CN110768308B - 一种用于控制连接到电网的电力系统的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请是有关于一种用于控制连接到电网的电力系统的方法，包括：接收来自发电机的无功功率指令和测量的无功功率；基于无功功率指令和测量的无功功率之间的差值，产生无功功率误差信号；接收无功功率误差信号；基于无功功率误差信号，产生电压指令；基于参考电抗和公共耦合点处的电压，产生电压下垂信号；根据电压下垂信号和发电机的电压指令或测量的端电压中的至少一个产生电压误差信号；和基于电压误差信号，产生用于转换器电力路径的无功电流指令。本申请还揭露了一种连接到电网的电力系统的控制系统和一种风电场。

Description

一种用于控制连接到电网的电力系统的系统和方法

技术领域

本申请涉及风力涡轮机，并且更具体地，涉及尤其用于为连接到电网的多个风力涡轮机提供稳定性电压的系统和方法。

背景技术

风能被认为是目前可得到的最清洁的、最环境友好的能量源之一，基于这个原因风力涡轮机获得了更多的关注。现代风力涡轮机通常包括塔、发电机、变速箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片利用已知的翼型原理捕获风的动能。例如，转子叶片通常具有翼型的横截面轮廓，使得在操作期间，空气流过叶片而产生在两侧的压力差。因此，从压力侧朝向吸力侧指向的升力作用于叶片上。该升力产生在主转子子轴上的转矩，其传动至发动机以用于发电。

例如，图1和2示出了传统结构的风力涡轮机10和适合与该风力涡轮机10一起使用的相关联的电力系统。如图所示，风力涡轮机10包括机舱14，机舱14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。风力涡轮机10还包括转子16，转子16包括附接到旋转毂18的多个转子叶片20。当风冲击转子叶片20时，叶片20将风的动能转换成可旋转地驱动低速轴22的机械旋转扭矩。低速轴22被构造成驱动齿轮箱24(如果存在的话)，齿轮箱24随后升高低速轴22的低旋转速度以便以增加的旋转速度驱动高速轴26。高速轴26通常可旋转地连接到发电机28(例如双馈感应发电机或DFIG)，以便可旋转地驱动发电机转子30。这样，发电机转子30可以感应出旋转磁场。在发电机定子32内可以感应出电压，该发电机定子32磁耦合到发电机转子30。相关的电力可以从发电机定子32传输到三绕组变压器34，该三绕组变压器34通常通过电网断路器36连接到电网。因此，主变压器34升高电力的电压幅度，使得转换的电力可以进一步传输到电网。

此外，如图所示，发电机28通常电耦合到双向电力转换器38，双向电力转换器38包括通过经调节的DC链路44连接到线路侧转换器42的转子侧转换器40。转子侧转换器40将从转子30提供的AC电力转换为DC电力并将DC电力提供给DC链路44。线路侧转换器42将DC链路44上的DC电力转换成适合于电网的AC输出电力。因此，来自电力转换器38的AC电力可以与来自定子32的电力组合以提供具有基本保持在电网频率的频率的多相电力(例如，三相电力)(例如50Hz/60赫兹)。

所示的三绕组变压器34通常具有(1)连接到电网的33千伏(kV)中压(MV)初级绕组33，(2)连接到发电机定子32的6到13.8kV MV次级绕组35，和(3)连接到线路侧转换器42的690到900伏(V)低压(LV)第三绕组37。

随着近年来风力发电生产的日益成功，这种形式的电力已经获得了显着的市场份额。如图3所示，具有多个风力涡轮机10的独立的电力系统可以布置在预定的地质位置并且电连接在一起以形成风电场46。更具体地，如图所示，风力涡轮机10可以布置成多个组48，每组通过开关51、52、53分别连接到主线50。另外，如图所示，主线路50可以电耦合到另一个集群变压器54，用于在将电力发送到电网之前进一步升高来自风力涡轮机组48的电力的电压幅度。由于风能不是具有恒定功率输出的电源，而是具有一些变化，例如由于风速产生的变化，配电网络的运营商必须考虑到这一点。风力涡轮机10的三绕组变压器34有助于涡轮机的稳定操作。

