CN116031895A - 用于降低无功功率命令中的不稳定性的系统和方法 - Google Patents

用于降低无功功率命令中的不稳定性的系统和方法 Download PDF

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CN116031895A CN202211330529.0A CN202211330529A CN116031895A CN 116031895 A CN116031895 A CN 116031895A CN 202211330529 A CN202211330529 A CN 202211330529A CN 116031895 A CN116031895 A CN 116031895A
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S·杜塔
R·沃格斯
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Abstract

本发明涉及一种用于降低无功功率命令中的不稳定性的系统和方法，具体地，一种用于控制具有连接到电力网的至少一个基于逆变器的资源的功率系统的方法包括经由所述至少一个基于逆变器的资源的至少一个控制器监测由系统级控制器发出的一个或多个命令信号。该方法还包括经由所述至少一个基于逆变器的资源的所述至少一个控制器确定由系统级控制器发出的一个或多个命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征。响应于确定由系统级控制器发出的一个或多个命令信号包括不稳定性的振荡行为特征，该方法包括减少系统级控制器的电压‑无功调节器的一个或多个增益以降低不稳定性。

Description

用于降低无功功率命令中的不稳定性的系统和方法
技术领域
本公开大体上涉及基于逆变器的资源，并且更特别地涉及用于降低基于逆变器的资源的无功功率命令中的不稳定性以改善工厂级电压/VAR控制的系统和方法。
背景技术
风电被认为是目前可用的最清洁、最环保的能量源之一，并且风力涡轮在这方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片是用于将风能转化为电能的主要元件。叶片典型地具有翼型件的横截面轮廓，使得在操作期间，空气流过叶片，在其侧面之间产生压差。因此，从压力侧朝向吸力侧导向的升力作用在叶片上。升力在主转子轴上生成扭矩，主转子轴连接到发电机，以用于产生传递到功率电网的电力。功率电网将电能从发电设施输送到最终用户。
风功率生成典型地由风电场提供，该风电场包含多个风力涡轮发电机(例如，通常100个或更多个风力涡轮)。典型的风电场具有场级控制器，该控制器在风电场互连点(即，本地风力涡轮发电机连接到电网的点；也可称为公共联接点)处调节电压、无功功率和/或功率因数。在这样的风电场中，场级控制器通过向风电场内的各个风力涡轮发电机发送无功功率或无功电流命令来实现其控制目标。然而，本地风力涡轮发电机在风电场内的某些约束可限制供应无功功率的能力。这样的约束可包括例如电压极限、无功功率极限和/或电流极限。
更具体地，当风力涡轮发电机中的一个或多个达到上述约束之一时，本地涡轮级控制器可能无法遵循来自场级控制器的请求的无功功率命令。
此外，场级控制器往往要求具有高增益，以满足快速电压调节要求。在正常的电网条件下，高增益可能是足够的。然而，如果电网强度由于意外事件而显著降低，那么高增益可能不利地影响稳定操作。
因此，本公开涉及这样的系统和方法：其用于通过为场级控制器配备减小增益的能力，使得风电场可被稳定来降低基于逆变器的资源的无功功率命令中的不稳定性，从而改善场级电压/无功控制(volt/VAR control)。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践获知。
在一个方面，本公开涉及一种用于控制功率系统的方法，该功率系统具有连接到电力网的至少一个基于逆变器的资源。该方法包括经由所述至少一个基于逆变器的资源的至少一个控制器监测由系统级控制器发出的一个或多个命令信号。该方法还包括经由所述至少一个基于逆变器的资源的所述至少一个控制器确定由系统级控制器发出的一个或多个命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征。响应于确定由系统级控制器发出的一个或多个命令信号包括不稳定性的振荡行为特征，该方法包括减小系统级控制器的电压-无功(volt-var)调节器的一个或多个增益以降低不稳定性。
在实施例中，(多个)命令信号可包括无功功率命令信号。
在另一个实施例中，该方法可包括对由系统级控制器发出的一个或多个命令信号滤波或分析中的至少一个。更具体地，在实施例中，该方法可包括对由系统级控制器发出的(多个)命令信号进行滤波和分析。在这样的实施例中，对由系统级控制器发出的(多个)命令信号进行滤波可包括经由多个冲洗滤波器和滞后滤波器对由系统级控制器发出的(多个)命令信号进行滤波。此外，在实施例中，对由系统级控制器发出的(多个)命令信号进行分析可包括：确定(多个)滤波后的命令信号的幅值；放大(多个)滤波后的命令信号的幅值；以及将(多个)滤波后的命令信号的放大的幅值与幅值阈值进行比较。
在另外的实施例中，当(多个)滤波后的命令信号的放大的幅值超过幅值阈值时，该方法可包括启动用于对在某个时间段内放大的幅值过零的次数进行计数的计数器。
在另外的实施例中，确定由系统级控制器发出的(多个)命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征可包括：将放大的幅值在某个时间段内过零的次数与稳定阈值进行比较；以及当放大的幅值在某个时间段内过零的次数超过稳定阈值时，确定由系统级控制器发出的(多个)命令信号包括不稳定性的振荡行为特征。
在若干实施例中，该方法可包括在不稳定性降低之后重置用于对某个时间段内放大的幅值过零的次数进行计数的计数器。
在另外的实施例中，减小系统级控制器的电压-无功调节器的一个或多个增益以降低不稳定性可包括递增地实现增益减小计数器，以用于确定将系统级控制器的电压-无功调节器的一个或多个增益减小多少来降低不稳定性。
