CN103004050B - 用于控制风力发电厂中的中央电容器的方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制从风力发电厂输送到相关联的供电网的无功功率的量的控制系统以及相关联的方法，所述控制系统包括风力发电厂控制器和若干个风力涡轮机控制器，每个风力涡轮机控制器与所述风力发电厂控制器相连，其中风力发电厂控制器适于响应于所需的无功功率总量，向至少一个风力涡轮机控制器提供电网电压参考值，并且操作开关式电容器组。

Description

用于控制风力发电厂中的中央电容器的方法和控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制具有至少一个风力涡轮发电机的风力发电厂中的电容器或电抗器的方法，本发明还涉及具有用于电容器或电抗器的控制器的风力发电厂。

背景技术

随着风力发电的不断发展，由新的和刚出现的电网连接规范来定义风力发电厂（WPP）连接到电网的需求。电网连接需求在世界的不同地方都不同，但是它们具有同样的目的，例如允许开发、维护和操作协调的、可靠和经济的传输或配电系统。风力发电厂与其它传统的发电源不同；因此，它们在控制和布局的某些方面是特殊的。因此，在强风期间，替代传统风电站，包括它们的控制特性是值得关注的。电网运营商正在通过编写电网规范中用于WPP性能的特定部分来解决这一挑战。

新的需求通常要求风力发电厂提供辅助性服务以支持它们所连入的网络。在当前情况下，电压调节是所感兴趣的，而且最近已经被一些电网运营商引入。利用风力发电厂的电压调节需要对安装在分站和工厂的所有可用控制设备进行集成。

通常，可以通过涡轮机和风场控制器（parkcontroller）来解决设施的需求。当风力涡轮机不足以满足电网规范需求时，则应该安装无功功率补偿设备。如果发电厂需要更多电压动态能力，则该设备可以是静态补偿器，如果该需求涉及稳态性能，则该设备可以是机械开关电容器/电抗器，或者该设备仅仅是这二者的组合。对每一种可能的解决方案的采用以及选择用于电压调节部件的组合和方法，属于设计决策中的一种。普遍的观点是最小化投资成本的同时提供对需求的满足。

WPP由大量发电单元组成，因此当处理数据时，引入了在发电厂控制中的通信延迟，而这些延迟可能在几百毫秒的范围内。

风力涡轮机的无功功率和电压控制是相对快速的，其中特征时间常数为数十毫秒，而中央发电厂控制的无功功率和电压控制是稍微慢些的，其中特征时间常数在几百毫秒的范围内，而且根据电网规范的需求，这被用于传输系统中的准许节点的电压控制。因为由来自涡轮机的无功功率来致动电压控制时，所以可能确定电压控制的设计将覆盖处于涡轮机级别的内部无功功率/电压控制回路，以及处于意欲在此控制电压的公共耦合点（PCC）的外部电压控制回路。

本发明实施例的目的可以被视为提供一种用于控制无功功率电源的方法和控制装置。

发明内容

提供该发明内容来引入了对多种简化形式的概念的选择，将在下面的具体实施方式中进一步介绍对概念的选择。本内容并非旨在标识所请求保护的主题的关键特征或必要特征，而且也非旨在被用作帮助确定所请求保护的主题范围。

在第一方面中，通过提供一种用于控制风力发电厂中的至少一个电容器或电抗器的方法，以达到上述的目的，风力发电厂具有至少一个风力涡轮发电机，该方法包括下列步骤：

-基于电网参考值，计算无功功率值，

-定义风力发电厂中的至少一个功率变换器的无功功率工作范围，

-当无功功率值在无功功率工作范围之外时，连接或断开至少一个电容器或电抗器。

-从总的计算出的无功功率值减去所连接的电容器或电抗器的无功功率，

-基于该减去，将风力涡轮发电机电压参考值分配到至少一个风力涡轮机。

该实施例的优点在于，无源装置的连接/断开是基于所计算的无功功率在电感性或电容性区域中的位置。

从总的计算出的无功功率减去所连接装置的无功功率，其优点在于使控制系统中的瞬变最小化。

联系附图，参考下列详细描述，许多附加的特征将变得更加清楚和更加容易理解。如本领域技术人员将理解的是，可以适当组合优选的特征，并且可以将优选的特征与本发明的任意方面组合。

