分布式發電系統及其控制方法
2023-05-30 09:30:21
專利名稱：分布式發電系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種分布式發電系統，其中兩個或更多個電力單元包括各自的電力供給屬性組。每個電力供給屬性組與特定電力單元的動態工作狀態相關聯。
背景技術：
在本領域中，已知如下分布式發電系統不同類型的遠端或本地電力單元與中央計算機相互連接，並共同受控於中央計算機。在公開US 2003/0144864,US 2005/0285574、 US 2008/0188955、US 5，323，328、以及US 3，719，809中，公開了這樣的分布式發電系統的各種示例。一些上述發電系統可以包括經濟調度程序，經濟調度程序計劃如何按照電力單元的相對生產成本順序對可用電力單元進行分配，從而以經濟的方式滿足未來的電力需求，使得與滿足所需電力生產相關聯的成本最小化。在 「Modelbased Fleet Optimization and Master Control of a Power Production System」， IFAC Symposium on Power Plants and Power System Control， Canada, 2006中公開了另一種分布式發電系統。該分布式發電系統包括多個不同類型的發電廠，例如化石燃料燃燒發電廠、火力發電廠、生物質燃燒發電廠以及風力發電廠。在各級發電系統中的預先建模和控制系統設法在遵循經濟和技術特性的相關約束的同時，盡最大可能地利用發電廠資源。現有技術中的分布式發電系統通常以如下方式工作根據電力生產單元的固定電力生產計劃表來分配大部分計劃性電力生產。每個電力生產單元的固定電力生產根據電力生產單元各自的成產計劃而設置，並由經濟調度程序計算。根據生產計劃的實際電力生產與消耗之間的(例如由短期暫態現象所引起的)偏差通常通過特定分配給該任務的一個或多個專用電力單元進行校正。所述一個或多個專用電力單元被設置生效，從而在保持生產計劃或計劃表上的其他電力單元的電力生產的同時，生產所需的修正電力量，用於補償檢測到的電力偏差或不平衡。根據本發明，主控制系統連接到第一和第二電力單元各自的本地控制系統，並接收表示它們各自的動態工作狀態的屬性數據。通過第一和第二電力單元各自供給修正電力量(可以是負的或正的)從而來降低或消除實際電力消耗和生產之間的偏差或不平衡。第一和第二電力單元中的每一個都包括相關聯的電力供給屬性組，其中該電力供給屬性用於表示所述電力單元的動態工作狀態。電力供給屬性可以表示產生率約束、電力儲備、時間常數、或任何其他的與第一和第二電力單元中的一個的電力生產或消耗特性相關聯的變量。主控制系統可以利用各電力供給屬性的當前值來確定在第一和第二電力單元之間分配修正電力生產以滿足工作指標或約束的最適當方式。屬性數據的動態特性確保主控制系統可以了解到第一和第二電力單元的當前工作點，並因此獲知與第一和第二電力單元中的每一個的修正電力生產有關的相關約束，其由電力供給屬性的值反映出來。這些約束中的一些可以與所述電力單元的具體特性有關， 並由電力單元的熱力學性質和/或規模給予。例如，大型化石燃料燃燒發電廠可以具有相對大的時間常數用於增加/減少其電力生產，而可再充電能量儲蓄器可以具有非常小的時間常數用於生產或輸送電力。其他的約束與所述電力單元的動態工作狀態有關。例如，電力單元可以在某特定時刻以全電力生產能力運行，或可耗盡能量。因此，電力單元可能取決於實際環境而不能增大其電力生產，或者至少需要在能夠重新獲得供給電力能力之前進行再充電。
發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種分布式發電系統，包括-第一類型的第一電力單元，適於根據第一本地控制系統生產電力，-第一電力單元，具有與第一電力單元的動態工作狀態相關聯的第一電力供給屬性組；-第二類型的第二電力單元，適於根據第二本地控制系統生產電力，-第二電力單元，具有與第二電力單元的動態工作狀態相關聯的第二電力供給屬性組；-主控制系統，適於接收來自第一和第二本地控制系統的、表示它們的相應電力供給屬性組中的各個值的屬性數據，-主控制系統適於將預期或目標設定點電力與第一和第二電力單元供給的總電力進行比較，在此基礎上形成電力偏差，-主控制系統用來通過分別向第一和第二本地控制系統提供第一和第二校正信號，使得第一和第二電力單元根據該信號生產或消耗各自的修正電力量，來降低電力偏差。 