用于控制電力轉換器的控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于控制電力轉換器的控制器。描述了一種用于控制風力渦輪機的電力轉換器的控制器，所述電力轉換器用于將所述風力渦輪機的電氣輸入電力轉換成電氣輸出電力，其中，所述電氣輸出電力被提供給電網(wǎng)。所述電力轉換器包括電網(wǎng)側轉換器部分和渦輪機側轉換器部分。所述控制器包括：輸入端子，用于接收與預定義電網(wǎng)電壓相關聯(lián)的電壓參考信號和與預定義電網(wǎng)頻率相關聯(lián)的頻率參考信號；以及網(wǎng)橋控制器，其被適配為控制所述電網(wǎng)側轉換器部分的電力轉換。所述網(wǎng)橋控制器包括調制器，所述調制器用于基于從所述電壓參考信號和所述頻率參考信號導出的參考電壓和參考角度來調制所述電網(wǎng)側轉換器部分中的門驅動命令信號。所述調制器被適配為調制所述門驅動命令信號，以便在所述電網(wǎng)內有故障的情況下維持所述電力轉換器中的所述預定義電網(wǎng)電壓和所述預定義電網(wǎng)頻率。
【專利說明】用于控制電力轉換器的控制器
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明總體涉及在公用電網(wǎng)有孤島（斷開)部分的情況下對電力轉換器的控制。具 體地，本發(fā)明涉及用于控制風力渦輪機的電力轉換器以在電網(wǎng)中有故障的情況下(例如在 電網(wǎng)有孤島部分的情況下)維持電網(wǎng)的孤島部分中的電網(wǎng)電壓和頻率的控制器。此外，本發(fā) 明涉及包括該電力轉換器和該控制器的發(fā)電系統(tǒng)。此外，本發(fā)明涉及用于控制電力轉換器 內的電力轉換的方法。除此之外，本發(fā)明涉及用于控制電力轉換器內的電力轉換的計算機 程序。
【背景技術】
[0002] 諸如風力渦輪機之類的一個或多個發(fā)電系統(tǒng)可以連接到公用電網(wǎng)以向公用電網(wǎng) 供應電能。風力渦輪機發(fā)電機提供的電力和公用電網(wǎng)所需的電力可能具有不同的頻率，特 別地，電頻率。在風力渦輪機中，頻率轉換器用于將來自發(fā)電機的AC (交流）電力對接到公 用電網(wǎng)的AC電力。
[0003] 可能存在這樣的情形，其中風電場正在產生至電氣系統(tǒng)（即，公用電網(wǎng)）中的電力， 并且該電氣系統(tǒng)的一部分變?yōu)楣聧u，即從電網(wǎng)的其余部分斷開。還可能存在這樣的情形，其 中風電場正在產生至HVDC方案的一端(非電網(wǎng)連接端)中的電力，并且電氣系統(tǒng)變?yōu)楣聧u或 者HVDC方案阻塞，這意味著遠程HVDC電力轉換器端子內的切換設備關閉。
[0004] 在孤島電氣系統(tǒng)的情況下，風電場可能正在產生至該電氣系統(tǒng)中的電力，并且該 電氣系統(tǒng)中風電場被連接到的部分可能變?yōu)楣聧u，在孤島系統(tǒng)上具有未受限定的局部負載 以及未受限定的局部生成。
[0005] 在孤島電氣系統(tǒng)的情況下，普通矢量電流控制器算法將"跟蹤"孤島系統(tǒng)的頻率和 電壓，并且除非負載和生成完美平衡，否則孤島系統(tǒng)頻率將偏離于"標稱"且最終偏離充分 程度以至于電力轉換器(和/或其他渦輪機或電氣系統(tǒng)部件)跳閘或停機。普通網(wǎng)橋電流控 制器未做實際上幫助維持"標稱"電壓或頻率的任何事，其不以與同步發(fā)電機相同的方式進 行動作。
[0006] 因此，可能存在對被適配為在(例如風力渦輪機內的）電力轉換器應當可控時的條 件期間以特別地支持或維持孤島系統(tǒng)上的標稱電壓和頻率的這種方式被控制的控制器的 需要。
【發(fā)明內容】
[0007] 該需要可以通過根據(jù)獨立權利要求的主題滿足。通過從屬權利要求來描述本發(fā)明 的有利實施例。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于控制風力渦輪機的電力轉換器的控制器， 所述電力轉換器用于將所述風力潤輪機的電氣輸入電力轉換成電氣輸出電力，其中，所述 電氣輸出電力被提供給電網(wǎng)，其中，所述電力轉換器包括電網(wǎng)側轉換器部分和發(fā)電機側轉 換器部分。所述控制器包括：輸入端子，用于接收與預定義電網(wǎng)電壓相關聯(lián)的電壓參考信號 和與預定義電網(wǎng)頻率相關聯(lián)的頻率參考信號；以及網(wǎng)橋控制器，其被適配為控制所述電網(wǎng) 側轉換器部分的電力轉換，其中，所述網(wǎng)橋控制器包括調制器，所述調制器用于基于從所述 電壓參考信號和所述頻率參考信號導出的參考電壓和參考角度來調制所述電網(wǎng)側轉換器 部分中的門驅動命令信號，其中，所述調制器被適配為調制所述門驅動命令信號，以便在公 用電網(wǎng)內有故障的情況下維持所述電力轉換器中的所述預定義電網(wǎng)電壓和所述預定義電 網(wǎng)頻率。
