CN108141040A - 用于使pv电站的电网反馈最小化的方法、逆变器和pv电站 - Google Patents

Abstract

描述了用于使PV电站(10)对连接在电网连接点上的供电电网的电网反馈最小化的方法，其中PV电站(10)包括划分成组(12，13)的多个逆变器(1‑8)。在该方法中，为每组(12，13)的至少一个第一逆变器(2，3，7)确定代表在第一逆变器和电网连接点之间的第一耦合阻抗(Z^T ₂，Z^T ₃，Z^T ₇)的第一参数以及代表在包含该第一逆变器(2，3，7)的组(12，13)和电网连接点之间的第二耦合阻抗(Z^N ₂，Z^N ₃，Z^N ₇)的第二参数，并将该第一参数和第二参数存储在第一逆变器的操作管理单元中。在PV电站(10)的日间操作中，由第一逆变器(2，3，7)根据第一参数馈入无功功率，该无功功率对应于由于第一耦合阻抗(Z^T ₂，Z^T ₃，Z^T ₇)而相应吸收的无功功率的量。在夜间操作中，除了第一逆变器(2，3，7)以外，组(12，13)中的所有逆变器都被禁用，并由第一逆变器(2，3，7)根据第二参数馈入无功功率，其中所馈入的无功功率对应于由于第二耦合阻抗(Z^N ₂，Z^N ₃，Z^N ₇)而相应吸收的无功功率的量。此外，还描述了相应设置的逆变器(2，3，7)以及相应的PV电站(10)。

Description

用于使PV电站的电网反馈最小化的方法、逆变器和PV电站

本发明涉及用于使PV电站的电网反馈最小化的方法，以及被设置用于实施该方法的逆变器或光伏(PV)电站。

来自配电网的电能供应越来越得到可再生能源(例如，PV)的保证。这种可再生能源发电设备的特征在于，它们相对于常规电站不是集中式的，而是在多个地方并入到电网中。大量地并入馈电设备要求对这种馈电的电网反馈进行考虑，以便可以进一步提供足够的电网质量。因此，对分散式馈电装置(Einspeiser)产生了额外的要求，以便馈电装置对确保电网质量做出足够的贡献。例如，需要提供可以包括固定的或可变的、与特征曲线相关的数值的无功功率。另一种方法是，分散式馈电装置除了所馈入的有功功率之外还提供一定比例的无功功率，这种比例的无功功率使得在该馈电装置的电网连接点上馈电对诸如电压的电网参数的影响最小化。在这种情况下，人们会谈及无电网反馈的发电设备。在此，已知的逆变器能够配置其馈电参数，使得即使相应的逆变器远离该电网连接点连接，在PV电站的电网连接点上仍保持预定的电压比。

由于在夜间不可以通过PV电站提供有功功率，但PV电站通过交换无功功率可能仍然具有相当大的电网反馈，因此在现有技术中，在这个时候进行PV电站与供电电网的分离，或者在PV电站中设置补偿交换的无功功率的额外的无功功率源。

鉴于这种考虑，本发明的任务在于，以很少的设备费用配置分散式馈电装置，特别是具有多个逆变器的PV电站，使得无论是在日间操作中还是在夜间操作中，该馈电装置的电网反馈均被最小化，这也就是说，无需为了排除对电网质量的影响而在夜间关闭PV电站。

为了解决该任务，在本发明中提出了根据独立权利要求1的方法。根据本发明的方法的有利的实施方式在从属权利要求中进行了描述。此外，根据并列的权利要求8的根据本发明的逆变器以及根据并列的权利要求9的根据本发明的PV电站用于解决所描述的任务。

根据本发明的方法用于使PV电站对连接在电网连接点上的供电电网的电网反馈最小化，其中该PV电站包括划分成组的多个逆变器。在该方法中，为每组中的至少一个第一逆变器确定了代表逆变器和电网连接点之间的第一耦合阻抗的第一参数以及代表在包含该逆变器的组和电网连接点之间的第二耦合阻抗的第二参数。接下来，将这些参数存储在相应的逆变器的操作管理单元中。在PV电站的日间操作中，第一逆变器根据第一参数馈入无功功率，该无功功率对应于由于第一耦合阻抗而吸收的无功功率的量。这样实现了，由第一逆变器馈入的无功功率不会导致与供电电网进行无功功率交换。因此，在日间操作中可以将PV电站设置成使得该PV电站(也称为整个PV电站)不与供电电网交换无功功率。可替代地，在日间操作中也可以寻求与供电电网交换的无功功率的预定目标值。在这种情况下，第一逆变器根据第一参数馈入无功功率，该无功功率对应于由于第一耦合阻抗而吸收的无功功率的量加上目标值。

