发电频率控制 |
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| 申请号 | CN201110057217.2 | 申请日 | 2011-02-25 | 公开(公告)号 | CN102170249A | 公开(公告)日 | 2011-08-31 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | K.A.奥布里恩; R.W.德梅里科; O.J.S.施伦滋; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及发电 频率 控制。本申请提供一种 太阳能 发电系统(10)，包括控制系统(20)和耦合到光伏(PV)模 块 (14)并用于向电 力 网络(18)供电的DC到AC变换器(16)。控制系统包括：功率点 跟踪 器(22)，用于提取从PV模块可获得的最大功率或小于从PV模块可获得的最大功率的功率；频率监视器(24)，用于从电力网络获得网络频率；内部参考系元件(26)，用于提供太阳能发电系统的内部参考频率；频率比较器(28)，用于比较网络频率和内部参考频率；以及命令 信号 发生器(30)，用于使用频率比较来确定是否命令的输出功率的瞬变上升或下降是有保证的并且提供命令信号。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种太阳能发电系统(10)，包括： |
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| 说明书全文 | 发电频率控制技术领域背景技术[0003] 太阳能发电系统具有产生电能的光伏(PV)模块。为向电网馈送电能，电力电子元件用于功率调节。在一个示例中，电力电子元件包括通过直流(DC)链路背对背连接的DC到DC变换器和DC到交流(AC)逆变器。 [0004] 随着新的电网导则被开发用于太阳能发电系统，以及随着太阳能的市场渗透级别的增加，太阳能的易变性正变得不太被公用事业公司接受。例如，公用事业公司正在强加或预期强加有关功率变化率限制、缩减和频率稳定的要求。 [0005] 频率稳定涉及稳定电网频率。公用事业系统的公知特点是：当负载超过发电时电网频率趋向下降而当发电超过负载时电网频率趋向上升。当电网经受在发电与负载之间的平衡方面的突然改变时，这种下降或上升可以单调方式、振荡方式或者二者结合的方式发生。在这类系统的设计中考虑的是：实现补偿这种下降或上升的任何方法应该是不导致电网振荡加剧的方法。 [0007] 简言之，根据本发明的一个实施例，太阳能发电系统包括：耦合到光伏(PV)模块并用于向电力网络供电的DC到AC变换器；以及控制系统，包括：功率点跟踪器，用于提取从PV模块可获得的最大功率或小于从PV模块可获得的最大功率的功率；频率监视器，用于从电力网络获得网络频率；内部参考系元件，用于提供太阳能发电系统的内部参考频率；频率比较器，用于比较网络频率和内部参考频率；以及命令信号发生器，用于使用频率比较来确定是否命令的输出功率的瞬变上升或下降是有保证的并且提供命令信号。 [0008] 根据本发明的另一个实施例，太阳能发电系统包括：用于从PV模块接收电力并向电力网络供电的DC到AC变换器，其中DC到AC变换器沿电力线耦合到电力网络；能量存储单元，通过附加电力变换器耦合到电力线，用于当需要支持电力网络的频率稳定时供应或吸收能量；以及控制系统。控制系统包括：功率点跟踪器，用于提取从PV模块可获得的最大功率或小于从PV模块可获得的最大功率的功率；频率监视器，用于从电力网络获得网络频率；内部参考系元件，用于提供太阳能发电系统的内部参考频率；频率比较器，用于比较网络频率和内部参考频率；以及命令信号发生器(30)，用于当网络频率与内部参考频率相差比较限制时提供命令信号来调整命令的输出功率、能量存储单元的能量供应或吸收、或者二者。 [0009] 根据本发明的另一个实施例，提供一种用于操作太阳能发电系统的方法，太阳能发电系统包括光伏(PV)模块和用于向电力网络供电的耦合到PV模块的DC到AC变换器。