CN101640419A

CN101640419A - 用于紧密耦合的风力场的区域内主无功控制器

Info

Publication number: CN101640419A
Application number: CN200910164684A
Authority: CN
Inventors: M·E·卡迪纳尔; N·W·米勒; K·克拉克
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: EP2161444A2; EP2161444B1; US7839024B2; DK2161444T3; ES2920964T3; DK3367547T3; US20100025994A1; EP3367547B1; EP2161444A3; CN101640419B; EP3367547A1

Abstract

一种用于紧密耦合的风力场的区域内主无功控制器。提供一种风力涡轮发电机控制系统，用于控制在与电力系统网(30)的公共耦合点(25)处相连接的多个紧密耦合的风力场(10、15、20)的输出。主无功控制装置(75)采用算法(295、380)，该算法的技术效果是协调多个风力场的有功功率、无功功率和电压输出。主无功控制装置(75)包含可以用于调节公共耦合点(25)处的无功功率、功率因子或电压的无功功率调节器(100A)和可以用于调节公共耦合点(25)处的有功功率的有效功率调节器(300)，以使得每个风力场(10、15、20)不需要贡献或妨碍它自身的工作能力。

Description

用于紧密耦合的风力场的区域内主无功控制器

技术领域

本发明总体上涉及电力系统内的多个电风力场系统的控制，更具体地，涉及用于控制在与电力系统的公共耦合点处互连的多个风力场的主控制器和方法。

背景技术

典型地，电力系统包括多个发电资产(asset)，其遍布地理区域内。电力系统还包括也可能遍布该地理区域的消耗功率(负载)的系统。电力系统还包括电力网(grid)，一种用于在地理区域上送电和配电的电力线和相关联的装备的网络。该电力网的基础设施可能包括但不局限于用于电力系统操作的互连、控制、维护、和改善的设备。典型地，电力系统包括集中控制系统，其可操作地连接到该发电资产，用于例如使用处理逻辑来控制每一个发电资产的电力输出。网络运营商(operator)通常操作集中控制系统。由集中控制系统控制的发电资产的电力输出可以包括但不局限于电力量和电力电压。

发电资产可以包括各个发电站。每个发电站均可以例如，通过向电力网内的地理区域输送电力来服务于这样的区域。每个发电资产均可以包括任何类型的电源。例如，发电资产可以包括至少部分通过煤，水力，诸如汽油、天然气、柴油等的燃料液体以及由核能、风力和太阳能而产生电力的电源。

风能常常用于在发电厂(常被称为风力场)产生电力，使用例如大的风力涡轮机的旋转来驱动发电机。风力场和它们的相关联风力场控制器可以控制无功功率供应，以及在较有限的程度上控制有效功率。在美国专利No.7,119,456、No.7,166,928和No.7,224,081中，Larsen描述了包括对于具有无功功率命令的场级控制器的风力发电机的电压控制以及风力涡轮发电机控制系统。可以通过由比发电机级别高(变电站或场级)的控制器所设置的基准来调节电压而提供风力涡轮发电机电压控制。可以在较长时间(例如几秒)上调节无功功率，而在较短时间(例如几分之一秒)上调节风力涡轮发电机端电压，以缓和快速的电力网瞬变的影响。

为了经济原因以及作为减小矿物燃料发电的环境影响的方法之一，具有较大的电力输出的风力涡轮发电机正被生产，并且具有较多数目的风力涡轮发电机的风力场正投入使用。将来来自风力场的电力输出可以组成沿着输电网被供应和传输的总电力的显著较大的一部分。通常，原始风力场可以基于某些地理位置处的期望的风力状况而坐落于该位置。后来，基于激发第一风力场的期望的风力状况，一个或多个其他的风力场可以坐落于相同的地理区域处。后来的风力场可以由与第一风力场相同的运营商或者由完全不同的运营商来建造。风力场的输出可以在各个点互连，这些点最终在公共耦合点处连接在一起。公共耦合点也可以是到电力系统网的连接点。公共耦合点可以提供用于来自多个互连的风力场的组合输出参数的测量位置。可替换地，该公共耦合点可以远离与电力网互连的点。通常，期望在该测量位置处调节来自多个风力场的组合的功率相关输出。但是，在其他时候，可能期望或者必需在远离可以测量组合参数的位置的调节点(例如在与电力网互连的点)处调节多个风力场的组合的功率相关输出。

