CN114006377A - 一种采用pps信号实现多台电力电子设备同步控制方法 - Google Patents

Abstract

一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，包括以下步骤：接收卫星信号或区域绝对时钟***信号，对时钟同步装置进行同步，由时钟同步装置输出PPS对时信号，对电力电子设备控制***产生对时秒脉冲信号，实现同步多台电力电子设备控制起始时刻；电力电子设备控制***向各对应的电力电子设备发送遥控指令，并根据每台电力电子设备接收到遥控指令与邻近的PPS对时信号的时间关系，同步多台电力电子设备遥控指令执行的绝对时刻；以遥控指令开始为起点，实现同步多台电力电子设备控制调制电压初始相位同步、调制电压初始幅值一致，实现控制周期起始时刻同步，满足集群电力电子设备在离网时为负载建立稳定的电力和频率，满足供电、黑启动要求。

Description

一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，更具体地，涉及一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法。

背景技术

储能变流器、光伏逆变器、风机变流器从工作模式上可分为电流源型和电压源型，电流源型是变流器采集并网电压并锁相输出可控电流，电压源型是建立独立***电压和频率，为负载供电。多个电力电子设备进行集群控制时，多设备的控制指令、控制相位和幅值是离散情况，各个设备按自己的步调执行，会造成各个设备离网建立电压控制过程产生摇动，从而无法实现建立电压的黑启动过程。

当储能变流器、光伏逆变器或风机变流器工作在电压源型时，在集群设备布置并且需要带大额负载建立稳定的建立和频率时，对电力电子设备的同步控制要求提出更高的要求。针对储能变流器、光伏逆变器、风机变流器等分布式新能源发电电力电子设备而言，电力电子设备额定功率取决于分布式电源或储能电源容量，因此规模化的新能源发电***或规模化储能变电站，在需要对兆瓦级或吉瓦级变流器***做同步变流控制时，特别是在多变流器设备***离网建立电压的启动过程和暂态模式切换的场景下，几十台或上百台变流器设备接收上级遥控和遥调指令是离散随机时间，但需要几十台或上百台变流设备控制输出的幅值和相位做到us级别精度。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，实现控制周期起始时刻同步，遥控指令执行同步、离网建立电压的初始相位和幅值的同步，来满足集群电力电子设备在离网时为负载建立稳定的电力和频率，满足供电要求和黑启动要求，本发明中，每秒发送一个PPS(秒脉冲)对时信号。

本发明采用如下的技术方案。

一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，以下步骤：

步骤1：接收卫星信号或区域绝对时钟***信号，对时钟同步装置进行同步，由时钟同步装置持续输出PPS对时信号，对电力电子设备控制***产生对时秒脉冲信号，实现同步多台电力电子设备控制起始时刻；

步骤2：电力电子设备控制***向各对应的电力电子设备发送遥控指令，并根据每台电力电子设备接收到遥控指令与邻近的PPS对时信号的时间关系，同步多台电力电子设备遥控指令执行的绝对时刻；

步骤3：同步多台电力电子设备的调制电压初始相位并调制电压初始幅值一致。

步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1，确认每台电力电子设备的控制起始时刻和控制周期，并根据电力电子设备的控制周期确认集群控制***设备控制周期，所述集群控制***指N个电力电子设备的构成的集合，其中N大于等于2；

步骤1.2，所有设备接收PPS对时信号，并判断各个设备控制起始时刻与其电力电子设备控制***接收PPS对时信号的时刻是否有偏差且偏差大于所设定偏差阈值；如果大于所设定偏差阈值则进入步骤1.3，否则完成对所有电子电力设备控制起始时刻的同步；

步骤1.3，如果偏差大于所设定偏差阈值，则根据所设定调节幅度对设备控制起始时刻做一次调节；等待下次PPS对时信号并返回步骤1.2。

步骤1.2中所述偏差阈值的设定与控制同步的精度要求一致。

步骤1.3中所述调节幅度为集群控制***设备控制周期的千分之一至百分之一。

步骤2具体包括：

步骤2.1，电力电子设备控制***向各对应的电力电子设备发送遥控指令，根据每台电力电子设备接收到遥控指令与邻近的PPS对时信号的时间关系，定义时间区域I与时间区域II，时间区域I为PPS对时信号前后Δt时间范围内的时间段；时间区域II为除时间区域I外的其他时间段，忽略PPS信号延迟时间，其中Δt是集群控制***设备控制周期的整数倍；

