CN107230983B - 一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制方法，所述电力弹簧应用系统包含传统发电输出电压源v _G 、线路电阻R ₁、线路电感L ₁、关键负载Z _C 、非关键负载Z _NC 、一个单相电力弹簧系统以及一个模拟新能源发电并网逆变器系统。本发明针对新能源发电输出功率的不稳定引起的微电网电压和功率波动问题，提出一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制技术，能够将新能源发电电压及其功率的波动转移到电力弹簧装置以及非关键负载上，从而保证关键负载上的电压和功率的稳定。本发明实用价值高、易于推广，在关键负载所在地，可以有效维持诸如此类关键负载电压和功率的稳定，提高其电能质量。

Description

一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子在电力系统中的应用领域，具体地说涉及一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制方法。

背景技术

当今世界，能源危机和环境污染问题日益突出，新能源的发展被各国纷纷提上了议程。因此，近些年来，新能源发电技术不断进步，尤其风电产业更是突飞猛进。微电网是相对于大电网而言的，通过各种智能设备整合各种分布式发电资源以建立的一种新的发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。但是由于新能源的发电具有一定的随机性和间接性，其输出功率在实时地变化，这种变化一方面会在传输线路上引起一个电压降落的变化，最终会引起负荷侧母线电压的变化，另一方面电能的供需平衡会被打破，造成母线电压的频率波动。这些问题的产生会对电能质量要求较高的关键负载（如医院，信息中心等）造成巨大的影响。

针对此类问题，学者们已经提出各种方法来减轻新能源并网的负面影响以及改善电网的电能质量。为了解决新能源的电压波动问题，一般采用静止同步串联补偿器（StaticSynchronous Series Compensator，SSSC）和动态电压存储器（Dynamic Voltage Restore，DVR）注入一个补偿电压。但是这些装置的成本昂贵并且需要复杂的保护策略。当下比较热门的另一种方法是采用能量存储系统（Energy Storage System，ESS），它可以有效地调节风力发电厂的功率波动问题。但是当输出功率的波动十分巨大时，其所需要的ESS也将十分巨大。同时，其所使用的电池不仅含有有毒材料，而且可靠性低，维护成本高。本发明中的功率控制装置能有效解决上述问题，当新能源的输出功率在一定范围内波动时，可以有效就地管控新能源发电输出的不稳定功率，从而保证PCC点电压和频率的稳定，提高电能质量。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制方法，针对新能源发电输出功率的不稳定引起的微电网电压和功率波动问题，提出一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制技术，能够将新能源发电电压及其功率的波动转移到电力弹簧装置以及非关键负载上，从而保证关键负载上的电压和功率的稳定,为达此目的，本发明提供一种基于功率控制的电力弹簧应用系统，所述电力弹簧应用系统包含传统发电输出电压源v _G 、线路电阻R ₁、线路电感L ₁、关键负载Z _C 、非关键负载Z _NC 、一个单相电力弹簧系统以及一个模拟新能源发电并网逆变器系统，其特征在于：所述单相电力弹簧系统包含一个单相电压源型逆变器模块和一个LC低通滤波器，所述单相电压源型逆变器模块的交流侧一端连接LC低通滤波器中L的一端；所述L的另一端不仅与电容C的一端相连，还与关键负载Z _C 的一端相连，所述电容C的另一端除了与非关键负载Z _NC 的一端相连，还与所述单相电压源型逆变器模块的交流侧的另一输出端相连，所述非关键负载Z _NC 的另一端接地，所述模拟新能源发电并网逆变器系统包括模拟新能源发电并网逆变器，所述模拟新能源发电并网逆变器包括PWM逆变模块，所述模拟新能源发电并网逆变器的输出端通过滤波电感L _f 连接在关键负载Z _C 的一端，另一端接地，所述传统发电输出电压源v _G 与线路电阻R ₁和线路电感L ₁串联后连接到关键负载Z _C 的一端，v _G 的另一端接地，所述单相电压源型逆变器模块的直流侧输入直流电，所述单相电压源型逆变器模块含PWM整流模块。

本发明的进一步改进，所述电力弹簧中的单相逆变器模块的输入侧直流电是由PWM整流模块提供。

本发明的进一步改进，所述逆变器模块输入侧的直流电是经由PWM整流模块以及电解电容C _dc 提供，所述PWM整流模块的输入端与电网输出单相交流电相连，所述PWM整流模块的输出端连接逆变器模块的直流侧，电解电容C _dc 并联在所述PWM整流模块的输出端。

本发明的进一步改进，所述单相电压源型逆变器模块、PWM整流模块以及PWM逆变模块的拓扑结构均是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。

