CN114041252A - 风场的黑启动 - Google Patents

Abstract

描述了一种在风场的黑启动或孤岛模式期间控制可连接到风场的风场电网的至少一个风力涡轮机的至少一个转换器的方法，所述方法包括：使转换器电压参考（Vref、105、77）斜升（9），除非违反功率相关条件和/或风场电网频率相关条件或转换器电流相关条件。

Description

风场的黑启动

技术领域

本发明涉及一种在风场的黑启动期间控制连接到风场的风场电网的至少一个风力涡轮机的至少一个转换器的方法，涉及对应的设备（arrangement），并且进一步涉及包括多个风力涡轮机的风场，其中至少一个风力涡轮机包括被适配成在黑启动期间控制或执行控制方法的设备。

背景技术

EP 3 116 085 A1公开了一种通过具有功率和电压控制的网桥控制器来操作风力涡轮机的方法，该风力涡轮机经由脐带式AC线缆连接到公用电网。

WO 2012/139667 A1公开了一种风力涡轮机设备，在一个实施例中，该风力涡轮机设备具有柴油发电机，以在该风力涡轮机设备可耦合到的电网停电（blackout）的情况下初始化黑启动。为了执行黑启动，柴油发电机向该风力涡轮机设备的功率输出提供预定电压。

黑启动涉及当风场与公用电网断开时风场的启动。因此，在黑启动期间，没有来自公用电网供应的功率能够用于启动风场的一个或多个风力涡轮机。

执行黑启动的常规方法涉及大型热电站（thermal power station）；由于形成风力涡轮机的电网接口的功率转换器需要稳定的电压和频率来操作，因此风场目前不执行这种角色。在未来，常规热电站的可用性和可靠性将被限制，并且因此可能需要风场具备对它们自己进行黑启动的能力。

因此，可能需要一种在黑启动期间控制连接（或可连接）到风场的风场电网的至少一个风力涡轮机的至少一个转换器的方法，可能需要一种对应的设备，并且可能需要一种具有执行黑启动的能力的风场。

发明内容

根据独立权利要求的主题可以满足该需要。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

当使用电网形成控制算法来黑启动功率转换器的本地母线（bus bar）、其本地电气串线缆、诸如风场的整个电气网络之类的较大网络、和/或初始处于断电状态（de-energized state）的电网的预定部分时，本发明的实施例覆盖或承认在电网形成控制算法的情况下对功率转换器的有功功率、频率和电流的限制。

根据本发明的实施例，提供了一种在风场的黑启动或孤岛模式（特别是从公用电网断开）期间控制可连接（或连接）到风场的风场电网的至少一个风力涡轮机的至少一个转换器的方法，该方法包括：使转换器电压参考斜升（ramp up），除非违反功率相关条件和/或风场电网频率相关条件或转换器电流相关条件。

转换器可以耦合到发电机，发电机由在其处安装了多个转子叶片的旋转轴来驱动。转换器可以例如包括或者是AC-DC、DC-AC转换器。特别地，转换器可以包括：发电机侧部分，特别是AC-DC转换器部分；DC链路；以及公用电网侧转换器部分，例如DC-AC转换器部分。特别地，可以根据本发明的实施例来控制公用电网转换器部分，特别地，不会也控制发电机侧转换器部分。

在正常操作期间，当风场或风力涡轮机正在产生能量时，公用电网转换器部分可以例如经由公共耦合点和经由一个或多个变压器而连接到公用电网，公用电网向多个消耗器提供功率。特别地，可以根据本发明的实施例的控制方法来控制风场的每个风力涡轮机的每个转换器。在执行该方法时，风力涡轮机、并且特别是整个风场可以与公用电网断开。可以向转换器供应控制信号，包括转换器电压参考、转换器功率参考、特别是转换器有功功率参考等。基于去往转换器的控制信号，可以导出脉宽调制信号，该脉宽调制信号可以被供应给被包括在转换器内的可控开关（诸如，IGBT）的栅极。

在黑启动过程期间，转换器的网桥可以使其端子处的电压从零伏斜升至标称电压，并且从而对风力发电机（WTG）外部的AC电气系统进行激励（energize）。取决于其所连接到的电气网络配置，转换器端子处的电压的斜升可以导致电气网络中的电压增加，并且因此导致该外部AC网络上任何无源负载的激励。例如，无源负载可以是线缆的电容、变压器的电感、和/或电阻性功率损耗。

