测量有关风力涡轮发电机转换器单元的波形频率变化率的方法和模块 |
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| 申请号 | CN201310161183.0 | 申请日 | 2013-05-03 | 公开(公告)号 | CN103383411A | 公开(公告)日 | 2013-11-06 |
| 申请人 | 歌美飒创新技术公司; | 发明人 | 弗朗西斯科·希梅内斯·邦迪亚; | ||||
| 摘要 | 一种用于测量与 风 力 涡轮 发 电机 的转换器单元相关的 波形 的 频率 变化率的方法和模 块 ，包括：测量所述波形的频率变化率的瞬时值；计算所述频率变化率的第一滤波值，所述第一滤波值具有好的准确度和低的时间响应；计算所述频率变化率的第二滤波值，所述第二滤波值具有好的时间响应和低的准确度，比较所述第一和第二滤波值，并且根据所述比较选择所测得的变化率的输出值基于所述第一滤波值还是基于所述第二滤波值。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于测量与风力涡轮发电机的转换器单元相关的波形的频率变化率（ROCOF-CNT）的方法，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 测量有关风力涡轮发电机转换器单元的波形频率变化率的方法和模块 技术领域背景技术[0003] 为了测量频率变化率，现有技术文献公开了类似的模拟和数字测量。US003032715描述了通过带有结构代码的CCU的模拟频率测量。GB2159963基于计算在现有情况下用于测量频率变化率的继电器的电压波形的时间段的测量系统。 [0004] 使用测量有关频率的参数的继电器是总所周知的。在电气系统中，变化率继电器检测发电机电压的零交叉。然后，继电器测量零交叉之间的时间，并计算每个零交叉后的新频率。如果频率变化太多，继电器会跳闸。然而，这个方法在电压波形中对噪声非常敏感，且通常在一个测量值能确定之前需要几个电压波形。此外，继电器设计概念是侦测相量偏移，而不是波形变化率。 [0005] 其他已知方法基于频率测量。如US2007136013描述了允许计算所述频率的有限导数的几个频率测量。这个文件描述了使用在半个循环周期间距的测量点的有限方法。上述测量值作为输入，随后该方法通过将两个连续的测量值相减，并且将相减的结果除以半个周期来确定时间导数，或者最终确认所测得的频率值的倒数。 [0006] 本领域的另一个已知方法是使用通过转换器单元使用最先进的锁相回路（PLLs）测量的频率。那些锁相回路计算具有良好准确度的电压波形的角度和频率。随后，用于计算频率变化率（ROCOF）的方法基于来自控制转换器单元PLL的频率测量值的导数。用于提取所述输出的数学考虑主要基于两个方法，或者使用有限差异计算电网电压频率值的导数，或者通过使用导数函数计算电网电压角度值的第二导数。 [0007] 测量变化率（ROCOF）时，噪声是个关键问题。噪声来自电网电压，还来自电网电压的谐波。此外，ROCOF的导数性质引起噪声被放大，甚至恶化所述关键问题。 [0009] 风力涡轮机的控制器单元需要测量变量的频率和频率速率，变量优选风力涡轮机转换器单元中的电压波形。操作所述控制器需要快速时间响应，典型地在400到20ms范围或甚至更少。获得同时保持好的准确度是很困难的。 [0010] 在风力涡轮机系统中，在准确度和ROCOF的时间响应之间有个平衡。这两个需求通常是相抵触的，因为准确度增加需要滤波，滤波又增加时间响应。 [0011] 因此，本发明的另一个目的是提供能精确且具有控制风力涡轮机转换器单元的快速时间响应的测量方法和模块。 发明内容[0012] 上面提到的一些目的和问题通过根据本发明的方法和模块得到解决。