CN106300364A - 基于电力弹簧的电压暂降治理电路及其治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电力弹簧的电压暂降治理电路，包括电力弹簧和并联于单相电网两端的暂降敏感型负载，电力弹簧与非暂降敏感型负载相串联后，与暂降敏感型负载并联。本发明还公开了一种基于电力弹簧的电压暂降治理方法：通过PT采集暂降敏感型负载两端的暂降电压反馈信号u₁；将所述u₁与给定到PR控制器的参考正弦量u_{1_ref}进行比较，两者做差后送入PR控制器进行PR调节，并通过信号调理之后作为CPS‑SPWM的调制波；将所述调制波与等腰三角形载波进行比较，作为单相电压源形逆变器的驱动信号。电力弹簧属于分布式运行，可根据实际需要通过不同的连接方式运用于特定的暂降敏感负载上，同时不影响电网的稳定运行，实用性强。

Description

基于电力弹簧的电压暂降治理电路及其治理方法

技术领域

本发明涉及一种基于电力弹簧的电压暂降治理电路，还涉及一种基于电力弹簧的电压暂降治理方法，属于电力系统技术领域。

背景技术

电压暂降，又称为电压骤降、电压凹陷或电压跌落，电压暂降是供电电压方均根值在短时间内突然下降后又迅速恢复到正常状态的事件，一般典型时间为0.5～30个周波的时间。电气与电子工程师协会标准(IEEE)将电压暂降定义为：供电系统中某点的工频电压有效值突然下降到额定电压的90％～10％，并在随后的10ms～1min短暂持续后恢复正常。国际电工委员会(IEC)定义为工频电压有效值下降到额定电压的90％～1％，持续时间为10ms～1min。

随着经济的快速发展，敏感电力电子设备在工业中的广泛应用，电压暂降造成的损失也显著增多。根据国外某电力公司的调查，关于电压暂降的投诉占电能质量投诉的80％，电压暂降已经成为最重要的电能质量问题。

抑制电压暂降的设备通常有动态电压恢复器(DVR)、不间断电源(UPS)以及静止无功发生器(SVG)等，这些设备为电压暂降的治理作出了巨大的贡献。所不足的是，虽然它们都能有效抑制电压暂降，但都是基于现有模式，即先确定出暂降敏感型设备所需补偿电压(能量)的需求量，再提供相应的发电量。而ES则颠覆了其运行模式，它可广泛分布于电网中的任意节点，可根据实际需要通过不同的连接方式运用于特定的暂降敏感负载上，控制方式简单，成本较低，同时不影响电网的稳定运行，实用性强。

对于电压暂降，存在两种负载，一种是暂降敏感型负载(如接触器、变频器、计算机等)，其工作特性受电压暂降影响很大，允许端电压的波动范围较小；另一种是非暂降敏感型负载(如加热器、制冷设备等)，由于电压暂降的发生时间很短，对其工作影响不大甚至完全可以忽略。ES的基本原理可对偶到机械弹簧，在发生电压暂降时将暂降敏感型负载的电压控制在正常工作范围内而把电压波动转移到非暂降敏感型负载上，并自动调节非暂降敏感型负载的耗电量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于电力弹簧的电压暂降治理电路，提高暂降敏感型负载对电压暂降的耐受性。

为达到上述目的，本发明提供的基于电力弹簧的电压暂降治理电路，包括电力弹簧和并联于单相电网两端的暂降敏感型负载，所述电力弹簧与非暂降敏感型负载相串联后，与所述暂降敏感型负载并联。

所述电力弹簧包括：逆变器、连接于逆变器输出端的LC滤波器和连接于逆变器输入端的为逆变器供电的直流电源。

所述逆变器的输出端还连接有使能开关。

所述直流电源为蓄电池。

本发明还公开了一种基于电力弹簧的电压暂降治理方法，包括如下步骤：

步骤一：通过PT采集暂降敏感型负载两端的暂降电压反馈信号u₁；

步骤二：将所述u₁与给定到PR控制器的参考正弦量u_{1_ref}进行比较，两者做差后送入PR控制器进行PR调节，并通过信号调理之后作为CPS-SPWM的调制波，

