CN111602307A - 用于优化风场的无功功率生成的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于优化电功率系统的无功功率生成的方法，包括：经由多个集群级控制器，基于系统级无功功率命令，生成用于电功率子系统的各个集群的集群级无功功率命令。该方法还包括经由集群级控制器基于集群级无功功率命令来确定用于电功率子系统中的各个的子系统级无功功率命令。此外，该方法包括经由多个子系统级控制器评估电功率子系统中的各个内的多个无功功率源的无功功率能力。此外，该方法包括，经由子系统级控制器中的各个，基于评估，通过将子系统级无功功率命令的一部分分配至多个无功功率源中的各个，生成用于电功率子系统中的各个的实际无功功率。

Description

用于优化风场的无功功率生成的系统及方法
技术领域
本公开总体上涉及用于操作风场的系统和方法，并且更具体地涉及用于优化以多个风力涡轮集群布置的风场的无功功率（VAR或Q）生成的系统和方法。
背景技术
风力认作是目前可用的最清洁的最环境友好的能源之一，且就此而言，风力涡轮得到增加的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、生成器、变速箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使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件的截面轮廓，使得在操作期间，空气流过叶片而在侧部之间产生压力差。因此，从压力侧指向吸力侧的升力作用在叶片上。升力在主转子轴上生成转矩，主转子轴与用于发电的生成器齿轮接合。
例如，图1和图2示出了根据常规构造的风力涡轮10和适于与风力涡轮10一起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，该机舱通常容纳生成器28（图2）。机舱14安装在从支承表面（未示出）延伸的塔架12上。风力涡轮10还包括转子16，转子16包括附接到转毂18的多个转子叶片20。当风撞击转子叶片20时，叶片20将风能转换成机械旋转转矩，该机械旋转转矩可旋转地驱动低速轴22。低速轴22构造成驱动变速箱24（如果存在的话），该变速箱随后使低速轴22的低旋转速度逐步提高，来以增加的旋转速度驱动高速轴26。高速轴26大体上可旋转地联接至生成器28（如双馈感应生成器或DFIG），以便可旋转地驱动生成器转子30。因此，由生成器转子30可感应出旋转磁场，并且可在与生成器转子30磁耦合的生成器定子32内感应出电压。关联的电功率可从生成器定子32传输到主三绕组变压器34，该变压器通常通过电网断路器36连接到电网。因此，主变压器34逐步提高电功率的电压幅值，使得可将变压的电功率进一步传输到电网。
此外，如图所示，生成器28通常电联接至双向功率转换器38，该双向功率转换器38包括经由调节的DC链路44连结至线路侧转换器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功率转换成DC功率，并且将DC功率提供至DC链路44。线路侧转换器42将DC链路44上的DC功率转换成适合于电网的AC输出功率。因此，来自功率转换器38的AC功率可与来自定子32的功率组合以提供具有基本上保持在电网频率（例如50Hz/60Hz）的频率的多相功率（例如三相功率）。
所示三绕组变压器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）连接到生成器定子32的6到13.8 kV MV次级绕组35，以及（3）连接到线路侧功率转换器42的690到900伏（V）低压（LV）三级绕组37。
现在参照图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场46。更具体而言，如图所示，风力涡轮10可布置成多组48，其中各组分别经由开关51、52、53单独地连接到主线路50。此外，如图所示，主线路50可电联接到另一个较大的变压器54，以用于在将功率发送至电网之前逐步提高来自风力涡轮10的组48的电功率的电压幅值。
随着近年来风力发电的不断成功，该功率形式获得了显著的市场份额。由于风力不是具有时间上恒定的功率输出的功率源，而是包括变化，例如，归因于风速的变化，故功率分配网络的运营者必须将此考虑在内。例如，一个结果在于分配和传输网络变得更加难以管理。这也与网络中的无功功率流量的管理有关。
