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CN104518520B - 可再生能源驱动的发电单元的控制方法及装置 - Google Patents

可再生能源驱动的发电单元的控制方法及装置 Download PDF

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CN104518520B CN201310461980.0A CN201310461980A CN104518520B CN 104518520 B CN104518520 B CN 104518520B CN 201310461980 A CN201310461980 A CN 201310461980A CN 104518520 B CN104518520 B CN 104518520B
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Abstract

本发明提供了一种电网中可再生能源驱动的发电单元的功率控制方法，该方法包括：依据发电单元中储能装置的可用容量值、发电效率曲线、当前有功功率值、当前无功功率值以及电网电压幅值和电网的频率计算得到发电单元的有功功率参考值和无功功率参考值，依据频率额定值、发电单元的有功功率额定值、发电单元的当前有功功率值和有功功率参考值计算得到速度参考值或转矩参考值；同时，依据电压额定值、发电单元的无功功率额定值、发电单元的当前无功功率值和无功功率参考值计算得到电压参考值。本发明中的发电单元的功率控制方法能够使得发电单元的运行效率高且功率输出稳定。

Description

可再生能源驱动的发电单元的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电力系统、电力传动及自动控制技术领域，具体设计一种电网中可再生能源驱动的发电单元及其功率控制方法。
背景技术
随着能源越来越紧缺，当前电网中越来越多的包括利用风能、太阳能等可再生能源发电的支路。微电网是一种主要由分布式发电单元和负载组成的小型发电、配电和用电系统。微电网能够实现自我控制、自我保护和自我管理，可以与外部电网并网运行，也可以单独运行。微电网中的发电单元获取能量的方式有多种类型，可以采用风能、太阳能等间歇式可再生能源驱动，还可以采用煤、水电等传统能源驱动。由于风能和太阳能等间歇式能源受时间、天气和环境的影响较大，导致间歇式能源输出功率不稳定、波动性强，为了保证微电网安全稳定的运行，需要使得微电网中的发电单元输出稳定的电压和频率，从而输出稳定的无功功率和有功功率。
中国专利公布号CN102244498A公开了一种微电网中的发电单元，包括能量捕获设备、充电控制器、能量储存模块、发电单元驱动器、交流电动机和同步发电机，通过控制调节电动机和同步发电机的转速从而到达调节发电单元输出有功功率的目的，通过控制调节同步发电机的励磁电压，保证微电网的电压稳定。
在实际的微电网中，微电网一般包括一个或多个发电单元支路，因此需要该一个或多个发电单元支路在运行中使得微电网在保证电力供应的同时，其电压和频率能够保持稳定，并能兼顾使得微电网整体运行效率最高或损耗最低。
发明内容
为实现上述目的，本发明的一个实施例提出了一种电网中由可再生能源驱动的发电单元的功率控制方法，包括如下步骤：
（a）依据发电单元中的储能装置的可用容量值、发电单元的发电效率曲线、发电单元的当前有功功率值、发电单元的当前无功功率值、电网的电压幅值和电网的频率计算得到发电单元的有功功率参考值和无功功率参考值；
（b）依据频率额定值、发电单元的有功功率额定值、发电单元的当前有功功率值和有功功率参考值计算得到速度参考值或转矩参考值，并依据所述速度参考值或转矩参考值调节所述发电单元中同步发电机的转速，同时依据电压额定值、发电单元的无功功率额定值、发电单元的当前无功功率值和无功功率参考值计算得到电压参考值，并依据所述电压参考值调节所述同步发电机的输出电压幅值。
本发明的发电单元的控制方法，能够单独的控制发电单元的有功功率输出和无功功率输出，并且能够使得发电单元的有功功率和无功功率输出稳定。
优选的，在步骤（b）中，还包括依据储能装置的电压值、储能装置的电流值和储能装置的可用容量初始值计算得到储能装置的当前可用容量值。
优选的，在步骤（b）中，依据发电单元的有功功率额定值和发电单元的当前有功功率值的偏差得到一次频率偏差值，依据接收的有功功率参考值和有功功率额定值的偏差得到二次频率偏差值，将频率额定值与得到的一次频率偏差值和二次频率偏差值通过求和计算得到速度参考值或转矩参考值；同时依据发电单元的无功功率额定值和发电单元的当前无功功率值的偏差得到第一电压偏差值，依据接收的无功功率参考值和无功功率额定值的偏差得到第二电压偏差值，将电压额定值与得到的第一电压偏差值和第二电压偏差值通过求和计算得到电压参考值。