主控制系統適於基於屬性數據在第一和第二電力單元之間分配修正電力量。根據本發明，主控制系統可操作地連接到第一和第二電力單元各自的本地控制系統，並接收表示它們的各電力供給屬性組的值的屬性數據。主控制系統優選地實現為運行在中央計算機(例如基於PC或UNIX的伺服器或伺服器組)上的軟體應用程式或電腦程式。主控制系統可以通過根據通信標準例如LAN、WLAN、GSM、UMTS等工作的有線數據通信網絡(包括專用電話線)或無線數據通信網絡分別與第一和第二本地控制系統相互連接。 屬性數據可以通過合適的專用或標準化協議例如網際協議(TCP/IP)進行傳送。有線或無線數據通信網絡優選地應當提供足夠頻繁的屬性數據傳送，以使得能夠儘可能密切地反映第一和第二電力單元中的每個的動態工作狀態。每一個本地控制系統適於基於所述電力單元的動態工作狀態確定並存儲電力供給屬性組的當前值。每一個本地控制系統可以基於運行於置於電力生產單元附近(例如廠房內)的本地伺服器上的電腦程式。然而，歸因於適合本分布式發電系統的電力單元的不同類型和規模，本地控制系統可以形成為適當編程的嵌入式微控制器，或者形成為邏輯算術單元的專用集合。後種類型的簡單本地控制系統將會特別適合於與家用電器或相似類型的相對小的電力單元集成到一起。在本說明書和權利要求中，術語「動態工作狀態」指的是與電力單元的電力消耗或生產能力有關的熱力學/或電氣過程狀態。動態工作狀態可以為例如鍋爐溫度、蒸汽溫度、鍋爐壓力、蒸汽或水的流值、風力載荷、風標速度(wind speed)或漿距角(pitch angle)、或者電池組或組件的充電狀態等。第一和第二電力供給屬性組的當前值對主控制系統的可用性確保主控制系統能夠為第一和第二生產單元之間的修正電力供給確定合適的分配。第一和第二電力供給屬性組的當前值還允許以動態的方式獲得與特定電力供給屬性相關聯的適當約束。這對主控制系統應用模型預測控制方案來為第一和第二電力單元之間的修正電力供給計算適當的分配是非常有用的。更新的或當前屬性數據表示所述電力單元的實際動態工作狀態，其與反映電力單元的過去工作狀態的廢棄或不準確的屬性數據相對。因此，優選地是頻繁地傳送屬性數據以確保當前屬性數據對主控制系統來說是可用的。在本分布式發電系統的任意特定實施例中，如何傳送頻繁更新的屬性數據取決於第一、第二以及可能的另外的電力單元的個體特性。特別有利的是，確保主控制系統以小於第一和第二電力單元的各個時間常數中最小時間常數的一半的時間間隔或採樣時間周期接收更新的屬性數據。這確保至少臨界地採樣第一和第二電力單元中的每個的動態工作狀態，即，以大於奈奎斯特速率的速率採樣。在分布式發電系統情況下，這意味著具有最快響應時間(即，最小時間常數)的電力單元的本地控制系統可以被相當頻繁地詢問或採樣其電力供給屬性的當前值，例如以20秒的時間間隔的詢問或採樣，或者甚至是以更快的時間間隔例如小於10秒的時間間隔或小於2秒的時間間隔進行詢問或採樣。具有較大的時間常數的其他電力單元的各採樣時間周期可以設置成與具有最小時間常數的電力單元的採樣時間周期基本一致，或者可以設置成較長但適於以如下方式來匹配各時間常數每個電力單元以高於或等於其奈奎斯特速率的採樣速率進行採樣。在現代的數據通信網絡中，很容易獲得遵從上述採樣時間周期範圍的更新屬性數據所需的傳輸速率。對於第一和第二電力單元的地理位置不存在任何約束，因此它們可以例如就近放置在電廠的共用房屋上，或者放置在相同電廠的共用建築物內。第一和第二電力單元或者可以放置到不同的地理位置，例如分隔數百公裡的不同城市、鄉村或州鎮，但是它們要耦合到由本分布式發電系統服務的共同電力網。在本說明書中，術語「電力單元」指的是可操作地耦合到主控制系統並能夠將電力供給到本分布式發電系統和/或消耗來自本分布式發電系統的電力的任何電力生產或消耗設備。因此第一和第二電力單元均可以適於專用於消耗來自分布式發電系統的電力。 在這種情況下，主控制系統將只能夠通過使得第一和第二電力單元根據通過各電力供給屬性的值進行的確定的分配消耗相應的修正電力量，來抵償總電力相對於目標設定點電力的過剩量。電動機和家用電器為後種類型的示例性電力單元。在本發明的許多應用中，如果第一和第二電力單元適於專用於消耗電力，則是不切實際的，因此最好第一和第二電力單元中的至少一個適於為分布式發電系統生產電力。