CN105140921B - 一种基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构及其控制方法，采用了直接电流控制和谐波抑制方法，当新能源发电系统输出电流发生畸变时，ES既能保证关键负载的电流是纯净的正弦且幅度能精确地跟踪给定值，又通过控制迫使谐波电流流向ES自身；即能够在电网谐波含量较大的情况下有效抑制关键负载电压、电流的谐波成分，在保证关键负载电压、电流有效值恒定的同时提高其正弦化程度。

Description

一种基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构及其控制 方法

技术领域

本发明属于智能电网运行控制技术领域，涉及一种基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑及其控制方法。

背景技术

电力系统传统的运行方式仍然是需求量决定供电量，这就要求电力公司能准确地预测用户的需求。由于风能、太阳能等可再生能源的间歇性和不稳定性，且随着其发电并网容量的逐渐增大，使得上述预测的难度逐渐加大，对电力系统的影响越来越明显。针对可再生能源的间隙性问题，利用储能装置来抵消发电量与用电量的不匹配是有效的解决方案之一。然而，这些储能装置会使得成本增加。

电力弹簧(Electric Spring,ES)的概念正是针对上述现状而提出的。ES颠覆了电力系统的传统思路，可以实现用电量随着发电量的变化而变化。因此，上述问题迎刃而解。电力系统中的负载可分为两大类：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相类似，在“颠簸”的电网中使得关键负载电压被控制在极小的范围内，同时将电压的波动转移给非关键负载，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被广泛分布于微电网时，每个ES发挥着弹簧的功能，支撑着整个电网，使得微电网中的关键负载得以安全运行。不仅如此，单个ES的故障不会影响整个弹簧组的运行，在新能源发电并网系统中有着广泛的应用前景。

从ES被提出至今，当前针对ES的控制方式均是基于电压型控制。以最新提出的基于比例谐振控制器的相位控制算法为例，当新能源发电输出的电网电压发生畸变时，被控对象关键负载电压的畸变也会产生畸变，其上的总谐波含量将随着电网畸变的程度加深而增大，严重时不能符合关键负载的用电需求。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构及其控制方法，实现电力弹簧的直接电流控制，有效抑制关键负载的谐波成分。

发明内容：一种基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构，包括单相电流源型逆变器、滤波电容C_f；所述单相电流源型逆变器的输入端连接直流电源，滤波电容C_f并联在所述单相电流源型逆变器的输出端，关键负载Z₂接在所述滤波电容C_f的一端与公共地之间，非关键负载Z₃接在所述滤波电容C_f的另一端与公共地之间，新能源发电系统的正输出端连接到关键负载Z₂接与滤波电容C_f连接的公共端，新能源发电系统的负输出端连接公共地，新能源发电系统的正输出端与关键负载Z₂连接的输电线具有输电线等效电感L₁和输电线等效电阻R₁。

进一步的，所述单相电流源型逆变器包括反向并联二极管的第一至第四开关管，所述第一至第四开关管分别正向串联一个二极管后构成单相全桥电路。

基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构的控制方法，包括如下步骤：

1)，采集输入关键负载Z₂的电流值i₂，采集单相电流源型逆变器的输出电流值i_c，采集新能源发电系统输出电流值i₁；

2)，对所述新能源发电系统输出电流值i₁进行谐波抑制控制，得到所述i₁中的电流谐波信号i_h，具体步骤为：

21)，将所述i₁输入延时单元，得到与所述i₁相垂直的电流信号i_1β；

22)，将所述i₁与i_1β经过两相静止到两相旋转变换，分别得到旋转坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q，其中变换矩阵为θ₀为参考相量的相位瞬时值，所述参考相量为新能源发电系统输出电压

23)，将所述i_d和i_q分别经过低通滤波器进行低通滤波后得到i_d1和i_q1；

24)，将所述i_d1和i_q1经过两相旋转到两相静止变换，得到滤除了谐波成分后的电流i_R1和i_I1，其中变换矩阵为

25)，将所述i_R1与i₁作差后得到i₁中的电流谐波信号i_h；

3)，将所述i₂与关键负载电流参考值i_{2_ref}作差，得到关键负载输入电流值与参考值之间的误差值i_{2_error}；然后将所述i_{2_error}与i_h相加，得到叠加了谐波信号的误差值i_{_comp}；

