CN105337299B - 用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的系统和方法。一种用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的方法大体可包括：运行系统的功率转换器，以便以与系统的功率因数运行要求相关联的功率因数阈值或在该功率因数阈值之上产生电流；检测系统的发电机速度在一时段内提高了；检测系统的本地基准电压在发电机速度在其中提高的相同时段内降低了；以及调节功率转换器的运行，以便以低于功率因数阈值的减小的功率因数产生电流，以便提高系统的有功功率输出。

Description

用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的系统和方法
技术领域
本主题大体涉及功率发生系统，并且更特别地，涉及用于在功率发生系统受在提高的发电机速度下导致功率输出减少的功率因数运行要求约束时，控制连接到弱电网上的功率发生系统的系统和方法。
背景技术
功率发生系统通常包括功率转换器，功率转换器构造成将输入功率转换成适当的功率，以应用于负载，诸如发电机、马达、电网或其它适当的负载。例如，功率发生系统(诸如风力涡轮系统)可包括功率转换器，以将发电机处产生的变频交流功率转换成处于电网频率(例如50 Hz或60 Hz)的交流功率，以应用于公共电网。示例性功率发生系统可使用风驱动式双馈感应发电机(DFIG)来产生AC功率。功率转换器可调整在DFIG和电网之间的电功率流。
在许多情况下，功率发生系统可位于远离它们所服务的负载的遥远地区。这对于可再生能源来说尤其如此，诸如风力涡轮系统、太阳能/光电系统、水力发电系统等。典型地，这样的功率发生系统通过电力系统来连接到电网上，电力系统包括使用一个或多个断路器连接到电网上的长传输线。因此，从功率发生系统的角度看，电网是较弱的，因为电力系统的阻抗基本是高的。
在风力涡轮系统的运行期间，发电机往往在发生瞬时事件(例如阵风)期间加速。随着发电机速度提高，风力涡轮的输出电流也必须提高，以便保持恒定的扭矩。另外，随着输出电流提高，转换器控制器典型地试图使风力涡轮系统的产生的输出功率因数保持在与系统相关联的功率因数运行要求限定的极限内。例如，可能需要运行风力涡轮系统，以使其使输出功率因数保持处于或接近单位(unity)功率因数，诸如范围介于0.9和1.0之间的功率因数。对于连接到弱电网上的风力涡轮系统，由于风力涡轮以由转换器控制器确定为处于或接近单位功率因数的功率因数产生电流，所以功率因数运行要求所产生的运行限制实际上可降低输送到电网的有功功率。这是因为弱电网的高电网阻抗使得在以单位功率因数或接近单位功率因数而应用电流时，系统的本地电网或基准电压至少相对于转换器控制器的坐标系统而降低。这种状况又可导致发电机跑道式(runway)超速，这可损害发电机和/或系统的其它构件。
因此，在现有技术中受欢迎的是这样的系统和方法：该系统和方法用于在功率发生系统受在提高的发电机速度下减少功率输出的功率因数运行要求约束时，控制连接到弱电网上的功率发生系统。
发明内容
将在以下描述中部分地阐述本发明的各方面和优点，或者根据该描述，本发明的各方面和优点可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习本发明的各方面和优点。
一方面，本主题涉及一种用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的方法，其中，系统受功率因数运行要求约束。方法大体可包括：运行功率转换器系统，以便以与功率因数运行要求相关联的功率因数阈值或在该功率因数阈值之上产生电流；检测系统的发电机速度在一时段内提高了；检测系统的本地基准电压在发电机速度在其中提高的相同时段内降低了；以及调节功率转换器的运行，以便以低于功率因数阈值的减小的功率因数产生电流，以便提高系统的有功功率输出。
另一方面，本主题涉及一种用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的系统，其中，功率发生系统受功率因数运行要求约束。系统大体可包括连接到弱电网上的功率转换器。功率转换器可构造成最初以与功率因数运行要求相关联的功率因数阈值或在该功率因数阈值之上产生电流。另外，系统可包括以通信的方式联接到功率转换器上的控制器。控制器可构造成：检测功率发生系统的发电机速度在一时段内提高了；检测功率发生系统的本地基准电压在发电机速度在其中提高的相同时段内降低了；以及调节功率转换器的运行，以便以低于功率因数阈值的减小的功率因数产生电流，以便提高功率发生系统的有功功率输出。
另一方面，本主题涉及一种用于控制连接到弱电网上的风力涡轮系统的系统，其中，风力涡轮系统受功率因数运行要求约束。系统大体可包括风驱动式发电机和连接到风驱动式发电机和弱电网两者上的功率转换器。功率转换器可构造成最初以与功率因数运行要求相关联的功率因数阈值或在功率因数阈值之上产生电流。另外，系统可包括以通信的方式联接到功率转换器上的控制器。控制器可构造成：检测风驱动式发电机的速度在一时段内提高了；检测风力涡轮系统的本地基准电压在风驱动式发电机的速度在其中提高的相同时段内降低了；以及调节功率转换器的运行，以便以低于功率因数阈值的减小的功率因数产生电流，以便提高风力涡轮系统的有功功率输出。
