CN102035208B - 可再生能发电厂的无功功率调整和电压支持 - Google Patents

可再生能发电厂的无功功率调整和电压支持 Download PDF

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Abstract

提供用于可再生能发电厂的无功功率调整和电压支持的系统和方法。在一个实施例中，提供用于协调具有与公用电网关联的一个或多个要求的发电厂的电压和无功功率输出的系统和方法。该方法可包括至少部分根据从公用电网所接收的无功功率控制信号(102)来生成VAR调整器输出信号(132)，至少部分根据所生成的VAR调整器输出信号(132)来控制一个或多个电源的无功功率和电压输出，合计一个或多个电源的无功功率输出，以及将合计无功功率提供给公用电网。

Description

可再生能发电厂的无功功率调整和电压支持
技术领域
一般来说，本发明涉及功率调整(power regulation)，更具体来说，涉及可再生能量发电厂(renewable energy plant)的无功功率调整(reactive power regulation)和电压支持。
背景技术
随着传统矿物燃料价格持续上升，可再生能源、如太阳能和风电场成为更为经济可行的。如果设置适当控制系统用于协调随公用电网的需求所产生的电力，则现有配电(电网)基础设施可用于分配来自可再生能源的电力。可测量电力需求，并且需求信号可用于控制由可再生源提供给电力网的电量。
当电压和电流同相时，生成或消耗有效功率(real power)。当电压和电流为相差90度相位时，生成或消耗无功功率。纯电容或纯电感负载一般仅消耗无功功率(除了小电阻性损耗之外)，并且没有有用有效功率传送到负载。无功功率通过称作无功伏安、即VAR的量来测量，它是便利的数学量，因为视在功率是VAR和瓦特的向量和。电力网的稳定性与无功功率的生成和/或消耗相关；因此，通常需要控制来自可再生能源的无功功率输出，以便满足电力需求，同时为电力网提供稳定性。
先前的无功功率管理方法和系统调整VAR命令，它们被发送给风轮机，以便控制各风轮机的瞬时无功功率产出。这类方法和系统通过生成无功功率可满足需求并且使电力网稳定，但是无法解决来自电源的电压的短期调整或者补偿输电线的无功功率损耗。因此，需要可再生能发电厂的无功功率调整和电压支持。
发明内容
上述需要的部分或全部可通过本发明的某些实施例来解决。本发明的某些实施例可包括用于提供可再生能发电厂的无功功率调整和电压支持的系统和方法。
根据本发明的一个实施例，提供一种用于协调包括具有与公用电网关联的一个或多个要求的一个或多个电源的发电厂的电压和无功功率输出的方法。该方法可包括：至少部分基于从公用电网所接收的无功功率控制信号来生成VAR调整器输出信号，至少部分基于所生成的VAR调整器输出信号来控制一个或多个电源的无功功率和电压输出，合计一个或多个电源的无功功率输出，以及将合计无功功率提供给公用电网。
根据另一个示范实施例，提供一种用于协调具有与公用电网关联的一个或多个要求的一个或多个电源的电压和无功功率输出的系统。该系统可包括一个或多个电源。该系统可包括无功功率控制器，其可包含无功功率调整器，无功功率调整器可操作成接收来自公用电网的无功功率控制信号，并且至少部分基于无功功率控制信号来生成VAR调整器输出信号电压参考。无功功率控制器还可包括电压调整器，它可操作成接收由无功功率调整器所生成的VAR调整器输出信号电压参考，接收来自公用电网的电压参考，以及响应从无功功率调整器所接收的VAR调整器输出信号电压参考或者从公用电网所接收的电压参考而调节一个或多个电源的无功功率输出。该系统还可包括：合计器，合计来自一个或多个电源的有效和无功功率输出；以及传输装置，将合计的有效和无功功率传送给公用电网。
