专利名称：用于控制并网发电系统的系统和方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及连接到电网的发电系统，更具体来说，涉及弱电网操作期间 发电系统的控制。
背景技术：
风力涡轮机发电机被看作是利用风能产生电力的环境友好并且相对便宜的备选 能源。风力涡轮机可分为两种类型定速涡轮机和变速涡轮机。按照常规，变速风力涡轮机 被作为连接到电网的电流源来控制。换言之，变速风力涡轮机依靠锁相环(PLL)所检测的 作为参考的电网频率，并且将指定的电流量注入电网。风力涡轮机的常规电流源控制基于以下假设电网电压波形是具有固定频率和幅 值的基本电压波形，并且风电对电网的渗透度足够低，以致于不会引起干扰。因此，风力涡 轮机简单地根据基本电压波形将指定电流注入电网。但是，随着风电的迅速增长，风电对某 些电网的渗透度已经增加到风力涡轮机发电机对电网电压和频率具有显著影响的程度。当风力涡轮机位于弱电网中时，风力涡轮机功率波动可引起电网电压的幅值和频 率变化的增加。这些波动可不利地影响PLL和风力涡轮机电流控制的性能及稳定性。因此， 希望确定将会解决上述问题的方法和系统。
发明内容
根据本发明的一个示范实施例，提供一种发电系统。该系统包括风力涡轮机以及 将风力涡轮机耦合到电网的转换器。该系统还包括用于计算电压命令以便模拟电感之后的 相量反电动势的第一控制器。所述控制器还根据电压命令来产生转换器切换命令。电压 命令包括电压幅值参考，从有功功率参考与电功率之间的功率不平衡所计算的内部频率参 考。该系统还包括第二控制器以限制转换器电流。根据另一个示范实施例，提供一种太阳能发电系统。该太阳能发电系统包括光生 伏打电池以及将光生伏打电池耦合到电网的转换器。该系统还包括用于计算电压命令以便 模拟电感之后的相量反电动势的第一控制器。所述控制器还根据电压命令来产生转换器切 换命令。电压命令包括电压幅值参考，从机械功率参考与电功率之间的功率不平衡所计算 的内部频率参考。该系统还包括限制转换器电流幅值的第二控制器。根据本发明的又一个示范实施例，提供一种用于向电网供应电功率的方法。该方 法包括从电源产生电功率，并且控制电源以便模拟电感之后的相量反电动势。该方法还包 括限制转换器电流幅值。在这种方法中，控制电源包括计算电压命令以及将电压命令用于 产生转换器切换命令，其中电压命令包括电压幅值参考，从机械功率参考与电功率之间的 不平衡所计算的内部频率参考。
当参照附图阅读以下详细描述时，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似的符号在整个附图中表示相似的部分，其中图1是连接到电网的常规电流源控制风力发电系统的图解表示；图2是图1的风力发电系统的控制系统的图解表示；图3是根据本发明的一个实施例的电压源控制风力发电系统的图解表示；图4是图3的风力发电系统的风力涡轮机转换器控制的图解表示；图5是根据本发明的一个实施例的电网侧转换器的详细控制系统的图解表示；图6是图3的风力发电系统的具有电流限制器的控制系统的图解表示；
图7是根据本发明的一个实施例的瞬时电流限制器的图解表示；图8是表示根据本发明的一个实施例的相量电流限制器的实现的相量图；以及图9是其中实现本发明的控制系统的另一个发电系统实施例的图解表示。
具体实施例方式正如下面详细论述的，本发明的实施例用于提供控制并网发电系统的方法和系 统。它提供电压源控制风力发电系统。虽然本论述集中于风力发电系统，但是本发明可适 用于具有可控或不可控的输入能源和电力电子转换器接口的任何发电系统。图1示出具有电流源控制的常规并网风力发电系统10。该系统包括风力发电机 12、发电机侧转换器14和电网侧转换器16。该系统还包括电网侧控制器18、发电机侧控制 器20和电网22。电网22通常包括传统的同步发电机24和电力负载26。直流(DC)链路 28连接发电机侧转换器14和电网侧转换器16。