本發(fā)明應(yīng)用于可再生能源領(lǐng)域，特別是應(yīng)用于從事提供多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)的工業(yè)領(lǐng)域中。

背景技術(shù)：

多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)拓?fù)淠軌蚋鶕?jù)風(fēng)況和目標(biāo)無功功率使多個獨(dú)立轉(zhuǎn)換器在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間動態(tài)切換。例如，US 7,928,592 B2提出了一種多轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，其具有通過渦輪發(fā)電機(jī)處的隔離功率繞組的并行轉(zhuǎn)換器線程的隔離輸出，從而消除了轉(zhuǎn)換器之間的循環(huán)共模電流，并且避免了對共模電感器的需要。在另一個示例中，US 8,138,620 B2提出了連接到交流(alternating current，AC)發(fā)電機(jī)的替代多轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，其監(jiān)視AC發(fā)電機(jī)的特性并且相應(yīng)地將幾個開關(guān)模式應(yīng)用至轉(zhuǎn)換器。

動態(tài)切換策略能夠提高風(fēng)力渦輪機(jī)的年發(fā)電量(annual energy production，AEP)。然而，當(dāng)前的電網(wǎng)連接要求需要風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)在數(shù)量和時間響應(yīng)方面提供具有嚴(yán)格必要條件的無功功率。這些必要條件通常與動態(tài)切換策略不兼容，因?yàn)楫?dāng)一些轉(zhuǎn)換器由于低風(fēng)速條件而斷開連接時，就無法滿足無功功率要求。這些問題影響風(fēng)力渦輪機(jī)的正常運(yùn)行和電壓暫態(tài)。

在正常運(yùn)行期間，電網(wǎng)運(yùn)營商需要無功功率以在風(fēng)力發(fā)電站的公共耦合點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)無功功率或電壓的特定設(shè)定點(diǎn)，以便最大化產(chǎn)生無功功率。此外，在無功功率需求改變的情況下需要快速時間響應(yīng)。這些要求與渦輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)切換操作產(chǎn)生沖突，因?yàn)橛性崔D(zhuǎn)換器的數(shù)量會根據(jù)風(fēng)況而變化。隨后，傳統(tǒng)解決方案迫使所有轉(zhuǎn)換器在任何時候都連接，因而喪失了動態(tài)切換的AEP優(yōu)勢。

電壓暫態(tài)包括電壓驟降(電壓低于正常工作范圍的較低值)和過電壓(電壓高于正常工作范圍)。電網(wǎng)代碼要求風(fēng)力渦輪機(jī)在發(fā)生電壓驟降或過電壓時保持連接。在這些事件期間，必須注入與額定電流和瞬時電壓成比例的無功電流。在具有動態(tài)開關(guān)的多轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲?，這個問題是一個難題，因?yàn)樵诘惋L(fēng)速下一些轉(zhuǎn)換器會斷開連接，因此當(dāng)產(chǎn)生電壓驟降時，風(fēng)力渦輪機(jī)不能滿足所需的無功電流注入水平。

因此，在本領(lǐng)域中仍然需要用于多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電策略，其能夠在滿足關(guān)于無功功率量和時間響應(yīng)的電網(wǎng)要求的同時優(yōu)化能量產(chǎn)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過公開用于多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電技術(shù)來解決上述問題，其中，將附加工作狀態(tài)添加到動態(tài)切換算法的開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)。在該附加工作狀態(tài)下，激活直流(direct current，DC)鏈路，從而能夠注入所需的無功功率。

在本發(fā)明的第一方面，公開了用于多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)。每個轉(zhuǎn)換器包括發(fā)電機(jī)與至少一個電容器之間的第一功率電子器件，用于確定所述電容器的DC鏈路電壓，以及至少一個電容器與電網(wǎng)之間的第二功率電子器件。第一功率電子器件和第二功率電子器件優(yōu)選地包括具有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)背對背逆變器電路。

