CN116316556A - 一种直流发储系统低穿控制方法 - Google Patents

一种直流发储系统低穿控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流发储系统低穿控制方法，采用了直流动态母线电压控制策略，在电网发生跌落时，具有足够的功率裕量快速响应低电压穿越，可在短z时间内输出容性无功对电网进行支撑，同时直流发储系统监测到直流母线电压发生偏移或者接收到AC/DC逆变器功率降低或增加命令请求后，调节功率输出，恢复AC/DC逆变器直流母线电压，并低电压穿越留出足够的功率裕量，该直流发储系统控制方法输出或吸收有功同时具有足够快速的能力在电网跌落时促进电网恢复，有利于电力系统稳定性。

Description

一种直流发储系统低穿控制方法
技术领域
本发明涉及低穿控制技术领域，尤其涉及一种直流发储系统低穿控制方法。
背景技术
近几年，直流发储系统的比例在总供电量中占比逐年增大，加之各种发电系统渗透率的增加，这些发电系统很大程度影响了区域性电网的稳定性。当电网发生故障引起电网电压跌落时，非常容易发生大面发储系统解列，将导致系统的不稳定甚至整个电力系统崩溃，随着直流发储电站高速发展，在一些发达国家中，直流发储电站在国家电网中的供电份额非常高，在某些地区，大比例的直流发储电站必然带来更多的弊端和隐患，通过直流发储进行发电，电力系统故障率也相对较升高。所以，在直流发储系统的运行过程中，必须考虑直流发储系统的工作情况以及对电网产生的影响。所以在这个背景前提下，低电压穿越技术受到了广泛的关注。
基于此，很多国家也都对直流发储提出了更加严格的要求，而直流发储系统低电压穿越技术对于此问题来说是一项有效的解决方法，同时也是直流发储的设计中最为困难与复杂的难点。低压穿越技术是指在电网出现电压降现象时，直流发储系统仍然需保持与电网的连接，甚至可以向电网提供一定量的电力来支持电网的复原，也可以直接坚持到电网恢复正常。电压骤降不可避免地会给发电系统带来相应的暂态过程，如过电压、过电流或转度上升等情况，严重的情况也会影响控制系统的平稳运作。大多数情况下，如果是电网故障，直流发电系统将实施被动自保护方案，即触发故障立即保护停机，但直流发储系统的占比如果在整个电网中占据较大，整个发电的系统将出现严重的故障，并且难以修复，更有甚者导致整个电力系统的瘫痪。低电压穿越技术在直流发储系统的过程中，可以起到电网高效稳定运转的作用，所以低电压穿越技术被广泛的研究和实际应用。
发明内容
为实现上述具低电压穿越技术在直流发储系统中的运用，本发明提出了一种直流发储系统低穿控制方法。
一种直流发储系统低穿控制方法，包括有功控制实现和无功控制实现，所述有功控制包括以下步骤：
电流发电设备将能量传递至直流母线，传递方式包括控制燃料和控制轮机转速；
AC/DC逆变器实时检测直流母线变化趋势，并根据直流母线变化进行功率调节，实现母线平稳，将发电测量的能量输送至交流或从交流吸收能量进行储能；
直流电压采集经过硬件延时和软件滤波处理后，进行闭环控制，并生成有功控制指令。
进一步，所述无功控制包括以下步骤：
AC/DC逆变器对交流电网电压进行实时采样，并计算电网电压有效值Ugrms；
当电网电压有效值低于低电压穿越启动门限时，根据电压偏差值计算得到无功指令，控制AC/DC逆变器输出容性无功对电网进行支撑，辅助电网恢复。
进一步，所述有功控制指令调节器输出计算公式为：
Figure BDA0004057748190000021
其中，Udc为直流电压，Udcref为直流电压参考，Kp为比例调节，Ki为积分调节，Pref为生成功率参考指令。
进一步，当电网电压值低于低电压穿越启动门限时，低穿无功指令计算公式为：
Qref＝Qco*(Ugthr-Ug)；
