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风 力-太阳能混合 发电厂

阅读：993发布：2020-05-11

专利汇可以提供风力-太阳能混合发电厂专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开涉及风力 - 太阳能混合发电厂。公开了混合发电厂的独特的系统、方法、技术和装置。一个示例性实施例是包括多个混合发电单元的混合发电厂系统，每个混合发电单元包括AC收集母线、AC电源、被耦合到AC电源和AC收集母线的AC-AC功率转换器、DC电源、被耦合到DC电源和AC收集母线的DC-AC转换器、能量存储设备，以及功率变压器，该功率变压器被耦合到AC收集母线并且被构造成从AC收集母线接收AC功率，升高所接收的AC功率的电压，以及输出中压AC(MVAC)功率。，下面是风力-太阳能混合发电厂专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种混合发电厂系统，包括：
多个混合发电单元，每个所述混合发电单元包括：
AC收集母线，
AC电源，
AC-AC功率转换器，被耦合到所述AC电源和所述AC收集母线，并且被构造成从所述AC电源接收AC功率并将AC功率输出到所述AC收集母线，
DC电源，
DC-AC转换器，被耦合到所述DC电源和所述AC收集母线，并且被构造成从所述DC电源接收DC功率并将AC功率输出到所述AC收集母线，
能量存储设备，以及
功率变压器，被耦合到所述AC收集母线并且被构造成从所述AC收集母线接收AC功率、升高所接收的AC功率的电压、并输出中压AC(MVAC)功率。
2.根据权利要求1所述的混合发电厂系统，包括：电网连接变电站，其被耦合到所述多个混合发电单元，并且被构造成从所述多个混合发电单元接收所述MVAC功率、升高所接收的MVAC功率的所述中压、并将高压AC功率输出到公用电网。
3.根据权利要求2所述的混合发电厂系统，其中中压是大于或等于1000V但小于100kV的电压，并且高压是大于或等于100kV的电压。
4.根据权利要求2所述的混合发电厂系统，其中所述多个混合发电单元中的每个混合发电单元包括单向整流器，所述单向整流器被耦合到所述功率变压器并且被构造成从所述功率变压器接收MVAC功率、将所述功率转换为中压DC(MVDC)功率、并输出所述MVDC功率，以及
其中所述电网连接变电站包括多个DC-AC转换器，每个DC-AC转换器被构造成接收MVDC功率、将所述MVDC功率转换为MVAC功率、并且输出所述MVAC功率。
5.根据权利要求1所述的混合发电厂系统，其中每个AC电源包括风力涡轮机和双馈感应发电机，每个DC电源包括光伏面板阵列，并且每个能量存储设备包括电池。
6.根据权利要求1所述的混合发电厂系统，其中每个混合发电单元包括：双向DC-AC转换器，其被耦合到所述AC收集母线和所述能量存储设备，并且被构造成将DC功率传送到所述能量存储设备并且将AC功率传送到所述AC收集母线。
7.根据权利要求1所述的混合发电厂系统，包括控制系统，所述控制系统包括：
发电厂控制器；以及
多个单元控制器，每个单元控制器被构造成控制一个混合发电单元的所述AC-AC功率转换器、控制相同的所述混合发电单元的所述DC-AC转换器、以及控制被耦合到所述能量存储设备的双向功率转换器，
其中所述发电厂控制器被构造成：从每个单元控制器接收操作数据的集合，从公用电网控制系统接收调度命令，使用所述调度命令和所述操作数据的集合来生成单元命令的集合，并将所述单元命令的集合中的单元命令传送到所述单元控制器中的每个单元控制器。
8.根据权利要求7所述的混合发电厂系统，其中每个单元命令包括有功功率输出目标、无功功率输出目标和操作模式。
9.根据权利要求7所述的混合发电厂系统，其中所述发电厂控制器被构造成：检测公用电网的频率异常，响应于检测到所述频率异常而生成单元命令的第二集合，并且将所述单元命令的第二集合中的每个单元命令传送到所述多个混合发电单元中的一个单元控制器，并且其中至少一个单元控制器被构造成响应于接收到所述单元命令的第二集合中的一个命令而操作一个混合发电单元，以便将能量从所述能量存储设备释放到所述AC收集母线。
10.根据权利要求7所述的混合发电厂系统，其中所述多个单元控制器中的第一单元控制器被构造成：响应于从所述发电厂控制器接收到单元命令而确定应当减少由一个混合发电单元输出的所述MVAC功率，确定对所述能量存储设备充电将不足以使所述MVAC功率输出降低到有功功率输出目标，以及生成指令，所述指令被构造成响应于确定对所述能量存储设备充电将不会使所述MVAC功率输出降低到所述有功功率输出目标，而减少来自所述AC电源或DC电源的功率输出以及对所述能量存储设备充电。
11.一种用于操作混合发电厂的方法，包括：
使用多个单元控制器来操作多个混合发电单元，每个混合发电单元包括AC收集母线、被耦合到所述AC收集母线的AC-AC功率转换器、被耦合到所述AC收集母线的DC-AC功率转换器、以及被耦合到所述AC收集母线的功率变压器；
利用发电厂控制器，接收来自公用电网控制系统的调度命令和来自所述多个单元控制器的每个单元控制器的操作数据的集合；
利用所述发电厂控制器，使用所述调度命令和所述操作数据的集合来确定发电厂操作模式；
利用所述发电厂控制器，生成单元控制器命令的集合，所述单元控制器命令的集合包括有功功率命令、无功功率命令和所述发电厂操作模式；
将所述单元控制器命令的集合中的一个单元控制器命令传送到所述多个单元控制器中的每个单元控制器；
利用每个单元控制器，使用所接收的单元控制器命令来操作一个混合发电单元的所述DC-AC功率转换器和所述AC-AC功率转换器，以便从每个混合发电单元输出中压功率；
在电网连接变电站接收由每个混合发电单元输出的所述中压功率；
将所接收的中压功率升高至高压功率；以及
将高压功率输出到公用电网。
12.根据权利要求11所述的方法，其中操作一个混合发电单元的所述DC-AC功率转换器和所述AC-AC功率转换器以便从每个混合发电单元输出中压功率包括：从所述DC-AC功率转换器和所述AC-AC功率转换器向所述AC收集母线提供AC功率，利用所述功率变压器接收所提供的AC功率，并使用所述功率变压器将所述AC功率的电压升高到中压AC功率。
13.根据权利要求12所述的方法，其中中压是大于或等于1000V但小于100kV的电压，并且高压是大于或等于100kV的电压。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述多个混合发电单元中的每个混合发电单元包括被耦合到所述功率变压器的整流器，
其中操作一个混合发电单元的所述DC-AC功率转换器和所述AC-AC功率转换器以便输出中压功率包括：从所述功率变压器接收AC功率，升高所接收的功率的电压，利用所述功率变压器输出MVAC，利用所述整流器从所述功率变压器接收MVAC功率，将所述MVAC功率转换为MVDC功率，并输出所述MVDC功率，
其中所述电网连接变电站包括多个DC-AC转换器，以及
其中接收由每个混合发电单元输出的所述中压功率包括：利用所述多个DC-AC转换器将所接收的功率转换为MVAC功率。
15.根据权利要求11所述的方法，其中每个AC-AC功率转换器从风力涡轮机和双馈感应发电机接收AC功率，并且每个DC-AC功率转换器从光伏面板阵列接收DC功率。
16.根据权利要求11所述的方法，其中一个混合发电单元包括双向DC-AC转换器，所述双向DC-AC转换器被耦合到所述AC收集母线和能量存储设备，并且被构造成将DC功率传送到所述能量存储设备并且将AC功率传送到所述AC收集母线。
17.根据权利要求11所述的方法，其中利用所述发电厂控制器确定所述发电厂操作模式包括：使用能源市场信号的集合。
18.根据权利要求11所述的方法，其中每个单元命令包括有功功率输出目标、无功功率输出目标和操作模式。
19.根据权利要求11所述的方法，包括：
利用所述发电厂控制器，使用所述操作数据的集合来检测所述公用电网的频率异常，响应于检测到所述频率异常，利用所述发电厂控制器，生成单元命令的第二集合，利用所述发电厂控制器，将所述单元命令的第二集合中的每个单元命令传送到所述多个混合发电单元中的一个单元控制器，
响应于接收到所述单元命令的第二集合中的一个命令，利用一个单元控制器，操作一个混合发电单元，以便将能量从能量存储设备释放到所述AC收集母线。
20.根据权利要求11所述的方法，包括：
响应于从所述发电厂控制器接收到单元命令，利用所述单元控制器，确定应当减少由一个混合发电单元输出的所述中压功率，
确定对能量存储设备充电将不会使所述MVAC功率输出降低到有功功率输出目标，以及响应于确定对所述能量存储设备充电将不会使所述MVAC功率输出降低到所述有功功率输出目标，减少来自所述AC-AC功率转换器或所述DC-AC功率转换器的有功功率输出，同时对所述能量存储设备充电。
21.根据权利要求11所述的方法，其中操作一个混合发电单元的所述DC-AC功率转换器和所述AC-AC功率转换器包括：利用所述AC-AC功率转换器，将中压功率输出到所述AC收集母线。

