CN104426155B - 用于风力发电机的电压控制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于风力涡轮发电机的无功功率生成的系统和相关方法，所述系统和相关方法包括接收高于发电机级别的电压命令信号。响应于所述电压命令信号确定所述风力涡轮发动机的无功电流并将其传输到所述风力涡轮发电机的控制器以便基于所述无功电流命令生成有功功率和无功功率。可生成修整值并将其应用于所述电压命令信号。

Description

用于风力发电机的电压控制的系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及风力涡轮机领域，并且更具体地说，涉及用于风力涡轮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)风力涡轮发电机的风力“发电厂”来提供。各个风力涡轮发电机可对与缓解由阵风引起的电压闪变和缓解由外部事件引起的电压偏差相关的电力系统操作提供重要的益处。

在风力发电厂环境中，每个风力涡轮发电机均可经历唯一的风力。因此，每个风力涡轮发电机通常包括本地控制器，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通常基于以下两种结构之一：具有恒定功率因数或无功功率和在电压控制中具有发电厂级别控制的本地控制；或在恒定电压控制中不具有发电厂级别控制的本地控制。

具有恒定功率因数的局部控制以及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。如果发电厂级别控制处于不活动状态，则本地控制可能使电压闪变恶化。在每个发电机上的电压控制恒定的情况下，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。这导致风力涡轮发电机遇到稳态操作受限的问题，从而阻止对干扰做出响应，导致电压调节失效。由于在此操作模式期间无功电流高于必要水平，所以风力涡轮发电机的总效率降低。

美国专利第7,224,081号描述了一种用于风力涡轮机的电压控制方法和系统，其中无功功率调节器通过对电压调节器调整电压设定值来控制风力发电厂中的各个风力涡轮机的无功功率生成。这个方案依赖于针对每个风力涡轮发电机的无功功率命令的接收。在单独的风力涡轮机级别上，快速电压调节器将风力涡轮低压侧保持为设定值，所述设定值由无功功率调节器调整以遵循来自风力发电厂控制的命令。无功功率调节器具有第一时间常数，所述第一时间常数在数值上大于电压调节器的时间常数。这个控制方案在以下方面是有益的：它迫使风力发电厂内的所有风力涡轮机具有相同的无功功率输出。另外，如果风力发电厂级的控制关闭，那么风力涡轮机全部保持处于预设定的无功功率输出，即使电网电压发生变化。然而，这个方案的不利方面是，风力发电厂控制器必须通过无功功率调节器的时间常数起作用。

发明内容

本发明的各方面和优点将在以下说明中部分地阐明，或者可以根据本说明书而变得明显，或者可以通过实践本发明推导出。

一种用于风力涡轮发电机的无功功率发电的特定方法实施例包括从高于发电机级别的配置(如风力发电厂或变电站、控制器)接收电压命令信号。在本说明书中，术语“场级”通常指的是包括所有这类高于发电机级别的配置，如多个风力涡轮机的变电站、多个变电站或多个风力涡轮机的风力发电厂等。响应于所述电压命令信号产生所述风力涡轮发电机的无功电流命令。将所述无功电流命令传输到风力涡轮发电机的转换器控制器，以便基于所述无功电流命令生成无功功率。

在本说明书所描述的实施例中，电压命令信号是应用于风力发电厂内的所有风力涡轮机或其一个子集的风力发电厂级命令信号。

在特定实施例中，所述电压命令信号受限于基于发电机端子电压的上限和下限的范围，并且所述无功电流命令受限于基于所述风力涡轮发电机的电流额定值的范围。

所述无功电流命令通过所述电压命令信号的生成可以各种方式实现。例如，在一个实施例中，将所述电压命令信号与所述风力涡轮发电机的测得端子电压相比较，从而生成传输到电压调节器的误差电压信号。

所述电压命令信号可在所述无功电流命令生成之前进行调整。在一个实施例中，根据所述风力涡轮发电机的本地无功功率下降(droop)特性调整所述电压命令信号。所述下降特性是预设定的，并且可在风力发电厂内的不同风力涡轮发电机之间变化。在这个实施例的情况下，可根据来自所述风力涡轮发电机的无功功率下降特性和测量到的无功功率反馈信号生成电压修整，其中所述电压修整信号应用于所述电压命令信号以生成调整后的电压命令信号。随后可将这个调整后的信号与测得端子电压相比较，从而生成用于生成所述无功电流命令的电压误差信号。

