CN101677184A - 太阳能发电系统中的无功功率补偿 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能发电系统中的无功功率补偿。提出了一种提供无功功率支持的方法。所述方法包括检测分布式太阳能发电系统中的多个网络参数中的至少一个。所述发电系统包括经由逆变器耦合到电网的多个光伏模块。所述方法进一步包括感测耦合到所述分布式太阳能发电系统的所述光伏模块的状态并基于所感测到的状态和所检测到的网络参数来确定无功功率测量。使用所述无功功率测量来生成无功功率命令。进一步使用所述无功功率命令来补偿所述分布式太阳能发电系统中的无功功率。

Description

太阳能发电系统中的无功功率补偿
技术领域
本发明的实施例总体上涉及用于补偿电力系统中的无功功率的方法和系统，并且特别是涉及用于补偿太阳能发电系统中的无功功率的方法和系统。
背景技术
输电和配电网将电能从发电设施传输给最终用户。输电和配电系统上的电压管理是针对系统的稳定工作和设计而考虑的因素之一。无功功率流可受到例如电源、输电和配电系统中的变化、分流无功元件(shuntreactive element)的添加以及负载的影响。
从电力输送的立场来看无功功率是重要的。在典型的电力系统中，无功功率流对电压有影响。因为大多数输电系统都是电感性的，所以增加无功电流分量(即电容性的无功伏安或VAR)将导致电压升高。相反，减少无功功率分量(即电感性VAR)将导致电压降低。另外，导致电压升高的过多无功功率流可使过度压力施加在传输线、变压器和其它电气部件上。
无功功率补偿技术已经通过提供基于有效功率生成(real powergeneration)的VAR支持和功率因数(power factor)控制得以解决。然而，VAR支持和功率因数控制具有一些缺点。例如，VAR支持增加了无功功率并且不影响有效功率。因此，发电机的总性能未得到利用，因为VAR支持与有效功率输出和无功功率输出的平方成比例。而且，功率因数控制可能为了内在地维持期望电压而偶尔造成不期望的行为，诸如引入电容。
因此，需要增强型无功功率控制以动态地解决发电系统中的波动情况。
发明内容
提出了一种提供无功功率支持的方法。所述方法包括检测分布式太阳能发电系统中的多个网络参数中的至少一个。所述发电系统包括经由逆变器耦合到电网的多个光伏模块。所述方法进一步包括感测耦合到所述分布式太阳能发电系统的所述光伏模块的状态并基于所感测到的状态和所检测到的网络参数来确定无功功率测量。使用所述无功功率测量来生成无功功率命令。进一步使用所述无功功率命令来补偿所述分布式太阳能发电系统中的无功功率。
在一个实施例中，提出了一种具有耦合到电网的多个光伏模块的系统。所述系统包括至少一个与相应的光伏模块进行耦合的逆变器。多个感测装置耦合到电网并被配置为感测至少一个网络参数和无功功率测量。所述系统进一步包括耦合到所述至少一个逆变器的优化控制器，所述优化控制器被配置为生成无功功率命令。所述无功功率命令被用于基于所述至少一个网络参数和所感测到的状态来补偿所述分布式太阳能发电系统中的无功功率。
在本发明的一个实施例中，提出了一种用于优化无功功率补偿的设备。所述设备包括被配置为接收多个网络参数和逆变器状况的接收器，所述逆变器耦合到与电网耦合的分布式太阳能发电系统中的光伏模块。存储器耦合到所述接收器以存储所述多个网络参数和所述状况。至少一个处理器耦合到所述接收器，并且被配置为基于所述网络参数和所述状况来计算用于分布式太阳能发电系统的无功功率测量。所述处理器被配置为基于所述无功功率测量来生成无功功率命令。所述设备进一步包括耦合到所述处理器的发射器(transmitter)，所述发射器被配置为将所述无功功率命令传输给所述逆变器以补偿所述分布式太阳能发电系统中的无功功率。
附图说明
当参照附图读完下面的详细说明时，将可以更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在整个附图中，相似标号表示相似部分。
图1是根据本发明的方面的包括光伏模块的分布式太阳能发电系统的框图表示；
图2是根据一个实施例的用于补偿无功功率的方法的流程图；
图3是图1中的光伏模块耦合到电网的示意性表示；
图4示出如图1中所实施的控制器的框图。
具体实施方式
容易理解，可以以各种各样的不同配置来设置和设计在此处图中所一般说明和示出的实施例的部件。因而，下面的各个实施例的更详细说明(如在图中所表示的)，并不意旨限制本发明的范围(如所要求的)，而是仅仅代表各个实施例。虽然实施例的各个方面被呈现在图示中，但是除非具体指出，所述图示未必按照比列绘制。
短语“连接到”、“耦合到”以及“与...通信”指两个或更多实体之间的任何形式的相互作用，包括机械、电、磁、电磁、流体以及热相互作用。两个部件可被相互耦合，即使这两个部件相互不直接接触。
