用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的系统和方法与流程

1.本公开一般涉及基于逆变器的资源，例如风力涡轮功率系统，并且更特别地涉及用于提供用于基于逆变器的资源的电网形成控制的系统和方法。


背景技术：

2.风功率被认为是目前可获得的最清洁、环境友好的能量源之一，并且风力涡轮在这方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮通常包括塔、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理捕获风的动能。例如，转子叶片通常具有翼型的横截面轮廓，使得在操作期间，空气在叶片之上流动，从而在两侧之间产生压力差。因此，从压力侧朝向吸力侧的升力作用在叶片上。提升力在主转子轴上生成扭矩，所述主转子轴通常与用于产生电力的发电机啮合。
3.风力涡轮可以区分为两种类型：固定速度和可变速度涡轮。通常，可变速度风力涡轮被控制为连接到功率电网的电流源。换言之，可变速度风力涡轮依赖于由锁相环（pll）检测的电网频率作为参考，并将指定量的电流注入到电网中。风力涡轮的常规电流源控制是基于以下假设：电网电压波形是具有固定频率和幅度的基本电压波形，并且风功率进入电网的穿透足够低，从而不会对电网电压幅度和频率造成干扰。因此，风力涡轮基于基本电压波形仅将指定电流注入到电网中。然而，随着风功率的快速增长，进入一些电网的风功率穿透已经增加到其中风力涡轮发电机对电网电压和频率具有显著影响的程度。当风力涡轮位于弱电网中时，风力涡轮功率波动可能导致电网电压的幅度和频率变化中的增加。这些波动可能不利地影响pll和风力涡轮电流控制的性能和稳定性。
4.许多现有的可再生生成转换器（例如双馈风力涡轮发电机）以“电网跟随”模式操作。电网跟随型装置利用快速电流调节回路来控制与电网交换的有功和无功功率。更特别地，图1图示用于电网跟随的双馈风力涡轮发电机的主电路和转换器控制结构的基本元件。如所示，转换器的有功功率参考由能量源调节器（例如风力涡轮的涡轮控制部分）形成。这作为表示在那个时刻来自能量源的最大可获得功率中的较小者的扭矩参考或来自较高级电网控制器的缩减（curtailment）命令来传达。转换器控制然后确定用于电流的有功分量的电流参考以实现预期扭矩。因此，双馈风力涡轮发电机包括以导致用于电流的无功分量的命令的方式管理电压和无功功率的功能。宽带宽电流调节器然后形成用于由转换器施加到系统的电压的命令，使得实际电流紧密地跟踪命令。
5.备选地，电网形成型转换器提供电压源特性，其中控制电压的角度和幅度以实现由电网所需的调节功能。利用这种结构，电流将根据电网的需求流动，而转换器有助于建立用于电网的电压和频率。这个特性与基于驱动同步机器的涡轮的传统发电机相当。因此，电网形成源必须包括以下基本功能：（1）支持用于设备的额定值内任何电流流动的电网电压和频率，有功和无功；（2）通过允许电网电压或频率改变而不是断开设备（仅当电压或频率超出由电网实体所建立的界限时才允许断开）来防止超出设备电压或电流能力的操作；（3）对于包括下列的任何电网配置或负载特性保持稳定：服务于隔离负载或与其他电网形成源
连接，以及在这样的配置之间切换；（4）在连接到所述电网的其他电网形成源之中分担所述电网的总负载；（5）跨越主要和次要的电网干扰；并且（6）满足要求（1）-（5）而不要求与电网中存在的其他控制系统或与电网配置改变相关的外部产生的逻辑信号进行快速通信。
6.在二十世纪九十年代早期，为电池系统开发和现场证明用来实现上述电网形成目标的基本控制结构（例如，参见标题为“battery energy storage power conditioning system”的美国专利no.5798633）。在标题为“system and method for control of a grid connected power generating system”的美国专利no.7804184和标题为“controller for controlling a power converter”的美国专利no.9270194中公开全转换器风力发电机和太阳能发电机的应用。在标题为“system and method for providing grid-forming control for a double-feb wind turbine generator”的pct/us2020/013787中公开用于双馈风力涡轮发电机的电网形成控制的应用。
7.作为示例，图2图示电网形成系统的主电路的一个实施例的示意图。如所示，主电路包括在dc和ac侧具有连接的功率电子转换器。这个转换器从控制器接收选通命令，所述该控制器以thvcnv的角度产生ac电压相量vcnv。所述角度相对于具有固定频率的参考相量。dc侧被供应有能够生成或吸收功率甚至达短的持续时间的装置。这样的装置可以包括例如电池、太阳能板、具有整流器的旋转机器或电容器。另外，如所示，所述电路包括将转换器连接到示为图2中的电压vt和角度thvt的其互连点的电感阻抗xcnv。互连点后面的电气系统被示为在角度thvthev下具有阻抗zthev和电压vthev的thevenin等效物。这个等效物可用来表示任何电路，包括具有负载的电网连接和孤岛电路。在实际情况下，阻抗zthev将主要是电感的。
8.仍然参考图2，主控制的闭环部分从互连点处的电压和电流接收反馈信号。从更高级控制（未示出）接收附加输入。虽然图2图示作为示例的单个转换器，但是可以在阻抗xcnv之后产生受控电压vcnv的电等效物的设备的任何分组都可以应用所公开的控制方案以实现相同的性能益处。