在另一个实施例中，根据有功功率偏移值调整所述电压命令信号，所述有功功率偏移值基于例如风力发电厂内的风力涡轮机的位置而分配给所述风力涡轮机。所述有功功率偏移值可以是预设定的，并且如所提及，可基于风力发电厂内的对应位置而在不同的风力涡轮发电机之间变化。在这个实施例的情况下，可根据来自所述风力涡轮发电机的有功功率偏移值和测量到的有功功率反馈信号生成电压修整信号，其中所述电压修整信号应用于所述电压命令信号以生成调整后的电压命令信号。随后可将这个调整后的信号与测得端子电压相比较，从而生成用于生成所述无功电流命令的电压误差信号。

在又一个实施例中，可结合根据所述风力涡轮发电机的本地无功功率下降特性和有功功率偏移值调整所述电压命令信号。所述下降特性和有功功率偏移值中的任一个或两个可在所述风力发电厂内的不同风力涡轮发动机之间变化。结合根据所述无功功率下降特性和所述有功功率偏移值生成电压修整信号，所述无功功率下降特性应用于针对所述风力涡轮发电机的测量到的无功功率反馈信号，并且所述有功功率偏移值应用于针所述风力涡轮发电机的测量到的有功功率反馈信号。将所述电压修整信号应用于所述电压命令信号以生成调整后的电压命令信号。随后可将这个调整后的信号与测得端子电压相比较，从而生成用于生成所述无功电流命令的电压误差信号。

所述场级控制器可不同地配置。在某些实施例中，所述场级控制器包括电压调节器，所述电压调节器具有来自各个涡轮机的(a)发电厂级别电压和(b)无功和有功功率输出的输入，以及发电厂级别电压命令的输出。

参考以下具体实施方式和所附权利要求书可以更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，展示了本发明的各项实施例，并与具体实施方式一起解释本发明的原理。

附图说明

本说明书参照附图向所属领域的一般技术人员阐述了本发明的完整且可实现的详细披露，包括其最佳模式，在附图中：

图1是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涡轮发电机；

图2是风力涡轮发电机控制系统的一个实施例的控制图；

图3是风力涡轮发电机控制系统的替代实施例的控制图；

图4是风力涡轮发电机控制系统的另一个实施例的控制图；以及

图5是根据本发明各方面的风力涡轮发电机控制系统的又一个不同实施例的控制图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的各项实施例，附图中示出本发明实施例的一个或多个实例。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，可以对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分进行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，如果对本发明的修改和变化在所附权利要求书和其等效物的范围内，那么本发明应包括此类修改和变化。

根据本发明的各方面的风力涡轮发电机控制系统是基于将参考电压命令而不是无功功率命令发送到风力发电厂或变电站内的所有风力涡轮发电机，如同现有技术中所完成的那样。对于需要稳定化的电网来说，这个控制方案是有利的，因为电压参考修改可更快影响风力涡轮机的运转。所述参考电压控制方案通过在发电机端子处或合成远程点(例如，介于所述发电机端子与所述集电极总线之间)处对各个发电机的电压进行相对快速的调节来实施。电压偏置或修整信号可以生成(如下文更详细地描述)并应用于参考电压命令，以便调整生成涡轮发电机的无功电流命令的相对快速电压调节器的电压设定值。

应了解，参考电压命令信号可由任何场级(高于发电机级别)的控制器(如变电站控制器或发电厂级别控制器)生成。出于说明性目的，本说明书相对于风力发电厂来描述各项实施例，在所述风力发电厂中多个风力涡轮机与风力发电厂级控制器通信。

图1是风力发电厂100的方框图，所述风力发电厂100具有与输电网连接的多个风力涡轮发电机。图1仅示出三个风力发电机；然而，风力发电厂可包括任何数量的风力发电机。

每个风力涡轮发电机110都包括本地控制器，所述本地控制器对受控制风力涡轮发电机的条件做出响应。在一个实施例中，每个风力涡轮发电机的控制器仅感测端子电压和电流(通过电压电流变压器)。感测到的电压和电流由本地控制器用来提供适当的响应，以使风力涡轮发电机提供所需无功功率和电压。与风力涡轮发电机控制器的一个实施例相对应的控制系统图将在下文相对于图2更详细地描述。

每个风力涡轮发电机110均通过发电机连接变压器115连接到集电极总线120，以便将有功功率和无功功率(分别标记为P_wg和Q_wg)提供到集电极总线120。发电机连接变压器和集电极总线在所属领域中是已知的。

