可再生能源驅動的發(fā)電單元的控制方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種電網中可再生能源驅動的發(fā)電單元的功率控制方法，該方法包括：依據發(fā)電單元中儲能裝置的可用容量值、發(fā)電效率曲線、當前有功功率值、當前無功功率值以及電網電壓幅值和電網的頻率計算得到發(fā)電單元的有功功率參考值和無功功率參考值，依據頻率額定值、發(fā)電單元的有功功率額定值、發(fā)電單元的當前有功功率值和有功功率參考值計算得到速度參考值或轉矩參考值；同時，依據電壓額定值、發(fā)電單元的無功功率額定值、發(fā)電單元的當前無功功率值和無功功率參考值計算得到電壓參考值。本發(fā)明中的發(fā)電單元的功率控制方法能夠使得發(fā)電單元的運行效率高且功率輸出穩(wěn)定。
【專利說明】可再生能源驅動的發(fā)電單元的控制方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)、電力傳動及自動控制【技術領域】，具體設計一種電網中可再生能源驅動的發(fā)電單元及其功率控制方法。

【背景技術】
[0002]隨著能源越來越緊缺，當前電網中越來越多的包括利用風能、太陽能等可再生能源發(fā)電的支路。微電網是一種主要由分布式發(fā)電單元和負載組成的小型發(fā)電、配電和用電系統(tǒng)。微電網能夠實現自我控制、自我保護和自我管理，可以與外部電網并網運行，也可以單獨運行。微電網中的發(fā)電單元獲取能量的方式有多種類型，可以采用風能、太陽能等間歇式可再生能源驅動，還可以采用煤、水電等傳統(tǒng)能源驅動。由于風能和太陽能等間歇式能源受時間、天氣和環(huán)境的影響較大，導致間歇式能源輸出功率不穩(wěn)定、波動性強，為了保證微電網安全穩(wěn)定的運行，需要使得微電網中的發(fā)電單元輸出穩(wěn)定的電壓和頻率，從而輸出穩(wěn)定的無功功率和有功功率。
[0003]中國專利公布號CN102244498A公開了一種微電網中的發(fā)電單元，包括能量捕獲設備、充電控制器、能量儲存模塊、發(fā)電單元驅動器、交流電動機和同步發(fā)電機，通過控制調節(jié)電動機和同步發(fā)電機的轉速從而到達調節(jié)發(fā)電單元輸出有功功率的目的，通過控制調節(jié)同步發(fā)電機的勵磁電壓，保證微電網的電壓穩(wěn)定。
[0004]在實際的微電網中，微電網一般包括一個或多個發(fā)電單元支路，因此需要該一個或多個發(fā)電單元支路在運行中使得微電網在保證電力供應的同時，其電壓和頻率能夠保持穩(wěn)定，并能兼顧使得微電網整體運行效率最高或損耗最低。


【發(fā)明內容】

[0005]為實現上述目的，本發(fā)明的一個實施例提出了一種電網中由可再生能源驅動的發(fā)電單元的功率控制方法，包括如下步驟:
[0006](a)依據發(fā)電單元中的儲能裝置的可用容量值、發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線、發(fā)電單元的當前有功功率值、發(fā)電單元的當前無功功率值、電網的電壓幅值和電網的頻率計算得到發(fā)電單元的有功功率參考值和無功功率參考值；
[0007](b)依據頻率額定值、發(fā)電單元的有功功率額定值、發(fā)電單元的當前有功功率值和有功功率參考值計算得到速度參考值或轉矩參考值，并依據所述速度參考值或轉矩參考值調節(jié)所述發(fā)電單元中同步發(fā)電機的轉速，同時依據電壓額定值、發(fā)電單元的無功功率額定值、發(fā)電單元的當前無功功率值和無功功率參考值計算得到電壓參考值，并依據所述電壓參考值調節(jié)所述同步發(fā)電機的輸出電壓幅值。
[0008]本發(fā)明的發(fā)電單元的控制方法，能夠單獨的控制發(fā)電單元的有功功率輸出和無功功率輸出，并且能夠使得發(fā)電單元的有功功率和無功功率輸出穩(wěn)定。
[0009]優(yōu)選的，在步驟(b)中，還包括依據儲能裝置的電壓值、儲能裝置的電流值和儲能裝置的可用容量初始值計算得到儲能裝置的當前可用容量值。
[0010]優(yōu)選的，在步驟(b)中，依據發(fā)電單元的有功功率額定值和發(fā)電單元的當前有功功率值的偏差得到一次頻率偏差值，依據接收的有功功率參考值和有功功率額定值的偏差得到二次頻率偏差值，將頻率額定值與得到的一次頻率偏差值和二次頻率偏差值通過求和計算得到速度參考值或轉矩參考值；同時依據發(fā)電單元的無功功率額定值和發(fā)電單元的當前無功功率值的偏差得到第一電壓偏差值，依據接收的無功功率參考值和無功功率額定值的偏差得到第二電壓偏差值，將電壓額定值與得到的第一電壓偏差值和第二電壓偏差值通過求和計算得到電壓參考值。
[0011]優(yōu)選的，在步驟(a)中，依據所述儲能裝置的當前可用容量值以及接收電網中的能量獲取裝置的輸出功率預測值，通過輸出功率限幅計算得到所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值；依據所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值以及發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線生成所述電網運行效率最大的目標函數，或當所述電網還包括傳統(tǒng)發(fā)電支路時，依據所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值、發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線和所述傳統(tǒng)發(fā)電支路的發(fā)電效率曲線生成所述電網運行效率最大的目標函數。更優(yōu)選的,可以依據發(fā)電單元的當前有功功率值、發(fā)電單元的當前無功功率值、電網的電壓幅值和電網的頻率以及電網中的負荷預測值，基于所述電網運行效率最大的目標函數得到發(fā)電單元的有功功率參考值和無功功率參考值。可以通過多種現有算法，例如遺傳算法，神經網絡算法和模糊控制算法等，得到有功功率參考值和無功功率參考值。從而使得發(fā)電單元的運行效率最聞，或損耗最低。