其中，Qco为无功支撑系数，Ug为电网实时电压，Ugthr为低穿启动门限，Qref为生成功率参考指令，无功指令输出范围为0～1.04p.u。
进一步，还包括功率优先级的控制，具体包括：
母线控制器实时检测当前直流母线电压值，并将直流母线电压控制在合理的工作范围内运行；
母线超出设备正常工作区间时，AC/DC逆变器进行主动缓冲调节，通过两个控制环路对直流母线电压上限和直流母线下限电压实时控制，将直流母线稳定在正常的工作区间；
直流母线电压过高时，启动直流母线电压上限控制器，控制直流母线电压不超过直流母线电压上限，直流发储系统降低输出功率；
直流母线电压过低时，启动直流母线电压下限控制器，控制直流母线电压不超过直流母线电压下限，直流发储系统增加输出功率；
直流母线电压上下限调节输出指令叠加到指令功率上作为最终功率输出指令，控制直流电压运行在一定的工作区间内。
进一步，所述直流母线电压上限计算公式为：
Figure BDA0004057748190000022
其中，Udc为直流电压，Kp为比例调节，Ki为积分调节，Udcmax为直流电压上限，Pout1为上限功率输出
进一步，所述直流母线电压下限计算公式为：
Figure BDA0004057748190000031
其中，Udc为直流电压，Kp为比例调节，Ki为积分调节，Udclow为直流电压下限，Pout2为上限功率输出。
进一步，所述最终功率输出指令计算公式为：
Pref＝Pcmd+Pout1+Pout2；
其中，Pcmd为给定有功参考指令，Pout1为上限控制器输出，Pout2为下限控制器输出，Pref为逆变器有功指令。
进一步，还包括逆变器限额控制，当给定功率值超出设备额定范围时，对给定指令进行输出限制，将AC/DC逆变器输出功率控制在允许的功率范围以内，利用电力电子器件可短时过载能力，过载系数K按反时间率下降，在保证短时内提供足够的无功支撑，避免逆变器发生长时过载损坏。
进一步，逆变器输出功率计算公式为：
Figure BDA0004057748190000032
Figure BDA0004057748190000033
其中，K为逆变器过载系数，Prate为设备额定功率，Pref为有功功率参考，Qref为无功功率参考，Qres为有功功率限额，Pres为无功功率限额。
本发明的有益效果：本发明提出了一种直流发储系统低穿控制方法，采用了直流母线电压范围控制策略，在电网发生跌落时，具有足够的功率裕量快速响应低电压穿越，可在短时间内输出容性无功对电网进行支撑，同时直流发储系统监测到直流母线电压发生偏移或者接收到AC/DC逆变器功率降低或增加命令请求后，调节功率输出，恢复AC/DC逆变器直流母线电压，并低电压穿越留出足够的功率裕量，该直流发储系统控制方法输出或吸收有功同时，且具有足够快速的能力在电网跌落时促进电网恢复，有利于电力系统稳定性。具有以下技术优势：
(1)直流发储系统在发生低电压穿越时，AC/DC逆变器仍可具有功率调节能力能响应无功需求，并对低电压跌落时可做出更快速的支撑响应，低电压穿越特性更加灵敏，对电网支撑更加有力。
(2)直流发储系统的直流母线具有运行范围动态调节能力，在低电压穿越时，通过动态调节直流母线上限或下限，获得更多功率输出无功能力应对电网故障电压跌落，具有更优的电网适应性。
(3)可设置有功/无功优先级，根据电网需求设置有功优先或无功优先或自动根据电网异常波动状态自动识别优先模式，控制输出具有更好的灵活性。
(4)电网跌落时，直流发储系统检测到直流母线发生偏离时，发电侧可以根据母线偏离方向或者AC/DC逆变器功率调节请求信号及时调节发电输出功率，促使AC/DC逆变器直流母线恢复，为电网跌落低穿无功支撑提供更多功率裕量，发电测和AC/DC逆变逆变侧容易共同实现低电压穿越能力，具有更好的协协作性。
(5)充分利用AC/DC逆变器可短时过载能力，可在短时内提供足够大的无功输出支撑促进电网恢复，直流发储系统应对电网短时故障能力更强。
