专利名称：一种电网中的发电单元驱动器、发电单元以及能量输出设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统，尤指一种电网中的发电单元驱动器、发电单元以及能量输出设备。
背景技术：
目前，微网可指由分布式发电单元、能量转换装置、监控装置、保护装置和相关负荷等一个或多个部分组成的小型发、配、用电系统。其中，所谓小型是与主干电网的规模相比较小。微网既可以与外部电网(比如主干电网等)并列/并联/并网运行，也可以独立运行。一般而言，微网是一个能够实现自我控制、自我保护和自我管理的自治系统。微网中的发电单元一般有第一能源发电单元和第二能源发电单元等多种类型。其中，第一能源发电单元采用诸如可再生能源驱动，该第一能源发电单元可以具体实现为间歇式可再生能源发电单元，采用比如光伏(photovoltaic，PV)、风力等间歇式可再生能源驱动；第二能源发电单元采用诸如传统能源，比如煤、燃气、柴油、小型水电等驱动。具体地，间歇式可再生能源发电单元由能源捕获设备和电力电子能源转换设备组成，并作为并网单元接入微网。其中，电力电子能源转换设备可以是诸如变换器(converter)或逆变器 (inverter)等，变换器用于执行一般的功率变换比如交流(Alternating Current, AC)输入直流(Direct Current, DC)输出(即 AC/DC)、DC/AC、DC/DC、AC/AC 等，逆变器主要用于实现DC/AC变换。由于间歇式可再生能源具有能量密度低、受天气和环境条件影响大、输出功率波动性强、难以准确预测等特点，微网中的间歇式可再生能源发电单元的总安装容量通常受到较大限制。如果超过这个限制，则无法保证微网的安全稳定运行，也可能给与其相连的外部电网的稳定带来不利因素。间歇式可再生能源发电单元接入微网的常规方法如图1所示，使用传统能源的发电机组(如小型水电、柴油发电等)建立并稳定微网的电压和频率，而间歇式可再生能源作为并网单元采用电流源控制方式接入微网，此为第一种微网模式。具体地，图1包括以下部分外部电网11、微网12。其中，外部电网11可以是主干电网或者不同于微网12的另一个微网。进一步地，微网12包括一个或多个光伏支路PVl……PVru—个或多个风力支路、柴油或水力发电机106、负荷107、开关108。进一步地，光伏支路、风力支路、柴油或水力发电机106、负荷107都接在公共联接点(point ofcommon coupling，PCC)上。具体地，PCC装设的是交流母线。进一步地，每个光伏支路包括PV阵列101、DC/AC逆变器102 ；每个风力支路包括风力发电机103、AC/DC逆变器104、DC/AC逆变器105。该模式下，为保证微网的可靠、稳定运行，需要配置大容量的传统电源以维持微网的电压和频率稳定。此时，间歇式可再生能源发电单元不参与微网的电压和频率的调节，其总发电容量比例在微网中受到较大限制。基于第一种微网模式，为提高间歇式可再生能源发电单元在微网中的发电容量比例，德国专利申请DE 10 2005 023 290 Al提出一种双向蓄电池逆变器(以下称为双向变流器)的拓扑和控制方案，该专利申请由德国的SMA公司拥有。根据该专利申请，微网可以由双向变流器与常规发电单元(如柴油发电机组、小水电机组)并联运行组成，即为图2所示的第二种微网模式。该模式由蓄电池组和双向变流器作为微网中的一个能量调节环节， 参与微网有功功率的平衡控制，通过对微网有功功率的调节来提高间歇式可再生能源发电单元在微网中的接入比例，并同时保证微网运行的稳定性。图2的组成结构与图1类似，不同之处在于，图2中的微网还包括一个或多个蓄电池支路，即为蓄电池支路1到蓄电池支路n，其中η的取值可根据实际需要进行设置，此处不特别限定。进一步地，每个蓄电池支路包括蓄电池209、双向DC/AC逆变器210。但是，目前来说，双向变流器可用产品的功率等级有限，且由于技术原因，多组双向变流器并联运行的数量也受到较大限制，因此这种微网模式的系统容量有较大限制。进一步地，这种微网模式中，双向变流器是通过被动的有功功率调节来实现系统调频，在功率控制上具有滞后性，而且双向变流器对无功功率的调节作用有限，所以该微网模式无法从根本上解决间歇式能源发电单元在微网中的接入比例问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种电网中的发电单元驱动器、发电单元以及能量输出设备，在利用间歇式能源时能够对电网供电的稳定起到更好的作用。为达到上述目的，本发明各实施例提供的技术方案包括一种电网中的发电单元驱动器，包括驱动控制器，用于根据获取到的第一控制信号和第二控制信号生成驱动信号；变换器，用于根据所述驱动信号将输入能源从第一电压变换为第二电压，输出给与所述发电单元驱动器连接的电动机；其中，所述第一控制信号为所述电动机的运行状态信息；所述第二控制信号包括所述电网的电网频率和/或电网电压幅值。所述电动机的运行状态信息包括以下之一或其任意组合电动机电枢电压、电动机电枢电流、电动机转子转速；所述驱动控制器用于根据所述电网频率和所述电动机的运行状态信息生成所述驱动信号。所述电动机的运行状态信息进一步包括电动机输出转矩；所述第二控制信号进一步包括电网电压幅值；所述驱动控制器用于根据电网中的储能系统信息、所述电网电压幅值、所述电网频率和所述电动机的运行状态信息生成所述驱动信号。所述驱动控制器包括转速信号生成模块，用于对给定频率与所述电网频率的误差信号进行调整，得到转速参考信号提供给驱动信号生成模块；所述驱动信号生成模块，用于根据所述转速参考信号和所述电动机的运行状态信息生成所述驱动信号。所述转速信号生成模块包括自动控制器、限幅器。所述变换器为直流到交流逆变器或者直流到直流变换器。
