一种控制器中控制动态补偿器的方法、控制器、计算机程序和计算机程序产品的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种控制器（18）中的控制动态功率补偿器（10）的方法（50）。动态功率补偿器（10）被布置用于向电力系统（17）提供有功功率P和无功功率Q，所述动态功率补偿器（10）包括电池能量存储（14）。所述方法（50）包括步骤：监测（51）所述电池能量存储（14）的充电状态；检测（52）需要增加输送给电力系统（17）的无功功率Q的电力系统（17）的电压水平；以及根据所监测的充电状态和所检测的电压水平控制（53）电池能量存储（14）。本发明还涉及控制器、计算机程序和计算机程序产品。
【专利说明】一种控制器中控制动态补偿器的方法、控制器、计算机程序和计算机程序产品
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及电力系统领域，并且尤其涉及这样的电力系统内的无功功率补
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【背景技术】
[0002]静止无功补偿器(SVC)和静止同步补偿器(STATC0M)为高电压输电系统提供无功功率，并用于调节系统电压和稳定系统。
[0003]在输电系统(下文中用电力网表示)中，电力负载既产生无功功率,又吸收无功功率。AC的有功功率的传输也与无功功率的消耗或产生相关联。负载在例如白天和夜晚期间的变化相当大，在电力网中的无功功率的平衡因此也在变化。结果可能是无法接受的电压幅度变化、电压降落、或者甚至电压崩溃。无功功率补偿器可以被布置用于在各种电力网条件下连续不断地提供控制动态电压摆动所需要的无功功率，并且借此改善电力系统传输和分配性能。在网络中一个或更多适合的点处安装无功功率补偿器，能够提高传送容量并降低损耗，同时维持在不同网络条件下的平滑电压的分布。另外，无功功率补偿器能够通过电压幅度调制减轻有功功率振荡。
[0004]动态补偿器是提供能量存储的无功功率补偿器。借此能够提供有功功率和无功功率二者。通过这样，能够支持电压变化以及频率变化和突然负载改变。
[0005]图1示出这样的动态功率补偿器1，并且尤其是静止同步补偿器(STATC0M)，其包括电压源转换器(VSC)2。VSC2在其AC侧典型的通过电抗器5和变压器6连接到电力网7。
[0006]VSC2在其DC侧连接到电容器组3，构成DC电压源。动态功率补偿器I进一步能够被提供有电池能量存储4，包括一个或多个电池串。电池能量存储4可以例如用于电力网，其例如需要对于电网稳定所必需的频率调节、以及用以覆盖负载需求中的变化或者发电间歇的短期功率支持。
[0007]电池能量存储4的电池与例如由IGBT实现的DC中断器以及隔离开关连接成串。电池能量存储4可以包括布置在电池单元中的多个串联和/或并联连接的电池元件，并且多个电池单元可以串联连接以形成电池串。电池能量存储4可以包括几个这样的并联连接的串。
[0008]由于功率放电，电池充电状态(SOC)下降。对于例如锂离子电池来说，电压随着SOC的变化而变化。因此来自电池能量存储4的电压可以在充电-放电循环期间有相当大的变化。动态功率补偿器I的无功功率输出容量取决于DC电压水平，并且因此将随着SOC的下降而减小。由于电池能量存储4必须超尺寸以能够处理电压的改变，例如通过合适地对电池能量存储定尺寸，这继而影响动态功率补偿器I的设计。这是一个代价高昂的解决方案，其例如需要很多组件并且也需要很大的占地面积。
【发明内容】
[0009]本发明的一个目的是克服或者至少缓和上面提到的问题。特别地，本发明的一个目的是为优化电池能量存储的使用提供装置和方法。
[0010]根据本发明的第一方面，由一种控制器控制动态功率补偿器的方法来实现本发明的目的。该动态功率补偿器被布置用于向电力系统提供有功和无功功率，该动态功率补偿器包括电池能量存储。该方法包括以下步骤:监测电池能量存储的充电状态；检测需要向电力系统增加的无功功率输送的电力系统的电压水平；根据所监测的充电状态和所检测所得的电压水平来控制电池能量存储。
