風力渦輪機慣量控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及將功率從風電場饋送入電網的控制，并且更具體地，涉及用于風電場的慣量控制系統，其包括慣量控制器以限定和將參考值傳送至構成風電場的風力渦輪機，以及提供慣量常數值，可以在風電場中的風力渦輪機中配置該值。
技術背景
[0002]風力渦輪機將風的動能轉化為電，然后電被傳送至風力渦輪機風電場中的變電站(substat1n)。該風力渦輪機風電場具有至少一個風電場控制器和至少一個包括轉子的風力渦輪機，該轉子驅動與功率轉換器相互作用的發電機以產生電。風力渦輪機控制器裝備有葉片漿距角控制器和產生的功率控制器、與風力渦輪機控制器相互作用的功率轉換器控制器。并且調節系統基于一系列參數諸如渦輪機旋轉速度或電網頻率調整不同的風力渦輪機控制器。
[0003]風力渦輪機上的機艙通常容納不同的元件和傳動軸，傳動軸通過發電機將機械能轉化為電，發電機與功率轉換器交互。風力渦輪機中的傳動軸指轉子、轉子軸、變速箱、發電機軸和發電機之間的組件。
[0004]該風力渦輪機控制器的目的在于最大化產生的有功功率直到預設的最大功率極限，以及維持安全的運行模式以預防人身傷害和風力渦輪機損壞。該風力渦輪機控制器限定葉片槳距角、將其發送至漿距機構(pitch actuator)以移動葉片至正確的位置，并且有功功率參考值點做為用作位于轉換器控制單元中的轉換器控制器的參考值。
[0005]目前，將風力渦輪機連接至電網的影響(impact)是不可避免的，因此電網操作員正在不斷地加強風力渦輪機-至-電網連接的條件。這些要求中的一些根據頻率瞬態被限定，風力渦輪機必須能夠承受這些頻率瞬態而不需要從電網斷開，并且甚至重新啟動從而幫助系統恢復電網頻率至其預先建立的標稱值。
[0006]傳輸系統操作者尤其關心頻率瞬變，其通常在斷開發電機、負載或者甚至傳輸系統的一部分時出現，從而由于產生的有功功率和消耗的有功功率之間的不同引起電網頻率突然變化超出其標稱值。頻率的該變化需要非常迅速的響應以預防頻率超過其最大范圍和激起發電機和電消費者的連鎖失聯(cascading disconnect1n)。
[0007]頻率發生突然下降或上升(surge)時，發電機和電網具有不同的響應水平以校正電網頻率。用于傳統的發電機的第一種并且自然的響應是已知的慣性響應，由于軸中存儲的轉動能，其承擔瞬態功率的傳遞。第二種響應來自特定的控制器，其以與電網頻率相對于標稱頻率的偏差成比例地增加功率的產生，該響應需要大約15至16秒來制止上升/下降的頻率。然而，該響應(已知的主要響應)不允許回到標稱頻率。第三種和第四種響應(已知的次要的或第三位的)是基于管理發電機的有功功率的產生，包括為了移動電網頻率值至標稱頻率值，啟動目前離線的發電單元。
[0008]對此，在慣性響應的情況下，利用同步電機諸如發電機的傳統發電廠牢固地連接至電網，因此頻率變化直接轉換成渦輪機轉速的成比例變化。因此同步發電機的機械慣量具有重要作用，這是因為可以將該慣量看做是旋轉質量塊的動能到饋送至電網的電的轉化，以此幫助電網減少頻率下降/上升(spike)。
[0009]可以在有功功率產生中解釋動能到電的轉化，即轉動能與渦輪機的轉動速度的平方成比例，渦輪機的轉動速度與電網頻率成比例。假設功率是每個時間單元的能量數量，那么由于頻率的變化，可以通過數學推導將傳遞的功率解釋為與頻率變化率成負比例(negatively proport1nal)。
[0010]然而，由于電子變換器控制器將頻率與發電機轉速分開，因此變速風力渦輪機沒有對應于電網頻率變化的該“自然”響應(慣性響應)。因此風力渦輪機不會自然地降低其與頻率相關的速度，并且不會通過移動轉子傳遞能量。變速風力渦輪機不緩沖頻率的下降
