CN106471696B - 运行除电网发电机和至少一个负载外也连接到有限交流电网的性能波动的电站的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在用于运行电性能波动的电站的方法中，除了输出有功功率(P)和无功功率(Q)的至少一个电压调节的电网发电机(3)和至少一个负载(7)外，该电站也连接到有限交流电网(1)，在PQ平面中定义电网发电机(3)的期望的封闭的工作区域，在该工作区域中电网发电机可有效地调整在交流电网(1)上出现的电网交流电压的波动。确定PQ平面中电网发电机的当前工作点，并且由电站(8)实施的有功功率和无功功率的输出被这样控制，使得电网发电机(3)的工作点保持在期望的工作区域中。

Description

运行除电网发电机和至少一个负载外也连接到有限交流电网 的性能波动的电站的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于运行电性能波动的电站的方法，除输出有功功率和无功功率的电压调节的电网发电机(Netzbildner)和至少一个负载外，该电站也连接到有限交流电网。在此，电站的运行多用于此目的，即通过从电站馈入功率降低一个或多个内燃发电机的燃料消耗，该内燃发电机在有限交流电网中被用作电网发电机或其他电源。
特别地，电性能波动的电站可以是光伏电站，但例如也可以是风力发电站、潮汐发电站或集中供热电站。关于电站性能的术语“波动”在此意味着其性能，即其当前输出电功率的能力，通过如太阳辐照度、风量、潮差、需热量等外部参量来确定并由此而波动，确切地说是不受电站接入的有限交流电网中的当前功率需求的影响。
有限交流电网特别是指所谓的孤立电网(Inselnetz)，它未连接到上级稳定的交流电网。但是连接到交流电网的电网发电机原则上也可以具有与上级交流电网的有限功率的连接。因此，有限交流电网最大限度地具有与上级交流电网的有限功率的连接。多数情况下，电网发电机涉及持久激活的内燃发电机，该内燃发电机具有额度为额定功率或最大功率的恒定性能。替代地，电网发电机也可以由水利发电机或蓄电池变流器构成。
根据连接在交流电网上的负载的功率需求，除了电网发电机之外，如果需要，通常还由电源控制器激活至少一个另外的电源，特别是内燃发电机。通常情况下，有多个其他电源，其根据增加的数量需求由电源控制器激活。在此，电源控制器维持备用功率，使得当前激活的电源可通过升高功率输出对负载的功率消耗的短期增加或对由于激活额外的负载而产生的额外的功率消耗做出反应。通过激活额外的内燃发动机不能应对功率消耗这样快速的增加。
特别地，在负载的功率消耗波动时，所有电压调节的电网发电机的任务在于，保持交流电网上的电网交流电压稳定，即在振幅和频率方面尽可能保持恒定。
电性能波动的电站通过涵盖连接的负载的功率消耗的一部分这种方式来降低作为电源连接在有限交流电网上的所有内燃发电机的燃料需求和其他连接在有限交流电网上的电源的任何其他不使用可再生能源来满足的能源需求。在此应注意，电性能波动的电站在向交流电网中馈入其功率时不会导致交流电网的不稳定。因此，不受控制地从电站馈入功率例如可导致功率馈入激活的内燃发电机中，这通常会导致内燃发电机被紧急切断。由此，整个交流电网可能会崩溃。
虽然内燃机和发电机的其他组合(在此简称为内燃发动机)也是可能的，但是作为电源连接在交流电网上的内燃发动机通常是柴油发电机。虽然柴油发电机在适当利用时具有良好的效率和良好的成本效率，但它们却需要几秒钟的时间才会被激活到可将功率馈入交流电网中。例如由光伏电站馈入的电功率原则上可以更快地变化，而且还比在已经激活的具有显著的机械惯性的内燃发电机中的更快。
背景技术
在Donauer太阳能技术销售股份有限公司(Donauer Solartechnik VertriebsGmbH)的网站www.donauer.eu上，对用于运行光伏电站以通过馈入光伏电站的功率降低柴油发电机的燃料消耗的方法进行了描述。对此，通过柴油发电机总是在最佳工作点以有效的燃料燃烧来运转这种方式，在不需要电池作为电能的中间存储器的情况下，所谓的DONAUER柴油混合能量管理应确保稳定的、经济的且可持续的能量供应。但对于如何实现这一点的进一步信息却没有发现。
从DE 10 2011 103 600 A1已知一种以能源的最佳利用为目的的用于控制设备或机器的方法。其中，设备或机器可由光伏电站供应。光伏电站的功率时间曲线被预测，其中云层预测基于卫星得以实现。随后，对设备或机器进行控制，使得它们执行于起始点开始的过程，在该起始点该过程所需功率的至少尽可能大的一部分由光伏电站产生。
从DE 10 2010 046 744 A1已知一种用于孤立运行时的承载负载的光伏电站的方法。从由光伏模块的布置组成的第一能量源和第二能量源馈入到离网逆变器的直流输入端中，该离网逆变器在其输出端上提供交流电负载。在这种情况下，只要还没到达光伏模块的电流-电压-特性曲线上的最大功率点，就单独以第一能量源进行电能的引入。在到达最大功率点且交流电负载的消耗负载进一步升高时，进一步在最大功率点上对光伏模块进行操作，并通过第二能量源将交流电负载的全部能量供应缺少的能量引入。第二能量源可由公共供电网或由内燃发电机形成。
从DE 10 2011 106 877 A1已知一种具有光伏发电机的布置，该光伏发电机连接在逆变器的输入端子上。逆变器的输出端与供电网连接。另外，该布置包括与逆变器的输出端并联连接的异步电机，该异步电机由内燃电动机驱动。该布置的目的是实现相对于同步电机便宜的异步电机的使用，该异步电机的不利的功率因数cos phi通过采用逆变器的电子调节的IGBT调节无功功率来进行补偿。具有直接连接在交流电网上的异步电机的内燃发电机不适合作为电网发电机。因此，为了桥接供电网路的运营商对同步电机发出功率要求的时间点和异步电机在内燃电动机起动之后实际开始提供所要求的功率的时间点之间的时间间隔，设置了可接入到逆变器输入端的蓄电池。
