CN102668296B - 采用全或部分转换风力涡轮机的功率振荡阻尼 - Google Patents

Abstract

一种用于控制电力系统的电网（28）上的功率振荡的风力涡轮机（8）。该风力涡轮机（8）包括：通过风力转动的转子叶片（12），旋转耦合到所述转子叶片（12）的发电机（20），对由所述发电机（20）生成的电力作出响应的功率转换器（24），所述功率转换器（24）用于将所生成的电力转换成适合于供应给所述电网（28）的频率和电压，以及所述功率转换器用于调节通过调制有效功率而补充的电网上的电压以便阻尼功率振荡。

Description

采用全或部分转换风力涡轮机的功率振荡阻尼

技术领域

本发明总体上涉及电力系统的控制并且更具体地涉及采用全转换或部分转换风力涡轮机或双馈感应发电机风力涡轮机的功率振荡阻尼。

背景技术

在大多数情况下，在由交流电发电机供应给电网的正弦电流与发电机的终端处的电压之间存在相角差。该电压和电流之间的相角差归因于电网上的负载的性质。对于纯电阻性负载（即不具有能量存储特性），电压和电流同相，即电流和电压使它们的极性同时反向，并且功率的方向保持固定且不反向。

对于纯电抗性负载，电流和电压异相90度并且当功率流到负载以及从负载返回时，因为电抗性负载的能量存储特征，净功率流为零。如果负载是纯电感性的，则电流滞后电压90度。对于具有电感性和电阻性二者的负载，滞后角在0度和90度之间。对于纯电容性负载，电流超前电压90度。对于具有电阻性和电容性特性二者的负载，超前角在0度和90度之间。因此，相角差的幅度取决于发电机向其供应功率的负载的电阻、电感和电容，并且取决于发电机的特性和工作点。

对于具有电抗性和电阻性特性二者的负载，电流相角（相对于电压相角）可以被分解成同相分量（即与电压同相）和异相分量（即与电压异相90度）。因此，与电压同相的电流的分量导致到负载中的有效功率或有功功率的递送。从电压相位偏移90度的电流的分量（被称为无功功率）不执行有用的工作。与该电流相关联的能量从发电机流到负载并且然后返回到发电机，导致在电路的任何点处的净零能量。

在输电系统中无功功率的生成和控制对整体电力系统效率和稳定性来说是重要的。电容器、电容性负载和电容性补偿器被视为生成无功功率。电感器、电感性负载（例如变压器和电动机）和电感性补偿器被视为消耗无功功率。而且，轻度加载的输电线路生成无功功率并且重度加载的线路消耗无功功率。

输电系统被设计成识别在电流和电压之间的三个电力系统参数阻抗、电压和相角不能被足够快速地控制以便适应动态系统状况。此外，可用控制设备通常补偿或控制这三个变量中的仅一个。因此，输电系统已被设计有固定的或机械切换的串联和分路无功补偿，连同电压调节和相移变压器抽头转换装置，以便在稳态或缓慢变化的负载状况下最优化线路阻抗、最小化电压变化并且控制功率流。该动态系统问题已经典型地被余裕设计解决，即设计具有充分稳定裕量的系统以从由故障、线路和发电机断电以及设备故障产生的最坏情况的意外事故恢复。该余裕设计的实践导致输电系统的欠利用。

在近几年中，能量需求、环境考虑、通行权访问和成本问题已经拖延了发电设施和新的输电线路二者的构造。这使得有必要变化传统电力系统概念和实践；更好地利用现有电力系统已变得势在必行。但是，在没有电力供应的可靠性明显降级的情况下更高地利用输电系统仅在功率流在动态系统扰动之后可以被迅速控制的情况下是可能的。

