CN103541860B - 用于自适应地控制风电场涡轮机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于自适应地控制风电场涡轮机的方法和装置。一种与输电系统（234）连接的风力涡轮机场（242）。所述风力涡轮机场包括用于确定短路率并且基于短路率以确定参数调整配方的部件（230），以及用于控制风力涡轮机场的输出的控制器（238），所述控制器（238）使用确定的参数调整配方执行控制算法，所述确定的参数调整配方是对所述短路率的响应并且在所述部件（230）内部或者在所述控制器（238）内部被确定。

Description

用于自适应地控制风电场涡轮机的方法和装置

技术领域

本发明一般涉及用于控制风电场（wind park）的操作的方法和装置，并且更具体地涉及响应于与风力涡轮机场连接的电网的状态，自适应地控制风电场。

背景技术

由于目前努力减小自然资源的消耗，使用风力涡轮发电机来将风能转变成电能正变得更加普遍。风力涡轮机通过将风能转变成电来开发风能用以分配到终端用户。

通常通过感应（异步）发电机将固定速度风力涡轮机连接到电网用以产生有功功率。风驱叶片驱动固定速度风力涡轮机的转子，所述转子又通过具有固定转速输出的齿轮箱（即变速器）来操作。所述固定速度齿轮箱输出被连接到感应发电机用以产生有效功率。

所述转子和其导体比从所述电网施加到所述定子的旋转磁通旋转得更快（即，高于同步磁场频率）。在这个更高速度，所述转子电流的方向被反转了，反过来反转在转子绕组中产生的反EMF，并且通过发电行为（感应）使得在定子绕组中产生电流（以及有效功率）并且使得该电流从所述定子绕组流动。

所产生的定子电压的频率与提供激励所施加的定子电压的频率是相同的。所述感应发电机可以使用用于减小来自电力系统的无功功率损耗（即，需要产生定子磁通的功率）的电容器组。

所述固定速度风力涡轮机是简单、可靠、低成本和被验证过的。但是它的缺点包括不可控无功功率损耗（如产生定子旋转磁通所需的）、机械应力、电能质量的有限控制以及相对低效率的操作。实际上，风速波动产生机械扭矩波动，所述机械扭矩波动然后产生电网上电功率中的波动。

与固定速度风力涡轮机相比，可变速度风力涡轮机的转速可持续地适应风速，以及通过使用设置在风力涡轮机转子和发电机转子之间的齿轮箱，叶片速度保持在相应于最大电功率输出的相对恒定的值。

可变速度风力涡轮机可以是双馈感应发电机（DFIG）设计或者完全转换器设计。所述双馈感应发电机使用部分转换器以在绕线感应发电机转子和电力系统之间交换电力。完全转换器风力涡轮机通常配备有同步或者异步发电机（所述发电机的输出是基于风速的可变频率AC）并且通过电力转换器被连接到所述电网，所述电力转换器将输入的可变频率AC整流为DC并且将所述DC转换为固定频率60Hz AC。可变速度风力涡轮机由于它们在固定速度风力涡轮机之上的提高的效率以及优良的辅助服务能力而已经变得普遍。

图1示出示例性的可变速风力涡轮机8的部件，所述部件包括转子叶片12用以将风能转变成用于驱动连接到齿轮箱18的轴16的转动能量。所述风力涡轮机也包括结构支撑部件，例如未在图1中示出的塔架和转子指示机构。如用于驱动发电机20来发电所需要的，所述齿轮箱18将低速旋转转变到高速旋转。

由发电机20产生的电被供应到电力电子系统24以调节发电机输出电压和/或频率用以通过升压变压器30提供给电网28。所述变压器的低压侧被连接到电力电子系统24并且高压侧被连接到所述电网28。总体上，所述电力电子系统给所产生的与在所述电网上流动的电相匹配所需的电赋予特征，包括可控有效功率流和电压调整以及改良的网络电压稳定性。

所述电力电子系统24的一个实施例包括用于将产生的AC电转变为DC的发电机侧的转换器以及用于过滤所述DC电流的输出电容器。给线侧转换器（逆变器）提供DC电流用以产生供应到所述电网28的60Hz AC电力。从风力涡轮机可用的电力量由所述发电机侧转换器的操作来确定。