说明书全文

风 力-太阳能混合 发电厂

技术领域

[0001] 本公开总体上涉及使用多种能源来源的混合发电厂。

背景技术

[0002] 对于大型发电厂，风力发电系统和太阳能发电系统可以被组合来相互补充，因为每个系统在一天中的不同时间以峰值能量产生操作。常规的混合发电厂使用DC集成将风力发电系统(诸如风力涡轮机)和太阳能发电系统(诸如光伏(PV)面板阵列)组合。来自不同发电系统的功率输出被转换为DC功率并且在公共DC母线上组合。现有的混合发电厂存在许多缺点和劣势。仍然存在未满足的需求，包括提高发电厂的可靠性、降低硬件成本，以及提高发电厂响应电网状况(诸如频率异常)的能力。例如，混合发电厂使用单个高容量的逆变器将来自公共DC母线的组合DC功率转换为公用电网的AC功率，这产生单点故障使多个发电系统离线的可能性。另外，DC集成混合发电厂的唯一逆变器必须过大以提供所需的无功功率支持，并且可能不适合具有附加太阳能PV容量的风力发电厂的升级或具有附加的风能容量的太阳能PV发电厂的升级。非常需要本文公开的独特的装置、方法、系统和技术。发明内容

[0003] 为了清楚、简明和准确地描述本公开的非限制性示例性实施例、制造和使用本公开的方式和过程，以及为了使本公开能够实践、制造和使用，现在将参考某些示例性实施例(包括在附图中图示的那些实施例)，并且将使用特定语言来描述相同的实施例。然而，应当理解，由此不会产生对本公开范围的限制，并且本公开包括并保护如本领域技术人员根据本公开的益处想到的示例性实施例的这些改变、修改和另外的应用。

[0004] 示例性实施例包括用于混合发电厂的独特的系统、方法、技术和装置。根据以下描述和附图，本公开的另外的实施例、形式、目的、特征、优点、方面和益处将变得显而易见。

