控制方法、计算机程序产品、控制系统和用途与流程

本发明涉及用于控制电网中的至少一个变压器的输出电压的方法、计算机程序产品和系统。本发明还涉及此类方法、计算机程序产品或系统对于控制电网内的有功功率消耗的用途，即，用于将电从至少一个生产方递送到至少一个消耗方的任何互连网络(诸如，输电和配电网络)。

背景技术：

1、电网由发电站(常常位于能源资源附近)、变电站(用于使电压升高以进行输电或使电压降低以进行配电)、高压输电线路(将电力从遥远的能量来源携带到需求中心)和配电线路(将电力供应给个体客户，诸如住宅和商业建筑以及工业园区)组成。

2、集中式发电站(诸如，燃煤、天然气发电厂或核电站、或者水电大坝)常常需要远距离传输电能。然而，电能可由分布式能源资源(der)(即，分散式和模块化技术)生成，这些分布式der可定位成靠近它们所服务的负载。由于可再生能源(诸如，太阳能、风能、沼气、生物质能和地热能)的集成度越来越高，更多的电力使用电力电子换流器注入到交流(ac)电网中。这种类型的电力注入被称为非同步发电(nsg)，借此可再生能源非同步地连接到电网，而不像基于大型同步发电机的传统发电那样来提供系统惯量。

3、在一些电网中，nsg的渗透率在一年中的某些部分期间会非常高。然而，电网中高水平的nsg在涉及到频率稳定性、电压稳定性、短路功率水平和谐波稳定性时带来挑战。

4、为了理解在nsg渗透率高的电网中的频率控制问题，回顾同步机动力学是有教益的。通过粗略的近似，可将同步电网看作具有涡轮机的单同步机，该涡轮机中正在生成机械功率，并且该涡轮机连接到电负载。可以将单同步机(sm)的机电方程式写为：

5、

6、其中j为惯性矩[kg*m2]，ωm为机器的转速[rad/s]，pm为从涡轮机供应的机械功率[w]，且pe为输出电功率[w]。

7、在电网中，需要通过相对于电网中的瞬时负载(pe)调整发电量(pm)来恒定地控制电网频率。如果从涡轮机供应的机械功率大于输出电功率(pm>pe)，则电网频率将增加。如果从涡轮机供应的机械功率小于输出电功率(pm<pe)，则电网频率将降低。通过自动控制发电量，电网频率通常被维持在标称电网频率(欧洲电网为50hz，且美国为60hz)附近的窄频率范围内。

8、在nsg渗透率高的电网中，同步发电与电网断开，且电网中的转动惯量由此减小。这意味着，上文给出的方程式中的有效惯性矩j减小。这进而导致在发电功率与耗电功率之间出现不匹配(例如，由于电网中一台大型发电机出现跳闸事件)的情况下频率变化更快。为了针对低惯量电网使电网频率保持在同一范围内，需要对有功功率平衡进行更快的调节。

9、为了应对频率控制的挑战(这与富nsg电网中低量的转动惯量有关)，输电系统运营商正在使用几种缓解方法。一种此类缓解方法利用了快速频率控制单元，这些快速频率控制单元能够在电网频率偏离到死区(即，控制系统中输出为零(输出为‘死’—无动作发生)的输入值的带)之外时非常快速地做出反应。可提供快速频率响应(ffr)的单元的示例是电池储能单元(bess)和hvdc链路。

10、可以用于控制电网中的频率的另一种缓解方法是需求响应，美国联邦能源管理委员会(ferc)将其定义为：“在电力批发市场价格高的时候或当系统可靠性受到威胁时，响应于电价随时间推移的变化或设计成诱导用电量降低的激励报酬，终端客户用电量与其正常消费模式的变化。”受控负载削减被广泛采用，作为在电网中发生严重和意料之外的故障后挽救电网免于停电的最后的替代方案。