9.现在参考图3，图示根据传统构造的用于提供电网形成控制的控制图。如所示，转换器控制器1从更高级控制2接收参考（例如，vref和pref）和限制（例如，vcmdlimits和pcmdlimits）。这些高级限制是电压、电流和功率的物理量。主调节器包括快电压调节器3和慢功率调节器4。这些调节器3，4具有施加到用于电压幅度（例如，vcnvcmd）和角度（例如，和）的转换器控制命令的最终限制，以分别实现对电流的无功分量和实分量的约束。此外，这样的限制基于作为缺省值的预定固定值，其中如果电流超过限制，则进行闭环控制以减小限制。
10.为了有效，电网形成（gfm）的基于逆变器的资源（ibr）必须能够维持内部电压相量，当存在电网状况中的变化时，例如负载的突然增加/移除、导致相位跳变和/或频率的快速变化的电网连接的打开或关闭，该内部电压相量不快速移动。换句话说，来自电网形成资源的功率必须能够突然改变以稳定电网，其中随后慢复位到功率从更高级控制功能命令。另外，电网形成资源必须能够快速地实施由于对装置的功率处置部分（例如电池、太阳能电池阵列和/或风力发电系统中的dc电压/电流）的约束而存在的功率限制。对于电网上的严重干扰（例如，其中功率限制将被动态调整以与电网状况协调以从故障中安全恢复的故障）需要这样的响应。此外，电网形成资源应该能够快速地跟随来自更高级控制的命令中的变
化，例如以用于衰减风力涡轮中的机械振动。然而，这样的要求可能难以实现。
11.此外，严重电网事件可能导致从gfm ibr取出的有功功率中的大的变化。因此，这些事件可能导致ib设备中的过量功率或电网与ibr之间的不期望的功率振荡。
12.用于ibr的gfm控制通常通过电压幅度、频率和角度的修改来实现。gfm控制的一个特性是响应于电网事件的受控电压频率和角度的慢响应。以这种方式设计控制以提供类似于同步机器的物理特性的合成惯性和同步扭矩特性。然而，这种控制设计的结果是，相对于快速变化的电网状况的gfm ibr的慢变化的内部频率和相位可能导致在电网事件期间和之后资源的有功功率输出中的不期望的振荡。另外，在这些事件期间，电网可以从gfm ibr中提取超过其设计额定值的功率电平。
13.鉴于上述内容，解决上述问题的改进的系统和方法在本领域中将是受欢迎的。因此，本公开涉及用于动态地改变gfm ibr的惯性以促进在严重电网事件期间更好地控制功率输出的系统和方法。更特别地，本公开涉及用于在严重电网事件期间暂时控制具有更高带宽（例如，小到零惯性）的gfm ibr的有功功率输出以更紧密地控制有功功率输出直到电网稳定的系统和方法。


技术实现要素：

14.本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中明白，或可通过本发明的实践来学习。。
15.在一个方面中，本公开涉及一种用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的方法。所述方法包括针对一个或多个电网事件来监测电力网。所述方法还包括经由控制器的功率调节器基于所述一个或多个电网事件是否指示严重电网事件来控制基于逆变器的资源的有功功率。特别地，当所述一个或多个电网事件低于严重电网事件阈值从而指示所述一个或多个电网事件不是严重电网事件时，所述方法包括经由所述功率调节器根据正常操作模式来控制所述有功功率。此外，当所述一个或多个电网事件超过所述严重电网事件阈值从而指示所述一个或多个电网事件是严重电网事件时，所述方法包括经由所述功率调节器根据修改的操作模式来控制所述有功功率。此外，所述修改的操作模式包括在长达所述一个或多个电网事件超过严重电网事件阈值的期间内（for as long as）暂时重新配置所述功率调节器以减少或消除由严重电网事件引起的功率过载。
16.在实施例中，针对一个或多个电网事件来监测所述电力网可以包括监测所述电力网的一个或多个电压反馈并且将所述一个或多个电压反馈与电压阈值进行比较。
17.在另一个实施例中，所述方法包括使用用于功率角度命令、最大角度限制和最小角度限制中的至少一个的控制信号来确定所述一个或多个电网事件是否指示所述严重电网事件。
18.在另外的实施例中，在正常操作模式期间，当所述功率角度命令在预期角度限制内时，上述方法可以包括使第一功率角度限制计数器（counter）递增地增加。在这样的实施例中，当所述功率角度命令在所述预期角度限制之外时，上述方法可以包括使所述第一功率角度限制计数器递增地减小。
19.在附加实施例中，在正常操作模式期间，当所述第一功率角度限制计数器等于或超过第一限制计数器阈值达某个持续时间时，所述方法可以包括将所述功率调节器切换到
所述修改的操作模式。
20.在实施例中，在长达所述一个或多个电网事件超过所述严重电网事件阈值的期间内暂时重新配置所述功率调节器以减少或消除由所述严重电网事件引起的功率过载可以包括提供低到零惯性控制结构以允许对所述有功功率的更快控制。
21.在这样的实施例中，提供低到零惯性控制结构以允许对所述有功功率的更快控制可以包括将所述功率调节器的惯性功率调节器频率设置为等于所述功率调节器的锁相环频率，以及将所述功率角度命令设置为等于所述功率调节器的前馈功率角度命令。
22.在另一个实施例中，在所述修改的操作模式期间，所述方法可以包括当所述功率角度命令在预期角度限制内时使第二功率角度限制计数器递增地增加，并且当所述功率角度命令在所述预期角度限制之外时使所述第二功率角度限制计数器递增地减小。
