CN103119818B - 通过基于转换器的发电设备的功率振荡阻尼 - Google Patents

通过基于转换器的发电设备的功率振荡阻尼 Download PDF

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Abstract

提供了一种包括用于向电网（128）提供电输出功率（150）的功率输出端（108）的发电场（100）。一种发电设备（102a、... 102n）包括被配置成用于从发电机（104）接收输入功率（142）并响应于此而向功率输出端（112）提供电输出功率（150）的转换器设备（106）。发电场（100）还包括控制器（122），其被配置成用于接收指示电网（108）中的功率振荡的振荡指示信号（126），该控制器（122）还被配置成用于响应于振荡指示信号（126）而提供阻尼控制信号（132）；该转换器设备（106）被配置成用于响应于阻尼控制信号（132）对电输出功率（150）进行调制，从而对电网（128）中的功率振荡进行阻尼。

Description

通过基于转换器的发电设备的功率振荡阻尼
技术领域
本发明涉及基于转换器的发电设备、即包括转换器的发电设备的领域。特别地，本发明涉及风力涡轮机设备的领域。
背景技术
功率振荡通常在大型互连电力系统中发生，其中，两个或更多区域通过相对弱的交流电（AC）传输线被互连。这些功率振荡也称为区域间振荡。振荡是稳定还是不稳定的是系统性质。因此，确定所需的阻尼水平并不是发起振荡的偶然性。相反，所需的阻尼水平取决于电力系统的状态，即操作条件、控制器调谐、传输线、使用中的发电机等。
如果电力系统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各区域之间来回流动。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失去电力的级联效应。
在已知电网中，大多数所需阻尼转矩是由装配有电力系统稳定器（PSS）的同步机输送的。如从实践已知的，此类稳定控制器是在构造新发电站时安装的。还可以针对现有发电场对PSS进行改装。已知PSS的基本概念是向激励器的电压基准添加辅助信号，并且从而调制同步机的激励电压以对功率振荡进行阻尼。
鉴于上述情况，需要一种使得能够对电网中的功率振荡进行阻尼的改进技术。
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，提供了一种发电设备，该发电设备包括：发电机；转换器设备，其具有用于向电网提供电输出功率的功率输出端；所述转换器设备被配置成用于从发电机接收输入功率并响应于此而在功率输出端处提供电输出功率；所述转换器设备被配置成用于响应于阻尼控制信号而调制电输出功率，从而对电网中的功率振荡进行阻尼。
此方面是基于这样的思想，即通过修改基于转换器的发电设备以用于电网中的功率振荡的阻尼，可以实现关于电网中的功率振荡的增强阻尼特性。基于转换器的发电设备具有优点，即能够独立地控制有功和无功功率，并且根据实施例，根据本文公开的主题中的控制器因此可以使用有功功率的控制和无功功率的控制两者以获得更好的阻尼性能。一般地，有功功率是由风力涡轮机机械系统的旋转能量提供的，该旋转能量又是由作用在风力涡轮机的叶片上的风力提供的。
如本文所使用的转换器设备是用于将电输入功率转换成电输出功率的设备。例如，在实施例中，将转换器配置成用于改变电输入功率的电特性，从而生成电输出功率。在实施例中，将转换器配置成用于将电直流电（DC）功率转换成电交流电（AC）功率。
根据实施例，“转换器设备被配置成用于响应于阻尼控制信号而调制电输出功率”意指将转换器设备配置成用于以已调制形式提供电输出功率，其中，该调制取决于阻尼控制信号。
根据实施例，该阻尼控制信号包括用于控制电输出功率的有功分量的有功分量控制信号。因此，在实施例中，转换器设备被配置成用于控制电输出功率的有功分量。根据实施例，电输出功率的有功分量是电输出功率的有功功率。根据另一实施例，有功分量是电输出功率的有功电流。
根据另一实施例，该阻尼控制信号包括用于控制电输出功率的无功分量的无功分量控制信号。因此，在实施例中，将转换器设备配置成用于控制电输出功率的无功分量。根据实施例，电输出功率的无功分量是电输出功率的无功功率。根据另一实施例，无功分量是电输出功率的无功电流。
如在前述段落中示例性地指示的，一般地，在本文中，可以用对相应有功电流的参考来替换对有功功率的任何参考，从而导致相应修改的实施例。同样地，一般地，在本文中，可以用对相应无功电流的参考来替换对无功功率的任何参考，从而导致相应修改的实施例。
在实施例中，将控制器配置成用于提供用于控制电功率的有功分量的控制信号以及用于控制电功率的无功分量的控制信号两者。因此，可以将转换器设备配置成用于控制有功和无功功率两者。
根据实施例，所述发电设备包括控制器，其被配置成用于接收指示电网中的功率振荡的振荡指示信号，该控制器还被配置成用于响应于振荡指示信号而提供阻尼控制信号。根据其他实施例，控制器不是发电设备的一部分。
