电力系统中的方法、控制器、计算机程序、计算机程序产品和电力系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种电力系统（1）中的方法（20），该电力系统（1）包括一个或多个发电源（3，4，5）以及具有电池能量存储（10）的动态功率补偿器（6）。该方法（20）包括步骤：检测（21）电力系统（1）内需要将附加发电源（3，4，5）连接至电力系统（1）以便满足功率需求的频率扰动；以及在附加发电源（3，4，5）的起动期间对来自动态功率补偿器（6）的电池能量存储（10）的功率输出进行控制（22），由此对电力系统（1）内的频率扰动加以限制。本发明还涉及一种控制器、计算机程序、计算机程序产品和电力系统。
【专利说明】电力系统中的方法、控制器、计算机程序、计算机程序产品和电力系统
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及电力系统的领域，并且尤其涉及这样的电力系统内的频率支持。
【背景技术】
[0002]电力系统的用户期望来自电力系统的可靠供电并且有各种方式来确保电力系统的无中断操作。例如，电力系统应当被设计为即使在失去其最大的单个发电源的情况下仍然应当能够保持电力出力和消耗之间的总体平衡。
[0003]失去电力系统中的发电源将会导致系统频率下降。其它发电源可以增加其出力以补偿所失去的发电源对发电的功率贡献。为了将电力系统恢复至稳定状况并且借此避免服务中断，因此就必须接入其它常规的能量生成源。这样的例如燃气涡轮机、柴油发动机、蒸汽涡轮机、水力发电等的源需要一段起动时间并且在可靠性方面存在局限。例如，热力发电厂由于在不对锅炉施加机械应力的情况下难以足够快地提高锅炉内的温度而响应相对缓慢。其它发电源具有其它局限性，例如气体涡轮机虽然具有快速的响应时间，但是其效率较低并且因此生产成本较高。
[0004]鉴于以上，将期望在初始频率下降和恢复之后的稳定状态之间进行桥接时对频率扰动的处理得以改进。
【发明内容】
[0005]本发明的目标是提供一种用于在检测到电力系统内的频率下降而需要激活附加发电源时使得过渡阶段得以改进的器件和方法。
[0006]根据本发明的第一方面，该目标通过一种电力系统中的方法而实现，该电力系统包括一个或多个发电源以及具有电池能量存储的动态功率补偿器。该方法包括步骤:检测电力系统内需要将附加发电源连接至电力系统以便满足功率需求的频率扰动；并且在附加发电源的起动期间对来自动态功率补偿器的电池能量存储的功率输出进行控制，借此对电力系统内的频率扰动加以限制。
[0007]借助于本发明，来自电池能量存储的功率输出被用于减少例如由失去发电源所导致的频率下降。本发明提供了用于快速应对短期扰动的器件和方法，并且为电网运行人员提供更多时间用于附加发电源的起动过程。因此，能够使用在常规情况下较不适合作为备用源的发电源，例如在达到全容量之前具有缓慢起动过程的发电源。另外，能够最优地设置电池能量存储的规格，即可以使得电池能量存储中所装备的能量最小化。
[0008]在一个实施例中，对来自动态功率补偿器的电池能量存储的功率输出进行控制的步骤包括对峰值模式中的功率输出进行控制。
[0009]在一个实施例中，该方法包括进一步的步骤:对持久模式中的电池能量存储进行控制，这期间电池能量存储的功率输出被单独利用或者在附加发电源的起动期间与来自附加发电源的功率输出相结合地被加以利用。
[0010]在以上实施例中，来自电池能量存储的功率输出可以通过电力系统的频率下垂或频率偏差进行控制。
[0011]在一个实施例中，该方法包括另外的步骤:在持久模式之后，使得电池能量存储的功率输出缓降直至附加发电源以其全容量运行。
[0012]在一个实施例中，该方法包括另外的步骤:使得来自电池能量存储的功率输出从峰值模式的功率输出水平缓降至持久模式的功率输出水平。
