CN106899033A - 多转换器风力涡轮机的发电系统及其控制方法 - Google Patents

多转换器风力涡轮机的发电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风力涡轮机(100)，包括多个转换器(101)，其在至少第一待机状态(201)、第二运行状态(202)和第三状态(203)之间动态地切换。当所需的无功功率高于处于第二运行状态(202)的转换器(101)的无功功率容量时以及当发生电压暂态时，转换器从第一待机状态(201)切换到第三状态(203)。

Description

多转换器风力涡轮机的发电系统及其控制方法
技术领域
本发明应用于可再生能源领域，特别是应用于从事提供多转换器风力涡轮机的工业领域中。
背景技术
多转换器风力涡轮机拓扑能够根据风况和目标无功功率使多个独立转换器在开启状态和关闭状态之间动态切换。例如，US 7,928,592 B2提出了一种多转换器拓扑，其具有通过涡轮发电机处的隔离功率绕组的并行转换器线程的隔离输出，从而消除了转换器之间的循环共模电流，并且避免了对共模电感器的需要。在另一个示例中，US 8,138,620 B2提出了连接到交流(alternating current，AC)发电机的替代多转换器拓扑，其监视AC发电机的特性并且相应地将几个开关模式应用至转换器。
动态切换策略能够提高风力涡轮机的年发电量(annual energy production，AEP)。然而，当前的电网连接要求需要风力涡轮机的发电系统在数量和时间响应方面提供具有严格必要条件的无功功率。这些必要条件通常与动态切换策略不兼容，因为当一些转换器由于低风速条件而断开连接时，就无法满足无功功率要求。这些问题影响风力涡轮机的正常运行和电压暂态。
在正常运行期间，电网运营商需要无功功率以在风力发电站的公共耦合点处实现无功功率或电压的特定设定点，以便最大化产生无功功率。此外，在无功功率需求改变的情况下需要快速时间响应。这些要求与涡轮机的标准动态切换操作产生冲突，因为有源转换器的数量会根据风况而变化。随后，传统解决方案迫使所有转换器在任何时候都连接，因而丧失了动态切换的AEP优势。
电压暂态包括电压骤降(电压低于正常工作范围的较低值)和过电压(电压高于正常工作范围)。电网代码要求风力涡轮机在发生电压骤降或过电压时保持连接。在这些事件期间，必须注入与额定电流和瞬时电压成比例的无功电流。在具有动态开关的多转换器拓扑中，这个问题是一个难题，因为在低风速下一些转换器会断开连接，因此当产生电压骤降时，风力涡轮机不能满足所需的无功电流注入水平。
因此，在本领域中仍然需要用于多转换器风力涡轮机的发电策略，其能够在满足关于无功功率量和时间响应的电网要求的同时优化能量产生。
发明内容
本发明通过公开用于多转换器风力涡轮机的发电技术来解决上述问题，其中，将附加工作状态添加到动态切换算法的开启状态和关闭状态。在该附加工作状态下，激活直流(direct current，DC)链路，从而能够注入所需的无功功率。
在本发明的第一方面，公开了用于多转换器风力涡轮机的发电系统。每个转换器包括发电机与至少一个电容器之间的第一功率电子器件，用于确定所述电容器的DC链路电压，以及至少一个电容器与电网之间的第二功率电子器件。第一功率电子器件和第二功率电子器件优选地包括具有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)背对背逆变器电路。
该发电系统包括控制装置，其配置为根据风况和电网要求在至少三个状态之间切换多个转换器：
-第一待机状态，其中转换器不向电网注入电流。第二功率电子器件，即电网侧的逆变器电路连接到电网，但是它们不切换也不调节，因此作为二极管整流器桥而工作。在该第一待机状态下，电容器优选地由二极管即无源元件充电。在这种状态下，电网侧的IGBT和发电机侧的IGBT都不换向(commutating)。
-第二运行状态，其中第一功率电子器件和第二功率电子器件都切换和调节发电机功率。如果转换器处于第二运行状态，则电网侧和发电机侧的IGBT都换向，以便调节输送到电网的发电机功率。在仍调节发电机的同时注入无功电流。
-第三暂时状态(也称为有源DC链路状态)，其中DC链路被激活以便注入所需的无功功率并满足风力涡轮机的数量和响应时间要求。在该第三暂时状态中，第二功率电子器件以及电网侧的IGBT都换向，以便调节电容器电压，而第一功率电子器件不换向或调节电容器电压。
优选地，控制装置配置为当以下这些条件之一被验证时，利用有源DC链路将至少一个转换器从第一待机状态切换到第三状态：
-所需的无功功率高于处于第二运行状态和第三状态组合的转换器的无功功率容量。
-发生电压暂态。优选地，在电压暂态完成之后，处于第三状态的转换器的目标直流链路电压被设置为电压暂态之前的值。
优选地，从第一待机状态到第三状态的转变通过向当前的直流链路电压施加一斜坡电压直到达到目标直流链路电压来实现。