一种用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的方法，所述功率发生系统受功率因数运行要求约束，所述方法包括：
运行连接到所述弱电网上的所述功率发生系统的功率转换器，以便以与所述功率因数运行要求相关联的功率因数阈值或在所述功率因数阈值之上产生电流；
检测所述功率发生系统的发电机速度在一时段内提高了；
检测所述功率发生系统的本地基准电压在所述发电机速度在其中提高的相同时段内降低了；以及
调节所述功率转换器的运行，以便以低于所述功率因数阈值的减小的功率因数产生电流，以便提高所述功率发生系统的有功功率输出。
在一个实施例中，检测所述本地基准电压降低了包括检测所述本地基准电压在所述发电机速度在其中提高的相同时段内何时降低成低于电压阈值。
在一个实施例中，进一步包括检测所述功率发生系统的电流输出处于所述功率转换器的最大电流输出。
在一个实施例中，调节所述功率转换器的运行以便以低于所述功率因数阈值的减小的功率因数产生电流包括：降低所述功率发生系统的有功电流输出，以及提高所述功率发生系统的无功电流输出，以便提高所述功率发生系统的有功功率输出。
在一个实施例中，进一步包括动态地计算所述功率转换器的无功电流极限。
在一个实施例中，根据所述功率发生系统的功率缩减比而动态地计算所述无功电流极限，所述功率缩减比基于所述本地基准电压的标么值。
在一个实施例中，所述功率缩减比随着所述本地基准电压的降低而减小。
在一个实施例中，所述功率因数阈值对应于范围为0.9至1.0的功率因数。
一种用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的系统，所述功率发生系统受功率因数运行要求约束，所述系统包括：
连接到所述弱电网上的功率转换器，所述功率转换器构造成最初以与所述功率因数运行要求相关联的功率因数阈值或在所述功率因数阈值之上产生电流；以及
以通信的方式联接到所述功率转换器上的控制器，所述控制器构造成：
检测所述功率发生系统的发电机速度在一时段内提高了；
检测所述功率发生系统的本地基准电压在所述发电机速度在其中提高的相同时段内降低了；以及
调节所述功率转换器的运行，以便以低于所述功率因数阈值的减小的功率因数产生电流，以便提高所述功率发生系统的有功功率输出。
在一个实施例中，所述控制器构造成检测所述本地基准电压在所述发电机速度在其中提高的相同时段内何时降低成低于电压阈值。
在一个实施例中，所述控制器进一步构造成检测所述功率发生系统的电流输出处于所述功率转换器的最大电流输出。
在一个实施例中，所述控制器构造成通过降低所述功率发生系统的有功电流输出和提高所述功率发生系统的无功电流输出，来调节所述功率转换器的运行，以便以所述减小的功率因数产生电流。
在一个实施例中，所述控制器进一步构造成动态地计算所述功率转换器的无功电流极限。
在一个实施例中，根据所述功率发生系统的功率缩减比而动态地计算所述无功电流极限，所述功率缩减比基于所述本地基准电压的标么值。
在一个实施例中，所述功率缩减比随着所述本地基准电压的降低而减小。
在一个实施例中，所述功率因数阈值对应于范围为0.9至1.0的功率因数。
在一个实施例中，所述功率发生系统包括风力涡轮系统。
一种用于控制连接到弱电网上的风力涡轮系统的系统，所述风力涡轮系统受功率因数运行要求约束，所述系统包括：
风驱动式发电机；
连接到所述风驱动式发电机和所述弱电网上的功率转换器，所述功率转换器构造成最初以与所述功率因数运行要求相关联的功率因数阈值或在所述功率因数阈值之上产生电流；以及
以通信的方式联接到所述功率转换器上的控制器，所述控制器构造成：
检测所述风驱动式发电机的速度在一时段内提高了；
检测所述风力涡轮系统的本地基准电压在所述风驱动式发电机的速度在其中提高的相同时段内降低了；以及
调节所述功率转换器的运行，以便以低于所述功率因数阈值的减小的功率因数产生电流，以便提高所述风力涡轮系统的有功功率输出。
在一个实施例中，所述功率因数阈值对应于范围为0.9至1.0的功率因数。
在一个实施例中，所述风驱动式发电机包括风驱动式双馈感应发电机。
参照以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。结合在此说明书中且构成说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且与描述一起用来阐明本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐述本发明的对本领域普通技术人员而言完整且能够实施的公开，包括本发明的最佳模式，说明书参照了附图，其中：
图1示出风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出根据本主题的各方面的风力涡轮系统的一个实施例的示意图；
