CN102472247B - 异常频率条件期间的可变速风轮机的继电器式控制器和控制方法 - Google Patents

异常频率条件期间的可变速风轮机的继电器式控制器和控制方法 Download PDF

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Abstract

一种风电场（10）可以包括多个可变速风轮机（12，14，16）。集中控制器（50）可以被配置为至少在欠频条件期间选择性地调整来自每个风轮机的相应电力输出功率。该控制器可以包括被配置为相对于至少第一阈值监控电网频率值的监控器（52）。电网频率值超出第一阈值的偏差指示欠频条件。控制器进一步包括控制单元（54），其被配置为在被选择为抵消欠频条件的方向上实现对风轮机的电力输出功率的阶段响应。

Description

异常频率条件期间的可变速风轮机的继电器式控制器和控制方法
技术领域
本发明通常涉及风轮机，且更具体地，涉及有益于结合可变速风轮机的频率调节进行改进的风轮机控制器和/或控制技术。
背景技术
风动发电是无污染的并且因此被视为环境友好的。鉴于该形式的发电利用可再生能源，即风，因此是更加理想的。电力系统运营商常提到的考虑是，使用电子接口的风轮机，诸如双馈感应发电机或者具有全转换器接口的发电机，不能响应正确的异常频率（例如，欠频）条件，如同直连机器那样。例如，在系统频率降低期间，自作用（self-acting）方式下的直连机器可以将一部分轴动能转换为补充电力。
直连发电机通过产生与转速的任何改变相反的电磁转矩而对频率和/或电压调节有贡献，并且该转矩与惯量（inertia）和轴转速的改变速率的积成比例。这种增量转矩（和增量电力）常被称为机器对系统频率改变的“惯性响应”。
具有针对电网的电子接口的风轮机固有地对频率改变不敏感并且不产生对频率改变的任何响应，除非它们被编程为这样做。在2003年3月20日提交的题为“System For Using Energy Stored In The Mechanical Inertia Of The Rotor Of A Wind Turbine”的PCT申请号WO 03/023224 A1中描述了一种方法，其描述了使用涡轮机机械惯量用于动态稳定性和频率控制的系统。该系统据称使用固定频率参考和频率的导数（Δf/Δt）来计算系统的电力输出和补充转矩。控制系统中的导数项通常受噪声影响，这可能影响性能。此外，固定参考可能导致这样的困难：即期望涡轮机控制在没有过度的补充转矩或电力交互的情况下跟踪市电（utility）频率的正常波动。在2005年11月29日提交的题为“System And Method For Utility And Wind Turbine Control”的美国专利号7,345,373中描述了另一方法。该美国专利中描述的方法需要繁重地计算内部参考系以及确定内部参考系的相随的旋转频率ωi，并且进一步需要根据内部参考系和测量频率修改补充电力信号以据称减小会因使用如上述PCT申请所提出的惯性响应的导数信号而导致的噪声的影响。
因此，需要克服上述问题并且提供有益于结合风轮机的频率调节进行改进的装置和/或控制技术。
附图说明
考虑附图在下面的描述中解释了本发明，其中示出：
图1是可以受益于本发明的方面的发电系统（例如，风电场）的示例实施例的示意图。
图2是风轮机中可能发生的示例异常频率条件的图。
图3是被选择为抵消图2中所示的异常频率条件的各个方向上的风轮机的电力输出功率的示例阶跃响应（stepped response）的图。
图4是应有助于将根据本发明的方面的继电器式（bang-bang）控制器的示例操作性能与其他已知实现方案的操作性能比较的曲线图。
具体实施方式
根据本发明的一个或多个实施例，这里描述了有益于在异常频率条件（例如，欠频条件）期间改进风动发电系统的操作性能的结构布置和/或技术。在下面的详细描述中，阐述了各种具体细节以便提供这些实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施，本发明不限于所示出的实施例，并且本发明可以在各种替选实施例中实施。在其他实例中，未详细描述本领域技术人员公知的方法、过程和部件以避免不必要的和繁重的解释。
