CN105281625A

CN105281625A - 风力涡轮控制器和用于控制风力涡轮机的电力产生的方法

Info

Publication number: CN105281625A
Application number: CN201510285371.3A
Authority: CN
Inventors: B.安德列森; D.奥布拉多维奇; A.萨博
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-01-27
Also published as: EP2949922A1; ES2706423T3; EP2949922B1; US20150345469A1; US9989034B2

Abstract

风力涡轮控制器和用于控制风力涡轮机的电力产生的方法。提供了一种用于控制风力涡轮机（1）的电力产生的风力涡轮控制器（10）。该风力涡轮机（1）被布置在经由公共耦合点（2）耦合至公共电力网络（6）的风电场（100）内。该风力涡轮控制器（10）包括接收单元（11），其用于接收在该公共耦合点（2）处所取得的该风电场（100）的属性的测量值并且用于接收该属性的参考值；和控制单元（13），其用于通过基于所接收的该属性的测量值和所接收的该属性的参考值对风力涡轮机（1）的局部属性进行调节而使得在公共耦合点（2）处所取得的风电场（100）的该属性的测量值对应于该属性的参考值来控制该风力涡轮机（1）的电力产生。

Description

风力涡轮控制器和用于控制风力涡轮机的电力产生的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制风力涡轮机的电力产生的风力涡轮控制器。本发明进一步涉及一种包括此类控制器的风力涡轮机以及包括多个风力涡轮机的风电场。此外，本发明涉及一种用于控制风力涡轮机的电力产生的方法。

背景技术

在普通风电场控制结构中，电场控制器（高级别控制器）位于公共耦合点（PCC），即风电场和公共电网之间的连接处。由于普通风电场控制结构中的控制结构是层级式的，所以低级别控制器位于各个涡轮机处，所谓的涡轮控制器。

电场控制器具有调节整个风电场有功功率生成以及例如PCC处的电压、无功功率或功率因数之类的附加变量的任务。电场控制器接收在PCC所取得的电流和电压测量，并且基于它们与对应的参考值的差异其针对各个涡轮机提供电压设置点。电场控制器的实施方式可以是具有可能的软化功能（droopfunction）的PID结构，其基于所测量的无功功率修改参考电压并且可能地基于所测量的电网频率修改有功功率参考。

涡轮控制器例如遵循由参考值所定义的最大功率点跟踪，即由电场控制器定义的设置点来调节终端电压和涡轮机有功功率产生。这有效地通过针对Id（基于有功功率设置点）和Iq（基于电压或无功功率设置点）电流分量来产生设置点而实现，所述电流分量然后在并未在范围外的情况下由转换器生成。

在此类结构中，电场控制器向所有涡轮控制器提供相同的电压并且经常是相同的有功功率设置点而并不考虑它们单个状况，诸如电网电路特性、单个涡轮机风暴露、涡轮机的无功或有功功率容量、饱和状态等。另外，电场控制器并未考虑涡轮控制器—其意味着它们的转换器—的电流饱和限制，这可能导致对应的涡轮PI控制器中的大的积分值。另外，由于此类结构使用层级式控制回路，所以整个电场控制方案的稳定性分析可能非常复杂，原因在于不能关于电场控制器的时间常数而忽略涡轮控制器动态。

发明内容

本发明的一个目标是提供对风电场内的风力涡轮机的改进的控制。

本发明的这个和其它目标通过独立权利要求来解决。本发明的实施例由从属权利要求描述。

因此，提供了一种用于控制风力涡轮机的电力产生的风力涡轮控制器，该风力涡轮机被布置在经由公共耦合点耦合至公共电力网络的风电场内。该风力涡轮控制器包括接收单元，其用于接收在该公共耦合点处所取得的该风电场的属性的测量值并且用于接收该属性的参考值；和控制单元，其用于通过基于所接收的该属性的测量值和所接收的该属性的参考值对风力涡轮机的局部（local）属性进行调节而使得在公共耦合点所取得的风电场的该属性的测量值对应于该属性的参考值来控制该风力涡轮机的电力产生。

