CN111316521A - 用于控制连接到电力网的电功率系统的系统和方法 - Google Patents

用于控制连接到电力网的电功率系统的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于控制连接到电力网的电功率系统的方法包括：接收无功功率命令和所测量的无功功率；并且基于无功功率命令与所测量的无功功率之间的差而生成无功功率误差信号。此外，该方法包括经由无功功率调节器接收无功功率误差信号。此外，该方法包括基于误差信号，经由无功功率调节器生成电压命令。该方法还包括经由下垂控制生成电压下垂信号。另外，该方法包括依据电压命令或所测量的端子电压中的至少一个和电压下垂信号而生成电压误差信号。因而，该方法还包括基于电压误差信号，经由电压调节器生成无功电流命令。

Description

用于控制连接到电力网的电功率系统的系统和方法
技术领域
本公开一般涉及风力涡轮，并且更特别地涉及用于为连接到电力网的多个风力涡轮提供电压稳定性的系统和方法。
背景技术
风力被视为目前可用的最清洁、对环境最友好的能源之一，并且，就此而言，风力涡轮已得到越来越多的关注。现代的风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱（nacelle）以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型（airfoil）原理来捕获风的动能。例如，转子叶片典型地具有翼型的横截面轮廓，使得在操作期间，空气流过叶片，从而在侧之间产生压力差。结果，从压力侧指向吸力侧的升力作用于叶片。升力在主转子轴上生成转矩，所述主转子轴适应于发电机，以便产生电力。
例如，图1和图2图示根据常规构造的风力涡轮10和适合于供风力涡轮10使用的相关联的功率系统。如所示出的，风力涡轮10包括机舱14，所述机舱14典型地容纳发电机28（图2）。机舱14安装于塔架12上，所述塔架12从支承表面延伸（未示出）。风力涡轮10还包括转子16，所述转子16包括多个转子叶片20，所述多个转子叶片20附接到旋转毂（rotatinghub）18。在风对转子叶片20产生影响时，叶片20将风能变换成机械旋转转矩，该机械旋转转矩可旋转地驱动低速轴22。低速轴22配置成驱动齿轮箱24（在其存在的情况下），所述齿轮箱24随后使低速轴22的低转速逐步提高（step up），从而在提高的转速下驱动高速轴26。高速轴26一般可旋转地耦合到发电机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。照此，可以由发电机转子30感应旋转磁场，并且可以在磁耦合到发电机转子30的发电机定子32内感应电压。相关联的电功率可以从发电机定子32传送到主三绕组变换器34，所述主三绕组变换器34典型地经由电网断路器36连接到电力网。因而，主变换器34使电功率的电压振幅逐步提高，使得经变换的电功率可以进一步被传送到电力网。
另外，如所示出的，发电机28典型地电耦合到双向功率转换器38，所述双向功率转换器38包括转子侧转换器40，所述转子侧转换器40经由所调节的DC链路44联结到线路侧转换器42。转子侧转换器40将从转子30提供的AC功率转换成DC功率，并且向DC链路44提供DC功率。线路侧转换器42将DC链路44上的DC功率转换成适合于电力网的AC输出功率。因而，来自功率转换器38的AC功率可以与来自定子32的功率组合，以提供具有基本上维持在电力网的频率（例如，50 Hz/60 Hz）处的频率的多相功率（例如，三相功率）。
所图示的三绕组变换器34典型地具有：（1）33千伏（kV）中压（MV）一次绕组33，其连接到电力网；（2）6至13.8 kV MV二次绕组35，其连接到发电机定子32；以及（3）690至900伏（V）低压（LV）三次绕组37，其连接到线路侧功率转换器42。
现在参考图3，多个风力涡轮10的单个功率系统可以布置于预定地理位置中，并且电连接在一起，从而形成风场46。更特别地，如所示出的，风力涡轮10可以布置成多个群组48，其中每个群组分别经由开关51、52、53单独地连接到主线路50。另外，如所示出的，主线路50可以电耦合到另一个较大的变换器54，以用于在将功率发送到电网之前，使来自风力涡轮10的群组48的电功率的电压振幅进一步逐步提高。
随着风力发电在最近几年里越来越成功，这种形式的功率已获得了显著的市场份额。由于风力不是具有恒定功率输出的功率源，而是包括例如由于风速变化而导致的变化，所以配电网的操作者必须考虑到这点。例如，后果之一是，分配网和传输网已变得更难以管理。这还涉及对网络中的无功功率流的量的管理。