一种电网中的发电单元，包括能源捕获设备，用于捕获一种或多种间歇式能源；充电控制器，用于利用所捕获的间歇式能源输出第一电压；发电单元驱动器，用于根据电动机输入的第一控制信号和所述电网输入的第二控制信号，将所述第一电压变换为第二电压以驱动所述电动机；所述电动机，用于在所述第二电压的作用下拖动同步发电机运行；所述同步发电机，用于连接该电网的公共联接点，将自身产生的电能输出给该电网。该发电单元进一步包括变压器，用于将所述发电单元驱动器生成的第二电压转换为第三电压后，提供给所述电动机，且所述电动机为中高压电动机。该发电单元进一步包括能量储存模块；所述充电控制器的第一侧与所述能源捕获设备相连，所述充电控制器的第二侧与所述发电单元驱动器的第一侧相连，所述能量储存模块与所述充电控制器的第二侧以及所述发电单元驱动器的第一侧相连。所述能量储存模块包括储能系统和储能管理器；所述储能管理器用于采集所述储能系统的信息，作为所述第三控制信号输入给所述发电单元驱动器。所述发电单元驱动器用于根据所述能量储存模块输入的第三控制信号、所述电动机输入的第一控制信号和所述电网输入的第二控制信号将所述第一电压变换为所述第
二电压。所述第一控制信号包括电动机电枢电压、电动机电枢电流、电动机转子转速、电动机输出转矩；所述第二控制信号包括电网频率、电网电压幅值；所述第三控制信号包括储能系统电压。所述第三控制信号进一步包括储能系统电流、储能系统温度、储能系统荷电状态。所述能源捕获设备为光伏阵列，所述充电控制器为直流到直流变换器；或者所述能源捕获设备为风力发电机，所述充电控制器为交流到直流变换器。该发电单元包括多个发电单元支路；每个发电单元支路包括所述能源捕获设备、所述充电控制器、所述能量储存模块、 所述发电单元驱动器、所述电动机、所述同步发电机。该发电单元包括多个能量输入支路，每个能量输入支路包括开关、所述能源捕获设备以及所述充电控制器，所述开关设置在所述充电控制器的第二侧；所述每个能量输入支路通过所述开关与所述发电单元驱动器的第一侧以及所述能量储存模块连接。该发电单元包括多个驱动支路，每个驱动支路包括开关、所述能源捕获设备、所述充电控制器、所述能量储存模块以及所述发电单元驱动器，所述开关设置在所述发电单元驱动器的第二侧； 所述每个驱动支路通过所述开关与所述电动机连接。
该发电单元包括
多个能量输入支路，每个能量输入支路包括第一开关、所述能源捕获设备以及所述充电控制器，所述第一开关设置在所述充电控制器的第二侧；多个能量输出支路，每个能量输出支路包括第二开关、所述发电单元驱动器、所述电动机、所述同步发电机，所述第二开关设置在所述发电单元驱动器的第一侧；所述每个能量输入支路通过所述第一开关与所述能量储存模块连接，所述每个能量输出支路通过所述第二开关与所述能量储存模块连接。所述发电单元驱动器包括第二变换器、驱动控制器；所述驱动控制器用于根据所述第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号生成驱动信号，提供给所述第二变换器。所述驱动控制器包括转速信号生成模块和驱动信号生成模块；所述转速信号生成模块用于对给定频率与所述电网频率的误差信号进行调整，得到转速参考信号提供给所述驱动信号生成模块，由所述驱动信号生成模块生成所述驱动信号。所述电动机为交流电动机时，所述第二变换器为直流到交流逆变器；或者所述电动机为直流电动机时，所述第二变换器为直流到直流变换器。一种电网中的能量输出设备，包括如上所述的发电单元驱动器，用于根据电动机输入的第一控制信号和所述电网输入的第二控制信号，将所述第一电压变换为第二电压以驱动所述电动机；所述电动机，用于在所述第二电压的作用下拖动同步发电机运行；所述同步发电机，用于连接该电网的公共联接点，将自身产生的电能输出给该电网。一种微网，包括如上所述的发电单元，所述发电单元连接到该微网的公共连接点上；还包括连接到所述公共连接点的一个或多个负荷。由上可见，本发明实施例提供的电网中的发电单元驱动器、发电单元、能量输出设备能够对该电网供电的稳定起到更好的作用。下文将以明确易懂的方式通过对实施例的说明并结合附图来对本发明上述方案、 技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为常规微网拓扑结构图；图2为双向变流器微网拓扑结构图；图3为利用自同步逆变器的微网拓扑结构图；图如为基于本发明实施例组建的发电单元驱动器；图4b为基于本发明实施例组建的发电单元；图如为基于本发明实施例组建的微网拓扑结构图；图5为本发明一个实施例中能量输入模块的组成结构图；图6为本发明一个实施例中能量输出模块的组成结构图；图7为本发明一个实施例中交流驱动发电单元的结构示意图8为图7所示交流驱动发电单元的控制系统图；图9为图7所示发电单元中交流驱动器的组成结构图；图10为本发明一个实施例中直流驱动发电单元的结构示意图；图11为图10所示发电单元中直流驱动器的组成结构图；图12为本发明一个实施例中由交流驱动器通过变压器升压后驱动中高压交流电动机，再拖动同步发电机，单支路运行的发电单元结构示意图；图13为本发明一个实施例中由交流驱动器驱动交流电动机，再拖动同步发电机， 