CN103388558B - 通过降低有效功率输出对弱电网的风力涡轮机控制 - Google Patents

Abstract

通过降低有效功率输出对弱电网的风力涡轮机控制。描述了一种用于控制连接到节点（127）的风力涡轮机（101）的方法，该节点（127）被连接到公用电网（129），其中多个其他风力涡轮机（102）被连接到该节点（127），该方法包括：测量指示与输送到该节点的有效功率（P）相关的在该节点（127）处的电压（V）的斜率（403）的量（134,135,136）；确定该斜率（403）小于负斜率极限（414）；执行措施，以便将该斜率（403）增加到该斜率极限（414）以上。

Description

通过降低有效功率输出对弱电网的风力涡轮机控制

技术领域

本发明涉及用于控制风力涡轮机的方法和设备，其中基于与有效功率相关的电压的斜率，执行用于稳定公用电网的措施。

背景技术

包括多个风力涡轮机的风力发电厂可以被置于风速较高但电功率系统的基础设施缺乏的乡村地区。特别地，传输系统、变压器和一个或多个连接电缆可能不是在所有情形中都是稳定的，这可能导致具有特别高电网阻抗的弱功率系统或弱公用电网。特别地，功率系统或公用电网的强度（特别是阻抗）可能随时间改变。特别地，该改变可能与发电机、电容器、传输线路、电缆或变压器的连接或断开相关联。特别地，对于具有改变阻抗的公用电网，输送到公共耦合点的电压可能未保持在额定电压附近的预定范围中。

可能需要一种用于控制风力涡轮机的方法和设备，其特别可以应用到具有改变的阻抗的公用电网，并且可以导致在公共耦合点处的更稳定的电压。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种用于控制连接到（电）节点的风力涡轮机的方法，该节点被连接到公用电网（输送电能给消费者），其中多个其他风力涡轮机被连接到该节点，该方法包括：测量指示与输送到节点（尤其是来自风力涡轮机）的有效功率相关的在该节点处的电压的斜率（例如梯度）的（例如由信号表示的）（物理）量；确定该斜率小于负斜率极限；执行措施，以便将该斜率增加到该斜率极限以上。

节点也可以指的是公共耦合点。风力涡轮机可以包括向AC-DC-AC转换器输出可变频率的功率流的发电机，该AC-DC-AC转换器将可变频率功率流转换成固定频率功率流，然后可以将该固定频率功率流供应到风力涡轮机变压器，该变压器在其初级侧处接收能量流，并在其次级侧处输出具有比在初级侧处更高的电压的功率流。由风力涡轮机变压器所输出的功率流可以被供应到集电器电网，该集电器电网收集来自其他风力涡轮机的另外的输出流。

集电器电网可以被连接到场区（park）变压器的低压侧，该场区变压器具有其连接到公共耦合点或节点的高压侧。

指示与有效功率相关的电压的斜率的量可以例如由电信或或光信号来表示，该电信号或光信号可以例如与电压的斜率成比例，该电压与有效功率相关。尤其是，斜率可以是与有效功率相关的电压V的导数（或梯度），即dV/dP，或可以是电压的变化和有效功率的对应变化的比率。替代地，该量可以是或可以对应或可以被导出自与电压相关的有效功率的斜率。然而，根据测量的量，与有效功率相关的电压的斜率可以被导出，即使该量本身不等于或成比例于与有效功率相关的电压的斜率。

该量可以基于一个或多个测量值或信号，其在风力涡轮机的输出端和公共耦合点之间的一个或多个位置处获得。基于一个或多个测量值，在节点处的与输送到该节点的有效功率相关的电压的斜率可以是可导出的，尤其是通过考虑或使用风力涡轮机的输出端和负载之间的功率传输部分中所包括的电气和/或电子部件的数学/物理模型。

该方法可以包括将测量的斜率与负斜率极限进行比较。由此，可以采用算术/逻辑单元。负斜率极限可以基于经验和/或仿真。尤其是，比负斜率极限小的斜率可以与比额定电压低的电压相关联。尤其是，该斜率可以降低以便增加有效功率输出的特定范围内的有效功率输出，例如在0和1000MW的范围内，或其他范围内。

