CN105932916B - 用于稳定风力涡轮发电机的次同步交互的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为用于稳定风力涡轮发电机的次同步交互的系统和方法。本公开针对用于稳定连接到电力网的风力涡轮发电机的次同步交互(SSI)的系统和方法。更具体来说，该方法包括测量电力网的交流(a‑c)量。另一个步骤包括将a‑c量转换成d‑q量，并且向控制器内的d‑q控制回路提供d‑q量。另一个步骤包括采用对称控制组件来改变d‑q控制回路的转移函数。该方法还包括基于所改变的转移函数来生成风力涡轮发电机的至少一个d‑q参考信号，以便实现发电机的对称控制。进一步的步骤包括至少部分基于至少一个d‑q参考信号来生成发电机的控制信号。该方法还包括基于控制信号来操作发电机。

Description

用于稳定风力涡轮发电机的次同步交互的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及风力涡轮发电机领域，以及更具体来说涉及用于通过对称控制设计来稳定风力涡轮发电机的次同步交互(SSI)的系统和方法。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、最为环境友好的能源之一，以及风力涡轮机在这个方面已经获得增加的关注。现代风力涡轮机通常包括塔架、发电机、变速箱、短舱以及具有一个或多个转子叶片的转子。在许多风力涡轮机中，转子附连到短舱，并且经过变速箱耦合到发电机。转子和变速箱安装在位于短舱内的台板支承框架上。更具体来说，在许多实例中，变速箱借助于一个或多个转矩支架或臂安装到台板。转子叶片使用已知螺旋桨原理来捕获风力的动能。转子叶片传送处于旋转能形式的动能，以便转动轴，该轴将转子叶片耦合到变速箱、或者如果没有使用变速箱则直接将转子叶片耦合到发电机的发电机轴。变速箱可用于调高发电机的涡轮机转子的固有低旋转速度，以便将机械能有效地转换成电能，其被提供给公用电网。
风能从远程位置传送到负载中心或者传送到主传输干线需要长传输线。串联电容器是处理长传输线的系统强度、电网稳定性和电压分布问题的已证实和经济的传输解决方案。在一些实例中，风力涡轮发电机在发电机经过串联补偿的传输线连接到电网时能够易遭受次同步交互(SSI)问题。
更具体来说，风力涡轮机能够与由串联电容器补偿所创建的电网谐振进行交互，由此如果这样的交互没有被处理，会引起风力涡轮机损坏和/或误操作。此外，风力发电机按照其物理特性和控制逻辑对电网瞬变起反应。在对由电网中的串联谐振所引起的次同步电流起反应时，这样的反应能够影响谐振的阻尼。该现象已经被称作次同步交互(SSI)。SSI在许多情况下是良性的，但是在其他情况下能够导致电力不稳定性。在不稳定时，次同步电流和电压增长，直到非线性事件发生。
用于研究次同步交互的一种常用方法是频率扫描分析。典型的频率扫描分析包括建立被测试系统的稳态操作条件，向稳态系统注入电流(或电压)扰动信号，将扰动的系统电压和电流减去其稳态量以获取小信号增量变化，执行快速傅立叶变换(FFT)，计算在测试频率的相量值，并且计算系统阻抗。步骤可在感兴趣范围中的其他频率重复。
另外，如图1中所示出的，频率扫描分析将电路10的风力涡轮发电机12和电力网14看作两个独立的子系统。当两个子系统12、14连接在一起时，结果相当于合计其相应的阻抗。因此，潜在不稳定性通过在谐振频率(即，零电抗)的负电阻来指示。例如，如图2中所示出的，分别说明了电路10的电阻与频率以及电抗与频率的对应图表。更具体来说，从由电路10所生成的频率阻抗图表中识别两个谐振频率15、17(例如在大约10 Hz和大约51 Hz)。如所示出的，因为关联电阻为负，谐振频率15、17两者具有负阻尼，由此指示系统的潜在不稳定性。
虽然上述频率分析已经广泛地被用于SSI评估，但是这样的测试的结果由于方法中的不足而可能是误导的。例如，一个这样的不足是如图3-5说明的那样耦合频率效应。更具体来说，图3说明了简化的控制功能的框图，所述控制功能将三相交流(a-c)量(例如Xabc)转换为直接正交(d-q)旋转坐标，将d-q量分别乘以两个增益(Kd和Kq)，并且然后将结果相反地转换为a-c量(例如Yabc)。d-q变换一般指的是数学变换，其旋转三相系统的参考帧，以努力简化三相电路的分析。输入Xabc和输出Yabc能够是电压、电流或者其组合。如在图4和图5中所示出的，使用控制功能、采用Kd和Kq的不同值来运行两个测试。ABC到DQ和DQ到ABC变换基于基本频率，例如60 Hz。图4说明了例如当Kd = Kq = 1.0时来自第一测试的时域和频谱两者中的输入和输出的比较。如所示出的，输出等于输入。在第二测试中，如在图5中所示出的，Kd不同于Kq(即，控制变成不对称)，并且所产生的输出Yabc包含不在输入中的附加频率分量16。
如在图6中所示出的，说明了一个图表，其说明上面描述的耦合频率效应的效应。如所示出的，该图表比较从两个电网条件所计算的阻抗。如果不存在耦合频率效应，则计算对两种条件产生相同的发电机阻抗，使得曲线应当重叠。然而，图6的两个曲线之间的区别证明耦合频率的影响。另外，来自两个电网条件的发电机的所产生的频率阻抗对系统的SSI稳定性呈现相反的指示。例如，当电网连接更刚性时(曲线18)发电机电阻对整个次同步频率范围为正，并且因此指示没有SSI不稳定性。相比之下，当电网连接更弱时(曲线20)，发电机电阻在次同步频率范围中为负，由此引发潜在SSI不稳定性的担忧。因此，耦合频率效应使风力涡轮发电机的SSI评估变复杂。此外，耦合频率效应促成系统设计的困难，因为设法对无限数量的电网情形设计稳定系统几乎是不可能的。
鉴于以上所述，通过利用对称控制设计来改进风力涡轮发电机的次同步交互(SSI)阻尼的系统和方法会是有利的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐明，或者从描述中可以是显然的，或者可通过实施本发明来了解。
