形成和操作多終端電力系統的方法

形成和操作多終端電力系統的方法
【專利摘要】一種用于形成和操作多終端電力系統(10)的方法包含：將多個發送終端(14)連接到電力系統網絡；以及對每個發送終端進行局部控制使其表現得像恒定電源，從而使得發送終端的輸出電壓和輸出電流可以同時響應于變化的外部電路條件而改變，同時使發送終端的輸出電壓和輸出電流的乘積維持恒定。至少一個發送終端可以包含：電容性輸出轉換器，其具有連接在兩個輸出終端之間的電容器和并聯連接到電容器的受控制的電流源；或者電感性輸出轉換器，其具有連接到輸出終端的電感器和與電感器串聯連接的受控制的電壓源。
【專利說明】形成和操作多終端電力系統的方法 相關申請的交叉引用
[0001 ] 本申請要求于2013年11月18日提交的第61/905,424和61/905,428號美國臨時申 請的優先權，這些申請的整個內容特此以引用的方式并入本文中。
【背景技術】
[0002] 通常以電壓源的形式供應電力，其中供應電壓保持恒定，而供應電流隨負載條件 而變。如圖la中所說明，兩個或更多個電壓源( Vl，V2...Vn)可以串聯連接，以提供較高的供 應電壓。另一方面，電壓源的并聯連接很難，因為電壓稍有不匹配，就可能導致并聯源之間 發生較大的電流不平衡。
[0003] 有時，下面這樣的某些負載要求或者優選電流源性能:對于這些負載，供應電流必 須保持恒定，而供應電壓可能會根據負載條件波動。如圖lb中所說明，兩個或更多個電流源 (h，i 2...in)可以并聯連接，以提供較高的供應電流。然而，電流源的串聯連接很難，這是因 為需要與電流精確地匹配。
[0004] 可再生能量(例如風能和太陽能）以及其它分布式發電（DG)源通常通過電力電子 接口集成到電網中，該電力電子接口提供原始源輸出的功率調節和控制。常見的做法是控 制該接口使其表現得像這樣一個電流源，該電流源根據電流源能夠或必需產生的功率量而 注入一定量的電流到電網中。在這種情況下，需要電流源性能，因為它能避免與電壓源電網 發生沖突。
[0005] 實際上，電網并不是理想的電壓源，因為電線、變壓器和發電機會構成串聯阻抗。 同樣，接口無法成為理想的電流源，因為理想的電流源按照定義具有無限的輸出阻抗。在存 在這些不理想效應的情況下，DG電網系統的穩定性要求電網阻抗與接口輸出阻抗的比率滿 足奈奎斯特標準(Nyquist criterion)。請參照J. Sun的"電網連接的逆變器的基于阻抗的 穩定性標準（Impedance-based stability criterion for grid-connected inverters)"，《IEEE電力電子學報》，2011年11月，第27卷，第11期，第3075-3078頁。
[0006] 多個太陽能或風能源可以通過其自身的電網接口連接到電網，實際上作為電流源 彼此并聯操作。越來越需要使這些源串聯操作，以便借此減少功率調節接口的成本并提高 功率調節接口的效率。這樣的應用有幾個例子： 1) 海上風能的多終端DC傳輸:DC傳輸比ac傳輸更適合海上風能，因為很難通過長海底 ac電纜傳送電力。對于這種應用，如圖2a中所說明，串聯式DC架構（10)是有利的，其中每個 風力渦輪機（12)受到控制以產生DC輸出，并且多個這樣的DC終端（14)串聯連接以形成足夠 高的DC電壓用于傳輸到岸上電網，這種架構之所以有利，是因為它無需多余的DC-AC(16)和 AC-DC( 18)轉換級，而如圖2b中所說明，使用AC海上收集總線(24)時，必需要有這些轉換級。 2) 太陽能逆變器與中電壓分配線的直接連接:商用(大規模)太陽能設施通常通過連接 到中電壓(例如15kV或33kV)分配線集成到電網中。為了避免對于高電壓電子器件的需要， 如圖3a中所說明，每個太陽能逆變器(26)的輸出保持在低電壓電平（例如480V)，并且使用 中電壓變壓器(28)逐步提高電壓以用于連接到分配網或分配網絡(30)。圖3b中所描繪的替 代架構是將多個太陽能逆變器(26)串聯連接，使得這些太陽能逆變器能直接與中電壓分配 網絡(30)連接，而無需巨大的升壓變壓器。 3)模塊化低電壓微型逆變器：如圖4a中所說明，微型逆變器（32)從單個太陽能面板 (34)的DC輸出產生50/60HZ的AC。由于面板輸出電壓通常是電網（36)的峰值電壓的一部分 (例如在住宅建筑中是160V)，所以微型逆變器需要變壓器來逐步升高電壓，并且使用能經 受住峰值電網電壓的高電壓裝置。通過將每個微型逆變器設計成能產生低于面板輸出電壓 的電壓，并且通過串聯操作多個微型逆變器(32)以便連接到單位電網（36)，如圖中4b所描 繪，借此可以避免使用變壓器和高電壓裝置。這個方案類似于圖3b中所示的方案，并且能減 少微型逆變器的成本并提高微型逆變器的效率。
[0007] 這三個實例的共同點是:a)多個電源（下文中稱作發送終端）串聯連接以形成串， 并且b)該串與可以被視為電壓源的DC或AC電網并聯連接。為了便于串聯連接，各個發送終 端應當充當電壓源，而串應當表現得像電流源，以便與電網這個電壓源并聯操作。
[0008] 當所有發送終端的位置極為接近(例如在同一個殼體中）時，可以通過中央控制器 實現各個發送終端以及整個串之間的這種混合電壓和電流源性能。在此情況下，如圖5中所 描繪，中央控制器(40)將通過調節各個發送終端(42,42'）的輸出電壓而控制總串電壓，并 且電感器(L，L'）可以串聯插入以吸收串和電網之間的瞬時電壓差，從而實際上將串變成受 控的電流源。
