风速急剧变化时风力发电场的控制方法以及系统

摘要

本发明涉及因风速的急剧变化，从而在风力发电场的发电增长率/发电减少率不符合电网连接基准(grid-code)或者与此相应的基准的情况下，控制风力发电场的方法以及系统，尤其涉及在风速超过基准速度的上限或者因风弱小未达到下限速度的情况等，风速急剧变化为超出风力发电基准速度范围，从而在无法进行风力发电的情况下或者在风力发电基准速度范围内，风速急剧变化，并在风力发电场的发电增长率或者发电减少率无法满足电网连接基准的情况下，在满足电网连接基准的状态下控制风力发电场的方法以及系统。风力发电场的控制方法以及系统的步骤包括：在风力发电场的外部测量风速以及风向，从而在风速急剧变化的情况下，考虑风到达风力发电机的时间，依次控制风力发电机，此时，使得风力发电场满足电网连接基准，从而决定需要同时控制的风力发电机的数量并进行分组，进而决定各机组的控制顺序以及控制时间，并在终止风力发电机的情况下，在连续的机组之间的终止时间重叠时，对其进行调整。

说明书

技术领域

本发明涉及在因风速急剧变化引起的风力发电场的发电增长率/发电减少率超过电 网连接基准或者与此相应的基准的情况下，控制风力发电场的方法以及系统(Method  and System for Controlling Wind Farm When Wind Speed Varies Rapidly)，尤其涉及利用 在风力发电场外部测量的风况信息，使得风力发电场的输出满足在电网连接基准或者与 此相应的基准所表示的发电增长率/发电减少率，从而决定在风力发电场内的风力发电机 的控制顺序，并根据所述顺序控制风力发电机的方法以及系统。

背景技术

风力发电机是将风所具有的动能转变为电能的装置。为了能够实现风力发电，风的 速度需要在规定范围内。当风超过风力发电基准速度的上限(例如25m/s)时，为了保 护风力发电机，应终止风力发电机，在未达到下限(例如3m/s)时，因不具有用于发电 的足够能量，从而终止风力发电机。

在终止风力发电机时，通过桨距控制来控制桨距角，因此使得输入能量变为0从而 终止，但在需要快速终止时使用制动器(刹车)。然而，在使用制动器的情况下，风力 发电机产生磨损，因此存在缩短寿命的缺点。

另外，在风力发电机上所产生的电能受到急剧变动的风的强度的影响，因此不能始 终维持一定水平，从而与现有的发电机相比品质较差。为了维持高品质的电能，电网的 发电机需要保持有足够的备用电力，以便能够补偿风力发电机的输出的增长/减少的量。 然而，由于风力发电机的输出的变动量较大，所以需要大容量的备用电力，因此导致电 能的发电费用的上升。在大量的风力发电机连接于电网的情况下，这种问题变得更加严 重，因此为了解决所述问题，世界各国制定了电网连接基准(grid-code)并正在执行中， 韩国也于2010年6月发布了所述连接基准。

现有电网的发电机具有有限大小的发电增长率/发电减少率，因此在电网连接基准中 明文规定了在任何情况下均需要在风力发电场的输出的发电增长率/发电减少率维持于 规定值以下的状态下增加/减少输出。如果按照大于明文规定的比率增加或者减少输出， 则现有电网发电机无法补偿风力发电场的输出的急剧增加/减少，因此降低电能的品质。

然而，如上所述，在刮强风时，为了保护风力发电机，需要强制终止风力发电机， 但在大容量风力发电场的情况下，如果同时终止所有的风力发电机，会急剧减少风力发 电场的输出，这对电网的输出带来很大影响。另外，在突然不刮风时，因风力发电机的 终止而使得风力发电场的输出急剧减少，从而给电网带来很大影响，为了减少这种情况 需要强制终止。

