本發(fā)明涉及用于發(fā)電和配電的微電網(wǎng)領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于控制虛擬發(fā)電機的方法以及虛擬發(fā)電機，其允許發(fā)電機組(也稱為發(fā)動機-發(fā)電機或發(fā)電機組)的操作再現(xiàn)。

背景技術(shù)：

微電網(wǎng)通常是旨在在孤立的和遠離大型電能產(chǎn)生中心的區(qū)域中產(chǎn)生和分配電功率的本地電網(wǎng)。孤立的區(qū)域例如是島嶼、山區(qū)或沙漠地區(qū)。當連接到廣泛的配電網(wǎng)的建筑物、鄰域、校園或其它實體希望不同地管理其電能的產(chǎn)生并增加其恢復(fù)(resilience)能力時，微電網(wǎng)原理也適用。

微電網(wǎng)的主要優(yōu)點是它們自主操作(在島嶼模式下，不連接到公共電網(wǎng))，并且位于消耗區(qū)域(負載)附近。因此，長距離配電網(wǎng)固有的損耗是有限的。

微電網(wǎng)的能量自主性通常由各種類型的電源提供，所述電源的發(fā)電機組起重要作用(在這種情況下稱為同步電源)。具體來說，從經(jīng)濟的角度來看，發(fā)電機組代表小的初始投資，并且提供足夠靈活以吸收在高峰時間的消耗尖峰(spike)的發(fā)電。然而，它們的操作需要大量的柴油燃料，這因此增加了能源費用并且增加了大氣污染。

為了克服這些環(huán)境和經(jīng)濟問題，微電網(wǎng)是混合的且還包括例如光伏電源的可再生電源。為此，已經(jīng)開發(fā)了包括同步虛擬機的虛擬發(fā)電機或同步虛擬發(fā)電機概念，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠參考詳細描述虛擬發(fā)電機的基本原理的文獻[1]。虛擬發(fā)電機通常包括用于發(fā)電的系統(tǒng)(例如光伏板)和逆變器。然后，光伏板通過產(chǎn)生dc電流和dc電壓來產(chǎn)生電功率。所述dc電流和dc電壓隨后由逆變器轉(zhuǎn)換為ac電流和ac電壓。逆變器通常根據(jù)控制律操作以模擬具有下垂(droop)的同步發(fā)電機的行為，因此稱為虛擬發(fā)電機。因此，可以并聯(lián)電連接同步發(fā)電機和虛擬發(fā)電機。

然而，可再生電源的發(fā)電周期受到每天的周期和天氣條件支配(也被稱為間歇性電功率產(chǎn)生)。例如，光伏板僅在白天和充足的日照下產(chǎn)生電功率。因此，在微電網(wǎng)消耗的功率和由可再生電源產(chǎn)生的功率之間不總是完美匹配。換句話說，由可再生電源產(chǎn)生的電功率的峰值并不對應(yīng)于消耗的峰值。因此，已經(jīng)提出將逆變器耦合到針對整個微電網(wǎng)而確定尺寸的中央能量累積系統(tǒng)，其能夠在消耗峰值期間輸送電能并且在發(fā)電峰值期間存儲由可再生電源產(chǎn)生的任何剩余能量。

然而，該解決方案基于針對給定電網(wǎng)確定尺寸的整體中央累積系統(tǒng)，因此不可擴展。具體地，額外的光伏板的添加可能需要更換中央能量累積系統(tǒng)。

此外，該解決方案的成本與在設(shè)置微電網(wǎng)時所期望的節(jié)約不兼容。

此外，與發(fā)電機組不同，由可再生電源輸送的電功率受制于天氣波動，事實上產(chǎn)生波動的電功率。例如，日照水平可以非?？焖俚刈兓⑿〉牧?，使得在由光伏板產(chǎn)生的電功率中產(chǎn)生峰值和谷值。這些波動是微電網(wǎng)不能容忍的不穩(wěn)定性的來源。

此外，例如由可再生電源供應(yīng)電力的常規(guī)逆變器通?？赡懿恍纬呻娋W(wǎng)。這被稱為并網(wǎng)(gridtied)。相比之下，形成電網(wǎng)的系統(tǒng)被稱為電網(wǎng)形成。形成電網(wǎng)被理解為意指產(chǎn)生具有明確限定的恒定的或遵循下垂曲線的頻率和幅度的ac電壓。

因此，按照慣例，可再生電源的部分可能不超過20％至30％之間的值(稱為可再生電源的滲透(penetration)程度)，使得至少一個非間歇性電功率產(chǎn)生裝置(例如發(fā)電機組或發(fā)動機-發(fā)電機)處于連續(xù)運行中。這種限制使微電網(wǎng)具有必要的穩(wěn)定性，但事實上限制了可實現(xiàn)的節(jié)約。

因此，本發(fā)明的一個目的是提出一種用于控制虛擬發(fā)電機的方法和虛擬發(fā)電機，其使得可以改善由虛擬發(fā)電機產(chǎn)生的電功率與負載實際消耗的電功率之間的匹配。

本發(fā)明的另一個目的是另外提出一種用于控制虛擬發(fā)電機的方法和虛擬發(fā)電機，其使得可以減小(平滑)來自可再生電源的電功率的波動對微電網(wǎng)的影響。

本發(fā)明的另一個目的還在于提出一種用于控制虛擬發(fā)電機的方法和虛擬發(fā)電機，其使得可以增加間歇性可再生電源的滲透程度而不負面影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的至少部分地通過一種用于控制虛擬發(fā)電機的方法來實現(xiàn)，所述虛擬發(fā)電機包括至少一個可再生電源、包括功率和/或能量儲備的累積系統(tǒng)、逆變器和控制律，虛擬發(fā)電機向微電網(wǎng)輸送具有電壓v和電流i的有功p電功率和無功q電功率，所述電壓v和電流i具有頻率f，所述有功p/無功q電功率通過下垂控制分別控制電壓v的頻率f和rms電壓vrms，該方法包括通過控制律控制虛擬發(fā)電機，對該虛擬發(fā)電機執(zhí)行對輸送到微電網(wǎng)的有功p/無功功率的調(diào)節(jié)，所述調(diào)節(jié)能夠補償由微電網(wǎng)消耗的有功/無功功率的變化。