然而，与每个风力涡轮机10相关联的三绕组变压器34是昂贵的。特别地，对于兆瓦(MW)级风力涡轮机，全额定变压器增加了风电场的总成本和损失。

因此，期望提供一种用于电力系统的控制系统或控制方法来解决上述情况中的一个或多个。

发明内容

本公开的方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可以显而易见从描述中得知，或者可以通过本公开的实践进行学习。

在本申请的一个实施例中，公开了一种用于控制连接到电网的电力系统的方法。该电力系统具有多个电力子系统集群，每个电力子系统包括发电机并且限定定子电力路径和用于给电网供电的转换器电力路径，转换器电力路径具有部分电力变压器和转子电力路径。该方法包括：通过控制器接收来自发电机的无功功率指令和测量的无功功率；基于无功功率指令和测量的无功功率之间的差值，通过控制器产生无功功率误差信号；通过无功功率调节器接收无功功率误差信号；基于无功功率误差信号，通过无功功率调节器产生电压指令；基于参考电抗和公共耦合点处的电压，通过下垂控制器产生电压下垂信号；通过控制器根据电压下垂信号和发电机的电压指令或测量的端电压中的至少一个产生电压误差信号；以及基于电压误差信号，通过电压调节器产生用于转换器电力路径的无功电流指令。

在本申请的又一个实施例中，公开了一种用于连接到电网的电力系统的控制系统。该电力系统具有多个电力子系统集群，每个电力子系统包括发电机并且限定定子电力路径和用于给电网供电的转换器电力路径，转换器电力路径具有部分电力变压器和转子电力路径。该控制系统包括：一个或多个传感器，用于从发电机产生测量的无功功率或测量的端电压中的至少一个。控制器，被配置为接收来自发电机的无功功率指令和测量的无功功率，并基于无功功率指令和测量的无功功率之间的差值产生无功功率误差信号。无功功率调节器，被配置为接收无功功率误差信号，并基于无功功率误差信号产生电压指令。下垂控制器，被配置为基于参考电抗和公共耦合点处的电压来产生电压下垂信号。控制器还被配置为根据电压下垂信号和发电机的电压指令或测量的端电压中的至少一个产生电压误差信号。电压调节器，被配置为基于电压误差信号产生无功电流指令。

在本申请的再一个实施例中，公开了一种风电场，包括：多个风力涡轮机集群、集群变压器和多个涡轮机控制器。其中，每个风力涡轮机集群包括多个风力涡轮机，每个风力涡轮机具有电力转换器，电力转换器电耦合到具有发电机转子和发电机定子的发电机。每个风力涡轮机限定定子电力路径和用于给电网供电的转换器电力路径，转换器电力路径包含部分电力变压器。集群变压器将每个风力涡轮机组连接到电网。每个涡轮机控制器通信耦合到风力涡轮机中的一个，涡轮机控制器配置成执行一个或多个操作，包括：接收来自发电机的无功功率指令和测量的无功功率；基于无功功率指令和测量的无功功率之间的差值，产生无功功率误差信号；接收无功功率误差信号；基于无功功率误差信号，产生电压指令；基于参考电抗和公共耦合点处的电压，产生电压下垂信号；根据电压下垂信号和发电机的电压指令或测量的端电压中的至少一个产生电压误差信号；基于电压误差信号，产生用于转换器电力路径的无功电流指令。

参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本公开的这些和其他特征，方面和优势。并入本文并构成说明书一部分的附图说明了本公开，并且与说明书一起进一步用于解释本公开的原理。

