[发明专利]电网响应控制设备

说明书

技术领域

本发明涉及控制电网中用电和发电之间的平衡的装置和方法。

背景技术

可靠的电力来源对于现代生活几乎所有的方面都是必不可少的。

当前，提供可靠的电力是一项非常复杂的技术挑战。它涉及到对由发电机(包括所有类型：核能、燃煤、燃油、天然气、水力、地热、光伏等)和负载(例如，用电的设备和装置等)组成的电力系统的实时评估和控制。

电力是通过由开关站和传输线组成的配电网来供应的。发电机产生的电力，通常会通过变压器被逐级升压至高电压(230-765kV)，以减少(由发热造成的)电力传输损耗。发电机，配电网，和负载组成了电力电网。

目前，电网的可靠运行是非常复杂的，这是由于，电力被产生后立即被用掉，这就意味着电能的产生和需求必须保持持续地平衡。在现有的电力管理系统里，电力供应与需求的平衡，是通过计划，控制和协调发电侧来实现的。

当电力供大于求时将导致交流电力系统的频率增加，而当电力供不应求时将导致该频率下降。

在英国，供电局必须保证50Hz的标称频率，该频率允许的变化范围是±0.5％。在美国，该标称频率为60Hz。在一些闭环系统里面，例如，飞机，该标称频率是400Hz。标称频率是交流电的频率，电网的设计就是为了保证这个频率是受控的和稳定的。

由于负载的接入和断开，以及发电机改变其输出以满足用电需求的变化，产生随机的、较小的频率变化是正常的。然而，频率上较大的偏移，将导致发电机的转动速度超过可以容忍的极限，造成发电机涡轮和其他设备的损坏。

频率上较大的变化也会造成负载的损坏。

对现代的半导体仪器的精度来说，频率变化仅±0.5％，已经是较大的信号了。

现有的在供电侧来匹配发电量与需求的架构有许多问题。目前，当不能处理极低频时，即，当电力需求超过发电量时，自动低频减载操作就会被触发，使用户离线以防止整个电力系统的崩溃。这样对稳定电力系统是有帮助的，但对用户来说，特别地不方便，甚至是危险的。

在停电事故后，电网处于特别敏感的阶段，恢复过程是很慢的。大型发电机往往需要其他发电机提供部分电力来进行启动或再启动。如果没有额外的电力，这种发电机将没有办法启动。因此电网系统具有叫做“黑启动”服务的服务，通过黑启动一些发电机具有自启动和持续发电的能力，即使电网的其他部份全部停用(即，为黑)。电网运营商已经准备了恢复发电和负荷的次序。这些保证了有限的初始电力供应被首先用来提供通信和控制，然后用来启动大型发电机，然后负荷被逐步地连入电网内以匹配逐步增加的发电量。

黑启动的整个过程是令人忧心的。停电是非常罕见的事件，没有人能练习除非正处在这样的实际危机中。参与这样的过程的每个人都有巨大的压力，电力系统的操作完全处在其正常操作范围外(有时在设计范围外)。负荷或发电量被连入电网的每一步，都是对电力系统的冲击，之后，电网需要花几秒或者几分钟来稳定。处于谨慎的考虑，负荷或发电量应该以很小的变化加入。这必然使整个恢复过程变得很缓慢，对那些仍须重新连入电网的用户来说，延长了停电时间。

为了尽可能地避免切负荷，在任何时间都运行电力系统以能处理关键发电机和关键传输设备的损耗(即，最重要的单次偶然事故)。这样，电网通常在不满负荷的情况下，也能正常运行，以使较大的随机故障不会危及整个系统的安全。然而这也意味着发电机的工作效率不高，导致电力供应的成本增加。

夏天的空调及其他制冷负载和冬天的供热负载，通常是造成系统高峰负荷的常见原因。然而，电网运营商通过精确的计划和对电网运行的研究，包括长期的评估，年前，季前，周前，日前，小时前和实时的运行中的意外事故分析，来预见问题。

而总有意外事故发生，这就是为什么电力系统运行需要有用于补偿最大意外事故的空间。可以使用具有高运行成本的额外的调峰发电机，在需要的时候提供额外的电力供应，或让主发电机不满负荷运转以留出一些潜在的发电余量应付过负荷的情况。这两种方案都会导致单位发电成本较系统接近满负荷运转时高。

一种针对现有方案的、匹配负荷和发电量的可替代的架构已经被提出。主要的思想就是通过在需求侧对负荷进行管理来弥补负荷与发电量之间的差值。

关于使用负荷或电力需求，来(至少)对电网的稳定性产生作用的文献有限。

US 4,317,049(Schweppe等人)，提出了这样一种与现有的电力管理方法不同的基本理念，就是电力的供应和需求彼此响应，并试图维持平衡的状态。