CN101567563A - 分散型电源组的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

分散型电源组的控制方法，用于通过网内输电线(11)使将发电机(9)的输出变换成所需的电压和功率的电力变换器(8)与主干系统(1)连接后构成的多个风力发电机。在每个控制周期，收集各风力发电机的输出电压和输出功率的计测值，控制各风力发电机的有效及无功功率，以便满足使各风力发电机的有效功率的变动量及联系点(4)的电压变动量被各风力发电机的无功功率吸收的第1制约条件、抑制各风力发电机间的横向流动的第2制约条件、使各风力发电机的有效功率在上下限范围内的第3制约条件，而且使有效功率对于联系点中的上次控制周期而言的变动最小或使有效功率最大。既可抑制电压变动又可协调控制各分散型电源，适当分配有效及无功功率。

Description

分散型电源组的控制方法及系统

技术领域

[0001]

本发明涉及分散型电源组的控制方法及系统，例如涉及风力发电、太阳光发电、小规模水力发电、潮汐潮力发电等分散设置将自然能或可再生能作为发电能的多个发电源后构成的分散型电源组的控制方法及系统。

背景技术

[0002]

削减被认为是全球变暖的元凶的二氧化碳排放量，是人类亟待解决的大课题。作为削减二氧化碳排放量的手段之一，风力发电、太阳光发电等分散型电源正在争先恐后地问世。这些分散型电源大多与电力系统联网使用，由于其发电输出随着风速及日照量的变动而变动，所以人们担心它们会影响联网系统的电压，拥有大量的分散型电源组时它们还会影响联网系统的电力品质例如电力系统的电压及频率。

[0003]

例如作为抑制风力发电机通过电力变换器作媒介与电力系统联网时的联系点(位置)的电压变动的方法，在专利文献1中公布了根据分散型电源的有效功率的变动量和电压变动的各检出值，估计关系到电压变动的系统参数α(α＝从联系点看的电力系统的合成阻抗的电阻Req/该电抗Xeq之比(Req/Xeq))，从分散型电源供给抵消起因于有效功率变动的电压变动的那种无功功率后抑制电压变动的方法。

[0004]

为了提高风力发电的效率，往往采用由多个风力发电机组成的风力发电机组或风场(wind farm)，专利文献1的抑制电压变动的方法也能够适用于这种风力发电机组。

[0005]

另外，在专利文献2中公布了产生次数间高潮波，从而求出关系到电压变动的系统参数的方法。

[0006]

专利文献1：JP特开2007-124779号公报

专利文献2：JP特开2002-171667号公报

[0007]

在由多个风力发电机组成的分散型电源组中应用专利文献1的技术时，需要根据各分散型电源的计测信息，决定各分散型电源的理想的有效功率、无功功率，换言之决定其理想的功率因数。

[0008]

可是，例如即使与电力系统侧交换的有效功率和无功功率相同，也存在着各分散型电源的无功功率的分担失衡或者作为整体从分散型电源组获得的有效功率下降等问题。

[0009]

另外，具备多个太阳光发电装置的被称作“千万个太阳”的分散型电源组，也由于存在输出随着日照量的变动而变动及起因于它的联系点的电压变动，所以存在着各分散型电源的无功功率的分担失衡或者作为整体从分散型电源组获得的有效功率下降等同样的问题。

发明内容

[0010]

本发明就是针对上述情况研制的，其目的在于提供一边抑制分散型电源组与系统联网的联系点的电压变动，一边协调控制各分散型电源，适当地分配有效功率及无功功率，使分散型电源组的应用最佳化的技术。

[0011]

为了达到上述目的，本发明的第1样态，其特征在于：在通过分散型电源用输电线作媒介，使具备将发电源的输出变换成所需的电压和功率后输出的电力变换器的多个分散型电源与电力系统连接后构成的分散型电源组的控制方法或系统中，在每个预先规定的控制周期，收集所述各分散型电源的输出电压和输出功率的计测值，分别求出所述各分散型电源的有效功率和无功功率的指令值，控制所述各分散型电源的所述电力变换器，以便满足使所述各分散型电源的有效功率的变动量及所述电力系统的联系点的电压变动量被所述各分散型电源的无功功率吸收的第1制约条件、抑制所述各分散型电源相互之间的横向流动的第2制约条件、使所述各分散型电源的有效功率在上限及下限的范围内的第3制约条件，而且使有效功率对于所述联系点的所述控制周期而言的变动最小化。