通过由涡轮机驱动的旋转发电机来提供电力。涡轮机的机械输出功率不能快速变化来使机械功率和迅速变化的电力需求平衡。结果，发电机被强制响应于功率需求的变化而加速或减速。例如大于电气生成的电气需求促使发电机慢下来并且配电系统的电能的频率可能下降。相反地，当过多的电能可用时，发电机加速并且电力系统频率增加。

发电机的旋转速度的这种变化导致相对于在输电线路上的别处由其他发电机（即也被称为“无限”母线的典型地大的、远离的、未被干扰的发电机）维持的恒定角度位置的对应角度位置变化（也被称为转子功角变化）。发电机之间的该角度位置变化改变所传输的电力数量。一旦干扰结束（例如故障被清除，新的输电系统配置、新的发电水平或新的负载需求被建立），被干扰的发电机尝试到达适合于该电力系统的新稳态状况的新角度位置。然而，发电机连同相关联的涡轮机具有显著的旋转惯性，并且因为该原因，新的角度位置通常仅在“过冲”或振荡时段之后到达。当然，这些瞬时的角度变化和振荡将它们自己表现为瞬时电力变化和振荡。在极端情况下，这些瞬时变化不能被稳定化；可用机械功率和所传输的电力之间的平衡不能被重新建立并且角度“过冲”增加。然后发电机加速，直到它在达到最大旋转速度时自动停机为止。该角度振荡还可能因为电力系统中的不充分振荡阻尼而继续或者甚至增加。这些未阻尼的振荡可能最终促使通过保护性设备的跳闸来使电力系统停机。

对电力系统提供电力来满足负载需求的能力的一种度量是电力系统“稳定性”。“瞬时稳定性”被称为电力系统在主要干扰（故障、发电损耗等等）之后恢复正常操作的能力。“动态稳定性”被称为电力系统在次要干扰（其发起功率振荡）之后恢复正常操作的能力。因此，动态稳定电力系统具有正向阻尼以阻尼或移除功率振荡。

使用各种设备来使大型输电和配电系统稳定化并且改进该电力系统的瞬时和动态稳定性。这些设备（通常被称为灵活AC输电系统（FACTS）设备）可以提供迅速电压调节和功率流控制。FACTS设备包括：静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器(STATCOMS)和晶闸管控制的串联电容器（TSCS）。使用这些设备来限制电力系统阻抗变化的影响允许将输电设施加载到接近它们最终热容量的水平。这些设备可以调节系统电压和/或提供功率调制以便阻尼机电振荡。在任何情况下，FACTS设备控制电力系统上的电压、阻抗或相角。

STATCOM设备缺少任何实质的有效能量存储并且仅是电压源型逆变器，其经由升压变压器调节电网的电压。在现存的设备中，仅瞬时能量存储由被用来在电力系统的相导体之间交换无功功率的相对较小DC电容器来提供。因为STATCOM仅可以调节电压，所以STATCOM在它可以贡献给电网的持续不变的功率阻尼振荡行动和自由度方面受到限制。

例如，开发了一种STATCOM以专用于通过调制互连处的电压来对区域间功率振荡进行功率振荡阻尼。已知在主要发电源之间具有大的物理距离和长线路的输电系统上发生区域间功率振荡。典型地，在干扰之后，在第一地理区中的发电机组会针对在由一系列长输电线路从该第一区分开的第二地理区中的另一发电机组而改变（swing）。正常地，这些振荡处于非常低的频率（典型地在0.1Hz和0.7Hz之间）并且在不存在补充阻尼的情况下被较差地阻尼。

区域间功率振荡是在美国西部国家加拿大以及具有低发电密度和发电单元之间的长输电线路的其他区中的特别常见的现象。为了阻尼这些区域间振荡，通常需要这些区中的同步发电机具有电力系统稳定器（PSS）以便提供补充阻尼来确保在振荡引起系统不稳定性之前这些振荡被阻尼。

