CN101911424B - 用于控制电网电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制可操作地连接到电功率源的电源电网的电压电平的方法，所述方法包括以下步骤：在公共耦合点处确定所述电源电网的短路阻抗，使用所确定的短路阻抗计算所述电源电网的增益值，以及通过应用所述增益值作为电压控制器中的增益参数来根据所计算的增益值控制所述电网电压电平。根据本发明的所述方法可以实现为用于一劳永逸地配置电压控制器的方法，或者可以实现为用于自适应调节电压控制器的增益的方法。

Description

用于控制电网电压的方法
技术领域
本发明涉及用于风力发电厂设备的电网电压控制方法。具体而言，本发明涉及注入到电源电网的电功率量的变化改变所述电网电压电平时的控制方法。取决于所述电网特性，所注入的电功率可以是有功功率或者无功功率。
背景技术
对于电源电网的电网导则需求变得越来越严格。这些更高的电网导则需求要求电连接到这样的电源电网的风力发电厂的更高性能。
可以看出，本发明实施例的目标在于提供一种用于自适应电网电压控制以实现严格的电网导则需求的方法。
发明内容
第一方面，上述目的通过提供一种用于控制可操作地连接到电功率源的电源电网的电压电平的方法实现，所述方法包括以下步骤：
-在公共耦合点处确定所述电源电网的第一短路阻抗，
-使用所确定的第一短路阻抗计算所述电源电网的第一增益值，以及
-通过应用所述第一增益值作为电压控制器中的增益参数来根据所计算的第一增益值控制所述电网电压电平。
因此，根据本发明的第一方面，可以通过改变注入到电源电网中的有功功率或者无功功率的电功率量来控制电源电网的电网电压。使用有功功率的电网电压控制可以与弱的或者隔离的功率电网尤其相关。
本发明存在几个优点。首先，能够满足非常严格的电网导则需求。此外，如果应用本发明的原理，风力发电厂能够在更弱的电源电网处操作。将风力发电厂定义为具有至少两个风力涡轮机的组，所述至少两个风力涡轮机具有公共电输出，有功功率或者无功功率可以通过所述公共电输出注入到相关联的电源电网中。
而且，本发明还例如具有如下优点：
-独立于实际电网配置的快速动态响应，
-最小的电压过冲，
-整个风力发电厂的直进式控制性能，以及
-用于确保独立于电网条件的相等性能的自适应控制器。
根据本发明第一方面的方法，控制所述电网电压电平的步骤可以包括根据所计算的所述电源电网的第一增益值来计算将从所述电功率源注入到所述电源电网中的电功率量的步骤。在这之后，可以提供将所计算的电功率量从所述电功率源注入到所述电源电网中以相应地控制所述电网电压电平的步骤。
此外，所述方法还可以包括以下步骤：
-在所述公共耦合点处确定所述电源电网的第二短路阻抗，
-使用所确定的第二短路阻抗计算所述电源电网的第二增益值，以及
-通过使用所述第二增益值代替所述第一增益值作为所述电压控制器中的所述增益参数来根据所计算的第二增益值控制所述电网电压电平。
而且，控制所述电网电压电平的所述步骤可以包括根据所计算的所述电源电网的第二增益值计算将从所述电功率源注入到所述电源电网的电功率量，并且将所计算的电功率量从所述电功率源注入到所述电源电网中以相应地控制所述电网电源电平的步骤。
因此，通过以规则间隔确定所述电源电网的短路阻抗，可以以类似的规则间隔更新或者调节所述电压控制器的所述增益参数。按照这种方式，以自适应方式调节所述电压控制器的所述增益参数从而确保所述增益参数匹配所述电源电网的电特性。
通常将所述电源电网的增益定义为每电功率单位MW或者MVAr注入到所述电源电网中的电压变化ΔV。
所述公共耦合点可以沿着连接所述电功率源和所述电源电网的传输线设置。通常，将所述公共耦合点定义为所述电功率源电连接到所述电源电网的点。所述公共耦合点可以设置成相对接近所述风力发电厂或者其可以位于相对于该风力发电厂的远程位置。
确定所述短路阻抗的步骤可以涉及在所述公共耦合点处电压电平和电流水平的测量，其中所测量的电压电平和电流水平是相关联的电压电平和电流水平。
所述电功率源可以包括能够生成所需要的电功率的一个或者多个风力涡轮机。可选地或者此外，所述电功率源可以包括STATCOM、切换电容器、SVC设备或者及其组合。
如上所述，所述电功率源可以包括有功功率源使得注入到所述电源电网中以控制所述电网电压电平的的所述电功率包括有功功率。使用有功功率的电网电压控制与弱的电源电网尤其相关。
作为替代或者可选地此外，所述电功率源可以包括无功功率源使得注入到所述电源电网中以控制所述电网电压电平的所述电功率包括无功功率。
第二方面，本发明涉及用于确定电压控制器的过程增益的方法，所述电压控制器用于控制可操作地连接到电功率源的电源电网的电压电平，所述方法包括步骤：在公共耦合点处确定所述电源电网的短路阻抗，使用所确定的短路阻抗计算所述电源电网的增益值，并且应用所述增益值作为所述电压控制器的所述过程增益。
