可再生可变发电系统的功率斜坡率控制

摘要

本发明的某些实施例可包括用于控制可再生可变发电系统中的功率斜坡率的系统和方法。根据本发明的一个示范性实施例，提供一种用于限制功率斜坡率的方法。该方法可包括通过以下步骤来调节多个可变能源(104)的共同功率输出：监视(102)所述多个可变能源(104)的共同功率输出；至少部分地基于斜坡率极限(108，112)预测所述多个可变能源(104)的共同可用功率电平(116，118)；至少部分地基于限制(204，310)所预测的共同可用功率电平(116，118)的变化率修正所预测的共同可用功率电平(116，118)；确定功率调节设置点(149)；至少部分地基于功率调节设置点(149)或经过修正的预测的共同可用功率电平(134)生成净功率命令信号(156)；至少部分地基于净功率命令信号(156)生成多个功率控制信号(166)；以及利用所述多个功率控制信号(166)控制所述多个可变能源(104)的共同功率输出。

说明书

技术领域

一般来说，本发明涉及可再生发电，更具体来说，涉及用于控制可再生可变发电系统中的功率斜坡率(ramp rate)的方法和系统。

背景技术

一般将向公用电网提供电力的太阳能电场和风电场归类为可再生可变发电系统。这些系统之所以产生可变功率是因为，太阳能或风能的收集随云层覆盖、风速等而改变。每个太阳能电场或风电场可具有多个能量收集装置，这些装置可能需要功率监视和控制以进行协调和向电网提供电力。例如，太阳能电场可包括多个光伏电池和相关联的逆变器。风电场可包括多个风力涡轮发电机和相关联的控制器和转换器。公用设施通常利用火力(燃煤和燃气)发电厂来稳定化和平衡供应给电网的电力，尤其是在间歇阳光时期期间(对于太阳能电场而言)或在变化的风力状况期间(对于风电场而言)。但是，火电厂可能要花费相对较长的时间来斜升至满工作功率产生。一些燃煤发电站可能要花数个小时从0斜升至100％满额功率，并且可能要花费甚至更长的时间来斜降。但是，取决于可用阳光和风力状况，来自可变可再生能源的功率输出可在几秒钟斜升或斜降。来自某个来源的功率输出的急剧变化可降低公用电网的频率调节能力，并且火力发电机组可能难以在可变电厂突然增大功率时突然降低它们的功率。因此，需要控制可再生可变发电系统的功率斜坡率以与功率斜坡响应速率受到限制的其它类型的发电机组更兼容。

还需要用于控制可再生可变发电系统的功率斜坡率的改进的系统和方法。

发明内容

以上需要中的一些或所有需要可通过本发明的某些实施例来解决。本发明的某些实施例可包括用于可再生可变发电系统中的功率斜坡率控制的系统和方法。

根据本发明的一个示范性实施例，提供一种用于调节多个可变能源的共同功率输出(collective power output)的方法。该方法包括：监视所述多个可变能源的共同功率输出；至少部分地基于斜坡率极限预测所述多个可变能源的共同可用功率电平；至少部分地基于限制所预测的共同可用功率电平的变化率修正所预测的共同可用功率电平；确定功率调节设置点；至少部分地基于功率调节设置点或经过修正的预测的共同可用功率电平生成净功率命令信号；至少部分地基于净功率命令信号生成多个功率控制信号；以及利用所述多个功率控制信号控制所述多个可变能源的共同功率输出。

根据本发明的另一个示范性实施例，提供一种可变能量功率调节器系统。该系统可包括控制器，该控制器可进行操作以：监视多个可变能源的共同功率输出；至少部分地基于斜坡率极限预测所述多个可变能源的共同可用功率电平；至少部分地基于限制所预测的共同可用功率电平的变化率修正所预测的共同可用功率电平；确定功率调节设置点；至少部分地基于功率调节设置点或经过修正的预测的共同可用功率电平生成净功率命令信号；至少部分地基于净功率命令信号生成多个功率控制信号；以及利用所述多个功率控制信号控制所述多个可变能源的共同功率输出。

根据本发明的另一个示范性实施例，提供一种可变能量电场。该可变能量电场可包括：多个可变能源，其可进行操作以便共同向公用系统提供电力；以及可变能量功率调节器系统，其可进行操作以监视所述多个可变能源的共同功率输出，至少部分地基于斜坡率极限预测所述多个可变能源的共同可用功率电平，至少部分地基于限制所预测的共同可用功率电平的变化率修正所预测的共同可用功率电平，确定功率调节设置点，至少部分地基于功率调节设置点或经过修正的预测的共同可用功率电平生成净电场功率命令信号，至少部分地基于净电场功率命令信号生成多个功率控制信号，以及利用所述多个功率控制信号控制所述多个可变能源的共同功率输出。

