专利名称：便于分布式发电资源的电力电子接口的控制策略的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及电能发电领域。更具体地，本发明涉及一种便于分布式发电资源的电力电子接口(PEI)的控制策略的方法和系统。
背景技术：
当今由使用化石燃料、水力或核能的大型集中式电厂来产生大量电力，并经由长距离传输给终端用户 。在这些系统中，电力通过分布网络从集中电站沿一个方向流向消费者。然而，这种集中式发电示例具有许多缺点，包括温室气体和其他污染物对于环境的影响、传输损耗和低效、日益严重的供电安全问题、系统维护问题、转变消耗以及进行升级、传输和分布基础设施的替换的较高成本。在过去的几年中，技术革新改变了经济和管理环境，环境变化和社会发展刺激了对于分布式发电(DG)系统的兴趣。分布式发电是一种电力系统的新型模型，基于根据新型可再生能源技术(例如太阳能、风力和燃料电池)将小型和中型发电机集成到公用事业网中。所有这些发电机通过完全交互智能电网互连。这种革新需要复杂的控制和通信技术。大多数DG资源主要用于补充传统的电力系统。例如，可以结合这些资源以便在主公用事业网的干扰和中断期间在特定区域中向邻近负载提供连续电力。将这种DG资源与邻近负载的分组称为微电网。通常微电网是一种自包含电生态系统。在这些系统中，在局部范围内产生、传输、消耗、监控和管理电力。在许多情况下，可以将微电网集成到大型集中电网中，但其定义特性证明了如果从主电网断开也能够独立运行。当前开发的大多数DG资源不能用作微电网的一部分，这是因为这些资源被设计为电流源。由这种电力系统产生的输出明显不稳定。此外，这种电力系统不能与主电网隔离运行以向特定区域供电。将使用微电网与主电网隔离地相特定区域或特定位置供电称作孤岛化(islanding)。此外，如果被设计为电压源，则DG资源不能用作微电网的一部分。这是由于瞬时输出电压的微小差异导致大量流通电流并可能损坏DG资源。近年来使用的微电网使用同步发电机，同步发电机协调输出阻抗特性，使其能够连接到主电网或与主电网隔离的并行操作。根据上述挑战，需要一种系统，其中可以通过使用电力电子接口来控制多个DG资源以提供改进的特性。此外，需要一种系统，其中集成多个DG资源以形成微电网。按照这种方式，可以以适当方式控制多个DG资源以保持稳定。此外，当与大型公用事业网相连(被称作电网连接模式)以及与公用事业网分离(被称作孤岛模式)时系统应当能够工作。此夕卜，系统应当能够提供操作的电网连接模式和孤岛模式之间的平滑转变。
发明内容
本发明的目的是提供一种根据分布式发电(DG)资源的稳定AC发电和分布系统。在本发明的实施例中，提供了一种系统以便于通过使用电力电子接口来控制DG资源，以使DG资源展示预定电特性。通过所述系统展示的预定电特性类似于同步发电机的电特性。在本发明的另一实施例中，公开了一种方法用于将多个DG单元分组到微电网。可以通过使用监督控制代理对微电网的多个DG单元进行分组。监督控制代理通过低带宽通信网络(LBCN)与多个DG单元进行通信。此外，当与主电网相连时微电网运行，并且处于孤岛模式也能够工作。在本发明的另一实施例中，提供了一种方法通过集成多个DG资源来创建微电网分级结构。可以通过将多个微电网排列到预定分级结构架构中来实现微电网分级结构。
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以下将结合附图来描述本发明的多个实施例，提供附图以演示而不是限制本发明，其中类似指示表示类似组件，图中:图1是其中实践了本发明多种实施例的示例环境；图2示出了对用于实现分布式发电(DG)单元的控制策略的系统组件加以演示的方框图；图3是根据本发明实施例表示虚拟电网络(VEN)的电路图；图4是根据本发明实施例的虚拟电网络(VEN)的示例电路图；图5示出了根据本发明另一实施例的虚拟电网络(VEN)的另一示例电路图；图6示出了根据本发明实施例的方框图，示出了将DG系统、负载以及相关控制器分组到微电网中；以及图7表示了根据本发明实施例的示例微电网分级结构。
