用于操作基于逆变器的资源作为虚拟同步机的系统和方法与流程

1.本公开内容大体上涉及基于逆变器的资源(resource)，例如风力涡轮功率系统，并且更具体地涉及用于操作电网连接(或并网，grid-connected)的基于逆变器的资源的系统和方法，该资源具有异步机作为虚拟同步机以对基于逆变器的资源提供电网形成(或组网，grid-forming)控制。


背景技术：

2.风电被认为是目前可利用的最清洁、最环保的能源之一，并且风力涡轮在这方面已获得增加的关注。现代的风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱，以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型原理捕获风的动能。例如，转子叶片典型地具有翼型的截面轮廓，使得在操作期间，空气流过叶片而在侧面之间产生压力差。因此，从压力侧朝向吸力侧指向的升力作用在叶片上。升力在主转子轴上生成扭矩，该扭矩典型地通过齿轮连接至用于产生电的发电机。
3.风力涡轮可分成两种类型：定速涡轮和变速涡轮。常规地，变速风力涡轮经控制作为连接至电力电网(或功率电网)的电流源。换句话讲，变速风力涡轮依靠通过锁相环路(pll)所检测的电网频率作为基准并且将规定量的电流增添到电网中。风力涡轮的常规电流源控制是基于假设电网电压波形为具有固定频率和幅值的基本电压波形并且风电到电网中的渗透率(penetration)足够低以便不会对电网电压幅值和频率造成干扰。因此，风力涡轮仅是基于基本电压波形将规定的电流增添到电网中。然而，随着风电的快速增长，到一些电网中的风电渗透率已上升至在其中风力涡轮发电机对电网电压和频率具有显著影响的程度。当风力涡轮位于弱电网中时，风力涡轮功率波动可导致电网电压在幅值和频率变化方面的增加。这些波动可不利地影响pll和风力涡轮电流控制的性能和稳定性。
4.此外，在同步机相对于异步机的比例方面的下降，其确定电网限定参数电压和频率，有助于降低稳定性裕度。当经受电网中的电压和频率干扰时，稳定性裕度降低的直接后果是电网崩溃。
5.因此，许多现有的异步机，例如双馈风力涡轮发电机，以“电网跟随(grid-following)”模式操作。电网跟随型装置利用快速电流调节环路来控制与电网交换的有功和无功功率。更具体地，图1例示用于电网跟随双馈风力涡轮发电机的主电路和变换器控制结构的基本元件。如所示那样，对于变换器的有功功率基准由能源调节器(例如，风力涡轮的涡轮控制部分)产生。这作为扭矩基准进行传送，该扭矩基准表示在该时刻来自能源的最大可获得功率或来自较高级电网控制器的削减命令中的较弱者。变换器控制然后确定用于电流的有功分量的电流基准以实现期望的扭矩。因此，双馈风力涡轮发电机包括以引起用于电流的无功分量的命令的方式管理电压和无功功率的功能。然后，宽带宽电流调节器对于待由变换器施加至系统的电压产生命令，使得实际电流紧密地跟踪命令。
6.备选地，电网形成型变换器提供电压源特性，其中，电压的角度和幅值经控制以实现电网所需的调节功能。对于这种结构，电流将根据电网的需求流动，而变换器则帮助建立
用于电网的电压和频率。这种特性可与基于驱动同步机的涡轮的常规发电机相媲美。因此，电网形成源必须包括以下基本功能：(1)支持电网电压和频率在设备的额定值(rating)内用于任何电流流动，真实(或有功，real)的和无功的二者；(2)通过容许电网电压或频率改变而不是断开设备来防止超出设备电压或电流能力的操作(仅当电压或频率处于由电网实体所设立的限度外时才容许断开)；(3)对于任何电网配置或负载特性保持稳定，包括服务于隔离的负载或与其它电网形成源连接，以及在这些配置之间切换；(4)在连接至电网的其它电网形成源之中共享电网的总负载；(5)度过(或克服)电网干扰，主要的和次要的二者，以及(6)满足要求(1)-(5)而无需与电网中现有的其它控制系统或外部创建的与电网配置改变相关的逻辑信号快速通信。
7.用以实现上文电网形成目标的基本控制结构是在1990年代初期为电池系统开发和现场验证的(参见例如名称为“battery energy storage power conditioning system”的美国专利no.:5,798,633)。对于全变换器风力发电机和太阳能发电机的应用在名称为“system and method for control of a grid connected power generating system”的美国专利no.:7,804,184和名称为“controller for controlling a power converter”的美国专利no.:9,270,194中公开。对于用于双馈风力涡轮发电机的电网形成控制的应用在名称为“system and method for providing grid-forming control for a double-feb wind turbine generator”的pct/us2020/013787中公开。
8.作为实例，图2例示电网形成系统的主电路的一个实施例的示意图。如所示那样，主电路包括具有在dc侧和ac侧上的连接的功率电子变换器。这种变换器接收来自控制器的选通(gating)命令，该控制器以thvcnv的角度创建ac电压相量vcnv。该角度是相对于具有固定频率的基准相量而言的。dc侧提供有装置，其能够生成或吸收功率，即使是持续短时长。此类装置可包括例如电池、太阳能电池板、带有整流器的旋转电机，或电容器。此外，如所示那样，电路包括将变换器连接至其互连点的电感阻抗xcnv，在图2中示为电压vt和角度thvt。在互连点之后的电气系统示为与阻抗zthev等效的thevenin和处于角度thvthev的电压vthev。这种等效可用于表示任何电路，包括带有负载的电网连接电路和孤岛电路。在实际情况下，阻抗zthev将主要地是电感的。
9.仍参看图2，主控制的闭环部分接收来自互连点处的电压和电流的反馈信号。附加的输入接收自较高级控制(未示出)。尽管图2例示的是单个变换器作为实例，但可在阻抗xcnv之后创建受控电压vcnv的电气等效物的任何设备分组可应用所公开的控制方案来实现相同的性能益处。
