CN116526585A - 用于提供基于逆变器的资源的电网成形控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源(IBR)的电网成形(GFM)控制的方法和相关联的系统，包括针对引起电网频率和角度中的一个或两者的改变的电网事件监测电力网。经由控制器，通过以使得模拟具有可以类似于或不同于IBR本身的硬件阻抗的某个期望阻抗的IBR的有功功率响应的方式改变IBR电压相对于电网电压的角度来控制IBR对电网事件的有功功率响应。

Description

用于提供基于逆变器的资源的电网成形控制的系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及基于逆变器的资源，诸如风力涡轮功率系统，并且更特别地，涉及用于提供基于逆变器的资源的电网成形控制的系统和方法。
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架、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来捕获风的动能。例如，转子叶片通常具有翼型件的横截面轮廓，以使得在操作过程中，空气流过叶片上方，以在侧边之间产生压差。因此，从压力侧指向吸力侧的升力作用在叶片上。升力在主转子轴上生成扭矩，主转子轴通常与发电机啮合以产生电力。
风力涡轮可以区分为两种类型：定速涡轮和变速涡轮。常规地，变速风力涡轮作为连接到功率电网的电流源进行控制。换句话说，所述变速风力涡轮依靠由锁相环(PLL)所检测的电网频率作为参考，并向电网注入规定量的电流。风力涡轮的常规电流源控制基于以下假设，即，电网电压波形是具有固定频率和幅值的基波电压波形，并且风电对电网的渗透足够低以便不会对电网电压幅值和频率造成干扰。因此，风力涡轮简单地基于基波电压波形将规定的电流注入到电网中。然而，随着风电的快速增长，风电对一些电网的渗透也已增加到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中的幅度和频率变化的增加。这些波动可能不利地影响风力涡轮电流控制和PLL的稳定性和性能。
许多现有的可再生发电源(诸如双馈风力涡轮发电机)可以以“电网跟随”模式操作，并且利用快速电流调节环路来控制与电网交换的有功和无功功率。更具体地，图1示出用于电网跟随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。如所示的，对于转换器的有功功率基准由能量源调节器(例如，风力涡轮的涡轮控制部分)开发，并且作为扭矩基准来递送，该扭矩基准表示在该时刻从能量源可获得的最大功率或者来自更高级别的电网控制器的削减命令中的较小者。转换器控制器然后确定针对电流的有功分量的电流基准，以实现期望的扭矩。因此，双馈风力涡轮发电机包括以产生用于针对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。然后，宽带宽电流调节器开发由转换器要将电压施加到系统的命令，使得实际电流紧密跟踪命令。
备选地，基于逆变器的资源(IBR)(例如双馈风力涡轮发电机和控制)可以在“电网成形”(GFM)控制下操作，其中IBR充当阻抗(主要是电抗)后面的电压源，并且提供电压源特性，其中电压的角度和幅值被控制以实现由电网所需要的调节功能。特别地，IBR的阻抗通常由系统的硬件(例如电抗器、变压器或旋转机器阻抗)来规定。利用这种结构，电流将根据电网的需求流动，同时转换器有助于为电网建立电压和频率。这一特性与基于驱动同步机器的涡轮的常规发电机相当。
因此，GFM源期望地包括以下基本功能：(1)支持装备的额定值内针对任何电流(有功和无功两者)的电网电压和频率；(2)通过允许电网电压或频率改变而不是断开装备来防止超出装备电压或电流容量的操作(仅当电压或频率超出由电网实体建立的边界时才允许断开)；(3)对于任何电网配置或负载特性保持稳定，包括服务于隔离负载或与其它电网成形源连接，以及在这些配置之间切换；(4)在连接到电网的其它电网成形源之间分担电网的总负载；(5)穿越电网扰动(大扰动和小扰动两者)，以及(6)满足要求(1)-(5)，而不需要与电网中存在的其它控制系统的快速通信或与电网配置变化相关的外部创建的逻辑信号。
实现上面GFM目标的基本控制结构是在20世纪90年代早期为电池系统开发并经过现场验证的(例如，参见名称为“Battery Energy Storage Power Conditioning System”的美国专利No.5，798，633)。对于全转换器风力发电机和太阳能发电机的应用公开在名称为“System and Method for Control of a Grid Connected Power Generating System”的美国专利No.7，804，184和名称为“Controller for controlling a power converter”的美国专利No.9,270,194中。针对双馈风力涡轮发电机的电网成形控制的应用公开在名称为“System and Method for Providing Grid-Forming Control for a Doubly-Feb WindTurbine Generator”的PCT/US2020/013787中。
