CN116191557A - 用于约束与资源的电网感应功率偏离的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的方法包括经由控制器接收功率参考信号。所述方法还包括确定动态功率变化限制。此外，所述方法包括经由控制器基于功率参考信号来确定与期望功率操作点的电网感应功率偏离的上功率边界和下功率边界。此外，所述方法包括经由控制器至少部分地基于上功率边界和下功率边界以及动态功率变化限制来确定用于惯性功率调节器参考的限制。另外，所述方法包括经由控制器将限制应用于基于逆变器的资源的惯性功率调节器中的惯性功率调节器参考。

Description

用于约束与资源的电网感应功率偏离的系统和方法
技术领域
本公开一般涉及诸如风力涡轮功率系统之类的基于逆变器的资源，并且更具体地涉及用于约束与电网形成的基于逆变器的资源的电网感应功率偏离的系统和方法。
背景技术
风功率被认为是目前可获得的最清洁、环境友好的能量源之一，并且风力涡轮在这方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮通常包括塔、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理捕获风的动能。例如，转子叶片通常具有翼型的横截面轮廓，使得在操作期间，空气在叶片之上流动，从而在两侧之间产生压力差。因此，从压力侧朝向吸力侧的升力作用在叶片上。提升力在主转子轴上生成扭矩，所述主转子轴通常与用于产生电力的发电机啮合。
风力涡轮可以区分为两种类型：固定速度和可变速度涡轮。通常，可变速度风力涡轮被控制为连接到功率电网的电流源。换言之，可变速度风力涡轮依赖于由锁相环(PLL)检测的电网频率作为参考，并将指定量的电流注入到电网中。风力涡轮的常规电流源控制是基于以下假设：电网电压波形是具有固定频率和幅度的基本电压波形，并且风功率进入电网的穿透足够低，从而不会对电网电压幅度和频率造成干扰。因此，风力涡轮基于基本电压波形仅将指定电流注入到电网中。然而，随着风功率的快速增长，进入一些电网的风功率穿透已经增加到其中风力涡轮发电机对电网电压和频率具有显著影响的程度。当风力涡轮位于弱电网中时，风力涡轮功率波动可能导致电网电压的幅度和频率变化中的增加。这些波动可能不利地影响PLL和风力涡轮电流控制的性能和稳定性。
许多现有的可再生生成转换器(例如双馈风力涡轮发电机)以“电网跟随”模式操作。电网跟随型装置利用快速电流调节回路来控制与电网交换的有功和无功功率。更特别地，图1图示用于电网跟随的双馈风力涡轮发电机的主电路和转换器控制结构的基本元件。如所示，转换器的有功功率参考由能量源调节器(例如风力涡轮的涡轮控制部分)形成。这作为表示在那个时刻来自能量源的最大可获得功率中的较小者的扭矩参考或来自较高级电网控制器的缩减(curtailment)命令来传达。转换器控制然后确定用于电流的有功分量的电流参考以实现预期扭矩。因此，双馈风力涡轮发电机包括以导致用于电流的无功分量的命令的方式管理电压和无功功率的功能。宽带宽电流调节器然后形成用于由转换器施加到系统的电压的命令，使得实际电流紧密地跟踪命令。
备选地，电网形成型转换器提供电压源特性，其中控制电压的角度和幅度以实现由电网所需的调节功能。利用这种结构，电流将根据电网的需求流动，而转换器有助于建立用于电网的电压和频率。这个特性与基于驱动同步机器的涡轮的传统发电机相当。因此，电网形成源必须包括以下基本功能：(1)支持用于设备的额定值内任何电流流动的电网电压和频率，有功和无功；(2)通过允许电网电压或频率改变而不是断开设备(仅当电压或频率超出由电网实体所建立的界限时才允许断开)来防止超出设备电压或电流能力的操作；(3)对于包括下列的任何电网配置或负载特性保持稳定：服务于隔离负载或与其他电网形成源连接，以及在这样的配置之间切换；(4)在连接到所述电网的其他电网形成源之中分担所述电网的总负载；(5)跨越主要和次要的电网干扰；并且(6)满足要求(1)-(5)而不要求与电网中存在的其他控制系统或与电网配置改变相关的外部产生的逻辑信号进行快速通信。
在二十世纪九十年代早期，为电池系统开发和现场证明用来实现上述电网形成目标的基本控制结构(例如，参见标题为“Battery Energy Storage Power ConditioningSystem”的美国专利No.5798633)。在标题为“System and Method for Control of a GridConnected Power Generating System”的美国专利No.7804184和标题为“Controller forcontrolling a power converter”的美国专利No.9270194中公开全转换器风力发电机和太阳能发电机的应用。在标题为“System and Method for Providing Grid-FormingControl for a Double-Feb Wind Turbine Generator”的PCT/US2020/013787中公开用于双馈风力涡轮发电机的电网形成控制的应用。
作为示例，图2图示电网形成系统的主电路的一个实施例的示意图。如所示，主电路包括在DC和AC侧具有连接的功率电子转换器。这个转换器从控制器接收选通命令，所述该控制器以Thvcnv的角度产生AC电压相量Vcnv。所述角度相对于具有固定频率的参考相量。DC侧被供应有能够生成或吸收功率甚至达短的持续时间的装置。这样的装置可以包括例如电池、太阳能板、具有整流器的旋转机器或电容器。另外，如所示，所述电路包括将转换器连接到示为图2中的电压Vt和角度ThVt的其互连点的电感阻抗Xcnv。互连点后面的电气系统被示为在角度ThVthev下具有阻抗Zthev和电压Vthev的Thevenin等效物。这个等效物可用来表示任何电路，包括具有负载的电网连接和孤岛电路。在实际情况下，阻抗Zthev将主要是电感的。
