BR102022018598A2

BR102022018598A2 - METHOD FOR CONTROLLING AN INVERTER-BASED RESOURCE CONNECTED TO AN ELECTRICAL GRID AND SYSTEM FOR CONTROLING AN INVERTER-BASED RESOURCE CONNECTED TO AN ELECTRICAL GRID

Info

Publication number: BR102022018598A2
Application number: BR102022018598-0A
Authority: BR
Inventors: Alfredo Sebastian Achilles; Dustin Howard; Ling Xu
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2023-08-08

Abstract

Um método (400) para controlar um recurso com base em inversor conectado a uma rede elétrica (124) inclui receber parâmetro(s) de rede (507, 509) e aplicar uma função de queda (214) ao(s) parâmetro(s) de rede (507, 509) para determinar um sinal de queda de energia (206, 513). Além disso, o método (400) inclui receber um sinal de referência de energia (302). Além disso, o método (400) inclui determinar um sinal de comando de energia (508) em função do sinal de queda de energia (206, 513) e do sinal de referência de energia (302) para permitir uma resposta rápida em uma saída de energia do recurso com base em inversor para o(s) parâmetro(s) da rede (507, 509). O método (400) também inclui a aplicação de restrições de energia (504) ao sinal de comando de energia (508) para limitar o quanto a saída de energia do recurso com base em inversor pode ser alterada devido ao(s) parâmetro(s) da rede (507, 509). Além disso, o método (400) inclui determinar um ou mais comandos de controle para o recurso com base em inversor com base, pelo menos em parte, no sinal de comando de energia (508). Assim, o método (400) inclui o controle do recurso com base em inversor com base, pelo menos em parte, no sinal de comando de energia (508).

A method (400) for controlling an inverter-based resource connected to an electrical grid (124) includes receiving grid parameter(s) (507, 509) and applying a droop function (214) to the parameter(s). ) network (507, 509) to determine a power outage signal (206, 513). Furthermore, the method (400) includes receiving a power reference signal (302). Furthermore, the method (400) includes determining a power command signal (508) as a function of the power drop signal (206, 513) and the power reference signal (302) to enable rapid response at an output. of power from the inverter-based resource to the grid parameter(s) (507, 509). The method (400) also includes applying power constraints (504) to the power command signal (508) to limit how much the power output of the inverter-based resource can be changed due to the parameter(s). ) from the network (507, 509). Furthermore, method (400) includes determining one or more control commands for the inverter-based resource based, at least in part, on the power command signal (508). Thus, method (400) includes controlling the inverter-based resource based, at least in part, on the power command signal (508).

Description

METHOD FOR CONTROLLING AN INVERTER-BASED RESOURCE CONNECTED TO AN ELECTRICAL GRID AND SYSTEM FOR CONTROLING AN INVERTER-BASED RESOURCE CONNECTED TO AN ELECTRICAL GRID

FIELD OF INVENTION

[001] A presente invenção se refere de forma geral a recursos com base em inversores, tais como sistemas de energia de turbina eólica e, mais particularmente, a um método e sistema de controle de conversor para recursos com base em inversores que fornecem resposta de energia rápida a mudanças de frequência de rede juntamente com regulação rápida de tensão terminal como um meios para estabilizar os controles do conversor em redes com baixas penetrações de geradores síncronos.[001] The present invention relates generally to inverter-based resources such as wind turbine power systems, and more particularly to a converter control method and system for inverter-based resources that provide power response. fast power to grid frequency changes coupled with fast terminal voltage regulation as a means to stabilize converter controls in grids with low penetrations of synchronous generators.

BACKGROUND OF THE INVENTION

[002] A energia eólica é considerada uma das fontes de energia mais limpas e ecologicamente corretas atualmente disponíveis, e as turbinas eólicas têm ganhado cada vez mais atenção a esse respeito. Uma turbina eólica moderna normalmente inclui uma torre, gerador, caixa de engrenagens, nacela e uma ou mais pás do rotor. As pás do rotor capturam a energia cinética do vento usando princípios de aerofólio conhecidos. Por exemplo, as pás do rotor normalmente têm o perfil da seção transversal de um aerofólio de forma que, durante a operação, o ar flui sobre a pá produzindo uma diferença de pressão entre os lados. Consequentemente, uma força de elevação, que é direcionada do lado da pressão para o lado da sucção, atua na lâmina. A força de sustentação gera torque no eixo do rotor principal, que normalmente é acoplado a um gerador para a produção de eletricidade.[002] Wind energy is considered one of the cleanest and most environmentally friendly sources of energy currently available, and wind turbines have gained increasing attention in this regard. A modern wind turbine typically includes a tower, generator, gearbox, nacelle, and one or more rotor blades. The rotor blades capture the kinetic energy of the wind using known airfoil principles. For example, rotor blades typically have the cross-sectional profile of an airfoil so that, during operation, air flows over the blade producing a pressure difference between the sides. Consequently, a lifting force, which is directed from the pressure side to the suction side, acts on the blade. The lift force generates torque on the main rotor shaft, which is normally coupled to a generator to produce electricity.

[003] As turbinas eólicas podem ser diferenciadas em dois tipos: turbinas de velocidade fixa e velocidade variável. Convencionalmente, as turbinas eólicas de velocidade variável são controladas como fontes de corrente conectadas a uma rede elétrica. Em outras palavras, as turbinas eólicas de velocidade variável contam com uma frequência de rede detectada por um circuito de bloqueio de fase (PLL) como uma referência e injetam uma quantidade especificada de corrente na rede. O controle de fonte de corrente convencional das turbinas eólicas é com base nas suposições de que as formas de onda de tensão da rede são formas de onda de tensão fundamentais com frequência e magnitude fixas e que a penetração da energia eólica na rede é baixa o suficiente para não causar perturbações na magnitude e frequência de tensão da rede. Assim, as turbinas eólicas simplesmente injetam a corrente especificada na rede com base nas formas de onda de tensão fundamental. No entanto, com o rápido crescimento da energia eólica, a penetração da energia eólica em algumas redes aumentou a ponto de os geradores eólicos terem um impacto significativo na voltagem e frequência da rede.[003] Wind turbines can be differentiated into two types: fixed speed and variable speed turbines. Conventionally, variable speed wind turbines are controlled as current sources connected to an electrical grid. In other words, variable speed wind turbines rely on a grid frequency detected by a phase-locked circuit (PLL) as a reference and inject a specified amount of current into the grid. Conventional current source control of wind turbines is based on the assumptions that the grid voltage waveforms are fundamental voltage waveforms with fixed frequency and magnitude and that the penetration of wind power into the grid is low enough so as not to cause disturbances in the magnitude and frequency of network voltage. Thus, wind turbines simply inject the specified current into the grid based on the fundamental voltage waveforms. However, with the rapid growth of wind power, the penetration of wind power into some grids has increased to the point where wind generators have a significant impact on grid voltage and frequency.

[004] Além disso, projetos de geração de energia utilizando recursos com base em inversores estão cada vez mais sendo conectados a redes de transmissão CA fracas. Um dos motivos que causam conexões mais fracas à rede é o deslocamento da geração síncrona convencional por recursos com base em inversores, que tornam a rede coletivamente mais fraca devido à perda das características de fonte de tensão da geração síncrona. Além disso, a perda de inércia contribuída pelas máquinas síncronas leva a mudanças de frequência mais rápidas na rede, o que pode ter um efeito desestabilizador no(s) recurso(s) com base(s) no inversor.[004] Additionally, power generation projects utilizing inverter-based resources are increasingly being connected to weak AC transmission networks. One of the reasons that causes weaker grid connections is the displacement of conventional synchronous generation by inverter-based resources, which make the grid collectively weaker due to the loss of the voltage source characteristics of synchronous generation. Furthermore, the loss of inertia contributed by synchronous machines leads to faster frequency changes in the grid, which can have a destabilizing effect on the inverter-based resource(s).

[005] Historicamente, as redes elétricas de forma geral operam com geração síncrona suficiente conectada a qualquer momento para fornecer tensão e frequência estáveis em toda a rede elétrica. Uma vez que os recursos convencionais com base em inversores dependem de uma tensão e frequência de rede relativamente estáveis para operar de forma estável, a geração síncrona conectada à rede são os principais habilitadores para recursos convencionais com base em inversores. No entanto, as redes elétricas estão cada vez mais vendo porções de tempo em que os níveis de penetração de recursos com base em inversores estão se tornando muito grandes, por exemplo, > 60%. Os recursos convencionais com base em inversores podem estar se aproximando de sua limitação de estabilidade à medida que a penetração da geração síncrona se aproxima de 0%.[005] Historically, electrical grids generally operate with enough synchronous generation connected at any time to provide stable voltage and frequency across the entire electrical grid. Since conventional inverter-based resources rely on relatively stable grid voltage and frequency to operate stably, grid-connected synchronous generation are key enablers for conventional inverter-based resources. However, power grids are increasingly seeing portions of time where penetration levels of inverter-based resources are becoming very large, e.g. >60%. Conventional inverter-based resources may be approaching their stability limitation as synchronous generation penetration approaches 0%.

[006] Consequentemente, a presente invenção é direcionada a um sistema e método de controle de energia para melhorar a estabilidade em controles de conversor de recursos com base em inversor para sistemas com níveis de baixa penetração de geração síncrona, permitindo assim maior penetração de recursos com base em inversor em redes elétricas.[006] Accordingly, the present invention is directed to a power control system and method for improving stability in inverter-based resource converter controls for systems with low penetration levels of synchronous generation, thereby enabling greater resource penetration Inverter-based in electrical grids.

BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

[007] Aspectos e vantagens da invenção serão apresentados em parte na seguinte descrição, ou podem ser óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.[007] Aspects and advantages of the invention will be presented in part in the following description, or may be obvious from the description, or may be learned through the practice of the invention.

[008] Em um aspecto, a presente divulgação é direcionada a um método para controlar um recurso baseado em inversor conectado a uma rede elétrica. O método inclui receber, por meio de um controlador, um ou mais parâmetros de rede da rede elétrica. O método também inclui aplicar, por meio do controlador, uma função de queda a um ou mais parâmetros de rede da rede elétrica para determinar um sinal de queda de energia. Além disso, o método inclui receber, por meio do controlador, um sinal de referência de energia de um controlador externo. Além disso, o método inclui determinar, através do controlador, um sinal de comando de energia em função do sinal de queda de energia e do sinal de referência de energia para permitir uma resposta rápida em uma saída de energia do recurso baseado em inversor para um ou mais parâmetros de rede de a rede elétrica. Além disso, o método inclui aplicar, por meio do controlador, uma ou mais restrições de energia ao sinal de comando de energia para limitar o quanto a saída de energia do recurso baseado em inversor pode ser alterada devido a um ou mais parâmetros de rede da rede elétrica. Além disso, o método inclui determinar, por meio do controlador, um ou mais comandos de controle para o recurso baseado em inversor com base, pelo menos em parte, no sinal de comando de energia. Assim, o método inclui controlar, via controlador, o recurso baseado em inversor baseado, pelo menos em parte, no sinal de comando de potência.[008] In one aspect, the present disclosure is directed to a method for controlling an inverter-based resource connected to an electrical grid. The method includes receiving, via a controller, one or more network parameters from the power grid. The method also includes applying, via the controller, a droop function to one or more network parameters of the power grid to determine a sag signal. Furthermore, the method includes receiving, via the controller, a power reference signal from an external controller. Furthermore, the method includes determining, through the controller, a power command signal as a function of the power outage signal and the power reference signal to enable rapid response in a power output from the inverter-based resource to a or more network parameters of the power grid. Further, the method includes applying, via the controller, one or more power constraints to the power command signal to limit how much the power output of the inverter-based resource can be changed due to one or more network parameters of the electrical network. Further, the method includes determining, via the controller, one or more control commands for the inverter-based resource based, at least in part, on the power command signal. Thus, the method includes controlling, via controller, the inverter-based resource based, at least in part, on the power command signal.