GFM IBR作为“阻抗后面的电压源”的原理在图2的示意图中表示。如示出的，主电路包括具有在DC和AC侧上的连接的功率-电子转换器(例如，IBR)。转换器从控制器接收门控命令，所述控制器创建关于具有固定频率的参考相量处于Thvcnv角度的AC电压相量Vcnv。DC侧被供应具有能够针对甚至短的持续时间生成或吸收功率的装置。此类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。此外，如示出的，所述电路包括将转换器连接到其互连点(电压Vt和角度ThVt)的感抗Xcnv。互连点后面的电气系统被示出为Thevenin等效物(具有阻抗Zthev和处于角度ThVthev的电压Vthev)。在实际情形中，阻抗Zthev将主要是感抗。这种等效物可以用于表示任何电路，包括具有负载的电网连接和孤岛(islanded)电路。
虽然图2示出了单个转换器作为示例，但是可以在阻抗Xcnv后面创建受控电压Vcnv的电等效物的任何设备分组可以具有所公开的应用以实现相同的性能益处的控制方案。
GFM IBR充当阻抗后面的电压源的特性为电网稳定性提供了若干益处，包括对电网频率和角度提供稳定效果。然而，必须约束可以由IBR可以提供的电网支持特征的量，以避免将IBR推到超出其能力或设计额定值。
鉴于前文，解决前面提到的问题的改进的系统和方法将在本领域中受欢迎。
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，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践而获知。
在一个方面，本公开针对一种用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源(IBR)的电网成形(GFM)控制的方法。所述方法包括调谐IBR的电抗以提供关于由IBR提供到电网的瞬态有功功率的量的灵活性，使得IBR的电网支持功能可以被最大化，同时将支持级别维持在IBR的设计能力内。
在特定实施例中，所述方法包括：针对引起电网频率和角度中的一个或两者的改变的电网事件监测所述电力网。所述方法然后经由控制器通过以使得模拟具有某个期望阻抗的IBR的有功功率响应的方式改变所述IBR电压相对于电网电压的频率或角度中的至少一个来控制所述IBR对所述电网事件的有功功率响应。例如，所述期望的阻抗可以基本上与所述IBR的硬件阻抗相同或不同于所述IBR的硬件阻抗。
所述方法可以包括使用锁相环(PLL)估计电网频率和角度，其中电网频率和角度的改变反映在PLL频率和PLL误差中。所述PLL误差对于电网频率或角度的迅速改变变为非零，并且所述方法可以包括计算是所述PLL误差的导数的第一频率分量和与所述PLL误差成比例的第二频率分量。
所述方法的特定实施例包括：将所述第一和第二频率分量与所述PLL频率求和，以获得电网频率的高带宽估计；将电网频率的所述高带宽估计与惯性功率调节器频率组合；以及对电网频率和惯性功率调节器频率的所述组合高带宽估计进行积分，以生成用于所述IBR的电网成形控制的内角参考。
所述方法的实施例可以包括将应用于所述第一和第二频率分量的增益调谐成对所述电网事件更多响应或较少响应。限制可以被应用于估计的电网频率的高带宽分量，所述限制是固定值或动态可调整的值。
所述方法特别良好地适合于控制风力涡轮功率系统中的风力涡轮发电机，其中所述IBR是连接到所述电力网并且耦合到具有经由DC链路耦合在一起的线路侧转换器和转子侧转换器的功率转换器的双馈或全功率转换风力涡轮发电机。
本发明还涵盖用于在电网成形(GFM)控制模式中控制功率生成系统的各种系统实施例，所述功率系统具有连接到电力网的基于逆变器的资源(IBR)。所述系统可以包括：包括至少一个处理器的控制器，所述至少一个处理器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：针对引起电网频率和角度中的一个或两者的改变的电网事件监测所述电力网；以及通过以使得模拟具有某个期望阻抗的IBR的有功功率响应的方式改变所述IBR电压相对于电网电压的频率或角度中的至少一个来控制所述IBR对所述电网事件的有功功率响应，其中所述期望阻抗可以不同于所述IBR的硬件阻抗。
在特定实施例中，所述功率系统是风力涡轮功率系统，并且所述IBR包括连接到所述电力网的双馈风力涡轮发电机。