此外，各种操作可以被描述为以有助于理解本发明的实施例的方式执行的多个离散步骤。然而，描述的顺序不应被解释为暗指这些操作需要按它们被呈现的顺序来执行，甚至也非暗指它们依赖于顺序。而且，重复地使用短语“在一个实施例中”不一定指的是同一实施例，尽管可能是这样。最后，如本申请中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等意图为同义的，除非另外指出。
图1是可以受益于本发明的方面的诸如风电场10的发电系统的示例实施例的示意图。在该示例实施例中，风电场10包括三个风轮机系统12、14、16（在下文中被称为风轮机），它们耦接到具有示例互连布置的各自的发电机和相关联的电力转换电子装置。将认识到，风轮机的数目不以任何方式限于三个风轮机。此外，本发明的方面不限于图1中所示的具体的示例互连布置，因为对于风轮机，其他类型的互连布置也是可能的。
每个风轮机12、14、16包括各自的转子20、22、24，其中转子轴26、28、30将旋转转子20、22、24的转矩传到各自的齿轮箱（GB）31、33、35。齿轮箱（GB）31、33、35被布置为以特定的传动比将旋转从转子20、22、24传到输出轴37、38、39。
每个输出轴37、38、39机械耦接到AC（交流）发电机（G）40、41、42的各自的转子，发电机40、41、42分别将由输出轴37、38、39的旋转提供的机械功率变换为电功率。发电机40、41、42是可变速发电机，即允许各个转子的转速根据例如风条件而变化。
在替选示例实施例中，发电机40、41、42可以是双馈异步发电机或者耦接到全转换器的直驱发电机。如本领域技术人员将认识到的，在全转换实现方案中，发电机定子绕组（未示出）可以被直馈到转换器。在双馈实现方案中，发电机转子绕组（未示出）耦接到转换器并且发电机定子绕组（未示出）直接耦接到市电系统。
每个风轮机可以电连接到节点43以经由各自的电力转换器电子装置45、46、47提供输出电力，电力转换器电子装置45、46、47分别将由发电机40、41、42递送的可变频率的电力信号转换为被配置为满足固定电网（grid）频率（例如，北美是60 Hz，欧洲是50 Hz）的电力输出。由发电机40、41、42递送的电力信号的各自的频率根据风轮机转子20、22、24的各自的旋转频率（例如，每分钟的旋转次数RPM）而变化。然而，通过首先将由发电机40、41、42递送的AC电力整流（借助于各自的整流电路48）为DC电力并且随后将DC电力转换回（借助于各自的转换电路49）AC电力，各个发电机可变频率可以被转换为电网频率。
风电场10可以进一步包括集中控制器50，其以通信形式耦接到风轮机12、14、16中的每一个并且被配置为根据本发明的方面控制来自风轮机的各个输出电力。将认识到，集中控制器50的位置可以在风电场内或者远离风电场。此外，集中控制器50和风轮机12、14、16之间的耦接连接可以通过任何适当的通信链路（例如有线或无线通信链路）实现。将认识到，如这里使用的术语“控制器”不限于在本领域中被称为控制器的仅那些集成电路，而是广泛地指示处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路以及可被编程以用作控制器的任何其他类型的设备。
本发明的发明人提出了创新的控制器和/或控制技术，其被配置为控制可变速风轮机，使得一旦频率值下降到阈值以下，就提供固定的补充电力增量，并且继续提供该补充电力直至频率恢复到适当的预定值。该类型的控制策略传统上在本领域被称为“继电器式”或“开关”控制，并且可以被配置为在欠频条件期间提供最大量的补充电力（受实际的真实世界的风轮机实现方案的能力的影响）以尽量可行地快速地使频率返回预定值。在本公开各处使用的短语“欠频（或过频）条件期间的阶跃（阶段（step））响应”可以与传统术语“继电器式”和/或“开关”控制互换。