CN117638970A - 用于在电网形成模式中将可再生能源作为具有阻尼绕组仿真的虚拟同步机操作的***和方法 - Google Patents
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Abstract
一种方法和相关联***提供基于逆变器的可再生能源的电网形成模式(GFM)控制，所述基于逆变器的可再生能源具有连接到功率电网的异步机。所述方法包括导出来自所述可再生能源的真实功率输出(PB)和表示所述可再生能源的期望功率输出的功率参考(PREF)之间的功率误差信号(PER)。利用惯性功率调节器，从功率误差信号(PER)生成相移角(δIT)，以向所述可再生能源的GFM控制提供虚拟同步机(VSM)控制功能性。将功率角补偿(Δδ)应用于来自惯性功率调节器的相移角(δIT)，以阻尼瞬态功率事件期间的功率振荡和负载波动。
Description
技术领域
本公开一般涉及诸如风力涡轮功率***之类的可再生能源的操作，并且更特别地涉及用于将风力涡轮作为虚拟同步机(VSM)操作以提供风力涡轮功率***的电网形成控制的***和方法。
背景技术
风电被认为是目前可获得的最清洁、最为环境友好的能量源之一，以及风力涡轮在这个方面已经受到越来越多关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知翼型件原理来捕获风的动能。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，空气在叶片之上流动，从而产生侧面之间的压力差。因此，从压力侧朝吸入侧引导的升力作用于叶片上。升力在主转子轴上生成扭矩，所述主转子轴通常啮合到发电机以用于产生电力。
能够以下列两种类型来区分风力涡轮：固定速度和可变速度涡轮。常规地，可变速度风力涡轮作为连接到功率电网的电流源而被控制。换言之，可变速度风力涡轮依靠由锁相环路(PLL)所检测的电网频率作为参考，并且将指定量的电流注入到电网中。风力涡轮的常规电流源控制基于以下假设：电网电压波形是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足够低，以便不引起对电网电压幅值和频率的扰动。因此，风力涡轮基于基本电压波形简单地将所指定的电流注入到电网中。但是，随着风电的快速增长，到一些电网中的风力渗透已经增加到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中的幅值和频率变更中的增加。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。
此外，确定电网定义参数电压和频率的同步机相对于异步机的比例的降低已贡献降低稳定裕度。当在电网中受到电压和频率干扰时，降低的稳定裕度的直接后果是电网崩溃。
因此，许多现有的异步机(诸如风力涡轮功率***中的双馈发电机)以“电网跟踪模式”操作。电网跟踪类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。在这种模式下，转换器的有功功率参考由例如风力涡轮的涡轮控制部分之类的能量源调节器产生。这作为表示在那个时刻来自能量源的最大可获得功率中的较小者的扭矩参考或来自更高级电网控制器的缩减命令来传达。转换器控制然后确定电流的有功分量的电流参考以实现期望扭矩。相应地，双馈风力涡轮发电机包括以导致电流的无功分量的命令的方式来管理电压和无功功率的功能。宽带宽电流调节器然后形成将由转换器施加到***的电压的命令，使得实际电流紧密地跟踪命令。
备选地，“电网形成模式”(GFM)类型的转换器提供电压源特性，其中控制电压的角度和幅度以实现由电网所需的调节功能。在GFM模式中，可再生资源被控制为作为虚拟同步机(VSM)操作，该虚拟同步机具有复制同步机行为的惯性功率调节器。类似于实际的同步电机，这种控制表现出惯性响应。此外，在GFM模式控制中，频率和端子电压幅度的主要***变量被调节。利用这种结构，电流将根据电网的需求流动，而转换器有助于为电网建立电压和频率。这一特性可与基于涡轮驱动同步机的常规发电机相比较。
因此，GFM源必须包括以下基本功能：(1)支持设备的额定值之内的任何电流流动的电网电压和频率(真实和无功两者)；(2)通过允许电网电压或频率发生变化而不是断开设备(仅当电压或频率超出由电网实体建立的界限时才允许断开)来防止超出设备电压或电流能力的操作；(3)对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者与其它电网形成源连接，并且在这类配置之间进行切换；(4)在连接到电网的其它电网形成源之中共享电网的总负载；(5)穿越电网扰动(主要和次要两者)；以及(6)满足要求(1)-(5)，而不要求与电网中存在的其它控制***的快速通信或者与电网配置变化相关的外部创建的逻辑信号。
用来实现以上电网形成目标的基本控制结构在20世纪90年代初为电池***被开发和现场证明(参见例如标题为“Battery Energy Storage Power Conditioning System”的美国专利No.5798633)。在美国专利No.7804184(标题为“System andMethod forControl of a Grid Connected Power Generating System”)和美国专利No.9270194(标题为“Controller for controlling a power converter”)中公开对全转换器风力发电机和太阳能发电机的应用。在PCT/US2020/013787(标题为“System and Method forProviding Grid-Forming Control for aDoubly-Feb WindTurbine Generator”)中公开对双馈风力涡轮发电机的电网形成控制的应用。