在夜间操作中，除了第一逆变器之外，组中的所有逆变器都被禁用，并由恰好该逆变器根据第二参数馈入无功功率，该无功功率对应于由于第二耦合阻抗而相应吸收的无功功率的量。因此，即使在夜间操作中也可以使由逆变器组引起的经由电网连接点与供电电网的不期望的无功功率交换最小化或完全避免。因此，PV电站的电网反馈在日间操作和夜间操作中都被最小化。由此，将禁用的逆变器与电网隔离开就是多余的了，并且相应的隔离装置可以节省下来或者被设计用于更少的开关过程，因此可以更成本低廉地构造。

在本发明的优选的实施方式中，每个组中仅有第一逆变器被设置用于在夜间操作中馈入无功功率。但是也可以设想的是，在一组内设置多个逆变器用于在夜间操作中馈入无功功率。在夜间操作中馈入无功功率的任务继而可以例如从夜晚到夜晚地或者以其它变换节奏在多个逆变器之间传递。通过这种方式，可以减少逆变器的单独负载并可以相应地延长其使用寿命。在被设置用于馈入无功功率的逆变器之间的变换可以例如基于预定的算法或通过可被实现为PV电站的独立组件或逆变器的一部分的操作管理单元进行控制。但当所需的无功功率超过单个逆变器的无功功率容量时，多个逆变器也可以同时用于在夜间操作中馈入无功功率。

在根据本发明的方法的另一有利的实施方式中，馈入的无功功率被确定为在连接到逆变器的PV发电机上的辐射或由此产生的有功功率的函数。通过这种方式，可以对与逆变器和电网连接点之间的第一耦合阻抗相关的无功功率分量有针对性地进行补偿。当假设连接到PV电站的逆变器的所有其它PV发电机都具有相同的辐射时(这通常在正确设计的PV电站中应该是这种情况)，这种有针对性的补偿的准确度会提高。在这种情况下，具有复杂分配的电网阻抗的PV电站在具有对于第一耦合阻抗来说合适的、简单的值的电站内可以实现完全避免或几乎完全避免无功功率流经由PV电站的电网连接点。

下面将借助于附图来对本发明进行描述，其中：

图1示出了PV电站的示例性的结构的示意图，

图2示出了用于根据本发明确定日间操作中的参数的PV电站的等效电路，

图3示出了用于根据本发明确定夜间操作中的参数的PV电站的等效电路，以及

图4示出了根据本发明的方法的流程图。

图1示出了包括多个逆变器1-8的PV电站10的示意图。逆变器将由连接到它们上的PV发电机(为了清楚起见，未显示为单独的元件)产生的直流电转换成交流电，并通过电站内部电网经由变压器11连接在电网连接点NAP上，该电网连接点构成电站与供电电网EVN的公共的连接点。电站内部电网的阻抗表示为各个电网节段的电网阻抗Z_A,...,Z_M。因此，当PV发电机不产生功率或产生可忽略不计的功率时，只有部分逆变器(在这种情况下，例如逆变器2、3和7)被设置用于在夜间提供无功功率。这由图1中的逆变器的较强边缘来表示。PV电站被划分成逆变器的第一组12和第二组13，其中每组包括被设置用于在夜间提供无功功率的至少一个逆变器。在此，表示电站内部电网的另一待考虑的电网阻抗的变压器11是可选择的。在该变压器的位置上也可以使电站内部电网经由电网连接点直接连接到EVN。各个电网节段的电网阻抗Z_A,...,Z_M可以根据对所安装的组件的电阻、电容和电感的了解推导出来，或者也可以通过以本领域技术人员已知的方式进行测量来确定。特别地，电网阻抗的电抗分量可以分别根据电容电抗和电感电抗来获得。电站内部阻抗的分布也可以通过PV电站的简化的等效电路来近似。图2中的等效电路被示出用于PV电站的日间操作，图3中的等效电路被示出用于夜间操作。