现在参考图4和图5，根据常规构造分别图示场级（farm-level）无功功率控制方案和涡轮级（turbine-level）无功功率控制方案的示意图。更特别地，如图4中所示出的，场级控制方案包括快内部电压幅度环路58和慢外部无功功率环路56。此外，如所示出的，场级控制器经由开关64在电压控制与无功功率控制器之间交替。对于电压控制，场级控制器接收电压设定点66，并且经由摆率限制器（slew rate limiter）68限制设定点。对于无功功率控制，场级控制器基于无功功率设定点72和无功功率反馈信号QFBK，经由VAR调节器70调节无功功率。然后，场级控制器限制进入快内部电压幅度环路58的电压或无功功率信号。如在74示出的，另一电压调节器74调节电压信号，以确定用于风场的无功功率命令。然后，场级控制器将净无功功率命令（QCMD）分配到单个风力涡轮102（即，101、102、至10n等等）。
在涡轮级，如图5中所示出的，存在另一电压/VAR控制环路，该电压/VAR控制环路由较快内部幅度环路62和较慢外部无功功率环路60组成。此外，每个风力涡轮10的三绕组变换器34提供允许风场46中的风力涡轮10在三绕组变换器的二次绕组处调节电压的一定的阻抗。这进而能够实现在公共耦合点（POCC）或互连点（POI）处调节电压。因而，较快内部幅度环路62给电网提供支持瞬时事件的快速电压幅度，而较慢外部无功功率环路60提供处于稳态的风力涡轮10之间的VAR平衡。
然而，在这样的系统中，与每个风力涡轮10相关联的三绕组变换器34是昂贵的。特别地，连接到发电机定子32的变换器34的二次绕组35可能是高成本的。因而，对于一些风力涡轮功率系统，消除了三绕组变换器。在这样的系统中，两个或更多个风力涡轮的输出直接地耦合到中压（MV）收集系统。然后，收集系统使风力涡轮连接到使电压从MV水平逐步提高到POI电压水平的集群变换器的二次绕组。在该配置中，风力涡轮连接到公共点，而在所述风力涡轮之间不存在任何阻抗。然而，由于不存在由三绕组变换器34中的定子绕组35提供的阻抗，所以每个风力涡轮简单地调节涡轮端子电压的目的变得困难。
因而，将有利的是，提供一种风场，该风场具有不存在上述的三绕组变换器的多个风力涡轮，但维持系统的电压稳定性，并且使风力涡轮之间的无功功率振荡最小化。
发明内容
本发明的方面和优点将在下文的描述中部分地阐明，或根据本描述可以是明显的，或可以通过实践本发明而得知。
在一个方面，本主题针对一种用于控制连接到电力网的电功率系统的方法。所述电功率系统具有电功率子系统的多个集群。所述电功率子系统中的每个为向所述电力网提供功率而定义定子功率路径和转换器功率路径。所述转换器功率路径具有局部功率变换器。所述方法包括经由控制器接收无功功率命令和所测量的无功功率。所述方法还包括：基于所述无功功率命令与所测量的无功功率之间的差，经由所述控制器生成无功功率误差（error）信号。此外，所述方法包括经由无功功率调节器接收所述无功功率误差信号。此外，所述方法包括：基于所述误差信号，经由所述无功功率调节器生成电压命令。所述方法还包括：经由下垂（droop）控制生成电压下垂信号。另外，所述方法包括：依据所述电压命令或所测量的端子电压中的至少一个和所述电压下垂信号，经由所述控制器生成电压误差信号。因而，所述方法还包括：基于所述电压误差信号，经由电压调节器生成无功电流命令。
在另一方面，本公开针对一种用于连接到电力网的电功率系统的控制系统。所述电功率系统具有电功率子系统的多个集群。所述电功率子系统中的每个为向所述电力网提供功率而定义定子功率路径和转换器功率路径。所述转换器功率路径具有局部功率变换器。所述控制系统包括：一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于生成所测量的无功功率或所测量的端子电压中的至少一个；控制器，所述控制器配置成接收无功功率命令和所测量的无功功率，并且基于所述无功功率命令与所测量的无功功率之间的差而生成无功功率误差信号；以及无功功率调节器，所述无功功率调节器配置成接收所述无功功率误差信号，并且基于所述误差信号而生成电压命令。此外，所述控制系统可以包括下垂控制，所述下垂控制配置成生成电压下垂信号。控制器还可以配置成依据所述电压命令或所测量的端子电压中的至少一个和所述电压下垂信号而生成电压误差信号。另外，所述控制系统可以包括电压调节器，所述电压调节器配置成基于所述电压误差信号而生成无功电流命令。应当理解，所述控制系统还可以包括如本文中所描述的额外的特征中的任何。