[0011]借助于本发明，根据依据电池能量存储的充电状态(SOC)来提供有功功率P和无功功率Q的优化平衡，动态功率补偿器附近的负载的载荷能力达到最大值。例如，可以断开处于极低SOC水平的整个电池能量存储以提高向电力系统的无功功率输送。可以与来自电池能量存储的有功功率相协调地，使用态功率补偿器的所有潜在无功功率。进一步地，本发明使得一个或多个电池串断开连接以便于维护成为可能。本发明提供的电压变化降低，也造成动态功率补偿器的设计具有较少的电池室以及改善的无功功率容量。这继而将在补偿器附近允许更高的载荷能力或者功率供应能力，这意味着能够更有效率地使用该传输系统。
[0012]在一个实施例中，监测步骤包括借助于输入/输出设备接收来自用于监管电池能量存储的电池管理单元的数据。
[0013]在一个实施例中，检测电力系统的电压改变的步骤包括接收来自布置在电力系统中的测量设备和/或来自总控制系统的输入信号。
[0014]在一个实施例中，控制电池能量存储的步骤包括根据所监测的充电状态和经检测的电压水平，发送用于重新配置电池能量存储的命令。
[0015]在以上实施例中，发送用于重新配置电池能量存储的命令的步骤可以包括向布置在电池能量存储中的断路器和/或隔离开关发送断开和/或闭合信号。
[0016]在一个实施例中，监测步骤包括检测电池能量存储的低充电状态，并且控制步骤包括发送用于断开电池能量存储的命令，由此提供由动态功率补偿器向电力系统输送的增加的无功功率。
[0017]在一个实施例中，控制步骤包括向布置在电池能量存储内的断路器发送断开/闭合命令用于重新配置电池能量存储，从而增加来自电池能量存储的DC电压。
[0018]在一个实施例中，电池能量存储包括两个或者多个电池串，每个电池串包括至少一个电池单元，并且其中这两个或者多个电池串通过将至少一个电池单元中的一个从一个电池串连接到另一个电池串来重新配置。
[0019]在一个实施例中，在检测电压水平步骤中，电压水平被检测到落在预设的稳态电压区间之外，并且控制步骤包括通过发送用于断开电池能量存储的命令或者发送用于重新配置电池能量存储的命令来增加或减小无功功率和/或优化有功功率。
[0020]在一个实施例中，动态功率包括在其DC侧连接到电池能量存储的电压源换流器。
[0021]根据本发明的第二方面，通过用于控制动态功率补偿器的控制器来实现本发明的目的。动态功率补偿器被布置用于向电力系统提供有功和无功功率，并且包括电池能量存储。该控制器包括处理器，该处理器被布置用于:监测电池能量存储的充电状态；检测需要向电力系统的增加的无功功率输送的电力系统的电压水平；以及根据所监测的充电状态和所检测的电压水平来控制电池能量存储。
[0022]根据本发明的第三方面的目的通过用于控制动态功率补偿器的控制器的计算机程序来实现。该功态功率补偿器被布置用于向电力系统提供有功和无功功率。该计算机程序包括计算机程序代码，该代码在控制器中运行时，导致控制器执行以下步骤:监测电池能量存储的充电状态；检测需要向电力系统的增加的无功功率输送的电力系统的电压水平；以及根据所监测的充电状态和所检测的电压水平控制电池能量存储。
[0023]根据本发明的第四方面，通过包括上述计算机程序和其上存储了计算机程序的计算机可读装置的计算机程序产品来实现本发明的目的。
[0024]本发明更多的特征和优势通过阅读以下的描述和附图将变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1图示动态功率补偿器。
[0026]图2示意性地图示本发明实施例可以在其中实施的环境。
[0027]图3图示当电池具有高充电状态时的电池能量存储。
[0028]图4图示当电池具有低充电状态时的电池能量存储。
[0029]图5图示用于重新配置图3和图4的电池能量存储的装置。
[0030]图6图示关于根据本发明一个方面的方法的各步骤的流程图。