优选的，在步骤（a）中，依据所述储能装置的当前可用容量值以及接收电网中的能量获取装置的输出功率预测值，通过输出功率限幅计算得到所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值；依据所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值以及发电单元的发电效率曲线生成所述电网运行效率最大的目标函数，或当所述电网还包括传统发电支路时，依据所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值、发电单元的发电效率曲线和所述传统发电支路的发电效率曲线生成所述电网运行效率最大的目标函数。更优选的，可以依据发电单元的当前有功功率值、发电单元的当前无功功率值、电网的电压幅值和电网的频率以及电网中的负荷预测值，基于所述电网运行效率最大的目标函数得到发电单元的有功功率参考值和无功功率参考值。可以通过多种现有算法，例如遗传算法，神经网络算法和模糊控制算法等，得到有功功率参考值和无功功率参考值。从而使得发电单元的运行效率最高，或损耗最低。
本发明的一个实施例还提供了一种微电网中可再生能源驱动的发电单元的控制装置，该控制装置包括中央控制器，其用于依据发电单元中的储能装置的可用容量值、发电单元的发电效率曲线、发电单元的当前有功功率值、发电单元的当前无功功率值、电网的电压幅值和电网的频率计算得到发电单元的有功功率参考值和无功功率参考值；
所述单元控制器用于依据频率额定值、发电单元的有功功率额定值、发电单元的当前有功功率值和所述有功功率参考值计算得到速度参考值或转矩参考值，并输出所述速度参考值或转矩参考值以调节所述发电单元中的同步发电机的转速，同时依据电压额定值、发电单元的无功功率额定值、发电单元的当前无功功率值和所述无功功率参考值计算得到电压参考值。
本发明的控制装置能够单独的控制发电单元的有功功率输出和无功功率输出，并且能够使得发电单元的有功功率和无功功率输出稳定。
优选的，所述单元控制器包括：可用容量计算模块，用于依据储能装置的电压值、储能装置的电流值和储能装置的可用容量初始值计算得到储能装置的当前可用容量值并输出至所述中央控制器；频率下垂模块，用于依据发电单元的有功功率额定值和发电单元的当前有功功率值的偏差得到一次频率偏差值；二次频率调节模块，用于依据接收的有功功率参考值和有功功率额定值的偏差得到二次频率偏差值；频率求和模块，用于将频率额定值与得到的一次频率偏差值和二次频率偏差值通过求和计算得到速度参考值；电压下垂模块，用于依据发电单元的无功功率额定值和发电单元的当前无功功率值的偏差得到第一电压偏差值；无功功率控制模块，用于依据接收的无功功率参考值和无功功率额定值的偏差得到第二电压偏差值；以及电压求和模块，用于将电压额定值与得到的第一电压偏差值和第二电压偏差值通过求和计算得到电压参考值。
优选的，所述中央控制器包括：发电单元输出功率限幅计算模块，用于依据接收的电网中的能量获取装置的输出功率预测值和所述储能装置的当前可用容量值通过输出功率限幅计算得到所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值；以及目标函数生成模块，用于依据所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值以及发电单元的发电效率曲线生成所述电网运行效率最大的目标函数，或当所述电网还包括传统发电支路时，用于依据所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值、发电单元的发电效率曲线和所述传统发电支路的发电效率曲线生成所述电网运行效率最大的目标函数。
优选的，所述中央控制器还包括发电单元运行效率优化计算模块，用于依据发电单元的当前有功功率值、发电单元的当前无功功率值、电网的电压幅值和电网的频率以及接收的电网中的负荷预测值，基于所述电网运行效率最大的目标函数得到发电单元的有功功率参考值和无功功率参考值。例如可以通过遗传算法，神经网络算法和模糊控制算法得到有功功率参考值和无功功率参考值。可以使得发电单元的运行效率最高或者说损耗最低。
优选的，所述发电单元还包括一个发电单元支路，所述发电单元支路包括：
能量输入支路，包括一个或多个能量获取装置，用于获取间歇式能源并将所述间歇式能源转换为直流电，所述能量获取装置的输出端连接至直流母线；
能量输出支路，所述能量输出支路包括：
驱动器，所述驱动器的一端和所述直流母线连接；
电动机，所述驱动器的另一端和所述电动机的一端连接并驱动所述电动机运行；
同步发电机，所述电动机的另一端和所述同步发电机的一端连接并拖动所述同步发电机发电，所述同步发电机的输出端连接至所述电网的公共联结点；
励磁系统，用于给所述同步发电机提供励磁电压；