在可变速度风力涡轮机中使用的，被称作完全转换器或者背对背转换器的一种类型的转换器包括连接到发电机侧的电力转换器、连接到所述电网的电力转换器和DC链路。所述完全转换器将输入电压，即，如由风力涡轮机产生的固定频率交变电流，可变频率交变电流（由于可变风速）或者直流电流转变为如由输入电压供给的电网确定的所需输出频率和电压。所述完全转换器通常使用晶闸管将由所述发电机产生的电转变为DC并且将这个能量传输到所述DC链路。将所述电从DC链路供应到电网侧有源转换器，在那里所述电被转换为固定频率AC电并供应到所述电网。

图2示出包括通过馈给器或收集器56连接的多个风力涡轮机54（例如在图1中示出的可变速风力涡轮机8或者固定速度风力涡轮机）的风电场或者风电厂50，所述馈给器或收集器用作所述风力涡轮机场内的分配系统。平均尺寸的风力涡轮机场可能需要几个馈给器。

所述风电场50进一步包括风电场控制器60和风电场变压器64。所述风电场控制器60控制所述风力涡轮机54的操作。所述变压器64通过公共耦合点（PCC）72将风电场收集器56与公用事业系统或电网68连接。

所述风力涡轮机54通过控制线78与所述控制器60双向地通信。通过所述控制线78载送的信号与风力涡轮机输出功率、风力涡轮机状态、参考功率、风力涡轮机操作指令等相关。所述控制器60也通过控制线80被连接到所述PCC72。该连接允许控制器60检测在所述PCC 72处的例如电压和电流的功率参数。

所述风电场控制器60总体上实现与单个风力涡轮机54以及由此的风电场50输出相关的多个控制功能。例如，所述风电场控制器60收集表征每个风力涡轮机54的电流状态的数据并且响应其来独立地控制每个风力涡轮机54的操作。

所述风电场50仅仅是常规风力涡轮机场的实例。目前的教导不被限制到图2描绘的布局。

附图说明

本发明在下面参照附图的描述中被解释，所述附图示出：

图1是现有技术风力涡轮机的方框图。

图2是现有技术风力涡轮机场的方框图。

图3是描绘与本发明相关的方法步骤的一个实施例的流程图。

图4是用于控制风力涡轮机场的系统的方框图。

具体实施方式

本发明公开了用于控制电力系统的自适应控制算法的使用，其中当无功功率被注入到系统中以提高系统电压或者从所述系统吸收无功功率以降低系统电压时，所述算法响应于测量的本地电压的变化被修改。如下面更完全地描述的，由于在VAR产生或吸收中的变化，本地电压变化的量是系统阻抗的表示并且也允许短路率（SCR）的计算。

当在所述系统上发生短路时，短路“强度”是所述系统在预定义限度内保持系统电压的能力的量度。被指定为“强”系统的系统通常具有大约10或者更高的短路率。所述短路率（SCR）是如在短路事件期间传出的三相短路MVA除以额定涡轮机MWt容量（兆瓦热，即，提供蒸汽以转动涡轮机的蒸汽生产设备的热产生容量）的比率。

实际上，短路率是系统阻抗的便捷指示符。在系统设计状态下（例如，所有发电机在使用中并且所有线“连上”），在输电系统上的任何点处确定所述短路率（也被称作短路MVA）是相对简单的。然而，在所述系统的正常操作期间，当线和/或发电机退出使用时，实际的短路率可以远低于它的设计值。若在这样正常的操作状态下不了解短路率，系统电压的控制是困难的。

所述短路MVA是短路电流（kAmps/相）乘以预故障线对地电压（kV）乘以3（对于三相系统）。所得到的积只是所述输电系统的阻抗的量度。高阻抗系统具有低短路MUV。注意到所述短路MVA不是与所述风力涡轮机相关，并且事实上是使用与所述系统断开的风力涡轮机计算的。

所述SCR也是系统的响应无功功率注入和吸收的能力的指示。低SCR（“弱的”）系统对无源功率注入（或吸收）非常敏感，即当注入的（或吸收的）无功功率的量变化时系统电压迅速改变。因此在弱的系统上稳定系统电压是困难的。高SCR（“强的”）系统对无功功率注入（和吸收）大体上不敏感并且所述系统电压因此是更加容易和更加快速被控制的。“强的”系统因此被认为是更鲁棒的。