[0009] 公用電網(wǎng)內的故障可以是公用電網(wǎng)中風力渦輪機正在將電力遞送至的部分（即孤 島部分）的斷開或整個孤島公用電網(wǎng)的斷開。
[0010] 風力渦輪機可以包括塔、安裝在塔頂部的吊艙、以及在桿內旋轉支撐的轉子，其 中，在轉子處，安裝一個或多個轉子刀片。轉子桿可以機械地耦合到發(fā)電機，所述發(fā)電機用 于在轉子桿由于撞擊在轉子刀片上的風而旋轉時生成電能。
[0011] 所述電力轉換器可以是固定切換頻率2級電力轉換器。所述控制器還可以與多級 電力轉換器、可變切換頻率滯后或滑動模式控制方案組合使用。
[0012] 具體而言，風力渦輪機的發(fā)電機可以生成可變頻率AC電力（或AC電力流)，所述可 變頻率AC電力可以被供應到頻率轉換器，所述頻率轉換器可以是全尺度轉換器。該上下文 中的AC電力可以指代具有特定頻率的電流或電壓。頻率轉換器可以首先將可變頻率AC電 力轉換成DC電力，并且然后可以將DC電力轉換成固定頻率AC電力，所述固定頻率AC電力 具有在正常條件下公用電網(wǎng)的頻率，即標稱電網(wǎng)頻率。
[0013] 術語"公用電網(wǎng)"可以表示這樣的電網(wǎng)：發(fā)電系統(tǒng)向所述電網(wǎng)供應能量，并且一個 或多個消費者從所述電網(wǎng)提取電能。
[0014] 術語"標稱電壓"可以表示系統(tǒng)設計電壓。術語"主導電壓"可以表示渦輪機目前工 作所處的電壓，并且這可能在一天的過程期間由于下述各項而改變：電力、無功功率要求、 連接的電力因子校正電容器或裝備、或者其他電壓控制裝置、變壓器抽頭轉換開關、HVDC方 案、靜態(tài)Var補償器等等。
[0015] 術語"電壓參考"可以表示渦輪機內的期望LV母線電壓，并可以從風電廠控制器 發(fā)送，以便在風電廠的端子處實現(xiàn)預定義(例如，所需的）電壓(或無功功率)，該端子通常是 風電廠變壓器的HV側。該電壓參考通常偏離于"標稱電壓"。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的該方面，提供了一種方案，通過該方案，風力渦輪機轉換器可以進行 動作以模仿同步發(fā)電機，通過進行動作來幫助在孤島系統(tǒng)上支持或維持標稱電壓和頻率。 通過使用所描述的控制器而非直接控制電流，向網(wǎng)橋給出調制深度（電壓）參考和頻率參 考。這些電壓和頻率參考處于標稱值(作為示例，可以假設為690V和50Hz或60Hz)。
[0017] 傳統(tǒng)矢量電流控制將三相電流分解成同步旋轉的參考系內的D和Q軸分量。在穩(wěn) 態(tài)中，電流的這些D和Q軸分量是DC量，并且因此，可以使用比例積分（PI)控制器來實現(xiàn) 零穩(wěn)態(tài)誤差。這一點的擴展包括負序列電流控制，但是二者的原理都是控制電壓以實現(xiàn)零 穩(wěn)態(tài)電流誤差。然而，從中導出電流和電壓的DQ軸分量的同步信號是從主導電壓導出的， 并且由此，此類方案固有地遵循電網(wǎng)電壓和頻率。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的控制器，網(wǎng)橋的目的可以是成為固定電壓和頻率源，直到達到渦輪 機限制為止。例如，該上下文中的渦輪機限制可以指代電力轉換器或渦輪機部件的額定的 最大可提供功率或電流和/或電壓。網(wǎng)橋可以在正常穩(wěn)態(tài)條件下與主導電網(wǎng)條件同步，并 可以嘗試維持標稱電壓和標稱頻率，直到如下這樣的時間為止：達到轉換器或渦輪機電氣 系統(tǒng)的額定電流或者達到來自渦輪機的可用功率。在該點處，至網(wǎng)橋的電壓和頻率參考可 以被修改以遵守轉換器的額定電流和渦輪機主導功率能力。這里的原理可以是網(wǎng)橋調制器 接收調制深度和角度參考，所述調制深度和角度參考是直接從至渦輪機(例如，風電廠控制 器)中的參考導出的。矢量電流控制器可能不定義調制深度和角度，如在風力渦輪機內使用 的普通電力轉換器中的情況那樣。
[0019] 當超過孤島系統(tǒng)的渦輪機的額定值時，可以減小電壓和/或頻率以限制負載。應 當注意，風電場控制器不能以任何方式限制負載。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，電網(wǎng)側轉換器部分基于預定義電網(wǎng)電壓和預定義電網(wǎng)頻率 而與主導電網(wǎng)條件同步。