本公开的一个示范实施例针对一种用于操作使用直接-正交(d-q)控制技术连接到电力网的风力涡轮发电机的方法。该方法包括测量电力网的交流(a-c)量。另一个步骤包括在风力涡轮发电机的控制器中将a-c量转换为d-q量。该方法还包括向控制器内的d-q控制回路提供d-q量。另一个步骤包括采用对称控制组件来改变d-q控制回路的转移函数。该方法还包括基于所改变的转移函数来生成风力涡轮发电机的至少一个d-q参考信号，以便实现风力涡轮发电机的对称控制。进一步的步骤包括至少部分基于至少一个d-q参考信号来生成风力涡轮发电机的控制信号。因此，该方法还包括基于控制信号来操作风力涡轮发电机，以便稳定风力涡轮发电机的次同步交互。
在一个实施例中，对称控制组件包括一个或多个滤波器、控制补偿器或类似中的至少一个。在某些实施例中，一个或多个滤波器可以包括陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器或者其组合或者任何其他适当的滤波器。
在进一步的一些实施例中，风力涡轮发电机是具有定子和转子的双馈发电机。此外，转子经由具有转子侧功率转换器和电网侧功率转换器的功率转换组合件耦合到电力网。在这样的实施例中，d-q控制回路配置成经由转子侧功率转换器来控制转子的电压。
在进一步的实施例中，d-q参考信号可包括d轴电流参考、d轴电压参考、q轴电流参考、q轴电压参考或类似中的至少一个。因此，在某些实施例中，基于d-q参考信号来生成风力涡轮发电机的控制信号的步骤还可以包括：向转子侧转换器提供d轴电流参考和q轴电流参考，经由转子侧转换器来确定作为d轴电流参考和q轴电流参考的函数的控制信号，以及向双馈发电机提供控制信号，其中对称控制组件改变d轴电流参考和q轴电流参考的转移函数，以便实现风力涡轮发电机的对称控制。
在附加实施例中，控制信号可对应于电流信号、电压信号等或类似。在某些实施例中，q轴电流参考调节风力涡轮发电机的电压，并且d轴电流参考调节风力涡轮发电机的转矩。
在又进一步的一些实施例中，该方法还可以包括通过确定风力涡轮发电机的端子电压的比例积分微分并且对微分进行滤波，来计算q轴电流参考。在另一个实施例中，该方法可包括计算作为转矩参考和磁通量的函数的d轴电流参考。在特定的实施例中，磁通量可计算为风力涡轮发电机的端电压的函数。更具体来说，风力涡轮发电机的端子电压可提供给控制器、经过滤波并且与乘数相乘，以得到磁通量。
在另一方面，本公开针对一种用于稳定连接到电力网的风力涡轮机的双馈发电机的次同步交互(SSI)的方法。该方法包括采用对称控制组件来改变发电机的控制器内的d-q控制回路的转移函数。另一个步骤包括基于所改变的转移函数来生成发电机的至少一个d-q参考信号，以便实现风力涡轮发电机的对称控制。该方法还包括基于至少一个d-q参考信号来生成风力涡轮发电机的控制信号。因此，进一步的步骤包括基于控制信号来操作风力涡轮发电机。
在又一个方面，本公开针对一种用于操作使用直接-正交(d-q)控制技术连接到电力网的双馈发电机的系统。该系统包括：一个或多个传感器，其配置成测量电力网的交流(a-c)量；以及控制器，通信地耦合到处理器。处理器包括具有至少一个对称控制组件的d-q控制回路。d-q控制回路配置成执行一个或多个操作，包括但不限于将a-c量转换成d-q量，向控制器内的d-q控制回路提供d-q量，采用对称控制组件来改变d-q控制回路的转移函数，并且基于所改变的转移函数来生成风力涡轮发电机的至少一个d-q参考信号，以便实现风力涡轮发电机的对称控制，至少部分基于至少一个d-q参考信号来生成风力涡轮发电机的电压-电流信号，以及基于电压-电流信号来操作风力涡轮发电机，以便稳定风力涡轮发电机的次同步交互。
可对本公开的这些示范实施例进行变更和修改。通过参照以下描述和所附权利要求书，本发明的这些及其他特征、方面和优点将会变得更好理解。结合在本说明中并且构成其一部分的附图说明本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。
技术方案1：一种用于使用直接正交(d-q)控制技术来操作连接到电力网(184)的风力涡轮发电机(120)的方法，所述方法包括：
测量所述电力网(184)的交流(a-c)量；
在所述风力涡轮发电机(120)的控制器(174)中将所述a-c量转换为d-q量；
向所述控制器(174)内的d-q控制回路(200)提供所述d-q量；
采用对称控制组件(202, 204)来改变所述d-q控制回路(200)的转移函数；
基于所述改变的转移函数来生成所述风力涡轮发电机(120)的至少一个d-q参考信号，以便实现所述风力涡轮发电机(120)的对称控制；
至少部分基于至少一个d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机(120)的控制信号；以及
基于所述控制信号来操作所述风力涡轮发电机(120)，以便稳定所述风力涡轮发电机(120)的次同步交互。
技术方案2：如技术方案1所述的方法，其中，所述对称控制组件(202, 204)包括一个或多个滤波器或控制补偿器中的至少一个。
技术方案3：如技术方案2所述的方法，其中，所述一个或多个滤波器包括陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器或者其组合中的至少一个。
技术方案4：如技术方案1所述的方法，其中，所述风力涡轮发电机(120)包括具有定子和转子的双馈发电机，所述转子经由功率转换组合件(162)耦合到所述电力网(184)，所述功率转换组合件(162)包括转子侧功率转换器(166)和电网侧功率转换器(168)，其中所述d-q控制回路(200)配置成经由所述转子侧功率转换器(166)来控制所述转子的电压。
技术方案5：如技术方案4所述的方法，其中，所述d-q参考信号包括d轴电流参考、d轴电压参考、q轴电流参考或q轴电压参考中的至少一个。