仍然参考图2，主控制的闭环部分从互连点处的电压和电流接收反馈信号。从更高级控制(未示出)接收附加输入。虽然图2图示作为示例的单个转换器，但是可以在阻抗Xcnv之后产生受控电压Vcnv的电等效物的设备的任何分组都可以应用所公开的控制方案以实现相同的性能益处。
现在参考图3，图示根据传统构造的用于提供电网形成控制的控制图。如所示，转换器控制器1从更高级控制2接收参考(例如，Vref和Pref)和限制(例如，VcmdLimits和PcmdLimits)。这些高级限制是电压、电流和功率的物理量。主调节器包括快电压调节器3和慢功率调节器4。这些调节器3，4具有施加到用于电压幅度(例如，VcnvCmd)和角度(例如，θPang和θPLL)的转换器控制命令的最终限制，以分别实现对电流的无功分量和实分量的约束。此外，这样的限制基于作为缺省值的预定固定值，其中如果电流超过限制，则进行闭环控制以减小限制。
为了有效，电网形成(GFM)的基于逆变器的资源(IBR)必须能够维持内部电压相量，当存在电网状况中的变化时，例如负载的突然增加/移除、导致相位跳变和/或频率的快速变化的电网连接的打开或关闭，该内部电压相量不快速移动。换句话说，来自电网形成资源的功率必须能够突然改变以稳定电网，其中随后慢复位到功率从更高级控制功能命令。另外，电网形成资源必须能够快速地实施由于对装置的功率处置部分(例如电池、太阳能电池阵列和/或风力发电系统中的DC电压/电流)的约束而存在的功率限制。对于电网上的严重干扰(例如，其中功率限制将被动态调整以与电网状况协调以从故障中安全恢复的故障)需要这样的响应。此外，电网形成资源应该能够快速地跟随来自更高级控制的命令中的变化，例如以用于衰减风力涡轮中的机械振动。然而，这样的要求可能难以实现。
用于IBR的GFM控制通常通过电压幅度、频率和角度的修改来实现。GFM控制的一个特性是响应于电网事件的受控电压频率和角度的慢响应。以这种方式设计控制以提供类似于同步机器的物理特性的合成惯性和同步扭矩特性。然而，这种控制设计的结果是，相对于快速变化的电网状况的GFM IBR的慢变化的内部频率和相位可能导致在电网事件期间和之后资源的有功功率输出中的不期望的振荡。另外，在这些事件期间，电网可以从GFM IBR中提取超过其设计额定值的功率电平。
因此，这个控制特征的结果是电网的电频率和相位的快速变化(由于各种电网故障/干扰)导致功率输出的快速变化。电网形成IBR控制的这一方面对于电网频率的稳定性是期望的。然而，如果电网感应功率变化太大，则可能发生跳闸、设备过载或不稳定。
鉴于上述内容，解决上述问题的改进的系统和方法在本领域中将是受欢迎的。因此，本公开涉及用于约束与GFM IBR的电网感应功率偏离以促进在严重电网事件期间更好地控制功率输出的系统和方法。特别地，本公开涉及用于将GFM IBR的有益惯性效应约束在功率边界内以避免不期望的设备过载、跳闸或不稳定的系统和方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中明白，或可通过本发明的实践来学习。
在一个方面中，本公开涉及一种用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的方法。所述方法包括经由控制器接收功率参考信号。所述方法还包括经由控制器基于功率参考信号确定上功率边界和下功率边界。此外，所述方法包括经由控制器确定与期望功率操作点的电网感应功率偏离的动态功率变化限制。此外，所述方法包括经由控制器至少部分地基于上功率边界和下功率边界以及动态功率变化限制来确定用于惯性功率调节器参考的限制。另外，所述方法包括经由控制器将限制应用于基于逆变器的资源的惯性功率调节器中的惯性功率调节器参考。应当理解，所述方法还可以包括本文所述的附加特征和/或步骤中的任何附加特征和/或步骤。
在另一个方面中，本公开涉及一种用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源的电网形成控制的转换器控制器。转换器控制器包括具有至少一个处理器的至少一个控制器。所述(一个或多个)处理器被配置成执行多个操作，包括但不限于接收功率参考信号、确定动态功率变化限制、至少部分地基于所述功率参考信号来确定与期望功率操作点的电网感应功率偏离的上功率边界和下功率边界，至少部分地基于上功率边界和下功率边界以及动态功率变化限制来确定用于惯性功率调节器参考的限制，以及将所述限制应用于所述基于逆变器的资源的惯性功率调节器中的所述惯性功率调节器参考。应当理解，转换器控制器还可以包括这里描述的附加特征和/或步骤中的任何附加特征和/或步骤。
参考以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并且与该描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参照附图的说明书中阐述本发明(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，其中：
图1图示根据传统构造的具有用于电网跟随应用的转换器控制的结构的双馈风力涡轮发电机的单线图；