双向DC/DC变换器，所述双向DC/DC变换器的一端和所述直流母线连接；
储能装置，所述储能装置和所述双向DC/DC变换器的另一端连接；
第一检测装置，用于根据所述同步发电机的输出电压和输出电流测量得到所述同步发电机的当前有功功率值和当前无功功率值，并将所述同步发电机的当前有功功率值和当前无功功率值输出至所述单元控制器；
第二检测装置，用于根据所述电网的输出电压测量得到所述电网的电压幅值和电网的频率，并将电网的电压幅值和电网的频率输出至所述中央控制器。
本发明的发电单元的驱动器根据速度参考值控制同步发电机的转速，且发电单元中的同步发电机励磁系统根据电压参考值控制同步发电机的输出端的电压。
优选的，所述单元控制器集成在所述驱动器或所述双向DC/DC变换器中。
优选的，所述发电单元还包括一个或多个发电单元支路。多个发电单元支路可以分别调节同步发电机的有功功率输出和无功功率输出，在发电单元的有功功率和无功功率输出稳定下，还可以使得发电单元的整体运行效率高。
优选的，所述发电单元还包括一个或多个能量输入支路和与所述一个或多个能量输入支路相对应的一个或多个能量输出支路。
优选的，所述驱动器为DC/AC驱动器，所述电动机为交流电动机，所述同步发电机为交流同步发电机，所述励磁系统为同步发电机励磁系统。
优选的，所述能量输出支路还包括直流电动机励磁系统，所述驱动器为DC/DC驱动器，所述电动机为直流电动机，所述同步发电机为交流同步发电机，所述励磁系统为同步发电机励磁系统，所述直流电动机励磁系统和所述直流电动机连接。
优选的，所述发电单元还包括一个或多个发电单元支路。
优选的，所述发电单元还包括一个或多个能量输入支路和与所述一个或多个能量输入支路相对应的一个或多个能量输出支路。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1是本发明第一个实施例的微电网中的发电单元的结构示意图。
图2是图1中的中央控制器的结构示意图。
图3是本发明第二个实施例的微电网中的发电单元的结构示意图。
图4是图3中的中央控制器的结构示意图。
图5是本发明第三个实施例的微电网中的发电单元的结构示意图。
图6是本发明第四个实施例的微电网中的发电单元的结构示意图。
主要装置符号说明
1 光伏电池 2 DC/DC变换器
3 风能装置 4 AC/DC变换器
5 直流母线 6 DC/AC驱动器
7 交流电动机 8 交流同步发电机
9 同步发电机励磁系统 10 双向DC/DC变换器
11 储能电池 12 电表
13 电表 14 中央控制器
15 单元控制器 16 电压下垂模块
17 无功功率控制模块 18 频率下垂模块
19 二次频率调节模块 20 荷电状态计算模块
21 电压求和模块 22 频率求和模块
23 能量获取装置 24 能量获取装置
25 发电单元支路 26 发电单元支路
27 能量输出支路 28 能量输出支路
29 DC/DC驱动器 30 直流电动机
31 交流同步发电机 32 同步发电机励磁系统
33 直流电动机励磁系统 34 能量获取装置
35 风能装置 36 AC/DC变换器
37 光伏电池 38 DC/DC变换器
39 能量获取装置 40 直流母线
41 双向DC/DC变换器 42 储能电池
43 DC/AC驱动器 44 交流电动机
45 交流同步发电机 46 同步发电机励磁系统
47 表表 48 电表
49 单元控制器 50 DC/AC驱动器
51 交流电动机 52 交流同步发电机
53 同步发电机励磁系统 54 电表
55 电表 56 单元控制器
141 发电单元输出功率限幅技术模块 142 目标函数生成模块
143 发电单元运行效率优化技术模块 242 目标函数生成模块
241 第一和第二发电单元支路输出功率限幅技术模块
243 发电单元运行效率优化计算模块
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
图1是本发明第一个实施例的微电网中的发电单元的结构示意图。如图1所示，包括能量获取装置23、能量获取装置24、DC/AC驱动器6、交流电动机7、交流同步发电机8、同步发电机励磁系统9、电表12、电表13、双向DC/DC变换器10、储能电池11、单元控制器15和中央控制器14。能量获取装置23包括光伏电池1和DC/DC变换器2，光伏电池1将太阳能转换为电能，产生的直流电通过DC/DC变换器2后输出到直流母线5上，能量获取装置24包括风能装置3和AC/DC变换器4，风能装置3将风能转换为电能，产生的交流电通过AC/DC变换器4后输出到直流母线5上，在本实施例中，光伏电池1和风能装置3是间歇式能源，在其他的实施例中，还可以采用其他形式的间歇式能源或可再生能源。能量获取装置23和能量获取装置24构成了一个能量输入支路。