从EP 1 323 222 B1已知一种用于运行孤立电网的方法，该孤立电网具有至少一个风力设备形式的第一能量产生器、作为电网发电机的同步电机以及作为中间存储器的电气元件。风力电站以如下方式进行调节，即使其总是只产生所需要的电功率，该电功率由网路中的电功率消耗以及用于给作为中间存储器的电气元件充电的功率需求组成。可经由耦合来驱动同步电机的内燃电动机仅在由风力设备和/或由电中间存储器输出的功率低于可预定的时间段上的可预先给定的阈值时才被激活。当内燃电动机没有被激活时，同步电机在电动机运行模式下运行，其中该同步电机从风力设备获得其驱动能量。同步电机不仅是电网发电机，而且还是无功功率和短路电流产生器、孤立电网的电压调节器和闪变滤波器。
从US 2008/0278003A1已知一种用于无间断供电负载的系统，该系统具有光伏电站形式的可再生能源和作为电能存储器的蓄电池。该系统在交流电网故障时，特别是在内燃发电机作为备用电源被激活之前，一直保持给负载供电。
从C.A Hernandez-Aramburo等人于2005年五月/六月在《IEEE工业应用汇刊》(IEEE Transactions on Industry Applications)第3期第41卷第673-681页上的发表的题为“微型电网燃料消耗量的最小化(Fuel Consumption Minimization of aMicrogrid)”一文中已知一种用于运行光伏发电机和风力发电机的方法，除电网发电机、至少一个根据需要由发电机控制器激活或停用的内燃发电机和至少一个负载外，该光伏发电机和风力发电机也连接在有限交流电网上。具有当前在交流电网中可用的备用功率遵循最小值这一辅助条件的成本优化模型将光伏发电机和风力发电机可用的功率设置为它们的额定功率的80％以及40％。为了满足增加的功率需求，首先将在没有燃料的情况下也能应对的光伏发电机和风力发电机升高到它们当前的最大功率。随后，为了提供备用功率以及为了满足在没有燃料的情况下不再能够满足的功率需求，内燃发电机被接入到为相应的功率需求而进行成本优化的组合中。在此，光伏发电机和风力发电机的功率保持在其当前的最大功率。
从EP 2 503 146 A1已知一种用于在脱离上级交流电网期间控制发电设备运行的方法和装置。具体来说，其涉及包括至少一个风力设备的发电设备和在其他能量馈入的上级交流电网发生故障时运行该发电设备。为了实施此运行，将外部发电机经由电缆连接到风力设备的辅助装备，以便向该辅助装备，例如用于风力设备的转动叶片的调节装置提供有功功率。电缆经由变压器不仅连接到辅助装置上，而且还连接到各个风力设备的逆变器上。通过逆变器提供无功功率，以使外部发电机在PQ平面的稳定区域中，即在由关于发电机的可能的无功功率标绘的发电机的可能的有功功率跨越的面积内运行。背景是，对于有功功率与无功功率之比特定，超过其额定功率的无功功率20％的常规柴油发动机可能不稳定，以及PQ平面中可接受的工作区域大约在表示1.0的功率因数和0.8的功率因数的直线之间。借助用风力设备的逆变器生成的无功功率使外部发电机的工作点保持在该区域中。
发明内容
本发明的任务在于对用于运行电性能波动的电站的方法进行说明，除输出有功功率和无功功率的电压调节的电网发电机和至少一个负载外，该电站也连接到有限交流电网，其中，虽然一方面即使不使用蓄电池作为电能的中间存储器，通过馈入电站的功率也有效地降低连接在有限交流电网上的电网发电机和其他电源不使用可再生能源来满足的能量需求，但是另一方面也针对所有负载的功率消耗和电站的功率输出的波动稳定了有限交流电网。
在用于运行电性能波动的电站的根据本发明的方法中，除输出有功功率和无功功率的电压调节的电网发电机和至少一个负载外，该电站也连接到有限交流电网上，在PQ平面中定义电网发电机期望的封闭的工作区域，在该工作区域中电网发电机可特别有效地调整交流电网上出现的网路交流电压的波动。随后，在PQ平面中确定电网发电机的当前工作点，并且有功功率和无功功率的输出通过电站这样控制，使得电网发电机的工作点保持在期望的工作区域中。
在PQ平面中，关于电网发电机的可能的无功功率标绘的电网发电机的可能的有功功率跨越一个面积。电网发电机的工作区域位于该面积内，在该工作区域中尽可能不运行电网发电机。但在原则上可运行电网发电机的工作区域中，当交流电网中出现电网交流电压的电压和频率波动时还导致各个电网发电机的不同行为。因此，可以在PQ平面中界定电网发电机的工作区域，方式是通过电网发电机特别有效地应对在交流电网上出现的电网交流电压的波动，即，在不进入不稳定的工作状态的情况下在最大可能的范围内有效地调整该波动。根据本发明，电网发电机借助于电站以及其有功功率和无功功率的馈入保持在该期望的工作区域中。因此，电站在很大程度上有助于稳定交流电网。
显然，封闭的工作区域，电网发电机在其中可能特别有效地调整在交流电网上出现的电网交流电压的波动，不必一定在电网发电机的有功功率关于无功功率标绘的图形中用图示来确定。相反，根据电网发电机的有功功率和无功功率来定义其期望的工作区域就够了。每个这样的工作区域可在PQ平面中示出。相应地，这也适用于确定电网发电机的工作点。即使当前的工作点不是直接通过电网发电机输出的有功功率和无功功率来界定，该工作点也可转用在PQ平面中。
