CN117280561A - Ac电源系统中的频率调节 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于在AC电源系统(10)中进行频率调节的系统，其中该系统包括不间断电源(12)，该不间断电源电连接到该AC电源系统(10)，并且该不间断电源包括用于监测从该AC电源系统(10)接收到的AC输入电压的频率的锁相环路(17)和/或锁频环路，其中该锁相环路(17)和/或该锁频环路被设计成以高于标称电网频率的操作频率进行操作，该操作频率被选择以用于在所监测频率发生频率下降之后的预定时间跨度内检测所监测频率与该标称电网频率的偏差，其中基于所检测到的所监测频率与该标称电网频率的偏差生成控制信号(19)，并且其中所生成的控制信号用于调节该不间断电源(12)与电网(11)之间的功率流，直到所监测频率在该标称电网频率附近的预定范围内。
Description
技术领域
本说明书涉及AC(交流电)电源系统中的频率调节，并且具体地公开了一种用于在AC电源系统中进行频率调节的系统。
背景技术
分布式能源量的增加通过增加的发电波动性和降低的电力供应系统惯性给(AC)电网稳定性带来了挑战。低惯性情况在孤岛/隔离电力供应系统(电力系统)中尤其关键，其中主要的发电是例如由基于柴油/天然气的同步发电机提供的。这些系统中的低惯性可能在存在负载变化或发电扰动的情况下导致快且高的频率偏差，并且这个问题可能进一步受到一些发电技术的缓慢动态响应的影响。
在较大型的电力系统中，为了将频率维持在限制范围内，可使用频率控制储备来补充强制性频率调节。这些频率控制储备传统上包括水力发电、燃气涡轮机和发动机、柴油发电机，如今还包括电池储能系统(BESS)。传统的发电形式面临着为最坏情况事件提供足够快的响应的挑战，因此具有能量存储设备的电力电子转换器被视为有前途的替代方案，因为该电力电子转换器可以对频率扰动提供非常快速的响应。到目前为止，已经研究了与4型风车和BESS的电力电子转换器相关的合成或仿真惯性的用途，这些风车和BESS是专门为电网和发电而建造的。
出版物“Frequency-Freezing FLL for Enhanced Synchronization Stabilityof Grid-Following Converters during Grid Faults”,Taul等人，2020IEEE提出了一种用于在严重电网故障期间增强更复杂的同步结构的瞬态稳定性的方法，这些同步结构被设计成通过冻结静止参考系锁频环路(FLL)的频率来处理不对称故障状态。
出版物“Stability-Oriented Design of Frequency Drift Anti-Islandingand Phase-Locked Loop Under Weak Grid”,Kim等人，2017IEEE分析了配备有频率漂移防孤岛的并网电力调节系统(PCS)的稳定性。
美国专利US10,615,597B2涉及电力系统，并且更具体地涉及孤岛电网电源系统和方法，并且描述了一种孤岛电网电源系统，该孤岛电网电源系统包括至少一个储能单元和联接到该至少一个储能单元并且被配置为联接到孤岛电网的至少一个转换器。该系统还包括控制电路，该控制电路被配置为检测孤岛电网的频率变化，并且作为响应使该至少一个转换器在该至少一个储能单元与孤岛电网之间传输电力。该控制电路可被配置为引起储能单元与孤岛电网之间的电力传输，以补偿联接到孤岛电网的至少一个发电机的负载响应延迟。
美国专利申请US2013/0169309A1描述了用于使用由孤岛电气系统中的备用电源供给的电气信号的高速频率测量来评估孤岛电气系统(离网)的稳定性的系统和方法。附加的输入可包括来自自动转换开关、发电机和孤岛电气系统内的负载的状态信号。高速频率测量的分辨率足以能够分析以下各项的任何组合：频率幅度(例如，突然增加)、频率转换速率(例如，频率变化率)、频率恢复率(例如，频率恢复时间)或频率振荡(例如，在达到稳定之前在标称值附近变动的频率)，以指示是否存在孤岛电气系统的实际或即将发生的不稳定性。本文所指的频率对应于由备用电源供给的交流电的循环频率。