補償由微電網(wǎng)消耗的有功/無功電功率的變化被理解為意指在微電網(wǎng)消耗(draw)的情況下輸送額外的有功/無功電功率，并且一旦微電網(wǎng)的消耗減少，就減少所輸送的有功/無功功率。執(zhí)行對有功p/無功q電功率的變化的補償，以便平衡由虛擬發(fā)電機輸送的有功p/無功q電功率與微電網(wǎng)消耗的有功p/無功q電功率。所述補償?shù)膶崿F(xiàn)通過累積系統(tǒng)及其功率和/或能量儲備的存在變?yōu)榭赡?。功率?或能量儲備可以在功率消耗期間向微電網(wǎng)輸送有功p/無功q功率。累積系統(tǒng)還能夠累積由可再生電源產(chǎn)生但是未被微電網(wǎng)消耗的有功p/無功q功率。

因此，根據(jù)本發(fā)明的方法使得可以再現(xiàn)發(fā)電機組的慣性，從而賦予向微電網(wǎng)提供有功p/無功q功率所需的穩(wěn)定性。具體地，控制律使得可以平衡由虛擬發(fā)電機和微電網(wǎng)分別輸送和消耗的有功p/無功q功率?？刂坡砂ㄖ浒l(fā)電機組的操作的微分方程(機電方程)，以及尤其是對所述發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子的動力學建模的機械微分方程。因此，根據(jù)本發(fā)明的控制律使得虛擬發(fā)電機表現(xiàn)為發(fā)電機組。

由控制律引起的這種行為可以通過形成根據(jù)本發(fā)明的虛擬發(fā)電機的不可獲取的部分的累積系統(tǒng)來實現(xiàn)。

與現(xiàn)有技術(shù)不同，包括可再生電源以及累積系統(tǒng)的虛擬發(fā)電機適應(yīng)微電網(wǎng)的需要，而微電網(wǎng)不受影響。

此外，補償由微電網(wǎng)消耗的有功p/無功q功率的變化也引起通過下垂分別對電壓v的頻率f和電壓v的rms電壓vrms的調(diào)節(jié)。

根據(jù)一個實施例，累積系統(tǒng)將dc電壓vref施加到可再生電源的第一端子，使得可再生電源輸送功率psr，所述功率psr易于展現(xiàn)功率波動，累積系統(tǒng)被控制以便補償該波動。

累積系統(tǒng)還可以在每當微電網(wǎng)沒有消耗電功率時吸收(存儲)電功率。因此，由可再生電源產(chǎn)生的電功率的波動的峰值由累積系統(tǒng)吸收。因此，來自可再生電源的電功率的波動由累積系統(tǒng)在虛擬發(fā)電機內(nèi)補償。因此，減少了來自可再生電源的功率波動對微電網(wǎng)的影響。

根據(jù)一個實施例，控制律能夠有利地經(jīng)由逆變器使虛擬發(fā)電機具有形成電網(wǎng)的可能性。

根據(jù)一個實施例，控制律能夠?qū)⑻摂M發(fā)電機與發(fā)電機組并聯(lián)連接。

根據(jù)一個實施例，施加到第一輸出端子的dc電壓vref是在存儲系統(tǒng)的端子處由dc/dc轉(zhuǎn)換器對dc電壓vps轉(zhuǎn)換的結(jié)果，存儲系統(tǒng)和dc/dc轉(zhuǎn)換器包括在累積系統(tǒng)中。

由可再生電源輸送的功率取決于由累積系統(tǒng)施加的dc電壓vref。

因此，累積系統(tǒng)可以根據(jù)微電網(wǎng)的需要調(diào)節(jié)由可再生電源產(chǎn)生的功率psr。換句話說，當電網(wǎng)的消耗減少時，累積系統(tǒng)可以限制由可再生電源產(chǎn)生的電功率。

根據(jù)一個實施例，電壓vref被確定為必須由可再生電源輸送的設(shè)定點(setpoint)功率psr的函數(shù)，該電壓由累積系統(tǒng)確定。

由可再生電源輸送的功率取決于由累積系統(tǒng)施加的dc電壓vref。

因此，累積系統(tǒng)可以根據(jù)微電網(wǎng)的需要調(diào)節(jié)由可再生電源產(chǎn)生的功率psr。換句話說，當微電網(wǎng)的消耗減少時，累積系統(tǒng)可以限制由可再生電源產(chǎn)生的電功率。

此外，一旦累積系統(tǒng)不再能夠吸收易于由可再生電源產(chǎn)生并被微電網(wǎng)消耗的任何額外電功率，累積系統(tǒng)就也可以限制由可再生電源輸送的功率。換句話說，一旦累積系統(tǒng)的充電狀態(tài)超過預(yù)定閾值，就易于調(diào)節(jié)電壓vref，使得由可再生電源產(chǎn)生的功率psr完全由微電網(wǎng)消耗。

根據(jù)一個實施例，電壓vref通過對第一輸出端子的例如階段式的電壓掃描并且通過同時測量由可再生電源產(chǎn)生的電流的安培數(shù)和所述電壓來確定。

