一種控制器中控制動態補償器的方法、控制器、電腦程式和電腦程式產品的製作方法
2023-05-22 15:35:16
一種控制器中控制動態補償器的方法、控制器、電腦程式和電腦程式產品的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種控制器（18）中的控制動態功率補償器（10）的方法（50）。動態功率補償器（10）被布置用於向電力系統（17）提供有功功率P和無功功率Q，所述動態功率補償器（10）包括電池能量存儲（14）。所述方法（50）包括步驟：監測（51）所述電池能量存儲（14）的充電狀態；檢測（52）需要增加輸送給電力系統（17）的無功功率Q的電力系統（17）的電壓水平；以及根據所監測的充電狀態和所檢測的電壓水平控制（53）電池能量存儲（14）。本發明還涉及控制器、電腦程式和電腦程式產品。
【專利說明】一種控制器中控制動態補償器的方法、控制器、電腦程式和電腦程式產品
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及電力系統領域，並且尤其涉及這樣的電力系統內的無功功率補
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【背景技術】
[0002]靜止無功補償器(SVC)和靜止同步補償器(STATC0M)為高電壓輸電系統提供無功功率，並用於調節系統電壓和穩定系統。
[0003]在輸電系統(下文中用電力網表示)中，電力負載既產生無功功率,又吸收無功功率。AC的有功功率的傳輸也與無功功率的消耗或產生相關聯。負載在例如白天和夜晚期間的變化相當大，在電力網中的無功功率的平衡因此也在變化。結果可能是無法接受的電壓幅度變化、電壓降落、或者甚至電壓崩潰。無功功率補償器可以被布置用於在各種電力網條件下連續不斷地提供控制動態電壓擺動所需要的無功功率，並且藉此改善電力系統傳輸和分配性能。在網絡中一個或更多適合的點處安裝無功功率補償器，能夠提高傳送容量並降低損耗，同時維持在不同網絡條件下的平滑電壓的分布。另外，無功功率補償器能夠通過電壓幅度調製減輕有功功率振蕩。
[0004]動態補償器是提供能量存儲的無功功率補償器。藉此能夠提供有功功率和無功功率二者。通過這樣，能夠支持電壓變化以及頻率變化和突然負載改變。
[0005]圖1示出這樣的動態功率補償器1，並且尤其是靜止同步補償器(STATC0M)，其包括電壓源轉換器(VSC)2。VSC2在其AC側典型的通過電抗器5和變壓器6連接到電力網7。
[0006]VSC2在其DC側連接到電容器組3，構成DC電壓源。動態功率補償器I進一步能夠被提供有電池能量存儲4，包括一個或多個電池串。電池能量存儲4可以例如用於電力網，其例如需要對於電網穩定所必需的頻率調節、以及用以覆蓋負載需求中的變化或者發電間歇的短期功率支持。
[0007]電池能量存儲4的電池與例如由IGBT實現的DC中斷器以及隔離開關連接成串。電池能量存儲4可以包括布置在電池單元中的多個串聯和/或並聯連接的電池元件，並且多個電池單元可以串聯連接以形成電池串。電池能量存儲4可以包括幾個這樣的並聯連接的串。
[0008]由於功率放電，電池充電狀態(SOC)下降。對於例如鋰離子電池來說，電壓隨著SOC的變化而變化。因此來自電池能量存儲4的電壓可以在充電-放電循環期間有相當大的變化。動態功率補償器I的無功功率輸出容量取決於DC電壓水平，並且因此將隨著SOC的下降而減小。由於電池能量存儲4必須超尺寸以能夠處理電壓的改變，例如通過合適地對電池能量存儲定尺寸，這繼而影響動態功率補償器I的設計。這是一個代價高昂的解決方案，其例如需要很多組件並且也需要很大的佔地面積。
【發明內容】
[0009]本發明的一個目的是克服或者至少緩和上面提到的問題。特別地，本發明的一個目的是為優化電池能量存儲的使用提供裝置和方法。