图1示出了每个均具有局部风力场控制器60的多个局部风力场10、15、20(尽管示出了三个风力场，但是任何数量的局部风力场可以连接在一起)，它们在公共耦合点25处彼此互连。公共耦合点25可以处于电力系统网30的相同的物理连接点27处。对于每个局部风力场10、15、20，分别示出一个风力涡轮发电机35，表示通常存在于局部风力场中的多个风力涡轮发电机。局部风力场的每个单独的风力涡轮发电机35均可以通过输出变压器40连接到局部风力场的公共总线45，然后通过风力场变压器50连接到多个局部风力场之间的互连线55。局部风力场控制器60可以可操作地连接到各个风力涡轮发电机35，以提供用于控制功率相关参数的命令61。局部风力场控制器60还可以从风力涡轮发电机接收工作状态信号62，并且在局部风力场10、15、20的输出测量点65处感测功率相关输出参数63。

风力场的互连可以是不同的配置。风力场之间的距离可以改变。各个风力场中的风力涡轮发电机的数目可以不同。此外，与电力网连接的物理连接点可以远离各个风力场中的任意一个以及公共耦合点。

如前所述，集中控制系统可操作地连接到用于控制功率输出参数的发电资产。在具有各自的局部风力场控制器的多个互连的风力场的情况下，各个局部功率相关命令可以被从中央控制系统提供给各个局部风力场控制器。典型地，提供给局部风力场控制器的功率相关命令可以指示局部风力场控制器在公共连接点处提供特定的功率相关输出。但是，该多个单独的局部风力场控制器不能在公共耦合点25处进行控制，这是因为此点处的功率相关参数是所有单独风力场的输出的组合。典型地，这样的问题已经通过降低调节要求或约束操作而被避开。

人们已经考虑用自然地最小化交互作用的方式将各个风力场调谐为较为不动态。此方法通常可能降低调节质量，并且最终可能不满足电力系统互连标准的要求。也可以为每个风力场安装仪表，以监视每个其它风力场以及互连点的输出，并且导出调节互连点的量所需的它自身的贡献。此解决方案是一种更昂贵的方法，需要额外的测量仪表和控制复杂性，从而该复杂性使得它难以应用。

因此，存在对于提供用于控制多个互连的风力场的结构和方法的需要，每个风力场利用局部风力场控制器工作，并且在与电力系统的电力网连接的公共连接点处共同地提供功率相关参数。

发明内容

根据本发明的第一方面，风力涡轮发电机控制系统被适配为控制在公共连接点处被连接并且被连接到电力网的多个紧密耦合的局部风力场的输出，其中每个局部风力场包括多个风力涡轮发电机。风力涡轮发电机控制系统可以包括多个局部风力场中的每一个局部风力场的局部风力场控制器，其中该局部风力场控制器控制该局部风力场内的多个风力涡轮发电机的操作，包括在各个风力涡轮发电机的电压和热极限内对多个风力涡轮发电机中的各个发电机的有功功率和无功功率的产生的控制。接收装置从用于电力网的集中系统控制器接受功率相关基准信号以及用于各个局部风力场的操作的功率相关参数。感测装置确定多个紧密耦合的风力场的公共耦合点处的多个功率相关参数。

主无功控制装置(也被称为主区域内控制器)采用来自于用于电力网的中央系统控制器的功率相关基准信号、来自于局部控制器的所感测的多个功率相关参数以及在公共耦合点处感测的功率相关参数，来产生到多个紧密耦合的局部风力场的每个局部风力场控制器的多个功率相关命令，以命令公共耦合点处的公共功率相关参数。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于操作风力涡轮发电机控制系统的方法，被适配为通过使用多个紧密耦合的局部风力场的主无功控制装置来控制输出，每个局部风力场均具有局部风力场控制器和多个风力涡轮发电机，其中所述局部风力场连接在公共连接点处，并且连接到具有集中控制器的电力网。该方法包括操作多个局部风力场中的每一个的局部风力场控制器，其中该局部风力场控制器控制该局部风力场内的多个风力涡轮发电机的操作，包括在各个风力涡轮发电机的电压和热极限内对多个风力涡轮发电机中的各个发电机的有功功率和无功功率的产生的控制。该方法还包括从电力网的集中系统控制器接收功率相关基准信号，以及接收与每一个局部风力场的操作相关的多个功率相关参数。该方法还包括为多个紧密耦合的风力场感测公共耦合点处的多个功率相关参数。多个功率相关命令由多个紧密耦合的局部风力场的每个局部风力场控制器的主无功控制装置产生，以控制多个紧密耦合的局部风力场的公共耦合点处的功率相关参数。

附图说明

当参考相应附图阅读下面的详细说明时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更易被理解，其中贯穿附图相同的附图标记表示相同的部分，其中：

图1示出了在与电力网的公共连接点处且彼此互连的多个风力场，每个风力场均具有局部风力场控制器；

图2示意地示出了主无功控制装置，其测量多个紧密耦合的局部风力场的公共耦合点处的功率相关系统参数，并且使用测得的参数来控制局部风力场控制器，以建立公共耦合点处的功率相关参数；

