CN104094493A - 风力涡轮发电机 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种风力涡轮发电机。在描述的实施例中，风力涡轮发电机包括被配置成产生AC信号的电气发电机101、通过选通信号操作的多个功率转换器110、112、111，每个功率转换器被配置为将来自电气发电机101的AC信号转换为固定频率的AC信号。风力涡轮发电机还包括配置成当电网电压下降到可接受的阈值之外时进入故障模式，且在故障模式期间，控制器被配置成根据远离所述风力涡轮发电机的电网电压来提供无功电流参考。还公开了一种控制风力涡轮发电机的方法。

Description

风力涡轮发电机
技术领域
本发明涉及一种风力涡轮发电机(WTG)和/或一种方法。
背景技术
在每个国家中存在陈述各种标准的并网导则，电力发电机必须满足这些标准以连接到电网。这同样适用于风电。存在各种要求，其中之一是在电网故障期间支持电网电压。例如当在风力农场连接到电网的点(公共连接点PCC)处的电压下降到0.9p.u.(标称单压的90％)之下时，风力涡轮机可被预期注入某个量的无功电流。
对于风力农场，常常使用电容器组和静态同步补偿器(STATCOM)来满足这个要求，特别是如果涡轮机不是可变速度风力涡轮机。已看到，甚至对于可变速度风力涡轮机，也需要某个数量的补偿设备(STATCOM和电容器组)。然而，这个补偿要求是昂贵的且增加成套电厂辅助设备(BoP)的成本，且其是风力涡轮发电机(WTG)之上所需要的。此外，要求复杂的控制策略以使用额外的补偿在PCC处满足无功功率要求。
在一些情况下，当低电网电压状况出现在涡轮机端子处或电网中时，风力涡轮机控制器可进入故障模式。故障模式可包括将无功电流注入电网中以支持电网电压。然而由于在WTG外部的系统中的相当大的阻抗，当WTG开始注入无功电流时，端子电压相对于沿着电网内更远的电压，即，实际电压而改变，且因此来自涡轮机的这样的补偿可能不是准确或可靠的。也可能有问题，其中WTG困在故障模式中，导致最终WTG的跳闸。这可在涡轮机由于电网中的高压事件而吸收无功功率时被解释。
发明内容
一般说来，本发明提出单独的WTG在电网故障状况期间提供更好的无功电流注入。这可具有下列优点：(1)提高了来自给定风力农场的电网支持，(2)对每个风力农场降低了补偿要求，因而减小了安装成本和/或(3)它也可在一旦电压增加时允许WTG可靠地退出故障模式。
在本发明的第一特定表现中，提供了一种风力涡轮发电机，其包括：配置成产生AC信号的电气发电机；通过选通信号来操作的多个功率转换器，每个功率转换器配置成将来自电气发电机的AC信号转换成固定频率AC信号；以及配置成当电网电压下降到可接受的阈值之外时进入故障模式的控制器，且在故障模式期间，控制器配置成根据远离风力涡轮发电机的电网电压来提供无功电流参考。
可基于包括风力涡轮发电机的端子电压的关系来估计远离风力涡轮发电机的电网电压。优选地，该关系还包括风力涡轮发电机的端子无功电流和在风力涡轮发电机外部的阻抗。此外，该关系可包括涡轮机变压器的阻抗。甚至进一步地，该关系可从风力涡轮发电机的端子电压减去/添加在WTG变压器两端的电压降和在如风力涡轮发电机所看到的有效外部阻抗两端的电压降。具体地，有效外部阻抗可以是风力农场的有效阻抗。
有利地，风力农场的阻抗可基于与风力农场的多个传输链路的操作状态来被确定，或它可在风力农场的初步设计阶段被确定。
优选地，可接受的阈值涉及预定的WTG高压限制、低压限制和/或电压失衡限制。无功电流参考也可取决于下列项中的一个或多个：额定最大无功电流等级、无功电流/电压增益(K)；有功功率纹波、无功功率纹波、有功功率输送、无功功率输送、电网支持要求、有功功率优先级、无功功率优先级、电流限制、电压限制、DC-链路电压纹波、DC-链路电压限制、扭矩纹波、转换器电压限制、涡轮监督限制、斩波器电阻器的温度等。