双向DC/DC变换器10的一端连接至直流母线5，双向DC/DC变换器10的另一端连接至储能电池11，双向DC/DC变换器10可以根据设定的电压值利用直流母线5上的电能对储能电池11充电，也可以使得储能电池11中的电能放电至直流母线5上，双向DC/DC变换器10除了使得直流母线5上电压保持稳定外，还能防止储能电池11过度的放电或过度的充电，保护了储能电池11。DC/AC驱动器6的一端连接至直流母线5上，DC/AC驱动器6的另一端和交流电动机7的一端连接并拖动交流电动机7运行，交流电动机7的另一端和交流同步发电机8的一端连接并拖动交流同步发电机8发电，同步发电机励磁系统9和交流同步发电机8相连接，并给交流同步发电机8提供励磁电压，交流同步发电机8的输出端电连接至微电网的公共联结点PCC上，其中DC/AC驱动器6、交流电动机7、交流同步发电机8和同步发电机励磁系统9构成了本实施例的能量输出支路。电表12通过采集交流同步发电机8的输出端上的电压v和电流i得到交流同步发电机8的当前有功功率值P和当前无功功率值Q。电表13通过采集微电网的公共联结点PCC上的电压v计算得到微电网的电压幅值|V|和频率f。在本实施例中，微电网中只有一个交流同步发电机8的输出端连接至微电网的公共联结点PCC上，因此交流同步发电机8的当前有功功率值P、当前无功功率值Q、电压幅值|V|和频率f即微电网的当前有功功率值P、当前无功功率值Q、电压幅值|V|和频率f。
单元控制器15包括电压下垂模块16、无功功率控制模块17、电压求和模块21、频率下垂模块18、二次频率调节模块19、频率求和模块22和荷电状态计算模块20，其中荷电状态计算模块20接收储能电池11中的电压VB和电流IB信号（为提高计算精度，还可增加采集储能电池的温度信号），以及荷电状态初始值从而计算得到储能电池11的当前荷电状态值SOC，并将该当前荷电状态值SOC输出到中央控制器14。中央控制器14接收电表12输出的当前有功功率值P和当前无功功率值Q、电表13输出的微电网电压幅值|V|和微电网频率f以及储能电池11的当前荷电状态值SOC通过计算从而得到发电单元的有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref，并将得到的有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref分别输出至二次频率调节模块19和无功功率控制模块17。单元控制器15中的电压下垂模块16对无功功率额定值Q0和电表12输出的当前无功功率值Q的偏差通过比例计算得到第一电压偏差值ΔV1，无功功率控制模块17对无功功率额定值Q0和接收到的中央控制器14输出的无功功率参考值Qref这两个信号的偏差通过比例计算得到第二电压偏差值ΔV2，电压下垂模块16输出的第一电压偏差信号和无功功率控制器17输出的第二电压偏差信号同时输出到电压求和模块21中，电压求和模块21根据接收到的第一电压偏差值ΔV1、第二电压偏差值ΔV2和额定电压V0求和计算得到电压参考值Vref，并将电压参考值Vref输出到同步发电机励磁系统9，同步发电机励磁系统9根据电压参考值Vref给交流同步发电机8提供相应的励磁电压，交流同步发电机8进而输出维持微电网稳定所需的电压，从而达到了调节微电网的电压的目的。在本实施例中，还可以通过查表计算得到第一电压偏差值和第二电压偏差值，即电压下垂模块16对无功功率额定值Q0和当前无功功率值Q的偏差通过查表得到第一电压偏差值ΔV1，无功功率控制模块17对无功功率额定值Q0和中央控制器14输出的无功功率参考值Qref这两个信号的偏差通过查表得到第二电压偏差值ΔV2。本发明的同步发电机可以采用多种控制方式进行控制，在同步发电机的一种控制方式中，例如电压下垂模块16将无功功率额定值Q0和当前无功功率值Q的偏差的比例计算系数置零（或将查表结果置零）从而使得第一电压偏差值ΔV1为零，同时无功功率控制模块17将无功功率额定值Q0和无功功率参考值Qref的偏差的比例计算系数置零（或将查表结果置零）从而使得第二电压偏差值ΔV2置零，此时电压参考值Vref等于额定电压V0，从而实现了同步发电机的恒电压控制。在同步发电机的另一种控制方式中，电压下垂模块16将无功功率额定值Q0和当前无功功率值Q的偏差的比例计算系数置零（或将查表结果置零）从而使得第一电压偏差值ΔV1为零，此时电压参考值Vref等于额定电压V0加上第二电压偏差值ΔV2，从而实现了同步发电机恒功率因数控制。本发明同步发电机的控制方式并不限于恒电压控制和恒功率因数控制，还可以是任意的非恒电压控制和非恒功率因数控制方式。