为了有效，GFM基于逆变器的资源(IBR)必须能够维持内部电压相量，当电网条件发生变化时，例如导致相位跳变和/或频率快速变化的突然增加/移除负载、打开或关闭电网连接时，该相量不会快速移动。这样的事件包括例如低电压穿越(LVRT)、高电压穿越(HVRT)、多重故障穿越(MFRT)和相位跳变事件。换句话说，来自电网形成的资源的功率必须能够突然改变以稳定电网，其中随后从更高级的控制功能命令缓慢复位到功率。此外，电网形成的资源必须能够快速实施由于对装置的功率处理部分的约束存在的功率限制。这样的响应对于电网上的严重扰动是需要的，例如故障，其中功率限制将被动态调整以与电网条件相协调，以用于从故障中安全恢复。此外，电网形成的资源应该能够快速跟踪来自更高级控制的命令的变化，例如，以用于阻尼风力涡轮中的机械振动。然而，这样的要求可能很难达到。
如上所述，在电网形成模式中，风力涡轮发电机被控制成作为虚拟同步机(VSM)操作，该虚拟同步机具有复制同步机行为的惯性功率调节器。在某些条件下，这种控制也表现出类似于同步机中振动的功率振荡特性。对于后电压穿越事件，VSM的功率响应在达到设定值之前表现出阻尼振荡。然而，在风力涡轮的GFM控制情况下，这些功率振荡可能产生显著的功率过冲和下冲，这可能导致风力涡轮功率***不符合强制性电网法规。此外，在恢复期间，这些功率振荡可能导致更高的电磁扭矩过冲和下冲，这又会增加传动系的负载。
功率振荡也对传动系组件具有影响。由于功率振荡期间增加的扭矩，峰传动系负载增加。例如，当故障恢复期间的功率振荡跨由电网管理机构规定的限制或在传动系中间接产生滑差时，这可能导致违反电网法规一致性，从而导致涡轮跳闸，并且无法穿越如由电网管理机构颁布的指定的故障。
在真正的同步机中，阻尼绕组用于减轻极端电网事件(诸如LVRT、HVRT或MFRT事件)后发生的振动功率振荡。
在本领域中，向在电网形成模式下操作的VSM控制的异步机提供一种补偿将是有利的，这种补偿可与阻尼绕组补偿相比较，以减轻振动振荡。
因此，本公开针对用于操作VSM控制的、基于逆变器的、具有类似于阻尼绕组补偿的补偿的异步资源以便解决上述问题的***和方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中显而易见，或可通过本发明的实践而了解。
本公开涉及一种用于控制基于逆变器的资源的方法和***，所述基于逆变器的资源具有连接到功率电网的异步机，以提供基于逆变器的资源的VSM电网形成控制，其中这样的控制可以在极端瞬态电网事件(诸如LVRT、HVRT或MFRT事件时)被激活。特别地，所述方法和相关***经由类似于实际同步机中阻尼绕组补偿的附加功率角补偿将补偿变量引入到VSM电网形成控制。所述补偿角度与惯性功率调节器的输出相加。该方法和相关***通过阻尼功率振荡和降低峰传动系负载来改进极端电网事件期间的风力涡轮响应，这又降低滑动或跳闸事件以及随后的涡轮不可用性的可能性。本方法和***还用于最小化功率振荡，所述功率振荡可能在电网形成控制下产生显著的功率过冲和下冲，这可能导致不符合电网法规的情况。
在特定实施例中，功率角补偿是从到惯性功率调节器中的功率命令和反馈输入之间的误差中导出的。
在初始功率角补偿控制不足以将传动系负载降低到限定限制以下的情况下，本方法和***的实施例可以包括后续控制方案，其中扭矩被用作输入，并被转换成使用定子电压、电网电压、速度和机器电感的等效功率角补偿，其中该功率角补偿被添加到惯性功率调节器的输出功率角命令。这与来自VSM控制方案的命令扭矩一起作为DFIG上的附加扭矩，当其速度在同步速度附近振荡时，类似于实际同步机中的阻尼绕组。
在特定实施例中，基于逆变器的异步机可以是风力涡轮功率***中的双馈感应发电机。本文将参考风力涡轮功率***来描述所述方法和***，但是应当领会，这仅仅是为了解释的目的，并且所述方法和***不限于风力涡轮功率***。
在特定实施例中，基于逆变器的可再生能源可以是风力涡轮功率***，其中异步机是双馈感应发电机(DFIG)。
本文描述的控制功能可以在检测到电网事件之后并且当滑块增益低于阈值时被激活。其它激活情况也是可能的。例如，当电网电压指示低电压穿越恢复时，可以感测这样的电网电压并激活控制功能。
来自惯性功率调节器的输出表示用于调节相位角(θ1)值的相移信号(δIT)，该相位角被提供给风力涡轮功率***的选通逻辑电路，其中功率角补偿(Δδ)用于调节相移信号(δIT)。功率角补偿(Δδ)可以作为输入到惯性功率调节器的功率误差信号(PER)的函数被导出。下面更详细地提供了这种推导的示例。
在备选实施例中，DFIG在扭矩控制下操作，使得扭矩需求(TDEM)被生成并被阻尼扭矩需求(TDTD)修改，以提供在DFIG上产生的发电机扭矩需求(TGEN)。在该实施例中，功率角补偿(Δδ)可以是在风力涡轮功率***的传动系组件中引起的扭矩的函数，并且用作附加的阻尼扭矩需求(TDTDadd)。扭矩值可以基于传动系组件中的高速轴(HSS)和低速轴(LSS)之间的速度差来计算，或者可以基于HSS速度和作用在HSS上的扭矩来估计。根据下面更详细讨论的函数，功率角补偿(Δδ)从扭矩、电网电压、风力涡轮功率***的有效阻抗和DFIG的端子电压中导出。
本发明还包括连接到功率电网的基于逆变器的可再生能源，其中基于逆变器的资源包括：异步机；控制器，所述控制器用于控制基于逆变器的资源以提供其电网形成模式(GFM)控制，所述控制器包括配置成执行多个操作的处理器。这些操作可以包括上述方法和功能的任何组合。
在特定实施例中，基于逆变器的可再生能源是风力涡轮功率***，并且异步机是双馈感应发电机(DFIG)。
