CN111814293A - 用于估计电网强度的系统和方法 - Google Patents

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K.V.R.加迪拉朱
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Abstract

一种用于估计连接到具有多个可再生能量电力系统的可再生能量场的电网的电网强度的方法包括测量可再生能量场到电网的互连点处的至少电压、有功功率和无功功率。该方法还包括确定互连点处电压对有功功率或无功功率中的至少一个的灵敏度。此外，该方法包括根据互连点处电压对有功功率或无功功率中的至少一个的灵敏度，确定电网的电网强度。另外，该方法包括基于电网强度动态确定互连点处对可再生能量场的有功功率命令或无功功率命令中的至少一个。此外，该方法包括使有功功率命令或无功功率命令中的至少一个分配到多个可再生能量电力系统的单个控制器和可再生能量场的场级控制器。

Description

用于估计电网强度的系统和方法
技术领域
本公开一般涉及可再生能量场，诸如风场，并且更特别地涉及用于估计连接到可再生能量场的电网的电网强度的系统和方法。
背景技术
风能被认为是目前可用的最清洁、最环保的能源之一，并且风力涡轮机在这方面得到越来越多的关注。现代的风力涡轮机通常包括塔、发电机、齿轮箱、机舱（nacelle）和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的机翼（airfoil）原理来捕捉风的动能。例如，转子叶片通常具有机翼的横截面剖面，使得在操作期间，叶片上的气流在侧面之间产生压差。因此，从压力侧指向吸力侧的升力（lift force）作用于叶片。升力在主转子轴上生成扭矩，所述主转子轴与发电机相配合以用于产生电。
在操作期间，风影响转子叶片并且叶片将风能变换成机械旋转扭矩，其可旋转地驱动低速轴。低速轴配置成驱动齿轮箱，这随后提高低速轴的低旋转速度，从而以增加的旋转速度驱动高速轴。高速轴一般可旋转地耦合到发电机，以便可旋转地驱动发电机转子。如此，通过发电机转子可以感应旋转磁场，并且在磁耦合到发电机转子的发电机定子内可以感应电压。相关联的电力可以被传送到主变压器，所述主变压器通常经由电网断路器连接到电网。因此，主变压器提高电力的电压幅度，使得经变换的电力可以被进一步传送到电网。
在许多风力涡轮机中，发电机可以电耦合到双向功率转换器，其包括经由调节的DC链路而与线路侧转换器联接的转子侧转换器。此外，风力涡轮机电力系统可以包括多种发电机类型，其包括但不限于双馈感应发电机（DFIG）。
随着可再生能源的日益渗透，输电更新（transmission upgrade）滞后于发电增添（generation addition）导致了这一情形：其中电网能力（强度）随着容量增加的增加而恶化。从操作的角度来看，风场将连接到具有降低的短路能力的电网（较弱电网），从而导致诸如电压稳定性和意外情况下功率疏散（power evacuation）能力等挑战。在规划阶段期间通常离线评估短路比（short circuit radio）或电网强度，而真正的电网强度基于电网操作状态（加载水平、补偿子系统、线路开断（outage）等）而变化。
鉴于前述，提供用于实时估计电网强度的改进系统和方法，这也将是有利的。
发明内容
本发明的方面和优势将部分在下列描述中阐述，或可以根据该描述可以是清楚的，或可以通过本发明的实践来学习。
在一个方面，本公开针对一种用于估计连接到具有多个可再生能量电力系统的可再生能量场的电网的电网强度的方法。所述方法包括：测量所述可再生能量场到所述电网的互连点处的至少电压、有功功率和无功功率。所述方法还包括确定所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的灵敏度。此外，所述方法包括根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度。此外，所述方法包括基于所述电网强度动态确定所述互连点处对所述可再生能量场的有功功率命令或无功功率命令中的至少一个。此外，所述方法包括使所述有功功率命令或所述无功功率命令中的至少一个分配到所述多个可再生能量电力系统的单个控制器和所述可再生能量场的场级（farm-level）控制器。
在一个实施例中，所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度随着所述电网变弱而增加。此外，所述电网的所述变弱对应于所述可再生能量场的发电机的短路比减小。