具体实施例方式本发明公开了一种系统和方法，便于分布式发电(DG)资源的电力电子接口(PEI)的控制策略。DG资源的多种示例可以包括但不局限于:光伏(PV)系统、风力涡轮机、电池存储单元和燃料电池。具体地，本发明关注一个或多个PEI与交流电(AC)电力分布系统之间的交互。图1是其中能够实践本发明多种实施例的示例环境。所示图1包括发电站102 ; —个或多个传输单兀104a、104b和104c (统一称作传输单兀104)；一个或多个分布单兀106a和106b (统一称作分布单兀106);微电网108 ；一个或多个负载IlOa和I IOb (统一称作负载110);和分布网络112。此外，微电网108还包括一个或多个PEI114a、114b和114c (统一称作PEI114);—个或多个DG资源116a、116b和116c (统一称作DG资源116);和一个或多个DG单元118a、118b和118c (统一称作DG单元118)。如图1所示，当与DG资源116相结合时PEI单元114形成DG单元118。
根据本发明的实施例，图1可以包括一个或多个电网控制中心(图1未示出)。此夕卜，电网控制中心提供发电、传输和分布的监督和控制。如上所述，发电站102取决于传统和可再生源，包括但不局限于:化石燃料、核能、水力、风力、光伏和地热。此外,发电站102产生大量电力以便经由分布网络112分布到负载 110。根据本发明的实施例，将发电站102产生的电力提供给传输单元104，以便进一步将电力传输到分布单兀106。根据本发明的实施例，微电网108包括图1所示的DG单元118。DG单元118可以取决于诸如光伏系统、风力涡轮机、电池存储单元和燃料电池之类的源。根据本发明的实施例，连接微电网108以便与公用事业网并行运行。根据本发明的另一实施例，微电网108可以与公用事业网隔离地运行。根据本发明的实施例，将发电站102、传输单元104、分布单元106、负载110和分布网络112统一称作公用事业网。图2示出了对用于实现分布式发电(DG)单元的控制策略的系统组件加以演示的方框图。如图2所示，方框图示出了分布式发电单元202。DG单元202包括分布式发电(DG)资源204、电力电子接口(PEI)单元206、AC流传感器208、性能控制器210、电流反馈控制器212、功率流控制器214和短期能量存储单元216。DG资源204使用诸如光伏系统、风力涡轮机、电池存储单元和/或燃料电池之类的一个或多个源来产生电力。根据本发 明的实施例，使用PEI单元206来实现控制方案以控制DG资源204获得优选性能。PEI单元206的结构可以根据与其相连的DG资源204的特定特性而变化。根据本发明的实施例，可以将PEI单元206编程为展示与同步发电机类似的电特性。PEI单元典型是硬件和软件的结合。使用虚拟电网络(VEN)来仿真特性，将虚拟电网络表示为AC电压源(Vs)和预定阻抗网络的组合。此外，诸如幅度、频率和相位之类AC电压源(Vs)的多种特性可以实时变化以控制DG单元202的无功/有功功率输出。将在后续段落中更详细地描述该过程。在电流反馈环周围构建由PEI单元206实现的控制策略。通过电流传感器208和电流反馈控制器212来实现电流反馈环。根据使用电流传感器208感测的电流和电流基准(Iac)之间的比较来控制PEI单元206的输出电流。除了 VEN的数学模型以外，性能控制器210还使用AC系统电压(yj的瞬时度量来计算输出电流基准(Iac)的瞬时值。性能控制器210操控电流基准(Iae)以便再现VEN的性能，由此仿真同步发电机的性能。将结合图3来详细描述如上所述的VEN。功率流控制器214通过连续调制功率角来管理DG资源204和短期能量存储单元216之间的能量流，以实现特定功率管理目标。管理目标之一可以是创建DG单元202的平均有功功率输出和AC系统电压(Vac)的频率之间的预定衰减关系。通过使用AC系统电压(Vac)和VEN的电压Vs之间的相位差来确定功率角，稍后将进行描述。此外，功率流控制器214用于确保短期能量存储单元216保持在适当PEI操作且能够响应系统瞬变的令人满意的能量水平。图3是根据本发明实施例表示虚拟电网络(VEN)的电路图。如图3所示，电路图包括AC电压源(Vs) 302以及阻抗304和306 (统一称作阻抗)。