CN102570498B - 用于电网连接的发电系统的控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“用于电网连接的发电系统的控制的系统和方法”。发电系统，包括：通过第一电力变换器耦合到DC链路的能量源和将DC链路耦合到电网的第二电力变换器。发电系统中的第一控制器调整DC链路上的电压，以及第二控制器调整能量源的参数。耦合到第一电力变换器和第二电力变换器的动态解析控制器选择性地解析第一控制器和第二控制器的输出信号，并至少部分地基于解析的输出信号来生成用于第一电力变换器和第二电力变换器的操作命令。

Description

用于电网连接的发电系统的控制的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及连接到电网的发电系统，并且更具体来说，涉及风力发电系统的控制。

背景技术

风力涡轮发电机被视为利用风能产生电力的环境友好且相对便宜的替代能源。风力涡轮发电机一般包括具有涡轮叶片的风转子(windrotor)，涡轮叶片将风能转换成驱动轴的旋转运动，然后利用该旋转运动来驱动发电机的转子来产生电力。现代风力发电系统通常采用风电场的形式，该风电场具有多个此类风力涡轮发电机，可运行以向为公用事业系统供电。

一些风力涡轮发电机具有可变频率运行，并且需要可变频率电力电子变换器来将风力涡轮发电机输出与公用事业电网接口。在一种常用方法中，直接将风力涡轮发电机输出馈送到电力电子变换器，在其中将发电机输出频率整流并转换到按公用事业系统需要的固定频率。

与此类系统关联的难题之一是在弱电网连接和/或谐振电网连接的情况中的风力涡轮控制。例如，为了补偿弱电网连接，使用串联补偿(例如，串联电容器组)是增加电网中传输能力的一种方式，但是这有潜在的局限。串联补偿可能导致能够耦合到电力电子变换器控制器的次同步谐振模式，从而导致控制不稳定。由于网络中分设的分路电容与线路电感的相互作用，谐振模式耦合的难题也可能在超同步频率处发生。

因此，希望确定一种将解决前面问题的方法和系统。

发明内容

根据本发明的实施例，提供一种发电系统，其包括通过第一电力变换器耦合到DC链路的能量源。该发电系统还包括用于将DC链路耦合到电网的第二电力变换器、用于调整DC链路中的电压的第一控制器和用于调整能量源的参数的第二控制器。该系统还包括动态解析控制器，其耦合到第一电力变换器和第二电力变换器，并配置成选择性地解析第一控制器和第二控制器的输出信号且至少部分地基于解析的输出信号来生成用于第一电力变换器和第二电力变换器的操作命令。

根据本发明的另一个实施例，提供一种用于风力发电系统的控制系统，该风力发电系统包括通过第一电力变换器耦合到DC链路的风力涡轮以及用于将DC链路耦合到电网的第二电力变换器。该控制系统包括：用于调整DC链路上的电压的DC链路控制器和用于调整风力涡轮的转矩的转矩控制器。该控制系统还包括动态解析控制器，其耦合到第一电力变换器和第二电力变换器，并配置成选择性地解析转矩控制器和DC链路控制器的输出信号且至少部分地基于解析输出信号来生成用于第一电力变换器和第二电力变换器的操作命令。

根据本发明的又一个实施例，提供一种向电网供给电力的方法。该方法包括从电源生成电力，并通过第一电力变换器和第二电力变换器将电源耦合到电网。该方法还包括通过接口第一控制器和第二控制器的输出信号来控制第一电力变换器和第二电力变换器，第一控制器配置成调整DC链路上的电压，而第二控制器配置成调整电源的参数。

附图说明

当参考附图阅读下文详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相似的符号表示相似部件，在附图中：

图1是连接到电网的常规风力发电系统的示意图表示；

图2是根据本发明的实施例的、电网连接的风力发电系统的示意图表示；

图3是根据本发明的实施例的、图2的联合控制器的详细框图的示意图表示；

图4是图3的功能块的频率响应的图形表示；以及

图5是图3的功能块的振幅响应图的图形表示。

具体实施方式

正如下文详细论述的，本发明的实施例能够提供控制电网连接的发电系统的方法和系统。虽然本文论述着重于风力发电系统中的电力电子变换器的控制，但是本发明可应用于具有可调度或间歇性输入能量源和电力电子变换器接口的任何发电系统。例如，本发明还可非限定性地应用于太阳能发电、海洋流体动力发电、微型涡轮和燃料电池系统。