执行电压斜升（voltage ramp）的功率转换器必须平衡电气系统的有功和无功功率负载两者，同时遵守对其可以向电气网络提供的有功功率量的有限限制、其可以允许的与目标频率的最大可允许频率偏离、以及功率转换器的电流限制。

为了遵守这些限制，功率转换器的网桥控制器（例如，执行该控制方法）可以包含允许（理想地）自主控制电压增加、同时考虑所有三组限制的特征。也就是说，参与该激励的任何WTG可以在其能力内支持外部AC电气系统的负载，而不知道风场中的其余WTG的状态；并且任何WTG增加电压水平的本地决策必须（或可能）不会导致其余参与的WTG违反它们关于功率、频率和电流的限制。

类似地，当转换器已经将电压增加至标称水平时，它必须继续确保频率、有功功率和电流限制被遵守。当转换器处于这种状态时，它被描述为在孤岛模式中进行操作；这指示由（一个或多个）转换器支持的外部AC电气网络没有连接到更大的电网，并且转换器因此必须采取必要的动作来独立地支持电网并且平衡有功和无功负载。

本发明的实施例公开了允许在黑启动电压斜升期间或在孤岛模式中操作时遵守（一个或多个）转换器的各种限制的特征的设计细节。因此，该控制方法的实施例可以在黑启动期间或在其中整个风场与公用电网断开的孤岛模式期间被应用。

风场电网可以是电气网络，多个风力涡轮机经由该电气网络彼此连接，特别是在其功率输出端子处彼此连接。通过相应的断路器或开关，每个个体风力涡轮机可以与风场电网断开或者可以连接到风场电网。类似地，通过相应的断路器或开关，风场电网可以与公用电网断开或者可以连接到公用电网。特别地，在执行该控制方法时，在最开始，当风场电网电压与公用电网电压不相等（例如，低于公用电网电压）时，风场电网可能与公用电网断开。当风场电压基本等于（或大于）公用电网电压时，相应的风场可能连接到公用电网。

在执行黑启动时，所涉及的风力涡轮机将连接到风场电网，并且一起工作以将风场电网电压增加到可能接近或大于公用电网电压的目标电压。

还可以约束对转换器电压参考的斜升，使得转换器电压参考不超过目标风场电网电压。当功率相关条件和/或风场电网频率相关条件或转换器电流相关条件被遵守时，可以保护转换器免受损坏，并且进一步地，可以实现风场电网的期望频率。

本发明的实施例可能需要风力涡轮机在黑启动期间限制它们在风场电网的激励（黑启动）期间的有功功率、频率和/或电流。因此，黑启动可以以更可靠的方式、并且特别地以快速的方式来执行，而没有损坏风力涡轮机的组件、特别是转换器的风险。

功率相关条件可以包括对转换器功率参考和可用功率的考虑。风场电网频率相关条件可以考虑风场电网上限和下限频率以及实际风场电网频率。转换器电流相关条件可以遵守或考虑与实际转换器电流相比的转换器电流限制。

根据本发明的实施例，使转换器电压参考斜升包括：测量风场电网电压；向转换器供应风场电网电压和正增量的总和作为转换器电压参考；当风场电网频率落在目标风场电网频率以下时（例如，由于转换器功率参考和有功功率负载的不平衡），增加转换器功率参考；继续将转换器电压参考增加至风场电网电压的目标值，除非：转换器功率参考大于可用转换器（有功）功率和/或转换器电流大于转换器电流限制。

可以以预定速率使转换器电压参考斜升。斜升可以按步骤来执行，使得（重复地）将正增量加到先前的转换器电压参考。风场电网电压可以涉及风场电网的电压，风场电网即连接了风场的多个风力涡轮机的电气网络。正增量可以由转换器电压参考的期望斜升率来定义。在向转换器供应转换器电压参考之后，转换器可以控制其相应的可控开关，以便在其端子处实际输出期望的调制电压。在该阶段处，相应风力涡轮机的转换器可能已经连接到风场电网。

风场还包括能量消耗器，诸如尚未启动的其他风力涡轮机或需要电能来操作的其他辅助设备。为了稳定的黑启动，必须存在所产生的功率和所消耗的功率的近似平衡。

标称风场电网频率可以是在将整个风场连接到公用电网之前最终期望达到的频率。标称风场电网频率可以基本上等于标称公用电网频率。如果转换器功率参考不大于可用转换器功率、或者当转换器电流不大于转换器电流限制时，可以继续增加转换器电压参考。