[0012]

这样，因为满足第1制约条件地抑制联系点的电压变动、满足第2制约条件地抑制各分散型电源之间的横向流动，进而一边满足第3制约条件地考虑各分散型电源的特性，一边求出分散型电源组内的各分散型电源的有效功率和无功功率的指令值，所以能够协调控制各分散型电源，适当地分配有效功率及无功功率，使分散型电源组的应用最佳化。特别是能够使作为分散型电源组整体的有效功率(输出)的变动最小化。

[0013]

另外，本发明的第2样态，其特征在于：分别求出所述各分散型电源的有效功率和无功功率，控制所述各分散型电源的所述电力变换器，以便满足第1～第3制约条件，而且使所述电力系统输出的所述各分散型电源的有效功率最大化。

[0014]

这样，就具有能够协调控制各分散型电源，适当地分配有效功率及无功功率，使分散型电源组的应用最佳化，特别是能够使作为分散型电源组整体的有效功率(输出)最大化的优点。

[0015]

采用本发明后，能够一边抑制分散型电源组与系统联网的联系点的电压变动，一边协调控制各分散型电源，适当地分配有效功率及无功功率，使分散型电源组的应用最佳化。

附图说明

图1是表示将本发明的一种实施方式应用于风力发电机组的控制方法的系统的系统结构图。

图2是表示统括监视装置5的主要机器的方框图。

图3是表示控制器的各功能的方框图。

图4是表示统括监视装置的显示画面的说明图。

图5是图1的系统构成图的等效电路。

图6是表示统括监视装置5的处理的流程图。

图7是讲述实施方式的效果的动作波形图。

具体实施方式

[0016]

下面，根据实施方式，讲述本发明。

[0017]

图1是表示将本发明的一种实施方式应用于风力发电机组的控制方法的系统的系统结构图。

[0018]

如图1所示，风力发电机组通过联系线2，与电力系统的主干系统1连接，负荷3与联系线2连接。风力发电机组由分散配置的多个风力发电机构成。各风力发电机由风力透平机10、发电机9、电流转换器8、电流传感器6、电压传感器7、控制器20构成。电流转换器8先将发电机9的输出变换成直流，再将该直流变换成所需的电压和功率(有效功率及无功功率)后输出。

[0019]

各风力发电机的输出，与分散型电源用输电线——网内输电线11连接，网内输电线11在联系点4与联系线2连接。此外，在网内输电线11中设置着变压器13，将网内输电线11的电压升压后与联系线2连接。

[0020]

各风力发电机的控制器20，通过通信线12作媒介，与统括监视装置5连接。统括监视装置5收集用各风力发电机的控制器20计测的有关输出电压、输出功率的数据，根据这些数据进行后文所述的演算后向各风力发电机的控制器20输出有效功率、无功功率的指令值。各控制器20根据输入的指令值，控制电力变换器8，适当地分配各风力发电机的有效功率及无功功率，执行最佳运转，以便使作为风力发电机组整体的有效功率(输出)的变动最小化，或者使作为风力发电机组整体的有效功率(输出)最大化。

[0021]

图2是表示统括监视装置5的主要机器的方框图。统括监视装置5，具有接收各风力发电机的控制器20发送来的数据的通信装置211、旨在演算各风力发电机的最佳指令值的同时还进行运转记录及参数等的各种处理的演算处理装置212、接收指令等的输入的输入装置213、显示装置214。

[0022]

演算处理装置212用计算机构成，虽然没有图示，但是具备中央演算装置、存储器、记忆程序的记忆装置等。另外，演算处理装置212还与旨在记忆数据、构成数据库221～225的记忆装置连接。数据库包含存放演算指令值所需的系统常数的系统常数数据库(DB)221、存放来自风力发电机组的输电量等的输电信息的输电信息DB222、存放风速等的气象信息DB223、存放运转实绩的运转记录DB224、存放发生·除去故障或定期维护的信息的故障·维护信息DB225。

[0023]

图3是控制器20的功能块图。控制器20具有和统括监视装置5交换信息的通信功能311、生成去往电流转换器8的控制信号的控制信号生成功能312、根据电流传感器6和电压传感器7的计测值计算电流、电压的计测值计算功能313。

[0024]

