用于控制能量存储设备的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种控制能量存储设备的方法和装置，该能量存储设备被布置成可以为AC电力系统提供频率支持。此外，本发明涉及一种包括该装置的能量存储系统，并且还涉及一种包括该能量存储系统的风力涡轮机。

技术背景

AC电力系统(也称为公用电网)向多个消费者提供电能，并且可以从诸如风力涡轮机的多个能量生产设施接收电能。在正常操作条件下，AC电力系统具有标称值的电量，诸如标称频率和/或标称电压。在AC电力系统中存在干扰的情况下，AC电力系统频率可能会偏离标称频率和/或电压可能会偏离标称电压。在这种情况下，需要能量生产设施以向AC电力系统提供惯性能量或惯性响应(例如，瞬时或非常快的响应)，以便将频率和/或电压重新恢复到标称值。

在诸如所消耗和供应的能量不平衡的情况下，可以观察到较慢的频率变化，并且可以应用初级和次级响应。为了提供这种AC电力系统的支持或公用电网的支持，能量生产设施需要具有针对瞬态、附加有功和/或无功能量的资源。在频率降到AC电力系统的标称频率以下的情况下，能量生产设施必须提供附加的有功功率，因此，需要具有用于附加的有功功率的资源。在频率增加到超过AC电力系统的标称频率的情况下，需要能量生产设施来吸收或接收来自AC电力系统的一些有功能量，因此，需要具有一些能量存储宿（sink）能力。

特别地，对于虚拟同步机器网络转换器控制系统，需要足够的能量存储宿/源能力以响应于AC电力系统频率的动态变化而向该AC电力系统提供惯性能量。传统上，已经使用了诸如电容器的能量存储设备或诸如柴油发动机的附加能量生产设施。

然而，已经观察到，常规系统和方法具有缺点，诸如关于所利用的能量存储设备的寿命。因此，可能需要一种控制能量存储设备的方法和装置，该能量存储设备布置成提供对AC电力系统的频率支持，其中，减少了观察到的常规系统和方法的缺点。

发明内容

这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种控制能量存储设备的方法，该能量存储设备被布置成可以为AC电力系统提供频率支持，所述方法包括：根据AC电力系统中AC电力的电力系统频率来设置存储在能量存储设备中的能量的量。

所述方法可以例如由诸如风力涡轮机的能量生产设施的控制器来执行。能量存储设备能够直接存储电能，或将电能转化为机械能并存储。能量存储设备的控制可涉及控制能量存储设备的充电或放电。

能量存储设备被布置成为AC电力系统提供频率支持。例如，在AC电力系统的频率下降到低于标称频率的情况下，能量存储设备可以向AC电力系统提供附加的有功能量，以便将频率恢复到标称值。在频率增加到超过AC电力系统的标称频率的情况下，能量存储设备可从AC电力系统接收一些有功能量以将频率恢复到标称值。

能量存储设备可以附加地被配置成提供电压支持，因为它可能能够替代地或另外地提供附加的无功功率或从AC电力系统吸收无功功率。

设置存储在能量存储设备中的能量的量可以涉及对能量存储设备进行充电或放电。在电力系统频率和要存储在能量存储设备中的能量的量之间可以存在预先给定的关系。能量存储设备中存储的能量的量可以使得电力系统频率越高，能量存储设备中存储的能量的量就越高。

能量存储设备可以以不同形式来实现，诸如通过直接存储电能的能量存储设备或通过例如存储机械能、特别是转动能的能量存储设备。当能量存储设备是直接存储电能的设备时，例如包括能量存储电容器，能量存储介质(超级电容器、电解电容器、电池)的电压可以与系统AC频率成比例地调节或设置。

本发明的实施例避免了在不需要这种过度充电的情况下不必要地对能量存储设备进行充电。当能量存储设备没有被过度充电时，能量存储设备的寿命就可以延长。能量存储设备的充电状态可以根据电力系统频率动态地改变。

