CN107431356A - 用于调节由至少一种可再生能源引起的电压波动的方法、系统和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于调节配电网络中的电压的方法，该配电网络连接有用于产生可再生能量的系统和电能存储单元(11)，该方法的特征在于，在时间窗口期间控制能量存储单元(11)的充电功率，以补偿由用于产生可再生能量的系统引起的瞬时电压水平相对于由用于产生可再生能量的系统在所述时间窗口期间引起的平均电压水平的预测值的变化。

Description

用于调节由至少一种可再生能源引起的电压波动的方法、系 统和装置
技术领域
本发明的领域是具有连接到其上的可再生能源的能量分配网络的领域。本发明更具体地旨在减少由来自这种可再生能源的功率注入的波动引起的电压水平的波动的影响。
背景技术
电功率的分散生产直接影响到供电质量，特别是在分配水平方面。
因此，能量分配网络中分布式能量产生源的存在通常导致电压幅度的增加。由于间歇性的和可变的能源例如可再生能源(太阳能、风能)，导致电压的变化变得更大、更突然以及更频繁(振荡)。
在许多国家，关于电压突然变化的幅度和出现频率而设置限值或预期值。
然而，由于可用的可再生能量的高度变化性(例如由于云经过光伏装置而产生的暂时性影响)，可再生能源的生产快速地和频繁地波动，导致供应质量的问题以及甚至电压稳定的问题。
因此，由于电压的突然变化和短期过电压，导致能量分配系统的运营商似乎难以确保不超过本地标准所规定的限值或预期值。
因此，需要开发一种解决方案，以便可提高可再生能源的渗透，但是同时要遵守适用于能量分配系统的操作限制。
发明内容
本发明在该方法的范围内以及旨在对由可再生能源例如光伏能源在多云期间引起的电压的突然波动的影响进行限制。
考虑到该目的，本发明提出了一种调节能量分配网络中的电压的方法，该能量分配网络连接有可再生能量产生系统和电能存储单元，该方法的特征在于，在时间窗口内控制能量存储单元的充电功率，以补偿由可再生能量产生系统引起的瞬时电压水平相对于由可再生能量产生系统在所述时间窗口内引起的平均电压水平的预测值的变化。
系统的某些优选但非限制性的方面如下：
-可再生能量产生系统引起瞬时电压水平，该瞬时电压水平是瞬时操作参数的函数，以及电能存储单元具有功率储备，该功率储备以这样的方式被控制：当瞬时操作参数大于时间窗口内的平均操作参数时，增大充电功率设定点；以及当瞬时操作参数低于时间窗口内的平均操作参数时，减小充电功率设定点；
-根据瞬时操作参数，线性地修改用于电能存储单元的功率储备的充电功率设定点；
-功率储备以这样的方式被控制：当在时间窗口内，由可再生能量产生系统引起的瞬时电压水平的平均值对应于预测的平均电压水平时，在时间窗口内，能量存储单元的充电水平的变化对应于预期的变化；
-根据操作参数范围内的瞬时操作参数，线性地控制功率储备的充电功率设定点，该操作参数范围从较低操作参数延伸到较高操作参数并在该操作参数范围内找到平均操作参数；
-该方法包括在用于电能存储单元的操作计划中，将电能存储单元的功率储备予以保留的在先步骤；
-可再生能量系统是光伏能量产生系统，操作参数对应于日照，平均电压水平由时间窗口内的平均日照引起，并且瞬时电压水平由瞬时日照引起；以及
-该方法包括对时间窗口内的平均日照进行预测和对瞬时日照进行测量。
本发明还提供一种用于控制能量存储单元的控制装置，该能量存储单元被设计为连接到能量分配网络，该能量分配网络连接有可再生能量产生系统，该可再生能量产生系统引起瞬时电压水平，该瞬时电压水平是瞬时操作参数的函数，该装置的特征在于，该装置包括用于测量瞬时操作参数的单元和用于控制能量存储单元的充电功率的控制单元，该控制单元被配置为接收瞬时操作参数的测量值和在时间窗口内平均操作参数的预测值，以及被配置为在所述时间窗口内起作用，根据测量的瞬时操作参数和预测的平均操作参数之间的差来补偿由可再生能量产生系统引起的瞬时电压水平相对于对应于预测的平均操作参数的平均电压水平的变化。