附图说明

[0005] 图1图示了示例性混合发电厂。

[0006] 图2图示了图1中的示例性混合发电厂的一个示例性混合发电单元。

[0007] 图3图示了图1中的示例性混合发电厂的另一示例性混合发电单元。

[0008] 图4图示了另一示例性混合发电厂。

[0009] 图5图示了图4中的示例性混合发电厂的示例性混合发电单元。

[0010] 图6-图7是图示示例性混合发电厂控制过程的流程图。

具体实施方式

[0011] 参考图1，其图示了示例性混合发电厂100，其被构造成从多个AC电源和DC电源生成功率，将所接收的功率转换为中压交流(MVAC)功率，并且将高压交流(HVAC)功率输出到公用电网102。在某些实施例中，低压是小于1000V的电压，中压是1000V和100kV之间的电压，高压是大于100kV的电压。应当理解，发电厂100的拓扑是出于解释的目的而图示的，并不旨在作为对本公开的限制。例如，作为示例，发电厂100可以包括以环形配置布置的馈线、更多或更少的馈线，以及在电网连接变电站中的更多或更少的升压变压器。尽管用单线图图示了发电厂100，但是发电厂100可以被构造成传送多相功率。

[0012] 发电厂100包括耦合在公用电网102和多个馈线101之间的电网连接变电站110。馈线101被构造成接收MVAC功率并将MVAC功率传送到变电站110。在某些实施例中，MVAC功率具有在33kV-36kV范围内的标称电压，并且每条馈线具有在30MW-40MW范围内的功率容量。变电站110被构造成从多个馈线101接收MVAC功率，使用功率变压器115和117升高所接收的MVAC功率的电压，并且将HVAC功率输出到公用电网102。变电站110包括耦合在多个馈线101和变压器115和117之间的主AC母线113。变电站110还包括多个保护设备119，其被构造成检测并对发电厂100内的故障做出响应。作为示例，多个保护设备119可以包括断路器、保护继电器或传感器。

[0013] 发电厂100包括多个混合发电单元120，每个单元耦合到多个馈线101中的一个馈线。每个混合发电单元120包括风力电源121、光伏(PV)电源123、能量存储设备129，每个混合发电单元120均耦合到功率转换系统125。在某些实施例中，一个或多个混合发电单元120可以不包括能量存储设备129。在某些实施例中，风力电源121可以用多个风力电源或另一种类型的AC电源代替。在某些实施例中，PV电源123可以由另一种类型的DC电源代替。

[0014] 风力电源121被构造成将由于风而生成的动能转换成低压交流(LVAC)功率或中压交流(MVAC)功率。在某些实施例中，风力电源121包括风力涡轮机，该风力涡轮机具有联接到发电机的旋转轴。风力电源121将所生成的AC功率输出到转换系统125。

[0015] PV电源123被构造成将太阳能转换成低压直流(LVDC)功率或中压直流(MVDC)功率。在某些实施例中，PV电源123是太阳能面板阵列，其包括串联和/或并联耦合的多个太阳能面板。PV电源123被构造成将所生成的DC功率输出到转换系统125。

[0016] 能量存储设备129被构造成从转换系统125接收DC功率，存储所接收的DC功率，并将存储的DC功率输出到转换系统125。作为示例，能量存储设备129可以是电池、电池组、电容器、超级电容器或电容器组。在另一个实施例中，能量存储设备129可以是被构造成接收、存储和输出AC功率的飞轮。

[0017] 转换系统125包括AC收集母线和多个功率转换器，功率转换器被构造成从风力电源121、PV电源123和能量存储设备129接收功率，并将MVAC功率输出到功率变压器128。每个功率转换器可以包括被构造成控制一个功率转换器的单独的转换器控制器，或者将一个或多个功率转换器控制器合并到合并发电单元120的单元控制器127中。AC收集母线耦合到功率变压器128并且被构造成接收来自AC收集母线的AC功率，升高所接收的AC功率的电压，并且将具有中等电压的AC功率输出到馈线101。利用变压器128接收的AC功率可以是LVAC功率或MVAC功率，其电压小于由功率变压器输出的MVAC功率的电压。

[0018] 发电厂100包括分布式控制系统，其包括发电厂控制器111和多个单元控制器127。发电厂控制器111被构造成与多个单元控制器127以及公用电网102的控制系统103通信。在说明的实施例中，发电厂控制器111被构造成通过监督控制和数据采集(SCADA)系统103与公用电网102通信。发电厂控制器111从SCADA系统103接收系统操作员调度命令和能源市场信号。系统操作员调度命令包括用于发电厂100的有功功率输出目标和无功功率输出目标。
作为示例，目标可以是基准点或可接受的范围。能源市场信号可以包括预测或实时电能价格以及用于频率调节和操作储备的附加服务价格。

[0019] 发电厂控制器111还从包括多个单元控制器127和位于变电站110内的传感器的发电厂100中的设备接收发电厂操作数据。操作数据可以包括来自分布在发电厂100内的传感器的功率测量、电压测量和电流测量。例如，电压传感器可以耦合到AC母线、DC母线和转换器端子，并且电流传感器可以可操作地耦合到紧邻AC母线或DC母线的馈线。

[0020] 使用系统操作员调度命令、能源市场信号和操作数据，发电厂控制器111生成协调指令的集合，也被称为单元命令，其被构造成操作发电厂100内的可控设备(诸如每个混合发电单元120的转换系统125)和位于电网连接变电站110中的其他可控设备(诸如并联电容器组和保护设备119)。作为示例，协调指令的集合可以包括切换模式、开/关命令和控制参数。

[0021] 每个单元控制器127被构造成通过通信通道105与发电厂控制器111通信，通信通道105可以是有线连接或无线连接。每个单元控制器127被构造成基于从发电厂控制器111传送的指令，在相同的混合发电单元120内操作转换系统125。应当理解，发电厂100的任何或所有前述特征也可以存在于本文公开的其他发电厂或发电厂组件中。

[0022] 参考图2，其图示了耦合到馈线201的示例性混合发电单元200，诸如图1中的混合发电单元120中的一个。具体地，混合发电单元200包括功率变压器205，功率变压器205具有耦合到馈线201的第一绕组、耦合到AC收集母线203的第二绕组，以及耦合到单元控制器270的第三绕组。功率变压器205被构造成从AC收集母线203接收多相AC功率，升高所接收的功率的电压，并且将具有已升高的电源的所接收的多相AC功率输出到馈线201。输出到馈线201的AC功率是MVAC功率。在某些实施例中，功率变压器205接收具有600V和960V之间的电压的AC功率，并输出具有大约34.5kV的电压的MVAC功率。在其他实施例中，功率变压器205接收具有1000V至3000V之间的电压的MVAC功率，并且输出具有大约34.5kV的电压的MVAC功率。