发电机侧转换器14将风力发电机12所产 生的交流(AC)电转换成DC电。然后，电网侧转换器18将DC电转换成具有与电网22相容 的频率的AC电。对电网22而言，电网侧控制器18和电网侧转换器16的组合用作电流源。换言之， 电网侧控制器18控制电网侧转换器16的输出电流30的相位和幅度。电网侧控制器包括 锁相环(PLL) 32、DC电压调节器34、电流调节器36和无功功率调节器40。PLL 32感测电 网的三相电压，并且为电网侧转换器16产生频率和相位参考。DC电压调节器34帮助将DC 链路电压保持在预期值，并且无功功率调节器40帮助将预期量的无功功率供应到电网中。 电流调节器36根据PLL输出、DC电压调节器输出和无功功率调节器输出，为电网侧转换器 16产生输出电流参考。发电机侧控制器20为发电机侧转换器14产生切换信号。在一个实 施例中，涡轮机控制器38根据风速或者风力涡轮机的转子速度向发电机侧控制器20提供 转矩参考。涡轮机控制器产生转矩参考，使得从风力捕获最大能量。 图1的风力发电系统10的电流源控制根据PLL所检测的电网电压的频率和相位 来保持风力涡轮机42的输出电流。但是，当风力涡轮机42连接到弱电网22时，或者当风 电对电网的渗透度非常高时，输出电流将对电网电压具有显著影响。由于PLL正根据电网 电压来产生输出电流参考，并且由于电网电压取决于输出电流本身，所以可能出现稳定性 问题。稳定性问题也可能由于电流源控制的有限带宽而出现。电流源控制对高频电压失真 缓慢地进行响应。因此，在电流源控制风力发电系统中，由于电网的网络谐振条件，输出电 流不能始终跟随电网电压失真。 图2示出图1的风力发电系统的电网侧转换器控制框图60。将参考DC链路电压 命令62、实际DC电压反馈64、参考无功功率命令66和实际无功功率反馈67输入到输出闭环调节器68。外部闭环控制调节器68产生参考电流命令69。从参考电流命令69减去电 流反馈70，然后将误差信号71提供给内部电流环路调节器72。内部电流环路调节器72向 电网侧转换器74提供切换信号。正如先前所描述的，用于电流源的频率和相位参考由PLL 32(图1)产生。因此，根据输入电流命令69和频率参考，电网侧转换器74将电流注入电 网。
图3示出根据本发明的一个实施例的具有电压源控制的并网风力发电系统90。风 力发电系统90包括风力发电机12、发电机侧转换器14和电网侧转换器16。该系统还包括 电网侧控制器18、发电机侧控制器20和电网22。在一个实施例中，风力发电机12包括鼠笼 式感应发电机。在另一个实施例中，风力发电机12可包括同步发电机或永磁同步发电机。发电机侧控制器20为发电机侧转换器14产生切换信号。在这个实施例中，发电机 侧控制器帮助将DC链路电压保持到预期值。将电网侧转换器16作为连接到电网22的电 压源来控制。换言之，电网侧控制器18直接控制电网侧转换器的输出电压的相位和幅度。 电网侧转换器在作为电压源被控制时，作为电抗之后的电压来响应电网变化。因此，风力发 电机12按照与同步发电机相似的方式工作。与图1的电网侧控制器相比，图3的实施例的 电网侧控制器接收来自涡轮机控制器38的功率参考。根据参考功率与供应给电网的实际 电功率之间的功率不平衡来产生内部频率参考。在一个实施例中，功率/频率(P/F)调节 器(未示出)可用于与其它风力涡轮机共享功率，即，用于风力涡轮机的并行操作。功率频 率调节器为电网侧控制器18确定相位角参考。图4示出根据本发明的一个实施例的图3的风力发电系统的电网侧转换器控制框 图100。将参考有功功率命令102和参考无功功率命令104输入到外部闭环控制器110。还 将所测量的有功功率反馈106和所测量的无功功率反馈108反馈给外部闭环调节器110。 外部闭环控制调节器110为电压源114产生电压命令112，并且电压命令112包括幅值命 令和频率/相位命令。在一个实施例中，电压源114可包括限制转换器电流的第二控制器 (未示出)和图3的电网侧转换器16。