专利名称：确定与电网相关联的参数值的系统、方法和制品的制作方法
背景技术：
风力发电厂利用多个风力涡轮机来发电。风力发电厂通常在互连点处电耦合至电网。
控制系统被用来控制来自风力发电厂的电输出以满足公用事业公司的电网互连点处公用事业的需要。然而，与传统的控制系统相关联的公知问题是控制系统不能确定不可直接测得的电网参数值，如电网电阻值、电网电抗值和假定无限大容量母线尺寸的电网电压值。
本发明人在这里已经认识到对改进的控制系统和用于可确定与电网相关联的参数值的方法。
发明内容
提供了依照示范实施例的、用于确定与电网相关联的参数值的方法。电网具有互连点，在此处电网电耦合至电源。该方法包括测量电网的互连点处的有效功率以获得多个有效功率值。该方法还包括测量电网的互连点处的无效功率以获得多个无效功率值。该方法还包括测量电网的互连点处的电压以获得多个电压值。该方法还包括利用多个有效功率值、多个无效功率值和多个电压值以及数学估计技术估计与电网相关联的至少一个参数值。
提供了一种依照另一个示范实施例的、用于确定与电网相关联的参数值的系统。电网具有互连点，在此处电网电耦合至电源。该系统包括包括测量装置，其被配置成测量电网的互连点处的有效功率以获得多个有效功率值。该测量装置还被配置成测量电网的互连点处的无效功率以获得多个无效功率值。该测量装置还被配置成测量电网的互连点处的电压以获得多个电压值。该系统还包括控制器，其可操作与测量装置通信。该控制器被配置成利用多个有效功率值、多个无效功率值和多个电压值以及数学估计技术估计与电网相关联的至少一个参数值。
提供了依照另一个示范实施例的制品。该制品包括计算机存储介质，其具有在这里被编码用于确定与电网相关联的参数值的计算机程序。电网具有互连点，在此处电网电耦合至电源。计算机存储介质包括用于测量电网的互连点处的有效功率以获得多个有效功率值的代码。计算机存储介质还包括用于测量电网的互连点处的无效功率以获得多个无效功率值的代码。计算机存储介质还包括用于测量电网的互连点处的电压以获得多个电压值的代码。计算机存储介质还包括用于利用多个有效功率值、多个无效功率值和多个电压值以及数学估计技术估计与电网相关联的至少一个参数值。
在浏览了下面的附图和详细说明时，按照实施例的其他系统和/或方法对本领域的技术人员来说将变得或将是显而易见的。其意图是，所有这种附加的系统和方法属于本发明的范围，并且受所附权利要求的保护。
图1是依照示范实施例的、具有风力发电厂和电网的发电系统的结构图；图2-4是依照另一个示范实施例的、用于控制图1的风力发电厂的方法的流程图；图5-6是依照又一个示范实施例的、用于控制图1的风力发电厂的方法的流程图；图7是风力发电厂的测得的输出电压电平(Vpoi)和期望的输出电压电平(Vr)的示范的信号响应的示意图；图8是用来控制风力发电厂的期望的净功率命令(Qc)的示范的信号响应的示意图；图9和10是用来控制风力发电厂的、与第一和第二功率值(θ1)(θ2)相对应的示范的信号响应的示意图；图11是用于确定与电网相关联的参数的方法的流程图；图12是说明估计的电网电抗值和电网电阻值的示意图；以及图13是说明估计的电网电压值的示意图。
具体实施例方式
参见图1，说明了用于发电的发电系统10。发电系统10包括电耦合至电网12的风力发电厂11。电网12被用来将电力自风力发电厂11传输至电负荷。在备选的示范实施例中，发电系统10可包括微型涡轮机、太阳能电池阵列和传统发电机的至少一种，以代替风力发电机厂11。
风力发电厂11被设置用来利用风能生成电力。风力发电厂11包括风力涡轮机14、15、16、集电器系统18、变压器20、风力涡轮机控制器24、26、28、测量装置30和主控制器32。应当注意的是，在风力发电厂11中使用的风力涡轮机的数目可以改变。例如，风力发电厂11中风力涡轮机的数目可大于三个风力涡轮机或小于或等于三个风力涡轮机。
风力涡轮机14、15、16被设置成可利用风能生成电压和电流。利用风力涡轮机控制器24、26、28可分别操作控制风力涡轮机14、15、16，所述风力涡轮机控制器24、26、28分别与风力涡轮机14、15、16通信。