在系统的各种实施例中，控制器可以配置成执行上面关于方法实施例讨论的功能中的任何一个或组合。
本发明还涵盖用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源(IBR)的电网成形(GFM)控制的转换器控制器，所述转换器控制器包括具有配置成执行多个操作的至少一个处理器的控制器，所述多个操作包括：针对引起电网频率和角度中的一个或两者的改变的电网事件监测电力网；以及通过以使得模拟具有可以类似于或不同于IBR本身的硬件分量阻抗的某个期望阻抗的GFM IBR源的有功功率响应的方式改变IBR电压相对于电网电压的角度或频率中的至少一个来控制IBR对电网事件的有功功率响应。
在系统的各种实施例中，控制器可以配置成执行上面关于方法实施例讨论的功能中的任何一个或组合。
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。并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了本发明(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示出了根据常规配置的双馈风力涡轮发电机的单线图，该双馈风力涡轮发电机具有用于电网跟踪应用的转换器控制的结构；
图2示出了根据常规构造的电网成形系统的主电路的一个实施例的示意图；
图3示出了根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图4示出了适合供图1中所示的风力涡轮使用的风力涡轮电功率系统的一个实施例的示意图；
图5示出了根据本公开的控制器的一个实施例的框图；
图6示出了根据本公开的用于提供基于逆变器的资源的电网成形控制的系统的一个实施例的控制图；
图7示出了根据本公开的相量图的一个实施例的示意示图，所述相量图描绘了系统电压、锁相环和固定频率参考之间的相量关系；
图8示出了图6的系统的阻抗调谐控制功能的控制图；
图9是描绘GFM IBR对电网相位跳变的有功功率响应的曲线图；
图10示出了适合用于供图1中示出的风力涡轮使用的风力涡轮电功率系统的另一实施例的示意示图；以及
图11示出了阻抗调谐控制功能的备选实施例的控制图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，在附图中示出了其一个或多个示例。每个示例作为本发明的解释而不是本发明的限制而提供。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生又进一步实施例。因此，意图的是本发明覆盖如落入所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变型。
一般来说，本公开针对用于经由基于逆变器的资源(IBR)提供电网成形(GFM)控制的系统和方法。一般地，所述方法和系统涉及调谐IBR的电抗以提供关于由IBR提供到电网的瞬态有功功率的量的灵活性，使得IBR的电网支持功能可以最大化，同时将支持级别维持在IBR的设计能力内。所述控制方法论牵涉通过以使得模拟具有不同阻抗的GFM源的有功功率响应的方式改变IBR电压相对于电网电压的角度来控制IBR对电网事件(其导致电网频率或角度的改变)的有功功率响应。
现在参考附图，图3示出了根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所示的，风力涡轮10一般包括从支撑表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16、以及耦合到机舱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，所述至少一个转子叶片22耦合到毂20并从毂20向外延伸。例如，在示出实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于三个或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可围绕毂20间隔，以促进旋转转子18，从而使得能够要将动能从风转化为可用的机械能，并且随后转化为电能。例如，毂20可以可旋转地耦合到定位于机舱16内的发电机24以容许要产生电能。
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。但是，在其它实施例中，控制器26可位于风力涡轮10的任何其它组件内或位于风力涡轮10外部的位置处。此外，控制器26可在通信上耦合到风力涡轮10的任何数量的组件，以控制此类组件的操作和/或实现校正或控制动作。因此，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，这些指令在实现时将控制器26配置成执行各种不同的功能，诸如接收、传送和/或执行风力涡轮控制信号。因此，控制器26一般可配置成控制各种操作模式(例如，启动或关闭序列)、风力涡轮的降级或升级、和/或风力涡轮10的各个组件。