例如控制单元的相应单元可以以硬件和/或以软件来实施。如果所述单元以硬件实施，则其可以被实施为设备，例如计算机或处理器或系统的一部分，上述系统例如计算机系统。如果所述单元以软件实施，则其可以被具体实施为计算机程序产品、函数、例程、程序代码或者可执行对象。

该风力涡轮控制器经由该接收单元接收该风电场的一个或多个属性的一个或多个测量值。这些值在公共耦合点（PCC）处取得，该风电场在其处连接至公共电力网络，下文中也被称为电网。

该接收单元进一步接收相应属性的一个或多个参考值。该参考值表示应当由风电场—即由所有风力涡轮机共同在PCC处实现的值。

该控制单元然后基于（多个）所测量值和（多个）参考值对该风力涡轮机进行控制而使得（多个）所测量值对应于（多个）参考值。这意味着该风力涡轮机受到控制以便在PCC处实现或满足（多个）参考值或者至少接近该（多个）参考值。

使用此类控制结构，该控制结构与使用风电场控制器而不是风力涡轮控制器的常见控制结构相比被简化，因为消除了高级别控制器。

根据一个实施例，该风电场的属性是电流、电压、无功功率和功率因数中的至少一个。

所有这些属性都可以被测量并且然后被风力涡轮控制器用作测量值。参考值可以针对这些属性中的全部或部分进行设置。

根据另外的实施例，该风力涡轮机的局部属性是局部电压和局部有功功率中的至少一个。

通过控制或调节这些局部属性，风力涡轮控制器可以确保能够接近PCC的参考值。该局部属性影响PCC处的全局（global）属性。

根据另外的实施例，该控制单元适于确定所测量值和参考值之间的差异。

当确定该差异时，该控制单元可以基于所确定的差异对局部属性进行调节。该差异还可以被称作PCC处的误差。

根据另外的实施例，该接收单元适于接收在风电场内活动的（active）风力涡轮机的数目，并且其中该控制单元适于基于该风力涡轮机的数目来控制电力产生。

有关活动风力涡轮机的总数的信息可以被用来调整风力涡轮控制器的增益。风力涡轮控制器也可以被称作终端控制器。在本上下文中，终端电压是到风场电网的涡轮连接处的电压并且其由涡轮电压控制器所控制。

根据另外的实施例，该风力涡轮控制器进一步包括监视单元，其用于监视该风力涡轮机的输出端子处的电流设置点的值和/或电压的值。

除了控制局部属性以用于接近全局参考值之外，该监视单元可以对局部属性中的一些进行监视而使得该风力涡轮机能够在该风力涡轮机的局部极限内进行控制，上述局部极限例如该风力涡轮机的转换器的极限。本上下文中的转换器指的是风力涡轮机的电网侧的转换器。

根据另外的实施例，该监视单元适于在终端电压的值低于电压范围的电压下限值或者高于电压上限值的情况下生成电压报警信号。

针对局部电压，可以设置下限值和上限值。如果所监视的电压值超出这些极限，则可以生成电压报警信号。

根据另外的实施例，该控制单元适于接收电压报警信号并且切换至局部电压控制模式，其中控制单元适于通过基于该电压范围调节风力涡轮机的局部属性而控制该风力涡轮机的电力产生。

在也被称作PCC控制模式的正常操作模式中，该控制单元可以使得PCC处的电压或无功功率或功率因数误差作为输入并且可以改变局部电压或无功功率以便在PCC处实现所期望的，即参考电压或无功功率或功率因数。

然而，如果对PCC处的控制的支持驱动局部，也被称作终端电压而使得该局部电压接近其下限或其上限而并不使转换器电流饱和，则该风力涡轮控制器的控制单元的电压控制器切换至局部电压控制模式。作为所要实现的参考值，使用例如上限或下限值的参考局部电压值。因此，替代基于要在PCC处实现的全局参考值来控制风力涡轮机，使用风力涡轮机转换器处的电压的局部值。

