專利名稱：用于控制風(fēng)力發(fā)電廠中的中央電容器的方法和控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制具有至少一個風(fēng)力渦輪發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電廠中的電容器或電抗器的方法，本發(fā)明還涉及具有用于電容器或電抗器的控制器的風(fēng)力發(fā)電廠。
背景技術(shù)：
隨著風(fēng)力發(fā)電的不斷發(fā)展，由新的和剛出現(xiàn)的電網(wǎng)連接規(guī)范來定義風(fēng)力發(fā)電廠 (WPP)連接到電網(wǎng)的需求。電網(wǎng)連接需求在世界的不同地方都不同，但是它們具有同樣的目的，例如允許開發(fā)、維護和操作協(xié)調(diào)的、可靠和經(jīng)濟的傳輸或配電系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電廠與其它傳統(tǒng)的發(fā)電源不同；因此，它們在控制和布局的某些方面是特殊的。因此，在強風(fēng)期間，替代傳統(tǒng)風(fēng)電站，包括它們的控制特性是值得關(guān)注的。電網(wǎng)運營商正在通過編寫電網(wǎng)規(guī)范中用于WPP性能的特定部分來解決這一挑戰(zhàn)。
新的需求通常要求風(fēng)力發(fā)電廠提供輔助性服務(wù)以支持它們所連入的網(wǎng)絡(luò)。在當(dāng)前情況下，電壓調(diào)節(jié)是所感興趣的，而且最近已經(jīng)被一些電網(wǎng)運營商引入。利用風(fēng)力發(fā)電廠的電壓調(diào)節(jié)需要對安裝在分站和工廠的所有可用控制設(shè)備進行集成。
通常,可以通過潤輪機和風(fēng)場控制器(park controller)解決對設(shè)施的需求。當(dāng)風(fēng)力渦輪機不足以滿足電網(wǎng)規(guī)范需求時，則應(yīng)該安裝無功功率補償設(shè)備。如果發(fā)電廠需要更多電壓動態(tài)能力，則該設(shè)備可以是靜態(tài)補償器，如果該需求涉及穩(wěn)態(tài)性能，則該設(shè)備·可以是機械開關(guān)電容器/電抗器，或者該設(shè)備僅僅是這二者的組合。對每一種可能的解決方案的采用以及選擇用于電壓調(diào)節(jié)部件的組合和方法，屬于設(shè)計決策中的一種。普遍的觀點是最小化投資成本的同時提供對需求的滿足。
WPP由大量發(fā)電單元組成，因此當(dāng)處理數(shù)據(jù)時，引入了在發(fā)電廠控制中的通信延遲，而這些延遲可能在幾百毫秒的范圍內(nèi)。
風(fēng)力渦輪機的無功功率和電壓控制是相對快速的，其中特征時間常數(shù)為數(shù)十毫秒，而中央發(fā)電廠控制的無功功率和電壓控制是稍微慢些的，其中特征時間常數(shù)在幾百毫秒的范圍內(nèi)，而且根據(jù)電網(wǎng)規(guī)范的需求，這被用于傳輸系統(tǒng)中的準許節(jié)點的電壓控制。因為由來自渦輪機的無功功率來致動電壓控制時，所以可能確定電壓控制的設(shè)計將覆蓋處于渦輪機級別的內(nèi)部無功功率/電壓控制回路，以及處于意欲在此控制電壓的公共耦合點 (PCC)的外部電壓控制回路。
本發(fā)明實施例的目的可以被視為提供一種用于控制無功功率電源的方法和控制>J-U ρ α裝直。發(fā)明內(nèi)容
提供該發(fā)明內(nèi)容來引入了對多種簡化形式的概念的選擇，將在下面的具體實施方式
中進一步介紹對概念的選擇。本內(nèi)容并非旨在標(biāo)識所請求保護的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，而且也非旨在被用作幫助確定所請求保護的主題范圍。
在第一方面中，通過提供一種用于控制風(fēng)力發(fā)電廠中的至少一個電容器或電抗器的方法，以達到上述的目的，風(fēng)力發(fā)電廠具有至少一個風(fēng)力渦輪發(fā)電機，該方法包括下列步 驟
-基于電網(wǎng)參考值，計算無功功率值，
-定義風(fēng)力發(fā)電廠中的至少一個功率變換器的無功功率工作范圍，