分布式发电机通常是定位得靠近于客户负载的小的、模块化的发电机。这样的分布式发电机给予典型的大规模资本密集的中心电站发电厂(central-station power plant)和配电系统可能不能提供的优点。分布式发电技术使用各种燃料，包括天然气、柴油、生物提取燃料(biomass-derived fuels)、燃料油、丙烷以及氢。燃料资源还经常基于可再生能源，诸如光伏、风和微水电，因此减少了分布式发电系统对环境的冲击。通过在能量消耗者附近使用更小的、燃料更灵活的系统，分布式发电避免了输电和配电损失，并且为公用电网客户(utilitycustomer)提供了对能量系统的更广泛选择。分布式发电通常在需求高峰期提供可靠的低成本和高质量的电力，并且可以成为中心电站生成电力的可行替代。同样地，许多分布式电力系统产生如此低的噪音和放射以至于这些分布式电力系统可以位于需要电力的建筑物和基础设施附近，因此简化了常规的分布式基础设施发展的问题。
典型的输电和配电网将电能从发电设施传输给最终用户。多个分布式发电系统可互连以形成电网。可以注意到，所述电网也可包括常规的发电和配电网络。可依照公共设施的要求或者由企图售电的所发电力的拥有者在线地带来(bring)分布式发电系统的资源以补充电网。
光伏模块可包括多个光伏阵列。光伏模块可进一步包括光伏电池的互连组件。因为光伏电池通常要求针对环境的保护，所以可将多个光伏电池电连接并封装在单一模块中。可将许多这样的模块固定在一起、电连线并且作为一个单元来进行工作。光伏装配通常包括光伏模块的阵列、逆变器、电池组以及互连布线。图1示出根据本技术方面的分布式太阳能发电系统的一个实施例。由参考标记10表示的分布式太阳能发电系统(此后称为“DSPGS”)包括多个光伏模块12，其中每个光伏模块耦合到至少一个或多个逆变器14和16。
在示例性实施例中，逆变器14和16可耦合在一起以形成DSPGS的一个相(phase)。在所示出的实施例中，逆变器14和16耦合在一起以形成第一相A(18)、第二相B(20)和第三相C(22)。具有来自18、20和22的连接的三个这样的相可在节点24处耦合在一起。另外，包括光伏模块26和逆变器28的附加单相或三相系统可在节点24处耦合在一起。反过来，DSPGS 10可耦合到由参考标记30所指示的公用电网或常规电网。
在本发明的一个实施例中，DSPGS 10包括多个感测装置，诸如感测装置32和感测装置34，这些感测装置被配置为感测诸如但是不限于电流、电压、有效功率以及无功功率的网络参数。感测装置32和34的示例包括电流测量装置、电压测量装置、相位角测量电路以及功率表。在一个实施例中，感测装置32可以是被配置为感测每相的负载电流的变流器。在另一实施例中，感测装置34可以是被配置为在节点24处感测来自所有三相的总负载电流的变流器。可采用电压测量装置电路以在电网中的各个点感测电压电平。增长的需求通常导致减少的系统电压，这导致电网的不稳定性和/或跳开。在本发明的一个实施例中，对电压进行监视以保持电网的某个最小电压要求并调节需求。在另一实施例中，感测装置32可包括被配置为测量相电流和相电压之间的相位角的相位角测量电路。在又一实施例中，感测装置34可包括相位角测量电路以测量负载电压和负载电流之间的相位角。在本发明的另一实施例中，感测装置32和/或感测装置34可包括被配置为感测电网中的无功功率测量的功率表。
在本发明的一个实施例中，优化控制器36耦合到电网并被配置为从感测装置32和34接收各个网络参数。优化控制器36还可接收诸如装置状况38、天气情况40的输入以及进一步在下述文本中说明的其它输入42。装置状况的示例可包括所感测到的逆变器状态、光伏模块的状态或者两者。所感测到的状态可表示如下信息，诸如在线/离线、电流容量以及所供应的无功功率。在示例性实施例中，天气监视器可被配置为基于诸如可影响电网中的光伏模块电力耗尽(power out)以及停电的雨和/或暴风雨的信息来生成天气情况40。优化控制器进一步被配置为产生并传输无功功率命令44给由参考标记46、48、50所示出的每个逆变器。可以注意到，为了简化所示出的电路图示，优化控制器和每个逆变器之间的耦合并未详细示出。然而，可以认识到，优化控制器36可个别地耦合到每个逆变器(14、16和28)。而且，逆变器可包括被配置为接收无功功率命令的脉宽调制器和控制电路。
优化控制器还被配置为接收其它输入42，诸如由负载需求监视器34和/或电网情况监视器(未示出)所监视的总负载需求。例如，电网情况监视器可提供以下参数，诸如目前功率容量、剩余功率容量、外部电压和频率波动、负载(或需求)的增加/减少、所供应的有效功率以及负载的无功功率需求。在一个实施例中，优化控制器接收各个输入并可以执行优化算法以生成供逆变器使用的无功功率命令。在一个实施例中，优化控制器被配置为平衡可能由于各相上的负载不等而发生的多相电压和/或多相电流。用于通过无功功率命令来提供无功功率支持的方法在图2中详细说明并示出。
