專利名稱：用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)。更具體地，本發(fā)明涉及供風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)使用的電壓控制系統(tǒng)和技術(shù)，其具有對用于至少部分無功功率補(bǔ)償功能的無功功率的連續(xù)控制。
背景技術(shù)：
風(fēng)功率產(chǎn)生典型地由大量(常常為100或更多)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電場來提供。單個(gè)的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)可為電源系統(tǒng)運(yùn)行提供重要的益處。所述益處與由陣風(fēng)引起的電壓閃爍的減輕和由外部事件引起的電壓偏差的減輕有關(guān)。
在一個(gè)風(fēng)力發(fā)電場中安裝的每個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)可經(jīng)受唯一的風(fēng)力。因此，每個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)可包括一個(gè)本地控制器來控制對陣風(fēng)和其他外部事件的響應(yīng)?，F(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電場控制已基于以下兩種結(jié)構(gòu)之一具有恒功率因子的本地控制和在快速電壓控制下的場級控制，或在恒壓控制下的本地控制但無場級控制。
所述兩種現(xiàn)有技術(shù)控制結(jié)構(gòu)均有缺點(diǎn)。在快速電壓控制中具有恒功率因子和場級控制的本地控制要求與從場級到本地級的侵蝕作用進(jìn)行快速通信。如果沒有激活場級控制，那么本地控制可加劇電壓閃爍。利用每個(gè)發(fā)電機(jī)上的恒壓控制，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行明顯隨加載在傳輸電網(wǎng)上的小偏差而變化。這引起風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)遇到阻止響應(yīng)干擾(導(dǎo)致電壓調(diào)整的損失)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的限制。因?yàn)闊o功電流高于在這種運(yùn)行模式期間所必需的電流，所以該風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的整體效率降低。


通過附圖中的實(shí)例(而不是通過附圖中的限制)來說明本發(fā)明，在附圖中相同的參考數(shù)字指類似的元件。
圖1是具有與傳輸電網(wǎng)連接的多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電場的框圖。
圖2是一個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的控制圖。
圖3是操作一個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
圖4是一組對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)的沒有場級控制，具有恒功率因子的本地控制的波形的實(shí)例。
圖5是一組對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)的具有恒功率因子的本地控制和在快速電壓控制下的場級控制的波形的實(shí)例。
圖6是一組對應(yīng)于一個(gè)具有如圖2中所描述的控制器的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的沒有場級控制的本地控制的波形的實(shí)例。
圖7是一組對應(yīng)于一個(gè)具有如圖2中描述的控制器的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)中的、具有場級控制的本地控制的波形的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)包括對于單個(gè)發(fā)電機(jī)的相對較快的電壓調(diào)整以及在變電站或風(fēng)力發(fā)電場級上相對較慢的整體無功功率調(diào)整。所述相對慢的無功功率調(diào)整器調(diào)節(jié)相對較快的電壓調(diào)整器的調(diào)整點(diǎn)?？焖匐妷赫{(diào)整可在發(fā)電機(jī)終端或在合成的遠(yuǎn)程點(diǎn)(例如在發(fā)電機(jī)終端與收集器總線之間)進(jìn)行?，F(xiàn)有技術(shù)的無功功率控制器設(shè)計(jì)有比那些在電壓調(diào)整器設(shè)計(jì)中所用的數(shù)值更低的時(shí)間常數(shù)。即在現(xiàn)有技術(shù)中，無功功率控制環(huán)在電壓控制環(huán)內(nèi)部，這導(dǎo)致比在此所描述的系統(tǒng)更不穩(wěn)定的系統(tǒng)。