[0010]根據本發明的第一方面，由一種控制器控制動態功率補償器的方法來實現本發明的目的。該動態功率補償器被布置用於向電力系統提供有功和無功功率，該動態功率補償器包括電池能量存儲。該方法包括以下步驟:監測電池能量存儲的充電狀態；檢測需要向電力系統增加的無功功率輸送的電力系統的電壓水平；根據所監測的充電狀態和所檢測所得的電壓水平來控制電池能量存儲。
[0011]藉助於本發明，根據依據電池能量存儲的充電狀態(SOC)來提供有功功率P和無功功率Q的優化平衡，動態功率補償器附近的負載的載荷能力達到最大值。例如，可以斷開處於極低SOC水平的整個電池能量存儲以提高向電力系統的無功功率輸送。可以與來自電池能量存儲的有功功率相協調地，使用態功率補償器的所有潛在無功功率。進一步地，本發明使得一個或多個電池串斷開連接以便於維護成為可能。本發明提供的電壓變化降低，也造成動態功率補償器的設計具有較少的電池室以及改善的無功功率容量。這繼而將在補償器附近允許更高的載荷能力或者功率供應能力，這意味著能夠更有效率地使用該傳輸系統。
[0012]在一個實施例中，監測步驟包括藉助於輸入/輸出設備接收來自用於監管電池能量存儲的電池管理單元的數據。
[0013]在一個實施例中，檢測電力系統的電壓改變的步驟包括接收來自布置在電力系統中的測量設備和/或來自總控制系統的輸入信號。
[0014]在一個實施例中，控制電池能量存儲的步驟包括根據所監測的充電狀態和經檢測的電壓水平，發送用於重新配置電池能量存儲的命令。
[0015]在以上實施例中，發送用於重新配置電池能量存儲的命令的步驟可以包括向布置在電池能量存儲中的斷路器和/或隔離開關發送斷開和/或閉合信號。
[0016]在一個實施例中，監測步驟包括檢測電池能量存儲的低充電狀態，並且控制步驟包括發送用於斷開電池能量存儲的命令，由此提供由動態功率補償器向電力系統輸送的增加的無功功率。
[0017]在一個實施例中，控制步驟包括向布置在電池能量存儲內的斷路器發送斷開/閉合命令用於重新配置電池能量存儲，從而增加來自電池能量存儲的DC電壓。
[0018]在一個實施例中，電池能量存儲包括兩個或者多個電池串，每個電池串包括至少一個電池單元，並且其中這兩個或者多個電池串通過將至少一個電池單元中的一個從一個電池串連接到另一個電池串來重新配置。
[0019]在一個實施例中，在檢測電壓水平步驟中，電壓水平被檢測到落在預設的穩態電壓區間之外，並且控制步驟包括通過發送用於斷開電池能量存儲的命令或者發送用於重新配置電池能量存儲的命令來增加或減小無功功率和/或優化有功功率。
[0020]在一個實施例中，動態功率包括在其DC側連接到電池能量存儲的電壓源換流器。
[0021]根據本發明的第二方面，通過用於控制動態功率補償器的控制器來實現本發明的目的。動態功率補償器被布置用於向電力系統提供有功和無功功率，並且包括電池能量存儲。該控制器包括處理器，該處理器被布置用於:監測電池能量存儲的充電狀態；檢測需要向電力系統的增加的無功功率輸送的電力系統的電壓水平；以及根據所監測的充電狀態和所檢測的電壓水平來控制電池能量存儲。
[0022]根據本發明的第三方面的目的通過用於控制動態功率補償器的控制器的電腦程式來實現。該功態功率補償器被布置用於向電力系統提供有功和無功功率。該電腦程式包括電腦程式代碼，該代碼在控制器中運行時，導致控制器執行以下步驟:監測電池能量存儲的充電狀態；檢測需要向電力系統的增加的無功功率輸送的電力系統的電壓水平；以及根據所監測的充電狀態和所檢測的電壓水平控制電池能量存儲。
[0023]根據本發明的第四方面，通過包括上述電腦程式和其上存儲了電腦程式的計算機可讀裝置的電腦程式產品來實現本發明的目的。
[0024]本發明更多的特徵和優勢通過閱讀以下的描述和附圖將變得清楚。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1圖示動態功率補償器。
[0026]圖2示意性地圖示本發明實施例可以在其中實施的環境。
[0027]圖3圖示當電池具有高充電狀態時的電池能量存儲。
[0028]圖4圖示當電池具有低充電狀態時的電池能量存儲。
