CN103119817B - 功率振荡阻尼控制器 - Google Patents

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Abstract

提供了用于诸如风力涡轮机设备的发电设备的功率振荡阻尼（POD）控制器（120）。POD控制器（120）接收指示电网中的功率振荡的振荡指示信号（128），并且通过在信号处理链（136、138）中处理振荡阻尼控制信号（128），响应于振荡指示信号（128）而提供振荡阻尼控制信号（134、135）。信号处理链（136、138）包括被配置成仅使在预定频率范围内的信号通过的滤波器（140）。

Description

功率振荡阻尼控制器
技术领域
本发明涉及发电设备领域，并且特别地涉及包括转换器的发电设备。
背景技术
EP 2 009 760 A2公开了一种电力系统稳定器，该电力系统稳定器包括：传感器，其被配置成用于感测表示电力系统的机电振荡的信号；控制器，其被配置成将所感测的信号用于生成控制信号以便对机电振荡进行阻尼；以及阻尼器，其包括阻尼转换器和被耦合到阻尼转换器的电阻器，所述阻尼转换器通过电力总线被耦合到电力系统，并被配置成用于使用控制信号来对机电振荡进行阻尼。通过电阻器进行的电流调制是基于来自传感器的反馈信号完成的。
鉴于上述情况，存在对一种使得能够在电网中高效地对功率振荡进行阻尼的改进技术的需要。
发明内容
可以由根据独立权利要求的主题来满足此需要。用从属权利要求来描述本文公开主题的有利实施例。
根据本文公开主题的第一方面，提供了一种用于发电设备的控制器，该控制器包括：输入端，其用于接收指示电网中的功率振荡的振荡指示信号；输出端，其用于响应于振荡指示信号而提供振荡阻尼控制信号；输入端与输出端之间的信号处理链；该信号处理链包括被配置成仅使在预定频率范围内的信号通过的滤波器。
此方面基于这样的思想，即通过提供仅使在预定频率范围内的信号通过的滤波器，根据本文公开主题的实施例，不需要为控制器预配置振荡指示信号。特别地，根据本文公开主题的实施例，控制器不需要用于感测振荡指示信号的特定传感器。相反，可以使用指示功率振荡和电网的任何现有信号作为振荡指示信号，其中，滤波器选择预定频率范围。根据实施例，所述预定频率范围是在其中在电网中发生功率振荡的范围。特别地，根据实施例，所述预定频率范围包括电网中的功率振荡的频率。
根据实施例，所述滤波器包括高通滤波级，例如摒弃级，以去除DC分量和非常低的频率。高通滤波级的频率下限取决于感兴趣的振荡频率。用于这些振荡的典型范围是0.1赫兹（Hz）至1.5 Hz。此外，所述滤波器可以包括具有从振荡指示信号去除较高频率分量的一段频率的低通级。例如，在实施例中，截止频率例如在2 Hz和10 Hz之间的频率范围内。根据实施例，低通级正好被放置在高通滤波级之后。
根据实施例，将振荡阻尼控制信号配置成用于当作用在发电设备上时对功率振荡进行阻尼，通过其功率在电网中的不同位置之间振荡。因此，还将此类功率振荡称为区域间振荡。
在本文中一般地，“作用在发电设备上”包括向发电设备的功率控制器提供阻尼控制，该功率控制器被配置成用于根据阻尼控制信号来控制发电设备。
根据实施例，信号处理链还包括用于提供振荡指示信号与振荡阻尼信号之间的相位差的相移单元。相位差引起电网中的功率振荡的减少。换言之，由相移单元产生的相位差导致振荡指示信号与振荡阻尼控制信号之间的相位差，并且因此导致电网中的功率振荡与振荡阻尼控制信号之间的相位差。这样，通过用振荡阻尼控制信号作用于发电设备，发电设备供应与电网中的功率振荡处于适当相位关系的功率。通过处于适当相位关系的发电设备的此操作，高效地对电网中的功率振荡进行阻尼。所述适当相位关系取决于阻尼单元（根据实施例应理解为整个风场，即整个风场充当阻尼单元）的位置和调制信号两者。
根据另一实施例，所述信号处理链还包括被配置成用于提供振荡指示信号与振荡阻尼控制信号之间的相位差的相位调整单元，由相位调整单元提供的相位差取决于发电设备的地理位置，例如取决于发电设备的地理位置以及功率调制信号，即有功和/或无功功率。根据实施例，相位调整单元被配置成用于考虑和补偿由于发电设备的地理位置而发生的相位差。例如，针对风力应用，发电设备对应于可以分布在大的区域上的各个风力涡轮机设备。例如，在包括多个发电设备的发电场中，上述相移单元可以提供对电网中的功率振荡进行阻尼所需的总相位差。此外，根据实施例，可以为每个发电设备提供个体相位差的相位调整单元考虑由于相应发电设备与公共耦合点的不同距离而另外发生的相位差，通过所述公共耦合点，发电场的发电设备被耦合到电网。这样，可以通过相位差的相应微调来进一步增加电网中的功率振荡的阻尼。
