用于限制可變發(fā)電可再生設(shè)施功率輸出變化的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于控制從可再生能量裝置(10)到具有對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定界限的公用電網(wǎng)（56)的輸出功率的方法和系統(tǒng)。所述方法和系統(tǒng)包括經(jīng)由限制器（78)將控制器（76)的輸出信號約束于上限和/或下限，其中，所述上限和/或下限包括對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定上界和/或下界。受約束的輸出信號然后被應(yīng)用于多個發(fā)電機（12、14、16)以根據(jù)預(yù)定界限來限制每單位時間的輸出功率變化。
【專利說明】用于限制可變發(fā)電可再生設(shè)施功率輸出變化的方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及用于限制可變發(fā)電可再生(renewab I e )設(shè)施中的功率輸出變化的方法和系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)電是將來自能量源的功率轉(zhuǎn)換成電的過程。能量的源可以包括可再生的能量源，其來源于被不斷地補充的自然過程，包括例如日光、風(fēng)、雨、潮汐、波浪和地?zé)?。存在使用發(fā)電機以將來自能量源的功率轉(zhuǎn)換成電的許多可再生發(fā)電設(shè)施，包括太陽能光伏(PV)電池、太陽能發(fā)電機、熱電發(fā)電機、潮汐發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電機/渦輪機以及使用任何其它能量源的其它發(fā)電機。
[0003]可再生發(fā)電設(shè)施能夠被適當(dāng)連接以向負載、用于進一步分配的電網(wǎng)和/或儲蓄電功率的能量存儲設(shè)備/系統(tǒng)(如本領(lǐng)域中已知的，諸如泵浦水電站、壓縮空氣、飛輪以及電池能量儲存裝置)輸送功率。
[0004]具體地,能夠經(jīng)由風(fēng)力農(nóng)場(wind-farm)來產(chǎn)生功率,其中，發(fā)電機是被用來將風(fēng)中的功率轉(zhuǎn)換成電的風(fēng)力渦輪機。當(dāng)出于產(chǎn)生大量電功率以用于輸送到公用電網(wǎng)(utilitygrid)的目的而將多個風(fēng)力渦輪機放置在相同地理區(qū)域中時，風(fēng)力農(nóng)場被創(chuàng)建。最近，通過風(fēng)力農(nóng)場而添加到公用電網(wǎng)的能量的分數(shù)已顯著增加。因此，需要相對于由公用電網(wǎng)運營商規(guī)定的多個參數(shù)來控制向公用電網(wǎng)輸送能量的風(fēng)力農(nóng)場。
[0005]風(fēng)力(wind power)是可變的，因為風(fēng)速必然可變。一般地，風(fēng)力作為風(fēng)速的立方而變化。因此，風(fēng)速中即使相對小的改變也導(dǎo)致風(fēng)力中的顯著改變。例如，風(fēng)速從9 m/s至10 m/s的增加可以導(dǎo)致幾乎40%的風(fēng)力增加。陣風(fēng)能夠引起甚至更多的關(guān)注。有時，風(fēng)力的這種增加超過由傳輸系統(tǒng)/公用電網(wǎng)運營商所規(guī)定的風(fēng)力場(wind park)輸出中的最大可允許的變化，特別是在小型功率系統(tǒng)中。例如，在如同夏威夷(Hawaii)的系統(tǒng)中，運營商要求工廠麗輸出不從“η”秒之前測量的輸出變化多于以■的某個+/-改變。
[0006]已經(jīng)進行了控制風(fēng)力農(nóng)場功率的嘗試，包括用于控制風(fēng)力農(nóng)場的功率斜坡率(ramp rate)的控制方案，諸如在美國專利號7，679，215中所述的。其中所述的風(fēng)力農(nóng)場功率比(power rate)控制方法嘗試通過基于風(fēng)力渦輪機發(fā)電機的共同功率輸出的受監(jiān)視的改變率和風(fēng)力渦輪機發(fā)電機的所期望的共同功率斜坡來生成功率輸出率限制信號并將該功率輸出率限制信號應(yīng)用于所述多個風(fēng)力渦輪機發(fā)電機而限制共同功率輸出的改變率。在操作中，當(dāng)實際風(fēng)力農(nóng)場功率斜坡率增加至斜坡率請求以上時，控制器調(diào)整風(fēng)力農(nóng)場斜坡率，從而引起實際功率輸出下降至斜坡率請求以下。結(jié)果，在一分鐘持續(xù)時間上的算術(shù)和是零。然而，雖然這種方案提供與斜坡率請求相符的“平均”斜坡率，但風(fēng)力農(nóng)場功率仍超過此時間幀期間的最大可允許工廠輸出功率，并且因而未能滿足電網(wǎng)運營商對于輸出在功率方面不從在“η”秒之前測量的輸出變化多于某個+/-改變的要求。