[0029]圖5圖示用於重新配置圖3和圖4的電池能量存儲的裝置。
[0030]圖6圖示關於根據本發明一個方面的方法的各步驟的流程圖。
[0031]圖7圖示用以實施圖6的方法的裝置，並且尤其是控制器。
【具體實施方式】
[0032]在以下的描述中，出於解釋而非限制的目的，列出了諸如特定架構、接口、技術等的具體細節，以便提供對本發明的深入理解。然而，對於本領域技術人員來說明顯的是，本發明可以被實踐為超出這些具體細節的其他的實施例。在其他實例中，為了不使本發明的說明書被不必要的細節所模糊，省略了熟知的設備、電路、和方法的詳細描述。貫穿說明書，相同的數字表示相同的部件。
[0033]簡略地，本發明提供了用於優化如參考圖1所描述的動態功率補償器的電池能量存儲使用的裝置和方法。藉助於布置用於根據所連接的電池能量存儲的充電狀態(SOC)來提供有功功率P和無功功率Q的優化平衡的控制器，動態功率補償器的載荷能力得以最大化。
[0034]圖2示意性地圖示本發明實施例可以在其中實施的環境。特別是，圖示的動態功率補償器包括電壓源轉換器(VSC) 12。VSC12在其AC側連接到電力系統(在下文中表示為電網17)。典型地，VSC12經由電抗器15和變壓器16連接到電網1，與圖1的設置一致。
[0035]動態功率補償器10進一步包括DC能量存儲13，14。特別是，該VSC12在其DC側連接到電容器組13，並且連接到電池能量存儲14，電池能量存儲14包括一個或多個電池串。電池能量存儲14可以包括提供維持電力網17的穩定所必需功率的鋰離子電池系統。舉例來說，對於鋰離子電池，電壓隨著SOC變化，從例如在100%S0C處的4伏每電池元件下降到0%S0C (即空電池)處的3伏每元件。
[0036]在一個實施例中，電池能量存儲14包括多個布置在電池單元中的串聯和/或並聯連接的電池元件，並且若干電池單元可以串聯連接以形成電池串24、25、26、27。如所圖示的情形，四個這樣的電池串24，25，26，27被提供並且並聯連接在VSC12的負DC母線和正DC母線之間。
[0037]電池能量存儲14可以進一步包括一個或多個執行多個不同任務的電池管理單元(BMU，未圖示)。此外，電池管理單元測量諸如電池電流、元件和電池電壓、溫度，以及電池充電狀態(SOC)的不同的參數，並且執行元件的平衡，處理電池模塊間的內部通信，並且處理通信以便向控制動態功率補償器的控制器18發送數據和從控制動態功率補償器的控制器18接收數據。每個電池串24、25、26、27可以設有相應的電池管理單元，或者每個電池單元可以設有其自己的電池管理單元。
[0038]電池能量存儲14進一步設有多個快速斷路器，如附圖標記20、21、22、23所示。例如，這樣的斷路器可以被布置在每個電池串24、25、26、27與VSC12之間。稍後具體參考圖
3、4、5，進一步描述電池能量存儲14。
[0039]控制器18被布置用於控制動態功率補償器10，從而動態功率補償器10向電網17輸送功率支持(無功功率Q的有功功率P)。控制器18被布置用於接收來自諸如電壓互感器和電流互感器的遠程測量設備(未圖示)的輸入，典型地經由智能電子設備提供。控制器18也可以接收來自諸如SCADA (監視控制與數據採集)的控制系統和/或先前描述的電池管理單元的輸入。
[0040]當從發電機注入的功率數量與被負載消耗的功率數量相等時，電網17的頻率和電壓被認為是穩定的。為了能夠實現有穩定的電壓水平，必須提供無功功率平衡。在電網17的正常狀態下，即在其中電壓水平處於可接受的並且預設的範圍的穩態下，電池能量存儲14可以用於能量交換或者將其重新充電至期望的S0C。
[0041]當檢測到電網17內的電壓脫離到該範圍之外時，必須採取措施以確保電網17的穩定。這樣的措施包括例如無功功率Q的補償。例如，電網17的電壓可能例如在某種意外事故之後緩慢衰減。如果不與之對抗(即響應)，則減小無功功率的水平將影響電網17的越來越大的區域。電網17和動態功率補償器10包括水平保護和最大傳輸容量，當達到最大傳輸容量時導致電網17特性發生突然地改變。
