CN105305452B - 确定弱化电网状况和控制发电厂的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

提供了以适合于电网状况的方式确定电网状况(比如弱化电网状况)并控制发电厂(比如风力发电厂或太阳能发电厂)的方法和设备。该方法包括测量发电机(比如风力涡轮或PV发电机)的输出参数(14)。测量的输出参数包括无功功率和电压。该方法还包括确定发电机的测量的输出参数之间的关系(16)。发电机的测量的输出参数之间的关系表明电网(电厂给其供给电能)的状况。该方法允许响应于发电机的测量的输出参数之间的关系控制电厂(18)，以避免发生振荡行为，否则，在弱化电网状况时，振荡行为会发生在发电厂中。

Description

确定弱化电网状况和控制发电厂的方法及设备
技术领域
本发明总体上涉及对发电厂的控制，更具体地，涉及一种用于确定电网状况(比如弱化电网状况)和以适于该电网状况的方式控制发电厂(比如风力发电厂或太阳能发电厂)的方法及设备。
背景技术
风力涡轮机使用自然可利用的风能以环境友好的方式发电。风力涡轮机厂和连接成给电网提供电能的可再生能源发电的其它形式易受所谓“弱电网”状况的影响。共同转让给本发明的受让人并通过引用并入本文的美国专利申请13/550699、美国专利申请出版号US2014/0021720A1描述了使用控制发电系统(比如涉及风力发电厂)的技术，其中控制技术涉及将无功功率注入系统中。
附图说明
考虑到附图，在下面描述中说明本发明，附图中：
图1示出比较强系统与弱化系统中的作为风力涡轮发电机电压Vt的函数的无功功率Qt的相应示例响应的相应图表。
图2是体现本发明各方面的方法的流程图。
图3是示出体现本发明各方面的方法的其它细节的流程图。
图4是包括控制根据本发明各方面的风力涡轮机的控制器的设备的框图。
图5是示出比较风力涡轮发电机的输出参数的相应示例响应的相应图表的制图。各图表之一表示弱化系统状况，则风电厂的输出功率根据本发明各方面调节成弱化系统状况的影响被实际上消除，如另一图表中所表明的。
具体实施方式
连接成给电网提供电能的发电厂，比如可涉及风力涡轮机和/或太阳能光伏(PV)发电厂易受到弱化电网状况的影响。这些状况可工厂操作员没有先验知识的情况下发生。下面按照风电厂描述一个示例应用，然而，应明白，可再生能源发电和能量存储的其它形式(比如涉及实施锁相环控制的功率控制装置)也可受益于本发明各方面。相应地，在风力发电厂背景下描述的本发明的实施例应理解为示例含义，而不是限制含义。
短路“强度”是当系统中发生短路时，系统提供短路电流的能力的测量值。提供高水平短路电流的系统通常描述为“强的”，而提供低水平短路电流的系统通常描述为“弱的”。短路“强度”通常以“短路VA”描述，其中，对于n相系统，
短路VA＝n×lsc×Vln
其中，
n＝相数量(对于典型电力系统应用，n＝3)
lsc＝每相的平衡短路电流，均方根安培
Vln＝线对中性点电压，均方根伏特
例如，可以说，具有每相10kA平衡3相短路电流的3相69kV(线对线)(大概40kV线对中性点)系统具有大概400MVA的短路强度。
可以比较发电系统的容量与可用短路强度，以确定发电厂与该系统的兼容性。总体上，发电厂的容量应当显著小于所连接系统的短路强度。
一般的经验法则是，基于变流器的发电厂(比如风电厂或太阳能电厂)应当具有小于该系统的短路强度的约1/4的发电容量。该比值的倒数是“短路比(SCR)”，其通常定义为该系统的短路强度除以电厂容量。总体上，可以说，连接到小于工厂发电容量的4倍的短路强度(即SCR约小于4)的系统的工厂具有弱系统连接。对于具有400MVA的短路强度的上述系统的示例，如果40MW风电厂或太阳能电厂连接到该系统，则可以说该系统具有10“短路比”。如果工厂具有200MW的容量，则可以说该系统具有2“短路比”。与发电厂相比表示为“强”系统的系统通常具有约10或更高的短路比。
与发电厂引比表示为“弱”系统的系统通常具有4或更小的短路比。SCR是系统阻抗的合适指标，因为SCR与系统阻抗成反比。概念地，在理想的系统操作(例如，所有发电机和传输线处于工作中)下，可比较简单地确定输电系统中任何点处的SCR。然而，在实际操作状况下，当传输线中的一条或多条和/或发电机中的一个或多个在系统正常操作期间停止工作时，实际操作SCR可明显低于理想值，因为移除线或同步发电机会降低短路可用性以及本地系统调节电压并提供同步转矩以维持系统瞬态稳定性的能力。
