CN103023062A - 用于操作发电和输电系统的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于控制发电和输电系统的运行，同时增大所述发电和输电系统的功率输出的方法。所述方法包括：监视所述发电和输电系统的输出参数；以及确定所述输出参数随时间的变化率。根据所确定的所述输出参数的变化率生成电抗性电流命令信号。至少部分基于所述电抗性电流命令信号控制功率变换器的运行，以有助于在所述发电和输电系统的所述功率输出增大期间维持大体恒定的终端电压。

Description

用于操作发电和输电系统的方法和系统
技术领域
本发明大体涉及控制发电和输电系统的运行，确切地说，涉及响应于电力网偶发事件而控制的风力发电机的运行。
背景技术
风机用风能来产生电能。风机通常包括具有多片叶片的转子，这些叶片将风能转换成驱动轴的旋转运动，继而通过所述旋转运动来驱动发电机发电。多片叶片中的每片叶片可进行变桨，以提高或降低转子的转速。风机的功率输出随风速的增大而增大，直到风速达到涡轮的额定风速。处于或高于额定风速时，风机以额定功率运行。额定功率是风机能够在预定的各涡轮机部件可接受的疲劳程度下运行的输出功率。处于高于特定速度的风速时，或者处于超出预定等级的风湍流程度时，通常称为“跳闸限制”或“监视器设定点限制”，可关闭风力发电机，或者可通过调整叶片的节距或对转子进行制动来减小负载，以便保护风力发电机部件免受损坏。
与风机的恒速运行相比，风机的变速运行有助于增进由风机进行的能量捕集。但是，风机的变速运行将产生具有不定电压和/或频率的电力。具体而言，由变速风机产生的电力的频率与转子的转速成比例。功率变换器可连接在发电机与公用电网之间。功率变换器输出具有固定电压和频率的电力，以在公用电网中输送。
转子上通过转子叶片与风的相互作用生成的扭矩与发电机扭矩之间达到平衡有助于风力发电机稳定运行。叶片节距调整等风力发电机调整，或者公用电网上的电压低或为零等公用电网事件可能导致转子上由风产生的扭矩与发电机扭矩之间不平衡。发电机具有产生于发电机转子与定子之间的空隙扭矩，所述空隙扭矩反作用于转子施加的扭矩。功率变换器也对所述空隙扭矩进行控制，这有助于对发电机的功率输出进行控制。但是，风力发电机可能无法在特定公用电网事件期间运行，或者可能因特定公用电网事件而遭受磨损和/或损坏，原因在于在检测到公用电网事件之后，对风力发电机运行进行调整将需要一段时间来起作用。
发明内容
一方面，本专利申请文件描述一种在增大所述发电和输电系统的功率输出时用于控制发电和输电系统的运行的方法。所述发电和输电系统包括发电机、功率变换器以及控制器。所述方法包括：监视所述发电和输电系统的输出参数；以及确定所述输出参数随时间的变化率。所述方法包括：根据所确定的所述输出参数的变化率生成电抗性电流命令信号；以及至少部分基于所述电抗性电流命令信号而控制所述功率变换器的运行，以有助于在所述发电和输电系统的所述功率输出增大期间维持大体恒定的终端电压。
其中监视所述发电和输电系统的输出参数包括监视表示所述发电和输电系统的所述功率输出的信号。
其中所述生成电抗性电流命令信号包括根据所确定的所述发电和输电系统的所述功率输出的变化率生成补充电压命令信号，以与电压命令信号进行求和。
其中至少部分基于所述电抗性电流命令信号控制所述功率变换器的运行包括与表示所述发电和输电系统功率输出的所述信号的所述确定变化率成比例地增大由所述功率变换器输出的电抗性电流。
其中生成电抗性电流命令信号包括在电压调节器处生成电抗性电流命令信号。
其中生成电抗性电流命令信号包括增大所述电压调节器处的参考电压，所增大的量与表示所述发电和输电系统功率输出的所述信号的所述变化率成比例。
所述的方法进一步包括将终端电压反馈信号传输到所述电压调节器，其中生成电抗性电流命令信号包括根据所述终端电压反馈信号和所述参考电压生成误差信号。
其中所述发电机包括风力发电机。
另一方面，一种控制系统包括电抗性增压器，以及连接到所述电抗性增压器的电压调节器。所述电抗性增压器经配置以从功率变换组件接收输出功率信号，并根据所述输出功率信号的变化率生成补充电压信号。所述电压调节器经配置以接收所述补充电压信号；至少部分基于所述补充电压信号生成电抗性电流命令信号；以及将所述电抗性电流命令信号传输到控制器。
其中所述电抗性增压器经配置以确定所述输出功率信号的所述变化率。
其中所述电压调节器经配置以接收终端电压反馈信号，并且至少部分基于所述终端电压反馈信号和所述补充电压信号生成所述电抗性电流命令信号。
其中所述电抗性增压器经配置以通过估计所述输出功率信号的导数来确定所述输出功率信号的所述变化率。
其中所述电压调节器经配置以在从公用电网偶发事件中恢复后，当增大功率变换器的功率输出时生成电抗性电流命令信号，所述电抗性电流命令信号指示所述功率变换器增大由所述功率变换器输出的电抗性电流。
另一方面，本发明提供一种发电和输电系统。所述发电和输电系统包括：发电机；连接到所述发电机的功率变换组件；以及公用电网。所述功率变换组件经配置以接收由所述发电机产生的功率，并将所接收的功率转换成适于经由所述公用电网输送的功率。所述系统包括以通信方式连接到所述功率变换组件的控制系统。所述控制系统经配置以向所述功率变换组件提供电抗性电流控制信号。所述电抗性电流控制信号至少部分基于所述功率变换组件的输出参数随时间的变化率。