圖1是具有與傳輸電網(wǎng)連接的多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電場的框圖。圖1只示出了三個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；然而風(fēng)力發(fā)電場中可包含任意數(shù)量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
每個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)110包括一個(gè)本地控制器，該本地控制器對被控制的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的情況做出反應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的控制器只(經(jīng)由變壓器和變流器)感知終端電壓和電流。所感知的電壓和電流由本地控制器用來提供適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)以引起風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)提供所期望的無功功率和電壓。對應(yīng)于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)控制器的一個(gè)實(shí)施例的控制系統(tǒng)圖在下面談到圖2時(shí)將進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
每個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)110通過發(fā)電機(jī)連接變壓器115連接到收集器總線120上以向收集器總線120提供有效功率(real power)和無功功率(分別標(biāo)記為Pwg和Qwg)。發(fā)電機(jī)連接變壓器和收集器總線在本領(lǐng)域中是公知的。
風(fēng)力發(fā)電場100經(jīng)由風(fēng)力發(fā)電場主變壓器130提供有效功率輸出和無功功率輸出(分別標(biāo)記為Pwf和Qwf)。場級控制器150感知風(fēng)力發(fā)電場輸出以及公共連接點(diǎn)140處的電壓以提供一個(gè)場級無功功率命令(場級QCmd)155。在一個(gè)實(shí)施例中，場級控制器150給風(fēng)力發(fā)電場100的所有風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)提供一個(gè)單獨(dú)的無功功率命令。在替代的實(shí)施例中，場級控制器150為風(fēng)力發(fā)電場100的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的子集提供多個(gè)命令。給風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的子集的命令例如可基于與一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的工作狀況有關(guān)的附加信息。
圖2的控制系統(tǒng)提供一種包括本地和場級控制的改進(jìn)的控制結(jié)構(gòu)以克服如上所述的現(xiàn)有技術(shù)的控制結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。圖2的控制系統(tǒng)消除了來自場級的對快速和侵蝕控制的請求。如果場級控制不能工作，那么提供改進(jìn)的響應(yīng)。此外，獲得有效的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，而系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)在所設(shè)置的范圍內(nèi)保持得很好。
圖2是對應(yīng)于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的控制系統(tǒng)圖。在一個(gè)實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)通常包括兩個(gè)環(huán)一個(gè)電壓調(diào)整器環(huán)和一個(gè)Q調(diào)整器環(huán)。電壓調(diào)整器環(huán)與Q調(diào)整器環(huán)(例如大于1秒閉環(huán)時(shí)間常數(shù))相比運(yùn)行地相對較快(例如20rad/sec)。Q調(diào)整器調(diào)節(jié)電壓調(diào)整器的調(diào)整點(diǎn)。
概念上，圖2的控制系統(tǒng)通過根據(jù)由高于發(fā)電機(jī)級別(例如變電站或風(fēng)力發(fā)電場)的控制器所設(shè)置的參考值來調(diào)整電壓而為風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)提供終端電壓控制。無功功率在較長時(shí)期內(nèi)(例如幾秒)被調(diào)整而風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)終端電壓在較短時(shí)期內(nèi)(例如小于幾秒)被調(diào)整以減輕快速電網(wǎng)瞬變的影響。