在另一个实施例中，所述可再生能量场紧密地耦合到相邻可再生能量场。在这样的实施例中，所述相邻可再生能量场中的每个由于风力状况和/或电网状况变化而展现出功率扰动（perturbation in power）。如此，所述方法还包括使所述电网模型化为线性非时变（time-invariant）系统。
在另外的实施例中，根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度可包括：执行所述可再生能量场的所述电压、所述有功功率和所述无功功率中的每个的频域变换。例如，在某些实施例中，所述频域变换可包括快速傅里叶变换。
在额外的实施例中，根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度可包括：使所述有功功率对所述电压的影响与所述无功功率对所述电压的影响解耦。在若干实施例中，所述方法可以还包括计算所述有功功率相对于所述电压的导数和所述无功功率相对于所述电压的导数。
在某些实施例中，基于所述电网强度动态确定所述互连点处对所述可再生能量场的所述有功功率命令或所述无功功率命令中的至少一个可包括：根据所述有功功率相对于所述电压的所述导数和所述无功功率相对于所述电压的所述导数，动态确定所述互连点处对所述可再生能量场的所述有功功率命令和所述无功功率命令。
在又另一个实施例中，所述可再生能量场可以包括风场、太阳能场和能量存储场中的至少一个，或其组合。
在另一个方面中，本公开针对一种用于估计连接到可再生能量电力系统（诸如风力涡轮机）的电网的电网强度的方法。所述方法包括：从所述可再生能量电力系统到所述电网的互连点接收至少电压。所述方法还包括响应于所述互连点处有功功率注入或无功功率注入中的至少一个，确定电压变化。此外，所述方法包括响应于所述互连点处有功功率注入或无功功率注入中的至少一个，根据所述电压变化确定所述电网的所述电网强度。此外，所述方法包括基于所述电网强度动态确定所述互连点处对所述可再生能量电力系统的有功功率命令或无功功率命令中的至少一个。此外，所述方法包括使所述有功功率命令或所述无功功率命令中的至少一个分配到所述可再生能量电力系统的控制器。还应理解所述方法可以还包括如本文描述的额外特征和/或步骤中的任一个。
在又另一个方面中，本公开针对一种用于估计连接到具有多个风力涡轮机的风场的电网的电网强度的系统。所述系统包括：一个或多个传感器，所述一个或多个传感器通信地耦合到所述风场的互连点，以用于测量至少电压、有功功率和无功功率。此外，所述系统包括场级控制器，所述场级控制器具有至少一个处理器。（一个或多个）处理器配置成执行多个操作，所述多个操作包括但不限于：确定所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的灵敏度；根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度；以及基于所述电网强度动态确定所述互连点处对所述风场的有功功率命令或无功功率命令中的至少一个。此外，所述方法包括使所述有功功率命令或所述无功功率命令中的至少一个分配到所述多个风力涡轮机的单个控制器。还应理解所述系统可以还包括如本文描述的额外特征中的任一个。
本发明的这些和其他特征、方面和优势将参考下列描述和随附权利要求书而变得更好理解。并入在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并且与描述一起起到解释本发明的原理的作用。
本发明提供一组技术方案。
技术方案1. 一种用于估计连接到具有多个可再生能量电力系统的可再生能量场的电网的电网强度的方法，所述方法包括：
测量所述可再生能量场到所述电网的互连点处的至少电压、有功功率和无功功率；
确定所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的灵敏度；
根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度；
基于所述电网强度动态确定所述互连点处对所述可再生能量场的有功功率命令或无功功率命令中的至少一个；以及
使所述有功功率命令或所述无功功率命令中的至少一个分配到所述多个可再生能量系统的单个控制器和所述可再生能量场的场级控制器。
技术方案2. 如技术方案1所述的方法，其中所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度随着所述电网变弱而增加。
技术方案3. 如技术方案2所述的方法，其中所述电网的所述变弱对应于所述可再生能量场的发电机的短路比减小。