多支路并联运行的发电单元结构示意图；图14为本发明一个实施例中由直流驱动器驱动直流电动机，再拖动同步发电机， 多支路并联运行的发电单元结构示意图；图15为本发明一个实施例中由多组交流驱动器在储能侧并联，共同驱动交流电动机，再拖动同步发电机的发电单元结构示意图；图16为本发明一个实施例中由多组直流驱动器在储能侧并联，共同驱动直流电动机，再拖动同步发电机的发电单元结构示意图；图17为本发明一个实施例中由多组交流驱动器在输出侧并联，共同驱动交流电动机，再拖动同步发电机的发电单元结构示意图；图18为本发明一个实施例中由多组直流驱动器在输出侧并联，共同驱动直流电动机，再拖动同步发电机的发电单元结构示意图；图19为本发明一个实施例中由交流驱动器驱动交流电动机，再拖动同步发电机， 多支路并联运行，共用储能系统的发电单元结构示意图；图20为本发明一个实施例中由直流驱动器驱动直流电动机，再拖动同步发电机， 多支路并联运行，共用储能系统的发电单元结构示意图。具体地，上述附图中使用的参考符号如下图1 外部电网11、微网12、PV阵列101、DC/AC逆变器102、风力发电机103、AC/ DC逆变器104、DC/AC逆变器105、柴油或水力发电机106、负荷107、开关108 ；图2 蓄电池209、双向DC/AC逆变器210 ；图3 外部电网31、水力发电机301、柴油发电机302、PV阵列303、DC/DC变换器 304、蓄电池305、自同步逆变器306、负荷307、开关308 ；图如-图如外部电网41、SPU支路42、能量输入模块43、能量输出模块44、水力发电机401、柴油发电机402、能源捕获设备403、充电控制器404、能量储存模块405、发电单元驱动器406、电动机407、同步发电机408、负荷409、驱动控制器4061、变换器4062 ；图5 =PV阵列501、DC/DC变换器502、风力发电机503、AC/DC变换器504 ；图6 第一能量输出子模块61、第二能量输出子模块62、SPU直流驱动器601、直流电动机602、同步发电机603、SPU交流驱动器604、交流电动机605、同步发电机606 ；图7 能源捕获设备701、充电控制器702、能量储存模块703、SPU交流驱动器704、 交流电动机705、同步发电机706、DC/AC逆变器7041、驱动控制器7042、储能系统7031、储能管理器7032 ；图8 励磁控制系统807、驱动脉冲8043 ；图9 驱动信号生成模块9044、转速信号生成模块9045 ；
图10 =SPU直流驱动器1004、直流电动机1005、DC/DC变换器1014、驱动控制器 1024 ；图11 驱动信号生成模块1144、转速信号生成模块1145 ；图12 能源捕获设备1201、充电控制器1202、蓄电池1203、SPU交流驱动器1204、 交流电动机1205、同步发电机1206、变压器1207 ；图13 能源捕获设备1301、充电控制器1302、蓄电池1303、SPU交流驱动器1304、 交流电动机1305、同步发电机1306、能源捕获设备1311、充电控制器1312、蓄电池1313、SPU 交流驱动器1314、交流电动机1315、同步发电机1316 ；图14 能源捕获设备1401、充电控制器1402、蓄电池1403、SPU直流驱动器1404、 直流电动机1405、同步发电机1406、能源捕获设备1411、充电控制器1412、蓄电池1413、SPU 直流驱动器1414、直流电动机1415、同步发电机1416 ；图15 能源捕获设备1501、充电控制器1502、蓄电池1503、SPU交流驱动器1504、 交流电动机1505、同步发电机1506、开关1507、能源捕获设备1511、充电控制器1512、开关 1517 ；图16 能源捕获设备1601、充电控制器1602、蓄电池1603、SPU直流驱动器1604、 直流电动机1605、同步发电机1606、开关1607、能源捕获设备1611、充电控制器1612、开关 1617 ；图17 能源捕获设备1701、充电控制器1702、能量储存模块1703、SPU交流驱动器 1704、交流电动机1705、同步发电机1706、开关1707、能源捕获设备1711、充电控制器1712、 能量储存模块1713、SPU交流驱动器1714、开关1717 ；图18 能源捕获设备1801、充电控制器1802、蓄电池1803、SPU直流驱动器1804、 直流电动机1805、同步发电机1806、开关1807、能源捕获设备1811、充电控制器1812、蓄电池1813、SPU直流驱动器1814、开关1817 ；图19 能源捕获设备1901、充电控制器1902、蓄电池1903、SPU交流驱动器1904、 交流电动机1905、同步发电机1906、第一开关1907、第二开关1908、能源捕获设备1911、充电控制器1912、SPU交流驱动器1914、交流电动机1915、同步发电机1916、第一开关1917、 第二开关1918 ；图20 能源捕获设备2001、充电控制器2002、蓄电池2003、SPU直流驱动器2004、 直流电动机2005、同步发电机2006、第一开关2007、第二开关2008、能源捕获设备2011、充电控制器2012、SPU直流驱动器2014、直流电动机2015、同步发电机2016、第一开关2017、 第二开关2018。