风力发电厂100通过风力发电厂主变压器130提供有功功率输出和无功功率输出(分别标记为P_wf和Q_wf)。发电厂级别控制器150感测风力发电厂输出和公共连接点(PCC)140处的电压，以便提供发电厂级别的风力发电机端子电压命令(发电厂级别V_{wtg Cmd})155。在一个实施例中，发电厂级别控制器150将单个V_{wtg Cmd}信号155提供到风力发电厂100中的所有风力涡轮发电机。在替代实施例中，发电厂级别控制器150可提供用于风力发电厂100的风力涡轮发电机的子集的多个命令。针对风力涡轮发动机的子集的命令可基于例如发电厂级别电压调节器。

仍然参照图1，例如在风力涡轮发电机处于手动模式或以其他方式不与风力发电厂控制器150通信的情况下，每个风力涡轮发电机110的本地控制器还可设置有在本地级别或操作员级别处生成的Q命令信号105(Q_Cmd)，如下文更详细地阐释。

图2的控制系统提供涉及涡轮机和发电厂级别控制二者的改进的控制结构，所述控制结构可使用风力涡轮机的统一无功功率输出来执行强大的发电厂级别电压控制性能。

参照图2的实施例的风力涡轮机控制系统图，所述控制系统通常包括运转相对较快(例如，20弧度/秒)的电压调节器回路。可调整电压调节器的设定值，如下文所描述。这种控制系统的要求是，维持来自风力发电厂内的所有风力涡轮发电机的无功功率的合理平衡。对于大部分应用来说，这可以使用图2的系统通过实质上仅依赖于对应风力涡轮机变压器115(图1)的阻抗来完成。对于集电极阻抗使不同风力涡轮发电机的电流出现显著不平衡的应用来说，例如如同具有许多风力涡轮机的长馈线情况，则可应用偏置或修整功能，如下文参照图3至图5所讨论。

从概念上来说，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)的控制器设定的参考值调节电压来提供风力涡轮发电机端子电压控制。在当前情况下，这个较高的参考值是发电厂级别V_{wtg Cmd}信号155。风力涡轮发电机端子电压在较短期限(例如，小于几秒)内调节，以便缓和快速电网瞬变的影响。

将发电厂级别电压命令信号V_{wtg Cmd}155传输到限制器电路240，所述限制器电路240用于将信号值保持在限定极限内并且生成向发电机指示将由所述发电机提供的无功功率的设定值电压命令信号V_command250。V_command250由限制器240限制于V_max242与V_min244之间的预定范围。V_max242和V_min244的这些值可根据额定发电机输出的百分比限定。例如，V_max242可以是额定发电机电压的105％，并且V_min244可以是额定发电机电压的95％。也可使用替代限制。

在图2所示的实施例中，将V_command250与指示发电机的测得端子电压的信号255相比较。V_command250与测得端子电压255之间的差是电压误差信号260(V_Error)，所述电压误差信号260由电压调节器270减小以使测量到的电压遵从电压命令。

电压调节器270基于电压误差信号260(V_Error)生成无功电流命令280(I_{rq Cmd})，所述无功电流命令280用于控制发电机的电流。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。也可使用其他类型的控制器，例如PD控制器、PID控制器等。其他时间常数(例如，1秒、20毫秒、75毫秒、45毫秒)也可用于电压调节器270。

一般来说，发电机电流命令有两个部分。它们是表示为I_{d Cmd}的有功功率部分和表示为I_{q Cmd}的无功功率部分。如相对于图2所描述的所生成的电流命令280是电流命令的无功部分(I_{rq Cmd})。有功部分或I_{d Cmd}可以所属领域中已知的任何方式生成。无功电流命令280受限于I_{q max}272和I_{q min}274。用于I_{q max}272和I_{q min}274的值可基于发电机电流额定值。例如，I_{q max}272可设定为发电机的额定电流的百分比，并且I_{q min}274可设定为-I_{q max}。也可使用替代限制。

将电流命令280传输到风力涡轮发电机的控制器，以便基于所述电流命令生成有功功率和无功功率。在一个实施例中，上文相对于图2所讨论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。所述限制已根据固定的参数进行讨论；但是，例如由查找表或执行控制算法的处理器或状态机所提供的动态可变参数可提供所述限制。这种动态可变限制可基于发电机的电流额定值和同时期的有功功率输出。

