用于控制功率转换器的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201310346794.2 | 申请日 | 2013-08-09 | 公开(公告)号 | CN103580068A | 公开(公告)日 | 2014-02-12 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | E.V.拉森; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于耦连到 电网 的发电系统的线性 角 位移 逻辑 控制器 。所述线性角位移控制器包括一个线性角位移控制器，所述线性角位移控制器被配置成：接收代表所述发电系统的 相位 角和电网的相位角之间的差的 锁 相环（PLL）误差 信号 ，接收来自电网的 阈值 相位，并至少部分基于所述PLL误差信号和所述阈值相位生成PLL位移信号。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于耦连到电网的发电系统的控制器，所述控制器包括： |
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| 说明书全文 | 用于控制功率转换器的系统和方法技术领域背景技术[0002] 风力涡轮机的发电机利用风能来产生电力。风力涡轮机的发电机通常包括具有多个叶片的转子，叶片将风能转换成驱动轴的旋转运动，旋转运动又用来驱动发电机以产生电力。多个叶片中的每个叶片都可以改变浆距以增加或降低转子的旋转速度。风力涡轮机的发电机的功率输出随着风速的增大而增大，直到风速达到涡轮机的额定风速为止。等于或超过额定风速之后，风力涡轮机的发电机以额定功率运行。 [0003] 与风力涡轮机的发电机的恒速运行相比，风力涡轮机的发电机的变速运行便于提高风力涡轮机的发电机的能量捕获。然而，风力涡轮机的发电机的变速运行产生具有可变电压和/或频率的电。更具体地，由变速风力涡轮机的发电机产生的电的频率与转子的旋转速度成比例。功率转换器可以耦连在发电机和电网之间。功率转换器输出具有固定的电压和频率的电以便在电网上输送。 [0004] 电力设备使用可再生能源或化石燃料型能源产生的功率通常通过电网被传输到消费者。要求施加给电网的电满足电网连接性预期。这些要求解决了安全性问题以及对功率质量担心。例如，电网连接性预期包括在暂态事件（在本文中也称作电网紧急事件）期间操作发电系统。暂态事件可包括电网故障状态和弱电网条件。这种能力可以称为低电压穿越（LVRT）或零电压穿越（ZVRT）事件。LVRT/ZVRT事件是在电网的任一相或电网的多个相位上交流（AC）电网电压为低的状态。 [0005] 在LVRT/ZVRT事件期间，电网从发电系统接收功率的容量是低的。紧接着外部电网的开关动作，电网的阻抗可能增大很多，导致在本文中被称作“弱电网”的状态。弱电网还可能出现在发电系统在远离其它发电源的位置连接到电网的情况下。在这种类型的情况下，在电网事故中保持电网连接性的能力可能会降低，原因是较弱的交流输电可用于发电系统，以使其相位同步。当风力涡轮机被定位在弱电网中，风力涡轮机的功率波动可能导致由风力涡轮机的发电机测量的电网电压的幅值和频率变化的增大。这些波动可能不利地影响风力涡轮机相位控制的性能和稳定性。 [0006] 控制功率转换器的运行以促进出现电网紧急事件的处理。一旦电网紧急事件消失，控制功率转换器以促进从事件中恢复，并使发电系统返回稳态运行。在恢复期间，系统振荡可能引起不稳定性，例如功率转换器输出的功率的不稳定性。发明内容 [0007] 一方面，提供了一种用于耦连到电网的发电系统的线性角位移逻辑控制器。所述线性角位移控制器包括一个线性角位移控制器，所述线性角位移控制器被配置成：接收代表所述发电系统的相位角和电网的相位角之间的差的锁相环（PLL）误差信号，接收来自电网的阈值相位，并至少部分基于所述PLL误差信号和所述阈值相位生成PLL位移信号。 [0008] 所述PLL位移信号被配置成使所述发电系统的输出与电网的相位一致。 [0009] 所述电路进一步被配置成将所述PLL误差信号与预定义上限阈值和下限阈值作比较。 [0010] 所述电路被配置成当所述PLL误差信号被确定在所述上限阈值和下限阈值之内时，生成等于0的至少一个PLL位移信号。 [0011] 所述电路被配置成当所述PLL误差信号被确定在所述上限阈值和下限阈值之外时，生成等于所述PLL误差信号的函数的至少一个PLL位移信号。 [0012] 所述电路进一步被配置成：接收来自电网的所述阈值相位；其中，所述阈值相位包括测量的端电压幅值。 [0013] 另一方面，提供了一种用于控制耦连到电网的发电系统的功率变换组件的运行的同步系统。所述同步系统包括锁相环（PLL），所述PLL被配置成：接收来自电网的阈值相位；生成PLL相位角信号；以及生成代表所述发电系统的相位角和电网的相位角之间的差的PLL误差信号。