CN101542864A - 用于在市电网扰动期间运行连接到市电网的风力涡轮机的方法、风力涡轮机以及风电厂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在市电网扰动期间运行连接到市电网的风力涡轮机的方法。该方法包含以下步骤：依赖于与基准频率之间的频率偏差，对有功电流进行控制，以及依赖于与基准电压之间的电压偏差，对无功电流进行控制。本发明还涉及风力涡轮机与风电厂。

Description

用于在市电网扰动期间运行连接到市电网的风力涡轮机的方法、风力涡轮机以及风电厂

技术领域

本发明涉及在市电网扰动期间运行连接到市电网的风力涡轮机的方法、风力涡轮机以及风电厂。

背景技术

当在公共连接点(PCC)上连接到市电网的风力涡轮发电机或风电厂经历所述电网的扰动——例如电压下降——时，其总是对风力涡轮机和/或风电厂的运行和控制具有巨大的冲击。

为了在所述扰动期间支撑电网，近来的电网规程要求，不同的电力参数根据电网扰动的严重性受到控制。

已经提出了用于在电网扰动期间对风力涡轮机进行控制的多种方法。欧洲专利no.EP 1 493 921公开了一种方法的实例，该方法用于依赖于测量得到的电压等级对有功与无功功率之间的相角进行控制。

上面提到的欧洲专利的解决方案的问题在于，由于市电网扰动的复杂性，其可能不能在所述扰动期间充分支撑市电网。

本发明的目的在于介绍一种用于在市电网扰动期间运行风力涡轮机的灵活策略。

发明内容

本发明提供了一种用于在市电网扰动期间运行连接到市电网的风力涡轮机的方法，所述方法包含以下步骤：

依赖于与基准频率之间的频率偏差，对有功电流进行控制，以及

依赖于与基准电压之间的电压偏差，对无功电流进行控制。

由此，确保了由涡轮机产生的有功功率/电流有助于稳定市电网频率，且由涡轮机产生的无功功率/电流有助于稳定市电网电压。另外，确保了风力涡轮机在所述电网扰动期间保持为连接到市电网。另外，确保了风力涡轮机符合规定的电网规程。

在本发明一实施形态中，通过除风力涡轮机以外的其他类型的源，有功和/或无功电流被供到风力涡轮机的市电网连接点。由此，确保了其他类型的源产生的电力在所述电网扰动期间受到控制地供到市电网。其他类型的源可以为例如电容器组、柴油发电机等等。

在本发明另一实施形态中，有功与无功电流的所述控制在至少一个控制算法之后执行。由此，确保了所述控制可基于例如产生所述电流的最优控制的实际测量参数来进行。

在本发明另一实施形态中，所述控制算法在至少一个PID控制器中实现。由此，确保了控制通过公知且可靠的方法得到管理。

在本发明另一实施形态中，所述控制算法为：

$\mathrm{\Δ}{i}_Q=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_n\mathrm{\Δ}{f}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ki}}_n{(\∫\mathrm{\Δfdt})}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kd}}_n{\left(\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}\right)}^n$

${\mathrm{\Δi}}_D=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_n\mathrm{\Δ}{U}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ki}}_n{(\∫\mathrm{\ΔUdt})}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kd}}_n{\left(\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}\right)}^n$

其中，i_Q为有功电流，i_D为无功电流。

由此，依赖于所述控制算法的系数，确保了风力涡轮机的控制可被适应为以灵活的方式满足多种具体要求。另外，确保了控制算法可被适应于满足对多种电网规程的符合性。

在本发明另一实施形态中，传动系(drive train)振动Δω的值是所述有功电流控制的附加控制参数。由此，确保了由于电网故障事件引起的传动系的机械振动能被阻尼，带来所述传动系上的机械负载的减小。另外，确保了传动系的其他类型的振动也能得到阻尼。

