CN113474989A - 带有虚拟同步发电机和直流链路控制的风力涡轮机 - Google Patents

带有虚拟同步发电机和直流链路控制的风力涡轮机 Download PDF

Info

Publication number
CN113474989A
CN113474989A CN201980092526.8A CN201980092526A CN113474989A CN 113474989 A CN113474989 A CN 113474989A CN 201980092526 A CN201980092526 A CN 201980092526A CN 113474989 A CN113474989 A CN 113474989A
Authority
CN
China
Prior art keywords
power
vsm
synchronous machine
grid
chopper
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201980092526.8A
Other languages
English (en)
Inventor
J·G·尼尔森
T·伦德
E·埃布希姆扎德赫韦沙雷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vestas Wind Systems AS
Original Assignee
Vestas Wind Systems AS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vestas Wind Systems AS filed Critical Vestas Wind Systems AS
Publication of CN113474989A publication Critical patent/CN113474989A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H02P9/105—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load for increasing the stability
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/028—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling wind motor output power
    • F03D7/0284—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling wind motor output power in relation to the state of the electric grid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/80—Arrangement of components within nacelles or towers
    • F03D80/82—Arrangement of components within nacelles or towers of electrical components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/103—Purpose of the control system to affect the output of the engine
    • F05B2270/1033—Power (if explicitly mentioned)
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/15—Special adaptation of control arrangements for generators for wind-driven turbines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2103/00—Controlling arrangements characterised by the type of generator
    • H02P2103/20—Controlling arrangements characterised by the type of generator of the synchronous type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

本发明涉及一种通过确定同步机旋转速度ωVSM和同步机角度θVSM来控制作为虚拟同步机的风力涡轮机的方法。虚拟同步机旋转速度ωVSM基于阻尼功率Pd的反馈、风力涡轮机的期望功率输出的功率参考Pref、风力涡轮机供应到电网的电网功率Pgrid和斩波器耗散的斩波器功率Pchop的组合以及惯性积分模型确定，同步机角度θVSM基于同步机旋转速度ωVSM的积分确定，并且阻尼功率Pd基于虚拟同步机旋转速度ωVSM确定。

