CN102640378B - 分布式发电机逆变器作为静止同步补偿器的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以太阳能发电场逆变器作为柔性交流输电系统装置（即静止同步补偿器）来控制电压的办法及系统。太阳场逆变器具有柔性交流输电系统装置所提供的调整电压、增强阻尼、改善稳定性等优点。本实例采用在夜间作为静止同步补偿器的太阳能发电场来加强相邻风力发电场之间的连接，后者可在夜间狂风状态下产生峰值功率，但相邻风力发电场因电压调节问题不能相互连接。在太阳能发电场输出有功功率后，该逆变器仍有剩余容量，故本发明在白天也可运行。附加的辅助控制器与太阳能发电场逆变器合并，以提高阻尼及稳定性，并提供柔性交流输电系统装置的其他优点。

Description

分布式发电机逆变器作为静止同步补偿器的应用

本发明领域

本发明涉及分布式发电系统。具体来说，本发明是关于将太阳能场逆变器及风力涡轮发电机逆变器作为柔性交流输电系统控制器(即静止同步补偿器)来使用。

背景技术

随着能源需求不断增长、化石燃料消耗以及环境制约，各级人员对发展绿色能源的兴趣达到空前高度。世界各国政府的鼓励及补贴计划吸引了许多客户在其场所内安装小容量(从几瓦至几千瓦不等)可再生能源模块。同样，大企业也建立了容量从几百千瓦到几千千瓦乃至更高的光伏太阳能发电场。分布式发电系统在配电系统中作为电能来源在一处或多处进行连接，它对现有电力系统带来了新的争议及问题。

分布式发电系统的渗透程度不断提高，如基于新能源的分布式发电系统。因此，电力公司也面临着因并网造成电能来源日益增多的巨大挑战。下列挑战，如确保电压调整率、系统稳定性及标准限值内的电能质量等，是这些问题的核心。

灵活交流输电系统装置针对这些问题提出了一个可行的解决方案，它被越来越多地应用到世界各地的电力系统中。在这里，灵活交流输电系统装置指与电力电子控制器及其他静态控制器组合以提高可控性及功率传输能力的交流输电系统。灵活交流输电系统装置通常用于下列目的：

控制电压；增加或控制电线电力传输能力，并防止回流；提高系统瞬态稳定性限值；提高系统阻尼；减少次同步谐振；缓解电压不稳；限制短路电流；提高高压直流输电变流器终端性能；风力发电系统并网。

在灵活交流输电系统装置中，用于达到上述任意或所有目的的部分装置或控制器包括静止无功补偿器、静止同步补偿器等。

静止同步补偿器是一种并联的、可发出和/或吸收无功功率的无功补偿装置，其输出可改变，以控制电力系统的具体参数。一般来说，静止同步补偿器是一种固态开关变换器，当其输入端电能源或能源储存装置馈电时，可在其输出端独立发出或吸收可控有功及无功功率。

更具体地说，静止同步补偿器是从特定输入直流电压产生一组三相交流输出电压的电压源转换器。各输出电压通过一个较小电抗与对应的交流系统电压同相并与之连接，该阻抗可由界面反应器或耦合变压器的漏电感提供。直流电压由储能电容器提供。

众所周知，在现有技术中，静止同步补偿器通过电压源变换器的电压及电流波形的电子处理实现预期无功功率送出及吸收。静止同步补偿器也通过在公共耦合点发出及吸收无功功率来提供电压支持，无需外部反应器或电容器组合。因此，静止同步补偿器占用的物理空间更小。

在本文中，转换器是整流器及换流器的通用名称。

众所周知，静止同步补偿器可在如下方面提高电力系统性能：

控制电压；增加或控制电线电力传输能力，并防止回流；提高系统瞬态稳定性限值；提高系统阻尼；减少次同步谐振；缓解电压不稳；限制短路电流；提高高压直流输电变流器终端性能；风力发电系统并网；控制电压闪变；控制无功功率，必要时控制连接线路中的有功功率(此种情况需要配置一直流电源)。

静止同步补偿器及交流电系统间的无功及有功功率交换可独立于一方而单独控制。如果静止同步补偿器具有合适容量的蓄能装置，可实现有功功率送出与吸收及无功功率送出与吸收的任意组合。在此基础上，可设计一些对有功及无功输出功率调整非常有效的控制战略，以提高瞬态和动态系统的稳定性极限。

在现有电力传输及分配系统中，分布式发电的渗透程度逐渐提高，这面临许多技术性挑战，其中一项为电压沿馈线的变化。习惯上，功率流动的方向是从输电网到连接在配电馈线上的负载。通过在输电馈线或配电馈线的一处或多处调整输电端电压量或提供无功功率支持，可有效解决电压随馈线的长度而下降的问题。电力公司通常采用抽头接换变压器与不同点电容器组合使不同点电压处在标准限值内。

风力发电场控制的分布式发电系统可呈现一种有趣状况，特别是在夜间。此时，只要夜间风速比白天更大，风力涡轮发电机输出更高，电力负载就远小于白天的数值。夜间风力发电场增加的这些功率导致大量功率反向流向主电网。由于现有配电系统在设计及操作上都遵循一条重要假设，即功率总是从主电网流向终端用户，这种功率反向流动的情况导致馈线电压超出正常额定值。在某些情况下，电压可超出通常允许限额的±5％。这是电力公司不能接受的。

当向馈线增加更多分布式发电系统时，反向功率流动就要面临一个巨大挑战。保持电压在特定范围内升高直接影响了能接入特定配电网络的分布式发电系统的数量。当在电网中增加额外的风力发电场时，电力公司将不得不安装灵活交流输电系统控制器等昂贵的电压调节装置，如静止无功补偿器或静止同步补偿器，以解决这一问题。

鉴于上述情况，需要有一个适应现有分布式发电系统的系统、方法和/或装置，以支持风力发电场和其他分布式发电源的增设，而非昂贵的电压调节装置。

本发明概要

本发明通过使用光伏太阳能发电场作为有功功率的来源及动态可控无功功率的来源，从而提供了一种解决上述问题的方案。

本发明特别提出在夜间首先使用太阳能发电场逆变器作为静止同步补偿器，以解决在一个分布式发电系统中增设风力发电场引起高电压的问题。本发明表明，太阳能发电场逆变器可用于在公共耦合点(即风力发电系统的并入点)有效地调节电压。此外，在夜间，太阳能发电场可用于实现静止同步补偿器的所有功能，以通过增强电力系统稳定性、抑制电力系统震荡、缓解电压不稳定性、抑制次同步谐振等来改善电力系统性能。它也可用于提供负载无功功率支持/补偿，实现负载平衡和/或消除负载电流谐波。

由于在夜晚或没有阳光时，太阳能发电场是完全闲置的，不产生有功功率，所以，太阳能发电场逆变器的全部额定功率可用于实现上述功能。在白天，当太阳能发电场不在发电高峰期时(如在清晨或傍晚)，剩余的太阳能逆变器能量可用于执行任何或所有上述任务/功能。

在另一实例中，本发明还提供了一个具有多操作模式的辅助控制器。当分布式发电系统在夜间和白天运行时，上述控制器可用于调节电压。

此外，本发明还包含一个提供系统电压控制器及辅助阻尼控制器的实例。电压控制器与阻尼控制器可利用与电网连接的基于逆变器的太阳能分布式发电或与电网连接的基于逆变器的风能分布式发电。这一实例提高了分布式发电系统在白天及夜间的瞬态稳定性，无论何时当分布式发电系统有可用无功功率容量时。

首先，本发明提供了一个在公共耦合点有效连接到分布式发电网络的分布式发电源，所述分布式发电源包括：电压逆变器；操控所述电压逆变器的控制器，当所述分布式发电源向所述电网提供低于其最大额定功率的有功功率时，所述公共耦合点的电压由作为静止同步补偿器的控制装置调节，其中，当至少一个有效接入所述电网的额外分布式发电源相对于所述电网中一个或多个负载产生超额功率时，所述静止同步补偿器可防止公共接入点的电压超出额定电压。