在又一个实施例中，该方法可包括在不稳定性降低之后重置系统级控制器的电压-无功调节器的一个或多个增益。
此外，在实施例中，响应于确定由系统级控制器发出的一个或多个命令信号包括不稳定性的振荡行为特征，该方法可包括还维持传输到电力网的所述至少一个基于逆变器的资源的功率输出。
在特定实施例中，系统级控制器可包括高增益以满足电力网的快速电压要求。在这样的实施例中，该方法可包括在确定由系统级控制器发出的(多个)命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征之前接收电力网的强度已经降低某个量的指示。
在又一个实施例中，功率系统可包括多个基于逆变器的资源，所述至少一个基于逆变器的资源是所述多个基于逆变器的资源中的一个。此外，在实施例中，功率系统可为风电场，并且所述至少一个基于逆变器的资源可为多个风力涡轮功率系统。
在另一方面，本公开涉及一种用于控制风电场的系统，该风电场具有连接到电力网的多个风力涡轮发电机。该系统包括控制器，该控制器配置成执行多个操作，所述操作包括但不限于：监测由风电场的场级控制器发出的无功功率命令信号；确定无功功率命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征；以及响应于确定无功功率命令信号包括不稳定性的振荡行为特征，减小场级控制器的电压-无功调节器的一个或多个增益以降低不稳定性。应当理解，该系统还可包括本文中描述的任何附加特征和/或实施例。
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。并入并构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
技术方案1. 一种用于控制功率系统的方法，所述功率系统具有连接到电力网的至少一个基于逆变器的资源，所述方法包括：
经由所述至少一个基于逆变器的资源的至少一个控制器监测由系统级控制器发出的一个或多个命令信号；
经由所述至少一个基于逆变器的资源的所述至少一个控制器确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征；和
响应于确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号包括所述不稳定性的振荡行为特征，减小所述系统级控制器的电压-无功调节器的一个或多个增益以降低所述不稳定性。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述一个或多个命令信号包括无功功率命令信号。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，还包括对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波或分析中的至少一个。
技术方案4. 根据技术方案3所述的方法，还包括对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波和分析，其中，对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波还包括经由多个冲洗滤波器和滞后滤波器对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波。
技术方案5. 根据技术方案4所述的方法，其中，对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行分析还包括：
确定所滤波后的一个或多个命令信号的幅值；
放大所滤波后的一个或多个命令信号的幅值；和
将所滤波后的一个或多个命令信号的所放大的幅值与幅值阈值进行比较。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其中，当所滤波后的一个或多个命令信号的所放大的幅值超过所述幅值阈值时，启动用于对所放大的幅值在某个时间段内过零的次数进行计数的计数器。
技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其中，确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号是否包括所述不稳定性的振荡行为特征还包括：
将所放大的幅值在所述某个时间段内过零的次数与稳定阈值进行比较；和
当所放大的幅值在所述某个时间段内过零的次数超过所述稳定阈值时，确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号包括所述不稳定性的振荡行为特征。
技术方案8. 根据技术方案6所述的方法，还包括在所述不稳定性降低之后重置用于对在所述某个时间段内所放大的幅值过零的次数进行计数的所述计数器。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其中，减小所述系统级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益以降低所述不稳定性还包括：
递增地实现增益减小计数器，以用于确定将所述系统级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益减小多少以降低所述不稳定性。
技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，还包括在所述不稳定性降低之后重置所述系统级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益。
技术方案11. 根据技术方案1所述的方法，还包括：响应于确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号包括所述不稳定性的所述振荡行为特征，还维持传输到所述电力网的所述至少一个基于逆变器的资源的功率输出。
