CN103683301B - 用于风力发电机的电压控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于风力发电机的电压控制系统。系统可包括无功功率调节器，用于通过调整风力发电机的电压设定值来控制所述发电机的无功功率产生。无功功率调节器可具有第一时间常数，电压设定值可定义在上限与下限之间。系统还可包括电压极限调节器，用于基于所述系统的电压相关参数调整电压设定值的上限或下限中的至少一个。此外，系统可包括连接到无功功率调节器的电压调节器，用于基于所述电压设定值控制所述风力发电机的有功功率产生。电压调节器可具有第二时间常数，第一时间常数在数值上大于第二时间常数。

Description

用于风力发电机的电压控制系统及方法

技术领域

本发明总体上涉及风力发电机，确切地说，涉及用于风力发电机的电压控制系统和技术，所述系统和技术具有用于至少一部分的无功功率补偿功能的连续无功功率控制。

背景技术

风力发电通常由具有大量（通常为100个或更多个）风力发电机的风力“发电厂”来提供。单独的风力发电机可以提供电力系统操作的重要优势。这些优势涉及缓和由阵风引起的电压闪变，以及缓和由外部事件引起的电压偏差。

在风力发电厂环境中，每个风力发电机可以经历唯一的风力。因此，每个风力发电机可以包括本地控制器，以控制对阵风和其他外部事件的响应。现有技术的风力发电厂控制基于以下两种结构之一：具有恒定功率因数的本地控制以及快速电压控制中的发电厂级别控制，或者恒定电压控制中的本地控制且不含发电厂级别控制。

这些现有技术的控制结构均存在缺点。具有恒定功率因数的局部控制以及快速电压控制中的发电厂级别控制要求从发电厂级别到本地级别具有快速通信和积极采取措施的能力。如果发电厂级别的控制处于不活动状态，则本地控制可能恶化电压闪变问题。鉴于每个发电机上的电压控制恒定，输电网上的负载的微小偏差都可能导致稳态操作显著不同。这导致风力发电机遇到稳态操作受限的问题，因而无法对干扰做出响应，导致电压调节失效。由于在此操作模式期间的无功电流高于必要水平，则风力发电机的总效率将降低。

因此，所属领域中需要对用于风力发电机的电压控制系统和技术做出改进。

发明内容

本发明的方面和优点在以下说明中部分描述，或者可以从说明书中显而易见，或者可以通过实践本发明而了解。

一方面，本发明涉及用于风力发电机的电压控制系统。所述系统可以包括无功功率调节器，所述无功功率调节器配置用于通过调整风力发电机的电压设定值而控制所述发电机的无功功率产生。所述无功功率调节器可以具有第一时间常数，并且所述电压设定值可以定义在上限与下限之间。所述系统还可以包括电压极限调节器，所述电压极限调节器配置用于基于系统的电压相关参数而调整电压设定值的上限或下限中的至少一个。此外，所述系统可以包括连接到无功功率调节器的电压调节器。所述电压调节器可以配置用于基于所述电压设定值而控制风力发电机的有功功率产生。所述电压调节器可以具有第二时间常数，其中所述第一时间常数在数值上大于所述第二时间常数。

另一方面，本发明涉及用于控制风力发电机的方法。所述方法可以大体上包括：接收无功功率命令；根据基于电压的参数调整风力发电机的电压设定值的上限或下限中的至少一个；基于所述无功功率命令确定电压设定值；响应于所述电压设定值而确定风力发电机的无功电流命令；以及基于所述无功电流命令而产生有功和无功功率。

参考以下说明和附图可以更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。附图包括在本说明书中并构成其一部分，示出本发明的各实施例，并与说明书一起解释本发明的原理。

附图说明

本说明书参考附图，针对所属领域的普通技术人员，完整且可实现地公开了本发明，包括其最佳模式，在附图中：

图1示出了风力发电厂的方框图，所述风力发电厂具有与输电网连接的多个风力发电机；

图2示出了电压控制系统的一个实施例的控制图，所述电压控制系统配置用于用于一个或多个风力发电机；以及

图3示出了风力机控制系统的操作的一个实施例的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，这些实施例的一个或多个实例在附图中图示。每个实例均以解释本发明，而非限制本发明的方式提供。事实上，所属领域的技术人员容易了解，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以对本发明做出不同修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可用于其他实施例中，从而得到另一个实施例。因此，本发明应涵盖随附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。