尤其是，节点处的电压和输送到该节点的有效功率之间的关系可以取决于公用电网的阻抗。由此，该阻抗是公用电网中的电压与电流的复变比率。阻抗拥有幅值和相位两者。在AC公用电网中，除了DC电路的正常电阻外，还存在阻碍电流流动的其他机制，即由电流的磁场所自感应的导体中的电压的感应(电感),以及由导体间的电压所感应的电荷的静电存储(电容)。由这两者效应导致的阻抗被共同称为电抗并形成复变电抗的虚数部分,而电阻形成实数部分。

尤其是，公用电网的阻抗越高，斜率可随有效功率输出增加而降低得越急速。

执行措施可以包括控制一个或多个风力涡轮机的一个或多个传动系和公共耦合点之间的一个或多个部件，诸如控制风力涡轮机的发电机，控制风力涡轮机的转换器，控制风力涡轮机变压器，以及尤其是还控制场区变压器以及还控制连接到一个或多个风力涡轮机的电容器组。

由此，措施被如此选择，使得执行该措施增加斜率，尤其是增加到斜率极限以上。由此，可能避免的是，斜率进一步降低，其可能导致公用电网的电压的崩溃。尤其是，因此可避免断电。

另外尤其是，一个或多个风力涡轮机可以被保持连接到公用电网并且可以（尽管以减少的量）将有效功率供应到公用电网。由此，可以改善由一个或多个风力涡轮机所输出的能量的效率。尤其是，可以避免公用电网可能不稳定的情形，尤其是如果与有效功率相关的电压的斜率获得或假定一个值，该值低于负斜率极限。此外，可以启用一个或多个风力涡轮机与公用电网的连续连接，由此保持有效功率产生。此外，可能发生较小的断电，并且公用电网可以被稳定，尤其是关于其电压。此外，该方法可以改善与电网代码的顺应性，因为该电压可以被保持在由电网代码所规定的要求的极限内。尤其是，该方法还可以与相对弱的公用电网一切应用。弱公用电网由此被理解成包括具有相对高阻抗（尤其是其振幅）的公用电网。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括获得另一个量，其指示节点处的电压；确定该电压小于电压极限，尤其典型地是额定电压的0.9倍（即，0.9pu），或小于另一个基线值，其中为了将斜率增加到斜率极限以上而执行的措施适合于增加电压。

另一个量可以部分地根据指示斜率的量来获得，或反之亦然。尤其是，测量指示斜率的量可以包括测量一个或多个电压和测量一个或多个有效功率值，可以从该一个或多个有效功率值导出斜率。由此，获得另一个量可以利用获得的或测量的电压。然而，获得另一个量还可以涉及在风力涡轮机的输出端和公共耦合点之间的一个或多个位置处执行一个或多个测量。使用模型或仿真，节点处的电压可以是从一个或多个测量值可导出的。

尤其是，该方法可以包括将节点处的电压与电压极限进行比较。额定电压可以是节点处期望的电压，其还可以被称为一个每单位（1pu）。尤其是，电压可以由于执行该措施而增加。替代地，该措施可以被如此选择，使得执行该措施将增加电压。

由此，可以进一步改善公用电网的电压的稳定性。

根据本发明的实施例，测量该量和/或获得另一个量包括测量节点处、风力涡轮机输出端处、场区变压器的高压侧处、风力涡轮机变压器的高压侧处和/或风力涡轮机变压器的低压侧处的相应量。

使用总体电气系统的模型可以能够从已经在除节点外的一个或多个位置处获得或测量的一个或多个量或测量值导出斜率以及节点处的电压。尤其是，可以利用在传统风力场区或传统风力涡轮机中获得或测量的测量值，以便导出节点处的与输送到该节点的有效功率有关的电压的斜率。由此，该方法可以被简化。

根据本发明的一个实施例，执行该措施包括执行第一措施，该第一措施包括改变风力涡轮机输出端和节点之间连接的风力场区变压器的变换比率，使得风力场区变压器的低压侧处的电压增加，将高压侧连接到节点。

