CN103347340A - 一种参与智能电网调度的led灯可控功率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种参与智能电网调度的LED灯可控功率跟踪方法。城市供电系统交流电经过二极管整流电路、填谷电路，将交流电转换为直流电。电网调度中心发送功率调度指令给LED灯，并与其用电功率比较后，获得功率偏差信号。功率偏差信号依次经PID调节器、占空比调节器和反馈电路，获得占空比调整信号，生成PWM波形，再经驱动电路驱动开关器件MOSFET开断，调节LED灯的直流电流，实现LED灯用电功率对功率调度指令的跟踪。根据道路照明标准所获得的LED灯最低照明功率，发送至电网调度中心，及时调整功率调度指令。本发明实现了传统不可控LED灯向可控负荷的转变，在满足照明需求的前提下，参与智能电网的调度与运行。

Description

一种参与智能电网调度的LED灯可控功率跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种充分考虑道路照明标准，通过调整LED灯用电功率，跟踪电网功率调度指令的LED灯可控功率跟踪方法，实现传统不可控LED灯向参与智能电网调度的可控负荷转变，在满足照明需求的前提下，参与智能电网的调度与运行。

背景技术

发电和用电功率的瞬间平衡是维持电力系统安全稳定运行的基本要求。随机、间歇的可再生能源发电给智能电网环境下发电和用电功率瞬间平衡构成了挑战。采用传统以调节发电机组出力跟踪系统功率波动的调度方式，可再生能源的大量接入将造成更多的发电备用容量和更高的发电成本。在智能电网运营中，借助大量地域分散的小容量电动汽车、空调、热水器、LED灯等可控负荷用电时间和用电功率的调整，可以更为有效地跟踪可再生能源发电出力的波动。可控负荷参与智能电网的调度，将充分发挥终端用户的资源配置效益和节能减排潜力。

在照明负荷领域，依据《中华人民共和国节约能源法》，我国将分阶段逐步淘汰白炽灯，而LED灯由于寿命长、高光效和节能等优点，成为理想的绿色照明工具，近年得到快速发展。在一定范围内，LED灯用电功率的变化对光通量的影响不明显，由于视觉效应，人感受到的光通量变化更少。因此，常规LED灯转变成被电网调度和控制的负荷，参与智能电网调度和运行引起了人们广泛的关注。现有技术主要研发了以节能或亮度调节为目标的LED灯调光方法。专利号201010180612.5“一种LED路灯调光电路”根据馈线上电压大小，调节LED灯的亮度，实现LED灯调光和节能的目的。专利号200910190692.X“一种LED调光电路”通过控制模块向驱动模块输出不同模式的发光信号，改变LED灯发光模式，实现LED灯亮度调节。上述专利根据用户照明和节能需求，实现了LED灯光通量的调节。对于电网而言，LED灯仍然是一个功率不可控、不可调度的负荷，不能被电网调度中心调度与控制。

因此，随着智能电网建设的逐步推进，在满足道路照明标准的前提下，调节LED灯用电功率，及时跟踪电网调度功率指令的LED灯可控功率跟踪方法亟待研发。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种在满足道路照明标准的前提下，调节LED灯用电功率，跟踪电网调度功率指令的LED灯可控功率跟踪方法。

一种参与智能电网调度的LED灯可控功率跟踪方法技术方案包括如下步骤：

城市供电系统220V交流电压V_AC经二极管整流电路、填谷电路，转换为直流电压V_DC，并经电感L_DC转换为平稳的直流电流I_DC；

电网调度中心发送功率调度指令p^*给LED灯，并与LED灯的用电功率p₀比较后，获得功率偏差信号Δp；

功率偏差信号Δp依次经PID调节器、占空比调节器和反馈电路，获得占空比调整信号                                                

；

占空比调整信号Δδ与占空比寄存器中的占空比δ₀相加后，获得新的占空比δ，并将其寄存到占空比寄存器，更新占空比δ₀；

根据占空比δ，PWM波生成电路生成PWM波形，经驱动电路驱动开关器件MOSFET的开断，调节流过LED灯的直流电流，实现LED灯对功率调度指令p^*的跟踪；

最低照度设定单元根据道路照明标准设定最低照度值L_min，并通过最低照明功率计算单元，获得最低照明功率p_min，发送到功率调整判断单元；

最低照度值L_min与照度检测器检测到的道路照度值L比较后，获得照度偏差值ΔL，并输入至功率调整判断单元；

功率调整判断单元比较ΔL与0的逻辑大小，当ΔL>0时，功率调整单元通过无线通信，给电网调度中心发送功率为p_min的功率调整指令；当ΔL<0时，不发送功率调整指令。