步骤2.2，根据每台电力电子设备接收到遥控指令所在的时间区域，确定执行遥控指令的时刻，其中所有电力电子设备执行遥控指令的时刻之间的时间跨度为1秒钟；

步骤2.3，对晚一秒钟执行遥控指令设备执行遥控指令的做延时补偿。

在步骤2中如果该设备遥控指令的接收时刻在时间区域II内，则该设备在相邻的下一个的PPS对时信号之后的时间区域I的结束时刻执行遥控指令；

如果该设备遥控指令的接收时刻在I区内，则该设备在下次的PPS对时信号之后的时间区域I的结束时刻执行遥控指令。

步骤2.3中所述延时补偿为：晚1秒钟执行遥控指令的设备的控制指令幅值的增加速率是1标幺/分钟，频率按50Hz工频控制，则晚1秒钟执行遥控指令的设备，其发出的控制指令的幅值要补偿1/60标幺，相位补偿为零。

步骤3具体包括以下内容：

步骤3.1，判断电网是否在无压状态，如果是无压状态，则进行步骤3.2，如果不是无压状态，则执行步骤3.3；

步骤3.2，初始化所有设备离网建立调制电压的相位和幅值，并依据V/F控制模式按设定的步长调节相位和幅值，使所有电力电子设备的调制电压的初始相位同步、初始幅值一致；

步骤3.3，初始化所有离网建立调制电压的相位和幅值，启动电压控制模式，使所有电力电子设备的调制电压的初始相位和初始幅值与电力电子设备控制***电压初始相位和初始幅值一致。

步骤3.1中所述无压状态，优选地，如果电压值小于等于额定电压的0.1，则可以视为无压状态。

所述电压控制模式为下垂控制模式或并网控制模式。

附图说明

图1为未采用PPS同步控制示意图；

图2为本发明的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法的流程图；

图3为PPS信号同步控制起始时刻流程图；

图4为采用本发明的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法的同步控制示意图；

图5为未同步控制起始时刻示意图；

图6为PPS信号同步控制起始时刻示意图；

图7为确认遥控指令执行时刻流程图；

图8(a)为遥控指令接收和执行时刻示例一示意图；

图8(b)为遥控指令接收和执行时刻示例二示意图；

图8(c)为遥控指令接收和执行时刻示例三示意图；

图9为同步多台电力电子设备调制电压的初始相位、初始幅值流程图.

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

图1为未采用PPS同步控制示意图，本发明提供了一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，如图2所示，本发明的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法的流程图，依靠接收GPS卫星信号、北斗卫星信号或区域绝对时钟***，对时钟同步装置进行同步，由时钟同步装置输出PPS信号，对电力电子设备控制***产生对时秒脉冲信号，实现N台电力电子设备控制起始时刻同步，其中N大于等于2。

步骤1：接收卫星信号或区域绝对时钟***信号，对时钟同步装置进行同步，由时钟同步装置持续输出PPS对时信号，对电力电子设备控制***产生对时秒脉冲信号，实现同步多台电力电子设备控制起始时刻，如图3为PPS信号同步控制起始时刻流程图。

电力电子设备控制起始时刻指的是电子电力设备发出控制指令的起始时刻，以下简称控制起始时刻。

步骤1.1，确认每台电力电子设备的控制起始时刻和控制周期，并根据电力电子设备的控制周期确认集群控制***设备控制周期，所述集群控制***指N个电力电子设备的构成的集合，其中N大于等于2；分布式电力电子设备，是由不同厂家制造，选择的晶振不同、控制周期不同、控制周期起始时刻不同，如图3所示。集群控制***设备做离网同步建立电压和频率的过程中，需要所有电力电子设备同步控制，即所有电力电子设备的控制起始时刻能绝对同步，避免由于不同步控制产生***失稳情况的发生，这里的集群控制***设备指N个电力电子设备的构成的集合，其中N大于等于2。设备在未同步控制起始时刻时，由于器件选择和控制周期设计不同，会造成多设备控制起始时刻时随机布置，确认每台设备的控制起始时刻并确认每台设备的控制周期数值，以这些设备控制周期的最小公倍数或最小公倍数的整数倍，作为集群控制***设备控制周期。

步骤1.2，所有设备接收PPS对时信号，并判断各个设备控制起始时刻与其电力电子设备控制***接收PPS对时信号的时刻是否有偏差且偏差大于所设定偏差阈值；如果大于所设定偏差阈值则进入步骤1.3，否则完成对所有电子电力设备控制起始时刻的同步；