图3示出当系统连接到弱电网上且试图以处于或接近单位功率因数的功率因数产生电流时，风力涡轮系统的本地基准电压如何受到影响的示例性图解；
图4示出根据本主题的各方面的用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的方法的一个实施例的流程图；以及
图5示出功率转换器的标称有功电流极限和无功电流极限，以及可根据本主题的各方面实现的示例动态有功电流极限和无功电流极限的图解。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，在图中示出实施例的一个或多个示例。以阐明本发明而非限制本发明的方式提供各个示例。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，可对本发明作出各种修改和改变，而不偏离本发明的范围或精神。例如，被示为或描述成一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因而，意于的是本发明覆盖落在所附权利要求及其等效方案的范围内的这样的修改和改变。
大体上，本主题涉及这样的系统和方法：该系统和方法用于在功率发生系统受功率因数运行限制约束时，控制连接到弱电网上的功率发生系统。特别地，功率发生系统通常需要以处于或接近单位功率因数(诸如范围为0.9至1.0的功率因数)的功率因数运行。如上面指示的那样，对于连接到弱电网上的功率发生系统，由这样的功率因数要求提供的运行限制实际上可在发生提高发电机速度的瞬时事件期间，降低输送到电网的有功功率。特别地，在以单位功率因数或接近单位功率因数而应用电流时，这种系统的本地终端或基准电压开始降低，从而导致输送到电网的功率输出整体降低。
如将在下面描述的那样，公开的系统和方法提供一种用于响应于发电机速度提高而提高连接到弱电网上的功率发生系统的功率输出的手段。特别地，在若干实施例中，当检测到本地基准电压降低时，可忽视典型地在系统内应用的功率因数运行要求，从而允许功率因数减小到低于与运行要求相关联的最小功率因数阈值。考虑到功率发生系统的运行条件，功率因数这样减小实际上可使本地基准电压提高，从而允许输送到电网的有功功率大大高于通过使功率因数保持处于或高于功率因数阈值所能实现的。
应当理解，如本文所用，用语“弱电网”大体表示比其功率发生源具有更高的阻抗的电网。例如，在若干实施例中，弱电网可定义为短路比小于大约10，诸如小于大约7或小于大约5或小于大约3和为它们之间的任何其它子范围的电网。在特定实施例中，公开的系统和方法可特别有利地用于短路比小于大约2，诸如小于大约1.5或小于大约1和为它们之间的任何其它子范围的弱电网。如大体理解的那样，短路比对应于电网的短路电流(即，电网电压除以电网阻抗)与对电网供应功率的功率发生系统的额定电流输出的比。因而，在电网阻抗提高时(例如，由于使用较长传输线)，短路电流相应地降低，从而产生较低的短路比(即，较弱的电网)。例如可使用以下等式(等式(1)和(2)来表达短路比和短路电流：
(1)
(2)
其中，SCR对应于短路比，SCC对应于短路电流，Irated 对应于功率发生系统的额定输出电流，Vg对应于在公共电网的端部处的“无限源”处的电压，并且Zg对应于在短路点和公共电网的“无限源”端之间的传输线(一个或多个)的阻抗。
另外，用语“功率因数”在本文大体与其普通且习惯的含义起合起来使用。例如，功率因数可相当于对应的功率因数角的余弦，功率因数角一般定义为系统的无功功率和有功功率之间的几何关系。特别地，大体可根据以下等式(等式(3)和(4))来表达功率因数和功率因数角：
(3)
(4)
其中，PF对应于功率因数，对应于功率因数角，Q对应于系统的无功功率(以VARS为单位)，并且P对应于系统的有功功率(以瓦为单位)。
还应理解的是，虽然将在本文大体关于双馈感应发电机(DFIG)风力涡轮系统来描述本主题，但公开的系统和方法大体可用于任何适当的风力涡轮系统，诸如全功率转换系统。另外，本领域普通技术人员应当理解的是，本文提供的公开还可用于连接到弱电网上的任何其它适当的功率发生系统。
现在参照附图，图1示出风力涡轮10的一个实施例的透视图。如显示的那样，风力涡轮10大体包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16，以及联接到机舱16上的转子18。转子18包括可旋转的毂20和至少一个转子叶片22，转子叶片22联接到毂20上，并且从毂20向外延伸。例如，在示出的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。但是，在备选实施例中，转子18可包括不止或不到三个转子叶片22。各个转子叶片22可围绕毂20分开，以有利于使转子18旋转，以使得动能能够从风转变成可用的机械能，并且然后转变成电能。例如，如下面将描述的那样，转子18可以可旋转地联接到发电机120上(图2)，以容许产生电能。
