CN102545645A - 具有能量存储的功率转换控制 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“具有能量存储的功率转换控制”。发电系统(10、110、210)，包括：可再生电源(12、112、212)，用于产生源功率；源侧转换器(32、132、232)，用于将源功率转换成转换的DC功率；源侧控制器(38、138、238)，用于将转换的DC功率朝最大功率点驱动；DC链路(34、134)，用于接收转换的DC功率；电网侧转换器(36、236)，其耦合到DC链路，用于将来自DC链路的DC链路功率转换成电网的AC输出功率；电网侧控制器(40、140、240)，用于控制电网侧转换器的AC输出功率，以便实现电网互连要求；电能存储装置(42、142)；能量存储转换器(44、144、244)，其将能量存储装置耦合到DC链路；以及能量存储控制器(46、146)，用于控制能量存储转换器，以便实现DC链路上的预期功率平衡。

Description

具有能量存储的功率转换控制

技术领域

一般来说，本文公开的主题涉及功率转换系统，并且更具体来说，涉及使用与可再生能量源的功率转换系统一起的能量存储。

背景技术

在用于具有两级功率转换的可再生能量源的常规控制方式中，源侧转换器通过DC(直流)链路并联耦合到电网侧转换器。在风力涡轮实施例中，例如，源侧控制器使用风力涡轮发电机扭矩调节来控制源侧转换器，并且电网侧控制器使用DC电压调节来控制电网侧转换器。可再生能量源的其它示例包括太阳能源和海洋流体动力能量源。

当从可再生能量源提供功率时，源侧控制器的目标是向电网传送尽可能多的源功率，而电网侧转换器的目标是满足影响功率输出的电网互连要求，例如缓变速率(ramp rate)极限、调速器固定偏差(droop)控制、削减(curtailment)、和故障穿越。用于源侧控制和电网侧控制的这些不同控制目标有时引起DC链路上的功率不平衡，这导致对DC链路电容器的充电或放电，从而引起不希望的电压波动。

发明内容

希望具有改进的功率转换控制实施例，其用于平衡DC链路上的电压，同时允许源侧控制器和电网侧控制器更少受到DC链路上的电压的约束。

按照本文公开的一个实施例，发电系统，包括：可再生电源，用于产生源功率；源侧转换器，用于将源功率转换成转换的DC功率；源侧控制器，用于将转换的DC功率朝最大功率点驱动；DC链路，用于接收转换的DC功率；电网侧转换器，其耦合到DC链路，用于将来自DC链路的DC链路功率转换成电网的AC输出功率；电网侧控制器，用于控制电网侧转换器的AC输出功率，以便实现电网互连要求；电能存储装置；能量存储转换器，其将能量存储装置耦合到DC链路；以及能量存储控制器，用于控制能量存储转换器，以便实现DC链路上的预期功率平衡。

按照本文公开的另一个实施例，提供用于可再生发电系统的控制系统。可再生发电系统包括：可再生电源，用于产生源功率；源侧转换器，用于将源功率转换成转换的DC功率；DC链路，用于接收转换的DC功率；电网侧转换器，其耦合到DC链路，用于将来自DC链路的DC链路功率转换成电网的AC输出功率；电能存储装置，其具有充电状态(SOC)；以及能量存储转换器，其将能量存储装置耦合到DC链路。控制系统包括：源侧控制器，用于将转换的DC功率朝最大功率点驱动；电网侧控制器，用于控制电网侧转换器的AC输出功率，以便实现电网互连要求；能量存储控制器，用于控制能量存储转换器，以便实现DC链路上的预期功率平衡；以及充电状态(SOC)管理器，用于接收来自能量存储装置的SOC信号，并且当SOC信号超出可接受SOC工作范围时，向电网侧控制器、源侧控制器、或者电网侧控制器和源侧控制器两者提供一个或多个SOC调整信号。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，将会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似符号在附图中通篇表示相似部件，在附图中：

