用于控制風(fēng)電場系統(tǒng)中的功率流的方法、控制器、計算機程序和計算機程序產(chǎn)品的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于控制風(fēng)電場系統(tǒng)（100）中的功率流以用于到主電力網(wǎng)（90）的輸電的方法，風(fēng)電場系統(tǒng)（100）包括兩個或更多并聯(lián)連接的島狀風(fēng)電場電網(wǎng)。該方法包括下列步驟：作為頻率控制中的平衡節(jié)點來控制第一電壓源變換器（10），頻率控制包括對于功率死區(qū)中的操作點并且在超過功率死區(qū)的端點時通過頻率下垂控制來將頻率控制到穩(wěn)態(tài)參考操作點，以及控制功率控制中的至少第二電壓源變換器20、30、40，功率控制包括對于頻率死區(qū)中的操作點并且在超過頻率死區(qū)的端點時通過功率下垂控制來將功率流控制到穩(wěn)態(tài)參考操作點。本發(fā)明還涉及計算機程序和計算機程序產(chǎn)品。
【專利說明】用于控制風(fēng)電場系統(tǒng)中的功率流的方法、控制器、計算機程序和計算機程序產(chǎn)品
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一般來說，本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電及其控制的領(lǐng)域，以及具體來說，涉及并聯(lián)連接風(fēng)電場電網(wǎng)的控制。
【背景技術(shù)】
[0002]使用來自風(fēng)力發(fā)電站的風(fēng)能是受到關(guān)注的，但是發(fā)電的備選方案急待解決。這個方面的一個難題涉及風(fēng)力田的位置，其通常遠(yuǎn)離主電力網(wǎng)。來自風(fēng)電場的功率必須以有效、可靠方式輸送到主電力網(wǎng)。用于將例如離岸風(fēng)電場互連到岸上主電力網(wǎng)的高壓直流(HVDC)傳輸被認(rèn)為是一種適當(dāng)?shù)膫溥x方案。
[0003]將功率從離岸風(fēng)電場饋送到大陸的并聯(lián)電壓源變換器(VSC)HVDC環(huán)節(jié)(link)的操作看起來可能是非常直接明了的，因為可使用用于操作為主電力網(wǎng)饋電的并聯(lián)發(fā)電機的策略。但是存在顯著差異:機械慣量。
[0004]在常規(guī)情況下，其中發(fā)電機和電動機生成功率并且將其輸送到主AC電網(wǎng)，發(fā)電機和電動機負(fù)載提供顯著的機械慣量。主AC電網(wǎng)的頻率變化因此是平滑的。
[0005]相比之下，在為若干VSC變換器(離岸側(cè)的整流器)饋電的大風(fēng)電場中，完全不存在機械慣量。來自風(fēng)力渦輪機的功率輸出經(jīng)由功率變換器和VSC變換器(其也缺乏內(nèi)建機械慣量)來傳遞。系統(tǒng)中的唯一內(nèi)建慣量在于互連并聯(lián)離岸VSC變換器的電纜的電容。電纜電容防止并聯(lián)離岸變換器的相位角的陡階躍。
[0006]風(fēng)電場中的變換器控制其內(nèi)部源電壓的頻率和相位角。這帶來并聯(lián)連接的離岸VSC變換器的控制系統(tǒng)之間的不穩(wěn)定性風(fēng)險。
并聯(lián)連接的離岸風(fēng)電場應(yīng)當(dāng)控制成使得確保輸電的穩(wěn)定性。使用頻率下垂的常規(guī)功率控制可能因缺乏機械慣量而難以實現(xiàn)。具體來說，可能難以得到這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，變化風(fēng)速給予變化發(fā)電，以及并聯(lián)連接的VSC變換器的控制必須能夠在過載期間以及在低于容量的負(fù)載期間快速啟用負(fù)載共享。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一個目的是提供并聯(lián)連接的風(fēng)電場的可靠控制，從而在過載狀況以及在低發(fā)電狀況期間產(chǎn)生快速負(fù)載共享。
