專利名稱：采用微分極控制算法的風(fēng)力渦輪機控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種風(fēng)カ渦輪機控制器。具體而言，本發(fā)明涉及基于電壓的風(fēng)カ渦輪機控制器，包括微分極(differential pole)控制算法，用于消除由于局部電壓斜率(slope)控制造成的穩(wěn)態(tài)電壓誤差。
背景技術(shù)：
隨著風(fēng)力發(fā)電的滲透，由新的新興電網(wǎng)連接規(guī)范定義了將風(fēng)カ發(fā)電廠(WPP)連接到電網(wǎng)的要求。在世界的不同地方，電網(wǎng)連接要求各有不同，但它們有著共同的目的，例如允許開發(fā)、維護和運營協(xié)調(diào)、可靠且經(jīng)濟的傳輸或配電系統(tǒng)。新的要求一般需要WPP提供輔助服務(wù)以支持它們連接于其中的網(wǎng)絡(luò)。WPP與其他 發(fā)電源不同，因此它們在某些方面其控制是特別的。與同步發(fā)電機(SG)的主要區(qū)別如下-能源波動且不可預(yù)測，-WPP是高度模塊化的，由大量發(fā)電機組構(gòu)成，從而在發(fā)送操作設(shè)置點時引入通信延遲，這些可能在百分之幾毫秒的范圍中，-SG通過其單元變壓器直接向輸電系統(tǒng)提供無功功率饋送，単元變壓器提供更有效率的電壓調(diào)節(jié)，因為無功功率不是通過長距離并通過幾個變壓器傳輸?shù)?，以?由于其電子功率變換器的尺寸原因，風(fēng)カ渦輪發(fā)電機(WTG)在其無功功率和電流能力方面有更大局限。因此，在強風(fēng)期間，取代傳統(tǒng)的發(fā)電廠，包括其控制特性可能是ー個問題。電網(wǎng)運營商利用WPP性能的電網(wǎng)規(guī)范中的編輯具體部分解決這個挑戰(zhàn)。通常，可以由風(fēng)力渦輪機和電廠控制器解決電カ公司的需求?？梢栽陲L(fēng)力渦輪機層次和/或電廠層次上進行風(fēng)カ發(fā)電廠控制。WPP控制器能夠從簡單地向風(fēng)カ渦輪機控制系統(tǒng)傳遞參考到執(zhí)行大部分閉環(huán)控制自身。由來自風(fēng)カ渦輪機的無功功率致動電壓控制，能夠確認，電壓控制設(shè)計將覆蓋位于渦輪機層次的內(nèi)部無功功率/電壓控制回路，與位于公共耦合(PCC)點的外部電壓控制回路組合，其中其意在控制電壓。可以將提供適于消除局部電壓誤差的風(fēng)カ渦輪機控制器看作本發(fā)明實施例的目的?？梢詫⑻峁?yīng)用局部電壓控制回路進行無功功率控制的風(fēng)カ渦輪機控制器看作本發(fā)明實施例的另一目的。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面中，上述目的是通過提供一種控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，該控制系統(tǒng)用于控制從風(fēng)カ發(fā)電廠向關(guān)聯(lián)電網(wǎng)輸送的無功功率量，該控制系統(tǒng)包括風(fēng)カ發(fā)電廠控制器和若干風(fēng)カ渦輪機控制器，每個風(fēng)力渦輪機控制器都與所述風(fēng)カ發(fā)電廠控制器通信，其中所述風(fēng)カ發(fā)電廠控制器適于響應(yīng)于需要的無功功率總量向至少ー個風(fēng)カ渦輪機控制器提供電網(wǎng)電壓參考，所述風(fēng)カ渦輪機控制器包括電壓控制回路，所述電壓控制回路包括用于消除穩(wěn)態(tài)局部電壓誤差的模塊。應(yīng)當(dāng)寬泛地理解術(shù)語風(fēng)力發(fā)電廠，從而覆蓋完整規(guī)模的風(fēng)カ渦輪機設(shè)施和雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(DFIG)配置。