图3示出了可以被主无功控制装置采用以用于控制局部风力场的操作的输入和输出参数；

图4示出了根据本发明的一个方面的电压调节器，其中电压基准被提供给调节器，而无功功率命令在输出端处被提供；

图5示出了分配函数，通过该分配函数，可以将用于公共耦合点处的电压或功率因子控制的由电压调节器所产生的总无功功率命令指定给各个局部风力场；

图6示出了根据本发明的一个方面的有功功率调节器，其中有功功率基准被提供给调节器，而在输出端提供局部风力场的有功功率命令；

图7示出了分配函数，通过该分配函数，可以将用于公共耦合点处的总有功功率的由有功功率调节器产生的总有功功率命令分配给各个局部风力场；以及

图8示出了用于操作具有主无功控制装置的风力涡轮发电机控制系统的方法的流程图，其中主无功控制装置用于控制在与电力系统的电力网连接的公共连接点处多个局部风力场的输出。

具体实施方式

本发明的以下实施例具有许多优点，包括调节连接到电力系统的电力网(grid)的紧密耦合的风力场的输出，以便通过协调的有功功率、无功功率和电压响应来共同调节电耦合的单个公共点。主无功控制装置(MRCD)可以监视功率相关参数(诸如电流、电压、有功功率、无功功率和功率因子)的公共测量点，其中所述测量点处的参数值是每个局部风力场的贡献的总和。如果必要的话，线路电压降补偿可以被应用以补偿有功功率损失、无功功率损失和电压降，在测量点不是系统中风力场的组合输出将被调节的点的情况下其可能是需要的。主无功控制装置可以包含无功功率输出命令，该无功功率输出命令可以用于调节公共耦合点处的电压或功率因子。MRCD还可以包含有效功率调节器，其可以用于调节公共耦合点处的有功功率。到每个局部风力场的有功功率和无功功率命令可以被控制，以使得每个风力场不被要求贡献或者干扰它自身的工作能力。提供一种用于实现协调控制的方法。

图2示意地示出了主无功控制装置，其被适配为测量多个紧密耦合的局部风力场在公共耦合点处的功率相关系统参数，并且使用测得的参数来控制局部风力场控制器，以建立公共耦合点处的功率相关参数。第一局部风力场10、第二局部风力场15和第三局部风力场20可以表示在它们的输出端处通过传输线55连接到公共耦合点的多个任意数目的局部风力场，它们分别表现为阻抗Z1、Z2和Z3。局部风力场10、15、20中的每一个被示出为具有一个风力涡轮发电机35，其可以代表局部风力场内的任意多个风力涡轮发电机。每个局部风力场10、15、20包括局部风力场控制器60。局部风力场控制器60可以监视来自于各个局部风力场65的输出端处的功率相关参数63，监视各个风力涡轮发电机的工作状态62，以及将控制信号61提供到各个局部风力场10、15、20内的各自的风力涡轮发电机35。

典型地，电力网30可以在到互连的风力场的公共耦合点处表现为阻抗Z_GRID，其中Z_GRID与局部风力场表现的阻抗Z1、Z2和Z3相比较大。因此，由于局部风力场的紧密耦合，试图响应于来自集中系统控制器的信号以在公共耦合点25处提供输出的任意单个局部风力场控制器将与其它局部风力场控制器和它们的控制信号进行竞争，以实现公共耦合点处的输出。

公共耦合点25处的多个感测装置70、71可以感测公共耦合点25处(在这种情况下，也是测量点26处)的多个功率相关参数85、90、91。功率相关参数可以包括有功功率、无功功率、电压、线路电流和功率因子。功率相关参数可以通过现有技术中已知的各种手段发送(95、96)到主无功控制装置75。主无功控制装置75可以使用上述功率相关参数值以及其它局部风力场功率相关参数信号76来用于基于来自于集中(centralized)系统控制器5的基准命令信号6控制局部风力场10、15、20的输出。

主无功控制装置75可以使用功率相关参数来协调各个局部风力场的瓦特和无功伏安(var)的产出，以调节公共连接点处的系统量。多个风力场可以被控制以使得除了最小化和消除这些紧密耦合的风力场之间的无功伏安和电压振荡之外，每个单独的风力场10、15、20保持它自身的电压、功率和无功伏安(VAR)极限。此外，如果用于互连的局部风力场的电力系统的集中系统控制器5的调节点27在不是局部风力场的测量点26的位置处，则局部风力场10、15、20的主无功控制装置75可以利用测得的功率相关参数及其它线路参数，为调节点27和测量点26之间的电压降和功率损失提供补偿。

