CN111837309A - 操作能量产生系统的方法和能量产生系统的逆变器 - Google Patents

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Abstract

在用于操作具有光伏发电机和逆变器的能量产生系统的方法中，在逆变器与交流电压网之间传输电功率，其中所传输的电功率包括有功功率(P)和无功功率(Q)，并且在第一操作模式中，光伏发电机借助于逆变器在最大有功功率点(MPP)操作。根据本发明的方法的特征在于，在第二操作模式中，根据电网频率瞬时值(f)和电网频率变化率(df/dt)来调节有功功率(P)，并且在第二操作模式中，根据电网电压瞬时值(U)和电网电压变化率(dU/dt)来调节无功功率(Q)。根据本发明的用于具有光伏发电机的能量产生系统的逆变器被配置用于执行该方法。

Description

操作能量产生系统的方法和能量产生系统的逆变器
发明的技术领域
本发明涉及用于操作交流电压网上的能量产生系统(Energieerzeugungsanlage)的方法和用于能量产生系统的逆变器。
现有技术
在能量转换的过程中，越来越多的基于变换器的能量产生系统，特别是具有逆变器的光伏系统，被连接到交流电压网，并且取代了具有同步发电机和相应飞轮质量的传统发电厂，该传统发电厂以常规方式确保交流电压网的足够的惯性
Figure BDA0002673712140000011
从而确保交流电压网的稳定性。结果，在基于变换器的能量产生系统的区域渗透率(Durchdringung)较高的情况下，使用常规的调节方法难以控制交流电压网的稳定性，使得重大干扰，特别是那些在关键点出现电网断开的重大干扰，会导致大面积的电网故障。为了即使在交流电压网被基于变换器的能量产生系统完全渗透而又无需依赖常规最小发电量的情况下确保电网稳定性，调节方法和系统技术性解决方案是必要的，这些调节方法和系统技术性解决方案可以确保交流电压网在技术上基本上独立于常规发电厂，因此可以实现用于给交流电压网中的负载供电的高比例的可再生能源。在这种情况下，在短时间范围内，即在干扰事件(例如，传输电网的高负载线路突然发生故障)之后的零秒到大约三十秒的时间范围内，瞬时稳定性是特别重要的。
电力交流电压网的稳定性，特别是频率稳定性，取决于交流电压网中的产生与消耗之间的平衡。在产生功率与消耗功率之间存在不平衡的情况下，结果是电网频率会发生变化，特别是根据电网惯性、产生功率与消耗功率之间的功率差的大小以及功率差的变化速度会发生变化。
从频率稳定性的角度来看，最严重的干扰之一是所谓的系统分离(SystemSplit)，其中两个电网区段之间的传输线路例如由于过载而断开。尽管正在大规模地建设许多小型的可再生能源产生系统，但是出于各种原因，并不能总是在靠近用电器的地方建造大功率的能量产生系统(例如，大型PV发电厂、风力发电厂或水力发电厂)。在阳光和风力较少的情况下，仍然经常需要从电网区段外部获取匮乏的功率。因此，如果在两个电网区段断开(例如，由于发电机和消耗器在空间上彼此相距得远，并且由于断开而被分开)之前在它们之间就已经进行了高功率交换，那么这些电网区段之间的关键线路的断开是特别严重的。在这种情况下，在干扰出现之后，经由传输线路获取功率的电网区段的可用生成功率不足，因此在该电网区段中的电网频率开始下降，而在经由传输线路输出功率的电网区段中存在过剩的产生功率，因此在该电网区段中的电网频率增加。
因此，电网区段中的功率不平衡和产生功率的快速变化可能会更加频繁。特别地，在具有高比例的基于变换器的能量产生系统的电网区段中，不能单独通过已知的和可能规范地规定的方法来控制交流电压网中的产量过剩，该产量过剩在系统分离的情况下会突然出现并且伴随着强烈的频率波动和陡峭的频率梯度，特别地不仅要通过由外部(特别是由电网运营商根据情景集中指定的)功率降低和/或借助于频率静态特性(Frequenzstatik)的分散式频率相关的功率降低来控制，能量产生系统还借助于频率静态特性根据P(f)特征曲线在过频时降低其功率，或者如从EP2759033A1已知的，从交流电压网获得功率。虽然立即切断能量产生系统在原则上有助于保护交流电压网免于崩溃，然而也带来了其他缺点，例如能量产生系统的运营商的收益损失以及在排除电网故障之后重新启动能量产生系统时产生的后续问题。
发明任务
本发明的任务基于展示一种用于操作能量产生系统的方法，该方法特别是在电网干扰的情况下可以最佳地有助于稳定交流电压网，并且提供一种用于能量产生系统的逆变器，该逆变器被配置用于执行根据本发明的方法。
解决方案
该任务通过具有权利要求1的特征的用于操作能量产生系统的方法和具有权利要求9的特征的用于能量产生系统的逆变器来实现。优选的实施方式在从属专利权利要求中限定。
发明描述
在用于操作具有光伏发电机和逆变器的能量产生系统的方法中，在逆变器与交流电压网之间传输电功率，其中所传输的电功率包括有功功率和无功功率，并且其中在第一操作模式中，光伏发电机借助于逆变器在最大有功功率点操作。根据本发明的方法的特征在于，在第二操作模式中，根据电网频率瞬时值和电网频率变化率来调节有功功率，并且在第二操作模式中，根据电网电压瞬时值和电网电压变化率来调节无功功率。
特别地，根据本发明的方法在可再生能量产生系统渗透率较高的电网中出现功率过剩的情况下能够使具有基于变换器的逆变器而没有显著的能量储存器的电流调节的光伏系统能够更快速地并利用更大且更加可预测的负调节功率来帮助稳定频率。从现有技术中已知的根据频率静态特性的P(f)调控起效过慢，在瞬时频率变化快速(特别是在亚秒级范围内)时不能稳定交流电压网，特别是具有低惯性的交流电压网。本发明提供了一种调节方法，该调节方法考虑了附加的信息，特别是电网频率变化率，以在交流电压网中出现功率过剩的情况下，有助于更快速且更高效地稳定交流电压网(在频率和电压方面)。
