用於運行具有多個風力發電設備的風力發電場的方法
2023-05-24 05:14:31
專利名稱：用於運行具有多個風力發電設備的風力發電場的方法
技術領域：
本發明涉及用於運行具有多個風力發電設備的風力發電場的一 種方法及一種裝置。
背景技術：
在風力發電場中，藉助於風力渦輪機的形式的風力發電設備將風 的動能轉換為電功率。在傳統的風力發電場中，對各個風力發電設備 的單機功率進行檢測，並且如此調節風力發電設備的工作參數尤其各
個渦輪機的轉子葉片的偏角，使得每個單機功率本身得到優化，也就 是說在預先給定的風力比的情況下具有最大值。
從公開文獻DE 10 2005 033 229 Al中/>開了 一種用於控制風力 發電設備的網路，其中在風力發電設備上為測量目的設置了傳感器並 且將一個風力發電設備的傳感器數值通過相應的網絡傳遞給其它的 風力發電設備。藉助於所述傳感器數值可以控制工作參數比如轉子葉 片的偏角的調節值。
電設備的工作參數，而不檢查將每個單個的風力發電設備的工作參數 調節到最大的功率數值的這種做法是否在實際上也產生風力發電場 的最佳的總功率。
發明內容
因此，本發明的任務是，提供一種用於運行風力發電場的方法， 利用該方法來改善風力發電場的輸出的總電功率。
該任務通過獨立權利要求得到解決。本發明的改進方案在從屬權 利要求中得到定義。
在按本發明的方法中，在風力發電場的運行過程中按照優化目標 對風力發電場的風力發電設備的工作參數進行調節，其中所述優化目 標是所述風力發電場的由風力發電設備的所有單機功率的總和構成 的總功率的最大值。這個優化目標對風力發電場來說並不知悉。在按 現有技術的風力發電場中，也就是說總是對風力發電設備的單機功率 進行單個優化，而不考慮可能通過各個風力發電設備的非最佳的調節
5值也仍然可以實現得到改善的總功率。
本發明尤其以這樣的認識為基礎，即在風力發電場中各個風力發 電設備相互影響，尤其是一個風力發電設備的隨動氣流影響著處於其 後面的風力發電設備的風力情況。按本發明已經發現，由於這些相互 作用，風力發電場的最佳的總功率不是通過將風力發電設備的各個工 作參數調節到單機功率的最大值來實現的，而是在考慮到所有的單機 功率的總和的最大值的情況下進行優化時實現更好的總功率數值。
在按本發明的方法的一種優選的實施方式中，按照優化目標來調 節的工作參數包括各個風力發電設備的轉子葉片的相應的偏角。所述
轉子葉片的偏角確定了各個風力發電設備的隨動氣流並且因此是優 選的參數，通過所述優選的參數可以實現風力發電場的總功率的相應 變化。
在按本發明的方法的另一種實施方式中，在風力發電場的運行過 程中檢測風力發電設備的相應的單機功率並且按照優化目標在用所 檢測的單機功率反饋的情況下調節轉子葉片的偏角。在這種方法中保 證風力發電場的特別好的實際運行，因為在調節優化目標時也總是考 慮到實際存在的單機功率。由此可以比在不考慮實際運行的情況下僅 僅通過理論計算來確定優化目標時獲得更好的結果。
在按本發明的方法的另一種實施方式中，通過風力發電設備的風 速比的優化來產生優化目標，其中通過直接在相應的風力發電設備之 後的中心的風速(也就是在該相應的風力發電設備的轉子的中心的風 速)與直接在該相應的風力發電設備之前的中心的風速之比來產生所 述相應的風力發電設備的風速比。優選相應的風力發電設備的風速比 通過該相應的風力發電設備的轉子葉片的偏角來調節，其中對於每個 風力發電設備來說事先知道或者說可以用簡單的方式確定偏角與風 速比的關係。