[0021] 網(wǎng)橋（即電網(wǎng)側或網(wǎng)絡側轉換器部分)可以在正常穩(wěn)態(tài)下與主導電網(wǎng)條件同步。因 此，網(wǎng)橋調制器可以接收調制深度和角度參考，所述調制深度和角度參考是直接從來自例 如風電廠控制器至渦輪機中的參考而非矢量電流控制器的參考導出的。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述預定義電網(wǎng)電壓和/或預定義電網(wǎng)頻率是期望的和/ 或所需的電網(wǎng)電壓和/或電網(wǎng)頻率。
[0023] 所需的或期望的電壓或頻率可以例如由像風電廠控制器這樣的中央控制來定義 或者可以由電網(wǎng)要求來定義。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述控制器還被適配為接收作為來自所述風力渦輪機的可 用功率的代表的風力渦輪機功率信號，并且其中，所述網(wǎng)橋控制器被適配為基于所述風力 渦輪機功率信號來調制所述門驅動命令信號。
[0025] 所述控制器(例如網(wǎng)橋控制器）可以嘗試維持標稱電壓和標稱頻率，直到如下這樣 的時間為止：達到轉換器或渦輪機電氣系統(tǒng)的額定電流或者達到來自渦輪機的可用功率。 因此，所述網(wǎng)橋控制器可以基于風力渦輪機功率信號來調制所述門驅動命令信號。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述網(wǎng)橋控制器被適配為基于所述風力渦輪機功率信號來 調整所述參考電壓和所述參考角度。
[0027] 當達到轉換器或渦輪機電氣系統(tǒng)的額定電流或達到來自渦輪機的可用功率時，可 以修改至網(wǎng)橋的電壓和頻率參考以遵守轉換器的額定電流和渦輪機主導功率能力。因此， 所述控制器可以考慮實際風力條件。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述控制器還被適配為接收作為來自所述風力渦輪機和/ 或所述電力轉換器的額定電流的代表的額定電流信號，并且其中，所述網(wǎng)橋控制器被適配 為基于所述額定電流信號來調制所述門驅動命令信號。
[0029] 如上面所描述的，可以通過考慮所述額定電流信號來調制所述門驅動命令信號。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述網(wǎng)橋控制器被適配為基于所述額定電流信號來調整所 述參考電壓和參考角度。
[0031] 可以修改至網(wǎng)橋的電壓和頻率參考以遵守轉換器的額定電流。因此，可以鑒于實 際風力和轉換器的額定值來調整參考信號。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述電壓參考信號和所述頻率參考信號是從風電廠控制器 或外部源接收的。
[0033] 風電廠控制器可以具有所有必要信號且因此可以向所述控制器提供這些信號。這 些信號也可以在此類通信丟失的情況下默認為標稱參考。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述控制器還包括補償單元，其被適配為補償被提供給公 用電網(wǎng)的諧波畸變。
[0035] 例如，通過使用反饋機制，可以減小由非線性負載引入到孤島網(wǎng)絡的諧波畸變。此 類機制可以基于多個同步旋轉參考系以補償諧波電壓畸變。
[0036] 如本文所描述的控制器可以由不同的特定機制來修改，后文將進一步詳細地示出 這些特定機制。
[0037] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述控制器還包括諧振阻尼單元，其被適配為減小所述公 用電網(wǎng)的諧振。
[0038] 例如，電氣系統(tǒng)諧振可以在孤島電氣系統(tǒng)上被阻抑。如果來自更遠程總線的電壓 反饋可用或者其頻譜被實時計算，則對孤島系統(tǒng)內的諧振或局部非線性負載所引起的諧波 (和/或諧波間）電壓的控制可以被反饋到網(wǎng)橋，以調制包含正確諧波譜的PWM電壓，以便對 不是如此局部的諧波電壓進行阻抑。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述網(wǎng)橋控制器還被適配為執(zhí)行對電力的快速控制。
[0040] 這可以例如在HVDC系統(tǒng)轉換器阻塞期間使用。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述控制器還包括控制單元，其被適配為控制連接的渦輪 機來共享孤島系統(tǒng)上的電力和無功功率負載。
[0042] 根據(jù)該實施例，可以以當存在故障（即，系統(tǒng)為孤島）時渦輪機能夠共享電力和無 功功率負載的這種方式來控制渦輪機。