单元控制器15中的频率下垂模块18对发电单元的当前有功功率值P和有功功率额定值P0的偏差进行比例计算得到一次频率偏差值Δω1。同时二次频率调节模块19根据有功功率额定值P0和中央控制器14输出的有功功率参考值Pref的偏差进行比例计算得到二次频率偏差Δω2，频率求和模块22同时接收一次频率偏差值Δω1、二次频率偏差值Δω2和额定频率ω0这三个信号，并将求和计算得到的速度参考值ωref输出至DC/AC驱动器6中的速度控制器（图中未示出），DC/AC驱动器6根据该频率参考值ωref调节交流电动机7的转速，最终调节交流同步发电机8达到所需要的转速，从而达到了调节微电网的频率的目的。在其他的实施例中，频率下垂模块18还可以对发电单元的当前有功功率值P和有功功率额定值P0通过查表得到一次频率偏差值Δω1。同时二次频率调节模块19也根据有功功率额定值P0和有功功率参考值Pref通过查表得到二次频率偏差Δω2。
图2是图1中的中央控制器的结构示意图。如图2所示，中央控制器14包括发电单元输出功率限幅计算模块141、目标函数生成模块142和发电单元运行效率优化技术模块143。发电单元输出功率限幅计算模块141接收单元控制器15输出的当前荷电状态值SOC和能量获取装置的输出功率预测值，通过计算得到发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值。其中能量获取装置的输出功率预测值可以根据现有技术进行预测得到，例如通过天气、风力、太阳的辐射能等参数计算得到能量获取装置的输出功率预测值。目标函数生成模块142根据人工测量得到的发电单元效率曲线生成微电网运行效率最大的目标函数，其中发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值为该微电网运行效率最大的目标函数的边界条件。发电单元运行效率优化技术模块143根据接收的负荷预测值、发电单元的当前有功功率值P、发电单元的当前无功功率值Q、微电网的电压幅值|V|和微电网的频率f基于微电网运行效率最大的目标函数计算得到发电单元的有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref。并将该有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref分别输出至二次频率调节模块19和无功功率控制模块17。
当本发明的微电网中包括传统发电支路，例如包括水力发电支路和/或柴油发电支路时，目标函数生成模块142根据发电单元的发电效率曲线、发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值以及传统发电支路的发电效率曲线生成微电网整体运行效率最大的目标函数。
本领域的技术人员可知，在本发明的功率控制方法的基础上，目标函数生成模块还可以根据发电单元损耗曲线和发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值生成微电网损耗最低的目标函数。
本实施例中单元控制器15输出速度参考值ωref至DC/AC驱动器6调节交流电动机7转速进而调节交流同步发电机8的转速，从而调节微电网的频率。单元控制器15将电压参考值Vref输出至同步发电机励磁系统9，从而调节交流同步发电机8的输出电压，即调节了微电网的电压。因此，本发明的发电单元能够根据需要单独的调节微电网的频率和电压，从而使得微电网稳定输出有功功率和无功功率，同时还能使得微电网运行效率最高。
在本发明的实施例中，只是示意性的列举了能量获取装置23和能量获取装置24，在其他实施例中，可以根据当地的气候和环境选择一个或多个能量获取装置，可以全部利用太阳能或风能，还可以同时利用太阳能和风能。本实施例中的电表12和电表13可以是同一类型的多功能电表，在其他的实施例中，电表12可以是任意能够测量交流同步发电机8输出的当前有功功率值P和当前无功功率值Q的测量装置，同样电表13可以是任意能够测量微电网的电压幅值和频率的测量装置。本实施例中的额定电压值和额定频率值都是固定值。
图3是本发明第二个实施例的微电网中的发电单元的结构示意图。如图3所示，发电单元与图1基本相同，区别在于包括两个相同的发电单元支路25和发电单元支路26，发电单元支路26包括能量获取装置34、能量获取装置39、双向DC/DC变换器41、储能电池42、DC/AC驱动器43、交流电动机44、交流同步发电机45、同步发电机励磁系统46、电表47、电表48和单元控制器49，能量获取装置34包括风能发电35和AC/DC变换器36，能量获取装置39包括光伏电池37和DC/DC变换器38，能量获取装置34的输出端和能量获取装置39的输出端连接至直流母线40上，发电单元支路26和发电单元支路25的结构完全相同，并且和图1所示的发电单元的结构相同，在此不再赘述。