[0007]這種方案的某些缺點包括:在短時間段內(nèi)可能超過斜坡率限制；由于功率是由渦輪機斜坡率而不是渦輪機功率設(shè)定點所控制的事實而引起的非最優(yōu)功率產(chǎn)生；以及最終該控制需要風(fēng)力渦輪機中的斜坡率控制。
[0008]鑒于風(fēng)力中使得輸出功率變化超過規(guī)定限制的這些變化以及先前嘗試的不足，在本領(lǐng)域中需要一種用以限制輸出功率以遵照傳輸系統(tǒng)/公用電網(wǎng)運營商的要求的系統(tǒng)和方法。在本領(lǐng)域中此外需要提供一種控制機制，其執(zhí)行輸出控制功能以定界風(fēng)力場輸出中的變化以遵照傳輸系統(tǒng)/公用電網(wǎng)運營商的要求。在本領(lǐng)域中此外需要一種用以維持頻率和負載生成平衡的系統(tǒng)和方法。
[0009]本發(fā)明被設(shè)計以解決這些需要。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]在以下描述中鑒于附圖來解釋本發(fā)明，所述附圖示出:
圖1是描繪典型組裝的風(fēng)力渦輪機的示意圖。
[0011]圖2是能夠從本發(fā)明的各方面受益的發(fā)電系統(tǒng)(例如，風(fēng)力農(nóng)場)的示例實施例的示意圖。
[0012]圖3是描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的各方面的用于在渦輪機層級的斜坡率控制的控制機制的框圖。
[0013]圖4是示出了本發(fā)明的實施例的操作的流程圖。
[0014]圖5是示出了本發(fā)明的實施例的控制方案的結(jié)果的圖解說明。

【具體實施方式】
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例，在本文中描述了有助于限制發(fā)電系統(tǒng)中的輸出變化中的改進的結(jié)構(gòu)布置和/或技術(shù)。在以下詳細描述中，闡述了各種特定細節(jié)以便提供對此類實施例的透徹理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到，可以在沒有這些特定細節(jié)的情況下實施本發(fā)明的實施例，本發(fā)明不限于所描繪的實施例，并且本發(fā)明可以實施在各種可替換實施例中。在其它情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會很好地理解的方法、過程以及部件沒有被詳細描述以避免不必要且累贅的解釋。
[0016]此外，各種操作可以被描述為以對于理解本發(fā)明的實施例有幫助的方式所執(zhí)行的多個離散步驟。然而，描述的順序不應(yīng)當(dāng)被解釋成意味著這些操作需要按照它們被呈現(xiàn)的順序來執(zhí)行，它們甚至也不是順序相關(guān)的。此外，短語“在一個實施例中”的重復(fù)使用不一定指代相同實施例，雖然其可以。最后，如在本申請中所示用，術(shù)語“包括”、“包含”、“具有”等意圖是同義的，除非另外指明。
[0017]廣義地說，本發(fā)明提供用于限制諸如風(fēng)力場之類的可再生能量裝置中的速率變化的方法、系統(tǒng)、裝置以及非暫時性有形計算機可讀介質(zhì)。本發(fā)明的實施例提供了一種控制機制/方案，其執(zhí)行輸出控制功能以定界風(fēng)力場輸出中的變化來遵照功率輸出要求，諸如由傳輸系統(tǒng)/公用電網(wǎng)運營商的要求所規(guī)定的那些。
[0018]本發(fā)明能夠以許多方式來實現(xiàn)，包括作為系統(tǒng)、可再生能量布置、設(shè)備/裝置、計算機實現(xiàn)的方法或包含用以實現(xiàn)該方法的指令的非暫時性計算機可讀介質(zhì)。作為系統(tǒng)，本發(fā)明的實施例包括存儲器、輸入/輸出設(shè)備、處理器單元、通信裝置以及可選的顯示設(shè)備和/或可選的數(shù)據(jù)庫。本發(fā)明的方法可以實現(xiàn)為具有非暫時性計算機可讀介質(zhì)的計算機程序產(chǎn)品，所述非暫時性計算機可讀介質(zhì)其上具有代碼。作為裝置，本發(fā)明可以包括根據(jù)本發(fā)明的步驟被編程和/或進行操作的電子設(shè)備。
[0019]在本發(fā)明的實施例中，所述方法被用于通過使用所監(jiān)視的功率信號來控制多個發(fā)電機(例如，風(fēng)力渦輪機)的輸出功率而控制來自可再生能量裝置的輸出功率。所述控制過程包括經(jīng)由控制器來處理所監(jiān)視的功率信號以產(chǎn)生輸出信號；經(jīng)由限制器將輸出信號約束于上限，其中，所述上限包括對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定上界；以及將受約束的輸出信號應(yīng)用于所述多個發(fā)電機以根據(jù)預(yù)定界限來限制每單位時間的輸出功率變化。
