专利名称：用于风力发电机的电压控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力涡轮发电机。更具体地，本发明涉及供风力涡轮发电机使用的电压控制系统和技术，其具有对用于至少部分无功功率补偿功能的无功功率的连续控制。
背景技术：
风功率产生典型地由大量(常常为100或更多)风力涡轮发电机的风力发电场来提供。单个的风力涡轮发电机可为电源系统运行提供重要的益处。所述益处与由阵风引起的电压闪烁的减轻和由外部事件引起的电压偏差的减轻有关。
在一个风力发电场中安装的每个风力涡轮发电机可经受唯一的风力。因此，每个风力涡轮发电机可包括一个本地控制器来控制对阵风和其他外部事件的响应。现有技术的风力发电场控制已基于以下两种结构之一具有恒功率因子的本地控制和在快速电压控制下的场级控制，或在恒压控制下的本地控制但无场级控制。
所述两种现有技术控制结构均有缺点。在快速电压控制中具有恒功率因子和场级控制的本地控制要求与从场级到本地级的侵蚀作用进行快速通信。如果没有激活场级控制，那么本地控制可加剧电压闪烁。利用每个发电机上的恒压控制，稳态运行明显随加载在传输电网上的小偏差而变化。这引起风力涡轮发电机遇到阻止响应干扰(导致电压调整的损失)的稳态运行中的限制。因为无功电流高于在这种运行模式期间所必需的电流，所以该风力涡轮发电机的整体效率降低。
通过附图中的实例(而不是通过附图中的限制)来说明本发明，在附图中相同的参考数字指类似的元件。
图1是具有与传输电网连接的多个风力涡轮发电机的风力发电场的框图。
图2是一个风力涡轮发电机控制系统的一个实施例的控制图。
图3是操作一个风力涡轮发电机的一个实施例的流程图。
图4是一组对应于现有技术的没有场级控制，具有恒功率因子的本地控制的波形的实例。
图5是一组对应于现有技术的具有恒功率因子的本地控制和在快速电压控制下的场级控制的波形的实例。
图6是一组对应于一个具有如图2中所描述的控制器的风力涡轮发电机的没有场级控制的本地控制的波形的实例。
图7是一组对应于一个具有如图2中描述的控制器的风力涡轮发电机中的、具有场级控制的本地控制的波形的实例。
具体实施例方式
风力涡轮发电机控制系统包括对于单个发电机的相对较快的电压调整以及在变电站或风力发电场级上相对较慢的整体无功功率调整。所述相对慢的无功功率调整器调节相对较快的电压调整器的调整点。快速电压调整可在发电机终端或在合成的远程点(例如在发电机终端与收集器总线之间)进行。现有技术的无功功率控制器设计有比那些在电压调整器设计中所用的数值更低的时间常数。即在现有技术中，无功功率控制环在电压控制环内部，这导致比在此所描述的系统更不稳定的系统。
图1是具有与传输电网连接的多个风力涡轮发电机的风力发电场的框图。图1只示出了三个风力发电机；然而风力发电场中可包含任意数量的风力发电机。
每个风力涡轮发电机110包括一个本地控制器，该本地控制器对被控制的风力涡轮发电机的情况做出反应。在一个实施例中，每个风力涡轮发电机的控制器只(经由变压器和变流器)感知终端电压和电流。所感知的电压和电流由本地控制器用来提供适当的响应以引起风力涡轮发电机提供所期望的无功功率和电压。对应于风力涡轮发电机控制器的一个实施例的控制系统图在下面谈到图2时将进行更详细的描述。
每个风力涡轮发电机110通过发电机连接变压器115连接到收集器总线120上以向收集器总线120提供有效功率(real power)和无功功率(分别标记为Pwg和Qwg)。发电机连接变压器和收集器总线在本领域中是公知的。
风力发电场100经由风力发电场主变压器130提供有效功率输出和无功功率输出(分别标记为Pwf和Qwf)。场级控制器150感知风力发电场输出以及公共连接点140处的电压以提供一个场级无功功率命令(场级QCmd)155。在一个实施例中，场级控制器150给风力发电场100的所有风力涡轮发电机提供一个单独的无功功率命令。在替代的实施例中，场级控制器150为风力发电场100的风力涡轮发电机的子集提供多个命令。给风力涡轮发电机的子集的命令例如可基于与一个或多个风力涡轮发电机的工作状况有关的附加信息。
图2的控制系统提供一种包括本地和场级控制的改进的控制结构以克服如上所述的现有技术的控制结构的缺点。图2的控制系统消除了来自场级的对快速和侵蚀控制的请求。如果场级控制不能工作，那么提供改进的响应。此外，获得有效的稳态运行，而系统动态响应在所设置的范围内保持得很好。
图2是对应于风力涡轮发电机控制系统的一个实施例的控制系统图。在一个实施例中，风力涡轮发电机的控制系统通常包括两个环一个电压调整器环和一个Q调整器环。电压调整器环与Q调整器环(例如大于1秒闭环时间常数)相比运行地相对较快(例如20rad/sec)。Q调整器调节电压调整器的调整点。
概念上，图2的控制系统通过根据由高于发电机级别(例如变电站或风力发电场)的控制器所设置的参考值来调整电压而为风力涡轮发电机提供终端电压控制。无功功率在较长时期内(例如几秒)被调整而风力涡轮发电机终端电压在较短时期内(例如小于几秒)被调整以减轻快速电网瞬变的影响。