[0042]因此能夠以不同的方式執行電網17內的預設電壓水平偏離的檢測。
[0043]本發明提供了用於以優化的方式使用電池能量存儲14中存儲的能量以及輸出無功功率輸出的方法。在一個實施例中，給定某一可用數量的存儲能量，載荷能力被最大化。無功功率Q主要取決於VSC12能夠從DC能量存儲13、14的DC電壓產生的AC電壓和電網17AC電壓之間的電壓差異。電網17中的高AC電壓給出了最大DC電壓和AC電壓之間的很小的差異。無功功率容量繼而是適度的，但隨著AC電壓的減小而增加。
[0044]來自和去往電池能量存儲14的最大DC電流能夠隨著電池電流方向而變化。如之前所述，電池的SOC水平非常重要，因為這一水平與DC母線電壓有關。對於低SOC水平，最大無功功率輸出將被減小。
[0045]圖3圖示當電池具有高SOC配置的示例性配置下的電池能量存儲14。在這個示例情形中，四個電池串24、25、26、27並聯連接到VSC12。所圖示的每個電池串24、25、26、27包括三個串聯連接的電池單元，例如電池串24包括電池單元30、31、32。
[0046]圖4圖示當電池具有低SOC配置的示例性配置下的電池能量存儲14。特別地,為了提供期望的DC電壓，圖3的配置被重新配置從而電池串24、25、26、27的數量減小，並且每個電池串中的電池單元的數量增加。藉此通過電池能量存儲14提供增加的DC電壓。
[0047]圖5圖示用於將電池能量存儲14從圖3的高SOC配置重新配置到圖4的低SOC配置、以及相反的示例性實施方式。特別地，多個高速斷路器(典型地具有小於40ms的操作時間)，尤其是雙位斷路器(在下文中表示為斷路器)，被用於電池能量存儲14。在圖5中，第一電池串24被布置為在每個電池單元30、31、32的每側帶有斷路器。也就是說，第一電池串24中的第一電池單元30連接到VSC12。在第一電池串24中的第一電池單元30和串聯連接的第二電池單元31之間，提供了兩個斷路器41、42。類似的，在第一電池串24中的第二電池單元31和第三串聯連接的電池單元32之間，提供了兩個斷路器43、44。第三個電池單元32經由又一斷路器45連接到VSC12。第二電池串25的第一電池單元46經由斷路器40連接到VSC12。當斷路器40、41、42、43、44、45閉合(利用最左邊的電流通道)時，就獲得了圖3的高SOC配置。當斷路器40、41、42、43、44、45斷開(利用最右邊的電流通道)，就獲得了圖4的低SOC配置。
[0048]換個方式來描述，當從高SOC配置切換到低SOC配置，第一電池串24的每個電池單元30、31、32與剩下的電池串中相應的電池串25、26、27中的電池單元串聯連接。
[0049]選擇斷路器使得系統的重新配置時間儘可能短。這樣的斷路器的示例包括雙位隔離開關，基於快速轉換開關的雙位轉換開關，諸如在由與本申請同一 申請人:的國際專利公開文本W00137299中公開的。
[0050]優選的，IGBT閥被用於臨時阻止電池能量存儲14中的電流，以允許預期的機械性重新配置。該切換應該快速進行以便不影響電網17，例如在5-40ms內，取決於機械開關的選擇。
[0051]作為另一個優勢，可以提及所圖示的設置也允許處於維修的原因斷開一個或多個電池串。
[0052]圖6圖示關於在控制器18中執行的方法的步驟的流程圖。方法50包括監測51電池能量存儲14的充電狀態的第一步驟。這可以通過控制器18從之前所述的電池管理單元接收關於SOC的數據來實現。該監測可以連續執行，即，控制器18連續地接收來自合適的電池管理單元的數據，或者定期地，例如在預定的時間點。
[0053]方法50包括檢測52電力系統17中的電壓水平的第二步驟，該電壓水平需要增加的向電力系統17的無功功率Q的輸送。如所述，這樣的需求例如可以通過確定在電網17內測量的電壓位於穩態運行所定義的範圍之外而檢測到。測量數據可以從不同的設備、和/或從SCADA系統接收到。