基于功率控制的电力弹簧应用系统的控制方法，其特征在于，采用有功、无功的双PID解耦控制，一个控制周期包括如下步骤：

1），采集关键负载的电压信号v _S 和公共连接点（PCC）处的电流值i，计算输入到电力弹簧系统的有功功率和无功功率；

2），将所采集的有功功率P以及电压信号v _S 分别与给定的有功功率以及给定的电压有效值P _ref 和V _ref 作比较。两个差值分别经过一个PID控制器，其输出分别为d轴电压参考值v _dref 和无功功率参考值Q _ref 。

3），将所述Q _ref 与计算所得的无功功率Q作比较，两者差值经PID调节器后的输出值为q轴电压参考值v _qref ；

4），将d轴和q轴的电压参考值转换为逆变器的输出电压参考值v _ref 再经限幅后作为SPWM调制波v _{_ref} ；

5），将所述v _{_ref} 与三角载波比较，得到所述单相电压源型逆变器模块的第一至第四开关管的驱动信号，控制逆变器模块的交流输出端输出电压的基波分量与所述电力弹簧电压相量v _ES 相位相同的交流电压。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、可以保证关键负载供电稳定

本系统旨在维持新能源并网时关键负载电压以及PCC点输入功率的稳定。如图3a、图3b、图3c所示，电网电压的有效值分别为200V、230V和250V，功率的给定为1600W到1100W，图3d和图3e分别为电网电压为200V和230V有效值时，功率给定分别从1600W到1100W再重新升到1600W和给定从8000W到2000W再升为8000W，五种情况下的关键负载处的电压有效值都稳定在220V且输入功率基本都能很好地跟上给定值。从图4a和图4b可以看出，关键负载处的功率基本稳定在给定值，其电网输入功率的波动值由电力弹簧装置和非关键负载分摊。

2、应用系统所需储能单元更少

传统的ESS装置在遇到大幅度的功率波动时，其所需要的储能单元也必须相应增大，而本系统所用的电力弹簧装置所采用的功率控制能瞬时转移功率的波动，从控制的角度提出了一种解决方案，因此其所需的储能电池体积相对较小。

3、实用性高、应用前景广泛

本发明重点解决新能源并网所带来的电压和功率波动问题，充分利用了新能源发电的电能，且系统简单可靠，有很高的实用价值和应用前景。

4、与低电压穿越技术联系紧密

若将风力发电并网变流器侧视作是用户用电设备的话，那么本发明中的功率控制系统将能作为解决低电压穿越的问题的方案之一。

附图说明

图1是本发明的电力弹簧系统结构图；

图2是本发明的电力弹簧系统的功率控制框图；

图3a、图3b、图3c、图3d、图3e本发明的电网电压三种不同情况下给定输入有功功率变化的仿真波形，依次是电网电压v _G 、有功功率给定P _ref 、有功功率输入P _in 、关键负载电压v _s 的仿真波形；

图4a和图4b是本发明的电网电压在200V且有功功率不同给定下的仿真波形对比图，依次是功率给定和测量功率P _ref &P、关键负载的有功功率P _CL 、电力弹簧的有功功率P _ES 及非关键负载有功功率P _NCL 的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制方法，针对新能源发电输出功率的不稳定引起的微电网电压和功率波动问题，提出一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制技术，能够将新能源发电电压及其功率的波动转移到电力弹簧装置以及非关键负载上，从而保证关键负载上的电压和功率的稳定。

如图1所示，一种基于功率控制的电力弹簧应用系统及其控制方法，所述电力弹簧应用系统包含传统发电输出电压源v _G 、线路电阻R ₁、线路电感L ₁、关键负载Z _C 、非关键负载Z _NC 、一个单相电力弹簧系统以及一个模拟新能源发电并网逆变器系统；所述单相电力弹簧系统包含一个单相电压源型逆变器模块、一个LC低通滤波器；所述逆变器模块的交流侧一端连接LC低通滤波器中L的一端；所述L的另一端不仅与电容C的一端相连，还与关键负载Z _C 的一端相连；所述电容C的另一端除了与非关键负载Z _NC 的一端相连，还与所述逆变器模块的交流侧的另一输出端相连；所述非关键负载Z _NC 的另一端接地；所述模拟新能源发电并网逆变器的输出端通过滤波电感L _f 连接在关键负载的一端，另一端接地；所述传统发电输出电压源v _G 与线路电阻R ₁和线路电感L ₁串联后连接到关键负载的一端，v _G 的另一端接地。所述单相电压源型逆变器模块的直流侧输入直流电。进一步的，逆变器模块的直流侧电压也可由蓄电池获得，该电压应大于311V。

为了分析方便，仿真时将关键负载和非关键负载等效为一个纯电阻。其中，逆变电路的直流侧电压为400V；LC滤波参数分别为3mH和50μF；关键负载Z _C 选取纯电阻44Ω，非关键负载12Ω的纯电阻Z _NC 代替，输电线及线路损耗用1Ω和2.5mH的串联组合等效，并网逆变器的直流侧电压为400V，线路电感为5mH，电网电压频率为50HZ，取逆变器中开关频率为10kHz。

