通過基於轉換器的發電設備的功率振蕩阻尼的製作方法

2023-06-14 07:19:01 2

專利名稱：通過基於轉換器的發電設備的功率振蕩阻尼的製作方法
技術領域：
本發明涉及基於轉換器的發電設備、即包括轉換器的發電設備的領域。特別地，本發明涉及風力渦輪機設備的領域。
背景技術：
功率振蕩通常在大型互連電力系統中發生，其中，兩個或更多區域通過相對弱的交流電(AC)傳輸線被互連。這些功率振蕩也稱為區域間振蕩。振蕩是穩定還是不穩定的是系統性質。因此，確定所需的阻尼水平並不是發起振蕩的偶然性。相反，所需的阻尼水平取決於電力系統的狀態，即操作條件、控制器調諧、傳輸線、使用中的發電機等。如果電力系統的兩個區域之間的功率振蕩被激勵，則一個區域中的同步機的轉子角將開始以與另一區域中的同步機相反的相位振蕩，並且從而迫使有功功率在各區域之間來回流動。如果振蕩被充分地阻尼，則振蕩將消失，並且轉子角返回至穩態。然而，如果在電力系統中存在用於此特定振蕩的不足阻尼，則在兩個區域之間交換不斷增加的有功功率量，直至例如同步機或傳輸線安全設備的其他安全設備使單元或部件跳閘。後果可能是設備跳閘和最終系統失去電力的級聯效應。在已知電網中，大多數所需阻尼轉矩是由裝配有電力系統穩定器(PSS)的同步機輸送的。如從實踐已知的，此類穩定控制器是在構造新發電站時安裝的。還可以針對現有發電場對PSS進行改裝。已知PSS的基本概念是向激勵器的電壓基準添加輔助信號，並且從而調製同步機的激勵電壓以對功率振蕩進行阻尼。鑑於上述情況，需要一種使得能夠對電網中的功率振蕩進行阻尼的改進技術。

發明內容
可以由根據獨立權利要求的主題來滿足此需要。用從屬權利要求來描述本文公開主題的有利實施例。根據本文公開主題的第一方面，提供了一種發電設備，該發電設備包括:發電機；轉換器設備，其具有用於向電網提供電輸出功率的功率輸出端；所述轉換器設備被配置成用於從發電機接收輸入功率並響應於此而在功率輸出端處提供電輸出功率；所述轉換器設備被配置成用於響應於阻尼控制信號而調製電輸出功率，從而對電網中的功率振蕩進行阻尼。此方面是基於這樣的思想，即通過修改基於轉換器的發電設備以用於電網中的功率振蕩的阻尼，可以實現關於電網中的功率振蕩的增強阻尼特性。基於轉換器的發電設備具有優點，即能夠獨立地控制有功和無功功率，並且根據實施例，根據本文公開的主題中的控制器因此可以使用有功功率的控制和無功功率的控制兩者以獲得更好的阻尼性能。一般地，有功功率是由風力渦輪機機械系統的旋轉能量提供的，該旋轉能量又是由作用在風力渦輪機的葉片上的風力提供的。如本文所使用的轉換器設備是用於將電輸入功率轉換成電輸出功率的設備。例如，在實施例中，將轉換器配置成用於改變電輸入功率的電特性，從而生成電輸出功率。在實施例中，將轉換器配置成用於將電直流電(DC)功率轉換成電交流電(AC)功率。根據實施例，「轉換器設備被配置成用於響應於阻尼控制信號而調製電輸出功率」意指將轉換器設備配置成用於以已調製形式提供電輸出功率，其中，該調製取決於阻尼控制信號。根據實施例，該阻尼控制信號包括用於控制電輸出功率的有功分量的有功分量控制信號。因此，在實施例中，轉換器設備被配置成用於控制電輸出功率的有功分量。根據實施例，電輸出功率的有功分量是電輸出功率的有功功率。根據另一實施例，有功分量是電輸出功率的有功電流。根據另一實施例，該阻尼控制信號包括用於控制電輸出功率的無功分量的無功分量控制信號。因此，在實施例中，將轉換器設備配置成用於控制電輸出功率的無功分量。根據實施例，電輸出功率的無功分量是電輸出功率的無功功率。根據另一實施例，無功分量是電輸出功率的無功電流。如在前述段落中示例性地指示的，一般地，在本文中，可以用對相應有功電流的參考來替換對有功功率的任何參考，從而導致相應修改的實施例。同樣地，一般地，在本文中，可以用對相應無功電流的參考來替換對無功功率的任何參考，從而導致相應修改的實施例。在實施例中，將控制器配置成用於提供用於控制電功率的有功分量的控制信號以及用於控制電功率的無功分量的控制信號兩者。因此，可以將轉換器設備配置成用於控制有功和無功功率兩者。根據實施例，所述發電設備包括控制器，其被配置成用於接收指示電網中的功率振蕩的振蕩指示信號，該控制器還被配置成用於響應于振蕩指示信號而提供阻尼控制信號。根據其他實施例，控制器不是發電設備的一部分。根據本文公開主題的實施例，所述控制器包括:用於控制電輸出功率的有功分量的第一子控制器和用於控制電輸出功率的無功分量的第二子控制器。兩個並行控制器具有能夠單獨地執行對有功分量和無功分量的控制的優點，所述兩個並行控制器中的一個是為了控制電輸出功率的有功分量而提供的，並且另一個是為了控制電輸出功率的無功分量而提供的。然而，應理解的是只有在發電設備的部件的各種界限內，任何控制才是可能的。然而，根據本文公開主題的實施例的某些發電設備用例如風或太陽能的免費能源進行操作。至少在這種情況下，優選地操作發電設備，從而輸送最大可用功率。換言之，至少在這種情況下，可能期望使由用於對電網中的功率振蕩進行阻尼的阻尼功率的輸送而引起的任何損失的功率產生最小化。根據實施例，將控制器配置成用於響應于振蕩指示信號而減小將由轉換器提供的有功功率的基準值。