CN104638669A - 操作风电场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了操作风电场的方法。提供了风轮机（2），其具有被连接在风轮机的发电机（8）和DC链路（10）之间的第一变换器（9），和被连接在DC链路（10）和连接到或可连接到公用电网（5）的风轮机的输出端（7）之间的第二变换器（11）。风轮机还包括风轮机控制器（12），其被适配成控制风轮机的输出电流、风轮机的输出电压、风轮机的无功输出功率、DC链路（10）的输出电压和DC链路（10）的输出电流中的至少一个。根据本发明，风轮机还包括通信装置（13），其被适配成接收控制信号并根据控制信号来设置风轮机控制器的控制参数。本发明还提供网络变换器、操作风轮机的方法、操作风电场的方法和计算机可读储存介质。

Description

操作风电场的方法
技术领域
本发明提供风轮机、网络变换器、操作风轮机的方法、操作风电场（wind park）的方法和计算机可读储存介质。
背景技术
在总电力生产中风力的份额已经在过去数十年期间显著增长并继续增长为更多，并且还构造了更高效的风轮机和离岸（off-shore）风电场。由风力生产的稳定增加而引起的突出问题在于由风电场所提供的波动的功率量可能导致公用电网（utility grid）中的稳定性问题。这由以下事实加剧：许多风电场位于远离功率消费者处，以使得风力必须在长距离上输送并且从不良发展的农村区域输送到都市区域。为了确保恰当的网络操作以及相同的公用电网中不同的功率提供者与消费者之间的交互，风轮机和风电场必须遵照通过使用电网顺从性测试来进行测试的某些要求。例如，由风轮机所提供的电力需要遵照关于输出相位和频率的严格需求。然而，当风速变化时，风轮机的转子速度也变化，并且从而由风轮机的发电机所提供的功率的相位和频率变化。为了克服这一问题，常见配置包括用于对发电机所生成的交流电压进行整流并将其提供到包括储存电容器的DC链路（DC，直流）的第一变换器。由于DC链路不可避免地具有非常有限的储存容量，提供到DC链路的功率需要被馈送到互连了风电场中数个到数百个风轮机的公用电网或收集器电网（collector grid）。因此，第二变换器将DC链路的电压变换成具有期望的相位和频率的AC电流（AC，交流）并输出AC电流。采用一种控制电路、风轮机控制器，其根据由发电机通过第一变换器提供到DC链路的变化的功率量来变化风轮机的输出电流、风轮机的输出电压、风轮机的无功输出功率、DC链路的输出电压和DC链路的输出电流中的至少一个以便保持DC链路的电压基本上恒定。该控制电路具有某个带宽并需要操作于稳定条件下。有时，在控制电路中可能发生稳定性丧失。对于这样的稳定性丧失的常见补救是降低控制电路的带宽。然而，可能发生以下情况：由于降低的带宽而使得风轮机无法通过电网顺从性测试。
发明内容
因而，本发明提供了一种风轮机，其具有被连接在风轮机的发电机和DC链路之间的第一变换器以及被连接在DC链路和连接到或可连接到公用电网的风轮机的输出端之间的第二变换器。风轮机还包括风轮机控制器，其用于控制风轮机的输出电流、风轮机的输出电压、风轮机的无功输出功率、DC链路的输出电压和DC链路的输出电流中的至少一个。根据本发明，风轮机还包括通信装置，其被适配成接收控制信号并根据控制信号来设置风轮机控制器的控制参数。当本文中提及到控制参数被设置时，该控制参数将通常是相应控制器的带宽。然而，控制器的带宽由取决于控制器的特定实现方式的多个参数所确定。例如，在一些类型的控制器中，控制器的带宽可以通过设置诸如比例和/或积分增益之类的增益或者通过设置环路滤波器的带宽来设置。因而，控制参数将根据活动的风轮机的数目来被设置以便选择适合于活动的风轮机的数目的控制器带宽。
