无功功率容量预测的制作方法

本发明总体上涉及电网。更具体地，本发明涉及用于调节从外部能量源供应到电网的电力的转换器。

背景技术：

通常与电网关联使用的并网转换器(Grid-tied converters)将可再生能源转换成电力系统可接受的交流电(AC)格式。例如，并网转换器用来基于相关的本地并网准则(local grid code)，将来自能量源(诸如太阳电池板、风力涡轮机或其他某种源)的能量转换成适用于将能量馈送到电网中的AC形式。

如本领域的技术人员理解的，并网准则为限定外源或设施要连接到电网所必须达到的特定参数的技术规范。所述规范确保供应电力的兼容性、安全性和保安性。

作为背景技术，流入电网中的电力包括两种类型：有功功率(P)和无功功率(Q)。并网准则在各国家之间是不同的，但一个共同要求为并网可再生能源转换器通常需要必须受电网管理系统控制的无功功率补偿能力，并且一些并网准则甚至强调当需要时相较于静止VAR补偿器优先使用转换器的无功功率容量。

常规并网转换器通常包括进行无功功率补偿的能力。然而，常规并网转换器缺乏准确预测转换器的自身无功功率容量的能力，所述能力用于帮助电网管理系统了解转换器能够进行多少无功功率补偿。

这些常规系统中的大部分以简单方式执行无功功率容量预测。例如，一种常用技术估计作为视在功率(S)和有功功率(P)的函数的Q的最大容量，如然而，该方法未能考虑Q容量不是简单的视在功率和有功功率(P)的函数，而是与电网的外部环境密切相关。常规系统忽略了Q容量为电网的阻抗/电压/频率和功率转换器的内部状态(有功功率/DC母线电压限值/控制技术)的函数。更具体地，这些常规系统缺乏准确预测最大Q容量的能力。

技术实现要素：

鉴于上述缺陷，存在对于方法和系统的需要，所述方法和系统通过利用来自电网的功率转换器内部状态信息和外部连接点反馈信息来实时准确预测并网功率转换器的Q容量。

在某些情况下，本发明的实施例包括一种用于调节从能量源提供到电网的能量的系统，所述系统包括转换器，所述转换器配置用于从源接收能量。转换器配置用于动态预测作为选自以下组的至少一个的函数的实时最大无功功率容量，所述组包括：(i)直流链路最大电压，(ii)瞬时电网电压，和(iii)线电流。预测的最大无功功率容量配置用于优化能量的调节。

实施例使得能够更准确和全面地预测功率转换器的无功功率容量，这帮助电网管理系统制定最佳的无功功率补偿策略。

从技术角度来看，根据实施例构造的最大Q容量预测技术基本上与通常为未知的电网阻抗无关。这些技术准确预测作为相关并网准则、内部转换器状态信息和外部电网连接点反馈信息的函数的最大Q容量。

以此方式，最大Q容量预测可在简单的参数修改之后动态地适用于不同国家的并网准则。根据实施例构造的方法和系统可与多种可再生的替代性能量供应源(列举几个，诸如太阳能和风能)一起使用。

下文参考附图对各项实施例的其他特征和优点以及结构和操作进行更加详细的描述。本发明不限于本说明书中描述的具体实施例。实施例仅为示意性目的展示。基于本说明书中包含的教导内容，附加的实施例对于本领域的技术人员将显而易见。

