用于风电场的无功功率控制的系统及方法技术方案

提供了一种用于风电场(105)的无功功率控制的方法，风电场(105)具有风力涡轮(100)的多个群集(137)，其中群集变压器(145,146,147)将风力涡轮(100)的各个群集(137)连接至电力网。该方法包括经由多个群集水平控制器(176)从场水平控制器(107)接收无功功率命令。该方法还包括经由群集水平控制器(176)基于无功功率命令对于风力涡轮(100)的各个群集(137)生成群集水平无功电流命令。此外，该方法包括经由群集水平控制器(176)基于群集水平无功电流命令将涡轮水平无功电流命令分配至风力涡轮(100)的涡轮水平控制器(136)。

【技术实现步骤摘要】
用于风电场的无功功率控制的系统及方法
本公开内容大体上涉及用于控制风力涡轮的系统及方法，且更具体地涉及用于控制具有多个风力涡轮群集的风电场的无功功率(VAR或Q)的系统及方法。
技术介绍
风能被认作是目前可用的最清洁的最环境友好的能源之一，且风力涡轮在这方面得到增加的关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理获得风的动能。例如，转子叶片通常具有翼型件的截面轮廓，使得在操作期间，空气在叶片上流动，在侧部之间产生压差。因此，从压力侧朝吸力侧引导的升力作用于叶片上。升力在主转子轴上生成转矩，主转子轴啮合至发电机以用于产生电力。例如，图1和图2示出了根据常规结构的风力涡轮10和适于结合风力涡轮10使用的相关联的功率系统。如图所示，风力涡轮10包括机舱14，其通常容纳发电机28(图2)。机舱14安装在从支撑表面(未示出)延伸的塔架12上。风力涡轮10还包括转子16，其包括附接至旋转毂18的多个转子叶片20。当风冲击转子叶片20时，叶片20将风能转变成可旋转地驱动低速轴22的机械转矩。低速轴22构造成驱动齿轮箱24(在存在的情况下)，齿轮箱24随后升高低速轴22的低转速来在增大的转速下驱动高速轴26。高速轴26大体上可旋转地联接至发电机28(诸如双馈感应发电机或DFIG)，以便可旋转地驱动发电机转子30。因此，旋转磁场可由发电机转子30感生，且电压可在发电机定子32内感生，发电机定子32磁性地联接至发电机转子30。相关联的电功率可从发电机定子32传输至主三绕组变压器34，其通常经由电网断路器36连接至电力网(powergrid)。因此，主变压器34升高电功率的电压幅度，使得变压的电功率可进一步传输至电力网。此外，如图所示，发电机28通常电联接至双向功率变换器38，其包括经由调节的DC链路44接连至线路侧变换器42的转子侧变换器40。转子侧变换器40将从转子30提供的AC功率变换成DC功率，且将DC功率提供至DC链路44。线路侧变换器42将DC链路44上的DC功率变换成适合于电力网的AC输出功率。因此，来自功率变换器38的AC功率可与来自定子32的功率结合，以提供多相功率(例如，三相功率)，其具有大致保持在电力网的频率(例如，50Hz/60Hz)下的频率。所示的三绕组变压器34通常具有(1)连接至电力网的33千伏(kV)中压(MV)一次绕组33，(2)连接至发电机定子32的6到13.8kVMV二次绕组35，以及(3)连接至线路侧功率变换器42的690到900伏(V)低压(LV)三次绕组37。现在参看图3，多个风力涡轮10的独立功率系统可布置在预定的地理位置且电连接到一起来形成风电场46。更具体而言，如图所示，风力涡轮10可布置成多个组48，其中各组分别经由开关51、52、53单独地连接至主线路50。此外，如图所示，主线路50可电联接至另一个较大的变压器54，以用于在将功率发送至电网之前进一步升高来自风力涡轮10的组48的电功率的电压幅度。随着近年来风力发电的不断成功，功率的这种形式获得了显著的市场份额。由于风能不是具有适时恒定的功率输出的能源，而是包括变化，例如，归因于风速的变化，故配电网络的操作者必须将此考虑在内。例如，结果之一在于分配和传输网络变得较难以管理。这也和网络中的无功功率流的量的管理有关。现在参看图4和图5，分别示出了根据常规结构的场水平无功功率控制方案和涡轮水平无功功率控制方案的示意图。