其次，本发明提供了一个用于控制与电力传输系统对应的多功能分布式发电源的控制系统，所述控制包括：生成数控字码的主控单元，所述控制字码具有明显分段；多个控制模块，用于产生作用于分布式发电源不同功能的值，所述值用于生成与上述不同功能所要求信号成比例的信号；其中，每个控制模块接收至少一部分所述数控字码，每个控制模块由所述数控字码的特定明显分段激活或禁用。

第三，本发明提供了一个用于改善电力传输线瞬态稳定性的系统，所述系统包括：输出端接入所述输电系统的电源；阻尼控制器，它接收并输出一个阻尼控制信号；接收所述阻尼控制信号的控制系统；所述控制系统向所述输电系统线上的瞬态信号输出幅度控制信号；所述幅度控制信号控制所述电源，因此，所述输出是基于幅度控制信号的。

第四，本发明提供了操作能量转化场的方法，所述能量转化场连接到电力传输系统，该能量转化场具有逆变器。所述方法包含：利用所述逆变器将能量发电系统作为静止同步补偿器；利用所述逆变器增加电力传输系统的输电能力；对所述电力传输系统的用户充电，从而增大此电力传输系统的输电能力。

第五，本发明提供了操作太阳能发电场的方法，所述太阳能发电场连接到电力传输系统，该太阳能发电场具有逆变器。所述方法包含：将所述太阳能发电场连接到至少一个其他能源发电系统；利用所述逆变器将能量发电系统作为静止同步补偿器；利用所述逆变器控制所述电力传输系统的电压；对所述电力传输系统的用户充电，从而将所述逆变器作为所述电力传输系统的电压调节装置。

附图简介

本发明实例参见下列附图，其中，不同附图中相同参考数字代表相同元件。

图1为本发明一实例的系统框图表示。

图2为光伏太阳能发电场的详细表示。

图3为本发明一实例的简化系统配置。

图4为利用光伏太阳能逆变器的电压降低补偿的向量表示：(a)夜间操作，(b)白天操作。

图5为利用光伏太阳能逆变器的电压上升补偿的向量表示：(a)夜间操作，(b)白天操作。

图6为一光伏太阳能发电场24小时的开发利用情况：(a)白天操作：PSF＜PL，(b)白天操作：PSF＝PL，(c)白天操作：PSF＞PL，和(d)夜间操作：PSF＝0。

图7为本发明一实例的光伏太阳能发电场在夜间的不同操作模式。

图8为光伏太阳能发电场在夜间的其它操作模式。

图9为一光伏太阳能发电场有功功率及无功功率的能力曲线。

图10为实现本发明一实例的控制方案框图表示。

图11为滞环电流控制操作的框图表示。

图12为激活特殊操作模式的流程图。

图13为本发明实例所示的单一太阳能发电场研究系统I及太阳能风能发电系统研究系统II的线路图。

图14为本发明另一实例所示的两个等效分布式发电系统中各种子系统框图。

这些图不按比例绘制，某些特点可能被夸大或缩小，以显示特殊元件的细节，且相关元件可能未绘制，以防止混淆。因此，此处披露的具体结构和功能细节不能被认为是限制性的，而只能作为索赔依据或作为熟练工的教学基础，以多方面使用本发明。

优选实例的详细说明

一般来说，此处所述的系统是针对一种将太阳能逆变器作为静止同步补偿器在分布式发电系统中调节电压的方法，尤其是在夜间。根据需要，本发明的实例可在此披露。然而，在此披露的各实例不仅起到示例作用，而且应理解为本发明可有各种替代的表现形式。为了教学等目的，所举实例是一种将太阳能逆变器作为静止同步补偿器在分布式发电系统中调节电压的方法。

本文所用术语“包括”和“包含”应理解为非独占性的，可包含其他内容。具体来说，说明书及权利要求中的术语“包括”和“包含”及其变形是指具有特定的功能、步骤或组件。这些术语不应该被理解为不具有其他特性、步骤或部件。

本发明允许太阳能发电场逆变器在夜间没有阳光时作为静止同步补偿器进行控制。当太阳能发电场逆变器在夜间作为静止同步补偿器使用时，其整个额定功率/容量为电力系统提供了多种优点，这些优点通常由灵活交流输电系统技术提供。在白天(特别是在清晨和黄昏的时候)，有功功率发电后，此太阳能发电场逆变器剩余的所有能量被用于作为静止同步补偿器进行控制。这种方法考虑了一系列应用及为太阳能发电场获得潜在收益的方法，而不是简单地在白天产生有功功率。

本发明还允许在没有风时把风力发电机逆变器(特别是基于变频调速技术的风力涡轮发电机)作为静止同步补偿器来控制。在无风时，太阳能发电场逆变器的整个额定功率/容量为电力系统提供了多种优点，这些优点通常由灵活交流输电系统技术提供。在其他时间(特别是小风情况下)，有功功率发电后，此太阳能发电场逆变器剩余的所有能量被用于作为静止同步补偿器进行控制。这种方法考虑了一系列新应用及为太阳能发电场获得潜在收益的方法，而不是简单地产生有功功率。

光伏太阳能发电场有几种作为静止同步补偿器的潜在用途，下述说明书举例描述了光伏太阳能发电场作为静止同步补偿器使用的两个主要优点：1)通过在电网中提供电压控制将更多风力发电系统并至输电/配电网络，2)通过电压控制和辅助阻尼控制在输电系统中增加稳定功率传输限值。

风力发电系统有几种作为静止同步补偿器的潜在应用，下述说明书举例描述了风力发电系统作为静止同步补偿器使用的一个主要优点：通过电压控制和辅助阻尼控制在输电系统中增加稳定功率传输限值。

无论在以下哪种条件下，太阳能发电场逆变器和风力发电系统逆变器用作静止同步补偿器均是可行的：1))逆变器的型号和配置，如6脉冲、12脉冲、多级频率等；2)所用半导体开关的型号是逆变器，如门极可关断晶闸管和绝缘栅双极型晶体管等；3)所用激励方法类型有：脉宽调制、正弦脉宽调制、基于锁相环等；4)控制器设计方法，如极点配置、超前滞后控制和基于遗传算法控制等；5)辅助控制信号选择，如本地信号：线路电流大小、有功功率流向、本地总线频率；远程信号：相量测量单元所需信号等。

表1提供了各图及描述所用术语和符号的解释。

符号解释

vPCC，a＝vPCC，a(omegat)公共耦合点a相瞬时电压

vPCC，b＝vPCC，b(omegat)公共耦合点b相瞬时电压

vPCC，c＝vPCC，c(omegat)公共耦合点c相瞬时电压

Vm公共耦合点额定电压峰值大小

VPCC公共耦合点实际电压的峰值

V*PCC公共耦合点参考(需求)电压的峰值

Vdc实际直流总线电压

V*dc参考(需求)直流总线电压

Iv实现公共耦合点电压控制的需求电流强度

IDC实现直流总线电压控制的需求电流强度

iva＝iva(omegat)用于公共耦合点电压控制的瞬时a相参考电流

ivb＝ivb(omegat)用于公共耦合点电压控制的瞬时b相参考电流

ivc＝ivc(omegat)用于公共耦合点电压控制的瞬时c相参考电流

idc，a＝idc，a(omegat)用于直流总线电压控制的瞬时a相参考电流

idc，b＝idc，b(omegat)用于直流总线电压控制的瞬时b相参考电流

idc，c＝idc，c(omegat)用于直流总线电压控制的瞬时c相参考电流

i*SF，a＝i*SF，a(omegat)用于太阳能发电厂逆变器控制的净瞬时a相参考电流

i*SF，b＝i*SF，b(omegat)用于太阳能发电厂逆变器控制的净瞬时b相参考电流

i*SF，c＝i*SF，c(omegat)用于太阳能发电厂逆变器控制的净瞬时c相参考电流

Ua每单位a相公共耦合点电压

Ub每单位b相公共耦合点电压

Uc每单位c相公共耦合点电压

k转换公共耦合点电压为每单位值的电压增益

kv转换每单位值为实际值的电压增益

kDC转换每单位值为实际值的电压增益

Cdc直流链电容器

Lsh接口串联电感器

S1-S6绝缘栅双极晶体管

G1-G6接通或断开绝缘栅双极晶体管的门开关脉冲

大写字母峰值/平均/直流或均方根值(如ExVPCC；Vdc)