根据另外的实施例，该监视单元适于在作为Iq电流分量的设置点的电流设置点的值—即电压控制器的输出—低于电流转换器范围的电流下限值或高于电流上限值的情况下生成电流报警信号。

电流转换器范围是转换器所能够输送的Iq电流。该范围由作为电流源的转换器的极限所定义。

针对局部电流，可以设置下限值和上限值。如果所监视的电流值超出这些极限，则可以生成电流报警信号。

根据另外的实施例，控制单元适于接收电流报警信号并且切换至局部电流控制模式，其中控制单元适于通过基于该电流范围调节风力涡轮机的局部属性而控制该风力涡轮机的电力产生。

如果正常操作或电压控制模式导致风力涡轮机的终端电压控制器的电流饱和，则该风力涡轮控制器的控制单元切换至局部电流控制模式。在该模式中，该控制单元使用例如上限或下限值的参考局部电流值作为所要实现的参考值。因此，替代基于要在PCC处实现的全局参考值来对风力涡轮机进行控制，使用该风力涡轮机转换器处的电流的局部值。

根据另外的实施例，控制单元适于在接收电流报警信号时关闭该控制单元的积分单元，例如该控制单元的电压或无功功率控制器，并且在该电流设置点的值处于转换器电流范围内时开启该积分单元。

该控制单元可以包括PID（比例微分积分）控制单元。当例如由于终端电压控制器的饱和而出现误差时，该误差也将被该PID控制单元所积分，这导致该PID控制单元的输出信号中的增加的误差。因此，当接收指示饱和的电流报警信号时，该终端电压控制器的积分单元被关闭并且电流参考点用适当饱和函数而被限制。该积分单元在电流回落在转换器电流极限之内时被开启。

根据另外的方面，提供了一种布置在风电场内的风力涡轮机。该风力涡轮机包括用于产生电力的电力产生单元，以及如上面所描述的用于控制该电力产生单元的风力涡轮控制器。

风力涡轮控制器可以控制包括电网侧转换器的电力产生单元，以便接近PCC的（多个）参考值。

根据另外的方面，提供了一种经由公共耦合点耦合至公共电力网络的风电场。该风电场包括具有上面所提到的特征的多个风力涡轮机，以及风电场管理单元，其用于测量在公共耦合点处所取得的风电场的属性的值并且用于将该风电场的该属性的值和该属性的参考值发送至多个风力涡轮机。

该风电场管理单元例如可以读取PCC处的电流和电压测量并且将它们连同控制模式信息一起发送至该风电场内的所有风力涡轮机，上述控制模式信息例如无功功率、电压或功率因数。

风场控制可以具有两个目标：一个是调节有功功率，并且另一个则是控制诸如电压或无功功率或功率因数之类的附加变量。因此，在本上下文中，控制模式指的是所要控制的第二变量的选择。

风电场管理单元可以进一步向所有风力涡轮机发送PCC参考值。该参考值可以可能第由软化功能所修改。

另外，该风电场管理单元可以将该风电场内的活动风力涡轮机的数目发送至所有风力涡轮机或者发送任何其它附加信息以用于改善控制的稳定性以及风电场或风场的响应时间。

因此，该风电场管理单元并不像在常见风电场中那样确定或计算风力涡轮机的设置点。替代地，该风电场管理单元向风力涡轮机提供所必需的所有信息而使得风力涡轮机能够执行控制以不仅实现其局部属性而且还实现在PCC处所取得的该风电场的全局属性。

根据另外的方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的电力产生的方法，该风力涡轮机被布置在经由公共耦合点耦合至公共电力网络的风电场内。该方法包括接收在公共耦合点处所取得的该风电场的属性的测量值；接收该属性的参考值；并且通过基于所接收的该属性的测量值和所接收的该属性的参考值对风力涡轮机的局部属性进行调节而使得在公共耦合点处所取得的风电场的该属性的测量值对应于该属性的参考值而控制该风力涡轮机的电力产生。