[0020]在另外的實施例中，處理所監(jiān)視的功率信號包括基于對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定界限相對于在較早單位時間處所測量的輸出功率來確定調(diào)度功率(schedulepower);從調(diào)度功率與所測量功率之間的差異來計算誤差信號；以及經(jīng)由控制器的控制算法來處理誤差信號以產(chǎn)生輸出信號。通過從一個或多個傳感器接收一個或多個功率信號來監(jiān)視可再生能量裝置的功率信號。包括有功功率設(shè)定點的控制信號被輸出以控制可再生能量裝置中的一個或多個單獨發(fā)電機的一個或多個操作參數(shù)?？梢岳弥醒肟刂破?，其可操作用以監(jiān)視和控制所述多個發(fā)電機的共同功率輸出。中央控制器還可以用于控制可再生能量裝置的能量存儲系統(tǒng)。
[0021]一般地，對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定界限由公用電網(wǎng)或接收輸出功率的其它應(yīng)用來規(guī)定。所述預(yù)定界限能夠作為這樣的界限來傳送:即所述界限的輸出可能不從在指定的較早單位時間處所測量的輸出功率變化多于指定的輸出功率改變。
[0022]在另外的實施例中，經(jīng)由有功功率控制來處理所監(jiān)視的功率信號,所述有功功率控制經(jīng)由控制器的控制算法而將比例、積分和導(dǎo)數(shù)值中的一個或多個應(yīng)用于輸入信號以產(chǎn)生輸出信號。其后，控制器的輸出信號經(jīng)由限制器被約束于下限，其中，所述下限是對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定下界。例如，當(dāng)輸出信號保持于或低于上界時，限制器的受約束的輸出信號基本上等于輸出信號，并且當(dāng)輸出信號超過上界時，限制器的受約束的輸出信號基本上是恒定的，并且被約束于上界值。
[0023]一般地，在操作中，所述方法和系統(tǒng)使用控制機制來遵照電力公司要求以保持在某些規(guī)定界限內(nèi)，所述規(guī)定界限表示在每個較早時間步中記錄的輸出的以MW的+/-改變。以這種方式，控制機制將通過向風(fēng)力渦輪機發(fā)送遵照公用設(shè)備的要求的有功功率設(shè)定點而在每個時間步中限制輸出功率變化率以遵照公用設(shè)備的要求。
[0024]以常規(guī)方式，如圖1中所示，組裝的風(fēng)力渦輪機I包括塔2、吊艙3和包括具有轉(zhuǎn)子葉片5的輪轂4的轉(zhuǎn)子。吊艙3環(huán)繞偏航(yawing)軸(未示出)而可旋轉(zhuǎn)地安裝在塔2上。偏航控制發(fā)動機(未示出)位于塔2與吊艙3之間以基于風(fēng)向來使吊艙偏航。典型地通過使用風(fēng)向標(biāo)或者通過使用聲波風(fēng)傳感器(未示出)來測量風(fēng)向。為了實現(xiàn)風(fēng)力到電力的最優(yōu)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)子軸與風(fēng)向?qū)?zhǔn)。
[0025]圖2是發(fā)電系統(tǒng)的示例實施例的示意圖，諸如具有可以受益于本發(fā)明的各方面的多個風(fēng)力渦輪機的風(fēng)力農(nóng)場10。在該示例實施例中,風(fēng)力農(nóng)場10包括三個風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)12、14、16 (在下文中稱為風(fēng)力渦輪機)，其在示例互連布置中被耦合到相應(yīng)的發(fā)電機和相關(guān)聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換電子器件/變壓器。
[0026]將意識到的是，風(fēng)力渦輪機的數(shù)目不以任何方式局限于三個風(fēng)力渦輪機。另外，本發(fā)明的各方面不限于圖2中所示的風(fēng)力渦輪機實施方式的特定示例，因為其它種類的實施方式對于風(fēng)力渦輪機是可能的。例如，除圖2所示的齒輪傳動全轉(zhuǎn)換器實施方式以外，DFIG(雙饋感應(yīng)發(fā)電機)和DD (直接驅(qū)動)風(fēng)力渦輪機實施方式能夠類似地受益于本發(fā)明的各方面。此外，本發(fā)明的各方面不限于位于任何特定區(qū)域中的風(fēng)力渦輪機，并且能夠在全世界基礎(chǔ)上應(yīng)用。
[0027]具體地，如圖2中所示，每個風(fēng)力渦輪機12、14、16包括具有將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩傳送到相應(yīng)齒輪箱(gear box)(未示出)的轉(zhuǎn)子軸的相應(yīng)轉(zhuǎn)子。齒輪箱被布置成以某個齒輪t:匕(gear rat1)將來自轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)傳送到輸出軸。每個輸出軸被機械地I禹合到AC (交流電)發(fā)電機(GEN)的相應(yīng)轉(zhuǎn)子，其分別將由輸出軸的旋轉(zhuǎn)所提供的機械功率變換成電功率。由發(fā)電機(GEN)產(chǎn)生的電功率可以由其后被耦合到配電網(wǎng)50的渦輪變壓器(TRANSF)在電壓上逐步增加。