风力涡轮发电机还可包括用于测量远离风力涡轮发电机的电网电压的电压换能器和用于将信号从换能器传送到控制器的传输链路。
在本发明的第二特定表现中，提供了控制风力涡轮发电机的方法，其包括：确定是否进入故障模式，当在故障模式中时，估计在远离风力涡轮发电机的位置处的电压，以及基于所估计的电压来提供无功电流。
估计电压可包括测量风力涡轮发电机电压的端子电压以及减去或添加到远处位置的阻抗两端的电压降。可基于无功电流以及在风力涡轮发电机和远处位置之间的变压器和传输网络的阻抗的确定来确定该电压降。
附图说明
为了使本发明可被完全理解且容易付诸实施，现在应仅通过非限制性例子的方式描述下面参考例证性附图描述的示例性实施例，在附图中：
图1是基于满标度转换器的WTG的示意图；
图2是根据一实施例的在图1中的WTG的等效电路；
图3是图2中的待注入的无功电流相对于电网电压的曲线图；
图4是根据另一实施例的在图1中的WTG的等效简化电路；
图5是图4中的WTG的简化电路；
图6是图4中的待注入的无功电流相对于电网电压的曲线图；
图7到图9是针对WTG的模拟结果的曲线图；以及
图10是示出由图4的实施例实现的操作步骤的流程图。
具体实施方式
WTG通常包括一组叶片、发电机、变压器和功率转换器。涡轮机叶片通过风力绕着轴旋转并被安装在离地面相对高的塔上的舱中以确保良好的气流。电气发电机由旋转轴驱动以产生根据风速在幅度和频率上变化的典型交流(AC)的电压。变速箱可用于将轴的慢旋转速度增加到适合于操作发电机的高旋转速度。发电机可以是同步的或异步的。功率转换器将来自发电机的功率转换并传送到电网，如下所述那样。
图1示出根据一实施例的风力涡轮的电气系统。电气系统包括发电机101、功率转换器102和主变压器105。
第一功率转换器102包括经由直流(DC)链路112连接的发电机侧转换器110和电网侧转换器111。DC链路112包括DC链路电容器113。
发电机101将机械能转换成具有AC(交流)电压和电流(被共同称为“AC信号”)的电能，并将所产生的AC信号提供到发电机侧转换器110。由于变化的风，来自发电机的AC信号具有可变频率。发电机侧转换器110将AC信号转换或整流成朝着DC链路112的DC(直流)电压和DC电流(被共同称为“DC信号”)。提供甩负荷(load dump)114以通过吸收由于电网故障或类似事件而引起的由发电机101提供的任何额外量的有功功率来控制DC链路112上的DC电压。甩负荷包括串联的功率耗散元件和开关，并连接在转换器的DC链路两端。电网侧转换器111将来自DC链路112的DC信号转换成用于电力网的固定频率AC信号。变压器105根据驱动机构系统硬件设计将电网电压转换到在低压侧上的适当电平。每个电网侧转换器111的功率输出通过主变压器105馈送到电力网。传输线可直接连接到电网，或如果在风力农场中则在连接到电网之前在公共连接点(PCC)处与其它传输线接合。以电容器、电感器和电阻器的形式的滤波器115可位于每个电网侧转换器111的公共输出点和电力网之间。在正常情况下，无源滤波器承载两个分支：用于吸收切换谐波的主谐波滤波器分支(电容器组)和减弱谐振现象的谐振分支(电容器、小扼流器和小电阻器)。滤波器也可包括其它部件，例如接触器、保险丝、传感器等。
应注意，参考图1描述的电气系统仅仅是风力涡轮机的电气配置的例子，且只有主要部件被显示来说明实施例。本发明不应被限制到图1所示的确切的电气系统。其它电气配置是可能的。例如虽然只示出一个功率转换器，可根据交错/冗余要求来提供并联转换器。此外，在风力涡轮的电气系统中的很多部件可能没有在图1中示出。例如，电气系统可包括在发电机101和功率转换器之间的滤波器。此外，可以有布置在用于连接或断开涡轮机的某些部件的各种位置处的开关，且可以有在用于测量或计量的各种位置处的换能器或变压器。转换器可放置在转子电路上而不是放置在定子电路上。