附图说明

图1示出了WPP图；

图2a示出了DFIG图；

图2b示出了DFIG控制器的简化控制图；

图3示出了PCC处的潮流分析；

图4示出了根据本发明的PCC处的潮流分析；

图5示出了WPPC，第二斜率电压控制概念；

图6示出了WPPC，第二斜率电压控制概念；以及

图7示出了根据本发明的电容器控制。

具体实施方式

现在将进一步详细地介绍本发明。尽管本发明容许各种变型和替代形式，但是已经通过示例的形式公开了特定实施例。然而，应当理解的是，本发明不限于所公开的特定形式。相反，本发明覆盖了落入如所附权利要求限定的本发明精神和范围中的所有变型、等同和替代形式。

图1示出了用于控制PCC处注入的功率特性的WPP控制器。因此，需要集中式发电厂控制器（WPPctrl.）来监管PCC处注入的功率。发电厂控制器接收参考值和反馈值（测量值），并且输出涡轮机设置点（set-point）。发电厂控制器由用于感测PCC处的电流和电压的测量装置、用于指定控制算法的专用计算机、以及通信集线器。该通信集线器将使用通信WPP以太网网络和特定协议，与大量WTG（WTGctrl.）交换控制参考值和其它信号。

仍然参考图1，WPP控制器的分配器具有将WPP控制器计算的参考值划分到组成WPP的不同发电单元中的功能。可以遵循若干种策略（例如能源生产损耗的最小化）来完成划分参考值。一种策略可以是在WTG注入的无功功率不能满足电网规范的需求的情况下，使用静态同步补偿器（STATCOM）作为系统的无功功率后备。

以下将给出对DFIG的简短描述。参考图2a，DFIG允许使用与转子连接的频率变换器来完全控制发电机的有功和无功功率。典型地，它的额定（rating）大约为0.3pu。以次同步和超同步速度操作，可以同时将功率馈送到转子电路中和馈送出转子电路。与转子连接的频率变换器可以在严重瞬变期间采用各种功率耗散解决方案。这些解决方案可以包含位于转子端子处的有源急剧短路装置（activecrowbar）、或者DC链路中的断路器（chopper）（图2a中的R_ch）。使用电网变换器来调节DC链路的电压水平。

在图2b中描绘了DFIG控制器的简化控制图，其中使用d轴和q轴分别控制有功功率P和无功功率Q。DFIG控制器计算或从外部控制器接收功率参考值P_ref、Q_ref。使用两个级联的PI控制器处理这些功率参考值；而且它们将产生所需的电压参考值P_dref和Q_dref（其由PWM转化），以对转子变换器施以脉冲。最后，转子被馈送有在定子端子处产生期望的P和Q的电压。

用于操作连接到电气设备的现代风力发电厂的大多数电网规范要求具有对于整个有功功率范围的最小功率因数在0.9或0.95之间的电压调节能力。如图3所示，对于配备有双馈感应发电机的风力涡轮发电机，用于产生高有功功率的受限的Q注入意味着不能满足这一需求。为了解决这一状况，应该在风力发电厂中安装一些无功功率补偿设备。

图3示出了发电机定子端子处获得的P-Q图（虚线）以及PCC处获得的P-Q图（实线）。从图中可以看出，在PCC处，无功功率损耗如何减小容性无功功率，从而在PCC处的电感性功率能力增大。

包括静态变换器的电压调节，例如具有DFIG或全规模变换器的风力涡轮机（通过变换器来变换所有功率的风力涡轮发电机），或者STATCOM，主要被视为快速无功功率源（VAr）来抵消快速和未逾期的电压干扰。为了满足这种需求，需要确保补偿器具有足够的VAr容量以处理无法预计的干扰；为此，WPP通常包括可开关电容器（MSC）和电抗器组（MSR），用于将变换器的动态能力保持在最大。应当注意的是，对这些可开关部件的操作被视为一种偏移操作水平的方式，而不是电压调节本身，然而静态变换器更多地作为电压调节手段。