根据另一个示范实施例，提供一种用于协调具有与公用电网关联的一个或多个要求的一个或多个电源的电压和无功功率输出的设备。该设备可包括无功功率控制器。无功功率控制器可包括无功功率调整器，它可操作成接收来自公用电网的无功功率控制信号，并且至少部分基于无功功率控制信号来生成VAR调整器输出信号电压参考。该设备还可包括电压调整器，它可操作成接收由无功功率调整器所生成的VAR调整器输出信号电压参考，接收来自公用电网的电压参考，以及响应从无功功率调整器所接收的VAR调整器输出信号电压参考或者从公用电网所接收的电压参考而调节一个或多个电源的无功功率输出。该设备还可包括合计器，以便合计来自一个或多个电源的有效和无功功率输出。
通过以下具体实施方式、附图和权利要求书，本领域的技术人员将会清楚地知道本发明的其它实施例、方面和特征。
附图说明
现在参照附图，附图不一定按比例绘制，包括：
图1是示出根据本发明的一示范实施例的无功功率调整器系统的说明性框图。
图2示出根据本发明的一示范实施例的电压调整器系统的说明性框图。
图3是根据本发明的一示范实施例的方法流程图。
具体实施方式
下面参照附图更全面地描述本发明的实施例，附图中示出本发明的实施例。但是，本发明可通过许多不同形式来实施，而不应当理解为局限于本文所提出的实施例；相反，提供这些实施例的目的在于使本公开彻底且完整，且向本领域的技术人员完全传递本发明范围。相似的标号通篇表示相似的元件。
本发明的某些实施例可协调来自可再生发电厂的可变输出的具有公用电网的要求的无功功率和电压。例如，可再生源发电厂的瓦特输出可随不同操作条件(例如，风轮机速度、云覆盖等)而改变，并且本发明的某些实施例可保持适当的电压调整量和VAR(无功伏安)支持。VAR可由公用电网来命令，使得所产生的VAR可与可再生能发电厂的控制区域中的其它电压调整设备进行协调。
根据本发明的一示范实施例，内电压调整器回路可调整可再生能发电厂本地的电压。电压回路的输出可向逆变器装置命令VAR，逆变器装置可产生所需VAR。根据一示范实施例，到配电站的太阳能或风力发电厂的波动有效功率输出的协调可通过适当控制电压来稳定。所产生的VAR可改变可再生发电厂的电压，使得内回路调整器能够在短时间段上保持测量时的比较恒定的电压。根据一示范实施例，外回路VAR调整器可用于供公用电网调整发电厂的净VAR输出。根据本发明的示范实施例，外回路VAR调整器可比内回路电压调整器要慢，并且VAR调整器输出可将电压命令提供给电压调整器。VAR调整器可缓慢调整发电厂的VAR输出，而内回路电压调整器可防止来自可变资源的功率波动不利地影响发送给公用电网的电压。公用电网可向发电厂命令VAR，使得VAR支持可由离可再生能发电厂一段距离、可调整电压或功率因数的其它设备来使用。本发明的某些实施例可便于将可再生发电厂安装到已经采用某种形式的电压调整器的公用电网系统中。
根据本发明的某些实施例，可使用具有作为内回路的快速反应电压调整器和作为外回路的较慢VAR调整器系统的控制系统来协调来自可再生能源的无功功率输出。根据本发明的示范实施例，图1示出示范的外回路VAR调整器系统100的说明性框图，而图2是示范的内回路电压调整器系统200的框图。
根据本发明的示范实施例，图1示出无功功率可通过接受来自公用电网的无功功率控制信号Qref 102来协调。每个单位时间的无功功率控制信号Qref 102的变化或压摆率(slew rate)可由压摆率限制器Qsl_rate 104来限制，以便防止VAR调整器过快进行反应，并且限制尖峰和其它噪声的影响。无功功率控制信号Qref 102可通过限幅器106来限制在最大无功功率水平极限Qmax 108与最小无功功率水平极限Qmin 110之间，使得公用电网需求的无功功率控制信号Qref 102没有超过例如VAR调整器100或者其余系统部件和发电源的能力。所得压摆率和限幅参考无功功率信号125可用作对求和模块127的参考输入，下面进行论述。
图1还示出VAR补偿子系统112。根据系统的示范实施例，VAR补偿子系统112可提供补偿信号Qcomp 124，它可用于补偿输电线、逆变器设备和其它组件(其生成、控制有效和无功功率和/或将其从可再生电源提供给公用电网)的损耗和其它因数。根据示范实施例，VAR组件子系统112可经过编程，或者可接受来自外部源的信息或信号。例如，可提供表示输电线电阻Rc 114和电抗Xc 116的信号。VAR补偿子系统112可利用Rc 114和Xc 116信号，并且还可接收变电站实际电压(actual voltage)118、电流120和相位角Phi 122的测量，以便产生VAR补偿信号124。