附图说明
图1是本发明直流实施例中零电压穿越国标要求图；
图2是本发明直流发储系统的有功控制示意图；
图3是本发明直流发储系统的无功控制示意图；
图4是本发明直流发储系统的有功/无功优先级控制示意图；
图5是本发明直流发储系统的母线范围控制示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本发明提出了一种直流发储系统低穿控制方法，包括有功控制实现和无功控制实现，所述有功控制包括以下步骤：
电流发电设备将能量传递至直流母线，传递方式包括控制燃料和控制轮机转速；
AC/DC逆变器实时检测直流母线变化趋势，并根据直流母线变化进行功率调节，实现母线平稳，将发电测量的能量输送至交流或从交流吸收能量进行储能；
直流电压采集经过硬件延时和软件滤波处理后，进行闭环控制，并生成有功控制指令。
进一步，所述无功控制包括以下步骤：
AC/DC逆变器对交流电网电压进行实时采样，并计算电网电压有效值Ugrms；
当电网电压有效值低于低电压穿越启动门限时，根据电压偏差值计算得到无功指令，控制AC/DC逆变器输出容性无功对电网进行支撑，辅助电网恢复。
在本实施例中，直流发储系统由AC/DC逆变器和直流发储设备组成，AC/DC逆变器完成直流侧功率到交流侧功率转换。系统进行储能时，从电网侧吸收功率，控制储能变流器，对储能系统充电，电能转换为其他形式能量；系统进行释能时，系统控制储能变流器对储能或发电系统放电，其他形式能量转换为电能，电能传递至AC/DC变流器的直流母线，AC/DC将直流功率变换交流功率与电网进行交换。
系统运行过程中，为了保证电网运行稳定性，要求AC/DC逆变器对电网有支撑能力，辅助电网自我恢复，当电网发生跌落时，如果电网电压跌落至低于低电压穿越规定门限，AC/DC逆变器在规定的时间内不得脱网，并为电网输出容性无功功率进行支撑，提供无功电流帮助电网恢复电压，对于直流发储机系统，在低电压穿越期间既要稳定直流母线又要提供穿越无功电流。低电压穿越国标要求如图1所示。
在本实施例中，电流发电设备通过控制燃料或控制轮机转速等方式将能量传递至直流母线，AC/DC逆变器实时检测直流母线变化趋势，并根据直流母线变化进行功率调节，实现母线平稳，将发电测量的能量输送至交流或从交流吸收能量进行储能，直流电压采集经过硬件延时和软件滤波处理后，进行闭环控制，并生成有功控制指令，有功控制指令实现如图2所示，有功控制指令调节器输出计算公式为：
Figure BDA0004057748190000051
其中，Udc为直流电压，Udcref为直流电压参考，Kp为比例调节，Ki为积分调节，Pref为生成功率参考指令。
1.在本实施例中，AC/DC逆变器对交流电网电压进行实时采样，并计算电网电压有效值Ugrms，当电网电压有效值低于低电压穿越启动门限时，根据电压偏差值计算得到无功指令，控制AC/DC逆变器输出容性无功对电网进行支撑，辅助电网恢复，无功控制指令计算过程见图3，低穿无功指令计算公式为：
Qref＝Qco*(Ugthr-Ug)；
其中，Qco为无功支撑系数，Ug为电网实时电压，Ugthr为低穿启动门限，Qref为生成功率参考指令，无功指令输出范围为0～1.04p.u。
在本实施例中，对于电网系统较弱或有无功调节需求应用场合，控制器具有有优先级/无功优先模式，根据用户的应用需求进行手动配置，如用户可以设定AC/DC逆变器为无功优先，以满足现场电压无功优先调节需求，也可逆变器根据电网波动异常波动状态进行自动识别，并自动切换有优先级/无功优先模式，对电网更加友好，控制过程见图4。