Description

带有虚拟同步发电机和直流链路控制的风力涡轮机
技术领域
本发明涉及风力涡轮机，特别是涉及被配置为表现出虚拟同步发电机响应的风力涡轮机。
背景技术
为了让诸如风力涡轮机的可再生能源更高度地渗透到电网中，一些国家提出了一些为功率转换器配备类似于传统同步发电机的电网形成特性(grid-forming property)的要求。这些要求可以通过将可再生电力生成单元配置为虚拟同步机VSM来解决。
在虚拟同步机的正常实施方式中，输送到电网的功率在低压条件之后可能会剧烈波动，并且风力涡轮发电机的功率在故障期间被卸载并且在故障之后发生波动。
因此，虚拟同步机的实施方式在电网故障之后生成功率振荡并且在传动系和其他机械部件上生成增加的机械负载是一个问题。因此，强烈需要解决这些问题的虚拟同步机的实施方式。
发明内容
本发明的目的是改进对风力涡轮机的控制，以减轻上述问题中的一个或多个，并因此提供一种方法，该方法提供虚拟同步机的改进控制方法。
在本发明的第一方面中，提出了一种用于控制风力涡轮机的方法，其中，风力涡轮机包括发电机、机器侧转换器、线路侧转换器、直流(DC)链路以及电连接到机器侧转换器的输出和电网侧转换器的输入的斩波器，该方法包括：
-确定旋转速度和同步机角度，其中虚拟同步机旋转速度基于阻尼功率的反馈、风力涡轮机的期望功率输出的功率参考、风力涡轮机供应到电网的电网功率和斩波器耗散的斩波器功率的组合以及惯性积分模型确定，其中同步机角度基于同步机旋转速度的积分确定，并且其中阻尼功率基于虚拟同步机旋转速度确定。
斩波器耗散的斩波器功率可以被添加到电网功率中，并且功率参考与斩波器功率和电网功率之和之间的差值被馈送到惯性积分模型中，该惯性积分模型确定功率差值的积分。
因此，鉴于惯性积分，同步机旋转速度的导数指示风力涡轮机的期望功率输出的功率参考与风力涡轮机供应到电网的电网功率、斩波器功率和阻尼功率之和之间的偏差(例如差值)。
本发明的第一方面的构思是在直流链路斩波器中耗散功率并且在虚拟同步机模型的摆动方程中使用该功率耗散。因此，实现了低压期间和电压穿越事件内的更平滑的性能，其中在故障期间电流注入更稳定且更可控，并且在电网故障后的电压恢复阶段功率振荡和机械负载减小。
有利地，通过在确定功率参考和产生的电网功率之间的功率偏差中包括斩波器功率，可以逐渐减少发电机生成的功率，从而减少传动系振荡。
根据一个实施例，基于同步机角度控制来自风力涡轮机的功率输出。
根据一个实施例，基于直流链路电压与直流链路电压参考的比较和/或电网功率与功率参考的比较来确定斩波器的斩波器功率参考。
根据一个实施例，基于虚拟同步机旋转速度确定阻尼功率包括对同步机旋转速度进行高通滤波以及基于高通滤波信号确定阻尼功率。
根据一个实施例，该方法包括：
-在风力涡轮机的输出的连接点处获得网络电压，
-基于网络电压确定电网的旋转速度，以及
-基于虚拟同步机旋转速度和电网的旋转速度确定阻尼功率。
根据一个实施例，直流链路电压与直流链路电压参考的比较包括根据直流链路电压和直流链路电压参考的电压差值以及该电压差值与电压阈值的比较来确定对斩波器功率参考的贡献。
根据一个实施例，电网功率与功率参考的比较包括根据电网功率和功率参考之间的功率差值以及该功率差值与功率阈值的比较来确定对斩波器功率参考的贡献。
根据一个实施例，斩波器功率根据直流链路电压的电压测量结果，替代地根据直流链路电压和流向/流出直流链路电容器的测量电流两者来确定。
根据一个实施例，该方法包括：
-基于功率参考和功率调整值确定机器侧转换器的机器侧功率参考，其中功率调整值基于直流链路电压参考与直流链路电压之间的差值确定。
有利地，通过向前馈送电网功率参考并通过使用直流链路控制器来控制直流链路电压，该直流链路控制器调整发电机功率参考以将直流链路电压保持在其参考值。