根据另外的方面，本发明涉及一种计算机程序产品，其包括用于在至少一个计算机上运行时执行上面所描述的用于控制风力涡轮机的电力产生的方法的程序代码。

诸如计算机程序装置的计算机程序产品可以被具体实施为存储器卡、USB记忆棒、CD-ROM、DVD，或者可以从网络中的服务器被下载的文件。例如，此类文件可以通过传输来自无线通信网络的包括计算机程序产品的文件来提供。

参考本发明的装置所描述的实施例和特征加以必要的变更而应用于本发明的方法。

本发明另外的可能实施方式或替换的解决方案还包含上文或下文关于实施例所描述的特征组合—其并未在本文明确提及。本领域技术人员还可以向本发明最为基本的形式增加单个或单独的方面和特征。

附图说明

根据结合附图进行的随后的描述以及从属权利要求，本发明另外的实施例、特征和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了风力涡轮控制器的实施例的示意性框图；

图2示出了具有多个风力涡轮机的风电场的实施例的示意性框图；

图3示出了图1的风力涡轮控制器的控制单元的实施例的示意性框图；

图4示出了用于在图1的风力涡轮控制器的不同操作模式之间进行切换的方法步骤的序列的实施例；和

图5示出了用于控制风力涡轮机的电力产生的方法步骤的序列的实施例。

在附图中，除非以其它方式有所指示，相似的参考数字指代相似或功能上等同的元素。

具体实施方式

图1示出了用于控制风力涡轮机1的电力产生的风力涡轮控制器10。风力涡轮机1被布置在经由公共耦合点2耦合至公共电力网络6的风电场100内（在图2中示出）。

风力涡轮控制器10包括接收单元11、监视单元12和控制单元13。接收单元11接收在公共耦合点2处所取得的风电场100的属性的测量值并且接收该属性的参考值。该测量值和参考值能够作为一个信号3被接收。

控制单元13然后通过基于所接收的该属性的测量值和所接收的该属性的参考值对风力涡轮机1的局部属性进行调节而使得在公共耦合点2处所取得的风电场100的该属性的测量值对应于该属性的参考值而控制该风力涡轮机1的电力产生。出于此目的，控制单元13控制风力涡轮机1的电力产生单元20。可以是发电机的电力产生单元20产生电力4，该电力4然后被供应至公共电力网络或电网6。

监视单元12监视风力涡轮机1的输出端子处的电流的值和/或电压的值。如果该电流值或电压值低于所定义范围的下限值或高于上限值，则监视单元12生成报警信号并且控制装置13相应地对电力产生进行调整。此行为参考图3和4进行更为详细的解释。

图2中图示了包括多个如图1中所示的风力涡轮机1的风电场100的整体结构。

风电场100包括经由风电场电路7耦合至PCC2的多个风力涡轮机1。PCC2将风电场100与电网6进行连接。来自风力涡轮机1的电力4经由风电场电路7和PCC2被发送至电网6。

风电场管理单元5读取PCC2处的电流和电压测量并且将它们连同控制模式信息一起发送至所有涡轮机1。另外，风电场管理单元5将PCC参考值发送至所有涡轮机。此外，风电场管理单元5将风电场100内的活动涡轮机1的数目发送至所有涡轮机1。