如所提及，在某些应用中，可能希望将偏置或修整值应用于电压命令信号V_command250以便实现风力涡轮发电机之间的无功功率的合理平衡，例如当集电极阻抗使风力涡轮发电机之间的电流出现不平衡时。在这方面，图3描绘以下系统的实施例：在所述系统中根据风力涡轮发电机的本地无功功率下降特性调整发电厂级别电压命令信号V_{wtg Cmd}155。这种下降特性是预设定的，并且可在风力发电厂内的不同风力涡轮发电机之间变化。例如，与针对不同风力涡轮发电机预设定的6％下降特性相比，预设定的4％下降特性将在发电机的工作电压处提供特定的无功电流值。可基于所述风力涡轮机与风力发电厂变电站总线之间的阻抗确定不同风力涡轮机的下降。术语“回路”在这种情况下的使用与所属领域中已知的是相同的，以导致在交流电(ac)电力系统上的各种无功功率源之间共享无功功率。

仍然参照图3，根据无功功率下降特性和指示各个风力涡轮机的实际无功功率输出的测量到的无功功率反馈(Q_Fbk)信号202生成偏置或“增量电压修整值”信号(dV_trim)208。将信号dV_trim208添加到发电厂级别电压命令信号V_{wtg Cmd}155，从而得到调整后的命令电压信号(V_{Adj Cmd})210，所述调整后的命令电压信号210实质上是下游电压调节器270的设定值电压。信号dV_trim208以设定极限dV_max204和dV_min206来保持。

将调整后的命令电压信号V_{Adj Cmd}210传输到限制器电路240，所述限制器电路240用于将信号值保持在限定极限内并且生成设定值电压命令信号V_command250。图3的系统的其余功能大致上与上文相对于图2的系统所讨论的相同。

图4描绘一个替代实施例，其中调整发电厂级别电压命令信号V_{wtg Cmd}155以便实现风力涡轮发电机之间的无功功率平衡。在这个实施例中，根据有功功率偏移值调整电压命令信号V_{wtg Cmd}155，所述有功功率偏移值基于例如风力发电厂内的风力涡轮机的位置而分配给所述风力涡轮机。所述有功功率偏移值是预设定的并由补偿器214应用，并且如所提及，可基于风力发电厂内的对应位置而在不同的风力涡轮发电机之间变化。在这个实施例的情况下，可以根据来自风力涡轮发电机的有功功率偏移值和测量到的有功功率反馈信号(P_Fbk)信号212生成电压修整信号dV_trim208，其中电压修整信号dV_trim208应用于发电厂级别电压命令信号V_{wtg Cmd}155以便生成调整后的电压命令信号V_{Adj Cmd}210。如同图3的实施例，将调整后的命令电压信号V_{Adj Cmd}210传输到限制器电路240，所述限制器电路240用于将信号值保持在限定极限内并且生成设定值电压命令信号V_command250。图4的系统的其余功能大致上与上文相对于图2和图3的系统所讨论的相同。

图4的系统中所使用的有功功率偏移值可基于特定风力涡轮机与变电站之间的阻抗的电阻分量。例如，如果风力涡轮机与变电站之间的电压差的电阻部分是2％，那么所述涡轮机将用作2％的有功功率偏移计算中的参数。因此在额定功率的情况下，有功功率偏移将为2％。有功功率偏移将与在所述涡轮机处测量到的有功功率值成比例地变化。

图5描绘一个实施例，其中发电厂级别电压命令信号V_{wtg Cmd}155由有功功率偏移值(如上文相对于图4所讨论)和无功功率下降特性(如上文相对于图3所讨论)的组合来调整。应用于发电厂级别电压命令信号V_{wtg Cmd}155以便生成调整后的电压命令信号V_{Adj Cmd}210的所得偏置或修整值dV_trim208可以是来自两种不同类型的补偿的相加结果或来自不同补偿的任何其他结果。

在说明书中引用“一个实施例”或“实施例”表示结合所述实施例所描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中不同地方出现的短语“在一个实施例中”不必全部指代同一个实施例。另外，虽然本发明已相对于特定示例性实施例及其方法得到了详细说明，但应了解，所属领域的一般技术人员在获得对上述内容的了解后，可容易地制作出此类实施例的修改、变化和等效实施例。因此，本发明的范围是以示例的方式，而非限制的方式说明的，并且本发明并不排除将对于所属领域的技术人员明显的对本发明的修改、变化和/或补充包括在内。

Claims (14)