操作者或場級Q命令200是表示發(fā)電機(jī)終端處所期望的無功功率的信號。在場級運(yùn)行中，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)Q命令200被設(shè)定為等于場級控制的輸出(圖1中的線155)。在本地控制中，操作者命令或者在風(fēng)力發(fā)電機(jī)位置處或者在遠(yuǎn)程位置處被手動設(shè)定。操作者或場級Q命令200可通過例如用于控制風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來產(chǎn)生或傳輸。操作者或場級Q命令200還可來自公用電網(wǎng)操作者或變電站。
在一個(gè)實(shí)施例中，操作者或場級Q命令200被傳輸給命令限制器220，該命令限制器用于使無功功率命令維持在預(yù)定范圍內(nèi)。Qmax222和Qmin224表示無功功率命令范圍的上界和下界。
Qmax和Qmin所使用的特定值例如基于發(fā)電機(jī)無功容量。在一個(gè)實(shí)施例中，對于一個(gè)1.5MW的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，Qmax的值是800kVAR而Qmin的值為-1200kVAR；然而，特定值取決于所使用的發(fā)電機(jī)的容量。
由命令限制器220輸出的信號是Q命令230，該Q命令230是表示所要產(chǎn)生的目標(biāo)無功功率的命令。Q命令230在Qmin224和Qmax222之間的范圍內(nèi)。將Q命令230與表示所測量的無功功率210的信號進(jìn)行比較。所得到的誤差信號，即Q誤差235表示所測量的無功功率與命令的無功功率之間的差位。
Q誤差235是Q調(diào)整器240的輸入信號，該Q調(diào)整器240產(chǎn)生V命令250，向發(fā)電機(jī)指示要由發(fā)電機(jī)提供的無功功率。在一個(gè)實(shí)施例中，Q調(diào)整器240是閉環(huán)時(shí)間常數(shù)在1到10秒的范圍內(nèi)(例如3秒、5秒、5.5秒)的比例積分(PI)控制器。也可使用其他類型的控制器，例如比例微分(PD)控制器、比例積分微分(PID)控制器、狀態(tài)空間控制器等等。假如Q調(diào)整器240的時(shí)間常數(shù)在數(shù)值上大于電壓調(diào)整器270的時(shí)間常數(shù)，那么對于Q調(diào)整器240可使用其他的時(shí)間常數(shù)。
V命令250被限制在Vmax242與Vmin244之間的預(yù)定范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，Vmax242和Vmin244被定義為用百分?jǐn)?shù)表示的額定發(fā)電機(jī)輸出。例如Vmax242可為額定發(fā)電機(jī)電壓的105％而Vmin244可為額定發(fā)電機(jī)電壓的95％。也可使用替代的界限。
將V命令250與表示發(fā)電機(jī)的所測量的終端電壓255的信號進(jìn)行比較。V命令250與所測量的終端電壓255之間的差是電壓誤差信號260。電壓誤差信號260是電壓調(diào)整器270的輸入信號。
電壓調(diào)整器270產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流命令280，該轉(zhuǎn)子電流命令被用來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流。在一個(gè)實(shí)施例中，Q調(diào)整器240是閉環(huán)時(shí)間常數(shù)近似為50毫秒的PI控制器。也可使用其他類型的控制器，例如PD控制器、PID控制器等。假如電壓調(diào)整器270的時(shí)間常數(shù)小于Q調(diào)整器240的時(shí)間常數(shù)，那么對于電壓調(diào)整器270可使用其他的時(shí)間常數(shù)(例如1秒、20毫秒、75毫秒、45毫秒)。
通常，轉(zhuǎn)子電流命令有兩個(gè)分量。它們是標(biāo)記為Irq_Cmd的有效功率分量和標(biāo)記為Ird_Cmd的無功功率分量。如關(guān)于圖2所說明的一樣所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流命令(240)是無功分量或Ird_Cmd命令。有效分量或Irq_Cmd可以用本領(lǐng)域中公知的任何方式來產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子電流命令280被限制于Irdmax272和Irdmin274。Irdmax272和Irdmin274的值可基于發(fā)電機(jī)電流額定值。例如，Irdmax272可為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的額定峰值電流而Irdmin274可為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的額定峰值電流的百分?jǐn)?shù)。也可使用替代的范圍。
在一個(gè)實(shí)施例中，關(guān)于圖2所討論的所有范圍是非終結(jié)范圍；然而在替代的實(shí)施例中，該范圍的子集可以是非終結(jié)范圍。該范圍已以固定參數(shù)的形式討論過了；然而，例如由執(zhí)行控制算法的查詢表或處理器或狀態(tài)機(jī)所提供的動態(tài)可變參數(shù)可提供所述范圍。這樣一個(gè)動態(tài)可變范圍可基于發(fā)電機(jī)的電流額定值和同時(shí)的有效功率輸出。