根据另一实施例，信号处理链还包括被配置成用于将振荡阻尼控制信号保持在预定界限内的限制单元。可以在信号处理链中的不同位置处提供此类限制单元。例如，可以在对超过某些界限的信号敏感的信号处理链的任何部件前面提供限制单元。然而，可以将限制单元提供为信号处理链中的最后活动元件，以便将振荡阻尼控制信号保持在预定界限内，而不管信号处理链的先前部件的操作如何。
应理解的是可以在多个实施方式中提供限制单元。例如，可以将限制单元配置成使得如果振荡阻尼控制信号超过预定界限，则切断振荡阻尼控制信号。在另一实施例中，限制单元可以返回作用于信号处理链中的放大器，从而减少由放大器提供的放大因数（增益），从而减小振荡阻尼控制信号的振幅，并且从而将振荡阻尼控制信号保持在预定界限内。
根据另一实施例，信号处理链还包括用于补偿延迟的延迟补偿电路，利用所述延迟来接收振荡指示信号。例如，振荡指示信号可以是从接近于控制器定位的传感器获得的信号。然而，在另一实施例中，振荡指示信号是从发电场控制器传播到发电场的发电设备的各个控制器的信号。在这种情况下，在测量电网中的某个量（例如电压或频率）与由发电场控制器传播的相应信号的接收之间可能存在时间延迟。在这种情况下，可以将延迟补偿单元配置成用于补偿此类延迟。因此，这样，可以进一步增加电网中的功率振荡的阻尼。
根据实施例，信号处理链还包括用于滤出（即去除）激励风力涡轮机设备的机械部件中的振荡的频率的滤波级，例如陷波滤波器。此类频率可能由于风力涡轮机设备的部件的机械谐振而存在。因此，在实施例中，陷波滤波器避免了机械谐振频率下的相互作用。因此，此滤波级可以用于保护可能由去除的频率以其他方式激励的风力涡轮机设备的部件。例如，可以在信号处理链中的至少一个先前元件之后提供此类陷波滤波器。这样，去除了可能由信号处理链中的先前部件产生的机械谐振频率以及仍来自仅使在预定频率范围内的信号通过的滤波器的频率。例如，根据实施例，将陷波滤波器作为倒数第二元件或最后元件放置在信号处理链中。例如，如果陷波滤波器是信号处理链中的倒数第二元件，则信号处理链中的最后元件可以是将振荡阻尼控制信号保持在预定界限内的上述限制单元。
根据另一实施例，上述信号处理链是第一信号处理链且输出端是控制器的第一输出端。根据实施例，振荡阻尼控制信号是被配置成用于控制由发电设备提供的有功功率的第一振荡阻尼控制信号。此外，在实施例中，控制器包括第二输出端和在输入端与第二输出端之间的第二信号处理链，其中，第二信号处理链被配置成用于提供用于控制由发电设备提供的无功功率的第二振荡阻尼控制信号。因此，根据本文公开主题的实施例，控制由发电设备产生的有功功率以及无功功率，从而对电网中的功率振荡进行阻尼。根据实施例，发电设备包括转换器。转换器具有优点，即在实施例中，其允许调整由其提供的有功功率和无功功率以便被独立地控制。
根据实施例，控制器还包括加权单元，该加权单元被配置成用于响应于加权信号来设置第一振荡阻尼控制信号的量值和/或第二振荡阻尼控制信号的量值。因此，在实施例中，可以将加权单元配置成用于调整用来对电网中的功率振荡进行阻尼的无功功率分量的量值和有功功率分量的量值。振荡阻尼控制信号的有功和无功部分两者的目的是与电力系统中的同步发电机相交互以增加其振荡阻尼。
根据本文公开主题的第二方面，提供了一种用于控制发电设备的控制系统，该控制系统包括如在第一方面或其实施例中阐述的控制器；以及系统输出端，其用于提供用于发电设备的控制系统。
根据另一实施例，所述控制系统还包括用于提供另外的控制信号的另外的控制器；以及用于将阻尼控制信号与该另外的控制信号相加的加和单元。例如，所述另外的控制器可以是驱动链阻尼控制器，其被提供用以对由于发电设备的驱动链中的发电机与转子之间的相互作用而引起的振荡进行阻尼。此外，另外的控制器可以是风力涡轮机形式的发电设备的活动塔架阻尼控制器，该活动塔架阻尼控制器防止高风速和阵风期间的塔架移动。此外，另外的控制器可以是用于风力涡轮机形式的发电设备的叶片边缘阻尼控制器，其防止由于风场中的伴流效应而引起的风力涡轮机的叶片的边缘振荡。
根据第二方面的实施例，所述控制系统适合于提供上述方面和实施例中的一个或多个的功能和/或提供上述方面和实施例中的一个或多个所需的功能。
根据本文公开主题的第三方面，提供了一种发电场，该发电场包括：至少一个发电设备；以及根据第一方面或其实施例的至少一个控制器。
根据本文公开主题的第四方面，提供了一种发电场，该发电场包括：至少一个发电设备；以及根据第二方面或其实施例的至少一个控制系统。
根据第三和第四方面的实施例，所述发电场适合于提供上述方面和实施例中的一个或多个的功能和/或提供上述方面和实施例中的一个或多个所需的功能。