-當(dāng)無功功率值在無功功率工作范圍之外時，連接或斷開至少一個電容器或電抗 器。
-從計算出的總無功功率值減去所連接的電容器或電抗器的無功功率，
-基于該減去，將風(fēng)力渦輪發(fā)電機電壓參考值分配到至少一個風(fēng)力渦輪機。
該實施例的優(yōu)點在于，無源裝置的連接/斷開是基于所計算的無功功率在電感性 或電容性區(qū)域中的位置。
從總的計算出的無功功率減去所連接裝置的無功功率，其優(yōu)點在于使控制系統(tǒng)中 的瞬變最小化。
聯(lián)系附圖，參考下列詳細描述，許多附加的特征將變得更加清楚和更加容易理解。 如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，可以適當(dāng)組合優(yōu)選的特征，并且可以將優(yōu)選的特征與本發(fā) 明的任意方面組合。






圖1示出了 PCC處的潮流分析。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的PCC處的潮流分析。 圖3示出了 WPPC，第二斜率電壓控制概念。圖4示出了 WPPC，第二斜率電壓控制概念。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的電容器控制。圖6示出了風(fēng)力發(fā)電廠圖。
具體實施方式
現(xiàn)在將進一步詳細地介紹本發(fā)明。盡管本發(fā)明容許各種變型和替代形式，但是已 經(jīng)通過示例的形式公開了特定實施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明不限于所公開的特定形 式。相反，本發(fā)明覆蓋了落入如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明精神和范圍中的所有變型、等同 和替代形式。
圖1示出了用于控制PCC處注入的功率特性的WPP控制器。因此，需要集中式發(fā) 電廠控制器(WPP Ctrl.)來監(jiān)管PCC處注入的功率。發(fā)電廠控制器接收參考值和反饋值(測 量值)，并且輸出渦輪機設(shè)置點(set-point)。發(fā)電廠控制器由用于感測PCC處的電流和電 壓的測量裝置、用于指定控制算法的專用計算機、以及通信集線器。該通信集線器將使用通 信WPP以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和特定協(xié)議，與大量WTG (WTG ctrl.)交換控制參考值和其它信號。
仍然參考圖1，WPP控制器的分配器具有將WPP控制器計算的參考值劃分到組成 WPP的不同發(fā)電單元中的功能?？梢宰裱舾煞N策略(例如能源生產(chǎn)損耗的最小化)來完成 劃分參考值。一種策略可以是在WTG注入的無功功率不能滿足電網(wǎng)規(guī)范的需求的情況下， 使用靜態(tài)同步補償器(STATC0M)作為系統(tǒng)的無功功率后備。
以下將給出對DFIG的簡短描述。參考圖2a，DFIG允許使用與轉(zhuǎn)子連接的頻率變換器來完全控制發(fā)電機的有功和無功功率。典型地，它的額定(rating)大約為O. 3pu。以次同 步和超同步速度操作，可以同時將功率饋送到轉(zhuǎn)子電路中和饋送出轉(zhuǎn)子電路。與轉(zhuǎn)子連接 的頻率變換器可以在嚴重瞬變期間采用各種功率耗散解決方案。這些解決方案可以包含位 于轉(zhuǎn)子端子處的有源急劇短路裝置(active crowbar)、或者DC鏈路中的斷路器(chopper) (圖2a中的Reh)。使用電網(wǎng)變換器來調(diào)節(jié)DC鏈路的電壓水平。
在圖2b中描繪了 DFIG控制器的簡化控制圖，其中使用d軸和q軸分別控制有功 功率P和無功功率Q。DFIG控制器計算或從外部控制器接收功率參考值P,ef、Q,ef。使用兩 個級聯(lián)的PI控制器處理這些功率參考值；而且它們將產(chǎn)生所需的電壓參考值Pdref和Qdref (其由PWM轉(zhuǎn)化)，以對轉(zhuǎn)子變換器施以脈沖。最后，轉(zhuǎn)子被饋送有在定子端子處產(chǎn)生期望的 P和Q的電壓。