根据本文公开主题的实施例，所述控制器包括：用于控制电输出功率的有功分量的第一子控制器和用于控制电输出功率的无功分量的第二子控制器。两个并行控制器具有能够单独地执行对有功分量和无功分量的控制的优点，所述两个并行控制器中的一个是为了控制电输出功率的有功分量而提供的，并且另一个是为了控制电输出功率的无功分量而提供的。然而，应理解的是只有在发电设备的部件的各种界限内，任何控制才是可能的。
然而，根据本文公开主题的实施例的某些发电设备用例如风或太阳能的免费能源进行操作。至少在这种情况下，优选地操作发电设备，从而输送最大可用功率。换言之，至少在这种情况下，可能期望使由用于对电网中的功率振荡进行阻尼的阻尼功率的输送而引起的任何损失的功率产生最小化。
根据实施例，将控制器配置成用于响应于振荡指示信号而减小将由转换器提供的有功功率的基准值。有功功率的减小的基准值提供在不超过发电机的额定有功功率的情况下对电输出功率进行调制的可能性。例如，如果发电机是旋转机器，诸如其中响应于振荡指示信号而减小有功功率的基准值的实施例，不需要改变旋转机器的速度控制。
在本文公开主题的实施例中，发电设备包括旋转机器，该旋转机器具有旋转元件；并且转换器设备被配置成用于响应于阻尼控制信号而调制电输出功率，从而改变旋转元件的旋转能量。例如，在实施例中，使用旋转元件的旋转作为储存器，可以从该储存器吸取功率且可以向其提供功率。在另一实施例中，将控制器配置成用于提供阻尼控制信号，其被配置从而通过改变旋转机器的旋转元件的旋转能量来驱动转换器设备在电网与旋转机器之间交换功率。
根据另一实施例，所述控制器包括用于接收振荡指示信号的输入端。此外，可以提供传感器，该传感器被配置成用于感测电网中的功率振荡并响应于此而提供振荡指示信号。根据实施例，该振荡指示信号可以是在发电设备处本地地产生的或在包括两个或更多个发电设备的发电场的区域中产生的本地信号。在此类实施例中，振荡传感器本地地位于发电设备处或发电场的区域中。根据另一实施例，振荡指示信号是从发电设备外面或从发电场外面接收到的外部信号。例如，在实施例中，振荡传感器位于电网（诸如外部电力网）中以便提供外部振荡指示信号。根据另一实施例，提供了两个或更多振荡传感器，其可以交替地或同时地连接到控制器。根据实施例，振荡传感器提供原始输入信号，其另外例如被至少一个适当滤波器调节，以从而提供振荡指示信号。此类（多个）滤波器可以位于发电设备中或控制器中。根据其他实施例，此类（多个）滤波器位于发电设备外部或发电场外部。
根据实施例，所述发电设备是风力涡轮机设备。例如，在实施例中，所述风力涡轮机设备包括电旋转机器形式的发电机。
根据实施例，提供了一种操作具有转换器的发电设备的方法，该方法包括从发电机接收输入功率并响应于此而向电网提供电输出功率；接收指示电网中的功率振荡的振荡指示信号；并且根据振荡指示信号借助于转换器选择性地对电输出功率的有功分量和无功分量中的至少一个进行调制，从而对电网中的功率振荡进行阻尼。
根据本文公开主题的第二方面，提供了一种发电场，该发电场具有至少两个发电设备。根据实施例，根据第一方面或其示例或实施例来配置发电场的至少一个发电设备。
根据实施例，所述发电场还包括：控制器，其被配置成接收指示电网中的功率振荡的振荡指示信号，所述控制器还被配置成用于响应于振荡指示信号而提供阻尼控制信号。因此，与关于第一方面所述的实施例形成对比，其中控制器是发电设备的一部分，在发电场的上述实施例中，控制器是发电场的一部分。然而，可以根据本文所述的任何实施例来配置控制器。此外，根据实施例，将控制器配置成用于向单个发电设备或者在另一实施例中向两个或更多发电设备提供阻尼控制信号。
根据本文公开主题的第三方面，提供了一种用于发电设备的控制器，该控制器包括：用于接收指示电网中的功率振荡的振荡指示信号的输入端；用于响应于振荡指示信号而向转换器设备提供阻尼控制信号的输出端；该阻尼控制信号被配置成使得驱动转换器设备以对发电设备的电输出功率进行调制并从而对功率振荡和电网进行阻尼。根据第三方面的实施例，如关于第一方面或其示例所述地配置控制器。
根据实施例，使控制器与单个发电设备相关联。根据另一实施例，使控制器与至少两个发电设备相关联。在两个实施例、第一和第二实施例中，控制器可以是发电场的一部分。此外，控制器还可以是发电设备的一部分，在两个实施例中也一样。
根据第四方面，提供了一种操作被配置成用于向电网提供电输出功率的转换器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；响应于该振荡指示信号而向转换器设备提供阻尼控制信号；该阻尼控制信号被配置成使得驱动转换器设备以对转换器设备的电输出功率进行调制并从而对电网中的功率振荡进行阻尼。
根据实施例，该方法还包括响应于振荡指示信号而减小将由转换器提供的有功功率的基准值。
根据另一实施例，提供阻尼控制信号，从而通过改变旋转机器的旋转元件的旋转能量来驱动转换器设备在电网与发电设备的旋转机器之间交换功率。
根据第四方面的其他实施例，执行如关于第一方面公开的功能。然而，应理解的是根据第四方面的实施例，此类功能不限于与相对于第一方面已公开的功能相结合的设备特征。
根据本公开主题的第五方面，提供了一种用于处理物理对象、即振荡指示信号的计算机程序，该计算机程序在被数据处理器设备执行时适合于控制根据第四方面或其实施例或示例的方法。
