CN110024254B - 向电网提供电力支持的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种向电网(2)提供电力支持的方法(10)。电力支持由包括连接到转换器(3)的同步电机(4)的装置(3、4)提供，转换器(3)又连接到电网(2)。方法(10)在控制装置(3、4)的控制设备(5)中执行，并且包括：从电网(2)和同步电机(4)中的一者或两者接收(11)反馈，以及基于所接收的反馈来控制(12)转换器(3)，使得能够借助于同步电机(4)向电网(2)提供电力支持或从电网(2)吸收电力支持。还提供了一种控制设备(5)、一种装置(3、4)、一种计算机程序和一种计算机程序产品。
Description
技术领域
本文中公开的技术总体上涉及电力系统领域，并且更具体地涉及向电网提供电力支持的方法、控制设备、装置、计算机程序和计算机程序产品。
背景技术
诸如例如风能或太阳能发电等可再生能源正在取代化石燃料和核能源以用于电力生产。对于风力发电的情况，风力涡轮机通常通过电力电子转换器耦合到电网，使得风力涡轮发电机可以以与电网频率无关的角速度旋转。这是必要的，因为风速在风力涡轮机的操作范围内显著变化，因此导致转子速度变化。
电网可能经历电网电压瞬变，其中一些瞬变受到连接到电网的旋转质量的惯性的影响。例如，这些旋转质量可以是连接到电网的同步发电机。根据定义，这些质量的惯性在频率瞬变期间导致固有的有功功率输出响应。因此，惯性抵抗这些电网瞬态状况并且有助于维持电网的总功率输出(即，负载)与提供给电网(从例如发电厂)的总功率之间的功率平衡。
可再生能源的一个缺点在于，它们不会或仅在非常有限的程度上有助于网络频率稳定性，这通常由连接到电网的电机的机械惯性提供。惯性可能变得极小，并且因此电网系统可能变得不稳定。当前用于增加惯性的解决方案是将同步电容器或能量存储器(诸如电池能量存储系统(BESS)、飞轮等)安装到电网。对于风电场设施，其中逆变器连接的风力涡轮机本身不提供惯性，建议使用存储在叶片/转子中的机械能来提供合成惯性。所有这些解决方案都很昂贵，因为必须购买另外的机器。
发明内容
本发明的目的是解决或至少减轻上述问题。一个特定目的是能够以成本有效的方式向电网提供惯性(特别是合成惯性)。另一特定目的是提供用于控制例如用于提供惯性的同步发电机(例如，其速度)的装置。这些目的和其他目的通过根据所附独立权利要求的方法、设备、计算机程序和计算机程序产品以及根据从属权利要求的实施例来实现。
根据一个方面，该目的通过一种向电网提供电力支持(特别是有功功率支持)的方法来实现。电力支持由包括被连接到转换器的同步电机的装置提供，该转换器又被连接到电网。该方法可以在控制该装置的控制设备中被执行。该方法包括：从电网和同步电机中的一者或两者接收反馈，并且基于所接收的反馈来控制存储在同步电机的旋转质量中的能量。
该方法提供了若干优点。例如，本发明提供了使用(或重新使用)现有能量源来为电网提供合成惯性的可能性。这是一种比例如购买和运行电池系统更便宜的方式。该方法还能够在使用可再生能源进行发电时实现电网的稳定可靠运行。
在一些实施例中，接收反馈包括接收同步电机的旋转质量的转速和电网的频率。控制包括通过控制同步电机的频率来控制旋转质量的转速。即，通过控制同步电机的频率来控制转速，以便增大或减小旋转质量的转速。
在一些实施例中，控制包括将同步电机的旋转质量的转速控制在包括其标称转速的限定区间内。
在一些实施例中，控制包括控制同步电机的旋转质量的转速以便与电网的幅度、频率和/或相角同步。
在一些实施例中，该方法包括检测电网中的故障状况，并且借助于断路器设备来绕过转换器。
在一些实施例中，该方法包括检测转换器中的故障状况，并且借助于断路器设备来绕过转换器。