有功功率的減小的基準值提供在不超過發電機的額定有功功率的情況下對電輸出功率進行調製的可能性。例如，如果發電機是旋轉機器，諸如其中響應于振蕩指示信號而減小有功功率的基準值的實施例，不需要改變旋轉機器的速度控制。在本文公開主題的實施例中，發電設備包括旋轉機器，該旋轉機器具有旋轉元件；並且轉換器設備被配置成用於響應於阻尼控制信號而調製電輸出功率，從而改變旋轉元件的旋轉能量。例如，在實施例中，使用旋轉元件的旋轉作為儲存器，可以從該儲存器吸取功率且可以向其提供功率。在另一實施例中，將控制器配置成用於提供阻尼控制信號，其被配置從而通過改變旋轉機器的旋轉元件的旋轉能量來驅動轉換器設備在電網與旋轉機器之間交換功率。根據另一實施例，所述控制器包括用於接收振蕩指示信號的輸入端。此外，可以提供傳感器，該傳感器被配置成用於感測電網中的功率振蕩並響應於此而提供振蕩指示信號。根據實施例，該振蕩指示信號可以是在發電設備處本地地產生的或在包括兩個或更多個發電設備的發電場的區域中產生的本地信號。在此類實施例中，振蕩傳感器本地地位於發電設備處或發電場的區域中。根據另一實施例，振蕩指示信號是從發電設備外面或從發電場外面接收到的外部信號。例如，在實施例中，振蕩傳感器位於電網(諸如外部電力網)中以便提供外部振蕩指示信號。根據另一實施例，提供了兩個或更多振蕩傳感器，其可以交替地或同時地連接到控制器。根據實施例，振蕩傳感器提供原始輸入信號，其另外例如被至少一個適當濾波器調節，以從而提供振蕩指示信號。此類(多個)濾波器可以位於發電設備中或控制器中。根據其他實施例，此類(多個)濾波器位於發電設備外部或發電場外部。根據實施例，所述發電設備是風力渦輪機設備。例如，在實施例中，所述風力渦輪機設備包括電旋轉機器形式的發電機。根據實施例，提供了一種操作具有轉換器的發電設備的方法，該方法包括從發電機接收輸入功率並響應於此而向電網提供電輸出功率；接收指示電網中的功率振蕩的振蕩指示信號；並且根據振蕩指示信號藉助於轉換器選擇性地對電輸出功率的有功分量和無功分量中的至少一個進行調製，從而對電網中的功率振蕩進行阻尼。根據本文公開主題的第二方面，提供了一種發電場，該發電場具有至少兩個發電設備。根據實施例，根據第一方面或其示例或實施例來配置發電場的至少一個發電設備。根據實施例，所述發電場還包括:控制器，其被配置成接收指示電網中的功率振蕩的振蕩指示信號，所述控制器還被配置成用於響應于振蕩指示信號而提供阻尼控制信號。因此，與關於第一方面所述的實施例形成對比，其中控制器是發電設備的一部分，在發電場的上述實施例中，控制器是發電場的一部分。然而，可以根據本文所述的任何實施例來配置控制器。此外，根據實施例，將控制器配置成用於向單個發電設備或者在另一實施例中向兩個或更多發電設備提供阻尼控制信號。根據本文公開主題的第三方面，提供了一種用於發電設備的控制器，該控制器包括:用於接收指示電網中的功率振蕩的振蕩指示信號的輸入端；用於響應于振蕩指示信號而向轉換器設備提供阻尼控制信號的輸出端；該阻尼控制信號被配置成使得驅動轉換器設備以對發電設備的電輸出功率進行調製並從而對功率振蕩和電網進行阻尼。根據第三方面的實施例，如關於第一方面或其示例所述地配置控制器。根據實施例，使控制器與單個發電設備相關聯。根據另一實施例，使控制器與至少兩個發電設備相關聯。在兩個實施例、第一和第二實施例中，控制器可以是發電場的一部分。此外，控制器還可以是發電設備的一部分，在兩個實施例中也一樣。根據第四方面，提供了一種操作被配置成用於向電網提供電輸出功率的轉換器設備的控制器的方法，該方法包括:接收指示電網中的功率振蕩的振蕩指示信號；響應於該振蕩指示信號而向轉換器設備提供阻尼控制信號；該阻尼控制信號被配置成使得驅動轉換器設備以對轉換器設備的電輸出功率進行調製並從而對電網中的功率振蕩進行阻尼。
根據實施例，該方法還包括響應于振蕩指示信號而減小將由轉換器提供的有功功率的基準值。根據另一實施例，提供阻尼控制信號，從而通過改變旋轉機器的旋轉元件的旋轉能量來驅動轉換器設備在電網與發電設備的旋轉機器之間交換功率。根據第四方面的其他實施例，執行如關於第一方面公開的功能。然而，應理解的是根據第四方面的實施例，此類功能不限於與相對於第一方面已公開的功能相結合的設備特徵。根據本公開主題的第五方面，提供了一種用於處理物理對象、即振蕩指示信號的電腦程式，該電腦程式在被數據處理器設備執行時適合於控制根據第四方面或其實施例或示例的方法。根據說明性實施例，所述發電設備是風力設備。下面，描述了相對於風力系統的示例性方面和實施例。應注意的是雖然對風力系統或風力渦輪機設備進行參考，但相應功能和設備特徵也可應用於其他發電設備。根據本文公開主題的方面，提供了一種風力設備，該風力設備被布置成用於電網中的功率振蕩的阻尼，該風力設備包括:風力渦輪機發電機，其可操作用於至少部分地經由轉換器將源自於風力的電輸出功率供應到電力網；測量設備，其被配置成用於功率振蕩的測量，例如連續測量，其中，所述功率振蕩是連接到電力網的兩個或更多發電同步機之間的功率交換的結果；以及控制器，其在後文中稱為阻尼控制器，其被連接到測量設備並布置成對風力渦輪機發電機的輸出功率進行調製(例如，根據實施例，有功和/或無功功率)，其中，響應於所測量的電力系統振蕩而調製輸出功率以便對功率振蕩進行阻尼。