图1示出常规电网连接的风力发电系统10。该系统包括风力发电机12、发电机侧变换器14和电网侧变换器16。该系统还包括电网侧控制器18、发电机侧控制器20和电网22。电网22通常包括常规同步发电机24和电负载26。还在电网22中形成谐振电路42。直流电(DC)链路28连接发电机侧变换器14和电网侧变换器16。发电机侧变换器14将风力发电机12生成的交流电(AC)功率转换成DC功率。电网侧变换器16然后将DC功率转换到与电网22兼容的频率的AC功率。

电网侧控制器18和电网侧变换器16的组合起电网22的电流控制源的作用。换言之，电网侧控制器18相对于测量的端电压(Vpcc)控制电网侧变换器16的输出电流30的相位和振幅。在一个实施例中，电网侧控制器18和电网侧变换器16作为备选可以起电压控制源的作用。电网侧控制器18通常包括锁相环(PLL)32、DC电压调整器34和AC电流调整器36。PLL32感测电网的三相电压，并生成电网侧变换器16的频率和相位基准。DC电压调整器34帮助将DC链路电压保持在期望的值。电流调整器36基于PLL输出和DC电压调整器输出来生成电网侧变换器16的输出电流基准。发电机侧控制器20生成用于发电机侧变换器14的操作信号或开关信号。在一个实施例中，涡轮控制器38基于风速或风力涡轮的转子转速向发电机侧控制器20提供转矩基准。该涡轮控制器生成转矩基准以便将从风力捕获的能量最大化。

电网谐振模式能够通过电压测量信号和电流测量信号耦合到电网侧控制器18。在一些实施例中，DC电压的电网侧控制可能容易与弱电网或电网谐振模式相互作用。这种相互作用可能是由于弱电网或谐振电网状况对DC链路电压控制的前向回路传递函数的影响而发生。在另一个实施例中(图1中未示出)，为了克服弱电网或谐振电网状况导致的控制不稳定问题，发电机侧变换器14控制DC链路电压，电网侧变换器16控制风力涡轮转矩。但是，这种类型的控制可能由于弱电网或谐振电网状况对转矩控制的前向回路传递函数的影响而导致风力涡轮转矩的不稳定。

图2示出根据本发明的实施例的、电网连接的风力发电系统60。发电系统60包括联合控制器62，其协调从风力涡轮发电机12向变换器DC链路28和电网22传输电力所需的信号的控制。该联合控制器功能可以包括但不限于控制输出功率、发电机转矩、发电机速度和DC链路电压。在一个实施例中，联合控制器62包括转矩控制器80和电压控制器82。应该注意，转矩控制器80可以被其他控制器来替代或通过其他控制器予以补充以便控制诸如有功功率、发电机速度或输出电流等的发电系统的参数。

在一个特定实施例中，联合控制器62包括耦合的或多变量控制器，其接收转矩基准命令T*、转矩反馈信号T、DC链路电压基准命令Vdc*和DC链路电压反馈信号Vdc。控制器62然后向发电机侧变换器14和电网侧变换器16分别提供控制信号或开关命令66和68。在一个实施例中，例如，基于多种策略，如基于频率响应或基于振幅来解析控制信号，在解析控制器81中将转矩控制功能和DC链路电压控制功能分拆在发电机侧变换器和电网侧变换器之间。

图3示出根据本发明实施例的、图2的联合控制器62的详细框图。联合控制器62包括转矩控制器80、DC链路电压控制器82和动态解析控制器81。转矩控制器和DC链路电压控制器80、82可以包括比例积分(PI)型控制器。转矩控制器80接收转矩基准命令T*和转矩反馈信号T，并基于T*与T之间的差生成转矩控制信号r1。相似地，电压控制器82基于基准DC链路电压命令Vdc*与DC链路电压反馈信号Vdc之间的差生成电压控制信号r2。

在一个实施例中，动态解析控制器81包括用于转矩控制的功能块84、86和用于电压控制的功能块88、90，以响应系统动态性解析发电机侧变换器与电网侧变换器之间的转矩控制信号和电压控制信号r1和r2。以此方式，将改善转矩和DC链路电压信号的控制和干扰响应。在一个实施例中，功能块84、86、88、90可以是动态的、线性的或非线性的标量块(scalarblock)或它们的组合。再有，这些功能块的参数可以基于如输出功率、发电机速度、电压幅度或电流幅度等的其他控制信号来进行动态地调节。