发明内容
本说明书描述了一种用于在AC电源系统中进行频率调节的系统。
根据本说明书的一个方面，提供了一种用于在AC电源系统中进行频率调节的系统，其中该系统包括不间断电源(UPS)，该UPS电连接到该AC电源系统，并且该UPS包括用于监测从该AC电源系统接收到的AC输入电压的频率的锁相环路和/或锁频环路，其中该锁相环路(PLL)和/或该锁频环路(FLL)被设计成以高于标称电网频率的操作频率进行操作，该操作频率被选择以用于在所监测频率发生频率下降之后的预定时间跨度(span)内检测所监测频率与该标称电网频率的偏差，其中基于所检测到的所监测频率与该标称电网频率的偏差生成控制信号，并且其中所生成的控制信号用于调节该不间断电源与电网之间的功率流，直到所监测频率在该标称电网频率附近的预定范围内。该系统通过使UPS的控制系统能够对与标称电网频率的频率偏差作出反应来为AC电源系统(例如，低惯性发电机馈电的电源系统)提供支持。该系统特别地利用由UPS中的内部测量系统提供的来自PLL或FLL的快速子循环频率测量来实现频率调节。通过使用PLL或FLL，可以提供快速的频率测量，这使得即使在初始频率下降时也可以监测AC输入电压的频率，并且因此允许UPS对所检测到的频率偏差几乎立即作出反应。
在一个实施方案中，锁相环路和/或锁频环路可被设计成以kHz范围内的操作频率、特别是2250Hz的操作频率进行操作。可从数字PLL控制环路计算AC输入电压的频率，因为该频率与PLL功能进行的相角校正成比例。相角校正通常以比标称电网频率(例如，50Hz/60Hz)高得多的频率进行，特别地说，相角校正可在kHz频率范围内进行，并且更特别地以2250Hz进行。
在实施方案中，当所检测到的所监测频率与标称电网频率的偏差大于指定公差时，可生成控制信号。因此，可仅在存在较大的频率偏差时启动UPS频率调节，而在仅监测到例如由于不重要的频率波动引起的较小偏差时不启动UPS频率调节。这种阈值的实现也可用于形成频率-功率下降方案。例如，当所监测频率超出指定公差或所检测到的频率偏差大于相对应的阈值时，可控制UPS来调节其输入功率流，使得所监测频率回到指定公差内。利用多个阈值，可实现期望的下降曲线。
在一个具体实施方案中，当所检测到的所监测频率与标称电网频率的偏差达到配置的所监测频率与标称电网频率的最大偏差时，生成控制信号，从而将不间断电源的输入功率调节为其限定的最大功率。因此，当达到配置的最大偏差时，便限定了UPS输入功率调节的限度，这可以保护UPS免受过载状态的影响。这也允许限定期望的下降曲线。
在实施方案中，还可基于所检测到的所监测频率的偏差的变化率生成控制信号，其中特别来说，可根据所检测到的偏差的变化率修改用于调节由不间断电源消耗的输入功率的频率下降曲线。当生成控制信号时，通过另外考虑所检测到的所监测频率的偏差的变化率，可实现更快速的调节响应。频率变化率(RoCoF)或者所检测到的所监测频率的偏差的测量变化率可以以类似下降的方式使用，或者用于形成自适应下降方案，该方案可根据RoCoF修改频率下降曲线。
在另外的实施方案中，AC电源系统可以是低惯性电源系统，特别是由发电机系统(特别是同步发电机系统)馈电的孤岛/隔离电源系统。低惯性电源系统，例如特别是孤岛电网中使用的备用发电机组，可能尤其遭受大的负载阶跃，例如当诸如电动机等负载启动时，这可能导致显著的频率波动和与标称电网频率的偏差超过容许值。因此，特别是这种AC电源系统可能需要快速频率调节，如可由本文公开的系统提供的。
在另外的实施方案中，不间断电源可以是三相不间断电源，该三相不间断电源被配置为能够对AC电源系统进行快速频率调节并且在瞬态情况下支持AC电源系统。
在另外的实施方案中，该系统可进一步包括用于监测AC输入电压的电压和/或电流的装置；和用于基于所监测的AC输入电压的频率、电压和/或电流来提供关于AC输入电压的质量的系统信息的装置。该用于提供系统信息的装置可包括例如显示器，用于可视地发信号通知监测值或相对应的信息(诸如警报)；通信接口，用于将监测值传输到例如外部设备(诸如智能手机、平板计算机、台式计算机、膝上型计算机、服务器)；存储装置，用于将监测值存储在例如日志文件中。