根据本发明的一个实施例，设置存储在能量存储设备中的能量的量包括：根据电力系统频率和能量存储设备的充电状态指示信号来得出充电或放电动作。

得出充电或放电动作可以涉及例如得出电容器的充电或放电电流，或者例如得出飞轮的扭矩。此外，其还可以包括例如得出能量存储电容器的电压。得出充电或放电动作可以涉及操作控制器，该控制器可以在其输入处具有误差信号，诸如分别是电容器或飞轮的电压误差信号或转速误差信号。因此，可以以简单的方式设置存储在能量存储设备中的能量的量。

根据本发明的一个实施例，其中，得出充电或放电动作包括：根据电力系统频率和充电状态指示信号得出控制信号；基于所述控制信号来控制能量供应设备，所述能量供应设备被连接以与所述能量存储设备交换能量。

在能量存储设备是能量存储电容器的情况下，充电状态指示信号可以例如是或者包括能量存储电容器的电压。

在能量存储设备包括飞轮的情况下，充电状态指示信号可以例如是或者包括飞轮的转速。在能量存储设备包括电容器的情况下，控制信号可以例如涉及充电/放电电流。在能量存储设备包括飞轮的情况下，控制信号可以例如与要施加在飞轮处的扭矩有关，其中，例如正扭矩可以指示期望的加速度，并且负扭矩可以指示期望的减加速度。

在能量存储设备是电容器的情况下，能量供应设备可以包括可被连接到AC电力系统的变压器和/或AC-DC转换器或DC-DC转换器。在能量存储设备包括飞轮或者是飞轮的情况下，能量供应设备可以包括耦合在飞轮和AC电力系统之间的AC-DC转换器和/或DC-AC转换器和/或电动机或发电机。

根据本发明的一个实施例，能量供应设备包括连接到AC电力系统的AC-DC转换器，并且还包括连接到AC-DC转换器的DC链路。AC-DC转换器可以包括多个可控开关，其中，对于例如总共三相的每相，可以提供两个可控开关的串联连接。因此，所述方法可以用常规可用的组件来实现。

根据本发明的一个实施例，其中，能量存储设备包括能量存储电容器，特别是超级电容器和/或电解电容器，其中，根据电力系统频率设置能量存储设备中存储的能量的量包括根据AC电力系统频率设置能量存储电容器的电压。

能量存储电容器是可以直接存储电能的能量存储设备的一个示例。存储在能量存储电容器中的电能E可以通过下面的等式与电压U相关，其中，C表示电容器的容量：E=C×U

根据本发明的一个实施例，能量供应设备还包括连接到DC链路的Dc-DC转换器，DC-DC转换器连接到能量存储电容器，其中，AC-DC转换器和/或DC-DC转换器由控制信号来控制，特别地用于控制能量存储电容器处的电压。

在这种情况下，可以存在两个DC链路系统。连接到电力系统的主转换器(例如AC-DC转换器)必须维持DC链路电压(主DC链路电压)接近1每单位以便控制电流。经由连接在主DC链路和能量存储电容器(例如超级电容器)之间的(第二)DC-DC转换器，可以使用DC-DC转换器独立于主DC链路电压来控制超级电容器两端的电压。

AC-DC转换器、DC链路和DC-DC转换器可以以此顺序连接在AC电力系统与能量存储电容器之间。一个或多个转换器可以是用于控制能量存储电容器的充电状态的合适的设备。它们可以被提供有（多个）相应的信号，诸如指示充电或放电电流的控制信号。由此，提供了一种实现所述方法的简单方式。

根据本发明的一个实施例，能量供应设备包括连接到电力系统的(抽头)变压器，AC-DC转换器连接到该(抽头)变压器。

变压器的变压比可以是固定的或可变的，并且AC-DC转换器控制超级电容器两端的DC链路电压。因此，AC-DC转换器可以由控制信号控制以设置DC侧的电压。该电压被控制为从大约1每单位变化至0.5每单位，从而允许电容器放电，释放其能量的75%。正是AC-DC功率转换器可接收控制信号以修改DC链路电压。因此，在这种情况下，主DC链路电压可以随系统频率而改变。