功能块84、86、88、90可以基于多个策略的任何一个策略解析转矩控制信号和电压控制信号r1和r2。一个策略是基于频率响应来解析信号，以便将高频信号和低频信号分离。例如，可以由操作员来定义高频信号和低频信号，并且在一个实施例中，低频信号是指带宽低于5或10Hz的信号，而高频信号是指带宽高于5或10Hz的信号。本文所使用的操作员是指控制发电系统的操作并有权控制控制器的参数的授权人员。在一个实施例中，功能块86和88可以包括高通滤波器，而功能块84和90可以包括低通滤波器。用于DC链路电压控制的功能块88、90的传递函数F₁₂(s)和F₂₂(s)可以由如下给出：

$F_{12}\left(s\right)=k_{11}\frac{\mathrm{Ts}}{1+\mathrm{Ts}}---\left(1\right)$

$F_{22}\left(s\right)=k_{21}\frac{1}{1+\mathrm{Ts}}---\left(2\right)$

其中s是Laplace算子，以及T、k₁₁和k₂₁是基于网络元件和如功率电平、电压幅度和电流幅度、故障或发电机速度等的网络状况确定的常量。在一个实施例中，常量T、k₁₁和k₂₁是动态的，并且可以根据系统状况而有所改变。例如，T可以包括由选定的解析频率带宽所确定的时间常数。因此，这种实现将基于电压控制信号的频率内容来解析控制。信号的高频内容(频率＞1/2πT)将被引导到发电机侧变换器14，而低频(例如，稳态)内容将被引导到电网侧变换器16。对于用于控制转矩的控制块84和86可以使用相似的传递函数。然后将来自转矩控制信号和电压控制信号的频率解析的信号r1l和r2h进行组合，以生成用于发电机侧变换器14的有功电流信号Ir_gen。再有，将频率解析的信号r1h和r2l组合，以生成用于电网侧变换器16的有功电流信号Ir_grid。

在另一个实施例中，基于系统状况，可以将用于DC链路电压控制的功能块88、90设计为如下：

$F_{12}\left(r_2\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_{11}\·(r_2-F_{\max })& r_2\≥F_{\max }\\ 0& F_{\max }>r_2>F_{\min }\\ k_{11}\·(r_2-F_{\min })& r_2\≤F_{\min }\end{array}\right.---\left(3\right)$

$F_{22}\left(r_2\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_{11}\·F_{\max }& r_2\≥F_{\max }\\ k_{11}\·r_2& F_{\max }>r_2>F_{\min }\\ k_{11}\·F_{\min }& r_2\≤F_{\min }\end{array}\right.---\left(4\right)$

这种实现将基于转矩控制信号r1和电压控制信号r2的振幅来解析控制信号。例如，F_max和F_min之间的信号将仅影响电网侧变换器，而F_max和F_min外的信号将影响发电机侧变换器。F_max和F_min也是动态的常量，并且是基于网络元件和诸如功率电平、电压幅度和电流幅度、故障和发电机速度等的网络状况来确定的。

应该注意，公式1、2、3和4中给出的功能块84、86、88和90的实现仅仅是示例的目的，并且在一个实施例中，功能块84可以具有单位增益，功能块86可以具有零增益，功能块88可以是高通滤波器和功能块90可以是低通滤波器。相似地，在另一个实施例中，功能块84、86可以基于频率响应来解析信号，而功能块88、90可以基于控制信号的振幅来解析信号。在又一个实施例中，在系统中使用具有储能装置或负载和相应的控制器的第三变换器的情况中，可以在三个不同分量中解析控制信号。因此，可以使用多种不同的组合来实现功能块84、86、88和90。

图4示出根据本发明的实施例的、功能块84和86或88和90的模拟的频率响应100和102。在响应100、102两者中，水平轴104均表示以Hz为单位的频率，以及垂直轴106表示以分贝(db)为单位的振幅增益。可以从响应100看到，在xHz频率以下时振幅增益低于3db，而xHz频率以上时振幅增益为0db。相反，对于响应102，对于高于xHz的频率，振幅增益低于3db。因此，功能块84和86或88和90解析两个频率之间的控制信号并控制电网侧变换器和发电机侧变换器。应该注意，频率xHz可以由操作员来确定，以及在一个实施例中，它可以是5Hz或10Hz。在另一个实施例中，该频率是基于次同步谐振频率来确定的。

图5示出功能块88、90对于公式(3)和(4)中描述的实现的模拟的振幅响应图120。在图120中，水平轴122表示电压控制信号r2的振幅，以及垂直轴124表示响应信号r2h和r2l的振幅。分别地，曲线126表示功能块88的响应信号r2h，以及曲线128表示功能块90的响应信号r2l。可以从曲线126和128看到，电压控制信号r2是基于如公式(3)和(4)描述的下限截止振幅F_min和上限截止振幅F_max来解析的。

