用于提供電網(wǎng)輔助服務的發(fā)電廠和能量存儲系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及發(fā)電，并且更具體地涉及用于優(yōu)化由包括發(fā)電裝置和能量存儲 設備的發(fā)電廠所產(chǎn)生的功率輸出的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 風力發(fā)電廠、或風電場包括共同用作產(chǎn)生功率輸出至電網(wǎng)的發(fā)電廠的一組風力渦 輪機。風力渦輪機可以用于在不需要化石燃料的情況下產(chǎn)生電能。通常，風力渦輪機是將 風的動能轉(zhuǎn)換成機械能并隨后將機械能轉(zhuǎn)換成電能的旋轉(zhuǎn)機器。
[0003] 風力發(fā)電廠還可以包括能量存儲設備，例如一個或多個可再充電的電池或飛輪， 它們同樣被連接至電網(wǎng)并且可以幫助滿足對由發(fā)電廠進行的電力生產(chǎn)的要求。當能量需求 到達頂峰時，風力發(fā)電廠的風力渦輪機將使能量直接匯入（sink)電網(wǎng)中。當能量需求減少 時，可以將來自風力渦輪機的過剩能量存儲在能量存儲設備中，并且稍后根據(jù)需求向電網(wǎng) 放電，以減輕發(fā)電廠的輸出需求中的任何逆差。
[0004] 常規(guī)方法是要獨立于能量存儲操作條件而決定風力渦輪機的控制動作。即，不考 慮能量存儲條件，例如充電狀態(tài)、剩余使用壽命等，常規(guī)風力發(fā)電廠和風力渦輪機控制被設 計為：只要渦輪機部件上的壓力是可接受的，就從風中盡可能多地采集能量。根據(jù)該常規(guī)方 法，能量存儲設備的出現(xiàn)不會對風力渦輪機的控制決定有任何直接影響。能量存儲設備的 充電和放電僅在決定風力渦輪機的控制動作之后實施。
[0005] 穩(wěn)定性是反作用力之間的平衡的狀況?；ミB的同步機器彼此保持同步所使用的機 制是貫穿恢復力（throughrestoringforce)，其在存在趨向于使一個或多個機器相對于 其它機器加速或減速的力時起作用。在穩(wěn)態(tài)狀況下，在每個機器的輸入機械轉(zhuǎn)矩與輸出電 轉(zhuǎn)矩之間存在平衡，并且速度保持不變。如果系統(tǒng)被擾亂，則該平衡被破壞，根據(jù)旋轉(zhuǎn)體的 運動規(guī)律，這導致機器的轉(zhuǎn)子的加速或減速。對于具有由風力渦輪發(fā)電機或其它可再生電 源產(chǎn)生的大功率穿透的電力系統(tǒng)，存在對于提供風力發(fā)電廠的性能的不斷增長的需求，因 此該風力發(fā)電廠像具有同步機器的正規(guī)的常規(guī)發(fā)電廠一樣運行。這種發(fā)電廠在本申請中被 稱為虛擬發(fā)電廠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 提供該
【發(fā)明內(nèi)容】
來以簡單的形式介紹以下【具體實施方式】中將進一步描述的概念 的選擇。該
【發(fā)明內(nèi)容】
并不是要識別所要求保護的主題內(nèi)容的關(guān)鍵特征或基本特征，也不是 要用于幫助確定所要求保護的主題內(nèi)容的范圍。
[0007] 根據(jù)常規(guī)方法，不一定從發(fā)電廠的整體角度對操作控制進行優(yōu)化；即，從風力發(fā)電 廠和能量存儲器作為系統(tǒng)的角度對操作控制進行優(yōu)化。例如，缺乏經(jīng)協(xié)調(diào)的控制動作可能 導致能量存儲設備的壽命和/或風力渦輪機的壽命的不必要的消耗。作為另一個示例，可 以在優(yōu)選的操作參數(shù)（電流、電壓、溫度等）的范圍之外操作能量存儲設備，這帶來非常低 的效率。作為又一個示例，缺乏經(jīng)協(xié)調(diào)的控制動作可能以不必要的大驅(qū)動器速率產(chǎn)生改變 成例如轉(zhuǎn)子槳距的風力渦輪機操作。作為又一個示例，當陣風沖擊渦輪機時，可以使用能量 存儲設備來吸收或釋放功率，并且因此減小了在其它情況下被傳遞到電網(wǎng)的功率振蕩。通 過在不需要直接確認能量存儲設備的狀況的情況下操作風力渦輪機，系統(tǒng)級的目標通常未 被優(yōu)化。