在按本發明的方法的一種優選的實施方式中運行線性的風力發 電場，該風力發電場具有一個或者多個平行的由先後布置的尤其結構 相同的風力發電設備構成的列。在這樣的風力發電場中，在預先給定 的風速平行於先後布置的風力發電設備的列時所述優化目標通過先 後布置的風力發電設備的列的最大功率來確定。在此考慮到這樣的事 實，即在風平行於所述列刮入時不同的列的風力發電設備沒有相互影響，從而對於每個列來說可以在考慮所述列中的所有風力發電設備的 最大功率的情況下單個地進行優化。
在按本發明的方法的另一種設計方案中，相應的由先後布置的風 力發電設備構成的列的最大功率通過一個列的相應的風力發電設備
的風速比的優化按照以下等式來確定
其中N是一個列中的風力發電設備的數目，並且一個列中的風力 發電設備沿風向以升序編號；
其中qi是直接在第i個風力發電設備之後的中心的風速與直接在 第i個風力發電設備之前的中心的風速"之比；
其中Pi(qil")是在直接在第i個風力發電設備之前產生中心的風 速"時第i個風力發電設備的依賴於風速比qi的單機功率。
在此優選通過以下等式來產生功率Pi(qilvO:
其中p是空氣密度並且R是第i個風力發電設備的轉子的半徑並 且其中Vi是直接在第i個風力發電設備之前的中心的風速。
對於風力發電領域內的技術人員來說足以了解上面的關係，並且 這種關係可以在按本發明的方法中用於通過計算機輔助的方式確定 渦輪才幾的單機功率Pi。
在按本發明的方法的一種特別優選的實施方式中，藉助於以下公 式來確定直接在第i個風力發電設備之前的中心的風速v"
;r((i + ;c tan a)2 — / 2 >二1 + ^V,—iv,—i = + A*tan ")2 v), (/》2)
其中R是第(i-1)個風力發電設備的轉子的半徑； 其中x是第(i-l)個風力發電設備與第i個風力發電設備的間距； 其中vVi是在第(i-1)個風力發電設備的轉子的邊緣上的外圍 的風速；
其中a是第(i-1)個風力發電設備的隨動氣流的偏角。 所述偏角a是一個對於相應的風力發電設備來說固定分配的參上面所定義的外圍的風速V、a在此通過一個數值來估算，該數值 處於直接在第(i-l)個風力發電設備的轉子的中心之前的中心的風速 VM與直接在第一個風力發電設備的轉子的中心之前的中心的風速Vi之間。
在本發明的另一種優選的實施方式中，按照優化目標藉助於數字 方法尤其梯度方法來確定工作參數。
在按本發明的方法的一種設計方案中，按照優化目標為預先給定 的數目的基準風條件來事先設定工作參數。在調節工作參數時，在此 優選使用人工智慧尤其人工神經網絡和/或概率網絡(比如貝葉斯網 絡)的形式的人工智慧。在此所述人工神經網絡或者說概率網絡以用 於預先給定的數目的基準風條件的工作參數來學習。通過這種方式， 用所述方法總是可以為任意的不同於基準條件的風條件算出用於風 力發電場的最大總功率的最佳的工作參數。
除了上面所說明的方法之外，本發明還包括一種用於運行具有多 個風力發電設備的風力發電場的裝置，其中該裝置包括控制單元，用 該控制單元能夠依賴於優化目標來調節風力發電設備的工作參數，其 中所述優化目標是所述風力發電場的由風力發電設備的所有單機功 率的總和構成的總功率的最大值。優選如此構造這個裝置，從而可以 按照上面所說明的按本發明的方法的每種變型方案來運行風力發電 場。