按照本發(fā)明的第一方面，這個目的通過一種用于控制用于到主電力網(wǎng)的輸電的風(fēng)電場系統(tǒng)中的功率流的方法來實現(xiàn)。風(fēng)電場系統(tǒng)包括兩個或更多并聯(lián)連接的島狀風(fēng)電場電網(wǎng)，各島狀風(fēng)電場電網(wǎng)包括具有至少一個風(fēng)力渦輪機的風(fēng)電場。風(fēng)電場連接到AC母線，AC母線又連接到電壓源變換器，電壓源變換器設(shè)置成通過直流傳輸線將功率饋送到主電力網(wǎng)。該方法包括下列步驟:控制第一電壓源變換器作為頻率控制中的平衡節(jié)點，頻率控制包括在超過功率死區(qū)的端點時對于功率死區(qū)中的操作點并且通過頻率下垂控制來將頻率控制成穩(wěn)態(tài)參考操作點，以及控制功率控制中的至少第二電壓源變換器，功率控制包括在超過頻率死區(qū)的端點時對于頻率死區(qū)中的操作點并且通過功率下垂控制來將功率流控制成穩(wěn)態(tài)參考操作點。提供來自風(fēng)電場系統(tǒng)的功率的可靠、穩(wěn)定控制，其具有小信號穩(wěn)定性以及能夠處置大擾動。
[0008]在本發(fā)明的實施例中，功率死區(qū)包括定義為穩(wěn)態(tài)操作的功率范圍，頻率死區(qū)包括定義為穩(wěn)態(tài)操作的頻率范圍，穩(wěn)態(tài)參考操作點與相應(yīng)電壓源變換器的穩(wěn)態(tài)操作相關(guān)，和/或穩(wěn)態(tài)操作包括正常操作條件(包括次要故障和負(fù)載變化)期間的功率流。
[0009]在一實施例中，功率控制中的所有電壓源變換器故障時對于附加負(fù)載的負(fù)載共享沿用相同下垂特性。
[0010]在另一個實施例中，功率控制中的所有電壓源變換器沿用單獨設(shè)置的下垂特性。
[0011]在又一個實施例中，該方法包括下列其他步驟:在確定直流傳輸線之一的中斷時，將并聯(lián)連接的島狀風(fēng)電場電網(wǎng)分離成單獨操作的孤立風(fēng)電場電網(wǎng)。
[0012]在一實施例中，如果作為頻率控制中的平衡節(jié)點所控制的第一電壓源變換器丟失，則該方法包括下列其他步驟:將在功率控制中所控制的至少第二電壓源變換器之一改變成充當(dāng)頻率控制中的平衡節(jié)點。
[0013]本發(fā)明還包括用于控制功率控制或頻率控制中的電壓源變換器的控制器、計算機程序以及計算機程序產(chǎn)品。
[0014]通過以下詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1示意示出其中可實現(xiàn)本發(fā)明的實施例的環(huán)境。
[0016]圖2示意示出按照其基本配置的圖1所示的環(huán)境。
[0017]圖3示出兩個AC母線的AC電壓控制。
[0018]圖4定義有功和無功功率的方向。
[0019]圖5示出頻率控制中的一個VSC和功率控制中的其余VSC的特性。
[0020]圖6示出采用下垂的頻率控制中的操作的特性。
[0021]圖7示出頻率控制中的一個VSC和采用死區(qū)的功率控制中的其余VSC的特性。
[0022]圖8示出按照本發(fā)明的一個方面的方法步驟的流程圖。
[0023]圖9示出用于控制充當(dāng)平衡節(jié)點并且處于頻率控制中的VSC的控制器。
[0024]圖10示出用于控制功率控制中的VSC的控制器。
【具體實施方式】
[0025]為了便于說明而不是進行限制，以下描述中提出例如具體架構(gòu)、接口、技術(shù)等的具體細(xì)節(jié)，以便提供本發(fā)明的透徹的了解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會清楚地知道，也可在不同于這些具體細(xì)節(jié)的其它實施例中實施本發(fā)明。在其它情況下，省略對眾所周知的裝置、電路及方法的詳細(xì)描述，以免不必要的細(xì)節(jié)妨礙對本發(fā)明的描述。在整個描述中，相似的標(biāo)號表不相似的兀件。