现在参考图4，根据本公开的方面示出了风力涡轮功率系统100的一个实施例的示意图。虽然本文中一般将参考如图4中所示的风力涡轮10来描述本公开，但是本领域普通技术人员使用本文所提供的公开内容应该理解，本公开的方面也可能可适用于其它功率生成系统，并且如上文所提及，本发明不限于风力涡轮系统。
在图4的实施例中，并且如上所述，风力涡轮10(图3)的转子18可以可选地耦合到齿轮箱38，而齿轮箱38继而耦合到发电机102，发电机102可以是双馈感应发电机(DFIG)。DFIG 102可连接到定子总线104，并且，转换器106可经由转子总线108连接到DFIG 102，并经由线路侧总线110连接到定子总线104。因此，定子总线104可从DFIG 102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耦合到转子侧转换器112。另外，RSC 112经由DC链路116耦合到LSC 114，DC链路电容器118跨越DC链路116。而LSC 114继而耦合到线路侧总线110。
RSC 112和LSC 114可配置用于使用一个或多个开关装置(诸如绝缘栅双极晶体管(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可耦合到转换器控制器120，以便如本文中所描述控制转子侧转换器112和/或线路侧转换器114的操作。应该注意，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装置。
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)，以用于在连接到负载(诸如电力网124)和从负载断开连接期间针对DFIG 102的正常操作而必要的那样使各种组件隔离。例如，系统电路断路器126可将系统总线128耦合到变压器130，变压器130可经由电网断路器122耦合到电力网124。在备选实施例中，保险丝可替代电路断路器中的一些或全部。
在操作中，经由通过定子总线104和转子总线108所定义的双路径将通过旋转转子18在DFIG 102处所生成的交流功率提供给电力网124。在转子总线侧108上，将正弦多相(例如，三相)交流电(AC)功率提供给功率转换器106。转子侧转换器112将从转子总线108提供的AC功率转换为直流(DC)功率，并将DC功率提供给DC链路116。如一般所理解的，可对在转子侧转换器112的桥式电路中所使用的开关元件(例如，IGBT)进行调制，以将从转子总线108提供的AC功率转换为适合于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功率转换为适合于电力网124的AC输出功率。特别地，可以对在线路侧转换器114的桥式电路中所使用的开关元件(例如，IGBT)进行调制，以将DC链路116上的DC功率转换为线路侧总线110上的AC功率。来自功率转换器106的AC功率可以与来自DFIG 102的定子的功率组合，以提供具有大体上维持在电力网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，可在风力涡轮功率系统100中包括各种电路断路器和开关，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，以在例如电流过大并且可能损坏风力涡轮功率系统100的组件时或出于其它操作考虑而连接或断开对应的总线。在风力涡轮功率系统100中也可包括附加的保护组件。
此外，功率转换器106可经由转换器控制器120从例如控制器26接收控制信号。控制信号尤其可基于风力涡轮功率系统100的感应的状态或操作特性。通常，控制信号对功率转换器106的操作提供控制。例如，可使用DFIG 102的感应速度形式的反馈来控制来自转子总线108的输出功率的转换，以维持适当的平衡的多相(例如，三相)功率供应。控制器120、26也可使用来自其它传感器的其它反馈来控制功率转换器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，IGBT的门计时命令)、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处的风速中的改变来补偿或调整来自转子的三相功率的频率。因此，机械和电气转子频率是解耦的，并且大体上独立于机械转子速度促进电气定子和转子频率匹配。
