CN116848746A - 用于控制电网和风力发电厂之间的无功功率交换的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及风力涡轮机，特别是涉及控制电网和风力发电厂之间的无功功率交换。风力发电厂具有多个风力涡轮发电机，每个风力涡轮发电机具有对应的带转换器控制器的功率转换器。此外，风力发电厂还具有带有载分接变换器的发电厂变压器，该发电厂变压器耦合在风力发电厂和电网之间。当确定由于在公共耦合点处测量的无功功率突变而需要生产短期无功功率时，发电厂控制器调节有载分接变换器，并为风力涡轮发电机生成无功部件设定点。
Description
技术领域
本发明涉及风力涡轮发电机，特别是涉及控制电网和风力发电厂之间的无功功率交换。
背景技术
风力发电厂包括多个为电网输送电力的风力涡轮发电机(WTG)。风力发电厂由发电厂控制器控制，该发电厂控制器执行由传输系统运营商(TSO)或电网互联要求规定的向电网输送电力的要求。这些要求通常在国家特定的电网规范中定义。TSO还向发电厂控制器(PPC)设定包括无功功率输送需求的电力输送需求。
当电压发生突变时，风力发电厂可以被配置为通过注入更高水平的功率来支持网络故障或电网突变。传输系统运营商普遍要求所连接的风力涡轮机具备这种功能。这意味着风力发电厂必须被设计成在电网突变期间当需要时能够提供功率和无功功率的突然增加或减少。
当电网电压发生突变时，其中电压阶跃在公共耦合点(PCC)处例如在正常运行范围的90％至110％内，许多TSO要求电厂能够在短持续时间内将其无功功率能力从例如最大无功功率(Qmax)移动到最小无功功率(Qmin)。然而，无功功率能力通常是通过利用分接变换变压器执行使电厂的无功功率能力最大化的动作来获得的。在TSO规定的短持续时间期间，变压器的分接变换器不可能在所需时间内关于新的电压水平分接到对应的位置。
为了满足这一要求，通常会安装补偿设备，诸如电容器组、静止同步补偿器(STATCOM)或静态VAR补偿器(SVC)。然而，为提供高于额定水平的功率和无功功率而使风力发电厂尺寸过大，会增加投资成本，却无法获得增加风力涡轮机的额定功率生产能力的益处。
因此，问题是提供一种满足关于在电压突变期间控制电网和风力发电厂之间的无功功率交换的要求的有效的风力涡轮机设计，这种设计既有效又经济，同时又不会以补偿设备使风力发电厂尺寸过大。
因此，在电压突变期间控制无功功率交换的改进方法是有利的，特别是一种更有效和/或可靠的方法是有利的。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题。
特别地，本发明的目的可以被看作是提供一种用于控制无功功率交换的方法，该方法通过对功率变化做出快速反应，同时又不会使风力发电厂尺寸过大来解决现有技术的上述问题。
因此，在本发明的第一方面，通过提供一种用于控制电网和风力发电厂之间的无功功率交换的方法，旨在获得上述目的和若干其他目的，所述风力发电厂包括：
-多个风力涡轮发电机，每个风力涡轮发电机具有对应的带转换器控制器的功率转换器，
-为所述风力涡轮发电机生成无功部件设定点(reactive component setpoint)的发电厂控制器，以及
-耦合在所述风力发电厂和所述电网之间的带有载分接变换器的变压器，
所述方法包括以下步骤：
-确定所述风力发电厂和所述电网之间的无功功率交换需求，
-调整所述变压器中的有载分接变换器的配置；以及
-由所述发电厂控制器生成用于所述风力涡轮发电机的无功部件设定点，其中，所述无功部件设定点包括稳态部分和短期部分，其中，所述稳态部分不超过所述风力涡轮发电机的功率转换器的稳态能力，并且其中，所述短期部分超过所述风力涡轮发电机的功率转换器的稳态能力；以及
-根据所述无功部件设定点运行所述风力涡轮发电机。
发电厂变压器能够通过改变有载分接变换器(OLTC)的分接位置来调节变压器的中压侧的电压，以最大化风力发电厂的无功功率能力。然而，根据各种电网规范要求，无功功率调节的性能要求必须在很短的时间内实现。仅仅依靠分接变换变压器无法实现快速无功功率调节，因为改变有载分接变换器(OLTC)的设置的效果太慢而无法满足电网规范要求。