在正常状况下，PPC监控在风力农场中的每个WTG处的AC信号、电网、所有WTG和传输链路的功能状态。根据控制策略，PPC发出针对给定WTG的有功功率参考命令Pref和无功功能功率参考命令Qref以输送期望AC信号。每个WTG控制器包括用于分别控制发电机侧转换器110和电网侧转换器111的发电机侧转换器控制器和电网侧转换器控制器。这些控制器可以在同一件控制器硬件上。电网侧转换器控制器也可控制甩负荷114的甩负荷开关。
根据图2所示的一个实施例，在低压电网故障状况期间，每个WTG可切换到故障模式。故障模式可涉及本地快速控制算法，该算法基于在WTG水平处的本地测量的参数而独立于PPC操作。例如，可操作电网侧转换器，使得WTG表现为电压受控的无功电流源200。ir取决于在电网电感器或扼流器204和变压器206之间测量的WTG的AC测量电压vlvt202。这个位置被定义为WTG的低压端子。
同样可针对高压电网故障状况来解释同样内容。
在图3中示出在电压和电流之间的控制特征。当电压超过0.9p.u.时，WTG控制器将退出(300)故障模式，且PPC将接管WTG的控制。图3所示的数字是示例性的，并可在各种地点/国家/位置处改变。
当在电网故障模式中时，ir通常按照图3被输送。然而当电压接近0.9p.u.时，向着零值按比例调整(302)电流，其在电压接近0.9p.u.时被影响。无功电流/电压增益(K)在这种情况下是2，虽然这可取决于WTG是否连接到强或弱电网系统。
使用在图2的WTG上的图3中的曲线图，与WTG端子电压比较，远离WTG的低电压端子的电压，即，朝着PCC进一步沿着电路的电压将由于在各种阻抗两端的电压降而降低。在图3中，因为K＝2，当vlvt高于0.4p.u时，WTG将输送小于1p.u.的ir。甚至在PCC处，由于在风力农场变压器和介于中间的其它阻抗两端的显著电压降，电压将低于它在WTG输送(它能够完成的)较高ir的情况下可潜在地有的值。这可从图2中被理解，即，因为电流注入取决于涡轮机LV电压，涡轮机端子电压随着注入的无功电流的量而改变。这取决于所看到的阻抗。这导致来自涡轮机的减小的注入。此外，当电网电压接近0.9p.u.时，涡轮机有时保持在电网故障模式中一段明显更长的时间且最终跳闸。表面上明显的解决方案将是增加K，但因为风力农场也可被连接到弱电网系统，这将导致电压不稳定性。另一解决方案将是动态地设置K，但这将需要与电厂控制器的实时交互，且它将需要相当多的协调工作，其需要足够的通信速度。
图7到图9示出DFIG型WTG的模拟结果，但DFIG和基于满标度转换器的WTG在电网低压事件中在故障模式期间像电流源一样运转。这可类似于对图2中的WTG可能预期的。在图7中，当在PCC处的电压减小(如作为PCC处的电压的图7的曲线702所示的，且曲线700相应于WTG端子电压)时，在WTG端子处的电压也减小。图8示出减小的WTG端子电压800(如图7所示)、在PCC处的电压和参考阈值电压802的曲线。在这个特定的情况下，按照要求，当在WTG端子处的电压低于0.85p.u.时，故障模式被开启，且WTG注入无功功率并减小有功功率。然而如果WTG端子电压保持低于0.9p.u.，则它保持在故障模式中。值得注意的是，当在WTG端子处的电压越过0.85p.u.时，在PCC处的电压低于0.85p.u.。
上面的效应在图9中示出。由于WTG端子电压的减小，WTG滑到LVRT模式中，其中有功功率减小且无功功率增加。按照一实施例，当在WTG端子处的电压在0.2p.u.到0.5p.u.之间时，最大无功功率是可用的。在那之后，它开始减小，并跟随无功电流注入相对于WTG端子电压的50％的斜率曲线。在LVRT模式期间，来自PPC的Qreference(Qref)未被跟随，且WTG根据WTG端子电压产生无功功率。当WTG端子电压超过0.85p.u.时，WTG在LVRT模式之外并开始跟随来自PPC的Qreference，且有功功率斜升到所请求的功率。
