CN108808725A - 用于风电场的无功功率控制的系统及方法 - Google Patents

用于风电场的无功功率控制的系统及方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于风电场(105)的无功功率控制的方法，风电场(105)具有风力涡轮(100)的多个群集(137)，其中群集变压器(145,146,147)将风力涡轮(100)的各个群集(137)连接至电力网。该方法包括经由多个群集水平控制器(176)从场水平控制器(107)接收无功功率命令。该方法还包括经由群集水平控制器(176)基于无功功率命令对于风力涡轮(100)的各个群集(137)生成群集水平无功电流命令。此外，该方法包括经由群集水平控制器(176)基于群集水平无功电流命令将涡轮水平无功电流命令分配至风力涡轮(100)的涡轮水平控制器(136)。

Description

用于风电场的无功功率控制的系统及方法
技术领域
本公开内容大体上涉及用于控制风力涡轮的系统及方法，且更具体地涉及用于控制具有多个风力涡轮群集的风电场的无功功率(VAR或Q)的系统及方法。
背景技术
风能被认作是目前可用的最清洁的最环境友好的能源之一，且风力涡轮在这方面得到增加的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理获得风的动能。例如，转子叶片通常具有翼型件的截面轮廓，使得在操作期间，空气在叶片上流动，在侧部之间产生压差。因此，从压力侧朝吸力侧引导的升力作用于叶片上。升力在主转子轴上生成转矩，主转子轴啮合至发电机以用于产生电力。
例如，图1和图2示出了根据常规结构的风力涡轮10和适于结合风力涡轮10使用的相关联的功率系统。如图所示，风力涡轮10包括机舱14，其通常容纳发电机28(图2)。机舱14安装在从支撑表面(未示出)延伸的塔架12上。风力涡轮10还包括转子16，其包括附接至旋转毂18的多个转子叶片20。当风冲击转子叶片20时，叶片20将风能转变成可旋转地驱动低速轴22的机械转矩。低速轴22构造成驱动齿轮箱24(在存在的情况下)，齿轮箱24随后升高低速轴22的低转速来在增大的转速下驱动高速轴26。高速轴26大体上可旋转地联接至发电机28(诸如双馈感应发电机或DFIG)，以便可旋转地驱动发电机转子30。因此，旋转磁场可由发电机转子30感生，且电压可在发电机定子32内感生，发电机定子32磁性地联接至发电机转子30。相关联的电功率可从发电机定子32传输至主三绕组变压器34，其通常经由电网断路器36连接至电力网(power grid)。因此，主变压器34升高电功率的电压幅度，使得变压的电功率可进一步传输至电力网。
此外，如图所示，发电机28通常电联接至双向功率变换器38，其包括经由调节的DC链路44接连至线路侧变换器42的转子侧变换器40。转子侧变换器40将从转子30提供的AC功率变换成DC功率，且将DC功率提供至DC链路44。线路侧变换器42将DC链路44上的DC功率变换成适合于电力网的AC输出功率。因此，来自功率变换器38的AC功率可与来自定子32的功率结合，以提供多相功率(例如，三相功率)，其具有大致保持在电力网的频率(例如，50Hz/60Hz)下的频率。
所示的三绕组变压器34通常具有(1)连接至电力网的33千伏(kV)中压(MV)一次绕组33，(2)连接至发电机定子32的6到13.8kV MV二次绕组35，以及(3)连接至线路侧功率变换器42的690到900伏(V)低压(LV)三次绕组37。
现在参看图3，多个风力涡轮10的独立功率系统可布置在预定的地理位置且电连接到一起来形成风电场46。更具体而言，如图所示，风力涡轮10可布置成多个组48，其中各组分别经由开关51、52、53单独地连接至主线路50。此外，如图所示，主线路50可电联接至另一个较大的变压器54，以用于在将功率发送至电网之前进一步升高来自风力涡轮10的组48的电功率的电压幅度。
随着近年来风力发电的不断成功，功率的这种形式获得了显著的市场份额。由于风能不是具有适时恒定的功率输出的能源，而是包括变化，例如，归因于风速的变化，故配电网络的操作者必须将此考虑在内。例如，结果之一在于分配和传输网络变得较难以管理。这也和网络中的无功功率流的量的管理有关。
现在参看图4和图5，分别示出了根据常规结构的场水平无功功率控制方案和涡轮水平无功功率控制方案的示意图。更具体而言，如图4中所示，场水平控制方案包括快速内电压幅值回路58和慢速外无功功率回路56。此外，如图所示，场水平控制器经由开关64在电压控制与无功功率控制器之间交替。对于电压控制，场水平控制器接收电压设置点66，且经由转换速率限制器68限制设置点。对于无功功率控制，场水平控制器经由VAR调节器70基于无功功率设置点72和无功功率反馈信号QFBK调节无功功率。场水平控制器然后限制进入快速内电压幅值回路58的电压或无功功率信号。如74处所示，另一个电压调节器74调节电压信号来确定用于风电场的无功功率命令。场水平控制器然后将净无功功率命令(QCMD)分配至独立风力涡轮102(即，101、102到10n等)。