因此，不能充分利用OLTC获得的无功功率能力来满足对快速无功功率调节的性能要求。在现有技术中，通常可以通过安装补偿设备(诸如电容器组、静止同步补偿器(STATCOM)或静止VAR补偿器(SVC))，在OLTC被设置为下降到电压恢复到例如1.0pu左右的新位置之前，缓解期望功率和测量功率之间的差距。然而，使用补偿设备是一种昂贵的解决方案；因此，取而代之，通过利用功率转换器的短期过载能力来缓解差距。短期过载能力是通过在超过功率转换器部件中的一些的正常能力的水平下运行功率转换器(因此功率转换器会升温)来使功率转换器过载而使功率转换器能够输送的额外无功功率。这只能在短时间内进行，因为部件不能过热而损坏。因此，在本发明中，通过将发电厂变压器OLTC的使用与功率转换器的短期过载相结合，满足了对电压变化快速反应的电网规范要求。
该方法通过测量风力发电厂连接到电网的公共耦合点(PCC)处的无功功率、电压和频率，并将测量功率与从传输系统运营商接收的请求功率参考进行比较来确定对无功功率交换的需求。
如果测量的无功功率和请求的无功功率之间存在差异，该方法包括将长期策略和短期策略相结合，以采取行动来改变无功功率交换。
长期策略是调整发电厂变压器中的OLTC的配置。然而，调整OLTC需要一定的时间(120-300秒或更长)才能给出期望的无功功率变化。因此，还应用了一种短期策略，其中发电厂控制器请求风力涡轮发电机通过使功率转换器过载来生成额外的无功功率，直到分接变换器的调整提供所需的无功功率。
当根据长期策略调整OLTC生效时，使功率转换器过载的短期策略逐渐减少，直到最终结束短期策略，OLTC提供所有请求的功率输出，风力发电厂正常运转。使用通过调节发电厂变压器中的有载分接变换器的长期策略和使用使功率转换器过载的短期策略之间的配合解决了本发明的问题。改变有载分接变换器太慢，不能对无功功率的下降立即做出反应，而使功率转换器过载只能进行较短时间(几分钟)。通过将这两种策略结合起来，首先应用短期策略，然后逐渐转向长期策略，使得能够快速反应并使改变保持较长持续时间。
发电厂控制器为风力涡轮发电机生成无功部件设定点，以通过使功率转换器短期过载而快速改变风力涡轮发电机输送的无功功率。无功部件设定点可以是无功功率设定点和/或电压设定点和/或功率因数设定点。无功功率设定点可以是电感无功设定点和电容无功设定点。如果电压设定点或功率因数设定点由发电厂控制器生成并传输到功率转换器，则功率转换器可以将设定点转换为无功功率设定点。
每个风力涡轮发电机包括功率转换器，该功率转换器能够调整发电机频率和电压，从而调整无功功率，并经由风力发电厂内的中压网络将无功功率传输到发电厂变压器。
通过利用功率转换器的短期过载的无功功率变化几乎可以立即发生，以确保风力发电厂为电网输送所请求的无功功率。然而，每个风力涡轮发电机可能只能在很短的时间内生成额外的无功功率，也许只有几秒钟。当风力发电厂需要输送短期无功功率时，发电厂控制器在需要短期无功功率生产的时段期间，通过在多个风力涡轮发电机之间切换来运行风力涡轮发电机，直到发电厂变压器根据OLTC的调整来接管。
风力发电厂可以通过请求所有有功风力涡轮发电机输送一部分(一定分数的)所需的短期无功功率，在多个风力涡轮发电机之间平均分配所需的短期无功功率生产。替代地，发电厂控制器可以在请求各个风力涡轮发电机输送额外的短期无功功率之间进行切换，首先请求风力涡轮发电机中的一个或多个输送短期无功功率，然后，当风力涡轮发电机达到其能够输送的无功功率的极限时，发电厂控制器请求其他风力涡轮发电机输送短期无功功率。
发电厂控制器可以通过向风力涡轮发电机发送升压使能信号，使风力涡轮发电机启动风力涡轮发电机的过载功能，来请求风力涡轮机的短期无功功率生成。此外，发电厂控制器改变发电厂控制器传输到风力涡轮发电机的无功部件设定点。
风力涡轮发电机可以输送无功功率的稳态部分和短时部分。稳态部分是风力涡轮发电机可以恒定输送(至少在诸如风力和外部温度的外部条件不发生变化的情况下)的无功功率。风力涡轮发电机可以通过使风力涡轮发电机的功率转换器过载来将所供应的功率增加到超过稳态部分，从而能够输送无功功率的短期部分。然而，这将导致风力涡轮发电机的功率转换器中的部件升温，当功率转换器或逆变器中的部件达到最大允许温度时，风力涡轮发电机必须停止输送额外的无功功率，即短期部分。
当输送无功功率的稳态部分时，风力涡轮发电机中的功率转换器部件的温度基本恒定，风力涡轮发电机可以持续输送无功功率的稳态部分，并且不超过稳态能力。
当无功部件设定点包含不同于零的短期部分时，短期无功功率生成被应用。
稳态部分可以在风力涡轮发电机中改变，例如，风力涡轮发电机可以包括发电机有载分接变换器，它可以像发电厂有载分接变换器一样进行调整，但是当检测到无功功率突变时，这样做太慢，通常不会这样做。发电机分接变换器可以在长期策略中利用，但不是作为短期策略的一部分。