在这种构思中提出的MSC策略是基于以下构思：由变换器注入的Q的稳态操作处于±0.1pu（作为示例）的范围内，相应地以这一方式设计电容器组的大小调整和它的控制。应当意识到，该范围越大，用于MSC的开关操作的量越小，但是每年来自供应无功功率的静态变换器的开关能量损耗越大。可能不包括MSR的电感性工作区域，这是因为当风力涡轮机配备有DFIG发电机时，风力涡轮发电机的功率变换器自身超过PCC处所需的最大工作点，而且仅以0.1pu电感性的操作可以几乎达到所需的最大值。风力涡轮机中的其它类型发电机可能不是这样的情况，在此其它因素也起作用，例如布线、变压器等。

图4利用实线示出了电容性区域中以及仅仅在电感性DFIG操作中的DFIG和MSC的组合操作，利用暗灰虚线示出了PCC处的电网规范P-Q需求，利用亮灰虚线示出了当DFIG工作在0.1pu的电容性和电感性时获得的P-Q，并且利用亮灰实线示出了当DFIG工作在发电机端子处的PF=1时获得的P-Q。

可以将电容器的梯级数量调整为所需的量，仅仅为了简化的目的示出两个梯级（CAP1和CAP2）。可以将控制器编程为具有多个操作范围，而不是一个。图4仅示出了用于全发电厂操作的一个带（绿虚线）。

这些范围可能由不同电压水平、风力水平或由不同的有功功率水平的注入来引发。例如，对于0.05pu的高功率，具有较小范围，以及对于低功率0.1pu，具有较大范围。因为在该区域中预期更多的功率波动。

应当注意的是，该概念可以被应用到其他类型的WTG拓扑结构，该其他类型的WTG拓扑结构包括具有全规模功率变换器的WTG。

图5示出了在风力发电厂控制器中实施的通用电压控制。应当提到的是，提到V_{ref_total}的地方，可以用Q_{ref_total}替代，虽然不具有从电压到无功功率的适当的换算。这意味着，可以根据电压或无功功率的参考值模糊地计算控制器的输出。V_{ref_total}是风力发电厂的电压参考值。V_{ref_total}通常由传输系统运营商或风力发电厂运营商给出，其基本上是用于发电厂控制的外部参考值。

根据图2计算V_ref，V_ref由d和q组成，而V_{ref_total}是由风力发电厂控制器计算的。

提到的控制策略计算将由WPP部件输出的总参考值（V_{ref_total}），其中该部件通常包括风力涡轮发电机、STATCOM、MSC、以及可能的MSR。在该参考值被发送给它们之前，通过电容器控制来改变它，如果电容器梯级之一将被连接/断开，则电容器控制可以从参考值减去/在参考值上增加一部分（ΔVCap）。此后，在分配器模块中处理参考值，分配器模块根据注入的有功功率，将所计算的参考值划分到WTG和STATCOM中。

图6描绘了本发明建议的电容器控制策略。电容器控制策略以这样的方式操作：将电压参考值V_{ref_WTG}分配到每个涡轮机，而且如果存在的话，将另一个电压参考值V_{ref_STATCOM}分配到STATCOM，接着它们通过相应地供应无功功率来作出响应。

本发明的控制策略使用之前计算的V_ref，通过使用等式1来计算所需的Q。

(1-V_ref)K_WTG=I_qWTG≈Q_WTG=Q_{ref_cap}等式1

在风力发电厂控制器在计算电压参考值的情况下，为了计算由每个风力涡轮发电机（WTG）注入的无功功率，K_WTG增益被使用（K_WTG是WTG控制的电压斜率增益），必须考虑到由风力发电厂计算的参考值何时被计算，根据无功功率参考值，不需要转化。对STATCOM也应用相同的策略。

如果该控制作用于“每个单元”（当其在方案中），则等式1中的I_qwtg是它们所有的总和，如果该控制作用于实际单元中，I_qwtg将只是一个风力涡轮机的无功电流，因此需要乘以线路上WTG的总量，以获得风力发电厂的总无功功率。