变换比率可以限定风力场区变压器的初级侧（尤其是低压侧）和次级侧（尤其是高压侧）处的电压的比率。尤其是，风力场区变压器可以是或可以包括抽头变压器，其可以能够以简单方式改变变换比率。由此，风力涡轮机变压器可以能够选择特定抽头位置，用于分接一个或多个初级线圈或一个或多个次级线圈。通过改变变换比率使得风力涡轮机变压器的低压侧处的电压增加，可以提高公用电网的稳定性，尤其降低了电网电压的崩溃风险。

根据本发明的实施例，第一措施进一步包括，为了将斜率增加到斜率极限以上：使用连接在风力涡轮机发电器和风力涡轮机输出端之间的电容器和/或风力涡轮机转换器增加由一个或多个风力涡轮机输出的无功功率；和/或使用连接在风力涡轮机发电机和风力涡轮机输出端之间的电容器和/或风力涡轮机转换器来增加由一个或多个风力涡轮机所吸收的无功功率。

尤其是，风力涡轮机可以包括电容器或电容器组，该电容器组包括可连接到风力涡轮机的输出端的多个电容器。

风力涡轮机转换器可被连接到发电机的输出端，并且可以包括AC-DC转换器部分、DC链路和DC-AC转换器部分，其中所有部分可以由关联的控制器所控制。尤其是，AC-DC转换器部分以及DC-AC转换器部分可以包括多个高功率开关，诸如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。这些晶体管可以通过向它们的栅极供应相应的控制信号，尤其是脉宽调制信号来控制这些晶体管。通过适当地形成控制信号，转换器处输出的功率流可以被调节成具有特定电压、特定有效功率以及特定无功功率。由此，该方法可以通过适当地控制常规部件来执行。

根据本发明的实施例，执行该措施包括，如果第一措施不成功，尤其是未导致斜率在斜率极限以上的预期增加，则执行第二措施，包括减少由风力涡轮机输出的有效功率，以便将斜率增加到斜率极限以上。

尤其是，如果公用电网的阻抗（也被称为电网阻抗）突然增加，尤其是增加预定量或增加到预定阻抗极限以上，则应用第二措施。由此，可以改善对公用电网的不稳定性进行避免。由此，可以避免公用电网的电压崩溃。在降低有效功率输出的同时，无功功率输出可以被保持恒定。减少有效功率输出可以导致节点处电压的增加。通过只有当第一措施未成功时降低有效功率输出，可以避免有效功率输出的不必要的减少。由此，风力涡轮机和整个风力涡轮机场区的有效功率产生可以被提高。

根据本发明的实施例，减少有效功率的量是基于一个或多个风力涡轮机的仿真、考虑公用电网阻抗的在风力涡轮机输出端和节点之间的传输线路。

由此，降低（由风力涡轮机输出的）有效功率的量可以被确定，使得公用电网可以被保持在稳定状况中（尤其是关于其电压），而同时使有效功率输出不以过度方式被降低。

根据本发明的实施例，执行第二措施（以及执行第一措施）包括保持风力涡轮机连接到公用电网。由此，风力涡轮机向公用电网恒定或连续地输送功率，尤其是有效功率，即使可能以降低的程度。

根据本发明的实施例，执行第二措施包括增加节点处的电压。因此，可能避免节点处的电压下降或甚至崩溃。尤其是，增加电压可以是减少或降低由一个或多个风力涡轮机所输出的有效功率的结果。

根据本发明的实施例，减少由风力涡轮机输出的有效功率被如此执行，使得通过考虑仿真结果而使电压在预定范围内。

预定范围可以例如在额定电压的0.9倍和1.1倍之间（即，0.9pu到1.1pu）。由此，可能避免的是，电压落在预定范围之外，这可以确保公用电网的正确操作。

根据本发明的实施例，测量该量和/或获得另一个量和/或确定斜率小于负斜率极限和/或确定电压小于电压极限，被重复执行，尤其是以1ms和10s之间的重复周期来连续地或周期性地执行。尤其是在10ms和1s之间。

尤其是，当公用电网关于电网阻抗迅速改变时，重复获得或测量该量或另一个量可能是必要的。由此，控制风力涡轮机可以考虑电网阻抗的改变。可以在连贯的时间点测量或获得该量和/或另一个量，例如作为多个模拟或数字样本。