图2图示根据传统构造的电网形成系统的主电路的一个实施例的示意图；
图3图示根据传统构造的用于提供电网形成控制的控制图；
图4图示根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图5图示根据本公开的机舱的一个实施例的简化的内部视图；
图6图示适于供与图1中所示的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7图示根据本公开的具有多个风力涡轮的风电场的一个实施例的示意图；
图8图示供与图1中所示风力涡轮一起使用的风力涡轮电功率系统的另一实施例的示意图；
图9图示根据本公开的控制器的一个实施例的框图；
图10图示根据本公开的用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的方法的一个实施例的流程图；
图11图示根据本公开的用于估计用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的功率的某个分量的系统的一个实施例的控制图；
图12图示根据本公开的用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的系统的一个实施例的控制图；
图13图示根据本公开的用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的系统的惯性功率调节器的一个实施例的控制图；以及
图14图示根据本公开的简化的功能框图，其图示供在用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的系统中使用的限制值的生成。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，在附图中图示其一个或多个示例。每个示例通过解释本发明的方式来提供，而不是通过限制本发明的方式来提供。实际上，对于本领域技术人员将明白的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中作出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，旨在的是，本发明覆盖如落入所附权利要求及它们的等同体的范围内的这类修改和变型。
电网形成的基于逆变器的资源(GFM IBR)具有仿真包括惯性功率调节器的同步机的物理方面的控制功能。这个控制特征的结果是电网的电频率和相位的快速变化(由于各种电网故障/干扰)导致功率输出的快速变化。GFM IBR的这个方面对于电网频率的稳定性是期望的。然而，如果电网感应功率变化太大，则可能发生跳闸、设备过载或不稳定。因此，本公开一般涉及用于经由基于逆变器的资源提供电网形成控制的系统和方法，其解决上述问题。特别地，本公开的系统和方法包括将GFM IBR的有益惯性效应限制在功率边界内，以避免不期望的设备过载、跳闸或不稳定。
现在参考附图，图4图示根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所示出，风力涡轮10通常可以包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16以及耦合到机舱16的转子18。转子18包括可旋转毂20和耦合到毂20并从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在所图示实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可以包括多于或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可以围绕毂20间隔开以促进使转子18旋转，以便使得动能能够从风转变为可用的机械能，并且随后转变为电能。例如，毂20可以可旋转地耦合到定位在机舱16内的发电机24(图5)以允许产生电能。
风力涡轮机10还可以包括集中在机舱16内的风力涡轮控制器26。然而，在其他实施例中，控制器26可以位于风力涡轮10的任何其他组件内或位于风力涡轮10外部的位置处。此外，控制器26可以通信地耦合到风力涡轮10的任何数量的组件，以便控制这样的组件的操作和/或实现校正或控制动作。因此，控制器26可以包括计算机或其他合适的处理单元。因此，在若干实施例中，控制器26可以包括适当的计算机可读指令，其当被实现时将控制器26配置成执行各种不同的功能，例如接收、传送和/或执行风力涡轮控制信号。因此，控制器26通常可配置成控制各种操作模式(例如，启动或关闭顺序)，使风力涡轮降额或升额，和/或风力涡轮10的个别组件。
现在参见图5，图示图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。如所示，发电机24可设置在机舱16内并支撑在底板46的顶上。通常，发电机24可以耦合到转子18，以用于从由转子18产生的旋转能量产生电功率。例如，如所图示实施例中所示，转子18可包括耦合到毂20以用于与其一起旋转的转子轴34。转子轴34又可以通过齿轮箱38可旋转地耦合到发电机24的发电机轴36。如通常理解的，转子轴34可以响应于转子叶片22和毂20的旋转而向齿轮箱38提供低速、高扭矩输入。然后，齿轮箱38可配置成将低速、高扭矩输入转换成高速、低扭矩输出以驱动发电机轴36，并且因此驱动发电机24。