根据一个方面，该目的通过一种用于控制设备的计算机程序来实现，该控制设备用于控制向电网提供合成惯性。该计算机程序包括当在控制设备的处理电路上运行时引起控制设备执行如上所述的方法的计算机程序代码。
根据一个方面，该目的通过一种计算机程序产品来实现，该计算机程序产品包括如上所述的计算机程序和存储该计算机程序的计算机可读装置。
根据一个方面，该目的通过一种用于控制向电网提供合成惯性的控制设备来实现。合成惯性由包括被连接到转换器的同步电机的装置提供，该转换器又被连接到电网。控制设备被配置为通过以下方式来控制该装置：从电网和同步电机中的一者或两者接收反馈，并且基于所接收的反馈来控制转换器，使得能够借助于同步电机向电网提供合成惯性或从电网吸收合成惯性。
在各种实施例中，控制设备被配置为执行如前所述的方法的任何实施例。
根据一个方面，该目的通过一种用于向电网提供电力支持的装置来实现。该装置包括被连接到转换器的同步电机，该转换器又可被连接到电网。该装置还包括控制设备，该控制设备被配置为：从电网和同步电机中的一者或两者接收反馈，并且基于所接收的反馈来控制存储在同步电机的旋转质量中的能量。
在各种实施例中，该装置的控制设备被配置为执行如前所述的方法的任何实施例。
在一些实施例中，该装置包括被布置为在检测到故障状况时绕过转换器的断路器设备。
通过阅读以下描述和附图，本发明的其他特征和优点将变得很清楚。
附图说明
图1示出了根据本发明的装置的第一实施例。
图2示出了根据本发明的装置的其他实施例。
图3示出了根据本发明的控制设备中的方法的步骤的流程图。
图4示出了根据本发明的控制设备。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了诸如特定架构、接口、技术等的具体细节，以便提供透彻理解。在其他情况下，省略了对公知设备、电路和方法的详细描述，以免由于不必要的细节而使说明书模糊。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的某些实施例。然而，本发明可以以很多不同的形式实现，而不应当被解释为限于本文中阐述的实施例；相反，这些实施例是作为示例提供的，以使得本公开彻底和完整，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。
以下描述的实施例的各种特征可以以不同的方式组合，也以本文未明确提及的方式组合。
简而言之，本发明建议使用转换器、特别是电力电子(PE)转换器以使用存储在例如同步电机(SM)的旋转质量中的能量来为电网提供期望的惯性。也就是说，同步电机通过PE转换器形式的“接口”向电网提供合成惯性。
惯性可以被视为表示例如同步电机存储其动能并且将其动能注入电网的能力的参数。惯性水平在电网瞬态状况期间影响频率变化率(即，频率梯度)和瞬态频率值。电网频率的瞬态值很重要，因为惯性减小引起的频率瞬态偏差的增加会增加达到对系统稳定性有危险的值的风险。
图1示出了根据本发明的装置的第一实施例。电力系统1包括电网(electricalpower grid)2，在下文中也表示为电网(grid)2。电网2将电力从供应商传递给消费者，并且可以例如是具有中等电压或高电压电平(例如，约为10-20kV的电压)的交流(AC)电力供应。
电力系统1还包括同步电机4(例如，旋转同步发电机)，同步电机4包括旋转质量。可以控制其存储的动能，以便为电网2提供电力支持。这种电力支持对电网2的稳定性很重要。电力系统1还可以包括附加的旋转质量。例如，可以提供机械地耦合到同步电机4的飞轮。
在传统系统中，这种同步电机将直接地或者经由变压器连接到电网。然而，由于不能完全控制同步电机的功率输出，因此可以用于向电网提供惯性的有功功率和能量的量对于该现有技术情况而言不是最佳的。通常，同步电机配备有所谓的电力系统稳定器(PSS)，PSS用于限制振荡幅度并且用于在电网中的瞬态状况期间增加振荡的阻尼。应当注意，该特征主要影响由同步电机生成或吸收的无功功率，而不是有功功率。此外，旋转质量的动能不能被充分利用，因为它将取决于应当保持恒定的电网频率。与此相反，本发明建议引入转换器3，转换器3可以用于影响在到电网的连接点处生成或吸收的无功功率和有功功率。