参照以下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。并入本说明书中并且组成其部分的附图示出本发明的实施例，并且连同描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1示出常规风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出适合供图1所示的风力涡轮使用的风力涡轮功率***的实施例的示意图；
图3示出根据本公开的控制器的一个实施例的框图；
图4示出根据常规结构的异步机***的电网形成控制的主电路的实施例的示意图；
图5是描绘根据本发明的原理的简化框图；
图6是描绘根据本发明的原理的简化框图；
图7是根据本公开的具有处于电网形成模式的异步机的基于逆变器的资源的操作的控制图；
图8是与图7中所描绘的内部功率调节器相关的控制图；
图9是与图7中所描绘的内部功率调节器相关的控制图；以及
图10是与图7中所描绘的内部功率调节器相关的控制图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，在附图中示出其一个或多个示例。每个示例通过对本发明的解释的方式而不是对本发明的限制而被提供。实际上，对于本领域的那些技术人员将显而易见的是，在没有背离本发明的范围或精神的情况下，能够在本发明中进行各种修改和变更。例如，作为一个实施例的部分所示或所述的特征能够与另一实施例配合使用以产生又一另外的实施例。因此，本发明意在涵盖如落入所附权利要求及其等效体的范围之内的这类修改和变更。
通常，本公开针对用于控制基于逆变器的资源的***和方法，该基于逆变器的资源具有连接到功率电网的异步机，以作为VSM提供基于逆变器的资源的电网形成控制。如本文所使用的，基于逆变器的资源通常指能够通过功率电子装置的开关来生成或吸收电功率的电装置。因此，基于逆变器的资源可以包括风力涡轮发电机、太阳能逆变器、能量存储***、STATCOM或水力发电***。例如，在一个实施例中，基于逆变器的资源可以是风力涡轮功率***，其具有连接到功率电网的转子侧转换器、线路侧转换器和双馈感应发电机(DFIG)。
现在参考附图，图1示出根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所示出的，风力涡轮10一般包括：塔架12，从支承表面14延伸；机舱16，安装在塔架12上；以及转子18，耦合到机舱16。转子18包括：可旋转毂20；以及至少一个转子叶片22，耦合到毂20并且从毂20向外延伸。例如，在所示出的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。每个转子叶片22可围绕毂20隔开，以促进旋转转子18，以使得动能能够从风转为可使用机械能并且随后转为电能。例如，毂20可以可旋转地耦合到定位在机舱16内的电动发电机102(图4)以准许电能被产生。
风力涡轮10还可包括集中在机舱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的任何其它组件内，或者位于风力涡轮10外部的位置处。此外，控制器26可通信地耦合到风力涡轮10的任何数量的组件，以便控制这样的组件的操作和/或实现校正或控制动作。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，所述指令在实现时将控制器26配置成执行各种不同的功能，诸如接收、传送和/或执行风力涡轮控制信号。因此，控制器26通常可配置成控制各种操作模式(例如，启动或关闭序列)，降低或提高风力涡轮和/或风力涡轮10的个体组件的额定值。
参考图2的风力涡轮功率***100，风力涡轮10的转子18可经由高速轴(HSS)耦合到齿轮箱38，其中齿轮箱38又经由低速轴(LSS)耦合到发电机102。发电机102可以是双馈感应发电机(DFIG)。如所示出的，DFIG 102可连接到定子母线104。此外，功率转换器106可经由转子母线108连接到DFIG 102，并且经由线路侧母线110连接到定子母线104。因此，定子母线104可从DFIG 102的定子提供输出多相功率(例如，三相功率)，并且转子母线108可从DFIG 102的转子提供输出多相功率(例如，三相功率)。功率转换器106还可包括转子侧转换器(RSC)112和线路侧转换器(LSC)114。DFIG 102经由转子母线108耦合到转子侧转换器112。此外，RSC 112经由DC链路116耦合到LSC 114，跨所述DC链路116的是DC链路电容器118。LSC 114又耦合到线路侧母线110。
RSC 112和LSC 114可以被配置用于使用一个或多个开关装置(诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关元件)的三相脉宽调制(PWM)布置中的正常操作模式。此外，功率转换器106可耦合到转换器控制器120，以便控制转子侧转换器112和/或线路侧转换器114的操作，如本文所述。应注意的是，转换器控制器120可被配置为功率转换器106和涡轮控制器26之间的接口，并且可包括任何数量的控制装置。
在典型配置中，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)以用于在连接到负载(诸如电力网124)以及从负载断开期间隔离如对于DFIG 102的正常操作所必需的各种组件。例如，***电路断路器126可将***母线128耦合到变压器130，所述变压器可经由电网断路器122被耦合到电力网124。在备选实施例中，熔丝可取代电路断路器中的一些或所有电路断路器。