本发明的第二方面涉及一种用于控制风力涡轮机的控制系统，所述风力涡轮机包括发电机、机器侧转换器、线路侧转换器、直流链路以及电连接到机器侧转换器的输出和电网侧转换器的输入的斩波器，所述控制系统被布置为：
-确定虚拟同步机旋转速度和同步机角度，其中虚拟同步机旋转速度基于阻尼功率的反馈、风力涡轮机的期望功率输出的功率参考、风力涡轮机供应到电网的电网功率和斩波器耗散的斩波器功率的组合以及惯性积分模型确定，其中同步机角度基于同步机旋转速度的积分确定，并且其中阻尼功率基于虚拟同步机旋转速度确定。
本发明的第三方面涉及一种包括软件代码的计算机程序产品，当在数据处理系统上执行时，所述软件代码适于控制风力涡轮机，所述计算机程序产品适于执行第一方面的方法。
本发明的第四方面涉及一种风力涡轮机，其包括根据第一方面的控制系统。
一般而言，本发明的各个方面和实施例可以在本发明的范围内以任何可能的方式组合和耦合。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将是显而易见的并得到阐明。
附图说明
将参考附图，仅以举例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1示出了风力涡轮机，
图2A示出了风力涡轮机的电力系统，
图2B示出了被布置为控制有功电流和有功功率以及无功电流和无功功率的生成的控制部件，
图3A-B示出了用于确定同步机角度的控制系统的示例，
图4A示出了用于确定斩波器的斩波器功率参考的电路，
图4B示出了用于确定机器侧转换器的功率参考的电路，
图5示出了配置有虚拟同步机的风力涡轮机在低压穿越事件的情况下的响应曲线，以及
图6示出了根据本发明的一个实施例的配置有虚拟同步机的风力涡轮机在低压穿越事件的情况下的响应曲线。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机100(WTG)，其包括塔架101和转子102，转子102具有至少一个转子叶片103(诸如三个叶片)。转子连接到机舱104，机舱104安装在塔架101的顶部并且适于通过传动系驱动位于机舱内的发电机。转子102可通过风的作用旋转。转子叶片103的由风引起的旋转能量通过轴传递到发电机。因此，风力涡轮机100能够借助于转子叶片将风的动能转换为机械能，并且随后借助于发电机将其转换为电能。发电机与功率转换器连接，功率转换器包括机器侧转换器和线路侧转换器。机器侧转换器将发电机交流(AC)电转换为直流电，线路侧转换器将直流电转换为交流电以注入公用电网。
图2A示出了根据一个实施例的风力涡轮机100的电力系统200的示例。该电力系统包括发电机201和功率转换器202。功率转换器202包括机器侧转换器203、线路侧转换器204、直流链路205和连接有可控开关206的电阻器207。电阻器和开关形成功率耗散装置(也称为斩波器)209，其用于耗散有功功率。直流链路205包括一个或多个直流链路电容器，这些电容器由来自机器侧转换器203的直流输出电流或来自线路侧转换器204的电流充电。来自线路侧转换器204的输出交流电流通过输出电感器206并且可能地通过风力涡轮机变压器208供应到电力线220。
电力线220可以是从其他风力涡轮机100接收电力的中压电力总线。电力线220可以例如通过其他变压器与高压网络连接。因此，电力线220和对应风力涡轮机的一个或多个电力系统200构成了风力发电厂或园区，其被布置为向公用电网供应电力以进行电力分配。
功率转换器202可以是根据不同原理配置的满量程转换器(包括强制换向和线路换向转换器)。
电力系统200被原理性地示出并且因此没有明确地揭示该系统可以是三相系统。然而，所描述的实施例的原理适用于单相和多相系统。
线路侧转换器204使用脉宽调制(PWM)的一些变型来将直流电转换成交流电。控制系统250用于控制线路侧转换器204的调制以及用于控制线路侧转换器204生成的无功电流和有功电流。