因此，施加在能量存储电容器处的电压可以根据AC电力系统频率来设置。根据本发明的一个实施例，其中，能量存储设备包括能量存储飞轮，其中，能量供应设备还包括连接到DC链路的DC-AC转换器，DC-AC转换器连接到用于飞轮的飞轮驱动器，其中，AC-DC转换器和/或DC-AC转换器和/或飞轮驱动器由用于控制飞轮的转速的控制信号来控制。

AC-DC转换器、DC链路、DC-AC转换器可以以此顺序连接在AC电力系统和飞轮之间。飞轮可以包括飞轮驱动器，诸如电动机。因此，提供给飞轮驱动器的控制信号可以例如限定将要设置或必须施加给飞轮的扭矩，以便使飞轮加速或减加速，以便设置取决于AC电力系统频率的能量的特定量(这里是转动能量)。由此，可以提供进一步的替选实施方式。

根据本发明的一个实施例，其中，通过测量电力系统频率并对所测量的电力系统频率进行低通滤波或使用系统频率的内部(例如，控制器)得出的图来获得频率信号。

系统频率可以例如在多个风力涡轮机可以连接到的公共耦合点或在超过公共耦合点的点处被测量，或它可以被本地测量。

根据本发明的一个实施例，能量存储设备的充电状态或能量的量或能量存储设备处的电压被设置成使得电力系统频率越高，特别是高于标称电力系统频率，能量存储设备的充电状态或能量的量或能量存储设备处的电压就越高，和/或其中能量存储设备的充电状态或能量的量或能量存储设备处的电压被设置成使得电力系统频率越低，特别是低于标称电力系统频率，能量存储设备的充电状态或能量的量或能量存储设备处的电压就越低。

因此，根据本发明的一个实施例，在其中不需要这种过度充电的AC电力系统的情况下，能量存储设备不会被过度充电。由此，可以延长能量存储设备的寿命。

根据本发明的一个实施例，其中，能量存储设备的充电状态或能量的量被设置成使得电力系统频率越接近电力系统频率上限，能量存储设备的充电状态或能量的量或能量存储设备处的电压就越高，和/或其中，能量存储设备的充电状态或能量的量被设置成使得电力系统频率越接近电力系统频率下限，能量存储设备的充电状态或能量的量或能量存储设备处的电压就越低。

发明人观察到，从能量存储设备供应的或由能量存储设备吸收的附加能量与实际AC电力系统频率和常规地针对AC电力系统定义的极限值之间的差有关。对于大多数AC电力系统，存在AC频率的上限和下限，例如对于英国来说，标称频率是50 Hz，并且上限是52 Hz，并且下限是47 Hz。系统频率的最大变化因此是从52 Hz到47 Hz=5Hz。对于给定的惯性常数H，响应于频率变化deltaF(电力系统频率与标称频率f0的偏差)，在能量存储和AC系统之间需要交换能量E=(f0^2-(f0-deltaf)^2)/f0*Sbase*H焦耳。

然而，当AC系统频率处于其最大值，即52 Hz时，仅必须存储针对该Δ5Hz的足够能量即可，因为这是可以发生5Hz频率变化的增量（delta）的唯一频率。类似地，当频率为47Hz时，频率可以改变的唯一方式是去增加。因此，对于在整个频率范围内的系统频率(宿和源能力)中最坏情况的5Hz变化，不必须存储足够的能量。

根据本发明的一个实施例，能量存储设备和能量供应设备被布置成如果电力系统频率降到低于标称电力系统频率则向AC电力系统供应有功能量，其中，能量存储设备和能量供应设备被布置成如果电力系统频率超过标称电力系统频率则从AC电力系统接收有功能量。

替代地，能量供应设备可以被配置成在频率的变化率为正的情况下(即使频率大于标称值)在任何时间供应能量，并且在频率的变化率为负的情况下(即使频率小于标称值)吸收(接收)能量。

而且，分别给AC电力系统或来自AC电力系统的能量的供应或接收的控制可以通过适当地控制AC-DC转换器和/或DC-AC转换器和/或DC-DC转换器和/或飞轮驱动器来实现。