[0023] 在说明的实施例中，功率变压器205还被构造成通过第三绕组向单元控制器270提供AC辅助功率。功率变压器205还可以被构造成向混合发电单元200的其他控制器和装备(诸如PV电源230的跟踪马达)提供功率。在其他实施例中，功率变压器205不包括第三绕组，并且单元控制器270从能量存储设备250或另一个电源接收功率。能量存储设备250还可以在系统启动或系统重启期间向转换器控制器和单元控制器270提供功率。

[0024] 混合发电单元200包括风力电源210，风力电源210包括风力涡轮机和发电机。风力电源210还可以包括诸如变速箱的附加组件。发电机接收来自风力涡轮机的轴的旋转力，使得电机输出三相AC功率。在其他实施例中，风力电源210可以输出具有任何数量的相的AC功率。

[0025] AC-AC转换器220耦合到风力电源210和AC收集母线203。AC-AC转换器220被构造成接收由风力电源210输出的AC功率，将所接收的AC功率转换为DC功率，将DC功率转换为AC功率，并输出AC功率。由转换器220接收的AC功率和由转换器220输出的AC功率可以具有固定的电压幅度，其频率与公用电网的频率匹配。AC-AC转换器220包括AC-DC转换器221、DC链路223和DC-AC转换器225。AC-AC转换器220被构造成从风力电源210接收AC功率，将所接收的AC功率转换为DC功率，并且响应于从单元控制器270接收到控制信号，将DC功率输出到DC链路223。DC-AC转换器225被构造成从DC链路223接收DC功率，将所接收的DC功率转换成三相AC功率，并将转换的AC功率输出到AC收集母线203。

[0026] 混合发电单元200包括PV电源230，PV电源230包括多个PV面板231(也被称为PV阵列)，每个面板耦合到多个DC-DC优化器233(也被称为最大功率点跟踪转换器)中的一个。多个PV面板231被构造成生成DC功率并将所生成的DC功率输出到多个DC-DC优化器233。每个DC-DC优化器被构造成基于从单元控制器270接收的控制信号而控制一个PV面板的输出。例如，单元控制器270可以使DC-DC优化器233操作，使得PV面板的输出功率处于最大功率点。在其他实施例中，PV电源230可以包括一个PV面板或以单个串、多个串或并联和串联连接的任何其他组合连接的多个PV面板。PV电源230可以包括耦合到一个以上PV面板的DC-DC优化器、耦合到一串PV面板的DC-DC优化器，或者PV电源230可以不包括DC-DC优化器。多个DC-DC优化器233耦合到DC-AC转换器240，DC-AC转换器240被构造成从多个DC-DC优化器233接收DC功率，将DC功率转换为三相AC功率，并且响应于从单元控制器270接收到控制信号而将所转换的AC功率输出到AC收集母线203。

[0027] 混合发电单元200包括耦合到DC-DC转换器260的能量存储设备250，并且转换器260耦合到DC-AC转换器240。能量存储设备250被构造成从DC-DC转换器260接收DC功率，存储DC功率，并响应于来自单元控制器270的指令而将DC功率输出到DC-DC转换器260。DC-DC转换器260被构造成从能量存储设备250接收DC功率，升高或降低所接收的功率的电压，将转换的DC功率输出到DC-AC转换器240，从DC-AC转换器240或DC-DC优化器233接收DC功率，升高或降低所接收的DC功率的电压，并将转换的DC功率输出到能量存储设备250。在某些实施例中，可以使用从公用电网、混合发电厂内的另一个混合发电单元或混合发电单元200的电源中的一个接收的功率对能量存储设备250充电。

[0028] 混合发电单元200包括多个保护设备207a-207d。每个保护设备可以包括断路器、保护继电器、传感器或被构造成测量混合发电单元200的电特性或控制混合发电单元200内的电流的流动的任何类型的设备。

[0029] 单元控制器270与转换器220、转换器240、多个DC-DC优化器233和转换器260的转换器控制器通信。控制器270被构造成响应于接收到来自发电厂控制器(诸如图1中的发电厂控制器111)的指令(也被称为控制信号)而操作混合发电单元200的转换器。应当理解，混合发电单元200的任何或所有前述特征也可以存在于本文所公开的混合发电单元中。

[0030] 参考图3，其图示了耦合到馈线301的示例性混合发电单元300，诸如图1中的发电厂100的混合发电单元中的一个。混合发电单元300包括功率变压器305，功率变压器305具有耦合到馈线301的第一绕组和耦合到AC收集母线303的第二绕组。混合发电单元300包括耦合到AC收集母线303和AC-AC转换器320的风力电源310。风力电源310包括风力涡轮机和双馈感应发电机(DFIG)。AC-AC转换器320包括AC-DC转换器321、DC链路323和DC-AC转换器325。

[0031] 混合发电单元300包括PV电源330，PV电源330包括耦合到多个DC-DC优化器333的多个PV面板331。DC-AC转换器340耦合到多个DC-DC优化器333和AC收集母线303。

[0032] 混合发电单元300包括耦合到DC-AC转换器360的能量存储设备350。能量存储设备350被构造成用作单元控制器370的电源。单元控制器370被构造成使用从发电厂控制器接收的指令来操作转换器320、转换器340、转换器360和DC-DC优化器333。混合发电单元300包括多个保护设备307a-307e。应当理解，混合发电单元300的任何或所有前述特征也可以存在于本文公开的混合发电单元中。

