专利名称：用于可再生能源的多用途能量存储器的制作方法
用于可再生能源的多用途能量存储器技术领域
本发明一般涉及可再生能源，且更具体而言，涉及结合可再生能源来使用能量存 储器。本发明另外涉及并网可再生能源(grid connectedrenewable energy source)的电 网频率的稳定。
背景技术：
风力涡轮发电机(WTGs)和风力设施(wind plant)典型地设计成对公用电网输送 恒定的有功功率和无功功率，其中，输送的功率与系统频率无关。这通过使用快速动作的功 率电子器件和控制器使转子惯量和速度与电网脱耦(decouple)来实现。由于风力设施大 小和渗透程度(penetration)的增加，一些公用电网现在要求风力设施和风力涡轮控制器 提供增强的能力，例如频率的稳定。
目前，风力涡轮不提供频率调整服务，频率调整服务对于保持电力系统的稳定性 (功率平衡)是非常重要的。用于改进风力涡轮中的功率系统稳定性的另一个因素是惯量 响应(inertia response) 0 一般而言，惯量控制器响应于电网上的频率偏差而使用转子动 能。例如，如果电网的频率在名义值以下，则使用转子的动能来对电网输出电功率。这导致 转子速度下降。类似地，如果电网的频率增加超过名义值，则通过从电网输入电功率来增加 转子的动能。这导致转子速度提高。因为在电网上存在持续的频率抖动(dithering)，所以 响应于频率的惯量控制器往往导致转子速度和/或加速度抖动。如果转子振荡模式接近电 网振荡模式，则耦合行为可激发谐振。因此，使用转子惯量来进行持续的频率响应可能不总 是可行的。因而，期望具有用以高效地处理可再生能量的可变性的系统和方法，以帮助满足 相关公用电网公司的要求。发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种功率发生系统(power generationsystem)，其 包括风力涡轮叶片组件、以机械的方式联接到叶片组件上的发电机，以及联接到发电机上 的功率转换器。系统还包括至少一个能量存储装置和将能量存储装置联接到功率转换器上 的至少一个双向转换器。在系统中还提供了惯量控制器和能量存储器控制器。惯量控制器 提供第一瞬态信号，以在电网信号在相应的信号范围之外时，调整风力涡轮系统的有功功 率。能量存储器控制器对双向转换器提供第二瞬态信号，以基于第一瞬态信号、功率发生系 统状态和它们的组合来调整到或来自能量存储装置的功率。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于包括联接到公用电网上的非传统能 源的功率发生系统的稳定系统。系统包括能量存储装置，该能量存储装置在电网的瞬态状 态期间充电或放电；以及惯量控制器，其用于提供第一瞬态信号，以在电网信号在相应的信 号范围之外时，调整来自功率发生系统的惯量功率。系统还包括能量存储器控制器，其用于 提供第二瞬态信号，以基于第一瞬态信号、功率发生系统状态或它们的组合来调整到或来 自能量存储装置的功率。
根据本发明的又一个实施例，提供了一种用于风力功率发生系统的稳定方法。方 法包括提供第一瞬态功率发生信号，以在电网频率信号在相应的信号范围之外时调整来自 风力涡轮转子的功率；以及提供第二瞬态功率发生信号，以基于第一瞬态功率发生信号、风 力功率发生系统状态或它们的组合来调整来自能量存储器的功率。
当参看附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得 更好理解，在附图中，相同的标号在图中表示相同的部件，其中
图1是典型的风力功率发生系统的高水平简图(high level blockdiagram)；
图2是根据本发明的一个实施例的、包括能量存储装置的风力功率发生系统的概略图3是根据本发明的另一个实施例的、包括能量存储装置的风力功率发生系统的概略图
图4是根据本发明的一个实施例的详细的稳定控制系统的高水平简图。
部件列表
40风力功率发生系统
42风力涡轮叶片
43风力发电机
44第一 AC-DC转换器
46DC 链路(DC link)
48DC-AC换流器
50收集器系统
52变压器
54能量存储装置
56双向DC-DC转换器
58稳定控制逻辑
60能量存储器控制器
62惯量控制器
63风力涡轮控制器
64风力设施控制器
70备选风力功率发生系统
72DC-AC换流器的AC侧
74双向DC-AC转换器
110风力涡轮系统
112轮毂
114叶片
116涡轮部分
118功率转换系统
120传云力系统(drive train)
122低速轴