作為示例，AC發(fā)電機可以是同步發(fā)電機。在同步發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子以與由發(fā)電機的定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相同的旋轉(zhuǎn)頻率或以與旋轉(zhuǎn)磁場的頻率的整數(shù)關(guān)系旋轉(zhuǎn)，這取決于存在于轉(zhuǎn)子中的極數(shù)。發(fā)電機(GEN)是可變速度發(fā)電機，即允許相應(yīng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度例如取決于風(fēng)況而變化。
[0028]饋電器可以被用于耦合風(fēng)力渦輪機的功率輸出以用于供應(yīng)給配電網(wǎng)50。在典型應(yīng)用中，配電網(wǎng)50耦合來自多個饋電器(未示出)的功率，每個饋電器耦合多個風(fēng)力渦輪機
12、14、16的功率輸出。廠用變壓器(stat1n transformer) 54可以被用于使來自配電網(wǎng)50的功率的電壓逐步增加至由公用設(shè)備(utility) 56所要求的傳輸電壓。
[0029]在所說明的實施例中，風(fēng)力農(nóng)場10包括風(fēng)力農(nóng)場控制系統(tǒng)60，其包括控制器，諸如中央控制器62和傳感器64。在所說明的實施例中，風(fēng)力農(nóng)場控制系統(tǒng)60可操作用以通過使用輸出控制功能來監(jiān)視和控制風(fēng)力農(nóng)場10以定界風(fēng)力農(nóng)場輸出中的變化以遵照傳輸系統(tǒng)/公用電網(wǎng)運營商的要求。風(fēng)力農(nóng)場控制系統(tǒng)60此外包括傳感器64，諸如功率、電壓和/或電流傳感器，其被配置成感測風(fēng)力農(nóng)場10的單獨和/或共同功率輸出。傳感器64可以被耦合到廠用變壓器54 (如圖2中所圖示)的輸出端或耦合到配電網(wǎng)50中適當(dāng)點或者如在本領(lǐng)域中已知的別處以提供適當(dāng)監(jiān)視。
[0030]具體地，風(fēng)力農(nóng)場控制系統(tǒng)60可操作用以基于每單位時間的所監(jiān)視信號(例如，使用適當(dāng)傳感器64)和由公用設(shè)備56規(guī)定的輸出改變的限制來生成控制信號66，例如功率輸出變化控制信號?？刂葡到y(tǒng)60經(jīng)由通信鏈路68將此類控制信號66傳輸?shù)斤L(fēng)力農(nóng)場10的一個或多個風(fēng)力渦輪機12、14、16以通過控制一個或多個單獨風(fēng)力渦輪機12、14、16的一個或多個操作參數(shù)來控制輸出的改變率。
[0031]單獨渦輪機與控制機構(gòu)60之間的經(jīng)由通信裝置的數(shù)據(jù)通信可以用硬件和/或軟件、經(jīng)由有線或無線鏈路來實現(xiàn)。此類數(shù)據(jù)通信可以包括例如指示風(fēng)力渦輪機12、14、16的操作條件/狀態(tài)的被傳輸?shù)街醒肟刂破?2的信號以及由中央控制器62傳送至單獨風(fēng)力渦輪機12、14、16的控制信號。中央控制器62此外可以與配電網(wǎng)50進行通信，并且可以可操作用以控制網(wǎng)絡(luò)50中的各種開關(guān)設(shè)備，使得將風(fēng)力農(nóng)場10的功率輸出控制在由電網(wǎng)運營商規(guī)定的規(guī)格內(nèi)。如本領(lǐng)域中已知的，可以提供附加的信號和控制通信鏈路。
[0032]控制系統(tǒng)60可以包括可操作用以監(jiān)視和控制風(fēng)力農(nóng)場中的多個風(fēng)力渦輪機的共同功率輸出的中央控制器62 (如圖2中所示)，或者可操作用以監(jiān)視和控制風(fēng)力農(nóng)場中多個風(fēng)力渦輪機的單獨功率輸出的一個或多個適當(dāng)?shù)膯为毧刂破?未示出)。
[0033]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的各方面的用于將輸出限制于某些約定界限內(nèi)的變化控制的控制方案70。控制方案70可操作用以基于每單位時間的所監(jiān)視信號與由公用設(shè)備56規(guī)定的輸出改變的限制來生成控制信號66，例如功率輸出率限制信號。公用設(shè)備可以規(guī)定例如農(nóng)場的功率輸出可以不從在“η”秒之前測量的輸出變化多于Δ P，甚至當(dāng)可用功率大于所規(guī)定的時。為了遵照此要求，控制方案可操作用以通過控制一個或多個單獨風(fēng)力渦輪機的一個或多個操作參數(shù)來控制輸出的改變率。