23.在若干实施例中，当所述第二功率角度限制计数器超过第二限制计数器阈值达所述某个持续时间时，所述方法可以包括一旦来自电力网的一个或多个电压反馈在正常范围中并且电力网的频率稳定，则切换到正常操作模式。在这样的实施例中，正常范围包括范围从约0.9 pu到约1.1 pu的电压值。
24.在另外的实施例中，所述方法可以包括与切换到正常操作模式一道重设第二功率角度限制计数器。
25.在另一个方面中，本公开涉及一种用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的转换器控制器。所述转换器控制器包括至少一个控制器，所述至少一个控制器具有至少一个处理器，所述至少一个处理器配置成执行多个操作，所述多个操作包括但不限于：针对一个或多个电网事件来监测所述电力网，并且经由功率调节器基于所述一个或多个电网事件是否指示严重电网事件来控制所述基于逆变器的资源的有功功率。特别地，当所述一个或多个电网事件低于严重电网事件阈值从而指示所述一个或多个电网事件不是严重电网事件时，所述转换器控制器根据正常操作模式而经由所述功率调节器来控制有功功率。此外，当所述一个或多个电网事件超过严重电网事件阈值从而指示所述一个或多个电网事件是严重电网事件时，所述功率调节器根据修改的操作模式来控制所述有功功率。所述修改的操作模式包括在长达所述一个或多个电网事件超过严重电网事件阈值的期间内暂时重新配置所述功率调节器以减少或消除由所述严重电网事件引起的功率过载。
26.应当理解，所述转换器控制器还可以包括本文描述的附加特征和/或步骤中的任何附加特征和/或步骤。
27.参考以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并且与该描述一起用于解释本发明的原理。
28.本发明提供一组技术方案，如下。
29.技术方案1. 一种用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源的电网形成控制的方法，所述方法包括：针对一个或多个电网事件来监测所述电力网；经由控制器的功率调节器基于所述一个或多个电网事件是否指示严重电网事件来控制所述基于逆变器的资源的有功功率；其中当所述一个或多个电网事件低于严重电网事件阈值从而指示所述一个或多
个电网事件不是严重电网事件时，经由所述功率调节器根据正常操作模式来控制所述有功功率，以及其中当所述一个或多个电网事件超过所述严重电网事件阈值从而指示所述一个或多个电网事件是严重电网事件时，经由所述功率调节器根据修改的操作模式来控制所述有功功率，其中所述修改的操作模式包括在长达所述一个或多个电网事件超过所述严重电网事件阈值的期间内暂时重新配置所述功率调节器以减少或消除由所述严重电网事件引起的功率过载。
30.技术方案2. 如技术方案1所述的方法，其中，针对一个或多个电网事件来监测所述电力网还包括监测所述电力网的一个或多个电压反馈并将所述一个或多个电压反馈与电压阈值进行比较。
31.技术方案3. 如技术方案1所述的方法，还包括使用用于功率角度命令、最大角度限制和最小角度限制中的至少一个的控制信号来确定所述一个或多个电网事件是否指示所述严重电网事件。
32.技术方案4. 如技术方案3所述的方法，其中，在所述正常操作模式期间，当所述功率角度命令在预期角度限制内时，所述方法还包括使第一功率角度限制计数器递增地增加，且其中当所述功率角度命令在所述预期角度限制外时，所述方法还包括使所述第一功率角度限制计数器递增地减小。
33.技术方案5. 如技术方案4所述的方法，其中，在所述正常操作模式期间，当所述第一功率角度限制计数器等于或超过第一限制计数器阈值达某个持续时间时，所述方法还包括将所述功率调节器切换到所述修改的操作模式。
34.技术方案6. 如技术方案5所述的方法，其中，在长达所述一个或多个电网事件超过所述严重电网事件阈值的期间内暂时重新配置所述功率调节器以减少或消除由所述严重电网事件引起的所述功率过载还包括：提供低到零惯性控制结构以允许对所述有功功率的更快控制。
35.技术方案7. 如技术方案6所述的方法，其中，提供低到零惯性控制结构以允许对所述有功功率的更快控制还包括：将所述功率调节器的惯性功率调节器频率设置为等于所述功率调节器的锁相环频率；以及将所述功率角度命令设置为等于所述功率调节器的前馈功率角度命令。
36.技术方案8. 如技术方案7所述的方法，其中，在所述修改的操作模式期间，所述方法还包括：当所述功率角度命令在所述预期角度限制内时，使第二功率角度限制计数器递增地增加；以及当所述功率角度命令在所述预期角度限制之外时，使所述第二功率角度限制计数器递增地减小。
37.技术方案9. 如技术方案8所述的方法，其中，当所述第二功率角度限制计数器超过第二限制计数器阈值达所述某个持续时间时，所述方法还包括一旦来自所述电力网的所述一个或多个电压反馈在正常范围内并且所述电力网的频率稳定，则切换到所述正常操作
模式。
38.技术方案10. 如技术方案9所述的方法，其中，所述正常范围包括范围从约0.9 pu到约1.1 pu的电压值。
39.技术方案11. 如技术方案9所述的方法，其中，还包括与切换到所述正常操作模式一道重设第二功率角度限制计数器。
40.技术方案12. 一种用于提供连接到电力网的基于逆变器的资源的电网形成控制的转换器控制器，所述转换器控制器包括：包括至少一个处理器的至少一个控制器，所述至少一个处理器配置成执行多个操作，所述多个操作包括：针对一个或多个电网事件来监测所述电力网；经由功率调节器基于所述一个或多个电网事件是否指示严重电网事件来控制所述基于逆变器的资源的有功功率；其中当所述一个或多个电网事件低于严重电网事件阈值从而指示所述一个或多个电网事件不是严重电网事件时，经由所述功率调节器根据正常操作模式来控制所述有功功率，其中当所述一个或多个电网事件超过所述严重电网事件阈值从而指示所述一个或多个电网事件是严重电网事件时，经由所述功率调节器根据修改的操作模式来控制所述有功功率，其中所述修改的操作模式包括在长达所述一个或多个电网事件超过所述严重电网事件阈值的期间内暂时重新配置所述功率调节器以减少或消除由所述严重电网事件引起的功率过载。
