專利名稱：分布式發(fā)電機(jī)逆變器作為靜止同步補(bǔ)償器的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分布式發(fā)電系統(tǒng)。具體來說，本發(fā)明是關(guān)于將太陽能場逆變器及風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)逆變器作為柔性交流輸電系統(tǒng)控制器(即靜止同步補(bǔ)償器)來使用。
背景技術(shù)：
隨著能源需求不斷增長、化石燃料消耗以及環(huán)境制約，各級人員對發(fā)展綠色能源的興趣達(dá)到空前高度。世界各國政府的鼓勵(lì)及補(bǔ)貼計(jì)劃吸引了許多客戶在其場所內(nèi)安裝小容量(從幾瓦至幾千瓦不等)可再生能源模塊。同樣，大企業(yè)也建立了容量從幾百千瓦到幾千千瓦乃至更高的光伏太陽能發(fā)電場。分布式發(fā)電系統(tǒng)在配電系統(tǒng)中作為電能來源在一處或多處進(jìn)行連接，它對現(xiàn)有電力系統(tǒng)帶來了新的爭議及問題。分布式發(fā)電系統(tǒng)的滲透程度不斷提高，如基于新能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)。因此，電力公司也面臨著因并網(wǎng)造成電能來源日益增多的巨大挑戰(zhàn)。下列挑戰(zhàn)，如確保電壓調(diào)整率、系統(tǒng)穩(wěn)定性及標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)的電能質(zhì)量等，是這些問題的核心。靈活交流輸電系統(tǒng)裝置針對這些問題提出了一個(gè)可行的解決方案，它被越來越多地應(yīng)用到世界各地的電力系統(tǒng)中。在這里，靈活交流輸電系統(tǒng)裝置指與電力電子控制器及其他靜態(tài)控制器組合以提高可控性及功率傳輸能力的交流輸電系統(tǒng)。靈活交流輸電系統(tǒng)裝置通常用于下列目的
控制電壓；增加或控制電線電力傳輸能力，并防止回流；提高系統(tǒng)瞬態(tài)穩(wěn)定性限值；提高系統(tǒng)阻尼；減少次同步諧振；緩解電壓不穩(wěn)；限制短路電流；提高高壓直流輸電變流器終端性能；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)。在靈活交流輸電系統(tǒng)裝置中，用于達(dá)到上述任意或所有目的的部分裝置或控制器包括靜止無功補(bǔ)償器、靜止同步補(bǔ)償器等。靜止同步補(bǔ)償器是一種并聯(lián)的、可發(fā)出和/或吸收無功功率的無功補(bǔ)償裝置，其輸出可改變，以控制電力系統(tǒng)的具體參數(shù)。一般來說，靜止同步補(bǔ)償器是一種固態(tài)開關(guān)變換器，當(dāng)其輸入端電能源或能源儲存裝置饋電時(shí)，可在其輸出端獨(dú)立發(fā)出或吸收可控有功及無功功率。更具體地說，靜止同步補(bǔ)償器是從特定輸入直流電壓產(chǎn)生一組三相交流輸出電壓的電壓源轉(zhuǎn)換器。各輸出電壓通過一個(gè)較小電抗與對應(yīng)的交流系統(tǒng)電壓同相并與之連接，該阻抗可由界面反應(yīng)器或耦合變壓器的漏電感提供。直流電壓由儲能電容器提供。眾所周知，在現(xiàn)有技術(shù)中，靜止同步補(bǔ)償器通過電壓源變換器的電壓及電流波形的電子處理實(shí)現(xiàn)預(yù)期無功功率送出及吸收。靜止同步補(bǔ)償器也通過在公共耦合點(diǎn)發(fā)出及吸收無功功率來提供電壓支持，無需外部反應(yīng)器或電容器組合。因此，靜止同步補(bǔ)償器占用的物理空間更小。在本文中，轉(zhuǎn)換器是整流器及換流器的通用名稱。眾所周知，靜止同步補(bǔ)償器可在如下方面提高電力系統(tǒng)性能
控制電壓；增加或控制電線電力傳輸能力，并防止回流；提高系統(tǒng)瞬態(tài)穩(wěn)定性限值；提、高系統(tǒng)阻尼；減少次同步諧振；緩解電壓不穩(wěn)；限制短路電流；提高高壓直流輸電變流器終端性能；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)；控制電壓閃變；控制無功功率，必要時(shí)控制連接線路中的有功功率(此種情況需要配置一直流電源)。靜止同步補(bǔ)償器及交流電系統(tǒng)間的無功及有功功率交換可獨(dú)立于一方而單獨(dú)控制。如果靜止同步補(bǔ)償器具有合適容量的蓄能裝置，可實(shí)現(xiàn)有功功率送出與吸收及無功功率送出與吸收的任意組合。在此基礎(chǔ)上，可設(shè)計(jì)一些對有功及無功輸出功率調(diào)整非常有效的控制戰(zhàn)略，以提高瞬態(tài)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性極限。在現(xiàn)有電力傳輸及分配系統(tǒng)中，分布式發(fā)電的滲透程度逐漸提高，這面臨許多技術(shù)性挑戰(zhàn)，其中一項(xiàng)為電壓沿饋線的變化。