[009] Em uma forma de realização, um ou mais parâmetros de rede podem incluir, por exemplo, um sinal de frequência de rede e um sinal de referência de frequência de rede da rede elétrica.[009] In one embodiment, one or more network parameters may include, for example, a network frequency signal and a mains network frequency reference signal.

[010] Em outra forma de realização, a função de queda pode ser uma função de queda de frequência rápida. Em tais formas de realização, o método pode incluir o ajuste da função de queda de frequência rápida com um tempo de resposta que varia de cerca de 10 milissegundos (ms) a cerca de 100 ms. Além disso, em uma forma de realização, a função de queda de frequência rápida pode ser uma função de queda proporcional, uma função de queda quadrática ou uma combinação das mesmas.[010] In another embodiment, the decay function may be a fast frequency decay function. In such embodiments, the method may include adjusting the rapid frequency decay function with a response time ranging from about 10 milliseconds (ms) to about 100 ms. Furthermore, in one embodiment, the fast frequency decay function may be a proportional decay function, a quadratic decay function, or a combination thereof.

[011] Em outras formas de realização, o método pode incluir a aplicação de um limite de taxa ao sinal de queda de energia para limitar a rapidez com que as mudanças de frequência da rede podem causar alterações em uma saída de energia do recurso com base em inversor de modo a limitar os impactos adversos do equipamento.[011] In other embodiments, the method may include applying a rate limit to the power outage signal to limit how quickly network frequency changes can cause changes in a resource's power output based on in inverter in order to limit the adverse impacts of the equipment.

[012] Em formas de realização adicionais, uma ou mais restrições de energia podem incluir uma restrição de energia superior e uma restrição de energia inferior. Assim, em certas formas de realização, o método pode incluir a aplicação de limites de equipamentos de energia superior e inferior às restrições de energia superior e inferior.[012] In additional embodiments, one or more energy constraints may include an upper energy constraint and a lower energy constraint. Thus, in certain embodiments, the method may include applying upper and lower power equipment limits to the upper and lower power constraints.

[013] Em várias formas de realização, o método pode incluir determinar a restrição de energia superior em função de uma combinação de dois ou mais dos seguintes: o sinal de referência de energia, um espaço livre de energia superior disponível para alterar a saída de energia do recurso com base em inversor com base em uma ou mais necessidades da rede elétrica e uma energia disponível dentro do recurso com base em inversor para injeção da rede elétrica.[013] In various embodiments, the method may include determining the upper energy constraint as a function of a combination of two or more of the following: the energy reference signal, an upper energy headroom available to alter the output of energy from the inverter-based resource based on one or more needs from the electrical grid and an energy available within the inverter-based resource for injection from the electrical grid.

[014] Em outra forma de realização, o método pode incluir determinar a restrição de energia mais baixa em função de uma combinação de dois ou mais dos seguintes: o sinal de referência de energia, uma margem de energia mais baixa disponível para alterar a saída de energia do recurso com base em inversor com base em uma ou mais necessidades da rede elétrica e uma energia disponível dentro do recurso com base em inversor para absorção da rede elétrica.[014] In another embodiment, the method may include determining the lowest power constraint as a function of a combination of two or more of the following: the power reference signal, a lower power margin available to change the output of energy from the inverter-based resource based on one or more needs from the electrical grid and an energy available within the inverter-based resource for absorption from the electrical grid.

[015] Em ainda outras formas de realização, o recurso com base em inversor pode ser parte de um sistema de energia de turbina eólica tendo pelo menos um gerador. Assim, em formas de realização particulares, a energia disponível dentro do recurso com base em inversor para injeção da rede elétrica pode incluir, por exemplo, energia armazenada dentro de uma bateria ou um rotor do sistema de energia de turbina eólica.[015] In still other embodiments, the inverter-based resource may be part of a wind turbine power system having at least one generator. Thus, in particular embodiments, the energy available within the inverter-based resource for grid injection may include, for example, energy stored within a battery or a rotor of the wind turbine power system.

[016] Em formas de realização adicionais, o controlador pode ser um controlador de turbina ou um controlador de conversor do sistema de energia de turbina eólica.[016] In additional embodiments, the controller may be a turbine controller or a wind turbine power system converter controller.

[017] Em outra forma de realização, o método pode incluir determinar o sinal de comando de energia em função do sinal de queda de energia e o sinal de referência de energia para permitir a resposta rápida na saída de energia do recurso com base em inversor para um ou mais parâmetros de rede de a rede elétrica, ao mesmo tempo em que implementa o controle rápido de tensão em malha fechada no recurso com base em inversor.[017] In another embodiment, the method may include determining the power command signal as a function of the power outage signal and the power reference signal to enable rapid response in the power output of the inverter-based resource. for one or more grid parameters of the power grid, while implementing fast closed-loop voltage control on the inverter-based resource.

[018] Em outro aspecto, a presente invenção é direcionada a um sistema para controlar um recurso com base em inversor conectado a uma rede elétrica. O sistema inclui um controlador que compreende pelo menos um processador. O(s) processador(es) está(ão) configurado(s) para realizar uma pluralidade de operações, incluindo, mas não se limitando a aplicar uma função de queda de frequência rápida a um ou mais parâmetros de frequência de rede da rede elétrica para gerar um sinal de queda de energia que fornece uma resposta rápida de um saída de energia do recurso com base em inversor para variações na frequência da rede enquanto simultaneamente implementa o controle rápido de tensão de malha fechada no recurso com base em inversor e aplica uma ou mais restrições de energia a um sinal de comando de energia do recurso com base em inversor para limitar como muito a saída de energia do recurso com base em inversor pode ser alterada devido a um ou mais parâmetros de frequência da rede elétrica. Deve ser entendido que o sistema pode incluir ainda qualquer um dos recursos e/ou etapas adicionais aqui descritos.[018] In another aspect, the present invention is directed to a system for controlling an inverter-based resource connected to an electrical grid. The system includes a controller comprising at least one processor. The processor(s) are configured to perform a plurality of operations, including but not limited to applying a fast frequency droop function to one or more mains frequency parameters of the power grid to generate a power droop signal that provides a rapid response of an inverter-based resource's power output to variations in grid frequency while simultaneously implementing fast closed-loop voltage control on the inverter-based resource and applying a or more power restrictions on a power command signal from the inverter-based resource to limit how much the power output of the inverter-based resource can be changed due to one or more frequency parameters of the electrical grid. It should be understood that the system may further include any of the additional features and/or steps described herein.

[019] Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção serão mais bem compreendidos com referência à seguinte descrição e reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados e constituem uma parte deste relatório descritivo, ilustram formas de realização da invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.[019] These and other features, aspects and advantages of the present invention will be better understood with reference to the following description and attached claims. The attached drawings, which are incorporated into and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[020] Uma invenção completa e capacitadora da presente invenção, incluindo o melhor modo da mesma, dirigida a um técnico no assunto, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às Figuras anexas, nas quais:
A Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma de realização de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção;
A Figura 2 ilustra uma vista interna simplificada de uma forma de realização de uma nacela de acordo com a presente invenção;
A Figura 3 ilustra uma vista esquemática de uma forma de realização de um sistema de energia elétrica de turbina eólica adequado para uso com a turbina eólica mostrada na Figura 1;
A Figura 4 ilustra uma vista esquemática de uma forma de realização de um parque eólico tendo uma pluralidade de turbinas eólicas de acordo com a presente invenção;
A Figura 5 ilustra um diagrama de blocos de uma forma de realização de um controlador de acordo com a presente invenção;
A Figura 6A ilustra um diagrama esquemático de uma forma de realização de uma função de queda de frequência proporcional sem banda morta de frequência de acordo com a construção convencional;
A Figura 6B ilustra um diagrama esquemático de uma forma de realização de uma função de queda de frequência proporcional com banda morta de frequência de acordo com a construção convencional;
A Figura 7 ilustra um diagrama esquemático de uma forma de realização de uma estrutura de controle de recursos com base em inversor de acordo com a construção convencional;
A Figura 8 ilustra um diagrama de fluxo de uma forma de realização do método para controlar um recurso com base em inversor conectado a uma rede elétrica de acordo com a presente invenção;
A Figura 9 ilustra um diagrama esquemático de uma forma de realização de uma estrutura de controle de recursos com base em inversor de acordo com a presente invenção;
A Figura 10 ilustra um diagrama esquemático de uma forma de realização de cálculos de exemplo para restrições de energia para uma estrutura de controle de recursos com base em inversor de acordo com a presente invenção; e
A Figura 11 ilustra um diagrama esquemático de uma forma de realização de componentes internos de um módulo de queda de frequência rápida de uma estrutura de controle de recursos com base em inversor de acordo com a presente invenção.[020] A complete and enabling invention of the present invention, including the best mode thereof, addressed to a person skilled in the art, is presented in the specification, which makes reference to the attached Figures, in which:
Figure 1 illustrates a perspective view of an embodiment of a wind turbine in accordance with the present invention;
Figure 2 illustrates a simplified internal view of an embodiment of a nacelle according to the present invention;
Figure 3 illustrates a schematic view of an embodiment of a wind turbine electrical power system suitable for use with the wind turbine shown in Figure 1;
Figure 4 illustrates a schematic view of an embodiment of a wind farm having a plurality of wind turbines in accordance with the present invention;
Figure 5 illustrates a block diagram of an embodiment of a controller in accordance with the present invention;
Figure 6A illustrates a schematic diagram of an embodiment of a proportional frequency decay function without frequency dead band in accordance with conventional construction;
Figure 6B illustrates a schematic diagram of an embodiment of a proportional frequency decay function with frequency deadband according to conventional construction;
Figure 7 illustrates a schematic diagram of an embodiment of an inverter-based resource control structure in accordance with conventional construction;
Figure 8 illustrates a flow diagram of an embodiment of the method for controlling an inverter-based resource connected to an electrical grid in accordance with the present invention;
Figure 9 illustrates a schematic diagram of an embodiment of an inverter-based resource control structure in accordance with the present invention;
Figure 10 illustrates a schematic diagram of an embodiment of example calculations for power constraints for an inverter-based resource control structure in accordance with the present invention; It is
Figure 11 illustrates a schematic diagram of an embodiment of internal components of a fast frequency droop module of an inverter-based resource control structure in accordance with the present invention.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[021] Agora será feita referência em detalhes às formas de realização da invenção, um ou mais exemplos das quais são ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção, não como limitação da invenção. Na verdade, será evidente para os técnicos no assunto que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem se afastar do escopo ou do espírito da invenção. Por exemplo, os recursos ilustrados ou descritos como parte de uma forma de realização podem ser usados com outra forma de realização para produzir ainda uma forma de realização adicional. Assim, pretende-se que a presente invenção cubra tais modificações e variações que caiam no escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.[021] Reference will now be made in detail to the embodiments of the invention, one or more examples of which are illustrated in the drawings. Each example is provided by way of explanation of the invention, not as a limitation of the invention. Indeed, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations may be made to the present invention without departing from the scope or spirit of the invention. For example, features illustrated or described as part of one embodiment may be used with another embodiment to produce yet a further embodiment. Thus, the present invention is intended to cover such modifications and variations that fall within the scope of the attached claims and their equivalents.