阻抗304和306可以被称作阻抗网络。根据本发明的实施例，可以通过性能控制器210来实现如图3所示的虚拟电路。将诸如VEN之类的虚电路设计为包括与阻抗网络相结合的AC电压源(Vs)302。此夕卜，根据AC电压源(Vs) 302的期望特性和数值来设计形成阻抗网络的阻抗。由功率流控制器214来确定AC电压源(Vs) 302的数值。本领域技术人员可以理解，将阻抗网络设计为实现一个或多个目标。当支持专用负载时，该设计可以保持来自DG单元的可接受输出电压质量。这包括:当存在负载电流谐波时使电压失真最小化、响应于负载瞬变提供适当的阻尼以及对于重负载使电压衰落最小化。阻抗网络的另一目标涉及根据电压(Vac)的幅度和相位创建优选的衰减特性。当AC系统电压U的幅度减小时，优选的衰减特性能够增大DG单元的无功功率输出。当入的相位角相对于AC系统电压(Vac)增大时,优选的衰减特性还能够增大DG单元的有功功率输出。根据本发明的实施例，对于VEN阻抗的数值保持恒定，并且根据期望的输出特性来确定该数值。此外，由于Vs相对于系统电压Va。的幅度和相位会影响DG单元的有功/无功功率输出，Vs的值保持动态。此外，如上所述，由功率流控制器214确定Vs的瞬时值。图4和图5表示虚拟电网络(VEN)的示例电路图。这些图示出了根据相应实施例的实际VEN配置。根据本发明的实施例，本发明将描述如图4所示表示VEN配置的示例电路图。本领域技术人员可以理解， 图4所示电路的实现细节与图3所示电路的实现细节类似。图4所示的VEN电路图包括与阻抗网络相结合的AC电压源(Vs) 302。如根据图3所述，阻抗网络包括阻抗Zl和Z2的组合。在该实施例中，根据图4的VEN电路图包括电感Ls和电阻Rd。的串联组合(类似于图3中定义的Zl)。此外，图4可以包括电容Cs(类似于图3中定义的Z2)。根据本发明的另一实施例，本发明将描述如图5所不表不VEN配置的不例电路图。本领域技术人员可以理解，图5所示电路的实现细节与图3所示电路的实现细节类似。图5所示的VEN电路图包括与阻抗网络相结合的AC电压源(Vs) 302。如根据图3所述，阻抗网络包括阻抗Zl和Z2的组合。在该实施例中，根据图5的VEN电路图包括电感Lsl与并联组合的电阻Rd。和电容Cd。的串联组合(类似于图3中定义的Zl)。此外，图5可以包括电容Cs和电阻Rdamp的串联组合(类似于图3中定义的Z2)。根据本发明的实施例，在操作期间VEN电路的配置可以变化以便优化多种操作条件下同步发电机的特性。本领域技术人员可以理解，VEN可以根据需求来变化。电路的多种组件可以包括但不局限于:一个或多个电压源、一个或多个电流源、线性或非线性阻性组件、容性组件和感性组件。图6示出了根据本发明实施例的方框图，示出了将DG系统、负载以及相关控制器分组到微电网中。可以将控制方案应用于DG系统以允许将多个DG单元、负载以及相关控制器分组到微电网中。图6所示的方框图包括:公用事业网622 ;公用事业网控制器628 ;和微电网602。微电网602又可以包括:根据本文所示控制方案控制的一个或多个DG单元604的某些组合；根据其他控制方案控制的一个或多个其他DG单元606 ;同步机系统608 ;监督控制代理(SCA) 610 ;低带宽通信网络(LBCN) 624 ;以及负载626。所有组件可以仅为硬件、仅为软件或硬件和软件的结合。负载626可以包括一个或多个智能负载630和传统负载632。此外，SCA610包括智能开关612和能量管理控制器614。SCA610还可以包括负载调度控制器。在本发明的实施例中，负载调度控制器616可以形成智能负载630的一部分或与传统负载632相连。智能开关612还可以包括智能控制器618和传感器620。在本发明的多种实施例中，微电网602和公用事业网622可以直接与智能开关612相连，以便智能开关612提供微电网602和公用事业网622之间的切换接口。根据本发明的实施例，图6所示所有组件可以是硬件和软件的组合。根据本发明的另一实施例，图中所示的所有组件可以表示硬件组件。根据本发明的实施例，SCA610可以作为单个物理模块存在。根据本发明的另一实施例，SCA610可以作为内置到多个分立系统或子系统中的特征的集合。