CN103548250B - 基于静态功率转换器的用于发电系统的同步功率控制器 - Google Patents

基于静态功率转换器的用于发电系统的同步功率控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于静态功率转换器的发电机系统的同步功率控制器，所述控制器包括两个主要模块，称为：模块1（电路模块）（10）和模块2（机电模块）（20），电路模块1（10）依次由虚拟电气特性控制器（11）和虚拟导纳控制器（12）形成，机电模块2（20）由机电特性控制器（21）以及惯量和阻尼因数控制器（22）形成。

Description

基于静态功率转换器的用于发电系统的同步功率控制器
技术领域
本发明属于用于可再生能源工厂，特别是用于光伏发电厂的功率控制器的技术领域，其允许提供先进的功能来改善工厂与电网的连接。
背景技术
可再生能源的来源主要是风力发电厂（WIN）和光伏（FV）发电厂，它不再是电力生产的边际资源。
FV电厂的发电机使用功率转换器连接至电网。这些功率转换器也称为逆变器，它们输入电流至电网电压用以得到提供给电网的功率。
在正常的操作条件下，FV逆变器根据发电机的功率范围向电网输入单相或三相正弦电流。通常，输入电网的电流趋向于正弦，并且与耦合点的电压同相以使所产生的有功功率的量最大。在市场上（至少在现有的基础上）没有输入电流与电网电压正交的FV逆变器，其允许为了调节耦合点处的电压电平的目的而控制输入到电网的无功功率。当电网电压受到诸如电网中常见的失衡、瞬态、谐波的干扰的影响时，传统FV逆变器会遇到与电网电压保持近似同步的问题，这引起不可控的功率流，不可控的功率流导致FV逆变器促使电网故障的情形恶化。在更严重的电网干扰下，例如电压骤降、短路或功率振荡，传统FV逆变器不能为电网提供恰当的支持以帮助维持发电系统工作。事实上，这些严重的瞬态干扰通常由于触发一些商用FV逆变器的过电流或过电压保护而引起大多数商用FV逆变器与电网断开连接。由传统FV发电系统中这种类型的错误行为所引起的问题在不耐用的电网或安装有高比例的FV工厂的电网中更为明显，这使它们不稳定。
上文描述的方案不能为功率系统运营商——国际上称为TSO（输电系统运营商）提供可靠性，这迫使功率系统运营商通过传统同步发电机或其他机构向电网设计并提供有功和无功功率储备，以降低电力系统崩溃的风险。
由于显而易见的原因，这些功率储备并不是免费的，这意味着与提升FV发电厂的普及相关联的额外的经济负担。
为了应对这种情况的不稳定性，全世界的TSO对于分布在发电厂的基于可再生能源提供的特征的要求越来越高。这些要求在所谓的电网规范中实现。这些类型的规范通常被应用于电力系统中显著存在的发电技术。一个清楚的实例是应用于风力发电系统的精确的电网连接规范，通过这些类型的规范来调整另一个候选的FV系统。借助电网规范所规定的精确的要求，TSO意图为FV工厂来增加它们的功能性和可靠性，以避免向第三方支付保证电力系统稳定性的附加服务的费用。在这种情况下，FV系统的制造者和开发者负责使他们的技术现代化以有助于所需系统，这在以后的十年中将从根本上增加电网中FV能源系统的普遍性。
在现有技术中发现了部分研究方向，用以改善静态功率转换器与电网的连接，如这部分研究方向的作者为钟庆昌和Lenart Harnefors。该部分研究方向是基于观察同步发电机的运行原理并借助静态功率转换器的使用对其进行复制。
以下列出来自这些作者的一系列所选文章：
钟庆昌；韦斯,G；“同步转换器：模拟同步发电机的逆变器”工业电子，IEEE汇刊，2010年第99期第pp卷第1页。
