CN106655241A - 用于控制风电场的方法及风电场 - Google Patents

Abstract

本发明公开了通过以下方式来控制风电场：设置场级电压命令；接收连接在风电场和公用电网之间的公共耦合点处的有功功率反馈信号；基于接收到的有功功率反馈信号来确定增益值，增益值指示公用电网的强度；以及基于场级电压命令和确定的增益值来生成场级无功功率命令。

Description

用于控制风电场的方法及风电场

技术领域

本发明大体涉及风力发电领域，尤其涉及一种风电场和用于控制该风电场的方法。

背景技术

随着全球能源的日益短缺，对于可再生能源尤其是风能的开发利用已经变得越来越值得关注。

风能经常在发电厂，通常被称为风电场中被用来产生电力。风电场可以包括一个或多个风力涡轮机，该一个或多个风力涡轮机连接到公共节点，也可以被称为公共耦合点(PCC)。公共耦合点再通过一个或多个变压器连接到公用电网上以向消费者提供电能。

由于风速是不断变化的，因此风能也可能是不断变化的并且可能导致公用电网的不稳定。由于风能越来越多地被集成到公用电网中，所以对于已经存在的公用电网的稳定性正成为最重要的关注点。因此，如何通过控制风电场来确保公用电网的稳定性将是非常期望的。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种用于控制风电场的方法。所述方法包括接收连接在所述风电场和公用电网之间的公共耦合点处的有功功率反馈信号；基于接收到的所述有功功率反馈信号来确定增益值，其中，所述增益值指示所述公用电网的强度；以及基于确定的所述增益值和场级电压命令来生成场级无功功率命令。

本发明的另一个方面在于提供一种风电场。所述风电场包括耦合在连接至公用电网的公共耦合点处的多个风力涡轮机、以及场级控制器。所述场级控制器用于基于在所述公共耦合点处的有功功率反馈信号来确定增益值，所述增益值指示所述公用电网的强度，并且，所述场级控制器用于利用场级电压命令和确定的所述增益值来生成场级无功功率命令。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1是根据本发明的第一具体实施方式的示意性风电场的示意图；

图2是根据本发明的第二具体实施方式的示意性风电场的示意图；

图3是根据本发明的第三具体实施方式的示意性风电场的示意图；

图4是根据本发明的一个具体实施方式的用于控制风电场的方法的流程图；

图5是图4中的生成场级无功功率命令步骤的第一具体实施方式的流程图；

图6是图4中的生成场级无功功率命令步骤的第二具体实施方式的流程图；以及

图7是图4中的生成场级无功功率命令步骤的第三具体实施方式的流程图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

当公用电网很强时，它工作在正常情况下，此时，连接在公用电网和风电场之间的公共耦合点处的有功功率和无功功率将是相互解耦的。然而，在弱公用电网中，公用电网的高阻抗将会导致很大的电压降并且使得在公共耦合点处的有功功率和无功功率彼此高度耦合。在这种情况下，公共耦合点处的有功功率将高度地取决于无功功率，并且，较大的有功功率传输将需要较大的无功功率支持。在一些功率变化的情况中，例如阵风，如果需要在公共耦合点处输出更多的有功功率，则需要高的无功功率来支持更多的有功功率传输。如果在此时不能提供所需要的无功功率，那么将会限制有功功率的输出，并且潜在地将会导致公用电网的不稳定。因此，本发明的具体实施方式意图通过调整场级无功功率命令来解决上述问题。

图1是根据本发明的第一具体实施方式的风电场100的示意图。如图1所示，根据本发明的第一具体实施方式的风电场100包括多个风力涡轮机11和场级控制器12。多个风力涡轮机11中的每一个都通过变压器13耦合在公共耦合点PCC处。公共耦合点PCC再连接到公用电网400上。

场级电压命令V_fcmd由公用电网400预先设置，场级控制器12可以接收来自公用电网400的场级电压命令V_fcmd。在公共耦合点PCC处的有功功率反馈信号P_fbk由场级控制器12接收。有功功率反馈信号P_fbk可以通过使用一个或多个传感器(未示出)的测量来获得。或者，有功功率反馈信号P_fbk也可以通过将来自多个风力涡轮机1的本地控制器(未示出)的反馈信号相加总来获得。

场级控制器12用来基于在公共耦合点PCC处接收到的有功功率反馈信号P_fbk来确定增益值，并且，使用场级电压命令V_fcmd和确定的增益值来生成和/或调节场级无功功率命令Q_fcmd。因此，风电场100可以应对公用电网400的强度自适应地去改变而无需硬件改变，并且，可以避免对公用电网400的稳定性造成影响。