習(xí)慣上，功率流動(dòng)的方向是從輸電網(wǎng)到連接在配 電饋線上的負(fù)載。通過在輸電饋線或配電饋線的一處或多處調(diào)整輸電端電壓量或提供無功功率支持，可有效解決電壓隨饋線的長度而下降的問題。電力公司通常采用抽頭接換變壓器與不同點(diǎn)電容器組合使不同點(diǎn)電壓處在標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。風(fēng)力發(fā)電場控制的分布式發(fā)電系統(tǒng)可呈現(xiàn)一種有趣狀況，特別是在夜間。此時(shí)，只要夜間風(fēng)速比白天更大，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)輸出更高，電力負(fù)載就遠(yuǎn)小于白天的數(shù)值。夜間風(fēng)力發(fā)電場增加的這些功率導(dǎo)致大量功率反向流向主電網(wǎng)。由于現(xiàn)有配電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)及操作上都遵循一條重要假設(shè)，即功率總是從主電網(wǎng)流向終端用戶，這種功率反向流動(dòng)的情況導(dǎo)致饋線電壓超出正常額定值。在某些情況下，電壓可超出通常允許限額的±5%。這是電力公司不能接受的。當(dāng)向饋線增加更多分布式發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，反向功率流動(dòng)就要面臨一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。保持電壓在特定范圍內(nèi)升高直接影響了能接入特定配電網(wǎng)絡(luò)的分布式發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)量。當(dāng)在電網(wǎng)中增加額外的風(fēng)力發(fā)電場時(shí)，電力公司將不得不安裝靈活交流輸電系統(tǒng)控制器等昂貴的電壓調(diào)節(jié)裝置，如靜止無功補(bǔ)償器或靜止同步補(bǔ)償器，以解決這一問題。鑒于上述情況，需要有一個(gè)適應(yīng)現(xiàn)有分布式發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)、方法和/或裝置，以支持風(fēng)力發(fā)電場和其他分布式發(fā)電源的增設(shè)，而非昂貴的電壓調(diào)節(jié)裝置。本發(fā)明概要本發(fā)明通過使用光伏太陽能發(fā)電場作為有功功率的來源及動(dòng)態(tài)可控?zé)o功功率的來源，從而提供了一種解決上述問題的方案。本發(fā)明特別提出在夜間首先使用太陽能發(fā)電場逆變器作為靜止同步補(bǔ)償器，以解決在一個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)中增設(shè)風(fēng)力發(fā)電場引起高電壓的問題。本發(fā)明表明，太陽能發(fā)電場逆變器可用于在公共耦合點(diǎn)(即風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并入點(diǎn))有效地調(diào)節(jié)電壓。此外，在夜間，太陽能發(fā)電場可用于實(shí)現(xiàn)靜止同步補(bǔ)償器的所有功能，以通過增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、抑制電力系統(tǒng)震蕩、緩解電壓不穩(wěn)定性、抑制次同步諧振等來改善電力系統(tǒng)性能。它也可用于提供負(fù)載無功功率支持/補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡和/或消除負(fù)載電流諧波。由于在夜晚或沒有陽光時(shí)，太陽能發(fā)電場是完全閑置的，不產(chǎn)生有功功率，所以，太陽能發(fā)電場逆變器的全部額定功率可用于實(shí)現(xiàn)上述功能。在白天，當(dāng)太陽能發(fā)電場不在發(fā)電高峰期時(shí)(如在清晨或傍晚)，剩余的太陽能逆變器能量可用于執(zhí)行任何或所有上述任務(wù)/功能。在另一實(shí)例中，本發(fā)明還提供了一個(gè)具有多操作模式的輔助控制器。當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)在夜間和白天運(yùn)行時(shí)，上述控制器可用于調(diào)節(jié)電壓。