如图2所示，稳压系统控制方法，采用有功、无功解耦控制，一个控制周期包括如下步骤：

该电力弹簧的应用系统的控制方法，采用有功、无功的双PID解耦控制，一个控制周期包括如下步骤：

1），采集关键负载的电压信号v _S 和公共连接点（PCC）处的电流值i，计算输入到电力弹簧系统的有功功率和无功功率；

2），将所采集的有功功率P以及电压信号v _S 分别与给定的有功功率以及给定的电压有效值P _ref 和V _ref 作比较。两个差值分别经过一个PID控制器，其输出分别为d轴电压参考值v _dref 和无功功率参考值Q _ref 。

3），将所述Q _ref 与计算所得的无功功率Q作比较，两者差值经PID调节器后的输出值为q轴电压参考值v _qref 。

4），将d轴和q轴的电压参考值转换为逆变器的输出电压参考值v _ref 再经限幅后作为SPWM调制波v _{_ref} ；

5），将上述v _{_ref} 与三角载波比较，得到单相电压源型逆变器模块的开关管S ₁₁ 、开关管S ₁₂ 、开关管S ₁₃ 、开关管S ₁₄ 的驱动信号：通过上述过程，使得逆变器模块输出的交流电压的基波分量与v _ES 相位相同；其中，三角载波的频率为10KHZ，峰峰值为2V，驱动信号的死区时间为2μs；逆变器的输入电压是由单相电网电压经过PWM整流器后接电解电容而获得；

6），此策略在保证了关键负载电压的稳定的同时维持了其输入功率的稳定，然后结束本次控制周期的控制流程，等待下一控制周期。

本发明的控制方法涉及到的有功、无功功率的解耦控制，通过d轴控制器控制电力弹簧装置以及非关键负载的有功功率，q轴控制器控制电力弹簧装置注入电网的无功功率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于功率控制的电力弹簧应用系统的控制方法，所述电力弹簧应用系统包含传统发电输出电压源v _G 、线路电阻R ₁、线路电感L ₁、关键负载Z _C 、非关键负载Z _NC 、一个单相电力弹簧系统以及一个模拟新能源发电并网逆变器系统，所述单相电力弹簧系统包含一个单相电压源型逆变器模块和一个LC低通滤波器，所述单相电压源型逆变器模块的交流侧一端连接LC低通滤波器中L的一端；所述L的另一端不仅与电容C的一端相连，还与关键负载Z _C 的一端相连，所述电容C的另一端除了与非关键负载Z _NC 的一端相连，还与所述单相电压源型逆变器模块的交流侧的另一输出端相连，所述非关键负载Z _NC 的另一端接地，所述模拟新能源发电并网逆变器系统包括模拟新能源发电并网逆变器，所述模拟新能源发电并网逆变器包括PWM逆变模块，所述模拟新能源发电并网逆变器的输出端通过滤波电感L _f 连接在关键负载Z _C 的一端，另一端接地，所述传统发电输出电压源v _G 与线路电阻R ₁和线路电感L ₁串联后连接到关键负载Z _C 的一端，v _G 的另一端接地，所述单相电压源型逆变器模块的直流侧输入直流电，所述单相电压源型逆变器模块含PWM整流模块，所述电力弹簧中的单相逆变器模块的输入侧直流电是由PWM整流模块提供，所述逆变器模块输入侧的直流电是经由PWM整流模块以及电解电容C _dc 提供，所述PWM整流模块的输入端与电网输出单相交流电相连，所述PWM整流模块的输出端连接逆变器模块的直流侧，电解电容C _dc 并联在所述PWM整流模块的输出端，所述单相电压源型逆变器模块、PWM整流模块以及PWM逆变模块的拓扑结构均是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，其特征在于，采用有功、无功的双PID解耦控制，一个控制周期包括如下步骤：

1），采集关键负载的电压信号v _S 和公共连接点PCC处的电流值i，计算输入到电力弹簧系统的有功功率和无功功率；

2），将所采集的有功功率P以及电压信号v _S 分别与给定的有功功率以及给定的电压有效值P _ref 和V _ref 作比较；

两个差值分别经过一个PID控制器，其输出分别为d轴电压参考值v _dref 和无功功率参考值Q _ref ；

3），将所述Q _ref 与计算所得的无功功率Q作比较，两者差值经PID调节器后的输出值为q轴电压参考值v _qref ；

4），将d轴和q轴的电压参考值转换为逆变器的输出电压参考值v _ref 再经限幅后作为SPWM调制波v _{_ref} ；

5），将所述v _{_ref} 与三角载波比较，得到所述单相电压源型逆变器模块的第一至第四开关管的驱动信号，控制逆变器模块的交流输出端输出电压的基波分量与所述电力弹簧电压相量v _ES 相位相同的交流电压；

6），此策略在保证了关键负载电压的稳定的同时维持了其输入功率的稳定，然后结束本次控制周期的控制流程，等待下一控制周期。

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