根据该方法的一个实施例，发电厂控制器从转换器控制器接收能力数据，所述能力数据包括：
-短期无功功率过载能力，和/或
-短期无功功率过载能力的剩余时间，和/或
-剩余无功功率过载能力因数。
发电厂控制器从风力涡轮发电机接收能力数据。能力数据包括关于风力涡轮机在使功率转换器过载时可以提供多少短期无功功率以及可以在提供多久。确定短期无功功率过载能力的剩余时间的时间限制，以避免超过功率转换器中的一个或多个部件的热容量。时间限制对于避免部件过热和受损是重要的。当风力涡轮发电机的功率转换器的无功功率过载能力耗尽时，风力涡轮发电机自动将短期无功功率的生产降低到安全水平，以避免使部件过热。无论是否从发电厂控制器接收到新的设定点，都会这样做。
发电厂控制器可以接收包括剩余无功功率过载能力因数的能力数据，该能力数据告知发电厂控制器关于剩余的一部分无功功率过载能力有多大，这可以是关于剩余的无功功率过载能力的多少的一部分(一定分数)或百分比。发电厂控制器可以知道在正常条件下，当不利用无功功率过载能力时，有多少无功功率过载能力是可用的，然后根据能力因数计算可用的过载能力。
根据一个实施例，所述能力数据还包括无功功率的稳态能力。
此外，所述能力数据还可以包括关于风力涡轮发电机可以提供多少稳态无功功率的数据。风力涡轮发电机可以提供多少稳态无功功率取决于天气条件、风速、温度等。功率转换器也可以有不同的设置，从而增加或降低稳态能力。
在短期策略中，稳态能力不会改变，但在长期策略中，改变稳态部分的设定点可以被包括在该策略中。
根据该方法的一个实施例，转换器控制器各自：
-生成能力数据，以及
-将能力数据传输到发电厂控制器。
风力涡轮发电机转换器控制器基于功率转换器中部件的温度测量结果生成能力数据。每个风力涡轮发电机可以包括控制系统，该控制系统可以具有用于基于部件的温度测量结果和部件的热数据生成风力涡轮发电机的能力数据的模块。这种模块在WO2018/103800中被描述。
转换器控制器将能力数据传输到发电厂控制器；这在预定的时间间隔内持续进行。例如，转换器控制器可以在自上次传输后经过一个时间间隔后，或在像风速或外部温度的外部条件发生改变时发送能力数据。
替代地，发电厂控制器可以从风力涡轮发电机请求数据，转换器控制器通过发送所请求的数据来响应这样的请求。
根据该方法的一个实施例，转换器控制器各自：
-生成从风力涡轮发电机已经输送多少短期无功过载能力的输送数据，以及
-将输送数据传输到发电厂控制器。
转换器控制器可以向发电厂控制器传输多少短期无功过载能力已被输送到发电厂控制器。这是以温度测量结果用于计算多少过载能力被使用的方式，基于功率转换器中部件的温度测量结果计算出来的。输送数据使发电厂控制器知道已经使用了多少短期无功过载能力，发电厂控制器估计在风力涡轮发电机的功率转换器的短期无功过载能力被耗尽之前还剩下多少。
风力涡轮发电机无法输送发电厂控制器所请求的无功功率量是有可能的。向发电厂控制器传输输送数据是风力涡轮发电机告知发电厂控制器关于多少生成无功功率的过载能力已被使用的方式。如果输送的无功功率少于发电厂控制器所请求的无功功率，则发电厂控制器可以调整其策略，例如通过请求其他风力涡轮发电机输送更多。
根据一个实施例，该方法还包括发电厂控制器：
-从转换器控制器接收能力数据，以及
-基于能力数据为转换器控制器生成无功部件设定点，
-将无功部件设定点传输到转换器控制器。
发电厂控制器基于其从转换器控制器接收的能力数据生成无功部件设定点，并将无功部件设定点传输到转换器控制器。
根据该方法的一个实施例，传输到风力涡轮发电机的无功部件设定点是稳态部分和短期部分的总和。
根据该方法的一个实施例，传输到风力涡轮发电机的无功部件设定点包括作为每个部分的具体值的稳态部分和短期部分。
无功部件设定点可以包括两部分，即稳态部分和短期部分。在这种情况下，无功部件设定点可以为稳态部分和短期部分的单独的具体设定点。稳态部分是风力涡轮发电机在风速和温度不发生改变的情况下被请求恒定输送的多少，而设定点的短期部分是通过使用短期能力风力涡轮发电机被请求输送超过稳态的多少。
替代地，无功部件设定点可以是总请求输送的单一设定点。在这种情况下，风力涡轮发电机的转换器控制器通过其能够分别通过稳态能力和短期过载能力输送的多少来计算如何满足设定点。
根据该方法的一个实施例，如果功率转换器的短期过载能力不足以满足无功功率需求，则发电厂控制器激活补偿设备。