附图说明

针对本领域普通技术人员，说明书中对本公开进行了的完整且可行的披露，包括其最佳模型，其参考附图，其中：

图1所示为根据传统结构的风力涡轮机的一个实施例的一部分的透视图。

图2所示为适用于图1中所示的风力涡轮机的传统电力系统的示意图。

图3所示为根据传统结构的传统风电场的一个实施例的示意图，特别示出了如图1中所示的多个风力涡轮机电力系统连接到单个分站变压器。

图4所示为根据本公开的用于风力涡轮机的电力系统的一个实施例的示意图。

图5所示为根据本公开的风电场的一个实施例的示意图，特别示出了多个风力涡轮机组，每个风力涡轮机组通过集群变压器连接到电网。

图6所示为根据本公开的风力涡轮机控制器的一个实施例的框图。

图7所示为根据本公开的控制系统的一个实施例的示意图。

图8所示为根据本公开的用于控制连接到电网的电力系统的方法的一个实施例的流程图。

图9所示为根据本公开的具有相同无功功率设定点的两个风力涡轮机的电压与无功功率的关系图。以及

图10所示为根据本公开的具有不同无功功率设定点的两个风力涡轮机的电压与功率的关系图。

具体实施方式

现将详细参考本发明的实施例，本公开的一个或多个示例在附图中图示。每个示例作为本发明的解释而不是本公开的限制来提供。实际上，在没有背离本公开的范围或精神的情况下，在本公开中能够作出各种修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分所图示或所描述的特征能够与另一个实施例一起使用以产生更进一步的实施例。因此，预期本公开涵盖如在所附权利要求的范围内的这类修改和变化及其等同物。

通常来说，本公开涉及一种用于控制连接到电网的电力系统的方法。该方法包括从发电机接收无功功率指令和测量的无功功率，并基于无功功率指令和测量的无功功率之间的差产生无功功率误差信号。此外，该方法包括接收无功功率误差信号并基于无功功率误差信号产生电压指令。该方法还包括基于参考电抗和公共耦合点处的电压产生电压下垂信号。如此，该方法还包括根据电压下垂信号和发电机的电压指令或测量的端电压中的至少一个产生电压误差信号，并基于电压误差信号产生转换器电力路径的无功电流指令。

本公开提供了现有技术不存在的许多优点。例如，本公开减少了风力涡轮机之间，由于每个涡轮发电机之间的低阻抗而导致的无功功率振荡或瞬态电压不稳定性。在一些实施例中，电力系统不包括三绕组变压器或基座安装式变压器(PMT)。

现在参考图4，示出了根据本公开的电力子系统102的一个实施例的示意图。应当理解，术语“子系统”在本文中用于区分各个电力系统(例如，如图4所示)和图5的整个电力系统105。然而，本领域普通技术人员可以认识到，图4的电力子系统102也可以被更加笼统地提及，例如只是系统(而不是子系统)。因此，这些术语可以互换使用，并不具有限制意味。

此外，如图所示，电力子系统102可以对应于风力涡轮机电力系统100。更具体地，如图所示，风力涡轮机电力系统100包括转子104，转子104包括附接到旋转轮毂的多个转子叶片106。当风冲击转子叶片106时，叶片106将风能转换成可旋转地驱动低速轴110的机械旋转扭矩。低速轴110配置成驱动齿轮箱112，接着提升低速轴110的低转速来驱动高速轴114以增加的转速转动。高速轴114通常可旋转地耦接到双馈感应发电机116(下文称为DFIG116)，以便可旋转地驱动发电机转子118。这样，发电机转子可以感应出旋转磁场。在一个实施例中，例如，发电机116被配置为将旋转机械能转换为发电机定子120中的正弦三相交流电(AC)电力信号。因此，如图所示，相关的电力可以直接从发电机定子120传输到电网。

另外，如图所示，发电机116电耦合到双向电力转换器122，双向电力转换器122包括转子侧转换器124，转子侧转换器124通过经调节的DC链路128连接到线路侧转换器126。因此，转子侧转换器124将发电机转子118提供的AC电力转换为DC电力，并将DC电力提供给DC链路128。线路侧转换器126将链路128上的DC电力转换成适合于电网的AC输出电力。更具体地，如图所示，来自电力转换器122的AC电力可以分别经由转换器电力路径127和定子电力路径125与来自发电机定子120的电力组合。例如，如图所示，并且与如图1至图3中所示的那些传统系统形成对比，转换器电力路径127可以包括部分电力变压器130，用于升高来自电力转换器122电力的电压幅度，使得变换的电力可以进一步传输到电网。因此，如图所示，图4所示的系统102不包括上述传统的三绕组变压器。在某种程度上，在如图示实施例中，部分电力变压器130可以对应于双绕组变压器，其具有连接到电网的初级绕组132和连接到转子侧转换器124的次级绕组134。在一些实施例中，双绕组变压器是三相变压器。由于定子电力路径中不存在变压器的漏泄阻抗，因此转子侧转换器124被修改以在不同的风力涡轮机电力系统100上实现平滑的响应。