124发电机轴
126齿轮箱
128联接元件
130高速轴
132风力设施控制器
134收集器系统
200详细的稳定控制系统
202惯量控制器
204能量存储器控制器
206稳定控制逻辑
208死区限制器(deadband limiter)
210第二死区限制器
212逻辑模块
214功率发生系统的信号
216第一转换器瞬态功率命令信号
218发电机速度
220第一瞬态功率信号
222第二瞬态功率信号具体实施方式
如下面详细论述的那样，本发明的实施例起提供用于将来自可再生能源的功率传 送到电网以稳定电网频率的系统和方法。
大体参看图1，示出了可操作成产生电功率的风力涡轮系统110。风力涡轮系统 110包括具有多个叶片114的轮毂112。叶片114将风的机械能转换成旋转扭矩，旋转扭矩 由风力涡轮系统110进一步转换成电能。风力涡轮系统110还包括可操作成将风的机械能 转换成旋转扭矩的涡轮部分116，以及可操作来将由涡轮部分116产生的旋转扭矩转换成 电功率的功率转换系统118。传动系统120设置成将涡轮部分116联接到功率转换系统118 上。风力涡轮功率转换系统118典型地包括带有用于转子磁场控制的功率电子转换器的双 馈异步发电机，或用于与到收集器系统134的全功率电子转换器接口一起使用的同步发电 机。收集器系统通常包括涡轮变压器、供电电缆和向上到变电站变压器上的断路器。应当 注意，收集器系统是电网的一部分，其中，电网通常涉及计量点等(the metering point and beyond)。
涡轮部分116包括联接到轮毂112上的涡轮转子低速轴122。旋转扭矩通过传动 系统120从转子低速轴122传递到发电机轴124。在某些实施例(例如图1中所示的实施 例)中，传动系统120包括将扭矩从低速轴122传递到高速轴130的齿轮箱126。高速轴 130利用联接元件联接到功率转换系统轴IM上。
功率转换系统118联接到风力涡轮控制器144上。风力涡轮控制器144接收来自 功率转换系统的信号146，该信号146表示系统的运行参数。作为响应，风力涡轮控制器144可产生控制信号，例如用以改变叶片114的桨距的桨距信号156或用于功率转换系统的扭 矩信号。风力涡轮控制器144还典型地联接到风力设施控制器132上。
图2示出了根据本发明的实施例的风力功率发生系统40。系统40包括风力涡轮 叶片42、风力发电机43、联接到DC链路46上的第一 AC-DC转换器44，以及对收集器系统 50(其为电网的一部分)供给电功率的DC-AC换流器48。系统40还包括通过一个或多个相 应的双向DC-DC转换器56联接到DC链路46上的一个或多个能量存储装置M。在一个实 施例中，例如，能量存储装置可包括超级电容或电化学电池或它们的组合。稳定控制逻辑58 对能量存储器控制器60提供命令，能量存储器控制器60基于电网状态来控制双向DC-DC 转换器56。稳定控制逻辑58还对惯量控制器62提供命令，该惯量控制器62产生控制信 号，对于一个实例，控制信号为用于改变叶片42的桨距的、输送到风力涡轮控制器63的瞬 态桨距信号或用于控制AC-AC转换器44的、输送到风力涡轮控制器63的瞬态扭矩信号。风 力涡轮控制器63还接收来自收集器系统50的信号，该信号表示系统和风力设施控制器64 的运行参数。作为响应，风力涡轮控制器63可产生控制信号，例如桨距信号和用于功率转 换系统的扭矩信号。
在一个实施例中，稳定控制逻辑58识别电网频率中的波动或干扰的存在，并且对 惯量控制器62提供第一瞬态功率信号或第一瞬态扭矩信号。在一个实施例中，来自惯量控 制器62的第一瞬态功率信号包括两个信号，而且更具体而言，包括扭矩命令△ T和涡轮速 度命令AS。在其它实施例中，第一瞬态功率信号包括功率命令、扭矩命令和速度命令中的 至少一个。第一瞬态功率信号典型地还受约束，以便限制振荡耦合。然后惯量控制器62使 用第一瞬态功率信号来产生用以调节叶片的桨距的瞬态叶片桨距控制信号、瞬态发电机速 度命令信号和/或第一瞬态转换器功率命令，以便稳定功率发生系统。
在一个实施例中，如果惯量控制器提供不为正的第一瞬态转换器功率命令，则稳 定控制逻辑58对能量存储器控制器60提供第二瞬态功率信号。如果达到了发电机速度限 值或者如果电网信号偏差落在惯量控制器死区内，则来自惯量控制器的瞬态功率命令将不 为正。在一个实施例中，惯量控制器死区在0.2Hz至2Hz的范围中。如果发电机速度不为 恒定的且低于预干扰(pre-disturbance)发电机速度，或者如果频率的变化率大于零，则 来自惯量控制器的第一瞬态功率命令也可不为正。如果来自惯量控制器的第一瞬态命令为 正，则稳定控制逻辑58不对能量存储器控制器60提供任何瞬态功率信号，而且能量存储器 的状态不改变。也就是说，能量存储器既不充电也不放电。