/上升。
[0011]考慮到風能正在成為電力系統非常重要的部分，無法提供慣性響應導致系統中慣量的減少，從而導致頻率下降/上升。因此，必須采取措施預防風力渦輪機缺少慣性響應，風力渦輪機缺少慣性響應會引起由頻率下降/上升產生的電網中的主要問題。
[0012]具有慣性控制的風力渦輪機對平滑頻率變化是有用的，因此其用于恢復系統的頻率并且預防頻率的大幅下降之后負載的下降。對于風力渦輪機，通過增加有功功率，并且利用旋轉葉片的慣性在幾分鐘內動態地和快速地將有功功率饋送入電網來實現該概念性的方法。對此，科學文獻和專利已經提出了各種方法。
[0013]名稱為“具有高風力發電普及率的電網的頻率行為” (J.Duval，B.meyer ；2009IEEE布加勒斯特電力技術會議，6月28日-7月2日，布加勒斯特，羅馬尼亞)的文章描述了將額外慣性功率增加至用于風力渦輪機控制器有功功率的轉換器參考值。利用參數將該額外有功功率計算為與頻率變化率成負比例，該參數可以限定其比值。然而，此后功率饋送會迅速下降。該功率饋送的下降來自兩個因素:風力渦輪機轉子的減速，其會引起風力渦輪機控制器有功功率參考值的下降，并且風力渦輪機控制器根據渦輪機相比于參考速度的偏差控制功率。隨著風力渦輪機減速和從參考速度偏離，必須減少功率以恢復該參考速度。在電網術語中，這是饋送慣量之后的“恢復期”，并且在頻率響應的范圍內(insofar as frequencyresponse)其會將風力渦輪機性能的不確定性引入風電場，甚至會在慣性響應之后引起不想要的頻率下降。
[0014]公開號為W02011/000531A2和名稱為“用于臨時過量生產的變速風力渦輪機性能”的專利(Tarnowski, G.C.，Kjar, P.C.，Sorensen, P.E.，Ostergaard, J.，功率和能源協會大會，2009，PES' 09.1EEE)描述了與前述方案類似的方案，唯一的不同在于，發送至轉換器的風力渦輪機控制器的有功功率的參考值固定為預設值，該預設值用于在匹配期望的頻率瞬態的持續時間的預定期間的瞬態。因此，將額外功率計算為與頻率變化率成負比例，并且與相比于標稱頻率的頻率偏差成正比例，并且被加入設定功率。在這種情況下，由于沒有遵循控制器參考值，因此由于風力渦輪機減速，不會有功率下降。然而在過剩電量被饋送入電網期間，風力渦輪機減速以達到最小速度點，慣量傳遞停止，并且設定的功率值被釋放。這會引起生產的驟降，該驟降會保持直到風力渦輪機恢復其初始速度。
[0015]公開號為W02011/1124696的專利也是基于將額外功率包括在風力渦輪機控制器的有功功率參考值中，可以正比于頻率偏差和任何其他方式計算該額外功率。在這種情況下，有功功率速度沒有被凍結，風力渦輪機控制器的速度不再適用，通過“旋轉速度變化信號的產生考慮慣性轉矩，并且該信號作為輸出信號通過邏輯元件加入目標旋轉速度”克服了由于風力渦輪機速度下降引起的與功率下降有關的問題。換言之，將考慮了旋轉慣量的、作為計算該額外功率的結果的速度變化輸入風力渦輪機控制器以改變參考速度，因此預防有功功率參考值的下降。然而，當該額外功率消失時，風力渦輪機應該返回其正常運行模式，產生隨后的“恢復期”，其會在該慣性響應之后引起不想要的頻率下降。
[0016]基于現有技術的現狀可以得出結論:“恢復期”總是存在的，在該期間開始之前其依賴風力渦輪機的性能。因為在傳遞慣性響應期間，提供(support)電網并且緩沖電網頻率變化，所以該“恢復期”是電網面臨的挑戰。因此風電場會幫助系統擺脫這種局面。然而，當恢復期間開始時，風電場的生產下降至低于該情況發生之前的值，因而，在恢復期期間，風電場可能引起電網頻率下降，這必須由另一