[0008] 對電力系統(tǒng)中的輔助服務的需求隨著風電穿透功率的增長而增大，因為風電引入 了由其自然變化而產(chǎn)生的平衡問題（除了別的以外）并且風力渦輪機技術(shù)不會自然地表現(xiàn) 得像同步機器。另外，隨著風電穿透功率的增大，已停止使用的常規(guī)發(fā)電廠未被替換，這進 一步降低了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制能力。
[0009] 具有大量可再生發(fā)電的電力系統(tǒng)必須解決未來的輔助服務源一一電力系統(tǒng)穩(wěn)定 特征--因為預計僅作為運轉(zhuǎn)儲備（spinningreserve)來操作不可再生發(fā)電是極為昂貴 的。
[0010] 在所有問題中，現(xiàn)有技術(shù)中的已知問題是，電網(wǎng)和風力渦輪機機械結(jié)構(gòu)（即，塔 架、葉片、傳動系統(tǒng)）的特征頻率通常在同一范圍內(nèi)，風力渦輪機的有功功率的調(diào)制可能在 其機械結(jié)構(gòu)與來自風力渦輪發(fā)電機控制器的要求功率之間產(chǎn)生不利的相互作用。
[0011] 在一方面，本發(fā)明涉及用于操作發(fā)電廠的方法，所述發(fā)電廠包括被布置用于向電 網(wǎng)供電的至少一個風力渦輪發(fā)電機、被布置用于向電網(wǎng)供電的至少一個能量存儲設備、以 及發(fā)電廠控制器，所述方法包括：
[0012] -對來自電網(wǎng)的至少一個電氣參數(shù)的測量組進行反復測量；
[0013] -針對至少一個電氣參數(shù)的測量組，對公共耦合點處的有功功率的變化和/或無 功功率的所需變化進行計算；
[0014] -對用于至少一個風力渦輪發(fā)電機的第一控制參考信號和用于至少一個能量存儲 設備的第二控制參考信號進行計算和調(diào)度，用以向電網(wǎng)提供輔助服務功能。
[0015] 第一方面的優(yōu)點主要在于，提供了發(fā)電廠以將功率輸出至與電網(wǎng)的公共連接點。 發(fā)電廠包括具有被配置為產(chǎn)生功率的第一部分并將其輸出至公共連接點的多個風力渦輪 機的風力發(fā)電廠。發(fā)電廠還包括具有被配置為將功率的第二部分輸出至公共連接點的能量 存儲設備的能量存儲系統(tǒng)。在此重要的是要強調(diào)所提供的優(yōu)點是對有用資源的"組合"響 應的結(jié)果，即，以"組合"響應提供效果的方式來產(chǎn)生第一控制參考和第二控制參考。
[0016] 監(jiān)視控制器被耦合成與能量存儲系統(tǒng)進行通信并且與風力發(fā)電廠進行通信。監(jiān)視 控制器被配置為實施控制算法以通過風力發(fā)電廠來動態(tài)地計算用于功率輸出的第一部分 的第一功率參考并且通過能量存儲系統(tǒng)來動態(tài)地計算用于功率輸出的第二部分的第二功 率參考。
[0017] 在實施例中，方法還包括：
[0018] _基于單個測量組來計算用于第一控制參考信號的有功功率參考和無功功率參 考，以及，
[0019] _基于單個測量組來計算用于第二控制參考信號的有功功率參考和無功功率參 考，以及；
[0020] 其中，第一控制參考信號和第二控制參考信號允許至少一個風力渦輪發(fā)電機的操 作和至少一個能量存儲設備的操作彼此獨立。
[0021] 該實施例的優(yōu)點在于，發(fā)電裝置可以在不觸發(fā)機械共振的激勵的情況下調(diào)制特定 功率輸出。
[0022] 該實施例的另一個優(yōu)點在于，本發(fā)明允許同時調(diào)制兩種VPP控制輸出（例如，有 功功率和無功功率），從而與已知技術(shù)相比獲得了每安裝MVA的更好的阻尼能力。此外，如 果阻尼控制可能導致與渦輪機機械結(jié)構(gòu)的不利的相互作用，那么利用VPP內(nèi)的不同有用資 源，可以避免風力渦輪機有功功率的調(diào)制。更重要的是，如果ESS部分地/唯一地對阻尼有 功功率的提供負責，那么可以部分或完全避免風力渦輪發(fā)電機的有功功率的削減。
[0023] 在實施例中，發(fā)電廠控制器被分成控制至少一個風力渦輪發(fā)電機的第一發(fā)電廠控 制器、以及控制至少一個能量存儲設備的第二發(fā)電廠控制器。