[0009] 這個中央控制方案在DC網絡和AC網絡中都能起作用，但是需要控制器和每個發送 終端之間的高速通信鏈路，這個中央控制方案在發送終端分散時（例如在上文所論述的三 個實例中）難以實施，其中串的物理尺寸的范圍可以在用于屋頂微型逆變器的幾米到用于 海上風力渦輪機的幾公里。中央控制的速度必須與每個風力渦輪機或太陽能轉換器中使用 的半導體裝置的開關頻率相當，使得即使幾毫秒的失控信號也可能導致破壞性損害并且關 閉整個串。中央控制還難以模塊化和維護。因此，需要一種不同的方法使得能夠將可再生源 這樣串聯連接到電網中。

【發明內容】

[0010] 本發明提供一種用于形成和操作多終端電力系統的方法，其包括:將多個發送終 端連接到電力系統網絡；以及對每個發送終端進行局部控制使其表現得像恒定電源，從而 使得發送終端的輸出電壓和輸出電流可以同時響應于變化的外部電路條件而改變，同時使 發送終端的輸出電壓和輸出電流的乘積維持恒定。
[0011] 所述變化的外部電路條件可以包含:多終端電力系統連接到的網絡的變化的電壓 和電流，或者發送終端的變化的功率電平;并且多個發送終端可以用串聯、并聯或矩陣配置 連接。
[0012] 根據本發明的一方面，多個發送終端中的至少一些可以串聯連接以形成串，并且 所述串可以與網絡的總線并聯連接，所述總線表現得像電壓源。
[0013] 所述串可以有利地包括串聯連接的下列元件:與配電網絡或電網直接連接的太陽 能逆變器或微型逆變器，或者具有DC輸出用于DC傳輸到岸上電網的海上風力渦輪機。
[0014] 根據本發明的另一個方面，多個發送終端中的至少一些可以并聯連接以形成行， 并且所述行可以與網絡的總線串聯連接，所述總線表現得像電流源。
[0015] 每個發送終端可以有利地包括可再生能源和相關聯的功率調節電路，其中局部控 制在功率調節電路的輸出終端產生恒定電源性能。
[0016] 所述方法可進一步包含:通過在輸出電壓或輸出電流中的至少一項超出預指定的 水平時減小發送終端的功率輸出，借此修改發送終端的恒定電源性能。
[0017] 如果發送終端包括AC源，則恒定電源的功率是指基本循環中的平均功率。
[0018] 在本發明的一個方面中，至少一個發送終端可以包含功率調節電路，其包括具有 連接在兩個輸出終端之間的電容器的電容性輸出轉換器，并且功率調節電路的其余部分充 當并聯連接到電容器的受到控制的電流源，并且局部控制可包括:控制電流源以遵照P/V作 為參考，其中P是轉換器的期望輸出功率，v是輸出電容器兩端的電壓。
[0019] 在本發明的另一方面中，至少一個發送終端可以包含功率調節電路，所述功率調 節電路包括具有連接到輸出終端的電感器的電感性輸出轉換器，并且所述功率調節電路的 其余部分充當與所述電感器串聯連接的受控制的電壓源，并且其中所述局部控制可包括： 控制所述電壓源以遵照P/i，其中P是所述轉換器的期望輸出功率，i是通過所述電感器的電 流。
[0020] 為了提供故障隔離，旁路二極管可以并聯連接到功率調節電路的輸出終端，并且 斷開開關可以串聯連接在輸出終端和旁路二極管之間。
[0021] 在本發明的一個實施例中，為發送終端供電的可再生源可包括驅動發電機的風力 渦輪機，以及將發電機AC輸出轉換成DC的相關聯的功率調節電路。局部控制涉及發電機側 控制和網絡側控制，其中發電機側控制調節可再生能源，以便提取最高功率量，并且網絡側 控制負責提供恒定電源性能。
[0022] 發電機側控制可以提供功率信號到網絡側控制，所述功率信號指示可供用于饋送 到網絡中的功率量，并且網絡側控制可以使用這個信號作為控制輸出功率的命令，并且在 啟動、關閉或功率縮減期間，當輸出功率必須減小或受到限制時，網絡側控制可以將期望功 率電平的水平傳送到發電機側控制。
[0023] 在這個實施例中，所述功率調節電路可以進一步包括整流電路，所述整流電路包 含將發電機輸出轉換成DC的整流器，以及DC-DC轉換器，其使整流器的輸出階升成較高電 壓，并且還使用高頻變壓器提供電隔離。DC-DC轉換器可以是電容性輸出轉換器或電感性輸 出轉換器。發電機側控制控制整流器，并且網絡側控制控制DC-DC轉換器。
【附圖說明】
[0023]通過下文結合附圖對各種實施例的詳細描述，將容易理解本發明的特征、益處和 方面，其中：
[0024]圖1描繪(a)串聯的多個電壓源和(b)并聯的多個電流源；
[0025]圖2描繪用于(a)利用多終端串聯DC布置到岸上電網的DC傳輸和(b)具有升壓變壓 器和中央整流站的AC收集總線的海上風力發電廠架構；
[0026] 圖3描繪使用(a)中電壓變壓器和(b)用于直接(無變壓器）電網接口的逆變器的串 聯連接而連接到中電壓分配線的商用太陽能系統；
[0027] 圖4描繪用于與低電壓公用電網連接的(a)并聯和(b)串聯的微型逆變器連接；
[0028] 圖5說明通過使用串聯電感器對于串電壓的中央控制和電流源性能的形成；
[0029] 圖6呈現(a)恒定電源(CPS)的i-v特性，（b) CPS的串聯連接，和(c) CPS的并聯連接；
[0030] 圖7說明（a)處于獨立模式的具有電阻負載和(b)連接到電壓源的串聯的兩個CPS 的操作；
[0031] 圖8說明（a)處于獨立模式的具有電阻負載和(b)連接到電壓源的并聯的兩個CPS 的操作；
