具有电存储装置的构网型风力涡轮机的制作方法

本发明涉及风力涡轮机的控制，尤其涉及被配置为表现出虚拟同步机响应的风力涡轮机的控制。

背景技术：

1、为了允许可再生能源(例如，风力涡轮机)更深入地进入电网，一些国家提出了为电力转换器配备与常规同步机类似的构网特性的要求。可以通过将可再生发电机组配置成虚拟同步机来满足这些要求。

2、被配置为虚拟同步机的风力涡轮机可能经受提高的机械载荷。出于这些和其他原因，需要改进风力涡轮机。

技术实现思路

1、本发明的目的在于改进风力涡轮机，尤其是被配置成虚拟同步机的风力涡轮机，并且减轻机械负载增加带来的问题以及与被配置成虚拟同步机的风力涡轮机相关的其他问题。

2、在本发明的第一方面中，提供了一种控制系统，其被配置为控制被配置成构网型逆变器的风力涡轮机的发电，该风力涡轮机包括由转子驱动的发电机、机器侧转换器、被布置为向电网供应电力的线路侧转换器、电连接至该机器侧转换器的输出和该线路侧转换器的输入的dc链路、以及电连接至该dc链路的电存储装置，该控制系统包括：

3、-功率控制器，其被布置为基于功率参考和发电机功率来确定针对机器侧转换器的第一功率控制信号，以控制机器侧转换器的输出功率，

4、-充电控制器，其被布置为基于存储装置电压误差和功率产生参考确定用于至少间接控制线路侧转换器的预期输出功率的第二功率控制信号，

5、-dc链路控制器，其被布置为基于dc链路误差确定用于控制电存储装置的充电和放电的充电电流参考。

6、有利地，使用电存储装置作为用于调整dc链路电压的电源可以减少对调整发电机功率的需求，并且由此降低风力涡轮机的机械负载，例如，传动系负载。

7、电存储装置的示例包括电池、超级电容器、飞轮和超导磁能量存储器以及不同类型的电存储装置的组合。

8、被配置成风力涡轮机的构网型逆变器的示例包括被配置成虚拟同步机的风力涡轮机。

9、作为一个有利示例，在低风力下(其中，风力涡轮机的运行接近失速区)，电存储装置能够通过dc电路充电装置输送电网电力，由此避免从转子汲取更多功率(乃至降低转子功率)。有效地，电存储装置增大了到失速区的电力间隙。

10、根据实施例，该控制系统被配置为依据功率产生参考并且依据充电电流参考和充电限制来确定功率参考。

11、充电限制定义了电存储装置和/或连接在电存储装置和dc链路之间的dc转换器的最大电流(或功率)充电或放电容量。有利地，通过依据功率产生参考并且依据充电电流参考和充电限制确定该功率参考，能够在充电电流参考超过充电限制的情况下调整针对机器侧转换器的功率参考。

12、根据实施例，该dc链路控制器被进一步配置为依据限制功能(limit function)来确定充电电流参考，该限制功能被布置为在充电参考超过充电限制的情况下使充电电流参考被限制到受限的充电参考。

13、根据实施例，该dc链路控制器被布置为基于充电参考与受限的充电参考之间的差来确定功率共享参考，其中

14、-依据功率产生参考和功率共享参考之和来确定所述功率参考。

15、有利地，功率共享参考提供将由发电机生成的功率的变化，从而在来自电存储装置的电流不足的情况下，使dc链路电压保持在期望的电平上。

16、根据实施例，该dc链路控制器被进一步配置为依据基于电网电力和功率产生参考确定的前馈功率差来确定充电参考。

17、有利地，该前馈功率差有助于提高校正dc链路电压误差的速度，并由此有助于降低dc链路误差的幅值。

18、根据实施例，该dc链路控制器被进一步配置为基于被布置为对dc链路误差进行时间积分的控制功能(control function)来确定充电参考。

19、根据实施例，该电存储装置通过dc到dc转换器电连接至该dc链路，其中，该dc到dc转换器被配置为基于充电参考或者受限的充电参考来控制该电存储装置的充电和放电。

20、根据实施例，第二功率控制信号被施加至虚拟同步机模拟器，该虚拟同步机模拟器被布置为确定用于控制线路侧转换器的虚拟同步机速度或角度。

21、使用电存储装置作为用于调整dc链路电压的电源可以对构网型风力涡轮机或者被配置成vsm的风力涡轮机尤为有利。也就是说，对于非构网型逆变器风力涡轮机而言，发电机功率或多或少地与电网解耦。然而，对于构网型逆变器风力涡轮机而言，通往电网的功率流可以与电网中的事件(诸如相位跳跃和频率梯度)耦合，因此这些事件可能被作为机械负载传递至传动系。

22、根据实施例，该虚拟同步机模拟器(233)被配置为

23、-基于第二功率控制信号、由线路侧转换器供应给电网的电网功率和阻尼功率的组合来确定功率偏差，并且

24、-基于功率偏差来确定虚拟同步机速度或角度，从而使得虚拟同步机转速的导数指示该功率偏差。

25、根据实施例，该控制系统被进一步布置为：

26、-基于虚拟同步机角度以及针对电压幅值的电压参考或者将由线路侧转换器生成的无功功率来确定用于控制线路侧转换器以生成期望的输出功率的转换器参考，并且

27、-基于该转换器参考来控制线路侧转换器。

28、本发明的第二方面涉及一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括根据第一方面的控制系统。

29、本发明的第三方面涉及一种方法，该方法用于控制被配置成构网型逆变器的风力涡轮机的发电，该风力涡轮机包括由转子驱动的发电机、机器侧转换器、被布置为向电网供应电力的线路侧转换器、电连接至该机器侧转换器的输出和该线路侧转换器的输入的dc链路、以及电连接至该dc链路的电存储装置，该方法包括：