其中所述输出参数是表示所述功率变换组件的输出功率的输出功率信号，所述控制系统经配置以至少部分基于所述输出功率信号的变化率提供电抗性电流控制信号。
其中所述控制系统经配置以提供电抗性电流控制信号，从而与所述输出功率信号的所述变化率成比例地增大由所述功率变换组件输出的电抗性电流。
其中所述控制系统进一步包括功率限制器，所述功率限制器经配置以在发生公用电网偶发事件后产生功率限制信号，从而限制所述功率变换组件的有效输出功率。
其中所述控制系统进一步包括电抗性电流增压器，所述电抗性电流增压器经配置以根据所述输出功率信号的所述变化率生成补充电压信号。
其中所述控制系统进一步包括电压调节器，所述电压调节器经配置以至少部分基于所述补充电压信号和终端电压反馈信号生成电抗性电流控制信号。
其中所述功率变换组件经进一步配置以在接收到对应于所述输出功率信号的正变化率的电抗性电流控制信号后增大由所述功率变换组件输出的电抗性电流。
附图说明
图1是示例性发电系统的方框图。
图2是可用于图1所示发电系统中的示例性风力发电机的一部分的透视图。
图3是图2所示风力发电机的一部分的局部剖视图。
图4是图2所示风力发电机的方框图。
图5是可包括图2所示风力发电机的示例性发电和输电系统的方框图。
图6是可包括在图5所示发电和输电系统内的示例性控制系统的方框图。
图7是可包括在图6所示控制系统内的示例性电压调节器和电抗性增压器的方框图。
图8是电抗性电流相对于公用电网在图5所示系统中的功率升高期间维持接近恒定电压所需的功率的导数随所述系统对三个不同栅极阻抗的实际输出功率变化的曲线图。
图9到图12图示了在发生公用电网偶发事件之前、之间以及之后，图5所示系统的运行特性的曲线图。
  参考标号   部件   参考标号   部件
  1   发电系统   2   发电机
  3   发电单元   4   功率变换器
  5   配公用电网络   10   风力发电机
  12   机舱   12   主体或机舱
  14   转子   16   塔筒
  18   配公用电网络   20   旋转轴
  22   轮毂   24   叶片
  26   发电机   28   转子轴
  32   齿轮箱   34   功率变换组件
  34   频率变换器   36   盘式制动器
  38   偏航系统   40   旋转轴
  42   变桨系统   44   系统控制器
  50   传感器   54   传感器
  56   传感器   62   总线
  64   处理器   66   RAM
  68   存储装置   70   ROM
  72   装置   74   传感器接口
  80   PLL调节器   132   电功率
  134   终端功率   136   公用电网
  138   终端电压   140   散电力系统
  150   发电和输电系统   152   功率限制器系统
  154   控制信号   156   变换器接口控制器
  160   终端电压反馈信号   161   功率输出信号
  166   实际电流限制器信号   168   电抗性电流命令信号
  184   电压调节器   241   电抗性增压器系统
  242   导数估计器   243   补充电压命令信号
  244   非线性增益   245   时间导数信号
  246   控制块   247   (VAR)调节器
具体实施方式
本专利申请文件所用术语“叶片”旨在表示在相对于周围流体运动时产生反作用力的任意装置。本专利申请文件所用术语“风力发电机”旨在表示从风能产生转动能，具体而言，将风的动能转换成机械能的任意装置。本专利申请文件所用术语“风机”旨在表示从产生于风能的转动能中产生电能，具体而言，将从风的动能中转换得到的机械能转换成电能的任何风力发电机。
本专利申请文件所述方法、系统以及计算机可读介质的技术效果包括以下项中的至少一项：(a)监视发电和输电系统的输出参数；(b)确定所述输出参数随时间的变化率；(c)根据所确定的所述输出参数的变化率来生成补充电压命令；以及(d)至少部分基于所述补充电压命令而对功率变换器的运行进行控制。
本专利申请文件所述的方法、系统和计算机可读介质有助于识别公用电网偶发事件，对所述公用电网偶发事件做出快速的电抗性功率响应，以及/或者在从所述公用电网偶发事件中恢复的过程中维持电压的稳定性。快速响应能够降低或大体消除电压崩溃的风险，以及有助于稳定所述发电系统和公用电网。尽管本专利申请文件中相对于风力发电机和/或太阳能发电系统而对本发明进行一般性描述，但本专利申请文件所述的方法和系统可应用于任何类型的发电系统，包括，例如，燃料电池、地热发电机、水力发电机，以及/或者通过可再生和/或非可再生能源发电的其他装置。
图1是包括发电机2的示例性发电系统1的方框图。发电机2包括一个或多个发电单元3。发电单元3可包括，例如，风力发电机、太阳能电池、燃料电池、地热发电机、水力发电机，以及/或者通过可再生和/或不可再生能源发电的其他装置。尽管示例性实施例中图示了三个发电单元3，但在其他实施例中，发电机2可包括任何合适数量的发电单元3，包括只有一个发电单元3。