不過，上述控制系統(tǒng)對于DFIG配置特別相關(guān)。WPP向PCC處的相關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)輸送無功功率(和有功功率)。于是，PCC形成WPP和電網(wǎng)之間的接ロ。本發(fā)明的優(yōu)點是，通過消除形成風(fēng)カ發(fā)電廠的風(fēng)カ渦輪機部位的穩(wěn)態(tài)局部電壓誤差，可以避免來自電容和電感無功功率源的反作用。這導(dǎo)致PCC處由無功功率注入進行的快速、穩(wěn)定和有效率的電壓控制。每個風(fēng)カ渦輪機控制器可以包括用于消除穩(wěn)態(tài)局部電壓誤差的模塊，所述消除模塊優(yōu)選包括嵌入適當(dāng)電子裝置或嵌入軟件中的微分極控制算法。微分極控制算法涉及控制系統(tǒng)的導(dǎo)數(shù)(derivative)行為。控制系統(tǒng)的導(dǎo)數(shù)行為 導(dǎo)致WTG對渦輪機端子處的電壓變化做出快速反應(yīng)。導(dǎo)數(shù)行為僅在已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)工作條件時發(fā)生，在這個水平上，導(dǎo)數(shù)控制將不會產(chǎn)生任何新的參考，從而僅使電廠控制參考在控制回路中起作用。在控制系統(tǒng)中存在通信延遲時，微分極控制算法幫助WPP滿足電網(wǎng)規(guī)范的要求，其要求對電壓干擾有非常快的響應(yīng)。此外，微分極控制算法避免了 WTG層次的局部電壓控制器誘發(fā)反作用行為。這樣的行為可以歸因于如下事實控制系統(tǒng)的導(dǎo)數(shù)控制僅在瞬態(tài)過程期間產(chǎn)生參考。在正常或小的電網(wǎng)微擾期間，導(dǎo)數(shù)控制的影響可以忽略。于是，WTG將如同未向其施加局部電壓控制那樣運行。在第二方面中，本發(fā)明涉及一種風(fēng)カ發(fā)電廠，其包括根據(jù)本發(fā)明第一方面的控制系統(tǒng)。在第三方面中，本發(fā)明涉及ー種方法，用于控制要從風(fēng)カ發(fā)電廠向相關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)輸送的無功功率量，其中風(fēng)カ發(fā)電廠包括若干風(fēng)カ渦輪機，每個風(fēng)力渦輪機都由局部風(fēng)カ渦輪機控制器控制，且其中風(fēng)カ發(fā)電廠由風(fēng)カ發(fā)電廠控制器控制，所述風(fēng)カ發(fā)電廠控制器與所述風(fēng)カ渦輪機控制器的每個進行通信，所述方法包括如下步驟-響應(yīng)于所需的無功功率總量從風(fēng)カ發(fā)電廠控制器向至少ー個風(fēng)カ渦輪機控制器提供電網(wǎng)電壓參考值，-確定局部渦輪機端子電壓并且根據(jù)所述確定產(chǎn)生局部電壓參考值，-處理所局部電壓參考值以消除穩(wěn)態(tài)局部電壓誤差，以及-將所述電網(wǎng)電壓參考值與處理過的局部電壓參考值進行比較，并響應(yīng)于所述比較產(chǎn)生局部無功電流參考值。同樣應(yīng)當(dāng)寬泛地理解術(shù)語風(fēng)力發(fā)電廠，從而覆蓋完整規(guī)模的風(fēng)カ渦輪機設(shè)施和DFIG配置。不過，上述方法對于DFIG配置而言尤其相關(guān)。WPP在PCC處向相關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)輸送無功功率(和有功功率)。于是，PCC形成WPP和電網(wǎng)之間的接ロ。上述方法的優(yōu)點是，通過在形成風(fēng)カ發(fā)電廠的風(fēng)カ渦輪機處消除穩(wěn)態(tài)局部電壓誤差，可以避免來自電容性和電感性無功功率源的反作用。這樣通過在PCC處的無功功率注入實現(xiàn)了快速、穩(wěn)定且有效率的電壓控制。