图2A示出了可以测量电网电压Ugrid(这里是指变压器208的低压LV侧的电压)。电网电压Ugrid可用于确定虚拟同步机角度θVSM(如别处所述)并用于基于从电网电压Ugrid和电网电流Igrid确定Pgrid来控制转换器的功率输出。替代地，可以在变压器的高压HV侧测量电网电压Ugrid并基于变压器的匝数比对其进行修正，或者使用内部电压参考Uqref来代替测量电压Ugrid。因此，在替代方案中，诸如Uqref的内部电压参考可用于确定Pgrid并因此确定同步机角度θVSM。因此，还可以测量供应到电网的电网电流Igrid。电网电压的角度θgrid可以例如从电网电压Ugrid确定。
图2B示出了控制部件260的示例，该控制部件260被布置为控制风力涡轮机在功率输出270处供应到电网的有功电流Iq和有功功率Pgrid以及无功电流Id和无功功率Q的生成。控制部件260可以形成控制系统250的一部分。替代地，控制部件260从控制系统250接收控制信号。
有功和无功电流参考的参考可以从发电厂控制器PPC或传输系统运营商TSO接收，或根据例如来自电网运营商的有功和无功功率参考确定。
有功功率Pgrid通过虚拟同步机角度θVSM进行控制。用于确定同步机角度θVSM的示例在别处给出。
同步机角度θVSM可用于将信号从旋转DQ坐标系变换到非旋转坐标系(诸如αβ或abc坐标系)，反之亦然。基于同步机角度θVSM和电压幅值参考Uqref，确定期望有功功率和无功功率的控制信号。
因此，同步机角度θVSM可以在由角位置θVSM定义的旋转DQ坐标系中定义。基于同步机角度θVSM，控制信号(即用于脉宽调制器PWM 265的调制电压信号的角度)被确定并被变换到非旋转坐标系(诸如αβ或abc坐标系)。调制Uqref电压信号控制无功电流Id和有功电流Iq。
坐标系转换和控制单元266确定电压参考信号并将电压控制信号从DQ坐标系变换到αβ或abc坐标系。来自控制单元266的坐标系转换输出信号由脉宽调制器PWM 265转换为用于电网侧转换器204的调制信号，以便基于θVSM角度生成电压，其将根据电网功率参考给出电网功率。
无功功率Q由基于无功功率参考确定的电网电压参考Uqref的幅值控制。电压参考Uqref从DQ坐标系转换到αβ或abc坐标系，并从控制单元266作为控制信号输出到脉宽调制器PWM 265，该脉宽调制器PWM 265确定用于电网侧转换器204的调制信号。
图3A和图3B示出了用于确定同步机角度θVSM的控制系统391的示例。同步机控制系统391可由控制系统250包括。
同步机角度θVSM基于虚拟同步机控制概念确定，其旨在生成与来自真实同步发电机的功率响应相对应的功率响应(其包括同步发电机的惯性)。
响应于电网电压波动(例如反映在测量的Ugrid和Pgrid中)，会导致虚拟机加速或减速以达到新的平衡条件。当测量的电网功率Pgrid再次遵循Pref时，达到新的平衡。
在使用摆动方程来计算θVSM的线路侧转换器204上利用了虚拟同步机控制概念。
在欠压穿越(UVRT)事件期间，角速度ωVSM将比电网角速度ωL增加得更快，并且在低电网电压和长时间故障时，涡轮机处于变得不稳定和跳闸或停机的风险。在故障期间可以将摆动方程的惯性常数H改变为高值，但这样控制将无法适应UVRT期间的相位变化或实际频率变化。本发明的实施例和示例耗散直流链路斩波器209中的能量，并在摆动方程中使用耗散的能量以在UVRT/OVRT期间具有更平滑的性能，其中在故障期间电流注入更稳定且可控，并且在电压恢复阶段减少功率摆动。优势是电压容差曲线更宽，而不会失去同步性，并且电压恢复阶段的机械负载更小。
图3A示出了虚拟同步模型301的实施方式的示例。虚拟同步模型301包括闭环，其中虚拟同步机旋转速度ωVSM基于阻尼功率Pd的反馈、风力涡轮机的期望有功功率输出的功率参考Pref、风力涡轮机通过电力线220供应到电网的有功电网功率Pgrid和斩波器209耗散的斩波器功率Pchop的组合以及惯性积分模型311确定。惯性积分模型311被实现为1/(2Hs)，其中H是惯性时间常数，1/s是s域中的积分。因此，功率组合Pref-Pd-Pgrid-Pchop被用作惯性积分模型311的输入。