因此，根据输入电压命令112，电压源114产生输出 电压，并且将有功功率馈入电网。图5示出根据本发明的一个实施例的电网侧转换器的详细控制系统130。涡轮机 控制器38为控制系统130产生有功或机械功率参考102或者机械功率参考或转矩参考。 根据供应给电网的实际电功率134与参考机械功率102之间的差异或者不平衡来产生内部 频率参考132。这里应当注意，内部频率参考132与电网频率不同。此外，通过对频率参考 132求积分来产生用于控制系统130的参考相位角136。在这里还应当注意，PLL 32没有 用于产生频率参考或相位参考。PLL 32仅用于保护目的，并且确保参考相位角不会与实际 所测量PLL角相差太大。发电场控制器138为控制系统130产生无功功率参考104，以及无 功功率调节器110为控制系统130产生电压参考140。因此，通过这种控制系统，将电网侧 转换器作为电压源来控制或者控制成模拟电感之后的反电动势(EMF)。通过电压幅值参考 140和内部频率参考132来控制EMF。在一个实施例中，控制系统130还包括用于电压变换 的abc-xy变换矩阵142。变换矩阵142将3相固定量转换成2相旋转量。逆变换xy-abc 矩阵144将2相旋转电压坐标转换成3相固定电压坐标。电压调节器146确定需要由电网 侧转换器产生的电压命令。这个控制系统的益处是电网侧转换器很快地响应电网中的负载 变化，因为电网侧转换器直接跟随电压命令。
图6示出根据本发明的一个实施例的图3的风力发电系统的具有电流限制器的控 制系统150。正如先前所描述的，图3的电压源控制电网侧转换器16产生跟随参考电压命 令的电压。如果没有固有的电流控制，则在电网瞬变或故障事件期间，转换器电流可上升并 且超过转换器的切换装置的电流限制。因此，在一个实施例中，电流检测器152和电流限制 器154在控制系统150中用于限制转换器电流或者保护转换器。电流限制器154可以是瞬 时电流限制器或者相量电流限制器或者这两者的组合。瞬时电流限制器立即起作用并且对 电流斩波，而相量电流限制器更缓慢地起作用以限制均方根(RMS)电流。图7是根据本发明的一个实施例的瞬时电流限制器160的框图。电流限制器160 接收电网侧转换器需要产生的三相电压命令162、164、166。对于每个命令，调制器块168、 禁用切换块170和开关块172共同为电网侧转换器的相应切换装置产生切换信号。当电流 高于阈值时，电流检测信号174触发开关块172。在一个实施例中，当触发开关块172时， 阻挡到电网侧转换器的切换装置的切换信号。在一个实施例中，电流检测信号是所有切换 块共同的。换言之，当任何单相电流超过阈值时，它触发所有三相的所有切换块，并且阻挡 到电网侧转换器的切换装置的切换信号。在又一个实施例中，三个分开的电流检测信号触 发三个分开的切换块，并且三个分开的电流检测信号是从电网侧转换器的三个相电流产生 的。因此，电流限制器160防止电网侧转换器中的过电流。 图8示出表示根据本发明的一个实施例的相量电流限制器的实现的相量图210。 为了更好地理解，相量图210连同风力发电系统的电网侧转换器电路212—起示出。相量 图210示出电网侧电压孟。电网侧转换器的输出电压萆是电网侧电压云和与风力涡轮机转换 器关联的已知阻抗之两端的阻抗电压降的矢量和。相量图210还示出由电网侧转换器注 入电网的电流 。电流 ；滞后于电压电网侧电压互,如相量图210所示。电网电压互还滞后于 电网侧转换器的输出电压耳一个角度Θ”可通过限制阻抗之两端的电压降(幅值和角度) 来管理相量电流幅值？;。在电网侧转换器电路212中，Ef是互的量度，并且是消除纹波分量的 已滤波量。类似地，Pf是有功功率的量度。从已知的电流限制值Imax和估计的转换器电抗 Xi来计算转换器内部电压限制(Emin和Emax)。在相量图210中，Imax表示图6的电流限制调 节器154的最大输出。