CN108306311A - 直流负载系统分区间响应电网调频需求的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流负载系统分区间响应电网调频需求的控制系统及方法。包括主电路系统和控制系统；所述主电路系统包括整流模块、DC/DC模块以及直流负载；所述控制系统包括整流器控制、DC/DC控制、直流电压下垂控制；通过直流负载电压下垂控制，系统进行分区间调频，工作模式包括恒压运行、升压调频、降压调频、欠压保护以及过压保护五种运行模式。本发明将直流负载的端电压与电网频率进行耦合，使整流器负载在满足自身安全运行及基本工作需求的条件下，尽最大可能地参与到电网调频过程，以辅助提升电网的稳定性，且控制方法简单、电路结构清晰、操作灵活、响应迅速，具有良好的应用价值。

Description

直流负载系统分区间响应电网调频需求的控制系统及方法

技术领域

本发明属于整流器负载控制、电网调频技术领域，特别涉及一种使直流负载系统参与电网调频的控制系统及方法。

背景技术

在以同步机为主的常规电网中，普通负载无需参与电网调频控制。然而随着电力系统电力电子化趋势的不断发展，大规模的间歇式电源以及大量的可控负载通过变流器接入电网中，常规电网的旋转惯量逐步降低，为了维持系统的稳定性，要求占比日益提高的间歇式电源、可控电力负荷逐步地参与到电网调频过程之中，共同担负起维护电网安全稳定运行的重要责任，这也是电力系统电力电子化的必然要求。

电网频率由发电设备输入电网的功率以及用电设备吸收的功率共同决定，目前的电网调频还是以传统的火电机组、水电机组为主，随着新能源大规模地接入电网，风电、太阳能等可再生能源也开始通过适当的控制方法参与到电网调频中，并网逆变器的控制策略得到了深入的发展，储能装置参与电网调频的相关研究也取得了一定成果。有学者提出了分段控制的方式，要求风电机组在一定的频率范围内参与调频以及改变光伏电站的功率控制方式，设定光伏电站的减载水平和功频静态特性，使光伏电站参与系统的一次调频。然而，由于风电、光伏等的随机波动性以及小惯量、弱阻尼特性，可再生能源发电机组的调频能力极其有限，难以满足高比例可再生能源电力系统对稳定性的要求。近年来，各种电力储能技术的快速发展为解决这些问题带来了新的契机，学者提出立足于不同的实际电网情况进行容量配置研究，探索储能辅助传统机组调频的控制策略，为储能系统参与电网调频提供了一定的借鉴。但是根据目前的情况来看，储能的成本过高，无法满足电网级应用场合的需求，储能技术的大规模应用还需时日。

在此背景之下，学者将响应调频需求的设备从发电设备进一步延伸至可调的用电负荷，提出了对负荷进行主动控制的需求侧管理思想，以期在发电设备和用电负荷的共同作用之下，明显地提升电网的调频能力，以应对电力系统电力电子化带来的技术挑战。基于这一理念，学者们提出了空调负荷集中控制策略，建立了通过调整目标温度提供备用的集群负荷线性响应电网频率变化的调频模型，通过动态调整开关状态改变负荷功率，达到系统频率控制的目的。然而上述负载的调频方法研究大多是基于交流负载的，带整流器的直流负载系统参与电网调频的相关研究却是极其匮乏。近些年，随着电动车的出现和应用，V2G技术使得电动汽车可以参与到电网调频过程之中。然而，除了电动车、电网以外，V2G技术仍需要第三方通讯调度中心，从而增加了系统的复杂性。

发明内容

本发明公开了一种基于电压下垂的直流负载系统分区间响应电网调频需求的控制系统及方法，该方法将直流负载电压与电网频率进行直接耦合，并且设定多个调频区间，以使直流负载在保证安全运行、正常工作的前提下最大限度地响应电网的调频需求，提升未来电力电子化系统的安全稳定性。以下对本发明的技术方案做进一步地说明。