也就是说，本发明描述了一种用于测量与风力涡轮发电机的转换器单元的波形相关的频率变化率的方法，所述方法包括以下步骤：测量与所述转换器单元相关的所述波形的频率值的瞬时值；基于所述瞬时频率值计算所述频率变化率（ROCOF）的第一滤波值（ROCOF-F1），所述第一滤波值（ROCOF-F1）具有低于第一预设测量误差(DB-ROCOF-F1)的测量误差，所述第一滤波值（ROCOF-F1）具有比预设时间响应需求（t1）慢的时间响应；基于瞬时频率值计算所述频率变化率（ROCOF）的第二滤波值（ROCOF-F2），所述第二滤波值（ROCOF-F2）具有高于所述第一预设测量误差(DB-ROCOF-F1)的第二测量误差(DB-ROCOF-F2)，所述第二滤波值（ROCOF-F2）具有比预设时间响应需求（t1）快的时间响应；计算所述第一滤波值（ROCOF-F1）和所述第二滤波值（ROCOF-F2）之间的比较值（Comp），当所述比较值（Comp）保持在低于或变得低于预设阈值水平时，确定所测得的变化率的输出值（ROCOF-CNT）基于所述第一滤波值（ROCOF-F1），当所述比较值（Comp）变得高于所述预设阈值水平时，确定所测得的变化率的所述输出值（ROCOF-CNT）基于所述第二滤波值（ROCOF-F2），其中，所述预设阈值是基于所述第二预设测量误差(DB-ROCOF-F2)确定的。 [0013] 优选地，计算比较值（Comp）的步骤包括计算第一滤波值（ROCOF-F1）和第二滤波值（ROCOF-F2）之间的差的绝对值（Abs-Comp）。 [0014] 有利地，当所述第一滤波值（ROCOF-F1）的绝对值低于所述第一预设测量误差(DB-ROCOF-F1)时，确定所述输出值（ROCOF-CNT）是零；当所述第一滤波值（ROCOF-F1）的绝对值变得高于所述第一预设测量误差(DB-ROCOF-F1)，同时所述比较的绝对值（Abs-Comp）低于所述预设阈值时，确定所述输出值（ROCOF-CNT）变为第一滤波值（ROCOF-F1）；当所述差的所述绝对值（Abs-Comp）高于所述预设阈值时，所述方法进一步确定所述输出值（ROCOF-CNT）变成第二滤波值（ROCOF-F2）；在输出值（ROCOF-CNT）已经变成第二滤波值（ROCOF-F2）之后，当所述差的绝对值（Abs-Comp）变得低于所述预设第二阈值时，确定所述输出值（ROCOF-CNT）是第一滤波值（ROCOF-F1）。 [0015] 所述预设阈值的优选值是第二滤波器（F2）的第二预设测量误差(DB-ROCOF-F2)，并且具体可以在每秒0.125和0.5毫赫兹之间。 [0016] 此外，所述预设阈值可以对应于滞后值(DB-ROCOF-D2-HYS)，所述滞后值优选是第二预设测量误差(DB-ROCOF-D2)的两倍。 [0017] 另外，其他需要的步骤可以包括利用滤波函数使测得的输出值(ROCOF-CNT)平滑，优选地，所述滤波函数是一阶滤波函数。其他办法包括利用变化率限制器块限制测得的输出值（ROCOF-CNT）。 [0018] 还有，第一滤波值（ROCOF-F1）和第二滤波值（ROCOF-F2）的计算优选使用平均法或传递函数来实现。具体地，平均法优选用于计算第一滤波值（ROCOF-F1）。 [0019] 该方法优选嵌入在风力涡轮发电机的控制器单元中。这样，该方法进一步包括将所述频率变化率的所述输出值(ROCOF-CNT)发送到风力涡轮机的控制器(CNT)，并控制风力涡轮发电机的转换器单元（转换器）。 [0020] 本发明还描述了一种用于执行所述测量方法的模块。概括地，所述模块包括：电路，用于测量与所述转换器单元相关的至少波形的频率瞬时值；第一滤波器(F1)，用于基于所测得的瞬时频率值计算所述频率变化率(ROCOF)的第一滤波值(ROCOF-F1)，所述第一滤波值(ROCOF-F1)具有低于第一预设测量误差(DB-ROCOF-F1)的测量误差，所述第一滤波值（ROCOF-F1）具有慢于预设时间响应需求（t1）的时间响应；第二滤波器（F2），用于基于所述瞬时频率值计算所述频率变化率(ROCOF)的第二滤波值(ROCOF-F2)，所述第二滤波值(ROCOF-F2)具有高于所述第一预设测量误差(DB-ROCOF-F1)的第二测量误差（DB-ROCOF-F2），所述第二滤波值(ROCOF-F2)具有快于所述预设时间响应需求（t1）的时间响应；以及比较器，用于计算所述第一滤波值(ROCOF-F1)和所述第二滤波值(ROCOF-F2)之间的比较值（Comp），当所述比较值（Comp）保持低于或变得低于预设阈值水平时，所述变化率的输出值(ROCOF-CNT)基于所述第一滤波值(ROCOF-F1)，当所述比较值（Comp）变得高于所述预设阈值水平时，所述变化率的输出值(ROCOF-CNT)基于所述第二滤波值(ROCOF-F2)，所述预设阈值基于所述第二预设测量误差(DB-ROCOF-F2)。 [0021] 优选地，所述模块包括计算装置，所述计算装置用于确定第一滤波值(ROCOF-F1)和第二滤波值(ROCOF-F2)之间的差的绝对值(Abs-Comp)。