CN109154275A - 在异常电网事件期间运行风力涡轮机发电机 - Google Patents

在异常电网事件期间运行风力涡轮机发电机 Download PDF

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Abstract

本发明的若干个方面涉及一种用于在异常电网事件期间控制从风力涡轮发电机输送到电网的电量的方法，该方法包括以下步骤；检测异常电网事件；响应于经测量或确定的总有功电流来控制被输送到电网的有功电流；以及响应于经测量或确定的总无功电流来控制被输送到电网的无功电流。本发明的若干个方面还涉及用于执行该方法的计算机程序产品，以及能够执行本发明的实施方式的风力涡轮发电机。

Description

在异常电网事件期间运行风力涡轮机发电机
技术领域
本发明的若干个方面涉及风力涡轮发电机和用于在异常电网事件期间控制从风力涡轮发电机输送到电网的电量的方法。
背景技术
在异常电网事件期间，保持向电网输送有功和无功功率两者可能是有利的。为了符合这一点，联接到电网的发电单元(诸如风力涡轮发电机)应保持与其连接。
发明内容
在正常电网状况期间，风力涡轮发电机通常以所谓的功率模式运行。在检测到异常电网事件时，功率模式运行通常被禁用并由所谓的电流模式运行代替。
在已知的布置结构中，通过按照前馈实施方案(即在开环控制回路实施方案中)向电网输送有功和无功电流来实现电流模式运行。众所周知，仅具有前馈行为的控制系统以预定义的方式响应输入/控制信号，而不响应控制系统上的负载如何反应。当实施用于双馈感应发电机(DFIG)的控制系统(例如，其中要精确地设定转子电流基准)时，这可能是不利的。
可以将本发明的实施方式的一个目的看作是提供一种方法和一种风力涡轮发电机，其有助于在异常电网事件期间可以提供更精确的转子电流基准。
通过在第一方面中提供一种用于在异常电网事件期间控制从风力涡轮发电机输送到电网的电量的方法来符合上述目的，该方法包括以下步骤：
1)检测异常电网事件；
2)响应于经测量或确定的总有功电流来控制被输送到电网的有功电流；以及
3)响应于经测量或确定的总无功电流来控制被输送到电网的无功电流。
在本公开中，异常电网事件可能涉及电网上的电压变化，诸如与低电压穿越(LVRT)事件、欠电压穿越(UVRT)事件、过电压穿越(OVRT)事件或高压穿越(HVRT)事件相关，其中风力涡轮发电机保持连接到电网以便在异常电网事件期间支持电网。
检测异常电网事件已经发生的步骤可能涉及电网电压变化的检测。在LVRT或UVRT事件的情况下，电网电压原则上可以下降到标称电网电压电平的0到100％之间的任何电压电平。在OVRT或HVRT事件的情况下，电网电压原则上可以采用高于标称电网电压电平的任何电压电平。
可以使用连接到一个或多个相(phase)的一个或多个由软件控制的电压传感器来测量电压变化。
异常电网事件的持续时间通常可以从几分之一秒到可能几分钟不等，这取决于异常的类型。在异常电网事件之前和之后，风力涡轮发电机可以在功率模式下运行，而在异常电网事件期间，诸如在LVRT、UVRT、OVRT或HVRT事件期间，风力涡轮发电机按照根据本发明的方法的实施方式运行。
经测量或确定的总有功电流以及经测量或确定的总无功电流可包括来自风力涡轮发电机的发电机的定子电流和转子电流两者的相应的有功和无功电流贡献。
当已经检测到异常电网事件时，该方法还可以包括启用有功电流调节器和无功电流调节器的步骤。有功电流调节器以及无功电流调节器可以形成相应的外部闭环控制回路的一部分，其中经测量或确定的总有功电流以及经测量或确定的总无功电流可以形成相应的反馈信号。
有功和无功电流调节器原则上可以是任何类型的调节器，包括PI、PD、PID调节器或其组合。
在用于有功电流控制的外部闭环控制回路中，可以从有功电流基准中减去经测量或确定的总有功电流，以形成给有功电流调节器的输入信号。类似地，在用于无功电流控制的外部闭环控制回路中，从无功电流基准中减去经测量或确定的总无功电流，以形成给无功电流调节器的输入信号。