[0031]图7图示用以实施图6的方法的装置，并且尤其是控制器。
【具体实施方式】
[0032]在以下的描述中，出于解释而非限制的目的，列出了诸如特定架构、接口、技术等的具体细节，以便提供对本发明的深入理解。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，本发明可以被实践为超出这些具体细节的其他的实施例。在其他实例中，为了不使本发明的说明书被不必要的细节所模糊，省略了熟知的设备、电路、和方法的详细描述。贯穿说明书，相同的数字表示相同的部件。
[0033]简略地，本发明提供了用于优化如参考图1所描述的动态功率补偿器的电池能量存储使用的装置和方法。借助于布置用于根据所连接的电池能量存储的充电状态(SOC)来提供有功功率P和无功功率Q的优化平衡的控制器，动态功率补偿器的载荷能力得以最大化。
[0034]图2示意性地图示本发明实施例可以在其中实施的环境。特别是，图示的动态功率补偿器包括电压源转换器(VSC) 12。VSC12在其AC侧连接到电力系统(在下文中表示为电网17)。典型地，VSC12经由电抗器15和变压器16连接到电网1，与图1的设置一致。
[0035]动态功率补偿器10进一步包括DC能量存储13，14。特别是，该VSC12在其DC侧连接到电容器组13，并且连接到电池能量存储14，电池能量存储14包括一个或多个电池串。电池能量存储14可以包括提供维持电力网17的稳定所必需功率的锂离子电池系统。举例来说，对于锂离子电池，电压随着SOC变化，从例如在100%S0C处的4伏每电池元件下降到0%S0C (即空电池)处的3伏每元件。
[0036]在一个实施例中，电池能量存储14包括多个布置在电池单元中的串联和/或并联连接的电池元件，并且若干电池单元可以串联连接以形成电池串24、25、26、27。如所图示的情形，四个这样的电池串24，25，26，27被提供并且并联连接在VSC12的负DC母线和正DC母线之间。
[0037]电池能量存储14可以进一步包括一个或多个执行多个不同任务的电池管理单元(BMU，未图示)。此外，电池管理单元测量诸如电池电流、元件和电池电压、温度，以及电池充电状态(SOC)的不同的参数，并且执行元件的平衡，处理电池模块间的内部通信，并且处理通信以便向控制动态功率补偿器的控制器18发送数据和从控制动态功率补偿器的控制器18接收数据。每个电池串24、25、26、27可以设有相应的电池管理单元，或者每个电池单元可以设有其自己的电池管理单元。
[0038]电池能量存储14进一步设有多个快速断路器，如附图标记20、21、22、23所示。例如，这样的断路器可以被布置在每个电池串24、25、26、27与VSC12之间。稍后具体参考图
3、4、5，进一步描述电池能量存储14。
[0039]控制器18被布置用于控制动态功率补偿器10，从而动态功率补偿器10向电网17输送功率支持(无功功率Q的有功功率P)。控制器18被布置用于接收来自诸如电压互感器和电流互感器的远程测量设备(未图示)的输入，典型地经由智能电子设备提供。控制器18也可以接收来自诸如SCADA (监视控制与数据采集)的控制系统和/或先前描述的电池管理单元的输入。
[0040]当从发电机注入的功率数量与被负载消耗的功率数量相等时，电网17的频率和电压被认为是稳定的。为了能够实现有稳定的电压水平，必须提供无功功率平衡。在电网17的正常状态下，即在其中电压水平处于可接受的并且预设的范围的稳态下，电池能量存储14可以用于能量交换或者将其重新充电至期望的S0C。
[0041]当检测到电网17内的电压脱离到该范围之外时，必须采取措施以确保电网17的稳定。这样的措施包括例如无功功率Q的补偿。例如，电网17的电压可能例如在某种意外事故之后缓慢衰减。如果不与之对抗(即响应)，则减小无功功率的水平将影响电网17的越来越大的区域。电网17和动态功率补偿器10包括水平保护和最大传输容量，当达到最大传输容量时导致电网17特性发生突然地改变。