本发明所述直流负载系统分区间响应电网调频需求的控制系统，包括主电路系统和控制系统；所述主电路系统包括整流模块、DC/DC模块以及直流负载；所述控制系统包括整流器控制、DC/DC控制、直流电压下垂控制；通过直流负载电压下垂控制，系统进行分区间调频，工作模式包括：恒压运行、升压调频、降压调频、欠压保护以及过压保护五种运行模式。

主电路系统：首先从三相交流电网引出三相电，为整个系统提供电能支撑；整流模块采用三相全桥整流，开关管选用可控器件IGBT，三相电通过整流模块后输出直流电压；整流出较高电压等级的直流作为直流母线，再接DC/DC电路，对直流母线电压进行升压或降压操作，可根据具体的用电负荷进行适当选择；DC/DC输出侧接直流负载，即本系统的调控对象。使用控制系统的整流器电压电流双闭环控制作用于整流模块实现直流母线电压的稳定；使用DC/DC控制和直流电压下垂控制实现DC/DC电路在电压电流双闭环控制的基础上引入直流负载电压下垂控制，最终达到根据电网实时频率f对负载电压进行调整的目的。

本发明还公开了所述直流负载系统分区间响应电网调频需求的控制方法，通过锁相环检测出电网的实时频率f后与电网的额定频率f _N进行比较，同时综合分区间调频设置的区间限值，通过直流电压下垂控制得出负载电压指令值U _ref，使得负载的供电电压可根据电网频率的变化情况做出相应的调整，其基本原理为：直流负载系统的供电电压直接影响负载吸收的有功功率，而电力系统中的功率动态平衡过程又直接影响电网的实时频率。为了使直流负载能够响应电网的调频需求，则需要直流负载能够根据电网的实时频率动态地调整自身吸收的有功功率，即将影响直流负载有功功率的供电电压直接与电网频率进行动态耦合，且二者之间的耦合的关系为：

具体控制方法包括：

（1）通过锁相环(PLL)算法检测电网的实时频率f，将直流负载的供电电压U与实时频率f通过直流电压下垂控制直接耦合起来；

（2）将检测到的实时频率f与电网的额定频率f _N进行比较，得出电网频率的偏移量Δf，若Δf小于电能质量准则规定的偏移范围Δf _set（根据不同国家和地区的具体要求来设置），则直流负载系统保持额定运行状态，以避免负载频繁地切换运行模式；

（3）若偏移量Δf超过了准则规定的偏移范围Δf _set，则直流负载系统参与电网调频过程，且根据电网频率的实时偏移量，通过直流电压下垂控制对直流负载的供电电压指令值U _ref进行调整，通过控制直流负载的供电电压，来调节直流负载从电网吸收的有功功率。调控机理为：当电网频率低于额定频率时，电网有功不足，此时适当地减少直流负载吸收的有功功率，以抑制电网频率的下跌；当电网频率高于额定频率时，电网有功富余，此时适当地增加直流负载系统吸收的有功功率，以抑制电网频率升高。通过上述步骤即可使带整流器的直流可控负载有效地响应电网的调频需求；

（4）若电网功率缺额或者过剩问题太严重，致使电网实时频率f变化过大，致使直流电压下垂控制给出的供电电压指令U _ref超过了直流负载系统所能承受的限值范围：[U _min,U _max]，此时如果继续根据直流电压下垂控制来调整直流负载系统的供电电压，那么就会影响直流负载的正常工作与安全运行，因此此时需切换至欠压或者过压保护模式运行，分别以直流负载允许的最低电压U _min或最高电压U _max运行，以实现在保障负载正常工作、安全运行的前提下最大限度地响应电网的调频需求。