10.现在参看图3，例示的是根据常规构成的用于提供电网形成控制的控制图。如所示那样，变换器控制器1从较高级控制2接收基准(例如vref和pref)和限值(例如vcmdlimits和pcmdlimits)。这些较高级限值是关于电压、电流和功率的物理量。主调节器包括快速电压调节器3和慢速功率调节器4。这些调节器3、4具有应用于对于电压幅值(例如vcnvcmd)和角度(例如θ
pang
和θ
pll
)的变换器控制命令的最终限值，以分别地执行关于电流的无功分量和真实（或有功）分量的约束。另外，此类限值是基于作为默认值的预定固定值，其中，如果电流超过限值则闭环控制用以降低限值。
11.因此，本公开内容针对用于操作电网连接的基于逆变器的资源的系统和方法，该资源具有异步机作为虚拟同步机来提供基于逆变器的资源的电网形成控制以便解决上述
问题。


技术实现要素：

12.本发明的方面和优点将在下文描述中部分地阐述，或者可根据该描述是显而易见的，或者可通过实施本发明而懂得。
13.在一个方面，本公开内容针对用于控制基于逆变器的资源的方法，该资源具有连接至电力电网的异步机以提供基于逆变器的资源的电网形成控制。基于逆变器的资源具有第一变换器和第二变换器。例如，在一实施例中，异步机可为双馈感应发电机，而基于逆变器的资源可为风力涡轮功率系统。在此类实施例中，第一变换器可为线路侧变换器并且第二变换器可为风力涡轮功率系统的转子侧变换器。因此，该方法包括将至少一个附加装置耦合至第一变换器的端子。另外，该方法包括经由控制器将该至少一个附加装置或第一变换器中的至少一个仿真为第一虚拟同步机。此外，该方法包括经由控制器，使用矢量(vector)控制方法(approach)协调第一虚拟同步机和第二变换器的操作以采用闭环方式控制在基于逆变器的资源和电力电网之间的互连点处的电压和频率中的至少一个。
14.在一实施例中，附加装置(多个)可包括存储装置。在另一实施例中，附加装置(多个)还可包括附加的混合功率源。例如，混合功率源可包括太阳能电源、风力电源、水力电源、能量存储装置等。
15.在另外的实施例中，该方法可包括将第二变换器和异步机仿真为与第一虚拟同步机并联地连接的第二虚拟同步机。
16.在附加的实施例中，使用矢量控制方法来协调第一虚拟同步机和第二变换器的操作以采用闭环方式控制在基于逆变器的资源和电力电网之间的互连点处的电压和频率中的至少一个可包括，例如，将下垂(droop)特性结合到第一和第二变换器的电压和频率控制环路中，以使用矢量控制方法来协调第一和第二虚拟同步机的操作以采用闭环方式控制在基于逆变器的资源与电力电网之间的互连点处的电压和频率中的至少一个。
17.在还一实施例中，附加装置(多个)可包括无功功率补偿装置。在此类实施例中，将附加装置(多个)或第一变换器中的至少一个仿真为第一虚拟同步机可包括将无功功率补偿装置仿真为第一虚拟同步机。另外，在此类实施例中，第一虚拟同步机可为基于矢量控制的同步机。
18.此外，在此类实施例中，无功功率补偿装置可包括至少一个存储装置。在备选实施例中，无功功率补偿装置可为没有存储的。
19.在若干实施例中，该方法还可包括经由控制器，从外部控制器接收频率基准命令或电压基准命令中的至少一个；经由控制器，基于频率基准命令或电压基准命令中的至少一个来确定用于基于逆变器的资源的至少一个功率基准信号；经由控制器，使用该至少一个功率基准信号来生成至少一个电流矢量；经由控制器，使用该至少一个电流矢量来确定用于基于逆变器的资源的一个或多个电压控制命令；以及经由控制器，基于该一个或多个电压控制命令来控制基于逆变器的资源，使得基于逆变器的资源主动地参与以闭环方式控制在基于逆变器的资源与电力电网之间的互连点处的电压和频率中的至少一个。
20.在具体实施例中，控制器可为风力涡轮功率系统的涡轮控制器或变换器控制器。
21.在另一方面，本公开内容针对连接至电力电网的基于逆变器的资源。基于逆变器
的资源可包括异步机、第一变换器、第二变换器、对于第一变换器的端子的至少一个附加装置，以及用于操作基于逆变器的资源以对其提供电网形成控制的至少一个控制器。控制器包括至少一个处理器，其配置成用以执行多个操作，包括但不限于将该至少一个附加装置或第一变换器中的至少一个仿真为第一虚拟同步机和使用矢量控制方法来协调第一虚拟同步机和第二变换器的操作以采用闭环方式控制在该至少一个基于逆变器的资源和电力电网之间的互连点处的电压和频率中的至少一个。应当理解，基于逆变器的资源还可包括文中所述的附加特征和/或步骤中的任何。
22.在又一方面，本公开内容针对连接至电力电网的风力涡轮功率系统。风力涡轮功率系统包括具有转子侧变换器和线路侧变换器的功率变换器、双馈感应发电机、对于线路侧变换器的端子的至少一个附加装置，以及用于操作风力涡轮功率系统以提供风力涡轮功率系统的电网形成控制的至少一个控制器。控制器包括至少一个处理器，其配置成用以执行多个操作，包括但不限于将该至少一个附加装置或线路侧变换器中的至少一个仿真为第一虚拟同步机和使用矢量控制方法来协调第一虚拟同步机和转子侧变换器的操作以采用闭环方式控制在风力涡轮功率系统和电力电网之间的互连点处的电压和频率中的至少一个。应当理解，风力涡轮功率系统还可包括文中所述的附加特征和/或步骤中的任何。
23.此外，本公开内容还提供了以下技术方案。
24.技术方案1. 一种用于控制基于逆变器的资源的方法，所述基于逆变器的资源具有连接至电力电网的异步机以提供所述基于逆变器的资源的电网形成控制，所述基于逆变器的资源具有第一变换器和第二变换器，所述方法包括：将至少一个附加装置耦合至所述第一变换器的端子；经由控制器将所述至少一个附加装置或所述第一变换器中的至少一个仿真为第一虚拟同步机；以及经由所述控制器，使用矢量控制方法来协调所述第一虚拟同步机和所述第二变换器的操作以采用闭环方式控制在所述基于逆变器的资源和所述电力电网之间的互连点处的电压和频率中的至少一个。
25.技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述至少一个附加装置包括存储装置。