在方程形式中，SCR是，

SCR=MVAsc/MWt （1）

其中：

MVAsc是输电系统三相短路电流（安培）、预故障线标称电压（伏特，线对线）、和3的平方根（等于1.732）的乘积再除以1E6，并且

MWt是在将风力涡轮机场总线连接到电网或输电系统的位置处总计的涡轮机容量MWt（即，在风力涡轮机场内风力涡轮容量的兆瓦的总和）。风力涡轮机具有最大容量，即2.3MW的涡轮机在其额定风速（及更高）可以产生2.3MW，在较低风速产生的较小。因此具有每个额定在2.3MW的44个涡轮机的风电场将具有101.2的MWt值（也就是2.3×44=101.2）。

总体上，系统操作者通过定义与这两种分类的每种相关联的SCR值来将所述系统的各段识别成“弱的”或者“强的”。对于“弱的”和“强的”类别不存在工业范围统一的定义。因为大多数风力涡轮机场是位于主风条件是最好的地方并且这样的地址通常与载荷中心有相当的距离，许多风力涡轮机场被归类为具有“弱的”短路强度。

现有技术风电场控制系统通常采取系统短路强度的某一额定水平（即，对于所述风电场连接的电网的邻近区域）并且使用基于那个静态假定的控制算法（以及其构成的参数值）。所述控制算法被用于控制系统电压。这样的静态设置需要使用基于最低SCR值的控制算法参数，所述最低SCR值可能在所述风电场的设计寿命期间发生。但是因为这样的静态设置将相同的控制算法应用于实际SCR的所有值，所以它破坏风力涡轮机场的性能。例如，将呈现惯于与弱的系统一起使用的慢速响应的控制算法应用到呈现较强短路强度的系统会延长系统恢复时间。在特定应用中，这个延长的恢复时间对所述系统可能是有害的。

本发明的主要意图是在稳态状态（即，常态；系统操作）期间以及在故障期间调节系统电压。尽管在故障期间的系统响应是重要的，但是只因为所述故障不常发生，所以在故障期间的调节较不重要。

弱的系统通常需要慢速响应以控制系统电压或者可以使用具有补充稳定控制的快速响应。在非常弱的系统的稳态操作期间，相对小的电路断路器的打开或者闭合可引起电压振荡或者电压波形畸变。强的系统允许快速响应而不需要补充稳定控制。无论如何，本发明确定了短路强度并且执行合适的控制算法以控制所述系统电压。

确定所述系统的短路强度是重要的，当被应用到弱的系统时，为了所谓的“强的”供电系统而开发的控制系统的使用可产生振荡行为。相反地，当被应用到强的系统时，弱的系统控制算法的使用通常提供缓慢的响应。紧接着发生的短路来将控制算法适应于所述系统的短路强度会提供更有效的系统控制。

为了避免使用静态控制算法并由此避免使用少于最佳的控制算法，本发明确定了用于所述电网的邻近区域的短路强度（基于确定的短路率）并且根据基于当时主要的系统状态优化响应时间来调整控制算法参数。可以定期地、随机地、根据由系统操作者确定的计划表或者当做出系统设备的实质改变时确定所述短路强度。因此，本发明基于最近确定的短路强度值，提供动态的或者自适应的系统响应。有利地，施加静态短路强度假定因而不是必需的。

当风涡轮机被连接到电网时，本发明的受让人西门子倾向于具有至少为5的短路率。

当所述电网显示小于大约5的SCR时，优选对风力涡轮机场控制算法进行一些调整以适应与该电网相关的不良电压调整。对于大约3或者更小的SCR，使用所谓的“弱的电网”控制算法是必需的，其在故障后有目的地减慢有效功率恢复（即电压）的速度。

更普遍地，当基于从上面的SCR方程得到的数字值，已经确定用于本地电网的短路强度数字值或者定性分类时，然后根据本发明，用于风力涡轮机场的控制算法响应于那个数字值或者定性分类被调整。进一步地，所述数字值或者定性分类每次被确定时，用于风力涡轮机场的控制算法被修改（例如，与控制算法相关的特定参数被调整）。