附图说明

图1主电路结构图；

图2 PWM整流器侧控制框图；

图3 DC/DC侧控制框图；

图4分区间调频示意图；

图5直流负载响应电网调频时的控制流程图；

图6电网频率发生单次跳变时，电网频率变化曲线；

图7电网频率发生单次跳变时，直流负载有功变化曲线；

图8电网频率发生单次跳变时，交流侧电流变化曲线；

图9电网频率发生多次连续跳变时，电网频率变化曲线；

图10电网频率发生多次连续跳变时，直流负载电压变化曲线；

图11电网频率发生多次连续跳变时，直流负载有功变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图1-4为本发明直流负载系统分区间响应电网调频需求的控制系统的主电路结构图、控制框图、分区间调频示意图；包括主电路系统和控制系统；主电路包括整流模块、DC/DC模块以及直流负载；控制系统包括整流器控制、DC/DC控制、直流电压下垂控制；通过直流负载电压下垂控制，使系统进行分区间调频，工作模式包含了恒压运行、升压调频、降压调频、欠压保护以及过压保护五种运行模式；图5为直流负载响应电网调频时的控制流程图。

系统主电路：首先从三相交流电网引出三相电，为整个系统提供电能支撑；整流模块采用三相全桥整流，开关管选用可控器件IGBT，三相电通过整流模块后输出直流电压；整流出较高电压等级的直流作为直流母线，再接DC/DC电路，对直流母线电压进行升压或降压操作，可根据具体的用电负荷进行适当选择；DC/DC输出侧接直流负载，即本系统的调控对象。使用控制系统的整流器电压电流双闭环控制作用于整流模块实现直流母线电压的稳定；使用DC/DC控制和直流电压下垂控制实现DC/DC电路在电压电流双闭环控制的基础上引入直流负载电压下垂控制，最终达到根据电网实时频率f对负载电压进行调整。

本发明直流负载响应电网调频需求的具体步骤如下：

a）首先根据不同国家和地区电网运行准则的实际情况，以及目标直流负载的实际承受能力对f _d-、f _d+、U _min、U _max等参数进行设定；

b）通过3个电压传感器来检测电网电压，并通过锁相环（PLL）算法对电网电压信号进行分析，获得电网电压的实时频率f、相位θ，再通过3个电流传感器电路获取电网电流i _k（其中k=a、b、c）；

c）通过Park变换将b）中采集到的静止坐标系下的电网侧电流i _k变换至旋转坐标系（dq坐标系）下，即可得到dq坐标系下的电网侧电流I _d、I _q，且旋转坐标变换矩阵T _abc/dq为：

d）通过1个电压传感器来检测直流母线电压U _b，整流器采用电压电流双闭环控制策略，即将U _b与直流母线电压指令值U _bref比较后送入PI调节器计算，得到内环电流指令值I _dr，将I _dr与步骤c）中检测得到的I _d比较后送入PI调节器计算，得到整流器d轴调制信号U _d ^* ；为使整流器单位因数并网，q轴的控制仅保留电流闭环控制，且取I _qr=0，且与步骤c）中得到的I _q比较后送入PI调节器计算，得到整流器q轴调制信号U _q ^* ，U _d ^* 与U _q ^* 经过反Park变换及PWM信号发生器后即可产生PWM整流器的驱动信号，达到稳定直流母线电压的目的，为负载侧正常工作提供稳定的直流电压支撑；

e）通过DC/DC电路调节直流负载的供电电压，利用含直流电压下垂控制的电压电流双闭环控制策略来实现。首先，通过1个电流传感器来检测电感电流I，通过1个电压传感器来检测负载电压U，并将负载电压U与其指令值U _ref比较后送入PI调节器计算，得到电感电流指令值I _ref，再将I _ref与I比较后通过PI调节器获得PWM驱动信号，达到控制负载电压的目的；

f）将b）中检测到的实时频率f与电网额定频率f _N进行比较，得出电网频率的偏移量Δf，若Δf小于电网运行准则规定的偏移范围Δf _set，则直流负载系统保持额定运行状态，以避免负载频繁地切换运行模式；此时维持直流负载电压指令值U _ref不变。

g）若偏移量Δf超过了设定范围Δf _set，则直流负载系统立即响应电网调频需求，且根据电网频率的偏移量，通过直流电压下垂控制来调整直流负载的电压指令值U _ref，其计算公式为：