图1是常规风力发电系统的框图。

图2是按照本发明的一个实施例的风力发电系统的框图。

图3是按照本发明的一个实施例的太阳能发电系统的框图。

图4是供图2和图3的实施例中使用的示例能量存储转换器的框图。

图5是示出另一个能量存储转换器实施例的框图。

具体实施方式

首先参照图1所示的常规可再生发电系统10。系统10包括：风力涡轮发电机12，用于生成相导体14上的具有可变频率的交流电；功率转换模块16，用于将相导体14上的交流电转换为相导体18上的交流电；以及常规功率转换控制系统20，用于接收生成用于控制功率转换模块16的操作的控制信号的命令和参考信号。采用诸如通常沿相导体18存在的滤波器19和变压器21之类的组件将相导体18上的交流电进一步馈送给电力网22。虽然图1为了举例而示出风力发电系统，但是本发明的实施例可适用于任何可再生能量源，其中若干其它示例包括太阳能源和海洋流体动力能量源。

涡轮12包括多个涡轮叶片26和发电机28，发电机28包括发电机转子(未示出)和发电机定子(未示出)。涡轮叶片26耦合到第一可旋转轴24，第一可旋转轴24在一些实施例中机械地耦合到变速箱30。变速箱30还通过第二可旋转轴25耦合到发电机转子，以便驱动发电机转子旋转。发电机转子的旋转从发电机定子上的绕组感应相导体14上的交流电。

如图所示，功率转换模块16包括源侧转换器32、DC链路34和电网侧转换器36。源侧转换器和电网侧转换器32和36各包括多个半导体开关35，例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、IGCT(绝缘栅换向晶闸管)和MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。源侧转换器32从发电机28接收相导体14上的可变频率交流电，并且将相导体14上的交流电转换为DC链路34处的DC电流。电网侧转换器36接收DC链路34处的DC电流，并且将DC电流转换为具有受控幅值和/或频率的交流电供馈给电力网22。

所示常规功率转换控制系统20包括源侧控制器38和电网侧控制器40。源侧控制器和电网侧控制器38和40分别接收多个参考信号和命令，并且分别生成用于源侧转换器和电网侧转换器32和36的脉宽调制(PWM)控制信号。如图所示，常规功率转换控制系统20使用扭矩参考发生器(TRG)装置41来定向涡轮的最大功率点轨迹，并且生成扭矩命令信号。源侧控制器38接收扭矩命令信号，并且使用扭矩命令信号与相导体14上的交流电(例如，测量的三相电流和电压信号)之间的相互关系来生成用于控制源侧转换器32的半导体开关35的开关操作的PWM控制信号。在一个实施例中，源侧控制器38使用相导体14上的交流电来生成扭矩反馈信号，并且然后使用扭矩命令和扭矩反馈信号来生成PWM控制信号，供源侧开关控制发电机扭矩。在某些实施例中，能够通过在查找表中进行搜索，通过观测测量的结果，或者通过观测发电机扭矩和交流电的相关函数，来得到扭矩反馈信号。

电网侧转换器40接收DC链路电压命令信号V_{dc_comm}和DC链路34的测量的DC电压反馈信号，并使用这些信号连同诸如来自相导体18的测量的反馈信号之类的其它信号一起来控制电网侧转换器36的半导体开关35的开关操作，并且将DC链路电压保持在预期电平。

使用这种常规功率转换控制系统20，电网侧转换器36保持DC链路电压的性能可能受到不良电网损害。例如，如果电网22很弱或者因分流或串联连接的电容而具有电共振，则电网侧转换器DC链路电压控制可变得不稳定。

