与风力发电厂中的无功功率控制有关的改进的制作方法

本发明涉及一种控制发电厂的方法、一种发电厂控制器以及一种风力涡轮机发电厂，更一般地涉及一种可再生能源发电厂。

背景技术：

现在预计新委托的风力发电厂和其他形式的可再生能源能够调节它们为电网提供的功率。风力发电厂包括多个风力涡轮发电机，并且还被称为风力发电场或风场。发电厂的调节和一般操作由发电厂控制系统或控制器(ppc)控制，该控制系统或控制器实施如由传输系统操作员(tso)或国家特定的电网互连要求或‘电网规范’规定的操作限制和要求。tso还向ppc传达功率传输需求。

电网规范通常包括在电网和发电厂之间的互连点(poi)处的无功功率交换上的特定限制。这些限制由所谓的p-q图表管理，该图表概述了基于实际功率输出的对无功功率交换极限的电网规范要求。ppc实施从tso收到的功率传输需求，同时确保了p-q图表中规定的限制和要求得到维护。

然而，仅基于有功功率测量来限制无功功率交换可以导致发电厂内的各个发电机的断开、发电厂作为整体的断开、或甚至电网不稳定。

本发明的目的是解决与现有技术相关的缺点。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供了一种用于控制包括多个风力涡轮发电机的可再生能源发电厂的方法，该方法包括：测量与输电网络和发电厂之间的互连点相关联的电压水平；根据测量电压水平计算无功功率交换极限；以及控制发电厂，以便不超过计算出的无功功率交换极限。

通过计算基于测量电压的无功功率限制，该系统有利地保持输电网络和发电机两者的安全操作。在传输网络的高电压和低电压水平期间以及在发电厂的无功功率控制期间确保安全操作。通过根据规定的限制控制发电厂，可以适应传输网络环境的任何变化。

输电网络可以是本地、国家或国际电网，诸如英国国家电网，另一个优点在于通过基于电压水平指定无功功率限制，电网的互连要求更可能得到满足。

该系统的易于实施是特别有益的，因为它能够在传统发电厂内实施而无需额外的仪器或调节。

可选地，计算无功功率交换极限可以包括确定与输电网络相关联的特征电压水平。

计算无功功率交换极限可以包括确定测量电压水平是高于还是低于特征电压水平。

特征电压水平可以是输电网络的标称电压水平。使用标称电压水平来计算无功功率交换极限可以确保满足严格遵守电网规范要求。

特征电压水平可以是输电网络的固有电压水平。输电网络的固有电压水平应当理解为输电网络通常具有的电压水平，换句话说是当其在正常操作条件下操作并且忽略微小偏差时具有的电压水平。在已知交叉点处的电压高于标称电压水平的情况下，使用固有电压水平来计算无功功率交换极限是有利的，因为使用固有电压作为限制的基础会产生更实际的实施电网规范的要求。

在一实施方式中，该方法包括从与输电网络相关联的传输系统运营商接收无功功率参考值。

计算无功功率交换极限可以包括确定无功功率参考值是否对应于无功功率供应或无功功率吸收需求。

在无功功率参考值对应于无功功率吸收需求并且测量电压水平高于特征电压水平的情况下，无功功率交换极限水平可以被计算为最大无功功率吸收水平。

在无功功率参考值对应于无功功率吸收需求并且测量电压水平低于特征电压水平的情况下，无功功率交换极限水平可以被计算为与测量电压水平成反比的无功功率吸收水平。通过确保在低测量电压水平处的无功功率吸收被保持在安全限制内，实现该限制有利地确保电网稳定性。

在无功功率参考值对应于无功功率供应需求并且测量电压水平低于特征电压水平的情况下，无功功率交换极限水平可以被计算为最大无功功率供应水平。

在无功功率参考值对应于无功功率供应需求并且测量电压水平高于特征电压水平的情况下，无功功率交换极限水平可以被计算为与测量电压水平成反比的无功功率吸收水平。通过确保在高测量电压水平处的无功功率供应被保持在安全限制内，实现该限制有利地确保电网稳定性。