还优选地，控制装置配置为向每个转换器发送单独的参考值，其是为了避免功率毛刺而确定的单独参考值。
在本发明的第二方面，公开了一种多转换器风力涡轮机，其包括连接到转子的多个叶片和旋转地耦接到所述转子的多个转换器。风力涡轮机还包括根据本发明的发电系统的任何实施例的发电系统。也就是说，风力涡轮机包括控制装置，其配置为在第一待机状态、第二运行状态和第三有源DC链路状态之间动态地切换多个转换器。
在本发明的第三方面，公开了一种控制多转换器风力涡轮机的发电系统的方法。该方法包括在第一待机状态、第二运行状态和第三有源DC链路状态之间动态地切换多个转换器。优选地，该方法还包括以下步骤中的一个或多个：
-当发生电压暂态时，将所有转换器从第一待机状态切换到第三状态。
-当所需的无功功率高于处于第二运行状态和第三状态组合的转换器的无功功率容量时，将至少一个转换器从第一待机状态切换到第三状态。
-当从第一待机状态切换到第三状态时，向当前的直流链路电压施加一斜坡电压直到达到目标直流链路电压。
-当处于第一待机状态时，将功率电子器件断开连接，并通过反并联二极管为直流链路充电。
-优选地，从风力涡轮机的控制装置接收各个无功功率参考值，以便获得全局无功功率参考值。
最后，在本发明的第四方面，公开了一种实现本发明的方法从而控制本发明的多转换器风力涡轮机的计算机程序。计算机程序包括计算机程序代码装置，其适于在计算机、数字信号处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路、微处理器、微控制器或任何其他形式的可编程硬件上运行时执行本发明的方法的任何实施例。
注意，本发明的系统和风力涡轮机的任何优选选择和特定实施例可以应用于本发明的方法和计算机程序。同样，本发明的方法和计算机程序的任何优选选项和特定实施例可以应用于本发明的系统和风力涡轮机。
利用本发明的发电系统、风力涡轮机、控制方法和计算机程序，可以满足无功功率量和响应时间的电网要求，同时优化动态切换的AEP优点。此外，通过由控制装置动态管理每个转换器的无功功率参考值来最小化功率毛刺。根据本发明的详细描述，这些和其它优点将是显而易见的。
附图说明
为了帮助理解本发明的特征，根据本发明的优选实施例，并且为了补充本说明书，将附加的以下附图作为其整体的一部分，其具有说明性和非限制性特征：
图1示出了根据其特定实施例的本发明的多转换器风力涡轮机以及连接到所述涡轮机的电网的示意图。
图2例示了本发明的多转换器风力涡轮机的电子部件的特定实施例。
图3示出了根据本发明的特定实施例的风力涡轮机的每个转换器的工作状态的示意图。
图4示出了本发明的直流链路电压控制机制的特定实施例的流程图。
图5和图6示出了根据本发明的方法的特定实施例的由电压故障引起的状态转变。
具体实施方式
提供本详细的说明书中限定的内容以帮助全面理解本发明。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文所述的实施例进行各种改变和修改。此外，为了清楚和简明，省略了对公知的功能和元件的描述。
注意，在本文中，术语“包括”及其派生词(例如“包括”等)不应当在排除的意义上理解，也就是说，这些术语不应被解释为排除所描述和限定的内容的可能可以包括另外的元件、步骤等。
图1示出了多转换器风力涡轮机(100)的优选实施例，其包括本发明的发电系统的优选实施例，并且其实施本发明的方法的优选实施例。特别地，风力涡轮机(100)包括由控制装置(102)控制的多个转换器(101)。由多个转换器提供的无功功率在向电网(104)馈电的功率输出(103)处合并。
图2更详细示出了多转换器风力涡轮机(100)的优选实施例的部件。特别地，每个转换器(101)包括在发电机(106)和电容器(107)之间的第一功率电子器件(105)，以及在电容器(107)和电网(104)之间的第二功率电子器件(108)。第一功率电子器件(105)和第二功率电子器件(108)包括背对背配置的IGBT逆变器。多转换器风力涡轮机(100)还包括在转换器(101)的发电机侧和电网侧的电感(109)，以及连接转换器(101)和电网(104)的变压器(110)。
图3呈现了每个转换器(101)的状态和所述状态之间的转换的示意图。特别地，风力涡轮机(100)的每个转换器(101)可以根据风况和电网要求而在以下状态之间动态地和单独地切换：
-第一待机状态(201)，为了清楚起见，在本文中也称为READY状态(201)。当处于READY状态时，功率电子器件保持断开连接，并且反并联二极管配置为将直流链路充电至高达Vf×√2的值，其中Vf是相电压。
-第二运行状态(202)，为了清楚起见，在本文中第二运行状态(202)也称为RUN状态(202)。
-第三状态(203)，具有有源DC链路，为了清楚起见，在本文中具有有源DC链路的第三状态(203)也称为DCLINKON状态(203)。当转换器(101)从READY状态(201)改变到DCLINKON状态(203)时，DC链路中的受控电压以预定斜坡增加到工作点。
