CN103081290A - 次级能源对电网的贡献的调节 - Google Patents

Abstract

能量存储介质与向配电网供电的次级能源结合。控制能量存储介质的充电和放电行为，使得次级能源的输出的快速增长被存储系统吸收，而通过把保存的能量释放到电网，补偿次级源的输出的快速下降。次级源和能量存储系统的组合贡献确保不超过限定水平的变化率。可以确定次级源的最大和最小输出功率水平以定义正常工作范围。当次级输出功率水平超过或者低于限定范围的限制时，还进行能量存储系统的充电或放电。

Description

次级能源对电网的贡献的调节

技术领域

本公开涉及利用次级能源向配电网贡献电能，尤其涉及由这种源向电网供给的全部电能以及这种电能的瞬间增大或降低的调节。

背景技术

一般来说，公用事业公司从一个或多个主电力产生源，比如燃气、燃煤、核能和/或水力发电厂获得电能，以通过配电网输送给消费者。利用这些源供给的电能较稳定，并且能够容易地调节以满足消费者的需求，同时符合关于这种电能的标准，比如额定电压水平和额定频率水平。为了补充利用这些主源供给的电能，日益常见的是将次级能源，比如太阳能板和风力发电机连接到配电网。除了别的优点之外，与天然气、煤和核能源相反，这些次级形式的能量是可再生的，并且还有助于减少不利地影响气候条件的温室气体的排放。

当把次级能源连接到电网时，公用事业公司运营商期望次级能源的贡献在一定水平之内，使得其能够被充分考虑到，并相应地调整主源的输出。不过，和主源的相对稳定的输出不同，次级源产生的能量的大小会在相对较短的时间间隔(例如，以秒计的时间间隔)中，在较大的范围内变化。例如，太阳能板的输出不仅随着时辰变化，而且会由于诸如遮挡直射阳光的云彩的突然出现和飘过之类的气象事件而变化。同样地，风力发电场的输出常遭受风速的瞬间狂风和间歇。

次级源的输出的突然下降被电网吸收，并且需要通过增大一个或多个主源的输出来被适应。不利地，次级输出的突然剧增会超过现场设备的输送能力，在主源能够被削减之前，会导致产生的电能的损失。这些突然变化限制了次级能源在源的整个群体内的有效贡献。利用的次级源的数目越多，供给的电能的变化就越大，这导致这种源的可靠性的降低，和/或需要快速响应的主发电单元。后一要求会在主发电厂导致额外费用，比如增加的维护要求，和与在非最佳设定点的运行相关的额外燃料费用。

电压的较大摇摆还可能超过配电系统对正常运行的响应能力。传统的发电设备通常不能足够迅速地对突然的变化作出反应，当试图足够迅速地对突然的变化作出反应时，会引起额外的燃料和维护成本。

发明内容

按照所公开的本发明的实施例，通过控制在能量方面耦接到电网的一个或多个能量存储系统的充电和放电行为，使得次级能源的输出的快速增长被存储系统吸收，而通过将存储的能量释放到电网来补偿次级源的输出的快速下降，解决了这些顾虑。实际上，能量存储系统调和或者“掩饰”次级源的输出中的变化，使得可以可靠地把提供给电网和电网提供的功率维持在适当的水平。

能量存储系统的充电和放电可被控制，使得次级源和能量存储系统的组合贡献确保不超过规定水平的变化率。可以确定次级源的最大和最小输出功率水平以定义正常工作范围。只有当次级源输出功率水平超过或者低于规定范围的限制时，才实现能量存储系统的充电或放电。

参考下面的详细说明和附图，可以更好地理解本发明的原理和优点。

附图说明

图1是图解说明相对于目标功率带的次级能源的功率输出的曲线图。

图2A-2C是图解说明按照本发明获得的结果的时间曲线图。

图3是连接到电网的能量存储系统的一般方框图，所述能量存储系统被控制以调节次级能源的输出的变化率等因素。

图4是用于调节次级能源的输出功率的控制模块的更详细方框图。

图5、6、7和图8A-8B是图解说明控制能量存储系统以调节次级能源的输出的变化率的方法的流程图。

具体实施方式

为了更容易地理解成为本发明的基础的原理，下面关于使用太阳能转换装置，例如光伏板作为次级源，说明示例性实施例。要理解本发明的实际应用并不局限于该例子，本发明可以用在期望削弱能源的输出中的快速摇摆的任何环境中。