26.技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述至少一个附加装置包括附加的混合功率源，所述混合功率源包括太阳能电源、风力电源、水力电源或能量存储装置中的至少一个。
27.技术方案4. 根据技术方案2所述的方法，还包括将所述第二变换器和所述异步机仿真为与所述第一虚拟同步机并联地连接的第二虚拟同步机。
28.技术方案5. 根据技术方案4所述的方法，其中，使用所述矢量控制方法来协调所述第一虚拟同步机和所述第二变换器的操作以采用所述闭环方式控制在所述基于逆变器的资源和所述电力电网之间的互连点处的所述电压和所述频率中的至少一个还包括：将下垂特性结合到所述第一变换器和第二变换器的电压和频率控制环路中，以使用所述矢量控制方法来协调所述第一虚拟同步机和第二虚拟同步机的操作，以采用所述闭环方式控制在所述基于逆变器的资源和所述电力电网之间的互连点处的所述电压和所述频率中的至少一个。
29.技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述至少一个附加装置包括无功功率补偿装置。
30.技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其中，将所述至少一个附加装置或所述第一变换器中的至少一个仿真为所述第一虚拟同步机还包括将所述无功功率补偿装置仿真为所述第一虚拟同步机，所述第一虚拟同步机是基于矢量控制的同步机。
31.技术方案8. 根据技术方案6所述的方法，其中，所述无功功率补偿装置包括至少一个存储装置。
32.技术方案9. 根据技术方案6所述的方法，其中，所述无功功率补偿装置是没有存储的。
33.技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，还包括：经由所述控制器从外部控制器接收频率基准命令或电压基准命令中的至少一个；经由所述控制器，基于所述频率基准命令或所述电压基准命令中的至少一个来确定用于所述基于逆变器的资源的至少一个功率基准信号；经由所述控制器，使用所述至少一个功率基准信号来生成至少一个电流矢量；经由所述控制器，使用所述至少一个电流矢量来确定用于所述基于逆变器的资源的一个或多个电压控制命令；以及经由所述控制器，基于所述一个或多个电压控制命令来控制所述基于逆变器的资源，使得所述基于逆变器的资源主动地参与以所述闭环方式控制在所述基于逆变器的资源和所述电力电网之间的所述互连点处的所述电压和所述频率中的至少一个。
34.技术方案11. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述异步机包括双馈感应发电机以及所述基于逆变器的资源包括风力涡轮功率系统。
35.技术方案12. 根据技术方案10所述的方法，其中，所述第一变换器包括线路侧变换器以及所述第二变换器包括所述风力涡轮功率系统的转子侧变换器。
36.技术方案13. 根据技术方案10所述的方法，其中，所述控制器包括所述风力涡轮功率系统的涡轮控制器或变换器控制器中的至少一个。
37.技术方案14. 一种连接至电力电网的基于逆变器的资源，所述基于逆变器的资源包括：异步机；第一变换器；第二变换器；对于所述第一变换器的端子的至少一个附加装置；以及用于控制所述基于逆变器的资源以对其提供电网形成控制的至少一个控制器，所述控制器包括至少一个处理器，所述至少一个处理器配置成用以执行多个操作，所述多个操作包括：将所述至少一个附加装置或所述第一变换器中的至少一个仿真为第一虚拟同步机；以及使用矢量控制方法来协调所述第一虚拟同步机和所述第二变换器的操作以采用闭环方式控制在所述至少一个基于逆变器的资源和所述电力电网之间的互连点处的电压和频率中的至少一个。
38.技术方案15. 根据技术方案14所述的基于逆变器的资源，其中，所述至少一个附加装置包括存储装置。
39.技术方案16. 根据技术方案14所述的基于逆变器的资源，其中，所述至少一个附加装置包括附加的混合功率源，所述混合功率源包括太阳能电源、风力电源、水力电源或能量存储装置中的至少一个。
40.技术方案17. 根据技术方案15所述的基于逆变器的资源，其中，所述多个操作还包括将所述第二变换器和所述异步机仿真为与所述第一虚拟同步机并联地连接的第二虚拟同步机。
41.技术方案18. 根据技术方案17所述的基于逆变器的资源，其中，使用所述矢量控制方法来协调所述第一虚拟同步机和所述第二变换器的操作以采用所述闭环方式控制在所述至少一个基于逆变器的资源和所述电力电网之间的互连点处的所述电压和所述频率中的至少一个还包括：将下垂特性结合到所述第一变换器和第二变换器的电压和频率控制环路中，以使用所述矢量控制方法来协调所述第一虚拟同步机和第二虚拟同步机的操作，以采用所述闭环方式控制在所述至少一个基于逆变器的资源和所述电力电网之间的互连点处的所述电压和所述频率中的至少一个。
42.技术方案19. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述至少一个附加装置包括无功功率补偿装置，其中，将所述至少一个附加装置或所述第一变换器中的至少一个仿真为所述第一虚拟同步机还包括将所述无功功率补偿装置仿真为所述第一虚拟同步机，所述第一虚拟同步机是基于矢量控制的同步机。
43.技术方案20. 一种连接至电力电网的风力涡轮功率系统，所述风力涡轮功率系统包括：功率变换器，所述功率变换器包括转子侧变换器和线路侧变换器；双馈感应发电机；对于所述线路侧变换器的端子的至少一个附加装置；以及用于控制所述风力涡轮功率系统以对其提供电网形成控制的至少一个控制器，所述控制器包括至少一个处理器，所述至少一个处理器配置成用以执行多个操作，所述多个操作包括：将所述至少一个附加装置或所述线路侧变换器中的至少一个仿真为第一虚拟同步机；以及使用矢量控制方法来协调所述第一虚拟同步机和所述转子侧变换器的操作以采用闭环方式控制在所述风力涡轮功率系统和所述电力电网之间的互连点处的电压和频率中的至少一个。
44.参照下文描述和所附权利要求，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并且构成其一部分的附图例示本发明的实施例，并且连同描述一起用于阐释本发明的原理。