此外，所述模块可以包括用于限制所述输出值(ROCOF-CNT)或用于使所述输出值(ROCOF-CNT)平滑的装置，优选为硬限制器、变化率限制器和/或一阶滤波器。附图说明 [0022] 图1显示了一个系统的实施例，其中，频率变化率结合到风力涡轮发电机内的转换控制器。 [0023] 图2显示了对应于第一、第二过滤值、变化率测量值的输出值和他们差异的绝对值的时间矢量图。 [0024] 图3描述了本发明用于测量波形频率变化率（ROCOF）的优选电路的一个实施例。 具体实施方式[0025] 图1显示了用于风力涡轮发电机的转换器单元的转换控制器。本发明涉及连接到电网的变速风力涡轮机以及电网频率改变的影响。准确而快速测量电网电压的频率和频率变化率以使风力涡轮发电机的操作适应新的电网条件是很重要的。 [0026] 风力涡轮机控制器通常需要频率和频率变化率的测量值，以显示典型是200ms或更少的快速时间响应。该快速时间要求对转换控制器内的测量单元是一个严格的要求。 [0027] 转换器单元中的电压波形是要被测量的优选变量。但是，也可以使用基于电流和/或其他电压和功率参数的其他变量。 [0028] 用于测量电网电压波形频率的优选方法是在转换器单元处使用最先进的锁相环路（PLLs）。所述PLLs常用于计算电压波的角度和频率。风力涡轮机控制器需要由PLL提供的频率测量值。在发送该频率测量值之前，应用一阶滤波器来最小化电网和/或测量设备中出现的干扰和其他噪声。 [0029] 随后，可以基于频率测量值的导数或其他合适方法测量瞬时频率变化率(ROCOF)。优选通过使用电网电压频率的有限差分或通过计算第二导数来计算所述导数。然而，如前面已经解释的，所述瞬时测量值将不符合控制器所需要的时间响应。 [0030] 本发明提出计算所需频率变化率（ROCOF）的两个滤波值。第一滤波值（ROCOF-F1）使用具有低于第一预设测量误差（DB-ROCOF-F1）的测量误差，同时具有慢于预设时间响应需求（t1）的时间响应的的滤波函数，所述预设时间响应需求（t1）典型是在200毫秒到400毫米之间的范围内。这样，如果电网电压频率出现突然的变化，第一滤波值的准确增加但不能被使用。 [0031] 为了弥补该限制，使用第二滤波值(ROCOF-F2)。也就是说，第二滤波值具有较低的准确度，但符合时间约束要求。这样，当电网电压变化很小时，一般根据准确度要求在第一和第二滤波值之间选择ROCOF测量的输出变量。而对于较大的变化，输出值将转换到第二滤波值(ROCOF-F2)。以这种方式，保证风力涡轮机控制器在所有时间连续操作。 [0032] 可以使用平均法或传递函数计算第一滤波值(ROCOF-F1)和第二滤波值(ROCOF-F2)。平均法由于其固有的高准确度和低时间响应而优选用于第一滤波值。该方法基于求一段时间内的频率的平均值并且将变化率（ROCOF）值计算为平均频率的两个值的有限差分。 [0033] 作为例子，该方法优选计算最后ΔT1毫秒（如最后200ms）的频率的平均值并储存这些平均值。然后，在ΔT2(如1000ms)之后，将在t-ΔT2与t-ΔT2-ΔT1之间得出的200ms平均值和在t与t-ΔT1之间得出的平均值用于有限差分公式： [0034] [0035] 其中，必须Δt2≥Δt1，因为求导的时间段应当始终大于求平均值的时间段以避免坏的计算。 [0036] 当Δt2=Δt1时，这个公式可以简化且更好理解。公式为下列形式： [0037] [0038] 如已经提到的，传递函数可以用于模拟这两个滤波器的任何一个，因为通过调整参数可以实现好的准确度和低的上升时间，或相反，低上升时间或差的准确度和更低的上升时间。 [0039] 一优选的导数传递函数具有二次分母，使得在无穷远处，对于信号的频率成分，其增益是零。这个意味着其固有地作为低通滤波器或衰减器，因此噪声不会被放大。还有，系统是稳定的。传递函数通过下列等式来表达： [0040] 或 [0041] 上述形式常用于导数低通滤波器，其中G时增益，ξ是阻尼因子，而ωn是震荡的自然频率。 [0042] 通过调整k值(或相应等式的ξ和ωn)，能获得不同的时间响应和噪声误差。时间响应越低，噪声消除越高。优选通过调整k值来避免系统的不稳定性：根据ROCOF测量值来计算额外的功率，而这个额外的功率也改变频率和ROCOF。如果未适当地调整k因子，则这种耦合会导致频率不稳定。 [0043] 这样，与使用平均法相比较，由于噪声的低通滤波，传递函数更加稳定。