应明白，在这种实际操作状况下不了解实际操作SCR的情况下，调节供给给这种系统的电能质量有挑战性的。例如，本地发电厂或高容量传输很有可能停止一次工作几个月，使得通常强系统放在弱化状态下一延长时期。通常，风电厂操作者从对电力系统的常规观测中不能确定存在这种弱化状况。
在低SCR值(例如，当前通过低于约4.0)下，基于变流器的风力发电厂或太阳能光伏发电厂会受到振荡不稳定性的影响。在一些情况下，需要削减工厂的输出功率，在一些情况下，工厂甚至需要脱机，以避免这种不稳定性，这对电网有不利影响。
因为发电厂操作者通常不了解实际短路强度可用性，所以变得很难觉察到当前是否存在弱化电网状况，更不用说预测将来弱化电网状况何时发生。
如本领域技术人员所明白的，短路可用性主要是互连传输线和/或本地发电的状态的函数。已知一个或多个本地发电机和/或一条或多条传输线是否停止工作对于风力发电机操作者来说是有价值的信息，然而，在实际公用电网操作中，风力发电机操作者不太可能具有这种信息供它们使用。因此，风电厂操作者通常不知道实际电网状况直到为时已晚(例如，导致失误的振荡发生)。基本事实是，迟早大多数风力或太阳能发电厂会可能碰到弱电网状况。
本发明人清楚地认识到特定可再生能源发电厂(比如风力或太阳能PV发电厂)中的相关特征。即，在存在弱化电网状况时，发电机可损失掉大部分它们控制无功功率输出的能力。如下面对图1的讨论中可明白，随着发电机电压变化，无功功率不会低在强系统中那样急剧增加。
图1示出比较风力涡轮发电机的输出参数[即，无功功率Qt和电压Vt]的相应示例响应的相应图表，输出参数可有效地用于评估电网(风力发电厂给其供给电能)的状况。这些图表示出强系统与弱系统中的作为电压Vt的函数的无功功率Qt。更确切地，图表10示出强系统中的作为Vt的函数的Qt的示例响应。在该示例情形中，当涡轮发电机电压(例如发电机终端电压)增加时，无功功率输出以正斜率增加。相反，图表12概念化示出弱系统中的作为Vt的函数的Qt的示例响应。在该示例情形中，无功功率不再像对于强系统那样以大致线性方式改变。
基于这种清楚认识，本发明人提出了利用这种特性来识别风电厂是否在弱化电网状况下操作，使得控制器可适于采取适当控制动作来维持功率调节的恰当水平，例如避免发生振荡行为。
图2是体现本发明各方面的方法的流程图。在一个非限制实施例中，步骤14允许测量至少一个所选发电机(比如一个或多个风力涡轮发电机、一个或多个太阳能PV发电机等)的输出参数，包括无功功率Qt和电压Vt。步骤14在变化的输出在所选风力涡轮发电机中发生的时间范围(例如包括几分钟)内执行。所选风力涡轮发电机是包括多个风力涡轮发电机的风力发电厂的一部分。步骤16允许确定所选风力涡轮发电机的测量的输出参数Qt、Vt之间的关系。所选风力涡轮发电机的测量的输出参数之间的关系表明电网(风力发电厂给其供给电能)的状况。
在一个非限制实施例中，测量的输出参数Qt、Vt可以由这种参数限定的斜率表征。由本领域技术人员很好地理解的数值分析技术(比如状态估计、回归分析、最小二乘法拟合等)可用于确定由参数Qt、Vt限定的斜率。
在一个非限制实施例中，所选风力涡轮发电机的测量的输出参数Qt、Vt之间的关系有效地估计电网的短路比(SCR)。步骤18允许以响应于风力涡轮发电机的测量的输出参数之间的关系而控制风力发电厂。
在一个非限制实施例中，变化的输出可响应于风力涡轮发电机的输出的自然变化(比如由于风速的自然变化)而发生。在另一非限制实施例中，变化的输出可响应于风力涡轮发电机的输出的命令变化而发生。例如，可将涡轮发电机电压Vt从第一电压值改变为第二电压值，比如从额定值的约98％至额定值的约102％，或者，可将涡轮发电机无功功率Qt从第一VAR水平改变为第二VAR水平等，同时保持电压水平在与电网的厂界面处实际上恒定。
图3是示出体现本发明各方面的方法的其它非限制方面的流程图。在一个非限制实施例中，步骤20假设已基于风力涡轮发电机的测量的输出参数Qt、Vt之间的关系(例如斜率特性等)估计出SCR估值。更普遍地，基于风力涡轮发电机的测量的输出参数Qt、Vt之间的关系，对于电网，SCR估值可包括短路强度的数值或质分类。例如，用于风电厂的厂控制器可响应于该数值或质分类进行调节，以避免发生振荡行为。
在一个非限制实施例中，步骤22允许比较SCR估值与第一预定限值(限值1)。如果SCR估值高于限值1，则厂控制器可设定成在正常控制模式下操作，如框24所示。如果SCR估值低于限值1，如框26所示，则可以比较SCR估值与低于限值1的第二预定限值(限值2)。