11、快速控制电网中的负载(即，快速需求响应)是提供快速频率响应以在nsg水平不断提高且转动惯量水平降低的电网中改进频率抑制的替代方案。例如，yue guo的标题为“配电网灵活分接技术对输电网var支持和需求响应的能力评估”的博士论文(该博士论文在2017年公布并且可从曼彻斯特大学图书馆获得)讨论了利用配电网络中的并联变压器来为输电系统提供无功功率吸收和需求响应服务的灵活分接头变换技术。

12、这篇博士论文的作者发现，可在不违反配电网中的电压限制的情况下实现需求减小，并且建议在1-4％范围内的电压下降。对负载的影响与配电网中负载的电压依赖性直接相关。作为这篇博士著作的一部分，调查了不同的负载特性，并且发现由电压下降造成的有功功率需求变化大致在0(恒定的有功功率负载)与5％(恒定的阻抗负载)之间。在许多情况下，可在不违反研究中的配电网中的电压约束的情况下将负载减低几个百分点。

13、附加地，a.ballanti和l.f.ochoa的标题为“英国住宅负荷电压主导需求响应的初步评估”的文章(该文章在ieee电力与能源学会创新智能电网技术会议(isgt)上公布，2015年，第1-5页)呈现了两种负载建模方法(时间独立和时变)并将它们应用于单个一次变电站，且然后将这些方法扩展到整个配电网络运营商领域。时变模型、纯住宅负载和冬季一天期间3％电压下降的结果表明，有可能实现超过150mw(即，超过3％)的总峰值降低。

14、这些现有技术文献表明，在不违反电网的电压控制要求的情况下，通过控制配电变压器的有载分接头变换器(oltc)来调节电压，可以实现对配电网中的负载的一定程度的缓慢控制。然而，考虑到oltc的时间响应缓慢，具有oltc的标准配电变压器无法提供快速的需求响应，且因此无法参与电网的快速频率控制动作，而这正是当今电网中日益需要的。

15、tu yuxiaoying等人的标题为“智能变压器建模和半实物验证”的文章(2019年ieee第10届分布式发电系统电力电子国际研讨会(pedg)，2019年6月3日，第1019-1025页)公开了一种固态变压器，其具有全额定ac/dc、dc/dc和dc/ac级以改变负载侧上的电压，从而实现负载功率的变化，该变化然后被控制以支持主电网频率。

16、marius langwasser等人的标题为“变惯量条件下基于智能变压器的频率支持”的文章(ieee第13届兼容性、电力电子和电力工程国际会议，2019年4月23日，第1-6页)公开了一种固态变压器，其具有全额定ac/dc和dc/ac级以控制下游负载电压，以便支持电网频率。

17、carlos r.baier等人的标题为“用于未来配电网的具有虚拟惯性的混合变压器”的文章(第45届ieee工业电子学会年度会议，第1卷，2019年10月14日，第6767-6772页)公开了一种以类似并联的方式跨越主变压器连接的分数额定ac/dc–dc/ac换流器布置。在换流器中使用了附加的dc侧储能(超大dc电容器)以提供有功功率/频率支持。该文章中所描述的混合变压器是与变压器并联连接的dc链路(ac-dc-ac)的组合。换流器连接到变压器的两侧。

18、mohammed ahsan adib murad等人的标题为“采用svc装置的电力系统电压调节频率控制”的文章(ieee电力与能源学会大会(pesgm)，2019年8月4日，第1-5页)聚焦于静态无功补偿器(svc)(并联补偿)的基于电压的频率控制(vfc)。所提出的vfc方案排他地利用局部电压和频率测量。作者发现，仿真结果指示，即使是少量的svc也可以有效地支持初级频率控制，而不会使大型网络的电压响应变得更糟。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于控制电网中的至少一个变压器的输出电压的改进的方法。