技术方案4. 如技术方案1所述的方法，其中所述可再生能量场紧密地耦合到相邻可再生能量场，所述相邻可再生能量场中的每个由于风力状况和/或电网状况变化而展现出功率扰动，所述方法还包括使所述电网模型化为线性非时变系统。
技术方案5. 如技术方案1所述的方法，其中根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度还包括：
执行所述可再生能量场的所述电压、所述有功功率和所述无功功率中的每个的频域变换。
技术方案6. 如技术方案5所述的方法，其中所述频域变换包括快速傅里叶变换。
技术方案7. 如技术方案6所述的方法，其中根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度还包括：
使所述有功功率对所述电压的影响与所述无功功率对所述电压的影响解耦。
技术方案8. 如技术方案7所述的方法，还包括计算所述有功功率相对于所述电压的导数和所述无功功率相对于所述电压的导数。
技术方案9. 如技术方案8所述的方法，其中基于所述电网强度动态确定所述互连点处对所述可再生能量场的所述有功功率命令或所述无功功率命令中的至少一个还包括：
根据所述有功功率相对于所述电压的所述导数和所述无功功率相对于所述电压的所述导数，动态确定所述互连点处对所述可再生能量场的所述有功功率命令和所述无功功率命令。
技术方案10. 如技术方案1所述的方法，其中所述可再生能量场包括风场、太阳能场和能量存储场中的至少一个，或其组合。
技术方案11. 一种用于估计连接到可再生能量电力系统的电网的电网强度的方法，所述方法包括：
从所述可再生能量电力系统到所述电网的互连点接收至少电压；
响应于所述互连点处有功功率注入或无功功率注入中的至少一个，确定电压变化；
响应于所述互连点处有功功率注入或无功功率注入中的至少一个，根据所述电压变化确定所述电网的所述电网强度；
基于所述电网强度动态确定所述互连点处对所述可再生能量电力系统的有功功率命令或无功功率命令中的至少一个；以及
使所述有功功率命令或所述无功功率命令中的至少一个分配到所述可再生能量电力系统的控制器。
技术方案12. 一种用于估计连接到具有多个可再生能量电力系统的风场的电网的电网强度的系统，所述系统包括：
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器通信地耦合到所述风场的互连点，以用于测量至少电压、有功功率和无功功率；
场级控制器，所述场级控制器包括至少一个处理器，所述处理器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
确定所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的灵敏度；
根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度；
基于所述电网强度动态确定所述互连点处对所述风场的有功功率命令或无功功率命令中的至少一个；以及
使所述有功功率命令或所述无功功率命令中的至少一个分配到多个风力涡轮机的单个控制器。
技术方案13. 如技术方案12所述的系统，其中所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度随着所述电网变弱而增加。
技术方案14. 如技术方案12所述的系统，其中所述电网的所述变弱对应于所述风场的发电机的短路比减小。
技术方案15. 如技术方案12所述的系统，其中所述风场紧密耦合到相邻风场，所述相邻风场中的每个由于风力状况和/或电网状况变化而展现出功率扰动，所述方法还包括将所述电网模型化为线性非时变系统。
技术方案16. 如技术方案12所述的系统，其中根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度还包括：
执行所述风场的所述电压、所述有功功率和所述无功功率中的每个的频域变换。
技术方案17. 如技术方案15所述的系统，其中所述频域变换包括快速傅里叶变换。
技术方案18. 如技术方案17所述的系统，其中根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度还包括：
使所述有功功率对所述电压的影响与所述无功功率对所述电压的影响解耦。
技术方案19. 如技术方案18所述的系统，还包括计算所述有功功率相对于所述电压的导数和所述无功功率相对于所述电压的导数。