[0013]在一个实施例中，该峰值模式包括在检测到频率扰动时的第一时间段，在该峰值模式中，电池能量存储被布置为向电力系统提供其完全功率输出容量。
[0014]在一个实施例中，动态功率补偿器包括在其DC侧连接至电池能量存储的电压源转换器或静态同步补偿器。
[0015]在一个实施例中，频率扰动由损失了发电源之一所导致。
[0016]根据本发明的第二方面，该目标通过一种用于对具有电池能量存储的动态功率补偿器进行控制的控制器而实现，该动态功率补偿器连接至包括一个或多个发电源的电力系统。该控制器被布置为:检测电力系统内需要将附加发电源连接至该电力系统以便满足功率需求的频率扰动；并且在附加发电源的起动期间对来自动态功率补偿器的电池能量存储的功率输出进行控制，借此对电力系统内的频率扰动加以限制。
[0017]根据本发明的第三方面，该目标通过一种用于对动态功率补偿器进行控制的控制器的计算机程序而实现，该动态功率补偿器连接至电力系统。该计算机程序包括计算机程序代码，当在该控制器上运行该计算机程序代码时，使得该控制器执行步骤:检测电力系统内需要将附加发电源连接至该电力系统以便满足功率需求的频率扰动；并且在附加发电源的起动期间对来自动态功率补偿器的电池能量存储的功率输出进行控制，借此对电力系统内的频率扰动加以限制。
[0018]本发明还包括一种计算机程序产品，其包括如上所述的计算机程序以及其上存储有该计算机程序的计算机可读器件。
[0019]根据本发明的第四方面，该目标通过一种电力系统而实现，该电力系统包括一个或多个发电源以及具有电池能量存储的动态功率补偿器，该电力系统进一步包括控制器，该控制器被布置为在检测到电力系统内需要将附加发电源添加至该电力系统以便满足功率需求的频率扰动时，连接该电池能量存储，以立即在附加发电源的起动期间向该电力系统提供输出功率，借此对电力系统内的频率扰动加以限制。
[0020]通过阅读以下描述和附图，其另外的特征和优势将变得清楚明了。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1示意性图示了可以在其中实施本发明实施例的环境。
[0022]图2图示了电池能量存储依据其充电状态的不同的可能使用模式。
[0023]图3图示了电池能量存储的峰值模式和持久模式的定义。
[0024]图4图示了电池能量存储的操作的示意性序列。
[0025]图5图示了频率下垂控制。
[0026]图6图示了电池能量存储控制。[0027]图7图示了针对电网频率变化的示例性频率区域。
[0028]图8图示了根据本发明的方法的步骤的流程图。
[0029]图9图示了用于实施图8的方法的器件，并且特别为控制器。
【具体实施方式】
[0030]在以下描述中，出于解释而非限制的目的，给出了诸如特定架构、接口、技术等的具体细节以便提供对本发明的全面理解。然而，对于本领域技术人员将明显的是，本发明可以以脱离这些具体细节的其它实施例进行实践。在其它实例中，省略了对公知的设备、电路和方法的详细描述以免本发明的描述被不必要的细节所混淆。相似的附图标记通篇指代相似的要素。
[0031]图1示意性图示了可以在其中实施本发明实施例的环境。特别地，在下文中被标记为电网I的电力系统I包括输电网络2。输电网络2可以包括单条输电线路或适当互连的若干条这样的输电线路。
[0032]多个发电源3、4、5通常经由升压变压器而连接至电网I。发电源3、4、5可以例如包括气体涡轮机、柴油发动机、蒸汽涡轮机、水力发电机、风力发电机等。一个或多个消耗所生成功率的负载11通常经由降压变压器也连接至输电网络2。
[0033]另外，在下文中被简单标记为功率补偿器6的动态功率补偿器6也连接至电网I。功率补偿器6可以例如包括静态同步补偿器(STATC0M)。功率补偿器6在其AC侧通常经由电抗器7和变压器8连接至电网I。功率补偿器6可以在其DC侧连接至电容器组9。功率补偿器6进一步包括电池能量存储10，该电池能量存储10在其DC侧与之连接并且与电容器组9并联连接。电池能量存储10可以包括锂电池系统，所述锂电池系统包括一个或多个电池单元串。