如下是在刮强风时，用于强制终止风力发电场的现有技术是：根据在风力发电场的 外部设置的风况测量塔的信息，计算到达各风力发电机为止的距离(s_ij)，并计算风从 测量装置到达风力发电机所需的时间(s_ij/v)。在这种方式中，将强制终止个别风力发 电机所需的时间设为t_down。如果忽略在计算和通信中所需的时间，则各风力发电机在t_ij(s_ij/v-t_down)时开始强制终止，并在t_down时间内完成强制终止。

这种方法由于在t_down时间内完成强制终止，因此同时终止的风力发电机的数量变得 不同，使得风力发电场的输出呈曲线状态。并且，在将要终止的风力发电机的数量较少 时发电减少率较小，但在数量多的情况下发电减少率变大，因此有可能超过电网连接基 准。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种风力发电场的控制方法以及系统，其在风力发 电场的发电增长率/发电减少率超过电网连接基准或者与此相应的基准的情况下，使得风 力发电场的发电增长率/发电减少率不会超出电网连接基准，并提高整个电网的电能品质 /可靠性。

为了达到所述目的，本发明的风力发电场的控制方法，包括：在风力发电场的外部 测量风速以及风向特性的风况测量步骤；判断由在风况测量步骤中测量的风速变化引起 的风力发电场的发电增长率/发电减少率是否超出电网连接基准以及风速是否在风力发 电基准速度范围内的步骤；在风力发电场的发电增长率/发电减少率超出电网连接基准的 情况下，决定需要同时控制的风力发电机的数量(N_WT)的步骤；将风力发电机分成第 1至第N机组的步骤；决定各机组的控制开始时间(T_Gn，start)以及控制结束时间(T_Gn，end) 的步骤，决定通过所述分组步骤形成的各机组的控制开始时间(T_Gn，start)以及控制结束 时间(T_Gn，end)；在所述决定的控制开始时间(T_Gn，start)以及控制结束时间(T_Gn，end)内 控制各机组的风力发电机的步骤。

决定需要同时控制的风力发电机的数量的步骤，包括：使得在各机组内的风力发电 机的发电增长率/发电减少率之和不超出电网连接基准的发电增长率/发电减少率，从而 决定需要同时控制的风力发电机的数量，并且将所述风力发电场的发电减少率确定为， 在各风力发电机制动时，通过桨距控制和/或者电子控制来可制动的范围。

所述分组步骤，包括：利用测量的风向(α)，计算风的正面和各风力发电机之间 的距离(s_ij)，并利用计算的距离以及测量的风速(v)，从而计算风到达各风力发电机 的时间，进而按照所述到达时间短的顺序来排列风力发电机的控制顺序的步骤，以及按 照所述控制顺序，将需要同时控制的风力发电机依次分组的步骤。

所述各机组的控制结束时间(T_Gn，end)设定为从各机组到风的正面最先到达的风力 发电机所需的时间，所述各机组的控制开始时间(T_Gn，start)设定为从控制结束时间(T_Gn，end) 中减去控制所需时间(t_ctrl)而得到的值，所述控制所需时间(t_ctrl)是指将基于风速变 化可估算到的各机组的风力发电量的变化量除以电网连接基准(grid-code)的发电增长 率/发电减少率(R_GC)的值。

在连续的机组之间的控制时间重叠的情况下，在导出所述控制开始时间(T_Gn，start) 的步骤之后，调整所属机组的控制结束时间(T_Gn，end)以及控制开始时间(T_Gn，start)。调 整所属机组的控制结束时间(T_Gn，end)以及控制开始时间(T_Gn，start)的步骤包括，将先开 始控制的机组的控制开始时间(T_Gn，end)以及将控制开始时间(T_Gn，start)提前重叠的时间。

另外，为了达到本发明的目的的风力发电场的控制系统，包括：计算部，其从外部 接收风况信息，从而判断因风速变化所引起的风力发电场的发电增长率/发电减少率是否 超出电网连接基准以及风速是否在风力发电基准速度范围内，并在风力发电场的发电增 长率/发电减少率超出电网连接基准的情况下，决定需要同时控制的风力发电机的数量 (N_WT)，将风力发电机分成第1至第N机组，决定各机组的控制开始时间(T_Gn，start) 以及控制结束时间(T_Gn，end)；控制部，其根据在所述计算部中导出的风力发电机的控 制开始时间(T_Gn，start)以及控制结束时间(T_Gn，end)来控制风力发电机。