通常上述测量的功率相关参数可以在公共耦合点25处被测量，当该公共耦合点25被用于测量各个风力场的公共输出时也可以被称为测量点26。可替换地或作为失败的测量的备份，对于每个单独的局部风力，来自于局部风力场控制器60的功率相关参数信号76，公共耦合点处的有功功率、无功功率和电流可以被计算为各个有功功率测量结果、无功功率测量结果和电流测量结果的总和。公共耦合点25处的线路电压可以近似为等于在输出点65处来自于任意单独的局部风力场的测量电压。所计算的功率相关参数在下面的等式1-4中被描述：

Pmeas &cong; Σ_{i = 1}^{n} {Pwf}_{i}

等式1；

Qmeas &cong; Σ_{i = 1}^{n} {Qwf}_{i}

等式2；

Imeas &cong; Σ_{i = 1}^{n} {Iwf}_{i}

等式3；和

Vmeas &cong; {Vwf}_{i}

等式4

其中P_meas、Q_meas和I_meas可以是公共耦合点处的测量值，Pwf_i、Qwf_i和Iwf_i是各个风力场处的所测得的参数值；V_meas代表公共耦合点处的所测得的线路电压值，Vwf_i是在各个风力场的输出处所测得的线路电压值；以及i代表各个风力场的索引。

图3示出了可以被主无功控制装置采用以用于控制局部风力场的操作的输入和输出参数。MRCD 75可以从集中系统控制器5接收多个控制输入。所述输入可以包括但是不限于用于公共耦合点处的控制的电压基准值(V_ref)105、功率因子基准值(PF_ref)106和功率基准值(P_ref)107。

总有功功率110、总无功功率115、线路电压120、线路电流125和功率因子130可以在公共耦合点处被测量。可以从各个风力场提供另外的测量参数，包括有功功率(Pwf₁...Pwf_n)135、无功功率(Qwf₁...Qwf_n)140、输出电压(Vwf₁...Vwf_n)145、输出电流(Iwf₁...Iwf_n)150。其他所算得的参数，诸如最大无功功率(MAXQwf₁...MAXQwf_n)155和可能的最大有功功率POSPwf₁...POSPwf_n160，可以从各个局部风力场控制器被提供给主无功控制装置。这里，单个局部风力场的最大无功功率155可以表示各个风力涡轮发电机的最大无功功率能力与在局部风力场内工作的风力涡轮发电机的数目的合计。单个局部风力场的最大可能的有功功率160可以表示在各个局部风力场内工作的风力涡轮发电机的数目和现有环境条件下的各个风力涡轮发电机的可能的有功功率能力的合计。

主无功控制装置75的输出可以包括到各个局部风力场控制器的有功功率命令(P_1CMD...P_nCMD)170和无功功率命令(Q_1CMD...Q_nCMD)175。所述命令根据算法被建立，所述算法的技术效果是提供公共耦合点处的电压调节、功率因子调节和功率调节中的至少一个。

图4示出了根据本发明的主无功控制装置75的一个实施例，其中电压基准V_REF105被提供给电压调节器100A，而风力场无功功率命令298在输出端处被提供。在一个方面，风力涡轮机控制系统被适配为在多个紧密耦合的局部风力场10、15、20(图3)的输出端处调节公共耦合点25处的电压。到电压调节器100A的输入电压基准205可以包括来自于功率因子调节器100B(稍后描述)的电压基准输入105或功率因子电压命令215，其中可以分别通过开关220和221或者其它合适的装置将这两个输入二者择一地切换到电路。输入电压基准205可以在加法器225处与电压降信号230以及与线路电压降补偿信号V_linedrop235进行比较。

组合的信号由限制器(limiter)240测试以将局部连接点处的电压保持在极限范围内。组合的信号然后在加法器245中与V_meas120比较以产生电压误差信号V_err250，该电压误差信号V_err250被应用于比例积分微分(PID)控制器255以产生总无功功率命令Q_TOTCMD265。Q_TOTCMD265被Q限制器260限制，其中Q_LIMITS＝∑各个风力场的Q_LIM1...Q_LIMn。Q_TOTCMD265表示对于多个风力场的正被命令的总无功功率。向局部风力场发送无功功率命令消除了局部风力场电压调节器之间的冲突。总无功功率命令Q_TOTCMD265然后可以根据下面将要进一步描述的分配函数被作为Q_nCMD分配到各个局部风力场。

可以补偿测量点26(图2)和调节点27(图2)之间的线路电压降98(图2)，这是因为主无功控制装置“看见”从所有的局部风力场流出的组合电流。线路电压降可以根据等式5确定：

V_{LINEDROP} = I^{*} \times X^{*} - \frac{(B) \times X^{*}}{2} \times {V^{*}}_{MEAS},