现在参照图2，示出根据本主题的各方面的风力涡轮系统100的一个实施例的示意图。如显示的那样，风力涡轮10的转子18可以可选地联接到齿轮箱118上，齿轮箱118又联接到发电机120上。在若干实施例中，发电机120可为双馈感应发电机(DFIG)。但是，在其它实施例中，发电机120可对应于任何其它适当类型的发电机。
发电机120可联接到定子总线154上且通过转子总线156联接到功率转换器162上。定子总线154可从发电机120的定子提供输出多相功率(例如三相功率)，并且转子总线156可从发电机120的转子提供输出多相功率(例如三相功率)。如图2中显示的那样，功率转换器162包括转子侧转换器166和线路侧转换器168。发电机120可通过转子总线156联接到转子侧转换器166上。另外，转子侧转换器166可联接到线路侧转换器168上，线路侧转换器168又可联接到线路侧总线188上。
在若干实施例中，转子侧转换器166和线路侧转换器168可构造成用于使用适当的开关元件(诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或任何其它适当的开关元件)的三相脉宽调制(PWM)布置中的正常运行模式。转子侧转换器166和线路侧转换器168可通过DC链路136而联接，跨过DC链路136，一个或多个DC链路电容器138可布置成任何并联和/或串联组合。
另外，功率转换器162可联接到控制器174上，控制器174构造成控制转子侧转换器166和线路侧转换器168的运行。大体上，控制器174可对应于任何适当的计算装置和/或计算装置的组合。例如，在若干实施例中，控制器174可包括一个或多个处理器(一个或多个)和相关联的存储器装置(其构造成执行多种计算机实现的功能(例如，执行本文公开的方法、步骤、计算等)。如本文所用，用语“处理器”不仅表示本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且还表示控制器、微控制器、微型计算机，可编程的逻辑控制器(PLC)、特定用途集成电路和其它可编程的电路。另外，存储器装置(一个或多个)大体可包括存储器元件(一个或多个)，其包括(但不限于)计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))、计算机可读的非易失性介质(例如闪速存储器)、软盘、紧致盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它适当的存储器元件。这种存储器装置(一个或多个)大体可构造成存储适当的计算机可读指令，当由处理器(一个或多个)执行时，计算机可读指令将控制器174配置成执行各种功能，包括(但不限于)本文描述的计算机实现的方法。
在典型的构造中，还可包括各种线路接触器和断路器(包括例如电网断路器182)，以在连接到电网184上以及与电网184断开的期间，在对于发电机120正常运行而言必要时隔离各种构件。例如，系统断路器178可将系统总线160联接到变压器180上，变压器180可通过电网断路器182来联接到电网总线186上。在备选实施例中，保险丝可代替一些或所有断路器。
另外，如图2中显示的那样，一个或多个传输线192(为了清楚仅显示了一个)可通过电网联接件194而联接到电网总线186上。在若干实施例中，传输线(一个或多个)192可包括一个或多个串联补偿元件196，诸如一个或多个电容器，以有利于减小传输线(一个或多个)192内的无功功率损耗。
在运行中，通过双重路径，将通过使转子18旋转而在发电机120处产生的交流功率提供给电网184。双重路径由定子总线154和转子总线156限定。在转子总线侧156，将正弦多相(例如三相)交流(AC)功率提供给功率转换器162。转子侧功率转换器166将从转子总线156提供的AC功率转换成直流(DC)功率，并且将DC功率提供给DC链路136。如一般理解的那样，可对在转子侧功率转换器166的桥接电路中使用的开关元件(例如IGBT)进行调制，以将从转子总线156提供的AC功率转换成适于DC链路136的DC功率。
另外，线路侧转换器168将DC链路136上的DC功率转换成适于电网184的AC输出功率。特别地，可对在线路侧功率转换器168的桥接电路中使用的开关元件(例如IGBT)进行调制，以将DC链路136上的DC功率转换成线路侧总线188上的AC功率。来自功率转换器162的AC功率可与来自发电机120的定子的功率结合，以提供多相功率(例如三相功率)，该多相功率具有基本保持处于电网184的频率(例如50 Hz或60 Hz)的频率。另外，从转子18通过转换器166、168而到达电网184的功率流可沿其它方向。
另外，在系统100中可包括各种断路器和开关，诸如电网断路器182、系统断路器178、定子同步开关158、转换器断路器198和线路接触器172，以例如在电流流过大且可损害风力涡轮系统100的构件时或出于其它运行考量，连接或断开对应的总线。也可在风力涡轮系统100中包括额外的保护构件。