图1是本发明适用于的情形的种类的曲线图。对于一天中的特定时期，例如，给定的某小时来说，公用事业公司预期来自连接到配电网的太阳能板的一定数量的输出功率。考虑到电网吸收变化的能力，可为该时期确定上限10和下限12，以限定来自太阳能板的容许输出功率的范围或带。此范围可以随时间因素，比如时辰、月中日期和/或月份而变化，以考虑到太阳的位置的变化。作为替代地或者附加地，它可以是影响次级能源的输出的地理参数，比如太阳日射、风速等的函数。这些参数可以基于根据历史数据或者实时测量获得的估计量。

线13代表在所述时期内，太阳能板可能输出的实际功率水平。尽管该时期的平均输出可能在期望的带内，不过瞬时值可能变化极大和极快，导致超过上限10的波峰14，和低于下限12的波谷16。另外，即使当实际功率水平在期望的功率带内时，瞬时增长率18或者减少率20也可能超过电网能够吸收的值。由于主发电源不能足够快速地抗衡这些波峰、波谷和较高的上升率或下降率的影响，因此配电网上的功率水平可能偏离期望的功率水平。

为了减轻这种功率摇摆可能对配电网的影响，使能量存储系统与太阳能转换装置结合，从而通过削弱太阳能板的输出的变化，降低来自主源的所要求的响应，和从而招致的成本。通过把能量从能量存储系统释放到电网上，对太阳能板的输出降低到期望的带之下进行抗衡，并且通过把一些或者全部多余的能量转移到能量存储系统，补偿输出超过上限10的向上增加。此外，当太阳能板在期望的带内工作时，存储装置可被充电或放电，以把保存的能量维持在最佳水平，以用于吸收太阳能板的输出中的下次较大变化，同时削弱输出功率的任何较高的增长率或减少率。

图2A-2C的时间曲线图中图解说明了通过组合诸如电池之类的能量存储装置和太阳能板而获得的效果。图2A描述其中在从ti-1到ti的时期内，太阳能板的输出功率的瞬时增大大于最大容许变化率的情形。在这种情况下，电池存储系统被启动，以对电池充电，从而使来自太阳能板的一些输出功率被电池吸收。结果，在该时期内，对电网的净输出功率保持在容许的斜升率之内。

图2B图解说明相反的情形，其中源于太阳能板的输出功率以超过最大容许速率的速率降低。在这种情况下，电池放电，从而在该时期内向电网供给额外的功率，使得相对于前一时期的净变化被减小，从而保持在容许的变化率之内。

在图2C的例子中，一天之中的期望功率带由按照时辰而变化的上限10和下限12限定。当在一天之中的部分时刻内，太阳能板的实际输出功率超过上限时，多余的功率被电池吸收，使得向电网供给的净功率被限制为利用粗线段11描述的量。类似地，当在一天之中稍晚的部分时刻内，太阳能板的输出功率降到下限12以下时，电池向电网供给额外的功率，使得输送的净功率保持在利用粗线段13描述的水平。

适当的能量存储系统的例子是采用连接到配电网，并且被有选择地充电或放电，以便分别吸收多余的能量和提供补充能量的电池组的能量存储系统。图3是图解说明实现本发明的原理的控制存储电池的充电和放电的示例性系统的框图。参见图3，一个或多个太阳能板22产生由逆变器24转换成交流(AC)功率的直流输出功率。该AC功率被提供给电功率配电网26。

传感器27把表示太阳能板逆变器的输出功率的信号提供给电池存储系统控制器28。该控制器产生影响连接到电网26的电池存储系统(BSS)30中的电池的充电或放电的信号。BSS控制器28的第一模块32按照本发明的原理工作，以调节太阳能板22的输出的斜坡(即，变化率)，以及把太阳能板22的输出对电网的贡献保持在期望带内。该模块按照太阳能板逆变器的瞬时输出功率，生成信号Dispatch1，以削弱所述输出功率的较大和/或较快的摇摆，以及调节所述输出功率的总水平。在本发明的一个实施例中，太阳能调节模块32的输出信号Dispatch1可被直接应用于BSS30，以按根据太阳能板的输出控制电池的充电和放电。