在图3中为了区别发电单元支路26和发电单元支路25中的参数和控制信号，其中VB1和VB2分别表示储能电池11的电压和储能电池42的电压，IB1和IB2分别表示储能电池11的电流和储能电池42的电流，P1和Q1为发电单元支路25的当前有功功率值和当前无功功率值，Pref1和Qref1为中央控制器14输出至单元控制器15的有功功率参考值和无功功率参考值，ωref1是单元控制器15输出至DC/AC驱动器6的速度参考值，Vref1是单元控制器15输出至同步发电机励磁系统9的电压参考值，SOC1是单元控制器15输出至中央控制器14的当前荷电状态值。P2和Q2为发电单元支路26的当前有功功率值和当前无功功率值，Pref2和Qref2为中央控制器14输出至单元控制器49的有功功率参考值和无功功率参考值，ωref2是单元控制器49输出至DC/AC驱动器43的速度参考值，Vref2是单元控制器49输出至同步发电机励磁系统46的电压参考值，SOC2是单元控制器49输出至中央控制器14的当前荷电状态值。
图4是图3中的中央控制器的结构示意图。如图4所示，第一和第二发电单元支路输出功率限幅计算模块241分别接收发电单元支路25中的单元控制器15输出的当前荷电状态值SOC1、发电单元支路26的单元控制器49输出的当前荷电状态值SOC2和能量获取装置23、能量获取装置24和能量获取装置34和能量获取装置37的输出功率预测值，并将计算得到的发电单元支路25的有功功率上限值和有功功率下限值，以及发电单元支路26的有功功率上限值和有功功率下限值输出至目标函数生成模块242。目标函数生成模块242同时接收发电单元支路25的效率曲线和发电单元支路26的效率曲线，通过计算得到微电网运行效率最大的目标函数，在生成目标函数中，可以通过直接将发电单元支路25的效率曲线和发电单元支路26的效率曲线求和得到该微电网运行效率最大的目标函数，当然也可以使得发电单元支路25的效率曲线和发电单元支路26的效率曲线分别乘以各自的加权系数后再相加得到微电网运行效率最大的目标函数。在实际的微电网运行中，还可以考虑发电机的容量和配置、发电机的运行情况等参数从而分别确定发电单元支路25的效率曲线的加权系数和发电单元支路26的效率曲线的加权系数。发电单元运行效率优化计算模块243接收发电单元支路25的当前有功功率值P1和当前无功功率值Q1、发电单元支路26的当前有功功率值P2和当前无功功率值Q2、微电网的电压幅值|V|、微电网的频率f和负荷预测值，并且基于微电网运行效率最大的目标函数通过最优化算法（例如遗传算法、神经网络算法或模糊控制算法等）分别得到发电单元支路25的有功功率参考值Pref1和无功功率参考值Qref1，以及发电单元支路26的有功功率参考值Pref2和无功功率参考值Qref2。中央控制器14将有功功率参考值Pref1和无功功率参考值Qref1输出至发电单元25中的单元控制器15，从而调节交流同步发电机8输出的有功功率值和无功功率值，同时中央控制器14将有功功率参考值Pref2和无功功率参考值Qref2输出至发电单元26中的单元控制器49，从而调节交流同步发电机45输出的有功功率值和无功功率值。因此通过两个单元控制器能够分别调节对应的交流同步发电机输出的有功功率值P和无功功率值Q，因此能够更加灵活、并在更宽的范围内调节微电网的有功功率和无功功率输出。在其他的实施例中，还可以包括任意数量的发电单元支路。发电单元支路中的能量获取装置可以是利用风能发电，还可以是利用太阳能发电，还可以是同时利用风能和太阳能发电。
图5是本发明第三个实施例的微电网中的发电单元的结构示意图。如图5所示，发电单元与图1基本相同，区别在于包括两个相同的能量输出支路，即包括能量输出支路27和能量输出支路28，能量输出支路28包括DC/AC驱动器50、交流电动机51、交流同步发电机52、同步发电机励磁系统53、电表54、电表55和单元控制器56，另外能量获取装置23和能量获取装置24分别作为能量输入支路，在本实施例中，可以将能量获取装置23和能量获取装置24理解为一个能量输入支路，还可以将能量获取装置23和能量获取装置24理解为两个能量输入支路。能量输出支路27和能量输出支路28共用双向DC/DC变换器10和储能电池11，能量输出支路27中的单元控制器15接收储能电池11的电压VB、储能电池11的电流IB、有功功率参考值Pref1、无功功率参考值Qref1、交流同步发电机8输出的当前有功功率值P1和当前无功功率值Q1，通过计算将速度参考值ωref1输出至DC/AC驱动器6，并将电压参考值Vref1输出至同步发电机励磁系统9，从而调节交流同步发电机8输出的有功功率和无功功率。同样，能量输出支路28中的单元控制器56同样接收储能电池11的电压VB、储能电池11的电流IB、有功功率参考值Pref2、无功功率参考值Qref2、交流同步发电机52输出的当前有功功率值P2和当前无功功率值Q2，通过计算将速度参考值ωref2输出至DC/AC驱动器50，并将电压参考值Vref2输出至同步发电机励磁系统53，从而调节交流同步发电机52输出的有功功率和无功功率。