[0012]本發(fā)明的一個實施例還提供了一種微電網中可再生能源驅動的發(fā)電單元的控制裝置，該控制裝置包括中央控制器，其用于依據發(fā)電單元中的儲能裝置的可用容量值、發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線、發(fā)電單元的當前有功功率值、發(fā)電單元的當前無功功率值、電網的電壓幅值和電網的頻率計算得到發(fā)電單元的有功功率參考值和無功功率參考值；
[0013]所述單元控制器用于依據頻率額定值、發(fā)電單元的有功功率額定值、發(fā)電單元的當前有功功率值和所述有功功率參考值計算得到速度參考值或轉矩參考值，并輸出所述速度參考值或轉矩參考值以調節(jié)所述發(fā)電單元中的同步發(fā)電機的轉速，同時依據電壓額定值、發(fā)電單元的無功功率額定值、發(fā)電單元的當前無功功率值和所述無功功率參考值計算得到電壓參考值。
[0014]本發(fā)明的控制裝置能夠單獨的控制發(fā)電單元的有功功率輸出和無功功率輸出，并且能夠使得發(fā)電單元的有功功率和無功功率輸出穩(wěn)定。
[0015]優(yōu)選的，所述單元控制器包括:可用容量計算模塊，用于依據儲能裝置的電壓值、儲能裝置的電流值和儲能裝置的可用容量初始值計算得到儲能裝置的當前可用容量值并輸出至所述中央控制器；頻率下垂模塊，用于依據發(fā)電單元的有功功率額定值和發(fā)電單元的當前有功功率值的偏差得到一次頻率偏差值；二次頻率調節(jié)模塊，用于依據接收的有功功率參考值和有功功率額定值的偏差得到二次頻率偏差值；頻率求和模塊，用于將頻率額定值與得到的一次頻率偏差值和二次頻率偏差值通過求和計算得到速度參考值；電壓下垂模塊，用于依據發(fā)電單元的無功功率額定值和發(fā)電單元的當前無功功率值的偏差得到第一電壓偏差值；無功功率控制模塊，用于依據接收的無功功率參考值和無功功率額定值的偏差得到第二電壓偏差值；以及電壓求和模塊，用于將電壓額定值與得到的第一電壓偏差值和第二電壓偏差值通過求和計算得到電壓參考值。
[0016]優(yōu)選的，所述中央控制器包括:發(fā)電單元輸出功率限幅計算模塊，用于依據接收的電網中的能量獲取裝置的輸出功率預測值和所述儲能裝置的當前可用容量值通過輸出功率限幅計算得到所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值；以及目標函數生成模塊，用于依據所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值以及發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線生成所述電網運行效率最大的目標函數，或當所述電網還包括傳統(tǒng)發(fā)電支路時，用于依據所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值、發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線和所述傳統(tǒng)發(fā)電支路的發(fā)電效率曲線生成所述電網運行效率最大的目標函數。
[0017]優(yōu)選的，所述中央控制器還包括發(fā)電單元運行效率優(yōu)化計算模塊，用于依據發(fā)電單元的當前有功功率值、發(fā)電單元的當前無功功率值、電網的電壓幅值和電網的頻率以及接收的電網中的負荷預測值，基于所述電網運行效率最大的目標函數得到發(fā)電單元的有功功率參考值和無功功率參考值。例如可以通過遺傳算法，神經網絡算法和模糊控制算法得到有功功率參考值和無功功率參考值?？梢允沟冒l(fā)電單元的運行效率最高或者說損耗最低。
[0018]優(yōu)選的,所述發(fā)電單元還包括一個發(fā)電單元支路,所述發(fā)電單元支路包括:
[0019]能量輸入支路，包括一個或多個能量獲取裝置，用于獲取間歇式能源并將所述間歇式能源轉換為直流電，所述能量獲取裝置的輸出端連接至直流母線；
[0020]能量輸出支路，所述能量輸出支路包括:
[0021]驅動器，所述驅動器的一端和所述直流母線連接；
[0022]電動機，所述驅動器的另一端和所述電動機的一端連接并驅動所述電動機運行；
[0023]同步發(fā)電機，所述電動機的另一端和所述同步發(fā)電機的一端連接并拖動所述同步發(fā)電機發(fā)電，所述同步發(fā)電機的輸出端連接至所述電網的公共聯(lián)結點；
[0024]勵磁系統(tǒng)，用于給所述同步發(fā)電機提供勵磁電壓；
[0025]雙向DC/DC變換器，所述雙向DC/DC變換器的一端和所述直流母線連接；
[0026]儲能裝置，所述儲能裝置和所述雙向DC/DC變換器的另一端連接；
[0027]第一檢測裝置，用于根據所述同步發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流測量得到所述同步發(fā)電機的當前有功功率值和當前無功功率值，并將所述同步發(fā)電機的當前有功功率值和當前無功功率值輸出至所述單元控制器；
[0028]第二檢測裝置，用于根據所述電網的輸出電壓測量得到所述電網的電壓幅值和電網的頻率，并將電網的電壓幅值和電網的頻率輸出至所述中央控制器。
