用于电力系统的下垂控制的方法和系统与流程

本发明按照美国国防部(dod)授予的n00014-14-c-0103号合同在政府支持下进行。政府可以拥有本发明的某些权利。

本发明涉及来自一个或多个电源或装置的功率输送。更具体地，本发明涉及执行例如发电机或能量储存模块的一个或多个电源或装置的下垂控制。

背景技术：

新型电力系统可包括多功能能量储存元件。例如，在一个实例中，能量储存元件可用作发电源以便缓解系统中的暂态过程。在另一实例中，能量储存元件可用作备用装置以在主发电源故障的情况下提供电力。

用于电力系统的传统的下垂控制程序典型地遵循固定斜率的控制线。然而，在新型电力系统中，随着能量储存元件的容量(例如电荷的状态)的变化，固定斜率的线性下垂控制将下降到可能在电力系统中引起不稳定的点。为了避免这种情况，可以使用中央化控制方案。然而，此方法提高了此电力系统的复杂性和成本，且当中央化控制系统故障时电力系统的可靠性可能受到损坏。

技术实现要素：

本文中特征化的实施例帮助解决或缓解上述问题以及所属领域中已知的其它问题。例如，一个实施例特征为包括处理器的系统。所述系统还包括存储指令的存储器；所述指令在由所述处理器执行时，所述指令将所述处理器配置成执行特定的操作。所述操作包括从例如发电机或能量储存装置的电源或装置接收传感器测量值，并基于所述传感器测量值生成包括下垂控制曲线的下垂控制程序，所述下垂控制曲线具有非恒定的斜率。所述操作还包括根据下垂控制程序调节从电源或装置到总线的功率输送。

另一实施例特征为包括处理器的系统。所述系统还包括存储指令的存储器；所述指令在由所述处理器执行时，将所述处理器配置成执行特定的操作。所述操作包括从发电机或能量储存装置接收传感器测量值，并基于传感器测量值生成包括下垂控制范围的下垂控制程序，所述下垂控制范围由两个不同的下垂控制曲线界定。所述操作还包括根据下垂控制程序调节从电源或装置到总线的功率输送。

另一实施例特征为一种方法，包括：由耦连到电源或装置的处理器接收指示所述电源或装置的状态的传感器测量值。所述方法还包括基于传感器测量值生成包括下垂控制曲线的下垂控制程序，所述下垂控制曲线具有非恒定的斜率。所述方法还包括根据下垂控制程序调节从电源或装置到总线的功率输送。

实施方式1，一种系统，包括：

处理器；

包括指令的存储器，所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器执行包括以下的操作：

从电源或装置接收传感器测量值；

基于所述传感器测量值生成包括下垂控制曲线的下垂控制程序，所述下垂控制曲线具有非恒定的斜率；以及

根据所述下垂控制程序调节从所述电源或装置到总线的功率输送。

实施方式2，根据实施方式1所述的系统，其中，所述下垂控制曲线是分段线性曲线。

实施方式3，根据实施方式1所述的系统，其中，所述下垂控制曲线具有可变曲率。

实施方式4，根据实施方式1所述的系统，其中，所述电源或装置是能量储存元件。

实施方式5，根据实施方式3所述的系统，其中，所述可变曲率取决于以下的至少一个：所述能量储存元件的电荷状态、所述能量储存元件的健康状态、所述能量储存元件的功率测量值、所述能量储存元件的温度和所述能量储存元件的以前使用的度量。

实施方式6，根据实施方式4所述的系统，其中，所述下垂控制程序还包括具有另一非恒定斜率的另一下垂控制曲线，所述另一下垂控制曲线界定下垂控制范围。

实施方式7，根据实施方式1所述的系统，其中，所述电源或装置是发电机。

实施方式8，根据实施方式1所述的系统，其中，所述下垂控制程序基于频率相对无功功率下垂控制程序或者电压相对有功功率的任一个。

实施方式9，根据实施方式1所述的系统，其中，所述操作还包括基于与另一电源或装置关联的其它传感器测量值生成包括另一下垂控制曲线的另一下垂控制程序，所述另一下垂控制曲线具有另一非恒定的斜率。

