用于控制功率生成资产的系统和方法 |
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| 申请号 | CN202280051199.3 | 申请日 | 2022-06-07 | 公开(公告)号 | CN117897881A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 通用电气电网有限责任公司; | 发明人 | P·H·哈特; C·J·科苏斯; A·F·穆思维; | ||||
| 摘要 | 提供一种用于功率产生设施的控制系统(100)。所述控制系统(100)包括配置成向功率 电网 (106)供应功率的多个功率生成资产。所述控制系统还包括与多个功率生成资产(104)通信耦合的 控制器 (102)。所述控制器(102)配置成接收对应于反馈参数的至少一个反馈值。所述至少一个反馈值表示与功率电网相关联的测量值。所述控制系统还配置成基于所接收的至少一个反馈值来确定在控制的闭环模式或开环模式中的一种模式中操作。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于功率产生设施的控制系统，所述控制系统包括: |
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| 说明书全文 | 用于控制功率生成资产的系统和方法相关申请的交叉引用 [0001] 本申请要求2021年6月8日提交的题为“SYSTEM AND METHODS FOR CONTROL OF POWER GENERATION ASSETS”的美国非临时申请NO.17/341828的优先权，其全部内容特此通过引用并入于此。 技术领域[0002] 本发明的领域一般涉及控制系统，并且更具体地涉及用于功率产生设施中的功率生成资产的控制系统。 背景技术[0003] 功率产生设施或“农场”包括一组功率生成资产(例如风力涡轮、太阳能电池等)，并且用来向功率电网供应功率。这样的功率电网通常被要求以维持某些操作参数，例如规定的频率、电压和无功功率。因此，功率产生设施包括控制系统，其用来确保功率生成资产的输出符合电网要求。由这样的控制系统使用的一种方法利用闭环控制，其中基于从功率电网接收的反馈来控制功率生成资产的参数，例如电压和有功功率。这样的闭环控制通常随着时间的推移减少稳态误差，从而提高精度，以所述精度能够维持电网要求。然而，当在农场级别操作控制时，与闭环控制相关联的测量延迟、通信延迟和时间常数可能约束功率产生设施及时响应事件或干扰(例如对功率电网的损坏或功率产生设施的手动重新配置)的能力。在这样的情况下，响应的速度可能优先于稳态误差。因此，一种能够快速响应这样的事件或干扰的控制系统是期望的。 发明内容[0004] 在一个方面中，提供一种用于功率产生设施的控制系统。所述控制系统包括配置成向功率电网供应功率的多个功率生成资产。所述控制系统还包括与多个功率生成资产通信耦合的控制器。所述控制器配置成接收对应于反馈参数的至少一个反馈值。所述至少一个反馈值表示与功率电网相关联的测量值。所述控制系统还配置成基于所接收的至少一个反馈值来确定在控制的闭环模式或开环模式中的一种模式中操作。 [0005] 在另一方面中，提供一种用于控制功率产生设施的方法，所述功率产生设施包括配置成向功率电网供应功率的多个功率生成资产。所述方法由与多个功率生成资产通信耦合的控制器执行。所述方法包括由控制器接收对应于反馈参数的至少一个反馈值。所述至少一个反馈值表示与功率电网相关联的测量值。所述方法还包括由控制器基于所接收的至少一个反馈值来确定在控制的闭环模式或开环模式中的一种模式中操作。 [0006] 在另一方面中，提供一种用于功率产生设施的控制器，所述功率产生设施包括配置成向功率电网供应功率的多个功率生成资产。所述控制器与多个功率生成资产通信耦合。所述控制器配置成接收对应于反馈参数的至少一个反馈值。所述至少一个反馈值表示与功率电网相关联的测量值。所述控制器还配置成基于所接收的至少一个反馈值来确定在控制的闭环模式或开环模式中的一种模式中操作。附图说明 [0007] 在参考附图阅读下面详细描述时，本公开的这些及其他特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相似字符在附图通篇中表示相似部分，其中: [0008] 图1是示例控制系统的框图。 [0009] 图2是图1中所图示的示例控制系统的另一框图。 [0010] 图3是可用于图1和图2中所描绘的控制系统中的示例比例积分微分(PID)控制器的框图。 [0011] 图4是用于控制功率产生设施的示例方法的流程图。 