在如图2中所示的风电场100中，并不需要中央电场控制器。因此，常见的层级式电场控制结构被单级结构所替代。

利用风力涡轮控制器10和风电场100，能够实现以下优势。由于电压控制器的积分动作一遇到转换器极限就被禁用，所以可以避免终端控制器的可能饱和（这参考图3和4被详细地示出）。除其它之外，也被称作FAU的风电场管理单元5可以提供关于能够被用来衡量（scale）涡轮控制器增益的活动涡轮机1的数目的信息。整体电场控制系统被简化。因为不存在电场控制器，所以电场PCC控制系统更快，即对于任何干扰的反应现在仅由于FAU5和涡轮机1之间的通信的延时而被延迟，且并不由于像常见电场控制器的情况那样的任何其它处理和决策制定而被延迟。省去了中央电场控制器还能够缩短频率控制的响应时间，因为涡轮机1可以直接改变其电力生成以便对频率偏差进行补偿。频率-功率软化功能能够通过由FAU5所提供的活动涡轮机1的数目进行衡量。故障不脱网运行（FRT）在这个风电场100中将更为有效，因为其可以考虑到PCC信息。FRT控制一般在没有任何协调的情况下并且在没有任何关于PCC测量的信息的情况下在每个风力涡轮机1处完成。但是利用风电场100的分布式控制结构，能够关于PCC2实现FRT响应，因为其也在电网代码中被请求。大型电场100的控制可以由于不需要集中式控制器而被显著地简化。在常见风电场中，常见的中央电场控制器仅能够应对有限数目的涡轮机，这意味着这些控制器中的数个必须被安装以所谓的主电场控制器并且与之进行协同。在本文所描述的风电场中，并不需要中央控制器。

此分布式控制方案的另外的特征能够在涡轮机1互相时间同步的情况下被实现。高于转换器切换频率的时间同步准确性可以经由分布式转换器控制而能够实现噪声消除以及总体电力质量的提高。

另外，所描述的风电场100的分布式控制可以通过将（电流）参考点限制在所应用转换器的极限内而避免控制信号饱和。现在参考图3和4对此进行解释。

图3示出了图1的控制单元13。控制单元13包括电压PI控制器15、活动电力控制器14以及转换器PI电流控制器17。

电压PI控制器15基于来自PCC的误差信号3—即参考值和测量值之间的差异—而针对转换器PI电流控制器17产生参考Iq电流值Idq_ref16。功率控制器将参考Iq电流产生为Id=P/|Vter|。所获得的终端电流导致终端电压Vter18。Idq_ref信号16被转换器特性所限制。终端电压量值|Vter|也受限制。

监视单元12对这些信号进行监视。在超出任何极限的情况下，监视单元生成报警信号并且控制单元13切换操作模式。现在参考图4对此进行解释。

在第一步骤101中，确定转换器处的电流设置点Iq是否处于其最大值和最小值之间。

如果否，则控制单元13从正常操作模式切换（步骤102）至局部电流控制模式中，其中不执行电压控制器15中的积分动作。如果是，则在步骤103中确定终端电压量值|Vter|是否处于其最大值和最小值之间。

如果否，则控制单元13切换（步骤104）至局部终端电压控制模式中。如果是，则控制单元13停留（步骤105）在正常操作模式，即PCC控制模式中。

图5示出了用于控制风力涡轮机1的电力产生的方法。

在第一步骤201中，接收在公共耦合点2处所取得的风电场100的属性的测量值。

在也可能与第一步骤101同时进行的第二步骤202中，接收该属性的参考值。

在第三步骤203中，通过基于所接收的该属性的测量值和所接收的该属性的参考值对风力涡轮机1的局部属性进行调节而使得在公共耦合点2处所取得的风电场100的属性的测量值对应于该属性的参考值而控制该风力涡轮机1的电力产生。

虽然已经依据优选实施例对本发明进行了描述，但是对于本领域技术人员显而易见的是，可能在所有实施例中进行修改。

相应单元和/或控制器能够利用硬件、软件或者以硬件和软件的组合来实现。在此，相应单元和/或控制器的功能的至少一部分能够由存储在存储器中的机器可读代码来实施并且能够由处理器读取并执行。该处理器被连接至存储器以及允许往来于处理器进行数据交换的一个或几个其它单元。

Claims

1.一种用于控制风力涡轮机（1）的电力产生的风力涡轮控制器（10），该风力涡轮机（1）被布置在经由公共耦合点（2）耦合至公共电力网络（6）的风电场（100）内，该风力涡轮控制器（10）包括：