此外，本發(fā)明還包含一個(gè)提供系統(tǒng)電壓控制器及輔助阻尼控制器的實(shí)例。電壓控制器與阻尼控制器可利用與電網(wǎng)連接的基于逆變器的太陽能分布式發(fā)電或與電網(wǎng)連接的基于逆變器的風(fēng)能分布式發(fā)電。這一實(shí)例提高了分布式發(fā)電系統(tǒng)在白天及夜間的瞬態(tài)穩(wěn)定性，無論何時(shí)當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)有可用無功功率容量時(shí)。首先，本發(fā)明提供了一個(gè)在公共耦合點(diǎn)有效連接到分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的分布式發(fā)電源，所述分布式發(fā)電源包括電壓逆變器；操控所述電壓逆變器的控制器，當(dāng)所述分布式發(fā)電源向所述電網(wǎng)提供低于其最大額定功率的有功功率時(shí)，所述公共耦合點(diǎn)的電壓由作為靜止同步補(bǔ)償器的控制裝置調(diào)節(jié)，其中，當(dāng)至少一個(gè)有效接入所述電網(wǎng)的額外分布式發(fā)電源相對于所述電網(wǎng)中一個(gè)或多個(gè)負(fù)載產(chǎn)生超額功率時(shí)，所述靜止同步補(bǔ)償器可防止公共接入點(diǎn)的電壓超出額定電壓。其次，本發(fā)明提供了一個(gè)用于控制與電力傳輸系統(tǒng)對應(yīng)的多功能分布式發(fā)電源的 控制系統(tǒng)，所述控制包括生成數(shù)控字碼的主控單元，所述控制字碼具有明顯分段；多個(gè)控制模塊，用于產(chǎn)生作用于分布式發(fā)電源不同功能的值，所述值用于生成與上述不同功能所要求信號成比例的信號；其中，每個(gè)控制模塊接收至少一部分所述數(shù)控字碼，每個(gè)控制模塊由所述數(shù)控字碼的特定明顯分段激活或禁用。第三，本發(fā)明提供了一個(gè)用于改善電力傳輸線瞬態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括輸出端接入所述輸電系統(tǒng)的電源；阻尼控制器，它接收并輸出一個(gè)阻尼控制信號；接收所述阻尼控制信號的控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)向所述輸電系統(tǒng)線上的瞬態(tài)信號輸出幅度控制信號；所述幅度控制信號控制所述電源，因此，所述輸出是基于幅度控制信號的。第四，本發(fā)明提供了操作能量轉(zhuǎn)化場的方法，所述能量轉(zhuǎn)化場連接到電力傳輸系統(tǒng)，該能量轉(zhuǎn)化場具有逆變器。所述方法包含利用所述逆變器將能量發(fā)電系統(tǒng)作為靜止同步補(bǔ)償器；利用所述逆變器增加電力傳輸系統(tǒng)的輸電能力；對所述電力傳輸系統(tǒng)的用戶充電，從而增大此電力傳輸系統(tǒng)的輸電能力。第五，本發(fā)明提供了操作太陽能發(fā)電場的方法，所述太陽能發(fā)電場連接到電力傳輸系統(tǒng)，該太陽能發(fā)電場具有逆變器。所述方法包含將所述太陽能發(fā)電場連接到至少一個(gè)其他能源發(fā)電系統(tǒng)；利用所述逆變器將能量發(fā)電系統(tǒng)作為靜止同步補(bǔ)償器；利用所述逆變器控制所述電力傳輸系統(tǒng)的電壓；對所述電力傳輸系統(tǒng)的用戶充電，從而將所述逆變器作為所述電力傳輸系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)裝置。
附圖
簡介本發(fā)明實(shí)例參見下列附圖，其中，不同附圖中相同參考數(shù)字代表相同元件。圖一為本發(fā)明一實(shí)例的系統(tǒng)框圖表不。圖二為光伏太陽能發(fā)電場的詳細(xì)表示。圖三為本發(fā)明一實(shí)例的簡化系統(tǒng)配置。圖四為利用光伏太陽能逆變器的電壓降低補(bǔ)償?shù)南蛄勘硎?a)夜間操作，(b)白天操作。圖五為利用光伏太陽能逆變器的電壓上升補(bǔ)償?shù)南蛄勘硎?a)夜間操作，(b)白天操作。圖六為一光伏太陽能發(fā)電場24小時(shí)的開發(fā)利用情況(a)白天操作PSF < PL,(b)白天操作PSF = PL, (c)白天操作PSF > PL,(d)夜間操作PSF = O。圖七為本發(fā)明一實(shí)例的光伏太陽能發(fā)電場在夜間的不同操作模式。圖八為光伏太陽能發(fā)電場在夜 間的其它操作模式。圖九為一光伏太陽能發(fā)電場有功功率及無功功率的能力曲線。圖十為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明一實(shí)例的控制方案框圖表示。圖十一為滯環(huán)電流控制操作的框圖表示。圖十二為激活特殊操作模式的流程圖。圖十三為本發(fā)明實(shí)例所示的單一太陽能發(fā)電場研究系統(tǒng)I及太陽能風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)研究系統(tǒng)II的線路圖。圖十四為本發(fā)明另一實(shí)例所示的兩個(gè)等效分布式發(fā)電系統(tǒng)中各種子系統(tǒng)框圖。這些圖不按比例繪制,某些特點(diǎn)可能被夸大或縮小，以顯示特殊元件的細(xì)節(jié),且相關(guān)元件可能未繪制，以防止混淆。因此，此處披露的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不能被認(rèn)為是限制性的，而只能作為索賠依據(jù)或作為熟練工的教學(xué)基礎(chǔ)，以多方面使用本發(fā)明。
