CN102130605B

CN102130605B - 基于电流源变流器的风能转换系统的电网故障穿越

Info

Publication number: CN102130605B
Application number: CN201010281099.9A
Authority: CN
Inventors: 戴景娅; 许德伟; 吴斌; 纳维德·扎尔加里
Original assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Current assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: US20110057444A1; EP2315345B1; CN102130605A; EP2315345A2; EP2315345A3; US8587160B2

Abstract

提出了基于电流源变流器(CSC)的风能电力转换系统(WECS)以及方法，其中，采用统一DC链路电流控制方案来便于电网故障穿越情况，具有组合发电机侧变流器和电网侧变流器的电力流控制能力的多模式变流器控制系统，其中，通过监控电网电压自动实现在正常工作与故障状况之间的转换，而无需或者仅部分需要附加的穿越组件。

Description

基于电流源变流器的风能转换系统的电网故障穿越

相关申请的引用

本申请要求发明名称为“GRID FAULT RIDE THROUGH FORCURRENT SOURCE CONVERTER-BASED WIND ENERGYCONVERSION SYSTEMS(基于电流源变流器的风能转换系统的电网故障穿越)”、在2009年9月4日提交的美国临时专利申请序列号61/239,949的优先权和利益，其全部内容通过引用而合并于此。

技术领域

本发明总地涉及电力转换，更具体地，涉及基于电流源变流器(CSC)的风能转换系统(WECS)的增强的电网故障穿越能力的技术。

背景技术

当前风能是一种快速成长的发电技术，并且进行中的开发针对将风生成的电力提供给电网(electrical power grid)。需要电力转换系统把由风力涡轮机生成的电力调整为与电网兼容形式的交流(AC)电力。一类转换装置是电流源变流器(CSC)，其包括电流源整流器(CSR)和电流源逆变器(CSI)。

随着WECS变得更普遍，公用事业公司经营者必须确保电力系统的可靠性和效率，包括与可应用于分布式发电机(包括风力发电机)的电网连接规程的一致性。一个这样的要求是WECS穿越电网故障条件的能力，以防止由网络干扰导致的大型风力发电机的断开连接，以避免或者缓解系统不稳定性以及发电机差错。还指定了其它典型要求，诸如基于系统电压和频率的无功和有功功率调节。与这些要求的一致性影响着WECS的电力变流器和控制器的设计。目前，最普遍的WECS配置是变速风力涡轮机，其要么用于具有部分额定电力变流器的双馈感应发电机(DFIG)，要么用于配备有全额定电力变流器的感应式/同步机。DFIG配置流行是因为较小的变流器尺寸(大约总KVA(千伏安)额定值的1/3至1/4)，但DFIG系统的故障穿越能力受限，并且大多数情况下需要额外的硬件。带有全电力变流器的直接驱动永磁体同步发电机(PMSG)解决方案是一种有吸引力的替代方法，这是因为这些解决方案完全脱离于电网，并且针对故障穿越能力提供较宽的工作范围。此外，提供永磁体转子(不含电激励转子绕组)改进了系统效率，并且消除了对集电环(slip-ring)和维护的需要，使得PMSG解决方案对于高功率离岸应用是理想的。

大多数常规驱动系统控制方案假定静态电网工作状况，因此并未良好地适于容纳电网故障情况。短路电网故障以及所造成的变流器端子电压下降可能使电网侧变流器失去其控制能力。在瞬变期间在输入和输出处不平衡的电力流可能导致变流器中的过流或过压，并且触发系统保护，最终导致变流器关断。先前的故障穿越技术极大地关注于WECS中的电压源变流器(VSC)，例如电子动态制动以将过量能量释放到外部电阻器或能量存储系统，或者允许输入的风能被临时存储在涡轮发电系统的惯性矩中。其它提出的故障制约技术采用非线性控制方法来改进常规的电流控制性能，但实施复杂并且对于系统变量非常敏感。与基于VSC的配置相比，脉宽调制(PWM)电流源变流器(CSC)拓扑提供简单的拓扑解决方案和极好的电网整合性能(例如正弦电流和完全受控的功率因子)，其中，直流(DC)链路电抗器针对变流器短路故障提供自然的保护。然而，非同于VSC，基于CSC的WECS的电网电压故障穿越在文献中鲜有研究。因此，需要改进的风能系统，通过该风能系统，从风力驱动的机器得到的能量可以在具有穿越电网故障条件的能力的用于将电力提供给电网的CSC中转换，而无需引入额外的硬件。

发明内容

现概括本发明的各个方面以便于基本理解本发明，其中，本发明内容不是本发明的广泛概述，既不是要标识本发明的某些元素，也不勾勒其范围。相反，本发明内容的主要目的是在下文中给出的更详细描述之前以简化形式给出本发明的某些构思。

本公开提出了电力转换系统和电流源变流器及其开关控制，通过开关控制，在采用电流源变流器技术和关联优点的同时，基于CSC的风能及其它系统可以成功地提供无功功率控制和电网故障容忍。所公开的构思提供新颖的整合方案，用于控制基于CSC的WECS正常工作和/或穿越电网低电压故障，其中，发电机侧变流器控制用于至少部分地调节基于CSC的变流器的中间DC链路电路中的DC链路电流。以此方式，用于调节DC链路电流的能力扩展超出电网侧变流器的能力，这在特定电网故障穿越情形下尤其有用。

