来自风力涡轮机系统的快速频率支持技术方案

一种用于控制连接到电网的风力涡轮机系统的方法。该方法包括：基于功率控制基准产生用于控制风力涡轮机的功率输出的风力涡轮机控制信号；监测电网的电频率；响应于检测到电网中的频率变化，激活快速频率支持方法，该快速频率支持方法包括以下步骤：调整功率控制基准以导致风力涡轮机的功率生产过剩；该功率生产过剩导致风力涡轮机的惯性动能转换为电能；其中，通过将自适应增益函数应用于电网频率与标称水平的差异的测量来确定功率控制基准。标称水平的差异的测量来确定功率控制基准。标称水平的差异的测量来确定功率控制基准。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】来自风力涡轮机系统的快速频率支持


[0001]本专利技术涉及风力涡轮机系统，具体地涉及由风力涡轮机系统实现的快速频率支持方法。

技术介绍

[0002]在电网中，由风力涡轮机系统产生的电力的比例(即，风功率渗透(wind power penetration)水平)正在增加。因此，风力涡轮机系统(WTS)正被设计为提供惯性和频率响应以帮助调节电网的频率。例如，当电网中的一个或多个发电机停止工作时，电网的频率会受到扰动。
[0003]常规地，风力涡轮机利用快速频率响应方法来帮助调节电网的频率。在这种方法中，来自旋转风力涡轮机的惯性能量用于向电网提供功率增加，以便阻止和限制在频率扰动事件之后直接发生的频率变化。现有的系统和方法在紧接这种频率扰动事件之后的时间期间不期望地导致电网中的第一频率和第二频率“骤降”(dip)。第一频率骤降也被称为频率最低点。
[0004]此外，常规方法不能很好地适用于在不同风速和风功率渗透水平下的操作。具体地，现有频率支持方法的性能在各种风速和风功率渗透水平下不利地变化。
[0005]本专利技术旨在提供一种改进的快速频率支持方法。