在另一个实施例中，从太阳能调节模块32输出的信号Dispatch1被提供给频率调节模块34，如图3中所示。频率调节模块34按照电网26上的AC功率的频率，修改Dispatch1信号。本质上，频率调节模块使BSS向电网供给电能，或者从电网吸收电能，以把电网的工作频率维持在预定范围内，所述预定范围以期望的额定工作频率，例如，在美国的60Hz，为基础。在同时待审的共同转让的美国专利申请No.12/248,106中说明了这种频率调节的一个例子，该专利申请的公开内容在此引为参考。如这里所述，BSS和电网之间的能量传递的量或速率可以是电网的工作频率的函数。频率调节模块要求的电池的放电量或充电量与来自太阳能调节模块32的信号Dispatch1结合，从而产生应用于BSS的输出信号Dispatch2。

应用于BSS的控制信号，例如第一实施例中的Dispatch1或第二实施例中的Dispatch2的符号启动BSS中的转换器系统(未示出)内的逆变器，从而使电池向电网放电，或者启动BSS中的转换器系统内的转换器，从而用来自电网的电能对电池充电。信号的大小决定将被加入电网或者将从电网吸收的电能的量。由于太阳能板逆变器24的输出功率被施加于BSS和电网之间的连接，因此电池的充电和放电实际上分别用于吸收来自太阳能板的多余电能或者补充电能。

图4中图解说明太阳能斜坡调节模块34的更详细描述。该模块包括执行后面说明的控制算法的处理器38，和被配置有保存所述算法采用的参数的寄存器的一种或多种形式的存储器40。这些参数包括具有示出的测量单位的下述一组输入值：

Solar(kWh)-太阳能板逆变器在当前时刻t的输出。

LagSolar(kWh)-在时间t-1，对电网的调节后的功率输出，即，太阳能板22的输出和BSS30的电池的输出的代数组合。

Floor(kWh)-用户规定的关于功率输出的下限，例如极限值12。

Ceiling(kWh)-用户规定的关于功率输出的上限，例如极限值10。

RampMax(kWh)-用户规定的从时间t-1到t的功率输出的向上或者向下的最大变化。

SoC(％，0-100)-电池的充电状态。

BattCap(kWh)-关于瞬间电池功率输出的限制。

kWh(kWh)-总的电池能量容量。

Bias(kWh)-用户定义的电池的最佳电荷状态的值。

保存在存储器40中的参数还包括利用算法计算的以下中间变量：

BasicDisp(kWh)-无约束的电池调度(dispatch)信号。

Conf(kWh)-关于使电池充电的约束条件。

Cone(kWh)-关于使电池放电的约束条件。

UpperLim(kWh)-对电网的功率输出的容许范围的上限。

LowerLim(kWh)-对电网的功率输出的容许范围的下限。

Rbe(％，0-100)-当前电荷状态和满电荷之间的差(＝1-SoC)。

如前所述，Floor和Ceiling的值是用户确定的值，它们可以是影响次级源的预期输出的时间和/或地理参数的函数。在另一个实施例中，它们可根据电池的充电状态(SoC)被确定。同样地，RampMax的值由用户输入，且可以是任意一个或多个这些相同因素的函数。最大变化率也可根据次级能源的输出被确定。

根据保存在这些寄存器中的数据，处理器38产生两个输出信号：Dispatch1和Dump。如前所述，在一个实施例中，Dispatch1信号可被直接应用于BSS30，以控制电池的充电和放电。在备选实施例中，Dispatch1信号被提供给频率调节模块，并被按需修改，以产生控制电池的充电和放电的Dispatch2信号。

Dump信号被用于在太阳能板产生的电能过多从而不能被电网和BSS吸收时，有选择地丢弃太阳能板产生的电能。例如，如图3中图形所示，Dump信号可启动开关42，以把太阳能电力从电网转移到处于接地电位的电极44。