在示例性实施例中，发电机2连接到将源自发电机2的大体直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的功率变换器4，或功率变换器系统4。AC电力被传输到配公用电网络5，即“公用电网”。在示例性实施例中，功率变换器4将转换所得AC电力的电压和/或电流幅度调整成适于配公用电网络5的幅度，并且以大体等于配公用电网络5的频率和相位的频率和相位来提供AC电力。此外，在示例性实施例中，功率变换器4向配公用电网络5提供三相AC电力。或者，功率变换器4向配公用电网络18提供单相AC电力或其他任何数量相位的AC电力。此外，在某些实施例中，发电系统1可包括一个以上功率变换器4。例如，在某些实施例中，每个发电单元可连接到单独的功率变换器4。
在示例性实施例中，发电单元3包括多个太阳能电池板，这些太阳能电池板相连形成一个或多个太阳能电池阵，以有助于在所需功率输出下操作发电系统1。每个发电单元3可以是单独的电池板，也可以是多个太阳能电池板组成的阵列。在一项实施例中，发电系统1包括多个太阳能电池板和/或太阳能电池阵，这些太阳能电池板和/或太阳能电池阵以串并联配置连接在一起，以有助于通过发电系统1产生所需电流和/或电压输出。在一项实施例中，太阳能电池板包括以下项中的一项或多项：光伏电池板、太阳能集热器，或者将太阳能转换成电能的其他任何装置。在示例性实施例中，每个太阳能电池板是因太阳能冲击太阳能电池板生成大体直流电力的光伏电池板。在示例性实施例中，太阳能电池阵连接到功率变换器4或功率变换器系统4，所述功率变换器或功率变换器系统将DC电力转换成交流电力后将其输送到配公用电网络5。
在其他实施例中，发电单元3包括一个或多个风力发电机，这些风力发电机相连，以有助于在所需的功率输出下操作发电系统1。每个风力发电机产生大体直流电力。风力发电机连接到功率变换器4或功率变换器系统4，所述功率变换器或功率变换器系统将DC电力转换成AC电力后将其输送到配公用电网络5，即“公用电网”。本专利申请文件将参考此类基于风力发电机的发电系统来描述这些系统和方法。但是，本专利申请文件所述的方法和系统可应用于任何类型的发电系统，包括，例如，燃料电池、地热发电机、水力发电机，以及/或者通过可再生和/或不可再生能源发电的其他装置。
图2是可用于发电系统1中的示例性风力发电机10的透视图。图3是风力发电机10的一部分的局部剖视图。本专利申请文件所描述和图示的风力发电机10是用于从风能产生电能的风机。此外，本专利申请文件所描述和图示的风力发电机10包括水平轴配置。但在一些实施例中，作为对水平轴配置的附加或替代，风力发电机10可包括垂直轴配置(未图示)。风力发电机10可连接到电力负载(图2中未图示)，例如，但不限于，电力网，用于从中接收电力以驱动风力发电机10和/或其相关部件的运行，以及/或者用于将风力发电机10产生的电力提供给所述电力负载。尽管图2和图3中只有一个风力发电机10，但在一些实施例中，多个风力发电机10可以分组在一起，有时称为“风场”。
风力发电机10包括主体或机舱12，以及转子(总体上用14表示)，所述转子连接到机舱12，以相对于机舱12围绕旋转轴20旋转。在示例性实施例中，机舱12安装在塔筒16上，但在一些实施例中，作为对塔筒安装的机舱12的附加或替代，机舱12可置于邻近地面和/或水面处。塔筒16的高度可以是使得风力发电机10能够如本专利申请文件所述一般运行的任何合适高度。转子14包括轮毂22以及多片叶片24(有时称为“翼片”)，这些叶片从轮毂22径向向外延伸出，用于将风能转换成转动能。尽管本专利申请文件将转子14描述和图示为具有三片叶片24，但转子14可具有任意数量的叶片24。叶片24可各自具有使得风力发电机10能够如本专利申请文件所述一般运行的任意长度。例如，在一些实施例中，一片或多片转子叶片24为约半米长，而在一些实施例中，一片或多片转子叶片24为约五十米长。叶片24长度的其他实例包括十米或以下、约二十米、约三十七米，以及约四十米。其他实例包括长度在约五十米与约一百米之间的转子叶片，以及长度在一百米以上的转子叶片。
无论图2中如何对转子叶片24进行图示，转子14可具有任何形状的叶片24，并且可具有任何类型和/或任何配置的叶片24，无论本专利申请文件中是否对此类形状类型和/或配置进行描述和/或图示。叶片24的其他类型、形状和/或配置的一项实例是达里乌斯风力发电机(Darrieus wind turbine)，有时称为“打蛋器”涡轮机。叶片24的其他类型、形状和/或配置的另一实例是萨沃纽斯风力发电机(Savonious wind turbine)。此外，在某些实施例中，风力发电机10可以是转子14大体上逆风以利用风能的风力发电机，以及/或者可以是转子14大体上顺风以利用能量的风力发电机。当然，在任意实施例中，转子14可以不准确地逆风和/或顺风，而是可以相对于风向成任意角度(该角度可变)，以利用风能。
现在参见图3，风力发电机10包括发电机26，所述发电机26连接到转子14，以从由转子14产生的转动能中产生电能。发电机26可以是任何合适类型的发电机，包括，但不限于，绕线转子感应发电机、双馈感应发电机(DFIG，也称为双馈异步发电机)、永久磁铁(PM)同步发电机、电励磁同步发电机，以及开关磁阻发电机。发电机26包括定子(未图示)以及转子(未图示)，这两者之间具有空隙。转子14包括转子轴28，所述转子轴28连接到转子轮毂22，以随其一起旋转。发电机26连接到转子轴28，以使转子轴28的旋转驱动发电机转子的旋转，并由此而驱动发电机26的运行。在示例性实施例中，发电机转子具有发电机轴30，所述发电机轴30连接到发电机转子并连接到转子轴28，以使转子轴28的旋转驱动发电机转子的旋转。在其他实施例中，发电机转子直接连接到转子轴28，有时称为“直接驱动风力发电机”。在示例性实施例中，发电机转子30经由齿轮箱32连接到转子轴28，尽管在其他实施例中，发电机轴30直接连接到转子轴28。