在又另一方面，本公开针对一种风场。所述风场包括多个风力涡轮集群，每个风力涡轮集群具有多个风力涡轮。所述风力涡轮中的每个具有电耦合到带有发电机转子和发电机定子的发电机的功率转换器。此外，所述风力涡轮中的每个为向所述电力网提供功率而定义定子功率路径和转换器功率路径。所述转换器功率路径包含局部功率变换器。所述风场还包括：集群变换器，所述集群变换器使风力涡轮的每个集群连接到电力网；以及多个涡轮控制器。所述涡轮控制器中的每个通信地耦合到所述风力涡轮中的一个。此外，所述涡轮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但不限于：接收无功功率命令和所测量的无功功率；基于所述无功功率命令与所测量的无功功率之间的差而生成无功功率误差信号；接收所述无功功率误差信号；基于所述误差信号而生成电压命令；生成电压下垂信号；依据所述电压命令或所测量的端子电压中的至少一个和所述电压下垂信号而生成电压误差信号；以及基于所述电压误差信号而生成无功电流命令。应当理解，所述风场还可以包括如本文中所描述的额外的特征中的任何。
本发明的这些和其它特征、方面以及优点将参考下文的描述和所附权利要求而变得更好理解。合并于本说明书中并且组成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并且附图连同描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐明针对本领域普通技术人员的本发明的详尽且使能公开（包括本发明的最佳模式），其对附图进行参考，其中：
图1图示根据常规构造的风力涡轮的一个实施例的一部分的透视图；
图2图示适合供图1中所示出的风力涡轮使用的常规电功率系统的示意图；
图3图示根据常规构造的常规风场的一个实施例的示意图，特别地图示多个风力涡轮功率系统。诸如，连接到单个变电站变换器的在图2中图示的那些风力涡轮功率系统；
图4图示根据常规构造的场级控制方案的一个实施例的示意图；
图5图示根据常规构造的涡轮级控制方案的一个实施例的示意图；
图6图示根据本公开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图示根据本公开的风场的一个实施例的示意图，特别地图示各自经由集群变换器连接到电网的多个风力涡轮集群；
图8图示根据本公开的风力涡轮控制器的一个实施例的框图；
图9图示根据本公开的控制系统的一个实施例的示意图；以及
图10图示根据本公开的用于控制连接到电力网的电功率系统的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，在附图中图示这些实施例的一个或多个示例。通过对本发明的解释而不是对本发明的限制提供每个示例。实际上，将对本领域技术人员明显的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中作出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分而图示或描述的特征可以与另一实施例一起使用，从而产出又另外的实施例。因而，旨在本发明涵盖如属于所附权利要求及其等同物的范围内的这样的修改和变型。
一般而言，本公开针对一种用于控制连接到电力网的电功率系统的方法。该方法包括：接收无功功率命令和所测量的无功功率；以及基于无功功率命令与所测量的无功功率之间的差而生成无功功率误差信号。此外，该方法包括基于无功功率误差信号而生成电压命令。该方法还包括：经由下垂控制生成电压下垂信号；以及依据电压下垂信号和电压命令和/或所测量的端子电压而生成电压误差信号。因而，该方法还包括基于电压误差信号而生成无功电流命令。照此，本公开的系统和方法提供在现有技术中不存在的许多优点。例如，本公开减少由于涡轮发电机中的每个之间的低阻抗而导致的风力涡轮之间的无功功率振荡。
现在参考图6，图示了根据本公开的电功率子系统102的一个实施例的示意图。应当理解，术语“子系统”在本文中用于在单个功率系统（例如，如在图6中示出）与包括多个电功率子系统102的图7的总电功率系统105之间进行区分。然而，本领域普通技术人员将认识到，图6的电功率子系统102也可以更一般地被称为（诸如简称为）系统（而不是子系统）。因此，这样的术语可以可互换地使用，并且不旨在是限制性的。