根據(jù)一個實施例，所述電壓掃描產(chǎn)生由可再生電源輸送的功率中的功率變化，累積系統(tǒng)被控制以便補償在所述掃描期間的所述變化。

根據(jù)一個實施例，該方法包括測量累積系統(tǒng)的充電狀態(tài)的步驟。

根據(jù)一個實施例，調(diào)節(jié)電壓vref，使得當累積系統(tǒng)的充電狀態(tài)高于或等于預(yù)定最大充電閾值socmax時，功率psr完全由微電網(wǎng)消耗。

根據(jù)一個實施例，累積系統(tǒng)的充電狀態(tài)soc保持在高于最小充電狀態(tài)socmin的值。

根據(jù)一個實施例，當所述微電網(wǎng)必須消耗可再生電源不能提供的額外功率psur時，功率pacc由累積系統(tǒng)經(jīng)由逆變器輸送到微電網(wǎng)。

本發(fā)明還涉及一種虛擬發(fā)電機，其能夠向微電網(wǎng)輸送頻率為f和rms電壓為vrms的有功p/無功q電功率，包括：

-可再生電源；

-包括功率和/或能量儲備的累積系統(tǒng)；

-逆變器；

-控制律；

所述控制律能夠控制所述虛擬發(fā)電機，使得所述虛擬發(fā)電機向所述微電網(wǎng)輸送具有電壓v和電流i的有功p電功率和無功q電功率，所述電壓v和電流i具有頻率f，所述有功p/無功q電功率經(jīng)由下垂控制分別對電壓v的頻率f和rms電壓vrms進行控制，并且當微電網(wǎng)消耗的有功/無功功率發(fā)生變化時，虛擬發(fā)電機對輸送到微電網(wǎng)的有功p/無功q功率執(zhí)行調(diào)節(jié)，所述調(diào)節(jié)能夠補償所消耗的有功p/無功q功率的變化。

補償由微電網(wǎng)消耗的有功p/無功q電功率的變化被理解為意指在微電網(wǎng)消耗的情況下輸送額外的有功p/無功q電功率，并且一旦微電網(wǎng)的消耗減小時就減小輸送的有功p/無功q功率。執(zhí)行對有功p/無功q電功率的變化的補償，以便平衡由虛擬發(fā)電機輸送的有功p/無功q電功率與由微電網(wǎng)消耗的有功p/無功q電功率。所述補償?shù)膶崿F(xiàn)是通過累積系統(tǒng)及其功率和/或能量儲備的存在而成為可能。功率和/或能量儲備可以在功率消耗期間向微電網(wǎng)輸送有功p/無功q功率。累積系統(tǒng)還能夠累積由可再生電源產(chǎn)生但未被微電網(wǎng)消耗的有功p功率。

因此，根據(jù)本發(fā)明的虛擬發(fā)電機使得可以再現(xiàn)發(fā)電機組的慣性，從而賦予向微電網(wǎng)提供有功p/無功q功率所需的穩(wěn)定性。具體地，控制律使得可以平衡由虛擬發(fā)電機和微電網(wǎng)分別輸送和消耗的有功p/無功q功率?？刂坡砂ㄖ浒l(fā)電機組的操作的微分方程(機電方程)、以及尤其是對所述發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子的動力學建模的機械微分方程。因此，根據(jù)本發(fā)明的控制律使得虛擬發(fā)電機表現(xiàn)為發(fā)電機組。

由控制律引起的這種行為可以通過形成根據(jù)本發(fā)明的虛擬發(fā)電機的不可或缺的部分的累積系統(tǒng)來實現(xiàn)。

與現(xiàn)有技術(shù)不同，包括可再生電源以及累積系統(tǒng)的虛擬發(fā)電機適應(yīng)微電網(wǎng)的需要，而微電網(wǎng)不受影響。

此外，補償由微電網(wǎng)消耗的有功p/無功q功率的變化還引起通過下垂分別對頻率f和rms電壓vrms的調(diào)節(jié)。

根據(jù)一個實施例，控制律能夠有利地經(jīng)由逆變器使虛擬發(fā)電機具有形成電網(wǎng)的可能性。

根據(jù)一個實施例，控制律能夠?qū)⑻摂M發(fā)電機與發(fā)電機組并聯(lián)連接。

根據(jù)一個實施例，累積系統(tǒng)包括存儲系統(tǒng)和dc/dc轉(zhuǎn)換器，dc/dc轉(zhuǎn)換器將存儲系統(tǒng)的輸出端子連接到可再生電源的第一輸出端子，并且能夠根據(jù)由控制律施加的設(shè)定點，從輸送到存儲系統(tǒng)的輸出端子的dc電壓vps，將電壓vref輸送到第一輸出端子。

根據(jù)一個實施例，控制律能夠?qū)㈦妷簐ref確定為必須由可再生電源經(jīng)由累積系統(tǒng)輸送的設(shè)定點功率psr的函數(shù)。

由可再生電源輸送的功率取決于由累積系統(tǒng)施加的dc電壓vref。

因此，累積系統(tǒng)可以根據(jù)微電網(wǎng)的需要調(diào)節(jié)由可再生電源產(chǎn)生的功率psr。換句話說，當電網(wǎng)的消耗減少時，累積系統(tǒng)可以限制由可再生電源產(chǎn)生的電功率。

根據(jù)一個實施例，累積系統(tǒng)能夠執(zhí)行第一輸出端子的電壓掃描，并且能夠同時測量由可再生電源產(chǎn)生的電流的安培數(shù)和所述電壓。

根據(jù)一個實施例，控制律能夠使累積系統(tǒng)補償由可再生電源輸送的功率的波動。

根據(jù)一個實施例，可再生電源包括光伏板。

根據(jù)一個實施例，可再生電源包括風力渦輪機。

附圖說明

在以下通過非限制性示例并參考附圖給出的根據(jù)本發(fā)明的用于控制虛擬發(fā)電機的方法的實現(xiàn)方式的描述中，其他特征和優(yōu)點將變得顯而易見，其中：