通过根据电网频率变化率来设置能量产生系统的有功功率，能量产生系统可以基本上无延迟地并以高控制变量(即，几乎即时)对大且陡峭的或者甚至跃变的频率变化做出响应。因此，当该方法应用于大量逆变器时，可以在最短的时间内在大量逆变器上调动足够便宜的调节能量，以在交流电压网中发生重大干扰后有效地抵抗大的功率不平衡。
该方法可特别有效地应用在具有电力电子逆变器的能量产生系统，因此这些能量产生系统的特征在于具有对外部影响的特别快速的响应时间，其中原则上不会出现通信延迟。然而，原则上，在较大型的能量产生系统中操控多个逆变器的操控设备也适用于执行根据本发明的方法。在此，设置时间基本上仅受频率测量的速度和精度以及由逆变器馈入的电流的调节的动态特性的限制，频率测量的速度和精度通常借助于PLL以常规的稳定时间(Einschwingzeit)在低于电网周期的范围内。由于可预见的技术进步，市面上可获得的逆变器内的增加的开关频率和调节频率有助于进一步改善动态特性，并且能量产生系统的制造成本不会由于根据本发明的方法而增加。
本发明基于这样的认识，即与惯性高和/或电网阻抗低的常规交流电压网相比，在惯性降低和/或电网阻抗高的弱交流电压网中出现干扰事件的情况下，电网频率和电网电压彼此更强地耦合。特别地，在惯性小且电网阻抗高的弱交流电压网中，除了电网频率之外，本地电网电压还受到发电机的有功功率馈入的影响(在有功功率馈入时电压升高，在有功功率汲取时电压降低)。因此，将电网电压波动和频率波动看作控制变量不同的、在调节技术方面分开的问题是不够的。根据本发明，通过根据电网电压瞬时值和电网电压变化率对无功功率进行设置来支持电网电压，实现了能量产生系统在提供动态调节功率时不会由于过电压或欠电压而与电网断开。与通过提供无功功率的常规静态电压维持相比，能量产生系统在瞬时电网电压波动的情况下不必被置于所谓的故障穿越操作模式(Fault-Ride-Through-Betriebsmodus)，而是以从电网稳定性的角度出发最佳的方式，对提供有功功率和无功功率进行优先级排序(priorisieren)来做出响应。
在该方法的一个实施方式中，在第二操作模式中，可以额外地根据电网电压瞬时值和/或电网电压变化率来设置有功功率，和/或可以额外地根据电网频率瞬时值和/或电网频率变化率来设置无功功率。
在该方法的另一个实施方式中，可以根据交流电压网的特性，特别是根据在能量产生系统投入使用之前或者在从第一操作模式变更到第二操作模式时当前确定的交流电压网的惯性和/或电网阻抗，来确定优先级排序，对于从待设置的有功功率和待设置的无功功率中可能得出高于针对逆变器给定的视在功率极限值的视在功率的情况下，根据优先级排序来确定是优选设置待设置的有功功率和小于待设置的无功功率的无功功率，还是优选设置待设置的无功功率和小于待设置的有功功率的有功功率。在这里相关的特性例如由能量产生系统所连接的电网层级来预先规定，因为例如低电压网(特别是地方电网)在电网电压和/或电网频率可受到有功功率馈入和/或无功功率馈入的影响性方面具有与中压电网或者甚至高电压层级上的传输电网显著不同的特性。更具体地，从能量产生系统的角度来看，对电网支持重要的特性可以由惯性和/或电网阻抗来描述，其中惯性和/或电网阻抗可以被预先规定为能量产生系统的参数化，或者也可以由交流电压网中的能量产生系统或其他装置根据情景来确定。此外，惯性和/或电网阻抗的当前确定可以考虑这样的事实，即从能量产生系统的角度来看，交流电压网的特性可能由于干扰事件而发生改变，特别是当系统分离发生在相对靠近能量产生系统的地方时如此。
应注意，考虑交流电压网的这种特性对于确定优先级排序可能是有意义的，但是对于待馈入的有功功率和无功功率与电网频率瞬时值和电网频率变化率或与电网电压瞬时值和电网电压变化率的实际关系并不是必需的。根据本发明的方法的特征正是在于能量产生系统对电网稳定的一定程度的自适应贡献，因为交流电压网的特性特别地反映在电网频率和电网电压的变化率中，因此对这些变化率的考虑已经包含了对交流电压网的特性的考虑。
在该方法的一个可替代的实施方式中，对于从待设置的有功功率和待设置的无功功率中可能得出高于针对逆变器给定的视在功率极限值的视在功率的情况，可以在第二操作模式中根据极限值来设置视在功率，如果电网频率瞬时值和/或电网频率变化率高于相应的频率优先级排序极限值，则该视在功率优选包括待设置的有功功率和低于待设置的无功功率的无功功率，或者如果电网电压瞬时值和/或电网电压变化率高于电压优先级排序极限值，则该视在功率优选包括待设置的无功功率和低于待设置的有功功率的有功功率，或者如果既超过频率优先级排序极限值也超过电压优先级排序极限值，则该视在功率包括数值在待设置的有功功率和待设置的无功功率可能产生低于视在功率极限值的视在功率时的最后的时间点处被设置的有功功率(P)和无功功率(Q)。为此具体地，可以预先规定对应于电网频率极限值的频率优先级排序极限值，在超过该频率优先级排序极限值(或者稍微低于该频率优先级排序极限值)时，能量产生系统须以常规方式与电网断开；电压优先级排序极限值可以对应于电压偏差极限值，在超过该电压优先级排序极限值(或者稍微低于该电压优先级排序极限值)时，能量产生系统由于过电压或欠电压而须以常规的方式与电网断开。在此，特别地可以确保优选地通过降低有功功率来抵消电网频率的主要偏差，并且反过来通过优选电压支持地提供无功功率，避免由于降低有功功率而对电网电压带来任何不期望的过度影响，该影响特别是可能在地方电网中的低电压层级上会出现。
根据本发明，根据当前电网惯性，在逆变器的结构方面受限的功率性能的框架内，即在能量产生系统的视在功率受限的情况下，通过根据需求提供有功功率和无功功率之间的自适应优先级排序，降低有功功率以有利于提供无功功率，或者反过来降低无功功率以利于提供有功功率。