[0034]在圖3的該特定圖解中，將調(diào)度功率假設(shè)為是最大值的最可能情況，其是在求和結(jié)點72處獲得的“Pt_n + ΔΡ”，其中，“Pt_n”表示在“η”秒之前的時間處的功率且“ΔΡ”表示對于其而言農(nóng)場的功率輸出可以不變化的最大規(guī)定變化或界限。然而，可以選擇范圍“Pt_n+/- Δ P”內(nèi)的任何值。在差結(jié)點74處將調(diào)度功率Pt_n + Δ P與測量的功率Pnreas (由功率傳感器64所感測)相比較，其輸出(誤差e)被輸入到控制器76以用于有功功率控制?？刂破?6使用諸如比例、積分和導(dǎo)數(shù)值之類的值來處理誤差e，其被總計以計算控制器的輸出?，如在本領(lǐng)域中已知的?？刂破?6可以包括PID、P1、PD、P或I控制器，如由具有用于期望的控制響應(yīng)的適當(dāng)調(diào)諧的特定要求所規(guī)定的。控制器76可以用可編程邏輯控制器(PLC)、數(shù)字控制器來實現(xiàn)或者被實現(xiàn)為經(jīng)由特定控制算法的軟件實施方式。
[0035]為了將控制器輸出《限制于根據(jù)本發(fā)明的實施例的各方面的某些約定界限內(nèi)，在控制器76的輸出端處提供經(jīng)由硬件和/或軟件所實現(xiàn)的限制器78。限制器78可操作用以將控制器的輸出I#限制于在“Pt_n +/- Δ P”范圍中的某些約定界限內(nèi)，其中，“Pt_n + ΔΡ”表示上界且“Pt_n - ΔΡ”表示下界。如果下界不被請求或需要，則限制器78可以被設(shè)計成僅提供上界，例如“Pt-n + ΔΡ”。通過將控制器的輸出u定界于“Pt_n +/- ΔΡ”的范圍之間，超過這些界限的來自控制器的輸出》中的變化將被約束于由公用電網(wǎng)所規(guī)定的界限。范圍Pt_n+/- ΔΡ可以被視為最大范圍，并且如由特定要求所規(guī)定的可以選擇該范圍中的任何值。
[0036]限制器78被配置成使得通過由限制器78的上界所定義的最大值(和可選地最小值)來限制限制器78的輸出信號Pwt。在操作中，限制器78的輸出Ptjut等于作為到限制器78的輸入的控制器的輸出U (Pout = ?)直至輸入超過上界為止，在該情況下限制器78的輸出信號Pwt基本上是恒定的，并被約束于上屆值，例如Pwt = Pt-n + ΔΡ?？梢杂孟嗤姆绞絹砑s束處于下界的輸出信號Ptjut, Pout = Pt_n_ Δ P。
[0037]通過在控制器76之后放置限制器78，控制機制將為每個時間步(例如，每秒)限制輸出功率變化率以遵照公用設(shè)備的要求。限制器78的輸出信號Ptjut被傳送至風(fēng)力渦輪機以用于控制。然后基于該控制信號來計算設(shè)定點。通過為每個渦輪機提供功率設(shè)定點，農(nóng)場中的渦輪機于是能夠使用其本地風(fēng)力渦輪機控制器來跟蹤該功率設(shè)定點并激活對應(yīng)的節(jié)距控制(pitch control)等?？梢越?jīng)由圖2的中央控制器62或者經(jīng)由單獨控制器或分布式控制器來實現(xiàn)圖3中的控制方案。
[0038]廣義地說，在操作中，來自風(fēng)能裝置(風(fēng)力場/農(nóng)場)的輸出功率被控制以通過經(jīng)由限制器將控制器的輸出信號約束于上限和/或下限來滿足對于每單位時間的輸出功率變化具有預(yù)定界限的電網(wǎng)運營商的要求，其中，上限和/或下限包括對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定上界和/或下界。受約束的輸出信號然后被應(yīng)用于所述多個風(fēng)力渦輪機發(fā)電機以根據(jù)預(yù)定界限來限制每單位時間的輸出功率變化。在輸入到控制器中之前，基于對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定界限與在較早單位時間處所測量的輸出功率來確定調(diào)度功率。從調(diào)度功率與測量的功率之間的差異來計算誤差信號，并經(jīng)由控制器的控制算法來處理誤差信號。
[0039]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4，示出了本發(fā)明的實施例的操作的流程圖100被示出。如第一步驟110，由公用設(shè)備所規(guī)定的輸出改變的限制ΔΡ和在“η”秒之前的時間處的功率Pt_n作為輸入被接收以計算調(diào)度功率Pt-n + ΔΡ。接下來，在步驟112處，從調(diào)度功率Pt_n + ΔΡ與測量的功率P_s (由功率傳感器所感測)的差異來計算誤差e。該誤差e在步驟114處被輸入到控制器(例如，P-1控制器)以產(chǎn)生控制輸出信號w其后，控制輸出信號。在步驟116處被輸入到限制器中以應(yīng)用將限制器的輸出信號Ptjut約束于P-zPh +/_ ΔΡ的限制，其中，當(dāng)控制輸出信號《落在Pt-n +/- ΔΡ之間時，Pwt=?,否則Pwt在適當(dāng)時被約束于上限或下限Pout = Pt-n +/- ΔΡ。為每個單位時間重復(fù)該控制方案，使得農(nóng)場的功率輸出將不從在“η”秒之前測量的輸出變化多于Δ P。
[0040]圖5是示出了本發(fā)明的實施例的在每個時間步中限制輸出功率變化率的結(jié)果的圖解說明。如其中所示，風(fēng)力農(nóng)場的功率輸出在任何時間都不從在“η”秒之前測量的輸出變化多于Δ P，從而將輸出功率變化保持在指定水平內(nèi)。