此外，功率转换器162可接收来自例如控制器174的控制信号。除了别的之外，控制信号可基于风力涡轮系统100的感测到的状况或运行特性。典型地，控制信号允许控制功率转换器162的运行。例如，如图2中显示的那样，一个或多个速度传感器190可以通信的方式联接到控制器174上，以监测发电机120的转子速度。这种转子速度反馈可用来例如控制对来自转子总线156的输出功率的转换，以保持恰当且平衡的多相(例如三相)功率供应。特别地，感测到的转子速度可用作调节开关元件的开关频率的基础。此外，控制器174也可使用来自其它传感器的反馈来控制功率转换器162，包括例如定子、转子和/或电网总线电压、与开关元件相关联的电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可产生开关控制信号(例如开关元件的门控控制命令)、定子同步控制信号、断路器信号和/或其它适当的控制命令/信号。
另外，在若干实施例中，控制器174还可构造成接收来自锁相环(PLL)调整器140的反馈。如一般理解的那样，PLL调整器140可包括闭环电路或对应于闭环电路，闭环电路构造成检测关于基准电压(例如，本地感测到的终端或公共联接点(POCC)电压)的相位信息，以及产生最终相位角信号142，控制器174使用该最终相位角信号142，以使转换器的输出电压与基准电压同步的方式，控制功率转换器172的运行。特别地，可不断调节由PLL调整器产生的相位角信号142，以使其在相位上匹配本地基准电压的频率，从而允许PLL调整器“锁定为”这种基准电压的频率。应当理解，虽然PLL调整器140在本文示为与控制器174分开，但PLL调整器140可结合到控制器174中，以及/或者形成控制器174的一部分。备选地，可在以通信的方式联接到控制器174上的独立计算装置上实现PLL调整器140。
在若干实施例中，PLL调整器140可联接到一个或多个电压换能器144上，以接收基准电压度量。例如，如图2中显示的那样，PLL调整器140联接到三个不同的电压换能器144上(例如，通过电气管道146、148、150)，其中，各个电压换能器144联接到电网总线186的三个相中的一个上。如上面指示的那样，由于与弱电网相关联的阻抗高，所以在远程服务的负载和风力涡轮系统100的位置之间发生巨大压降。因此，由换能器144提供的且传输到PLL调整器140的本地感测到的电压度量大体可对应于远程负载处的电网电压和电网阻抗引起的压降之间的差。
现在参照图3，提供图解来示出当系统100连接到弱电网上，并且试图以由控制器174确定为处于或接近单位功率因数(诸如范围为0.9至1.0的功率因数)的功率因数产生电流时，系统100的本地基准电压如何受影响的一个示例。如显示的那样，在图的顶部显示电网电压矢量200，它对应于远程服务的负载处的电网电压Vg。图还包括对应于处于第一相位角的固定电流I的第一电流矢量202，以及对应于与第一电流矢量202相关联的本地感测到的基准电压VR1的第一基准电压矢量204。另外，图包括对应于处于第二相位角的固定电流I的第二电流矢量206，以及对应于与第二电流矢量206相关联的本地感测到的基准电压VR2的第二基准电压矢量208。如显示的那样，由于电网的电感的原因，电网电压Vg和各个本地感测到的基准电压VR1和VR2之间的压降会超前对应的电流I达90度(如分别由在电网电压矢量200的端点和系统100的基准电压矢量轨迹214之间垂直于各个电流矢量202、26而延伸的虚线210、212指示的那样)。应当理解，以说明的目的绘制图3中显示的图，假设基本将电网作为电感器进行建模。
如图3中显示的那样，可假设，例如，风力涡轮系统100最初产生固定电流I，它处于与第一电流矢量202相关联的第一相位角。如上面指示的那样，传统的控制方法典型地要求功率转换器162以处于或接近单位功率因数(诸如，处于或高于功率因数阈值0.9)的输出功率因数产生电流。但是，由于控制器174试图使电流在相位上较接近基准电压，以便使功率因数保持高于要求的功率因数阈值，所以净电压矢量(例如线210)朝原点旋转回来，从而降低系统100的本地基准电压。例如，如图3中显示的那样，通过将电流I的相位角调节成与第二电流矢量206相关联的第二相位角，以试图减小电流和基准电压之间的相位差，由于电网电感高，对应的基准电压矢量208只是沿着基准电压矢量轨迹214向上摆动。因此，如图3中显示的那样，电流的这种相位角变化会使系统的本地基准电压的压降减小(如范围220指示的那样)，以及使电流I的与电网电压同相的分量减小(如范围222指示的那样)。因而，在这样的情况下，如果控制器174继续试图减小电流和本地基准电压之间的相位差，则电压将继续下降，从而降低通往电网的总功率输出。
如将在下面更详细地描述的那样，在诸如上面参照图3所描述的那些的情况下，可忽视与风力涡轮系统100相关联的功率因数运行要求，以允许系统100以提高输送到电网的有功功率的方式运行。特别地，当检测到某些触发器或标识符时(例如，响应于导致发电机速度提高的瞬时事件而降低本地基准电压)，公开的系统和方法可构造成使功率因数减小到低于与功率因数运行要求相关联的功率因数极限或阈值的水平，以便允许系统100的本地基准电压和通往电网的功率输出两者提高。例如，如图3中显示的那样，当在电流I的相位角从第一电流矢量202编程第二电流矢量206之后检测到压降时，可按实际上减小系统100的功率因数(诸如沿第三电流矢量230的方向改变电流I的相位角)的方式来调节功率转换器162的运行，以试图提高电流和本地基准电压之间的相位差。如图3中显示的那样，这样将电流I的相位角从第二电流矢量206调节到第三电流矢量230可提高本地基准电压(如范围232指示的那样)和电流I的与电网电压同相的分量(如范围234指示的那样)两者。