本文将详细描述本发明的其它实施例和方面，并且这些其它实施例和方面被视为是要求权利的本发明的一部分。可参考以下详细描述、附图和随附权利要求来理解其它实施例和方面。

附图说明

现在将参考随附图表和图，附图不一定按比例绘制，并且其中：

图1是根据本发明一个示范性实施例的说明性有功或视在功率调节器的框图。

图2是根据本发明一个示范性实施例的说明性修正功能的框图。

图3是根据本发明一个示范性实施例的另一个说明性修正功能的框图。

图4是根据本发明一个示范性实施例的关于时间的电厂功率输出的图表。

图5是根据本发明一个示范性实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面将参考示出本发明实施例的附图更全面地描述本发明的实施例。但是，本发明能以许多不同的形式实施，并且不应理解为局限于本文所阐述的实施例；而是，提供这些实施例是为了使本公开详尽完整，并且将向本领域技术人员全面传达本发明的范围。通篇中类似的数字表示类似的要素。本文中所使用的术语“示范性”定义成表示“实例”。

本发明的某些实施例可使得能够控制各个和共同可再生可变发电系统的功率斜坡率。根据某些示范性实施例，本发明可用于限制可变发电系统的平均斜坡率。根据其它示范性实施例，本发明可依赖于所测量的电厂的斜坡率智能地对斜坡率限制器响应整形。根据本发明的某些示范性实施例，可变能量功率调节器系统可进行操作以在可变发电厂突然下降时允许快速功率改变(仍受到平均斜坡率的限制)，但是允许快速恢复至之前值。根据本发明的其它示范性实施例，可变能量功率调节器系统还可进行操作以在电场的功率输出在相当长时间内处于稳定的功率电平时允许相对缓慢、平滑的功率变化率。

根据本发明的某些实施例，可按照功率输出发生改变时的周期的函数控制可变发电厂的斜坡率。例如，某个平均功率斜坡率可在约1分钟的时间窗内居支配地位，而另一个平均功率斜坡率可在诸如10-15分钟的更长周期内居支配地位。这些斜坡率可适用于各种范围的操作，包括启动、正常操作和关闭。根据示范性实施例，各个和共同可变功率源的功率输出的控制可基于多个时间周期，每个时间周期具有独立的可设置斜坡率极限。

在一个示范性实施例中，功率斜坡率的控制可通过由可变能量功率调节器系统传送给各个风力涡轮发电机、太阳能电池板逆变器或其它各个可再生可变能源的功率设置点来实现。

根据本发明的示范性实施例，平均斜坡率可定义为固定时间周期内功率的变化率、或所计算的瞬时变化率的平均值。数学上，平均斜坡率可如下定义：

$\mathrm{RampRate}\_\mathrm{avg}=\frac{\underset{i=n-N+1}{\overset{n}{\Sigma }}{X}_i-X_{i-1}}{T_s}\times \frac{1}{N}---\left(1\right)$

其中，

X_n＝当前的样本功率；

X_n-1＝之前采样的功率；

t＝平均时间周期；

T_s＝算法的采样间隔；

N＝t/T_s，它是在固定时间周期内取平均所需的样本数。

由于(X_n-X_n-1)+(X_n-1-X_n-2)＝X_n-X_n-2，所以所计算的平均斜坡率可简化成：

$\mathrm{RampRate}\_\mathrm{avg}=\frac{\underset{i=n-N+1}{\overset{n}{\Sigma }}{X}_i-X_{i-1}}{T_s}\times \frac{1}{N}=(X_n-X_{n-N+1})---\left(2\right)$

根据本发明的示范性实施例，可计算电厂的预测功率极限，并将其与所测量的总计功率输出值进行比较。当测量极限接近预测极限时，算法的输出可快速减小给电厂内的所有机组的功率设置点命令。

根据本发明的示范性实施例，可利用一个或多个修正功能来区分源自功率损耗的功率急剧变化和来自不同的稳态状况的功率快速增大。根据本发明的示范性实施例，修正功能可继续允许电厂从可恢复的快速功率下降快速恢复，但缓慢且更逐渐地允许电厂在净功率单调或几乎单调地增大的状况期间增大功率。因此，本发明的某些实施例可允许精确地调整功率输出以使在风力或阳光持续地快速增大期间的电厂的能量捕获最大化，同时仍能够在瞬变工况期间维持平均功率电平。