附图说明
45.本发明针对本领域普通技术人员而言全面并且能够实施的公开内容(包括其最佳
方式)在参照附图的说明书中阐述，附图中：图1例示根据常规构成的具有用于电网跟随应用的变换器控制的结构的双馈风力涡轮发电机的单线图；图2例示根据常规构成的电网形成系统的主电路的一个实施例的示意图；图3例示根据常规构成的用于提供电网形成控制的控制图；图4例示根据本公开内容的风力涡轮的一个实施例的透视图；图5例示根据本公开内容的机舱的一个实施例的简化内部视图；图6例示适用于结合图1中所示风力涡轮使用的风力涡轮电功率系统的一个实施例的示意性视图；图7例示根据本公开内容的具有多个风力涡轮的风场的一个实施例的示意性视图；图8例示根据本公开内容的控制器的一个实施例的方框图；图9例示根据本公开内容的用于操作至少一个基于逆变器的资源的方法的一个实施例的流程图，该资源具有连接至电力电网的异步机作为虚拟同步机以提供基于逆变器的资源的电网形成控制；图10例示根据本公开内容的用于操作至少一个基于逆变器的资源的系统的一个实施例的示意图，该资源具有连接至电力电网的异步机作为虚拟同步机以提供基于逆变器的资源的电网形成控制；图11例示根据本公开内容的用于操作至少一个基于逆变器的资源的系统的另一实施例的示意图，该资源具有连接至电力电网的异步机作为虚拟同步机以提供基于逆变器的资源的电网形成控制；图12例示根据本公开内容的用于操作至少一个基于逆变器的资源的系统的又一实施例的示意图，该资源具有连接至电力电网的异步机作为虚拟同步机以提供基于逆变器的资源的电网形成控制；图13a-13d例示各种图解以描绘根据本公开内容的电网形成频率控制的优点；图14a-14d例示各种图解以描绘根据本公开内容的电网形成电压控制的优点；图15例示根据本公开内容的用于控制基于逆变器的资源的方法的一个实施例的流程图，该资源具有连接至电力电网的异步机以提供基于逆变器的资源的电网形成控制；图16例示根据本公开内容的被仿真为并联地连接的两个虚拟同步机的dfig风力涡轮功率系统的一个实施例的示意性视图；图17例示根据本公开内容的其中具有存储的无功功率补偿装置被仿真为虚拟同步机的dfig风力涡轮功率系统的一个实施例的示意性视图；和图18例示根据本公开内容的其中没有存储的无功功率补偿装置被仿真为虚拟同步机的dfig风力涡轮功率系统的一个实施例的示意性视图。
具体实施方式
46.现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中例示。每个实例均作为对本发明的阐释来提供而非对本发明的限制。事实上，对于本领域技术人员将显然的是，在本发明中可作出各种修正和变型而不脱离本发明的范围或精神。例如，例示或描述
为一个实施例的一部分的特征可结合另一实施例使用以产生又一个实施例。因此，本发明意图覆盖如在所附权利要求及它们的等同方案范围内的此类修正和变型。
47.一般来讲，本公开内容针对用于控制基于逆变器的资源的系统和方法，该资源具有连接至电力电网的异步机以提供基于逆变器的资源的电网形成控制。如文中所用，基于逆变器的资源通常是指可通过功率电子装置的切换来生成或吸收电功率的电气装置。因此，基于逆变器的资源可包括风力涡轮发电机、太阳能逆变器、能量存储系统、statcom，或水电系统。例如，在一个实施例中，基于逆变器的资源可为具有转子侧变换器、线路侧变换器以及连接至电力电网的双馈感应发电机(dfig)的风力涡轮功率系统。
48.现在参看附图，图4例示根据本公开内容的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所示那样，风力涡轮10通常包括从支承表面14延伸的塔架12、装设在塔架12上的机舱16，以及联接至机舱16的转子18。转子18包括可旋转毂20，以及联接至毂20并且自其向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在所例示的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个的转子叶片22。每个转子叶片22均可围绕毂20隔开以有利于旋转转子18来使动能能够由风转换成可用的机械能，并且随后转换成电能。例如，毂20可以可旋转地联接至定位在机舱16内的发电机24(图5)以允许产生电能。
49.风力涡轮10还可包括居中地位于机舱16内的风力涡轮控制器26。然而，在其它实施例中，控制器26可位于风力涡轮10的任何其它构件内或位于风力涡轮10外部的位置处。另外，控制器26可通信地耦合至风力涡轮10的任何数目的构件以便控制此类构件的操作和/或实施校正或控制动作。因此，控制器26可包括计算机或其它合适的处理单元。因此，在若干实施例中，控制器26可包括合适的计算机可读指令，当实施时，该指令配置控制器26以履行各种不同的功能，例如接收、传输和/或执行风力涡轮控制信号。因此，控制器26通常可配置成用以控制各种操作模式(例如，启动或关闭序列)、使风力涡轮和/或风力涡轮10的单独构件降额或升额。
50.现在参看图5，例示的是图4中所示的风力涡轮10的机舱16的一个实施例的简化内部视图。如所示那样，发电机24可设置在机舱16内并且支承在台板46顶上。一般来讲，发电机24可耦合至转子18，以便由通过转子18所生成的旋转能量来产生电功率。例如，如在所例示的实施例中所示，转子18可包括联接至毂20以便与其一起旋转的转子轴34。继而，转子轴34可通过齿轮箱38可旋转地联接至发电机24的发电机轴36。如通常所理解那样，转子轴34可响应于转子叶片22和毂20的旋转向齿轮箱38提供低速、高扭矩输入。于是，齿轮箱38可构造成用以将低速、高扭矩输入转换为高速、低扭矩输出以驱动发电机轴36且因此驱动发电机24。
51.风力涡轮10还可包括通信地耦合至风力涡轮控制器26的一个或多个桨距驱动机构32，其中，每个桨距调整机构(多个)32构造成用以旋转桨距轴承40并且因此使单独的转子叶片(多个)22围绕其相应的桨距轴线28旋转。此外，如所示那样，风力涡轮10可包括一个或多个偏航驱动机构42，该偏航驱动机构构造成用以改变机舱16相对于风的角度(例如，通过接合布置在风力涡轮10的机舱16和塔架12之间的风力涡轮10的偏航轴承44)。