此外，如所示出的，电功率子系统102可以对应于风力涡轮功率系统100。更特别地，如所示出的，风力涡轮功率系统100包括转子104，所述转子104包括多个转子叶片106，所述多个转子叶片106附接到旋转毂108。在风对转子叶片106产生影响时，叶片106将风能变换成机械旋转转矩，该机械旋转转矩可旋转地驱动低速轴110。低速轴110配置成驱动齿轮箱112，所述齿轮箱112随后使低速轴110的低转速逐步提高，从而在提高的转速下驱动高速轴114。高速轴114一般可旋转地耦合到双馈感应发电机116（在下文中被称为DFIG 116），以便可旋转地驱动发电机转子118。照此，可以由发电机转子118感应旋转磁场，并且可以在发电机定子120内感应电压，所述发电机定子120磁耦合到发电机转子118。在一个实施例中，例如，发电机116配置成使旋转机械能转换成发电机定子120中的正弦三相交流（AC）电能信号。因而，如所示出的，相关联的电功率可以从发电机定子120直接地传送到电网。
另外，如所示出的，发电机116电耦合到双向功率转换器122，所述双向功率转换器122包括转子侧转换器124，所述转子侧转换器124经由所调节的DC链路128联结到线路侧转换器126。因而，转子侧转换器124将从发电机转子118提供的AC功率转换成DC功率，并且向DC链路128提供DC功率。线路侧转换器126将DC链路128上的DC功率转换成适合于电力网的AC输出功率。更特别地，如所示出的，来自功率转换器122的AC功率可以分别经由转换器功率路径127和定子功率路径125与来自发电机定子120的功率组合。例如，如所示出的，并且与常规系统（诸如，图1-3中所图示的那些系统）相反，转换器功率路径127可以包括局部功率变换器130，所述局部功率变换器130用于使来自功率转换器122的电功率的电压振幅逐步提高，使得经变换的电功率可以进一步被传送到电力网。因而，如所示出的，图6的所图示的系统102不包括上述的常规三绕组主变换器。更确切地说，如在所图示的实施例中示出的，局部功率变换器130可以对应于双绕组变换器，该双绕组变换器具有连接到电力网的一次绕组132和连接到转子侧转换器124的二次绕组134。
另外，电功率系统100可以包括一个或多个控制器。例如，如图8中所示出的，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）。照此，本文中所描述的各种控制器配置成控制风场105的组件、风力涡轮集群137和/或单个风力涡轮100中的任何和/或实现如本文中所描述的方法步骤。
例如，如特别地在图8中示出的，图示如本文中所描述的控制器的一个实施例的框图。如所示出的，控制器可以包括配置成执行各种计算机实现的功能（例如，执行方法、步骤、运算等等并且存储如本文中所公开的相关数据）的一个或多个处理器138和相关联的（一个或多个）存储器装置140。另外，控制器还可以包括通信模块142，以促进控制器与风场105的各种组件（例如，图6和图7的组件中的任何）之间的通信。此外，通信模块142可以包括传感器接口144（例如，一个或多个模拟到数字转换器），用以许可从一个或多个传感器139、141、143传送的信号将被转换成可以被处理器138理解并处理的信号。应当意识到，传感器139、141、143可以使用任何合适的手段来通信地耦合到通信模块142。例如，如图8中所示出的，传感器139、141、143可以经由有线连接耦合到传感器接口144。然而，在其它实施例中，传感器139、141、143可以经由无线连接耦合到传感器接口144，所述无线连接诸如，通过使用在本领域中已知的任何合适的无线通信协议。照此，处理器138可以配置成从传感器139、141、143接收一个或多个信号。
如本文中所使用的，术语“处理器”不仅指在本领域中被称为被包括于计算机中的集成电路，而且还指控制器、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还配置成计算先进控制算法并且传递到各种基于以太网或串行的协议（Modbus、OPC、CAN等等）。另外，（一个或多个）存储器装置140一般可以包括（一个或多个）存储器元件，包括但不限于计算机可读介质（例如，随机存取存储器（RAM）、计算机可读非易失性介质（例如，闪速存储器）、软盘、致密盘-只读存储器（CD-ROM）、磁光盘（MOD）、数字通用盘（DVD）和/或其它合适的存储器元件。这样的（一个或多个）存储器装置140一般可以配置成存储合适的计算机可读指令，所述计算机可读指令在由（一个或多个）处理器138实现时，将控制器配置成执行如本文中所描述的各种功能。