需要指明的是，由于能量输出支路27和能量输出支路28共用双向DC/DC变换器10和储能电池11，储能电池的当前荷电状态（SOC）值可只在任意一个单元控制器15或56中计算并输出给中央控制器14。在其他的控制方法中，能量输出支路28中的单元控制器56输出的速度参考值ωref2可以与能量输出支路27中的单元控制器15输出的速度参考值ωref1相同或不同，另外，能量输出支路28中的单元控制器56输出的电压参考值Vref2可以与能量输出支路27中的单元控制器15输出的电压参考值Vref1相同或不同。本实施例中的两个单元控制器都能够分别调节相对应的交流同步发电机有功功率值和无功功率值，从而使得微电网的有功功率值和无功功率值的调节范围更宽、调节更加灵活。在其他的实施例中，还可以包括任意数目的能量输出支路。根据实际需要的用电量、时间、环境和气候等参数，发电单元可以包括一个或多个能量获取装置。
在本发明上述三个实施例的变形示例中，可以将单元控制器集成在双向DC/DC变换器中，还可以将单元控制器集成在DC/AC驱动器中。其对微电网的有功功率和无功功率的控制方法与上述三个实施例相同，在此不再赘述。
图6是本发明第四个实施例的微电网中的发电单元的结构示意图。其与图1基本相同，区别在于，本实施例中采用DC/DC驱动器29替换了图1中的DC/AC驱动器6，采用直流电动机30和与直流电动机30连接的直流电动机励磁系统33替换了图1中的交流电动机7，其他与图1相同，在此不再赘述。单元控制器15将速度参考值ωref输出至DC/DC驱动器29，并将电压参考值Vref输出至同步发电机的励磁系统32，从而调节微电网的有功功率和无功功率。本领域的技术人员在本发明第四个实施例的基础上可以得到其他变形示例，例如，发电单元可以包括多个能量输出支路，每个能量输出支路包括DC/DC驱动器、直流电动机、直流电动机励磁系统、交流同步发电机、同步发电机励磁系统、单元控制器和两个电表。发电单元也可以包括多个发电单元支路。在本发明第四个实施例及其变形示例中，可以将单元控制器集成在双向DC/DC变换器中，还可以将单元控制器集成在DC/DC驱动器中。
可以对本发明的上述实施例的微电网做出各种改进，例如可以同时将图3所示的第二个实施例中的DC/AC驱动器43和DC/AC驱动器6替换为DC/DC驱动器，同时将交流电动机7替换为直流电动机和直流电动机励磁系统，交流电动机44替换为直流电动机和直流电动机励磁系统。也可以将图5所示的第三个实施例中的DC/AC驱动器6和DC/AC驱动器50替换为DC/DC驱动器，同时将交流电动机7替换为直流电动机和直流电动机励磁系统，交流电动机51替换为直流电动机和直流电动机励磁系统。
在上述实施例中，交流电动机还可以安装有速度编码器，该编码器用于检测交流电动机的转速，并输出速度反馈值信号至DC/AC驱动器中，从而精确的控制交流电动机的转速。同样，直流电动机也可以安装有速度编码器，该编码器用于检测直流电动机的转速，并输出速度反馈值信号至DC/DC驱动器中，从而精确的控制直流电动机的转速。本领域的技术人员可知，编码器的结构，以及编码器与电动机的位置关系和连接关系是公知的。在本发明的实施例中，荷电状态计算模块通过接收储能电池的电压和电流，以及荷电状态初始值从而计算得到当前荷电状态值。为了提高计算的准确性，还可以采集电池的温度对计算结果进行校正。除了用荷电状态来直接反应储能电池的充电状态外，还可以采用放电深度值来反应储能电池的放电状态。即采用放电深度计算模块代替上述实施例中的荷电状态计算模块，该放电深度计算模块通过采集储能电池的电压和电流，以及放电深度初始值计算得到当前放电深度值，并将该当前放电深度值输出至中央控制器。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种电网中由可再生能源驱动的发电单元的功率控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
(a)依据发电单元中储能装置的可用容量值、发电单元的发电效率曲线、发电单元的当前有功功率值、发电单元的当前无功功率值、电网的当前电压幅值和电网的频率计算得到发电单元的有功功率参考值和无功功率参考值；
(b)依据频率额定值、发电单元的有功功率额定值、发电单元的当前有功功率值和有功功率参考值计算得到速度参考值或转矩参考值，并依据所述速度参考值或转矩参考值调节所述发电单元中同步发电机的转速；同时，依据电压额定值、发电单元的无功功率额定值、发电单元的当前无功功率值和无功功率参考值计算得到电压参考值，并依据所述电压参考值调节所述同步发电机的输出电压幅值，
在所述步骤(b)中，
依据发电单元的有功功率额定值和发电单元的当前有功功率值的偏差得到一次频率偏差值，依据接收的有功功率参考值和有功功率额定值的偏差得到二次频率偏差值，将频率额定值与得到的一次频率偏差值和二次频率偏差值通过求和计算得到速度参考值或转矩参考值；和