一种参与智能电网调度的LED灯可控功率跟踪方法，其功率跟踪原理如下：

1）根据电网功率调度指令p^*和LED灯用电功率p₀的功率偏差信号Δp，调节占空比δ。占空比调整信号Δδ随功率偏差信号Δp而调整的公式为：

占空比调节器的传递函数为：

上式中，参数k_δ为占空比的调整增益，T_LED为功率调整时间常数。

根据终值定理，单位阶跃响应，即Δp=1时，占空比调整信号Δδ为：

即稳定状态下，占空比调整信号Δδ与功率偏差信号Δp的关系为：

故反馈电路传递函数为：

为减少功率跟踪的时间，增强功率跟踪的动态性能，采用模糊自适应整定PID控制。利用模糊推理对PID调节器的参数进行在线修正。PID调节器的传递函数为：

上式中，参数k_p、k_i、k_d分别表示比例系数、积分系数、微分系数。k_p、k_i、k_d通过模糊推理进行在线修正，获取修正量Δk_p、Δk_i、Δk_d的步骤如下： 

根据功率偏差信号Δp与反馈信号p_f的误差信号e及其变化率de/dt的隶属函数，获得e和de/dt属于负大、负中、负小、零、正小、正中、正大这七个模糊集的隶属度；

七个模糊集负大、负中、负小、零、正小、正中、正大分别赋值-3、-2、-1、0、1、2、3。

查询比例系数修正量Δk_p的模糊控制规则表，获得Δk_p属于负大、负中、负小、零、正小、正中、正大的隶属度，分别记为U₁、U₂、U₃、U₄、U₅、U₆、U₇。

查询积分系数修正量Δk_i的模糊控制规则表，获得Δk_i属于负大、负中、负小、零、正小、正中、正大的隶属度，分别记为V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆、V₇。

查询微分系数修正量Δk_d的模糊控制规则表，获得Δk_d属于负大、负中、负小、零、正小、正中、正大的隶属度，分别记为W₁、W₂、W₃、W₄、W₅、W₆、W₇。

比例系数修正量Δk_p为：

积分系数修正量Δk_i为：

微分系数修正量Δk_d为：

2）通过调节占空比δ，调节LED灯的用电功率，从而实现LED灯用电功率对电网调度指令p^*的跟踪。

LED灯在额定工作状态下，用电功率为P_N为：

即

，δ_N为额定工作状态下的占空比。

为了实现LED灯用电功率p₀对电网功率调度指令p^*的准确跟踪，调整占空比δ，使用电功率p₀与电网功率调度指令p^*相等，即

为此，

。

本发明的有益效果：本发明能够在满足道路照明标准的前提下，调节LED灯的用电功率，以跟踪电网调度功率指令，实现传统不可控LED灯向可控负荷的转变。大量LED灯作为可控负荷，参与智能电网的调度与运行，将改善电网的电能质量，提高电网对可再生能源的消纳能力。

附图说明：

图1为一种参与电网调度的LED灯可控功率跟踪方法原理框图；

图2为e，de/dt，Δk_p，Δk_i以及Δk_d的隶属函数。

具体实施案例：

一种参与智能电网调度的LED灯可控功率跟踪方法如图1所示，包括二极管整流电路、填谷电路、电流调节电路。二极管整流电路的输入端接入城市供电系统220V交流电，输出端接填谷电路的输入端，填谷电路的输出端接电流调节电路的输入端，电流调节电路的输出端接LED阵列。

道路上安装具有相同型号的1000盏LED灯，每盏LED灯的额定功率P_N为100W。根据道路照明标准，最低照度值L_min为7.5lx，LED灯最低照明功率p_min为60W。每盏LED灯通过如图1所示方法接入城市供电系统220V交流电，参与智能电网的调度与运行。在LED灯额定工作状态下，开关器件MOSFET的占空比δ_N为10%。