[022] Em geral, a presente invenção é direcionada a um método de controle de conversor para recursos com base em inversor (IBR) que fornece resposta de energia rápida a mudanças de frequência de rede juntamente com regulação rápida de tensão terminal como um meio de estabilizar os controles do conversor em redes com baixas penetrações de geradores síncronos. Conforme usado neste documento, os recursos com base em inversor de forma geral se referem a dispositivos elétricos que podem gerar ou absorver energia elétrica através da comutação de dispositivos eletrônicos de energia. Consequentemente, o recurso com base em inversor pode incluir sistemas de energia de turbina eólica, inversores solares, sistemas de armazenamento de energia, STATCOMs ou sistemas de energia hidrelétrica. Por exemplo, em uma forma de realização, o recurso com base em inversor pode ser um sistema de energia de turbina eólica com um conversor do lado do rotor, um conversor do lado da linha e um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) conectado à rede elétrica.[022] In general, the present invention is directed to a converter control method for inverter-based resources (IBR) that provides rapid power response to grid frequency changes coupled with rapid terminal voltage regulation as a means of stabilize converter controls in networks with low penetrations of synchronous generators. As used herein, inverter-based resources generally refer to electrical devices that can generate or absorb electrical energy through switching power electronic devices. Accordingly, the inverter-based resource may include wind turbine power systems, solar inverters, energy storage systems, STATCOMs, or hydroelectric power systems. For example, in one embodiment, the inverter-based resource may be a wind turbine power system with a rotor-side converter, a line-side converter, and a doubly fed induction generator (DFIG) connected to the electrical network.

[023] Com referência agora aos desenhos, a Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma forma de realização de uma turbina eólica (10) de acordo com a presente invenção. Como mostrado, a turbina eólica (10) de forma geral inclui uma torre (12) se estendendo de uma superfície de suporte (14), uma nacela (16) montada na torre (12) e um rotor (18) acoplado à nacela (16). O rotor (18) inclui um cubo rotativo (20) e pelo menos uma pá do rotor (22) acoplada e se estendendo para fora do cubo (20). Por exemplo, na forma de realização ilustrada, o rotor (18) inclui três pás do rotor (22). No entanto, em uma forma de realização alternativa, o rotor (18) pode incluir mais ou menos do que três pás do rotor (22). Cada pá do rotor (22) pode ser espaçada em torno do cubo (20) para facilitar a rotação do rotor (18) para permitir que a energia cinética seja transferida do vento para energia mecânica utilizável e, subsequentemente, energia elétrica. Por exemplo, o cubo (20) pode ser acoplado rotativamente a um gerador elétrico (24) (Figura 1) posicionado dentro da nacela (16) para permitir que a energia elétrica seja produzida.[023] Referring now to the drawings, Figure 1 illustrates a perspective view of an embodiment of a wind turbine (10) in accordance with the present invention. As shown, the wind turbine (10) generally includes a tower (12) extending from a support surface (14), a nacelle (16) mounted on the tower (12), and a rotor (18) coupled to the nacelle ( 16). The rotor (18) includes a rotating hub (20) and at least one rotor blade (22) coupled to and extending outwardly from the hub (20). For example, in the illustrated embodiment, the rotor (18) includes three rotor blades (22). However, in an alternative embodiment, the rotor (18) may include more or less than three rotor blades (22). Each rotor blade (22) may be spaced around the hub (20) to facilitate rotation of the rotor (18) to allow kinetic energy to be transferred from the wind to usable mechanical energy and subsequently electrical energy. For example, the hub (20) can be rotatably coupled to an electrical generator (24) (Figure 1) positioned within the nacelle (16) to allow electrical energy to be produced.

[024] A turbina eólica (10) também pode incluir um controlador de turbina eólica (26) centralizado dentro da nacela (16). No entanto, em outras formas de realização, o controlador (26) pode estar localizado dentro de qualquer outro componente da turbina eólica (10) ou em um local fora da turbina eólica (10). Além disso, o controlador (26) pode ser acoplado comunicativamente a qualquer número dos componentes da turbina eólica (10), a fim de controlar a operação de tais componentes e/ou implementar uma ação corretiva ou de controle. Como tal, o controlador (26) pode incluir um computador ou outra unidade de processamento adequada. Assim, em várias formas de realização, o controlador (26) pode incluir instruções legíveis por computador adequadas que, quando implementadas, configuram o controlador (26) para executar várias funções diferentes, como receber, transmitir e/ou executar sinais de controle de turbina eólica. Consequentemente, o controlador (26) pode de forma geral ser configurado para controlar os vários modos de operação (por exemplo, sequências de inicialização ou desligamento), rebaixando ou melhorando a turbina eólica e/ou componentes individuais da turbina eólica (10).[024] The wind turbine (10) may also include a wind turbine controller (26) centralized within the nacelle (16). However, in other embodiments, the controller (26) may be located within any other component of the wind turbine (10) or in a location outside the wind turbine (10). Furthermore, the controller (26) may be communicatively coupled to any number of the components of the wind turbine (10) in order to control the operation of such components and/or implement a corrective or control action. As such, the controller (26) may include a computer or other suitable processing unit. Thus, in various embodiments, the controller (26) may include suitable computer-readable instructions that, when implemented, configure the controller (26) to perform various different functions, such as receiving, transmitting and/or executing turbine control signals. wind. Accordingly, the controller (26) may generally be configured to control various modes of operation (e.g., startup or shutdown sequences) by downgrading or upgrading the wind turbine and/or individual components of the wind turbine (10).

[025] Com referência agora à Figura 2, uma vista interna simplificada de uma forma de realização da nacela (16) da turbina eólica (10) mostrada na Figura 4 é ilustrado. Como mostrado, um gerador (24) pode ser disposto dentro da nacela (16) e suportado no topo de uma placa base (46). Em geral, o gerador (24) pode ser acoplado ao rotor (18) para produzir energia elétrica a partir da energia rotacional gerada pelo rotor (18). Por exemplo, como mostrado na forma de realização ilustrada, o rotor (18) pode incluir um eixo de rotor (34) acoplado ao cubo (20) para rotação com o mesmo. O eixo do rotor (34) pode, por sua vez, ser acoplado rotativamente a um eixo do gerador (36) do gerador (24) através de uma caixa de engrenagens (38). Como é de forma geral entendido, o eixo do rotor (34) pode fornecer uma entrada de baixa velocidade e alto torque para a caixa de engrenagens (38) em resposta à rotação das pás do rotor (22) e do cubo (20). A caixa de engrenagens (38) pode então ser configurada para converter a baixa velocidade, alta entrada de torque em alta velocidade, baixa saída de torque para acionar o eixo do gerador (36) e, assim, o gerador (24).[025] Referring now to Figure 2, a simplified internal view of an embodiment of the nacelle (16) of the wind turbine (10) shown in Figure 4 is illustrated. As shown, a generator (24) may be disposed within the nacelle (16) and supported on top of a base plate (46). In general, the generator (24) can be coupled to the rotor (18) to produce electrical energy from the rotational energy generated by the rotor (18). For example, as shown in the illustrated embodiment, the rotor (18) may include a rotor shaft (34) coupled to the hub (20) for rotation therewith. The rotor shaft (34) may in turn be rotatably coupled to a generator shaft (36) of the generator (24) via a gearbox (38). As is generally understood, the rotor shaft (34) can provide a low speed, high torque input to the gearbox (38) in response to the rotation of the rotor blades (22) and the hub (20). The gearbox (38) can then be configured to convert the low speed, high torque input to high speed, low torque output to drive the generator shaft (36) and thus the generator (24).

[026] A turbina eólica (10) também pode ter um ou mais mecanismos de acionamento de passo (32) comunicativamente acoplados ao controlador de turbina eólica (26), com cada mecanismo (s) de ajuste de passo (32) sendo configurado para girar um rolamento de passo (40) e, assim, a (s) pá (s) de rotor individual (22) sobre seu respectivo eixo de inclinação (28). Além disso, como mostrado, a turbina eólica (10) pode incluir um ou mais mecanismos de acionamento de guinada (42) configurados para alterar o ângulo da nacela (16) em relação ao vento (por exemplo, engatando um rolamento de guinada (44) do vento turbina (10) que está disposta entre a nacela (16) e a torre (12) da turbina eólica (10)).[026] The wind turbine (10) may also have one or more pitch drive mechanisms (32) communicatively coupled to the wind turbine controller (26), with each pitch adjustment mechanism(s) (32) being configured to rotating a pitch bearing (40) and thus the individual rotor blade(s) (22) about their respective tilt axis (28). Furthermore, as shown, the wind turbine (10) may include one or more yaw drive mechanisms (42) configured to change the angle of the nacelle (16) relative to the wind (e.g., by engaging a yaw bearing (44). ) of the wind turbine (10) which is arranged between the nacelle (16) and the tower (12) of the wind turbine (10)).

[027] Além disso, a turbina eólica (10) também pode incluir um ou mais sensores (66, 68) para monitorar várias condições de vento da turbina eólica (10). Por exemplo, a direção do vento de entrada (52), velocidade do vento ou qualquer outra condição de vento adequada perto do vento a turbina (10) pode ser medida, tal como por meio do uso de um sensor meteorológico adequado (66). Sensores meteorológicos adequados podem incluir, por exemplo, dispositivos de detecção e alcance de luz (“LIDAR”), dispositivos de detecção e alcance sônico (“SODAR”), anemômetros, palhetas de vento, barômetros, dispositivos de radar (tais como dispositivos de radar Doppler) ou qualquer outro dispositivo de detecção que pode fornecer informações direcionais do vento agora conhecidas ou desenvolvidas posteriormente no estado da técnica. Ainda outros sensores (68) podem ser utilizados para medir parâmetros operacionais adicionais da turbina eólica (10), tais como voltagem, corrente, vibração, etc., conforme descrito neste documento.[027] Furthermore, the wind turbine (10) may also include one or more sensors (66, 68) for monitoring various wind conditions of the wind turbine (10). For example, inlet wind direction (52), wind speed or any other suitable wind condition near the wind turbine (10) can be measured, such as through the use of a suitable meteorological sensor (66). Suitable meteorological sensors may include, for example, light detection and ranging (“LIDAR”) devices, sonic detection and ranging (“SODAR”) devices, anemometers, wind vanes, barometers, radar devices (such as Doppler radar) or any other detection device that can provide wind directional information now known or later developed in the art. Still other sensors (68) can be used to measure additional operational parameters of the wind turbine (10), such as voltage, current, vibration, etc., as described herein.

[028] Com referência agora à Figura 3, um diagrama esquemático de uma forma de realização de um sistema de energia de turbina eólica (100) é ilustrado de acordo com aspectos da presente invenção. Embora a presente invenção seja de forma geral descrita neste documento com referência à turbina eólica (10) mostrado na Figura 3, os técnicos no assunto, usando as divulgações fornecidas neste documento, devem entender que aspectos da presente invenção também podem ser aplicáveis em outros sistemas de geração de energia e, como mencionado acima, que a invenção não está limitada a sistemas de turbina eólica.[028] Referring now to Figure 3, a schematic diagram of an embodiment of a wind turbine energy system (100) is illustrated in accordance with aspects of the present invention. Although the present invention is generally described herein with reference to the wind turbine (10) shown in Figure 3, those skilled in the art, using the disclosures provided herein, should understand that aspects of the present invention may also be applicable in other systems. of power generation and, as mentioned above, that the invention is not limited to wind turbine systems.