等式5；

其中I是相量电压，X是补偿的线路的复阻抗，B是线路充电时间。

V_Droop可以根据等式6计算：

V_{DROOP} = (%_{DROOP}) \times \frac{Q_{MEAS}}{Q_{RATED}} \times V,

等式6；

其中％Droop是指定的下降值，Q_MEAS是测得的无功功率，V是标称电压或基准电压。

图5示出了分配函数，通过该分配函数，可以将由电压调节器产生的用于公共耦合点处的总无功功率的Q_TOTCMD分配给各个局部风力场。根据Q_TOTCMD 265，可以通过分配算法295为每一个局部风力场控制器指定风力场无功功率命令Q_1CMD...Q_nCMD298。分配算法295的一个实施例可以利用从各个局部风力场或各个局部风力场控制器提供给主无功控制装置75的局部最大在线无功功率额定值(rating)。局部风力场或局部风力场控制器可以基于局部风力场中工作的风力涡轮发电机的数目和各个风力涡轮发电机的无功功率额定值，产生它的局部最大在线无功功率额定值Q_1ONLINE额定值...Q_iONLINE额定值155(图3)。提供给风力场i的无功功率命令可以以等式7来描述：

Q_{iCMD} = \frac{Q_{TOTCMD} * Q_{iONLINERATING}}{Σ_{n = 1}^{N} Q_{iMAX}},

等式7。

如果发生来自风力场的通信的丢失，则可以采用其它算法来分配总无功功率命令。在一个这样的实施例中，可以应用以无功功率为单位的配置常数来分配如等式8中的这样的命令：

Q_{nCMD} = \frac{Q_{TOTCMD} * K_{i}}{Σ_{i = 1}^{N} K_{i}}

等式8；

其中K_i是无功伏安(VARS)形式的配置常数。

再次参考图4，当处于在开关221闭合的情况下控制公共耦合点处的功率因子的模式中时，调节器可以接收功率因子电压命令215。但是，到调节器的控制信号是以由中央系统控制器5(图2)所提供的指定功率因子基准

的形式被提供的。指定的功率因子基准106可以被变换成功率因子电压命令215，以便使用为电压调节和功率因子调节二者所共用的调节器控制。在变换的一个实施例中，功率因子基准PF_REF 106被转换为无功功率基准Q_REF 275，其中arc

函数271输出

而函数表示无功功率与有功功率的比。当被乘以有功功率P_MEAS时，Q_REF 275被建立。Q_REF275可以在加法器287处与Q_MEAS 285相比较，以确定无功功率误差信号Q_ERR 288。Q_ERR 288可以被输入到比例积分微分(PID)控制器290，以产生功率因子电压命令V_COMMAND215。此外，可以通过限制器295对V_COMMAND215设立上下边界，以将信号保持在局部连接点的边界范围内。

对于公共系统点处而不是测量点处的功率因子控制，可以通过所计算出的有功功率损耗P_LOSS278向P_MEAS110提供线路电压降补偿，以及可以通过所计算出的无功功率损耗Q_LOSS286向Q_MEAS285提供线路电压降补偿。根据等式9和10来计算补偿性的功率损耗：

P_{LOSS} = I_{MEAS}^{2} \times R

等式9，和

Q_{LOSS} = - I_{MEAS}^{2} \times R + V^{2} \times B

等式10；

其中I_MEAS和V_MEAS在公共耦合点处被测量，R是公共耦合点和调节点之间的线路电阻，B是线路充电时间。

图6示出了根据本发明的另一方面的有功功率调节器300的实施例，其中有功功率基准107被从集中系统控制器5(图2)提供给调节器，而有功功率命令390在输出端处被提供。在本发明的一方面，提供风力涡轮机控制系统，其被适配为在多个紧密耦合的局部风力场的输出端处调节公共耦合点处的有功功率。如果测量点不同于调节点，则可以在有功功率基准加法器305处利用线路电压降补偿信号P_LOSS310来调节有功功率基准107。被校正损失的信号315可以由缓变率(ramp rate)限制器320测试，以将功率变化率保持在上下界限内。被校正损失的信号315也可以由功率基准限制器325测试，以将功率信号保持在上下界限内。然后在加法器335处将组合的基准330信号与来自测量点的P_meas110进行比较，以产生有功功率误差信号Perr 340，该有功功率误差信号Perr 340被施加于比例积分微分(PID)控制器350，以产生总的有功功率命令P_TOTCMD 370。P_TOTCMD 370表示由多个局部风力场提供的正被命令的总的无功功率。P_TOTCMD 370由功率命令限制器360限制。然后可以根据下面将要进行进一步的描述的分配函数将总的有功功率命令P_TOTCMD370作为P_nCMD 380分配到各个局部风力场。