韦斯，G；钟庆昌；“静态同步发电机”；专利，PCT/GB20091051460;WO20101055322A2.国际申请日:2008年11月12日。
Harnefors,L.；“利用同步机仿真控制电压源转换器”；专利，PCT/EP20081061147;WO20101022766A1，国际申请日：2008年8月26日。
张立东；Harnefors,L.;Nee,H.-P.;“连接至电压源转换器的电网的功率同步控制”，电力系统，IEEE汇刊，2010年5月第2期第25卷第809-820页。
诸如Josep M.Guerrero或Karel de Brabandere的其他作者实现了有功和无功功率控制器的应用，其中分布式功率转换器组成小型低压电网，如由许多连续供应系统所提供的微型电网。这些控制器的特点是它们建立了功率转换器的参考电压。下面是这些作者的一些代表性文章：
J.M.Guerrero,J.C.Vásquez,J.Matas,L.García deand M.Castilla,“下垂的分层控制-受控的AC和DC微电网-朝向标准化的常用方法”IEEE电子汇刊,2010。
De Brabandere,K.;“通过具有前端逆变器的分布式发电机在低压电网中进行的电压和频率下垂控制”;博士论文,Leuven,2006年10月,ISBN90-5682-745-6。
由Weiss George[IL]、钟庆昌[GB]所申请的专利、国际申请WO2010055322（A2）被认为与本专利的发明主题最接近，这是考虑到其涉及用于忠实地仿真传统同步发电机的特性的控制器。
上文提到的大多数研究论文察觉到一系列问题，这些问题源自试图忠实地复制传统同步发电机的操作，但并无意解决其固有的不便，在这些不便中有同步发电机的固有的不稳定性、在故障期间维持同步方面的困难或与电网的其他元件共振的现象。
从这个意义上说，本专利的发明目的为当商用逆变器和传统可再生能源发电厂工作在电网的通用条件下时所表现出的问题提供解决方案，具体提供如下：
-优选地响应在电网的频率下降/上升的情况下，通过控制已发送/已接收的有功功率以使它能限制所述变化。
-优选地响应在有效电压下降/上升的情况下，通过控制电感/电容的无功功率以使它能限制所述变化。
-优选地响应在通过增加/减小邻近负载所产生的干扰的情况下，通过增加/减小输入电网的电流来支持它们的供电。
-优选地响应在受谐波、瞬态或失衡所影响的电压波形的失真的情况下，提供电压/电流调节功能来最小化并抑制所述干扰。
-优选地响应在系统的频率和有功功率的振荡的情况下，提供抑制功能来最小化所述电力系统中的所述振荡。
发明内容
所声称的基于静态功率转换器的发电机系统的同步功率控制器是最新可 再生能源发电厂的控制中的新概念，其允许提供先进的功能来改善所述工厂与电网的整合。
基于该控制器的工厂的主要特性如下：
●电实现先进的同步发电系统并改善传统发电机的运行的能力，其操作不是基于与电网电压相关的同步算法的有效性，但其能够通过加权、受控功率转换来实现与电网的其他发电机的“固有同步”。
●在相同情况下以有利的方式与电网交互，忽略连接点处电网类型（高压或低压）、相同的短路功率或R/X特性的能力。
●在相同的干扰情况下以自然的方式向电网提供支持服务，通过实现用于提供TSO所需的附加服务的控制器来保证电网的稳定性的能力。
●在稳定的操作系统中和有电网干扰的情况下，维持与主电网连接或者通过形成孤岛与主电网断开的多个发电机并行工作，并且以智能方式将它们中的任一个所提供的服务进行分配的能力。