-圖1a是根據(jù)本發(fā)明的包括可再生電源、累積系統(tǒng)、逆變器和控制律的虛擬發(fā)電機的示意圖，該控制律包括塊100、200、210、220、230、240、250、260和300；

-圖1b是根據(jù)本發(fā)明的虛擬發(fā)電機的示意圖；

-圖2a表示對于給定的日照水平的、由光伏板產(chǎn)生并由其第一輸出端子輸送的功率psr(沿垂直軸)，作為施加到所述第一輸出端子的電壓vref(沿水平軸)的函數(shù)；

-圖2b表示對于不同的日照水平的、由光伏板產(chǎn)生的功率psr(沿垂直軸)，作為施加到所述第一輸出端子的電壓vref(沿著水平軸)的函數(shù)；

-圖3是作為由發(fā)電機組輸送的有功功率p的函數(shù)的電流和電壓的頻率f的表示，頻率f在垂直軸上表示，有功功率p在水平軸上表示；

-圖4是作為由發(fā)電機組輸送的無功功率q的函數(shù)的電壓v的rms電壓vrms的表示，rms電壓vrms在垂直軸上表示，無功功率q在水平軸上表示。

具體實施方式

圖1a和圖1b表示根據(jù)本發(fā)明的虛擬發(fā)電機1。

虛擬發(fā)電機1被理解為表現(xiàn)為發(fā)電機組的虛擬發(fā)電機1。發(fā)電機組將電壓v和電流i的有功p/無功q電功率輸送到微電網(wǎng)，所述電壓v和電流i具有頻率f。有功p/無功q功率通過下垂控制，分別控制電壓v的頻率f和rms電壓vrms。

圖3示出了由發(fā)電機組輸送的有功功率p對頻率f的下垂控制。頻率f根據(jù)由發(fā)電機組輸送的相對有功功率p(作為百分比)的線性函數(shù)而變化。線性函數(shù)由指代下垂的斜率d表征。由發(fā)電機組輸送的電壓v和電流i的頻率f取決于發(fā)電機組的軸的轉(zhuǎn)速。因此，每當由發(fā)電機組輸送的有功功率p變化時，軸的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)，使得與有功電功率p相關(guān)聯(lián)的電壓和電流的頻率f也被調(diào)節(jié)。發(fā)電機組的發(fā)動機軸的轉(zhuǎn)速的這種調(diào)節(jié)由速度調(diào)節(jié)塊(“調(diào)速器(governor)”塊)執(zhí)行。

圖4中示出了由發(fā)電機組所輸送的無功功率q對電壓v的rms電壓vrms的下垂控制。rms電壓vrms根據(jù)由發(fā)電機組輸送的相對無功功率q(作為百分比)的線性函數(shù)而變化。線性函數(shù)由指代下垂的斜率d表征。rms電壓vrms取決于由發(fā)電機組輸送的無功功率q。因此，每當由發(fā)電機組輸送的無功功率q變化時，rms電壓vrms根據(jù)無功電功率q被調(diào)節(jié)。發(fā)電機組通常包括在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動的轉(zhuǎn)子和作用于轉(zhuǎn)子的繞組上的自動電壓調(diào)節(jié)器(avr)。因此，自動電壓調(diào)節(jié)器根據(jù)由定子(由發(fā)電機組)輸送在微電網(wǎng)上的(電壓v的)rms電壓vrms向轉(zhuǎn)子繞組施加電壓。電壓/無功功率q下垂控制允許發(fā)電機組根據(jù)其提供的無功電功率q來適配其輸送的rms電壓vrms。

此外，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子通常由內(nèi)燃機(例如柴油發(fā)動機)的軸在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動。憑借其設(shè)計，發(fā)電機組能夠形成電網(wǎng)。換句話說，發(fā)電機組可以在電網(wǎng)上施加電壓v和頻率f。

另外，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動能取決于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量和轉(zhuǎn)速，其可以以有功功率p的形式傳遞到微電網(wǎng)。因此，發(fā)電機組可以通過從軸提取動能并將其傳遞到微電網(wǎng)而響應(yīng)于微電網(wǎng)(消耗附加功率的需要)消耗的功率。發(fā)電機組然后通過下垂控制調(diào)節(jié)所輸送的有功功率p的頻率f。發(fā)電機組能夠響應(yīng)于有功功率的需求的變化，這被稱為發(fā)電機組具有慣性。以等效的方式，發(fā)電機組可以響應(yīng)于來自微電網(wǎng)的有功功率的需求的變化。一旦其輸送到微電網(wǎng)的無功功率q被適配，發(fā)電機組就通過下垂控制調(diào)節(jié)電壓v的rms電壓vrms。發(fā)電機組響應(yīng)于由微電網(wǎng)對有功p/無功q功率的消耗變化的能力可能與旋轉(zhuǎn)儲備(spinningreserve)的概念相關(guān)聯(lián)。發(fā)電機組的慣性和旋轉(zhuǎn)儲備的概念可以使用微分方程來建模。例如，從微分方程中，可以通過示例的方式給出用于發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子的機械方程：

ωr是轉(zhuǎn)子的角速度，γmot是發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩，γe是同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，hd是轉(zhuǎn)子的慣性矩，dd是摩擦系數(shù)。微分方程允許對發(fā)電機組的電氣和機械行為進行建模。

根據(jù)本發(fā)明的虛擬發(fā)電機1由整合(integrate)允許對發(fā)電機組的操作(行為)進行建模的微分方程的控制律控制。因此，虛擬發(fā)電機1被配置為模擬同步發(fā)電機的行為，更具體地，模擬發(fā)電機組的行為。然后，虛擬發(fā)電機1的配置包括確定支配同步發(fā)電機的操作的微分方程和基于所述微分方程開發(fā)計算機程序(或算法)。這種配置從本領(lǐng)域技術(shù)人員的技術(shù)中已知，并且在文獻[2]中描述。

