CN111864814B - 一种电网频率动态和电网电压动态的优化控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电网频率动态和电网电压动态的优化控制方法及装置，包括：根据电网频率变化率和电网电压变化率调节补偿装置与电网之间交换的有功/无功功率，降低电网频率和电压变化率；电压变化率根据采集的电网三相电压确定的直轴分量和电网电压幅值确定；频率变化率根据采集的三相电压确定的交轴分量、电网频率以及电网相位确定；根据频率变化率确定有功功率指令；根据电压变化率确定无功功率指令；基于有功功率指令和无功功率指令控制电网的功率。本发明直接产生电网频率变化率信号，实现惯量响应控制，避免传统惯量控制复杂的频率微分计算和噪声干扰，能有效降低电网频率变化速度，优化电网频率动态。

Description

一种电网频率动态和电网电压动态的优化控制方法及装置
技术领域
本发明属于电力电子化电力系统频率和电压动态控制领域，更具体地，涉及一种电网频率动态和电网电压动态的优化控制方法及装置。
背景技术
频率和电压是电力系统最重要的两个特征量，是衡量电力系统供电质量的重要指标，电力系统中大部分负荷的安全稳定运行依赖于稳定的电网频率和电压。近些年，以新能源发电、高压直流输电等为代表的电力电子装备迅猛发展，其动态特性显著不同于传统同步发电机，表现为弱支撑性和弱抗扰性。具体表现为：(1)电力电子装备等效旋转惯量几乎为零，恶化了电力系统频率动态，不利于电网频率稳定；(2)电力电子装备采用高增益电流控制并网，表现为近似电流源特性，不利于电网电压动态稳定和优化；(3)电力电子装备耐流耐压能力弱于传统电磁转换装备，电网电压快速变化引发的电磁动态过程威胁电力电子装备的安全与稳定。
针对上述问题，现有改进方法一方面把电网频率偏差(Δf)及其微分(df/dt)信号加入电力电子装备的有功功率指令，以期望电力电子装备参与电网调频和模拟同步发电机的惯性响应；另一方面，将电网电压偏差信号(ΔV)加入电力电子装备无功功率指令，以期望电力电子装备参与电网电压调节；但是，仍面临如下问题：(1)电网频率微分计算容易受到噪声影响；而且需先检测电网频率再计算微分信号，动态响应速度受限。(2)受限于电压稳定，无法通过进一步提高电压控制增益优化电网电压动态。
综上所述，现有的电力电子化电力系统频率和电压动态优化技术还存在较大的优化空间。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电网频率动态和电网电压动态的优化控制方法及装置，旨在解决电力系统频率和电压动态控制的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种电网频率动态和电网电压动态的优化控制方法，包括如下步骤：
根据采集的电网三相电压确定电网频率变化率和电网电压变化率；所述电网电压变化率根据电网电压的直轴分量和电网电压幅值确定；所述电网频率变化率根据电网电压的交轴分量、电网频率以及电网相位确定；
根据电网频率变化率确定有功功率指令；
根据电网电压变化率确定无功功率指令；
基于所述有功功率指令和无功功率指令控制补偿装置与电网交换的有功功率和无功功率，以优化电网电压和电网频率动态；所述补偿装置为用来控制电网频率变化率和电网电压变化率的装置。
在一个可选的实施例中，所述电网电压变化率根据电网电压的直轴分量和电网电压幅值确定，具体为：
对采集的电网三相电压进行坐标变换，确定对应的电压直轴分量；
将所述电网电压的直轴分量和电网电压幅值相减，并对相减的结果控制增益后得到电网电压变化率；
其中，所述电网电压幅值通过电网电压变化率积分得到。
在一个可选的实施例中，所述电网频率变化率根据电网电压的交轴分量、电网频率以及电网相位确定，具体为：
对采集的电网三相电压进行坐标变换，并结合电网相位确定对应的电压交轴分量；
对所述电压交轴分量控制增益后得到电网频率的变化率；