当稳定控制逻辑58对能量存储器控制器60提供第二瞬态功率信号使得能量存储 器控制器对转换器提供第二功率命令时，转换器56就从能量存储装置对DC链路提供要求 的瞬态功率。在一个实例中，瞬态功率或临时性功率提高可增加百分之五至百分之十达十 秒钟。
除了电网稳定性以外，使用存储的能量来提供瞬态响应具有多个好处，包括例如 在不需要内置运行余量(例如通过缩减模式操作(curtailed mode operation))的情况下 使用其它情况下在涡轮输出处不可用的存储的能量。在一个实施例中，能量存储装置在风 力功率发生系统的正常运行期间充电。例如，当电网频率不存在下降(dip)时或者当风力 发电机在供应过量功率时，稳定控制逻辑58可命令能量存储器控制器60，并且继而命令双 向转换器56通过第一 AC-DC转换器44从风力发电机43获取有功功率，以对能量存储装置M充电。假如来自惯量控制器的功率命令信号不为负，则稳定控制逻辑可提供控制信号，以 对能量存储装置充电。
图3示出了根据本发明的一个实施例的备选风力功率发生系统70。在这个实施例 中，能量存储装置讨连接到DC-AC变换器48的AC侧72上。因而，使用双向DC-AC转换器 74来将来自能量存储装置的DC功率传送到AC电网。本领域的技术人员将理解，在另一个 实施例中还可采用多个能量存储装置和多个双向DC-AC转换器。在一个实施例中，稳定控 制逻辑58如之前描述的那样基于电网频率中的波动和惯量控制器的状态通过能量存储器 控制器60和/或风力涡轮控制器63对转换器44和/或转换器74提供瞬态功率信号。图 3的实施例将典型地比图2的实施例具有更低的安装和互连成本。将双向转换器74联接到 DC-AC转换器上可通过直接连接到DC-AC转换器上或借助于通过变压器52和/或DC-AC转 换器和电网之间的功率线路的连接来实现。因而，双向转换器74可位于DC-AC转换器附近 或位于远距离(例如距DC-AC转换器二至三英里)处。
图4表示根据本发明的实施例的可再生功率发生系统的详细的稳定控制系统 200。控制系统200包括稳定控制逻辑206、惯量控制器202及能量存储器控制器204。稳 定控制逻辑206包括死区限制器208、第二死区限制器210及逻辑模块212。在一个实施例 中，对稳定控制逻辑的输入是功率发生系统的信号214和惯量控制器的第一转换器瞬态功 率命令信号216。信号214可包括任何适当的信号，对于一个实施例，包括对应于功率发生 系统频率的信号。在另一个实施例中，信号214可包括电压信号、电流信号、功率信号或它 们的组合。信号可通过相应的信号的直接测量或通过另一个信号的测量和用以获得相应的 信号的计算来获得。
第一死区限制器208构造成用于检测功率发生系统的信号214何时在信号范围或 频带之外。如果信号214在特定的信号范围之外，则控制逻辑206对惯量控制器202提供 第一瞬态功率命令信号220。如果发电机速度218还没有到达其限值，则惯量控制器202对 涡轮控制器提供第一瞬态功率信号。第一死区限制器208用来将惯量控制器202的响应限 值于足够大的事件。由于在负载上载(come on)或脱离系统时发生的抖动的原因，频率将 总是稍微改变。例如，取决于系统，负载变化典型地影响频率达约0.05Hz。惯量控制器202 用于在负载和发电量之间存在突然差异时发生的更显著的事件，例如公共电网系统失去大 型发电机或传输线路跳闸。在一个实例中，死区设定为离中心点频率正或负0.12Hz。这个 限值的选择典型地基于诸如功率发生系统的位置和性质以及频率中心点的可变性的因素。 稳定系统200可具有由最终用户在考虑了这种因素之后设定的可变的限值。
稳定控制逻辑206的第二死区限制器210检测信号214何时在信号范围内。在一 个实施例中，信号范围为0. 2Hz至2Hz。如果频率的变化率大于零，并且如果来自惯量控制 器的第一瞬态功率命令不为正，则逻辑模块提供正的信号。如之前所述，如果达到了发电 机速度限值，或者如果电网频率偏差落在惯量控制器死区内，则第一瞬态转换器功率命令 将不为正。如果风速不为恒定的且其低于预干扰风速，或者如果频率的变化率大于零，则来 自惯量控制器的第一转换器功率命令也可不为正。如果来自逻辑模块的信号为正且信号 214在特定的范围内，则稳定控制逻辑206对能量存储器控制器204提供第二瞬态功率信号 222。第二瞬态功率信号222可对能量存储器充电，或者通过对电网提供功率来对能量存储 装置放电。假如来自惯量控制器的第一功率命令信号不为负，当风力功率发生量超过负载时，对能量存储装置充电。因此，当信号214在信号范围之外时，惯量控制器操作以提供瞬 态功率，并且当信号214在信号范围内时，能量存储器控制器操作以提供瞬态功率，从而导 致系统的持续的频率稳定。