发电厂可以包括无功功率补偿设备。补偿设备可以确保快速响应无功功率需求的变化。

该方法可以包括：在无功功率参考值不超过无功功率交换极限水平的情况下，改变发电厂的操作以满足无功功率参考值需求。

该方法可以包括：在无功功率参考值超过无功功率交换极限水平，则改变发电厂的操作以供应或吸收无功功率交换极限水平。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于发电厂的发电厂控制器，该发电厂具有多个风力涡轮发电机和无功功率补偿设备，其中控制器包括处理器、存储器模块和输入/输出系统，并且其中存储器包括一组程序代码指令，当由处理器执行时，该程序代码指令实现如上所述的方法。

根据本发明的另一方面，提供了一种可以从通信网络下载和/或存储在机器可读介质上的计算机程序制品，包括用于实现如上所述的方法的程序代码指令。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的一个或多个实施方式，其中：

图1是根据本发明实施方式的包括风力发电厂和主电网的功率网络的示意图；

图2是概述在已知系统中使用的一种方法中电压和无功功率交换极限之间的关系的图表；

图3是概述由根据本发明实施方式的发电厂控制器实现的无功功率限制的图表；

图4是说明由发电厂控制器管理图1所示类型的风力发电厂的无功功率限制的设置的过程的流程图；以及

图5是概述由根据本发明另一实施方式的发电厂控制器实现的无功功率限制的图表。

具体实施方式

图1示出了典型的架构，其中风力发电厂(wpp)作为更广的功率网络的一部分连接至主输电网。所示的示例仅是代表性的，并且技术人员将理解，关于风力发电厂和用于其他可再生能源的发电厂两者，其他特定架构也是可能的。另外，技术人员将理解，下面还描述的方法、系统和技术可以适用于功率网络的许多不同配置。此外，风力发电厂和功率网络的部件是常规的，因此对于技术人员来说是熟悉的。

图1示出了包含风力发电厂(wpp)12的功率网络10，该风力发电厂包括多个风力涡轮发电机或更简单的“风力涡轮机”14。单一风力涡轮机也是可能的。多个风力涡轮机14中的每一个将风能转换成电能，该电能从涡轮机14传递至主传输电网16，用于分配。wpp12的每个风力涡轮机14连接至局部电网(未示出)。

wpp12经由馈线20适当地连接至集电极总线18。集电极总线18可以处于适合于相对短距离功率传输的中间电压水平，例如在10到150kv的范围内，大多数通常在110到150kv之间。集电极总线18还可以为多个风力发电厂提供公共耦合点(pcc)，尽管为简单起见，这里仅示出了单一wpp12。

集电极总线18通过传输线24连接至主升压变压器22。主变压器22又通过另一传输线28在互连点(poi)26处连接至主电网16。poi26是wpp12和主电网16之间的接口。

虽然集电极总线18可能需要跨越大约100km的距离，但是主电网16可以是国际、国家或区域电网，诸如英国国家电网，因此可能需要跨越高达250km左右的距离。因此，主电网16的电压水平可以远高于集电极总线18的电压水平，以获得更好的传输效率。