技术方案6：如技术方案5所述的方法，其中，基于所述d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机(120)的所述控制信号还包括向所述转子侧转换器提供所述d轴电流参考和所述q轴电流参考，经由所述转子侧转换器(166)来确定作为所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的函数的所述控制信号，并且向所述风力涡轮发电机(120)提供所述控制信号，其中所述对称控制组件(202, 204)改变所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的所述转移函数，以便实现所述风力涡轮发电机(120)的对称控制。
技术方案7：如技术方案6所述的方法，其中，所述q轴电流参考调节所述风力涡轮发电机(120)的电压，并且所述d轴电流参考调节所述风力涡轮发电机(120)的转矩。
技术方案8：如技术方案6所述的方法，还包括通过确定所述风力涡轮发电机(120)的端子电压的比例积分微分并且对所述微分进行滤波，来计算所述q轴电流参考。
技术方案9：如技术方案6所述的方法，还包括计算作为转矩参考和磁通量的函数的所述d轴电流参考，其中，还包括确定作为所述风力涡轮发电机(120)的端子电压的函数的所述磁通量，对所述端子电压进行滤波，以及将所述经滤波的端子电压与乘数相乘。
技术方案10：一种用于改进连接到电力网(184)的风力涡轮发电机的双馈发电机的次同步交互(SSI)阻尼的方法，所述方法包括：
采用对称控制组件(202, 204)来改变所述发电机的控制器(174)内的d-q控制回路(200)的转移函数；
基于所述改变的转移函数来生成所述发电机的至少一个d-q参考信号，以便实现所述风力涡轮发电机(120)的对称控制；
至少部分基于所述d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机(120)的控制信号；以及
基于所述控制信号来操作所述风力涡轮发电机(120)。
技术方案11：一种用于使用直接正交(d-q)控制技术来操作连接到电力网(184)的双馈发电机的系统，所述系统包括：
一个或多个传感器，配置成测量所述电力网(184)的交流(a-c)量；
控制器(174)，通信地耦合到处理器，所述处理器包括具有至少一个对称控制组件(202, 204)的d-q控制回路(200)，所述d-q控制回路(200)配置成执行一个或多个操作，所述一个或多个操作包括：
将所述a-c量转换成d-q量；
向所述控制器(174)内的d-q控制回路(200)提供所述d-q量；
采用对称控制组件(202, 204)来改变所述d-q控制回路(200)的转移函数；
基于所述改变的转移函数来生成所述风力涡轮发电机(120)的至少一个d-q参考信号，以便实现所述风力涡轮发电机(120)的对称控制；
至少部分基于所述至少一个d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机(120)的电压-电流信号；以及
基于所述电压-电流信号来操作所述风力涡轮发电机(120)，以便稳定所述风力涡轮发电机(120)的次同步交互。
技术方案12：如技术方案11所述的系统，其中，所述对称控制组件(202, 204)包括一个或多个滤波器或控制补偿器的至少一个。
技术方案13：如技术方案12所述的系统，其中，所述一个或多个滤波器包括陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器或者其组合中的至少一个。
技术方案14：如技术方案11所述的方法，其中，基于所述d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机(120)的所述电压-电流信号还包括向转子侧转换器提供d轴电流参考和q轴电流参考，经由所述转子侧转换器来确定作为所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的函数的所述电压-电流信号，并且向所述双馈发电机提供所述电压-电流信号，其中所述对称控制组件(202, 204)改变所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的所述转移函数，以便实现所述风力涡轮发电机的对称控制，其中所述q轴电流参考调节所述风力涡轮发电机(120)的电压，并且所述d轴调节所述风力涡轮发电机(120)的转矩。
技术方案15：如技术方案14所述的方法，还包括通过确定所述风力涡轮发电机(120)的端子电压的比例积分微分并且对所述微分进行滤波，来计算所述q轴电流参考。
技术方案16：一种用于使用直接正交(d-q)控制技术来操作连接到电力网的风力涡轮发电机的方法，所述方法包括：
测量所述电力网的交流(a-c)量；
在所述风力涡轮发电机的控制器中将所述a-c量转换为d-q量；
向所述控制器内的d-q控制回路提供所述d-q量；
采用对称控制组件来改变所述d-q控制回路的转移函数；
基于所述改变的转移函数来生成所述风力涡轮发电机的至少一个d-q参考信号，以便实现所述风力涡轮发电机的对称控制；
至少部分基于至少一个d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机的控制信号；以及
基于所述控制信号来操作所述风力涡轮发电机，以便稳定所述风力涡轮发电机的次同步交互。
技术方案17：如技术方案16所述的方法，其中，所述对称控制组件包括一个或多个滤波器或控制补偿器中的至少一个。
技术方案18：如技术方案17所述的方法，其中，所述一个或多个滤波器包括陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器或者其组合中的至少一个。