风力涡轮机(100)发电系统的操作具有两个主要阶段，即，计算所需的有源转换器(101)的数量，并将DC链路电压信息发送到控制装置(102)。在第一阶段中，可以周期性地或者作为风况或电网要求的变化的结果来执行所需的有源转换器(101)的数量。因此，控制装置(102)根据在RUN状态(202)中的转换器(101)的当前数量和所需的无功功率的函数来确定处于RUN状态(202)和DCLINKON状态(203)的转换器(101)的目标数量。
在特定实施例中，可以使用预定的滞后计算所需的有源转换器(101)。该滞后包括当全局无功功率参考值达到在RUN或DCLINKON模式中转换器的容量的增加的第一预定百分比时(例如所有转换器的容量增加减去一个转换器的容量的15％)，激活(即，发送命令以从STEADY状态转换到DCLINKON状态)一个新转换器。此外，如果全局无功功率参考值达到转换器在RUN或DCLINKON模式下容量的增加的第二个预定百分比时(例如，所有转换器的容量的增加减去一个转换器的容量的40％)，则禁用DCLINKON模式下的转换器。
优选地，确定RUN状态(202)和DCLINKON状态(203)中的转换器(101)的数量的容量百分比优选地由随机数修改，以避免发电厂中转换器(101)的开关操作与几个多转换器风力涡轮机(101)不同时发生，然后将暂态的影响添加在风力发电厂的无功功率生产中。该校正例如是0％至5％之间的随机值。
在第二阶段，由控制装置(102)基于每个转换器(101)的状态和总的所需无功功率来计算每个转换器(101)的目标无功功率。通过预定的斜坡(ramp)逐渐达到所述目标无功功率。图4呈现了本发明的方法的优选实施例所遵循的步骤的更详细的流程图，以便当状态之间发生变化时共享转换器之间的直流链路电压。
i.该方法开始于(301)向转换器(101)输入的实际值或无功功率参考值，并向风力涡轮机输入所需的全局无功功率。
ii.计算(302)被限定为从RUN状态(202)和DCLINKON状态(203)切换到READY状态(201)的转换器(101)的无功功率，并且以预定的斜坡逐渐变为零(303)。对于这种斜坡目的，采用转换器的实际值或无功功率参考值。
iii.通过计算处于RUN状态(202)和DCLINKON状态(203)的转换器(101)的目标无功功率来启动循环(304)。该参考值被计算为通过将风力涡轮机所需的全局无功功率减去被(从1)减少到零的转换器的无功功率参考值以及向已经限定的转换器增加无功功率参考值。注意，已经限定的转换器的值从零开始，并在步骤v中更新。该结果除以在此循环中未被引用的转换器的数量。注意，该值在步骤v中也被更新，但是当过程开始时，该值被限定为处于RUN状态和DCLINK打开状态的转换器的数量。该结果是转换器的目标无功功率。
iv.选择(305)在当前无功功率和目标无功功率之间具有最大差的转换器(101)。
v.一旦被最大值和最小值以及最大正斜坡和负斜坡限制，将目标无功功率发送(306)到在步骤iv中选择的转换器(101)。
vi.该方法验证(307)处于RUN状态(202)和DCLINKON状态(203)中的所有转换器(101)的当前无功功率是否已经被设置为匹配它们的目标无功功率。如果它们都已被设置，则该方法结束(308)，否则，重复步骤iii至vi。
图5示出了当转换器处于READY状态(201)并且接收到电压故障消息(401)时风力涡轮机(100)发电系统和方法的状态演变。在接收到电压故障(401)之前，不执行切换，并且如由READY状态(201)所限定的，DC链路被充电。在接收到电压故障消息(401)之后，转换器切换到DC-LINKON状态(203)，使得电网逆变器开始切换并注入无功电流(402)。当接收到电压故障完结消息(403)时，转换器切换回READY状态(201)。
同样，图6示出了当转换器处于RUN状态(202)并且接收到电压故障消息(401)时风力涡轮机(100)发电系统和方法的状态演变。在接收到电压故障(401)之前，电网侧和发电机侧的逆变器都正在切换，如由RUN状态(203)所限定的。在接收到电压故障消息(401)之后，转换器切换到DC-LINKON状态(203)，从而引起适于注入有源/无源电流(404)的下降。当接收到电压故障完结消息(403)时，转换器切换回运行状态(202)。

Claims (15)

1.一种发电系统，包括配置为管理风力涡轮机(100)的多个转换器(101)的控制装置(102)，所述多个转换器(101)中的每一个还包括发电机(106)与电容器(107)之间的第一功率电子器件(105)和电容器(107)与电网(104)之间的第二功率电子器件(108)，其特征在于，所述控制装置(102)配置为在至少以下状态之间切换所述多个转换器(101)：