[0034]控制器12被布置为对功率控制器6进行控制，并且如随后将要描述的，特别包括用于对其电池能量存储10进行控制的器件。控制器12被布置为接收来自通常经由智能电子设备所提供的诸如电压互感器和电流互感器之类的远程测量设备(未示出)的输入。控制器12还可以接收来自控制系统的输入，该控制系统诸如被布置为测量电池能量存储10的不同参数的SCADA (数据采集和监视控制)和/或电池管理单元，上述参数诸如电池电流、电池芯(cel I)和电池电压、温度以及还有电池的充电状态(S0C)。该电池管理单元还可以被布置为执行电池芯平衡，处理电池能量存储10的电池模块之间的内部通信，并且对通信进行处理以便往来于控制器12发送和接收数据。
[0035]简言之，在用于控制电网的常规控制方案中，利用初级控制在数秒内对自发性负载变化进行补偿。该初级控制因此提供了本地自动控制，响应于较小的频率变化而输送功率。这样的自发性、较小的负载变化例如可以为电网中功率的0.5%的量级。常规控制方案进一步包括次级控制，这是为了使得电网内的频率从例如发电源的较大损失以及随后的频率扰动中恢复而对输送功率进行的集中式自动控制。这样的较大损失可以例如包括2-3%的功率偏差。由于这样的发电源损失所导致的电网内频率扰动通常需要将附加发电源连接至电网以便满足电网内的功率需求。由发电源损失所导致的这样的频率扰动能够以各种方式进行检测，例如通过测量电网I内的频率或者等效地测量频率偏差。
[0036]常规控制方案还可以包括进一步的控制等级，诸如包括手动设置电力调度序列并管理阻塞等的三级控制。
[0037]与常规发电源3、4、5相比，来自功率补偿器6特别是其电池能量存储10的功率立即可用。依据本发明的各方面对这一事实加以利用。
[0038]图2图示了电池能量存储10根据其充电状态(SOC)的不同可能使用模式。X轴图示时间而y轴则图示来自电池能量存储10的输出功率。在时间点tstart，检测到发电的损失并且随后出现电网I中的频率下降。在a)图示出第一选项:只要电池能量存储10的SOC允许就使用来自电池能量存储10的最大功率。在b)图示出第二选项:使得能量支持能够在预先设定的例如15分钟的指定时间段期间可用。
[0039]在参考图3、4、5和6所描述的本发明的一个方面，在以初级和次级频率控制进行操作的高频或低频期间对来自电池能量存储的输出进行优化。当电网I中的频率下降时，采取某些措施以便对电池能量存储10进行控制。
[0040]频率扰动之后的第一阶段被定义为峰值模式，其在图3中图示。在该阶段中，电池能量存储10被立即接入以便对电网I中的初始频率下降进行限制，并且电池能量存储10在等待常规发电源3、4、5起动的同时被其自身所使用。电池能量存储10因此提供了跨桥(overbridging)功能以允许常规发电源3、4、5得以起动并且同时提供电网I中所需的功率。
[0041]在下一个阶段的持久模式中，电池能量存储10可以被控制从而进入持久模式。该持久模式被定义为其中电池能量存储中的剩余能量被其自身使用或者与常规发电源3、4、5相结合使用直至后者已经被完全接入。
[0042]图4图示了电池能量存储10的操作的示意性序列，其将来自电池能量存储10的功率输出P (y轴)作为时间(X轴)的函数进行图示。在时间tstart&，检测到电网I中的功率损失以及随之出现的频率扰动。电池能量存储10因此在初始峰值模式期间被立即激活，序列SI，提供例如其完全的功率容量。