计算部，包括：在风速超出风力发电基准速度范围的情况下，使得在各机组内的风 力发电机的发电增长率/发电减少率之和不超出电网连接基准的发电增长率/发电减少 率，从而决定需要同时控制的风力发电机的数量；在各风力发电机制动时，能够通过桨 距控制和/或者电子控制，从而将风力发电场的发电减少率设定为可制动的范围内。

计算部，包括，利用测量的风向(α)，从而计算风的正面和各风力发电机之间的 距离(s_ij)，并利用计算的距离以及测量的风速(v)，从而计算风到达各风力发电机的 时间，进而按照所述到达时间短的顺序来排列风力发电机的控制开始顺序，根据所述控 制开始顺序依次执行分组的计算，风从各机组到风最先到达的风力发电机所需的时间设 定为所述控制结束时间(T_Gn，end)；将从控制结束时间(T_Gn，end)减去控制所需时间(t_ctrl) 的值设定为所述控制开始时间(T_Gn，start)，所述控制所需时间(t_ctrl)是指将基于风速变 化可估算到的各机组的风力发电量的变化量除以电网连接基准(grid-code)的发电增长 率/发电减少率(R_GC)的值。

计算部，包括以下方式：在连续的机组之间的控制时间重叠的情况下，在导出所述 控制开始时间(T_Gn，start)的步骤之后，调整所属机组的控制结束时间(T_Gn，end)以及控制 开始时间(T_Gn，start)，调整所述控制结束时间(T_Gn，end)以及控制开始时间(T_Gn，start)的 计算，包括：将先开始控制的机组的控制开始时间(T_Gn，start)以及控制结束时间(T_Gn，end) 提前重叠的时间。

另外，为了达到本发明的目的的风力发电场的控制系统，其特征在于，包括：附加 设置有风况测量装置，其在风力发电场的外部测量风速以及风向特性，将多个所述风况 测量装置设置为多角形，将至少3个以上的所述风况测量装置设置于风力发电场的外围， 将所述风况测量装置在风力发电场的外围设置成至少2个以上的多个层。并且，所述风 况测量装置设置于距离风力发电场、通过计算得到的数值以上的距离，所述通过计算得 到的数值是指将风力发电场的容量和相关区域的最大风速之积除以电网连接基准的 值。

根据本发明，满足在电网连接基准中明文规定的发电增长率/发电减少率的同时，能 够控制风力发电场的输出的终止、增加、减少，因此在风力发电场的发电增长率/发电减 少率超出电网连接基准的情况下，不需要由电网准备的额外的备用电力。并且，与现有 的强制终止方法相比，能够发电出更多能量，并在终止或者减少风力发电机的情况下， 能够计算出不会给风力发电机带来过度控制的风力发电机的发电减少率。并且，能够减 少风力发电场的输出的变动幅度，因此能够提高风力发电场的品质。

附图说明

图1是用于验证本发明的性能的风力发电场的构成图。

图2是在风力发电场的发电增长率/发电减少率超出电网连接基准的情况下的根据 本发明的流程图。

图3是表示在风速为30m/s并入射角为0°时，根据现有技术和本发明的风力发电 场的电量的模拟结果的曲线图。

图4是表示在风速为30m/s并入射角为0°时，比较根据现有技术和本发明的风力 发电场的发电减少率和电网连接基准的发电减少率的曲线图。

图5是表示在风速为30m/s并入射角为45°时，根据现有技术和本发明的风力发电 场的电量的模拟结果的曲线图。

图6是表示在风速为30m/s并入射角为45°时，比较根据现有技术和本发明的风力 发电场的发电减少率和电网连接基准的发电减少率的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明根据本发明的优选实施例，即，因风速急剧变化，从而在 风力发电场(风力发电场由至少一个以上的风力发电机构成，通常由多个风力发电机构 成，但本发明还能够适用于一个风力发电机的控制)的发电增长率/发电减少率超出电网 连接基准或者与此相应的基准的情况下，控制风力发电场的方法以及系统。

