CN205811554U - 电压控制系统 - Google Patents

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CN205811554U CN201620182373.XU CN201620182373U CN205811554U CN 205811554 U CN205811554 U CN 205811554U CN 201620182373 U CN201620182373 U CN 201620182373U CN 205811554 U CN205811554 U CN 205811554U
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A·S·阿希莱斯
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Abstract

本主题涉及电压控制系统。具体而言，涉及一种用于调节连接到电网的风电场中的无功功率以便改善风电场的无功响应速度的系统。包括：第一控制路径，其包括第一电压调节器，所述第一控制路径构造成作为电压反馈或电压基准中的至少一者的函数来计算线性电压误差，且基于所述线性电压误差生成第一输出；和第二控制路径，其包括第二电压调节器，所述第二电压调节器包括死区，所述死区构造成基于所述线性电压误差来确定第一非线性电压误差，所述第二电压调节器构造成基于所述非线性电压误差生成第二输出，其中，所述电压控制系统还构造成作为所述第一和第二输出的函数生成无功功率命令。

Description

电压控制系统
技术领域
本公开大体上涉及风力发电，且更具体而言，涉及用于控制风电场的无功功率响应速度的系统和方法。
背景技术
风力认作是一种最清洁，对环境最友好的目前可用的能源，且风力涡轮在此方面得到越来越多的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱、和一个或更多个转子叶片。转子叶片为用于将风能转变成电能的主要元件。叶片通常具有翼型件的截面轮廓，使得在操作期间，空气在叶片上流动，从而在其侧部之间产生压差。因此，从压力侧朝向吸入侧的升力作用在叶片上。升力在主转子轴上生成转矩，主转子轴连接到发电机，以产生传输至电网的电力。电网将电能从发电设施传输至最终使用者。
风力发电通常由风电场提供，风电场包含多个风力涡轮发电机(通常100个或更多)。独立的风力涡轮发动机可对电力系统操作提供与缓解由阵风引起的电压闪变的缓解和由外部事件引起的电压偏移的缓解有关的重要益处。
在风电场环境中，各风力涡轮发电机可经历独特的风力。因此，各风力涡轮发电机通常包括本地控制器，本地控制器控制对阵风和其他外部事件的响应。现有技术风电场控制一般基于两种构架中的一者：(1)具有与电压控制中的电场水平控制组合的恒定功率因数或无功功率的本地控制，或(2)不具有电场水平控制的恒定电压控制中的本地控制。
具有恒定功率因数的本地控制和电压控制中的电场水平控制需要与从电场水平到本地水平的积极动作的快速通信。如果电场水平控制停用，则本地控制可加重电压闪变。在各发电机上的恒定电压控制的情况下，稳态操作随输电网上的负载的小偏差显著地变化。这引起风力涡轮发动机遇到稳态操作中的极限，这阻止对干扰的响应，从而导致电压调节的损失。由于无功电流在该操作模式期间高于所需的，故风力涡轮发电机的总体效率降低。
美国专利No. 7,224,081号描述了一种用于风力涡轮的电压控制方法和系统，其中，无功功率调节器通过调整电压调节器的电压设定点来控制风电场中的单独的风力涡轮的无功功率产生。该方案依靠接收对各风力涡轮发电机的无功功率命令。在单独的风力涡轮水平下，快速电压调节器将风力涡轮低电压侧保持在设定点，该设定点由无功功率调节器调整，以遵循来自风电场控制的命令。无功功率调节器具有第一时间常数，该第一时间常数在数值上大于电压调节器的时间常数。该控制方案的有益之处在于，其迫使风电场内的所有风力涡轮具有相同的无功功率输出。另外，如果风电场水平控制中止，则即使电网电压变化，风力涡轮也都保持在预设的无功功率输出。然而，风电场控制器还必须通过无功功率调节器的时间常数来作用。
因此，本领域一直在寻求在稳定操作下提供快速电压调节器响应的新的和改善的系统和方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐明，或可从描述中清楚，或可通过本发明的实践来理解。
