CN110061518A - 用于操作风力涡轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机通过转换器与电网电压同步地向电力供应网络供应电力，其中所述方法具有以下步骤：‑测量电力供应网络的相位角和电压，‑根据测量的电压确定锁相环(PLL)的至少一个参数的值，‑设置锁相环的至少一个参数，‑根据测量的电力供应网络的相位角，通过已设置的锁相环(PLL)确定修正的相位角‑使用修正的相位角来控制所述转换器。

Description

用于操作风力涡轮机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于操作风力涡轮机的方法，该风力涡轮机经由转换器而与电网电压同步地向电力供应网络供应电力。
总体上，本发明涉及用于控制风力涡轮机的转换器系统的领域，特别是涉及用于双馈异步发电机的部分转换器的控制。对于操作风力涡轮机，在电网故障的情况下对转换器的控制提出了特殊的技术挑战。
背景技术
EP1914877A2已知一种用于操作电机的方法和设备。可以是风力涡轮机的所述电机设计成与电力供应网络电连接。为电机设置控制器，使得在电压下降一段不确定的时间的期间及之后保持所述电机与电力供应网络电连接。特别地，在电压下降到几乎零伏特，即零电压穿越(ZVRT)的情况下，已知提供一种锁相环，其具有相位检测器和至少一个比例积分(PI)滤波器。进一步设置的是，可以取决于根据电网电压限定的状态而离散地选择PI滤波器的参数，其中可以为此访问状态机。
从US 6,941,113B2中已知经由锁相环来控制具有双馈异步发电机的风力涡轮机。在电网和/或风力涡轮机中发生某些事件的情况下，可能发生锁相环暂时不与电网电压同步。在这种情况下，锁相环允许风力涡轮机度过该事件并且仅在与电网电压同步的稍后的时间点处再次供电。为了使锁相环能够再次快速同步，确定相位角偏差并且在超过最小值时根据所述相位角偏差来计算比例系数，其被应用于待提供的电流的设定值。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于操作风力涡轮机的方法，即使在电力供应网络中的瞬态电压故障的情况下，所述方法也允许以简单的方式可靠且动态地跟踪相位角，从而避免不稳定的性能。此外，应该明确一种方法，该方法允许风力涡轮机在整个电压范围内稳定运行。
根据本发明，所述目的通过以下方法解决：一种用于操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机经由转换器与电网电压同步地向电力供应网络供应电力，其中所述方法具有以下步骤：测量所述电力供应网络的相位角和电压；根据测量的电压确定锁相环(PLL)的至少一个参数的值；设置所述锁相环(PLL)的所述至少一个参数；根据测量的电力供应网络的相位角，通过已设置的所述锁相环(PLL)来确定修正的相位角；以及使用所述修正的相位角来控制所述转换器。从属权利要求的主题为有利的设计方案。
提供并且确定根据本发明的方法用于操作风力涡轮机，该风力涡轮机经由转换器与电网电压同步地向电力供应网络供应电力。所述风力涡轮机例如可以是配备有双馈异步电机的风力涡轮机，其经由部分转换器供应电力。根据本发明的方法获得在电力供应网络中测量的相位角和在电力供应网络中测量的电压。经由锁相环来对设置在其相位位置(所述相位位置针对电网电压和其相位)的电力进行供应，在该锁相环处存在来自电源的测量的相位角并且所述锁相环输出用于控制转换器的修正的相位角。在根据本发明的方法中，根据测量的电源中的电压的幅度值来确定锁相环的至少一个参数。这使得可以以电压相关的方式确定锁相环的性能并且可以调整锁相环上的至少一个参数。以这种方式，锁相环的性能以电压相关的方式被设置，并且因此可以很好地针对网络中的电压下降来调整所述锁相环的性能而不需要锁相环改变其用于常规操作的动态特性。本发明能够穿越深度电网电压故障，其中风力涡轮机保持与电网连接，并且从而在风力涡轮机的额定运行中不会对锁相环的控制动态特性产生负面影响。如果例如相对于用于风力涡轮机的额定运行的网络频率振荡期望风力涡轮机的电力供应的高动态特性，那么在电压下降的情况下(特别是在电压下降至零伏或几乎零伏，即零电压穿越(ZVRT)的情况下)这不会与锁定环的大惯性相抵触。
在优选构造中，选择以电压相关的方式确定的所述至少一个参数，使得其确定锁相环的动态特性。由此选择电压相关性，使得例如在低测量电压的情况下，调整锁相环的动态特性。由此可以根据需要以电压相关的方式调整锁相环的动态特性。例如，在常规操作中的锁相环的高动态操作以及在电压下降的情况下的减缓的动态操作都是可行的。
在优选构造中，在测量的电压低于阈值的情况下，所述至少一个参数将采用一值，锁相环利用该采用的值保持最后修正的相位角恒定。锁相环冻结在恒定的值处，所述恒定的值作为电压下降前的修正的相位角存在于转换器处。由此可以优选地通过选择函数/特性曲线来设置或参数化该阈值。