技术方案12. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述系统级控制器包括高增益以满足所述电力网的快速电压要求，其中，所述方法还包括在确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号是否包括所述不稳定性的振荡行为特征之前接收所述电力网的强度已经降低某个量的指示。
技术方案13. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述功率系统包括多个基于逆变器的资源，所述至少一个基于逆变器的资源是所述多个基于逆变器的资源中的一个。
技术方案14. 根据技术方案10所述的方法，其中，所述功率系统包括风电场，并且所述至少一个基于逆变器的资源包括多个风力涡轮功率系统。
技术方案15. 一种用于控制风电场的系统，所述风电场具有连接到电力网的多个风力涡轮发电机，所述系统包括：
控制器，其配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
监测由所述风电场的场级控制器发出的无功功率命令信号；
确定所述无功功率命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征；和
响应于确定所述无功功率命令信号包括所述不稳定性的振荡行为特征，减小所述场级控制器的电压-无功调节器的一个或多个增益以降低所述不稳定性。
技术方案16. 根据技术方案15所述的系统，其中，所述多个操作还包括对由所述场级控制器发出的所述无功功率命令信号进行滤波或分析中的至少一个。
技术方案17. 根据技术方案16所述的系统，还包括对由所述场级控制器发出的所述无功功率命令信号进行滤波和分析，其中，对由所述场级控制器发出的所述无功功率命令信号进行滤波还包括经由多个冲洗滤波器和滞后滤波器对由所述场级控制器发出的所述无功功率命令信号进行滤波，其中，对由所述场级控制器发出的所述无功功率命令信号进行分析还包括：
确定所滤波后的无功功率命令信号的幅值；
放大所滤波后的无功功率命令信号的幅值；和
将所述无功功率命令信号的所放大的幅值与幅值阈值进行比较，
其中，当所滤波后的无功功率命令信号的所放大的幅值超过所述幅值阈值时，启动用于对在某个时间段内放大的幅值过零的次数进行计数的计数器。
技术方案18. 根据技术方案17所述的系统，其中，确定所述无功功率命令信号是否包括所述不稳定性的振荡行为特征还包括：
将所放大的幅值在所述某个时间段内过零的次数与稳定阈值进行比较；和
当所放大的幅值在所述某个时间段内过零的次数超过所述稳定阈值时，确定由所述场级控制器发出的所述一个或多个命令信号包括所述不稳定性的振荡行为特征。
技术方案19. 根据技术方案15所述的系统，其中，减小所述场级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益以降低所述不稳定性还包括：
递增地实现增益减小计数器，用于确定将所述场级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益减小多少以降低所述不稳定性。
技术方案20. 根据技术方案15所述的系统，还包括：响应于确定所述无功功率命令信号包括所述不稳定性的所述振荡行为特征，还维持向所述电力网传输的所述风电场的功率输出。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳模式，其中：
图1图示了根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2图示了根据本公开的机舱的一个实施例的简化内部视图；
图3图示了适合与图1中所示风力涡轮一起使用的风力涡轮电功率系统的一个实施例的示意图；
图4图示了根据本公开的具有与输送电网联接的多个风力涡轮发电机的风电场的框图；
图5图示了根据本公开的可包括在场级控制器的一个实施例中的合适部件的框图；
图6图示了根据本公开的场级调节器和涡轮级调节器的一个实施例的功能图；
图7图示了根据本公开的用于控制具有连接到电力网的至少一个基于逆变器的资源的功率系统的方法的一个实施例的流程图；和
图8图示了根据本公开的由控制器实现的控制逻辑的实施例的流程图。
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被图示。每个示例通过解释本发明的方式而不是限制本发明的方式被提供。事实上，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分被图示或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一另外的实施例。因此，意图是，本发明覆盖如归入所附权利要求书的范围内的这种修改和变型及其等同物。
大体上，本公开涉及用于监测由风力涡轮的场级控制器向其多个风力涡轮发出的无功功率命令以基于振荡行为检查不稳定性的系统和方法。如果在无功功率命令中存在振荡，该振荡是由于场级控制器的电压-无功控制路径中的大的比例增益和积分增益而导致的不稳定性的特征，则减小这些增益，这缓解了不稳定行为。一旦增益减小，可通过活动操作员命令手动地增加增益。因此，本公开提供了一种配置成分析无功功率命令以检测该命令是否不稳定的计算机实现的算法。如果不稳定，本公开还可确定原因是否是场级控制器的高增益。因此，在实施例中，本公开特别适合于具有高增益以获得快速响应速度的风电场，然而，由于诸如紧急事件的系统条件中的突然变化，这些高增益导致不稳定性。
尽管本文中描述的本技术是参照具有多个风力涡轮发电机的风电场来解释的，但应当理解，本技术也可用于具有快速控制无功功率的能力的任何合适的应用。如本文中所用，基于逆变器的资源大体上是指可通过功率电子设备的切换来生成或吸收电功率的电气设备。因此，基于逆变器的资源可包括风力涡轮发电机、太阳能逆变器、能量存储系统、STATCOM或水功率系统。