[0029]本發(fā)明的發(fā)電單元的驅動器根據速度參考值控制同步發(fā)電機的轉速，且發(fā)電單元中的同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)根據電壓參考值控制同步發(fā)電機的輸出端的電壓。
[0030]優(yōu)選的，所述單元控制器集成在所述驅動器或所述雙向DC/DC變換器中。
[0031 ] 優(yōu)選的，所述發(fā)電單元還包括一個或多個發(fā)電單元支路。多個發(fā)電單元支路可以分別調節(jié)同步發(fā)電機的有功功率輸出和無功功率輸出，在發(fā)電單元的有功功率和無功功率輸出穩(wěn)定下，還可以使得發(fā)電單元的整體運行效率高。
[0032]優(yōu)選的,所述發(fā)電單元還包括一個或多個能量輸入支路和與所述一個或多個能量輸入支路相對應的一個或多個能量輸出支路。
[0033]優(yōu)選的，所述驅動器為DC/AC驅動器，所述電動機為交流電動機，所述同步發(fā)電機為交流同步發(fā)電機，所述勵磁系統(tǒng)為同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)。
[0034]優(yōu)選的，所述能量輸出支路還包括直流電動機勵磁系統(tǒng)，所述驅動器為DC/DC驅動器，所述電動機為直流電動機，所述同步發(fā)電機為交流同步發(fā)電機，所述勵磁系統(tǒng)為同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，所述直流電動機勵磁系統(tǒng)和所述直流電動機連接。
[0035]優(yōu)選的,所述發(fā)電單元還包括一個或多個發(fā)電單元支路。
[0036]優(yōu)選的,所述發(fā)電單元還包括一個或多個能量輸入支路和與所述一個或多個能量輸入支路相對應的一個或多個能量輸出支路。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中，
[0038]圖1是本發(fā)明第一個實施例的微電網中的發(fā)電單元的結構示意圖。
[0039]圖2是圖1中的中央控制器的結構示意圖。
[0040]圖3是本發(fā)明第二個實施例的微電網中的發(fā)電單元的結構示意圖。
[0041]圖4是圖3中的中央控制器的結構示意圖。
[0042]圖5是本發(fā)明第三個實施例的微電網中的發(fā)電單元的結構示意圖。
[0043]圖6是本發(fā)明第四個實施例的微電網中的發(fā)電單元的結構示意圖。
[0044]主要裝置符號說明
[0045]I光伏電池2 DC/DC變換器
[0046]3風能裝置4 AC/DC變換器
[0047]5直流母線6 DC/AC驅動器
[0048]7交流電動機8交流同步發(fā)電機
[0049]9同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)10雙向DC/DC變換器
[0050]11儲能電池12電表
[0051]13電表14中央控制器
[0052]15單元控制器16電壓下垂模塊
[0053]17無功功率控制模塊18頻率下垂模塊
[0054]19 二次頻率調節(jié)模塊20荷電狀態(tài)計算模塊
[0055]21電壓求和模塊22頻率求和模塊
[0056]23能量獲取裝置24能量獲取裝置
[0057]25發(fā)電單元支路26發(fā)電單元支路
[0058]27能量輸出支路28能量輸出支路
[0059]29 DC/DC驅動器30直流電動機
[0060]31交流同步發(fā)電機32同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)
[0061]33直流電動機勵磁系統(tǒng)34能量獲取裝置
[0062]35風能裝置36 AC/DC變換器
[0063]37光伏電池38 DC/DC變換器
[0064]39能量獲取裝置40直流母線
[0065]41雙向DC/DC變換器42儲能電池
[0066]43 DC/AC驅動器44交流電動機
[0067]45交流同步發(fā)電機46同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)
[0068]47表表48電表
[0069]49單元控制器50 DC/AC驅動器
[0070]51交流電動機52交流同步發(fā)電機
[0071]53同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)54電表
[0072]55電表56單?？刂破?br> [0073]141發(fā)電單元輸出功率限幅技術模塊142目標函數生成模塊
[0074]143發(fā)電單元運行效率優(yōu)化技術模塊242目標函數生成模塊
[0075]241第一和第二發(fā)電單元支路輸出功率限幅技術模塊
[0076]243發(fā)電單元運行效率優(yōu)化計算模塊

【具體實施方式】
[0077]為了對本發(fā)明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0078]圖1是本發(fā)明第一個實施例的微電網中的發(fā)電單元的結構示意圖。如圖1所示，包括能量獲取裝置23、能量獲取裝置24、DC/AC驅動器6、交流電動機7、交流同步發(fā)電機8、同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)9、電表12、電表13、雙向DC/DC變換器10、儲能電池11、單元控制器15和中央控制器14。能量獲取裝置23包括光伏電池I和DC/DC變換器2，光伏電池I將太陽能轉換為電能，產生的直流電通過DC/DC變換器2后輸出到直流母線5上，能量獲取裝置24包括風能裝置3和AC/DC變換器4，風能裝置3將風能轉換為電能，產生的交流電通過AC/DC變換器4后輸出到直流母線5上，在本實施例中，光伏電池I和風能裝置3是間歇式能源，在其他的實施例中，還可以采用其他形式的間歇式能源或可再生能源。