本发明的风轮机具有优势，因为风轮机控制器的带宽能够被适配于风轮机所连接到的公用电网的变化的条件。例如，当公用电网的阻抗变化时，控制参数能够被改变成新的值，所述值确保风轮机控制器的稳定性。对于此的原因在于：公用电网的阻抗对风轮机控制器的闭环增益有影响。因而，当风轮机到公用电网的电连接的阻抗改变时，风轮机控制器的闭环增益也改变。出于该原因，可能发生稳定性缺乏。本发明通过相应地改变风轮机控制器的带宽来克服该问题。
风轮机的通信装置可以被适配成接收关于公用电网的短路比的信息并根据短路比来设置风轮机控制器的控制参数。短路比（SCR）是针对公用电网的强度的度量，并可以被用于确定风轮机控制器的适当带宽。SCR可以是基于测量而在线或者离线估计的，或者它可以基于短路研究或基于具有关于当前电网配置的输入的仿真模型来计算。此外，SCR可以是从外部源接收到的，诸如从公用电网的运营商。
通信装置还可以被适配成接收关于风轮机位于其中的风电场中活动的风轮机的数目的信息，并且根据活动的风轮机的数目来设置风轮机控制器的控制参数。本发明基于以下理解：风电场中活动的风轮机的数目对风电场所连接到的公用电网有强大影响。对于位于其中公用电网通常相当弱的偏远区域中的风电场来说这尤其确实如此。在这样的情况下，公用电网上的负载由活动的风轮机的数目来确定，因为由风电场提供的功率与活动的风轮机的数目成比例。活动的风轮机的数目对如从风轮机所见的网络阻抗有直接影响。因此，风电场中单独风轮机的风轮机控制器的开环增益随着风电场中活动的风轮机的数目而改变。因而，风电场中活动的风轮机的数目对单独风轮机的控制器稳定性有直接影响。当风轮机停机维护时，当新的风轮机添加到风电场时，或者在其中一些风轮机可能停止而其它风轮机仍然经受足够的风来继续操作的轻风条件下，活动的风轮机的数目改变。
优选地，风轮机控制器包括比例-积分控制器。于是，通信装置还可以被适配成根据控制信号来设置比例-积分控制器的比例增益和积分增益。比例-积分控制器是对于风轮机控制器的优选的选择。其闭环增益可以通过为比例和积分增益选择适当值来设置。在一些实施例中，比例和/或积分增益可以根据由控制信号发信号通知的活动的风轮机的数目而选择自多个预定义的值。例如，如果活动的风轮机的数目在0和数目N1之间，则可以选择比例增益Kp1，如果活动的风轮机的数目在N1和大于N1的数目N2之间，则可以选择比例增益Kp2，等等。
风轮机控制器可以是连接到风轮机的DC链路的DC链路控制器，并且可以包括用于控制DC链路的电压的外环路和用于控制流动通过第二变换器的DC链路的输出电流的内环路。这样的级联控制器对于控制DC链路的电压尤其有用，其中期望的电压水平由流自和流至DC链路的电流所确定。
在这样的情况下，通信装置可以被适配成根据控制信号来设置外环路和内环路的对应带宽。例如，外环路的带宽和内环路的带宽可以被设置成期望的值，并且外环路和内环路的相应带宽之间的比可以保持恒定，甚至在DC链路控制器的带宽改变时。优选地，外环路的带宽大约是内环路的带宽的十分之一。
由于相同的推理还适用于典型风电场的其它组件，本发明的第二方面提供一种网络变换器，其包括：被连接在输入功率变换器和输出功率变换器之间的网络变换器DC链路；以及网络变换器控制器，其被适配成控制网络变换器的输出电流、网络变换器的输出电压和网络变换器DC链路的电压中的至少一个。根据本发明的第二方面，网络变换器还包括网络变换器通信装置，其被适配成接收网络变换器控制信号以及根据网络变换器控制信号来设置网络变换器控制器的控制参数。网络变换器通常连接在风电场的风轮机和公用电网之间，并且将风轮机所提供的电功率变换成适合于为公用电网馈电的功率信号。如上对于本发明的风轮机所阐述的相同的修改和实现细节可以用于本发明的网络变换器。