在一種優選的設計方案中，按本發明的裝置包括網絡，尤其有線 的網絡和/或無線的網絡，所述控制單元通過該網絡與風力發電設備 相連接，其中通過該網絡將用於調節風力發電設備的工作參數的控制 指令傳輸給風力發電設備。此外，優選可以通過該網絡將風力發電設 備的單機功率的數值報告給所述控制單元。
除此以外，本發明涉及一種具有多個風力發電設備的風力發電 場，所述風力發電設備包括剛剛說明的用於運行風力發電場的裝置。
下面藉助於附圖對本發明的實施例進行詳細解釋。其中 圖1是具有先後布置的風力發電設備的線性的風力發電場的示 意圖，該風力發電場用按本發明的方法的一種實施方式來運行；
圖2是一張圖表，該圖表為一個由五個先後布置的風力發電設備在運行方法的兩種按本發明的設計方案的基礎上對各個風力發電設
備的風速比進行調節的情況；以及
圖3和4是圖表，這些圖表為按本發明的方法的兩種設計方案分 別將按本發明的方法的效率與按現有技術的方法進行比較。
具體實施例方式
圖1示意示出了風力發電場的俯視圖，該風力發電場具有大量的 構造為單個的結構相同的發電機用渦輪機的形式的風力發電設備
L.....TN1、 T"…，所述發電機用渦輪機以恆定的間距x相互隔開
並且通過相應的具有速度Vl的正面風來驅動。風的方向在此垂直於 風力發電設備的由多個轉子葉片構成的轉子RO的伸展方向，其中各 個轉子葉片的半徑用R來表示。除此以外，在圖1中示出了渦輪機 Tw後面的隨動氣流的偏角a。所述隨動氣流的處於所述轉子RO的 橫截面之外的區域在此從相鄰的渦輪機Tw與Ti之間的間距x中產生 並且覆蓋徑向的區段xtana。
在圖1的示意圖中，直接在第(i-l)個渦輪機或者說第i個渦輪 機之前的氣流用vw或者說Vj來表示。此外，直接在第(i-l)個渦輪
機之後的氣流用qwv"來表示。參數qi(i-l.....N)由此反映直接
在第i個渦輪機之後和之前的風速之比。這個比qi可以通過渦輪機的 轉子葉片的相應的偏角來控制。
如前文早已解釋的一樣，依賴於優化目標來如此調節各個渦輪機 的工作參數，使得代表著所有渦輪機的單機功率的總和的總輸出電功 率最大。在本發明的這裡所說明的實施方式中，在此作為工作參數使 用轉子葉片的偏角，該偏角可以以合適的方式通過轉子葉片上的相應 的馬達加以改變。
下面由經過優化的風速比qi來代表所述優化目標，其中qi又依 賴於轉子葉片的偏角。用於qi的最佳的數值通過數學的優化方法來計 算。由此可以事先通過數字模擬來計算出優化的風速比化並且由此計 算出轉子葉片的用於不同的正面速度v,的優化的偏角，從而接著在 風力發電場的實際運行中依賴於所產生的風速Vl來最佳地調節優化 的偏角。此外，設置了相應的控制單元S，該控制單元S優選設有人 工智能，以便也為新的風速確定優化的偏角，在此事先沒有為所述新
9的風速計算優化的偏角。這種人工智慧尤其可以通過神經網絡或者說 通過概率網絡比如貝葉斯網絡來構成，其中這些網絡用最佳的偏角和 渦輪機的所屬的單機功率來學習。
在按本發明的方法的這裡所說明的實施方式中，使用下面的在風
力發電設備的渦輪機的物理參量之間的基於貝努裡(Bernoulli)等式 的關係
;r((/ + ;c tan <2)2 - / 2 〉 + ;^2仏,—,v,—, = +義加a)2 v,. ，(/》2)
<〗).