小写字母随时间变化的瞬时值(如VPCC，a；i*SF，a)

本发明提供了一种利用太阳能发电场逆变器作为有功及无功功率来源以支持分布式发电系统发展的方法。本发明利用太阳能发电场逆变器在夜间不能使用这一事实。此外，当太阳能发电场产生的功率不能达到其额定功率时，本发明也可在白天使用。在约60％的白天时间(13小时白天中的8小时)，太阳能发电场逆变器容量未被充分使用(如所用逆变器容量低于其额定容量的75％)，因此，这些未充分使用的逆变器容量被有偿用于在夜间有限度地实现类似功能。为便于理解，在下文中，本发明的操作模式命名为夜间操作模式(简称为夜间)和白天操作模式(简称为白天)。

本文涉及光伏太阳能发电场。熟悉的作业人员会明白，本发明不仅局限于此类太阳能系统，也可与任何一个具有电压逆变器的分布式发电源一起使用。

太阳能光伏逆变器的剩余可用容量可用于解决分布式发电系统的一些已知问题。本发明提供了一些太阳能发电场逆变器可实现最大效果的实例。表2强调了建议太阳能发电场在两种操作模式下的应用。此外，某些应用可进行整合，以同时完成各种任务。

表2：太阳能发电场的一些操作模式

操作模式

1.夜间操作2.白天操作

公共耦合点电压调节有功功率注入

辅助/阻尼控制公共耦合点电压调节

负载无功功率补偿辅助/阻尼控制

功率质量提升负载无功功率补偿

负载和/或网络平衡功率质量提升

电池充电负载和/或网络平衡

图一为示例系统的单线表示图。本系统包含一风力发电系统及一光伏太阳能发电场。不同重要点间的距离由等效线路阻抗表示，如Z11，Z12等。简单地说，在馈线末端，该系统中表示为等效百万瓦及百万乏的所有负载是结合在一起的。

图二是光反应太阳能发电场转化为具有直流总线电容的电压源型逆变器的详细原理图。电压源逆变器是利用六个半导体开关(此处指绝缘栅双极晶体管)实现的。人们可能认为，有多种类型/配置的电压源转换器/逆变器。但本发明适用于任何类型/配置的逆变器。该逆变器通过接口串联电感器及升压变压器连接至电网。该光反应太阳能发电场连接至馈线/电网的点被称为公共耦合点。注入光伏太阳能发电场的电流被称为iSF，a；iSF，b；iSF，c。

如上所述，本发明寻求提高风力发电系统的有功功率注入能力，特别是在夜间当风力发电系统通常比白天发更多电时。这些风力发电场所发的电远大于连接至风力发电系统下游的负载，多余的电流向主电网。这种反向电流导致馈线电压升高。如果反向电流量过高，馈线电压可能会超出电力设施规定的接收限额(如额定馈线电压的正负5％)。如果此类事件发生(即因反向电流，馈线电压超过额定电压的1.05倍)，该风力发电系统需关闭或减少其输出功率注入。

因此，本发明通过未充分使用的光伏太阳能发电场逆变器(夜间)在上述事件中控制馈线电压。该光伏太阳能发电场逆变器通过注入适量的控制无功功率来控制升高的馈线电压，并将其恢复到可接受限度内。

一般来说，电容器连接至太阳能逆变器的直流侧。本发明中，通过从电网接入少量有功功率，电容器电压(以下称为直流链电压或直流总线电压)保持在参考范围内。必须有一个具有自给直流总线功能的光伏太阳能发电场，特别是在夜间。这使得光伏太阳能系统可作为静止同步补偿器运行。

本段描述了使用光伏太阳能发电场调节公共耦合点电压的工作原理。

图一中要研究的系统在图三中表示为简化图，以便于更好地理解本发明的工作原理。此外，为了简化，做出如下假设：电线的电阻和电容被忽略；负载以非常近的距离连接到太阳能发电场，即太阳能发电场与负载之间零阻抗；单位功率因数负载。

第二点假设，即负载以非常近的距离连接到太阳能发电场，有助于将矢量图简化为负载，且公共耦合点的电压相同。然而，对于更复杂的表示，公共耦合点和负载之间的线路阻抗应包括在内。在这种情况下，负载电压相量的幅度会较低/较高，与取决于线路Z12长度和负载确定电流量的公共耦合点电压相比产生相位移。

原则上，当电压从额定值上升或下降时，外设的灵活交流输电系统装置，如静止同步补偿器，将会注入适当的无功功率，以抑制线路阻抗上电压的下降/上升，从而将电压恢复到额定值附近。

光伏太阳能发电场(作为静止同步补偿器)注入无功功率(电容模式操作)时，公共耦合点的电压上升。但如果光伏太阳能发电场(作为静止同步补偿器)吸收无功功率(电容模式操作)时，公共耦合点的电压下降。因此，与公共耦合连接点电压测量值对应的受控无功功率注入/吸收行为将调节公共耦合点电压，并将其保持在预期的预设值不变。

图四所示为光伏太阳能发电场逆变器作为静止同步补偿器运行及控制以补偿电压下降时的相量表示。配电层电压Vs(降压变压器后)被认为是参考相量。负责调节公共耦合点的有效电压下降被称为补偿电压(Vc)。流经馈线的负载电流使线路阻抗电压下降。对于未补偿线路，当线路长度增加时，最远端可用有效电压逐渐下降。线路阻抗是配电变压器二次电压与公共耦合点电压间相角滞后的原因，表示为delta。

为了补偿公共耦合点的电压下降，太阳能发电场按电容器控制。图四所示为光伏太阳能发电场逆变器在夜间补偿下降电压的相量表示。V_PCC和V^* _PCC分别表示下降的公共耦合点电压及公共耦合点电压参考值。由于忽略线路阻抗，在流经电感性线路阻抗时，正交超前电流将导致额外的电压下降Vc。该行为将把下降的公共耦合点电压V_PCC升高至V^* _PCC。由此产生的电流源(I’s)是IL和I_SFq的向量和。变压器二次电压Vs与产生的电流源I’s间的有效相位角表示为phi’s。太阳能发电场(公共耦合点)电压与其注入电流间的相位角表示为phiSF。在夜间，相位角phiSF接近于90度。

补偿电压是线路阻抗(ZI)和正交电流ISFq的一个函数，数学表达式为：

|V_c|＝I_SFq·Z_l(1)

如图四所示，Vc也可表示为：

|V_c|＝|V^* _pcc|-|V_pcc|(2)

在公式二中，V*PCC是已知量，而VPCC(实际公共耦合点电压)可被电压传感器检测。因此，光伏太阳能发电场逆变器需要补偿的降低电压量可由以下公式计算：公式(3)。

$I_{\mathrm{SFq}}=\begin{array}{c}\left|{V^{*}}_{\mathrm{pcc}}\right|-\left|V_{\mathrm{pcc}}\right|\\ Z_1\end{array}---\left(3\right)$

图四所示为白天电压下降补偿的相位表示。补偿原则及所有公式与夜间操作相同。唯一不同点是，太阳能发电场逆变器提供了光伏产生的有功功率传输至电网时达到理想电压上升所需的无功功率，因此，在白天注入太阳能发电场逆变器的净电流是有功电流分量(ISFa)和无功电流分量(ISFq)的向量和。

在本发明的优选实例中，电压上升可归因于从统一馈线或相邻馈线的另一分布式发电源或从太阳能发电场自身(可能在白天)反向流动的功率。

在夜间，整个太阳能发电场逆变器容量可用于为调节电压提供可控无功功率。

在夜间，注入有功功率后，剩余的逆变器容量可用于为调节电压提供可控无功功率。如整个逆变器容量只在中午用于产生有功功率。在清晨或傍晚，逆变器只有部分容量被使用。

图五所示为光伏太阳能发电场逆变器在夜间补偿下降电压的相量表示。为了补偿在公共耦合点的上升电压，太阳能发电场按电感器控制。太阳能发电场逆变器(ISFq)提供的滞后电流将导致感性线路的电压下降Vc，该电压下降在限值内。这样的结果将使超出电压返回可接受电压限值。图五所示为白天电压上升补偿。此时，当向电网注入有功功率时，太阳能发电场逆变器同时注入有功及无功电流分量实现过电压补偿。公式(1)和(3)也可适用于电压上升补偿。