一方面，本主题涉及一种用于改善连接到电网的风电场中的无功功率响应速度的方法。该方法包括由风电场控制器接收来自电网的电压反馈，以及电压基准。另一步骤包括作为电压反馈和电压基准的函数来计算线性电压误差。该方法还包括通过具有第一电压调节器的第一控制路径基于线性电压误差生成第一输出。其他步骤包括通过具有第二电压调节器的第二控制路径基于线性电压误差来确定第一非线性电压误差，和通过第二控制路径基于第一非线性电压误差来生成第二输出。该方法然后包括作为第一和第二输出的函数生成无功功率命令。
在一个实施例中，基于线性电压误差确定非线性电压误差的步骤还包括提供第二控制路径中的死区(deadband)，和通过死区确定非线性电压误差。在另一实施例中，该方法还包括通过瞬时放大器基于线性电压误差确定第二非线性电压误差。在其他实施例中，第一和第二电压调节器可包括比例控制器、比例积分控制器、比例导数控制器(proportional derivative controller)、比例积分导数控制器、状态空间控制器等中的至少一者。例如，在某些实施例中，第一电压调节器可为比例积分控制器，且第二电压调节器可为比例控制器。
在其他实施例中，该方法还可包括调整第二电压调节器的至少一个时间常数，以便稳定第二控制路径的第二输出。在附加实施例中，该方法还可包括基于预定积分极限来限制第一电压调节器(例如，比例积分控制器)，和基于预定命令极限来限制无功功率命令，其中，预定命令极限大于预定积分极限。
在其他实施例中，第一电压调节器可与第一状态变量相关联，且第二电压调节器可与一个或更多个第二状态变量相关联。因此，在特定实施例中，该方法可包括确定第二状态变量中的一个或更多个的导数，和基于导数来控制调节器。更具体而言，该方法可包括：只要第二状态变量的导数为负，第二状态变量为负，且第一或第二非线性电压误差为负，则将第一状态变量和一个或更多个第二状态变量维持或固定在它们的当前值。此外，该方法可包括：只要第二状态变量的导数为负，第二状态变量为正，且第一或第二非线性电压误差为正，则将第一状态变量和一个或更多个第二状态变量维持在它们的当前值。
在附加实施例中，该方法可包括：只要电压反馈在预定电压范围外，则将第一状态变量和一个或更多个第二状态变量维持或固定在它们的当前值。
在另一个实施例中，该方法可包括确定第一和第二电压调节器的一个或更多个电压调节器参数。例如，在某些实施例中，电压调节器参数可包括比例增益、积分增益、时间常数、它们的组合等。此外，在特定实施例中，该方法可包括基于风电场中的联机风力涡轮的数目和/或风电场的一个或更多个外部装置的状态来改变电压调节器参数。外部装置例如可包括传输线、发电机等。
另一方面，本主题涉及一种用于改善连接到电网的电力系统中的无功功率响应速度的方法。更具体而言，该方法包括通过非线性电压调节器来作为线性电压误差的函数确定非线性电压误差。另一个步骤包括作为非线性电压误差或非线性电压调节器的历史中的至少一者的函数来计算非线性时间常数。该方法还包括基于非线性电压误差、非线性增益参数、和/或非线性时间常数来确定非线性电压调节器的输出。
又一方面，本公开涉及一种电压控制系统。电压控制系统包括第一控制路径和第二控制路径。第一控制路径构造成作为电压反馈或电压基准中的至少一者的函数计算线性电压误差。此外，第一控制路径包括第一电压调节器，第一电压调节器构造成基于线性电压误差生成第一输出。第二控制路径包括具有死区的第二电压调节器。死区构造成基于线性电压误差确定第一非线性电压误差。此外，第二电压调节器构造成基于第一非线性电压误差生成第二输出。因此，电压控制系统还构造成作为第一和第二输出的函数生成无功功率命令。
技术方案1：一种用于改善连接到电网的风电场中的无功功率响应速度的方法，所述方法包括：
通过风电场控制器接收来自所述电网的电压反馈；
通过所述风电场控制器接收电压基准；
作为所述电压反馈和所述电压基准的函数来计算线性电压误差；
通过具有第一电压调节器的第一控制路径基于所述线性电压误差生成第一输出；
通过具有第二电压调节器的第二控制路径基于所述线性电压误差确定第一非线性电压误差；
通过所述第二控制路径，基于所述第一非线性电压误差生成第二输出；和，
作为所述第一和第二输出的函数生成无功功率命令。
技术方案2：根据技术方案1所述的方法，其中，基于所述线性电压误差确定所述第一非线性电压误差还包括提供所述第二控制路径中的死区和通过所述死区确定所述第一非线性电压误差。