总体来说，本发明涉及一种用于一个或多个风力发电机的电压控制系统，所述电压控制系统包括对单个发电机的相对较快电压调节，以及在变电所或风力发电厂级别上的相对较慢的总体无功功率调节。相对较慢的无功功率调节器可以调整相对较快电压调节器的电压设定值。快速电压调节可以位于发电机终端或者位于合成的远程点（例如，发电机终端与集电极总线之间）处。现有技术无功功率控制器被设计为具有数值低于电压调节器设计中所用数值的时间常数。也就是说，在现有技术中，无功功率控制回路位于电压控制回路内部，从而导致系统的稳定性低于本说明书中所述系统。

所属领域中的普通技术人员将显而易见地了解到，所公开的控制系统提供包括本地和发电厂级别控制的控制结构，从而克服上述现有技术控制结构的缺点。具体来说，所公开的控制系统无需从风力发电厂级别进行快速且侵略性的控制，从而改进在风力发电厂级别控制失效的情况下的响应。此外，所公开的系统提供有效地稳态操作，而系统动态响应维持在限额内的良好状态。

此外，所公开的系统还能够动态调整无功功率调节器产生的电压设定值的上限和/或下限，从而解决系统内的电压相关变化。例如，响应于特定的过压条件，例如，高栅极电压与电气相位失调和/或高转子电压相结合，可以降低或以其他方式调整电压设定值的上限，从而防止设备因过压而遭受损坏，而无需对系统跳闸。因此，通过避免此类预防性的跳闸操作，即使发生过压条件，所公开的系统仍然能够继续运行，从而提高了风力发电厂的效率和总体操作。

参见附图，图1示出了风力发电厂100的方框图，所述风力发电厂具有与输电网190相连的多个风力发电机110。具体来说，如图所示，风力发电厂100包括三个风力发电机110。但是，应认识到，风力发电厂100可以总体上包括任何数量的风力发电机110。

每个风力发电机110包括本地控制器，所述本地控制器对受控制风力发电机的条件做出响应。在一个实施例中，每个风力发电机110的控制器仅感测终端电压和电流（通过，电压和电流互感器）。本地控制器使用所感测到的电压和电流来提供适当的影响，以便风力发电机110提供所需的无功功率和电压。与风力发电机控制器的一个实施例对应的控制系统图将在下文相对于图2更详细地描述。

仍然参见图1，每个风力发电机110通过发电机连接变压器115连接到集电极总线120，以向集电极总线120提供有功和无功功率（分别标记为P_wg和Q_wg）。发电机连接变压器和集电极总线是所属领域中公知的，因此本说明书中不做详细描述。

风力发电厂100通过风力发电厂主变压器130提供有功和无功功率输出（分别标记为P_wf和Q_wf）。发电厂控制器150感测风力发电厂输出以及公共联接点140处的电压，以提供发电厂级别的无功功率命令（发电厂级别Q命令）155。在一个实施例中，发电厂级别控制器150向风力发电厂100的所有风力发电机110提供单个无功功率命令。在替代实施例中，发电厂级别控制器150可以向风力发电厂100的风力发电机110子集提供多个命令。例如，向风力发电机110子集提供的命令可以基于与一个或多个发电机110的操作条件相关的额外信息。

现在参见图2，示出了根据本发明各方面的风力发电机控制系统的一个实施例的控制图。在多个实施例中，所述控制系统大体上包括两个回路：电压调节器回路和Q调节器回路。相对于Q调节器回路（例如，大于1秒的闭合回路时间常数）而言，所述电压调节器回路的运行相对较快（例如，20rad/sec）。如下所述，Q调节器可以用于调整电压调节器的电压设定值。

在概念上，图2的控制系统通过根据由高于发电机级别（例如，变电站或风力发电厂）控制器设定的参考值调整电压来实现风力发电机终端电压控制。无功功率在较长期间（例如，几秒）中调整，而风力发电机终端电压在较短期间（例如，短于几秒）中调整，以便缓和快速栅极瞬变的影响。

操作符或发电厂级别Q命令200是用于指示发电机终端处的所需无功功率的信号。在发电厂级别操作中，风力发电机Q命令200设置为等于发电厂级别控制的输出（图1中的线155）。在本地控制中，操作符命令在风力发电机位置处或者在远程位置处手动设置。例如，操作符或发电厂级别Q命令200可以由用于控制风力发电机的计算机系统生成或传输。操作符或发电厂级别Q命令200也可以由电网操作员或变电站发出。

在一个实施例中，操作符或发电厂级别Q命令200传输到命令限制器220，所述命令限制器操作性地将无功功率命令维持在预定范围内。如图2所示，Q_max222和Q_min224可以大体指示无功功率命令范围的上限和下限。

