功率系统和操作功率系统的方法
【专利摘要】一种功率系统，包括包含多个发电机(10)的发电站(100)，和AC集电电网(200)，所述AC集电电网(200)被适配用于将发电站(100)和HVDC换流站互连。AC集电电网被适配用于操作外部网络规定，从而实现诸如简化的控制与电子元件的优点。还提供了一种操作功率系统的方法。
【专利说明】功率系统和操作功率系统的方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及功率系统，并且更具体地涉及一种包括多个连接到HVDC换流站的发电机的功率系统。本发明还涉及一种操作这一功率系统的方法。
【背景技术】
[0002]光伏(PV)发电系统的吸引力在于其提供没有C02排放量和其他常规能源缺陷的发电方式。然而，它们的缺陷在于对于发电来说最佳的地点在地理上位于热带，远离主要负载中心。为此，如果大规模采用光伏，远距离输电有可能是必要的。
[0003]对于很长的距离和海底输电，优选方法为目前的高压直流(HVDC)输电。创建具有HVDC连接的PV电站最直观的方式示于图1中。电站包括大量串联和并联PV板以形成阵列。这些阵列被连接到逆变器，所述逆变器将来自PV板的未调节的DC输出转换为成经调节的AC电压，并确保PV阵列操作在最大功率点。逆变器通过变压器将功率馈送到MV AC集电电网。集电电网被连接到电流源转换器HVDC换流站，这需要大的滤波器和电容器组，以用于补偿谐波电流和与晶闸管转换器相关联的无功功率需求。另外，系统的启动提出了技术挑战，这是因为集电电网中没有大的电压源，诸如同步发电机，其能够允许向集电电网供能。缓解这个问题的一种方式是在集电电网中提供STATC0M或柴油发电机组单元。然而，这意味着原本应当优选避免的成本和功率损失。
【发明内容】
[0004]本发明的一个目的在于消除或至少缓解现有技术的问题，并提供一种与现有技术功率系统相比更简单并更易于控制的功率系统。
[0005]本发明基于包括私有的功率集电系统的功率系统的操作可以不同于由诸如IEEE1547规定管辖的功率系统这一洞见。
[0006]根据本发明的第一方面，提供了一种功率系统，其包括包含多个发电机的发电站，和适配用于将发电站和HVDC换流站互连的AC集电电网，所述系统的特征在于:AC集电电网被适配用于操作外部网络规定。
[0007]在优选的实施例中，发电机包括光伏阵列。
[0008]在优选的实施例中，逆变器被适配用于提供谐波滤波的一部分，并优选是全部。以这种方式，对AC集电电网和HVDC站的要求得以降低。
[0009]根据本发明的第二方面，提供了一种操作根据权利要求1所述的功率系统的方法，其包括:执行通过按步骤的方式进行的启动，以及操作DC集电电网(200)外部网络规定。
[0010]附加的优选实施例由从属权利要求限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]通过示例参考附图，现在描述本发明，其中:
[0012]图1是根据现有技术的功率系统的示意图；以及
[0013]图2是根据本发明的功率系统的示意图。
【具体实施方式】
[0014]在下文中，将给出功率系统和操作这一系统的方法的详细说明。
[0015]图1已经在【背景技术】部分中进行了描述，并在此不作进一步的评论。
[0016]参考图2, —种功率系统包括:发电站，一般记为100,其具有多个发电机10和多个逆变器20，其中每个逆变器被连接到相应的发电机。在大型发电站中，可以有从100个逆变器至多达上千个逆变器或甚至更多。因此，发电站100是具有发电的局部化分组的微电网。
[0017]在一个优选的实施例中，发电机被包括在大的光伏电站，并且每个发电机10为光伏(PV)阵列。一种光伏电站，也被称为太阳能场或太阳能场，为设计用于将功率供应到电网的大规模光伏系统。它们不同于大多数建筑物安装的和其他非集中的太阳能发电应用，这是因为它们以公共电力的等级供应功率，而不是针对本地用户或多个本地用户。