能量獲取裝置23和能量獲取裝置24構成了一個能量輸入支路。雙向DC/DC變換器10的一端連接至直流母線5，雙向DC/DC變換器10的另一端連接至儲能電池11，雙向DC/DC變換器10可以根據設定的電壓值利用直流母線5上的電能對儲能電池11充電，也可以使得儲能電池11中的電能放電至直流母線5上，雙向DC/DC變換器10除了使得直流母線5上電壓保持穩(wěn)定外，還能防止儲能電池11過度的放電或過度的充電，保護了儲能電池11。DC/AC驅動器6的一端連接至直流母線5上，DC/AC驅動器6的另一端和交流電動機7的一端連接并拖動交流電動機7運行,交流電動機7的另一端和交流同步發(fā)電機8的一端連接并拖動交流同步發(fā)電機8發(fā)電，同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)9和交流同步發(fā)電機8相連接，并給交流同步發(fā)電機8提供勵磁電壓，交流同步發(fā)電機8的輸出端電連接至微電網的公共聯(lián)結點PCC上，其中DC/AC驅動器6、交流電動機7、交流同步發(fā)電機8和同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)9構成了本實施例的能量輸出支路。電表12通過采集交流同步發(fā)電機8的輸出端上的電壓V和電流i得到交流同步發(fā)電機8的當前有功功率值P和當前無功功率值Q。電表13通過采集微電網的公共聯(lián)結點PCC上的電壓V計算得到微電網的電壓幅值|V|和頻率f。在本實施例中，微電網中只有一個交流同步發(fā)電機8的輸出端連接至微電網的公共聯(lián)結點PCC上，因此交流同步發(fā)電機8的當前有功功率值P、當前無功功率值Q、電壓幅值|V|和頻率f即微電網的當前有功功率值P、當前無功功率值Q、電壓幅值|V|和頻率f。
[0079]單元控制器15包括電壓下垂模塊16、無功功率控制模塊17、電壓求和模塊21、頻率下垂模塊18、二次頻率調節(jié)模塊19、頻率求和模塊22和荷電狀態(tài)計算模塊20，其中荷電狀態(tài)計算模塊20接收儲能電池11中的電SVb和電流Ib信號(為提高計算精度，還可增加采集儲能電池的溫度信號)，以及荷電狀態(tài)初始值從而計算得到儲能電池11的當前荷電狀態(tài)值SOC，并將該當前荷電狀態(tài)值SOC輸出到中央控制器14。中央控制器14接收電表12輸出的當前有功功率值P和當前無功功率值Q、電表13輸出的微電網電壓幅值|V|和微電網頻率f以及儲能電池11的當前荷電狀態(tài)值SOC通過計算從而得到發(fā)電單元的有功功率參考值PMf和無功功率參考值QMf，并將得到的有功功率參考值Pref和無功功率參考值Qref分別輸出至二次頻率調節(jié)模塊19和無功功率控制模塊17。單元控制器15中的電壓下垂模塊16對無功功率額定值Qtl和電表12輸出的當前無功功率值Q的偏差通過比例計算得到第一電壓偏差值AV1，無功功率控制模塊17對無功功率額定值Qtl和接收到的中央控制器14輸出的無功功率參考值QMf這兩個信號的偏差通過比例計算得到第二電壓偏差值AV2,電壓下垂模塊16輸出的第一電壓偏差信號和無功功率控制器17輸出的第二電壓偏差信號同時輸出到電壓求和模塊21中，電壓求和模塊21根據接收到的第一電壓偏差值AV1、第二電壓偏差值和額定電壓Vtl求和計算得到電壓參考值VMf，并將電壓參考值Vref輸出到同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)9，同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)9根據電壓參考值VMf給交流同步發(fā)電機8提供相應的勵磁電壓，交流同步發(fā)電機8進而輸出維持微電網穩(wěn)定所需的電壓，從而達到了調節(jié)微電網的電壓的目的。在本實施例中，還可以通過查表計算得到第一電壓偏差值和第二電壓偏差值，即電壓下垂模塊16對無功功率額定值QO和當前無功功率值Q的偏差通過查表得到第一電壓偏差值Λ VI，無功功率控制模塊17對無功功率額定值QO和中央控制器14輸出的無功功率參考值Qref這兩個信號的偏差通過查表得到第二電壓偏差值M2。本發(fā)明的同步發(fā)電機可以采用多種控制方式進行控制，在同步發(fā)電機的一種控制方式中，例如電壓下垂模塊16將無功功率額定值QO和當前無功功率值Q的偏差的比例計算系數置零(或將查表結果置零)從而使得第一電壓偏差值AVl為零，同時無功功率控制模塊17將無功功率額定值QO和無功功率參考值Qref的偏差的比例計算系數置零(或將查表結果置零)從而使得第二電壓偏差值Λ V2置零，此時電壓參考值Vref等于額定電壓V0，從而實現了同步發(fā)電機的恒電壓控制。在同步發(fā)電機的另一種控制方式中，電壓下垂模塊16將無功功率額定值QO和當前無功功率值Q的偏差的比例計算系數置零(或將查表結果置零)從而使得第一電壓偏差值△ Vl為零，此時電壓參考值Vref等于額定電壓VO加上第二電壓偏差值AV2，從而實現了同步發(fā)電機恒功率因數控制。本發(fā)明同步發(fā)電機的控制方式并不限于恒電壓控制和恒功率因數控制，還可以是任意的非恒電壓控制和非恒功率因數控制方式。