技术方案19：如技术方案16所述的方法，其中，所述风力涡轮发电机包括具有定子和转子的双馈发电机，所述转子经由功率转换组合件耦合到所述电力网，所述功率转换组合件包括转子侧功率转换器和电网侧功率转换器，其中所述控制回路配置成经由所述转子侧功率转换器来控制所述转子的电压。
技术方案20：如技术方案19所述的方法，其中，所述d-q参考信号包括d轴电流参考、d轴电压参考、q轴电流参考或q轴电压参考中的至少一个。
技术方案21：如技术方案20所述的方法，其中，基于所述d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机的所述控制信号还包括向所述转子侧转换器提供所述d轴电流参考和所述q轴电流参考，经由所述转子侧转换器来确定作为所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的函数的所述控制信号，并且向所述风力涡轮发电机提供所述控制信号，其中所述对称控制组件改变所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的所述转移函数，以便实现所述风力涡轮发电机的对称控制。
技术方案22：如技术方案21所述的方法，其中，所述控制信号包括电流信号或电压信号中的至少一个。
技术方案23：如技术方案21所述的方法，其中，所述q轴电流参考调节所述风力涡轮发电机的电压，并且所述d轴电流参考调节所述风力涡轮发电机的转矩。
技术方案24：如技术方案21所述的方法，还包括通过确定所述风力涡轮发电机的端子电压的比例积分微分并且对所述微分进行滤波，来计算所述q轴电流参考。
技术方案25：如技术方案21所述的方法，还包括计算作为转矩参考和磁通量的函数的所述d轴电流参考。
技术方案26：如技术方案25所述的方法，还包括确定作为所述风力涡轮发电机的端子电压的函数的所述磁通量，对所述端子电压进行滤波，以及将所述经滤波的端子电压与乘数相乘。
技术方案27：一种用于改进连接到电力网的风力涡轮发电机的双馈发电机的次同步交互(SSI)阻尼的方法，所述方法包括：
采用对称控制组件来改变所述发电机的控制器内的d-q控制回路的转移函数；
基于所述改变的转移函数来生成所述发电机的至少一个d-q参考信号，以便实现所述风力涡轮发电机的对称控制；
至少部分基于所述d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机的控制信号；以及
基于所述控制信号来操作所述风力涡轮发电机。
技术方案28：一种用于使用直接正交(d-q)控制技术来操作连接到电力网的双馈发电机的系统，所述系统包括：
一个或多个传感器，配置成测量所述电力网的交流(a-c)量；
控制器，通信地耦合到处理器，所述处理器包括具有至少一个对称控制组件的d-q控制回路，所述d-q控制回路配置成执行一个或多个操作，所述一个或多个操作包括：
将所述a-c量转换成d-q量；
向所述控制器内的d-q控制回路提供所述d-q量；
采用对称控制组件来改变所述d-q控制回路的转移函数；
基于所述改变的转移函数来生成所述风力涡轮发电机的至少一个d-q参考信号，以便实现所述风力涡轮发电机的对称控制；
至少部分基于所述至少一个d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机的电压-电流信号；以及
基于所述电压-电流信号来操作所述风力涡轮发电机，以便稳定所述风力涡轮发电机的次同步交互。
技术方案29：如技术方案28所述的系统，其中，所述对称控制组件包括一个或多个滤波器或控制补偿器的至少一个。
技术方案30：如技术方案29所述的系统，其中，所述一个或多个滤波器包括陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器或者其组合中的至少一个。
技术方案31：如技术方案28所述的方法，其中，基于所述d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机的所述电压-电流信号还包括向转子侧转换器提供d轴电流参考和q轴电流参考，经由所述转子侧转换器来确定作为所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的函数的所述电压-电流信号，并且向所述双馈发电机提供所述电压-电流信号，其中所述对称控制组件改变所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的所述转移函数，以便实现所述风力涡轮发电机的对称控制。
技术方案32：如技术方案31所述的方法，其中，所述q轴电流参考调节所述风力涡轮发电机的电压，并且所述d轴调节所述风力涡轮发电机的转矩。
技术方案33：如技术方案31所述的方法，还包括通过确定所述风力涡轮发电机的端子电压的比例积分微分并且对所述微分进行滤波，来计算所述q轴电流参考。
技术方案34：如技术方案31所述的方法，还包括计算作为转矩参考和磁通量的函数的所述d轴电流参考。
技术方案35：如技术方案34所述的方法，还包括确定作为所述风力涡轮发电机的端子电压的函数的所述磁通量，对所述端子电压进行滤波，以及将所述经滤波端子电压与乘数相乘。
附图说明
针对本领域的技术人员的本发明的全面和开放的公开、包括其最佳模式在说明书中阐明，其参照所附的图形，其中：
图1说明按照常规构造能够引起不稳定次同步交互(SSI)的电路图；
图2分别说明电阻与频率以及电抗与频率的各种图表；
图3说明按照本公开的一个实施例的用于将a-c量转换成d-q量的控制功能的框图；
图4分别说明输入和输出a-c量与时间以及频率的各种图表，具体说明不具有耦合频率输出的对称控制；
图5分别说明输入和输出a-c量与时间以及频率的各种图表，具体说明创建耦合频率输出的不对称控制；
图6说明分别对于按照常规构造的不同电网条件的阻抗与频率以及阻抗与频率的各种图表；
图7说明按照本公开的一个实施例的风力涡轮机的控制系统的示意图；
图8说明按照本公开的风力涡轮机的控制系统的适当组件的一个实施例的框图；