該發(fā)電系統(tǒng)包括控制裝置，其配置為根據(jù)風(fēng)況和電網(wǎng)要求在至少三個狀態(tài)之間切換多個轉(zhuǎn)換器：

-第一待機(jī)狀態(tài)，其中轉(zhuǎn)換器不向電網(wǎng)注入電流。第二功率電子器件，即電網(wǎng)側(cè)的逆變器電路連接到電網(wǎng)，但是它們不切換也不調(diào)節(jié)，因此作為二極管整流器橋而工作。在該第一待機(jī)狀態(tài)下，電容器優(yōu)選地由二極管即無源元件充電。在這種狀態(tài)下，電網(wǎng)側(cè)的IGBT和發(fā)電機(jī)側(cè)的IGBT都不換向(commutating)。

-第二運(yùn)行狀態(tài)，其中第一功率電子器件和第二功率電子器件都切換和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)功率。如果轉(zhuǎn)換器處于第二運(yùn)行狀態(tài)，則電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)的IGBT都換向，以便調(diào)節(jié)輸送到電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)功率。在仍調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的同時注入無功電流。

-第三暫時狀態(tài)(也稱為有源DC鏈路狀態(tài))，其中DC鏈路被激活以便注入所需的無功功率并滿足風(fēng)力渦輪機(jī)的數(shù)量和響應(yīng)時間要求。在該第三暫時狀態(tài)中，第二功率電子器件以及電網(wǎng)側(cè)的IGBT都換向，以便調(diào)節(jié)電容器電壓，而第一功率電子器件不換向或調(diào)節(jié)電容器電壓。

優(yōu)選地，控制裝置配置為當(dāng)以下這些條件之一被驗(yàn)證時，利用有源DC鏈路將至少一個轉(zhuǎn)換器從第一待機(jī)狀態(tài)切換到第三狀態(tài)：

-所需的無功功率高于處于第二運(yùn)行狀態(tài)和第三狀態(tài)組合的轉(zhuǎn)換器的無功功率容量。

-發(fā)生電壓暫態(tài)。優(yōu)選地，在電壓暫態(tài)完成之后，處于第三狀態(tài)的轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)直流鏈路電壓被設(shè)置為電壓暫態(tài)之前的值。

優(yōu)選地，從第一待機(jī)狀態(tài)到第三狀態(tài)的轉(zhuǎn)變通過向當(dāng)前的直流鏈路電壓施加一斜坡電壓直到達(dá)到目標(biāo)直流鏈路電壓來實(shí)現(xiàn)。

還優(yōu)選地，控制裝置配置為向每個轉(zhuǎn)換器發(fā)送單獨(dú)的參考值，其是為了避免功率毛刺而確定的單獨(dú)參考值。

在本發(fā)明的第二方面，公開了一種多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)，其包括連接到轉(zhuǎn)子的多個葉片和旋轉(zhuǎn)地耦接到所述轉(zhuǎn)子的多個轉(zhuǎn)換器。風(fēng)力渦輪機(jī)還包括根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)的任何實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)。也就是說，風(fēng)力渦輪機(jī)包括控制裝置，其配置為在第一待機(jī)狀態(tài)、第二運(yùn)行狀態(tài)和第三有源DC鏈路狀態(tài)之間動態(tài)地切換多個轉(zhuǎn)換器。

在本發(fā)明的第三方面，公開了一種控制多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)的方法。該方法包括在第一待機(jī)狀態(tài)、第二運(yùn)行狀態(tài)和第三有源DC鏈路狀態(tài)之間動態(tài)地切換多個轉(zhuǎn)換器。優(yōu)選地，該方法還包括以下步驟中的一個或多個：

-當(dāng)發(fā)生電壓暫態(tài)時，將所有轉(zhuǎn)換器從第一待機(jī)狀態(tài)切換到第三狀態(tài)。

-當(dāng)所需的無功功率高于處于第二運(yùn)行狀態(tài)和第三狀態(tài)組合的轉(zhuǎn)換器的無功功率容量時，將至少一個轉(zhuǎn)換器從第一待機(jī)狀態(tài)切換到第三狀態(tài)。

-當(dāng)從第一待機(jī)狀態(tài)切換到第三狀態(tài)時，向當(dāng)前的直流鏈路電壓施加一斜坡電壓直到達(dá)到目標(biāo)直流鏈路電壓。