[029] Na forma de realização da Figura 3 e como mencionado, o rotor (18) da turbina eólica (10) (Figura 4) pode, opcionalmente, ser acoplado à caixa de engrenagens (38), que é, por sua vez, acoplada a um gerador (102), que pode ser um gerador de indução de alimentação dupla (DFIG). Como mostrado, o DFIG (102) pode ser conectado a um barramento de estator (104). Além disso, como mostrado, um conversor de energia (106) pode ser conectado ao DFIG (102) através de um barramento de rotor (108) e ao barramento de estator (104) através de um barramento lateral de linha (110). Como tal, o barramento do estator (104) pode fornecer uma energia multifásica de saída (por exemplo, energia trifásica) de um estator do DFIG (102), e o barramento do rotor (108) pode fornecer uma energia multifásica de saída (por exemplo, energia trifásica) de um rotor do DFIG (102). O conversor de energia (106) também pode incluir um conversor do lado do rotor (RSC) (112) e um conversor do lado da linha (LSC) (114). O DFIG (102) é acoplado por meio do barramento do rotor (108) ao conversor do lado do rotor (112). Além disso, o RSC (112) está acoplado ao LSC (114) através de uma ligação DC (116) por meio do qual está um capacitor de ligação DC (118). O LSC (114) é, por sua vez, acoplado ao barramento lateral da linha (110).[029] In the embodiment of Figure 3 and as mentioned, the rotor (18) of the wind turbine (10) (Figure 4) can, optionally, be coupled to the gearbox (38), which is, in turn, coupled to a generator (102), which may be a double-fed induction generator (DFIG). As shown, the DFIG (102) can be connected to a stator bus (104). Furthermore, as shown, a power converter (106) can be connected to the DFIG (102) via a rotor bus (108) and to the stator bus (104) via a line side bus (110). As such, the stator bus (104) can provide an output multiphase power (e.g., three-phase power) from a stator of the DFIG (102), and the rotor bus (108) can provide an output multiphase power (e.g., example, three-phase power) from a DFIG rotor (102). The power converter (106) may also include a rotor side converter (RSC) (112) and a line side converter (LSC) (114). The DFIG (102) is coupled via the rotor bus (108) to the rotor side converter (112). Furthermore, the RSC (112) is coupled to the LSC (114) via a DC link (116) through which is a DC link capacitor (118). The LSC (114) is, in turn, coupled to the line side bus (110).

[030] O RSC (112) e o LSC (114) podem ser configurados para o modo de operação normal em um arranjo de modulação de largura de pulso (PWM) trifásico usando um ou mais dispositivos de comutação, tais como elementos de comutação de transistor bipolar de porta isolada (IGBT). Além disso, o conversor de energia (106) pode ser acoplado a um controlador de conversor (120) a fim de controlar a operação do conversor lateral do rotor (112) e/ou do conversor lateral da linha (114) como descrito neste documento. Deve-se notar que o controlador de conversor (120) pode ser configurado como uma interface entre o conversor de energia (106) e o controlador de turbina (26) e pode incluir qualquer número de dispositivos de controle.[030] The RSC (112) and LSC (114) can be configured for normal operating mode in a three-phase pulse width modulation (PWM) arrangement using one or more switching devices, such as switching elements. insulated gate bipolar transistor (IGBT). Additionally, the power converter (106) may be coupled to a converter controller (120) in order to control the operation of the rotor side converter (112) and/or the line side converter (114) as described herein. . It should be noted that the converter controller (120) may be configured as an interface between the power converter (106) and the turbine controller (26) and may include any number of control devices.

[031] Em configurações típicas, vários contatores de linha e disjuntores incluindo, por exemplo, um disjuntor de rede (122) também podem ser incluídos para isolar os vários componentes conforme necessário para a operação normal do DFIG (102) durante a conexão e desconexão de uma carga, tal como o elétrico rede (124). Por exemplo, um disjuntor de sistema (126) pode acoplar um barramento de sistema (128) a um transformador (130), que pode ser acoplado à rede elétrica (124) por meio do disjuntor de rede (122). Em formas de realização alternativas, os fusíveis podem substituir parte ou todo o circuito disjuntores.[031] In typical configurations, various line contactors and circuit breakers including, for example, a network circuit breaker (122) may also be included to isolate the various components as necessary for normal operation of the DFIG (102) during connection and disconnection. of a load, such as the electrical network (124). For example, a system circuit breaker (126) may couple a system bus (128) to a transformer (130), which may be coupled to the electrical network (124) via the network circuit breaker (122). In alternative embodiments, fuses may replace part or all of circuit breakers.

[032] Em operação, a energia de corrente alternada gerada no DFIG (102) pela rotação do rotor (18) é fornecida à rede elétrica (124) através de caminhos duplos definidos pelo barramento do estator (104) e o barramento do rotor (108). No barramento do rotor (108), multifase sinusoidal (por exemplo, energia de corrente alternada (CA) trifásica é fornecida ao conversor de energia (106). O conversor do lado do rotor (112) converte a energia CA fornecida a partir do barramento do rotor (108) em energia de corrente contínua (CC) e fornece energia CC para a ligação CC (116). Como é de forma geral entendido, os elementos de comutação (por exemplo, IGBTs) usados nos circuitos de ponte do conversor do lado do rotor (112) podem ser modulados para converter a energia CA fornecida a partir do barramento do rotor (108) em energia CC adequada para a ligação CC (116).[032] In operation, the alternating current energy generated in the DFIG (102) by the rotation of the rotor (18) is supplied to the electrical grid (124) through dual paths defined by the stator bus (104) and the rotor bus ( 108). On the rotor bus (108), sinusoidal multiphase (e.g., three-phase alternating current (AC) power is supplied to the power converter (106). The rotor side converter (112) converts the AC power supplied from the bus of the rotor (108) into direct current (DC) power and supplies DC power to the DC link (116). As is generally understood, the switching elements (e.g., IGBTs) used in the rotor converter bridge circuits (108) side of the rotor (112) can be modulated to convert AC power supplied from the rotor bus (108) into DC power suitable for the DC link (116).

[033] Além disso, o conversor do lado da linha (114) converte a energia CC na ligação CC (116) em energia de saída CA adequada para a rede elétrica (124). Em particular, os elementos de comutação (por exemplo, IGBTs) usados em circuitos de ponte do conversor do lado da linha (114) podem ser modulados para converter a energia CC na ligação CC (116) em energia CA no barramento lateral da linha (110). A energia CA do conversor de energia (106) pode ser restringida com a energia do estator do DFIG (102) para fornecer energia multifásica (por exemplo, alimentação trifásica) tendo uma frequência mantida substancialmente na frequência da rede elétrica (124) (por exemplo, 50 Hz ou 60 Hz).[033] Additionally, the line-side converter (114) converts DC power at the DC link (116) into AC output power suitable for the electrical grid (124). In particular, switching elements (e.g., IGBTs) used in line-side converter bridge circuits (114) can be modulated to convert DC power on the DC link (116) to AC power on the line-side bus ( 110). AC power from the power converter (106) may be constrained with stator power from the DFIG (102) to provide multiphase power (e.g., three-phase power) having a frequency maintained substantially at the frequency of the mains (124) (e.g. , 50 Hz or 60 Hz).

[034] Além disso, vários disjuntores e interruptores, como o disjuntor da rede (122), o disjuntor do sistema (126), o interruptor de sincronização do estator (132), o disjuntor do conversor (134) e o contator de linha (136) podem ser incluídos no sistema de energia da turbina eólica (100) para conectar ou desconectar os barramentos correspondentes, por exemplo, quando o fluxo de corrente é excessivo e pode danificar os componentes do sistema de energia da turbina eólica (100) ou para outras considerações operacionais. Componentes de proteção adicionais também podem ser incluídos no sistema de energia da turbina eólica (100).[034] In addition, various circuit breakers and switches, such as the mains circuit breaker (122), the system circuit breaker (126), the stator synchronization switch (132), the converter circuit breaker (134) and the line contactor (136) may be included in the wind turbine power system (100) to connect or disconnect corresponding buses, for example, when current flow is excessive and may damage components of the wind turbine power system (100) or for other operational considerations. Additional protective components may also be included in the wind turbine power system (100).

[035] Além disso, o conversor de energia (106) pode receber sinais de controle, por exemplo, do sistema de controle local (176) por meio do controlador de conversor (120). Os sinais de controle podem ser com base, entre outras coisas, em estados detectados ou características operacionais do sistema de energia de turbina eólica (100). Normalmente, os sinais de controle fornecem controle da operação do conversor de energia (106). Por exemplo, o retorno na forma de uma velocidade detectada do DFIG (102) pode ser usado para controlar a conversão da energia de saída do barramento do rotor (108) para manter uma fonte de alimentação multifásica adequada e balanceada (por exemplo, trifásica). Outro retorno de outros sensores também pode ser usado pelo (s) controlador (es) (120, 26) para controlar o conversor de energia (106), incluindo, por exemplo, tensões de barramento de rotor e estator e retornos de corrente. Usando as várias formas de informação de retorno, sinais de controle de comutação (por exemplo, comandos de temporização de porta para IGBTs), sinais de controle de sincronização de estator e sinais de disjuntor podem ser gerados.[035] Furthermore, the power converter (106) can receive control signals, for example, from the local control system (176) via the converter controller (120). The control signals may be based on, among other things, detected states or operational characteristics of the wind turbine power system (100). Typically, control signals provide control of the operation of the power converter (106). For example, feedback in the form of a detected speed from the DFIG (102) can be used to control the conversion of output power from the rotor bus (108) to maintain a suitable and balanced multiphase (e.g., three-phase) power supply. . Other feedback from other sensors may also be used by the controller(s) (120, 26) to control the power converter (106), including, for example, rotor and stator bus voltages and current returns. Using the various forms of feedback information, switching control signals (e.g., gate timing commands for IGBTs), stator timing control signals, and circuit breaker signals can be generated.

[036] O conversor de energia (106) também compensa ou ajusta a frequência da energia trifásica do rotor para mudanças, por exemplo, na velocidade do vento no cubo (20) e nas pás do rotor (22). Portanto, as frequências do rotor mecânico e elétrico são desacopladas e a correspondência do estator elétrico e da frequência do rotor é facilitada de maneira substancialmente independente da velocidade do rotor mecânico.[036] The power converter (106) also compensates or adjusts the frequency of the three-phase rotor power for changes, for example, in wind speed at the hub (20) and rotor blades (22). Therefore, the mechanical and electrical rotor frequencies are decoupled and matching of the electrical stator and rotor frequency is facilitated in a manner substantially independent of the speed of the mechanical rotor.

[037] Em alguns estados, as características bidirecionais do conversor de energia (106) e, de forma específica, as características bidirecionais do LSC (114) e RSC (112), facilitam a retroalimentação de pelo menos parte da energia elétrica gerada no rotor do gerador. De forma mais específica, a energia elétrica pode ser transmitida do barramento do estator (104) para o barramento lateral da linha (110) e, subsequentemente, por meio do contator de linha (136) e para o conversor de energia (106), de forma específica o LSC (114) que atua como um retificador e retifica a alimentação senoidal trifásica AC para alimentação DC. A energia CC é transmitida para a ligação CC (116). O capacitor (118) facilita a atenuação das variações de amplitude de tensão da ligação CC ao facilitar a mitigação de uma ondulação CC, às vezes associada à retificação CA trifásica.[037] In some states, the bidirectional characteristics of the energy converter (106) and, specifically, the bidirectional characteristics of the LSC (114) and RSC (112), facilitate the feedback of at least part of the electrical energy generated in the rotor of the generator. More specifically, electrical energy can be transmitted from the stator bus (104) to the line side bus (110) and subsequently through the line contactor (136) and to the power converter (106), specifically the LSC (114) which acts as a rectifier and rectifies the AC three-phase sinusoidal supply to DC supply. DC power is transmitted to the DC link (116). The capacitor (118) facilitates the mitigation of DC link voltage amplitude variations by facilitating the mitigation of a DC ripple, sometimes associated with three-phase AC rectification.