根据本发明的实施例，公用电网阻抗的增加导致斜率的减少，尤其是在有效功率输出的特定范围内。尤其是，在有效功率输出的第一范围内，公用电网阻抗的增加可以导致斜率的增加。在包括比第一范围更高的有效功率输出的有效功率输出的第二范围内，公用电网阻抗的增加可以导致斜率的减少。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括确定斜率等于或大于负斜率极限，并增加由风力涡轮机所输出的有效功率。

因此，一经确定斜率等于或甚至大于负斜率极限，由一个或多个风力涡轮机所输出的有效功率就可以迅速增加，以便增加风力涡轮机的功率输出，并因此增加整个风力涡轮机场区的效率。

应当理解的是，针对用于控制风力涡轮机的方法所个别或以任何组合公开、描述、解释或采用的特征也可以个别地或以任意组合地应用于用于根据本发明的实施例控制风力涡轮机的设备，以及反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种用于控制可连接到节点的风力涡轮机的设备，该节点可连接到公用电网，其中多个其他风力涡轮机可连接到该节点，该设备包括：输入端，用于接收指示在节点处的与输送到该节点处的有效功率相关的电压的斜率的所测量的量；确定部，适于确定该斜率小于负斜率极限；以及输出端，用于输出用于执行措施的控制信号，以便将斜率增加到斜率极限以上。

用于控制风力涡轮机的设备尤其可以被包括或定位在控制包括在风力场区中的多个风力涡轮机的风力场区控制器（或导向器）中。由此，从输出端输出的控制信号可以例如相关于或涉及参考电压、参考功率、参考有效功率、参考无功功率，这些可以被供应到每个个别风力涡轮机的一个或多个控制器，尤其是可以被供应到一个或多个风力涡轮机的转换器。此外，该设备可以控制风力场区变压器的变换比率。因此，根据本发明的实施例，风力涡轮机场区控制器被提供包括用于控制风力涡轮机的设备。

现在参考附图来描述本发明的实施例。本发明不限于所图示或公开的实施例。

附图说明

图1示意性图示了包括根据本发明的实施例的用于控制风力涡轮机的设备的风力场区；

图2图示了根据本发明的实施例的用于控制一个或多个风力涡轮机的方法的流程图；

图3图示了用于解释根据本发明的实施例的方法的曲线图；以及

图4图示了用于解释根据本发明的实施例的方法的曲线图。

具体实施方式

在图1中所示意性图示的风力涡轮机场区100包括，仅以一些细节图示了来自该多个风力涡轮机101中的一个风力涡轮机。风力涡轮机101包括多个转子叶片105所连接到的主旋转轴103。主轴103被机械连接到发电器107，该发电机107在主轴103旋转时生成功率流109，该功率流109被供应到风力涡轮机的转换器111。转换器111将可变频率功率流109转换成固定频率功率流113（包括有效功率P1和无功功率Q1），该固定频率功率流113被供应到风力涡轮机变压器115，其将功率流113的电压变换成在风力涡轮机输出端117处输出的更高的电压功率流116。

功率输出流116被供应到集电器电网119。风力涡轮机101通过其风力涡轮机变压器115被连接到集电器电网119（典型的为电缆网），其将功率流供应到具有低压侧123和高压侧125的风力场区变压器121。

场区变压器121的高压侧125被连接到多个其他风力涡轮机101所连接到的公共耦合点127（也称为节点）。公共耦合点127（潜在地通过图1中未图示的另一个变压器）被连接到公用电网129，该公用电网129向一个或多个消费者提供电能。

风力场100进一步包括根据本发明的实施例的用于控制风力场100的风力涡轮机101和多个其他风力涡轮机的设备131。由此，设备131适用于通过输入端133接收所测量的量135，该测量的量135指示公共耦合点127处的与输送到公共耦合点127的有效功率P相关的电压V的斜率，其中P是从所有风力涡轮机101输送的有效功率贡献P1、P2...PN的和。

设备131包括确定部，其适用于确定从该量135可导出的斜率小于负斜率极限（其可以例如被存储在设备131的存储装置中）。如果是这种情况，设备131输出控制信号，诸如控制信号137和/或控制信号139，以便执行措施来将斜率增加到斜率极限以上。尤其是，设备131适用于通过控制信号137来改变风力场区变压器121的变换比，和/或增加或减少转换器111的无功功率输出Q1，和/或减少转换器111的并因此减少风力涡轮机101（和/或风力场区100的其他风力涡轮机）的有效功率输出P1。