连接线(诸如传输线和馈线20，24，28)可以各自包括保护系统30，以在极端条件期间或之后保护各个部件免受损坏。例如，设想每条线路中至少包括适当的断路器。

在下文中，应当假设对部件被连接或部件之间的连接的引用包括如上所述的合适的馈线或传输线，除非另有说明。

电厂控制器(ppc)32在测量点(pom)34处连接至功率网络10，并且还直接连接至wpp12。ppc32的作用是充当wpp12和电网运营商或传输系统运营商(tso)36之间的命令和控制接口。tso36负责向ppc32指示主电网16的需求和要求。ppc32作为命令和控制接口，解释由tso36请求的功率输送需求并管理wpp12中的风力涡轮机14以满足那些要求，同时考虑其他操作因素，诸如电网故障和输出或测量电网电压的突然变化。

ppc32是用于执行如上所述的控制和命令的合适的计算机系统，因此包含处理模块38、连接模块40、存储器模块42和感测模块44。

为了监视和调节wpp12的输出并正确地解释功率需求，ppc32在pom34处连接至主变压器22和poi26之间的传输线28。ppc32配备为测量各种参数，包括将由wpp12在poi26处提供给主电网16的代表性功率输出。由于pom34不在poi26处，测量参数仅代表pom34和poi26之间以及pom34和ppc32之间的线路中的损耗，可能对测量产生影响。可以进行适当的补偿以考虑损失以确保测量是准确的。

另外，ppc32测量功率输出的参数(诸如频率和电压)以及wpp12和主电网16之间的无功功率交换以及主电网16的电压水平。ppc32比较测量针对特定电网要求的参数并相应地将控制命令传送至wpp12的特定部件。wpp12能够响应于从ppc32接收的命令而改变其无功功率输出。

为了确保对无功功率交换的更高级别的控制，诸如静态同步补偿器(statcom)或静态var补偿器(svc)的无功功率补偿器46被并入wpp12中并且与所述多个风力涡轮机14并联连接至集电极总线18。补偿器46被配置为在需要时提供无功功率补偿，诸如当根据控制策略从ppc32接收指令时。

ppc32以合适的方式将控制命令传送至补偿器46和涡轮机14。应当注意，图1是示意图，因此没有明确地描述控制命令被传递至补偿器46和/或涡轮机14的方式。然而，应当理解，可以提供合适的电缆以互连ppc32和补偿器46和/或涡轮机14。互连可以是直接或“点对点”连接，或者可以是在合适的协议(例如can总线或以太网)下操作的局域网(lan)的一部分。而且，应当理解，替代使用电缆，控制命令可以通过合适的无线网络无线传输，例如在wifi^tm或zigbee^tm标准(分别为ieee802.11和802.15.4)下操作。

应将图1的图表仅视为功率网络的表示。功率网络和发电厂的替代配置是已知的，并且预期其他已知部件可以作为图1中示出和描述的部件的补充或替代而并入。这些改变将在本领域技术人员的能力范围内。例如，根据所述多个风力涡轮机中包括的涡轮机的数量，预期变电站或额外变压器将并入风力发电厂中。

在一些实施方式中，pom34可以位于系统中的不同位置，使得由ppc32测量参数不代表poi26处的那些参数的实际值，并且值可以相差一个数量级或者更多。在这种情况下，可以将校正因子应用于测量以针对pom34相对于poi26的不同位置进行调节。因此pom34关于poi26的位置无关紧要，只要存在poi34。预定的校正因子。因此，即使不在该位置直接测量电压，测量电压也可以指示互连点处的电压或与之相关联。

为了能够向主电网16供应功率，wpp12必须符合特定于主电网16的一组电网要求。如上所述，ppc32传送控制命令以改变功率输出以及poi26处的实际和无功功率交换。ppc32的一个功能方面是控制无功功率限制以降低与电网16断开的可能性，从而保持电网稳定性。电网要求概述了相对于实际功率输出和电压变化的无功功率交换极限。

在图2中示出了在poi26处进行无功功率交换的一种已知方法。图2示出了在已知方法中相对于测量电网电压(u)的可允许的无功功率交换(q)。

无功功率水平q显示在图2的x轴上，而电压水平u显示在图2的y轴上。当电流和电压不同相时，交流电路中存在无功功率。当系统中的电流滞后于该系统的电压时，系统会注入无功功率。相反，当电流超前于系统中的电压时，系统吸收无功功率。