依据发电单元的无功功率额定值和发电单元的当前无功功率值的偏差得到第一电压偏差值，依据接收的无功功率参考值和无功功率额定值的偏差得到第二电压偏差值，将电压额定值与得到的第一电压偏差值和第二电压偏差值通过求和计算得到电压参考值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，还包括依据储能装置的电压值、电流值和可用容量初始值计算得到储能装置的当前可用容量值。
3.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，
依据所述储能装置的当前可用容量值以及电网中获取可再生能源的能量获取装置的输出功率预测值，通过输出功率限幅计算得到所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值；
依据所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值以及发电单元的发电效率曲线生成所述电网运行效率最大的目标函数，或当所述电网还包括传统发电支路时，依据所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值、发电单元的发电效率曲线和所述传统发电支路的发电效率曲线生成所述电网运行效率最大的目标函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，依据发电单元的当前有功功率值、发电单元的当前无功功率值、电网的电压幅值和电网的频率以及电网中的负荷预测值，基于所述电网运行效率最大的目标函数得到发电单元的有功功率参考值和无功功率参考值。
5.一种电网中由可再生能源驱动的发电单元的控制装置，其包括
中央控制器，其用于依据发电单元中储能装置的可用容量值、发电单元的发电效率曲线、发电单元的当前有功功率值、发电单元的当前无功功率值、电网的电压幅值和电网的频率计算得到发电单元的有功功率参考值和无功功率参考值；
单元控制器，其用于依据频率额定值、发电单元的有功功率额定值、发电单元的当前有功功率值和所述有功功率参考值计算得到速度参考值或转矩参考值，并依据所述速度参考值或转矩参考值调节所述发电单元中的同步发电机的转速，同时依据电压额定值、发电单元的无功功率额定值、发电单元的当前无功功率值和所述无功功率参考值计算得到电压参考值，并依据所述电压参考值调节所述同步发电机的输出电压幅值，
其中所述单元控制器包括：
频率下垂模块，用于依据发电单元的有功功率额定值和发电单元的当前有功功率值的偏差得到一次频率偏差值；
二次频率调节模块，用于依据接收的有功功率参考值和有功功率额定值的偏差得到二次频率偏差值；
频率求和模块，用于将频率额定值与得到的一次频率偏差值和二次频率偏差值通过求和计算得到速度参考值；
电压下垂模块，用于依据所述发电单元的无功功率额定值和当前无功功率值的偏差得到第一电压偏差值；
无功功率控制模块，用于依据接收的无功功率参考值和无功功率额定值的偏差得到第二电压偏差值；以及
电压求和模块，用于将电压额定值与得到的第一电压偏差值和第二电压偏差值通过求和计算得到电压参考值。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述单元控制器包括：
可用容量计算模块，用于依据储能装置的电压值、电流值和可用容量初始值计算得到储能装置的当前可用容量值。
7.根据权利要求5-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述中央控制器包括：
发电单元输出功率限幅计算模块，用于依据接收的电网中获取可再生能源的能量获取装置的输出功率预测值和所述储能装置的当前可用容量值通过输出功率限幅计算得到所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值；以及
目标函数生成模块，用于依据所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值以及发电单元的发电效率曲线生成所述电网运行效率最大的目标函数，或当所述电网还包括传统发电支路时，用于依据所述发电单元的有功功率上限值和有功功率下限值、发电单元的发电效率曲线和所述传统发电支路的发电效率曲线生成所述电网运行效率最大的目标函数。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述中央控制器还包括发电单元运行效率优化计算模块，用于依据发电单元的当前有功功率值、发电单元的当前无功功率值、电网的电压幅值和电网的频率以及接收的电网中的负荷预测值，基于所述电网运行效率最大的目标函数得到发电单元的有功功率参考值和无功功率参考值。
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