CN102668299B - 太阳能发电站的功率调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于动态调节再生能量生成设备的系统，所述再生能量生成设备包括多个能量生成单元。所述系统包括：信号输入端，用于接收预定的标称值(P_soll)；测量装置，用于测量所述能量生成设备的输出端处的实际值(P_ist)；以及调节装置，用于基于所述标称值(P_soll)和所测量到的实际值(P_ist)对能量生成单元进行调节。

Description

太阳能发电站的功率调节系统

本发明涉及发电站监控和发电站调节方案，所述方案考虑到对光伏能量生成设备的运行的进一步要求。

扩大再生能源导致对能量供应网络的可用性和运行可靠性提出了新的要求，这是因为能量需求量的时间上的波动现在伴随有波动性的和难以预测的能量供应。

为了保证将来有高度可用的和稳定的供应网络，德国立法委员会和网络公司协会通过颁布再生能源法案(EEG，2008年10月)和中压准则(2009年1月)的修改，为把具有超过100kWp的再生能量生成设备作为可控发电站并入现有的供应网络在法律和技术方面创立基础。

因此，对光伏发电站的规划、系统技术和运行产生新的要求。尤其是，可靠的过程控制系统和智能发电站管理在实施效率和可担负的成本方面起重大的作用。

到目前为止，网络公司对网络安全管理，发电站调节装置，保护功能以及应用的过程控制接口方面还没有制定统一的、详细的要求。因此导致，根据网络连接点的电压级和负责的网络公司出现非常不同的要求。因此建议，在与负责的网络公司协商，要求他们加入网络安全管理时，同时申请入网。

原则上规定，装机容量超过100kW的设备必须加入网络安全管理。在这一点上，光伏发电站的有功功率馈电可以通过网络公司给定一个容量级限制在发电站装机容量的一个确定的百分比(目前是100％、60％、30％、0％)。这通过一个由网络公司设定的过程控制接口实施，发电站的调节系统与该接口连接。必要时借助过程控制系统向网络公司通知该设定值的成功实现。

至今，在现有技术中降低容量被当作单纯的控制来执行。就是说，一个来自能源供应商的设置点命令直接被发送给发电站内全部现有的逆变器(inverter)并且全部被减小到相同的百分比值。由于在发电站内部传输能量时会出现损失以及有时会发生逆变器不能使用(例如，维修时关掉设备)，这导致产能损失可能超过要求的减小量。

专利文献EP1783365A2公开了一种用于控制风能电厂的方法，其中通过所识别出的数据验征控制数据的传输，并且其中可接受的控制数据用于管理操作。

专利文献US2008/212343A1公开了一种微能量源，包括逆变器、能量存储系统和控制系统。基于功率值，针对逆变器计算各个频率值，以便最终确定逆变器的输出功率的频率。

本发明的一个目的是提供一个没有现有技术中的上述缺点的系统。

该目的通过权利要求1、9或12的特征解决。在从属的权利要求中对本发明的优选的结构形式进行详细说明。

根据本发明的第一方面，用于调节包括多个能量生成单元的再生能量生成设备(regenerative energy generation installation)的系统包括一个用于接收预定的设定值的信号输入端，一个用于测量能量生成设备的输出端处的一个实际值的测量装置，和一个通过调节各个能量生成单元将所述实际值调节为所述设置值的调节装置。替代简单的监控，本发明提供的调节装置使可靠性和效率都得以提高。

调节装置的调节量可以是有功功率，无功功率，位移因数，功率因数，网络频率和/或主电压。

调节装置能够额外地处理能量生成单元的测量值。

动态调节系统可以包括一个或多个不同类型的能量生成单元的接口单元。

调节装置可以考虑到能量生成设备的无源元件。

动态调节系统可以包括一个用于把信息反馈给一个上级系统(例如，网络控制中心或一个发电站的一个控制计算机)的信号输出端。因此，也可以把调节装置扩展到上一个层面。

可以由一个上级系统(例如，网络控制中心或一个发电站的一个控制计算机)接收设置值。

调节装置可以有一个简单而耐用的PID控制器。也可以使用其它传统的控制器或其它的控制器，例如神经网络。

根据本发明的另一个方面，包括多个能量生成单元的再生能量生成设备包括一个如上所述的能量生成设备的动态调节系统。把再生能量生成设备与能量生成设备的动态调节系统连接起来，其优势在于，在记录和/或接口方面不需要采取措施或只需采取少量的措施。

