CN111712634B - 用于风力涡轮功率系统中的锁相环路的功率角前馈信号 - Google Patents

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Abstract

一种用于减少功率系统的功率命令和实际功率之间的延迟的方法包括经由功率角估计器接收功率系统的功率命令。该方法还包括经由功率角估计器接收电网的一个或多个电网条件。此外，该方法包括经由功率角估计器基于功率命令和一个或多个电网条件来估计跨越功率系统的功率角信号。此外，该方法包括经由锁相环路(PLL)接收估计的功率角信号。另外，该方法包括经由PLL至少部分地基于估计的功率角信号来产生PLL相位角信号。因此，该方法进一步包括经由转换器控制器基于PLL相位角信号来控制功率系统的功率转换组件。

Description

用于风力涡轮功率系统中的锁相环路的功率角前馈信号
技术领域
本公开大体上涉及风力涡轮功率系统，并且更具体地涉及用于使用功率系统的锁相环路(PLL)中的功率角前馈信号来减少风力涡轮功率系统的功率命令和实际功率之间的延迟的系统和方法。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源中的一种，且在这点上，风力涡轮已得到越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和转子。转子典型地包括可旋转的毂，该毂具有附接到其的一个或多个转子叶片。变桨轴承典型地可操作地配置在毂和转子叶片之间，以允许围绕变桨轴线旋转。转子叶片使用已知的翼型件原理来捕获风的动能。转子叶片传输呈旋转能的形式的动能，以便转动使转子叶片联接到齿轮箱或直接联接到发电机(如果未使用齿轮箱)的轴。发电机然后将机械能转换成可部署到公用电网的电能。
发电机的功率输出随着风速增加，直到风速达到风力涡轮的额定风速。在处于或高于额定风速的情况下，发电机以额定功率操作。额定功率是如下的输出功率：在该输出功率下，发电机可在预确定为可接受的针对涡轮构件的疲劳水平的情况下操作。在高于某个速度的风速下，或者在超过典型地被称为“脱扣(trip)极限”或“监测设定点极限”的预确定量值的风湍流水平下，风力涡轮可关闭，或者可通过调节转子叶片的桨距或制动转子来减小负载，以便保护风力涡轮构件免受损坏。
当与风力涡轮发电机的恒速操作相比时，发电机的变速操作有利于增强由发电机进行的能量捕获；然而，发电机的变速操作产生具有变化的电压和/或频率的电。更具体地，由变速发电机产生的电的频率与转子的旋转速度成比例。因此，功率转换器可联接在发电机和公用电网之间。功率转换器输出具有固定的电压和频率的电，以用于在电网上输送。
风能发电并且特别是风力涡轮功率系统的无功功率控制应当在电网的稳定性和质量方面发挥积极作用。因此，风力涡轮功率系统的无功功率补偿配置成满足电气网络需求并维持无功功率储备，以便支持电网应急。取决于网络条件，这样的目标可导致无功功率优先于有功功率产生。因此，在典型的风力涡轮功率系统中，涡轮控制器从基于多种电网条件的场级控制器接收功率命令。照此，功率命令指示每个风力涡轮基于电网应当产生多少无功功率和有功功率。
在弱电网中，对功率命令的响应可能是迟缓的。缓慢的响应可能不利于需要快速改变功率以稳定功率系统的功能(例如，驱动系阻尼器、快速功率降低功能等)。
因此，本公开涉及用于使用功率系统的锁相环路(PLL)中的功率角前馈信号来减少风力涡轮功率系统的功率命令和实际功率之间的延迟的系统和方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而为显然的，或可通过实践本发明而了解。
在一个方面，本公开涉及一种用于减少连接到电网的功率系统的功率命令和实际功率之间的延迟的方法。该方法包括经由功率角估计器接收功率系统的功率命令。该方法还包括经由功率角估计器接收电网的一个或多个电网条件。此外，该方法包括经由功率角估计器基于功率命令和/或一个或多个电网条件来估计跨越功率系统的功率角信号。该方法进一步包括经由锁相环路(PLL)接收估计的功率角信号。此外，该方法包括经由PLL至少部分地基于估计的功率角信号来产生PLL相位角信号。因此，该方法进一步包括经由转换器控制器基于PLL相位角信号来控制功率系统的功率转换组件。
在一个实施例中，该方法包括经由PLL接收功率角信号来作为前馈信号。
在另一个实施例中，估计跨越功率系统的功率角信号的步骤可包括计算作为传输的功率和在功率系统的端部处或端部附近的两个电力总线之间的电抗的函数的功率角信号。更具体地，在一个实施例中，估计跨越功率系统的功率角信号的步骤可包括计算作为传输的功率、功率系统的两个端部处的电压量值以及功率系统的端部处或端部附近的两个电力总线之间的电抗的函数的功率角信号。