每台设备接收的是同一个PPS信号输出源输出的PPS对时信号，PPS是秒脉冲信号，即每1秒钟发送一个秒脉冲信号，PPS信号发送频率对本发明没有影响。

如果所有设备控制起始时刻与PPS对时信号无偏差或者偏差小于等于所设定偏差阈值，则可视为所有设备的控制起始时刻同步，偏差阈值取决于控制同步的精度要求，优选地，控制同步的精度要求是1us级，则偏差阈值设置1us；

步骤1.3，如果偏差大于所设定偏差阈值，则根据所设定调节幅度对设备控制起始时刻做一次调节；等待下次PPS对时信号并返回步骤1.2。

不同设备接收到PPS对时信号后，依据PPS的对时信号，对偏离时间做同步处理，为了避免阶跃调节，调节过程缓慢进行，需要在每个PPS秒脉冲过来后调节几微妙或几毫秒，以达到各个设备的控制起始时刻的同步。调节幅度取决于集群控制***设备的控制周期，调节幅度为集群控制***设备控制周期的千分之一至百分之一，例如如果是百微秒级或几毫秒级的控制周期，调节幅度要设置在微秒级，如果是百毫秒级或秒级，调节幅度要设置在毫秒级，每个集群控制***根据自己的控制周期做选择。调节幅度为集群控制***设备控制周期的千分之一至百分之一。

如图4为为采用本发明的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法的同步控制示意图，经过步骤1的处理之后，所有设备的控制起始时刻与PPS对时信号的偏差小于等于偏差阈值，即所有设备控制起始时刻实现同步。

在本实施例中，N＝6，其中电力电子设备使用的通讯协议包括以太网介质/高速协议、光纤介质/高速协议、串口介质/高速协议。其中以太网介质/高速协议：以太网介质采用TCP/IP链路协议，高速协议是IEC61850规约；光纤介质/高速协议：光纤介质采用多模玻璃光纤，20～40Mbps传输速率，高速协议是IEC60044-8；串口介质/高速协议：串口介质采用RS232接口，高速协议是modbus协议等，图5为未同步控制起始时刻示意图，图6为PPS信号同步控制起始时刻示意图。

步骤2，电力电子设备控制***向各对应的电力电子设备发送遥控指令，并根据每台电力电子设备接收到遥控指令与邻近的PPS对时信号的时间关系，同步多台电力电子设备遥控指令执行的绝对时刻。

向所有电力电子设备发送每台设备对应的遥控指令，并根据每台电力电子设备接收到遥控指令与其接收到的PPS对时信号的时间关系确定时间区域I与时间区域II；设所有设备在连续三个PPS对时信号PPSn-1、PPSn、PPSn+1之间均接收到遥控指令。这三个连续的PPS对时信号的时长包括其前后Δt时间范围内的时间段，定义为时间区域I；前后两个时间区域I之间的时间段定义为时间区域II，忽略PPS信号延迟时间，前后两个时间区域I的结束时刻之间的时间跨度为1秒钟，其中PPSn表示第n个对时信号，n＝2,3,4……,Δt是控制周期的整数倍。如果该设备某一遥控指令的接收时刻在时间区域II内，则确认在下一个时间区域I的结束时刻执行遥控指令；

如果该设备某一遥控指令的接收时刻在时间区域I内，则临近PPS信号不执行遥控指令，确认在下一个时间区域I的结束时刻执行遥控指令。

由于前后两个时间区域I的结束时刻恰好等于1秒钟，则要对晚1秒钟执行的遥控指令的初始相位和初始幅值作延时补偿，执行遥控指令时将设备发出的控制指令的初始相位和幅值增加延时1秒时间产生的补偿量。

图7为确认遥控指令执行时刻流程图，步骤2具体包括：

步骤2.1，电力电子设备控制***向各对应的电力电子设备发送遥控指令，根据每台电力电子设备接收到遥控指令与邻近的PPS对时信号的时间关系，定义时间区域I与时间区域II，即PPS对时信号前后Δt时间范围内的时间段，定义为时间区域I；其他时间定义为时间区域II，忽略PPS信号延迟时间，其中Δt是集群控制***设备控制周期的整数倍；