本发明的控制系统的优点之一在于，它通过根据系统状况，动态地将控制信号引导到更稳定的变换器平台，能够对弱电网或谐振电网提供更稳定的控制行为。正如本领域技术人员将认识到的，即使上文论述着重于风力发电系统，但是该控制方法还可以用于连接到电网的其他不可控制发电系统，例如光伏、微型涡轮、海洋流体动力和燃料电池系统。在此类发电系统中，电网侧变换器控制和发电机侧变换器控制可以作为耦合的或多变量控制来实现。相似地，即使该论述着重于在两个分量中解析信号，但在采用多于两个电力变换器或两个控制器的某些实施例中，该控制方法还可以在多于两个分量中分拆控制信号。再有，可以基于多个策略在发电机侧和电网侧之间分拆转矩控制和DC链路电压控制。

虽然本文仅图示及描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将设想到许多修改和更改。因此，要理解的是所附权利要求应涵盖落在本发明真正精神内的所有此类修改和更改。

Claims (19)

1.一种发电系统，包括：

能量源，其通过第一电力变换器耦合到DC链路；

第二电力变换器，其用于将所述DC链路耦合到电网；

第一控制器，其配置成调整所述DC链路上的电压；

第二控制器，其配置成调整所述能量源的参数；

动态解析控制器，其耦合到所述第一电力变换器和所述第二电力变换器，并且配置成选择性地解析所述第一控制器和第二控制器的输出信号并至少部分地基于所解析的输出信号来生成用于所述第一电力变换器和第二电力变换器的操作命令。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述能量源包括风力涡轮、光伏模块、微型涡轮、海洋流体动力能源装置或燃料电池的至少其中之一。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述能量源的所述参数包括有功功率、发电机转矩、输出电流或发电机速度的至少其中之一。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述动态解析控制器包括单个多变量控制器。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述动态解析控制器包括配置成解析所述第一控制器和所述第二控制器的输出信号的功能块。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述功能块基于频率响应、振幅或其组合来解析输出信号。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，功能块包括动态函数、线性函数、非线性函数或其组合。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，功能块的参数基于网络状况、输出功率、电压幅度、电流幅度或发电机速度的至少其中之一。

9.根据权利要求5所述的系统，其中，功能块包括用于将所述输出信号解析成高频分量和低频分量的高通滤波器和低通滤波器。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，用于高通滤波器和低通滤波器的频率由系统操作员来确定。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述低频分量包括低于10Hz的信号，而所述高频分量包括高于10Hz的信号。

12.一种用于风力发电系统的控制系统，所述风力发电系统包括通过第一电力变换器耦合到DC链路的风力涡轮和用于将所述DC链路耦合到电网的第二电力变换器，所述控制系统包括：

DC链路控制器，其配置成调整所述DC链路上的电压；

转矩控制器，其配置成调整所述风力涡轮的转矩；

动态解析控制器，其耦合到所述第一电力变换器和所述第二电力变换器，并且配置成选择性地解析所述转矩控制器和DC链路控制器的输出信号并至少部分地基于所解析的输出信号来生成用于所述第一电力变换器和第二电力变换器的操作命令。

13.根据权利要求12所述的控制系统，其中，所述动态解析控制器配置成向所述第一电力变换器和第二电力变换器两者发送操作命令以调整所述DC链路上的电压。

14.根据权利要求12所述的控制系统，其中，所述动态解析控制器配置成向所述第一电力变换器和第二电力变换器两者发送操作命令以调整所述风力涡轮的转矩。

15.根据权利要求12所述的控制系统，其中，所述动态解析控制器包括配置成解析所述DC链路控制器和所述转矩控制器的输出信号的功能块。

16.根据权利要求15所述的控制系统，其中，所述功能块基于输出信号的频率、输出信号的振幅或其组合来解析输出信号。

17.根据权利要求15所述的控制系统，其中，功能块的参数基于网络状况、输出功率、电压幅度、电流幅度或发电机速度的至少其中之一。

18.一种将电力供给到电网的方法，包括：

从电源生成所述电力；

通过第一电力变换器和第二电力变换器将所述电源耦合到所述电网；

通过接口第一控制器和第二控制器的输出信号来控制所述第一电力变换器和第二电力变换器，所述第一控制器配置成调整耦合第一电力变换器和第二电力变换器的DC链路上的电压，而所述第二控制器配置成调整所述电源的参数，接口输出信号包括基于频率响应、振幅或其组合来解析输出信号。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，以高频分量和低频分量解析所述输出信号。