CN102822508B - 采用微分极控制算法的风力涡轮机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制从风力发电厂向相关联的电网输送的无功功率的量的控制系统和关联方法，该控制系统包括风力发电厂控制器和若干风力涡轮机控制器，每个风力涡轮机控制器都与所述风力发电厂控制器进行通信，其中风力发电厂控制器适于响应于所需无功功率的总量向至少一个风力涡轮机控制器提供电网电压参考值，所述风力涡轮机控制器包括电压控制回路，电压控制回路包括用于消除稳态局部电压误差的模块。

Description

采用微分极控制算法的风力涡轮机控制器

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机控制器。具体而言，本发明涉及基于电压的风力涡轮机控制器，包括微分极（differential pole）控制算法，用于消除由于局部电压斜率（slope）控制造成的稳态电压误差。

背景技术

随着风力发电的渗透，由新的新兴电网连接规范定义了将风力发电厂（WPP）连接到电网的要求。在世界的不同地方，电网连接要求各有不同，但它们有着共同的目的，例如允许开发、维护和运营协调、可靠且经济的传输或配电系统。

新的要求一般需要WPP提供辅助服务以支持它们连接于其中的网络。WPP与其他发电源不同，因此它们在某些方面其控制是特别的。与同步发电机（SG）的主要区别如下：

-能源波动且不可预测，

-WPP是高度模块化的，由大量发电机组构成，从而在发送操作设置点时引入通信延迟，这些可能在百分之几毫秒的范围中，

-SG通过其单元变压器直接向输电系统提供无功功率馈送，单元变压器提供更有效率的电压调节，因为无功功率不是通过长距离并通过几个变压器传输的，以及

-由于其电子功率变换器的尺寸原因，风力涡轮发电机（WTG）在其无功功率和电流能力方面有更大局限。

因此，在强风期间，取代传统的发电厂，包括其控制特性可能是一个问题。电网运营商利用WPP性能的电网规范中的编辑具体部分解决这个挑战。

通常，可以由风力涡轮机和电厂控制器解决电力公司的需求。可以在风力涡轮机层次和/或电厂层次上进行风力发电厂控制。WPP控制器能够从简单地向风力涡轮机控制系统传递参考到执行大部分闭环控制自身。

由来自风力涡轮机的无功功率致动电压控制，能够确认，电压控制设计将覆盖位于涡轮机层次的内部无功功率/电压控制回路，与位于公共耦合（PCC）点的外部电压控制回路组合，其中其意在控制电压。

可以将提供适于消除局部电压误差的风力涡轮机控制器看作本发明实施例的目的。

可以将提供应用局部电压控制回路进行无功功率控制的风力涡轮机控制器看作本发明实施例的另一目的。

发明内容

在第一方面中，上述目的是通过提供一种控制系统实现的，该控制系统用于控制从风力发电厂向关联电网输送的无功功率量，该控制系统包括风力发电厂控制器和若干风力涡轮机控制器，每个风力涡轮机控制器都与所述风力发电厂控制器通信，其中所述风力发电厂控制器适于响应于需要的无功功率总量向至少一个风力涡轮机控制器提供电网电压参考，所述风力涡轮机控制器包括电压控制回路，所述电压控制回路包括用于消除稳态局部电压误差的模块。

应当宽泛地理解术语风力发电厂，从而覆盖完整规模的风力涡轮机设施和双馈型感应发电机（DFIG）配置。不过，上述控制系统对于DFIG配置特别相关。

WPP向PCC处的相关联的电网输送无功功率（和有功功率）。于是，PCC形成WPP和电网之间的接口。

本发明的优点是，通过消除形成风力发电厂的风力涡轮机部位的稳态局部电压误差，可以避免来自电容和电感无功功率源的反作用。这导致PCC处由无功功率注入进行的快速、稳定和有效率的电压控制。

每个风力涡轮机控制器可以包括用于消除稳态局部电压误差的模块，所述消除模块优选包括嵌入适当电子装置或嵌入软件中的微分极控制算法。

微分极控制算法涉及控制系统的导数（derivative）行为。控制系统的导数行为导致WTG对涡轮机端子处的电压变化做出快速反应。导数行为仅在已经达到稳态工作条件时发生，在这个水平上，导数控制将不会产生任何新的参考，从而仅使电厂控制参考在控制回路中起作用。

在控制系统中存在通信延迟时，微分极控制算法帮助WPP满足电网规范的要求，其要求对电压干扰有非常快的响应。此外，微分极控制算法避免了WTG层次的局部电压控制器诱发反作用行为。这样的行为可以归因于如下事实：控制系统的导数控制仅在瞬态过程期间产生参考。在正常或小的电网微扰期间，导数控制的影响可以忽略。于是，WTG将如同未向其施加局部电压控制那样运行。

在第二方面中，本发明涉及一种风力发电厂，其包括根据本发明第一方面的控制系统。

在第三方面中，本发明涉及一种方法，用于控制要从风力发电厂向相关联的电网输送的无功功率量，其中风力发电厂包括若干风力涡轮机，每个风力涡轮机都由局部风力涡轮机控制器控制，且其中风力发电厂由风力发电厂控制器控制，所述风力发电厂控制器与所述风力涡轮机控制器的每个进行通信，所述方法包括如下步骤