在涡轮水平下，如图5中所示，存在另一个电压/VAR控制回路，其由较快的内幅值回路62和较慢的外无功功率回路60构成。此外，各个风力涡轮10的三绕组变压器34提供一定的阻抗，其允许风电场46中的风力涡轮10调节三绕组变压器的二次绕组处的电压。这继而允许调节互连点(POI)或公共联接点(POCC)处的电压。因此，较快的内幅值回路62对于瞬变事件向电网提供快速电压幅值支持，而较慢的外无功功率回路60在稳态下提供风力涡轮10之间的VAR平衡。
然而，在此系统中，与各个风力涡轮10相关联的三绕组变压器34是昂贵的。具体而言，连接至发电机定子32的变压器34的二次绕组35可能很昂贵。因此，将有利的是从风力涡轮功率系统消除此三绕组变压器。两个或更多个风力涡轮的输出一起直接地联接至中压收集系统。收集系统然后将风力涡轮连接至群集变压器的二次绕组，群集变压器将电压从MV水平升高至POI电压水平。在此构造中，风力涡轮连接至公共点，而没有其间的任何阻抗。然而，由于没有三绕组变压器34中的定子绕组35提供的阻抗，各个风力涡轮简单地调节涡轮端电压的目标变得困难。
因此，将有利的是提供具有多个风力涡轮而没有上文所述的三绕组变压器但保持系统控制无功功率能力的风电场。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明认识到。
在一个方面，本主题针对连接至电力网的电功率系统。电功率系统包括系统水平控制器和电功率子系统的多个群集。各个电功率子系统包括功率变换器，其电联接至具有发电机转子和发电机定子的发电机。此外，各个电功率子系统限定用于将功率提供至电力网的定子功率通路和变换器功率通路。此外，变换器功率通路包括部分功率变压器。电功率系统还包括将电功率子系统的各个群集连接至电力网的群集变压器，以及与系统水平控制器通信地联接的多个群集水平控制器。电功率子系统的各个群集与群集水平控制器中的一个通信地联接。各个群集水平的控制器构造成执行一个或多个操作，包括但不限于从系统水平控制器接收无功功率命令、经由各个群集水平控制器基于无功功率命令对于电功率子系统的各个群集生成群集水平无功电流命令，以及经由各个群集水平控制器基于群集水平无功电流命令将子系统水平无功功率命令分配至电功率子系统的子系统水平控制器。
在一个实施例中，该一个或多个操作还可包括接收无功功率反馈信号、确定随各个群集的无功功率命令和无功功率反馈信号而变的无功功率误差，以及经由各个群集水平控制器基于无功功率误差对于电功率子系统的各个群集生成群集水平无功电流命令。
在另一个实施例中，部分功率变压器可包括二绕组变压器或三绕组变压器(即，用于辅助负载)。
在若干实施例中，经由各个群集水平控制器基于无功功率误差对于电功率子系统的各个群集生成群集水平无功电流命令的步骤可包括经由无功功率调节器基于无功功率误差生成第一输出。更具体而言，在某些实施例中，无功功率调节器可包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器、状态空间控制器，或另一其它适合的控制器。
在进一步的实施例中，经由各个群集水平控制器基于无功功率误差对于电功率子系统的各个群集生成群集水平无功功率命令的步骤可包括经由各个群集水平控制器基于最大电压条件和最小电压条件限制来自无功功率调节器的第一输出以获得电压值。因此，群集水平控制器还可接收电压反馈信号(即，从群集变压器的二次绕组或公共联接点)，以及确定随电压值和电压反馈而变的电压误差。此外，各个群集水平控制器可基于电压误差生成第二输出。例如，在某些实施例中，电压调节器可包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器、状态空间控制器或另一其它适合的控制器。
在更进一步的实施例中，群集水平控制器可构造成基于最大电流条件和最小电流条件限制来自电压调节器的第二输出以获得群集水平无功电流命令。
在特定实施例中，各个电功率子系统的发电机可包括双馈感应发电机(DFIG)。在若干实施例中，电功率系统可包括风电场，且电功率子系统可包括风力涡轮功率系统。
在另一方面，本公开内容针对一种用于控制电功率系统的方法。如提到的那样，电功率系统具有电功率子系统的多个群集，其中群集变压器将电功率子系统的各个群集连接至电力网。各个电功率子系统具有电联接至带有发电机转子和发电机定子的发电机的功率变换器。各个电功率子系统限定用于将功率提供至电力网的定子功率通路和变换器功率通路。变换器功率通路包含二绕组功率变压器。该方法包括经由多个群集水平控制器从系统水平控制器接收无功功率命令。此外，该方法包括经由群集水平控制器基于无功功率命令对于电功率子系统的各个群集生成群集水平无功电流命令。此外，该方法包括经由群集水平控制器基于群集水平无功电流命令将子系统水平无功电流命令分配至电功率子系统的子系统水平控制器。应当理解的是，该方法还可包括如本文所述的任何额外步骤和/或特征。
在还有另一方面，本公开内容针对一种风电场。风电场包括多个风力涡轮群集，其各自包括多个风力涡轮。各个风力涡轮具有电联接至带有发电机转子和发电机定子的发电机的功率变换器。此外，各个风力涡轮限定用于将功率提供至电力网的定子功率通路和变换器功率通路。变换器功率通路包含部分功率变压器。此外，风电场包括将风力涡轮的各个群集连接至电力网的群集变压器以及多个群集水平控制器。各个群集水平控制器通信地联接至风力涡轮群集中的一个。此外，群集水平控制器构造成执行一个或多个操作，包括但不限于从场水平控制器接收无功功率命令、基于无功功率命令对于风力涡轮的各个群集生成群集水平无功电流命令，以及基于群集水平无功电流命令将涡轮水平无功电流命令分配至风力涡轮的涡轮水平控制器。应当理解的是，风电场还可包括如本文所述的额外特征中的任一者。