●基于与具有工厂的能量的先进同步发电机相比，所述工厂具有相同的外部控制变量和相同的功能的方式，集成该控制器，使得多个电子发电机组成工厂的能力。由所得到的发电工厂提供的先进的附加服务有利于TSO的操作控制并且将提供在传统分布式发电系统不可用的微分特性。
为了实现所有这些能力，本发明的控制器包括两个主要模块，称为：模块1（电路模块）（10）和模块2（机电模块）。
模块1或电路模块包括控制回路，向控制回路输入在虚拟内部电动势和存在于与电网的连接点处的电压之间存在的电压差。该电压差提供虚拟导纳，其决定了通过逆变器输入至电网的电流。
该虚拟导纳的参数值动态地适应电网的条件。其针对AC侧的不同的频率和序列范围还表现出不同的特性。这样，本发明的控制器针对每个频率和每个序列提供不同的导纳，为直流、反相或单极相（homopolar）。因此，控制器针对电网的基频以及其他频率和序列（包括谐波和瞬态）输入升高的直序电流，控制器输入使潜在现有的干扰最小化的电流。
此外，与现有技术研究情况所不同的是，模块1工作在参考电流而不是工 作在参考电压（同步发电机以感应电动势工作在参考电压，因此，用于仿真同步发电机的传统控制器工作在参考电压），以及工作在虚拟导纳而不是工作在虚拟阻抗（在同步发电机中，通过阻抗确定感应电动势和环状电流之间的比率，因此，用于仿真同步发电机的传统控制器也将它们的操作建立在存在的虚拟阻抗之上）。
与现有技术中所发现的不同的是，模块2或机电模块并不是基于同步发电机的机电特性的仿真，而是被配置为可调整功率控制器，其允许针对电网的不同功率干扰和波动达到最佳响应。
因此，该模块2允许根据任意时间的需要即时地调整功率控制回路的惯量和阻尼因数。
该模块2由包括PLC（“功率回路控制器”）的控制回路形成，该控制回路在输入处接收输入功率（通过初级源传送至转换器的功率）和传送至电网的功率之间的差以及参考惯量和阻尼因数。
该模块2或机电特性控制器实现了一组控制器的灵活性，例如允许减小惯量以利于将发电机连接至电网或在频率范围内分配更大的惯量来消除所期望的的干扰。
在PLC的输出处获得虚拟内部电动势的频率，其被整合以获得虚拟内部电动势向量的相位，以最终确定一组虚拟三相电压。这些虚拟电压为电路模块供电，该电路模块是最终计算输入至电网以与电网互换一定功率的参考电流的一个模块。
在此点上应该注意，现有技术关于连接至电网的功率转换控制器来调整与电网交换的有功功率的研究揭示出惯性特征是不能正常实现的。
一方面，应用该概念建立的参考值被限制为传统同步发电机的机电特性的仿真，而没有介绍所述物理系统的任何类型的改进。因此，考虑到可根据操作条件在线并即时调整惯量和阻尼因数，本发明的同步功率控制器相对于现有技术表现出明显的不同。
另一方面，本发明的同步功率控制器针对虚拟惯量和阻尼因数、不同的频率范围使用不同的值，相对于其他现有技术，具有重要的进步。
以这种方式，通过简单地调整惯量和阻尼因数参考值，能使基于该控制器的发电厂的响应针对不同的频率范围而被最优化。特别地，该类型的控制器有利于弱化功率波动、高频谐波、低频波动（电网模式）、共振等。
总之，本发明所提供的一套基于静态功率转换器的发电系统的同步功率控制器包括两个基本模块或控制器：虚拟电气特性控制器和虚拟机电特性控制器。
将虚拟内部电动势和电网的连接点处电压之间的差提供给电特性控制器，通过根据任意给定时刻电网的条件来改变系统的虚拟导纳参数，确定通过发电厂输送至电网的电流。
将输入至转换器的功率和输送至电网的功率之间的差提供给机电特性控制器，通过根据任意给定时刻电网的条件来改变系统的惯量和阻尼因数对应的参数，确定在电特性控制器中生成和使用的虚拟内部电动势的频率。