风力涡轮机控制器24、26、28被配置成可生成分别控制风力涡轮机14、15、16的运行的命令信号。另外，风力涡轮机控制器24、26、28被设置成可测量分别与风力涡轮机14、15、16相关联的运行参数。风力涡轮机控制器24、26、28可操作地与主控制器32通信。
控制器系统18电耦合至风力涡轮机14、15、16并且将电压和电流自涡轮机的每一个发送至电力变压器20。电力变压器20接收来自风力涡轮机14、15、16的电压和电流并且在电网12上输出具有所期望特征的电压和电流。例如，电力变压器20可在电网12上输出具有所期望振幅的电压和具有所期望振幅的电流。
测量装置30电耦合至变压器20和电网12之间的互连点19。测量装置30被配置成测量与电网相关联的电学参数。例如，测量装置30被配置成测量互连点19处的电压电平(Vpoi)、互连点19处的有效功率电平(Pn)和互连点19处的无效功率电平(Qn)。应当注意的是，测量装置30可在变压器20的任一侧测量参数。
主控制器32被设置成基于与风力发电厂11或电网12相关联的互连点19处测得的或估计的参数值控制风力涡轮机14、15、16的运行。主控制器32被配置成生成被风力涡轮机控制器24、26、28接收的命令信息用于分别控制风力涡轮机14、15、16。主控制器32包括中央处理器(CPU)40、只读存储器(ROM)42、易失性存储器(如随机存取存储器(RAM)44)和输入/输出(I/O)接口46。CPU40可操作地与ROM 42、RAM 44和I/O接口46通信。包括ROM 42和RAM 44的计算机可读介质可以利用任何数量的已知存储装置(如PROM、EPROM、EEPROM、闪存或能够存储数据的任何其他电、磁、光学或组合的存储装置)来实现，数据中的某些表示由CPU 40使用的可执行指令。另外，I/O接口46可操作地与风力涡轮机控制器24、26、28通信。
参见图2-4，现在将解释用于控制风力发电厂11的运行的方法。该方法可以利用存储在计算机存储介质中并由主控制器32和风力涡轮机控制器24、26、28执行的软件算法来实现。应当注意的是，在备选的示范实施例中，也可以实现前述的方法以控制一个或多个微型涡轮机、太阳能电池阵列、和化石燃料发电机，而不是风力发电厂11。
在步骤60处，测量装置30将表示风力发电厂11的输出电压的第一信号传输至主控制器32。
在步骤62处，主控制器32接收第一信号并且基于第一信号确定风力发电厂11的测得的输出电压电平(Vpoi)。
在步骤63处，主控制器32利用下列方程计算目标输出电压电平(Vr)Vr=∫(-1Tr·Vr+1TrVc)dt,]]>其中(Tr)对应于由操作员设置的预定时间常数；(Vr)对应于风力发电厂11的目标输出电压；以及(Vc)对应于风力发电厂11的期望的稳态输出电压值。
应当注意的是，在备选的实施例中，不是利用前述的方程来计算(Vr)，而是可利用下列方程来计算(Vr)Vr＝Vc。
在步骤64处，风力发电厂11的每个风力涡轮机控制器将指示各自的风力涡轮机运行或不运行的第二信号传输至主控制器32。例如，风力涡轮机控制器24、26、28将指示各自的风力涡轮机14、15、16运行或不运行的第二信号传输至主控制器32。当风力涡轮机生成通过变压器22被传输至电网12的电力(有效功率或无效功率)时，风力涡轮机是运行的。
在步骤66处，主控制器32接收第二信号的每一个并且基于第二信号确定风力发电厂11中运行的风力涡轮机的数目。
在步骤68处，主控制器32利用下列方程计算电压误差值(Verror)Verror＝Vr-Vpoi，其中(Vr)对应于风力发电厂11的期望的输出电压电平。
在步骤70处，主控制器32利用下列方程计算积分增益值(Kiv)Kiv=VpoiXgrid·Twv,]]>其中(Xgrid)对应于电网12的已知的或估计的阻抗；以及(Twv)对应于风力发电厂11的期望的时间响应。