转子14的扭矩驱动发电机转子因此而从转子14的旋转中产生不定频率的AC电力。发电机26具有在发电机转子与定子之间的空隙扭矩，所述空隙扭矩反作用于转子14的扭矩。功率变换组件34连接到发电机26，以将不定频率的AC转换成固定频率的AC，从而输送到与发电机26相连的电力负载(图3中未图示)，例如，但不限于，电力网(图3中未图示)。功率变换组件34可包括单个频率变换器或多个频率变换器，所述频率变换器经配置以将发电机26产生的电力转换成适于经由电力网输送的电力。功率变换组件34在本专利申请文件中也可称为功率变换器。功率变换组件34可为与风力发电机10内或远离风力发电机10的任何位置。例如，功率变换组件34可以位于塔筒16的底座(未图示)内。
在一些实施例中，风力发电机10包括转子转速限制器，例如，但不限于，盘式制动器36。盘式制动器36对转子14的旋转进行制动，例如，以减慢转子14的旋转，相对于完全风力矩对转子14进行制动，以及/或者减少发电机26的发电。此外，在一些实施例中，风力发电机10包括偏航系统38，用于使机舱12围绕旋转轴40旋转以改变转子14的偏航，具体而言，用于改变转子14所面对的方向，例如，从而调整转子14所面对的方向与风向之间的角度。
在一项实施例中，风力机10包括可变的叶片变桨系统42，用于控制，包括但不限于改变，叶片24(参见图2到图3)相对于风向的桨距角。变桨系统42可连接到系统控制器44，以由此进行控制。变桨系统42连接到轮毂22和叶片24，以通过使叶片24相对于轮毂22旋转来改变叶片24的桨距角。变桨致动器可包括任何合适的结构、配置、布置、装置和/或部件，无论本专利申请文件中是否进行描述和/或图示，例如，但不限于，电机、液压缸、弹簧和/或伺服机构。此外，变桨致动器可由任何合适的装置驱动，无论本专利申请文件中是否进行描述和/或图示，包括，但不限于，液压用液体、电力、电化动力，和/或机械动力，例如，但不限于，弹簧弹力。
图4是风力发电机10的示例性实施例的方框图。在该示例性实施例中，风力发电机10包括一个或多个系统控制器44，所述系统控制器连接到风力发电机10的至少一个部件，以总体控制风力发电机10的运行和/或控制其部件的运行，无论本专利申请文件是否对此类部件进行描述和/或图示。例如，在示例性实施例中，系统控制器44连接到变桨系统42以对转子14进行总体控制。在示例性实施例中，系统控制器44安装在机舱12(参见图3)内，但附加地或替代地，一个或多个系统控制器44可远离机舱12和/或风力机10的其他部件。系统控制器44可用于全面系统监视和控制，包括，但不限于，变桨和速度调整，高速轴和偏航制动器应用，偏航和泵电机应用和/或故障监视。一些实施例中可使用替代分布式或集中控制式结构。
在示例性实施例中，风力发电机10包括多个传感器，例如传感器50、54和56。传感器50、54和56测量各种参数，包括，但不限于，运行状态和大气状态。每个传感器50、54和56可以是单独的传感器，或者可以包括多个传感器。传感器50、54和56可以是使得风力发电机10能够如本专利申请文件所述一般运行的任何合适的传感器，这些传感器位于风力发电机10内或远离风力发电机10的任何合适位置处。在一些实施例中，传感器50、54和56连接到系统控制器44，用于将测量值传输到系统控制器44进行处理。
在一些实施例中，系统控制器44包括用于传送信息的总线62或其他通信装置。一个或多个处理器64连接到总线62以处理信息，包括源自传感器50、54和56以及/或者一个或多个其他传感器的信息。一个或多个处理器64可包括至少一个计算机。本专利申请文件中所用术语计算机不限于计算机领域所称的集成电路，而是泛指处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路，且本专利申请文件中所用的这些术语可互换。
系统控制器44也可包括一个或多个随机存取存储器(RAM)66和/或一个或多个其他存储装置68。一个或多个RAM 66以及一个或多个存储装置68连接到总线62以存储并传送将由一个或多个处理器64执行的信息和指令。一个或多个RAM 66(和/或一个或多个存储装置68，如果包括)也可用于在一个或多个处理器64执行指令期间存储临时变量或其他中间信息。系统控制器44也可包括一个或多个只读存储器(ROM)70和/或其他静态存储装置，这些存储装置连接到总线62以存储静态(即，不改变的)信息和指令，并将所述内容提供给一个或多个处理器64。一个或多个处理器64对从多个电气和电子装置传输的信息进行处理，所述电气和电子装置可包括，但不限于，速度和功率传感器。执行的指令包括，但不限于，贮存内容转换和/或比较器算法。对指令序列的执行并不限于硬件电路和软件指令的任意特定组合。