根据说明性实施例，所述发电设备是风力设备。下面，描述了相对于风力系统的示例性方面和实施例。应注意的是虽然对风力系统或风力涡轮机设备进行参考，但相应功能和设备特征也可应用于其他发电设备。
根据本文公开主题的方面，提供了一种风力设备，该风力设备被布置成用于电网中的功率振荡的阻尼，该风力设备包括：风力涡轮机发电机，其可操作用于至少部分地经由转换器将源自于风力的电输出功率供应到电力网；测量设备，其被配置成用于功率振荡的测量，例如连续测量，其中，所述功率振荡是连接到电力网的两个或更多发电同步机之间的功率交换的结果；以及控制器，其在后文中称为阻尼控制器，其被连接到测量设备并布置成对风力涡轮机发电机的输出功率进行调制（例如，根据实施例，有功和/或无功功率），其中，响应于所测量的电力系统振荡而调制输出功率以便对功率振荡进行阻尼。根据实施例，将控制器集成到转换器中。根据另一实施例，所述风力涡轮机场包括多个风力涡轮机设备，例如被布置在风场（有时也称为风力场）中，其中，阻尼控制器被布置成计算辅助阻尼信号并将辅助阻尼信号发射到各个风力涡轮机设备中的每一个的个体设备控制器；并且其中，控制器被布置成响应于辅助阻尼信号而控制风力涡轮机发电机的输出功率。
根据实施例，所述阻尼控制器被配置成用于增加和/或减小风力涡轮机发电机的旋转速度以便利用存储在机械系统中的旋转能量对电力系统振荡进行阻尼。
根据另一实施例，阻尼控制器包括两个并行控制器，其中的第一控制器被配置成计算有功功率调制信号且第二控制器被配置成计算无功功率调制信号以用于有功和无功功率的独立和并行阻尼控制。
根据另一实施例，测量设备是旋转传感器（例如RPM传感器）、电流检测器、电压检测器、频率检测器、有功功率检测器、无功功率检测器等中的一个。
根据另一实施例，风场包括位于电网（例如电力网）中的多个测量设备。
根据另一实施例，测量设备接近于各发电同步机中的一个定位和/或在风场的公共连接点处定位。
根据另一实施例，测量设备和阻尼控制器被相互连接，例如通过高速通信链路。
根据另一实施例，风力涡轮机是可变速风力涡轮机，其包括经由转换器连接到电网的同步或异步发电机。根据实施例，转换器是全标度转换器。全标度转换器设置不要求同步发电机。
根据另一实施例，风力涡轮机设备是可变速风力涡轮机设备，其包括经由部分转换器解决方案连接到电网的双馈感应发电机（DFIG）。例如，在实施例中，双馈感应发电机的输出功率的第一部分被直接提供给电网，并且双馈感应发电机的输出功率的第二部分被经由转换器提供给电网。这允许使用双馈感应发电机，同时仍允许实现本文公开主题的方面和实施例和示例。
根据实施例，一种对包括至少一个风力涡轮机设备的电力系统中的功率振荡进行阻尼的方法包括：确定电力系统中的功率振荡；以电力系统中的功率振荡被主动阻尼的这种方式根据电网中的所确定的功率振荡（即在一个实施例中根据振荡指示信号）来控制和/或改变至少一个风力涡轮机设备的输出功率。
根据实施例，一种用于对功率振荡进行阻尼的方法包括：通过使用滤波、相位补偿、缩放的操作中的至少一个基于电网中的所确定的功率振荡来计算辅助阻尼信号。根据另一实施例，用于对功率振荡进行阻尼的方法包括向基准信号添加辅助阻尼信号，该基准信号被风力涡轮机设备的控制器使用以便控制风力涡轮机设备的输出功率。
根据另一实施例，基准信号是转子速度基准、发电机速度基准、功率基准、电压基准、电流基准、有功功率基准、无功功率基准、转矩基准中的一个。
根据实施例，所述控制器被配置成用于在风力涡轮机设备的空载条件下对功率振荡进行阻尼。根据实施例，用于对功率振荡进行阻尼的方法包括：确定电力系统中的功率振荡；以及根据所确定的功率振荡使用转换器（在一个实施例中例如电力网逆变器）来控制和调制风力涡轮机设备的无功输出功率，使得当风力涡轮机设备不会产生有功功率和向电网输送有功功率时，主动地对功率振荡进行阻尼。
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执行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的功能。计算机程序可以可从网络（诸如万维网）获得，所述计算机程序可以从该网络下载。
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、发电场、发电设备的控制器、操作发电设备的方法、风力设备和对功率振荡进行阻尼的方法。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的特征的任何组合。特别地，已参考设备类型权利要求描述了某些实施例，而且已参考方法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，除属于一个方面的特征的任何组合之外，还将关于不同方面或实施例的特征之间、例如甚至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。
根据下面将描述的示例，本发明的上文定义的方面和实施例及其他方面和实施例是显而易见的，并参考附图来解释，但本发明不限于此。
附图说明