因此，根据本发明的电力系统1包括转换器3、特别是电力电子转换器3和用于控制其的控制设备5。转换器3连接在同步电机4与要被提供电力支持的电网2之间。转换器3被布置为使用存储在同步电机4的旋转质量中的能量来提供“合成”惯性。转换器3(或更确切地说控制它的控制设备5)控制传输到电网2或从电网2吸收的电量。
同步电机4包括提供旋转动力的旋转质量，旋转动力在同步电机4的端子处被转换成电力。端子处的交流电(AC)的相位和频率与旋转质量的角速度有关。注意，同步电机4可以吸收电力以及生成电力，并且电力流取决于频率偏差。因此，在吸收电力(用作负载)时，同步电机4的端子可以表示为输入端子，而在生成电力时，同步电机4的端子可以表示为输出端子。
电力系统1包括用于控制转换器3的控制设备5。控制设备5可以从同步电机4接收参数输入(例如，其电压和/或速度)以及从电网2接收参数输入(例如，其电压和/或频率)。
在一个方面，本发明可以利用退役的发电厂发电机，其中这种发电机保持运行以提供(或吸收)电力。因此，在一些实施例中，转换器3被提供并且连接在退役发电厂的同步电机4与要以受控方式被提供电力(或从中吸收电力)的电网2之间。
接下来给出转换器3的示例性操作和使用。
在正常操作中，同步电机4的旋转质量的转速(在下文中也表示为机器速度)应当等于或低于其标称速度。如果同步电机4被布置为提供频率支持，则机器的初始转速应当与电网2的标称频率成比例地设置。例如，在电网2中的发电损失或负载损失的情况下可能需要这种频率支持。由同步电机4注入或吸收的能量的大小取决于同步电机4的最小/最大转速。同步电机4的最大转速通常受限于旋转质量的机械设计。同步电机4的最小转速可能由于各种原因而受到限制，例如，由于断路器保护同步电机4、故障电流、断路器电流能力、励磁系统等。应当注意，旋转质量所储存的能量与旋转质量的平方成比例，并且因此，例如，转速从标称转速减小50％表示旋转质量中的剩余能量将是标称速度下的标称能量的25％。
通过提供转换器3作为电网2与同步电机4之间的“接口”，可以控制提供给电网2或从电网2吸收的电力。特别地，通过改变同步电机4的频率(例如，通过改变其旋转质量的转速)，可以通过将其作为电能注入电网2中来减少存储在同步电机4中的能量。相反，如果要减小电网2中的能量，则改变同步电机4的频率，使得(动能)能量改为被存储在同步电机4中。
图2示出了本发明的一个实施例。在该实施例中，转换器3包括电网侧转换器6a和发电机侧转换器。转换器3可以以包括直流(DC)链路的背对背配置来布置，如图2的最底部所示。在其他实施例中，转换器3可以是矩阵转换器或模块化多级矩阵转换器。转换器3可以是提供双向功率流的静态频率转换器。
如上所述，同步电机4的转速可以由控制设备5控制。例如，通过控制发电机侧转换器6b的电压和频率，可以降低同步电机4的速度。可以借助于电网侧转换器6a来交换有功功率，该电网侧转换器6a被控制以使DC链路保持恒定。所提供的动能与其旋转质量的频率变化的平方成比例。在现有技术中，电网频率f直接耦合到同步电机的转速，并且从而耦合到有功功率平衡。相反，本发明提供了在电网瞬态情况期间电网频率与同步电机4的转速的解耦，并且与现有技术(即，没有转换器)相比能够从旋转质量中获取更多的能量并且利用它来以改进的方式稳定电网。
图2还公开了可以用于绕过转换器3的特征。转换器3可以借助旁路设备7被绕过，旁路设备7例如可以是断路器。作为何时可能需要和使用旁路设备7的示例，例如，在电网2中发生故障的情况下，同步电机4何时(或者是否)需要提供高故障电流。因此，通过控制旁路设备7，可以根据需要暂时绕过转换器3。应当注意，即使被绕过，转换器3仍然能够提供无功功率，即，充当STATCOM。