图9说明按照常规构造的简化的控制框图，具体说明了d轴和q轴电流参考的生成；
图10说明按照本公开的一个实施例的简化的控制框图，具体说明了提供风力涡轮发电机的对称控制的d轴和q轴电流参考的生成；
图11说明分别对于按照本公开的一个实施例的不同电网条件的阻抗与频率以及阻抗与频率的各种图表；
图12说明按照本公开的一个实施例的电路图，具体说明了由串联补偿电容器所提供的插入事件；
图13说明比较按照本公开的一个实施例的在实现本公开的控制技术之前和之后的风力涡轮发电机的瞬态响应的图表；以及
图14说明用于通过对称控制设计来稳定风力涡轮发电机的次同步交互(SSI)的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，附图中说明其一个或多个示例。每个示例作为对本发明的说明而不是对本发明的限制来提供。实际上，本领域的技术人员将会清楚地知道，能够对本发明进行各种修改和变更，而没有背离本发明的精神和范围。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征能够与另一个实施例一起使用，以便产生又进一步的实施例。因此，意图是，本发明包含落入所附权利要求书范围之内的这样的修改和变更以及它们的等效物。
一般来说，本公开针对用于稳定连接到电力网的风力涡轮发电机的次同步交互的系统和方法。更具体来说，系统和方法配置成使用直接正交(d-q)控制技术来操作风力涡轮发电机。例如，该系统测量电力网的交流(a-c)量，并且在风力涡轮发电机的控制器中将a-c量转换成d-q量(例如旋转坐标)。d-q量然后提供给风力涡轮机控制器内的d-q控制回路。该系统然后配置成采用d-q控制回路中的对称控制组件来改变d-q控制回路的转移函数。因此，该系统基于所改变的转移函数，经由d-q控制回路来生成风力涡轮发电机的d-q参考信号(例如一个或多个电流参考)，以便实现风力涡轮发电机的对称控制。因此，该系统至少部分基于一个或多个d-q参考信号来生成风力涡轮发电机的控制信号，并且基于控制信号来操作发电机。
按照这种方式控制风力涡轮发电机提供现有技术控制系统中不存在的许多优点。例如，本公开使用内部控制而不是依靠外部方式来实现改进的次同步交互阻尼。因此，本公开更不复杂，并且因此比先前解决方案更为经济。另外，该方法确保风力涡轮发电机对次同步交互的正阻尼。
为了使本发明的教导投入上下文中，现在论述用于使用包含功率电子转换器的风力涡轮机来生成电力的组件的方面的回顾。然而，应当理解，本公开的控制方法也可适用于电池能量储存系统中使用的其他转换器、太阳能逆变器、静态无功补偿器(STATCOM)等等。
参照图7，示出有风力涡轮机系统100的方面的示范实施例。如所示出的，转子106包括多个转子叶片108，其耦合到可旋转轮毂110，并且共同限定推进器。推进器耦合到可选变速箱118，其又耦合到发电机120。按照本公开，发电机120可以是双馈发电机120(DFG)。
DFG 120通常经由转子母线156耦合到定子母线154和功率转换组合件162。定子母线154从DFG 120的定子(没有单独说明)提供三相功率的输出，并且转子母线156从DFG 120的转子(没有单独说明)提供三相功率的输出。具体参照功率转换组合件162，DFG 120经由转子母线156耦合到转子侧转换器166。转子侧转换器166耦合到线路侧转换器168，其又耦合到线路侧母线188。在示范配置中，转子侧转换器166和线路侧转换器168配置用于使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关装置的三相、二电平、脉宽调制(PWM)布置中的正常操作模式。转子侧转换器166和线路侧转换器168经由DC链路136(DC链路电容器138横跨DC链路136)来耦合。
在典型配置中，可以包括各种线路接触器和断路器（包括例如电网断路器182）来隔离各种组件，如在连接至电力网184以及与电力网184断开连接期间的DFG 120的正常操作需要的。系统断路器178将系统母线160耦合到变压器180，其经由电网断路器182连接到电力网184。另外，风力涡轮机系统100内的各种断路器和开关(包括电网断路器182、系统断路器178、定子同步开关158、转换器断路器186以及线路接触器172)配置成例如当电流过量并且可能损坏风力涡轮机系统100的组件时或者由于其他操作考虑因素而连接或断开对应的母线。还可以提供附加的保护组件(未示出)。
在操作中，在DFG 120由旋转转子106所生成的功率经由双路来提供给电力网184。双路通过定子母线154和转子母线156来限定。在转子母线156侧上，正弦三相a-c功率由功率转换组合件162来转换成直流(DC)功率。来自功率转换组合件162的经转换的功率与来自DFG 120的定子的功率相组合，以便提供具有保持为基本上恒定（例如保持在60 Hz a-c电平）的频率的三相功率。功率转换组合件162补偿或调整来自DFG 120的转子的三相功率的频率的变化。
功率转换组合件162还可以包括控制器174，以控制转子侧转换器166和线路侧转换器168的操作。应当注意，在典型实施例中，控制器174配置为系统100的控制系统170与功率转换组合件162之间的接口。在附加的实施例中，功率转换组合件162经由控制器174从例如控制系统170接收控制信号。控制信号尤其基于风力涡轮机系统100的所感测的条件或工作特性。控制信号通常提供功率转换组合件162的操作的控制。例如，以DFG 120的所感测的速度的形式的反馈可用来控制来自转子母线156的输出功率的转换，以保持正确和平衡的三相电源。来自其他传感器的其他反馈也可以由控制系统170使用来控制功率转换组合件162，包括例如定子和转子母线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息（以及例如开关控信号），定子同步开关控制信号以及系统断路器控制(跳闸)信号可按照任何已知方式来生成。