值得注意的是，上述公式是基于感性线路(R1＝0)的假设。对于更精确的表示和计算，需要考虑线路阻抗。当太阳能发电场逆变器用于调节电压时，通过感性阻性结合线路，阻性元件电压将使公共耦合点与配电变压器二次电压间的相角位移增大或减小。

因此，在优选实例中，太阳能发电场逆变器用作灵活交流输电系统装置，即静止同步补偿器，以调节馈线电压，支持配电网络扩容。容量扩大使得增加分布式发电源成为可能，从而导致线路电压在夜间超过额定限值。在优选实例中，增加的分布式发电源包含一个或多个连接至同一馈线的风力发电场。

在本发明的优选实例中，太阳能发电场逆变器被控制用于执行一些其他任务。所有这些特性都在框图中表示，以描述光伏太阳能发电场在提供/注入无功和有功功率方面的作用。

图六所示为光伏太阳能发电场24小时开发利用情况的框图表示。负载假设为有功和无功功率负载相结合，分布式发电系统仅表示为太阳能发电场。为便于理解，框图中强调了不同点的功率流动(无功和有功)。

图六中，(a)到(c)所示为光伏太阳能发电场典型的白天操作。在这些条件下，太阳能发电场注入光伏电池产生的有功功率，上述操作被称为有功功率注入操作模式。三种可能的太阳能发电场发电情况分别是：(1)所述太阳能发电场产生功率小于负载有功需求(PL)(图六(a))；(2)所述太阳能发电场产生功率等于负载需求(图六(b))；(3)所述太阳能发电场产生功率大于负载需求(图六(c))。图六的情况表示逆功率流。

图六中，(d)所示为太阳能发电场在夜间的框图表示。值得注意的是，太阳能发电场在整个夜间都是闲置的。在上述所有操作情况下，负载所需无功功率由电网提供。

图七对本发明优选实例的控制情况进行了概括，并在下文简单提及。图七描述了前面讨论的将本发明光伏太阳能发电场逆变器作为静止同步补偿器来调节公共耦合点电压。这种操作模式被称为电压调节(VR)。在配电变压器侧看到的无功功率流Qs在电压调节操作模式中将作为QL(如存在)和QVR的向量和。

此外，在本发明优选实例中，光伏太阳能发电场逆变器被控制用于抑制因同步发电机的电磁振荡以及电力系统被干扰后激发的区域震荡引起的功率振荡。应该指出的是，这些干扰有可能来自线路/变压器转换或故障。所述太阳能发电场逆变器也可用于提高电力系统的稳定极限，从而使更多电量安全地流向输电线路。所有这些控制均通过辅助控制器来完成，以下简称辅控器。

根据本发明，辅助控制装置可基于被称为本地信号的本地测量信号或被称为远程信号的远程测量信号。这些辅助信号的特性是，它们包含/反映需要通过作为静止同步补偿器的太阳能发电场来抑制的电力系统振荡。本地信号的例子包括线路无功功率流、线路电流大小、本地总线频率等。另一方面，远程信号的例子包括远程总线电压、远程发电机振荡、远程线路流等。这些远程信号通过基于全球定位技术的相量测量单元提供给用作静止同步补偿器的太阳能发电场，或通过专用光纤电缆传输。

所述辅助控制器可利用冲淡滤波器、增益元件和几个阶段的滞后控制器。辅助控制器的输出增加到电压控制器。当电压控制模式尝试将公共耦合点电压保持在一个非常小的时间常数时(15-45微秒)，辅助阻尼控制器允许公共耦合点电压在标称值附近有小幅调节(缓慢时间常数0.1-2秒)。当网络有振荡时，这赋予系统一种阻尼能力。没有振荡时，只有电压控制器被激活。

本发明中，如果网络负载需要滞后或者超前无功，所述光伏太阳能发电场逆变器被控制为支持超前(容性)或滞后(感性)无功功率。图七(a)和(b)分别表示滞后功率因数和超前功率因数的无功功率流。因此，所述负载无功功率补偿操作模式可确保公共耦合点单位功率因数操作，也可将线路损耗降低到相当程度。

电压调整操作模式和无功功率补偿操作模式的不同点如下。当太阳能发电场逆变器用于支持滞后或超前负载无功功率的需求时，公共耦合点的电压分别间接地按一定百分比上升或下降。这个百分比完全取决于负载所需的无功功率(滞后或超前)量。然而，电压调节不是直接控制的。另一方面，在电压调节操作模式下，功率因数也可提高。电压控制和负载功率因数修正这两点可通过整合图七描述的这些方面进行优化控制。

在本发明的优选实例中，光伏太阳能发电场逆变器也可用于补偿/中和非线性负载产生的谐波，从而有助于减少谐波对配电网络的危害。这种控制特性被称为谐波补偿操作模式。图七描绘了光伏太阳能发电场逆变器注入谐波有功和无功功率，以补偿连接到太阳能发电场下游的非线性负载产生的谐波。

上面讨论的本发明实例提出了针对太阳能发电场在配电层实现各种功能的可行控制方法。但在典型配电网络中，需要完成这些功能组合。在本发明的另一优选实例中，上面讨论的功能是同时协调的。

图七中，(g)、(h)和(i)分别为电压调节/辅助控制和谐波补偿的组合；负载无功功率补偿和谐波补偿的组合；以及电压调节/辅助控制和负载无功功率补偿和谐波补偿的组合，它们描述了这些协调的特性。在三相四线系统，所述太阳能发电场逆变器也可用于补偿三相与单相负载组合造成的不平衡负载电流。此特性框图未在图七中显示。

在本发明的另一优选实例中，光伏太阳能发电场逆变器被用作全控电池充电器，特别在夜间。在这种情况下，太阳能发电场与风能发电场组成分布式发电系统，光伏太阳能发电场与蓄能电池一起用于储存风力发电场产生的多余功率。此特性实现了下述两个功能：(1)在高峰负载时，通过断开蓄电池充电提高系统可靠性；(2)在充电过程中，以适当方式控制的有功功率储存有助于调节馈线电压上升。

本太阳能发电场逆变器在白天必须注入光伏太阳能电池产生的有功功率。当向电网注入有功功率时，太阳能发电场逆变器可被另外控制，以实现本文前面讨论的特性。因此，太阳能发电场逆变器的可用额定功率可限制白天注入的无功功率量。

图八全面概述了白天操作的四个框图表示。有功功率注入和电压调节/辅助控制的组合；有功功率注入和负载无功功率补偿的组合；以及有功功率注入和谐波补偿的组合，这些框图分别在图八的(a)、(b)和(c)中表示。图八中(d)所示为包含有功功率注入、电压调节/辅助控制、负载无功功率补偿和谐波补偿等所有特性的条件。与夜间操作相同，在三相四线配电系统中，电流不平衡补偿特性在白天也可实现。

上述实例揭示了本发明的一些控制方面。控制方面的成功主要依靠光伏太阳能发电场逆变器注入的无功功率量(除了一定量的有功功率在负载、逆变器和电网间交换的负载平衡外)。在夜间操作模式下，太阳能发电场带来的少量有功功率在自给模式下操作。光伏太阳能发电场可提供的最大无功功率取决于该逆变器的兆伏安额定功率。在下一节中，光伏太阳能发电场提供无功功率可能性的数学表示为：