圖3是操作一個(gè)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。無功功率命令被接收(300)。如上所述，無功功率命令可以是一個(gè)操作者命令、場級命令、或一個(gè)本地命令。
電壓調(diào)整點(diǎn)基于無功功率命令而被確定(305)。電壓調(diào)整點(diǎn)被限制在由基于發(fā)電機(jī)終端電壓的上界和下界所限定的范圍。在一個(gè)實(shí)施例中，該范圍以額定發(fā)電機(jī)輸出的百分?jǐn)?shù)形式被定義。例如，上界可為額定發(fā)電機(jī)電壓的105％、110％、102％、115％，而下界可為額定發(fā)電機(jī)電壓的95％、98％、92％、90％、97％。也可使用替代的范圍。
發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流命令基于電壓調(diào)整點(diǎn)被確定(315)。轉(zhuǎn)子電流命令被限制于(320)一個(gè)基于例如發(fā)電機(jī)的電流額定值的范圍。例如對于該范圍可使用峰值電流額定值，或?qū)τ谠摲秶墒褂梅逯惦娏黝~定值的百分?jǐn)?shù)。該轉(zhuǎn)子電流命令被傳輸給轉(zhuǎn)子控制器(325)。轉(zhuǎn)子控制器使得所命令的電流被提供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。然后發(fā)電機(jī)基于所提供的轉(zhuǎn)子電流提供無功功率輸出(330)。
圖4和5示出現(xiàn)有技術(shù)控制系統(tǒng)的典型的特有的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)工作特性。這些曲線示出風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的響應(yīng)以及具有和不具有快速場級電壓控制時(shí)整個(gè)電場的響應(yīng)。各個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行在具有調(diào)整點(diǎn)的恒功率因子控制下以產(chǎn)生過勵磁的運(yùn)行(由于也許會被請求來支持風(fēng)力發(fā)電場以外的傳輸系統(tǒng))。在圖4和5中，從頂部到底部描繪了下列變量(參考圖1以清楚所述變量在風(fēng)力發(fā)電場的位置)Pwg是來自單個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的有效功率，Qwg是來自該發(fā)電機(jī)的無功功率，Q_Cmd_Farm是場級控制器的輸出(圖1中的線155)，Vwg是該發(fā)電機(jī)的終端電壓，Vpcc是公共連接點(diǎn)處的電壓(圖1上的140)。目標(biāo)通常是，即使當(dāng)功率由于風(fēng)速的變化而波動時(shí)，也將Vpcc維持在恒定值。
圖4是只有本地控制的現(xiàn)有技術(shù)(即Q_Cmd_Farm是常數(shù))。注意信號Vpcc隨不期望的功率波動Pwg而顯著變化。圖5是具有激活的場級控制的現(xiàn)有技術(shù)。雖然Vpcc比在圖4中更穩(wěn)定，但是來自場級的控制信號顯著變化。這是因?yàn)閳黾壙刂票仨毧朔F(xiàn)有技術(shù)的本地控制的內(nèi)在不利的影響。
圖6和7是可與圖4和5比較的，但是具有圖2中所描述的控制。本地控制的內(nèi)在響應(yīng)通常是相當(dāng)好的，因此場級控制只提供微調(diào)控制。這樣，利用新控制實(shí)現(xiàn)了允許場級控制影響更小和更慢的目的。
本說明書中對“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”的參考意味著關(guān)于包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中結(jié)合實(shí)施例所描述的特定特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)或特征。短語“在一個(gè)實(shí)施例中”在本說明書中的不同地方的出現(xiàn)不必都參照相同的實(shí)施例。
在前述的說明書中，本發(fā)明已參考特定的實(shí)施例而被描述。然而明顯的是，此外在不偏離本發(fā)明的更廣泛的精神和范圍的情況下可做出各種修改和變化。相應(yīng)地，本說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是示例性的而非一種限制。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，包含一個(gè)無功功率調(diào)整器(240)，通過調(diào)節(jié)電壓調(diào)整器(270)的電壓調(diào)整點(diǎn)來控制風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的無功功率產(chǎn)生，該無功功率調(diào)整器有一個(gè)第一時(shí)間常數(shù)；以及一個(gè)電壓調(diào)整器，與無功功率控制器相連接以控制一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(110)的有效功率產(chǎn)生，該電壓調(diào)整器有一個(gè)第二時(shí)間常數(shù)，其中該第一時(shí)間常數(shù)在數(shù)值上大于該第二時(shí)間常數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述無功功率調(diào)整器(235)的一個(gè)輸入信號包含一個(gè)誤差信號，該誤差信號表示被限制到基于發(fā)電機(jī)無功功率容量(230)的預(yù)定范圍的一個(gè)命令與表示所測量的無功功率(210)的一個(gè)信號之間的差。
