CN103825303A

CN103825303A - 用于混合电力系统的控制设备

Info

Publication number: CN103825303A
Application number: CN201310512775.2A
Authority: CN
Inventors: 阮卿禄
Original assignee: LS Industrial Systems Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: KR20140063133A; JP2014103844A; EP2733813A2; EP2733813A3; JP5890372B2; ES2621728T3; US20140139027A1; EP2733813B1; CN103825303B; US9535436B2; KR101926132B1

Abstract

本发明公开了一种用于混合电力系统的控制设备。根据该用于混合电力系统的控制设备包括：电力测量单元，其被配置为测量所述电力系统的输出电力；以及控制器，其被配置为基于预设的控制模式和所测量的输出电力来控制所述电力系统的第一电力发电机和第二电力发电机的操作，其中所述控制器被配置为在所述第二电力发电机的输出被控制为从ON状态切换为OFF状态时，控制所述第一电力发电机的输出电压为与第一时间的所述第二电力发电机的输出对应的第一偏移电压。

Description

用于混合电力系统的控制设备

技术领域

本公开涉及用于混合电力系统的电力控制设备，尤其涉及这样一种用于混合电力系统的电力控制设备，其能够改善在包含至少两种类型的电力发电机的混合电力系统中的输出电力的质量。

背景技术

近年来，电力消耗在世界范围内持续增长。然而，由于获得土地站点、环境争端、资源供应和需求等问题引起的对大型热电站和核电站的建设的限制，电力发电设施的建设变得困难。并且，整体工业的完善度导致了对电力质量的需求的增长。因而，考虑到需求管理和控制，对发展多种类型的能源的需求在增加。

响应于这种趋势，正在开发使用可再生能量，例如风能、太阳能、燃料电池能等等的混合电力系统。混合电力系统使用于供给电力的电力供应源多样化，并允许根据电力系统来选择电力供应源，从而改善能量效率、电力的反向传输以及可靠性。这种混合电力系统正作为下一代电力智能技术（Intelligent Technology，缩写为IT）而出现。

图1是示出常规的混合电力系统的结构图。

如图1中所示，常规的混合电力系统10可以连接至主输电网20。混合电力系统10可以以这种方式来分配电力：根据由电负载（在下文中缩写为负载）30所需的电力的大小的变化来选择并调整供自至少两个可再生能量供应源的电力。

混合电力系统10可以通过适当地分配由主输电网20所供应的电力和所供应的至少两种类型的可再生电能来维持供应至负载30的电力。

更详细地，由主输电网20所供应的电力可以经由混合电力系统10的共用连接点通过变压器被输送至负载30。

常规的混合电力系统10可以包括通过直流环节彼此连接的可再生能量发生器，例如，太阳能发电机（光电发电机，在下文中缩写为PV）和燃料电池发电机（在下文中缩写为FC），从而通过直流/交流变换器来提供电能。连接至PV的直流/直流变换器的脉宽调制（PWM）控制设备可以通过最大电功率点跟踪技术来有效地控制PV的输出。并且，连接至FC的直流/直流变换器的PWM控制设备可以响应于负载30的变化来控制直流环节的电压以控制燃料电池的输出的变化。

图2是示出常规的混合电力系统10的输出电力的变化的图。

如图2中所示，在PV的输出是恒定的状态下，可要求FC的输出响应于负载30的变化。

然而，如在图2中所示，不管负载所需的电力的大小的激烈变化，燃料电池发电机FC的输出响应不是快速的。因此，不管负载所需的电力的大小的激烈变化，输出电能的总量（PV+FC）会逐渐地增加并然后逐渐地降低。

该输出响应速率的延迟会引起与电力质量有关的问题。尤其是，在负载卸载等发生在电力系统中时，FC的输出会连续地维持一段预定时间，这将引起该混合电力系统的不稳定性和错误的操作。