[0018]发电站100通过HVDC换流站(一般记为300)经由AC集电电网(一般记为200)可连接到公共功率网络。所述HVDC换流站300可以使用基于晶闸管的线路换向转换器而具有HVDC连接。具有低成本和低损耗的基于电流源转换器的HVDC可以用于本来是不可能的应用。
[0019]功率流总是单向的，这意味着DC侧的电压极性将是恒定的，这意味着挤出式交联聚合物电缆可以用于DC输电。
[0020]根据由逆变器提供的有源滤波以及集电电网中降低的谐波需求，HVDC站中滤波的量可以减小。在一个优选实施例中，逆变器20被适配用于提供谐波滤波的一部分，优选为全部谐波滤波，由此，HVDC站中的滤波进一步得以减小。这根据标准IEC61000-1-14可以是优选的。
[0021]AC集电电网200适配用于将发电站100和HVDC换流站300互连。集电电网基本上是私有的功率集电系统，并且与公共输电网的唯一接口是HVDC换流站300。因此，公共电网中有关功率质量的常用约束不会应用在集电电网200的内部。在这个意义上，对于电压降落和/或总谐波失真等的限制将仅取决于部件的技术限制，并且将不必遵守任何严格的规定，诸如IEEE1547，因此导致可能的成本更低的部件和简单的控制。
[0022]由于太阳能的性质，PV发电站100每天必须启动至少一次，S卩，在日出期间。随着PV电站100包括众多的PV逆变器20，这些可以被用于连接到输电系统之前为集电电网供能。PV逆变器20具有分别基于下垂控制无功和有功功率(V-Q和p-f)的电压和频率控制。
[0023]对于所有PV逆变器20的协调控制，中央控制器(未示出)位于HVDC换流站的低压(LV)侧处于副控制水平。
[0024]还提供了分布式控制器，其将在主控制水平上对PV逆变器20进行本地化控制。提供通信基础设施来保证控制器之间的信息交换。
[0025]当集电电网一直处于供能状态并且同步时，需要的基本上是中央控制器。其作用在于保证就电压和频率而言在集电电网连接到电网之前是绝对同步的。另外，在操作中，如果发生电网中的频率上升超过预定义水平的情况时，中央控制器应该向本地分布式控制器传递频率信号，使得它们减少其功率输出以保持频率处于极限之内。
[0026]在一个优选实施例中，PV逆变器20通过按步骤的方式在启动时对集电电网200供倉泛。
[0027]使用PV逆变器单独控制有功功率和无功功率的能力，以使逆变器共同地执行集电电网的电压调节，并提供由HVDC换流站消耗的无功功率。在一个优选实施例中，使用下垂控制功能。这意味着无功功率相对于电压被施加到每一个逆变器。另外，在启动过程中，逆变器可以被用来为集电电网供能。这可以通过这样的方式来完成，即，逐个或可替换地，一组接一组，激活逆变器并将其连接到电网。
[0028]PV逆变器被适配用作部分或全部的谐波滤波并且不受集电电网中的剩余谐波影响。
[0029]PV逆变器能够提供HVDC站在操作时所需要的无功功率的一部分或者全部。
[0030]上述功率系统的操作的例子将在下面进行描述，特别是参考启动、供能过程，其在优选实施例中是通过按步骤的方式进行的。随着第一缕晨光，总PV阵列的一个子集的一个PV逆变器20将随着电压源逆变器(VSI)控制逻辑开始操作。因此，逆变器将预定义的电压值、幅度和相位、以及频率馈入集电电网200。有功和无功功率将取决于负载，其在这种连接中是集电电网的电缆布线和/或任何可控制的负载或能量存储器，见下文。然后，同一子集的第二 PV逆变器也可以作为VSI开始操作，与第一个共享功率。在第二逆变器能够连接之前，本地控制器必须确保电压的幅度和相位尽可能与第一反相器的值接近，从而避免多余的电流。作为并联的VSI工作的子集中的所有PV逆变器可以如此继续。在这种情况下，逆变器通过从电缆布线和/或滤波器产生的电感而耦合。在其中多余一个逆变器可以充当VSI的方案是所谓的多主机操作。
[0031]另一个选项是所谓的单主机操作，其中一个子集中的单个PV逆变器20可以充当主机并且所有其它的可以操作在PQ模式，提供基于来自本地或中央控制器的设置点的有功功率和无功功率。在后一种情况下，逆变器应当绝对同步。在该第二选项中，优选具有存储设备，这是由于只有一个逆变器将必须扮演主机的角色。
