风力涡轮机惯量控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及将功率从风电场馈送入电网的控制，并且更具体地，涉及用于风电场的惯量控制系统，其包括惯量控制器以限定和将参考值传送至构成风电场的风力涡轮机，以及提供惯量常数值，可以在风电场中的风力涡轮机中配置该值。
技术背景
[0002]风力涡轮机将风的动能转化为电，然后电被传送至风力涡轮机风电场中的变电站(substat1n)。该风力涡轮机风电场具有至少一个风电场控制器和至少一个包括转子的风力涡轮机，该转子驱动与功率转换器相互作用的发电机以产生电。风力涡轮机控制器装备有叶片浆距角控制器和产生的功率控制器、与风力涡轮机控制器相互作用的功率转换器控制器。并且调节系统基于一系列参数诸如涡轮机旋转速度或电网频率调整不同的风力涡轮机控制器。
[0003]风力涡轮机上的机舱通常容纳不同的元件和传动轴，传动轴通过发电机将机械能转化为电，发电机与功率转换器交互。风力涡轮机中的传动轴指转子、转子轴、变速箱、发电机轴和发电机之间的组件。
[0004]该风力涡轮机控制器的目的在于最大化产生的有功功率直到预设的最大功率极限，以及维持安全的运行模式以预防人身伤害和风力涡轮机损坏。该风力涡轮机控制器限定叶片桨距角、将其发送至浆距机构(pitch actuator)以移动叶片至正确的位置，并且有功功率参考值点做为用作位于转换器控制单元中的转换器控制器的参考值。
[0005]目前，将风力涡轮机连接至电网的影响(impact)是不可避免的，因此电网操作员正在不断地加强风力涡轮机-至-电网连接的条件。这些要求中的一些根据频率瞬态被限定，风力涡轮机必须能够承受这些频率瞬态而不需要从电网断开，并且甚至重新启动从而帮助系统恢复电网频率至其预先建立的标称值。
[0006]传输系统操作者尤其关心频率瞬变，其通常在断开发电机、负载或者甚至传输系统的一部分时出现，从而由于产生的有功功率和消耗的有功功率之间的不同引起电网频率突然变化超出其标称值。频率的该变化需要非常迅速的响应以预防频率超过其最大范围和激起发电机和电消费者的连锁失联(cascading disconnect1n)。
[0007]频率发生突然下降或上升(surge)时，发电机和电网具有不同的响应水平以校正电网频率。用于传统的发电机的第一种并且自然的响应是已知的惯性响应，由于轴中存储的转动能，其承担瞬态功率的传递。第二种响应来自特定的控制器，其以与电网频率相对于标称频率的偏差成比例地增加功率的产生，该响应需要大约15至16秒来制止上升/下降的频率。然而，该响应(已知的主要响应)不允许回到标称频率。第三种和第四种响应(已知的次要的或第三位的)是基于管理发电机的有功功率的产生，包括为了移动电网频率值至标称频率值，启动目前离线的发电单元。
[0008]对此，在惯性响应的情况下，利用同步电机诸如发电机的传统发电厂牢固地连接至电网，因此频率变化直接转换成涡轮机转速的成比例变化。因此同步发电机的机械惯量具有重要作用，这是因为可以将该惯量看做是旋转质量块的动能到馈送至电网的电的转化，以此帮助电网减少频率下降/上升(spike)。
[0009]可以在有功功率产生中解释动能到电的转化，即转动能与涡轮机的转动速度的平方成比例，涡轮机的转动速度与电网频率成比例。假设功率是每个时间单元的能量数量，那么由于频率的变化，可以通过数学推导将传递的功率解释为与频率变化率成负比例(negatively proport1nal)。
[0010]然而，由于电子变换器控制器将频率与发电机转速分开，因此变速风力涡轮机没有对应于电网频率变化的该“自然”响应(惯性响应)。因此风力涡轮机不会自然地降低其与频率相关的速度，并且不会通过移动转子传递能量。变速风力涡轮机不缓冲频率的下降
