CN108701996A

CN108701996A - 支持电网控制的虚拟惯性的电源（微型弹簧转换器）

Info

Publication number: CN108701996A
Application number: CN201780007510.3A
Authority: CN
Inventors: 许树源; E.瓦分舒密
Original assignee: University of Hong Kong HKU
Current assignee: University of Hong Kong HKU
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: CN108701996B; US11050257B2; US20190036335A1; WO2017125067A1

Abstract

提供了一种消费产品电源，并且该消费产品电源包括：电网电力转换器，该电网电力转换器耦合到电网；能量存储元件，该能量存储元件耦合到电网电力转换器，该电网电力转化器向能量存储元件提供中间电压；负载电力转换器，该负载电力转换器耦合到能量存储元件并向负载提供恒定电力；以及电力控制器，该电力控制器测量电网的状态变量，其中，电力控制器基于电网的状态变量控制电网电力转换器，以帮助稳定电网。

Description

支持电网控制的虚拟惯性的电源（微型弹簧转换器）

背景技术

电网必须始终能够平衡发电和耗电。如果耗电负载突然增加，则必须立即相应地增加递送的电力。当今，这是通过一系列电力平衡步骤来实现的。首先，可以从供应电网的传统发电机的转动惯性立即递送额外的电力。这种额外的电力生产导致电网发电机的转速降低以及电网的电频率的相应降低。降低的电频率用作级联的下一步骤的控制信号，即主要电力控制（例如，添加额外的蒸汽或燃料以增加发电机输出）。此外，随着频率下降，诸如电动机的频率相关负载也汲取更少的电力，进一步有助于稳定电网。

在未来的电网中，预计大多数电力将由分散的可再生能源产生。大多数电力源将使用电子逆变器馈入电力，该电子逆变器对负载或频率变化的反应方式不同于当今的传统发电机。随着可再生能源取代传统发电机，当电网上负载增加时，用以立即供应额外的电力需求的转动惯性的可用性将减少[1]。此外，越来越多的电动机使用电子逆变器，其工作独立于电网频率而不会自动降低耗电。这两种趋势都导致控制电网稳定性越来越困难。

有建议将“虚拟惯性”添加到馈入逆变器的控制[2] [3] [4] [5]。该方法使诸如电池或电容器的蓄电元件放电，允许馈入逆变器在频率衰减时递送额外的电力。然而，现有的馈入逆变器不易修改，并且由于其成本和长寿命而不会很快被替换。此外，向电网添加电力存储是昂贵的，因此将其保持在最低限度是有益的。

发明内容

为了解决上述问题，需要新的方法，设备和机器来替换在传统电网中发生的一系列电力平衡步骤。本发明提供了具有虚拟惯性控制的新颖且有利的电源，以及用于补偿电网电力需求变化的方法。本发明的电源可以控制从电网汲取的电力，向电网供应电力，或者基于例如电网频率，电网电压和负载需求来控制给予负载的电力的量。电负载可以是消耗电力并且具有存储电力的能力的任何东西（例如，具有灯驱动器的灯，具有电子逆变器的电动机，具有AC/DC转换器的IT设备等）。本发明的优点在于，许多带有其电源的负载可以各自补偿电网电力需求的一小部分突然变化。本发明可以通过例如工业或政府标准来实现。

在一个实施例中，用于电负载的电源包括：第一电力转换器，其适于连接到电网；连接到第一电力转换器的电能存储器；以及第二电力转换器，其连接到蓄电器并适于为电负载供电；其中，第一电力转换器适于使用电网对电能存储器充电；并且其中第一电力转换器至少部分地由电网的状态变量控制。另外，第一电力转换器可以适于通过从电能存储器提取电力来向电网提供电力。此外，第二电力转换器可以至少部分地由电负载所需的电力的量控制，并且在一些条件下可以减少供应给负载的电力。