当考虑wpp12和图2的图表时，标记为qmax的无功功率边界值对应于滞后电流，因此qmax对应于wpp12向主电网16供应最大无功功率。相反，qmin对应于超前电流，因此对应于wpp的最大无功功率吸收水平。原点处的点q0对应于wpp具有同相电压和电流，因此对应于与正被吸收的无功功率等量的无功功率正被提供的平衡状态。边界值由电网规范指定，与wpp的操作限制有关。

电压边界值vmax和vmin对应于wpp可以操作的相应最大和最小无功功率水平，并且在这种情况下分别对应于1.1每单位电压(pu)和0.9pu。原点v0对应于基准电压1.0pu，该基准电压是标称电网电压。如本领域技术人员所理解的，每单位电压是电压相对于用作参考的基值的表达。使用每单位系统允许跨变压器和其他部件的值的标准化，这可以将值改变一个数量级。

可以看出，在vmax和vmin之间的所有电压处，ppc可以要求一系列无功功率水平，并且包络延伸到边界值qmax和qmin。应当注意，在该实施方案中，qmax和qmin实际上是静态值，其与电网电压水平无关地保持恒定。类似地，在所有无功功率水平处，该系统可以在高达电压边界vmax和vmin处继续操作。

实际上，在这种已知方法中，由于对限制无功功率交换的考虑最小，因此当电网电压相对较高时，ppc32可以命令将相对较高的无功功率注入主电网16，相反，当电网16的电压相对较低时，ppc32可以通过wpp12命令从电网16获得相对高的吸收。这可能导致电网16的不稳定性。

例如，在电网电压水平为1.1pu的情况下，ppc32能够命令从wpp12输送高无功功率。由于无功功率直接影响电压水平，所以存在相对高电网电压的过度无功功率注入可能导致电网16中的无意的不稳定性的风险。

在另一示例中，考虑了在无功功率控制(q控制)模式下由ppc32操作wpp12的情况，其中控制无功功率并满足tso36要求。在图2的方法中，即使在电网电压从一水平突然升高至vmax的情况下，也允许wpp12向电网16供应最大无功功率。在这种情况下，存在可能在风力涡轮发电机14的端子上引起高电压的风险，这可能导致wpp12的断开或损坏。

本发明提供了一种方法，通过该方法，ppc32可以更有效地管理相关联的发电厂的无功功率输送或吸收需求，特别是避免在相对高的电网电压条件期间输送大量无功功率的情况以及相反地在相对较低的电网电压条件下吸收大量无功功率的情况。图3中示出了用于避免所述情况的方法，其示出了由poi26处的ppc32实现的电压和无功功率限制之间的关系。

在图3中，其示出了根据本发明的相对于电压的无功功率交换极限，qmax和qmin是由电网规范指定的相应的最大和最小无功功率边界水平，而vmax和vmin是在这种情况下分别对应于1.1pu和0.9pu的最大和最小电压水平。

vn是wpp的固有电压，预计略高于1.0pu。wpp的固有电压应理解为wpp在正常操作期间将具有的电压水平，忽略任何微小变化。vmeas⁺和vmeas^-是由ppc32接近poi26测量电压。v0是参考电压或标称电网电压，对应于图3中图表原点处的电压功率值。v0对应于1.0pu，这是标称电网电压。tso以预定的传输/分配水平指定v0。该电压水平是额定电压，变压器将电压升压至该额定电压以向电网供应，以降低输电线路中的功率损耗。相反，vn在电网受到局部现象的影响时出现。

qmaxadj和qminadj是仅用于计算的调节无功功率值，并且根据以下公式基于vn：

因此，当vn等于v0(1.0pu)时，则qmaxadj＝qmax且qminadj＝qmin。在替代实施方式中，qmaxadj和qminadj直接取自电网规范要求。应当注意，无功功率从不超过qmax和qmin，并且qmaxadj和qminadj仅是用于计算的值。