[0043]电网I中在从峰值模式SI到持久模式S3的过渡期间的扰动必须得到限制。这例如可以通过应用于所调度功率量级的限速器而获得。来自电池能量存储10的功率输出P随后适当缓降，序列S2，以便避免电网I中的另一突然频率变化。最终，在序列S4，确保从电池能量存储10到电网I的功率输送并不会突然终止。为此，可以依据电池能量存储10的剩余SOC而使得来自电池能量存储10的功率输出P适当缓降。
[0044]图5图示了能够例如通过恒定下垂控制而在持久模式期间对来自电池能量存储10的功率输出进行控制。
[0045]图6图示了针对以上的可替换形式，特别是能够通过电网I的频率偏差而在持久模式期间对来自电池能量存储10的功率输出进行控制。
[0046]电池能量存储10在其间以持久模式运行的时间段能够通过所应用的函数来确定，例如缓降的1/T特性等，这将在以下进行例示。
[0047]如之前所指示的，来自功率补偿器6的功率输出遵循图7所示的频率的下垂函数。特别地，指示了功率补偿器6的峰值输出水平。以上所描述的持久模式可以被视为附加轴，其中在第一峰值之后对输出进行调节以经受约定时间。由若干种方式来得出持久模式期间的输出水平。
[0048]第一种方式是用所期望的持久时间除以峰值模式之后的可用的能量并且使得输出最大化至该水平。
[0049]一种略微更加先进的方法是使得剩余持久时间与剩余SOC相关并且重新计算例如每秒钟的输出。SOC能量因此被除以例如达15分钟的剩余时间，并且数据将最终具有“ I/T”的形状(如图4中的S4)。在具有恒定信号的理想情况下，这将给出与第一方法相同的输出，其中图4中的S3和S4因此将为“直线”。在实际情况下，频率有所变化，并且有利地在持久模式下还包括下垂函数，但是仍然识别出15分钟的需求。
[0050]以下能够作为实际示例而被提及:如果已知例如燃气涡轮机可供起动，则能够使得持久模式更为先进。因此，已知燃气涡轮机将用大约1-2分钟投入操作并且随后用数分钟缓慢上升至最大功率。因此，可以使得持久模式在开始的(数)分钟期间稍微更有力并且随后使得其输出减小更多。图4中的斜坡S2因此不会像所图示的那样陡峭。
[0051]图7因此图示了电网频率变化的示例性频率区域。可以定义数个频率区域或间隔，在这些频率区域或间隔期间，电池能量源10以不同方式被使用。正常频率f0被定义为电网I应当以其运行的频率，例如欧洲的50Hz和美国的60Hz。正常频率f0可以在间隔f0- Δ f_deadband<fO<fO+ Δ f_deadband内偏差并且仍然被认为是正常的，并且可以借助于初级控制使用死区(dead band)加以矫正。
[0052]在紧急状态下，频率距所期望的正常频率f0偏差Λ f_low或Λ f_high的量，即对于高于fO+Af_high和低于fO_Af_l0W的频率而言，进入紧急状态。在紧急状态下，只要其SOC允许，电池能量存储10可以以其完全容量来使用。
[0053]在警告状态下，针对处于Af_deadband以外但是在范围Af_high和Λ f_low内的频率变化，电池能量存储10可以作为具有指定下垂常数的频率控制设备进行操作，即如之前所描述的持久模式。
[0054]图8图示了依据本发明的方法的步骤的流程图。方法20在电网I的控制器中执行，该电网I包括一个或多个发电源3、4、5以及具有电池能量存储10的功率补偿器6。方法20包括第一步骤:检测21电力系统I内需要将附加发电源3、4、5连接至该电力系统I以便满足功率需求的频率扰动。如之前所提到的，该检测可以以各种方式来执行，就如在控制器12接收电网I的测量数据和特性。
[0055]方法20包括第二步骤:在附加发电源3、4、5的起动期间对来自动态功率补偿器6的电池能量存储10的功率输出进行控制22。电网I中由于发电损失而出现的频率扰动因此能够受到限制。
[0056]在一个实施例中，对来自动态功率补偿器6的电池能量存储10的功率输出进行控制22的步骤包括对峰值模式中的功率输出进行控制。该峰值模式可以包括检测到频率扰动之后的第一时间段。在该峰值模式中，电池能量存储10例如被布置为向电力系统I提供其完全功率输出。被设置为由电池能量存储10所提供的功率量取决于其容量以及电网I内的需求。