在本实施例中，母线控制器实时检测当前直流母线电压值，并将直流母线电压控制在合理的工作范围内运行，当直流发储系统出现过功率输出或过功率输入时，会导致母线超出设备正常工作区间，AC/DC逆变器进行主动缓冲调节，避免直流母线超出设备安全工作区间，通过两个控制环路对直流母线电压上限和直流母线下限电压实时控制，将直流母线稳定在正常的工作区间，增强了系统鲁棒性，直流母线电压范围控制方法见图5。
当直流母线电压过高时，启动直流母线电压上限控制器，控制直流母线电压不超过直流母线电压上限，并告知直流发储系统降低输出功率，直流母线电压上限计算公式为：
Figure BDA0004057748190000061
其中，Udc为直流电压，Kp为比例调节，Ki为积分调节，Udcmax为直流电压上限，Pout1为上限功率输出。
当直流母线电压过低时，启动直流母线电压下限控制器，控制直流母线电压不超过直流母线电压下限，并告知直流发储系统增加输出功率，直流母线电压下限计算公式为：
Figure BDA0004057748190000062
其中，Udc为直流电压，Kp为比例调节，Ki为积分调节，Udclow为直流电压上限，Pout2为上限功率输出。
直流母线电压上下限调节输出指令叠加到指令功率上作为最终功率输出指令，控制直流
电压运行在一定的工作区间内，AC/DC逆变器的控制指令公式为：
Pref＝Pcmd+Pout1+Pout2；
其中，Pcmd为给定有功参考指令，Pout1为上限控制器输出，Pout2为下限控制器输出，Pref为逆变器有功指令。
在本实施例中，当给定功率值超出设备额定范围时，需要及时对给定指令进行输出限制，将AC/DC逆变器输出功率控制在允许的功率范围以内，并充分利用电力电子器件可短时过载能力，过载系数K按反时间率下降，在保证短时内能够提供足够的无功支撑，同时避免了逆变器发生长时过载损坏，逆变器输出功率计算公式为：
Figure BDA0004057748190000063
Figure BDA0004057748190000064
其中，K为逆变器过载系数，Prate为设备额定功率，Pref为有功功率参考，Qref为无功功率参考，Qres为有功功率限额，Pres为无功功率限额。
常规直流发储系统低电压穿越能力容易受到限制，通常AC/DC逆变器处于有功输出状态，应对交流电压突发跌落时存在输出无功裕量不足或响应不及时问题，本发明采用了直流母线电压范围控制策略，在电网发生跌落时，具有足够的功率裕量快速响应低电压穿越，可在短时间内输出容性无功对电网进行支撑，同时直流发储系统监测到直流母线电压发生偏移或者接收到AC/DC逆变器功率降低或增加命令请求后，调节功率输出，恢复AC/DC逆变器直流母线电压，并低电压穿越留出足够的功率裕量，该直流发储系统控制方法输出或吸收有功同时，且具有足够快速的能力在电网跌落时促进电网恢复，有利于电力系统稳定性。
在AC/DC逆变器直流母线电压安全的运行区间内，用户可指定有功优先或无功优先，也可电网异常波动状态主动识别优先级进行自动切换，具有更强的灵活性。
电网发生低电压跌落时，可快速的提供无功支撑，通过直流母线电压范围进行有效控制，并快速实现无功输出，同时将功率调节指令传递给直流发储系统，发储系统降低或增加有功，保持足够的功率裕量应对低电压穿越。
具有更强的直流母线控制能力，直流母线电压为动态范围控制，低电压穿越输出能力更强，有利于电网故障恢复，电网适应能力更强。
本发明以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种直流发储系统低穿控制方法，其特征在于，包括有功控制实现和无功控制实现，所述有功控制包括以下步骤：
电流发电设备将能量传递至直流母线，传递方式包括控制燃料和控制轮机转速；
AC/DC逆变器实时检测直流母线变化趋势，并根据直流母线变化进行功率调节，实现母线平稳，将发电测量的能量输送至交流或从交流吸收能量进行储能；