该方法认识到，在可变速风轮机中，电力可以被留作预备（通过在适用的电力曲线下的预定裕度内连续操作）或者可以从风轮机的旋转轴中存在的动能中临时提取。一旦频率返回到预定值，则可以返回所提取的动能。如果读者期望获得关于继电器式原理的一般背景信息，请参考Donald E. Kirk的题为“Optimal Control Theory, An Introduction”的教科书（?1970 by Prentice-Hall Inc.）的题为“The Form of Optimal Control For A class of Minimum Time Problems”的小节（pp 245-247），其内容通过引用合并于此。
如下文更详细描述的，控制器50可以被配置为调整在异常频率（欠频或过频）条件期间来自风轮机12、14、16的相应电力输出功率。在一个示例实施例中，控制器50包括监控器52，其被配置为相对于至少第一阈值监控电网频率值。例如，电网频率值超出第一阈值的偏差可以指示欠频条件。控制器进一步包括控制单元54，其被配置为在被选择为抵消欠频条件的方向上实现对风轮机的电力输出功率的阶段响应，由此风轮机的旋转轴中存储的动能被提取以实现对风轮机的电力输出功率的阶段响应。所实现的阶段响应有利地由控制单元54执行，而无需评估如下中的至少一项：偏差的改变速率、偏差的积分和/或偏差的幅值。
图2是风轮机中可能发生的示例异常频率条件的图。例如，时间间隔T1与示例欠频频率条件对应。就是说，频率值（f）超出第一阈值（例如，fTH1）。如图3中所示，在时间间隔T1期间，控制单元54可被配置为在被选择为抵消欠频条件的方向上实现对风轮机的电力输出功率的阶段响应（PΔ+）。例如，电力输出功率阶跃到值PΔ+，由此提取风轮机的旋转轴中存储的动能以实现对风轮机的电力输出功率的阶段响应。在一个示例实施例中，值PΔ+可以与风轮机所能提供的、受实际的真实世界的风轮机实现方案的约束的影响的最大值对应。
相似地，时间间隔T2与示例过频条件对应。就是说，频率值（f）超出第二阈值（例如，fTH2）。如图3中所示，在时间间隔T2期间，控制单元54可以被配置为在被选择为抵消过频条件的方向上实现对风轮机的电力输出功率的阶段响应（PΔ-）。例如，电力输出功率阶跃到值PΔ-，由此在过频条件期间生成的过度电能被转换为由旋转轴存储的动能。
图4是有助于以比较的方式评估相对于其他已知实现方案的根据本发明的方面的继电器式（开关）控制器的示例操作性能的曲线图。图4的曲线基于如下示例情景的模拟：其中电力系统的相对大的发电部件因后继的调速器（governor）控制的操作而跳闸（trip）。图线60图示了代表性的化石燃料系统（fossil-based system）（非风轮机）的示例性能，其中响应基本上基于感应发电机的惯性响应。图线62图示了包括20%的通过现有技术的控制策略（诸如基于频率改变速率（即，Δf/Δt））实现的风轮机的系统的示例性能。图线64图示了包括20%的通过根据本发明的方面的“继电器式”控制策略实现的风轮机的系统的示例性能。例如，较之现有技术（例如，基于Δf/Δt的控制），实施本发明的方面的“继电器式”控制导致了相对较小的频率下降并且较快速地恢复到适当的频率值（在该示例中，被选择为59.4 Hz）。
将认识到，在操作中，出于电力系统的观点，“继电器式”控制（阶跃异常频率响应）被认为提供了卓越的特性。例如，“继电器式”控制导致了最小的频率减小并且最快地使频率返回适当的频率值。此外，“继电器式”控制有益于相对不复杂的控制实现方案，因为其仅需要输出电力中的相对直接的阶段改变。
控制器50可以可选地包括下垂（droop）控制单元56（由以虚线绘制的框表示），其配置为在输出功率从欠频条件返回到正常条件时，使风轮机的电力输出功率的响应平滑（例如，在图4中的区域66上）。下垂控制单元56将适于如下应用，其中可期望功率水平相对缓和地过渡到正常条件以避免在相对剧烈的功率输出改变下原本可能显现的潜在的振荡。
在操作中，本发明的方面提供了有益于结合风轮机的频率调节进行改进的装置和/或控制技术。通过两位置（“继电器式”）离散控制可以满足本发明的方面，该控制根据频率要求调整到最大补充功率改变。