在操作中，通过旋转转子18在DFIG 102处所生成的交流功率经由由定子母线104和转子母线108限定的双路径被提供到电力网124。在转子母线侧108上，正弦多相(例如三相)交流(AC)功率被提供到功率转换器106。转子侧功率转换器112将从转子母线108所提供的AC功率转换为直流(DC)功率，并且向DC链路116提供DC功率。如一般理解的，转子侧功率转换器112的桥电路中使用的开关元件(例如IGBT)可被调制，以将从转子母线108所提供的AC功率转换为适合于DC链路116的DC功率。
另外，线路侧转换器114将DC链路116上的DC功率转换为适合于电力网124的AC输出功率。特别是，线路侧功率转换器114的桥电路中使用的开关元件(例如IGBT)能够被调制，以将DC链路116上的DC功率转换为线路侧母线110上的AC功率。来自功率转换器106的AC功率能够与来自DFIG 102的定子的功率相组合，以提供具有基本上保持处于电力网124的频率(例如50Hz或60Hz)的频率的多相功率(例如三相功率)。
附加地，风力涡轮功率***100中可包括各种电路断路器和开关(诸如电网断路器122、***断路器126、定子同步开关132、转换器断路器134和线路接触器136)以连接或断开对应母线，例如当电流流动过量并且可损坏风力涡轮功率***100的组件时或者出于其它操作考虑。风力涡轮功率***100中还可包括附加保护组件。
此外，功率转换器106可经由风力涡轮控制器26从转换器控制器120来接收控制信号。控制信号尤其可基于风力涡轮功率***100的所感测状态或操作特性。通常，控制信号提供对功率转换器106的操作的控制。例如，以DFIG 102的所感测速度的形式的反馈可用来控制来自转子母线108的输出功率的转换，以维持正确和平衡的多相(例如三相)功率供应。来自其它传感器的其它反馈也可由(一个或多个)控制器120、26用来控制功率转换器106，包括例如定子和转子母线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可生成开关控制信号(例如IGBT的栅极定时命令)、定子同步控制信号和电路断路器信号。
功率转换器106还对于例如毂20和转子叶片22处的风速中的变化来补偿或调整来自转子的三相功率的频率。因此，机械和电转子频率被去耦，并且基本独立于机械转子速度来促进电定子和转子频率匹配。
在一些状态下，功率转换器106的双向特性以及具体来说的LSC 114和RSC 112的双向特性促进将所生成电功率中的至少一些电功率反馈到发电机转子中。更具体来说，电功率可从定子母线104传送到线路侧母线110，以及随后通过线路接触器136并且到功率转换器106中，具体地到LSC 114中，其充当整流器并且将正弦三相AC功率整流成DC功率。DC功率被传送到DC链路116中。电容器118通过促进有时与三相AC整流关联的DC纹波的减轻来促进减轻DC链路电压幅度变更。
DC功率随后被传送到RSC 112，所述RSC 112通过调整电压、电流和频率将DC电功率转换成三相正弦AC电功率。这个转换经由转换器控制器120被监测和控制。所转换的AC功率经由转子母线108从RSC 112传送到发电机转子。以这种方式，通过控制转子电流和电压来促进发电机无功功率控制。
现在参照图3，示出根据本公开的示例方面的可被包括在控制器(诸如本文中所述的转换器控制器120、涡轮控制器26和/或场级控制器中的任一个)内的适合组件的一个实施例的框图。如所示出的，控制器可包括一个或多个处理器58、计算机或其它适合的处理单元及(一个或多个)关联的存储器装置60，所述存储器装置可包括适合的计算机可读指令，所述指令在被实现时将控制器配置成执行各种不同的功能，诸如接收、传送和/或执行风力涡轮控制信号(例如执行本文公开的方法、步骤、计算和诸如此类)。
如本文中所使用，术语“处理器”不仅指本领域中被称为被包括在计算机中的集成电路，而且还指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路。附加地，(一个或多个)存储器装置60一般可包括(一个或多个)存储器元件，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)、软盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它适合的存储器元件。
(一个或多个)这样的存储器装置160一般可配置成存储适合的计算机可读指令，所述计算机可读指令在由(一个或多个)处理器58实现时将控制器配置成执行如本文中所述的各种功能。附加地，控制器还可包括通信接口62，其用来促进控制器与风力涡轮10的各种组件之间的通信。接口能够包括一个或多个电路、端子、引脚、接触部、导体或者用于发送和接收控制信号的其它组件。此外，控制器可包括传感器接口64(例如一个或多个模拟到数字转换器)，其用来准许从传感器66、68所传送的信号被转换为能够由(一个或多个)处理器58所理解和处理的信号。
现在参考图4，示出根据常规构造的用于向作为虚拟同步机(VSM)操作的可再生资源提供电网形成控制的控制图。如所示出的，转换器控制器1从高级控制2接收参考(例如，Vref和Pref)和限制(例如，VcmdLimits和PcmdLimits)。这些高级限制是关于电压、电流和功率的物理量。主调节器包括快电压调节器3和慢功率调节器4，其中慢功率调节器包括为机器提供VSM控制的惯性功率调节器。这些调节器3、4具有应用于电压幅度(例如VcnvCmd)和角度(例如θPang和θPLL)的转换器控制命令的最终限制，以分别实现对电流的无功和真实部件的约束。此外，这样的限制基于预先确定的固定值作为默认值，其中如果电流超过限制，则闭环控制降低限制。