在另外的实施方案中，该系统可以是包括单个不间断电源单元或模块或者多个不间断电源单元或模块的不间断电源系统。例如，该系统可包括用于AC电源系统的每相的单个UPS单元或模块。也可以使用多个UPS单元或模块来为不同的需求提供足够的调节功率。
下文在附图和说明书中阐述一个或多个实施方案的细节。根据说明书和附图，并且根据权利要求，其他特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1示出了用于在AC电源系统中进行频率调节的系统的一个实施方案的框图；并且
图2和图3示出了在不同负载阶跃和UPS基本负载组合期间的两个系统频率的两个示例性迹线以及根据用于在AC电源系统中进行频率调节的系统的UPS调节响应功率。
具体实施方式
在下文中，功能上类似或相同的元件可以具有相同的附图标记。绝对值在下文仅通过示例示出，而不应该被解释为限制性的。
本文公开的频率调节系统特别旨在解决由发电机(柴油或天然气)馈电的孤岛/隔离AC电源系统中的低惯性引入的问题。这些类型的发电机本身在面对突然的负载变化时做出惯性响应方面的性能相对较差。为了将AC电源系统中的频率(在本文中也称为电网频率)限制在标称电网频率(诸如例如，50Hz/60Hz)附近的可操作限度内，可以为本文公开的频率调节系统提供补充频率控制，特别是在AC电源系统中的负载变化很大的情况下。这些情况下的高RoCoF也可以是问题的一部分，这使得测量AC电源系统中的电网频率变得困难。因此，本文描述的频率调节方法可以精确地跟踪AC电源系统中生成的AC电压的快速变化的频率，并且相应地采取行动。
由于AC电源系统中的两个主要变化，可能特别导致频率稳定性问题：首先，系统中的负载(需求)的快速变化可能影响频率稳定性；其次，AC发电容量(供给)的快速变化也可能影响频率稳定性。例如，在具有并联操作并为系统供电的多个发电机的AC电源系统中，一个或多个发电机单元的突然损失可能会导致其余发电机单元的负载突然增加。本文公开的频率调节系统可有助于特别地管理需求-供给平衡中的这些瞬变，并且将频率维持在电力系统和发电单元的可接受的限度内。
本文公开的频率调节系统可利用三相UPS装置来实现对AC电源系统的快速频率调节，并且支持在瞬态情况下为低惯性AC电源系统馈电。更具体地说，在功率扰动(即负载阶跃)中，对特别包括同步发电机系统的AC电源系统的操作和性能予以支持。
如今的UPS可能已经能够向馈电电网提供频率调节服务，但是这种功能相对较慢，并且不适用于低惯性孤岛电网，例如由备用发电机组馈电的系统。使发电机组承受大的负载阶跃将导致发电机显著减速，进而降低系统频率。常规的频率调节方法被设计成在约1Hz/s的范围内工作，但是当电力系统被简化为孤岛/隔离系统时，RoCoF值会发生巨大变化。
图1示出了与AC电源系统10一起采用的本文公开的系统的一个实施方案，该实施方案特别适用于具有低惯性AC电源系统的孤岛/隔离系统。该系统包括经由电网11与AC电源系统10连接的UPS12，例如低惯性同步发电机。UPS12包括用于与电网11连接以接收AC电力的AC供给输入23以及用于与负载22连接的AC供给输出24。AC输入23通过整流器13连接到UPS12的DC链路25。DC电压然后通过逆变器14转换回AC，以形成用于UPS负载22的AC输出电压。也可由替代旁路连接经由静态旁路开关16供给输出24。DC源(例如，电池)20通过DC/DC转换器15连接到DC链路25。
在正常操作条件下，经由电网11以及整流器13、DC链路25和逆变器14，从AC电源系统10向负载22供给AC电力。在电力故障的情况下，例如当AC电源系统10发生故障时，可以从DC源20(特别是能量存储装置，诸如可充电电池)向负载22供给由UPS12生成的AC电力。由电池20输送的DC电力由DC/DC转换器15控制。在正常操作条件下，DC/DC转换器15用从电网11接收到的AC电力给可充电电池20充电。
电网11具有经由电网11输送的AC电源的标称电网频率，例如50Hz/60Hz。然而，UPS输出负载22和输入侧负载21可能改变其功率需求，使得这种大的功率阶跃可能出现在整个系统中，这可能特别地影响电网频率，使得电网频率可能或多或少地偏离标称电网频率。