[0057]在一个实施例中，该方法20包括进一步的步骤:对持久模式中的电池能量存储10进行控制。在该模式中，电池能量存储10的功率输出被单独利用或者在附加发电源3、4、5的启动期间与来自附加发电源3、4、5的功率输出相结合地被加以利用。随着来自附加发电源的功率增加，来自电池能量源10的功率输出可以减小。
[0058]在一个实施例中，该方法20包括进一步的步骤:在持久模式之后，使得电池能量存储10的功率输出缓降直至附加发电源3、4、5以其全容量运行。
[0059]在一个实施例中，该方法20包括进一步的步骤，使得来自电池能量存储10的功率输出从峰值模式的功率输出水平缓降至持久模式的功率输出水平。因此避免了不希望出现的突然频率变化。
[0060]本发明还包括控制器12。图9图示了控制器12，特别图示了用于实施所描述方法的器件。控制器12包括例如中央处理单元、微控制器、数字信号处理器(DSP)等的处理器33，所述处理器33能够执行存储在例如为存储器形式的计算机程序产品32中的软件指令。如之前所提到的，处理器33连接至从远程测量设备和/或诸如SCADA的控制系统接收输入的输入/输出设备30。注意到，虽然在图8中仅图示了一个处理器33，但是实施方式可以包括分布式硬件从而在运行软件时使用多个而非一个CPU。
[0061]所描述的用于对功率补偿器6进行控制的方法和算法或者其各部分可以由例如控制器12中的软件和/或专用集成电路来实现。为此，控制器12可以进一步包括存储在计算机程序产品32上的计算机程序31。
[0062]仍然参考图9，本发明还包含了这样的用于控制功率补偿器6的计算机程序31。计算机程序31包括计算机程序代码，当在控制器12并且特别是其处理器33上运行时，该计算机程序代码使得控制器12执行如所描述的方法。
[0063]还提供了包括计算机程序31以及计算机程序31存储于其上的计算机可读器件的计算机程序产品32。计算机程序产品33可以是读写存储器(RAM)或只读存储器(ROM)的任意组合。计算机程序产品62还可以包括持久性存储，其例如可以是磁存储器、光存储器或固态存储器中任意的单独一个或组合。
[0064]如各个方面中所描述的，本发明和如今的解决方案之间的差异可以根据下文进行概括:当频率由于出力损失而下降时，如果能量存储随后以其最大水平进行操作直至SOC=O，则任何已知的补救措施都将没有机会以有利方式来对电网进行支持。能量存储的高输出“缩减” 了对附加响应的需求。另一方面，如果能量存储的输出始终受到限制从而使得当频率处于死区之外时其能够在例如“15分钟”内注入功率，电力系统可能由于功率产出中的时间滞后而至多幸存数秒。例如，对于热力发电厂而言，斜坡速率可以在相当短的时间段(数秒)内高达10%，并且因此处于每分钟的1-3 (4)%的量级。水力发电厂可能处于每秒钟5%的变化之内，其具有通常并非为最小的相位步幅响应。
【权利要求】
1.一种电力系统(I)中的方法(20),所述电力系统(I)包括一个或多个发电源(3,4, 5)以及具有电池能量存储(10)的动态功率补偿器(6)，所述方法(20)包括步骤: -检测(21)所述电力系统(I)内需要将附加发电源(3，4，5)连接至所述电力系统(I)以便满足功率需求的频率扰动；以及 -在所述附加发电源(3，4，5)的起动期间对来自所述动态功率补偿器(6)的所述电池能量存储(10)的功率输出进行控制(22)，借此限制所述电力系统(I)内的所述频率扰动。
2.根据权利要求1所述的方法(20)，其中对来自所述动态功率补偿器(6)的所述电池能量存储(10)的所述功率输出进行控制(22)的步骤包括在峰值模式中对所述功率输出进行控制。