发明内容

因此，本发明的一个方面是为了提供一种能够改善电力的质量的用于混合电力系统的电力控制设备。

本发明的另一个方面是为了提供一种用于混合电力系统的电力控制设备，其能够处理负载所需的电力的激烈变化。

本发明的再一个方面是为了提供一种用于混合电力系统的电力控制设备，其能够克服由于燃料电池发电机的缓慢的输出响应速率而引起的电力质量降低的问题。

为达到这些和其他优点并且根据本公开的目的，如在这里所体现和广泛描述的，提供了一种用于混合电力系统的电力控制设备，所述设备包括：

电力测量单元，其被配置为测量所述电力系统的输出电力；以及

控制器，其被配置为基于预设的控制模式和所测量的输出电力来控制所述电力系统的第一电力发电机和第二电力发电机的操作，

其中所述控制器被配置为在所述第二电力发电机的输出被控制为从ON状态切换为OFF状态时，控制所述第一电力发电机的输出电压为与第一时间的所述第二电力发电机的输出对应的第一偏移电压。

根据本公开的一个方面，所述控制器被配置为在所述第二电力发电机的输出被控制为从OFF状态切换为ON状态时，控制所述第一电力发电机的输出电压为与第二时间的所述第二电力发电机的输出对应的第二偏移电压。

根据本公开的一个方面，所述控制器被配置为将所述第一电力发电机的操作模式改变为在对应所述第一时间或所述第二时间时的偏移电压模式。

根据本公开的另一个方面，所述控制器被配置为在除了所述第一时间和所述第二时间的其他时间，以最大电功率点跟踪控制模式来控制所述第一电力发电机。

根据本公开的另一个方面，所述第一电力发电机包括太阳能发电机，并且所述第二电力发电机包括燃料电池发电机。

根据本公开的另一个方面，所述控制器被配置为在由所述电力测量单元所测量的负载所需的电力量低于预定值时，控制所述第二电力发电机的输出从所述ON状态切换为所述OFF状态。

根据本公开的另一个方面，所述控制器被配置为在由所述电力测量单元所测量的负载所需的电力量超过所述第一电力发电机的输出时，控制所述第二电力发电机的输出从OFF状态切换为ON状态。

根据本公开的另一个方面，第一时间的所述第一偏移电压被配置为由所述第二电力发电机的电力传输特性来测定。

根据本公开的另一个方面，由所述第一电力发电机控制的输出变化的响应速率被配置为快于由所述第二电力发电机控制的输出变化的响应速率。

根据本公开的另一个方面，所述第二时间的所述第二偏移电压被配置为通过所述第二电力发电机的电力传输特性来测定。

本申请的适用性的更多的范围将由于下文中给出的实施例而变得更加显而易见。然而，应当理解由于根据本发明的在本公开的精神和范围内的多种变化和修改对本领域技术人员而言将是显而易见的，因此本公开和具体的例子，在表明本发明的优选实施例的同时，仅以示例的方式给出。

附图说明

被包含以提供对本公开的进一步理解和被并入并组成本公开的一部分的附图，示出示例性的实施例并随本说明书一起用于解释本公开的原理。

在附图中：

图1是示出常规的混合电力系统的结构图；

图2是示出该常规的混合电力系统的输出电力的变化的图；

图3是示出根据本发明的一个示例性实施例的用于混合电力系统的电力控制设备的结构图；

图4是示出根据本发明的一个示例性实施例的包含用于混合电力系统的控制设备的整体系统的结构图；

图5是示出根据本公开的一个示例性实施例的依照用于混合电力系统的控制设备的操作的输出电力的图；以及

图6是示出根据本公开的另一个示例性实施例的依照用于混合电力系统的控制设备的操作的输出电力的图。

具体实施方式

以下给出的描述仅示例性地示出本公开的思想。因此，应当理解本领域技术人员可以创造出实现公开的思想和本公开的观念和范围的发明的多种类型。并且，在这里公开的每个有条件的术语和示例性实施例仅仅是示例性的以帮助理解本公开的思想，而不应解释为将本发明限制为那些示例性的实施例和情形。