在本发明另一实施形态中，所述控制算法为：

$\mathrm{\Δ}{i}_Q=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_n\mathrm{\Δ}{f}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ki}}_n{(\∫\mathrm{\Δfdt})}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kd}}_n{\left(\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}\right)}^n+k_{\mathrm{\ω}}\mathrm{\Δ\ω}$

${\mathrm{\Δi}}_D=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_n\mathrm{\Δ}{U}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ki}}_n{(\∫\mathrm{\ΔUdt})}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kd}}_n{\left(\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}\right)}^n$

且其中，i_Q为有功电流，i_D为无功电流。

由此，确保了所述传动系振动的阻尼能依赖于所述控制算法的系数而得到最优化。

在本发明另一实施形态中，所述有功电流依赖于包含基准频率的频率死区外的频率偏差受到控制。由此，确保了有功电流仅仅在所述电网扰动对电网频率有较大冲击的情况下受到控制/调节。

在本发明另一实施形态中，所述无功电流依赖于包含基准电压的电压死区外的电压偏差受到控制。由此，确保了在电网扰动期间，无功电流仅仅在所述电网扰动包含较大电压下降的情况下受到控制/调节，和/或所述控制/调节仅仅在所述电压下降对所述风力涡轮机的运行具有较大冲击的情况下执行。

在本发明另一实施形态中，所述频率死区为所述基准频率的±4‰的范围内，例如在50Hz系统中，为49.8Hz到50.2Hz。由此，确保了所述频率死区符合已有的电网规程。

在本发明另一实施形态中，所述电压死区为所述基准电压的100％到85％的范围，优选为所述基准电压的100％到90％的范围。

在本发明另一实施形态中，电压和/或频率的所述基准值为市电网标称值，例如50或60Hz的标称频率值，由此，确保了所述发明符合风力涡轮机连接到的市电网。另外，确保了所述发明符合具体的电网规程。

本发明还涉及在市电网扰动期间连接到市电网的风力涡轮机，其包含用于以根据前面的权利要求中任意一项的方法对风力涡轮机进行控制的控制装置。

在本发明另一实施形态中，所述风力涡轮机包含可变速度发电机以及至少一个转换器系统，以便控制供给市电网的有功和/或无功电流。

本发明还涉及包含至少两个风力涡轮机的风电厂。

附图说明

下面将参照附图介绍本发明，在附图中：

图1示出了大型现代风力涡轮机，其在风力涡轮机转子中包含三个风力涡轮机叶片；

图2原理性地示出了根据本发明的风力涡轮机的一优选实施例，其具有用于控制风力涡轮机叶片的桨距角(pitch angle)的控制系统；

图3作为实例地示出了电压/时间曲线，该曲线示出了电网上的现实的电压突降(voltage dip)；

图4对于本发明一优选实施例示出了正常运行——即没有电网扰动——期间的有功与无功电流控制器；

图5对于本发明一优选实施例示出了电网扰动期间的有功与无功电流控制器；

图6示出了包含电压突降与频率突降的仿真电网扰动；

图7a-e示出了有功与无功电流控制器的不同实施例在电网扰动期间的响应。

具体实施方式

图1示出了现代风力涡轮机1，其具有塔架2以及定位在塔架顶部的风力涡轮机机舱3。

风力涡轮机转子——其包含至少一个叶片，例如所示出的三个风力涡轮机叶片5——通过桨距机构6被连接到轮毂4。各个桨距机构包含叶片轴承与桨距致动装置，该装置允许叶片进行桨距调节。桨距调节过程受到桨距控制器的控制。

如图所示，超过一定水平的风将会致动转子，并允许其以垂直于风的方向旋转。旋转运动被转换为电力，如本领域技术人员所知，电力通常被供给市电网。

图2原理性地示出了风力涡轮机的一个优选实施例，其具有用于对风力涡轮机的运行进行控制的控制系统或控制器。

风力涡轮机1的数据用位于机舱3中的传感器装置7——例如桨距位置传感器、叶片负载传感器、转子方位传感器、塔架加速传感器等——来测量。测量得到的传感器数据被供到计算装置8，以便将数据转换为反馈信号。通过建立用于对所述至少一个风力涡轮机叶片5进行控制的控制值，反馈信号用于多种控制系统，例如用于控制桨距角的桨距控制系统9a。