[0041]以下是用以說明本發(fā)明的操作的示例場景。在本示例中，電力系統(tǒng)運營商可以要求來自風(fēng)電廠的功率輸出增加不多于2 MW/分鐘，無論風(fēng)況如何。此要求意味著如果輸出在t = O秒處是20麗，則t = 60秒處的輸出不應(yīng)超過22麗。并且如果在t = 2秒處的輸出是21 MW，則在t = 62秒處的輸出不超過23 MW等。檢查可以是例如每一秒或兩秒。對于該所請求的限制的原因是較快的輸出增加率可能引起系統(tǒng)使關(guān)于其能夠多快速地斜降(ramp down)具有限制的某些本地發(fā)電機跳閘(trip)。
[0042]一般地，提供有功功率控制(例如，P-1控制)，其嘗試使功率量最大化或?qū)⑵浔３钟谡{(diào)度(P=常數(shù))?？刂频腜 (比例)部分嘗試改變功率輸出以利用設(shè)定點功率來使瞬時誤差最小化，并且控制的I (積分)部分嘗試使隨時間的平均誤差最小化。由于來自風(fēng)力渦輪機的無約束功率輸出作為風(fēng)速的立方而變化，所以即使相對小的陣風(fēng)也能夠引起輸出功率的大變化?？刂频姆e分部分在一定程度上使這些變化平滑，但是如果存在風(fēng)速的短期降低，則積分部分將實際上補充比例部分以增加功率輸出。因而，后面是陣風(fēng)的平靜可能導(dǎo)致輸出功率按甚至多于風(fēng)速的立方而增加。如果風(fēng)力場正例如在7 m/s下生產(chǎn)20MW且風(fēng)速下落至6 m/s達10秒，則輸出功率將會在接下來的10秒內(nèi)下落幾乎40%至12.5MW。如果風(fēng)速隨后增加至8 m/s達10秒，則功率輸出將會跳躍至幾乎30 MW。如果風(fēng)力場堅持所調(diào)度的20麗，則控制的P部分將嘗試降低在20 ■以上的增加，但是I部分將嘗試使降低的輸出達到平均數(shù)，因此其將嘗試迫使風(fēng)力場輸出很好地達到20 MW以上。如果風(fēng)力場是無約束的(即，嘗試達到最大功率，其可以是比方說50 MW),則P和I將一起工作以嘗試在風(fēng)速增加時使輸出功率最大化。
[0043]為了解決該問題，本控制方案將允許功率增加，但是以不超過由電網(wǎng)運營商所強加的限制的速率。通過在P-1控制器之后放置限制器，輸出被限制于受約束的量(或更少)，無論有功功率控制告訴渦輪機做什么。
[0044]因此，本發(fā)明的優(yōu)點是控制機制/方案將使來自風(fēng)力場的能量生產(chǎn)最大化，而同時將輸出功率變化保持在指定水平內(nèi)。在如同夏威夷的高陣風(fēng)區(qū)域中的特定優(yōu)點是能夠使用該控制機制來遵照電力公司要求以保持于在每個較早時間步中記錄的輸出的以MW的某個規(guī)定+/_改變內(nèi)。
[0045]基于前述說明書，除了風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)之外，還可以使用具有可變輸出的各種可再生能量系統(tǒng)/裝置(例如，從作為能量源的日光、雨、潮汐、波浪和/或地?zé)岬玫侥芰康陌l(fā)電機)來實現(xiàn)本發(fā)明。這些系統(tǒng)可以被連接到負載、公用電網(wǎng)或能量存儲設(shè)備或其組合。這些系統(tǒng)還可以被用在包括分布式發(fā)電、混合電力系統(tǒng)、離岸風(fēng)能、嚴峻氣候中的裝置、專用應(yīng)用(泵浦、加熱等)、能量存儲以及燃料生產(chǎn)的情形中。關(guān)于能量存儲應(yīng)用，能量存儲設(shè)備可以包括具有取決于系統(tǒng)要求的存儲容量的任何所期望的存儲設(shè)備(例如，電池、泵浦水電站、燃料電池、飛輪、壓縮空氣或其組合)。適當(dāng)?shù)目刂圃O(shè)備可以向能量存儲設(shè)備以及系統(tǒng)的其它部件提供命令。
[0046]此外，可以使用包括計算機軟件、固件、硬件或其任何組合或子集的計算機編程或工程技術(shù)而在計算機或(多個)計算/處理設(shè)備上實現(xiàn)本發(fā)明。其上具有計算機可讀代碼的任何此類作為結(jié)果的程序可以被具體化或提供在一個或多個非暫時性計算機可讀介質(zhì)內(nèi)，從而制成根據(jù)本發(fā)明的計算機程序產(chǎn)品，即制品。計算機可讀介質(zhì)可以是例如固定(硬)驅(qū)動、軟盤、光盤、磁帶、諸如只讀存儲器(ROM)之類的半導(dǎo)體存儲器等。
[0047]計算機科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地能夠?qū)⑷缢鏊鶆?chuàng)建的程序代碼與適當(dāng)?shù)耐ㄓ没驅(qū)Ｓ糜嬎銠C硬件相組合以創(chuàng)建具體化本發(fā)明的方法的計算機系統(tǒng)或計算機子系統(tǒng)處理設(shè)備。用于制成、使用或銷售本發(fā)明的裝置可以是一個或多個處理系統(tǒng)，包括但不限于傳感器、中央處理單元(CPU)、處理器、存儲器、存儲設(shè)備、通信鏈路和設(shè)備、服務(wù)器、I/O設(shè)備或者一個或多個處理系統(tǒng)的任何子部件，包括具體化本發(fā)明的軟件、固件、硬件或其任何組合或子集?？梢詮逆I盤、鼠標(biāo)、筆、語音、觸摸屏或人能夠通過其向計算機中輸入數(shù)據(jù)的任何其它手段(包括通過諸如應(yīng)用程序之類的其它程序)而接收用戶輸入?？梢詮亩鄠€傳感器或與之有線或無線地進行通信的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備中的任何一個接收數(shù)據(jù)輸入。輸出端可以包括計算機監(jiān)視器、電視、LCD、LED或用以向用戶傳達信息的任何其它手段。輸出端此外可以包括適合于控制與之有線或無線地進行通信的諸如風(fēng)力渦輪機之類的外部設(shè)備的數(shù)據(jù)。
