CN105048453A - 一种新型电力弹簧拓扑及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力弹簧的一种新拓扑及其控制方法。随着风能、太阳能等可再生能源发电并网容量的增加，电力系统的稳定性面临严峻考验，当大规模分布式可再生能源发电并网时，电网特别是微电网崩溃的可能性逐渐增大。电力弹簧主要是针对微电网中可再生能源发电的不稳定性而提出的。本发明所提出的一种新的电力弹簧拓扑结构和控制策略，不仅能保证在关键负载电压稳定的同时将输入电压的波动转移到非关键负载上，还能保证非关键负载的耗能与输入电压的变化趋势保持一致。本发明实现的这种有功功率与输入电压之间的单调变化关系是现有电力弹簧无法实现的。因此，在电压的幅值随着发电功率增加而增加的情况下，本发明更具实用性。

Description

一种新型电力弹簧拓扑及其控制方法

技术领域

本发明属于智能电网控制技术领域，涉及一种电力弹簧的新拓扑及其控制方法。

背景技术

目前，电力系统的运行方式仍然是需求量决定供电量，这就要求供电方能准确地预测用户的需求。风能等可再生能源有着间歇性和不稳定性的缺点，随着其发电并网容量的逐年增大，对电力系统的影响越来越明显，使得上述预测的难度逐渐加大。针对风能的间歇性问题，利用蓄电池、超导或高速飞轮等储能装置来抵消发电量与需求量的不匹配是有效的解决方案之一。然而，这些储能装置会使成本显著增加，而且储能装置的可靠性运行变得至关重要。

电力弹簧(ElectricSpring,ES)的概念正是基于上述现状而提出的。ES颠覆了电力系统的传统思想，实现了用电量随着发电量的改变而变化。因此，风能的间歇性问题迎刃而解。ES理论将电力系统中的负载分为两大类：一类被称为关键负载，其端电压只允许在极小的范围内波动；另一类被称为非关键负载，其端电压可以在较大的范围内波动。ES的核心思想是将机械弹簧对偶到电力系统中，与汽车的减震器原理类似，在“颠簸”的电网中使得关键负载电压被控制在规定的范围内，同时将电压(能量)的波动转移到非关键负载上，并自动调节非关键负载的耗电量，实现发电量与用电量的自动匹配。当ES遍布于微电网时，整个电网就像是被安装在一个超级床垫上一样，每个ES尽情地发挥着弹簧的功能，使得微电网中的关键负载得以安全运行，并且单个ES的故障不会影响整个系统的稳定运行，在新能源发电并网尤其是微电网系统中有着广泛的应用前景。

目前的ES拓扑虽然能将输入电网电压的波动转移给非关键负载，但这种变化不是单调的，即：非关键负载电压随着电网电压的增大先增大再减小，其电压最大值出现在ES的阻性时刻，这就意味着非关键负载的功率的变化不是随着电网电压的递增而单调增加的，这使得当前的ES的应用范围变窄。比如，在电压的幅值随着发电功率增加而增加的情况下，当前的ES无法发挥作用。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种电力弹簧的新拓扑及其控制方法，能够将电网电压及其功率的波动转移到非关键负载上，从而保证关键负载上的电压稳定，同时ES本身不消耗有功功率。

技术方案：一种电力弹簧拓扑，包括单相电压源型逆变器、LC低通滤波器以及单相隔离变压器；关键负载并联在新能源发电单相电网的输出端之间，非关键负载串联单相隔离变压器的初级线圈后并联在新能源发电单相电网的输出端之间，LC低通滤波器的滤波电容C与单相隔离变压器的次级线圈后并联在新能源发电单相电网的输出端之间，LC低通滤波器的滤波电感L一端连接滤波电容的一端，滤波电感L另一端连接单相电压源型逆变器的一个整流桥桥臂，单相电压源型逆变器的另一个整流桥桥臂连接滤波电容C的另一端，所述单相电压源型逆变器的直流侧接直流电源，所述新能源发电单相电网的输出端与关键负载和非关键负载之间的输电线具有输电线路等效电阻R₁和输电线路等效电感L₁。