根據(jù)本發(fā)明，虛擬發(fā)電機1由控制律控制，使得其執(zhí)行對輸送到微電網(wǎng)的有功p/無功q功率的調(diào)節(jié)，所述調(diào)節(jié)能夠補償由微電網(wǎng)消耗的有功/無功功率的變化。執(zhí)行對有功/無功電功率的變化的補償，以便平衡由虛擬發(fā)電機1輸送的有功p/無功q電功率與由微電網(wǎng)消耗的有功p/無功q電功率。

虛擬發(fā)電機1包括可再生電源2、功率和/或能量累積系統(tǒng)3、逆變器4和控制律。

在本文的其余部分中，表述“累積系統(tǒng)3”將用于指代功率和/或能量累積系統(tǒng)3。

在整個描述中，由逆變器4輸送的電流和電壓或由虛擬發(fā)電機1輸送的電流和電壓將具有相同的含義。

控制律可以包括各種控制塊。

例如，控制律可以包括：

-指代“帶下垂的虛擬發(fā)電機”的塊100；

-指代“dc總線調(diào)節(jié)”的塊200；

-指代“約束mppt”的塊210；

-指代“psr計算”的塊220；

-指代“功率存儲過充電管理”的塊230；

-指代“功率存儲充電狀態(tài)估計器”的塊240；

-指代“功率存儲充電不足管理”的塊250；

-指代“pmaxpv估計器”的塊260；

-指代“中點調(diào)節(jié)”的塊300。

在參考圖1a的描述的其余部分中將詳細描述各個塊的功能。

可再生電源2可能受制于變幻莫測的天氣，因此是不穩(wěn)定的電源；它然后被認為是間歇性可再生電源。

可再生電源2可以包括光伏板、風力渦輪機、水力渦輪機或熱力學機器。

可再生電源2包括易于輸送dc電流和dc電壓的第一輸出端子2a。根據(jù)施加到所述第一輸出端子2a的電壓vref，可再生電源2通常產(chǎn)生經(jīng)由其第一輸出端子2a輸送的一定量的功率psr。例如，如圖2a所示，對于給定的日照水平，光伏板以鐘形形狀產(chǎn)生功率(沿垂直psr軸)，作為施加到第一輸出端子2a的電壓(沿水平vref軸)的函數(shù)。對于等于vref1的電壓vref，光伏板能夠輸送功率psr1(圖2a中的點a)，而當電壓vref等于vrefmax時能夠輸送功率psrmax(圖2a中的點b)。

累積系統(tǒng)3包括第二輸出端子3c，其也易于輸送dc電流和dc電壓。累積系統(tǒng)3可以包括存儲系統(tǒng)3a和dc/dc轉(zhuǎn)換器3b(dc/dc轉(zhuǎn)換器將一個dc電壓轉(zhuǎn)換為另一個dc電壓)。存儲系統(tǒng)3a可以包括至少一個電化學電池、飛輪(flywheel)或電容器(或超級電容器)。超級電容器被理解為采用允許獲得在傳統(tǒng)電解電容器和電池中間的功率密度和能量密度的特定技術(shù)的電容器。例如，超級電容器可以包括在1000到5000w/kg之間的功率密度和在4wh/kg到6wh/kg之間的能量密度。存儲系統(tǒng)3a能夠?qū)c電壓vps輸送到dc/dc轉(zhuǎn)換器3b，dc/dc轉(zhuǎn)換器3b將其轉(zhuǎn)換為經(jīng)由第二輸出端子3c輸送的另一dc電壓vref。

第一輸出端子2a和第二輸出端子3c例如并聯(lián)電連接。因此，累積系統(tǒng)3向可再生電源2的第一輸出端子2a施加電壓vref，使得可再生電源2輸送功率psr。dc/dc轉(zhuǎn)換器3b可以由根據(jù)控制律操作的第一控制板控制。塊200可以適配為向dc/dc轉(zhuǎn)換器3b輸送信號，使得所述轉(zhuǎn)換器3b施加要施加到可再生電源2的第一端子的電壓vref。對于逆變器4，其可以由也根據(jù)控制律操作的第二控制板控制?；蛘?，dc/dc轉(zhuǎn)換器3b和逆變器4可以由相同的控制板控制。

輸出端子的第一組2a和第二組3c連接到逆變器4的輸入。

逆變器4能夠?qū)⒂煽稍偕娫?和/或累積系統(tǒng)3產(chǎn)生的dc電流和dc電壓轉(zhuǎn)換為ac電流和ac電壓，然后ac電流和ac電壓被注入微電網(wǎng)。

有利地，控制律可以是在一個或多個控制板中設(shè)置的算法。此外，第一控制板和第二控制板可以彼此通信。第一控制板和第二控制板之間的通信尤其允許在所述控制板之間交換信息。在交換的信息中，可以給出以下：累積系統(tǒng)3的充電狀態(tài)、在第一組2a和第二組3c端子處測量的電流、電壓和功率?？刂坡蛇€能夠測量輸送到微電網(wǎng)的電壓、電流以及所述電壓、電流的頻率。

控制律還能夠分別控制由可再生電源2和累積系統(tǒng)3輸送的可再生功率和累積功率。逆變器4將與由可再生電源2和累積系統(tǒng)3輸送的功率對應(yīng)的功率輸送到微電網(wǎng)。累積功率可以是負功率，即由累積系統(tǒng)3消耗的功率，或正功率，即由所述系統(tǒng)3輸送的功率。例如，當累積系統(tǒng)3消耗來自逆變器4的旨在輸送到微電網(wǎng)的功率時，累積功率為正。例如，當累積系統(tǒng)3通過消耗可再生功率而再充電時，累積功率為負?？刂坡蔬B續(xù)地在累積功率和可再生功率與由逆變器4輸送到微電網(wǎng)的功率之間施加平衡。換句話說，功率預(yù)算必須是平衡的。