控制信号生成功能312，根据计测值计算功能313获得的计测值，生成后文讲述的有效功率和无功功率的指令值，生成电流转换器8的栅极信号(控制信号)后，向控制器20输出。

[0025]

图4是表示统括监视装置5设置的显示装置214的一部分显示画面的说明图，表示出与各风力发电机的运转状态联系的系统的状态。如该图所示，示意图[○○○风场]400示出连接线401和各风力发电机402，表示开动或故障等主要的运转状态403。运转状态404表示各风力发电机的详细的运转状态。作为显示项目，显示名称405、有效功率406、无功功率407、电压408、风况409、故障410、状况411等。另外，按下按钮412后，就打开子画面(未图示)，能够看到过去的履历及详细的记录表。表的最下段413，表示风力发电机组整体的有效功率、无功功率、电压等。另外，按下按钮414后，就显示输电功率415、电压的趋势图。进而，还设置消息栏416。

[0026]

接着，讲述本实施方式的特征涉及的统括监视装置5中的演算处理内容。如图5所表示图1的系统构成图的等效电路那样，讲述由n个风力发电机构成的风力发电机组。

[0027]

首先，将使其产生公式1的那种无功功率地补偿伴随着风力发电机组的有效功率的变动的连接点Cn(联系点4)中的电压变动，作为第1制约条件。就是说，根据各风力发电机的有效功率的变动量和联系点4的电压变动量，求出从联系点4看的电力系统侧的合成阻抗的电阻成分Req和电抗成分Xeq之比(Req/Xeq))——系统参数。而且是控制各风力发电机的有效功率的条件，以便使各风力发电机的无功功率的总和等于将求出的系统参数与风力发电机的有效功率的总和相乘的值。

[0028]

∑Qi(t+1)＝-α·∑Pi(t+1)……公式1

式中，i：是风力发电机的编号，i＝1～n

t：控制周期

Pi(t+1)：(t+1)时刻中的来自各发电机的有效功率

Qi(t+1)：(t+1)时刻中的来自各发电机的无功功率

α：系统参数

从联系点4看的包含联系线2和负荷3在内的合成阻抗的电阻成分(Req)/合成阻抗的电抗成分(Xeq)

∑：是取总和的记号，取[i＝1～n]的范围的总和。

[0029]

这里，对于上述的系统参数α，进行补充说明。采用图1的系统结构时，可以用以下公式求出从风力发电机组(风场)侧看的系统侧的阻抗。

[0030]

1/(Req+j Xeq)＝

1/(R1+jX1)+1/(R2+jX2)……公式2

式中：j是虚数单位，R1是联系线阻抗的电阻成分，

X1是联系线阻抗的电抗成分，

R2是负荷的等效阻抗的电阻成分，

X2是负荷的等效阻抗的电抗成分，

由于负荷随着时间变动，所以R2及X2随着时间变动，但是因为公式2右边的第2相小于其第1相，所以在数小时的处理中，可以认为合成阻抗时间性地基本成为一定。

[0031]

此外，关于联系点4中的有效功率、无功功率、电压(后文讲述)，使用附属于图1中绘出的变压器的电压传感器、电流传感器(在图中未绘出)的计测值进行估计。

[0032]

接着，将防止各风力发电机i之间的横向流动，作为第2制约条件。就是说，使各风力发电机i与连接的网内输电线11的连接点Ci和与该连接点Ci相邻的连接点Cj(j＝i+1)的电压差为零后，能够防止横向流动，满足它的条件如公式3所示。此外，公式3必须对于i＝1～(n-1)成立。

[0033]

$+\mathrm{Xij\ΣQk}(t+1)\}/\mathrm{Vi}=0$ ……公式3

式中，Vj：各接点Ci中的电压

Rij：接点Ci、Cj之间的电阻

Xij：接点Ci、Cj之间的电抗

∑：是取总和的记号，取[k＝1～i]的范围的总和。

[0034]

进而，如公式4所示，用风能限制各风力发电机i的有效功率的上限，用机械性的控制的运转范围设定其下限。将公式4作为第3制约条件。

[0035]

Pi(n+1)_Min≤Pi(n+1)≤Pi(n+1)_Max  ……公式4

式中，

Pi(n+1)_Max：(t+1)时刻中的风力发电机i的有效功率最大值

Pi(n+1)_Min：(t+1)时刻中的风力发电机i的有效功率最小值

作为根据这种制约条件，一边抑制风力发电机组与系统联网的联系点4的电压变动，一边协调控制各风力发电机，适当地分配有效功率及无功功率，使风力发电机组的应用最佳化的方法，在本实施方式中研究了如下的2个评价条件(1)和(2)。