附图说明

图1是本发明的实施例的示意图，该实施例具有两个功率级，能量存储器和电网状态相关的控制电路。

图2是传统功率因数校正电路的示意图。

图3是图示了传统PFC控制电路的示意图，如图2所示。

图4是根据本发明实施例的具有虚拟惯性频率控制的功率因数校正电路的示意图。

图5是图4的实施例的控制电路的示意图。

图6是本发明的实施例的示意图，该实施例能够向LED负载提供恒定的电力传输。

图7是本发明的实施例的示意图，该实施例具有两个功率级和附加的充电转换器。

图8a是图示了各种电解电容器的电容器能量含量对体积的曲线图。

图8b是图示了存储50Ws能量所需的电容器能量和体积大小的曲线图。

图9是图示了在4分钟的时间段内测量的能量电网的频率和电力偏差的曲线图。

图10是图示了在一小时时间段内测量的能量电网的频率以及在能量含量为300Ws的电容器上计算的相应电压波动的曲线图。

具体实施方式

本发明提供了具有虚拟惯性控制的新颖且有利的电源，以及用于补偿电网电力需求的方法。如上所述，本发明可以有益于用于微电网，但也可用于具有大部分可再生能量馈入的未来电网。电源可以包括：第一电力转换器，其适于连接到电网；连接到第一电力转换器的电能存储器；以及第二电力转换器，其连接到蓄电器并适于为电负载供电；其中，第一电力转换器适于使用电网对电能存储器充电；并且其中第一电力转换器至少部分地由电网的状态变量控制。第一电力转换器也可以适于通过从电能存储器提取电力来向电网提供电力。总之，第一电力转换器具有双重功能，提供功率因数校正和电网控制。此外，除了电负载所需的电力的量之外，第二电力转换器还可以由电网的状态变量控制。

美国专利申请US2013/0322139A1（“输入AC电压控制双向电力转换器”）[6]公开了基于测量的电网频率和电网电压来控制连接到电网的电力转换器以用于电网稳定目的。该转换器可以连接到专用存储设备，其提供电力控制所需的能量。它也可以连接到负载设备，但是负载可能会经历电力波动，因为它直接连接到电力转换器。因此，该解决方案的缺点在于它需要专用存储设备并且它可能导致负载电力的波动，这对于照明和其他关键负载是不可接受的。

图1是本发明的示例性实施例的示意图。电源包括电网电力转换器，负载电力转换器，充当负载的LED灯，电力控制器和能量存储器。LED灯仅用作示例，并且本发明可潜在地应用于任何负载的电源（例如，具有电子逆变器的电动机，具有AC/DC转换器的IT设备等）。负载电力转换器连接到能量存储器并且能够向负载递送恒定电力。如果能量存储器处的中间电压下降，则负载电力转换器能够自动增加其输入电流以维持递送到负载的电力。

能量存储器可以是经常使用的电解电容器（elcap），或任何其他能量存储元件。能量存储器可以消除如在传统的电源中那样的电网供应的交流电流在其经过整流后产生的波纹效应。此外，能量存储器可以存储能量以充当电网的虚拟惯性。电网电力转换器可以包括整流器和DC到DC转换器，优选地是升压转换器。电网电力转换器还可以具有通过使用存储在能量存储器中的能量来向电网供应电力的能力，可能具有DC到AC转换器以用于该功能。另外，电网电力转换器可以提供功率因数校正（PFC）功能。

电网电力转换器由电力控制器控制。电力控制器可以控制电网电力转换器的PFC功能。在正常操作条件下，电力控制器可以控制电网电力转换器，使得其提供的电力的量等于负载的需求。另外，在本发明中，电力控制器测量电网的状态变量（例如电压，频率，电网频率时间导数，电压频率时间导数，电压和/或频率的变化等）并确定电网电力转换器应增加从电网汲取的电力的量，减少从电网汲取的电力的量，还是甚至为电网供应电力。例如，可以根据下面的等式2计算额外的电力的量（或“控制电力”）。然后，可以将该额外的电力的量添加到恒定电力（负载所需的电力），从而产生对应于新电力需求的电流汲取。利用这个额外的电力的量，能量存储电容器被充电或放电。

为了保护，如果能量存储器处的中间电压超过最大阈值或降低到最小阈值以下，则可以将控制电力设定为零以避免损坏电路。或者，简单地说，可以停止供应给能量存储器的所有电力。