除了调整变压器中有载分接变换器的配置和利用风力涡轮发电机中短期无功功率过载能力外，风力发电厂还可以包括无功功率补偿设备，诸如电容器组、静止同步补偿器(STATCOM)或静止VAR补偿器(SVC)。补偿设备被配置为在被发电厂控制器请求时提供无功功率补偿。
当风力涡轮发电机中的短期无功功率能力无法输送足够的无功功率来满足要求时，无功功率补偿设备被请求输送无功功率。
通过使用补偿设备，发电厂进入三步策略：调整OLTC；使功率转换器过载；以及在使功率转换器过载不能供应足够的短期无功功率的情况下使用补偿设备。然后，补偿设备输送所需的短期无功功率和使功率转换器过载所能供应的短期无功功率之间的差值。
根据一个实施例，该方法还包括：在下列情况下，确定对短期无功功率交换的需求：
-所请求的无功功率水平与在公共耦合点测量的所供应的无功功率水平之间的差值大于最小允许变化值，和/或
-无功功率的稳态输送超过无功功率稳态能力的最大部分(最大分数，最大百分比，最大比例)，和/或
-公共耦合点处的测量电压在允许电压范围内。
在公共耦合点测量无功功率水平，并将其与系统运营商的请求无功功率水平进行比较。如果无功功率水平与请求的无功功率水平相差超过最小允许值，则存在对短期无功功率交换的需求。
替代地，如果无功功率的稳态输送超过了最大无功功率状态能力的一部分(一个分数)，例如该部分(该分数)为最大无功功率稳态能力的0.90或0.95或0.98，则可以确定需要进行短期无功功率交换，以确保所请求的无功功率的输送。
此外，还可能要求公共耦合点处的测量电压在允许范围内。这个范围可以是在0.9和1.1pu之间。如果测量电压在这个范围之外，风电场不应输送短期无功功率，电压在该范围之外的问题必须由系统运营商在电网的其他地方解决。在发生故障的情况下，可能在该范围之外运行。
根据一个实施例，该方法还包括：当确定对无功功率交换的需求并调整变压器中有载分接变换器的配置时，有载分接变换器(OLTC)逐渐改变变压器中压侧的电压水平，为风力涡轮发电机生成无功部件设定点以供应所需的无功功率，并逐渐调整无功部件设定点以补偿由有载分接变换器引起的逐渐变化。
当风电园区的变压器中的OLTC被调整时，调整的效果逐渐显现，因此无功部件设定点被逐渐调整，以减少短期无功功率生产的影响，来补偿OLTC的调整。因此，变压器接管生产所需的无功功率，短期无功功率生产逐渐被淘汰，直至不再需要短期无功功率生产。
根据一个实施例，该方法还包括：当无功部件设定点的短期部分不同于零时，运行风力涡轮发电机包括使风力涡轮发电机的功率转换器过载，以生成比最大稳态功率生成量(maximum steady state power generation)更多的无功功率。
使风力涡轮发电机的功率转换器过载可以通过进入超升压模式来进行。此时风力涡轮发电机的运行水平高于正常使用时的运行水平。在超升压模式下运行会导致部件达到它们的热极限。因此，当在超升压模式下运行时，该模式的持续时间不得超过特定的持续时间，否则将造成损坏。
控制系统可以预测超升压水平能够持续的持续时间。只要所有关键部件的热温度在它们的限制内，功率转换器就可以提供超过正常值的额外无功功率能力。
在第二方面，本发明涉及一种风力发电厂，所述风力发电厂包括：
-多个风力涡轮发电机，每个风力涡轮发电机具有对应的带转换器控制器的功率转换器，
-为所述风力涡轮发电机生成无功部件设定点的发电厂控制器，
-耦合在所述风力发电厂和电网之间的带有载分接变换器的变压器，
当确定对所述风力发电厂和所述电网之间的无功功率交换的需求时，调整所述有载分接变换器的配置，并且
-所述发电厂控制器为所述风力涡轮发电机生成无功部件设定点，其中所述无功部件设定点包括稳态部分和短期部分，其中所述稳态部分不超过所述风力涡轮发电机的功率转换器的稳态能力，并且其中所述短期部分超过所述风力涡轮发电机的功率转换器的稳态能力；以及
-所述风力涡轮发电机按照所述无功部件设定点运行。
在第三方面，本发明涉及一种用于控制电网和风力发电厂之间的无功功率交换的发电厂控制器，所述发电厂控制器包括：
-多个风力涡轮发电机，每个风力涡轮发电机具有对应的带转换器控制器的功率转换器，
-为所述风力涡轮发电机生成无功部件设定点的发电厂控制器，
-耦合在所述风力发电厂和所述电网之间的带有载分接变换器的变压器，
其中，所述发电厂控制器被布置为执行根据本发明的第一方面的步骤。
在第四方面，本发明涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括在数据处理系统上执行时适于控制风力涡轮机的软件代码，所述计算机程序产品适于执行根据本发明的第一方面的方法。
