開始時之一風速(每秒鐘25米)。此比根據依照圖式D1之稍晚實際過程約晚1小時，或實情係，預報風速在12：30 p.m.低於實際風速。在2：30 p.m.，預報風速達到一暴風雨結束時之一風速(每秒鐘34米)。在9：00 p.m.，預報風速再次下降至一暴風雨結束時之風速以下，且在11：00 p.m.，其下降至一暴風雨開始時之風速以下。

圖式D3展示待饋入之無效電力Q_pre之一預測。其調整係面向依照 圖式D2之經預測風速而調整。經預測無效電力Q_pre因此在1：30 p.m.(即，預報風速達到並超過一暴風雨開始時之風速V_SA時)增加。經預測無效電力隨著預報風速進一步增加而增加且在2：30 p.m.(預報風速已達到一暴風雨結束時之風速V_SE時)達到其最大值。該經預測無效電力Q_pre維持其最大值直至預報風速在9：30 p.m.再次下降至一暴風雨結束時之風速以下，且經預測無效電力Q_pre亦隨著預報風速保持下降而下降直至11：00 p.m.。此時，預報風速達到一暴風雨開始時之風速之值且保持下降至該值以下。經預測無效電力Q_pre達到值0。

此展示基於預報風速V_fore判定經預測無效電力，就此而言，經預測無效電力首先僅構成一值。較佳地，接著如隨後預測般(即，如圖式3中所示般)饋入該經預測無效電力Q_pre。換言之：在所示實例中，經預測無效電力增加且因此相應地饋入無效電力僅在1：30 p.m.之後開始增加，但是實際風速已在12：30 p.m.達到一暴風雨開始時之風速V_SA。當然，亦可發生相反情況，其中預報風速先於實際風速達到一較高值。較佳地，通常提出(即，不僅圖3之例示性實施例提出)，若實際風速等於或小於預報風速，則隨後饋入等於經預測無效電力Q_pre之一無效電力。此外或替代地，亦通常提出(即，不僅所示例示性實施例提出)，若實際風速高於經預測風速，則饋入無效電力高於經預測無效電力。然而，此處，若經預測無效電力已達到此最大值，則提出不超過一最大無效電力，即，不增加無效電力。

在圖3中之圖式D3中，6：00 a.m.與1：30 p.m.之間及11：00 p.m.與6：00 a.m.之間之時段中之經預測無效電力被指示為0。最初，此意謂規定經預測無效電力的值為0且可將其傳輸至對應的控制單元，或根本不計算此等時段(即，其中預報風速低於一暴風雨開始時之風速之時段)之經預測無效電力，且因此不傳輸經預測無效電力或對應值。

在當未預測無效電力或無效電力之值為0時之時段中，仍可將無 效電力饋送至電網。該無效電力尤其取決於電網狀況，諸如電網連接點或電力供應電網中之另一點處之線路電壓。

若已饋入無效電力(即，在風速或預報風速達到一暴風雨開始時之風速之前已饋入無效電力)，則可存在將該無效電力與經預測無效電力合併之各種方式。

若一經預測有效電力變得有效且(在此實例中)在1：30 p.m.上升，則根據一實施例提出維持此饋入無效電力直至經預測無效電力達到當前饋入無效電力之合適值。接著，無效電力饋送可切換至經預測無效電力之過程。

根據另一實施例，提出將處於低端之經預測無效電力增加至已饋入無效電力位準，即，在Y軸方向上壓縮經預測無效電力使得饋入無效電力在1：30 p.m.(在所示實例中，當經預測無效電力增加時)增加。此情況係由圖式D3中之虛線標線指示，圖式D3繪示實際饋入無效電力Q_F。

此外，圖3中之實例展示皆採用3MVA_r之一最大值之一經預測無效電力Q_pre及一實際饋入無效電力Q_f。所示實例係基於一風力發電設備，該風力發電設備包括2MW之一標稱功率且因此可永久地產生且饋送不超過2MW的有效電力。風力發電設備仍然經製作用於如實例中所示般饋送3MVA_r之一較高無效電力。

關於圖3中之圖式，請注意該等圖式係基於6個小時之一例示性預報時段。然而，其他預報時段通常亦係可能的，尤其係1小時或僅幾個小時之較短預報時段或甚至較佳地小於60分鐘、小於30分鐘及/或小於15分鐘之更短預報時段。較佳地，通常(即，不僅以圖3中之實例為基礎之實施例，而且極為通常)提出此等預報時段。

待饋入之無效電力之此一預測尤其可有助於電力供應電網之運營商，因為其可有助於運營商規劃並設計電網控制。此等饋送預測 (尤其可靠的饋送預報)愈長，電網運營商的控制自由度愈大，此係因為運營商接著可甚至包含其規劃當中需要花費更長時間來完全或部分供電或斷電之此等發電站。另一方面，尤其係短期變化(即，關於基礎問題)-風力發電設備之饋入效能之短期變化-電網運營商的規劃可面臨之一問題。若此等突然的問題伴隨著同樣突然的預測或突然且可靠的預報，則此可緩解電網運營商的規劃。

