维护一组风力发电设备的一个风力发电设备的方法和系统与流程

本发明涉及用于维护一组风力发电设备中的第一风力发电设备的一种方法和一种系统。

背景技术：

为了能够在风力发电设备上执行维护过程，在很多情况下都需要使风力发电设备静止或至少以降低的功率运行。由此带来的产量损失是不期望的。

已知的是，为维护过程选择风力小的时间段。于是，由风力发电设备的静止状态所得到的产量损失比在该静止状态进入强风阶段中时更小，参见wo2014/191067a1。这种操作方法的缺点在于，严重限制规划维护过程时的灵活性。

技术实现要素：

本发明的基本目的在于，提出一种维护方法和一种维护系统，它们能够使得规划维护过程时的灵活性更高，其中避免高的产量损失。从所述的现有技术出发，该目的通过独立权利要求所述的特征实现。在从属权利要求中给出了有利的实施方式。

在根据本发明的用于维护一组风力发电设备中的第一风力发电设备的维护方法中，确定一个将来的维护时间段，其中该组风力发电设备的增加的功率大于预定的阈值，其中该增加的功率由针对该将来的时间段预报的、大于额定风速的风速得出。在该维护时间段开始后降低第一风力发电设备的功率并调用该组风力发电设备中的多个风力发电设备的增加的功率。在该第一风力发电设备上执行维护。

本发明采用这种想法：如此来规划维护，使得将涉及到维护的风力发电设备上的功率亏损保持得尽可能小，并且相反地在适当时甚至容忍该风力发电设备上的功率亏损比所需的更高。根据本发明，可以接受这种在待维护的风力发电设备上的可避免的功率亏损，前提是同时其他风力发电设备能够有增加的功率可以使用。增加的功率可以被用于至少部分地和在适当时完全地补偿由于维护带来的功率亏损。

由风力发电设备输出的超过额定功率的那部分电功率被称为增加的功率(boostleistung)。如果例如风力发电设备的额定功率为3.0mw，但是在特定时间点实际输出3.1mw，那么增加的功率为0.1mw。

风力发电设备在正常运行中在标准条件下针对于此永久地设计的最大输出功率被称为额定功率，参见iec标准61400。从wo2012/041326a2中已知，风力发电设备在存在特定条件时在有限的时间段期间可以输出超出额定功率的增加的功率。针对如何以及在何种条件下可以调用风力发电设备的增加的功率的进一步解释，请参阅本文件。

根据本发明的方法基于对将来可用的增加的功率的预测。风力发电设备提供增加的功率的能力直接地取决于风速。使风力发电设备能够输出其额定功率的最小风速被称为额定风速。输出增加的功率的必要前提条件是，比额定风速更大的风速。

无法明确说明将来的某个时间段的风速，人们依赖的是预测。在风力发电设备运行时，通常以对风情的预测进行工作。如果根据本发明来确定风力发电设备在将来的某个时间段内是否能够提供增加的功率，则这意味着将通过预测针对该将来的时间段所预报的风速与额定风速进行比较。如果预报的风速小于或等于额定风速，那么风力发电设备无法提供增加的功率。如果预报的风速大于额定风速，那么风力发电设备的增加的功率可供使用。

从风力发电设备的特征曲线已知，在哪种风速下可以从风力发电设备调用哪种功率。因此，可以直接地从高于额定风速的风速推导出风力发电设备能够提供的增加的功率的特定值。如果多个风力发电设备上的风速高于额定风速，那么这组风力发电设备的增加的功率即为单个风力发电设备的增加的功率的总和。不需要该组的所有风力发电设备上的风速均大于额定风速。如果单个风力发电设备输出的功率低于额定功率，那么这组风力发电设备的增加的功率不会由此降低。

如果借助风力预测得出增加的功率大于预定的阈值的将来的时间段，那么可以将该时间段选择为维护时间段。维护时间段意味着：可以在该时间段期间规划在第一风力发电设备上的维护过程。