-當(dāng)處于第一待機(jī)狀態(tài)時，將功率電子器件斷開連接，并通過反并聯(lián)二極管為直流鏈路充電。

-優(yōu)選地，從風(fēng)力渦輪機(jī)的控制裝置接收各個無功功率參考值，以便獲得全局無功功率參考值。

最后，在本發(fā)明的第四方面，公開了一種實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法從而控制本發(fā)明的多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)的計(jì)算機(jī)程序。計(jì)算機(jī)程序包括計(jì)算機(jī)程序代碼裝置，其適于在計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號處理器、現(xiàn)場可編程門陣列、專用集成電路、微處理器、微控制器或任何其他形式的可編程硬件上運(yùn)行時執(zhí)行本發(fā)明的方法的任何實(shí)施例。

注意，本發(fā)明的系統(tǒng)和風(fēng)力渦輪機(jī)的任何優(yōu)選選擇和特定實(shí)施例可以應(yīng)用于本發(fā)明的方法和計(jì)算機(jī)程序。同樣，本發(fā)明的方法和計(jì)算機(jī)程序的任何優(yōu)選選項(xiàng)和特定實(shí)施例可以應(yīng)用于本發(fā)明的系統(tǒng)和風(fēng)力渦輪機(jī)。

利用本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力渦輪機(jī)、控制方法和計(jì)算機(jī)程序，可以滿足無功功率量和響應(yīng)時間的電網(wǎng)要求，同時優(yōu)化動態(tài)切換的AEP優(yōu)點(diǎn)。此外，通過由控制裝置動態(tài)管理每個轉(zhuǎn)換器的無功功率參考值來最小化功率毛刺。根據(jù)本發(fā)明的詳細(xì)描述，這些和其它優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。

附圖說明

為了幫助理解本發(fā)明的特征，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并且為了補(bǔ)充本說明書，將附加的以下附圖作為其整體的一部分，其具有說明性和非限制性特征：

圖1示出了根據(jù)其特定實(shí)施例的本發(fā)明的多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)以及連接到所述渦輪機(jī)的電網(wǎng)的示意圖。

圖2例示了本發(fā)明的多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)的電子部件的特定實(shí)施例。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)的每個轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)的示意圖。

圖4示出了本發(fā)明的直流鏈路電壓控制機(jī)制的特定實(shí)施例的流程圖。

圖5和圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的特定實(shí)施例的由電壓故障引起的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

具體實(shí)施方式

提供本詳細(xì)的說明書中限定的內(nèi)容以幫助全面理解本發(fā)明。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以對本文所述的實(shí)施例進(jìn)行各種改變和修改。此外，為了清楚和簡明，省略了對公知的功能和元件的描述。

注意，在本文中，術(shù)語“包括”及其派生詞(例如“包括”等)不應(yīng)當(dāng)在排除的意義上理解，也就是說，這些術(shù)語不應(yīng)被解釋為排除所描述和限定的內(nèi)容的可能可以包括另外的元件、步驟等。

圖1示出了多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的優(yōu)選實(shí)施例，其包括本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例，并且其實(shí)施本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施例。特別地，風(fēng)力渦輪機(jī)(100)包括由控制裝置(102)控制的多個轉(zhuǎn)換器(101)。由多個轉(zhuǎn)換器提供的無功功率在向電網(wǎng)(104)饋電的功率輸出(103)處合并。

圖2更詳細(xì)示出了多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的優(yōu)選實(shí)施例的部件。特別地，每個轉(zhuǎn)換器(101)包括在發(fā)電機(jī)(106)和電容器(107)之間的第一功率電子器件(105)，以及在電容器(107)和電網(wǎng)(104)之間的第二功率電子器件(108)。第一功率電子器件(105)和第二功率電子器件(108)包括背對背配置的IGBT逆變器。多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)(100)還包括在轉(zhuǎn)換器(101)的發(fā)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的電感(109)，以及連接轉(zhuǎn)換器(101)和電網(wǎng)(104)的變壓器(110)。