因此，根据本发明的第二方面，将在所述公共耦合点处确定的所述电源电网的增益结合到电压控制器中。可以可选地提供积分器以改善稳态性能。使用可选地来自多个风力涡轮机或者一个或多个STATCOM的可用电功率量的先前信息，可以通过改变注入到所述电源电网的电功率量控制所述电网电压。由于仅确定一次所述电压控制器的增益，即，在电压控制器的配置时，可以将根据本发明第二方面的方法认为是本发明的离线实现。
所述公共耦合点可以沿着连接所述电功率源和所述电源电网的传输线设置。
所述电功率源可以包括有功功率源和/或无功功率源。
如结合本发明第一方面所陈述的，确定所述短路阻抗的步骤可以涉及在所述公共耦合点处电压电平和电流水平的测量，其中所测量的电压电平和电流水平是相关联的电压电平和电流水平。
附图说明
现在将参照附图进一步描述本发明，其中：
图1示出了电源电网，
图2示出了简化的流程图，以及
图3示出了根据本发明的前馈(feed-forward)电压控制器的阶跃响应。
尽管本发明可以具有各种变型和可选形式，但是附图中作为示例示出了具体实施例并且这里将详细描述这些实施例。然而应该理解，本发明并非旨在局限于这里公开的特定形式。本发明而是要覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有变型、等同物以及替代物。
具体实施方式
在最宽泛的方面，本发明涉及用于建立对于电压控制器的一个或者多个适当的控制参数以控制可操作地连接到电功率源的电源电网的电网电压的方法。该电功率源可以是无功功率源或者有功功率源。
下面将参照向电源电网注入无功功率以控制该电源电网的电网电压的实施例来公开本发明。然而，本发明还覆盖例如向弱电源电网注入有功功率以控制这样的弱电源电网的电网电压。
电功率源可以涉及风力涡轮机或者诸如STATCOM、切换电容器或者SVC设备的其它适合源。具体而言，本发明涉及用于确定电压控制器的增益参数的方法，使用所述电源电网在公共耦合点处的短路阻抗的信息确定所述增益参数。因此，将所述电源电网在公共耦合点处的增益结合到电压控制器中，可选地与积分器组合以改善稳态性能。根据短路功率并且结合随后根据电源电网的短路阻抗得到的比值X/R来确定电源电网的增益。
使用可选地来自多个风力涡轮机或者一个或多个STATCOM的可用的无功功率量的先前信息，可以通过改变注入到电源电网的无功功率量来控制电网电压。由于电压控制器的增益只确定一次-在配置电源控制器时，因此可以将上述方法认为是本发明的离线实现。
本发明还可以实现为在线配置，其中以规则的间隔确定电源电网的短路阻抗和增益。而且，根据短路功率并且结合随后根据电源电网的短路阻抗得到的比值X/R来确定电源电网的增益。因此，本发明的在线配置有助于电压控制器的增益的连续更新。这在电网条件动态改变时是巨大的优点，例如在电源电网的一部分或者几个部分崩溃、电网线路跳闸或者电网重新配置时。
现在将进一步详细描述本发明的原理。在按照电压控制模式运行风力发电厂时，将来自风力涡轮机的无功功率在公共耦合点(PCC)处注入到相关联的电源电网以控制电网电压。PCC是风力发电厂电连接到电源电网的位置。
所谓的电源电网的增益强烈地取决于电源电网的短路阻抗。将电源电网的增益定义为每注入到电源电网的无功功率(MVAr)的电压变化。
将电源电网的短路阻抗定义为Zg＝Rg+jXg＝Rg+j2nfL，其中Rg和Xg分别是电网阻抗的实部和虚部，j是虚部算子，f是频率(通常是电源电网的标称频率)并且L是电感。短路阻抗可以用作戴维南等效中的阻抗。由于L是频率依赖的，因此短路阻抗当然对于较高次谐波会发生变化。
通过连续测量PCC中的电压和电流，可以估计电源电网的短路阻抗并且从而可能进行电网参数的在线估计。例如以广域测量系统(WAMS)或者相位测量单元(PMU)为例的其它技术也是用于确定短路阻抗的适合技术。
在知道电源电网的R和X的情况下，可以执行后向计算以估计电压控制的过程增益。该信息可以作为增益调度因数用于电压控制器中以便即使在电网参数改变时也维持系统的动态性能，例如如果电源电网的一部分崩溃。
可选地，电源电网的短路阻抗以及相关联的增益可以用于设计前馈控制器，该前馈控制器提升实现稳态电压基准所需的无功功率。慢速积分器可以与该前馈控制器并行操作以改善稳态性能。
现在参照图1，图示的电源电网1包括风力发电厂2和多个功率消耗者3。风力发电厂可以例如能够产生50-200MW或者更高范围内的电功率。如果需求需要，风力发电厂还能够向电源电网传送无功功率。还可以提供STATCOM形式的附加无功功率源4。该STATCOM的容量可以例如达到200MW的无功功率。因此，如果电源电网的电网导则要求应该增加电网电压，则可以将无功功率从风力发电厂、STATCOM或者二者提供到电网。通常，STATCOM能够比风力发电厂以更短的关注度(notice)向电源电网传送无功功率。因此，可能的情景将是按照顺序的方式通过首先从STATCOM提供无功功率并且在随后的阶段从风力发电厂提供无功功率来提供无功功率。
如上所述，将来自风力发电厂或者STATCOM的无功功率在PCC处注入到电源电网中。在图1中标记有附图标记5的PCC是风力发电厂电连接到电源电网的位置。可选地，可以在无功功率源(风力发电厂和STATCOM)和电源电网之间提供电网变压器6。