若智能电网出现45kW的供电缺额。经电网调度中心调度，安排这1000盏LED灯承担45kW的电力缺额，每盏LED灯用电功率减少45W。电网调度中心通过无线通信给每盏LED灯发送一个55 W的功率调度指令p^*，接收到电网调度中心发送的功率调度指令后，电网调度功率指令p^*与LED灯用电功率p₀的功率偏差Δp为-45W。根据Δp与反馈信号p_f的误差e及其变化率de/dt，分别查询比例系数修正量Δk_p的模糊控制规则、积分系数修正量Δk_i的模糊控制规则、微分系数修正量Δk_d的模糊控制规则，获得PID调节器参数k_p、k_i、k_d的修正量。

 表1  比例系数修正量Δk_p的模糊控制规则

表2  积分系数修正量Δk_i的模糊控制规则

表3  微分系数修正量Δk_d的模糊控制规则

根据权利要求书2、权利要求书3、权利要求书4，设置占空比调节器、反馈电路的参数，并修正PID调节器的参数k_p、k_i、k_d。功率偏差Δp经PID调节器、占空比调节器、反馈电路，获得新的占空比0.505。PWM波生成电路生成占空比为50.5%的PWM波形，经驱动电路驱动开关器件MOSFET的开断，LED灯的用电功率调节至55W。

照度检测器检测到的道路照度值L低于7.5lx，功率调整判断单元通过无线通信给电网调度中心发送功率为60W的最低照明功率。电网调度中心给LED灯发送功率值为60W的功率调度指令p^*，功率调度指令p^*与LED灯用电功率的功率偏差为5W。Δp通过PID调节器、占空比调节器和反馈电路，将占空比调节为0.46。PWM波生成电路生成占空比为46%的PWM波形，经驱动电路驱动开关器件MOSFET的开断，LED灯的用电功率调节为60 W。

Claims (4)

1.一种参与智能电网调度的LED灯可控功率跟踪方法，其特征在于，包括：

城市供电系统220V交流电压V_AC经二极管整流电路、填谷电路，转换为直流电压V_DC，并经电感L_DC转换为平稳的直流电流I_DC；

电网调度中心发送功率调度指令p^*给LED灯，并与LED灯的用电功率p₀比较后，获得功率偏差信号Δp；

功率偏差信号Δp依次经PID调节器、占空比调节器和反馈电路，获得占空比调整信号                                                

；

占空比调整信号Δδ与占空比寄存器中的占空比δ₀相加后，获得新的占空比δ，并将其寄存到占空比寄存器，更新占空比δ₀；

根据占空比δ，PWM波生成电路生成PWM波形，经驱动电路驱动开关器件MOSFET的开断，调节流过LED灯的直流电流，实现LED灯对功率调度指令p^*的跟踪；

最低照度设定单元根据道路照明标准设定最低照度值L_min，并通过最低照明功率计算单元，获得最低照明功率p_min，并发送到功率调整判断单元；

最低照度值L_min与照度检测器检测到的道路照度值L比较后，获得照度偏差值ΔL，并输入至功率调整判断单元；

功率调整判断单元比较ΔL与0的逻辑大小，当ΔL>0时，功率调整单元通过无线通信，给电网调度中心发送功率为p_min的功率调整指令；当ΔL<0时，不发送功率调整指令。

2.根据权利要求书1，所述的一种参与智能电网调度的LED灯可控功率跟踪方法，其特征在于：占空比调节器的传递函数为，参数k_δ为占空比的调整增益、T_LED为功率调整时间常数；反馈电路的传递函数为

。

3.根据权利要求书1，所述的一种参与智能电网调度的LED灯可控功率跟踪方法，其特征在于：PID调节器的传递函数为，参数k_p、k_i、k_d根据模糊推理进行在线修正。

4.根据权利要求书1，所述的一种参与智能电网调度的LED灯可控功率跟踪方法，其特征在于：占空比

，δ_N和P_N分别为LED灯额定工作条件下的占空比和用电功率。

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