[0048]雖然在本文中已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的各種實施例，但將顯而易見的是此類實施例僅僅是作為示例被提供的。在不脫離本文中發(fā)明的情況下，可以進行許多變型、改變和替換。因此，意圖在于僅僅由所附權(quán)利要求的精神和范圍來限制本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種用于控制來自可再生能量裝置的輸出功率的方法，包括: 使用所監(jiān)視的功率信號來控制多個發(fā)電機的輸出功率，其中，控制包括 Ca)處理所監(jiān)視的功率信號以產(chǎn)生輸出信號； (b)經(jīng)由限制器將輸出信號約束于上限， 其中，所述上限包括對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定上界； (c)將受約束的輸出信號應(yīng)用于所述多個發(fā)電機以根據(jù)預(yù)定界限來限制每單位時間的輸出功率變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，處理所監(jiān)視的功率信號包括: 基于對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定界限相對于在較早單位時間處測量的輸出功率來確定調(diào)度功率； 從調(diào)度功率與測量的功率之間的差異來計算誤差信號；以及 經(jīng)由控制器的控制算法來處理誤差信號以產(chǎn)生輸出信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，此外包括通過從一個或多個傳感器接收一個或多個功率信號來監(jiān)視可再生能量裝置的功率信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所約束的輸出信號應(yīng)用于所述多個發(fā)電機包括傳送包括有功功率設(shè)定點的控制信號以控制可再生能量裝置中的一個或多個單獨發(fā)電機的一個或多個操作參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，控制多個發(fā)電機的輸出功率包括經(jīng)由中央控制器來進行控制，所述中央控制器可操作用以監(jiān)視和控制可再生能量裝置中的所述多個發(fā)電機的共同功率輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，此外包括接收由公用電網(wǎng)規(guī)定的對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定界限。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述預(yù)定界限作為這樣的界限被傳送:即所述界限的輸出可以不從在指定的較早單位時間處測量的輸出功率變化多于指定的輸出功率改變。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，處理所監(jiān)視的功率信號包括有功功率控制，所述有功功率控制經(jīng)由控制器的控制算法將比例、積分和導(dǎo)數(shù)值中的一個或多個應(yīng)用于輸入信號以產(chǎn)生輸出信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，此外包括經(jīng)由限制器將控制器的輸出信號約束于下限，其中，所述下限包括對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定下界。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，約束輸出信號包括: 當(dāng)輸出信號保持于或低于上界時，限制器的受約束的輸出信號等于輸出信號，以及 當(dāng)輸出信號超過上界時，限制器的受約束的輸出信號是基本上恒定的，并被約束于上界值。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)電機包括風(fēng)力渦輪機。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，此外包括經(jīng)由中央控制器來控制可再生能量裝置的能量存儲系統(tǒng)。