根据本公开的一个或更多方面，因此提供了风能转换系统及其电流源变流器用于转换来自以风力驱动的同步发电机的输入电力并且将输出电力提供给电网。CSC包括：具有至少一个链路电感的中间电路，具有由CSR开关控制信号操作以有选择地将输入耦合到中间电路的开关的电流源整流器(CSR)，以及具有通过CSI开关控制信号操作以有选择地将中间电路耦合到输出的开关的电流源逆变器(CSI)。提供一种开关控制系统，具有发电机侧控制组件和电网侧控制组件，其中，发电机侧控制组件将信号提供给CSR以对来自发电机的输入电力进行转换，以在中间电路中产生DC链路电流，并且电网侧控制组件将信号提供给CSI，以将DC链路电流转换为用于电网的输出电力。

开关控制系统还包括DC链路电流控制组件，DC链路电流控制组件在第一模式中工作，以使得发电机侧控制组件提供CSR开关控制信号，以完全或部分地调节DC链路电流。在某些实施例中，统一DC链路电流控制被提供在第一模式中，其中，DC链路电流控制组件使发电机侧控制组件和电网侧控制组件联合调节DC链路电流。在某些实施例中的第二模式中，仅电网侧控制用于调节链路电流，其中DC链路电流控制组件工作模式是根据一个或更多反馈信号来确定的。在特定实施例中，当在链路电感上的电压大于电网侧变流器(CSI)的最大DC链路电压控制范围时，DC链路电流控制组件在第一模式中实现统一链路电流控制，否则电网侧控制用于在第二模式中调节链路电流。以此方式，在电网故障情况下(其中，电网侧(CSI)控制自身无法保持所需DC链路电流)，可以继续以支持电网电压恢复所需的值来调节DC链路电流。

根据本公开的更多方面，提供一种用于在风能转换系统(WECS)中操作电流源变流器(CSC)以将输入电力转换为输出电力的方法。该方法包括：从转子直接或间接耦合到风力驱动的原动机的同步发电机接收CSC中的输入电力，并且使用电流源整流器有选择地将输入耦合到中间电路以对来自发电机的输入电力进行转换，以在中间电路中产生DC链路电流。该方法还包括：使用电流源逆变器有选择地将中间电路耦合到输出以对DC链路电流进行转换，以将输出电力提供给电网，并且有选择地在第一模式中操作CSR以至少部分地调节DC链路电流。该方法的某些实施例包括：在第一模式中操作CSR和CSI以联合调节DC链路电流。在各实施例中，该方法还包括：在第二模式中操作CSI以调节链路电流。在某些实施例中，至少部分地基于来自中间电路的一个或更多反馈信号或值(例如当链路电感上的电压大于CSI的最大DC链路电压控制范围时)来进入第一模式。

附图说明

以下描述及附图详细地阐述本公开的特定示例性实施方式，其表示可以执行本公开的各种原理的多个示例性方式。然而，所示出的示例并未穷举本公开的很多可能的实施例。当结合附图考虑时，在以下详细描述中阐述本发明的其它目的、优点和新特征，在附图中：

图1是示出根据本公开的一个或更多方面的示例性的基于电流源变流器(CSC)的风能电力转换系统(WECS)的示意图，风能电力转换系统(WECS)具有同步发电机和开关控制系统，所述开关控制系统具有用于电网故障穿越的统一DC链路电流控制组件；

图2和图3是示出图1的WECS中的开关控制系统的更多细节的示意图；

图4是示出图1-图3的WECS的优选的低电网电压穿越操作的图；

图5是示出图1-图3的WECS的优选的无功电流控制性能的图，用于支持电压恢复；

图6示出用于支持在图1-图3的WECS中的电网电压恢复的可允许的有功电流、所需的无功电流补偿以及最小DC链路电流的图线；以及

图7是示出根据本公开的其它方面的用于控制基于CSC的WECS的示例性方法的流程图。

具体实施方式

现参照附图，下文中结合附图描述本发明的多个实施例或实施方式，其中，相同的标号在通篇都用于指代相同的元件，并且其中，各种特征并非一定按比例绘制。

统一DC链路电流控制方案被描述为便于CSC-WECS中的电网故障穿越。可能的实施方式有助于电网侧有功/无功电流调节，以满足电网规程要求，并且可以完全集成到部分具有或没有用于电网故障穿越能力的附加组件的CSC的开关控制系统中。输入和输出电力的协同控制也可以用于在保持DC链路电流的快速控制响应的同时使电力输出平滑。

首先参照图1-图3，图1和图2示出根据本公开的示例性风能变流器(WEC)或风能系统(WES)100，其中，电流源变流器(CSC)110连接到AC电源，AC电源从能够与电源116工作耦合的风接收旋转推进器112得到，在一个示例中，电源116是在该情况下作为具有永磁体转子的发电机工作的永磁体同步发电机(PMSG)116。在其它实施例中，电源116可以是感应式电机或其它类型的发电机。尽管并非本公开的严格要求，但系统100可以可选地包括能够工作耦合在推进器112与PMSG 116之间的变速箱114。PMSG 116将来自推进器112的旋转机械能转换为单相或多相AC电力，单相或多相AC电力被作为机器侧或发电机侧电力提供给CSC 110，并且CSC 110以多相AC电力的形式将电网侧电力输出提供给电网120。