还应当理解，除本公开的思想、观点和示例性的实施例之外，也揭露具体实施例的本公开旨在包括对于那些内容的结构上的和功能上的等同方案。那些等同方案应当被解释为不仅仅包括当前已知的等同方案，而且还包括在将来待发展的等同方案，即被创造以执行相同的功能而不考虑结构的全部设备。

因此，例如，在这里公开的结构图应当被理解为指示包含本发明的思想的示例性电路的概念上的观点。同样地，所有流程图、状态转换图、内涵代码等等可以充分地在计算机可读媒介中实现，并且应当理解为指示通过计算机或处理器执行的多种过程，而不考虑该计算机或该处理器是否被明显地示出。

在图中示出的包括指示为处理器或类似概念的功能框的多种设备的功能不仅能够使用确定的硬件，而且还可以使用具有执行与适当的软件有关的软件的能力的硬件来提供。在功能由处理器来提供时，该功能可以通过单个确定（single-decided）的处理器、单个共享的（single-shared）的处理器、或者多个独立的处理器、或者那些处理器中的可以共享的一些处理器而被提供。

该处理器的显而易见的使用、用相似的含义提供的控制或术语不应当用具有执行软件的能力的引用硬件来排他性地解释，而应当解释为隐含地包括数字信号处理器（DSP）硬件、和ROM、RAM以及用于存储软件的非易失性存储器。其他公知的硬件也应当被包括。

在本公开的权利要求中，例如，在本公开中披露的描绘为用于执行功能的装置的元件旨在包含所有执行功能的方法，该方法包含执行所述功能的所有类型的软件，该软件包含电路设备组合或固件/微代码，并且将被连接至适当的电路以用于执行该软件以执行该功能。由于由详细说明的多种装置所提供的功能彼此联系或者与权利要求所要求的方法相联系，因此由权利要求限定的本公开应当被解释为任何提供与从本公开中认识到的功能等同功能的元件。

前述的对象、特征和优点将通过以下关于附图的本公开变得更加显而易见，并且本公开的技术范围将由本公开所属领域的技术人员容易地实行。在描述本发明的方面，如果用于公知的功能或结构的详细解释被认为不必要地转移了本发明的要点，则尽管这样的解释被忽略了但是其将会被本领域技术人员所理解。

在下文中，将参考附图给出根据本发明的一个优选的示例性实施例的详细描述。

图3是示出根据本发明的一个示例性实施例的用于混合电力系统的电力控制设备的结构图。

如在图3中所示的，根据本发明的一个示例性实施例的用于混合电力系统的电力控制设备200可以包括：电力测量单元210，其测量电力系统的输出电力，以及控制器220，其基于预设的控制模式和所测量的输出电力来控制该电力系统的第一电力发电机115和第二电力发电机117的操作。

这里，混合电力系统可以包括使用可再生电能的至少两个电力发电机。

特别地，控制器220可以控制包含在电力系统中的第一电力发电机115和第二电力发电机117的操作。

然而，根据本公开的电力控制设备200可以被用于控制使用不同的可再生电能的多个电力发电机，并且电力发电机类型或数量也可以不被限制。

第一电力发电机115和第二电力发电机117可以展示不同的控制响应速率（换句话说，控制响应速度）。该响应速率可以取决于可再生电能的类型或者由响应特性图来确定。根据一个示例性实施例，第一电力发电机115的响应速率低于（慢于）第二电力发电机117的响应速率。

例如，第一电力发电机115可以是使用太阳能（PV）的电力发电机，并且第二电力发电机117可以是使用燃料电池（FC）的电力发电机。PV表现出非常快的控制响应速率，反之通过其响应特性图，FC表现出非常慢的控制响应速率。

根据该响应速率的差异，作为最终输出的总的输出电力的响应速率会变慢。因此，一旦切换响应速率低的第二电力发电机117时，控制器220就可以在预定时间以偏移电力模式操作。

在偏移电压模式中，在第二电力发电机117的电压缓慢改变的同时，控制器220可以控制响应速率快的第一电力发电机115的电压作为偏移电压。响应于控制器220的操作，在总的输出电力方面的速率改变可以变快。