技术方案3：根据技术方案2所述的方法，还包括通过瞬时放大器基于所述线性电压误差确定第二非线性电压误差。
技术方案4：根据技术方案1所述的方法，其中，所述第一电压调节器包括比例积分控制器且所述第二电压调节器包括比例控制器。
技术方案5：根据技术方案1所述的方法，还包括调整所述第二电压调节器的时间常数，以便稳定所述第二控制路径的第二输出。
技术方案6：根据技术方案1所述的方法，还包括基于预定积分极限来限制所述第一电压调节器和基于预定命令极限来限制所述无功功率命令，其中，所述预定命令极限大于所述预定积分极限。
技术方案7：根据技术方案1所述的方法，其中，所述第一电压调节器与第一状态变量相关联，且所述第二电压调节器与一个或更多个第二状态变量相关联，并且所述方法还包括确定所述一个或更多个第二状态变量中的一个或更多个的导数。
技术方案8：根据技术方案7所述的方法，还包括：只要所述第二状态变量中的一个或更多个的导数为负，所述第二状态变量中的一个或更多个为负，且所述第一或第二非线性电压误差为负，则将所述第一状态变量和所述一个或更多个第二状态变量维持在它们的当前值。
技术方案9：根据技术方案8所述的方法，还包括：只要所述第二状态变量的导数为负，所述第二状态变量为正，且所述第一或第二非线性电压误差为正，则将所述第一和第二状态变量维持在它们的当前值。
技术方案10：根据技术方案1所述的方法，还包括：只要所述电压反馈在预定电压范围外，则将所述第一状态变量和所述一个或更多个第二状态变量维持在它们的当前值。
技术方案11：根据技术方案1所述的方法，还包括确定所述第一和第二电压调节器的一个或更多个电压调节器参数，其中，电压调节器参数包括比例增益、积分增益、或时间常数中的至少一者。
技术方案12：根据技术方案11所述的方法，还包括基于所述风电场中的联机风力涡轮的数目或所述风电场的一个或更多个外部装置的状态中的至少一者来改变电压调节器参数。
技术方案13：一种用于调节连接到电网的电力系统中的无功功率的方法，所述方法包括：
通过非线性电压调节器，作为线性电压误差的函数来确定非线性电压误差；
作为所述非线性电压误差或所述非线性电压调节器的历史中的至少一者的函数来计算非线性时间常数；和
基于所述非线性电压误差、非线性增益参数、或所述非线性时间常数中的至少一者来确定所述非线性电压调节器的输出。
技术方案14：一种电压控制系统，包括：
第一控制路径，其包括第一电压调节器，所述第一控制路径构造成作为电压反馈或电压基准中的至少一者的函数来计算线性电压误差，且基于所述线性电压误差生成第一输出；和，
第二控制路径，其包括第二电压调节器，所述第二电压调节器包括死区，所述死区构造成基于所述线性电压误差来确定第一非线性电压误差，所述第二电压调节器构造成基于所述非线性电压误差生成第二输出，
其中，所述电压控制系统还构造成作为所述第一和第二输出的函数生成无功功率命令。
技术方案15：根据技术方案14所述的电压控制系统，其中，所述第二电压调节器还包括瞬时放大器，所述瞬时放大器构造成生成第二非线性电压误差，以便放大电网中的电压变化。
技术方案16：根据技术方案14所述的电压控制系统，其中，所述第二电压调节器与至少一个非线性时间常数相关联，且其中，所述第二电压调节器构造成调整所述至少一个非线性时间常数，以便稳定所述第二控制路径的第二输出。
技术方案17：根据技术方案14所述的电压控制系统，其中，所述第一电压调节器与第一状态变量相关联，且所述第二电压调节器与一个或更多个第二状态变量相关联，其中，所述第二电压调节器构造成确定所述第二状态变量中的一个或更多个的导数，且只要所述第二状态变量中的一个或更多个的导数为负，所述第二状态变量中的一个或更多个为负，且所述第一或第二非线性电压误差为负，则将所述第一状态变量和所述一个或更多个第二状态变量维持在它们的当前值。
技术方案18：根据技术方案17所述的电压控制系统，其中，所述第二电压调节器构造成如果所述第二状态变量中的一个或更多个的导数为负，所述第二状态变量中的一个或更多个为正，且所述第一和第二非线性电压误差为正，则将所述第一状态变量和所述一个或更多个第二状态变量维持在它们的当前值。
技术方案19：根据技术方案14所述的电压控制系统，其中，所述第二电压调节器构造成只要所述电压反馈在预定电压范围外则将所述第一状态变量和所述一个或更多个第二状态变量维持在它们的当前值。