如早已解釋的一樣，R是渦輪機的相應的轉子葉片的半徑，x是 兩個相鄰的渦輪機之間的間距並且a是隨動氣流的偏角。此外"和 vw代表著直接在渦輪機Tj或者說T"之前的中心的風速(也就是在 相應的轉子的中心的速度)。qwv"代表著直接在渦輪機Tw之後的 中心的風速。v^描述了在渦輪機Tw的轉子的外部邊緣上的風速，
其中使用下面兩個用於/"的估算值
* ,上估算働 m
VM—iv,(下估算值) 。
對於下估算值假設，在轉子的邊緣上的速度/w剛好和直接在渦 輪機Tw之前的轉子的中心的速度Vm —樣大。這個估算值對於各個渦 輪機之間的小的間距x來說是有效的。對於上估算值假設，所述轉子 的邊緣上的風速v ^又已加速到正面的風速Vl。下估算值適用於具有
各個渦輪機彼此間大的間距X的風力發電場。VY!的數值因此依賴於 風力發電場的配置在V"與Vi之間如此選擇，從而最好地反映實際情
況。然後藉助於/w的上估算值或者說下估算值，可以通過等式(l) 的使用以如下方式確定以下的直接在第i個風力發電設備的轉子的中
心之前的速度Vj:
formula see original document page 10
藉助於本領域的技術人員已充分了解的用於描述渦輪機Ti的單機功率Pi的z厶式，可以依賴於速度Vj和風速比qi以如下方式來描述這個 單機功率P皿-:
formula see original document page 11
在等式(4)中，p代表空氣密度並且係數C(q)=(l+q)(l-q2)/2在 q=l/3時具有最大值。這是用於對風力發電場中的渦輪機的相應的單機 功率進行優化的已知的傳統的結果。在這個結果中，將渦輪機之前的
風速v減速到渦輪機之後的v/3。為所有的渦輪機選擇q屍l/3， i=l.....
N,由此以如下方式產生由所述風力發電場產生的總功率
formula see original document page 11
按等式(5)的總功率代表著渦輪機的單機功率的優化，而沒有考 慮到由渦輪機產生的氣流彼此間的相互作用。該總功率由此是用於每 個單個渦輪機的"自利的(eigenntitzige)"的優化，並且在這種優化 的基礎上求得的結果下面稱為基準優化。按本發明已發現，這種基準 優化沒有提供渦輪機的所有單機功率的總和的最佳的總功率並且取而 代之使用一種優化，在該優化中作為優化目標對所有單個渦輪機的總 功率進行優化。在這種情況下考慮到以下實際情況，即各個渦輪機的 氣流相互影響，使得總功率的最大值無法簡單地通過計算所述渦輪機 的所有單機功率的最大值這種方式來確定。
按本發明，尋找N個渦輪機的風速比qi (i=l..... N)的最佳的
數據組，其中這個最佳的數據組可以在數學上如下表示
formula see original document page 11
在此，Pi (qi|Vi)表示在直接在渦輪機Ti之前的中心的速度值" 的條件下對於風速比qi來說第i個渦輪機的單機功率。
在按本發明的方法的一種實施方式中，使用一種用於圖1的風力 發電場的準牛頓優化方法用於確定用於qi的最佳的數值，其中對具有 N=5個以等距的間距x/R=20和tana=0.1先後布置的渦輪機的風力發 電場進行研究。因為最後一個渦輪機Tjv的隨動氣流不再影響任何的渦輪機，所以為速度比qN產生用於這個渦輪機的單機功率的最佳數值， 也就是qiv=l/3。對於所有其它的渦輪機i=l:N-l來說，相應的風速比 屮>1/3，也就是說這些比總是大於在基準優化中。圖2示出了一張圖表， 該圖表示出了渦輪機T!到Ts的用於基準優化以及用於按等式(6)的 優化的各個優化的數值qi，其中一方面使用了上估算值v -產Vi (在圖 2中稱為化上)並且另一方面使用了 vY屍v"的下估算值(在圖2中稱 為qj)。所述基準優化稱為q,氣如早已解釋的一樣，在基準優化 中對於各個渦輪機的所有數值qi來說適用q產l/3。與此相對，對於按 等式(6)的優化來說，用於qi的數值總是大於1/3,僅僅最後一個用 於渦輪機Ts的數值也相當於數值1/3。