本发明的第三方面提供一种操作风轮机的方法，所述风轮机具有：被连接在风轮机的发电机和DC链路之间的第一变换器；被连接在DC链路和风轮机的输出端之间的第二变换器；以及风轮机控制器，其用于控制风轮机的输出电流、风轮机的输出电压、风轮机的无功输出功率、DC链路的输出电压和DC链路的输出电流中的至少一个。所述方法包括以下步骤：
--接收控制信号；以及
--根据控制信号来设置风轮机控制器的控制参数。
本发明的第四方面目的在于操作风电场的方法，所述风电场包括风电场控制器和多个根据本发明的风轮机。所述方法包括以下步骤：
--在风电场控制器中，确定风电场中活动的风轮机的数目，根据所确定的活动的风轮机的数目而生成包括关于期望的风轮机控制器带宽的信息的控制信号，并且将控制信号发送到活动的风轮机；
--在活动的风轮机中，接收控制信号并且根据接收到的控制信号来设置风轮机的风轮机控制器的控制参数。
本发明的另一方面提供一种操作风电场的方法，所述风电场包括根据第二发明方面的网络变换器、连接到网络变换器的风电场控制器和多个风轮机。所述方法包括以下步骤：
--在风电场控制器中，确定风电场中活动的风轮机的数目，根据所确定的活动的风轮机的数目而生成包括关于期望的网络变换器控制器带宽的信息的网络变换器控制信号，并且将网络变换器控制信号发送到网络变换器；
--在网络变换器中，接收网络变换器控制信号并且根据接收到的网络变换器控制信号来设置网络变换器控制器的控制参数。网络变换器可以是网络变换器的电压控制器、无功功率控制器、电流控制器或DC链路电压控制器之一。如同如在风电场的各种组件中使用的本发明的各种控制器的所有实施例的情况一样，设置网络控制器的控制参数可以包括设置相应控制器的增益。电流控制器可以位于abc原始框架中、在阿尔法-贝塔（alpha-beta）框架中或者在dq同步旋转框架中。
此外，本发明提供一种操作风电场的方法，所述风电场包括多个风轮机和风电场控制器。所述方法包括以下步骤：
--确定风电场中活动的风轮机的数目，并且根据所确定的风电场中活动的风轮机的数目来设置用于控制风电场的输出电压或风电场所提供的无功功率量的风电场控制器的控制器的控制参数。
本发明的又一方面提供一种计算机可读储存介质，其包括用于风轮机的控制器的程序代码，所述程序代码当被控制器执行时实施控制本发明的风轮机的方法。所述控制器可以是安装在风轮机中的微控制器或中央处理单元（CPU）。特别地，它可以是用于实现风轮机控制器的微控制器或CPU。
本发明的该方面是有利的，因为它可以通过改变风电场控制器和风电场的操作软件以执行本发明的方法而应用于已经安装在风电场中的风轮机。风轮机控制器可以被设置成根据风轮机的操作模式而控制风轮机的输出电流、风轮机的输出电压、风轮机的无功输出功率、DC链路的输出电压和DC链路的输出电流中的至少一个。
附图说明
本发明将从以下附图中被更好地理解，其中将作为示例而图示本发明的优选实施例。在附图中：
图1示出风电场，其中可以通过使用本发明的风轮机测试方法来测试风轮机；
图2示出本发明的风轮机的实施例；
图3示出本发明的网络变换器的实施例；
图4示出DC链路控制器的实施例；以及
图5示出等效网络图。
具体实施方式
图1示出风电场1，其包括通过收集器电网3互连的多个风轮机2。风电场1中风轮机2的数目可以从数个风轮机2到数百或甚至数千个风轮机2的范围。
风电场1借助于将收集器电网3处的收集器电网电压转换成公用电网5处的公用电网电压的场变压器（park transformer）4而连接到公用电网5。场变压器4可以是能够提供可选变压比的多抽头变压器。在其它情况下，场变压器4可以是网络变换器的部分，或者场变压器4可以被网络变换器所取代。在离岸风电场1的情况下，风电场和公用电网之间的连接还可以借助于高压AC线或高压DC线来提供。在后者的情况下，场变压器4可以被合适的DC变压装置所取代，所述DC变压装置可以包括网络变换器。
