CN112640244A - 用于一体式风力和太阳能功率系统的无功功率控制方法 - Google Patents

用于一体式风力和太阳能功率系统的无功功率控制方法 Download PDF

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CN112640244A CN201980058165.5A CN201980058165A CN112640244A CN 112640244 A CN112640244 A CN 112640244A CN 201980058165 A CN201980058165 A CN 201980058165A CN 112640244 A CN112640244 A CN 112640244A
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Abstract

提供一种操作采用发电机(110)和太阳能功率源(120)的功率生成系统(100)的方法。方法包括以下步骤：确定(310)风速是否小于切入速度，计算(315)关于电网(102)的无功功率需求，计算(320)线路侧转换器(140)的无功功率容量，确定(325)无功功率需求是否大于无功功率容量，以及计算(330)线路侧转换器(140)和转子侧转换器(130)的无功功率容量。方法还包括以下步骤：确定(335)无功功率需求是否大于线路侧转换器(140)和转子侧转换器(130)的无功功率容量，以及减少太阳能功率生成或重新配置线路侧转换器(140)和/或转子侧转换器(130)来满足无功功率需求。

Description

用于一体式风力和太阳能功率系统的无功功率控制方法
技术领域
本申请大体上涉及电功率的生成，且更特别地涉及一种用于一体式风力和太阳能功率系统的无功功率控制方法。
背景技术
随着传统化石燃料价格继续上涨，诸如太阳能和风场之类的可再生能源在经济上变得更可行。如果适当的控制系统就位以用于协调随公用事业的需求所产生的功率，现有的电功率分配(网)基础可用于分配来自可再生能源的功率。可度量关于功率的需求，且需求信号可用来控制由可再生源供应至电网的功率的量。
当电压和电流同相时，生成或消耗有功功率。当电压和电流90度异相时，生成或消耗无功功率。纯容性或纯感性的负载大体上将仅消耗无功功率(除了小的电阻损耗外)，且没有明显的(appreciative)有功功率传输到负载。无功功率由称为伏安无功或VAR(其为便利的数学量，因为视在功率是VAR和瓦特的向量和)的量来度量。电网的稳定性与无功功率的生成和/或消耗相关。因此，有必要控制从可再生能源输出的无功功率来满足电需求，同时为电网提供稳定性。
先前的无功功率管理方法和系统调节VAR命令，该VAR命令发送到风力涡轮以控制每个风力涡轮的瞬时无功功率产生。然而，此类方法和系统在协调来自一体式风力和太阳能功率系统的无功功率响应时经受困难。因此，存在对用于一体式风力和太阳能功率系统的无功功率调节和电压支持的需要。
发明内容
根据一方面，提供一种操作采用发电机和太阳能功率源的功率生成系统的方法。发电机电耦合到转子侧转换器和公共耦合点(PCC)，PCC电耦合到线路侧转换器，DC-DC转换器电耦合到转子侧转换器的输出和线路侧转换器的输入。DC-DC转换器电耦合到太阳能功率源。方法包括以下步骤：(a)确定风速是否小于切入速度；(b)计算关于电网的无功功率需求；(c)计算线路侧转换器的无功功率容量(capability)；(d)确定无功功率需求是否大于无功功率容量；(e)计算线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量；(f)确定无功功率需求是否大于线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量。方法还包括步骤(g)，如果无功功率需求大于线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量，减少太阳能功率生成，以及重复确定无功功率需求是否大于线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量的步骤，或重新配置线路侧转换器和转子侧转换器中的至少一个来满足无功功率需求。