[0024] 通常，本發(fā)明的實施例的控制算法接收關(guān)于風力發(fā)電廠和能量存儲器的狀態(tài)的信 息，并且計算對受到施加在發(fā)電廠上的給定限制組限制的給定發(fā)電廠目標進行優(yōu)化的功率 參數(shù)。使發(fā)電廠控制器被分成兩部分仍需要較高級的協(xié)調(diào)。
[0025] 在實施例中，分別用于第一控制參考和第二控制參考的有功功率參考的劃分和無 功功率參考的劃分被設定為預定義的比例。
[0026] 在實施例中，以優(yōu)化算法對分別用于第一控制參考和第二控制參考的有功功率參 考的劃分和無功功率參考的劃分進行在線計算。
[0027] 該實施例的優(yōu)點為可以實現(xiàn)特定性能，例如算法可以是基于最大產(chǎn)量、延長的使 用壽命等。
[0028] 在實施例中，所提供的輔助服務利用主要儲備（primaryreserve)來支持電網(wǎng)。
[0029] 在實施例中，所提供的輔助服務利用慣性響應來支持電網(wǎng)。
[0030] 在實施例中，所提供的輔助服務利用功率振蕩阻尼來支持電網(wǎng)。
[0031] 在實施例中，方法還包括：
[0032] _當振蕩干擾具有低于至少一個發(fā)電機的機械結(jié)構(gòu)的特征頻率的頻率時，計算用 于抑制電網(wǎng)中的振蕩干擾的第一功率參考的有功功率參考，和/或；
[0033] _當振蕩干擾具有高于至少一個發(fā)電機的機械結(jié)構(gòu)的特征頻率的頻率時，計算用 于抑制電網(wǎng)中的振蕩干擾的第二功率參考的有功功率參考。
[0034] 在實施例中，方法還包括：
[0035] -計算用于第一功率參考的無功功率參考，所述第一功率參考用于抑制電網(wǎng)中的 第一振蕩干擾。
[0036] -計算用于第二功率參考的有功功率參考，所述第二功率參考用于抑制電網(wǎng)中的 第二振蕩干擾。
[0037] 優(yōu)點在于第一振蕩干擾與第二振蕩干擾相互獨立。振蕩干擾可以在其中包含多于 一個振蕩頻率。因此第一功率參考將抑制頻率的其中之一，并且第二功率參考將抑制另一 振蕩頻率。這并不限于僅一個或兩個振蕩頻率。
[0038] 在實施例中，所提供的輔助服務利用同步功率來支持電網(wǎng)，由此使電網(wǎng)穩(wěn)定。
[0039] 在實施例中，發(fā)電廠還包括至少一個光電太陽能發(fā)電廠和/或至少一個微型動力 渦輪機和/或熱太陽能發(fā)電廠和/或波能發(fā)電廠。
[0040] 該實施例的優(yōu)點在于可以將若干能量源組合到虛擬發(fā)電廠中。各種可再生的能量 源關(guān)于時間具有不同的功率分布，其在組合中是有益的，即太陽能在太陽光線射到地球時 正好處于峰值，然而風力發(fā)電是太陽能加熱的副作用，并且因此，空氣將從一個地方移動到 另一個地方，以使風吹動。更加滯后的動作來自于波能，因為海洋波浪是風的副作用。
[0041] 在實施例中，本發(fā)明另外涉及用于抑制電網(wǎng)干擾后出現(xiàn)的振蕩暫態(tài)的虛擬發(fā)電廠 (VPP)的控制方法。本發(fā)明中所提及的虛擬發(fā)電廠包括一個或多個風力渦輪發(fā)電機和/或 一個或多個光伏陣列和/或一個或多個太陽能熱力發(fā)電裝置和/或一個或多個能量存儲系 統(tǒng)（例如，蓄電池、抽水儲能、生物氣體存儲、氫存儲、動能存儲等等）和/或一個或多個微 型氣渦輪機。
[0042] 本發(fā)明的第二方面涉及發(fā)電廠，其包括被布置用于向電網(wǎng)供電的至少一個風力渦 輪發(fā)電機、被布置用于向電網(wǎng)供電的至少一個能量存儲設備、以及被布置有根據(jù)權(quán)利要求1 至權(quán)利要求12所述的控制算法的發(fā)電廠控制器。
[0043] 本發(fā)明的第三方面涉及發(fā)電廠，其包括被布置用于向電網(wǎng)供電的至少一個風力渦 輪發(fā)電機、被布置用于向電網(wǎng)供電的至少一個能量存儲設備、以及發(fā)電廠控制器，其被布置 為實施控制算法來計算用于控制至少一個風力渦輪發(fā)電機的第一功率參考和用于控制至 少一個能量存儲設備的計算第二功率參考，由此從發(fā)電廠向電網(wǎng)提供輔助服務功能。
[0044] 第二方面及其實施例的優(yōu)點與本發(fā)明的第一方面的優(yōu)點相同。
[0045] 本發(fā)明的各個方面均可以與任何其它方面組合。參考所描述的實施例，本發(fā)明的 這些和其它方面從下文的說明中將變得顯而易見。<