所述局部電壓參考值的處理可以包括根據(jù)微分極濾波對局部電壓參考值進行濾波?？梢杂汕度脒m當(dāng)電子裝置或嵌入軟件中的微分極控制算法進行微分極濾波。在第四方面中，本發(fā)明涉及一種計算機程序產(chǎn)品，在所述計算機程序產(chǎn)品運行于微處理器上或由微處理器執(zhí)行時，用于執(zhí)行以上方法。


現(xiàn)在將參考附圖更詳細地解釋本發(fā)明，其中圖I示出了風(fēng)カ發(fā)電廠的圖示，圖2示出了 a)簡化雙饋型圖示，和b)簡化雙饋型控制器圖示，圖3示出了電容性和電感性無功功率貢獻，
圖4示出了風(fēng)カ發(fā)電廠控制器的簡化圖，以及圖5示出了風(fēng)カ渦輪機控制器的簡化圖。盡管本發(fā)明可以有各種修改和替代形式，但在附圖中以舉例方式示出了具體實施例，并將在這里詳細描述。不過要理解，本發(fā)明并非要限于公開的特定形式。相反，本發(fā)明要涵蓋落在由所附權(quán)利要求界定的本發(fā)明精神和范圍之內(nèi)的所有修改、等價方案和替代方案。
具體實施例方式原則上，本發(fā)明涉及各種風(fēng)カ渦輪機配置，包括完整尺度的風(fēng)カ渦輪機設(shè)施，尤其是DFIG配置。由于本發(fā)明對于DFIG配置而言特別相關(guān)，所以在下文中將參考這樣的配置描述本發(fā)明。圖I示出了 WPP控制器，用于控制在PCC處注入的功率特性。因此，需要集中式電廠控制器(WPP控制器)監(jiān)瞀在PCC處注入的功率。電廠控制器接收參考和反饋(測量值)并輸出渦輪機設(shè)置點。電廠控制器由測量裝置、分配控制算法的專用計算機和通信集線器形成，測量裝置感測PCC處的電流和電壓。通信集線器將利用通信WPP以太網(wǎng)和特定協(xié)議與大量的WTG (WTG控制器)交換控制參考和其他信號。仍然參考圖1，WPP控制器的調(diào)度器具有將WPP控制器計算的參考值分到構(gòu)成WPP的不同發(fā)電機組的功能?？梢宰裱瓗追N策略進行分開參考值的方法，例如使能量產(chǎn)生損失最小化。ー種策略可以是，在WTG注入的無功功率不足以滿足電網(wǎng)規(guī)范時，使用靜態(tài)同步補償器(STATC0M)作為系統(tǒng)的無功功率備份。以下將給出DFIG的簡述。參考圖2a，DFIG允許利用連接轉(zhuǎn)子的變頻器完全控制發(fā)電機有功功率和無功功率。其額定值通常約為O. 3pu。與亞同步和超同步速度一起工作，可以在轉(zhuǎn)子電路中和外部饋送功率。連接轉(zhuǎn)子的變換器在嚴重瞬態(tài)過程期間能夠采用各種功率消耗方案。這些方案可能涉及位于轉(zhuǎn)子端子處的有功短路器或DC鏈路中的斬波器，Rch,參見圖2a。電網(wǎng)變換器用于調(diào)節(jié)DC鏈路的電壓電平。圖2b中示出了 DIG控制器的簡化控制圖，其中分別利用d和q軸控制有功功率P和無功功率Q。DFIG控制器從外部控制器計算或接收功率參考值PMf、Qref。利用兩個級聯(lián)的Pi控制器處理這些功率參考值；它們將產(chǎn)生所需的電壓參考值由PWM對其進行轉(zhuǎn)換，以脈沖驅(qū)動轉(zhuǎn)子變換器。最后，為轉(zhuǎn)子饋送在定子端子處產(chǎn)生期望的P和Q的電壓。