[0033] 参考图4，其图示了示例性发电厂400，发电厂400包括通过多个DC馈线401耦合到变电站410的多个混合发电单元420。在混合发电单元420在较大区域上分布的某些实施例中，与AC功率传送相比，从每个混合发电单元420到变电站410的DC功率传送可以减少发电厂的损耗。

[0034] 每个混合发电单元包括风力电源421、PV电源423和耦合到转换系统425的能量存储设备429。每个混合发电单元420还包括耦合到转换系统425的变压器428，以及耦合到变压器428和多个馈线401中的馈线的AC-DC转换器426。作为示例，在某些实施例中，AC-DC转换器426是无源转换器，诸如二极管整流器。AC-DC转换器426被构造成从变压器428接收MVAC功率，将所接收的MVAC功率转换为MVDC功率，并将所转换的MVDC功率输出到所耦合的馈线401。

[0035] 发电厂400包括耦合在多个混合发电单元420和公用电网之间的电网连接变电站410。变电站410包括多个DC-AC转换器418，每个DC-AC转换器耦合到一个馈线401并且被构造成从馈线接收MVDC功率，将MVDC功率转换为MVAC功率，并将MVAC功率输出到主AC母线
413。公用电网通过变压器115和117耦合到主AC母线413，变压器115和117被构造成接收MVAC功率，升高MVAC功率的电压，并将HVAC功率输出到公用电网。变电站410还包括多个保护设备419。

[0036] 发电厂400由分布式发电厂控制系统控制，该分布式发电厂控制系统包括发电厂控制器411和多个单元控制器427，每个单元控制器与一个混合发电单元420相关联。发电厂控制器411被构造成从公用电网控制系统403接收调度命令和其他数据，使用所接收的调度命令和数据生成协调指令的集合，并使用通信通道405将协调指令传送到每个单元控制器427。应当理解，混合发电厂400的前述任何或全部特征也可以存在于本文公开的混合发电厂中。

[0037] 参考图5，其图示了示例性混合发电厂(诸如图4中的发电厂400)的示例性混合发电单元500。单元500耦合到馈线501。具体地，单元500包括耦合在功率变压器505和馈线501之间的AC-DC转换器502(也被称为整流器)。AC-DC转换器502可以被配置成用于单向或双向功率流动。功率变压器505包括耦合到AC-DC转换器502的第一绕组和耦合到AC收集母线503的第二绕组。单元500包括耦合到DC母线503和AC-AC转换器520的风力电源510。风力电源510包括风力涡轮机和双馈感应发电机(DFIG)。AC-AC转换器520包括AC-DC转换器521、DC链路523和DC-AC转换器525。

[0038] 单元500包括PV电源530，PV电源530包括耦合到多个DC-DC优化器533的多个PV面板531。DC-AC转换器540耦合到多个DC-DC优化器。

[0039] 单元500包括通过DC-AC转换器560耦合到AC收集母线503的能量存储设备550。单元控制器570被构造成从发电厂控制器接收指令并将指令传送到转换器520、转换器540、转换器560和DC-DC优化器533的转换器控制器。应当理解，混合发电单元500的任何或所有前述特征也可以存在于本文公开的混合发电单元中。

[0040] 参考图6，其图示了用于操作示例性混合发电厂的发电厂控制器的示例性过程600。参考图1中所示的发电厂100对过程600进行以下描述。然而，应当理解，过程600可以与其他形式的发电厂(诸如上面参考图4所描述的那些)组合使用。

[0041] 过程600在开始操作601处开始并且前进到操作603，在操作603中，发电厂控制器111从公用电网控制系统接收系统操作员调度命令和能源市场信号。从公用电网控制系统接收的信息可以包括关于当前时间间隔和未来时间间隔的信息。

[0042] 过程600前进到操作605，在操作605中，发电厂控制器111从多个混合发电单元120的单元控制器127和变电站110的传感器接收操作数据。操作数据可以包括每个混合发电单元的电特性的传感器测量值，以及针对混合发电单元内的电源或保护设备的设备状态。

[0043] 过程600前进到操作607，在操作607中，发电厂控制器111使用从公用电网控制系统接收的信息和来自单元控制器127的操作数据，确定用于当前时间间隔和/或未来时间间隔的发电厂操作模式。所选择的操作模式可以包括正常操作模式、缩减模式或电网支持模式，正常操作模式优先考虑来自每个混合发电单元120的最大功率输出，缩减模式限制发电厂100的总输出功率，而在电网支持模式中，控制发电厂100的每个可控设备以便校正在电网连接变电站110处检测到的频率异常。例如，具有高穿透风力和太阳能发电系统的公用电网可能经历由煤发电厂或核发电厂的突然中断引起的频率变化。设备100被构造成对频率的变化做出反应，以避免系统频率崩溃或频率减载事件。

[0044] 过程600前进到条件609，在条件609中，发电厂控制器111选择三种操作模式中的一种。如果发电厂控制器111选择缩减模式，则过程600前进到操作611。如果发电厂控制器111选择正常操作模式，则过程600前进到操作613。如果发电厂控制器111选择电网支持模式，则过程600前进到操作615。

[0045] 在缩减模式的操作611期间，发电厂控制器111确定用于每个混合发电单元的输出减少目标，以便将发电厂100的组合功率输出减少到功率输出目标。发电厂控制器111可以使用系统操作员调度命令或能源市场信号来确定输出减少目标。例如，发电厂控制器111可以基于用于当前和/或未来间隔的功率的价格来确定缩减模式中的功率输出目标，或者发电厂控制器111可以基于公用电网请求来确定缩减模式中的功率输出目标，以减少供应给公用电网的过量功率。

[0046] 发电厂控制器111基于每个混合发电单元的减少目标而生成用于每个单元控制器127的指令。在某些实施例中，发电厂控制器111可以生成指令以便减少来自混合发电单元
120的一部分的功率输出，而不是减少来自所有混合发电单元的功率输出。指令可以包括有功功率输出目标和无功功率输出目标。应当理解，输出目标可以是基准点或可接受的值的范围。过程600前进到操作617，在操作617中，发电厂控制器111使用通信通道105分配用于每个单元控制器127的指令。