(1)使风力发电机组输出的有效功率的时间性的变化最小。

(2)使风力发电机组输出的有效功率最大化。

[0036]

评价条件(1)时的目的函数F1，成为公式5

[0037]

F1＝{∑Pi(t+1)-∑Pi(t)}……公式5

式中，Pi(t)是时刻t中的第i个风力发电机的有效功率，在(t+1)时刻中为已知量

使公式5成为最小地，换言之使对于上个周期Pi(t)而言的这个周期Pi(t+1)的变动量(风力发电机1～n的总和)成为最小地决定Pi(t+1)。

[0038]

同样，评价条件(2)时的目的函数F2，成为公式6

[0039]

F2＝∑Pi(t+1)……公式6

使公式6成为最大地，换言之使这个周期Pi(t+1)的总和成为最大地决定Pi(t+1)。

去往各风力发电机的输出指令值，将公式1、公式3、公式4作为制约条件，公式5或公式6作为目的函数F1、F2，使用线性计划法，作为最佳解，可以求出

Pi(t+1)、Qi(t+1)[i＝1～n]

接着，讲述使用线性计划法求出最佳解的方法。由于采用线性计划法，必须具有如下特征。

[0040]

(a)变量(假设为n个)都是非负。

[0041]

(b)制约条件是1次不等式或等式。

[0042]

(c)目的函数(最大化～最小化的函数)是(a)的变量的1次函数。

[0043]

为了满足上述(a)，根据需要进行变量的变换。例如将Qi(t+1)变换成变换了符号新的变量，求出系数。

[0044]

作为根据进行了以上的预处理的线性计划问题求出最佳解的方法，使用被称作“单纯形法”的方法。

[0045]

满足(b)制约条件的n个变量的集合，用n次元空间的区域(称作“可能区域”)表现，将属于它的n个变量的集合称作“可能解”。在可能解中，使目的值最大～最小的变量的集合，成为最佳解。

[0046]

在用(a)～(c)定义的线性计划问题中，可能区域成为n次元空间的凸多面体，最佳解利用成为其顶点的性质。在单纯形法中，目的函数的值沿着变化最大的边移动，在目的函数不变化的顶点结束。这样地求出最佳解。实际上，上述处理利用计算机程序执行。

[0047]

用统括监视装置5进行以上的演算处理，将最佳解Pi(t+1)、Qi(t+1)作为给各风力发电机i的指令值，向对应的控制器20输出。

[0048]

图6是表示统括监视装置5的处理的流程图。首先，取的计算旨在控制联系点4的电压变动的系统参数所需的系统信息(600)。根据规定的控制周期，判定是不是控制的时刻(601)。如果是控制的时刻，就从各风力发电机i中取得有效功率、无功功率、输出电压、风速等信息(602)，存放到数据库(DB)中。根据取得的信息(风速等信息)，估计控制时刻中的各风力发电机i的最大有效功率(输出)(604)。

接着，使用公式1、公式3、公式4，编制抑制电压变动及输出最佳化(有效功率最大化)涉及的有效功率和无功功率制约式(605)。使用公式5或公式6，编制目的函数F1或F2(606)。此外，是用目的函数F1最佳化还是用目的函数F2最佳化，预先从统括监视装置5的输入装置输入。使用线性计划法，求出最佳化问题的解(607)。进行相当于在下一个控制时刻的各风力发电机i的有效功率和无功功率的解的合理性的检查(608)。在这里，合理性的检查在对各风力发电机i的有效功率和无功功率设定限制时，检查是否满足该限制的范围。解的合理性有问题时，用上次值或修正它的值置换。将它作为给各风力发电机i的指令值发送(609)。以后，在各控制周期中反复进行601～609(610)。

[0049]

在这里，关于抑制电压变动，只要公式1的制约式成立即可，来自各风力发电机的输出有离差时，可以进行从输出较大的风力发电机取最大限度的有效功率，将无功功率分配给的输出较小的风力发电机的运转。

[0050]

图7表示本发明的实施方式中的用3台风力发电机构成的风力发电机组的应用例的曲线图。该图(a)是在各风力发电机的连接点产生最大1％的电压差时的情况。可知在连接点之间产生横向流动。该图(a)是用本实施方式的方法使3个连接点的电压大致相等时的情况，可以去除横向流动。