图1示出了根据本文公开主题的实施例的发电场100。
图2示出了根据本文公开主题的实施例的发电设备。
图3示出了根据本文公开主题的实施例的另一风场200。
图4更详细地示出了图1和图2的控制器122。
图5更详细地示出了图4的子控制器162。
图6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阻尼操作的每单位（pu）有功功率ΔPd。
图7示出了用于图6中所示的阻尼操作的每单位（pu）×10-3发电机的旋转元件的旋转速度Δωr。
图8示出了实施例，其中，由于由风力涡轮机设备提供的电输出功率的调制，风力涡轮机设备的机械系统的旋转速度未改变。
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或附加字符内与相应参考标号不同的参考标号。
图1示出了根据本文公开主题的实施例的发电场100。
发电场100包括至少两个、例如n个发电设备102a、102b、102c...102n。发电设备102a—102n中的至少一个是根据本文公开主题的实施例配置的。例如，在实施例中，所有发电设备102a—102n都是根据本文公开主题的实施例配置的。
根据实施例，图1中的发电场100是风场，并且发电设备102a—102n是风力涡轮机设备。每个风力涡轮机设备102a—102n包括发电机104，其从风力涡轮机叶片（图1中未示出）接收机械能并响应于所接收到的机械能而产生电能。电能然后被作为输入功率馈送至转换器设备106。为此，可以将发电机104电耦合到转换器设备106。转换器设备106响应于从发电机104接收到的输入功率而提供将被提供给风场100的功率输出108的电输出功率150。电输出功率150被风力涡轮机设备102a—102n的设备变压器114变换。在实施例中，转换器设备106被经由耦合路径110电耦合到风场100的功率输出端108。根据实施例，风场的功率输出端108是风场的公共连接点。根据另一实施例，在输出功率被馈送到功率输出端108之前改变由转换器设备106提供的输出功率150的电气特性。例如，根据实施例，在将转换器设备106的输出端112耦合到功率输出端108的电耦合路径110中，提供一个或多个变压器。例如，根据图1中所示的实施例，设备变压器114被电耦合在转换器设备106的输出端112与汇流排116之间，该汇流排116又被耦合到场变压器118。场变压器被耦合到风场100的功率输出端108。作为汇流排116的替代，可以使用任何其他适当的功率连接布置。根据实施例，设备变压器114是风力涡轮机设备的一部分。在其他实施例中，设备变压器与风力涡轮机设备分离。
应提到的是在电耦合路径中可以包括其他元件，并且术语“电耦合”不排除耦合实体之间的中间实体。例如，在实施例中，电耦合路径110包括断路器（未示出）。
根据实施例，由一般地在图1中的120处指示的接口来实现转换器设备106与汇流排116之间的电耦合。根据实施例，接口120是电线。
根据实施例，风场100包括控制器122，控制器122具有用于接收指示电网（例如外部电力网128）中的功率振荡的振荡指示信号126的输入端124。控制器还包括用于向风场中的转换器设备106中的至少一个、例如向如图1中所示的风场的所有转换器设备提供阻尼控制信号132的输出端130。阻尼控制信号132是响应于振荡指示信号126而提供的。此外，阻尼控制信号132被配置成使得驱动转换器设备106以对发电设备的电输出功率进行调制并从而对电网128中的功率振荡进行阻尼。转换器设备106被配置成响应于阻尼控制信号132对电输出功率进行调制，从而对电网128中的功率振荡进行阻尼。
根据实施例，提供了测量设备134，该测量设备134被配置成用于提供振荡指示信号126或其前兆信号。
在图1中，将同一阻尼控制信号提供给风力涡轮机设备中的每一个。根据图1中未示出的其他实施例，控制器122向每个风力涡轮机设备提供单独阻尼控制信号。
图2示出了根据本文公开主题的实施例的发电设备102。特别地，图2更详细地示出了图1的风力涡轮机设备102a的一部分。应理解的是在实施例中，其他风力涡轮机设备102b—102n中的一个或多个与风力涡轮机设备102a类似或相同地被配置。
风力涡轮机设备102a包括转子136，其被机械地耦合或可耦合到发电机104，例如，借助于轴138或齿轮单元（未示出）。根据实施例，发电设备104包括具有旋转元件140的旋转机器、例如由具有旋转元件140的旋转机器组成。轴138被耦合或可耦合到旋转元件140以便使旋转元件140旋转，并从而允许发电设备104在其输出端144处产生电功率142。根据实施例，转换器设备106具有用于从发电机104接收电功率142的输入端146。此外，转换器设备106包括用于提供电输出功率150的输出端112。
根据实施例，转换器设备106包括设备控制器152，其接收阻尼控制信号132并响应于此来控制转换器设备106的元件，例如半导体元件。根据实施例，还针对发电机104的控制来配置设备控制器152。虽然设备控制器152被示为包括在图2中的转换器设备106中，但应注意的是这仅仅是示例性的，并且在其他实施例中，设备控制器152是单独控制器，同时仍提供如本文公开的功能。因此，无论设备控制器152在空间上位于哪里，可以将其视为在功能上被包括在转换器设备106中和/或与转换器设备106相关联。然而，这不排除设备控制器152控制风力涡轮机设备的其他元件。相反，在实施例中，设备控制器152还控制旋转元件140的速度基准，如稍后相对于图6和图7所述的。