图5-8B的流程图中表示了处理器38执行的产生这些信号的算法。图5图解说明周期性地，例如每秒一次地执行的主例程。在所述周期开始时，在步骤50，比较Solar的当前值与下限Floor。如果Solar小于Floor，那么在步骤52执行放电子例程Low。如果Solar的值大于Floor，那么处理器进入步骤54，在步骤54，处理器比较Solar的值和上限Ceiling。如果Solar超过Ceiling，那么在步骤56执行充电子例程High。如果Solar小于Ceiling，那么在步骤57，处理器执行In-Range子例程。

图6的流程图中描述了步骤52的放电子例程。当处理器跳转到该子例程时，在步骤58，处理器把无约束的电池放电信号BasicDisp的值设定成等于Solar减去Floor或(LagSolar-RampMax)中的较大者的值。LagSolar是在时间t-1时的太阳能板和BSS的组合输出。(LagSolar-RampMax)是从变化率看的最小容许输出。如果LagSolar高于但是接近于最低限度值，那么(LagSolar-RampMax)会使新的输出降到最低限度值之下。这种情况下，“max”函数确保新的(无约束的)目标输出至少为最低限度值。这将为负值，因为最低限度值高于逆变器输出，电池将不得不把电能放出到电网中，以弥补差值。

BasicDisp的负值实质上是使电池放电，以便把系统输出升高到最低限度水平之上的请求。不过，总的放电量必须不超过电池中的可用能量，或者电池的最大额定功率。于是，在步骤60，参数Cone被设定成等于(SoC＊kWh/100)或BattCap中的较小者的负数。总的值为负，因为这是放电约束。

在步骤62，选择无约束的调度值BasicDisp和约束值Cone中的较大者，从而产生Dispatch1控制信号。由于在本子例程中，电池正在被放电，因此不存在要废弃的多余能量。因而，在步骤64，Dump控制信号被设定为0。

图7的流程图说明当太阳能逆变器输出升高到用户规定的最高限度之上时，用于控制BSS的充电子例程56。在步骤66，BasicDisp的值被设定成等于Solar减去Ceiling和(LagSolar+RampMax)中的较小者的值。从斜坡(slope)观点看的最大容许输出由(LagSolar+RampMax)定义。如果LagSolar接近于上限，那么(LagSolar+RampMax)会使新的输出超过最高限度。这种情况下，“min”函数确保新的(无约束的)目标值最多等于最高限度值。这将是正值，因为逆变器输出高于最高限度值，从而电池将不得不充电(吸收能量)，以减小输出。

任何充电信号必须不超过电池的未用能量容量，或者电池的最大额定功率。于是，在步骤68，选择(Rbe＊kWh/100)和BattCap中的较小者以产生充电约束条件Conf。

在步骤70，选择均为正值的无约束的调度值BasicDisp和约束值Conf中的较小者，从而产生调度量控制信号Dispatch1。如果约束条件有约束力，那么或者由于电池接近于满电荷，或者由于电池的最大额定功率，不存在电池的来自逆变器24的过多输出要处理。在这种情况下，来自逆变器的一些输出必须被废弃，使得对电网的净输出保持在极限之内。因而，在步骤72，Dump控制信号被设定成0或(BasicDisp-Conf)中的较大者。

图8A和8B的流程图表示当逆变器24的输出在介于最高限度值和最低限度值之间的容许范围中时，处理器用于控制系统的子例程57。大多数时候情况可能都是这样。在该时间内，电池的电荷状态被保持在最佳水平，以便准备好适应太阳能板的输出中的下一个波峰或波谷。

在步骤74，设定充电约束条件Conf。由于这是充电约束条件，因此它具有正值。任何充电信号必须不超过电池的未用能量容量，或者电池的最大额定功率。于是，选择(Rbe＊kWh/100)和BattCap中的较小者以产生Conf。

在步骤76，设定放电约束条件Cone。由于这是放电约束条件，因此它具有负值。任何放电信号必须不超过电池中的可用能量，或者电池的最大额定功率。因而，Cone被设定成等于(SoC＊kWh/100)和BattCap中的较小者。

关于系统输出的容许上限是受最高限度值限制的前一时期中的系统输出加上最大变化率(ramp rate)。在步骤78，上限值UpperLim被设定成等于Ceiling和(LagSolar+RampMax)中的较小者。关于系统输出的容许下限值是受最低限度值限制的前一时期中的系统输出减去最大变化率。在步骤80，下限值LowerLim被设定成等于Floor和(LagSolar-RampMax)中的较大者。由于Ceiling和Floor的值可以是时间因素的函数，因此UpperLim和LowerLim也可以是这些因素的函数。