本发明延伸到一种用于调节能量分配网络中的电压的系统，该能量分配网络连接有至少一个可再生能量产生系统和至少一个电能存储单元，该系统包括本发明的用于控制至少一个能量存储单元的至少一个控制装置和中央监控装置，该中央监控装置包括用于确定用于至少一个控制装置的控制参数的单元，所述控制参数包括预测的平均操作参数和用于根据测量的瞬时操作参数和预测的平均操作参数之间的差来校正用于能量存储单元的充电功率设定点的规则。
附图说明
通过阅读下面给出的优选实施例的详细描述，本发明的其它方面、目的、优点以及特点更好地显现，该详细描述以非限制性示例的方式给出并参照附图作出，在附图中：
-图1是示出了本发明的用于调节能量分配网络中的电压的系统的一个可能实施例的图；
-图2是示出了分别在不存在根据本发明的调节和存在根据本发明的调节时，能量分配网络的节点上的电压水平的图；
-图3是示出了通过本发明对用于能量存储单元的功率储备的充电功率设定点进行校正的示例的图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于调节能量分配网络中的电压的方法和系统，该能量分配网络具有连接到其上的至少一个电能存储单元和用于产生可再生能量的至少一个系统。
在能量分配网络的节点处执行调节，例如在代表地理区域的电压的一个或多个主导节点处执行调节，通常是在最可能受到偏离极限值的节点或在最可能由于用于产生可再生能量的至少一个系统的间歇性而受到波动的节点处执行调节。
能量存储单元连接到公共馈电线，远离用于产生可再生能量的系统(产生干扰)。用于连接用于产生可再生能量的系统(产生干扰)的节点、用于连接能量存储单元(衰减干扰)的节点和具有使调节作用于其上的电压的节点(其中干扰具有最大影响，以下称为“主导节点”)可以都是不同的，并且可以沿着相同的出线而位于不同的位置。
本发明还涉及一种用于控制电能存储单元来实现调节方法的装置。参考图1，调节系统10因此包括中央监控装置13，电能存储单元11的一个或多个控制装置12与该中央监控装置13相关联。
能量存储单元11通常包括串联和/或并联的一个或多个电池模块以及执行DC/AC转换的一个或多个逆变器。用于控制能量存储单元的控制装置12具体地包括用于控制能量存储单元11的充电功率的控制单元12-1，该控制单元12-1适于修改施加到能量存储单元11的有功功率设定点(用于充电或用于放电)以便执行本发明的电压调节。
能量存储单元11被电池操作器操作，该电池操作器不需要是该单元所连接到的能量分配网络的操作器。在本发明的更广泛的范围内，多个能量存储单元11连接到网络并且可以被不同的电池操作器操作。
如图1所示，电池操作器具有管理模块14，该管理模块14使得能够限定用于能量存储单元11的操作计划，即计划充电或放电顺序，例如出于调平峰值需求或减少负载的原因。因此，管理模块14将有功功率设定点(用于充电和用于放电)提供给能量存储单元11，更具体地提供给能量存储单元的逆变器。在本发明的范围内，这些功率设定点被发送到能量存储单元的控制装置12以应用校正项。
可再生能量产生系统在能量分配网络上引起瞬时电压水平，该瞬时电压水平是注入到网络中的瞬时功率的函数。该注入的瞬时功率是代表可再生能量产生系统的瞬时操作条件的参数(以下称为瞬时操作参数)的函数。更具体地，对于瞬时操作参数，可以使用参数使得瞬时注入的功率根据所述参数而线性地变化。
举例来说，下面的描述涉及一种用于产生光伏能量的系统，该光伏能量引起瞬时电压水平，该瞬时电压是对应于瞬时日照(太阳辐照，以瓦特/平方米(W/m2)为单位)的瞬时操作参数的函数。然而，本发明不限于该示例，而是延伸到其他类型的可再生能量系统，诸如例如其操作参数对应于风力的立方的风力发电系统。