通常，同步电机提供比电力电子转换器更多的短路电流能力。出于保护原因，需要比转换器可以提供的更高的短路电流。假定同步电机正常地与电网同步地操作(即，具有与电网电压相同的幅度和相位)。如果检测到故障，则保护继电器预期潜在的高短路电流从本文中公开的装置流出。转换器本身可能无法提供所需要的故障电流以允许保护继电器跳闸。在这种情况下激活旁路设备7允许同步电机4提供故障电流，就好像转换器3没有被安装在同步电机4与电网2之间。在这种情况下，合成惯性功能不可用，但也不需要。
提供电力(合成惯性)和提供故障电流的两个功能可以由控制设备5控制。在频率偏差期间需要合成惯性(并且因此需要转换器3处于操作状态)，如果电网电压低于某个阈值，则需要故障电流(以及因此处于操作状态的旁路设备7)。
图3示出了根据本发明的控制设备5中的方法的步骤的流程图。提供了一种向电网2提供电力支持的方法10。电力支持由包括连接到转换器3的同步电机4的装置3、4提供，转换器3又连接到电网2。因此，控制装置3、4被控制，用于向电网2提供电力支持。方法10在控制装置3、4的控制设备5中执行。
方法10包括从电网2和同步电机4中的一者或两者接收11反馈。各种反馈参数可以以不同的组合使用，例如，同步电机4的转速、电网2的频率、电网2的电压幅度、来自远程区域控制器的电力参考、同步电机4的电压幅度。
方法10包括基于所接收的反馈来控制12存储在同步电机4的旋转质量中的能量。存储在同步电机4中的能量的量借助于转换器3来控制。例如，转换器3可以被控制为使得同步电机4的转速根据需要增大或减小，例如取决于电网2中的状况(例如，电网2中的频率扰动)。
方法10是在电网2中提供稳定性的成本有效的方式。同步电机4是将旋转功率转换成电力(反之亦然)的传统且可靠的方式。本发明通过将同步电机4的功率输出与转换器3连接来使得同步电机4的功率输出高度可控，转换器3又连接到电网2，电网2在需要时进行平衡。
在一个实施例中，接收11反馈包括接收同步电机4的旋转质量的转速和电网2的频率，并且其中控制12包括通过控制同步电机的频率来控制旋转质量的转速。
在一些实施例中，控制包括通过控制同步电机的频率来增加或减小旋转质量的转速。
在一个实施例中，控制12包括将同步电机4的旋转质量的转速控制为在包括其标称转速的限定区间内。例如，限定区间的上限可以是同步电机4的最大速度，并且限定区间的下限例如可以是同步电机4的最小速度。可以设计同步电机4以实现最大速度，最大速度高于其标称速度并且可以在短时间内达到。在该实施例中，存储在同步电机4中的能量可以与电网2交换。
在一个实施例中，控制12包括控制同步电机的旋转质量的转速以便与电网的幅度、频率和/或相角同步。在该实施例中，存储在同步电机4中的能量可以用于为电网2提供频率支持。
在一个实施例中，方法10包括检测电网2中的故障状况，并且借助于断路器设备7来绕过转换器3。
在一个实施例中，方法10包括检测转换器3中的故障状况，并且借助于断路器设备7来绕过转换器3。
在上述两个实施例中，方法10确保同步电机4可以用于快速向电网2提供高故障电流。
图4示出了用于控制转换器3并且因此控制提供给电网2或从电网2吸收的电力的控制设备5。控制设备5包括用于实现本发明的方法的设备。控制设备5包括处理电路20，处理电路20使用能够执行存储在存储器21中的软件指令(其因此可以是计算机程序产品21)的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等中的一个或多个的任何组合。处理电路20可以被提供为至少一个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。处理电路20可以被配置为执行如本文中例如关于图3所述的方法的各种实施例中的任何一个。特别地，处理电路20被配置为引起控制设备5执行一组操作，即所描述的方法10的步骤。应当注意，处理电路20可以是远程可用的，例如，在云计算环境中。因此，所述实施例不限于可以在其上执行由控制设备5执行的指令的任何特定数目的设备。该方法可以在驻留在云计算环境中的控制设备上执行。尽管示出了单个处理电路20，但处理电路20可以分布在多个设备中。