根据本文公开主题的第五方面，提供了一种操作用于发电设备的控制器的方法，该方法包括：接收指示电网中的功率振荡的振荡指示信号；使振荡指示信号通过信号处理链，从而响应于振荡指示信号而提供振荡阻尼控制信号；其中，使振荡指示信号通过信号处理链包括仅使在预定频率范围内的信号通过。
根据第五方面的实施例，所述方法适合于提供上述方面和实施例中的一个或多个的功能和/或提供上述方面和实施例中的一个或多个所需的功能。
根据本文公开主题的第六方面，提供了一种操作发电设备的控制系统的方法，该方法包括：执行根据第五方面或其实施例的方法；提供用于发电设备的控制信号，该控制信号取决于振荡阻尼控制信号。
根据第六方面的实施例，所述方法适合于提供上述方面和实施例中的一个或多个的功能和/或提供上述方面和实施例中的一个或多个所需的功能。
根据本文公开主题的第七方面，提供了一种操作包括发电设备的发电场的方法，该方法包括：执行根据第六方面或其实施例的方法；以及向发电设备提供控制信号。
根据第七方面的实施例，所述方法适合于提供上述方面和实施例中的一个或多个的功能和/或提供上述方面和实施例中的一个或多个所需的功能。
根据本文公开主题的第八方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序被配置成用于控制物理对象，即发电设备，该计算机程序适合于在由数据处理器设备执行时控制如在第五方面或其实施例中阐述的方法。
根据本文公开主题的第九方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序被配置成用于控制物理对象，即发电设备，该计算机程序适合于在由数据处理器设备执行时控制如在第六方面或其实施例中阐述的方法。
根据本文公开主题的第十方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序被配置成用于控制物理对象，即发电设备，该计算机程序适合于在由数据处理器设备执行时控制如在第七方面或其实施例中阐述的方法。
如本文所使用的对计算机程序的参考意图等价于对包含用于控制计算机系统以协调上述方法的性能的指令的程序元件和/或计算机可读介质的参考。
可以通过使用诸如例如JAVA、C++的任何适当编程语言将计算机程序实现为计算机可读指令代码，并且可以将其存储在计算机可读介质（可移动盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等）上。指令代码可操作用于对计算机或任何其他可编程设备进行编程以执行预期功能。计算机程序可以从网络（诸如万维网）获得，可以从该网络下载所述计算机程序。
可以借助于计算机程序相应的软件来实现本文公开主题的实施例。然而，还可以借助于一个或多个特定电子电路相应的硬件来实现本文公开主题的实施例。此外，还可以以混合形式（即以软件模块和硬件模块的组合）来实现本文公开主题的实施例。
在上文中已描述且在下文中将参考本公开主题的示例性实施例来描述发电设备的控制器、控制系统、发电场、操作发电设备的控制系统的方法、操作发电设备的控制系统的方法、操作发电场的方法以及相应计算机程序。必须指出的是当然还可能有关于本文公开主题的不同方面和实施例的特征的任何组合。特别地，已参考方法类型权利要求描述了某些实施例，而且已参考设备类型权利要求描述了其他实施例。然而，本领域的技术人员将从以上和以下描述将得出结论，除非被另外通知，除属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，还将关于不同主题的特征之间、特别地方法类型权利要求的特征与设备类型权利要求的特征之间的任何组合也被视为与本申请一起公开。
根据下面将描述的实施例的示例，本发明的上文定义的方面及其他方面是显而易见的，并将参考实施例的示例来解释本发明的上文定义的方面及其他方面。下文中将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明不限于此。
附图说明
图1部分地示出了根据本文公开主题的实施例的风场。
图2示出了根据本文公开主题的实施例的控制系统。
图3更详细地示出了图2的滤波器和限制单元。
图4示出了根据本文公开主题的实施例的用于风力涡轮机设备的典型阻尼操作的以秒（s）为单位的时间t内的每单位（pu）的有功功率ΔPd。
图5示出了每单位(pu)×10-3的风力涡轮机设备的转子的以秒（s）为单位的时间t内的旋转速度Δωr。
具体实施方式
图中的图示是示意性的。应注意的是在不同的图中，为类似或相同的元件提供相同的参考标号或仅在第一数字内与相应参考标号不同的参考标号。