根据另一方面，提供一种操作采用发电机和次级功率源的功率生成系统的方法。发电机电耦合到转子侧转换器和公共耦合点(PCC)，PCC电耦合到线路侧转换器，DC-DC转换器电耦合到转子侧转换器的输出和线路侧转换器的输入。DC-DC转换器电耦合到次级功率源。方法包括以下步骤：(a)确定风速是否小于切入速度；(b)计算关于电网的无功功率需求；(c)计算线路侧转换器的无功功率容量；(d)确定无功功率需求是否大于无功功率容量；(e)计算线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量；(f)确定无功功率需求是否大于线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量。方法还包括步骤(g)，如果无功功率需求大于线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量，减少次级功率生成，以及重复确定无功功率需求是否大于线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量的步骤，或重新配置线路侧转换器和转子侧转换器中的至少一个来满足无功功率需求。
根据另一方面，提供一种操作采用发电机和电池功率源的功率生成系统的方法。发电机电耦合到转子侧转换器和公共耦合点(PCC)，PCC电耦合到线路侧转换器，DC-DC转换器电耦合到转子侧转换器的输出和线路侧转换器的输入。DC-DC转换器电耦合到电池功率源。方法包括以下步骤：(a)确定风速是否小于切入速度；(b)计算关于电网的无功功率需求；(c)计算线路侧转换器的无功功率容量；(d)确定无功功率需求是否大于无功功率容量；(e)计算线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量；(f)确定无功功率需求是否大于线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量。方法还包括步骤(g)，如果无功功率需求大于线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量，减少电池功率生成，以及重复确定无功功率需求是否大于线路侧转换器和转子侧转换器的无功功率容量的步骤，或重新配置线路侧转换器和转子侧转换器中的至少一个来满足无功功率需求。
附图说明
在参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的符号表示图各处的相似部分，其中：
图1示出一体式风力和太阳能功率系统的框图。
图2示出关于功率生成系统的常见的无功功率对有功功率需求/容量的图。
图3示出根据本公开内容的一方面的操作功率生成系统的方法。
图4示出根据本公开内容的一方面的计算关于多个风力涡轮的无功功率容量的方法。
图5示出根据本公开内容的一方面的计算关于多个风力涡轮的无功功率容量的方法。
图6示出根据本公开内容的一方面的操作功率生成系统的方法。
图7示出根据本公开内容的一方面的一体式风力和太阳能功率系统的框图。
具体实施方式
参照本文中阐述的详细图和描述，说明书可最佳地理解。在下文参照图来描述各种实施例。然而，本领域技术人员将容易了解，因为方法和系统延伸超出所描述的实施例，本文中关于这些图所给出的详细描述仅用于说明性目的。
在以下说明书和权利要求书中，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象。如本文中使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则用语“或”不意在为排他的，且是指所提到的构件中的至少一个是存在的，并包括其中所提到的构件的组合可存在的情况。
如本文中在说明书和权利要求书各处使用的，近似语言可应用于修饰在不导致它所涉及的基本功能上改变的情况下可允许变化的任何数量表示。相应地，由诸如“约”和“大致”之类的一个或多个用语所修饰的值不限于所指定的精确值。这里以及在说明书和权利要求书各处，范围限制可组合和/或互换；除非上下文或语言另外指示，否则此类范围等同(identified)且包括包含于其中的所有子范围。