现在参考附图，图1图示了根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如图所示，风力涡轮10大体上包括从支撑表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16以及联接到机舱16的转子18。转子18包括可旋转的毂20和至少一个转子叶片22，转子叶片22联接到毂20并从毂20向外延伸。例如，在图示实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可围绕毂20间隔开，以便于旋转转子18，从而使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。例如，毂20可能够旋转地联接到定位在机舱16内的发电机24(图1)，以允许产生电能。
风力涡轮10还可包括集中在机舱16内的风力涡轮控制器26。然而，在其它实施例中，控制器26可位于风力涡轮10的任何其它部件内或者风力涡轮10外部的位置处。此外，控制器26可通信地联接到风力涡轮10的任意数量的部件，以便控制这样的部件的操作和/或实现校正或控制动作。照此，控制器26可包括计算机或其它合适的处理单元。因此，在若干实施例中，控制器26可包括合适的计算机可读指令，当实现时，所述指令配置控制器26以执行各种不同的功能，诸如接收、发送和/或执行风力涡轮控制信号。因此，控制器26可大体上配置成控制风力涡轮10的各种操作模式(例如，启动或关闭序列)、风力涡轮的降额或升额和/或风力涡轮10的各个部件。
现在参考图2，图示了图4中所示的风力涡轮10的机舱16的一个实施例的简化内部视图。如图所示，发电机24可设置在机舱16内并支撑在底板46的顶部上。一般来说，发电机24可联接到转子18，用于从由转子18生成的旋转能量产生电功率。例如，如图示实施例中所示，转子18可包括联接到毂20的转子轴34，用于与其一起旋转。转子轴34又可通过齿轮箱38能够旋转地联接到发电机24的发电机轴36。如通常理解的，响应于转子叶片22和毂20的旋转，转子轴34可向齿轮箱38提供低速、高扭矩输入。齿轮箱38然后可构造成将低速、高扭矩输入转换成高速、低扭矩输出，以驱动发电机轴36和因此发电机24。
风力涡轮10还可包括通信地联接到风力涡轮控制器26的一个或多个变桨驱动机构32，其中每个桨距调节机构32构造成使变桨轴承40旋转，并且因此使各个转子叶片22围绕其相应的变桨轴线28旋转。此外，如图所示，风力涡轮10可包括一个或多个偏航驱动机构42，偏航驱动机构42构造成改变机舱16相对于风的角度(例如，通过接合布置在风力涡轮10的机舱16和塔架12之间的风力涡轮10的偏航轴承44)。
此外，风力涡轮10还可包括一个或多个传感器66、68，用于监测风力涡轮10的各种风况。例如，可诸如通过使用合适的天气传感器66测量进入的风向52、风速或风力涡轮10附近的任何其它合适的风况。合适的天气传感器可包括，例如，光探测和测距(“LIDAR”)设备、声波探测和测距(“SODAR”)设备、风速计、风向标、气压计、雷达设备(诸如多普勒雷达设备)或本领域现在已知或以后开发的可提供风向信息的任何其它感测设备。另外的传感器68可用来测量风力涡轮10的附加的操作参数，诸如电压、电流、振动等，如本文中所述。
现在参考图3，根据本公开的各方面，图示了风力涡轮功率系统100的一个实施例的示意图。尽管本公开将在本文中大体上参照图1所示的风力涡轮10进行描述，但是使用本文提供的公开内容的本领域普通技术人员应该理解，本公开的各方面也可应用于其它功率生成系统，并且如上所述，本发明不限于风力涡轮系统。
在图3和如上所述的实施例中，风力涡轮10(图4)的转子18能够可选地联接到齿轮箱38，齿轮箱38又联接到发电机102，发电机120可为双馈感应发电机(DFIG)。如图所示，DFIG 102可连接到定子总线104。此外，如图所示，功率转换器106可经由转子总线108连接到DFIG 102，并且经由线路侧总线110连接到定子总线104。照此，定子总线104可从DFIG102的定子提供输出多相功率(例如，三相功率)，并且转子总线108可从DFIG 102的转子提供输出多相功率(例如，三相功率)。功率转换器106还可包括转子侧转换器(RSC) 112和线路侧转换器(LSC) 114。DFIG 102经由转子总线108联接到转子侧转换器112。另外，RSC 112经由DC链路116联接到LSC 114，DC链路电容器118横跨该链路116。LSC 114又联接到线路侧总线110。
RSC 112和LSC 114可构造用于在使用诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关元件的一个或多个开关器件的三相脉宽调制(PWM)布置中的正常操作模式。此外，功率转换器106可联接到转换器控制器120，以便控制转子侧转换器112和线路侧转换器114的操作，如本文中所述。应当注意，转换器控制器120可配置为功率转换器106和涡轮控制器26之间的接口，并且可包括任何数量的控制设备。
在典型的配置中，还可包括各种线路接触器和电路断路器，包括例如电网断路器122，用于在连接到诸如电力网124的负载和从负载断开期间隔离DFIG 102的正常操作所需的各种部件。例如，系统电路断路器126可将系统总线128联接到变压器130，变压器130可经由电网断路器122联接到电力网124。在备选实施例中，熔断器可代替一些或全部电路断路器。
在操作中，通过旋转转子18在DFIG 102处生成的交流功率经由由定子总线104和转子总线108限定的双路径提供至电力网124。在转子总线108上，正弦多相(例如，三相)交流(AC)功率被提供至功率转换器106。转子侧转换器112将从转子总线108提供的AC功率转换成直流(DC)功率，并将DC功率提供至DC链路116。如通常所理解的，在转子侧转换器112的桥电路中使用的开关元件(例如，IGBT)可被调制，以将从转子总线108提供的AC功率转换成适合于DC链路116的DC功率。
此外，线路侧转换器114将DC链路116上的DC功率转换成适合于电力网124的AC输出功率。特别地，线路侧转换器114的桥电路中使用的开关元件(例如，IGBT)可被调制，以将DC链路116上的DC功率转换成线路侧总线110上的AC功率。来自功率转换器106的AC功率可用来自DFIG 102的定子的功率约束，以提供具有基本上保持在电力网124的频率(例如，50Hz或60 Hz)的频率的多相功率(例如，三相功率)。