现在参照图4和图5，分别示出了根据常规构造的场级无功功率控制方案和涡轮级无功功率控制方案的示意图。更具体而言，如图4中所示，场级控制方案包括较快的内电压幅值回路58和较慢的外无功功率回路56。此外，如图所示，场级控制器在电压控制与无功功率控制器之间经由开关64交替。对于电压控制，场级控制器接收电压设置点66，且经由转换速率限制器68来限制设置点。对于无功功率控制，场级控制器经由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来调节无功功率。场级控制器然后限制进入较快的内电压幅值回路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场的无功功率命令。如76处所示，场级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）。
在涡轮级下，如图5中所示，存在另一个伏特/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，其允许风场46中的风力涡轮10调节三绕组变压器的次级绕组处的电压。这继而又允许调节互连点（POI）或公共联接点（POCC）处的电压。因此，较快的内幅值回路62针对瞬变事件向电网提供较快的电压幅值支持，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很昂贵。具体地，连接到生成器定子32的变压器34的次级绕组35可很昂贵。因此，从风力涡轮功率系统消除这种三绕组变压器将是有利的。两个或更多个风力涡轮的输出一起直接地联接到中压收集系统。收集系统然后将风力涡轮连接到集群变压器的次级绕组，集群变压器将电压从MV水平逐步提高至POI电压水平。在此构造中，风力涡轮连接到公共点，而没有其间的任何阻抗。然而，由于没有由三绕组变压器34中的定子绕组35提供的阻抗，故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场。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐明，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明理解到。
一方面，本主题针对一种用于优化电功率系统的无功功率生成的方法。电功率系统具有多个集群的电功率子系统。电功率子系统的各个集群经由单独的集群变压器连接到电网。电功率子系统中的各个具有电联接到生成器的功率转换器。该方法包括：经由多个集群级控制器，基于系统级无功功率命令，生成用于电功率子系统的各个集群的集群级无功功率命令。该方法还包括经由集群级控制器基于集群级无功功率命令来确定用于电功率子系统中的各个的子系统级无功功率命令。此外，该方法包括经由多个子系统级控制器评估电功率子系统中的各个内的多个无功功率源的无功功率能力。此外，该方法包括：经由子系统级控制器中的各个，基于评估，通过将子系统级无功功率命令的一部分分配至多个无功功率源中的各个，生成用于电功率子系统中的各个的实际无功功率。
另一方面，本公开针对一种连接到电网的电功率系统。电功率系统包括系统级控制器、多个集群的电功率子系统、将电功率子系统的各个集群连接到电网的集群变压器、与系统级控制器通信地联接的多个集群级控制器，以及与集群级控制器中的各个通信地联接的多个子系统级控制器。电功率子系统中的各个包括电联接到具有生成器转子和生成器定子的生成器的功率转换器。电功率子系统中的各个限定用于向电网提供功率的定子功率路径和转换器功率路径。转换器功率路径包括部分功率变压器。电功率子系统的集群中的各个与集群级控制器中的一个通信地联接。此外，集群级控制器中的各个配置成执行一个或多个操作，包括但不限于基于系统级无功功率命令生成用于电功率子系统的各个集群的集群级无功功率命令，以及基于集群级无功功率命令确定用于电功率子系统中的各个的子系统级无功功率命令。此外，子系统级控制器中的各个配置成执行一个或多个操作，包括但不限于评估电功率子系统中的各个内的多个无功功率源的无功功率能力，以及基于评估，通过将子系统级无功功率命令的一部分分配至多个无功功率源中的各个，生成用于电功率子系统中的各个的实际无功功率。应当理解，电功率系统可进一步包括如本文所述的任何附加特征。
又一方面，本公开针对一种风场。该风场包括：多个风力涡轮集群，各个风力涡轮集群具有多个风力涡轮；将风力涡轮的各个集群连接到电网的集群变压器；通信地联接到风力涡轮集群中的各个的集群级控制器；以及与集群级控制器中的各个通信地联接的多个涡轮控制器。风力涡轮中的各个具有功率转换器，该功率转换器电联接到具有生成器转子和生成器定子的生成器。此外，风力涡轮中的各个限定用于向电网提供功率的定子功率路径和转换器功率路径。转换器功率路径包含部分功率变压器。集群级控制器配置成执行一个或多个操作，包括但不限于基于系统级无功功率命令生成用于电功率子系统的各个集群的集群级无功功率命令，以及基于集群级无功功率命令确定用于电功率子系统中的各个的子系统级无功功率命令。进一步地，涡轮控制器中的各个配置成执行一个或多个操作，包括但不限于评估电功率子系统中的各个内的多个无功功率源的无功功率能力，以及基于评估，通过将子系统级无功功率命令的一部分分配至多个无功功率源中的各个，生成用于电功率子系统中的各个的实际无功功率。应当理解，风场还可包括如本文所述的任何附加特征。