2、该目的通过包括权利要求1中所记载的方法步骤的方法来实现。该方法包括以下步骤：提供具有电力电子换流器和输出电压控制器的所述至少一个变压器；确定(即，测量、估计、计算或接收)电网的电网频率；将所确定的电网频率与参考值进行比较；产生对应于所确定的电网频率与参考值之间的差异的误差信号；将误差信号作为反馈应用到输出电压控制器；以及生成控制动作以引起输出电压控制器改变包括电力电子换流器的所述至少一个变压器的输出电压，从而限制电网频率与参考值之间的差异(即，限制最大频率偏差)，借此电力电子换流器是ac-ac换流器，并且该方法包括以下步骤：将ac-ac换流器连接到变压器的初级侧或次级侧，借此ac-ac换流器具有第一ac侧和第二ac侧，并且该方法包括以下步骤：将第一ac侧上的两个端子并联连接到变压器的绕组或绕组的一部分；以及将第二ac侧直接连接到外部电路线路或与外部电路线路串联连接。

3、此类拓扑使得有可能使用(分数)额定值小于所述至少一个变压器的总吞吐功率的电力电子换流器。这与现有技术中公开的拓扑形成对比，现有技术中的这些拓扑要么包括全额定换流器(即，额定值等于变压器的吞吐功率的换流器)，要么公开了具有分数额定值(a fractional rating)的换流器，但该换流器连接到变压器的两侧。因此，与已知的拓扑相比，上文所描述的拓扑将产生在实施方式、控制和成本方面的改进。

4、这种方法使用电网频率的测量值来控制电力电子增强型变压器(peet)的输出电压，使得peet的输出电压是电网频率的函数。当电网频率下降到预定参考值以下或在预定频率值的预定范围(诸如，预定义的死区)之外时，可降低所述至少一个变压器的输出电压，并且当电网频率升高到超过预定参考值或电网频率值的预定范围时，可增加所述至少一个变压器的输出电压。

5、即，根据本发明的控制方法的目标是开发一种模型或算法，其管控对电网系统输入的应用以将系统驱动到期望状态，同时最小化任何延迟、过冲或稳态误差并确保一定程度的控制稳定性，以期实现一定程度的最优性。要做到这一点，需要一种具有必需的纠正行为的控制方法或控制系统。根据本发明的控制方法和控制系统使用反馈控制来监测过程变量(即，电网频率)，例如通过使用传感器获取电网频率的测量值或通过从远程位置接收电网频率估计值。本地控制器可用于估计电网中的变压器的输出电压与由变压器下游的负载吸取的有功功率之间的关系，以便提前知道通过电压变化可以实现的需求响应有功功率变化。

6、根据本发明的实施例，电力电子换流器的额定值(分数额定值)小于所述至少一个变压器中的一个变压器(诸如，所述至少一个变压器中的主变压器)的总吞吐功率。

7、根据本发明的实施例，ac-ac换流器包括dc母线。

8、根据本发明的实施例，变压器包括多个绕组(诸如，两个、三个、四个或更多个绕组)，这些绕组彼此隔离。该方法由此包括以下步骤：将ac-ac换流器的第一ac侧上的两个端子并联连接到变压器的一个绕组或绕组中的一个的一部分。

9、根据本发明的实施例，确定电网的电网频率的步骤包括以下步骤：使用电力电子换流器的锁相环(pll)来估计本地电网频率。

10、替代性地，确定电网的电网频率的步骤包括以下步骤：输出电压控制器经由通信信道从诸如输电服务运营商的控制中心之类的远程位置接收电网频率估计值。即，电网频率估计值是从远程位置接收到的，而不是本地测得的。

11、根据本发明的实施例，至少一个方法步骤或整个方法可在远程位置处实施，借此控制动作经由通信信道被发送到输出电压控制器。即，可使用单个控制系统来控制位于电网中的不同位置中的多个变压器的输出电压。

12、根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：连续地确定所述至少一个变压器的有功吞吐功率和输出电压，以便估计电网中的下游负载的电压依赖性。