或者，第一和第二電力單元中的一個或者兩者可以既能夠為分布式發電系統生產電力又能夠從其中消耗電力。第一和第二電力單元優選地選自如下組化石燃料燃燒發電廠、生物質燃燒發電廠、陸地或近海風力發電廠、垃圾焚化發電廠、核能發電廠、電動車輛、可再充電能量儲蓄器、冷藏庫(cold storage house)、家用電器、電動機。本分布式發電系統的個體電力單元的各種特性(即，電力生產、電力消耗或兩者)以及不同規模意味著系統的個體電力單元的最大電力輸出或最大電力消耗可以明顯不同，例如從IOOkW到800MW。最低限IOOkW可以表示單個小風力發電機或者小的可再充電能量儲蓄器，例如電動車輛的電池組。取決於第一和第二電力單元的特性，第一和第二電力單元的第一和第二電力供給屬性組分別可以包括若干相同類型或不同類型的電力供給屬性。一些類型的電力供給屬性與其他類型的電力供給屬性相比，對某些類型或範疇的電力單元具有較大的相關性。特定電力單元的電力供給屬性的數量和類型可以例如根據電力單元是否只能夠消耗電力，或只能夠生產電力，或者既能夠消耗電力又可以生產電力來決定。優選的是，第一電力供給屬性組和第二電力供給屬性組的類型之間存在一定的重疊，以有助於主控制系統利用所述重疊，與同類型電力供給屬性的當前值(例如第一和第二時間常數的當前值)成正比的方式分配修正電力量。由此可見，第一和第二電力供給屬性組的電力供給屬性的數量可以不同或相同。第一電力供給屬性組優選地包括選自以下組的至少一個電力供給屬性第一產生率約束、第一電力儲備、第一時間常數、第一邊際電力成本、以及第一能量儲備；而第二電力供給屬性組優選地包括選自以下組的至少一個電力供給屬性第二產生率約束、第二電力儲備、第二時間常數、第二邊際電力成本、以及第二能量儲備。根據本發明的優選實施例，主控制系統適於在第一和第二電力單元之間以與同類型電力供給屬性的值正比例或反比例分配修正電力量。這可以通過主反饋迴路實現，該主反饋迴路適於從總電力中減去目標設定點電力來產生電力偏差，並通過第一和第二比例積分調節器(「PI調節器」)分別產生第一和第二校正信號。第一 PI調節器可以布置在電力偏差和第一校正信號之間，而第二 PI調節器可以布置在電力偏差和第二校正信號之間，以便於在主控制迴路中提供兩個並行且獨立的運算PI調節器。每個PI調節器具有積分時間常數和增益係數，並且主控制系統可以控制第一和第二 PI調節器的增益係數設置，使增益係數與同類型電力供給屬性的值成正比，其中同類型電力供給屬性例如為第一和第二電力供給屬性組的第一和第二產生率約束或第一和第二時間常數。在本發明的另一個實施例中，主控制系統適於基於第一對同類型電力供給屬性的值和第二對同類型電力供給屬性的值、根據預定的優先級方案、在第一和第二電力單元之間分配修正電力量。預定的優先級方案為主控制系統提供了用於進一步優化的機制，以在分布式發電系統的各電力單元之間優化如何分配修正電力量的生產或消耗。在某些情況下，可以通過電力單元的若干不同組合來滿足施加於電力偏差的約束。這當然特別可能存在於包括多個電力單元以及相關聯的電力供給屬性組的本分布式發電系統的實施例中，其中多個電力單元例如可以為多於3個、4個或5個的個體電力單元。在主控制系統通過估計第一類型的電力供給屬性的各個值已確定電力單元的若干不同組合能夠滿足約束的情況下，主控制系統優選地適於通過確定另一種類型的電力供給屬性的各個值而繼續進行，並使用該第二決策準則或規則來確定如何在個體電力單元之間分配修正電力量的生產或消耗。預定的優先級方案可以包括-基於第一對同類型電力供給屬性的值，確定第一和第二電力單元中的任一單個電力單元是否能夠滿足施加於電力偏差的約束，-如果單個電力單元能夠滿足該約束，則基於第二對同類型電力供給屬性的值而選擇該單個電力單元來生產或消耗修正電力量。在本發明的一個實施例中，預定的優先級方案包括-選擇第一和第二產生率約束作為第一對同類型電力供給屬性，並選擇第一和第二邊際電力成本作為第二對同類型電力供給屬性。或者，預定的優先級方案可以包括選擇第一和第二時間常數作為第一對同類型電力供給屬性；以及-選擇第一和第二邊際電力成本作為第二對同類型電力供給屬性。根據本發明的另一有利實施例，主控制系統包括模型預測控制(MPC)，該模型預測控制具有可表示為線性程式(linear program)的線性性能函數。第一和第二電力單元在線性程式中通過各線性模型例如時域模型、頻域模型或狀態空間模型等進行表示。