在第五方面，本发明涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品适于使包括至少一个计算机的计算机系统控制根据本发明的第二方面的风力发电厂，所述至少一个计算机具有与之连接的数据存储装置，所述计算机程序产品诸如是包括指令的计算机程序产品，当所述程序由计算机执行时，所述指令使计算机执行本发明的第一方面的方法。
本发明的该方面特别但不是唯一有利的是，本发明可以通过计算机程序产品来实现，该计算机程序产品在被下载或上传到计算机系统时使计算机系统执行本发明的第二方面的风力发电厂的运行。这种计算机程序产品可以在任何一种计算机可读介质上提供，也可以通过网络提供。
本发明的各个方面可以各自与其他方面中的任一个相结合。本发明的这些和其它方面将从以下参照所描述的实施例的描述中变得显而易见。
附图说明
现在将关于附图更详细地描述根据本发明的风力发电厂和控制风力发电厂的方法。图中显示了本发明的一种实现方式，并不解释为对落入所附权利要求的范围内的其它可能实施例的限制。
图1图示了风力涡轮机。
图2图示了发电厂控制器、风力涡轮发电机和电网运营商之间的通信概览。
图3图示了风力涡轮发电机的电力系统的示例。
图4图示了带分接头的有载分接变换器变压器。
图5图示了公共耦合点(PCC)处的电压下降。
图6图示了在公共耦合点(PCC)处测量无功功率下降。
图7图示了当请求风力涡轮发电机输送短期无功功率时发生的情况。
图8图示了在初始功率下降缓慢恢复后的WTG电压。
图9是图示发电厂控制器(PPC)行使的控制的流程图。
图10是图示转换器控制对风力涡轮发电机行使的控制的流程图。
具体实施方式
图1显示了风力涡轮发电机100(WTG)，其包括塔架101和转子102，转子102带至少一个转子叶片103，诸如三个叶片。转子连接到机舱104，机舱104安装在塔架101顶部，并且适于经由传动系统驱动位于机舱内的发电机。转子102在风的作用下可旋转。转子叶片103的由风引起的旋转能经由轴传递到发电机。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，然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，功率转换器包括发电机侧转换器和线路侧转换器。发电机侧转换器将发电机的交流电转换成直流电，线路侧转换器将直流电转换成交流电，以注入电网中。
图2显示了发电厂控制器201、经由WTG通信模块202的风力涡轮发电机203和电网运营商之间的通信概览。风力涡轮发电机203连接到内部中压网络204，风力涡轮发电机203向该内部中压网络204传输实功功率P，传输和接收无功功率Q。中压网络204连接到变压器205，其中电压从中压网络204转换到高压网络206。变压器205包括有载分接变换器。
功率测量模块207具有用于在公共耦合点209处测量电压、电流、实功功率和无功功率的传感器208。功率测量模块207可以是发电厂控制器201的一部分，也可以将测量值传输到发电厂控制器201。发电厂控制器201经由WTG通信模块202与风力涡轮发电机203通信。
发电厂控制器从风力涡轮发电机203接收关于短期无功功率过载能力和短期无功功率过载能力的剩余时间以及稳态功率能力的能力数据210。基于传感器208的电压、电流和功率测量结果以及来自风力涡轮发电机201的能力数据210，发电厂控制器201确定无功部件设定点和实功部件设定点，并经由传输线路211将设定点传输到风力涡轮发电机203。此外，其他数据也可以经由传输线路211传输到风力涡轮发电机。
补偿设备212(诸如电容器组、静止同步补偿器(STATCOM)或静止VAR补偿器(SVC))与风力涡轮发电机203并联连接到中压网络204。补偿设备212被配置为在被发电厂控制器201请求时，通常是在风力涡轮发电机203中的短期无功功率能力无法输送足够的无功功率来满足要求时，提供无功功率补偿。
图3显示了根据一个实施例的风力涡轮发电机203的电力系统300的一个示例。该电力系统包括风力涡轮发电机203和功率转换器302。功率转换器302包括发电机侧转换器303、线路侧转换器304、直流链路305和与可控开关306连接的电阻器307。电阻器和开关形成用于耗散有功功率的功率耗散装置，也称为斩波器。直流链路305包括一个或多个直流链路电容器，它(们)由发电机侧转换器303的直流输送电流充电，并向线路侧转换器304供应直流电力。线路侧功率转换器304的输出交流电经由输出电感器，并且可能地经由风力涡轮机变压器308供应到中压电力网络204。