通常，锁相环可以以任何方式构建来用于本发明。特别有利的是提供具有放大系数KP的比例环路滤波器。放大系数KP的值以电压相关的方式确定。可以根据比例常数KP和/或时间常数T1以电压相关的方式确定锁相环的动态特性。
锁相环优选地具有电网频率的前馈控制，其具有带时间常数T1的低通滤波器，所述时间常数的值以电压相关的方式确定。
在电网故障的情况下，时间常数T1增加至非常高的值，使得锁相环为修正的相位角输出几乎恒定的值。
在电网故障的情况下，放大系数KP减小至约为零的值，使得锁相环为修正的相位角输出几乎恒定的值。
可以针对电网故障限定一个或多个不同的标准。然后，当电压下降到低于阈值的值时，存在用于特别强烈的电压下降的标准。该情况还包括电压下降至零伏以及下降至几乎为零伏，在该情况下电网电压失效。
优选地，所述至少一个参数连续地取决于电压。因此，参数的值被连续地分配给在电网故障的情况下的电压值与标称电压(或更高的电压值)之间的每个电压值，其中在电网故障的情况下为修正的相位角设置恒定的值，并且在标称电压的情况下为锁相环设置预定的动态特性。所述至少一个参数优选地在最小值和最大值之间连续地变化，例如以饱和曲线的形式。在优选的进一步改进方案中，取决于电压值，所述至少一个参数的值优选地在两个转折点之间近似线性地、按比例地采用其值。
附图说明
下面使用示例来更详细地解释本发明。其中：
图1以示意图示出了风力涡轮机，
图2示出了与风电场中的电力供应网络相联的风力涡轮机的示例性电结构，
图3示出了用于根据电网电压来连续确定相位角的锁相环(PLL)，
图4示出了PLL参数在正序电压上的潜在的电压相关性的示例以及
图5示出了在发生深电压故障的情况下的示例性锁相环(PLL)的随时间特性。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机10，其具有塔架12和布置在所述塔架上的吊舱14。吊舱14支撑具有转子叶片18的转子16。
图2示出了具有多个风力涡轮机20、22、24、26的风电场，所述风电场由风电场控制器28控制。因此风电场控制器28被设计用于与风力涡轮机20至26或者与它们的控制器分别进行双向数据交换。风力涡轮机20至26向共同的风电场网络供电，所述共同的风电场网络经由联接点30向电力供应网络32供应电力。风力涡轮机20至26各自经由中压变压器34来供应风电场网络，例如针对风力涡轮机26所示出的那样。
风力涡轮机26示出为双馈异步机。转子36经由传动系(未详细示出)来驱动发电机38的转子。发电机38的转子电路经由转换器系统40与变压器34和电力供应网络32连接。发电机38的定子电路直接与变压器34和电力供应网络32连接。转换器系统40具有转子侧转换器42和电网侧转换器44，它们经由直流链路而互相连接。转换器42和44由转换器控制器46所控制。
经由风力涡轮机控制器48来控制整个风力涡轮机26，所述风力涡轮机控制器与风电场控制器28进行双向数据交换以用于控制。在转换器控制器46处存在一系列输入变量。测量的值或从该测量的值导出的值可以作为输入变量存在于转换器控制器46处。控制需要的测量的变量可以由在变压器34的系统侧上的传感器50测量或者由变压器34的网络侧上的传感器52测量。例如，系统的各相位上的电压和电流被捕获作为测量的变量。对测量的值的处理可以由传感器50、52本身来进行或者在转换器控制器46中进行。传感器50、52被设置成使得它们将合适的测量的数据或者将由所述测量的数据导出的数据提供给转换器控制器46以用于进一步处理。为了与电力供应网络同步，在转换器控制器46中处理测量的数据之后存在至少一个相位角和一个正序电压ULV +(正序电压)作为锁相环(PLL)的输入变量，如下面所述。该输入变量可以以已知的方式由测量的变量确定。
图3示出了示例性锁相环(PLL)58，其被设置为根据现有的正序电压ULV +和测量的相位角连续地确定待用于控制转换器40的修正的相位角根据图3的示例性实施例中的锁相环58被设计作为转换器调节器46的控制软件的一部分。详情如下：
测量的相位角和修正的相位角存在于减法元件60处，所述减法元件被设置成根据测量的相位角和修正的相位角形成相位角差修正的相位角可以在面向控制的意义上理解为用于转换器40的网络同步操作的设定值。在减法元件60中形成的差可以在面向控制的意义上被认为是控制变量。相位角差存在于比例元件(P元件)62处，并且以电压相关的方式按系数KP放大。相应的放大系数KP由计算模块76以电压相关的方式指定，并且在P元件62处作为输入变量存在。
测量的相位角存在于微分元件(D元件)66处的并联支路中，所述微分元件被设置为根据测量的相位角确定网络角频率ω。网络角频率作为死区时间元件(PTt元件)68处的输入信号存在，所述死区时间元件被设置为提供用于计算相位角的延迟的网络频率。可以选择性地调整死区时间元件的延迟。优选地，可以指定该延迟，使得在电网故障的情况下，并非由被错误干扰的网络频率而是由错误发生之前的网络频率来确定相位角。在指定的示例性实施例中，死区时间元件连续地将用于计算相位角的网络频率延迟对应于三个网络周期的时间。PTt元件68的输出信号存在于延迟元件(PT1元件)64处。PT1元件64具有与一阶延迟一起的比例传输性能。用于延迟的相应参数T1由计算模块78以电压相关的方式指定，并且作为输入变量存在于PT1元件64处。PT1元件64的输出存在于可选、可调频率的限制器70处，所述限制器限制了正和负频率偏差。