13、根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：控制并联连接的多个变压器，借此用以改变所述多个变压器的输出电压的控制动作同时被发送到所述多个变压器。取决于输出电压控制器与所述多个变压器的本地电力电子换流器之间的通信，该方法可包括以下步骤：发送同步信号以使所述多个变压器的电力电子换流器的本地输出电压控制器的时钟同步。

14、根据本发明的实施例，确定电网频率的步骤包括以下步骤：确定电网中的多个不同位置处的电网频率，以便提高电网频率确定的准确性。

15、本发明还涉及一种计算机程序产品，其包括计算机程序，该计算机程序包含布置成导致计算机或处理器执行根据本发明的任何实施例的方法的所有步骤的计算机程序代码装置，该计算机程序存储在计算机可读介质或载波上。

16、本发明进一步涉及一种用于控制电网中的至少一个变压器的输出电压的控制系统。所述至少一个变压器包括电力电子换流器，并且控制系统包括输出电压控制器和传感器，该传感器被配置成确定电网的电网频率(即，该传感器被配置成测量、估计或接收电网的电网频率)。控制系统被配置成：将所确定的电网频率与参考值进行比较；产生对应于所确定的电网频率与参考值之间的差异的误差信号并将误差信号作为反馈应用到输出电压控制器；以及引起输出电压控制器生成控制动作以改变包括电力电子换流器的所述至少一个变压器的输出电压，从而限制电网频率与参考值之间的差异，借此电力电子换流器是ac-ac换流器，该ac-ac换流器连接到变压器的初级侧或者次级侧，借此ac-ac换流器具有第一ac侧和第二ac侧，并且第一ac侧上的两个端子并联连接到变压器的绕组或绕组的一部分，且第二ac侧直接连接到外部电路线路或与外部电路线路串联连接。

17、参考值可以是标称电网频率或指示最大或最小所允许的电网频率的值，诸如死区频率范围的上限或下限。

18、根据本发明的实施例，电力电子换流器的额定值小于所述至少一个变压器中的主变压器(诸如，所述至少一个变压器中的主变压器)的总吞吐功率。

19、根据本发明的实施例，ac-ac换流器包括dc母线。

20、根据本发明的实施例，变压器包括多个绕组(诸如，两个、三个、四个或更多个绕组)，这些绕组彼此隔离。控制系统的ac-ac换流器的第一ac侧上的两个端子由此并联连接到变压器的一个绕组或绕组中的一个的一部分。

21、根据本发明的实施例，电力电子换流器包括锁相环(pll)，该pll被配置成通过估计本地电网频率来确定电网的电网频率。

22、根据本发明的实施例，控制系统包括通信信道，该通信信道被配置成从诸如输电服务运营商的控制中心之类的远程位置接收电网频率估计值，并且控制系统被配置成使用电网频率估计值来确定电网的电网频率。

23、根据本发明的实施例，控制系统包括通信信道，该通信信道被配置成从诸如输电服务运营商的控制中心之类的远程位置接收所生成的控制动作。

24、根据本发明的实施例，控制系统包括仪器，该仪器被配置成连续地测量所述至少一个变压器的有功吞吐功率和输出电压，并且控制系统被配置成使用这些测量值来估计电网中的下游负载的电压依赖性。

25、根据本发明的实施例，控制系统被配置成控制多个变压器的输出电压，所述多个变压器并联连接并且包括电力电子换流器，并且输出电压控制器被配置成将用以改变所述多个变压器的输出电压的控制动作同时发送到所述多个变压器。取决于输出电压控制器与所述多个变压器的本地电力电子换流器之间的通信，控制系统可被配置成发送同步信号以使所述多个变压器的电力电子换流器的本地输出电压控制器的时钟同步。

26、本发明还涉及根据本文中所描述的任一实施例的方法或计算机程序产品或控制系统对于控制电网内的有功功率消耗的用途。