CN104426156A - 用于风力发电机的电压控制的系统和方法 - Google Patents

用于风力发电机的电压控制的系统和方法 Download PDF

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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方法，所述方法包括接收电压命令信号以及根据所述风力涡轮机的无功功率调整所述电压命令信号。响应于所述调整后的电压命令信号确定所述风力涡轮发动机的无功电流命令，并且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。

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控制的本地控制；或在恒定电压控制中不具有发电厂级控制的本地控制。
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。所述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。所述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，所述方案的不利方面是，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生成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。根据风力涡轮机的实际无功功率调整每个风力涡轮机的电压命令信号。响应于调整后的电压命令信号生成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。
在特定的实施例中，根据所述风力涡轮的无功功率(例如)使用无功功率调节器生成电压修整值，并且将其应用于所述电压命令，以便生成所述调整后的电压命令信号。在某些实施例中，所述调整后的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。
可将所述调整后的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，从而生成作为输入或设定值传输到电压调节器的误差电压信号。
在特定的实施例中，所述电压命令信号是适用于风力发电厂或变电站内的所有风力涡轮机或其一个子集的场级信号。
在某些实施例中，将来自所述风力涡轮发电机的无功功率反馈信号和参考无功功率信号传输到所述无功功率调节器，以便生成所述电压修整值。所述增量(delta)电压修整值可受所述无功功率调节器限制。
所述参考无功功率信号可以各种方式生成。例如，可生成指示风力发电厂或变电站内的所有风力涡轮机或其一个子集的平均无功功率的场级无功功率信号。所述信号可由场级控制器生成，所述场级控制器从所述风力发电厂或变电站内的所有风力涡轮发电机或其一个子集接收测量到的无功电流，并且根据所述功率电流计算平均无功功率信号。在替代实施例中，所述场级无功功率信号由场级控制器生成，所述场级控制器测量所述场级处的总功率电流，并且根据所述总功率电流来确定各个风力涡轮机的估计的平均无功功率信号。
一种用于风力涡轮发电机的无功功率生成的替代方法包括：从场级控制器接收风力涡轮发电机的电压命令，以及接收所述单独的风力涡轮机的参考无功功率信号和反馈无功功率信号。电压修整值从所述参考无功功率信号和所述反馈无功功率信号生成，并且受限于预确定的电压范围。将所述增量电压修整值应用于所述电压命令以生成调整后的电压命令信号，所述调整后的电压命令信号受限于预确定的电压范围。基于所述单独的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。电流命令基于所述电压误差信号生成并且受限于预确定的电流范围。
在特定实施例中，所述电压修整值由所述风力涡轮发电机中的无功功率调节器生成，并且所述电流命令由所述风力涡轮发电机中的电压调节器生成，其中所述无功功率调节器具有控制器，所述控制器的时间常数大于所述电压调节器控制器的时间常数。例如，所述无功功率调节器可具有比例积分(PI)控制器，所述比例积分控制器具有相当于在1秒至10秒范围中的时间常数的闭合回路响应，并且所述电压调节器可具有比例积分(PI)控制器，所述比例积分控制器具有相当于小于1秒的时间常数的闭合回路响应。
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)无功功率输出的输入，以及(a)电压命令和(b)无功功率命令的输出。
参考以下具体实施方式和所附权利要求书可更好地理解本发明的这些以及其他特征、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；以及
图3是处于手动或本地控制中的风力涡轮发电机控制系统的替代实施例的控制图。
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，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，所述控制方案是有利的，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。相对缓慢的无功功率调节器根据从风场控制器所接收的参考无功功率命令和无功功率反馈调整相对快速的电压调节器的设定值。因此，电压修整信号用于调整相对快速的电压调节器的电压设定值，所述相对快速的电压调节器生成涡轮发电机的无功电流命令。
应了解，参考电压命令信号可由任何场级(即，高于发电机级别)的控制器(如变电站控制器或风力发电厂级控制器)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Pwg和Qwg)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Pwf和Qwf)。发电厂级控制器150感测风力发电厂输出和公共连接点(PCC)140处的电压，以便提供发电厂级的风力发电机端子电压命令(发电厂级Vwtg Cmd)155。在一个实施例中，发电厂级控制器150将单个Vwtg 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电压调节器。
仍然参照图1，每个风力涡轮发电机110的本地控制器还可设置有来自发电厂级控制器的、指示发电机端子处的所需无功功率的Q命令信号105(QCmd)，以便确保无功功率在风力涡轮机中的合理分配。在替代实施例中，例如在风力涡轮发动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，所述Q命令信号(QCmd)105可生成为本地级别或操作员级别(在图1中由“本地”线指示)，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控制二者的改进的控制结构，所述控制结构可通过风力涡轮机的统一无功功率输出来执行强大的发电厂级电压控制性能。
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两个回路：电压调节器回路和无功(Q)平衡调节器回路。与Q平衡调节器回路(例如，通常慢于1秒闭合回路时间常数)相比，电压调节器回路运转相对较快(例如，20弧度/秒)。Q平衡调节器调整电压调节器的设定值，如下文描述。
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，所述较高的参考值是发电厂级Vwtg Cmd信号155。无功功率在较长期限(例如，几秒)内调节，以便将无功功率均匀地分配在风力涡轮机之中，而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。
仍然参照图2的风力涡轮控制器实施例，Q平衡调节器220从所有风力涡轮机110接收指示平均无功功率输出的平均涡轮机无功功率输出信号200(QAvg)。所述信号QAvg 200可以各种方式生成。在一个实施例中，将来自每个风力涡轮机110的测量到的无功电流发送到风力发电厂控制器150，所述风力发电厂控制器150计算平均值并且将信号QAvg 200传输到每个风力涡轮机110。在另一个实施例中，可在风力发电厂级处感测到总无功功率，所述总无功功率由风力发电厂控制器150用来基于风力涡轮机110的数量确定近似平均值，同时所述近似平均值作为信号QAvg 200传输到各个风力涡轮机110。
Q平衡调节器220还接收指示各个风力涡轮机的实际无功功率输出的反馈Q值(QFbk)信号202，所述反馈Q值信号202可以由指示发电机处的所需无功功率输出的Q命令信号105(QCmd)来调整或修改。
Q平衡调节器220用于产生增量电压修整值或信号(dVtrim)208，以便添加到发电厂级电压命令信号(Vwtg Cmd)155，从而得到调整后的命令电压信号(VAdj Cmd)210，所述调整后的命令电压信号210实质上是用于下游电压调节器270的设定值电压。信号dVtrim 208以设定极限dVmax 204和dVmin 206来保持。因此，发电厂级电压命令信号Vwtg Cmd 155(这是下游电压调节器270的电压设定值的基础)由Q平衡调节器220修改或调整。
Q平衡调节器220用于使相应风力涡轮机的无功输出与平均无功输出QAvg 200之间的差最小化。在一个实施例中，Q平衡调节器220是具有相对缓慢的响应时间(例如，约1秒至10秒(例如，3秒、5秒、5.5秒))的比例积分(PI)控制器。应理解，也可使用其他类型的控制器和时间常数，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。其他时间常数也可以用于Q平衡调节器220，只要Q调节器220的时间常数在数值上大于电压调节器270的时间常数。
将调整后的命令电压信号VAdj 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Vcommand250。
Vcommand 250由限制器240限制于Vmax 242与Vmin 244之间的预确定范围。在一个实施例中，Vmax 242和Vmin 244根据额定发电机输出的百分比限定。例如，Vmax 242可以是额定发电机电压的105％，并且Vmin 244可以是额定发电机电压的95％。也可使用替代限制。
在某些实施例中，将Vcommand 250与指示发电机的测得端子电压的信号255相比较。Vcommand 250与测得端子电压255之间的差是电压误差信号260(VError)，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(VError)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，只要电压调节器270的时间常数小于用于Q平衡调节器220的时间常数。
一般来说，发电机电流命令有两个部分。它们是表示为Id Cmd的有功功率部分和表示为Iq 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(Irq Cmd)。有功部分或Id 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Iq max 272和Iq min 274。Iq max 272和Iq min 274的值可基于发电机电流额定值。例如，Iq max 272可设定为发电机的额定电流的百分比，并且Iq min 274可设定为-Iq 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。
如上文所提及，指示发电机端子处的所需无功功率的本地或操作员Q命令信号(QCmd)105可在以下情况下供应到本地控制器110：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。在这种模式下，控制系统将如图3中所描绘的那样起作用。在所述实施例中，QCmd信号105与QFbk信号202结合在一起以便产生供应到VAR(Q)调节器240的QError信号235。调节器240生成受限的Vcommand 250，将所述Vcommand 250与测得端子电压信号255相比较，从而生成针对电压调节器270的电压误差信号260(VError)输入，如上文详细地讨论。
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 (15)