在另一个实施例中，控制结构可以如下。在没有施加电网控制电力的情况下，中间电压由电力控制器保持恒定。然后，电力控制器使用比例-积分-微分（PID）控制器基于中间电压设定点设定电网电力转换器的实际电流。利用附加的电网电力控制，中间电压的设定点遵循根据下面的等式8的电网频率。以这种方式，附加电力自动对应于所需的虚拟惯性电力。

图2和3中描绘了传统功率因数校正（PFC）电路的电路图。其功能是众所周知的（参见，例如[8]）。参考图2，电压源U ₀表示正弦电网电压。二极管D ₁至D ₄提供整流。电感器L，二极管D ₅和开关S形成升压转换器。开关S通常是快速开关晶体管，诸如MOSFET。电容器C在正弦电压的半个周期之间提供缓冲。电阻器R _Load表示任意负载。PFC控制的任务是为开关S的开关提供合适的占空比，使得整流电流是正弦的并且中间电压电容器C处的电压保持恒定。

图3示出了图2的PFC控制电路的细节。从中间电压U _IM中减去参考电压U _ref，并使用第一运算放大器以选定的放大系数放大结果。该级提供控制使中间电压U _IM成为与U _ref成比例的值。该结果与整流电压U _rect相乘，以获得电流模式控制电路的参考信号I _ref。为开关产生脉冲宽度调制（PWM）信号，使得I _rect遵循I _ref。用于该目的的简单电路可以是具有滞后的比较器。如果I _rect低于I _ref，比较器将接通开关并且电流上升。如果其超过滞后阈值，则开关关断，电流降低。

图4中示出了本发明的另一个实施例。在图4的实施例中，PFC控制电路被扩展为包括频率检测电路。该电路提供与测量的电网频率f成比例的输出电压U _f，并且可以是模拟或数字电路。负载由负载转换器表示。该转换器被构建成使得即使中间电压U _IM变化，也能够为负载递送恒定电力。

图5是图4的实施例的控制电路的示意图。从电压U _f中减去对应于50Hz的恒定电压，并且通过左运算放大器以合适的系数放大该差值。得到的电压ΔU _f与根据等式8的频率偏差有关。该信号被加到参考电压U _ref。结果，中间电压遵循对应于参考电压U _ref和电压ΔU _f相加之和的值，表示频率变化。以这种方式，电路工作，根据等式8调节所需的电力流。

图6是本发明的实施例的示意图，其中驱动LED（通常由一系列连接的LED表示）。然而，请记住，本发明可以应用于任何负载的电源，并且LED仅仅是示例。图6的电路是具有电流控制的下变换器。使用电流模式控制器使输出电流保持恒定。与PFC电路类似，存在若干实现电流控制的可能性。与PFC操作相反，此处使用恒定的参考电流值。恒定的输出电流导致恒定的输出电力，因为LED电压保持恒定。这允许转换器独立于中间电压U _IM传输恒定电力。

在图7所示的本发明的又一个实施例中，能量存储器（例如，电解电容器）不直接连接到中间电压，而是通过附加的电荷转换器连接。该转换器是双向转换器，并且可以对能量存储电容器充电或放电。该实施例中存在的一个优点是电荷转换器可以将能量存储器放电到比以其他方式可能的低得多的电压（即，如果能量存储器直接连接到中间电压）。因此，在图7所示的实施例中，能量存储器（例如电容器）可以在更宽的电压范围内操作并且具有减小尺寸的可能性。

电荷转换器仅需要处理少量控制电力，并且因此与主电源相比可以很小。电荷转换器的电力流由电力控制器基于电网的状态变量（例如电网频率，电压或电网频率或电压的变化）直接控制。电网电力转换器由电力控制器独立控制，以保持中间电压恒定。也就是说，电力控制器和电网电力转换器可以在负载变化时感测所需的额外电力的量并自动地调节。可以设想，图7的实施例对于不需要或仅需要少量中间能量存储器的电力转换器特别有益，诸如三相转换器或能够承受中间电压上的强波纹的电源。此外，具有图7的能量存储器和电力控制器的电荷转换器可以添加到现有系统。现有的功率因数校正（PFC）电路（作为电网电力转换器操作）然后执行其保持中间电压恒定的正常操作。