系统控制器44也可包括，或者可连接到，一个或多个输入/输出装置72。一个或多个输入/输出装置72可以是所属领域中已知的任何装置，用于将输入数据提供给系统控制器44和/或提供输出，例如，但不限于，偏航控制和/或变桨控制输出。指令可经由向一个或多个能够以电子方法接入的媒体提供访问权限的有线或无线远程连接而被从存储装置68提供给RAM 66，所述存储装置68包括，例如，磁盘，只读存储器(ROM)集成电路、CD-ROM和/或DVD。在某些实施例中，硬连线电路可用于适当位置处，或者可与软件指令结合使用。因此，对指令序列的执行并不限于硬件电路和软件指令的任意特定组合，无论本专利申请文件是否进行描述和/或图示。此外，在示例性实施例中，一个或多个输入/输出装置72可包括，但不限于，与操作员接口相关的计算机外围设备，例如鼠标和键盘(图4中均未图示)。或者，也可以使用其他计算机外围设备，包括，例如，扫描器(图4中未图示)。此外，在示例性实施例中，额外的输出通道可包括，例如，操作员接口监视器(图4中未图示)。系统控制器44也可包括使系统控制器44能够与传感器50、54和56以及/或者一个或多个其他传感器通信的传感器接口74。传感器接口74可包括一个或多个模拟数字转换器，所述模拟数字转换器将模拟信号转换成可供处理器64使用的数字信号。
在示例性实施例中，风力发电机10包括锁相回路(PLL)调节器80。PLL调节器80连接到传感器54。在示例性实施例中，传感器54是电压传感器，其经配置以测量由频率变换器34输出的终端栅极电压。或者，PLL调节器80经配置以从多个电压传感器接收多个电压测量信号。在三相发电机的实例中，三个电压传感器中的每个电压传感器均电连接到公用电网总线的三个相位中的每个相位。PLL调节器80可经配置以从使得PLL调节器80能够如本专利申请文件所述一般运行的任意数量的电压传感器接收任意数量的电压测量信号。
图5是示例性发电和输电系统150的方框图。发电和输电系统150可用于或包括在风力发电机10(参见图2和图3)内。系统150包括能量源，例如发电机26。尽管在本专利申请文件中被描述为风机26，但能量源可以包括使得系统150能够如本专利申请文件所述一般运行的任何类型的发电机，例如太阳能发电系统。系统150还包括功率变换器，例如，功率变换组件34。功率变换组件34接收由发电机26产生的电功率(Pv)132并将电功率132转换成适于经由电力输送和分配网136(本专利申请文件中称为公用电网136)输送的电功率(Pt)134(本专利申请文件中成为终端功率134)。终端电压(Vt)138被限定在功率变换组件34与公用电网136之间的节点处。散电力系统140连接到公用电网136。散电力系统140包括多个负载和/或电力源。
在示例性实施例中，系统150包括依赖于公用电网的功率限制器系统152。在示例性实施例中，控制器，例如，但不限于，控制器44(参见图4)经过编程以执行依赖于公用电网的功率限制器系统152的功能。但在替代实施例中，依赖于公用电网的功率限制器系统152的功能可由经配置以使得系统150能够如本专利申请文件所述一般运行的任意电路来执行。功率限制器系统152经配置以识别公用电网偶发事件的发生，以及向功率变换组件34提供有助于减小磁极滑移的信号，以及提供从所述公用电网事件的稳定恢复。在某些实施例中，功率变换组件34根据由功率限制器系统152提供的信号做出响应，并大体消除磁极滑移。通常，在检测到公用电网偶发事件后，功率限制器系统152提供信号以减小功率变换组件34的功率输出。在从公用电网偶发事件中恢复期间，功率限制器系统152提供信号以增大功率变换组件34的有效功率输出。在某些实施例中，功率限制器系统152提供一个或多个信号以逐渐增大功率变换组件34的有效功率输出，直到功率变换组件34的输出功率回到它的故障前水平。
系统150包括电抗性增压器241，所述电抗性增压器241经配置以产生补充电压命令信号243，用于在从公用电网偶发事件中恢复期间增大功率变换组件34的电抗性电流输出，从而有助于维持大体恒定的终端电压138以及有助于防止电压崩溃。在示例性实施例中，控制器，例如，但不限于，控制器44(参见图4)经过编程以执行电抗性电流增压器系统241的功能。但在替代实施例中，电抗性电流增压器系统241的功能可以由经配置以使得系统150能够如本专利申请文件所述一般运行的任意电路来执行。在某些实施例中，功率变换组件34在从公用电网事件恢复期间根据由电抗性增压器系统241提供的信号做出响应，并且提供大体恒定的终端电压138。
公用电网事件在本专利申请文件中也称为公用电网偶发事件，可使公用电网136处于降级模式，在该模式中，栅极阻抗过高因而无法容纳发电机26产生的电力。公用电网事件的一项实例包括公用电网136内的一根输电线路上发生短路故障。输电保护措施会将公用电网136的有故障部分移除，以允许公用电网136的剩余无故障部分运行。所剩余的输电通道的将电力从系统150输送到散电力系统140的能力有所下降。此类公用电网事件使得在清除公用电网136的有故障部分之前，公用电网136上会在短暂时间段内处于低电压。通常，终端电压138将在发生公用电网事件期间显著降低。
此类公用电网事件可引起故障后状态，在该状态下，公用电网136的高阻抗使得公用电网136无法从风力发电机26输送故障前电力(即，公用电网136的阻抗过高因而无法从风力发电26输送故障前电力)。在同步机中，该状态可使发电机转子的转子角移动过公用电网136的抑制扭矩能够平衡对风力发电机10的输入的点，在本专利申请文件中也称为“磁极滑移”。在具有功率电子接口(例如，功率变换组件34)的机器中，所述状态可能引起一系列的快速功率和电压波动。此类波动类似于磁极滑移，尽管具有功率变换组件34，但控制算法支配的是同步机的性能而不是物理性质。功率变换器控制算法中若无预防措施，则可能发生磁极滑移。在故障期间以及在故障后不久将有效电流降至故障前水平可以帮助缓和磁极滑移。在故障后时期内，降级的输电系统136可能无法输送故障前水平的有效电流，直至适当量的电抗性电流被从发电系统150注入输电系统136中为止。将有效电流增大到故障前水平而不适当地增大电抗性电流可能导致输电系统136中发生电压崩溃。