UPS12还包括控制环路17，例如PLL或FLL，该控制环路以比标称电网频率高得多的操作频率进行操作。例如，操作频率是2250Hz。
因此，在本文公开的用于进行频率调节的系统中，UPS12被配置为经由控制环路17(特别是PLL或FLL)监测该UPS的AC输入(供给)电压并检测频率。利用控制环路17，当控制环路17以高于标称电网频率的操作频率进行操作时，可以更快地检测到所监测频率与标称电网频率(诸如例如，50Hz/60Hz)的偏差。特别地说，控制环路17(即PLL或FLL)以比AC输入电压周期高得多的速率运行。这使得本文描述的系统能够对低惯性电力系统中存在的特别快的频率偏差做出更快的反应。
典型地，例如在公用电网中，频率调节控制环路利用多个线路循环内的平均频率测量。然而，这种较慢的控制环路不适用于发电机馈电的低惯性系统，这种系统中的频率偏差要严重得多。根据摆动方程计算的同步发电机的初始频率下降通常甚至不能被常规的频率控制环路检测到，因为RoCoF值可能在短时间内升至数十Hz/s。
通过本文公开的系统中的以高操作频率操作的控制环路17进行的子循环频率测量，即使在初始频率下降时也可以监测AC输入频率，从而允许UPS12几乎立即作出反应。
可在控制环路17中计算输入频率，该控制环路特别地可以是数字PLL控制环路，因为频率与PLL功能进行的相角校正成比例。相角校正是控制环路的控制器为跟踪AC输入电压的相位而进行的调整。这些校正可以以比AC输入电压周期高得多的速率进行：这是用具有2250Hz PLL控制环路的UPS测试的。
控制器18可使用子循环频率测量来生成控制信号19，从而控制UPS输入功率。可以通过直接控制通过连接到来自电网11的输入AC供给的UPS AC输入23的功率流来控制UPS输入功率，或通过控制引入或馈送到能量存储装置的功率来控制该UPS输入功率，该能量存储装置诸如但不限于电化学电池20。因此，根据连接到UPS12的负载22的量以及向AC供给提供的调节响应的幅度，UPS输入功率(即流向负载22的功率、UPS损耗和能量存储装置20输入/输出的功率的总和)可以为正或为负。
根据经由控制环路17进行的输入频率测量计算的受控功率或“功率命令”可用于形成频率-功率下降控制方案，该方案例如由控制器18执行的程序来实现。这样，当所监测频率超出指定公差时，UPS12可以开始调节其功率，并且当频率达到配置的最大值/最小值时，UPS12可以以其限定的最大功率进行调节。这些阈值可以被配置为形成期望的下降曲线。另外，RoCoF可用作辅助控制输入，以实现更快的响应。所测量的RoCoF可以以类似下降的方式使用，或者可以用于形成自适应下降方案，该方案根据RoCoF修改频率下降曲线。
这种基于频率的控制方法易于实现并且响应快速，没有外部通信和处理的延迟。作为本文公开的用于进行频率调节的系统的一部分，可以由单个UPS单元或模块或者多个UPS单元或模块构成的UPS系统可监测其自身的AC输入供给电压、电流和频率。这些测量可用于向UPS系统提供关于输入供给的质量以及AC电源是否在正常操作的限定范围内的信息。同样的测量也用于提供关于用以提供调节响应的供给频率的信息。可以特别地在控制器18的控制下经由UPS12的显示器和/或通信接口来提供该信息。例如，所收集的关于输入供给和/或UPS AC供给限制等的信息可以呈现在显示器上和/或传输到与UPS12的通信接口连接的外部设备。
本文公开的频率调节特别地基于调节UPS AC输入端口23(整流器13)与UPSDC输入(DC/DC转换器15和DC源20，例如电池或超级电容器等)之间的功率、能量流并最终控制UPS输入功率以调节AC供给频率的原理。为了调节频率，可以调节DC/DC转换器15的基准，并且整流器13可以适应这种变化，反之亦然。结果是相同的，并且主要原理是快速控制两个源(AC输入23与DC输入)之间的能量流。由于频率偏差的子循环检测，能量流可被快速控制，因此频率也可被快速调节。整流器13可以是双向整流器，即其可允许能量在两个方向上流动(从输入到输出，反之亦然)。因此，能量可以从电网11经由整流器13流入UPS12，但也可以从UPS12通过整流器13流回到电网11。这允许更好地利用UPS12来支持AC电源系统10。