根据图1中所示的实施例，控制器122（其还可以称为阻尼控制器）是风场的一部分，并且为风场的至少一个风力涡轮机提供阻尼控制信号。
在另一实施例中，阻尼控制器122被包括在单个风力涡轮机设备中。例如，在实施例中，阻尼控制器122的功能被包括在设备控制器152中。
图3示出了根据本文公开主题的实施例的风场200。
风场200类似于图1的风场100，除了振荡指示信号126是从电网128接收到的外部振荡指示信号之外。风场200的其他部件是与图1中的风场100的相应部件类似或相同地配置的，并且省略了其重复描述。
根据另一实施例（未示出），提供了两个或更多测量设备（被配置为例如测量设备134）。在实施例中，提供了用于将测量设备134中的一个选择性地切换到控制器122的输入端124的开关。根据实施例，至少一个测量设备位于风场中，如图1中所示，而至少一个其他测量设备位于电网128中。
图4更详细地示出了图1和图2的控制器122。
根据实施例，控制器122包括用于接收振荡指示信号126的输入端124。振荡指示信号被提供给输入调节单元154，其具有用于接收振荡指示信号126的输入端156和用于提供已调节振荡指示信号158的输出端157。根据实施例，输入调节单元154包括用于在控制器122的输出端130处、例如向控制器122的标志端子161提供振荡标志160的标志输出端159。根据实施例，振荡标志160被提供以便向发电设备102a、102b、102c、…、102n指示在电网中是否存在功率振荡。
根据实施例，控制器122包括第一子控制器162和第二子控制器164，其中，第一子控制器162被配置成用于控制电输出功率的有功分量，并且第二子控制器164被配置成用于控制电输出功率的无功分量。根据实施例，第一子控制器162包括用于有功功率的稳定化的滤波器和/或限制器。根据另一实施例，第二子控制器164包括用于无功功率的稳定化的滤波器和/或限制器。
根据阻尼设备的物理位置，即在临界振荡方面的电位置，可以用有功和无功功率调制的组合来获得最佳阻尼性能。风场具有有功和无功功率的独立控制的优点，并且风场上的振荡阻尼控制器因此可以将两者用于获得更好的阻尼性能。根据实施例，使用总控制器122来对有功和无功功率调制之间的稳定化动作进行加权。控制器122可以在风场级上或风力涡轮机级上。如果控制器122在风场级上，则其向风力涡轮机分配用于有功和无功功率的基准信号，如图1和图3中所示。在风力涡轮机级上，控制器仅向与控制器相关联的风力涡轮机设备提供用于有功和无功功率的基准信号。
根据本文公开主题的实施例，由第一子控制器162和第二子控制器164施加的限制是固定地预定义的。根据另一实施例，基于风力涡轮机的操作来动态地计算限制。根据其他实施例，限制是可变的，并且可以例如由限制单元166来设置。根据实施例，限制单元166向第一子控制器162提供至少一个第一限制167并向第二子控制器164提供至少一个第二限制168。
应理解的是所示的第一限制167和第二限制168仅仅是示例性的，并且可以由限制单元166针对每个子控制器162、164来设置两个或更多限制。
响应于至少一个限制167和已调节振荡指示信号158，第一子控制器提供指示用于电输出功率的调制的设定点的第一响应信号170，该调制适合于对由电网128中的振荡指示信号126指示的功率振荡进行阻尼。根据图4中所示的实施例，第一响应信号170提供用于有功功率的调制设定点。同样地，由第二子控制器164来提供指示用于无功功率的调制设定点的相应第二响应信号171。
在实施例中，第一和第二子控制器162、164的响应信号170、171对应于阻尼控制信号132（或被包括在其中）。在其他实施例中，由第一子控制器162和第二子控制器164产生的响应信号170、171被进一步处理以获得阻尼控制信号132。在这方面，应提到的是一般地，在本文中，阻尼控制信号132不一定是单个信号，而是在实施例中可以包括在并行地提供的两个或更多信号中。
根据实施例，子控制器162、164的响应信号170和171被加权单元172接收到，其对有功功率响应信号170和无功功率响应信号171中的每一个执行加权功能。加权功能的结果是用于有功功率（P）的已加权响应信号174和用于无功功率（Q）的已加权响应信号175。例如，在实施例中，用于有功功率P的加权功能将用于无功功率Q的响应信号171考虑在内。同样地，在相应的实施例中，用于有功功率Q的加权功能将有功功率P的响应信号170考虑在内。加权功能是在不修改控制环路162、164的情况下在有功和无功阻尼功率之间转换的方便方式。还关于总阻尼贡献（P和Q两者）完成此操作，其涉及转换器中的总电流。
因此，如果阻尼功率的产生导致最大容许电流，则加权功能（加权单元172）允许选择有功和无功功率之间的加权。