增益值可以被连续地计算，或者，增益值也可以仅在公用电网400正处于弱电网情况下才进行确定。在图1所示的具体实施方式中，增益值是在当接收到的有功功率反馈信号P_fbk大于预定的有功功率P₀时被确定的。例如，预定的有功功率P₀可以包括额定的有功功率。增益值可以指示公用电网400的强度。当公用电网400越弱时，则增益值越大。

在本发明的一个具体实施方式中，在场级控制器12中预先设置作为在公共耦合点PCC处的有功功率P函数的增益值的一组增益曲线。因此，可以根据接收到的有功功率反馈信号P_fbk和预先设置的该组增益曲线来确定增益值。该组增益曲线的斜率可以取决于公用电网400的强度。具体地，该组增益曲线的斜率可以与公用电网400的阻抗有关。例如，在一个具体实施方式中，该组增益曲线的斜率与公用电网400的短路比(Short Circuit Ratio，SCR)及公用电网400的阻抗与电阻比(Impedance-Over-Resistance Ratio，XOR)有关。

在其他具体实施方式中，也可以使用其他方法来计算增益值。例如，在另一个具体实施方式中，可以在场级控制器12中预先设置查找表(未示出)。在这种具体实施方式中，可以将增益值和在公共耦合点PCC处的有功功率P之间的对应关系存储在查找表中。

当然，也可以基于公用电网400的强度来仅仅给出增益值与在公共耦合点PCC处的有功功率P之间的粗略的函数关系，并且，该粗略的函数关系可以预先设置在场级控制器12中，从而可以基于公用电网400的强度来在线改变增益值。公用电网400的强度包括公用电网400的阻抗，并且尤其包括公用电网400的短路比及公用电网400的阻抗与电阻比。

在图1所示的第一具体实施方式中，增益值包括电压增益值V_gain。相应地，预先设置的该组增益曲线是作为在公共耦合点PCC处的有功功率P函数的电压增益值V_gain的一组第一增益曲线C1。电压增益值V_gain可以基于接收到的有功功率反馈信号P_fbk通过参考预先设置的该组第一增益曲线C1来确定。

参照图1，场级控制器12包括加法器121、减法器122和电压调节器123。设置的场级电压命令V_fcmd和确定的电压增益值V_gain被传送到加法器121中。加法器121将确定的电压增益值V_gain增加到场级电压命令V_fcmd中来生成增加之后的场级电压命令V_acmd。

场级控制器12还可以包括限制器125。限制器125可以将增加之后的场级电压命令V_acmd限制在上限V_max和下限V_min的范围内。

在图1所示的示例中，在公共耦合点PCC处的电压反馈信号V_fbk也可以由场级控制器12所接收。增加之后的场级电压命令V_acmd和接收到的电压反馈信号V_fbk被传送到减法器122中。减法器122将增加之后的场级电压命令V_acmd和电压反馈信号V_fbk进行比较来获得电压误差信号V_error。获得的电压误差信号V_error然后被传送到电压调节器123中。电压调节器123例如可以是比例积分(Proportional-Integral，PI)调节器，但并不局限于PI调节器。电压调节器123根据如下公式(1)来调节电压误差信号V_error，从而来生成场级无功功率命令Q_fcmd。

其中，K_P代表PI调节器的比例系数，K_I代表PI调节器的积分系数，t代表时间。

继续参照图1，场级控制器12还可以包括无功功率命令分配器126。无功功率命令分配器126将生成的场级无功功率命令Q_fcmd分配到多个风力涡轮机11上。在一个具体实施方式中，可以将生成的场级无功功率命令Q_fcmd在多个风力涡轮机11中均等地分配。在另一个具体实施方式中，各个风力涡轮机11的本地控制器可以将各自的剩余无功功率能力(即，各自的无功功率余量)发送回场级控制器12的无功功率分配器126。无功功率分配器126可以根据各个风力涡轮机11各自的无功功率余量将生成的场级无功功率命令Q_fcmd分配到各个风力涡轮机11上。然后，多个风力涡轮机11可以根据它们各自的无功功率命令生成无功功率。

图2示出根据本发明的第二具体实施方式的风电场200的示意图。在图2中，与图1中的第一具体实施方式的风电场100相比，增益值包括无功功率增益值Q_gain。在公共耦合点PCC处的有功功率反馈信号P_fbk被用来确定无功功率增益值Q_gain。例如，在一组预先设置的增益曲线的具体实施方式中，该组预先设置的增益曲线是作为在公共耦合点PCC处的有功功率P函数的无功功率增益值Q_gain的一组第二增益曲线C2。或者，也可以使用查找表、粗略的函数关系或者其它一些具体实施方式来确定无功功率增益值Q_gain。