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。图3示出与图1或图2不同的一种微网结构，即为第三种微网模式，包括以下部分外部电网31、微网。进一步地，该微网包括一个或多个水力支路、一个或多个柴油支路、一个或多个逆变器支路、负荷307、开关308。进一步地，每个水力支路包括水力发电机301 ；每个柴油支路包括柴油发电机302 ；每个逆变器支路包括PV阵列303、DC/DC
9变换器304、蓄电池305、自同步逆变器306。其中，自同步逆变器306可以采用美国专利 US6，693，809B2提出的不依靠同步信号和通讯信号实现电压源逆变器自动并联运行的方案，该专利由德国ISET拥有。根据该专利的描述，这种逆变器具有类似常规同步发电机组的下垂特性。相应地，这种逆变器可以与柴油发电机或小型水力发电机或其他具有同步发电机外特性的发电单元并联运行组成微网。具体地，在该微网结构中，自同步逆变器306与小型水力发电机301并联，共同参与微网的电压和频率调节。从理论上说，这种方案可以大幅并有效地提高间歇式可再生能源发电单元在微网中的容量限制。但是，该设备目前仍处于研究状态，市场上没有成熟产品可利用。进一步地，本发明实施例提出一种电网中的发电单元驱动器。具体地，该电网主要是一种微网，也可以是主干电网。如图如、4b所示，该发电单元驱动器406包括驱动控制器4061，用于根据接收到的第一控制信号和第二控制信号生成驱动信号；变换器4062，用于根据所述驱动信号将输入能源从第一电压变换为第二电压，输出给与所述发电单元驱动器406连接的电动机407 ；其中，所述第一控制信号为电动机407的运行状态信息，即与电动机407的运行状态相关的信息，可以包括电动机电枢电压、电动机电枢电流、电动机转子转速中的一个或多个；所述第二控制信号包括由发电单元驱动器406所在的电网所反馈的电网频率和/或电网电压幅值。进一步地，所述电动机407的运行状态信息包括电动机输出转矩IV。相应地，驱动控制器4061在生成驱动信号时也将考虑该电动机输出转矩IV。 具体实现时，发电单元驱动器406可使用传感器获得每个控制信号。比如，发电单元驱动器 406通过多个传感器从交流电动机获得其电枢电压Va, b,。。又如，发电单元驱动器406通过多个传感器从PCC获得电网电压，再从该电网电压中分离出电网频率f。发电单元(SMART PowerUnit，SPU)，由诸如间歇性能源或可再生能源或间歇性可再生能源等驱动。如图4c所示，在本发明一个具体实现中，每个SPU支路是一个间歇式可再生能源驱动的同步发电单元，该发电单元外特性与其他常规发电单元(比如小型水力发电机、柴油发电机等)相同，可以并联运行以共同向负荷409供电，或与外部电网41并联运行。当然，图4c所示的微网中也可以不包含水力发电机或柴油发电机等常规发电单元，而由多个SPU支路并联组网运行。需要指出，即使用于驱动图4b所示SPU的能源存在输出功率不稳定、会出现波动等特点，本发明实施例提供的SPU也能够向电网稳定供电。具体地， 图4b所示的每个SPU支路42包括能量输入模块43、能量储存模块405、能量输出模块44。 其中，能量储存模块405包括储能系统，可以是铅酸蓄电池、锂电池、镍氢电池或多种其他能量存储形式，还包括用于采集该储能系统的信息的储能管理器。能量输入模块43包含光伏、风力、潮汐等间歇式可再生能源形式，通过相应的电力电子控制器输出相对稳定的直流电压。具体地，能量输入模块43包括用于捕获一种或多种间歇式能源的能源捕获设备403、充电控制器404。进一步地，图5示出能量输入模块 43的一个示例性组成结构，包括以下部分一个或者多个PV支路、一个或者多个风力支路。 其中，每个PV支路包括PV阵列501、DC/DC变换器502 ；每个风力支路包括风力发电机 503(比如风车)、AC/DC变换器504。由图5可见，光伏发电通过DC/DC变换器502输出，风力发电通过AC/DC变换器504输出，多种能源可并联向能量储存模块405充电。能量输出模块44包括发电单元驱动器(SPU driver)406、电动机(motor)407、同步发电机(synchronous generator, SG) 408，该能量输出模块44可以构成一个设备，将发电单元驱动器406、电动机407、同步发电机408都放置在该设备外壳内。其中，电动机407 用于将电能转换成机械能。实际应用中，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机。同步发电机408用于将机械能转换成电能，其转子与定子旋转保持同步速。需要指出，电动机407和同步发电机408本身均可采用传统技术实现，此处不再赘述。实际工作时， 发电单元驱动器可以驱动交流电动机(或直流电动机)，再拖动同步发电机运行，输出工频电能(输出频率为50Hz或60Hz)。图6示出能量输出模块44的一个示例性组成结构，包括以下部分一个或多个第一能量输出子模块61、一个或多个第二能量输出子模块62。