应当理解，针对控制被布置成提供对AC电力系统的频率支持的能量存储设备的方法所描述、公开、解释或提供的单独或任意组合的特征还可以单独或任意组合地被应用或提供用于根据本发明的实施例的控制能量存储设备的装置，反之亦然。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于控制能量存储设备的装置，该能量存储设备被布置成提供对AC电力系统的频率支持，该装置包括处理模块，该处理模块适于根据AC电力系统中AC电力的电力系统频率来设置存储在能量存储设备中的能量的量。

此外，提供了一种能量存储系统，其包括能量存储设备和根据前述实施例的装置。

此外，提供了一种风力涡轮机，包括：转动轴，多个转子叶片连接到该转动轴；发电机，特别是同步发电机，由该转动轴驱动；转换器，其连接到该发电机并且可连接到AC电力系统；以及，根据前述实施例的能量存储系统。

现在根据附图描述本发明的实施例。本发明并不限于所说明或描述的实施例。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的一个实施例的能量存储系统，其包括根据本发明的一个实施例的用于控制能量存储设备的装置；

图2示意性地示出根据本发明的另一实施例的能量存储系统，其包括根据本发明的一个实施例的用于控制能量存储设备的装置；

图3示意性地示出根据本发明的又一实施例的能量存储系统，其包括根据本发明的一个实施例的用于控制能量存储设备的装置；

图4示出用于描述能量存储设备中存储的能量与系统频率的相关性的曲线图；以及

图5示意性地示出包括根据本发明的一个实施例的风力涡轮机的风电场。

具体实施方式

在不同的图1、2、3和5中示出的结构和/或功能类似的要素用仅第一位数字不同的附图标记来示出。未参照特定附图明确描述的要素的描述可以从该要素相对于另一附图的描述中得到。

能量存储系统100包括能量存储设备101和用于控制被配置成为AC电力系统103提供频率支持的能量存储设备101的装置150。能量存储设备101被配置为能量存储电容器105。

装置150包括处理模块107，其适于根据AC电力系统103中的AC电力的电力系统频率f来设置能量存储设备101中存储的能量的量。装置150适于执行根据本发明的一个实施例的控制能量存储设备的方法。由此，装置150包括能量供应设备170，其被连接以基于由处理模块107输出的控制信号109与能量存储设备101交换能量。控制信号109是由处理模块107根据电力系统频率f并且还根据充电状态指示信号111得出的。在图1所示的实施例中，控制信号109指示了参考充电电流I*

使用低通滤波器113，对AC电力系统频率f进行滤波以得出低通滤波频率115。低通滤波器频率115被输入到增益模块或查找表117，其基于经滤波的频率来输出参考值119。在图1所示的实施例中，参考值119是能量存储电容器105的参考电压，即V*

参考信号119被供应给接收充电状态指示信号111的差元件121，以便得出作为参考信号119和充电状态指示信号111之间的差的误差信号123。

误差信号123被供应给控制器125，诸如但不限于PI控制器，其从误差信号123得出控制信号109。控制器115被调谐以得出控制信号109，使得误差信号123变得越来越低。控制信号109被供应以控制能量供应设备170。

能量供应设备170包括电抗器(可选)127、AC-DC转换器129、DC链路131和DC-DC转换器133。控制信号109控制AC-DC转换器129和/或DC-DC转换器133以向能量存储电容器105供应期望的充电电流I*

图2示意性地示出了根据本发明的另一实施例的能量存储系统。能量存储系统的实施例200与图1中所示的实施例100的不同之处在于，处理模块207得出飞轮235(表示能量存储设备201)的参考转速219(ω

在实施例200中，能量存储设备201实现为飞轮235。飞轮235由例如实施为电动机的飞轮驱动器237来驱动，该飞轮驱动器是能量供应设备270的一部分。除了AC-DC转换器229和DC链路231之外，能量供应设备270还包括连接到DC链路231并且连接到飞轮驱动器237的DC-AC转换器234。

扭矩控制信号209控制AC-DC转换器229和/或DC-AC转换器234和/或飞轮驱动器237以设置飞轮235的期望转速。

图3示意性地示出了根据本发明的又一实施例的能量存储系统300。实施例300与图1中所示的实施例100相似，但是不同之处在于能量供应设备370。能量供应设备370包括电抗器327(可选)，并且包括降压变压器339，其允许将电压从连接到AC电力系统303的初级线圈341改变到连接到AC-DC转换器329的次级线圈343，该AC-DC转换器连接到DC链路331，并且最终连接到作为能量存储设备301的能量存储电容器305。