圖3呈現(xiàn)了每個轉(zhuǎn)換器(101)的狀態(tài)和所述狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換的示意圖。特別地，風(fēng)力渦輪機(jī)(100)的每個轉(zhuǎn)換器(101)可以根據(jù)風(fēng)況和電網(wǎng)要求而在以下狀態(tài)之間動態(tài)地和單獨(dú)地切換：

-第一待機(jī)狀態(tài)(201)，為了清楚起見，在本文中也稱為READY狀態(tài)(201)。當(dāng)處于READY狀態(tài)時，功率電子器件保持?jǐn)嚅_連接，并且反并聯(lián)二極管配置為將直流鏈路充電至高達(dá)V_f×√2的值，其中V_f是相電壓。

-第二運(yùn)行狀態(tài)(202)，為了清楚起見，在本文中第二運(yùn)行狀態(tài)(202)也稱為RUN狀態(tài)(202)。

-第三狀態(tài)(203)，具有有源DC鏈路，為了清楚起見，在本文中具有有源DC鏈路的第三狀態(tài)(203)也稱為DCLINKON狀態(tài)(203)。當(dāng)轉(zhuǎn)換器(101)從READY狀態(tài)(201)改變到DCLINKON狀態(tài)(203)時，DC鏈路中的受控電壓以預(yù)定斜坡增加到工作點(diǎn)。

風(fēng)力渦輪機(jī)(100)發(fā)電系統(tǒng)的操作具有兩個主要階段，即，計(jì)算所需的有源轉(zhuǎn)換器(101)的數(shù)量，并將DC鏈路電壓信息發(fā)送到控制裝置(102)。在第一階段中，可以周期性地或者作為風(fēng)況或電網(wǎng)要求的變化的結(jié)果來執(zhí)行所需的有源轉(zhuǎn)換器(101)的數(shù)量。因此，控制裝置(102)根據(jù)在RUN狀態(tài)(202)中的轉(zhuǎn)換器(101)的當(dāng)前數(shù)量和所需的無功功率的函數(shù)來確定處于RUN狀態(tài)(202)和DCLINKON狀態(tài)(203)的轉(zhuǎn)換器(101)的目標(biāo)數(shù)量。

在特定實(shí)施例中，可以使用預(yù)定的滯后計(jì)算所需的有源轉(zhuǎn)換器(101)。該滯后包括當(dāng)全局無功功率參考值達(dá)到在RUN或DCLINKON模式中轉(zhuǎn)換器的容量的增加的第一預(yù)定百分比時(例如所有轉(zhuǎn)換器的容量增加減去一個轉(zhuǎn)換器的容量的15％)，激活(即，發(fā)送命令以從STEADY狀態(tài)轉(zhuǎn)換到DCLINKON狀態(tài))一個新轉(zhuǎn)換器。此外，如果全局無功功率參考值達(dá)到轉(zhuǎn)換器在RUN或DCLINKON模式下容量的增加的第二個預(yù)定百分比時(例如，所有轉(zhuǎn)換器的容量的增加減去一個轉(zhuǎn)換器的容量的40％)，則禁用DCLINKON模式下的轉(zhuǎn)換器。

優(yōu)選地，確定RUN狀態(tài)(202)和DCLINKON狀態(tài)(203)中的轉(zhuǎn)換器(101)的數(shù)量的容量百分比優(yōu)選地由隨機(jī)數(shù)修改，以避免發(fā)電廠中轉(zhuǎn)換器(101)的開關(guān)操作與幾個多轉(zhuǎn)換器風(fēng)力渦輪機(jī)(101)不同時發(fā)生，然后將暫態(tài)的影響添加在風(fēng)力發(fā)電廠的無功功率生產(chǎn)中。該校正例如是0％至5％之間的隨機(jī)值。