图2是按照本发明的一个实施例的发电系统110的框图。在图2的实施例中，发电系统110包括：可再生电源112，用于产生源功率(为了举例而示为风力涡轮)；源侧转换器32，用于将源功率转换成转换的DC功率；源侧控制器138，用于将转换的DC功率朝最大功率点驱动(并且因而在没有相反系统要求的情况下提供与从可再生电源适当可获得的同样多的功率，如下面进行论述的)；DC链路34，用于接收转换的DC功率；电网侧转换器36，耦合到DC链路34，用于将来自DC链路34的DC链路功率转换成用于电网22的AC输出功率；电网侧控制器140，用于控制电网侧转换器36的AC输出功率，以便实现电网互连要求；电能存储装置42；能量存储转换器44，将能量存储装置42耦合到DC链路34；以及能量存储控制器46，用于控制能量存储转换器44，以便实现DC链路上的预期功率平衡。在一个实施例中，可通过DC链路34与能量存储装置42之间的功率交换，来实现功率平衡。源侧控制器和电网侧控制器138和140各可进行操作以满足独立控制目标，同时能量存储装置42的SOC处于可接受SOC工作范围之内。

电能存储装置42的类型的非限制性示例包括诸如电池、超级电容器、储能轮(flywheel)和磁能量存储系统之类的装置。可再生电源112的非限制性示例包括诸如风力涡轮、光伏模块和海洋流体动力能量装置之类的源。适合于源侧转换器32的转换器的类型在某种程度上将取决于特定电源，其中风力涡轮和海洋流体动力能量装置趋向于使用AC-DC转换器，而光伏电源趋向于使用DC-DC转换器。电网侧转换器36将通常但不一定包括DC-AC逆变器。源侧转换器和电网侧转换器32和36可包括单相配置或多相配置，并且可包括单电平或多电平。电网22预计包括用于将电力从电源输送到公用配电系统和/或负载的任何互连的网络。

为了便于说明，多种控制元件示为分立块。虽然源侧控制器138、能量存储控制器46和电网侧控制器140示为分立控制单元，但是在另一个实施例中，源侧控制器138、能量存储控制器46和电网侧控制器140的全部或一些可集成到共同控制单元中。另外，虽然未示出，但是监督(工厂级)类型控制器通常将用于提供控制信号(例如，关联或响应对单独可再生电源的电网要求的控制信号)，并且从单独可再生电源接收信号供监督级控制计算。

在可再生电源112包括旋转发电机(例如，以风力和海洋水力涡轮配置)的一个实施例中，源侧控制器138配置用于接收来自发电机28的扭矩反馈信号T和来自扭矩参考发生器41的扭矩命令信号T*，供向源侧转换器32提供源开关信号中使用，并且电网侧控制器140配置用于接收电网反馈信号G和来自电网22或运行工厂的监督控制器(未示出)的参考命令(例如功率命令P*)，供向电网侧转换器36提供电网开关信号中使用。在一个实施例中，扭矩参考发生器41接收发电机速度信号S，并且通过使用最大功率跟踪算法使用那个速度信号来生成扭矩命令，它然后由源侧控制器用于控制源侧转换器的操作以将源侧转换的输出功率朝最大功率点驱动。源侧控制器138可包括扭矩控制调节器48，以便评估扭矩反馈信号与命令信号之间的任何差，并调整源开关信号以控制来自源侧转换器的电流，以使得将扭矩反馈信号与命令信号之间的差朝零驱动，并且提取所需扭矩。虽然未示出，但是诸如内部电流和发电机通量调节器环路之类的其它调节器环路也通常将存在。虽然扭矩示于图2中并且作为源侧参考值的一个示例来描述，但是如果需要，则可使用其它类型的源侧参考值，其中若干示例包括功率和有功电流。电网侧控制器通常还包括多个调节器环路(未示出)，例如内部功率、内部电流、电压和VAR调节器环路。

由于能量存储控制器46向能量存储转换器44提供用于实现DC链路34上的预期功率平衡的存储开关信号，所以只要在能量存储装置42中存在充分充电状态(SOC)，则能量存储控制器46的这个控制功能允许源侧控制器和电网侧控制器138和140各在实现特定目标中独立操作，并且不要求帮助实现DC链路34上的那个预期功率平衡及将DC链路电压保持在标称值。作为主DC链路电压调节器的能量存储装置42的控制引起对大动态范围的发电机扭矩与电网侧输出功率的解耦。通过这种解耦，能够与电网侧功率无关地来控制发电机扭矩，并且因而源转换器可按照某种方式控制成在实现长机械使用寿命的同时从风提供合乎需要的功率提取，以及电网转换器可控制成提供电网友好特征，例如惯量、缓变速率控制、故障穿越和功率系统稳定性。具有由能量存储所支持的DC链路34的另一个益处在于，要求来自电网22的较少支持，并且因而与更常规控制实施例相比不需要强电网连接。