在用于操作具有光伏发电机和逆变器的能量产生系统的方法中，其中逆变器与交流电压网连接并且与交流电压网交换电功率，并且其中所交换的电功率包括有功功率和无功功率，可以借助于逆变器在光伏发电机输出最大DC功率或者与最大DC功率相比降低的预先规定的DC功率的工作点来操作光伏发电机。逆变器转换DC功率并且将其作为有功功率馈入到交流电压网中。此外，测量交流电压网的瞬时电网电压，并且确定瞬时电网电压与参考电压的瞬时电压偏差，并根据瞬时电压偏差设置逆变器与交流电压网之间交换的无功功率。此外，还确定交流电压网的瞬时电网频率，特别是在逆变器中借助于PLL，确定瞬时电网频率与参考频率的瞬时频率偏差，并且如果瞬时频率偏差超过第一频率偏差极限值，则根据瞬时频率偏差降低由逆变器馈入到交流电压网中的有功功率。在此，第一频率偏差极限值也可以是零，使得一旦瞬时电网频率偏离参考频率，就根据瞬时频率偏差降低馈入的有功功率，或者该第一频率偏差极限值可以定义在交流电压网的标称频率左右的死区(Totband)，其中在电网频率位于死区内的情况下预先规定不根据瞬时频率偏差降低有功功率。根据本发明的方法的特征在于，根据电网电压的时间曲线确定电压变化率，并且根据电压变化率设置逆变器与交流电压网之间交换的无功功率。额外地，根据电网频率的时间曲线确定频率变化率，并且根据频率变化率降低由逆变器馈入到交流电压网中的有功功率。
利用根据本发明的方法，可以根据与频率变化或电压变化相反地可设置的时间常数对有功功率和无功功率进行永久校正，使得该方法实际上模拟了交流电压网的惯性，从而对交流电压网发挥持久稳定的作用。
在该方法的一个实施方式中，可以将由逆变器馈入到交流电压网中的有功功率降低到小于零的值，从而通过逆变器从交流电压网汲取有功功率。特别是在瞬时频率偏差超过第二频率偏差极限值时，根据第一时间点的瞬时频率偏差将馈入的有功功率降低到零，并且后面的第二时间点的瞬时频率偏差高于第一时间点的频率偏差，或者在频率变化率超过频率变化率极限值时，特别可能发生这种情况。在这些情况中的一种情况下，在逆变器中变换由逆变器从交流电压网汲取的有功功率，并且通过逆变器将其作为DC功率反馈到光伏发电机中。
虽然在常规的具有光伏发电机的能量产生系统中，逆变器的反馈操作通常是不希望的，并且基本上要避免，但是根据本发明的方法扩展了具有光伏发电机的能量产生系统的控制范围，以提供围绕作为负载的光伏发电机的功率消耗能力的调节功率。特别地，即使在太阳辐射极少或没有(即，例如夜晚)并且特别是与在夜晚提供无功功率并行的情况下，也能产生更大且可靠的可预测的负调节功率。因此，在交流电压网中的每个利用根据本发明的方法操作的能量产生系统均随时至少提供确保电网稳定的可能的反馈功率，在瞬时有功功率馈入的情况下，由于光伏发电机可提供的DC功率，相应地甚至更多。此外，在特定的时间点供调控使用的可用的绝对负调节功率的可预测性得以显著改善，因为不管DC功率的与辐射相关的波动如何，都可以使用可能的反馈功率。因此，本发明使得在使用能量产生系统的光伏发电机而没有显著的能量储存器作为负载的情况下来进行动态频率稳定的方案(该方案迄今为止在现有技术中未被考虑)成为可能，特别是在交流电压网中非常高的和/或突然出现的功率过剩的情况下成为可能。
为了在常规的频率静态特性范围内降低具有光伏发电机的能量产生系统的馈入功率，通常以如下方式降低光伏发电机的DC功率，使得从最大功率点(Maximum PowerPoint，MPP)沿着光伏发电机的PV特征曲线在发电机空载方向上升高光伏发电机上的、与逆变器的输入电压对应的电压。在根据本发明的方法的具体实施中，可以以特别简单的方式进一步沿着PV特征曲线升高光伏发电机上的电压，以便产生进入到PV发电机中的反馈电流。在此，在超过空载电压的范围中的PV特征曲线的陡度非常高，使得即使小的电压变化也会导致PV发电机的大的消耗电流(Aufnahmestrom)。这被证明是特别有利的，因为在快速的瞬时过程中，可以实现用于稳定电网的高速的有功功率设置。在此，由于光伏发电机上的电压升高，需要数值小于MPP处的电流的电流，以便将数值对应于MPP功率的负功率反馈到光伏发电机中。
在该方法的一个实施方式中，可以基于有功功率控制值来预先规定有功功率，该有功功率控制值根据瞬时频率偏差和频率变化率来进行计算。在此，可以将隶属函数的隶属值分配给瞬时频率偏差和频率变化率，执行隶属值的“与”连接，并且根据所连接的隶属值的归一化加权确定有功功率控制值。这对应于基于模糊逻辑(Fuzzy Logik)意义上的IF-THEN规则来对控制值进行特别合适的选择，该模糊逻辑特别适合于这种复杂的、非线性的和时变的系统，例如具有大量发电机和用电器的交流电压网。此外，还可以根据无功功率控制值来预先规定无功功率，该无功功率控制值根据瞬时电压偏差和电压变化率来进行计算，其中隶属函数的隶属值被分配给瞬时电压偏差和电压变化率，执行隶属值的“与”连接，并且根据所连接的隶属值的归一化加权确定无功功率控制值。
根据本发明的用于具有光伏发电机的能量产生系统的逆变器的特征在于，逆变器被配置用于执行所描述的方法。逆变器可以包括AC侧逆变器桥电路、DC侧直流电压转换器和直流电压中间电路，其中DC侧直流电压转换器包括功率路径中的二极管和用于在将电功率反馈到光伏发电机中的情况下桥接该二极管的装置。
附图简述
下面基于附图中所示的实施例进一步阐述和描述本发明。
图1示出了能量产生系统的有功功率P与交流电压网的电网频率f的关系，
图2示出了能量产生系统的无功功率Q与交流电压网的电网电压的关系，
图3示出了光伏发电机的已知的PV特征曲线，
图4示出了待调节的有功功率P与交流电压网的电网频率f的相对于图1修改的关系，
图5示出了用于确定待馈入的有功功率P或待馈入的无功功率Q的设定值的调节功能的框图，以及
图6示出了相对于图5修改的调节功能的框图。
附图描述
图1示出了由能量产生系统馈入到交流电压网中的待设置的有功功率P与交流电压网的电网频率f的关系。电网频率f可以被划分成三个范围I、II和III，其中在范围I中假设交流电压网的正常操作基本上无干扰，而在区域II中存在需由能量产生系统抵消的过频。在范围III中，电网频率高到能量产生系统通常应与交流电压网断开。