圖4展示根據一實施例之描繪基於風速(即，預報風速V_wfore)之經預測無效電力Q_pre之一圖式。該繪示僅係關於高風速，即，本質上自一暴風雨開始時之風速V_SA至一暴風雨結束時之風速V_SE。在該實例中，經預測無效電力Q_pre根據例如一負拋物線形式隨著風速增加而上升直至其達到一暴風雨結束時之風速V_SE之最大值。若風速下降，則經預測無效電力亦將下降。然而，根據所示實例，其將以不同於上升期間之曲線之一曲線(即，以一不同的過程)下降。迄今為止，展示經預測無效電力Q_pre之此兩個曲線具有方向箭頭。

若風速在上升時在達到暴風雨結束時之風速V_SE之前改變或若其在下降時在達到一暴風雨開始時之風速V_SA之前改變，則經預測無效電力可切換至Q_pre之兩個所描繪分支之間之一水平過程。此水平過程被例示性地示為Q_Z。然而，此水平過程基本上可發生在此兩個曲線分支之間的任何時刻。滯後函數之此兩個分支之間之此轉變具有以下優勢：無效電力最初將維持一穩定值，此將確保一定的控制穩定性。迄今為止，提出經預測無效電力之一滯後函數之分支之間之一轉變，使得經預測無效電力維持一恆定值。此通常作為不僅限於圖4中所示之實例之一有利實施例而提出。

100‧‧‧風力渦輪機/風力發電設備

102‧‧‧塔

104‧‧‧機艙

106‧‧‧轉子

108‧‧‧轉子葉片

110‧‧‧旋轉器

112‧‧‧風力發電場

114‧‧‧風力發電場電網

116‧‧‧變壓器

118‧‧‧饋送點/PCC

120‧‧‧供應電網

圖1展示一風力發電設備之示意透視圖。

圖2展示一風力發電場之示意圖。

圖3展示繪示實際風力、風力預報及經預測無效電力之間之相關性之圖。

圖4展示繪示經預測無效電力與預報風速之間之較佳相關性之一圖。

Claims (14)

1. 一種用於藉由一風力發電設備(100)或風力發電場(112)將電能饋送至一電力供應電網之方法，其中該風力發電設備(100)或風力發電場(112)將來自具有可變風速之風力之動能轉換為電能，基於一風力預報預測一風速，及基於該經預測風速計算一待饋入之無效電力作為經預測無效電力(Q_P)，其中預測一預報時段內之該經預測無效電力，及即使實際上達到之風速將不同於該經預測風速，該風力發電設備(100)或風力發電場(112)仍在晚於經計算之該預報時段中之一時刻饋入該經預測無效電力。
2. 如請求項1之方法，其中該經預測無效電力(Q_P)作為一預報值傳輸至控制該電力供應電網之一電網控制中心。
3. 如請求項1或2之方法，其中可基於該經預測風速計算一待饋入之有效電力作為經預測有效電力(P_P)，及若預測一風速大於處於一暴風雨開始時之一風速與一暴風雨結束時之一風速之間之一平均暴風雨風速，則該經預測無效電力就其值而言大於該經預測有效電力，其中一暴風雨開始時之該風速意謂當該風速保持增加時該有效電力減小之一風速，及一暴風雨結束時之該風速意謂有效電力不再饋送至該供應電網之一風速。
4. 如請求項1或2之方法，其中該經預測無效電力(Q_P)經計算作為一預報值且可能照此傳輸至該電網控制中心，前提係該經預測風速大於一暴風雨開始時之一或該風速。
5. 如請求項1或2之方法，其中在一暴風雨開始時之一或該風速與一暴風雨結束時之一或該風速之間該無效電力係由定義該無效電力與該風速之間之一關係之一無效電力函數而設定，其中該無效電力函數係一一階或二階多項式函數，及/或一滯後函數。
6. 如請求項1或2之方法，其中該風力預報係基於由至少一其他風力發電設備(100)及/或風力發電場(112)提供之資訊而製作。
7. 一種用於將電能饋送至一電力供應電網之風力發電設備(100)，其經製作用於執行如請求項1至6中任一項之方法。
8. 如請求項7之風力發電設備(100)，其中該風力發電設備(100)包括經設計用於產生一發電機標稱功率之一發電機，及用於饋電之一饋入裝置，其中該饋入裝置經設計用於饋送大於用於饋送該發電機標稱功率之一饋入電流之一最大饋入電流。
9. 如請求項7或8之風力發電設備(100)，其中該饋入裝置包括若干饋入單元或電力櫃，且提供的饋入單元或電力櫃多於饋送可由該風力發電設備產生之該標稱功率所需。
10. 一種用於將電能饋入至一電力供應電網中之風力發電場(112)， 其中該風力發電場(112)經製作以使用如請求項1至6中任一項之用於饋送目的方法。
11. 如請求項10之風力發電場，其中該風力發電場(112)包括用於控制該風力發電場(112)之一中央控制單元且對該中央控制單元實施用於執行該饋送方法之方法步驟。
12. 如請求項10或11之風力發電場(112)，其中該風力發電場(112)經設計用於饋送大於饋送該風力發電場(112)所設計之一最大有效電力所需之電流之一電流。
13. 如請求項10或11之風力發電場(112)，其中其包括如請求項7至9中任一項之一或多個風力發電設備(100)。
14. 如請求項13之風力發電場(112)，其中該風力發電場(112)之全部風力發電設備(100)係如請求項7至9中任一項之風力發電設備(100)。