作为本发明的优选方案，所述直流电源为能量双向的交流/直流变换器或蓄电池。

一种电力弹簧拓扑的控制方法，包括如下步骤：

1)，采集关键负载两端的电压反馈信号v_{s_fb}，采集LC低通滤波器中滤波电感L的电流值i_{L_fb}；

2)，将所述电压反馈信号v_{s_fb}与参考正弦量v_{s_ref}的差值输入PR控制器，输出信号i_{L_ref}；

3)，将所述信号i_{L_ref}与所述电流值i_{L_fb}的差值输入P调节器，P调节器输出信号再经限幅处理后作为SPWM调制波v_{_ref}；

4)，将所述v_{_ref}与三角载波作比较，得到所述单相电压源型逆变器的开关驱动信号。

作为本发明的优选方案，所述步骤2)中，参考正弦量v_{s_ref}的相位通过相位控制算法计算得到，具体为：

a)，通过锁相环得到所述单相隔离变压器的初级线圈电流的相位θ₀；

b)，以所述单相隔离变压器的初级线圈电流为参考向量，定义所述关键负载两端电压超前所述的角度为δ，则得到所述参考正弦量v_{s_ref}的相位为θ₀+δ；

c)，采集单相电压源型逆变器输出电压有效值V_i，假设单相隔离变压器的匝比为n，根据公式 $a=\frac{n\mathrm{\ω}L}{(1-{\mathrm{\ω}}^{2}LC)R_3}$ 和 $b=\frac{{\mathrm{nV}}_i}{V_S(n+1)(1-{\mathrm{\ω}}^{2}LC)}$ 计算出a和b的值；其中，ω＝100π，L为所述滤波电感值，C为所述滤波电容值，R₃为所述非关键负载阻值，V_S为所述关键负载电压给定值的有效值；

d)，根据公式计算得到δ的值，即得到所述参考正弦量v_{s_ref}的相位为θ₀+δ。

有益效果：本发明的电力弹簧的新拓扑及其控制方法，能够使得不管新能源发出的有功功率如何变化，非关键负载均能将之消耗掉，并且非关键负载的耗能与输入的有功功率的变化趋势是一致的。以某一大楼为例，设有屋顶光伏发电系统和热水供应系统，本发明能实现当阳光充足的时候，分配给烧水的电能多一些；当阳光不足的时候，分配给烧水的电能少一些。并且这一调节是自动完成的。本发明和现有的ES拓扑相比，具有如下优点：

1、能实现发电功率与用电功率的自动匹配：

现有的ES拓扑能实现将输入电压的波动转移到非关键负载上，虽然也能转移功率的波动，但非关键负载的功率随着输入电压的升高的变化规律是先上升后下降，即非关键负载的有功功率不是单调变化的；本发明增加了一个隔离变压器，如图1，在原有拓扑的非关键负载Z₃所在位置放置了一个变压器绕组。由变压器同名端的原理可知，新拓扑增加隔离变压器的目的是为了先将原有拓扑中Z₃所承受的电压反相，然后将此反相后的电压与原有的关键负载电压进行矢量合成后给非关键负载供电。经过此变化后，本发明提出的ES拓扑则能实现非关键负载的电压和功率随着输入电压的变化而单调变化，这是本发明与现有ES拓扑的本质区别。

2、实用性高、应用前景广泛：

基于现有的ES拓扑及其控制策略，非关键负载的功率波动不是单调变化这一缺点使得其应用范围变窄，比如，现有的ES拓扑就无法应用于电压的幅值随着发电功率增加而增加的情形；本发明则可广泛应用于此类系统中，特别是普通住宅的屋顶光伏发电系统以及小型风力发电系统中。

3、控制策略实用、易于理解与实施：

原有的ES控制采用双PI解耦，对关键负载电压有效值和相位分别进行PI控制，易于引入谐波，而本发明则用PR控制器实现关键负载电压波形来准确地跟踪给定正弦波，由于PR控制器对于交流信号跟踪性能很好，对波形的正弦化有了很大的改善，总谐波畸变率更小。

附图说明

图1是本发明的ES拓扑及电路图；

图2是本发明的ES拓扑的控制框图；

图3是本发明的ES拓扑的相量图；

图4是当电网电压小于参考电压、ES工作于容性时的仿真波形图，依次是电网电压关键负载电压非关键负载电压ES电压及ES电流的仿真波形；

图5是当电网电压等于参考电压、ES工作于阻性时的仿真波形图，依次是电网电压关键负载电压非关键负载电压ES电压及ES电流的仿真波形；

图6是当电网电压大于参考电压、ES工作于感性时的仿真波形图，依次是电网电压关键负载电压非关键负载电压ES电压及ES电流的仿真波形；

图4中，ES电流超前ES电压90°，这说明ES工作于容性模式；图5中，ES电流几乎为0，这说明ES工作于阻性模式；图6中，ES电流之后ES电压90°，这说明ES工作于感性模式。由图4到图6还可看出，在不同的电网电压下，关键负载电压能精确地跟踪给定正弦波，不仅其波形高度正弦化，且有效值都被控制在220V。另外，当输入电网电压逐渐增大时，非关键负载的电压也随着的增大而单调增大，这说明输入有功功率的波动被自动转移到非关键负载上。