应当理解，在若干实施例中，在没有本文标识的特定触发器的情况下，风力涡轮系统100可正常地运行，诸如通过以与其功率因数运行要求一致的方式运行系统100。
现在参照图4，示出根据本主题的各方面的用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的方法300的一个实施例。大体上，将在本文把方法300描述成使用风力涡轮系统来实现，诸如上面参照图2所描述的风力涡轮系统100。但是，应当理解，可使用构造成供应用于应用于负载的功率的任何其它适当的功率发生系统来实现公开的方法300。另外，虽然图4描绘了为了说明和论述的目的以特定顺序执行的步骤，但本文描述的方法不局限于任何特定的顺序或布置。使用本文提供的公开，本领域技术技术人员将理解可省略、重新布置、组合和/或用多种方式修改方法的各种步骤。
如图4中显示的那样，在(302)处，方法300包括在功率发生系统连接到弱电网上，以功率因数阈值或在功率因数阈值以上运行功率发生系统的功率转换器。例如，如上面指示的那样，风力涡轮系统100通常需要以处于或高于与其功率因数运行要求相关联的功率因数阈值的输出功率因数来产生电流。例如，功率因数阈值典型地对应于处于或接近单位功率因数(诸如范围为0.9至1.0的功率因数)的功率因数。
另外，在(304)处，方法300包括检测功率发生系统的发电机速度在一时段内提高了。特别地，如上面指示的那样，诸如阵风和其它事件的各种瞬时事件可在系统100以标称功率运行时，导致发电机120的速度提高。因而，在若干实施例中，控制器174可联接到适当的传感器(一个或多个)上，以监测发电机速度，诸如上面参照图2所描述的传感器(一个或多个)190。
此外，在(306)处，方法300包括检测功率发生系统的本地基准电压在发电机速度在其中提高的相同时段内降低了。特别地，如上面指示的那样，当风力涡轮系统100在导致发电机速度提高的瞬时事件期间连接到弱电网上时，试图使电流功率因数保持处于或高于要求的功率因数阈值实际上可降低系统100的本地基准电压。因而，在若干实施例中，控制器174可以通信的方式联接到适当的传感器(例如图2的电压换能器144)上，以便监测本地基准电压，从而提供用于检测基准电压何时由于系统的功率因数运行要求而下降的手段。
另外，在(308)处，方法300包括调节功率转换器的运行，以便以低于功率因数阈值的减小的功率因数产生电流，以便提高系统的有功功率输出。特别地，如上面参照图3所指示的那样，当系统100连接到弱电网上，试图以处于或高于处于或接近单位功率因数的功率因数阈值来产生电流可导致电压崩溃，从而导致通往电网的功率输出整体降低。因此，在若干实施例中，可忽视要求的功率因数阈值，以允许提高系统100的整体功率输出的方式，调节功率转换器162的运行。
在若干实施例中，可使用由相关传感器(例如图2的电压换能器142)提供的基准电压度量作为用于以低于要求的功率因数阈值的功率因数产生电流的方式调节转换器162的运行的触发器。例如，在一个实施例中，可监测本地基准电压，以确定它何时下降成低于预定电压阈值。在这种实施例中，当本地基准压降在发电机速度响应于瞬时事件而提高的同时落到电压阈值以下时，可假设基准电压由于控制器174试图根据系统的功率因数运行要求来产生电流而下降(例如，如图3的示例中显示的那样，将电流从第一电流矢量202调节到第二电流矢量206)。因此，可调节功率转换器162的运行，以便使相关联的功率因数减小到低于功率因数阈值，以允许本地基准电压以及通往电网的功率输出提高。
应当理解，电压阈值大体可对应于任何适当的预定电压。但是，在若干实施例中，可基于任何有关本地电网要求来选择电压阈值，诸如通过将电压阈值设定成这样的电压：即在该电压下，预计基于电网要求会使风力涡轮脱机。例如，在特定实施例中，电压阈值可对应于范围为标称涡轮电压的大约0.9倍至大约1.0倍的电压量。
还应当理解，作为标识本地基准电压何时下降为低于给定阈值的备选方案，可只是监测基准电压，以便检测电压何时下降，从而提供用于调节功率转换器162的运行的触发器。例如，当基准电压度量指示本地基准电压在发电机速度提高了的同时，在给定时段内稳定降低了时(例如，当基准压力在多个连续测量中下降时)，可能需要忽视系统的要求的功率因数阈值，改为以提供提高的功率输出的方式来调节功率转换器162的运行。
此外，除了本地基准电压之后，可使用任何其它适当的运行参数作为指示应忽视系统的要求的功率因数阈值的基础。例如，在特定实施例中，还相对于系统100的最大电流极限而监测风力涡轮系统100的输出电流可为合乎需要的。在这种实施例中，当本地基准电压随着时间的推移而降低且系统100的输出电流处于其最大电流极限时，控制器174可构造成协调实际电压与正在产生的电流，以确定本地基准电压由于控制器174试图使功率因数保持处于或高于要求的功率因数阈值而下降。如果确定本地基准电压由于这种功率因数运行要求而下降，则可以减小功率因数的方式调节功率转换器162的运行，以便提高本地基准电压。