在用于实现DC链路上的预期功率平衡的一个实施例中，能量存储控制器46配置用于接收DC链路电压反馈信号Vdc和DC链路电压参考信号Vdc*。DC链路调节器52比较DC链路电压反馈信号和参考信号，并且按照某个方式提供用于能量存储转换器44的开关的命令信号，以便从能量存储装置42提取功率(或者在一些情况下将功率引向其中)，从而使得将DC链路电压反馈信号朝DC链路电压参考信号驱动。DC链路电压参考信号可包括常数值或者基于操作条件而改变的值，以便降低发电系统110的损耗，并且例如可由电网侧控制器或者源侧控制器来生成。

在用于实现DC链路34上的预期功率平衡的另一个实施例中，能量存储控制器46配置用于接收表示源侧功率的信号以及表示电网侧功率的信号，并且用于生成存储开关信号，以便平衡源侧功率、电网侧功率、和能量存储装置42所提供的功率。这个实施例将具有如下影响：管理DC链路电压，而无需直接比较DC链路电压反馈信号和参考信号。

两个功率平衡实施例对于当能量存储装置42的SOC处于可接受范围之内时允许源侧转换器和电网侧转换器32和36的独立操作都是有用的。但是，当SOC超出可接受范围时，独立操作在更大程度上是一个难题。在一个实施例中，SOC管理器50接收来自存储装置42的SOC信号，并且在SOC信号超出可接受SOC工作范围时，向电网侧控制器140、源侧控制器138、或者电网侧控制器和源侧控制器两者提供一个或多个SOC调整信号。用于测量SOC的技术将取决于使用的能量存储装置的类型。例如，如果能量存储装置42包括电池，则SOC可通过监测净能量交换和电池上的电压来测量。

在任一种类型的电网或源侧控制调整中，原始参考命令(例如，在上述风力涡轮示例中的电网侧的功率命令或者源侧的扭矩命令)根据来自SOC管理器的调整信号来调整。在一个示例中，调整通过求和元件来进行。作为实际问题，电网侧调整趋向于比源侧调整更简单。

当进行电网侧调整时，如果SOC过低，则SOC调节器54可配置成生成降低来自电网侧转换器36的输出功率的信号，以使得原本已经转到电网22的某能量能够在能量存储装置42中被吸收；或者如果SOC过高，则SOC调节器54可配置成发送电网控制信号，以增加到电网22的或将功率引向动态制动电阻器60的开关的输出功率，并且因而放出(bleed off)来自能量存储装置42的多余电荷。在一个实施例中，动态制动电阻器60经由电阻器斩波器62耦合到DC链路34，并且将来自SOC调节器54的制动控制信号(未示出)发送给斩波器控制器64，用于控制电阻器斩波器62的操作。斩波器控制器64可包括DC链路电阻器电压限制器66。在一个实施例中，DC链路电压反馈信号Vdc可由限制器66用于生成控制信号，以便提供用于过电压限制保护的电阻器控制信号(作为源自SOC调节器的控制信号的补充或替代)。

当进行源侧调整时，如果SOC过低，则在一些实施例中，源侧控制器138可配置成生成提高源侧功率的源信号，以便将更大功率放在DC链路34上供能量存储装置42吸收；或者如果SOC过高，则可计算源命令信号，以便降低来自可再生电源112的功率。但是，在一些实施例中，对于这类调整可存在约束。例如如果源侧已进行操作以提供最大功率量，则附加功率可能不一定是可获得的。作为另一个示例，如果需要功率降低，当可再生能量源112包括风力涡轮时，扭矩调整可能除了源侧转换器控制的变化之外还需要涉及机械调整、如叶片间距。在一个实施例中，将来自源侧转换器32的转换的DC功率驱动在最大功率点表示以最大功率来操作源侧，除非某种约束(例如，电网命令或SOC过高)产生来自源侧的功率降低的命令。如果需要，则作为补充或替代，电阻器60可用于降低SOC，并且防止Vdc过电压，如上所述。