例如，在某些实施例中，计算作为传输的功率、功率系统的两个端部处的电压量值以及功率系统的端部处或端部附近的两个电力总线之间的电抗的函数的功率角信号的步骤可包括：将功率系统的两个端部处的电压量值相乘以获得第一相乘值；将功率系统的端部处或端部附近的两个电力总线之间的电抗除以第一相乘值以获得乘数；将传输的功率乘以乘数以获得第二相乘值；以及将非线性函数应用于第二相乘值。在特定实施例中，非线性函数可包括例如多项式、正弦、余弦或反正弦。
在另外的实施例中，至少部分地基于估计的功率角信号来产生PLL相位角信号的步骤可包括：接收终端电网电压反馈信号；基于终端电网电压反馈信号来确定PLL误差信号；响应于PLL误差信号，经由PLL调节器确定PLL的频率信号；经由PLL的积分器对频率信号进行积分以获得输出信号；以及基于输出信号和功率角信号来产生PLL相位角信号。例如，在一个实施例中，基于输出信号和功率角信号来产生PLL相位角信号的步骤可包括将输出信号和功率角信号相加。
在又一个实施例中，功率系统可为风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储系统和/或它们的组合。
在另一个方面，本公开涉及一种连接到电网的电功率系统。电功率系统包括发电机、联接到发电机的功率转换组件、功率角估计器、锁相环路(PLL)和转换器控制器。功率转换组件配置成接收由发电机产生的功率并将接收的功率转换成适合于传输到电网的功率。功率角估计器配置成基于接收的功率命令和/或一个或多个电网条件来估计跨越电功率系统的功率角信号。PLL配置成至少部分地基于估计的功率角信号来产生PLL相位角信号。因此，转换器控制器基于PLL相位角信号来控制功率转换组件。应当理解，电功率系统可进一步包括如本文中所描述的额外的特征中的任一个。
在又一个方面，本公开涉及一种连接到电网的风力涡轮。风力涡轮包括塔架、安装在塔架顶上的机舱、具有可旋转毂和安装到毂的至少一个转子叶片的转子以及功率产生和输送系统。功率产生和输送系统包括连接到电网的发电机、联接到发电机的功率转换组件、功率角估计器、锁相环路(PLL)和转换器控制器。功率转换组件配置成接收由发电机产生的功率并将接收的功率转换成适合于传输到电网的功率。功率角估计器配置成基于接收的功率命令和/或一个或多个电网条件来估计跨越风力涡轮的功率角信号。PLL配置成至少部分地基于估计的功率角信号来产生PLL相位角信号。因此，转换器控制器基于PLL相位角信号来控制功率转换组件。应当理解，风力涡轮可进一步包括如本文中所描述的额外的特征中的任一个。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成其部分的附图图示了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1图示了根据本公开的风力涡轮的部分的一个实施例的透视图；
图2图示了根据本公开的风力涡轮的机舱的一个实施例的内部透视图；
图3图示了根据本公开的风力涡轮的多种电气构件的一个实施例的框图；
图4图示了根据本公开的风电场的一个实施例的示意图；
图5图示了可包括图1中所示出的风力涡轮的功率产生和输送系统的一个实施例的框图；
图6图示了可被包括在图4中所示出的功率产生和输送系统内的功率限制器系统的一个实施例的框图；
图7图示了可被包括在图4中所示出的功率产生和输送系统内的锁相环路(PLL)的一个实施例的示意图；以及
图8图示了根据本公开的用于减少风力涡轮的功率命令和实际功率之间的延迟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，其一个或多个示例在附图中图示。每个示例通过本发明的解释而非本发明的限制的方式来提供。实际上，对于本领域技术人员来说将为明显的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出多种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分而图示或描述的特征可与另一个实施例一起使用以产生再一个另外的实施例。因此，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
大体上，本公开涉及用于使用锁相环路(PLL)前馈信号来减少风力涡轮功率系统的功率命令和实际功率之间的延迟的系统和方法。在弱电网中，对功率命令的响应是迟缓的，这不利于需要快速改变功率以稳定功率系统的功能，例如驱动系阻尼器和快速功率降低功能。照此，PLL前馈信号对减少功率命令和实际功率之间的延迟是有用的。