[0043] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述控制器還包括重新同步單元，其被適配為當所述電網(wǎng) 內的故障結束時重新同步渦輪機。
[0044] 此類重新同步可以在電網(wǎng)電壓確實返回時使用。在移除或消除了故障之后，可能 需要此類重新同步以便確保風力渦輪機和其余系統(tǒng)的合適運轉。
[0045] 根據(jù)另一實施例，提供了一種發(fā)電系統(tǒng)，具體是風力渦輪機系統(tǒng)，具體用于向公用 電網(wǎng)供應電力。所述發(fā)電系統(tǒng)包括：電源單元，具體是發(fā)電機；電力轉換器，用于將來自所 述電源單元的輸入電力信號轉換成輸出電力信號；以及如上所述的用于控制所述電力轉換 器的控制器。
[0046] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于控制風力渦輪機的電力轉換器的方法， 所述電力轉換器用于將所述風力潤輪機的電氣輸入電力轉換成電氣輸出電力，其中，所述 電氣輸出電力被提供給電網(wǎng)，其中，所述電力轉換器包括電網(wǎng)側轉換器部分和渦輪機側轉 換器部分。所述方法包括：接收與預定義電網(wǎng)電壓相關聯(lián)的電壓參考信號和與預定義電網(wǎng) 頻率相關聯(lián)的頻率參考信號；以及通過以下操作來控制所述電網(wǎng)側轉換器部分的電力轉 換：基于從所述電壓參考信號和所述頻率參考信號導出的參考電壓和參考角度來調制所述 電網(wǎng)側轉換器部分中的門驅動命令信號，以及調制所述門驅動命令信號，以便在所述電網(wǎng) 內有故障的情況下維持所述電力轉換器中的所述預定義電網(wǎng)電壓和所述預定義電網(wǎng)頻率。
[0047] 應當注意，參考是預定義的（例如，期望的）電網(wǎng)電壓量值和頻率，并且網(wǎng)絡電力轉 換器可以嘗試實現(xiàn)這一點，直到達到裝備的額定值，在達到額定值的點處，可以修改電壓的 量值，如同可以修改頻率參考那樣，使得轉換器/渦輪機在其電流、主導功率和熱額定值內 操作。
[0048] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于控制風力渦輪機的電力轉換器的計算機 程序。所述計算機程序在由數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行時被適配為控制如上所述的方法。
[0049] 如本文所使用的，對計算機程序的參考意圖等效于對包含用于控制計算機系統(tǒng)以 協(xié)調上述方法的執(zhí)行的指令的程序元件的參考。
[0050] 可以用任何適當?shù)木幊陶Z言(諸如例如，JAVA、C++)將計算機程序實現(xiàn)為計算機可 讀指令代碼，并且可以將計算機程序存儲在計算機可讀介質(可移除盤、易失性或非易失性 存儲器、嵌入式存儲器/處理器等)上。所述指令代碼可操作以將計算機或任何其他可編程 器件編程為實行意圖的功能。計算機程序可以是從網(wǎng)絡可用的，所述網(wǎng)絡諸如是萬維網(wǎng)，可 以從中下載所述計算機程序。
[0051] 本發(fā)明可以借助相應于軟件的計算機程序而實現(xiàn)。然而，本發(fā)明也可以借助相應 于硬件的一個或多個特定電子電路而實現(xiàn)。此外，本發(fā)明也可以用混合形式實現(xiàn)，即，用軟 件模塊和硬件模塊的組合實現(xiàn)。
[0052] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種計算機可讀介質(例如，⑶、DVD、USB棒、軟盤 或硬盤)，其中存儲了用于控制風力渦輪機的電力轉換器的計算機程序，該計算機程序在由 處理器執(zhí)行時被適配為實行或控制用于控制頻率轉換器的方法。
[0053] 必須注意的是，參照不同的主題描述了本發(fā)明的實施例。具體而言，參照方法類型 權利要求描述了一些實施例，而參照裝置類型權利要求描述了其他實施例。然而，本領域技 術人員將從上面及下面的描述了解到，除非另外通告，除了屬于一種類型的主題的特征的 任何組合之外，與不同主題相關的特征之間的任何組合(具體地，方法類型權利要求的特征 與裝置類型權利要求的特征之間的任何組合）也被認為與本文檔一起被公開。
[0054] 根據(jù)后文要描述的實施例的示例，上面限定的方面以及本發(fā)明的另外方面是顯而 易見的，并且，參照實施例的這些示例來解釋上面限定的方面以及本發(fā)明的另外方面。后文 將參照實施例的示例來更詳細地描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于實施例的這些示例。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0055] 現(xiàn)在參照附圖來描述本發(fā)明的實施例，本發(fā)明不限于這些實施例。