如本文中使用的，用语“可”和“可为”指示在一组情形内发生的可能性；所指定的性质、特性或功能的拥有；和/或形容另一动词(通过表达与所形容的动词相关联的能力、容量或可能性中的一个或多个)。相应地，“可”和“可为”的使用指示所修饰的用语看起来(apparently)合适、能够或适合于所指示的容量、功能或使用，同时考虑到在一些情形中，所修饰的用语可有时不合适、能够或适合。
图1示出一体式风力和太阳能功率系统100的框图。一体式风力和太阳能功率系统100在公共耦合点(PCC)103处电连接到电网102。电网102可包括用于将电力从一个或多个功率生成站通过高/中压传输线输送到消耗者的互连网络。网102上的电负载(未示出)可由消耗来自电网102的电力的多个电装置构成。在一些情况下，例如在孤立的操作模式的情况下，电网102可不能用。虽然一体式风力和太阳能功率系统100耦合到电网102，可由于电网102的故障或停用造成没有功率输送到电网102。
一体式风力和太阳能功率系统100包括一个或多个风力涡轮，且每个风力涡轮具有发电机110。仅作为一个示例，发电机110可为双馈感应发电机(DFIG)。光伏(PV)或太阳能功率源120也形成一体式风力和太阳能功率系统的部分。一体式风力和太阳能功率系统100包括转子侧转换器130、线路(或网)侧转换器140和DC-DC转换器150。转子侧转换器是使来自发电机110的AC输出功率转换成DC功率的AC-DC转换器。在某些其它操作状况下，转子侧转换器130使来自DC-DC转换器150和/或来自线路侧转换器140的DC功率转换成馈送到发电机的AC功率。线路侧转换器140使从转子侧转换器130和DC-DC转换器150两者输出的DC功率转换为AC功率，以用于随后传输到网102上。在某些其它操作状况下，线路侧转换器140从网102吸取AC功率且转换成DC功率。一体式风力和太阳能功率系统100还可包括中央控制器(未示出)，该中央控制器可操作地耦合到风力涡轮、发电机110、太阳能源120以及转换器130、140和150中的至少一个，以控制它们的相应操作。一体式风力和太阳能功率系统100还可包括多种开关160、电感器170、滤波器180和熔断器190。
图2示出关于功率生成系统的常见的无功功率对有功功率需求/容量的图。无功功率(Q)是竖直轴线，且水平轴线是有功功率(P)。三角形曲线201在零有功功率处提供零无功功率。滞后功率因数由曲线201的负Q部分表示，且超前功率因数由曲线201的正Q部分表示。由线202示出矩形无功功率容量。矩形无功功率容量可由功率生成系统用来在零功率生成的情景(例如，无风或零太阳(夜间)的情况)下提供电压调节。除了零功率生成的情景外，还存在非常低功率生成的情景，且在该情况下，矩形无功功率容量将具有更接近于原点而非通过原点的它的左竖直线。还存在关于无功功率容量随有功功率生成的增加来降低的D形曲线(未示出)。
图3示出根据本公开内容的一方面的操作功率生成系统的方法300。在步骤305中，选择风力涡轮/发电机110的默认操作状态。默认状态或默认模式可为(1)其中无功功率容量主要由发电机110驱动且风速等于或高于风力涡轮的切入速度，或(2)其中无功功率容量主要由转换器130和/或140驱动且风速低于切入速度且太阳能功率源120不生成功率。在步骤310中，确定步骤确定风速是否小于关于风力涡轮的切入速度。例如，典型的切入风速可约4米/秒，且这是其中风力涡轮开始启动生成有功功率的风速。如果风速小于切入速度，方法继续至步骤315。然而，如果风速等于或大于切入速度，然后方法返回至步骤305。
在步骤315中，计算步骤计算(或估计)关于电网102的无功功率需求QD。关于无功功率的需求通常从电网管理者/操作者经由电子调度记录(EDL)系统发送到功率生成站。电网上的无功功率流影响电压水平。与整个网一致的系统频率不同，在整个网的点处经受的电压形成‘电压简档’，其与主要的有功和无功功率供应和需求唯一相关。电网管理者/操作者必须在本地水平上管理电压水平来满足系统变化的需要。电网管理者/操作者不断地监测网的状况，且在需要时向外发送关于无功功率的需求。