风场电网电压的目标值也可以被称为标称风场电网电压，即风场电网的期望电压。通过该方法，可以连续地或以逐步的方式增加风场电网电压，同时遵守功率平衡并且遵守转换器的电流限制。此外，通过保持风场电网频率接近风场电网频率限制，可以约束该频率不会与目标频率偏离超过最大偏离。

根据本发明的实施例，可用转换器功率基于由旋转轴驱动的发电机的可用功率，多个转子叶片连接在该旋转轴处。可用转换器功率可以例如等于由于损耗而减小的发电机的可用功率。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：如果转换器功率参考大于可用转换器（例如，有功）功率，则停止进一步增加转换器电压参考；使用平稳控制（trim control）将风场电网频率保持在风场电网频率限制处。

通过该特征，可以确保风场电网频率不会与目标风场电网频率偏离太多。

根据本发明的实施例，使用平稳控制包括：取决于风场电网频率与风场电网频率限制之间的频率差来改变、特别是减小转换器电压参考，以便防止风场电网频率进一步减小，特别是以便保持风场电网频率接近风场电网频率限制。

因此，不是进一步增加转换器电压参考，而是取决于风场电网频率与风场电网频率限制之间的频率差来改变转换器电压参考。因此，风场电网频率可以保持在可预测的范围内。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：如果转换器电流大于转换器电流限制，则停止进一步增加转换器电压参考；使用无功电流限制控制将转换器电流保持在转换器电流限制处。通过应用无功电流限制控制，可以保护转换器免受损坏。

根据本发明的实施例，使用无功电流限制控制包括：取决于无功转换器电流限制与无功转换器电流之间的差来改变、特别是减小转换器调制电压限制，特别是以便将转换器电流保持在转换器电流限制处。因此，可以提供用于将转换器电流保持在转换器电流限制处的可靠过程。其中，转换器调制电压是通过转换器的开关动作在其端子处产生的电压，并且转换器调制电压限制是对该电压的限制，以防止转换器电流超过电流限制。

根据本发明的实施例，无功电流限制控制取决于无功转换器电流是电感性还是电容性的来选择限制转换器调制电压上限还是下限。

取决于转换器分别是正在供应电容性无功电流还是正在吸收电感性无功电流，可以使用调制电压上限或下限中的任一个来限制转换器电流。

根据本发明的实施例，风场频率限制被给出作为标称频率与最大频率偏离之间的差。因此，可以确保风场电网频率不会不可预测地改变。

根据本发明的实施例，提供了一种在风场的黑启动（例如，从公用电网断开）期间控制连接到风场的风场电网的多个风力涡轮机的多个转换器的方法，该方法包括：针对多个转换器中的每一个独立地执行根据前述实施例之一的方法。

因此，转换器可以根据如上所描述的控制方法来彼此独立地控制。因此，特别地，可能不需要控制转换器的同步。因此，用于协调不同转换器的控制的协调特征可能不是必要的，从而简化了该方法。

根据本发明的实施例，提供了一种用于在风场的黑启动或孤岛模式（例如，从公用电网断开）期间控制可连接到风场的风场电网的至少一个风力涡轮机的至少一个转换器的设备，该设备被适配成控制或执行根据前述实施例之一的方法。

应当理解的是，针对在黑启动或孤岛模式期间控制连接到风场的风场电网的至少一个风力涡轮机的至少一个转换器的方法被单独地或以任何组合的方式公开、描述、解释或提供的特征也可以被单独地或以任何组合的方式应用于根据本发明的实施例的用于在黑启动或孤岛模式期间控制连接到风场的风场电网的至少一个风力涡轮机的至少一个转换器的设备，并且反之亦然。

根据一实施例，该设备可以包括可用有功功率钳（clamp），可用有功功率钳被适配成确保转换器功率参考被可用功率所约束。

可用有功功率钳可以例如包括频率至参考功率下垂（frequency to referencepower droop），频率至参考功率下垂根据风场电网频率与目标频率的偏离来输出参考功率的改变。由转换器输出的实际功率可以作为功率反馈来测量。功率反馈可以被滤波，并且作为频率至功率参考下垂的输出被加到参考功率。