该方法包括：使用功率点跟踪器元件来提取从PV模块可获得的最大功率或小于从PV模块可获得的最大功率的功率；从电力网络获得网络频率；提供太阳能发电系统的内部参考频率；比较网络频率和内部参考频率；以及使用频率比较来确定是否命令的输出功率的瞬变上升或下降是有保证的并且提供命令信号。 附图说明 [0010] 当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面以及优点会变得更好理解，全部附图中相似的符号表示相似的部分，其中： [0011] 图1是根据一个实施例的、包括与单独的光伏模块关联的能量存储单元的太阳能发电系统的框图。 [0012] 图2是根据另一个实施例的、包括与多个光伏模块关联的集中式能量存储单元的太阳能发电系统的框图。 [0013] 图3和图4是用于图1和图2的实施例的内部参考系单元的实施例的框图。 具体实施方式[0014] 除非另有定义，本文使用的技术和科学术语与本发明所属领域的技术人员通常所理解的具有相同的含义。本文使用的术语“第一”、“第二”、“另一个”及诸如此类，不表示任何次序、数量或重要性，而是用来区别一个元件与另一个。术语“一”和“一个”并不表示数量的限制，而是表示至少一个所指项目的存在。还有，两个元件“耦合”并不表示直接耦合的限制，而可以包括通过附加元件的耦合。为尽力提供这些实施例的简明的描述，本说明书中可能没有描述实际实现的全部特征。应当理解，在任何这种实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须作出许多实现特定的决定以实现开发者的具体目标，例如顺应系统有关和商业有关的约束，这可以随实现而变化。而且，应当理解，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但是会成为从本公开受益的技术人员的设计、加工和制造的例行工作。 [0015] 参考图1，在一个实施例中，太阳能发电系统10包括：用于从光伏(PV)模块14接收电力的DC到DC变换器12、耦合到DC到DC变换器12并用于向电力网络18供电的DC到AC变换器16以及控制系统20。控制系统20可包括：功率点跟踪器22，用于控制DC到DC变换器12和DC到AC变换器16中的至少一个，并提取从PV模块14可获得的最大功率或小于从PV模块14可获得的最大功率的功率；频率监视器24，用于从电力网络18获得网络频率；内部参考系元件26，用于提供太阳能发电系统10的内部参考频率；频率比较器28，用于比较网络频率和内部参考频率；以及命令信号发生器30，用于使用频率比较来确定是否命令的输出功率的瞬变上升或下降是有保证的和/或是否从能量存储单元32获得电力或向能量存储单元32输送电力是有保证的。命令发生器使用该确定来提供命令信号。 [0016] PV模块14通常包括多个光伏电池，并且可以包括单个PV模块或者多个PV模块的阵列或列。虽然为了示例起见示出DC到DC变换器12，但DC到DC变换器12并不是必需的并且在一些单级的(single stage)实施例中会被省略。当包括DC到DC变换器12时，DC到DC变换器12被控制以便在DC链路38维持恒定的DC电压，并且通过DC链路38将DC到AC变换器16耦合到DC到DC变换器12。DC到AC变换器16可包括例如三相变换器或者多个单相变换器。DC到DC变换器12和DC到AC变换器16相互耦合并且沿着电力线36耦合到电力网络，电力线36包括线路、电缆或者耦合各种电力元件的其他连接器并最终将PV模块14耦合到电力网络18。例如，DC到AC变换器16通常通过电力变压器42耦合到电力网络18。变压器42通常包括可由多个DC到AC变换器16共享的升压变压器(例如图2所示)。电力网络18可包括例如公用电网或者连接发电机和负载的任何其他系统。 [0017] 频率监视器24可以使用任何适当的直接或间接的检测技术来获得网络频率。在一个实施例中，频率监视器24包括或者获得来自位于电力线36的直接耦合到电力网络的部分之上的频率传感器44的数据。在其他实施例中，频率传感器可改为沿着电力线36位于较靠近PV模块14的位置，例如在DC到AC变换器16和变压器42之间，在这类实施例中使用一些附加的计算以使用在电力线36之上那个较早位置的值来估算在电力网络18的值。 [0018] 内部参考系元件26提供太阳能发电系统10的内部参考频率。内部参考频率可通过许多技术中的任何一种获得，其精确性随技术而改变。图3和图4中示出若干示例。图3是用于从功率命令和测量的功率信号的比较(来自元件48)的积分获得内部频率的元件 46的图示。图4是在闭环反馈中包括用于与网络频率进行比较(通过元件54)的具有时间常数的积分(元件52)的冲失滤波器(washout filter)50的图示。在不及其他两个实施例中任一实施例精确的另一个实施例中，使用固定内部参考系元件。 [0019] 又参考图1，频率比较器28将来自频率监视器24的网络频率和来自内部参考系元件26的内部参考频率进行比较。该比较然后由命令信号发生器30用来确定是否命令的输出功率的瞬变上升或下降是有保证的以及用来提供命令信号。命令信号包括提供给功率点跟踪器22、变换器或与可选的能量存储单元32关联的其他接口、或二者的一个或更多命令信号。控制系统20可包括一个或更多软件组件、硬件组件、或它们的组合。虽然本文关于本发明的实施例强调控制系统20的某些方面，但控制系统20另外可以执行其他控制功能并且通常另外耦合到主控制器56，主控制器56又通常耦合到网络控制器58并且还可以耦合到多个本地控制系统20。 [0020] 功率点跟踪器22用于提取从PV模块14可获得的最大功率或小于从PV模块14可获得的最大功率的功率。在具有DC到DC变换器12和DC到AC变换器16的实施例中，功率点跟踪器22用来控制DC到DC变换器12和DC到AC变换器16中的至少一个。 [0021] 在一个实施例中，能量存储单元32可用于当来自PV模块14的电力不足以支持频率稳定时供应附加的电力。能量存储单元32可包括能够存储能量供以后在电力线36上使用的任何类型的单元，若干例子包括电池、燃料电池和飞轮。在一个实施例中，能量存储单元32通过附加电力变换器34耦合到电力线36。在这个实施例中，控制系统20还可以配置用于当需要支持电力网络的频率稳定时通过命令发生器30向附加电力变换器34提供切换命令，以从能量存储单元提取附加的能量。这个实施例中的系统还可以配置用于当需要支持电力网络18的频率稳定或者当需要对能量存储单元32进行再充电时，向附加电力变换器34提供切换命令，以通过DC链路38向能量存储单元32添加能量。使用能量存储单元32来吸收来自电力网络18的电力的能力用于当来自PV模块14的电力无法再下降(例如在PV模块14不产生电力时的黑暗期间)而仍然需要电网稳定时的情况。为提供这种吸收的灵活性，在一些实施例中，控制系统20配置成维持关于能量存储单元32的充电水平的状态信息并避免对能量存储单元32完全充电。对能量存储单元充电或放电的完全程度会取决于能量存储单元32将用于的环境的具体因素。 [0022] 在将能量存储单元32耦合到发电系统10的更具体的实施例中，附加电力变换器34包括耦合到在DC到DC变换器12和DC到AC变换器16之间的DC链路38的DC到DC变换器。然而，能量存储单元32可以沿电力线36在任何希望的位置耦合，该位置规定要使用的变换器的类型。例如，在另一个实施例中(未示出)，附加电力变换器34可以耦合到在PV模块14和DC到DC变换器12之间的电力线36。在又一个实施例中，以例如关于图2所示的方式，能量存储单元耦合到在DC到AC变换器和电力网络之间的电力线36。 [0023] 功率点跟踪器22可用来形成为了衰减频率振荡而在瞬变条件期间由太阳能发电系统10在使用或不使用存储在能量存储单元中的能量时输送的高于(或低于)额定值的瞬间上升的(或下降的)功率的形状。如果可获得能量存储并且需要功率增强，则功率增强可部分或全部来自能量存储单元32中存储的能量。在没有能量存储单元的实施例中，太阳能发电系统10的控制系统20配置成在正常操作条件期间以缩减模式操作功率点跟踪器22，而在瞬变不稳定频率条件期间增加或减少输出功率的量以支持电力网络18的频率稳定(换句话说，以提供瞬变功率增强)。 [0024] 在一个实施例中，命令信号发生器30配置成当网络频率比内部参考频率小第一比较限制时提供命令信号以增加命令的输出功率。