技术方案20：根据技术方案14所述的电压控制系统，其中，所述电压控制系统构造成确定所述第一和第二电压调节器的一个或更多个电压调节器参数，且基于所述风电场中的联机风力涡轮的数目或所述风电场的一个或更多个外部装置的状态中的至少一者来改变所述电压调节器参数，其中，所述电压调节器参数包括比例增益、积分增益、或时间常数中的至少一者。
本发明的这些和其他特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入本说明书中且构成本说明书的一部分的附图例示本发明的实施例，且与描述一同用于阐释本发明的原理。
附图说明
针对本领域技术人员的本发明的完整和能够实现的公开内容，包括其最佳实施方式，在参照附图作出的说明书中得到阐释，在附图中：
图1例示根据本公开的具有与输电网联接的多个风力涡轮发电机的风电场的框图；
图2例示根据本公开的可包括在电场控制器的一个实施例中的适合构件的框图；
图3例示根据本公开的电压控制系统的一个实施例的简化框图；
图4例示根据本公开的电压控制系统的一个实施例的详细框图，特别例示第一和第二控制路径的其他方面；
图5例示可由根据本公开的电场控制器实施的参数适应控制方案的一个实施例的框图；
图6例示根据本公开的用于改善连接到电网的风电场中的无功功率响应速度的方法的一个实施例的流程图；
图7分别地例示根据常规构造的无功功率和电压对时间的各种图表；
图8分别地例示根据本公开的无功功率和电压对时间的各种图表；且
图9分别地例示无功功率和电压对时间的各种图表，特别例示实现本公开的仅一部分的效果。
部件列表
100 风电场
105 QCMD信号
110 风力涡轮发电机
115 互感器
120 集电器母线
130 主互感器
140 公共联接点
150 电场水平控制器
152 处理器
154 存储器装置
156 通信模块
158 传感器接口
160 传感器
162 传感器
164 传感器
200 控制系统
202 电压基准
204 电压反馈
206 线性电压误差/Verr
208 第一电压调节器
210 第二电压调节器
212 第一输出
214 第二输出
215 第二非线性电压误差/Verr1
216 限制器
217 瞬时放大器
218 无功功率命令/QCMD
220 死区
222 第一非线性电压误差/Verr2
224 第一控制路径
226 第二控制路径
228 积分器
230 积分器
232 积分器
234 和(sum)
236 无功功率输出信号/QCMDO
238 图表
240 增益调整
242 增益管理器
244 电压反馈
246 无功功率
254 电压反馈
256 无功功率
264 电压反馈
266 无功功率
300 方法
302 方法步骤
304 方法步骤
306 方法步骤。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或更多个示例在附图中示出。各实例作为本发明的阐释而非本发明的限制来提供。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，可在本发明中进行各种修改和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，例示为或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一实施例一起使用，以产生又一实施例。因此，期望本发明覆盖落入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此种修改和变型。
大体上，本主题涉及非线性电场控制器，其将无功功率命令发送至风电场或变电站内的所有风力涡轮发电机。更具体而言，控制器包括非线性电压控制系统或调节器，其调节连接到电网的风电场中的无功功率，以便改善风电场的无功响应速度。因此，电压控制系统作为来自电网的电压反馈和电压基准的函数来计算线性电压误差，且通过具有第一电压调节器的第一控制路径基于该线性电压误差生成第一输出。此外，电压控制系统通过具有第二电压调节器的第二控制路径基于该线性电压误差确定一个或更多个非线性电压误差。系统然后基于非线性电压误差通过第二控制路径生成第二输出。因此，电压控制系统作为第一和第二输出的函数生成无功功率命令，这提供了改善的无功功率响应速度。