圖3和圖4示出了具有不同數目的渦輪機的線性的風力發電場的 計算的效率，其中效率i]通過以下公式來產生
從公式(7)中獲得，在所有渦輪機以完全的正面風Vl來運行並 且每個渦輪機都調節到風速比q=l/3這種條件下，效率1]通過將風力
率的總和這種方式來獲得。"''
在圖3和4中不僅為上估算值vY產Vi而且為下估算值W產v"分 別將用基準優化求得的效率與按本發明求得的效率進行比較。在圖3 中在此示出了用於上估算值的結果並且在圖4中示出了用於下估算值 的結果。在圖3和4中可以看出三個由豎條構成的三合塊BT1、 BT2、 和BT3,其中每個三合塊代表著相應的比x/R。尤其對於三合塊BT1 來說適用x/R=10，對於三合塊BT2來說適用x/R=15並且對於三合塊 BT3來說適用x/R=20。在各個三合塊中，左邊的豎條Bi或者說B^示 出了對於具有N-5個渦輪機的風力發電場來說用於基準優化或者說用 於按等式(6)的優化的效率。在各個三合塊中，中間的豎條B2或者 說82，示出了對於具有N=6個渦輪機的風力發電場來說用於基準優化 或者說用於按等式(6)的優化的效率。在各個三合塊中，右邊的豎條 B3或者說83，示出了對於具有N=7個渦輪機的風力發電場來說用於基 準優化或者用於按等式(6)的優化的效率。如可以從圖3和圖4中看 出的一樣，按本發明根據等式(6)求得的效率也就是按豎條Br、 B2，、
12和B3，的效率總是好於按照傳統的基準優化獲得的相應的通過豎條B!、
B2和B3表示的效率。在圖4中示出的在使用下估算值v -產vw時獲得 的這種改進特別顯著。按照根據圖3和圖4示出的模擬的結果，由此 應該認為，如果考慮到所有渦輪機的總功率的最大化來調節各個渦輪 機的工作參數，那麼在風力發電場的實際運行中就獲得明顯的效率提升。
如可以從圖3和4中看出的一樣，用按本發明的方法可以將總功 率提高几個百分點。在配備著50個各具有2.3兆瓦的功率的渦輪機的、 目前每年產生大約500千兆瓦時的風力發電場中，如果將輸出功率提 高1%，就已達到500000歐元的額外盈利。
權利要求
1.用於運行具有多個風力發電設備(T1、Ti-1、Ti)的風力發電場的方法，其中在所述風力發電場的運行過程中按照優化目標來調節風力發電設備(T1、Ti-1、Ti)的工作參數，其中所述優化目標是所述風力發電場的由風力發電設備(T1、Ti-1、Ti)的所有單機功率(Pi)的總和構成的總功率的最大值。
2. 按權利要求1所述的方法，其中，按照所述優化目標調節的工作參數包括各個風力發電設備(TV TM、 Tj)的轉子葉片的相應的偏角。
3. 按權利要求2所述的方法，其中，在所述風力發電場的運行過程中檢測所述風力發電設備(TV TM、 Tj)的相應的單機功率(Pi)並且按照所述優化目標在用所檢測的單機功率(Pi)反饋的情況下調節轉子葉片的偏角。
4. 按前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述優化目標通過所述風力發電設備(TV TM、 Tj)的風速比(qi)的優化來產生，其中相應的風力發電設備(1\、 TM、 Tj)的風速比通過直接在該相應的風力發電設備(TV T"、 Tj)之後的中心的風速與直接在該相應的風力發電設備(TV TM、 Tj)之前的中心的風速(Vj)之比來產生。
5. 按權利要求4所述的方法，其中，相應的風力發電設備(TVTM、的風速比(qi)通過該相應的風力發電設備(TV T"、 Ti)的轉子葉片的偏角來調節。
6. 按前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述風力發電場是線性的風力發電場，該風力發電場具有一個或者多個平行的由先後布置的尤其結構相同的風力發電設備(TV TU1、 Tj)構成的列。
7. 按權利要求6所述的方法，其中，在預先給定的風速(Vl)平行於先後布置的風力發電設備(TV TM、 Tj)的列時，所述優化目標通過先後布置的風力發電設備(TV Tw、 Tj)的列的最大功率來產生。