现在将参考附图描述根据本发明实施例用于控制某些可变能源的功率斜坡率的各种系统和方法。

图1示出具有斜坡受控的补充输入的可变能量功率调节器系统100。根据本发明的示范性实施例，系统100可至少部分地基于由一个或多个可变能源104产生的总计测量功率102、多个设置点以及可从中央控制器或从其它通信通道接收的其它控制输入调节这一个或多个可变能源104的功率输出。

根据本发明的一个示范性实施例，系统100可确定N个装置中的每个装置的功率控制信号166以控制多个可再生可变能源104中的每个可再生可变能源。可测量由所述多个可再生可变能源104产生的总计功率，并且总计测量功率102可在反馈系统中用于控制总计输出功率的斜坡率。

根据本发明的示范性实施例，可利用斜坡率预测算法106来预测可变能源(电场)104可产生但不会超过指定斜坡率的功率输出。例如，可利用在第一斜坡率持续时间110内的第一斜坡率极限108作为斜坡率预测算法106的输入。斜坡率预测算法106可比较在第一斜坡率持续时间110内的电场104的平均总计测量功率102输出，并可产生输出PPmax1 116值，该值可表示可由电场104产生的不会超过电场104的额定功率也不会超过在第一斜坡率持续时间110内的第一斜坡率极限108的额外功率。类似地，斜坡率预测算法106可产生额外输出。例如，可产生PPmax2 118，它可表示可由电场104产生的不会超过电场额定功率也不会超过在第二斜坡率持续时间114内的第二斜坡率极限112的额外功率。

根据本发明的示范性实施例，来自斜坡率预测算法106的输出116、118还可由相应的修正功能M1 120和M2 122进一步处理以进一步控制信号PPmax1 116和PPmax2 118，从而产生相应的经过调整的预测最大功率值APPmax1 124和APPmax2 126。下文将参考图2和图3论述修正功能M1 120和M2 122的细节。

继续参考图1，根据某些示范性实施例，可经由第一最小值选择器功能128比较APPmax1 124和APPmax2 126，并将这些输入(APPmax1 124和APPmax2 126)的最小值传递给第一最小值选择器功能128的输出130。第一最小值选择器功能128的输出130(即，经过调整的预测最大功率值APPmax1 124和APPmax2 126的最小值)可以可选地由另一修正功能M3 132(下文也将参考图2和图3对它进行论述)处理，从而产生表示可用的经过修正的预测共同功率电平的信号PWR A 134，它可用作第二最小值选择器功能136的输入。

根据一个示范性实施例，继续参考图1，表示功率调节设置点的第二输入PWR B 149可输入到第二最小值选择器功能136。取决于可控制开关146的模式选择142的状态，PWR B 149调节信号可基于有功功率(瓦特)设置点138或基于视在功率(伏特-安培)设置点140。如果选择视在功率设置点140作为调节模式，则可利用视在(S)-有功(P)功率转换器144来将有功功率设置点138转换为瓦特。根据某些示范性实施例，梯度限制器148可接受所选的功率设置点147(有功功率设置点138或经过转换的视在功率设置点140)，并可将设置点信号限制在电场104的最大额定功率。梯度限制器148还可用于限制所选的功率设置点147信号的转换率(slew rate)，并且还可调节所选的功率设置点147信号以产生功率调节设置点PWR B 149用于输入到第二最小值选择器功能136。

根据本发明的示范性实施例，第二最小值选择器功能136可进行操作以在输入中选择最小值。例如，如前所述，一个输入PWR A 134可基于斜坡率极限。如前所述，另一个输入PWR B 149可基于功率设置点。可选择这些输入的最小值作为可用于调节电场104的功率的功率参考150。可从功率参考150减去电场总计测量功率102信号以产生误差信号用于输入到PID控制器154。PID控制器154可产生限于电场额定功率的净电场功率命令156。根据一个可选的示范性实施例，前馈152路径可用于绕过PID控制器154。该前馈路径152可提供功率调节的较高带宽性能。