[0080]單元控制器15中的頻率下垂模塊18對發(fā)電單元的當前有功功率值P和有功功率額定值Ptl的偏差進行比例計算得到一次頻率偏差值Λω1()同時二次頻率調節(jié)模塊19根據有功功率額定值Ptl和中央控制器14輸出的有功功率參考值Pref的偏差進行比例計算得到二次頻率偏差Λ ω2，頻率求和模塊22同時接收一次頻率偏差值Λ O1、二次頻率偏差值Δ ω2和額定頻率GJci這三個信號，并將求和計算得到的速度參考值ωΜ?輸出至DC/AC驅動器6中的速度控制器(圖中未示出)，DC/AC驅動器6根據該頻率參考值調節(jié)交流電動機7的轉速，最終調節(jié)交流同步發(fā)電機8達到所需要的轉速，從而達到了調節(jié)微電網的頻率的目的。在其他的實施例中，頻率下垂模塊18還可以對發(fā)電單元的當前有功功率值P和有功功率額定值PO通過查表得到一次頻率偏差值Λ ω I。同時二次頻率調節(jié)模塊19也根據有功功率額定值PO和有功功率參考值Pref通過查表得到二次頻率偏差Λ ω 2。
[0081]圖2是圖1中的中央控制器的結構示意圖。如圖2所示，中央控制器14包括發(fā)電單元輸出功率限幅計算模塊141、目標函數生成模塊142和發(fā)電單元運行效率優(yōu)化技術模塊143。發(fā)電單元輸出功率限幅計算模塊141接收單元控制器15輸出的當前荷電狀態(tài)值SOC和能量獲取裝置的輸出功率預測值，通過計算得到發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值。其中能量獲取裝置的輸出功率預測值可以根據現有技術進行預測得到，例如通過天氣、風力、太陽的輻射能等參數計算得到能量獲取裝置的輸出功率預測值。目標函數生成模塊142根據人工測量得到的發(fā)電單元效率曲線生成微電網運行效率最大的目標函數，其中發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值為該微電網運行效率最大的目標函數的邊界條件。發(fā)電單元運行效率優(yōu)化技術模塊143根據接收的負荷預測值、發(fā)電單元的當前有功功率值P、發(fā)電單元的當前無功功率值Q、微電網的電壓幅值|V|和微電網的頻率f基于微電網運行效率最大的目標函數計算得到發(fā)電單元的有功功率參考值Pm和無功功率參考值Qref。并將該有功功率參考值Pref和無功功率參考值QMf分別輸出至二次頻率調節(jié)模塊19和無功功率控制模塊17。
[0082]當本發(fā)明的微電網中包括傳統(tǒng)發(fā)電支路，例如包括水力發(fā)電支路和/或柴油發(fā)電支路時，目標函數生成模塊142根據發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線、發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值以及傳統(tǒng)發(fā)電支路的發(fā)電效率曲線生成微電網整體運行效率最大的目標函數。
[0083]本領域的技術人員可知，在本發(fā)明的功率控制方法的基礎上，目標函數生成模塊還可以根據發(fā)電單元損耗曲線和發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值生成微電網損耗最低的目標函數。
[0084]本實施例中單元控制器15輸出速度參考值至DC/AC驅動器6調節(jié)交流電動機7轉速進而調節(jié)交流同步發(fā)電機8的轉速，從而調節(jié)微電網的頻率。單元控制器15將電壓參考值Vref輸出至同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)9，從而調節(jié)交流同步發(fā)電機8的輸出電壓，即調節(jié)了微電網的電壓。因此，本發(fā)明的發(fā)電單元能夠根據需要單獨的調節(jié)微電網的頻率和電壓，從而使得微電網穩(wěn)定輸出有功功率和無功功率，同時還能使得微電網運行效率最高。
[0085]在本發(fā)明的實施例中，只是示意性的列舉了能量獲取裝置23和能量獲取裝置24，在其他實施例中，可以根據當地的氣候和環(huán)境選擇一個或多個能量獲取裝置，可以全部利用太陽能或風能，還可以同時利用太陽能和風能。本實施例中的電表12和電表13可以是同一類型的多功能電表，在其他的實施例中，電表12可以是任意能夠測量交流同步發(fā)電機8輸出的當前有功功率值P和當前無功功率值Q的測量裝置，同樣電表13可以是任意能夠測量微電網的電壓幅值和頻率的測量裝置。本實施例中的額定電壓值和額定頻率值都是固定值。
[0086]圖3是本發(fā)明第二個實施例的微電網中的發(fā)電單元的結構示意圖。如圖3所示，發(fā)電單元與圖1基本相同，區(qū)別在于包括兩個相同的發(fā)電單元支路25和發(fā)電單元支路26，發(fā)電單元支路26包括能量獲取裝置34、能量獲取裝置39、雙向DC/DC變換器41、儲能電池42、DC/AC驅動器43、交流電動機44、交流同步發(fā)電機45、同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)46、電表47、電表48和單元控制器49，能量獲取裝置34包括風能發(fā)電35和AC/DC變換器36，能量獲取裝置39包括光伏電池37和DC/DC變換器38，能量獲取裝置34的輸出端和能量獲取裝置39的輸出端連接至直流母線40上，發(fā)電單元支路26和發(fā)電單元支路25的結構完全相同，并且和圖1所示的發(fā)電單元的結構相同，在此不再贅述。在圖3中為了區(qū)別發(fā)電單元支路26和發(fā)電單元支路25中的參數和控制信號，其中Vbi和Vb2分別表示儲能電池11的電壓和儲能電池42的電壓，Ibi和Ib2分別表示儲能電池11的電流和儲能電池42的電流，P1和Q1為發(fā)電單元支路25的當前有功功率值和當前無功功率值，Prefl和QMfl為中央控制器14輸出至單元控制器15的有功功率參考值和無功功率參考值，ωΜ?1是單元控制器15輸出至DC/AC驅動器6的速度參考值，Vrefl是單元控制器15輸出至同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)9的電壓參考值，SOC1是單元控制器15輸出至中央控制器14的當前荷電狀態(tài)值。P2和Q2為發(fā)電單元支路26的當前有功功率值和當前無功功率值，Pref2和QMf2為中央控制器14輸出至單元控制器49的有功功率參考值和無功功率參考值，ωΓβ?2是單元控制器49輸出至DC/AC驅動器43的速度參考值，Vref2是單元控制器49輸出至同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)46的電壓參考值，SOC2是單元控制器49輸出至中央控制器14的當前荷電狀態(tài)值。