有功电流调节器可以提供有功转子基准信号，其可以形成给有功电流转子控制器的至少一部分控制信号，该有功电流转子控制器可以形成用于有功电流控制的内部闭环控制回路的一部分。在用于有功电流控制的内部闭环控制回路中，可以从由有功电流调节器提供的有功转子基准信号中减去经测量或确定的有功转子电流，以形成给有功电流转子控制器的输入信号。
类似地，无功电流调节器可以提供无功转子基准信号，其可以形成给无功电流转子控制器的至少一部分控制信号，该无功电流转子控制器可以形成用于无功电流控制的内部闭环控制回路的一部分。在用于无功电流控制的内部闭环控制回路中，可以从由无功电流调节器提供的无功转子基准信号中减去经测量或确定的无功转子电流，以形成给无功电流转子控制器的输入信号。
有功电流转子控制器可以设置为生成q轴转子电压，而无功电流转子控制器可适用于生成d轴转子电压。
根据本发明的方法的实施方式可以进一步包括当不再存在异常电网事件时禁用有功和无功电流调节器的步骤。随着有功和无功电流调节器的禁用，风力涡轮发电机可以返回到功率运行。
风力涡轮发电机的发电机可以是双馈感应发电机(DFIG)。然而，其类型的发电机也可以适用。
在第二方面中，本发明涉及一种可直接加载到至少一个数字计算机的内部存储器中的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括软件代码部分，该软件代码部分用于当计算机程序产品在至少一个数字计算机上运行时，执行根据第一方面的方法的步骤。
在第三方面中，本发明涉及一种风力涡轮发电机，其包括用于在异常电网事件期间控制被输送到电网的电量的功率控制器，该功率控制器包括
1)用于检测异常电网事件的检测器；
2)用于控制被输送到电网的有功电流的第一闭环控制回路；以及
3)用于控制被输送到电网的无功电流的第二闭环控制回路。
同样，异常电网事件可能涉及电网上的电压降，诸如与LVRT、UVRT、OVRT或HVRT事件有关，其中风力涡轮发电机保持连接到电网以便支持在异常电网事件期间的电网。风力涡轮发电机的发电机可包括DFIG。
用于检测异常电网事件已经发生的检测器可以包括一个或多个由软件控制的电压传感器，其能够检测电网电压何时变化。在LVRT或UVRT事件的情况下，电网电压原则上可以下降到标称电网电压电平的0到100％之间的任何电压电平。在OVRT或HVRT事件的情况下，电网电压原则上可以采用高于标称电网电压电平的任何电压电平。可以在一个或多个相中检测电压变化。
如先前所述，异常电网事件的持续时间通常可以从几分之一秒到几分钟不等。在异常电网事件之前和之后，风力涡轮发电机可以在功率模式下运行，而在异常电网事件期间，诸如在LVRT、UVRT、OVRT或HVRT事件期间，风力涡轮发电机根据本发明的第一方面的方法的实施方式运行。
第一闭环控制回路可以包括外部有功闭环控制回路和内部有功闭环控制回路，外部有功闭环控制回路包括有功电流调节器，内部有功闭环控制回路包括有功电流转子控制器，并且其中，有功电流调节器给有功电流转子控制器提供至少一部分控制信号。作为外部有功闭环控制回路的一部分，可以从有功电流基准中减去经测量或确定的总有功电流，以形成给有功电流调节器的输入信号。作为内部有功闭环控制回路的一部分，可以从由有功电流调节器提供的有功转子基准中减去经测量或确定的有功转子电流，以形成给有功电流转子控制器的输入信号。
类似地，第二闭环控制回路可以包括外部无功闭环控制回路和内部无功闭环控制回路，外部无功闭环控制回路包括无功电流调节器，内部无功闭环控制回路包括无功电流转子控制器，并且其中，无功电流调节器给无功电流转子控制器提供至少一部分控制信号。作为外部无功闭环控制回路的一部分，可以从无功电流基准中减去经测量或确定的总无功电流，以形成给无功电流调节器的输入信号。作为内部无功闭环控制回路的一部分，可以从由无功电流调节器提供的无功转子基准中减去经测量或确定的无功转子电流，以形成给无功电流转子控制器的输入信号。
附图说明
现在将通过实施方式并参考附图进一步详细描述本发明，其中
图1示意性地示出了应用双馈感应发电机的风力涡轮发电机，
图2示意性地示出了用于在异常电网事件期间控制有功和无功电流的闭环控制回路，以及
图3示出了一个流程图，其示意性地示出了根据本发明的若干个方面的方法。
尽管本发明易于实现各种修改和替代形式，但是具体实施方式已经通过附图中的示例示出并且将在本文中详细描述。然而，应该理解，本发明并不限于所公开的具体形式。相反，本发明将覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