本发明控制器的响应表现出针对电网的不同频率范围的不同动态特性。
根据前面所述，我们能够通过利用更有效、动态和灵活的控制器来解决现有技术中出现的连接至电网的功率转换器与电网的交互问题。
附图说明
为了利于理解本发明，下面以说明的方式而不是限制的方式示出了几幅附图：
图1是本发明控制器的基本方案；
图2是模块1或电路模块的控制回路；
图3是针对不同频率的模块1的操作方案；
图4是模块2或机电模块的控制回路；
图5是针对不同频率的模块2的操作方案；
在所述附图中，其中所出现的不同的标记具有以下含义：
（10）模块1、电路模块
（11）虚拟电气特性控制器
（12）虚拟导纳控制器
（13）虚拟导纳处理器
（14）用作受控电流源的转换器
（15）电网
（20）模块2、机电模块
（21）虚拟机电特性控制器
（22）惯量和阻尼因数控制器
（23）PLC（“功率回路控制器”）
（24）VCO（“电压控制振荡器”）
具体实施方式
为了能够更好地理解本发明，基于本文的附图进行了以下详细描述：
图1示出了整体上表示本发明的控制器的方案，由两个主要模块形成：模块1或电路模块（10），以及模块2或机电模块20。
模块2（20）依次包括虚拟电气特性控制器（21）以及惯量和阻尼因数控制器（22），向惯量和阻尼因数控制器（22）引入一系列系统变量，诸如输入电压（vin）、输入强度（iin）、输出电压（vout）和输出强度（iout），根据被应用的控制器的具体算法有选择性的使用这些系统变量。惯量和阻尼因数控制器（22）还接收一系列输入参数，诸如针对每个频率范围的功率参数（P1,P2…,Pn）和响应控制器的校正常量（c1,c2…,cn）。根据系统变量和校正参数，在输出口处针对每个频率得到惯量（J1,J2…,Jn）和阻尼因数值（ξ1,ξ2,…,ξn）。
这些惯量（J1,J2…,Jn）和阻尼因数值（ξ1,ξ2,…,ξn）作为参数被引入到虚拟机电特性控制器（21）。
参数虚拟惯量和阻尼因数动态地适应运行条件，针对每个频率提供虚拟惯量值（J1,J2…,Jn）和阻尼因数值（ξ1,ξ2,…,ξn），这使得建立发电机的能力以减弱存在于电网（工厂间、区域间）和主要发电源（机械和结构共振）中的不同功率振荡成为可能。
向该控制器提供用于计算功率回路控制器（PLC）的谐振常数的其他附加参数，诸如系统的额定频率（ωrated）和最大供电功率（Pmax）。虚拟电机特性控制器（21）的输入变量是输入功率（Pin输入至转换器的功率）和输送至电网的功率（Pout）之间的功率差（ΔP）。
从模块2（20）获得虚拟内部电动势（e），其是模块1或电路模块（10）的输入变量之一。
该电路模块（10）也包括两部分：虚拟电气特性控制器（11）和虚拟导纳控制器（12）。虚拟导纳控制器（12）的输入变量是电网和DC总线的电压（v）和电流（i），电网和DC总线是根据被应用的控制器的具体算法而被选择性的使用。虚拟导纳控制器（12）的参数是针对每个频率和序列的参考电流值（I1*,I2*,…,In*）和针对每个频率范围的控制器的响应的校正常量（c1,c2,…,cn）。根据这些输入变量和校正参数，该控制器提供被应用于每个频率和序列的导纳值（Y1,Y2…,Yn）。
虚拟电气特性控制器（11）接收从模块2（20）获得的虚拟输入电动势（e）的值以及与电网的连接点的电压（v），作为输入变量。同样地，虚拟电气特性控制器（11）接收在虚拟导纳控制器（12）中计算得出的针对每个频率和有效序列的被处理的虚拟导纳值（Y1,Y2…,Yn），作为输入参数。基于这些输入变量和参数，模块1（10）在输出处提供参考电流值（i*），该参考电流值（i*）通过用作受控电流源（14）的功率转换器输入至电网（15）。