现在转向图2，由流程图60所示出的方法包括用于补偿如在图1中所实施的无功功率的各个步骤。在示例性实施例中，图1的优化控制器36实施方法60。该方法包括检测DSPGS中的多个网络参数中的至少一个，该DSPGS包括耦合到电网的多个光伏模块(框62)。网络参数可包括例如由负载汲取的电流、在电网中的各个节点处的电压和/或频率、光伏模块的状态、由(多个)逆变器供应的有效功率、由(多个)逆变器汲取的无功功率、以及逆变器、光伏模块或两者的状况。
如前面所提到的，优化控制器36可被配置为从在电网上的各个点处耦合的各个感测装置和从各个光伏模块和逆变器接收信号。对光伏模块状态的感测可包括感测如下信息，诸如光伏模块、逆变器或两者的开/关状况或运行状态。感测到的状态还可包括光伏模块、逆变器或两者的无功功率支持能力。基于这样的输入，优化控制器可计算可以指示每个逆变器所供应的无功功率的无功功率测量(框64)。在本发明的一个实施例中，优化控制器被进一步配置为生成各个无功功率命令(框66)。相应地，至少部分地基于无功功率命令，实现无功功率补偿(框68)。此外，优化控制器可便于系统损失的最小化、系统电压分布的优化以及平衡馈给到DSPGS中的每相的无功功率量。优化控制器可被配置为存储以下信息，诸如系统拓扑和针对无功功率命令的目前和未来计算的所有光伏模决的额定值(rating)。系统拓扑例如可包括以下实时信息，诸如电网互连、负载或需求输送结构的网络拓扑。
图3是示出如在图1中实施的光伏模块80的示例性实施例的框图。光伏模块80可包括耦合到负载82的逆变器14(或16)和作为电源工作的光伏阵列84。光伏阵列可包括能够发电的太阳能电池。在工作中，耦合到逆变器14的光伏阵列84被配置为生成输出电流I输出以用于以驱动网络电流I网络的供电电压V网络为连接到主电网86的(驱动负载电流I负载的)负载82提供能量。
图4示出了优化控制器92的一个实施例。在所示出的实施例中，优化控制器92包括接收器94，处理器98、存储器100和发射器96。优化控制器还包括耦合到接收器的输入连接102和耦合到发射器的输出连接104。输入连接102可例如在外部耦合到感测装置。接收器94可被配置为从耦合到电网的DSPGS经由输入连接102接收多个网络参数以及光伏模块、逆变器或两者的状况。在一个实施例中，接收器94可以包括诸如模数转换器之类的一个或多个电路。在一个实施例中，存储器100耦合到接收器94和处理器98，并被配置为存储多个网络参数以及光伏模块、逆变器或两者的状况。在一个实施例中，所述状况可包括但是不限于开/关情况、无功功率容量以及光伏模块、逆变器或两者的目前负载容量。在一个实施例中，处理器98被配置为基于网络参数和所述状况来计算用于DSPGS的无功功率测量。基于无功功率测量，处理器被配置为生成无功功率命令。在示例性实施例中，处理器可以是能够接收数字输入的数字信号处理器，以实施预配置算法并生成可以用于动作(action)的数字信号作为输出。耦合到处理器98的发射器96被配置为经由输出连接104来传输无功功率命令。输出连接104可在外部耦合到逆变器以便于传送无功功率命令。发射器电路，例如，可包括一个或多个数模转换器。另外，发射器电路可被配置为与包括电力线载波或以太网络的通信网络接口。在一个实施例中，通信网络可被配置为经由电网传输无功功率命令。
在一个实施例中，输入连接102和输出连接104可包括电网连接。电网连接可便于模拟信号和数字信号的传输。然而，基于设计变型，模数转换器和数模转换器可在输入连接和/或输出连接之前和/或之后使用。
在工作中，优化控制器92被配置为经由输入连接102来接收多个输入，并生成用于补偿DSPSG中无功功率的无功功率命令。例如，多个输入可包括以下网络参数，诸如来自电网的电流、电压和有效功率测量。到控制器92的多个输入还可包括耦合到光伏模块的逆变器的状况。在示例性实施例中，该状况可包括逆变器在其终端的工作状态，诸如无功功率容量、所供应的电流需求、所供应的调节电压。诸如天气情况、系统拓扑的其它参数可被包括在到控制器92的多个输入中。接收器94可被配置为将由输入连接102所接收的多个模拟输入转换成数字信号。处理器98接收这样的数字信号并执行用于优化无功功率以及生成无功功率命令的方法。发射器96可被配置为将无功功率命令转换成模拟信号。模拟信号可表示用于耦合到光伏模块的逆变器的脉宽调制控制器的命令。
有利地，通过在主要是太阳能发电的分布式发电系统中实施优化控制器，可以克服可能加剧电压调节问题的间歇难题(intermittencyissue)。额外的优点是使得能在分布式发电系统中实现太阳能的高可靠性。这样的系统提供与其它类似的功率转换器协作的能力并通过中央控制器提供电压调节。优化控制器能够为每个逆变器生成个别的无功功率命令，因此使系统损失最小化并优化系统电压分布以及平衡无功功率量。
虽然在此仅示出和说明了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员可以想到许多修改和变化。因此，应该理解，附加的权利要求意旨覆盖落入本发明的真正精神中的所有这样的修改和变化。