41.技术方案13. 如技术方案12所述的转换器控制器，其中，针对一个或多个电网事件来监测所述电力网还包括监测所述电力网的一个或多个电压反馈并将所述一个或多个电压反馈与电压阈值进行比较。
42.技术方案14. 如技术方案12所述的转换器控制器，其中，所述多个操作还包括使用用于功率角度命令、最大角度限制和最小角度限制中的至少一个的控制信号来确定所述一个或多个电网事件是否指示所述严重电网事件。
43.技术方案15. 如技术方案14所述的转换器控制器，其中，在所述正常操作模式期间，当所述功率角度命令在预期角度限制内时，所述多个操作还包括使第一功率角度限制计数器递增地增加，并且其中当所述功率角度命令在所述预期角度限制之外时，所述多个操作还包括使所述第一功率角度限制计数器递增地减小。
44.技术方案16. 如技术方案15所述的转换器控制器，其中，在所述正常操作模式期间，当所述第一功率角度限制计数器等于或超过第一限制计数器阈值达某个持续时间时，所述多个操作还包括将所述功率调节器切换到所述修改的操作模式。
45.技术方案17. 如技术方案16所述的转换器控制器，其中，在长达所述一个或多个电网事件超过所述严重电网事件阈值的期间内暂时重新配置所述功率调节器以减少或消除由所述严重电网事件引起的所述功率过载还包括：提供低到零惯性控制结构以允许对所述有功功率的更快控制。
46.技术方案18. 如技术方案17所述的转换器控制器，其中，提供低到零惯性控制结
构以允许对所述有功功率的更快控制还包括：将所述功率调节器的惯性功率调节器频率设置为等于所述功率调节器的锁相环频率；以及将所述功率角度命令设置为等于所述功率调节器的前馈功率角度命令。
47.技术方案19. 如技术方案18的转换器控制器，其中，在所述修改的操作模式期间，所述多个操作还包括：当所述功率角度命令在所述预期角度限制内时，使第二功率角度限制计数器递增地增加；以及当所述功率角度命令在所述预期角度限制之外时，使所述第二功率角度限制计数器递增地减小。
48.技术方案20. 如技术方案19所述的转换器控制器，其中，当所述第二功率角度限制计数器超过第二限制计数器阈值达所述某个持续时间时，所述多个操作还包括：一旦来自所述电力网的所述一个或多个电压反馈处于正常范围内并且所述电力网的频率稳定，则切换到正常操作模式；以及与切换到所述正常操作模式一道重设第二功率限制计数器。
附图说明
49.在参照附图的说明书中阐述本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，其中：图1图示根据传统构造的具有用于电网跟随应用的转换器控制的结构的双馈风力涡轮发电机的单线图；图2图示根据传统构造的电网形成系统的主电路的一个实施例的示意图；图3图示根据传统构造的用于提供电网形成控制的控制图；图4图示根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；图5图示根据本公开的机舱的一个实施例的简化的内部视图；图6图示适于供与图1中所示的风力涡轮一起使用的风力涡轮电功率系统的一个实施例的示意图；图7图示根据本公开的具有多个风力涡轮的风电场的一个实施例的示意图；图8图示根据本公开的控制器的一个实施例的框图；图9图示根据本公开的用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的系统的一个实施例的控制图；图10图示根据本公开的描绘系统电压、锁相环和固定频率参考之间的相量关系的相量图的一个实施例的示意图；以及图11图示根据本公开的用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
50.现在将详细参考本发明的实施例，在附图中图示其一个或多个示例。每个示例通过解释本发明的方式来提供，而不是通过限制本发明的方式来提供。实际上，对于本领域技
术人员将明白的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中作出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一个实施例。因此，旨在的是，本发明覆盖如落入所附权利要求及它们的等同体的范围内的这类修改和变型。
51.通常，本公开涉及用于经由基于逆变器的资源提供电网形成控制的系统和方法。特别地，本公开的系统和方法以减少或消除严重电网事件期间基于逆变器的资源和电网之间的功率振荡的方式暂时重新配置基于逆变器的资源的功率调节器，其中所引起的振荡足够大以引起基于逆变器的资源设备的过载。另外，在某些实施例中，所述系统和方法对中等电网事件不敏感，以防止控制的非预期重新配置，使得保持慢响应功率调节器的期望特性。此外，本公开的系统和方法利用用于角度命令和角度限制的控制信号来确定是否应当完成控制的重新配置。如果角度命令在某个持续时间内处于限制，则功率调节器切换到控制的修改操作模式。修改的操作模式的特征在于低或零惯性控制结构，以允许更快地控制有功功率。一旦来自电网的电压反馈处于正常范围（例如，0.9-1.1 pu）内并且电网频率稳定，则功率调节器返回到控制的正常操作模式。