[0087]圖4是圖3中的中央控制器的結構示意圖。如圖4所示，第一和第二發(fā)電單元支路輸出功率限幅計算模塊241分別接收發(fā)電單元支路25中的單元控制器15輸出的當前荷電狀態(tài)值SOC1、發(fā)電單元支路26的單元控制器49輸出的當前荷電狀態(tài)值SOC2和能量獲取裝置23、能量獲取裝置24和能量獲取裝置34和能量獲取裝置37的輸出功率預測值，并將計算得到的發(fā)電單元支路25的有功功率上限值和有功功率下限值，以及發(fā)電單元支路26的有功功率上限值和有功功率下限值輸出至目標函數生成模塊242。目標函數生成模塊242同時接收發(fā)電單元支路25的效率曲線和發(fā)電單元支路26的效率曲線，通過計算得到微電網運行效率最大的目標函數，在生成目標函數中，可以通過直接將發(fā)電單元支路25的效率曲線和發(fā)電單元支路26的效率曲線求和得到該微電網運行效率最大的目標函數，當然也可以使得發(fā)電單元支路25的效率曲線和發(fā)電單元支路26的效率曲線分別乘以各自的加權系數后再相加得到微電網運行效率最大的目標函數。在實際的微電網運行中，還可以考慮發(fā)電機的容量和配置、發(fā)電機的運行情況等參數從而分別確定發(fā)電單元支路25的效率曲線的加權系數和發(fā)電單元支路26的效率曲線的加權系數。發(fā)電單元運行效率優(yōu)化計算模塊243接收發(fā)電單元支路25的當前有功功率值P1和當前無功功率值Q1、發(fā)電單元支路26的當前有功功率值P2和當前無功功率值Q2、微電網的電壓幅值IV1、微電網的頻率f和負荷預測值，并且基于微電網運行效率最大的目標函數通過最優(yōu)化算法(例如遺傳算法、神經網絡算法或模糊控制算法等)分別得到發(fā)電單元支路25的有功功率參考值Prefl和無功功率參考值QMfl，以及發(fā)電單元支路26的有功功率參考值PMf2和無功功率參考值Qref20中央控制器14將有功功率參考值Prefl和無功功率參考值Qrefl輸出至發(fā)電單元25中的單元控制器15，從而調節(jié)交流同步發(fā)電機8輸出的有功功率值和無功功率值，同時中央控制器14將有功功率參考值P,ef2和無功功率參考值Qref2輸出至發(fā)電單元26中的單元控制器49，從而調節(jié)交流同步發(fā)電機45輸出的有功功率值和無功功率值。因此通過兩個單元控制器能夠分別調節(jié)對應的交流同步發(fā)電機輸出的有功功率值P和無功功率值Q，因此能夠更加靈活、并在更寬的范圍內調節(jié)微電網的有功功率和無功功率輸出。在其他的實施例中，還可以包括任意數量的發(fā)電單元支路。發(fā)電單元支路中的能量獲取裝置可以是利用風能發(fā)電，還可以是利用太陽能發(fā)電，還可以是同時利用風能和太陽能發(fā)電。
[0088]圖5是本發(fā)明第三個實施例的微電網中的發(fā)電單元的結構示意圖。如圖5所示，發(fā)電單元與圖1基本相同，區(qū)別在于包括兩個相同的能量輸出支路，即包括能量輸出支路27和能量輸出支路28，能量輸出支路28包括DC/AC驅動器50、交流電動機51、交流同步發(fā)電機52、同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)53、電表54、電表55和單元控制器56，另外能量獲取裝置23和能量獲取裝置24分別作為能量輸入支路，在本實施例中，可以將能量獲取裝置23和能量獲取裝置24理解為一個能量輸入支路，還可以將能量獲取裝置23和能量獲取裝置24理解為兩個能量輸入支路。能量輸出支路27和能量輸出支路28共用雙向DC/DC變換器10和儲能電池11，能量輸出支路27中的單元控制器15接收儲能電池11的電壓Vb、儲能電池11的電流Ib、有功功率參考值Prefl、無功功率參考值QMfl、交流同步發(fā)電機8輸出的當前有功功率值P1和當前無功功率值Q1，通過計算將速度參考值ωΜ?1輸出至DC/AC驅動器6，并將電壓參考值VMfl輸出至同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)9，從而調節(jié)交流同步發(fā)電機8輸出的有功功率和無功功率。同樣，能量輸出支路28中的單元控制器56同樣接收儲能電池11的電壓VB、儲能電池11的電流Ib、有功功率參考值PMf2、無功功率參考值Qref2、交流同步發(fā)電機52輸出的當前有功功率值P2和當前無功功率值Q2，通過計算將速度參考值ωΜ?2輸出至DC/AC驅動器50，并將電壓參考值VMf2輸出至同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)53，從而調節(jié)交流同步發(fā)電機52輸出的有功功率和無功功率。需要指明的是，由于能量輸出支路27和能量輸出支路28共用雙向DC/DC變換器10和儲能電池11，儲能電池的當前荷電狀態(tài)(SOC)值可只在任意一個單元控制器15或56中計算并輸出給中央控制器14。在其他的控制方法中，能量輸出支路28中的單元控制器56輸出的速度參考值ωref2可以與能量輸出支路27中的單元控制器15輸出的速度參考值《refl相同或不同，另外，能量輸出支路28中的單?？刂破?6輸出的電壓參考值Vref2可以與能量輸出支路27中的單元控制器15輸出的電壓參考值VMfl相同或不同。本實施例中的兩個單元控制器都能夠分別調節(jié)相對應的交流同步發(fā)電機有功功率值和無功功率值，從而使得微電網的有功功率值和無功功率值的調節(jié)范圍更寬、調節(jié)更加靈活。在其他的實施例中，還可以包括任意數目的能量輸出支路。根據實際需要的用電量、時間、環(huán)境和氣候等參數，發(fā)電單元可以包括一個或多個能量獲取裝置。