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书变得更好理解。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
包括针对本领域的普通技术人员的其最佳模式的本发明的完整且充分的公开在参照附图的说明书中阐明，在附图中：
图1示出了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示出了适合与图1中所示的风力涡轮一起使用的常规电功率系统的示意图；
图3示出了根据常规构造的常规风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，连接到单个分站变压器的图2中所示的那些；
图4示出了根据常规构造的场级控制方案的一个实施例的示意图；
图5示出了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示出了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示出了根据本公开的风场的一个实施例的示意图，特别示出了分别经由集群变压器连接到电网的多个风力涡轮集群；
图8示出了根据本公开的风力涡轮控制器的一个实施例的框图；
图9示出了根据本公开的场级控制方案的一个实施例的示意图；
图10示出了根据本公开的集群级控制方案的一个实施例的示意图；
图11示出了根据本公开的用于优化电功率系统的无功功率生成的方法的一个实施例的流程图；以及
图12示出了根据本公开的涡轮控制器的一个实施例的示意图，该涡轮控制器具有选择器，该选择器用于基于可用性来在无功功率源之间进行选择，以优化风场的无功功率生成。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，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，可在本发明中制作出各种改型和变型，而不会脱离本发明的范围或精神。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，期望本发明覆盖如归入所附权利要求书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集群的风力涡轮的风场的方法，其中集群变压器将风力涡轮的各个集群连接到电网。该方法包括经由多个集群级控制器接收来自场级控制器的无功功率命令。该方法还包括经由集群级控制器基于无功功率命令生成用于风力涡轮的各个集群的集群级无功电流命令。此外，该方法包括经由集群级控制器基于集群级无功电流命令将涡轮级无功电流命令分配至风力涡轮的涡轮级控制器。
因而，本公开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，消除了涡轮级下的电压/VAR控制回路。作为替代，其在集群级下实施，从而消除了与调节相同端电压的集群中的所有风力涡轮相关联的问题。因此，集群级控制器接收来自站控制器的无功功率命令，且生成用于涡轮电流的无功分量的命令。本公开的系统和方法还防止伏特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，这继而又有助于允许较低风力涡轮和平衡站成本、较高效率、较高年能量产出和/或空间节省设计。
现在参照图6，示出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，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100之间区分开。然而，本领域普通技术人员将认识到，也可更笼统地参照图6的电功率子系统102，如简单地称为系统（而不是子系统）。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。更确切地，如图所示，风力涡轮功率系统100包括转子104，其包括附接到转毂108的多个转子叶片106。当风撞击转子叶片106时，叶片106将风能转换成机械旋转转矩，该机械旋转转矩可旋转地驱动低速轴110。低速轴110构造成驱动变速箱112，变速箱随后使低速轴110的低旋转速度逐步提高来在增加的旋转速度下驱动高速轴114。高速轴114大体上可旋转地联接至双馈感应生成器116（在下文中称为DFIG 116），以便可旋转地驱动生成器转子118。因而，由生成器转子118可感应出旋转磁场，并且可在与生成器转子118磁耦合的生成器定子120内感应出电压。在一个实施例中，例如，生成器116配置成将旋转机械能转换成生成器定子120中的正弦三相交变电流（AC）电功率信号。因此，如图所示，相关联的电功率可从生成器定子120直接地传输至电网。