应当理解，大体上，可对功率转换器162的运行进行允许功率因数以提高系统100的有功功率输出的方式减小的任何适当的调节(一个或多个)。例如，在若干实施例中，可通过降低系统100的实际输出电流，以及/或者提高系统100的无功输出电流，来减小功率因数。在这样做时，可以对风力涡轮系统100保持相同输出电流幅度或者使系统100的输出电流幅度改变的方式，调节有功电流和/或无功电流。
例如，在若干实施例中，控制器174可构造成计算基于电流系统100的运行状况而动态地改变的有功电流极限和无功电流极限。特别地，在特定实施例中，随着本地基准电压降低，有功电流极限可降低且无功电流极限可提高。因此，当有功功率输出由于电压减小而受到限制时，可提高系统100的无功功率输出。如上面参照图3所描述的那样，这样减小功率因数可允许提高本地基准电压，这又可提高输送到电网的有功功率。
在一个实施例中，可使用以下等式(等式(5)-(8))来动态地计算有功电流极限和无功电流极限：
其中，IMax对应于功率转换器162的最大电流幅度，IxMax对应于用于以功率因数阈值运行的功率转换器162的标称最大有功电流，IyMax对应于用于以功率因数阈值运行的功率转换器162的标称最大无功电流，对应于与功率因数阈值相关联的功率因数角，IxMaxDyn对应于用于以低于功率因数阈值的功率因数阈值运行功率转换器162的动态有功电流极限，PCR对应于功率缩减(curtailment)比，并且IyMaxDyn对应于用于以低于功率因数阈值的功率因数运行功率转换器162的动态无功电流极限。
应当理解，在若干实施例中，基于本地基准电压的标么值(per unit value)，功率缩减比PCR大体可对应于范围为零到一的值。特别地，在一个实施例中，当本地基准电压的标么值在标称运行范围(诸如范围为0.9至1.0的标么值)内时，功率缩减比可等于一。但是，在本地基准压力的标么值降低到低于标称运行范围时，功率缩减比可从一降低到零。例如，在特定实施例中，功率缩减比可从标称运行范围的下限(例如0.9的标么值)下为一的值线性地减小到更小的标么值(诸如0.5的标么值)下为零的值。无论如何，通过基于降低本地基准电压来减小功率缩减比，动态有功电流极限可在本地基准电压降低时降低(例如按照等式(7))，从而提高动态无功电流极限(例如按照等式(8))。因而，可按提升本地基准电压的方式来增加系统100的无功功率输出，从而允许提高通往电网的有功功率输出。
在图5中示出图解，它显示标称最大有功电流和无功电流，以及使用等式(5)-(8)所计算出的动态有功电流极限和无功电流极限的示例。如显示的那样，图在x轴上绘制了有功电流Ix，而在y轴上绘制了无功电流Iy。另外，图上的圆400大体限定电流幅度的外极限，其中，功率转换器162的最大电流幅度由从原点向外延伸到外圆400的电流幅度矢量IMax表示。如图5中显示的那样，当功率转换器162根据对系统100施加的功率因数运行限制来运行时，可限定相对于x轴以与功率因数阈值相关联的给定功率因数角延伸的第一电流幅度矢量402，其中，当功率转换器162正在以功率因数阈值产生电流时，第一电流幅度矢量402的x轴分量大体对应于最大有功电流404 IxMax，并且当功率转换器162正在以功率因数阈值产生电流时，第一电流幅度矢量402的y轴分量大体对应于最大无功电流406 IyMax。
另外，图5示出第二电流幅度矢量408大体对应于与小于功率因数阈值的功率因数相关联的有功电流极限和无功电流极限的一个示例，其中，第二电流幅度矢量408的x轴分量大体对应于与减小的功率因数相关联的计算出的动态有功电流极限410 IxMaxDyn，并且第二电流幅度矢量408的y轴分量大体对应于与减小的功率因数相关联的动态无功电流极限412 IyMaxDyn。如图5中显示的那样，通过使第二电流幅度矢量408的功率因数角增大到大约与功率因数阈值相关联的功率因数角(例如图5中的角)的角，转换器162的无功电流极限412可提高，而转换器162的有功电流极限410转换器162可降低。因而，功率转换器162可按允许风力涡轮系统100的无功功率输出提高的方式运行，以便提高本地基准电压，从而允许相应地提高通往电网的有功功率输出。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的方法，所述功率发生系统受功率因数运行要求约束，所述方法包括：
运行连接到所述弱电网上的所述功率发生系统的功率转换器，以便以与所述功率因数运行要求相关联的功率因数阈值或在所述功率因数阈值之上产生电流；
检测所述功率发生系统的发电机速度在一时段内提高了；
检测所述功率发生系统的本地基准电压在所述发电机速度在其中提高的相同时段内降低了；以及