CSC 110将输入(机器侧)电力转换为输出(电网侧)电力，并且包括发电机侧变流器或电流源整流器(CSR)110a，电流源整流器(CSR)110a将输入的AC电力转换为直流，以馈给具有至少一个存储元件(例如在一个示例中是DC扼流圈L_dc)的DC链路中间电路150。电网侧变流器或电流源逆变器(CSI)110b生成从中间电路150的电流I_dc得到的输出给电网120的AC电力。如图1最佳示出，某些实施例可以包括可选的步进变压器115，例如，用于将输出电压(例如在一个示例中大约6KV)升高到用于电网120的大约30KV，并且还在变流器110与电网负载120之间提供隔离。CSR 110a和CSI 110b是基于开关的变流器，分别包括电开关器件S1-S6以及S7-S12，其可以是电开关的任何适当形式，包括但不限于IGCT(集成门极换流晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、SGCT(对称门极换流晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、FET(场效应晶体管)等。此外，在所示实施例中，示例性CSC 110包括Y形耦合或者Δ耦合到输入节点A、B和C的输入线路滤波电容器C_r。此外，尽管并非本公开的要求，但示例性驱动110还可以包括Y型连接或Δ连接到输出线路U、V和W的输出电网电容器C_i。

虽然在三相电转换系统110的情况下示出，但本公开的各种电力转换方面可以有利地与单相实施方式以及具有作为输入(来自PMSG)和/或输出(到电网)的三个或更多电力线路的多相系统相关联地采用。而且，变流器110可以结合其它形式的输入发电机116被采用，并且不限于永磁体同步类型发电机116。而且，系统100及其变流器110可以工作在任何适当的输入频率和输出频率上，例如，其中，从PMSG 116接收到的输入电力的频率可以随着风速变化，变流器110可适用于将任何期望的输出频率的AC电力提供给电网120。此外，虽然在风能系统100的情况下示出并且描述，但本公开的各种方面可以与其它形式的CSC类型变流器相关联地实现。

在图1示出的三相实施例中，以开关电流源整流器(CSR)的形式构成发电机侧变流器110a的第一组开关S1-S6对来自发电机116的AC输入电力进行转换，以在中间电路150中产生中间DC总线电流I_dc。电网侧电流源逆变器(CSI)110b包括形成开关逆变器级的第二组开关S7-S12，所述开关逆变器级有选择地转换来自中间电路150的DC电力，以向电网120提供多相AC输出电力。中间电路150包括链接CSR 110与CSI 110b的开关的DC扼流圈或电感器L_dc，并且在变流器110a和110b之间提供前向和反向电流路径。示例性中间电路150的电感器L_dc包括在上CSR开关S1-S3与上CSI开关S7-S9之间的前向或正向DC路径中的第一绕组WA。其它可能的实施方式可以包括更多绕组，例如在下CSR开关S4-S6与下CSI开关S10-S12之间的负向或返回DC路径中的第二绕组(未示出)。开关器件S1-S6和S7-S12可以是任何适当的可控制的电开关类型(例如IGCT、SGCT、GTO、半导体闸流管、IGBT等)，其以开环或闭环的方式根据任何适当类型或形式的一种或更多种开关方案(诸如相控、脉宽调制等)而被控制。

变流器110a和110b在开关控制系统140的控制下工作，以将输入风电力转换为电网电力，尽管也可以采用单独的开关控制系统，例如，具有互连和信息共享以便于CSR 110a与CSI 110b的协同工作。所示的CSC110还包括故障模式控制160，用于在电网120上的故障状况期间改变变流器110的工作。CSR开关控制信号142a被提供给各个开关S1-S6，而CSI信号142b被从开关控制系统140提供给CSI开关S7-S12，以便实现给定的电力转换任务。开关控制系统140可以被提供有一个或更多设定点期望值以及来自反馈系统118的一个或更多反馈信号或值，通过反馈系统118，一个或更多闭环电力转换目标得以在正常工作中实现，并且当电网电压降低到预定阈值之下时CSC 110可以便于电网故障期间的工作。在所示实施例中，例如开关控制系统140提供输入，用于从输出反馈系统118接收故障模式信号160、反馈信号或值、所测量的输入值(例如线路电压、电流等)以及其它信息、数据等，其可以是任何适当的形式，诸如电信号、数字数据等，并且其可以是从任何适当的源(诸如外部网络、开关、与系统100相关联的用户接口或其它适当的源)接收的。开关控制系统140及其组件可以是适于实现在此示出并描述的功能的任何适当的硬件、处理器执行的软件、处理器执行的固件、逻辑或其组合。

在正常工作中，CSR 110a的开关器件S1-S6有选择地根据多个CSR开关控制信号142a将输入端子A、B和/或C中的各个端子与中间电路150耦合，从而在中间电路150中将输入的多相电力转换为DC电流I_dc，并且CSI开关S7-S12根据CSI开关控制信号142b而工作，以有选择地将中间电路150耦合到输出，从而将多相输出电力提供给电网120。反馈系统118将一个或更多反馈值或信号提供给控制系统140，所述一个或更多反馈值或信号指示在输出处或变流器110的或在中间电路150中的一个或更多电条件，例如链路电感L_dc上的电压。