具体实施方式
本发明的一个方面涉及一种用于在异常电网事件期间，诸如在包括LVRT事件、UVRT事件、OVRT事件或HVRT事件的电网电压变化期间运行风力涡轮发电机的方法。当检测到异常电网事件时，风力涡轮发电机的运行从功率模式转换到电流模式。在异常电网事件之后，恢复以功率模式运行。
现在参考图1，其描绘了包括DFIG 104的风力涡轮发电机100。如图1所示，DFIG104的转子106通过可选的齿轮箱103联接到一组转子叶片102。转子叶片102响应于进入的风力101而旋转。DFIG 104适用于通过可选的电网变压器111经由两个三相支路113、114和115将电力输送到电网112。在两个三相支路的后者115中，电力从DFIG 104的定子105输送到可选的电网变压器111。两个三相支路的另一个113、114还包括频率功率转换器，该频率功率转换器包括由中间DC链路109分开的转子侧AC/DC逆变器107和电网侧DC/AC逆变器108。转子侧AC/DC逆变器107和电网侧DC/AC逆变器108由功率控制器110控制。电力可以在三相支路113、114中沿两个方向流动。
在正常运行期间，风力涡轮发电机100通常在所谓的功率模式下运行，其中要被输送到电网112的有功和无功功率的量由相应的有功和无功功率基准来设定。
如上所述，异常电网事件可能涉及LVRT、UVRT、OVRT或HVRT事件。在LVRT或UVRT事件的情况下，电网电压原则上可以下降到标称电网电压电平的0到100％之间的任何电压电平。在OVRT或HVRT事件的情况下，电网电压原则上可以采用高于标称电网电压电平的任何电压电平。当已经检测到异常电网事件时，功率模式被禁用，并且风力涡轮发电机被重新配置为可在所谓的总电流模式下运行。这意味着建立了两个电流控制回路——一个有功电流控制回路和一个无功电流控制回路——参见图2。
现在参考图2，其描绘了两个闭环控制回路200。上部闭环控制回路控制d轴转子电压204并由此控制无功转子电流，而下部闭环控制回路控制q轴转子电压211并由此控制有功转子电流。现在参考上部无功控制回路，其左侧提供了无功电流基准IQref。将该无功电流基准与由DFIG 207的定子和电网侧逆变器(未示出)提供的总无功电流205进行比较。无功电流基准IQref与经测量或确定的总无功电流205之间的差被提供给生成无功转子基准203的调节器201(无功电流调节器)。将无功转子基准203与经测量或确定的无功转子电流206进行比较，并将它们之间的差提供给生成d轴转子电压204的调节器202(无功电流转子控制器)。现在参考下部有功控制回路，其左侧提供了有功电流基准IPref。将该有功电流基准与由DFIG 214的定子和电网侧逆变器(未示出)提供的总有功电流212进行比较。有功电流基准IPref与经测量或确定的总有功电流212之间的差被提供给生成有功转子基准210的调节器208(有功电流调节器)。将有功转子基准210与经测量或确定的有功转子电流213进行比较，并将它们之间的差提供给生成q轴转子电压211的调节器209(有功电流转子控制器)。调节器201、202、208和209原则上可以是任何类型的，诸如PI、PD或PID。因此，在异常电网事件期间，以闭环回路电流构型控制DFIG 207、214，其中电流输入基准IQref和IPref分别被提供用于无功和有功电流回路。当异常电网事件终止时，恢复风力涡轮发电机的功率模式。
在图3中，描绘了流程图300，其示出根据本发明的方法的若干个方面。如图3所示，如果没有检测到异常电网事件，即如果没有检测到电网故障，则风力涡轮发电机以功率模式运行。相反，如果检测到异常电网事件，则风力涡轮发电机以电流模式运行。在电流模式中，总有功DFIG电流301以及有功转子电流302被测量或确定，并生成所得的q轴转子电压303。类似地，总无功DFIG电流304以及无功转子电流305被测量或确定，并生成所得的d轴转子电压303。只要存在异常电网事件，就将所生成的q轴和d轴转子电压303、306提供给DFIG。可以使用可变方式(诸如纯软件实施方案)来实现图3所示的方法。