在夜间：PSF＝0，因此，QSF＝QSFmax＝SSF，rate；ISF＝ISFq；phiSF＝90度。

在白天：

额定功率发电(100％)：PSF＝PSFmax＝PSF，rate，因此，QSF＝0；ISF＝ISFa；phiSF＝90度。

小于额定功率发电(小于100％)：SSF，rate＝PSF+jQSF；ISF＝ISFa-+ISFq-；phiSF不等于90度不等于0。

根据表五，当光伏太阳能发电场在白天按照其额定功率发电时，太阳能发电场逆变器不能用于提供无功功率。对于较小的有功功率发电，通常有可能同时提供有功和无功功率。

图九所示为基于光伏太阳能发电场逆变器容量所绘的有功-无功能力曲线。X轴表示有功功率的可能值，Y轴表示光伏太阳能发电场在不增加可用逆变器额定功率的前提下提供的无功功率可能值。上述有功-无功能力曲线图基于净注入电流ISF的相位角(SF)，分为四个区域，即区域一、二、三和四。(所述相位角是相对于公共耦合点电压测量的)

在理想情况下，光伏太阳能发电场不消耗任何有功功率，因此，区域一和四没有曲线活动。但本发明的光伏太阳能发电场将会产生少量有功功率，以维持直流侧电容器电压，特别是在夜间。此有功功率对于降低逆变器相关损耗是必不可少的。当光伏太阳能发电场不产生任何有功功率时，可用无功功率容量达到100％。从图九可以看出，当光反应太阳能发电场只产生额定功率的20％时，高达97.9％的无功功率可用于各种补偿。有趣的是，按额定功率的95％发电时，仍可提供31％的无功功率容量供有偿使用。

本发明的另一优选实例在注入最大额定功率时采用改进的太阳能发电场逆变器提供无功功率。在注入最大额定功率时，为了支持无功功率，太阳能发电场逆变器有一个增加的功率额定值。在优选实例中，适当超出规模的太阳能发电场逆变器具有极大好处。例如，如果太阳能发电场逆变器超额达5％-10％，那么当有功功率注入容量被100％使用时，用于其他任务的剩余可用无功功率容量将达到32％-45.8％。

在电力公司安装静止同步补偿器调节公共耦合点电压的示例中，可以理解上述实例提供的极大好处。在这种情况下，如果电力设施要提供100％无功功率容量，所需静止同步补偿器的额定功率也必须是100％。

由上可知，本发明的一个优选实例显示，当简单超额达到41.2％时，光伏太阳能发电场可提供与单独安装100％容量的静止同步补偿器相同的能力。此外，超额逆变器(141％)的另一个好处是，在夜间没有有功功率时，逆变器的无功功率容量将从100％上升至141％。

该静止同步补偿器的额定值是根据直接取决于其半导体开关电压及电压额定值的表观功率额定值来确定的。电气装置的电功率额定值/容量的一般表达方式是定义其兆伏安。(M指百万，V指电压单位伏，A指电流单位安)

图十所示为用于实现采用太阳能发电场作为静止同步补偿器和/或并联有源滤波器的优选控制理念的控制方案示范框图表示。该示范控制方案不仅适用于白天也适用于夜间。控制器具有六个不同回路，即(a)同步回路，(b)公共耦合点电压调节和阻尼控制回路，(c)直流总线电压调节回路，(d)负载电流谐波补偿回路，(e)负载无功功率补偿回路，及(f)有功功率注入回路。

锁相回路(PLL)用于保持与公共耦合点电压同步。该锁相回路输出正弦和余弦函数。余弦函数用于生成电流的参考正交分量，以调节公共耦合点电压。正弦函数用于生成相内参考电流分量。这些分量产生必要的基本有功功率，将直流总线电压稳定在预定参考值。公共耦合点和直流总线电压控制回路由比例积分控制器组成。

本发明一优选实例中，公共耦合点电压调节回路增加一个辅助控制器。该辅助控制器为太阳能发电场的一些应用提供稳定性和阻尼控制。辅助控制器的结构与操作如上文所述。

为调节公共耦合点电压，感测公共耦合点的实际电压并与每单位参考电压V*PCC相比较。将辅助控制器的输出增加到电压参考值。实际及参考电压与辅助信号之差由比例积分调节器处理。比例积分调节器的输出被增益(kVR)放大，生成参考电流强度(IVR)。所述电流强度经过余弦函数放大，生成用于调节公共耦合点电压的参考正交分量(ivR，abc)。同样，需用于维持直流总线电压常数的参考信号iDC，abc也通过正弦函数生成，特别是在夜间。提取公共耦合点电压调节回路中的信号VEr，cmd，用于主控制单元。由此激活或禁用电压调节回路。

一般来说，在实时实现时，控制方案使用复杂的数字控制器(如微控制器、数字信号处理器[DSP]等)来制定。控制方法(如电压电源不同的情况下)要求的所有必要数量用电压传感器和电流传感器(如霍尔效应传感器)感测。不考虑是否用于实时确定电压或电流或其他参数，这些传感器输出规模化的电压信号。例如，为了感测120千伏电压，传感器有可能输出1伏作为代表信号。用户可以控制可调节输出值的传感器增益设定。类似情况也出现在电流测量中，用户可以控制传感器增益，同样也可调节输出值。这些规模化信号通过模拟数字转换器转换为数字信号。用户在数字信号处理器中对必要增益进行相乘，以提取感测信号的精确值。例如，一个一伏信号可乘以120,000提取感测信号的精确值。这些增益是常数，不需要改变或受到感测信号任何变化的影响。在现有发明中，通过生成将通过光伏太阳能发电场逆变器注入的参考电流，可实现不同的控制。为便于理解，需要指出的是，信号对应的电压表示为电压(voltage)，信号对应的电流表示为电流(current)。如上所述，数字信号处理器中的信号是电压。当在数字信号处理器中进行数学计算/运算，因为都是代表信号，电压、电流/功率等名词不再具有重要意义。

直流总线电压调节模式只适用于夜间操作模式，提供穿过光伏太阳能发电场逆变器的自给式直流总线。直流总线电容器通常通过太阳能板的电输出充电。在夜间，由于没有太阳能，该直流总线电容器依旧需要充电，以提供静止同步补偿器操作所需的无功功率。太阳能阵列应该通过机械开关断开，与直流总线电容器保持隔离。这有助于确保太阳能阵列不会因突然激增的电压/电流造成损坏。

直流总线电压控制回路也由比例积分控制器组成。为调节直流电压，感测实际直流电压，并与正确选择的参考值V*DC相比较。实际电压与参考电压之差由比例积分调节器处理。比例积分调节器的输出由适当的增压(kv)放大，以生成参考电流强度IDC，电流强度IDC与正弦函数(sina，sinb，sinc)相乘生成相内参考分量(idc，abc)。这些分量产生必要的基本电流分量(有功功率)，将直流总线电压稳定在预定参考值。这些有功功率需在静止同步补偿器操作中弥补逆变器及无源元件相关损失。

为了提供负载无功功率和补偿电流谐波(如果存在)，对不同的有功及无功功率采取瞬时测量，所述有功及无功功率通过单相p-q(有功-无功)理论计算。采用该方法是因为它允许单独的或组合的负载无功和电流谐波补偿。此外，在负载不平衡情况下，有可能通过简单扩展包括负载平衡。根据所述单相有功-无功理论的概念，一个三相系统由三个独立的单相系统表示，且单相有功-无功理论独立适用于每一相。

对于相a，公共耦合点电压和负载电流可用坐标[alpha]-[beta]表示如下：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Vpcc},\\ \mathrm{\α}\_\mathrm{\α}\\ \mathrm{Vpcc},\\ \mathrm{\α}\_\mathrm{\β}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ωt}\right)\\ V\\ \mathrm{pcc},\mathrm{\α}(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/\\ 2)\end{array}\right]---\left(7\right)$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{L,\mathrm{\α}\_}\\ \mathrm{\α}\\ i_{L,\mathrm{\α}\_\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{Lc},\mathrm{\α}}(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_L)\\ i_{L,\mathrm{\α}}[(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ}\\ \mathrm{}{\mathrm{}}_L+\mathrm{\π}/2\left)\right]\end{array}\right]---\left(8\right)$

根据所述单相有功-无功理论的概念，瞬时有功及无功功率测量如下：

$\left[\begin{array}{c}{p}_L\\ \mathrm{\α}\\ q_L\\ \mathrm{\α}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\α}\\ \mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\β}\\ -\mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\β}\\ \mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{L,\mathrm{\α}\_}\\ \mathrm{\α}\\ i_{L,\mathrm{\α}\_\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(9\right)$