優(yōu)選實(shí)例的詳細(xì)說明一般來說，此處所述的系統(tǒng)是針對一種將太陽能逆變器作為靜止同步補(bǔ)償器在分布式發(fā)電系統(tǒng)中調(diào)節(jié)電壓的方法，尤其是在夜間。根據(jù)需要，本發(fā)明的實(shí)例可在此披露。然而，在此披露的各實(shí)例不僅起到示例作用，而且應(yīng)理解為本發(fā)明可有各種替代的表現(xiàn)形式。為了教學(xué)等目的，所舉實(shí)例是一種將太陽能逆變器作為靜止同步補(bǔ)償器在分布式發(fā)電系統(tǒng)中調(diào)節(jié)電壓的方法。本文所用術(shù)語“包括”和“包含”應(yīng)理解為非獨(dú)占性的，可包含其他內(nèi)容。具體來說，說明書及權(quán)利要求中的術(shù)語“包括”和“包含”及其變形是指具有特定的功能、步驟或組件。這些術(shù)語不應(yīng)該被理解為不具有其他特性、步驟或部件。本發(fā)明允許太陽能發(fā)電場逆變器在夜間沒有陽光時(shí)作為靜止同步補(bǔ)償器進(jìn)行控制。當(dāng)太陽能發(fā)電場逆變器在夜間作為靜止同步補(bǔ)償器使用時(shí)，其整個(gè)額定功率/容量為電力系統(tǒng)提供了多種優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)通常由靈活交流輸電系統(tǒng)技術(shù)提供。在白天(特別是在清晨和黃昏的時(shí)候)，有功功率發(fā)電后，此太陽能發(fā)電場逆變器剩余的所有能量被用于作為靜止同步補(bǔ)償器進(jìn)行控制。這種方法考慮了一系列應(yīng)用及為太陽能發(fā)電場獲得潛在收益的方法，而不是簡單地在白天產(chǎn)生有功功率。本發(fā)明還允許在沒有風(fēng)時(shí)把風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆變器(特別是基于變頻調(diào)速技術(shù)的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī))作為靜止同步補(bǔ)償器來控制。在無風(fēng)時(shí)，太陽能發(fā)電場逆變器的整個(gè)額定功率/容量為電力系統(tǒng)提供了多種優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)通常由靈活交流輸電系統(tǒng)技術(shù)提供。在其他時(shí)間(特別是小風(fēng)情況下)，有功功率發(fā)電后，此太陽能發(fā)電場逆變器剩余的所有能量被用于作為靜止同步補(bǔ)償器進(jìn)行控制。這種方法考慮了一系列新應(yīng)用及為太陽能發(fā)電場獲得潛在收益的方法，而不是簡單地產(chǎn)生有功功率。光伏太陽能發(fā)電場有幾種作為靜止同步補(bǔ)償器的潛在用途，下述說明書舉例描述了光伏太陽能發(fā)電場作為靜止同步補(bǔ)償器使用的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)1)通過在電網(wǎng)中提供電壓控制將更多風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并至輸電/配電網(wǎng)絡(luò)，2)通過電壓控制和輔助阻尼控制在輸電系統(tǒng)中增加穩(wěn)定功率傳輸限值。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有幾種作為靜止同步補(bǔ)償器的潛在應(yīng)用，下述說明書舉例描述了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為靜止同步補(bǔ)償器使用的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)通過電壓控制和輔助阻尼控制在輸電系統(tǒng)中增加穩(wěn)定功率傳輸限值。無論在以下哪種條件下，太陽能發(fā)電場逆變器和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變器用作靜止同步補(bǔ)償器均是可行的1))逆變器的型號和配置，如6脈沖、12脈沖、多級頻率等；2)所用半導(dǎo)體開關(guān)的型號是逆變器，如門極可關(guān)斷晶閘管和絕緣柵雙極型晶體管等；3)所用激勵(lì)方法類型有脈寬調(diào)制、正弦脈寬調(diào)制、基于鎖相環(huán)等；4)控制器設(shè)計(jì)方法，如極點(diǎn)配置、超前滯后控制和基于遺傳算法控制等；5)輔助控制信號選擇，如本地信號線路電流大小、有功功率流向、本地總線頻率；遠(yuǎn)程信號相量測量單元所需信號等。表I提供了各圖及描述所用術(shù)語和符號的解釋。
符號解釋vPCC, a = vPCC, a (omegat) 公共I禹合點(diǎn)a相瞬時(shí)電壓