根据本发明的实施例，该设备进一步包括平稳控制器，平稳控制器被适配成通过改变转换器参考电压将风场电网频率控制到风场电网频率限制。

平稳控制器可以包括差元件，差元件将频率误差导出为风场电网的实际频率与频率限制之间的差，并且将频率误差供应给控制器，诸如PI控制器。PI控制器可以输出参考电压的改变。

根据本发明的实施例，该设备进一步包括无功电流限制控制器，无功电流限制控制器被适配成通过调整转换器调制电压限制将转换器无功电流控制到转换器电流限制。

此外，提供了一种风场，包括连接在风场电网内的多个风力涡轮机，其中至少一个风力涡轮机包括根据前述四个权利要求之一的设备。

本发明的上面限定的方面和另外的方面根据下文中将描述的实施例的示例是明显的，并且将参考实施例的示例来解释。下文中将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些示例。

附图说明

现在参考附图来描述本发明的实施例。本发明不限于所描述或所图示的实施例。

图1示意性地图示了根据本发明的实施例的控制至少一个转换器的方法；

图2示意性地图示了用于控制至少一个转换器的设备的部分，该部分图示了在由可用有功功率钳所限制的转换器功率参考与转换器频率之间的下垂控制；

图3图示了如在本发明的实施例中获得的不同电气参数的演变；

图4示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个转换器的设备的部分，包括平稳控制器；

图5图示了如在本发明的实施例中获得的电气参数的演变；以及

图6图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个转换器的设备的部分，其中重点是无功电流限制控制器。

具体实施方式

图1中示意性图示的在黑启动或孤岛模式期间控制可连接到风场的风场电网的至少一个风力涡轮机的至少一个转换器的方法1从方法步骤3开始，在步骤3中，发起转换器黑启动。因此，前提条件（precondition）是风力涡轮机的风力涡轮机转子正在旋转，并且发电机正在控制DC链路电压。

方法1特别地图示了如何控制转换器的公用电网（风场电网）侧部分。在方法步骤5处，测量当前风场电网电压。在方法步骤7处，初始化电压参考斜升，以从所测量的风场电网电压开始。在方法步骤9中，进入环路，其中使转换器电压参考以指定速率斜升。如框11中所指示，转换器的有功和无功功率负载随着转换器电压参考增加而成比例地上升。如框13中所指示，风场电网频率也与控制器功率误差Perr=Powerref-Pactiveload成比例地改变。在方法步骤15中，根据频率至功率参考下垂，转换器功率参考随着频率下落而增加，如将参考图2进一步详细解释的那样。

在判定块17中，检查转换器功率参考是否大于可用功率。如果不是这种情况，则它被分支到分支19中，从而回到斜升环路步骤9。因此，增加转换器电压参考，并且再次执行元素11、13、15。在某些点处，转换器功率参考将大于可用功率，并且它从判定元素17分支到“是”分支21中。

分支21通向方法步骤23，在步骤23中，冻结电压斜升。在下一个方法步骤25中，使用平稳控制将频率保持在风场电网频率限制上。在方法步骤25之后，它经由分支27循环回到判定元素17。

在方法步骤9中增加转换器电压参考之后、并且在转换器的有功和无功功率负载与电压成比例地增加之后，根据框29，转换器电流也与有功和无功负载成比例地增加。

在判定元素31中，检查转换器电流是否大于转换器电流限制。如果不是这种情况，则它被分支到分支33中，从而通向进一步的判定元素35。在判定元素35中，检查转换器电流是否刚刚超出该限制。如果不是这种情况，则它被分支到“否”分支37中，从而回到斜升环路9。

在另一方面，如果转换器电流刚刚超出该限制，则它被分支到分支39中，从而回到方法步骤5，在步骤5中，测量当前风场电网电压。

如果判定元素31确定转换器电流大于转换器电流限制，则“是”分支41通向方法步骤43，在步骤43中，冻结电压斜升。作为下一个方法步骤45，利用无功电流限制控制以将转换器电流保持在转换器电流限制上。在方法步骤45之后，它经由分支47循环回到判定元素31。