[0051]

此外，在图1的例中，对构成风力发电机的所有的发电机进行最佳化处理。但是风力发电机的数量非常多等时，可以根据连接的输电线的差异，进行小组化，对于同一个小组的风力发电机进行图1的最佳化处理。

[0052]

综上所述，采用本实施方式后，因为满足第1制约条件地抑制联系点的电压变动、满足第2制约条件地抑制各风力发电机之间的横向流动，进而一边满足第3制约条件地考虑各风力发电机的特性，一边求出风力发电机组内的各风力发电机的有效功率和无功功率的指令值，所以能够协调控制各风力发电机，适当地分配有效功率及无功功率，使发电机电源组的应用最佳化。特别是能够使作为风力发电机组整体的有效功率(输出)的变动最小化。

[0053]

另外，因为分别求出所述各风力发电机的有效功率和无功功率，控制所述各风力发电机的所述电力变换器，以便满足第1～第3制约条件，而且使所述电力系统输出的风力发电机的有效功率最大化，所以具有能够协调控制各风力发电机，适当地分配有效功率及无功功率，使风力发电机组的应用最佳化，特别是能够使作为风力发电机组整体的有效功率(输出)最大化的优点。

[0054]

此外，以上将统括监视装置5和各分散型电源的控制器20作为单独的装置进行了讲述。但是给各分散型电源的控制器附加统括监视装置的功能后，就可以不必使用另外设置的统括监视装置，获得和以上讲述的同样的效果。进而，在多个控制器中设置统括监视装置的功能，万一实现统括监视装置的功能的控制器出现故障时，其它的具有统括监视装置的功能的控制器就能够带行其功能，可以确保更高的可靠性。

Claims (3)

1、一种分散型电源组的控制方法，所述分散型电源组由多个分散型电源经分散型电源用输电线与电力系统连接后构成，所述分散型电源具备将发电源的输出变换成所需的电压和功率后输出的电力变换器，其特征在于，

在每个预先规定的控制周期，收集所述各分散型电源的输出电压和输出功率的计测值，

分别求出所述各分散型电源的有效功率和无功功率的指令值，控制所述各分散型电源的所述电力变换器，在求出所述指令值时，应满足：

使所述各分散型电源的有效功率的变动量及所述电力系统的联系点的电压变动量被所述各分散型电源的无功功率吸收的第1制约条件、

抑制所述各分散型电源相互之间的横向流动的第2制约条件、以及

使所述各分散型电源的有效功率限制在上限及下限的范围内的第3制约条件，而且

使所述联系点的针对上次控制周期而言的有效功率的变动最小化，或者使所述电力系统输出的所述各分散型电源的有效功率最大化。

2、如权利要求1所述的分散型电源组的控制方法，其特征在于：所述第1制约条件，是根据各分散型电源的有效功率的变动量和所述联系点的电压变动量，求出从所述联系点看的电力系统侧的合成阻抗的电阻成分Req和电抗成分Xeq之比Req/Xeq即系统参数，并使所述各分散型电源的无功功率的总和等于将所述系统参数与所述各分散型电源的有效功率的总和相乘的值的条件。

3、一种分散型电源组系统，具备将发电源的输出变换成所需的电压和功率后输出的电力变换器的多个分散型电源和分别与该多个分散型电源连接的分散型电源用输电线，将该分散型电源用输电线与电力系统连接，其特征在于，

设置统括控制装置，该统括控制装置在每个预先规定的控制周期，收集所述各分散型电源的输出电压和输出功率的计测值，控制所述各分散型电源的所述电力变换器，

所述统括控制装置，

分别求出所述各分散型电源的有效功率和无功功率的指令值，控制所述各分散型电源的所述电力变换器，在求出所述指令值时，应满足：

使所述各分散型电源的有效功率的变动量及所述电力系统的联系点的电压变动量被所述各分散型电源的无功功率吸收的第1制约条件、

抑制所述各分散型电源相互之间的横向流动的第2制约条件、以及

使所述各分散型电源的有效功率限制在上限及下限的范围内的第3制约条件，而且

使所述联系点的针对上次控制周期而言的有效功率的变动最小化，或者使所述电力系统输出的所述各分散型电源的有效功率最大化。

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