[038] A energia CC é subsequentemente transmitida ao RSC (112), que converte a energia elétrica CC em uma energia elétrica CA sinusoidal trifásica ajustando tensões, correntes e frequências. Esta conversão é monitorada e controlada por meio do controlador de conversor (120). A energia CA convertida é transmitida do RSC (112) por meio do barramento do rotor (108) para o rotor do gerador. Desse modo, o controle da energia reativa do gerador é facilitado pelo controle da corrente e de tensão do rotor.[038] The DC energy is subsequently transmitted to the RSC (112), which converts the DC electrical energy into three-phase sinusoidal AC electrical energy by adjusting voltages, currents and frequencies. This conversion is monitored and controlled via the converter controller (120). The converted AC power is transmitted from the RSC (112) via the rotor bus (108) to the generator rotor. In this way, control of the generator's reactive energy is facilitated by controlling the rotor current and voltage.

[039] Com referência agora à Figura 4, o sistema de energia da turbina eólica (100) aqui descrito pode ser parte de um parque eólico (50). Como mostrado, o parque eólico (50) pode incluir uma pluralidade de turbinas eólicas (52), incluindo a turbina eólica (10) descrita acima e um controlador geral ao nível do parque (56). Por exemplo, como mostrado na forma de realização ilustrada, o parque eólico (50) inclui doze turbinas eólicas, incluindo a turbina eólica (10). No entanto, em outras formas de realização, o parque eólico (50) pode incluir qualquer outro número de turbinas eólicas, como menos de doze turbinas eólicas ou mais de doze turbinas eólicas. Em uma forma de realização, os controladores de turbina da pluralidade de turbinas eólicas (52) são comunicativamente acoplados ao controlador de nível de fazenda (56), por exemplo, através de uma conexão com fio, tal como conectando o controlador de turbina (26) através de ligações comunicativos adequados (54) (por exemplo, um cabo adequado). De forma alternativa, os controladores de turbina podem ser acoplados comunicativamente ao controlador de nível agrícola (56) através de uma conexão sem fio, tal como usando qualquer protocolo de comunicação sem fio adequado conhecido no estado da técnica. Em outras formas de realização, o controlador de nível de fazenda (56) é configurado para enviar e receber sinais de controle de e para as várias turbinas eólicas (52), como, por exemplo, distribuir demandas de energia real e/ou reativa através das turbinas eólicas (52) da fazenda eólica (50).[039] Referring now to Figure 4, the wind turbine power system (100) described herein may be part of a wind farm (50). As shown, the wind farm (50) may include a plurality of wind turbines (52), including the wind turbine (10) described above and a general farm-level controller (56). For example, as shown in the illustrated embodiment, the wind farm (50) includes twelve wind turbines, including the wind turbine (10). However, in other embodiments, the wind farm (50) may include any other number of wind turbines, such as fewer than twelve wind turbines or more than twelve wind turbines. In one embodiment, the turbine controllers of the plurality of wind turbines (52) are communicatively coupled to the farm level controller (56), for example, via a wired connection, such as connecting the turbine controller (26 ) through suitable communicative connections (54) (e.g. a suitable cable). Alternatively, the turbine controllers may be communicatively coupled to the agricultural level controller (56) via a wireless connection, such as using any suitable wireless communication protocol known in the art. In other embodiments, the farm level controller (56) is configured to send and receive control signals to and from the various wind turbines (52), such as, for example, distributing real and/or reactive power demands across of the wind turbines (52) of the wind farm (50).

[040] Com referência agora à Figura 5, um diagrama de blocos de uma forma de realização de componentes adequados que podem ser incluídos dentro do controlador (tal como qualquer um do controlador de conversor (120), o controlador de turbina (26) e/ou o controlador de nível de fazenda (56) aqui descrito) de acordo com o exemplo aspectos da presente invenção são ilustrados. Como mostrado, o controlador pode incluir um ou mais processador (es) (58), computador ou outra unidade de processamento adequada e dispositivo (s) de memória associado (s) (60) que podem incluir instruções legíveis por computador adequadas que, quando implementadas, configuram o controlador para executar várias funções diferentes, como receber, transmitir e/ou executar sinais de controle de turbina eólica (por exemplo, executar os métodos, etapas, cálculos e semelhantes aqui divulgados).[040] Referring now to Figure 5, a block diagram of an embodiment of suitable components that may be included within the controller (such as any of the converter controller (120), the turbine controller (26) and /or the farm level controller (56) described herein) according to the example aspects of the present invention are illustrated. As shown, the controller may include one or more processor(s) (58), computer or other suitable processing unit, and associated memory device(s) (60) which may include suitable computer-readable instructions that, when implemented, configure the controller to perform several different functions, such as receiving, transmitting, and/or executing wind turbine control signals (e.g., performing the methods, steps, calculations, and the like disclosed herein).

[041] Conforme usado neste documento, o termo “processador” se refere não apenas a circuitos integrados referidos no estado da técnica como sendo incluídos em um computador, mas também se refere a um controlador, um microcontrolador, um microcomputador, um controlador lógico programável (PLC), um aplicativo circuito integrado específico e outros circuitos programáveis. Além disso, o (s) dispositivo (s) de memória (60) podem de forma geral incluir elemento (s) de memória, incluindo, mas não se limitando a, meio legível por computador (por exemplo, memória de acesso aleatório (RAM)), meio não volátil legível por computador (por exemplo, uma memória flash), um disquete, uma memória somente de leitura de disco compacto (CDROM), um disco magneto-óptico (MOD), um disco versátil digital (DVD) e/ou outros elementos de memória adequados.[041] As used herein, the term “processor” refers not only to integrated circuits referred to in the prior art as being included in a computer, but also refers to a controller, a microcontroller, a microcomputer, a programmable logic controller (PLC), an application specific integrated circuit and other programmable circuits. Furthermore, the memory device(s) (60) may generally include memory element(s), including, but not limited to, computer-readable media (e.g., random access memory (RAM). )), non-volatile computer-readable medium (e.g., a flash memory), a floppy disk, a compact disk read-only memory (CDROM), a magneto-optical disk (MOD), a digital versatile disk (DVD), and /or other suitable memory elements.

[042] Tais dispositivos de memória (60) podem de forma geral ser configurados para armazenar instruções legíveis por computador adequadas que, quando implementadas pelo (s) processador (es) (58), configuram o controlador para executar várias funções, conforme descrito neste documento. Além disso, o controlador também pode incluir uma interface de comunicação (62) para facilitar as comunicações entre o controlador e os vários componentes da turbina eólica (10). Uma interface pode incluir um ou mais circuitos, terminais, pinos, contatos, condutores ou outros componentes para enviar e receber sinais de controle. Além disso, o controlador pode incluir uma interface de sensor (64) (por exemplo, um ou mais conversores analógicodigital) para permitir que os sinais transmitidos dos sensores (66, 68) sejam convertidos em sinais que podem ser compreendidos e processados pelo (s) processador (es) (58)[042] Such memory devices (60) may generally be configured to store suitable computer-readable instructions that, when implemented by the processor(s) (58), configure the controller to perform various functions as described in this document. Furthermore, the controller may also include a communication interface (62) to facilitate communications between the controller and various components of the wind turbine (10). An interface may include one or more circuits, terminals, pins, contacts, conductors, or other components for sending and receiving control signals. Additionally, the controller may include a sensor interface (64) (e.g., one or more analog-to-digital converters) to allow signals transmitted from sensors (66, 68) to be converted into signals that can be understood and processed by the controller (s). ) processor(s) (58)

[043] Como é de forma geral entendido pelo técnicos no assunto, o controle de queda de frequência é um método de controle comumente usado para acomodar o compartilhamento de energia ativa entre usinas de energia, como o parque eólico (150)). Assim, como mostrado nas Figuras 6A-6B, as estruturas de queda de frequência são mostradas de acordo com a construção convencional. Em particular, como mostrado na Figura 6A, uma função de queda de frequência proporcional (200) tendo uma função de queda (214) sem uma banda morta de frequência é ilustrada, enquanto a Figura 6B ilustra uma queda de frequência proporcional (210) tendo uma função de queda (214) com uma banda morta de frequência (212). Assim, como mostrado, o controle de queda de frequência envolve tomar a diferença entre uma referência de frequência (por exemplo, FrqRef (202)) e feedback de frequência real (por exemplo, FrqFbk (204)) e alterando a referência de energia para o gerador com base em proporção a essa diferença em uma direção que suporte a frequência da rede (por exemplo, aumente a referência de energia para a frequência da rede abaixo da referência de frequência usando um sinal de queda de energia (por exemplo, PwrDrp (206))). Além disso, como mostrado, as estruturas de queda de frequência podem incluir um filtro (208) para o feedback de frequência.[043] As is generally understood by those skilled in the art, frequency droop control is a control method commonly used to accommodate active power sharing between power plants, such as wind farm (150)). Thus, as shown in Figures 6A-6B, frequency drop structures are shown in accordance with conventional construction. In particular, as shown in Figure 6A, a proportional frequency droop function (200) having a droop function (214) without a frequency deadband is illustrated, while Figure 6B illustrates a proportional frequency droop (210) having a decay function (214) with a frequency dead band (212). So, as shown, frequency droop control involves taking the difference between a frequency reference (e.g., FrqRef(202)) and actual frequency feedback (e.g., FrqFbk(204)) and changing the power reference to the generator based on proportion to this difference in a direction that supports the grid frequency (e.g., increase the power reference to the grid frequency below the frequency reference using a power drop signal (e.g., PwrDrp ( 206))). Furthermore, as shown, the frequency drop structures may include a filter (208) for frequency feedback.

[044] Em redes com alta penetração de geradores síncronos, as inércias coletivas dos geradores impedem que a frequência da rede mude muito rapidamente. Portanto, na geração síncrona convencional, a queda de frequência pode ser projetada com um tempo de resposta relativamente lento (por exemplo, cerca de 1 segundo a cerca de 10 segundos). Em instalações de recursos com base em inversor (IBR) existentes, as funções de queda de frequência de forma geral estão sujeitas a uma banda morta de frequência, tempos de resposta relativamente lentos (de cerca de 1 a cerca de 10 segundos) e implementadas nos controles de nível de planta.[044] In networks with high penetration of synchronous generators, the collective inertias of the generators prevent the network frequency from changing too quickly. Therefore, in conventional synchronous generation, the frequency drop can be designed with a relatively slow response time (e.g., about 1 second to about 10 seconds). In existing inverter-based resource (IBR) installations, frequency droop functions are generally subject to a frequency dead band, relatively slow response times (from about 1 to about 10 seconds), and implemented in plant level controls.