下面，相对于风力涡轮机形式的发电设备并相对于风场形式的发电场来讨论本文公开主题的示例性实施例。然而，应理解的是在本文中讨论的讲授内容且特别是下面讨论的讲授内容被视为也针对一般术语“发电设备”和“发电场”而公开。特别地，与风力涡轮机设备有关的本文公开主题的实施例也适用于具有转换器的发电设备，其中，转换器被配置成用于接收输入功率并响应于输入功率而提供电输出功率。
功率振荡通常在大型互连电力系统中发生，在其中两个或更多区域通过相对弱的AC传输线被互连，因此也称为区域间振荡。区域间振荡的频率通常在从0.1赫兹（Hz）至0.7赫兹的范围内。振荡是稳定还是不稳定的是系统性质。这意味着确定阻尼水平的不是发起振荡的偶然事件，而是电力系统的状态，即工作条件、控制器调谐、传输线和使用中的发电机等。
如果电网的两个区域之间的功率振荡被激励，则一个区域中的同步机的转子角将开始以与另一区域中的同步机相反的相位振荡，并且从而迫使有功功率在区域之间来回流动。如果振荡被充分地阻尼，则振荡将消失，并且转子角返回至稳态。然而，如果在电力系统中存在用于此特定振荡的不足阻尼，则在两个区域之间交换不断增加的有功功率量，直至例如同步机或传输线安全设备的其他安全设备使单元或部件跳闸。后果可能是设备跳闸和最终系统停电的级联效应。
根据实施例，将功率振荡阻尼功能集成到风力涡轮机控制系统中。在风场中以集中式方式或以分布式方式生成所需输入信号。
除功率振荡阻尼功能（即提供功率振荡阻尼控制信号）之外，在风力涡轮机功率控制系统中可以存在几个另外的控制信号，其用来对从内部机械部件生成的不期望振荡进行阻尼/防止。此类另外的控制信号可以包括以下各项中的一个或多个：
（a）驱动链阻尼控制信号：其被提供以便对由于风力涡轮机的驱动链中的发电机与转子之间的相互作用而引起的振荡进行阻尼。
（b）活动塔架阻尼控制信号：其被提供为用以防止由于高风速和阵风而引起的塔架移动。
（c）叶片边缘阻尼控制信号：其被提供为用以防止由于风场中的伴流效应而引起的叶片的边缘振荡。
根据本文公开主题的实施例，提供了一种用于对区域间振荡进行阻尼的控制器。
图1部分地示出了根据本文公开主题的实施例的风场100。
风场100包括多个风力涡轮机设备102，在图1中示例性地示出了其中的一个。风力涡轮机设备102包括驱动发电机106的转子104。响应于由转子104提供的旋转能，发电机106产生电能108。然后在被电耦合到电网112（例如，电力网）的调节单元110中处理该电能，以便以适当的形式向电网112提供电输出能量。在图1中在114处指示调节单元110与电网之间的电耦合。一般地在图1中200处指示的另一风场被进一步电耦合到电网112。
功率振荡是基于同步发电机的电力系统所固有的。根据电网112的配置，系统将或多或少地易于发生区域间振荡，其一旦被激励将导致有功功率在电力系统中的同步发电机之间的来回传递。通过根据本文公开主题的实施例的风场的适当控制，增加了系统中的同步发电机的阻尼。应理解的是基于同步发电机的风场100、200和发电站仅仅是示例性的，并且通常有多于两个发电场或发电站被耦合到电网。因此，在这些能量产生实体之间可能发生不同的区域间振荡，然而其可以与本文所述的示例类似地处理。
调节单元110包括允许独立地调整提供给电网112的有功功率和无功功率的转换器116。由控制系统118来控制转换器116。控制系统118包括控制器120，即根据本文公开主题的实施例配置的功率振荡阻尼控制器（在下文中也称为POD控制器）。此外，控制系统118包括至少一个另外的控制器122，在图1中示出了其中的一个。
风力涡轮机设备100的控制系统118被可控地耦合到场控制器124，其控制风场100中的各个风力涡轮机设备102的控制系统118。根据实施例， 场控制器124接收指示诸如提供给电网112的功率的电压或频率的工作参数的输入信号126。响应于输入信号126，场控制器124向控制系统118提供振荡指示信号128。在实施例中，振荡指示信号128与输入信号126相同。在其他实施例中，振荡指示信号128是在风力涡轮机设备102内或附近生成的本地信号。POD控制可以位于风场控制器处以及各个风力涡轮机设备102内或者甚至别处。当位于风场级处时，将设定点变化传送至各个风力涡轮机设备。通过考虑振荡指示信号，控制系统118在其系统输出端121处向调节单元110提供一般地在图1中在129处指示的一个或多个控制信号，以从而控制调节单元110和特别地转换器116。根据实施例，POD控制器120向在本文中也称为“功率控制器”的风力涡轮机功率控制器123提供功率振荡阻尼信号，所述风力涡轮机功率控制器123响应于此相应地例如借助于控制信号129来调整用于转换器116的设定点。在另一实施例中，将功率振荡阻尼信号与来自至少一个另外的控制器122的控制信号组合，从而向涡轮机功率控制器123提供组合控制信号。