图2示出了模块1（10）或电路模块的控制回路，在其中输入存在于虚拟内部电动势（e）和存在于连接至电网的耦合点处的电压（v）之间的电压差。将该电压差供给虚拟导纳处理器（13），负责确定由功率转换器输入至电网（15）的参考电流（i*）。
该虚拟导纳参数（13）动态地适应电网的条件。如图3所示，其对应不同的频率范围（f1,f2…,fn）和输入序列还表现出不同的特性，为直流、反相或单极相（homopolar）。这样，本发明的控制器提供针对每个频率（f1,f2…,fn）的不同的导纳（Y1,Y2…,Yn）。从这个意义上来说，控制器针对电网的基频以及其他频率和序列（包括谐波和瞬态）输入升高的直序电流，控制器输入使潜在现有的干扰最小化的电流。
因此，与现有技术研究所发现的不同的是，模块1工作在参考电流而不是工作在参考电压（传统的同步发电机，以及用于仿真它们的控制器工作在参考电压），以及工作在虚拟导纳而不是工作在虚拟阻抗（为传统同步发电机和用于仿真它们的控制器的特征参数）。
图4示出了模块2（20）或机电模块的常用方案。该模块2包括通过PLC（23）（“功率回路控制器”）调整的控制回路，其接收存在于输入功率（通过初级源传送至转换器的功率）和传送至电网的功率（Pelec）之间的功率差（ΔP），以及用于建立功率回路控制器在任何给定时间所期望的固有频率和阻尼因数的一系列参数。在PLC的输出处获得虚拟内部电动势的频率（ωrated），其一旦整合就可用于确定功率转换器生成的虚拟内部电压的相位（θ）。考虑到被应用为惯量和阻尼因数的值可针对每个频率范围被即时的修改，该模块2或机电模块实现了一套同步功率控制器的灵活性。例如，该灵活性允许通过减小惯量来使发电机快速连接至电网，并且随后针对特定频率范围增加它的值，在该特定频率范围内发电机不受电网干扰的影响。
在PLC的输出处获得虚拟内部电动势的频率，其被整合以获得虚拟内部电动势向量的相角。根据该相角和由虚拟内部电动势确定的模值E*，获得了构成模块1或电路模块的输入变量（e）之一的一组三相电压。在确定虚拟内部电压和其相位之后，电路模块将负责通过向那边输入的相应电流来传输电网功率。
图5示出了模块2针对不同的频率范围（f1,f2…,fn）的操作。PLC（23）的输出参考的总和被施加于VCO（24），PLC（23）生成一组频率电压w*和振幅电压E*。随后，这些电压被应用为虚拟电气特性控制器（11）的输入。
基于本发明提供的静态功率转换器的发电机系统的同步功率控制器的更直接的应用是可再生能源工厂（特别是光伏和风力发工厂），但是不排除其在任何其他需要类似特性的应用中使用。

Claims (8)

1.一种基于静态功率转换器的发电机系统的同步功率控制器，用于改善可再生能源工厂与电网的整合，包括两个主要模块，称为：电路模块(10)和机电模块(20)，电路模块(10)依次由虚拟电气特性控制器(11)和虚拟导纳控制器(12)形成，并且机电模块(20)由机电特性控制器(21)以及惯量和阻尼因数控制器(22)形成；
其中，机电特性控制器(21)被配置为根据存在于输入至转换器的功率(Pin)和输送至电网的功率(Pelec)之间的功率差(ΔP)，以及由惯量和阻尼因数控制器(22)所生成的虚拟惯量(J1,J2…,Jn)和阻尼因数值(ξ1,ξ2,…,ξn)在输出处生成虚拟内部电动势(e)；