現(xiàn)在參考圖3，示出了來自四個風(fēng)カ渦輪機(Ql……Q4)的典型無功功率貢獻和ー個STATCOM (Q_STATC0M)。從圖3中看出，Ql……Q4全都是電感性無功功率貢獻，而Q_STATC0M是電容性無功功率貢獻。出于穩(wěn)定性和效率的原因，電感性和電容性無功功率貢獻的混合對于電網(wǎng)電壓控制而言是不適當(dāng)?shù)摹１景l(fā)明g在避免風(fēng)カ發(fā)電廠單元之間的無功功率反作用。圖4和圖5分別示出了根據(jù)本發(fā)明的典型WPP控制器和WTG控制器。首先，將WPP控制器(圖4)實現(xiàn)為二次電壓控制器，以便實現(xiàn)快速系統(tǒng)反應(yīng)和將對設(shè)計要求的滿足擴展到各種短路率(SCR)。在文獻中充分記載了二次電壓控制的概念。ニ次電壓控制方案的主要推動カ是要通過調(diào)節(jié)WTG系統(tǒng)范圍的端子電壓來實時抵消系統(tǒng)中的無功功率流變化。電壓調(diào)節(jié)量與被監(jiān)測總線處的電壓導(dǎo)數(shù)成正比。將通過在WTG控制器中增加額外的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)這個概念，由此允許WTG對發(fā)電機端子電壓變化做出更快反應(yīng)。如圖4中所示，實施WPP控制器以向WTG提供電壓參考值VMf。這種新的控制結(jié)構(gòu) 將能夠改善總體系統(tǒng)性能。由于WPP控制器的斜率控制器意在與PCC電壓變化成比例地注入Q，所以重要的是補償將在WPP內(nèi)部發(fā)生的Q損失，以便達到WPP控制器要求的QrefO為此，向圖4中所示的圖增加使用反饋Qm的閉合環(huán)路。這將確保PCC處的Q與通過斜率増益計算的Qref匹配，并向WPP中的每個WTG發(fā)送WPP控制器的輸出Vref。仍然參考圖4，利用電廠無功控制器擴展WPP控制器，其計算電壓參考值Vief，以發(fā)送到WTG。這將確保PCC處需要的Q,ef被注入，并且發(fā)送給WTG的參考值不和WPP控制器結(jié)構(gòu)沖關(guān)。圖5中示出了 WTG無功功率控制?？梢钥闯?，根據(jù)圖5中由V表示的定子渦輪機端子電壓和WPP控制器發(fā)送的電壓參考值VMf之間的差異，產(chǎn)生無功電流參考值I_f。因此，WTG外控制回路從傳統(tǒng)的遵循Q參考值的無功功率控制變?yōu)榭梢酝ㄟ^外部設(shè)置點調(diào)節(jié)的局部電壓控制。分別計算WTG増益和時間常數(shù)Kwtc和T3,以提供對發(fā)電機端子處電壓變化的快速反應(yīng)。WTG控制器包括次級回路執(zhí)行的針對DFIG定子過電壓的保護。對渦輪機端子處測量的電壓V進行低通濾波(LPF)并將經(jīng)過濾波的電壓Vm與最高電壓電平Vmax比較。在Vm大于Vmax的情況下，増益Kltt將乘以Vm和Vmax之間的差異，將從Vref減去這個值。安裝另ー個電壓保護，意在將電壓參考值與Vrated定義的閾值電平比較。這些電平通常在I. I和O. 9pu附近。如果Vm大于或低于這些閾值電平，且VMf分別增大或減小，分配這種監(jiān)瞀條件的塊“固定”將固定這個外部參考，直到這些條件就位。由定義的微分極算法確保了消除局部穩(wěn)態(tài)電壓誤差，由此避免了圖3中所示的無功功率反作用?？梢愿淖兾⒎謽O的時間常數(shù)T4，以便針對特定電網(wǎng)條件，例如電網(wǎng)電壓，進行調(diào)整。于是，T4可以是離線預(yù)定義的常數(shù)，或者可以是可變的時間常數(shù)，可以根據(jù)電網(wǎng)條件在線調(diào)節(jié)它。
于是，通過在風(fēng)力發(fā)電廠中實施本發(fā)明的控制方案，通過無功功率注入提供了一種快速、穩(wěn)定且有效的電 壓控制。
權(quán)利要求