考虑在wpp12的操作期间由ppc32测量vmeas⁺的情况，根据图3的图表设置无功功率限制。将下限设置为qmin并且将上限设置为qcalca1。qcalca1根据图3中所示的限制计算，并对应于以下公式：

类似地，考虑在wpp12的操作期间由ppc32测量vmeas^-的情况，根据图3的图表设置无功功率限制。将上限设置为qmax并且将下限设置为qcalca2。qcalca2根据图3中画出轮廓的限制线计算，其对应于以下公式：

根据图3的限制在该系统操作期间，以合适的速率获取电压样本，并且针对测量电压计算相关的q限制。虽然vmeas⁺和vmeas^-被识别为上述特定值，但vmeas⁺用于表示大于v0的测量电压，而vmeas^-用于表示小于v0的测量电压。实际上，一次只测量单一电压水平。类似地，qcalca1和qcalca2旨在分别指示对应于vmeas⁺和vmeas的无功功率交换极限。

可以设想，计算可以以合适的速率实时执行，例如0.1hz。这给出了在以确保限制响应并且准确给定电网电压变化的速率计算限制同时不需要过多的处理器负载之间的合理平衡。

通过不断重新计算适用的无功功率限制，可以满足电网规范要求，并实现对无功功率输出的完全控制。即使为操作指定的无功功率水平超出限制，也可以调节电压以补偿无功功率水平的必要变化，从而维持安全的系统。

根据图3由ppc应用无功功率限制确保严格遵守电网规范要求。由于图3中的图表的形状取决于标称电压水平，因此v0可以被认为是负责表征由系统实现的限制的特征电压水平。

图4示出了可以由ppc32实现的过程100的流程图。过程100管理系统10内的限制的计算。在图4的过程100中，系统10最初执行安全检查102，以确保测量电压vmeas落在电压边界值vmax和vmin之间。在发现vmeas没有落在所需边界值104之间的情况下，该过程立即结束106并且执行其他操作(诸如关闭例程)以确保wpp12和系统10整体的安全性。这些其他操作不落在本发明的范围内，因此不再进一步讨论。

在vmeas处于边界值108之间的情况下，过程100前进至第二步骤110，其中将vmeas与原点电压v0进行比较。

在将vmeas与v0的比较之后的步骤112，114处，将qref值与0限制进行比较。qref是无功功率参考值，并且是从由ppc32从tso36接收的指令导出的。在一些实施方式中，过程100中的qref比较步骤112，114和前一步骤110可以同时发生或者可以处于相反的顺序中。

换句话说，图4的过程100试图识别图3的u-q图的测量电压和无功功率参考值所处的象限，并且因此确定应当使用哪个无功功率限制。该过程首先使用标称电压作为阈值识别110主电网的电压水平，并且其次再次通过与阈值相比较来识别112，114参考无功功率值是否对应于从电网16吸收无功功率或者向主电网16供应无功功率，在这种情况下阈值为0。

对于高测量电网电压116，例如在图3中在1.0pu和1.1pu之间，并且对于对应于由wpp12向主电网16供应124无功功率的参考无功功率值，根据公式[3]将无功功率限制设置126为qcalc⁺，可以在图3的图表的第一象限中看到。

象限将根据传统的笛卡尔坐标系进行标记：右上象限是第一象限(i)，左上象限是第二象限(ii)，而第三和第四象限(iii，iv)分别对应于左下和右下象限。

对于高测量电网电压116，例如在图3中在1.0pu和1.1pu之间，并且对于对应于由wpp12从电网16吸收120无功功率的参考无功功率值，通过图4中的过程将无功功率限制设置122为qmin，这是可能的最大吸收，并且是为u-q图表的第二象限指定的限制。

对于低测量电网电压118，例如在图3中在0.9pu和1.0pu之间，并且对于对应于由wpp12从电网16吸收128无功功率的参考无功功率值，根据公式[4]设置130无功功率限制，如图3的第三象限所示。