此外，电力系统100可包括一个或多个控制器。例如，如图6所示，系统100可以包括系统级控制器(例如，场级控制器107)、一个或多个集群级控制器156，和/或一个或多个子系统级控制器(例如，涡轮级控制器136)。这样，本文描述的各种控制器被配置为控制风电场105、风力涡轮机组137和/或各个风力涡轮机电力系统100的中的任何组件，和/或实现如本文所述的方法步骤。

例如，如图6中特别示出，为本文所述的控制器的一个实施例的框图。如图所示，控制器可以包括一个或多个处理器138和相关联的存储器设备140，存储器设备140被配置为执行各种计算机实现的功能(例如，如本文所公开的，执行方法、步骤、计算等相关操作，和存储相关数据)。另外，控制器还可以包括通信模块142，以便于控制器和风电场105的各种部件之间的通信，例如，图4和图5中的任意部件。此外，通信模块142可以包括传感器接口144(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从一个或多个传感器139、141、143发送的信号被转换成可以被处理器138理解和处理的信号。应当理解，传感器139、141、143可以使用任何合适的装置通信耦合到通信模块142。例如，如图6所示，传感器139、141、143可以通过有线连接耦合到传感器接口144。然而，在其他实施例中，传感器139、141、143可以经由无线连接耦合到传感器接口144，例如，使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议。这样，处理器138可以被配置为从传感器139、141、143接收一个或多个信号。

如本文所使用的，术语“处理器”不仅指如包含于计算机中的本领域所指集成电路，而且指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其他可编程电路。处理器138也配置成计算先进控制算法并且传递各种以太网或基于串行协议(Modbus、OPC、CAN等)。另外，一个或多个存储器装置140一般可包括一个或多个存储器元件，其包含但不限于计算机可读媒介(例如随机存储器(RAM))、计算机可读非易失媒介(例如快闪存储器)、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字化通用光盘(DVD)和/或其他适合存储器元件。这种或这类存储器装置140一般可配置成存储适合计算机可读指令，其在由一个或多个处理器138实现时将控制器配置成执行如本文所描述的各种功能。

在操作中，通过转子104的旋转在发电机定子120处产生的交流(AC)电力经由双路径提供至电网，即经由定子电力路径125和转换器电力路径127。更具体的，转子侧转换器124将从发电机转子118提供的AC电力转换为DC电力，并将DC电力提供给DC链路128。转子侧转换器124的桥电路中使用的开关元件(例如，IGBT)可以被调制为将从发电机转子118提供的AC电力转换成适合于DC链路124的DC电力。线路侧转换器126将DC链路128上的DC电力转换成适合于电网的AC输出电力。特别地，线路侧转换器126的桥接电路中使用的开关元件(例如，IGBT)可以被调制为将DC链路128上的DC电力转换为AC电力。这样，来自电力转换器122的AC电力可以与来自发电机定子120的电力组合，以提供具有大致保持在总线频率的频率的多相功率。应当理解，转子侧转换器124和线路侧转换器126可以具有任何配置，以便于操作任何如本文所述的电力系统200的开关装置。

此外，电力转换器122可以与涡轮机控制器136和/或单独的或整体的转换控制器154进行电子数据通信，以控制转子侧转换器124和线路侧转换器126的操作。例如，在操作期间，控制器136可以被配置为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可以被配置为通过传感器139、141、143监视和控制与风力涡轮机电力系统100相关联的至少一些操作变量。在所示实施例中，传感器139、141、143可以电耦合到电力子系统102的任何部分，便于操作如本文所述的电力子系统102。