实施方式10，根据实施方式8所述的系统，其中，所述处理器还被配置成调节从所述另一电源或装置到所述总线的功率输送。

实施方式11，一种系统，包括：

处理器；

包括指令的存储器，所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器执行包括以下的操作：

从电源或装置接收传感器测量值；

基于所述传感器测量值生成包括由两个不同的下垂控制曲线界定的下垂控制范围的下垂控制程序；以及

根据所述下垂控制程序调节从所述电源或装置到总线的功率输送。

实施方式12，根据实施方式11所述的系统，其中，所述两个不同的下垂控制曲线的至少一个具有非恒定的斜率。

实施方式13，根据实施方式12所述的系统，其中，所述两个不同的下垂控制曲线的至少一个是分段线性曲线。

实施方式14，根据实施方式12所述的系统，其中，所述两个不同的下垂控制曲线的至少一个具有可变曲率。

实施方式15，根据实施方式11所述的系统，其中，所述电源或装置是能量储存元件。

实施方式16，根据实施方式15所述的系统，其中，所述下垂控制范围取决于所述能量储存元件的电荷状态和所述能量储存元件的健康状态的至少一个。

实施方式17，一种方法，包括：

由耦连到电源或装置的处理器接收指示所述电源或装置的状态的传感器测量值；

基于所述传感器测量值生成包括下垂控制曲线的下垂控制程序，所述下垂控制曲线具有非恒定的斜率；以及

根据所述下垂控制程序调节从所述电源或装置到总线的功率输送。

实施方式18，根据实施方式17所述的方法，其中，所述下垂控制曲线是分段线性曲线。

实施方式19，根据实施方式17所述的方法，其中，所述电源或装置是能量储存元件，其中，所述下垂控制曲线是具有可变曲率的曲线，并且其中，所述可变曲率取决于以下的至少一个：所述能量储存元件的电荷状态、所述能量储存元件的健康状态、所述能量储存元件的功率测量值、所述能量储存元件的温度和所述能量储存元件的以前使用的度量。

实施方式20，根据实施方式17所述的方法，其中，所述下垂控制程序基于频率相对无功功率下垂控制程序或者电压相对有功功率的任一个。

下文参考附图描述各种实施例的额外特征、操作模式、优点和其它方面。应注意，本发明不限于本文中所描述的具体实施例。仅出于说明性目的而呈现这些实施例。基于所提供的教示内容，所公开实施例的额外实施例或修改对于相关领域的技术人员来说将是显而易见的。

附图说明

说明性实施例可呈各种部件和部件布置的形式。说明性实施例示出于附图中，在整个附图中，类似参考编号可指示各附图中的对应或类似部分。附图仅用于说明实施例的目的，并不应被解释为限制本发明。鉴于附图的以下启发性描述，本发明的新颖方面对于相关领域的技术人员来说应变得显而易见。

图1图示根据本文中所描述的若干方面的电力系统的一部分。

图2图示常规的ac电压-无功功率下垂控制程序。

图3图示常规的ac频率-有功功率下垂控制程序。

图4图示具有多个发电源的常规的dc配电系统的一部分。

图5图示具有多个发电源的常规的ac配电系统的一部分。

图6图示根据本文中所描述的若干方面的下垂控制程序。

图7图示根据本文中所描述的若干方面的下垂控制程序。

图8图示根据本文中所描述的若干方面的下垂控制程序。

图9图示根据本文中所描述的若干方面的下垂控制程序。

图10图示根据本文中所描述的若干方面的两个下垂控制程序。

图11图示根据本文中所描述的若干方面的控制器的框图。

图12示出根据本文中所描述的若干方面的用于执行下垂控制的方法的流程图。

具体实施方式

虽然本文中针对特定应用描述说明性实施例，但应理解，本发明不限于此。可获得本文中所提供的教示内容的所属领域的技术人员将认识到其范围内的额外应用、修改和实施例及其中本发明可能明显实用的额外领域。