操作者或场级Q命令200是表示发电机终端处所期望的无功功率的信号。在场级运行中，风力涡轮发电机Q命令200被设定为等于场级控制的输出(图1中的线155)。在本地控制中，操作者命令或者在风力发电机位置处或者在远程位置处被手动设定。操作者或场级Q命令200可通过例如用于控制风力涡轮发电机的计算机系统来产生或传输。操作者或场级Q命令200还可来自公用电网操作者或变电站。
在一个实施例中，操作者或场级Q命令200被传输给命令限制器220，该命令限制器用于使无功功率命令维持在预定范围内。Qmax222和Qmin224表示无功功率命令范围的上界和下界。
Qmax和Qmin所使用的特定值例如基于发电机无功容量。在一个实施例中，对于一个1.5MW的风力涡轮发电机，Qmax的值是800kVAR而Qmin的值为-1200kVAR；然而，特定值取决于所使用的发电机的容量。
由命令限制器220输出的信号是Q命令230，该Q命令230是表示所要产生的目标无功功率的命令。Q命令230在Qmin224和Qmax222之间的范围内。将Q命令230与表示所测量的无功功率210的信号进行比较。所得到的误差信号，即Q误差235表示所测量的无功功率与命令的无功功率之间的差位。
Q误差235是Q调整器240的输入信号，该Q调整器240产生V命令250，向发电机指示要由发电机提供的无功功率。在一个实施例中，Q调整器240是闭环时间常数在1到10秒的范围内(例如3秒、5秒、5.5秒)的比例积分(PI)控制器。也可使用其他类型的控制器，例如比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器、状态空间控制器等等。假如Q调整器240的时间常数在数值上大于电压调整器270的时间常数，那么对于Q调整器240可使用其他的时间常数。
V命令250被限制在Vmax242与Vmin244之间的预定范围内。在一个实施例中，Vmax242和Vmin244被定义为用百分数表示的额定发电机输出。例如Vmax242可为额定发电机电压的105％而Vmin244可为额定发电机电压的95％。也可使用替代的界限。
将V命令250与表示发电机的所测量的终端电压255的信号进行比较。V命令250与所测量的终端电压255之间的差是电压误差信号260。电压误差信号260是电压调整器270的输入信号。
电压调整器270产生转子电流命令280，该转子电流命令被用来控制发电机转子电流。在一个实施例中，Q调整器240是闭环时间常数近似为50毫秒的PI控制器。也可使用其他类型的控制器，例如PD控制器、PID控制器等。假如电压调整器270的时间常数小于Q调整器240的时间常数，那么对于电压调整器270可使用其他的时间常数(例如1秒、20毫秒、75毫秒、45毫秒)。
通常，转子电流命令有两个分量。它们是标记为Irq_Cmd的有效功率分量和标记为Ird_Cmd的无功功率分量。如关于图2所说明的一样所产生的转子电流命令(240)是无功分量或Ird_Cmd命令。有效分量或Irq_Cmd可以用本领域中公知的任何方式来产生。转子电流命令280被限制于Irdmax272和Irdmin274。Irdmax272和Irdmin274的值可基于发电机电流额定值。例如，Irdmax272可为发电机转子的额定峰值电流而Irdmin274可为发电机转子的额定峰值电流的百分数。也可使用替代的范围。
在一个实施例中，关于图2所讨论的所有范围是非终结范围；然而在替代的实施例中，该范围的子集可以是非终结范围。该范围已以固定参数的形式讨论过了；然而，例如由执行控制算法的查询表或处理器或状态机所提供的动态可变参数可提供所述范围。这样一个动态可变范围可基于发电机的电流额定值和同时的有效功率输出。
图3是操作一个发电机控制系统的一个实施例的流程图。无功功率命令被接收(300)。如上所述，无功功率命令可以是一个操作者命令、场级命令、或一个本地命令。
电压调整点基于无功功率命令而被确定(305)。电压调整点被限制在由基于发电机终端电压的上界和下界所限定的范围。在一个实施例中，该范围以额定发电机输出的百分数形式被定义。例如，上界可为额定发电机电压的105％、110％、102％、115％，而下界可为额定发电机电压的95％、98％、92％、90％、97％。也可使用替代的范围。
发电机的转子电流命令基于电压调整点被确定(315)。转子电流命令被限制于(320)一个基于例如发电机的电流额定值的范围。例如对于该范围可使用峰值电流额定值，或对于该范围可使用峰值电流额定值的百分数。该转子电流命令被传输给转子控制器(325)。转子控制器使得所命令的电流被提供给发电机转子。然后发电机基于所提供的转子电流提供无功功率输出(330)。