技术方案1. 一种连接至电力网的电功率系统，包括：
系统水平控制器；
电功率子系统的多个群集，所述电功率子系统中的每一个包括电联接至具有发电机转子和发电机定子的发电机的功率变换器，所述电功率子系统中的每一个限定用于将功率提供至所述电力网的定子功率通路和变换器功率通路，所述变换器功率通路包括部分功率变压器；
群集变压器，其将电功率子系统的各个群集连接至所述电力网，以及，
与所述系统水平控制器通信地联接的多个群集水平控制器，电功率子系统的所述群集中的每一个与所述群集水平控制器中的一个通信地联接，所述群集水平控制器中的每一个构造成执行一个或多个操作，所述一个或多个操作包括：
从所述系统水平控制器接收无功功率命令；
经由所述群集水平控制器中的每一个基于所述无功功率命令对于电功率子系统的各个群集生成群集水平无功电流命令；以及，
经由所述群集水平控制器中的每一个基于所述群集水平无功电流命令将子系统水平无功电流命令分配至所述电功率子系统的子系统水平控制器。
技术方案2. 根据技术方案1所述的电功率子系统，其中，所述一个或多个操作还包括：
接收无功功率反馈信号；
确定随各个群集的无功功率命令和所述无功功率反馈信号而变的无功功率误差；以及，
经由所述群集水平控制器中的每一个基于所述无功功率误差对于电功率子系统的各个群集生成所述群集水平无功电流命令。
技术方案3. 根据技术方案1或技术方案2所述的电功率系统，其中，所述部分功率变压器包括二绕组变压器或三绕组变压器中的至少一者。
技术方案4. 根据技术方案2所述的电功率系统，其中，经由所述群集水平控制器中的每一个基于无功功率误差对于电功率子系统的各个群集生成所述群集水平无功电流命令还包括：
经由无功功率调节器基于所述无功功率误差生成第一输出，其中所述无功功率调节器包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器或状态空间控制器中的至少一者。
技术方案5. 根据技术方案4所述的电功率系统，其中，所述电功率系统还包括经由所述群集水平控制器中的每一个基于最大电压条件和最小电压条件限制来自所述无功功率调节器的所述第一输出以获得电压值。
技术方案6. 根据技术方案5所述的电功率系统，其中，所述电功率系统还包括经由所述群集水平控制器从所述群集变压器的二次绕组或公共联接点接收电压反馈信号，以及确定随所述电压值和所述电压反馈而变的电压误差。
技术方案7. 根据技术方案6所述的电功率系统，其中，所述电功率系统还包括经由电压调节器基于所述电压误差生成第二输出，其中所述电压调节器包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器或状态空间控制器中的至少一者。
技术方案8. 根据技术方案7所述的电功率系统，其中，所述电功率系统还包括经由所述群集水平控制器中的每一个基于最大电流条件和最小电流条件限制来自所述电压调节器的所述第二输出以获得所述群集水平无功电流命令。
技术方案9. 根据前述技术方案中任一项所述的电功率系统，其中，所述电功率子系统中的每一个的所述发电机包括双馈感应发电机(DFIG)。
技术方案10. 根据技术方案1所述的电功率系统，其中，所述电功率系统包括风电场，且其中所述电功率子系统包括风力涡轮功率系统。
技术方案11. 一种用于控制电功率系统的方法，所述电功率系统具有电功率子系统的多个群集，其中群集变压器将电功率子系统的各个群集连接至电力网，所述电功率子系统中的每一个具有电联接至带有发电机转子和发电机定子的发电机的功率变换器，所述电功率子系统中的每一个限定用于将功率提供至所述电力网的定子功率通路和变换器功率通路，所述变换器功率通路包含二绕组功率变压器，所述方法包括：
经由多个群集水平控制器从系统水平控制器接收无功功率命令；
经由所述多个群集水平控制器基于所述无功功率命令对于电功率子系统的各个群集生成群集水平无功电流命令；以及，
经由所述群集水平控制器基于所述群集水平无功电流命令将子系统水平无功电流命令分配至所述电功率子系统的子系统水平控制器。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其中，所述方法还包括：
经由所述多个群集水平控制器接收无功功率反馈信号；
经由所述多个群集水平控制器确定随各个群集的无功功率命令和所述无功功率反馈信号而变的无功功率误差；以及，
经由所述群集水平控制器中的每一个基于所述无功功率误差对于电功率子系统的各个群集生成所述群集水平无功电流命令。
技术方案13. 根据技术方案12所述的方法，其中，经由所述群集水平控制器中的每一个基于无功功率误差对于电功率子系统的各个群集生成所述群集水平无功电流命令还包括：