第一和第二電力供給屬性組的電力供給屬性在線性程式中表示為相應約束。根據該實施例，最小化目標設定點電力與總電力之間的瞬時電力偏差的基礎控制問題被變換成或轉換成使用MPC技術的最優化問題。通過適當的設計或規劃線性性能函數，甚至是在本發明的、包括大量不同的要被主控制系統考慮的電力供給屬性的實施例中， 也可以以最優化的方式控制第一和第二電力單元之間的修正電力分配。可以指定線性性能函數，以使得其包括第一和第二電力供給屬性組中的每個的全部電力供給屬性或只包括其子集。本發明人已證明可以將線性性能函數代替通常利用的二次標準(second norm) 或二次性能函數應用到當前控制/最優化問題的模型預測控制公式中。線性性能函數對將最優化問題分解成線性問題的能力具有顯著有利的影響，與傳統二次或非線性最優化問題相比，求解線性問題可以顯著降低計算工作量。線性性能函數允許實際中實時控制複雜的分布式發電系統，其中該複雜的分布式發電系統包括具有相關聯的電力供給屬性組的多個個體電力單元。本發明的特別具有吸引力的實施例通過在其中應用Dantzig-Wolfe分解來計算線性性能函數。對於確定選擇第一和第二電力供給屬性組中的哪些電力供給屬性用於隨時間計算第一和第二電力單元之間的修正電力分配，與確定和應用經驗法則的潛在複雜集合相比，這種MPC方法可能更為有效。同樣地，基於MPC的主控制系統的線性性能函數的合適設計可以替換上述主反饋迴路的第一和第二 PI調節器以及相關聯的增益係數操作，以隨時間控制第一和第二電力單元之間的修正電力的分配。根據本發明的一個實施例，主控制系統包括MPC，線性程式的約束矩陣包括具有分塊對角元素的塊角(block-angular)結構，分塊對角元素表示第一和第二電力單元或執行器(effectuator)各自的線性模型和電力供給屬性。在該實施例中，分塊對角元素表示個體電力單元，以便提供直觀的方式將線性程式劃分成子問題。每個子問題優選地包括單個電力單元，而主問題或管理程序(supervisor)用於協調跟隨設定點電力或參考電力。主控制系統優選地適於將Dantzig-Wolfe分解應用到線性程式的約束矩陣的塊角結構中。Dantzig-Wolfe分解允許使用較少的計算資源或使用給定的計算能力以較少的時間求解當前線性最優化問題。快速求解最優化問題的能力對保持實時控制分布式發電系統的能力來說至關重要，特別是對包括一個或多個、具有小時間常數的電力單元的發電系統來說特別重要。在本發明的某些實施例中，主控制系統適於在計算時間超過了施加於主控制系統的採樣時間約束的情況下，提早終止線性程式的計算。主控制系統從線性程式中確定第一校正信號的當前值並且從線性程式中確定第二校正信號的當前值，並將第一校正信號的當前值提供給第一本地控制系統，將第二校正信號的當前值提供給第二本地控制系統。
該實施例的優點在於通過執行線性程式的提早終止以及利用第一和第二校正信號各自的當前值作為第一和第二本地控制系統的輸入，可以避免違反屬性數據傳送到主控制系統的採樣時間間隔。在本文中，「提早」指的是在Dantzig-Wolfe解達到收斂之前終止線性程式。因為線性程式的Dantzig-Wolfe解的所有主要迭代導致了可行的輸出，因此可以進行線性程式的這種提早終止。本發明人獲得的實驗數據已證明將第一和第二校正信號的這樣的當前值應用到電力單元相應的本地控制系統中導致了主控制迴路的穩定行為。根據本發明的優選實施例，主控制系統適於從外部源接收儲備活動信號(reserve activation signal)或簡表(profile)，並將儲備活動信號所指示的儲備電力加到設定點電力上。外部源可以是負責監測和校正特定區域或地方的電力生產和消耗之間的不平衡的輸電系統運營商(TSO)，其中該特定區域或地方包括本分布式發電系統。儲備活動信號可以包括說明儲備電力的全部電力供給概況的連續時間信號，所述概況包括必須在短時間內跟隨的電力供給梯度。為了確保第一和第二電力供給屬性組的各值準確地反映第一和第二電力單元的相應動態工作狀態，主控制系統優選地適於以小於10分鐘的採樣時間周期接收更新的屬性數據，該採樣時間周期優選地為小於5分鐘，諸如小於2分鐘或1分鐘，或者小於20秒， 諸如小於2秒。因為不同的電力單元可以具有不同時間常數，因此主控制系統可以以不同的採樣時間周期或頻率來獲得或讀取第一和第二電力供給屬性組的屬性數據的各值，使得更新的屬性數據在一定的傳送中可以只包括與具有較小時間常數的電力單元相關聯的電力供給屬性的更新值。