在一些实施例中，控制设备5被布置为确定电网2中存在故障并且控制转换器3以便提供故障电流。
因此，在一个方面，提供电力系统1的控制设备5以控制向电网2提供合成惯性，合成惯性由包括连接到转换器3的同步电机4的装置3、4提供。转换器3又连接到电网2。控制设备5被配置为通过以下方式控制装置3、4：
-从电网2和同步电机4中的一者或两者接收反馈，以及
-基于所接收的反馈来控制存储在同步电机4的旋转质量中的能量。控制设备5可以控制转换器3从而控制所存储的能量。
在各种实施例中，如上所述的控制设备5被配置为执行如本文中例如关于图3所述的方法10。
在一些实施例中，装置3、4、5包括被布置为在检测到故障状况时绕过转换器3的断路器设备7。
仍然参考图4，存储器21可以是读写存储器(RAM)和只读存储器(ROM)、闪存、磁带、光盘(CD)ROM、数字通用盘(DVD)、蓝光盘等的任何组合。存储器21还可以包括永久存储器，其例如可以是磁存储器、光存储器、固态存储器或甚至远程安装存储器中的任何单个或组合。
还可以提供数据存储器(未明确示出)以在处理电路20中的软件指令的执行期间读取和/或存储数据。数据存储器可以是随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)的任何组合。
本发明还包括计算机程序产品21，计算机程序产品21包括用于实现所述方法的实施例的计算机程序22和存储计算机程序22的计算机可读装置。计算机程序产品21可以是随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)的任何组合。计算机程序产品21还可以包括永久存储器，其例如可以是磁存储器、光存储器或固态存储器中的任何单个或组合。
如下所述，本发明提供了很多优点。如前所述，本发明可以通过重新使用现有能源(例如，退役发电厂)来降低成本。这比例如使用电池系统更具成本效益。
可以借助于本发明来限制频率最低点和频率最高点，即稳态频率范围的边界条件。可以控制已经描述的装置3、4以便在达到频率最低点之前提供合成惯性的增加。例如，在脱开发电机时，电网中的频率下降，并且装置3、4可以用于在该发电损耗期间在初始时段期间快速注入足够的电力以最小化由此引起的频率下降。
根据本发明的装置3、4是满足功率调峰的成本有效的方式。
振荡频率构成对电力传输能力的约束，并且通过阻尼这种功率振荡，获取了增加的电力传输能力。根据本发明的装置3、4也可以用于这种功率振荡阻尼。
本发明的又一特征和优点在于，它可以用于无功功率补偿。
负序补偿(negative sequence compensation)可以借助于根据本发明的装置来控制。
本发明提供了在低电压下的改进的故障克服。在现有技术的解决方案中，其中同步电机直接连接到电网，存在在故障被清除之后同步电机不与电网同步(即，失步)的风险。然后可能需要将同步电机与电网断开。与此相反，实现根据本发明的装置3、4，在清除故障之后不需要断开同步电机(当经由转换器3连接到电网2时)。
根据本发明的装置3、4可以用于在电网中的故障状况期间控制适当的电流注入。
本文中主要参考很多实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员所理解的，除了本文中公开的特定实施例之外的其他实施例同样可以在由所附权利要求限定的本发明的范围内。
Claims (12)