能量生成单元可以是例如逆变器、整流器或DC/AC转换器。

再生能量生成设备可以包括一个光伏能量生成设备。光伏能量生成设备的输出功率有时波动很大，因此特别适合本发明。

根据本发明的另一个方面，用于调节包括多个能量生成单元的再生能量生成设备的方法包括下述步骤：

-接收一个设置值

-测量在能量生成设备的一个输出端处的一个实际值

-和对各个能量生成单元进行调节，以将实际值调节为设置值。

可以由一个上级系统(例如，网络控制中心或一个发电站的一个控制计算机)接收设置值。

信息可以被发送给一个上级系统(例如，网络控制中心或一个发电站的一个控制计算机)。因此，也可以把调节装置扩展到上一个层面。

可以处理来自能量生成设备的其它测量值和/或外部的测量值，以便使控制装置变得更加智能，就是说，能够更好地适应当时的形势。

本发明提供了更多的光伏-系统技术方案，从全面地、不依赖制造商地对大型光伏发电站进行监控到利用发电站调节的智能概念实现控制室的功能。

这些概念支持和改进带监控的发电站。主要目的是，根据能源供应商的要求降低容量(capacity)。通过测量发电站的实际输出功率以及与设定值进行比较和在一个闭合的调节链相应地再调节逆变器控制可以避免这种产能损失。

这种闭合调节概念可以通过使用通过监视得到的数据得到进一步的改善。为此，在计算调节时需考虑，所有设备零部件在当时是否可以使用以及是否是满负荷，并且借此使需要降低的容量分配给各个逆变器。这一方面有助于从发电站的各个状态出发尽可能快和高效地执行调节。另一方面，一个发电站内的不同装机容量和甚至不同制造商的逆变器也可以借此被纳入功率管理以及动态地分配负载(或由于减小而减小的负载)。

该概念也可以应用到调节网络连接点处的电参数(例如位移因数cos-Phi、主频率或主电压)。尤其是，无功功率补偿通过不同的、对每个逆变器进行有针对性的调节在发电站的有功功率产能和负载分配方面带来优势。