在在一些状态下，功率转换器106的双向特性、并且具体地LSC 114和RSC 112的双向特性促进将所生成的电功率的至少一部分反馈到发电机转子中。更具体来说，可将电功率从定子总线104传送到线路侧总线110，并且随后通过线路接触器136而进入到功率转换器106，具体来说进入到LSC 114，LSC 114充当整流器，并将正弦三相AC功率整流为DC功率。DC功率传送到DC链路116。电容器118通过促进缓解有时与三相AC整流相关联的DC纹波而促进缓解DC链路电压幅度变化。
DC功率随后传送到RSC 112，RSC 112通过调整电压、电流和频率来将DC电功率转换为三相正弦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。
本文所描述的风力涡轮功率系统100可以是包括多个风力涡轮(例如上面描述的风力涡轮10)，以及整个农场级别控制器的风力农场的一部分。多个风力涡轮的单独的涡轮控制器例如通过有线连接，诸如通过连接涡轮控制器26(通过适合的通信链路(电缆或无线))，通信地耦合到农场级别控制器。农场级别控制器配置成向各种风力涡轮发送控制信号和从各种风力涡轮接收控制信号，例如诸如，跨风力农场的风力涡轮分配真实和/或无功功率需求。
现在参考图5，根据本公开的示例方面可包括在控制器(诸如本文所描述的转换器控制器120、涡轮控制器26和/或场级控制器中的任一个)内的合适组件的一个实施例的框图。如所示的，控制器可包括一个或多个处理器58、计算机或其它合适的处理单元和(一个或多个)相关联的存储器装置60，存储器装置60可包括合适的计算机可读指令，所述指令当被实现时配置控制器执行各种不同的功能，诸如接收、传送和/或执行风力涡轮控制信号(例如，执行本文所公开的方法、步骤、计算等)。
如本文中所使用，术语“处理器”不仅指在本领域中称为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)、专用集成电路和其它可编程电路。另外，(这个或这些)存储器装置60一般可包括(一个或多个)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。
此类(一个或多个)存储器装置60一般可配置成存储合适的计算机可读指令，所述指令当由(这个或这些)处理器58实现时配置控制器执行本文所描述的各种功能。另外，控制器还可包括通信接口62，以促进在控制器与风力涡轮10的各种组件之间通信。接口可以包括用于发送和接收控制信号的一个或多个电路、端子、引脚、触点、导体或其它组件。此外，控制器可包括传感器接口64(例如，一个或多个模数转换器)，以容许要将从传感器66、68传送的信号转换为可以通过(这个或这些)处理器58理解和处理的信号。
本文所使用的术语“基于逆变器的资源(IBR)”是本领域的术语，并且一般理解成意味着完全或部分通过功率电子逆变器异步连接到电力网的可再生发电能量源(例如，风力、太阳能和能量存储电厂)。
现在参考图6，示出了根据本方法和系统的方面的用于提供电网成形(GFM)控制的系统200的控制图。如示出的，转换器控制器1从较高级别控制2接收参考(例如Vref和Pref)和限制(例如VcmdLimits和PcmdLimits)。这些高级别限制是关于电压、电流和功率的物理量。主调节器包括快速电压调节器3和慢速功率调节器4。这些调节器3、4具有应用于电压幅值(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真实分量的约束。此外，此类限制基于作为默认的预定固定值，其中如果电流超过限制则闭环控制用于降低限制。
系统200包括用于GFM控制的独特的功率调节器结构和功能性，其中以使得模拟具有不同于基于逆变器的资源本身的硬件组件的阻抗的某个期望阻抗的IBR的有功功率响应的方式来控制IBR电压相对于电网电压的角度或频率。特别地，系统200为了此目的实现阻抗调谐控制功能性5，这在下面参考图8更详细地解释。
为了背景和理解与本方法论相关的某些原理，对图7的相量图进行参考，其限定了系统电压、锁相环(PLL)和固定频率参考之间的相量关系。相应地，功率流是转换器角度相对于远程等效物和系统200的阻抗以及电压幅度的函数。为了本公开的目的，电阻被假设成可忽略的。因此，对于图6的GFM电路，存在以下物理关系：
P＝Vcnv*Vthev*sin(θVcnv-θVthev)/(Xcnv+Xthev)等式(1)
P＝Vt*Vthev*sin(θVt-θVthev)/(Xthev)等式(2)
P＝Vcnv*Vt*sin(θVcnv-θVt)/(Xcnv)等式(3)
其中P是功率，
Vcnv是转换器电压，
Vthev是Thevenin等效电压，
Vt是终端电压，
θVcnv是转换器电压的角度；
θVthev为Thevenin等效电压之角度，
θVt是系统终端电压的角度，
Xcnv是转换器阻抗，以及
Xthev是Thevenin等效阻抗。