另外，诸如电网断路器122、系统断路器126、定子同步开关132、转换器断路器134和线路接触器136的各种电路断路器和开关可被包括在风力涡轮功率系统100中，以连接或断开对应的总线，例如，当电流过大并且可能损坏风力涡轮功率系统100的部件或出于其它操作考虑时。在风力涡轮功率系统100中还可包括附加的保护部件。
此外，功率转换器106可经由转换器控制器120从例如本地控制系统176接收控制信号。控制信号尤其可基于风力涡轮功率系统100的感测到的状态或操作特性。典型地，控制信号提供用于控制功率转换器106的操作。例如，以DFIG 102的感测速度形式的反馈可用于控制来自转子总线108的输出功率的转换，以保持适当且平衡的多相(例如，三相)功率供应。来自其它传感器的其它反馈也可由(多个)控制器120、26使用来控制功率转换器106，包括例如定子和转子总线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可生成开关控制信号(例如，用于IGBT的栅极定时命令)、定子同步控制信号和电路断路器信号。
功率转换器106还针对例如在毂20和转子叶片22处的风速中的变化来补偿或调节来自转子的三相功率的频率。因此，机械和电气转子频率被分离，并且电气定子和转子频率匹配基本上独立于机械转子速度而被促进。
在一些状态下，功率转换器106的双向特性以及具体地LSC 114和RSC 112的双向特性有利于将生成的电功率中的至少一些反馈回发电机转子中。更具体地，电功率可从定子总线104传输到线路侧总线110，并且随后通过线路接触器136并进入功率转换器106，具体地LSC 114，其充当整流器并将正弦三相AC功率整流成DC功率。DC功率被传输到DC链路116中。电容器118通过有利于减轻有时与三相AC整流相关联的DC纹波而有利于减轻DC链路电压幅度变化。
DC功率随后被传输到RSC 112，RSC 112通过调节电压、电流和频率将DC电功率转换成三相正弦AC电功率。该转换经由转换器控制器120来监测和控制。转换后的AC功率经由转子总线108从RSC 112传输到发电机转子。以这种方式，通过控制转子电流和电压来有利于发电机无功功率控制。
现在参考附图，图4图示了具有与输送电网190联接的多个风力涡轮发电机210的风电场200的框图。图4图示了三个风力发电机210；然而，风电场200中可包括任何数量的风力发电机。此外，如图所示，风力涡轮发电机210中的每一个包括响应于被控制的风力涡轮发电机210的条件的本地控制器212。在一个实施例中，针对每个风力涡轮发电机的控制器仅感测终端电压和电流(经由电压互感器和电流互感器)。感测到的电压和电流由本地控制器使用来提供适当的响应，以导致风力涡轮发电机210提供期望的无功功率。
每个风力涡轮发电机210通过发电机连接变压器215联接到集电器总线220，以向集电器总线220提供有功功率和无功功率(分别标记为Pwg和Qwg)。发电机连接变压器和集电器总线是本领域中已知的。
风电场200经由风电场主变压器230提供有功功率输出和无功功率输出(分别标记为Pwf和Qwf)。通信地联接到涡轮级控制器212的场级控制器250感测风电场输出以及在公共联接点(PCC)240处的电压，以提供Q命令信号205(QCMD)，该信号指示在发电机端子处的期望无功功率，以确保无功功率在风力涡轮之间的合理分配。在备选实施例中，Q命令信号(QCMD)205可生成为本地或操作员水平(由图4中的“本地”线指示)，例如在(多个)风力涡轮发电机处于手动模式或以其它方式不与风电场级控制器250通信的情况下。
现在参考图5，图示了根据本公开的方面的可包括在涡轮级控制器212和/或场级控制器250内的合适部件的一个实施例的框图。如图所示，控制器212、250可包括一个或多个处理器252和(多个)相关联的存储器设备254，其配置成执行各种计算机实现的功能(例如，执行如本文中公开的方法、步骤、计算等和存储相关数据)。另外，控制器212、250还可包括通信模块256，以便于控制器212、250和风电场200的各种部件之间的通信。此外，通信模块256可包括传感器接口258(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从一个或多个传感器260、262、264传输的信号被转换成可被处理器252理解和处理的信号。应当意识到、传感器260、262、264可使用任何合适的手段通信地联接到通信模块256。例如，如图所示、传感器260、262、264经由有线连接联接到传感器接口258。然而，在其它实施例中、传感器260、262、264可经由无线连接联接到传感器接口258，诸如通过使用本领域已知的任何合适的无线通信协议。
如本文中所用，术语“处理器”不仅指在本领域中被称为包含在计算机中的集成电路，还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路。另外，(多个)存储器设备254大体上可包括(多个)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，闪存存储器)、软盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件。(多个)这样的存储器设备254可大体上配置成存储合适的计算机可读指令，当由(多个)处理器252实现时，所述指令配置控制器212、250来执行如本文中描述的各种功能。
传感器260、262、264可包括配置成向场级控制器250提供反馈测量值的任何合适的传感器。在各种实施例中，例如，传感器260、262、264可为以下任何一个或其组合：电压传感器、电流传感器和/或任何其它合适的传感器。
现在参考图6至图8，图示了根据本公开的用于控制诸如风电场的功率系统的各种系统和方法的实施例。特别地，图6图示了场级控制器250和涡轮级控制器212的一个实施例的功能图。图7图示了根据本公开的用于控制诸如风电场的功率系统的方法400的一个实施例的流程图。图8图示了根据本公开的由控制器实现的控制逻辑的实施例的另一个流程图。