[0026]圖1示意示出可實現(xiàn)本發(fā)明的實施例的環(huán)境。來自大離岸風(fēng)電場系統(tǒng)100的最大功率大于單個HVDC連接的容量。因此，需要若干HVDC環(huán)節(jié)(傳輸線15、25、35、45)，其可如所示并聯(lián)連接。當(dāng)具有連接到同一風(fēng)電場系統(tǒng)的一個以上HVDC變換器時，它們被認(rèn)為是并聯(lián)操作的HVDC環(huán)節(jié)。具體來說，風(fēng)能系統(tǒng)I包括多個風(fēng)電場平臺，以下表示為風(fēng)電場11、
12、21、22、31、32、41、42。各風(fēng)電場可包括任何數(shù)量的風(fēng)力渦輪發(fā)電機。風(fēng)電場11、12、21、22、31、32、41、42并聯(lián)連接到相應(yīng)AC母線13、23、33、43，AC母線12、23、33、43是通過電纜C12、C23、C34可互連的。
[0027]第一風(fēng)電場11和第二風(fēng)電場12并聯(lián)連接到第一 AC母線13。第一 AC母線13經(jīng)由變壓器14連接到第一 VSC 10。按照對應(yīng)方式，風(fēng)電場21、22連接到第二 AC母線23，第二 AC母線23經(jīng)由變壓器24連接到第二 VSC 20 ;風(fēng)電場31、32連接到第三AC母線33，第三AC母線33經(jīng)由變壓器34連接到第三VSC 30 ;風(fēng)電場41、42連接到第四AC母線43，第四AC母線43經(jīng)由變壓器44連接到第四VSC 40。
[0028]連接到同一 AC母線的風(fēng)電場表示為島狀風(fēng)電場120，例如連接到AC母線13的風(fēng)電場11和12。因此，通過AC電纜互連到另一個島狀風(fēng)電場130的一個島狀風(fēng)電場120并聯(lián)地操作。風(fēng)電場系統(tǒng)100包括所有這類島狀風(fēng)電場120、130、140、150。
[0029]第一、第二、第三和第四離岸VSC 10、20、30、40分別經(jīng)由HVDC傳輸線15、25、35、45來并聯(lián)連接到岸上VSC 50、60、70和80。岸上VSC 50、60、70、80連接到岸上主AC電網(wǎng)90。岸上VSC 50、60、70、80備選地可為若干不同的AC電網(wǎng)饋電。
風(fēng)能系統(tǒng)I也包括多個常規(guī)斷路器，以用于例如在故障時實現(xiàn)其不同部件的斷開。這類斷路器在例示位置示為交叉。例如，應(yīng)當(dāng)提供斷路器，以實現(xiàn)風(fēng)電場與相應(yīng)AC母線的斷開。作為另一個示例，一個或多個斷路器應(yīng)當(dāng)設(shè)置在將島狀風(fēng)電場與另一個島狀風(fēng)電場互連的電纜(優(yōu)選地在其兩端)中，以用于實現(xiàn)其斷開。
[0030]風(fēng)能系統(tǒng)I可包括其它組件(未示出)。例如，DC斬波器優(yōu)選地連接到岸上VSC50,60,70和80，以用于在主AC電網(wǎng)90由于某種原因而無法從風(fēng)電場系統(tǒng)100進一步接收功率時提供安全性。
[0031]圖2示意示出與圖1所示環(huán)境相似的環(huán)境。具體來說，圖2在最基本的實施例中示出圖1的風(fēng)能系統(tǒng)1，其中僅具有由電纜C12可互連的兩個島狀風(fēng)電場120、130。在適當(dāng)?shù)那闆r下使用相同參考標(biāo)號，圖2中的風(fēng)能系統(tǒng)I’包括風(fēng)電場系統(tǒng)100’，其僅包括兩個風(fēng)電場11、21，各包括一個或多個風(fēng)力渦輪機WT。風(fēng)電場11、21連接到相應(yīng)AC母線13、23，其又經(jīng)由變壓器14、24并聯(lián)連接到相應(yīng)VSC 10、20。