经由无功功率调节器基于所述无功功率误差生成第一输出，其中所述无功功率调节器包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器或状态空间控制器中的至少一者。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其中，所述方法还包括经由所述群集水平控制器中的每一个基于最大电压条件和最小电压条件限制来自所述无功功率调节器的所述第一输出以获得电压值。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其中，所述方法还包括经由所述群集水平控制器从所述群集变压器的二次绕组或公共联接点接收电压反馈信号，以及确定随所述电压值和所述电压反馈而变的电压误差。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其中，所述方法还包括经由电压调节器基于所述电压误差生成第二输出，其中所述电压调节器包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器或状态空间控制器中的至少一者。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其中，所述方法还包括经由所述群集水平控制器中的每一个基于最大电流条件和最小电流条件限制来自所述电压调节器的所述第二输出以获得所述群集水平无功电流命令。
技术方案18. 一种风电场，包括：
多个风力涡轮群集，各自包括多个风力涡轮，所述风力涡轮中的每一个具有电联接至带有发电机转子和发电机定子的发电机的功率变换器，所述风力涡轮中的每一个限定用于将功率提供至电力网的定子功率通路和变换器功率通路，所述变换器功率通路包含部分功率变压器；
群集变压器，其将风力涡轮的各个群集连接至电力网；以及，
多个群集水平控制器，所述群集水平控制器中的每一个通信地联接至所述风力涡轮群集中的一个，所述群集水平控制器构造成执行一个或多个操作，所述一个或多个操作包括：
从场水平控制器接收无功功率命令；
基于所述无功功率命令对于风力涡轮的各个群集生成群集水平无功电流命令；以及，
基于所述群集水平无功电流命令将涡轮水平无功电流命令分配至所述风力涡轮的涡轮水平控制器。
技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其中，所述部分功率变压器包括二绕组变压器或三绕组变压器中的至少一者。
技术方案20. 根据技术方案18所述的方法，其中，所述一个或多个操作还包括：
接收无功功率反馈信号；
确定随各个群集的无功功率命令和所述无功功率反馈信号而变的无功功率误差；以及，
基于所述无功功率对于风力涡轮的各个群集生成所述群集水平无功电流命令。
本发明的这些及其它特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描述用于阐释本发明的原理。
附图说明
针对本领域的普通技术人员的包括其最佳模式的本发明的完整且开放的公开内容在参照附图的说明书中阐述，在附图中：
图1示出了根据常规结构的风力涡轮的一个实施例的一部分的透视图；
图2示出了适合于结合图1中所示的风力涡轮使用的常规电功率系统的示意图；
图3示出了根据常规结构的常规风电场的一个实施例的示意图，特别示出了多个风力涡轮功率系统，诸如连接至单个分站变压器的图2中所示的那些；
图4示出了根据常规结构的场水平控制方案的一个实施例的示意图；
图5示出了根据常规结构的涡轮水平控制方案的一个实施例的示意图；
图6示出了根据本公开内容的用于风力涡轮的电功率系统的一个实施例的示意图；
图7示出了根据本公开内容的风电场的一个实施例的示意图，特别示出了分别经由群集变压器连接至电网的多个风力涡轮群集；
图8示出了根据本公开内容的风力涡轮控制器的一个实施例的框图；
图9示出了根据本公开内容的基准场水平控制方案的一个实施例的示意图；
图10示出了根据本公开内容的基准涡轮水平控制方案的一个实施例的示意图；
图11示出了根据本公开内容的场水平控制方案的一个实施例的示意图；
图12示出了根据本公开内容的群集水平控制方案的一个实施例的示意图；以及
图13示出了根据本公开内容的用于控制风电场的方法的一个实施例的流程图。
构件列表
10 风力涡轮
12 机舱
14 塔架
16 转子
18 毂
20 转子叶片
22 低速轴
24 齿轮箱
26 高速轴
28 发电机
30 发电机定子
32 发电机转子
33 一次绕组
35 二次绕组
36 电网断路器
37 辅助绕组
38 功率变换器
40 转子侧变换器
42 线路侧变换器
44 DC链路
46 风电场
48 风力涡轮组
50 主线路
51 开关
52 开关
53 开关
54 较大的变压器
56 慢速外无功功率回路
58 快速内电压幅值回路
60 较慢的外无功功率回路
62 较快的内电压幅值回路
64 开关
66 电压设置点
68 转换速率限制器
70 VAR调节器
72 无功功率设置点
74 电压调节器
76 分配
100 风力涡轮
102 电功率子系统
104 转子
105 电功率系统
106 转子叶片
107 场水平控制器
108 毂
110 低速轴
112 齿轮箱
114 高速轴
116 发电机
118 发电机转子
120 发电机定子
122 功率变换器
124 转子侧变换器
125 定子功率通路