期望的工作区域在根据本发明的方法中是封闭的，可能特别意味着，期望的工作区域不是通过面积的功率边界来限定的，该面积由关于电网发电机的可能的无功功率标绘的电网发电机的可能的有功功率跨越，而是其边界与该面积的功率边界相隔一定距离延伸，因为电网发电机在位于功率边界上的工作点时不可再调整交流电网中由于增加的功率需求而出现的电网交流电压的波动。
通过改变电站的有功功率和无功功率的输出致使电网发电机的工作点可移动并以这种方式保持在期望的工作区域中的这种可能性存在于不同的已知电站中，特别是通过适当地控制其逆变器来指定。
原则上，可能会有电网发电机的理想工作点，电网发电机可能能够从该理想工作点以最高的效率来调整在交流电网上出现的电网交流电压的波动。原则上，也可仅将该理想工作点附近的周界定义为电网发电机的期望的工作区域。但优选地，在有功功率的方向上尽可能大地界定期望的工作区域，以便通过电站将尽可能多的有功功率馈入交流电网，从而节省尽可能多的来自不可再生能源的能量。相应地，在根据本发明的优选实施形式中，只要电网发电机的工作点位于期望的工作区域中，电站的有功功率的馈入就最大化。
另外，在根据本发明的方法中，电网发电机例如可以是水力发电机或蓄电池转换器来替代内燃发电机。虽然电机由水涡轮机驱动的水力发电机不消耗不可再生能源，但该水力发电机只有在其工作点保持在小的期望的工作区域中时才能够有效地调整在交流电网上出现的电网交流电压的波动。在作为电网发电机的蓄电池转换器中，必须额外考虑连接的蓄电池的当前充电状态，这可以通过依赖于充电状态的蓄电池转换器的期望的工作区域来实现。原则上，电网发电机的期望的工作区域也不必是固定的，而是在对交流电网上的电网交流电压产生可预见的影响时可确定该工作区域。例如，如果可以预见将在一定的方向上改变对无功功率和/或有功功率的需求，则可以预先在相反方向上移动电网发电机的期望的工作区域，以便提供额外的调节储量来对随功率需求发生改变而在交流电网上出现的电网交流电压的改变进行调整。
在根据本发明的方法的特别有趣的实施形式中，除了电网发电机外还有至少一个另外的电源连接在有限电网上，该至少一个另外的电源根据需求被激活或停用。在此，根据需求进行激活和停用也通过将电网发电机的工作点保持在期望的工作区域中这一规定来实现。
在根据本发明的方法中根据需求被激活或停用的每个其他电源，也可以是电压调节的电源，即另一个电网发电机。随后优选地，当所有电压调节的电源同类时，即在PQ平面中相同的工作点上可能有效地调整在交流电网上出现的电网交流电压的波动，使得可以为所有电压调节的电源界定并保持共同的期望的工作区域。但其他电源在没有产生电源功能的情况下也可以是全部或部分为电压支持的电源。
具体地，在根据本发明的方法中，至少一个另外的电源可以是内燃发电机。然而，激活内燃发电机直到它能将功率馈入到交流电网中需要一定的时间。因此，根据需求激活和停用的内燃发电机不适合补偿短期的功率波动和由此在交流电网上造成的电网交流电压的振幅和频率的波动。实际上可为该补偿提供所有已经激活的电源的功率储备。保持电网发电机的期望的工作区域对于提供该备用功率而言就足够了，因为当电网发电机的工作点位于该期望的工作区域中时至少其功率还没有完全耗尽。
在根据本发明的方法中，当至少一个另外的电源由电源控制器激活时，该电源控制器本身不一定得与根据本发明的方法匹配。相反，可降低电站的有功功率的馈入，使得当电网发电机的工作点向外，即朝向较高的功率，离开期望的工作区域时，至少一个另外的或另外一个电源由电源控制器激活。随后，由新激活的另一电源提供的功率再次向内移动电网发电机的工作点。
反过来，当至少一个另外的电源被电源控制器停用时，可增加电站的功率的馈入，使得当电网发电机的工作点向内，即朝向较低的功率，离开期望的工作区域时，至少一个另外的或另一个电源被电源控制器停用。
在根据本发明的方法中，也可具体确定电网中当前可用的备用功率，其中仅考虑被激活的电源。当所确定的备用功率低于最小备用功率时，可降低电站的功率的馈入直到至少一个另外的或另外一个电源由电源控制器激活为止。通过这种方式，除了将电网发电机保持在期望的工作区域中外，还确保最小的备用功率。
该最小备用功率是预定的值，该值可以预先给定，但也可以根据对备用功率的当前需求来指定。对此的详细信息如下可见。通过激活每个额外的电源来增加交流电网中可用的备用功率，从而早就可以实现提供最小备用功率的目的。但有可能需要激活多于一个的额外的电源以实现该目的。
和为了将电网发电机的工作点保持在期望的工作区域中一样，为了维持最小备用功率，通过改变电站的功率的馈入触发额外的电源的激活。由此，电源控制器“看到”将由其监视的更大的负载，该负载是一边所有连接在交流电网上的负载的功率消耗的总和另一边由电站馈入的功率之间的差值。因为电源控制器也提供最小备用功率，所以其相应地激活一个或多个额外的电源。在此可能有利的是，电源控制器以基本上大约相同的最小备用功率为出发点，如在根据本发明的电站的运行中考虑到电源控制器一样。但在根据本发明的电站的运行中，自身不会干涉电源控制器。现在只需知道，当前激活了哪些电源，这些电源可提供何种最大功率，以及所有电源当前馈入了多少功率到交流电网中。这是可确定当前在交流电网中可用的备用功率的前提。
在根据本发明的用于运行电站的方法的实施形式中，当所确定的备用功率超过最大备用功率时，可随后继续增加电站的功率的馈入达到至少一个或另外一个电源由电源控制器停用那种程度。但作为电网发电机使用的至少一个电源始终保持有效。