相应地，图6的转换器门控逻辑配置成基于控制信号θPang和θPLL创建具有角度的转换器电压。在其它实施例中，基于θPang和θPLL的具有角度的电压可以通过创建电压相量的其它设备能力来创建。在示出的实施例中，锁相环(Pll)测量角度θPLL，其在稳态中等于系统中的电压Vt的角度θVt。在此类实施例中，这些值是关于系统参考角度的。在电网事件或瞬变期间(其中电网频率和角度中的一个或两者改变)，在此测量中生成误差信号θPLLerr(图7)，如图10中示出的。
因此，关于控制角度信号存在以下关系：
θVcnv＝θPang+θPLL等式(4)
θPLL＝θVt-θPLLerr等式(5)
θVcnv＝θPang+θVt-θPLLerr等式(6)
(θVcnv-θVt)＝θPang-θPLLerr等式(7)
P＝Vcnv*Vt*sin(θPang-θPLLerr)/(Xcnv)等式(8)
因此，来自GFM IBR的有功功率主要是GFM电压和由等式8中的(θPang-θPLLerr)表示的电网电压之间的角度以及GFM IBR的内阻抗(Xcnv)(其是系统的一般固定的固有特性)的函数。本方法和系统的方面涉及以模拟具有不同内阻抗的GFM IBR的有功功率响应的此类方式瞬态地改变GFM IBR的角度。通过以这种方式动态地改变GFM的角度，可以调谐系统对电网相位角和电网频率改变的有功功率响应。
参考图8，由PLL从供应到PLL的电压反馈信号(VFbk)估计电网频率和角度。如上面讨论的，电网频率或角度的突然改变出现在PLL频率(ωPll)和PLL误差(PllErr)两者中。特别地，PLL误差对于电网频率和/或角度的突然改变变为非零。此误差信号用于计算两个频率分量-一个反映PLL误差的导数(ωPhJmpD)并且另一个与PLL误差成比例(ωPhJmpP)。这两个频率分量与PLL频率(ωPll)一起求和以获得电网频率(ωGrd)的高带宽估计。然后，此频率与惯性功率调节器频率(ωPreg)组合，并被积分以获得GFM IBR的转换器控制器(图6)的期望内角(θPang)参考。
通过将PLL误差的导数(ωPhJmpD)和比例(ωPhJmpP)项相加，通过调谐应用于频率分量信号的相应增益(KdPhJmp)和(KpPhJmp)，可以将(θPang)响应调谐成对电网相位和/或频率改变更积极或较不积极。也可以选择应用于频率分量信号的限制(ωdMax)/(ωdMax)和(ωpMax)/(ωpMax)以约束针对相对小的电网相位/频率事件的积极行为。这些限制可以是固定值，或者基于资源的操作点而动态地调整。
图9的曲线图描绘了根据本控制方法论的方面的IBR的可调谐阻抗响应对电网相位跳变的影响。线“A”反映了有功功率(没有上面关于图8所讨论的附加比例和导数项)。虚线“B”是通过比例和导数项修改的相同响应，如上面讨论的。线“C”是对相位跳变的理论同步机器响应。通过调谐比例和导数项的参数，使初始相位跳变响应更接近地反映类似于同步机器的有功功率改变。
图10描绘了可以结合本发明的方面的风力涡轮功率系统300的备选实施例。此系统300的配置在工业中称为“全功率转换(FPC)”风力涡轮发电机，并且例如在美国专利申请公开2020/0142237(为了所有目的通过参考结合在本文中)中描述。简而言之，功率生成系统300包括风力发电机212、发电机侧转换器214和电网侧转换器216。所述系统进一步包括电网侧控制器218、发电机侧控制器220和功率电网222，其通常包括传统的同步发电机224和电力负载226。风力发电机212可以包括鼠笼感应发电机、同步发电机或永磁同步发电机。
发电机侧控制器220生成用于发电机侧转换器214的开关信号。在此实施例中，发电机侧控制器帮助将DC链路电压维持到期望值。电网侧转换器216被控制为连接到电网222的电压源。换句话说，电网侧控制器218直接控制电网侧转换器的输出电压的相位和幅度。电网侧转换器216在作为电压源被控制时，作为电抗后面的电压响应于电网改变。因此，风力发电机212以与同步发电机类似的方式操作。
图10的实施例的电网侧控制器218从涡轮控制器238接收功率参考。基于参考功率和供应到电网的实际电功率之间的功率不平衡生成内频率参考。在一个实施例中，功率/频率(P/F)调节器(未示出)可以用于与其它风力涡轮共享功率，即，用于风力涡轮的并联操作。功率频率调节器确定电网侧控制器218的相位角参考。
如图10中示意性指示的，根据本发明的方面并且在上面详细描述的阻抗调谐控制功能性可以由电网侧控制器218结合/实现。
图11描绘了具有上面关于图8讨论的实施例的配置和功能性的控制图。此实施例还包括具有带通滤波器的另一并联路径。此附加路径可以特定于使用风力涡轮发电机的IBR，因为带通滤波器可以调谐到特定频率以减轻电网频率/相位振荡对风力涡轮传动系机械系统的自然模式的影响。换句话说，带通滤波器路径可以用于使IBR的有效阻抗在某些频率更高，以降低电网频率/相位振荡对WTG传动系的影响。
本发明的各种方面和实施例由以下编号的条款限定：