更具体而言，如图4中所示，场水平控制方案包括快速内电压幅值回路58和慢速外无功功率回路56。此外，如图所示，场水平控制器经由开关64在电压控制与无功功率控制器之间交替。对于电压控制，场水平控制器接收电压设置点66，且经由转换速率限制器68限制设置点。对于无功功率控制，场水平控制器经由VAR调节器70基于无功功率设置点72和无功功率反馈信号QFBK调节无功功率。场水平控制器然后限制进入快速内电压幅值回路58的电压或无功功率信号。如74处所示，另一个电压调节器74调节电压信号来确定用于风电场的无功功率命令。场水平控制器然后将净无功功率命令(QCMD)分配至独立风力涡轮102(即，101、102到10n等)。在涡轮水平下，如图5中所示，存在另一个电压/VAR控制回路，其由较快的内幅值回路62和较慢的外无功功率回路60构成。此外，各个风力涡轮10的三绕组变压器34提供一定的阻抗，其允许风电场46中的风力涡轮10调节三绕组变压器的二次绕组处的电压。这继而允许调节互连点(POI)或公共联接点(POCC)处的电压。因此，较快的内幅值回路62对于瞬变事件向电网提供快速电压幅值支持，而较慢的外无功功率回路60在稳态下提供风力涡轮10之间的VAR平衡。然而，在此系统中，与各个风力涡轮10相关联的三绕组变压器34是昂贵的。具体而言，连接至发电机定子32的变压器34的二次绕组35可能很昂贵。因此，将有利的是从风力涡轮功率系统消除此三绕组变压器。两个或更多个风力涡轮的输出一起直接地联接至中压收集系统。收集系统然后将风力涡轮连接至群集变压器的二次绕组，群集变压器将电压从MV水平升高至POI电压水平。在此构造中，风力涡轮连接至公共点，而没有其间的任何阻抗。然而，由于没有三绕组变压器34中的定子绕组35提供的阻抗，各个风力涡轮简单地调节涡轮端电压的目标变得困难。因此，将有利的是提供具有多个风力涡轮而没有上文所述的三绕组变压器但保持系统控制无功功率能力的风电场。
技术实现思路
本专利技术的方面和优点将在以下描述中阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本专利技术认识到。在一个方面，本主题针对连接至电力网的电功率系统。电功率系统包括系统水平控制器和电功率子系统的多个群集。各个电功率子系统包括功率变换器，其电联接至具有发电机转子和发电机定子的发电机。此外，各个电功率子系统限定用于将功率提供至电力网的定子功率通路和变换器功率通路。此外，变换器功率通路包括部分功率变压器。电功率系统还包括将电功率子系统的各个群集连接至电力网的群集变压器，以及与系统水平控制器通信地联接的多个群集水平控制器。电功率子系统的各个群集与群集水平控制器中的一个通信地联接。各个群集水平的控制器构造成执行一个或多个操作，包括但不限于从系统水平控制器接收无功功率命令、经由各个群集水平控制器基于无功功率命令对于电功率子系统的各个群集生成群集水平无功电流命令，以及经由各个群集水平控制器基于群集水平无功电流命令将子系统水平无功功率命令分配至电功率子系统的子系统水平控制器。在一个实施例中，该一个或多个操作还可包括接收无功功率反馈信号、确定随各个群集的无功功率命令和无功功率反馈信号而变的无功功率误差，以及经由各个群集水平控制器基于无功功率误差对于电功率子系统的各个群集生成群集水平无功电流命令。在另一个实施例中，部分功率变压器可包括二绕组变压器或三绕组变压器(即，用于辅助负载)。在若干实施例中，经由各个群集水平控制器基于无功功率误差对于电功率子系统的各个群集生成群集水平无功电流命令的步骤可包括经由无功功率调节器基于无功功率误差生成第一输出。