如还将认识到的，上述技术可以采取计算机或处理器实现的过程和用于实施这些过程的装置的形式。本技术的方面也可以通过计算机程序代码的形式体现，该计算机程序代码包含在有形介质中体现的指令，该有形介质诸如CD-ROM、硬盘驱动器、或者任何其他计算机可读存储介质，其中在将计算机程序代码加载到计算机或处理器中并且由其执行时，计算机变为用于实施本发明的装置。所描述的技术可以进一步通过计算机程序代码或信号的形式体现，例如，该计算机程序代码或信号存储在存储介质中，加载到计算机或处理器中和/或由其执行，或者通过一些传输介质诸如通过电配线或线缆、通过光纤或者经由电磁辐射传输，其中在将计算机程序代码加载到计算机中并且由其执行时，计算机变为用于实施本发明的装置。当在通用微处理器上实现时，计算机程序代码段将微处理器配置为创建特定的逻辑电路。
尽管这里已示出和描述了本发明的各种实施例，但是将明显的是，这些实施例仅被提供作为示例。在不偏离这里的本发明的情况下，可以进行许多变化、改变和替换。因此，意图是本发明仅由所附权利要求的精神和范围限定。

Claims (25)

1.一种风电场，包括：
多个可变速风轮机；以及
集中控制器，被配置为至少在欠频条件期间选择性地调整来自每个风轮机的相应电力输出功率，所述控制器包括被配置为相对于至少第一阈值监控电网频率值的监控器，其中所述电网频率值超出所述第一阈值的偏差指示所述欠频条件，所述控制器进一步包括控制单元，该控制单元被配置为在被选择为抵消所述欠频条件的方向上实现对从正常功率水平到最大功率水平的所述风轮机的电力输出功率的阶段响应，其中所述阶段响应借助于由所述控制器实现的从正常功率水平到最大功率水平的单个阶段控制函数来实现，使得所述风轮机的旋转轴中存储的动能被瞬间提取以实现对所述风轮机的电力输出功率的所述阶段响应。
2.根据权利要求1所述的风电场，其中所实现的阶段响应由所述控制单元执行，而无需评估如下中的至少一项：所述偏差的改变速率、所述偏差的积分和/或所述偏差的幅值。
3.根据权利要求1所述的风电场，其中所述控制单元被配置为执行开关控制策略，其中所述控制单元的开状态实现用于抵消所述欠频条件的所述阶段响应。
4.根据权利要求3所述的风电场，其中维持所述开状态以达到与正常频率条件对应的预定频率值。
5.根据权利要求3所述的风电场，其中所述控制单元的关状态在用于返回与正常频率条件对应的风轮机状态的方向上实现对所述风轮机的电力输出功率的阶段响应。
6.根据权利要求1所述的风电场，其中所述控制器被进一步配置为在过频条件期间调整来自所述可变速风轮机的电力输出功率，其中所述控制单元被配置为在被选择为抵消所述过频条件的方向上实现对所述风轮机的电力输出功率的阶段响应，由此鉴于所实现的对所述过频条件期间的所述风轮机的电力输出功率的阶段响应，在所述过频条件期间生成的过度电能被转换为由所述旋转轴存储的动能。
7.根据权利要求6所述的风电场，其中执行所实现的所述过频条件期间的阶段响应，而无需评估如下中的至少一项：所述偏差的改变速率、所述偏差的积分和/或所述偏差的幅值。
8.根据权利要求1所述的风电场，其中所述控制器进一步包括下垂控制单元，该下垂控制单元配置为在所述输出功率从所述欠频条件返回到正常频率条件时，使所述风轮机的电力输出功率的响应平滑。
9.一种可变速风轮机，包括：
控制器，耦接到所述可变速风轮机，所述控制器被配置为至少在欠频条件期间调整来自所述风轮机的电力输出功率，所述控制器包括被配置为相对于至少第一阈值监控电网频率值的监控器，其中所述电网频率值超出所述第一阈值的偏差指示所述欠频条件，所述控制器进一步包括控制单元，该控制单元被配置为在被选择为抵消所述欠频条件的方向上实现对从正常功率水平到最大功率水平的所述风轮机的电力输出功率的阶段响应，其中所述阶段响应借助于由所述控制器实现的从正常功率水平到最大功率水平的单个阶段控制函数来实现，使得所述风轮机的旋转轴中存储的动能被瞬间提取以实现对所述风轮机的电力输出功率的所述阶段响应。
10.根据权利要求9所述的风轮机，其中所实现的阶段响应由所述控制单元执行，而无需评估如下中的至少一项：所述偏差的改变速率、所述偏差的积分和/或所述偏差的幅值。