例如，Q_max和Q_min所用的具体值可以基于发电机无功容量。在一个实施例中，对于1.5MW的风力发电机而言，Q_max的值是800kVAR，而Q_min的值是-1200kVAR。但是，应当很容易认识到，Q_max和Q_min可以大体上取决于所使用的具体发电机的容量。

如图2所示，命令限制器220的信号输出是Q命令230，此命令指示要产生的目标无功功率。Q命令230在Q_min224至Q_max222的范围内。此外，如图2所示，Q命令230可以与指示测量无功功率210的信号进行比较。所得的误差信号Q误差235指示测量无功功率与命令无功功率之间的差异。

Q误差235是无功功率调节器240（以下称VAR调节器240）的输入信号，所述调节器生成向风力发电机110指示发电机要提供的无功功率的电压设定值250（以下称V命令250）。在一个实施例中，VAR调节器240是比例积分（PI）控制器，所述控制器具有在从1秒至10秒（例如，3秒、5秒、5.5秒）范围内的闭合回路时间常数。也可以使用其他类型的控制器，例如，比例微分（PD）控制器、比例积分微分（PID）控制器、状态空间控制器等。此外，可以对VAR调节器240使用其他时间常数，前提是，VAR调节器240的时间常数在数值上大于电压调节器270的时间常数（如下所述）。

在若干实施例中，V命令250可以限于从V_max242至V_min244的预定范围。例如，在一个实施例中，V_max242和V_min244可以就发电机额定输出的百分比进行定义，例如，通过将V_max242定义为发电机额定电压的105%，同时可以将V_min244定义为发电机额定电压的95%。但是，应认识到，也可以使用替代的上限和下限。

除了定义预定范围以外或者作为其替代，V_max242和/或V_min244的值可以基于一个或多个风力发电机110的操作参数以及/或者基于整个系统的其他任何操作参数而进行设置和/或动态调整。例如，如图2所示，在若干实施例中，控制系统可以包括电压极限调节器248，所述电压极限调节器配置用于基于风力发电厂110的一个或多个电压相关参数而设置/调整V_max242的值。具体来说，在一个实施例中，电压极限调节器248可以配置用于基于系统内任何位置处的最大瞬时单个相位电压而设置/调整V_max242的值。在另一实施例中，电压极限调节器248可以配置用于基于其他任何合适的电压相关参数，例如，风力发电厂100的一个或多个发电机110的最大瞬时转子电压，而设置/调整V_max242的值。

应认识到，通过使用上述电压极限调节器248，其他基于电压的功率系统值可以维持在设备容量内，从而允许系统运行，而无需执行特定的预防操作。例如，通常在出现结合具体栅极条件的某些电压相关条件时，例如在高栅极电压与三相电压失调同时出现时，或者当高栅极电压与高发电机转速和功率输出同时出现（可能导致诸如双馈发电机等某些类型的发电机上出现高转子电压）时执行过压跳闸活动。但是，通过基于系统的一个或多个相关电压相关参数设置或以其他方式调整V_max242的值，风力发电厂100的风力发电机110能够以较低无功容量继续运行，而无需将整个系统跳闸。因此，可以提高风力发电厂100的整体效率。

应认识到，除了设置/调整V_max242的值以外或者作为其替代，电压极限调节器248还可以配置用于基于系统的一个或多个电压相关参数而设置或动态调整V_min244的值。

仍然参见图2，将VAR调节器240输出的V命令250与指示发电机的测量终端电压255的信号进行比较。V命令250与测量终端电压255之间的差异是电压误差信号260。电压误差信号260随后输入到所公开系统的电压调节器270中。

电压调节器270生成无功电流命令280，所述命令用于控制发电机无功电流，并由此而控制发电机无功功率（（图1中的Q_wg）。在一个实施例中，电压调节器270是PI控制器，所述控制器具有约50毫秒的闭合回路时间常数。也可以使用其他类型的控制器，例如PD控制器、PID控制器等。此外，也可以对电压调节器270使用其他时间常数（例如，1秒、20毫秒、75毫秒、45毫秒），前提是调节器270的时间常数小于VAR调节器240的时间常数。

通常，无功电流命令有两个部分：表示为Irq_Cmd的有功功率部分和表示为Ird_Cmd的无功功率部分。无功电流命令280（如上文相对于图2所述生成）是无功部分或Ird_Cmd命令。有功部分或Irq_Cmd能够以所属领域中已知的任何方式生成。无功电流命令280限于I_rdmax272和I_rdmin274。I_rdmax272和I_rdmin274的值可以基于发电机额定电流。