根据另一实施例的可选方案在图4中示出，且图10示出用于提供无功电流的步骤。类似于其它实施例，PPC在步骤1000处监控在风力农场中的每个WTG处的AC信号、电网、所有WTG和传输链路的功能状态。而且，如果低压故障状况被检测到，则每个WTG切换到故障模式，如在步骤1002所示的。然而，在这种情况下，ir电流源400取决于如图4所示的远离WTG端子的AC电压402。例如，它可取决于在PCC处的电压vpcc而不是vlvt。因为远处电压被电流注入和阻抗影响小得多，这个电压将更稳定并适合于电流注入。这可具有下列优点：在低压状况下由每个WTG提供更多的无功电流，且因此可在故障期间在电网中预期更准确/可靠的注入。可针对高压电网故障事件解释同样内容。
为了确定vpcc，直接测量它是可能的，虽然鉴于对快速响应的要求，基于WTG端子电压估计它可能更合乎需要，且这被示为图10的步骤1003。图4的ETG的简化电路在图5中示出。如由电网侧转换器所看到的，主要的电压影响部件是涡轮扼流器电感504、涡轮变压器电感506(或更一般地，涡轮变压器阻抗)、包括电网变压器的风力农场传输网络的组合电感508、以及电网电感510。因此，可得到在涡轮变压器506和风力农场传输网络508两端的电压降或从涡轮机端子电压减去在涡轮变压器506和风力农场传输网络508两端的电压降以估计vpcc。可按照方程1和2来确定正和负序PCC电压：
v pcc + → = v lvt + → - ( x tr + x pk ) * i r + → - - - ( 1 )
v pcc - → = v lvt - → + ( x tr + x pk ) * i r - → - - - ( 2 )
其中
在PCC处的近似/估计正序电压
在PCC处的近似/估计负序电压
在WTG的低压(LV)侧处的实际正序电压
在WTG的低压(LV)侧处的实际负序电压
由WTG注入/吸收的正序无功电流
由WTG注入/吸收的负序无功电流
xtr由舱变压器提供的电抗
xpk由风力农场提供的电抗。这可由PPC根据传输链路的状态实时地确定。这是针对一个涡轮机的等效值。这也可在风力农场的电气初步设计阶段期间被确定。
从这些表达式确定的电压可以不是在PCC处的实际电压，而是较接近于实际PCC电压的电压。与仅仅使用在涡轮机低压端处的电压比较，这个电压的使用可导致来自涡轮机的更好的注入。因此，估计来自远离WTG的位置的电压并基于所估计的电压提供无功电流可能是合乎需要的，如在图10的步骤1004所示的，但在线剖面中的该特定电压的精确实际位置可能不是已知的或被精确地确定。对于上面的表达式，电阻下降被忽略。然而如果电阻分量显著，则可考虑电阻下降。
因此xtr、xpk和其它阻抗由WTG控制器存储。xpk可由PPC周期性地更新，但它通常不非常经常地改变。参考方程1，应使用图6中的电压控制特性基于所测量的vpcc提前确定ir +的初始估计。
在相同的线上，可估计负序PCC电压的初始值，实现ir -的初始估计。在对称电网故障状况中，正序无功电流可基于图3或6来确定，且负序无功电流实质上为零。但在非对称故障状况下，正和负序无功电流的最终值也取决于下列项中的至少一个：有功功率纹波、无功功率纹波、有功功率输送、无功功率输送、电网支持要求、有功功率优先级、无功功率优先级、电流限制、电压限制、DC-链路电压纹波、DC-链路电压限制、扭矩纹波、转换器电压限制、涡轮监督限制、斩波器电阻器的温度等。
在较简单的实现中，可以针对特定的安装来估计校正因子以应用vlvt来估计vpcc。
在图3中，K＝2，但它的值可以更高或更低。例如对于K＝10，图3被修改为图6。
当vpcc＝0.9p.u.时还通过提供小正序电流ir +来修改图6中的控制特性以迫使WTG控制器离开故障模式。如果当vpcc接近0.9p.u.时ir +太低，它可能从不经过阈值且因此从不摆脱故障模式。在一些电网节点下，WTG将被预期在故障模式中在60秒之后跳闸，这在这样的情况下是不希望有的，因为它可能导致分布较广的不稳定性。