[0032]圖9描繪作為CPS受到控制的串聯的風力渦輪機的操作；
[0033] 圖10描繪(a)串聯行架構和(b)其等效矩陣配置；
[0034] 圖11描繪修改CPS特性以通過(a)限壓和限流以及(b)功率縮減來減少終端電壓和 電流變化；
[0035]圖12說明利用(a)并聯串和(b)串聯行(矩陣）的海上風力電網集成的多終端DC傳 輸架構，假設總線電壓是由岸上電站施加的；
[0036] 圖13描繪(a)渦輪機的電氣系統，（b)具有電容輸出的轉換器，和(c)具有電感輸出 的轉換器；
[0037] 圖14描繪包含發電器側和網絡側控制的渦輪機的整體局部控制；
[0038] 圖15描繪(a)n個風力渦輪機構成的串，（b)每個渦輪機表示為其電容性輸出轉換 器的串的等效電路，（c)和(d)兩種不同條件下的串電壓；
[0039]圖16描繪三個終端的串對于功率逐步變化的瞬時響應；
[0040] 圖17描繪三個終端的串對于具有差異電容的功率逐步變化的瞬時響應；
[0041] 圖18說明包含斷開開關和旁路二極管以提供故障隔離能力；
[0042] 圖19描繪(a)與電流源總線串聯的一行電感輸出終端，和(b)其等效電路；以及 [0043]圖20描繪三個終端的行對于功率逐步變化的瞬時響應。
【具體實施方式】
[0044] 本發明提出的解決對于串中的各個發送終端的電壓源性能和整個串的電流源性 能的沖突要求的解決方案是使每個發送終端表現得像恒定電源（constant-power source, CPS)。不同于電壓或電流源，其中僅僅供應電流或電壓隨外部條件變化，CPS的輸出電壓和 輸出電流都隨外部條件變化，而輸出電壓和輸出電流的乘積保持恒定。數學上，可以將這個 關系描述成P = v ? i =恒定，其中v和i分別是輸出電壓和輸出電流。這個符號適合于DC源。
[0045] 對于AC源，應將功率理解成是基本循環中的平均功率。另外，應注意，恒定電源的 輸出功率可能會隨時間變化，這是因為能獲得的或者需要的功率量有變化。圖6a說明這些 恒定電源的i -v特性。
[0046] 恒定電源可以彼此并聯或串聯地操作，分別如圖6b和圖6c中所說明，其中引入新 符號表示CPS(48)。在任一種配置中，每個CPS的輸出電壓和電流都取決于外部電路。為了說 明CPS如何根據外部電路條件調整其輸出電壓和輸出電流，考慮兩個DC CPS的串聯連接，這 兩個DC CPS的輸出功率分別是pdPp2。圖7示出了每個CPS以及其組合的i-v特性。
[0047]考慮兩種情況： 1)使用電阻負載的獨立操作（圖7a):負載的i-v特性表示為從原點開始的直線（v = Ri)。這條線與組合的恒定功率曲線(vi = pi+P2)的交叉點A限定這兩個CPS的組合輸出電壓 (V)和通過負載的電流(I)。穿過點A的水平線與每條CPS的i-v曲線相交，并且交叉點(AjP A2)表示對應的CPS的操作點。 2)使用電壓源的并聯操作（圖7b):并聯電壓源的i-v特性表示為垂直線v = V。這條線與 組合的恒定功率曲線(vi =Pl+p2)相交，并且交叉點B限定每個CPS供應的電流(I)。穿過點B 的水平線與每條CPS的i-v曲線相交，并且交叉點(BjPB 2)表示對應的CPS的操作點。
[0048] 雖然上面的分析是針對特定的CPS和負載條件，但是顯而易見的是，串聯的CPS可 以根據變化的負載條件以及每個CPS的功率電平調節。對于并聯的CPS可以執行相同的分 析。作為一實例，考慮具有兩種不同類型的負載的并聯的兩個CPS: 1) 使用電阻負載的獨立操作（圖8a):負載的i-v特性同樣表示為從原點開始的直線(v = Ri)。這條線與組合的恒定功率曲線(vi = pi+p2)的交叉點A限定兩個CPS的輸出電壓(V)和 其組合輸出電流(I)。穿過點A的垂直線與每條CPS的i-v曲線相交，并且交叉點(AjPA 2)限定 對應的CPS的輸出電流(IjPI2)。 2) 使用電壓源的并聯操作（圖8b):并聯電壓源的i-v特性同樣表示為垂直線v = V。這條 線與組合的恒定功率曲線(vi=Pl+p2)相交，并且交叉點B限定兩個CPS的輸出電壓(V)。同一 條垂直線與每條CPS的i-v曲線相交，并且交叉點(BjPB 2)限定對應的CPS的輸出電流山和 工2) 〇
[0049] 以上分析可以擴展到任何數目的串聯或并聯連接的CPS或者這兩種情況的組合。
[0050] 現在具體考慮本發明在海上風能的多終端DC傳輸中的應用，如圖2a中所描繪。假 設每個渦輪發電器的輸出受到調整后的整流器的調節，從而表現得像是DC輸出終端處的 CPS。當忽略所有機械和電力損失時，DC輸出功率等于渦輪機葉片從風力中提取的功率。
[0051] 風力渦輪機提取的功率在給定的風力條件下是固定的，這個事實不應當與功率調 節電路的在其輸出終端處測量到的恒定電源性能混淆：電壓或電流源也可以傳送固定量的 功率。這里定義的CPS性能是指如下事實:CPS的終端電壓和電流都能同時隨負載變化。這種 根據外部電路條件同時地調整輸出電壓和電流而同時又使發送終端的輸出電壓和輸出電 流的乘積保持不變的獨特能力，正是恒定電源與電壓或電流源的區別之處。