风电场1的操作被风电场控制器6所控制。风电场控制器6可以为风轮机2中的每一个设置参考电压和参考频率，并且控制场变压器4或网络变换器。
图2示出本发明的风轮机2的实施例。风轮机2包括由风转子（未示出）驱动的发电机8、用于在发电机8和DC链路10之间对电功率进行变换或整流的第一变换器9、用于在DC链路10和风轮机2的输出端之间对电功率进行变换的第二变换器11。输出端可以直接连接到风电场1的收集器电网3或借助于风轮机变压器7。通常，存在于风轮机变压器7的输入端处的电压将低于存在于收集器电网3上的电压，并且收集器电网的电压将低于公用电网5的电压。
风轮机2还包括风轮机控制器12，所述风轮机控制器12在示例中是被适配成控制DC链路10上所存在的电压的DC链路控制器。然而，该风轮机控制器还可以被适配成控制风轮机的输出电流、风轮机的输出电压、风轮机的无功输出功率、DC链路的输出电压和DC链路的输出电流中的至少一个。该DC链路电压由随风速变化的发电机8所提供的电流以及由风轮机2提供给收集器电网3的电流所确定。DC链路控制器12的目的在于在风轮机2的操作期间维持DC链路电压基本上恒定。根据本发明，风轮机2还包括可以与风电场1的场控制器（park controller）6进行通信的通信装置13。也将可能的是：将每个风轮机2的通信装置13连接到风电场1中的那些所有其它风轮机2并且使风轮机2单独地且独立于任何中央控制装置（诸如风电场控制器6）地实施本发明的方法。在该情况下，每个风轮机2将经由其通信装置13向风电场中的所有其它风轮机2通告其存在和状态作为控制信号的部分，并且每个风轮机2将根据由控制信号以这种方式所传达的信息来设置其DC链路控制器12的带宽。这将表示分布式风电场控制器6。然而，在图1中所示的实施例中，将从场控制器6以及从风电场1中被要求生成适当控制信号的风轮机2发送控制信号，所述场控制器6从公用电网5的运营商收集相关数据。
图3示出本发明的网络变换器14的实施例。网络变换器14包括被连接在输入功率变换器15和输出功率变换器17之间的网络变换器DC链路16。此外，网络变换器14包括被连接到网络变换器DC链路16的网络变换器控制器18。可替换地或附加地，网络变换器控制器可以连接到输出功率变换器。此外，提供了网络变换器通信装置19。网络变换器14的运行和操作类似于图2的风轮机的运行和操作，当仅预期相应地第一和第二变换器9和11、DC链路10、DC链路控制器12和通信装置13时。出于该原因，将省略冗余的描述。如与图2的风轮机2一样，图3的网络变换器14还可以包括被连接在输出功率变换器17和网络变换器14的输出端之间的输出变压器（未示出）。
图4示出如可以使用在风轮机2中的或者如本发明的网络变换器14中的网络变换器控制器18的DC链路控制器12的实施例。DC链路控制器12具有级联结构，所述级联结构具有外环路和内环路。外环路控制DC链路电压，而内环路控制由第二变换器11从DC链路10提供到风轮机2的输出端（或者到风轮机变压器7）的电流。这两个电流的平衡确定DC链路电压，因此内环路的控制操作（电流控制器）对外环路的控制操作（电压控制器）有影响。针对期望的DC链路电压的电压设定点20被提供到加法器21，所述加法器21具有由DC链路10的电容器29所生成的当前DC链路电压的负输入。当前的DC链路电压可以在电压控制器内计算。电压设定点和当前DC链路电压之间的差构成电压误差，其需要由电压控制器补偿。电压误差被第一采样并保持（Sample-and-Hold）锁存器22所滤波和采样，并且采样的值被馈送到第一比例-积分控制器23，所述第一比例-积分控制器23生成用于第二变换器11的输出电流的电流设定点。在加法器30中从电流设定点减去当前输出电流，并且结果得到的电流误差被馈送到第二采样并保持（Sample-and-Hold）锁存器24，其输出端连接到第二比例-积分控制器25。