[0032]当所有子集中的所有PV逆变器20在操作时，所述子集可以被互连以形成PV电站的总集电电网。每个子集可以被看作是一个小岛。同步条件(相序、电压、和频率)将由本地控制器进行验证。
[0033]当所有PV逆变器同步工作，并且集电电网受到供能时，HVDC站将整个PV电站连接到输电电网，并且可以接管频率控制。同步条件应当由中央控制器进行检验。在HVDC控制器将从本地逆变器处取得控制的情况下，其将具有预定义的功率，并将向本地控制器发送信号。假如本地控制器应用MPPT(最大功率点跟踪)，那么这些控制器将是那些向HVDC控制器发送功率参考的控制器，其随后将提供与各个逆变器之和一样多的功率。
[0034]假如PV电站包括某些种类的能量存储器和/或可控负载，供能过程可以得到辅助。在那种情况下，针对这些部件，也应当考虑副控制器。在一个优选实施例中，功率系统包括能量存储设备。这些能量存储设备，例如电池、燃料电池、续流元件等，可以在启动过程中通过对电缆和/或变压器供能而提供帮助。可控负载可以有助于频率控制(P-f下垂)。
[0035]在上述优选实施例中，有功潮流将是单向的。换句话说，由于在发电站100和AC集电电网没有消耗有功功率，有功功率将仅从发电站100到HVDC换流站300的方向上流动。这继而意味着HVDC换流站300的电压是单极的。
[0036]已经对功率系统和操作功率系统的方法的优选实施例进行了说明。要认识到，这可以在所附的权利要求书的范围内变化，而不脱离本发明构思。
[0037]在所描述的实施例中，所有发电机已经被描述为连接到逆变器的PV阵列。要理解的是，本发明构思也适用于其他类型的功率源，诸如DC发电机。可替换地，PV阵列被替换为风力发电机或者补充以风力发电机。
【权利要求】
1.一种功率系统,包括: -发电站(100)，所述发电站(100)包括多个发电机(10)，以及 -AC集电电网(200)，所述AC集电电网(200)被适配为将所述发电站(100)和HVDC换流站(300)互连， 其特征在于: 所述AC集电电网(200)被适配为操作外部网络规定。
2.根据权利要求1所述的功率系统，其中每一个发电机(10)为光伏阵列。
3.根据权利要求1或2所述的功率系统，其中所述AC集电电网(200)被适配为连接到基于HVDC的电流源转换器。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的功率系统，其中在述HVDC换流站(300)处的直流电压是单极的。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的功率系统，其中所述发电站(100)包括多个逆变器(20)，其中每一个逆变器被连接到相应的发电机(10)。
6.根据权利要求5所述的功率系统，其中所述逆变器(20)具有基于下垂控制有功和无功功率的电压和频率控制。
7.根据权利要求5或6所述的功率系统，其中所述逆变器(20)被适配用于提供一部分谐波滤波，并且优选为全部谐波滤波。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的功率系统，其中所述逆变器(20)被适配用于提供所述HVDC换流站所要求的一部分所述无功功率，并且优选为提供所述HVDC换流站所要求的全部所述无功功率。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的功率系统，其中所述规定涉及对于电压降落和/或总谐波失真的限制。
10.一种操作根据权利要求1所述的功率系统的方法，包括以下步骤: -通过按步骤的方式执行启动，以及 -在网络规定外部操作所述AC集电电网(200)。
【文档编号】H02J3/38GK104272547SQ201280072966
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2012年6月5日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】S·诺加, A·马里诺普洛斯, K·帕帕斯特吉奥, P·巴卡斯 申请人:Abb研究有限公司