[0052] 不失一般性地，考慮五個風力渦輪機（12)形成串（50)并且連接到20kV的DC總線 (52)，如圖9a中所描繪。假設渦輪機的輸出功率（自上而下)分別是2MW、2.5MW、1MW、2.2MW和 1.5MW，并且每個渦輪機的輸出調節成表現得像CPS(48)。所有功率損耗忽略不計，使得每個 CPS輸出功率等于對應的渦輪機輸出。這種情況下的串電流可以這樣計算：
[0053]圖9a中在每臺渦輪機的輸出功率的下方示出每個終端的電壓。
[0054]現在假設從上數第三臺渦輪機的條件已經改變，其輸出功率增加至1.8MW。這種改 變一旦發生，將出現下面的情況： 1) 第三CPS的輸出電壓增加，使得其輸出功率將朝1.8MW增加； 2) 其它CPS的輸出電壓減小，以便使總串電壓保持在20kV，這由DC總線施加； 3) 串電流增加以補償其它CPS的減小的電壓。
[0055]圖9b中說明凈結果，其中串電流已增加到500A，并且每個CPS的輸出電壓已經自己 調節成新電平，該新電平符合CPS以及整體串電壓的約束條件。應注意，在理想的CPS和DC總 線電壓(沒有阻抗)下，這些調節將同時并且即刻發生。還應當清楚的是，多個串可以同時連 接到DC總線，并且這些串將彼此獨立地操作，只要DC總線（具有連接電纜)可以被視為理想 的電壓源(沒有任何阻抗）即可。在存在總線和電纜阻抗的情況下，并聯串的操作將稍微相 關。
[0056]作為一實例，圖9c示出了并聯連接的兩個串。假設連接每個串的電纜具有R = 0.1 Q的電阻。出于比較的目的，利用與圖9a)和圖9b)中使用的相同的渦輪機輸出功率電平。兩 個串電流用1:和12表示(參見圖9c)，并且可以通過下面的等式求解：
[0057] 這些等式有兩組復數解和兩組實數解。很容易驗證，實數解是Ii = 463.3A并且12 = 502.4A，這稍微高于不存在電阻時的情況。圖9c中給出對應的渦輪機電壓。
[0058]除了圖9c中所示的并聯串結構之外，還可以并聯地連接風力渦輪機終端(48)和總 體的CPS發送終端以首先形成行(54)，然后串聯連接多個行，如圖10a中所描繪。當互連電纜 阻抗忽略不計時，這種串聯行結構(56)等效于圖10b中所示的網狀(矩陣)結構(58)。
[0059]如通過圖9中的實例所說明，發送終端中的功率變化可能導致并聯串架構中的所 有發送終端的輸出電壓的較大變化。另一方面，串電流對各個發送終端的功率變化的敏感 性較低，因為串電流是受到串的總功率和電壓的驅動。相比之下，串聯行架構中的行電壓對 一行中的各個發送終端的功率輸出的敏感性較低，但是一行內的每個發送終端的電流可能 會在其它發送終端的功率改變時明顯地改變。
[0060] 除了選擇適當的架構之外，還可以通過下面的方式來減少發送終端的電壓和電流 的變化:修改CPS特性使得當發送終端的電壓和電流超出特定水平時功率輸出減少。這可以 用不同方式實施，包含： 1) 限壓和限流(圖11a):電壓和電流都受到最大值(Vmax和Imax)的限制，并且發送終端實 際上充當超出這些限制的恒定電壓(V max)或恒定電流(Imax)源。 2) 功率縮減（圖lib):隨著發送終端的輸出電壓或電流超出預指定的水平(1或13)，發 送終端的輸出功率逐漸縮小。這可以用不同方式實施，其中一些方式在圖lib中通過短劃線 說明。
[0061] 這些特征可以編程到各個CPS發送終端的控制中，并且應當用主源(風力渦輪機） 的控制來協調，以維持輸入和輸出功率之間的功率平衡。還可引入一個發送終端的i_v特性 對于其它發送終端的相依性，以進一步改進性能。可以基于其它發送終端的估計操作條件 在每個發送終端內自主地實施這樣彼此相依的發送終端特性，或通過發送終端之間的通信 在每個發送終端內實施這樣彼此相依的發送終端特性。實施這樣的通信所需要的帶寬較 低，因為只需要承載緩慢變化的功率信號，并且可以使系統能容受通信故障。
[0062]到目前為止提出的分析是假設理想的CPS和DC總線性能。在這些條件下(并且當僅 僅考慮電纜的電阻時），系統對于任何變化的響應將是瞬時的，也就是說，系統將即刻自己 調整并且穩定在新操作點上。實際上，電纜除了電阻之外，還具有電容和電感。海上風力發 電廠中的DC總線通常是通過岸上逆變站建立的，并且具有其自身的動力特點。每個CPS還具 有取決于其物理(渦輪機、發電機和電力電子器件）以及控制設計的動力特點。
[0063] 由于這些動力特點，系統操作從一個點到另一個點的轉變無法是瞬時的；相反， CPS功率和其它參數中的每個變化都將誘發影響所述系統的所有電壓和電流的瞬變。通過 所述系統的動態模型，可以分析這些瞬變期間的系統性能以及系統穩定在新操作點上的能 力（穩定性）。這些動態模型還可以用于設計CPS控制以確保瞬變期間的穩定性和令人滿意 的響應。下文中將描述用于實現這些目標的CPS的設計和動態控制。
[0064]上文已經描述了使用恒定電源(CPS)形成多終端電力系統的方法。CPS允許它的輸 出電壓和電流都隨外部電路條件變化，因此可以與其它CPS串聯或并聯連接。網狀的(矩陣） 配置也是可能的。相比之下，常規電壓或電流源可以分別僅僅串聯連接或并聯連接。更重要 的是，CPS的串（串聯)或行(并聯)可以與另一個電壓或電流源并聯或串聯操作。
[0065] 與電壓源并聯操作的能力尤其對于將可再生能量集成到電網中是有用的。可能的 應用包含海上風電場用的多終端DC傳輸，低電壓太陽能逆變器與中電壓分配線的直接連 接，和模塊化的低電壓微型逆變器，如上文所論述。