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：
接收电压命令信号；
根据所述风力涡轮机的实际无功功率调整所述电压命令信号；
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，以及基于所述无功电流命令生成无功功率。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述调整后的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，其中将所述调整后的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，其中所述电压命令信号是适用于风力发电厂内的所有风力涡轮机或其一个子集的发电厂级命令信号。
5.如权利要求1所述的方法，所述方法包括根据参考无功功率信号和所述风力涡轮机的实际无功功率生成电压修整值，以及将所述电压修整值应用于所述电压命令信号以生成所述调整后的电压命令信号。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述参考无功功率信号与用于风力发电厂或变电站内的所有风力涡轮机或其一个子集的场级平均无功功率输出信号相对应。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述场级平均无功功率输出信号输出由场级控制器生成，所述场级控制器从所述风力涡轮机接收测量到的无功电流并且计算用于所述风力涡轮机的所述平均无功功率输出。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述场级平均无功功率输出信号输出由场级控制器生成，所述场级控制器感测所述场级的总无功功率并且计算用于所述风力涡轮机的估计的平均无功功率输出。
9.如权利要求6所述的方法，其中将来自所述风力涡轮发电机的无功功率反馈信号和所述参考无功功率信号传输到无功功率调节器，以便生成所述电压修整值。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述电压修整值受所述无功功率调节器限制。
11.一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电压命令；
接收用于所述单独的风力涡轮机的参考无功功率信号和反馈无功功率信号；
从所述参考无功功率信号和所述反馈无功功率信号生成电压修整值；
将所述电压修整值限制于预确定的电压范围；
将所述电压修整值应用于所述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确定的电压范围；
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；以及
基于所述电压误差信号生成电流命令，以及将所述电流命令限制于预定的电流范围。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述电压修整值由所述风力涡轮发电机中的无功功率调节器生成，并且所述电流命令由所述风力涡轮发电机中的电压调节器生成，其中所述无功功率调节器具有控制器，所述控制器的时间常数大于所述电压调节器控制器的时间常数。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述无功功率调节器具有时间常数在1秒至10秒范围中的比例积分(PI)控制器，并且所述电压调节器具有时间常数小于1秒的比例积分(PI)控制器。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述场级控制器具有电压调节器或无功功率调节器，并且接收与电网的公共连接点(PCC)处的电压信号，所述场级控制器生成所述电压命令并将其发送到风力发电厂或变电站内的多个单独的风力涡轮机。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述场级控制器还生成指示所述风力涡轮发动机端子处的所需无功功率的操作员无功功率命令信号(QCmd)并将其发送到所述各个风力涡轮机。
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