[0032]圖3示出兩個AC母線的AC電壓控制。一個AC母線的電壓不能由兩個控制系統(tǒng)來控制，除非存在所施加的無功功率下垂。對于并聯(lián)發(fā)電機，電壓通?；旌系桨l(fā)電機內(nèi)部的某個點，因而具有公共AC母線與電壓控制點之間的電抗。從系統(tǒng)觀點來看，這相當(dāng)于AC電壓的下垂控制。如果VSC 10、20之間的電抗jX具有某個值，則第一 VSC 10能夠控制AC母線13的AC電壓，以及第二 VSC 20能夠或多或少相互獨立地控制AC母線23的AC電壓。如果電抗jX較小，則必須應(yīng)用下垂控制，或者一個VSC必須在無功功率控制中。另一方面，如果jX較大，則必須控制每個AC母線13、23的母線電壓。
[0033]圖4示出離岸變換器、例如VSC 10和岸上變換器、例如VSC 50。無功和有功功率p1>q1>p2>q2的方向在圖中定義，并且以下例如在提供等式時將參照。
[0034]存在用于控制VSC的若干操作模式，下面將簡述其中幾個。
[0035]正常AC電壓控制中的VSC調(diào)整其內(nèi)部電壓和抽頭變換器位置，直到AC電壓等于按照下式的設(shè)置參考值
【權(quán)利要求】
1.一種用于控制風(fēng)電場系統(tǒng)(100)中的功率流以用于到主電力網(wǎng)(90)的輸電的方法(300)，所述風(fēng)電場系統(tǒng)(100)包括兩個或更多并聯(lián)連接的島狀風(fēng)電場電網(wǎng)(120，130，140，150)，各島狀風(fēng)電場電網(wǎng)(120，130，140，150)包括具有至少一個風(fēng)力渦輪機的風(fēng)電場(11，21，31，41)，所述風(fēng)電場(11,21,31,41)連接到 AC 母線(13，23，33，43)，所述 AC 母線(13，23，33，43)又連接到電壓源變換器(10，20，30，40)，所述電壓源變換器(10，20，30，40)設(shè)置成通過直流傳輸線(15，25，35，45)將功率饋送到主電力網(wǎng)(90)，所述方法包括下列步驟: -控制(301)第一電壓源變換器(10)作為頻率控制中的平衡節(jié)點，所述頻率控制包括在超過所述功率死區(qū)(210)的端點時對于功率死區(qū)(210)中的操作點并且通過頻率下垂控制，來將頻率控制成穩(wěn)態(tài)參考操作點，以及 -控制(302)功率控制中的至少第二電壓源變換器(20，30，40)，所述功率控制包括在超過所述頻率死區(qū)(220)的端點時對于頻率死區(qū)(220)中的操作點并且通過功率下垂控制，來將功率流控制成穩(wěn)態(tài)參考操作點。
2.如權(quán)利要求1所述的方法(300)，其中，所述功率死區(qū)(210)包括定義為穩(wěn)態(tài)操作的功率范圍。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法(300)，其中，所述頻率死區(qū)(220)包括定義為穩(wěn)態(tài)操作的頻率范圍。
4.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法(300)，其中，所述穩(wěn)態(tài)參考操作點與所述相應(yīng)電壓源變換器(10，20，30，40)的穩(wěn)態(tài)操作相關(guān)。
5.如權(quán)利要求2、3或4所述的方法(300)，其中，所述穩(wěn)態(tài)操作包括在包括次要故障和負(fù)載變化的正常操作條件期間的功率流。