其中，所述电网相位由与电网频率相关的两部分相加得到，所述与电网频率相关的两部分分别为：对电网频率控制第一增益和对电网频率控制第二增益并积分；
所述电网频率通过电网频率变化率积分得到。
在一个可选的实施例中，所述根据电网频率变化率确定有功功率指令，具体为：
对电网频率变化率控制增益后，进行低通滤波得到第一部分有功功率指令；
将电网频率与预定频率相减，并对相减后得到的结果控制增益得到第二部分有功功率指令；
将第一部分有功功率指令和第二部分有功功率指令相加得到所述有功功率指令。
在一个可选的实施例中，所述根据电网电压变化率确定无功功率指令，具体为：
对电网电压变化率控制增益后，进行低通滤波得到第一部分无功功率指令；
将电网电压与预定电压相减，并对相减后得到的结果控制增益得到第二部分无功功率指令；
将第一部分无功功率指令和第二部分无功功率指令相加得到所述无功功率指令。
第二方面，本发明提供一种电网频率动态和电网电压动态的优化控制装置，包括：
变化率确定单元，用于根据采集的电网三相电压确定电网频率变化率和电网电压变化率；所述电网电压变化率根据电网电压的直轴分量和电网电压幅值确定；所述电网频率变化率根据电网电压的交轴分量、电网频率以及电网相位确定；
功率指令确定单元，用于根据电网频率变化率确定有功功率指令；以及根据电网电压变化率确定无功功率指令；
电网功率控制单元，用于基于所述有功功率指令和无功功率指令控制补偿装置与电网交换的有功功率和无功功率，以优化电网电压和电网频率动态；所述补偿装置为用来控制电网频率变化率和电网电压变化率的装置。
在一个可选的实施例中，所述变化率确定单元具体包括：
坐标变换器，用于对采集的电网三相电压进行坐标变换，确定对应的电压直轴分量；
第一减法器，用于将所述电网电压的直轴分量和电网电压幅值相减；
第一增益器，用于对第一减法器相减的结果控制增益后得到电网电压变化率；
第一积分器，用于对电网电压变化率积分得到电网电压幅值。
在一个可选的实施例中，所述坐标变换器，用于对采集的电网三相电压进行坐标变换，并结合电网相位确定对应的电压交轴分量；
所述变化率确定单元具体还包括：
第二增益器，用于对所述电压交轴分量控制增益后得到电网频率的变化率；
第二积分器，用于对电网频率变化率积分得到电网频率；
第三增益器，用于对电网频率控制第一增益；
第四增益器，用于对电网频率控制第二增益；
第三积分器，用于对第四增益器输出的信号积分；
第一加法器，用于对第三增益器的输出和第三积分器的输出相加，得到电网相位。
在一个可选的实施例中，所述功率指令确定单元具体包括：
第五增益器，用于对电网频率变化率控制增益；
第一低通滤波器，用于对第五增益器的输出信号进行低通滤波得到第一部分有功功率指令；
第一减法器，用于将电网频率与预定频率相减；
第六增益器，用于对第一减法器的输出信号控制增益得到第二部分有功功率指令；
第二加法器，用于将第一部分有功功率指令和第二部分有功功率指令相加得到所述有功功率指令。
在一个可选的实施例中，所述功率指令确定单元具体还包括：
第七增益器，用于对电网电压变化率控制增益；
第二低通滤波器，用于对第七增益器的输出信号进行低通滤波得到第一部分无功功率指令；
第二减法器，用于将电网电压与预定电压相减；
第八增益器，用于对第二减法器输出的信号控制增益得到第二部分无功功率指令；
第三加法器，用于将第一部分无功功率指令和第二部分无功功率指令相加得到所述无功功率指令。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种电网频率和电网电压的动态优化控制方法及装置，采用成熟的矢量电流控制技术，具有极强的电流控制能力，简化了电网故障时，惯量/刚度补偿器的控制保护。本发明利用锁相锁幅环直接产生电网频率变化率信号，实现惯量响应控制，避免传统惯量控制复杂的频率微分计算和噪声干扰。本发明利用锁相锁幅环检测得到的电压变化率信号，能有效降低电网电压变化速度，优化电压动态。
附图说明
图1为本发明提供的电网频率动态和电网电压动态的优化控制方法流程图；
图2为本发明提供的电网控制装置对应的惯量/刚度补偿器构成图；
图3为本发明提供的锁相锁幅环信号流图；
图4为本发明实施基于锁相锁幅环惯量/刚度补偿器功率指令产生的控制指令框图；
图5为本发明提供的电网频率动态和电网电压动态的优化控制装置架构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明提供的电网频率动态和电网电压动态的优化控制方法流程图，如图1所示，包括如下步骤：
S110，根据采集的电网三相电压确定电网频率变化率和电网电压变化率；所述电网电压变化率根据电网电压的直轴分量和电网电压幅值确定；所述电网频率变化率根据电网电压的交轴分量、电网频率以及电网相位确定；
具体地，确定电网频率变化率和电网电压变化率的部件总和又可称为锁相锁幅环。
S120，根据电网频率变化率确定有功功率指令；
S130，根据电网电压变化率确定无功功率指令；
S140，基于所述有功功率指令和无功功率指令控制补偿装置与电网交换的有功功率和无功功率，以优化电网电压和电网频率动态；所述补偿装置为用来控制电网频率变化率和电网电压变化率的装置。
可以理解的是，控制电网功率，即控制电网有功功率和无功功率的装置又可称为惯量/刚度补偿器。
在一个可选的实施例中，所述电网电压变化率根据电网电压的直轴分量和电网电压幅值确定，具体为：
对采集的电网三相电压进行坐标变换，确定对应的电压直轴分量；
将所述电网电压的直轴分量和电网电压幅值相减，并对相减的结果控制增益后得到电网电压变化率；
其中，所述电网电压幅值通过电网电压变化率积分得到。
在一个可选的实施例中，所述电网频率变化率根据电网电压的交轴分量、电网频率以及电网相位确定，具体为：
对采集的电网三相电压进行坐标变换，并结合电网相位确定对应的电压交轴分量；
对所述电压交轴分量控制增益后得到电网频率的变化率；
其中，所述电网相位由与电网频率相关的两部分相加得到，所述与电网频率相关的两部分分别为：对电网频率控制第一增益和对电网频率控制第二增益并积分；
所述电网频率通过电网频率变化率积分得到。
在一个可选的实施例中，所述根据电网频率变化率确定有功功率指令，具体为：
对电网频率变化率控制增益后，进行低通滤波得到第一部分有功功率指令；
将电网频率与预定频率相减，并对相减后得到的结果控制增益得到第二部分有功功率指令；
将第一部分有功功率指令和第二部分有功功率指令相加得到所述有功功率指令。
在一个可选的实施例中，所述根据电网电压变化率确定无功功率指令，具体为：
对电网电压变化率控制增益后，进行低通滤波得到第一部分无功功率指令；
将电网电压与预定电压相减，并对相减后得到的结果控制增益得到第二部分无功功率指令；
将第一部分无功功率指令和第二部分无功功率指令相加得到所述无功功率指令。
本发明提供一种同时具备电网频率/电压动态支撑能力的惯量/刚度补偿器；所述惯量/刚度补偿器以传统矢量电流控制为基础，耐受交流电网故障能力强；所述惯量/刚度补偿器利用锁相锁幅环检测得到电网频率偏差和电网电压偏差及二者的变化率，综合电网频率偏差和电网电压偏差及二者的变化率得到功率指令，为交流电网提供动态有功/无功功率支撑。不仅能调节电网频率和电压的偏差，还能有效降低频率和电压的变化速度，避免频率和电压快速变化。
本发明所述惯量/刚度补偿器构成如图2所示。惯量/刚度补偿器由储能系统、电压源型电力电子变换器、滤波器及控制系统组成。
可选地，电压源型电力电子变换器可以为两电平、三电平及模块化多电平结构；其直流侧连接储能系统，储能系统可以是超级电容、飞轮、电池等；其交流侧经滤波器接入电网。控制系统主要由采样模块、矢量电流控制模块、功率指令产生模块以及锁相锁幅环模块组成。采样模块采集交流电网三相电压、电流以及直流母线电压和储能能量状态等信息，并将采样信号传递给矢量电流控制模块；此外，将交流电网三相电压信号传递给锁相锁幅环模块。
矢量电流控制模块根据采样信号调节电压源型电力电子变换器的开关信号，控制变换器输出功率。矢量电流控制模块功率指令来自于功率指令产生模块；有功/无功功率指令根据锁相锁幅环模块输出的电压、频率偏差及变化率信号产生。锁相锁幅环模块根据三相电压信号检测得到电网电压、频率偏差及其变化率。
本发明提供的锁相锁幅环模块信号流如图3所示。将采集得到的三相电压uabc信号经过坐标变换，得到dq轴分量；其中，d轴表示直轴，q轴表示交轴。将电网电压d轴分量utd输入减法器正端，锁相锁幅环检测得到的电压幅值输入减法器负端；减法器输出经过一个控制增益输入积分器；积分器输入为电网电压变化率
Figure BDA0002622815430000081
积分器输出作为锁相锁幅环检测得到的电压幅值Uapll。将电网电压q轴分量utq经过一个控制增益输入积分器，积分器输出为电网频率ωapll；积分器输入为电网频率的变化率
Figure BDA0002622815430000082
积分器输出经过控制增益输入至积分器，再将积分器输出输入加法器，积分器输出经过控制增益输入加法器，将加法器输出作为电网相位θapll。
本发明提供的基于锁相锁幅环惯量/刚度补偿器功率指令产生如图4所示。将锁相锁幅环输出的电网频率变化率经控制增益、低通滤波器产生部分有功功率指令
Figure BDA0002622815430000083
输入加法器；将锁相锁幅环输出的电网频率与给定电网频率
Figure BDA0002622815430000084
作差，经控制增益产生部分有功功率指令
Figure BDA0002622815430000085
输入加法器；加法器输出作为矢量电流控制模块的有功功率指令
Figure BDA0002622815430000091
将锁相锁幅环输出的电网电压变化率经控制增益、低通滤波器产生部分无功功率指令
Figure BDA0002622815430000092
输入加法器；将锁相锁幅环输出的电网电压与给定电网电压
Figure BDA0002622815430000093
作差，经控制增益产生部分无功功率指令
Figure BDA0002622815430000094
输入加法器；加法器输出作为矢量电流控制模块的无功功率指令
Figure BDA0002622815430000095
需要说明的是，本发明用来控制增益的各个增益单元或者增益器的增益系数可根据实际需要设定。具体地，给定频率
Figure BDA0002622815430000096
和电网电压
Figure BDA0002622815430000097
也可根据电网实际控制的需求设置。
图5是本发明提供的电网频率动态和电网电压动态的优化控制装置架构图，如图5所示，包括：
变化率确定单元510，用于根据采集的电网三相电压确定电网频率变化率和电网电压变化率；所述电网电压变化率根据电网电压的直轴分量和电网电压幅值确定；所述电网频率变化率根据电网电压的交轴分量、电网频率以及电网相位确定；
功率指令确定单元520，用于根据电网频率变化率确定有功功率指令；以及根据电网电压变化率确定无功功率指令；
电网功率控制单元530，用于基于所述有功功率指令和无功功率指令控制补偿装置与电网交换的有功功率和无功功率，以优化电网电压和电网频率动态；所述补偿装置为用来控制电网频率变化率和电网电压变化率的装置。
可以理解的是，图5中各个单元的功能可参见前述方法实施例中的详细介绍，在此不做赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电网频率动态和电网电压动态的优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据采集的电网三相电压确定电网频率变化率和电网电压变化率；所述电网电压变化率根据电网电压的直轴分量和电网电压幅值确定；所述电网频率变化率根据电网电压的交轴分量、电网频率以及电网相位确定；所述电网电压变化率根据电网电压的直轴分量和电网电压幅值确定，具体为：对采集的电网三相电压进行坐标变换，确定对应的电压直轴分量；将所述电网电压的直轴分量和电网电压幅值相减，并对相减的结果控制增益后得到电网电压变化率；其中，所述电网电压幅值通过电网电压变化率积分得到；所述电网频率变化率根据电网电压的交轴分量、电网频率以及电网相位确定，具体为：通过锁相锁幅环模块对采集的电网三相电压进行坐标变换，并结合电网相位确定对应的电压交轴分量；对所述电压交轴分量控制增益后得到电网频率的变化率；其中，所述电网相位由与电网频率相关的两部分相加得到，所述与电网频率相关的两部分分别为：对电网频率控制第一增益和对电网频率控制第二增益并积分；所述电网频率通过电网频率变化率积分得到；
根据电网频率变化率确定有功功率指令；
根据电网电压变化率确定无功功率指令；具体为：对电网电压变化率控制增益后，进行低通滤波得到第一部分无功功率指令；将电网电压与预定电压相减，并对相减后得到的结果控制增益得到第二部分无功功率指令；将第一部分无功功率指令和第二部分无功功率指令相加得到所述无功功率指令；
基于所述有功功率指令和无功功率指令控制补偿装置与电网交换的有功功率和无功功率，以优化电网电压和电网频率动态；所述补偿装置为用来控制电网频率变化率和电网电压变化率的装置。
2.根据权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于，所述根据电网频率变化率确定有功功率指令，具体为：
对电网频率变化率控制增益后，进行低通滤波得到第一部分有功功率指令；
将电网频率与预定频率相减，并对相减后得到的结果控制增益得到第二部分有功功率指令；
将第一部分有功功率指令和第二部分有功功率指令相加得到所述有功功率指令。
3.一种电网频率动态和电网电压动态的优化控制装置，其特征在于，包括：
变化率确定单元，用于根据采集的电网三相电压确定电网频率变化率和电网电压变化率；所述电网电压变化率根据电网电压的直轴分量和电网电压幅值确定；所述电网频率变化率根据电网电压的交轴分量、电网频率以及电网相位确定；所述变化率确定单元通过锁相锁幅环模块实现，具体包括：坐标变换器，用于对采集的电网三相电压进行坐标变换，确定对应的电压直轴分量，以及对采集的电网三相电压进行坐标变换，并结合电网相位确定对应的电压交轴分量；第一减法器，用于将所述电网电压的直轴分量和电网电压幅值相减；第一增益器，用于对第一减法器相减的结果控制增益后得到电网电压变化率；第一积分器，用于对电网电压变化率积分得到电网电压幅值；第二增益器，用于对所述电压交轴分量控制增益后得到电网频率的变化率；第二积分器，用于对电网频率变化率积分得到电网频率；第三增益器，用于对电网频率控制第一增益；第四增益器，用于对电网频率控制第二增益；第三积分器，用于对第四增益器输出的信号积分；第一加法器，用于对第三增益器的输出和第三积分器的输出相加，得到电网相位；
功率指令确定单元，用于根据电网频率变化率确定有功功率指令；以及根据电网电压变化率确定无功功率指令；所述功率指令确定单元具体包括：第七增益器，用于对电网电压变化率控制增益；第二低通滤波器，用于对第七增益器的输出信号进行低通滤波得到第一部分无功功率指令；第二减法器，用于将电网电压与预定电压相减；第八增益器，用于对第二减法器输出的信号控制增益得到第二部分无功功率指令；第三加法器，用于将第一部分无功功率指令和第二部分无功功率指令相加得到所述无功功率指令；
电网功率控制单元，用于基于所述有功功率指令和无功功率指令控制补偿装置与电网交换的有功功率和无功功率，以优化电网电压和电网频率动态；所述补偿装置为用来控制电网频率变化率和电网电压变化率的装置。
4.根据权利要求3所述的优化控制装置，其特征在于，所述功率指令确定单元具体包括：
第五增益器，用于对电网频率变化率控制增益；
第一低通滤波器，用于对第五增益器的输出信号进行低通滤波得到第一部分有功功率指令；
第三减法器，用于将电网频率与预定频率相减；
第六增益器，用于对第三减法器的输出信号控制增益得到第二部分有功功率指令；
第二加法器，用于将第一部分有功功率指令和第二部分有功功率指令相加得到所述有功功率指令。
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