屬性數據的用於表示與具有較大時間常數的一個或更多電力單元相關聯的電力供給屬性的那部分可能不會在屬性數據的每次新傳送中都進行更新。這意味著，與具有較大時間常數的電力單元的屬性值相比，具有較小時間常數的電力單元的電力供給屬性組的值可以更頻繁地被確定或讀取(或以較高的採樣速率更新)。在本發明的優選實施例中，第一和第二電力供給屬性組分別包括第一時間常數和第二時間常數。主控制系統適於以小於第一和第二時間常數中較小時間常數的一半的採樣時間周期來接收更新的屬性數據。遵循該條件，確保了至少臨界地採樣第一和第二電力單元各自的電力供給屬性組的值，即，以它們各自的奈奎斯特頻率或高於奈奎斯特頻率採樣， 以便於準確地反映第一和第二電力單元各自的動態工作狀態。然而，如上所述，第一和第二電力單元各自的電力供給屬性組或者可以以不同的採樣時間周期、優選地以如下方式確定在該方式中，至少臨界地採樣每個電力供給屬性組的值。優選地，應該儘快校正檢測到的電力偏差，使其保持在分布式發電系統穩定工作下的最小實際值，這是因為電力偏差通常對TSO總的來說在經濟上是不利的。主控制系統因此可適於提供小於5分鐘的響應時間來校正電力偏差，響應時間優選地是小於3分鐘或 1分鐘，例如小於30秒。該響應時間定義為如下時間段從目標設定點電力的ΔΡ大小的步進式變化開始，直至63%的得到的電力偏差已通過修正電力量的生產或消耗進行了校正為止。根據本發明的第二方面，提供了一種用於控制分布式發電系統的個體電力單元的電力生產的方法。該方法包括如下步驟
a)第一類型的第一電力單元根據第一本地控制系統生產電力；b)確定與第一電力單元的動態工作狀態相關聯的第一電力供給屬性組的值；c)第二類型的第二電力單元根據第二本地控制系統生產電力；d)確定與第二電力單元的動態工作狀態相關聯的第二電力供給屬性組的值；e)將來自第一和第二本地控制系統的、表示它們的各電力供給屬性組的各值的屬性數據傳送到主控制系統；f)將預期或目標設定點電力與第一和第二電力單元所供給的總電力進行比較；g)基於目標設定點電力和總電力，計算電力偏差；h)基於屬性數據計算第一和第二電力單元各自的修正電力量，用於降低電力偏差；以及i)通過第一和第二電力單元供給各自的修正電力量。為了確保第一和第二電力供給屬性組各自的屬性數據的值分別準確地反映第一和第二動態工作狀態，主控制系統優選地適於以小於10分鐘的採樣時間周期確定更新的屬性數據，該採樣時間周期更優選地為小於5分鐘，諸如小於2分鐘或1分鐘，或者小於20秒。第一和第二電力供給屬性組優選地分別包括第一時間常數和第二時間常數，-主控制系統適於以小於第一和第二時間常數中較小的時間常數的一半的採樣時間周期來接收第一和第二電力供給屬性組中的至少一個的值。
下面結合附圖對本發明的優選實施例進行更詳細的描述，其中圖1是根據本發明的第一實施例的分布式發電系統的示意圖，圖2是圖1所示的分布式發電系統的模型輸送修正電力的響應時間的MATLAB仿真圖，圖3是根據本發明的第二實施例的分布式發電系統的主控制系統的模型預測控制實施的線性性能函數的Dantzig-Wolfe分解的示意圖，圖4a)示出了根據電力單元數量的每次採樣平均執行時間，用於在仿真示例性分布式發電系統的主控系統中求解模型預測控制問題，圖4b)示出了根據預測時域(horizorON的每次採樣平均執行或計算時間，用於在仿真示例性分布式發電系統的主控制系統中求解模型預測控制問題，圖5a)示出了在仿真示例性分布式發電系統的主控制系統中，模型預測控制問題的不受限和受限Dantzig-Wolfe的個體採樣的計算時間的變化，以及圖5b)示出了圖5a)中所示出的不受限Dantzig-Wolfe解與提早終止或受限 Dantzig-Wolfe解之間的電力輸出差異。
具體實施例方式圖1是根據本發明的優選實施例的分布式發電系統1的簡單示意圖。該分布式發電系統1或分布式電力系統包括四種不同類型的電力單元6、7、8和9，電力單元6、7、8和9 通過公用通信網絡與主控制系統2相互連接。主控制系統2包括運行主控制程序的中央計