-响应于所需的无功功率总量从风力发电厂控制器向至少一个风力涡轮机控制器提供电网电压参考值，

-确定局部涡轮机端子电压并且根据所述确定产生局部电压参考值，

-处理所局部电压参考值以消除稳态局部电压误差，以及

-将所述电网电压参考值与处理过的局部电压参考值进行比较，并响应于所述比较产生局部无功电流参考值。

同样应当宽泛地理解术语风力发电厂，从而覆盖完整规模的风力涡轮机设施和DFIG配置。不过，上述方法对于DFIG配置而言尤其相关。

WPP在PCC处向相关联的电网输送无功功率（和有功功率）。于是，PCC形成WPP和电网之间的接口。

上述方法的优点是，通过在形成风力发电厂的风力涡轮机处消除稳态局部电压误差，可以避免来自电容性和电感性无功功率源的反作用。这样通过在PCC处的无功功率注入实现了快速、稳定且有效率的电压控制。

所述局部电压参考值的处理可以包括根据微分极滤波对局部电压参考值进行滤波。可以由嵌入适当电子装置或嵌入软件中的微分极控制算法进行微分极滤波。

在第四方面中，本发明涉及一种计算机程序产品，在所述计算机程序产品运行于微处理器上或由微处理器执行时，用于执行以上方法。

附图说明

现在将参考附图更详细地解释本发明，其中

图1示出了风力发电厂的图示，

图2示出了a）简化双馈型图示，和b）简化双馈型控制器图示，

图3示出了电容性和电感性无功功率贡献，

图4示出了风力发电厂控制器的简化图，以及

图5示出了风力涡轮机控制器的简化图。

尽管本发明可以有各种修改和替代形式，但在附图中以举例方式示出了具体实施例，并将在这里详细描述。不过要理解，本发明并非要限于公开的特定形式。相反，本发明要涵盖落在由所附权利要求界定的本发明精神和范围之内的所有修改、等价方案和替代方案。

具体实施方式

原则上，本发明涉及各种风力涡轮机配置，包括完整尺度的风力涡轮机设施，尤其是DFIG配置。由于本发明对于DFIG配置而言特别相关，所以在下文中将参考这样的配置描述本发明。

图1示出了WPP控制器，用于控制在PCC处注入的功率特性。因此，需要集中式电厂控制器（WPP控制器）监督在PCC处注入的功率。电厂控制器接收参考和反馈（测量值）并输出涡轮机设置点。电厂控制器由测量装置、分配控制算法的专用计算机和通信集线器形成，测量装置感测PCC处的电流和电压。通信集线器将利用通信WPP以太网和特定协议与大量的WTG（WTG控制器）交换控制参考和其他信号。

仍然参考图1，WPP控制器的调度器具有将WPP控制器计算的参考值分到构成WPP的不同发电机组的功能。可以遵循几种策略进行分开参考值的方法，例如使能量产生损失最小化。一种策略可以是，在WTG注入的无功功率不足以满足电网规范时，使用静态同步补偿器（STATCOM）作为系统的无功功率备份。

以下将给出DFIG的简述。参考图2a，DFIG允许利用连接转子的变频器完全控制发电机有功功率和无功功率。其额定值通常约为0.3pu。与亚同步和超同步速度一起工作，可以在转子电路中和外部馈送功率。连接转子的变换器在严重瞬态过程期间能够采用各种功率消耗方案。这些方案可能涉及位于转子端子处的有功短路器或DC链路中的斩波器，R_ch，参见图2a。电网变换器用于调节DC链路的电压电平。

图2b中示出了DIG控制器的简化控制图，其中分别利用d和q轴控制有功功率P和无功功率Q。DFIG控制器从外部控制器计算或接收功率参考值P_ref、Q_ref。利用两个级联的Pi控制器处理这些功率参考值；它们将产生所需的电压参考值V_dref、V_qref，由PWM对其进行转换，以脉冲驱动转子变换器。最后，为转子馈送在定子端子处产生期望的P和Q的电压。

现在参考图3，示出了来自四个风力涡轮机（Q1……Q4）的典型无功功率贡献和一个STATCOM（Q_STATCOM）。从图3中看出，Q1……Q4全都是电感性无功功率贡献，而Q_STATCOM是电容性无功功率贡献。出于稳定性和效率的原因，电感性和电容性无功功率贡献的混合对于电网电压控制而言是不适当的。本发明旨在避免风力发电厂单元之间的无功功率反作用。

图4和图5分别示出了根据本发明的典型WPP控制器和WTG控制器。

首先，将WPP控制器（图4）实现为二次电压控制器，以便实现快速系统反应和将对设计要求的满足扩展到各种短路率（SCR）。在文献中充分记载了二次电压控制的概念。二次电压控制方案的主要推动力是要通过调节WTG系统范围的端子电压来实时抵消系统中的无功功率流变化。电压调节量与被监测总线处的电压导数成正比。将通过在WTG控制器中增加额外的结构来实现这个概念，由此允许WTG对发电机端子电压变化做出更快反应。