在选择将来的维护时间段时，除风速外还可以考虑其他参数，这些参数可能对提供增加的功率的风力发电设备的荷载产生影响。这些参数例如可以包括预报的风湍流、竖直和/或水平的风梯度、上升气流、该组风力发电设备中的空转条件(尾流)和/或空气密度。以风湍流为例，风力发电设备在风湍流小的阶段中的荷载一般比风湍流大的阶段中的荷载低。在其他提及的风参数中存在对应的关系。该方法可以如此执行，使得仅在其他荷载(例如由于风湍流)不高的情况下才调用增加的功率。

术语“维护”在本发明的范围内可以如此理解：即其包括风力发电设备上的所有作业，这些作业可以在将来的某个时间段内可计划地执行，其中风力发电设备可以保持运行直至该将来的时间段。典型的维护作业的前提条件是，风力发电设备输出的功率相对于额定功率至少是降低的。在很多情况下，风力发电设备在维护时间段开始后和维护过程开始前进入静止状态，使得输出功率降至零。

例如在风力发电设备的某个部件失灵后必须立即执行的作业不是这种意义上的维护，因为无法使这样的设备保持运行直至进入将来的维护时间段。“维护”例如包括每隔一段时间要执行的作业，如更换易损零件或更换润滑剂。术语“维护”还包括用于确定风力发电设备的特定部件的状态的检查。此外，还包括容许推迟直至进入维护时间段的维修作业。对此的实例可能是：状态监控系统(cms)显示，风力发电设备的传动轴承预计只剩六个月的使用寿命。在例如四个月之后出现的维护时间段可以用于更换该传动轴承。

借助风力预测确定的维护时间段首先是在将来。在确定将来的维护时间段与进入维护时间段之间的时间跨度可以用于制定维护计划，该维护计划为第一风力发电设备确定在将来的维护时间段内有待执行的维护过程。根据该维护计划而提出的维护作业在维护时间段开始后在第一风力发电设备上执行。

对于根据本发明的方法有利的是，在维护过程的整个时长内有足够量的增加的功率可供使用。因此可以确定一个将来的维护时间段，该将来的时间段比第一风力发电设备上待执行的维护过程的时长更长，其中增加的功率在维护时间段的整个时长期间比预定的阈值更高。

在根据本发明的方法的范围内，也可以接受比维护过程的时长更短的维护时间段或这样的维护时间段，该维护时间段虽然至少与维护过程的时长一样长，但是其中增加的功率并非在维护时间段的整个时长期间均高于预定的阈值。在这两种情况下，可以这样选择维护时间段，使得在维护过程的时长的至少40％期间、优选至少60％期间、进一步优选至少80％期间增加的功率大于预定的阈值。

根据本发明的方法，增加的功率被用于至少部分地补偿因第一风力发电设备上的维护过程而出现的功率亏损。可以与第一风力发电设备上的待预期的功率亏损成一定的关系地来设定增加的功率的预定阈值。例如可以如此选择预定的阈值，使得该预定的阈值能够补偿第一风力发电设备上的待预期的功率亏损的至少40％、优选至少80％、进一步优选至少100％。

如果针对将来的维护时间段预报的风速对于第一风力发电设备的位置而言至少与第一风力发电设备的额定风速一样高，那么待预期的功率亏损对应于第一风力发电设备的额定功率，前提是第一风力发电设备为维护过程而静止。如果在第一风力发电设备的功率降低的情况下执行维护过程，那么待预期的功率亏损对应地降低。