[0089]在本發(fā)明上述三個實施例的變形示例中，可以將單元控制器集成在雙向DC/DC變換器中，還可以將單元控制器集成在DC/AC驅動器中。其對微電網的有功功率和無功功率的控制方法與上述三個實施例相同，在此不再贅述。
[0090]圖6是本發(fā)明第四個實施例的微電網中的發(fā)電單元的結構示意圖。其與圖1基本相同，區(qū)別在于，本實施例中采用DC/DC驅動器29替換了圖1中的DC/AC驅動器6，采用直流電動機30和與直流電動機30連接的直流電動機勵磁系統(tǒng)33替換了圖1中的交流電動機7，其他與圖1相同，在此不再贅述。單元控制器15將速度參考值ωΜ?輸出至DC/DC驅動器29，并將電壓參考值VMf輸出至同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)32，從而調節(jié)微電網的有功功率和無功功率。本領域的技術人員在本發(fā)明第四個實施例的基礎上可以得到其他變形示例，例如，發(fā)電單元可以包括多個能量輸出支路，每個能量輸出支路包括DC/DC驅動器、直流電動機、直流電動機勵磁系統(tǒng)、交流同步發(fā)電機、同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、單元控制器和兩個電表。發(fā)電單元也可以包括多個發(fā)電單元支路。在本發(fā)明第四個實施例及其變形示例中，可以將單元控制器集成在雙向DC/DC變換器中，還可以將單元控制器集成在DC/DC驅動器中。
[0091]可以對本發(fā)明的上述實施例的微電網做出各種改進，例如可以同時將圖3所示的第二個實施例中的DC/AC驅動器43和DC/AC驅動器6替換為DC/DC驅動器，同時將交流電動機7替換為直流電動機和直流電動機勵磁系統(tǒng)，交流電動機44替換為直流電動機和直流電動機勵磁系統(tǒng)。也可以將圖5所示的第三個實施例中的DC/AC驅動器6和DC/AC驅動器50替換為DC/DC驅動器，同時將交流電動機7替換為直流電動機和直流電動機勵磁系統(tǒng)，交流電動機51替換為直流電動機和直流電動機勵磁系統(tǒng)。
[0092]在上述實施例中，交流電動機還可以安裝有速度編碼器，該編碼器用于檢測交流電動機的轉速，并輸出速度反饋值信號至DC/AC驅動器中，從而精確的控制交流電動機的轉速。同樣，直流電動機也可以安裝有速度編碼器，該編碼器用于檢測直流電動機的轉速，并輸出速度反饋值信號至DC/DC驅動器中，從而精確的控制直流電動機的轉速。本領域的技術人員可知，編碼器的結構，以及編碼器與電動機的位置關系和連接關系是公知的。在本發(fā)明的實施例中，荷電狀態(tài)計算模塊通過接收儲能電池的電壓和電流，以及荷電狀態(tài)初始值從而計算得到當前荷電狀態(tài)值。為了提高計算的準確性，還可以采集電池的溫度對計算結果進行校正。除了用荷電狀態(tài)來直接反應儲能電池的充電狀態(tài)外，還可以采用放電深度值來反應儲能電池的放電狀態(tài)。即采用放電深度計算模塊代替上述實施例中的荷電狀態(tài)計算模塊，該放電深度計算模塊通過采集儲能電池的電壓和電流，以及放電深度初始值計算得到當前放電深度值，并將該當前放電深度值輸出至中央控制器。
[0093]應當理解，雖然本說明書是按照各個實施例描述的，但并非每個實施例僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
[0094]以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明的構思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結合，均應屬于本發(fā)明保護的范圍。
【權利要求】
1.一種電網中由可再生能源驅動的發(fā)電單元的功率控制方法，其特征在于，包括下列步驟: (a)依據發(fā)電單元中儲能裝置的可用容量值、發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線、發(fā)電單元的當前有功功率值、發(fā)電單元的當前無功功率值、電網的當前電壓幅值和電網的頻率計算得到發(fā)電單元的有功功率參考值和無功功率參考值； (b)依據頻率額定值、發(fā)電單元的有功功率額定值、發(fā)電單元的當前有功功率值和有功功率參考值計算得到速度參考值或轉矩參考值，并依據所述速度參考值或轉矩參考值調節(jié)所述發(fā)電單元中同步發(fā)電機的轉速；同時，依據電壓額定值、發(fā)電單元的無功功率額定值、發(fā)電單元的當前無功功率值和無功功率參考值計算得到電壓參考值，并依據所述電壓參考值調節(jié)所述同步發(fā)電機的輸出電壓幅值。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟(b)中，還包括依據儲能裝置的電壓值、電流值和可用容量初始值計算得到儲能裝置的當前可用容量值。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟(b)中， 依據發(fā)電單元的有功功率額定值和發(fā)電單元的當前有功功率值的偏差得到一次頻率偏差值，依據接收的有功功率參考值和有功功率額定值的偏差得到二次頻率偏差值，將頻率額定值與得到的一次頻率偏差值和二次頻率偏差值通過求和計算得到速度參考值或轉矩參考值；和 依據發(fā)電單元的無功功率額定值和發(fā)電單元的當前無功功率值的偏差得到第一電壓偏差值，依據接收的無功功率參考值和無功功率額定值的偏差得到第二電壓偏差值，將電壓額定值與得到的第一電壓偏差值和第二電壓偏差值通過求和計算得到電壓參考值。