Claims (17)

1.一种用于在异常电网事件期间控制从风力涡轮发电机输送到电网的电量的方法，所述方法包括以下步骤：
1)检测异常电网事件；
2)响应于经测量或确定的总有功电流来控制被输送到所述电网的有功电流；以及
3)响应于经测量或确定的总无功电流来控制被输送到所述电网的无功电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述异常电网事件包括所述电网上的电压变化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述经测量或确定的总有功电流和所述经测量或确定的总无功电流包括来自所述风力涡轮发电机的发电机的定子电流和转子电流二者的相应的有功电流贡献和无功电流贡献。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括启用有功电流调节器和无功电流调节器的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，从有功电流基准中减去所述经测量或确定的总有功电流，以形成给所述有功电流调节器的输入信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述有功电流调节器给有功电流转子控制器提供至少一部分控制信号。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的方法，其特征在于，从无功电流基准中减去所述经测量或确定的总无功电流，以形成给所述无功电流调节器的输入信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述无功电流调节器给无功电流转子控制器提供至少一部分控制信号。
9.根据权利要求4至8中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当所述异常电网事件不再存在时禁用所述有功电流调节器和所述无功电流调节器的步骤。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述风力涡轮发电机包括双馈感应发电机。
11.一种可直接加载到至少一个数字计算机的内部存储器中的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括软件代码部分，所述软件代码部分用于当所述计算机程序产品在所述至少一个数字计算机上运行时，执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法的步骤。
12.一种包括功率控制器的风力涡轮发电机，所述功率控制器用于在异常电网事件期间控制被输送到电网的电量，所述功率控制器包括：
1)用于检测异常电网事件的检测器；
2)用于控制被输送到所述电网的有功电流的第一闭环控制回路；以及
3)用于控制被输送到所述电网的无功电流的第二闭环控制回路。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述第一闭环控制回路包括：
1)包括有功电流调节器的外部有功闭环控制回路，以及
2)包括有功电流转子控制器的内部有功闭环控制回路，
其中所述有功电流调节器给所述有功电流转子控制器提供至少一部分控制信号。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮发电机，其特征在于，从有功电流基准中减去经测量或确定的总有功电流，以形成给所述有功电流调节器的输入信号。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述第二闭环控制回路包括：
1)包括无功电流调节器的外部无功闭环控制回路，以及
2)包括无功电流转子控制器的内部无功闭环控制回路，
其中所述无功电流调节器给所述无功电流转子控制器提供至少一部分控制信号。
16.根据权利要求15所述的风力涡轮发电机，其特征在于，从无功电流基准中减去经测量或确定的总无功电流，以形成给所述无功电流调节器的输入信号。
17.根据权利要求12至16中的任一项所述的风力涡轮发电机，其特征在于，所述风力涡轮发电机包括双馈感应发电机。
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