根据本发明的实施例，负载626可以包括但不局限于:可调负载、可调度负载和固定负载。负载626还可以包括集成到负载调度控制器616的一个或多个智能负载630和传统负载632。为了与传统负载632 —起操作,可以期待外部负载控制器。外部负载控制器可以是SCA610的一部分或可以是分立组件。根据本发明的实施例，智能开关612用作AC连接器以将微电网602与公用事业网622相隔离。智能开关612还可以包括智能控制器618和传感器620。智能控制器618用于分析微电网电压、公用事业网电压和电流的度量。智能控制器618还通过低带宽通信网络(LBCN)624将分析结果报告给能量管理控制器614。智能控制器618还有助于微电网602与公用事业网622的断开、同步和互连。此外，智能控制器618管理到公用事业网622的公共耦合点的附着标准。这可以包括:限制引入到主电网的无功功率和/或谐波电流；和/或防止非故意孤岛化(在电网故障/中断期间对微电网外部的负载提供电能)。根据本发明的实施例，能量管`理控制器614和负载调度控制器616可以执行一个或多个功能。该功能可以包括但不局限于:收集和共享各个DG单元604和606、同步机系统608、智能开关612和负载调度控制器616的信息；收集和共享公用事业网控制器628的信息；预报DG资源的可用性和电网的可用性；以及能源定价。该预报基于诸如当前/预报负载、天气状况以及本地获得或来自外部服务的其他数据之类的因素。此外，其功能还可以包括:判定转变到操作的故意孤岛模式和脱离故意孤岛模式、提供负载分离和优先级调度、规定DG资源的使用和充电的优先级、对实时价格进行响应以及从事能源市场。根据图6，DG和PEI之间的所有通信基于LBCN624进行。低带宽通信相对于其他模式是优选的，这是因为低带宽通信更加廉价且更易于设计。根据本发明的一个实施例，可以将LBCN624实现为专用于控制这种系统的分离网络。根据本发明的另一实施例，可以使用局域网(LAN)、Wif1、WLAN、电力线通信和GPRS网络的一个或多个组合来实现LBCN624。根据本发明的实施例，通过彼此并联的集成多个DG单元604和606以支持AC负载，如图6所示的系统可以运行在孤岛模式。通过控制DG单元604和606，SCA610实现孤岛模式中的操作过程。最初，SCA610便于一个或多个微电网从公用事业网622断开。之后，DG单元604和606在容限内集中调整微电网电压。此外，根据本发明的一个实施例，SCA610可以便于DG单兀604和606的负载共享。根据本发明的另一实施例，SCA610还可以根据预定加载优先级调度来允许能量的交换，而无需多个DG单元604和606中的至少两个之间的直接通信。此外，SCA610通过经由LBCN624发布适当的命令来影响加载优先级和加载分布。根据本发明的另一实施例，可以由DG单元根据预定加载优先级调度来执行能量的负载共享和交换，而不涉及SCA610。根据本发明的另一实施例，通过将DG单元604和606与公用事业网622并联，如图6所示的系统可以运行在连网模式。如下所述图6所示的系统实现了连网模式的操作过程。首先，SCA610便于将包括DG单元604和606的微电网602连接到公用事业网622。DG单元604和606根据预定默认设置提供有功/无功功率。此外，SCA610通过经由LBCN624发布适当的命令来影响由各DG单元604和606提供的有功/无功功率。根据本发明的另一实施例，DG单元604和606能够实现连网模式和孤岛模式之间的无缝转变。此外，通过经由LBCN624从SCA610向各DG单元604和606的PEI发布命令，实现从孤岛模式到连网模式无缝转变的过程可能会影响DG单元604和606的电压幅度、频率和相位。因此，当令人满意地同步DG单元604和606的输出电压、幅度、频率和相位时，SCA610将微电网602与公用事业网622相连。图7表示了根据本发明实施例的示例微电网分级结构。图7包括系统702、一个或多个子微电网704和706 (统一称作子微电网)和父微电网708。微电网分级结构表示多个微电网到预定分级架构的排列。如上所述，通过在不同微电网的SCA之间指派预定父子关系来创建微电网分级结构。