以实线所示的频率静态特性10对应于有功功率P与电网频率f的常规关系，分散式能量产生系统基于该关系设置用于以例如50Hz的标称频率馈入到交流电压网中的电功率P。为此，在能量产生系统的位置处测量交流电压网的电压，并且例如借助于可以包括锁相环(PLL)的电网同步单元根据测量出的电压来确定和监控交流电压网的电网频率f。只要电网频率f位于频率范围I内，即在该示例中低于50.2Hz(并且高于未示出的下极限值，该下极限值明显低于50Hz)，那么能量产生系统就可以馈入有功功率P0，该有功功率不受任何与频率相关的限制，因此对应于例如发电机(特别是能量产生系统的光伏发电机)的最大可能功率PMPP，或者对应于低于该最大可能功率一个调节裕量(Regelreserve)或由于其他外部边界条件而低于该最大可能功率的功率。
如果电网频率f位于频率范围II内，即在该示例中介于50.2Hz与51.5Hz之间，则频率静态特性10预先规定待馈入的有功功率P相对于功率P0的与频率相关的降低，其中频率静态特性10在频率范围II内具有例如每Hz 0.4×P0的陡度。此外，可以要求须在例如大约2秒至5秒的最大调节时间内设置以这种方式降低的有功功率P。如果电网频率f位于频率范围III内，即在该示例中高于51.5Hz，则可以要求能量产生系统须与交流电压网断开，即根据频率静态特性10将有功功率P降低到零。
因此，甚至在来自上级调节器的任何外部指令或者电网运营商的手动或自动调控指令生效之前，根据频率静态特性10馈入的有功功率P的降低就已经引起能量产生系统的频率相关的响应。然而，在频率静态特性10中仅考虑频率的瞬时值，并且所要求的调节时间相对较高，使得能量产生系统对特别是在频率范围II内的频率变化的响应相对较慢。
因此，除了频率静态特性10之外，还可以提供具有调控下限11的调控范围12，在根据图1的示例中，该调控下限延伸穿过频率范围II并且部分地进入到频率范围I中，并且在频率范围中例如线性地下降。根据有功功率P与频率变化率df/dt的附加依赖关系可以提出，能量产生系统馈入比仅由频率静态特性10所提供的降低降低得更强烈的有功功率P。因此，在电网频率f为静态的情况下，能量产生系统根据频率静态特性10馈入有功功率P，而在电网频率f动态变化的情况下，该能量产生系统馈入这样的有功功率P，该有功功率根据频率变化率df/dt位于调控范围12内，并且如果频率变化率df/dt表明电网频率f在频率范围II的方向上(特别是快速地和/或突然地)移动并且进入到该频率范围II中，并且在频率范围II中预先规定比仅由静态的频率静态特性10给出的降低更强烈的降低的有功功率P，那么该有功功率在频率范围I中电网频率f符合标准的情况下就已经导致有功功率P的预防性降低。应理解，调控下限11以及调控范围12也可以更远或不那么远地延伸到频率范围I和频率范围III中，并且可以具有其他形状，例如正方形或台阶形的曲线。此外，调控范围原则上还可以延伸到高于频率静态特性10的范围；特别地，在高于频率静态特性10的这个范围内设置有功功率P可以是有意义的：频率f例如一方面位于频率范围II内并且因此存在过频，该过频本身可以通过至少根据频率静态特性10降低有功功率来抵消；然而另一方面存在符号为负且特别是数值高的频率变化率df/dt，该频率变化率表明频率f快速地降低，意味着不久后可能会出现欠频，这通过比由于当前过频而由频率静态特性10所预先规定的降低小的降低来(预防性地)降低有功功率P来抵消。
图2示出了由能量产生系统馈入到交流电压网中的待设置的无功功率Q与交流电压网的电网电压U的关系。电网电压U可以被划分成三个范围I、II和III，其中在范围I中假设交流电压网的正常操作基本上无干扰，而在范围II中存在欠电压，并且在范围III中存在过电压，这通过由能量生系统提供电容性或电感性的无功功率来抵消。
以实线所示的无功功率静态特性20对应于无功功率Q与电网电压U的常规关系，分散式的能量产生系统基于该关系为标称电压为U0的交流电压网提供无功功率Q。为此，在能量产生系统的位置处测量交流电压网的电压的时间曲线，并且根据测量出的时间曲线确定和监控电网电压的决定性(maβgebend)幅度。只要电网电压U位于电压范围I内，即存在在一定程度上符合标准的电网电压，就可以放弃由能量产生系统馈入无功功率。
如果电网电压U位于电压范围II内，即在该示例中低于极限电压UI-II，则无功功率静态特性20预先规定馈入幅度与电压相关的电容式无功功率Q。如果电网电压U位于电压范围III内，即在该示例中高于极限电压UI-III，则无功功率静态特性20预先规定馈入幅度与电压相关的电感式无功功率Q。在此，在电压范围II和III中，无功功率静态特性20可以分别具有线性曲线，该线性曲线具有特别是由电网运营商预先规定的陡度。此外，可以要求须在最大调节时间内设置以这种方式要求的无功功率Q。
因此，甚至在来自上级调节器的任何外部指令或者电网运营商的手动或自动无功功率要求生效之前，根据无功功率静态特性20提供以这种方式定义的无功功率Q就已经引起能量产生系统的电压相关的响应。然而，在无功功率静态特性20中，仅考虑电网电压的瞬时值，并且所要求的调节时间相对较高，使得能量产生系统对特别是位于电压范围II和III中的电压变化的响应相对较慢。
因此，除了无功功率静态特性20之外，还可以提供附加的动态支持范围22，该动态支持范围22由无功功率静态特性20和附加的无功功率下限或无功功率上限21限定，并且延伸穿过电压范围I且部分地延伸进入到电压范围II和III中。根据无功功率Q与电压变化率dU/dt的附加依赖关系可以提出，能量产生系统提供具有比仅由无功功率静态特性20所提供的数值高的无功功率Q。因此，在电网电压U为静态的情况下，能量产生系统根据无功功率静态特性20设置无功功率Q，而在电网电压U动态变化的情况下，该能量产生系统提供这样的无功功率Q，该无功功率Q根据电压变化率dU/dt位于支持范围22内，并且如果电压变化率dU/dt表明电网电压U移向电压范围II或III中的一个电压范围，并且在电压范围II和III中预先规定比仅由静态的无功功率静态特性给出的数值更大的无功功率Q，那么该无功功率在电压范围I内电压U符合标准的情况下就已经导致预防性地提供无功功率Q。应理解，无功功率下限或无功功率上限21以及支持范围22可以在电压范围I内相交，使得在电网电压U仍然在电压范围I内并且高于或低于U0时就已经提供了电容式或电感式的无功功率Q，但是基于电压变化率dU/dt可以识别出电网电压U动态地发生变化并且移向电压范围II或III。此外，支持范围22也可以具有其他形状，例如正方形的曲线或台阶形的曲线。