由于同步机旋转速度ωVSM的导数对应于功率参考Pref和电网功率Pgrid之间的偏差，因此差值Pref-Pd-Pgrid-Pchop的积分给出了同步机旋转速度ωVSM。
电网功率Pgrid可以基于测量的电网电压Ugrid和测量的电流Igrid(例如在变压器的LV或HV侧测量)来确定。
功率参考Pref的变化(即每单位时间的变化)可以根据斜率限制器312进行斜率限制。
阻尼功率Pd被确定为电网的旋转速度ωL与同步机旋转速度ωVSM之间的差值乘以阻尼系数Dp。电网的旋转速度ωL(即电网频率)由测量的电网电压Ugrid确定。
同步机角度θVSM根据ωr/s基于同步机旋转速度ωVSM的积分确定，其中ωr是额定同步发电机速度。
斩波器功率Pchop可以根据方程Pchop＝chop_on*UDC*UDC/Rchop基于测量的直流链路电压(例如借助于被布置为测量直流链路电容器205上的电压的电压检测器)确定。Rchop是斩波电阻器207的电阻，chop_on是介于0和1之间的值，其指示开关206的占空比(即开关206闭合的时间分数)，其中chop_on＝0.5可以指示开关在开关周期的50％中闭合。
图3B示出了替代的虚拟同步模型301，其不是基于测量的电网电压Ugrid，但是，阻尼部分(例如阻尼功率Pd)基于同步机旋转速度ωVSM的高通滤波313确定。
一般而言，虚拟同步模型301基于功率组合Pref-Pd-Pgrid-Pchop、惯性积分模型311(例如实现为1/(2Hs))以及基于ωVSM和ωVSM的积分确定的阻尼功率Pd的反馈来确定虚拟机的角度θVSM。
控制系统391可基于功率值Pref、Pd、Pgrid、Pchop来实施，也可基于功率等于扭矩乘以旋转频率(例如电网的旋转速度ωL)的关系基于对应的扭矩值Tref、Td、Tgrid、Tchop来等效地实施。
图4A示出了用于确定斩波器209的斩波器功率参考Pchop_ref的电路410。如图所示，可以基于直流链路电压UDC和直流链路电压参考UDC_ref的差值来确定Pchop_ref。直流链路电压是直流链路电容器205两端的电压。直流链路电压高于参考的增加可以通过根据斩波器参考Pchop_ref在斩波器中耗散直流链路电容器能量来补偿。替代地，Pchop_ref可以基于测量的电网功率Pgrid和功率参考Pref之间的差值来确定。如果功率参考Pref大于电网功率Pgrid(例如由于低压电网事件)，多余的能量将导致直流链路电压UDC增加。多余的能量可以通过根据斩波器参考Pchop_ref激活斩波器来补偿。
基于直流链路电压UDC和/或电网功率Pgrid的对斩波器功率参考Pchop_ref的贡献可以取决于电压和/或功率差值与相应的电压和功率阈值(由电压和功率限制函数401、402定义)的比较。因此，如果差值低于阈值，则来自任何比较或差值计算的对斩波器参考的贡献可以为零，并且如果差值高于阈值，则限制函数401、402提供作为差值(即电压或功率差值)的函数的单调增加输出。
如图所示，斩波器参考Pchop_ref也可以基于来自直流链路电压偏差(UDC-ref-UDC)的贡献和有功功率偏差(Pref-Pgrid)的贡献的组合(例如总和)来确定。
图4B示出了用于基于直流链路电压参考UDC_ref与测量的直流链路电压UDC之间的差值和功率参考Pref来确定用于机器侧转换器203的功率参考P_MSC_ref的电路420。直流链路控制器421确定要与功率参考Pref组合的功率调整P_corr。因此，如果直流链路电压UDC太高(例如高于阈值)，则相对于直流链路参考UDC_ref，P_corr变为负值，使得机器侧功率参考P_MSC_ref相对于功率参考Pref减小。以此方式，直流链路电容器205两端的电压被控制。