在步骤72处，当期望的净功率命令(Qc)处于上限值(Qmax)和下限值(Qmin)之间的范围时，主控制器32利用下列方程计算第一功率(Q1)Q1＝∫(KiV·Verror)dt，。另一方面，当(Qc)不是处于上限值(Qmax)和下限值(Qmin)之间的范围时，主控制器32利用下列方程计算第一功率(Q1)Q1＝∫(0)dt。
在步骤74处，主控制器32利用下列方程计算比例增益值(Kpv)Kpv=Xwtg/N+Xcollector+XgridKqi/NKiv,]]>其中(Xwtg)对应于风力涡轮机的内阻抗；(N)对应于运行的风力涡轮机的数目；(Xcollector)对应于风力发电厂11的集电器系统18的阻抗；(Xgrid)对应于电网12的阻抗；(Kqi)是由风力涡轮机控制器使用的增益值；在步骤76处，主控制器32利用下列方程计算第二功率值(Q2)Q2=∫(-1TVQ2+KpVTVVerror)dt,]]>其中(Tv)对应于预定的时间常数，其通常小于期望的闭环电压响应时间间隔。
在步骤78处，主控制器32利用下列方程为风力发电厂生成期望的总无效功率命令(Qtotal)Qtotall＝Q1+Q2。
在步骤80处，主控制器32利用下列方程为风力发电厂11中每个风力涡轮机11生成期望的净功率命令(Qc)Qc=QtotalN,]]>其中Qc处于上限值(Qmax)和上限值(Qmin)之间的范围。
在步骤82处，主控制器32传输期望的净有效功率命令(Qc)至风力发电厂11的每个风力涡轮机控制器以此在互连点19处感应风力发电厂11生成接近期望的输出电压电平(Vc)的输出电压。步骤82之后，该方法返回步骤60。
参见图5-6，现在将解释用于控制风力发电厂11运行的另一种方法。该方法可利用存储在计算机存储介质中并由主控制器32和风力涡轮机24、26、28执行的软件算法来实现。应当注意的是，在备选的示范实施例中，下面的方法还可以实现用来控制一个或多个微型涡轮机、太阳能电池阵列、和化石燃料发电机，而不是风力发电厂11。
在步骤90处，测量装置30将表示风力发电厂11的输出电压的第一信号传输至主控制器32。
在步骤92处，主控制器32接收第一信号并基于第一信号确定风力发电厂11的测得的输出电压电平(Vpoi)。
在步骤94处，主控制器32利用下列方程计算目标输出电压电平(Vr)Vr=∫(-1Tr·Vr+1TrVc)dt,]]>其中(Tr)对应于由操作员设置的预定时间常数；(Vr)对应于风力发电厂11的目标输出电压；以及(Vc)对应于风力发电厂11的期望的稳态输出电压值。
应当注意的是，在备选的实施例中，不是利用前述的方程来计算(Vr)，而是可利用下列方程来计算(Vr)Vr＝VC。
在步骤96处，主控制器32利用下列方程计算电压误差值(Verror)Verror＝Vpoi-Vr。
在步骤98处，当期望的净功率命令(Qc)处于上限值(Qmax)和下限值(Qmin)之间的范围时，主控制器32利用下列方程计算第一功率值θ1θ1＝∫(-y1·Verror·Vr)dt。另一方面，当(Qc)不是处于上限值(Qmax)和下限值(Qmin)之间的范围时，主控制器32利用下列方程计算第一功率(Q1)Q1＝∫(0)dt，其中(y1)对应于由操作员设置的增益值以获得期望的闭环响应行为；以及(Vr)对应于风力发电厂11的目标输出电压电平。
在步骤98处，主控制器32利用下列方程计算第二功率值θ2θ2＝∫(-y2·Verror·Vpoi-ρ·θ2)dt，其中(y2)对应于由操作员设置的增益值以获得期望的闭环响应行为；以及ρ对应于由操作员设置的常数值以获得期望的闭环响应行为。
在步骤102处，主控制器32利用下面的方程为风力发电厂11中每个风力涡轮机生成期望的净无效功率命令(Qc)QC＝θ2·Vpoi+θ1·Vr，其中(Qc)处于上限值(Qmax)和下限值(Qmin)之间的范围。
在步骤104处，主控制器32传输期望的净功率命令(Qc)至风力发电厂11的每个风力涡轮机控制器以感应风力发电厂生成接近期望的输出电压电平(Vc)的输出电压。在步骤104处，该方法返回步骤90。