图3示出了在发电机计数箭头系统
Figure BDA0002673712140000121
中光伏发电机在不同的辐射下本身已知的PV特征曲线31、32。在此，示出了将电压U施加在光伏发电机上时流经光伏发电机的电流I。在入射到光伏发电机上的太阳辐射的正常操作中，例如通过光伏发电机所连接的逆变器将正电压U施加到光伏发电机上，并且根据PV特征曲线31来设置电流I，光伏发电机在第一象限中纯粹以发电机方式操作。为了从光伏发电机获得最大可能的功率Pmax，逆变器可以沿着PV特征曲线31来设置电压U，使得电压U对应于最大功率点(Maximum Power Point，MPP)处的电压Upmax，并且光伏发电机提供电流Ipmax。在没有太阳辐射的情况下，光伏发电机根据PV特征曲线32工作，使得第一象限中的电流I为零或小于零，因此光伏发电机不能产生任何功率。在此，PV特征曲线31在大于空载电压的范围内的陡度高到使得小的电压变化就已经导致PV发电机的非常大的消耗电流。
如果将大于空载电压的电压U施加在光伏发电机上，其中空载电压在被照射的状态下对应于PV特征曲线31与U轴线的交点，则电流I的方向反转，并且光伏发电机接收电功率，即该光伏发电机作为用电器，因此处于根据图3的第四象限中。在此，限制可施加的电压U，使得光伏发电机可以接收例如受到光伏发电机的热容量限制的最大功率。此外，最大电压U还可以受到能量产生系统的结构条件的限制，特别是还受到逆变器的输入端处的最大电压U或最大电流数值I的限制。
只要将足够高的电压U施加在光伏发电机上并且负电流I流动，那么在未被照射的状态下，光伏发电机也可以根据PV特征曲线32接收电功率。
图4示出了待设置的有功功率P与交流电压网的电网频率f的相对于图1修改的关系。电网频率f可以被划分成四个范围I、II、IIa和III，其中与图1类似地，在范围I中假设电网频率f在标称频率fNom范围内的交流电压网的正常操作基本上无干扰，而在范围II中，存在由能量产生系统抵消的过频。在紧接着范围II的范围IIa中，可以根据频率静态特性40代替根据图1所提供的断开来提供到光伏发电机中的反馈，通过从交流电压网获得有功功率并反馈到光伏发电机中，该反馈可以比断开更有效地抵消交流电压网中可能的功率过剩(作为过频的原因)。应理解，频率静态特性40在范围IIa中的曲线可以具有与图4所示的不同的形状，例如正方形或台阶形的曲线。在范围III中，电网频率再次高到使能量产生系统应与交流电压网断开；在这里，可以假设交流电压网发生故障，其中在理想情况下，所有发电机和用电器均应首先与交流电压网断开，以便可调节地重启交流电压网。
除了频率静态特性40之外，还可以提供具有下限41的调控范围42，在根据图4的示例中，该调控范围42延伸穿过频率范围II并且部分地延伸进入到频率范围I和频率范围IIa中，并且在频率范围IIa中例如线性地下降。根据有功功率P对频率变化率df/dt的附加依赖关系可以提出，能量产生系统馈入有功功率P，该有功功率根据频率变化率df/dt位于调控范围41内，并且如果频率变化率df/dt表明电网频率f(快速地和/或突然地)在频率范围II的方向上移动并且进入到频率范围II中，并且在频率范围II中有功功率P比仅由静态的频率静态特性10给出的降低降低得更强烈，那么该有功功率在频率范围I内电网频率f符合标准的情况下就已经导致有功功率P的预防性降低。此外，调控范围42延伸到负有功功率P的范围中，其中能量产生系统从交流电压网获得有功功率并且反馈到光伏发电机中。因此，在根据频率静态特性40的静态的电网频率f的情况下，能量产生系统在范围II中馈入降低的有功功率P，并且可以在范围IIa中从交流电压网额外地获得有功功率。在电网频率f动态变化的情况下，能量产生系统可以馈入有功功率P或者从交流电压网获得有功功率P，其中在调控范围42中有功功率P的数值和符号一方面可以由电网频率f预先规定，另一方面可以由与频率变化率df/dt的关系预先规定。应理解，下限41以及调控范围42还可以更远地或不那么远地延伸到频率范围I和IIa中，并且可以具有其他形状，例如正方形或台阶形的曲线。
因此，依据当前准则，当超过定义的频率极限fI-II时，能量产生系统的有功功率开始以例如规范地预先规定的梯度ΔP/Δf来调控。当超过进一步定义的频率极限fII-IIa时或者在将能量产生系统的有功功率P完全调控到P＝0W之后，在电网频率f进一步升高的情况下，通过将有功功率反馈到光伏发电机中，可以以相同的或更陡的梯度ΔP/Δf进一步降低有功功率P，并且必要时使有功功率P为负值。从交流电压网获得有功功率P可以继续，直到在交流电压网中再次建立功率平衡且电网频率f采取允许的容差范围内的值(特别是范围I内的值)。如果电网频率f超过进一步定义的频率极限fI1a-III和/或利用在交流电压网中可用的调节功率不能实现功率平衡且电网频率f不能降低到范围I中，则可以将系统的电网断开。