根据实施例，分别用于有功功率P和无功功率Q的加权响应函数174、175被用作阻尼控制信号132。根据另一实施例，有功和无功功率P、Q的已加权响应信号174、175被进一步修改以产生阻尼控制信号132。例如，在实施例中，提供了监视控制单元176，其提供关于有功功率P和无功功率Q的其他控制信号。可以将该其他控制信号与第一和第二子控制器162、164的响应信号170、171或与相应的已修改响应信号174、175合并。例如，在实施例中，提供了第一加和点177，其接收用于有功功率P的已修改响应信号174和用于有功功率P的另一控制信号178作为输入，所述另一控制信号178是由监视控制单元176提供的。响应于接收到的输入信号174、178，第一加和点177提供用于有功功率P的阻尼控制信号132a。因此，监视控制单元176提供用于无功功率Q的另一控制信号179。提供了用于接收用于无功功率的另一控制信号179以及用于无功功率的已修改响应信号175的第二加和点180，并且响应于此而提供用于无功功率Q的阻尼控制信号132b。可以在相应的端子181a、181b、161处提供阻尼控制信号132a、132b以及振荡标志160，端子形成控制器122的输出端130。
考虑控制器122的总体操作，根据实施例，输入信号126可以是来自风力场100、200的本地信号，或者可以从远程位置、例如从具有各自通信链路（例如高速通信链路）的电网128输送。输入信号126可以例如指示：总线频率、线电流、线功率等中的至少一个。根据实施例，远程输入信号126可以包括以下各项中的一个或多个：发电机速度、互连器上的有功功率等。输入信号126首先通过调节单元154，其设计取决于输入信号。调节单元154从输入信号去除测量噪声并提取功率振荡。
使用两个并行子控制器162、164来独立地确定有功和无功功率调制。有功和无功功率的单独控制具有优点，即当然可以在风力涡轮机的部件的各种界限内独立地计算这些信号。在可选加权和/或组合操作之后，将信号作为阻尼控制信号提供给各个风力涡轮机设备，其被配置成用于接收此类阻尼控制信号并相应地控制其转换器。
图5更详细地示出了图4的第一子控制器162。应理解的是在实施例中，可以相应地配置图4中的第二子控制器164。
根据实施例，子控制器162具有用于接收已调节振荡指示信号158的输入端182。已调节振荡指示信号158被放大器183接收，该放大器183响应于此而提供已放大振荡指示信号184。已放大振荡指示信号184被摒弃电路185接收，该摒弃电路185响应于此而提供预调节振荡指示信号186。在实施例中，将摒弃滤波器配置成去除可能存在于输入信号中的任何DC（稳态）分量。阻尼控制器应仅对振荡进行响应，因此，在本实施例中，将所有DC分量从输入信号去除。在一个实施例中，预调节振荡指示信号186被包括至少一个相位补偿滤波器的相位补偿滤波级187接收到。在实施例中，相位补偿滤波器是超前/滞后滤波器。在实施例中，将相位补偿滤波器配置成保证输入信号（即振荡指示信号158）与输出信号188之间的相位差使得结果得到的ΔP和/或ΔQ增加振荡的阻尼。
提供了另一滤波器189，该另一滤波器189将指示要被提供的阻尼功率的输出信号188保持在上限up和下限lo内。该上限和下限是由相应的界限设定点信号190、191设置的，该相应的界限设定点信号190、191是从限制信号167提取的。另一滤波器189响应于界限设定点信号190、191和输出信号188而提供已经关于图4所讨论的响应信号170。可以在调节单元162的输出端子192处提供此响应信号170。为了接收输入信号（即在一个实施例中已调节振荡指示信号158和限制信号167），可以提供相应的输入端子193、194。
现在再次考虑图4，由相应的阻尼控制信号132a、132b提供的由于阻尼动作而引起的功率设定点的变化ΔΡ和ΔQ在实施例中被传输到各个风力涡轮机的设备控制器152（参见图2），其相应地调节有功和无功功率输出。在一个实施例中，直接从网络侧转换器处理来自无功功率调制的阻尼转矩/阻尼功率ΔQ。此网络侧转换器在图1和图2中的106处指示。应注意的是根据本文公开主题的实施例，风力涡轮机设备还可以包括其他转换器，其被耦合在发电机104与网络侧转换器106之间的功率路径中。在其他实施例中，省略了此类其他转换器。应理解的是有功功率P和无功功率Q的调节服从于转换器的有功功率P和无功功率Q的功率能力及其当前工作点。
一般地，优选地不操作风力涡轮机，使得能够输送附加有功功率，因为缩减的产量是不期望的，这由于风力涡轮机的燃料、即风是免费的。
然而，由转换器设备106根据有功功率调制输送阻尼转矩/阻尼功率仅与电力系统被从其稳态扰乱时的有功功率的输送相关联。在稳态下，在未发生电网中的功率振荡的情况下，由于阻尼控制器122的操作而不输送附加有功功率。在简单实施例中，事实上这是通过以缩减的功率产生来操作风力涡轮机设备或风力场并从而使预定量的有功功率可用于控制器122而实现的。然而，如上所述，这可能是不期望的。因此，在另一实施例中，由设备控制器152来改变发电机104的机械系统的旋转速度基准，以便从控制动作、即从转换器设备106的电输出功率的调制提取或沉积能量。因此，在本实施例中，控制器122利用存储在发电机104的机械系统中的旋转能量，特别是存储在旋转元件140的旋转中的能量，以作为能够与其交换阻尼功率的储存器。电输出功率的调制的振荡性质意指已调制有功功率的净能量将是低的或者甚至负的。当要求正有功功率时，从旋转系统、例如从旋转元件140吸取能量，而机械系统、例如旋转元件140的旋转速度在其中注入负阻尼功率的半循环中增加。