最大备用功率也可以是预先给定的值，或者根据当前实际需要的备用功率来指定。此外，也没有为了停用到目前为止激活的电源中的一个干涉发电机控制器，而是在电源控制器前面引入将由其监视的降低的负载，该负载会促使电源控制器停用电源。这样一来就为了有益于增加电站的功率的馈入而停用当前不需要的电源。这也可包括同时或快速相继停用多个电源。
总的来说，通过根据本发明的方法确保的是，总是激活与用于提供有用的备用功率所需的一样多的电源，但不是更多的电源，以便在交流电网的稳定运行的范围内最大化电站的功率的馈入。该方法的直接后果是，在电站有更多的可用功率时，所有当前激活的电源尽可能仅可用于提供备用功率，而不是用于实际上将功率馈入交流电网中。在此，将由所有电源承担的负载恰好仅保持这么高，使得电源控制器不断开任何有效的电源，从而可能减少可用的备用电源，并且所有电网发电机的工作点保持在其期望的工作区域中。
换句话说，当所确定的备用功率位于最小和最大备用功率之间的区域中时，电站的功率的馈入在遵循刚好没有任何其他电源由电源控制器停用这一标准的条件下可最大化。
如已经指出的那样，在根据本发明的方法中，优选在交流电网中测量所有负载的功率消耗。这可通过直接测量电站和电网发电机的消耗功率的各个组件，或者通过测定电站和电网发电机的所有电源的输出功率的各个组件来实现。
最小备用功率和最大备用功率可通过使用所有负载的当前功率消耗的百分比作为被加数来计算。也就是说，在根据本发明的方法中，最小和/或最大备用功率可随着所有负载的功率消耗上升而增加，因为功率消耗的预期波动可与功率消耗成比例。
此外，在根据本发明的方法中，除了当前的功率输出以外，也可测定电站的当前容量。电站的当前功率输出和当前容量之间的差值可至少部分地看作当前可用的备用功率。
最小备用功率和/或最大备用功率可包括电站的当前功率输出的百分比作为被加数，因为例如由于汇聚的云引起的功率输出骤降原则上可能会令人担忧。在当前的功率输出远远低于当前容量时，非常不可能会有这种功率骤降，这一点例如在这两个值的差值被纳入当前可用的备用功率时就已经充分考虑到了。但原则上也可在最小备用功率和/或最大备用功率时实施这种考虑。
此外，最小备用功率和/或最大备用功率可在考虑与时间相关的因数或加数的情况下来计算，该因数或加数例如反映所有负载的消耗功率在一天的某些时刻出现了特别大的波动。
此外，在最大备用功率方面还要考虑，在当前有效的电源中的一个被停用时，当前可用的备用功率下降了多少。例如，最大备用功率可根据当前有效的有可能会首先被电源控制器停用的另一电源的最大容量乘以大于1的稳定因数与最小备用功率的和来进行计算，以便在该电源被停用之后借助当前可用的备用功率立即不低于最小备用功率。
在根据本发明的方法中，也可这样额外降低电站的功率的馈入，以防止长期低于最小功率输出和所有电源中的功率都低于零。电源的最小功率输出是这种功率输出，大于该功率输出才可能正常运行，特别是通过洁净燃烧内燃发动机中燃料实现的正常运行，这也是电源使用寿命长和维护间隔长的前提。可能存在电源控制器可能不能防止长期低于一个或多个电源的最小功率输出的情况，因为例如为电源确定了最小激活时间，或者还因为不再有电源可以断开，以维持由电源控制器考虑的最小备用功率。在这些边界条件下可能有用的是，不最大化由电站馈入的功率而是甚至将其撤回，以便将电网发电机的工作点保持在期望的工作区域中并优化整个系统。
特别地，根据本发明，由电站馈入的功率的快速可调节性可用于防止功率输出，即除了蓄电池转换器之外的所有电源的功率消耗，每次低于零。例如在内燃发电机中，这样的功率消耗通常会导致紧急切断。当内燃发电机作为电网发电机来使用时，其切断会导致整个交流电网崩溃。
用于控制电性能波动的电站的根据本发明的控制装置的特征在于，该控制装置被构造成用于实施根据本发明的方法。这意味着，该控制装置包括用于获得其所需的测量值和其他信息的特有的测量装置，只要它例如无法从电源控制器查询这些测量值和信息。例如，可将简单的振动传感器设置在作为其他电源的各个内燃发电机上，以确定其中哪个内燃发电机当前被激活。此外，至少交流电网中的所有负载的功率消耗随后还必须直接或间接地测定。从而当各个电源的当前功率输出可用时，就已经清楚，当前哪些电源被激活了，随后另外只需要控制装置无论如何也要连接上的电站的值。
根据本发明运行的电性能波动的电站可以是风力发电站、潮汐发电站或集中供热电站。特别地，其涉及光伏电站。根据本发明的光伏电站具有根据本发明的控制装置。
本发明的有利的改进方案可从权利要求、说明书和附图中得出。说明书中提到的特征和多个特征组合的优点仅仅是示例性的，它们能够替换性或补偿性地实施，而且根据本发明的实施方式不必强制性地实现这些优点。这样一来在所附权利要求的内容没有改变的情况下，在原始申请文件和专利申请公开的内容方面有以下几点适用：其他特征从附图中-特别从多个组件的相对布置和有效连接-中获悉。本发明的不同实施方式的特征的组合或者不同专利权利要求特征的组合也有可能偏离专利权利要求选择的参考并特此提出。这还涉及到这些特征，它们在单独的附图中显示或在其描述中提及。这些特征也可以与不同权利要求的特征组合。同样，在权利要求中提及的用于本发明的其他实施形式的特征可以省略。
在权利要求和说明书中提及的特征的数量应这样理解，即刚好存在该数量或存在比提到的数量多的数量，则无需明确使用副词“至少”。因此，例如提及“元件”时，应这样理解，即刚好存在一个元件、两个元件或更多元件。当在同样的情况下提到除了“一个元件”之外还有“至少一个另外的元件”时，这一点也适用。这些提到的特征可以通过其他特征来补充或者它们就是唯一的特征，相应的结果由这些特征组成。
在权利要求中包含的参考标记不限制通过权利要求保护的对象的范围。它们仅用于使权利要求更容易理解这一目的。