更具体地，在AC传输系统中，功率传送与跨越系统的功率角相关。通过估计功率角来作为对锁相环路的前馈贡献，PLL前馈信号为功率系统的功率转换器中的矢量控制功能建立参考框架。照此，本公开的系统和方法使得参考框架根据实施功率命令所需的估计角度改变而移动，由此减少PLL闭合环路经由其误差路径进行调节的需要。
现在参考附图，图1图示了根据本公开的风力涡轮功率系统10(在本文中也被简称为风力涡轮10)的一个实施例的透视图。如所示出的，本文中所描述的风力涡轮10包括水平轴线配置，然而，在一些实施例中，除了水平轴线配置之外或作为其备选方案，风力涡轮10可包括竖直轴线配置(未示出)。风力涡轮10可联接到电负载(图1中未示出)，诸如但不限于电网，以用于从电负载接收电功率以驱动风力涡轮10和/或其相关联的构件的操作和/或用于向电负载供应由风力涡轮10产生的电功率。
风力涡轮10可包括机舱12和转子(大体上由14表示)，转子联接到机舱12以用于相对于机舱12围绕旋转轴线20旋转。在一个实施例中，机舱12安装在塔架16上，然而，在一些实施例中，除了塔架安装式机舱12之外或作为其备选方案，机舱12可邻近地面和/或水表面而定位。转子14包括毂22和从毂22径向地向外延伸的多个转子叶片24，以用于将风能转换成旋转能。尽管转子14在本文中被描述并图示为具有三个转子叶片24，但是转子14可具有任何数量的转子叶片24。此外，转子叶片24可各自具有允许风力涡轮10如本文中所描述的那样起作用的任何长度。
现在参考图2，风力涡轮10还包括发电机26，其联接到转子14以用于从由转子14产生的旋转能产生电功率。发电机26可为任何合适类型的发电机，诸如但不限于绕线转子感应发电机、双馈感应发电机(DFIG，也被称为双馈异步发电机)、永磁体(PM)同步发电机、电励磁同步发电机和开关磁阻发电机。发电机26包括定子(未示出)和转子(未示出)，在它们之间包括空气间隙。转子14包括转子轴28，转子轴28联接到转子毂22，以用于与其一起旋转。此外，发电机26联接到转子轴28，使得转子轴28的旋转驱动发电机转子的旋转和因此发电机26的操作。在一个实施例中，发电机转子具有联接到其并联接到转子轴28的发电机轴30，使得转子轴28的旋转驱动发电机转子的旋转。在其它实施例中，发电机转子直接联接到转子轴28，有时被称为“直接驱动式风力涡轮”。在一个实施例中，发电机轴30通过齿轮箱32联接到转子轴28，然而在其它实施例中，发电机轴30直接联接到转子轴28。
转子14的扭矩驱动发电机转子，以由此从转子14的旋转产生可变频率AC电功率。发电机26在发电机转子和定子之间具有与转子14的扭矩相反的空气间隙扭矩。功率转换组件34联接到发电机26，以用于将可变频率AC转换成固定频率AC，以用于输送到联接到发电机26的电负载(图2中未示出)，诸如但不限于电网(图2中未示出)。功率转换组件34可包括单个频率转换器或多个频率转换器，其配置成将由发电机26产生的电转换成适合于通过电网输送的电。功率转换组件34在本文中也可被称为功率转换器。功率转换组件34可位于风力涡轮10内或远离风力涡轮10的任何地方。例如，功率转换组件34可位于塔架16的基座(未示出)内。
在某些实施例中，风力涡轮10可包括转子速度限制器，例如但不限于盘式制动器36。盘式制动器36制动转子14的旋转，以例如减缓转子14的旋转，制动转子14抵抗全部风力扭矩，和/或减少来自发电机26的电功率的产生。此外，在一些实施例中，风力涡轮10可包括偏航系统38，其用于使机舱12围绕旋转轴线40旋转以用于改变转子14的偏航，并且更具体地用于改变由转子14面对的方向，以例如调节由转子14面对的方向与风向之间的角度。
在一个实施例中，风力涡轮10包括可变叶片变桨系统42，其用于控制(包括但不限于改变)叶片24(图1至图2中示出)相对于风向的桨距角。变桨系统42可联接到控制器44，以用于由控制器44进行控制。变桨系统42联接到毂22和转子叶片24，以用于通过相对于毂22旋转转子叶片24来改变叶片24的桨距角。变桨致动器可包括任何合适的结构、配置、布置、装置和/或构件，无论是否在本文中描述和/或示出，诸如但不限于电动马达、液压缸、弹簧和/或伺服机构。此外，变桨致动器可通过任何合适的手段(无论是否在本文中描述和/或示出，诸如但不限于液压流体、电功率、电化学功率和/或机械功率(诸如但不限于弹簧力))驱动。
现在参考图3，图示了根据本公开的风力涡轮10的多种电气构件的一个实施例的框图。如所示出的，风力涡轮10包括一个或多个控制器44，其联接到风力涡轮10的至少一个构件，以用于大体上控制风力涡轮10的操作和/或控制风力涡轮10的构件的操作，而不管这样的构件是否在本文中描述和/或示出。例如，在一个实施例中，控制器44联接到变桨系统42，以用于大体上控制转子14。另外，控制器44可安装在机舱12内(如图2中所示出的)，然而，另外或备选地，一个或多个控制器44可远离机舱12和/或风力涡轮10的其它构件。(一个或多个)控制器44可用于总体系统监测和控制，包括但不限于桨距和速度调节、高速轴和偏航制动应用、偏航和泵马达应用和/或故障监测。在一些实施例中，可使用备选的分布式或集中式控制架构。