如图4中所示，实施WPP控制器以向WTG提供电压参考值V_ref。这种新的控制结构将能够改善总体系统性能。

由于WPP控制器的斜率控制器意在与PCC电压变化成比例地注入Q，所以重要的是补偿将在WPP内部发生的Q损失，以便达到WPP控制器要求的Q_ref。为此，向图4中所示的图增加使用反馈Q_m的闭合环路。这将确保PCC处的Q与通过斜率增益计算的Q_ref匹配，并向WPP中的每个WTG发送WPP控制器的输出V_ref。

仍然参考图4，利用电厂无功控制器扩展WPP控制器，其计算电压参考值V_ref，以发送到WTG。这将确保PCC处需要的Q_ref被注入，并且发送给WTG的参考值不和WPP控制器结构冲突。

图5中示出了WTG无功功率控制。可以看出，根据图5中由V表示的定子涡轮机端子电压和WPP控制器发送的电压参考值V_ref之间的差异，产生无功电流参考值I_qref。

因此，WTG外控制回路从传统的遵循Q参考值的无功功率控制变为可以通过外部设置点调节的局部电压控制。

分别计算WTG增益和时间常数K_WTG和T₃，以提供对发电机端子处电压变化的快速反应。

WTG控制器包括次级回路执行的针对DFIG定子过电压的保护。对涡轮机端子处测量的电压V进行低通滤波（LPF）并将经过滤波的电压V_m与最高电压电平V_max比较。在V_m大于V_max的情况下，增益K_pr将乘以V_m和V_max之间的差异，将从V_ref减去这个值。安装另一个电压保护，意在将电压参考值V_ref与V_rated定义的阈值电平比较。这些电平通常在1.1和0.9pu附近。

如果V_m大于或低于这些阈值电平，且V_ref分别增大或减小，分配这种监督条件的块“固定”将固定这个外部参考，直到这些条件就位。

由定义的微分极算法确保了消除局部稳态电压误差，由此避免了图3中所示的无功功率反作用。

可以改变微分极的时间常数T4，以便针对特定电网条件，例如电网电压，进行调整。于是，T4可以是离线预定义的常数，或者可以是可变的时间常数，可以根据电网条件在线调节它。

于是，通过在风力发电厂中实施本发明的控制方案，通过无功功率注入提供了一种快速、稳定且有效的电压控制。

Claims (8)

1.一种控制系统，用于控制从风力发电厂向相关联的电网输送的无功功率的量，所述控制系统包括风力发电厂控制器和若干风力涡轮机控制器，每个风力涡轮机控制器都与所述风力发电厂控制器进行通信，其中所述风力发电厂控制器适于响应于需求的无功功率总量向至少一个风力涡轮机控制器提供电网电压参考值，所述风力涡轮机控制器包括电压控制回路，所述电压控制回路包括用于消除稳态局部电压误差的模块。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述风力涡轮机控制器中的每一个包括用于消除相应稳态局部电压误差的模块。

3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中用于消除稳态局部电压误差的所述模块包括微分极控制算法。

4.一种风力发电厂，包括根据权利要求1-3中任一项所述的控制系统。

5.一种用于控制将从风力发电厂向相关联的电网输送的无功功率的量的方法，其中所述风力发电厂包括若干风力涡轮机，每个所述风力涡轮机由局部风力涡轮机控制器进行控制，并且其中所述风力发电厂由风力发电厂控制器进行控制，所述风力发电厂控制器与所述风力涡轮机控制器中的每一个进行通信，所述方法包括如下步骤：

-响应于所需的无功功率的总量从所述风力发电厂控制器向至少一个风力涡轮机控制器提供电网电压参考值，

-确定局部涡轮机端子电压并且根据所述确定产生局部电压参考值，

-处理所述局部电压参考值以消除稳态局部电压误差，以及

-将所述电网电压参考值与处理过的局部电压参考值进行比较，并且响应于所述比较来产生局部无功电流参考值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中处理所述局部电压参考值包括根据微分极滤波对所述局部电压参考值进行滤波。

7.一种用于控制将从风力发电厂向相关联的电网输送的无功功率的量的装置，其中所述风力发电厂包括若干风力涡轮机，每个所述风力涡轮机由局部风力涡轮机控制器进行控制，并且其中所述风力发电厂由风力发电厂控制器进行控制，所述风力发电厂控制器与所述风力涡轮机控制器中的每一个进行通信，所述装置包括：

-用于响应于所需的无功功率的总量从所述风力发电厂控制器向至少一个风力涡轮机控制器提供电网电压参考值的模块，

-用于确定局部涡轮机端子电压并且根据所述确定产生局部电压参考值的模块，

-用于处理所述局部电压参考值以消除稳态局部电压误差的模块，以及

-用于将所述电网电压参考值与处理过的局部电压参考值进行比较，并且响应于所述比较来产生局部无功电流参考值的模块。

8.根据权利要求7所述的装置，其中用于处理所述局部电压参考值的所述模块包括用于根据微分极滤波对所述局部电压参考值进行滤波的模块。