进一步地，每个第一能量输出子模块61包括SPU直流驱动器601、直流电动机602、同步发电机 603 ；每个第二能量输出子模块62包括SPU交流驱动器604、交流电动机605、同步发电机 606。在图4b中，能源捕获设备403和充电控制器404之间、充电控制器404和发电单元驱动器406之间、能量储存模块405和充电控制器404、发电单元驱动器406三者之间、发电单元驱动器406和电动机407之间、同步发电机408和PCC之间采用电缆连接，其中的箭头表示能量流动的方向；电动机407和同步发电机408之间是机械式连接。从图4b可以看出，基于本发明实施例组建的发电单元42有如下主要特点(a)具有与常规发电单元类似的输出外特性；(b)能量输出的最后一级是同步发电机；(c)由间歇式可再生能源供能，用电力电子变换器驱动电动机再拖动同步发电机运行。具体地，图4b所示SPU的功率调节分为有功功率调节和无功功率调节。其中，有功功率调节通过发电单元驱动器406实现，以保证电网频率的稳定；无功功率调节通过同步发电机408自身的励磁控制系统实现。对于无功功率调节，同步发电机408通过对电网电压幅值变化情况的判断，调节自身励磁电压，以控制同步发电机408的输出电压，保证电网电压幅值的稳定，达到调节发电单元输出无功功率的目的。发电单元驱动器406的主要功能包括通过采集微网中各组成部分当前的运行状态信息，判断下一时刻可能的运行状态，并通过相应的驱动控制逻辑，给出下一时刻电动机 407的驱动信号，以确保整个发电单元的稳定运行。具体地，发电单元驱动器406采集本控制周期内的微网信息(比如电网频率、电压幅值等)、电动机的运行状态信息(比如电枢电压、电流、转子转速、输出转矩等)和储能系统信息(比如电压、电流、温度等)，通过相应的驱动控制逻辑，给出下一控制周期的驱动脉冲信号，从而达到对发电单元输出有功功率调节的目的。比如，当前时刻tl的电网频率与上一时刻to相比有所上升，则发电单元驱动器 406通过所生成的驱动信号降低电动机转速从而降低下一时刻t2的电网频率，以保证电网的稳定。具体地，图如示出以该SPU为基础构造的一个示例性电网结构，包括以下部分外部电网41、微网。进一步地，该微网包括一个或多个水力支路、一个或多个柴油支路、一个或多个SPU支路42、负荷409。可以看出，这是不同于第一到第三种微网模式的微网结构， 为区别起见，可将图4c所示的微网结构称为第四种微网模式。进一步地，每个水力支路包括水力发电机401 ；每个柴油支路包括柴油发电机402。进一步地，图7示出SPU支路42的一个示例性组成结构，该SPU支路42为交流驱动发电单元，包括以下部分能源捕获设备701、充电控制器702、能量储存模块703、SPU交流驱动器704、交流电动机705、同步发电机706。进一步地，SPU交流驱动器704包括DC/AC逆变器7041、驱动控制器7042。进一步地，驱动控制器7042具有以下输入蓄电池组电压Vbatt ；交流电动机电枢电压Va,b,。；交流电动机电枢电流Ia,b,。；交流电动机转子转速η (或者转子位置角Θ)；交流电动机输出转矩 Υ;电网频率f(Y，P)，其中Y为同步发电机功角， P为有功功率；电网电压幅值|U|⑴)，其中Q为无功功率；蓄电池组温度Tbatt，该输入是可选的；蓄电池组电流Ibatt，该输入是可选的；蓄电池荷电状态S0C，该输入是可选的。进一步地，图7中为同步发电机706施加的是励磁电压&。需要指出，交流驱动发电单元易于变频调速。具体地，图8为图7所示的SPU支路42的一个示例性连接。对于驱动控制器7042 而言，蓄电池组电压Vbatt、蓄电池组温度Tbatt、蓄电池组电流Ibatt、蓄电池荷电状态SOC等输入是由能量储存模块703中的储能管理器7032提供的，其中蓄电池组温度Tbatt、蓄电池组电流Ibatt、蓄电池荷电状态SOC为可选输入，在图8中以粗虚线示出；电网频率f、电网电压幅值|U|等输入是由PCC提供的；交流电动机电枢电压Va, b,。、交流电动机电枢电流Ia, b,。、 交流电动机转子转速η等输入是由交流电动机705提供的。进一步地，储能管理器7032从储能系统7031采集参数，和/或接收充电控制器702提供的控制信号。当然，储能管理器 7032也可以向充电控制器702提供控制信号。进一步地，驱动控制器7042可提供驱动脉冲 8043给DC/AC逆变器7041。对于同步发电机706而言，施加在其上的同步发电机励磁电压 Ef是由励磁控制系统807提供的。需要指出，发电单元驱动器406中采用的驱动控制逻辑有多种实现方式，下面以常规的比例积分(proportional integral, PI)控制算法为例，说明发电单元功率调节的实现。具体地，图9为图7所示的SPU交流驱动器704的一个示例性组成结构，包括以下部分DC/AC逆变器7041、驱动控制器7042。进一步地，驱动控制器7042包括驱动信号生成模块9044、转速信号生成模块9045。其中，&为系统给定频率，η*为电机转速参考。在实际应用中，转速信号生成模块9045中的PI控制器可以替换为其他类型的自动控制器，比如模糊控制器、重复控制器、比例控制器、比例微分(PD)控制器、比例积分微分(PID)控制器等。驱动信号生成模块9044的一种具体实现如图9所示，也可以采用其它常规方式实现， 此处不再赘述。