其中，U _N为额定电压；获得调整后的电压指令值U _ref之后重复步骤e）。

h）若g）中计算出的电压指令值U _ref超过了直流负载系统所能承受的上限值U _max，则将DC/DC电路切换至过压保护模式，将直流负载电压指令值U _ref维持在其上限电压值U _max不变，以实现在保障负载安全运行的前提下最大限度响应电网的调频需求，即U _ref=U _max；

获得调整后的电压指令值U _ref之后重复步骤e）。

i）若g）中计算出的电压指令值U _ref低于直流负载系统正常工作所允许的下限值U _min，则将DC/DC电路切换至欠压保护模式，将直流负载电压指令值U _ref维持在其下限电压值U _min不变，以实现在保障负载正常工作的前提下最大限度地响应电网的调频需求，即U _ref=U _min。

以下通过仿真验证做进一步地补充说明。

图6-8是本发明实施例电网频率由额定值50Hz跳变至50.5Hz的频率跳变曲线、直流负载有功功率随频率跳变的变化情况以及交流侧三相电流的变化情况；图9-11为本发明实施例电网频率从50Hz到49.2Hz、49.75Hz、49.98Hz、50.25Hz、51Hz的过程以及直流负载电压、有功功率随着频率改变的变化情况，分别经历了欠压保护、降压调频、恒压运行、升压调频、过压保护的工作模式。供电电压与电网频率间存在耦合关系，供电电压能够跟随电网频率变化。电网频率为49.98Hz时，频率偏移量在可接受范围内，仍以额定电压60V运行；频率为49.2Hz时，电压指令U _ref低于所设定的直流负载最低电压U _min，则切换至最低电压54V运行；频率为51Hz时，电压指令U _ref高于所设定的直流负载电压的上限值U _max，则切换至最高电压66V运行。

以上内容是结合具体的案例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (4)

1.一种直流负载系统分区间响应电网调频需求的控制系统，其特征在于：包括主电路系统和控制系统；所述主电路系统包括整流模块、DC/DC模块以及直流负载；所述控制系统包括整流器控制、DC/DC控制、直流电压下垂控制；通过直流负载电压下垂控制，系统进行分区间调频，工作模式包括：恒压运行、升压调频、降压调频、欠压保护以及过压保护五种运行模式。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，系统主电路：首先从三相交流电网引出三相电，为整个系统提供电能支撑；整流模块采用三相全桥整流，开关管选用可控器件IGBT，三相电通过整流模块后输出直流电压；整流出较高电压等级的直流作为直流母线，再接DC/DC电路，对直流母线电压进行升压或降压操作，；DC/DC输出侧接直流负载，即本系统的调控对象；使用控制系统的整流器电压电流双闭环控制作用于整流模块实现直流母线电压的稳定；使用DC/DC控制和直流电压下垂控制实现DC/DC电路在电压电流双闭环控制的基础上引入直流负载电压下垂控制，最终达到根据电网实时频率f对负载电压进行调整。

3.一种直流负载系统分区间响应电网调频需求的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）通过锁相环(PLL)算法检测电网的实时频率f，将直流负载的供电电压U与实时频率f通过直流电压下垂控制直接耦合起来；

（2）将检测到的实时频率f与电网的额定频率f _N进行比较，得出电网频率的偏移量Δf，若Δf小于电能质量准则规定的偏移范围Δf _set，则直流负载系统保持额定运行状态，以避免负载频繁地切换运行模式；

（3）若偏移量Δf超过了准则规定的偏移范围Δf _set，则直流负载系统参与电网调频过程，且根据电网频率的实时偏移量，通过直流电压下垂控制对直流负载的供电电压指令值U _ref进行调整，通过控制直流负载的供电电压，来调节直流负载从电网吸收的有功功率；