图4和5示出现有技术控制系统的典型的特有的风力涡轮发电机工作特性。这些曲线示出风力涡轮发电机的响应以及具有和不具有快速场级电压控制时整个电场的响应。各个风力涡轮发电机运行在具有调整点的恒功率因子控制下以产生过励磁的运行(由于也许会被请求来支持风力发电场以外的传输系统)。在图4和5中，从顶部到底部描绘了下列变量(参考图1以清楚所述变量在风力发电场的位置)Pwg是来自单个风力涡轮发电机的有效功率，Qwg是来自该发电机的无功功率，Q_Cmd_Farm是场级控制器的输出(图1中的线155)，Vwg是该发电机的终端电压，Vpcc是公共连接点处的电压(图1上的140)。目标通常是，即使当功率由于风速的变化而波动时，也将Vpcc维持在恒定值。
图4是只有本地控制的现有技术(即Q_Cmd_Farm是常数)。注意信号Vpcc随不期望的功率波动Pwg而显著变化。图5是具有激活的场级控制的现有技术。虽然Vpcc比在图4中更稳定，但是来自场级的控制信号显著变化。这是因为场级控制必须克服现有技术的本地控制的内在不利的影响。
图6和7是可与图4和5比较的，但是具有图2中所描述的控制。本地控制的内在响应通常是相当好的，因此场级控制只提供微调控制。这样，利用新控制实现了允许场级控制影响更小和更慢的目的。
本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的参考意味着关于包含在本发明的至少一个实施例中结合实施例所描述的特定特点、结构或特征。短语“在一个实施例中”在本说明书中的不同地方的出现不必都参照相同的实施例。
在前述的说明书中，本发明已参考特定的实施例而被描述。然而明显的是，此外在不偏离本发明的更广泛的精神和范围的情况下可做出各种修改和变化。相应地，本说明书和附图应被认为是示例性的而非一种限制。
权利要求
1.一种风力涡轮发电机控制系统，包含一个无功功率调整器(240)，通过调节电压调整器(270)的电压调整点来控制风力涡轮发电机的无功功率产生，该无功功率调整器有一个第一时间常数；以及一个电压调整器，与无功功率控制器相连接以控制一个或多个风力涡轮发电机(110)的有效功率产生，该电压调整器有一个第二时间常数，其中该第一时间常数在数值上大于该第二时间常数。
2.如权利要求1所述的风力涡轮发电机控制系统，其中所述无功功率调整器(235)的一个输入信号包含一个误差信号，该误差信号表示被限制到基于发电机无功功率容量(230)的预定范围的一个命令与表示所测量的无功功率(210)的一个信号之间的差。
3.如权利要求1所述的风力涡轮发电机控制系统，其中来自所述无功功率调整器(250)的一个输出信号被限制于通过基于发电机终端电压的上界(242)和下界(244)所定义的预定范围。
4.如权利要求1所述的风力涡轮发电机控制系统，其中所述电压调整器(270)的一个输入信号包含一个误差信号，该误差信号表示被限制于通过基于转换器额定值和/或运行调整点(250)的上界和下界所定义的预定范围的、来自所述无功功率调整器的一个输出信号与表示所测量的终端电压(255)的一个信号之间的差，其中来自所述电压调整器(280)的该输出信号决定要供应给所述发电机的电流。
5.一种方法，包含接收一个无功功率命令(200)；基于该无功功率命令(230)确定一个电压调整点，其中该电压调整点被限制到基于发电机终端电压的上界(222)和下界(224)的一个范围；为所述风力涡轮发电机确定一个转子电流命令(280)以响应该电压调整点，其中该转子电流命令被限制到基于所述风力涡轮发电机的一个电流额定值和一个同时的有效功率输出的一个范围；将该转子电流命令传输给所述风力涡轮发电机的一个转子控制器；以及基于该转子电流命令产生一个有效功率和无功功率。
6.如权利要求5所述的方法，其中基于所述无功功率命令的所述电压调整点由无功功率调整器(240)来确定。
7.如权利要求5所述的方法，其中基于所述无功功率命令的一个电压调整点包含利用一个无功功率调整器(240)产生要被传送给一个电压调整器(270)的一个电压调整点(250)。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述电压调整器(270)的时间常数在数值上小于所述无功功率调整器(240)的时间常数。
9.如权利要求5所述的方法，其中接收所述无功功率命令(200)包含接收来自一个场级控制器的一个场级无功功率命令，该场级控制器将无功功率命令传输给多个风力涡轮发电机。
10.如权利要求5所述的方法，其中接收所述无功功率命令(200)包含本地接收来自源的一个无功功率命令，所述源为单个风力涡轮发电机提供无功功率命令。
全文摘要
一种风力涡轮发电机控制系统包括在各个发电机附近相对较快的电压调整(110)和在变电站处或风力发电的场级(150)处相对较慢的整体无功功率调整。相对较快的电压调整器的调整点由相对较慢的无功功率调整器来调节。该快速电压调整可在发电机终端(115)处或在一个合成的远程点(140)处进行。
文档编号F03D9/00GK1595758SQ20041006865
公开日2005年3月16日 申请日期2004年9月3日 优先权日2003年9月3日
发明者E·V·拉森 申请人:通用电气公司