vPCC, b = vPCC, b (omegat) 公共I禹合點(diǎn)b相瞬時(shí)電壓
vPCC, c = vPCC, c (omegat) 公共稱合點(diǎn)c相瞬時(shí)電壓
Vm公共稱合點(diǎn)額定電壓峰值大小
VPCC公共耦合點(diǎn)實(shí)際電壓的峰值
V*PCC公共耦合點(diǎn)參考(需求)電壓的峰值
Vdc實(shí)際直流總線電壓
V*dc參考(需求)直流總線電壓
Iv實(shí)現(xiàn)公共耦合點(diǎn)電壓控制的需求電流強(qiáng)度
IDC實(shí)現(xiàn)直流總線電壓控制的需求電流強(qiáng)度
iva = iva(omegat)用于公共稱合點(diǎn)電壓控制的瞬時(shí)a相參考電流
ivb = ivb (omegat)用于公共稱合點(diǎn)電壓控制的瞬時(shí)b相參考電流
ivc = ivc (omegat)用于公共稱合點(diǎn)電壓控制的瞬時(shí)c相參考電流
idc, a = idc, a (omegat)用于直流總線電壓控制的瞬時(shí)a相參考電流
idc, b = idc, b (omegat)用于直流總線電壓控制的瞬時(shí)b相參考電流
idc, c = idc, c (omegat)用于直流總線電壓控制的瞬時(shí)c相參考電流
i*SF，a = i*SF，a (omegat) 用于太陽能發(fā)電廠逆變器控制的凈瞬時(shí)a相參考電流
i*SF，b = i*SF，b (omegat) 用于太陽能發(fā)電廠逆變器控制的凈瞬時(shí)b相參考電流
i*SF，c = i*SF，c (omegat) 用于太陽能發(fā)電廠逆變器控制的凈瞬時(shí)c相參考電流
Ua每單位a相公共耦合點(diǎn)電壓
Ub每單位b相公共耦合點(diǎn)電壓
Uc每單位c相公共耦合點(diǎn)電壓
k轉(zhuǎn)換公共耦合點(diǎn)電壓為每單位值的電壓增益
kv轉(zhuǎn)換每單位值為實(shí)際值的電壓增益
kDC轉(zhuǎn)換每單位值為實(shí)際值的電壓增益
Cdc直流鏈電容器
Lsh接口串聯(lián)電感器
S1-S6絕緣柵雙極晶體管
G1-G6接通或斷開絕緣柵雙極晶體管的門開關(guān)脈沖大寫字母峰值/平均/直流或均方根值(如ExVPCC ；Vdc)
小寫字母隨時(shí)間變化的瞬時(shí)值(如VPCC，a ;i*SF，a)本發(fā)明提供了一種利用太陽能發(fā)電場逆變器作為有功及無功功率來源以支持分布式發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的方法。本發(fā)明利用太陽能發(fā)電場逆變器在夜間不能使用這一事實(shí)。此夕卜，當(dāng)太陽能發(fā)電場產(chǎn)生的功率不能達(dá)到其額定功率時(shí)，本發(fā)明也可在白天使用。在約60%的白天時(shí)間(13小時(shí)白天中的8小時(shí))，太陽能發(fā)電場逆變器容量未被充分使用(如所用逆變器容量低于其額定容量的75% )，因此，這些未充分使用的逆變器容量被有償用于在夜 間有限度地實(shí)現(xiàn)類似功能。為便于理解，在下文中，本發(fā)明的操作模式命名為夜間操作模式(簡稱為夜間)和白天操作模式(簡稱為白天)。本文涉及光伏太陽能發(fā)電場。熟悉的作業(yè)人員會(huì)明白，本發(fā)明不僅局限于此類太陽能系統(tǒng)，也可與任何一個(gè)具有電壓逆變器的分布式發(fā)電源一起使用。太陽能光伏逆變器的剩余可用容量可用于解決分布式發(fā)電系統(tǒng)的一些已知問題。本發(fā)明提供了一些太陽能發(fā)電場逆變器可實(shí)現(xiàn)最大效果的實(shí)例。表2強(qiáng)調(diào)了建議太陽能發(fā)電場在兩種操作模式下的應(yīng)用。此外，某些應(yīng)用可進(jìn)行整合，以同時(shí)完成各種任務(wù)。表2 :太陽能發(fā)電場的一些操作模式 操作模式
I.夜間操作2.白天操作
公共耦合點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)有功功率注入
輔助/阻尼控制公共耦合點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)
負(fù)載無功功率補(bǔ)償輔助/阻尼控制
功率質(zhì)量提升負(fù)載無功功率補(bǔ)償
負(fù)載和/或網(wǎng)絡(luò)平衡功率質(zhì)量提升