图5和图6呈现根据本发明的某些原理的简化视图。GFM资源(例如，异步IBR机器)在具有功率角(δIT)和固定内部阻抗X1的虚拟同步机器(VSM)的端子电压(E1)下操作，以在电网电压(Vg)下产生稳态功率(Pe0)。稳态功率(Pe0)下的实际同步机的功率角通过功率角补偿因子(Δδ)来调整，以模拟具有阻尼绕组的同步机，该同步机在电网形成模式下以根据下面更详细讨论的本公开的方面导出的修改的功率角(δITMOD)作为VSM操作。
图7示出连接到公用事业***(例如，电网)的IBR能源***的基本控制，其中逆变器经由来自PWM选通逻辑142的选通脉冲来控制。基本控制提供同步功能，以使逆变器输出波形与功率公用事业波形在相位和频率两者上同步。通过在相位检测器156中检测从功率逆变器输出的测量电压的相位来提供同步功能。来自相位检测器156的输出信号θT表示电压VT的相位，所述电压VT是由公用事业提供的电压。相位信号被提供给本领域众所周知的类型的锁相环(PLL)调节器158，其生成锁相环频率输出信号ωPLL。信号ωPLL被供应给角度斜变生成器150，所述角度斜变生成器150生成锁相环反馈信号θPLL，其作为反馈信号供应给PLL调节器158。包括PLL调节器和角度斜变生成器150的锁相环电路是本领域众所周知的常规类型的相位调节器，并提供同步功能以控制逆变器端子电压E1的相位。来自相位检测器156的信号θT是参考和端子母线电压VT之间的角度。只要***在稳态操作，角度θT和角度θPLL将是相同的角度。由于图7的控制意在与公用电源一起操作，所以没有供应给锁相环的单独的独立频率参考信号。
相位信号提供用于控制由功率逆变器提供的真实功率量的手段。更具体地，无功功率的量与通过变压器耦合到电网的真实功率的量可以通过控制角度θ1来调整。由惯性功率调节器168生成的相移信号(δIT)用于调节θ1的值，以改变该角度，并且由此控制流经变压器的真实功率的量。惯性功率调节器168作为积分器对功率误差信号PER进行操作，并且还受到供应给角度斜变生成器150的信号ωPLL的影响。相移信号(δIT)在加法器165处与θPLL相加以产生θ1。功率误差信号PER由实际测量的真实功率分量PB和在求和结点166处产生的功率参考PREF之间的差生成，其中功率参考信号PREF表示逆变器的期望功率输出。供应给惯性功率调节器164的δLIMIT信号控制限制，通过所述限制(δIT)值可以改变，以控制VT和E1之间的角度。
仍然参考图7，频率参考信号ωREF与来自锁相环的信号ωPLL的耦合一起被提供给惯性功率调节器168。信号ωREF表示由逆变器生成的输出电压的期望频率，并且将对于美国使用来说通常表示60Hz的频率。稳定操作期间的信号ωPLL表示实际输出电压频率。
在图7中，根据本发明的方面，在170处生成功率角补偿(Δδ)，并在求和结点185处与由惯性功率调节器168生成的相移信号δIT求和。如上所述，功率角补偿(Δδ)用于提供类似于同步机中阻尼绕组的功率振荡的阻尼，特别是在瞬态条件(诸如LVRT、HVRT或MFRT事件)下。
图8是用于在电网形成模式(GFM)下控制IBR(例如，风力涡轮功率***中的双馈感应发电机)的扩展框图。该控制方案可以用作初始的独立控制，或者当确定上面参照图7描述的功率角补偿(Δδ)不足以将传动系负载降低到限定的限制以下时，随后实现该控制方案。在195处，涡轮控制器生成扭矩需求(TDEM)，在给定的发电机速度下，该扭矩需求是获得发电机的最大功率效率所必需的扭矩。基于发电机速度和发电机扭矩之间的数学关系生成该扭矩需求(TDEM)，以优化发电机功率输出。TDEM依赖于风力涡轮在某个风速和发电机速度下的最大功率点跟踪。在196处，阻尼扭矩需求(TDTD)信号被生成，并在194处与涡轮控制扭矩需求195相加，以提供发电机扭矩信号(TGEN)197。该(TDTD)信号基于发电机转子速度的变化调制扭矩需求TDEM信号，以最小化机器的过度振动。框198表示高速轴(HSS)传感器输出(单位为rad/sec)，该输出在框192处与(TGEN)(单位为kNm)相乘，这产生功率命令，该功率命令除以额定功率(Prated)以得到单位功率。
发电机扭矩需求(TGEN)与对应于参考功率PREF(逆变器的期望功率输出)的电网形成功率命令PCmd(GFM)信号相关。
仍然参考图8，频率参考信号ωREF和锁相环频率信号ωPLL被组合以生成频率误差信号Eω。如可以看出，ωPLL信号(逆变器输出的实际频率)在求和结点从ωREF信号中减去，以生成Eω误差信号。Eω误差信号被提供给包括第一控制回路的频率偏置电路，该第一控制回路包括常规比例积分(P-I)调节器172和死区电路174。死区电路提供频率误差信号的一些变化范围，例如，大约1/2Hz，而输出信号没有任何变化。由于功率***频率的自然波动，这限制响应。P-I调节器172将误差信号转换成应用到求和结点176的常规偏置信号。第二环路包括比例下垂电路178，其可以是具有固定增益的放大器，其接收Eω误差信号并向求和结点176提供即时补偿信号，该补偿信号被添加到来自P-I调节器172的输出信号。求和结点176的输出是耦合到求和结点180的功率偏移信号，求和结点180的另一个输入是功率参考信号PREF。因此，来自求和结点176的频率偏移信号用于修改功率参考信号。这种修改的目的是要调整作为频移函数的功率参考信号PREF。更具体地说，***试图保持***输出频率恒定，使得，如果输出频率和参考频率之间存在误差，功率参考信号PREF被调整以补偿频率误差。更进一步，逆变器耦合到的功率***可以包括电抗性负载，诸如交流感应和同步马达，其速度与逆变器输出信号的频率直接相关。如果从逆变器供应额外的功率，则机器将趋于加速，而功率的降低将由于机器开始减速时它们的感应反应而导致频率下降。因此，频率偏置电路在实现耦合到逆变器输出的机器的扭矩输出的控制方面提供重要的功能。