应当认识到的是，无功功率命令可由任何电场水平(即，高于发电机水平的)控制器生成，诸如变电站控制器或风电场水平控制器。为了描述，本文关于风电场描述了实施例，其中，多个风力涡轮与风电场控制器通信。
本系统和方法提供了现有技术中不存在的许多优点。例如，本公开的控制方案对需要稳定性的电网提供了较快的无功功率响应。更具体而言，非线性控制算法减少风电场对传输系统中的无功功率失衡的响应时间。因此，该算法允许快速且稳定的电压控制。此外，本公开的电压控制系统增加了可以可靠地连接到给定公用系统的风力发电量，且避免了对满足所需的无功响应的风电场内的附加基础设施的需要。
尽管本文所述的本技术是参照具有多个风力涡轮发电机的风电场来阐释的，但应当理解的是，本技术还可对于能够快速地控制无功功率的任何适合的应用来实施。例如，其他非限制性实例包括太阳能系统、能量储存系统、静止VAR系统、STATCOM等。
现在参看附图，图1例示具有与输电网190联接的多个风力涡轮发电机110的风电场100的框图。图1例示三个风力发电机110；然而，在风电场中可包括任何数目的风力发电机。各风力涡轮发电机110包括本地控制器，其响应于正被控制的风力涡轮发电机的状态。在一个实施例中，各风力涡轮发电机的控制器仅感测终端电压和电流(通过电压和电流互感器)。感测的电压和电流由本地控制器使用以提供适合的响应，以导致风力涡轮发电机110提供期望的无功功率。
各风力涡轮发电机110通过发电机连接互感器115联接到集电器母线120，以将有功和无功功率(分别标为Pwg和Qwg)提供至集电器母线120。发电机连接互感器和集电器母线在本领域中是已知的。
风电场100通过风电场主互感器130提供有功和无功功率输出(分别标为Pwf和Qwf)。电场水平控制器150感测风电场输出，以及公共联接点(PCC)140处的电压，以提供Q命令信号105(QCMD)，其指出发电机端子处的期望无功功率，以确保风力涡轮之间的无功功率的合理分配。在备选实施例中，该Q命令信号(QCMD)105可生成为本地或操作者水平(由图1中的“本地”线指出)，例如，在风力涡轮发电机处于手动模式或在其他情况下未与风电场控制器150通信的情况下，这将在下文中更详细地阐释。
现在参看图2，根据本公开的方面，例示可包括在电场控制器150和/或涡轮控制器内的适合的构件的一个实施例的框图。如图所示，控制器150可包括构造成执行多种计算机实现的功能(例如，执行方法、步骤、计算等和储存如在本文中公开的相关数据)的一个或更多个处理器152和相关存储器装置154。此外，控制器150还可包括通信模块156，以便于控制器150与风电场100的各种构件之间的通信。此外，通信模块156可包括传感器接口158(例如，一个或更多个模数转换器)，以允许从一个或更多个传感器160、162、164传输的信号转换成可由处理器152理解和处理的信号。应当认识到的是，传感器160、162、164可使用任何适合的手段来通信地联接到通信模块156。例如，如图所示，传感器160、162、164通过有线连接而联接到传感器接口158。然而，在其他实施例中，传感器160、162、164可通过无线连接联接到传感器接口158，诸如通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议。
如在本文中使用的，用语“处理器”不但指在本领域中称为包括在计算机中的集成电路，而且指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路、和其他可编程电路。此外，存储器装置154可大体上包括存储器元件，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、压缩盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其他适合的存储器元件。此种存储器装置154大体上可构造成储存适合的计算机可读指令，这些指令当由处理器152实现时配置控制器150以执行本文中所述的各种功能。
传感器160、162、164可包括构造成对电场控制器150提供反馈测量结果的任何适合的传感器。例如，在各种实施例中，传感器160、162、164可为以下中的任一者或组合：电压传感器、电流传感器、和/或任何其他适合的传感器。