[045] Com referência agora à Figura 7, é ilustrada uma estrutura de controle de conversor IBR (300) que pode ser usada para controlar, por exemplo, o conversor de energia (160), com controle rápido de tensão em malha fechada de acordo com a construção convencional. No controle convencional do conversor IBR, a energia é injetada na rede independente da frequência da rede. A referência de energia é de forma geral determinada por um algoritmo de rastreamento de ponto de energia máxima para maximizar a potência gerada pelo IBR com base na potência disponível localmente. Em particular, como mostrado, esta referência de energia (por exemplo, PwrRef (302)) é restringida pelas limitações do equipamento (por exemplo, PwrRefLimH (304) e PwrRefLimL (306)) para determinar um comando de energia (por exemplo, PwrCmd (308)). Assim, como mostrado, um controlador de energia (312) recebe o comando de energia (308) e um sinal de realimentação de energia e gera um comando de corrente (por exemplo, IxCmd (314)). Além disso, como mostrado, um controlador de tensão (330) recebe uma referência de tensão (por exemplo, VRef (322)) que pode vir de funções de regulação VAR mais lentas ou reguladores volt/VAR de nível de planta, bem como um ou mais sinais de realimentação de tensão (por exemplo, VxyFbk (324)). Como mostrado em (326), os sinais de realimentação de tensão podem ser primeiro processados para gerar um único sinal de realimentação de tensão (por exemplo, VFbk (328)) que é recebido pelo controlador de tensão (330). O controlador de tensão (330) pode então também gerar um comando de corrente (por exemplo, IyCmd (334)). Os comandos de corrente (314, 334) podem então ser usados por um regulador de corrente (316) para gerar os respectivos comandos de voltagem (318, 338). Assim, em uma forma de realização, o controle de voltagem pode ser ajustado para uma resposta rápida, com constante de tempo de malha fechada típica entre 20 milissegundos e 200 milissegundos.[045] Referring now to Figure 7, an IBR converter control structure (300) is illustrated that can be used to control, for example, the power converter (160), with fast closed-loop voltage control in accordance with with conventional construction. In conventional control of the IBR converter, energy is injected into the grid regardless of the grid frequency. The power reference is generally determined by a maximum power point tracking algorithm to maximize the power generated by the IBR based on the locally available power. In particular, as shown, this power reference (e.g., PwrRef(302)) is constrained by equipment limitations (e.g., PwrRefLimH(304) and PwrRefLimL(306)) to determine a power command (e.g., PwrCmd (308)). Thus, as shown, a power controller (312) receives the power command (308) and a power feedback signal and generates a current command (e.g., IxCmd (314)). Furthermore, as shown, a voltage controller (330) receives a voltage reference (e.g., VRef (322)) which may come from slower VAR regulation functions or plant-level volt/VAR regulators, as well as a or more voltage feedback signals (e.g. VxyFbk (324)). As shown in (326), the voltage feedback signals may first be processed to generate a single voltage feedback signal (e.g., VFbk (328)) that is received by the voltage controller (330). The voltage controller (330) may then also generate a current command (e.g., IyCmd (334)). The current commands (314, 334) can then be used by a current regulator (316) to generate respective voltage commands (318, 338). Thus, in one embodiment, the voltage control can be adjusted for fast response, with typical closed-loop time constant between 20 milliseconds and 200 milliseconds.

[046] Ainda referindo-se à Figura 7, a estrutura de controle do conversor IBR (300) também pode incluir um circuito de bloqueio de fase (336) que usa o(s) sinal(is) de realimentação de tensão (por exemplo, VxyFbk (324)) para gerar um ângulo de circuito de bloqueio de fase (por exemplo, θpll (342)) e um frequência angular de loop com bloqueio de fase (por exemplo, ωpll (340)). Assim, como mostrado, o ângulo do circuito fechado de fase pode ser usado, como mostrado em (320), para girar os comandos de tensão (318, 338) para coordenadas abc de modo a gerar comandos de tensão trifásicos (por exemplo, VabcCmd (344)). O comando de voltagem pode ser enviado para o controlador de conversor (120) para fornecer controle de voltagem adequado do conversor de energia (106).[046] Still referring to Figure 7, the control structure of the IBR converter (300) may also include a phase-lock circuit (336) that uses the voltage feedback signal(s) (e.g. , VxyFbk (324)) to generate a phase-locked loop angle (e.g., θpll (342)) and a phase-locked loop angular frequency (e.g., ωpll (340)). Thus, as shown, the angle of the phase loop can be used, as shown in (320), to rotate the voltage commands (318, 338) to abc coordinates so as to generate three-phase voltage commands (e.g., VabcCmd (344)). The voltage command may be sent to the converter controller (120) to provide adequate voltage control of the power converter (106).

[047] Com referência agora à Figura 8, é fornecido um diagrama de fluxo de uma forma de realização de um método (400) para controlar um recurso com base em inversor tendo um conversor de energia conectado a uma rede elétrica de acordo com a presente invenção. Por exemplo, o recurso com base em inversor pode ser um sistema de energia de turbina eólica tendo pelo menos um conversor de energia acoplado a um gerador. Em geral, o método (400) é descrito neste documento com referência ao sistema de energia de turbina eólica (100) das Figuras 1 a 5. No entanto, deve ser apreciado que o método divulgado (400) pode ser implementado com quaisquer outros sistemas de geração de energia adequados tendo quaisquer outras configurações adequadas. Além disso, o método (400) pode ser implementado usando o controlador de turbina (26), o controlador de conversor (120) ou qualquer outro dispositivo de controle adequado ou combinações dos mesmos. Além disso, embora a Figura 8 descreve as etapas executadas em uma ordem específica para fins de ilustração e discussão, os métodos discutidos neste documento não estão limitados a nenhuma ordem ou disposição específica. Um versado na técnica, usando as divulgações fornecidas neste documento, apreciará que várias etapas dos métodos divulgados neste documento podem ser omitidas, rearranjadas, restringidas e/ou adaptadas de várias maneiras sem se desviar do escopo da presente invenção.[047] Referring now to Figure 8, there is provided a flow diagram of an embodiment of a method (400) for controlling an inverter-based resource having a power converter connected to an electrical grid in accordance with the present invention. invention. For example, the inverter-based resource may be a wind turbine power system having at least one power converter coupled to a generator. In general, method (400) is described herein with reference to the wind turbine power system (100) of Figures 1 to 5. However, it should be appreciated that the disclosed method (400) can be implemented with any other systems suitable power generation systems having any other suitable configurations. Furthermore, the method (400) can be implemented using the turbine controller (26), the converter controller (120) or any other suitable control device or combinations thereof. Additionally, although Figure 8 describes the steps performed in a specific order for illustration and discussion purposes, the methods discussed in this document are not limited to any specific order or arrangement. One skilled in the art, using the disclosures provided herein, will appreciate that various steps of the methods disclosed herein may be omitted, rearranged, restricted and/or adapted in various ways without departing from the scope of the present invention.

[048] Conforme mostrado em (402), o método (400) inclui receber, através de um controlador, um ou mais parâmetros de rede da rede elétrica. Por exemplo, em uma forma de realização, os parâmetros de rede podem incluir, por exemplo, um sinal de frequência de rede e um sinal de referência de frequência de rede da rede elétrica.[048] As shown in (402), method (400) includes receiving, through a controller, one or more network parameters from the electrical network. For example, in one embodiment, the network parameters may include, for example, a network frequency signal and a network frequency reference signal of the electrical network.

[049] Conforme mostrado em ((404)), o método (400) inclui aplicar, através do controlador, uma função de queda ao(s) parâmetro(s) de rede da rede elétrica para determinar um sinal de queda de energia. Por exemplo, em uma forma de realização, a função de queda pode ser uma função de queda de frequência rápida. Em tais formas de realização, o método (400) também pode incluir o ajuste da função de queda de frequência rápida com um tempo de resposta que varia de cerca de 10 milissegundos (ms) a cerca de 100 ms, que é semelhante ao PLL (336), para permitir uma resposta rápida no IBR saída de energia às variações de frequência da rede. Além disso, em uma forma de realização, a função de queda de frequência rápida pode ser uma função de queda proporcional, uma função de queda quadrática ou uma combinação das mesmas. Em outras formas de realização, o método (400) pode incluir a aplicação de um limite de taxa ao sinal de queda de energia para limitar a rapidez com que as mudanças de frequência de rede podem causar mudanças em uma saída de energia do recurso com base em inversor de modo a limitar os impactos adversos do equipamento.[049] As shown in ((404)), method (400) includes applying, through the controller, a droop function to the grid parameter(s) to determine a power sag signal. For example, in one embodiment, the decay function may be a fast frequency decay function. In such embodiments, method (400) may also include adjusting the fast frequency decay function with a response time ranging from about 10 milliseconds (ms) to about 100 ms, which is similar to PLL ( 336), to allow a quick response in the IBR power output to network frequency variations. Furthermore, in one embodiment, the fast frequency decay function may be a proportional decay function, a quadratic decay function, or a combination thereof. In other embodiments, method (400) may include applying a rate limit to the power outage signal to limit how quickly network frequency changes can cause changes in a resource's power output based on in inverter in order to limit the adverse impacts of the equipment.

[050] Ainda referindo-se à Figura 8, como mostrado em (406), o método (400) inclui receber, através do controlador, um sinal de referência de energia de um controlador externo. Conforme mostrado em (408), o método (400) inclui determinar, por meio do controlador, um sinal de comando de energia em função do sinal de queda de energia e o sinal de referência de energia para permitir uma resposta rápida na saída de energia do recurso com base em inversor. para um ou mais parâmetros de rede da rede elétrica.[050] Still referring to Figure 8, as shown in (406), method (400) includes receiving, through the controller, a power reference signal from an external controller. As shown in (408), the method (400) includes determining, via the controller, a power command signal as a function of the power outage signal and the power reference signal to enable rapid response in the power output. of the inverter-based resource. for one or more network parameters of the power grid.

[051] Conforme mostrado em (410), o método (400) inclui aplicar, através do controlador, uma ou mais restrições de energia ao sinal de comando de energia para limitar o quanto a saída de energia do recurso com base em inversor pode ser alterada devido a uma ou mais redes parâmetros da rede elétrica. Por exemplo, em formas de realização particulares, a(s) restrição(ões) de energia pode(m) incluir uma restrição de energia superior e uma restrição de energia inferior. Assim, em certas formas de realização, o método (400) pode incluir a aplicação de limites de equipamentos de energia superior e inferior às restrições de energia superior e inferior.[051] As shown in (410), method (400) includes applying, via the controller, one or more power constraints to the power command signal to limit how much the power output of the inverter-based resource can be changed due to one or more electrical network parameters. For example, in particular embodiments, the energy constraint(s) may include an upper energy constraint and a lower energy constraint. Thus, in certain embodiments, method (400) may include applying upper and lower power equipment limits to the upper and lower power constraints.