[0047] 在正常操作模式的操作613期间，发电厂控制器111确定用于每个混合发电单元120的输出功率目标，以便允许发电厂100的每个电源在最大功率输出(也被称为最大功率点)下操作。发电厂控制器111生成用于每个单元控制器127的指令，该指令包括有功功率输出目标和无功功率输出目标。可以使用能源市场信号、系统操作员调度命令和过去的有功功率输出目标来确定有功功率输出目标。例如，发电厂控制器111可以基于之前的有功功率输出目标和功率平滑控制或斜坡率控制来确定有功功率输出，以确保来自发电厂100的稳定和可预测的功率。可以确定无功功率输出目标，以便维持发电厂100的电压轮廓并且对系统操作员调度命令的发电厂无功功率输出目标做出响应。过程600从操作613前进到操作
617，在操作617中，发电厂控制器111使用通信通道105分配用于每个单元控制器127的指令。

[0048] 在电网支持模式的操作615期间，发电厂控制器111调节输出到公用电网的功率，以便在频率扰动条件下稳定公用电网102的频率或者将公用电网102的频率维持在允许的变化范围内。发电厂控制器111使用从发电厂100内的传感器接收的功率频率测量值，生成用于混合发电单元中的每个的指令，该指令包括有功功率输出目标和无功功率输出目标。过程600从操作615前进到操作617，在操作617中，发电厂控制器111使用通信通道105分配用于每个单元控制器127的指令。

[0049] 过程600从操作617前进到结束操作619。应当进一步理解，可以预期对过程600的许多变化和修改，包括例如省略过程600的一个或多个方面，和添加另外的条件和操作，和/或将操作和条件的重组或分离到单独的过程中。

[0050] 参考图7，其图示了用于操作示例性混合发电厂的单元控制器的示例性过程700。参考图2中图示的混合发电单元200对过程700进行以下描述。然而，应当理解，过程700可以与其他形式的混合发电单元(诸如上面参考图1和图3-图5所描述的那些)组合使用。

[0051] 过程700在开始操作701开始并且前进到操作703，在操作703中，单元控制器270将来自本地传感器的测量值和设备操作状态传送到发电厂控制器(诸如图1中图示的发电厂控制器111)。作为示例，设备操作状态可以包括风力电源210的功率输出、PV电源230的功率输出、能量存储设备250的功率输出、来自AC-AC转换器220的无功功率输出，或来自DC-AC转换器240的无功功率输出。

[0052] 过程700前进到操作705，在操作705中，单元控制器从发电厂控制器111接收指令，该指令包括有功功率命令、无功功率命令和发电厂操作模式。有功功率命令包括有功功率输出目标，并且无功功率命令包括无功功率输出目标。过程700前进到条件707，在条件707中，单元控制器270基于来自发电厂控制器111的指令进入操作模式。如果所接收的指令指示缩减模式，则单元控制器进入缩减模式并前进到条件709。如果所接收的指令指示正常操作模式，则单元控制器270进入正常操作模式并前进到条件719。如果所接收的指令指示电网支持模式，则单元控制器270进入电网支持模式并前进到条件731。

[0053] 在缩减模式中的条件709处，单元控制器270确定能量存储设备129是否准备好从相同的混合发电单元的发电设备接收功率。单元控制器可以通过确定能量存储设备129的充电的状态来确定能量存储设备129是否准备好充电。如果能量存储设备129未准备好充电，则过程600前进到操作715，在操作715中，单元控制器270确定用于风力涡轮机系统210、PV电源230或两者的功率减少目标，以便符合从发电厂控制器111接收的指令。过程700前进到操作717，在操作717中，单元控制器270生成并传送控制信号，该控制信号被构造成基于所接收的有功功率输出目标和所接收指令的无功功率输出目标来有效地操作AC-AC转换器220、DC-AC转换器240和DC-DC优化器233，以共同输出有功功率和无功功率。

[0054] 如果能量存储设备129准备好充电，则过程600前进到操作711，在操作711中，单元控制器270确定能量存储设备250的充电速率。最大充电速率取决于能量存储设备250的电流和额定功率，但是，可以选择部分充电速率以便符合所接收的指令。可以部分地通过用户输入来确定充电速率。然后，过程700前进到条件713，其中单元控制器270确定能量存储设备250的充电速率是否足以吸收由混合发电单元200的电源输出的功率的一部分，使得混合发电单元200的功率输出等于或小于从发电厂控制器111接收的有功功率输出目标。如果能量存储设备250的充电速率足够，则过程700前进到操作717，在操作717中，单元控制器270生成控制信号并将其传送到AC-AC转换器220、DC-AC转换器240、DC-DC优化器233和DC-DC转换器260，使得混合发电单元200生成超过有功功率输出目标的有功功率，但所生成的有功功率输出和有功功率输出目标之间的功率差被能量存储设备129吸收。

[0055] 如果能量存储装置250的最大充电速率不足以满足目标输出功率，则过程700前进到操作715，在操作715中，除了能量存储设备250从混合发电单元200的电源接收功率之外，还确定来自电源中的一个或两个的功率输出的减少。过程700然后前进到操作717，在操作717中，单元控制器270生成控制信号并将其传送到AC-AC转换器220、DC-AC转换器240、DC-DC优化器233和DC-DC转换器260，使得混合发电单元200在以低于最大功率点操作电源的一个或多个的同时，生成超过所接收的有功功率输出目标的有功功率，并且利用能量存储设备129吸收所生成的有功功率输出和有功功率输出目标之间的功率差。然后，过程700前进到结束操作737。