图5示出了配置有虚拟同步机的风力涡轮机在低压穿越事件的情况下的响应曲线，该虚拟同步机不适于包括斩波器功率Pchop(即功率偏差ΔP等于Pref-Pgrid-Pd)。
曲线501示出了测量的Ugrid处的电压降。由于该电压降，到电网的电功率Pgrid(曲线502)立即减小。在故障期间，电网功率增加，因为虚拟同步机(VSM)控制将增加电网与同步机角度θVSM之间的角度。在电网故障后，电网功率Pgrid发生振荡，因为虚拟同步机已在故障期间加速，并将振荡回到其故障前的功率水平。
直流链路斩波器中耗散的功率Pchop(例如根据图4A中的图表确定)在曲线503中示出。斩波器由于高的直流链路电压UDC或发电机功率(即机器侧功率P_MSC)与电网功率Pgrid之间的不匹配而被激活。如图所示，可以在故障期间减小Pchop，以减小斩波器中需要的能量容量(例如通过调整chop_on占空比)。
曲线504示出机器侧功率P_MSC在该示例中保持稳定，因为斩波器正在耗散未输送到电网的功率。在故障后，P_MSC功率发生振荡，直到电网侧VSM控制返回到其稳态条件。
由于VSM响应，有功电流Iq(曲线505)增加。
由于具有无功电流以支持电网电压的VSM响应，在故障期间朝向电网的无功电流Id(曲线506)增加。
由于功率参考Pref与电网功率Pgrid之间的偏差，在故障期间，电网角度与同步机角度之间的同步机角度差值(θgrid-θVSM)(曲线507)增加。
图6示出了配置有虚拟同步机的风力涡轮机在低压穿越事件的情况下的响应曲线，该虚拟同步机适于包括斩波器功率Pchop，即，使得功率偏差ΔP等于Pref-Pgrid-Pd-Pchop。
曲线601示出了测量的Ugrid处的电压降。由于该电压降，到电网的电功率Pgrid(曲线602)立即减小。在电网故障后，电网功率Pgrid缓慢恢复，而没有振荡。这是由于控制方法包括斩波器功率Pchop，该斩波器功率Pchop具有虚拟同步机在故障期间不会加速的效果。即，电网θgrid与同步机角度θVSM之间的角度差值没有明显变化。
直流链路斩波器中耗散的功率Pchop(例如根据图4A中的图表确定)在曲线603中示出。斩波器由于高的直流链路电压UDC或发电机功率(即机器侧功率P_MSC)与电网功率Pgrid之间的不匹配而被激活。如图所示，可以在故障期间减小Pchop，以减小斩波器中需要的能量容量(例如通过调整chop_on占空比)。
曲线604示出了机器侧功率P_MSC在故障期间轻微卸载，并在电网故障后恢复。在正常的非故障期间，机器侧功率P_MSC通常等于电网功率，但在故障期间，比电网功率更慢地降低发电机功率以避免传动系负载和塔架振荡可以是有用的。
有功电流Iq(曲线605)是恒定的，但也可以在故障期间增加或减少以匹配电网要求。
朝向电网的无功电流Id(曲线606)在故障期间增加以匹配VSM响应或更转换器可控的值并提供电网电压支持。
由于考虑斩波器功率Pchop的同步机控制，电网角度和同步机角度之间的同步机角度差值(θgrid-θVSM)(曲线607)在故障期间几乎没有变化。这增加了故障期间的稳定性，并最大限度地减小了故障后的功率恢复振荡。
尽管本发明已经结合特定实施例进行了描述，但不应将其解释为以任何方式限于所提出的示例。本发明的范围将根据所附的权利要求来解释。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其他可能的元件或步骤。此外，提及诸如“一”或“一个”的参考不应被解释为排除多个。权利要求中关于附图中指示的元件的参考符号的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中提到的各个特征可能可以有利地组合，并且在不同权利要求中提及这些特征并不排除特征的组合是不可能的和有利的。