6.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法(300)，其中，功率控制中的所有電壓源變換器(20，30，40)在故障時對于附加負(fù)載的負(fù)載共享沿用相同下垂特性。
7.如權(quán)利要求1-5中的任一項所述的方法(300)，其中，功率控制中的所有電壓源變換器(20，30，40)沿用單獨設(shè)置的下垂特性。
8.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法(300)，包括下列其他步驟:在確定所述直流傳輸線(15，25，35，45)之一的中斷時，將所述并聯(lián)連接的島狀風(fēng)電場電網(wǎng)(120，130，140,150)分離成單獨操作的孤立風(fēng)電場電網(wǎng)(120，130，140，150)。
9.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法(300)，其中，如果作為頻率控制中的平衡節(jié)點所控制的所述第一電壓源變換器(10)丟失，則將在功率控制中所控制的所述至少第二電壓源變換器(20，30，40)之一改變成充當(dāng)頻率控制中的所述平衡節(jié)點。
10.一種用于控制功率控制或頻率控制中的電壓源變換器的控制器(201，202)，所述控制器(201,202)包括: -輸入裝置(210，220)，用于接收參考操作點， -處理器(211，221)，設(shè)置成運行計算機程序產(chǎn)品(213，223)中存儲的計算機程序(212，222)的軟件指令，所述計算機程序(212，222)包括計算機程序代碼，所述計算機程序代碼在運行于所述控制器(201，202)上時，使所述控制器(201，202)執(zhí)行如權(quán)利要求1_8中的任一項所述的方法。
11.一種用于控制風(fēng)電場系統(tǒng)(100)中的功率流以用于到主電力網(wǎng)(90)的輸電的計算機程序(6)，所述風(fēng)電場系 統(tǒng)(100)包括兩個或更多并聯(lián)連接的島狀風(fēng)電場電網(wǎng)(120，，130，140，150)，各島狀風(fēng)電場電網(wǎng)(120，130，140，150)包括具有至少一個風(fēng)力渦輪機的風(fēng)電場(11，21，31，41)，所述風(fēng)電場(11,21,31,41)連接到AC母線(13，23，33，43)，所述AC母線(13，23，33，43)又連接到電壓源變換器(10，20，30，40)，所述電壓源變換器(10，20，30，，40)設(shè)置成通過相應(yīng)直流傳輸線(15，25，35，45)將功率饋送到主電力網(wǎng)(90)，所述計算機程序(212，222)包括計算機程序代碼，所述計算機程序代碼在運行于控制器(201，202)上時，使所述控制器(201，202)執(zhí)行下列步驟: -控制(301)第一電壓源變換器(10)作為頻率控制中的平衡節(jié)點，所述頻率控制包括在超過所述功率死區(qū)(210)的端點時對于功率死區(qū)(210)中的操作點并且通過頻率下垂控制，來將頻率控制成穩(wěn)態(tài)參考操作點，以及 -控制(302)功率控制中的至少第二電壓源變換器(20，30，40)，所述功率控制包括在超過所述頻率死區(qū)(220)的端點時對于頻率死區(qū)(220)中的操作點并且通過功率下垂控制，來將功率流控制成穩(wěn)態(tài)參考操作點。
12.一種包括如權(quán)利要求11所述的計算機程序(212，222)以及其上存儲了所述計算機程序(212，222)的計算機 可讀部件的計算機程序產(chǎn)品(213，223)。
【文檔編號】H02J3/04GK103891079SQ201180072947
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月20日
【發(fā)明者】P.霍姆伯格, Y.安格-赫夫納, L-E.朱林 申請人:Abb 技術(shù)有限公司