预定父子关系基于各种因素，包括但不局限于:微电网的尺寸、拓扑和系统内的地理位置。此外，可以预先指派该关系，或实时动态修改该关系以适应变化的运行条件。根据本发明的实施例，可以将微电网分级结构中的不同微电网招募为子微电网或父微电网。每一个子微电网可以被招募为父微电网的成员，从而创建这些微电网的SCA之间的父子关系。本领域技 术人员可以理解，父微电网甚至还可以表现为更大的微电网的子，如结合以下示例所示。如图7所示，系统702表现为子微电网704和706的父微电网。然而，同时系统702表现为父微电网708的子微电网。上述父子关系允许父SCA将子微电网作为通用DG资源进行处理。父SCA可以使用DG通信协议和数据模型来从子微电网收集数据并随后发布命令以监督子微电网的操作。此外，子SCA用于从其成员系统收集数据，向父SCA呈现收集的数据。子SCA还分析由相应父SCA发布的命令，并且可以向其成员系统发布命令，以确保对于父微电网的适当响应。形成微电网分离结构使得能够在包括主电网和微电网分级结构的整个公用事业网中进行智能分布。该分布有助于避免依赖需要大量数据收集、处理、判决和通信资源的集中式能量管理控制器。此外，避免依赖集中式能量管理控制器还消除了单点故障的可能性。形成微电网分级结构还允许对系统分区并有助于以不同分级级别来形成故意孤岛。可以以嵌入式控制器的形式来体现本发明所述的、便于分布式发电资源的电力电子接口控制策略的方法和系统或其任意组件。嵌入式控制器的典型示例包括通用计算机、可编程微处理器、微控制器、外围集成电路组件、ASIC(专用集成电路)、PLC(可编程逻辑控制器)和能够实现构成本发明方法的步骤的其他器件或器件排列。
嵌入式控制器执行存储在一个或多个存储组件中的指令集合(或程序指令)以处理输入数据。这些存储组件还可以根据需要保存数据或其他数据，并且可以是信息源或处理机中出现的物理存储组件的形式。指令的集合可以包括多种命令，指示处理机执行诸如构成本发明方法的步骤的特定任务。指令的集合可以是软件或固件程序的形式。此外，软件或固件可以是分离软件集合、具有大型程序的程序模块或程序模块的一部分的形式。尽管已经示出和描述了本发明的多个实施例，清楚的是本发明并不局限于这些实施例。各种修 改、改变、变化、替换和等同物对于本领域技术人员是显而易见的。
权利要求
1.一种用于控制分布式发电的系统，所述系统包括: 分布式发电(DG)资源； 短期能量存储单元； 交流电(AC)传感器； 功率流控制器，配置成从DG资源和短期能量存储单元接收状态信息； 性能控制器，与功率流控制器进行通信，并被配置为感测来自AC系统的电压(Vac)； 电流反馈控制器，与性能控制器和AC传感器进行通信；以及 电力电子接口(PEI)，配置成根据从电流反馈控制器接收的信号，使得DG资源按照与同步发电机类似的方式进行操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，PEI是硬件、固件和软件的结合。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述PEI被配置成使得DG资源按照与同步发电机类似的方式进行操作包括:由于性能控制器向电流反馈控制器提供由性能控制器使用虚拟电网络(VEN)产生的电流基准(IJ，所述PEI被配置成使得DG资源按照与同步发电机类似的方式进行操作，其中虚拟电网络包括: AC电压源(Vs)；以及 预定义的阻抗网络。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述VEN的参数实时改变以控制DG资源的无功功率和有功功率输出，所述VEN的参数包括以下中的至少之一:AC电压源(Vs)的幅度、AC电压源(Vs)的频率和AC电压源(Vs)的相位。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，性能控制器被配置成使用来自AC系统的电压(Vac)的瞬时度量和VEN的数学模型来计算电流基准(Iae)的瞬时值，以产生期望的VEN性能，由此使PEI使得DG资源按照与同步发电机类似的方式进行操作。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，从电流反馈控制器接收的信号基于由AC传感器感测的电流和电流基准(Ia。)之间的比较。