通过选择对于第一风力发电设备的位置而言预报的风速小于第一风力发电设备的额定风速的将来的维护时间段，可以使由增加的功率来补偿待预期的功率亏损变得容易。例如可以选择一个将来的维护时间段，其中待预期的功率亏损小于第一风力发电设备的额定功率的100％、优选小于80％。如果第一风力发电设备相对于该组的其他风力发电设备具有较大的空间距离，将首先考虑这一点。还可能的是，在该组风力发电设备中存在这样的机器，这些机器所具有的额定风速比第一风力发电设备更小，或者在该组风力发电设备的一些位置上一般来说存在比在第一风力发电设备的位置上更好的风力条件。

根据本发明的方法可以借助一组风力发电设备来执行，这些风力发电设备经由同一电网馈入点连接至电网运营商的传输电网。将电功率从该组的单个风力发电设备传输直至电网馈入点可以通过风力发电园内部的电网来进行。连接至共同的电网馈入点的风力发电设备通常被安排成在空间上彼此邻近。通过针对将来的维护时间段预报的风情，该组的风力发电设备在很多情况下以可比较的方式受到影响。如果预报的风速如此高，使得该组的一个或多个风力发电设备能够有增加的功率可供使用，那么第一风力发电设备上的功率亏损通常对应于第一发电设备的额定功率。

在一种替代性的实施方式中，该方法可以如此执行，使得第一风力发电设备经由第一电网馈入点连接至电网运营商的传输电网，并且该组包括经由与之不同的第二电网馈入点连接至电网运营商的传输电网的风力发电设备。可能的是，除第一风力发电设备外，该组的所有风力发电设备均经由第二电网馈入点连接至传输电网。还可能的是该组的这些风力发电设备的一部分与该第一风力发电设备一起经由第一电网馈入点连接至传输电网。

在经由多个电网馈入点馈入时，该组的风力发电设备相互之间通常具有较大的空间距离。例如可能的是，在连接至第一电网馈入点的风力发电设备上风速小于额定风速，而在连接至第二电网馈入点的风力发电设备上风速大于额定风速。然后仅经由第二电网馈入点才能够提供增加的功率。第二电网馈入点可以如此设计，使得能够经由第二电网馈入点馈入的允许功率比连接至第二电网馈入点的风力发电设备的额定功率的总和大一个过载功率。只有在此前提下才可以提供超过额定功率的总和的增加的功率。过载功率可以大于因第一风力发电设备上的维护过程而待预期的功率亏损。在一种实施方式中，过载功率大于第一风力发电设备的额定功率。

在一种实施方式中，第一风力发电设备连接至第一电网馈入点并且该组风力发电设备总共包括多于两个电网馈入点，例如至少3个、优选至少5个、进一步优选至少10个电网馈入点。其他电网馈入点(除第一电网馈入点外)上可能的过载功率的总和可以大于因第一风力发电设备上的维护过程而待预期的功率亏损，尤其大于第一风力发电设备的额定功率。

该组风力发电设备可以包括至少10个、优选至少50个、进一步优选至少200个风力发电设备。该方法可以如此执行，使得在维护时间段内至少5个、优选至少10个、进一步优选至少20个风力发电设备提供增加的功率。可供使用的增加的功率可以完全的或部分地被调用。

如果调用某一风力发电设备的增加的功率，那么这可能对风力发电设备的待预期的剩余使用寿命产生负面影响。对于总使用寿命(例如20年)，风力发电设备可以例如被设计成其中一部分(例如40％)被假设为在额定功率下运行。风力发电设备可以具有运行时间计数器，该运行时间计数器记录风力发电设备的运行的不同参数。对此例如可以包括总运行时间、在额定功率之下运行时间的比例、启动过程的次数、紧急停机过程的次数等。同样可以记录增加的功率的输出。为了能够简单地说明风力发电设备的待预期的剩余运行时间，可以以适合的方式将增加的功率下的运行与其他参数抵销。例如可以假设荷载(通过输出增加的功率)对应于在额定功率下的特定时间跨度。为目前为止输出的额定功率计数的计数值可以对应地提高。在此，可以基于合适的换算系数。例如1h的增加的功率的输出可以换算成10h的在额定功率下运行。