在日间，当所有逆变器都馈入由它们的PV发电机产生的能量时，则在每个逆变器n的等效电路中直接经由与每个逆变器相关的等效的日间阻抗Z^T _n与电网连接点NAP连接。在这种情况下，等效的日间阻抗Z^T _n的值通过已知的数学方法来确定，使得经由电网连接点的无功功率流在PV电站的所有可设想的操作条件下均通过等效电路尽可能准确地描述具有更复杂的电网电阻分布的实际的PV电站的无功功率流。在该方法的变型中，在给定的操作条件下各个电网节段的电网阻抗Z_A,...,Z_M中所吸收的无功功率被分解成分配给作为起因者(Verursacher)的各个逆变器的分量。然后，选择等效的日间阻抗Z^T _n，使得在同样的操作条件下所吸收的无功功率对应于分配给作为起因者的相应的逆变器n的所有分量的总和。在此，也可以根据等效的日间阻抗Z^T _n的电容电抗分量和电感电抗分量来进行分离，并且这些值可以分别在逆变器中存储和使用。

这些特定的等效的日间阻抗Z^T _n描述了当前处于扩展状态下的PV电站，并且只要电站在其内部结构方面保持不变就至少可以一直使用这些日间阻抗。在有利的实施方式中，等效的日间阻抗Z^T _n的确定是在假设在PV电站的所有PV发电机上的辐射均相同的情况下实施的。在这种情况下，操作条件包括各个逆变器的无功功率和有功功率值以及电网连接点上的电网电压。PV电站的每个逆变器被设置用于存储分配给它的日间阻抗Z^T _n的等效值，并可以使用该逆变器来控制其馈电参数，特别是用于确定其当前的无功功率。

在夜间，只有被设置用于提供夜间的无功功率的逆变器与电网连接，但每组至少一个这样的逆变器。因此，PV电站的等效电路限于仍然连接到电网的逆变器，即第一组12的逆变器7以及第二组13的逆变器2和/或逆变器3。这些逆变器经由分配给它们的等效的夜间阻抗Z^N _2,3,7与电网连接点直接连接。类似于日间的操作情况，在这种情况下，通过以上提到的数学方法来确定等效的夜间阻抗Z^N _2,3,7，使得经由电网连接点的无功功率流在PV电站的所有可设想的操作条件下通过等效电路尽可能准确地描述具有更复杂的电网电阻分布的实际的PV电站的无功功率流。在该方法的变型中，在给定的操作条件下在夜间的各个电网节段的电网阻抗Z_A,...,Z_M中所吸收的无功功率被分解成分配给作为起因者的各个组的分量。然后，选择等效的夜间阻抗Z^N _n，使得在这些阻抗中所吸收的无功功率对应于分配给作为起因者的包括第一逆变器的组的所有分量的总和。因此，夜间阻抗通常与日间阻抗区分开来，因为在夜间部分逆变器被禁用，其中它们的电网节段的电网阻抗Z_A,...,Z_M仍然是电站内部电网的一部分并且仅通过夜间激活的逆变器的等效的夜间阻抗来考虑。在这种情况下，也可以根据等效的夜间阻抗Z^N _n的电容电抗分量和电感电抗分量来进行分离，并且这些值可以分别在逆变器中存储和使用。

每个被设置用于提供夜间的无功功率的逆变器也被设置用于存储分配给它的夜间阻抗Z^N _n的等效值，并可以在夜间操作期间使用该逆变器来控制其当前的无功功率。

在以上的描述中，特殊情况是，在日间操作和/或夜间操作中以如下方式调节逆变器的控制，使经由电网连接点的无功功率流最小，理想的情况是等于零，从而使得PV电站对供电电网的反馈最小化。通过向电站内部电网馈电的每个逆变器提供与在分配给它的等效的电网电阻Z^T _n，Z^N _n中从电网接收的一样多的无功功率，这个目的至少可以在供给良好的条件下实现。当了解了逆变器的连接端子上的电网阻抗和电压的相应值时，逆变器自身可以轻松地确定无功功率的这个目标值。