在步骤320中，计算步骤计算线路侧转换器140的无功功率容量QC。在步骤325中，确定步骤确定无功功率需求QD是否大于无功功率容量QC。如果无功功率需求QD等于或小于无功功率容量QC，然后系统100可满足无功功率需求，且方法返回至步骤305。然而，如果无功功率需求QD大于无功功率容量QC，然后系统100不能满足无功功率需求/目标，且方法继续至步骤330。
在步骤330中，计算步骤计算线路侧转换器140和转子侧转换器130的无功功率容量QC。通过组合线路侧转换器140和转子侧转换器130两者的无功功率容量，无功功率容量应增加。在步骤335中，确定步骤确定无功功率需求QD是否大于线路侧转换器140和转子侧转换器130两者的无功功率容量QC。如果无功功率需求QD大于线路侧转换器140和转子侧转换器130两者的无功功率容量QC，然后方法继续至步骤340。在步骤340中，缩减或减少太阳能功率生成，其可通过控制太阳能功率输出或通过本领域中已知的减少太阳能功率输出的方法来实现。备选地，这可通过电隔离或断开太阳能功率源120中的一些或所有的光伏面板来实现。然后重复步骤330、335和340，直到线路侧转换器140和转子侧转换器130两者的无功功率容量QC大于无功功率需求QD。方法然后移至步骤345，其中系统100重新配置至两个默认模式中的一个中。
然而，如果无功功率需求QD等于或小于线路侧转换器140和转子侧转换器130两者的无功功率容量QC，然后方法移至步骤345，其中系统100重新配置至两个默认模式中的一个中。默认模式为选项(1)，其中无功功率容量主要由发电机110驱动且风速等于或高于风力涡轮的切入速度，或选项(2)，其中无功功率容量主要由转换器130和/或140驱动且风速低于切入速度且太阳能功率源120不生成功率。方法随后移至步骤350，其继续系统100的当前重新配置的操作，且然后返回至步骤310来继续监测风速。
图4示出根据本公开内容的一方面的计算关于多个风力涡轮的无功功率容量的方法。步骤315与图3中的步骤315相同。步骤420与图3中的步骤320非常类似，但关于多个风力涡轮的无功功率容量QC是在以默认模式操作时计算的。例如，计算和合计关于风场中多个或所有的风力涡轮的无功功率容量QC。然后在随后的步骤325中将该总计的无功功率容量QC与无功功率需求QD比较。如果QD等于或小于总计的QC，然后在步骤305中对于系统100，默认操作继续。然而，如果QD大于总计的QC，然后方法移至步骤510(在图5中示出)。
图5示出根据本公开内容的一方面的计算关于多个风力涡轮的无功功率容量的方法。往回参照图4和步骤325，如果总计的无功功率容量QC小于无功功率需求QD，然后方法进行至步骤505。在步骤505中，对风场中风力涡轮的总数计数，并使涡轮数初始化至i等于1且QC等于0。在步骤510中将风速与切入风速比较。如果风速小于切入速度，然后方法进行至步骤530，且在备选方案中，方法进行至步骤520。在步骤520中，计算总计的无功功率容量QC。QC等于当前总计的无功功率容量总和QC加上额外单个风力涡轮的无功功率容量Qiposs，其中i是所选的当前的风力涡轮。步骤520然后进行至步骤550，其确定是否达到了风力涡轮的总和。如果否，然后方法返回至步骤510。如果是，然后方法进行至步骤610(在图6中)。
如果对步骤510的答案为是(即，风速大于切入速度)，然后方法进行至步骤530，步骤530以当前重新配置的系统拓扑来接收可能的无功功率容量Q'iposs。步骤530进行至步骤540，其计算总计的无功功率容量QC。QC等于当前总计的无功功率容量总和QC加上额外单个风力涡轮的无功功率容量Q'iposs，其中i是所选的当前的风力涡轮。步骤540进行至步骤550，其确定i是否达到了风力涡轮的总数。如上文描述的，如果达到了风力涡轮的总数，然后方法进行至步骤610，否则方法进行至步骤560，其使涡轮数i按1增加且然后返回至步骤510。