根據實施例，將控制器集成到轉換器中。根據另一實施例，所述風力渦輪機場包括多個風力渦輪機設備，例如被布置在風場(有時也稱為風力場)中，其中，阻尼控制器被布置成計算輔助阻尼信號並將輔助阻尼信號發射到各個風力渦輪機設備中的每一個的個體設備控制器；並且其中，控制器被布置成響應於輔助阻尼信號而控制風力渦輪機發電機的輸出功率。根據實施例，所述阻尼控制器被配置成用於增加和/或減小風力渦輪機發電機的旋轉速度以便利用存儲在機械系統中的旋轉能量對電力系統振蕩進行阻尼。根據另一實施例，阻尼控制器包括兩個並行控制器，其中的第一控制器被配置成計算有功功率調製信號且第二控制器被配置成計算無功功率調製信號以用於有功和無功功率的獨立和並行阻尼控制。根據另一實施例，測量設備是旋轉傳感器(例如RPM傳感器)、電流檢測器、電壓檢測器、頻率檢測器、有功功率檢測器、無功功率檢測器等中的一個。根據另一實施例，風場包括位於電網(例如電力網)中的多個測量設備。根據另一實施例，測量設備接近於各發電同步機中的一個定位和/或在風場的公共連接點處定位。根據另一實施例，測量設備和阻尼控制器被相互連接，例如通過高速通信鏈路。根據另一實施例，風力渦輪機是可變速風力渦輪機，其包括經由轉換器連接到電網的同步或異步發電機。根據實施例，轉換器是全標度轉換器。全標度轉換器設置不要求同步發電機。根據另一實施例，風力渦輪機設備是可變速風力渦輪機設備，其包括經由部分轉換器解決方案連接到電網的雙饋感應發電機(DFIG)。例如，在實施例中，雙饋感應發電機的輸出功率的第一部分被直接提供給電網，並且雙饋感應發電機的輸出功率的第二部分被經由轉換器提供給電網。這允許使用雙饋感應發電機，同時仍允許實現本文公開主題的方面和實施例和示例。根據實施例，一種對包括至少一個風力渦輪機設備的電力系統中的功率振蕩進行阻尼的方法包括:確定電力系統中的功率振蕩；以電力系統中的功率振蕩被主動阻尼的這種方式根據電網中的所確定的功率振蕩(即在一個實施例中根據振蕩指示信號)來控制和/或改變至少一個風力渦輪機設備的輸出功率。根據實施例，一種用於對功率振蕩進行阻尼的方法包括:通過使用濾波、相位補償、縮放的操作中的至少一個基於電網中的所確定的功率振蕩來計算輔助阻尼信號。根據另一實施例，用於對功率振蕩進行阻尼的方法包括向基準信號添加輔助阻尼信號，該基準信號被風力渦輪機設備的控制器使用以便控制風力渦輪機設備的輸出功率。根據另一實施例，基準信號是轉子速度基準、發電機速度基準、功率基準、電壓基準、電流基準、有功功率基準、無功功率基準、轉矩基準中的一個。根據實施例，所述控制器被配置成用於在風力渦輪機設備的空載條件下對功率振蕩進行阻尼。根據實施例，用於對功率振蕩進行阻尼的方法包括:確定電力系統中的功率振蕩；以及根據所確定的功率振蕩使用轉換器(在一個實施例中例如電力網逆變器)來控制和調製風力渦輪機設備的無功輸出功率，使得當風力渦輪機設備不會產生有功功率和向電網輸送有功功率時,主動地對功率振蕩進行阻尼。如本文所使用的對電腦程式的參考意圖等價於對包含用於控制計算機系統以協調上述方法的執行的指令的程序元件和/或計算機可讀介質的參考。可以通過使用諸如例如JAVA、C++的任何適當程式語言將電腦程式實現為計算機可讀指令代碼，並且可以將其存儲在計算機可讀介質(可移動盤、易失性或非易失性存儲器、嵌入式存儲器/處理器等)上。指令代碼可操作用於對計算機或任何其他可編程設備進行編程以執行預期的功能。電腦程式可以可從網絡(諸如全球資訊網)獲得，所述電腦程式可以從該網絡下載。可以藉助於電腦程式相應的軟體來實現本文公開主題的實施例。然而，還可以藉助於一個或多個特定電子電路相應的硬體來實現本文公開主題的實施例。此外，還可以以混合形式(即以軟體模塊和硬體模塊的組合)來實現本文公開主題的實施例。在上文中已描述且在下文中將參考本公開主題的示例性實施例來描述發電設備、發電場、發電設備的控制器、操作發電設備的方法、風力設備和對功率振蕩進行阻尼的方法。必須指出的是當然還可能有關於本文公開主題的不同方面的特徵的任何組合。特別地，已參考設備類型權利要求描述了某些實施例，而且已參考方法類型權利要求描述了其他實施例。然而，本領域的技術人員將從以上和以下描述將得出結論，除非被另外通知，除屬於一個方面的特徵的任何組合之外，還將關於不同方面或實施例的特徵之間、例如甚至方法類型權利要求的特徵與設備類型權利要求的特徵之間的任何組合也被視為與本申請一起公開。根據下面將描述的示例，本發明的上文定義的方面和實施例及其他方面和實施例是顯而易見的，並參考附圖來解釋，但本發明不限於此。


圖1示出了根據本文公開主題的實施例的發電場100。圖2示出了根據本文公開主題的實施例的發電設備。圖3示出了根據本文公開主題的實施例的另一風場200。圖4更詳細地示出了圖1和圖2的控制器122。圖5更詳細地示出了圖4的子控制器162。圖6示出了根據本文公開主題的實施例的用於風力渦輪機設備的阻尼操作的每單位(PU)有功功率APd。圖7示出了用於圖6中所示的阻尼操作的每單位(pu)XlO—3發電機的旋轉元件的旋轉速度Δ Co-圖8示出了實施例，其中，由於由風力渦輪機設備提供的電輸出功率的調製，風力渦輪機設備的機械系統的旋轉速度未改變。