根据本公开的实施方案还包括以下内容：
一种用于控制电站的控制装置，除了输出有功功率和无功功率的至少一个电压调节的电网发电机和至少一个负载外，所述电站也能够连接到有限交流电网，其中，所述控制装置被构造成用于实施如前所述的方法。
一种用于控制电站的控制装置，除了输出有功功率和无功功率的至少一个电压调节的电网发电机、至少一个另外的电源和至少一个负载外，所述电站也能够连接到有限交流电网，其中至少一个另外的输出功率的操作设备根据需要被激活或停用，其中，所述控制装置被构造成用于实施如前所述的方法。
附图说明
下面将根据附图进一步解释和描述本发明。
图1是孤立电网的电路原理图，除内燃发电机形式的电网发电机、内燃发电机形式的其他电源和多个负载外，光伏电站也连接到该孤立电网上。
图2以归一化到额定功率的PQ平面图示出了根据图1的电网发电机的不同的工作区域。
图3是用于实施根据本发明的方法的实施形式的流程图。
图4是根据图1的内燃发电机的平均功率
Figure GDA0001408896450000121
的时间曲线图；以及
图5是用于实施根据本发明的方法的其他例程的流程图。
具体实施方式
图1中示意性示出的交流电网1是孤立电网2，即未连接到外部交流电网的有限交流电网，该外部交流电网具有相较于交流电网中的功率消耗几乎无限的性能。在交流电网1上连接有电压调节的电网发电机3，该电网发电机预先给定交流电网1上的电网交流电压的频率和振幅。在本实施例中，电网发电机3是内燃发电机形式的电源4。在此，内燃发电机被理解成内燃电机，特别是柴油发动机，与作为发电机运转的电机的组合。连接在交流电网1上的其他电源5在这里也是内燃发电机，并且它们根据需要由电源控制器6激活和停用，即根据交流电网1中的功率供应以及连接在交流电网1上的负载7的功率消耗来进行。另外，还根据需要改变所有激活的电源4、5的功率输出。这可以通过各个电源5的控制装置来实施，该控制装置相互协调，使得整个功率输出均匀地分配到所有激活的电源4、5上。
为了降低所有内燃发电机的燃料消耗或者为了更普遍地降低所有电源4和5消耗的不可再生能量，设置了电站8，该电站将光伏发电机9的电能经由一个或多个逆变器10馈入交流电网1中。由电站8馈入的功率在此被控制装置11这样确定，使得图1中所示出的整个系统实现优化的运行。此外，该优化的运行还具有以下特征：
-电网发电机3和所有同时激活的电压调节的电源5的工作点在在任何时刻均位于期望的工作区域中，在该工作区域中电源4、5可有效地调整在交流电网1上出现的电网交流电压的波动。
-任何时刻均有足够的特别是电源4和5的备用功率可供使用，但也根据设计而定考虑到电站8，以负担负载7的功率消耗的预期的增加。根据电站8的当前容量，该备用功率也可以用于对电站8的输出功率上例如由于云聚引起的骤降进行补偿。
-没有电源4、5会长时间在低于最小功率输出的情况下运行，这对于燃料的洁净燃烧以及相应地对于作为电源4、5使用的内燃发电机的低维护运行是必要的。
-功率不馈入电源4和5中，这样做可能会有损坏相应电源的危险并且通常可能会导致内燃发电机立即关断。如果电网发电机源3的内燃发电机关断，则可能会导致交流电网1崩溃。
-根据上述边界条件，电站8的最大电能量被馈入到交流电网1中，从而节省了用作电源4、5的内燃发电机上的最大燃料量。
电站8的逆变器10的功率输出可非常快速地变化，使得根据图1的控制装置11也可调整负载7的功率消耗的非常短期的波动，只要这些波动没有大到超出电站8的当前容量。因此，功率消耗的这些短期波动没有影响到用作电源4、5的内燃发电机，该内燃发电机由于其机械惯性仅可均衡较慢的功率波动。原则上，通过这种方式借助电站8使电源4和5负载更少，由此得出根据图1的整个系统的其他优点，即使电站8的容量通常仅部分地得以利用。但负载7的功率消耗的较大波动和由此导致的交流电网1上的电网交流电压的振幅和频率的波动仅可在电源4、5参与的情况下来调整。为了使之有效进行，至少所有电压调节的电源，特别是电网发电机3，必须位于有利于调整电网交流电压的波动的工作区域中。
用于通过所有电压调节的电源4、5调节电网交流电压的波动所保持的工作区域不是单独根据电源4、5输出的有功功率来界定，而是根据输出的有功功率和输出的无功功率来确定。图2是关于无功功率Q标绘的有功功率P图，该无功功率是由作为电网发电机3使用的内燃发电机，即在此具体而言是由例如由柴油电动机驱动的同步电机输出的。在此，表示无功功率Q和有功功率P的单位是内燃发电机的额定功率或最大功率的相对比例。换句话说，图2涉及归一化到内燃发电机的额定功率的PQ平面的再现。在这里，在无功功率Q方向上的x轴的负区域对应于电压和电流之间的负的相角，其中电流超前于交流电网中的电压，而x轴的正区域对应于电压超前于电流的正的相角。从原点通过PQ平面的两个象限中的每一个径向延伸的直线对应于0.4或0.8的功率因数。在内燃发电机的工作区域21中，由该内燃发电机调节的电网交流电压不稳定。在工作区域22中，电机面临过热的危险。这两者之间是工作区域23到25，其中由内燃发电机调节的电网交流电压在工作区域24中是特别稳定的，该工作区域具有从最大的小负相角到功率因数为0.8的正相角范围的相角。在工作区域24内标绘了期望的工作区域26。当内燃发电机位于该期望的工作区域26内时，该内燃发电机具有能有效地均衡交流电网1上的电网交流电压的波动的能力最大，因为其工作点27在这种情况下出现的移动不会导致到达不利的工作区域21、22或包围所有可能的工作区域21到26的功率边界28。在根据本发明的方法中，电网发电机3的工作点27将借助通过电站8馈入的有功功率和无功功率来保持在期望的区域26中。因为同类电源4、5上的功率均匀地分配在所有电源4、5上，所以所有其他激活的内燃发电机的工作点27也位于PQ平面的期望的区域26中。总体而言，这样就提供了高容量来有效地调整交流电网1上的网路交流电压的波动。所有电源4、5的工作点27保持在期望的区域26中也会导致，电源4、5总是有充足的备用功率可用，以应对负载7的波动的功率要求。