总瞬时有功功率(PLa)和总瞬时无功功率(QLa)可分解为基本功率和谐波功率，分别表示如下：PLa＝PLa-+PLa～；QLa＝QLa-+QLa～。

$p_{\mathrm{L\α}}={\stackrel{\‾}{p}}_{\mathrm{La}}+{\tilde{p}}_{\mathrm{La}}---\left(10\right)$

$q_{\mathrm{L\α}}={\stackrel{\‾}{q}}_{\mathrm{La}}+{\tilde{q}}_{\mathrm{La}}---\left(11\right)$

在公式(10)和(11)中，PLa-和QLa-表示负责基本负载功率和无功功率的直流分量，PLa～和QLa～表示负责谐波功率的交流分量。所述基本瞬时负载有功(PLa-)分量和基本瞬时负载无功(QLa-)分量可通过低通滤波器分别从PLa～和QLa～中简单地提取。此外，所述瞬时谐波有功(PLa～)分量和基本瞬时谐波无功(QLa～)分量可通过高通滤波器从总功率中分离。因此，根据所述单相有功-无功理论的概念，不同的有功与无功功率可实时单独计算。

由于负载电流谐波补偿，太阳能发电场逆变器需提供负载电流的谐波部分。也就是说，参考电流信号的生成需基于谐波有功与无功功率。

因此，对于相a，满足以下公式：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{HC}\_}\\ \mathrm{\α}\\ I_{\mathrm{HC}\_}\\ \mathrm{\β}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\α}\\ \mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\β}\\ \mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\β}-\\ \mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\tilde{p}}_{\mathrm{La}}\\ {\tilde{q}}_{\mathrm{La}}\end{array}\right]---\left(12\right)$

其中，A_xa＝v² _{PCC，a_α}+v² _{PCC，a_β}(13)

由于a轴数量表示原始系统，用于负载电流谐波补偿的参考电流可计算如下：公式(14)。

$i_{\mathrm{HC},\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\ωt}\right)=\underset{\mathrm{\α}}{\overset{1}{A_x}}[v_{\mathrm{pcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\ωt}\right){\stackrel{\‾}{p}}_{L,a}\left(\mathrm{\ωt}\right)+V_{\mathrm{pcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\β}}\left(\mathrm{\ωt}\right){\tilde{q}}_{L,a}\·\left(\mathrm{\ωt}\right)]---\left(14\right)$

同样地，关于相b和相c，也估算了负载电流谐波补偿的参考电流。

由于基本负载无功功率补偿，参考电流需基于总瞬时有功功率QLa。

因此对于相a，满足以下公式：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{LRPC}\_}\\ \mathrm{\α}\end{array}\right]=\begin{array}{c}1\\ A_x\end{array}\·\left.\begin{array}{c}\mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\α}\\ \mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ {\stackrel{\‾}{q}}_{\mathrm{La}}\end{array}\right]---\left(15\right)$

$i_{\mathrm{LRPC}\_\mathrm{\β}}\mathrm{\α}\left[\begin{array}{c}\mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\β}-\\ \mathrm{Vpcc},\mathrm{\α}\_\mathrm{\α}\end{array}\right.$

负载无功功率补偿的参考电流可计算如下：

光伏太阳能发电场生成的有功功率通过适当控制器传输到主电网，如在最大功率点跟踪模式中。最终，所有控制回路电流分量加在一起，产生太阳能发电站逆变器的总参考电流信号(i*sF，abc)。这些参考信号与实际感测到的太阳能发电场逆变器输出电流信号相比较，并通过滞环电流控制器处理，实现逆变器半导体装置的切换。

图十一所示为滞环电流控制器的框图。无论何时当误差超过固定强度限值，即滞环，滞环控制器将直接切换(如G1)。为避免短路，将相反信号应用到开关S6。“非”门用于生成所需的S6脉冲。通过三个滞环控制器，每相对应一个，生成该光伏太阳能发电场逆变器的选通信号模式(G1-G6，如图二所示)。

不同功能的所有参考信号是连续生成的，主控制单元用于激活基于优先权和控制需求的不同回路或禁用。例如，只有在公共耦合点电压上升/下降到所设定参考值的正负1％以下(1.01每单位或0.99每单位)时，电压调节模式才激活。电流谐波补偿回路在负载电流的总谐波失真超过5％。

图12给出了主控制单元的示范流程图.每个任务都分配了优先权。太阳能发电场逆变器的主要用途是在白天将可用光伏太阳能源注入到电网。因此，有功功率注入回路被赋予最高优先权。在夜间，拥有自给式直流总线，从而完成不同任务，这是很重要的，因此，这一任务被赋予了次高优先权。需要注意的是，不要同时激活上述两个回路。同样地，其他回路也被赋予了不同级别的优先权。主控制单元根据控制命令生成五个优先权，分别是u’API、u’VDC、u’VR、u’HC和u’LRPC。这些控制命令的值可为0或1，并乘以各自的控制回路参考电流分量，以将其激活或禁用。

如图11所示，该逆变器控制器可通过一些半导体装置开关来实现，如门极可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管等。例如，熟练的技术人员很容易理解：本发明也同样适用于单相和三相四线系统。本发明也同样适用于三相三线系统。

本发明通常更适合大规模分布式发电系统。当系统电压高时(如12.7kV27.6kV等)，为了调节馈线电压，光伏太阳能发电场容量必须足够高(如在兆瓦级)，才能达到满意的结果。本发明同样适用于小型分布式发电系统，该系统将收到本系统安装将降低网络补偿能力的警告。

本发明也适用于小容量光伏太阳能发电场。但如上所述，补偿能力取决于光伏太阳能发电场逆变器额定功率的和。如果附近区域有许多小型光伏太阳能发电场，通过较复杂的控制方法，所有这些小型太阳能发电场可视作一个大单位。通过将控制目标分成小部分，可实现与单独的高额定功率光伏太阳能发电场相同的性能。例如，一兆瓦级太阳能发电场可作为静止同步补偿器，通过注入1兆乏无功功率来控制公共耦合点电压，而10个容量为百千瓦的光伏太阳能发电场(彼此相邻连接)可通过从每个光伏太阳能发电场获得100千乏无功功率来完成相同操作。

任何类型的配电网络可实现本发明提出的所有实例和能力，无论是辐射状还是网状。

本发明的上述实例提供了利用太阳能发电场逆变器作为静止同步补偿器以在分布式发电系统中增加额外风力发电场的系统和方法，本发明不仅仅局限于现有的风力发电场或其他分布式发电系统。在任何时间(白天或夜间)任何情况下都是闲置的任何其他基于逆变器的分布式发电系统也可用作上述静止同步补偿器。这样的分布式发电系统可以是基于大型逆变器的风力发电场或是基于燃料电池的分布式发电系统。本发明提供了对可能在任意时间来自任意分布式发电系统的闲置逆变器的利用。

重要的是，如图10所示的系统不仅仅是实现用太阳能发电场作为静止同步逆变器和并联有源电力滤波器所需分量的示例，熟练的技术人员会理解：本发明还考虑了相关的方法和系统。例如，逆变器可通过切换装置开关，而非滞环电流调节器，如已知技术中不仅限于此的绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管等其他半导体开关装置。

此外，图十一中的处理元件显示为离线元件，它们可由单独装置提供，如计算机处理器、特定集成电路、现场可编程门阵列或数字信号处理器卡。

本发明的另一个实例提出了通过并网连接基于逆变器的太阳能分布式发电系统或基于逆变器的风力发电系统进行电压控制和阻尼控制，从而提高系统的瞬态稳定性，无论何时当所述分布式发电系统的有功功率容量可用时。本发明在这方面已进行了研究，并被用于单机无穷大总线系统的两个变形。一个单机无穷大系统仅使用与中点连接的单个太阳能分布式发电系统，而其他系统使用一个太阳能分布式发电系统和一个基于转换器的风力发电系统。通过电磁瞬态软件-电磁瞬态仿真程序/电力系统计算机辅助设计(EMTDC/PSCAD)研究三相故障；研究太阳能和风力分布式发电系统控制器的不同组合在白天和夜间提高稳定能量传输限值。