因此，逆變器4的控制律確保累積功率和可再生功率的總和等于由逆變器4輸送到微電網(wǎng)的功率(強調(diào)的是，由逆變器4輸送到微電網(wǎng)的功率確實被微電網(wǎng)消耗)。

控制律例如經(jīng)由塊100使逆變器4輸送為iabc安培的ac電流。電流iabc的參考值可以由塊100根據(jù)由逆變器4輸送并在其輸出處測量的電壓vabc(vabcmes)來確定。因此，逆變器4再生輸送電壓vabc并響應(yīng)于對所述發(fā)電機組建模的微分方程的發(fā)電機組的電流iabc。

根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的技術(shù)，逆變器4的控制律也能夠使虛擬發(fā)電機1具有形成電網(wǎng)的可能性。因此，虛擬發(fā)電機1可以單獨向微電網(wǎng)輸送功率，正如發(fā)電機組將做的那樣。

以特別有利的方式，虛擬發(fā)電機1具有頻率f/有功功率p下垂控制的特征。頻率f/有功功率p下垂控制是同步發(fā)電機(例如發(fā)電機組)的特性。發(fā)電機組通常包括由柴油發(fā)動機驅(qū)動的軸，軸的角旋轉(zhuǎn)具有對應(yīng)于所述發(fā)電機組產(chǎn)生的電流和電壓的頻率f的頻率。軸的頻率遵循根據(jù)圖3所示的規(guī)律的頻率f/有功功率p下垂控制。頻率f/有功功率p下垂控制允許發(fā)電機組根據(jù)其提供的有功電功率p而適配其輸送的信號的頻率f。這種下垂效應(yīng)使得可以在電網(wǎng)上并聯(lián)連接各種發(fā)電機組，其將輸送相同頻率f的電流和電壓。在根據(jù)本發(fā)明的虛擬發(fā)電機1的上下文中，由所述虛擬發(fā)電機1輸送的電流和電壓的頻率f取決于微電網(wǎng)的規(guī)格(電網(wǎng)代碼)。例如，頻率f可以在48和52hz之間，或者在49.5和50.5hz之間，或者在58和62hz之間，或者在59.5和60.5hz之間。

同樣以特別有利的方式，虛擬發(fā)電機1還具有rms電壓vrms/無功功率q下垂控制的特征。rms電壓vrms/無功功率q下垂控制是同步發(fā)電機(例如發(fā)電機組)的特性。發(fā)電機組通常包括在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動的轉(zhuǎn)子和作用在轉(zhuǎn)子的繞組上的自動電壓調(diào)節(jié)器(avr)。自動電壓調(diào)節(jié)器因此根據(jù)微電網(wǎng)上由定子(由發(fā)電機組)輸送的電信號的電壓(因此功率)向轉(zhuǎn)子施加電壓。由發(fā)電機組輸送的電信號的rms電壓vrms根據(jù)圖4所示的規(guī)律遵循rms電壓vrms/無功功率q下垂控制。rms電壓vrms/無功功率q下垂控制允許發(fā)電機組根據(jù)其提供的無功電功率q適配其輸送的電壓的rms電壓vrms。在根據(jù)本發(fā)明的虛擬發(fā)電機1的上下文中，由所述虛擬發(fā)電機1輸送的電壓取決于微電網(wǎng)的規(guī)格(電網(wǎng)代碼)。

根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的技術(shù)，頻率f/有功功率p或電壓/無功功率q下垂控制可以包括在虛擬發(fā)電機1的控制律內(nèi)。為此，文獻[3]提出了一種允許逆變器根據(jù)頻率f/有功功率p或rms電壓vrms/無功功率q下垂控制來操作的方法。更具體地，可以在塊100中包括根據(jù)頻率f/有功功率p或rms電壓vrms/無功功率q下垂控制的逆變器的操作。

在三電平逆變器4的情況下，虛擬發(fā)電機1可以包括串聯(lián)連接在一起以形成等效電容器c的兩個電容器c⁺和c^-。等效電容器c的端子例如并聯(lián)地電連接到可再生電源2的第一輸出端子2a(并且因此也并聯(lián)電連接到功率和/或能量累積源3的第二輸出端子3c)。在三電平逆變器4的這種特定情況下，控制律(例如塊300)能夠平衡在兩個電容器c⁺和c^-的相應(yīng)的端子處測量的電壓vdc+和vdc-，以便保證由逆變器4輸送到微電網(wǎng)的電流和電壓具有非變形的正弦形式。然而，本發(fā)明不限于使用三電平逆變器。

累積系統(tǒng)3包括存儲系統(tǒng)3a和dc/dc轉(zhuǎn)換器3b。第二輸出端子3c是dc/dc轉(zhuǎn)換器3b的輸出端子。因此，dc/dc轉(zhuǎn)換器3b將電壓vref施加到可再生電源2的第一輸出端子2a。電壓vref是轉(zhuǎn)換器3b轉(zhuǎn)換存儲系統(tǒng)3a的端子處的dc電壓的結(jié)果。然而，電壓vref的值是施加在控制律操作dc/dc轉(zhuǎn)換器的塊200上的設(shè)定點。