同时，电力测量单元210可以测量来自连接至电力控制设备200的每个电力发电机的输出电力和从混合电力系统的输出端子传输的全部（总的）电力，并且电力测量单元210可以将所测量的电力或全部电力输送给控制器220。然后控制器220可以基于所输送的电力和预设的控制模式来控制第一电力发电机115和第二电力发电机117的操作。

例如，在由电力测量单元210测量的负载所需的电力量低于预定值时，控制器220可以控制第二电力发电机从ON状态切换为OFF状态。在由电力测量单元210测量的负载所需的电力量超过第一电力发电机的输出时，控制器220可以控制第二电力发电机从OFF状态切换为ON状态。于是，控制器220可以根据所要求的电力来灵活地调整电力发电机的输出。

图4是示出根据本发明的一个示例性实施例的包含用于混合电力系统的控制设备的整体系统的结构图。

在下文中，参考图4，将根据一个示例性实施例给出包含用于混合电力系统的控制设备的整体电力系统的详细描述。

根据一个示例性实施例的包含用于混合电力系统的控制设备的整体电力系统可以包括：主输电网100，其供应主要电力；第一变压器102，其连接至主输电网100；第二变压器110，其连接至混合电力系统的输出端子；馈电线104，其连接至第一变压器102；共用连接点（在下文中缩写为PCC）106，其连接至第二变压器110和馈电线104；电负载108，其经由电负载线路连接至共用连接点106；逆变器112，其将混合电力系统的直流输出转换为交流输出以传输至第二变压器110；第一电力发电机115，其连接至逆变器112；第二电力发电机117，其连接至逆变器112；电力控制设备200，其连接至第一电力发电机115和第二电力发电机117中的每一个以及共用连接点106以测量电力并且控制该整体电力系统的操作。

第一电力发电机115可以包括太阳能发电机（在下文中缩写为PV）116、最大电功率点跟踪（在下文中缩写为MPPT）电压发生器122、第一脉冲幅度调制器（在下文中缩写为PWM1）124以及第一直流环节120。

并且，第二电力发电机117可以包括燃料电池电力发电机（在下文中缩写为FC）118、第二脉冲幅度调制器（在下文中缩写为PWM2）128以及第二直流环节126。

第一直流环节120和第二直流环节126可以用公知的提供恒定直流电压的直流环节电容器来配置。

电力控制设备200可以连接至PWM1124和PWM2128，并且控制脉冲幅度调制器124、128的操作，由此分别控制第一电力发电机115和第二电力发电机117的输出。

特别地，控制器220可以根据预设的操作模式来控制PWM1124和PWM2128的操作。例如，对于像第一电力发电机115这种的太阳能发电机，控制器220可以根据在MPPT电压发生器112中产生的参考电压以MPPT模式来控制PWM1124。

由控制器220控制的电力发电机的控制模式可以是恒定地维持线路流的馈电线流控制（在下文中缩写为FFC）模式。

在电力发电机以FFC模式操作时，控制器220可以根据负载消耗的电力量的变化来调整输出（Pms）。这将允许连接至该混合电力系统的来自主输电网100的电力流被恒定地维持。因此，将电力供应给主输电网100的主电力供应商可以将包含该混合电力系统的电力输电网设置为消耗预定量电力的电负载。这将便于对供应至输电网的电力的测量和控制。

控制器220的控制模式可以是恒定地维持电力发电机的输出电力的单元电力控制（在下文中可以缩写为UPC）模式。在UPC模式中，电力控制设备200可以恒定地维持电力发电机的输出的特定值，而不考虑馈电线流的电量（换句话说，线路流通量）。

控制器220的控制模式可以是控制太阳能电池的输出的模式，并且该模式可以被称为MPPT模式。

这里，MPPT是解决由于太阳能辐射量的变化而引起的直流电压幅度变化的问题的方法，即，表示控制电力发电机基于作为太阳能电池阵列的参考电压的直流电压来跟踪最大电功率点的方法。