[0056] 圖1示出了根據(jù)實施例的轉換器系統(tǒng)中的控制器； 圖2示出了普通轉換器系統(tǒng)； 圖3示出了根據(jù)實施例的網(wǎng)絡電壓頻率控制； 圖4示出了根據(jù)實施例的電壓磚墻； 圖5示出了圖4的電壓的曲線圖； 圖6示出了根據(jù)實施例的失衡調節(jié)； 圖7示出了根據(jù)實施例的諧波補償； 圖8示出了根據(jù)實施例的AC系統(tǒng)諧振阻尼； 圖9和10示出了風力渦輪機內的下垂（droop)控制；以及 圖11示出了發(fā)電機橋控制。
【具體實施方式】
[0057] 圖中的圖示具有示意的形式。應當注意，在不同圖中，類似或相同元件被提供有相 同的附圖標記。
[0058] 如上文已經(jīng)解釋的，傳統(tǒng)矢量電流控制將3相電流分解為同步旋轉的參考系內的 D和Q軸分量。在穩(wěn)態(tài)中，電流的這些D和Q軸分量是DC量，并且因此，可以使用比例積分 (PI)控制器來實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)狀態(tài)誤差。這一點的擴展包括負序列電流控制，但是二者的原理 都是控制電壓以實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)電流誤差。然而，從中導出電流和電壓的DQ軸分量的同步信號 是從主導電壓獲得的，并且由此，此類方案固有地遵循電網(wǎng)電壓和頻率。
[0059] 圖2的系統(tǒng)200示出哪些參考被傳遞到網(wǎng)絡（202)和發(fā)電機（201)控制器，發(fā)電機 (201)控制器控制頻率轉換器系統(tǒng)103、104、105、106和107。轉換器系統(tǒng)經(jīng)由發(fā)電機102 從風力渦輪機101接收輸入電力。一個或多個矢量電流控制器201和202控制頻率轉換器 將電力傳出到AC公用電網(wǎng)。這是渦輪機內的普通控制布置。轉換器部分可以包括可選的 PWM濾波器106 (F)。此外，線路感應器107可以布置在變壓器與網(wǎng)橋之間。
[0060] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)100。在該系統(tǒng)中，網(wǎng)橋的目的是成為固定電壓和 頻率源，直到達到渦輪機限制為止。網(wǎng)橋在正常穩(wěn)態(tài)條件下與主導電網(wǎng)條件同步，并嘗試將 母線（PWM濾波器106被連接到該母線）（標記為V_LV)維持在參考電壓GridVac*和參考頻 率GridFreq*處，直到如下這樣的時間為止：達到轉換器或渦輪機電氣系統(tǒng)的額定電流或 者達到來自渦輪機的可用功率，在該點處，至網(wǎng)橋的電壓和頻率參考被修改以遵守轉換器 的額定電流和渦輪機主導功率能力。這里的原理是：網(wǎng)橋調制器108 (至少部分地經(jīng)由積 分器110)從網(wǎng)絡電壓頻率控制器111接收調制深度和角度參考，所述調制深度和角度參考 是直接從來自例如風電場控制器112至渦輪機中的參考導出的。還可以傳遞附加的主時間 同步113信號，使得可以同步陣列中的所有渦輪機。調制深度和角度不由矢量電流控制器 107定義，因為它們處于圖2中示出的渦輪機上。矢量電流接收從桿阻尼（shaft damping) 單元109導出的輸入信號。下面詳細解釋此類系統(tǒng)的各種子特征。例如，在圖3中示出了 網(wǎng)絡電壓頻率（V/f)控制器111。
[0061] 使用風力渦輪機內的電力轉換器來以此類方式操作可以幫助維持孤島或故障電 氣系統(tǒng)上的電網(wǎng)電壓和頻率。如可以在圖3的網(wǎng)絡電壓頻率控制300中看到的那樣，經(jīng)由基 于可用D軸電流和增益項KK320)的鉗位來從GridVac*導出橋電壓或調制深度控制。D軸 電流反饋是經(jīng)由同步旋轉的參考系和3相網(wǎng)橋電流反饋導出的。網(wǎng)橋角度參考是從基于可 用Iq經(jīng)由增益項K2(321)鉗位的Gridfreq*和經(jīng)由PI控制器傳遞的頻率誤差導出的?？捎?Iq取決于橋的額定電流和潤輪機的可用功率，因此IqLimitA=sqrt (Irated~2_Id2) (309)， 并且通過基于主導可用功率的限制對此進一步鉗位，IqLimitB=Plimit/(sqrt(3)*Vac) (307)。這里應當考慮Vac還是freq在處于電流限制中時得到優(yōu)先級，所以可以向321和 320的輸出添加某種類型的"優(yōu)先級"塊。