在本发明的另一方面，负载电力转换器被设计成使得它可以减少到负载的电力。例如，这可以在其中电网存在极端能量需求的情况下完成（例如，当电网频率或电压低于某个阈值时）。这提供了再多一个选项来帮助稳定电网。此外，可以选择能量存储器不仅用于正常操作，而且还用于帮助补偿极端电网事件。如图1所示，从电力控制器到负载电力转换器的虚线，电力控制器能够控制负载电力转换器。在简单的实施方式中，如果电网频率低于给定阈值，则电力控制器减少到负载的电力，该给定阈值在例如欧洲电网中可以是49.8Hz（与标称频率50Hz相比）。在另一实施方式中，如果能量存储器处的中间电压降低到阈值以下，则负载电力转换器降低负载电力。

在将本发明应用于直流（DC）电网时，电网电压可以用作控制输入（即，电网的测量状态变量）。特别地，对于具有下垂控制的电网，电网电压是电网电力平衡的良好指标。上升的电网电压指示产生的电力过剩，而电网电压的衰减指示电力不足。然后，电网电力控制器需要根据电网电压时间导数而不是电网频率时间导数来控制电力。

如前所述，许多提议的拓扑结构已经在今天的电源中使用。通常，第一级包括整流器，用于将AC电流改变为DC电流，以及用作功率因数校正（PFC）电路并确保正弦输入电流的转换器。电源的第二级通常包括负载电力转换器，其向负载提供恒定的输出电力。许多设备都需要这种功能，包括例如工作在25瓦以上的LED灯驱动器，以及甚至一些工作在5瓦以上的灯驱动器。此外，许多电源包含电解电容器形式的能量存储器，其保持中间电压并消除由交流电网电压引起的波纹。因此，为了实现本发明，将需要很少或不需要额外的硬件，并且将仅需要修改第一功率级的控制机制。由于将几乎不需要硬件，因此可以设想本发明可以容易且成本有效地添加到现有电源。并且，由于消费产品的电源比馈入逆变器更换得更频繁，因此通过应用本发明而不是通过添加新的馈入逆变器或通过更换或修改现有的馈入逆变器，可以更容易地实现没有实际旋转质量的电网控制的过渡。

为了获得示范性的电力和能量要求并证明本发明的潜在有效性，参考文献[1]的方法和数据被用于德国的电网：假设ENTSO-E电网中缺乏3GW电力的最坏情况事件。这需要德国电网372MW。假设主要控制在20秒内接管线性增加[1]，这需要通过虚拟惯性递送3720MWs能量的瞬时电力。将其与80GW的峰值需求相关，导致4.6W/kW，四舍五入到5W/kW。总之，需要额外的5W电力和每安装1kW的电力容量50Ws的能量来覆盖一个事件。

通常，电容器的大小与其最大能量含量E _max有关。为了确定相互依赖性，已经从电子组件分配器收集了190个电解电容器的容量C，额定电压U _max，直径和高度[7]。根据该数据并且如图8a中所示计算额定能量E _max和体积V。在实际电路中，不能使用最大额定能量容量E _max，因为电容器仅从最大电压U _max放电电压差ΔU。因此，可用能量E _use是：

（1）

等式1由图8b的曲线图中的下灰线示出，表明如果存储所需的E _use的能量=50Ws则需要什么样的E _max。黑色曲线是使用图8a中的拟合函数对体积V进行外推。最大电压对电容器大小没有影响，并且因此可以被自由选择。只有相对电压差或相对电压波纹确定了该大小。如果使用DC链路电容器，波纹应保持在10％以下，需要至少300Ws的能量，导致电容器体积大小为每安装1kW约为130cm³。该大小的数量级与单相DC链路电容器的大小相对应。然而，请记住，此处考虑的电压阶跃属于极端电力损耗事件的最坏情况。

在日常操作期间，预期与期望操作点的偏差小得多。在替换虚拟惯性时，所需的控制电力ΔP取决于频率偏差Δf与标称频率f ₀（50Hz）的时间导数：

（2）。

在等式2中，P ₀是系统的标称电力（在这种情况下是电源），并且T _a是时间常数。在欧洲电网中，该时间常数（T _a）通常等于20s。ΔP是除了负载所需的电力之外，电源可以从电网汲取的电力。如果该值为负，则电源汲取的电力小于负载所需的电力，从而向电网“递送”控制电力。根据本发明的第一功率级的控制器（即，“电力控制器”或电力电网转换器）可以被设计为测量电网频率的时间导数并根据等式2控制附加电力流。