图5示出了用于确定待馈入的有功功率P或待馈入的无功功率Q的设定值Psoll、Qsoll的调节线路50。该调节线路50可以是能量产生系统的逆变器的已知的级联调节的一部分，其中调节例如包括内部AC电流调节回路和外部DC电压调节回路，使得经由从逆变器馈入到交流电压网中的AC有功电流来调节施加在逆变器的输入端并且因此施加在光伏发电机上的DC电压。为了实现负设定值PSoll，即为了将有功功率反馈到光伏发电机中并相应地设置PV发电机工作点，可以首先根据负有功功率设定值计算出负有功电流，并通过逆变器的AC调节直接调整该负有功电流。由于负有功电流在逆变器的中间电路中产生反向电流，因此中间电路中的DC电压升高。由此，逆变器的输入电压以及光伏发电机上的电压也直接升高或经由逆变器的输入侧的DC-DC转换器间接升高，直到在逆变器的中间电路中建立流出到光伏发电机中的功率与从交流电压网获得的功率之间的平衡。然后，光伏发电机根据其当前的PV特征曲线31、32接收功率。这种调节过程的动态特性可以利用大约四分之一电网周期的快速调节时间和几个电网周期的稳定时间(Einschwingzeit)来实现。
PV发电机作为负载的根据本发明的操作方式可以在原理上集成到用于逆变器的每种常规的调节方法中，并且使作为交流电压网上的控制环节的能量产生系统的可用控制幅度增大。在图5中示出了用于实施根据本发明的方法的一个可能的调节函数50。借助于AC电压测量51来测量交流电压网的电网电压U的时间曲线，并且从中例如借助于频率和幅度确定单元52(例如，PLL)来确定和持续地监控电网频率f和电网电压
Figure BDA0002673712140000151
从中计算出与标称频率fNom的频率偏差Δf、频率变化率Δf/Δt、与标称电压
Figure BDA0002673712140000152
的电压偏差
Figure BDA0002673712140000153
和电压变化率
Figure BDA0002673712140000154
在计算块53中，根据频率偏差Δf和频率变化率Δf/Δt计算出有功功率变化ΔP的(临时)设定值，特别是基于图1和图4中所呈现的有功功率P与电网频率f的示例性关系之一来计算。在计算块53中，根据电压偏差
Figure BDA0002673712140000155
和电压变化率
Figure BDA0002673712140000156
计算出无功功率变化ΔQ的(临时)设定值，特别是基于图2中所示的无功功率Q与电网电压
Figure BDA0002673712140000157
的示例性关系和电压变化率
Figure BDA0002673712140000158
来计算。(临时)设定值ΔP与最大功率PMPP或预先规定的有功功率P外部的当前值相加，并且
Figure BDA0002673712140000161
与瞬时无功功率QSPTN或预先规定的无功功率Q外部的当前值相加。在限定块54中，如果将要为有功功率P和无功功率Q一起设置的(临时)值可能导致比逆变器的预先规定的视在功率极限值SMax高的视在功率S，则必要时在有功功率P与无功功率Q之间进行优先级排序。结果，根据图5的调节函数50提供了待设置的有功功率P和待设置的无功功率Q的设定值PRef、QRef，这些设定值在逆变器的进一步控制和调节的范围内的已知的进一步的方法步骤中被实施，使得在逆变器与交流电压网之间交换相应的有功功率PRef和相应的无功功率QRef。
图6示出了相对于图5修改的调节线路60，其中在计算块63中，分别在考虑频率偏差Δf、频率变化率Δf/Δt、电压偏差
Figure BDA0002673712140000162
和电压变化率
Figure BDA0002673712140000163
这四个所有变量的情况下确定有功功率变化ΔP和无功功率变化ΔQ的设定值，从而确定相应的设定值PRef、QRef。为此，在计算块63中进行如下算法，该算法一方面适当地考虑有功功率P与电网频率f的关系(特别是根据图1或图4)以及无功功率Q与电网电压U的系(特别是根据图3)，另一方面适当地考虑电网频率f与无功功率Q以及电网电压
Figure BDA0002673712140000164
与有功功率P的任何相互的关系。
借助于根据图5中的计算块53的分开的规则基础(Regelbase)或借助于根据图6中的计算块63的共同的规则基础来计算无功功率和有功功率的待设置的值可以经由IF-THEN规则来进行，并且借助于模糊逻辑来模仿人类行为。大致地总结，对于确定待设置的有功功率P(该有功功率对于基于电网状态来保持电网稳定性是有意义的)，例如可以首先确定电网频率偏差Δf是否位于标准范围内，并且频率变化率Δf/Δt是否位于标准范围内；随后可以馈入瞬时可用的MPP功率PMPP或较小的有功功率P外部，如果出于任何原因(温度极限、WR电流极限、外部预先规定等)需要降额逆变器，则可以馈入较小的有功功率P外部。然而，如果电网频率f或频率变化率Δf/Δt高于相应的极限值，则随后有功功率P可以根据图1或图4降低ΔP，并且必要时从交流电压网汲取尽可能多的有功功率P并反馈到作为负载的光伏发电机中；在这种情况下，能量产生系统不与交流电压网断开。因此，特别是对于确定待设置的无功功率Q(该无功功率对于基于电网状态来保持电网稳定性是有意义的)，可以首先确定电网电压
Figure BDA0002673712140000171
和电压变化率
Figure BDA0002673712140000172
是否位于标准范围内；随后可以放弃将无功功率Q馈入到电网中或者提供(小的)补偿无功功率Qspnt或Q外部，如果出于某种原因(AC滤波器无功功耗等)则可以提供Q外部。然而，如果电网电压
Figure BDA0002673712140000173
的偏差或电压变化率
Figure BDA0002673712140000174
大于相应的极限值，则随后可以根据图2设置抵消的无功功率Q。