在一个实施例中，风力涡轮10包括多个传感器，例如，如图1、图2和图4中所示出的传感器50、52、54、56、58。照此，传感器50、52、54、56、58配置成测量多种参数，包括但不限于操作条件和大气条件。例如，如所示出的，风力涡轮10包括风传感器56，诸如风速计或任何其它合适的设备，其配置成用于测量风速或任何其它风参数。风参数包括关于下者中的至少一个或下者的组合的信息：阵风、风速、风向、风加速度、风湍流、风切变、风顺转、尾流、SCADA信息或类似信息。此外，风力涡轮10还可包括一个或多个额外的传感器，其用于监测风力涡轮10的额外的操作参数。此外，每个传感器50、52、54、56、58可为单独的传感器或者可包括多个传感器。传感器50、52、54、56、58可为具有在风力涡轮10内或远离风力涡轮10的任何合适的位置的任何合适的传感器，其允许风力涡轮10如本文中所描述的那样起作用。在一些实施例中，传感器50、52、54、56、58联接到本文中所描述的控制器44、94、156中的一个，以用于将测量值传输到控制器44、94、156以用于对测量值进行处理。
仍然参考图3，控制器44可包括总线62或其它通信设备以传送信息。此外，一个或多个处理器64可联接到总线62以处理信息，包括来自传感器50、52、54、56、58和/或(一个或多个)其它传感器的信息。(一个或多个)处理器64可包括至少一个计算机。如本文中所使用的，用语计算机不限于在本领域中被称为计算机的集成电路，而是广义地指代处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路，并且这些用语在本文中可互换地使用。
控制器44还可包括一个或多个随机存取存储器(RAM) 66和/或(一个或多个)其它存储设备68。因此，如所示出的，(一个或多个)RAM 66和(一个或多个)存储设备68可联接到总线62，以存储和传送将由(一个或多个)处理器64执行的信息和指令。(一个或多个)RAM66(和/或(一个或多个)存储设备68，如果包括的话)还可用于在由(一个或多个)处理器64执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。控制器44还可包括一个或多个只读存储器(ROM) 70和/或其它静态存储设备，其联接到总线62以存储静态(即，不改变的)信息和指令并将静态信息和指令提供给(一个或多个)处理器64。(一个或多个)处理器64处理从多个电气设备和电子设备传输的信息，这些设备可包括但不限于速度和功率换能器。执行的指令包括但不限于驻留转换和/或比较器算法。指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何具体组合。
控制器44还可包括或者可联接到(一个或多个)输入/输出设备72。(一个或多个)输入/输出设备72可包括本领域中已知的任何设备，以将输入数据提供给控制器44和/或提供输出，诸如但不限于偏航控制和/或变桨控制输出。指令可经由远程连接从存储设备68提供给RAM 66，存储设备68包括例如磁盘、只读存储器(ROM)集成电路、CD-ROM和/或DVD，远程连接为有线或无线的，从而提供对一个或多个可电子访问介质的访问。在一些实施例中，硬连线电路可代替软件指令或者与软件指令组合来使用。因此，指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何具体组合，无论是否在本文中描述和/或示出。并且，在一个实施例中，(一个或多个)输入/输出设备72可包括但不限于与操作者接口相关联的计算机外围设备，诸如鼠标和键盘(均未在图3中示出)。备选地，也可使用其它计算机外围设备，其可包括例如扫描仪(图3中未示出)。此外，在一个实施例中，额外的输出通道可包括例如操作者接口监视器(图3中未示出)。控制器44还可包括传感器接口74，其允许控制器44与传感器50、52、54、56、58和/或(一个或多个)其它传感器通信。传感器接口74可包括一个或多个模数转换器，其将模拟信号转换成可由(一个或多个)处理器64使用的数字信号。
在另一个实施例中，风力涡轮10还包括锁相环路(PLL) 80。例如，如所示出的，PLL80联接到传感器54。在一个实施例中，如所示出的，传感器54是电压换能器，其配置成测量由频率转换器34输出的终端电网电压。备选地，PLL 80配置成从多个电压换能器接收多个电压测量信号。在三相发电机的示例中，三个电压换能器中的每个电联接到电网总线的三相中的每一相。PLL 80可配置成从任何数量的电压换能器接收任何数量的电压测量信号，这些电压换能器允许PLL 80如本文中所描述的那样起作用。