具体实施方式[0013] 单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数参考，除非上下文另有明确指示。 [0014] 如本文所使用的近似语言在说明书和权利要求书通篇中可用于修饰任何定量表示，该定量表示可允许变化，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(例如“大约”、“基本上”和“近似”)修饰的值将不限于指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。在这里以及在整个说明书和权利要求书通篇中，范围限制可以组合和/或互换，这样的范围被识别并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。 [0015] 本文描述的实施例包括控制系统，所述控制系统包括配置成向功率电网供应功率的多个功率生成资产。功率生成资产可以是例如风力涡轮、太阳能电池、蓄电池存储电池或它们的组合，它们一起形成功率产生设施。所述控制系统还包括与多个功率生成资产中的每个功率生成资产通信耦合的控制器。所述控制器配置成在两种模式中的一种模式中操作。 [0016] 在第一模式(有时在本文中被称为“闭环模式”)中，控制器基于从功率电网接收的反馈数据操作。在闭环模式中，控制器配置成接收对应于反馈参数的至少一个反馈值。所述至少一个反馈值表示从功率电网测量的值，例如频率、电压或无功功率。基于所接收的至少一个反馈值和对应于反馈参数的设定点，控制器配置成计算对应于控制参数的第一控制值，例如用于多个功率生成资产中的一个功率生成资产的输出有功功率或电压。控制器控制多个功率生成资产中的至少一个功率生成资产以便根据所计算的第一控制值操作。 [0017] 在第二模式(有时在本文中被称为“开环模式”)中，不是基于来自功率电网的反馈操作，控制器而且基于由前馈系统确定的更新的设定点操作功率生成资产。在一些实施例中，更新的设定点被表达为增量命令，所述增量命令可以是例如与当前控制值的需求变化。因此，所述控制系统可以更快地响应触发事件。这些触发事件(例如比如功率电网上的损坏或故障、重新配置事件或导致功率电网的反馈参数显著偏离期望设定点的其他事件)可能要求快速响应，而不需要很高的精度，例如在闭环模式中提供的精度。 [0018] 在开环模式中，控制器配置成生成增量命令。增量命令对应于控制参数的值的变化。基于增量命令，控制器配置成计算对应于控制参数的第二控制值，并且控制多个功率生成资产中的至少一个功率生成资产以便根据所计算的第二控制值操作。 [0019] 另外，本文描述的控制方法可应用于不同于功率产生或分配系统的系统。更具体地，闭环控制和开环控制的组合可以相对于在各种上下文中操作的其他控制系统被应用。 [0020] 图1是图示示例控制系统100的框图。控制系统100包括控制器102和配置成向功率电网106供应功率的多个功率生成资产104。控制器102和功率生成资产104一起可以形成功率产生设施的至少一部分。例如，在一些实施例中，功率生成资产104是组成风电场的个体风力涡轮。在备选示例中，功率生成资产104可以是光伏或太阳能电池、蓄电池能量存储电池或其他电能产生装置。功率电网106通常必须符合某些操作要求，例如根据规定的电压、频率和无功功率操作。功率电网106的电压、频率和无功功率受到诸如功率生成资产104的有功功率和电压输出之类的控制参数的影响。因此，控制器102配置成控制功率生成资产104的有功功率和电压，以维持功率电网106的规定的电压和频率。 [0021] 控制器102配置成在两种不同模式中的一种模式中操作。默认情况下，控制器102在闭环模式中操作。在闭环模式中，控制器102使用来自功率电网106的反馈来控制功率生成资产104。例如，在一些实施例中，控制器102接收对应于功率电网106处的反馈参数的测量，例如电压、频率或无功功率值。基于测量和规定的设定点之间的差，控制器102计算误差值。控制器102使用所计算的误差值来进一步计算控制值(例如有功功率或电压值)，并且根据所计算的控制值来操作功率生成资产104。例如，如果所检测的电压或频率是低的，则控制器102可以增加功率生成资产104的功率或电压输出。如下面进一步详细描述的，在一些实施例中，控制器102配置成使用比例积分微分(PID)控制算法基于误差值来计算控制值。 [0022] 控制器102还在开环模式中操作。在开环模式中，控制器102根据预定的更新设定点，而不是基于功率电网106的所检测到的性质，来控制功率生成资产104的操作参数。