图十三的(a)和(b)分别描述了两个研究系统(研究系统一和研究系统二)的单线图。两个系统都是单机无穷大总线系统，其中大型同步发电机(1110兆伏安)通过一个200千安400千伏的输电线向无穷大总线输送功率。

在研究系统一中，基于逆变器的单独分布式发电机(此处指太阳能发电场)与输电线中点连接。在研究系统二中，两个基于逆变器的分布式发电系统分别连接在同步发电机线路的三分之一和三分之二处。连接在三分之一距离处的分布式发电系统被认为是利用带交流-直流-交流转换器的永磁同步发电机的风力发电场，而连接在三分之二距离处的分布式发电系统被认为是太阳能发电场。据悉，太阳能发电场和风力发电场分别具有多个逆变器。从上述分析可知，每个分布式发电系统由具有太阳能发电场或风力发电场总额定功率的独立等效逆变器表示。风力发电场和太阳能发电场被认为具有相同的额定功率，因此，根据所做研究，两者在位置上可以交换。图十四描述了两个等效分布式发电系统各种子系统的框图。

同步发电机通过一个六阶模型和一个DC1A式激励器详细地描述。如图十三所示，不同的输电线段TL1、TL2、TL11、TL12和TL22通过相应的集中比例积分线路表示。忽略发送端和接收端变压器饱和。

如图十四所示，太阳能发电场和风力发电场随纯直流电源转化为等效的电压源型逆变器。在太阳能发电场，直流电源是由太阳能电池板输出的，但在风力发电场，直流电源来自永磁同步发电机风力涡轮机整流器的输出。如图十四的(a)所示，每个分布式发电场的直流能源输出均输入到相应逆变器的直流总线，从而将有功功率注入电网。分布式发电系统向电网注入的有功功率大小取决于直流输入电压的大小。如图十四中的(a)，每个分布式发电系统的电压源型逆变器由带缓冲电路矩阵(显示为绝缘栅双极晶体管矩阵)的六个绝缘栅双极晶体管构成。大容量直流电容器被用于减少直流侧脉动。每一相都有一对绝缘栅双极晶体管装置，所述装置通过正弦脉宽调制技术根据对矩阵的转换信号将直流电压转化为一系列宽度可变的脉动电压。如图十四所示，转换信号通过门脉冲产生框图中被称为调制信号的幅度可变正弦信号与被称为载波信号的高频定量三角信号幅度的比较而生成。正弦调制信号的可变大小和相位角由图十四(a)中控制系统一框图和图十四(b)中控制系统二框图的外部控制器之一控制，该控制器修改转换信号宽度。三相所用转换信号等距离分布，并移动120度，而同样载波是用于所有三相的。交流侧可能需要一些滤波设备来消除谐波。在这个模型中，载波信号的幅度规范统一，因此，像调制指数那样，调制信号的大小是交替指定的。

在脉冲宽度调制转换技术中，逆变器输出端的电压大小和电压角度分别直接取决于调制指数和调制相位角。为了控制调制指数和调制相位角，两个独立的比例积分控制回路同时与该逆变器集成。下文将描述所使用的不同分布式发电控制系统。

1)控制系统一：如图十四中(a)所示，它包含两个比例积分控制器。较低比例积分控制器用于保持直流链电容器上电压和额定电压，而被称为无功功率控制器的较高比例积分控制器用于通过控制调制指数直接控制从分布式发电系统到公共耦合点的无功功率流。测量的分布式发电系统的无功功率流用作控制器的输入，并与基准量化值相比较。分布式发电系统通常需要在几乎同一功率因数下操作，因此，在分布式发电系统的传统无功功率控制器中，基准量化值设为0。

2)控制系统二：如图十四中(b)所示，这个控制系统也包含两个比例积分控制器。被称为电压控制器的较高比例积分控制器用于将公共耦合点电压调节到一个预设值。这个控制器通过控制调制指数来调节公共耦合点电压，以将公共耦合点电压作为控制器输入。分布式发电系统逆变器的无功功率量取决于公共耦合点和逆变器端的电压强度差，因此，该控制系统可间接控制分布式发电系统无功功率流。在这个系统中，较低比例积分控制器也用于保持直流链电容器上电压和额定电压。

3)阻尼控制器：如图十四中的(a)所示，一个新型辅助阻尼控制器用于抑制同步发电机的转子模式(低频)振荡，从而提高系统瞬态稳定性。此阻尼控制器被添加到控制系统一和控制系统二中。在此控制器中，线路电流强度信号被作为感测发电机转子模式振荡的控制信号。线路电流信号足以穿过有冲洗作用的并联一阶滞后超前补偿器。

所述阻尼控制器可与电压控制器或无功功率控制器一起作为补偿控制器。无功控制器、电压控制器和辅助控制器的参数根据系统打击试验方法调整，以提供最快的阶跃响应、最少的校正时间和最大的超越量5％。

总的来说，本发明提供了许多新实例。这些实例包括太阳能发电场在发电网络中作为静止同步补偿器使用、通过注入可控无功功率产生附加功能，具体包含以下内容：

太阳能发电场可作为控制电网电压的静止同步补偿器，所述静止同步补偿器允许将数量增多的风力涡轮发电机和其他可再生/非可再生能源发电机集成到输电线和配电线中。

太阳能发电场可作为静止同步补偿器，以提高其所连接输电线的功率传输能力。提高传输能力是全球电力公司面临的重大挑战。无论在白天还是晚上，光伏太阳能发电场也可起到上述作用。

太阳能发电场可作为静止同步补偿器，以提升系统稳定性，从而有助于防止断电。

太阳能发电场可作为静止同步补偿器，以提升低频(0.2-2Hz)功率振荡抑制能力，从而有助于增加输电系统的功率流。上述问题在全球许多国家均存在。

连接到串补线路的同步发电机用于提高功率传输能力，也面临未加控制的次同步谐振可能导致大型昂贵发电机轴故障/破损的问题。如果太阳能发电场位于同步发电机附近，它可用为静止同步补偿器，以降低次同步谐振。

缓解电压不稳定性：具有大无功功率消耗负载的系统(如感应电机负载、轧钢机等)面临线路停电或线路故障时电压不稳(总线电压突然减少/跌落)的问题。在上述负载附近的太阳能发电场可作为静止同步补偿器，以提供快速电压支持，从而缓解电压跌落的问题。

限制短路电流：输电和配电网络均面临因新的可再生/非可再生能源连接到电网以及电力注入故障网络的电流中引起较高短路电流的这一重大问题。太阳能发电场逆变器可在全新模式下在短路时作为整流器操作，从而从故障处回吸故障电流，并对自身电容器充电。在这种情况下，光伏太阳能发电场将允许更多的新电力并入电网。

高压直流转换器终端性能提升：高压直流线路附近的太阳能发电场可提供动态电压支持，从而在严格(差)网络条件下成功操作高压直流转换器。

作为静止同步补偿器的太阳能发电场具有低压穿越能力，从而与风力发电场成功结合。故障时，线路电压降至非常低的值，从而与附近风力发电场断开。在这种情况下，太阳能发电场可提供电压支持，允许与风力发电场保持连接，并持续向电网输电。

光伏太阳能发电场可用作有源滤波器，以校正功率因数，平衡不对称负载和线路电流谐波补偿，执行所有与具有上述功能的灵活交流输电系统协调配合的功能。

上述所有目标在白天也可通过太阳能发电场实现。

如果光伏太阳能发电场具有蓄电池形式的能量储蓄能力，当附近风力发电场电力生产过量和负载太少时，太阳能发电场可在夜间用作电池充电器。当电网需要时，储存的电能可以在白天以非常吸引人的价格出售给电网。

所述能源储存也有助于电网满足峰值功率需求。在峰值时，可购买太阳能发电场储存的功能，以满足峰值需求，而不是向电网高速输入功率。当太阳能发电场不再产生峰值/额定功率，但仍具有价值时，其应用将受到限制。