现在参看图3和4，本文所述的电场控制器150包括电压控制系统200，电压控制系统200构造成改善风电场100的无功功率响应速度。如本文使用的那样，电压控制系统200大体上描述了构造成调节和/或稳定由电场控制器150的其他元件的处理器152使用的电压水平的任何适合的电压调节器。更具体而言，图3例示根据本公开的电压控制系统200的一个实施例的简化框图；而图4例示电压控制系统200的另一个实施例的详细框图，特别例示控制路径的其他细节。如图所示，电压控制系统200从电网190接收电压反馈信号204(Vfbk)，以及电压基准信号202(Vref)。电压基准信号202可为由电场控制器150确定的或由操作者人工输入的任何适合的电压基准。电压反馈信号204表示电网190的实际电压。因此，如图所示，电压控制系统200确定作为电压反馈信号204和电压基准信号202的函数确定线性电压误差信号206(Verr)。例如，在一个实施例中，电压反馈信号204与电压基准信号202之间的差异为线性电压误差信号206，其最终可由电压控制系统200减小，以导致反馈电压204遵循基准电压202。
基于线性电压误差信号206，电压控制系统200生成无功功率命令(例如，QCMD)，其用于改善风电场100的无功功率响应速度。更具体而言，电压控制系统200通过具有第一电压调节器208的第一控制路径224基于线性电压误差206生成第一输出212。例如，如图4中所示，第一电压调节器208可为比例积分(PI)控制器，其具有在0.5到10秒的范围中(例如3秒、5秒、5.5秒)的闭环时间常数。在附加实施例中，可使用其他类型的控制器，例如，比例导数(PD)控制器、比例积分导数(PID)控制器、状态空间控制器等。还可使用其他时间常数。PI控制器208包括比例路径和积分路径。比例路径包括第一比例积分器228，其与具有通常大于风电场电压控制系统的闭环带宽的带宽的过滤元件相关联。此外，积分路径包括第二积分器230。在某些实施例中，PI控制器208可基于如图所示的预定积分极限来限制。此外，积分器228、230中的各个分别与状态变量即S1和S3相关联。如本文中使用的，状态变量大体上是指用于描述动态系统(例如，积分器228、230)的数学“状态”的变量。
仍参看图3和4，电压控制系统200还通过具有第二电压调节器210的第二控制路径226生成第二输出214。更具体而言，如图4中所示，第二电压调节器210可包括瞬时放大器217和死区220，后面跟着过滤的比例路径，其具有与过滤状态变量S2相关联的积分器232。如本文中使用的，死区涵盖其宽泛的普通含义，且大体上是指电压调节器的具有其中没有动作发生的信号领域区间的构件。因此，死区通常防止了比例控制系统中的振荡或猎振(hunting)。
因此，瞬时放大器217与某些传递函数(例如，1＋sT1/1＋sT2)相关联，其中，T1和T2为时间常数且s为状态变量S4。更具体而言，瞬时放大器217构造成放大电网190中的快速电压变化，以便生成非线性电压误差215(例如，Verr1)。死区220然后可作为电压误差信号215的非线性函数来确定另一非线性电压误差222(Verr2)。
此外，如图所示，积分器232可与过滤的比例控制器中的过滤元件相关联。还可使用其他类型的控制器，例如，比例积分(PI)控制器、比例导数(PD)控制器、比例积分导数(PID)控制器、状态空间控制器等。例如，在某些实施例中，第二电压调节器210可构造成使用例如滞后函数来生成第二输出214。更具体而言，在特定实施例中，第二电压调节器210可构造成作为电压误差(即，Verr1 215，Verr 206和Verr2 222)和/或非线性积分器232的过去历史的函数来确定非线性时间常数(例如，T1、T2、和/或Tv2)。因此，积分器232构造成作为非线性电压误差222、比例增益Kpv2、和/或时间常数Tv2的函数来计算第二输入214。如果线性电压误差206较高，则非线性电压误差222将较快地移动，且提供改善的无功功率响应速度。然而，增大的速度可导致电网190中的不稳定性。因此，电压控制系统200还构造成使用各种适合的控制算法来提供稳定的电网控制。例如，在某些实施例中，积分器232构造成调整时间常数Tv2，以便提供稳定的电网控制，这在下文中参照图9更详细地论述。因此，第二输出214可使用非线性电压误差222、非线性增益参数Kpv2和/或调整的非线性时间常数Tv2来更新。