图中各标号定义如下：

1.1为新能源发电单相电网，1.2为输电线路等效电阻，1.3为输电线路等效电感，1.4为关键负载，1.5为非关键负载，1.6为ES的滤波电感，1.7ES的滤波电容，1.8为单相工频隔离变压器，1.9为逆变器的直流侧电源，1.10为单相电压源型逆变器；2.1为关键负载电压采样值，2.2和2.5为减法器，2.3为PR控制器，2.4为电感L的电流采样值，2.6为P控制器，2.7为限幅环节，2.8为调制波信号，2.9为三角载波信号，2.10为开关驱动脉冲信号，2.11为工频变压器次级电流，2.12为锁相环，2.13为相位控制算法，2.14为加法器，2.15为正弦函数，2.16为电压外环参考正弦量的幅度给定值，2.17为乘法器，2.18为给定到PR控制器的参考正弦量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种电力弹簧拓扑，该电力弹簧拓扑输出单相工频交流电，包括单相电压源型逆变器、LC低通滤波器以及单相隔离变压器。关键负载并联在新能源发电单相电网的输出端之间，非关键负载串联单相隔离变压器的初级线圈后并联在新能源发电单相电网的输出端之间，LC低通滤波器的滤波电容C与单相隔离变压器的次级线圈后并联在新能源发电单相电网的输出端之间。本拓扑中变压器两个绕组的连接端是互为异名端的。LC低通滤波器的滤波电感L一端连接滤波电容的一端，滤波电感L另一端连接单相电压源型逆变器的一个整流桥桥臂，单相电压源型逆变器的另一个整流桥桥臂连接滤波电容C的另一端，单相电压源型逆变器的直流侧接直流电源。新能源发电单相电网的输出端与关键负载和非关键负载之间的输电线具有输电线路等效电阻R₁和输电线路等效电感L₁。其中，直流电源为能量双向的交流/直流变换器或蓄电池，直流电源电压应大于

为了分析方便，本实施例中，仿真时将单相隔离变压器视为理想变压器，匝比n取为1:1；单相电压源型逆变器的直流侧电压为1000V；LC低通滤波器中滤波电感L、滤波电容C的参数值分别为3mH和50uF；关键负载Z₂选取纯电阻2000Ω，用101.4Ω的纯电阻代替非关键负载Z₃，输电线及线路损耗用4Ω和84.1mH的串联组合等效，电网电压参考值为220V/50Hz；单相电压源型逆变器中开关频率为5kHz。

如图2所示，一种电力弹簧拓扑的控制方法，采用电压、电流的双闭环控制，包括如下步骤：

1)，采集关键负载两端的电压反馈信号v_{s_fb}，采集LC低通滤波器中滤波电感L的电流值i_{L_fb}；需要说明的是，电压反馈信号v_{s_fb}是采集关键负载两端瞬时电压值并乘以系数，电流反馈信号i_{L_fb}是采集滤波电感的瞬时电流值并乘以系数；此处将采集的信号乘以系数是将相应信号缩小后，便于后续计算处理，系数具体值可根据实际情况设置；

2)，将电压反馈信号v_{s_fb}与参考正弦量v_{s_ref}的差值输入PR控制器后，PR控制器输出信号i_{L_ref}；

3)，信号i_{L_ref}作为P调节器的参考值，将信号i_{L_ref}与电流值i_{L_fb}的差值输入P调节器，P调节器输出信号再经限幅处理后作为SPWM调制波v_{_ref}；

4)，将v_{_ref}与三角载波作比较，得到单相电压源型逆变器的开关管驱动信号，单相电压源型逆变器为由反并联二极管的第一至第四开关管构成的单相全桥电路。

其中，步骤2)中，参考正弦量v_{s_ref}由幅值、频率以及相位构成，其幅值和频率根据设计要求直接给定，其相位通过相位控制算法计算得到，

相位控制算法是基于相量图而得到，以图1中单相隔离变压器初级线圈电流为参考相量画出相量图，LC低通滤波器中滤波电容C两端电压超前90°，单相隔离变压器的初级线圈电流的相位θ₀由锁相环(PLL)所得，与单相隔离变压器的次级电压的相量和等于关键负载两端电压隔离变压器的初级电压与的相量和等于非关键负载两端电压定义超前的角度为δ，则参考正弦量v_{s_ref}的相位可表示为θ₀+δ。