对于待设置的有功功率P和待设置的无功功率Q的特定计算，可以使用所谓的隶属函数，利用这些隶属函数可以定义变量的给定属于多个可能状态中的一个状态的比例。例如，可以为变量电网频率f定义隶属函数，该隶属函数包括三种状态“正常操作”、“调控”和“电网断开”，并且指定电网频率f的给定值属于所提到的这三种状态之一的比例；特别地，接近标称频率fNom的电网频率f可以以隶属值1被分配至状态“正常操作”；而高于第一极限值50.2HZ或fI-II的频率以介于零与1之间的隶属值被分配至状态“正常操作”并且以介于零与1之间的互补的隶属值被分配至状态“调控”。随后，高于第二极限值51.5Hz或fIIa-III的频率f可以以隶属值1被分配至状态“电网断开”。特别地，这种隶属函数可以针对各个相关性进行定义，即：电网频率f与调控或断开之间的相关性、频率变化率Δf/Δt与调控或断开之间的相关性、有功功率P与操作模式(正常操作/调控)之间的相关性、电网电压
Figure BDA0002673712140000175
与(无励磁的/欠励磁的/过励磁的)无功功率馈入Q之间的相关性、电压变化率ΔU/ΔU与(无励磁的/欠励磁的/过励磁的)无功功率Q之间的相关性以及无功功率Q与操作模式(无馈入/电容式馈入/电感式馈入)之间的相关性。总的来说，这些隶属函数可以限定多维度的特性曲线。
特别地，待设置的有功功率P和待设置的无功功率Q的特定计算可以包括以下步骤。基于AC电压测量51，可以借助于频率和幅度确定单元52(例如，PLL)来确定电网频率f和电网电压
Figure BDA0002673712140000176
的幅度。根据电网频率f和电网电压
Figure BDA0002673712140000177
确定并持续地监控与相应的标称值的相应的偏差Δf、
Figure BDA0002673712140000178
并且通过微分确定并持续地监控频率变化率Δf/Δt和电压变化率
Figure BDA0002673712140000179
对于所确定的Δf、Δf/Δt、
Figure BDA0002673712140000181
和
Figure BDA0002673712140000182
的值，可以在所谓的模糊化框架内确定隶属函数的隶属值。随后，可以在所谓的聚合与蕴含(Aggregation&Implikation)的框架内执行所确定的隶属值的“与”连接。“与”连接的结果可以在所谓的累加与去模糊化的框架内使用，以分别借助于归一化加权公式来计算待设置的有功功率P和待设置的无功功率Q。
此外，可以在待设置的有功功率P与待设置的无功功率Q之间执行优先级排序，特别是在实际上不能对待设置的有功功率P和待设置的无功功率Q的确定组合进行设置(这是因为能量产生系统或逆变器在技术上不能提供相应的得到的视在功率S)时执行。在此额外地可以考虑，待采取的用于稳定电网状态的一个参数的措施不允许导致电网状态的另一个参数不稳定；例如，弱电网中有功功率降低不允许导致任何会影响电网电压
Figure BDA0002673712140000183
低于极限值的电压变化。
基于考虑电网频率瞬时值f和频率变化率Δf/Δt，该方法能够实现对有功功率的平稳持续的设置，并且能够实现能量产生系统在过频情况下的快速响应。因此，在重大干扰之后，能量产生系统保持受调控或处于负载操作，直到电网频率f和频率变化率Δf/Δt的调节偏差再次是正常值。可以借助电网区段中其余更慢的发电机的调控动态特性来重新启动有功功率P。在宣告错误之后，能量产生系统可以利用该方法再次馈入与辐射相关的MPP功率。在过频保持稳定的情况下，可以考虑持续的调控，但是可以通过产生电压的能量产生系统对该持续的调控再次缓慢地调整。然而，优选地，不累加持续的控制偏差来完全调整这些控制偏差，因为用所描述的方法操作的单个能量产生系统不能做到这一点，特别是当单个发电系统的额定电功率比交流电压网中的总发电功率小得多时如此。
对于能量产生系统或能量产生系统的逆变器的技术要求，应注意，特别是具有上游DC-DC转换器的二级逆变器可以在直流电流发电机与逆变器桥电路之间的电流路径中具有二极管，该二极管可以阻止向发电机的反馈。这种逆变器允许稍加修改，例如对于二极管，特别是可以包括桥接开关的二极管，该修改是桥接方案的形式。对于反馈操作，这种桥接开关可以在能量产生系统开始消耗有功功率之前立即闭合。
本发明描述了一种操作电流受调节的、具有光伏发电机的能量产生系统的方案，但是，为了稳定频率，该能量产生系统没有作为负载的显著的电能储存器。与目前的现有技术相比，该方案能够扩展电网上的能量产生系统的控制范围，并且能够利用基于变换器的馈电设备渗透高的交流电压网的电网稳定提供高动态性。
本发明将具有光伏发电机的能量产生系统的PQ控制范围从两个象限扩展到四个象限。在最好的情况下，与现有技术相比，负控制功率可加倍。原则上，根据本发明，可以通过将能量产生系统的光伏发电机作为负载操作，来提供较少依赖于辐射的、限定的、绝对的、负的调节功率。
因此，这为电网运营商提供了在发生重大事件时借助于能量产生系统支持电网的扩展方案，其中具有光伏发电机的能量产生系统的逆变器适合作为发电机，特别是适合作为用于稳定频率的快速可控的负载。
参考标记列表
10 频率静态特性
11 调控界限
12 调控范围
20 无功功率静态特性
21 无功功率界限
22 支持范围
31、32 PV特征曲线
40 频率静态特性
41 调控界限
42 调控范围
50、60 调节函数
51 电压测量
52 频率和幅度确定单元
53、63 计算块
54 限定块
I、II、IIa、III 范围。

Claims (10)

1.一种用于操作能量产生系统的方法，所述能量产生系统具有光伏发电机和逆变器，其中在所述逆变器与交流电压网之间传输电功率，其中所传输的电功率包括有功功率(P)和无功功率(Q)，其中在第一操作模式中，所述光伏发电机借助于所述逆变器在最大有功功率点(MPP)操作，
其特征在于，