风力涡轮10还可以包括一个或多个俯仰(pitch)驱动机构32，所述俯仰驱动机构32可通信地耦合到风力涡轮控制器26，其中每个俯仰调节机构32配置成使桨距轴承40旋转，并且因此使个别转子叶片22绕其相应的俯仰轴线28旋转。另外，如所示，风力涡轮10可以包括一个或多个偏航驱动机构42，所述偏航驱动机构配置成改变机舱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与塔架12之间的风力涡轮10的偏航轴承44)。
另外，风力涡轮10还可以包括用于监测风力涡轮10的各种风状况的一个或多个传感器66，68。例如，可以例如通过使用合适的天气传感器66来测量风力涡轮10附近的进入风向52、风速或任何其他合适的风状况。合适的天气传感器可以包括例如光检测和测距(“LIDAR”)装置、声波检测和测距(“SODAR”)装置、风速计、风向标、气压计、雷达装置(例如多普勒雷达装置)或可以提供本领域现在已知或以后开发的风向信息的任何其他感测装置。还可以利用另外的传感器68来测量风力涡轮10的附加操作参数，例如如本文描述的电压、电流、振动等。
现在参考图6，根据本公开的方面图示风力涡轮功率系统100的一个实施例的示意图。尽管本文通常将参考图4中所示的风力涡轮10描述本公开，但是本领域普通技术人员使用本文提供的公开应当理解，本公开的方面也可应用于其他功率生成系统，并且如上所述，本发明不限于风力涡轮系统。
在图6的实施例中并且如上所述，风力涡轮10(图4)的转子18可以可选地耦合到齿轮箱38，所述齿轮箱38又耦合到发电机102，所述发电机102可以是双馈感应发电机(DFIG)。如所示，DFIG102可以连接到定子母线104。此外，如所示，功率转换器106可以经由转子母线108连接到DFIG102，并且经由线路侧母线110连接到定子母线104。因此，定子母线104可以从DFIG102的定子提供输出多相功率(例如，三相功率)，而转子母线108可以从DFIG102的转子提供输出多相功率(例如，三相功率)。功率转换器106还可以包括转子侧转换器(RSC)112和线路侧转换器(LSC)114。DFIG102经由转子母线108耦合到转子侧转换器112。另外，RSC112经由DC链路116耦合到LSC114，跨所述DC链路116的是DC链路电容器118。LSC114又耦合到线路侧母线110。
RSC112和LSC114可以被配置用于使用一个或多个开关器件(诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关元件)的三相脉宽调制(PWM)布置中的正常操作模式。另外，功率转换器106可以耦合到转换器控制器120，以便控制转子侧转换器112和/或线路侧转换器114的操作，如本文所述。应当注意，转换器控制器120可以被配置为功率转换器106和涡轮控制器26之间的接口，并且可以包括任意数量的控制装置。
在典型配置中，还可以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)以用于在连接到负载(例如电力网124)和从负载断开期间隔离如对于DFIG102的正常操作所必需的各种组件。例如，系统电路断路器126可以将系统母线128耦合到变压器130，所述变压器130可以经由电网断路器122耦合到电力网124。在备选实施例中，保险丝可以代替电路断路器中的一些或全部电路断路器。
在操作中，通过旋转转子18在DFIG102处生成的交流经由由定子母线104和转子母线108限定的双路径提供给电力网124。在转子总线侧108上，正弦多相(例如，三相)交流(AC)功率被提供给功率转换器106。转子侧转换器112将从转子母线108提供的AC功率转换成直流(DC)功率，并将DC功率提供给DC链路116。如通常理解的，在转子侧转换器112的桥电路中使用的开关元件(例如IGBT)可以被调制以将从转子母线108提供的AC功率转换成适合于DC链路116的DC功率。
另外，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，可以对线路侧转换器114的桥电路中使用的开关元件(例如IGBT)进行调制，以将DC链路116上的DC功率转换成线路侧母线110上的AC功率。来自功率转换器106的AC功率可以与来自DFIG102的定子的功率组合，以提供具有基本上维持在电力网124的频率(例如，50Hz或60Hz)的频率的多相功率(例如，三相功率)。
另外，各种电路断路器和开关(例如电网断路器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)可以包括在风力涡轮功率系统100中以连接或断开对应的母线，例如，当电流流动过度并且可能损坏风力涡轮功率系统100的组件或出于其他操作考虑。附加保护组件也可以包括在风力涡轮功率系统100中。