如图2所示，在风电场200中，场级控制器22包括减法器222、电压调节器223和加法器224。场级控制器22还可以包括限制器225，限制器225用来将设置的场级电压命令V_fcmd限制在上限V_max和下限V_min的范围内。在公共耦合点PCC处的电压反馈信号V_fbk也可以由场级控制器22所接收。场级电压命令V_fcmd和接收到的电压反馈信号V_fbk然后被传送到减法器222中。减法器222将场级电压命令V_fcmd和接收到的电压反馈信号V_fbk进行比较来获得电压误差信号V_error。获得的电压误差信号V_error然后被传送到电压调节器223中。电压调节器223例如可以是PI调节器，但并不局限于PI调节器。电压调节器223根据上述公式(1)来调节电压误差信号V_error，从而来生成场级无功功率参考信号Q_fref。生成的场级无功功率参考信号Q_fref和确定的无功功率增益值Q_gain被传送到加法器224中。加法器224将确定的无功功率增益值Q_gain增加到场级无功功率参考信号Q_fref中，从而来生成场级无功功率命令Q_fcmd。

本发明的具体实施方式中的风电场200因此可以基于在公共耦合点PCC处的有功功率反馈信号P_fbk来确定无功功率增益值Q_gain，并且，然后能够以适时的方式来调节场级无功功率命令Q_fcmd，从而风电场200能够在不需要额外硬件的情况下适应于公用电网400的强度。

图3示出根据本发明的第三具体实施方式的风电场300的示意图。在图3所示的具体实施方式中，增益值包括电压增益值V_gain和无功功率增益值Q_gain。在基于增益曲线的具体实施方式中，该组预先设置的增益曲线包括作为在公共耦合点PCC处的有功功率P函数的电压增益值V_gain的一组第一增益曲线C1和作为在公共耦合点PCC处的有功功率P函数的无功功率增益值Q_gain的一组第二增益曲线C2。可以将该组第一增益曲线C1和该组第二增益曲线C2两者都在场级控制器32中预先设置。同样地，在公共耦合点PCC处的有功功率反馈信号P_fbk也由场级控制器32所接收。电压增益值V_gain可以基于接收到的有功功率反馈信号P_fbk通过参考该组预先设置的第一增益曲线C1来确定，并且，无功功率增益值Q_gain可以基于接收到的有功功率反馈信号P_fbk通过参考该组预先设置的第二增益曲线C2来确定。

如图3所示，在风电场300中，场级控制器32包括第一加法器321、减法器322、电压调节器323和第二加法器324。设置的场级电压命令V_fcmd和确定的电压增益值V_gain被传送到第一加法器321中。第一加法器321将确定的电压增益值V_gain增加到场级电压命令V_fcmd中来生成增加之后的场级电压命令V_acmd。此外，场级控制器32还可以包括限制器325。限制器325可以用来将增加之后的场级电压命令V_acmd限制在上限V_max和下限V_min的范围内。在公共耦合点PCC处的电压反馈信号V_fbk也由场级控制器32所接收。增加之后的场级电压命令V_acmd和接收到的电压反馈信号V_fbk被传送到减法器322中。减法器322将增加之后的场级电压命令V_acmd和接收到的电压反馈信号V_fbk进行比较来获得电压误差信号V_error。获得的电压误差信号V_error然后被传送到电压调节器323中。电压调节器323例如可以是PI调节器，但并不局限于PI调节器。电压调节器323根据上述公式(1)来调节电压误差信号V_error，从而来生成场级无功功率参考信号Q_fref。生成的场级无功功率参考信号Q_fref和确定的无功功率增益值Q_gain然后被传送到第二加法器324中。第二加法器324将确定的无功功率增益值Q_gain增加到场级无功功率参考信号Q_fref中，从而来生成场级无功功率命令Q_fcmd。

本发明的具体实施方式还提供了一种用于控制风电场100、200、300的方法。图4示出根据本发明的一个具体实施方式的用于控制风电场100、200、300的方法的流程图。

在步骤B1中，场级电压命令V_fcmd由公用电网400预先设置，并且，风电场100、200、300的场级控制器12、22、32可以接收来自公用电网400的场级电压命令V_fcmd。