另外，传感器装置(未示出)可包含用于测量连接到所述风力涡轮机的部件或系统的参数——例如到市电网的实际供给功率和/或电流、电网的实际频率等等——的装置。所述测量参数也被供到计算装置8，以便将数据转换为用于例如风力涡轮机转换器控制系统的控制的反馈信号。

计算装置8优选为包含用于所述反馈信号的连续控制的计算机存储装置和微处理器。

由于许多电网扰动由市电网中某处的导致过大电力消耗(耗散)的短路引起，电网扰动可影响PCC的电压等级以及所述电网的频率。

由于市电网的频率仅仅由有功功率产生与有功功率消耗之间的平衡决定/影响，由涡轮机所产生的有功功率/电流有助于稳定市电网频率，而PCC的电压主要由风力涡轮机/风电场产生的无功功率/电流影响。

图3示出了电压vs.时间的曲线的实例，其示出了实际的电网故障事件。

由于许多电网扰动由市电网中某处的导致过大电力消耗(耗散)的短路引起，电网扰动可影响PCC的电压等级以及所述电网的频率。

由于市电网的频率仅仅由由功功率产生和有功功率消耗之间的平衡决定/影响，由涡轮机所产生的有功功率/电流有助于稳定市电网频率，而PCC的电压主要由风力涡轮机/风电场产生的无功功率/电流影响。

对于所示的实例，当电压下降到低于例如标称的85％的阈值U_threshold时，时间＝0。对于此实例，电网故障持续大约100ms，如图所示。对于风力涡轮机的运行重要的是，其能在所述故障事件期间保持连接到电网，以便连续地向电网供给电力。

参照图4与5：

P^＊，Q^＊基准有功与无功功率要求，分别由外部控制结构——例如外部风力涡轮机控制、电网操作者等——定义。

P，Q分别提供给市电网的测量得到的有功与无功功率。

f^＊基准频率，由具有例如50或60Hz的频率的内部集成频率发生器定义，或由外部控制结构——例如外部风力涡轮机控制、电网操作者等——定义。

f测量得到的电网频率。

V^＊基准电压，由例如电网操作者、外部控制结构或固定定义值外部定义。

V测量得到的电网电压。

ia，ib，ic测量得到的供到电网的三相电流。

iq^＊，id^＊分别来自电力控制器的要求的有功与无功电流。

iq，id分别供到电网的测量得到的有功与无功电流，由所述三相电流变换得到。

vq^＊，vd^＊调节后的电压基准。

Sa，Sb，Sc到转换器的调节得到的三相控制信号。

图4对于本发明一实施例示出了正常运行——即没有市电网扰动——期间的电力控制系统。

所述电力控制系统优选为在基于微处理器的系统上实现，执行基于输入参数组调节一组输出参数的预编程算法。

对于本发明一实施例，无功功率控制系统10以下面的方式运行：

实际供给功率P与要求P^＊之间的差(误差)被馈送到提供要求电流信号iq^＊的第一控制器12。接着，从表示供到电网的测量得到的有功电流的信号iq中减去所述iq^＊。结果为被供到产生调节后的电压基准信号Vq^＊的第二控制器13的电流调节信号。信号iq为供到电网的实际测量得到的三相电流ia、ib、ic的变换。所述Vq^＊经过逆变换(与用于无功功率Vd^＊控制的类似的调节后的电压基准信号结合)，以便产生到转换器系统的调节后的三相控制信号Sa、Sb、Sc，其控制供到电网的有功与无功电流。所述转换器系统可以为例如用于同步发电机的全尺寸(full scale)转换器，或为用于双馈异步发电机的转子侧转换器。