4)，将所述i_{_comp}与分别与滞环比较器的环宽值i_th求和以及作差，分别得到滞环比较器的上限值i_High和下限值i_Low；

5)，将所述i_c作为滞环比较器的输入信号，分别与所述上限值i_High、下限值i_Low进行比较后得到所述单相电流源型逆变器中第一至第四开关管的驱动信号。

进一步的，步骤3)中，所述关键负载电流参考值i_{2_ref}的幅值和频率根据关键负载供电要求直接给定，所述i_{2_ref}的相位根据相位控制算法得到，具体为：

a)，通过锁相环得到新能源发电系统输出电压的相位θ₀；

b)，以非关键负载电流为参考相量，定义超前关键负载两端电压的角度为δ，则得到v_{s_ref}的相位为(θ₀-δ)；

c)，采集新能源发电系统输出电压有效值V_G，根据式(1)计算出a和b的值：

其中，和ω＝100π、L₁为输电线等效电感，R₁为输电线等效电阻，R₂为关键负载阻值、R₃为非关键负载阻值、V_S为关键负载两端电压给定的有效值；

d)，首先根据式(2)计算出θ值，然后根据θ以及式(3)计算得到δ值，最终得到v_{s_ref}的相位(θ₀-δ)的值：

式(2)

有益效果：与现有的ES控制方式相比，本发明由于采用了直接电流控制和谐波抑制方法，当新能源发电系统输出电流发生畸变时，ES既能保证关键负载的电流是纯净的正弦且幅度能精确地跟踪给定值，又通过控制迫使谐波电流流向ES自身；即能够在电网谐波含量较大的情况下有效抑制关键负载电压、电流的谐波成分，在保证关键负载电压、电流有效值恒定的同时提高其正弦化程度。

同时，相对于传统的电力弹簧拓扑结构中的低通滤波器由电感和电容组成，本发明的ES拓扑中逆变器的输出端则省去了电感元件，仅需滤波电容即可，结构更简单。

附图说明

图1是本发明的基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构图及其控制方法框图；

图2是预设的新能源发电系统输出电压波形及其快速傅里叶变换(FFT)结果；

图3是传统基于电压源型逆变器实现的ES及传统控制方式下的关键负载电压仿真波形及其FFT结果；

图4是本发明基于电流源型逆变器实现的ES及直接电流控制方式下的关键负载电压仿真波形及其FFT结果；

图5是在直接电流控制的基础上增加了谐波抑制后的关键负载电压仿真波形及其FFT结果。

图中各标号定义如下：

1.1为直流电源，1.2为单相电流源型逆变器，1.3为滤波电容，1.4为基于电流源型逆变器实现的电力弹簧新拓扑，1.5为关键负载，1.6为非关键负载，1.7为输电线的等效电感，1.8为输电线的等效电阻，1.9为新能源发电系统，1.10直接电流控制框图，1.11为谐波抑制控制框图，1.12为输入关键负载的电流，1.13关键负载电流参考值，1.14为相位控制框图，1.15为关键负载电流参考值与真实值的误差值；1.16为加法器；1.17为叠加了谐波信号的误差值；1.18为滞环比较器的环宽值；1.19为减法器；1.20为加法器；1.21为单相电流源型逆变器的输出电流；1.22为滞环比较器的下限值；1.23为滞环比较器的上限值；1.24和1.25为比较器；1.26为单相电流源型逆变器中四个开关管的驱动信号；1.27为新能源发电系统输出电流；1.28为延时环节；1.29与i₁相垂直的电流信号；1.30为两相静止到两相旋转变换；1.31为变换后的d轴电流；1.32为变换后的q轴电流；1.33和1.34为低通滤波器；1.35为经低通滤波后的d轴电流；1.36为经低通滤波后的q轴电流；1.37为两相旋转到两相静止变换；1.38为滤除了谐波成分后的网侧电流；1.39为减法器；1.40为i₁中的电流谐波信号。