另外，如图所示，生成器116电联接到双向功率转换器122，其包括经由调节的DC链路128连结到线路侧转换器126的转子侧转换器124。因此，转子侧转换器124将从生成器转子118提供的AC功率转换成DC功率，且将DC功率提供至DC链路128。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。更确切地，如图所示，来自功率转换器122的AC功率可分别经由转换器功率路径127和定子功率路径125来与来自生成器定子120的功率组合。例如，如图所示，且相比于常规系统诸如图1-3中所示的那些，转换器功率路径127可包括用于逐步提高来自功率转换器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网。因此，如图所示，所示的图6的子系统102不包括上述常规的三绕组主变压器。相反，如所示实施例中所示，部分功率变压器130可对应于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的双绕组变压器。
另外，电功率系统100可包括一个或多个控制器。例如，系统100可包括系统级控制器（例如，场级控制器107）、一个或多个集群级控制器176和/或一个或多个子系统级控制器（例如，涡轮级控制器136）。因而，本文描述的各种控制器配置成控制风场105、风力涡轮集群137和/或独立风力涡轮100的任何构件，和/或实施如本文所述的方法步骤。例如，特别是如图8中所示，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，其配置成执行多种计算机实施功能（例如，执行方法、步骤、计算等，以及存储如本文公开的相关数据）。此外，控制器还可包括通信模块142，以便于控制器与风场105的各种构件（例如，图6和图7中的任何构件）之间的通信。此外，通信模块142可包括出传感器接口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传输的信号转换成可由处理器138理解和处理的信号。应当认识到，传感器139、141、143可使用任何适合的手段通信地联接到通信模块142。例如，如图8中所示，传感器139、141、143可经由有线连接来联接到传感器接口144。然而，在其它实施例中，传感器139、141、143可经由无线连接来联接到传感器接口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。因而，处理器138可配置成接收来传感器139、141、143的一个或多个信号。
如本文使用的用语“处理器”不但是指如包括在计算机中的本领域中涉及的集成电路，而且是指控制器、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，且与多种基于以太网或串行的协议（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、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可大体上配置成存储适合的计算机可读指令，其在由处理器138实施时，将控制器配置成执行如本文所述的各种功能。
在操作中，通过转子104的旋转在生成器定子120处生成的交变电流（AC）功率经由双路径提供至电网，即，经由定子功率路径125和转换器功率路径127。更确切地，转子侧转换器124将从生成器转子118提供的AC功率转换成DC功率，且将DC功率提供至DC链路128。用于转子侧转换器124的桥接电路中的切换元件（即，IGBT）可调制成将从生成器转子118提供的AC功率转换成适用于DC链路124的DC功率。线路侧转换器126将DC链路128上的DC功率转换成适用于电网的AC输出功率。具体而言，用于线路侧转换器126的桥接电路中的切换元件（例如，IGBT）可调制成将DC链路128上的DC功率转换成AC功率。因而，来自功率转换器122的AC功率可与来自生成器定子120的功率组合，以提供具有基本上保持在母线频率下的频率的多相功率。应当理解，转子侧转换器124和线路侧转换器126可具有使用便于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配置。
此外，功率转换器122可与涡轮控制器136和/或单独或一体的转换器控制器154电子数据通信联接，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可配置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可配置成经由传感器139、141、143监测和控制与风力涡轮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可电联接到便于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，任何数目或类型的电压和/或电流传感器都可在风力涡轮100内且在任何地点使用。例如，传感器可为电流变压器，分流器传感器、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，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。更确切地，在某些实施例中，电流或电压反馈信号可包括反馈信号、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。