将一个或多个光伏能量产生系统连接到同一网络，会在能量分配网络的主导节点上引起电压水平V，该电压水平V根据瞬时日照I而变化，如图2中的曲线A所绘制的。该瞬间日照I受限于最大日照Imax，该最大日照Imax可以是天气预报的结果，或可对应于由于来自光伏能量产生系统的功率注入而在主导节点处能够达到的最大电压水平，或可对应于关于分配网络的操作标准可接受的主导节点处的最大电压水平。由于来自光伏能量产生系统的功率注入，因此在主导节点处达到的电压水平根据日照I在VminA和VmaxA之间线性地变化。
为了防范突然的波动以及为了避免超过高电压限制，可以对用于电池的充电功率设定点施加一些最小校正，使得达到的电压水平随后被限制到对应于日照上限Iu的最大水平Vu。
本发明的方法利用了由于在未来时间窗口期间由光伏能量产生系统进行的功率注入而在主导节点处达到的平均电压水平Vmoy的预测值。该平均水平Vmoy对应于在时间窗口中考虑的时间范围内由可再生能量产生系统提供的平均功率的预测值。举例来说，该平均电压对应于由时间窗口内(例如接下来的1/2小时)的天气预报产生的平均日照Imoy。
本发明的方法包括由用于控制能量存储单元11的充电功率的控制单元12-1实现的实时校正步骤，该实时校正步骤在所述时间窗口内实时地校正用于能量存储单元11的功率设定点。该校正以这样的方式被执行：补偿由于来自可再生能量产生系统的功率注入的波动，导致的瞬时电压水平相对于预测的平均电压水平Vmoy的变化。以这种方式，在时间窗口内，主导节点处的电压呈现恒定的并且对应于预测的平均水平Vmoy的电压水平，以及尽管来自可再生能量产生系统的功率注入的波动，但是需要确保该校正，如果没有该校正，则功率注入的波动将在主导节点处产生瞬时电压水平V的突然变化。
在这方面，图2所示的曲线B示出了在校正之后，主导节点的电压水平保持恒定在预测的平均水平Vmoy，该预测的平均水平Vmoy在平均日照Imoy周围的下限II和上限Iu之间的日照范围内。下限II可以具体地通过上限相对于平均日照Imoy的对称来确定。具体地，上限II可以通过主导节点处的电压极限的线性外推来确定。
此外，可以观察到，在不存在调节的情况下，主导节点处的电压可以在VminB至VmaxB的范围内波动，该范围可以被看作是小于波动VminA至VmaxA的范围。具体地，图2中的阴影区域示出了本发明能够避免达到的主导节点处的高电压水平。
在本发明的一个可能的实施例中，电能存储单元的幅度ΔP的功率储备以这样的方式被控制：当瞬时操作参数(在示例中是日照)大于在时间窗口内预测的平均操作参数时通过增大充电功率设定点，以及当瞬时操作参数小于在时间窗口内预测的平均操作参数时通过减小充电功率设定点，来实现本发明的调节。
该功率储备通常表示不能用于实施单元的操作计划的其他服务的、能量存储单元的存储容量的一部分。该储备可以是与电池操作器优先交易的对象，因此该方法包括在用于电能存储单元的操作计划中将电能存储单元的功率储备予以保留的在先步骤。该在先步骤可以由中央控制装置的计划和储备单元13-2来实现。功率储备在一段时期内可以是恒定的或者可以针对每个时间间隔进行限定。
再次考虑光伏系统的示例，以及如图3所示，用于电能存储单元11的能量储备的充电功率设定点可以根据瞬时日照I在II至Iu的范围内线性地变化。此外，如所示的，在所述范围之外，当瞬时日照I小于下限II时也可以使得设定点呈现最小恒定值，或者当瞬时日照I大于上限Iu时也可以使得设定点呈现最大恒定值。
在优选实施例中，所述线性控制以这样的方式被执行：无论何时在时间窗口内平均化的瞬时日照对应于预测的平均日照Imoy，在时间窗口内不会平均地修改用于能量储备的充电功率设定点。因此，控制集中在由电池操作器14提供的操作计划上，使得当来自可再生能量产生系统的功率注入符合平均日照预测值时，与存储单元的充电水平的预期状态没有偏差。
换句话说，功率储备以这样的方式被控制：当由可再生能量产生系统注入(并引起所述瞬时电压水平)的实际功率在时间窗口内的平均值对应于在时间窗口内注入(并引起预测的平均电压水平)的平均功率的预测值时，能量存储单元的充电水平在时间窗口内的变化对应于预期的变化。