第二比例-积分控制器25具有被连接到用于第二变换器11的脉冲宽度调制控制器26的输出端，并从而确定流动通过第二变换器11的电流。另一加法器27从流动通过第二变换器11的电流减去从发电机8流动到DC链路10的测量电流，从而产生电流平衡。该电流平衡应该为零，但由于发电机电流的变化的性质而关于该值振荡。所述电流平衡被馈送到电容器29并从而改变被馈送到加法器21的当前DC链路电压。同时，电流平衡被馈送到输出电流必须通过的输出网络28。该输出网络28可以反映风轮机变压器7的电感和铁损耗。通常，实际输出网络28被建模，并且其效应在控制器中被计算。由加法器30从电流设定点减去结果得到的当前输出电流，如以上所解释的，从而完成DC链路控制器12的内环路。通常，电流控制器的带宽被设置成电压控制器的带宽的5到10倍以确保控制器的稳定性。然而，如果风电场1中活动的风轮机2的数目改变，则带宽可以改变，并且该关系可能失败，从而导致稳定性丧失。
图5示出图示了如从风轮机2所见的阻抗的等效网络图。风轮机2的第二变换器11的半导体开关40使电流流动通过风轮机变压器和对应的互连。这通过理想变压器43、总内部电阻41和总内部电感42来建模。此外，输出电流流动通过系统阻抗44，所述系统阻抗44反映收集器电网、场变压器4、和公用电网5的阻抗的贡献，所述公用电网5的阻抗可以包括架空（overhead）传输线的阻抗。理想电压源45反映公用电网5的电网电压。
在分析中，将发现的是，系统阻抗44随着风电场1中活动的风轮机的数目而变化，因为所有风轮机的输出电流必须通过风电场1和公用电网5的相同基础设施。因此，如从单个风轮机所见的系统阻抗44可以被建模为实际系统阻抗的N倍，其中N是风电场1中活动的风轮机2的数目（其对应于风电场1的总输出功率）。由于系统阻抗被反映在电流控制器的输出网络28中，能够推断出的是，电流控制器的传递函数也随着风电场中活动的风轮机的数目而变化。将电流控制器的闭环增益T(s)计算为：
其中Kp指明电流控制器的比例增益，Ki指明电流控制器的积分增益，并且L和R指明输出网络的电感和电阻，能够推断出的是闭环增益 可以通过设置和 而实现，其中。然而，由于R和L取决于风电场中活动的风轮机的数目，根据本发明，比例和积分增益Kp和Ki应该根据活动的风轮机的数目而选择，以便实现电流控制器的最优行为。
尽管本发明已经关于其示例性实施例而被示出并描述，但可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在其中做出其形式和细节上的各种其它改变、省略和添加。
虽然已经结合优选实施例描述了本发明，但这不旨在将本发明的范围限制于所阐述的特定形式，而是相反地，旨在涵盖如可以被包含在如随附权利要求所限定的本发明的范围内的这样的替换、修改和等价物。

Claims (12)

1.一种风轮机（2），其具有被连接在风轮机（2）的发电机（8）和DC链路（10）之间的第一变换器（9），被连接在DC链路（10）和连接到或可连接到公用电网（5）的风轮机（2）的输出端（7）之间的第二变换器（11），以及风轮机控制器（12），所述风轮机控制器（12）被适配成控制风轮机（2）的输出电流、风轮机（2）的输出电压、风轮机（2）的无功输出功率、DC链路（10）的输出电压和DC链路（10）的输出电流中的至少一个，其特征在于：风轮机（2）还包括通信装置（13），其被适配成接收控制信号并根据控制信号来设置风轮机控制器（10）的控制参数。
2.根据权利要求1所述的风轮机（2），其中通信装置（13）被适配成接收关于公用电网（5）的短路比的信息并根据短路比来设置风轮机控制器（12）的控制参数。
3.根据权利要求1或2中之一所述的风轮机（2），其中通信装置（13）被适配成接收关于风轮机（2）位于其中的风电场（2）中活动的风轮机（2）的数目的信息，并且根据活动的风轮机（2）的数目来设置风轮机控制器（12）的控制参数。