126 线路侧变换器
127 变换器功率通路
128 DC链路
130 部分功率变压器
132 一次绕组
134 二次绕组
135 断路器
136 涡轮控制器
137 群集
138 处理器
139 传感器
140 存储器装置
141 传感器
142 通信模块
143 传感器
144 传感器接口
145 变压器
146 变压器
147 变压器
148 主线路
150 开关
151 开关
152 开关
153 慢速外无功功率回路
154 变换器控制器
155 快速内电压幅值回路
156 电压设置点
158 转换速率限制器
160 无功功率设置点
162 VAR调节器
164 开关
166 限制器
168 误差
170 电压调节器
172 QFARMCMD
174 分配
176 群集控制器
178 误差
180 VAR调节器
182 第一输出
183 限制器
184 第一输出
185 电压误差
186 电压调节器
187 第二输出
188 限制器
190 群集水平无功电流命令
192 分配
200 方法
202 方法步骤
204 方法步骤
206 方法步骤
208 方法步骤。
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参照，其一个或多个示例在附图中示出。各个示例通过阐释本发明的方式提供，而不限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出各种改型和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一个实施例使用以产生又一个实施例。因此，期望本发明覆盖落入所附权利要求和其等同物的范围内的此类改型和变型。
大体上，本主题针对用于控制具有多个风力涡轮的群集的风电场的方法，其中群集变压器将风力涡轮的各个群集连接至电力网。该方法包括经由多个群集水平控制器从场水平控制器接收无功功率命令。该方法还包括经由群集水平控制器基于无功功率命令对于风力涡轮的各个群集生成群集水平无功电流命令。此外，该方法包括经由群集水平控制器基于群集水平无功电流命令将涡轮水平无功电流命令分配至风力涡轮的涡轮水平控制器。
因此，本公开内容的系统和方法提供了现有技术中不存在的许多优点。例如，在提出的拓扑中，消除了涡轮水平下的电压/VAR控制回路。作为替代，其在群集水平下实施，从而消除了与调节相同端电压的群集中的所有风力涡轮相关联的问题。因此，群集水平控制器从站控制器接收无功功率命令，且生成用于涡轮电流的无功分量的命令。本公开内容的系统和方法还防止电压振荡或瞬变电压稳定性，允许了系统正确操作且改善功率系统可靠性，从而允许消除三绕组主变压器，这继而有助于允许降低风力涡轮和站的其余部分的成本、较高效率、较高年度能量产出和/或空间节省设计。
现在参看图6，示出了根据本公开内容的电功率子系统102的一个实施例的示意图。应当理解的是，用语"子系统"在本文中用于在独立功率系统(例如，如图6中所示)与包括多个电功率子系统102的图7的整体电功率系统105之间区分。然而，本领域的普通技术人员将认识到图6的电功率子系统102也可称为更一般的，诸如简单地系统(而非子系统)。因此，此用语可互换使用，且不意在限制。
此外，如图所示，电功率子系统102可对应于风力涡轮功率系统100。更具体而言，如图所示，风力涡轮功率系统100包括转子104，其包括附接至旋转毂108的多个转子叶片106。当风冲击转子叶片106时，叶片106将风能转变成旋转地驱动低速轴110的机械转矩。低速轴110构造成驱动齿轮箱112，齿轮箱112随后升高低速轴110的低转速来在升高的转速下驱动高速轴114。高速轴114大体上可旋转地联接至双馈感应发电机116(下文称为DFIG116)，以便可旋转地驱动发电机转子118。因此，旋转磁场可由发电机转子118感生，且电压可在发电机定子120内感生，发电机定子32磁性地联接至发电机转子118。在一个实施例中，例如，发电机116构造成将旋转机械能变换成发电机定子120中的正弦三相交变电流(AC)电能信号。因此，如图所示，相关联的电功率可从发电机定子120直接地传输至电网。
此外，如图所示，发电机116电联接至双向功率变换器122，其包括经由调节的DC链路128接连至线路侧变换器126的转子侧变换器124。因此，转子侧变换器124将从发电机转子118提供的AC功率变换成DC功率，且将DC功率提供至DC链路128。线路侧变换器126将DC链路128上的DC功率变换成适合于电力网的AC输出功率。更具体而言，如图所示，来自功率变换器122的AC功率可分别经由变换器功率通路127和定子功率通路125与来自发电机定子120的功率结合。例如，如图所示，且相比于诸如图1-图3中所示的那些的常规系统，变换器功率通路127可包括用于升高来自功率变换器122的电功率的电压幅值的部分功率变压器130，使得变压的电功率可进一步传输至电力网。因此，如图所示，图6的示出系统102不包括上文所述的常规三绕组主变压器。相反，如示出的实施例中所示，部分功率变压器130可对应于具有连接至电力网的一次绕组132和连接至转子侧变换器124的二次绕组134的二绕组变压器。