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，一种基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构，包括单相电流源型逆变器、滤波电容C_f。单相电流源型逆变器的输入端连接直流电源，滤波电容C_f并联在单相电流源型逆变器的输出端；关键负载Z₂接在滤波电容C_f的一端与公共地之间，非关键负载Z₃接在滤波电容C_f的另一端与公共地之间；新能源发电系统的正输出端连接到关键负载Z₂接与滤波电容C_f连接的公共端，新能源发电系统的负输出端连接公共地；新能源发电系统的正输出端与关键负载Z₂连接的输电线具有输电线等效电感L₁和输电线等效电阻R₁。其中，单相电流源型逆变器包括反向并联二极管的第一至第四开关管，第一至第四开关管分别正向串联一个二极管后构成单相全桥电路。直流电源既可经由蓄电池接能量双向的直流/直流变换器提供，又可经由交流电接能量双向的交流/直流变换器提供。

基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构的控制方法，包括直接电流控制和谐波抑制控制部分。单独进行直接电流控制步骤具体为：

1)，采集输入关键负载Z₂的电流值i₂，采集单相电流源型逆变器的输出电流值i_c，采集新能源发电系统输出单相电流值i₁；

2)，将i₂与关键负载电流参考值i_{2_ref}作差，得到关键负载输入电流值与参考值之间的误差值i_{2_error}；其中，关键负载电流参考值i_{2_ref}的幅值和频率根据关键负载供电要求直接给定，i_{2_ref}的相位根据相位控制算法得到，具体为：

a)，通过锁相环得到新能源发电系统输出电压的相位θ₀；

b)，以非关键负载电流为参考相量，定义超前关键负载两端电压的角度为δ，则得到v_{s_ref}的相位为(θ₀-δ)；

c)，采集新能源发电系统输出电压有效值V_G，根据式(1)计算出a和b的值：

其中，和ω＝100π、L₁为输电线等效电感，R₁为输电线等效电阻，R₂为关键负载阻值、R₃为非关键负载阻值、V_S为关键负载两端电压给定的有效值；

d)，首先根据式(2)计算出θ值，然后根据θ以及式(3)计算得到δ值，最终得到v_{s_ref}的相位(θ₀-δ)的值：

式(2)

3)，将i_{2_error}与分别与滞环比较器的环宽值i_th求和以及作差，分别得到滞环比较器的上限值i_High和下限值i_Low；

4)，将i_c作为滞环比较器的输入信号，分别与所述上限值i_High、下限值i_Low进行比较后得到单相电流源型逆变器中第一至第四开关管的驱动信号。

在进行直接电流控制的基础上假如谐波抑制控制，具体为：对新能源发电系统输出电流值i₁进行谐波抑制控制，得到i₁中的电流谐波信号i_h，然后将上述步骤2)中得到的关键负载输入电流值与参考值之间的误差值i_{2_error}与i_h相加，得到叠加了谐波信号的误差值i_{_comp}；然后在直流电流控制步骤3)中，利用i_{_comp}替代i_{2_error}，分别与滞环比较器的环宽值i_th求和以及作差，分别得到滞环比较器的上限值i_High和下限值i_Low；最后得到单相电流源型逆变器中第一至第四开关管的驱动信号。其中，对新能源发电系统输出电流值i₁进行谐波抑制控制，得到i₁中的电流谐波信号i_h的具体步骤为：

a)，将i₁输入延时单元，得到与i₁相垂直的电流信号i_1β；

b)，将i₁与i_1β经过两相静止到两相旋转变换，分别得到旋转坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q，其中变换矩阵为θ₀为参考相量的相位瞬时值，参考相量为新能源发电系统输出电压

c)，将i_d和i_q分别经过低通滤波器进行低通滤波后得到i_d1和i_q1；

d)，将i_d1和i_q1经过两相旋转到两相静止变换，得到滤除了谐波成分后的电流i_R1和i_I1，其中变换矩阵为

e)，将i_R1与i₁做差后得到i₁中的电流谐波信号i_h。

为了分析方便，仿真时设置单相电流源型逆变器的输入端的直流电为20A；滤波电容C_f为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，输电线等效电阻R₁为4Ω、等效电感L₁为84.1mH，电网电压参考值为220V/50Hz；单相电流源型逆变器中开关频率为5kHz。