图6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）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6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7示出了每单位（pu）×10－3的发电机的旋转元件140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旋转元件140和因此的转子136（参见图2）的旋转速度，以便允许向转换器设备106馈送两个旋转状态之间的附加功率并因此在功率输出端108处输出，以便提供图6中所示的有功功率调制。根据图6中的有功功率调制ΔPd的减小振幅，如图7中所示，旋转速度差的振幅也随时间而减小。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7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。
图8示出了实施例，其中，由于由风力涡轮机设备提供的电输出功率的调制，风力涡轮机设备的机械系统的旋转速度、即转子136和旋转元件140的旋转速度未改变。然而，为了允许电输出功率的调制，在示例性实施例中，在检测到电网中的功率振荡（从额定有功功率（1 pu，在图8中的195处指示）到大约0.92）时，减小在图8中的196处所指示的用于有功功率的基准值（即设定点）。图8中的有功功率基准196的此减小是在响应的初始阶段中、即在有功功率调制的初始阶段中完成的。在图8中的197处指示了在功率输出端108处提供的结果得到的（已调制）输出功率。也就是说，在此初始阶段中，在示例性实施例中多达约2秒，主要输送负的响应。如从图8可以看到的，由此方法输送的初始阻尼转矩/阻尼功率将较少，因为在初始状态下仅利用负的响应。然而，在2秒之后，在相应实施例中，在197处所指示的输出功率的调制可用于正以及负半循环。再次地，如在图6中已讨论的，在图8中的197处所指示的输出功率的调制的振幅随时间推移而减小，因为电网中的功率振荡也减小。在图8中，对有功功率以及实际上输出的有功功率197的基准196是以每单位（pu）来给定的。风力涡轮机设备的额定功率具有每单位（pu）1的值。
根据本发明的实施例，以相应计算机程序产品的形式提供了风力涡轮机设备或风场的任何适当部件，例如控制器122或设备控制器152，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。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部件， 例如控制器122或设备控制器152。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，模块）。根据其他实施例，将至少一个部件（例如模块）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“一”或“一个”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，任何人可以陈述：
提供了包括用于向电网提供电输出功率的功率输出端的发电场。发电设备包括被配置成用于从发电机接收输入功率并响应于此而向功率输出端提供电输出功率的转换器设备。发电场还包括被配置成用于接收指示电网中的功率振荡的振荡指示信号的控制器，该控制器还被配置成用于响应于振荡指示信号而提供阻尼控制信号；所述转换器设备被配置成用于响应于阻尼控制信号对电输出功率进行调制，从而对电网中的功率振荡进行阻尼。在实施例中，独立地调制有功功率和无功功率。根据另一实施例，控制器是发电设备的一部分。
参考标号列表
100, 200 发电场（例如风场）
102a,... 102n 发电设备（例如风力涡轮机设备）
104 发电机
106 转换器设备
108 功率输出端
110 耦合路径
112 106的输出端
114 设备变压器
116 汇流排
118 场变压器
120 接口
122 控制器
124 122的输入端
126 振荡指示信号
128 电网（例如外部电力网）
130 122的输出端
132 阻尼控制信号
134 测量设备
136 转子
138 轴
140 旋转元件
142 电功率
144 104的输出端
146 106的输入端
112 106的输出端
150 电输出功率
152 设备控制器
154 输入调节单元
156 154的输入端
157 154的输出端
158 已调节振荡指示信号
159 标志输出端
160 振荡标志
161 标志端子
162 第一子控制器
164 第二子控制器
166 限制单元
167 第一限制
168 第二限制