在本发明中，在风力发电场的发电增长率超出电网连接基准的情况下，执行增加风 力发电机的发电量的控制，以便与电网连接基准相一致，并在风力发电场的发电减少率 超出电网连接基准的情况下，执行减少风力发电机的发电量的控制，以便与电网连接基 准相一致。并且，在风速超出风力发电基准速度范围的情况下，执行终止风力发电机的 控制，以便与电网连接基准相一致。

图1是表示用于验证本发明性能的风力发电场的构成图，图2是在风力发电场的发 电增长率/发电减少率超出电网连接基准的情况下的根据本发明的流程图。另外，风力发 电场可构成为四边形或者其他各种形态，并且风况测量地点可设置为多边形的形态，从 而根据风力发电场的形态存在于各种位置。但为了更易于说明本发明，如图1所示，风 力发电场设置成四边形，风况测量地点与风力发电场呈相同形态，并以因强风而风速急 剧变化的情况为例进行说明。

在风力发电场的外部测量风速(v)以及风向(α)，测量方法可以有多种。作为 一个实施例，在风力发电场的外部设置风况测量装置来进行测量。将测量的风速(v) 以及风向(α)的信息传递给计算部。

在计算部中，根据在风力发电场的外部测量的风速(v)信息，判断因风速的变化 引起的风力发电场的发电增长率/发电减少率是否超出电网连接基准以及是否在风力发 电基准速度范围内，并因风速的急剧变化、从而在风力发电场的发电增长率/发电减少率 无法满足电网连接基准的发电增长率/发电减少率(R_GC)的情况下，决定需要同时控制 的风力发电机的数量(N_WT)。

测量的风速超出风力发电基准速度，从而在超过上限或者未达到下限(目前未达到 3m/s或者超过25m/s的情况下不可能进行风力发电，但随着技术的发展能够发生变化) 的情况下，决定需要同时终止的风力发电机的数量(N_WT)的方法有很多种，在本发明 中作为一个实施例，当风力发电机制动时，在不会给风力发电机带来过度控制的范围内， 决定各风力发电机的发电减少率(R_WT)，并作为一个例子，通过桨距控制和/或者电子 控制，在风力发电机的可制动范围内决定各风力发电机的发电减少率(R_WT)，并使得 在各机组内的风力发电机的发电减少率之和不超过电网连接基准的发电减少率，从而决 定需要同时终止的风力发电机的数量(N_WT)。通过桨距控制，在风力发电机的可制动 的范围内，决定风力发电机的发电减少率(R_WT)是为了防止以下情况：随着风力发电 机通过刹车进行制动风力发电机产生磨损，进而缩短风力发电机的寿命。并且在根据电 子控制的情况下，由于能够实现比桨距控制更精细的控制，因此在风速变化较小的情况 下，执行电子控制或者同时执行电子控制和桨距控制更有效，故考虑以上情况，决定需 要同时终止的风力发电机的数量(N_WT)。

另外，虽然测量的风速在风力发电基准速度范围内，但在因风速变化引起的风力发 电场的发电增长率/发电减少率超出电网连接基准的发电增长率/发电减少率的情况下， 决定需要同时控制的风力发电机的数量(N_WT)，使得在各机组内的风力发电机的发电 增长率/发电减少率之和不超出电网连接基准的发电增长率/发电减少率。因风速减小， 而在风力发电场的发电减少率超出电网连接基准的情况下，风力发电机的发电减少率在 使风力发电机的制动时不会给风力发电机带来过度控制的范围内，决定各风力发电机的 发电减少率(R_WT)，作为一个实施例，通过桨距控制或者电子控制，在风力发电机的 可制动的范围内进行决定。这是为了防止因刹车制动引起的风力发电机的磨损。