根据本发明的一个示范性实施例，净电场功率命令156还可经过进一步处理以便为电场104中的每个可变能源提供各个功率控制信号166。例如，可将净电场功率命令156乘以装置N的额定功率158并除以电场在线额定功率160以产生各个功率控制信号166。可选地，如果要保证进一步的求精，则可通过可选的限制器164限制所得值。例如，太阳能源可具有相关联的逆变器，其最大逆变器N功率额定值162可小于装置N的额定功率158。根据本发明的示范性实施例，装置N的所得多个功率控制信号166可用于控制上述多个可变能源(电场)104，从而基于总计测量功率102以及斜坡率或功率设置点控制的自动选择完成反馈控制环。

修正功能

图2和图3描绘根据本发明的示范性实施例可用于调节如图1中所描绘的一个或多个斜坡率受限信号(116，118，130)的示范性修正功能(M1 120，M2 122，M3 132)。图2指示，修正功能(M1 120，M2 122，M3 132)可包括低通滤波器204。根据示范性实施例，低通滤波器204可进行调整以设置截止频率、倾斜度和衰减斜率。因此，修正功能的广义输出206可以是广义输入202的带宽受限版本。在这点上，图2中的修正功能可用于消除广义输入202信号的急速波动。

图3指示修正功能(M1 120，M2 122，M3 132)的另一个示范性实施例。在这个实施例中，输入202信号可受到转换率限制器310的限制，并且取决于信号的变化方向，可产生受到第一或第二转换率限制的输出206。例如，转换率限制器310可以按由转换率向下限制(slew rate down limit)308设置的第一转换率决定一般输入202信号的减小。反之，一般输入202信号的增大可由第二转换率决定，而第二转换率可基于额外的输入信号，包括平均斜坡率306、斜坡率极限304和瞬时斜坡率向上增益302。根据示范性实施例，图3中所描绘的修正功能可允许在减小功率时快速改变，但当增大功率时可将变化率限制在较慢值。

根据本发明的示范性实施例，如图4中所描绘，取决于调节方向以及不同的斜坡率持续时间窗，诸如图1中的100的可变能量功率调节器系统可不同地调节电场或电厂功率输出。例如，图4中的图表400描绘作为时间函数的示范性电厂功率输出曲线图。在一个示范性实施例中，各种环境或其它状况可使电厂功率输出由于例如来自可再生能源的功率的突然损耗而快速下降402。如果功率然后变得可用(即，风速又起来，或者云层覆盖消失)，则可快速校正404在相对较短时间周期内的功率输出的下降。另一方面，当可用功率增大时，可变能量功率调节器系统100可将电厂功率输出限制在较慢的转换率406。在这点上，取决于功率改变的方向以及在可用功率减小402或增大406之前可能已经发生的之前改变，可变能量功率调节器系统100可允许电厂功率输出具有不同的调节转换率。当可变能源104稳定地产生功率时，可变能量功率调节器系统100可将输出功率调节至稳态408。

现在将参考图5中的流程图来描述用于控制多个可变能源的共同输出的示范性方法500。方法500在方框502开始。在方框504，根据本发明的一个示范性实施例，可监视诸如104的多个可变能源的共同或总计测量功率102输出。在方框506，可至少部分地基于斜坡率极限108、112来预测可变能源104的共同可用功率电平。在方框508，可至少部分地基于限制所预测的共同可用功率电平的变化率来修正所预测的共同可用功率电平。在方框510，可确定功率调节设置点。在方框512，可至少部分地基于功率调节设置点或基于经过修正的预测的共同可用功率电平生成净电场功率命令156信号。方法500在方框514继续，在方框514，可至少部分地基于净电场功率命令156信号生成多个功率控制信号。在方框516，可利用所述多个功率控制信号166来控制上述多个可变能源104的共同功率输出。方法500在方框518结束。

因此，本发明的某些示范性实施例可提供创建用于控制多个可变能源的各个和共同功率输出的某些系统和方法的技术效果。本发明的某些示范性实施例可提供另外的技术效果，即，提供用于控制可变能源104的功率斜坡率的系统和方法。

在本发明的某些实施例中，诸如100的可变能量功率调节器系统可包括经执行以便于任何操作的任何数量的软件应用。

在某些实施例中，一个或多个输入/输出(I/O)接口可便于可变能量功率调节器系统100、外部控制器和一个或多个I/O装置之间的通信。例如，通用串行总线端口、串行端口、盘驱动器、CD-ROM驱动器和/或诸如显示器、键盘、小键盘、鼠标、控制面板、触摸屏显示器、麦克风等的一个或多个用户接口装置可便于与可变能量功率调节器系统100的用户交互。这一个或多个I/O接口可用于从各种各样的输入装置接收或收集数据和/或用户指令。在本发明的各个实施例中，根据需要，所接收的数据可由一个或多个计算机处理器处理，和/或存储在一个或多个存储器装置中。