参见图7-10，示范的信号响应116、118对应于作为时间函数的第一功率值θ1和第二功率值θ2。第一功率值θ1和第二功率值θ2被用来计算期望的净功率命令(Qc)。示范的信号响应114对应于净功率命令(Qc)以在互连点19处感应测得的输出电压电平(Vpoi)以接近目标输出电压电平(Vr)。如图所示，示范的信号响应112对应于紧紧接近示范的信号响应110的输出电压电平(Vpoi)。
现在将解释用于估计与电网12相关联的参数值的数学方程的简要说明。互连点19处的多个测量被用来估计与电网12相关联的参数值。例如，互连点19处得到的有效功率电平(Pn)、无效功率电平(Qn)、以及还被称为(Vpoi)的电网电压电平(Vn)的一组“n”个数据测量值用来确定用于电网12的简化模型的参数值。电网12的简化模型由表示电网19中无限大容量母线的正序列电压的相量电压(Vg·ejθ)和阻抗(Zg＝r+jx)来定义，其中“r”对应于与电网19相关联的电阻值以及“x”对应于与电网19相关联的电抗值。这两项之间的关系可以利用下面的方程通过数学方法来陈述Pn+jQn=Vn2-Vn·Vge-jθr-jx]]>通过分离前述方程的实数项和复数项并且接着消去θ，可获得下面的方程Vn4-2·r·Pn·Vn2-2·x·Qn·Vn2+(r2+x2)·(Pn2+Qn2)-Vn2·Vg2=0]]>前面的方程以矩阵形式表示如下Vn4=[2·Pn·Vn2-r·(Pn2+Qn2)2·Qn·Vn2-x·(Pn2+Qn2)Vn2]rxVg2]]>接下来，三个矩阵Yn、Hn和U被定义如下Yn=Vn4]]>Hn=[2·Pn·Vn2-r·(Pn2+Qn2)2·Qn·Vn2-x·(Pn2+Qn2)Vn2]]]>U=rxVg2]]>接着，本领域技术人员已知的最小二乘估计技术用来确定未知的参数值(r、x和Vg)。例如，批模式方程可用来确定未知的参数值(r、x和Vg)，如下所示Uk=[Σn=1kHnT·Hn]-1Σn=1kHnT·Yn]]>应当注意的是，因为r和x也出现在Hn项中，所以需要迭代解。通常，要求较小的随机分布信号注入用于参数值(r、x和Vg)的解的收敛。应当注意的是，在有噪声存在的情况下，可利用其他数学技术(如递归估计技术和卡尔曼滤波)以取得参数的优化追踪。
参见图12和13，通过迭代计算(Uk)，曲线40说明了与电网12相关联的电抗值(x)的收敛。另外，通过迭代计算(Uk)，曲线141说明了电网12的电阻(r)的收敛。最后，通过迭代计算(Uk)，曲线142说明了电压电平(Vg)的收敛。
参见图11，将解释利用主控制器32和测量装置30确定与电网12相关联的参数值的方法。该方法可利用存储在计算机存储介质中并由主控制器32执行的软件算法来实现。
在步骤130处，测量装置30传输表示风力发电厂11的互连点19处有效功率电平(Pn)的第一多个信号至电网12、至主控制器32。
在步骤132处，测量装置30传输表示互连点19处无效功率电平(Qn)的第二多个信号至主控制器32。
在步骤134处，测量装置30传输表示互连点19处电压电平(Vn)的第三多个信号至主控制器32。
在步骤136处，主控制器32接收第一、第二和第三多个信号并由此分别确定多个有效功率值(Pn)、多个无效功率值(Qn)、和多个电压电平(Vn)。
在步骤138处，主控制器32利用多个有效功率值(Pn)、多个无效功率值(Qn)、多个电压电平(Vn)和数学估计技术估计与电网12相关联的至少一个参数。例如，参数值(r、x和Vg)可利用多个有效功率值(Pn)、多个无效功率值(Qn)、多个电压电平(Vn)和上述的数学方程来确定。
本发明的用于控制风力发电厂运行的系统、方法和制品提供了优于其它系统和方法的基本优点。尤其是，系统、方法和制品提供了利用在风力发电厂和电网之间互连点处测得的值估计与电网相关联的参数值的技术效果。
上述方法还可包含计算机程序代码的形式，所述计算机程序代码包含嵌入有形介质(如软盘、CD ROM、硬盘或任何其他计算机可读存储介质)的指令，其中当计算机程序代码被装入计算机并由计算机执行时，计算机变为用于实施本发明的设备。