惯性功率调节器168包括惯性调节器184，其修改功率误差信号PREF以模拟同步机的惯性，从而提供VSM控制功能性。更具体地，惯性调节器184防止突然的频率变化或功率变化，如果经历逆变器输出突然的变化，则所述突然的频率变化或功率变化可能导致由耦合到逆变器输出的马达生成瞬时扭矩。惯性调节器184包括具有积分器特性的常规电子电路，其中其输出信号响应于输入信号的增加而逐渐增加。
如果功率参考信号PREF被频率偏置电路修改，则在求和电路180的输出端子处产生被标识为PORD的合成信号，并将其应用到求和电路182，在求和电路182中，命令功率或有序(ordered)功率与***的测量输出功率PB进行比较。注意的是，信号PB表示逆变器的输出端处产生的真实功率。来自求和电路182的输出信号表示被应用到惯性调节器184的功率误差信号。如上所述，由惯性调节器产生的信号表示内部电压E1的所期望频率ω1，并且如果频率被正确跟踪，则该信号将与频率ωPLL相同。在这方面，在惯性调节器184的输出处产生的信号ω1在求和结点186中与ωPLL信号相加。锁相环频率和信号ω1之间的任何差都产生误差信号，该误差信号被应用到积分器188，以产生上面参照图7所述的相移信号(δIT)。如在图7中一样，图8描绘功率角补偿(Δδ)在187处与由惯性功率调节器168示出的相移信号(δIT)相加，以产生修正的相移信号(δITmod)。
积分器188是常规类型的积分器，其输出信号(δIT)是角度偏移，该角度偏移与来自图7中描述的锁相环的输出信号相加，以生成输出功率角度信号θ1。将认识到，ωPLL信号取自如图7中所示的锁相环，并且因此表示逆变器输出信号的实际频率。在公用事业断路器突然断开的情况下，ωPLL信号将表示由逆变器生成的电压的实际频率，并且功率调节器将根据输出频率的变化调整逆变器的功率输出。惯性调节器184中的积分器185限制控制***中任何试图的频率变化。将会认识到，死区174的设置和比例下垂块178处的增益被选择为与逆变器所连接的功率***的变化相协调，并且还与逆变器要向其供应功率的负载相协调。此外，该***可以适于以自适应方式修改死区174、比例下垂178和惯性调节器184的设置，诸如当公用事业断路器的状态改变时，将公用事业连接到***或者将公用事业从负载***断开。
当能量***连接到公用事业时，频率偏置电路和惯性功率调节器迫使***操作，就好像发电机是连接到公用事业电源的另一台同步机。这使得保护电路和***操作程序实际上与标准实用实践(utility practice)相同。动态调整惯性、阻尼和频率偏置参数的能力允许能量***在连接时对整个功率***提供有益的影响。
参考图9，描绘功率角补偿(Δδ)的推导的实施例。如上所述，最初，在来自可再生能源的实际真实功率输出(PB)和表示可再生能源的期望功率输出的功率参考(PREF)之间确定功率误差信号(PER)(图7)。利用惯性功率调节器168，从功率误差信号(PER)产生相移角(δIT)，以向可再生能源的GFM控制提供虚拟同步机(VSM)控制功能性。将功率角补偿(Δδ)应用于来自惯性功率调节器的相移角(δIT)，以抑制瞬态功率事件期间的功率振荡和负载波动。
仍然参考图9，可以导出作为功率误差信号(PER)的函数的功率角补偿(Δδ)，所述函数根据下列：
功率角补偿(Δδ)＝f(ΔPe0,B)
B＝E1*Vg/X1
Pe0＝(E1*Vg/X1)*sin(δ0)
(ΔPe0)＝Kp*(Pref–Pfbk)
Kp＝控制增益常数
(Δδ)＝Sin-1(Pe0+Pe0/B)–δ0
(Δδ)～ΔPe0/B
E1：作为VSM操作的机器的端子电压
δ：功率角
X1：机器的有效阻抗(定子泄漏+虚拟阻抗)
Pe0：机器的稳态功率
Vg：稳态功率下的电网电压。
在图10中所描绘的实施例中，DFIG在扭矩控制中操作(参见图8)，使得扭矩需求(TDEM)被生成并被阻尼扭矩需求(TDTD)修改，以提供DFIG上产生的发电机扭矩需求(TGEN)。在该实施例中，功率角补偿(Δδ)是在风力涡轮功率***的传动系组件中引起的扭矩的函数，并用作额外的阻尼扭矩需求(TDTDadd)。扭矩值可以基于传动系组件中的高速轴(HSS)和低速轴(LSS)之间的速度差来计算，或者可以基于HSS速度和作用在HSS上的扭矩来估计。
仍然参考图10，功率角补偿(Δδ)可以根据下式从扭矩、电网电压、风力涡轮功率***的有效阻抗和DFIG的端子电压中导出：
功率角补偿(Δδ)＝f(ΔPe0,B)
B＝E1*Vg/X1
Pe0＝(E1*Vg/X1)*sin(δ0)
附加DTD扭矩(TDTDadd)＝Kp*扭矩
Kp＝控制增益常数
(ΔΔPe0)＝速度*(TDTDadd)
(Δδ)＝Sin-1(Pe0+Pe0/B)–δ0
(Δδ)～ΔPe0/B
E1：作为VSM操作的机器的端子电压
δ：功率角
X1：机器的有效阻抗(定子泄漏+虚拟阻抗)
Pe0：机器的稳态功率
Vg：稳态功率下的电网电压。
如上所述，本文描述的控制功能可以在检测到电网事件(例如，LVRT事件)之后并且当滑块增益大于零但是低于阈值时被激活。滑块增益与LVRT有关，并且当电压开始下降时，它基本上降至零。当电网电压恢复时(电压下降后)，滑块增益开始随着功率振荡而增加，并标志着LVRT恢复时段的开始。功率振荡减小，直到功率达到稳态值，在所述点处滑块增益也达到稳态功率。“滑块增益”可以被检测到，并且实质上将LVRT事件之后的恢复时段定义为滑块增益从零增加直到达到其稳态值的时段。
其它激活情况也是可能的。例如，当电网电压指示电压穿越恢复时，可以感测这样的电网电压并激活控制功能。