11算機。為了簡單起見，表示電力單元6、7、8和9的負荷的電力網未在本示意圖中示出。中央計算機優選地為基於PC或UNIX的伺服器。在本發明的示例性實施例中，由實現為MATLAB/ 仿真應用程式所生成的DLL集合的主控制程序執行以下所述的各種計算。主控制系統2在運行為Wonderware 應用伺服器解決方案的中央電廠監控系統下運行。中央電廠監控系統按需調用DLL集合。電力總計裝置14適於測量四種不同類型的電力單元6、7、8和9供給到電力網或從電力網消耗的總電力。該測量的總電力可以方便地通過主控制系統2基於四個電力單元 6、7、8和9中的每一個的測量電力供給或消耗而計算出來。電力單元6、7、8和9各自的本地計算機化控制系統(未示出)測量所述電力生產單元所生產或消耗的電力，並通過通信網絡或接口向主控制程序傳送相應數據。預期或目標設定點電力15與測量總電力11 一起進入主控制系統2的減法功能元件17，在所示減法功能元件17的輸出處形成得到的電力偏差，該電力偏差指示耦合到分布式發電系統1的電力網中的電力生產和消耗之間的不平衡。目標設定點電力15由經濟調度程序確定，該經濟調度程序根據電力網的例如在8至36小時之前的預先計劃或預計電力消耗，為電力單元6、7、8和9中的每一個計算生產計劃16或計劃表。除了設定點電力15之外，分布式發電系統1能夠以電力儲備活動簡表10的形式處理選擇電力需求。電力儲備活動簡表10由輸電系統運營商(TSO)Il響應於某一區域或地方的電力生產和消耗之間的已確定的不平衡而限定。在本發明的該實施例中，TSO 11向主控制系統2傳送連續的時間儲備活動信號10。該連續的時間儲備活動信號10定義了儲備電力的電力供給概況，包括電力供給梯度，分布式發電系統1必須在較短的時間內遵循該電力供給梯度(與之前所描述的長期生產計劃相反)。電力偏差18指示了目標設定點電力15所限定的預期瞬時電力生產與耦合到分布式發電系統1的電力網中的電力消耗之間的差異。因為偏差對TSO 11總的來說在經濟上是不利的，所以電力偏差應該保持為穩定運行情況下的最小實際值。同樣期望的還有儘可能快地校正任何電力偏差，優選地是在10-60秒內校正電力偏差。為了降低電力偏差18，主控制系統2包括調節單元3，該調節單元3可操作地計算並向四個本地計算機化控制系統的其中三個提供相應校正信號，使得電力單元6、7和8中的每個根據控制信號生產各自的修正電力量。在本分布式發電系統1中，這些校正信號實施為相應校正數據，該校正數據由主控制系統2傳送到三個本地計算機化控制系統。由於很難準確預測風力發電站9的電力生產以及缺乏恰當的電力生產控制機制，在本實施例中沒有向風力發電站9傳送校正數據。然而，在本發明的其他實施例中，如果為此設置了合適的本地控制系統，例如合適的風力電站調節器，就可以將風力發電站9包括在內，來接收校正數據。在其他三個本地計算機化控制系統的每一個中，校正數據與根據所述電力單元的生產計劃16的電力計劃數據相結合。校正數據和電力計劃數據的結合通過總計或加法單元12a、12b、12c示意性地示出。實際上，加法單元可以方便地布置在電力單元6、7和8各自的本地計算機化控制系統內部。對三個電力單元6、7和8的每個提供校正數據導致了電力單元6、7和8的每個的相應電力修正量的生成，從而導致在預期方向(即，降低電力偏差 18的方向)上適合地調節總測量電力19。由電力修正量引起的對總測量電力19的調節因此可以導致增加或降低總測量電力19。主電腦程式適於基於與三個電力單元6、7和8相關聯的三個電力供給屬性組的各屬性值在三個電力單元6、7和8之間分配修正電力量，這將會在下文中進行詳細描述。在本發明當前實施例中，三個電力單元6、7和8之間的修正電力的分配由調節單元3內部的三個並行且獨立的運算比例積分(PI)調節器各自的增益係數控制。這些獨立運算PI調節器的總增益由主反饋迴路控制，該主反饋迴路延伸在電力總計裝置14的輸出的周圍，並進入減法單元或減法功能元件17的總測量電力19中。第一、第二以及第三電力單元6-8每個都具有一個與其相關聯的電力供給屬性組。每個電力供給屬性組都包括三種不同類型的屬性產生率約束、時間常數以及邊際電力成本。在本分布式發電系統1中，第一、第二和第三電力單元6、7和8之間以正比於產生率約束屬性的各個值的方式分配用於降低所確定的電力偏差18的修正電力供給。然而，在分配方案中應用合適權重的、在第一、第二和第三電力單元之間分配修正電力供給的其他方式當然也屬於與降低檢測到的電力偏差18的總目的相兼容的範圍。作為本發明當前實施例的分配方案的操作的數值示例，第一、第二和第三產生率約束的值在檢測到20MW的電力偏差的特定時間點處，通過主控制系統2根據本地控制系統所發送的屬性數據可以分別確定為3MW/分鐘、5MW/分鐘和12MW/分鐘。主控制系統2適於以如下的量來分配修正電力的供給PPl 第一電力單元的修正電力量