52.现在参考附图，图4图示根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所示出，风力涡轮10通常可以包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16以及耦合到机舱16的转子18。转子18包括可旋转毂20和耦合到毂20并从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在所图示实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可以包括多于或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可以围绕毂20间隔开以促进使转子18旋转，以便使得动能能够从风转变为可用的机械能，并且随后转变为电能。例如，毂20可以可旋转地耦合到定位在机舱16内的发电机24（图5）以允许产生电能。
53.风力涡轮机10还可以包括集中在机舱16内的风力涡轮控制器26。然而，在其他实施例中，控制器26可以位于风力涡轮10的任何其他组件内或位于风力涡轮10外部的位置处。此外，控制器26可以通信地耦合到风力涡轮10的任何数量的组件，以便控制这样的组件的操作和/或实现校正或控制动作。因此，控制器26可以包括计算机或其他合适的处理单元。因此，在若干实施例中，控制器26可以包括适当的计算机可读指令，其当被实现时将控制器26配置成执行各种不同的功能，例如接收、传送和/或执行风力涡轮控制信号。因此，控制器26通常可配置成控制各种操作模式（例如，启动或关闭顺序），使风力涡轮降额或升额，和/或风力涡轮10的个别组件。
54.现在参见图5，图示图4中所示的风力涡轮10的机舱16的一个实施例的简化内部视图。如所示，发电机24可设置在机舱16内并支撑在底板46的顶上。通常，发电机24可以耦合到转子18，以用于从由转子18产生的旋转能量产生电功率。例如，如所图示实施例中所示，转子18可包括耦合到毂20以用于与其一起旋转的转子轴34。转子轴34又可以通过齿轮箱38可旋转地耦合到发电机24的发电机轴36。如通常理解的，转子轴34可以响应于转子叶片22和毂20的旋转而向齿轮箱38提供低速、高扭矩输入。然后，齿轮箱38可配置成将低速、高扭矩输入转换成高速、低扭矩输出以驱动发电机轴36，并且因此驱动发电机24。
55.风力涡轮10还可以包括一个或多个俯仰（pitch）驱动机构32，所述俯仰驱动机构32可通信地耦合到风力涡轮控制器26，其中每个俯仰调节机构32配置成使桨距轴承40旋转，并且因此使个别转子叶片22绕其相应的俯仰轴线28旋转。另外，如所示，风力涡轮10可
以包括一个或多个偏航驱动机构42，所述偏航驱动机构配置成改变机舱16相对于风的角度（例如，通过接合布置在风力涡轮10的机舱16与塔架12之间的风力涡轮10的偏航轴承44）。
56.另外，风力涡轮10还可以包括用于监测风力涡轮10的各种风状况的一个或多个传感器66，68。例如，可以例如通过使用合适的天气传感器66来测量风力涡轮10附近的进入风向52、风速或任何其他合适的风状况。合适的天气传感器可以包括例如光检测和测距（“lidar”）装置、声波检测和测距（“sodar”）装置、风速计、风向标、气压计、雷达装置（例如多普勒雷达装置）或可以提供本领域现在已知或以后开发的风向信息的任何其他感测装置。还可以利用另外的传感器68来测量风力涡轮10的附加操作参数，例如如本文描述的电压、电流、振动等。
57.现在参考图6，根据本公开的方面图示风力涡轮功率系统100的一个实施例的示意图。尽管本文通常将参考图4中所示的风力涡轮10描述本公开，但是本领域普通技术人员使用本文提供的公开应当理解，本公开的方面也可应用于其他功率生成系统，并且如上所述，本发明不限于风力涡轮系统。
58.在图6的实施例中并且如上所述，风力涡轮10（图4）的转子18可以可选地耦合到齿轮箱38，所述齿轮箱38又耦合到发电机102，所述发电机102可以是双馈感应发电机（dfig）。如所示，dfig 102可以连接到定子母线104。此外，如所示，功率转换器106可以经由转子母线108连接到dfig 102，并且经由线路侧母线110连接到定子母线104。因此，定子母线104可以从dfig 102的定子提供输出多相功率（例如，三相功率），而转子母线108可以从dfig 102的转子提供输出多相功率（例如，三相功率）。功率转换器106还可以包括转子侧转换器（rsc）112和线路侧转换器（lsc）114。dfig 102经由转子母线108耦合到转子侧转换器112。另外，rsc 112经由dc链路116耦合到lsc 114，跨所述dc链路116的是dc链路电容器118。lsc 114又耦合到线路侧母线110。
59.rsc 112和lsc 114可以被配置用于使用一个或多个开关器件（诸如绝缘栅双极型晶体管（igbt）开关元件）的三相脉宽调制（pwm）布置中的正常操作模式。另外，功率转换器106可以耦合到转换器控制器120，以便控制转子侧转换器112和/或线路侧转换器114的操作，如本文所述。应当注意，转换器控制器120可以被配置为功率转换器106和涡轮控制器26之间的接口，并且可以包括任意数量的控制装置。
60.在典型配置中，还可以包括各种线路接触器和电路断路器（包括例如电网断路器122）以用于在连接到负载（例如电力网124）和从负载断开期间隔离如对于dfig 102的正常操作所必需的各种组件。例如，系统电路断路器126可以将系统母线128耦合到变压器130，所述变压器130可以经由电网断路器122耦合到电力网124。在备选实施例中，保险丝可以代替电路断路器中的一些或全部电路断路器。