使用下面的一套方法来确定SCR值。已知在具有MVA_SC的短路MVA系统中，阶梯式的无功功率注入△Q根据方程（2）引起电压变化△V

△V/V=△Q/MVAsc （2）

其中：

V是在所述无功功率注入或者吸收前的系统电压，

△V是由于无功功率注入的系统电压变化，以及

△Q是无功功率注入。V和△V是每单位电压量。

例如，如果MVAsc值是1000MVA，并且V是每单位1（100%），20MVA(无功功率)的注入以大约2%来提高所述电压。如果MVAsc是500MVA，相同的注入导致4%的系统电压变化。

通过使用上面的方程（2），本发明通过在所述无功功率注入（或者吸收）之前确定所述系统电压（V）、注入（或者吸收）已知量的无功功率（△Q）到所述系统中、并且测量得到的系统电压变化（△V）来确定所述MVAsc。然后使用上面的方程（1）来确定所述SCR，即通过将所述MVAsc值除以“本地”涡轮机MW热额定值的和。所述电压变化（△V）的量表示所述系统的短路强度。

因此，我们可以使用这一套方法以合理的准确性来估算系统的短路强度。对于在风设备附近通常遇到的低的短路强度值（“弱的”系统），效果将是特别普遍并且容易观测的。

如果通过涡轮机提供无功功率的注入，涡轮机端子电压也变化，因此尽管这个分析被简化，但是在更详细的分析中可以容易地考虑这个复杂性。

替代改变涡轮机热电压，注入到系统中（或者从系统吸收）的无功功率也可以通过将电容器或者反应器切换到所述电力系统中（或者切换到所述电力系统之外）来得到。

根据本发明，改变注入到所述电网的无功功率或者从所述电网吸收无功功率（例如，将其逐步增加或者降低）以确定MVAsc并且然后使用方程（1）来确定SCR，提供了估算系统短路强度的便捷技术。

在一个实施例中，在改变所述无功功率之后，在风力涡轮机场终端处，即，将风电场连接到所述电网的地方（图2的PCC 72）测量系统电压。可以在将风电场连接到所述电网的变压器的高压侧或者低压侧处作这个测量。也可以在风力涡轮机的输出端子处测量电压。优选地在涡轮机端子处测量电压。如上面解释的，使用无功功率变化的量和所得到的电压改变的量来确定所述系统的短路强度。

在许多系统中，标准SCR值可以是高的并因此表明强的系统。但当发生线断电或者发电机断电（尤其邻近的发电机）时，该值可能降低了大约一个数量级。在为风力涡轮机场控制算法选择合适的参数方面，因此必需考虑在操作的系统部件中的这样的变化以及其对SCR的影响。因此根据本发明，在系统部件中存在显著变化的任何时候，应该确定SCR值并且为风力涡轮机场控制算法选择合适的参数。

然后这个确定的SCR可被用来动态地（并且根据需要在不同的时间）调节控制算法的增益、时间延迟、以及其它参数以优化电压调节系统的性能以及风电场的功率控制。

被调整的控制算法参数优选地包括在涡轮机处和在风电场处两者的比例和积分增益。这些算法包括增益和功率恢复速度的调整。而且，在低压传入之后的有功功率的斜升速率（时间不变）可被调整。

被调整的参数和对于不同系统强度水平的参数调整量可被预先确定，然后按需要基于被确定的系统强度开始运行。该技术是对现有技术的那套方法的明显改进，该套方法对所有系统和对所有SCR值使用一组算法参数。

被调整的参数和参数调整的量（或者新的参数值）被称作参数调整配方（recipe）。每个配方可以包括在风力涡轮机场控制算法中使用的用于一个或者多个参数的值。例如，第一配方可以包括在算法中使用的用于第一参数的值，并且第二配方可以包括在算法中用于第一并且还有第二参数的值。

例如，对于非常弱的系统所述增益被适当地调整，但该调整总体上是以逐个地点为基础完成的。对于具有在大约2和3之间的SCR值的系统，该参数调整配方可要求将Kp（比例增益）设置到大约2，Ki（积分增益）设置到大约0.3，并且功率斜率设置到每分钟5%）。如果SCR降到2以下，使用不同的参数调整配方用以改变控制算法参数。在弱的系统中，抑制在低电压条件之后迅速产生太大的有功功率通常是重要的，因此，使用无功功率来稳定系统电压，即阻止系统电压过度地振荡。