在第二階段，由控制裝置(102)基于每個轉(zhuǎn)換器(101)的狀態(tài)和總的所需無功功率來計(jì)算每個轉(zhuǎn)換器(101)的目標(biāo)無功功率。通過預(yù)定的斜坡(ramp)逐漸達(dá)到所述目標(biāo)無功功率。圖4呈現(xiàn)了本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施例所遵循的步驟的更詳細(xì)的流程圖，以便當(dāng)狀態(tài)之間發(fā)生變化時共享轉(zhuǎn)換器之間的直流鏈路電壓。

i.該方法開始于(301)向轉(zhuǎn)換器(101)輸入的實(shí)際值或無功功率參考值，并向風(fēng)力渦輪機(jī)輸入所需的全局無功功率。

ii.計(jì)算(302)被限定為從RUN狀態(tài)(202)和DCLINKON狀態(tài)(203)切換到READY狀態(tài)(201)的轉(zhuǎn)換器(101)的無功功率，并且以預(yù)定的斜坡逐漸變?yōu)榱?303)。對于這種斜坡目的，采用轉(zhuǎn)換器的實(shí)際值或無功功率參考值。

iii.通過計(jì)算處于RUN狀態(tài)(202)和DCLINKON狀態(tài)(203)的轉(zhuǎn)換器(101)的目標(biāo)無功功率來啟動循環(huán)(304)。該參考值被計(jì)算為通過將風(fēng)力渦輪機(jī)所需的全局無功功率減去被(從1)減少到零的轉(zhuǎn)換器的無功功率參考值以及向已經(jīng)限定的轉(zhuǎn)換器增加無功功率參考值。注意，已經(jīng)限定的轉(zhuǎn)換器的值從零開始，并在步驟v中更新。該結(jié)果除以在此循環(huán)中未被引用的轉(zhuǎn)換器的數(shù)量。注意，該值在步驟v中也被更新，但是當(dāng)過程開始時，該值被限定為處于RUN狀態(tài)和DCLINK打開狀態(tài)的轉(zhuǎn)換器的數(shù)量。該結(jié)果是轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)無功功率。

iv.選擇(305)在當(dāng)前無功功率和目標(biāo)無功功率之間具有最大差的轉(zhuǎn)換器(101)。

v.一旦被最大值和最小值以及最大正斜坡和負(fù)斜坡限制，將目標(biāo)無功功率發(fā)送(306)到在步驟iv中選擇的轉(zhuǎn)換器(101)。

vi.該方法驗(yàn)證(307)處于RUN狀態(tài)(202)和DCLINKON狀態(tài)(203)中的所有轉(zhuǎn)換器(101)的當(dāng)前無功功率是否已經(jīng)被設(shè)置為匹配它們的目標(biāo)無功功率。如果它們都已被設(shè)置，則該方法結(jié)束(308)，否則，重復(fù)步驟iii至vi。

圖5示出了當(dāng)轉(zhuǎn)換器處于READY狀態(tài)(201)并且接收到電壓故障消息(401)時風(fēng)力渦輪機(jī)(100)發(fā)電系統(tǒng)和方法的狀態(tài)演變。在接收到電壓故障(401)之前，不執(zhí)行切換，并且如由READY狀態(tài)(201)所限定的，DC鏈路被充電。在接收到電壓故障消息(401)之后，轉(zhuǎn)換器切換到DC-LINKON狀態(tài)(203)，使得電網(wǎng)逆變器開始切換并注入無功電流(402)。當(dāng)接收到電壓故障完結(jié)消息(403)時，轉(zhuǎn)換器切換回READY狀態(tài)(201)。

同樣，圖6示出了當(dāng)轉(zhuǎn)換器處于RUN狀態(tài)(202)并且接收到電壓故障消息(401)時風(fēng)力渦輪機(jī)(100)發(fā)電系統(tǒng)和方法的狀態(tài)演變。在接收到電壓故障(401)之前，電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)的逆變器都正在切換，如由RUN狀態(tài)(203)所限定的。在接收到電壓故障消息(401)之后，轉(zhuǎn)換器切換到DC-LINKON狀態(tài)(203)，從而引起適于注入有源/無源電流(404)的下降。當(dāng)接收到電壓故障完結(jié)消息(403)時，轉(zhuǎn)換器切換回運(yùn)行狀態(tài)(202)。