技术方案20. 如技术方案19所述的系统，其中基于所述电网强度动态确定所述互连点处对所述风场的所述有功功率命令或所述无功功率命令中的至少一个还包括：
根据所述有功功率相对于所述电压的所述导数和所述无功功率相对于所述电压的所述导数，动态确定所述互连点处对所述风场的所述有功功率命令和所述无功功率命令。
附图说明
针对本领域内技术人员的本发明的完全和启用公开（enabling disclosure）（包括其最佳模式）在该说明书中被阐述，其对附图进行参考，其中：
图1图示了根据本公开的风力涡轮机的一个实施例的一部分的透视图；
图2图示了适合供图1中示出的风力涡轮机使用的电和控制系统的一个实施例的示意图；
图3图示了根据本公开可以包括在控制器中的合适组件的一个实施例的框图；
图4图示了根据本公开的风场的一个实施例的示意图；
图5图示了根据本公开互连点处连接到电网的多个风场的一个实施例的示意图；
图6图示了根据本公开用于估计连接到风场的电网的电网强度的方法的一个实施例的流程图；
图7图示了根据本公开可以被控制器实现以用于确定电网的电网强度的算法500的一个实施例的流程图；以及
图8图示了根据本公开对于多个风场的电压相对于有功功率和无功功率的导数与线路长度（x轴）的关系的一个实施例的曲线图。
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参考，所述实施例中的一个或多个示例在图中被图示。每个示例以说明本发明而非限制本发明的方式被提供。实际上，在本发明中可以做出各种修改和变型而不偏离本发明的范围或精神，这对于本领域内技术人员而言将是明显的。例如，被图示或描述为一个实施例的部分的特征可以与另一个实施例一起使用，以产出又另外的实施例。因此，意图是本发明涵盖这样的修改和变型，因为它们落入随附权利要求书和它们的等同物的范围内。
通常，本公开针对用于估计互连点处对有功功率或无功功率的电压灵敏度的系统和方法，该电压灵敏度指示电网强度。此外，本公开的系统和方法能够可靠地估计电压灵敏度，甚至在多个场紧密耦合的情形下也如此。现有技术的方法只在场与其他场电距离很远的情形下可靠运作，并且因此在防止紧密耦合的风场之间基于电压控制的交互方面具有有限应用。如此，本公开利用频域方法来导出对通过风场的有功功率和无功功率注入的电压灵敏度。
因此，本公开具有许多现有技术领域中未呈现的优势。例如，连接到弱电网（即，具有低短路比（SCR））的风场展现出没有能力输送它的风力涡轮机生成的有功功率和无功功率。在将功率输送到弱电网中时，POI和涡轮机端子电压可以上升超过设计的极限，并且因此不可避免地削减了有功功率、无功功率或两者，从而使电压回到极限内。有功功率的削减使风场的年发电量（AEP）减小并且因此使客户收益损失。风场的电压控制性能也受到电网强度的影响，尤其在场紧密集群在一起的情况中也如此。稳定操作可能要求风力涡轮机上的牺牲性跳闸（sacrificial trip），这可以通过估计电压灵敏度并且基于实时估计来调谐控制而避免，如本文描述的那样。
现在参考图，图1图示根据本公开的示范性风力涡轮机100的部分的透视图，该示范性风力涡轮机100配置成实现如本文描述的方法和设备。风力涡轮机100包括机舱102，其通常容置发电机（未示出）。机舱102被安装在塔104上，该塔104具有促进风力涡轮机100操作的任何适合的高度，如本文描述的那样。风力涡轮机100还包括转子106，该转子106包括附连到旋转轮毂110的三个叶片108。备选地，风力涡轮机100可以包括任意数量的叶片108，所述叶片108促进风力涡轮机100的操作，如本文描述的那样。
参考图2，图示可以与风力涡轮机100一起使用的示范性电和控制系统200的示意图。在操作期间，风影响叶片108并且叶片108将风能变换成机械旋转扭矩，所述机械旋转扭矩经由轮毂110可旋转地驱动低速轴112。低速轴112配置成驱动齿轮箱114，这随后提高低速轴112的低旋转速度，从而以增加的旋转速度驱动高速轴116。高速轴116一般可旋转地耦合到发电机118，以便可旋转地驱动发电机转子122。在一个实施例中，发电机118可以是绕线转子三相双馈感应（异步）发电机（DFIG），其包括磁耦合到发电机转子122的发电机定子120。如此，通过发电机转子122可以感应旋转磁场，并且在磁耦合到发电机转子122的发电机定子120内可以感应电压。在一个实施例中，发电机118配置成在发电机定子120中将旋转机械能转换成正弦三相交流（AC）电能信号。相关联的电力经由定子总线208、定子同步开关206、系统总线216、主变压器断路器214和发电机侧总线236可以被传送到主变压器234。主变压器234提高电力的电压幅度，使得经变换的电力可以经由断路器侧总线240、电网断路器238和电网总线242被进一步传送到电网266。