具有构件64、66、68和70的并联支路的输出与P元件62的输出一起存在于求和元件72处。被放大的测量的相位角和滤波后的网络角频率之和经由积分元件(I元件)74而被积分到修正的相位角中。在I元件中为此指定积分常数KI。提供相位角以便控制转换器40的开关元件。
图3中所示的PLL 58的计算模块76和78被设置成根据正序电压ULV +来确定PLL参数KP和T1，所述正序电压作为两个模块的输入变量而存在。为了确定PLL参数，根据正序电压ULV +在模块中指定函数或相应特性曲线。这两个函数或相应特性曲线在图3中由曲线f(ULV +)象征性地示出。特性曲线被指定为根据电网电压的函数。替代地，也可以以查找表的形式指定特性曲线，所述查找表通过电网电压和相应的PLL参数的多个值对来指定特性曲线的变化趋势。可以将函数f(ULV +)作为线性函数或非线性函数来提供。图4的解释更详细地说明了这一点。
函数f优选地具有这样的设计：其使得控制参数KP和T1的基本恒定值存在于相对于正序电压ULV +的标称值的100％的正序电压值的附近的较高范围内。较高范围例如由正序电压的标称值的90％至115％的值来限定。该范围的上限例如可以对应于正序电压的最大值，在该情况下，在电网电压故障的情况下风力涡轮机仍然可以至少暂时地运行。进一步优选地指定这些函数，使得控制参数KP和T1的基本恒定值存在于相对于正序电压的标称值的0％的正序电压的值附近的较低范围内。较低范围可以例如从0至15％的百分比值变动。取决于风力涡轮机应当供电的电力供应网络，也可以更宽地选择所述较低范围，例如，从0到30％，或更窄地选择，例如从0到5％。可以根据输入的电力网络的性质来指定较低范围和较高范围之间的曲线变化趋势。然而，相关性应该至少使得函数在整个定义范围内是连续的，并且在整个相关的范围内以单调方式下降或上升。平滑的变化趋势，即函数的恒定的第一偏差，也是优选有利的。
在特别优选的进一步构造中，根据诸如网络阻抗、网络短路电流、频率梯度或低频电压谐波的另外的网络变量来指定函数，这些变量被考虑作为函数中的变量并且替代地在计算模块76和78处作为输入变量存在。在另一优选的进一步改进方案中，在计算模块76和78中指定用于确定PLL参数KP和T1的多个特性曲线和/或函数，从所述多个特性曲线和/或函数中可以选择合适的特性，用于根据模块处存在的控制信号来确定PLL参数KP和T1。为此，多个特性曲线和/或函数各自被分配给用于待处理输入信号的对应的控制信号值。计算模块76和78可以具有用于选择特性曲线/函数的特性线选择器，所述特性线选择器被设置为根据控制信号和所述控制信号的根据分配的信号值来选择用于确定PLL参数KP的特性曲线和选择用于确定PLL参数T1的特性曲线。因此，控制信号优选地由比转换器控制器46更高级别的控制器所提供。例如，风力涡轮机控制器48或风电场控制器28可以设置成提供对应的控制信号。因此，例如可以针对风力涡轮机或风力发电场的实际无功功率供应以及相应的实际故障模式或电网故障期间的相应的电压的时间变化趋势来调整该设置。因此，较高级别的控制器可以根据电网故障的不同相位来调整锁相环的性能，由此通过电压与函数或相应特性曲线的相关性，可以在宽范围上动态调整PLL参数。
图4的左侧示出了取决于正序电压ULV +的、用于PT1元件64的PLL参数T1的潜在特性曲线变化趋势，如它们可以在模块78中被指定的那样，并且右侧示出了取决于正序电压ULV +的、用于P元件62的PLL参数KP的潜在特性曲线变化趋势，如它们可以在模块76中被指定的那样。因此，正序电压作为参考其标称值UN的百分比值来施加。对于PLL参数T1，选择参考指定参数T1,N的百分比表示，其通过存储的函数来缩放。对于PLL参数KP，选择参考指定参数KP,N的百分比表示，其也通过存储的函数来缩放。
PT1元件64的PLL参数T1仅具有在正序电压的0至20％范围内的微小斜率和基本恒定的、非常高的值。对于100％至120％的正序电压，该参数也仅具有轻微的斜率和约为T1,N的基本恒定的值。在正序电压的约20％至50％的范围内，特性曲线具有陡峭的梯度。实线的特性曲线仅针对比虚线的特性曲线更深的电压故障来改变PT1元件的性能。
P元件62的PLL参数KP也在正序电压的0％至约20％和100％至120％的范围内仅显示出微小的斜率和约为KP的基本恒定的值。在正序电压的20％和100％之间的过渡区域中，选择特征曲线变化趋势使得它们具有拐点。拐点处的特征曲线的上升表示了P元件在过渡区域中的性能。曲线的变化趋势是平滑且单调的。根据电网性质，具有不同斜度的范围可以在其宽度和路线上发生偏离。