图1图示电力系统100的一部分，电力系统100包括连接至电力输送总线102的一组电源或装置，在电力输送总线102一端，可以有负载汲取输送到总线的电力以执行一个或多个功能。电力系统100是交流(ac)电力系统。一组电源或装置可包括连接至电力总线102的一个或多个发电机。例如，可以存在均连接至电力输送总线102的电源或装置104、电源或装置106和电源或装置108。在一个实例中，电源或装置的每一个可以是旋转发电设备，例如发电机。

图2图示可与电力系统100关联使用的常规ac电压-无功功率下垂控制程序200。例如，对于给定的电源或装置(例如，电源或装置104)，下垂控制程序200可以由线206表征。线206描述在轴线202上指示的电源或装置104的电压输出和由连接至总线102的负载汲取的无功功率之间的关系。在轴线204上指示无功功率。类似地，电源或装置106可以与线208关联，线208描述由电源或装置106输出的电压和由负载汲取的无功功率之间的关系。

线206和线208的每一个由最大电压210和最大无功功率212界定，这定义与线关联的特定的电源或装置的操作范围。而且，在常规的下垂控制程序200中，线路206和线208的每一个的斜率是预先确定的，并基于其关联的电源或装置(即分别是电源或装置104和电源或装置106)的额定容量。

而且，线206和线208的每一个的斜率在确定的关联的电源或装置的整个操作范围内保持恒定。通常，在电力系统100中，使用常规的下垂控制程序，具有不同的额定容量的不同的电源或装置将具有不同斜率的下降控制线。

图3图示代替常规的下垂控制程序200的可以与电力系统100关联使用的另一常规的ac频率-有功功率下垂控制程序300。对于给定的电源或装置(例如电源或装置104)，下垂控制程序300可以由线306表征，线306描述在轴线302上指示的电源或装置104的频率和由连接至总线102的负载汲取的有功功率之间的关系，有功功率在轴线304上指示。

类似地，电源或装置106可以与线308关联，线308描述电源或装置106的频率和由负载汲取的有功功率之间的关系。此外，线306和308的每一个由最大频率310和最大有功功率312界定。而且，线306和308的每一个具有恒定的斜率，此斜率是基于其关联的电源或装置的额定容量预先确定的。

尽管上述的下垂控制程序在协调和保持电力系统100中的总线102的稳定性时运转良好，但这些程序对其它电力系统却不能良好运转。特别是，这些程序对包括日益普遍的可以连接至总线102以用作附加发电源的能量储存模块或系统的电力系统时不能良好运转。具体讲，下垂控制程序200或300(分别)不能保证总线102上的电压或频率的稳定性，原因是能量储存模块或系统具有可变的容量。例如，当能量储存模块被充电或放电时，能量储存模块具有变化的电荷状态。

图4图示在常规的下垂控制程序不适当时的电力系统400。电力系统400是直流(dc)电力系统。其包括dc配电总线402，而发电机404、太阳能板406和风力涡轮机408可分别用作配电总线402的能源。电力系统400还包括一组能量储存模块，其中示出能量储存模块416和能量储存模块418。

而且，在dc配电总线402和电源或装置之间，电力系统400包括电力变换器，其将从前述的源生成的功率转换成适合dc配电总线402的功率等级或功率制式。例如，ac-dc变换器410、dc-dc变换器412和dc-dc变换器414分别置于发电机404和dc配电总线402、太阳能板406和dc配电总线402以及风力涡轮机408和dc配电总线402之间。

图5图示在常规的下垂控制程序不适当时的又一电力系统500。电力系统500是ac电力系统。其包括配电总线502，而能量储存模块504、太阳能板506、风力涡轮机508、发电机516和发电机518可分别用作配电总线502的能量源或电源。

而且，在ac配电总线502之间，设置电力变换器，其将从一些前述的源生成的功率转换成适合ac配电总线502的功率等级或功率制式。例如，dc-ac转换器510置于ac配电总线502和能量储存模块504之间。dc-ac变换器512置于太阳能板506和ac配电总线502之间。ac-ac变换器514置于风力涡轮机508和ac配电总线502之间。