通过将尾保持在虚线圆、即Emin和Emax所形成的圆内来获得相量电流 幅值限制。应当注意，Emax和Emin只是将蜀保持在虚线圆内的大致边界。在一个实施例中， 为了准确地限制电流，使用电流限制调节器。通过调整功率限制Pmax来获得角度限制。在 额定电压，通过将瓦保持低于点线Pmax，将有功功率Pf限制到Pmax。在一个实施例中，功率限 制Pmax是固定值。在另一个实施例中，功率限制Pmax是Imax的函数。在又一个实施例中，在 达到电流或功率限制时的孤岛(islanding)模式期间，相位角减小。在相量图210中，虚线圆定义转换器阻抗两端的最大准许稳态相量电压降。电压 和功率限制值(点线)从下式计算Efflin = Ef-XiIfflax (1)Efflax = E^XiIfflax (2)Pfflax = Hp(Ifflax) (3)但是，计算只是近似的，因为它忽略电阻分量、阻抗容差和系统频率。在一个实施 例中，为了解决这些误差，有源调节器环路在Imax闭合，以便针对预期电流限制值来准确控制。在Xi不是精确已知的情况下，控制电压的差将不会区分正确XiImax以及与补偿不正确 Imax组对的不正确Xi。在一个实施例中，本发明的电压源控制适用于双馈异步发电机系统。在这个实施 例中，电网侧转换器保持DC链路电压，并且将发电机侧转换器作为电感之后的电压源来控 制。在这个实施例中，发电机侧有源整流器将变频AC电转换成DC电，并且将电网侧转换器 作为电感之后的电压源来控制。本发明的电压源控制在孤岛操作中也是有用的。功率源至能够形成孤岛 (island-able)的电网的应用可能遇到由临时废除电压输出的电流控制导致的不良动态。 这在负载突然要求电流变化以便保留在相同电压时会是有害的。负载可能对甚至短暂电压 变化敏感。在只要足够的功率可用，系统控制就会优选有利于有功和无功功率的电压幅值 和频率时，从正常瞬时负载响应去除嵌入的电流调节可提供这种情况。
本领域的技术人员会理解，即使以上论述集中于风力发电系统，所述控制方法也 可用于连接到电网的其它不可控发电系统，诸如光生伏打系统或燃料电池系统。在这类发 电系统中，也可作为电压源控制转换器来操作电网侧转换器。图9示出其中实现本发明的控制系统的发电系统230的一个实施例。发电系统包 括连接到电网22的电源232。在一个实施例中，电源可以是光生伏打电池或燃料电池或者 蓄电池。电源通过DC/DC转换器234、DC链路28和电网侧转换器16连接到电网。DC/DC 转换器234通过控制从能源232到电网22的能量流，来保持DC链路28上的恒定DC电压。 DC/DC转换器234由控制器236控制。将电网侧转换器16作为连接到电网22的电压源来 控制。换言之，如先前对于风力发电系统所述，电网侧控制器18直接控制电网侧转换器的 输出电压的相位和幅度。系统控制器238为DC/DC转换器234和电网侧转换器16产生参 考DC电压命令、参考输出电压幅值命令和参考频率命令。虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员会想到多种 修改和变化。因此要理解，所附权利要求意在涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类 修改和变化。元件表10 常规风力发电系统12 风力发电机14 发电机侧转换器16 电网侧转换器18 电网侧控制器20 发电机侧控制器22 电网24 传统同步发电机26 电力负载28 直流链路30 电网侧转换器的输出电流32 锁相环34 DC电压调节器
36电流调节器40无功功率调节器42风力涡轮机60电网侧转换器控制框图
