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(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)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(lái)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(kāi)發(fā)、維護(hù)和操作協(xié)調(diào)的、可靠和經(jīng)濟(jì)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?cè)诳刂坪筒季值哪承┓矫媸翘厥獾摹Ｒ虼?，在?qiáng)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(yùn)營(yíng)商正在通過(guò)編寫(xiě)電網(wǎng)規(guī)范中用于WPP性能的特定部分來(lái)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(yùn)營(yíng)商引入。利用風(fēng)力發(fā)電廠的電壓調(diào)節(jié)需要對(duì)安裝在分站和工廠的所有可用控制設(shè)備進(jìn)行集成。
通常,可以通過(guò)潤(rùn)輪機(jī)和風(fēng)場(chǎng)控制器(park controller)解決對(duì)設(shè)施的需求。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)不足以滿足電網(wǎng)規(guī)范需求時(shí)，則應(yīng)該安裝無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備。如果發(fā)電廠需要更多電壓動(dòng)態(tài)能力，則該設(shè)備可以是靜態(tài)補(bǔ)償器，如果該需求涉及穩(wěn)態(tài)性能，則該設(shè)備·可以是機(jī)械開(kāi)關(guān)電容器/電抗器，或者該設(shè)備僅僅是這二者的組合。對(duì)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(jì)決策中的一種。普遍的觀點(diǎn)是最小化投資成本的同時(shí)提供對(duì)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(shí)，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(jī)的無(wú)功功率和電壓控制是相對(duì)快速的，其中特征時(shí)間常數(shù)為數(shù)十毫秒，而中央發(fā)電廠控制的無(wú)功功率和電壓控制是稍微慢些的，其中特征時(shí)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(zhǔn)許節(jié)點(diǎn)的電壓控制。因?yàn)橛蓙?lái)自渦輪機(jī)的無(wú)功功率來(lái)致動(dòng)電壓控制時(shí)，所以可能確定電壓控制的設(shè)計(jì)將覆蓋處于渦輪機(jī)級(jí)別的內(nèi)部無(wú)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(diǎn) (PCC)的外部電壓控制回路。
本發(fā)明實(shí)施例的目的可以被視為提供一種用于控制無(wú)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(lái)引入了對(duì)多種簡(jiǎn)化形式的概念的選擇，將在下面的具體實(shí)施方式
中進(jìn)一步介紹對(duì)概念的選擇。本內(nèi)容并非旨在標(biāo)識(shí)所請(qǐng)求保護(hù)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(qǐng)求保護(hù)的主題范圍。
在第一方面中，通過(guò)提供一種用于控制風(fēng)力發(fā)電廠中的至少一個(gè)電容器或電抗器的方法，以達(dá)到上述的目的，風(fēng)力發(fā)電廠具有至少一個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，該方法包括下列步 驟
-基于電網(wǎng)參考值，計(jì)算無(wú)功功率值，
-定義風(fēng)力發(fā)電廠中的至少一個(gè)功率變換器的無(wú)功功率工作范圍，
-當(dāng)無(wú)功功率值在無(wú)功功率工作范圍之外時(shí)，連接或斷開(kāi)至少一個(gè)電容器或電抗 器。
-從計(jì)算出的總無(wú)功功率值減去所連接的電容器或電抗器的無(wú)功功率，
-基于該減去，將風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)電壓參考值分配到至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)。
該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，無(wú)源裝置的連接/斷開(kāi)是基于所計(jì)算的無(wú)功功率在電感性 或電容性區(qū)域中的位置。
從總的計(jì)算出的無(wú)功功率減去所連接裝置的無(wú)功功率，其優(yōu)點(diǎn)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(xì)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(shí)施方式
現(xiàn)在將進(jìn)一步詳細(xì)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(guò)示例的形式公開(kāi)了特定實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明不限于所公開(kāi)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(lái)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(cè) 量值)，并且輸出渦輪機(jī)設(shè)置點(diǎn)(set-point)。發(fā)電廠控制器由用于感測(cè)PCC處的電流和電 壓的測(cè)量裝置、用于指定控制算法的專用計(jì)算機(jī)、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(hào)。
仍然參考圖1，WPP控制器的分配器具有將WPP控制器計(jì)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(lái)完成 劃分參考值。一種策略可以是在WTG注入的無(wú)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(bǔ)償器(STATC0M)作為系統(tǒng)的無(wú)功功率后備。
以下將給出對(duì)DFIG的簡(jiǎn)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(lái)完全控制發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)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(shí)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(yán)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(lái)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(jiǎn)化控制圖，其中使用d軸和q軸分別控制有功 功率P和無(wú)功功率Q。DFIG控制器計(jì)算或從外部控制器接收功率參考值P,ef、Q,ef。使用兩 個(gè)級(jí)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(duì)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(duì)于整 個(gè)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(duì)于配 備有雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，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(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備。
圖3示出了發(fā)電機(jī)定子端子處獲得的P-Q圖(虛線)以及PCC處獲得的P-Q圖(實(shí) 線)。從圖中可以看出，在PCC處，無(wú)功功率損耗如何減小容性無(wú)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(jī)(通 過(guò)變換器來(lái)變換所有功率的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī))，或者STATC0M，主要被視為快速無(wú)功功率源 (VAr)來(lái)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(bǔ)償器具有足夠 的VAr容量以處理無(wú)法預(yù)計(jì)的干擾；為此，WPP通常包括可開(kāi)關(guān)電容器(MSC)和電抗器組 (MSR)，用于將變換器的動(dòng)態(tài)能力保持在最大。應(yīng)當(dāng)注意的是，對(duì)這些可開(kāi)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(jì)電容器組的大小調(diào)整和它的控制。 應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，該范圍越大，用于MSC的開(kāi)關(guān)操作的量越小，但是每年來(lái)自供應(yīng)無(wú)功功率的靜 態(tài)變換器的開(kāi)關(guān)能量損耗越大?？赡懿话∕SR的電感性工作區(qū)域，這是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)力渦輪 機(jī)配備有DFIG發(fā)電機(jī)時(shí)，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的功率變換器自身超過(guò)PCC處所需的最大工作 點(diǎn)，而且僅以O(shè).1pu電感性的操作可以幾乎達(dá)到所需的最大值。風(fēng)力渦輪機(jī)中的其它類型 發(fā)電機(jī)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(shí)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(shí)獲得的P-Q，并且利用亮灰實(shí)線示出了當(dāng)DFIG工作在發(fā) 電機(jī)端子處的PF=I時(shí)獲得的P-Q。
可以將電容器的梯級(jí)數(shù)量調(diào)整為所需的量，僅僅為了簡(jiǎn)化的目的示出兩個(gè)梯級(jí) (CAP1和CAP2)?？梢詫⒖刂破骶幊虨榫哂卸鄠€(gè)操作范圍，而不是一個(gè)。圖4僅示出了用于 全發(fā)電廠操作的一個(gè)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(lái)引發(fā)。例如，對(duì)于O. 05pu的高功率，具有較小范圍，以及對(duì)于低功率O. lpu，具有較大范圍。因?yàn)樵谠搮^(qū)域中預(yù)期更多的功率波動(dòng)。
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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該其他類型的WTG 拓?fù)浣Y(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(shí)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(wú)功功率的適當(dāng)?shù)膿Q算。這意味著， 可以根據(jù)電壓或無(wú)功功率的參考值模糊地計(jì)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(yùn)營(yíng)商或風(fēng)力發(fā)電廠運(yùn)營(yíng)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(jì)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(jì)算的。
提到的控制策略計(jì)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(jī)、STATC0M、MSC、以及可能的MSR。在該參考值被發(fā)送給它們之前，通過(guò)電容器控制來(lái)改變它，如果電容器梯級(jí)之一將被連接/斷開(kāi)，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(jì)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(gè)渦輪機(jī)，而且如果存在的話，將另一個(gè)電壓參考值Vref STATOT 分配到STATC0M，接著它們通過(guò)相應(yīng)地供應(yīng)無(wú)功功率來(lái)作出響應(yīng)。
本發(fā)明的控制策略使用之前計(jì)算的VMf，通過(guò)使用等式I來(lái)計(jì)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(jì)算電壓參考值的情況下，為了計(jì)算由每個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(WTG)注入的無(wú)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(jì)算的參考值何時(shí)被計(jì)算，根據(jù)無(wú)功功率參考值，不需要轉(zhuǎn)化。對(duì)STATC0M 也應(yīng)用相同的策略。
如果該控制作用于“每個(gè)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(shí)際單元中，Iqwtg將只是一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的無(wú)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(wú)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(wú)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(kāi)關(guān)邏輯)處理該信號(hào)并且基于一些計(jì)時(shí)器函數(shù)和電容器的當(dāng)前狀態(tài)來(lái)決定哪個(gè)梯級(jí)被連接/斷開(kāi)。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(kāi)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(gè)。
圖7示出了圖6中被稱為電容器控制的方塊的細(xì)節(jié)。
本實(shí)施例的效果給出了 AVCap偏移補(bǔ)償，Λ VCap偏移補(bǔ)償用于集中電容器連接的干擾，從而降低了瞬變的峰值。可以在一些情況下禁用AVCap偏移的動(dòng)作，該情況例如是當(dāng)斷開(kāi)了電容器時(shí)，以及當(dāng)測(cè)量的電壓大于標(biāo)稱電壓的特定比例，例如1. OSpu時(shí)，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(shí)。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(lái)自風(fēng)力發(fā)電廠的無(wú)功功率量輸送到相關(guān)聯(lián)的供電網(wǎng)，將風(fēng)力渦輪 機(jī)/STATC0M的無(wú)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(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)控制器，每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)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(wú)功功率總量，向至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)控制器提 供電網(wǎng)電壓參考值，并且操作開(kāi)關(guān)式電容器組。
如對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是清楚的是，在不失去尋求的效果的情況下可以擴(kuò)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(diǎn)可能涉及一個(gè)實(shí)施例或可能涉及多個(gè)實(shí)施例。 進(jìn)一步可以理解的是，對(duì)“一個(gè)”的項(xiàng)目的引用表示那些項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)。
可以理解的是，僅僅通過(guò)示例的方式給出優(yōu)選實(shí)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(shuō)明書(shū)、示例和數(shù)據(jù)提供了對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的完整描述和對(duì) 本發(fā)明的示例性實(shí)施例的使用。盡管上文以一定程度的特殊性或參考一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)實(shí)施 例，描述了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)公開(kāi)的實(shí)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(gè)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(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，所述方法包括下列步驟 -基于電網(wǎng)參考值，計(jì)算無(wú)功功率值， -定義所述風(fēng)力發(fā)電廠中的至少一個(gè)功率變換器的最大無(wú)功功率工作范圍， -當(dāng)無(wú)功功率值在所述無(wú)功功率工作范圍之外時(shí)，連接或斷開(kāi)所述至少一個(gè)電容器或電抗器。
-從計(jì)算出的總無(wú)功功率值中減去所連接的電容器或電抗器的無(wú)功功率， -基于所述減去，將風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)電壓參考值分配給所述至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)。
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(wú)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(gè)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(duì)于最大無(wú)功功率變換器工作有多個(gè)范圍，可以基于風(fēng)速或者連接點(diǎn)處注入的功率來(lái)引發(fā)這些范圍。對(duì)于低功率(P < 20%)，將所述范圍設(shè)置為20%工作，對(duì)于中等功率20% < P < 70%，將所述范圍設(shè)置為15%，而對(duì)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(xiàng)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(wú)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(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)控制器，每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)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(wú)功功率總量，向至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)控制器提供電網(wǎng)電壓參考值，并且操作開(kāi)關(guān)式電容器組。
文檔編號(hào)F03D7/00GK103004050SQ201180033198
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
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