30、-基于功率参考和发电机功率，确定针对机器侧转换器的第一功率控制信号，以控制机器侧转换器的输出功率，

31、-基于存储装置电压误差和功率产生参考，确定用于至少间接控制线路侧转换器的期望的输出功率的第二功率控制信号，以及

32、-基于dc链路误差，确定用于控制电存储装置的充电和放电的充电电流参考。

33、一般而言，可以通过在本发明范围内可能的任何方式对本发明的各个方面和实施例进行组合和耦合。本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将参考下文所述的实施例而显而易见并得到阐明。

34、本发明的第四方面涉及一种计算机程序产品，其包括在数据处理系统中被执行时适于控制风力涡轮机的软件代码，该计算机程序产品适于执行第一方面的方法。

35、一般而言，可以通过在本发明范围内可能的任何方式对本发明的各个方面和实施例进行组合和耦合。本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将参考下文所述的实施例而显而易见并得到阐明。

技术特征：

1.一种控制系统(200)，其被配置用于控制被配置成构网型逆变器的风力涡轮机(100)的发电，所述风力涡轮机(100)包括由转子(102)驱动的发电机(201)、机器侧转换器(203)、被布置为向电网供应电力的线路侧转换器(204)、电连接至所述机器侧转换器的输出和所述线路侧转换器的输入的dc链路(205)以及电连接至所述dc链路的电存储装置(241)，所述控制系统包括：

2.根据权利要求1所述的控制系统(200)，其中，所述控制系统(200)被配置为依据所述功率产生参考(ppro)并且依据所述充电电流参考(ibat_ref)和充电限制(imax、-imax)，确定所述功率参考(pref)。

3.根据前述权利要求中的任何一项所述的控制系统(200)，其中，所述dc链路控制器(243)被进一步配置为依据限制功能(401)，确定所述充电电流参考(ibat_ref)，所述限制功能(401)被布置为如果所述充电参考(ibat_ref)超过所述充电限制(imax、-imax)，将所述充电电流参考(ibat_ref)限制到受限的充电参考(ibat_ref_lim)。

4.根据权利要求3所述的控制系统(200)，其中，所述dc链路控制器(243)被进一步布置为基于所述充电参考(ibat_ref)与所述受限的充电参考(ibat_ref_lim)之间的差，确定功率共享参考(δpshare)，并且其中

5.根据前述权利要求中的任何一项所述的控制系统(200)，其中，所述dc链路控制器(243)被进一步配置为依据基于所述电网功率(pgrid)和所述功率产生参考(ppro)确定的前馈功率差(pff、iff)，确定所述充电参考(ibat_ref)。

6.根据前述权利要求中的任何一项所述的控制系统(200)，其中，所述dc链路控制器(243)被进一步配置为基于被布置为对所述dc链路误差(edc_e、vdc_e)进行时间积分的控制功能(402)，确定所述充电参考(ibat_ref)。

7.根据前述权利要求中的任何一项所述的控制系统(200)，其中，所述电存储装置(241)经由dc到dc转换器(242)电连接至所述dc链路，并且其中，所述dc到dc转换器被配置为基于所述充电参考(ibat_ref)或者所述受限的充电参考(ibat_ref_lim)，控制所述电存储装置的充电和放电。

8.根据前述权利要求中的任何一项所述的控制系统(200)，其中所述风力涡轮机(100)被配置为虚拟同步机。

9.根据前述权利要求中的任何一项所述的控制系统(200)，其中所述第二功率控制信号(pvsm)被施加至虚拟同步机模拟器(233)，所述虚拟同步机模拟器(233)被布置为确定用于控制所述线路侧转换器(204)的虚拟同步机速度或角度(ωvsm、θvsm)。

10.根据权利要求9所述的控制系统(200)，其中，所述虚拟同步机模拟器(233)被配置为：

11.根据权利要求10所述的控制系统(200)，其中，所述控制系统被进一步布置为：

12.根据前述权利要求中的任何一项所述的控制系统(200)，其中，所述电存储装置(241)包括至少一个电池、超级电容器、飞轮或者超导磁能存储装置或其任何组合。

13.一种风力涡轮机(100)，其包括根据权利要求1-12中的任何一项所述的控制系统(200)。

14.一种方法，其用于控制被配置成构网型逆变器的风力涡轮机(100)的发电，所述风力涡轮机(100)包括由转子(102)驱动的发电机(201)、机器侧转换器(203)、被布置为向电网供应电力的线路侧转换器(204)、电连接至所述机器侧转换器的输出和所述线路侧转换器的输入的dc链路(205)以及电连接至所述dc链路的电存储装置(241)，所述方法包括：

15.一种计算机程序产品，其包括在数据处理系统中执行时适于控制风力涡轮机的软件代码，所述计算机程序产品适于执行根据权利要求14所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种用于控制VSM风力涡轮机的发电的方法。该风力涡轮机包括机器侧转换器(203)、线路侧转换器(204)、DC链路(205)和电连接至DC链路的电存储装置(241)。该方法包括：确定针对机器侧转换器(203)的第一功率控制信号(PMSC)；基于存储装置电压误差(Vbat_e)和功率产生参考(Ppro)，确定用于控制线路侧转换器(204)的期望的输出功率(Pgrid)的第二功率控制信号(PVSM)，以及基于DC链路误差(Vdc_e、Edc_e)，确定用于控制电存储装置(241)的充电和放电的充电电流参考(Ibat_ref)。

技术研发人员：T·伦德,J·G·尼尔森,G·K·安德森,K·纳伊比,P·B·克里斯滕森,G·C·塔尔诺夫斯基,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：2024/1/12