特别地参考图6，图示了用于控制风电场200的系统300的实际实现方式。特别地，如图所示，场级控制器250可包括具有上限和下限(例如，QLIMHI和QLIMLO)的电压-无功调节器302。更具体地，如图所示，场级控制器250配置成接收风电场的一个或多个电压命令(例如，Vwf_Cmd 304)和风电场200的一个或多个电压反馈(例如，Vwf_Fbk 306)，其可由电压-无功调节器302使用以确定用于涡轮级控制器212的无功功率命令信号(例如，Q_Cmd 308)。此外，如图所示，涡轮级控制器212中的每一个接收无功功率命令信号308(即，经由它们相应的涡轮级电压-无功调节器310)。因此，涡轮级电压-无功调节器310还接收各种其它参数，诸如各个风力涡轮的无功功率反馈(例如，Qwtg_Fbk 312)和电压反馈(例如，Vwtg_Fbk314)，以确定针对它们相应的电流调节器318的电流命令(例如，I_Cmd 316)。因此，各个风力涡轮的电流调节器318配置成用于生成用于转换器控制器的转子电流命令(例如，Irq_Cmd)320。
现在参考图7，本文中描述的方法400大体上应用于操作本文中关于图4和图6描述的风电场200。然而，应当意识到，所公开的方法400可使用配置成供应无功功率以应用到诸如功率电网的负载的任何其它功率系统来实现，所述功率系统为诸如太阳能功率系统、水功率系统、储能功率系统或它们的组合。此外，为了说明和讨论的目的，图7描绘了以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，在不偏离本公开的范围的情况下，本文公开的任何方法的各种步骤可以各种方式进行修改、省略、重新排列或扩展。
如在402所示，方法400包括经由所述至少一个基于逆变器的资源的至少一个控制器监测由系统级控制器发出的一个或多个命令信号。例如，在实施例中，(多个)命令信号可包括无功功率命令信号308。如在404所示，方法400包括经由所述至少一个基于逆变器的资源的所述至少一个控制器确定由系统级控制器发出的(多个)命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征。
响应于确定由系统级控制器发出的(多个)命令信号包括不稳定性的振荡行为特征，如在406和408所示，方法400包括减小系统级控制器(例如，场级控制器250)的电压-无功调节器302的一个或多个增益以降低不稳定性。在特定实施例中，例如，场级控制器250可包括高增益以满足电力网的快速电压要求。在这样的实施例中，方法400可包括在确定由场级控制器250发出的(多个)命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征之前接收电力网的强度已经降低某个量的指示。
现在参考图8，图示了根据本公开的用于不稳定性检测的控制逻辑500的一个实施例的详细流程图。特别地，如图所示，由控制器实现的控制逻辑接收无功功率命令信号(例如，Q_Cmd 308)。此外，如图所示，控制逻辑500可包括用于对无功功率命令信号308滤波的一个或多个滤波器502、504、506。此外，如在510所示，控制逻辑500还可配置成对滤波后的无功功率命令信号508进行分析。因此，应当理解，可对无功功率命令信号308施加任何合适量的滤波、分析和/或处理。
在特定实施例中，例如，控制逻辑500可包括多个冲洗滤波器502、504和滞后滤波器506。此外，如在510所示，在实施例中，控制逻辑500可通过确定滤波后的无功功率命令信号508的幅值(例如，通过确定滤波后的无功功率命令信号508的绝对值)、放大滤波后的无功功率命令信号508的幅值(例如，通过将滤波后的无功功率命令信号508乘以诸如二的因子)以及将滤波后的无功功率命令信号508的放大的幅值与幅值阈值(例如，NSTABMAG)进行比较来分析无功功率命令信号308。
仍然参考图8，在另外的实施例中，如在512所示，当滤波后的无功功率命令信号508的放大的幅值超过幅值阈值时，控制逻辑500可包括启动一个或多个定时器，诸如过零定时器(例如，Zcross定时器)。此外，如在512所示，控制逻辑500还可重置振荡幅值时间(例如，OMAG定时器)。此外，如在514所示，控制逻辑500可包括启动用于对在某个时间段(例如，ZC定时器)内放大的幅值过零的次数(例如，ZCROSS)进行计数的计数器。因此，如在514所示，控制逻辑500可包括通过将放大的幅值在某个时间段内过零的次数与稳定阈值(例如，NSTAB_TO1)进行比较来确定无功功率命令信号508是否包括不稳定性的振荡行为特征。更具体地，控制逻辑500配置成当在某个时间段内放大的幅值过零的次数超过稳定阈值时确定无功功率命令信号508包括不稳定性的振荡行为特征。
此外，如在516所示，控制逻辑500配置成确定在某个时间段内放大的幅值过零的次数(例如，ZCROSS)是否超过过零计数器极限(例如，NSTABCTR1)。如果是这样，则如在518所示，控制逻辑500配置成检查增益减小计数器。因此，如图所示，如果NSTAB_RCT大于增益减小计数器极限(例如，NSTABCTR2)，则控制逻辑500在520继续。如果不是，则如在522所示，控制逻辑500返回到步骤512。特别地，如在522所示，控制逻辑500配置成重置过零定时器并将值(诸如1)加到放大的幅值在某个时间段内过零的次数(例如，ZCROSS)上。
相反，如在520所示，控制逻辑500配置成将不稳定动作标志(例如，NSTAB_ACT)设定到某个值，诸如1。此外，如图所示，控制逻辑500配置成递增地应用增益减小计数器并减小场级控制器250的电压-无功调节器302的(多个)增益以降低不稳定性。更具体地，控制逻辑500可包括递增地实现增益减小计数器，以用于确定将场级控制器250的电压-无功调节器302的(多个)增益(例如，KVP和KIV)减小多少以降低不稳定性。例如，在实施例中，(多个)增益可减小约一半。在另外的实施例中，(多个)增益可减小任何合适的量以降低不稳定性。