因此，在该优选实施例中，用于能量储备的充电功率设定点的校正项在II至Iu的范围内从-ΔP/2到ΔP/2变化，对于与平均日照Imoy对应的日照水平，校正项为零；以及对于小于下限II的日照值，校正项恒定在-ΔP/2；或对于大于上限Iu的日照值，校正项恒定在ΔP/2。
电能存储单元11的控制装置12还包括用于获取瞬时操作参数的测量值(诸如例如太阳辐射I的瞬时功率的测量值)的单元12-2。然后，使用用于控制用于能量存储单元的充电功率设定点的控制单元12，并将控制参数即Iu、II、Imoy、ΔP和设定点P应用于时间窗口，使得在所述时间窗口内以及根据测量的瞬时操作参数I和预测的平均操作参数Imoy之间的差，向由可再生能量产生系统引起的瞬时电压水平相对于对应于预测的平均操作参数的平均电压Vmoy的任何变化提供补偿。
如图1所示，在未来时间窗口内平均操作参数Imoy的预测值被用于确定中央监控装置13的控制参数13-1的单元使用。控制参数包括预测的平均操作参数以及用于根据测量的瞬时操作参数和预测的平均操作参数之间的差来校正用于能量存储单元的充电功率设定点的规则。在优选实施例中，当测量的瞬时操作参数对应于预测的平均操作参数时，该规则应用以零校正为中心的线性校正。
单元13-1还可以负责确定操作参数的下限II和上限Iu。这些控制参数II，Iu基于在初始操作点周围充电功率变化的最大变化的预定范围内的系统预测状态，以及基于最小化主导节点处的电压变化的预期范围，例如使用最大电压值或突然变化的最大值。
预测状态是网络预测分析(基本上是负载分配的计算)的结果，其需要：
-按照通常由第三方应用提供的可再生能量生产(或等效日照)的时间间隔(例如30分钟)获取预测值；以及
-获取用于灵活性资源(可控发电机、能量存储单元)的已声明程序，该灵活性资源由用于操作存储单元的单元14提供。
单元13-1可以执行该预测分析或可以利用在别处完成的这种分析。单元13-1将控制参数Iu、II和Imoy连同幅度ΔP一起提供给能量存储单元的控制装置12，幅度ΔP是由单元13-2与管理模块14协商的功率储备的一部分或全部。这些参数可以被应用到与系统的状态平均值(Vmoy、Imoy)相同的时间间隔(例如30分钟)，其中单元13-1已经从该系统确定这些参数。
能量存储单元的控制装置12另外从电池操作器的管理模块14接收电池操作计划，该操作基于电池的技术能力减去为了实施本发明而保留的功率部分。传送到单元11并由逆变器实现的充电功率设定点以与瞬时功率的暂时变化的持续时间(通常为多云期间的持续时间)一致的重复率(例如每秒一次)来更新。
一般来说，上述方法由N个能量存储单元、M个主导节点和P个可再生能源组成。
主导节点处的电压可以近似为：
灵敏度以及ΔPj(k)是来自集合{S}的电能源(与日照成比例变化)的功率注入或来自集合{B}的能量存储单元的功率注入。
通过寻求vi(k)＝vi0(k)，获得以下内容：
表明通过由来自能量存储单元{B}的功率注入驱动的变化可以补偿由源{S}造成的变化。
因此，问题可以表示为关于某些主导节点(通常是受到过电压的发生的影响最大的那些主导节点)处的电压值的一组约束：
-关于快速电压变化的极值的约束；
-关于电压变化的幅度的约束；
-关于能源存储单元的电力供应能力的约束；以及
-关于如预测的{S}的或如提供的{B}的平均功率水平的约束，在优选实施中该平均功率水平对应于零校正项。
在寻求使激活的能量储备的总成本或所述储备的总幅度最小化的同时，该问题可以通过混合整数线性规划(MILP)来解决。作为推论，解决该问题决定了所要求的储备ΔPj以及由与每个能量存储单元相关联的控制装置12使用的日照下限II和上限Iu，具体地以将比例控制限制在以平均日照为中心的范围内。
因此，各种能量存储单元可以同时以协调、有效的方式参与电压调节。
应当观察到，本发明的方法可以以连续的方式或不连续的方式来实现，例如根据预先确定的时间表或根据天气预报的可靠性。