现在参考图4，图示了本文中所描述的风力涡轮10，其可为风电场90的部分，风电场90根据本公开的系统和方法来控制。如所示出的，风电场90可包括多个风力涡轮92(包括上文所描述的风力涡轮10)和场级控制器94。例如，如在所图示的实施例中示出的，风电场90包括十二个风力涡轮，包括风力涡轮10。然而，在其它实施例中，风电场90可包括任何其它数量的风力涡轮，诸如少于十二个风力涡轮或多于十二个风力涡轮。在一个实施例中，风力涡轮10的控制器44可通过有线连接通信地联接到场级控制器94(诸如通过将控制器44通过合适的通信链路96或网络(例如，合适的线缆)连接)。备选地，控制器44可通过无线连接通信地联接到场级控制器94(诸如通过使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议)。另外，场级控制器94可大体上配置成类似于用于风电场90内的单独的风力涡轮92中的每个的控制器44。
现在参考图5，图示了风力涡轮10的功率产生和输送系统150的一个实施例的框图。如所示出的，功率产生和输送系统150包括能量源，例如发电机26。尽管在本文中描述为风力涡轮发电机26，但是能量源可包括允许系统150如本文中所描述的那样起作用的任何类型的发电机。系统150还包括功率转换器，诸如功率转换器34。因此，如所示出的，功率转换器34接收由发电机26产生的可变频率电功率132，并将电功率132转换成适合于通过电功率传输和分配电网136(在本文中被称为公用电网136)传输的电功率134(在本文中被称为终端功率134)。终端电压(Vt) 138被限定在功率转换器34和公用电网136之间的节点处。负载140在限定Thevenin电压的位置处联接到公用电网136。如上文所描述的，当与风力涡轮10的恒速操作相比时，风力涡轮10的变速操作有利于增强能量的捕获，然而，风力涡轮10的变速操作产生具有变化的电压和/或频率的电功率132。更具体地，由变速发电机26产生的电功率132的频率与转子14(图1中示出)的旋转速度成比例。在一个实施例中，功率转换器34输出具有基本上固定的电压和频率的终端功率134，以用于在公用电网136上输送。
功率转换器34还控制发电机26的空气间隙扭矩。空气间隙扭矩存在于发电机转子(图3中未示出)和发电机定子(图3中未示出)之间，并且与由转子14施加到发电机26的扭矩相反。由转子叶片24和风的相互作用产生的在转子14上的扭矩与空气间隙扭矩之间的平衡有利于风力涡轮10的稳定操作。风力涡轮调节(例如，叶片桨距调节)或电网事件(例如，公用电网136上的低电压瞬变或零电压瞬变)可引起由风引起的在转子14上的扭矩和空气间隙扭矩之间的不平衡。功率转换器34控制空气间隙扭矩，这有利于控制发电机26的功率输出，然而，由于在检测到电网事件之后对风力涡轮操作的调节生效所需的时间段，风力涡轮10可能不能够通过某些电网事件操作，或者可能由于某些电网事件而承受磨损和/或损坏。
仍然参考图5，系统150可包括电网相关的功率限制器系统152。在这样的实施例中，控制器(例如但不限于控制器44(图3中示出))可被编程为执行电网相关的功率限制器系统152的功能。然而，在备选实施例中，电网相关的功率限制器系统152的功能可由配置成允许系统150如本文中所描述的那样起作用的任何电路执行。功率限制器系统152配置成识别电网应急事件的发生，并向功率转换器34提供有利于提供从电网事件进行的稳定恢复的信号。
功率转换组件34配置成从转换器接口控制器156接收控制信号154。控制信号154基于如本文中所描述的风力涡轮10的感测到的操作条件或操作特性，并用于控制功率转换组件34的操作。测量的操作条件的示例可包括但不限于终端电网电压、PLL误差、定子总线电压、转子总线电压和/或电流。例如，传感器54测量终端电网电压138，并将终端电网电压反馈信号160传输到功率限制器系统152。功率限制器系统152至少部分地基于反馈信号160来产生功率命令信号162，并将功率命令信号162传输到转换器接口控制器156。在备选实施例中，转换器接口控制器156被包括在系统控制器44内。来自其它传感器的其它操作条件反馈也可由控制器44和/或转换器接口控制器156使用来控制功率转换组件34。