图6、图7和图8图示根据实施例对电力系统400适当的下垂控制程序。考虑图6并联系图4的电力系统400，显示了用于能量储存和发电设备的下垂控制程序600。对于旋转的发电设备，例如发电机404，下垂控制线602的斜率(表示为x％)是基于发电机404的额定(恒定)容量预先确定的。在设备的整个操作范围内此斜率是恒定的。

类似地，电力系统400的另一发电机的下垂控制线604可以在整个操作范围内具有恒定的斜率(表示为y％)。下垂控制线601与太阳能板406关联。而且，在下垂控制程序600中，区域610与来自连接到总线402的多个源的发电关联。区域612与对能量储存模块416和418充电关联。

相比较之下，分别与能量储存模块416或418关联的下垂控制线606和608的斜率(表示为a％和b％)将是可变的，并取决于每个能量储存模块的容量。例如，因为能量储存模块416的容量将为变量，所以下垂控制线606的斜率将基于例如能量储存模块416的电荷状态(soc)、能量和功率、温度或健康状态(soh)根据等式1相应地变化。

slope＝f(soc,power,energy,temperature,soh)(1)

本领域技术人员将认识到用于能量储存模块416或418的下垂控制线的斜率可以取决于一个或多个前述参数或者取决于所有的前述参数。另外，在一些实施方式中，所述斜率可以取决于其它参数，例如电池的寿命(由容量损耗和内部电阻增长表征)。具体讲，不管负载如何，电池的电荷状态可以以其使用和/或寿命的函数变化。因此，能量储存模块的容量以寿命或使用的函数而变化。因此，在确定非恒定斜率时可考虑这些特征。

此外，在下垂控制程序600中，不可调度(non-dispatchable)的可再生能源(太阳能或风力)设置为被部署或参与向负载提供电力的第一能源。为可调度能源的旋转的电机(即发电机)接着被调度，能量储存模块416和418是基于其额定容量和电荷状态被最后调度的。此优先化次序由图6中的每个设备的斜率的相对绝对值增大指示。

如图7的实例中所示，下垂控制程序600可包括由两个不同的下垂控制曲线(607和609)界定的下垂控制范围以应对能量储存模块416的可变斜率。因此，下垂控制器可以被配置成调节从能量储存模块416到总线402的功率输送。这种调节是用位于下垂控制范围内的下垂控制曲线或者用下垂控制曲线607和609的任一个实现的。下垂控制曲线607和609分别提供可达到的最大电荷状态和可达到的最小电荷状态。这些状态的每一个的斜率分别指示为a1％和a2％。

下垂控制程序600可以是用于ac电力系统的频率相对有功功率下垂控制程序或者电压相对无功功率下垂控制程序。下垂控制程序600还可以是领域内已知的任何其他类型的下垂控制程序，例如用于dc电力系统的电压相对有功功率下垂控制程序。因此，取决于使用的下垂控制程序的类型，下垂控制程序600还可以适合使用ac配电总线(即总线502)的电力系统500。在又一些其它实施例中，下垂控制程序600可以应用到dc系统400。

图8图示对于包括能量储存模块的电力系统可以实现下垂控制的方式的又一实施例。在下垂控制程序800中，每个下垂控制线在操作范围上可以具有非恒定的斜率。例如，下垂控制程序800包括用于具有有限和限制容量的多个发电设备的分段线性下垂控制。这些不同的斜率基于负载、能量储存模块的有限和限制容量以及操作特征确定。例如，在一种使用情况中，在接近全负载或全负载时，下垂线的斜率可以变成更陡峭的下垂线。

下垂控制程序800包括用于太阳能板406的下垂控制线801，可以与发电机关联的下垂控制线802和804，以及与能量储存模块416和418关联的下垂控制线806和808。每个下垂控制线具有如上面指出的非恒定的斜率。例如，线802和线804是分段线性的。

例如，线802可以具有第一斜率x0％和第二斜率x1％。线804可以具有第一斜率y0％和第二斜率y1％。类似地，线801具有两个不同的斜率(z0％和z1％)。线806可以具有第一斜率a0％和第二斜率a1％，线808可以具有第一斜率b0％和第二斜率b1％。而且，在下垂控制程序800中，区域810与来自连接到总线402的多个源的发电关联，而区域812与对能量储存模块416和418充电相关联。