[052] Em várias formas de realização, o método (400) pode incluir a determinação da restrição de energia superior em função de uma combinação de dois ou mais dos seguintes: o sinal de referência de energia, uma margem de energia superior disponível para alterar a saída de energia do recurso com base em inversor com base em uma ou mais necessidades da rede elétrica, e uma energia disponível dentro do recurso com base em inversor para injeção da rede elétrica. Por exemplo, em uma forma de realização, a energia disponível dentro do recurso com base em inversor para injeção da rede elétrica pode incluir, por exemplo, energia armazenada dentro de uma bateria ou um rotor do sistema de energia de turbina eólica. Além disso, em uma forma de realização, a margem superior de energia pode estar disponível a partir da redução do recurso abaixo da energia disponível localmente para o recurso. Em outra forma de realização, o método (400) pode incluir determinar a restrição de energia mais baixa em função de uma combinação de dois ou mais dos seguintes: o sinal de referência de energia, uma margem de energia mais baixa disponível para alterar a saída de energia do recurso com base em inversor com base em uma ou mais necessidades da rede elétrica, e uma energia disponível dentro do recurso com base em inversor para absorção da rede elétrica.[052] In various embodiments, method (400) may include determining the upper power constraint as a function of a combination of two or more of the following: the power reference signal, an upper power margin available to change the power output of the inverter-based resource based on one or more needs from the electrical grid, and an energy available within the inverter-based resource for injection from the electrical grid. For example, in one embodiment, the energy available within the inverter-based resource for grid injection may include, for example, energy stored within a battery or a rotor of the wind turbine power system. Furthermore, in one embodiment, the upper margin of energy may be available from reducing the resource below the energy available locally for the resource. In another embodiment, method (400) may include determining the lowest power constraint as a function of a combination of two or more of the following: the power reference signal, a lower power margin available to change the output of energy from the inverter-based resource based on one or more needs from the electrical grid, and an energy available within the inverter-based resource for absorption from the electrical grid.

[053] Ainda referindo-se à Figura 8, como mostrado em (412), o método (400) inclui determinar, através do controlador, um ou mais comandos de controle para o recurso com base em inversor com base, pelo menos em parte, no sinal de comando de energia. Conforme mostrado em (414), o método (400) inclui controlar, através do controlador, o recurso com base em inversor com base, pelo menos em parte, no sinal de comando de energia.[053] Still referring to Figure 8, as shown in (412), method (400) includes determining, through the controller, one or more control commands for the inverter-based resource based, at least in part , in the power command signal. As shown in (414), method (400) includes controlling, via the controller, the inverter-based resource based, at least in part, on the power command signal.

[054] Com referência agora às Figuras 9 a 11, são fornecidos vários diagramas esquemáticos de um sistema (500) para controlar um recurso com base em inversor, bem como seus componentes de acordo com a presente invenção. Em particular, a Figura 9 ilustra um diagrama esquemático de uma forma de realização de um sistema (500) para controlar um recurso com base em inversor tendo um conversor de energia conectado a uma rede elétrica de acordo com a presente invenção. Como mostrado, o sistema (500) pode incluir muitos dos mesmos recursos da Figura 7 aqui descritos, com componentes tendo os mesmos caracteres de referência representando componentes semelhantes. Além disso, a estrutura de controle do conversor IBR ilustrada pode ser usada para controlar, por exemplo, o conversor de energia (160), com controle rápido de tensão em malha fechada de acordo com a presente invenção. Em particular, como mostrado, duas adições importantes são incluídas na estrutura de controle do conversor IBR (500) da Figura 9 e são distinguidos da estrutura de controlador de conversor IBR convencional (300) da Figura 7, incluindo (1) uma função de queda de frequência rápida (502) e (2) uma função de restrição de energia (504). Assim, a combinação desta queda de frequência rápida juntamente com controle de tensão rápido permite operação estável em sistemas com baixos níveis de geração síncrona.[054] Referring now to Figures 9 to 11, there are provided several schematic diagrams of a system (500) for controlling an inverter-based resource, as well as components thereof in accordance with the present invention. In particular, Figure 9 illustrates a schematic diagram of an embodiment of a system (500) for controlling an inverter-based resource having a power converter connected to an electrical grid in accordance with the present invention. As shown, system (500) may include many of the same features of Figure 7 described herein, with components having the same reference characters representing similar components. Furthermore, the illustrated IBR converter control structure can be used to control, for example, the power converter (160), with fast closed-loop voltage control in accordance with the present invention. In particular, as shown, two important additions are included in the IBR converter control structure (500) of Figure 9 and are distinguished from the conventional IBR converter controller structure (300) of Figure 7, including (1) a droop function frequency (502) and (2) a power restriction function (504). Thus, the combination of this fast frequency drop together with fast voltage control allows stable operation in systems with low levels of synchronous generation.

[055] Além disso, em uma forma de realização, como mostrado na Figura 9, o sistema (500) recebe a referência de energia (por exemplo, PwrRef (302)). Além disso, como mostrado nas Figuras 9 e 11, o sistema (500) recebe o sinal de referência de frequência de rede (por exemplo, FrqRef (507)) e o sinal de feedback de frequência de rede (por exemplo, FrqFbk (509)). Assim, como mostrado nas Figuras 9 e 11, a função de queda de alta frequência (502) pode incluir um módulo de queda de alta frequência (510) que aplica uma função de queda aos parâmetros de rede (507, 509) para determinar um sinal de queda de energia (por exemplo, PwrDrp (513)). Conforme usado neste documento, o sinal de queda de energia (por exemplo, PwrDrp (513)) de forma geral se refere a uma modificação de referência de energia pela função de queda de frequência rápida. Além disso, em uma forma de realização, como mostrado nas Figuras 9 e 11, o sistema (500) também pode incluir um módulo de limite de taxa (511) na queda de frequência rápida para limitar a rapidez com que as mudanças de frequência de rede podem causar alterações na saída de energia para limitar os impactos adversos do equipamento, como estimulação do trem de força em uma turbina eólica ou limites de taxa de carga/descarga em uma bateria.[055] Furthermore, in one embodiment, as shown in Figure 9, the system (500) receives the power reference (e.g., PwrRef (302)). Furthermore, as shown in Figures 9 and 11, the system (500) receives the grid frequency reference signal (e.g., FrqRef (507)) and the grid frequency feedback signal (e.g., FrqFbk (509) )). Thus, as shown in Figures 9 and 11, the high frequency droop function (502) may include a high frequency droop module (510) that applies a droop function to network parameters (507, 509) to determine a power outage signal (e.g. PwrDrp(513)). As used herein, the power droop signal (e.g., PwrDrp (513)) generally refers to a power reference modification by the fast frequency droop function. Additionally, in one embodiment, as shown in Figures 9 and 11, the system (500) may also include a rate limiting module (511) on the fast frequency drop to limit how quickly the frequency changes of network can cause changes in power output to limit adverse equipment impacts, such as powertrain pacing in a wind turbine or charge/discharge rate limits in a battery.

[056] De forma mais específica, como mostrado na Figura 11, o módulo de queda de frequência rápida (510) pode selecionar entre usar a frequência de rede (por exemplo, FrqRef (507)) ou o sinal de realimentação de frequência de rede (por exemplo, FrqFbk (509)) como mostrado através do comutador (546) para gerar um sinal de modificação de frequência de queda de energia (por exemplo, PDrpFrqMod (548)). Além disso, como mostrado, o sinal de feedback de frequência de rede (509) pode ser filtrado como mostrado por meio de filtros (551, 553). Além disso, como mostrado, o módulo de queda de frequência rápida (510) pode incluir dois caminhos paralelos de queda de frequência, por exemplo, (1) um caminho ativo para frequência de rede acima da referência e (2) outro caminho ativo para frequência de rede abaixo da referência. Assim, em tais formas de realização, os múltiplos caminhos permitem uma resposta de queda diferente (por exemplo, por meio de ganhos PdrpFrqHiGn (554) e PDrpFrqLoGn (556)) para eventos de frequência acima versus abaixo. Além disso, como mostrado, um ou mais deslocamentos de parâmetro (por exemplo, PDrpFrqHiOff (558) e PDrpFrqLoOff (560)) juntamente com limites (por exemplo, PDrpFrqMax (562) e PDrpFrqMin (564)) podem ser escolhidos para desabilitar a queda para pequenos desvios na frequência da rede, enquanto também retenção de queda para grandes desvios na frequência da rede.[056] More specifically, as shown in Figure 11, the fast frequency drop module (510) can select between using the grid frequency (e.g., FrqRef (507)) or the grid frequency feedback signal (e.g., FrqFbk (509)) as shown through the switch (546) to generate a power drop frequency modification signal (e.g., PDrpFrqMod (548)). Furthermore, as shown, the network frequency feedback signal (509) can be filtered as shown by means of filters (551, 553). Furthermore, as shown, the fast frequency droop module (510) may include two parallel frequency droop paths, e.g., (1) an active path for grid frequency above the reference and (2) another active path for network frequency below the reference. Thus, in such embodiments, the multiple paths allow for a different decay response (e.g., via PdrpFrqHiGn (554) and PDrpFrqLoGn (556) gains) for above versus below frequency events. Additionally, as shown, one or more parameter offsets (e.g., PDrpFrqHiOff (558) and PDrpFrqLoOff (560)) along with limits (e.g., PDrpFrqMax (562) and PDrpFrqMin (564)) can be chosen to disable the drop for small deviations in mains frequency, whilst also retaining dropout for large deviations in mains frequency.

[057] Conforme mostrado em (515), o sistema (500) gera um sinal de comando de energia (508) em função do sinal de referência de energia (302) e o sinal de queda de energia (513) para permitir uma resposta rápida em uma saída de energia do recurso com base em inversor para um ou mais parâmetros de rede da rede elétrica. Além disso, como mostrado, o sistema (500) aplica a(s) restrição(ões) de energia (504) ao sinal de comando de energia (508) para limitar o quanto a saída de energia do recurso com base em inversor pode ser alterada devido aos parâmetros de rede (507, 509). Assim, como mostrado, um controlador de energia (512) recebe o sinal de comando de energia (508) e o sinal de realimentação de energia (310) e gera um comando de corrente (por exemplo, IxCmd (514)).[057] As shown in (515), the system (500) generates a power command signal (508) as a function of the power reference signal (302) and the power drop signal (513) to enable a response power output from the inverter-based resource to one or more grid parameters. Additionally, as shown, system (500) applies power constraint(s) (504) to power command signal (508) to limit how much power output from the inverter-based resource can be changed due to network parameters (507, 509). Thus, as shown, a power controller (512) receives the power command signal (508) and the power feedback signal (310) and generates a current command (e.g., IxCmd (514)).

[058] Assim, em tais formas de realização, a função de restrição de energia (504) limita o quanto a saída de energia pode ser alterada devido às condições de frequência da rede. Tais restrições são necessárias para limitar o impacto das mudanças de frequência da rede em equipamentos, como componentes de transmissão em uma turbina eólica. Essas restrições também impedem que as demandas de energia da rede causem um desarme do IBR devido a um desequilíbrio na energia disponível e na saída de energia, como a energia demandada pela rede que excede a energia disponível de uma usina.[058] Thus, in such embodiments, the power constraint function (504) limits how much the power output can be changed due to network frequency conditions. Such restrictions are necessary to limit the impact of grid frequency changes on equipment, such as transmission components in a wind turbine. These restrictions also prevent grid power demands from causing an IBR trip due to an imbalance in available power and power output, such as power demanded by the grid exceeding the available power of a plant.