调节所述功率转换器的运行，以便以低于所述功率因数阈值的功率因数产生电流，从而提高所述功率发生系统的有功功率输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测所述本地基准电压降低了包括检测所述本地基准电压在所述发电机速度在其中提高的相同时段内何时降低成低于电压阈值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括检测所述功率发生系统的电流输出处于所述功率转换器的最大电流输出。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调节所述功率转换器的运行以便以低于所述功率因数阈值的功率因数产生电流包括：降低所述功率发生系统的有功电流输出，以及提高所述功率发生系统的无功电流输出，以便提高所述功率发生系统的有功功率输出。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括动态地计算所述功率转换器的无功电流极限。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述功率发生系统的功率缩减比而动态地计算所述无功电流极限，所述功率缩减比基于所述本地基准电压的标么值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述功率缩减比随着所述本地基准电压的降低而减小。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率因数阈值对应于范围为0.9至1.0的功率因数。
9.一种用于控制连接到弱电网上的功率发生系统的系统，所述功率发生系统受功率因数运行要求约束，所述系统包括：
连接到所述弱电网上的功率转换器，所述功率转换器构造成最初以与所述功率因数运行要求相关联的功率因数阈值或在所述功率因数阈值之上产生电流；以及
以通信的方式联接到所述功率转换器上的控制器，所述控制器构造成：
检测所述功率发生系统的发电机速度在一时段内提高了；
检测所述功率发生系统的本地基准电压在所述发电机速度在其中提高的相同时段内降低了；以及
调节所述功率转换器的运行，以便以低于所述功率因数阈值的功率因数产生电流，从而提高所述功率发生系统的有功功率输出。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成检测所述本地基准电压在所述发电机速度在其中提高的相同时段内何时降低成低于电压阈值。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步构造成检测所述功率发生系统的电流输出处于所述功率转换器的最大电流输出。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成通过降低所述功率发生系统的有功电流输出和提高所述功率发生系统的无功电流输出，来调节所述功率转换器的运行，以便以低于所述功率因数阈值的功率因数产生电流。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步构造成动态地计算所述功率转换器的无功电流极限。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，根据所述功率发生系统的功率缩减比而动态地计算所述无功电流极限，所述功率缩减比基于所述本地基准电压的标么值。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述功率缩减比随着所述本地基准电压的降低而减小。
16.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述功率因数阈值对应于范围为0.9至1.0的功率因数。
17.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述功率发生系统包括风力涡轮系统。
18.一种用于控制连接到弱电网上的风力涡轮系统的系统，所述风力涡轮系统受功率因数运行要求约束，所述系统包括：
风驱动式发电机；
连接到所述风驱动式发电机和所述弱电网上的功率转换器，所述功率转换器构造成最初以与所述功率因数运行要求相关联的功率因数阈值或在所述功率因数阈值之上产生电流；以及
以通信的方式联接到所述功率转换器上的控制器，所述控制器构造成：
检测所述风驱动式发电机的速度在一时段内提高了；
检测所述风力涡轮系统的本地基准电压在所述风驱动式发电机的速度在其中提高的相同时段内降低了；以及
调节所述功率转换器的运行，以便以低于所述功率因数阈值的功率因数产生电流，从而提高所述风力涡轮系统的有功功率输出。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述功率因数阈值对应于范围为0.9至1.0的功率因数。
20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述风驱动式发电机包括风驱动式双馈感应发电机。
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