[0056] 在正常操作模式中的条件719处，单元控制器270确定在最大功率点操作的混合发电单元200中的所有电源的有功功率输出是否将满足从发电厂控制器111接收的指令的有功功率输出目标。如果有功功率输出目标是范围，则有功功率输出以在该范围内而满足有功功率输出目标。如果有功功率输出目标是基准值，则有功功率输出以基本上接近有功功率输出目标(例如在有功功率输出目标的5％内)而满足有功功率输出目标。如果有功功率输出将满足有功功率输出目标，则过程700前进到操作721，在操作721中，单元控制器270维持风力电源210和PV电源230两者的最大功率点跟踪操作。如果有功功率输出将不满足有功功率输出目标，则过程700前进到操作723，在操作723中，单元控制器270确定足以使混合发电单元200的有功功率输出满足有功功率输出目标的能量存储的充电速率或放电速率。

[0057] 从操作721和操作723，过程700前进到条件725，在条件725中，单元控制器270确定混合发电单元200的无功功率输出是否将满足从发电厂控制器111接收的指令的无功功率输出目标。如果无功功率输出在无功功率输出目标的范围内或基本上接近无功功率输出目标的基准点，则过程700前进到操作727，在操作727中，单元控制器270通过均衡来自转换器220和转换器240中的每个转换器的电流来优化风力电源210和PV阵列231的无功功率输出，以便减少功率损耗。如果无功功率输出将不满足无功功率输出目标，则过程700从条件725前进到操作729，在操作729中，单元控制器270确定使用能量存储设备250输出的无功功率的量。

[0058] 从操作727和操作729，过程700前进到操作717，在操作717中，单元控制器270生成控制信号并将其传送到AC-AC转换器220、DC-AC转换器240、DC-DC优化器233和DC-DC转换器260，以便在最大功率点处操作混合发电单元200的电源，并且如果需要的话，对能量存储设备250充电或放电以满足有功功率输出目标和无功功率输出目标。然后，过程700前进到结束操作737。

[0059] 在电网支持模式中的条件731处，单元控制器270确定能量存储设备250是否准备好放电。如果能量存储设备250准备好放电，则过程700前进到操作735，在操作735中，单元控制器270确定能量存储设备250的放电速率，以便帮助校正在公用电网中检测到的频率异常。过程700然后前进到操作717，在操作717中，单元控制器270生成控制信号并将其传送到AC-AC转换器220、DC-AC转换器240、DC-DC优化器233和DC-DC转换器260，以便在以最大功率点操作风力电源210和PV电源230的同时，从能量存储设备250释放能量。然后，过程700前进到结束操作737。

[0060] 如果能量存储设备250未准备好在电网支持模式期间释放能量，则过程700前进到操作733，在操作733中，单元控制器270向发电厂控制器111发出通知。作为响应，发电厂控制器111将向一个或多个其他混合发电单元有效地发送指令，以请求来自其他能量存储设备的能量以增加的速率放电。

[0061] 应当进一步理解，可预期对过程700的许多变化和修改，包括例如省略过程700的一个或多个方面、添加另外的条件和操作，和/或将操作和条件重组或分离到单独的过程中。

[0062] 现在将提供对多个示例性实施例的进一步的书面描述。一个实施例是混合发电厂系统，包括：多个混合发电单元，每个混合发电单元包括：AC收集母线，AC电源，AC-AC功率转换器，被耦合到AC电源和AC收集母线，并且被构造成从AC电源接收AC功率并将AC功率输出到AC收集母线，DC电源，DC-AC转换器，被耦合到DC电源和AC收集母线，并被构造成从DC电源接收DC功率并将AC功率输出到AC收集母线，能量存储设备，以及功率变压器，被耦合到AC收集母线，并被构造成从AC收集母线接收AC功率，升高所接收的AC功率的电压，并输出中压AC(MVAC)功率。

[0063] 在前述混合发电厂系统的某些形式中，该系统包括电网连接变电站，该电网连接变电站被耦合到多个混合发电单元并且被构造成从多个混合发电单元接收MVAC功率、升高所接收的MVAC功率的中压电压、并将高压AC功率输出到公用电网。在某些形式中，其中中压是大于或等于1000V但小于100kV的电压，并且高压是大于或等于100kV的电压。在某些形式中，多个混合发电单元中的每个混合发电单元包括单向整流器，该单向整流器被耦合到功率变压器并且被构造成从功率变压器接收MVAC功率、将功率转换成中压DC(MVDC)功率、并输出MVDC功率，以及其中电网连接变电站包括多个DC-AC转换器，每个DC-AC转换器被构造成接收MVDC功率、将MVDC功率转换为MVAC功率、并且输出MVAC功率。在某些形式中，每个AC电源包括风力涡轮机和双馈感应发电机，每个DC电源包括光伏面板阵列，并且每个能量存储设备包括电池。在某些形式中，每个混合发电单元包括：双向DC-AC转换器，该双向DC-AC转换器被耦合到AC收集母线和能量存储设备，并且被构造成将DC功率传送到能量存储设备并将AC功率传送到AC收集母线。在某些形式中，该系统包括控制系统，该控制系统包括：发电厂控制器；以及多个单元控制器，每个单元控制器被构造成控制一个混合发电单元的AC-AC功率转换器、控制相同的混合发电单元的DC-AC转换器、以及控制被耦合到该能量存储设备的双向功率转换器，其中发电厂控制器被构造成：从每个单元控制器接收操作数据的集合，从公用电网控制系统接收调度命令，使用调度命令和操作数据的集合生成单元命令的集合，并将单元命令的集合中的单元命令传送到单元控制器中的每个单元控制器。在某些形式中，每个单元命令包括有功功率输出目标、无功功率输出目标和操作模式。在某些形式中，发电厂控制器被构造成：检测公用电网的频率异常，响应于检测到频率异常而生成单元命令的第二集合，并将单元命令的第二集合中的每个单元命令传送到多个混合发电单元的一个单元控制器，并且其中至少一个单元控制器被构造成响应于接收到单元命令的第二集合中的一个命令而操作一个混合发电单元，以便将能量从能量存储设备释放到AC收集母线。在某些形式中，多个单元控制器中的第一单元控制器被构造成：响应于从发电厂控制器接收到单元命令，而确定应当减少由一个混合发电单元输出的MVAC功率，确定对能量存储设备的充电不足以使MVAC功率输出降低到有功功率输出目标，以及生成指令，该指令被构造成响应于确定对能量存储设备充电将不会使MVAC功率输出降低到有功功率输出目标，而减少来自AC电源或DC电源的功率输出以及对能量存储设备充电。