可以由按照本发明的调节装置进行操作的各个光伏发电站的额外的、可能的要求可以包括下述各点，但是并不局限于此：

-在网络连接点，使位移因数稳定到一个固定的预定值；

-在网络连接点，使位移因数稳定到一个可变的、由网络公司通过一个过程控制接口预定的值；

-依据馈入的有功功率或已有的主电压，按照一个预定的曲线，以一个预定的速度对位移因数进行再调节；

-准备短路电流(低电压穿越(fault ride through))；

-在超频或频率不足时按照一个预定的图把有功功率降至关断；

-在超频或频率不足时按照一个预定的电压-时间图断开生成设备；

-通过一个预定的过程控制接口把实际值传递给网络公司；

本发明涵盖下述各点：

-过程控制系统的硬件和软件，接口有：

○发电站内和网络连接点处的测量用换能器

○无线电中央遥控接收器(radio ripple receiver)和网络公司的过程控制接口

○不同制造商的逆变器；

-在一个预定的时间(标准：一分钟)内按照网络公司的设定值把有功功率限制在一个预定的限制级；

-在网络公司取消有功功率限制之后慢慢地、监控地启动受扼流的发电站(derated power station)；

-在网络连接点把无功功率调节到一个预定的、静态的或动态的位移因数

-在网络连接点把无功功率调节到一个预定的、与有功功率或主电压无关的位移因数

-当馈入的有功功率最小时，发电站的电力分配系统内的无源电抗的无功功率补偿(例如，与输电变电站(power substation)之间长的地下电缆线路)；

-当主频率与网络稳定性之间有偏差时，根据主频率降低有功功率；

-监控发电站内保护功能的所有通断过程(欠电压或过电压关断)；

-部分地实施发电站内的保护功能，例如关断仍然存在的短路(如果这不能通过低压侧的各逆变器得到保证的话)；

-通过各种通信接口和过程控制接口向网络公司反馈发电站调节系统的设置值和实际值；

-把对可能的、目前的有功功率馈电的实时-产能预测反馈给网络公司(用于在限制有功功率时确定亏损的产能)；

-把全部的测量值和调解值以及发电站调节系统的全部参数纳入持续的发电站内的监控，用于：

○反馈发电站调节系统的状态

○检测发电站调节系统的功能和故障

○当与发电站调节系统的设置标准有偏差时自动故障报警

○对网络公司的所有设定结果以及在监控时采取的相应的控制和调节过程进行存档，以便以后作为反应时间和产能亏损的验证。

下面借助附图对本发明进行详细的说明，附图有：

图1是再生能量生成设备的监控系统的框图。

图2是发电站调节系统的框图。

附图只用于解释本发明，但是没有局限。附图和各零部件不是按比例绘制的。用相同的参考符号表示相同或类似的零部件。

图1显示的是再生能量生成设备的动态监控系统的框图。能量生成设备可以是例如太阳能发电站，风能发电站和水利发电站。能量生成设备有多个逆变器形式的能量生成单元。对这些逆变器进行调节，以便在输出端或能量生成设备的网络馈入点把容量(P、Q)和/或电参数(位移因数、功率因数、主频率和/或主电压)调节到设定值。在第一步，系统监控再生能量生成设备和在第二步系统对再生能量生成设备进行调节。

设定值可以作为个体值或作为一个上级系统(例如，网络控制中心)的共同向量被传递给能量生成设备或来自能量生成设备的控制计算机。对于无功功率Q，可以例如设定一个固定值或与馈电的有功功率或主电压的相关性。无论是设定为一个固定的值还是指定成在一段时间内的具体下降和上升都可以由调节装置实施。

预定值或设置值被提供给一个调节装置，例如，一个PID控制器。就像一个在输出端或发电系统的网络连接点处由测量用转换器或变换器测得的实际值。控制器控制多个逆变器，而这些逆变器也可以是不同型式。为此，为了完成不同的记录或调节逆变器的信号电平，可以提供有一个或多个接口单元。接口单元可以集成在控制器内或是一个独立的单元。

调节系统可以接收逆变器的测量值，以便可以使例如其可用性、负载、工作点一同集成在调节系统内，从而使损失最小化。此外，控制器可以考虑无源功率元件(例如变压器和线缆等)和拓扑结构(例如调节系统的不同的线缆长度或特性)，从而使损失最小化。

该系统调节能量生成单元的分布式系统，以便防止或最小化由于能量生成设备的资源的馈入减小或非最优使用而导致的损失。

图2是一个发电站调节系统的示意图，即，图1所示系统所处的环境。例如，网络公司的控制中心包括控制系统，该控制系统与发电站调节系统通信，以便设定数值和获得有关发电站状态的信息和测量值。为此，发电站调节装置有一个过程控制接口。过程控制接口与网络公司的控制系统之间的通信通过熟知的有线或无线的通信信道完成。

控制系统接口直接或间接地与发电站调节系统的控制器功能相连接。控制器功能对应于图1所示的调节环路的内部部分，即对应于控制器并考虑到图1所示的无源功率元件。控制器功能具有一个或多个用于连接逆变器的双向接口，这在图1已经论述过。

此外，控制器功能具有一个或多个用于连接发电站监视器的双向接口，从而在调节时可以获得和考虑到有关整个发电站状态的信息。另一方面，控制器功能可以把来自调节装置的数值和/或结果输出给发电站监视器并在那里使用。

控制器功能具有一个或多个用于连接特殊测量系统的双向接口，从而可以使其它信息纳入调节装置。特殊测量系统可以包括，例如，负责监控网络馈电点的测量用变压器。特殊测量系统可以为智能调节装置提供来自发电站的其它测量值以及外部数据，例如，实时-隔离数据、温度影响、风量测量数据和天气预测。除此之外，特殊测量系统把全部对于调节装置来说重要的测量值、状态或预定值提供给控制器功能。

可以使用对初级能源(阳光、热量、风)以及网络内负载需求量(负载概况)的能量预测值作为调节装置或控制器功能的附加的输入数据。这些输入数据可以通过能源供应商、网络公司或外部服务商的数据接口获得并且用于调节设备。