8. 按權利要求7結合權利要求4或5所述的方法，其中，相應的由先後布置的風力發電設備(IV Tm、 Tj)構成的列的最大功率通過一個列的相應的風力發電設備(IV T"、 T。的風速比(qi)的優化按照以下等式來確定其中N是一個列中的風力發電設備(TV TM、 Ti)的數目，並且一個列中的風力發電設備(TV TM、 沿風向以升序來編號；其中qi是直接在第i個風力發電設備之後的中心的風速與直接在第i個風力發電設備之前的中心的風速"之比；其中Pi(qilvO是在直接在第i個風力發電設備之前產生中心的風速Vi時第i個風力發電設備的依賴於風速比qi的單機功率。
9.按權利要求8所述的方法，其中，Pi(qih)通過以下等式來產生其中p是空氣密度並且R是第i個風力發電設備(TV Tw、的轉子(RO)的半徑並且其中Vi是直接在第i個風力發電設備之前的中心的風速。
10. 按權利要求9所述的方法，其中，藉助於以下公式來確定直接在第i個風力發電設備之前的中心的風速Vi:"((A +義tan a)2 — / 2 >二j +狀2《,—iv,—i = + x加1 <^ )2 v,, 2 2)，其中R是第(i-1)個風力發電設備的轉子(RO)的半徑；其中x是第(i-l)個風力發電設備與第i個風力發電設備的間距；其中"w是在第(i-1)個風力發電設備的轉子(RO)的邊緣上的外圍的風速；其中a是第(i-1)個風力發電設備的隨動氣流的偏角。
11. 按權利要求10所述的方法，其中，所述外圍的風速V^M在此通過一個數值來估算，該數值處於直接在第(i-l)個風力發電設備之前的中心的風速vN1與直接在第 一個風力發電設備之前的中心的風速V!之間。
12. 按前述權利要求中任一項所述的方法，其中，按照優化目標藉助於用數字方法尤其梯度方法來確定工作參數。
13. 按前述權利要求中任一項所述的方法，其中，按照優化目標為預先給定的數目的基準風條件來預先設定工作參數。
14. 按權利要求13所述的方法，其中，工作參數的調節在人工智慧的基礎上進行，尤其在人工神經網絡和/或概率網絡的基礎上進行，所述網絡藉助於用於預先給定的數目的基準風條件的工作參數來學習。
15. 用於運行具有多個風力發電設備(T!、 TM、 Tj)的風力發電場的裝置，包括用於依賴於優化目標來調節所述風力發電設備(Ti、Tw、 Ti)的工作參數的控制單元(S)，其中所述優化目標是所述風力發電場的由風力發電設備(Tp TM、 Tj)的所有單機功率(Pi)的總和構成的總功率的最大值。
16. 按權利要求15所述的裝置，構造該裝置，使得所述風力發電場能夠用按權利要求2到14中任一項所述的方法來運行。
17. 按權利要求15或16所述的裝置，包括網絡，尤其是有線的網絡和/或無線的網絡，所述控制單元(S)通過該網絡與所述風力發電設備(TV Tw、 Ti)相連接，其中通過該網絡將用於調節所述風力發電設備(TV Tw、 Tj)的工作參數的控制指令傳輸給所述風力發電設備(TV TU1、 Ti)。
18. 按權利要求17所述的裝置，其中，通過所述網絡將所述風力發電設備(T!、 Tw、 Ti)的單機功率(Pi)的數值報告給所述控制單元(S)。
19. 具有多個風力發電設備(TV Tw、 Ti)的風力發電場，包括按權利要求15到18中任一項所述的裝置。
全文摘要
本發明涉及用於運行具有多個風力發電設備的風力發電場的一種方法及一種裝置。在該方法中，按照優化目標來調節風力發電場的風力發電設備的工作參數，其中所述優化目標是所述風力發電場的由風力發電設備的所有單機功率的總和構成的總功率的最大值。這個優化目標不同於傳統的優化目標，在傳統的優化目標中在不考慮總功率的情況下相應地對風力發電設備的單機功率進行優化。發明人能夠證明，用這個全新的優化目標可以實現得到改善的總功率。
文檔編號F03D7/04GK101680427SQ200880016046
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月28日 優先權日2007年5月15日
發明者E·邁耶, J·克萊夫, M·格雷納, P·B·厄尼沃爾德森, P·埃格達爾, S·霍爾特 申請人:西門子公司