權利要求
1.一種分布式發電系統，包括-第一類型的第一電力單元，適於根據第一本地控制系統生產電力， -所述第一電力單元具有第一電力供給屬性組，所述第一電力供給屬性組與所述第一電力單元的動態工作狀態相關聯；-第二類型的第二電力單元，適於根據第二本地控制系統生產電力， -所述第二電力單元具有第二電力供給屬性組，所述第二電力供給屬性組與所述第二電力單元的動態工作狀態相關聯；-主控制系統，適於接收來自所述第一和第二本地控制系統的、表示它們的相應電力供給屬性組的各個值的屬性數據，-所述主控制系統適於將預期或目標設定點電力與所述第一和第二電力單元供給的總電力進行比較，並在此基礎上形成電力偏差，-所述主控制系統用來通過分別向所述第一和第二本地控制系統提供第一和第二校正信號，使得所述第一和第二電力單元根據所述第一和第二校正信號生產或消耗相應的修正電力量，來降低所述電力偏差，-所述主控制系統適於基於所述屬性數據在所述第一和第二電力單元之間分配所述修正電力量。
2.根據權利要求1所述的分布式發電系統，其中，所述第一和第二電力單元中的至少一個適於為所述分布式發電系統生產電力以及消耗來自所述分布式發電系統的電力。
3.根據權利要求1所述的分布式發電系統，其中，所述第一和第二電力單元中的至少一個適於專用於消耗來自所述分布式發電系統的電力。
4.根據權利要求1所述的分布式發電系統，其中，所述第一和第二電力單元中的至少一個適於專用於為所述分布式發電系統生產電力。
5.根據前述權利要求中任一項所述的分布式發電系統，其中，所述第一電力供給屬性組包括選自以下組的至少一個電力供給屬性第一產生率約束、第一電力儲備、第一時間常數、第一邊際電力成本、第一能量儲備，-所述第二電力供給屬性組包括選自以下組的至少一個電力供給屬性第二產生率約束、第二電力儲備、第二時間常數、第二邊際電力成本、第二能量儲備。
6.根據前述權利要求中任一項所述的分布式發電系統，其中，所述主控制系統適於基於選自所述第一和第二電力供給屬性組的同類型電力供給屬性的值來在所述第一和第二電單元之間分配所述修正電力量。
7.根據權利要求6所述的分布式發電系統，其中，所述主控制系統適於以與同類型電力供給屬性的值成正比或成反比分配所述修正電力量。
8.根據前述權利要求中任一項所述的分布式發電系統，其中，所述主控制系統進一步適於-從外部源接收儲備活動信號或簡表，-將所述儲備活動信號所指示的儲備電力加到所述設定點電力上。
9.根據權利要求7或8所述的分布式發電系統，其中，所述主控制系統適於根據預定的優先級方案、基於第一對同類型電力供給屬性和第二對同類型電力供給屬性的各個值，在所述第一和第二電力單元之間分配所述修正電力量。
10.根據權利要求9所述的分布式發電系統，其中，所述預定的優先級方案包括-基於所述第一對同類型電力供給屬性的值，確定所述第一和第二電力單元中的任一單個電力單元是否能夠滿足施加於所述電力偏差的約束，-如果單個電力單元能夠滿足所述約束，則基於所述第二對同類型電力供給屬性的值而選擇所述單個電力單元來生產或消耗所述修正電力量。
11.根據權利要求9或10所述的分布式發電系統，其中，所述預定的優先級方案包括 -選擇第一和第二產生率約束作為所述第一對同類型電力供給屬性，-選擇第一和第二邊際電力成本作為所述第二對同類型電力供給屬性。
12.根據權利要求9或10所述的分布式發電系統，其中，所述預定的優先級方案包括 -選擇第一和第二時間常數作為所述第一對同類型電力供給屬性，-選擇第一和第二邊際電力成本作為所述第二對同類型電力供給屬性。
13.根據前述權利要求中任一項所述的分布式發電系統，其中，所述主控制系統包括主反饋迴路，所述主反饋迴路適於-產生所述第一和第二校正信號，-從所述總電力中減去所述目標設定點電力，以產生所述電力偏差。
14.根據權利要求13所述的分布式發電系統，其中，所述主反饋迴路包括 -布置在所述電力偏差和所述第一校正信號之間的第一比例積分調節器， -布置在所述電力偏差和所述第二校正信號之間的第二比例積分調節器， -每個比例積分調節器具有積分時間常數和增益係數，-所述主控制系統適於通過控制所述第一和第二比例積分調節器各自的增益係數來在所述第一和第二電力單元之間分配所述修正電力量。