风力发电设备的额定功率参考特定的标准条件来定义。除风速外，其他环境条件、例如风湍流或空气密度也可以属于标准条件。可设想这样的环境条件，其中风力发电设备虽然输出额定功率，但是荷载比在标准条件下可能的荷载更低。其原因可能例如在于，风湍流小于标准条件下所假设的风湍流。在这种阶段中，风力发电设备可以输出增加的功率，而不必通过对预期的使用寿命的过度扣除来抵销。换句话说，增加的功率处于设计的设定范围内。对于根据本发明的方法有利的是，在维护时间段内在一个或多个风力发电设备的设计的设定范围内调用增加的功率。

此外，本发明还涉及一种用于在一组风力发电设备中的第一风力发电设备上执行维护过程的控制单元。该控制单元借助风力预测来确定一个将来的时间段，其中该组风力发电设备的增加的功率大于预定的阈值。该控制单元被设计成用于在该维护时间段开始后产生控制信号，以降低该第一风力发电设备的功率并调用该组风力发电设备的增加的功率。

此外，本发明还涉及一种系统，该系统包括一组风力发电设备、用于提供针对风情的预报数据的预测模块、和这样的控制单元。该系统的部件被设计成根据本发明共同作用。该控制单元可以用结合根据本发明的方法描述的其他特征来改进。该方法可以用结合根据本发明的控制单元描述的其他特征来改进。

附图说明

在下文中参考附图借助于有利的实施方式来示例性描述本发明。在附图中：

图1示出了在本发明的第一实施方式中的一组风力发电设备；

图2示出了一个将来的维护时间段的示意图；

图3示出了在本发明的第二实施方式中的一组风力发电设备；

图4、5示出了其他时间点的根据图2的视图；

图6示出了根据本发明的系统的示意图。

具体实施方式

在图1中示出了一组风力发电设备14、15。每个风力发电设备均包括发电机，该发电机通过转子轴连接在旋翼上。旋翼被风旋转、驱动发电机，从而提供电能。

该组包括第一风力发电设备15，该风力发电设备等待周期的维护过程。风力发电设备14、15连接至风力发电园内部的电网16。在电网馈入点17上，由风力发电设备14、15提供的电能被馈入到传输电网18中。

根据本发明的系统根据图6包括控制单元19，该控制单元从预测模块20获得关于将来的某个时间点的风情的预报。控制单元19的计算模块21处理从预测模块20获得的预报数据，并首先检查是否存在预报风速比风力发电设备14的额定风速更大的将来的时间段。为简单起见，假设同一风力预测适用于所有风力发电设备14并且所有风力发电设备14所具有的额定风速一样。如果不是这种情况，那么必须考虑单独的风情预测并单独与风力发电设备14的额定风速进行比较。

如果计算模块21确定了将来的这样的时间段，那么在下一步骤中针对每个风力发电设备14计算风力计算机14在该将来的时间段内预计可能产生多大量的增加的功率。从单个风力发电设备14的单个增加的功率的总和得出该组风力发电设备的整体增加的功率。该组风力发电设备的该整体增加的功率在本发明的范围内被称为增加的功率。

将整体增加的功率与预定的阈值进行比较。如果整体增加的功率大于预定的阈值，那么计算模块21在下一步骤中检查直至整体增加的功率再次降至低于预定的阈值的时间段有多长。为此，对紧接着的时间段的预报数据进行评估。

如果确定了时间段的长度，那么就会将关于该将来的时间段的开始、该将来的时间段的结束、以及在该将来的时间段内预计可供使用的整体增加的功率的量的数据发送至计划模块22。计划模块22将该将来的时间段的长度与用于在第一风力发电设备15上执行维护过程所需的时间跨度进行比较。如果该将来的时间段(其中可提供高于预定的阈值的增加的功率)比用于维护过程所需的时间跨度更长，则计划模块22将该将来的时间段确定为维护时间段26。