接收单元（11），其用于接收在该公共耦合点（2）处所取得的该风电场（100）的属性的测量值（3）并且用于接收该属性的参考值（3）；和

控制单元（13），其用于通过基于所接收的该属性的测量值和所接收的该属性的参考值对风力涡轮机（1）的局部属性进行调节而使得在公共耦合点（2）处所取得的风电场（100）的该属性的测量值对应于该属性的参考值来控制该风力涡轮机（1）的电力产生。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮控制器（10），

其中该风电场（100）的属性是电流、电压、无功功率和功率因数中的至少一个。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮控制器（10），

其中该风力涡轮机（1）的局部属性是局部电压和局部无功功率中的至少一个。

4.根据权利要求1-3中的一项所述的风力涡轮控制器（10），

其中该控制单元（13）适于确定测量值和参考值之间的差异。

5.根据权利要求1-4中一项所述的风力涡轮控制器（10），

其中该接收单元（11）适于接收在风电场（100）内活动的风力涡轮机（1）的数目，并且其中该控制单元（13）适于基于风力涡轮机（1）的数目来控制电力产生。

6.根据权利要求1-5中一项的风力涡轮控制器（10），

进一步包括监视单元（12），其用于监视该风力涡轮机（1）的输出端子处的电流设置点的值和/或电压的值。

7.根据权利要求6的风力涡轮控制器（10），

其中该监视单元（12）适于在电压的值低于电压范围的电压下限值或者高于电压上限值的情况下生成电压报警信号。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮控制器（10），

其中该控制单元（13）适于接收该电压报警信号并且切换至局部电压控制模式，其中该控制单元（13）适于通过基于该电压范围调节风力涡轮机（1）的局部属性而控制该风力涡轮机（1）的电力产生。

9.根据权利要求6-8中一项所述的风力涡轮控制器（10），

其中该监视单元（12）适于在电流设置点的值低于电流转换器范围的电流下限值或高于电流上限值的情况下生成电流报警信号。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮控制器（10），

其中该控制单元（13）适于接收该电流报警信号并且切换至局部电流控制模式，其中该控制单元适于通过基于该电流转换器范围调节风力涡轮机（1）的局部属性而控制该风力涡轮机（1）的电力产生。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮控制器（10），

其中该控制单元（13）适于在接收电流报警信号时关闭该控制单元（13）的积分单元，并且在该电流设置点的值处于电流转换器范围内时开启该积分单元。

12.一种布置在风电场（100）内的风力涡轮机（1），该风力涡轮机（1）包括：

用于产生电力（4）的电力产生单元（20）；和

根据权利要求1-11中的一项的用于控制该电力产生单元（20）的风力涡轮控制器（10）。

13.一种经由公共耦合点（2）耦合至公共电力网络（6）的风电场（100），该风电场（100）包括：

根据权利要求12所述的多个风力涡轮机（1）；和

风电场管理单元（5），其用于测量在该公共耦合点（2）处所取得的该风电场（100）的属性的值并且用于将该风电场（100）的该属性的值和该属性的参考值发送至多个风力涡轮机（1）。

14.一种用于控制风力涡轮机（1）的电力产生的方法，该风力涡轮机（1）被布置在经由公共耦合点（2）耦合至公共电力网络（6）的风电场（100）内，该方法包括：

接收（201）在该公共耦合点（2）处所取得的该风电场（100）的属性的测量值；

接收（202）该属性的参考值；并且

通过基于所接收的该属性的测量值和所接收的该属性的参考值对风力涡轮机（1）的局部属性进行调节而使得在公共耦合点（2）处所取得的风电场（100）的该属性的测量值对应于该属性的参考值而控制（203）该风力涡轮机（1）的电力产生。

15.一种计算机程序产品，包括用于在至少一个计算机上运行时执行根据权利要求14所述的方法的程序代码。