在其他实施例中，积分器232还构造成确定第二状态变量S2的导数。如果第二状态变量S2和第二状态变量S2的导数为负，且非线性电压误差222为负，则电压控制系统200构造成只要满足条件就将状态变量(例如，S1、S2、S3和/或S4)维持或固定在它们的当前值。此外，电压控制系统200构造成：只要第二状态变量S2为正，第二状态变量S2的导数为负，且非线性电压误差222为正，则将状态变量维持或固定在它们的当前值。
在备选实施例中，如果电压反馈204在预定电压范围外，则电压控制系统200可将状态变量保持或固定在它们的当前值。预定电压范围可为任何适合的范围。例如，在某些实施例中，预定电压范围可为标称电压的大约70%到大约110%。先前的状态当满足时指出在电网中正发生暂时的异常电压状态。因此，电压控制系统200构造成固定积分器，直到该状态消失，以便防止迫使延长的异常电压状态，而积分器在发生的电网干扰被移除到风电场100外之后响应。因此，当电网返回到正常操作范围内时，电压控制系统200以平稳的方式提供对电网190的快速无功功率响应。
更具体而言，如234处所示，电压控制系统200构造成将来自第一和第二控制路径224、226的第一和第二输出212、214组合，以获得无功功率输出信号(例如，QCMDO 236)。在将信号发送至风力涡轮发电机110中的各个之前，QCMDO236信号可选地由限制器216限制到Qmin和Qmax之间的预定范围(即，预定命令极限)。在一个实施例中，例如，Qmin和Qmax设定成等于风力涡轮发电机110的额定无功能力。还可使用备选的极限。因此，电压控制系统200作为QCMDO信号236的函数生成无功功率命令(例如，QCMD 218)。QCMD 218为由电场控制器150生成的无功功率命令，其被发送至风力涡轮发电机110中的各个，以提供改善的无功功率响应速度。此外，无功功率命令218被传输至风力涡轮发电机110的本地控制器，以用于基于命令来生成无功功率。
如提到那样，在某些实施例中，电压控制系统200构造成基于如图所示的预定积分极限来限制第一电压调节器208。此外，限制器216构造成基于预定命令极限(例如，Qmin和Qmax)来限制QCMDO信号236。因此，在特定实施例中，限制器216的预定命令极限可比积分器230的预定积分极限大或宽。这对于具有超过其稳态额定值的暂时能力的风力涡轮发电机110可能是有益的。例如，对积分器230的限制可设定成风力涡轮发电机110的稳态额定值，从而确保稳态操作将在它们的能力内。对最终输出218的限制将设定成风力涡轮发电机110的暂时能力，从而允许风电场控制器150受益于较高的风力涡轮能力以管理电网瞬变。
在一个实施例中，参照图3和4所述的所有极限是非终结极限(non-windup limit)；然而，在备选实施例中，极限的子集可为非终结极限。已按照固定的参数阐释了极限；然而，例如由查找表或执行控制算法的处理器或状态机提供的动态可变的参数可提供极限。此动态可变的极限可基于发电机110的当前额定值和风电场100的同时有功功率输出。
现在参看图4和5，电场控制器150还可确定积分器228、230、232的一个或更多个电压调节器参数。例如，在某些实施例中，电压调节器参数可包括比例增益(例如，Kpv2、Kpv)、积分增益(例如，Kiv)、时间常数(例如，T1、T2、Tv、Tv2)、其组合等。此外，在某些实施例中，电场控制器150可构造成基于风电场100中的联机风力涡轮的数目和/或风电场100外的一个或更多个装置的状态来改变或调整电压调节器参数。例如，外部装置可包括传输线、发电机等。此外，如图所示，电场控制器150接收联机的风力涡轮发电机的数目且将该数目输入到一个或更多个参数图表238中。基于图表238，电场控制器150可确定增益调整240，增益调整240可发送至电压控制系统200来更新参数。更具体而言，如图所示，增益调整240可接收一个或更多个外部装置的状态。此外，可包括增益管理器242，其监测控制信号的持续振荡行为，该持续振荡行为可归因于在一些非预期电网状态中来自风电场控制器150的过度响应。因此，增益管理器242发起增益减少，以恢复对风电场控制的稳定性。此种增益管理器功能在本领域中是已知的。增益管理器242的输入可改变，但大体上包括控制信号，诸如控制器150的最终输出(例如，QCMD218)，来自电网190的电压反馈信号204和/或此种信号或类似信号的组合。