4.根据前述权利要求中之一所述的风轮机（2），其中风轮机控制器（12）包括比例-积分控制器（23、25），并且其中通信装置（13）还被适配成根据控制信号来设置比例-积分控制器（23、25）的比例增益（Kp）和积分增益（Ki）。
5.根据前述权利要求中之一所述的风轮机（2），其中风轮机控制器（12）是连接到风轮机（2）的DC链路（10）的DC链路控制器（12），并且包括用于控制DC链路（10）的电压的外环路和用于控制流动通过第二变换器（11）的DC链路（10）的输出电流的内环路。
6.根据权利要求5所述的风轮机（2），其中通信装置（13）被适配成根据控制信号来设置外环路和内环路的对应带宽。
7.一种网络变换器（14），其包括被连接在输入功率变换器（15）和输出功率变换器（17）之间的网络变换器DC链路（19），以及网络变换器控制器（18），所述网络变换器控制器（18）被适配成控制网络变换器（14）的输出电流、网络变换器（14）的输出电压和网络变换器DC链路（16）的电压中的至少一个，其特征在于，网络变换器（14）还包括网络变换器通信装置（19），其被适配成接收网络变换器控制信号以及根据网络变换器控制信号来设置网络变换器控制器（18）的控制参数。
8.一种操作风轮机（2）的方法，所述风轮机（2）具有被连接在风轮机（2）的发电机（8）和DC链路（10）之间的第一变换器（9），被连接在DC链路（10）和风轮机（2）的输出端（7）之间的第二变换器（11），以及风轮机控制器（12），所述风轮机控制器（12）用于控制风轮机（2）的输出电流、风轮机（2）的输出电压、风轮机（2）的无功输出功率、DC链路（10）的输出电压和DC链路（10）的输出电流中的至少一个，所述方法包括以下步骤：
--接收控制信号；以及
--根据控制信号来设置风轮机控制器（12）的控制参数。
9.一种操作风电场（1）的方法，所述风电场（1）包括风电场控制器（6）和多个根据权利要求1至8中之一所述的风轮机（2），所述方法包括以下步骤：
--在风电场控制器（6）中，确定风电场（1）中活动的风轮机（2）的数目，根据所确定的活动的风轮机的数目而生成包括关于期望的DC链路控制器带宽的信息的控制信号，并且将控制信号发送到活动的风轮机（2）；
--在活动的风轮机（2）中，接收控制信号并且根据接收到的控制信号来设置风轮机（2）的风轮机控制器（12）的控制参数。
10.一种操作风电场（1）的方法，所述风电场（1）包括根据权利要求9所述的网络变换器（4）、连接到网络变换器（4）的风电场控制器（6）和多个风轮机（2），所述方法包括以下步骤：
--在风电场控制器（6）中，确定风电场（1）中活动的风轮机（2）的数目，根据所确定的活动的风轮机（2）的数目而生成包括关于期望的网络变换器控制器带宽的信息的网络变换器控制信号，并且将网络变换器控制信号发送到网络变换器（4）；
--在网络变换器（4）中，接收网络变换器控制信号并且根据接收到的网络变换器控制信号来设置网络变换器控制器的控制参数。
11.一种操作风电场（1）的方法，所述风电场（1）包括多个风轮机（2）和风电场控制器（6），所述方法包括以下步骤：
--确定风电场（1）中活动的风轮机（2）的数目，并且根据所确定的风电场（1）中活动的风轮机（2）的数目来设置用于控制风电场（1）的输出电压或风电场（1）所提供的无功功率量的风电场控制器（6）的控制器的控制参数。
12.一种计算机可读储存介质，其包括用于风轮机（2）的控制器（12、13）的程序代码，所述程序代码当被控制器（12、13）执行时实施根据权利要求8所述的方法。
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