也即，对于采用交流电动机驱动的发电单元，即交流驱动发电单元，如图9所示， 发电单元驱动器704采集电网频率f、交流电动机电枢的电压Va,b,。、电流Ia,b,。、转子转速η 和输出转矩IV、蓄电池组的电压Vbatt、电流Ibatt和温度Tbatt等信号。系统给定频率&与电网频率f的误差信号经过PI控制器和限幅器的调整，得到交流电动机705的转速参考信号 η*。该转速参考信号与交流电动机电枢电压、电流、转子转速信号和蓄电池电压信号同时输入驱动控制器7042，经运算获得DC/AC变换器7041的驱动信号，并驱动交流电动机705调节转速，达到调节发电单元输出有功功率的目的。具体地，驱动控制器7042可以采用数字信号处理器、微控制器(microprocessor control unit, MCU)或单片机等实现。图10为本发明一个实施例中采用直流电动机驱动的发电单元，即直流驱动发电单元的结构示意图，其大部分组成与图7所示的交流驱动发电单元类似。不同之处在于，图 10包括SPU直流驱动器1004、直流电动机1005。进一步地，SPU直流驱动器1004包括DC/ DC变换器1014、驱动控制器10M。与图7中的驱动控制器7042不同的是，图10中的驱动控制器10 具有直流电动机电枢电压V、直流电动机电枢电流I、直流电动机转子转速η等
1输入。需要指出，直流驱动发电单元控制逻辑简单。对于直流驱动发电单元，如图11所示，发电单元驱动器1004采集电网频率、直流电动机电枢的电压、电流、转子转速和输出转矩、蓄电池组电压信号等。进一步地，系统给定频率与电网频率的误差信号经过PI控制器和限幅器的调整，得到直流电动机转速参考信号。该转速参考信号与直流电动机电枢电压、电流、转子转速信号和蓄电池电压信号同时输入数字信号处理器1024，经运算获得DC/DC变换器1014的驱动信号，并驱动直流电动机 1005调节转速，达到调节发电单元输出有功功率的目的。其中，驱动信号生成模块1144的具体实现不仅如图11所示，也可参考其它常规方式实现，此处不再赘述。需要指出，本发明实施例提供的发电单元既能提高间歇式可再生能源在微网中的发电容量比例，又能控制微网的稳定。具体地(1)由于本发明实施例提供的发电单元中设置有同步发电机408，在微网频率发生小扰动时，利用同步发电机408自身的机电特性，微网频率可以自动回复至平衡状态，比如同步发电机408的转子惯性能够吸收小扰动。(2)在微网频率发生较大扰动时，本发明实施例提供的发电单元根据检测到的电网频率变化，调节同步发电机408输出有功功率，并使得微网的频率达到稳定值。(3)在微网频率发生较大突变时，本发明实施例提供的发电单元根据检测到的电网频率变化，迅速调节同步发电机408输出有功功率，以维持微网的频率稳定。(4)在微网电压发生波动时，本发明实施例提供的发电单元根据检测到的系统电压幅值变化，调节同步发电机408的励磁电压&，保证微网的电压稳定。(5)在天气和环境条件造成可再生能源的输出功率短期波动时，通过能量输入模块43中充电控制器404的作用，将不稳定输入电压转变为相对稳定的直流电压，对能量储存模块405进行充电控制。进一步地，通过能量储存模块405提供能量缓冲，实现了输入能量和输出能量的动态解耦，消除可再生能源短期输出功率波动的影响。(6)能量储存模块405在较长期的充放电过程中，其端口电压也相应发生变化。通过对能量储存模块405和电动机407的电压等级进行合理设计，使得发电单元驱动器406 在极端工作条件下具有足够的工作电压，以保证为后级的电动机407提供稳定的驱动功率。进一步地，基于图7和图10提供的发电单元，可以变形出各种不同的发电单元拓扑结构。其中，图7为本发明一个实施例中由交流驱动器直接驱动低压交流电动机，再拖动同步发电机，单支路运行的发电单元；图10为本发明一个实施例中由直流驱动器驱动直流电动机，再拖动同步发电机，单支路运行的发电单元。图12到图20均为本发明实施例中变形后的拓扑结构。图12为本发明一个实施例中由交流驱动器通过变压器升压后驱动中高压交流电动机，再拖动同步发电机，单支路运行的发电单元结构示意图。在图12中，发电单元只有一个支路，具体包括以下部分能源捕获设备1201、充电控制器1202、蓄电池1203、SPU交流驱动器1204、交流电动机1205、同步发电机1206、变压器1207。具体地，该变压器1207用于将所述SPU交流驱动器1204生成的第二电压转换为第三电压后，提供给所述交流电动机 1205。需要指出，中高压交流电动机所提供的功率大，且电流小从而损耗小。图13为本发明一个实施例中由交流驱动器驱动交流电动机，再拖动同步发电机，多支路并联运行的发电单元结构示意图。在图13中，发电单元有多个发电单元支路，每个发电单元支路的组成与图7相同，此处不再赘述。可以看出，采用多个发电单元支路，能够提高间歇式能源的总发电容量。图14为本发明一个实施例中由直流驱动器驱动直流电动机，再拖动同步发电机， 多支路并联运行的发电单元结构示意图。在图14中，发电单元有多个发电单元支路，每个发电单元支路的组成与图10相同，此处不再赘述。图15为本发明一个实施例中由多组交流驱动器在储能侧并联，共同驱动交流电动机，再拖动同步发电机的发电单元结构示意图。需要指出，交流驱动器连接蓄电池的一侧被称为储能侧(或称为第一侧)，连接电动机的一侧被称为输出侧(或称为第二侧)。