步骤三：将所述调制波与等腰三角形载波进行比较，作为单相电压源形逆变器的驱动信号。

步骤二中所述u_{1_ref}的相位是通过锁相环和相位计算得到的，具体步骤为：

21)通过锁相环得到所述暂降敏感型负载流过的电流的相位θ₁；

22)以所述作为参考向量，设定所述暂降敏感性负载的电压超前的角度为α，得到u_{1_ref}的相位是θ₁+α；

23)所述α计算公式为：其中：b和c的计算公式如下：

式中，ω＝100π，L与C分别是所述LC滤波器的电感和电容值，U_ES是ES输出电压有效值，R₂是所述非暂降敏感型负载阻值。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

(1)将电力弹簧运用于电压暂降的治理上是一种全新的治理策略，相比于SVG、UPS等补偿设备需确定补偿容量，电力弹簧可有效克服这一缺点；而相比于DVR，电力弹簧的结构更为简单、灵活；

(2)电力弹簧可广泛分布于电网中的任意节点，可根据实际需要通过不同的连接方式运用于各种特定的暂降敏感负载上，非暂降敏感型负载与暂降敏感型负载相串联组成智能负载，能够提高暂降敏感型负载的电压暂降耐受性，同时不影响电网的稳定运行，经济性、实用性强，应用前景广泛；

(3)电力弹簧通过PR控制器和CPS-SPWM调制方法实现对暂降敏感型负载的电压跟踪和调制，在治理电压暂降的同时能有效改善补偿时电压的总谐波畸变率。

附图说明

图1为本发明提供的基于电力弹簧的电压暂降治理电路的电路图。

图2为本发明中电力弹簧对电压暂降的治理框图。

图3为本发明中CPS-SPWM调制方法图。

图4为发生单相电压暂降(0.04s～0.10s)时，不接电力弹簧时暂降敏感型负载端电压仿真波形图。

图5为发生单相电压暂降(0.04s～0.10s)时，接入电力弹簧后暂降敏感型负载端电压仿真波形图。

图中：1.1为单相电网；1.2为输电线等效电感；1.3为输电线等效电阻；1.4为非暂降敏感型负载；1.5为暂降敏感型负载；1.6为LC滤波器的滤波电容；1.7为LC滤波器的滤波电感；1.8为使能开关；1.9为单相电压源性逆变器；1.10为逆变器直流电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。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发明的保护范围。

如图1所示，为本发明提供的基于电力弹簧的电压暂降治理电路，包括电力弹簧和并联于单相电网两端的暂降敏感型负载，电力弹簧与非暂降敏感型负载相串联后，与暂降敏感型负载并联。当发生电压暂降时，电力弹簧瞬时动作为暂降敏感型负载提供无功支撑使其电压抬升至正常工作范围之内，而将电压的波动转移到非暂降敏感型负载上，保证暂降型敏感负载的电压稳定。

电力弹簧包括：逆变器、连接于逆变器输出端的LC滤波器和连接于逆变器输入端的为逆变器供电的直流电源。逆变器采用单相电压源型逆变器，逆变器的输出端还连接有使能开关。电力弹簧的基本原理可对偶于机械弹簧，机械弹簧的胡克定律(式1)对应到电力弹簧的关系式(式2)如下：

$\begin{array}{c}F=-k\·x\\ P=\frac{1}{2}{\mathrm{kx}}^2\end{array}---\left(1\right)$