1.ー種控制系統(tǒng)，用于控制從風(fēng)カ發(fā)電廠向相關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)輸送的無功功率的量，所述控制系統(tǒng)包括風(fēng)カ發(fā)電廠控制器和若干風(fēng)カ渦輪機控制器，每個風(fēng)力渦輪機控制器都與所述風(fēng)カ發(fā)電廠控制器進行通信，其中所述風(fēng)カ發(fā)電廠控制器適于響應(yīng)于需求的無功功率總量向至少ー個風(fēng)カ渦輪機控制器提供電網(wǎng)電壓參考值，所述風(fēng)カ渦輪機控制器包括電壓控制回路，所述電壓控制回路包括用于消除穩(wěn)態(tài)局部電壓誤差的模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其中所述風(fēng)カ渦輪機控制器中的每ー個包括用于消除相應(yīng)穩(wěn)態(tài)局部電壓誤差的模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的控制系統(tǒng)，其中用于消除穩(wěn)態(tài)局部電壓誤差的所述模塊包括微分極控制算法。
4.一種風(fēng)カ發(fā)電廠，包括根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的控制系統(tǒng)。
5.一種用于控制將從風(fēng)カ發(fā)電廠向相關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)輸送的無功功率的量的方法，其中所述風(fēng)カ發(fā)電廠包括若干風(fēng)カ渦輪機，每個所述風(fēng)カ渦輪機通過局部風(fēng)カ渦輪機控制器進行控制，并且其中所述風(fēng)カ發(fā)電廠通過風(fēng)カ發(fā)電廠控制器進行控制，所述風(fēng)カ發(fā)電廠控制器與所述風(fēng)カ渦輪機控制器中的每ー個進行通信，所述方法包括如下步驟 -響應(yīng)于所需的無功功率的總量從所述風(fēng)カ發(fā)電廠控制器向至少ー個風(fēng)カ渦輪機控制器提供電網(wǎng)電壓參考值， -確定局部渦輪機端子電壓并且根據(jù)所述確定產(chǎn)生局部電壓參考值， -處理所述局部電壓參考值以消除穩(wěn)態(tài)局部電壓誤差，以及 -將所述電網(wǎng)電壓參考值與處理過的局部電壓參考值進行比較，并且響應(yīng)于所述比較產(chǎn)生局部無功電流參考值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述局部電壓參考值的所述處理包括根據(jù)微分極濾波對所述局部電壓參考值進行濾波。
7.一種計算機程序產(chǎn)品，在所述計算機程序產(chǎn)品運行于微處理器上或由所述微處理器執(zhí)行時，執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制從風(fēng)力發(fā)電廠向相關(guān)聯(lián)的電網(wǎng)輸送的無功功率的量的控制系統(tǒng)和關(guān)聯(lián)方法，該控制系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電廠控制器和若干風(fēng)力渦輪機控制器，每個風(fēng)力渦輪機控制器都與所述風(fēng)力發(fā)電廠控制器進行通信，其中風(fēng)力發(fā)電廠控制器適于響應(yīng)于所需無功功率的總量向至少一個風(fēng)力渦輪機控制器提供電網(wǎng)電壓參考值，所述風(fēng)力渦輪機控制器包括電壓控制回路，電壓控制回路包括用于消除穩(wěn)態(tài)局部電壓誤差的模塊。
文檔編號H02J3/18GK102822508SQ201180015851
公開日2012年12月12日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月25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