附图说明

并入本说明书中且形成本说明书的一部分的附图示出本发明并且连同本说明进一步用于解释本发明的原理，并且使得相关领域的技术人员能够进行和使用本发明。

图1为可实践本发明实施例的示例性功率管理系统环境的框图图示。

图2为图1中所示的并网转换器、连同至电网的相关电气连接的详细图示。

图3为图2中所示的并网转换器的最大线电压的图示。

图4为根据实施例构造的示例性超前最大无功功率容量预测模块的框图。

图5为根据实施例的示例性转换器误差校正技术的图示。

图6A为根据实施例构造的Q正插值模块(Q positive interpolation module)的框图图示。

图6B为根据实施例构造的Q负插值模块(Q negative interpolation module)的框图图示。

图7为根据实施例构造的图2中描绘的转换器控制模块的更详细的框图。

图8为描绘常规Q容量预测波形与实际最大Q输出波形之间的比较的图示。

图9A和9B为根据实施例的对于实际最大Q输出波形分别超前和滞后的Q容量预测波形的图示。

图10为实践本发明实施例的示例性方法的流程图。

具体实施方式

尽管本说明书中利用针对特定实现方式的示意性实施例来描述示意性实施例，但应理解本发明不限于此。阅读了本说明书中提供的教导内容的本领域技术人员将认识到在其范围内的附加修改、应用和实施例，以及本说明书描述的照明系统将具有重要应用的附加领域。

以下详细描述在本质上仅仅是示例性的，而并不意图限制本说明书中所揭示的应用和用途。此外，并不意图受前述背景技术或者发明内容或以下详细描述中所列举的任何理论的约束。

图1为示例性电功率管理系统100的框图图示，在所述系统中可实践本发明的实施例。系统100包括电网102、连同能量源104。一种这样的能量源可包括向电网102提供可再生能源的基于光伏(PV)的太阳能量源。并网转换器106被设置用来接收、测试和调节由能量源104产生的能量，以便确保它与电网102的适用性和兼容性。

在另一个实例中，联接到永磁同步发电机(PMSG)的风力涡轮机可将风生电力供应到并网转换器106。转换器106将对风生电力进行分析、调节，确保它作为用于供应到电网102的可行能量源的适用性和兼容性。

更具体地，并网转换器106调节能量源104的输出，以便补偿在从其输出的电力中的异常或瞬时故障-最后可能使电网102的性能降级的异常或故障。

在本发明的示意性实施例中，以及如以下更详细讨论的，补偿在从外源输出的电力中的异常或故障的能力为并网转换器106的无功功率容量的函数。

作为背景，当向电网102供应电力时，电网呈现对应地表示电网阻抗的固有容量。另外，外部环境可在操作期间产生电网102的失灵(例如，阻抗/电压/频率)。这些失灵最后由于短路、雷击损害或其他异常可触发在用来执行与电网102关联的重要功能的设备中的对应故障。

许多常规并网转换器包括进行无功功率补偿的功能。然而，挑战为在操作期间转换器的无功功率容量不是静态的，它也不单纯为视在功率和有功功率输出的函数。而实际上，除功率转换器的自身内部状态(例如，有功功率输出/无功功率输出/DC母线电压限值/控制算法等)之外，无功功率容量还与电网的操作环境(例如，阻抗/频率/电压)紧密相关。

由此，为优化对由能量源104产生的电力的调节，并网转换器应具有准确预测无功功率容量的能力-无论在稳态或是瞬变状况发生期间。根据本发明的实施例，并网转换器106具有实时动态预测无功功率容量的能力。

更具体地，根据实施例构造的并网转换器106包括可实时预测转换器的无功功率容量的功能。此预测能力是基于并网转换器106的内部状态信息和与电网102相关联的外部连接点反馈信息。

并网转换器106准确预测其自身无功补偿容量的能力提供更有效的故障管理系统。更准确的无功功率容量评估继而使得能够更有效地调节与功率管理系统环境100相关联的电力(例如，电压)。另外，当调节未能阻止失灵并且故障发生时，实施例加速恢复并增强耐久性。

图2为联接到电网102的并网转换器106的物理模型、连同通常指示稳态(即无故障)电网操作的各种参数的框图图示。

并网转换器106包括转换器控制模块200。以下更详细地讨论的，转换器控制模块200包括用于优化并网转换器106的无功功率容量预测的准确性的附加子模块和组件。

如图2中描绘的，并网控制器106产生功率转换器瞬时线电压Vc。电感器L表示功率转换器106的电感，从而在Vc流过其中时产生电网电流Ig，和瞬时电网线电压Vg。在实施例中，Vc、Vg、Ig和L之间的相互作用与并网转换器106的Q容量预测相关。