最后，对于低测量电网电压118，例如在图3中在0.9pu和1.0pu之间，并且对于对应于由wpp12向主电网16供应132无功功率的参考无功功率值，将无功功率限制设置134为qmax，这是无功功率的最大可能供应，并且是为u-q图表的第四象限规定的限制。

以不同的术语表示，在vmeas>v0(116)并且qref<0(120)的情况下，qlimit被设置(122)为qmin。在vmeas>v0(116)并且qref>0(124)的情况下，qlimit被设置(126)为qcalc⁺，其对应于图3中的qcalca1。

在vmeas<v0(118)并且qref<0(128)的情况下，qlimit被设置(130)为qcalc^-，其对应于图3中的qcalca2。在vmeas<v0(118)并且qref>0的情况下(132)，qlimit被设置(134)为qmax。

qcalc⁺是从图3的图表的第一象限中的限制线获得的无功功率上限，而qcalc^-是在图3的图表的第三象限中获得的无功功率下限。假设各象限顺时针编号。

因此，可以看出，在测量电网电压大于1.0pu的情况下，无功功率限制qcalc⁺定义了vmax和qmax之间的斜线。这意味着在测量电网电压的高值处，例如1.1pu，无功功率供应被限制在非常低的水平，并且在极端情况下，被限制为零。

类似地，可以看出，在测量电网电压小于1.0pu的情况下，无功功率限制qcalc^-定义了vmin和qmin之间的斜线。这意味着在测量电网电压的低值处，例如0.9pu，无功功率吸收被限制在非常低的水平，并且在极端情况下，被限制为零。

设置qlimit值后，过程100结束106。如上所述，过程100以规则的间隔连续计算无功功率限制，以确保符合电网规范要求。

当根据图4计算出限制时，ppc32通过命令风力涡轮机14和补偿设备46的操作变化来实现限制。

图5中示出了本发明的替代实施方式。图5的图表类似于图3中所示的图表，具有基于wpp12的固有电压的调节的限制。

在已知poi26处的电压水平高于标称电压vn的情况下，即当测量vmeas⁺时，tso36可以选择具有图5的修改的无功功率限制水平，而不是严格遵守图3所示的电网规范无功功率要求，倘若ppc32能够应用限制。在一些实施方式中，ppc32可以被限制为仅严格应用图3的限制。现在将更详细地解释图5的限制水平。

在图5中，由虚线示出了先前由图3的图表确定的限制限制。qcalca1和qcalca2也被描述为提供与图3中设置的限制的比较。qmaxadj和qminadj基于vn，因此vn在图5中保持与图3中相同的值，因此不会在qmaxadj和qminadj看到任何变化。类似地，vmeas⁺和vmeas^-保留在与图3所示相同的位置，以提供可比较的图表。

现在重点讨论图5，对于vn和vmax之间的电压水平，例如无功功率上限qcalcb1(即在q＝0和q＝qmax之间)根据以下公式计算：

对于vn和vmax之间的电压水平，无功功率下限是qmin。

对于vmin和vn之间的电压水平，无功功率上限是qmax。

对于vmin和vn之间的电压水平，例如无功功率下限qcalcb2(即，在q＝qmin和q＝0之间)根据以下公式计算：

因此，在图5中，计算出的q限制取决于系统的固有电压。在图5和图3两者中，当vn＝v0时，计算出的q限制是相同的。

当根据图5的限制计算进行操作时，系统运行与图4中相似的过程。新过程中的不同之处在于，在第二步骤处，将vmeas与vn而不是v0进行比较。当根据图5实现限制时，vn可以被认为是特征电压水平。

虽然这里将系统描述为应用于风力发电厂，但是可以将该系统应用于任何其他形式的可再生能源发电厂，例如光伏电站。

在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对上述示例进行许多修改。