风力涡轮机通过将风能转换成用于分配给用户的电力来开发风能。在识别风力涡轮机地点并且设计该涡轮机时必须考虑许多因素，包括塔架高度、控制系统、叶片的数目以及叶片形状。风力涡轮机通常位于在其中电网因为较少的发电厂和发电厂之间长的距离而被视为相对“弱的”隔离位置处。“弱的”系统可以由相对低的短路强度（例如小于大约10kA）和/或系统上不同点处的电压变化来表征。

固定速度的风力涡轮机的转子通过风力驱动的叶片来转动并且以固定旋转速度通过变速箱（即传动装置）来操作。固定速度的风力涡轮机通常通过生成有效功率的感应（异步）发电机来连接到电网。转子以及其导体比从电网施加到定子的旋转通量更快地旋转（即比同步速度更高）。在该较高速度下，转子电流的方向被反向，从而使在定子绕组中生成的反EMF反向并且通过发电机行动来促使电流（以及有效功率）从定子绕组流出。所生成的定子电压的频率将与提供激发的被施加的定子电压的频率相同。感应发电机还可能使用电容器组来降低来自电力系统的无功功率消耗。

固定速度的风力涡轮机是简单、可靠、低成本且充分证明行之有效的。但是其缺点包括不可控制的无功功率消耗（根据需要来生成定子旋转通量）、机械应力、受限的电力质量控制以及相对低效的操作。事实上，风速波动导致机械扭矩波动，这然后导致电网上的电力的波动。

相反，可变速风力涡轮机的旋转速度可以被连续地适配成风速，其中通过使用设置在风力涡轮机转子和发电机转子之间的变速箱，叶片速度被保持在对应于最大电力输出的相对恒定值。可变速风力涡轮机通常装配有同步发电机（其输出是可变频率AC）并且被通过功率转换器系统（其将输入的可变AC整流成DC并且将DC逆变成固定频率的60Hz AC）连接到电网。可变速风力涡轮机因为其超过固定速度风力涡轮机的增加的效率已经变得普遍。

本发明涉及输电系统功率流控制器，其采用风力涡轮机生成的电力来控制并且稳定化输电线路上的功率流。

附图说明

鉴于附图来在下面的描述中解释本发明，附图示出：

图1是可变速风力涡轮机系统的框图。

图2是图1的电力电子系统的框图。

图3是可以将本发明的教导应用于其的电力系统的线路图。

图4和图5是可以将本发明的教导应用于其的风力涡轮机的框图。

图6是根据本发明的控制器的框图。

具体实施方式

在详细描述与根据本发明的各种方面的电力系统中的功率振荡阻尼有关的特定方法和装置之前，应该观察到，在本发明的各种实施例中，本发明主要存在于与所述方法和装置有关的硬件、方法步骤和软件元件的新颖和非显而易见的组合中。因此，已经由附图中的传统元件表示硬件、方法步骤和软件元件，从而仅仅示出与本发明相关的那些特定细节，以便不使具有对已受益于此处的描述的本领域技术人员来说将容易明白的结构细节的本公开内容模糊。

下面的实施例不意图限定对本发明的结构或方法的限制，而是仅提供示例性构造。实施例是许可的而不是强制的并且是说明性的而不是详尽的。

图1图示示例性可变速风力涡轮机8的部件，其包括用于将风力能量转换成旋转能量以便驱动连接到变速箱18的转轴16的转子叶片12。该风力涡轮机还包括结构支撑部件，诸如未在图1中示出的塔架和转子指向机构。变速箱18按照需要将低速旋转转换成高速旋转，以便驱动发电机20生成电力。

由发电机20生成的电力被供应给电力电子学系统24，以调节用于供应给电网28的发电机输出电压和/或频率。一般来说，电力电子学系统包括对于电网来说重要的特征，包括可控制的有功功率流和电压调节以及改进的网络电压稳定性。