步骤2.2，根据每台电力电子设备接收到遥控指令所在的时间区域，确定执行遥控指令的时刻，其中所有电力电子设备执行遥控指令的时刻之间的时间跨度为1秒钟；

步骤2.3，对晚一秒钟执行遥控指令设备执行遥控指令的做延时补偿。

在步骤2中如果该设备遥控指令的接收时刻在时间区域II内，则该设备在相邻的下一个的PPS对时信号之后的时间区域I的结束时刻执行遥控指令；

如果该设备遥控指令的接收时刻在I区内，则该设备在下一个的PPS对时信号之后的时间区域I的结束时刻执行遥控指令。

步骤2.3中所述延时补偿为：晚1秒钟执行遥控指令的设备的控制指令幅值的增加速率是1标幺/分钟，频率按50Hz工频控制，则晚1秒钟执行遥控指令的设备，其发出的控制指令的幅值要补偿1/60标幺，相位补偿为零。

本实施例描述了执行遥控指令的三种情况，附图8(a)中遥控指令1的接收时刻在PPSn-1和PPSn之间的时间区域II内，则设备在PPSn对时信号之后的Δt时刻，即在相邻的下一个的PPS对时信号之后的时间区域I的结束时刻执行遥控指令1；遥控指令2的接收时刻在PPSn对时信号所在的时间区域I内，则设备在PPSn+1对时信号之后的Δt时刻，即下一个的PPS对时信号之后的时间区域I的结束时刻执行遥控指令2；遥控指令3的接收时刻落在PPSn+1和PPSn之间的时间区域II内，则设备在PPSn+1对时信号之后的Δt时刻，即相邻的下一个的PPS对时信号之后的时间区域I的结束时刻执行遥控指令3。附图8(b)中遥控指令1、2、3的接收时刻在PPSn-1和PPSn之间的时间区域II内，则设备在的PPSn对时信号之后的Δt时刻，即即下一个的PPS对时信号之后的时间区域I的结束时刻执行遥控指令1、2、3。附图8(c)中遥控指令1、2、3的接收时刻在PPSn所在的时间区域I内，则设备在PPSn+1对时信号之后的Δt时刻，即即下一个的PPS对时信号之后的时间区域I的结束时刻执行遥控指令1、2、3。

实现多台电力电子设备同步执行遥控指令，由于电力电子设备接收上级控制***的遥控指令物理通道和规约协议不尽相同，但接收到遥控指令时间跨度不会超过1秒钟，即最先接收到遥控指令设备与最后接收到遥控指令设备的时间差不大于1秒钟，通过本方法设计可以使多台电力电子设备在同时刻执行遥控指令，如附图8(b)和附图8(c)所示，或多台电力电子设备分两个时刻分批同步执行遥控指令，如附图8(a)所示，晚一秒种执行遥控指令的设备通过检测电压手段和补偿手段与在上一秒钟执行遥控指令的设备的控制指令的相位和幅值做延时补偿。具体地，晚1秒钟执行遥控指令的设备的控制指令幅值的增加速率是1标幺/分钟，频率按50Hz工频控制，则晚1秒钟执行遥控指令的设备，其发出的控制指令的幅值要补偿1/60标幺，相位补偿为零。

步骤3，同步多台电力电子设备的调制电压初始相位以及调制电压初始幅值，

如图9所示，

步骤3具体包括以下内容：

步骤3.1，判断电网是否在无压状态，如果是无压状态，则进行步骤3.2，如果不是无压状态，则执行步骤3.3；

步骤3.2，初始化所有设备离网建立调制电压的相位和幅值，并依据V/F控制模式按设定的步长调节相位和幅值，使所有电力电子设备的调制电压的初始相位同步、调制初始幅值一致；

步骤3.3，初始化所有离网建立调制电压的相位和幅值，启动电压控制模式，使所有电力电子设备的调制电压的初始相位和初始幅值与电力电子设备控制***电压初始相位同步、初始幅值一致。

步骤3.1中无压状态，如果电压值小于等于额定电压的0.1，则可以视为无压状态。

其中电压控制模式为下垂控制模式或并网控制模式。

所有电力电子设备均包含***电压跟随模块，由***电压跟随模块执行跟随***电压的控制模式。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的目的在于提供一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，实现控制周期起始时刻同步，遥控指令执行同步、离网建立电压的初始相位同步、幅值大小一致，来满足集群电力电子设备在离网时为负载建立稳定的电力和频率，满足供电要求和黑启动要求。采用本方法后，可以根据PPS信号实现多设备的遥控指令执行时刻同步、控制周期起始时刻同步、建立电压的相位同步和幅值初始量一致。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：接收卫星信号或区域绝对时钟***信号，对时钟同步装置进行同步，由时钟同步装置持续输出PPS对时信号，对电力电子设备控制***产生对时秒脉冲信号，实现同步多台电力电子设备控制起始时刻；