13.一種用于控制來自可再生能量裝置的輸出功率的系統(tǒng)，包括 控制設(shè)備，其用于使用所監(jiān)視的功率信號來控制多個發(fā)電機的輸出功率，其中，所述控制設(shè)備包括: (a)控制器，其處理所監(jiān)視的功率信號以產(chǎn)生輸出信號； (b)限制器，其將控制器的輸出信號約束于上限，其中，所述上限包括對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定上界， 其中，所述控制設(shè)備將受約束的輸出信號傳輸?shù)剿龆鄠€發(fā)電機以根據(jù)預(yù)定界限來限制每單位時間的輸出功率變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，處理功率信號的控制器被配置成: 基于對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定界限相對于在較早單位時間處測量的輸出功率來確定調(diào)度功率； 從調(diào)度功率與測量的功率之間的差異來計算誤差信號；以及 經(jīng)由控制器的控制算法來處理誤差信號以產(chǎn)生輸出信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，此外包括用于通過接收一個或多個功率信號來監(jiān)視可再生能量裝置的功率信號的一個或多個傳感器。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，受約束的輸出信號包括有功功率設(shè)定點，其適合于控制可再生能量裝置中一個或多個單獨發(fā)電機的一個或多個操作參數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述控制設(shè)備包括中央控制器，所述中央控制器可操作用以監(jiān)視和控制可再生能量裝置中的所述多個發(fā)電機的共同功率輸出。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，此外包括用于存儲由公用電網(wǎng)規(guī)定的對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定界限的存儲器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述預(yù)定界限包括這樣的界限:即所述界限的輸出可以不從在指定的較早單位時間處測量的輸出功率變化多于指定的輸出功率改變。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器被適配成經(jīng)由控制算法來提供有功功率控制，所述控制算法包括被應(yīng)用于輸入信號以產(chǎn)生輸出信號的比例、積分和導(dǎo)數(shù)值中的一個或多個。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，此外包括經(jīng)由限制器將控制器的輸出信號約束于下限，其中，所述下限包括對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定下界。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，約束輸出信號包括: 當(dāng)輸出信號保持于或低于上界時，限制器的受約束的輸出信號等于輸出信號，以及 當(dāng)輸出信號超過上界時，限制器的受約束的輸出信號是基本上恒定的，并被約束于上界值。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)電機包括風(fēng)力渦輪機。
24.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述控制設(shè)備此外可操作用以監(jiān)視和控制可再生能量裝置的能量存儲系統(tǒng)。
25.一種包含指令的非暫時性計算機可讀介質(zhì)，所述指令在由處理器執(zhí)行時執(zhí)行用于控制來自可再生能量裝置的輸出功率的動作，包括指令用于: 使用所監(jiān)視的功率信號來控制多個發(fā)電機的輸出功率，其中，所述控制包括: (a)處理所監(jiān)視的功率信號以產(chǎn)生輸出信號； (b)經(jīng)由限制器將控制器的輸出信號約束于上限，其中，所述上限包括對于每單位時間的輸出功率變化的預(yù)定上界； (C)將受約束的輸出信號應(yīng)用于所述多個發(fā)電機以根據(jù)預(yù)定界限來限制每單位時間的輸出功率變化。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的非暫時性計算機可讀介質(zhì)，其中，所述多個發(fā)電機包括風(fēng)力渦輪機。
【文檔編號】F03D7/04GK104214046SQ201410229689
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月28日
【發(fā)明者】N.M.雅茲吉, R.J.尼爾森馬洪濤, W.F.克拉克 申請人:西門子公司