在方法步骤9中已经增加了转换器电压参考之后，还在判定元素48中检查是否已经达到风场电网的目标电压。如果是这种情况，则黑启动过程完成，如方法步骤49中所指示，并且进入孤岛模式。替代地，整个风场可以连接到公用电网。如果判定元素48确定尚未达到目标风场电网电压，则它循环回到斜升环路方法步骤9。

图1中图示的图图示了每个个体风力涡轮机转换器的方法步骤的序列。每个风力涡轮机中的转换器的启动不意图被协调，而是可能取决于例如风速。特别地，每个风力涡轮机可以增加其电压，直到达到频率或电流限制、或者实际上达到风场电网的目标电压水平为止。当转换器达到这些限制中的任一个时，控制器将出现在适当环路中，直到因为转换器不再处于限制中而可以做出退出该环路的决策为止（参见环路27、47）。转换器可以通过其从“在限制中”转变成“不在限制中”的机制可以是：1）如果风场中的另一个风力涡轮机连接并且开始供应总负载的一部分；或者2）如果负载（有功或无功）由于某种原因而下落；或者3）例如风速增加。

第二个或多个风力涡轮机有可能在第一个涡轮机达到任一个限制之前连接。在这种情况下，所有连接的风力涡轮机可以一起使电压斜升，使环路27、45、19循环，直到它们碰到电流或功率限制或目标电压为止。目标电压可能不是始终等于风场电网的标称电压。

图2示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制至少一个转换器的设备的部分50（有功功率钳）。电网形成控制块51接收转换器功率参考53和功率反馈55。电网形成控制51输出频率57（

）。频率57被供应给频率至功率参考下垂模块59，模块59输出功率参考的偏离61。可以使用加法元件63将功率参考的偏离61加到功率反馈55，该功率反馈55可以使用滤波器65来滤波或者可以不滤波。功率反馈的加法是可选的，但是可能不是始终必需的。然而，这可以导致转换器频率的更少变化，从而提供更干净的行为。

通过加法元件63获得的总和得到了最终功率参考53，电网形成控制也作用于控制功率。最终功率参考53是输出61和滤波器65的输出的总和，该总和已经被限制69所限制，并且被供应给电网形成控制器51。限制器67接收可用功率69，以将加法元件63的输出54限制到可用功率69，从而得到最终功率参考53。

可以使用如下所描述的可用功率钳来实现对有功功率和频率的限制：

随着转换器增加其端子处的电压，它开始将有功功率馈送到电气网络中，以满足无源负载。电网形成控制器算法的设计使用功率反馈与功率参考之间的误差来驱动频率改变以及随后的电压矢量角度偏移，以控制转换器输出的功率。随着有功负载在转换器上增加，可以使用频率误差与功率参考之间的下垂来控制频率。该下垂通过如下方式来运作：观察有功负载的增加所引起的频率改变，并且然后成比例地增加转换器的功率参考以平衡功率反馈。因此，它作用于稳定频率（见图2），并且提供用于转换器的操作点。选择该下垂的增益，使得对于给定的频率改变，应用功率参考的特定改变。

功率转换器或电气网络的操作者可以对与标称值的最大频率偏离（通常由国际标准规定）进行限制。而且，转换器能够向电气网络供应的有功功率的量也受到来自其原动力（prime mover）（例如风）的可用功率的量所限制。仅仅频率与功率参考之间的下垂不能够防止违反可用功率限制或频率限制，并且因此这必须通过两个附加的控制特征来补充：

• 可用有功功率钳——当达到可用功率限制（由盛行风条件所定义，更少损耗）时，控制器功率参考的增加被钳制在限制值处。这具有解除（disengage）频率与功率参考之间的下垂的效果，因此允许频率与负载成比例地增加或减小，直到该频率碰到其自己的限制为止。

• 电压斜升冻结和平稳控制器——该控制器检测频率何时达到限制，并且然后冻结转换器电压的斜升，并且对转换器电压应用比例积分类型控制，以将频率控制到限制值。通过冻结电压斜升，控制器防止了有功负载的进一步增加（假设该系统的有功功率负载与电网电压成比例，即它们是无源电阻性负载）。这减缓了频率偏离的增加，从而允许平稳控制器承担对转换器电压的控制，以调节置于转换器上的有功功率负载，并且通过改变功率参考与反馈之间的平衡将频率带回到限制值（参见图3）。