在图15中，发电单元包括以下部分多路包括能源捕获设备、充电控制器、开关的能量输入支路、蓄电池1503、SPU交流驱动器1504、交流电动机1505、同步发电机1506。其中，第一能量输入支路包括能源捕获设备1501、充电控制器1502、开关1507 ；第二能量输入支路包括 能源捕获设备1511、充电控制器1512、开关1517。可以看出，采用图15所示的分布式输入， 使得本发明实施例所提供的发电单元的安装更为灵活，不受地点限制。图16为本发明一个实施例中由多组直流驱动器在储能侧并联，共同驱动直流电动机，再拖动同步发电机的发电单元结构示意图。需要指出，图16的组成与图15类似，不同之处在于，图16中采用的是SPU直流驱动器1604驱动直流电动机1605。图17为本发明一个实施例中由多组交流驱动器在输出侧并联，共同驱动交流电动机，再拖动同步发电机的发电单元结构示意图。在图17中，发电单元包括以下部分多路包括能源捕获设备、充电控制器、蓄电池、SPU交流驱动器、开关的驱动支路、交流电动机 1705、同步发电机1706。其中，第一驱动支路包括能源捕获设备1701、充电控制器1702、 能量储存模块1703、SPU交流驱动器1704、开关1707 ；第二驱动支路包括能源捕获设备 1711、充电控制器1712、能量储存模块1713、SPU交流驱动器1714、开关1717。可以看出， 图17为一个电动机配置多路驱动器，从而解决电动机和驱动器功率不匹配的问题，使得发电单元的组合更为灵活、易于升级。图18为本发明一个实施例中由多组直流驱动器在输出侧并联，共同驱动直流电动机，再拖动同步发电机的发电单元结构示意图。需要指出，图18的组成与图17类似，不同之处在于，图18中采用的是SPU直流驱动器1804驱动直流电动机1805。图19为本发明一个实施例中由交流驱动器驱动交流电动机，再拖动同步发电机， 多支路并联运行，共用储能系统的发电单元结构示意图。在图19中，发电单元包括以下部分多路包括能源捕获设备、充电控制器、第一开关的能量输入支路、蓄电池1903、多路包括第二开关、SPU交流驱动器、交流电动机、同步发电机的能量输出支路。其中，第一能量输入支路包括能源捕获设备1901、充电控制器1902、第一开关1907 ；第二能量输入支路包括能源捕获设备1911、充电控制器1912、第一开关1917。再有，第一能量输出支路包括 第二开关1908、SPU交流驱动器1904、交流电动机1905、同步发电机1906 ；第二能量输出支路包括第二开关1918、SPU交流驱动器1914、交流电动机1915、同步发电机1916。可以看出，多路输入并联使得某路输入出现故障时能够断开检修，而不会影响到整个发电单元的工作，多路输出并联使得输出的增加或减少更易于控制，从而提高发电单元的工作效率。图20为本发明一个实施例中由直流驱动器驱动直流电动机，再拖动同步发电机，多支路并联运行，共用储能系统的发电单元结构示意图。需要指出，图20的组成与图19类似，不同之处在于，图20中采用的是SPU直流驱动器2004驱动直流电动机2005。从以上记载的技术方案可以看出1)本发明实施例的发电单元采用同步发电机完成能量输出，微网的系统稳定性强，便于功率解耦控制。2)本发明实施例的发电单元具有自动同步特性，可以方便地实现多个发电单元并联时的投入或退出，系统容量扩充方便。3)本发明实施例的发电单元最后一级是机电环节，相比于最后一级是电力电子器件的传统发电单元，平均不间断运行时间显著提高，年平均运行小时数显著提高，年发电量也显著提高。4)由于机电环节存在，在发电单元中的电力电子驱动器自身出现非控制目标的瞬态波动时，也可以被后级机电环节吸收，消除了对本发电单元输出电能质量的影响。5)本发明实施例的发电单元在组建微网结构时，具有多种灵活的组合方式。6)基于本发明实施例构造出的微网系统，可以大幅提高可再生能源在微网中的穿透功率容量限制(从理论上讲可达100%)，大幅减少化石能源的使用和消耗，环保效益好。上文通过附图和实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，本领域技术人员从中推导出来的其他方案也在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种电网中的发电单元驱动器，其特征在于，包括驱动控制器，用于根据获取到的第一控制信号和第二控制信号生成驱动信号；变换器，用于根据所述驱动信号将输入能源从第一电压变换为第二电压，输出给与所述发电单元驱动器连接的电动机；其中，所述第一控制信号为所述电动机的运行状态信息；所述第二控制信号包括所述电网的电网频率和/或电网电压幅值。
2.根据权利要求1所述的发电单元驱动器，其特征在于，所述电动机的运行状态信息包括以下之一或其任意组合电动机电枢电压、电动机电枢电流、电动机转子转速。
3.根据权利要求1所述的发电单元驱动器，其特征在于，所述驱动控制器包括转速信号生成模块，用于对给定频率与所述电网频率的误差信号进行调整，得到转速参考信号提供给驱动信号生成模块；所述驱动信号生成模块，用于根据所述转速参考信号和所述电动机的运行状态信息生成所述驱动信号。
