CN112383057A - 基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电网电力参数设计领域，具体涉及一种计算更准确、可行性更强的基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法。本发明包括选择电网中任意一个节点为虚拟平衡节点，所有节点初始电压设为1，谐振网络的工作频率设为50Hz，采集每一个分布式电源的输入电压、输出功率，电网的输出电压，设定输出功率与工作频率之间的下垂系数m，输出功率与输入电压之间的下垂系数n，确定耦合机构的线圈内阻；计算载荷功率，并对电网进行潮流计算，确定互感参数上限和下限等。本发明准确性高、可行性强。针对下垂控制方式，参考了电抗器影响，使潮流计算结果精确性高，提出的设计框架具有通用性，使用者可将通用潮流计算方法纳入设计中。

Description

基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法

技术领域

本发明属于电网电力参数设计领域，具体涉及一种计算更准确、可行性更强的基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法。

背景技术

随着电网技术的普及，无线充电系统对于传统的电磁感应方式对线圈的对准位置有着严格要求，错位和偏离工作距离都会极大的影响电网效率，而且进行大功率输电时容易出现散热问题。相关技术中，发明人检索到201711052546.1的发明专利《一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法》，该发明提出一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法。该方法首先获取不同形状线圈的自感函数、自感修正系数、互感函数和互感修正系数速查表；对任意线圈，获取该线圈几何参数，根据线圈形状，利用几何参数和无量纲参数，通过速查表得到该线圈的自感函数，自感修正系数，互感函数和互感修正系数；最后利用公式，计算得到该线圈的电性能参数。但是传统电网的分布式电源，由于电抗器的作用，在探测电网潮流时，忽略了电抗器的压降，进而为电网的互感和自感检测调整带来误差。而现有技术常常只针对一种到两种电网潮流算法求解，且方法复杂，不适用于工业场景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法，包括如下步骤：

(1)选择电网中任意一个节点为虚拟平衡节点，所有节点初始电压设为1，谐振网络的工作频率设为50Hz，采集每一个分布式电源的输入电压、输出功率，电网的输出电压，设定输出功率与工作频率之间的下垂系数m，输出功率与输入电压之间的下垂系数n，确定耦合机构的线圈内阻；

(2)计算载荷功率，并对电网进行潮流计算，确定互感参数上限和下限；

(3)根据互感参数上限和下限确定互感值范围，取互感值范围的中间值为设计的互感值参数；

(4)计算虚拟平衡节点的输出功率P_s，若P_s<ε，则执行步骤(5)，否则更新工作频率f和每一个分布式电源的输出功率P_G，重新执行步骤(2)；ε为输出功率阈值；

(5)计算变换器电压U_B，根据电压U_B与无功P_s之间的下垂关系计算分布式电源发出的输出功率P_G；

(6)计算谐振网络完全补偿下导致的频率偏移确定耦合系数，以及最终的电网的输出电压、电网的传输效率和电网最佳负载；

(7)再次对电网进行潮流计算，计算系统最大效率时系统的输出功率P_OUT，若|P_OUT|＜ε，则根据电压增益、耦合系数、互感值确定电网自感与耦合系数的关系；否则更新虚拟平衡节点电压，更新电网工作频率，以及分布式电源额定无功功率，重新执行步骤(2)。

所述的分布式电源的输入电压V1为：

V₁＝I₁R₁-jωMI₂

I₁为分布式电源的输入电流，R₁为分布式电源的电阻，ω电网的固有谐振角频率，j为电网的虚部，M为互感系数，I₂为补偿机构的输出电流；

jωMI₂＝I₂(R₂+R_Le)

R₂为补偿机构的电阻，R_Le为补偿机构的最佳负载；

V₂＝I₂R_Le

V₂为补偿机构的输出电压。

电网的输出电压V₀为：

D为分布式电源与补偿机构的最短直线距离。

虚拟平衡节点承担的输出功率P_s为：

P_s＝Re(V_s∑I_s ^*)-P_GS+P_LS

其中V_s为虚拟平衡节点电压，I_s为与虚拟平衡节点连接支路的电流，P_GS接有虚拟平衡节点的分布式电源的功率，P_LS为载荷功率。

在谐振网络完全补偿的情况下，最终的电网的输出电压V₀为

电网的传输效率为：

η为系统效率，P_OUT为系统输出功率；

电网最佳负载为：

Buck-boost的开关管的电阻与R_Le的关系为：

R_L为Buck-boost的开关管的虚拟电阻。

系统最大效率时系统的输出功率为：

系统的效率与M关系为：

V₂与V₁的比值作为电压增益G_V：

ω₀为谐振补偿网络的固有谐振角频率，L₁、L₂为发射线圈和接收线圈的自感；电网工作频率为f，谐振补偿网络固有频率为f₀；

自感与耦合系数的关系：

更新频率f满足：

f＝f^*-m(P_GS-P_ref)