電池充電負(fù)載和/或網(wǎng)絡(luò)平衡圖一為示例系統(tǒng)的單線表示圖。本系統(tǒng)包含一風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及一光伏太陽能發(fā)電場。不同重要點(diǎn)間的距離由等效線路阻抗表示，如Zll，Z12等。簡單地說，在饋線末端，該系統(tǒng)中表示為等效百萬瓦及百萬乏的所有負(fù)載是結(jié)合在一起的。圖二是光反應(yīng)太陽能發(fā)電場轉(zhuǎn)化為具有直流總線電容的電壓源型逆變器的詳細(xì)原理圖。電壓源逆變器是利用六個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)(此處指絕緣柵雙極晶體管)實(shí)現(xiàn)的。人們可能認(rèn)為，有多種類型/配置的電壓源轉(zhuǎn)換器/逆變器。但本發(fā)明適用于任何類型/配置的逆變器。該逆變器通過接口串聯(lián)電感器及升壓變壓器連接至電網(wǎng)。該光反應(yīng)太陽能發(fā)電場連接至饋線/電網(wǎng)的點(diǎn)被稱為公共耦合點(diǎn)。注入光伏太陽能發(fā)電場的電流被稱為iSF，a ；iSF,b ；iSF, c。如上所述，本發(fā)明尋求提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有功功率注入能力，特別是在夜間當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常比白天發(fā)更多電時(shí)。這些風(fēng)力發(fā)電場所發(fā)的電遠(yuǎn)大于連接至風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)下游的負(fù)載，多余的電流向主電網(wǎng)。這種反向電流導(dǎo)致饋線電壓升高。如果反向電流量過高，饋線電壓可能會(huì)超出電力設(shè)施規(guī)定的接收限額(如額定饋線電壓的正負(fù)5%)。如果此類事件發(fā)生(即因反向電流，饋線電壓超過額定電壓的I. 05倍)，該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需關(guān)閉或減少其輸出功率注入。因此，本發(fā)明通過未充分使用的光伏太陽能發(fā)電場逆變器(夜間)在上述事件中控制饋線電壓。該光伏太陽能發(fā)電場逆變器通過注入適量的控制無功功率來控制升高的饋線電壓，并將其恢復(fù)到可接受限度內(nèi)。一般來說，電容器連接至太陽能逆變器的直流側(cè)。本發(fā)明中，通過從電網(wǎng)接入少量有功功率，電容器電壓(以下稱為直流鏈電壓或直流總線電壓)保持在參考范圍內(nèi)。必須有一個(gè)具有自給直流總線功能的光伏太陽能發(fā)電場，特別是在夜間。這使得光伏太陽能系統(tǒng)可作為靜止同步補(bǔ)償器運(yùn)行。本段描述了使用光伏太陽能發(fā)電場調(diào)節(jié)公共耦合點(diǎn)電壓的工作原理。圖一中要研究的系統(tǒng)在圖三中表示為簡化圖，以便 于更好地理解本發(fā)明的工作原理。此外，為了簡化，做出如下假設(shè)電線的電阻和電容被忽略；負(fù)載以非常近的距離連接到太陽能發(fā)電場，即太陽能發(fā)電場與負(fù)載之間零阻抗；單位功率因數(shù)負(fù)載。第二點(diǎn)假設(shè)，即負(fù)載以非常近的距離連接到太陽能發(fā)電場，有助于將矢量圖簡化為負(fù)載，且公共耦合點(diǎn)的電壓相同。然而，對于更復(fù)雜的表示，公共耦合點(diǎn)和負(fù)載之間的線路阻抗應(yīng)包括在內(nèi)。在這種情況下，負(fù)載電壓相量的幅度會(huì)較低/較高，與取決于線路Z12長度和負(fù)載確定電流量的公共耦合點(diǎn)電壓相比產(chǎn)生相位移。原則上，當(dāng)電壓從額定值上升或下降時(shí)，外設(shè)的靈活交流輸電系統(tǒng)裝置，如靜止同步補(bǔ)償器，將會(huì)注入適當(dāng)?shù)臒o功功率，以抑制線路阻抗上電壓的下降/上升，從而將電壓恢復(fù)到額定值附近。光伏太陽能發(fā)電場(作為靜止同步補(bǔ)償器)注入無功功率(電容模式操作)時(shí)，公共耦合點(diǎn)的電壓上升。但如果光伏太陽能發(fā)電場(作為靜止同步補(bǔ)償器)吸收無功功率(電容模式操作)時(shí)，公共耦合點(diǎn)的電壓下降。因此，與公共耦合連接點(diǎn)電壓測量值對應(yīng)的受控?zé)o功功率注入/吸收行為將調(diào)節(jié)公共耦合點(diǎn)電壓，并將其保持在預(yù)期的預(yù)設(shè)值不變。圖四所示為光伏太陽能發(fā)電場逆變器作為靜止同步補(bǔ)償器運(yùn)行及控制以補(bǔ)償電壓下降時(shí)的相量表示。配電層電壓Vs (降壓變壓器后)被認(rèn)為是參考相量。負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)公共耦合點(diǎn)的有效電壓下降被稱為補(bǔ)償電壓(Vc)。流經(jīng)饋線的負(fù)載電流使線路阻抗電壓下降。對于未補(bǔ)償線路，當(dāng)線路長度增加時(shí)，最遠(yuǎn)端可用有效電壓逐漸下降。線路阻抗是配電變壓器二次電壓與公共耦合點(diǎn)電壓間相角滯后的原因，表示為delta。為了補(bǔ)償公共耦合點(diǎn)的電壓下降，太陽能發(fā)電場按電容器控制。圖四所示為光伏太陽能發(fā)電場逆變器在夜間補(bǔ)償下降電壓的相量表示。Vrce和V*rc。分別表示下降的公共耦合點(diǎn)電壓及公共耦合點(diǎn)電壓參考值。由于忽略線路阻抗，在流經(jīng)電感性線路阻抗時(shí)，正交超前電流將導(dǎo)致額外的電壓下降Vc。該行為將把下降的公共耦合點(diǎn)電壓Vrcc升高至V*rcc。由此產(chǎn)生的電流源(I’s)是IL和Isfq的向量和。變壓器二次電壓Vs與產(chǎn)生的電流源I’s間的有效相位角表示為phi’s。太陽能發(fā)電場(公共耦合點(diǎn))電壓與其注入電流間的相位角表示為phiSF。在夜間，相位角PhiSF接近于90度。補(bǔ)償電壓是線路阻抗(ZI)和正交電流ISFq的一個(gè)函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為