如图1和图2所示，开关控制系统140包括：发电机侧(CSR)控制组件144a，其将开关控制信号142a提供给CSR 110a；电网侧(CSI)控制组件144b，其将CSI开关控制信号142b提供给CSI 110b。而且，示例性系统140包括风力涡轮机控制组件144c和电网监控组件144d以及统一DC链路电流控制组件144e，其可以基于来自反馈系统118的一个或更多信号/值在第一工作模式与第二工作模式之间内部切换，和/或其可以完全或部分地基于故障模式信号160来改变其链路电流调节技术。

在一个实施例中的DC链路电流控制组件144e工作在第一模式和第二模式中，包括第一模式，其中链路控制器144e使发电机侧控制组件144a提供CSR开关控制信号142a以至少部分地调节DC链路电流I_dc。在某些实施例中，组件144e实现第一模式中的统一DC链路电流控制，其中发电机侧控制组件144a和电网侧控制组件144b联合调节DC链路电流I_dc。在第二模式中DC链路电流控制组件144e工作，以使得电网侧控制组件144b经由CSI开关控制信号142b来调节I_dc。在CSC 110中，DC链路电流控制组件144e的工作模式基于来自反馈系统118的一个或更多信号而被设置，以有利地允许链路电流调节适于改变的条件，例如电网故障。

在某些实施例中，当链路电感L_dc上的电压-V_Ldc的量值大于电网侧变流器(CSI)的最大DC链路电压控制范围V_dci，max时，DC链路电流控制组件144e在第一模式中实现统一链路电流控制，否则(-V_Ldc≤V_dci，max)在第二模式中，仅电网侧控制144b用于调节链路电流I_dc。例如，在电网故障情况下(其中，电网侧(CSI)控制144b自身无法保持所需的DC链路电流电平I_dc)，开关控制系统140的统一DC链路电流控制方面有利地以支持电网电压恢复所需的值继续调节I_dc。特别地，在电网电压下降以及短路故障期间，统一的控制144e允许CSC 110提供无功电流以支持电网电压恢复。在此类情况下，控制组件144e调节改变的DC链路电流基准值I^＊ _dc，并且有选择地进入第一模式，以通过发电机侧控制器144a进行调节来补充电网侧链路电流调节，以满足电网120的需要所要求的有功和无功电流基准。

还参照图7，CSC 110的工作进一步在示例性方法300中得以详述，方法300用于在风能转换系统(例如在此描述的WECS 100)中操作电流源变流器CSC 110，以将输入电力转换为输出电力。虽然示例性方法300是以一系列动作或事件的形式描绘和描述的，但应理解，本公开的各种方法不限于这样的动作或事件的所示顺序，除非在此特别阐述。在这一点上，除非下文中明确提供，一些动作或事件可以与其它动作或事件按不同顺序和/或同时发生，并且不是需要所有示出的步骤来实现根据本公开的处理或方法。所示方法可以实现为硬件、处理器执行的软件或其组合，以便提供基于CSC的能量转换控制功能，该能量转换控制功能包括例如在此示出并且描述的在WECS控制系统中调节中间DC链路电流，尽管本发明并不限于具体示出或者描述的应用和系统。例如，在此描述的方法300和CSC的构思也可以与一个或更多部分能量存储组件(包括但不限于制动电阻器、电容器和/或电池)结合。

在图7中的310处的正常工作中，方法300通过以下方式提供将风能转换为电网电力：在电流源变流器(CSC 110)的输入处从由风力驱动的原动机旋转的同步发电机(例如上述发电机116)接收输入电力，并且使用电流源整流器(例如CSR 110a)有选择地将输入耦合到中间电路(150)，以转换来自发电机的输入电力，从而在中间电路中产生DC链路电流(I_dc)。正常工作310还包括：使用电流源逆变器(例如CSC 110的CSI110b)有选择地将中间电路耦合到输出，以转换DC链路电流(I_dc)，从而将输出电力提供给电网(120)，其中，通过由控制器144b提供控制信号142b来在312处使用电网侧变流器(CSI 110b)调节DC链路电流。在314处，检测或估计DC链路电压(例如以上图1中的V_Ldc)或与中间电路相关联的其它反馈信号/值。在316处判断链路电压是否超过电网侧变流器的控制范围(例如是否-V_Ldc＞V_dci，max)。如果否(在316处“否”)，则控制保持在310处的正常工作模式中，其中，仅电网侧控制器144b负责调节DC链路电流(I_dc)。