1.一种向电网(2)提供用于频率支持的合成惯性的方法(10)，所述支持由包括被连接到转换器(3)的同步电机(4)的装置提供，所述转换器(3)又被连接到所述电网(2)，所述方法(10)在控制所述装置的控制设备(5)中被执行，所述方法(10)包括：
-与所述电网(2)的标称频率成比例地设置所述同步电机(4)的旋转质量的初始转速，
-从所述电网(2)和所述同步电机(4)接收(11)反馈，以及
-基于所接收的反馈来控制(12)被存储在所述旋转质量中的能量，使得合成惯性被向所述电网(2)提供，
其中所述接收(11)反馈包括：接收所述同步电机(4)的旋转质量的转速和所述电网(2)的频率，并且其中所述控制(12)包括：通过控制所述同步电机的频率来控制所述旋转质量的转速，
检测所述电网(2)中的故障状况，并且借助于断路器设备(7)来绕过所述转换器(3),由同步电机(4)提供故障电流。
2.根据权利要求1所述的方法(10)，其中所述控制包括：通过控制所述同步电机的频率来增加或减小所述旋转质量的转速。
3.根据权利要求1或2所述的方法(10)，其中所述控制(12)包括将所述同步电机(4)的旋转质量的转速控制为等于或低于所述旋转质量的标称转速。
4.根据权利要求1或2所述的方法(10)，其中所述控制(12)包括控制所述同步电机(4)的旋转质量的转速，以便与所述电网的幅度、频率和/或相角同步。
5.根据权利要求1或2所述的方法(10)，包括：检测所述转换器(3)中的故障状况，并且借助于断路器设备(7)来绕过所述转换器(3)。
6.一种计算机可读装置，包括用于控制设备(5)的计算机程序(22)，所述控制设备(5)用于控制向电网(2)供电，所述计算机程序(22)包括计算机程序代码，当在所述控制设备(5)的处理电路上运行时，所述计算机程序代码引起所述控制设备(5)执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法(10)。
7.一种计算机设备(21)，包括根据权利要求6所述的计算机可读装置。
8.一种用于控制向交流电网(2)提供合成惯性以用于频率支持的控制设备(5)，所述合成惯性由包括被连接到转换器(3)的同步电机(4)的装置提供，所述转换器(3)又被连接到所述电网(2)，所述控制设备(5)被配置为通过以下方式来控制所述装置：
-与所述电网(2)的标称频率成比例地设置所述同步电机(4)的旋转质量的初始转速，
-从所述电网(2)和所述同步电机(4)接收反馈，以及
-基于所接收的反馈来控制所述转换器(3)，使得能够借助于所述同步电机(4)向所述电网(2)提供合成惯性，
其中所述接收(11)反馈包括：接收所述同步电机(4)的旋转质量的转速和所述电网(2)的频率，并且其中所述控制(12)包括：通过控制所述同步电机的频率来控制所述旋转质量的转速，
检测所述电网(2)中的故障状况，并且借助于断路器设备(7)来绕过所述转换器(3),由同步电机(4)提供故障电流。
9.根据权利要求8所述的控制设备(5)，被配置为执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法(10)。
10.一种用于向电网(2)提供电力支持的装置，所述装置包括根据权利要求8或9所述的控制设备(5)，以及所述转换器(3)和被连接到所述转换器(3)的所述同步电机(4)。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述控制设备(5)被配置为执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法(10)。
12.根据权利要求10或11所述的装置，包括被布置为在检测到故障状况时绕过所述转换器(3)的断路器设备(7)。
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