虽然本发明参考示范的实施例进行了描述，但是本领域的技术人员将会了解到，在没有偏离本发明范围的情况下，可进行各种变更并且等同物被用来代替其中的元件。另外，在没有背离本发明范围的情况下，可对本发明的教导进行许多的修改以适合特定的形式。因此，其意图是，本发明不限于所公开的、用于实现本发明的实施例，但是本发明包括属于所附权利要求范围的所有实施例。此外，术语的第一、第二等的使用不表示任何重要的顺序，相反，术语的第一、第二等用来使一个元件区分于另一个元件。
部件列表10发电系统11风力发电厂14、15、16风力涡轮机18集电器系统19互连点20变压器24、26、28风力涡轮机控制器30测量装置32主控制器40中央处理器(CPU)42只读存储器(ROM)44易失性存储器，如随机存取存储器(RAM)46输入/输出(I/O)接口
权利要求
1.一种用于确定与电网相关联的参数值的方法，所述电网具有互连点，在此处所述电网电耦合至电源，所述方法包括测量所述电网的互连点处的有效功率以获得多个有效功率值；测量所述电网的互连点处的无效功率以获得多个无效功率值；测量所述电网的互连点处的电压以获得多个电压值；以及利用所述多个有效功率值、所述多个无效功率值和所述多个电压值以及数学估计技术估计与所述电网相关联的至少一个参数值。
2.如权利要求1所述的方法，其中与所述电网相关联的所述至少一个估计的参数值包括电线电阻值、电线电抗值和电网电压值中的至少一个。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述数学估计技术包括最小二乘估计技术。
4.一种用于确定与电网相关联的参数值的系统，所述电网具有互连点，在此处所述电网电耦合至电源，所述系统包括测量装置，被配置成测量所述电网的互连点处的有效功率以获得多个有效功率值，所述测量装置还被配置成测量所述电网的互连点处的无效功率以获得多个无效功率值，所述测量装置还被配置成测量所述电网的互连点处的电压以获得多个电压值；以及控制器，可操作地与所述测量装置通信，所述控制器被配置成利用所述多个有效功率值、所述多个无效功率值和所述多个电压值以及数学估计技术估计与所述电网相关联的至少一个参数值。
5.如权利要求4所述的系统，其中与所述电网相关联的所述至少一个估计的参数值包括电线电阻值、电线电抗值和电网电压值中的至少一个。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述数学估计技术包括最小二乘估计技术。
7.一种制品，包括计算机存储介质，其具有在这里被编码用于确定与电网相关联的参数值的计算机程序，所述电网具有互连点，在此处所述电网电耦合至电源，所述计算机存储介质包括用于测量所述电网的互连点处的有效功率以获得多个有效功率值的代码；用于测量所述电网的互连点处的无效功率以获得多个无效功率值的代码；用于测量所述电网的互连点处的电压以获得多个电压值的代码；用于利用所述多个有效功率值、所述多个无效功率值和所述多个电压值以及数学估计技术估计与所述电网相关联的至少一个参数值。
8.如权利要求7所述的制品，其中与所述电网相关联的所述至少一个估计的参数值包括电线电阻值、电线电抗值和电网电压值中的至少一个。
9.如权利要求7所述的制品，其中所述数学估计技术包括最小二乘估计技术。
全文摘要
提供了依照示范实施例的、用于确定与电网相关联的参数值的系统、方法和制品。电网具有互连点，在此处电网电耦合至电源。该方法包括测量电网的互连点处的有效功率以获得多个有效功率值。该方法还包括测量电网的互连点处的无效功率以获得多个无效功率值。该方法还包括测量电网的互连点处的电压以获得多个电压值。该方法还包括利用多个有效功率值、多个无效功率值和多个电压值以及数学估计技术估计与电网相关联的至少一个参数值。
文档编号G01R27/00GK101047316SQ200710093630
公开日2007年10月3日 申请日期2007年3月28日 优先权日2006年3月29日
发明者R·德尔梅里科 申请人:通用电气公司