52.此外，风力涡轮10还可包括一个或多个传感器66、68，用于监测风力涡轮10的各种风况。例如，引入风向52、风速，或风力涡轮10附近的任何其它合适的风况可测量，例如通过使用合适的气象传感器66。合适的气象传感器可包括例如光检测和测距(“lidar”)装置、声
波检测和测距(“sodar”)装置、风速计、风向标、气压计、雷达装置(例如多普勒雷达装置)或可提供本领域现在已知或今后开发的风向信息的任何其它感测装置。还有的另外的传感器68可用来测量风力涡轮10的附加操作参数，例如电压、电流、振动等，如文中所述。
53.现在参看图6，根据本公开内容的方面例示的是风力涡轮功率系统100的一个实施例的示意图。虽然本公开内容将在文中大体上参照图4中所示的风力涡轮10进行描述，但本领域技术人员使用文中所提供的公开内容将理解本公开内容的方面也可应用于其它功率生成系统，并且如上文所提及那样，本发明不限于风力涡轮系统。
54.在图6的实施例中并且如所提及那样，风力涡轮10(图4)的转子18可任选地联接至齿轮箱38，该齿轮箱继而联接至发电机102，该发电机可为双馈感应发电机(dfig)。如所示那样，dfig 102可连接至定子总线104。另外，如所示那样，功率变换器106可经由转子总线108连接至dfig 102，并且经由线路侧总线110连接至定子总线104。因此，定子总线104可从dfig 102的定子提供输出多相功率(例如三相功率)，并且转子总线108可从dfig 102的转子提供输出多相功率(例如三相功率)。功率变换器106还可包括转子侧变换器(rsc) 112和线路侧变换器(lsc) 114。dfig 102经由转子总线108耦合至转子侧变换器112。另外，rsc 112经由dc链路116耦合至lsc 114，dc链路电容器118跨接该dc链路。lsc 114继而耦合至线路侧总线110。
55.rsc 112和lsc 114可配置成用于三相脉宽调制(pwm)布置中的正常操作模式，使用一个或多个切换(或开关)装置，例如绝缘栅双极晶体管(igbt)切换元件。此外，功率变换器106可耦合至变换器控制器120以便控制转子侧变换器112和/或线路侧变换器114的操作，如文中所述。应注意的是，变换器控制器120可配置为功率变换器106和涡轮控制器26之间的接口并且可包括许多控制装置。
56.在典型的配置中，还可包括各种线路接触器和电路断路器(包括例如电网断路器122)，用于在连接至负载(例如电气电网124)和与该负载断开期间根据对于dfig 102的正常操作的需要而隔离各种构件。例如，系统电路断路器126可将系统总线128耦合至变压器130，该变压器可经由电网断路器122耦合至电气电网124。在备选实施例中，熔断器可代替电路断路器中的一些或全部。
57.在操作中，通过旋转转子18在dfig 102处所生成的交流电流功率经由通过定子总线104和转子总线108所限定的双路径提供至电气电网124。在转子总线侧108上，正弦多相(例如三相)交流电流(ac)功率提供至功率变换器106。转子侧功率变换器112将从转子总线108所提供的ac功率转换成直流电流(dc)功率，并且将dc功率提供至dc链路116。如通常所理解那样，在转子侧功率变换器112的桥接电路中所使用的切换元件(例如igbt)可调制成用以将从转子总线108所提供的ac功率转换成适用于dc链路116的dc功率。
58.此外，线路侧变换器114将dc链路116上的dc功率转换成适用于电气电网124的ac输出功率。具体地，在线路侧功率变换器114的桥接电路中所使用的切换元件(例如igbt)可调制成用以将dc链路116上的dc功率转换成线路侧总线110上的ac功率。来自功率变换器106的ac功率可与来自dfig 102的定子的功率组合以提供多相功率(例如三相功率)，其具有基本上维持在电气电网124的频率(例如50hz或60hz)处的频率。
59.另外，各种电路断路器和开关，例如电网断路器122、系统断路器126、定子同步开关132、变换器断路器134以及线路接触器136，可包括在风力涡轮功率系统100中以连接或
断开对应的总线，例如，当电流流动过量并且可损坏风力涡轮功率系统100的构件或出于其它操作考虑时。附加的保护构件也可包括在风力涡轮功率系统100中。
60.此外，功率变换器106可经由变换器控制器120从例如本地控制系统176接收控制信号。其中，控制信号可基于风力涡轮功率系统100的感测状态或操作特性。典型地，控制信号提供用于控制功率变换器106的操作。例如，呈dfig 102的感测速度形式的反馈可用于控制来自转子总线108的输出功率的转换，以维持适当且平衡的多相(例如三相)功率供应。来自其它传感器的其它反馈还可由控制器(多个)120、26使用以控制功率变换器106，包括例如定子和转子总线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可生成切换控制信号(例如，用于igbt的选通(gate)定时命令)、定子同步控制信号，以及电路断路器信号。
61.功率变换器106还对于例如在毂20和转子叶片22处的风速中的变化而补偿或调整来自转子的三相功率的频率。因此，机械和电气转子频率被去耦，并且电气定子和转子频率匹配基本上独立于机械转子速度而得以促进。
62.在一些状态下，功率变换器106的双向特性，并且特别是lsc 114和rsc 112的双向特性，有助于将所生成的电功率中的至少一些反馈回到发电机转子中。更具体地，电功率可从定子总线104传输至线路侧总线110并且随后经过线路接触器136并且进入功率变换器106中，特别是lsc 114，其用作整流器并且将正弦三相ac功率整流成dc功率。dc功率传输到dc链路116中。电容器118通过促进有时与三相ac整流相关联的dc纹波的减轻来促进减轻dc链路电压幅度变化的减轻。
