虚拟同步机风力涡轮机的发电机功率峰值限制的制作方法

本发明涉及风力涡轮机功率生成的控制，特别是涉及配置为表现出虚拟同步发电机响应的风力涡轮机的控制。

背景技术：

1、为了使诸如风力涡轮机的可再生能源在电网中的渗透率大大提高，一些国家提出要求功率转换器配备与常规同步发电机类似的电网形成特性。这些要求可以通过将可再生功率生成单元配置为虚拟同步机vsm来满足。

2、当vsm配置的风力涡轮机以较高的过流阈值运行时，电网干扰(诸如相位跳变)可能会导致发电机功率和/或发电机扭矩出现高峰值，从而导致不希望的机械峰值负载。

3、因此，配置为同步机的风力涡轮机在响应电网干扰时可能会承受高机械负载，这是一个问题。因此，需要解决这一问题和其他问题的虚拟同步机实现方式。

技术实现思路

1、本发明的目的是改进配置为虚拟同步机的风力涡轮机的控制，以缓解上述风力涡轮机负载的问题。

2、在本发明的第一方面中，一种用于限制风力涡轮机的发电机功率或发电机扭矩水平的方法，所述风力涡轮机包括功率转换器，所述功率转换器具有被布置用于向电网供应电力的线路侧逆变器，所述方法包括：

3、-基于测量的发电机负载和限制函数确定最大电网电流值，该限制函数设定上限最大电网电流值和下限最大电网电流值，使得如果发电机负载大于最大发电机负载，则最大电网电流值接近下限最大电流值，并且使得如果发电机负载小于最大发电机负载或小于较低的最大发电机负载，则最大电网电流值接近上限最大电流值，

4、-基于与电网电流相关的电流幅值和最大电网电流值之间的电流差值确定虚拟阻抗值，其中虚拟阻抗值包括虚拟电阻值和可选的虚拟电抗值，

5、-基于虚拟阻抗值和电网电流确定虚拟阻抗值上的虚拟电压降，

6、-基于虚拟电阻值和电网电流，或者基于电网电流和期望电网电压或线路侧逆变器将要生成的期望无功功率的电压幅值参考，确定虚拟电网功率，

7、-根据虚拟同步机控制方案，基于功率生成单元的期望功率输出的功率参考和虚拟电网功率确定虚拟同步机角度，

8、-基于虚拟同步机角度、虚拟电压降和电压幅值参考确定控制线路侧逆变器生成功率的电压参考。

9、该方法对于风力涡轮机尤其有利，其中线路侧逆变器根据电网形成逆变器方案进行控制，即其中虚拟同步机角度θvsm根据电网形成逆变器方案(诸如虚拟同步机方案)确定。

10、通过在发电机负载大于最大发电机负载时将最大电网电流值限制为下限最大电流值，至少与不限制最大电网电流值的解决方案相比，降低了发电机负载中的峰值。

11、通过将最大电网电流值限制在可能大于零的下限最大电流值与上限最大电流值之间，避免了确定非常小的阈值或非常大的阈值。

12、根据一个实施例，确定最大电网电流值包括：确定测量的发电机负载与最大发电机负载之间的负载差值，对负载差值进行积分，并基于积分的负载差值，且受限于限制函数的上限最大电网电流值和下限最大电网电流值，确定最大电网电流值。

13、有利的是，通过基于对负载差值进行积分来确定最大电网电流值，下限最大电网电流值和上限最大电网电流值之间的变化逐渐发生，并且其中变化率取决于负载差值的幅值。

14、根据一个实施例，对负载差值进行积分包括将负载差值与取决于负载差值的增益因子相乘。

15、有利的是，通过使用自适应增益因子，可以调整变化率。例如，通过确定取决于负载差值的符号的增益因子，可以实现向下限最大电网电流的快速变化，以确保发电机负载峰值受到限制，同时实现向上限最大电网电流的较慢变化，例如出于稳定性目的。