根据本发明的一示范实施例，可通过在可再生能源(例如在太阳能和/或风电场)测量无功功率输出来产生测量无功功率信号Qmeasured126，以及可在求和节点127的输出端通过相加VAR补偿信号Qcomp124与压摆率和限幅参考无功功率信号125并且从总和中减去测量无功功率信号Qmeasured 126来得到无功功率误差信号Qerr 128。所得无功功率误差信号Qerr 128可由PI(比例积分)控制器130来处理，以便产生变电站电压需求信号132，它可用作对电压调整器系统200的输入。在另一个示范实施例中，如果没有使用VAR补偿112，则Qerr 128可在求和节点127的输出端通过从压摆率和限幅参考无功功率信号125中减去测量无功功率信号Qmeasured 126来得到。
图2示出根据本发明的示范实施例的电压调整器系统200的说明性框图。电压调整器系统200可工作在两种不同模式(测试和现场)(取决于可由电压/Q模式选择信号212来控制的模式选择开关214的状态)。当模式选择开关214处于位置“1”时，电压调整器输入信号215可以是测试信号Vtest 210，它可经由测试求和模块208从合计分步测试发生器信号206和压摆率限制204电压设置点202得出。当模式选择开关214处于如图2所示的位置“0”时，电压调整器输入信号215可以是由VAR调整器系统100所产生的VAR调整器输出信号132，如图1所示并且如上所述。
根据示范实施例，电压调整器输入信号215可由高端电压限幅器216来限制，使得所得高端参考电压Vhs_ref 220幅度处于最小信号极限VLimLO 217与最大信号极限VLimHI 218之间。根据本发明的一示范实施例，并且参照图2，电压误差信号Verr 226可通过在求和节点224从高端参考电压Vhs-ref 220中减去高端电压反馈信号Vhs 222来产生。
根据本发明的示范实施例，电压误差信号Verr 226还可由低通滤波器228来处理，以便产生低通电压误差信号Veerr_lpf 230。低通电压误差信号Verr_lpf 230可由比例滤波器/放大器232来处理，以便产生比例输出234。同时，电压误差信号Verr 226可在电压调整器系统200的单独支路中经由限制积分滤波器/放大器236来处理，该限制积分滤波器/放大器236具有等于各逆变器正VAR能力之和Qmax 238的积分上限和等于各逆变器负VAR能力之和Qmin 240的积分下限，其中，这些逆变器可在太阳能场中用于从直流功率信号生成交流电并且用于产生无功功率。积分输出242可在求和模块244与比例输出234相加，以便产生PI信号246。根据本发明的示范实施例，PI信号246可由限制器Qlimiter 248来处理，使得将所得净无功信号Qwtg_net250的幅度限制在各逆变器正VAR能力之和Qmax 238与各逆变器负VAR能力之和Qmin 240之间。
根据本发明的一示范实施例，N可表示在线逆变器252的数量，并且除法模块254可用于将净无功信号Qwtg_net250除以N以产生Qn、即无功控制信号256，它可被发送给单独逆变器用于命令无功功率和电压。
根据本发明的一示范实施例，一个或多个电源的无功功率输出至少部分根据从公用电网所接收的无功功率控制信号来控制。现在参照图3的流程图来描述用于协调无功功率并且将其从备用电源提供给电力网的示范方法300。方法300在框302开始。在框304，至少部分根据从公用电网所接收的无功功率控制信号(102)来生成VAR调整器输出信号(132)。在框306，并且根据本发明的一示范实施例，一个或多个电源的无功功率和电压输出可至少部分根据所生成的VAR调整器输出信号(132)来控制。在框308，方法300可合计一个或多个电源的无功功率输出。在框310，可将合计无功功率提供给公用电网。方法300在框312结束。
在本发明的某些实施例中，VAR调整器系统100和电压调整器系统200可包括任何数量的软件应用程序，它们被运行以便于任何操作。