具体参照图7，独立的功率系统（诸如，图4中所示的功率子系统102）可布置在至少两个集群137中来形成电功率系统105。更确切地，如图所示，风力涡轮功率系统100可布置成多个集群137，以便形成风场。因此，如图所示，各个集群137可分别经由开关150、151、152来连接到单独的变压器145、146、147，以用于逐步提高来自各个集群137的电功率的电压幅值，使得变压的电功率可进一步传输至电网。另外，如图所示，变压器145、146、147连接到主线路148，主线路在将功率发送至电网之前组合来自各个集群137的电压。此外，如所提及的，各个集群137可与集群级控制器176通信地联接，例如如图11中所示并且在下文进一步论述，其控制变压器145、145、147中的各个。另外，如图所示，风场105可包括一个或多个自动电压调节器（例如，抽头变换器171），其结合变压器145、145、147中的各个和/或一个或多个电抗器功率装置173布置。例如，电抗器功率装置173可包括以下任一项：电容器组175、电抗器组177和/或静态同步补偿器（STATCOM）179。
现在参照图9-10，各图提供成进一步描述本公开的系统和方法。例如，图9示出了根据本公开的场级控制方案的一个实施例的示意图；且图10示出了根据本公开的集群级控制方案的一个实施例的示意图，其解决了与图9中所示的涡轮级伏特VAR回路相关联的问题。更确切地，如图10中所示，无功功率控制是在集群级上实施的。因而，本公开的控制方案消除了与调节相同端电压的集群137中的风力涡轮100相关联的问题。相反，集群级控制器176从场级控制器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。
更确切地，如图所示，场级控制方案包括较快的内电压幅值回路155和较慢的外无功功率回路153。此外，如图所示，场级控制器107在电压控制与无功功率控制器之间经由开关164交替。对于电压控制，场级控制器107接收电压设置点156，且经由转换速率限制器158来限制设置点。对于无功功率控制，场级控制器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，来自电网）来调节无功功率，例如，在场分站变压器145、146或147的初级侧（即，高压）和/或场分站变压器145、146或147的次级（即，中压）处。场级控制器107然后经由限制器166限制进入较快的内电压幅值回路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以确定用于风场100的无功功率命令（即，QFARMCMD 172）。因此，如174处所示，场级控制器107然后将净无功功率命令（QCMD）分配至集群级控制器176中的各个。
现在参照图10，在集群级下，集群控制器176配置成从场级控制器107接收无功功率命令（即，QCMD）。此外，如图所示，集群级控制器176还可接收无功功率反馈信号（例如，QFBK），且将无功功率误差178确定为用于各个集群137的无功功率命令QCMD和无功功率反馈信号QFBK的函数。此外，集群级控制器176还基于无功功率误差178生成用于电功率子系统102的各个集群137的集群级无功功率命令190。更确切地，在某些实施例中，集群级控制器176可包括配置成基于无功功率误差178生成第一输出182的无功功率（VAR）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个其它适合的控制器。
在进一步的实施例中，如图所示，集群级控制器176可各自包括限制器183，该限制器配置成例如基于最大电压条件和最小电压条件来限制来自VAR调节器180的第一输出182，以获得电压值184。因而，集群级控制器176也可从关联的集群变压器145、146、147的次级绕组或公共联接点（在图中指定为POI）接收电压反馈信号VFBK，并将电压误差185确定为电压值184和电压反馈VFBK的函数。另外，各个集群级控制器176可包括电压调节器186，该电压调节器配置成基于电压误差185生成第二输出187。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个其它适合的控制器。