如所提到的，本文中所描述的系统和方法有利于减少诸如风力涡轮10的风力涡轮功率系统的功率命令和实际功率之间的延迟。因此，如图6中所示出的，图示了根据本公开的风力涡轮10的功率限制器系统152的一个实施例的框图。如所示出的，功率限制器系统152配置成输出功率命令信号162(图5中示出)，在一个实施例中，功率命令信号162是有功电流命令信号166和无功电流命令信号168中的至少一个。另外，如所示出的，功率限制器系统152包括功率限制器180、功率调节器182和电压调节器184。在一个实例中，功率限制器180接收系统150的至少一个测量的操作条件。(一个或多个)测量的操作条件可包括但不限于来自PLL 80的PLL误差信号190(例如，PLLERR)和来自传感器54的终端电网电压反馈信号160(例如，VT_FBK)。
功率限制器180还从例如控制器44(图3)接收存储的参考功率控制信号194(例如，PREF)。在一些实施例中，功率限制器180接收功率限制控制信号224和参考功率控制信号194，并产生对应于功率限制控制信号224和参考功率控制信号194中的较小者的功率命令信号198。因此，如所示出的，功率限制器180产生功率命令信号198(例如，PCMD)并将功率命令信号198传输到功率调节器182。功率调节器182然后产生有功电流命令信号166，并将信号166传输到转换器接口控制器156。有功电流命令信号166指示转换器接口控制器156修改功率转换组件34试图将其注入到公用电网136上的电流的有功分量。
仍然参考图6，电压调节器184产生无功电流命令信号168(例如，IY_CMD)并将命令信号168发送到转换器接口控制器156。电流命令信号168指示转换器接口控制器156修改注入到公用电网136上的电流的无功分量。如所示出的，转换器接口控制器156在本文中也可被称为转换器触发(firing)控制。如上文所描述的，PLL 80可被包括在控制器44内，或者可联接到控制器44但与控制器44分开。
PLL 80还接收终端电压反馈信号160。例如，PLL 80可接收由传感器54(图3中示出)提供的终端电压反馈信号160(图3中示出为Vt)。另外，如所示出的，PLL 80接收PLL前馈信号192(例如，PLL_FF)，下文参考图7更详细地描述该信号。如上文所描述的，PLL 80还产生PLL误差信号190(例如，PLLERR)和PLL相位角信号202(例如，TH_PLL)。PLL相位角信号202传输到转换器接口控制器156，以用于控制功率转换组件34且用于随后控制注入到公用电网136(图5中示出)上的电流。
更具体地，如图7中所示出的，图示了PLL 80的详细示意图。如所示出的，PLL 80可大体上包括解调器204，其接收终端电压反馈信号160。照此，解调器204配置成提取原始终端电压反馈载波(即电压反馈信号160)和PLL角之间的相位误差。解调器204产生经由PLL调节器206调节的PLL误差信号190。PLL调节器206然后响应于PLL误差信号190而确定PLL 80的频率信号208(即PLL_W)。频率信号208然后可经由PLL 80的积分器210积分。积分器210的输出信号212然后被发送到功能块214。
仍然参考图7，PLL前馈信号192(其在本文中也可被称为功率角信号)可经由功率角估计器216估计。如本文中所使用的，用语“前馈”包含其最广义的解释，其大体上描述控制系统内的元件或路径，该元件或路径将控制信号从其外部环境中的源传递到其外部环境中其它地方的负载。因此，如所示出的，功率角信号192是在PLL 80外部估计的，并且然后输入到PLL 80中。因此，功率角估计器216配置成基于接收的功率命令PCMD 198和/或一个或多个外部电网条件218来估计或计算跨越电功率系统(例如，风力涡轮10)的功率角。例如，在一个实施例中，功率角(PA)可使用下面的等式(1)(其假设功率系统的电压保持恒定并且该角低于约30度)来估计：
PA = P*X                                                    等式(1)
其中P是传输的功率，
X是在功率系统的端部处或端部附近的两个电力总线之间的电抗，并且
PA是功率系统的两个端部之间的角(在本文中也被称为“功率角”)。在这样的实施例中，外部电网条件218用于改善估计的功率角。例如，通过使用外部电网条件218，功率角估计器216可基于例如外部传输线路上的系统断路器的状态来提供对电抗X的更准确的估计。
在备选实施例中，功率角(PA)可使用非线性函数来估计。例如，在一个实施例中，非线性函数可包括多项式或三角函数，诸如但不限于正弦、余弦或反正弦。因此，在特定实施例中，功率角(PA)可使用下面的等式(2)来估计：
PA = arcsin [P*X/(V1*V2)]                                等式(2)
其中P是传输的功率，
V1和V2是在功率系统的两个端部处的电压量值，