例如，控制器220可以根据MPPT和参考值来放大并比较跟踪值，产生电流和电压控制信号作为用于绝缘栅双极晶体管（可以被缩写为IGBT）的选通控制信号，该绝缘栅双极晶体管是包含在PWM1124中的幅度调制半导体开关，并且控制器220将该产生的选通控制信号传送至PWM1124，由此在MPPT模式中控制第一电力发电机115。

根据每个模式的控制器220的操作可以实现基于电力传输特性和环境改变而提供能量的最大利用。

同时，如上所述，控制器220可以控制第一电力发电机115和第二电力发电机117的操作。这里，在第二电力发电机117的输出被控制为从ON状态切换为OFF状态时，可以控制第一电力发电机115的输出电压为与第一时间的第二电力发电机117的输出电压对应的第一偏移电压。

在第二电力发电机117的输出被控制为从OFF状态切换为ON状态时，控制器220可以控制第一电力发电机115的输出电压为与第二时间的第二电力发电机117的输出对应的第二偏移电压。

对于偏移电压控制，控制器220以偏移电压控制模式来控制第一时间或第二时间的第一电力发电机115。并且，在除了第一时间和第二时间外的其他时间，控制器220以MPPT模式来控制第一电力发电机115。

第一时间或第二时间的第一偏移电压或第二偏移电压可以通过第二电力发电机117的电力传输特性来测定。例如，在第二电力发电机117的电力传输特性展现出极慢的响应速率时，相对于时间的偏移电压的非常小的变化可以被控制。并且，在第二电力发电机117的电力传输特性展现出快的响应速率时，相对于时间的偏移电压的大的变化可以被控制。

在本公开的一个示例性实施例中，在第一电力发电机115的电力控制响应速率快于第二电力发电机117的电力控制响应速率时，可以对第一时间和第二时间的第一偏移电压和第二偏移电压进行测定，而不考虑第一电力发电机115的特性。因而，可以允许有效的电力控制并且可以引起与在整体电力响应速率中的增长相同的效果，实现电力的质量的提高。

图5是示出根据本公开的一个示例性实施例的依照用于混合电力系统的控制设备的操作的输出电力的图。

如图5中所示，在第二电力发电机117的输出被控制为从ON状态切换为OFF状态时，控制器220可以控制第一电力发电机的输出电压为与第二电力发电机的输出对应的第一偏移电压。

更详细地，在图5中由V1控制（在下文中，被称为）所指示的线段（在下文中，被称为V1控制线段）表示与第二电力发电机的输出对应的第一偏移电压的波形，其为第一时间的第一电力发电机的输出电压。可以根据在第二电力发电机的输出被控制为从ON状态切换为OFF状态时改变的电力特性来测定第一偏移电压。第一偏移电压可以是第二电力发电机（也就是FC）的输出逐渐地改变为零（即OFF状态）而没有立即关闭的用于偏移的电压。因此，第一偏移电压可以是绝对值减少的负电压，其对应于具有在第二电力发电机被关闭的第一时间减少的绝对值的正电压。

同样地，根据该示例性实施例的电力控制设备200甚至可以允许混合电力系统的全部输出电力（PV+FC）在V1控制线段内显著减少。因此，即使在作为第二电力发电机的燃料电池系统的输出由于负载所需的电力的减少而被关闭时，由于燃料电池引起的缓慢的电力减少速度也可以通过作为第一电力发电机的太阳能系统的偏移电压而被补偿。这可以允许全部输出具有与第一电力发电机的电力下降速度几乎相同的电力下降速度。

如图6中所示，在第二电力发电机117的输出，即，FC的输出被控制为从OFF状态切换为ON状态时，V2控制线段表示第一电力发电机115的输出电压（PV）由与第二时间的第二电力发电机117的输出对应的第二偏移电压所控制。

更详细地，图6的V2控制线段可以表示与V1控制线段相似的波形。第二偏移电压可以根据在第二电力发电机FC的输出被打开时变化的电力特性来测定。第二偏移电压可以是FC的输出电压逐渐地增加而没有立即接通的用于偏移的电压。因此，第二偏移电压可以是绝对值减少的正电压，其对应于具有在第二电力发电机被接通的第二时间增加的绝对值的正电压。