[0062] 如可以在圖3中看到的那樣，經(jīng)由塊301、302、303、304、305和306來處理 GridVac*以得到被轉發(fā)給網(wǎng)橋調制器的調制深度。塊301的輸出基于GridVac*和電流 限制信號，該電流限制信號在塊308和增益單元320中被處理以被轉發(fā)給塊301。在計算 IqLimit時使用塊311、309、310和增益單元321，IqLimit繼而影響網(wǎng)橋的頻率。在塊312、 313、314、315、316和317中將 81^(1仕69*處理成信號〇〇1^^0(|。功率前饋信號由塊318 和319生成并被轉發(fā)給發(fā)電機橋。塊314可以是比例增益或死區(qū)（deadbanded)比例增益 特性。
[0063] 后文將描述耦合到發(fā)電機橋和分別基于Iq和Id的雙鉗位的目的。
[0064] 通過經(jīng)由在DC鏈路與發(fā)電機之間的能量交換來允許傳動系阻尼和/或塔阻尼，可 以避免對于網(wǎng)橋作為受控電力源的需要。這可以通過調制發(fā)電機橋上的Vdc參考而非修改 網(wǎng)橋上的電力參考而實現(xiàn)。這意味著：發(fā)電機橋可以被啟動，并且機械桿可以被阻抑，而無 需與外部AC電網(wǎng)的能量交換。因此，網(wǎng)橋可以以"電壓"源模式中被啟動或運行。
[0065] 如圖4中所示的那樣定義"電壓磚墻"400可以充當限制由于局部無功功率消耗中 的突然改變而施加給外部電氣網(wǎng)絡的電壓的快速方法。這里的原理是：將母線的實際測量 電壓（V_LV)與圖3的GridVac*Clamped (即，301的輸出）進行比較，并且如果該電壓太高 (定義滯后帶（hysteresis band))，則阻止上部相位PWM脈沖，或者如果該電壓太低（_ve半 循環(huán))，則阻止下部相位PWM脈沖。這可以被認為是圍繞參考電壓的一組條痕。至與門402 中的阻塞信號是在3相電壓反饋與GridVac*Clamped (塊403、404、405、406)之間的比較的 結果。
[0066] 對于所有3個相，重復如圖4中所示的步驟。所測量的實際電壓可以是圖2中示 出的渦輪機變壓器的LV或HV側。該"電壓磚墻"意圖作為對網(wǎng)橋電壓的快速控制。PI控 制器303、314意圖在比"電壓磚墻"特征更長的時間尺度上調節(jié)渦輪機變壓器的MV或LV側 的基頻和電壓。
[0067] 等同地，可以用固定的上和下電壓閾值來替換正弦電壓磚墻，由此僅當電壓超過 固定閾值而不是正弦閾值時才阻止PWM脈沖。除此之外，可以考慮PWM調制方案，由此，如 果上部1/2循環(huán)中的電壓太低，則開啟上部PWM脈沖以增加電壓，這實際上是滯后或滑動模 式類型的控制。
[0068] 在圖5中示出了 Vr+ (501)、Vr- (503)和Vr (502)的正弦信號。因此，圖5參考 圖4中示出的滯后帶。
[0069] 圖6示出了失衡控制600。這里，將定義控制系統(tǒng)，其進行動作以補償由于例如存 在孤島系統(tǒng)上的單相負載而造成的3相負載中的-ve序列或失衡。這在圖6中示出，注意， GridVac*和VacRef-ve二者都將需要以與圖3中所示類似的方式基于可用電流而被鉗位。 600可以實際替換399。600具有附加輸入以控制孤島電網(wǎng)上的負序列電壓。如可以在圖6 中看到的那樣，GridVac*neg和GridVac*是輸入信號且被處理以便消除實際AC電壓中的負 序列。這是在所示出的塊601-612上完成的，其中信號Vac (作為反饋信號）和VacRef-ve 被組合以便補償_ve序列。
[0070] +ve和-ve序列Vac控制器被解耦合，因此它們彼此獨立地進行動作以滿足它們的 參考 VacRef+ve 和 VacRef-ve。
[0071] 在一個實施例中，塊300可以被分割在兩個塊中，這兩個塊表示正和負序列電壓 被控制以遵守主導功率和硬件額定值。
[0072] 圖7示出了諧波補償方案700。這里，定義反饋機制以嘗試補償由非線性負載引入 到孤島網(wǎng)絡的諧波畸變。（在滯后模式中）可以考慮上文描述的"電壓磚墻"構思以將電壓 維持在帶內。然而，還存在經(jīng)由多個同步旋轉的參考系實現(xiàn)該特征以補償諧波電壓畸變的 可能性。可以使用所有整數(shù)諧波頻率或選擇性諧波頻率處的多個同步旋轉的參考系來將廠 (Park)Tx的LV或MV側上的諧波電壓減小為零。再一次，必須以與圖3中所示的方式類似 的方式來對參考電壓進行鉗位以遵守轉換器的額定電流。例如，可以用比例諧振控制器來 替換PI控制器（705-708)。在該情況下，也可以移除或修改714和715。如可以看到的那 樣，不同的輸入信號（即，電壓的諧波）被處理（703、707、710、714、716在該示例中用于五次 諧波，并且704、708、711、715、717用于七次諧波）且與經(jīng)處理（701、705)的Vac Ref相加， VacRef-ve已經(jīng)在一些處理步驟（702、706、709)之前后與Vac Ref相加。結果被轉發(fā)給除 法器712,且在濾波步驟713之后被輸出作為調制深度。在該方案中，意圖是，風電廠控制器 將向渦輪機發(fā)送電壓參考。