3.根据权利要求1或2所述的方法(20)，包括进一步的步骤: -在持久模式中对所述电池能量存储(10)进行控制，在所述持久模式期间，所述电池能量存储(10)的所述功率输出被单独利用或者在所述附加发电源(3，4，5)的起动期间与来自所述附加发电源(3，4，5)的功率输出相结合地被加以利用。
4.根据权利要求3所述的方法(20)，其中来自所述电池能量存储(10)的所述功率输出通过所述电力系统(I)的频率下垂或频率偏差进行控制。
5.根据权利要求3或4所述的方法(20)，包括进一步的步骤:在所述持久模式之后，使得所述电池能量源(10)的所述功率输出缓降直至所述附加发电源(3，4，5)以其全容量运行。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法(20)，包括进一步的步骤:使得来自所述电池能量存储(10)的所述功率输出从所述峰值模式的功率输出水平缓降至所述持久模式的功率输出水平。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法(20)，其中所述峰值模式包括在检测到所述频率扰动时的第一时间段，在所述峰值模式中，所述电池能量存储(10)被布置为向所述电力系统(I)提供其完全功率输出容量。
8.根据之前任一项权利要求所述的方法(20)，其中所述动态功率补偿器(6)包括在其DC侧连接至所述电池能量存储(10)的电压源转换器或静态同步补偿器。
9.根据之前任一项权利要求所述的方法(20)，其中所述频率扰动由损失了所述发电源(3，4，5)中的一个发电源所导致。
10.一种用于对具有电池能量存储(10)的动态功率补偿器(6)进行控制的控制器(12)，所述动态功率补偿器(6)连接至包括一个或多个发电源(3，4，5)的电力系统(1)，所述控制器(12)被布置为: -检测所述电力系统(I)内需要将附加发电源(3，4，5)连接至所述电力系统(I)以便满足功率需求的频率扰动；以及 -在所述附加发电源(3，4，5)的起动期间对来自所述动态功率补偿器(6)的所述电池能量存储(10)的功率输出进行控制，借此限制所述电力系统内(I)的所述频率扰动。
11.一种用于对动态功率补偿器(6)进行控制的控制器(12)的计算机程序(31)，所述动态功率补偿器(6)被连接至电力系统(I )，所述计算机程序(21)包括计算机程序代码，当所述计算机程序代码在所述控制器(12)上运行时，使得所述控制器(12)执行步骤: -检测所述电力系统内(I)需要将附加发电源(3，4，5)连接至所述电力系统(I)以便满足功率需求的频率扰动；以及 -在所述附加发电源(3，4，5)的起动期间对来自所述动态功率补偿器(6)的所述电池能量存储(10)的功率输出进行控制，借此限制所述电力系统(I)内的所述频率扰动。
12.—种计算机程序产品(32)，其包括根据权利要求11所述的计算机程序(31)以及其上存储有所述计算机程序(31)的计算机可读装置。
13.—种电力系统(I )，包括一个或多个发电源(3,4,5)以及具有电池能量存储(10)的动态功率补偿器(6)，所述电力系统(I)进一步包括控制器(12)，所述控制器(12)被布置为在检测到所述电力系统(I)内需要将附加发电源(3，4，5)添加至所述电力系统(I)以便满足功率需求的频率扰动时，连接所述电池能量存储(10)以在所述附加发电源(3，4，5)的起动期间立即向所述电力系统(I)提供输出功率，借此限制所述电力系统(I)内的所述频率扰动。
【文档编号】H02J3/18GK103650282SQ201180071761
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2011年6月22日 优先权日:2011年6月22日
【发明者】T·拉森, R·里瓦斯, S·索伯恩, M·霍尔姆伯格 申请人:Abb研究有限公司