图9图示对于包括能量储存模块的电力系统可以实现下垂控制的方式的又一实施例。所述程序的每个下垂控制线具有非恒定的斜率。下垂控制程序900可包括与电力系统的发电机关联的下垂控制线902。

在图9中，可以象关于图8在上面讨论的那样确定斜率x01％和x11％。为了应对能量储存模块的可变容量，下垂控制程序900可包括由两个不同的下垂控制线(904和906)界定的下垂控制范围。此外，所述范围内的每个下垂控制线(包括线904和906)可以具有如上面关于图8讨论的非恒定的斜率。

结果，下垂控制器可以被配置成用位于下垂控制范围内的下垂控制曲线或者用分别用于可达到的最大电荷状态和可达到的最小电荷状态的情况的下垂控制曲线904和906的任一个调节从能量储存模块416到总线402的功率输送。

分段线性线904具有斜率a01％和a11％，而分段线性线906具有斜率a02％和a12％。而且，基于使用哪个配电总线(即ac对dc)，下垂控制程序900可以用于电力系统500。具体地，下垂控制程序900可以是用于ac电力系统500的频率相对有功功率下垂控制程序。

图10图示对于包括能量储存模块的电力系统可以实现下垂控制的方式的又一实施例。在下垂控制程序1000中，每个下垂控制线可以在操作范围内具有非恒定的曲率，代替分段线性，每个设备的下垂控制线可以具有可变曲率。下垂控制线1001,1002和1004可以分别与太阳能设备、第一发电机和第二发电机关联。线1006和线1008可以分别与能量储存模块关联。

而且，在下垂控制程序1000中，区域1010与来自连接到总线402的多个源的发电关联，而区域1012与对能量储存模块416和418充电相关联。当为频率相对有功功率下垂控制程序时，下垂控制程序1000可以用于电力系统500。

图10还图示了适于应对能量储存模块的容量变化的下垂控制程序1005。具体讲，下垂控制程序1005可包括由两个不同的下垂控制线(1007和1009)界定的下垂控制范围。此外，在所述范围中的每个下垂控制线(包括线1007和1009)可以具有可变的曲率。因此，下垂控制器可以被配置成用位于下垂控制范围内的下垂控制曲线或者用分别用于可达到的最大电荷状态和可达到的最小电荷状态的情况的下垂控制曲线1007和1009的任一个调节从能量储存模块416到总线402的功率输送。

图11示出根据上面描述的示范性下垂控制程序可以用来控制电力系统的一个或多个能源的控制器1100的框图。控制器1100可以是下垂控制器，其可以通信耦连到配电总线以及耦连到各个电源或装置，所述各个电源或装置，例如能量储存模块、发电机、太阳能板和风力涡轮机，连接至配电总线。

如下面描述的，控制器1100可包括传感器，或者可连接至能够测量用于包括连接至总线的负载的电源或装置的每一个的总线上的输出频率、电压和功率的传感器。基于传感器测量值，控制器1100可以被配置成基于测量的功率并根据上面描述的示范性下垂控制程序的一个调节输出频率或电压。

控制器1100可包括具有特定结构的处理器1102。可通过存储在控制器1100中所包括的存储器1104中的指令和/或通过可由处理器1102从存储介质1118提取的指令1120将具体结构赋予给处理器1102。存储介质1118可与控制器1100处于如所示出的相同位置，或其可位于别处并且以通信方式耦连到控制器1100。

控制器1100可以是独立式可编程系统，或可以是位于大得多的系统中的可编程模块。例如，控制器1100可以是连接到总线的特定电源或装置的一部分，其中，特定的电源或装置因此可以用于控制总线和与总线连接的电源或装置。控制器1100可包括一个或多个硬件和/或软件组件，所述一个或多个硬件和/或软件组件被配置成提取、解码、执行、存储、分析、分布、评估信息和/或对信息进行分类。而且，控制器1100可包括输入或输出(i/o)模块1114，其可以被配置成与多个传感器相接，所述传感器将前述的测量值报告给处理器1102。