中压电力网络204从若干风力涡轮发电机203接收电力。因此，中压电力网络204和对应风力涡轮发电机的一个或多个电力系统300构成了被布置为向电网(即高压网络206)供应电力的风力发电厂或风电园区。
高压网络通常也称为高压电网，即用于分配电力的电力网络。
中压电力网络204和高压网络206通常被称为网络或电力网络。
功率转换器302可以是根据不同原理配置的全规模转换器，其包括强制换向和线路换向转换器。然而，本文所述的任何实施例同等地适用于双馈感应发电机配置，以及与此类发电机配置和其他交流-交流电源转换器的其他等效物。
风力涡轮机变压器308是可变匝数比变压器，其能够调整匝数比，从而调整变压器的一次侧电压Upri和变压器的二次侧电压Usec的电压比。变压器308也被称为有载分接变换器变压器——简而言之，就是OLTC变压器308——它具有若干使得变压器的匝数比能够发生变化的分接点。
由于变压器一次侧和二次侧的可变匝数比等于一次侧和二次侧的电压比，即匝数比Npri/Nsec等于Upri/Usec，这使得线路侧转换器304看到的电压能够被调适。这可用于在网络欠压事件或网络过压事件(即高压电网上的电压增加或减少到额定电压区域之外)的情况下提供网络电压支持。
因此，可调整的匝数比可以用于将二次电压Usec维持在功率转换器302的可接受工作范围内，例如以避免功率转换器302跳闸。
电力系统300主要是图示，因此没有明确揭示该系统可以是三相系统。然而，所述实施例的原理既适用于单相系统，也适用于多相系统。
图3还显示了用于运行风力涡轮机的控制系统350。控制系统350被配置为监测风力涡轮发电机203的运行状态以维持优化的能量生成，并被配置为与发电厂控制器201和可能的其他控制系统通信。控制系统350能够改变风力涡轮发电机203电力系统300的部件的运行，以实现无功和有功功率输出的改变，从而对从发电厂控制器201接收到的设定点做出反应。
控制系统350监测与包括风力涡轮发电机203的电力系统300的热状态有关的参数。例如，参数可以包括环境温度、各个部件的温度、电压和电流水平以及无功和有功功率生成。控制系统350然后使用对上述参数的监测来预测部件在不超过热极限的情况下被驱动超过其能力的潜力。
控制系统350包括用于控制功率转换器302的转换器控制器310。转换器控制器310可以是控制系统350的一部分，也可以是控制系统之外与控制系统通信的独立部分。
图4图示了有载分接变换器变压器205，其带有提供不同匝数比的分接头401和被布置为在不同分接头401之间切换的有载分接变换器402。存在多种用于有载分接变换器的技术。虽然在此不对这些特定技术进行详细描述，但它们都展现出特定性质，即有载分接变换器可以被切换，且切换期间的电流必须保持低于OLTC设备额定值所定义的某个限度。
发电厂变压器205中存在有载分接变换器，但每个风力涡轮机变压器308中也可以存在局部分接变换器。
图5图示了公共耦合点(PCC)处的要求风电园区改变无功功率的输送的测量电压下降501。
图6图示了，在电压下降发生的同时，在公共耦合点测量的无功功率Q也存在下降601。当无功功率Q发生功率下降601时，发电厂变压器中的有载分接变换器调整并逐步增加无功功率Q(参见曲线图602)，直到最终在200多秒后达到所请求的水平603。与此同时，短期无功功率604开始生成，以确保发电厂输送所请求的无功功率。曲线图604显示了通过正常稳态手段和短期手段生成的无功功率的总和。使用短期无功功率允许风力发电厂对功率下降迅速做出反应，并通过使风力涡轮发电机的功率转换器短期过载来利用短期无功功率产生，立即补偿功率下降并输送所请求的无功功率。
图7图示了，当风力涡轮发电机被请求通过使风力涡轮发电机的功率转换器短期过载来输送短期无功功率时，风力涡轮机的无功功率生产由添加到无功功率生产的稳态部分702的无功功率生产的短期部分701增加。
图8图示了，WTG电压在经过初始的功率下降801后，随着有载分接变换器的调整的开始802缓慢增加。此外，无功功率的短期生成也对实功功率电压803有所贡献，但不能完全补偿电压下降。