在操作中，通过转子104的旋转而在发电机定子120处生成的交流（AC）功率经由双路径（即，经由定子功率路径125和转换器功率路径127）向电网提供。更特别地，转子侧转换器124将从发电机转子118提供的AC功率转换成DC功率，并且向DC链路128提供DC功率。在转子侧转换器124的桥式电路中使用的开关元件（例如，IGBT）可以被调制，从而将从发电机转子118提供的AC功率转换成适合于DC链路124的DC功率。线路侧转换器126将DC链路128上的DC功率转换成适合于电网的AC输出功率。特别地，在线路侧转换器126的桥式电路中使用的开关元件（例如，IGBT）可以被调制，从而将DC链路128上的DC功率转换成AC功率。照此，来自功率转换器122的AC功率可以与来自发电机定子120的功率组合，以提供具有基本上维持在总线的频率处的频率的多相功率。应当理解，转子侧转换器124和线路侧转换器126可以具有使用促进如本文中所描述的电功率系统200的操作的任何开关装置的任何配置。
此外，功率转换器122可以在电子数据通信中与涡轮控制器136和/或单独或整体的转换器控制器154耦合，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可以配置成从电压和电流传感器139、141、143的第一集合接收一个或多个电压和/或电流测量信号。因而，控制器136可以配置成经由传感器139、141、143监测并且控制与风力涡轮100相关联的操作变量中的至少一些。在所图示的实施例中，传感器139、141、143可以电耦合到促进如本文中所描述的电功率子系统102的操作的电功率子系统102的任何部分。
还应当理解，可以在风力涡轮100内并且在任何位置处采用任何数量或类型的电压和/或电流传感器。例如，传感器可以是电流变换器、分流传感器、rogowski线圈、霍尔效应电流传感器、微型惯性测量单元（MIMU）或类似物和/或在本领域中目前已知或之后开发的任何其它合适的电压或电流传感器。因而，转换器控制器154配置成从传感器139、141、143接收一个或多个电压和/或电流反馈信号。更特别地，在某些实施例中，电流或电压反馈信号可以包括线路反馈信号、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中的至少一个。
特别地参考图7，单个功率系统（诸如，图4中所图示的功率子系统102）可以布置成至少两个集群137，从而形成电功率系统105。更特别地，如所示出的，风力涡轮功率系统100可以布置成多个集群137，以便形成风场。因而，如所示出的，每个集群137可以分别经由开关150、151、152连接到单独的变换器145、146、147，以用于使来自每个集群137的电功率的电压振幅逐步提高，使得经变换的电功率可以进一步被传送到电力网。另外，如所示出的，变换器145、146、147连接到主线路148，所述主线路148在将功率发送到电网之前，使来自每个集群137的电压组合。此外，如所提到的，集群137中的每个可以与集群级控制器156通信地耦合。
然而，由于不存在由常规系统的主三绕组变换器34中的定子绕组35提供的阻抗，所以每个风力涡轮调节其端子电压的目的变得困难。更特别地，已获知这样的系统（即，图6中所图示的系统）经历无功功率振荡。因而，图9图示根据本公开的控制系统160的一个实施例的示意图，其解决与消除图2中所图示的主变换器34相关联的问题。
如所示出的，控制系统160包括两个环路：电压调节器环路和Q调节器环路。与Q调节器环路（例如，大于1秒的闭合环路时间常数）相比，电压调节器环路相对快地（例如，20rad/sec）操作。此外，Q调节器168调整电压调节器的设定点。在概念上，图9的控制系统通过根据由高于发电机级（例如，变电站或风场）控制器设定的参考而调节电压，来为风力涡轮发电机端子电压提供控制。无功功率在较长的时期（例如，若干秒）内调节，而风力涡轮发电机端子电压在较短的时期（例如，少于若干秒）内调节，以减轻快速电网瞬变的影响。
更特别地，如所示出的，将无功功率命令（QCMD）162（其对应于指示将产生的目标无功功率的命令）与指示所测量的无功功率164的信号（QFbk）比较。得到的误差信号166指示所测量的无功功率164与所命令的无功功率162之间的差。误差信号166是到VAR调节器168的输入信号，所述VAR调节器168生成V命令170，所述V命令170对发电机116指示将由发电机116提供的无功功率。在一个实施例中，VAR调节器168可以是具有1至10秒（例如，3秒、5秒、5.5秒）的范围内的闭合环路时间常数的比例积分（PI）控制器。还可以使用其它类型的控制器，例如，比例微分（PD）控制器、比例积分微分（PID）控制器、状态空间控制器等等。倘若针对VAR调节器168的时间常数在数字上大于针对电压调节器178的时间常数，则可以针对VAR调节器168使用其它时间常数。