如果SCR估值高于限值2，则厂控制器可设定成在弱电网控制模式下操作，如框28所示。这可包括调节控制参数(比如增益、时间延迟)和厂控制算法中的其它参数，以优化风电厂的厂电压调节和功率控制的性能。如果SCR估值低于限值2，则可使风电厂减少厂输出，如框30所示。应明白，上面根据比较SCR估值与相应预定限值描述的实施例应理解为示例性的，而不是限制性的。例如，预期的是，可以根据比较从测量的参数中获得的斜率与预定斜率范围来进行选择恰当控制模式的决定。
应明白，在框24中，对控制参数的调节不必以二进制方式实施，可根据估计SCR值的不同预定范围选择以获得期望的颗粒度。例如，第一参数调节组可用于介于3和4之间的SCR估值，第二参数调节组可用于介于2和3之间的SCR估值。在一个非限制实施例中，要调节的参数组和对于不同SCR估值的参数调节量可预先确定，并存储在存储器中，然后基于SCR估值根据需要取出而进入操作中。
图4是可受益于体现本发明各方面的设备的发电厂的示意图。在一个示例实施例中，测量装置40’联接到发电厂100的风力涡轮机46’中的风力涡轮发电机44’，发电厂包括多个风力涡轮机46，风力涡轮机包括相应风力涡轮发电机44。
在一个非限制实施例中，在变化的输出在风力涡轮发电机44’中发生的时间范围内，测量装置40’布置成测量风力涡轮发电机44’的输出参数(包括无功功率Qt和电压Vt)。处理模块51构造成确定风力涡轮发电机44’的测量的输出参数Qt、Vt之间的关系。风力涡轮发电机的测量的输出参数之间的关系表明电网48(风力发电厂100给其供给电能)的状况。
在一个非限制实施例中，风力涡轮发电机的测量的输出参数Qt、Vt之间的关系有效地估计电网48的短路比(SCR)。控制器50构造成以响应于风力涡轮发电机的测量的输出参数之间的关系的方式控制风力涡轮发电厂，比如上面在图1-3的背景下描述的。例如，控制器50中的逻辑单元(标签为L U)52可响应于估计的SCR的大小，以选择适合于电网状况的控制模式。非限制示例可以是正常控制模式54、弱电网控制模式56和节电模式58，如上面在图3的背景下描述的。
在一个非限制实施例中，风力涡轮发电厂100可包括由不同组风力涡轮发电机支持的多个收集器系统60、60’。在一个非限制实施例中，测量14和确定16的步骤(图2)可以在支持多个收集器系统60和62’的相应不同组风力涡轮发电机中的至少一个风力涡轮发电机中独立地执行。例如，风力涡轮发电机44”可以是连接到收集器系统60’的发电机组中的一个发电机。在该示例中，测量装置40”可布置成测量风力涡轮发电机44”的输出参数(包括无功功率Qt和电压Vt)。这些测量的参数可由处理模块51处理，以例如计算出电网的SCR的独立估值。例如，如果从这种独立测量值中获得的SCR估值一致，则趋向于统计地支持对电网状况的评估。相反地，如果从这种独立测量值中获得的SCR估值不一致，则这表明一些本地状况(例如，与一个收集器系统相关的断路器跳闸)可影响对电网状况的评估。应明白，前述示例应理解为示例性的，而不是限制性的。例如，厂操作者可在任何选择的风力涡轮机子组中灵活地实施体现本发明各方面的方法。另外，尽管图4示出作为控制器50的一部分的处理模块51，但是应明白，这种处理模块51不必是控制器50的一部分。
在操作时，与涉及将无功功率注入系统中的现有技术(比如可涉及注入包括无功功率的脉冲且脉冲可在电网中观察到)相比，所提出的技术涉及风力涡轮发电机的变化输出的比较缓慢的变化，并有利地对于电网不能观察到。例如，这种变化可通过风电厂中的其它风力涡轮发电机的恰当控制来有效地去除(例如补偿)。
图5是示出相应图表的制图，图表之一(图表70)对应于弱化系统状况，风电厂的输出功率根据本发明的各方面进行调节(例如减少50％)，使得可以实际上消除弱化系统状况的影响，如与图表70所示响应相比，通过图表72所示的Qt对Vt变化的响应(例如，具有更高线性度的正斜率)所明白的。
尽管在本文中示出和描述了本发明的各实施例，但是应明白，这些实施例仅以示例方式提供。在不脱离本发明的情况下，可以进行许多变型、改变和替代。相应地，本发明仅由所附权利要求的精神和范围限定。

Claims (11)

1.一种控制发电厂的方法，所述发电厂包括多个发电机，所述方法包括以下步骤：
在一时间范围内测量至少一个选择的发电机的包括无功功率和电压的输出参数，在所述时间范围期间，在发电厂的至少一个选择的发电机中发生变化的输出；
确定所述至少一个选择的发电机的测量的输出参数之间的关系，所述至少一个选择的发电机的测量的输出参数之间的关系有效地估计电网的短路比(SCR)，所述发电厂给所述电网供给电能；以及