如图5所示，在示例性实施例中，功率变换组件34经配置以从变换器接口控制器156接收控制信号154。控制信号154基于所感测的本专利申请文件所述的风力发电机10的运行状态或运行特性，并用于控制功率变换组件34的运行。所测量的运行状态的实例包括，但不限于，终端公用电网电压、PLL误差、定子总线电压、转子总线电压和/或电流。例如，传感器54测量终端公用电网电压138，并将终端电压反馈信号160传输到电压调节器184。传感器，例如传感器54，测量电功率134，并将电功率反馈信号161传输到电抗性增压器系统241。电抗性增压器系统241至少部分基于反馈信号161来产生补充电压命令信号243，并将补充电压命令信号243传输到电压调节器184。电压调节器184至少部分基于补充电压命令信号来产生电抗性电流命令信号168，并将电抗性电流命令信号168传输到变换器接口控制器156。在某些实施例中，功率限制器系统152也接收终端电压反馈信号160。至少部分基于终端电压反馈信号160，功率限制器系统152确定公用电网偶发事件发生的时间，以及/或者进行推断并在公用电网偶发事件期间产生实际电流限制器信号166来限制功率变换组件34的有效功率输出，以及基于对公用电网偶发事件的推断而逐渐增大功率变换组件34的有效功率输出。功率限制器系统152将实际电流限制器信号166传输到变换器接口控制器156。在替代实施例中，变换器接口控制器156包括在系统控制器44内。源自其他传感器的其他运行状态反馈也可被控制器44和/或变换器接口控制器156用于对功率变换组件34进行控制。
图6是发电和输电系统150的示例性控制系统的方框图，其中发电和输电系统150包括示例性电抗性增压器系统，例如，电抗性增压器系统241。在示例性实施例中，电抗性增压器系统241经配置以输出补充电压命令信号243。在其他实施例中，电抗性增压器系统241可输出补充电流命令、电抗性电流命令，或者适于使功率变换组件34的电抗性电流输出增大的其他任何信号。在示例性实施例中，电抗性增压器系统241包括功率导数估计器242以及非线性增益244。导数估计器242接收系统150的至少一个所测量的运行状态。在示例性实施例中，所测量的运行状态是传感器54的功率输出信号161。在其他实施例中，所测量的运行状态包括，但不限于，有效电流命令信号、功率命令信号等。在示例性实施例中，导数估计器242利用功率导数估计器242来产生功率时间导数信号245，并将功率时间导数信号245提供给非线性增益244。非线性增益244产生补充电压命令信号243，并将补充电压命令信号243传输到电压调节器184。电压调节器184产生电抗性电流命令信号168，并将电抗性电流命令信号168传输到变换器接口控制器156。变换器接口控制器156在本专利申请文件中也可称为变换器启动控制器。
图7是示例性电压调节器，例如电压调节器184(参见图6)以及示例性电抗性增压器系统，例如电抗性增压器系统241(参见图6)的方框图。如上文相对于图6所述，如果发生弱公用电网等公用电网偶发事件，则实际电流限制器信号166表示变换器接口控制器156减小变换组件34尝试注入公用电网136中的实际电流分量。此外，为了支持终端电压138，在电压调节器184基于终端电压反馈信号160识别出终端电压138降低后，电压调节器184产生电抗性电流命令信号168，并将电抗性电流命令信号168发送到变换器接口控制器156。电抗性电流命令信号168表示变换器接口控制器156在发生公用电网偶发事件后增大注入公用电网136中的电抗性电流分量。此外，在示例性实施例中，电抗性电流命令信号168表示变换器接口控制器156在从发生公用电网偶发事件中恢复期间，以与变换组件34的输出成比例的方式增大注入到公用电网136中的电抗性电流分量，以维持大体恒定的终端电压138。
在示例性实施例中，电压调节器184从电抗性增压器系统241接收补充电压命令信号243；接收终端电压反馈信号160；以及从其他电抗伏安(VAR)调节器247(参见图6)接收电压命令信号(VREF)240。在检测到公用电网偶发事件后，功率限制器系统152将实际电流限制器信号166传输到变换器接口控制器156，以减小功率变换组件34的输出功率。在公用电网偶发事件完成后，功率限制器系统152产生实际电流命令信号166等信号，所述信号命令逐渐增大功率变换组件34的功率输出。在公用电网偶发事件期间，例如，终端电压138指出发生公用电网偶发事件，电压调节器184产生电抗性电流命令信号168，该信号增大功率变换组件34的电抗性电流输出，以支持终端公用电网电压138，直到公用电网偶发事件得到解决。在解决公用电网偶发事件期间，电抗性电流命令信号168返回到较低水平，使得功率变换组件34的电抗性电流输出降低到接近公用电网偶发事件之前的水平。随着功率变换组件34的输出功率在从公用电网偶发事件期间恢复，可能需要额外的电抗性电流来维持终端电压138并且避免公用电网136发生电压崩溃。
