[发明专利]风力涡轮机发电厂的选择性下垂响应控制

说明书

技术领域

本发明涉及风力涡轮机发电厂的控制系统，具体而言，涉及为调节发电系统的初级和次级频率响应的量和比率提供选择性下垂响应控制的控制系统。

背景技术

下垂是发电机的功率频率特征，在传统上被定义为电网处速度或频率的变化量，该变化量对于使发电机的主要原动机控制机构从完全闭合变为完全打开来说是必要的。

因此，就连接到电网的发电机组来说，如果连接到发电机组的负荷从全负荷变为零负荷，4%的下垂表示发电机组的转子转速会（不存在其他发电机的情况下）变化4%。如果发电机组转子转速在默认情况下等于60Hz，那么负荷的突然丢失（例如由将发电机组连接到电网的一次输电线路的丢失导致）会造成转子转速增加2.4Hz（0.04x60Hz），变为62.4Hz。类似地，如果发电机组以60Hz的速度运行，负荷从零增加到100%，那么发电机组的转子转速会降低2.4Hz，变为57.6Hz。

已知使用发电机组以用于电网频率控制。在这种情况下，由连接到控制系统的传感器探测电网频率，其中发现电网频率降至低于期望的稳态值或范围时，控制系统使得发电机组向电网注入功率，以增大电网频率。类似地，如果探测到电网频率高于期望的稳态值或值的范围，那么控制系统指示发电机组降低其功率输出，直到电网频率恢复到期望的水平。在这种情况下，下垂设置也有助于确定为了特定频率变化可以向电网供应的功率的量。因此，可能需要发电机组为稳态值的每个0.01Hz频率偏差提供3.5MW。依赖于发电机组尺寸的发电机组的下垂设置规定了发电机组提供该功率的能力，现在将参考图1对其进行描述。

图1是发电机组的范例下垂曲线图，表示（每个发电机组中）功率变化与（每个发电机组中）频率变化之间的关系。正如本领域技术人员将认识到的，每个发电机组都被用于使参数与潜在基线图相关，其通常是电气装置的额定功率。下垂R的倒数是曲线图的梯度△p/△f。在历史上，下垂响应特征是根据可用的发电机涡轮机技术发展的。例如，由于燃煤发电站中采用的蒸汽涡轮机的物理限制，煤电厂通常会选择下垂5%运行。假定发电机组在额定转速60Hz下运行，并且额定功率为例如，900MW，那么下垂响应允许如下确定对频率偏差的可用功率响应：

△P=(1/R).△f或△p/900=(1/0.05).△f/60

假定△f为1Hz，那么在这个范例中功率响应会等于300MW/Hz。因此可以看到下垂的较高值以降低注入电网中针对特定频率变化的功率量，同时，下垂的较低值意味着需要更多的功率。发电机组注入电网中以弥补频率偏差的功率变化被称为下垂响应。

利用如上所述提供频率控制的发电机组，在电网处发生的频率扰动通常导致初级和次级响应。初级响应在原始扰动的几秒内发生，并且是用于在新的频率下稳定该系统的同步发电机电枢的惯性的结果。次级响应是在发电机组实施的频率控制的结果，通常在初始扰动之后几分钟以上发生。为了提供该次级响应，需要发电机组具有一些额外的容量，以提供一致的功率响应。这种额外的功率容量通常被称为旋转备用：本质上是一个或多个发电机组自旋进入运行状态，产生功率，但是还未向电网供应功率。当需要额外功率时，连接提供旋转备用的发电机组以满足额外的功率需求。

已经预计到风力涡轮机会在稳定电网频率、在低频下向电网中注入功率以及在超频下相应缩减功率中发挥作用。我们已认识到，随着能源生产中风力涡轮机穿透（penetration）的增加，公用运营商会越来越需要风力涡轮机促进电网频率响应的稳定。风力涡轮机使用基于逆变器的发电技术，并且与它们历史上的发电同类（例如煤炭、汽油、或者核能发电）不具有相同的物理限制。不过，我们已认识到，通常不考虑这个事实而进行风力涡轮机发电。例如，在发电电网的单个控制区域中，不管个体发电机组的能力差别如何，通常会将所有发电机的下垂设置设为相同的值，例如5%。

通常也是由电网运营商设置预计会有次级响应期望的时间尺度（time scale），但是其至今依赖于历史发电机组的响应速度。我们已认识到，可以将风力涡轮机用于为下垂响应提供更加灵活的时间尺度，根据需求比历史发电机组运行得更快或更慢。具体而言，因为如果需要的话，风力涡轮机有能力提供更快的下垂响应，所以我们认识到，风力涡轮机的生产潜能未充分发挥出来。

因此我们已认识到，有必要提供一种风力涡轮机发电厂控制系统，其中风力涡轮机的运行可以被更精确地配置以反映需求的变化。

发明内容

在独立权利要求中定义了本发明，现在将参考独立权利要求。在从属权利要求中阐述了有利的特征。