在图2中图示了电力电子学系统24的一个实施例，其包括用于将所生成的AC电力转换成DC的发电机侧转换器40以及用于对DC电流进行滤波的输出电容器42。DC电流被供应给线路侧转换器44（逆变器）以用于产生供应给电网28的60Hz AC功率。可从风力涡轮机获得的功率量通过发电机侧转换器的操作来确定。

不同的发电机20被用于不同的风力涡轮机应用，包括异步（感应）发电机（例如鼠笼式绕组转子和双馈感应发电机）以及同步发电机（例如绕组转子和永磁同步发电机）。有利地，感应发电机相对简单并且便宜，但是不利地是定子需要无功磁化电流并且因此消耗无功功率。

电力电子学系统24采用用于不同涡轮机安装的不同元件，包括整流器、逆变器和频率转换器（例如背靠背、多级、串联、矩阵和谐振转换器）。

在双馈感应发电机（DFIG）中，公用电网供应的电力（通常为三相AC）激励发电机定子的绕组。风力涡轮机的风力驱动的叶片组件生成机械力来转动转子转轴，诸如通过变速箱。将磁化电流和低频（转差）功率从转子转换器供应给转子。该转子转换器通过控制转子电流分量来控制有功和无功功率。DFIG通常与部分转换器（具有全转换器的大约三分之一的容量）一起使用。

在可变速风力涡轮机中采用的一种类型的转换器（被称为全转换器或背靠背转换器）包括连接到发电机侧的功率转换器、DC链路和连接到电网的功率转换器。该全转换器将如由风力涡轮机生成的输入电压（即固定频率交流电、可变频率交流电（归因于可变风速）或直流电转换成如由它所供应的电网确定的期望输出频率和电压。全转换器典型地使用晶闸管来将由发电机产生的电力转换成DC并且将该能量传输到DC链路。从DC链路，电力被供应给电网侧有功转换器，在那里该电力被变换成固定频率AC电力并且被供应给电网。图2描绘全转换器的元件。

本发明提供一种新的非显而易见且有用的风力涡轮机以及一种用于使用风力涡轮机来高效地阻尼电力系统振荡的方法，该方法在风力涡轮机联机（on-line）时（不管风力涡轮机是否产生有效功率）使用单独电压调节，或者在该涡轮机产生有功（有效）功率时使用电压调节和有功功率控制，或者在该涡轮机产生有效功率时使用有功功率调节，也可以进行或不进行电压调节。当如上面解释的那样在系统干扰之后系统发电机建立新的角度位置时，产生这些功率振荡。由本发明阻尼的功率振荡不意图指代由风力涡轮机发起的振荡。

电压调节通过下面的等式来影响功率：

其中X是电网的阻抗，并且δ是发电机电压（V_GEN）和系统或电网电压（V_SYSTEM）之间的相角（也被称为功角）。由风力涡轮机生成的有效或有功功率的数量也可以被控制，如下文详细描述的那样，以便直接阻尼电力系统振荡。

Ledesma和Gallardo的题为“Contribution of Variable-speed Wind Farms to Damping of Power System Oscillations”的论文（PowerTech 2007）描述通过使用可变速风力涡轮机调制有效功率来进行功率振荡阻尼，但作者没有描述本发明的本质，当有效功率不可用时单独的电压调节或者当有效功率可用时通过有效功率调制补充的电压调节。

只要风力涡轮机位于电力系统的边缘处（现今大多数风力涡轮机趋向于位于那里），它们就不会理想地被定位用来提供功率振荡阻尼，因为它们可能不会定位成接近大的发电站或者在大的发电站之间。但是随着风力涡轮机变得更加普遍，它们可能位于主要的发电站附近或主要的发电站之间。例如，在其中大的水力发电厂和煤炭发电厂被用来生成电力的美国西部，可以在这些发电站之间建立风力电厂。此外，一旦普遍已知使用风力涡轮机进行功率振荡阻尼的能力可用于阻尼区域间振荡，这种能力就可以变成所要求的能力。在美国西部电力协调联盟（WECC）的资助下操作的区中已存在至少一个众人皆知的遍及系统的断电，它对不充分的功率振荡阻尼有贡献。