63.dc功率随后传输至rsc 112，该rsc通过调整电压、电流和频率而将dc电功率转换成三相正弦ac电功率。这种转换经由变换器控制器120监测和控制。经转换的ac功率经由转子总线108从rsc 112传输至发电机转子。以这种方式，发电机无功功率控制通过控制转子电流和电压而得以促进。
64.现在参看图7，文中所述的风力涡轮功率系统100可为风场50的一部分。如所示那样，风场50可包括多个风力涡轮52，包括上文所述的风力涡轮10，以及总体场级控制器56。例如，如在所例示的实施例中所示，风场50包括十二个风力涡轮，包括风力涡轮10。然而，在其它实施例中，风场50可包括任何其它数目的风力涡轮，例如少于十二个风力涡轮或多于十二个风力涡轮。在一个实施例中，多个风力涡轮52的涡轮控制器通信地耦合至场级控制器56，例如，经过接线连接，例如通过经过合适的通信链路54(例如，合适的线缆)连接涡轮控制器26。备选地，涡轮控制器可经过无线连接通信地耦合至场级控制器56，例如通过使用本领域已知的任何合适的无线通信协议。在另外的实施例中，场级控制器56配置成用以对遍及风场50的风力涡轮52分配真实(或有功)和/或无功功率需求。
65.现在参看图8，例示的是根据本公开内容的实例方面的可包括在控制器(例如文中所述的变换器控制器120、涡轮控制器26和/或场级控制器56中的任何一个)内的合适构件的一个实施例的方框图。如所示那样，控制器可包括一个或多个处理器(多个)58、计算机，或其它合适的处理单元和相关联的存储器装置(多个)60，其可包括合适的计算机可读指令，当实施时，这些指令配置控制器以履行各种不同的功能，例如接收、传输和/或执行风力涡轮控制信号(例如，履行文中所公开的方法、步骤、计算等)。
66.如文中所用，用语“处理器”不仅指代本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且指代控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(plc)、专用集成电路，以及
其它可编程电路。此外，存储器装置(多个)60通常可包括存储器元件(多个)，包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(ram))、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、软磁盘、光盘只读存储器(cd-rom)、磁光盘(mod)、数字多功能光盘(dvd)和/或其它合适的存储器元件。
67.此类存储器装置(多个)60通常可配置成用以存储合适的计算机可读指令，当由处理器(多个)58实施时，该合适的计算机可读指令配置控制器履行如文中所述的各种功能。另外，控制器还可包括通信接口62以促进控制器和风力涡轮10的各种构件之间的通信。接口可包括一个或多个电路、端子、引脚、触点、导体，或用于发送和接收控制信号的其它构件。此外，控制器可包括传感器接口64(例如，一个或多个模数变换器)以允许将从传感器66、68所传输的信号转换成可由处理器(多个)58所理解和处理的信号。
68.现在参看图9，提供的是用于操作至少一个基于逆变器的资源的方法200的一个实施例的流程图，该资源具有连接至电力电网的异步机作为虚拟同步机以提供基于逆变器的资源的电网形成控制。在一实施例中，例如，异步机可包括双馈感应发电机(dfig)，而基于逆变器的资源可为具有至少一个功率变换器的风力涡轮功率系统。大体上，方法200在文中参照图4-8的风力涡轮功率系统100来描述。然而，应当认识到的是，所公开的方法200可利用具有任何其它合适配置的任何其它合适的功率生成系统来实施。此外，尽管图9出于例示和讨论目的而描绘以特定次序执行的步骤，但文中所讨论的方法不限于任何特定次序或布置。本领域技术人员使用文中所提供的公开内容将认识到的是，在不背离本公开内容的范围的情况下可采用各种方式省略、重新布置、组合和/或适应文中所公开的方法的各种步骤。
69.如以(202)所示，方法200包括经由控制器从外部控制器接收频率基准命令或电压基准命令中的至少一个。作为初始事项，在具体实施例中，文中所述的控制器可包括风力涡轮功率系统100的涡轮控制器26或变换器控制器120。例如，在一实施例中，方法200可包括响应于电力电网中频率或电压的下降而从外部控制器接收频率基准命令和/或电压基准命令。
70.如以(204)所示，方法200包括经由控制器基于频率基准命令或电压基准命令中的至少一个来确定用于基于逆变器的资源的至少一个功率基准信号。例如，在具体实施例中，功率基准信号(多个)可包括有功功率基准信号和/或无功功率基准信号。
71.仍参看图9，如以(206)所示，方法200包括经由控制器使用功率基准信号(多个)来生成至少一个电流矢量。在另一实施例中，使用功率基准(多个)生成电流矢量(多个)可包括使用功率基准信号(多个)来确定至少一个电流矢量基准信号以及根据电流矢量基准信号来确定电流矢量(多个)。另外，在具体实施例中，方法200可包括经由控制器根据电流矢量基准信号和电流矢量反馈信号来确定电流矢量(多个)。此外，在另外的实施例中，使用功率基准信号(多个)来确定电流矢量基准信号可包括经由控制器对功率基准信号(多个)应用d-q变换以将功率基准信号(多个)的a-b-c参考系旋转至d-q参考系来获得电流矢量基准信号(多个)。因此，在某些实施例中，电流矢量(多个)改变以校正下降。
72.如以(208)所示，方法200包括经由控制器使用该至少一个电流矢量来确定用于基于逆变器的资源的一个或多个电压控制命令。如以(210)所示，方法200包括经由控制器基于该一个或多个电压控制命令来控制基于逆变器的资源，使得基于逆变器的资源主动地参
与以闭环方式控制在基于逆变器的资源和电力电网之间的互连点处的电压和频率中的至少一个。例如，在一个实施例中，使用电流矢量(多个)确定用于基于逆变器的资源的电压控制命令(多个)可包括经由控制器使用电流矢量(多个)来确定一个或多个电压矢量命令。
73.具体地，在此类实施例中，使用电流矢量(多个)确定电压矢量命令(多个)可包括经由控制器的比例积分调节器来调节电流矢量(多个)以获得一个或多个电压矢量命令。此外，在另外的实施例中，使用电流矢量(多个)来确定用于基于逆变器的资源的电压控制命令(多个)可包括经由控制器使用相量角将d-q参考系旋转回至a-b-c参考系以获得用于基于逆变器的资源的电压控制命令(多个)。