发电机定子120可以经由定子总线208电耦合到定子同步开关206。在一个实施例中，为了促进DFIG配置，发电机转子122经由转子总线212电耦合到双向功率转换组合件210或功率转换器。备选地，发电机转子122可以经由促进电和控制系统200的操作的任何其他装置电耦合到转子总线212，如本文描述的那样。在另外的实施例中，定子同步开关206可以经由系统总线216电耦合到主变压器断路器214。
功率转换组合件210可以包括转子滤波器218，所述转子滤波器218经由转子总线212电耦合到发电机转子122。转子滤波器总线219使转子滤波器218电耦合到转子侧功率转换器220。此外，转子侧功率转换器220可以经由单个直流（DC）链路244电耦合到线路侧功率转换器222。备选地，转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222可以经由单个和独立DC链路而电耦合。另外，如示出的那样，DC链路244可以包括正轨246、负轨248和耦合到其之间的至少一个电容器250。
另外，线路侧功率转换器总线223可以使线路侧功率转换器222电耦合到线路滤波器224。此外，线路总线225可以使线路滤波器224电耦合到线路接触器226。此外，线路接触器226可以经由转换断路器总线230电耦合到转换断路器228。另外，转换断路器228可以经由系统总线216和连接总线232电耦合到主变压器断路器214。主变压器断路器214可以经由发电机侧总线236电耦合到电力主变压器234。主变压器234可以经由断路器侧总线240电耦合到电网断路器238。电网断路器238可以经由电网总线242连接到电能传输和分配电网。
在操作期间，在发电机定子120处通过转子106旋转而生成的交流（AC）功率经由双路径提供给电网总线242。双路径由定子总线208和转子总线212限定。在转子总线侧212上，向功率转换组合件210提供正弦多相（例如三相）AC功率。转子侧功率转换器220将从转子总线212提供的AC功率转换成DC功率并且向DC链路244提供DC功率。在转子侧功率转换器220的桥接电路中使用的开关元件（例如IGBT）可以被调制，以将从转子总线212提供的AC功率转换成适合于DC链路244的DC功率。
线路侧转换器222将DC链路244上的DC功率转换成适合于电网总线242的AC输出功率。特别地，在线路侧功率转换器222的桥接电路中使用的开关元件（例如，IGBT）可以被调制，以将DC链路244上的DC功率转换成线路侧总线225上的AC功率。来自功率转换组合件210的AC功率可以与来自定子120的功率结合以提供多相功率（例如，三相功率），所述多相功率具有大致维持在电网总线242的频率（例如，50Hz/60Hz）的频率。应理解转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222可以具有使用促进电和控制系统200的操作的任何开关装置的任何配置，如本文描述的那样。
此外，功率转换组合件210可以与转换器控制器262和/或涡轮机控制器202电子数据通信地耦合，所述转换器控制器262和/或涡轮机控制器202配置成控制转子侧功率转换器220和线路侧功率转换器222的操作。例如，在操作期间，控制器202可以配置成从电压和电流传感器252的第一集合接收一个或多个电压和/或电流测量信号。因此，控制器202可以配置成经由传感器252监测和控制与风力涡轮机100相关联的操作变量中的至少一些。在图示的实施例中，传感器252中的每个可以电耦合到电网总线242的三个相中的每个。备选地，传感器252可以电耦合到电和控制系统200的促进电和控制系统200操作的任何部分，如本文描述的那样。除上文描述的传感器外，传感器还可以包括电压和电流传感器254的第二集合、电压和电流传感器256的第三集合、电压和电流传感器264的第四集合（全部在图2中示出），和/或任何其他适合的传感器。此外，电压和电流传感器252、254、256、264可以配置成直接或间接测量风力涡轮机100的功率输出。
另外，转换器控制器262配置成接收一个或多个电压和电流测量信号。例如，如在图示的实施例中示出的，转换器控制器262从与定子总线208电子数据通信耦合的电压和电流传感器254的第二集合接收电压和电流测量信号。转换器控制器262还可以从电压和电流传感器256、264的第三集合和第四集合接收电压和电流测量信号的第三集合和第四集合。另外，转换器控制器262可以配置有在本文描述的关于涡轮机控制器202的特征中的任一个。此外，转换器控制器262可以与涡轮机控制器202分离或成整体（integral）。