61.在操作中，通过旋转转子18在dfig 102处生成的交流经由由定子母线104和转子母线108限定的双路径提供给电力网124。在转子总线侧108上，正弦多相（例如，三相）交流（ac）功率被提供给功率转换器106。转子侧转换器112将从转子母线108提供的ac功率转换成直流（dc）功率，并将dc功率提供给dc链路116。如通常理解的，在转子侧转换器112的桥电路中使用的开关元件（例如igbt）可以被调制以将从转子母线108提供的ac功率转换成适合于dc链路116的dc功率。
62.另外，线路侧转换器114将dc链路116上的dc功率转换成适合于电力网124的ac输
出功率。特别地，可以对线路侧转换器114的桥电路中使用的开关元件（例如igbt）进行调制，以将dc链路116上的dc功率转换成线路侧母线110上的ac功率。来自功率转换器106的ac功率可以与来自dfig 102的定子的功率组合，以提供具有基本上维持在电力网124的频率的频率的多相功率（例如，三相功率）。
63.另外，各种电路断路器和开关（例如电网断路器122、系统断路器126、定子同步开关132、转换器断路器134和线路接触器136）可以包括在风力涡轮功率系统100中以连接或断开对应的母线，例如，当电流流动过度并且可能损坏风力涡轮功率系统100的组件或出于其他操作考虑。附加保护组件也可以包括在风力涡轮功率系统100中。
64.此外，功率转换器106可以经由转换器控制器120从例如本地控制系统176接收控制信号。控制信号尤其可以基于风力涡轮功率系统100的感测状态或操作特性。通常，控制信号提供对功率转换器106的操作的控制。例如，采用dfig 102的感测速度的形式的反馈可用于控制来自转子母线108的输出功率的转换，以维持适当且平衡的多相（例如，三相）功率供应。通过（一个或多个）控制器120，26还可以使用来自其他传感器的其他反馈来控制功率转换器106，包括例如定子和转子母线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可以生成开关控制信号（例如用于igbt的栅极定时命令）、定子同步控制信号和电路断路器信号。
65.功率转换器106还针对例如毂20和转子叶片22处的风速中的变化补偿或调节来自转子的三相功率的频率。因此，机械和电转子频率被去耦，并且电定子和转子频率匹配基本上独立于机械转子速度而被促进。
66.在一些状态下，功率转换器106的双向特性并且特别地是lsc 114和rsc 112的双向特性促进将所生成的电功率中的至少一些反馈回到发电机转子中。更特别地，电功率可以从定子母线104传输到线路侧母线110，并且随后通过线路接触器136并进入功率转换器106，特别地是进入lsc 114，其用作整流器并将正弦三相ac功率整流为dc功率。dc功率被传送到dc链路116中。电容器118通过促进减轻有时与三相ac整流相关联的dc纹波来促进减轻dc链路电压幅度变化。
67.随后将dc功率传送到rsc 112，所述rsc 112通过调节电压、电流和频率将dc电功率转换成三相正弦ac电功率。经由转换器控制器120监测和控制这种转换。经转换的ac功率从rsc 112经由转子母线108传送到发电机转子。以这种方式，通过控制转子电流和电压来促进发电机无功功率控制。
68.现在参照图7，本文描述的风力涡轮系统100可以是风电场50的一部分。如所示，风电场50可以包括多个风力涡轮52，包括上述的风力涡轮10，以及整个场级控制器56。例如，如所图示实施例中所示，风电场50包括12个风力涡轮，包括风力涡轮10。然而，在其他实施例中，风电场50可以包括任何其他数量的风力涡轮，例如少于十二个风力涡轮或多于十二个风力涡轮。在一个实施例中，多个风力涡轮52的涡轮控制器例如通过有线连接（诸如通过经由合适的通信链路54（例如，合适的线缆）连接涡轮控制器26）而通信地耦合到场级控制器56。备选地，涡轮控制器可以通过无线连接（例如通过使用本领域已知的任何合适的无线通信协议）通信地耦合到场级控制器56。在另外的实施例中，场级控制器56配置成向各个风力涡轮机52发送控制信号和从各个风力涡轮机52接收控制信号，例如比如，跨风电场50的风力涡轮52分配实际和/或无功功率需求。
69.现在参见图8，图示根据本公开的示例方面的可以包括在控制器（例如本文描述的
转换器控制器120、涡轮控制器26和/或场级控制器56中的任一个）内的合适组件的一个实施例的框图。如所示，控制器可以包括一个或多个处理器58，计算机或其他合适的处理单元以及（一个或多个）相关联的存储器装置60，其可以包括合适的计算机可读指令，其在被实现时将控制器配置成执行多种不同的功能，例如接收、传送和/或执行风力涡轮控制信号（例如，执行本文公开的方法、步骤、计算等）。
70.如本文中所使用的，术语“处理器”不仅指本领域中被称为被包括在计算机中的集成电路，而且还指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器（plc）、专用集成电路和其他可编程电路。另外，（一个或多个）存储器装置60通常可包括（一个或多个）存储器元件，该存储器元件包括但不限于计算机可读介质（例如，随机存取存储器（ram））、计算机可读非易失性介质（例如，闪速存储器）、软盘、致密盘只读存储器（cd-rom）、磁光盘（mod）、数字多功能盘（dvd）和/或其他合适的存储器元件。