图7示出了分配函数，通过该分配函数，由有功功率调节器300所形成的用于公共耦合点处的总功率的P_TOTCMD360可以被指定给各个局部风力场。根据P_TOTCMD370，可以给每一个局部风力场控制器指定由分配算法390分配的风力场有功功率命令P_1CMD...P_nCMD 380。分配算法的一个实施例可以利用从各个局部风力场或各个局部风力场控制器提供给主无功控制装置的局部最大可能的有功功率额定值。局部风力场或局部风力场控制器可以基于局部风力场中工作的风力涡轮发电机的数目以及各个风力涡轮发电机的可能的有功功率能力，产生它的局部最大可能的功率额定值P_1POSS额定值...P_nPOSS额定值160。提供给风力场n的有功功率命令可以以等式11被描述：

P_{nCMD} = \frac{P_{TOTCMD} * P_{nPOSS}}{Σ_{n = 1}^{N} P_{nPOSSMAX}}

等式11。

如果发生来自风力场的通信的丢失，则可以采用其它算法来分配总无功功率命令。在一个这样的实施例中，以无功功率为单位的配置常数可以被应用于分配如等式12这样的命令：

P_{nCMD} = \frac{P_{TOTPOSS} * K_{i}}{Σ_{i = 1}^{N} K_{i}}

等式12；

其中Ki是瓦特形式的配置常数。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于协调在与电力网的公共连接点处相连接的紧密耦合的局部风力场的控制的方法。该方法可以包括从电力网的集中系统控制器接收功率相关基准信号，以及还从多个局部风力场中的每一个接收功率相关操作信号。该方法还可以包括感测与电力网连接的公共连接点处的多个功率相关参数。根据从集中系统控制器提供的基准信号和由多个局部风力场提供的功率相关操作信号，针对多个局部风力场中的每一个产生多个功率相关命令。多个功率相关命令被传输到多个局部风力场中的每一个，用于根据功率相关基准信号控制各个局部风力场的输出，以在公共耦合点处或者可替换地在不同的调节点处产生组合的输出。

从电力网的集中系统控制器接收到的功率相关基准信号可以包括基准电压命令、功率因子基准命令和有功功率基准命令。

公共连接点处所感测的功率相关信号可以包括有功功率P_MEAS、无功功率Q_MEAS、线路电压V_MEAS、线路电流I_MEAS和功率因子PF_MEAS。

来自于多个局部风力场的功率相关操作信号可以包括有功功率输出、无功功率输出、电压输出。可以从各个风力场提供当前输出测量参数，包括有功功率(Pwf₁...Pwf_n)135、无功功率(Qwf₁...Qwf_n)140、输出电压(Vwf₁...Vwf_n)145、输出电流(Iwf₁...Iwf_n)150。进一步算得的参数，诸如最大无功功率(MAXQwf₁...MAXQwf_n)155和可能的最大有功功率POSPwf₁...POSPwf_n160可以从各个局部风力场控制器被提供给主无功控制装置75。

当功率相关参数正在调节点而不是测量点处被控制时，可以使用线路电压降补偿。如前面在等式5中所述，可以应用线路电压降补偿来校正来自于集中控制器的电压基准命令，以用于电压调节控制和功率因子控制。如前面等式9和10中所述，可以应用线路电压降补偿作为有功功率调节中的功率损失校正，用于建立用于功率因子调节的Q_REF。

该方法还可以包括根据主无功控制装置75的输出来控制非风力场的局部控制器，该非风力场的局部控制器用于控制非风力场发电源的局部控制器，其在公共耦合点25处与多个局部风力场电耦合。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括产生用于多个局部风力场的总无功功率命令和用于多个局部风力场的总有功功率命令。

根据本发明的另一方面，该方法可以包括调节公共耦合点处的调节电压和功率因子。如前所述，该方法还可以包括产生总无功功率命令和总有功功率命令。如前所述，该方法还可以包括，根据分配算法确定总无功功率命令到每个单独的局部风力场的分配，分配算法的技术效果是根据各个局部风力场的能力将无功负载分配给风力场以产生无功功率，该方法还可以包括根据分配算法确定总有功功率命令到每个单独的局部风力场的分配，该分配算法的技术效果是根据各个局部风力场的能力将有功负载分配给每个局部风力场以产生有功功率。