另外，如图所示，集群级控制器176可各自包括限制器188，该限制器配置成例如基于最大电流条件和最小电流条件限制来自电压调节器186的第二输出187，以获得集群级无功功率命令190。因此，如192处所示，集群级控制器176基于集群级无功电流命令190将子系统级无功功率命令194分配至风力涡轮100的涡轮级控制器136。
现在参照图11，示出了根据本公开的优化风场（例如，诸如图7中所示的风场105）的无功功率生成的方法200的一个实施例的流程图。如202处所示，方法200包括经由集群级控制器176基于场级无功功率命令QCMD生成用于风力涡轮100的各个集群137的集群级无功功率命令190。如204处所示，方法200包括经由集群级控制器176基于集群级无功功率命令190来确定用于风力涡轮100中的各个的涡轮机级无功功率命令194。如206处所示，方法200包括经由多个涡轮控制器136评估风力涡轮100中的各个内的多个无功功率源的无功功率能力。例如，如图12中所示，涡轮控制器136配置成评估多个无功功率源196的可用性。如图所示，这种无功功率源196可包括涡轮生成器197（例如，诸如生成器116）、转换器198（例如，诸如功率转换器122）或模块化VAR限值199，以及安装在多个集群137中的一个或多个集群内的一个或多个外部无功功率源。例如，如所提及的，外部无功功率源可包括电容器组175、电抗器组177和/或STATCOM 179。
另外，涡轮控制器136可通过基于一个或多个涡轮操作参数确定用于无功功率源196的可用千瓦（kW）和VAR来评估风力涡轮100中的各个内的内部无功功率源196的无功功率能力。在此实施例中，涡轮操作参数可包括例如温度、有功功率、无功功率、电压、电流、相角、速度或任何其它操作参数。因此，如图12中所示，涡轮控制器136还可包括选择器195，选择器配置成选择能够生成无功功率的无功功率源196。
在此实施例中，涡轮控制器136可基于一个或多个加权因子来确定用于风力涡轮100中的各个内的各个无功功率源196的优先级比。如本文所使用的，优先级比指示某个无功功率源在另一无功功率源基于可用性需要开始生成无功功率之前可生成的无功功率量。本文所述的加权因子可包括例如无功功率源196的能力、损耗比或无功功率源196的一个或多个操作条件。因此，选择器195可基于其相应的优先级比在各种无功功率源196之间进行选择。
再次参照图11，如208处所示，方法200包括，经由涡轮控制器136中的各个，基于评估，通过将涡轮级无功功率命令的一部分分配至多个无功功率源中的各个，生成用于风力涡轮100中的各个的实际无功功率。
本书面描述使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括并非不同于权利要求书的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它示例在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于优化电功率系统的无功功率生成的方法，所述电功率系统具有多个集群的电功率子系统，电功率子系统的各个集群经由单独的集群变压器连接到电网，所述电功率子系统中的各个具有电联接到生成器的功率转换器，所述方法包括：
经由多个集群级控制器，基于系统级无功功率命令生成用于电功率子系统的各个集群的集群级无功功率命令；
经由所述集群级控制器，基于所述集群级无功功率命令来确定用于所述电功率子系统中的各个的子系统级无功功率命令；
经由多个子系统级控制器评估所述电功率子系统中的各个内的多个无功功率源的无功功率能力；以及，
经由所述子系统级控制器中的各个，基于所述评估，通过将所述子系统级无功功率命令的一部分分配至所述多个无功功率源中的各个，生成用于所述电功率子系统中的各个的实际无功功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，经由所述多个子系统级控制器评估所述电功率子系统中的各个内的所述多个无功功率源的无功功率能力还包括：
基于一个或多个子系统操作参数，确定用于所述多个无功功率源的可用千瓦（kW）和VAR。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述一个或多个子系统操作参数包括温度、有功功率、无功功率、电压、电流、相角或速度中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：经由所述子系统级控制器，基于一个或多个加权因子，确定用于所述多个电功率子系统中的各个内的所述多个无功功率源中的各个的优先级比，所述优先级比表示某个无功功率源在另一个无功功率源将开始生成无功功率之前将生成的无功功率量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述一个或多个加权因子包括以下中的至少一个：所述无功功率源的能力，损耗比，或所述无功功率源的一个或多个操作条件。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无功功率源包括所述生成器、所述功率转换器或安装在所述多个集群中的一个或多个内的一个或多个外部无功功率源中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电功率子系统中的各个的生成器包括双馈感应生成器（DFIG）。