然而，如果电网侧控制不再可以调节所要求的链路电流值(在316处的“是”，其中，-V_Ldc≤V_dci，max，例如在电网故障穿越情况期间)，开关控制系统(140)进入统一控制模式(上述第一模式)，其中，在发电机侧变流器(CSR 110a)至少部分地调节DC链路电流I_dc的情况下(经由以上图1-图3中的统一DC链路控制器144e)实现统一控制。在一种实施方式中，在320处在第一模式中，电网侧变流器(CSI 110b)和发电机侧变流器(CSR 110a)在图7中的322处联合调节DC链路电流I_dc。在324处再次被检测或估计DC链路电压(在一个示例中，V_Ldc)，并且在326处判断其是否已经落到电网侧变流器的控制范围以下(例如是否-V_Ldc≤V_dci，max)。如果是(在326处的“是”)，则控制如上所述地保持在320处的统一调节模式中，而如果否(在326处的“否”)，则控制系统140返回在310处的正常模式，其中，仅电网侧控制器144b调节DC链路电流(I_dc)。

如图1所示，整个WECS 100的开关控制系统140包括风力涡轮机控制器144c、发电机侧/电网侧变流器的控制器144a和144b以及电网整合监控系统144d。某些实施例中的涡轮控制器144c测量风速并且提供涡轮节距控制的基准(如果可得到的话)，以及提供发电机速度控制器以实现最大功率点跟踪和正确的涡轮机保护。某些实施例中的电网整合监控控制器144d监控电网电压V_s和频率ω_s，以检测可能的电网工作条件，例如负载的缺失或任何电网故障。基于检测到的信息和电网规程要求，其将相应的命令发送给系统140的变流器控制组件。

图2和图3还示出示例性开关控制系统140中的控制器144a、144b和144e，其中，在一个实施例中，在发电机侧控制器144a处开发场定向控制(FOC)，而电压定向控制(VOC)用于电网侧控制144b，其中，“d”和“q”下标分别表示所选同步帧的d轴和q轴。如图3所示，发电机侧控制器144a提供：MPPT控制组件144a2，其设置发电机q轴电流i^＊ _qg；以及优化的发电机工作组件144a3，其设置电网d轴电流^＊i_dg，并且这些值由变流器电流计算和选通生成组件144a1使用以生成开关控制信号142a。此外，电网侧控制器144b包括：DC链路电流控制组件144b2，其设置d轴电流i^＊ _ds；以及无功功率控制器144b3，其设置电流i^＊ _qs，并且这些值由变流器电流计算和选通生成组件144b1使用以生成开关控制信号142b，其中，i^＊ _qg和^＊i_ds通常与系统100的有效电力控制有关。变流器选通生成可以是例如空间矢量调制(SVM)或任何调制方案，其可以控制基准矢量的幅度和延迟角。

在电网侧变流器110b调节DC链路电流电平I_dc以确保在两侧的平衡电力流的同时，可以通过控制发电机速度ω_g来跟踪来自风力涡轮机控制器144c的基准速度来保持电力流。在发电机侧144a的无功功率控制帮助获得期望的发电机端子电压V_g和电流i_g，使得发电机线路电流最小化或者限制发电机端子电压。在电网侧变流器110b处，无功功率控制用于调节电网电压V_dci，或者满足其它电网工作要求(电网侧无功功率控制可以调节V_dci)。为了实现所有这些控制目的，某些实施例中的变流器144a和144c使用空间矢量调制(SVM)或其它适当的调制方案来生成开关控制信号142。

还参照图4和图5，在缺少所公开的电网故障控制技术的情况下，电网故障可能中断系统电力流，并且产生可以触发系统保护的DC链路电流过冲。图4中的曲线图200示出CSC-WECS 100的优选低电网电压穿越操作，其中，期望在电网故障条件期间及之后WECS 100峰值线间电压性能工作保持在曲线202上方。图5提供具有曲线212的图210，曲线212示出期望的WECS无功电流控制性能随电网电压下降的变化，以便支持电网电压恢复，而不损坏CSC-WECS 100的变流器110a、110b。在CSC110中，流过变流器110a和110b的开关器件S1-S12的瞬时电流等于DC链路电流I_dc，并且只要I_dc被适当地调节，就不启用变流器过流保护装置。而且，在电网故障恢复(穿越)操作期间，期望CSC 110将适当的有功/无功电流提供给电网120，因此DC链路I_dc必须被保持在最小所需电平之上。在此描述的高级(统一)DC链路电流调节技术便于实现这两个目标，甚至在电网故障条件将另外扩展超过电网侧控制器144b的DC链路电流调节控制限制时也便于实现，这是因为所公开的操作使用发电机侧(CSR)控制器144a有选择地采用链路电流I_dc的互补调节。

图4的低电压穿越要求示出了电网短路情况，其中，电网电压在某个时间下降至零，并且大致150ms之后开始沿着曲线202恢复，从而WECS100被设计为在曲线202上方工作。在图5的曲线210中，当电压下降大于额定的10％时，WECS 100在故障穿越期间正将电力输入到电网120，在此情况下，CSC-WECS 100优选地提供一些无功电流i_qs来支持电网电压V_s，因此帮助电网电压从低电压故障中恢复。在电力系统中，例如，电网经营者实际上正尝试帮助调整电网频率ω_S，由WECS 100提供的该无功电流i_qs在电网电压恢复中是尤其有帮助的，这是因为电网120自身的电感特性。该有功电流帮助调整作为电网电压V_s的电频率的频率ω_S的速率。