还应该理解，可以在风力涡轮机电力系统100内和任何位置采用任何数量或类型的电压和/或电流传感器。例如，传感器可以是电流互感器、分流传感器、罗氏线圈、霍尔效应电流传感器、微惯性测量单元(MIMU)或类似物，和/或现阶段已知或以后开发的任何其他合适的电压或电流传感器。因此，转换控制器154被配置为从传感器139、141、143接收一个或多个电压和/或电流反馈信号。更具体地，在某些实施例中，电流或电压反馈信号可包括至少一个线路反馈信号、线路侧转换器反馈信号、转子侧转换器反馈信号或定子反馈信号。

如图5所示，各个电力系统(例如：图4中所示的电力子系统102)可以布置在至少两个集群137中以形成电力系统105。更具体地，如图所示，可以布置风力涡轮机电力系统100。进入多个集群137以形成风电场。因此，如图所示，每个集群137可以分别经由开关150、151、152连接到单独的变压器145、146、147，用于升高来自每个集群137的电力的电压幅度，使得变换的电力可以进一步传输到电网。另外，如图所示，变压器145、146、147连接到主线148，主线148在将电力发送到电网之前合并来自每个集群137的电压。此外，如上所述，每个集群137可以与集群级控制器156通信耦合。

然而，由于缺少了传统系统的主要的三绕组变压器34中的次级绕组35提供的阻抗，每个风力涡轮机调节其端电压的目标变得困难。更具体地，已知这种系统(如图4中所示的系统)会感受到无功功率振荡。因此，图7所示为根据本公开的控制系统160的一个实施例的示意图，该控制系统160解决了与除去了图2中所示的主变压器34产生的相关联的问题。

如图所示，控制系统160包括两个回路：电压调节器回路192和无功功率(Q)调节器回路190。与Q调节器回路190(例如，大于1秒的闭环时间常数)相比，电压调节器回路192操作相对较快(例如，20rad/sec)。此外，无功功率(VAR)调节器168调节电压调节器回路192的设定点。从概念上讲，图7的控制系统通过将电压调节至控制器设定的参考点来提供风力涡轮发电机的端电压控制。在较长时间内(例如，几秒)调节无功功率，同时在较短的时间内(例如，小于几秒)调节风力涡轮发电机的端电压，以减轻快速电网瞬变的影响。

更具体地，如图所示，发电机116的无功功率指令162(Q_{g_cmd})，其对应于指示由发电机116产生的目标无功功率的指令，与指示测量的无功功率的信号进行164(Q_{g_fbk})进行比较。产生的无功功率误差信号166表示测量的无功功率164和指示的无功功率162之间的差值。无功功率误差信号166是无功功率调节器168的输入信号，其产生电压指令170(V_{g_cmd})用于指出由发电机116提供的无功功率。

在一些实施例中，电压指令170被限制到一个预定的范围，例如，通过限制器172，然后与发电机116测量的端电压174(V_{g_fbk})的信号进行比较。此外，如图所示，控制系统160还包括下垂控制器186，用于基于参考电抗和公共耦合点处的电压产生电压下垂信号188(K_droop)。这样，通过为风电场中的每个涡轮机提供下垂控制，下垂控制器186允许风力涡轮机并行运行而不产生相互控制作用和它们之间的功率振荡。

在一些实施例中，该限制由一些固定的参数讨论确定，然而，例如通过查找表或执行控制算法的处理器/状态机提供的动态可变参数，也可以来提供该限制。这种动态可变限制可以基于发电机的电流额定值和同期实际电力输出得到。

进一步参考图7，根据电压下垂信号188和发电机的电压指令170或测量的端电压174中的至少一个，产生电压误差信号176，该电压误差信号176是电压调节器178的输入信号。