图8示出了用于操作具有主无功控制装置的风力涡轮发电机控制系统的方法的流程图，其中主无功控制装置用于控制在与电力系统的电力网的公共连接点处多个局部风力场的输出。在步骤805中，多个互连的局部风力场在它们各自的局部风力场控制器的控制下被操作，以在它们的各个风力涡轮发电机的极限内产生有功功率和无功功率输出。该操作可以包括互连的非风力场发电源。在步骤810中，控制系统(主无功控制装置)可以从局部风力场或局部风力场控制器接收多个功率相关参数。在步骤815中，可以在各个局部风力场的输出的公共耦合处的测量点处感测多个功率相关参数。如果该测量点处于远离功率相关参数要被控制的点的位置处，则可以应用对电压降、有功功率损失和无功功率损失的线路电压降补偿。在步骤820中，该方法可以包括从局部风力场被互连到的电力网的集中系统控制器接收功率相关参数的多个基准信号。所述功率相关基准信号可以包括电压基准信号、功率因子基准信号和有功功率基准信号。在步骤825中，确定公共耦合点处的测量点是否与功率相关参数要被调节的点相同。如果调节点不同于测量点，则必须在用于将PF基准转换为电压命令的步骤835中应用对线路电压降的校正830。否则，在步骤835中，在没有线路电压降校正的情况下执行PF基准到电压命令的转换。

在步骤840中，可以选择是否要将电压基准信号或PF电压命令用于调节。在步骤845中，确定调节点是否不同于测量点。然后，在步骤850中，线路电压降校正电压应当被应用于电压基准。可以在步骤855中对电压降进行其他校正。在步骤860中，可以对校正后的电压基准设置极限，以保持局部连接点的极限。在步骤865中，可以在校正后的基准信号和测得的输出电压之间进行比较以产生误差电压Verr。在步骤870中，在PID控制器中将电压误差信号转换成总无功功率输出命令Q_TOTCMD。可以在步骤875中限制Q_TOTCMD以识别各个局部风力场的组合的无功功率输出。在步骤880中，可以根据分配算法将限制的Q_TOTCMD在各个风力场之间分配，该分配算法的技术效果是将到各个风力场的无功功率命令限制为不超过根据如前所述的等式7和8的能力。

与有功功率的控制类似，在步骤900中，确定调节点是否不同于测量点，在这种情况下，在步骤905中，如前所述，根据等式9，对于线路电压降应用功率损耗校正。可以在步骤910中应用对缓变率和功率基准的限制。在步骤915中比较限制的功率基准信号和测得的功率P_meas以产生Perr信号。在步骤920中PID控制器转换Perr信号以产生总有功功率命令P_TOTCMD。可以在步骤925中限制P_TOTCMD以识别各个局部风力场的组合的有功功率输出能力。在步骤930中，可以根据分配算法将限制的P_TOTCMD在各个风力场之间分配，该分配算法的技术效果是将到各个风力场的有功功率命令限制为不超过根据如前所述的等式11和12的能力。

尽管这里描述了各种实施例，但是从该说明书中应当理解，可以对其进行元件的组合、变化或改进，并且这些组合、变化或改进都在本发明的范围内。

附图标记列表：

5集中电力系统控制器

6功率相关基准命令

10局部风力场

15局部风力场

20局部风力场

25公共连接点

26公共测量点

27与电力网的物理连接点

30电力系统网

35风力涡轮发电机

40发电机输出变压器

45公共总线

50风力场变压器

55互连线

60局部风力场控制器

61风力涡轮发电机命令

62风力涡轮发电机输出信号

63局部风力场输出公共输出信号

65局部风力场公共输出测量点

70电压感测装置

71功率感测装置

75主无功控制装置(MRCD)

76从局部风力场到MRCD的功率相关信号

80到局部风力场的MRDC控制信号

85线路电压

90相加的有功功率

91相加的无功功率

95测量的有功功率信号

96测量的无功功率

97测量的线路电流

98公共测量点和到电力网的物理连接点之间的线路

100A电压调节器

100B功率因子调节器

105电压基准

106PF命令

107有功功率基准

110在PCC-P_meas处的总有功功率

115在PCC-Q_meas处的总无功功率

120在PCC-V_meas处的线路电压

125在PCC-I_meas处的线路电流

130在PCC-PF_meas处的PF

135局部风力场有功功率输出

140局部风力场无功功率输出

145局部风力场输出电压

150局部风力场输出电流

155最大无功功率

160最大可能有功功率

170有功功率命令

175无功功率命令

200电压调节器

205输入电压基准

210电压基准输入

215来自PF调节器的电压命令

220电压调节开关

221pf调节开关

225电压基准加法器

230Vdroop信号

235Vlinedroop信号

240电压基准限制器

245加法器

250电压误差信号

255PID控制器

260无功功率控制器

265总无功功率命令

271arc(cos(phi))函数

272phi

273tan(phi)函数

275无功功率基准

280乘法器

285Qmeas

286Qloss

287加法器

288无功功率误差信号

290PID控制器

292电压命令限制器

295无功功率分配算法

298风力场无功功率命令

300有功功率调节器

305功率基准加法器

310Ploss

315校正损失的功率基准

320缓变率限制器

325组合基准信号限制器

330组合功率基准

335加法器

340功率误差信号

350PID

360功率命令限制器

370总有功功率命令

380风力场有功功率命令

390有功功率分配算法

Claims

1.一种风力涡轮发电机控制系统，其被适配为控制在公共耦合点(25)处相连接并且连接到电力网(30)的多个紧密耦合的局部风力场(10、15、20)的输出，其中每个局部风力场(10、15、20)包括多个风力涡轮发电机(30)，该风力涡轮发电机控制系统包括：