条款1：一种用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源(IBR)的电网成形(GFM)控制的方法，所述方法包括：
针对引起电网频率和角度中的一个或两者的改变的电网事件监测所述电力网；以及
经由控制器通过以使得模拟具有某个期望阻抗的IBR的有功功率响应的方式改变所述IBR电压相对于电网电压的频率或角度中的至少一个来控制所述IBR对所述电网事件的有功功率响应。
条款2：根据条款1所述的方法，其中所述期望的阻抗类似于或不同于所述IBR的硬件阻抗。
条款3：根据条款1-2所述的方法，包括使用锁相环(PLL)估计电网频率和角度，其中电网频率和角度的改变反映在PLL频率和PLL误差中，其中所述PLL误差对于电网频率或角度的迅速改变变为非零，并且所述方法进一步包括计算是所述PLL误差的导数的第一频率分量和与所述PLL误差成比例的第二频率分量。
条款4：根据条款1-3所述的方法，进一步包括：
将所述第一和第二频率分量与所述PLL频率求和，以获得电网频率的高带宽估计；
将电网频率的所述高带宽估计与惯性功率调节器频率组合；以及
对电网频率和惯性功率调节器频率的所述组合高带宽估计进行积分，以生成用于所述IBR的电网成形控制的内角参考。
条款5：根据条款1-4所述的方法，进一步包括将应用于所述第一和第二频率分量的增益调谐成对所述电网事件更积极或较不积极。
条款6：根据条款1-5所述的方法，其中限制被应用于估计的电网频率的高带宽分量，所述限制是固定值或动态可调整的值。
条款7：根据条款1-6所述的方法，进一步包括应用与所述第一和第二频率分量并联的带通滤波器，所述带通滤波器被调谐到频率以增加在预定频率处的所述IBR的有效阻抗。
条款8：根据条款1-6所述的方法，其中所述IBR是连接到所述电力网的风力涡轮功率系统中的双馈或全功率转换风力涡轮发电机，所述双馈风力涡轮发电机耦合到功率转换器，所述功率转换器具有经由DC链路耦合在一起的线路侧转换器和转子侧转换器。
条款9：一种用于在电网成形(GFM)模式中控制功率生成系统的系统，所述功率系统具有连接到电力网的基于逆变器的资源(IBR)，所述系统包括：
包括至少一个处理器的控制器，所述至少一个处理器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
针对引起电网频率和角度中的一个或两者的改变的电网事件监测所述电力网；以及
通过以使得生成有效阻抗的模拟具有某个期望阻抗的GFM源的有功功率响应的方式改变所述IBR电压相对于电网电压的频率或角度中的至少一个来控制所述IBR对所述电网事件的有功功率响应。
条款10：根据条款9所述的系统，其中所述期望阻抗不同于所述IBR的硬件阻抗。
条款11：根据条款9-10所述的系统，其中所述功率生成系统包括风力涡轮功率系统，并且所述IBR包括连接到所述电力网的双馈或全功率转换风力涡轮发电机。
条款12：根据条款9-11所述的系统，其中所述控制器进一步配置成使用锁相环(PLL)来估计电网频率和角度，其中电网频率和角度的改变反映在PLL频率和PLL误差中，其中所述PLL误差对于电网频率或角度的迅速改变变为非零，所述控制器进一步配置成计算是所述PLL误差的导数的第一频率分量和与所述PLL误差成比例的第二频率分量。
条款13：根据条款9-12所述的系统，其中所述控制器进一步配置用于：
将所述第一和第二频率分量与所述PLL频率求和，以获得电网频率的高带宽估计；
将电网频率的所述高带宽估计与惯性功率调节器频率组合；以及
对电网频率和惯性功率调节器频率的所述组合高带宽估计进行积分，以生成用于所述IBR的电网成形控制的内角参考。
条款14：根据条款9-13所述的系统方法，其中所述控制器进一步配置成将应用到所述第一和第二频率分量的增益调谐成对所述电网事件更积极或较不积极。
条款15：一种用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源(IBR)的电网成形(GFM)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控制器，所述至少一个处理器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
针对引起电网频率和角度中的一个或两者的改变的电网事件监测所述电力网；以及
通过以模拟具有某个期望阻抗的GFM源的有功功率响应的方式改变所述IBR电压相对于电网电压的角度来控制所述IBR对所述电网事件的有功功率响应，所述某个期望阻抗可以类似于或不同于所述IBR的硬件阻抗。
条款16：根据条款5所述的转换器控制器，其中所述IBR是连接到所述电力网的风力涡轮功率系统中的双馈或全功率转换发电机。