此外，电功率系统100可包括一个或多个控制器。例如，系统100可包括系统水平的控制器(例如，场水平控制器107)、一个或多个群集水平控制器176，和/或一个或多个子系统水平控制器(例如，涡轮水平控制器136)。因此，本文所述的各个控制器构造成控制风电场105、风力涡轮群集137和/或独立风力涡轮100的构件中的任一者，且/或实施如本文所述的方法步骤。例如，如图8中具体所示，示出了如本文所述的控制器的一个实施例的框图。如图所示，控制器可包括一个或多个处理器138和相关联的存储器装置140，其构造成执行多种计算机可实施的功能(例如，执行方法、步骤、计算等，以及储存如本文公开的相关数据)。此外，控制器还可包括通信模块142，以促进控制器与风电场105中的各种构件(例如，图6和图7的构件中的任一者)之间的通信。此外，通信模块142可包括传感器接口144(例如，一个或多个模数变换器)，以允许从一个或多个传感器139、141、143传输的信号变换成可由处理器138理解和处理的信号。应当认识到的是，传感器139、141、143可使用任何适合的手段可通信地联接至通信模块142。例如，如图8中所示，传感器139、141、143可经由有线连接联接至传感器接口144。然而，在其它实施例中，传感器139、141、143可经由无线连接联接至传感器接口144，诸如通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议。因此，处理器138可构造成接收来传感器139、141、143的一个或多个信号。
如所述使用的用语"处理器"不仅指本领域中称为包括在计算机中的集成电路，而且指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路，以及其它可编程电路。处理器138还构造成计算先进控制算法，且与多种以太网或基于串行的协议(Modbus、OPC、CAN等)通信。此外，存储器装置140可大体上包括存储器元件，包括但不限于计算机可读介质，例如，随机存储存储器(RAM)、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它适合的存储器元件。此存储器装置140可大体上构造成储存适合的计算机可读指令，其在由处理器138实施时，将控制器构造成执行如本文所述的各种功能。
在操作中，通过转子104的旋转在发电机定子120处生成的交变电流(AC)功率经由双通路提供至电网，即，经由定子功率通路125和变换器功率通路127。更具体而言，转子侧变换器124将从发电机转子118提供的AC功率变换成DC功率，且将DC功率提供至DC链路128。用于转子侧变换器124的桥接电路中的切换元件(即，IGBT)可调制成将从发电机转子118提供的AC功率变换成适合于DC链路124的DC功率。线路侧变换器126将DC链路128上的DC功率变换成适合于电网的AC输出功率。具体而言，用于线路侧变换器126的桥接电路中的切换元件(例如，IGBT)可调节成将DC链路128上的DC功率变换成AC功率。因此，来自功率变换器122的AC功率可与来自发电机定子120的功率结合，以提供具有大致保持在总线的频率下的频率的多相功率。应当理解的是，转子侧变换器124和线路侧变换器126可具有使用促进如本文所述的电功率系统200的操作的任何切换装置的任何构造。
此外，功率变换器122可与涡轮控制器136和/或单独或整合的变换器控制器154电子数据通信地联接，以控制转子侧变换器124和线路侧变换器126的操作。例如，在操作期间，控制器136可构造成从第一组电压和电流传感器139、141、143接收一个或多个电压和/或电流测量信号。因此，控制器136可构造成经由传感器139、141、143监测和控制与风力涡轮100相关联的操作变量中的至少一些。在所示实施例中，传感器139、141、143可电联接至促进如本文所述的电功率子系统102的操作的电功率子系统102的任何部分。
还应当理解的是，任何数目或类型的电压和/或电流传感器可在风力涡轮100内且在任何位置处使用。例如，传感器可为电流变压器、分路传感器、罗戈夫斯基线圈、霍尔效应电流传感器、微惯性测量单元(MIMU)或类似的，和/或本领域中现在已知或以后开发的任何其它适合的电压或电流传感器。因此，变换器控制器154构造成从传感器139、141、143接收一个或多个电压和/或电流反馈信号。更具体而言，在某些实施例中，电流或电压反馈信号可包括线路反馈信号、线路侧变换器反馈信号、转子侧变换器反馈信号或定子反馈信号中的至少一者。
具体参看图7，独立的功率系统(诸如图4中所示的功率子系统102)可布置在至少两个群集137中以形成电功率系统105。更具体而言，如图所示，风力涡轮功率系统100可布置成多个群集138以便形成风电场。因此，如图所示，各个群集137可分别经由开关150、151、152连接至单独的变压器145、146、147，以用于升高来自各个群集137的电功率的电压幅度，使得变压的电功率可进一步传输至电力网。此外，如图所示，变压器145、146、147连接至主线路148，主线路148在将功率发送至电网之前结合来自各个群集137的电压。此外，如提到那样，各个群集137可与群集水平控制器176通信地联接，例如，如图11中所示和下文进一步论述的那样。