在决定各机组需要同时控制的风力发电机的数量(N_WT)之后，进行将风力发电机 分组的步骤。在计算部中，以从设置于风力发电场外部的风况测量装置接收的风速(v) 以及风向(α)为基础，计算风的正面与各风力发电机之间的距离(s_ij)。如果将在连 接风况测量装置的外轮廓线与风的正面所成的角度中较小的角度的大小设为α，将在风 力发电场内位于最外侧的风力发电机与连接风况测量装置的外轮廓线之间的距离设为 d_m，则到位于与风最近的位置的风力发电机为止的距离s₁₁如下。

[数学式1]

s₁₁＝d_m*(1+tanα)*cosα

在将邻接的风力发电机之间距离为d时，位于与风最近的位置的与风力发电机排在 相同一列的风力发电机与风的正面之间的距离(s_1j)如下。

[数学式2]

s_1j＝s₁₁+d*(j-1)*sinα其中，j＝1，…，n

第二列之后的各风力发电机与风况的风正面之间的距离(s_ij)如下。

[数学式3]

s_ij＝s_(i-1)j+d*cosα其中，i＝2，…，n

在所述计算部中，将风的正面与各风力发电机之间的距离(s_ij)除以风的速度(v)， 从而计算出风到达各风力发电机的时间(s_ij/v)，并对所述时间(s_ij/v)值按照从小到大 的顺序进行排列，这样决定数列(WT_i)。在风到达各风力发电机的时间的数列WT_i中， 如果将N_WT个的风力发电机作为一个机组进行分组，则生成N个机组(G₁，G₂，…G_N)。

如果对在风力发电场内的风力发电机进行分组的步骤结束，则在计算部中导出各机 组的风力发电机的控制开始时间(T_GN，start)以及控制结束时间(T_GN，end)的步骤。

作为导出控制开始时间(T_GN，start)以及控制结束时间(T_GN，end)的一个实施例，在 本发明中，关于控制结束时间(T_GN，end)，考虑到在风到达之前各机组的风力发电的控 制应结束，将其设定为在各机组内风到达风力发电机的时间(s_ij/v)中最短的时间。为 了导出控制开始时间(T_GN，start)，需要计算控制所需时间(t_ctrl)。

控制所需时间(t_ctrl)，通过将各机组的风力发电量的变化量除以电网连接基准的发 电增长率/发电减少率(R_GC)来决定。

[数学式4]

t_ctrl＝各机组的风力发电量的变化量/R_GC

如果通过所述计算计算出控制所需时间(t_ctrl)，则各机组的控制开始时间(T_GN，start) 决定为从控制结束时间(T_GN，end)减去控制所需时间(t_ctrl)的时间(T_{GN，end-tctrl})。通过 这种计算，可导出各机组的控制时间，计算部将控制开始时间(T_GN，start)以及控制结束 时间(T_GN，end)信息传递给控制部。

在控制部中，通过从计算部接收的有关控制开始时间(T_GN，start)以及控制结束时间 (T_GN，end)的信息来控制风力发电机。在风速超出风力发电基准速度范围的情况下，执 行终止在风力发电场内的风力发电机的控制，并在风力发电场的发电增长率超出电网连 接基准的情况下，执行增加风力发电机的发电速度的控制，并在风力发电场的发电减少 率超出电网连接基准的情况下，执行减少风力发电机的发电速度的控制。

另外，在控制风力发电场时，在按照如上所述的方法计算控制开始时间以及控制结 束时间的情况下，有可能发生机组间的控制时间重叠的情况。如果第k机组的控制结束 时间(T_GN，end)晚于第k+1机组的控制开始时间(T_GN，start)，则在第k机组的控制进行 当中开始第k+1机组的控制，因此同时控制的风力发电机的数量变得多于N_WT，由此风 力发电场超出连接基准的发电增长率/发电减少率(R_GC)，从而达不到发明的目的。因 此，需要确认在各机组的控制时间之间是否发生重叠、并且经过调整的过程。在延迟第 k+1机组的控制开始时间的情况下，导致在风到达之后也在执行控制过程的结果，因此 需要提前第k机组的控制开始时间。为了避免连续的机组间的控制时间的重叠，对控制 时间进行调整的方法有多种，在本发明中作为一个实施例，经过从第N机组到第1机组 按倒序确认是否有重叠的控制时间的过程，从而将各机组的控制开始时间(T_GN，start)以 及控制结束时间(T_GN，end)提前重叠的时间(T_Gk，end-T_Gk+1，start)，进而调整控制时间。