在操作中，由可再生電源2輸送的功率易于波動。波動被理解為快速變化，例如在小于100ms、或者甚至小于10ms的時間尺度上，相對于所考慮的量(在本例中為功率)的低幅度變化，例如小于5％的所述量。在光伏板的情況下，功率波動可以歸結(jié)于例如日照水平的變化。由可再生電源2輸送的電功率的波動可以通過測量由可再生電源2產(chǎn)生的電信號的安培ipv來取得(access)。有利地，累積系統(tǒng)3根據(jù)控制律操作，以便補償由可再生電源2輸送到逆變器4的輸入端子的功率的波動。補償所輸送的功率的波動被理解為意指通過對其吸收來限制它們對微電網(wǎng)的影響。因此，由逆變器4輸送到微電網(wǎng)的電流和電壓沒有波動。換句話說，它們是穩(wěn)定的。

同樣以有利的方式，控制律允許來自可再生電源2的功率被調(diào)節(jié)。具體地，由dc/dc轉(zhuǎn)換器3b施加到可再生電源2的第一輸出端子2a的dc電壓vref的值是由控制律的塊210所施加的設(shè)定點。由控制律施加的設(shè)定點的目標可以是使可再生電源2輸送最大功率或飽和功率，飽和功率低于可再生電源2能夠輸送的最大功率。例如，已知的是，對于給定的日照水平(參見圖2b)，由光伏板輸送的功率取決于施加到它們的輸出端子(第一端子)的電壓。因此，控制律在第一實例中可以確定要施加到光伏板的第一輸出端子2a的電壓vref，使得光伏板輸送其能夠產(chǎn)生的所有功率，即psrmax(圖2a中的點b)，或低于預(yù)定功率的功率psr1(圖2a中的點a)。必須由可再生電源2(或者更具體地，由光伏板)產(chǎn)生的功率取決于存儲系統(tǒng)3a的充電狀態(tài)的條件。說明書的其余部分中將詳細描述存儲系統(tǒng)3a的充電狀態(tài)的概念。因此，為了確定要施加到第一端子的電壓vref，控制律的塊210命令dc/dc轉(zhuǎn)換器3b執(zhí)行對可再生電源2的第一輸出端子2a的電壓掃描。在電壓掃描期間，塊220測量由可再生電源2產(chǎn)生的電流ipv和電壓vpv，使得由所述電源輸送的功率psr是已知的。電壓掃描vref以連續(xù)增量執(zhí)行，以例如增加功率，直到可再生電源2輸送期望功率(但是，可再生電源2能夠輸送的功率受限于功率psrmax)。電壓掃描可以在少于10秒(例如5秒)內(nèi)執(zhí)行。在電壓掃描期間，累積系統(tǒng)3補償由可再生電源2輸送的功率的變化，使得由微電網(wǎng)消耗的功率和由虛擬發(fā)電機1輸送的功率總是平衡的。功率補償也由控制律控制，以便不斷地確保消耗的功率和產(chǎn)生的功率平衡。

替代地，基于可再生電源的已知技術(shù)數(shù)據(jù)(例如，取決于日照水平和溫度的光伏板的功率曲線)，可以估計可再生電源能夠輸送的最大功率，并將其傳送到框210。

控制律還可適配為將累積系統(tǒng)3的充電狀態(tài)(soc)限制為最大充電狀態(tài)socmax。具體地，為了避免累積系統(tǒng)3的退化(degrading)，優(yōu)選的是，充電狀態(tài)不超過例如100％充電、或甚至95％充電。因此，盡管充電狀態(tài)低于socmax，累積系統(tǒng)3仍可以至少部分地存儲由可再生電源2輸送但是未被微電網(wǎng)消耗的任何剩余功率。因此，累積系統(tǒng)3輸送負功率。相反，一旦累積系統(tǒng)3的充電狀態(tài)至少等于最大充電狀態(tài)socmax，累積系統(tǒng)3就不再能夠存儲由可再生電源2輸送的、可能剩余的功率。因此，可能有必要將由可再生電源2輸送的功率限制到飽和最大功率psrsatmax。然后，飽和最大功率psrsatmax能夠被微電網(wǎng)完全消耗。為此，控制律的塊240可以連續(xù)地估計累積系統(tǒng)3的充電狀態(tài)socpsest。所述充電狀態(tài)的估計可以例如通過測量在存儲系統(tǒng)3a的端子處測量的電壓vps來獲得。

傳送到塊230的該估計隨后與充電狀態(tài)socmax進行比較。塊230因此動態(tài)地提供當累積系統(tǒng)3的充電狀態(tài)超過socmax時可再生電源2能夠輸送的飽和最大功率的參考值psrsatmax。一旦充電狀態(tài)socpsest達到或超過值socmax，塊230就將參考值psrsatmax傳送到塊210(值psrsatmax也是微電網(wǎng)能夠消耗的最大功率值)。然后適配由框210確定的電壓vref的參考值，使得由可再生電源2輸送的功率小于或等于psrsatmax。

因此，為了保持由微電網(wǎng)消耗的功率和由虛擬發(fā)電機1產(chǎn)生的功率之間的平衡，控制律的塊230可以使可再生電源2將其輸送的功率限制到功率psrsatmax。功率psrsatmax完全由微電網(wǎng)消耗。在這種情況下，控制律允許確定將施加到第一端子的電壓vref以使得由可再生電源2輸送的所有功率被微電網(wǎng)完全消耗。

控制律的框250還能夠確保累積系統(tǒng)3的最小充電狀態(tài)socmin，以便保證虛擬發(fā)電機1的正確操作。為此，控制律可以限制由逆變器4輸送的有功功率p，即pmeca，以便將由可再生電源2輸送的功率的一部分轉(zhuǎn)到累積系統(tǒng)3以重新建立累積系統(tǒng)3的充足的充電狀態(tài)。這導(dǎo)致虛擬發(fā)電機1的虛擬發(fā)動機轉(zhuǎn)矩被作用(限制)，以便將由虛擬發(fā)電機1產(chǎn)生的功率限制到微電網(wǎng)。