-第一待机状态(201)，其中没有无功功率注入到所述电网(104)待机状态；
-第二运行状态(202)，其中通过所述第一功率电子器件(105)和所述第二功率电子器件(108)的换向来调节向所述电网(104)的无功功率注入；
-以及第三状态(203)，其中通过所述第二功率电子器件(108)的换向来调节向所述电网(104)的无功功率注入。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述控制装置(102)还配置为：通过向当前的直流链路电压施加一斜坡电压直到达到目标直流链路电压而将所述多个转换器(101)从所述第一待机状态(201)切换到所述第三状态(203)。
3.根据权利要求1或2所述的发电系统，其特征在于，所述控制装置(102)还配置为：当所需的无功功率高于处于第二运行状态(202)和第三状态(203)的转换器(101)的无功功率容量时，将所述多个转换器(101)中的至少一个转换器从所述第一待机状态(201)切换到所述第三状态(203)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的发电系统，其特征在于，所述控制装置(102)还配置为：当电压暂态发生时，将所述多个转换器(101)中的至少一个转换器从所述第一待机状态(201)切换到所述第三状态(203)。
5.根据权利要求4所述的发电系统，其特征在于，所述控制装置(102)还配置为：当所述电压暂态发生时，将处于所述第三状态(203)的所述转换器(101)的目标直流链路电压设置为电压暂态之前的值。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的发电系统，其特征在于，所述多个转换器(101)配置为向所述控制装置(102)动态地发送无功功率信息。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发电系统，其特征在于，处于所述第一待机状态(201)的转换器(101)配置为通过所述第一功率电子器件对直流链路充电。
8.一种控制包括多个转换器(101)的风力涡轮机(100)的发电的方法，所述多个转换器(101)中的每一个还包括发电机(106)与电容器(107)之间的第一功率电子器件(105)和所述电容器(107)与电网(104)之间的第二功率电子器件(108)，其特征在于，所述方法包括在至少以下状态之间动态切换所述多个转换器(101)：
-第一待机状态(201)，其中没有无功功率注入到所述电网(104)；
-第二运行状态(202)，其中通过所述第一功率电子器件(105)和所述第二功率电子器件(108)的换向来调节向所述电网(104)的无功功率注入；
-以及第三状态(203)，其中通过所述第二功率电子器件(108)的换向来调节向所述电网(104)的无功功率注入。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：通过向当前的直流链路电压施加一斜坡电压直到达到目标直流链路电压来将所述多个转换器(101)从所述第一待机状态(201)切换到所述第三状态(203)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，还包括：当所需无功功率高于处于所述第二运行状态(202)和第三状态(203)的转换器(101)的无功功率容量时，将所述多个转换器(101)中的至少一个转换器从所述第一待机状态(201)切换到所述第三状态转(203)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，还包括：当电压暂态发生时，将所述多个转换器(101)中的至少一个转换器从所述第一待机状态(201)切换到所述第三状态(203)。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，还包括：将无功功率信息从所述多个转换器(101)动态地发送到中央控制装置(102)。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，还包括：当转换器(101)处于所述第一待机状态(201)时，通过所述第一功率电子器件对直流链路充电。
14.一种多转换器风力涡轮机(100)，包括：连接到转子的多个叶片和旋转地耦接到所述转子的多个转换器(101)，其特征在于，所述风力涡轮机(100)还包括根据权利要求1至7中任一项所述的发电系统。
15.一种包括计算机程序代码装置的计算机程序，当所述程序在计算机、数字信号处理器、现场可编程门阵列、应用程序编程门阵列、微处理器，微控制器或任何其他形式的可编程硬件中运行时，所述计算机程序代码装置适于执行根据权利要求8至13中任一项的方法的步骤。
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