图2是为了仿真对比各控制方式的效果，人为设定的新能源发电系统输出电压波形，从其FFT结果可以看出其总谐波含量THD被设置为27.81％。从图3可以看出，基于传统的ES拓扑及其控制方式下，关键负载电压的THD为6.55％，畸变率较高；图4是采用了本发明提出的基于电流源型逆变器实现的ES以及仅仅采用直接电流控制方式下的仿真波形，结果表明，关键负载电压的正弦度很好，THD只有0.33％；图5是在图4的基础上增加了谐波抑制控制算法，仿真结果显示关键负载的THD由0.33％下降到了0.04％，效果非常明显。

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。本发明中有关ES的控制方法，可以应用到有源电力滤波器(APF)、功率因数校正(PFC)、无功补偿等其他相关领域。

Claims (2)

1.一种基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构的控制方法，其特征在于：所述电力弹簧拓扑结构包括单相电流源型逆变器、滤波电容C_f；所述单相电流源型逆变器的输入端连接直流电源，滤波电容C_f并联在所述单相电流源型逆变器的输出端，关键负载Z₂的一端接在所述滤波电容C_f的一端与新能源发电系统的正输出端连接的公共端，非关键负载Z₃接在所述滤波电容C_f的另一端与关键负载Z₂的另一端之间，关键负载Z₂的另一端连接公共地；新能源发电系统的正输出端连接到关键负载Z₂与滤波电容C_f连接的公共端，新能源发电系统的负输出端连接公共地，新能源发电系统的正输出端与关键负载Z₂连接的输电线具有输电线等效电感L₁和输电线等效电阻R₁；

控制方法包括如下步骤：

1)，采集输入关键负载Z₂的电流值i₂，采集单相电流源型逆变器的输出电流值i_c，采集新能源发电系统输出电流值i₁；

2)，对所述新能源发电系统输出电流值i₁进行谐波抑制控制，得到所述i₁中的电流谐波信号i_h，具体步骤为：

21)，将所述i₁输入延时单元，得到与所述i₁相垂直的电流信号i_1β；

22)，将所述i₁与i_1β经过两相静止到两相旋转变换，分别得到旋转坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q，其中变换矩阵为θ₀为参考相量的相位瞬时值，所述参考相量为新能源发电系统输出电压

23)，将所述i_d和i_q分别经过低通滤波器进行低通滤波后得到i_d1和i_q1；

24)，将所述i_d1和i_q1经过两相旋转到两相静止变换，得到滤除了谐波成分后的电流i_R1和i_I1，其中变换矩阵为

25)，将所述i_R1与i₁作差后得到i₁中的电流谐波信号i_h；

3)，将所述i₂与关键负载电流参考值i_{2_ref}作差，得到关键负载输入电流值与参考值之间的误差值i_{2_error}；然后将所述i_{2_error}与i_h相加，得到叠加了谐波信号的误差值i_{_comp}；

4)，将所述i_{_comp}分别与滞环比较器的环宽值i_th求和以及作差，分别得到滞环比较器的上限值i_High和下限值i_Low；

5)，将所述i_c作为滞环比较器的输入信号，分别与所述上限值i_High、下限值i_Low进行比较后得到所述单相电流源型逆变器中第一至第四开关管的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的基于电流源型逆变器实现的电力弹簧拓扑结构的控制方法，其特征在于：步骤3)中，所述关键负载电流参考值i_{2_ref}的幅值和频率根据关键负载供电要求直接给定，所述i_{2_ref}的相位根据相位控制算法得到，具体为：

a)，通过锁相环得到新能源发电系统输出电压的相位θ₀；

b)，以非关键负载电流为参考相量，定义超前关键负载两端电压的角度为δ，则得到v_{s_ref}的相位为(θ₀-δ)；其中，v_{s_ref}为关键负载电压的参考值；

c)，采集新能源发电系统输出电压有效值V_G，根据式(1)计算出a和b的值：

其中，和ω＝100π、L₁为输电线等效电感，R₁为输电线等效电阻，R₂为关键负载阻值、R₃为非关键负载阻值、V_S为关键负载两端电压给定的有效值；

d)，首先根据式(2)计算出θ值，然后根据θ以及式(3)计算得到δ值，最终得到v_{s_ref}的相位(θ₀-δ)的值：