在第二操作模式中，根据电网频率瞬时值(f)和电网频率变化率(df/dt)来设置所述有功功率(P)，并且在所述第二操作模式中，根据电网电压瞬时值(U)和电网电压变化率(dU/dt)来设置所述无功功率(Q)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第二操作模式中，额外地根据所述电网电压瞬时值(U)和/或所述电网电压变化率(dU/dt)来设置所述有功功率(P)，和/或额外地根据所述电网频率瞬时值(f)和/或所述电网频率变化率(df/dt)来设置所述无功功率(Q)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第二操作模式中，根据所述交流电压网的特性，特别是根据所述交流电压网在所述能量产生系统投入使用之前确定的或在从所述第一操作模式变更到所述第二操作模式时当下确定的惯性和/或电网阻抗，来确定优先级排序，对于根据待设置的有功功率(P)和待设置的无功功率(Q)得到高于针对所述逆变器给定的视在功率极限值(SMax)的待设置的视在功率(S)的情况，根据所述优先级排序确定是优选设置待设置的有功功率(P)和低于待设置的无功功率(Q)的无功功率，还是优选设置待设置的无功功率(Q)和低于待设置的有功功率(P)的有功功率。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第二操作模式中，对于从待设置的有功功率(P)和待设置的无功功率(Q)获得高于针对所述逆变器给定的视在功率极限值(SMax)的待设置的视在功率(S)的情况，根据所述视在功率极限值来设置视在功率(S)：
-如果所述电网频率瞬时值(f)和/或所述电网频率变化率(df/dt)高于各自的频率优先级排序极限值，则所述视在功率优选包括待设置的有功功率(P)和小于待设置的无功功率(Q)的无功功率，或者
-如果所述电网电压瞬时值(U)和/或所述电网电压变化率(dU/dt)高于电压优先级排序极限值，则所述视在功率优选包括待设置的无功功率(Q)和低于待设置的有功功率(P)的有功功率，或者
-如果既超过所述频率优先级排序极限值也超过所述电压优先级排序极限值，则所述视在功率包括数值在待设置的有功功率(P)和待设置的无功功率(Q)产生低于所述视在功率极限值(SMax)的视在功率(S)时的最后的时间点处被设置的有功功率(P)和无功功率(Q)。
5.一种用于操作能量产生系统的方法，所述能量产生系统具有光伏发电机和逆变器，其中所述逆变器与交流电压网连接并且与所述交流电压网交换电功率，其中所交换的电功率包括有功功率(P)和无功功率(Q)，所述方法包括以下步骤：
-借助于所述逆变器在所述光伏发电机输出最大DC功率或相对于所述最大DC功率降低的预先规定的DC功率的工作点(MPP)操作所述光伏发电机，
-转换所述DC功率，并且通过所述逆变器将所转换的DC功率作为有功功率(P)馈入到所述交流电压网中，
-测量所述交流电压网的瞬时电网电压(U)，
-确定所述瞬时电网电压(U)与参考电压(U0)的瞬时电压偏差(dU)，
-根据所述瞬时电压偏差(dU)设置在所述逆变器与所述交流电压网之间交换的无功功率(Q)，
-确定所述交流电压网的瞬时电网频率(f)，特别是在逆变器中借助于PLL来确定，
-确定所述瞬时电网频率(f)与参考频率(fNom)的瞬时频率偏差(df)，
-如果所述瞬时频率偏差(df)超过第一频率偏差极限值，则根据所述瞬时频率偏差(df)降低由所述逆变器馈入到所述交流电压网中的有功功率(P)，
其特征在于以下进一步的步骤：
-根据所述电网电压的时间曲线确定电压变化率(dU/dt)，
-根据所述电压变化率(dU/dt)设置在所述逆变器与所述交流电压网之间交换的无功功率(Q)，
-根据所述电网频率(f)的时间曲线确定频率变化率(df/dt)，
-根据所述频率变化率(df/dt)降低从所述逆变器馈入到所述交流电压网中的有功功率(P)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，将由所述逆变器馈入到所述交流电压网中的有功功率(P)降低到小于零的值，使得如果：
-所述瞬时频率偏差(df)超过第二频率偏差极限值，或者
-所馈入的有功功率(P)根据第一时间点的瞬时频率偏差(df)被降低到零，并且后面的第二时间点的瞬时频率偏差(df)高于所述第一时间点的频率偏差(df)，或者
-所述频率变化率(df/dt)超过频率变化率极限值，
则通过所述逆变器从所述交流电压网汲取有功功率(P)，并且变换如此汲取的有功功率(P)，并且通过所述逆变器将所变换的有功功率作为DC功率反馈到所述光伏发电机中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，根据有功功率控制值(PRef)来预先规定有功功率(P)，根据所述瞬时频率偏差(df)和所述频率变化率(df/dt)来计算所述有功功率控制值，其中为所述瞬时频率偏差(df)和所述频率变化率(df/dt)分配隶属函数的隶属值，执行所述隶属值的“与”连接，并且根据所连接的隶属值的归一化加权确定所述有功功率控制值(PRef)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，根据无功功率控制值(QRef)预先规定无功功率(Q)，根据所述瞬时电压偏差(dU)和所述电压变化率(dU/dt)来计算所述无功功率控制值，其中为所述瞬时电压偏差(dU)和所述电压变化率(dU/dt)分配隶属函数的隶属值，执行所述隶属值的“与”连接，并且根据所连接的隶属值的归一化加权确定所述无功功率控制值(QRef)。
9.一种用于具有光伏发电机的能量产生系统的逆变器，其特征在于，所述逆变器被配置用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
10.根据权利要求9所述的逆变器，所述逆变器包括AC侧逆变器桥电路、DC侧直流电压转换器和直流电压中间电路，其特征在于，所述DC侧直流电压转换器包括功率路径中的二极管和用于在将电功率反馈到所述光伏发电机中的情况下桥接所述二极管的装置。
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