所述同步系统还包括线性角位移逻辑电路，所述线角位移逻辑电路被配置成：接收所述PLL误差信号；以及至少部分基于所述PLL误差信号，生成PLL位移信号。所述同步系统还包括求和结点，所述求和结点被配置成将所述PLL相位角信号与PLL位移信号相加来产生线性变换器角参考信号。所述同步系统还包括控制器，所述控制器被配置成基于所述线性变换器角参考信号生成多个线性变换器控制信号，并将所述线性变换器控制信号传输到所述功率变换组件。 [0014] 所述求和结点被配置成将所述PLL相位角信号和所述PLL位移信号相加以产生线性变换器角参考信号。 [0015] 所述线性角位移逻辑电路被配置成将所述PLL误差信号与预定义上限阈值和下限阈值作比较。 [0016] 所述线性变换器控制信号被配置成使发电系统输出与电网的相位一致。 [0017] 所述线性角位移逻辑电路进一步被配置成：接收来自电网的阈值相位；以及至少部分基于所述阈值相位，生成所述PLL位移信号。 [0018] 所述线性变换器角参考信号被配置成当所述PLL误差信号被确定在所述上限阈值和下限阈值之内时，保持所述发电系统的输出相位。 [0019] 所述线性变换器角参考信号被配置成当所述PLL误差信号被确定在所述上限阈值和下限阈值之外时，将所述发电系统的输出相位从第一相位变成与电网的相位匹配的第二相位。 [0020] 所述控制器被配置成基于所述线性变换器角参考信号降低所述发电系统的输出和电网的相位之间的相位差。 [0021] 所述PLL进一步被配置成：接收来自电网的阈值相位；其中，所述阈值相位包括测量的端电压幅值。 [0022] 所述系统进一步包括：转子角位置传感器，所述转子角位置传感器耦连到所述发电系统的发电机轴并被配置成生成转子角位置信号，其中，所述求和结点被配置成从所述PLL相位角信号中减去所述转子角位置信号，以产生转子变换器角参考信号，并且其中，所述控制器被配置成基于所述转子变换器角参考信号生成多个转子角控制信号，并将所述多个转子角控制信号传送到所述功率变换组件。 [0023] 所述多个转子变换器控制信号被配置成使功率变换组件输出的相位和电网的相位一致。 [0024] 又一方面，提供了一种用于控制耦连到电网的发电系统的运行的方法。所述发电系统包括发电机、功率转换器和控制器。所述方法包括：监控表示电网的相位和所述发电系统的输出的相位之间的差的所述发电系统的输出参数。所述方法还包括：使用所述控制器至少部分基于所述输出参数生成命令信号。所述方法进一步包括至少部分基于所述命令信号控制所述功率转换器的运行，以使发电系统的输出相位和电网的相位一致。 [0025] 再一方面，提供一种用于控制耦连到电网的发电系统的运行的方法，所述发电系统包括功率转换器和控制器，所述方法包括：监控表示电网的相位和所述发电系统的输出的相位之间的差的所述发电系统的输出参数；使用所述控制器至少部分基于所述输出参数生成命令信号；以及至少部分基于所述命令信号控制所述功率转换器的运行，以防止所述系统跳闸离线。 [0026] 监控输出参数包括在所述控制器接收代表所述发电系统的相位和电网的相位之间的差的锁相环（PLL）误差信号。 [0027] 生成所述命令信号包括：将所述PLL误差信号与预定义阈值作比较；至少部分基于所述PLL误差信号与所述预定义阈值的比较，生成PLL位移信号；以及至少部分基于所述PLL位移信号控制所述功率转换器的运行，以使所述发电系统的输出相位与电网的相位一致。附图说明 [0028] 图1是具有发电机的示例性发电系统的框图。 [0029] 图2是可以用在图1所示的发电系统中的示例性风力涡轮机的一部分的透视图。 [0030] 图3是图2所示的风力涡轮机部分的部分截面视图。 [0031] 图4是图2所示风力涡轮机的框图。 [0032] 图5是可以包括图2所示风力涡轮机的发电和输电系统的框图。 [0033] 图6是可以包括于图5所示的发电和输电系统中的示例性变换器控制系统的框图。 [0034] 图7是示例性功率转换器的框图。 [0035] 图8是图7所示功率转换器的示例性同步系统的示意性框图。 [0036] 图9至图18是图解说明图5所示发电和输电系统在电网紧急事件后的运行的图形视图。 [0037] 图19是用于控制图5所示发电和输电系统的示例性方法的流程图。 具体实施方式[0038] 如本文中使用的词语“叶片”想要表示在运动中提供对于周围流体的反作用力的任何装置。如本文中使用的词语“风力涡轮机”想要表示由风能产生旋转能量，更具体地将风的动能转换成机械能的任何装置。如本文中使用的词语“风力涡轮机的发电机”想要表示由风能产生的旋转能量产生电能，并且更具体地将由风的动能转换成的机械能转换成电能的风力涡轮机。 [0039] 本文中描述的方法、系统和计算机可读介质的技术效果包括以下当中的至少一个：（a）监控发电和输电系统的表示电网的相位角相对于系统的输出相位的角度的输出参数；（b）使用控制器至少部分基于输出参数生成命令信号；以及（c）至少部分基于命令信号控制功率转换器的运行，以使系统的输出相位与电网一致。 [0040] 本文中描述的方法、系统和计算机可读介质利于具有弱AC输电导致大的相位跟踪误差的电网从电网紧急事件恢复期间使发电和输电系统的输出相位与电网一致。 [0041] 本文中描述的用于控制功率变换组件的运行的同步系统生成线性变换器角参考信号以利于使功率变换组件的输出与电网同相。同步系统包括锁相环（PLL），所述PLL被配置成：接收来自电网的AC端电压，生成PLL相位角信号；以及生成PLL误差信号。PLL相位角信号是在变换器系统内进行各种控制的参考，其跟踪电网的相位。具体地，如果利用监控功能由此PLL相位角信号产生正弦波信号，这些正弦波信号会与电网存在的相应交流电压信号同相位排列。PLL相位误差信号是相位角信号和与电网存在的交流电压信号关联的相应相位之间的差。 [0042] 同步系统还包括线性角位移逻辑，所述线性角位移逻辑被配置成接收PLL误差信号并至少部分基于PLL误差信号生成PLL位移信号。求和结点被配置成将PLL相位角信号与PLL位移信号相加，以产生线性变换器角参考信号。变换器接口控制器被配置成基于线性变换器角参考信号生成线性变换器控制信号，并将线性变换器控制信号传输到功率转换器。按PLL误差的函数控制功率转换器的线性变换器的输出便于降低功率转换器从电网紧急事件中恢复期间可能产生的系统振荡。而且，降低系统振荡稳定了发电系统传输和电网。尽管本文中通常参照风力涡轮机进行描述，本文中描述的方法和系统适用于任何类型的发电系统，例如包括太阳能发电系统、燃料电池、地热发电机、水力发电机和/或由可再生和/或不可再生能源产生功率的其它装置。 [0043] 图1是包括发电机12的示例性发电系统10的框图。发电机12包括一个或多个发电单元14。发电单元14可包括例如风力涡轮机、太阳能电池、燃料电池、地热发电机、水力发电机和/或由可再生和/或不可再生能源产生功率的其它装置。尽管在示例性实施例中显示了三个发电单元14，在其它实施例中，发电机12可包括任何适当数目的发电单元14，包括只有一个发电单元14。 [0044] 在示例性实施例中，发电机12耦连到功率转换器16，功率转换器被配置成将来自发电机12的基本上为直流（DC）电的输出转换为交流（AC）电。交流电传输到配电网18或“电网”。在示例性实施例中，功率转换器16将被转换的交流电的电压和/或电流的幅值调整为适于配电网18的幅值，并提供频率和相位基本上等于配电网18的频率和相位的交流电。而且，在示例性实施例中，发电机16被配置成将三相交流电提供给配电网18。替代性地，发电机16可给配电网18提供单相交流电或任何其它相数的交流电。而且，在一些实施例中，发电系统10可包括超过一个功率转换器16。例如，在一些实施例中，每个发电单元14可耦连到单独的功率转换器16。 [0045] 在示例性实施例中，发电单元14包括一个或多个耦连的风力涡轮机20（图2中所示）以便于以期望的功率输出操作发电系统10。每个风力涡轮机20被配置成产生基本为直流的直流电。风力涡轮机20耦连到将直流电转换成交流电的功率转换器16或功率转换器系统16，交流电传输到配电网18。将参照这种风力涡轮机型的发电系统来进一步描述此方法和系统。然而，本文中描述的方法和系统适用于任何类型的发电系统。 [0046] 在其它实施例中，发电单元14包括耦连的太阳能板（未显示）以形成一个或多个太阳能阵列（未显示），以便于以期望的功率输出操作发电系统10。每个发电单元14可以是单个太阳能板或太阳能板的阵列。在一个实施例中，发电单元14包括以串联-并联配置耦连在一起的多个太阳能板和/或太阳能阵列，以便于由发电系统10产生期望电流和/或电压输出。在一个实施例中，太阳能板包括一个或多个光伏板、太阳能集热器或将太阳能转换成电能的任何其它装置。而且，每个太阳能板是这样一种光伏板，其由于太阳能冲击太阳能板而产生基本为直流的直流电。太阳能阵列耦连到功率转换器16，功率转换器16将直流电转换成交流电，交流电传输到配电网18。 [0047] 图2是可以用在发电系统10中的风力涡轮机20（例如水平轴风力涡轮机）的透视图。图3是风力涡轮机20的一部分的部分截面透视图。本文中描述和显示的风力涡轮机20是用于由风能产生电的风力涡轮机。而且，本文中描述和图示的风力涡轮机20包括水平轴配置。然而，在一些实施例中，除水平轴配置之外或替代水平轴配置，风力涡轮机20可包括垂直轴配置（未显示）。风力涡轮机20可耦连到电网18（图1中显示），用于从其接收电力以驱动风力涡轮机20和/或其关联的组件的运行和/或用于供应由风力涡轮机20产生的电力。尽管在图2和图3中显示出只有一个风力涡轮机20，但在一些实施例中，可以集合多个风力涡轮机20，有时称作“风场”。 [0048] 风力涡轮机20包括主体或机舱22和耦连到机舱22的转子（通常指示为24），以相对于机舱22绕旋转轴线52旋转。在示例性实施例中，机舱22安装在塔架28上。