Claims (12)

1.一种用于控制风力涡轮机(100)的方法，所述风力涡轮机包括发电机(201)、机器侧转换器(203)、线路侧转换器(204)、直流链路(205)以及电连接到机器侧转换器的输出和电网侧转换器的输入的斩波器(209)，所述方法包括：
-确定虚拟同步机旋转速度(ωVSM)和/或同步机角度(θVSM)，其中，虚拟同步机旋转速度(ωVSM)基于阻尼功率(Pd)的反馈、风力涡轮机的期望功率输出的功率参考(Pref)、风力涡轮机供应到电网的电网功率(Pgrid)和斩波器(209)耗散的斩波器功率(Pchop)的组合以及惯性积分模型(301)确定，其中同步机角度(θVSM)基于同步机旋转速度(ωVSM)的积分确定，并且其中阻尼功率(Pd)基于虚拟同步机旋转速度(ωVSM)确定。
2.根据权利要求1所述的方法，包括基于同步机角度(θVSM)控制来自风力涡轮机的功率输出。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括基于直流链路电压(UDC)与直流链路电压参考(UDC_ref)的比较和/或电网功率(Pgrid)与功率参考(Pref)的比较来确定斩波器的斩波器功率参考(Pchop_ref)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于虚拟同步机旋转速度(ωVSM)确定阻尼功率(Pd)包括对同步机旋转速度(ωVSM)进行高通滤波并基于高通滤波信号确定阻尼功率(Pd)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：
-在风力涡轮机的输出的连接点处获得网络电压(Ugrid)，
-基于网络电压(Ugrid)确定电网的旋转速度(ωL)，以及
-基于虚拟同步机旋转速度(ωVSM)和电网的旋转速度(ωL)确定阻尼功率(Pd)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，直流链路电压(UDC)与直流链路电压参考(UDC_ref)的比较包括根据直流链路电压(UDC)和直流链路电压参考(UDC_ref)的电压差值以及所述电压差值与电压阈值的比较来确定对斩波器功率参考(Pchop_ref)的贡献。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，电网功率(Pgrid)与功率参考(Pref)的比较包括根据电网功率(Pgrid)和功率参考(Pref)之间的功率差值以及所述功率差值与功率阈值的比较来确定对斩波器功率参考(Pchop_ref)的贡献。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，斩波器功率(Pchop)根据直流链路电压UDC的电压测量结果来确定。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：
-基于功率参考(Pref)和功率调整值(P_corr)确定机器侧转换器(203)的机器侧功率参考(P_MSC_ref)，其中所述功率调整值(P_corr)基于直流链路电压参考(UDC_ref)和直流链路电压(UDC)之间的差值确定。
10.一种用于控制风力涡轮机的控制系统(250)，所述风力涡轮机包括发电机(201)、机器侧转换器(203)、线路侧转换器(204)、直流链路(205)以及电连接到机器侧转换器的输出和电网侧转换器的输入的斩波器(209)，所述控制系统被布置为：
-确定虚拟同步机旋转速度(ωVSM)和/或同步机角度(θVSM)，其中，虚拟同步机旋转速度(ωVSM)基于阻尼功率(Pd)的反馈、风力涡轮机的期望功率输出的功率参考(Pref)、风力涡轮机供应到电网的电网功率(Pgrid)和斩波器(209)耗散的斩波器功率(Pchop)的组合以及惯性积分模型(301)确定，其中同步机角度(θVSM)基于同步机旋转速度(ωVSM)的积分确定，并且其中阻尼功率(Pd)基于虚拟同步机旋转速度(ωVSM)确定。
11.一种包括软件代码的计算机程序产品，当在数据处理系统上执行时，所述软件代码适于控制风力涡轮机(100)，所述计算机程序产品适于执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法。
12.一种风力涡轮机(100)，其包括根据权利要求10所述的控制系统。
CN201980092526.8A 2018-12-28 2019-12-16 带有虚拟同步发电机和直流链路控制的风力涡轮机 Pending CN113474989A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA201870865 2018-12-28
DKPA201870865 2018-12-28
PCT/DK2019/050391 WO2020135905A1 (en) 2018-12-28 2019-12-16 Wind turbine with virtual synchronous generator and dc link control