如图1所示，UPS12可与一个或多个负载21并联附接到电网11。UPS 12通过从DC源20(诸如电池)向AC输入23注入电力来支持AC电源系统10(例如，发电机)，或者UPS12可以在具有足够的负载22的情况下简单地降低其需求。
在小规模隔离电力系统中，使用Eaton 93PM 200kW三相双转换UPS设备测试了本文公开的系统的具体实施。该电力系统由250kVA柴油发电机、93PM UPS和电阻性负载组组成。使该发电机承受不同大小的负载阶跃，并且在有和没有UPS调节算法支持的情况下分析系统频率。在图2和图3中示出了测试的一些结果。从图2的上图的迹线可以看出，在启用根据本文公开的系统的调节的情况下，在进行100kW UPS基本负载的100kW负载阶跃时，可以实现相较于禁用调节的>3Hz的频率波动改善。图2的下图示出了UPS调节响应功率。如图3中的各图所示，即使负载阶跃为160kW，也可以实现>8Hz的进一步改善。
附图标记
10 AC电源系统
11 AC电力网
12UPS
13整流器(AC/DC)
14逆变器(DC/AC)
15电池转换器(DC/DC)
16静态旁路开关(SCR)
17PLL/FLL
18控制器
19控制信号
20DC源(例如，电池)
21输入侧负载
22 UPS输出负载
23 AC供给输入连接
24 AC输出连接
25 DC链路
Claims (8)
1.一种用于在AC电源系统(10)中进行频率调节的系统，所述系统包括：
·不间断电源(12)，所述不间断电源电连接到所述AC电源系统(10)，并且包括用于监测从所述AC电源系统(10)接收到的AC输入电压的频率的锁相环路(17)和/或锁频环路，
·其中所述锁相环路(17)和/或所述锁频环路被设计成以高于标称电网频率的操作频率进行操作，所述操作频率被选择以用于在所监测频率发生频率下降之后的预定时间跨度内检测所监测频率与所述标称电网频率的偏差，
·其中基于所检测到的所监测频率与所述标称电网频率的偏差生成控制信号(19)，并且
·其中所生成的控制信号(19)用于调节所述不间断电源(12)与电网(11)之间的功率流，直到所监测频率在所述标称电网频率附近的预定范围内。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述锁相环路(17)和/或所述锁频环路被设计成以kHz范围内的操作频率、特别是2250Hz的操作频率进行操作。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中当所检测到的所监测频率与所述标称电网频率的偏差大于指定公差时，生成所述控制信号(19)。
4.根据权利要求3所述的系统，其中当所检测到的所监测频率与所述标称电网频率的偏差达到配置的所监测频率与所述标称电网频率的最大偏差时，生成所述控制信号(19)，从而将所述不间断电源的输入功率调节为其限定的最大功率。
5.根据任一前述权利要求所述的系统，其中还基于所检测到的所监测频率的偏差的变化率生成所述控制信号(19)，其中特别来说，根据所检测到的偏差的所述变化率来修改用于调节由所述不间断电源消耗的所述输入功率的频率下降曲线。
6.根据任一前述权利要求所述的系统，其中所述AC电源系统(10)是低惯性电源系统，特别是由特别为同步发电机系统的发电机系统馈电的孤岛/隔离电源系统。
7.根据任一前述权利要求所述的系统，其中所述不间断电源(12)是三相不间断电源，所述三相不间断电源被配置为能够对所述AC电源系统进行快速频率调节并且在瞬态情况下支持所述AC电源系统。
8.根据任一前述权利要求所述的系统，所述系统是包括单个不间断电源单元或模块或者多个不间断电源单元或模块的不间断电源系统(12)。
Applications Claiming Priority (3)
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