图3中所绘制的流程图示出了根据本发明的方法的基本过程。启动后对期望的工作区域26进行界定。在此，可涉及对交流电网1的各种配置固定的工作区域，或者该工作区域适合各种运行状况。然后确定电网发电机3或所有电压调节的电源4、5的当前工作点27。只要工作点27位于期望的工作区域26内，则提高PV电站的有功功率P，以便使借助电站8节省的(因为不由电源4、5消耗)不可再生能源最大化。相反，如果工作点27不位于期望的工作区域26内，则改变由PV电站馈入交流电网1中的有功功率P和/或无功功率Q，使得工作点27返回到期望的工作区域26中。特别地，PV电站8的有功功率的改变不仅可以用于直接移动电网发电机3的工作点27，而且还可以用于此目的，即使电源控制器6激活或停用电源5，并从而使工作点7寻求的移动返回到期望的工作区域26中。通过这种方式使平均功率，即对所有电源5关于其有功功率百分比和无功功率百分比求平均的功率已经保持在有利的边界中。此外，用于供应连接在交流电网1上的负载7的备用功率也可以单独监视，并且如果需要也可重调整。
图4示出了根据图1的所有当前激活的电源4和5的平均功率输出
Figure GDA0001408896450000151
的时间曲线。在图4中，除了该平均功率外还记录了用于显示边界的最大功率Pmax和最小功率输出Pmin，在任何情况下，平均功率
Figure GDA0001408896450000152
都应保持在该边界中。此外，还记录了功率Pon和功率Poff，它们标记了电源的最大负荷和电源的最小负荷，其中根据图1的电源控制器6激活额外的电源或者停用其中一个当前激活的电源。在基于图2的实施例中以此为出发点，即根据图1的所有电源4和5的Pmax、Pmin、Pon和Poff的值相等。
图4中用实线再一次给出了
Figure GDA0001408896450000153
的曲线，以显示在没有馈入根据图1的电站8的功率时也许能调节的情况。用点描述了
Figure GDA0001408896450000161
的曲线，该曲线在馈入电站8的功率时可控制地由根据图1的控制装置11进行调节。
在时间点t0和时间点t1之间的第一时间范围内，平均功率输出
Figure GDA0001408896450000162
在没有电站支持的情况下虽然明显位于Pon之下，但是也明显位于Poff之上。也就是说，在
Figure GDA0001408896450000163
和Pmax之间有足够的功率储备，在此通过距离12图示。在此，距离12并非直接就是根据图1的交流电网1中的功率储备，而是还要乘以当前激活的电源的数量。此外，该距离不考虑电站8的可能的功率储备。由于额外馈入电站8的功率，
Figure GDA0001408896450000164
减少到仅稍高于Poff的值。电站的该功率通过距离13来图示，但该距离同样还要乘以激活的电源的数量，以整体上映射电站的功率的馈入。但距离13表明，通过电站可在每个充当电源的激活的内燃发电机上节省多少燃料。
在时间点t1之后，负载的功率消耗增加，因此交流电网中的电源的功率输出也增加。在此，若不考虑电站，则
Figure GDA0001408896450000165
超过Pon的值。这提示，必须激活另一个电源以维持必要的功率储备。为了不压制在根据图1的电源控制器6中的该信号，电站实施的功率的馈入将由控制装置11撤回。在本实施例中，馈入甚至降低到零。因此，这意味着，电站8的容量不包括在功率储备中(但原则上可能实现)。由于超过Pon和相应地激活额外的电源5，所有电源的平均功率输出
Figure GDA0001408896450000166
继而下降，使得它在时间点t2稳定地低于Pon(所显示的功率比对应于这种情况，即在t1之前仅激活了根据图1的电源4，即电网发电机3，且电源控制器6在t1之后激活电源5中的一个)。因为功率储备现在又充足了，所以现在可以再次馈入电站的功率，如通过新出现的距离13所示。在时间点t3，交流电网中的负载的功率消耗下降。该下降通过撤回由电站馈入的功率基本上得以补偿。这样防止
Figure GDA0001408896450000167
低于Poff且防止当前激活的电源中的一个断开，因为对于期望的备用功率需要所有内燃发电机。功率消耗先在时间点t4又上升到其先前的量，然后在时间点t5继续上升，但没有再次超过Pon。只要电站的容量允许，该上升将通过从电站馈入额外的功率来补偿。但是在此是完全不可能的，因此在补偿之后还剩余的功率
Figure GDA0001408896450000168
(虚线)示出了有所上升。功率消耗先在t6又下降到其先前的值，然后在t7重新上升，这次比t5和t6之间的值稍微小一点，结果使得可以通过从电站额外馈入的功率使
Figure GDA0001408896450000171
差不多保持在Poff之上。在t8，再次达到功率消耗的先前的值，直到t9下降，并且这次下降到Poff以下。在这种情况下，一旦低于Poff，就撤回电站的功率的馈入，以防止也低于Pmin。由于低于Poff将停用迄今为止激活的电源中的一个。因此，
Figure GDA0001408896450000172