1.一种用于风力涡轮发电机的无功功率生成的方法，所述方法包括：

从场级控制器接收场级电压命令信号，场级电压命令基于风力发电厂输出电压和多个风力涡轮发电机的公共连接点处的电压确定；

根据所述风力涡轮发电机的本地无功功率下降特性调整所述场级电压命令信号以生成调整后的电压命令信号；

响应于所述调整后的电压命令信号确定所述风力涡轮发电机的无功电流命令；

将所述无功电流命令传输到所述风力涡轮发电机的控制器，以及

由所述控制器基于所述无功电流命令生成风力涡轮发电机的无功功率。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述场级电压命令信号受限于基于发电机端子电压的上限和下限的范围，并且所述无功电流命令受限于基于所述风力涡轮发电机的电流额定值的范围。

3.如权利要求2所述的方法，其中将所述场级电压命令信号与所述风力涡轮发电机的测得端子电压相比较以生成传输到电压调节器的误差电压信号。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述场级电压命令信号是适用于风力发电厂内的所有风力涡轮发电机或其一个子集的风力发电厂级命令信号。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述下降特性是预设定放入并且对于风力发电厂或变电站内的不同风力涡轮发电机而有所不同。

6.如权利要求1所述的方法，所述方法包括根据来自所述风力涡轮发电机的所述无功功率下降特性和测量到的无功功率反馈信号生成电压修整信号，以及将所述电压修整信号应用于所述场级电压命令信号以生成调整后的电压命令信号。

7.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括根据所述风力涡轮发电机的有功功率偏移值调整所述场级电压命令信号。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述有功功率偏移值是预设定的并且对于风力发电厂或变电站内的不同风力涡轮发电机而有所不同。

9.如权利要求7所述的方法，所述方法包括根据来自所述风力涡轮发电机的所述有功功率偏移值和测量到的有功功率反馈信号生成电压修整信号，以及将所述电压修整信号应用于所述场级电压命令信号以生成调整后的电压命令信号。

10.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括结合根据所述风力涡轮发电机的本地无功功率下降特性和有功功率偏移值调整所述场级电压命令信号。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述下降特性和所述有功功率偏移值中的任一个或两个对于风力发电厂或变电站内的不同风力涡轮发电机而有所不同。

12.如权利要求10所述的方法，所述方法包括：结合根据所述无功功率下降特性和所述有功功率偏移值生成电压修整信号，所述无功功率下降特性应用于针对所述风力涡轮发电机的测量到的无功功率反馈信号并且所述有功功率偏移值应用于针对所述风力涡轮发电机的测量到的有功功率反馈信号；以及将所述电压修整信号应用于所述场级电压命令信号以生成调整后的电压命令信号。

13.一种用于风力涡轮发电机的无功功率生成的方法，所述方法包括：

从发电厂级别控制器接收风力涡轮发电机的场级电压命令，场级电压命令基于风力发电厂输出电压和多个风力涡轮发电机的公共连接点处的电压确定；

接收用于单独的风力涡轮发电机的反馈无功功率信号；

将风力涡轮发电机的本地无功功率下降特性应用于所述反馈无功功率信号以生成电压修整值；

将所述电压修整值限制于预定的电压范围；

将所述电压修整值应用于所述场级电压命令以生成调整后的电压命令；

将所述调整后的电压命令限制于预定的电压范围；

基于所述风力涡轮发电机的测量到的电压和所述调整后的电压命令生成电压误差信号；

基于所述电压误差信号生成无功电流命令，以及将所述无功电流命令限制于预定的电流范围；以及

根据所述无功电流命令生成风力涡轮发电机的无功功率。

14.一种用于风力涡轮发电机的无功功率生成的方法，所述方法包括：

从场级控制器接收用于风力涡轮发电机的场级电压命令，场级电压命令基于风力发电厂输出电压和多个风力涡轮发电机的公共连接点处的电压确定；

接收用于单独的风力涡轮发电机的反馈有功功率信号；

将有功功率偏移值应用于所述反馈有功功率信号以生成电压修整值；

将所述电压修整值限制于预定的电压范围；

将所述电压修整值应用于所述场级电压命令以生成调整后的电压命令；

将所述调整后的电压命令限制于预定的电压范围；

基于所述风力涡轮发电机的测量到的电压和所述调整后的电压命令生成电压误差信号；

基于所述电压误差信号生成无功电流命令，以及将所述无功电流命令限制于预定的电流范围；以及

根据所述无功电流命令生成风力涡轮发电机的无功功率。