[0073] 該控制方案也可以被擴展到除如圖7中所示的僅5次和7次諧波外的諧波。
[0074] 圖8示出了用于諧振阻尼的系統(tǒng)800。這里，電氣系統(tǒng)諧振可以在孤島電氣系統(tǒng)上 被阻抑。如果來自更遠程總線的電壓反饋可用或者其頻譜被實時計算，則對孤島系統(tǒng)802 內的諧振或局部非線性負載(存在于801上）所引起的諧波(和/或諧波間）電壓的控制可 以被反饋到網(wǎng)橋，以調制包含正確諧波譜的PWM電壓，以便對不是如此局部的諧波電壓進 行阻抑。注意，風電場控制器803可以有可能計算諧波電壓參考并將這些傳遞回到渦輪機， 而非將Vac反饋的(可能更高帶寬）信號傳遞回到用于渦輪機控制的渦輪機，以計算所需的 補償電壓。使高數(shù)據(jù)速率計算在風電場控制器處完成可以比嘗試將高數(shù)據(jù)速率電壓反饋傳 遞回到渦輪機更好。
[0075] 圖9和10示出了風力渦輪機901內的下垂控制900、1000,其定義了一種方法，通 過該方法，孤島電氣系統(tǒng)上的多個風力渦輪機以這樣的方式進行動作：共享孤島系統(tǒng)的負 載和/或無功功率要求。場內的多個渦輪機可以通過在它們之間在從風電廠或場控制器 902接收的VacRef和Freq ref上具有下垂特性，來在它們之間共享負載和無功功率要求。
[0076] 上述內容向孤島HVDC系統(tǒng)的擴展可以是可能的，由此在HVDC連接的風電場的 遠程(或離岸）電力橋變?yōu)樽枞那闆r下，風力渦輪機以這樣的方式進行動作：維持阻塞的 HVDC母線上的電壓和頻率。所有上面的控制建議對于離岸HVDC連接的風電場來說是相關 的。如果場內的N個HVDC方案之一跳閘或被阻塞，則離岸系統(tǒng)上的風力渦輪機需要嘗試且 維持電壓和頻率，由此，上面提及的技術可以適用。另外，還可能潛在地存在下述要求：快 速減小由風力渦輪機生成的電力以遵守其余N-1個HVDC系統(tǒng)將電力從離岸AC系統(tǒng)傳送到 HVDC方案的DC鏈路中的電力傳送能力。
[0077] 在諸如HVDC轉換器"阻塞"之類的高度動態(tài)事件期間，離岸網(wǎng)絡的頻率和電壓將 顯著偏離，由此，局部渦輪機電壓和頻率參考需要快速響應。這是圖3中的PI (或可以僅是 比例或其他控制）塊的目的?；贗q和Id的對圖3的左手側的鉗位要限定穩(wěn)態(tài)局部Vac 和Freq參考，以遵守主導功率和轉換器額定電流。在高度動態(tài)事件的情況下，PI控制通過 修改局部頻率和/或電壓限制來進行響應，但是同樣地，這些控制動作受可用功率和額定 電流限制，由此，鉗位對圖3的右手側阻塞。另外，存在到發(fā)電機橋的耦合或快速功率前饋， 這被示為圖3上的輸出。
[0078] 在圖11中示出了發(fā)電機橋控制1100,其中，功率前饋是輸入。當在電網(wǎng)頻率中存 在瞬時增加時(這可以是在HVDC阻塞事件期間的情況)，該信號進行動作以使電力快速停機 來幫助調節(jié)DC鏈路電壓。類似地，如果頻率突然下降，則網(wǎng)橋將嘗試增加頻率(受制于電 流和功率限制)，并且由此，發(fā)電機需要將更多電力從發(fā)電機遞送到DC鏈路中。這里清楚的 是，當網(wǎng)橋正在接近于電流限制運行時，需要在可用額定電流被分配到的網(wǎng)橋上、在無功功 率軸上(針對Vac支持）或針對頻率支持（由主導功率限制定義）分配某種優(yōu)先級。
[0079] 在發(fā)電機橋控制1100中，將作為輸入的Vdc*與由桿阻尼1101調整的風力渦輪機 發(fā)電機信號相乘。在PI控制器1102和與Vdc的相乘1103之后，將信號與由功率限制調整 1105的功率前饋相乘。在這些處理步驟之后，利用扭矩限制X速度信號來處理信號以生成 發(fā)電機power*?？梢詮呐ぞ?速度鉗位向PI積分器添加抗飽和。
[0080] 已經(jīng)針對固定切換頻率2級電力轉換器考慮了本文描述的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng) 將同樣適用于多級電力轉換器或者基于可變切換頻率滯后或滑動模式的控制方案。
[0081] 應當注意，術語"包括"并不排除其他元件或步驟，并且"一"或"一個"不排除多 個。此外，可以組合與不同實施例相關聯(lián)地描述的元件。還應當注意，權利要求中的附圖標 記不應解釋為限制權利要求的范圍。