此外，功率转换器106可以经由转换器控制器120从例如涡轮控制器26接收控制信号。控制信号尤其可以基于风力涡轮功率系统100的感测状态或操作特性。通常，控制信号提供对功率转换器106的操作的控制。例如，采用DFIG102的感测速度的形式的反馈可用于控制来自转子母线108的输出功率的转换，以维持适当且平衡的多相(例如，三相)功率供应。通过(一个或多个)控制器120，26还可以使用来自其他传感器的其他反馈来控制功率转换器106，包括例如定子和转子母线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可以生成开关控制信号(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还针对例如毂20和转子叶片22处的风速中的变化补偿或调节来自转子的三相功率的频率。因此，机械和电转子频率被去耦，并且电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的双向特性并且特别地是LSC114和RSC112的双向特性促进将所生成的电功率中的至少一些反馈回到发电机转子中。更特别地，电功率可以从定子母线104传输到线路侧母线110，并且随后通过线路接触器136并进入功率转换器106，特别地是进入LSC114，其用作整流器并将正弦三相AC功率整流为DC功率。DC功率被传送到DC链路116中。电容器118通过促进减轻有时与三相AC整流相关联的DC纹波来促进减轻DC链路电压幅度变化。
随后将DC功率传送到RSC112，所述RSC112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。经由转换器控制器120监测和控制这种转换。经转换的AC功率从RSC112经由转子母线108传送到发电机转子。以这种方式，通过控制转子电流和电压来促进发电机无功功率控制。
现在参照图7，本文描述的风力涡轮系统100可以是风电场150的一部分。如所示，风电场150可以包括多个风力涡轮152，包括上述的风力涡轮10，以及整个场级控制器156。例如，如所图示实施例中所示，风电场150包括12个风力涡轮，包括风力涡轮10。然而，在其他实施例中，风电场150可以包括任何其他数量的风力涡轮，例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，多个风力涡轮152的涡轮控制器例如通过有线连接(诸如通过经由合适的通信链路154(例如，合适的线缆)连接涡轮控制器26)而通信地耦合到场级控制器156。备选地，涡轮控制器可以通过无线连接(例如通过使用本领域已知的任何合适的无线通信协议)通信地耦合到场级控制器156。在另外的实施例中，场级控制器156配置成向各个风力涡轮机152发送控制信号和从各个风力涡轮机152接收控制信号，例如比如，跨风电场150的风力涡轮152分配实际和/或无功功率需求。
现在参考图8，根据本公开的方面图示风力涡轮功率系统170的另一个实施例的示意图。然而，与图6相反，图7的风力涡轮功率系统170是全转换系统。特别地，如所示，风力涡轮功率系统100包括发电机172、发电机侧转换器174和电网侧转换器176。风力涡轮功率系统170还包括电网侧控制器178、发电机侧控制器180和功率电网182。功率电网182通常包括传统的同步发电机184和电负载186。直流(DC)链路188连接发电机侧转换器174和电网侧转换器176。发电机侧转换器174将由发电机172生成的交流(AC)功率转换成DC功率。然后，电网侧转换器176以与功率电网182兼容的频率将DC功率转换成AC功率。因此，在实施例中，电网侧控制器178和电网侧转换器176的组合用作功率电网182的电流源。换言之，电网侧控制器178控制电网侧转换器176的输出电流30的相位和幅度。
现在参考图9，图示根据本公开的示例方面的可以包括在控制器(例如本文描述的转换器控制器120、涡轮控制器26和/或场级控制器156中的任一个)内的合适组件的一个实施例的框图。如所示，控制器可以包括一个或多个处理器158，计算机或其他合适的处理单元以及(一个或多个)相关联的存储器装置160，其可以包括合适的计算机可读指令，其在被实现时将控制器配置成执行多种不同的功能，例如接收、传送和/或执行风力涡轮控制信号(例如，执行本文公开的方法、步骤、计算等)。
如本文中所使用的，术语“处理器”不仅指本领域中被称为被包括在计算机中的集成电路，而且还指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路。另外，(一个或多个)存储器装置160通常可包括(一个或多个)存储器元件，该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，闪速存储器)、软盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其他合适的存储器元件。
这样的(一个或多个)存储器装置160通常可配置成存储适当的计算机可读指令，所述计算机可读指令在由(一个或多个)处理器158实现时将控制器配置成执行如本文所述的各种功能。另外，控制器还可以包括通信接口162，其用来促进控制器和风力涡轮10的各种组件之间的通信。接口可以包括一个或多个电路、端子、引脚、接触部、导体或用于发送和接收控制信号的其他组件。此外，控制器可以包括传感器接口164(例如，一个或多个模数转换器)，其用来允许从传感器66，68传送的信号被转换成可以被(一个或多个)处理器158理解和处理的信号。
现在参考图10，提供用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的方法200的一个实施例的流程图。通常，本文参照图4-9的风力涡轮功率系统100描述方法200。然而，应当领会，所公开的方法200可以利用具有任何其他合适配置的任何其他合适的发电系统来实现。另外，尽管为了说明和讨论的目的，图10描绘以特定顺序执行的步骤，但是本文讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文提供的公开内容，本领域技术人员将领会，在不脱离本公开的范围的情况下，可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或修改本文公开的方法的各种步骤。