15.根據權利要求1-5中任一項所述的分布式發電系統，其中，所述主控制系統包括模型預測控制，所述模型預測控制具有能夠表示為線性程式的線性性能函數；其中-所述第一和第二電力單元在所述線性程式中通過各線性模型諸如時域模型、頻域模型或狀態空間模型進行表示，以及-所述第一或第二電力供給屬性組的電力供給屬性在所述線性程式中表示為相應約束ο
16.根據權利要求15所述的分布式發電系統，其中，所述線性程式的約束矩陣包括具有分塊對角元素的塊角結構，所述分塊對角元素表示所述第一和第二電力單元各自的線性模型和電力供給屬性。
17.根據權利要求16所述的分布式發電系統，其中，所述主控制系統適於將 Dantzig-Wolfe分解應用於所述線性程式的約束矩陣的塊角結構。
18.根據權利要求17所述的分布式發電系統，其中，所述主控制系統適於-如果計算時間超過施加於所述主控制系統的採樣時間約束，則提早終止所述線性程式的計算，-根據所述線性程式確定所述第一校正信號的當前值，並根據所述線性程式確定所述第二校正信號的當前值，-向所述第一本地控制系統提供所述第一校正信號的當前值，並向所述第二本地控制系統提供所述第二校正信號的當前值。
19.根據前述權利要求中任一項所述的分布式發電系統，其中，所述第一和第二電力單元選自以下組化石燃料燃燒發電廠、生物質燃燒發電廠、陸上或近海風力發電廠、垃圾焚化發電廠、核能發電廠、電動車輛、可再充電能量儲蓄器、冷藏庫、家用電器、電動機。
20.根據前述權利要求中任一項所述的分布式發電系統，其中，所述第一或第二電力單元包括在充電/放電周期內具有有限能量存儲容量的可再充電能量儲蓄器。
21.根據前述權利要求中任一項所述的分布式發電系統，其中，所述主控制系統適於以小於10分鐘的採樣時間周期接收更新的屬性數據，所述採樣時間周期更優選地為小於5分鐘，諸如小於2分鐘或1分鐘，或小於20秒。
22.根據前述權利要求中任一項所述的分布式發電系統，其中，所述第一和第二電力供給屬性組分別包括第一時間常數和第二時間常數，-所述主控制系統適於以小於所述第一和第二時間常數中較小的時間常數的一半值的採樣時間周期來接收更新的屬性數據。
23.根據前述權利要求中任一項所述的分布式發電系統，其中，用於校正所述電力偏差的響應時間小於5分鐘，優選地小於3分鐘或1分鐘，諸如小於30秒；-所述響應時間定義為如下時間段所述時間段為從所述目標設定點電力的ΔΡ大小的步進式變化開始，直至得到的電力偏差的63%已通過所述修正電力量的生產或消耗被校正為止。
24.一種用於控制分布式發電系統的個體電力單元的電力生產的方法，所述方法包括如下步驟a)第一類型的第一電力單元根據第一本地控制系統生產電力，b)確定與所述第一電力單元的動態工作狀態相關聯的第一電力供給屬性組的值，c)第二類型的第二電力單元根據第二本地控系統生產電力，d)確定與所述第二電力單元的動態工作狀態相關聯的第二電力供給屬性組的值，e)將來自所述第一和第二本地控制系統的、表示它們的相應電力供給屬性組的各個值的屬性數據傳送到主控制系統，f)將預期或目標設定點電力與所述第一和第二電力單元供給的總電力進行比較，g)基於所述目標設定點電力和所述總電力，計算電力偏差，h)基於所述屬性數據，計算所述第一和第二電力單元各自的修正電力量，用於降低所述電力偏差，i)由所述第一和第二電力單元供給所述各自的修正電力量。
25.根據權利要求M所述的用於控制電力生產的方法，其中，所述主控制系統適於以小於10分鐘的採樣時間周期確定更新的屬性數據，所述採樣時間周期更優選地為小於5分鐘，或小於2分鐘或1分鐘或20秒，諸如小於2秒。
26.根據權利要求M或25所述的用於控制電力生產的方法，其中，所述第一和第二電力供給屬性組分別包括第一時間常數和第二時間常數，-所述主控制系統適於以小於所述第一和第二時間常數中較小的時間常數的一半的時間周期接收所述第一和第二電力供給屬性組中的至少一個的值。
全文摘要
本發明涉及一種分布式發電系統，其中兩個或更多個電力單元包括各自的電力供給屬性組。每個電力供給屬性組與特定電力單元的動態工作狀態相關聯。
文檔編號H02J3/00GK102365593SQ201080010387
公開日2012年2月29日 申請日期2010年1月29日 優先權日2009年2月3日
發明者克勞斯·B·希爾格, 克裡斯蒂安·舍爾德博爾格·埃德隆德, 湯米·摩爾巴克, 簡·H·莫滕森, 約翰·巴泰普·約爾根森, 西蒙·伯雷森 申請人:東能源公司