用于所述第一12与13控制器的系数被选择为基于其输入给出希望的有功功率控制系统10响应。

类似的控制结构11适用于无功功率的控制，但使用另一组控制参数，例如实际供给的无功功率Q、要求的无功功率Q^＊以及测量得到的被供给电网的无功电流id。

图5对于本发明一实施例示出了用于在市电网扰动期间控制分别供给电网的有功与无功电流的控制结构。

如权利要求所述，控制有功电流依赖于与基准频率的频率偏差进行，控制无功电流依赖于与基准电压的电压偏差来进行。频率与电压参数因此被用于所述扰动期间到电流控制系统的控制参数。

对于本发明一优选实施例，有功电流的控制以下面的方式进行：

实际测量的电网频率f和要求的频率基准f^＊之间的差(误差)被馈送到提供要求的电流信号iq^＊的第一控制器14。接着，从表示供到电网的测量得到的有功电流的信号iq中减去所述iq^＊。结果为被供到产生调节后的电压基准信号Vq^＊的第二控制器15的电流调节信号。信号iq为供到电网的实际测量得到的三相电流ia、ib、ic的变换。所述Vq^＊经过逆变换(与用于无功功率Vd^＊控制的类似的调节后的电压基准信号结合)，以便产生到转换器系统的调节后的三相控制信号Sa、Sb、Sc，其控制供到电网的有功与无功电流。

用于所述第一14与15控制器的系数被选择为基于其输入给出希望的有功电流控制系统16响应。

类似的控制结构17适用于无功电流的控制，但使用另一组控制参数，例如实际电网电压v、基准电网电压V^＊以及测量得到的被供给电网的无功电流id。

对于本发明一优选实施例，在市电网扰动期间，所述电流控制器的实现包含以这样的形式对于所述第一控制器14、18的控制算法：

$\mathrm{\Δ}{i}_Q=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_n\mathrm{\Δ}{f}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ki}}_n{(\∫\mathrm{\Δfdt})}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kd}}_n{\left(\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}\right)}^n$

${\mathrm{\Δi}}_D=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_n\mathrm{\Δ}{U}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ki}}_n{(\∫\mathrm{\ΔUdt})}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kd}}_n{\left(\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}\right)}^n$

对于本发明另一优选实施例，用于在市电网扰动期间调节有功电流的控制算法还包含对传动系中由所述电网扰动触发的机械振动进行阻尼的程序(sequence)。对于此实施例，所述第一控制器14包含以这样的形式调节有功电流的控制算法：

$\mathrm{\Δ}{i}_Q=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_n\mathrm{\Δ}{f}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ki}}_n{(\∫\mathrm{\Δfdt})}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kd}}_n{\left(\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}\right)}^n+k_{\mathrm{\ω}}\mathrm{\Δ\ω}$

对于此实施例，所述第一控制器14接收表示传动系中的所述振动的输入信号。

图7a-e示出了对于本发明的电流控制器的不同实施例在图6所示仿真电网扰动影响下的响应。

图6所示的电网扰动包含在时间＝1[s]时开始的电压突降和频率突降。

表1与表2列出了对于本发明不同实施例的所述第一控制器14、18的系数。表1示出了对于有功电流第一控制器14的系数，表2示出了对于无功电流第一控制器18的系数。

表1：有功电流第一控制器参数

表2：无功电流第一控制器系数

实施例	kp0	kp1	kpx(x＞1)	Kix(x＞＝0)	kd1	kdx(x≠1)
							#1	0,44	0	0	0	0	0
#2	0	0,1	0	0	0	0
							#3	0	0,5	0	0	0	0

#4	1	0	0	0	0	0
							#5	0	2	0	0	0	0

本发明涉及包含发电机与一个或一个以上的转换器系统——例如用于同步或异步发电机的全尺寸转换器，或用于双馈异步发电机的转子侧转换器——以控制到市电网的有功与无功功率和/或有功与无功电流供给的任意类型的风力涡轮机。