第一比较限制的选择会取决于公用事业对频率匹配的要求。在一个示例中，第一比较限制为0.2Hz。在一个实施例中，命令的功率增强可以以诸如共同受让的美国专利申请序号12/565004(2009年9月23日提交)中所述的方式来成形。如果当发生低电力网络频率事件时，发电系统10不是以缩减方式操作并且在能量存储单元32中可获得足够的能量，则将无需来自功率点跟踪器22的对DC到DC变换器12或DC到AC变换器16的命令的改变。在这种情况下，控制系统20要求所有必需的能量来自能量存储单元32。因此，在功率增强实施例中，命令信号可包括到功率点跟踪器22、能量存储单元32、或二者的一个或更多信号。 [0025] 命令信号发生器30还可以配置成当网络频率超出内部参考频率第二比较限制时提供命令信号以减少命令的输出功率。如同第一比较限制一样，第二比较限制的选择会取决于公用事业对频率匹配的要求。第二比较限制可以是但无需是与第一比较限制具有相同的大小。在这个高频电力网络(或功率下降)实施例中，功率点跟踪器22可用来按照功率成形器(power shaper)所规定的，改变输送给电网的电力。这可以通过改变到DC到DC变换器12和/或DC到AC变换器16的开关的门信号来实现，或者如果使用能量存储单元32则通过将过量的电力导向能量存储单元来实现。例如，在高频电力网络事件期间，如果在希望时将能量存储单元32通过双向变换器耦合到电力线36，可通过DC链路38将来自PV模块14的过量的电力导向对能量存储单元32充电以致无需为能够稳定电网而缩减。来自电力网络18的电力还可以或备选地用来通过DC链路38对能量存储单元32充电。备选地或另外，能量存储单元32可以用除发电系统自身以外的电源来充电。 [0026] 图2是根据另一个实施例的、包括与多个光伏模块14关联的集中式能量存储单元132的太阳能发电系统110的框图。在这个实施例中，能量存储单元132耦合到附加DC到AC变换器40，并且控制系统120还配置用于当需要支持电力网络的频率稳定时为附加DC到AC变换器40提供切换命令，以从能量存储单元132提取附加能量。如上关于图1所述，DC到DC变换器12不是必需的但是为了示例起见而示出。控制系统120可以如控制系统 20以类似的方式可选地耦合到主控制器56。 [0027] 根据操作图1或图2的系统的一个实施例，一种操作太阳能发电系统10或110的方法可包括：使用功率点跟踪器元件22来提取从PV模块14可获得的最大功率或小于从PV模块14可获得的最大功率的功率；从电力网络18获得网络频率；提供太阳能发电系统的内部参考频率；比较网络频率和内部参考频率；以及使用频率比较来确定是否命令的输出功率的瞬变上升或下降是有保证的并且来提供命令信号。如上所述，在一个实施例中，当需要支持电力网络的频率稳定时，能量可从能量存储单元提取和/或提供给能量存储单元。 [0028] 本文所述的实施例的优点是，使太阳能发电系统能够满足公用事业对频率稳定的需要，并且允许太阳能发电对电力网络更大的渗透。 [0030] 元件列表 [0031] 10、110 太阳能发电系统 [0032] 12 DC到DC变换器 [0033] 14 光伏(PV)模块 [0034] 16 DC到AC变换器 [0035] 18 电力网络 [0036] 20 控制系统 [0037] 22 功率点跟踪元件 [0038] 24 频率监视器 [0039] 26 内部参考系元件 [0040] 28 频率比较器 [0041] 30 命令信号发生器 [0042] 32、132 能量存储单元 [0043] 34 附加电力变换器 [0044] 36 电力线 [0045] 38 DC链路 [0046] 40 DC到AC变换器 [0047] 42 电力变压器 [0048] 44 频率传感器 [0049] 46 积分元件 [0050] 48 比较元件 [0051] 50 冲失滤波器 [0052] 52 积分元件 [0053] 54 比较元件 [0054] 56 主控制器 [0055] 58 网络控制器 |
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