71.这样的（一个或多个）存储器装置60通常可配置成存储适当的计算机可读指令，所述计算机可读指令在由（一个或多个）处理器58实现时将控制器配置成执行如本文所述的各种功能。另外，控制器还可以包括通信接口62，其用来促进控制器和风力涡轮10的各种组件之间的通信。接口可以包括一个或多个电路、端子、引脚、接触部、导体或用于发送和接收控制信号的其他组件。此外，控制器可以包括传感器接口64（例如，一个或多个模数转换器），其用来允许从传感器66，68传送的信号被转换成可以被（一个或多个）处理器58理解和处理的信号。
72.现在参考图9，用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的系统200的一个实施例的控制图。如所示，系统200可以包括本文描述的图3的相同特征中的许多相同特征。更特别地，如所示，图9图示独特的功率调节器结构（与图3的常规功率调节器4相比），其包括根据本公开的电网形成的功率前馈控制。如所示，转换器控制器120从更高级控制器（例如，涡轮控制器26和/或场级控制器156）接收功率参考pref和功率命令限制pcmdlimit。这些高级限制是电压、电流和功率的物理量。因此，如所示，所述系统包括功率调节器202，所述功率调节器202具有施加到用于功率角度（例如）的转换器控制命令的最终限制，以分别实现对电流的实际分量的约束。特别地，如图9中所示，本公开的系统200使用前馈路径204和改进的功率限制功能304来提供对控制命令的快速响应。
73.更特别地，如图10中所示，提供了根据本公开的一个实施例的相量图，其限定系统电压、锁相环（pll）206和固定频率参考之间的相量关系。因此，功率流是相对于远程等效物的转换器角度和系统200的阻抗以及电压幅度的函数。在一个实施例中，作为示例，为了清楚起见，假定电阻可以忽略。因此，对于图2中所示的传统电网形成电路以及图9的独特电网形成功率调节器，存在以下物理关系：等式（1）等式（2）等式（3）其中p是功率，vcnv是转换器电压，vthev是thevenin等效电压，
vt是端子电压，是所述转换器电压的角度；是thevenin等效电压的角度，是系统中的端子电压的角度，是转换器阻抗，以及是thevenin等效阻抗。
74.因此，图9的转换器选通逻辑配置成产生具有基于控制信号和的角度的转换器电压。在其他实施例中，具有基于和的角度的电压可以由产生电压相量的其他设备能力来产生。在特定实施例中，例如，锁相环206测量角度，其在稳态下等于系统中的电压vt的角度。在这样的实施例中，这些值是相对于系统参考角度的。在瞬变期间，在这个测量中生成误差信号，如图10中所示。
75.因此，关于控制角度信号存在以下关系：等式（4）等式（5）等式（6）等式（7）等式（8）此外，锁相环206的角度是pll频率的积分，如下面的等式（9）中所示：等式（9）另外，来自功率调节器的功率角度是功率调节器频率减去pll频率的积分，如下面的等式（10）-（11）中所示：等式（10）等式（11）转换器电压相对于系统参考的角度等于功率调节器频率信号的积分并且与pll误差无关，如下面的等式（12）中所示：等式（12）因此，并且返回参考图9，为了最小化功率命令中的变化的时延，系统200配置成计算两个前馈角度（即，和），如分别在前馈路径204中的208和210处所示。因此，如212和214处所示，前馈角度和（例如，以弧度为单位）可被微分以获得频率变化的角速率（例如，以弧度/秒为单位的和）。此外，如216和218处所示，然后可以将角度变化率与频率信号（例如，和）相加。然后可以对这些求和的输出进行积分以获得转换器和pll的最终角度（即，和）。
76.在特定实施例中，假定外部等效物是已知的，前馈角度可以通过对等式（9）-（11）
中定义的关系求逆来计算，以确定用来实现预期功率所需的角度。因此，在这样的实施例中，系统200配置成通过将功率命令乘以转换器阻抗以获得第一乘积、将转换器电压命令乘以端子电压以获得第二乘积、将第一乘积除以第二乘积以获得商并且确定商的反正弦来确定作为基于逆变器的资源的（一个或多个）控制命令和（一个或多个）第一电状况的函数的前馈功率角度，如由以下等式（13）所表示的：等式（13）在另一个实施例中，系统200配置成通过将功率命令乘以前馈阻抗以获得第一乘积、将前馈电压乘以端子电压以获得第二乘积、将第一乘积除以第二乘积以获得商并且确定商的反正弦来确定相对于pll电压作为基于逆变器的资源的（一个或多个）控制命令和（一个或多个）第二电状况的函数的点的前馈锁相环角度。如下式（14）中所示：等式（14）在某些实施例中，前馈阻抗可能通常是未知的。在这样的实施例中，系统200可以配置成将前馈阻抗估计为最强系统和弱系统之间的中心或中点阻抗值。例如，在一个实施例中，前馈阻抗可以是大约0.3 pu。在这样的实施例中，对于更强的电网，预测可以是过冲，而对于更弱的电网，预测可以是下冲。此外，在实施例中，系统200可以配置成根据有功功率、无功功率、电压或前馈阻抗中的至少一个来动态地估计前馈电压。备选地，系统200可配置成将前馈电压设置为固定值。在更进一步的实施例中，thevenin等效前馈电压v
thff
可以是恒定值，例如大约1 pu。在附加实施例中，如果需要的话，系统200还可以使用端子p，q，v 结合对于的假设来动态地计算的有效值。因此，应当理解，可以使用预计的工程应用的模拟来估计参数值。因此，本领域技术人员可以选择适当的过滤和设置来实现实际实现，其实现对控制命令变化的快速响应。
77.仍然参考图9，在特定实施例中，系统200的前馈路径204然后可以分别根据前馈功率角度和前馈锁相环角度来确定功率角度和锁相环角度。特别地，在某些实施例中，如所示，前馈路径204可以分别对前馈功率角度和前馈锁相环角度求微分，如212和214处所示。此外，如216和218处所示，前馈路径204可以将微分前馈功率角度和微分前馈锁相环角度分别与功率角度和锁相环角度相加，以获得可以由转换器选通控制使用的功率角度和锁相环角度。