如(202)处所示，方法200包括经由控制器接收功率参考信号。如(204)处所示，方法200可选地包括经由控制器接收正功率裕度(margin)和负功率裕度。如(206)处所示，方法200包括经由控制器基于功率参考信号和/或正功率裕度和负功率裕度来确定上功率边界和下功率边界。如(208)处所示，方法200包括确定与期望操作点的电网感应功率偏离的动态功率变化限制。如(210)处所示，方法200包括经由控制器至少部分地基于上功率边界和下功率边界以及动态功率变化限制来确定用于惯性功率调节器参考的限制。如(210)处所示，方法200包括经由控制器将限制应用于基于逆变器的资源的惯性功率调节器中的惯性功率调节器参考。
此外，参考图11-14可以更好地理解图10的方法200。更特别地，如图11中所示，图示根据本公开的用于估计用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的功率的某个分量的实施例的控制图250。因此，如所示，控制图250包括接收电网反馈信号252并使用功率分量估计器254来估计功率分量256中的变化(ΔPwrCmp)。在这样的实施例中，功率分量256可以是例如与电网相位跳变相关联的功率分量(“相位跳变功率”)或与电网频率漂移相关联的功率分量(“惯性功率”)。此外，如所示，功率分量限制器262被配置成接收功率分量256中的变化、最大分量限制258和最小分量限制260，以计算动态功率变化限制320(ΔPwrLim)和动态无功电流变化限制264(ΔIqMax)。
在实施例中，与相位跳变相关联的功率分量的估计可以由锁相环(PLL)的相位误差信号和系统电抗的估计的组合来确定。这个电抗可以包括电网形成资源的电抗和电网的估计电抗。此外，在实施例中，可以使用从PLL确定的频率反馈连同由电网形成资源仿真的虚拟同步机的动态方程来确定与频率变化相关联的功率分量的估计。这些动态方程可以具有与虚拟惯性、阻尼和/或系统电抗的估计相关联的参数。用来计算与惯性功率相关联的功率分量的PLL频率反馈可以是受限的、速率受限的或滤波的，以去除与噪声或相位跳变相关联的电网频率中的高频分量。
在另一个实施例中，多个动态功率变化限制分量可组合在一起以形成总动态功率变化限制分量。例如，与功率的惯性分量和相位跳变分量相关联的动态功率变化限制分量可以被加在一起。
在另一个实施例中，最大分量限制和最小分量限制可以定义在控制开始限制分量之前与功率的某个分量相关联的最大和最小可允许的电网感应功率偏离。例如，与功率的相位跳变分量相关联的可允许的电网感应功率偏离可以是+0.3pu和-0.3pu。因此，在这样的实施例中，对于引起+0.3pu和-0.3pu范围内的功率偏离的电网相位跳变，功率分量限制器的动态功率变化限制为零。然而，对于导致功率改变超过可允许范围的量的电网相位跳变，动态功率改变限制将是非零的，并且用于在与电网感应功率偏离相反的方向上移动功率限制。
在另一个实施例中，对于不同的功率分量，最大分量限制和最小分量限制可以不同。另外，最大分量限制和最小分量限制可随着基于逆变器的资源的操作状况而动态改变。例如，在实施例中，(一个或多个)操作状况可以包括转子速度、发电机速度、扭矩、功率输出或俯仰角。在某些实施例中，当风力涡轮发电机以低速在操作时，最大分量限制可以更低，以避免电网感应功率增加导致低速跳闸。
现在参考图12，图示根据本公开的用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的系统300的实施例的控制图。特别地，如所示，系统300接收功率参考信号302(Pref0)。此外，如所示，系统300可包括分别接收正和负功率裕度308，310(PrefMrg，-PrefMrg)的求和器304，306。在实施例中，正功率裕度308和负功率裕度310可以是固定值，可以选择所述固定值以防止功率变化限制信号中的噪声无意地引起最终功率参考限制中的变化。
因此，如图12所示，求和器304，306被配置成分别组合功率命令302以及正功率裕度308和负功率裕度310，以生成上边界312和下边界314(PRefMax1，PRefMin1)。另外，如所示，系统300被配置成将最大和最小功率限制316，318(PwrMax，PwrMin)应用于上边界312和下边界314，以将上边界312和下边界314限制为对功率的设备限制。
另外，如所示，系统300可以经由求和器322，324接收动态功率变化限制320(来自图11)，以基于上边界312和下边界314确定用于惯性功率调节器参考的限制330，332(PRefMax，PRefMin)。此外，如所示，系统300还可以包括应用于限制330，332(PRefMax，PRefMin)的最小和最大功率参考限制326，328。
因此，如图13中所示，惯性功率调节器限制330，332(PRefMax，PRefMin)可应用于惯性功率调节器400中的(一个或多个)惯性功率调节器参考410(Pref)。更特别地，如所示，惯性功率调节器400被配置成经由求和器404从诸如场级控制器156之类的更高级控制器接收功率命令401(Pord)，并且经由具有限制的频率下垂模块408接收频率参考402(Frqref)。因此，如所示，求和器404根据外部功率命令401和来自频率下垂模块408的下垂信号406(Pdroop)生成功率参考信号302(Pref0)。此外，如所示，功率参考信号302可以具有应用于其上的限制330，332(PRefMax，PRefMin)。如所图示，例如，下垂信号406可以由频率下垂模块408根据频率参考402和功率调节器信号414(FPreg)来生成。因此，有限值(即，功率参考410(Pref))可以由功率调节器412接收，所述功率调节器412根据功率基准410生成用于功率转换器106的相位角信号416(δ)和/或功率调节器信号414。此外，如所示，功率调节器信号414可以由频率下垂模块408用来产生下垂信号406。