16、根据一个实施例，确定最大电网电流值包括：如果测量的发电机负载大于最大发电机负载，则选择下限最大电网电流值；如果测量的发电机负载小于较低的最大发电机负载，则选择上限最大电网电流值；并且通过限制上限最大电网电流值和下限最大电网电流值之间的变化的变化率来确定最大电网电流值。

17、根据该实施例，最大电网电流值由滞后函数确定，其中阈值由最大发电机负载和较低的最大发电机负载给出。为了避免最大电网电流值的瞬间变化，可以使用速率限制器来限制变化率。

18、根据一个实施例，确定虚拟同步机角度θvsm，使得角度θvsm的二次导数指示功率参考pref与虚拟电网功率pvsm结合(加上)阻尼功率pd之间的偏差。

19、根据一个实施例，虚拟电阻值基于控制算法确定，其中控制算法包括确定与电流差值成比例的值的比例部分和/或确定与电流差值的时间积分成比例的值的积分部分。

20、有利的是，通过基于控制算法确定虚拟阻抗的虚拟电阻值，虚拟电阻基于电流差值的幅值，并且可能取决于误差随时间的积分。该方法可以提供对虚拟电阻的稳定确定。

21、根据一个实施例，积分部分包括依据电流差值(诸如电流差值的符号)确定的积分增益。

22、有利的是，对于正电流误差，积分增益可以较大，以提供快速电流限制。对于负电流误差，可以使用较小的增益，以在不平衡情况下提供稳定的响应。在一个示例中，该方法包括根据最小和最大限制来限制虚拟电阻值。

23、根据一个实施例，虚拟阻抗值的虚拟电抗值依据定义虚拟电抗值与虚拟电阻值之间的比率的预定因子来确定。

24、根据一个实施例，将电流幅值确定为电网电流的电流相的电流幅值中的最大电流幅值，或者确定为电网电流的电流矢量或其变换量的幅值。

25、根据一个实施例，虚拟同步机旋转速度基于阻尼功率的反馈、功率参考、虚拟电网功率和惯性积分模型的组合确定，其中同步机角度基于同步机旋转速度的积分确定，并且其中阻尼功率基于虚拟同步机旋转速度确定。

26、根据一个实施例，该方法包括：

27、-获取功率生成单元的输出的连接点处的网络电压，

28、-基于网络电压确定电网的旋转速度，以及

29、-基于虚拟同步机旋转速度和电网的旋转速度确定阻尼功率。

30、根据一个实施例，该方法包括：

31、-通过将电压幅值参考或其变换量与虚拟电压降相结合来确定经修正的电压参考，以及

32、-基于经修正的电压参考确定电压参考。

33、电压幅值参考可以在dq框架(frame)中定义。

34、根据一个实施例，该方法包括将电压幅值参考变换为非旋转目标框架中的变换后的电压幅值参考，其中，通过将所述变换后的电压幅值参考与虚拟电压降相结合来确定经修正的电压参考。

35、本发明的第二方面涉及一种风力涡轮机控制系统，所述风力涡轮机控制系统被布置用于限制风力涡轮机的发电机功率或发电机扭矩水平，该风力涡轮机包括功率转换器，该功率转换器具有被布置用于向电网供应电力的线路侧逆变器，其中，该风力涡轮机控制系统被布置用于执行第一方面所述的方法。