随后，电压调节器178产生用于转换器电力路径的无功电流指令180(I_{y_cmd})。在一些实施例中，电压调节器178是比例积分(PI)控制器，其具有大致50毫秒的闭环时间常数。也可以使用其他类型的控制器，例如，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等。对于电压调节器178，可以使用其他时间常数(例如，1秒，20毫秒，75毫秒，45毫秒)，条件是时间电压调节器178的时间常数小于无功功率调节器168的时间常数。通常，无功电流指令180有两个分量，即有功功率分量和无功功率分量。例如，如图7所描述产生的无功电流指令180是无功功率分量指令。有功功率分量可以以本领域已知的任何方式产生。在一些实施例中，控制系统160还接收无功电流指令180并产生用于线路侧转换器126和转子侧转换器124的无功电压指令182。

参照图8，根据本公开示出了用于连接到电网的电力系统(如图5中所出)的方法200的一个实施例的流程图。如202所示，方法200包括通过控制器接收无功功率指令162和测量的无功功率164(Q_{g_fbk})。如204所示，方法200包括基于无功功率指令162和测量的无功功率164(Q_{g_fbk})之间的差值，通过控制器产生无功功率误差信号166。如206所示，方法200包括通过无功功率调节器168接收无功功率误差信号166。如208所示，方法200包括基于无功功率误差信号166，通过无功功率调节器168产生电压指令(即，电压指令170)。

如210所示，方法200包括基于参考电抗和公共耦合点处的电压，通过下垂控制器186来产生电压下垂信号188。如212所示，通过控制器，根据电压下垂信号188和发电机的电压指令170或测量的端电压174(V_{g_fbk})中的至少一个产生电压误差信号电压误差信号176。更具体地，在一个实施例中，控制器可以使用下面的式(1)产生电压误差信号176。例如，如同所示，控制器可以通过下述方法来产生电压误差信号176：从电压指令170(V_{g_cmd})中减去测量的端电压174(V_{g_fbk})，得到第一值；然后，控制器可以将测量的无功功率(Q_{g_fbk})乘以电压下垂信号188(K_droop)，得到第二值；然后，控制器可以从第一值中减去第二值，以获得如下所示的电压误差信号176。

电压误差信号＝(V_{g_cmd}-V_{g_fbk}-Q_{g_fbk}*K_droop) 式(1)

如214所示，方法200包括基于电压误差信号176，通过电压调节器产生无功电流指令180(I_{y_cmd})。更具体地，可以使用下面的式(2)来计算无功电流指令。

I_{y_cmd}＝(V_{g_cmd}-V_{g_fbk}-Q_{g_fbk}*K_droop)*G_V(s) 式(2)

其中，G_V(s)是电压调节值。

在一些实施例中，公开了一种方法，通过获得适当的电压下垂信号188来模拟虚拟阻抗下降，以维持系统的电压稳定性和无功功率振荡的最小化。获得电压下垂信号188的方法如下所示。

在传统的PMT(或三绕组变压器)拓扑中，DFIG转换器的无功电流指令可表示为：

I_{y_cmd}＝(V_{g_cmd}-V_{g_fbk})*G_V(s) 式(3)

公共耦合点(POCC)的电压可表示为：

V_pocc+X_xy*I_{y_fbk}＝V_pocc+X_xf*I_{y_cmd}＝V_{g_fbk} 式(4)

将式(4)与式(3)合并，DFIG转换器的无功电流指令如下所示。

I_{y_cmd}＝(V_{g_cmd}-V_{g_pocc}-X_xf*I_{y_cmd})*G_V(s) 式(5)

其中，X_xf是PMT的电抗。

在无PMT的拓扑中，参见图7和8，由于系统中不存在PMT的漏泄阻抗。可以使用式(2)计算无功电流指令。将式(5)与式(2)合并，电压下垂信号188可以通过式(6)导出：

I_{y_cmd}＝(V_{g_cmd}-V_{g_pocc}-X_xf*I_{y_cmd})*G_V(s) 式(6)

在一些实施例中，在无PMT的拓扑中，公共耦合点处的电压(V_{g_pocc})大致上等于发电机的测量的端电压(V_{g_fbk})。可以使用下面的式(7)来计算电压下垂信号188。电压下垂信号188(K_droop)通过参考电抗(X_xf)和公共耦合点处的电压(V_{g_pocc})获得，其中参考电抗可以是在常规电力系统中使用的虚拟的基座安装式变压器(PMT)的电抗。在该实施例中，电压下垂信号188(K_droop)通过将虚拟焊盘安装变压器的电抗(X_xf)除以公共耦合点(V_{g_pocc})处的电压来获得的。