[0066] 現在提出用于實現這種CPS性能的控制可再生源的方法。將用海上風力用的多終 端DC傳輸為例來說明該方法。
[0067] 圖12a描繪用于這種應用的可能架構（10)，其中每個風力渦輪機（12)充當DC發送 終端（14)，并且多個終端串聯連接以構建中電壓或高電壓DC總線。每一組串聯渦輪機將被 稱作串（15)，并且多個串可以并聯操作以積聚電流容量。替代地，多個渦輪機(12)可以首先 并聯連接以形成一行（17)以積聚電流，然后將多個行串聯連接以積聚電壓。后一種架構等 效于圖12b中所示的矩陣架構（19)，并且可能需要更多電纜，但是可能有助于減少每個終端 的電壓變化。
[0068] 將針對并聯串架構研發控制方法，然后將該方法擴展到串聯行(矩陣)架構。在所 有情況下，假設通過岸上逆變站建立和控制DC總線電壓 Vdc。
[0069] 假設充當多終端網絡中的發送終端的每個渦輪機的電力系統由同步發電機(60) 和電力電子轉換器(16)(本文中有時也稱為功率調節電路)組成，如圖13a中所描繪。轉換器 從發電機的變頻ac輸出產生DC輸出。可使用不同電力電子電路執行這個功能。這里的改進 例將不假設特定的轉換器電路，而是將基于電路的DC輸出區段的兩個通用的電雙重配置： 1) 電容性輸出轉換器(65):從到轉換器中的DC輸出看到的第一元件是連接在兩個輸出 終端（64)之間的電容器(C)，如圖13b中所描繪。轉換器的其余部分將被視為并聯電流源 (66)，它可以是連續的（例如在使用降壓或降壓衍生轉換器的情況下)或脈寬調制的（例如 在使用降壓-升壓或升壓型轉換器的情況下）。在任一情況下，圖13b中定義的電流i表示在 轉換器的一個開關循環中被傳遞以給輸出電容器充電的電流的平均值。 2) 電感性輸出轉換器(67):從到轉換器中的DC輸出看到的第一元件是連接到DC輸出 (64) 的正終端或負終端的電感器(L)。圖13c示出了電感器在正終端處的情況，而如果電感 器放置在負終端上，該電路的功能也是等效的。轉換器的其余部分將被視為與電感器(L)串 聯的電壓源(68)。有兩種方式能實現這種電感性輸出：（a)使用不帶輸出電容器的降壓或降 壓衍生轉換器，或(b)添加串聯電感器到電容性輸出轉換器。在情況(a)下，電壓源是脈寬調 制的，而在情況(b)下，電壓源是連續的。在任一情況下，v表示驅動電流i到輸出的電壓的平 均值。
[0070]下文描述的控制方法將試圖使v ? i對于每種類型的轉換器是恒定的。這在每種情 況下基本上是受控源的功率輸出，并且不同于轉換器的實際輸出功率，轉換器的輸出功率 對于電容性輸出轉換器可以通過下式表達：
對于電感性輸出轉換器可以通過下式表達：
等式(2)和(3)中的第二項分別表示存儲于輸出電容器和電感器中的能量的變化率。由 于這一項相對較小并且只存在于瞬變期間，所以當內部源受到控制作為CPS時，每個轉換器 仍然可以被視為其輸出終端處的恒定電源。
[0071 ]圖14描繪渦輪機的整體控制方案，該渦輪機由發電機側控制(70)和(DC)網絡側控 制(72)組成。發電機側控制的主要功能是調節渦輪機速度，以便提取最大量的功率。發電機 側控制(70)的其它功能可以包含調節發電機輸出電流的波形和功率因數，以使發電機效率 最大化并維持更穩定的電壓。可以應用不同的現有控制方法以滿足這些要求。
[0072] 本發明的焦點是負責提供期望的恒定電源性能的網絡側控制(72)。在其它信號當 中，將在兩個控制部分之間交換功率信號(P)。發電機側控制(70)基于任一測量值或估計值 提供這個信號，以指示可供用于饋送到網絡中的功率量，并且網絡側控制（72)將使用這個 信號作為控制其輸出功率的命令。相反，在啟動、關閉或渦輪機輸出功率必須減少或受到限 制的功率縮減期間，網絡側控制(72)將把期望功率電平的水平傳達給發電機側控制(70)。 電容性輸出轉換器的控制
[0073] 如上所述，電容性輸出轉換器(62)的網絡側控制(72)的目標是調節電流i(參見圖 13b)，使得vi = P，其中P是發電機側控制基于從渦輪機獲得的功率量確定的期望輸出功率， 或網絡側控制（72)基于網絡操作條件和轉換器的電壓和/或電流限制確定的期望輸出功 率。這可以通過使用P/V作為參考的電流控制器來實現，并且這樣可以調節圖13b中所示的 等效受控電流源以遵照這個參考。
[0074] 可使用許多現有的電流控制方法來實施這種電流控制功能。可以包含額外控制功 能以限制電流參考水平和其轉換速率，以便保證操作安全。根據參考的形式以及轉換器和 控制的動力特點，實際電流可能并不嚴格直接遵照參考。可使用具體電路和控制模型來分 析這種非線性和動態性能。出于解釋控制方法的原理起見，除非另有規定，否則下文中假設 電流參考等于P/V，并且實際控制電流i完全遵照這個參考。另外，假設DC的表現像是理想電 壓源。 串啟動