现在参照图8，按照本主题的方面说明了可包含在控制器174(或控制系统170)内的适当组件的一个实施例的框图。如所示出的，控制器174可包括一个或多个处理器173和一个或多个相关联的存储器装置175，其配置成执行多种计算机实现的功能(例如执行本文中所公开的方法、步骤、计算等等)。如本文中所使用的，术语“处理器”不仅指代本领域中称作被包括在计算机中的集成电路，而且还指代控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路。
另外，一个或多个存储器装置175一般包括一个或多个存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如闪速存储器)、软盘、致密光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)和/或其他适当的存储器元件。此外，控制器174还可包括通信模块176，以促进控制器174与风力涡轮机系统100的各种组件之间的通信。例如，通信模块176可包括传感器接口177(例如一个或多个模数转换器)，以准许由一个或多个传感器183、185、187所传送的信号被转换为能够由控制器174来理解和处理的信号。应当意识到，传感器183、185、187可使用任何适当的方式通信地耦合到通信模块176。例如，如在图8中所示出的，传感器183、185、187经由有线连接耦合到传感器接口177。然而，在其他实施例中，传感器183、185、187可经由无线连接（例如通过使用本领域已知的任何适当的无线通信协议）来耦合到传感器接口177。因此，处理器173可配置成从传感器183、185、187接收一个或多个信号。
风力涡轮机系统100的传感器183、185、187可以是配置成测量在风力涡轮机处或附近的任何操作或负荷条件的任何适当传感器。例如，传感器可包括：叶片传感器，用于测量转子叶片108之一的螺旋角或者用于测量在转子叶片108之一上起作用的负荷；发电机传感器，用于监测发电机(例如转矩、旋转速度、加速度和/或功率输出)；和/或各种风力传感器，用于测量各种风力参数。另外，传感器183、185、187可位于风力涡轮机的地面附近、短舱上或者风力涡轮机的气象桅杆上。还应当理解，可在任何位置采用任何数量或类型的传感器。例如，传感器可以是加速计、压力传感器、攻角传感器、振动传感器、MIMU传感器、照相装置系统、光纤系统、风速计、风向标、声探测和测距(SODAR)传感器、红外激光器、光探测和测距(LIDAR)传感器、辐射计、皮托管、无线电探空测风仪、其他光学传感器和/或任何其他适当的传感器。
现在参照图9和图10，说明了可由控制器174来实现以用于生成风力涡轮发电机的控制信号的各种控制回路简图。例如，这类控制回路配置成产生针对DFG 120的恒定和稳定电流和/或电压命令。更具体来说，图9说明按照常规构造的用于生成电流参考(例如Iq*和Id*)的控制回路简图150。相比之下，图10说明按照本公开的用于通过经由一个或多个对称控制组件202、204创建对称控制设计来生成d-q参考信号(例如d-q电流参考Iq* and Id*)以用于改进DFG 120的次同步交互阻尼的控制回路简图200。更具体来说，如所示出的，对称控制组件202、204对应于多个滤波器202、204，其改变d-q回路的转移函数以实现对称控制。
如在图10所示出的，q轴电流参考Iq *调节DFG 120的电压，并且d轴电流参考Id *调节DFG 120的转矩。由于这个原因，两个轴能够基于不同基本原理来设计，并且因此变成不对称的(即，两个轴的转移函数是不同的)。更具体来说，q轴电流参考Iq *是电压调节器的输出，其基于电压参考V*来控制DFG 120的端子电压幅值V。例如，如在图10中所示出的，控制回路200通过确定DFG 120的端子电压V的比例积分(PI)微分并且经由滤波器202对微分进行滤波，来计算q轴电流参考。
此外，控制回路200计算作为转矩参考T*和磁通量Ψ的函数的d轴电流参考Id *。更具体来说，通过将转矩参考T*除以磁通量Ψ，如以N/D，即分子除以分母所示出的，从转矩参考T*来计算d轴电流参考Id *。另外，磁通量Ψ一般与DFG 120端子电压幅值V成比例。因此，在某些实施例中，控制回路200确定作为DFG 120的端子电压V的函数的磁通量Ψ，对端子电压V进行滤波，并且将经滤波的端子电压与乘数、例如K相乘。更具体来说，在某些实施例中，乘数K可以是定子电压频率的函数(例如1/ωs)。
从小信号观点来看，DFG 120端子电压V与电流参考Iq *和Id *之间的转移函数能够表达为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
等式(1)
Figure DEST_PATH_IMAGE004
等式(2)
其中GPI是PI调节器的转移函数，以及
V0是稳态电压幅值。
如通过等式(1)和(2)所示出的，从V到Id *的转移函数取决于DFG 120的一个或多个操作条件。例如，在T接近零的低功率输出，从V到Id *的增益也接近零。此外，两个轴之间的差创建不对称控制并且因此创建本文中所描述的耦合频率效应(例如图5)。在DFG 120的上下文中，低功率/低速度操作通常呈现最具挑战性的条件，因为转子106的电阻变为次同步频率范围中的最负数。因此，本公开的系统200包括如在图10中所示出的一个或多个对称控制组件202、204(例如一个或多个滤波器或控制补偿器)，以便具体处理DFG 120的低功率/低速度操作。更具体来说，在某些实施例中，对称控制组件202、204能够应用于两个轴的每个(或两者)的控制通路中，使得所产生转移函数在某个频率范围(即，次同步频率范围)中彼此相似（恢复对称）。如本文中所描述的控制补偿器一般指的是控制系统中的改进反馈和控制系统中的不期望的频率响应的组件。