例如，在一些实施例中，控制器102生成或接收增量命令(例如功率生成资产104的功率或电压的预期变化的值)，并且然后相应地调节功率生成资产104的功率或电压。在一些实施例中，当要求功率生成资产104的高速调整的事件发生时，控制器102在开环模式中操作。这样的事件可以包括例如频率的意外下降，或者功率电网106的超过阈值的电压。当事件已经结束时，例如，当频率或电压返回到正常值或者已经过设定量的时间时，控制器102可以恢复到闭环模式。 [0023] 图2是控制系统100的另一个框图，示出控制器102的进一步细节。控制器102包括比例积分微分(PID)控制器202、多个电网服务组件204以及加权和设定点生成组件206。PID控制器202配置成确定一个或多个控制参数值，在所述一个或多个控制参数值，控制功率生成资产104。控制参数可以对应于不同的操作参数，例如比如功率或电压。在一些实施例中，PID控制器202可生成用于每个功率生成资产104的资产特定的控制参数。 [0024] 当在闭环模式中操作时，PID控制器202可基于对应于功率电网106的反馈参数值(例如比如频率或电压)来生成控制参数值。基于反馈参数和设定点(例如，期望的频率或电压)，PID控制器202计算误差值。如下面进一步详细描述的，PID控制器202使用比例、积分和微分项来基于误差值计算更新的控制参数值，并且基于更新的控制参数值来控制功率生成资产104。 [0025] 偶然地，可能会发生要求快速调整控制参数以维持期望的设定点的事件。在这样的情况下，PID控制器202可以切换到开环模式，并且暂时在开环模式中操作。在一些实施例中，PID控制器202在开环模式中操作，同时经由加权和设定点生成组件206从例如电网服务组件204接收启用前馈命令。前馈命令可以是例如布尔逻辑值。电网服务组件204响应于要求相对快速地调整控制参数的事件，例如当反馈参数之一和对应的设定点之间的差超过阈值差时，生成启用前馈命令。 [0026] 当在开环模式中操作时，电网服务组件204配置成响应于识别触发事件而生成对应于控制参数的期望变化的增量命令。由加权和设定点生成组件206对一个或多个增量命令进行加权和聚合，所述加权和设定点生成组件206将更新的设定点与启用前馈命令一起传输到PID控制器202。响应于接收到启用前馈命令，PID控制器202使用基于更新的设定点的控制参数值来控制功率生成资产104。因此，当控制器102在开环模式中操作时，可以相对快速调整控制参数以及相应调整功率电网106的特性。当触发开环模式的事件结束时，电网服务组件204停止生成启用前馈命令，并且PID控制器202恢复到在闭环模式中的操作。 [0027] 图3是PID控制器202的框图。PID控制器202包括比例组件302、积分组件304和微分组件306。当PID控制器在闭环模式中正操作时，比例组件302、积分组件304和微分组件306接收基于设定点(例如，期望的频率或电压)和反馈参数(例如，实际测量的频率或电压)之间的差计算的误差值，并且输出相应的子控制参数，所述子控制参数被聚合以确定输出到功率生成资产104的控制参数。比例组件302输出对应于误差值乘以比例系数(Kp)的值。积分组件304输出对应于随时间的推移积分的误差值乘以积分系数(Ki)的值。微分组件306输出对应于误差值的时间导数乘以微分系数(Kd)的值。可以选择系数Kp、Ki和Kd，使得可以相对快速地减小误差，同时最小化过冲。因此，当在闭环模式中操作时，PID控制器202生成控制参数，所述控制参数实现以低稳态误差精确控制功率电网106的参数。 [0028] 当触发到开环模式的转变的事件发生时，比例组件302、积分组件304和微分组件306接收启用前馈命令。响应于接收启用前馈命令，比例组件302、积分组件304和微分组件 306停止基于误差输出，并且PID控制器202改为基于增量命令输出控制参数值。因此，当在开环模式中操作时，功率电网106的参数可以响应于触发事件被更快地调整。当电网服务组件204确定触发事件结束时，电网服务组件204停止传输启用前馈命令，并且比例组件302、积分组件304和微分组件306恢复在闭环模式中操作。 [0029] 图4是图示用于控制功率产生设施的示例方法400的流程图。在一些实施例中，方法400由诸如控制系统100(图1和图2中所示)之类的控制系统执行，例如使用控制器102执行。 [0030] 方法400包括由控制器(例如控制器102)接收402对应于反馈参数的至少一个反馈值。所述至少一个反馈值表示与功率电网(例如功率电网106)相关联的测量值。反馈参数可以是例如功率电网106的频率、电压或无功功率。例如，在某些实施例中，反馈参数是频率，并且控制参数是有功功率。作为另一个示例，在其他实施例中，反馈参数是无功功率，并且控制参数是电压。 [0031] 方法400还包括基于所接收的至少一个反馈值来确定404在控制的闭环模式或开环模式中的一种模式中操作。在一些实施例中，方法400还包括响应于检测触发事件而在开环模式中操作控制器。在一些这样的实施例中，检测触发事件包括由控制器确定设定点和反馈值之间的差大于阈值差。 [0032] 在一些实施例中，方法400还包括在闭环模式中，由控制器基于所接收的至少一个反馈值和对应于反馈参数的设定点，计算406对应于控制参数的第一控制值。控制值可以是例如功率生成资产104中的一个功率生成资产的有功功率或电压。在一些实施例中，计算控制值包括：由控制器基于反馈值和设定点计算误差值，所述误差值对应于反馈参数；以及由控制器基于误差值计算第一控制值。在一些这样的实施例中，基于误差值计算第一控制值包括由控制器基于误差值计算比例项、积分项和微分项，以及由控制器对比例项、积分项和微分项求和以确定第一控制值。 [0033] 在这样的实施例中，方法400还包括在闭环模式中，由控制器控制408多个功率生成资产(例如功率生成资产104)中的至少一个功率生成资产以便根据所计算的第一控制值操作。在一些实施例中，功率生成资产包括风力涡轮、能量存储装置或太阳能电池中的至少一个。 [0034] 在一些实施例中，方法400还包括在开环模式中，由控制器生成410对应于控制参数的增量命令。例如，增量命令可以是用来将功率生成资产104中的一个功率生成资产的有功功率或电压设定点调整某个量的命令。 [0035] 在这样的实施例中，方法400还包括在开环模式中，由控制器基于增量命令计算412对应于控制参数的第二控制值。 [0036] 在这样的实施例中，方法400还包括在开环模式中，由控制器控制414多个功率生成资产中的至少一个功率生成资产以便根据所计算的第二控制值操作。在某些这样的实施例中，方法400还包括在开环模式中，控制多个功率生成资产中的至少两个功率生成资产以便根据所计算的开环控制值操作。在一些这样的实施例中，方法400还包括在开环模式中，计算用于多个功率生成资产中的每个功率生成资产的不同的相应开环控制值。 [0037] 在一些实施例中，控制器包括至少一个电网服务组件，并且方法400还包括由电网服务组件基于从功率电网接收的数据生成增量命令。在一些实施例中，控制器包括多个电网服务组件以及加权和设定点生成组件，并且方法400还包括由多个电网服务组件生成相应的子增量命令，并且由加权和设定点生成组件通过对子增量命令求和来生成增量命令。 [0038] 本文描述的方法、系统和设备的示例技术效果包括以下中的至少一个:(a)通过在开环模式中控制功率产生设施的功率生成资产来减少对要求调整功率产生设施的操作的事件的响应时间；以及(b)当不要求增加的响应速率时，通过在闭环模式中操作功率产生设施的功率生成资产来减少功率产生设施的操作中的稳态误差。 [0039] 本文提供控制系统的示例实施例。操作和制造这样的系统和装置的系统和方法不限于本文所述的具体实施例，而是系统的组件和/或方法的步骤可独立于本文所述的其他组件和/或步骤并且与其分开地被利用。例如，所述方法也可以与其他电子系统组合使用，并且不限于仅利用如本文描述的电子系统和方法来实施。相反，示例实施例可以结合许多其他电子系统来实现和利用。 [0040] 一些实施例涉及一个或多个电子或计算装置的使用。这样的装置通常包括处理器、处理装置或控制器，例如通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)装置和/或能够执行本文描述的功能的任何其他电路或处理装置。本文描述的方法可以被编码为体现在计算机可读介质中的可执行指令，所述计算机可读介质包括但不限于存储装置和/或存储器装置。这样的指令当由处理装置执行时使得处理装置执行本文描述的方法的至少一部分。上述实施例仅是示例，并且因此不旨在以任何方式限制术语处理器和处理装置的定义和/或含意。 [0041] 尽管本公开的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征都可以与任何其他附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。 [0042] 本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书来限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们处于权利要求的范围之内。 |
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