78.在附加实施例中，如图9中所示，系统200的改进的功率限制功能220还可以对跨转换器电抗的功率角度提供限制。因此，这样的限制配置成对功率提供约束以防止过度过冲，而其他调节器在严重瞬变之后起稳定作用。例如，在某些实施例中，可以通过以下方式来计算上限和下限（例如，和）：将最大功率命令和最小功率命令中的每个乘以转换器阻抗以分别获得最大乘积和最小乘积；将转换器电压命令乘以端子电压以获得第二乘积；将最大乘积和最小乘积中的每个分别除以第二乘积以获得最大商和最小商；确定最大商和最小商中的每个的反正弦；且将锁相环误差添加到所述最大商的反正弦和所述最小商的反正弦，如以下方程式（15）和（16）中所表示：等式（15）
等式（16）现在参考图11，提供用于提供基于逆变器的资源的电网形成控制的方法300的一个实施例的流程图。此外，参考图10中所图示的系统200可以更好地理解图11的方法300。通常，本文参照图4-10的风力涡轮功率系统100描述方法300。然而，应当理解，所公开的方法300可以利用具有任何其他合适配置的任何其他合适的功率生成系统来实现。此外，尽管为了说明和讨论的目的，图11描绘以特定顺序执行的步骤，但是本文讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文提供的公开内容，本领域技术人员将领会，在不脱离本公开的范围的情况下，可以以各种方式省略、重新布置、组合和/或修改本文公开的方法的各种步骤。
79.如（302）处所示，方法300包括针对一个或多个电网事件来检测电力网。在一个实施例中，例如，可以通过例如使用一个或多个传感器来监测电力网的一个或多个电压反馈并且将（一个或多个）电压反馈与电压阈值进行比较而针对一个或多个电网事件来监测电力网。
80.因此，如（304）处所示，方法300包括经由功率调节器202基于电网事件是否指示严重电网事件来控制基于逆变器的资源的有功功率。例如，如（306）处所示，方法300包括确定任何检测到的（一个或多个）电网事件是否严重，这意味着事件超过严重定位事件阈值。更特别地，在实施例中，方法300包括使用用于功率角度命令、最大角度限制和/或最小角度限制的控制信号来确定电网事件是否指示严重电网事件。
81.特别参考图11，当（一个或多个）电网事件低于严重电网事件阈值（如（308）和（312）处所示）从而指示电网事件不是严重电网事件时，方法300包括经由功率调节器根据正常操作模式来控制有功功率。如本文所使用的，正常操作模式通常是指其中转换器选通控制将可变速度发电机的可变频率转换成电网电压的固定频率的操作模式。
82.在另外的实施例中，在正常操作模式期间，当功率角度命令（图9）处于预期角度限制时，方法300可以包括使第一功率角度限制计数器递增地增加。在这样的实施例中，当功率角度命令在所述预期角度限制内时，方法300可以包括使第一功率角度限制计数器递增地减小。在这样的实施例中，计数器可以被约束为零的下限。因此，在某些实施例中，在正常操作模式期间，当第一功率角度限制计数器等于或超过第一限制计数器阈值时，方法300可包括将功率调节器切换到修改的操作模式。
83.相反，当（一个或多个）电网事件超过严重电网事件阈值（如（310）和（314）处所示）从而指示电网事件是严重电网事件时，方法300包括经由功率调节器202根据修改的操作模式来控制有功功率。此外，如（316）处所示，修改的操作模式包括在长达（一个或多个）电网事件超过严重电网事件阈值的期间内暂时重新配置功率调节器202以减少或消除由严重电网事件引起的功率过载。根据电网事件的类型，功率过载可以表现为有功功率的过度生成或吸收。
84.在一个实施例中，例如，在长达（一个或多个）电网事件超过严重电网事件阈值的期间内重新配置功率调节器202以减少或消除由严重电网事件引起的功率过载可以包括提供低到零惯性控制结构以允许对有功功率的更快控制。在这样的实施例中，提供低到零惯性控制结构以允许对有功功率的更快控制可以包括将功率调节器202的惯性功率调节器频率（例如，）设置为等于功率调节器202的锁相环频率（例如，），以及将功率角度命
令设置为等于功率调节器202的前馈功率角度命令（例如，）。
85.在另一个实施例中，在修改的操作模式期间，方法300可以包括当功率角度命令在预期角度限制内时使第二功率角度限制计数器递增地增加，并且当功率角度命令在所述预期角度限制之外时使第二功率角度限制计数器递增地减小。因此，第一和第二功率角度限制计数器是决定何时进入/退出修改的操作模式的定时器。逻辑中的递增/递减实际上是递增/递减满足某些条件的时间（例如，如果在限制中）。
86.在若干实施例中，当第二功率角度限制计数器超过第二限制计数器阈值达某个持续时间时，方法300可包括一旦来自电力网的（一个或多个）电压反馈在正常范围中且电力网的频率稳定，则切换到正常操作模式。在这样的实施例中，正常范围包括范围从约0.9 pu到约1.1 pu的电压值。在另外的实施例中，方法300可以包括与切换到正常操作模式一道重设第二功率角度限制计数器。
87.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定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例包括与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在处于权利要求书的范围之内。