[059] Por exemplo, como mostrado na Figura 10, é ilustrado um diagrama esquemático de uma forma de realização de cálculos de exemplo para a função de restrição de energia (504) para determinar as restrições de energia superior e inferior (por exemplo, PwrRefLimH (550) e PwrRefLimL (552)) para uma estrutura de controle de recursos com base em inversor de acordo com a presente invenção.. Em particular, como mostrado, em uma forma de realização, a função de restrição de energia (504) é configurada para determinar a restrição de energia superior (550) em função do sinal de referência de energia (302), uma margem de energia superior disponível para alterar a saída de energia do recurso com base em inversor com base em uma ou mais necessidades da rede elétrica (por exemplo, PhdrmH (554)) e uma energia disponível dentro do recurso com base em inversor para injeção da rede elétrica (por exemplo, PwrStrInj (558)). Assim, como mostrado, tais parâmetros podem ser comparados, através do comparador (561), e uma saída do comparador (561) pode ser comparada a um limite superior do equipamento (por exemplo, PwrEquipLimH (562)). Consequentemente, como mostrado em (566), o mínimo entre a saída do comparador (561) e o limite superior do equipamento (562) pode ser determinado para gerar a restrição de energia superior (550).[059] For example, as shown in Figure 10, a schematic diagram of an embodiment of example calculations for the energy constraint function (504) to determine the upper and lower energy constraints is illustrated (e.g., PwrRefLimH (550) and PwrRefLimL (552)) for an inverter-based resource control structure in accordance with the present invention. In particular, as shown, in one embodiment, the power restriction function (504) is configured to determine the upper power constraint (550) as a function of the power reference signal (302), an upper power margin available to change the power output of the inverter-based resource based on one or more grid needs (e.g., PhdrmH (554)) and an available energy within the inverter-based resource for grid injection (e.g., PwrStrInj (558)). Thus, as shown, such parameters can be compared, through the comparator (561), and an output of the comparator (561) can be compared to an upper limit of the equipment (for example, PwrEquipLimH (562)). Consequently, as shown in (566), the minimum between the output of the comparator (561) and the upper limit of the equipment (562) can be determined to generate the upper power constraint (550).

[060] Além disso, e ainda com referência à Figura 10, em uma forma de realização, a função de restrição de energia (504) é configurada para determinar a restrição de energia mais baixa (552) em função do sinal de referência de energia (302), um espaço livre de energia mais baixo disponível para alterar a saída de energia do recurso com base em inversor com base em um ou mais necessidades da rede elétrica (por exemplo, PhdrmL (556)), e uma energia disponível dentro do recurso com base em inversor para absorção da rede elétrica (por exemplo, PwrStrAbs (560)). Assim, como mostrado, tais parâmetros podem ser comparados, através do comparador (563) e uma saída do comparador (563) pode ser comparada a um limite inferior do equipamento (por exemplo, PwrEquipLimL (564)). Consequentemente, como mostrado em (568), o máximo entre a saída do comparador (563) e o limite inferior do equipamento (564) pode ser determinado para gerar a restrição de energia inferior (552).[060] Furthermore, and still referring to Figure 10, in one embodiment, the power constraint function (504) is configured to determine the lowest power constraint (552) as a function of the power reference signal (302), a lower energy headroom available to change the power output of the inverter-based resource based on one or more electrical grid needs (e.g., PhdrmL (556)), and a power available within the inverter-based feature for grid absorption (e.g. PwrStrAbs (560)). Thus, as shown, such parameters can be compared, through the comparator (563) and an output of the comparator (563) can be compared to a lower limit of the equipment (for example, PwrEquipLimL (564)). Consequently, as shown in (568), the maximum between the output of the comparator (563) and the lower limit of the equipment (564) can be determined to generate the lower power constraint (552).

[061] Com referência à Figura 9 e semelhante à Figura 7, como mostrado, um controlador de tensão (330) recebe a referência de tensão (por exemplo, VRef (322)) que pode vir de funções de regulação VAR mais lentas ou reguladores volt/VAR de nível de planta, bem como um ou mais sinais de realimentação de tensão (por exemplo, VxyFbk (324)). Como mostrado em (326), os sinais de realimentação de tensão podem ser primeiro processados para gerar um único sinal de realimentação de tensão (por exemplo, VFbk (328)) que é recebido pelo controlador de tensão (330). O controlador de tensão (330) pode então também gerar um comando de corrente (por exemplo, IyCmd (334)). Os comandos de corrente (514, 334) podem então ser usados por um regulador de corrente (516) para gerar os respectivos comandos de tensão (518, 538).[061] With reference to Figure 9 and similar to Figure 7, as shown, a voltage controller (330) receives the voltage reference (e.g., VRef (322)) which may come from slower VAR regulation functions or regulators plant-level volt/VAR, as well as one or more voltage feedback signals (e.g., VxyFbk (324)). As shown in (326), the voltage feedback signals may first be processed to generate a single voltage feedback signal (e.g., VFbk (328)) that is received by the voltage controller (330). The voltage controller (330) may then also generate a current command (e.g., IyCmd (334)). The current commands (514, 334) can then be used by a current regulator (516) to generate respective voltage commands (518, 538).

[062] Ainda referindo-se à Figura 9 e semelhante à estrutura de controle (300) da Figura 7, a estrutura de controle do conversor IBR (500) de acordo com a presente invenção também pode incluir um circuito fechado de fase (336) que usa o(s) sinal(is) de realimentação de tensão (por exemplo, VxyFbk (324)) para gerar um ângulo de circuito fechado de fase (por exemplo, θpll (342)) e uma frequência angular de circuito fechado de fase (por exemplo, ωpll (340)). Assim, como mostrado, o ângulo de circuito fechado de fase (342) pode ser usado, como mostrado em (520), para girar os comandos de tensão (518, 538) para coordenadas abc de modo a gerar um único comando de tensão (por exemplo, VabcCmd (544)). O comando de voltagem (544) pode ser enviado para o controlador de conversor (120) para fornecer controle de voltagem adequado do conversor de energia (106).[062] Still referring to Figure 9 and similar to the control structure (300) of Figure 7, the IBR converter control structure (500) according to the present invention may also include a phase closed circuit (336) which uses the voltage feedback signal(s) (e.g., VxyFbk (324)) to generate a phase-locked-loop angle (e.g., θpll (342)) and a phase-locked-loop angular frequency (e.g. ωpll (340)). Thus, as shown, the phase loop angle (342) can be used, as shown in (520), to rotate the voltage commands (518, 538) to abc coordinates so as to generate a single voltage command ( for example, VabcCmd (544)). The voltage command (544) may be sent to the converter controller (120) to provide adequate voltage control of the power converter (106).

[063] Esta descrição escrita usa exemplos para divulgar a invenção, incluindo a melhor forma de realização, e também para permitir que qualquer técnico no assunto pratique a invenção, incluindo a fabricação e o uso de quaisquer dispositivos ou sistemas e a execução de quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram aos técnicos no assunto. Esses outros exemplos destinam-se a estar dentro do escopo das reivindicações se incluírem elementos estruturais que não diferem da linguagem literal das reivindicações, ou se incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.[063] This written description uses examples to disclose the invention, including the best embodiment, and also to allow anyone skilled in the art to practice the invention, including the manufacture and use of any devices or systems and the performance of any methods incorporated. The patentable scope of the invention is defined by the claims and may include other examples that occur to those skilled in the art. These other examples are intended to be within the scope of the claims if they include structural elements that do not differ from the literal language of the claims, or if they include equivalent structural elements with insubstantial differences from the literal language of the claims.

Claims

METHOD (400) FOR CONTROLING AN INVERTER-BASED RESOURCE CONNECTED TO AN ELECTRICAL GRID (124), the method (400) characterized by comprising:
receiving (402), via a controller (26, 120), one or more network parameters (507, 509) from the electrical network (124);
apply (404), via the controller (26, 120), a droop function (214) to the one or more network parameters (507, 509) of the electrical network (124) to determine a power sag signal (206, 513);
receiving (406), via the controller (26, 120), a power reference signal (302) from an external controller;
determine (408), via the controller (26, 120), a power command signal (508) as a function of the power outage signal (206, 513) and the power reference signal (302) to enable a response fast in a power output from the inverter-based resource to one or more network parameters (507, 509) of the electrical network (124);
apply (410), via the controller (26, 120), one or more power constraints (504) to the power command signal (508) to limit how much the power output of the inverter-based resource can be changed due to to one or more network parameters (507, 509) of the electrical network (124);
determining (412), via the controller (26, 120), one or more control commands for the inverter-based resource based, at least in part, on the power command signal (508); It is
controlling (414), via the controller (26, 120), the inverter-based resource based, at least in part, on the power command signal (508).

METHOD (400), according to claim 1, characterized in that the one or more network parameters (507, 509) comprise at least one of a network frequency signal (509) and a network frequency reference signal (507 ) from the electrical network (124).

METHOD (400), according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the decay function (214) comprises a fast frequency decay function (502), the method (400) further comprising adjusting the frequency decay function fast frequency (502) with a response time ranging from 10 milliseconds to 100 milliseconds.

METHOD (400), according to claim 3, characterized in that the fast frequency decay function (502) comprises one of a proportional decay function, a quadratic decay function or a combination thereof.

METHOD (400), according to any one of claims 1 to 4, characterized by further comprising applying a rate limit (511) to the power outage signal (206, 513) to limit how quickly changes in grid frequency may cause changes to an inverter-based resource's power output in order to limit adverse impacts to the inverter-based equipment.

METHOD (400), according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the one or more energy constraints (504) comprise an upper energy constraint (550) and a lower energy constraint (552), the method (400 ) further comprising the application of upper and lower power equipment limits to the upper (550) and lower (552) power restrictions.

METHOD (400), according to claim 6, characterized by further comprising determining the upper energy constraint (550) as a function of a combination of two or more of the following: the energy reference signal (302), a free space of higher energy available to change the output power of the inverter-based resource based on one or more needs (554) of the electrical grid (124) and an available energy (558) within the inverter-based resource for grid injection electrical (124).

METHOD (400), according to any one of claims 6 to 7, characterized by further comprising determining the lower energy restriction (552) as a function of a combination of two or more of the following: the energy reference signal (302) , a lower energy free space available to change the output power of the inverter-based resource based on one or more needs (556) of the electrical grid (124) and an available energy (560) within the inverter-based resource for absorption from the electrical grid (124).

METHOD (400) according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the inverter-based resource is part of a wind turbine power system (100) having at least one generator (102).

METHOD (400) according to claim 9, characterized by the available energy (558) within the inverter-based resource for grid injection (124) further comprising energy stored within a battery or a rotor (18) of the system of wind turbine energy (100).

METHOD (400) according to any one of claims 9 to 10, characterized in that the controller (26, 120) comprises at least one of a turbine controller (26) or a converter controller (120) of the turbine power system wind (100).

METHOD (400), according to any one of claims 1 to 11, characterized by further comprising determining the power command signal (508) as a function of the power drop signal (206, 513) and the power reference signal (302) to enable rapid response in the power output of the inverter-based resource to one or more network parameters (507, 509) of the electrical grid (124), while implementing rapid loop voltage control closed on inverter-based resource.

SYSTEM (500) FOR CONTROLING AN INVERTER-BASED RESOURCE CONNECTED TO AN ELECTRICAL GRID (124), the system (500) characterized by comprising:
a controller (26, 120) comprising at least one processor (58), the at least one processor (58) configured to perform a plurality of operations, the plurality of operations comprising:
apply a fast frequency droop function (502) to one or more grid frequency parameters (507, 509) of the electrical grid (124) to generate a power droop signal (206, 513) that provides a fast droop response. an inverter-based resource outputting power to variations in grid frequency while simultaneously implementing fast closed-loop voltage control in the inverter-based resource; It is
apply one or more power constraints (504) to a power command signal (508) of the inverter-based resource to limit how much the power output of the inverter-based resource can be changed due to one or more power parameters. mains frequency (507, 509) of the mains (124).

SYSTEM (500), according to claim 13, characterized in that one or more network frequency parameters (507, 509) comprise at least one of a network frequency signal (509) and a network frequency reference signal (507) from the electrical network (124).

SYSTEM (500), according to any one of claims 13 to 14, characterized by the plurality of operations further comprising adjusting the fast frequency drop function (502) with a response time ranging from 10 milliseconds to 100 milliseconds.