频率与功率参考之间的下垂的替代实现方式是：将所测量的功率反馈（未经滤波或经滤波的）与该下垂的输出进行求和，然后通过可用功率对其进行钳制（见图2）。该附加的链路允许转换器频率保持在标称值处或接近标称值，直到达到可用功率限制为止。在此时，频率将偏离，直到它碰到上面描述的电压斜升冻结和平稳控制器阈值为止。

为了允许电气网络的电压继续斜升至标称水平，而不违反任何一个转换器的功率和频率限制，需要并联连接的附加的能够进行黑启动的转换器，使得可以共享负载。当多个电网形成受控转换器被并联连接时，电气网络的频率是允许共享有功功率负载的公共变量。当已经达到电气网络的目标电压时，电压斜升冻结和平稳控制器不能够再操作，并且对频率的限制可能完全取决于它们来自所有连接的转换器的足够可用功率来向负载供应。

图3图示了关于转换器电压（纵坐标71）、负载功率（纵坐标73）和频率（纵坐标75）的若干个曲线图，同时横坐标70指示时间。根据曲线77，黑启动电压以恒定速率斜升。根据曲线79，负载功率也上升。同时，根据曲线81的频率特别地减小到目标频率83以下，并且在时间点87处碰到频率限制85。在该实例处，停止对转换器参考电压的斜升，以便保持频率81接近频率限制85。72指示电压目标值。

图4示意性地图示了用于控制至少一个转换器的设备的部分，其中重点是平稳控制器100。将频率限制85和转换器频率91彼此相减，其中如果频率91小于零，则频率限制被加上，并且频率91被减去。如果频率91大于零，则频率限制被减去，并且频率91被加上。差元件93的结果利用参考符号95来标记，并且被供应给控制器97，控制器97从其中导出参考电压的改变（ΔVref），该改变（ΔVref）利用参考符号99来标记。

图5图示了如在本发明的实施例中实现的电气参数的曲线图。因此，根据时间（横坐标103）来指示转换器电压（纵坐标101）和无功电流（纵坐标103）。根据曲线105，转换器电压根据黑启动电压斜升而上升。

在无功电流图中，指示了第一电流限制107和第二电流限制109。取决于风场电网上的负载是电感性还是电容性的，无功电流将分别为正或负。当负载是电感性的并且无功电流为正（图5中未示出，但是根据另一个实施例它可能是这种情况）时，可以应用限制107和109。

当负载是电容性的并且无功电流为负（参见图5中的电流曲线112）时，可以应用限制119和121。

因此，针对正无功电流的情况，可以存在所定义的第一和第二电流限制。此外，针对负无功电流的情况，可以存在所定义的另一个第一和另一个第二电流限制。

曲线112指示第一转换器的无功电流。曲线114指示第二转换器的无功电流。在时间点111处，第一转换器碰到其第一转换器电流限制119。结果，在时间区间113中，冻结或停止进一步增加转换器电压参考。在时间点115处，第二转换器连接到风场电网并且继续使电压斜升。在时间区间117中，无功电流控制激活，以继续限制第一转换器的电流112。由此，指示了与第一转换器相关联的第一电流限制119以及也与第一转换器相关联的第二电流限制121。根据无功电流控制，控制第一转换器的无功电流112以接近第二电流限制121。

图6示意性地图示了至少一个转换器的控制器的设备的部分，其中重点是无功电流限制控制120。使用差元件123，计算电压参考125与电压反馈信号127之间的差。该差被供应给PI控制器129，该PI控制器129输出转换器调制电压需求131。该转换器输出电压131受制于限制器133，限制器133从另一个PI控制器135接收上限和下限136。向另一个PI控制器135，提供转换器电流限制137与反馈转换器电流139之间的差，其中差141由差元件143来计算。如果无功电流反馈139大于零，则差元件143计算信号139与137之间的差。如果无功反馈电流小于零，则差元件143计算信号137与139之间的差。如果反馈无功转换器电流大于零，则将上限应用到限制器133。如果无功反馈转换器电流小于零，则应用限制器133的下限。

可以如下所描述的那样执行对无功功率/总输出电流的限制：

随着转换器使电压斜升，它也将开始与电气网络交换无功功率，以满足其组件的无功负载。置于转换器上的无功负载也是电气网络中的电压的函数，并且因此将随着转换器电压斜升而成比例地增加。转换器内的对其能够供应的无功负载的量的限制因素是电流限制，该电流限制计及了有功以及无功电流分量的传导。