在某些实施例中，一个或多个I/O接口可便于VAR调整器系统100、电压调整器系统200和一个或多个输入/输出装置之间的通信。例如，通用串行总线端口、串行端口、磁盘驱动器、CD-ROM驱动器和/或例如显示器、键盘、小键盘、鼠标、控制面板、触摸屏显示器、话筒等一个或多个用户接口装置便于与VAR调整器系统100和电压调整器系统200的用户交互。一个或多个I/O接口可用于接收或收集来自大量输入装置的数据和/或用户指令。所接收数据可按照本发明的各个实施例的需要由一个或多个计算机处理器来处理，和/或存储在一个或多个存储器装置中。
一个或多个网络接口可便于将VAR调整器系统100和/或电压调整器系统200输入和输出连接到一个或多个适当网络和/或连接，例如便于与关联系统的任何数量的传感器的通信的连接。一个或多个网络接口还可便于到一个或多个适当网络、例如局域网、广域网、因特网、蜂窝网络、射频网络、启用BluetoothTM的网络、启用Wi-FiTM的网络、基于卫星的网络、任何有线网络、任何无线网络等的连接，供与外部装置和/或系统进行通信。
按照需要，本发明的实施例可包括比图1和图2所示部件更多或更少部件的VAR调整器系统100和电压调整器系统200。
以上参照根据本发明的示范实施例的系统、方法、设备和/或计算机程序产品的框图和流程图来描述本发明。大家会理解，框图和流程图的一个或多个框以及框图和流程图中的框的组合可分别可通过计算机可执行程序指令来实现。同样，根据本发明的一些实施例，框图和流程图的某些框可以不一定需要按照所提供的顺序来执行，或者可以不一定需要全部执行。
这些计算机可执行程序指令可加载到通用计算机、专用计算机、处理器或者其它可编程数据处理设备以产生特定机器，使得运行于计算机、处理器或者其它可编程数据处理设备的指令创建用于实现流程图框中指定的一个或多个功能的部件。这些计算机程序指令还可存储在计算机可读存储器中，它们可指导计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式起作用，使得计算机可读存储器中存储的指令产生一种制造产品，其中包括实现流程图框中所指定的一个或多个功能的指令部件。作为一示例，本发明的实施例可提供计算机程序产品，包括计算机可使用介质，其中包含有计算机可读程序代码或程序指令，所述计算机可读程序代码适合被运行以便实现流程图框中指定的一个或多个功能。计算机程序指令还可加载到计算机或者其它可编程数据处理设备，以便使一系列操作元件或步骤在计算机或其它可编程设备上运行，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机或其它可编程设备上运行的指令提供用于实现流程图框中指定的功能的元件或步骤。
相应地，框图和流程图的框支持执行指定功能的部件的组合、执行指定功能的元件或步骤的组合和执行指定功能的程序指令部件。大家还会理解，框图和流程图的各框以及框图和流程图中的框的组合可通过执行指定功能的基于硬件的专用计算机系统、元件或步骤或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
虽然结合当前被认为是最实用的和多种实施例的内容来描述本发明，但是要理解，本发明并不局限于所公开的实施例，相反，它意在涵盖包含于所附权利要求书的范围之内的各种修改和等效布置。虽然本文中采用特定术语，但是它们仅以通用且描述性意义来使用，而不是用于限制。
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。本发明的可专利范围在权利要求书中限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有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，则它们意在落入权利要求书的范围之内。
部件列表
100    VAR调整器                214    模式开关
102    无功功率控制信号Q-ref    215    电压调整器输入信号
104    压摆率限制器             216    高端电压限幅器
106    限幅器                   217    最小信号极限V_LimLO