现在参考图14，图示根据本公开的简化的功能框图450，其图示供在用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的系统中使用的限制值(诸如电压和角度限制)的生成。特别地，如所示，电流反馈452可以被应用到过载限制算法块454，其执行计算以导出值IVmax456和IWmax458。此外，如所示，简图450还可以包括求和器455，其用于对来自过载限制算法454的无功电流限制输出457和无功电流限制264(ΔIqMax)(来自图11)求和。因此，在约束功率变化的同时，可以以这样的方式改变无功电流限制264的变化，即如果电网引起来自资源的过多功率注入，则增加电压支持以防止弱电网中的电压崩溃。此外，如所示，附加的无功电流限制459(IqOLMx)可应用于求和器455的输出以确定ivMAx456，同时还防止总无功电流超过系统/设备限制的总电流能力。
此外，如所示，将IVmax456应用到电压限制调节器460，所述电压限制调节器460还接收测量的端子电压VT462、测量的电池电压EDCf、电流IW的实分量和电流IV464的无功分量。电压限制调节器460使用这些值来计算值EImax466和EImin468。类似地，角度限制调节器块470接收IWmax458和IW472的值，并使用这些值来计算角度限制δImax474和δImin476。
因此，由于电网频率/相位事件，本公开的系统和方法约束来自电网形成的基于逆变器的资源的期望操作点的功率变化。此外，本公开的系统和方法约束功率的某些分量，而不仅仅是由资源注入的总功率，这不同于通常将总功率约束为相对于设备限制或电网约束/边界的常规功率限制。
本公开的另外的方面由以下条款的主题来提供：
条款1.一种用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源的电网形成控制的方法，所述方法包括：
经由控制器接收功率参考信号；
经由所述控制器基于所述功率参考信号来确定上功率边界和下功率边界；
经由所述控制器确定与期望功率操作点的电网感应功率偏离的动态功率变化限制；
经由所述控制器至少部分地基于所述上功率边界和所述下功率边界以及所述动态功率变化限制来确定用于惯性功率调节器参考的限制；以及
经由所述控制器将所述限制应用于所述基于逆变器的资源的惯性功率调节器中的所述惯性功率调节器参考。
条款2.根据条款1所述的方法，还包括：
经由所述控制器接收正功率裕度和负功率裕度；以及
经由所述控制器基于所述功率参考信号以及所述正功率裕度和所述负功率裕度来确定与所述期望功率操作点的所述电网感应功率偏离的所述上功率边界和所述下功率边界。
条款3.根据前述条款中的任何条款所述的方法，还包括经由所述控制器根据从外部控制器接收的功率命令和频率下垂信号来确定所述功率参考信号。
条款4.根据前述条款中的任何条款所述的方法，还包括根据一个或多个电网反馈来估计所述基于逆变器的资源的功率分量中的变化，所述功率分量与电网相位跳变或电网频率漂移中的至少一个相关联。
条款5.根据条款4所述的方法，其中，所述一个或多个电网反馈包括相位角、频率、电压、电流或其组合中的至少一个。
条款6.根据条款4-5所述的方法，还包括基于所述功率分量中的变化与最大和最小功率分量限制的比较来确定所述动态功率变化限制和动态无功电流变化限制。
条款7.根据条款6所述的方法，还包括：
经由所述控制器接收来自所述电力网的一个或多个电流反馈；
经由所述控制器基于所述一个或多个电流反馈来确定无功电流限制输出；以及
根据所述无功电流限制输出和所述动态无功电流变化限制来确定总无功电流限制。
条款8.根据条款7所述的方法，还包括经由所述控制器将附加无功电流限制应用到所述总无功电流限制，以防止所述总无功电流超过所述基于逆变器的资源的总电流能力。
条款9.根据条款2所述的方法，还包括基于所述功率参考信号和所述正功率裕度和所述负功率裕度来从所述期望操作点确定用于所述正功率裕度和所述负功率裕度的所述上功率边界和所述下功率边界，同时还将边界限制为所述基于逆变器的资源的设备限制。
条款10.根据前述条款中的任何条款所述的方法，其中，所述基于逆变器的资源包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合中的至少一个。
条款11.根据条款10所述的方法，其中，所述控制器包括所述风力涡轮功率系统的涡轮控制器或转换器控制器中的至少一个。
条款12.一种用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源的电网形成控制的转换器控制器，所述转换器控制器包括：
包括至少一个处理器的至少一个控制器，所述至少一个处理器被配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
接收功率参考信号；
确定动态功率变化限制；
至少部分地基于所述功率参考信号来确定与期望功率操作点的电网感应功率偏离的上功率边界和下功率边界；