8.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。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电功率子系统中的各个限定用于向所述电网提供功率的定子功率路径和转换器功率路径，所述转换器功率路径包括部分功率变压器。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述部分功率变压器包括双绕组变压器或三绕组变压器中的至少一个。
11.一种连接到电网的电功率系统，包括：
系统级控制器；
多个集群的电功率子系统，所述电功率子系统中的各个包括功率转换器，所述功率转换器电联接到具有生成器转子和生成器定子的生成器，所述电功率子系统中的各个限定用于向所述电网提供功率的定子功率路径和转换器功率路径，所述转换器功率路径包括部分功率变压器；
集群变压器，其将电功率子系统的各个集群连接到所述电网；
与所述系统级控制器通信地联接的多个集群级控制器，电功率子系统的集群中的各个与所述集群级控制器中的一个通信地联接，所述集群级控制器中的各个配置成执行一个或多个操作，包括：
基于系统级无功功率命令生成用于电功率子系统的各个集群的集群级无功功率命令；以及，
基于所述集群级无功功率命令确定用于所述电功率子系统中的各个的子系统级无功功率命令；以及，
与所述集群级控制器中的各个通信地联接的多个子系统级控制器，所述子系统级控制器中的各个配置成执行一个或多个操作，包括：
评估所述电功率子系统中的各个内的多个无功功率源的无功功率能力；以及，
基于所述评估，通过将所述子系统级无功功率命令的一部分分配至所述多个无功功率源中的各个，生成用于所述电功率子系统中的各个的实际无功功率。
12.根据权利要求11所述的电功率系统，其中，评估所述电功率子系统中的各个内的所述多个无功功率源的无功功率能力还包括：
基于一个或多个子系统操作参数，确定用于所述多个无功功率源的可用千瓦（kW）和VAR。
13.根据权利要求12所述的电功率系统，其中，所述一个或多个子系统操作参数包括温度、有功功率、无功功率、电压、电流、相角或速度中的至少一个。
14.根据权利要求11所述的电功率系统，还包括：经由所述子系统级控制器，基于一个或多个加权因子，确定用于所述多个电功率子系统中的各个内的所述多个无功功率源中的各个的优先级比，所述优先级比表示某个无功功率源在另一个无功功率源将开始生成无功功率之前将生成的无功功率量。
15.根据权利要求14所述的电功率系统，其中，所述一个或多个加权因子包括以下中的至少一个：所述无功功率源的能力，损耗比，或所述无功功率源的一个或多个操作条件。
16.根据权利要求11所述的电功率系统，其中，所述无功功率源包括所述生成器、所述功率转换器或安装在所述多个集群中的一个或多个内的一个或多个外部无功功率源中的至少一个。
17.根据权利要求11所述的电功率系统，其中，所述电功率子系统中的各个的生成器包括双馈感应生成器（DFIG）。
18.根据权利要求11所述的电功率系统，其中，所述电功率系统包括风场，以及其中所述电功率子系统包括风力涡轮功率系统。
19.根据权利要求11所述的电功率系统，其中，所述部分功率变压器包括双绕组变压器或三绕组变压器中的至少一个。
20.一种风场，包括：
各自包括多个风力涡轮的多个风力涡轮集群，所述风力涡轮中的各个具有电联接到具有生成器转子和生成器定子的生成器的功率转换器，所述风力涡轮中的各个限定用于向电网提供功率的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部分功率变压器；
将风力涡轮的各个集群连接到电网的集群变压器；
通信地联接到所述风力涡轮集群中的各个的集群级控制器，所述集群级控制器配置成执行一个或多个操作，包括：
基于系统级无功功率命令生成用于电功率子系统的各个集群的集群级无功功率命令；以及，
基于所述集群级无功功率命令确定用于所述电功率子系统中的各个的子系统级无功功率命令；以及，
与所述集群级控制器中的各个通信地联接的多个涡轮控制器，所述涡轮控制器中的各个配置成执行一个或多个操作，包括：
评估所述电功率子系统中的各个内的多个无功功率源的无功功率能力；以及，
基于所述评估，通过将所述子系统级无功功率命令的一部分分配至所述多个无功功率源中的各个，生成用于所述电功率子系统中的各个的实际无功功率。
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