应当理解，本发明包括连接到电网的基于逆变器的可再生能源，该基于逆变器的资源包括异步机和控制器，该控制器用于控制基于逆变器的资源以提供其电网形成模式(GFM)控制。该控制器包括处理器，该处理器被配置成执行上述关于本发明的各种方法实施例的多个操作。
基于逆变器的可再生能源可以是风力涡轮功率***，其中异步机是双馈感应发电机(DFIG)。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包含制作和使用任何装置或***，以及执行任何结合方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书来限定，并且可包含本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构元素，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构元素，则意图它们落入权利要求的范围之内。
本发明的另外的方面通过下列编号条款来限定：
条款1.一种用于提供基于逆变器的可再生能源的电网形成模式(GFM)控制的方法，所述基于逆变器的可再生能源具有连接到功率电网的异步机，所述方法包括：导出来自所述可再生能源的实际真实功率输出(PB)和表示所述可再生能源的期望功率输出的功率参考(PREF)之间的功率误差信号(PER)；利用惯性功率调节器，从所述功率误差信号(PER)生成相移角(δIT)，以向所述可再生能源的所述GFM控制提供虚拟同步机(VSM)控制功能性；以及将功率角补偿(Δδ)应用于来自所述惯性功率调节器的所述相移角(δIT)，以阻尼瞬态功率事件期间的功率振荡和负载波动。
条款2.根据条款1所述的方法，其中，所述基于逆变器的可再生能源是风力涡轮功率***，并且异步机是双馈感应发电机(DFIG)。
条款3.根据条款1-2中的任一项所述的方法，其中，所述瞬态功率事件包括低电压穿越(LVRT)事件。
条款4.根据条款1-3中的任一项所述的方法，还包括在所述LVRT事件和滑块增益低于阈值之后激活所述功率角补偿。
条款5.根据条款1-4中的任一项所述的方法，其中，所述相移信号(δIT)用于调整提供给所述风力涡轮功率***的选通逻辑电路***的相位角(θ1)的值，所述功率角补偿(Δδ)用于调整所述相移信号(δIT)。
条款6.根据条款1-5中的任一项所述的方法，其中，所述功率角补偿(Δδ)作为输入到所述惯性功率调节器的所述功率误差信号(PER)的函数导出。
条款7.根据条款1-6中的任一项所述的方法，其中，所述函数根据：
功率角补偿(Δδ)＝f(ΔPe0,B)
B＝E1*Vg/X1
Pe0＝(E1*Vg/X1)*sin(δ0)
(ΔPe0)＝Kp*(Pref–Pfbk)
Kp＝控制增益常数
(Δδ)＝Sin-1(Pe0+Pe0/B)–δ0
(Δδ)～ΔPe0/B
E1：作为VSM操作的机器的端子电压
δ：功率角
X1：机器的有效阻抗(定子泄漏+虚拟阻抗)
Pe0：机器的稳态功率
Vg/0：稳态功率下的电网电压。
条款8.根据条款1-7中的任一项所述的方法，其中，所述DFIG随后在扭矩控制中操作，以进一步降低驱动拖尾负载，其中，扭矩需求(TDEM)被生成并被阻尼扭矩需求(TDTD)修改，以提供在DFIG上产生的发电机扭矩需求(TGEN)，并且其中所述功率角补偿(Δδ)是在风力涡轮功率***的传动系组件中引起的扭矩的函数，并且用作附加阻尼扭矩需求(TDTDadd)。
条款9.根据条款1-8中的任一项所述的方法，其中，所述扭矩基于所述传动系组件中高速轴(HSS)和低速轴(LSS)之间的速度差来计算，或者基于HSS速度和作用在HSS上的扭矩来估计。
条款10.根据条款1-9中的任一项所述的方法，其中，所述功率角补偿(Δδ)根据以下等式从所述风力涡轮功率***的扭矩、电网电压、有效阻抗和所述DFIG的端子电压中导出：
(Δδ)＝f(ΔPe0,B)
B＝E1*Vg/X1
Pe0＝(E1*Vg/X1)*sin(δ0)
附加DTD扭矩(TDTDadd)＝Kp*扭矩
Kp＝控制增益常数
(ΔPe0)＝速度*(TDTDadd)
(Δδ)＝Sin-1(Pe0+Pe0/B)–δ0
(Δδ)～ΔPe0/B
E1：作为VSM操作的机器的端子电压
δ：功率角
X1：机器的有效阻抗(定子泄漏+虚拟阻抗)
Pe0：机器的稳态功率
Vg/0：稳态功率下的电网电压。
条款11.一种连接到功率电网的基于逆变器的可再生能源，所述基于逆变器的资源包括：异步机；控制器，所述控制器用于控制所述基于逆变器的资源以提供其电网形成模式(GFM)控制，所述控制器包括配置成执行多个操作的处理器，所述多个操作包括：导出来自所述可再生能源的实际真实功率输出(PB)和表示所述可再生能源的期望功率输出的功率参考(PREF)之间的功率误差信号(PER)；利用惯性功率调节器，从所述功率误差信号(PER)生成相移角(δIT)，以向所述可再生能源的所述GFM控制提供虚拟同步机(VSM)控制功能性；以及将功率角补偿(Δδ)应用于来自所述惯性功率调节器的所述相移角(δIT)，以阻尼瞬态功率事件期间的功率振荡和负载波动。
条款12.根据条款11所述的基于逆变器的可再生能源，其中，基于逆变器的可再生能源是风力涡轮功率***，并且异步机包括双馈感应发电机(DFIG)。
条款13.根据条款11-12中的任一项所述的基于逆变器的可再生能源，其中，所述多个操作还包括在所述LVRT事件和滑动器增益低于阈值之后激活所述功率角补偿。
条款14.根据条款11-13中的任一项所述的基于逆变器的可再生能源，其中，所述相移信号(δIT)用于调整提供给选通逻辑电路***的相位角(θ1)的值，所述功率角补偿(Δδ)用于调整所述相移信号(δIT)。
条款15.根据条款11-14中的任一项所述的基于逆变器的可再生能源，其中，所述功率角补偿(Δδ)作为输入到所述惯性功率调节器的功率误差信号(PER)的函数导出，所述函数根据：