应注意的是振荡指示信号128不一定是被具体修整的信号。相反，可以使用包括关于功率振荡（区域间振荡）的信息的任何信号作为振荡指示信号128。
根据实施例，POD控制器120能够从电力网模块（其位于公共连接点（PCC）处，在电力网外部）获取输入（即获取振荡指示信号），或者用高速通信链路从远程位置输送。POD控制器120被馈送对电力网中的振荡进行阻尼所需的（多个）输入信号。当使用在风场本地的测量时，可以在风力发电厂（WPP）（通常为风场导航模块）处获得（多个）输入信号。在实施例中，输入信号、即振荡指示信号包括以下各项中的至少一个：总线频率、电流、功率、发电机速度等。首先使所述至少一个振荡指示信号通过至少一个调节滤波器，其设计取决于所述至少一个振荡指示信号。这些滤波器去除测量噪声，从输入信号提取将被POD控制器阻尼的振荡，并例如在使用外部监视信号作为振荡指示信号时补偿时间延迟。
根据实施例，POD控制器120将使用有功和无功功率调制二者、例如通过使用第一和第二振荡阻尼控制信号对电力网振荡进行阻尼。由于有功和无功功率的独立控制，这在可变速风力涡轮机设备（例如，双馈送感应发电机（DFIG）、满载转换器概念等）的情况下是可能的。
图2示出了根据本文公开主题的实施例的控制系统118。特别地，图2更详细地示出了控制系统118的振荡阻尼控制器120。
根据实施例，控制器120包括用于接收指示电网中的功率振荡的振荡指示信号128的输入端130。此外，控制器120包括用于响应于振荡指示信号128而提供第一振荡阻尼控制信号134和第二振荡阻尼控制信号135的第一输出端132和第二输出端133。根据实施例，在输入端130与第一输出端132之间提供第一信号处理链136，并在输入端130与第二输出端133之间提供第二信号处理链138。
根据实施例，第一振荡阻尼控制信号134被配置成用于控制由风力涡轮机设备提供的有功功率。此外，根据实施例，第二振荡阻尼控制信号135被配置成用于控制由风力涡轮机设备提供的无功功率。
根据实施例，被配置成用于控制由风力涡轮机设备提供的有功功率的第一振荡阻尼信号134被提供给加和单元131，其将第一阻尼控制信号134和至少一个另外的控制信号、例如三个另外的控制信号127a、127b、127c组合。根据实施例，第一另外的控制信号127a是驱动链阻尼控制信号，第二另外的控制信号127b是活动塔架阻尼控制信号且第三另外的控制信号127c是叶片边缘阻尼控制信号。作为输出，加和单元131提供被馈送给风力涡轮机设备的功率控制器123的组合信号125。
根据实施例，第一信号处理链136和第二信号处理链138具有公共链部分142。
根据实施例，信号处理链包括滤波器和限制单元140。根据实施例，滤波器和限制单元140是第一信号处理链136的链部分以及还是第二信号处理链138的链部分。因此，滤波器和限制单元140是第一和第二信号处理链136、138的公共链部分142。
滤波器和限制单元140的输出信号144被提供给加权单元146，其被配置成用于响应于加权信号来设置第一振荡阻尼控制信号134的量值和/或第二振荡阻尼控制信号135的量值，从而调整第一振荡阻尼控制信号134的量值与第二振荡阻尼控制信号135的量值之间的比。
在实施例中，加权信号是滤波器和限制单元140的输出信号144。例如，在实施例中，加权信号是输出信号144的无功功率部分。在另一实施例中，加权信号是输出信号144的有功功率部分。然而，还有可能有其他加权信号。
在实施例中，输出信号144的两个输出信号部分、即无功功率部分和有功功率部分被提供给第一信号处理链136和第二信号处理链138中的每一个。例如，输出信号144被借助于分支点152馈送给加权单元146的第一输入端148和加权单元146的第二输出端150，如图1中所示。
根据实施例，分支点152标记第一信号处理链136和第二信号处理链138的分离。
根据实施例，振荡阻尼控制信号134、135指示控制风力涡轮机设备的有功和无功功率输出、例如有功和无功电流、电压（例如用于无功功率）、有功功率P和/或无功功率Q的量的变化。例如，在实施例中，由于阻尼效应、ΔP 134和ΔQ 135而引起的有功功率P和无功功率Q的设定点的变化被发送到各个风力涡轮机的控制机构，其相应地调节有功和无功功率输出。直接从网络侧转换器处理来自无功功率调制ΔQ的阻尼转矩。ΔQ调节服从其当前工作点中的风力涡轮机的无功功率能力。
从加权单元146，提供了用于有功功率P的已加权响应信号154和用于无功功率Q的已加权响应信号156。
根据实施例，此外，针对来自风场导航模块的通信中的时间延迟补偿第一和第二信号处理链136、138中的信号。例如，在实施例中，来自加权单元的已加权响应信号154、156被馈送给相应的延迟补偿单元158、160，导致延迟补偿响应信号159、161。