由此，根据本发明的实施例来执行如图2中示意性图示的方法。方法200包括通过由耦合点127通向设备131的相应信号134、136来测量公共耦合点127处的电压134（V），以及测量公共耦合点处的有效功率（P），如也在图2中所指示的那样。

在方法步骤201中，计算等于Δ（电压）/Δ(有效功率)或dV/dP的斜率135。得到的斜率135被供应到判定元件203，其判定斜率是否小于负斜率极限。如果不是这种情，则其分支到路径205，往回通向确定元件201，其然后连续或重复地计算斜率。

如果判定元件203确定斜率小于斜率极限，则其分支到路径207，通向进一步判定元件209。判定元件209触发或发起第一措施来增加斜率，其中第一措施可以涉及改变风力场区变压器121的变换比率，和/或将无功功率Q1从风力涡轮机101注入到公用电网，或吸收来自公用电网的无功功率Q1。如果第一措施导致将斜率增加到斜率极限以上，则其在路径211中被分支，路径211往回通向计算元件201。

如果第一措施未导致斜率的适当增加，则其分支到路径213，路径213通向进一步的方法步骤215，其中执行第二措施，以便增加斜率。尤其是，降低了在风力涡轮机输出端117处输出的有效功率P1，以便增加斜率。如果该第二措施导致斜率的适当增加，则其分支到路径217，往回通向计算步骤210，其然后针对时间上的后续点被重复。

然而，如果有效功率输出P1的降低不导致所需的斜率增加，则其分支到路径219，路径219通向方法步骤221，其中风力涡轮机101仍保持连接到电网，但通过使转子叶片105向下倾斜（pitch）来降低有效功率。

图3图示了一个曲线图，其中横坐标301指示由风力场区100的风力涡轮机输出的有效功率P1、P2...（或输送到公共耦合点127的有效功率）的和P，以及其中纵坐标303表示公共耦合点127处的电压V。曲线305图示了强公共电网129的情况，而曲线307图示了相对弱的公用电网129的情况。

如可从图3看出的，为了增加输送到公共耦合点127的有效功率，电压V首先增加，而然后降低，以便降低有效功率。尤其是，与有效功率相关的电压的斜率在有效功率P的范围309内小于零。如可进一步看出的（还参照示出与有效功率P相关的斜率），曲线307的斜率在范围309内小于曲线305的斜率。

最初，风力场区100根据强电网中的操作点311进行操作，其中有效功率P近似为500MW（仅作为一个示例，其他功率水平也可以应用）并且电压稍微低于额定电压，改额定电压在此出现在位置1.0pu处。尤其是，风力涡轮机与相对强的公用电网一起进行操作。

然后，电网阻抗改变，使得曲线307适用。由此，操作点变为点313，其示出相比工作点311的与有效功率有关的更小的电压斜率。为了避免电网电压的崩溃，由风力涡轮机输出的有效功率P，尤其是由风力涡轮机101输出的有效功率P1，总计从500Mw左右减少到大约400MW，由此达到操作点315。由此，减少斜率以便稳定系统。

图4在横轴401上图示了从场区100的风力涡轮机输出的（或供应到公共耦合点127）有效功率P，以及在纵轴403上图示了与图3中所图示的情形相对应的有效功率相关的电压斜率。

操作点411属于强公用电网，如由曲线405所图示的。然后，公用电网的阻抗突然增加，使得操作点变为与图3中的操作点313相对应的点413。从图4中显而易见的是，属于点413的斜率低于斜率极限414，其承担了公共耦合点127处的电压崩溃的风险。为了避免这种崩溃，有效功率输出P被减少，使得与图3中的操作点315相对应的操作点415被假设。操作点415包括位于斜率极限414以上的斜率。

应当注意的是，术语“包括”包排除其他元件或步骤，以及“一”或“一个”不排除多个。而且可以组合与不同实施例相关联描述的元件。还应当注意的是，权利要求中的参考标记不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims (18)