以特別有利的方式，標稱充電狀態(tài)socnom可以與在也連接到微電網(wǎng)的發(fā)電機組的持續(xù)時間為t的啟動階段中必須輸送到微電網(wǎng)的功率相關(guān)。更具體地，累積系統(tǒng)3的標稱充電狀態(tài)socnom可以被定義為當發(fā)電機組在全速運行時能夠在持續(xù)時間t中輸送的最大有功功率。發(fā)電機組的啟動階段被理解為意指啟動、預(yù)熱和相對于微電網(wǎng)同步電流和電壓。因此，一旦可再生電源2顯著地減少其發(fā)電，累積系統(tǒng)3就接管并且繼而輸送供應(yīng)微電網(wǎng)所需的功率。

一旦累積系統(tǒng)的充電狀態(tài)下降到低于標稱充電狀態(tài)socnom，發(fā)電機組就可以接收啟動命令。因此，該次序使得可以確保以穩(wěn)定的方式連續(xù)供應(yīng)電流和電壓。為此，控制律能夠檢測可再生電源2產(chǎn)生的功率的任何減少(電功率不足)，并且使得累積系統(tǒng)3補償所述電功率不足?？刂坡赏ㄟ^測量第一輸出端子2a處的電流ipv來檢測例如功率不足。一旦在累積系統(tǒng)中可用的功率下降到低于閾值充電狀態(tài)socs，發(fā)電機組就可以接收啟動命令。

因此，控制律通過測量存儲系統(tǒng)3a的輸出端子處的電壓vps來連續(xù)地確定累積系統(tǒng)3的充電狀態(tài)soc。并行地，控制律調(diào)節(jié)電壓vref，以便確保由微電網(wǎng)消耗的功率和由虛擬發(fā)電機1輸送的功率平衡。

因此，當累積系統(tǒng)3的充電狀態(tài)soc低于socmax時，控制律使得可再生電源2通過調(diào)節(jié)電壓vref來輸送其能夠產(chǎn)生的所有電功率。一旦充電狀態(tài)soc達到值socmax，累積系統(tǒng)3的控制律就調(diào)節(jié)電壓vref，使得由可再生電源2輸送的功率完全由微電網(wǎng)消耗。

因此，以特別有利的方式，本發(fā)明還允許逆變器甚至在處于飽和狀態(tài)時與其它電源并行地操作，并從而保持微電網(wǎng)穩(wěn)定。此結(jié)果是通過使虛擬發(fā)電機1的虛擬發(fā)動機轉(zhuǎn)矩飽和以使得逆變器能夠輸送的最大虛擬機械功率總是低于最大電功率來實現(xiàn)的。所述最大功率為與逆變器能夠在沒有損壞風險的情況下輸送的最大電流相關(guān)聯(lián)的特性。因此，即使虛擬發(fā)電機變?yōu)轱柡?，以限制所述逆變器能夠輸送的功率為目的而作用于虛擬機械轉(zhuǎn)矩也允許微電網(wǎng)保持穩(wěn)定。

因此，根據(jù)本發(fā)明，可以獲得具有發(fā)電機組的穩(wěn)定性的虛擬發(fā)電機1。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的虛擬發(fā)電機1使得可以減少來自可再生電源的功率的波動對微電網(wǎng)的影響。

此外，在由微電網(wǎng)進行功率消耗的情況下，虛擬發(fā)電機1像發(fā)電機組一樣作出反應(yīng)。虛擬發(fā)電機1在第一實例中將其輸送的電流和電壓的頻率f調(diào)節(jié)至較低頻率f，以響應(yīng)于所述功率消耗，從累積系統(tǒng)3的功率儲備中提取功率。這個響應(yīng)于由微電網(wǎng)進行的功率消耗的潛質(zhì)使虛擬發(fā)電機1具有發(fā)電機組的慣性。根據(jù)本發(fā)明，虛擬發(fā)電機1的慣性由控制律的微分方程和功率累積系統(tǒng)3支配。沒有累積系統(tǒng)3的虛擬發(fā)電機1是沒有慣性的，因此不能響應(yīng)于由微電網(wǎng)進行的功率消耗。

因此，虛擬發(fā)電機1的旋轉(zhuǎn)儲備使得可以有利地響應(yīng)于微電網(wǎng)的功率消耗的增加。

因此，賦予虛擬發(fā)電機1的操作靈活性為增加可再生電源的滲透程度鋪平了道路。

因此，一旦可再生電源顯著地減少或停止電功率的產(chǎn)生，根據(jù)本發(fā)明的虛擬發(fā)電機1就具有在發(fā)電機組處于啟動階段時可用的供應(yīng)微電網(wǎng)所需的功率。

因此，在可再生電源2產(chǎn)生大量電功率的周期中，所生成的電功率中有大比例(例如100％)是由可再生電源2產(chǎn)生(其導(dǎo)致發(fā)電機組關(guān)閉)。稱為可再生能源2的高度滲透。發(fā)電機組僅在可再生電源產(chǎn)生的電功率不足的情況下使用。因此，由累積系統(tǒng)和控制律導(dǎo)致的虛擬發(fā)電機1的慣性使其具有電網(wǎng)正確操作所需的穩(wěn)定性。

虛擬發(fā)電機1受控于控制律，使得可以連續(xù)地檢測由可再生電源產(chǎn)生的電功率的波動。因此，控制律操作累積系統(tǒng)，使得其在可再生電源產(chǎn)生的功率的低谷期間也輸送電功率。累積系統(tǒng)對于波動的補償使得可以使控制方法具有在諸如發(fā)電機組的同步發(fā)電機中觀察到的慣性；還稱為基于至少一個可再生電源的發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻

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[2]prabhakundur的“powersystemstabilityandcontrol”，isbn0-07-035958-x；

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