为了确保置于转换器上的无功负载不会违反转换器电流限制，在给出对于无功电流流动可用的最大容量的情况下执行计算（等式（1））。

该计算优先考虑有功电流，并且因此一旦从总电流限制中减去有功电流，就将其余电流容量分配给无功分量。一旦知道了无功电流限制，它就被用于驱动无功电流限制特征。

无功电流限制特征可以通过控制跨转换器滤波器电抗的电压降进行操作。当执行黑启动时，实际上可能存在电流限制的两个水平：

1）黑启动电压斜升在其处被冻结的水平。

2）转换器的实际“硬”无功电流限制。

当电流已经上升到第一限制（例如，图5中的119或107）时，冻结转换器电压的斜升，从而允许转换器上的无功电流负载和电气网络电压稳定。该限制被选择成在转换器的硬电流限制以内，使得对于转换器存在某些裕量（slack）来平衡无功负载，从而稳定电压。一旦电压在碰到该限制之后被冻结，就只有通过添加一个或多个并联的、能够进行黑启动的转换器——第一转换器可以与这些转换器共享负载——才能够实现黑启动电压斜升朝向其目标的继续（见图5）。

一旦已经连接了附加的转换器，它就可以开始从其中第一转换器达到其电流限制的水平使电气系统电压斜升。当该斜升开始时，它将导致第一转换器的电流增加超过其第一电流限制，直到它达到其第二“硬”电流限制（例如，图5中的109或121），在此时，可以激活无功电流限制控制器。

无功电流限制控制器可以超驰控制（override）电网形成算法的电压控制器，并且使用比例积分（PI）动作，以通过调节转换器输出电压将无功电流控制到限制值（见图6）。无功电流控制器可以取决于电流流动的方向（电感性或电容性）来选择限制转换器电压上限还是下限。

当第二转换器继续使电气系统电压斜升时，第一转换器的无功电流控制器可以强制其输出电压跟随该斜升，使得其电流保持在该限制上。当电压斜升继续时，第二转换器将供应对电气网络的无功电流负载的任何改变；直到它自己达到其第一电流限制并且冻结电压斜升、或者该斜升的目标电压达到为止。

一旦黑启动电压斜升已经将电气系统电压增加至目标水平（通常为标称电压，或标称电压的至少90%），第一电流限制就可能变得失效，这是因为电压控制器将电压保持为等于该目标。然而，当达到硬电流限制时，无功电流限制控制器可以继续起作用，无论转换器电压如何。

根据本发明的实施例的特征和优点可以包括以下或者可以提供以下优点：

关于有功功率和频率的限制：

1）转换器功率参考在原动力可用功率的水平处的限制，这随后可能强制频率达到其限制，并且可能冻结黑启动电压斜升，如按照2）那样。

作为优点，转换器控制器将遵守原动力（风）可用功率的限制，同时执行黑启动电压斜升或在孤岛模式中进行操作。

2）当达到频率限制时，冻结黑启动电压斜升，并且使用平稳控制器来改变电气系统电压，以调制置于转换器上的负载，从而允许频率跟踪该限制。

作为优点，可以依赖转换器控制器来自动增加电气系统电压，直到达到规定的频率限制为止，并且然后可以依赖它来防止频率超过该限制。

3）功率反馈（未经滤波或经滤波的）与频率至功率下垂的输出的相加以保持频率接近标称值直到达到可用功率限制可能具有优点，这是因为除非达到可用功率限制，否则在黑启动电压斜升期间不会经历大的频率偏离，从而给予该过程更干净的动作。

关于无功功率/总输出电流的限制：

4）冻结黑启动电压斜升以遵守电流限制，同时允许一些电流余量（headroom）以平衡无功电流负载。

5）使用无功电流限制控制器，以通过确保转换器输出电压在足够的裕度（margin）内跟踪电气系统电压来确保转换器的电流输出不超过硬限制。

风力涡轮机的功率转换器可以使用一个或多个WTG对风场电气系统的全部或部分执行分布式黑启动以用于激励，并且然后在遵守可用功率、频率和电流限制的同时维持电压和频率的稳定性。此外，这些实施例可以允许风场对国家电网的更广泛部分进行激励，并且因此有助于断电之后整个电网的黑启动。