直流电压采集经过硬件延时和软件滤波处理后，进行闭环控制，并生成有功控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种直流发储系统低穿控制方法，其特征在于，所述无功控制包括以下步骤：
AC/DC逆变器对交流电网电压进行实时采样，并计算电网电压有效值Ugrms；
当电网电压有效值低于低电压穿越启动门限时，根据电压偏差值计算得到无功指令，控制AC/DC逆变器输出容性无功对电网进行支撑，辅助电网恢复。
3.根据权利要求1所述的一种直流发储系统低穿控制方法，其特征在于，所述有功控制指令调节器输出计算公式为：
Figure FDA0004057748180000011
其中，Udc为直流电压，Udcref为直流电压参考，Kp为比例调节，Ki为积分调节，Pref为生成功率参考指令。
4.根据权利要求2所述的一种直流发储系统低穿控制方法，其特征在于，当电网电压值低于低电压穿越启动门限时，低穿无功指令计算公式为：
Qref＝Qco*(Ugthr-Ug)；
其中，Qco为无功支撑系数，Ug为电网实时电压，Ugthr为低穿启动门限，Qref为生成功率参考指令，无功指令输出范围为0～1.04p.u。
5.根据权利要求1所述的一种直流发储系统低穿控制方法，其特征在于，还包括功率优先级的控制，具体包括：
母线控制器实时检测当前直流母线电压值，并将直流母线电压控制在合理的工作范围内运行；
母线超出设备正常工作区间时，AC/DC逆变器进行主动缓冲调节，通过两个控制环路对直流母线电压上限和直流母线下限电压实时控制，将直流母线稳定在正常的工作区间；
直流母线电压过高时，启动直流母线电压上限控制器，控制直流母线电压不超过直流母线电压上限，直流发储系统降低输出功率；
直流母线电压过低时，启动直流母线电压下限控制器，控制直流母线电压不超过直流母线电压下限，直流发储系统增加输出功率；
直流母线电压上下限调节输出指令叠加到指令功率上作为最终功率输出指令，控制直流电压运行在一定的工作区间内。
6.根据权利要求5所述的一种直流发储系统低穿控制方法，其特征在于，所述直流母线电压上限计算公式为：
Figure FDA0004057748180000021
其中，Udc为直流电压，Kp为比例调节，Ki为积分调节，Udcmax为直流电压上限，Pout1为上限功率输出。
7.根据权利要求5所述的一种直流发储系统低穿控制方法，其特征在于，所述直流母线电压下限计算公式为：
Figure FDA0004057748180000022
其中，Udc为直流电压，Kp为比例调节，Ki为积分调节，Udclow为直流电压上限，Pout2为下限功率输出。
8.根据权利要求5所述的一种直流发储系统低穿控制方法，其特征在于，所述最终功率输出指令计算公式为：
Pref＝Pcmd+Pout1+Pout2；
其中，Pcmd为给定有功参考指令，Pout1为上限控制器输出，Pout2为下限控制器输出，Pref为逆变器有功指令。
9.根据权利要求1所述的一种直流发储系统低穿控制方法，其特征在于，还包括逆变器限额控制，当给定功率值超出设备额定范围时，对给定指令进行输出限制，将AC/DC逆变器输出功率控制在允许的功率范围以内，利用电力电子器件可短时过载能力，过载系数K按反时间率下降，在保证短时内提供足够的无功支撑，避免逆变器发生长时过载损坏。
10.根据权利要求9所述的一种直流发储系统低穿控制方法，其特征在于，逆变器输出功率计算公式为：
Figure FDA0004057748180000023
Figure FDA0004057748180000024
其中，K为逆变器过载系数，Prate为设备额定功率，Pref为有功功率参考，Qref为无功功率参考，Qres为有功功率限额，Pres为无功功率限额。
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