具體實施例方式圖中的圖示是示意性的。應注意的是在不同的圖中，為類似或相同的元件提供相同的參考標號或僅在第一數字或附加字符內與相應參考標號不同的參考標號。圖1示出了根據本文公開主題的實施例的發電場100。發電場100包括至少兩個、例如η個發電設備102a、102b、102c...102η。發電設備102a — 102η中的至少一個是根據本文公開主題的實施例配置的。例如，在實施例中，所有發電設備102a — 102η都是根據本文公開主題的實施例配置的。根據實施例，圖1中的發電場100是風場，並且發電設備102a — 102η是風力渦輪機設備。每個風力渦輪機設備102a — 102η包括發電機104，其從風力渦輪機葉片(圖1中未示出)接收機械能並響應於所接收到的機械能而產生電能。電能然後被作為輸入功率饋送至轉換器設備106。為此，可以將發電機104電耦合到轉換器設備106。轉換器設備106響應於從發電機104接收到的輸入功率而提供將被提供給風場100的功率輸出108的電輸出功率150。電輸出功率150被風力渦輪機設備102a — 102η的設備變壓器114變換。在實施例中，轉換器設備106被經由耦合路徑110電耦合到風場100的功率輸出端108。根據實施例，風場的功率輸出端108是風場的公共連接點。根據另一實施例，在輸出功率被饋送到功率輸出端108之前改變由轉換器設備106提供的輸出功率150的電氣特性。例如，根據實施例，在將轉換器設備106的輸出端112耦合到功率輸出端108的電耦合路徑110中，提供一個或多個變壓器。例如，根據圖1中所示的實施例，設備變壓器114被電耦合在轉換器設備106的輸出端112與匯流排116之間，該匯流排116又被耦合到場變壓器118。場變壓器被耦合到風場100的功率輸出端108。作為匯流排116的替代，可以使用任何其他適當的功率連接布置。根據實施例，設備變壓器114是風力渦輪機設備的一部分。在其他實施例中，設備變壓器與風力渦輪機設備分離。應提到的是在電耦合路徑中可以包括其他元件，並且術語「電耦合」不排除耦合實體之間的中間實體。例如，在實施例中，電耦合路徑110包括斷路器(未示出)。根據實施例，由一般地在圖1中的120處指示的接口來實現轉換器設備106與匯流排116之間的電耦合。根據實施例，接口 120是電線。根據實施例，風場100包括控制器122，控制器122具有用於接收指示電網(例如外部電力網128)中的功率振蕩的振蕩指不信號126的輸入端124。控制器還包括用於向風場中的轉換器設備106中的至少一個、例如向如圖1中所示的風場的所有轉換器設備提供阻尼控制信號132的輸出端130。阻尼控制信號132是響應于振蕩指示信號126而提供的。此外，阻尼控制信號132被配置成使得驅動轉換器設備106以對發電設備的電輸出功率進行調製並從而對電網128中的功率振蕩進行阻尼。轉換器設備106被配置成響應於阻尼控制信號132對電輸出功率進行調製，從而對電網128中的功率振蕩進行阻尼。根據實施例，提供了測量設備134，該測量設備134被配置成用於提供振蕩指示信號126或其前兆信號。在圖1中，將同一阻尼控制信號提供給風力渦輪機設備中的每一個。根據圖1中未示出的其他實施例，控制器122向每個風力渦輪機設備提供單獨阻尼控制信號。圖2示出了根據本文公開主題的實施例的發電設備102。特別地，圖2更詳細地示出了圖1的風力渦輪機設備102a的一部分。應理解的是在實施例中，其他風力渦輪機設備102b—102η中的一個或多個與風力渦輪機設備102a類似或相同地被配置。風力渦輪機設備102a包括轉子136，其被機械地耦合或可耦合到發電機104，例如,藉助於軸138或齒輪單元(未示出)。根據實施例,發電設備104包括具有旋轉元件140的旋轉機器、例如由具有旋轉元件140的旋轉機器組成。軸138被稱合或可稱合到旋轉元件140以便使旋轉元件140旋轉，並從而允許發電設備104在其輸出端144處產生電功率142。根據實施例，轉換器設備106具有用於從發電機104接收電功率142的輸入端146。此外，轉換器設備106包括用於提供電輸出功率150的輸出端112。根據實施例，轉換器設備106包括設備控制器152，其接收阻尼控制信號132並響應於此來控制轉換器設備106的元件，例如半導體元件。根據實施例，還針對發電機104的控制來配置設備控制器152。雖然設備控制器152被示為包括在圖2中的轉換器設備106中，但應注意的是這僅僅是示例性的，並且在其他實施例中，設備控制器152是單獨控制器，同時仍提供如本文公開的功能。因此，無論設備控制器152在空間上位於哪裡，可以將其視為在功能上被包括在轉換器設備106中和/或與轉換器設備106相關聯。然而，這不排除設備控制器152控制風力渦輪機設備的其他元件。相反，在實施例中，設備控制器152還控制旋轉元件140的速度基準，如稍後相對於圖6和圖7所述的。根據圖1中所示的實施例，控制器122 (其還可以稱為阻尼控制器)是風場的一部分，並且為風場的至少一個風力渦輪機提供阻尼控制信號。在另一實施例中，阻尼控制器122被包括在單個風力渦輪機設備中。例如，在實施例中，阻尼控制器122的功能被包括在設備控制器152中。