在一个实施例中，上文相对于图2所述的所有限制是非终结性限制；但在替代实施例中，限制的子集可以是非终结性限制。此外，大多数限制均相对于固定参数进行介绍。但是，与上述V_max242的值类似，由查找表或者执行控制算法的处理器或状态机器等提供的动态可变参数也提供限制。此类动态可变限制可以基于任何合适的参数，例如发电机的额定电流和/或当前的有功功率输入。

现在参见图3，示出了根据本发明各方面的发电机控制系统的操作的一个实施例的流程图。如图所示，在300中，接收无功功率命令。如上所述，无功功率命令可以是操作符命令、发电厂级别命令或者本地命令。

在305中，可以确定电压设定值的上限和/或下限（即，图2所示的V命令250）。如上所述，电压设定值可以限于由基于发电机终端电压的上限和下限限定的预定范围。例如，在一个实施例中，所述限制可以就发电机额定输出的百分比进行定义，例如，通过将上限定义为发电机额定电压的105%、110%、102%、115%而将下限定义为发电机额定电压的95%、98%、92%、90%、97%。但在其他实施例中，可以根据系统的测量或预测操作参数来设置和/或动态调整电压设定值的上限和/或下限。例如，如上所述，电压极限调节器248可以基于系统的一个或多个电压相关参数而设置和/或调整上限（即V_max242）。

此外，应认识到，在许多实施例中，电压设定值的上限和/或下限最初可以设置为预定范围的函数（例如，基于发电机终端电压），然后使用电压极限调节器248进行调整，以便解决变化的栅极和/或系统操作条件。

在310中，基于无功功率命令确定电压设定值，电压设定值限于定义在上限与下限之间的值。此外，在315中，基于所述电压设定值确定无功电流命令。在320中，可以将所述无功电流命令限于基于发电机额定电流等的范围。例如，可将额定电流峰值用于所述限制，或者将额定电流峰值的百分比用于所述限制。此外，在325中，将无功电流命令传输到风力发电机110的本地控制器，所述本地控制器指示向发电机提供命令的电流。之后，在330中，发电机可以基于无功电流命令提供无功功率输出（图1中的Q_wg）。

本说明书使用了各种实例来披露本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，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界定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含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 (13)

1.一种用于风力发电机的电压控制系统，所述系统包括：

无功功率调节器，所述无功功率调节器配置用于通过调整所述风力发电机的电压设定值来控制无功功率产生，所述无功功率调节器具有第一时间常数，所述电压设定值定义在上限与下限之间；

电压极限调节器，所述电压极限调节器配置用于基于所述风力发电机的最大瞬时转子电压动态调整所述电压设定值的所述上限或所述下限中的至少一个；以及

连接到所述无功功率调节器的电压调节器，所述电压调节器配置用于基于所述电压设定值控制所述风力发电机的有功功率产生，所述电压调节器具有第二时间常数，其中所述第一时间常数在数值上大于所述第二时间常数。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一时间常数大于一秒。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述无功功率调节器的输入信号包括误差信号，所述误差信号指示限于预定范围的命令与指示测量无功功率的信号之间存在差异。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述预定范围由基于风力发电机无功功率容量的上限和下限限定。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压设定值的所述上限和下限最初设置为风力发电机终端电压的函数。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压调节器的输入信号包括误差信号，所述误差信号指示所述电压设定值与指示测量终端电压的信号之间存在差异。

7.一种用于控制风力发电机的方法，所述方法包括：

接收无功功率命令；

基于风力发电机的最大瞬时转子电压动态调整所述风力发电机的电压设定值的上限或下限中的至少一个；

基于所述无功功率命令确定所述电压设定值，使所述电压设定值在所述上限与所述下限内；

响应于所述电压设定值确定所述风力发电机的无功电流命令；

基于所述无功电流命令产生有功和无功功率。

8.根据权利要求7所述的方法，其中基于风力发电机的最大瞬时转子电压动态调整所述风力发电机的电压设定值的上限或下限中的至少一个包括降低所述电压设定值的所述上限，以免发生过压跳闸操作。

9.根据权利要求7所述的方法，其中基于所述无功功率命令确定所述电压设定值包括使用无功功率调节器确定所述电压设定值，所述电压设定值传输到电压调节器。

10.根据权利要求9所述的方法，其中电压调节器的时间常数在数值上小于所述无功功率调节器的时间常数。

11.根据权利要求7所述的方法，其中接收无功功率命令包括从将无功功率命令传输到多个风力发电机的发电厂级别控制器接收发电厂级别无功功率命令。

12.根据权利要求7所述的方法，其中接收无功功率命令包括从为单个风力发电机提供无功功率命令的本地来源接收无功功率命令。

13.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将所述无功电流命令传输到所述风力发电机的控制器。