【權利要求】
1. 一種用于控制風力渦輪機的電力轉換器的控制器，所述電力轉換器用于將所述風力 潤輪機的電氣輸入電力轉換成電氣輸出電力，其中，所述電氣輸出電力被提供給電網(wǎng)， 其中，所述電力轉換器包括電網(wǎng)側轉換器部分和渦輪機側轉換器部分， 所述控制器包括： 輸入端子，用于接收與預定義電網(wǎng)電壓相關聯(lián)的電壓參考信號和與預定義電網(wǎng)頻率相 關聯(lián)的頻率參考信號；以及 網(wǎng)橋控制器，其被適配為控制所述電網(wǎng)側轉換器部分的電力轉換， 其中，所述網(wǎng)橋控制器包括調制器，所述調制器用于基于從所述電壓參考信號和所述 頻率參考信號導出的參考電壓和參考角度來調制所述電網(wǎng)側轉換器部分中的門驅動命令 信號， 其中，所述調制器被適配為調制所述門驅動命令信號，以便在所述電網(wǎng)內有故障的情 況下維持所述電力轉換器中的所述預定義電網(wǎng)電壓和所述預定義電網(wǎng)頻率。
2. 如權利要求1所述的控制器，其中，所述預定義電網(wǎng)電壓和/或所述預定義電網(wǎng)頻率 是期望的和/或所需的電網(wǎng)電壓和/或電網(wǎng)頻率。
3. 如前述權利要求中任一項所述的控制器，其中，所述控制器還被適配為接收作為來 自所述風力渦輪機的可用功率的代表的風力渦輪機功率信號，并且其中，所述網(wǎng)橋控制器 被適配為基于所述風力渦輪機功率信號來調制所述門驅動命令信號。
4. 如權利要求3所述的控制器，其中，所述網(wǎng)橋控制器被適配為基于所述風力渦輪機 功率信號來調整所述參考電壓和所述參考角度。
5. 如前述權利要求中任一項所述的控制器，其中，所述控制器還被適配為接收作為來 自所述風力渦輪機和/或所述電力轉換器的額定電流的代表的額定電流信號，并且其中， 所述網(wǎng)橋控制器被適配為基于所述額定電流信號來調制所述門驅動命令信號。
6. 如權利要求5所述的控制器，其中，所述網(wǎng)橋控制器被適配為基于所述額定電流信 號來調整所述參考電壓和所述參考角度。
7. 如前述權利要求中任一項所述的控制器，其中，所述電壓參考信號和所述頻率參考 信號是從風電廠控制器或外部源接收的。
8. 如前述權利要求中任一項所述的控制器，還包括補償單元，其被適配為補償被提供 給公用電網(wǎng)的諧波畸變。
9. 如前述權利要求中任一項所述的控制器，還包括諧振阻尼單元，其被適配為減小公 用電網(wǎng)的諧振。
10. 如前述權利要求中任一項所述的控制器，其中，所述網(wǎng)橋控制器還被適配為執(zhí)行對 電力的快速控制。
11. 如前述權利要求中任一項所述的控制器，還包括控制單元，其被適配為控制連接的 渦輪機來共享孤島系統(tǒng)上的電力和無功功率負載。
12. 如前述權利要求中任一項所述的控制器，還包括重新同步單元，其被適配為當所述 電網(wǎng)內的故障結束時重新同步渦輪機，當電網(wǎng)電壓確實返回時，應當考慮或尋求關于這一 點的意見。
13. -種發(fā)電系統(tǒng)，具體是風力渦輪機系統(tǒng)，具體用于向公用電網(wǎng)供應電力，所述發(fā)電 系統(tǒng)包括： 電源單元，具體是發(fā)電機； 電力轉換器，用于將來自所述電源單兀的輸入電力信號轉換成輸出電力信號；以及 如前述權利要求中任一項所述的控制器，用于控制所述電力轉換器。
14. 一種用于控制風力渦輪機的電力轉換器的方法，所述電力轉換器用于將所述風力 潤輪機的電氣輸入電力轉換成電氣輸出電力，其中，所述電氣輸出電力被提供給電網(wǎng)，其 中，所述電力轉換器包括電網(wǎng)側轉換器部分和渦輪機側轉換器部分， 所述方法包括： 接收與預定義電網(wǎng)電壓相關聯(lián)的電壓參考信號和與預定義電網(wǎng)頻率相關聯(lián)的頻率參 考信號；以及 通過以下操作來控制所述電網(wǎng)側轉換器部分的電力轉換： 基于從所述電壓參考信號和所述頻率參考信號導出的參考電壓和參考角度來調制所 述電網(wǎng)側轉換器部分中的門驅動命令信號；以及 調制所述門驅動命令信號，以便在所述電網(wǎng)內有故障的情況下維持所述電力轉換器中 的所述預定義電網(wǎng)電壓和所述預定義電網(wǎng)頻率。
15. -種用于控制風力渦輪機的電力轉換器的計算機程序，所述計算機程序在由數(shù)據(jù) 處理器執(zhí)行時被適配為控制如權利要求10所述的方法。
【文檔編號】H02J3/38GK104113074SQ201410152211
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月16日 優(yōu)先權日:2013年4月16日
【發(fā)明者】P.B.布羅岡, R.瓊斯 申請人:西門子公司