用于操作連接到電氣設(shè)備的現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電廠的大多數(shù)電網(wǎng)規(guī)范要求具有對于整 個有功功率范圍的最小功率因數(shù)在O. 9或O. 95之間的電壓調(diào)節(jié)能力。如圖3所示，對于配 備有雙饋感應(yīng)發(fā)電機的風(fēng)力渦輪發(fā)電機，用于產(chǎn)生高有功功率的受限的Q注入意味著不能 滿足這一需求。為了解決這一狀況，應(yīng)該在風(fēng)力發(fā)電廠中安裝一些無功功率補償設(shè)備。
圖3示出了發(fā)電機定子端子處獲得的P-Q圖(虛線)以及PCC處獲得的P-Q圖(實 線)。從圖中可以看出，在PCC處，無功功率損耗如何減小容性無功功率，從而在PCC處的電 感性功率能力增大。
包括靜態(tài)變換器的電壓調(diào)節(jié)，例如具有DFIG或全規(guī)模變換器的風(fēng)力渦輪機(通 過變換器來變換所有功率的風(fēng)力渦輪發(fā)電機)，或者STATC0M，主要被視為快速無功功率源 (VAr)來抵消快速和未逾期的電壓干擾。為了滿足這種需求，需要確保補償器具有足夠 的VAr容量以處理無法預(yù)計的干擾；為此，WPP通常包括可開關(guān)電容器(MSC)和電抗器組 (MSR)，用于將變換器的動態(tài)能力保持在最大。應(yīng)當(dāng)注意的是，對這些可開關(guān)部件的操作被 視為一種偏移操作水平的方式，而不是電壓調(diào)節(jié)本身，然而靜態(tài)變換器更多地作為電壓調(diào) 節(jié)手段。
在這種構(gòu)思中提出的MSC策略是基于以下構(gòu)思由變換器注入的Q的穩(wěn)態(tài)操作處 于±0.1pu (作為示例)的范圍內(nèi)，相應(yīng)地以這一方式設(shè)計電容器組的大小調(diào)整和它的控制。 應(yīng)當(dāng)意識到，該范圍越大，用于MSC的開關(guān)操作的量越小，但是每年來自供應(yīng)無功功率的靜 態(tài)變換器的開關(guān)能量損耗越大?？赡懿话∕SR的電感性工作區(qū)域，這是因為當(dāng)風(fēng)力渦輪 機配備有DFIG發(fā)電機時，風(fēng)力渦輪發(fā)電機的功率變換器自身超過PCC處所需的最大工作 點，而且僅以O(shè).1pu電感性的操作可以幾乎達到所需的最大值。風(fēng)力渦輪機中的其它類型 發(fā)電機可能不是這樣的情況，在此其它因素也起作用，例如布線、變壓器等。
圖4利用實線示出了電容性區(qū)域中以及僅僅在電感性DFIG操作中的DFIG和MSC 的組合操作，利用暗灰虛線示出了 PCC處的電網(wǎng)規(guī)范P-Q需求，利用亮灰虛線示出了當(dāng)DFIG 工作在O.1pu的電容性和電感性時獲得的P-Q，并且利用亮灰實線示出了當(dāng)DFIG工作在發(fā) 電機端子處的PF=I時獲得的P-Q。
可以將電容器的梯級數(shù)量調(diào)整為所需的量，僅僅為了簡化的目的示出兩個梯級 (CAP1和CAP2)?？梢詫⒖刂破骶幊虨榫哂卸鄠€操作范圍，而不是一個。圖4僅示出了用于 全發(fā)電廠操作的一個帶(綠虛線)。
這些范圍可能由不同電壓水平、風(fēng)力水平或由不同的有功功率水平的注入來引發(fā)。例如，對于O. 05pu的高功率，具有較小范圍，以及對于低功率O. lpu，具有較大范圍。因為在該區(qū)域中預(yù)期更多的功率波動。
應(yīng)當(dāng)注意的是，該概念可以被應(yīng)用到其他類型的WTG拓撲結(jié)構(gòu)，該其他類型的WTG 拓撲結(jié)構(gòu)包括具有全規(guī)模功率變換器的WTG。
圖5示出了在風(fēng)力發(fā)電廠控制器中實施的通用電壓控制。應(yīng)當(dāng)提到的是，提到VMf total的地方，可以用QMf—total替代，雖然不具有從電壓到無功功率的適當(dāng)?shù)膿Q算。這意味著， 可以根據(jù)電壓或無功功率的參考值模糊地計算控制器的輸出。total是風(fēng)力發(fā)電廠的電壓參考值。VMf total通常由傳輸系統(tǒng)運營商或風(fēng)力發(fā)電廠運營商給出，其基本上是用于發(fā)電廠控制的外部參考值。