以响应于所述至少一个选择的发电机的测量的输出参数之间的关系的方式通过控制器(50)控制所述发电厂，
其特征在于，
控制步骤包括比较估计的短路比(SCR)与第一预定限值(Limit1)的步骤，
如果估计的短路比(SCR)高于第一预定限值(Limit1)，则设定控制器(50)在正常控制模式下操作，
如果估计的短路比(SCR)低于第一预定限值(Limit1)，则进一步比较估计的短路比(SCR)与低于第一预定限值(Limit1)的第二预定限值(Limit2)，
如果估计的短路比(SCR)高于第二预定限值(Limit2)，则设定控制器(50)在弱电网控制模式下操作，包括调节发电厂控制算法中的控制参数，以优化发电厂的厂电压调节和功率控制，
如果估计的短路比(SCR)低于第二预定限值(Limit2)，则设定控制器(50)命令发电厂减少发电厂输出。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述变化的输出响应于所述至少一个选择的发电机的输出的自然变化而发生或者响应于所述至少一个选择的发电机的输出的命令变化而发生。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个选择的发电机的测量的输出参数之间的关系基于所述无功功率在所述时间范围内对电压变化的响应，或者基于所述电压在所述时间范围内对无功功率变化的响应。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述至少一个选择的发电机的测量的输出参数之间的关系的特征在于由所述参数限定的斜率。
5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述至少一个选择的发电机包括太阳能光伏发电机。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个选择的发电机包括风力涡轮发电机。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述发电厂包括由相应不同组风力涡轮发电机支持的多个收集器系统，其中，测量和确定的步骤在支持多个收集器系统的相应不同组风力涡轮发电机的风力涡轮发电机中的至少一个中执行，其中，测量步骤由测量装置完成，确定步骤由控制器(50)完成。
8.一种控制发电厂的设备，包括：
测量装置，联接到发电厂中的至少一个选择的发电机，其中，在一时间范围内，所述测量装置布置成测量至少一个选择的发电机的包括无功功率和电压的输出参数，在所述时间范围内，在至少一个选择的发电机中发生变化的输出；
处理模块，构造成确定所述至少一个选择的发电机的测量的输出参数之间的关系，所述至少一个选择的发电机的测量的输出参数之间的关系有效地估计电网的短路比(SCR)，所述发电厂给所述电网供给电能；以及
控制器(50)，构造成以响应于所述至少一个选择的发电机的测量的输出参数之间的关系的方式控制所述发电厂，
其特征在于，
控制器(50)构造成比较估计的短路比(SCR)与第一预定限值(Limit1)，
如果估计的短路比(SCR)高于第一预定限值(Limit1)，则在正常控制模式下操作，
如果估计的短路比(SCR)低于第一预定限值(Limit1)，则比较估计的短路比(SCR)与低于第一预定限值(Limit1)的第二预定限值(Limit2)，
如果估计的短路比(SCR)高于第二预定限值(Limit2)，则在弱电网控制模式下操作，包括调节发电厂控制算法中的控制参数，以优化发电厂(100)的厂电压调节和功率控制，
如果估计的短路比(SCR)低于第二预定限值(Limit2)，则命令发电厂减少发电厂输出。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述处理模块构造成基于所述至少一个选择的发电机的测量的输出参数之间的关系估计所述电网的短路比，并且其中，所述测量的输出参数之间的关系基于所述无功功率在所述时间范围内对发电机电压在所述时间范围内变化的响应，或者基于发电机电压在所述时间范围内对所述无功功率变化的响应。
10.如权利要求8或9所述的设备，其中，所述控制器(50)还包括逻辑单元，所述逻辑单元响应于在所述至少一个选择的发电机的测量的输出参数之间确定的关系，以选择适合于电网状况的控制模式。
11.一种包括权利要求8至10中任一项所述的设备的风力涡轮发电厂或太阳能光伏发电厂。
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