因此，风力涡轮机控制器202以及转换器控制器262配置成控制风力涡轮机100的各种组件。因此，如特别在图3中特别示出的，（一个或多个）控制器202、262可以包括一个或多个处理器204和相关联的（一个或多个）存储器装置207，其配置成执行多种计算机实现的功能（例如，执行如本文公开的方法、步骤、计算及类似物并且存储相关数据）。另外，控制器202还可以包括通信模块209，用于促进控制器202与风力涡轮机100的各种组件（例如，图2的组件中的任一个）之间的通信。此外，通信模块209可以包括传感器接口211（例如，一个或多个模拟到数字转换器），用于准许从一个或多个传感器传送的信号被转换成可以被处理器204理解和处理的信号。应意识到，传感器（例如，传感器252、254、256、264）可以使用任何适合的部件而通信地耦合到通信模块209。例如，如在图3中示出的，传感器252、254、256、264可以经由有线连接而耦合到传感器接口211。然而，在其他实施例中，传感器252、254、256、264可以经由无线连接而耦合到传感器接口211，诸如通过使用本领域内已知的任何适合的无线通信协议。如此，处理器204可以配置成从传感器接收一个或多个信号。
如本文使用的，术语“处理器”不仅指本领域内被指包括在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）、专用集成电路和其他可编程电路。处理器204还配置成计算高级控制算法并且与多种以太网或基于串行的协议（Modbus、OPC、CAN等）通信。另外，（一个或多个）存储器装置207一般可以包括（一个或多个）存储器元件，其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、压缩盘只读存储器（CD-ROM）、磁光盘（MOD）、数字多功能盘（DVD）和/或其他适合的存储器元件。这样的（一个或多个）存储器装置207一般可以配置成存储适合的计算机可读指令，其在被（一个或多个）处理器204实现时将控制器202配置成执行如本文描述的各种功能。
还应理解在风力涡轮机100内以及任何位置处可以采用任意数量或类型的传感器。例如，如本文描述的传感器可以是温度传感器、微惯性测量单元（MIMU）、应变仪、加速计、压力传感器、湿度传感器、速度传感器、应变仪、加速计、气流传感器、迎角传感器、振动传感器、光检测和测距（LIDAR）传感器、拍摄装置系统、光纤系统、风速计、风向标、声波检测和测距（SODAR）传感器、红外激光器、辐射计、皮托管、无线电探空测风仪、其他光学传感器和/或任何其他适合的传感器。
现在参考图4，还应理解本文描述的风力涡轮机100可以是根据本公开的风场300的部分。如示出的那样，风场300可以包括多个风力涡轮机302，其包括上文描述的风力涡轮机100和场级控制器304。例如，如在图示的实施例中示出的，风场300包括十二个风力涡轮机，其包括风力涡轮机100。然而，在其他实施例中，风场300可以包括任意其他数量的风力涡轮机，诸如少于十二个风力涡轮机或大于十二个风力涡轮机。在其他实施例中，也可以向风场300增添其他能量生成源，诸如太阳能、化学、地热和/或热生成。在一个实施例中，风力涡轮机100的控制器202可以通过有线连接通信地耦合到场级控制器304，诸如通过适合的通信链路306或网络（例如，适合的线缆）而连接场级控制器304。备选地，控制器202可以通过无线连接通信地耦合到场级控制器304，诸如通过使用本领域已知的任何适合的无线通信协议。此外，场级控制器304一般可以配置得与风场300内的单个风力涡轮机302的每个的控制器202相似。
另外，如在图5中示出的，多个风场300可以在互连点（POI）308处连接到电网266。在这样的实施例中，如示出的，风场300可以紧密耦合到其他相邻风场300。在这样的实施例中，相邻可再生能量场300中的每个由于风力状况和/或电网状况变化而展现出功率扰动。如此，频域方法可以用于使功率扰动从相邻风场300解耦，以减少来自相邻风场300的功率扰动对本地所测量电压的影响。此外，对于短期时间段（例如，几秒）而言，电网266可以被合理地假设为线性非时变系统。因此，（一个或多个）控制器202、304可以配置成使电网266模型化为线性非时变系统，其评估线性和非时变系统（例如，有功功率或无功功率）对任意输入信号（例如电压）的响应。在这样的实例中，某些频率的功率扰动将转化为同一频率的电压变化。用于使用频域方法来使来自相邻风场300的功率扰动解耦以及用于估计电网266的电网强度的方法在下文关于图6-8而描述。