62参考DC链路电压命令64DC电压反馈66参考无功功率命令67无功功率反馈68外部环路调节器69参考电流命令70实际电流反馈71误差信号72内部环路调节器74电网侧转换器90具有电压源控制的风力发电系统100电网侧转换器控制框图102参考有功功率命令104参考无功功率命令106所测量的有功功率反馈108所测量的无功功率反馈110外部闭环调节器112电压命令114电压源130详细控制系统132内部频率参考134供应给电网的电功率136参考相位角138发电场控制器140电压参考142abc-xy 变换矩阵144xy-abc 变换矩阵146电压调节器150电流限制器控制系统152电流检测器154电流限制器160瞬时电流限制器162-166三相电压命令168调制器块170禁用切换块
172开关块174电流检测信号210相量图212电网侧转换器电路230发电系统
232电源234DC-DC 转换器236DC-DC转换器控制器238系统控制器
权利要求
一种发电系统(90)，包括风力涡轮机(42，12)；配置成将所述风力涡轮机耦合到电网的转换器(14，16)；配置用于计算电压命令以模拟电感之后的相量反电动势的第一控制器(18)，所述控制器还配置用于将所述电压命令用来产生转换器切换命令，其中所述电压命令包括电压幅值参考，从有功功率参考与实际电功率之间的不平衡所计算的内部频率参考；以及配置成限制转换器电流的第二控制器(154)。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述有功功率参考由涡轮机控制器(38)产生。
3.如权利要求1所述的系统，其中，第二控制器包括瞬时电流控制器、相量电流限制控 制器、或者瞬时电流控制器和相量电流限制控制器的组合。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述瞬时电流限制控制器配置成当所述电流超过 阈值时，阻挡到所述转换器的切换装置的切换信号。
5.如权利要求3所述的系统，其中，所述相量电流限制控制器配置成通过调整转换器 阻抗两端的电压降来限制相量电流。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述电压命令还包括相位角命令。
7.如权利要求6所述的系统，其中，通过对所述内部频率命令求积分来计算所述相位 角命令。
8.一种太阳能发电系统(230)，包括:光生伏打电池(232)；配置成将所述光生伏打电池耦合到电网的转换器(234)；配置用于计算电压命令以模拟电感之后的相量反电动势的第一控制器(18)，所述控制 器还配置用于将所述电压命令用来产生转换器切换命令，其中所述电压命令包括电压幅值 参考，从机械功率参考与实际电功率之间的不平衡所计算的内部频率参考；以及配置成限制转换器电流的第二控制器(154)。
9.如权利要求8所述的太阳能发电系统，其中，所述转换器包括DC-DC转换器、DC-AC 转换器、或者DC-DC转换器和DC-AC转换器的组合。
10.一种向电网供应电功率的方法，包括从电源产生所述电功率；控制所述电源以模拟电感之后的相量反电动势；以及限制转换器电流幅值；其中，控制所述电源包括计算电压命令以及将所述电压命令用来产生转换器切换命 令，其中所述电压命令包括电压幅值参考、从机械功率参考与所述电功率之间的不平衡所 计算的内部频率参考。
全文摘要
提供一种用于控制并网发电系统(90)的系统。该系统包括风力涡轮机(42，12)、转换器(14，16)、第一控制器(18)和第二控制器(154)。风力涡轮机向电网(22)供应电功率，以及转换器(14，16)将风力涡轮机耦合到电网。第一控制器(18)计算电压命令以模拟电感之后的相量反电动势。控制器还从电压命令来产生转换器切换命令。电压命令包括电压幅值参考以及从有功功率参考与电功率之间的功率不平衡计算的内部频率参考。第二控制器用于限制转换器电流。
文档编号H02N6/00GK101860038SQ20101011259
公开日2010年10月13日 申请日期2010年1月22日 优先权日2009年1月23日
发明者A·M·里特, H·翁, R·W·德尔梅里科, X·元 申请人:通用电气公司