列表

1.风力涡轮机

2.塔架

3.机舱

4.轮毂

5.桨距机构

6.叶片

7.传感器装置

8.计算装置

9a.桨距控制系统

9b.转换器控制系统

10.有功功率控制系统——正常运行

11.无功功率控制系统——正常运行

12.第一控制器——正常运行

13.第二控制器——正常运行

14.有功电流第一控制器——电网扰动

15.有功电流第二控制器——电网扰动

16.有功电流控制系统——电网扰动

17.无功电流控制系统——电网扰动

18.无功电流第一控制器——电网扰动

Claims (15)

1.一种用于在市电网扰动期间运行连接到市电网的风力涡轮机(1)的方法，所述方法包含以下步骤：

依赖于与基准频率之间的频率偏差，对有功电流进行控制，以及

依赖于与基准电压之间的电压偏差，对无功电流进行控制。

2.根据权利要求1的运行风力涡轮机的方法，其中，通过除风力涡轮机之外的其他类型的源，有功和/或无功电流被供到风力涡轮机的市电网连接点。

3.根据权利要求1或2的方法，其中，有功与无功电流的所述控制在至少一个控制算法之后执行。

4.根据权利要求3的运行风力涡轮机的方法，其中，所述控制算法在至少一个PID控制器中实现。

5.根据权利要求3或4中任意一项的运行风力涡轮机的方法，其中，所述控制算法为：

${\mathrm{\Δi}}_Q=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_n{\mathrm{\Δf}}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ki}}_n{(\∫\mathrm{\Δfdt})}^n+\underset{n=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kd}}_n{\left(\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}\right)}^n$

${\mathrm{\Δi}}_D=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_n\mathrm{\Δ}{U}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ki}}_n{(\∫\mathrm{\ΔUdt})}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kd}}_n{\left(\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}\right)}^n$

其中，i_Q为有功电流，i_D为无功电流。

6.根据权利要求1-5中任意一项的运行风力涡轮机的方法，其中，传动系振动Δω的值是所述有功电流控制的附加控制参数。

7.根据权利要求1-6中任意一项的运行风力涡轮机的方法，其中，所述控制算法为：

${\mathrm{\Δi}}_Q=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_n{\mathrm{\Δf}}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ki}}_n{(\∫\mathrm{\Δfdt})}^n+\underset{n=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kd}}_n{\left(\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}\right)}^n+k_{\mathrm{\ω}}\mathrm{\Δ\ω}$

${\mathrm{\Δi}}_D=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kp}}_n\mathrm{\Δ}{U}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ki}}_n{(\∫\mathrm{\ΔUdt})}^n+\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kd}}_n{\left(\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}\right)}^n$

且其中，i_Q为有功电流，i_D为无功电流。

8.根据权利要求1-7中任意一项的运行风力涡轮机的方法，其中，所述有功电流依赖于包含基准频率的频率死区外的频率偏差受到控制。

9.根据权利要求1-8中任意一项的运行风力涡轮机的方法，其中，所述无功电流依赖于包含基准电压的电压死区外的电压偏差受到控制。

10.根据权利要求1-9中任意一项的运行风力涡轮机的方法，其中，所述频率死区为所述基准频率的±4‰的范围内，例如，在50Hz系统中，为49.8Hz到50.2Hz。

11.根据权利要求1-10中任意一项的运行风力涡轮机的方法，其中，所述电压死区为所述基准电压的100％到85％的范围，优选为所述基准电压的100％到90％的范围。

12.根据权利要求1-11中任意一项的运行风力涡轮机的方法，其中，电压和/或频率的所述基准值为市电网标称值，例如50或60Hz的标称频率值。

13.在市电网扰动期间连接到市电网的风力涡轮机，其包含用于以根据权利要求1-12中任意一项的方法对风力涡轮机进行控制的控制装置。

14.根据权利要求13的风力涡轮机，其包含可变速度发电机以及至少一个转换器系统，以便控制供给市电网的有功和/或无功电流。

15.风电厂，其包含至少两个根据权利要求13和/或14的风力涡轮机。

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