圖3示出了根據本文公開主題的實施例的風場200。風場200類似於圖1的風場100，除了振蕩指示信號126是從電網128接收到的外部振蕩指示信號之外。風場200的其他部件是與圖1中的風場100的相應部件類似或相同地配置的，並且省略了其重複描述。根據另一實施例(未示出)，提供了兩個或更多測量設備(被配置為例如測量設備134)。在實施例中，提供了用於將測量設備134中的一個選擇性地切換到控制器122的輸入端124的開關。根據實施例，至少一個測量設備位於風場中，如圖1中所示，而至少一個其他測量設備位於電網128中。圖4更詳細地示出了圖1和圖2的控制器122。根據實施例，控制器122包括用於接收振蕩指示信號126的輸入端124。振蕩指示信號被提供給輸入調節單元154，其具有用於接收振蕩指示信號126的輸入端156和用於提供已調節振蕩指示信號158的輸出端157。根據實施例，輸入調節單元154包括用於在控制器122的輸出端130處、例如向控制器122的標誌端子161提供振蕩標誌160的標誌輸出端159。根據實施例，振蕩標誌160被提供以便向發電設備102a、102b、102c、...、102n指示在電網中是否存在功率振蕩。根據實施例，控制器122包括第一子控制器162和第二子控制器164，其中，第一子控制器162被配置成用於控制電輸出功率的有功分量，並且第二子控制器164被配置成用於控制電輸出功率的無功分量。根據實施例，第一子控制器162包括用於有功功率的穩定化的濾波器和/或限制器。根據另一實施例，第二子控制器164包括用於無功功率的穩定化的濾波器和/或限制器。根據阻尼設備的物理位置，即在臨界振蕩方面的電位置，可以用有功和無功功率調製的組合來獲得最佳阻尼性能。風場具有有功和無功功率的獨立控制的優點，並且風場上的振蕩阻尼控制器因此可以將兩者用於獲得更好的阻尼性能。根據實施例，使用總控制器122來對有功和無功功率調製之間的穩定化動作進行加權。控制器122可以在風場級上或風力渦輪機級上。如果控制器122在風場級上，則其向風力渦輪機分配用於有功和無功功率的基準信號，如圖1和圖3中所示。在風力渦輪機級上，控制器僅向與控制器相關聯的風力渦輪機設備提供用於有功和無功功率的基準信號。根據本文公開主題的實施例，由第一子控制器162和第二子控制器164施加的限制是固定地預定義的。根據另一實施例，基於風力渦輪機的操作來動態地計算限制。根據其他實施例，限制是可變的，並且可以例如由限制單元166來設置。根據實施例，限制單元166向第一子控制器162提供至少一個第一限制167並向第二子控制器164提供至少一個第二限制168。應理解的是所示的第一限制167和第二限制168僅僅是示例性的，並且可以由限制單元166針對每個子控制器162、164來設置兩個或更多限制。響應於至少一個限制167和已調節振蕩指示信號158，第一子控制器提供指示用於電輸出功率的調製的設定點的第一響應信號170,該調製適合於對由電網128中的振蕩指示信號126指示的功率振蕩進行阻尼。根據圖4中所示的實施例，第一響應信號170提供用於有功功率的調製設定點。同樣地，由第二子控制器164來提供指示用於無功功率的調製設定點的相應第二響應信號171。在實施例中，第一和第二子控制器162、164的響應信號170、171對應於阻尼控制信號132 (或被包括在其中)。在其他實施例中，由第一子控制器162和第二子控制器164產生的響應信號170、171被進一步處理以獲得阻尼控制信號132。在這方面，應提到的是一般地，在本文中，阻尼控制信號132不一定是單個信號，而是在實施例中可以包括在並行地提供的兩個或更多信號中。根據實施例，子控制器162、164的響應信號170和171被加權單元172接收到，其對有功功率響應信號170和無功功率響應信號171中的每一個執行加權功能。加權功能的結果是用於有功功率(P)的已加權響應信號174和用於無功功率(Q)的已加權響應信號175。例如，在實施例中，用於有功功率P的加權功能將用於無功功率Q的響應信號171考慮在內。同樣地，在相應的實施例中，用於有功功率Q的加權功能將有功功率P的響應信號170考慮在內。加權功能是在不修改控制環路162、164的情況下在有功和無功阻尼功率之間轉換的方便方式。還關於總阻尼貢獻(P和Q兩者)完成此操作，其涉及轉換器中的總電流。因此，如果阻尼功率的產生導致最大容許電流，則加權功能(加權單元172)允許選擇有功和無功功率之間的加權。根據實施例，分別用於有功功率P和無功功率Q的加權響應函數174、175被用作阻尼控制信號132。根據另一實施例，有功和無功功率P、Q的已加權響應信號174、175被進一步修改以產生阻尼控制信號132。例如，在實施例中，提供了監視控制單元176，其提供關於有功功率P和無功功率Q的其他控制信號。可以將該其他控制信號與第一和第二子控制器162、164的響應信號170、171或與相應的已修改響應信號174、175合併。例如，在實施例中，提供了第一加和點177，其接收用於有功功率P的已修改響應信號174和用於有功功率P的另一控制信號178作為輸入，所述另一控制信號178是由監視控制單元176提供的。