|VC| = Isfq-Z1(I)如圖四所示，Vc也可表示為
Ivc = |v*pcc|-|vpcc (2)在公式二中，V*PCC是已知量，而VPCC (實(shí)際公共耦合點(diǎn)電壓)可被電壓傳感器檢測。因此，光伏太陽能發(fā)電場逆變器需要補(bǔ)償?shù)慕档碗妷毫靠捎梢韵鹿接?jì)算公式(3)。
權(quán)利要求
1.分布式發(fā)電源，在公共耦合點(diǎn)處與分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)恰當(dāng)連接，所述分布式發(fā)電源包括 電壓逆變器；控制電壓逆變器的控制裝置，其中當(dāng)分布式發(fā)電源向網(wǎng)絡(luò)提供小于網(wǎng)絡(luò)最大額定有功功率的功率時(shí)，控制裝置作為靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)來調(diào)節(jié)公共耦合點(diǎn)的電壓，當(dāng)至少一個(gè)可操作連接在網(wǎng)絡(luò)上的額外分布式發(fā)電源產(chǎn)生超出網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)或多個(gè)負(fù)載所需的功率時(shí)，所述靜止同步補(bǔ)償器阻止公共耦合點(diǎn)的電壓超出額定電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式發(fā)電源，其中所述分布式發(fā)電源是太陽能發(fā)電場。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式發(fā)電源，其中當(dāng)所述分布式發(fā)電源未向網(wǎng)絡(luò)提供有功功率時(shí)，所述逆變器用作靜止同步補(bǔ)償器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式發(fā)電源，其中所述分布式發(fā)電源是太陽能發(fā)電場，且當(dāng)所述太陽能發(fā)電場未產(chǎn)生有功功率時(shí)，所述逆變器用作靜止同步補(bǔ)償器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式發(fā)電源，其中所述至少一個(gè)額外分布式發(fā)電源是風(fēng)力發(fā)電場。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分布式發(fā)電源，其中所述分布式發(fā)電源和所述至少一個(gè)額外分布式發(fā)電源與所述網(wǎng)絡(luò)緊密連接。
7.用于控制分布式發(fā)電源的控制系統(tǒng)，該發(fā)電源許多功能與輸電系統(tǒng)相關(guān)，該系統(tǒng)包括主控制單元，用于產(chǎn)生數(shù)字控制字，所述控制字分三個(gè)不同部分；以及多個(gè)控制模塊，每個(gè)控制模塊生成用于分布式發(fā)電源不同功能的值，所述值用于產(chǎn)生與不同功能所需信號成比例的信號；其中各控制模塊接收至少一部分所述數(shù)字控制字；且各控制模塊由該數(shù)字控制字的特定不同部分激活或禁用。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述分布式發(fā)電源的不同功能包括至少下列一項(xiàng)調(diào)節(jié)所述PCC電壓，通過動(dòng)態(tài)無功功率控制輸電傳輸瞬態(tài)信號的阻尼控制；調(diào)節(jié)直流總線上的電壓；以及將有功功率注入所述輸電系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中至少一個(gè)控制模塊接收至少一個(gè)其他控制模塊的輸入。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)字控制字的特定不同部分與所述控制模塊產(chǎn)生的值相乘。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)字控制字的各特定不同部分取值I和O。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中至少一個(gè)控制模塊接收來自所述輸電系統(tǒng)的信號特征值輸入。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中至少一個(gè)控制模塊接收公共耦合點(diǎn)電壓的讀數(shù)作為輸入。