74.图9的方法200现在可参看图10中所例示的系统300而更好地理解。具体地，图10例示用于操作至少一个基于逆变器的资源330的系统300的一个实施例的控制图，该资源具有连接至电力电网的异步机作为虚拟同步机以提供基于逆变器的资源的电网形成控制。如所示那样，系统300提供独特的功率调节器结构302(与图3的常规功率调节器4相比较)。
75.具体地，如所示那样，功率调节器302从外部控制器(例如，从场级控制器156)接收频率基准命令ω
ref
和电压基准命令v
qref
。另外，如分别以304和306所示，频率基准命令ω
ref
和电压基准命令v
qref
可分别地各自与频率反馈信号ω和电压反馈信号vq相比较。因此，如所示那样，来自304和306的比较可经由具有上限值和下限值(例如p
min
、p
max
、q
min
、q
max
)的比例积分调节器308、310来调节，以确定有功功率基准信号p
ref
和无功功率基准信号q
ref
。此外，如以312和314所示，系统300然后可分别地使用有功功率基准信号p
ref
和无功功率基准信号q
ref
来生成d-和q-电流矢量基准信号(例如irq
ref
和ird
ref
)。更具体地，如所示那样，系统300可分别地对有功功率基准信号p
ref
和无功功率基准信号q
ref
应用d-q变换，以将功率基准信号(多个)的a-b-c参考系旋转至d-q参考系来获得电流矢量基准信号irq
ref
和ird
ref
。
76.如以316和318所示，系统300然后可将电流矢量基准信号irq
ref
和ird
ref
与相应的电流矢量反馈信号irq和ird相比较。因此，在某些实施例中，电流矢量(也即输出320、322)改变以校正电力电网中频率和/或电压的下降。具体地，来自比较的输出320、322可经由比例积分调节器324、326来调节以确定电压矢量命令vrq和vrd。电压矢量命令vrq和vrd的d-q参考系然后可使用相量角θ旋转回至a-b-c参考系，以获得用于基于逆变器的资源的至少一个电压控制命令(多个)(例如vrinvabc)。因此，功率调节器302基于电压控制命令(多个)vrinvabc来操作基于逆变器的资源，使得基于逆变器的资源主动地参与以闭环方式控制在基于逆变器的资源和电力电网之间的互联点处的电压和/或频率。
77.现在参看图11和图12，并且如此前所提及那样，本公开内容的系统和方法可经由涡轮控制器26和/或变换器控制器120来实施。还应当理解，具有同样编号的构件意在标识共同的构件。例如，如在图11中以304所示，频率基准命令ω
ref
可经由变换器控制器120与频率反馈信号ω相比较。另外，如所示那样，变换器控制器120然后可经由比例积分调节器308来调节该比较。来自调节器308的输出然后可发送至涡轮控制器26。因此，如所示那样，涡轮控制器26然后可确定可发送回至变换器控制器120的扭矩基准t
ref
。如以315所示，变换器控制器120可对扭矩基准t
ref
应用d-q变换以将扭矩基准t
ref
的a-b-c参考系旋转至d-q参考系，以获得电流矢量基准信号irq
ref
。电流矢量基准信号ird
ref
以如图10中所示相同的方式生成。因此，变换器控制器120然后继续生成电压控制命令(多个)vrinvabc，如关于图10所示。
78.在另一实施例中，如图12中所示，如以304所示，频率基准命令ω
ref
可经由涡轮控
制器26与频率反馈信号ω相比较。另外，如所示那样，涡轮控制器26然后可经由比例积分调节器308来调节该比较。来自调节器308的有功功率基准p
ref
然后可用来确定扭矩基准t
ref
。扭矩基准t
ref
然后可发送至变换器控制器120。如以315所示，变换器控制器120可对扭矩基准t
ref
应用d-q变换以将扭矩基准t
ref
的a-b-c参考系旋转至d-q参考系，以获得电流矢量基准信号irq
ref
。电流矢量基准信号ird
ref
以如图10中所示相同的方式生成。因此，变换器控制器120然后继续生成电压控制命令(多个)vrinvabc，如关于图10所示。
79.现在参看图13a-14d，提供的是各种图解以例示根据本公开内容的频率(图13a-13d)和电压控制(图14a-14d)。具体地参看图13a，提供的是各种电压和电流矢量的基线。图13b例示当由电力电网引入频率干扰时电压和电流矢量中的变化。图13c例示根据常规电网跟随概念来控制的基于逆变器的资源的电压和电流矢量，该常规电网跟随概念的目的在于满足有功和无功功率设定点并且不恢复电网频率。相比而言，图13d例示根据文中所述的电网形成概念来控制的基于逆变器的资源的电压和电流矢量，该电网形成概念的目的在于通过向电力电网推送附加功率来恢复对于电力电网的频率。在此类情况下，对于电网跟随方法，转子电流矢量保持相同，而对于电网形成方法，转子电流矢量改变以校正电网频率。在两种情形中，如所示那样，转子电压矢量改变以补偿变化。
80.现在参看图14a，提供的是各种电压和电流矢量的基线。图14b例示当由电力电网引入电压干扰时电压和电流矢量中的变化。图14c例示根据常规电网跟随概念来控制的基于逆变器的资源的电压和电流矢量，该常规电网跟随概念的目的在于满足有功和无功功率设定点并且不恢复电网电压。相比而言，图14d例示根据文中所述的电网形成概念来控制的基于逆变器的资源的电压和电流矢量，该电网形成概念的目的在于通过向电力电网推送附加的无功功率来恢复对于电力电网的电压。在此类情况下，对于电网跟随方法，转子电流矢量保持相同，而对于电网形成方法，转子电流矢量改变以校正电网电压。