4.根據權利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，在所述步驟(a)中， 依據所述儲能裝置的當前可用容量值以及電網中獲取可再生能源的能量獲取裝置的輸出功率預測值，通過輸出功率限幅計算得到所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值； 依據所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值以及發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線生成所述電網運行效率最大的目標函數，或當所述電網還包括傳統(tǒng)發(fā)電支路時，依據所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值、發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線和所述傳統(tǒng)發(fā)電支路的發(fā)電效率曲線生成所述電網運行效率最大的目標函數。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，依據發(fā)電單元的當前有功功率值、發(fā)電單元的當前無功功率值、電網的電壓幅值和電網的頻率以及電網中的負荷預測值，基于所述電網運行效率最大的目標函數得到發(fā)電單元的有功功率參考值和無功功率參考值。
6.一種電網中由可再生能源驅動的發(fā)電單元的控制裝置，其包括 中央控制器，其用于依據發(fā)電單元中儲能裝置的可用容量值、發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線、發(fā)電單元的當前有功功率值、發(fā)電單元的當前無功功率值、電網的電壓幅值和電網的頻率計算得到發(fā)電單元的有功功率參考值和無功功率參考值； 單元控制器，其用于依據頻率額定值、發(fā)電單元的有功功率額定值、發(fā)電單元的當前有功功率值和所述有功功率參考值計算得到速度參考值或轉矩參考值，并依據所述速度參考值或轉矩參考值調節(jié)所述發(fā)電單元中的同步發(fā)電機的轉速，同時依據電壓額定值、發(fā)電單元的無功功率額定值、發(fā)電單元的當前無功功率值和所述無功功率參考值計算得到電壓參考值，并依據所述電壓參考值調節(jié)所述同步發(fā)電機的輸出電壓幅值。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述單元控制器包括: 可用容量計算模塊，用于依據儲能裝置的電壓值、電流值和可用容量初始值計算得到儲能裝置的當前可用容量值。
8.根據權利要求6所述的裝置，其中所述單元控制器還包括: 頻率下垂模塊，用于依據發(fā)電單元的有功功率額定值和發(fā)電單元的當前有功功率值的偏差得到一次頻率偏差值； 二次頻率調節(jié)模塊，用于依據接收的有功功率參考值和有功功率額定值的偏差得到二次頻率偏差值； 頻率求和模塊，用于將頻率額定值與得到的一次頻率偏差值和二次頻率偏差值得到速度參考值； 電壓下垂模塊，用于依據所述發(fā)電單元的無功功率額定值和當前無功功率值的偏差得到第一電壓偏差值； 無功功率控制模塊，用于依據接收的無功功率參考值和無功功率額定值的偏差得到第二電壓偏差值；以及 電壓求和模塊，用于將電壓額定值與得到的第一電壓偏差值和第二電壓偏差值通過求和計算得到電壓參考值。
9.根據權利要求6-8中任一項所述的裝置，其特征在于，所述中央控制器包括: 發(fā)電單元輸出功率限幅計算模塊，用于依據接收的電網中獲取可再生能源的能量獲取裝置的輸出功率預測值和所述儲能裝置的當前可用容量值通過輸出功率限幅計算得到所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值；以及 目標函數生成模塊，用于依據所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值以及發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線生成所述電網運行效率最大的目標函數，或當所述電網還包括傳統(tǒng)發(fā)電支路時，用于依據所述發(fā)電單元的有功功率上限值和有功功率下限值、發(fā)電單元的發(fā)電效率曲線和所述傳統(tǒng)發(fā)電支路的發(fā)電效率曲線生成所述電網運行效率最大的目標函數。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述中央控制器還包括發(fā)電單元運行效率優(yōu)化計算模塊，用于依據發(fā)電單元的當前有功功率值、發(fā)電單元的當前無功功率值、電網的電壓幅值和電網的頻率以及接收的電網中的負荷預測值，基于所述電網運行效率最大的目標函數得到發(fā)電單元的有功功率參考值和無功功率參考值。
【文檔編號】H02J3/38GK104518520SQ201310461980
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權日:2013年9月30日
【發(fā)明者】廖華, 李晶, 張京偉, 其他發(fā)明人請求不公開姓名 申請人:西門子公司