[0075]由于除了電纜阻抗導致的一些微小耦合(minor coupling)之外，并聯串是獨立操 作，所以我們將首先檢查單個串的操作。n個渦輪機(12)構成的串（15)可以在下面的步驟中 連接到多終端DC網絡： 1) 通過使用岸上功率(逆變器)站確定DC總線電壓和使DC總線電壓穩定。 2) 將渦輪機DC輸出串聯連接，而沒有功率輸出并且沒有連接到DC總線，如圖15a所示。 3) 關閉所述串斷路器(13)以將串（15)連接到DC總線（11 )，同時使每個渦輪機的輸出功 率保持在零。將DC總線電壓vdc施加到串，并且在轉換器（16)的輸出電容器(C1，C2. . .Cn)之 間劃分，如圖15b中所說明。理想地，所有轉換器(16)應當是相同的，使得每個轉換器輸出電 容器被充電到vdc/n。電容值和泄漏電流的實際不匹配可能會導致電壓稍微不平衡，但是這 種不平衡通常較小并且在原理分析中可以忽略不計。 4) 每個渦輪機轉換器（16)的網絡側控制(72)檢測穩定的輸出電容器電壓并且開始使 其電流輸出斜升。斜升應當以充分緩慢的速率受到控制以確保操作安全。在理想條件下，所 有渦輪機功率輸出相等，使得其輸出電流以相同速率朝相同值斜升。在這種情況下，所有電 容器電壓將在電流斜升期間保持恒定在預充電的水平(vdc/n)。來自不同渦輪機的不相等的 功率輸出將導致電容器電壓變化，這可以基于以下分析來理解。
[0076] 在任何情況下，啟動的最終結果(穩定狀態)將是a)所有渦輪機輸出電流等于總串 電流is(使得每個電容器的凈充電電流是零），并且b)每個渦輪機輸出電容器電壓穩定在P k/ is，其中Pk是渦輪機的輸出功率。圖15c和圖15d示出三個渦輪機的串的兩種情況。假設DC總 線電壓是30kV。在圖15c的情況下，每個渦輪機輸出2MW的功率，使得總線電壓在三個終端之 間均分。在圖15d的情況下，禍輪機輸出從上到下分別是1麗、1.5麗和0.5麗，從而得到不相 等的電壓。在任一種情況下(并且總的來說當串中存在n個渦輪機時），可以根據下式確定穩 態串電流： (4) 并且可以如下確定每個渦輪機轉換器的DC輸出電壓：
[0077] 應注意，這些穩態電壓是通過渦輪機的功率輸出確定的，并且與轉換器輸出電容 無關。換句話說，轉換器輸出電容的不匹配可能會影響渦輪機的初始電壓，但是一旦渦輪機 操作起來，就對穩態電壓沒有影響。 電壓重新平衡和瞬變
[0078] 為了看到所提議的控制的自動調整各個單元輸出電壓或在渦輪機輸出功率不平 衡或改變時重新調整電壓的能力，考慮從圖15c到圖15d的轉變。為此目的，假設串起初在圖 15c指示的條件下工作。在t = 0時，發送終端的輸出功率從?1 = ?2 = ?3 = 2麗改變成?1 = 1麗， P2=1.5Mff，并且P3 = 0.5MW。假設每個發送終端的輸出電容是100yF。在前面作出的假設下， 可以根據以下等式為每個發送終端的輸出電壓的響應求解：

[0079] 應注意，三個差異等式是相依的，因而只需要其中兩個等式。圖16示出了瞬變期間 的單元電壓和電流的模擬響應。
[0080] 可以看出，所有電壓和電流朝向其期望值平穩地穩定。應注意，在t = 0時，圖16中 的每個電流中存在階躍變化。這是功率的階躍變化和分析中采用的理想電流控制特性的結 果。
[0081] 如上所述，發送終端活動后，發送終端的輸出電容就不會影響電壓分配。這可以從 圖17中所示的模擬看出，其中條件與圖16中的模擬所使用的條件相同，區別是發送終端電 容從(^ = (：2 = (：3=100迚改變成&=150此，(：2 = 2.5此，并且(：3 = 2此。可以看出，所有電壓和 電流都穩定到如圖16和圖15d所示的相同的穩態值，但是瞬變花費的時間更長，因為電容增 加了。
[0082] 總的來說，可以使用以下等式模擬n個渦輪機構成的串的瞬時響應：
[0083] 通過用每個轉換器發送終端的實際電流取代等式（10)中的每個電流，同時將等式 (11) 視為電流控制器的參考，可以并入轉換器和控制的動力特點。還可以通過修改等式 (12) 來并入DC總線和電纜的動力特點，包含電纜電阻。 保護、故障時的操作、以及關閉
[0084] 等式(5)可以如下重新安排，其中Pav是平均渦輪機輸出功率：
[0085] 基于這個，如果發送終端輸出功率高于串中的所有渦輪機的平均輸出功率，則發 送終端的穩態輸出電壓將超出DC總線電壓的1/n。因此，如果發送終端功率明顯高于其它發 送終端，則可能會在所述發送終端兩端積聚過量的電壓。為了限制發送終端電壓，由此避免 可能的損害，在發送終端的輸出電壓到達某一電平時，可以降低或縮減發送終端的輸出功 率。
[0086] 這些縮減控制可以使用上文所論述的方法實施。當調用功率縮減時，網絡側控制 (72)還將發送信號到發電機側控制(70)，以減少發電機輸出功率，使得不會因為輸入-輸出 功率的不均衡而在轉換器內部積累高電壓。
[0087] 通過串的總功率基于等式(4)確定的串電流對于并聯串架構中的保護是不太重要 的問題。盡管如此，在需要時可使用(所有渦輪機的)功率縮減來減少串電流。
[0088] 可以在每個發送終端的輸出端添加斷開開關(74)和旁路二極管(76)以提供故障 隔離能力，如圖18中所描繪。如果轉換器發送終端發生故障，則開關可以斷開，并且旁路二 極管將通過串電流被強迫導電。可使用同一個開關(74)在正常條件下將發送終端從串中連 接和斷開。
[0089] 對于旁路二極管(76)，發送終端去除時的串的操作等效于使發送終端輸出功率設 置成零，這暗示所有其它發送終端電壓必須增加，以便補償丟失的發送終端。因此，在其余 的發送終端上的電壓變得過高并且串必須關閉時，發生故障的發送終端的數目存在限制。