在强的系统中，可以在低电压状态消失后立即开始全功率产生。

尤其在由于线或者发电机可能断电（实际上很少发生）而使用弱的电网控制的情况下，本发明提出在控制性能发面的廉价的但是有用的改进。

图3示出与本发明相关的用于自适应地控制风力涡轮机场的方框图。在步骤200，用于在风力涡轮机场控制算法中使用的用以控制风力涡轮机场的输出的多个参数调整配方被识别。在步骤204，系统短路率被确定。在步骤208，响应于确定的短路率从多个参数调整配方之中选择参数调整配方。在步骤212，根据在风力涡轮机场控制算法中所使用的被选的参数控制配方来控制风力涡轮机场的输出。

参照图2，用于控制风力涡轮机场输出的控制算法存在于所述控制器60中或者在所述风力涡轮机54的一个或者多个的内部。

图4的方框图描绘了部件230，用以确定如上面描述的输电系统234的SCR值。所述部件将所确定的SCR值提供给控制器238。在部件230中或者在控制器238中选择参数调整比率。在任何情况下，所述参数调整比率都是对所确定的SCR值的响应并且被应用到在控制器238中执行的控制算法以控制风电场242的输出。

在另一实施例中，根据SCR值的预先确定的范围来选择参数调整配方。例如，对于在2和3之间的SCR值使用第一参数调整配方并且对于在3和4之间的SCR值使用第二参数调整配方。那些范围（例如，宽范围或者窄范围）可以根据在选择参数调整配方以及在该配方中体现的算法参数方面所需的粒度程度来选择。

根据又一个实施例，使用同步定相器信息来估算所述系统短路强度。该信息被用来基于被选择的控制算法参数动态地更新所述短路强度，而不需要定期地将无功功率注入到所述输电系统或电网中。

在图2的风力涡轮机场50中，所述馈给器或者收集器56通常包括地下电缆并且对于在涡轮机电场50中的所有风力涡轮机56，系统阻抗因而是大致相同的。因此，对于每个风力涡轮机54实现了相同的参数调整配方。

在一些装配中，风电厂包括通过高架线连接的几个子场。在这种结构中，对于每个子场使用不同参数调整配方可能是期望的，因为所有子场将经历不同系统阻抗。

根据再一个实施例，系统电抗对电阻的比率（X/R）通过测量系统的定时响应来确定。具有低X/R比率的系统通常是具有低SCR的低电压系统。所述X/R比率可以是在各种参数调整比率中优化增益值使用的另一个有用的参数，所述各种参数调整比率用于风力涡轮机场控制算法中。具有高X/R比率（高的电抗对电阻比率）的系统比具有低X/R比率的系统具有更长响应时间。尽管这个比率在选择控制算法参数方面通常是次要的考虑因素，它可以被用来进一步细调所述算法参数。

尽管本发明关于特定优选的实施例被示出和描述，但是显然，在阅读和理解本说明书和附图时，本领域技术人员将想到等同改变和修改。尤其考虑由上面描述的部件（组件，器件，电路等）执行的各种功能，用来描述这样部件的术语旨在相应于（除非另外表明）执行被描述部件的特定功能的任何部件（即，其是功能等同的），即使在结构上不等同于在本发明所示的示例性实施例中执行功能的被公开结构。此外，虽然本发明的特定特征可能是关于几个实施例的仅一个被公开的，但当对任何给定的或者特定的应用可能是需要的或有利的时，这样的特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征结合。

虽然此处已经示出和描述了本发明的不同实施例，这样的实施例显然仅被提供作为实例。可以在不偏离此处本发明的情况下作出许多变型，改变和替代。因此，本发明旨在仅被所附权利要求的精神和范围所限制。

Claims (15)

1.一种与输电系统连接的风力涡轮机场，所述风力涡轮机场包括：

用于响应于注入到输电系统中或从输电系统吸收的已知量的无功功率△Q、在注入或吸收已知量的无功功率之前的输电系统电压V、在注入或吸收已知量的无功功率之后的输电系统电压的变化△V、输电系统的短路兆伏安额定值MVAsc以及风力涡轮机场的总兆瓦容量MWt来确定短路率的部件；以及