[0054]方法50包括根據所監測的充電狀態和所檢測的電壓水平來控制53電池能量存儲14的第三步驟。
[0055]根據S0C，並且考慮電網17狀態和需求，控制器能夠發送用於重新配置電池能量存儲14的命令。該命令可以包括發送斷開和/或閉合信號至斷路器40、41、42、43、44、45中的合適的斷路器。電池能量存儲14能夠例如被重新配置，使得來自電池能量存儲14的DC電壓得以增加，如參考圖3-5所描述的。
[0056]在一個實施例中，監測步驟51包括檢測電池能量存儲14的低S0C。控制步驟53繼而包括發送用於斷開全部電池能量存儲14的命令。藉此，通過動態功率補償器10輸送至電網17的無功功率Q增加，並且電網17的電壓不穩定性能夠得以減輕。[0057]在一個實施例中，在檢測52電壓水平的步驟中，電壓水平被檢測到落在預設的穩態電壓區間之外。控制53步驟繼而包括增加或減小無功功率Q和/或調整有功功率P從而減小網絡中無功功率的損耗。這可以通過發送用於斷開電池能量存儲14的命令或發送用於重新配置電池能量存儲14的命令來實現。在某種情況中，可能得出一個針對P的最優值，例如參見引文[Stefan G Johansson, Gunnar Asplund, Erik Jansson 和 RobertoRudervall 的「POWER SYSTEM STABILITY BENEFITS WITH VSC DE-TRANSMISSION SYSTEMS」，B4-204 會議 2004，CIGRE]。
[0058]本發明也包含控制器18。圖7圖示控制器18，並且尤其是用於實現所描述的方法的裝置。控制器18包括處理器63，例如中央控制單元、微控制器、數位訊號處理器(DSP)等，其能夠執行存儲在例如形式為存儲器的電腦程式產品62中的軟體指令。處理器63連接到如之前所述的從遠程測量設備和/或從諸如SCADA的控制系統接收輸入的輸入/輸出設備60。值得注意的是雖然在圖7中僅示出了一個處理器63，但是實施方式可以包括分布的硬體，從而在運行軟體時使用多個CPU而非一個。
[0059]所描述的用於控制動態功率補償器10的方法和算法或其中的部分，可以由例如控制器18中軟體和/或專用集成電路來實現。為此，控制器18可以進一步包括存儲在電腦程式產品62中的電腦程式61。
[0060]仍然參考圖7，本發明也包含這樣的用於控制動態功率補償器10的電腦程式61。電腦程式61包括當在控制器18中並且尤其是在其中的處理器63中運行時，使控制器18執行所描述的方法的電腦程式代碼。
[0061]也提供電腦程式產品62，其包括電腦程式61以及在其上存儲了電腦程式61的計算機可讀裝置。電腦程式產品83可以為任何讀寫存儲(RAM)或只讀存儲(ROM)的組合。電腦程式產品62也可以包括永久存儲，其例如可以是磁存儲器、光存儲器、或固態存儲中單獨的一個或組合。
【權利要求】
1.一種控制器(18)中的控制動態功率補償器(10)的方法(50)，所述動態功率補償器(10)被布置用於向電力系統(17)提供有功和無功功率(P，Q)，所述動態功率補償器(10)包括電池能量存儲(14),所述方法(50)包括步驟: -監測(51)所述電池能量存儲(14)的充電狀態， -檢測(52)需要增加輸送給所述電力系統(17)的無功功率(Q)的所述電力系統(17)的電壓水平，以及 -根據所監測的充電狀態和所檢測的電壓水平控制(53 )所述電池能量存儲(14 )。
2.根據權利要求1所述的方法(50)，其中所述監測步驟(51)包括藉助於輸入/輸出設備(60 )接收來自被布置用於監管所述電池能量存儲(14 )的電池管理單元的數據。
3.根據權利要求1或2所述的方法(50)，其中所述檢測(52)所述電力系統(17)的電壓改變的步驟包括接收來自布置在所述電力系統(17)中的測量設備和/或來自總控制系統的輸入信號。