更具体来说，在某些实施例中，对称控制组件202、204可以是具有大约30 Hz(其一般是次同步频率范围的中值)的阻塞频率的陷波滤波器。然而，本领域的技术人员应当理解，阻塞频率可以是任何适当频率，并且可根据系统而改变。通过将滤波器202、204包含在从V到Id-q *的通路中，如在图10中所示出的，两个轴之间的差对于阻塞频率周围的频率范围（即，通常发现SSI不稳定性的频率范围）有效地降低。同时，滤波器202、204允许低频率控制信号(即，d-q旋转帧中的低频率)的足够带宽经过，而没有许多衰减或相位滞后。另外，如在图10中所示出的，包括滤波器204，以用于ID生成的V输入但是不用于转矩参考T*。在这样的实施例中，没有用于转矩参考T*的滤波器避免改变系统机械特性，因为转矩参考T*不受滤波器影响。
如本文中所描述的滤波器202、204可以是本领域已知的任何适当滤波器。例如，在某些实施例中，滤波器202、204可包括带阻滤波器或带除滤波器。带阻滤波器或带除滤波器一般指的是使大多数频率未改变地通过但是将特定范围内的信号衰减到极低电平的滤波器。因此，带阻滤波器与带通滤波器(其使某个范围内的频率通过并且抑制(衰减)那个范围之外的频率)相反。更具体来说，滤波器202、204可以是陷波滤波器，其是具有窄的阻带(即，高Q因子)的带阻滤波器。在又一些附加实施例中，滤波器202、204可包括带通滤波器，其是低通和高通滤波器的组合。因此，在具体实施例中，滤波器202、204可包括低通滤波器，之后接着串联的高通滤波器。低通滤波器一般指的是使具有低于某个截止频率的频率的信号通过并且衰减具有高于截止频率的频率的信号的滤波器。各频率的衰减量取决于滤波器设计。低通滤波器与高通滤波器(其是使具有高于某个截止频率的频率的信号通过并且衰减具有低于截止频率的频率的信号的滤波器)相反。在又进一步的实施例中，滤波器202、204可包括滚动平均滤波器。
现在参照图11，说明了图表，其说明本公开的潜在优点。如所示出的，参照图5论述的耦合频率效应显著降低，如通过次同步频率范围的大部分中的不同电网条件下的对应的发电机频率阻抗218、220所反映的(例如直到电阻正地较高并且SSI不是担忧)。
本公开的控制技术的优点在其稳定SSI瞬变方面的效能的时域模拟中评估，并且在图12和图13中进一步说明。更具体来说，图12说明按照本公开的电路图190，其具有配置成提供如本文中所描述的插入事件的串联补偿电容器192。在安装串联补偿电容器192之前，无限母线194与风力涡轮机变压器180的高电压侧之间的电网短路比(SCR)接近0.77pu。在断开串联补偿电容器192的旁路开关之后，电网SCR增加到1.34 pu。如在图13中所示出的，说明了比较将滤波器202、204的一个或多个添加到电流参考通路之前和之后的DFG120的瞬时响应的图表。如所示出的，当与现有技术控制技术(曲线198)相比时，本公开的控制技术(曲线196)稳定SSI。
现在参照图14，说明了用于使用按照本公开的用于使用d-q控制技术来操作连接到电力网的风力涡轮发电机的方法300的流程图。如在302示出的，方法300包括测量电力网的a-c量。在304，方法300包括在风力涡轮发电机的控制器内将a-c量转换为d-q量。在306，方法300包括经由至少一个滤波器对控制器的控制回路中的d-q量进行滤波。在308，该方法包括基于经滤波的d-q量来生成风力涡轮发电机的控制信号。此外，在310，该方法包括基于控制信号来操作风力涡轮发电机，以便稳定风力涡轮发电机的次同步交互。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在权利要求书的范围之内。
附图标记说明
10 电路 176 通信模块
12 发电机子系统 178 系统断路器
14 电网子系统 177 传感器接口
15 谐振频率 180 变压器
16 频率分量 182 电网断路器
17 谐振频率 183 传感器
18 图表曲线 184 电力网
20 图表曲线 186 转换器断路器
100 风力涡轮机系统 185 传感器
106 转子 187 传感器
108 转子叶片 188 线路母线
110 可旋转毂 190 电路
118 变速箱 192 串联补偿电容器
120 DFIG发电机 196 图表曲线
136 DC链路 198 图表曲线
138 DC链路电容器 200 控制回路
150 控制回路 202 滤波器
154 定子母线 204 滤波器
156 转子母线 218 图表曲线
158 定子同步开关 220 图表曲线
160 系统母线 300 方法
162 功率转换组合件 302 方法步骤
166 转子侧转换器 304 方法步骤
168 电网侧转换器 306 方法步骤
170 控制系统 308 方法步骤
172 线路接触器 310 方法步骤
173 一个或多个处理器 312 方法步骤
174 控制器 314 方法步骤
175 一个或多个存储器装置 　

Claims (13)

1.一种用于使用直接正交(d-q)控制技术来操作连接到电力网(184)的风力涡轮发电机(120)的方法，所述方法包括：
测量所述电力网(184)的交流a-c量；
在所述风力涡轮发电机(120)的控制器(174)中将所述a-c量转换为d-q量；
向所述控制器(174)内的d-q控制回路(200)提供所述d-q量；
采用控制组件(202, 204)来改变所述d-q控制回路(200)的转移函数；
基于改变的转移函数来生成所述风力涡轮发电机(120)的至少一个d-q参考信号，以便实现所述风力涡轮发电机(120)的对称控制；
至少部分基于所述至少一个d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机(120)的控制信号；以及
基于所述控制信号来操作所述风力涡轮发电机(120)，以便稳定所述风力涡轮发电机(120)的次同步交互，