在一些实施例中，限制器172(如图7所示)预定的范围是根据电压下垂信号188(K_droop)产生的。更具体地，根据电压下垂信号188(K_droop)产生预定的范围包括：将电压下垂信号188加至原始电压范围的最大值，以获得预定的范围的最大值；以及从原始电压范围的最小值中减去电压下垂信号188，以获得预定范围的最小值。

图9所示为根据本公开的具有相同无功功率设定点的两个风力涡轮机的电压与无功功率的关系图。两个风力涡轮机上的电压调节器的设定点在采样操作点处是相同的，无功功率指令Q₁，Q₂和两个发电机的电压指令V_g1，V_g2也大致相同，故下垂控制可能不被激活。然而，图10所示为根据本公开的具有不同无功功率设定点的两个风力涡轮机的电压与功率的关系图。当无功功率指令Q₁'，Q₂'不相同时，添加基于测量的无功功率164(Q_{g_fbk})和电压下垂信号(K_droop)的校正因子188(V_virt)，以修改两个风力涡轮机的电压指令170，使两个风力涡轮机保持相同的测量的端电压V_g。

本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本公开，并且还使本领域的技术人员能够实施本公开，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何包含的方法。本公开的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则预计它们处于权利要求的范围之内。

Claims (18)

1.一种用于控制连接到电网的电力系统的方法，所述电力系统具有多个电力子系统集群，每个电力子系统包括发电机并且限定定子电力路径和用于给电网供电的转换器电力路径，所述转换器电力路径具有部分电力变压器和转子电力路径，所述方法包括：

通过控制器接收来自所述发电机的无功功率指令和测量的无功功率；

基于所述无功功率指令和所述测量的无功功率之间的差值，通过所述控制器产生无功功率误差信号；

通过无功功率调节器接收所述无功功率误差信号；

基于所述无功功率误差信号，通过所述无功功率调节器产生电压指令；

基于参考电抗和公共耦合点处的电压，通过下垂控制器产生电压下垂信号；

根据所述电压下垂信号产生一个预定范围，其中所述预定范围用以限制所述电压指令；

通过所述控制器根据所述电压下垂信号和所述发电机的限制的电压指令或测量的端电压中的至少一个产生电压误差信号；以及

基于所述电压误差信号，通过电压调节器产生用于所述转换器电力路径的无功电流指令。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述参考电抗是虚拟的基座安装式变压器的电抗。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述公共耦合点处的电压大致上等于所述发电机的测量的端电压。

4.如权利要求1所述的方法，其中，根据所述电压下垂信号产生所述预定范围包括：

将所述电压下垂信号加至原始电压范围的最大值，以获得所述预定范围的最大值；以及

从原始电压范围的最小值中减去所述电压下垂信号，以获得所述预定范围的最小值。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：基于所述无功电流指令，通过所述控制器产生所述转换器电力路径的无功电压指令。

6.如权利要求5所述的方法，还包括：基于所述无功电压指令，通过所述转子电力路径的开关元件将来自所述发电机的AC功率转换为无功DC功率。

7.如权利要求1所述的方法，其中，通过所述控制器根据所述电压下垂信号和所述发电机的限制的电压指令或测量的端电压中的至少一个产生所述电压误差信号，包括：

从所述限制的电压指令中减去所述测量的端电压，得到第一值；

将所述测量的无功功率乘以所述电压下垂信号，得到第二值；以及

从所述第一值中减去所述第二值以获得所述电压误差信号。

8.如权利要求1所述的方法，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)控制器和状态空间控制器中的至少一个。

9.如权利要求1所述的方法，其中，每个电力子系统的发电机包括双馈感应发电机(DFIG)。

10.一种用于连接到电网的电力系统的控制系统，所述电力系统具有多个电力子系统集群，每个电力子系统包括发电机并且限定定子电力路径和用于给电网供电的转换器电力路径，所述转换器电力路径具有部分电力变压器和转子电力路径，所述控制系统包括：