V命令170例如经由第一限制器172限制于预定范围，并且然后与指示对于发电机116的所测量的端子电压174（VFbk）的信号比较。此外，如所示出的，V命令170与所测量的端子电压174之间的差是电压误差信号176。电压误差信号176是到电压调节器178的输入信号。
然后，电压调节器178生成输出信号180。输出信号180可以使用第二限制器182来限制，以便生成无功电流命令184，所述无功电流命令184用于控制发电机转子电流。在一个实施例中，电压调节器178是具有大约50毫秒的闭合环路时间常数的PI控制器。还可以使用其它类型的控制器，例如，PD控制器、PID控制器等等。倘若针对电压调节器178的时间常数小于针对VAR调节器168的时间常数，则可以针对电压调节器178使用其它时间常数（例如，1秒、20毫秒、75毫秒、45毫秒）。一般而言，存在无功电流命令184的两个分量，即，实际功率分量和无功功率分量。例如，如关于图9而描述那样生成的无功电流命令184是无功分量命令。实际分量可以在本领域中已知的任何方式生成。
在一个实施例中，关于图9而讨论的所有极限都是非终止（non-windup）极限；然而，在备选实施例中，极限的子集可以是非终止极限。已在固定参数的方面讨论了极限；然而，例如由查找表或执行控制算法的处理器或状态机提供的动态可变的参数可以提供极限。这样的动态可变的极限可以基于发电机的电流额定值和同期实际功率输出。
仍然参考图9，如所示出的，控制系统160还包括用于生成电压下垂信号188的下垂控制186。更特别地，如所示出的，如在175示出的，下垂控制186配置有Q调节器环路和电压调节器环路，以便生成由控制系统160使用的下垂输出信号。如本文中所使用的，下垂控制186一般涉及在装置驱动负载时来自该装置的输出电压的损失。照此，通过给风场中的涡轮中的每个提供下垂控制，下垂控制186允许同步发电机并行地运行，以便在发电机之间与发电机的功率额定值成比例地共享负载。
现在参考图10，根据本公开，图示控制风场（例如，诸如图7中所图示的风场100）的方法200的一个实施例的流程图。如在202示出的，方法200包括经由控制系统160接收无功功率命令162和所测量的无功功率QFbk 164。如在204示出的，方法200包括：基于无功功率命令162与所测量的无功功率QFbk 164之间的差，经由控制系统160生成无功功率误差信号166。如在206示出的，方法200包括经由无功功率调节器168接收无功功率误差信号166。如在208示出的，方法200包括：基于无功功率误差信号166，经由无功功率调节器168生成电压命令（即，V命令170）。
如在210示出的，方法200包括经由下垂控制186生成电压下垂信号188。如在212示出的，方法200包括：依据电压命令170或所测量的端子电压VFbk 174中的至少一个和电压下垂信号188，经由控制系统160生成电压误差信号176。更特别地，在一个实施例中，控制系统160可以使用下文中的等式（1）来生成电压误差信号176。例如，如所示出的，通过从电压命令170（Vcmd）减去所测量的端子电压VFbk 174，以获得第一值，控制系统160可以生成电压误差信号176。然后，控制系统160可以将所测量的无功功率（QFbk）乘以电压下垂信号188（K下垂），以获得第二值。然后，控制系统160可以从第一值减去第二值，以获得如下文中所示出的电压误差信号176。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
等式（1）
如在214示出的，方法200包括：基于电压误差信号176，经由电压调节器生成无功电流命令184。更特别地，无功电流命令可以使用下文中的等式（2）来运算。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
等式（2）
其中，GV(s)是电压调节器值。
更特别地，如图9中所示出的，控制系统160可以基于电压误差信号176而生成输出信号180，经由第二限制器182来限制电压调节器178的输出信号180，并且基于所限制的输出信号而生成无功电流命令184。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员都能够实践本发明，包括制作并使用任何装置或系统并且执行任何合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求定义，并且可以包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这样的其它示例包括并非与权利要求书的字面语言不同的结构元件，或如果这样的其它示例包括带有与权利要求书的字面语言的非实质性差异等同的结构元件，则这样的其它示例旨在落入权利要求书的范围内。