然而，在一些实施例中，机舱22除安装在塔架上之外或替代安装在塔架上，机舱22可被定位在靠近地面（未显示）和/或水面（未显示）。塔架28的高度可以是能够使风力涡轮机20以本文中描述的起作用的任何适当高度。转子24包括轮毂30和多个从轮毂30径向向外延伸的叶片32（有时称作“机翼”），用于将风能转换成旋转能。尽管在本文中将转子24描述和显示为具有三个叶片32，转子24可以具有任何数目的叶片32。叶片32可各自具有允许风力涡轮机20以本文中描述的起作用的任何长度。例如，在一些实施例中，一个或多个转子叶片32大约半米长，而在一些实施例中，一个或多个叶片32约50米长。叶片长度的其它例子包括10米左右，约20米，约37米，约40米。还有其它例子包括在约50米长和约100米长之间的转子叶片，以及大于100米长的转子叶片。 [0049] 不管图2中如何图示转子叶片32，转子24可具有任何形状的叶片32，可具有任何类型和/或任何配置的叶片32，不论这种形状、类型和/或配置是否在本文中描述和/或图示过。叶片32的另一种类型、形状和/或配置的一个例子是达里厄（Darrieus）风力涡轮机，有时被称为“打蛋器”涡轮机。叶片32的另一种类型、形状和/或配置的另一个例子是萨沃尼欧斯（Savonious）风力涡轮机。而且，在一些实施例中，风力涡轮机20可以是转子24通常面对逆风以利用风能的风力涡轮机，和/或可以是转子24通常面对下风以利用能量的风力涡轮机。当然，在任何实施例中，转子24可以不正好面对上风和/或下风，但可大致以任何角度（可以是可变的）面对风向，以利用其能量。 [0050] 风力涡轮机20包括耦连到转子24的发电机34，用于从转子24产生的旋转能产生电力。发电机34可以是任何适当类型的发电机，诸如但不局限于绕线式转子感应发电机，双馈感应发电机（DFG，也称为双馈异步发电机），永磁（PM）同步发电机，电激励同步发电机和开关磁阻发电机。发电机34包括定子（未显示）和转子（未显示），他们之间具有气隙。转子24包括耦连到转子轮毂30的转子轴36以与其一同旋转。发电机34耦连到转子轴36，使得转子轴36的旋转驱动发电机转子的旋转，因此使发电机34运行。在示例性实施例中，发电机34包括耦连到其上并耦连到转子轴36的发电机轴38，使得转子轴36的旋转驱动发电机转子的旋转。在其它实施例中，发电机转子直接耦连到转子轴36，有时称作“直接驱动型风力涡轮机”。在示例性实施例中，发电机轴38通过齿轮箱40耦连到转子轴36，不过在其它实施例中，发电机轴38直接耦连到转子轴36。 [0051] 转子24的转矩驱动发电机转子以由转子24的旋转产生可变频率的交流电。发电机34在发电机转子和定子之间具有反抗转子24的转矩的气隙转矩。功率变换组件42耦连到发电机34，用于将频率变化的AC转换成固定频率的AC，以便传输到电力负载（未显示），诸如但不限于耦连到发电机34的电网18（图1中所示）。功率变换组件42可包括单个变频器，或多个变频器，变频器被配置成将由发电机34产生的电能转换成适于通过电网输送的电能。在本文中功率变换组件42还可称作功率转换器。功率变换组件42可位于风力涡轮机20中的任何地方或远离风力涡轮机20的位置。例如，功率变换组件42可位于塔架28的底部（未显示）。 [0052] 在示例性实施例中，风力涡轮机20包括耦连到风力涡轮机20的至少一个组件的至少一个系统控制器44，用于总体控制风力涡轮机20的运行和/或控制其组件的运行。例如，系统控制器44可被配置成控制功率变换组件42、盘式制动器46、偏航系统48和/或可变叶片浆距系统50的运行。盘式制动器46制动转子24的旋转，以便例如使转子24的旋转变慢，制动转子24以对抗全风力转矩，和/或降低由发电机34产生电力。偏航系统48使机舱22绕旋转轴线52旋转，用于改变转子24的偏航，并且更具体地用于改变转子24面对的方向，以便例如调节转子24面对的方向与风向之间的角度。 [0053] 而且，可变叶片浆距系统50控制，包括但不限于改变叶片32相对于风向的浆距角（图2-3中所示）。浆距系统50可耦连到系统控制器44以进而进行控制。浆距系统50耦连到轮毂30和叶片32，用于通过使叶片32相对于轮毂30旋转从而改变叶片32的浆距角。浆距系统50可包括任何适当结构、配置、布置结构、装置和/或组件，不论是否在本文中描述和/或显示过，包括但不限于电动机、液压汽缸、弹簧和/或伺服机构。而且，浆距系统50可由任何适当装置驱动，不论是否在本文中描述和/或显示过，诸如但不限于液压流体、电力、电化学能和/或机械能，诸如但不限于弹力。 [0054] 图4是风力涡轮机20的框图。在示例性实施例中，风力涡轮机20包括耦连到风力涡轮机20的至少一个组件的一个或多个系统控制器44，用于总体控制风力涡轮机20的运行和/或控制其组件的运行，而不管这些组件是否在本文中描述和/或显示过。例如，在示例性实施例中，系统控制器44耦连到浆距系统50，用于总体控制转子24。