14.用于提高輸電系統(tǒng)瞬態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括將輸出注入所述輸電系統(tǒng)的電源；阻尼控制器，接收在輸電系統(tǒng)中表不振蕩的信號作為輸入，并輸出阻尼控制信號；和控制系統(tǒng)，接收所述阻尼控制信號；所述控制系統(tǒng)在輸電系統(tǒng)中輸出與瞬態(tài)信號成比例的幅值控制信號；并且所述幅值控制信號控制所述電源，因此，所述輸出是基于所述幅值控制信號的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中阻尼控制器包括沖淡濾波器和補(bǔ)償所述振蕩的補(bǔ)償器，沖淡濾波器過濾由阻尼控制器作為輸入接收信號中的穩(wěn)態(tài)信號。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述電源是風(fēng)力發(fā)電場分布式發(fā)電源。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述電源是太陽能發(fā)電場分布式發(fā)電源。
18.經(jīng)營能源發(fā)電場的方法，所述能源發(fā)電場與輸電系統(tǒng)相連接，該能源發(fā)電場配置逆變器，所述方法包括通過使用所述逆變器將所述太陽能發(fā)電場用作靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM);使用逆變器擴(kuò)大所述輸電系統(tǒng)的傳輸能力；為所述輸電系統(tǒng)用戶充電，以擴(kuò)大所述輸電系統(tǒng)的傳輸能力。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中當(dāng)所述逆變器提供的有功功率小于其額定功率時(shí)，所述能源發(fā)電場充當(dāng)靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中所述輸電系統(tǒng)的傳輸容量隨傳輸線上的暫態(tài)穩(wěn)定性增強(qiáng)而增加。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中至少一個(gè)其他能源發(fā)電場與所述輸電系統(tǒng)耦入口 ο
22.經(jīng)營太陽能發(fā)電場的方法，所述太陽能發(fā)電場至少與一個(gè)其他能源發(fā)電場共享輸電系統(tǒng)，并與之連接，且所述能源發(fā)電場配置有一個(gè)逆變器，所述方法包括 將所述太陽能發(fā)電場至少與一個(gè)能源發(fā)電場耦合； 通過使用所述逆變器，將所述太陽能發(fā)電場用作靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM); 通過所述逆變器控制所述輸電系統(tǒng)的電壓； 為所述輸電系統(tǒng)用戶充電，以將所述逆變器用作輸電系統(tǒng)中的調(diào)壓裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述至少一個(gè)能源發(fā)電場是風(fēng)力發(fā)電場。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種以太陽能發(fā)電場逆變器作為柔性交流輸電系統(tǒng)裝置(即靜止同步補(bǔ)償器)來控制電壓的辦法及系統(tǒng)。太陽場逆變器具有柔性交流輸電系統(tǒng)裝置所提供的調(diào)整電壓、增強(qiáng)阻尼、改善穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)例采用在夜間作為靜止同步補(bǔ)償器的太陽能發(fā)電場來加強(qiáng)相鄰風(fēng)力發(fā)電場之間的連接，后者可在夜間狂風(fēng)狀態(tài)下產(chǎn)生峰值功率，但相鄰風(fēng)力發(fā)電場因電壓調(diào)節(jié)問題不能相互連接。在太陽能發(fā)電場輸出有功功率后，該逆變器仍有剩余容量，故本發(fā)明在白天也可運(yùn)行。附加的輔助控制器與太陽能發(fā)電場逆變器合并，以提高阻尼及穩(wěn)定性，并提供柔性交流輸電系統(tǒng)裝置的其他優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02J3/40GK102640378SQ201080038759
公開日2012年8月15日 申請日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者拉吉夫·庫馬爾·瓦爾瑪, 沙赫·阿勒夫·雷哈曼, 維諾德·哈迪塔蘭 申請人:西安大略大學(xué)