用于多个局部风力场(10、15、20)的每一个的局部风力场控制器(60)，其中该局部风力场控制器(60)控制局部风力场内的多个风力涡轮发电机(35)的操作，包括在各个风力涡轮发电机的电压和热极限内对多个风力涡轮发电机中的各个发电机的有功功率和无功功率的产生的控制；

感测装置(70、71)，用于确定多个紧密耦合的风力场(10、15、20)的在公共耦合点(25)处的多个功率相关参数(95、96)；

接收装置(75)，用于从各个局部风力场(10、15、20)的输出接收多个功率相关参数(76)；

接收装置(75)，用于从电力网的中央系统控制器接收多个功率相关基准命令；和

主无功区域内控制器(75)，其采用所感测的多个功率相关参数(75、90、91)中的至少一个，被适配为产生到多个紧密耦合的局部风力场(10、15、20)的每个单独的局部风力场控制器(60)的多个功率相关命令(170、175)。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮发电机控制系统，其中所述功率相关命令包括：

用于所述多个紧密耦合的风力场(10、15、20)的总无功功率命令(298)；和

用于所述多个紧密耦合的风力场(10、15、20)的总有功功率命令(370)。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮发电机控制系统，还包括：线路电压降补偿(98)，其使用公共耦合点(25)上的测量点(85)处的电压(70)、电流(71)、有功功率(90)、无功功率(91)和功率因子测量结果(71)中的至少一个，并且被传输到主无功区域内控制器(75)，以确定功率相关命令(298、370)。

4.根据权利要求2所述的风力涡轮发电机控制系统，其中所述功率相关命令还包括：

到多个风力场(10、15、20)中的每个单独的风力场的无功功率命令(175)和到多个风力场(10、15、20)中的每个单独的风力场的有功功率命令，其中根据至少一个分配算法(295、380)由主无功区域内控制器(75)分配总无功功率命令(265)和总有功功率命令(370)。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮发电机控制系统，其中所述主无功区域内控制器(75)根据算法(295)将总无功功率命令(265)分配到各个局部风力场(10、15、20)中的每一个，该算法的技术效果是基于由主无功区域内控制器(75)从局部风力场控制器接收到的各个局部风力场的在线无功额定值(155)与多个风力场(10、15、20)的总在线无功额定值之比来分配总无功功率命令(265)。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮发电机控制系统，其中如果局部风力场控制器(10、15、20)中的至少一个未能将它的在线无功额定值传递给主无功区域内控制器(75)，则主无功区域内控制器(75)根据算法(295)将无功功率命令分配到该至少一个受影响的局部风力场控制器，该算法的技术效果是基于所指定的配置常数来分配总无功功率命令(265)。

7.根据权利要求4所述的风力涡轮发电机控制系统，其中所述主无功区域内控制器(75)根据算法(380)将总有功功率命令(370)分配到各个局部风力场(10、15、20)中的每一个，该算法的技术效果是基于由主无功区域内控制器(75)从局部风力场控制器(60)接收到的各个局部风力场的在线可能的有功功率额定值与多个风力场(10、15、20)的总在线可能的有功功率额定值之比来分配总有功功率命令(390)。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮发电机控制系统，其中如果局部风力场控制器(10、15、20)中的至少一个未能将它的在线可能的有功功率额定值传递到主无功区域内控制器(75)，则主无功区域内控制器(75)根据算法(380)将总有功功率命令(370)分配到该受影响的局部风力场控制器(10、15、20)，该算法的技术效果是基于所指定的配置常数来分配总有功功率命令(390)。

9.根据权利要求4所述的风力涡轮发电机控制系统，其中所述主无功区域内控制器(75)还包括：闭环控制器(300)，其被适配为根据包括电压基准命令(105)和功率因子电压基准命令(106)中的至少一个的组合的电压基准命令(205)，调节公共耦合点(25)处的功率相关参数(298)。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮发电机控制系统，其中所述电压基准命令(105)和功率因子电压基准命令(106)中的至少一个是由电力网(30)的系统运营商(5)提供的。