此外，能量存储概念被纳入发电站调节系统。为此，规定有用于连接能量存储系统的数据接口，所述能量存储系统例如是飞轮质量蓄能系统、电池系统、压缩空气存储系统、抽水蓄能系统等。此外，系统对能源供应商或网络公司的要求进行分析，以在中短期时间内通过输入接口提供能量。数据接口和输入接口可以是模拟或数字接口。把存储系统内可使用的能量以及智能地估算的在预测的时间段内期望的能量储备反馈给能源供应商、发电站运营商或其它的上级控制系统。

系统也对废热发电系统(cogenerative system)进行调节和监控。这是由具有不同初级载能体的能量生成单元组成的系统。因此，可以通过一个中央控制器对包括例如光伏逆变器、风力涡轮机、蓄电池系统和柴油备用发电系统的成套设备进行调节和监控，满足来自外部的在有功功率、无功功率、频率特性和主电压特性等方面的要求。

Claims (13)

1.一种用于调节再生能量生成设备的发电站调节系统，所述再生能量生成设备包括多个能量生成单元，所述系统包括：

信号输入端，用于接收预定的设置值，

测量装置，用于测量所述再生能量生成设备的输出端处的实际值，以及

调节装置，用于通过对各个能量生成单元进行调节，来将所述实际值调节到所述设置值；

其中，调节装置在网络连接点，使位移因数稳定到一个固定的预定值或者使位移因数稳定到一个可变的、由网络公司通过一个过程控制接口预定的值；

其中，调节装置依据馈入的有功功率或已有的主电压，按照一个预定的曲线，以一个预定的速度对位移因数进行再调节；

其中，调节装置准备短路电流；

其中，调节装置在超频或频率不足时，按照一个预定的图把有功功率降至关断或者按照一个预定的电压-时间图断开所述再生能量生成设备；并且

其中，调节装置通过一个预定的过程控制接口把实际值传递给网络公司。

2.根据权利要求1所述的发电站调节系统，其中，调节的变量是有功功率、无功功率、位移因数、功率因数、主频率和/或主电压。

3.根据权利要求1或2所述的发电站调节系统，其中，所述调节装置处理所述能量生成单元的其它测量值。

4.根据权利要求1或2所述的发电站调节系统，还包括具有不同初级能源的能量生成单元。

5.根据权利要求1或2所述的发电站调节系统，其中，在调节时考虑所述再生能量生成设备的无源元件。

6.根据权利要求1或2所述的发电站调节系统，还包括能量存储系统和用于该能量存储系统的数据接口。

7.根据权利要求1或2所述的发电站调节系统，其中，作为个体值或作为共同向量的设定值来自所述再生能量生成设备的控制计算机。

8.一种包括多个能量生成单元的再生能量生成设备，所述再生能量生成设备包括根据权利要求1至7中的任一项所述的发电站调节系统。

9.根据权利要求8所述的再生能量生成设备，其中，所述能量生成单元是逆变器或整流器。

10.根据权利要求8或9所述的再生能量生成设备，还包括光伏能量生成设备。

11.一种用于调节再生能量生成设备的方法，所述再生能量生成设备包括多个能量生成单元，所述方法包括下述步骤：

-接收设置值，

-测量所述再生能量生成设备的输出端处的实际值，以及

-对各个能量生成单元进行调节，来将所述实际值调节到所述设置值；

其中，

-在网络连接点，使位移因数稳定到一个固定的预定值，或者使位移因数稳定到一个可变的、由网络公司通过一个过程控制接口预定的值；

-依据馈入的有功功率或已有的主电压，按照一个预定的曲线，以一个预定的速度对位移因数进行再调节；

-准备短路电流；

-在超频或频率不足时，按照一个预定的图把有功功率降至关断或者按照一个预定的电压-时间图断开所述再生能量生成设备；并且

-通过一个预定的过程控制接口把实际值传递给网络公司。

12.根据权利要求11所述的调节方法，其中，在调节计算中包括所有设备零部件在当时的可用性和负荷。

13.根据权利要求11或12所述的调节方法，其中，处理来自所述再生能量生成设备的其它测量值和/或外部的测量值。