一个或多个网络接口可便于将可变能量功率调节器系统100输入和输出连接到一个或多个合适的网络和/或连接；例如，便于与同该系统相关联的任意数量的传感器通信的连接。这一个或多个网络接口还可便于连接到一个或多个合适的网络；例如，用于与外部装置和/或系统通信的局域网、广域网、互联网、蜂窝网络、射频网络、Bluetooth^TM启用网络、Wi-Fi^TM启用网络、基于卫星的网络、任何有线网络、任何无线网络等。

根据需要，本发明的实施例可包括具有比如图1、2和3所示的组件更多或更少的组件的可变能量功率调节器系统100。

上文参考根据本发明的示范实施例的系统、方法、设备和/或计算机程序产品的框图和流程图描述了本发明。将了解，框图和流程图中的一个或多个方框、以及框图和流程图中的方框的组合可分别由计算机可执行程序指令来实现。类似地，根据本发明的一些实施例，框图和流程图中的一些方框不一定要按照所介绍的顺序执行，或者不一定要全部执行。

这些计算机可执行程序指令可加载到通用计算机、专用计算机、处理器、或其它可编程数据处理设备中以产生特定机器，从而使得在该计算机、处理器或其它可编程数据处理设备上执行的指令创建用于实现在这个或这些流程图方框中所指定的一个或多个功能的部件。这些计算机程序指令也可存储在计算机可读存储器中，以指示计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式起作用，从而使存储在计算机可读存储器中的指令产生包括用于实现在这个或这些流程图方框中所指定的一个或多个功能的指令部件的制品。作为一个实例，本发明的实施例可提供包括计算机可用介质的计算机程序产品，在该计算机可用介质内实施了计算机可读程序代码或程序指令，所述计算机可读程序代码适于经执行以实现在这个或这些流程图方框中所指定的一个或多个功能。计算机程序指令也可加载到计算机或其它可编程数据处理设备中以便在该计算机或其它可编程设备上执行一系列操作要素或步骤，从而产生计算机实现的进程，以使得在该计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实现在这个或这些流程图方框中所指定的功能的要素或步骤。

因此，框图和流程图中的方框支持用于执行指定功能的部件的组合、用于执行指定功能的要素或步骤的组合、以及用于执行指定功能的程序指令部件。还将了解，框图和流程图中的每个方框、以及框图和流程图中的方框的组合可由用于执行指定功能、要素或步骤的基于专用硬件的计算机系统、或专用硬件和计算机指令的组合来实现。

尽管结合目前被认为最实用的各种实施例描述了本发明，但要了解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，它要涵盖包含在随附权利要求范围内的各种修正和等效布置。尽管本文采用特定术语，但只是使用它们的广义的描述性含义，而不是用于限制的目的。

本书面描述利用实例公开包括最佳模式的本发明，并且还使得本领域技术人员能够实现本发明，包括制作和使用任何装置或系统并执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员可想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的字面语言没什么不同的结构元素，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元素，则它们要在权利要求的范围内。

部件列表

100可变能量功率调节器系统

102总计测量功率

104可变能源

106斜坡率预测算法

108共同斜坡率1极限

110斜坡率1持续时间

112共同斜坡率2极限

114斜坡率2持续时间

116预测的可用功率PPmax1

118预测的可用功率PPmax2

120修正功能M1

122修正功能M2

124经过调整的预测最大功率APPmax1

126经过调整的预测最大功率APPmax2

128第一最小值选择器功能

130经过调整的预测最大功率1和2的最小值

132修正功能M3(可选)

134可用的经过修正的预测共同功率电平

136第二最小值选择器功能

138有功功率设置点

140视在功率设置点

142模式选择

144视在-有功功率转换

146开关

147所选的功率设置点

148梯度限制器

149功率调节设置点

150功率参考

152前馈(可选)

154：PID控制器

156净电场功率命令

158装置N的额定功率

160电场在线额定功率

162最大逆变器N功率额定值

164限制器

166装置N的功率控制信号

202广义输入

204低通滤波器

206广义输出

302瞬间斜坡率向上增益

304斜坡率极限

306平均斜坡率

308转换率向下限制

310转换率限制器

400示范电厂功率输出曲线图

402来自可再生能源的突然功率损耗

404来自可再生能源的突然功率增益

406输出的缓慢斜升

408稳态功率输出