通过在PCC 5处确定短路阻抗的R和X，可以计算电源电网的增益并且应用该增益为电压控制器中的过程增益参数。如果以规则间隔确定电源电网的增益，并且相应地更新电压控制器的过程增益，则建立了在线电压控制环路并且从而建立自适应电压控制环路。优选地，提供具有10-100ms时间常数的积分器以改善稳态性能。
现在参照图2，图示了简单流程图。如图2所示，确定电源电网的戴维南等效电路的R和X。根据R和X计算电源电网的增益。将所计算的增益应用为电压控制器中的过程增益参数。
图2中说明的过程在本发明的离线配置中将执行一次。因此，不会改变确定其值的电压控制器的过程增益。
在本发明的优选实施例中，按照自适应方式调节过程增益以使得在从PCC观察时电压控制器的过程增益总是匹配电源电网的特性。通过按照自适应方式配置电压控制器，可以跟随严格的电网导则需求。
图3示出了根据本发明的前馈电压控制器的阶跃响应。如从图3可以看出，前馈控制器产生最小的过冲。这是与现有技术系统相比动态行为的改善。

Claims (17)

1.一种用于控制可操作地连接到电功率源的电源电网的电压电平的方法，所述方法包括以下步骤：
-在公共耦合点处确定所述电源电网的第一短路阻抗，
-使用所确定的第一短路阻抗计算所述电源电网的第一增益值，以及
-通过应用所述第一增益值作为电压控制器中的增益参数来根据所计算的第一增益值控制所述电压电平，
其中，以规则的间隔确定所述第一短路阻抗和所述第一增益值，从而连续更新所述电压控制器的增益。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，控制所述电压电平的所述步骤包括根据所计算的所述电源电网的第一增益值计算将从所述电功率源注入到所述电源电网中的电功率量的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括将所计算的电功率量从所述电功率源注入到所述电源电网中以相应地控制所述电压电平的步骤。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述电源电网的增益定义为每电功率单位MW或者MVAr注入到所述电源电网中的电压变化ΔV。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述公共耦合点沿着连接所述电功率源和所述电源电网的传输线设置。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，确定所述第一短路阻抗的所述步骤涉及在所述公共耦合点处电压电平和电流水平的测量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所测量的电压电平和电流水平是相关联的电压电平和电流水平。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述电功率源包括能够生成电功率的一个或者多个风力涡轮机。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述电功率源包括STATCOM。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述电功率源包括有功功率源，并且其中注入到所述电源电网中以控制所述电压电平的所述电功率包括有功功率。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述电功率源包括无功功率源，并且其中注入到所述电源电网中以控制所述电压电平的所述电功率包括无功功率。
12.一种用于确定电压控制器的过程增益的方法，所述电压控制器用于控制可操作地连接到电功率源的电源电网的电压电平，所述方法包括以下步骤：在公共耦合点处确定所述电源电网的短路阻抗，使用所确定的短路阻抗计算所述电源电网的增益值，并且应用所述增益值作为所述电压控制器的所述过程增益，其中，以规则的间隔确定所述短路阻抗和所述增益值，从而连续更新所述电压控制器的所述过程增益。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述公共耦合点沿着连接所述电功率源和所述电源电网的传输线设置。
14.根据权利要求12或者13所述的方法，其中，所述电功率源包括有功功率源。
15.根据权利要求12或者13所述的方法，其中，所述电功率源包括无功功率源。
16.根据权利要求12或者13所述的方法，其中，确定所述短路阻抗的所述步骤涉及所述公共耦合点处的电压电平和电流水平的测量。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所测量的电压电平和电流水平是相关联的电压电平和电流水平。
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