此外，可用峰值ir+可以不是1p.u.。由于某些故障，特别是失衡故障，电网侧转换器可能不能够输送那样多的无功电流。WTG控制器将能够实时地确定可能的最大值ir +，其可取决于负和/或零序电压的相对电平。
和低电压一样，如果电压上升到1.1p.u.之上，WTG可如图3和6所示通过吸收无功电流来做出反应。当电压失衡出现时，可在每个相上独立地实施电流注入或吸收。因此本发明可能在那些情况下也是有用的，以确保所估计的远处电压(例如vpcc)被WTG控制更有效地使用，用于故障处理。
虽然详细描述了本发明的实施方式，在如将对有技术的读者来说清楚的所主张的本发明的范围内，很多变化是可能的。例如虽然描述了满标度涡轮机，本发明也可应用于双馈感应发电机(DFIG)型WTG。
一个或多个实施例可具有下列优点：
●可需要较不动态的补偿；
●对电网电压状况的非常快的反应时间；和/或
●可在现有硬件中以简单的软件更新来实现。

Claims (13)

1.一种风力涡轮发电机，包括：
电气发电机，其被配置成产生AC信号，
多个功率转换器，其通过选通信号来操作，每个功率转换器被配置成将来自所述电气发电机的所述AC信号转换成固定频率AC信号，以及
控制器，其被配置成当电网电压下降到可接受的阈值之外时进入故障模式，且在所述故障模式期间，所述控制器被配置成根据远离所述风力涡轮发电机的电网电压来提供无功电流参考。
2.如权利要求1所述的风力涡轮发电机，其中基于包括所述风力涡轮发电机的端子电压的关系来估计远离所述风力涡轮发电机的所述电网电压。
3.如权利要求2所述的风力涡轮发电机，其中所述关系还包括所述风力涡轮发电机的端子无功电流和在所述风力涡轮发电机外部的阻抗。
4.如权利要求3所述的风力涡轮发电机，其中所述关系还包括涡轮机变压器的阻抗。
5.如权利要求3或4所述的风力涡轮发电机，其中所述关系从所述风力涡轮发电机的所述端子电压减去/添加在WTG变压器两端的电压降和在如通过所述风力涡轮发电机所看到的有效外部阻抗两端的电压降。
6.如权利要求5所述的风力涡轮发电机，其中所述有效外部阻抗是风力农场的有效阻抗。
7.如权利要求6所述的风力涡轮发电机，其中基于与所述风力农场的多个传输链路的操作状态来确定所述风力农场的所述阻抗，或在所述风力农场的预设计阶段确定所述风力农场的所述阻抗。
8.如前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮发电机，其中所述可接受的阈值与预定的WTG高压限制、低压限制、正序/负序电压限制和/或电压失衡限制有关。
9.如前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮发电机，其中所述无功电流参考也取决于下列项中的一个或多个：额定最大无功电流等级、无功电流/电压增益(K)；有功功率纹波、无功功率纹波、有功功率输送、无功功率输送、电网支持要求、有功功率优先级、无功功率优先级、电流限制、电压限制、DC-链路电压纹波、DC-链路电压限制、扭矩纹波、转换器电压限制、涡轮监督限制、斩波器电阻器的温度。
10.如前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮发电机，还包括用于测量远离所述风力涡轮发电机的所述电网电压的电压换能器和将信号从所述换能器传送到所述控制器的传输链路。
11.一种控制风力涡轮发电机的方法，包括：
确定是否进入故障模式，
当在所述故障模式中时，估计在远离所述风力涡轮发电机的位置处的电压，以及基于所估计的电压来提供无功电流。
12.如权利要求11所述的方法，其中估计所述电压包括测量所述风力涡轮发电机电压的端子电压以及减去或添加到所述远处位置的阻抗两端的电压降。
13.如权利要求12所述的方法，其中基于所述无功电流以及在所述风力涡轮发电机和所述远处位置之间的变压器和传输网络的阻抗的确定来确定所述电压降。
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