图9示出了2014年2月8日的4分钟的测量频率（Df/f₀）。还使用一小时的值执行模拟，并得到类似的结果。假设典型的惯性时间常数T _a= 20s，可以根据等式2从频率斜率的时间推导计算所需的电力需求ΔP (Dp/P₀)。频率图已经被过滤以实现可行的结果（过滤的Df/f₀）。

可以看出，所需的控制电力仅是小于电源的额定电力的+/- 0.1％的范围内的一小部分。这表明硬件不需要改变，并且可以在日常操作期间提供所需的控制电力。

作为能量存储器的示例的中间电压存储电解电容器上的电压波动可以被如下计算。通常，电容器C上的电压变化ΔU _C (t)由充电电流ΔI(t)的积分计算：

（3）

该充电电流ΔI(t)由控制电力ΔP(t)产生。假设U ₀的电容器电压相当恒定（即中间电压），它是：

（4）

组合这两个等式得到：

（5）

如果插入了等式（2），则积分将取消时间导数，从而得到：

（6）

通过其标称能量含量E ₀表示容量C：

（7）

得到

（8）

等式8表明相对电压波动ΔU _C/U ₀与频率波动Δf/f ₀成正比。

所需电力用于对具有典型的最大能量含量为E ₀=300Ws的电容器充电和放电，这与直接对DC链路电容器充电有关（参见上文）。根据该信息，可以计算电容器电压及其波动。计算结果被示出在图10中的2014年2月8日的一小时内（DUc/U₀）。

在所研究的时间期间的电压变化保持在标称电压的+/- 3.4％之间。该值相对较小，并且利用本发明实现的消费设备应该容易地补偿这些波动。另外，该信息表明，作为能量存储器的示例，可以使用典型的中间电压电解电容器而无需额外的硬件来实现根据本发明的电源中的虚拟惯性控制。

本发明包括但不限于以下示例性实施例。

实施例1。一种用于电负载的电源，包括：

第一电力转换器，该第一电力转换器适于连接到电网；

连接到第一电力转换器的能量存储器；

第二电力转换器，该第二电力转换器连接到能量存储器并且能够为电负载供电；

其中，第一电力转换器适于使用电网对能量存储器充电；

其中第一电力转换器至少部分地由电网的状态变量控制，

并且其中第二电力转换器至少部分地由电负载所需的电力的量控制。

实施例2。实施例1的电源，其中电网的状态变量是频率。

实施例3。根据实施例1的电源，其中电网的状态变量是电网电压。

实施例4。实施例1-3中任一个的电源，其中第一电力转换器还适于调节来自电网的电流，使得电流具有正弦时间依赖性。

实施例5。实施例1-4中任一个的电源，其中能量存储器的电压被控制为与测量的电网频率成比例。

实施例6。实施例1-5中任一个的电源，其中如果能量存储器的能量含量或电压下降到阈值水平以下，则第二电力转换器减少到电负载的电力。

实施例7。实施例1-6中任一项的电源，其中电能量存储器从第三电力转换器充电，该第三电力转换器连接到第一电力转换器的输出，并且该第三电力转换器被控制以与电网的状态变量相关的电力对电存储器充电或放电。

实施例8。实施例1-7中任一项的电源，其中电负载是灯，电动机或消费电子设备。

根据作为例证给出的以下示例可以更好地理解本发明及其许多优点。以下示例说明了本发明的一些方法，应用，实施例和变体。当然，它们不应被视为限制本发明。可以对本发明进行许多改变和修改。

示例1

具有虚拟惯性的电源可以包括电力控制器，电网电力转换器，能量存储器和负载电力转换器。电力控制器测量来自电网的一个或多个状态变量（例如电压或频率），并且还可以测量能量存储器的电压（即存储的势能）。电网电力转换器连接到电网，对电网电力进行整流，提供功率因数校正，并对能量存储器（例如，电解电容器）充电。负载电力转换器耦合到能量存储器并向负载提供电力。

电力控制器可以使用测量的状态变量来确定电压或频率随时间的变化（即，计算时间导数）。电力控制器可以使用测量的状态变量，测量的状态变量的时间导数或两者，以及能量存储器的电压（即能量存储能量含量）来控制电网电力转换器。电力控制器还可以使用预定阈值频率，阈值电压以及阈值时间导数来确定如何控制电网电力转换器。

在应用于AC电网的示例中，欧洲的主要阈值频率可以是50Hz。当频率低于50Hz时，电力控制器可以控制电网电力转换器以减少（或逐渐减少）来自电网的耗电。当频率高于50Hz时，电力控制器可以控制电网电力转换器以增加来自电网的耗电。如果测量的频率下降到低于第一下阈值，则电网电力转换器实际上可以将电力从能量存储器返回到电网。当电网电力稳定时，电力控制器将控制电网电力转换器以保持能量存储器的中间电压恒定。

负载电力转换器耦合到能量存储器并且被设计成使到负载的电力保持恒定，而不管电网电力转换器和能量存储器发生什么。然而，在本发明的一些实施例中，电力控制器还可以控制负载电力转换器以减少流向负载的电力。可以设想，当电网处于极端压力下时，可以应用该功能。

示例2

具有虚拟惯性的电源可以包括电力控制器，电荷转换器，电网电力转换器，能量存储器和负载电力转换器。电力控制器测量来自电网的一个或多个状态变量（例如电压或频率）以及中间电压。电力控制器还可以测量能量存储器的电压（即存储的势能）。电网电力转换器连接到电网并提供中间电力。负载电力转换器和电荷转换器耦合到中间电力。

电力控制器可以使用测量的状态变量来确定电压或频率随时间的变化（即，计算时间导数）。除了中间电压和能量存储器的电压之外，电力控制器可以使用测量的状态变量，测量的状态变量的时间导数或两者来控制电网电力转换器和电荷转换器。电力控制器还可以使用预定阈值频率，阈值电压以及阈值时间导数来确定如何控制电网电力转换器和电荷转换器。

作为使用DC电网的示例，主阈值电压可以是20V。当电压低于20V时，电力控制器可以控制电网电力转换器以减少（或逐渐减少）来自电网的耗电。当电压高于20V时，电力控制器可以控制电网电力转换器以增加来自电网的耗电。如果测量的电压下降到低于第一下阈值，则电网电力转换器实际上可以将电力从能量存储器返回到电网。当电网电力稳定时，电力控制器将控制电网电力转换器以保持中间电压恒定。

负载电力转换器耦合到中间电压并且被设计成使到负载的电力保持恒定，而不管电网电力转换器，电荷转换器和能量存储器发生什么。然而，在本发明的一些实施例中，电力控制器还可以控制负载电力转换器以减少流向负载的电力。可以设想，当电网处于极端压力下时，可以应用该功能。

电荷转换器的功能是更好地控制能量存储器。也就是说，电荷转换器可以允许能量存储器在更大的电压范围内操作，能够从能量存储器提取更多的能量和/或允许能量存储器更小。

应当理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且对于本领域技术人员而言，本领域技术人员可以对其进行各种修改或改变，并且这些修改和改变将被包括在本申请的精神和范围内。此外，本文公开的任何发明或其实施例的任何要素或限制可以与本文公开的任何和/或所有其他要素或限制（单独地或以任何组合）或任何其他发明或其实施例组合，在本发明的范围内考虑了所有这些组合，但不限于此。

本文提及或引用的所有专利，专利申请，临时申请和出版物（包括“参考文献”部分中的那些）通过引用整体并入，包括所有图和表，在某种程度上它们与本说明书的明确教导并不矛盾。

参考文献

Claims

1.一种电源，包括：

电网电力转换器，该电网电力转换器耦合到电网；

能量存储元件，该能量存储元件耦合到电网电力转换器，该电网电力转化器向能量存储元件提供中间电压；

负载电力转换器，该负载电力转换器耦合到能量存储元件并向负载提供恒定电力；以及

电力控制器，该电力控制器测量电网的状态变量，

其中，电力控制器基于电网的状态变量控制电网电力转换器，以帮助稳定电网。