[0090] 存在兩種關閉串的方式： 1) 受控制的關閉:在這種情況下，所有發送終端的輸出功率逐漸縮小(斜降)成零。一旦 串電流達到零，串中斷器(13)就可以斷開以將串從DC總線中移除。例如，當某一數目的發送 終端已經發生故障并且其余的發送終端無法使用施加的總線電壓安全地操作時，可以調用 這項操作。 2) 緊急關閉：在串中斷器（13)由于串內的故障或DC總線上的故障而突然斷開的情況 下，各個發送終端仍然是"存活的"，也就是說，仍然在輸出電流，存活的發送終端電壓將上 升，從而觸發發送終端輸出電流降低，當發送終端電壓繼續上升時，發送終端輸出電流將最 終達到零。一旦電流為零，圖18中所示的開關(74)就可以斷開，以將發送終端從串中移除。 串聯行和矩陣配置中的操作
[0091] 電容性輸出發送終端還可以并聯操作。實際上，容易看出m個并聯發送終端等效于 具有等于下面的輸出功率的單個CPS: p^Yr - I- 其中Pk是行中的第k個發送終端的輸出功率。因此，以上概述的操作和分析方法還可以 應用于串聯行和矩陣網絡，方法是通過將每個行視為具有行中的所有發送終端的總組合功 率和電容的單個電容性輸出單元。 電感性輸出轉換器的控制
[0092]電感性輸出發送終端可以并聯連接，且接著與電流源總線(80)串聯連接，如圖19a 中所描繪。這個拓撲和其等效電路（圖19B)對于與電壓源總線并聯的發送終端串是雙重的 (圖15a和圖15b)。因此，可以對每個發送終端應用雙重控制方法以操作所述系統。具體來 說，電感器(L)后面的電壓源(v k)受到控制，使得vkik等于Pk，這是第k個單元的期望功率輸 出。在這個電壓控制是理想電壓控制的假設下，可以通過對等式(9)-(11)應用對偶性原理 而得出管理與電流源i dc(80)串聯的n個并聯電感性輸出發送終端的操作的等式。
[0093]還可以對這種配置應用上文對于串聯的電容性輸出發送終端論述的操作原理和 程序。舉例來說，為了啟動系統，n個發送終端將首先并聯連接，而沒有任何功率輸出。接著 與總線電流源(80)并聯的斷路器(82)斷開。接著使每個發送終端的輸出電壓斜升以逐漸增 加功率。還可以通過為等式（14)-(16)求解來模擬響應于發送終端輸出功率的變化的電流 重新平衡和瞬變。
[0094] 作為一實例，圖20示出了連接到3kA總線的三個終端的行的瞬時響應。發送終端的 輸出電感是Li = L2 = L3 = 5mH。首先，發送終端的輸出功率是Pi = P2 = P3 = 2麗。對應的總線電 壓是2kV。在t = 0時，發送終端輸出功率改變成Pi = 1MW，P2 = 1.5MW，并且P3 = 0.5MW。圖20示 出了總線電壓將穩定在lkV的新電平，并且發送終端電流將自動調整以與每個發送終端的 新功率輸出匹配。瞬時性能類似于圖16中所示的瞬時性能。
[0095] 應注意，與電流源串聯的電感性輸出發送終端的串聯連接對于與電壓源并聯的電 容性輸出發送終端的并聯連接是雙重的。每個這種配置中的各個發送終端的操作與其它發 送終端無關(不同之處在于網絡阻抗導致的微小耦合）。因此可以使用常規電壓和電流控制 方法來控制每個發送終端。還可以在這些配置中移除電容性輸出發送終端的輸出電容器和 電感性輸出單元的電感器，而不會影響功能性。然而，通常會保留這些元件以過濾開關紋波 (switching ripple)。可以在發送終端輸出端包含額外過濾組件（電感器和電容器），以進 一步衰減目前為止論述的每種配置中的高頻紋波。這些組件通常不會影響穩態操作，并且 如果其轉折頻率在控制帶寬以外，則這些組件對動態性能的影響可以忽略不計。
[0096] 綜上所述，本發明提供通過控制每個終端使其表現得像恒定電源而形成多終端 (串聯、并聯和網狀的）電力系統的方法。此上下文中的恒定電源是指源響應于變化的外部 電路條件同時調整輸出電壓和電流并且同時使輸出電壓和輸出電流的乘積保持恒定的能 力。本發明便于： ?使用CPS而不是常規電壓或電流源形成多終端功率網絡。 ?通過CPS性能實現的不同系統配置:串聯、并聯、并聯串、串聯行和矩陣。 ?當系統操作條件改變時，修改CPS的i-v特性以減少各個CPS發送終端的電壓和電流 變化。 ?應用于多終端DC傳輸，用于與中電壓分配線的直接連接的低電壓太陽能逆變器的串 聯連接，以及模塊化的低電壓微型逆變器。
[0097] 在不同應用當中，本發明的方法將有益于通過實現模塊化的、本質上更高效的、價 格低廉的并且更可靠的新系統架構而將可再生能量集成到電網中。
[0098] 此外，對于兩種不同類型的轉換器電路，提供控制可再生源以便集成到多終端DC 網絡中的方法。 ?電容性輸出轉換器在其輸出端具有電容器，并且在其后面具有并聯電流源，這代表 了轉換器的其余部分。電容器兩端的電壓待由系統操作確定，而電流源在局部受發送終端 控制。 ?在局部通過使用i=p/v作為參考來實施電容性輸出轉換器中的電流源的控制，其中 P是轉換器的期望輸出功率而v是輸出電容器兩端的電壓。 ?電感性輸出轉換器在其輸出端具有電感器，并且在其后面具有串聯電壓源，這代表 了轉換器的其余部分。通過電感器的電流待由系統操作來確定，而電壓源局部地受到發送 終端的控制。 ?電感性輸出轉換器中的電壓源的控制局部地通過使用v = p/i作為參考來實施，其中 P是轉換器的期望輸出功率，而i是通過輸出電感器的電流。 ?電容性輸出轉換器發送終端可以串聯、并聯或用具有串聯和并聯兩種連接的網狀 (矩陣)形式連接，以形成多終端的轉換器網絡。 ?當與外部電壓源并聯操作時，電容性輸出單元的多終端網絡可以自動調整各個發送 終端的輸出電壓和輸出電流以滿足網絡操作約束，同時實現每個發送終端的期望輸出功 率。 ?電感性輸出轉換器發送終端還可以串聯、并聯或用具有串聯和并聯兩種連接的網狀 (矩陣)形式連接，以形成多終端的轉換器網絡。 ?當與外部電流源串聯操作時，電感性輸出發送終端的多終端網絡可以自動調整各個 發送終端的輸出電壓和輸出電流以滿足網絡操作約束，同時實現每個發送終端的期望輸出 功率。 ?所公開的控制方法是對于每個發送終端局部地實施的，并且不需要與網絡中的其它 發送終端通信，但是在穩態操作以及瞬時穩定性方面可以實現期望的整體網絡性能。 ?還針對每種系統配置提供啟動、保護、故障狀況下的操作和系統關閉方法。