这个风力涡轮系统的一个独特的特征在于，其允许风力涡轮提供瞬态响应，甚至 是在无风或低风时期。该方案的优点是通过提供惯量响应及通过联接风力惯量响应和能量 存储器而提供的主频率调整而改进功率系统的频率稳定性。惯量响应减小了频率的变化率 的幅度，并且从而减小了频率峰值的幅度。另外，尽管风力涡轮示出为能源，但是相信本文 公开的概念可应用于任何非传统能源，其中，多个其它实例包括太阳能功率发生系统、微型 涡轮及燃料电池。
虽然本文已经对本发明的仅某些特征进行了说明和描述，但是本领域的技术人员 将想到许多修改和变化。因此，将理解到，所附权利要求书意在覆盖落在本发明的真实精神 内的所有这种修改和变化。
权利要求
1.一种功率发生系统(40)，包括 风力涡轮叶片组件G2)；以机械的方式联接到所述叶片组件G2)上的发电机03)； 联接到所述发电机G3)上的功率转换器04，48)； 能量存储装置(54)；将所述能量存储装置(54)联接到所述功率转换器(44，48)上的双向转换器(56)； 惯量控制器(62)，该惯量控制器(6 构造成提供第一瞬态信号，以在电网信号在相应 的信号范围之外时，调整来自所述风力涡轮系统的有功功率；以及能量存储器控制器64)，该能量存储器控制器(54)构造成对所述双向转换器(56)提 供第二瞬态信号，以基于所述第一瞬态信号、功率发生系统状态或它们的组合来调整流到 或流出所述能量存储装置(54)的功率。
2.根据权利要求1所述的功率发生系统，其特征在于，所述双向转换器联接在所述能 量存储装置和所述功率转换器的DC链路之间。
3.根据权利要求1所述的功率发生系统，其特征在于，所述双向转换器联接在所述能 量存储装置和所述功率转换器的输出侧之间。
4.根据权利要求1所述的功率发生系统，其特征在于，所述惯量控制器还构造成防止 所述第一瞬态信号使所述发电机在至少一个操作约束之外操作。
5.根据权利要求1所述的功率发生系统，其特征在于，所述电网信号包括功率发生系 统频率信号。
6.根据权利要求1所述的功率发生系统，其特征在于，所述电网信号包括电压信号、电 流信号、功率信号或它们的组合。
7.根据权利要求1所述的功率发生系统，其特征在于，所述第一瞬态信号包括功率命 令、扭矩命令、涡轮速度命令或它们的组合。
8.根据权利要求1所述的功率发生系统，其特征在于，所述第二瞬态信号包括用于所 述能量存储装置的充电信号或放电信号。
9.一种用于包括联接到公用电网(50)上的非传统能源G2)的功率发生系统的稳定系 统(40)，所述稳定系统包括能量存储装置(M)，该能量存储装置(54)构造成在电网的瞬态状态期间充电或放电； 惯量控制器(62)，该惯量控制器(6 构造成提供第一瞬态信号，以在电网信号在相应 的信号范围之外时，调整来自所述功率发生系统的惯量功率；以及能量存储器控制器(60)，该能量存储器控制器(60)构造成提供第二瞬态信号，以基于 所述第一瞬态信号、功率发生系统状态或它们的组合来调整流到或流出所述能量存储装置 的功率。
10.一种用于风力功率发生系统的稳定方法，包括提供第一瞬态功率发生信号，以在电网频率信号在相应的信号范围之外时调整来自风 力涡轮转子的功率；提供第二瞬态功率发生信号，以基于所述第一瞬态功率发生信号、风力功率发生系统 状态或它们的组合来调整来自能量存储器的功率。
全文摘要
本发明涉及用于可再生能源的多用途能量存储器，具体而言，提供了一种功率发生系统，其具有风力涡轮叶片组件、以机械的方式联接到叶片组件上的发电机，以及联接到发电机上的功率转换器。在系统中还提供了能量存储装置和将能量存储装置联接到功率转换器上的双向转换器。提供了惯量控制器以用于产生第一瞬态信号以在电网信号在相应的信号范围之外时调整来自风力涡轮系统的有功功率。系统还包括能量存储器控制器以用于对双向转换器提供第二瞬态信号，以基于第一瞬态信号、功率发生系统状态或它们的组合来调整流到或流出能量存储装置的功率。
文档编号H02J3/38GK102035213SQ201010506920
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者D.K.钱德拉谢哈拉, R.K.布拉, R.W.德尔梅里科, S.博斯 申请人:通用电气公司