在示例性实施例中，系统控制器44安装在机舱22内（图3中显示），然而，另外或替代性的，一个或多个系统控制器44可远离机舱22和/或风力涡轮机20的其它组件。系统控制器44可用于总体系统监控，并控制包括但不限于浆距和速度调整、高速轴和偏航制动应用，偏航和泵电动机应用和/或故障监控。在一些实施例中，可以使用替代性的分布式或集中式控制架构。 [0055] 在示例性实施例中，风力涡轮机20包括多个传感器，例如传感器54，56和58。传感器54，56和58被配置成测量各种参数，包括但不限于运行状态和大气状态。每个传感器54，56和58可以是单个传感器或者可以包括多个传感器。传感器54，56和58可以是具有在风力涡轮机20内或远离风力涡轮机20的任何适当方位的任何适当的传感器，其允许风力涡轮机20以如本文中描述的起作用。在一些实施例中，传感器54，56和58耦连到系统控制器44，用于将测量值传输到系统控制器44以对其进行处理。 [0056] 在一些实施例中，系统控制器44包括总线或其它通信装置以便于通信。一个或多个处理器64耦连到总线以处理信息，包括来自传感器54，56和58和/或其它（一个或多个）传感器的信息。（一个或多个）处理器64可包括至少一个计算机（未显示）。如本文中使用的词语“计算机”不限于在本领域被称作计算机的集成电路，但广义上指处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、专用集成电路和其它可编程电路，这些词语可在本文中替换使用。 [0057] 系统控制器44还可包括一个或多个随机存取存储器（RAM）66和/或其它（一个或多个）存储装置68。RAM66和存储装置68耦连到总线以存储并传输信息和指令以被（一个或多个）处理器64执行。RAM66（如果包括，和/或存储装置68）还可用来存储处理器64执行指令期间的临时变量或其它中间信息。系统控制器44还可包括一个或多个只读存储器（ROM）70和/或其它耦连到总线的静态存储装置，以存储并给处理器64提供静态（即不变化）的信息和指令。处理器64被配置成处理由多个电力和电子装置传输的信息，电力和电子装置可包括但不限于速度变换器和功率变换器。被执行的指令包括（不限于）常驻变换和/或比较器算法。指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何特定组合。 [0058] 系统控制器44还可包括或可耦连到（一个或多个）输入/输出装置72。输入/输出装置72可包括本领域已知的给系统控制器44提供输入数据和/或提供输出（诸如但不限于偏航控制和/或浆距控制输出）的任何装置。指令可从存储装置68通过远程连接提供给RAM66，存储装置包括例如磁盘、只读存储器（ROM）集成电路、CD-ROM和/或DVD，远程连接即提供对一个或多个电子访问介质访问的有线或无线。在一些实施例中，硬连线电路可以代替软件指令或与软件指令结合使用。因此，指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何特定组合，不论是否在本文中描述和/或显示过。同样，在示例性实施例中，输入/输出装置72可包括但不限于与操作员接口（未显示）关联的计算机外围设备，诸如鼠标和键盘。替代性地，还可使用其它计算机外围设备，可包括例如扫描仪（未显示）。而且，在示例性实施例中，附加输出通道可包括例如操作员接口监视器（在图4中未显示）。系统控制器44还可包括传感器接口74，其允许系统控制器44与传感器54，56，58和/或其它传感器通信。传感器接口74可包括一个或多个将模拟信号转换成可由处理器64使用的数字信号的模拟-数字转换器（未显示）。 [0059] 在示例性实施例中，风力涡轮机20包括耦连到传感器56的锁相环（PLL）调节器80。在示例性实施例中，传感器56是电压变换器，其被配置成测量功率变换组件42输出的终端电网电压。替代性地，PLL调节器80被配置成从多个电压变换器接收多个电压测量信号。在三相发电机的例子中，三个电压变换器中每个都电耦连到三相电网总线中的每一相。 PLL调节器80可被配置成从任何数目的电压变换器接收允许PLL调节器80以本文中描述起作用的任何数目的电压测量信号。 [0060] 图5是具有发电机的发电系统10，具体是使用风力涡轮机20（图2中所示）的风力涡轮机发电系统的框图。在示例性实施例中，发电机36包括转子25和定子27。转子25产生的电能与电网136异步（图6中显示），原因是转子轴36（图7中显示）的速度至少部分地由风速控制。为了使转子电压和电流与电网136同步，使用具有背靠背线性变换器82和由DC链接（DC-Link）78连接的转子变换器触发控制器84的功率变换组件42。系统10具有多个保护系统，保护系统设计成直接对电网事件（例如过压和欠压）作出反应，例如跳闸断路器60。根据一个实施例，转子变换器触发控制器84另外包括“撬棒”功能，其被配置成在靠近系统10的位置出现严重故障时使转子电路短路，隔离DC链接78。 [0061] 图6是示例性发电和输电系统150的框图。发电和输电系统150可用于风力涡轮机20或可包括于风力涡轮机20中（图2和图3中显示）。系统150包括能量来源，例如发电机34。尽管本文中描述为风力涡轮机发电机34，但能量来源可以包括允许系统150以本文中描述（例如太阳能发电系统）起作用的任何类型的发电机。系统150还包括功率转换器，诸如功率变换组件42。功率变换组件42接收由发电机34产生的电功率（Pv）132，将电功率132转换成适于通过输电和配电网136（本文中称为电网136）传输的电功率（Pt）134（本文中称为终端功率134）。在功率变换组件42和电网136之间的节点29定义端电压（Vt）138。大容量电力系统140耦连到电网136。大容量电力系统140包括多个负载和/或电源。变换器接口控制器156包括线性变换器触发控制器82和转子变换器触发控制器 84。变换器接口控制器156被配置成与功率变换组件42相接，以中继控制信号，诸如用于控制线性电压（例如端电压）和电流的相位的线性变换器控制信号216，以及用于控制转子电压和电流的相位的转子变换器控制信号218。 [0062] 电网紧急事件（即电网事件）可使电网136置于电网阻抗很高的降级模式。电网事件的一个例子包括电网136内输电线路（未显示）中一个的短路故障。输电保护动作去除了电网136的故障部分，以允许电网136的其余无故障部分运行。输电路径仍存在，输电路径将功率从系统150传输到大容量电力系统140的能力降级。这种电网事件在清除电网136的故障部分之前引起电网136上短时间的低电压。通常，在出现电网事件的时候，端电压138会显著降低，可能造成高的PLL误差信号190。 [0063] 电网事件的另一个例子包括弱电网条件。发电系统150的相位控制基于这样的概念，即所测量的电网电压波形具有固定的频率和幅值，功率从发电系统150注入到电网136中使得它并不影响所测量的电网电压波形的相位。发电系统150被配置成将功率注入电网136中，使得功率与测量的基础电压波形一致。在远离发电源来源的位置，电网电压波形的强度降低。在这些情况下，发电系统10的输出对由发电系统150测量的电网电压和频率具有显著影响。 [0064] 线性变换器触发控制器82被配置成使用PLL相位误差（称为PLL误差信号190）和测量的发电机电压（称为AC端电压）的测量值进行相位跟踪，以将PLL位移信号210与由线性变换器触发控制器82使用的PLL相位角信号208相加，以使其输出与电网136的相位一致。当电网暂态引起PLL调节器80产生大的相位误差时，相位跟踪保持DC电压在所允许的运行范围内。对于在具有弱AC输电的电网中的远程故障（例如电网事件），特别能观察到这种大的相位误差。 [0065] 图7是功率转换器42的示意框图。功率转换器42包括同步系统182，用于使线性变换器触发控制器82的输出与电网136的相位同步。输入信号源于例如发电机12中的传感器54，56，58（图4中显示）。 [0066] 图8是功率转换器42的同步系统182（图7中显示）的示意框图。在示例性实施例中，同步系统182包括线性角位移逻辑172，其被配置成便于将PLL误差信号190与阈值进行比较，基于该比较输出模拟信号，诸如PLL位移信号210。例如，当误差在阈值的上限和阈值的下限之间时，PLL位移信号210被设置为0。通过将PLL位移信号210设置为0，不对由线性变换器触发控制器82（图7中显示）使用的PLL相位角信号208执行任何附加相位移动，使系统150的输出与电网136的相位一致。当PLL误差信号190在由阈值限定的边界之外时，则PLL位移信号210被设置为PLL误差信号190的函数，以便移动由线性变换器触发控制器82（图7中显示）使用的PLL相位角信号208，以使其输出与电网136的相位一致。 [0067] PLL调节器80被配置成接收端电压138，产生PLL误差信号190，表示发电系统150的相位角和电网136（图6中显示）的相位角之间的差，PLL误差信号190由线性角位移逻辑172（例如线性角位移控制器，线性角位移逻辑电路）接收。线性角位移逻辑172被配置成接收端电压138，将PLL误差信号190与阈值相位进行比较。在一些应用中，阈值相位可以是测量的端电压幅值的函数。 [0068] 在示例性实施例中，当线性角位移逻辑172将PLL误差信号190与10度加上或减去由端电压138确定的相位角（例如，下阈值为等于比电网136的相位低10度的值，上阈值为等于比电网136的相位大10度的值）的阈值进行比较时，此结果用来将PLL位移信号210的值设置为0或设置为PLL误差信号190的函数。如果PLL误差信号190在阈值的上限和阈值的下限之间，则PLL位移信号210被设置0，除了PLL相位角信号208之外不对线性变换器角参考信号212施加任何补偿。如果PLL误差信号190在阈值边界之外，则PLL位移信号210被设置成PLL误差信号190的某种函数。