虚拟电气特性控制器(11)被配置为根据虚拟内部电动势(e)、电网的连接点的电压和由虚拟导纳控制器(12)所生成的虚拟导纳值(Y1,Y2…,Yn)生成被输入至电路模块(10)输出处的电网的参考电流值(i*)。
2.根据权利要求1所述的同步功率控制器，其特征在于，所述虚拟导纳控制器(12)被配置为：
-接收所述电网和DC总线的电压和电流(i)信号，并且根据每个频率和序列范围对应的一系列校正参数(c1,c2,…,cn)和参考电流值(I1*,I2*,…,In*)选择性处理所述电压和电流(i)信号；
-生成被应用于每个频率和序列的虚拟导纳值(Y1,Y2…,Yn)。
3.根据权利要求2所述的同步功率控制器，其特征在于，虚拟导纳参数(Y)动态地适应所述电网的条件，针对每个频率(f1,f2…,fn)和序列提供不同的虚拟导纳值(Y1,Y2…,Yn)，这样能够针对电网的基频以及直接序列输入高强度电流；并且能够针对其它谐波序列和频率、瞬态以及失衡输入使潜在干扰最小化所需的电流。
4.根据权利要求1所述的同步功率控制器，其特征在于，所述虚拟电气特性控制器(11)被配置为：
-接收从机电模块(20)获得的虚拟内部电动势(e)，和电网的连接点的电压，以及从所述虚拟导纳控制器(12)获得的针对每个频率和序列的虚拟导纳值(Y1,Y2…,Yn)，所接收的所有作为输入信号；
-生成被提供给用作受控电流源(14)的转换器的参考电流值(i*)，所述参考电流值(i*)被输入至电路模块(10)输出处的电网(15)。
5.根据权利要求1所述的同步功率控制器，其特征在于，所述惯量和阻尼因数控制器(22)被配置为：
-接收输入电压(vin)、输入电流(iin)、输出电压(vout)、输出电流(iout)信号，并且根据针对每个频率范围的一系列校正参数(c1,c2,…,cn)和参考功率(P1,P2…,Pn)对输入电压(vin)、输入电流(iin)、输出电压(vout)、输出电流(iout)信号进行选择性处理；
-生成针对每个频率范围的虚拟惯量(J1,J2…,Jn)和阻尼因数值(ξ1,ξ2,…,ξn)。
6.根据权利要求5所述的同步功率控制器，其特征在于，虚拟惯量和阻尼因数参数动态地适应运行条件，针对每个频率范围提供虚拟惯量(J1,J2…,Jn)和阻尼因数值(ξ1,ξ2,…,ξn)，以使建立发电机提供的能力用以减弱存在于电网和主要发电源中的不同功率振荡成为可能。
7.根据权利要求1所述的同步功率控制器，其特征在于，所述机电特性控制器(21)被配置为：
-接收存在于输入至转换器的功率(Pin)和输送至电网的功率(Pelec)之间的功率差(ΔP)，以及针对每个频率范围的虚拟惯量(J1,J2…,Jn)和阻尼因数值(ξ1,ξ2,…,ξn)和一系列附加参数，所接收的信号作为输入信号；
-在输出处生成被应用为电路模块(10)的输入之一的虚拟内部电动势(e)。
8.根据权利要求1所述的同步功率控制器，其特征在于，所述机电模块(20)包括通过功率回路控制器PLC(23)调整的控制回路，PLC(23)接收存在于输入至转换器的功率(Pin)和输送至电网的功率(Pelec)之间的功率差(ΔP)，以及针对每个频率范围(f1,f2…,fn)的虚拟惯量(J1,J2…,Jn)和阻尼因数值(ξ1,ξ2,…,ξn)，使得PLC(23)的输出参考的总和输入至电压控制振荡器VCO(24)，生成一组构成虚拟内部电动势(e)的频率电压w*和振幅电压E*，虚拟内部电动势(e)随后被应用为虚拟电气特性控制器(11)的输入之一。
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