为了有助于在终端电压反馈信号160指出公用电网偶发事件已结束(例如，终端电压138升高)后维持大体恒定的终端电压138，电抗性增压器241产生补充电压命令信号243，并将补充电压命令信号243传输到电压调节器184。补充电压命令信号243被插入电压命令信号240中。之后，电压调节器184产生电抗性电流命令信号168，所述信号使功率变换组件34的电抗性电流输出随功率变换组件34的功率输出的增大而增大。在示例性实施例中，电压调节器184使电抗性电流输出根据功率变换组件34的输出功率的变化率而增大。在其他实施例中，功率变换组件34的电抗性电流输出可根据功率的等级、实际电流输出的等级、实际电流输出的变化率、扭矩、实际电流命令、功率命令，或其他任何合适的输出参数而增大。在示例性实施例中，功率变换组件34的输出功率的变化率(例如，相对于时间的导数)245由导数估计器242进行估计。在实例实施例中，将非线性增益(Kp)244施加到由导数估计器242输出的变化率245。非线性增益244随功率变换组件34的有效功率输出水平而变。非线性增益244的输入(即，补充电压命令信号243)限于正值。电压调节器184对补充电压命令信号243和电压命令信号240进行求和，并减去终端电压反馈信号160以得到误差信号。控制块246接收所述误差信号，并产生电抗性电流命令信号168。为了有助于避免公用电网136发生电压崩溃并且随功率变换组件34的功率输出的增大而维持大体恒定的终端电压138，非线性增益244经过选择以满足以下不等式：
Kp ( P ) · Kvi ≥ ∂ Iy ∂ P | Vt = Const - - - ( 1 )
其中Iy是功率变换组件34的电抗性电流输出，P是功率变换组件34的有效功率输出，且Vt是终端电压138。导数项
Figure BDA00002187581000182
是公用电网136的特性，可根据各种因素而变，例如，公用电网136的状态，特定公用电网的结构等。如图8所示，
Figure BDA00002187581000191
是非线性的。对于特定公用电网，例如公用电网136，导数项随公用电网136的阻抗而变。在图8中，X1、X2和X3是对功率变换组件34等呈现的公用电网136的三种不同阻抗。公式1的推到进一步如下所述。
图9到图12是曲线图，用实线图示了发电和输电系统150在公用电网偶发事件之前、之间和之后的运行。具体而言，图9是终端电压138随时间变化的曲线图，图10是功率输出信号161随时间变化的曲线图。图11是实际电流(IX)输出随时间变化的曲线图，而图12是电抗性电流(IY)输出随时间变化的曲线图。图9到图12也以虚线图示了发电和输电系统150在不具电抗性增压器241的情况下的运行。
参见图9到图12，在时间t0处，发电和输电系统150正常运行并处于稳定状态。在时间t1处，发生公用电网偶发事件。终端电压138迅速降低。如上所述，功率限制器系统152响应于公用电网偶发事件以及实际电流(图11)减小而相应地产生减小功率变换组件34的功率输出的信号。但是，电抗性电流输出(图12)增大，以支持终端电压138。在公用电网偶发事件在时间t2处解决之后，终端电压138大体返回到其初始水平，也就是偶发事件前水平，并且功率限制器系统152使功率变换组件34的输出功率增大。发电和输电系统150的实际电流输出也从时间t2处开始逐渐增大。同样在时间t2处，电压调节器184产生电抗性电流命令信号168以根据功率信号161的变化率而增大电抗性电流输出。因此，终端电压138在接近时间t4处，在发电和输电系统150的功率输出增大到公用电网偶发事件之前的水平期间保持大体恒定。
图9到图12中还以虚线图示了在不包括电抗性增压器系统241的情况下，发电和输电系统150的近似终端电压138、功率输出信号161、实际电流输出(IX)，以及电抗性电流输出(IY)。如果电抗性增压器241不产生补充电压命令信号243以根据功率信号161的变化率而增大电抗性电流输出，则电抗性输出电流将不会迅速增大。如图11和图12所示，从公用电网偶发事件在接近时间t2处解决时起，实际和电抗性电流输出与包括电抗性增压器系统241的发电和输电系统150的相应曲线岔开。因此终端电压138在时间t2处后开始降低，且终端电压138和功率输出在接近时间t3处开始崩溃。
这一针对包括电抗性增压器系统241和电压调节器184的发电和输电系统150的结果的数学支持可始于对终端电压138的变化进行估计。终端电压138的变化可通过下式进行估计：
ΔVt ≅ ΔP ∂ Vt ∂ P | Iy = const + ΔIy ∂ Vt ∂ Iy | P = const - - - ( 2 )
其中Iy是功率变换组件34的电抗性电流输出，P是功率变换组件34的有效功率输出，且Vt是终端电压138。如果功率变换组件34的功率输出以恒定速率(rp)增大，则：
ΔP = r p s - - - ( 3 )
其中s是拉普拉斯算子(Laplace operator)。参考电压调节器184(参见图8)以及公式3：
ΔVt ≅ r p Kvi ∂ Vt ∂ Iy · ( ∂ Vt ∂ P + ∂ Vt ∂ Iy KpKvi ) ( s Kvi ∂ Vt ∂ Iy + 1 ) - - - ( 4 )