在示例性实施例中，无功功率补偿为Q的函数，所述Q稳定电网电压Vg，从而增强电功率管理系统100的操作效率。如本领域的技术人员理解的，Q可进一步分成两种类型：超前无功功率(超前Var)和滞后无功功率(滞后Var)。

图3为DC链路最大电压(Vdc_max)的影响的图示300，所述电压对于准确确定超前Var是不可或缺的。并网转换器106的可获得最大AC线电压(Vc_max)是Vdc_max的函数并且被Vdc_max物理限制。

图3描绘确定最大超前Var的矢量关系。最大超前Var还是电网频率(fg)的函数。假定瞬时电网线电压为Vg并且反馈功率为Pout，则电网容量足够大，使得Vg在Q补偿期间不改变。

图300示出了短矢量Vc和较长矢量Vc_max。垂直矢量V_y保持不变，从而导致Pout也保持不变。基于这些等式，最大超前无功功率(Qvar_pos_max_1)可由以下方式获得：

Z＝2*pi*fg*L*sqrt(3)//Z：线阻抗

I_x＝Pout/(sqrt(3)*Vg)//I_x：X轴302处的线电流

V_y(Y轴304处的电压)＝I_x*Z

在此瞬间，对于Vc_max＝Vdc_max*K(K值基于转换器的拓扑结构)，并且Pout保持恒定，如以上指出的。因此，最大超前无功功率容量为：

θ＝asin(V_y/Vc_max)

Qvar_pos_max_1＝sqrt(3)*Vg*(Vc_max*cos(θ)-Vg)/Z......等式(1)

作为解释，电网容量可能不是无限的，因为它包括某个水平的阻抗。因此，Q输出将递增地增加Vg。因为当Vg增加时Vc max不变，所以Vg的这些递增增加最后减少转换器的无功功率容量。然而，在本发明的示例性实施例中考虑了无功功率容量的这一减少。

图4为配置用于实时动态产生输出(Qvar_pos_max_1)402的示例性超前无功功率容量预测模块400的框图。Qvar_pos_max_1信号402为超前Q容量的全面预测-作为内部转换器状态信息和外部电网连接点反馈信息的函数而产生。以此方式确定，Qvar_pos_max_1信号402预测值与电网102的阻抗无关。

图5为根据实施例的示例性校正技术500的图示。图500描绘与超前电压阈值504相关联的超前Var 502(Q>0)，所述阈值504具有上(Vth2)电平和下(Vth1)电平。电压阈值504为沿X轴508的现场并网准则506的函数。类似地，滞后Var 510(Q<0)与滞后电压阈值512相关联，所述阈值512具有上(Vth3)电平和下(Vth4)电平。

如以上指出的，每个国家具有其自身的并网准则(grid code)，所述并网准则为其电网建立电压限制。例如，美国的电压限值(即并网准则)为0.9PU-1.1PU。因此，美国电网的电压电平不能超过此范围的上边界。

在Q补偿期间，Vg将相应地改变，并且其量值为电网阻抗(通常未知)的函数。紧急瞬态或其他某种异常可能在Q补偿期间发生。因此，Vg可能接近由相关现场并网准则建立的预先确定的上电压边界或下电压边界。

因此，转换器的Q容量预测功能必须配备有校正技术，所述校正技术用于限制Q输出并且反映这种Q容量预测中的动态改变，以便阻止电压电平超过这些建立的并网准则电压的上边界或下边界。根据实施例构造的转换器提供误差校正以便帮助减轻此问题。

返回图5，超前无功功率容量校正技术可被分类成插值加迟滞控制，其为：

在图5中，if

Vgrid>＝Vth2

Qvar_pos_max＝Qvar_out–Constant//(Constant>0)