$\begin{array}{c}q=-C\·u\\ P=\frac{1}{2}C\·u^2\end{array}---\left(2\right)$

作为本发明的优选方案，所述逆变器的直流电源为蓄电池，相比于电容，蓄电池可以产生一个与非暂降敏感型负载电流相差任意角度的电压。

本发明还提供了一种基于电力弹簧的电压暂降治理方法，该方法是基于前述的治理电路进行的。下面结合具体实施例对本发明提供的基于电力弹簧的电压暂降治理方法作进一步描述。

在本发明的实例仿真中，电力弹簧采用电压、电流双闭环控制，滤波电容C和滤波电感L的取值分别为50uF和3mH，电网电压幅值和频率分别是220V/50Hz，电力弹簧中逆变器的开关频率设为5KHz，具体包括以下步骤：

步骤一：通过PT采集暂降敏感型负载两端的暂降电压反馈信号u₁，此处采集的电压信号与实际的端电压瞬时值存在一系数比，该系数比将电压信号进行缩小，利于后续步骤的比较和计算，可通过电压采样调理电路实现；

步骤二：将u₁与给定到PR控制器的参考正弦量u_{1_ref}进行比较，两者做差后送入PR控制器进行PR调节，并通过信号调理之后作为SPWM的调制波；

u_{1_ref}的相位是通过锁相环和相位计算得到的，具体步骤为：

21)通过锁相环得到所述暂降敏感型负载流过的电流的相位θ₁；

22)以所述作为参考向量，设定所述暂降敏感性负载的电压超前的角度为α，得到u_{1_ref}的相位是θ₁+α；

23)α计算公式为：其中：b和c的计算公式如下：

α计算公式是根据电路图的相量模型和相量图得到的。式中，ω＝100π，L与C分别是LC低通滤波器的电感和电容值，U_ES是ES输出电压有效值，R₂是非暂降敏感型负载阻值。

步骤三：将调制波与等腰三角形载波进行比较，作为单相电压源形逆变器的驱动信号，仿真中的调制方式采用的是等腰三角形载波移相的SPWM技术(CPS-SPWM)，其具体调制策略如图3所示。

图4为发生单相电压暂降(0.04s～0.10s)时，不接电力弹簧时暂降敏感型负载端电压仿真波形图。

图5为发生单相电压暂降(0.04s～0.10s)时，接入电力弹簧后暂降敏感型负载端电压仿真波形图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于电力弹簧的电压暂降治理电路，其特征在于，包括电力弹簧和并联于单相电网两端的暂降敏感型负载，所述电力弹簧与非暂降敏感型负载相串联后，与所述暂降敏感型负载并联。

2.根据权利要求1所述的基于电力弹簧的电压暂降治理电路，其特征在于，所述电力弹簧包括：逆变器、连接于逆变器输出端的LC滤波器和连接于逆变器输入端的为逆变器供电的直流电源。

3.根据权利要求2所述的基于电力弹簧的电压暂降治理电路，其特征在于，所述逆变器的输出端还连接有使能开关。

4.根据权利要求2或3所述的基于电力弹簧的电压暂降治理电路，其特征在于，所述直流电源为蓄电池。

5.采用权利要求4所述的基于电力弹簧的电压暂降治理电路的电压暂降治理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：通过PT采集暂降敏感型负载两端的暂降电压反馈信号u₁；

步骤二：将所述u₁与给定到PR控制器的参考正弦量u_{1_ref}进行比较，两者做差后送入PR控制器进行PR调节，并通过信号调理之后作为CPS-SPWM的调制波，

步骤三：将所述调制波与等腰三角形载波进行比较，作为单相电压源形逆变器的驱动信号。

6.根据权利要求5所述的基于电力弹簧的电压暂降治理方法，其特征在于，步骤二中所述u_{1_ref}的相位是通过锁相环和相位计算得到的，具体步骤为：

21)通过锁相环得到所述暂降敏感型负载流过的电流的相位θ₁；

22)以所述作为参考向量，设定所述暂降敏感性负载的电压超前的角度为α，得到u_{1_ref}的相位是θ₁+α；

23)所述α计算公式为：其中：b和c的计算公式如下：

式中，ω＝100π，L与C分别是所述LC滤波器的电感和电容值，U_ES是ES输出电压有效值，R₂是所述非暂降敏感型负载阻值。