上升直到时间点t10，从该时间点起又可以馈入电站的相当大的功率，这通过距离13示出。
图5中用流程图绘制的可由图1所示根据本发明的控制装置11实施的例程与根据图4所解释的处理方法不相同，即使有很多一致的地方。例程开始于确定所有负载7的总功率消耗。其为：
Figure GDA0001408896450000173
其中，PinLi是第i个负载7的功率消耗，PoutNB是电网发电机3的功率输出，PoutBaj是被激活的第j个电源5的功率输出，以及PoutPV是根据图1的电站8的功率输出。
基于此在下一个步骤中确定当前在交流电网1中可用的备用功率PRes。这可通过下面的公式来完成：
Figure GDA0001408896450000174
其中，PmaxNB是电网发电机3的最大容量，PmaxBaj是被激活的第j个电源的最大容量，PmaxPV是电站的最大容量，以及s是安全因数，它考虑到PmaxPV受到波动，例如由于云聚而引起的波动。
接下来检查，PRes是否大于期望的最小功率储备PRes,min。该最小备用功率可设置为恒定值。在根据图4解释的处理方法中，最小备用功率随每个负载的功率消耗的总和而增加。此外，还可能有用的是，如果在接近电站的最大功率时运行电站，则让该电站的一部分当前功率输出送入最小备用功率中。因此，PRes,min可特别通过以下总和来表示：
Figure GDA0001408896450000175
其中，c是常数，v是可变因数，以及r是风险因数。c、v和r也可为零。但这些值中的至少一个，优选c或v，大于零。
当当前的备用功率低于最小备用功率时，只要当前电站的功率PoutPV被馈入到交流电网中，则降低该馈入，使得电源控制器激活额外的电源。然后再重新开始该方法过程。
否则控制当前可用的备用功率不超过最大备用功率PRes,max。该超过表明，当前激活了过多的电源。最大备用功率PRes,max的值可这样计算：
PRes,max＝PRes,min+k*PmaxBaj。
其中，k是大于1的稳定因数，以及PmaxBaj是第j个电源的最大功率输出，该电源可能会在超过PRes,max时被停用。通过停用，备用功率将可能刚好下降PmaxBaj。稳定因数k在此确保，基于该下降不会立即低于PRes,min，因为这可能会导致，同一电源将可能又会立即被接通等。
特别地，鉴于考虑到电站的容量，该方法有不同的变化是可能的。因此，可将电站的当前未使用的容量算进功率储备中；或者，由于容量是否持续这种不确定性可有意将其搁置。即使没有将电站的未使用的容量算进功率储备中，在规定最小备用功率时考虑当前由电站馈入的功率也是有用的。原因是，该功率也可中断，即使电站的容量目前没有充分利用。考虑的方式也可依据天气预报、季节、时间和/或电站的位置。
附图标记表
1. 交流电网
2. 孤立电网
3. 电网发电机
4. 电源
5. (另外的)电源
6. 电源控制器
7. 负载
8. 电站
9. 光伏发电机
10. 逆变器
11. 控制装置
12. 距离
13. 距离
21. 工作区域
22. 工作区域
23. 工作区域
24. 工作区域
25. 工作区域
26. 工作区域
27. 工作点
28. 功率边界
PRes 当前可用的备用功率
PRes,min 最小备用功率
PRes,max 最大备用功率
Pin 当前的功率消耗
PoutPV 电站的当前功率输出
PmaxPV 电站的当前容量
PmaxBaj 内燃发电机的最大容量
k 稳定因数
Pmin 内燃发电机的最小功率输出

Claims (24)

1.一种用于运行电性能波动的电站(8)的方法，除输出有功功率(P)和无功功率(Q)的电压调节的电网发电机(3)和至少一个负载(7)外，所述电站也连接在有限交流电网(1)上，
-其中，在PQ平面中界定所述电网发电机的期望的封闭的工作区域，在所述期望的封闭的工作区域中所述电网发电机能够有效地调整在所述有限交流电网(1)上出现的电网交流电压的波动，
-其中，在所述PQ平面中确定所述电网发电机(3)的当前的工作点，以及
-其中，由所述电站(8)实施的有功功率和无功功率的输出被这样控制，使得所述电网发电机(3)的所述工作点保持在所述期望的封闭的工作区域中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，只要所述电网发电机(3)的所述工作点位于所述期望的封闭的工作区域中，就最大化所述电站(8)的有功功率的馈入。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电网发电机(3)是水力发电机或内燃发电机或蓄电池转换器。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电网发电机(3)是水力发电机或内燃发电机或蓄电池转换器。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，连接在所述有限交流电网(1)上的至少一个另外的电源(5)根据需要来激活或停用，以使所述电网发电机(3)的所述工作点保持在所述期望的封闭的工作区域中。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一个另外的电源(5)是内燃发电机。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述至少一个另外的电源(5)由电源控制器(6)激活和停用并且所述电站(8)的有功功率的馈入被降低使得当所述电网发电机(3)的所述工作点向外离开所述期望的封闭的工作区域时，所述至少一个另外的电源(5)或还有另外一个电源(5)被所述电源控制器(6)激活。