170 第一响应信号
171 第二响应信号
172 加权单元
174 用于有功功率（P）的已加权响应信号
175 用于无功功率（Q）的已加权响应信号
176 监视控制单元
177 第一加和点
178 另一控制信号
179 另一控制信号
180 第二加和点
181a 用于有功功率的响应信号的端子
181b 用于无功功率的响应信号的端子
182 162的输入端
183 放大器
184 已放大振荡指示信号
185 摒弃电路
186 预调节振荡指示信号
187 相位补偿滤波级
188 187的输出信号，指示要被提供的阻尼功率
189 另一滤波器
190, 191 设定点信号
192 输出端子
193, 194 189的输入端子
195 转换器设备106的额定有功功率
196 用于有功功率的设定点
197 在功率输出端108处提供的已调制输出功率。

Claims (8)

1.发电设备，包括：
—发电机（104）；
—转换器设备（106），其具有用于向电网（128）提供电输出功率（150）的功率输出端（112）；
—所述转换器设备被配置成用于从发电机（104）接收输入功率（142）并响应于此而在功率输出端（112）处提供电输出功率（150）；
—所述转换器设备（106）被配置成用于响应于阻尼控制信号（132）对电输出功率（150）进行调制，从而对电网（128）中的功率振荡进行阻尼；
其中所述转换器设备（106）包括设备控制器（152），所述设备控制器（152）用于接收阻尼控制信号（132）并响应于此来控制所述转换器设备（106）的元件；
由设备控制器（152）来改变发电机（104）的机械系统的旋转速度基准，以便从转换器设备（106）的电输出功率的调制提取或沉积能量；
—控制器（122），其被配置成用于接收指示电网（128）中的功率振荡的振荡指示信号（126），所述控制器（122）还被配置成用于响应于振荡指示信号（126）而提供阻尼控制信号（132），
所述控制器（122）还包括
监视控制单元（176），提供关于电输出功率的有功分量和电输出功率的无功分量的其他控制信号；
第一加和点（177），接收用于所述有功分量的已修改响应信号和用于所述有功分量的另一控制信号并且响应于此提供用于所述有功分量的阻尼控制信号；
第二加和点（180），接收用于无功分量的已修改响应信号和用于所述无功分量的另一控制信号并且响应于此提供用于所述无功分量的阻尼控制信号。
2.根据权利要求1所述的发电设备，其中，所述发电设备（120a、...、120n）是风力涡轮机设备。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的发电设备，所述控制器包括：
—输入端（124），其用于接收指示电网中的功率振荡的振荡指示信号（126）；
—输出端（130），其用于响应于振荡指示信号（126）而向转换器设备提供阻尼控制信号（132）；
—所述阻尼控制信号（132）被配置成使得驱动转换器设备以对发电设备（102a、...102n）的电输出功率进行调制并从而对电网中的功率振荡进行阻尼。
4.根据权利要求3所述的发电设备，其中，所述控制器包括：
—第一子控制器（162），其用于控制电输出功率的有功分量；以及
—第二子控制器（164），其用于控制电输出功率的无功分量。
5.根据权利要求3或4中的任一项所述的发电设备，所述控制器（122）被配置成用于响应于振荡指示信号而减小将由转换器（106）提供的有功功率的基准值（196）。
6.发电场，其具有至少两个发电设备，其中的至少一个发电设备（102a、... 102n）是根据权利要求1至2中的一个配置的。
7.操作被配置成用于向电网提供电输出功率的转换器设备（106）的控制器的方法，该方法包括：
—接收指示电网（128）中的功率振荡的振荡指示信号（126）；
—响应于振荡指示信号（126）而向转换器设备（106）提供阻尼控制信号（132）；以及
—所述阻尼控制信号（132）被配置成使得驱动转换器设备（106）以对转换器设备（106）的电输出功率进行调制并从而对电网（128）中的功率振荡进行阻尼；
其中所述阻尼控制信号（132）被配置成使得通过改变旋转机器的旋转元件（140）的旋转能量来驱动转换器设备（106）以在电网（128）与发电设备（102a、... 102n）的旋转机器之间交换功率；
改变发电机（104）的机械系统的旋转速度基准，以便从转换器设备（106）的电输出功率的调制提取或沉积能量；以及
提供关于电输出功率的有功分量和电输出功率的无功分量的其他控制信号；
接收用于所述有功分量的已修改响应信号和用于所述有功分量的另一控制信号并且响应于此提供用于所述有功分量的阻尼控制信号；
接收用于无功分量的已修改响应信号和用于所述无功分量的另一控制信号并且响应于此提供用于所述无功分量的阻尼控制信号。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
—响应于振荡指示信号（126）而减小将由转换器（106）提供的有功功率的基准值（196）。
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