[0064] 另一个示例性实施例是一种用于操作混合发电厂的方法，包括：使用多个单元控制器操作多个混合发电单元，每个混合发电单元包括AC收集母线、被耦合到AC收集母线的AC-AC功率转换器、被耦合到AC收集母线的DC-AC功率转换器、以及被耦合到AC收集母线的功率变压器；利用发电厂控制器，接收来自公用电网控制系统的调度命令和来自多个单元控制器中的每个单元控制器的操作数据的集合；利用发电厂控制器，使用调度命令和操作数据的集合来确定发电厂操作模式；利用发电厂控制器，生成单元控制器命令的集合，单元控制器命令包括有功功率命令、无功功率命令和发电厂操作模式；将单元控制器命令的集合中的一个单元控制器命令传送到多个单元控制器中的每个单元控制器；利用每个单元控制器，使用所接收的单元控制器命令操作一个混合发电单元的DC-AC功率转换器和AC-AC功率转换器，以便从每个混合发电单元输出中压功率；在电网连接变电站处接收由每个混合发电单元输出的中压功率；将所接收的中压功率升高到高压功率；以及将高压功率输出到公用电网。

[0065] 在前述方法的某些形式中，操作一个混合发电单元的DC-AC功率转换器和AC-AC功率转换器以便从每个混合发电单元输出中压功率包括：从DC-AC功率转换器和AC-AC功率转换器向AC收集母线提供AC功率，利用功率变压器接收所提供的AC功率，并且使用功率变压器将AC功率的电压升高到中压AC功率。在某些形式中，中压是大于或等于1000V但小于100kV的电压，并且高压是大于或等于100kV的电压。在某些形式中，多个混合发电单元中的每个混合发电单元包括被耦合到功率变压器的整流器，其中操作一个混合发电单元的DC-AC功率转换器和AC-AC功率转换器以便输出中压功率包括：从功率变压器接收AC功率，升高所接收的功率的电压，利用功率变压器输出MVAC，利用整流器接收来自功率变压器MVAC功率，将MVAC功率转换为MVDC功率，并且输出MVDC功率，其中电网连接变电站包括多个DC-AC转换器，以及其中接收由每个混合发电单元输出的中压功率包括：利用多个DC-AC转换器将所接收的功率转换为MVAC功率。在某些形式中，每个AC-AC功率转换器从风力涡轮机和双馈感应发电机接收AC功率，并且每个DC-AC功率转换器从光伏面板阵列接收DC功率。在某些形式中，一个混合发电单元包括双向DC-AC转换器，该双向DC-AC转换器被耦合到AC收集母线和能量存储设备，并且被构造成将DC功率传送到能量存储设备并且将AC功率传送到AC收集母线。在某些形式中，利用发电厂控制器确定发电厂操作模式包括：使用能源市场信号的集合。在某些形式中，每个单元命令包括有功功率输出目标、无功功率输出目标和操作模式。
在某些形式中，该方法包括利用发电厂控制器，使用操作数据的集合来检测公用电网的频率异常，响应于检测到频率异常，利用发电厂控制器，生成单元命令的第二集合，利用发电厂控制器，将单元命令的第二集合中的每个单元命令传送到多个混合发电单元中的一个单元控制器，响应于接收到单元命令的第二集合中的一个命令，利用一个单元控制器，操作一个混合发电单元，以便将能量从能量存储设备释放到AC收集母线。在某些形式中，该方法包括响应于从发电厂控制器接收到单元命令，利用单元控制器，确定应当减少由一个混合发电单元输出的中压功率，确定对能量存储设备充电将不会使MVAC功率输出降低到有功功率输出目标，以及响应于确定对能量存储设备充电将不会使MVAC功率输出降低到有功功率输出目标，减少来自AC-AC功率转换器或DC-AC功率转换器的有功功率输出，同时对能量存储设备充电。在某些形式中，操作一个混合发电单元的DC-AC功率转换器和AC-AC功率转换器包括：利用AC-AC功率转换器，将中压功率输出到AC收集母线。

[0066] 可以预期，除非明确地相反地陈述，否则来自各种实施例的各个方面、特征、过程和操作可以用于任何其他实施例中。所说明的某些操作可以由执行在非瞬态计算机可读存储介质上的计算机程序产品的计算机来实施，其中计算机程序产品包括指令，该指令使计算机执行一个或多个操作，或者向其他设备发出命令以执行一个或多个操作。

[0067] 尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本公开，但是本公开在性质上被认为是说明性的而非限制性的，应当理解，仅示出和描述了某些示例性实施例，并且期望保护落入本公开精神内的所有改变和修改。应当理解，虽然在上面的描述中使用诸如“优选”、“优选地”、“优选的”或“更优选的”的词语指示如此描述的特征可能是更期望的，但是它可以不是必须的。可以预期缺少该特征的实施例在本公开的范围内，而范围由以下权利要求限定。在阅读权利要求时，当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一个部分”的词语时，无意将权利要求限制为仅一个项目，除非权利要求中特别相反地陈述。术语“…的…”可以意味着与另一个项目关联或连接到另一个项目，以及属于另一个项目或与另一个项目连接，这由使用它的上下文所通知。术语“耦合到”、“与…耦合”等包括间接连接和耦合，并且还包括但不需要直接耦合或连接，除非明确地相反指示。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非特别相反地陈述。

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