響應於接收到的輸入信號174、178，第一加和點177提供用於有功功率P的阻尼控制信號132a。因此，監視控制單元176提供用於無功功率Q的另一控制信號179。提供了用於接收用於無功功率的另一控制信號179以及用於無功功率的已修改響應信號175的第二加和點180，並且響應於此而提供用於無功功率Q的阻尼控制信號132b。可以在相應的端子181a、181b、161處提供阻尼控制信號132a、132b以及振蕩標誌160，端子形成控制器122的輸出端130。考慮控制器122的總體操作，根據實施例，輸入信號126可以是來自風力場100、200的本地信號，或者可以從遠程位置、例如從具有各自通信鏈路(例如高速通信鏈路)的電網128輸送。輸入信號126可以例如指示:總線頻率、線電流、線功率等中的至少一個。根據實施例，遠程輸入信號126可以包括以下各項中的一個或多個:發電機速度、互連器上的有功功率等。輸入信號126首先通過調節單元154，其設計取決於輸入信號。調節單元154從輸入信號去除測量噪聲並提取功率振蕩。使用兩個並行子控制器162、164來獨立地確定有功和無功功率調製。有功和無功功率的單獨控制具有優點，即當然可以在風力渦輪機的部件的各種界限內獨立地計算這些信號。在可選加權和/或組合操作之後，將信號作為阻尼控制信號提供給各個風力渦輪機設備，其被配置成用於接收此類阻尼控制信號並相應地控制其轉換器。圖5更詳細地示出了圖4的第一子控制器162。應理解的是在實施例中，可以相應地配置圖4中的第二子控制器164。根據實施例，子控制器162具有用於接收已調節振蕩指示信號158的輸入端182。已調節振蕩指示信號158被放大器183接收，該放大器183響應於此而提供已放大振蕩指示信號184。已放大振蕩指示信號184被摒棄電路185接收，該摒棄電路185響應於此而提供預調節振蕩指示信號186。在實施例中，將摒棄濾波器配置成去除可能存在於輸入信號中的任何DC (穩態)分量。阻尼控制器應僅對振蕩進行響應，因此，在本實施例中，將所有DC分量從輸入信號去除。在一個實施例中，預調節振蕩指示信號186被包括至少一個相位補償濾波器的相位補償濾波級187接收到。在實施例中，相位補償濾波器是超前/滯後濾波器。在實施例中，將相位補償濾波器配置成保證輸入信號(即振蕩指示信號158)與輸出信號188之間的相位差使得結果得到的ΛΡ和/或AQ增加振蕩的阻尼。提供了另一濾波器189，該另一濾波器189將指示要被提供的阻尼功率的輸出信號188保持在上限up和下限1內。該上限和下限是由相應的界限設定點信號190、191設置的，該相應的界限設定點信號190、191是從限制信號167提取的。另一濾波器189響應於界限設定點信號190、191和輸出信號188而提供已經關於圖4所討論的響應信號170。可以在調節單元162的輸出端子192處提供此響應信號170。為了接收輸入信號(即在一個實施例中已調節振蕩指示信號158和限制信號167)，可以提供相應的輸入端子193、194。現在再次考慮圖4，由相應的阻尼控制信號132a、132b提供的由於阻尼動作而引起的功率設定點的變化△ F和AQ在實施例中被傳輸到各個風力渦輪機的設備控制器152(參見圖2)，其相應地調節有功和無功功率輸出。在一個實施例中，直接從網絡側轉換器處理來自無功功率調製的阻尼轉矩/阻尼功率AQ。此網絡側轉換器在圖1和圖2中的106處指示。應注意的是根據本文公開主題的實施例，風力渦輪機設備還可以包括其他轉換器，其被耦合在發電機104與網絡側轉換器106之間的功率路徑中。在其他實施例中，省略了此類其他轉換器。應理解的是有功功率P和無功功率Q的調節服從於轉換器的有功功率P和無功功率Q的功率能力及其當前工作點。一般地，優選地不操作風力渦輪機，使得能夠輸送附加有功功率，因為縮減的產量是不期望的，這由於風力渦輪機的燃料、即風是免費的。然而，由轉換器設備106根據有功功率調製輸送阻尼轉矩/阻尼功率僅與電力系統被從其穩態擾亂時的有功功率的輸送相關聯。在穩態下，在未發生電網中的功率振蕩的情況下，由於阻尼控制器122的操作而不輸送附加有功功率。在簡單實施例中，事實上這是通過以縮減的功率產生來操作風力渦輪機設備或風力場並從而使預定量的有功功率可用於控制器122而實現的。然而，如`上所述，這可能是不期望的。因此，在另一實施例中，由設備控制器152來改變發電機104的機械系統的旋轉速度基準，以便從控制動作、即從轉換器設備106的電輸出功率的調製提取或沉積能量。因此，在本實施例中，控制器122利用存儲在發電機104的機械系統中的旋轉能量，特別是存儲在旋轉元件140的旋轉中的能量，以作為能夠與其交換阻尼功率的儲存器。電輸出功率的調製的振蕩性質意指已調製有功功率的淨能量將是低的或者甚至負的。當要求正有功功率時，從旋轉系統、例如從旋轉元件140吸取能量，而機械系統、例如旋轉元件140的旋轉速度在其中注入負阻尼功率的半循環中增加。圖6示出了根據本文公開主題的實施例的用於風力渦輪機設備的典型阻尼操作的每單位(PU)有功功率APd。如可以看到的，有功功率的阻尼振蕩具有每單位約0.1的振幅，即風力渦輪機設備的額定有功功率的約10%。