此外，如图所示，控制逻辑500配置成在不稳定性降低之后重置用于对在某个时间段内放大的幅值过零的次数进行计数的过零计数器。此外，在实施例中，控制逻辑500配置成在不稳定性降低之后重置场级控制器250的电压-无功调节器302的一个或多个增益。因此，如在524所示，控制逻辑500配置成进入下一个时间步。
仍然参考图8，如果如在510所示不稳定性幅值不超过幅值阈值，则控制逻辑500还包括控制路径。例如，如在526所示，控制逻辑500配置成启动振荡幅值定时器(例如，OMAG定时器)并设定振荡幅值定时器极限(例如，NSTAB_TO2)。因此，如在528和530所示，控制逻辑500允许振荡幅值和过零定时器重置。因此，如532所示，控制逻辑500配置成将不稳定动作标志(例如，NSTAB_FLAG和NSTAB_ACT)重置为零，将放大的幅值在某个时间段内过零的次数(例如，ZCROSS)重置为零，并且将增益(例如，KVP和KIV)重置为其原始值。此外，如图所示，控制逻辑500也配置成重置过零定时器。
响应于确定滤波后的无功功率命令信号508包括不稳定性的振荡行为特征，控制逻辑500还可包括维持传输到电力网的风电场200的功率输出。
本发明的另外的方面由以下条款的主题提供：
条款1. 一种用于控制功率系统的方法，所述功率系统具有连接到电力网的至少一个基于逆变器的资源，所述方法包括：
经由所述至少一个基于逆变器的资源的至少一个控制器监测由系统级控制器发出的一个或多个命令信号；
经由所述至少一个基于逆变器的资源的所述至少一个控制器确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征；和
响应于确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号包括所述不稳定性的振荡行为特征，减小所述系统级控制器的电压-无功调节器的一个或多个增益以降低所述不稳定性。
条款2. 根据条款1所述的方法，其中，所述一个或多个命令信号包括无功功率命令信号。
条款3. 根据条款1至2所述的方法，还包括对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波或分析中的至少一个。
条款4. 根据条款3所述的方法，还包括对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波和分析，其中，对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波还包括经由多个冲洗滤波器和滞后滤波器对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波。
条款5. 根据条款4所述的方法，其中，对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行分析还包括：
确定所滤波后的一个或多个命令信号的幅值；
放大所滤波后的一个或多个命令信号的幅值；和
将所滤波后的一个或多个命令信号的所放大的幅值与幅值阈值进行比较。
条款6. 根据条款5所述的方法，其中，当所滤波后的一个或多个命令信号的所放大的幅值超过所述幅值阈值时，启动用于对所放大的幅值在某个时间段内过零的次数进行计数的计数器。
条款7. 根据条款6所述的方法，其中，确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号是否包括所述不稳定性的振荡行为特征还包括：
将所放大的幅值在所述某个时间段内过零的次数与稳定阈值进行比较；和
当所放大的幅值在所述某个时间段内过零的次数超过所述稳定阈值时，确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号包括所述不稳定性的振荡行为特征。
条款8. 根据条款6所述的方法，还包括在所述不稳定性降低之后重置用于对在所述某个时间段内所放大的幅值过零的次数进行计数的所述计数器。
条款9. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，减小所述系统级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益以降低所述不稳定性还包括：
递增地实现增益减小计数器，以用于确定将所述系统级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益减小多少以降低所述不稳定性。
条款10. 根据前述条款中任一项所述的方法，还包括在所述不稳定性降低之后重置所述系统级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益。
条款11. 根据前述条款中任一项所述的方法，还包括：响应于确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号包括所述不稳定性的所述振荡行为特征，还维持传输到所述电力网的所述至少一个基于逆变器的资源的功率输出。
条款12. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述系统级控制器包括高增益以满足所述电力网的快速电压要求，其中，所述方法还包括在确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号是否包括所述不稳定性的振荡行为特征之前接收所述电力网的强度已经降低某个量的指示。
条款13. 根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述功率系统包括多个基于逆变器的资源，所述至少一个基于逆变器的资源是所述多个基于逆变器的资源中的一个。
条款14. 根据条款10所述的方法，其中，所述功率系统包括风电场，并且所述至少一个基于逆变器的资源包括多个风力涡轮功率系统。
条款15. 一种用于控制风电场的系统，所述风电场具有连接到电力网的多个风力涡轮发电机，所述系统包括：
控制器，其配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
监测由所述风电场的场级控制器发出的无功功率命令信号；
确定所述无功功率命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征；和