如果在调整后的控制开始时间以及控制结束时间内按各机组控制风力发电机，则能 够满足电网连接基准的同时控制风力发电场。

本发明的风力发电场的控制系统基本上在以上所述的计算部和控制部为构成要素， 在此，还可包括风况测量装置。所述风况测量装置可制作成各种形态，作为一个实施例， 其可制作成塔的形态，从而测量风速以及风向特性等。

风况测量装置根据风力发电场是否设置在海岸还是陆地或者根据各种设置环境可 设置成各种形态。为了更有效地掌握风况信息，最好将多个风况测量装置设置在风力发 电场的外部。风况测量装置的个数越多，越容易判断并分析由地表面摩擦引起的风速或 者风向的变化乃至误差等，因此除了在本说明书中作为一个实施例提出的四边形的形态 以外，根据风力发电场的构成形态，可按不同形态设置风况测量装置。并且，在将风况 测量装置在风力发电场的外围设置成2个以上的多个层时，能够测量风速的变化趋势等， 从而能够更准确地测量给风力发电场带来影响的风况信息。

另外，在将风况测量装置设置在从风力发电场有规定距离以上的位置时，能够避免 用于控制风力发电场的计算时间以及因控制所需的时间不足而无法实时地控制风力发 电场的问题，计算所述距离的方法有很多种，在本发明中作为一个实施例，将风力发电 场的容量和相关区域的最大风速相乘的值除以电网连接基准的发电增长率/发电减少率 来计算。

[数学式5]

d_m＝风力发电场的容量*相关区域的最大风速/R_GC

图3是表示在风速为30m/s并入射角为0°时，根据现有技术和本发明的风力发电 场的电量的模拟结果的曲线图。蓝色虚线表示现有的方法的结果，红色实线是适用本发 明的情况下的结果。根据本发明的情况，发电减少率恒定，根据现有方法，发电减少率 发生变化，这是因为同时终止的风力发电机的数量不同。可知在所述情况下所提出的方 法的电力生产量为现有方法的102％，相差不大。

图4是表示在风速为30m/s并入射角为0°时，比较根据现有技术和本发明的风力 发电场的发电减少率和电网连接基准的发电减少率的曲线图。蓝色虚线是现有的方法的 发电减少率，红色实线是适用本发明的情况下的发电减少率。在现有方法的情况下，超 过电网连接基准(0.83MW/s)的时间是335秒，风力发电场的最大发电减少率为 1.44MW/s。另外，在本发明的情况下，没有超出电网连接基准的时间。并且，在现有 方法中，由于风力发电场的发电量急剧减少，因此为了向电网供给由此产生的不足部分， 需要具备114.35MW的额外备用电力。但是，在本发明的情况下，由于没有超出电网连 接基准，因此不需要具备应对急剧减少的情况下的额外备用电力。

图5是表示在风速为30m/s并入射角为45°时，根据现有技术和本发明的风力发电 场的电量的模拟结果的曲线图，图6是在风速为30m/s并入射角为45°时，比较根据现 有技术和本发明的风力发电场的发电减少率和电网连接基准的发电减少率的曲线图。如 图5所示，在根据本发明的情况下，与现有方法相比，能够供给1.23倍的能量。如图 6所示，在现有方法的情况下，超出电网连接基准的时间是340秒，最大发电减少率是 1.0019MW/s。但本发明始终满足电网连接基准。并且，现有方法，由于风力发电场的发 电量急剧减少，因此为了向电网供给由此产生的不足部分，需要具备44.77MW的额外 的备用电力，但在本发明的情况下不要求具备额外的备用电力。