技术实现思路

[0006]根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于控制连接到电网的风力涡轮机系统的方法。该方法包括：基于功率控制基准产生用于控制风力涡轮机的功率输出的风力涡轮机控制信号；监测电网的电频率；以及响应于检测到电网中的频率变化，激活快速频率支持方法。该快速频率支持方法包括调整功率控制基准(也被称为功率基准因子)以导致风力涡轮机的功率生产过剩，该功率生产过剩导致风力涡轮机的惯性动能转换为电能。通过将自适应增益函数应用于电网频率与标称水平的差异的测量来确定功率控制基准。
[0007]自适应增益通过使增益的值能够基于外部因素而变化来改善快速频率支持方法的性能，如下面将讨论的。降低了由频率扰动导致的电网频率的下降和频率的变化率。此外，避免了不期望的频率第二骤降。提高了电力系统的频率安全性。
[0008]可选地，功率控制基准调整导致足够的功率生产过剩以防止电网频率降低到预定的稳定频率(settling frequency)以下。进一步可选地，减小了频率的变化率。通常，在电网操作的大部分时间期间，电网可容许稳定频率。稳定频率被视为是电网在此频率处“稳定”的可接受的频率，即，在频率扰动之后，电网可以在此频率处持续操作一段延长的时段而没有任何不利后果。
[0009]使用功率控制基准调整实现的电网稳定频率通常有利地仅略低于(例如，在0.01Hz以内)使用常规方法实现的稳定频率。
[0010]这是电网频率可以偏离标称值的典型最大量。通过将频率维持在该边界范围内，
在快速频率支持方法期间不需要风力涡轮机转子的旋转返回到最佳水平。替代地，风力涡轮机转子可以在快速频率支持方法完成之后并且由于通过接合电网中的其他“较慢”发电机而升高的频率而返回到最佳速度。
[0011]可选地，自适应增益函数至少部分地基于风力涡轮机转子的实时速度的测量。
[0012]在较高的风速下，风功率输出与系统的总发电量的比率较高。这意味着，如果风力涡轮机系统不提供快速频率支持，则对于同一频率事件存在更大的频率下降，并且对于每个WTS需要更多的能量生产过剩来阻止频率变化。因此，在风速较高时，自适应增益会导致从风力涡轮机转子释放出更多的惯性动能(必定存在更高的功率控制基准)。
[0013]在风速较低时，转子中存储的动能较少，因此，自适应增益将是可接受的，其将不会导致转子速度的过度减速和潜在的大量风功率捕获的损失。
[0014]在一些情况下，使用恒定增益的常规系统可能会导致转子速度的不断下降，因为即使当不需要频率支持时增益也被维持在高水平。在所公开的系统中，自适应增益可以随转子速度逐渐地减小，从而降低频率支持的水平并且避免转子速度持续下降的现象。
[0015]可选地，自适应增益函数至少部分地基于预定义的最大转子速度和最小转子速度之一或两者。优选地，自适应增益函数部分地基于预定义的最小转子速度。
[0016]随着转子速度在频率支持方法期间降低，频率支持能力将减小。如果转子速度降低到接近最小转子速度的水平，则有利的是不存在来自风力涡轮机的功率生产过剩以确保风力涡轮机转子速度不降低到最小转子速度以下。
[0017]可选地，自适应增益函数至少部分地基于取决于电网中由风力涡轮机产生的功率的比例的风功率渗透水平。
[0018]当存在较高的风功率渗透水平时，更多的风力涡轮机系统参与频率支持方法，并且对每个风力涡轮机系统的功率生产过剩的需求更少。此外，总的惯性动能损失大于如果相同的增益用于较低的风功率渗透水平的情况。
[0019]可选地，自适应增益函数至少部分地基于一个或多个系统操作条件。
[0020]可选地，系统操作条件取决于电网的一个或多个特性，所述特性包括快速响应能量存储、HVDC链路、光伏和基于电力电子的负载(例如，连接到电网的停放电动车辆)的利用中的一个或多个。
[0021]如果系统包括能够实现快速频率响应的组件，则可以降低对由风力涡轮机系统提供快速频率支持的需求，并且降低了来自风力涡轮机系统的不必要的功率生产过剩的风险。
[0022]可选地，快速频率响应方法还包括辅助控制方法，其中通过调整连接到电网的附加发电机的控制参数并且可选地使风力涡轮机的惯性动能返回到最佳水平来将电网的频率调节到标称频率，而不从电网吸收功率。
[0023]可选地，将电网的频率调节到标称频率的死区(deadband)内。
[0024]可选地，如果在快速频率支持方法期间转子速度降低到最佳水平以下，则调整附加发电机的控制参数。
[0025]避免从电网吸收功率意味着避免了在频率扰动事件之后的频率的第二骤降。
[0026]可选地，附加地基于最大功率点跟踪功率值来确定功率控制基准。优选地，功率控制基准从不小于最大功率点跟踪功率值。风力涡轮机转子通常以最大功率点跟踪值操作，
并且该条件确保了风力涡轮机系统在最大功率点跟踪操作与生产过剩(频率支持操作)之间无缝切换。
[0027]可选地，使用电网形成原理来控制风力涡轮机系统，其中系统的功率转换器被配置为在风力涡轮机系统的端子处创建电压频率。在示例中，功率转换器可以在没有同步发电机的情况下工作。
[0028]根据本专利技术的第二方面，提供了一种风力涡轮机系统，包括：风力涡轮机和控制器。该控制器被配置为基于功率控制基准产生用于控制风力涡轮机的功率输出的风力涡轮机控制信号。控制器还被配置为响应于检测到电网中的频率变化，调整功率控制基准以导致风力涡轮机的功率生产过剩。该功率生产过剩导致风力涡轮机的惯性动能转换为电能。通过将自适应增益函数应用于电网频率与标称水平的差异的测量来确定功率控制基准。
[0029]可选地，功率控制基准导致足够的功率生产过剩以防止电网频率降低到预定的稳定频率以下。通常，在电网操作的大部分时间期间，电网可容许稳定频率。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于控制连接到电网的风力涡轮机系统的方法，所述方法包括：基于功率控制基准产生用于控制风力涡轮机的功率输出的风力涡轮机控制信号；监测所述电网的电频率；响应于检测到所述电网中的频率变化，激活快速频率支持方法，所述快速频率支持方法包括以下步骤：调整所述功率控制基准以导致所述风力涡轮机的功率生产过剩；所述功率生产过剩导致所述风力涡轮机的惯性动能转换为电能；其中，通过将自适应增益函数应用于对电网频率与标称水平的差异的测量来确定所述功率控制基准。2.根据权利要求1所述的方法，其中，功率控制基准调整导致足够的功率生产过剩以防止所述电网频率降低到预定的稳定频率以下。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述功率控制基准调整导致足够的功率生产过剩以减小所述电网的频率变化率。4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在所述电网操作的大部分时间期间，所述电网能够容许所述稳定频率。5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，所述功率控制基准被调整为导致所述风力涡轮机的立即且足够的功率生产过剩以防止所述电网频率降低到所述稳定频率以下，而优选地没有或基本上没有频率过冲和振荡。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述自适应增益函数至少部分地基于对所述风力涡轮机的转子的实时转速的测量。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述自适应增益函数至少部分地基于预定义的最大转子速度和最小转子速度之一或两者。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述自适应增益函数至少部分地基于取决于所述电网中由风力涡轮机产生的功率的比例的风功率渗透水平。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述自适应增益函数至少部分地基于一个或多个系统操作条件。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述系统操作条件取决于所述电网的一个或多个特性，所述特性包括快速响应能量存储、HVDC链路、光伏和基于电力电子的负载的利用中的一个或多个。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述快速频率响应方法之后，还包括辅助控制方法，其中，通过调整连接到所述电网的附加发电机的控制参数并且使所述风力涡轮机的所述惯性动能返回到最佳水平来将所述电网的频率调节到标称频率，其中，可选地不从所述电网吸收功率。12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述电网的频率调节到所述标称频率的死区范围内。13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，如果在所述快速频率支持方法期间所述转子速度降低到所述最佳水平以下，则调整附加发电机的所述控制参数。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，附加地基于最大功率点跟踪功率值来确定所述功率控制基准。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用用于将来自所述风力涡轮机的电输出转换到所述电网的转换器内的锁相环组件和/或使用所述转换器的虚拟频率来监测所述电网的电频率。16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述功率生产过剩在风速低于额定值时导致来自所述风力涡轮机的惯性动能的转换和/或在所述风速高于额定值时导致来自所述风力涡轮机所捕获的风功率。17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述应用自适应增益函数是将自适应增益函数添加到最大功率点跟踪控制的原始功率基准。18.根据权利要求17所述的方法，其中，附加地基于所述原始功率基准来确定所述功率基准因子。19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果所述风力涡轮机的所述转子速度在所述快速频率支持方法期间降低，则不使其返回到最佳水平。20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，由所述功率控制基准除以所述转子速度产生的转矩基准在所述风力涡轮机系统的任何机械极限范围内。21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用电网形成原理来控制所述风力涡轮机系统，其中，所述系统的功率转换器被配置为在所述风力涡轮机系统的端子处创建电压频率。22.一种风力涡轮机系统，包括：风力涡轮机，被配置为驱动发电机；以及控制器，其中：所述控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小平，雪映，赵先娴，
申请(专利权)人：伯明翰大学，
类型：发明
国别省市：