[0042]因此能够以不同的方式执行电网17内的预设电压水平偏离的检测。
[0043]本发明提供了用于以优化的方式使用电池能量存储14中存储的能量以及输出无功功率输出的方法。在一个实施例中，给定某一可用数量的存储能量，载荷能力被最大化。无功功率Q主要取决于VSC12能够从DC能量存储13、14的DC电压产生的AC电压和电网17AC电压之间的电压差异。电网17中的高AC电压给出了最大DC电压和AC电压之间的很小的差异。无功功率容量继而是适度的，但随着AC电压的减小而增加。
[0044]来自和去往电池能量存储14的最大DC电流能够随着电池电流方向而变化。如之前所述，电池的SOC水平非常重要，因为这一水平与DC母线电压有关。对于低SOC水平，最大无功功率输出将被减小。
[0045]图3图示当电池具有高SOC配置的示例性配置下的电池能量存储14。在这个示例情形中，四个电池串24、25、26、27并联连接到VSC12。所图示的每个电池串24、25、26、27包括三个串联连接的电池单元，例如电池串24包括电池单元30、31、32。
[0046]图4图示当电池具有低SOC配置的示例性配置下的电池能量存储14。特别地,为了提供期望的DC电压，图3的配置被重新配置从而电池串24、25、26、27的数量减小，并且每个电池串中的电池单元的数量增加。借此通过电池能量存储14提供增加的DC电压。
[0047]图5图示用于将电池能量存储14从图3的高SOC配置重新配置到图4的低SOC配置、以及相反的示例性实施方式。特别地，多个高速断路器(典型地具有小于40ms的操作时间)，尤其是双位断路器(在下文中表示为断路器)，被用于电池能量存储14。在图5中，第一电池串24被布置为在每个电池单元30、31、32的每侧带有断路器。也就是说，第一电池串24中的第一电池单元30连接到VSC12。在第一电池串24中的第一电池单元30和串联连接的第二电池单元31之间，提供了两个断路器41、42。类似的，在第一电池串24中的第二电池单元31和第三串联连接的电池单元32之间，提供了两个断路器43、44。第三个电池单元32经由又一断路器45连接到VSC12。第二电池串25的第一电池单元46经由断路器40连接到VSC12。当断路器40、41、42、43、44、45闭合(利用最左边的电流通道)时，就获得了图3的高SOC配置。当断路器40、41、42、43、44、45断开(利用最右边的电流通道)，就获得了图4的低SOC配置。
[0048]换个方式来描述，当从高SOC配置切换到低SOC配置，第一电池串24的每个电池单元30、31、32与剩下的电池串中相应的电池串25、26、27中的电池单元串联连接。
[0049]选择断路器使得系统的重新配置时间尽可能短。这样的断路器的示例包括双位隔离开关，基于快速转换开关的双位转换开关，诸如在由与本申请同一 申请人:的国际专利公开文本W00137299中公开的。
[0050]优选的，IGBT阀被用于临时阻止电池能量存储14中的电流，以允许预期的机械性重新配置。该切换应该快速进行以便不影响电网17，例如在5-40ms内，取决于机械开关的选择。
[0051]作为另一个优势，可以提及所图示的设置也允许处于维修的原因断开一个或多个电池串。
[0052]图6图示关于在控制器18中执行的方法的步骤的流程图。方法50包括监测51电池能量存储14的充电状态的第一步骤。这可以通过控制器18从之前所述的电池管理单元接收关于SOC的数据来实现。该监测可以连续执行，即，控制器18连续地接收来自合适的电池管理单元的数据，或者定期地，例如在预定的时间点。
[0053]方法50包括检测52电力系统17中的电压水平的第二步骤，该电压水平需要增加的向电力系统17的无功功率Q的输送。如所述，这样的需求例如可以通过确定在电网17内测量的电压位于稳态运行所定义的范围之外而检测到。测量数据可以从不同的设备、和/或从SCADA系统接收到。
[0054]方法50包括根据所监测的充电状态和所检测的电压水平来控制53电池能量存储14的第三步骤。