图3的方案可以具有与图1所示的相同的控制器307，其中，DC链路VdcCap改变了。利用图3的降压变压器339，这意味着DC链路电压VdcCap可以在更宽的范围(大约1到0.5pu)内改变，并且因此可以与电容器交换比图1的方案更多的能量。在这个意义上，图1的方案是相当受限的，但是如果连接到较低电压连接点则可以是可行的。

处理模块307使用控制器325从电压误差323得出(已经参照图1描述得出)控制信号309。控制信号309被供应给转换器339，以便调整施加到能量存储电容器305的电压(在DC链路331)。

图4示出了坐标系中的曲线445、447，该坐标系具有表示AC电力系统频率的横坐标449，具有表示能量存储设备中存储的能量的量的第一纵坐标451，并且具有表示图1或3所示的能量存储电容器105、305之一处的电压的第二纵坐标453。

作为AC电力系统的一个示例，在英国，电力系统在例如47 Hz的电力系统频率下限455和例如52 Hz的电力系统频率上限457之间操作。标称频率456例如为50 Hz。根据附图标记447标记的曲线，存储在能量存储设备(例如图1、2、3中所示的105、235、305)中的能量的量随着增加AC电力系统频率而增加。

如果能量存储系统例如是能量存储电容器，诸如图1或图3中所示的电容器105或305，则电容器的电压参考V*

根据本发明的一个实施例，如果能量存储器是能量存储电容器，诸如超级电容器，则用于控制能量存储设备的方法可利用AC系统频率的经滤波的版本，并且可从其得出用于能量存储器的DC链路电压参考。这可以降低能量存储的成本，因为不需要存储足够的能量或者具有在整个频率范围(在该示例中为47 Hz至52 Hz)上为最坏情况(5 Hz)的增量频率吸收足够能量的能力。

图2所示的实施例利用了飞轮，并基于AC电力系统频率调节飞轮的速度和控制能量存储，该频率或者是被测量出来的或者是使用频率的控制器内部图。扩展到其它能量存储机构可以是可能的，并且这些可以是经由DC-DC转换器DC连接的，或者可以是经由DC-AC转换器AC连接到功率转换器的主DC链路上的。

如图3所示的实施例300使用了与能量存储电容器连接的降压变压器339，并且根据AC系统频率调节(在DC链路331处的)DC链路电压。在该方案中，如果AC电压被逐步降低到50%，则DC链路的动态范围就可以是两倍，因此，能量存储容量可以被放电到50%。

图1至3中所示的转换器可以是并联连接的转换器，或者可以是主电力转换器DC链路的一部分。该装置可被包括在例如风力涡轮机中。

图3预期适合于与并联连接的转换器一起使用。本发明的实施例设想出了作为能量存储设备的实施方式的任何能量存储介质，包括超导或感应能量存储方案。

图5示意性地示出了包括根据本发明的一个实施例的至少一个风力涡轮机559的风电场560。风力涡轮机559包括了多个转子叶片562安装到其上的转动轴561。风力涡轮机559还包括耦合到转动轴的发电机563。由发电机输出的电力流由转换器565转换并供应到风力涡轮机变压器567，该变压器将电力流输送到与其它风力涡轮机559连接的公共耦合点569。公共连接节点569连接到AC电力系统503。

风力涡轮机559还包括能量存储系统500，诸如图1、2、3中所示的能量存储系统100、200、300。能量存储系统500也连接到公共耦合点569。在其它实施例中，能量存储系统500可连接在风力涡轮机转换器565处，例如连接在发电机侧转换器部分和公用电网转换器部分之间的DC链路处，或者连接在涡轮机变压器的低压侧上。

“设置能量的量”可包括步骤(a)得出要存储在存储设备中的能量的量的目标值，以及(b)控制存储设备中的能量的量，使得达到目标值。

应当注意，术语“包括”并不排除其他要素或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，可以组合与不同实施例相关联地描述的要素。还应当注意，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。