功率角补偿(Δδ)＝f(ΔPe0,B)
B＝E1*Vg/X1
Pe0＝(E1*Vg/X1)*sin(δ0)
(ΔPe0)＝Kp*(Pref–Pfbk)
(Δδ)＝Sin-1(Pe0+Pe0/B)–δ0
(Δδ)～(ΔPe0/B)
E1：作为VSM操作的机器的端子电压
δ：功率角
X1：机器的有效阻抗(定子泄漏+虚拟阻抗)
Pe0：机器的稳态功率
Vg：稳态功率下的电网电压。
条款16.根据条款11-15中的任一项所述的基于逆变器的可再生能源，所述多个操作包括：
随后在扭矩控制中操作DFIG以降低传动系负载，其中扭矩需求(TDEM)被生成并被阻尼扭矩需求(TDTD)修改，以提供在DFIG上产生的发电机扭矩需求(TGEN)，所述功率角补偿(Δδ)用作附加阻尼扭矩需求(DTD)；
根据下式导出作为所述风力涡轮功率***的传动系组件中引起的扭矩的函数的功率角补偿(Δδ)：
功率角补偿(Δδ)＝f(ΔPe0,B)
B＝E1*Vg/X1
Pe0＝(E1*Vg/X1)*sin(δ0)
附加DTD扭矩(TDTDadd)＝Kp*扭矩
Kp＝控制增益常数
(ΔPe0)＝速度*(TDTDadd)
(Δδ)＝Sin-1(Pe0+Pe0/B)–δ0
(Δδ)～ΔPe0
E1：作为VSM操作的DFIG机器的端子电压
δ：功率角
X1：机器的有效阻抗(定子泄漏+虚拟阻抗)
Pe0：机器的稳态功率
Vg：稳态功率下的电网电压。
条款17.根据条款11-16中的任一项所述的基于逆变器的可再生能源，其中，所述扭矩基于所述传动系组件中高速轴(HSS)和低速轴(LSS)之间的速度差来计算，或者基于HSS速度和作用在HSS上的扭矩来估计。
Claims (10)
1.一种用于提供基于逆变器的可再生能源的电网形成模式(GFM)控制的方法，所述基于逆变器的可再生能源具有连接到功率电网的异步机，所述方法包括：
导出来自所述可再生能源的实际真实功率输出(PB)和表示所述可再生能源的期望功率输出的功率参考(PREF)之间的功率误差信号(PER)；
利用惯性功率调节器，从所述功率误差信号(PER)生成相移角(δIT)，以向所述可再生能源的所述GFM控制提供虚拟同步机(VSM)控制功能性；以及
将功率角补偿(Δδ)应用于来自所述惯性功率调节器的所述相移角(δIT)，以阻尼瞬态功率事件期间的功率振荡和负载波动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于逆变器的可再生能源是风力涡轮功率***，并且异步机是双馈感应发电机(DFIG)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述瞬态功率事件包括低电压穿越(LVRT)事件。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括在所述LVRT事件和滑块增益低于阈值之后激活所述功率角补偿。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述相移信号(δIT)用于调整提供给所述风力涡轮功率***的选通逻辑电路***的相位角(θ1)的值，所述功率角补偿(Δδ)用于调整所述相移信号(δIT)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述功率角补偿(Δδ)作为输入到所述惯性功率调节器的所述功率误差信号(PER)的函数导出。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述函数根据：
功率角补偿(Δδ)＝f(ΔPe0,B)
B＝E1*Vg/X1
Pe0＝(E1*Vg/X1)*sin(δ0)
(ΔPe0)＝Kp*(Pref–Pfbk)
Kp＝控制增益常数
(Δδ)＝Sin-1(Pe0+Pe0/B)–δ0
(Δδ)～ΔPe0/B
E1：作为VSM操作的机器的端子电压
δ：功率角
X1：机器的有效阻抗(定子泄漏+虚拟阻抗)
Pe0：机器的稳态功率
Vg：稳态功率下的电网电压。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述DFIG随后在扭矩控制中操作，以进一步降低驱动拖尾负载，其中，扭矩需求(TDEM)被生成并被阻尼扭矩需求(TDTD)修改，以提供在DFIG上产生的发电机扭矩需求(TGEN)，并且其中所述功率角补偿(Δδ)是在风力涡轮功率***的传动系组件中引起的扭矩的函数，并且用作附加阻尼扭矩需求(TDTDadd)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述扭矩基于所述传动系组件中高速轴(HSS)和低速轴(LSS)之间的速度差来计算，或者基于HSS速度和作用在HSS上的扭矩来估计。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述功率角补偿(Δδ)根据以下等式从所述风力涡轮功率***的扭矩、电网电压、有效阻抗和所述DFIG的端子电压中导出：
(Δδ)＝f(ΔPe0,B)
B＝E1*Vg/X1
Pe0＝(E1*Vg/X1)*sin(δ0)
附加DTD扭矩(TDTDadd)＝Kp*扭矩
Kp＝控制增益常数
(ΔPe0)＝速度*(TDTDadd)
(Δδ)＝Sin-1(Pe0+Pe0/B)–δ0
(Δδ)～ΔPe0/B
E1：作为VSM操作的机器的端子电压
δ：功率角
X1：机器的有效阻抗(定子泄漏+虚拟阻抗)Pe0：机器的稳态功率
Vg：稳态功率下的电网电压。
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| PB01 | Publication |