现在参考图6，图示用于估计连接到可再生能量场的电网的电网强度的方法400的一个实施例的流程图。该方法400可以例如用在上文参考图1-6讨论的风力涡轮机100和/或风场300来实现。图7描绘了为了说明和讨论目的而按特定顺序执行的步骤。本领域技术人员使用本文提供的公开将理解方法400的各种步骤或本文公开的其他方法中的任一个可以被同时适配、修改、重排、执行或采用各种方式修改而不偏离本公开的范围。
如在（402）示出的，方法400包括测量风场300（在本文也称为可再生能量场）到电网266的互连点308处的至少电压、有功功率和无功功率。如在（404）示出的，方法400包括确定互连点处电压对有功功率或无功功率中的至少一个的灵敏度。在一个实施例中，互连点处电压对有功功率或无功功率中的至少一个的灵敏度随着电网266变弱而增加。此外，电网266变弱对应于风场300的发电机120的短路比减小。
如在（406）示出的，方法400包括根据互连点308处电压对有功功率和/或无功功率的灵敏度，确定电网266的电网强度。更特别地，图7图示可以由（一个或多个）控制器202、304实现以用于确定电网266的电网强度的算法500的一个实施例的流程图。如在（502）示出的，算法500开始。如在（504）示出的，算法500从POI 308接收所测量的有功功率、无功功率和电压。如在（506）示出的，（一个或多个）控制器202、304配置成通过执行风场300的电压（V）、有功功率（P）和无功功率（Q）中的每个的频域变换来确定电网266的电网强度。例如，在某些实施例中，频域变换可以包括快速傅里叶变换。如在（508）示出的，算法500可以包括对于风场300的电压（V）、有功功率（P）和无功功率（Q）中的每个，将小于阈值（μ）的幅度（f）设置为零（0）。如在（510）示出的，算法500可以包括选择点，在本文E{P(f)}/E{Q(f)}大于或等于α并且E{P(f)}/E{Q(f)}小于或等于β，其具有使有功功率和无功功率对电压的影响解耦的效应。如在（512）示出的，算法500可以包括计算在满足α、β阈值的频率“f”，电压相对于无功功率和有功功率的各种比率（例如A(f)=E{V(f)}/E{Q(f)}并且B(f)=E{V(f)}/E{P(f)}）。
如在（514）示出的，算法500还可以包括计算来自（512）的比率的中值/均值，从而确定其导数（例如dV/dQ=median(A(f))或mean(A(f))并且dV/dP=median(B(f))或mean(B(f))）。导数（例如dV/dQ和dV/dP）代表互连点308处电压对有功功率和/或无功功率的灵敏度。例如，如在图8中示出的，图示对于多个风场300的导数（例如，dV/dQ和dV/dP）（y轴）相对于线路长度（x轴）的关系的一个实施例的曲线图600。如示出的，导数（例如，dV/dQ和dV/dP）增加与电网/SCR变弱相对应。因此，通过计算导数（例如dV/dQ和dV/dP），（一个或多个）控制器202、304可以确定电网强度。如在（516）示出的，算法500进一步配置成确定导数（例如dV/dQ和dV/dP）是否可靠。如果是的话，算法500移到（518），如下文进一步描述的那样。如果不是的话，如在（520）示出的，算法500利用最后已知的灵敏度。
因此，返回参考图6，如在（408）示出的，方法400包括基于电网强度动态确定互连点处对风场300的有功功率命令或无功功率命令中的至少一个。因此，如在（410）示出的，方法400还包括使有功功率命令和/或无功功率命令分配到多个风力涡轮机302的单个控制器202以及风场300的场级控制器304。例如，在某些实施例中，基于电网强度动态确定互连点308处对于风场300的有功功率命令或无功功率命令中的至少一个可以包括，根据有功功率相对于电压的导数以及无功功率相对于电压的导数，动态确定互连点308处对于风场300的有功功率命令和无功功率命令。
更特别地，如在图5的（518）示出的，（一个或多个）控制器202、304可以使用灵敏度（例如，导数），以使用例如下文的方程（1）和（2）来确定所要求的delta Q（例如ΔQ）和deltaP（例如ΔP）（如果Q能力被耗尽的话）：
Figure 291485DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE004
是互连点308处的电压变化，Vset是互连点308处的电压设定点，并且Vmeas是互连点308处的所测量的电压。