在步骤B2中，连接在风电场100、200、300和公用电网400之间的公共耦合点PCC处的有功功率反馈信号P_fbk由场级控制器2所接收。

在步骤B3中，基于接收到的有功功率反馈信号P_fbk来确定增益值。增益值可以指示公用电网400的强度。在本发明的一个具体实施方式中，例如，在步骤B4中，作为在公共耦合点PCC处的有功功率P函数的增益值的一组增益曲线可以在场级控制器12、22、32中预先设置。在步骤B3中的增益值可以基于接收到的有功功率反馈信号P_fbk通过参考在步骤B4中的预先设置的该组增益曲线来确定。在一个具体实施方式中，增益值可以包括电压增益值V_gain。在另一个具体实施方式中，增益值可以包括无功功率增益值Q_gain。在又一个具体实施方式中，增益值可以包括电压增益值V_gain和无功功率增益值Q_gain。

在一个可选的具体实施方式中，仅当公用电网400正处于弱电网情况时，才执行步骤B3。在这种情况下，本发明的具体实施方式的方法还可以包括可选的步骤B5。在步骤B5中，确定接收到的有功功率反馈信号P_fbk是否大于预定的有功功率P₀，例如额定的有功功率？如果接收到的有功功率反馈信号P_fbk大于预定的有功功率P₀，则过程前进到步骤B3。否则，过程返回到步骤B5。

在步骤B6中，基于设置的场级电压命令V_fcmd和确定的增益值来生成场级无功功率命令Q_fcmd。

在其中增益值包括电压增益值V_gain的具体实施方式中，图4中的步骤B6还可以包括图5所示的步骤。在图5的步骤B51中，将确定的电压增益值V_gain增加到场级电压命令V_fcmd中，从而来生成增加之后的场级电压命令V_acmd。

在可选的步骤B52中，可以将增加之后的场级电压命令V_acmd限制在上限V_max和下限V_min的范围内。

在步骤B53中，在公共耦合点PCC处的电压反馈信号V_fbk由场级控制器12、22、32所接收。

在步骤B54中，将增加之后的场级电压命令V_acmd与接收到的电压反馈信号V_fbk进行比较来获得电压误差信号V_error。

在步骤B55中，场级控制器12的电压调节器123根据上述公式(1)来调节电压误差信号V_error，从而来生成场级无功功率命令Q_fcmd。

在其中增益值包括无功功率增益值Q_gain的具体实施方式中，图4中的步骤B6还可以包括图6所示的步骤。在可选的步骤B61中，可以将场级电压命令V_fcmd限制在上限V_max和下限V_min的范围内。

在步骤B62中，在公共耦合点PCC处的电压反馈信号V_fbk由场级控制器22所接收。

在步骤B63中，将场级电压命令V_fcmd与接收到的电压反馈信号V_fbk进行比较来获得电压误差信号V_error。

在步骤B64中，场级控制器22的电压调节器223根据上述公式(1)来调节电压误差信号V_error，从而来生成场级无功功率参考信号Q_fref。

在步骤B65中，将确定的无功功率增益值Q_gain增加到场级无功功率参考信号Q_fref中，从而来生成场级无功功率命令Q_fcmd。

在其中增益值包括电压增益值V_gain和无功功率增益值Q_gain的具体实施方式中，图4中的步骤B6还可以包括图7所示的步骤。在步骤B71中，将确定的电压增益值V_gain增加到场级电压命令V_fcmd中，从而来获得增加之后的场级电压命令V_acmd。

在可选的步骤B72中，将增加之后的场级电压命令V_acmd限制在上限V_max和下限V_min的范围内。

在步骤B73中，在公共耦合点PCC处的电压反馈信号V_fbk由场级控制器32所接收。

在步骤B74中，将增加之后的场级电压命令V_acmd与接收到的电压反馈信号V_fbk进行比较来获得电压误差信号V_error。

在步骤B75中，场级控制器32的电压调节器323根据上述公式(1)来调节电压误差信号V_error，从而来生成场级无功功率参考信号Q_fref。

在步骤B76中，将确定的无功功率增益值Q_gain增加到场级无功功率参考信号Q_fref中，从而来生成场级无功功率命令Q_fcmd。

返回到图4，在步骤B7中，生成的场级无功功率命令Q_fcmd由场级控制器12、22、32的无功功率命令分配器126分配。在一个具体实施方式中，生成的场级无功功率命令Q_fcmd在多个风力涡轮机11中被均等地分配。在另一个具体实施方式中，在风电场100、200、300中的各个风力涡轮机11的本地控制器可以将各自的无功功率余量发送回场级控制器12、22、32，并且，根据各个风力涡轮机11各自的无功功率余量将生成的场级无功功率命令Q_fcmd分配到各个风力涡轮机11上。