此外，由于这种方法在存储器中必须存储的变量更少，因此计算效率高。 [0044] 为了获得用于所述第一滤波值（ROCOF-F1）的第一滤波器（F1）传递函数，优选的参数包括ωn的低值和ξ的高值。 [0045] 与此相反，第二滤波值（ROCOF-F2）有ωn的高值和ξ的低值。 [0046] 图2显示对理解本发明很重要的几个变量的时间演化。可以看到，第一滤波值（ROCOF-F1）没有显示出波纹，并且具有总体平滑的形状。无论其最终状态有多准确，电网电压突然变化，电流都不会跟随。 [0047] 第二滤波器（ROCOF-F2）可以跟随所述电网电压的快速变化。这个曲线的总体形状显示了突然变化的波纹。其主要缺点是其有限的测量准确度。 [0048] 标记为Abs（ROCOFF1-ROCOFF2）的图2的顶部曲线显示了所述差分的绝对值。该曲线显示了三个区域。该曲线的第一段（21）出现在第一滤波值的绝对值低于所述第一滤波器的测量误差（DB）时。DB也被称为测量死区，并且其应当大于第一滤波器（F1）的准确度（噪声）。此时将频率变化率（ROCOF）的输出值确定为零。 [0049] 如果|ROCOFF1|≤DBROCOF_F1,则ROCOFCNT=0 [0050] 在第一和第二滤波值之间的比较值（优选为两者的差的绝对值）达到预设阈值或水平时，到达第二段22。所述阈值由第二滤波器的准确度(DB-ROCOF-F2)或其滞后值限定。所述滞后值通常两倍于第二滤波器测量误差的值。 [0051] 当达到该阈值时，第二滤波值（ROCOF-F2）被选中作为输出值（ROCOF-CNT）。 [0052] 如果|ROCOFF1-ROCOFF2|>DBROCOF_F2_hys则ROCOFCNT=ROCOFF2 [0053] 这允许时间响应（t1）符合风力涡轮发电机控制器需求，但是在某种程度上放弃了准确度。 [0054] 当计算出的比较值（即，优选的差的绝对值）小于包含滞后的第二滤波器死区时，第二段结束。 [0055] 如果ROCOFCNT=ROCOFF2并且|ROCOFF1-ROCOFF2| [0056] 则ROCOFCNT=ROCOFF1 [0057] 最后，该曲线的第三段（23）再次输出第一滤波值（ROCOF-F1）。 [0058] 图3显示了用于实施根据本发明的方法的优选电路。 [0059] 第一阶段单元（31）执行两步频率变化率（ROCOF）测量，优选使用滞后。对所述第一单元（31）的输出是所述第一和第二滤波值。通过模拟或数字方法计算它们的差，输出是所述比较的绝对值（Abs-Comp）。该信号随后构成对后续阶段比较器的输入。所述比较器具有预设阈值，这些预设阈值是第二滤波器的预设测量误差（ROCOF-F2-DB），典型为0.125mHz，和相关滞后值，典型为0.25mHz。所述滞后值优选设定在两倍于第二滤波器测量误差。优选由AND和/或OR逻辑算符对所述两个比较器的输出进行逻辑处理。所述算符可以由顺序和/或反馈电气或电子结构来执行。这种方式中，条件开关受到控制。所述开关优先选择第一或第二滤波值。该选择主要是所选择的滤波器的直接值，但也可以具有相乘因子，如常数，或任何其他合适的处理。该输出可以是总输出值，即，被发送到风力涡轮发电机控制器的输出值(ROCOF-CNT)。然而，可以加入其他阶段来获得更低噪声的信号。 [0060] 这样，对应于第一阶段单元31的输出信号可以是可选的第二阶段单元（32）的输入。所述单元（32）将考虑来自第一滤波器（F1）的第一死区（DB）的应用。还有，其优选实施方式采用绝对值算符与比较器结合的形式。所述比较器的参考值是所述第一滤波器的预设测量误差。其值优选为0.125mHz或更低。低于该测量误差的值的输出信号将都被当做零。 [0061] 任选地，可以加入第三阶段（33），以根据频率值考虑频率变化率的死区。在欧洲，采用50Hz的额定频率，而该值在美国或其他国家为60Hz。其他可能的值依赖于系统的额定频率。 [0062] 第四可选阶段单元（34）被加入作为硬限幅器，其有利地作为饱和滤波器来实施。另外，还可以加入作为变化率限制器的第五可选阶段（35），以在第一和第二滤波值之间出现锐变的情况下限制测量值的变化率。由频率和ROCOF死区引起的突然改变到零也将被最小化。 [0063] 最后，可以加入第六可选阶段（36），以像变化率限制器一样使任何转变平滑。该阶段可以作为一阶传递函数来实施。 |
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