处理器1102可包括一个或多个处理装置或核心(未示出)。在一些实施例中，处理器1102可以是多个处理器，所述多个处理器各自具有一个或多个核心。处理器1102可被配置成执行从存储器1104，即从存储器块1112,1110,1108或者存储器块1106中的一个提取的指令，或可从存储介质1118或通过通信接口1116从连接到控制器1100的远程装置提取指令。

此外，在不损失一般性的情况下，存储介质1118和/或存储器1104可包括易失性或非易失性、磁性、半导体、磁带、光学、可移动、不可移动、只读、随机存取或任何类型的非暂时性计算机可读计算机介质。存储介质1118和/或存储器1104可包括程序和/或可由处理器1102使用的其它信息。此外，存储介质1118可被配置成记录在控制器1100的操作期间处理、记录或收集的数据。数据可以符合数据存储惯例的多种方式加时间戳、加位置戳、编目、编索引或进行组织。

例如，在一个实施例中，存储器块1106可包括执行例如上面描述的示范性下垂控制程序的下垂控制程序的指令。具体讲，所述存储器块1106的指令在由处理器1102执行时，可以使处理器1102进行某些操作。

所述操作可包括从电源或装置接收传感器测量值，并基于传感器测量值生成包括下垂控制范围的下垂控制程序，所述下垂控制范围由两个不同的下垂控制曲线界定。所述操作还可包括命令处理器调节从电源或装置到总线的功率输送，以根据下垂控制程序调节所述功率输送。

在另一实施例中，所述操作可包括从电源或装置接收传感器测量值，并基于传感器测量值生成包括下垂控制曲线的下垂控制程序，所述下垂控制曲线具有非恒定的斜率或曲率。所述操作还包括根据下垂控制程序调节从电源或装置到总线的功率输送。

图12图示可以由控制器1100执行的示范性方法1200。方法1200开始于步骤1202，包括在步骤1204处，由控制器1100接收指示电源或装置的状态的传感器测量值。方法1200还包括在步骤1206处，基于传感器测量值生成包括下垂控制曲线的下垂控制程序，所述下垂控制曲线具有非恒定的斜率或曲率。

方法1200还包括在步骤1208处根据下垂控制程序调节从电源或装置到总线的功率输送。方法1200在步骤1210处结束。大体上讲，任何一个示范性下垂控制程序可用在方法1200的背景下。例如，在另一实施例中，步骤1206可包括生成包括如前面讨论的下垂控制范围的下垂控制程序。

本发明中描述的示范性实施例解决了传统的线性下垂控制应用于具有包括能量储存的多个发电设备的电力系统时的问题。实施例特征为非恒定的斜率下垂控制线，其可以是分段线性的，或者非线性的，具有可变曲率。在该实施例中，多个不同的电源可同步、协调一致地一起工作。

实施例能够实现包含能量储存的电力系统的分布式发电和控制，这种执行如本发明中描述的下垂控制的集成系统能够自主或半自主地工作，即无需中央化控制或协调的决策制定。而且，当存在中央化控制或通信时，示范性下垂控制器和/或方法可以在紧急情况下用作备用或者在中央化控制丢失时用作允许系统操作的冗余措施。

大体上讲，本发明中描述的一些实施例提供可变斜率的线性电压下垂控制，其能够实现能量储存装置为发电设备的dc电力系统的分布式自主控制。而且，一些实施例在本发明可以提供可变斜率的线性电压下垂控制，这能够实现能量储存装置作为发电设备的ac电力系统的分布式自主控制。

而且，一些实施例特征为分段式或可变曲率的非线性电压下垂控制，其能够实现能量储存装置作为发电设备的dc电力系统的分布式自主控制。其它实施例特征为分段和可变曲率的非线性频率下垂控制，其能够实现能量储存装置作为发电设备的ac电力系统的分布式自主控制。

实施例提供了性能优化的灵活性，允许在接近全负载或全负载时更好的负载分担。而且，实施例允许基于能量储存可用的容量管理功率、能量和负载。实施例可独立自主地操作，这提高了可靠性。

相关领域的技术人员将了解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下配置上述实施例的各种调适和修改。因此，应理解，在所附权利要求书的范围内，可以除本文中所具体描述以外的方式实践本发明。