7.根据权利要求3所述的系统，其中，功率流控制器被配置成通过连续调制功率角来管理DG资源和短期能量存储单元之间的能量流，以实现至少一个功率管理目标。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，至少一个功率管理目标包括创建DG资源的平均有功功率输出和来自AC系统的电压(yj的频率之间的预定衰减关系，其中通过使用来自AC系统的电压(VJ和VEN的AC电压源(Vs)之间的相位差来确定功率角。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，至少一个功率管理目标包括确保短期能量存储单元保持令人满意的能量水平以允许PEI响应系统瞬变。
10.根据权利要求3所述的系统，其中，VEN是一种虚电路，其中由功率流控制器确定AC电压源(Vs)的值。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，AC电压源(Vs)的值保持动态。
12.根据权利要求3所述的系统，其中，VEN是一种虚电路，其中阻抗网络包括根据期望的特性而设计的阻抗值。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述阻抗值保持恒定，并且是根据期望的输出特性确定的。
14.根据权利要求3所述的系统，其中，VEN的配置被配置成在操作期间变化以优化与同步发电机类似的方式操作。
15.根据权利要求3所述的系统，其中，VEN包括以下中的至少一个:至少一个附加电压源、至少一个附加电流源、至少一个线性阻性组件、至少一个非线性阻性组件、至少一个容性组件和至少一个感性组件。
16.—种用于控制分布式发电的方法,所述方法包括: 接收交流电系统电压(yj的瞬时度量； 根据从AC系统接收的交流电系统电压(Vac)的瞬时度量和虚拟电网络(VEN)的数学模型来计算输出电流基准(Ia。)的瞬时值； 根据计算的输出电流基准(IJ的瞬时值和从AC系统感测的AC电流之间的比较来创建控制信号；以及 根据创建的控制信号来调整分布式发电资源的输出以仿真同步发电机的特性。
17.根据权利要求1 6所述的方法，其中，根据虚拟电网络(VEN)的数学模型来计算输出电流基准(Iac)的瞬时值包括:根据虚拟电网络(VEN)的数学模型来计算输出电流基准(Iac)的瞬时值，所述虚拟电网络包括: AC电压源(Vs)；以及 预定义的阻抗网络。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，调整分布式发电资源的输出包括:调整分布式生成资源的输出，其中分布式发电资源包括以下之一:光伏系统、风力涡轮机、电池存储单元和燃料电池。
19.一种系统，配置成允许将分布式发电(DG)资源、负载和关联的控制器成组，所述系统包括: 公用事业网； 公用事业网控制器；以及 微电网，所述微电网包括: 根据控制方案控制的一个或多个DG资源的组合，所述一个或多个DG资源包括电力电子接口(PEI)单元； 同步机系统； 智能开关； 监督控制代理(SCA)； 低带宽通信网络(LBCN);和 负载。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，SCA包括以下之一:单个物理模块，或者作为特征集合被内置到多个分立系统或子系统中。
全文摘要
本发明公开了一种用于实现分布式发电(DG)单元的控制策略的方法和系统。实现控制策略，以便DG单元按照与同步发电机类似地进行操作。所述方法还描述了通过使用监督控制代理对多个DG单元分组以形成微电网。还可以按照分级结构来排列微电网。
文档编号H02J3/38GK103229380SQ201180050954
公开日2013年7月31日 申请日期2011年10月21日 优先权日2010年10月22日
发明者哈萨姆·阿拉特拉什, 纳舍尔·库图特 申请人:佩特拉太阳能公司