图6示出根据本公开内容的一方面的操作功率生成系统的方法。在(图5的)步骤550中，如果达到了风力涡轮的总数，然后方法进行至步骤610，其评估无功功率需求QD是否大于总计的无功功率容量QC。如果答案为是，然后方法进行至步骤640(其中确认所选涡轮以用于重新配置)，且如果否，然后方法进行至步骤620。在步骤620中，所选风力涡轮和太阳能功率源(其需要使太阳能功率的产生降低)由此重新配置至新的操作模式中。在步骤630中，缩减关于所选涡轮的太阳能功率。例如，风场中100个风力涡轮当中的10个涡轮可使太阳能功率的产生缩减，使得对于这些风力涡轮，可增加无功功率的产生。步骤630然后进行至步骤650，其中所选的风力涡轮重新配置至选项1或选项2(在上文和图7的描述中论述)。方法然后进行至步骤660，其继续系统100的重新配置的操作。如果对步骤610的答案为是，然后方法直接进行至上文论述的步骤640。
图7示出根据本公开内容的一方面的一体式风力和太阳能功率系统700的框图。该配置允许线路侧转换器140优先用于太阳能功率的产生。如果需求额外的无功功率，然后可通过闭合开关762来使转子侧转换器130重新配置成向网102供应无功功率。当开关762闭合且开关764断开时(例如，在风速低于切入速度的时段期间)，无功功率由转子侧转换器130供应且引导通过电感器170、闭合的开关762、电感器770和熔断器790。重新配置还允许两个转换器130、140除了撤掉太阳能功率外一起用来提供无功功率。系统700还包括次级功率源795(例如，电池功率源，功率储器或燃料电池功率源)，其还连接到转换器150。如对特定的网需求所期望的，功率源120和795可同时使用或交替使用。
备选配置将是消除包含开关762、电感器770和熔断器790且保持开关764和电感器170在转子侧转换器130与发电机110之间连接的电路通道。利用该配置，线路侧转换器140优先用于太阳能功率的产生，且额外的无功功率可由转子侧转换器130通过发电机110作为变压器来供应。发电机应保持静止，故在该模式期间将必须施加转子制动器，或保持发电机静止的任何其它手段。
本发明按照一些特定的实施例来描述。它们仅意在用于说明，且不应以任何方式解释为限制。因此，应理解的是，可对其进行修改，该修改在本发明和所附权利要求书的范围内。将了解的是，上文公开的变型以及其它特征和功能或其备选方案可组合以产生许多其它不同的系统或应用。其中的各种意想不到的备选方案、修改、变型或改进可随后由本领域技术人员做出，且也意在由以下权利要求书所包含。

Claims (14)

1.一种操作采用发电机(110)和太阳能功率源(120)的功率生成系统(100)的方法，其中所述发电机电耦合到转子侧转换器(130)和公共耦合点(PCC)(103)，所述PCC电耦合到线路侧转换器(140)，DC-DC转换器(150)电耦合到所述转子侧转换器的输出和所述线路侧转换器的输入，所述DC-DC转换器电耦合到所述太阳能功率源，所述方法包括：
(a)确定(310)风速是否小于切入速度；
(b)计算(315)关于电网(102)的无功功率需求；
(c)计算(320)所述线路侧转换器的无功功率容量；
(d)确定(325)所述无功功率需求是否大于所述无功功率容量；
(e)计算(330)所述线路侧转换器和所述转子侧转换器的无功功率容量；
(f)确定(335)所述无功功率需求是否大于所述线路侧转换器和所述转子侧转换器的无功功率容量；
(g)如果所述无功功率需求大于所述线路侧转换器和所述转子侧转换器的无功功率容量，减少(340)太阳能功率生成，以及重复确定所述无功功率需求是否大于所述线路侧转换器和所述转子侧转换器的无功功率容量的步骤，或重新配置所述线路侧转换器和所述转子侧转换器中的至少一个来满足无功功率需求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)(310)还包括：
确定风速是否等于或大于所述切入速度，且如果是这样，
以默认模式操作所述发电机。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(c)(320)还包括：
计算关于多个风力涡轮的无功功率容量，所述风力涡轮中的每个具有一个线路侧转换器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(d)(325)还包括：