81.现在参看图15，提供的是用于控制基于逆变器的资源的方法300的实施例的流程图，该资源具有连接至电力电网的异步机以提供基于逆变器的资源的电网形成控制。在一实施例中，例如，异步机可包括双馈感应发电机(dfig)，而基于逆变器的资源可为具有至少一个功率变换组件的风力涡轮功率系统，该功率变换组件具有第一变换器和第二变换器。大体上，方法200在文中参照图4-8的风力涡轮功率系统100来描述。因此，第一变换器可为lsc 114，而第二变换器可为rsc 112。然而，应当认识到的是，所公开的方法200可利用具有任何其它合适配置的任何其它合适的功率生成系统来实施。此外，尽管图15出于例示和讨论目的而描绘以特定次序执行的步骤，但文中所讨论的方法不限于任何特定次序或布置。本领域技术人员使用文中所提供的公开内容将认识到的是，在不背离本公开内容的范围的情况下可采用各种方式省略、重新布置、组合和/或适应文中所公开的方法的各种步骤。
82.如以(302)所示，方法300包括将至少一个附加装置耦合至第一变换器的端子。如以(304)所示，方法300包括经由控制器将该至少一个附加装置或第一变换器中的至少一个仿真为第一虚拟同步机。如以(306)所示，方法300包括经由控制器，使用矢量控制方法来协调第一虚拟同步机和第二变换器的操作以采用闭环方式控制在基于逆变器的资源和电力电网之间的互连点154处的电压和频率中的至少一个。
83.参看图16至图18，可更好地理解图15的方法300。例如，如具体地在图16中所示，在一实施例中，耦合至lsc 114的附加装置(多个)140可为存储装置142。此外，如所示那样，附
加装置(多个)140还可包括附加的混合功率源144。例如，混合功率源可包括太阳能电源144、风力电源、水力电源、能量存储装置等。
84.因此，在图16的例示实施例中，控制器(也即，文中所述的控制器中的任何)配置成用以将附加装置(多个)140和lsc 114仿真为第一虚拟同步机150(如由虚线框150所示)。此外，如所示那样，控制器还可将rsc 112和发电机(例如异步机)仿真为第二虚拟同步机152(如由虚线框152所示)。更具体地，如所示那样，第二虚拟同步机152可并联地连接至第一虚拟同步机150。
85.因此，对于图16中所例示的基于逆变器的资源，对rsc 112和lsc 114二者的控制修改成用以仿真为并行同步机，并且附加的存储装置140耦合至lsc 114。更具体地，如文中此前所述，lsc 114的控制策略从独立的p、q控制改变成电压/频率控制。此外，rsc控制策略从dc链路/q控制改变成电压/频率控制。因此，频率环路以瞬时方式控制电网频率中的任何偏差。在rsc 112中，例如，在
‘
q’轴转子电流中的比例变化经引入以阻止电网频率中的扰动。电压控制环路以瞬时方式控制电网电压幅值中的任何偏差。在
‘
d’轴转子电流中的比例变化经引入以阻止电网电压幅值中的扰动。类似地，在lsc控制中，在
‘
d’轴线路侧电流中的比例变化经引入以阻止电网频率中的扰动。在
‘
q’轴线路侧电流中的比例变化经引入以阻止电网电压幅值中的扰动。由lsc 114和rsc 112所表现的控制的比例取决于它们相应的下垂。更具体地，在某些实施例中，控制器可将下垂特性结合到lsc 114和rsc 112的电压和频率控制环路中以使用矢量控制来协调第一和第二虚拟同步机150、152的操作，以采用闭环方式控制在基于逆变器的资源100和电力电网之间的互连点154处的电压和/或频率。在此类实施例中，下垂特性可实现第一和第二虚拟同步机150、152的有效并行操作。
86.在此类实施例中，lsc 114和rsc 112二者的完整控制结构在关于电网空间矢量的同步旋转参考系中执行。因此，矢量控制被维持并且给予仅受lsc 114和rsc 112的切换频率所限制的电压和频率的瞬时控制。因此，完整的控制将基于dfig的风力涡轮功率系统仿真为并行地操作的两个虚拟同步机。
87.在某些实施例中，当lsc 114和rsc 112操作作为虚拟同步机时，每个变换器可基于下垂方法共享负载，其中，lsc 114和rsc 112二者可具有独立的频率和电压控制环路。在另一实施例中，lsc 114和rsc 112可使用比例增益方法操作，其中，由比例积分控制器所辅助的单个外部频率和电压环路响应于在频率或电压中的偏差来确定总功率基准。在此类实施例中，总功率基准可通过增益块(例如k、1-k)，其分别地设定对于lsc 114和rsc 112的比例功率基准。另外，增益常数k可为对于dfig的最大输入功率的函数。因此，在一实施例中，k可使用下文的公式(1)来换算：k = pmpp / pref total
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(1)其中，pmpp是对于dfig的最大输入功率，以及pref total是单个外部频率环路的pi控制器的输出。
88.现在参看图17，在另一实施例中，耦合至lsc 114的附加装置(多个)140可包括无功功率补偿装置146。在此类实施例中，控制器(也即，文中所述的控制器中的任何)配置成用以将无功功率补偿装置146仿真为第一虚拟同步机150。另外，在此类实施例中，第一虚拟同步机150可为基于矢量控制的同步机，例如文中所述的那些。此外，在此类实施例中，如所示那样，无功功率补偿装置146可包括至少一个存储装置，举例而言，例如集成的存储容量。
因此，具有集成存储的无功功率补偿装置146经控制作为基于矢量控制的虚拟同步机，以控制在互连点154处的电网电压和频率，如文中所述。
89.现在参看图18，在又一实施例中，耦合至lsc 114的附加装置(多个)140可包括无功功率补偿装置148。然而，相比于图17并且如所示那样，无功功率补偿装置148是没有存储的(也即，装置148不包括集成存储)。因此，如所示那样，没有存储的单独的无功功率补偿装置148可安装在lsc端子处以控制在互连点154处的电压和/或频率中的干扰，如文中所述。
90.还应当理解的是，使用矢量控制来协调第一虚拟同步机150和rsc 112(也即单独地或与dfig 102组合地以仿真第二虚拟同步机152)的操作以控制在互连点154处的电压和/或频率可使用关于图9-12所描述的方法来完成。
91.本书面描述使用实例来公开包括最佳方式的本发明，并且还使得本领域普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差异的同等结构元件，则认为它们处在权利要求的范围内。