图9用流程图图示了发电厂控制器(PPC)201行使的控制的可能实现方式。在901中，PPC测量变压器205的高压侧的公共耦合点209处的无功功率、电压和其他可能的参数。然后在902中，PPC基于测量数据和来自TSO的请求数据确定是否需要额外的短期无功功率。如果需要903，发电厂控制器在904中调整发电厂变压器205中的OLTC 402。然后，在905中，PPC为风力涡轮发电机203生成无功部件设定点，并在906中将无功部件设定点传输到转换器控制器310。在907中，PPC从风力涡轮发电机203接收能力数据和输送数据，并使用该数据生成新的设定点，在908中，PPC再次确定是否仍然需要短期无功功率，如果是这样，在909中，回到905。当然，这只是一种可能的实现方式；在软件中实现该解决方案的方法有很多种。
图10图示了转换器控制器310对风力涡轮发电机203行使的控制的一种可能的实现方式。在1001中，当转换器控制器310从PPC接收无功部件设定点时，转换器控制器在1002中检查是否需要短期过载。如果是这样，则转换器控制器在1003中确定过载能力，例如通过监测功率转换器中的部件相对于部件最高温度的温度，如果存在过载能力，则转换器控制器310在1004中检查风力涡轮发电机是否能够输送短期过载，如果是这种情况，则在1005中，根据接收到的无功部件设定点对风力涡轮发电机的功率转换器生成过载。然后，在1006中，生成能力数据和输送数据，并且在1007中将其传输到PPC。
在1002不需要过载的情况下，或者在1004风力涡轮发电机不具备输送额外无功功率的能力的情况下，不会使风力涡轮发电机过载。
本发明可以借助于硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。本发明或其某些特征也可以作为运行在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上的软件来实现。
本发明的实施例的各个元件可以任何合适的方式(诸如在单个单元中、在多个单元中或作为单独功能单元的一部分)在物理上、功能上和逻辑上实现。本发明可以在单个单元中实现，也可以在不同单元和处理器之间进行物理和功能分布。
尽管本发明已结合具体实施例进行了描述，但不应解释为本发明以任何方式局限于所呈现的实施例。本发明的范围应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”的参考不应解释为排除多个。权利要求中对图中所示元件使用的参考符号也不应理解为对本发明的范围的限制。此外，在不同的权利要求中提到的各个特征可能可以有利地结合起来，在不同的权利要求中提到这些特征并不排除特征的组合是不可能的和有利的。
Claims (15)
1.一种用于控制电网(206)和风力发电厂(200)之间的无功功率交换的方法，所述风力发电厂包括：
-多个风力涡轮发电机(203)，每个风力涡轮发电机(203)具有对应的带转换器控制器(310)的功率转换器(302)，
-为所述风力涡轮发电机(203)生成无功部件设定点的发电厂控制器(201)，以及
-耦合在所述风力发电厂(200)和所述电网(206)之间的带有载分接变换器(402)的变压器(205)，
所述方法包括以下步骤：
-确定对所述风力发电厂(200)和所述电网(206)之间的无功功率交换的需求，
-调整所述变压器(205)中的有载分接变换器(402)的配置；以及
-由所述发电厂控制器(201)为所述风力涡轮发电机(203)生成无功部件设定点，其中，所述无功部件设定点包括稳态部分和短期部分，其中，所述稳态部分不超过所述风力涡轮发电机(203)的功率转换器的稳态能力，并且其中，所述短期部分超过所述风力涡轮发电机(203)的功率转换器(302)的稳态能力；以及
-根据所述无功部件设定点运行所述风力涡轮发电机(203)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发电厂控制器(201)从所述转换器控制器(310)接收能力数据，所述能力数据包括：
a.短期无功功率过载能力，和/或
b.短期无功功率过载能力的剩余时间，和/或
c.剩余无功功率过载能力因数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述能力数据还包括无功功率的稳态能力。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述转换器控制器(310)各自：
-生成所述能力数据，以及
-将所述能力数据传输到所述发电厂控制器(201)。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其中，所述转换器控制器(310)各自：