发明人已经理解，CSC 110中的DC链路电流i_dc可以受控于电网侧CSI变流器110b和/或发电机侧CSR变流器110a。在某些实施例中，对于刚性电网120的正常工作(例如图7中的正常模式310)，DC链路电流i_dc常规上受控于电网侧变流器110b，以实现更好的性能。在示例性CSC-WECS 100中，当电网短路故障发生时，电压下降使得难以将能量传递到电网120，但在这种状况期间，如果发电机侧CSR变流器110a保持根据速度或扭矩调节而受控，则来自风力涡轮机发电机116的输入电力继续对DC链路扼流圈L_dc充电。在所示示例中，中央调节器144e切换到故障模式(图3中的MODE 1)，以将DC链路电流控制任务分配给电网侧控制器144b和发电机侧控制器144a，其进而以协同方式管理有功功率流并且保持适当的DC链路电流i_dc。

在这种统一DC链路电流调节模式中，DC链路电流i_dc是由电网侧和发电机侧变流器(图1中的V_dcr和V_dci)的DC电压差(被表述为v_Ldc＝L_dcdi_dc/dt＝v_dcr-v_dci)确定的。在一个实施例中，这种关系通过将DC电流调节器输出V^＊ _Ldc划分为电网侧平均DC电压基准v^＊ _dci和发电机侧平均DC电压基准v^＊ _dcr来使两个变流器110a和110b的控制相关。在某些实施例中，v^＊ _Ldc在这两个部分上的分配是根据电网电压电平、变流器额定值和工作条件进行的。为了避免监控工作模式，电网侧基准的下限v^＊ _dci.min在该实施例中被设置为零，尽管其它实施方式也是可能的。假定电网侧变流器110b中的损耗被忽略，则可以基于功率计算V_dci，max＝P_o，max/i_dc＝1.5v_dsi_ds，max/i_dc得出上限，其中，i_ds，max和P_o，max是电网侧最大允许有功电流和功率。

在该示例性统一控制实施例中电网侧变流器110b为DC链路电流i_dc提供主控制。如果DC链路电流在电网侧变流器控制能力之内(例如0≤-v^＊l_dc≤v_dci，max)，则系统工作在正常模式中，其中，v^＊ _dcr＝0并且v^＊ _dci＝-v^＊ _Ldc，发电机侧变流器110a不调节DC链路电流i_dc。当电网电压量值v_ds下降并且所得到的v_dci，max下降到低于-v^＊ _Ldc的电平(-v^＊ _Ldc＞v_dci，max)时，v^＊ _Ldc的过量部分将转移给发电机侧(CSR)变流器110a，以减少来自发电机116的输入电力。平均DC电压基准现在是v^＊ _dci＝v_dci，max和v^＊ _dcr＝v^＊ _Ldc+v^＊ _dci。

图3概括了v_dci ^＊和v_dcr值的选择。如图所示，统一DC链路电流控制器144e包括具有V_dci限制计算组件172的DC链路电流调节器170、比例积分(PI)控制器174以及选择组件180，选择组件180针对DC链路电流i_dc的调节来设置工作模式并且将v^＊ _dci和v^＊ _dcr值分别提供给控制器144b和144a。在相应的控制器144b和144a中，v^＊ _dci和v^＊ _dcr分别经由电网侧变流器144b和发电机侧变流器144a的基准计算组件144b2和144a2转变为有功电流基准i^＊ _ds和i^＊ _qgs2。以此方式，忽略变流器和DC链路150中的损耗，用于CSC 110的控制的基准电流是i^＊ _ds＝P^＊ _o/(1.5v_ds)以及i^＊ _qg2＝P^＊ _g/(1.5ψ_fω_g)＝v^＊ _dcri_dc/(1.5ψ_fω_g)，其中，发电机侧控制器144a的扭矩电流基准i^＊ _qg是速度调节器输出i^＊ _qg1与所计算出的扭矩电流基准i^＊ _qg2之间的差。在电网故障时段期间，速度反馈被设置为与基准相同，因此发电机速度调节器输出保持与故障前的值相同。

因为由于从统一控制器144e引入的i^＊ _qg2的量而减少的电扭矩，所以发电机速度ω_g将逐渐增加，并且额外能量作为动能存储在涡轮发电机机械系统111的惯性矩中。这是合理的情况，因为故障持续时间正常说来很短，并且如果故障持续得明显较长，则系统将关断。而且，MW风力涡轮机的典型惯性矩是大约4至6s，并且考虑到E.ON电网规范中的故障穿越要求，在该时段期间发电机速度的增加将仅约2至3％，甚至在故障发生之前以额定风力涡轮机械扭矩操作的情况下。在故障清除和电网电压恢复之后，v_dci，max上升。

DC链路调节器输出在v^＊ _dci和v^＊ _dcr上的分配连同v_dci，max的变化以及输出电力要求一起改变。响应于该变化，电网侧控制器144b重获控制能力，并且继续通过DC链路电流i_dc的排他性调节来输出有功功率。在某些实施例中采用上升速率限制，以避免v^＊ _dci的过快增加，并且帮助使得输出电力平滑。随着v^＊ _dcr的量逐渐减小，控制器144c的发电机速度调节器再次获得真实的速度反馈ω_g并且变为用于确定扭矩电流的优势因素，并且速度调节开始适当地跟踪基准。在某些实施例中，所有从正常工作到故障状况的转变或从故障状况到正常工作的转变是由统一DC链路电流控制器144e自动管理的。