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法(50)，其中所述控制(53)所述電池能量存儲(14 )的步驟包括根據所監測的充電狀態和所檢測的電壓水平，發送用於重新配置所述電池能量存儲(14)的命令。
5.根據權利要求4所述的方法(50)，其中所述發送用於重新配置所述電池能量存儲(14)的命令的步驟包括向布置在所述電池能量存儲(14)內的斷路器(20，21，22，23 ;40，41，42，43，44，45)發送 斷開和/或閉合信號。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法(50)，其中所述監測(51)步驟包括檢測所述電池能量存儲(14)的低充電狀態，並且所述控制(52)步驟包括發送用於將所述電池能量存儲(14)斷開的命令，由此提供由所述動態功率補償器(10)向所述電力系統(17)輸送的增加的無功功率(Q)。
7.根據權利要求1-5中任一項所述的方法(50)，其中所述控制(53)步驟包括向布置在所述電池能量存儲(14)內的斷路器(20，21，22，23 ;40，41，42，43，44，45)發送斷開/閉合命令用於重新配置所述電池能量存儲(14)，從而增加來自所述電池能量存儲(14)的DC電壓。
8.根據權利要求7所述的方法(50)，其中，所述電池能量存儲(14)包括兩個或多個電池串(24，25，26，27)，每個電池串(24，25，26，27)包括至少一個電池單元(30，31，32)，並且其中通過將所述至少一個電池單元中的一個電池單元從一個電池串連接到另一個電池串，對所述兩個或多個電池串(24，25，26，27)進行重新配置。
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法(50)，其中，在所述檢測(52)電壓水平的步驟中，所述電壓水平被檢測落在預設的穩態電壓區間之外，並且所述控制(53)步驟包括通過發送用於斷開所述電池能量存儲(14)的命令或通過發送用於重新配置所述電池能量存儲(14)的命令來增加或減小無功功率(Q)和/或有功功率(P)。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法(50)，其中，所述無功功率補償器(10)包括在其DC側連接到所述電池能量存儲(14)的電壓源換流器(12)。
11.一種用於控制動態功率補償器(10)的控制器(18)，所述動態功率補償器(10)被布置用於向電力系統(17)提供有功和無功功率(P，Q)，所述動態功率補償器(10)包括電池能量存儲(14 )，所述控制器(18 )包括處理器(63 )，所述處理器(63 )被布置用於:-監測所述電池能量存儲(14)的充電狀態， -檢測需要增加輸送給所述電力系統(17)的無功功率(Q)的所述電力系統(17)的電壓水平，以及 -根據所監測的充電狀態和所檢測的電壓水平控制所述電池能量存儲(14 )。
12.一種用於控制器(18)控制動態功率補償器(10)的電腦程式(61)，所述動態功率補償器(10)被布置用於向電力系統(17)提供有功和無功功率(Q)，所述電腦程式(61)包括電腦程式代碼，電腦程式代碼當在所述控制器(18)中運行時，使所述控制器(18)執行步驟: -監測(51)所述電池能量存儲(14)的充電狀態， -檢測(52)需要增加輸送給所述電力系統(17)的無功功率(Q)的所述電力系統(17)的電壓水平，並且 -根據所監測的充電狀態和所檢測的電壓水平控制(53 )所述電池能量存儲(14 )。
13.一種電腦程式產品(62)包括一種根據權利要求12所述的電腦程式(61)，和其上存儲了所述電腦程式(61 )的計算機可讀裝置。
【文檔編號】H02J3/18GK103503267SQ201180070739
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2011年12月28日 優先權日:2011年5月10日
【發明者】T·拉森, K·索伯恩, S·索伯恩 申請人:Abb研究有限公司