4.根据权利要求3所述的发电单元驱动器，其特征在于，所述转速信号生成模块包括 自动控制器和限幅器。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的发电单元驱动器，其特征在于，所述变换器为直流到交流逆变器或者直流到直流变换器。
6.一种电网中的发电单元，其特征在于，包括能源捕获设备，用于捕获一种或多种间歇式能源；充电控制器，用于利用所捕获的间歇式能源输出第一电压；发电单元驱动器，用于根据电动机输入的第一控制信号和所述电网输入的第二控制信号，将所述第一电压变换为第二电压以驱动所述电动机；所述电动机，用于在所述第二电压的作用下拖动同步发电机运行；所述同步发电机，用于连接该电网的公共联接点，将自身产生的电能输出给该电网。
7.根据权利要求6所述的发电单元，其特征在于，进一步包括变压器，用于将所述发电单元驱动器生成的第二电压转换为第三电压后，提供给所述电动机，且所述电动机为中高压电动机。
8.根据权利要求6所述的发电单元，其特征在于，进一步包括能量储存模块；所述充电控制器的第一侧与所述能源捕获设备相连，所述充电控制器的第二侧与所述发电单元驱动器的第一侧相连，所述能量储存模块与所述充电控制器的第二侧以及所述发电单元驱动器的第一侧相连。
9.根据权利要求8所述的发电单元，其特征在于，所述能量储存模块包括储能系统和储能管理器；所述储能管理器用于采集所述储能系统的信息，作为所述第三控制信号输入给所述发电单元驱动器；所述发电单元驱动器用于根据所述能量储存模块输入的第三控制信号、所述电动机输入的第一控制信号和所述电网输入的第二控制信号将所述第一电压变换为所述第二电压。
10.根据权利要求9所述的发电单元，其特征在于，所述第一控制信号包括电动机电枢电压、电动机电枢电流、电动机转子转速、电动机输出转矩；所述第二控制信号包括电网频率、电网电压幅值；所述第三控制信号包括储能系统电压。
11.根据权利要求6-10中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述能源捕获设备为光伏阵列，所述充电控制器为直流到直流变换器；或者所述能源捕获设备为风力发电机，所述充电控制器为交流到直流变换器。
12.根据权利要求6-10中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述发电单元包括多个发电单元支路；其中，每个发电单元支路包括所述能源捕获设备、所述充电控制器、所述能量储存模块、所述发电单元驱动器、所述电动机、所述同步发电机。
13.根据权利要求6-10中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述发电单元包括多个能量输入支路，其中，每个能量输入支路包括开关、所述能源捕获设备以及所述充电控制器，所述开关设置在所述充电控制器的第二侧；所述每个能量输入支路通过所述开关与所述发电单元驱动器的第一侧以及所述能量储存模块连接。
14.根据权利要求6-10中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述发电单元包括多个驱动支路，其中，每个驱动支路包括开关、所述能源捕获设备、所述充电控制器、所述能量储存模块以及所述发电单元驱动器，所述开关设置在所述发电单元驱动器的第二侧；所述每个驱动支路通过所述开关与所述电动机连接。
15.根据权利要求6-10中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述发电单元包括 多个能量输入支路，其中，每个能量输入支路包括第一开关、所述能源捕获设备以及所述充电控制器，所述第一开关设置在所述充电控制器的第二侧；多个能量输出支路，其中，每个能量输出支路包括第二开关、所述发电单元驱动器、所述电动机、所述同步发电机，所述第二开关设置在所述发电单元驱动器的第一侧；所述每个能量输入支路通过所述第一开关与所述能量储存模块连接，所述每个能量输出支路通过所述第二开关与所述能量储存模块连接。
16.根据权利要求6-10中任一项所述的发电单元，其特征在于，所述电动机为交流电动机时，所述第二变换器为直流到交流逆变器；或者所述电动机为直流电动机时，所述第二变换器为直流到直流变换器。
17.—种电网中的能量输出设备，其特征在于，包括如权利要求1-5中任一项所述的发电单元驱动器，用于根据电动机输入的第一控制信号和所述电网输入的第二控制信号，将所述第一电压变换为第二电压以驱动所述电动机； 所述电动机，用于在所述第二电压的作用下拖动同步发电机运行； 所述同步发电机，用于连接该电网的公共联接点，将自身产生的电能输出给该电网。
全文摘要
本发明公开了一种电网中的发电单元驱动器、发电单元以及能量输出设备。该发电单元驱动器包括驱动控制器，用于根据获取到的第一控制信号和第二控制信号生成驱动信号；变换器，用于根据所述驱动信号将输入能源从第一电压变换为第二电压，输出给与所述发电单元驱动器连接的电动机；其中，所述第一控制信号为所述电动机的运行状态信息；所述第二控制信号包括所述电网的电网频率和/电网电压幅值。本发明提供的方案能够对电网供电的稳定起到更好的作用。
文档编号H02J3/12GK102244498SQ20111005990
公开日2011年11月16日 申请日期2011年3月11日 优先权日2011年3月11日
发明者刘新华, 廖华, 张京伟, 李晶 申请人:西门子公司