应当注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一（a或an）”不排除多个。而且，结合不同实施例描述的元件可以被组合。还应当注意的是，权利要求中的参考符号不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种控制至少一个风力涡轮机的至少一个转换器的公用电网侧转换器部分的方法，所述至少一个风力涡轮机的所述至少一个转换器经由发电机侧转换器部分连接到所述风力涡轮机的发电机，所述公用电网侧转换器部分在风场的黑启动期间可连接到风场的风场电网，所述方法包括：

使转换器电压参考（Vref、105、77）斜升（9），除非违反功率相关条件和/或风场电网频率相关条件或转换器电流相关条件，所述转换器电压参考定义了所述公用电网侧转换器部分到风场电网的期望输出电压，所述功率相关条件包括对转换器能够提供的有功功率的量的限制，所述风场电网频率相关条件包括与目标风场电网频率的最大可允许频率偏离，所述转换器电流相关条件包括转换器电流限制。

2.根据前一项权利要求所述的方法，进一步包括：

测量（5）风场电网电压（127）；

其中使所述转换器电压参考斜升包括：

向转换器供应（9）风场电网电压和正增量的总和作为转换器电压参考；

当风场电网频率（ω、57）落在目标风场电网频率（83）以下时，增加（15）转换器功率参考（Pref、53）；

继续将所述转换器电压参考增加（9）至风场电网电压的目标值（72），除非：

所述转换器功率参考大于可用转换器功率（Pavail）和/或

转换器电流（112）、特别是其绝对值大于转换器电流限制（119、121）。

3.根据前一项权利要求所述的方法，其中所述可用转换器功率（Pavail）基于由旋转轴驱动的发电机的可用功率，多个转子叶片连接在所述旋转轴处。

4.根据前述权利要求2或3中的一项所述的方法，进一步包括：

如果所述转换器功率参考（Pref）大于所述可用转换器功率（Pavail）：

中断（23）进一步增加所述转换器电压参考；

使用平稳控制（25）将风场电网频率（ω）保持在风场电网频率限制（85）处。

5.根据前一项权利要求所述的方法，其中使用平稳控制包括：

取决于风场电网频率与风场电网频率限制之间的频率差来改变、特别是减小所述转换器电压参考（Vref），以便防止风场电网频率进一步减小，特别是以便保持风场电网频率（ω）接近风场电网频率限制（85）。

6.根据当参考回到权利要求2时的前述权利要求中的一项所述的方法，进一步包括：

如果转换器电流（112）、特别是其绝对值大于转换器电流限制（119、121）：

中断（43）进一步增加所述转换器电压参考；

使用无功电流限制控制（45）将转换器电流（112）保持在转换器电流限制（121）处。

7.根据前一项权利要求所述的方法，其中使用无功电流限制控制包括：

取决于无功转换器电流限制（137）与无功转换器电流（139）之间的差改变转换器调制电压限制（136），特别是以便将转换器电流保持在转换器电流限制处。

8.根据前一项权利要求所述的方法，其中无功电流限制控制（45）取决于无功转换器电流（139）是电感性还是电容性的来选择限制转换器调制电压上限还是下限（136）。

9.根据前一项权利要求所述的方法，其中风场频率限制（85）被给出作为目标频率与最大频率偏离之间的差。

10.一种在风场的黑启动期间控制可连接到风场的风场电网的多个风力涡轮机的多个转换器的方法，所述方法包括：

针对所述多个转换器中的每一个独立地执行根据前述权利要求中的一项所述的方法。

11.一种用于在风场的黑启动期间控制可连接到风场的风场电网的至少一个风力涡轮机的至少一个转换器的设备，所述设备包括被适配成控制或执行根据前述权利要求中的一项所述的方法的控制器部分。

12.根据前一项权利要求所述的设备，包括：

可用有功功率钳（50），其被适配成确保所述转换器功率参考被所述可用功率所约束。

13.根据前两项权利要求中的一项所述的设备，包括：

平稳控制器（100），其被适配成通过改变所述转换器参考电压将风场电网频率控制到风场电网频率限制。

14.根据前三项权利要求中的一项所述的设备，包括：

无功电流限制控制器（120），其被适配成通过调整所述转换器调制电压将转换器无功电流控制到转换器电流限制。

15.一种风场，包括连接在风场电网内的多个风力涡轮机，其中至少一个风力涡轮机包括根据前四项权利要求中的一项所述的设备。

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