根据实施例，在每个信号处理链136、138中，为每个风力涡轮机设备提供相位调整单元162、164，例如本地超前/滞后级。在实施例中，相位调整单元162、164被配置成根据风场内的风力涡轮机设备的地理位置来补偿相位角。例如，在实施例中，相位调整单元162、164分别接收延迟补偿响应信号159、161。相位调整单元162、164提供相位调整响应信号163、165。
根据另一实施例，信号处理链、例如第一信号处理链136包括陷波滤波器166，其用于滤出对应于风力涡轮机设备或其一部分的机械振荡和/或谐振频率的频率。例如，在实施例中，为了防止不稳定性和避免机械谐振，通过陷波滤波器（带阻）滤出第一信号处理链中的信号，例如相位调整响应信号163，所述陷波滤波器（带阻）去除以下各项中的一个或多个：较高谐波频率1p、3p；驱动链模式；塔架模式；边缘和副翼模式等。结果，陷波滤波器166提供陷波滤波的信号167。
在将来自信号处理链的已处理振荡指示信号提供给风力涡轮机设备的控制机构之前，通过限制单元168、170、例如通过饱和和速率限制器块来馈送相应的已处理振荡指示信号（在第一信号处理链的情况下陷波滤波的信号167且在第二信号处理链的情况下相位调整响应信号165），以确保处理振荡指示信号在预定界限内。
例如，根据实施例，由限制单元168将ΔP信号134保持在其设计界限内。例如，在实施例中，根据风力涡轮机设备的约束、例如通过饱和和速率限制器来调节ΔP信号，并且这些被设计成避免ΔP信号遵循输出限制。避免输出钳位（clipping）的一个方法是用动态增益减少控制来补充饱和。
经调节ΔP信号134被添加到功率控制器中的功率基准，在功率控制器中，其将被发送到电力网侧转换器（例如逆变器）116以生成所需转矩电流Iq。
ΔQ信号将以与ΔP输入信号（图3）相同的方式被滤波，但是由于机械影响的缺少，其将不会被任何陷波滤波器滤波。由转换器116来处理ΔQ信号的控制。
一般地，风力涡轮机生成与可用风相对应的最大量的有功功率，并且不会被操作以使得能够提取附加有功功率。用根据本文公开主题的实施例的POD控制器120，有可能通过改变机械系统的旋转速度来提取或消耗能量。这意味着当POD控制器120向风力涡轮机功率控制器发送正ΔP信号时，从发电机吸取附加有功功率，导致旋转速度的暂时下降。当功率控制器从POD控制器接收到负ΔP信号时，驱动链的旋转速度将相应地增加。这要求由控制机构来改变机械系统的旋转速度基准，以便从控制动作提取或沉积能量。
图3更详细地示出了图2的滤波器和限制单元140。
如图3中所示，振荡指示信号128被馈送给放大器172以用于振荡指示信号128的放大。根据实施例，放大器是信号处理链136、138中的第一部件，并且因此可以提供POD控制器120的输入端130。
根据实施例，信号处理链136、138包含被配置成用于仅使在预定频率范围内的信号通过的滤波器。在图3中所示的实施例中，由用以去除DC和非常低的频率的摒弃级174（高通滤波级）和低通级176来实现此滤波器，例如具有约3—5赫兹的截止频率。根据实施例，将低通级176刚好放置在摒弃级174后面，从摒弃级174接收部分滤波的信号178。引入了滤波器174、176以确保只有相关模式、即在预定频率范围内的信号180通过POD控制器120，同时使较高频率衰减。信号处理链136、138还包括超前/滞后级182，其补偿信号的相位，从而保证电网中的功率振荡的阻尼。根据WT的约束来调节超前/滞后级输出184，例如通过一般地在图3中的186处指示的至少一个饱和限制器和/或至少一个速率限制器。这些限制器186被设计成避免限制单元140的输出144遵循输出限制。避免输出钳位的一个方法是用动态增益减少控制来补充饱和。然而，还可以应用其他方法。
根据实施例，信号处理链136、138的一部分位于风场100中的不同位置中。例如，在实施例中，信号处理链136、138的一部分位于中央控制器中，例如在图1中所示的场控制器124中。信号处理链136、138的其他部分（或部件）可以位于发电设备（图中所示的实施例中的风力涡轮机设备）中。例如，相位调整单元162、164或陷波滤波器166（参见图2）可以位于风力涡轮机设备中。例如，在实施例中，信号处理链136、138的公用链部分140位于中央控制器中。在另一实施例中，当沿着信号传播方向看时，一直到相位调整单元162、164的信号处理链（即图2中的单元140、146、158、160）位于中央控制器中。
在另一实施例中（例如在图1中示出），整个信号处理链136、138位于风力涡轮机设备中。
因此，上述实施例特别地包括以下度量：
1）输入信号（测量结果）与POD控制器之间的通信和相互作用。这可以在电力网中或者本地地在涡轮机上概述。