Else If

Vth1＝<Vgird<＝(Vth2-hysteresis)

Qvar_pos_max＝Qvar_prediction+(Qvar_out-Constant Qvar_prediction)*(Vgrid-Vth1)/(Vth2-Vth1)

Else

Qvar_pos_max＝Qvar_prediction

(Vth1、Vth2为与不同本地并网准则相关联的电压阈值设置，Qvar_out为转换器的无功输出)

滞后无功功率容量校正技术可被分类成插值加迟滞控制，其为：

再次，在图5中，

IfVgrid<＝Vth4

Qvar_neg_max＝Qvar_out+Constant//(Constant>0)

Else If

Vth3>＝Vgird>＝Vth4-hysteresis

Qvar_neg_max＝Qvar_prediction+(Qvar_out+Constant-Qvar_prediction)*(Vgrid-Vth3)/(Vth4-Vth3)

Else

Qvar_neg_max＝Qvar_prediction

(Vth3、Vth4为与不同现场并网准则相关联的电压阈值设置，Qvar_out为转换器的无功输出)

图6A为根据实施例构造的超前Q模块600的。超前Q模块600包括阈值上/下电平模块602和超前var插值模块604。阈值上/下电平模块602处理上电平/下电平电压阈值504，参考图5讨论。

插值模块604配置用于接收常规确定的Qvar_pos_max_0预测信号606、Qvar_out和Vgrid值作为输入。基于上下电平电压阈值504分析这些输入值。产生Qvar_pos_max_2信号608作为来自超前var插值模块604的输出。

图6B为根据实施例构造的滞后Q模块610的框图图解。滞后Q模块610包括阈值上/下电平模块612和滞后var插值模块614。阈值上/下电平模块612处理以上的上/下电平电压阈值512，参考图5讨论。

滞后var插值模块614配置用于接收常规确定的Qvar_neg_max_0预测信号616、Qvar_out和Vgrid值作为输入。基于上下电平电压阈值504分析这些输入值。产生Qvar_neg_max_capability信号618作为来自滞后var负插值模块614的输出。

图7为图2中描绘的转换器控制模块200的更详细的框图。尽管转换器模块200可包括在并网转换器106内，但本发明不限制于此。例如，转换器模块200可以是单独的组件、嵌入在另一个模块内或以完全不同的配置提供。

在图7的示意性实例中，转换器模块200包括超前无功功率容量预测区段700，包括遗留模块702。遗留模块702常规地确定Qvar_pos_max_0信号606，以上在图6A的讨论中指出。在常规系统中，Qvar_pos_max_0信号606用作对于反相器或转换器的参考限制器。

然而，在实施例中，Qvar_pos_max_0信号606被作为输入提供到超前Q模块600，在所述模块600中产生Qvar_pos_max_2容量信号608作为输出，也如上指出。在图7中描述的示例性实施例中，Qvar_pos_max_2容量信号608响应于动态确定的Qvar_pos_max_1信号402预测值来更新。此更新在最小(例如，组合器)模块708内发生以便发现最小值。产生Qvar_pos_max_capability信号710作为输出信号。

相似地，转换器模块200包括滞后无功功率容量预测区段712和遗留模块703。遗留模块703常规地确定Qvar_neg_max_0信号616，以上在图6B的讨论中指出。Qvar_neg_max_0信号616被作为输入提供到滞后Q模块610，在所述模块610中产生Qvar_neg_max_capability信号618作为输出。

根据本发明的示例性实施例，Qvar_pos_max_capability信号710和Qvar_neg_max_capability信号618代表动态Q容量预测信号720，其被实时提供为来自转换器控制模块200的输出信号。动态Q容量预测信号720指示实施例的实时Q补偿容量。

更具体地，动态Q容量预测信号720可被作为更准确和全面的参考信息提供到电网管理系统。电网管理系统在调节电网电压时可利用此预测信息来平衡转换器的无功功率容量。此技术增强电功率管理系统100的操作效率。