-生成从所述风力涡轮发电机(203)已经输送多少短期无功过载能力的输送数据，以及
-将所述输送数据传输到所述发电厂控制器(201)。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括，所述发电厂控制器(201)：
-从所述转换器控制器(310)接收所述能力数据，以及
-基于所述能力数据为所述转换器控制器(310)生成无功部件设定点，
-将无功部件设定点传输到所述转换器控制器(310)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，传输到风力涡轮发电机(203)的所述无功部件设定点是所述稳态部分和所述短期部分的总和。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，传输到风力涡轮发电机的无功部件设定点包括作为每个部分的具体值的稳态部分和短期部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
如果所述功率转换器(302)的短期过载能力不足以满足所述无功功率需求，则所述发电厂控制器(201)激活补偿设备(212)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在下列情况下，确定对短期无功功率交换的需求：
-所请求的无功功率水平与在所述公共耦合点(209)处测量的所供应的无功功率水平之间的差值大于最小允许变化值，和/或
-无功功率的稳态输送超过所述无功功率稳态能力的最大部分，和/或
-所述公共耦合点(209)处的测量电压在允许电压范围内。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当确定对无功功率交换的需求并调整所述变压器(205)中的有载分接变换器(402)的配置时，所述有载分接变换器逐渐改变所述变压器的中压侧的电压水平，为所述风力涡轮发电机(203)生成无功部件设定点以供应所需的无功功率，并逐渐调整所述无功部件设定点以补偿由所述有载分接变换器(402)引起的逐渐变化。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述无功部件设定点的短期部分不同于零时，运行所述风力涡轮发电机(203)包括使所述风力涡轮发电机(203)的功率转换器(302)过载，以生成比所述最大稳态功率生成量更多的无功功率。
13.一种风力发电厂，其包括：
-多个风力涡轮发电机(203)，每个风力涡轮发电机(203)具有对应的带转换器控制器(310)的功率转换器(302)，
-为所述风力涡轮发电机(203)生成无功部件设定点的发电厂控制器(201)，以及
-耦合在所述风力发电厂(200)和电网(206)之间的带有载分接变换器(402)的变压器(205)，
当确定对所述风力发电厂(200)和所述电网(206)之间的无功功率交换的需求时，调整所述有载分接变换器(402)的配置，并且
-所述发电厂控制器(201)为所述风力涡轮发电机(203)生成无功部件设定点，其中，所述无功部件设定点包括稳态部分和短期部分，其中，所述稳态部分不超过所述风力涡轮发电机(200)的功率转换器(302)的稳态能力，并且其中，所述短期部分超过所述风力涡轮发电机(200)的功率转换器(302)的稳态能力；并且
-所述风力涡轮发电机(200)根据所述无功部件设定点运行。
14.一种用于控制电网(206)和风力发电厂(200)之间的无功功率交换的发电厂控制器(201)，所述发电厂控制器(201)包括：
-多个风力涡轮发电机(203)，每个风力涡轮发电机(203)具有对应的带转换器控制器(310)的功率转换器(302)，
-为所述风力涡轮发电机(203)生成无功部件设定点的发电厂控制器(201)，
-耦合在所述风力发电厂(200)和所述电网(206)之间的带有载分接变换器(402)的变压器(205)，
其中，所述发电厂控制器(201)被布置为执行根据权利要求1-12中任一项所述的方法的步骤。
15.一种计算机程序产品，其包括在数据处理系统上执行时适于控制风力涡轮机的软件代码，所述计算机程序产品适于执行权利要求1-12中任一项所述的方法。
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