Claims (10)

1.一种调节能量分配网络中的电压的方法，所述能量分配网络连接有可再生能量产生系统和电能存储单元(11)，所述方法的特征在于，在时间窗口内控制所述能量存储单元(11)的充电功率，以补偿由所述可再生能量产生系统引起的瞬时电压水平相对于对由所述可再生能量产生系统在所述时间窗口内引起的平均电压水平的预测值的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可再生能量产生系统引起瞬时电压水平，所述瞬时电压水平是瞬时操作参数的函数，并且其中，所述电能存储单元具有功率储备，所述功率储备以这样的方式被控制：当所述瞬时操作参数大于所述时间窗口内的平均操作参数时，增大充电功率设定点；以及当所述瞬时操作参数低于所述时间窗口内的所述平均操作参数时，减小所述充电功率设定点。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，根据所述瞬时操作参数，线性地修改用于所述电能存储单元的所述功率储备的所述充电功率设定点。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述功率储备以这样的方式被控制：当在所述时间窗口内，由所述可再生能量产生系统引起的所述瞬时电压水平的平均值对应于预测的平均电压水平时，在时间窗口内，所述能量存储单元的充电水平的变化对应于预期的变化。
5.根据权利要求3和权利要求4所述的方法，其中，根据操作参数范围内的所述瞬时操作参数，线性地控制用于所述功率储备的所述充电功率设定点，所述操作参数范围从较低操作参数(II)延伸到较高操作参数(Iu)并且在所述操作参数范围内找到所述平均操作参数(Imoy)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，包括在用于所述电能存储单元的操作计划中，将所述电能存储单元的所述功率储备予以保留的在先步骤。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述可再生能量系统是光伏能量产生系统，所述操作参数对应于日照，所述平均电压水平由所述时间窗口内的平均日照引起，并且所述瞬时电压水平由瞬时日照引起。
8.根据权利要求7所述的方法，包括对所述时间窗口内的所述平均日照进行预测和对所述瞬时日照进行测量。
9.一种用于控制能量存储单元(11)的控制装置(12)，所述能量存储单元被设计为连接到能量分配网络，所述能量分配网络连接有可再生能量产生系统，所述可再生能量产生系统引起瞬时电压水平，所述瞬时电压水平是瞬时操作参数的函数，所述装置的特征在于，所述装置包括用于测量所述瞬时操作参数的单元(12-2)和用于控制所述能量存储单元(11)的充电功率(12-1)的控制单元，所述控制单元被配置为接收所述瞬时操作参数(I)的测量值和在时间窗口内平均操作参数(Imoy)的预测值，以及被配置为在所述时间窗口内起作用，根据测量的瞬时操作参数和预测的平均操作参数之间的差来补偿由所述可再生能量产生系统引起的所述瞬时电压水平相对于对应于所述预测的平均操作参数的平均电压水平的变化。
10.一种用于调节能量分配网络中的电压的系统(10)，所述能量分配网络连接有至少一个可再生能量产生系统和至少一个电能存储单元，所述系统包括用于控制根据权利要求9所述的至少一个能量存储单元的至少一个控制装置(12)和中央监控装置(13)，所述中央监控装置(13)包括用于确定用于所述至少一个控制装置(12)的控制参数的单元(13-1)，所述控制参数包括预测的平均操作参数和用于根据所述测量的瞬时操作参数和所述预测的平均操作参数之间的差来校正用于所述能量存储单元的充电功率设定点的规则。
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