2）在保证稳定性和限制风力涡轮机设备部件上的机械应力的同时处理风力涡轮机设备控制器中的POD信号的方式。
3）通过除实际产物之外还让风力涡轮机注入振荡功率来对电力网中的区域间振荡进行阻尼，即使当实际产物是额定功率时。
当电力系统被从其稳态干扰时，来自有功功率调制的阻尼转矩的输送仅仅与有功功率的输送相关联；在稳态下，由于阻尼控制器，不输送附加有功功率。很明显，用以实现这一点的简单方式是以缩减的功率产生来操作风场，并且从而具有可用于控制器的预定量的有功功率。与化石发电站相比，风力的优点是燃料是自由的，并且自然地，期望输送最大可用功率以便最好地使用自然资源。因此，目标是使由于阻尼转矩的输送而由缩减的操作引起的任何损失生产最小化。响应的振荡性质此外意味着已调制有功功率中的净能量将是低的，或者甚至是负的。因此，提出的控制器利用存储在作为储存器的机械系统中的旋转能，从所述储存器可以交换阻尼功率。当需要正有功功率时，从旋转系统吸取能量，同时在其中注入负阻尼功率的半周期中增加机械系统的旋转速度，如图4和5中所示。
图4示出了根据本文公开主题的实施例的用于风力涡轮机设备的典型阻尼操作的每单位（pu）的有功功率ΔPd。如可以看到的，有功功率的阻尼振荡具有每单位约0.1的振幅，即风力涡轮机设备的额定有功功率的约10%。如在图4中还可以看到的，振幅随时间推移而减小，意味着电网中的功率振荡减小，并且因此用于对功率振荡进行阻尼的电输出功率的调制在振幅方面也减小。
图5示出了每单位(pu)×10-3的风力涡轮机设备102（见图1）的转子104的旋转速度Δωr。如可以看到的，根据实施例，旋转速度处于额定速度且偏差为0。在发起电输出功率的调制时，减小风力涡轮机设备的转子104（参见图1）的旋转速度，以便允许将在两个旋转状态之间的附加功率馈送到转换器116（参见图1），并且因此被输出以便提供图4中所示的有功功率调制。根据图4中的有功功率调制的减小的振幅ΔPd，旋转速度差的振幅也随时间而减小，如图5中所示。此外，实际旋转速度与额定旋转速度之间的旋转速度的差趋向于随时间而消失，达到与电网中的功率振荡消失的相同程度。在实施例中，由风力涡轮机控制来控制实际旋转速度。图5中的速度偏差将减小至稳态值，其表示从转子提取的能量的净量。并且，用控制来去除与标称速度的此稳态偏差。
此控制的优点是可以将风场设置成输送最大功率输出，同时仍能够对阻尼功率有所贡献。
在另一实施方式中，将POD控制器放置在各个风力涡轮机设备处，并且在这里在本地计算对基准信号的调制。用此设置，到POD控制器的输入可以在风力涡轮机设备本地，从风场级发射，或者经由高速通信从外部源输送。POD的功能与其被放置在风场中心上时相同。另一特征是将POD控制与涡轮机负载控制（例如TLC3）组合。用涡轮机负载控制，相对于其寿命增加或减小风力涡轮机上的负载。根据寿命消耗速率，控制风力涡轮机以实现设计寿命。
根据实施例，POD控制器被配置成用于接收负载控制信号并根据负载控制信号来调整用于振荡阻尼控制信号的振幅的界限。例如，如果存在用于较大振幅的寿命，则可以允许较大振幅。在实施例中，负载控制信号被信号处理链中的限制器、例如被图2中的限制器168、170和/或图3中的限制器186考虑在内。
根据本发明的实施例，以处理器设备的形式来提供风力涡轮机设备或风场的任何适当部件，例如POD控制器120或功率控制器123，所述处理器设备具有在其上面运行的相应计算机程序产品，该计算机程序产品使得处理器设备能够提供如本文公开的相应元件的功能。应理解的是根据实际实施方式，可以向信号处理链添加其他元件，例如模数转换器和/或数模转换器。根据其他实施例，可以用硬件来提供风力涡轮机设备或风场的任何控制或信号处理部件，例如POD控制器120或功率控制器123。根据其他混合实施例，可以用软件来提供某些部件，同时用硬件提供其他部件。此外，应注意的是可以针对本文公开的每个功能提供单独部件（例如，部件、模块、处理器设备）。根据其他实施例，至少一个部件（例如，部件、模块、处理器设备）被配置成用于提供如本文公开的两个或更多功能。
应注意的是术语“包括”不排除其他元件或步骤且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。并且，可以将与不同实施例相关联地描述的元件组合。还应注意的是不应将权利要求中的参考标号理解为限制权利要求的范围。
为了概括本发明的上述实施例中的某些，任何人可以陈述：
提供了用于诸如风力涡轮机设备的发电设备的功率振荡阻尼（POD）控制器（120）。POD控制器（120）接收指示电网中的功率振荡的振荡指示信号（128），并且通过在信号处理链（136、138）中处理振荡阻尼控制信号（128），响应于振荡指示信号（128）而提供振荡阻尼控制信号（134、135）。信号处理链（136、138）包括被配置成仅使在预定频率范围内的信号通过的滤波器（140）。