如在圖6中還可以看到的，振幅隨時間推移而減小，意味著電網中的功率振蕩減小，並且因此用於對功率振蕩進行阻尼的電輸出功率的調製在振幅方面也減小。圖7示出了每單位(pu) X 10 —3的發電機的旋轉元件140的旋轉速度Λ (^。如可以看到的，根據實施例，旋轉速度處於額定速度且偏差為O。在發起電輸出功率的調製時，減小風力渦輪機設備的旋轉元件140和因此的轉子136 (參見圖2)的旋轉速度，以便允許向轉換器設備106饋送兩個旋轉狀態之間的附加功率並因此在功率輸出端108處輸出，以便提供圖6中所示的有功功率調製。根據圖6中的有功功率調製APd的減小振幅，如圖7中所示，旋轉速度差的振幅也隨時間而減小。此外，實際旋轉速度與額定旋轉速度之間的旋轉速度的差趨向於隨時間而消失，達到與電網中的功率振蕩消失的相同程度。在實施例中，由風力渦輪機控制來控制實際旋轉速度。圖7中的速度偏差將減小至穩態值,其表示從轉子提取的能量的淨量。並且，用控制來去除與標稱速度的此穩態偏差。圖8示出了實施例，其中，由於由風力渦輪機設備提供的電輸出功率的調製，風力渦輪機設備的機械系統的旋轉速度、即轉子136和旋轉元件140的旋轉速度未改變。然而，為了允許電輸出功率的調製，在不例性實施例中，在檢測到電網中的功率振湯(從額定有功功率(I pu，在圖8中的195處指示)到大約0.92)時，減小在圖8中的196處所指示的用於有功功率的基準值(即設定點)。圖8中的有功功率基準196的此減小是在響應的初始階段中、即在有功功率調製的初始階段中完成的。在圖8中的197處指示了在功率輸出端108處提供的結果得到的(已調製)輸出功率。也就是說，在此初始階段中，在示例性實施例中多達約2秒，主要輸送負的響應。如從圖8可以看到的，由此方法輸送的初始阻尼轉矩/阻尼功率將較少，因為在初始狀態下僅利用負的響應。然而，在2秒之後，在相應實施例中，在197處所指示的輸出功率的調製可用於正以及負半循環。再次地，如在圖6中已討論的，在圖8中的197處所指示的輸出功率的調製的振幅隨時間推移而減小，因為電網中的功率振蕩也減小。在圖8中，對有功功率以及實際上輸出的有功功率197的基準196是以每單位(pu)來給定的。風力渦輪機設備的額定功率具有每單位(Pu) I的值。根據本發明的實施例，以相應電腦程式產品的形式提供了風力渦輪機設備或風場的任何適當部件，例如控制器122或設備控制器152，該電腦程式產品使得處理器設備能夠提供如本文公開的相應元件的功能。根據其他實施例，可以用硬體來提供風力渦輪機設備或風場的任何部件，例如控制器122或設備控制器152。根據其他混合實施例，可以用軟體來提供某些部件，同時用硬體提供其他部件。此外，應注意的是可以針對本文公開的每個功能提供單獨部件(例如，模塊)。根據其他實施例，將至少一個部件(例如模塊)配置成用於提供如本文公開的兩個或更多功能。應注意的是術語「包括」不排除其他元件或步驟且「一」或「一個」不排除多個。並且，可以將與不同實施例相關聯地描述的元件組合。還應注意的是不應將權利要求中的參考標號理解為限制權利要求的範圍。為了概括本發明的上述實施例，任何人可以陳述:
提供了包括用於向電網提供電輸出功率的功率輸出端的發電場。發電設備包括被配置成用於從發電機接收輸入功率並響應於此而向功率輸出端提供電輸出功率的轉換器設備。發電場還包括被配置成用於接收指示電網中的功率振蕩的振蕩指示信號的控制器，該控制器還被配置成用於響應于振蕩指示信號而提供阻尼控制信號；所述轉換器設備被配置成用於響應於阻尼控制信號對電輸出功率進行調製，從而對電網中的功率振蕩進行阻尼。在實施例中，獨立地調製有功功率和無功功率。根據另一實施例，控制器是發電設備的一部分。參考標號列表
100，200 發電場(例如風場)102a,...102n發電設備(例如風力渦輪機設備)
104發電機
106轉換器設備
108功率輸出端
110耦合路徑
112106的輸出端
114設備變壓器
116匯流排
118場變壓器
120接口
122控制器
124122的輸入端
126振蕩指示信號
128電網(例如外部電力網)
130122的輸出端
132阻尼控制信號
134測量設備
136轉子
138軸
140旋轉元件
142電功率
144104的輸出端
146106的輸入端
112106的輸出端
150電輸出功率
152設備控制器
154輸入調節單元
156154的輸入端
157154的輸出端
158已調節振蕩指示信號
159標誌輸出端
160振蕩標誌
161標誌端子
162第一子控制器164第二子控制器
166限制單元
167第一限制
168第二限制
170第一響應信號171第二響應信號
172加權單元
174用於有功功率(P)的已加權響應信號
175用於無功功率(Q)的已加權響應信號
176監視控制單元
177第一加和點
178另一控制信號
179另一控制信號
180第二加和點
181a用於有功功率的響應信號的端子181b用於無功功率的響應信號的端子
182162的輸入端
183放大器
184已放大振蕩指示信號
185摒棄電路
186預調節振蕩指示信號
187相位補償濾波級
188187的輸出信號，指示要被提供的阻尼功率
189另一濾波器
190，191設定點信號
192輸出端子
193，194189的輸入端子