现在参看图6，例示用于改善连接到电网的电力系统中的无功功率响应速度的方法300的一个实施例的流程图。更具体而言，在302处，该方法300包括通过非线性电压调节器作为线性电压误差的函数来确定非线性电压误差。在304处，方法300包括作为非线性电压误差和/或非线性电压调节器的历史中的至少一者的函数来计算非线性时间常数。在306处，方法300包括基于非线性电压误差、非线性增益参数、或非线性时间常数中的一者来确定非线性电压调节器的输出。
现在参看图7-9，例示操作根据本公开的风电场的各种优点。更具体而言，图7-9例示对输电网190中的电容器操作的电压(例如，Vfbk)和无功功率命令(例如，QCMD)响应对时间。电容器操作导致PCC 140处的电压Vpcc增大。电压控制系统200的电压反馈信号204因此增大。因此，图7-9例示电压控制系统200如何修改无功功率命令(例如，QCMD)来使电压反馈信号204接近初始值。
更具体而言，图7分别例示现有技术的系统的电压(例如，Vfbk)和无功功率命令(例如，QCMD)对时间的多个图表，而图8分别例示根据本公开的电压(例如，Vfbk)和无功功率命令(例如，QCMD)对时间的多个图表。图9例示在没有时间常数(例如，Tv2)调整技术的情况下的非线性控制路径的效果。如图7中所示，现有技术的风电场的无功功率响应246需要一定时间段来减少无功功率命令246，且导致电压反馈244接近电容器操作之前的值。相比之下，如图8所示，本公开的风电场100的无功功率响应256具有较快的减少，且导致了电压反馈到其初始值的快速且稳定的恢复。此外，如图9所示，图表例示在没有第二控制路径226的框232中的状态变量S2的积分器的调整的情况下的电压反馈和无功功率信号264、266的行为。可观察到，无功功率命令的初始减少与图8中相同。在最初的无功功率命令减少之后，观察到振荡响应。
本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或系统，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种电压控制系统，包括：
第一控制路径，其包括第一电压调节器，所述第一控制路径构造成作为电压反馈或电压基准中的至少一者的函数来计算线性电压误差，且基于所述线性电压误差生成第一输出；和，
第二控制路径，其包括第二电压调节器，所述第二电压调节器包括死区，所述死区构造成基于所述线性电压误差来确定第一非线性电压误差，所述第二电压调节器构造成基于所述非线性电压误差生成第二输出，
其中，所述电压控制系统还构造成作为所述第一和第二输出的函数生成无功功率命令。
2.根据权利要求1所述的电压控制系统，其中，所述第二电压调节器还包括瞬时放大器，所述瞬时放大器构造成生成第二非线性电压误差，以便放大电网中的电压变化。
3.根据权利要求1所述的电压控制系统，其中，所述第二电压调节器与至少一个非线性时间常数相关联，且其中，所述第二电压调节器构造成调整所述至少一个非线性时间常数，以便稳定所述第二控制路径的第二输出。
4.根据权利要求2所述的电压控制系统，其中，所述第一电压调节器与第一状态变量相关联，且所述第二电压调节器与一个或更多个第二状态变量相关联，其中，所述第二电压调节器构造成确定所述第二状态变量中的一个或更多个的导数，且只要所述第二状态变量中的一个或更多个的导数为负，所述第二状态变量中的一个或更多个为负，且所述第一或第二非线性电压误差为负，则将所述第一状态变量和所述一个或更多个第二状态变量维持在它们的当前值。
5.根据权利要求4所述的电压控制系统，其中，所述第二电压调节器构造成如果所述第二状态变量中的一个或更多个的导数为负，所述第二状态变量中的一个或更多个为正，且所述第一和第二非线性电压误差为正，则将所述第一状态变量和所述一个或更多个第二状态变量维持在它们的当前值。
6.根据权利要求1所述的电压控制系统，其中，所述第二电压调节器构造成只要所述电压反馈在预定电压范围外则将第一状态变量和一个或更多个第二状态变量维持在它们的当前值。
7.根据权利要求1所述的电压控制系统，其中，所述电压控制系统构造成确定所述第一和第二电压调节器的一个或更多个电压调节器参数，且基于风电场中的联机风力涡轮的数目或所述风电场的一个或更多个外部装置的状态中的至少一者来改变所述电压调节器参数，其中，所述电压调节器参数包括比例增益、积分增益、或时间常数中的至少一者。
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