本发明在风力涡轮机系统侧（也被称为线路侧）转换器的控制下来实施功率振荡阻尼，其使用仅电压控制（当该涡轮机不产生有效功率时）或由有效功率控制补充的电压控制（当该涡轮机产生有效功率时），其使用补充的稳定化信号来如下文所述控制经过调节的电压。线路侧转换器还可以调节电压，这可以被用来阻尼功率振荡。

本发明的这种控制策略对于适应被用来实施功率振荡阻尼（例如频率、电力、加速功率和加速功率的积分（integral））的各种控制来说应该是足够通用的。这些特征还将本发明与在Ledesma和Gallardo论文中所述的方案区别开。如上文提到的，该论文考虑了仅使用有效功率调制而没有使用电压调节的阻尼。本发明的方案是高级的，因为当风力涡轮机产生有效功率时有效功率调制是可用的，同时每当风力涡轮机联机时电压调节是可用的，而不管它是否为电网产生有效功率（例如当涡轮机输出因为不存在用于有效功率生产的充分风力而被缩减时）。

图3是电力系统或电网110的简单线路示意图，其包括将电力供应给输电线路116（经由未示出的中间变压器和相关联的设备）的发电站112。发电站120还经由未在图中示出的中间变压器和相关联的设备将电力供应给输电线路124。输电线路116和124通过输电连结线路130互连。风力涡轮机134将功率供应给输电线路116并且风力涡轮机138将功率供应给输电线路124。

据信，在具有功率振荡阻尼能力的设备包括有效能量源的情况下，该设备可以被增强，从而允许功角（即发电机电压和系统电压之间的角度）以及电压（在正确相角处的电压）的调制。因此，振荡阻尼设备已经被提出具有电池、超级电容器以及超导磁能存储设备。已经开发了各种控制策略来利用该增强的能力。

根据本发明的一个实施例，风力涡轮机134和138中的每一个都包括全转换器风力涡轮机，从电网110的角度来看，其看起来是不供应有效能量的控制设备（诸如在该风力涡轮机不产生有效功率但是可用于调节电压时的缩减期间）或者供应有效能量的控制设备（诸如当该风力涡轮机产生用于电网的功率时）。全转换器可以独立于有效功率来调节电压；电压调节不需要有效能量，除了在补偿有效损耗的情况下。

因此，除了将有效功率供应给电网110之外，适当控制的风力涡轮机134或138可以在具有或不具有能量存储的情况下酌情提供功率振荡阻尼的辅助功能。因此，如果该风力涡轮机可以存储能量，则它可以使用所存储的能量来阻尼功率振荡，甚至在该涡轮机不产生能量的情况下。此外，在风力涡轮机不为电网产生能量时，它可以单独使用电压控制来阻尼振荡。

图4图示一种风力涡轮机150，其包括消耗但是不产生磁化电流的鼠笼式感应发电机152（或另一种类型的感应发电机）。因此，从发电机152延伸的导体156从发电机侧转换器160接收磁化电流并且将有效功率P（以依赖于感应发电机转子的旋转速度的可变频率）供应给发电机侧转换器160。发电机侧转换器160将可变频率信号整流成DC。该DC功率被供应给线路侧转换器162，其以60Hz输出有效功率（P）并且调节系统电压。如果图3的风力涡轮机134和138中的一个被配置为图4的风力涡轮机150，则线路侧转换器162的输出可以被用来阻尼图3的输电线路116和124和连结线路130上的功率振荡。通过控制有效输出功率（P_AC）或电压输出中的一个或多个来阻尼功率振荡。要指出，改变风力涡轮机的电压会改变输出功率。