组件列表
参考字符 组件
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 功率转换器
40 转子侧转换器
42 线路侧转换器
44 DC链路
46 风场
48 风力涡轮的群组
50 主线路
51 开关
52 开关
53 开关
54 较大的变换器
56 慢外部无功功率环路
58 快内部电压幅度环路
60 较慢外部无功功率环路
62 较快内部电压幅度环路
64 开关
66 电压设定点
68 摆率限制器
70 VAR调节器
72 无功功率设定点
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 场级控制器
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 功率转换器
124 转子侧转换器
125 定子功率路径
126 线路侧转换器
127 转换器功率路径
128 DC链路
130 局部功率变换器
132 一次绕组
134 二次绕组
135 断路器
136 涡轮控制器
137 集群
138 （一个或多个）处理器
139 传感器
140 （一个或多个）存储器组装置
141 传感器
142 通信模块
143 传感器
144 传感器接口
145 变换器
146 变换器
147 变换器
148 主线路
150 开关
151 开关
152 开关
154 转换器控制器
156 集群控制器
158
160 控制系统
162 无功功率命令
164 测量无功功率
166 无功功率误差信号
168 无功功率调节器
170 电压命令
172 第一限制器
174 所测量的端子电压
175 比较器
176 电压误差信号
178 电压调节器
180 输出信号
182 第二限制器
184 无功电流命令
186 下垂控制
188 电压下垂信号
200 方法
202 方法步骤
204 方法步骤
206 方法步骤
208 方法步骤

Claims (20)

1.一种用于控制连接到电力网的电功率系统的方法，所述电功率系统具有电功率子系统的多个集群，所述电功率子系统中的每个为向所述电力网提供功率而定义定子功率路径和转换器功率路径，所述转换器功率路径具有局部功率变换器，所述方法包括：
经由控制器接收无功功率命令和所测量的无功功率；
基于所述无功功率命令与所测量的无功功率之间的差，经由所述控制器生成无功功率误差信号；
经由无功功率调节器接收所述无功功率误差信号；
基于所述误差信号，经由所述无功功率调节器生成电压命令；
经由下垂控制生成电压下垂信号；
依据所述电压命令或所测量的端子电压中的至少一个和所述电压下垂信号，经由所述控制器生成电压误差信号；以及，
基于所述电压误差信号，经由电压调节器生成无功电流命令。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括经由第一限制器限制所述电压命令。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，依据所述电压命令或所测量的端子电压中的至少一个和所述电压下垂信号而生成所述电压误差信号还包括：
从所述电压命令减去所测量的端子电压，以获得第一值；
将所测量的无功功率乘以所述电压下垂信号，以获得第二值；
从所述第一值减去所述第二值，以获得所述电压误差信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述电压误差信号而生成所述无功电流命令还包括：
基于所述电压误差信号而生成输出信号；
经由第二限制器限制所述电压调节器的所述输出信号；以及，
基于所限制的输出信号而生成所述无功电流命令。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述局部功率变换器包括双绕组变换器或三绕组变换器中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的方法，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个。