用于控制风力涡轮机场的输出的控制器，所述控制器使用响应于所述短路率而确定的控制算法中的一个或多个参数来执行控制算法，所述一个或多个参数在所述部件内部或者在所述控制器内部被确定，

其中所述部件由方程SCR=MVAsc/MWt确定短路率，其中所述输电系统的短路兆伏安额定值MVAsc被计算为输电系统三相短路电流、故障前线电压和3的平方根的乘积再除以10⁶，以及

其中所述部件通过如下方式来确定MVAsc：将无功功率注入到输电系统中或者从所述输电系统吸收无功功率，测量所得到的电压变化，以及由方程△V/V=△Q/MVAsc确定MVAsc。

2.权利要求1的风力涡轮机场，其中所述部件根据下述之一确定所述短路率：预先确定的计划表、定期地、随机地和在系统部件中发生显著变化的任何时候。

3.权利要求2的风力涡轮机场，其中在系统部件中的显著变化包括下述之一：发电机断电、输电线断电、发电机恢复运行和输电线恢复运行。

4.权利要求1的风力涡轮机场，其中通过将电容器切换到输电系统中或者通过将反应器切换到所述输电系统之外，所述部件将无功功率注入到所述输电系统中。

5.权利要求1的风力涡轮机场，其中通过将电容器切换到输电系统之外或者通过将反应器切换到所述输电系统中，所述部件从所述输电系统吸收无功功率。

6.权利要求1的风力涡轮机场，其中所述一个或多个参数包括比例增益值、积分增益值和斜升速率值中的一个或多个。

7.权利要求1的风力涡轮机场，其中所述部件基于确定的输电系统电抗对电阻的比率来确定短路率。

8.权利要求1的风力涡轮机场，其中所述部件基于同步定相器信息确定短路率。

9.权利要求1的风力涡轮机场，其中所述风力涡轮机场包括通过高架输电线连接的多个子场。

10.一种用于根据输电系统的确定的短路强度自适应地控制风力涡轮机场的方法，所述风力涡轮机场给所述输电系统供电，其中用于风力涡轮机场控制算法中的多个参数是可用的，所述方法包括：

（a）响应于已知量的无功功率△Q注入到输电系统中或从输电系统吸收来确定系统短路率，确定在注入或吸收已知量的无功功率之前的输电系统电压V，确定在注入或吸收已知量的无功功率之后的输电系统电压的变化△V，确定输电系统的短路兆伏安额定值MVAsc，以及确定风力涡轮机场的总兆瓦容量MWt；

（b）响应于在步骤（a）确定的系统短路率从所述多个参数中选择一个或多个参数以便在控制算法中使用；以及

（c）根据控制算法通过使用所述一个或多个参数来控制风力涡轮机场的输出，

其中所述确定步骤包括：

由方程SCR=MVAsc/MWt确定系统短路率，其中所述输电系统的短路兆伏安额定值MVAsc被计算为输电系统三相短路电流、故障前线电压和3的平方根的乘积再除以10⁶，以及

进一步包括：

将无功功率注入到输电系统中或者从所述输电系统吸收无功功率；

测量所得到的电压变化；以及

由△V/V=△Q/MVAsc来确定项MVAsc。

11.权利要求10的方法，其中确定的步骤根据下述之一被执行：预先确定的计划表、定期地、随机地和在系统部件中发生显著变化的任何时候。

12.权利要求10的方法，其中将无功功率注入到输电系统中包括将电容器切换到输电系统中或者将反应器切换到所述输电系统之外，并且其中从所述输电系统吸收无功功率包括将电容器切换到输电系统之外或者将反应器切换到所述输电系统中。

13.权利要求10的方法，其中所述一个或者多个参数包括比例增益、积分增益和斜升速率中的一个或多个。

14.权利要求10的方法，其中确定的步骤进一步包括基于系统电抗对电阻的比率和同步定相器信息之一来确定系统短路率。

15.权利要求10的方法，其中所述风力涡轮机场包括通过高架输电线连接的多个子场，并且其中所述方法对于每个子场被独立地执行。