替代性地，用于特定的发电系统150的函数取决于元件，诸如滞后、滤波、增益、偏置和其它特征，以便调节PLL相位角信号208（图6中显示），以便于为电网事件校正线性变换器角参考信号212。根据在图9至图18中实施而显示的示例性实施例，函数是具有滞后的死区函数。 [0069] 在示例性实施例中，线性角位移逻辑172被配置成接收PLL误差信号190，接收端电压138，至少部分基于PLL误差信号190和端电压138生成PLL位移信号210。PLL位移信号210被配置成使发电和输电系统（即发电系统10）的输出与电网136的相位一致。线性角位移逻辑172被配置成将PLL误差信号190与预定义阈值进行比较。当PLL误差信号190在由阈值限定的边界之内时，PLL位移信号120（图6中显示）保持为0值。当PLL误差信号190在由阈值限定的边界之外时，PLL位移信号210被设置为PLL误差信号190的函数。在示例性实施例中，阈值是电网136的相位的大约正或负10度（图6中显示）。替代性地，阈值可以是电网136的相位的大约正或负20度。 [0070] 同步系统182被配置成从电网136接收端电压136，生成PLL相位角信号208，生成PLL误差信号190。线性角位移逻辑172被配置成接收PLL误差信号190，至少部分基于PLL误差信号190生成PLL位移信号210。求和结点170被配置成将PLL相位角信号208与PLL位移信号210相加，生成线性变换器角参考信号212。变换器接口控制器156（图6中显示）被配置成至少部分基于线性变换器角参考信号212生成线性变换器控制信号216（图6中显示），将线性变换器控制信号216传输到功率变换组件42。而且，线性角位移逻辑172被配置成将PLL误差信号190与阈值进行比较。 [0071] 在示例性实施例中，线性变换器控制信号216被配置成使功率变换组件42的输出与电网136同相。线性角位移逻辑被配置成接收端电压138，至少部分基于端电压138生成PLL位移信号210。线性变换器角参考信号212被配置成当PLL误差信号190在预定义阈值之内时，保持系统150的输出相位。线性变换器角参考信号212被配置成当PLL误差信号190落到预定义阈值之外时，将系统150的输出相位从第一相位变成与电网136的相位匹配的第二相位。而且，线性变换器角参考信号212在提供给变换器接口控制器156（图6中显示）时，被配置成控制系统150的功率变换组件42（图6中显示）的运行，降低系统150的输出和电网136的相位之间的相位差。 [0072] 在示例性实施例中，转子角位置传感器54（图4中显示）被定位在发电机轴38上，被配置成产生转子角位置信号55。求和结点168被配置成从PLL相位角信号208中减去转子角位置信号55，以产生转子变换器角参考信号214。变换器接口控制器156被配置成基于转子变换器角参考信号214生成转子变换器控制信号218，将转子变换器控制信号218（图6中显示）传输到功率变换组件42。转子变换器控制信号218被配置成便于功率变换组件42的输出与电网136同相。 [0073] 图9至图18是图解说明发电和输电系统150在电网紧急事件后的运行的图形视图。更具体地，图9，图11，图13，图15和图17图解说明发电和输电系统150不包括同步系统，例如同步系统182（图6中显示）的运行。此外，图10，图12，图14，图16和图18图解说明包括同步系统182（图6中显示）的发电和输电系统150的运行。图9至图18中所示的示例性测量值是通过实验和/或计算得到的，并被包括以图解说明同步系统182对发电和输电系统150的影响。 [0074] 图9和图10是每个单位相对时间的端电压138（图6和图7中显示）的图形视图。在示例性例子中，端电压138的振荡是例如在系统150从电网紧急事件中恢复时出现的系统振荡的一个例子。因为三相AC端电压138不同相，组合了三相AC的幅值在大约0.55和 0.63秒之间漂移，图解说明了发电机输出和来自电网136的电压组合之后的不稳定性。 [0075] 图9图解说明了系统振荡（例如端电压138的振荡）随时间增大，直到DC电压142（图13中显示）引起断路器60（图5中显示）跳闸，使发电系统150离线。在跳闸事件之后端电压138的幅值表明来自电网136电压的稳态振荡。 [0076] 图10图解说明了由同步系统182的运行引起的端电压138的降低，同步系统182被配置成在允许幅值返回到其额定运行水平之前，在电网紧急事件刚一开始（例如大约0.55秒）时，首先降低端电压138的总幅值。更具体地，图10图解说明了线性角位移逻辑 172（图6中显示）施加到线性变换器触发控制器82（图5中显示）的运行是如何控制端电压138的。图9和图10的垂直轴线代表由发电系统150确定的电压的单位。例如，如果发电系统150输出690伏的电压作为端电压138，则垂直轴线上的一个单位会对应于690伏。 因此，该单位的一部分对应于690伏的一部分。 [0077] 图11和图12是每个单位相对时间的电功率134的输出的图形视图。一开始，显示了稳态的电功率134是1个单位（图11中显示），其对应于稳态下发电系统150的电功率134的设计输出。例如，1.5兆瓦的发电系统150在1个单位会输出1.5兆瓦的电功率134。 在出现电网紧急事件的时候，例如在大约0.55秒，功率134显示为上下振荡，直到断路器60（图5中显示）在大约0.63秒跳闸，从系统150去掉了电功率134输出。相比较来说，图12图解说明了当线性角位移逻辑172（图6中显示）被配置成校正由电网紧急事件引起的相位状态的输出时，电功率134一开始降低。当线性角位移逻辑172将PLL位移信号210与PLL相位角信号208相加，线性变换器角参考信号212引起线性变换器触发控制器82使电功率134的输出的相位与电网136的相位一致，以利于增大从发电系统150输出的电功率，直到它在大约1秒基本恢复到其电网紧急事件之前。 [0078] 图13和图14是以伏特相对时间的DC链路78（图5中显示）两端的DC电压142的图形视图。图13图解说明了DC电压142在紧急事件开始时开始振荡，最终超过预定义的阈值，引起断路器60跳闸。图14图解说明了当线性角位移逻辑172（图8中显示）控制线性变换器触发控制器82（图5中显示）的输出时，DC电压142振荡，以利于防止DC电压142超过跳闸电压，进而允许DC电压142稳定，发电系统150继续运行。 [0079] 图15和图16是弧度相对时间的PLL误差信号190的图形视图。如上文描述的，在电网紧急事件之后，在紧急事件期间由发电系统150引起的系统振荡由PLL误差信号190（图8中显示）表示。系统150和电网136之间的相位误差在大约0.63秒时变得很高，引起DC电压142（图13中显示）超过预定义阈值，引起断路器60（图5中显示）跳闸，使系统150不输出功率。图16图解说明了系统振荡的幅值降低，如由PLL误差信号振荡的总体幅值中的降低表示的。 [0080] 图17和图18是弧度相对时间的PLL位移信号210的图形视图。图18图解说明了不进行同步，不向线性角触发控制器82（图7中显示）提供PLL位移信号210。因此，PLL相位角信号208和PLL位移信号210的和170（图8中显示）等于PLL相位角信号208，相位角信号208被配置成引起DC电压142超过预定义值。图18图解说明了PLL位移信号210和PLL相位角信号208与PLL位移信号210的和170相加导致PLL误差信号190的下降的幅值，其并不驱动DC电压142到跳闸断路器60（图5中显示）所需的电平，以利于发电系统150的继续运行。 [0081] 图19图解说明了用于控制连接到电网（诸如电网136（图6中显示））的发电和输电系统（例如发电系统150（图6中显示））的输出的相位的示例性方法1900的流程图。发电和输电系统可包括发电机，例如发电机34（图5中显示），功率转换器，例如电力变换组件42（图6中显示），和控制器，例如变换器接口控制器156（图6中显示）。方法1900包括监控指示电网的相位角相对系统的输出相位角的发电和输电系统的输出参数1902。方法1900包括使用控制器至少部分基于输出参数产生命令信号1904。而且，方法1900包括至少部分基于命令信号控制功率转换器的运行，以使系统的输出的相位与电网一致1906。在示例性实施例中，监控输出参数包括在控制器接收PLL误差信号，例如PLL误差信号190（图8中显示）。而且，生成命令信号，例如线性变换器角参考信号212（图8中显示）包括将PLL误差信号与阈值进行比较，至少部分基于PLL误差信号生成PLL位移信号，例如PLL位移信号 210（图8中显示）。 [0082] 本文中描述的实施例促进风力涡轮机的高效和成本有效的运行。风力涡轮机包括至少部分基于测量的PLL误差生成PLL位移信号的同步系统。PLL位移信号被配置成使发电和输电系统的输出与电网的相位一致。本文中描述的方法和系统便于提高在弱AC输电网中电网紧急事件之后由风力涡轮机输出的电压和/或功率的稳定性。 [0083] 在上文中详细描述了风力涡轮机、同步系统和用于响应电网紧急事件的出现操作风力涡轮机的方法的示例性实施例。所述方法、风力涡轮机和同步系统不限于本文中描述的特定实施例，而是，风力涡轮机的组件，同步系统的组件和/或方法的步骤可独立地与本文中描述的其它部件和/或步骤单独地使用。例如，同步系统和方法还可与其它风力涡轮机电力系统和方法结合使用，不局限于只用本文中描述的电力系统来实施，而是，可以与许多其它风力涡轮机或电力系统应用关联地实施和使用示例性实施例。 [0084] 尽管在一些附图中显示了本发明的各个实施例的特定特征，而在其它附图中没有显示，但这只是为了方便。根据本发明的原则，附图的任何特征都可以与其它任何附图的任何特征结合地被引用和/或声称。 |
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