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一个另外的电源(5)由电源控制器(6)激活和停用并且所述电站(8)的有功功率的馈入被降低使得当所述电网发电机(3)的所述工作点向外离开所述期望的封闭的工作区域时，所述至少一个另外的电源(5)或还有另外一个电源(5)被所述电源控制器(6)激活。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，增加所述电站(8)的功率的馈入，使得当所述电网发电机(3)的所述工作点向内离开所述期望的封闭的工作区域时，所述至少一个另外的电源(5)或所述另外一个电源(5)被所述电源控制器(6)停用。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，增加所述电站(8)的功率的馈入，使得当所述电网发电机(3)的所述工作点向内离开所述期望的封闭的工作区域时，所述至少一个另外的电源(5)或所述另外一个电源(5)被所述电源控制器(6)停用。
11.根据权利要求7到10中任一项所述的方法，其特征在于，确定在所述有限交流电网(1)中当前可用的备用功率(PRes)，其中仅考虑被激活的电源(4、5)，以及随后当所确定的备用功率(PRes)低于最小备用功率(PRes,min)时，降低所述电站(8)的功率的馈入，使得所述至少一个另外的电源(5)或还有另外一个电源(5)被所述电源控制器(6)激活。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，随后当所确定的备用功率(PRes)超过最大备用功率(PRes,max)时，增加所述电站(8)的功率的馈入，使得所述至少一个另外的电源(5)或所述另外一个电源(5)被所述电源控制器(6)停用。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，随后当所确定的备用功率(PRes)位于所述最小备用功率(PRes,min)和所述最大备用功率(PRes,max)之间的区域中时，所述电站(8)的功率的馈入仅最大化到没有另外的电源(5)被电源控制器(6)停用为止。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在所述有限交流电网(1)中的所有负载(7)的当前功率消耗(Pin)直接进行测量和/或作为所有电源(4、5)的当前功率输出
Figure FDA0002312644520000031
进行测量。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述最小备用功率(PRes,min)和/或所述最大备用功率(PRes,max)通过使用所有负载(7)的所述当前功率消耗(Pin)的百分比作为被加数来计算。
16.根据权利要求12-13和15中任一项所述的方法，其特征在于，所述电站(8)的当前功率输出(PoutPV)和当前容量(PmaxPV)得以确定。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在考虑所述电站(8)的所述当前容量(PmaxPV)和所述当前功率输出(PoutPV)之间的差值的百分比的情况下，确定所述当前可用的备用功率(PRes)。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述最小备用功率(PRes,min)和/或所述最大备用功率(PRes,max)通过使用所述电站(8)的所述当前功率输出(PoutPV)的百分比作为被加数来计算。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述最小备用功率(PRes,min)和/或所述最大备用功率(PRes,max)通过使用所述电站(8)的所述当前功率输出(PoutPV)的百分比作为被加数来计算。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述最大备用功率(PRes,max)根据有可能会首先被所述电源控制器(6)停用的另一电源的最大容量(PmaxBaj)乘以大于1的稳定因数(k)与所述最小备用功率(PRes,min)的和来进行计算。
21.根据权利要求1-4、6-10、12-13、15和17-20中任一项所述的方法，其特征在于，通过降低所述电站(8)的功率的馈入，防止长期低于最小功率输出(Pmin)和所有电源中的功率输出每次都降为零。
22.一种用于控制电站(8)的控制装置(11)，除了输出有功功率(P)和无功功率(Q)的至少一个电压调节的电网发电机(3)和至少一个负载(7)外，所述电站也能够连接到有限交流电网(1)，其特征在于，所述控制装置(11)被构造成用于实施根据权利要求1-21中任一项所述的方法。
23.一种用于控制电站(8)的控制装置(11)，除了输出有功功率(P)和无功功率(Q)的至少一个电压调节的电网发电机(3)、至少一个另外的电源(5)和至少一个负载(7)外，所述电站也能够连接到有限交流电网(1)，其中至少一个另外的输出功率的操作设备根据需要被激活或停用，其特征在于，所述控制装置(11)被构造成用于实施根据权利要求5到20中任一项所述的方法。
24.一种光伏电站，其具有根据权利要求22和23中任一项所述的控制装置(11)。
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