由于系统输出不可能超过最高限度，因此不需要废弃电能。因而，在步骤82，控制信号Dump被设定成等于0。

现在参见图8B，在步骤84，进行检查，以了解电池的电荷状态是否大于用户规定的上阈值，例如89％。如果是，那么电池接近于满电荷，从而处理器进入步骤86。在步骤86，使控制信号Dispatch1偏向于上限，以便使放电达到最大程度(或者使充电达到最小程度)。基本的无约束的调度为Solar-UpperLim。如果Solar＞UpperLim，那么调度为充电信号，并且受充电约束条件Conf约束。如果Solar＜UpperLim，那么调度为放电信号，并且受放电约束条件Cone约束。如此约束的值被减小用户供给的Bias的值，并作为Dispatch1输出。

如果电荷状态小于上阈值，那么在步骤88进行检查，以了解电池的电荷状态是否小于用户规定的下阈值，例如，20％。如果是，那么电池接近于放电，从而处理器进入步骤90。在这种情况下，使控制信号Dispatch1偏向于下限，以便使充电达到最大程度(或者使放电达到最小程度)。基本的无约束的调度为Solar-Lowerlim。如果Solar＜Lowerlim，那么调度为放电信号，从而受Cone的值约束。如果Solar＞Lowerlim，那么调度为充电信号，从而受Conf约束。如此约束的值被加到Bias的值上，从而变成Dispatch1。

在步骤92，确定是否Solar＞UpperLim。如果是，那么在步骤94，发送利用Conf限制的充电信号Solar-UpperLim。如果Solar不大于UpperLim，那么在步骤96确定是否Solar＜LowerLim。如果是，那么在步骤98，发送利用Cone限制的放电信号Solar-LowerLim。如果步骤84、88、92或96的条件都不被满足，那么不需要任何调节，在步骤100，把控制信号Dispatch1设定为0。

应理解通过模块化地或者一体地利用硬件和/或利用计算机软件，可以控制逻辑的形式，实现如上所述的本发明。根据这里提供的公开和教导，本领域的普通技术人员会理解和意识到利用硬件，以及硬件和软件的组合，实现本发明的其它途径。例如，在图4的例子中，斜坡调节模块被描述成具有它自己的处理器。实际上，实现图5-8B的逻辑的处理器可以是更大的系统，例如，操作整个BSS控制器28，并执行除在流程图中描述的那些例程之外的其它例程的系统的一部分。

利用任何适当的计算机语言，比如基于Java，C++或Perl的常规技术或者面向对象的技术，可把这里说明的任意软件组件或函数实现成将由处理器执行的软件代码。所述软件代码可作为一系列的指令或者命令被保存在计算机可读介质上，以便存储，所述适当的介质包括随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，诸如硬盘驱动器或软盘之类的磁介质，或者诸如压缩盘(CD)或DVD(数字通用盘)之类的光介质，闪速存储器等等。计算机可读介质可以是这些存储装置的任何组合。

出于说明和描述的目的，给出了示例性实施例的以上说明。要理解可以用其它方式，实现成为本发明的基础的原理，而不脱离其本质特性。例如，虽然关于使用太阳能板作为次级能源，说明了示例性实施例，不过要理解本发明可用于任何其它种类的能源，尤其是具有可变输出的那些能源，比如风力发电机。同样地，可以采用除电池之外的能量存储介质，比如电容系统、飞轮或压缩空气来调节次级源的输出功率。另外，虽然说明了用于调节输出功率的具有上限和下限的优选功率带，不过本发明可以用在只具有功率的容许范围的一个极限，例如最低限度值，而没有上限的系统中。最大斜坡也可以不对称，当输出升高时的功率的容许变化不同于当输出降低时的功率的容许变化。

因而，上述示例性实施例并不是穷尽的，也不意图把本发明限制于公开的具体形式，鉴于上面的教导，许多修改和变化都是可能的。说明实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的技术人员能够在各个实施例中，和利用适合于预期的特定应用的各种修改应用本发明。

Claims (22)