更具体而言，在某些实施例中，无功功率调节器可包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连接至电力网的电功率系统(105)，包括：系统水平控制器(107)；电功率子系统(102)的多个群集(137)，所述电功率子系统(102)中的每一个包括电联接至具有发电机转子(118)和发电机定子(120)的发电机(116)的功率变换器(122)，所述电功率子系统(102)中的每一个限定用于将功率提供至所述电力网的定子功率通路(125)和变换器功率通路(127)，所述变换器功率通路(127)包括部分功率变压器(130)；群集变压器(145,146,147)，其将电功率子系统(102)的各个群集连接至所述电力网，以及，与所述系统水平控制器(107)通信地联接的多个群集水平控制器(176)，电功率子系统(102)的所述群集(137)中的每一个与所述群集水平控制器(176)中的一个通信地联接，所述群集水平控制器(176)中的每一个构造成执行一个或多个操作，所述一个或多个操作包括：从所述系统水平控制器(107)接收无功功率命令；经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于所述无功功率命令对于电功率子系统(102)的各个群集生成群集水平无功电流命令；以及，经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于所述群集水平无功电流命令将子系统水平无功电流命令分配至所述电功率子系统(102)的子系统水平控制器(107)。...

【技术特征摘要】
1.一种连接至电力网的电功率系统(105)，包括：系统水平控制器(107)；电功率子系统(102)的多个群集(137)，所述电功率子系统(102)中的每一个包括电联接至具有发电机转子(118)和发电机定子(120)的发电机(116)的功率变换器(122)，所述电功率子系统(102)中的每一个限定用于将功率提供至所述电力网的定子功率通路(125)和变换器功率通路(127)，所述变换器功率通路(127)包括部分功率变压器(130)；群集变压器(145,146,147)，其将电功率子系统(102)的各个群集连接至所述电力网，以及，与所述系统水平控制器(107)通信地联接的多个群集水平控制器(176)，电功率子系统(102)的所述群集(137)中的每一个与所述群集水平控制器(176)中的一个通信地联接，所述群集水平控制器(176)中的每一个构造成执行一个或多个操作，所述一个或多个操作包括：从所述系统水平控制器(107)接收无功功率命令；经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于所述无功功率命令对于电功率子系统(102)的各个群集生成群集水平无功电流命令；以及，经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于所述群集水平无功电流命令将子系统水平无功电流命令分配至所述电功率子系统(102)的子系统水平控制器(107)。2.根据权利要求1所述的电功率子系统(105)，其特征在于，所述一个或多个操作还包括：接收无功功率反馈信号；确定随各个群集的无功功率命令和所述无功功率反馈信号而变的无功功率误差；以及，经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于所述无功功率误差对于电功率子系统(102)的各个群集生成所述群集水平无功电流命令。3.根据权利要求1或权利要求2所述的电功率系统(105)，其特征在于，所述部分功率变压器(130)包括二绕组变压器或三绕组变压器中的至少一者。4.根据权利要求2所述的电功率系统(105)，其特征在于，经由所述群集水平控制器(176)中的每一个基于无功功率误差对于电功率子系统(102)的各个群集(137)生成所述群集水平无功电流命令还包括：经由无功功率调节器基于所述无功功率误差生成第一输出，其中所述无功功率调节器包括比例积分(PI)控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器或状态空间控制器中的至少一者。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：G贾尼雷迪，AM克罗多夫斯基，R伯拉，任玮，S舒克拉，谭卓辉，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US