元件列表
10    分布式太阳能发电系统
12    多个光伏模块
14    逆变器
16    逆变器
18    相A
20    相B
22    相C
24    节点
26    光伏模块
28    逆变器
30    公用电网或常规电网
32    感测装置
34    感测装置
36    优化控制器
38    装置状况
40    天气情况
42    其它输入
44    无功功率命令
46    无功功率命令
48    无功功率命令
50    无功功率命令
60    流程图/方法
62    检测网络参数并感测状态
64    确定无功功率测量
66    生成无功功率命令
68    补偿无功功率
80    光伏模块
82    负载
84    光伏阵列
86    主电网
92     优化控制器
94     接收器
96     发射器
98     处理器
100    存储器
102    输入连接
104    输出连接

Claims (10)

1.一种提供无功功率支持的方法，包括：
检测分布式太阳能发电系统(10)中的多个网络参数中的至少一个，所述分布式太阳能发电系统(10)包括经由逆变器(14、16)耦合到电网的多个光伏模块(12、26)；
感测耦合到所述分布式太阳能发电系统(10)的所述光伏模块(12、26)的状态；
基于所感测到的状态和所检测到的网络参数来确定无功功率测量；
基于所确定的无功功率测量来生成无功功率命令(44、46、48、50)；以及
基于所生成的无功功率命令来补偿所述分布式太阳能发电系统(10)中的无功功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述网络参数包括耦合到所述分布式太阳能发电系统(10)的所述逆变器的电流、电压或状况中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定所述分布式太阳能发电系统(10)的系统拓扑。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述感测进一步包括评估所述光伏模块(12、26)的工作状态、无功功率容量以及目前负载(82)容量。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用所述无功功率命令(44、46、48、50)来激活耦合到所述光伏模块(12、26)的所述逆变器(14、16)以补偿所述分布式太阳能发电系统(10)中的无功功率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述网络参数和光伏模块(12、26)的所述状态来迭代地生成所述无功功率命令(44、46、48、50)。
7.一种系统，包括：
耦合到电网的多个光伏模块(12、26)，其中至少一个逆变器(14、16)与相应的光伏模块(12、26)耦合；
多个耦合到电网的感测装置(32、34)，所述感测装置(32、34)被配置为感测至少一个网络参数和无功功率测量；以及
耦合到所述至少一个逆变器(14、16)的优化控制器(36)，所述优化控制器(36)被配置为基于所述至少一个网络参数和感测到的状态来生成无功功率命令(44、46、48、50)以用于补偿所述分布式太阳能发电系统(10)中的无功功率。
8.一种用于优化无功功率补偿的设备，包括：
接收器(94)，所述接收器(94)被配置为接收逆变器(14、16)的状况和多个网络参数，所述逆变器(14、16)耦合到与电网耦合的分布式太阳能发电系统(10)中的光伏模块(12、26)；
存储器(100)，所述存储器(100)耦合到所述接收器以存储所述多个网络参数和所述状况；
至少一个处理器(98)，所述至少一个处理器(98)耦合到所述接收器，并且被配置为基于所述网络参数和所述状况来计算用于分布式太阳能发电系统的无功功率测量并基于所述无功功率测量来生成无功功率命令(44、46、48、50)；以及
发射器(96)，所述发射器(96)耦合到所述处理器，并且被配置为将所述无功功率命令传输给所述逆变器以补偿所述分布式太阳能发电系统中的无功功率。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述接收器进一步被配置为将所述分布式太阳能发电系统的电流、电压、有效功率或无功功率测量中的至少一个数字化。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述状况包括耦合到所述光伏模块(12、26)的所述逆变器(14、16)的工作状态。
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