根据公式4，为了得到约为零的ΔVt，假定Kp是有效功率P的函数且有效功率以非零速率rp变化，则：
∂ Vt ∂ P + ∂ Vt ∂ Iy Kp ( P ) Kvi ≈ 0 - - - ( 5 )
因此，可定义以下不等式：
Kp ( P ) Kvi ≥ - ∂ Vt ∂ P | Iy = const ∂ Vt ∂ Iy | P = const - - - ( 6 )
随后可将不等式6简化到上文给出的不等式1。
上述实施例有助于风力发电机高效且经济有效地运行。风力发电机包括电抗性增压器系统，所述电抗性增压器系统监视所述风力发电机的输出参数，并至少部分基于所监视的输出参数的变化率而确定补充电压命令。所述风力发电机还包括电压调节器，所述电压调节器至少部分基于所述补充电压命令而确定电抗性电流命令。根据所监视的参数的变化率来提供额外的电抗性电流输出有助于在公用电网偶发事件后维持大体恒定的终端电压。本专利申请文件所述的方法和系统有助于在公用电网偶发事件后防止出现电压崩溃，并提高退化公用电网的电压稳定性。
上文详细描述了风力发电、功率限制器系统，以及用于响应于公用电网偶发事件的发生而操作风力发电机的方法的示例性实施例。所述方法、风力发电机以及电抗性增压器系统并不限于本专利申请文件所述的具体实施例，相反，风力机的部件、电抗性增压器系统的部件，以及/或者所述方法的步骤可独立于本专利申请文件所述的其他部件和/或步骤独立使用。例如，所述电抗性增压器系统和方法也与其他风力发电系统和方法一起使用，且并不限于仅使用本专利申请文件所述的发电系统来进行实践。相反，示例性实施例可与许多其他风力发电机或发电系统应用结合实施并使用。
尽管本发明的各项实施例的具体特征可能在某些附图中图示，但未在其他附图中图示，这仅仅是出于方便的考量。根据本发明的原则，某幅附图的任何特征可结合任何其他附图的任何特征进行参考和/或提出权利要求。
本书面说明书使用多个实例来揭示本发明，包括其最佳模式，并让所属领域的任何技术人员均可实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果此类其他实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种在增大所述发电和输电系统的功率时控制发电和输电系统的方法，所述发电和输电系统包括发电机、功率变换器以及控制器，所述方法包括：
监视所述发电和输电系统的输出参数；
确定所述输出参数随时间的变化率；
根据所确定的所述输出参数的变化率生成电抗性电流命令信号；以及
至少部分基于所述电抗性电流命令信号来控制所述功率变换器的运行，以有助于在所述发电和输电系统的所述功率输出增大时维持大体恒定的终端电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中监视所述发电和输电系统的输出参数包括监视表示所述发电和输电系统的所述功率输出的信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中至少部分基于所述电抗性电流命令信号控制所述功率变换器的运行包括与表示所述发电和输电系统功率输出的所述信号的所述确定变化率成比例地增大由所述功率变换器输出的电抗性电流。
4.根据权利要求2所述的方法，其中生成电抗性电流命令信号包括在电压调节器处生成电抗性电流命令信号。
5.一种控制系统，包括：
电抗性增压器，所述电抗性增压器经配置以：
从功率变换组件接收输出功率信号；以及
根据所述输出功率信号的变化率生成补充电压信号；以及
电压调节器，所述电压调节器连接到所述电抗性增压器，所述电压调节器经配置以：
接收所述补充电压信号；
至少部分基于所述补充电压信号生成电抗性电流命令信号；以及
将所述电抗性电流命令信号传输到控制器。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述电抗性增压器经配置以确定所述输出功率信号的所述变化率。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述电抗性增压器经配置以通过估计所述输出功率信号的导数来确定所述输出功率信号的所述变化率。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述电压调节器经配置以在从公用电网偶发事件中恢复后，当增大功率变换器的功率输出时生成电抗性电流命令信号，所述电抗性电流命令信号指示所述功率变换器增大由所述功率变换器输出的电抗性电流。
9.一种发电和输电系统，包括：
发电机；
功率变换组件，所述功率变换组件连接到所述发电机和公用电网，所述功率变换组件经配置以接收由所述发电机产生的功率，并且将所接收的功率转换成适于经由所述公用电网输送的功率；以及
控制系统，所述控制系统以可通信的方式连接到所述功率变换组件，并且经配置以向所述功率变换组件提供电抗性电流控制信号，所述电抗性电流控制信号至少部分基于所述功率变换组件的输出参数随时间的变化率。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述输出参数是表示所述功率变换组件的输出功率的输出功率信号，所述控制系统经配置以至少部分基于所述输出功率信号的变化率提供电抗性电流控制信号。
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