Claims (12)

1.一种用于发电场的发电设备（102）的控制器（120），其中所述发电场具有公共耦合点，通过所述公共耦合点，所述发电场的发电设备被耦合到电网（112），该控制器（120）包括：
输入端（130），其用于接收指示电网（112）中的功率振荡的振荡指示信号（128）；
输出端（132、133），其用于响应于振荡指示信号（128）而提供振荡阻尼控制信号（134、135）；
在输入端（130）与输出端（132、133）之间的信号处理链（136、138）；
所述信号处理链（136、138）包括被配置成仅使在预定频率范围内的信号（180）通过的滤波器（140、174、176）；
其中所述信号处理链（136、138）还包括：
相位调整单元（162、164），其被配置成提供振荡指示信号（128）与振荡阻尼控制信号（134、135）之间的相位差，由所述相位调整单元（162、164）提供的相位差取决于发电设备（102）与所述公共耦合点的距离。
2.如权利要求1所述的控制器，所述信号处理链（136、138）还包括：
相移单元（182），其用于提供振荡指示信号（128）和振荡阻尼控制信号（134、135）之间的相位差。
3.如前述权利要求中的一项所述的控制器，所述信号处理链（136、138）还包括：
限制单元（168、170、186），其被配置成用于将振荡阻尼控制信号（134、135）保持在预定界限内。
4.如权利要求1或2中的一项所述的控制器，所述信号处理链（136、138）还包括：
延迟补偿单元（158、160），其用于补偿接收到所述振荡指示信号（128）的延迟。
5.如权利要求1或2中的一项所述的控制器，其中所述发电设备是风力涡轮机设备，所述信号处理链（136、138）还包括用于滤出激励风力涡轮机设备中的机械谐振频率的频率的陷波滤波器（166）。
6.如权利要求1或2中的一项所述的控制器，还包括：
作为第一信号处理链（136）的信号处理链；
作为第一输出端（132）的输出端；
所述振荡阻尼控制信号是被配置成用于控制由发电设备（102）提供的有功功率的第一振荡阻尼控制信号（134）；
第二输出端（133）；
在输入端（130）与第二输出端（133）之间的第二信号处理链（138）；
第二信号处理链（138）被配置成用于提供用于控制由发电设备（102）提供的无功功率的第二振荡阻尼控制信号（135）。
7.如权利要求6所述的控制器，还包括：
加权单元（146）；
所述加权单元（146）被配置成用于响应于加权信号（144）来设置第一振荡阻尼控制信号（134）的量值和/或第二振荡阻尼控制信号（135）的量值。
8.一种用于控制发电设备（102）的控制系统（118），该控制系统（118）包括：
如前述权利要求中的一项所述的控制器（120）；以及
系统输出端（121），其用于提供用于发电设备（102）的控制信号（129）。
9.如权利要求8所述的控制系统，还包括：
另外的控制器（122），其用于提供另外的控制信号（127a、127b、127c）；以及
加和单元（131），其用于将阻尼控制信号（134）与另外的控制信号（127a、127b、127c）相加。
10.发电场（100、200），包括：
至少一个发电设备（102）；
根据权利要求1至7中的一项所述的至少一个控制器（120）或根据权利要求8或9中的一项所述的控制系统（118）。
11.操作用于发电场的发电设备（102）的控制器（120）的方法，其中所述发电场具有公共耦合点，通过所述公共耦合点，所述发电场的发电设备被耦合到电网（112），该方法包括：
接收指示电网（112）中的功率振荡的振荡指示信号（128）；
使所述振荡指示信号（128）通过信号处理链（136、138），从而响应于振荡指示信号（128）而提供振荡阻尼控制信号（134、135）；
其中，使所述振荡指示信号（128）通过信号处理链（136、138）包括仅使在预定频率范围内的信号（180）通过；
其中所述方法还包括：
提供振荡指示信号（128）与振荡阻尼控制信号（134、135）之间的相位差，所述相位差取决于发电设备（102）与所述公共耦合点的距离。
12.操作发电设备（102）的控制系统（118）的方法，该方法包括：
执行根据权利要求11所述的方法；
提供用于发电设备（102）的控制信号（129），该控制信号（129）取决于振荡阻尼控制信号（134、135）。
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