步骤2：电力电子设备控制***向各对应的电力电子设备发送遥控指令，并根据每台电力电子设备接收到遥控指令与邻近的PPS对时信号的时间关系，同步多台电力电子设备遥控指令执行的绝对时刻；

步骤3：同步多台电力电子设备的调制电压初始相位并调制电压初始幅值一致。

2.根据权利要求1所述的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，其特征在于：

所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1，确认每台电力电子设备的控制起始时刻和控制周期，并根据电力电子设备的控制周期确认集群控制***设备控制周期，所述集群控制***指N个电力电子设备的构成的集合，其中N大于等于2；

步骤1.2，所有设备接收PPS对时信号，并判断各个设备控制起始时刻与其电力电子设备控制***接收PPS对时信号的时刻是否有偏差且偏差大于所设定偏差阈值；如果大于所设定偏差阈值则进入步骤1.3，否则完成对所有电子电力设备控制起始时刻的同步；

步骤1.3，如果偏差大于所设定偏差阈值，则根据所设定调节幅度对设备控制起始时刻做一次调节；等待下次PPS对时信号并返回步骤1.2。

3.根据权利要求2所述的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，其特征在于：

步骤1.2中所述偏差阈值的设定与控制同步的精度要求一致。

4.根据权利要求2所述的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，其特征在于：

步骤1.3中所述调节幅度为集群控制***设备控制周期的千分之一至百分之一。

5.根据权利要求1所述的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，其特征在于：

步骤2具体包括：

步骤2.1，电力电子设备控制***向各对应的电力电子设备发送遥控指令，根据每台电力电子设备接收到遥控指令与邻近的PPS对时信号的时间关系，定义时间区域I与时间区域II，时间区域I为PPS对时信号前后Δt时间范围内的时间段；时间区域II为除时间区域I外的其他时间段，忽略PPS信号延迟时间，其中Δt是集群控制***设备控制周期的整数倍；

步骤2.2，根据每台电力电子设备接收到遥控指令所在的时间区域，确定执行遥控指令的时刻，其中所有电力电子设备执行遥控指令的时刻之间的时间跨度为1秒钟；

步骤2.3，对晚一秒钟执行遥控指令设备执行遥控指令的做延时补偿。

6.根据权利要求1或5所述的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，其特征在于：

在步骤2中如果该设备遥控指令的接收时刻在时间区域II内，则该设备在相邻的下一个的PPS对时信号之后的时间区域I的结束时刻执行遥控指令；

如果该设备遥控指令的接收时刻在I区内，则该设备在下次的PPS对时信号之后的时间区域I的结束时刻执行遥控指令。

7.根据权利要求1所述的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，其特征在于：

步骤2.3中所述延时补偿为：晚1秒钟执行遥控指令的设备的控制指令幅值的增加速率是1标幺/分钟，频率按50Hz工频控制，则晚1秒钟执行遥控指令的设备，其发出的控制指令的幅值要补偿1/60标幺，相位补偿为零。

8.根据权利要求1所述的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，其特征在于：

步骤3具体包括以下内容：

步骤3.1，判断电网是否在无压状态，如果是无压状态，则进行步骤3.2，如果不是无压状态，则执行步骤3.3；

步骤3.2，初始化所有设备离网建立调制电压的相位和幅值，并依据V/F控制模式按设定的步长调节相位和幅值，使所有电力电子设备的调制电压的初始相位同步、初始幅值一致；

步骤3.3，初始化所有离网建立调制电压的相位和幅值，启动电压控制模式，使所有电力电子设备的调制电压的初始相位和初始幅值与电力电子设备控制***电压初始相位和初始幅值一致。

9.根据权利要求1所述的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，其特征在于：

步骤3.1中所述无压状态，优选地，如果电压值小于等于额定电压的0.1，则可以视为无压状态。

10.根据权利要求8所述的一种采用PPS信号实现多台电力电子设备同步控制方法，其特征在于：

所述电压控制模式为下垂控制模式或并网控制模式。

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