条款17：根据条款15-16所述的转换器控制器，其中所述转换器控制器进一步配置成使用锁相环(PLL)来估计电网频率和角度，其中电网频率和角度的改变反映在PLL频率和PLL误差中。
条款18：根据条款15-17所述的转换器控制器，其中所述PLL误差对于电网频率或角度的迅速改变变为非零，所述转换器控制器进一步配置成执行以下操作：
计算是所述PLL误差的导数的第一频率分量和与所述PLL误差成比例的第二频率分量；
将所述第一和第二频率分量与所述PLL频率求和，以获得电网频率的高带宽估计；
将电网频率的所述高带宽估计与惯性功率调节器频率组合；以及
对电网频率和惯性功率调节器频率的所述组合高带宽估计进行积分，以生成用于所述IBR的电网成形控制的内角参考。
条款19：根据条款15-18所述的转换器控制器，其中所述转换器控制器进一步配置成将应用到所述第一和第二频率分量的增益调谐成对所述电网事件更积极或较不积极。
条款20：根据条款15-19所述的转换器控制器，其中所述转换器控制器进一步配置成应用与所述第一和第二频率分量并联的带通滤波器，所述带通滤波器被调谐到频率以增加在预定频率处的所述IBR的有效阻抗。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使得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以及执行任何并入的方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书定义，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元件，则此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源(IBR)的电网成形(GFM)控制的方法，所述方法包括：
针对引起电网频率和角度中的一个或两者的改变的电网事件监测所述电力网；以及
经由控制器通过以使得模拟具有某个期望阻抗的IBR的有功功率响应的方式改变所述IBR电压相对于电网电压的频率或角度中的至少一个来控制所述IBR对所述电网事件的有功功率响应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望的阻抗不同于所述IBR的硬件阻抗。
3.根据权利要求1所述的方法，包括使用锁相环(PLL)估计电网频率和角度，其中电网频率和角度的改变反映在PLL频率和PLL误差中，其中所述PLL误差对于电网频率或角度的迅速改变变为非零，并且所述方法进一步包括计算是所述PLL误差的导数的第一频率分量和与所述PLL误差成比例的第二频率分量。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
将所述第一和第二频率分量与所述PLL频率求和，以获得电网频率的高带宽估计；
将电网频率的所述高带宽估计与惯性功率调节器频率组合；以及
对电网频率和惯性功率调节器频率的所述组合高带宽估计进行积分，以生成用于所述IBR的电网成形模式控制的内角参考。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括将应用于所述第一和第二频率分量的增益调谐成对所述电网事件更积极或较不积极。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，限制被应用于估计的电网频率的高带宽分量，所述限制是固定值或动态可调整的值。
7.根据权利要求4所述的方法，进一步包括应用与所述第一和第二频率分量并联的带通滤波器，所述带通滤波器被调谐到频率以增加在预定频率处的所述IBR的有效阻抗。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述IBR是连接到所述电力网的风力涡轮功率系统中的双馈或全功率转换风力涡轮发电机，所述双馈风力涡轮发电机耦合到功率转换器，所述功率转换器具有经由DC链路耦合在一起的线路侧转换器和转子侧转换器。
9.一种用于在电网成形(GFM)模式中控制功率生成系统的系统，所述功率系统具有连接到电力网的基于逆变器的资源(IBR)，所述系统包括：
包括至少一个处理器的控制器，所述至少一个处理器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：
针对引起电网频率和角度中的一个或两者的改变的电网事件监测所述电力网；以及
通过以模拟具有某个期望阻抗的GFM源的有功功率响应的方式改变所述IBR电压相对于电网电压的频率或角度中的至少一个来控制所述IBR对所述电网事件的有功功率响应。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述期望阻抗不同于所述IBR的硬件阻抗。
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