112    VAR补偿子系统            218    最大信号极限V_LimHI
114    电阻信号Rc               220    高端参考电压Vhs_ref
116    电抗信号Xc               222    高端电压反馈信号Vhs
118    变电站实际电压U          224    求和节点
120    变电站实际电流I          226    电压误差信号Verr
122    变电站实际相位角Phi      228    低通滤波器
124    VAR补偿信号Q-comp        230    低通电压误差信号Verr_lpf
127    求和节点                 232    比例滤波器/放大器
128    无功功率误差信号Q-err    234    比例输出
130    PI控制器                 236    限制积分滤波器/放大器
132    VAR调整器输出信号        242    积分输出
200    电压调整器               244    求和模块
202    电压设置点               246    PI信号
204    电压设置点压摆率限制器    248    Q限制器
206    分步测试发生器信号        250    净无功功率信号Qwtg_net
208    测试求和模块              252    在线逆变器数量N
210    测试信号V-test            254    除法模块
212    电压/Q模式选择信号        256    无功控制信号Qn
238    积分上限(各逆变器正VAR能力Q_max之和)
240    积分下限(各逆变器负VAR能力Q_min之和)
108    最大无功功率水平限制Q-max
110    最小无功功率水平限制Q-min
125    压摆率和限幅参考无功功率信号
126    测量无功功率信号Q-measured

Claims (20)

1. 一种用于协调包括具有与公用电网关联的一个或多个要求的一个或多个电源的发电厂的电压和无功功率输出的方法，所述方法包括：
至少部分基于从公用电网所接收的无功功率控制信号按照第一响应速率生成VAR调整器输出信号；
至少部分基于所生成的VAR调整器输出信号按照第二响应速率控制所述一个或多个电源的无功功率和电压输出，其中所述第二响应速率大于所述第一响应速率；
合计所述一个或多个电源的无功功率输出；以及
将所合计的无功功率提供给所述公用电网。
2. 如权利要求1所述的方法，还包括：补偿所述一个或多个电源的无功功率输出，以校正将所合计的无功功率提供给所述公用电网的输电线中的损耗。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述控制一个或多个电源的无功功率和电压输出的步骤包括限制所述无功功率控制信号的压摆率。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述控制一个或多个电源的无功功率和电压输出的步骤包括限制所述VAR调整器输出信号的最大和最小电压。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，所述控制一个或多个电源的无功功率和电压输出的步骤还至少部分基于来自测量所述发电厂的一相或多相电压的装置的高端电压反馈信号。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，所述控制一个或多个电源的无功功率和电压输出的步骤还基于将净无功功率信号除以表示与所述一个或多个电源关联的在线逆变器的总数的数值。
7. 如权利要求1所述的方法，其中，将所合计的无功功率提供给所述公用电网的步骤响应于从所述公用电网所接收的一个或多个信号而执行。
8. 一种用于协调具有与公用电网关联的一个或多个要求的一个或多个电源的电压和无功功率输出的系统，所述系统包括：