在图2中随时间t描绘了风速23。当前时间点标为t0。时间点t0之前的数据为实际风速的测得数据。时间点t0之后的数据对应于预测模块20的预报数据。在时间点t0之前，实际风速23持续小于额定风速24。根据预报数据，在时间点t0之后必须考虑到风速23的增大，随着该增大暂时超过额定速度24。在短暂地降至低于额定风速24之后，风速根据预报数据在较长的时间段期间超出额定风速24地增长。

在时间点t1，风速23第一次比阈值25大，从该阈值起该组风力发电设备的通过计算模块21确定的增加的功率大于风力发电设备15的额定功率。阈值25对应于针对增加的功率预定的阈值。根据预报数据，增加的功率大于预定的阈值的时间段在时间点t2结束。

计划模块22确认，时间点t1与t2之间的时间段比用于在风力发电设备15上进行维护过程所需的时间跨度更长，或者该时间段至少在足够的程度上可以覆盖用于维护过程所需的时间跨度。该时间段被确定为维护时间段26。

在维护时间段26开始时，控制单元19向第一风力发电设备15发送控制指令，风力发电设备15根据该指令停机并进入静止状态。同时，控制信号传向该组的其他的风力发电设备14，风力发电设备14根据该控制信号超出额定功率地提高输出的功率。由此得出的风力发电设备14的增加的功率正好对应于因第一风力发电设备15的静止状态而出现的功率亏损。

在维护时间段26中，处于第一风力发电设备15现场的维修技术人员可以执行周期的维护过程。该维护过程在时间点t2之前结束。维修技术人员向控制单元19发送关于维护过程结束的消息。控制单元19向第一风力发电设备15发送再次运行的控制信号。作为由第一风力发电设备15馈入的电功率的回报，风力发电设备14的增加的功率降低，直至所有风力发电设备14、15再次恢复正常运行。

在图3中展示了一种实施方式，其中风力发电设备14、15经由不同的电网馈入点17、28、29将其电能馈入传输电网18中。电网馈入点17、28、29在空间上相互远离，使得风情彼此不同。控制单元19获得针对所有风力发电设备14、15的预报数据并尝试为第一风力发电设备15的维护确定有益的维护时间段26。有益的可能是例如这样的维护时间段，其中连接至第一电网馈入点17的风力发电设备14、15所经受的风速小于额定风速。于是，因第一风力发电设备15的静止而有待预期的功率亏缺小于第一风力发电设备15的额定功率。同时，在连接至第二电网馈入点28的风力发电设备14上风速大于额定风速，从而使得有足够量的增加的功率可供使用，以补偿第一风力发电设备15上的功率亏损。

那么可以确定维护时间段26，其中在第一风力发电设备15上执行维护过程并通过连接至第二电网馈入点28的风力发电设备14的增加的功率来补偿功率亏损。这不取决于连接至第三电网馈入点29的风力发电设备14上的风情如何。如果在该处无风，从而使得连接至第三电网馈入点29的所有风力发电设备14都处于静止状态，那么就不会改变通过在第二电网馈入点28上提供的增加的功率来补偿第一风力发电设备15的功率亏损这一事实。其他状况也是可能的，其中例如经由两个电网馈入点28、29或仅经由第三电网馈入点29来馈入增加的功率。

在图4和图5中示出了两个实例，其中控制单元15无法借助在时间点t0处提供的预报数据确定维护时间段26。在图4中虽然超出阈值25两次。但是相应时间段却比在第一风力发电设备15上的维护过程所需的时间跨度更短。在图5中，虽然超出阈值25的时间段足够长。但是例如预报如此高的湍流(或影响风力发电设备的荷载的另一设定值)，使得风力发电设备14因调用增加的功率而荷载过高。在这两种情况下，将维护时间段26确定在预报数据更有益的稍后的时间点。