在优选的实施例中，PV电站内的逆变器的共同目标可以旨在，在电网连接点上提供PV电站的总无功功率的目标值，使得PV电站可以对维持电网质量做出积极的贡献。目标值可以是离散值，其例如由EVN的操作者预定并经由适当的通信信道告知PV电站或各个逆变器，或者可以是取决于EVN的当前状态的变量，特别是取决于在电网连接点上的电网电压U_NAP的无功功率值Q(U_NAP)。为了实现这一共同目标，每个逆变器必须提供无功功率值，该无功功率值比通过与该逆变器相关的等效的电网阻抗Z^T _n、Z^N _n所消耗的无功功率的值高出部分与该逆变器相关的总无功功率目标值(U_NAP)。在此，逆变器可以额外考虑在电网连接点上的电压和逆变器的连接端子上的电压之间的电压降，即等效的电网阻抗Z^T _n、Z^N _n两端的电压降，以便根据它们的连接端子上的电网电压确定所需的无功功率Q(U_NAP)。

如果一组中的多个逆变器被设置用于在夜间操作中提供无功功率，则在本发明的优选的实施方式中可以在这些逆变器之间更换夜间激活的逆变器的角色。例如可以设想的是，每个夜间另一逆变器在夜间操作中提供无功功率。在这种情况下，角色的变换可以根据预先定义的方案进行或通过PV电站的上级操作管理单元来进行协调。同样可以设想的是，通过这些逆变器之间的通信信道彼此协调适当的逆变器。由此，降低了参与的逆变器的组件的负载并从而降低了PV电站的维护成本。

特别是在夜间操作中可能会出现的情况是，在观察的时刻，激活的逆变器所需的无功功率高于逆变器的可产生的最大的无功功率。如果相应的组包括被设置用于提供无功功率的至少一个另外的逆变器，则可以设想的是，通过激活的逆变器或通过PV电站的上一级控制单元来额外地激活该另外的逆变器，使得待产生的无功功率由这两个逆变器共同产生。优选地，当通过两个(或者更多个)逆变器来共同提供无功功率时，参与的逆变器通过通信协议进行协调，特别是因为待考虑的电网阻抗随后分配给参与的逆变器。如果在夜间过程中所需的无功功率再次持续地下降，以至于它可以由单个逆变器来提供，那么额外激活的逆变器又可以再次被禁用。在这种情况下，原则上当然也可能临时额外地激活另一组的逆变器。

在图4中，将根据本发明的方法的优选实施方式作为流程图示出。在第一步骤40中，为PV电站的每组中的至少一个第一逆变器确定第一参数，该第一参数代表在第一逆变器和电网连接点之间的耦合阻抗，例如上述等效的日间阻抗Z^T ₁。第一参数被存储在第一逆变器的操作管理单元中。

在第二步骤41中，为每组中的第一逆变器额外确定第二参数，该第二参数代表在包含第一逆变器的组和电网连接点之间的第二耦合阻抗，例如上述等效的夜间阻抗Z^N ₁。第二参数也被存储在第一逆变器的操作管理单元中。第一步骤40和第二步骤41应当在PV电站第一次启动之前执行，之后它们可以被有规律地重新执行，以便更新第一参数和第二参数的值。

在通过第三步骤42引入的PV电站的日间操作中，第一逆变器在第四步骤43中根据第一参数馈入无功功率。第一逆变器借助于第一参数确定无功功率，使得该无功功率对应于由于等效的日间阻抗Z^T ₁而吸收的无功功率的量。这种类型的无功功率的馈入也可以并行地通过相同的方式由其它在日间操作期间激活的逆变器实施。

在第五步骤44中将PV电站转换到夜间操作之后，在第六步骤45中禁用这些在夜间不应提供无功功率的逆变器。因此，在本示例中，只有第一逆变器仍然作为与其相关的组中的处于激活状态下的唯一逆变器。该逆变器在第七步骤46中根据第二参数馈入无功功率，使得所馈入的无功功率对应于由于等效的夜间阻抗Z^N ₁而吸收的无功功率的量。