其中所述至少一个d-q参考信号包括d轴电流参考和q轴电流参考，所述d轴电流参考经由转矩输入路径基于转矩参考和磁通量来生成，所述q轴电流参考通过确定所述风力涡轮发电机(120)的端子电压的比例积分微分并且对所述微分进行滤波来生成。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述控制组件(202, 204)包括一个或多个滤波器或控制补偿器中的至少一个。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述一个或多个滤波器包括陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器或者其组合。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述风力涡轮发电机(120)包括具有定子和转子的双馈发电机，所述转子经由功率转换组合件(162)耦合到所述电力网(184)，所述功率转换组合件(162)包括转子侧功率转换器(166)和电网侧功率转换器(168)，其中所述d-q控制回路(200)配置成经由所述转子侧功率转换器(166)来控制所述转子的电压。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述至少一个d-q参考信号还包括d轴电压参考和q轴电压参考中的至少一个。
6.如权利要求5所述的方法，其中，基于所述d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机(120)的所述控制信号还包括：向所述转子侧转换器提供所述d轴电流参考和所述q轴电流参考，经由所述转子侧转换器(166)来确定作为所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的函数的所述控制信号，并且向所述风力涡轮发电机(120)提供所述控制信号，其中所述控制组件(202, 204)改变所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的所述转移函数，以便实现所述风力涡轮发电机(120)的对称控制。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述q轴电流参考调节所述风力涡轮发电机(120)的电压，并且所述d轴电流参考调节所述风力涡轮发电机(120)的转矩。
8.如权利要求6所述的方法，还包括：通过对所述风力涡轮发电机(120)的所述端子电压进行滤波以及将经滤波的端子电压与乘数相乘，确定所述磁通量。
9.一种用于改进连接到电力网(184)的风力涡轮发电机的双馈发电机的次同步交互(SSI)阻尼的方法，所述方法包括：
采用控制组件(202, 204)来改变所述发电机的控制器(174)内的d-q控制回路(200)的转移函数；
基于改变的转移函数来生成所述发电机的至少一个d-q参考信号，以便实现所述风力涡轮发电机(120)的对称控制；
至少部分基于所述d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机(120)的控制信号；以及
基于所述控制信号来操作所述风力涡轮发电机(120)，
其中所述至少一个d-q参考信号包括d轴电流参考和q轴电流参考，所述d轴电流参考经由转矩输入路径基于转矩参考和磁通量来生成，所述q轴电流参考通过确定所述风力涡轮发电机(120)的端子电压的比例积分微分并且对所述微分进行滤波来生成。
10.一种用于使用直接正交(d-q)控制技术来操作连接到电力网(184)的双馈发电机的系统，所述系统包括：
一个或多个传感器，配置成测量所述电力网(184)的交流a-c量；
控制器(174)，通信地耦合到处理器，所述处理器包括具有至少一个控制组件(202,204)的d-q控制回路(200)，所述d-q控制回路(200)配置成执行一个或多个操作，所述一个或多个操作包括：
将所述a-c量转换成d-q量；
向所述控制器(174)内的d-q控制回路(200)提供所述d-q量；
采用控制组件(202, 204)来改变所述d-q控制回路(200)的转移函数；
基于改变的转移函数来生成风力涡轮发电机(120)的至少一个d-q参考信号，以便实现所述风力涡轮发电机(120)的对称控制；
至少部分基于所述至少一个d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机(120)的电压-电流信号；以及
基于所述电压-电流信号来操作所述风力涡轮发电机(120)，以便稳定所述风力涡轮发电机(120)的次同步交互，
其中所述至少一个d-q参考信号包括d轴电流参考和q轴电流参考，所述d轴电流参考经由转矩输入路径基于转矩参考和磁通量来生成，所述q轴电流参考通过确定所述风力涡轮发电机(120)的端子电压的比例积分微分并且对所述微分进行滤波来生成。
11.如权利要求10所述的系统，其中，所述控制组件(202, 204)包括一个或多个滤波器或控制补偿器的至少一个。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述一个或多个滤波器包括陷波滤波器、低通滤波器、高通滤波器或者其组合。
13.如权利要求10所述的系统，其中，基于所述d-q参考信号来生成所述风力涡轮发电机(120)的所述电压-电流信号还包括：向转子侧转换器提供所述d轴电流参考和所述q轴电流参考，经由所述转子侧转换器来确定作为所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的函数的所述电压-电流信号，并且向所述双馈发电机提供所述电压-电流信号，其中所述控制组件(202, 204)改变所述d轴电流参考和所述q轴电流参考的所述转移函数，以便实现所述风力涡轮发电机的对称控制，其中所述q轴电流参考调节所述风力涡轮发电机(120)的电压，并且所述d轴电流参考调节所述风力涡轮发电机(120)的转矩。
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