一个或多个电源；
无功功率控制器，包括：
无功功率调整器，可操作成：
接收来自所述公用电网的无功功率控制信号；以及
至少部分基于所述无功功率控制信号按照第一响应速率生成VAR调整器输出信号电压参考；以及
电压调整器，可操作成：
接收由所述无功功率调整器所生成的VAR调整器输出信号电压参考；
接收来自所述公用电网的电压参考；以及
响应于从所述无功功率调整器所接收的VAR调整器输出信号电压参考或者从所述公用电网所接收的电压参考按照第二响应速率调节所述一个或多个电源的无功功率输出，其中所述第二响应速率大于所述第一响应速率；
合计器，用于合计来自所述一个或多个电源的有效和无功功率输出；以及
输电装置，用于将合计的有效和无功功率传输给所述公用电网。
9. 如权利要求8所述的系统，其中，所述一个或多个电源包括下列至少一个：光伏电池、燃料电池、蓄电池或风轮机。
10. 如权利要求8所述的系统，其中，所述无功功率调整器还可操作成按照第一响应速率响应于来自所述公用电网的所述无功功率控制信号而生成所述VAR调整器输出信号电压参考，并且所述电压调整器还可操作成按照第二响应速率响应于从所述无功功率调整器所接收的VAR调整器输出信号电压参考而调节所述一个或多个电源的无功功率输出，其中所述第二响应速率大于所述第一响应速率。
11. 如权利要求8所述的系统，其中，所述无功功率调整器还可操作成补偿所述一个或多个电源的无功功率输出，以校正所述输电装置中的损耗。
12. 如权利要求8所述的系统，其中，所述无功功率调整器还可操作成至少部分基于与所述合计的无功功率的测量关联的反馈信号来生成所述VAR调整器输出信号电压参考。
13. 如权利要求8所述的系统，其中，所述无功功率调整器包括比例积分(PI)控制，以便对所述电压调整器的所述VAR调整器输出信号电压参考进行滤波。
14. 如权利要求8所述的系统，其中，所述电压调整器还可操作成通过将净无功功率信号除以表示与所述一个或多个电源关联的在线逆变器的总数的数值来调节所述一个或多个电源的无功功率输出。
15. 一种用于协调具有与公用电网关联的一个或多个要求的一个或多个电源的电压和无功功率输出的设备，所述设备包括：
无功功率控制器，包括：
无功功率调整器，可操作成：
接收来自所述公用电网的无功功率控制信号；以及
至少部分基于所述无功功率控制信号按照第一响应速率生成VAR调整器输出信号电压参考；以及
电压调整器，可操作成：
接收由所述无功功率调整器所生成的VAR调整器输出信号电压参考；
接收来自所述公用电网的电压参考；以及
按照第二响应速率响应于从所述无功功率调整器所接收的VAR调整器输出信号电压参考或者从公用电网所接收的电压参考而调节所述一个或多个电源的无功功率输出，其中所述第二响应速率大于所述第一响应速率；以及
合计器，用于合计来自所述一个或多个电源的有效和无功功率输出。
16. 如权利要求15所述的设备，其中，所述无功功率调整器还可操作成按照第一响应速率响应于来自所述公用电网的无功功率控制信号而生成所述VAR调整器输出信号电压参考，以及所述电压调整器还可操作成按照第二响应速率响应于从所述无功功率调整器所接收的所述VAR调整器输出信号电压参考而调节所述一个或多个电源的无功功率输出，其中所述第二响应速率大于所述第一响应速率。
17. 如权利要求15所述的设备，其中，所述无功功率调整器还可操作成补偿所述一个或多个电源的无功功率输出，以便校正与所述公用电网进行通信的输电装置中的损耗。
18. 如权利要求15所述的设备，其中，所述无功功率调整器还可操作成至少部分基于与所述合计的无功功率的测量关联的反馈信号来生成所述VAR调整器输出信号电压参考。
19. 如权利要求15所述的设备，其中，所述无功功率调整器包括比例积分(PI)控制，以便对所述电压调整器的所述VAR调整器输出信号电压参考进行滤波。
20. 如权利要求15所述的设备，其中，所述电压调整器还可操作成通过将净无功功率信号除以表示与所述一个或多个电源关联的在线逆变器的总数的数值来调节所述一个或多个电源的无功功率输出。
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