7.根据权利要求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）控制器或状态空间控制器中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电功率子系统中的每个的所述发电机包括双馈感应发电机（DFIG）。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电功率系统包括风场，并且其中，所述电功率子系统包括风力涡轮功率系统。
10.一种用于连接到电力网的电功率系统的控制系统，所述电功率系统具有电功率子系统的多个集群，所述电功率子系统中的每个为向所述电力网提供功率而定义定子功率路径和转换器功率路径，所述转换器功率路径具有局部功率变换器，所述控制系统包括：
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于生成所测量的无功功率或所测量的端子电压中的至少一个；
控制器，所述控制器配置成接收无功功率命令和所测量的无功功率，并且基于所述无功功率命令与所测量的无功功率之间的差而生成无功功率误差信号；
无功功率调节器，所述无功功率调节器配置成接收所述无功功率误差信号，并且基于所述误差信号而生成电压命令；
下垂控制，所述下垂控制配置成生成电压下垂信号；
所述控制器进一步配置成依据所述电压命令或所测量的端子电压中的至少一个和所述电压下垂信号而生成电压误差信号；以及，
电压调节器，所述电压调节器配置成基于所述电压误差信号而生成无功电流命令。
11.根据权利要求10所述的控制系统，还包括配置成限制所述电压命令的第一限制器。
12.根据权利要求10所述的控制系统，其中，通过以下步骤，所述控制器依据所述电压命令或所测量的端子电压中的至少一个和所述电压下垂信号而生成所述电压误差信号：
从所述电压命令减去所测量的端子电压，以获得第一值；
将所测量的无功功率乘以所述电压下垂信号，以获得第二值；
从所述第一值减去所述第二值，以获得所述电压误差信号。
13.根据权利要求10所述的控制系统，其中，通过以下步骤，所述电压调节器基于所述电压误差信号而生成所述无功电流命令：
基于所述电压误差信号而生成输出信号；
经由第二限制器限制所述电压调节器的所述输出信号；以及，
基于所限制的输出信号而生成所述无功电流命令。
14.根据权利要求10所述的控制系统，其中，所述局部功率变换器包括双绕组变换器或三绕组变换器中的至少一个。
15.根据权利要求10所述的控制系统，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个。
16.根据权利要求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）控制器或状态空间控制器中的至少一个。
17.根据权利要求10所述的控制系统，其中，所述电功率子系统中的每个的所述发电机包括双馈感应发电机（DFIG）。
18.根据权利要求10所述的控制系统，其中，所述电功率系统包括风场，并且其中，所述电功率子系统包括风力涡轮功率系统。
19.一种风场，包括：
多个风力涡轮集群，每个风力涡轮集群包括多个风力涡轮，所述风力涡轮中的每个具有电耦合到带有发电机转子和发电机定子的发电机的功率转换器，所述风力涡轮中的每个为向所述电力网提供功率而定义定子功率路径和转换器功率路径，所述转换器功率路径包含局部功率变换器；
集群变换器，所述集群变换器使风力涡轮的每个集群连接到电力网；以及，
多个涡轮控制器，所述涡轮控制器中的每个通信地耦合到所述风力涡轮中的一个，所述涡轮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：
接收无功功率命令和所测量的无功功率；
基于所述无功功率命令与所测量的无功功率之间的差而生成无功功率误差信号；
接收所述无功功率误差信号；
基于所述误差信号而生成电压命令；
生成电压下垂信号；
依据所述电压命令或所测量的端子电压中的至少一个和所述电压下垂信号而生成电压误差信号；以及，
基于所述电压误差信号而生成无功电流命令。
20.根据权利要求19所述的风场，其中，依据所述电压命令或所测量的端子电压中的至少一个和所述电压下垂信号而生成所述电压误差信号还包括：
从所述电压命令减去所测量的端子电压，以获得第一值；
将所测量的无功功率乘以所述电压下垂信号，以获得第二值；
从所述第一值减去所述第二值，以获得所述电压误差信号。
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