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113474989A true CN113474989A (zh) 2021-10-01

Family

ID=68965592

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980092526.8A Pending CN113474989A (zh) 2018-12-28 2019-12-16 带有虚拟同步发电机和直流链路控制的风力涡轮机

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11962262B2 (zh)
EP (1) EP3903412A1 (zh)
CN (1) CN113474989A (zh)
WO (1) WO2020135905A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3903412A1 (en) 2018-12-28 2021-11-03 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine with virtual synchronous generator and dc link control
CN116195179A (zh) * 2020-08-06 2023-05-30 维斯塔斯风力系统集团公司 用于降低风力涡轮发电机中高扭矩水平和扭矩梯度的方法
US11456645B2 (en) 2020-12-10 2022-09-27 General Electric Renovables Espana, S.L. System and method for operating an asynchronous inverter-based resource as a virtual synchronous machine with storage
US11671039B2 (en) 2020-12-10 2023-06-06 General Electric Renovables Espana, S.L. System and method for operating an asynchronous inverter-based resource as a virtual synchronous machine to provide grid-forming control thereof

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0820699D0 (en) * 2008-11-12 2008-12-17 Ulive Entpr Ltd Static synchronous generators
JP6084863B2 (ja) * 2013-02-28 2017-02-22 川崎重工業株式会社 系統連系する電力変換装置
CN106451536A (zh) * 2016-09-30 2017-02-22 中国电力科学研究院 一种虚拟同步机的一体化系统及其控制方法
CN109004854B (zh) * 2018-07-26 2020-12-08 国网新源张家口风光储示范电站有限公司 一种功率模块结构及变流器
EP3903412A1 (en) 2018-12-28 2021-11-03 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine with virtual synchronous generator and dc link control

Also Published As

Publication number Publication date
US20220085740A1 (en) 2022-03-17
US11962262B2 (en) 2024-04-16
EP3903412A1 (en) 2021-11-03
WO2020135905A1 (en) 2020-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11863112B2 (en) Power generating unit with virtual synchronous generator with current limitation
CN113474989A (zh) 带有虚拟同步发电机和直流链路控制的风力涡轮机
US11715955B2 (en) Virtual synchronous generator with active damping
US20220316443A1 (en) Fast Frequency Support from Wind Turbine Systems
US11680558B2 (en) Grid-forming control of inverter-based resource using virtual impedance
CN115191082A (zh) 具有带阻尼控制的虚拟同步发电机的风力涡轮机
Dey et al. A coordinated control of grid connected PMSG based wind energy conversion system under grid faults
WO2023117004A1 (en) Generator power peak limiting in virtual synchronous machine wind turbine
Mahrouch et al. LVRT Control for Wind Farm Based on Permanent Magnet Synchronous Generator Connected into the Grid
EP4280409A1 (en) Virtual impedance current limiting control for grid forming inverter-based resources
US12009770B2 (en) System and method for providing grid-forming control of an inverter-based resource
US11506173B2 (en) System and method for providing grid-forming control for a double-fed wind turbine generator using virtual impedance
US11843252B2 (en) System and method for damping sub-synchronous control interactions in a grid-forming inverter-based resource
EP4187745A1 (en) System and method for constraining grid-induced power deviations from grid-forming inverter-based resources
EP4175103A1 (en) Adaptive gain control for a reactive power regulator of an inverter-based resource
US20220271695A1 (en) System and method for providing grid-forming control for a double-fed wind turbine generator
WO2024118066A1 (en) System and method for operating an inverter-based resource in grid-forming mode (gfm) for enhanced stability
WO2024091249A1 (en) System and method for extending the operating speed threshold of a grid-forming inverter-based resource
WO2024091246A1 (en) System and method for providing speed dependent grid frequency support in grid-forming inverter-based resources
WO2024118067A1 (en) System and method for operating an inverter-based resource in grid-forming mode (gfm) for enhanced stability during a transient grid power event
Aziz et al. LVRT Capability Assessment of Grid Code Frequency Responsive VSWTG

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination