專利名稱：用于控制電網電壓的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于風力發(fā)電廠設備的電網電壓控制方法。具體而言，本發(fā)明涉及注 入到電源電網的電功率量的變化改變所述電網電壓電平時的控制方法。取決于所述電網特 性，所注入的電功率可以是有功功率或者無功功率。
背景技術：
對于電源電網的電網導則需求變得越來越嚴格。這些更高的電網導則需求要求電 連接到這樣的電源電網的風力發(fā)電廠的更高性能?？梢钥闯?，本發(fā)明實施例的目標在于提供一種用于自適應電網電壓控制以實現嚴 格的電網導則需求的方法。

發(fā)明內容
第一方面，上述目的通過提供一種用于控制可操作地連接到電功率源的電源電網 的電壓電平的方法實現，所述方法包括以下步驟-在公共耦合點處確定所述電源電網的第一短路阻抗，-使用所確定的第一短路阻抗計算所述電源電網的第一增益值，以及-通過應用所述第一增益值作為電壓控制器中的增益參數來根據所計算的第一增 益值控制所述電網電壓電平。因此，根據本發(fā)明的第一方面，可以通過改變注入到電源電網中的有功功率或者 無功功率的電功率量來控制電源電網的電網電壓。使用有功功率的電網電壓控制可以與弱 的或者隔離的功率電網尤其相關。本發(fā)明存在幾個優(yōu)點。首先，能夠滿足非常嚴格的電網導則需求。此外，如果應用 本發(fā)明的原理，風力發(fā)電廠能夠在更弱的電源電網處操作。將風力發(fā)電廠定義為具有至少 兩個風力渦輪機的組，所述至少兩個風力渦輪機具有公共電輸出，有功功率或者無功功率 可以通過所述公共電輸出注入到相關聯的電源電網中。而且，本發(fā)明還例如具有如下優(yōu)點-獨立于實際電網配置的快速動態(tài)響應，-最小的電壓過沖，-整個風力發(fā)電廠的直進式控制性能，以及_用于確保獨立于電網條件的相等性能的自適應控制器。根據本發(fā)明第一方面的方法，控制所述電網電壓電平的步驟可以包括根據所計算 的所述電源電網的第一增益值來計算將從所述電功率源注入到所述電源電網中的電功率 量的步驟。在這之后，可以提供將所計算的電功率量從所述電功率源注入到所述電源電網 中以相應地控制所述電網電壓電平的步驟。此外，所述方法還可以包括以下步驟-在所述公共耦合點處確定所述電源電網的第二短路阻抗，
_使用所確定的第二短路阻抗計算所述電源電網的第二增益值，以及-通過使用所述第二增益值代替所述第一增益值作為所述電壓控制器中的所述增 益參數來根據所計算的第二增益值控制所述電網電壓電平。而且，控制所述電網電壓電平的所述步驟可以包括根據所計算的所述電源電網的 第二增益值計算將從所述電功率源注入到所述電源電網的電功率量，并且將所計算的電功 率量從所述電功率源注入到所述電源電網中以相應地控制所述電網電源電平的步驟。因此，通過以規(guī)則間隔確定所述電源電網的短路阻抗，可以以類似的規(guī)則間隔更 新或者調節(jié)所述電壓控制器的所述增益參數。按照這種方式，以自適應方式調節(jié)所述電壓 控制器的所述增益參數從而確保所述增益參數匹配所述電源電網的電特性。通常將所述電源電網的增益定義為每電功率單位MW或者MVAr注入到所述電源電 網中的電壓變化ΔV。所述公共耦合點可以沿著連接所述電功率源和所述電源電網的傳輸線設置。通 常，將所述公共耦合點定義為所述電功率源電連接到所述電源電網的點。所述公共耦合點 可以設置成相對接近所述風力發(fā)電廠或者其可以位于相對于該風力發(fā)電廠的遠程位置。確定所述短路阻抗的步驟可以涉及在所述公共耦合點處電壓電平和電流水平的 測量，其中所測量的電壓電平和電流水平是相關聯的電壓電平和電流水平。所述電功率源可以包括能夠生成所需要的電功率的一個或者多個風力渦輪機。可 選地或者此外，所述電功率源可以包括STATC0M、切換電容器、SVC設備或者及其組合。如上所述，所述電功率源可以包括有功功率源使得注入到所述電源電網中以控制 所述電網電壓電平的的所述電功率包括有功功率。使用有功功率的電網電壓控制與弱的電 源電網尤其相關。作為替代或者可選地此外，所述電功率源可以包括無功功率源使得注入到所述電 源電網中以控制所述電網電壓電平的所述電功率包括無功功率。第二方面，本發(fā)明涉及用于確定電壓控制器的過程增益的方法，所述電壓控制器 用于控制可操作地連接到電功率源的電源電網的電壓電平，所述方法包括步驟在公共耦 合點處確定所述電源電網的短路阻抗，使用所確定的短路阻抗計算所述電源電網的增益 值，并且應用所述增益值作為所述電壓控制器的所述過程增益。因此，根據本發(fā)明的第二方面，將在所述公共耦合點處確定的所述電源電網的增 益結合到電壓控制器中?？梢钥蛇x地提供積分器以改善穩(wěn)態(tài)性能。使用可選地來自多個風 力渦輪機或者一個或多個STATC0M的可用電功率量的先前信息，可以通過改變注入到所述 電源電網的電功率量控制所述電網電壓。由于僅確定一次所述電壓控制器的增益，即，在電 壓控制器的配置時，可以將根據本發(fā)明第二方面的方法認為是本發(fā)明的離線實現。所述公共耦合點可以沿著連接所述電功率源和所述電源電網的傳輸線設置。所述電功率源可以包括有功功率源和/或無功功率源。如結合本發(fā)明第一方面所陳述的，確定所述短路阻抗的步驟可以涉及在所述公共 耦合點處電壓電平和電流水平的測量，其中所測量的電壓電平和電流水平是相關聯的電壓 電平和電流水平。


現在將參照附圖進一步描述本發(fā)明，其中圖1示出了電源電網，圖2示出了簡化的流程圖，以及圖3示出了根據本發(fā)明的前饋(feed-forward)電壓控制器的階躍響應。盡管本發(fā)明可以具有各種變型和可選形式，但是附圖中作為示例示出了具體實施 例并且這里將詳細描述這些實施例。然而應該理解，本發(fā)明并非旨在局限于這里公開的特 定形式。本發(fā)明而是要覆蓋落入由所附權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內的所有變 型、等同物以及替代物。
具體實施例方式在最寬泛的方面，本發(fā)明涉及用于建立對于電壓控制器的一個或者多個適當的控 制參數以控制可操作地連接到電功率源的電源電網的電網電壓的方法。該電功率源可以是 無功功率源或者有功功率源。下面將參照向電源電網注入無功功率以控制該電源電網的電網電壓的實施例來 公開本發(fā)明。然而，本發(fā)明還覆蓋例如向弱電源電網注入有功功率以控制這樣的弱電源電 網的電網電壓。電功率源可以涉及風力渦輪機或者諸如STATC0M、切換電容器或者SVC設備的其 它適合源。具體而言，本發(fā)明涉及用于確定電壓控制器的增益參數的方法，使用所述電源電 網在公共耦合點處的短路阻抗的信息確定所述增益參數。因此，將所述電源電網在公共耦 合點處的增益結合到電壓控制器中，可選地與積分器組合以改善穩(wěn)態(tài)性能。根據短路功率 并且結合隨后根據電源電網的短路阻抗得到的比值X/R來確定電源電網的增益。使用可選地來自多個風力渦輪機或者一個或多個STATC0M的可用的無功功率量的 先前信息，可以通過改變注入到電源電網的無功功率量來控制電網電壓。由于電壓控制器的 增益只確定一次-在配置電源控制器時，因此可以將上述方法認為是本發(fā)明的離線實現。本發(fā)明還可以實現為在線配置，其中以規(guī)則的間隔確定電源電網的短路阻抗和增 益。而且，根據短路功率并且結合隨后根據電源電網的短路阻抗得到的比值X/R來確定電 源電網的增益。因此，本發(fā)明的在線配置有助于電壓控制器的增益的連續(xù)更新。這在電網 條件動態(tài)改變時是巨大的優(yōu)點，例如在電源電網的一部分或者幾個部分崩潰、電網線路跳 閘或者電網重新配置時?，F在將進一步詳細描述本發(fā)明的原理。在按照電壓控制模式運行風力發(fā)電廠時， 將來自風力渦輪機的無功功率在公共耦合點(PCC)處注入到相關聯的電源電網以控制電 網電壓。PCC是風力發(fā)電廠電連接到電源電網的位置。所謂的電源電網的增益強烈地取決于電源電網的短路阻抗。將電源電網的增益定 義為每注入到電源電網的無功功率(MVAr)的電壓變化。將電源電網的短路阻抗定義為Zg = Rg+jXg = Rg+j2nfL，其中Rg和Xg分別是電網 阻抗的實部和虛部，j是虛部算子，f是頻率(通常是電源電網的標稱頻率)并且L是電感。 短路阻抗可以用作戴維南等效中的阻抗。由于L是頻率依賴的，因此短路阻抗當然對于較 高次諧波會發(fā)生變化。
通過連續(xù)測量PCC中的電壓和電流，可以估計電源電網的短路阻抗并且從而可能 進行電網參數的在線估計。例如以廣域測量系統(WAMS)或者相位測量單元(PMU)為例的 其它技術也是用于確定短路阻抗的適合技術。在知道電源電網的R和X的情況下，可以執(zhí)行后向計算以估計電壓控制的過程增 益。該信息可以作為增益調度因數用于電壓控制器中以便即使在電網參數改變時也維持系 統的動態(tài)性能，例如如果電源電網的一部分崩潰?？蛇x地，電源電網的短路阻抗以及相關聯的增益可以用于設計前饋控制器，該前 饋控制器提升實現穩(wěn)態(tài)電壓基準所需的無功功率。慢速積分器可以與該前饋控制器并行操 作以改善穩(wěn)態(tài)性能?，F在參照圖1，圖示的電源電網1包括風力發(fā)電廠2和多個功率消耗者3。風力發(fā) 電廠可以例如能夠產生50-200MW或者更高范圍內的電功率。如果需求需要，風力發(fā)電廠還 能夠向電源電網傳送無功功率。還可以提供STATC0M形式的附加無功功率源4。該STATC0M 的容量可以例如達到200MW的無功功率。因此，如果電源電網的電網導則要求應該增加電 網電壓，則可以將無功功率從風力發(fā)電廠、STATC0M或者二者提供到電網。通常，STATC0M能 夠比風力發(fā)電廠以更短的關注度(notice)向電源電網傳送無功功率。因此，可能的情景將 是按照順序的方式通過首先從STATC0M提供無功功率并且在隨后的階段從風力發(fā)電廠提 供無功功率來提供無功功率。如上所述，將來自風力發(fā)電廠或者STATC0M的無功功率在PCC處注入到電源電網 中。在圖1中標記有附圖標記5的PCC是風力發(fā)電廠電連接到電源電網的位置?？蛇x地， 可以在無功功率源(風力發(fā)電廠和STATC0M)和電源電網之間提供電網變壓器6。通過在PCC 5處確定短路阻抗的R和X，可以計算電源電網的增益并且應用該增益 為電壓控制器中的過程增益參數。如果以規(guī)則間隔確定電源電網的增益，并且相應地更新 電壓控制器的過程增益，則建立了在線電壓控制環(huán)路并且從而建立自適應電壓控制環(huán)路。 優(yōu)選地，提供具有IO-IOOms時間常數的積分器以改善穩(wěn)態(tài)性能。現在參照圖2，圖示了簡單流程圖。如圖2所示，確定電源電網的戴維南等效電路 的R和X。根據R和X計算電源電網的增益。將所計算的增益應用為電壓控制器中的過程 增益參數。圖2中說明的過程在本發(fā)明的離線配置中將執(zhí)行一次。因此，不會改變確定其值 的電壓控制器的過程增益。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，按照自適應方式調節(jié)過程增益以使得在從PCC觀察時 電壓控制器的過程增益總是匹配電源電網的特性。通過按照自適應方式配置電壓控制器， 可以跟隨嚴格的電網導則需求。圖3示出了根據本發(fā)明的前饋電壓控制器的階躍響應。如從圖3可以看出，前饋 控制器產生最小的過沖。這是與現有技術系統相比動態(tài)行為的改善。
權利要求
一種用于控制可操作地連接到電功率源的電源電網的電壓電平的方法，所述方法包括以下步驟 在公共耦合點處確定所述電源電網的第一短路阻抗， 使用所確定的第一短路阻抗計算所述電源電網的第一增益值，以及 通過應用所述第一增益值作為電壓控制器中的增益參數來根據所計算的第一增益值控制所述電網電壓電平。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，控制所述電網電壓電平的所述步驟包括根據所 計算的所述電源電網的第一增益值計算將從所述電功率源注入到所述電源電網中的電功 率量的步驟。
3.根據權利要求2所述的方法，還包括將所計算的電功率量從所述電功率源注入到所 述電源電網中以相應地控制所述電網電壓電平的步驟。
4.根據權利要求3所述的方法，還包括以下步驟-在所述公共耦合點處確定所述電源電網的第二短路阻抗，-使用所確定的第二短路阻抗計算所述電源電網的第二增益值，以及-通過使用所述第二增益值代替所述第一增益值作為所述電壓控制器中的所述增益參 數來根據所計算的第二增益值控制所述電網電壓電平。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，控制所述電網電壓電平的所述步驟包括如下步 驟根據所計算的所述電源電網的第二增益值計算將從所述電功率源注入到所述電源電網 的電功率量，并且將所計算的電功率量從所述電功率源注入到所述電源電網中以相應地控 制所述電網電源電平。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，將所述電源電網的增益定義為每電 功率單位MW或者MVAr注入到所述電源電網中的電壓變化Δ V0
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述公共耦合點沿著連接所述電功 率源和所述電源電網的傳輸線設置。
8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，確定所述短路阻抗的所述步驟涉及 在所述公共耦合點處電壓電平和電流水平的測量。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所測量的電壓電平和電流水平是相關聯的電壓 電平和電流水平。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述電功率源包括能夠生成電功率 的一個或者多個風力渦輪機。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述電功率源包括STATC0M。
12.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述電功率源包括有功功率源，并 且其中注入到所述電源電網中以控制所述電網電壓電平的所述電功率包括有功功率。
13.根據權利要求1-11中任一項所述的方法，其中，所述電功率源包括無功功率源，并 且其中注入到所述電源電網中以控制所述電網電壓電平的所述電功率包括無功功率。
14.一種用于確定電壓控制器的過程增益的方法，所述電壓控制器用于控制可操作地 連接到電功率源的電源電網的電壓電平，所述方法包括以下步驟在公共耦合點處確定所 述電源電網的短路阻抗，使用所確定的短路阻抗計算所述電源電網的增益值，并且應用所 述增益值作為所述電壓控制器的所述過程增益。2
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述公共耦合點沿著連接所述電功率源和所 述電源電網的傳輸線設置。
16.根據權利要求14或者15所述的方法，其中，所述電功率源包括有功功率源。
17.根據權利要求14或者15所述的方法，其中，所述電功率源包括無功功率源。
18.根據權利要求14-17中任一項所述的方法，其中，確定所述短路阻抗的所述步驟涉 及所述公共耦合點處的電壓電平和電流水平的測量。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所測量的電壓電平和電流水平是相關聯的電 壓電平和電流水平。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于控制可操作地連接到電功率源的電源電網的電壓電平的方法，所述方法包括以下步驟在公共耦合點處確定所述電源電網的短路阻抗，使用所確定的短路阻抗計算所述電源電網的增益值，以及通過應用所述增益值作為電壓控制器中的增益參數來根據所計算的增益值控制所述電網電壓電平。根據本發(fā)明的所述方法可以實現為用于一勞永逸地配置電壓控制器的方法，或者可以實現為用于自適應調節(jié)電壓控制器的增益的方法。
文檔編號H02J3/18GK101911424SQ200880123111
公開日2010年12月8日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權日2007年12月28日
發(fā)明者J·貝克, P·C·凱吉爾, P·尼爾森 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司