优于常规Q容量预测方法的实施例的动态Q容量预测技术的实际优点以下在图8和9中以图形描绘。

图8为描绘常规Q容量预测值波形802与实际最大Q输出波形804之间的比较的图示800。即，图8描绘当前部署在现场中的常规无功功率容量预测系统的实际问题。图形图解800使用转换器或反相器的无功功率容量预测值作为发送回反相器的设置点以便验证功能。

在图示800中，当反相器将超前无功功率反馈到电网中时，电网电压806上升。然而，在点S处，常规无功功率容量预测值802和实际最大Q值804开始分叉。发生此分叉的原因在于，如以上讨论的DC链路电压最大限值未被考虑到或包括到这些常规方法的无功功率容量预测值之中。

理想的是，为可靠地和有效地补偿故障并且稳定电网电压Vg，无功功率容量预测值802和实际容量值804应非常接近。这些值不应分叉，如以上描述的以及在图8中描绘的。

图9A为根据实施例，当电网电压Vg 806触及本地并网准则中限定的上限时，模拟超前(正)Var预测容量波形902相对于实际超前Var输出波形904的图形图解900。在图形图解900中，当超前Var容量预测波形902被作为命令提供到转换器时，超前Var预测902和实际超前Var输出波形904几乎相同。

图9B为根据实施例，当电网电压Vg 806触及本地并网准则中限定的下限时，模拟滞后(负)Var预测容量波形908相对于实际滞后Var输出波形910的图形图解906。如以上指出的，相对于图9A，滞后Var容量预测908和实际滞后Var输出波形910几乎相同。

图10为实践本发明实施例的示例性方法1000的流程图。方法1000包括用于收集电网互连点信息和转换器内部信息的步骤1002。步骤1004包括动态预测作为选自以下组的至少一个的函数的实时最大无功功率容量，所述组包括：(i)直流链路最大电压，(ii)瞬时电网电压，和(iii)线电流。在步骤1006中，基于具体的并网准则限值来进行校正。在步骤1008中，将最终无功功率容量信息发送到电网管理系统。

结论

本领域的技术人员具体地将按照上述教导内容可做出由本技术涵盖的替代性实施例、实例和修改。另外，应当理解用于描述本技术的术语旨在为描述词语的实质而不是限制。

本领域的技术人员还将理解以上描述的优选和替代性实施例的各种适配和修改可被配置而不偏离本技术的范围和精神。由此，应当理解，在所附权利要求的范围内，可能以本说明书具体描述的之外的形式实践本发明。

元件列表：

图1

100-管理系统

102-电网

104-能量源

106-功率转换器、并网转换器

图2

102-电网

106-功率转换器、并网转换器

200-转换器控制模块

图3

300-图示

302-X轴线电流

304-Y轴电压

图4

400-预测模块

402-Qvar_pos_max_1

图5

500-示例性校正技术，图示

502-超前Var

504-电压阈值

506-并网准则

508-X轴

510-滞后Var

512-电压阈值

图6A

600-超前Q模块

602-阈值上/下电平模块

504-电压阈值

604-插值模块

606-信号

608-信号

图6B

610-模块

612-模块

512-电压阈值

614-插值模块

616-信号

618-信号

图7

700-区段

400-模块

402-Qvar_pos_max_1

702-遗留模块

600-超前Q模块

606-预测信号

608-信号

708-模块

710-capability信号

720-预测信号

712-预测区段

703-遗留模块

616-信号

610-Q模块

618-信号

703-遗留模块

200-转换器控制模块

图8

800-图示

802-预测值波形

804-输出波形，Q值，容量值806-电网电压

图9A

900-图形图解

902-预测容量波形

806-电网电压

904-输出波形

图9B

806-电网电压

906-图形图解

910-输出波形

908-容量预测

图10

1000-方法

1002-步骤

1004-步骤

1006-步骤

1008-步骤