可以用同步发电机（诸如永磁同步发电机）来代替感应发电机152，具有相同的发明结果。在该实施例中，发电机侧转换器160可以被简化，因为不需要向发电机提供磁化电流。

图5图示包括双馈感应发电机（DFIG）180的另一种风力涡轮机设计，其中转子转换器184将功率（P_转子）供应给DFIG 180的转子绕组。DFIG的定子直接连接到电网28。转子转换器184还可以也生成无效功率Q（如所图示的那样），而不提供有效功率。转子转换器典型地是在其他风力涡轮机系统中使用的发电机侧或线路侧转换器的尺寸的大约三分之一。

参考图6来描述如上所述用于控制线路侧转换器或转子转换器的控制方案。参考参数（频率、有效功率、加速功率的积分或者本领域技术人员已知的任何其他量）、所监控的（所控制的）参数和补充控制信号被输入到组合器200。如所指示的那样，超前或滞后项可能与补充控制信号相关联。结果产生的组合信号（被称为控制信号）被用来控制转换器。例如，控制信号可以控制电压调节器来产生期望的电压信号以便阻尼不期望的振荡。如本领域技术人员已知的那样，各种电力系统参数可以被用来生成控制信号。

尽管已经在此处示出并描述了本发明的各种实施例，但是显而易见的是这样的实施例仅以示例的方式提供。在不偏离此处本发明的情况下，可以进行许多变化、改变和替换。因此，意图本发明仅由所附权利要求的精神和范围来限制。

Claims (14)

1.一种用于控制电力系统的电网上的功率振荡的风力涡轮机，所述功率振荡在电力系统干扰之后产生，该风力涡轮机包括：

用于通过风力来转动的转子叶片；

耦合到所述转子叶片的发电机；

对由所述发电机生成的电力作出响应的功率转换器，所述功率转换器用于将所生成的电力转换成适合于供应给所述电网的频率和电压；以及

所述功率转换器用于调制所述电网上的电压以便阻尼功率振荡；

其中当所述涡轮机联机时，所述功率转换器调制电压以便阻尼功率振荡，不管所述风力涡轮机是否产生有效功率。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述功率转换器包括全转换功率转换器和部分转换功率转换器中的一个。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述发电机包括双馈感应发电机。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其中所述双馈感应发电机包括定子绕组和转子绕组，所述定子绕组对被供应给所述电网或从所述电网供应的电流作出响应，并且由此通过由转子叶片的行动转动的转子绕组的行动，有效功率进行流动。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述功率转换器对指示所述电网上的功率振荡的控制信号作出响应。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其中响应于频率、电力、加速功率以及加速功率的积分中的一个来生成所述控制信号。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，还包括固定速度风力涡轮机或可变速风力涡轮机。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中当所述涡轮机产生有效功率时，所述功率转换器调制有效功率和电压。

9.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中当所述涡轮机产生有效功率时，所述功率转换器调制有效功率。

10.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述功率转换器包括线路侧功率转换器，所述风力涡轮机还包括发电机侧功率转换器。

11.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述发电机包括感应发电机或同步发电机。

12.一种用于控制电力系统的电网上的功率振荡的方法，所述功率振荡在电力系统干扰之后产生，所述方法包括：

通过旋转耦合到风力涡轮机的转子叶片的发电机的旋转来生成电力，其中风能促使所述转子叶片的旋转；

通过功率转换器的操作将所述电力转换成适合于供应给电网的频率和电压；以及

所述功率转换器用于调节电网电压和有效功率中的至少一个以便阻尼所述功率振荡；

其中当所述涡轮机联机时，所述功率转换器调制电压以便阻尼功率振荡，不管所述风力涡轮机是否产生有效功率。

13.根据权利要求12所述的方法，其中当所述风力涡轮机产生有效功率时，执行所述功率转换器调节电网电压和有效功率中的至少一个的步骤。

14.根据权利要求12所述的方法，其中当所述风力涡轮机产生有效功率时，所述功率转换器调节有效功率。