一个或多个传感器，用于产生来自所述发电机的测量的无功功率或测量的端电压中的至少一个；

控制器，被配置为接收来自所述发电机的无功功率指令和所述测量的无功功率，并基于所述无功功率指令和所述测量的无功功率之间的差值产生无功功率误差信号；

无功功率调节器，被配置为接收所述无功功率误差信号，并基于所述无功功率误差信号产生电压指令；

下垂控制器，被配置为基于参考电抗和公共耦合点处的电压来产生电压下垂信号；限制器，被配置为根据所述电压下垂信号产生一个预定范围，其中所述预定范围用以限制所述电压指令；

所述控制器还被配置为根据所述电压下垂信号和所述发电机的限制的电压指令或测量的端电压中的至少一个产生电压误差信号；以及

电压调节器，被配置为基于所述电压误差信号产生无功电流指令。

11.如权利要求10所述的控制系统，其中，所述公共耦合点处的电压大致上等于所述发电机的测量的端电压。

12.如权利要求10所述的控制系统，其中，所述限制器根据所述电压下垂信号通过以下产生所述预定范围：

将所述电压下垂信号加至原始电压范围的最大值，以获得所述预定范围的最大值；以及

从原始电压范围的最小值中减去所述电压下垂信号，以获得所述预定范围的最小值。

13.如权利要求10所述的控制系统，其中，所述控制器根据所述电压下垂信号和所述发电机的限制的电压指令或测量的端电压中的至少一个通过以下产生所述电压误差信号：

从所述限制的电压指令中减去所述测量的端电压，得到第一值；

将所述测量的无功功率乘以所述电压下垂信号，得到第二值；以及

从所述第一值中减去所述第二值以获得所述电压误差信号。

14.如权利要求10所述的控制系统，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)控制器和状态空间控制器中的至少一个。

15.如权利要求10所述的控制系统，其中，所述电力系统包括风电场，其中所述电力子系统包括风力涡轮机电力系统。

16.一种风电场，包括：

多个风力涡轮机集群，每个风力涡轮机集群包括多个风力涡轮机，每个风力涡轮机具有电力转换器，所述电力转换器电耦合到具有发电机转子和发电机定子的发电机，每个风力涡轮机限定定子电力路径和用于给电网供电的转换器电力路径，所述转换器电力路径包含部分电力变压器；

集群变压器，将每个风力涡轮机组连接到电网；以及

多个涡轮机控制器，每个涡轮机控制器通信耦合到所述风力涡轮机中的一个，所述涡轮机控制器配置成执行一个或多个操作，所述一个或多个操作包括：

接收来自所述发电机的无功功率指令和测量的无功功率；

基于所述无功功率指令和所述测量的无功功率之间的差值，产生无功功率误差信号；

接收所述无功功率误差信号；

基于所述无功功率误差信号，产生电压指令；

基于参考电抗和公共耦合点处的电压，产生电压下垂信号；

根据所述电压下垂信号产生一个预定范围，其中所述预定范围用以限制所述电压指令；

根据所述电压下垂信号和所述发电机的限制的电压指令或测量的端电压中的至少一个产生电压误差信号；以及

基于所述电压误差信号，产生用于所述转换器电力路径的无功电流指令。

17.如权利要求16所述的风电场，其中，产生所述预定范围包括：

将所述电压下垂信号加至原始电压范围的最大值，以获得所述预定范围的最大值；以及

从原始电压范围的最小值中减去所述电压下垂信号，以获得所述预定范围的最小值。

18.如权利要求16所述的风电场，其中，根据所述电压下垂信号和所述发电机的限制的电压指令或测量的端电压中的至少一个产生所述电压误差信号，包括：从所述限制的电压指令中减去所述测量的端电压，得到第一值；

将所述测量的无功功率乘以所述电压下垂信号，得到第二值；以及

从所述第一值中减去所述第二值以获得所述电压误差信号。