还参照图6，图线220示出WECS 100中的最大允许的有功电流I_ds，max222，图线230示出所需的无功电流补偿I_qs，ref232，图线240示出最小DC链路电流I_dc，min242，用于随WECS 100中电网电压V_ds的变化支持电网电压恢复(以(pu(per unit，标么值：实际值与基准值之比))为单位)。针对在电网电压下降和短路故障期间用于支持电网电压的无功电流补偿，统一控制144e根据电网侧有功/无功电流基准来提供DC链路电流基准的调整。实际上，不同的系统经营者可能需要不同的无功功率补偿比率。E.ON规程例如要求发电系统来为每1％的电压下降提供2％的无功功率补偿，直到最大100％的无功电流。在此情况下，无功电流将随着电网电压下降程度增加而如图6所示改变。同时，有功功率是由可用的风电力、变流器额定值以及还有电网连接处的最大允许电流确定的。假设在电网端子处的最大稳定状态工作电流是1pu，则有功功率输出可以推导为：

i_{qs} = \{\begin{matrix} {mI}_{b} (V_{b} - v_{s}) / V_{b} (0.5 V_{b} < v_{s} \leq V_{b}) \\ I_{b} (0 \leq V_{s} \leq 0.5 V_{b}) \end{matrix},

以及

i_{ds, \max} = \sqrt{I_{b}^{2} - I_{qs}^{2}},

其中，基本值I_b和v_b分别是额定相位电流和电压的量值，DC链路电流基准可以推导为：

i_{dwi}^{*} = (1 - w_{s}^{2} L_{o} C_{i}) i_{dwi} - w_{s} R_{o} C_{1}, i_{qs}

i_{qwi}^{*} = w_{s} C_{i} (V_{ds} + R_{o} i_{ds}) + (1 - w_{3}^{2} L_{o} C_{i}) i_{qs}

I_{dc}^{*} = \sqrt{i_{dwi}^{* 2} {+ i}_{qwi}^{* 2}} / m_{ai} .

可以通过将电网侧变流器的调制指数m_ai设置为1来获得最小工作DC链路电流。为了提供所需的无功电流，统一DC链路电流控制器144e的基准电流应该保持在图6的图线240中的曲线242上方。

根据本公开的其它方面，提供一种非短时的有形计算机可读介质(诸如计算机存储器、电力变流器控制系统(例如以上图1中的开关控制系统140)内的存储器、CD-ROM、软盘、闪速驱动器、数据库、服务器、计算机等)，其具有用于执行上述方法的计算机可执行指令。以上示例仅仅是示出本发明的各个方面的多个可能的实施例，其中，在阅读并且理解该说明书以及附图之后，本领域技术人员应清楚等同的改变和/或修改。尤其关于由上述组件(组装、器件、系统、电路等)执行的各种功能，用于描述这些组件的术语(包括对于“装置”的引用)旨在(除非另外指出)对应于执行所描述的组件的指定功能(即功能上等同)的任何组件(例如硬件、处理器执行的软件或其组合)，即使并非在结构上等同于在本发明所示实施方式中执行功能的所公开结构。此外，虽然本发明的特定特征本应关于仅若干实施方式之一而公开，但这种特征可以与可以期望对于任何给定或特定应用有利的其它实施方式的一个或更多其它特征组合。此外，在术语“包括”、“包含”、“具有”或其变型被用在详细描述和/或权利要求书中的情况下，这些术语旨在以与术语“包括”相似的方式是开放性的。

Claims

1.一种用于将输入电力转换为输出电力的电流源变流器(110)，包括：

输入，用于从电源(116)接收输入电力；

输出，用于将输出电力提供给电网(120)；

中间电路(150)，具有至少一个电感(L_dc)；

电流源整流器(110a)，包括多个开关器件(S1-S6)，所述多个开关器件(S1-S6)与所述输入以及所述中间电路(150)耦合，并且根据多个电流源整流器开关控制信号142a来工作，以有选择地将所述输入耦合到所述中间电路(150)；

电流源逆变器(110b)，包括多个开关器件(S7-S12)，所述多个开关器件(S7-S12)与所述中间电路以及所述输出耦合，并且根据多个电流源逆变器开关控制信号(142b)来工作，以有选择地将所述中间电路(150)耦合到所述输出；以及

开关控制系统(140)，包括：

发电机侧控制组件(144a)，能够与所述电流源整流器(110a)工作耦合，以将电流源整流器开关控制信号(142a)提供给所述电流源整流器(110a)，以使得所述电流源整流器(110a)对来自电源(116)的输入电力进行转换以在所述中间电路(150)中产生直流链路电流(I_dc)，

电网侧控制组件(144b)，能够与所述电流源逆变器(110b)工作耦合，以将电流源逆变器开关控制信号(142b)提供给所述电流源逆变器(110b)，以对所述直流链路电流(I_dc)进行转换以有选择地将所述输出电力提供给所述电网(120)，以及