图3是按照本发明的一个实施例的太阳能发电系统210的框图。在这个实施例中，可再生电源212包括光伏模块或阵列，并且源侧转换器132包括DC-DC转换器。在一个实施例中，能量存储装置42按照如共同受让US20100008119中所述的相似方式经由双向能量存储DC-DC转换器56耦合到DC链路34，但是控制方案的不同之处在于，DC链路参数主要由图3的实施例中的能量存储转换器来控制。可按照针对图2所述的相似方式来操作能量存储控制器146和电网侧控制器240。源侧控制器238操作的少许不同之处在于，扭矩调整不是光伏电源的一个选项，但是相似之处在于，仍然可调整源侧转换器132的开关的开关，以控制来自源侧转换器132的输出参数。在这个实施例中可用作源侧参数的信号的若干非限制性示例包括功率、电流和电压。

图4是供图2和图3的实施例中使用的示例能量存储转换器144的框图。在图4的示例中，二象限双向斩波器58用于将包括电池142的能量存储装置耦合到DC链路34。这个实施例用于举例，并且预计任何双向转换器是有用的。在一备选实施例中，双向转换器可用于将功率从电池142传递到DC链路34；但是，这种实施例要求另一个功率源对电池142重新充电。

图5是示出与三级转换器实施例配合使用的另一个能量存储转换器244的框图。在这个实施例中，DC链路134包括耦合源侧转换器232和电网侧转换器236的分离的DC链路，并且能量存储转换器244包括耦合到电池142的两个双向斩波器158、258，供与DC链路134的两半独立地进行接口。在这个实施例中，可控制能量存储控制器244，以便帮助平衡分离的DC链路。转换器拓扑的附加级也有可能使用相似原理来实现。

虽然附图为了举例而示出耦合到一个DC链路的一个源侧转换器，但是在一些实施例(未示出)中，多个源侧转换器可耦合到共同DC链路。在一些实施例中，可有用的是，还使用能量存储装置作为备用功率装置，以便将紧急功率提供给可耦合到DC链路的其它负载、如风力涡轮辅助负载。在其中需要更大灵活性并且能量存储装置具有充分大小的又一些实施例中，可有用的是还使用能量存储装置在极少或没有功率由可再生电源供给的条件下实现来自电网侧转换器的功率输出。这类条件的示例包括对于风力涡轮没有风以及对于光伏系统没有阳光。在这种实施例中，源侧转换器可断开，并且功率可由能量存储装置通过电网侧转换器供给到电网。

除非另加说明，否则本文所使用的科技术语具有与本发明所属领域的技术人员普遍理解的同样的含义。术语“一”并不表示数量的限制，而是表示存在引用项的至少一个。

虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员会想到多种修改和变更。因此要理解，所附权利要求预计涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。

部件表

10，110，210发电系统

12，112，212风力涡轮发电机(可再生电源)

14相导体

16功率转换模块

18相导体

19滤波器

20功率控制系统

21变压器

22电力网

24第一可旋转轴

25第二可旋转轴

26涡轮叶片

28发电机

30变速箱

32，132，232源侧转换器

34，134DC链路

35开关

36，236电网侧转换器

38，138，238源侧控制器

40，140，240电网侧控制器

41扭矩参考发生器装置

42，142能量存储装置

44，144，244能量存储转换器

46，146能量存储控制器

48扭矩控制调节器

50SOC管理器

52DC链路调节器

54SOC调节器

56能量存储转换器

58，158，258双向斩波器

60电阻器

62电阻器斩波器

64控制器斩波器

66限制器

Claims (10)