确定所述无功功率需求是否小于或等于所述无功功率容量，且如果是这样，以默认模式操作所述发电机。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(e)(330)还包括：
计算关于第一风力涡轮的无功功率容量，以及确定所计算的无功功率容量是否等于或大于所述无功功率需求，且如果否，然后对第二风力涡轮重复计算和确定步骤，并重复这些步骤，直到计算了关于风场中所有风力涡轮的所述无功功率容量或所述无功功率需求等于或小于所计算的无功功率容量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(f)(335)还包括：
确定所述无功功率需求是否小于或等于所述线路侧转换器和所述转子侧转换器的无功功率容量，且如果是这样，以默认模式操作所述发电机。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述默认模式包括：
第一默认模式，其中无功功率容量主要由所述发电机驱动，且风速等于或高于所述切入速度；或
第二默认模式，其中无功功率容量主要由所述线路侧转换器和所述转子侧转换器中的至少一个所驱动，且风速低于所述切入速度且所述太阳能功率源不生成功率。
8.一种操作采用发电机(110)和次级功率源(120、795)的功率生成系统(100)的方法，其中所述发电机电耦合到转子侧转换器(130)和公共耦合点(PCC)(103)，所述PCC电耦合到线路侧转换器(140)，DC-DC转换器(150)电耦合到所述转子侧转换器的输出和所述线路侧转换器的输入，所述DC-DC转换器电耦合到所述次级功率源，所述方法包括：
(a)确定(310)风速是否小于切入速度；
(b)计算(315)关于电网的无功功率需求；
(c)计算(320)所述线路侧转换器的无功功率容量；
(d)确定(325)所述无功功率需求是否大于所述无功功率容量；
(e)计算(330)所述线路侧转换器和所述转子侧转换器的无功功率容量；
(f)确定(335)所述无功功率需求是否大于所述线路侧转换器和所述转子侧转换器的无功功率容量；
(g)如果所述无功功率需求大于所述线路侧转换器和所述转子侧转换器的无功功率容量，减少(340)次级功率源生成，以及重复确定所述无功功率需求是否大于所述线路侧转换器和所述转子侧转换器的无功功率容量的步骤，或重新配置所述线路侧转换器和所述转子侧转换器中的至少一个来满足无功功率需求。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包括：
确定风速是否等于或大于所述切入速度，且如果是这样，
以默认模式操作所述发电机。
10.根据权利要求8-9所述的方法，其特征在于，步骤(c)还包括：
计算关于多个风力涡轮的无功功率容量，所述风力涡轮中的每个具有一个线路侧转换器。
11.根据权利要求8-10所述的方法，其特征在于，步骤(d)还包括：
确定所述无功功率需求是否小于或等于所述无功功率容量，且如果是这样，以默认模式操作所述发电机。
12.根据权利要求8-11所述的方法，其特征在于，步骤(e)还包括：
计算关于第一风力涡轮的无功功率容量，以及确定所计算的无功功率容量是否等于或大于所述无功功率需求，且如果否，然后对第二风力涡轮重复计算和确定步骤，并重复这些步骤，直到计算了关于风场中所有风力涡轮的所述无功功率容量或所述无功功率需求等于或小于所计算的无功功率容量。
13.根据权利要求8-12所述的方法，其特征在于，步骤(f)还包括：
确定所述无功功率需求是否小于或等于所述线路侧转换器和所述转子侧转换器的无功功率容量，且如果是这样，以默认模式操作所述发电机。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述默认模式包括：
第一默认模式，其中无功功率容量主要由所述发电机驱动，且风速等于或高于所述切入速度；或
第二默认模式，其中无功功率容量主要由所述线路侧转换器和所述转子侧转换器中的至少一个所驱动，且风速低于所述切入速度且所述次级功率源不生成功率。
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