[0055]根据S0C，并且考虑电网17状态和需求，控制器能够发送用于重新配置电池能量存储14的命令。该命令可以包括发送断开和/或闭合信号至断路器40、41、42、43、44、45中的合适的断路器。电池能量存储14能够例如被重新配置，使得来自电池能量存储14的DC电压得以增加，如参考图3-5所描述的。
[0056]在一个实施例中，监测步骤51包括检测电池能量存储14的低S0C。控制步骤53继而包括发送用于断开全部电池能量存储14的命令。借此，通过动态功率补偿器10输送至电网17的无功功率Q增加，并且电网17的电压不稳定性能够得以减轻。[0057]在一个实施例中，在检测52电压水平的步骤中，电压水平被检测到落在预设的稳态电压区间之外。控制53步骤继而包括增加或减小无功功率Q和/或调整有功功率P从而减小网络中无功功率的损耗。这可以通过发送用于断开电池能量存储14的命令或发送用于重新配置电池能量存储14的命令来实现。在某种情况中，可能得出一个针对P的最优值，例如参见引文[Stefan G Johansson, Gunnar Asplund, Erik Jansson 和 RobertoRudervall 的“POWER SYSTEM STABILITY BENEFITS WITH VSC DE-TRANSMISSION SYSTEMS”，B4-204 会议 2004，CIGRE]。
[0058]本发明也包含控制器18。图7图示控制器18，并且尤其是用于实现所描述的方法的装置。控制器18包括处理器63，例如中央控制单元、微控制器、数字信号处理器(DSP)等，其能够执行存储在例如形式为存储器的计算机程序产品62中的软件指令。处理器63连接到如之前所述的从远程测量设备和/或从诸如SCADA的控制系统接收输入的输入/输出设备60。值得注意的是虽然在图7中仅示出了一个处理器63，但是实施方式可以包括分布的硬件，从而在运行软件时使用多个CPU而非一个。
[0059]所描述的用于控制动态功率补偿器10的方法和算法或其中的部分，可以由例如控制器18中软件和/或专用集成电路来实现。为此，控制器18可以进一步包括存储在计算机程序产品62中的计算机程序61。
[0060]仍然参考图7，本发明也包含这样的用于控制动态功率补偿器10的计算机程序61。计算机程序61包括当在控制器18中并且尤其是在其中的处理器63中运行时，使控制器18执行所描述的方法的计算机程序代码。
[0061]也提供计算机程序产品62，其包括计算机程序61以及在其上存储了计算机程序61的计算机可读装置。计算机程序产品83可以为任何读写存储(RAM)或只读存储(ROM)的组合。计算机程序产品62也可以包括永久存储，其例如可以是磁存储器、光存储器、或固态存储中单独的一个或组合。
【权利要求】
1.一种控制器(18)中的控制动态功率补偿器(10)的方法(50)，所述动态功率补偿器(10)被布置用于向电力系统(17)提供有功和无功功率(P，Q)，所述动态功率补偿器(10)包括电池能量存储(14),所述方法(50)包括步骤: -监测(51)所述电池能量存储(14)的充电状态， -检测(52)需要增加输送给所述电力系统(17)的无功功率(Q)的所述电力系统(17)的电压水平，以及 -根据所监测的充电状态和所检测的电压水平控制(53 )所述电池能量存储(14 )。
2.根据权利要求1所述的方法(50)，其中所述监测步骤(51)包括借助于输入/输出设备(60 )接收来自被布置用于监管所述电池能量存储(14 )的电池管理单元的数据。
3.根据权利要求1或2所述的方法(50)，其中所述检测(52)所述电力系统(17)的电压改变的步骤包括接收来自布置在所述电力系统(17)中的测量设备和/或来自总控制系统的输入信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(50)，其中所述控制(53)所述电池能量存储(14 )的步骤包括根据所监测的充电状态和所检测的电压水平，发送用于重新配置所述电池能量存储(14)的命令。