1.用于控制连接到节点（127）的风力涡轮机（101）的方法，该节点（127）连接到公用电网（129），其中多个其他风力涡轮机（102）被连接到该节点，该方法包括：

测量指示节点（127）处与输送到该节点的有效功率（P）相关的电压（V）的斜率（403）的量（134,135,136）；

确定斜率（403）小于负斜率极限（414）；

执行措施，以便将斜率（403）增加到斜率极限（414）以上，

其中执行该措施包括执行第一措施（209），第一措施包括：

改变风力涡轮机输出端和节点之间连接的风力场区变压器（121）的变换比率（137），使得风力场区变压器的低压侧处的电压增加，将高压侧连接到该节点。

2.根据权利要求1的方法，进一步包括：

获得指示节点（127）处的电压（V）的另一个量（134）；

确定电压（V）小于电压极限；

其中所执行的以便将斜率（403）增加到斜率极限（414）以上的措施适于增加电压（V）。

3.根据权利要求2的方法，所述电压极限是额定电压的0.95倍。

4.根据权利要求2的方法，所述电压极限额定电压的0.9倍。

5.根据权利要求1或2的方法，其中测量该量和/或获得另一个量包括测量节点（127）处、风力涡轮机输出端处（117）、场区变压器（121）的高压侧（125）处、风力涡轮机变压器（115）的高压侧（114）处和/或风力涡轮机变压器（115）的低压侧（112）处的相应量。

6.根据权利要求5的方法，其中为了将斜率增加到斜率极限以上，第一措施进一步包括：

使用连接在风力涡轮机发电机和风力涡轮机输出端之间的电容器和/或风力涡轮机转换器来增加由风力涡轮机（101）输出的无功功率（Q1）。

7.根据权利要求6的方法，其中为了将斜率增加到斜率极限以上，第一措施进一步包括：使用连接在风力涡轮机发电机和风力涡轮机输出端之间的电容器和/或风力涡轮机转换器来增加由风力涡轮机（101）吸收的无功功率（Q1）。

8.根据权利要求6或7的方法，其中如果第一措施不成功，执行该措施包括执行第二措施（215），该第二措施（215）包括：

降低由风力涡轮机（101）输出的有效功率（P1），以便将斜率（403）增加到斜率极限（414）以上。

9.根据权利要求8的方法，其中减少有效功率的量是基于风力涡轮机的仿真、考虑公用电网阻抗的在风力涡轮机输出端和节点之间的传输线路。

10.根据权利要求8的方法，其中执行第二措施（215）包括保持风力涡轮机（101）连接到公用电网（129）。

11.根据权利要求8的方法，其中执行第二措施（215）包括增加电压（V）。

12.根据权利要求9的方法，其中减少由风力涡轮机输出的有效功率（P1）被如此执行，使得电压(V)在考虑仿真结果的预定范围内。

13.根据权利要求2的方法，其中测量该量（135）和/或获得另一个量（134,136）和/或确定斜率小于负斜率极限和/或确定电压小于电压极限被连续地或周期性重复执行。

14.根据权利要求13的方法，其中所述重复的周期为1ms和10s之间。

15.根据权利要求13的方法，其中所述重复的周期为10ms和1s之间。

16.根据权利要求1的方法，其中公用电网阻抗的增加导致斜率的减少。

17.根据权利要求1的方法，进一步包括：

确定斜率（403）等于或大于负斜率极限（414）；

增加由风力涡轮机输出的有效功率（P1）。

18.用于控制可连接到节点（127）的风力涡轮机（101）的设备（131），该节点（127）可连接到公用电网（129），其中多个其他风力涡轮机（102）可连接到该节点（127），该设备包括：

输入端（133），用于接收指示节点（127）处与输送到该节点（127）的有效功率（P）相关的电压（V）的斜率（403）的所测量的量（134,135,136）；

确定部，适于确定斜率小于负斜率极限；

输出端（138），用于输出用于执行措施的控制信号（139,137），以便将斜率增加到斜率极限以上，

其中，所述设备适于为了执行措施来执行第一措施（209），包括：

改变风力涡轮机输出端和节点之间连接的风力场区变压器（121）的变换比率（137），使得风力场区变压器的低压侧处的电压增加，将高压侧连接到该节点。