响应于确定所述无功功率命令信号包括所述不稳定性的振荡行为特征，减小所述场级控制器的电压-无功调节器的一个或多个增益以降低所述不稳定性。
条款16. 根据条款15所述的系统，其中，所述多个操作还包括对由所述场级控制器发出的所述无功功率命令信号进行滤波或分析中的至少一个。
条款17. 根据条款16所述的系统，还包括对由所述场级控制器发出的所述无功功率命令信号进行滤波和分析，其中，对由所述场级控制器发出的所述无功功率命令信号进行滤波还包括经由多个冲洗滤波器和滞后滤波器对由所述场级控制器发出的所述无功功率命令信号进行滤波，且其中，对由所述场级控制器发出的所述无功功率命令信号进行分析还包括：
确定所滤波后的无功功率命令信号的幅值；
放大所滤波后的无功功率命令信号的幅值；和
将所述无功功率命令信号的所放大的幅值与幅值阈值进行比较，
其中，当所滤波后的无功功率命令信号的所放大的幅值超过所述幅值阈值时，启动用于对在某个时间段内放大的幅值过零的次数进行计数的计数器。
条款18. 根据条款17所述的系统，其中，确定所述无功功率命令信号是否包括所述不稳定性的振荡行为特征还包括：
将所放大的幅值在所述某个时间段内过零的次数与稳定阈值进行比较；和
当所放大的幅值在所述某个时间段内过零的次数超过所述稳定阈值时，确定由所述场级控制器发出的所述一个或多个命令信号包括所述不稳定性的振荡行为特征。
条款19. 根据条款15至18所述的系统，其中，减小所述场级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益以降低所述不稳定性还包括：
递增地实现增益减小计数器，用于确定将所述场级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益减小多少以降低所述不稳定性。
条款20. 根据条款15至19所述的系统，还包括：响应于确定所述无功功率命令信号包括所述不稳定性的所述振荡行为特征，还维持向所述电力网传输的所述风电场的功率输出。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。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。如果这些其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等效结构要素，则这些其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于控制功率系统的方法，所述功率系统具有连接到电力网的至少一个基于逆变器的资源，所述方法包括：
经由所述至少一个基于逆变器的资源的至少一个控制器监测由系统级控制器发出的一个或多个命令信号；
经由所述至少一个基于逆变器的资源的所述至少一个控制器确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号是否包括不稳定性的振荡行为特征；和
响应于确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号包括所述不稳定性的振荡行为特征，减小所述系统级控制器的电压-无功调节器的一个或多个增益以降低所述不稳定性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个命令信号包括无功功率命令信号。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波或分析中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波和分析，其中，对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波还包括经由多个冲洗滤波器和滞后滤波器对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行滤波。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号进行分析还包括：
确定所滤波后的一个或多个命令信号的幅值；
放大所滤波后的一个或多个命令信号的幅值；和
将所滤波后的一个或多个命令信号的所放大的幅值与幅值阈值进行比较。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，当所滤波后的一个或多个命令信号的所放大的幅值超过所述幅值阈值时，启动用于对所放大的幅值在某个时间段内过零的次数进行计数的计数器。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号是否包括所述不稳定性的振荡行为特征还包括：
将所放大的幅值在所述某个时间段内过零的次数与稳定阈值进行比较；和
当所放大的幅值在所述某个时间段内过零的次数超过所述稳定阈值时，确定由所述系统级控制器发出的所述一个或多个命令信号包括所述不稳定性的振荡行为特征。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括在所述不稳定性降低之后重置用于对在所述某个时间段内所放大的幅值过零的次数进行计数的所述计数器。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，减小所述系统级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益以降低所述不稳定性还包括：
递增地实现增益减小计数器，以用于确定将所述系统级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益减小多少以降低所述不稳定性。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述不稳定性降低之后重置所述系统级控制器的所述电压-无功调节器的所述一个或多个增益。
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