（4）若电网功率缺额或者过剩问题太严重，致使电网实时频率f变化过大，致使直流电压下垂控制给出的供电电压指令U _ref超过了直流负载系统所能承受的限值范围：[U _min,U _max]，此时如果继续根据直流电压下垂控制来调整直流负载系统的供电电压，那么就会影响直流负载的正常工作与安全运行，因此此时需切换至欠压或者过压保护模式运行，分别以直流负载允许的最低电压U _min或最高电压U _max运行，以实现在保障负载正常工作、安全运行的前提下最大限度地响应电网的调频需求。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

a）首先根据不同国家和地区电网运行准则的实际情况，以及目标直流负载的实际承受能力对f _d-、f _d+、U _min、U _max参数进行设定；

b）通过3个电压传感器来检测电网电压，并通过锁相环（PLL）算法对电网电压信号进行分析，获得电网电压的实时频率f、相位θ，再通过3个电流传感器电路获取电网电流i _k（其中k=a、b、c）；

c）通过Park变换将b）中采集到的静止坐标系下的电网侧电流i _k变换至旋转坐标系（dq坐标系）下，即可得到dq坐标系下的电网侧电流I _d、I _q，且旋转坐标变换矩阵T _abc/dq为：

d）通过1个电压传感器来检测直流母线电压U _b，整流器采用电压电流双闭环控制策略，即将U _b与直流母线电压指令值U _bref比较后送入PI调节器计算，得到内环电流指令值I _dr，将I _dr与步骤c）中检测得到的I _d比较后送入PI调节器计算，得到整流器d轴调制信号U _d ^* ；为使整流器单位因数并网，q轴的控制仅保留电流闭环控制，且取I _qr=0，且与步骤c）中得到的I _q比较后送入PI调节器计算，得到整流器q轴调制信号U _q ^* ，U _d ^* 与U _q ^* 经过反Park变换及PWM信号发生器后即可产生PWM整流器的驱动信号，达到稳定直流母线电压的目的，为负载侧正常工作提供稳定的直流电压支撑；

e）通过DC/DC电路调节直流负载的供电电压，利用含直流电压下垂控制的电压电流双闭环控制策略来实现；首先，通过1个电流传感器来检测电感电流I，通过1个电压传感器来检测负载电压U，并将负载电压U与其指令值U _ref比较后送入PI调节器计算，得到电感电流指令值I _ref，再将I _ref与I比较后通过PI调节器获得PWM驱动信号，达到控制负载电压的目的；

f）将b）中检测到的实时频率f与电网额定频率f _N进行比较，得出电网频率的偏移量Δf，若Δf小于电网运行准则规定的偏移范围Δf _set，则直流负载系统保持额定运行状态，以避免负载频繁地切换运行模式；此时维持直流负载电压指令值U _ref不变；

g）若偏移量Δf超过了设定范围Δf _set，则直流负载系统立即响应电网调频需求，且根据电网频率的偏移量，通过直流电压下垂控制来调整直流负载的电压指令值U _ref，其计算公式为：

其中，U _N为额定电压；获得调整后的电压指令值U _ref之后重复步骤e）；

h）若g）中计算出的电压指令值U _ref超过了直流负载系统所能承受的上限值U _max，则将DC/DC电路切换至过压保护模式，将直流负载电压指令值U _ref维持在其上限电压值U _max不变，以实现在保障负载安全运行的前提下最大限度响应电网的调频需求，即U _ref=U _max；

获得调整后的电压指令值U _ref之后重复步骤e）；

i）若g）中计算出的电压指令值U _ref低于直流负载系统正常工作所允许的下限值U _min，则将DC/DC电路切换至欠压保护模式，将直流负载电压指令值U _ref维持在其下限电压值U _min不变，以实现在保障负载正常工作的前提下最大限度地响应电网的调频需求，即U _ref=U _min。