X是在功率系统的端部处或端部附近的两个电力总线之间的电抗，并且
PA是功率系统的两个端部之间的角(在本文中也被称为“功率角”)。在这样的实施例中，外部电网条件218可用于改善估计的功率角。例如，通过使用外部电网条件218，功率角估计器216可提供对电压量值V2和V1的更准确的估计。
在功能块214处，PLL 80配置成基于估计的前馈功率角信号192和积分器210的输出信号来产生PLL相位角信号202。更具体地，如所示出的，PLL 80通过将估计的前馈功率角信号192和积分器210的输出信号212求和来产生PLL相位角信号202。因此，如图6中所示出的，转换器控制器156基于PLL相位角信号来控制功率转换组件34。
现在参考图8，图示了用于减少风力涡轮10的功率命令198和实际功率之间的延迟的方法100的一个实施例的流程图。如在102处示出的，方法100包括经由功率角估计器216接收风力涡轮功率系统10的功率命令198。如在104处示出的，方法100包括经由功率角估计器接收电网的一个或多个电网条件。例如，电网条件可包括但不限于可有助于估计在功率系统的端部处或端部附近的两个电力总线之间的电抗X的信息，诸如断路器状态或备选地电网的本质的先验知识。例如，对于给定的项目，电网的电抗可为已知的，在这种情况下，参数X可根据该先验知识来设定。这样的信息的另一个示例可包括知道电网系统是否可具有一条重要的传输线路，如果停止工作，则该传输线路将使有效电抗发生显著改变。在这样的情况下，有效电抗将在知道电网在该重要线路工作和不工作时的特性的情况下先验地计算。然后，在操作期间，取决于在该线路上的断路器的状态，在功率角估计中对电抗X的选择将在X的两个预先计算的值之间切换。如在106处示出的，方法100包括经由功率角估计器216基于功率命令和/或(一个或多个)电网条件来估计跨越功率系统的功率角信号192。如在108处示出的，方法100包括经由PLL 80接收估计的功率角信号192来作为前馈信号。如在110处示出的，方法100包括经由PLL 80至少部分地基于估计的功率角信号192来产生PLL相位角信号202。如在112处示出的，方法100包括经由转换器控制器156基于PLL相位角信号202来控制功率转换组件34。
因此，本公开的前馈功能在实际功率和功率命令之间提供了较小的滞后(特别是在以高功率操作的弱电网中)。本公开的前馈功能的益处可取决于估计的功率角与AC传输系统的实际特性有多接近。如所提到的，上文的等式(2)指示导出本文中所描述的功率角所需的示例操作参数。
尽管本发明的多种实施例的具体特征可在一些附图中示出，而在其它附图中没有示出，但这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制作和使用任何设备或系统，以及执行任何结合的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于减少连接到电网的功率系统的功率命令和实际功率之间的延迟的方法，所述方法包括：
经由功率角估计器接收所述功率系统的功率命令；
经由所述功率角估计器接收所述电网的一个或多个电网条件；
经由所述功率角估计器基于所述功率命令和所述一个或多个电网条件来估计跨越所述功率系统的功率角信号；
经由锁相环路(PLL)接收估计的所述功率角信号；
经由所述PLL至少部分地基于估计的所述功率角信号来产生PLL相位角信号；以及
经由转换器控制器基于所述PLL相位角信号来控制所述功率系统的功率转换组件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括经由所述PLL接收所述功率角信号来作为前馈信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，估计跨越所述功率系统的所述功率角信号进一步包括：
计算作为传输的功率和在所述功率系统的端部处或端部附近的两个电力总线之间的电抗的函数的所述功率角信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，估计跨越所述功率系统的所述功率角信号进一步包括：
计算作为所述传输的功率、所述功率系统的两个端部处的电压量值以及所述功率系统的端部处或端部附近的两个电力总线之间的所述电抗的函数的所述功率角信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括计算作为所述传输的功率、所述功率系统的所述两个端部处的所述电压量值以及所述功率系统的端部处或端部附近的所述两个电力总线之间的所述电抗的非线性函数的所述功率角信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算作为所述传输的功率、所述功率系统的所述两个端部处的所述电压量值以及所述功率系统的端部处或端部附近的所述两个电力总线之间的所述电抗的函数的所述功率角信号进一步包括：