根據(jù)圖2計算VMf，Vref由d和q組成，而VMf t()tal是由風(fēng)力發(fā)電廠控制器計算的。
提到的控制策略計算將由WPP部件輸出的總參考值(VMf t(rtal)，其中該部件通常包括風(fēng)力渦輪發(fā)電機、STATC0M、MSC、以及可能的MSR。在該參考值被發(fā)送給它們之前，通過電容器控制來改變它，如果電容器梯級之一將被連接/斷開，則電容器控制可以從參考值減去/在參考值上增加一部分(AVCap)。此后，在分配器模塊中處理參考值，分配器模塊根據(jù)注入的有功功率，將所計算的參考值劃分到WTG和STATC0M中。
圖6描繪了本發(fā)明建議的電容器控制策略。電容器控制策略以這樣的方式操作 將電壓參考值VMf WTC分配到每個渦輪機，而且如果存在的話，將另一個電壓參考值Vref STATOT 分配到STATC0M，接著它們通過相應(yīng)地供應(yīng)無功功率來作出響應(yīng)。
本發(fā)明的控制策略使用之前計算的VMf，通過使用等式I來計算所需的Q。
(1-Vref) Kwtg-1qwtg ^ QffTG-Qref cap 等式 I
在風(fēng)力發(fā)電廠控制器在計算電壓參考值的情況下，為了計算由每個風(fēng)力渦輪發(fā)電機(WTG)注入的無功功率，K_WTG增益被使用(K_WTG是WTG控制的電壓斜率增益)，必須考慮到由風(fēng)力發(fā)電廠計算的參考值何時被計算，根據(jù)無功功率參考值，不需要轉(zhuǎn)化。對STATC0M 也應(yīng)用相同的策略。
如果該控制作用于“每個單元”(當(dāng)其在方案中)，則等式I中的Iqwtg是它們所有的總和，如果該控制作用于實際單元中，Iqwtg將只是一個風(fēng)力渦輪機的無功電流，因此需要乘以線路上WTG的總量，以獲得風(fēng)力發(fā)電廠的總無功功率。
將Qref Μρ參考值與某一閾值(變換器操作穩(wěn)態(tài)，其限定了變換器將被用于產(chǎn)生無功功率的最大水平)相比較，如果該參考值大于該水平，則輸出被設(shè)置為Qm—ΜΡ，否則被保持為O。下一模塊(開關(guān)邏輯)處理該信號并且基于一些計時器函數(shù)和電容器的當(dāng)前狀態(tài)來決定哪個梯級被連接/斷開。模塊的輸出是用于接通或關(guān)斷電容器組I (Cl)或電容器組2 (C2)和AVCap偏移的開關(guān)命令。
應(yīng)當(dāng)注意連接到電容器控制的輸入?yún)⒖贾?VMf，而不是VMf t()tal)，這確保了所處理的VMf是與WTG和STATC0M的操作有關(guān)的那個。
圖7示出了圖6中被稱為電容器控制的方塊的細節(jié)。
本實施例的效果給出了 AVCap偏移補償，Λ VCap偏移補償用于集中電容器連接的干擾，從而降低了瞬變的峰值?？梢栽谝恍┣闆r下禁用AVCap偏移的動作，該情況例如是當(dāng)斷開了電容器時，以及當(dāng)測量的電壓大于標(biāo)稱電壓的特定比例，例如1. OSpu時，以及當(dāng)連接了電容器并且電壓低于標(biāo)稱電壓的特定比例，例如O. 92pu時。在這些情況中，不集中瞬變是更好的，以便避免甚至更多地增加/減小電壓。
總之，本發(fā)明涉及一種用于控制電容器/電抗器組的控制系統(tǒng)以及相關(guān)聯(lián)方法， 該電容器/電抗器組將來自風(fēng)力發(fā)電廠的無功功率量輸送到相關(guān)聯(lián)的供電網(wǎng)，將風(fēng)力渦輪 機/STATC0M的無功功率輸出保持在最大操作帶中，所述控制系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電廠控制器 和若干個風(fēng)力渦輪機控制器，每個風(fēng)力渦輪機控制器與所述風(fēng)力發(fā)電廠控制器保持聯(lián)系， 其中風(fēng)力發(fā)電廠控制器適于響應(yīng)于所需的無功功率總量，向至少一個風(fēng)力渦輪機控制器提 供電網(wǎng)電壓參考值，并且操作開關(guān)式電容器組。
如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是清楚的是，在不失去尋求的效果的情況下可以擴展 或修改本文給出的任何范圍或設(shè)備值。