1.一种发电系统(10、110、210)，包括：

可再生电源(12、112、212)，用于产生源功率；

源侧转换器(32、132、232)，用于将所述源功率转换成转换的DC功率；

源侧控制器(38、138、238)，用于将所述转换的DC功率朝最大功率点驱动；

DC链路(34、134)，用于接收所述转换的DC功率；

电网侧转换器(36、236)，其耦合到所述DC链路，用于将来自所述DC链路的DC链路功率转换成电网的AC输出功率；

电网侧控制器(40、140、240)，用于控制所述电网侧转换器的所述AC输出功率，以便实现电网互连要求；

电能存储装置(42、142)；

能量存储转换器(44、144、244)，其将所述能量存储装置耦合到所述DC链路；

能量存储控制器(46、146)，用于控制所述能量存储转换器，以便实现所述DC链路上的预期功率平衡，

其中，当所述能量存储装置的SOC处于可接受SOC工作范围之内时，所述源侧控制器和电网侧控制器各独立进行操作。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述能量存储控制器配置用于接收在控制所述能量存储转换器中使用的DC链路电压反馈信号，并且其中，所述能量存储控制器配置成将所述DC链路电压反馈信号与DC链路电压参考信号进行比较。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述能量存储控制器配置用于接收表示源侧功率的信号和表示电网侧功率的信号，并且用于控制所述能量存储转换器，以便平衡所述源侧功率、所述电网侧功率和所述能量存储装置供给的功率。

4.如权利要求1所述的系统，还包括充电状态(SOC)管理器(50)，所述SOC管理器(50)用于接收来自所述能量存储装置的SOC信号，并且在所述SOC信号超出可接受SOC工作范围时，向所述电网侧控制器、所述源侧控制器、或者所述电网侧控制器和源侧控制器两者提供一个或多个SOC调整信号。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述源侧控制器配置用于接收在控制所述源侧转换器中使用的扭矩反馈信号和扭矩命令信号；并且其中，所述电网侧控制器配置用于接收在控制所述电网侧转换器中使用的电网反馈信号和功率命令。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述可再生电源包括风能电源、太阳能电源或海洋流体动力能量电源中的至少一个。

7.如权利要求1所述的系统，还包括DC链路电阻器(60)，并且其中，斩波器控制器(64)、所述能量存储控制器、或者所述斩波器控制器和能量存储控制器的组合配置成在所述DC链路电压超过最大阈值时发送将功率引向所述DC链路电阻器的控制信号。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述能量存储转换器包括二象限双向斩波器。

9.一种用于可再生发电系统(12、110、210)的控制系统，所述可再生发电系统(12、110、210)包括：可再生电源(12、112、212)，用于产生源功率；源侧转换器(32、132、232)，用于将所述源功率转换成转换的DC功率；DC链路(34、134)，用于接收所述转换的DC功率；电网侧转换器(36、236)，其耦合到所述DC链路，用于将来自所述DC链路的DC链路功率转换成电网的AC输出功率；电能存储装置(42、142)，其具有充电状态(SOC)；以及能量存储转换器(44、144、244)，其将所述能量存储装置耦合到所述DC链路，其中，所述控制系统包括：

源侧控制器(38、138、238)，用于将所述转换的DC功率朝最大功率点驱动；

电网侧控制器(40、140、240)，用于控制所述电网侧转换器的所述AC输出功率，以便实现电网互连要求；

能量存储控制器(46、146)，用于控制所述能量存储转换器，以便实现所述DC链路上的预期功率平衡；以及

充电状态(SOC)管理器(50)，用于接收来自所述能量存储装置的SOC信号，并且在所述SOC信号超出可接受SOC工作范围时，向所述电网侧控制器、所述源侧控制器、或者所述电网侧控制器和源侧控制器两者提供一个或多个SOC调整信号。

10.如权利要求9所述的控制系统，其中，当所述能量存储装置的SOC处于所述可接受SOC工作范围之内时，所述源侧控制器和电网侧控制器各独立进行操作。

Images