直流链路电流控制组件(144e)，能够与所述发电机侧控制组件(144a)以及所述电网侧控制组件(144b)工作耦合，并且能够在第一模式中工作，使得所述发电机侧控制组件(144a)和所述电网侧控制组件(144b)分别提供所述电流源整流器开关控制信号(142a)和所述电流源逆变器开关控制信号(142b)以联合且同时调节所述直流链路电流(I_dc)，

其中，所述直流链路电流控制组件(144e)能够在第二模式中工作，使得所述电网侧控制组件(144b)提供所述电流源逆变器开关控制信号(142b)以单独调节所述直流链路电流(I_dc)。

2.根据权利要求1所述的电流源变流器(110)，还包括：反馈系统(118)，所述反馈系统(118)能够与所述中间电路(150)工作耦合并且向所述开关控制系统(140)提供指示在所述至少一个电感(L_dc)上的电压(V_Ldc)的至少一个反馈值或信号，其中，所述直流链路电流控制组件(144e)能够至少部分地基于所述至少一个反馈值或信号来有选择地进入所述第一模式和第二模式中的一个模式。

3.根据权利要求2所述的电流源变流器(110)，其中，所述直流链路电流控制组件(144e)能够当所述至少一个电感(L_dc)上的电压(V_Ldc)大于所述电网侧控制组件(144b)的最大直流链路电压控制范围(V_dci，max)时，有选择地进入所述第一模式，当所述至少一个电感(L_dc)上的电压(V_Ldc)小于或等于所述电网侧控制组件(144b)的最大直流链路电压控制范围(V_dci，max)时，进入所述第二模式。

4.根据权利要求1所述的电流源变流器(110)，还包括：反馈系统(118)，所述反馈系统(118)能够与所述中间电路(150)工作耦合并且向所述开关控制系统(140)提供指示在所述至少一个电感(L_dc)上的电压(V_Ldc)的至少一个反馈值或信号，其中，所述直流链路电流控制组件(144e)能够至少部分地基于所述至少一个反馈值或信号来有选择地进入所述第一模式。

5.根据权利要求4所述的电流源变流器(110)，其中，所述直流链路电流控制组件(144e)能够当在所述至少一个电感(L_dc)上的电压(V_Ldc)大于所述电网侧控制组件(144b)的最大直流链路电压控制范围(V_dci，max)时，有选择地进入所述第一模式。

6.根据权利要求1所述的电流源变流器(110)，其中，所述直流链路电流控制组件(144e)能够在第二模式中工作，使得仅有所述电网侧控制组件(144b)调节所述直流链路电流(I_dc)。

7.一种用于将电力提供给电网(120)的风能转换系统(100)，包括：

发电机(116)，具有适于被原动机(111)驱动的转子以及当所述转子被驱动时提供多相输出电力的发电机输出；以及

电流源变流器(110)，用于将输入电力转换为输出电力，包括：

输入，用于从所述发电机(116)接收输入电力；

输出，用于将输出电力提供给电网(120)；

中间电路(150)，具有至少一个电感(L_dc)；

电流源整流器(110a)，包括多个开关器件(S1-S6)，所述多个开关器件(S1-S6)与所述输入以及所述中间电路(150)耦合，并且能够根据多个电流源整流器开关控制信号142a来工作，以有选择地将所述输入耦合到所述中间电路(150)；

电流源逆变器(110b)，包括多个开关器件(S7-S12)，所述多个开关器件(S7-S12)与所述中间电路以及所述输出耦合，并且能够根据多个电流源逆变器开关控制信号(142b)来工作，以有选择地将所述中间电路(150)耦合到所述输出；以及

开关控制系统(140)，包括：

发电机侧控制组件(144a)，能够与所述电流源整流器(110a)工作耦合以将电流源整流器开关控制信号(142a)提供给所述电流源整流器(110a)，以使得所述电流源整流器(110a)对来自所述发电机(116)的输入电力进行转换以在所述中间电路(150)中产生直流链路电流(I_dc)，

电网侧控制组件(144b)，能够与所述电流源逆变器(110b)工作耦合以将电流源逆变器开关控制信号(142b)提供给电流源逆变器(110b)，以对所述直流链路电流(I_dc)进行转换以有选择地将所述输出电力提供给所述电网(120)，以及

8.一种用于在风能转换系统(100)中操作电流源变流器(110)以将输入电力转换为输出电力的方法(300)，所述方法包括：

在电流源变流器(110)的输入处，从转子直接或间接耦合到风力驱动的原动机(111)的发电机(116)接收输入电力，所述电流源变流器(110)具有中间电路(150)，所述中间电路(150)具有至少一个电感(L_dc)；

使用所述电流源变流器(110)的电流源整流器(110a)有选择地将所述输入耦合到所述中间电路(150)，以对来自所述发电机(116)的输入电力进行转换，以在所述中间电路(150)中产生直流链路电流(I_dc)；

使用所述电流源变流器(110)的电流源逆变器(110b)有选择地将所述中间电路(150)耦合到所述输出，以对所述直流链路电流(I_dc)进行转换，以将输出电力提供给电网(120)；

在第一模式中操作所述电流源整流器(110a)和所述电流源逆变器(110b)以联合且同时调节所述直流链路电流(I_dc)；以及

在第二模式中操作所述电流源逆变器(110b)以单独调节所述直流链路电流(I_dc)。