根据该示例性实施例的电力控制设备200可以允许在V2控制线段内混合电力系统的全部输出电力（PV+FC）的显著增加。因此，即使在作为第二电力发电机的燃料电池系统的输出由于负载所需的电力的增加而被接通时，由于该燃料电池所引起的缓慢的电力减少速度也可以通过作为第一电力发电机的太阳能系统的偏移电压而被补偿。这可以允许全部电力输出具有与第一电力发电机的电力增加速度几乎相同的电力增加速度。

同时，根据由电力测量单元210所测量的负载所需的电力，可以改变关于第二电力发电机117的电力开关控制。例如，在负载所需的电力超过第一电力发电机115的输出时，控制器可以控制将第二电力发电机117的输出从OFF状态切换为ON状态。并且，在由电力测量单元210所测量的负载所需的电力低于预定值时，控制器220可以控制将第二电力发电机117的输出从ON状态切换为OFF状态。

同样地，根据电力控制设备200的操作，混合电力系统可以具有快的响应速率，并且响应于电负载的变化而达到快速的电力变化。并且，电力控制设备200可以以模式控制的方式执行适于状况的输出控制，从而能够实现有效的电力控制。

前述实施例和优点仅仅是示例性的并且不应被解释为对本公开的限制。本教导可以容易地应用至装置的其他类型上。本描述旨在示例性地，并且不限制权利要求的范围。多个备选方案、修改以及变化对本领域技术人员而言将是显而易见的。在这里所描述的示例性实施例的特征、结构、方法和其他特性可以以多种方式组合以获得额外的和/或可替换的示例性实施例。

由于本特征可以以多种形式表达而不背离其特性，应当理解，除非另外指定，以上描述的实施例不被前面描述的任一细节所限制，而是应当被解释为广泛地包含在所附的权利要求中所限定的范围之内，并且因此所有落入权利要求的范围和界限之内的变化和修改、或这些范围和界限的等同物旨在被所附的权利要求所包含。

Claims

1.一种用于混合电力系统的电力控制设备，其特征在于所述电力控制设备包括：

2.如权利要求1所述的电力控制设备，其中所述控制器被配置为在所述第二电力发电机的输出被控制为从OFF状态切换为ON状态时，控制所述第一电力发电机的输出电压为与第二时间的所述第二电力发电机的输出对应的第二偏移电压。

3.如权利要求1或2所述的电力控制设备，其中所述控制器被配置为将所述第一电力发电机的操作模式改变为在对应所述第一时间或所述第二时间时的偏移电压模式。

4.如权利要求3所述的电力控制设备，其中所述控制器被配置为在除了所述第一时间和所述第二时间的其他时间，以最大电功率点跟踪控制模式来控制所述第一电力发电机。

5.如权利要求1所述的电力控制设备，其中所述第一电力发电机包括太阳能发电机，并且所述第二电力发电机包括燃料电池发电机。

6.如权利要求1所述的电力控制设备，其中所述控制器被配置为在由所述电力测量单元所测量的负载所需的电力量低于预定值时，控制所述第二电力发电机的输出从所述ON状态切换为所述OFF状态。

7.如权利要求2所述的电力控制设备，其中所述控制器被配置为在由所述电力测量单元所测量的负载所需的电力量超过所述第一电力发电机的输出时，控制所述第二电力发电机的输出从OFF状态切换为ON状态。

8.如权利要求1所述的电力控制设备，其中所述第一时间的所述第一偏移电压被配置为由所述第二电力发电机的电力传输特性来测定。

9.如权利要求1所述的电力控制设备，其中由所述第一电力发电机控制的输出变化的响应速率被配置为快于由所述第二电力发电机控制的输出变化的响应速率。

10.如权利要求2所述的电力控制设备，其中所述第二时间的所述第二偏移电压被配置为通过所述第二电力发电机的电力传输特性来测定。