仍然参考图7，如在（522）示出的，算法500则包括使有功P和无功Q功率命令分配到单个风力涡轮机控制器202和场级控制器304。如在（524）示出的，算法500结束。
尽管本文描述的各种方法和算法一般关于场级控制来解释，但也应理解通过利用涡轮机级测量，也可以使用相同的方法和算法来获得涡轮机级的灵敏度，尽管估计可能相对噪声更多。在这样的实例中，可以完成进一步处理来减少噪声，其包括例如滤波等。
在上文详细描述风力涡轮机、风力涡轮机的控制系统和控制风力涡轮机的方法的示范性实施例。所述方法、风力涡轮机和控制系统不限于本文描述的特定实施例，而相反，风力涡轮机和/或控制系统的组件和/或方法的步骤可以独立地且与本文描述的其他组件和/或步骤分开利用。例如，控制系统和方法也可以结合其他风力涡轮机电力系统和方法使用，并且不限于仅用如本文描述的电力系统来实践。相反，示范性实施例可以结合许多其他风力涡轮机或电力系统应用（诸如太阳能电力系统和能量存储电力系统）来实现和使用。
尽管本发明的各种实施例的特定特征可以在相同的图而不是在其他图中示出，但这只是为了方便起见。根据本发明的原理，可以结合任何其他图中的任何特征来参考和/或要求保护图的任何特征。
该书面描述使用示例来公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们包括不与权利要求书的书面语言不同的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的书面语言无实质区别的等同结构元素，则旨在在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于估计连接到具有多个可再生能量电力系统的可再生能量场的电网的电网强度的方法，所述方法包括：
测量所述可再生能量场到所述电网的互连点处的至少电压、有功功率和无功功率；
确定所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的灵敏度；
根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度；
基于所述电网强度动态确定所述互连点处对所述可再生能量场的有功功率命令或无功功率命令中的至少一个；以及
使所述有功功率命令或所述无功功率命令中的至少一个分配到所述多个可再生能量系统的单个控制器和所述可再生能量场的场级控制器。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度随着所述电网变弱而增加。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述电网的所述变弱对应于所述可再生能量场的发电机的短路比减小。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述可再生能量场紧密地耦合到相邻可再生能量场，所述相邻可再生能量场中的每个由于风力状况和/或电网状况变化而展现出功率扰动，所述方法还包括使所述电网模型化为线性非时变系统。
5.如权利要求1所述的方法，其中根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度还包括：
执行所述可再生能量场的所述电压、所述有功功率和所述无功功率中的每个的频域变换。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述频域变换包括快速傅里叶变换。
7.如权利要求6所述的方法，其中根据所述互连点处所述电压对所述有功功率或所述无功功率中的至少一个的所述灵敏度，确定所述电网的所述电网强度还包括：
使所述有功功率对所述电压的影响与所述无功功率对所述电压的影响解耦。
8.如权利要求7所述的方法，还包括计算所述有功功率相对于所述电压的导数和所述无功功率相对于所述电压的导数。
9.如权利要求8所述的方法，其中基于所述电网强度动态确定所述互连点处对所述可再生能量场的所述有功功率命令或所述无功功率命令中的至少一个还包括：
根据所述有功功率相对于所述电压的所述导数和所述无功功率相对于所述电压的所述导数，动态确定所述互连点处对所述可再生能量场的所述有功功率命令和所述无功功率命令。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述可再生能量场包括风场、太阳能场和能量存储场中的至少一个，或其组合。
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