现在参看图9-图12，各个图示提供成进一步描述本公开内容的系统和方法。例如，图9示出了基准场水平控制方案的示意图，而图10示出了基准涡轮水平控制方案的一个实施例的示意图。然而，由于缺少常规系统的主三绕组变压器34中的定子绕组35提供的阻抗，各个风力涡轮调节其端电压的目标变得困难。更具体而言，此系统(即，图9和图10中所示的系统)已知经历无功功率振荡。因此，图11示出了根据本公开内容的场水平控制方案的一个实施例的示意图；且图12示出了根据本公开内容的群集水平控制方案的一个实施例的示意图，其解决了与图10中所示的涡轮水平电压-VAR回路相关联的问题。
现在具体参看图11和图12，在本公开内容的拓扑中，消除了涡轮水平电压-VAR回路。作为替代，如图12中所示，其在群集水平下实施。因此，本公开内容的控制方案消除了与群集137中的全部风力涡轮100相关联的问题，调节相同的端电压。相反，群集水平控制器176从场水平控制器107接收无功功率命令，且生成用于涡轮电流的无功分量的命令。
更具体而言，如图所示，场水平控制方案包括快速内电压幅值回路155和慢速外无功功率回路153。此外，如图所示，场水平控制器107经由开关164在电压控制与无功功率控制器之间交替。对于电压控制，场水平控制器107接收电压设置点156，且经由转换速率限制器158限制设置点。对于无功功率控制，场水平控制器107经由无功功率(VAR)调节器162基于无功功率设置点160和无功功率反馈信号QFBK(例如，来自电力网)调节无功功率，例如，在场配电变压器145、146或147的一次侧(即，高压)和/或场配电变压器145、146或147的二次侧(即，中压)处。场水平控制器107然后经由限制器166限制进入快速内电压幅值回路155的电压或无功功率信号。电压调节器170然后调节电压信号169，以确定用于风电场100的无功功率命令(即，QFARMCMD 172)。因此，如174处所示，场水平控制器107然后将净无功功率命令(QCMD)分配至各个群集水平控制器176。
现在参看图12，在群集水平下，群集控制器176构造成从场水平控制器107接收无功功率命令(即，QCMD)。此外，如图所示，群集水平控制器176还接收无功功率反馈信号(例如，QFBK)，且确定随各个群集137的无功功率命令QCMD和无功功率反馈信号QFBK而变的无功功率误差178。此外，群集水平的控制器176还基于无功功率误差178对于电功率子系统102的各个群集137生成群集水平无功电流命令188。更具体而言，在某些实施例中，群集水平控制器176可包括构造成基于无功功率误差178生成第一输出182的无功功率调节器180。例如，在某些实施例中，无功功率调节器180可包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器、状态空间控制器或另一其它适合的控制器。
在进一步的实施例中，如图所示，群集水平控制器176可分别包括构造成限制来自无功功率调节器180的第一输出182的限制器183，例如，基于最大电压条件和最小电压条件来获得电压值184。因此，群集水平控制器176还可从群集变压器130的二次绕组或公共联接点(图中表示为POI)接收电压反馈信号VFBK，且确定随电压值184和电压反馈VFBK而变的电压误差185。此外，各个群集水平控制器176可包括构造成基于电压误差185生成第二输出187的电压调节器186。例如，在某些实施例中，电压调节器186可包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器、状态空间控制器或另一其它适合的控制器。此外，如图所示，群集水平控制器176可分别包括构造成限制来自电压调节器186的第二输出187的限制器188，例如，基于最大电流条件和最小电流条件来获得群集水平无功功率命令190。因此，如192处所示，群集水平控制器176基于群集水平无功电流命令190将子系统水平无功电流命令(例如，IYCMD)分配至风力涡轮100的涡轮水平控制器136。
现在参看图13，示出了根据本公开内容的控制风电场(例如，诸如图7中所示的风电场100)的方法200的一个实施例的流程图。如202处所示，方法200包括经由多个群集水平控制器176从场水平控制器107接收无功功率命令。如204处所示，方法200经由群集水平控制器176基于无功功率命令对于风力涡轮100的各个群集生成群集水平无功电流命令。如206处所示，方法200经由群集水平控制器176基于群集水平无功电流命令将涡轮水平无功电流命令分配至风力涡轮100的涡轮水平控制器136。
该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执行任何包含的方法。本发明可申请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。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种连接至电力网的电功率系统(105)，包括：
系统水平控制器(107)；