因此，在本发明的该实施中，所有逆变器仅馈入部分无功功率，该部分无功功率在与所有逆变器相关的等效的耦合阻抗Z^T _n、Z^N _n中被吸收。通过这种方式实现的是，在电网连接点上实现了没有无功功率流或至少可忽略不计的无功功率流，因为所馈入的无功功率至少近似地对应于PV电站内部所吸收的无功功率。在不需要主动测量电网连接点上的无功功率流以及将测量值传送至第一逆变器的情况下即可实现这个目标。由此，使PV电站的无功功率固有地最小化，从而PV电站对连接的供电电网几乎不具有反馈，而不需要用于有源补偿无功功率流的组件。

在本发明的另一实施方式中，其中PV电站的操作目标不在于使电网连接点上的无功功率流最小化，而在于实现预定的无功功率目标值，由有源逆变器，特别是由第一逆变器，额外地馈入无功功率分量，该无功功率分量对应于分配给第一逆变器的部分无功功率目标值。在这种情况下，在不使用用于有源补偿无功功率流的额外的组件的情况下，也实现了PV电站的操作目标。

夜间操作完成后，可通过步骤42将逆变器重新转换成日间操作。

参考标记列表

1...8 逆变器

10 PV电站

11 变压器

12，13 组

41...46 步骤

Z_A...Z_N 电站阻抗

Z^T ₁...Z^T ₈ 等效的日间阻抗

Z^N ₂，Z^N ₃，Z^N ₇ 等效的夜间阻抗

NAP 电网连接点

EVN 供电电网

Claims (10)

1.一种用于使PV电站(10)对连接在电网连接点上的供电电网的电网反馈最小化的方法，其中，所述PV电站(10)具有划分成组(12，13)的多个逆变器(1-8)，所述方法包括：

-为每组(12，13)中的至少一个第一逆变器(2，3，7)，确定代表在所述第一逆变器(2，3，7)和所述电网连接点之间的第一耦合阻抗(Z^T ₂，Z^T ₃，Z^T ₇)的第一参数，并确定代表在包含所述第一逆变器(2，3，7)的所述组(12，13)和所述电网连接点之间的第二耦合阻抗(Z^N ₂，Z^N ₃，Z^N ₇)的第二参数，

-将所述第一参数和所述第二参数存储在所述第一逆变器(2，3，7)的操作管理单元中，

-在所述PV电站(10)的日间操作中，由所述第一逆变器(2，3，7)根据所述第一参数馈入无功功率，所述无功功率对应于由于所述第一耦合阻抗(Z^T ₂，Z^T ₃，Z^T ₇)而相应吸收的无功功率的量，以及

-在夜间操作中，禁用组(12，13)中除所述第一逆变器(2，3，7)以外的所有逆变器，并由所述第一逆变器(2，3，7)根据所述第二参数馈入无功功率，其中，所馈入的无功功率对应于由于所述第二耦合阻抗(Z^N ₂，Z^N ₃，Z^N ₇)而相应吸收的无功功率的量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在组(12，13)内仅所述第一逆变器(2，3，7)被设置用于在所述夜间操作中馈入无功功率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在组(12，13)内设置了超过一个的逆变器用于在所述夜间操作中馈入无功功率，并且其中，在所述夜间操作中馈入无功功率在被设置用于馈入无功功率的所述逆变器之间变换。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在被设置用于馈入无功功率的所述逆变器之间的变换基于预定的算法或通过操作管理单元进行控制。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所馈入的无功功率被确定为在连接到所述逆变器的PV发电机上的辐射的函数。

6.根据权利要求5的方法，其中，在假设连接在所述PV电站(10)的所有其它的逆变器上的所述PV发电机具有相同的辐射的情况下，确定所馈入的无功功率。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在确定所馈入的无功功率时，所述逆变器额外考虑所述供电电网的运营商对所述PV电站(10)在所述PV电站的电网连接点上的无功功率的预定值。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所馈入的无功功率被确定为相应的逆变器的连接端子上的电网电压的函数。

9.一种逆变器(2，3，7)，所述逆变器被设置用于存储第一参数和第二参数，并且被设置用于实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法的日间操作和夜间操作。

10.一种PV电站(10)，所述PV电站被设置用于实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法。