将Q_{ref_cap}参考值与某一阈值（变换器操作稳态，其限定了变换器将被用于产生无功功率的最大水平）相比较，如果该参考值大于该水平，则输出被设置为Q_{ref_cap}，否则被保持为0。下一模块（开关逻辑）处理该信号并且基于一些计时器函数和电容器的当前状态来决定哪个梯级被连接/断开。模块的输出是用于接通或关断电容器组1（C1）或电容器组2（C2）和ΔVCap偏移的开关命令。

应当注意连接到电容器控制的输入参考值（V_ref，而不是V_{ref_total}），这确保了所处理的V_ref是与WTG和STATCOM的操作有关的那个。

图7示出了图6中被称为电容器控制的方块的细节。

本实施例的效果给出了ΔVCap偏移补偿，ΔVCap偏移补偿用于集中电容器连接的干扰，从而降低了瞬变的峰值。可以在一些情况下禁用ΔVCap偏移的动作，该情况例如是当断开了电容器时，以及当测量的电压大于标称电压的特定比例，例如1.08pu时，以及当连接了电容器并且电压低于标称电压的特定比例，例如0.92pu时。在这些情况中，不集中瞬变是更好的，以便避免甚至更多地增加/减小电压。

总之，本发明涉及一种用于控制电容器/电抗器组的控制系统以及相关联方法，该电容器/电抗器组将来自风力发电厂的无功功率量输送到相关联的供电网，将风力涡轮机/STATCOM的无功功率输出保持在最大操作带中，所述控制系统包括风力发电厂控制器和若干个风力涡轮机控制器，每个风力涡轮机控制器与所述风力发电厂控制器保持联系，其中风力发电厂控制器适于响应于所需的无功功率总量，向至少一个风力涡轮机控制器提供电网电压参考值，并且操作开关式电容器组。

如对于本领域技术人员来说是清楚的是，在不失去寻求的效果的情况下可以扩展或修改本文给出的任何范围或设备值。

可以理解的是，上述的益处和优点可能涉及一个实施例或可能涉及多个实施例。进一步可以理解的是，对“一个”的项目的引用表示那些项目中的一个或多个。

可以理解的是，仅仅通过示例的方式给出优选实施例的上述描述，并且本领域技术人员可以作各种变型。上述说明书、示例和数据提供了对本发明的结构的完整描述和对本发明的示例性实施例的使用。尽管上文以一定程度的特殊性或参考一个或多个单独实施例，描述了本发明的各个实施例，但是本领域技术人员可以对公开的实施例做大量修改，而不脱离本发明的精神或范围。

Claims (7)

1.一种用于控制风力发电厂中的至少一个电容器或电抗器的方法，所述风力发电厂具有至少一个风力涡轮发电机，所述方法包括下列步骤：

-基于电网参考值，计算无功功率值，

-定义所述风力发电厂中的至少一个功率变换器的最大无功功率工作范围，

-当无功功率值在所述无功功率工作范围之外时，连接或断开所述至少一个电容器或电抗器，

-从计算出的总无功功率值中减去所连接的电容器或电抗器的无功功率，

-基于所述减去，将风力涡轮发电机电压参考值分配给所述至少一个风力涡轮机。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电网参考值是电压参考值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电网参考值是无功功率参考值。

4.根据前述权利要求所述的方法，其中，风力发电厂还包括至少一个STATCOM，并且其中，基于所述减去，还将STATCOM电压参考值分配到所述STATCOM。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，对于最大无功功率变换器工作有多个范围，可以基于风速或者连接点处注入的功率来引发这些范围。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，对于低功率P＜20％，将所述范围设置为20％工作，对于中等功率20％＜P＜70％，将所述范围设置为15％，而对于高功率70％＜P，将所述范围设置为10％。

7.一种风力发电厂，包括中央控制单元，所述中央控制单元包括用于根据前述权利要求中的任意一项所述的方法的电容器或电抗器的控制器。