11.根据权利要求9所述的风轮机，其中所述控制单元被配置为执行开关控制策略，其中所述控制单元的开状态实现用于抵消所述欠频条件的所述阶段响应。
12.根据权利要求11所述的风轮机，其中维持所述开状态以达到与正常频率条件对应的预定频率值。
13.根据权利要求11所述的风轮机，其中所述控制单元的关状态在用于返回与正常频率条件对应的风轮机状态的方向上实现对所述风轮机的电力输出功率的阶段响应。
14.根据权利要求9所述的风轮机，其中所述控制器被进一步配置为在过频条件期间调整来自所述可变速风轮机的电力输出功率，其中所述控制单元被配置为在被选择为抵消所述过频条件的方向上实现对所述风轮机的电力输出功率的阶段响应，由此鉴于所实现的对所述过频条件期间的所述风轮机的电力输出功率的阶段响应，在所述过频条件期间生成的过度电能被转换为由所述旋转轴存储的动能。
15.根据权利要求14所述的风轮机，其中执行所实现的所述过频条件期间的阶段响应，而无需评估如下中的至少一项：所述偏差的改变速率、所述偏差的积分和/或所述偏差的幅值。
16.根据权利要求9所述的风轮机，其中所述控制器进一步包括下垂控制单元，该下垂控制单元配置为在所述输出功率从所述欠频条件返回到正常频率条件时，使所述风轮机的电力输出功率的响应平滑。
17.一种用于控制可变速风轮机的方法，所述方法包括：
相对于至少一个阈值监控电网频率值，其中所述电网频率值超出所述至少一个阈值的偏差指示欠频条件；以及
至少在所述欠频条件期间调整来自所述风轮机的电力输出功率，所述调整被配置为在被选择为抵消所述欠频条件的方向上引起对从正常功率水平到最大功率水平的所述风轮机的电力输出功率的阶段响应，
借助于从正常功率水平到最大功率水平的单个阶段控制函数来实现所述阶段响应，使得所述风轮机的旋转轴中存储的动能被瞬间提取以提供对所述风轮机的电力输出功率的所述阶段响应。
18.根据权利要求17所述的方法，实现所述阶段响应，而无需评估如下中的至少一项：所述偏差的改变速率、所述偏差的积分和/或所述偏差的幅值。
19.根据权利要求17所述的方法，其中调整所述风轮机的输出功率基于开关控制策略，其中在控制策略的开状态期间发生所实现的阶段响应。
20.根据权利要求19所述的方法，其中维持所述开状态以达到与正常频率条件对应的预定频率值。
21.根据权利要求19所述的方法，其中在控制策略的关状态期间在用于返回与正常频率条件对应的风轮机状态的方向上实现对所述风轮机的电力输出功率的阶段响应。
22.根据权利要求17所述的方法，进一步包括在过频条件期间调整来自所述可变速风轮机的电力输出功率，所述调整被配置为在被选择为抵消所述过频条件的方向上实现对所述风轮机的电力输出功率的阶段响应，由此鉴于所实现的对所述过频条件期间的所述风轮机的电力输出功率的阶段响应，在所述过频条件期间生成的过度电能被转换为由所述旋转轴存储的动能。
23.根据权利要求22所述的方法，其中实现所述过频条件期间的阶段响应，而无需评估如下中的至少一项：所述偏差的改变速率、所述偏差的积分和/或所述偏差的幅值。
24.根据权利要求17所述的方法，其中进一步包括在所述输出功率返回到正常频率条件时，使所述风轮机的电力输出功率的响应平滑。
25.一种继电器式控制器，被配置为至少在欠频条件期间调整来自可变速风轮机的电力输出功率，所述控制器包括：
监控器，被配置为相对于至少第一阈值监控电网频率值，其中所述电网频率值超出所述第一阈值的偏差指示所述欠频条件；以及
控制单元，被配置为在被选择为抵消所述欠频条件的方向上实现对从正常功率水平到最大功率水平的所述风轮机的电力输出功率的阶段响应，其中所实现的阶段响应由所述控制单元执行，而无需评估如下中的至少一项：所述偏差的改变速率、所述偏差的积分和/或所述偏差的幅值，其中所述阶段响应借助于由所述控制器实现的从正常功率水平到最大功率水平的单个阶段控制函数来实现，使得所述风轮机的旋转轴中存储的动能被瞬间提取以实现对所述风轮机的电力输出功率的所述阶段响应。
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