5.根据权利要求4所述的方法(50)，其中所述发送用于重新配置所述电池能量存储(14)的命令的步骤包括向布置在所述电池能量存储(14)内的断路器(20，21，22，23 ;40，41，42，43，44，45)发送 断开和/或闭合信号。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(50)，其中所述监测(51)步骤包括检测所述电池能量存储(14)的低充电状态，并且所述控制(52)步骤包括发送用于将所述电池能量存储(14)断开的命令，由此提供由所述动态功率补偿器(10)向所述电力系统(17)输送的增加的无功功率(Q)。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法(50)，其中所述控制(53)步骤包括向布置在所述电池能量存储(14)内的断路器(20，21，22，23 ;40，41，42，43，44，45)发送断开/闭合命令用于重新配置所述电池能量存储(14)，从而增加来自所述电池能量存储(14)的DC电压。
8.根据权利要求7所述的方法(50)，其中，所述电池能量存储(14)包括两个或多个电池串(24，25，26，27)，每个电池串(24，25，26，27)包括至少一个电池单元(30，31，32)，并且其中通过将所述至少一个电池单元中的一个电池单元从一个电池串连接到另一个电池串，对所述两个或多个电池串(24，25，26，27)进行重新配置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法(50)，其中，在所述检测(52)电压水平的步骤中，所述电压水平被检测落在预设的稳态电压区间之外，并且所述控制(53)步骤包括通过发送用于断开所述电池能量存储(14)的命令或通过发送用于重新配置所述电池能量存储(14)的命令来增加或减小无功功率(Q)和/或有功功率(P)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法(50)，其中，所述无功功率补偿器(10)包括在其DC侧连接到所述电池能量存储(14)的电压源换流器(12)。
11.一种用于控制动态功率补偿器(10)的控制器(18)，所述动态功率补偿器(10)被布置用于向电力系统(17)提供有功和无功功率(P，Q)，所述动态功率补偿器(10)包括电池能量存储(14 )，所述控制器(18 )包括处理器(63 )，所述处理器(63 )被布置用于:-监测所述电池能量存储(14)的充电状态， -检测需要增加输送给所述电力系统(17)的无功功率(Q)的所述电力系统(17)的电压水平，以及 -根据所监测的充电状态和所检测的电压水平控制所述电池能量存储(14 )。
12.一种用于控制器(18)控制动态功率补偿器(10)的计算机程序(61)，所述动态功率补偿器(10)被布置用于向电力系统(17)提供有功和无功功率(Q)，所述计算机程序(61)包括计算机程序代码，计算机程序代码当在所述控制器(18)中运行时，使所述控制器(18)执行步骤: -监测(51)所述电池能量存储(14)的充电状态， -检测(52)需要增加输送给所述电力系统(17)的无功功率(Q)的所述电力系统(17)的电压水平，并且 -根据所监测的充电状态和所检测的电压水平控制(53 )所述电池能量存储(14 )。
13.一种计算机程序产品(62)包括一种根据权利要求12所述的计算机程序(61)，和其上存储了所述计算机程序(61 )的计算机可读装置。
【文档编号】H02J3/18GK103503267SQ201180070739
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2011年12月28日 优先权日:2011年5月10日
【发明者】T·拉森, K·索伯恩, S·索伯恩 申请人:Abb研究有限公司