3.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，其中來自所述無功功率調(diào)整器(250)的一個(gè)輸出信號被限制于通過基于發(fā)電機(jī)終端電壓的上界(242)和下界(244)所定義的預(yù)定范圍。
4.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述電壓調(diào)整器(270)的一個(gè)輸入信號包含一個(gè)誤差信號，該誤差信號表示被限制于通過基于轉(zhuǎn)換器額定值和/或運(yùn)行調(diào)整點(diǎn)(250)的上界和下界所定義的預(yù)定范圍的、來自所述無功功率調(diào)整器的一個(gè)輸出信號與表示所測量的終端電壓(255)的一個(gè)信號之間的差，其中來自所述電壓調(diào)整器(280)的該輸出信號決定要供應(yīng)給所述發(fā)電機(jī)的電流。
5.一種方法，包含接收一個(gè)無功功率命令(200)；基于該無功功率命令(230)確定一個(gè)電壓調(diào)整點(diǎn)，其中該電壓調(diào)整點(diǎn)被限制到基于發(fā)電機(jī)終端電壓的上界(222)和下界(224)的一個(gè)范圍；為所述風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)確定一個(gè)轉(zhuǎn)子電流命令(280)以響應(yīng)該電壓調(diào)整點(diǎn)，其中該轉(zhuǎn)子電流命令被限制到基于所述風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的一個(gè)電流額定值和一個(gè)同時(shí)的有效功率輸出的一個(gè)范圍；將該轉(zhuǎn)子電流命令傳輸給所述風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的一個(gè)轉(zhuǎn)子控制器；以及基于該轉(zhuǎn)子電流命令產(chǎn)生一個(gè)有效功率和無功功率。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中基于所述無功功率命令的所述電壓調(diào)整點(diǎn)由無功功率調(diào)整器(240)來確定。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中基于所述無功功率命令的一個(gè)電壓調(diào)整點(diǎn)包含利用一個(gè)無功功率調(diào)整器(240)產(chǎn)生要被傳送給一個(gè)電壓調(diào)整器(270)的一個(gè)電壓調(diào)整點(diǎn)(250)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述電壓調(diào)整器(270)的時(shí)間常數(shù)在數(shù)值上小于所述無功功率調(diào)整器(240)的時(shí)間常數(shù)。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其中接收所述無功功率命令(200)包含接收來自一個(gè)場級控制器的一個(gè)場級無功功率命令，該場級控制器將無功功率命令傳輸給多個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其中接收所述無功功率命令(200)包含本地接收來自源的一個(gè)無功功率命令，所述源為單個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)提供無功功率命令。
全文摘要
一種風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)包括在各個(gè)發(fā)電機(jī)附近相對較快的電壓調(diào)整(110)和在變電站處或風(fēng)力發(fā)電的場級(150)處相對較慢的整體無功功率調(diào)整。相對較快的電壓調(diào)整器的調(diào)整點(diǎn)由相對較慢的無功功率調(diào)整器來調(diào)節(jié)。該快速電壓調(diào)整可在發(fā)電機(jī)終端(115)處或在一個(gè)合成的遠(yuǎn)程點(diǎn)(140)處進(jìn)行。
文檔編號F03D9/00GK1595758SQ20041006865
公開日2005年3月16日 申請日期2004年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月3日
發(fā)明者E·V·拉森 申請人:通用電氣公司