【主權項】
1. 一種用于形成和操作多終端電力系統（1〇，19)的方法，包括： 將多個發送終端（14)連接到電力系統的網絡；以及 對每個發送終端（14)進行局部控制使其表現得像恒定電源(48)，從而使得在響應外部 電路條件的變化所述發送終端的輸出電壓(V)和輸出電流(i)都可以同時改變，而同時所述 發送終端的所述輸出電壓和所述輸出電流的乘積維持恒定。2. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述外部電路條件的變化包含以下各項中的至少 一項:所述網絡的變化的電壓和電流，或者所述發送終端的變化的功率電平;并且所述多個 發送終端用串聯、并聯或矩陣配置連接。3. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述多個發送終端（14)中的至少一些串聯連接以 形成串（15)，并且所述串與所述網絡的總線（11)并聯連接，所述總線表現得像電壓源。4. 根據權利要求3所述的方法，其中，所述串包括串聯連接的以下元件：與配電網絡或 電網（30,36)直接連接的太陽能逆變器(26)或微型逆變器(32)，或者用于DC傳輸到岸上電 網的海上風力渦輪機(12)。5. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述多個發送終端（14)中的至少一些并聯連接以 形成行(17)，并且所述行與所述網絡的總線串聯連接，所述總線表現得像電流源。6. 根據權利要求1所述的方法，其中，每個發送終端（14)包括可再生能源(60)和相關聯 的功率調節電路（16)，并且在所述功率調節電路的輸出終端所述局部控制產生恒定電源性 能。7. 根據權利要求6所述的方法，其中，所述可再生能源包括配備有發電機的風力渦輪 機，并且所述功率調節電路包括整流電路。8. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括：當所述輸出電壓或所述輸出電流中的至少 一項超出預指定的水平時，通過減小所述發送終端的功率輸出來修改所述發送終端（14)的 恒定電源性能。9. 根據權利要求1所述的方法，其中所述發送終端（14)包括AC源，并且所述恒定電源的 功率是指基本循環中的平均功率。10. 根據權利要求1所述的方法，其中，至少一個發送終端（14)包含功率調節電路，所述 功率調節電路包括電容性輸出轉換器(65 )，其具有連接在兩個輸出終端(64)之間的電容器 (C)，并且所述功率調節電路的其余部分充當并聯連接到所述電容器的受控制的電流源 (66)，并且， 其中，所述局部控制包括:控制所述電流源使其遵照P/V作為參考，其中P是所述轉換器 的期望輸出功率，并且V是所述輸出電容器兩端的電壓。11. 根據權利要求1所述的方法，其中，至少一個發送終端（14)包含功率調節電路，所述 功率調節電路包括電感性輸出轉換器(67 )，所述電感性輸出轉換器(67)具有連接到輸出終 端(64)的電感器(L)，并且所述功率調節電路的其余部分充當與所述電感器串聯連接的受 控制的電壓源(68)，并且， 其中，所述局部控制包括:控制所述電壓源以遵照P/i，其中P是所述轉換器的期望輸出 功率，并且i是通過所述電感器的電流。12. 根據權利要求6所述的方法，進一步包括:將旁路二極管（76)并聯連接到所述功率 調節電路的所述輸出終端(64)，并且將斷開開關(74)串聯連接在所述輸出終端和所述旁路 二極管之間以提供故障隔離。13. 根據權利要求7所述的方法，其中，所述整流電路包含整流器和DC-DC轉換器，所述 DC-DC轉換器是電容性輸出轉換器或電感性輸出轉換器。14. 根據權利要求13所述的方法，其中，所述局部控制涉及發電機側控制(70)和網絡側 控制(72)，所述發電機側控制調節所述整流器和所述發電機，以便從所述風力渦輪機提取 最高功率量，并且所述網絡側控制調節所述DC-DC轉換器以產生所述恒定電源性能。15. 根據權利要求14所述的方法，其中，所述發電機側控制(70)提供功率信號到所述網 絡側控制(72)，所述功率信號指示可供用于饋送到所述網絡中的功率量，并且所述網絡側 控制使用所述信號作為控制輸出功率的命令，并且所述網絡側控制在啟動、關閉或功率縮 減期間，當所述輸出功率必須減少或受到限制時，將期望功率電平的水平傳送到所述發電 機側控制。
【文檔編號】H02J3/38GK105960746SQ201480062095
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2014年10月31日
【發明人】健·孫
【申請人】倫斯勒理工學院