图5示出了分解到PLL各元件的、根据正序电压的PLL 58的时间特性。在该情况中，正序电压ULV +从具有标称电压UN的100％的值下降到10％的值一段时间，所述一段时间由这里模拟的电网故障所确定。然后10％的正序电压跳回到100％的标称值。
比例元件62根据和得到故障变量。如果PLL在正序电压下降之前处于稳定状态，则P元件62的输出变量为零。在电压降至10％的情况下，参数KP被设置为零或非常小的值。P元件62的输出POUT由此示出了如图5中示例所示的变化趋势，其中在再次将输出变量输出为0之前产生具有微小过冲量的P值的减小。P元件62的类似的时间性能示出在正序电压的返回并且所述正序电压从10％跳跃到100％期间。
PT1元件64的输出变量PT1,OUT也显示非常类似的变化趋势，其中电压变化也产生微小的过冲量。
这里特别需要留意的是积分器74的输出变量IOUT。所述输出变量表明在电压下降期间相位角随时间线性延续。只有两次相位跃变导致后续周期中的相位发生变化。
上述示例性实施例仅基于对正序系统中的电压的评估。通常也可以检测负序系统。曲线的组将被保存在用于负序电压的控制器中，所述控制器根据另外的变量(所述变量考虑电力网络的状态)来确定曲线。因此，例如，可以考虑馈入电流或功率的网络阻抗和/或电感或电容部分。还可以应用电网电压的峰值或有效值的变化率。

Claims (16)

1.一种用于操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机经由转换器与电网电压同步地向电力供应网络供应电力，其中所述方法具有以下步骤：
-测量所述电力供应网络的相位角和电压，
-根据测量的电压确定锁相环(PLL)的至少一个参数的值，
-设置所述锁相环(PLL)的所述至少一个参数，
-根据测量的电力供应网络的相位角，通过已设置的所述锁相环(PLL)来确定修正的相位角以及
-使用所述修正的相位角来控制所述转换器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个参数确定所述锁相环的动态特性。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个参数具有电压相关性，如果测量的电压较低则所述至少一个参数减缓所述动态特性。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，如果测量的电压低于阈值，则所述至少一个参数采用一值，所述锁相环(PLL)利用所述采用的值将所述修正的相位角保持在几乎恒定的值。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述锁相环具有比例环路滤波器，所述比例环路滤波器具有作为所述至少一个参数的比例常数KP，所述比例常数的值以电压相关的方式确定。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述锁相环具有低通滤波器，所述低通滤波器具有作为所述至少一个参数的时间常数T1，所述时间常数的值以电压相关的方式确定。。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，通过所述比例常数KP和/或所述时间常数T1以电压相关的方式确定所述锁相环的动态特性。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，在电网故障的情况下，所述比例常数KP采用一几乎为零的值。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，在电网故障的情况下，所述时间常数T1采用一显着增大的值。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述电网故障包括电压下降，在所述电压下降的情况下电压下降到标称电压的15％的值或更小的值。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述至少一个参数指定为根据电压的连续函数。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述至少一个参数的值以电压相关的方式在最小值和最大值之间变化。
13.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述锁相环具有死区时间元件，所述死区时间元件具有可调整的死区时间Tt。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，电压是正序电压。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，电压是负序电压。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，所述方法被连续执行。
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