此外，基于逆变器的分布式发电系统(光伏太阳能和风力两者)通过控制电压和阻尼提高瞬态稳定性，这有许多其它优点，因此提高了输电网络的功率传输限值。其中一些原因是：

在有电压提供和阻尼控制的基础上，目前在夜间完全没有使用的太阳能分布式发电系统可用于在夜间显著增加功率传输限值。即使在白天，当太阳能分布式发电系统产生较大有功功率时，控制器可在相当大程度上帮助增加稳定传输限值。电压控制器参考电压必须明智选择，从而最大程度改善功率传输。对于研究系统一，一个100兆瓦的太阳能发电场可提高约200兆瓦的夜间传输限值，约97兆瓦的白天传输限值。

当均为100兆瓦的太阳能和风力分布式发电系统与操作阻尼控制的系统连接时，如果没有分布式发电系统产生有功功率输出，传输能力增加了240兆瓦，如果两个分布式发电系统产生高达94兆瓦的有功功率，则传输能力增加了141兆瓦。当太阳能和风力分布式发电系统均连接到操作阻尼控制的系统时，且只有一个分布式发电系统在产生有功功率，则功率传输限值至少提高了356兆瓦。

本发明的分布式发电系统灵活交流输电系统装置提高了瞬态稳定性，从而提高了电网的功率传输限值。这也可用于提供其它灵活交流输电系统装置功能。

本发明的实例完全可扩展到其他基于逆变器的分布式发电系统，如基于双馈型感应发电机(DFIG)的风力涡轮发电机。

太阳能发电场分布式发电系统通过用作静止同步补偿器可为其经营者获得更多收入。如上所述，充当静止同步补偿器的太阳能发电场可增加功率传输系统的传输能力。通过向连接到输电系统的风力发电场分布式发电系统经营者或电力公司经营者收取适当费用，以增加输电系统的传输能力，太阳能发电场分布式发电系统的经营者可分享增加的传输能力所带来的经济效益。这种方法使得在夜间或太阳能发电场逆变器没有完全用于发出有功功率时有必要将太阳能发电场分布式发电系统用作静止同步补偿器，并向电力公司或其他能源发电场经营者收取费用，以提高输电能力。当然，收费可依据传输能力的增长百分比、其他能源发电场受益于太阳能发电场的时间量或其他因数的组合。

需要注意的是，以上所述关于使用太阳能发电场增加输电线路传输能力的方法也可用于风力发电场。

因太阳能发电场控制输电和配电电网电压，从而向电力公司或其他利益相关体收取费用，这可带来更大效益。如上所述，作为静止同步补偿器使用时，安装逆变器的太阳能发电场为输电网络提供电压控制，允许更多的风力发电场连接至它所连接的电网。通过将更多的风力发电场连接到输电网络，而不是投资专用的电压调节设备，风力发电场经营者和能源电力公司可节约资本支出。因此，关于将太阳能发电场逆变器用作静止同步补偿器所带来的利益，其经营者可以向风力发电场经营者/电力公司收取持续性费用或一次性费用。

上文所述的本发明优选实例已说明了本发明的原理，本发明不局限于所列举的特殊实例。本发明的范围由包含在下述权利要求和相等物内的所有实例确定的。

Claims (18)

1.一种分布式发电源，在公共耦合点处与分布式发电网络恰当连接，所述分布式发电源包括：

电压逆变器，用于向所述分布式发电网络供应有功功率和无功功率；以及

控制电压逆变器的控制装置，其中当分布式发电源向所述分布式发电网络提供小于所述分布式发电网络最大额定有功功率的功率时，作为静止同步补偿器即STATCOM来供应无功功率以调节公共耦合点的电压，

当至少一个可操作连接在所述分布式发电网络上的额外分布式发电源产生超出所述分布式发电网络中一个或多个负载所需的功率时，所述静止同步补偿器阻止公共耦合点的电压超出额定电压，

其中仅当所述电压逆变器以小于所述电压逆变器的额定容量的容量而运行时，所述控制装置控制电压逆变器作为STATCOM；所述控制装置控制所述电压逆变器作为使用所述电压逆变器的未利用的容量的STATCOM。

2.根据权利要求1所述的分布式发电源，其中所述分布式发电源是太阳能发电场。

3.根据权利要求1所述的分布式发电源，其中所述控制装置被连接至所述分布式发电源，从而使得所述分布式发电源被用作STATCOM，所述分布式发电源是预先存在的发电源。

4.根据权利要求1所述的分布式发电源，其中所述分布式发电源是太阳能发电场，且当所述太阳能发电场的额定容量没有完全用于产生有功功率时，所述电压逆变器用作静止同步补偿器。

5.根据权利要求1所述的分布式发电源，其中所述分布式发电源是风力发电场。

6.根据权利要求1所述的分布式发电源，其中所述分布式发电源和所述至少一个额外的分布式发电源与所述分布式发电网络紧密连接。

7.一种用于提高输电系统瞬态稳定性的系统，该系统包括：

将输出注入所述输电系统的发电源；

阻尼控制器，接收在输电系统中表示振荡的信号作为输入，并输出阻尼控制信号；

控制装置，接收所述阻尼控制信号；

所述控制装置在所述输电系统中输出与瞬态信号成比例的幅值控制信号；

其中所述幅值控制信号控制所述发电源，因此，所述输出是基于所述幅值控制信号的；并且

所述控制装置控制所述发电源的电压逆变器，作为静止同步补偿器即STATCOM来供应无功功率以提高所述输电系统的上述瞬态稳定性；

其中仅当所述电压逆变器以小于所述电压逆变器的额定容量的容量而运行时，所述控制装置控制上述电压逆变器作为STATCOM；所述控制装置控制所述电压逆变器作为使用所述电压逆变器的未利用的容量的STATCOM。

8.根据权利要求7所述的系统，其中阻尼控制器包括冲淡滤波器和补偿所述振荡的补偿器，冲淡滤波器过滤由阻尼控制器作为输入接收的信号中的稳态信号。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述发电源是风力发电场分布式发电源。

10.根据权利要求7所述的系统，其中所述发电源是太阳能发电场分布式发电源。

11.一种经营能源发电场的方法，所述能源发电场与输电系统相连接，该能源发电场配置电压逆变器，所述方法包括：

将所述能源发电场的所述电压逆变器用作静止同步补偿器即STATCOM以提高所述输电系统的传输能力；以及

为所述输电系统的用户充电，以扩大所述输电系统的传输能力；

其中仅当所述电压逆变器以小于所述电压逆变器的额定容量的容量而运行时，所述电压逆变器的控制装置控制所述电压逆变器作为STATCOM；所述控制装置控制所述电压逆变器作为使用所述电压逆变器的未利用的容量的STATCOM。

12.根据权利要求11所述的方法，其中当所述电压逆变器提供的有功功率小于其额定功率时，所述能源发电场充当静止同步补偿器即STATCOM。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述输电系统的传输容量随传输线上的暂态稳定性增强而增加。

14.根据权利要求11所述的方法，其中至少一个其他能源发电场与所述输电系统耦合。

15.一种经营太阳能发电场的方法，所述太阳能发电场至少与一个其他能源发电场共享输电系统，并与之连接，且所述能源发电场配置有一个电压逆变器，所述方法包括：

通过所述输电系统将所述太阳能发电场与至少一个其他能源发电场耦合；

将所述太阳能发电场的电压逆变器用作静止同步补偿器即STATCOM；

通过使用所述电压逆变器控制所述输电系统的电压；

为所述输电系统的用户充电，以将所述电压逆变器用作输电系统中的调压装置；

其中仅当所述电压逆变器以小于所述电压逆变器的额定容量的容量而运行时，上述电压逆变器被作为STATCOM来运行；所述电压逆变器被作为使用所述电压逆变器的未利用的容量的STATCOM来运行。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述至少一个能源发电场是风力发电场。

17.根据权利要求1所述的分布式发电源，其中当所述分布式发电源向所述网络提供小于其最大额定有功功率时，所述控制装置控制所述电压逆变器作为所述STATCOM。

18.根据权利要求1所述的分布式发电源，其中当可操作地连接到所述网络的至少一个额外的分布式发电源产生超出所述网络上的至少一个负载所需的功率量的功率时，所述STATCOM阻止位于所述公共耦合点的所述电压超出额定电压。