至少部分地基于所述上功率边界和所述下功率边界以及所述动态功率变化限制来确定用于惯性功率调节器参考的限制；以及
将所述限制应用于所述基于逆变器的资源的惯性功率调节器中的所述惯性功率调节器参考。
条款13.根据条款12所述的转换器控制器，其中，所述多个操作还包括：
根据从外部控制器接收的功率命令和频率下垂信号来确定所述功率参考信号；
接收正功率裕度和负功率裕度；以及
基于所述功率参考信号以及所述正功率裕度和所述负功率裕度来确定与所述期望功率操作点的所述电网感应功率偏离的所述上功率边界和所述下功率边界。
条款14.根据条款12-13所述的转换器控制器，其中，所述多个操作还包括：
根据一个或多个电网反馈来估计所述基于逆变器的资源的功率分量中的变化，所述功率分量与电网相位跳变或电网频率漂移中的至少一个相关联。
条款15.根据条款14所述的转换器控制器，其中，所述一个或多个电网反馈包括相位角、频率、电压、电流或其组合中的至少一个。
条款16.根据条款14所述的转换器控制器，其中，所述多个操作还包括：
基于所述功率分量中的所述变化与最大和最小功率分量限制的比较来估计动态功率变化限制和动态无功电流变化限制。
条款17.根据条款16所述的转换器控制器，其中，所述多个操作还包括：
从所述电力网接收一个或多个电流反馈；
基于所述一个或多个电流反馈来确定无功电流限制输出；以及
根据所述无功电流限制输出和所述动态无功电流变化限制来确定总无功电流限制。
条款18.根据条款17所述的转换器控制器，其中，所述多个操作还包括：
向所述总无功电流限制应用附加无功电流限制，以防止所述总无功电流超过所述基于逆变器的资源的总电流能力。
条款19.根据条款13所述的转换器控制器，其中，所述多个操作还包括：
基于所述功率参考信号和所述正功率裕度和所述负功率裕度来从所述期望操作点确定用于所述正功率裕度和所述负功率裕度的所述上功率边界和所述下功率边界，同时还将边界约束为所述基于逆变器的资源的设备限制。
条款20.根据条款12-19所述的转换器控制器，其中，所述基于逆变器的资源包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合中的至少一个。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例包括与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源的电网形成控制的方法，所述方法包括：
经由控制器接收功率参考信号；
经由所述控制器基于所述功率参考信号来确定上功率边界和下功率边界；
经由所述控制器确定与期望功率操作点的电网感应功率偏离的动态功率变化限制；
经由所述控制器至少部分地基于所述上功率边界和所述下功率边界以及所述动态功率变化限制来确定用于惯性功率调节器参考的限制；以及
经由所述控制器将所述限制应用于所述基于逆变器的资源的惯性功率调节器中的所述惯性功率调节器参考。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
经由所述控制器接收正功率裕度和负功率裕度；以及
经由所述控制器基于所述功率参考信号以及所述正功率裕度和所述负功率裕度来确定与所述期望功率操作点的所述电网感应功率偏离的所述上功率边界和所述下功率边界。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括经由所述控制器根据从外部控制器接收的功率命令和频率下垂信号来确定所述功率参考信号。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括根据一个或多个电网反馈来估计所述基于逆变器的资源的功率分量中的变化，所述功率分量与电网相位跳变或电网频率漂移中的至少一个相关联。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述一个或多个电网反馈包括相位角、频率、电压、电流或其组合中的至少一个。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括基于所述功率分量中的变化与最大和最小功率分量限制的比较来确定所述动态功率变化限制和动态无功电流变化限制。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
经由所述控制器接收来自所述电力网的一个或多个电流反馈；
经由所述控制器基于所述一个或多个电流反馈来确定无功电流限制输出；以及
根据所述无功电流限制输出和所述动态无功电流变化限制来确定总无功电流限制。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括经由所述控制器将附加无功电流限制应用到所述总无功电流限制，以防止所述总无功电流超过所述基于逆变器的资源的总电流能力。
9.根据权利要求2所述的方法，还包括基于所述功率参考信号和所述正功率裕度和所述负功率裕度来从所述期望操作点确定用于所述正功率裕度和所述负功率裕度的所述上功率边界和所述下功率边界，同时还将边界限制为所述基于逆变器的资源的设备限制。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于逆变器的资源包括风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储功率系统或其组合中的至少一个。
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