电功率子系统(102)的多个群集(137)，所述电功率子系统(102)中的每一个包括电联接至具有发电机转子(118)和发电机定子(120)的发电机(116)的功率变换器(122)，所述电功率子系统(102)中的每一个限定用于将功率提供至所述电力网的定子功率通路(125)和变换器功率通路(127)，所述变换器功率通路(127)包括部分功率变压器(130)；
群集变压器(145,146,147)，其将电功率子系统(102)的各个群集连接至所述电力网，以及，
与所述系统水平控制器(107)通信地联接的多个群集水平控制器(176)，电功率子系统(102)的所述群集(137)中的每一个与所述群集水平控制器(176)中的一个通信地联接，所述群集水平控制器(176)中的每一个构造成执行一个或多个操作，所述一个或多个操作包括：
从所述系统水平控制器(107)接收无功功率命令；
经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于所述无功功率命令对于电功率子系统(102)的各个群集生成群集水平无功电流命令；以及，
经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于所述群集水平无功电流命令将子系统水平无功电流命令分配至所述电功率子系统(102)的子系统水平控制器(107)。
2.根据权利要求1所述的电功率子系统(105)，其特征在于，所述一个或多个操作还包括：
接收无功功率反馈信号；
确定随各个群集的无功功率命令和所述无功功率反馈信号而变的无功功率误差；以及，
经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于所述无功功率误差对于电功率子系统(102)的各个群集生成所述群集水平无功电流命令。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电功率系统(105)，其特征在于，所述部分功率变压器(130)包括二绕组变压器或三绕组变压器中的至少一者。
4.根据权利要求2所述的电功率系统(105)，其特征在于，经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于无功功率误差对于电功率子系统(102)的各个群集(137)生成所述群集水平无功电流命令还包括：
经由无功功率调节器基于所述无功功率误差生成第一输出，其中所述无功功率调节器包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器或状态空间控制器中的至少一者。
5.根据权利要求4所述的电功率系统(105)，其特征在于，所述电功率系统(105)还包括经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于最大电压条件和最小电压条件限制来自所述无功功率调节器的所述第一输出以获得电压值。
6.根据权利要求5所述的电功率系统(105)，其特征在于，所述电功率系统(105)还包括经由所述群集水平控制器(176)从所述群集变压器(145,146,147)的二次绕组或公共联接点接收电压反馈信号，以及确定随所述电压值和所述电压反馈而变的电压误差。
7.根据权利要求6所述的电功率系统(105)，其特征在于，所述电功率系统(105)还包括经由电压调节器基于所述电压误差生成第二输出，其中所述电压调节器包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器或状态空间控制器中的至少一者。
8.根据权利要求7所述的电功率系统(105)，其特征在于，所述电功率系统(105)还包括经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于最大电流条件和最小电流条件限制来自所述电压调节器的所述第二输出以获得所述群集水平无功电流命令。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电功率系统(105)，其特征在于，所述电功率系统(105)包括风电场，且其中所述电功率子系统(102)包括风力涡轮功率系统。
10.一种用于控制电功率系统(105)的方法，所述电功率系统(105)具有电功率子系统(102)的多个群集(137)，其中群集变压器(145,146,147)将电功率子系统(102)的各个群集连接至电力网，所述电功率子系统(102)中的每一个具有电联接至带有发电机转子(118)和发电机定子(120)的发电机(116)的功率变换器(122)，所述电功率子系统(102)中的每一个限定用于将功率提供至所述电力网的定子功率通路(125)和变换器功率通路(127)，所述变换器功率通路(127)包含二绕组功率变压器，所述方法包括：
经由多个群集水平控制器(176)从系统水平控制器(107)接收无功功率命令；
经由所述多个群集水平控制器(176)基于所述无功功率命令对于电功率子系统(102)的各个群集生成群集水平无功电流命令；以及，
经由所述群集水平控制器(176)基于所述群集水平无功电流命令将子系统水平无功电流命令分配至所述电功率子系统(102)的子系统水平控制器(107)。
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