将所述功率系统的所述两个端部处的所述电压量值相乘以获得第一相乘值；
将所述功率系统的端部处或端部附近的所述两个电力总线之间的所述电抗除以所述第一相乘值以获得乘数；
将所述传输的功率乘以所述乘数以获得第二相乘值；以及
将非线性函数应用于所述第二相乘值。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述非线性函数包括多项式、正弦、余弦或反正弦中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少部分地基于估计的所述功率角信号来产生所述PLL相位角信号进一步包括：
接收终端电网电压反馈信号；
基于所述终端电网电压反馈信号来确定PLL误差信号；
响应于所述PLL误差信号，经由PLL调节器确定所述PLL的频率信号；
经由所述PLL的积分器对所述频率信号进行积分以获得输出信号；以及
基于所述输出信号和所述功率角信号来产生所述PLL相位角信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所述输出信号和所述功率角信号来产生所述PLL相位角信号进一步包括将所述输出信号和所述功率角信号相加。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率系统包括功率系统、太阳能功率系统或能量存储系统中的至少一个。
11.一种连接到电网的电功率系统，包括：
发电机；
功率转换组件，其联接到所述发电机，所述功率转换组件配置成接收由所述发电机产生的功率并将接收的所述功率转换成适合于传输到所述电网的功率；
功率角估计器，其配置成基于接收的功率命令和所述电网的一个或多个电网条件来估计跨越所述电功率系统的功率角信号；
锁相环路(PLL)，其配置成至少部分地基于估计的所述功率角信号来产生PLL相位角信号；以及
转换器控制器，其用于基于所述PLL相位角信号来控制所述功率转换组件。
12.根据权利要求11所述的电功率系统，其特征在于，所述PLL接收所述功率角信号来作为前馈信号。
13.根据权利要求11所述的电功率系统，其特征在于，所述功率角估计器通过计算作为传输的功率、所述功率系统的两个端部处的电压量值以及所述功率系统的端部处或端部附近的两个电力总线之间的电抗中的至少一个的函数的所述功率角信号来估计跨越所述功率系统的所述功率角信号。
14.根据权利要求13所述的电功率系统，其特征在于，所述功率角估计器计算作为所述传输的功率、所述功率系统的所述两个端部处的所述电压量值以及所述功率系统的端部处或端部附近的所述两个电力总线之间的所述电抗的非线性函数的所述功率角信号。
15.根据权利要求14所述的电功率系统，其特征在于，所述非线性函数包括多项式、正弦、余弦或反正弦中的至少一个。
16.根据权利要求11所述的电功率系统，其特征在于，所述PLL通过以下方式至少部分地基于估计的所述功率角信号来产生所述PLL相位角信号：
接收终端电网电压反馈信号；
基于所述终端电网电压反馈信号来确定PLL误差信号；
响应于所述PLL误差信号，经由所述PLL的PLL调节器确定所述PLL的频率信号；
经由所述PLL的积分器对所述频率信号进行积分以获得输出信号；以及
基于所述输出信号和所述功率角信号来产生所述PLL相位角信号。
17.根据权利要求16所述的电功率系统，其特征在于，基于所述输出信号和所述功率角信号来产生所述PLL相位角信号进一步包括将所述输出信号和所述功率角信号相加。
18.根据权利要求11所述的电功率系统，其特征在于，所述功率系统包括功率系统、太阳能功率系统或能量存储系统中的至少一个。
19.一种连接到电网的风力涡轮，包括：
塔架；
机舱，其安装在所述塔架的顶上；
转子，其包括可旋转毂和安装到所述可旋转毂的至少一个转子叶片；
功率产生和输送系统，其包括：
发电机，其连接到电网；
功率转换组件，其联接到所述发电机，所述功率转换组件配置成接收由所述发电机产生的功率并将接收的所述功率转换成适合于传输到所述电网的功率；
功率角估计器，其配置成基于接收的功率命令和一个或多个电网条件来估计跨越所述风力涡轮的功率角信号；
锁相环路(PLL)，其配置成至少部分地基于估计的所述功率角信号来产生PLL相位角信号；以及
转换器控制器，其用于基于所述PLL相位角信号来控制所述功率转换组件。
20.根据权利要求19所述的风力涡轮，其特征在于，所述PLL接收所述功率角信号来作为前馈信号。
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