采集单相电压源型逆变器输出电压有效值V_i，假设单相隔离变压器的匝比为n，根据公式 $a=\frac{n\mathrm{\ω}L}{(1-{\mathrm{\ω}}^{2}LC)R_3}$ 和 $b=\frac{{\mathrm{nV}}_i}{V_S(n+1)(1-{\mathrm{\ω}}^{2}LC)}$ 计算出a和b的值；其中，ω＝100π，L为所述滤波电感值，C为所述滤波电容值，R₃为所述非关键负载阻值，V_S为所述关键负载电压给定值的有效值。再根据公式计算得到δ的值，即得到参考正弦量v_{s_ref}的相位为θ₀+δ。

当电网电压升高时，上述δ增大，电压闭环控制使得v_{_ref}幅度减小，幅度因此减小，故幅度增大，具体控制过程及各相量的关系可参考图3，此策略在保证了关键负载电压的稳定的同时将多余的能量传递给非关键负载；当电网电压降低时的控制过程相反；然后结束本次控制周期的控制流程，等待下一控制周期。

本发明的相位的具体计算过程是以相量图为基础，如图3。ES输出的电压和电流是相互垂直的，基于图3计算所得的δ不仅包含了电压电流垂直的信息，同时也包含关键负载电压跟踪给定值的信息。本发明尤其适用于居民区的小型风电、太阳能发电系统，可以选取用于小区供水和供暖的电加热器等作为典型的非关键性负载。当然，非关键性负载不以上述为限，也可以根据输入电压的大小自动切换负载的电动汽车充电站、照明系统等，此类系统允许输入电压在较大范围内波动。本发明中有关ES的控制方法，也可以应用到静止无功补偿等相关领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (4)

1.一种电力弹簧拓扑，其特征在于：包括单相电压源型逆变器、LC低通滤波器以及单相隔离变压器；关键负载并联在新能源发电单相电网的输出端之间，非关键负载串联单相隔离变压器的初级线圈后并联在新能源发电单相电网的输出端之间，LC低通滤波器的滤波电容C与单相隔离变压器的次级线圈后并联在新能源发电单相电网的输出端之间，LC低通滤波器的滤波电感L一端连接滤波电容的一端，滤波电感L另一端连接单相电压源型逆变器的一个整流桥桥臂，单相电压源型逆变器的另一个整流桥桥臂连接滤波电容C的另一端，所述单相电压源型逆变器的直流侧接直流电源，所述新能源发电单相电网的输出端与关键负载和非关键负载之间的输电线具有输电线路等效电阻R₁和输电线路等效电感L₁。

2.根据权利要求1所述的一种电力弹簧拓扑，其特征在于：所述直流电源为能量双向的交流/直流变换器或蓄电池。

3.一种电力弹簧拓扑的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)，采集关键负载两端的电压反馈信号v_{s_fb}，采集LC低通滤波器中滤波电感L的电流值i_{L_fb}；

2)，将所述电压反馈信号v_{s_fb}与参考正弦量v_{s_ref}的差值输入PR控制器，输出信号i_{L_ref}；

3)，将所述信号i_{L_ref}与所述电流值i_{L_fb}的差值输入P调节器，P调节器输出信号再经限幅处理后作为SPWM调制波v__ref；

4)，将所述v__ref与三角载波作比较，得到所述单相电压源型逆变器的开关驱动信号。

4.根据权利要求3所述的一种电力弹簧拓扑的控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，参考正弦量v_{s_ref}的相位通过相位控制算法计算得到，具体为：

a)，通过锁相环得到所述单相隔离变压器的初级线圈电流的相位θ₀；

b)，以所述单相隔离变压器的初级线圈电流为参考向量，定义所述关键负载两端电压超前所述的角度为δ，则得到所述参考正弦量v_{s_ref}的相位为θ₀+δ；

c)，采集单相电压源型逆变器输出电压有效值V_i，假设单相隔离变压器的匝比为n，根据公式 $a=\frac{n\mathrm{\ω}L}{(1-{\mathrm{\ω}}^{2}LC)R_3}$ 和 $b=\frac{{\mathrm{nV}}_i}{V_S(n+1)(1-{\mathrm{\ω}}^{2}LC)}$ 计算出a和b的值；其中，ω＝100π，L为所述滤波电感值，C为所述滤波电容值，R₃为所述非关键负载阻值，V_S为所述关键负载电压给定值的有效值；

d)，根据公式计算得到δ的值，即得到所述参考正弦量v_{s_ref}的相位为θ₀+δ。