本发明的具体实施方式的方法可以使得风电场100、200、300能够根据在公共耦合点PCC处的有功功率反馈信号P_fbk来适时地调整场级无功功率命令Q_fcmd，从而，风电场100、200、300可以适应于公用电网400的强度而无需硬件改变，并且能够避免对公用电网400的稳定性造成影响。

尽管根据本发明的具体实施方式的用于控制风电场100、200、300的方法的动作被示出为功能块，但是，在图4至图7所示的各个功能块的顺序和各个功能块之间的动作的分离并不意图是限制性的。例如，可以以不同的顺序来执行各个功能块，并且，与一个功能块相关联的动作可以与一个或者多个其它功能块相结合或者可以被细分成多个功能块。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (12)

1.一种用于控制风电场的方法，其包括：

接收连接在所述风电场和公用电网之间的公共耦合点处的有功功率反馈信号；

基于接收到的所述有功功率反馈信号来确定增益值，其中，所述增益值指示所述公用电网的强度；及

基于确定的所述增益值和场级电压命令来生成场级无功功率命令。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述增益值是在当所述公用电网正处于弱电网情况时被确定的，或者，所述增益值是当接收到的所述有功功率反馈信号大于预定的有功功率时被确定的。

3.根据权利要求1所述的方法，其还包括：预先设置作为在所述公共耦合点处的有功功率函数的增益值的一组增益曲线，其中，所述增益值根据接收到的所述有功功率反馈信号和预先设置的所述一组增益曲线来确定，并且，所述一组增益曲线的斜率与所述公用电网的阻抗相关。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述增益值包括电压增益值，生成所述场级无功功率命令包括将确定的所述电压增益值增加到所述场级电压命令中来生成增加之后的场级电压命令，并且，利用所述增加之后的场级电压命令来生成所述场级无功功率命令。

5.根据权利要求4所述的方法，其还包括：

接收在所述公共耦合点处的电压反馈信号；

将所述增加之后的场级电压命令或者将限制在上限和下限范围内的所述增加之后的场级电压命令与所述电压反馈信号进行比较来获得电压误差信号；以及

通过电压调节器来调节所述电压误差信号以生成所述场级无功功率命令。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述增益值包括无功功率增益值，所述场级无功功率命令是基于所述场级电压命令和确定的所述无功功率增益值来生成的。

7.根据权利要求6所述的方法，其还包括：

接收在所述公共耦合点处的电压反馈信号；

将所述场级电压命令或者将限制在上限和下限范围内的所述场级电压命令与所述电压反馈信号进行比较来获得电压误差信号；

通过电压调节器来调节所述电压误差信号以生成场级无功功率参考信号；以及

将确定的所述无功功率增益值增加到所述场级无功功率参考信号中来生成所述场级无功功率命令。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述增益值包括电压增益值和无功功率增益值，所述场级无功功率命令是基于所述场级电压命令以及确定的所述电压增益值和所述无功功率增益值来生成的。

9.根据权利要求8所述的方法，其还包括：

将确定的所述电压增益值增加到所述场级电压命令中来获得增加之后的场级电压命令；

接收在所述公共耦合点处的电压反馈信号；

将所述增加之后的场级电压命令或者将限制在上限和下限范围内的所述增加之后的场级电压命令与所述电压反馈信号进行比较来获得电压误差信号；

通过电压调节器来调节所述电压误差信号以生成场级无功功率参考信号；以及

将确定的所述无功功率增益值增加到所述场级无功功率参考信号中来生成所述场级无功功率命令。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述风电场包括耦合至所述公共耦合点的多个风力涡轮机，所述方法包括：

将生成的所述场级无功功率命令在所述多个风力涡轮机中均等地分配，或者，根据各个所述风力涡轮机各自的无功功率余量来将生成的所述场级无功功率命令分配到各个所述风力涡轮机上；以及

根据各个所述风力涡轮机各自的无功功率命令来生成无功功率。

11.一种风电场，其包括：

多个风力涡轮机，其耦合在连接至公用电网的公共耦合点处；以及

场级控制器，其用于基于在所述公共耦合点处的有功功率反馈信号来确定增益值，并且，利用场级电压命令和确定的所述增益值来生成场级无功功率命令，所述增益值指示所述公用电网的强度。

12.根据权利要求11所述的风电场，其中，所述场级控制器用于预先设置作为在所述公共耦合点处的有功功率函数的增益值的一组增益曲线，并且，所述一组增益曲线的斜率与所述公用电网的阻抗相关。