195轉換器設備106的額定有功功率
196用於有功功率的設定點
197在功率輸出端108處提供的已調製輸出功率。
權利要求
1.發電設備，包括: 一發電機(104)； 一轉換器設備(106)，其具有用於向電網(128)提供電輸出功率(150)的功率輸出端(112)； 一所述轉換器設備被配置成用於從發電機(104)接收輸入功率(142)並響應於此而在功率輸出端(128)處提供電輸出功率(150)； 一所述轉換器設備(106)被配置成用於響應於阻尼控制信號(132)對電輸出功率(150)進行調製，從而對電網(128)中的功率振蕩進行阻尼。
2.根據權利要求1所述的發電設備，其中 一所述阻尼控制信號(132)包括用於控制電輸出功率的有功分量的控制信號(132a)。
3.根據權利要求1或2所述的發電設備，其中 一所述阻尼控制信號(132)包括用於控制電輸出功率的無功分量的控制信號(132b)。
4.根據前述權利要求中的一項的發電設備， 一其中，所述發電設備包括旋轉機器(104)，該旋轉機器具有旋轉元件(140 );以及 一所述轉換器設備(106)響應於阻尼控制信號(132)對電輸出功率進行調製，從而改變旋轉元件(140)的旋轉能量。
5.根據前述權利要求中的一項所述的發電設備，其中，所述發電設備(120a.....120η)是風力渦輪機設備。
6.根據前述權利要求中的一項的發電設備，還包括: 一控制器(122)，其被配置成用於接收指示電網(128)中的功率振蕩的振蕩指示信號(126)，所述控制器(122)還被配置成用於響應于振蕩指示信號(126)而提供阻尼控制信號(132)。
7.發電場，其具有至少兩個發電設備，其中的至少一個發電設備(102a、...102η)是根據權利要求1至6中的一個配置的。
8.發電場，其具有至少兩個發電設備，其中的至少一個發電設備(102a、...102η)是根據權利要求1至5中的一項配置的，該發電場還包括: 一控制器(122)，其被配置成用於接收指示電網(128)中的功率振蕩的振蕩指示信號(126)，所述控制器(122)還被配置成用於響應于振蕩指示信號(126)而提供阻尼控制信號(132)。
9.發電設備(102a、...102η)的控制器(122)，該控制器包括: 一輸入端(124)，其用於接收指示電網中的功率振蕩的振蕩指示信號(126); 一輸出端(130)，其用於響應于振蕩指示信號(126)而向轉換器設備提供阻尼控制信號(132)； 一所述阻尼控制信號(132)被配置成使得驅動轉換器設備以對發電設備(102a、...102η)的電輸出功率進行調製並從而對電網中的功率振蕩進行阻尼。
10.根據權利要求9所述的控制器，其中，所述控制器包括: 一第一子控制器(1 62),其用於控制電輸出功率的有功分量；以及 一第二子控制器(164)，其用於控制電輸出功率的無功分量。
11.根據權利要求9或10中的一項所述的控制器，所述控制器(122)被配置成用於響應于振蕩指示信號而減小將由轉換器(106)提供的有功功率的基準值(196)。
12.操作被配置成用於向電網提供電輸出功率的轉換器設備(106)的控制器的方法，該方法包括: 一接收指示電網(128)中的功率振蕩的振蕩指示信號(126)； 一響應于振蕩指示信號(126)而向轉換器設備(106)提供阻尼控制信號(132);以及 一所述阻尼控制信號(132)被配置成使得驅動轉換器設備(106)以對轉換器設備(106)的電輸出功率進行調製並從而對電網(128)中的功率振蕩進行阻尼。
13.根據權利要求12所述的方法，還包括: 一響應于振蕩指示信號(126)而減小將由轉換器(106)提供的有功功率的基準值(196)。
14.根據權利要求12或13所述的方法，所述阻尼控制信號(132)被配置成使得通過改變旋轉機器(104)的旋轉元件(140)的旋轉能量來驅動轉換器設備(106)以在電網(128)與發電設備(102a、 ...102η)的旋轉機器(104)之間交換功率。
15.一種用於處理物理對象、即振蕩指示信號的電腦程式，該電腦程式被適配成在被數據處理器設備執行時控制如權利要求12至14中的任一項所述的方法。
全文摘要
提供了一種包括用於向電網(128)提供電輸出功率(150)的功率輸出端(108)的發電場(100)。一種發電設備(102a、...102n)包括被配置成用於從發電機(104)接收輸入功率(142)並響應於此而向功率輸出端(112)提供電輸出功率(150)的轉換器設備(106)。發電場(100)還包括控制器(122)，其被配置成用於接收指示電網(108)中的功率振蕩的振蕩指示信號(126)，該控制器(122)還被配置成用於響應于振蕩指示信號(126)而提供阻尼控制信號(132)；該轉換器設備(106)被配置成用於響應於阻尼控制信號(132)對電輸出功率(150)進行調製，從而對電網(128)中的功率振蕩進行阻尼。
文檔編號F03D7/04GK103119818SQ201180046855
公開日2013年5月22日 申請日期2011年1月19日 優先權日2010年9月28日
發明者B.安德烈森, M.N.弗裡登斯貝格, T.克呂佩爾 申請人:西門子公司