1.一种调节向配电网供给的电源的输出功率的方法，包括：

确定(a)电源的输出功率是否在预定范围之外，和(b)输出功率的变化率是否超过预定最大值；

如果确定条件(a)和(b)中的任一个或两个被满足，那么通过在能量存储介质和电网之间转移能量，调节提供给电网的输出功率。

2.按照权利要求1所述的方法，其中所述预定范围由下限值限定，其中如果电源的输出功率小于所述下限值，那么能量从能量存储介质被转移到电网。

3.按照权利要求2所述的方法，还包括按照变化率的预定义的最大值，约束从能量存储介质被转移到电网的能量的量的步骤。

4.按照权利要求3所述的方法，其中按照能量存储介质的电荷状态和能量存储介质的最大额定功率中的较小者，进一步约束从能量存储介质被转移到电网的能量的量。

5.按照权利要求2所述的方法，其中所述预定范围还由上限值限定，其中如果电源的输出功率大于所述上限值，那么能量从电网被转移到能量存储介质。

6.按照权利要求5所述的方法，还包括按照变化率的预定义的最大值，约束从电网转移到能量存储介质的能量的量的步骤。

7.按照权利要求6所述的方法，其中按照能量存储介质的未用容量和能量存储介质的最大额定功率中的较小者，进一步约束从电网被转移到能量存储介质的能量的量。

8.按照权利要求1所述的方法，其中所述预定范围是时间因素的函数。

9.按照权利要求1所述的方法，其中所述预定范围是影响电源的输出的地理参数的函数。

10.按照权利要求1所述的方法，其中所述预定范围是能量存储介质的电荷状态的函数。

11.按照权利要求1所述的方法，其中所述预定最大变化率是时间因素的函数。

12.按照权利要求1所述的方法，其中所述预定最大变化率是影响电源的输出的地理参数的函数。

13.按照权利要求1所述的方法，其中所述预定最大变化率是电源的输出的函数。

14.按照权利要求1所述的方法，所述预定最大变化率是能量存储介质的电荷状态的函数。

15.按照权利要求1所述的方法，如果确定条件(a)或(b)都不被满足，那么进行以下额外的步骤：

确定能量存储介质的电荷状态SoC是否在预定阈值之内；和

当能量存储设备的SoC在所述预定阈值之外时，在所述能量存储设备和电网之间转移能量，以使SoC在所述预定限制之内。

16.按照权利要求15所述的方法，其中在能量存储设备和电网之间转移能量，以使SoC在所述预定阈值之内的步骤包括：

定义用于在能量存储介质和电网之间转移能量的上限值和下限值，上限值和下限值每个以供给电网的最近电力量和变化率的最大值为基础；

确定电源的输出功率是否大于所述上限值，如果是，那么将能量从电网转移到能量存储介质，和

如果电源的输出功率不大于所述上限值，那么确定电源的输出功率是否小于所述下限值，如果是，那么把能量从能量存储介质转移到电网。

17.按照权利要求16所述的方法，还包括按照能量存储介质的电荷状态和能量存储介质的最大额定功率中的较小者，约束从能量存储介质转移到电网的能量的量的步骤。

18.按照权利要求16所述的方法，还包括按照能量存储介质的未用容量和能量存储介质的最大额定功率中的较小者，约束从电网转移到能量存储介质的能量的量的步骤。

19.按照权利要求15所述的方法，其中所述预定阈值是时间因素的函数。

20.一种调节向配电网供给的电源的输出功率的系统，包括：

至少一个能量存储介质；

转换器系统，响应向电网加入能量或者从电网吸收能量的命令，有选择地将所述存储介质耦接到电网，以便在能量存储介质和电网之间转移能量；和

功率调节系统，所述功率调节系统确定(a)电源的输出功率是否在预定范围之外，和(b)输出功率的变化率是否超过预定义的最大值，并在确定条件(a)和(b)中的任一个或两个被满足的时候，控制所述转换器系统在能量存储设备和电网之间转移能量。

21.按照权利要求20所述的系统，其中所述功率调节系统还包括频率调节系统，所述频率调节系统确定电网的工作频率是否在额定工作频率的预定范围内，并控制所述转换器系统在能量存储设备和电网之间转移能量以使工作频率在所述范围之内。

22.按照权利要求21所述的系统，其中能量的转移是电网的工作频率的函数。

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