/上升。
[0011]考虑到风能正在成为电力系统非常重要的部分，无法提供惯性响应导致系统中惯量的减少，从而导致频率下降/上升。因此，必须采取措施预防风力涡轮机缺少惯性响应，风力涡轮机缺少惯性响应会引起由频率下降/上升产生的电网中的主要问题。
[0012]具有惯性控制的风力涡轮机对平滑频率变化是有用的，因此其用于恢复系统的频率并且预防频率的大幅下降之后负载的下降。对于风力涡轮机，通过增加有功功率，并且利用旋转叶片的惯性在几分钟内动态地和快速地将有功功率馈送入电网来实现该概念性的方法。对此，科学文献和专利已经提出了各种方法。
[0013]名称为“具有高风力发电普及率的电网的频率行为” (J.Duval，B.meyer ；2009IEEE布加勒斯特电力技术会议，6月28日-7月2日，布加勒斯特，罗马尼亚)的文章描述了将额外惯性功率增加至用于风力涡轮机控制器有功功率的转换器参考值。利用参数将该额外有功功率计算为与频率变化率成负比例，该参数可以限定其比值。然而，此后功率馈送会迅速下降。该功率馈送的下降来自两个因素:风力涡轮机转子的减速，其会引起风力涡轮机控制器有功功率参考值的下降，并且风力涡轮机控制器根据涡轮机相比于参考速度的偏差控制功率。随着风力涡轮机减速和从参考速度偏离，必须减少功率以恢复该参考速度。在电网术语中，这是馈送惯量之后的“恢复期”，并且在频率响应的范围内(insofar as frequencyresponse)其会将风力涡轮机性能的不确定性引入风电场，甚至会在惯性响应之后引起不想要的频率下降。
[0014]公开号为W02011/000531A2和名称为“用于临时过量生产的变速风力涡轮机性能”的专利(Tarnowski, G.C.，Kjar, P.C.，Sorensen, P.E.，Ostergaard, J.，功率和能源协会大会，2009，PES' 09.1EEE)描述了与前述方案类似的方案，唯一的不同在于，发送至转换器的风力涡轮机控制器的有功功率的参考值固定为预设值，该预设值用于在匹配期望的频率瞬态的持续时间的预定期间的瞬态。因此，将额外功率计算为与频率变化率成负比例，并且与相比于标称频率的频率偏差成正比例，并且被加入设定功率。在这种情况下，由于没有遵循控制器参考值，因此由于风力涡轮机减速，不会有功率下降。然而在过剩电量被馈送入电网期间，风力涡轮机减速以达到最小速度点，惯量传递停止，并且设定的功率值被释放。这会引起生产的骤降，该骤降会保持直到风力涡轮机恢复其初始速度。
[0015]公开号为W02011/1124696的专利也是基于将额外功率包括在风力涡轮机控制器的有功功率参考值中，可以正比于频率偏差和任何其他方式计算该额外功率。在这种情况下，有功功率速度没有被冻结，风力涡轮机控制器的速度不再适用，通过“旋转速度变化信号的产生考虑惯性转矩，并且该信号作为输出信号通过逻辑元件加入目标旋转速度”克服了由于风力涡轮机速度下降引起的与功率下降有关的问题。换言之，将考虑了旋转惯量的、作为计算该额外功率的结果的速度变化输入风力涡轮机控制器以改变参考速度，因此预防有功功率参考值的下降。然而，当该额外功率消失时，风力涡轮机应该返回其正常运行模式，产生随后的“恢复期”，其会在该惯性响应之后引起不想要的频率下降。
[0016]基于现有技术的现状可以得出结论:“恢复期”总是存在的，在该期间开始之前其依赖风力涡轮机的性能。因为在传递惯性响应期间，提供(support)电网并且缓冲电网频率变化，所以该“恢复期”是电网面临的挑战。因此风电场会帮助系统摆脱这种局面。然而，当恢复期间开始时，风电场的生产下降至低于该情况发生之前的值，因而，在恢复期期间，风电场可能引起电网频率下降，这必须由另一