36、本发明的第三方面涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括根据第二方面所述的控制系统。

技术特征：

1.一种用于限制风力涡轮机的发电机负载的方法，所述风力涡轮机包括功率转换器，所述功率转换器具有被布置用于向电网供应电力的线路侧逆变器，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述最大电网电流值(imax)包括确定测量的发电机负载(lgen)和所述最大发电机负载(lmax)之间的负载差值(δl)，对所述负载差值(δl)进行积分，并基于积分的负载差值(δl)，且受限于所述限制函数的上限最大电网电流值(imax-h)和所述下限最大电网电流值(imax-l)来确定所述最大电网电流值(imax)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，对所述负载差值(δl)进行积分包括将所述负载差值(δl)与取决于所述负载差值(δl)的增益因子(ki)相乘。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述最大电网电流值(imax)包括：如果测量的发电机负载(lgen)大于所述最大发电机负载(lmax)，则选择所述下限最大电网电流值(imax-l)，如果测量的发电机负载(lgen)小于所述较低的最大发电机负载(lmax-l)，则选择所述上限最大电网电流值(imax-h)；以及通过限制所述上限最大电网电流值(imax-h)与所述下限最大电网电流值(imax-l)之间的变化的变化率来确定所述最大电网电流值(imax)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述虚拟同步机角度(θvsm)被确定为使得所述角度(θvsm)的二次导数指示功率参考(pref)与所述虚拟电网功率(pvsm)结合阻尼功率(pd)之间的偏差。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述虚拟电阻值(rvir)基于控制算法确定，其中所述控制算法包括确定与所述电流差值(ierr)成比例的值的比例部分和/或确定与所述电流差值(ierr)的时间积分成比例的值的积分部分。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述虚拟阻抗值(zvir)的虚拟电抗值(xvir)依据定义所述虚拟电抗值(xvir)与所述虚拟电阻值(rvir)之间的比率的预定因子(kx/r)确定。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电流幅值(im1，im2)被确定为所述电网电流(igrid)的电流相(ia，ib，ic)的电流幅值(ima，imb，imc)中的最大电流幅值，或者被确定为所述电网电流(igrid)的电流矢量或其变换量(idq，iαβ)的幅值。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，虚拟同步机旋转速度(ωvsm)基于阻尼功率(pd)的反馈、功率参考(pref)、虚拟电网功率(pvsm)和惯性积分模型(391)的组合来确定，其中所述同步机角度(θvsm)基于同步机旋转速度(ωvsm)的积分来确定，并且其中所述阻尼功率(pd)基于虚拟同步机旋转速度(ωvsm)来确定。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括：

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括：

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电压幅值参考(vqref)是在旋转dq框架中定义的。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法包括将所述电压幅值参考(vqref)变换为非旋转目标框架(αβ)中的变换后的电压幅值参考(vαβref)，并且其中通过将所述变换后的电压幅值参考(vαβref)与所述虚拟电压降(δvαβ)相结合来确定所述经修正的电压参考(vαβ_m)。

14.一种风力涡轮机控制系统，所述风力涡轮机控制系统被布置用于限制风力涡轮机的发电机负载，所述风力涡轮机包括功率转换器，所述功率转换器具有被布置用于向电网供应电力的线路侧逆变器，所述风力涡轮机控制系统被布置用于执行前述权利要求中任一项所述的方法。

15.一种风力涡轮机(100)，所述风力涡轮机(100)包括根据权利要求14所述的控制系统。

技术总结
本发明涉及一种用于限制风力涡轮机的发电机负载的方法，所述风力涡轮机包括功率转换器，所述功率转换器具有被配置为电网形成逆变器的线路侧逆变器。所述方法包括基于测量的发电机负载(Lgen)和限制函数(602)确定最大电网电流值(Imax)，所述限制函数设定上限最大电网电流值(Imax‑H)和下限最大电网电流值(Imax‑L)，使得如果发电机负载(Lgen)大于最大发电机负载(Lmax)，则最大电网电流值接近下限最大电流值(Imax‑L)，并且如果发电机负载小于最大发电机负载或小于较低的最大发电机负载，则最大电网电流值接近上限最大电流值。所述方法还基于确定虚拟阻抗值和虚拟阻抗值上的虚拟电压降。基于功率参考和虚拟电网功率确定虚拟同步机角度。基于虚拟同步机角度、虚拟电压降和电压幅值参考确定用于控制线路侧逆变器的电压参考。

技术研发人员：T·伦德,J·G·尼尔森,E·埃布希姆扎德赫韦沙雷
受保护的技术使用者：维斯塔斯风力系统集团公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23