可以理解的是，上述的益處和優(yōu)點可能涉及一個實施例或可能涉及多個實施例。 進一步可以理解的是，對“一個”的項目的引用表示那些項目中的一個或多個。
可以理解的是，僅僅通過示例的方式給出優(yōu)選實施例的上述描述，并且本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以作各種變型。上述說明書、示例和數(shù)據(jù)提供了對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的完整描述和對 本發(fā)明的示例性實施例的使用。盡管上文以一定程度的特殊性或參考一個或多個單獨實施 例，描述了本發(fā)明的各個實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對公開的實施例做大量修改，而 不脫離本發(fā)明的精神或范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于控制風(fēng)力發(fā)電廠中的至少一個電容器或電抗器的方法，所述風(fēng)力發(fā)電廠具有至少一個風(fēng)力渦輪發(fā)電機，所述方法包括下列步驟 -基于電網(wǎng)參考值，計算無功功率值， -定義所述風(fēng)力發(fā)電廠中的至少一個功率變換器的最大無功功率工作范圍， -當(dāng)無功功率值在所述無功功率工作范圍之外時，連接或斷開所述至少一個電容器或電抗器。
-從計算出的總無功功率值中減去所連接的電容器或電抗器的無功功率， -基于所述減去，將風(fēng)力渦輪發(fā)電機電壓參考值分配給所述至少一個風(fēng)力渦輪機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電網(wǎng)參考值是電壓參考值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電網(wǎng)參考值是無功功率參考值。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的方法，其中，風(fēng)力發(fā)電廠還包括至少一個STATCOM，并且其中，基于所述減去，還將STATCOM電壓參考值分配到所述STATC0M。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，對于最大無功功率變換器工作有多個范圍，可以基于風(fēng)速或者連接點處注入的功率來引發(fā)這些范圍。對于低功率(P < 20%)，將所述范圍設(shè)置為20%工作，對于中等功率20% < P < 70%，將所述范圍設(shè)置為15%，而對于高功率70%< P，將所述范圍設(shè)置為10%。
6.一種風(fēng)力發(fā)電廠，包括中央控制單元，所述中央控制單元包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項所述的方法的電容器或電抗器控制器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制從風(fēng)力發(fā)電廠輸送到相關(guān)聯(lián)的供電網(wǎng)的無功功率的量的控制系統(tǒng)以及相關(guān)聯(lián)的方法，所述控制系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電廠控制器和若干個風(fēng)力渦輪機控制器，每個風(fēng)力渦輪機控制器與所述風(fēng)力發(fā)電廠控制器相連，其中風(fēng)力發(fā)電廠控制器適于響應(yīng)于所需的無功功率總量，向至少一個風(fēng)力渦輪機控制器提供電網(wǎng)電壓參考值，并且操作開關(guān)式電容器組。
文檔編號F03D7/00GK103004050SQ201180033198
公開日2013年3月27日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者J·M·加西亞 申請人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團公司