其中P_ref为分布式电源功率额定值，f^*为额定频率。

电网变换电路出口电压E满足：

E＝V_i+jI_iX_Li

其中V_i为逆变器端电压，由潮流计算获得，X_Li为电抗器的电抗值，I_i为逆变器电流；

所述分布式电源额定无功功率Q_GS为：

本发明的有益效果在于：本发明提供一种根据系统输出功率和传输效率的要求来设计耦合机构互感和自感值的方法，准确性高、可行性强。本发明针对下垂控制方式，参考了电抗器影响，使潮流计算结果精确性高，节点电压值的最大绝对误差为0.0001，提出的设计框架具有通用性，不限于任何一种潮流计算方法，使用者可将通用潮流计算方法纳入设计中。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是电网输出功率、输出电压和电网效率占空比变化的曲线图。

图3是电网负载电阻占空比变化的曲线图。

图4是电网输出功率随互感变化的曲线图。

图5是电网最大效率点随互感变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法，包括如下步骤：

(1)选择电网中任意一个节点为虚拟平衡节点，所有节点初始电压设为1，谐振网络的工作频率设为50Hz，采集每一个分布式电源的输入电压、输出功率，电网的输出电压，设定输出功率与工作频率之间的下垂系数m，输出功率与输入电压之间的下垂系数n，确定耦合机构的线圈内阻；分布式电源的输入电压V₁为：

V₁＝I₁R₁-jωMI₂

I₁为分布式电源的输入电流，R₁为分布式电源的电阻，ω电网的固有谐振角频率，j为电网的虚部，M为互感系数，I₂为补偿机构的输出电流；

jωMI₂＝I₂(R₂+R_Le)

R₂为补偿机构的电阻，R_Le为补偿机构的最佳负载；

V₂＝I₂R_Le

V₂为补偿机构的输出电压。

电网的输出电压V₀为：

D为分布式电源与补偿机构的最短直线距离。

(2)计算载荷功率，并对电网进行潮流计算，确定互感参数上限和下限；

(3)根据互感参数上限和下限确定互感值范围，取互感值范围的中间值为设计的互感值参数；

(4)计算虚拟平衡节点的输出功率P_s，若P_s＜ε，则执行步骤(5)，否则更新工作频率f和每一个分布式电源的输出功率P_G，重新执行步骤(2)；ε为输出功率阈值；

虚拟平衡节点承担的输出功率P_s为：

P_s＝Re(V_s∑I_s ^*)-P_GS+P_LS

其中V_s为虚拟平衡节点电压，I_s为与虚拟平衡节点连接支路的电流，P_GS接有虚拟平衡节点的分布式电源的功率，P_LS为载荷功率。

(5)计算变换器电压U_B，根据电压U_B与无功P_s之间的下垂关系计算分布式电源发出的输出功率P_G；

(6)计算谐振网络完全补偿下导致的频率偏移确定耦合系数，以及最终的电网的输出电压、电网的传输效率和电网最佳负载；

在谐振网络完全补偿的情况下，最终的电网的输出电压V₀为

电网的传输效率为：

η为系统效率，P_OUT为系统输出功率；

电网最佳负载为：

Buck-boost的开关管的电阻与R_Le的关系为：

R_L为Buck-boost的开关管的虚拟电阻。

(7)再次对电网进行潮流计算，计算系统最大效率时系统的输出功率P_OUT，若|P_OUT|＜ε，则根据电压增益、耦合系数、互感值确定电网自感与耦合系数的关系；否则更新虚拟平衡节点电压，更新电网工作频率，以及分布式电源额定无功功率，重新执行步骤(2)。

系统最大效率时系统的输出功率为：

系统的效率与M关系为：

V₂与V₁的比值作为电压增益G_V：

ω₀为谐振补偿网络的固有谐振角频率，L₁、L₂为发射线圈和接收线圈的自感；电网工作频率为f，谐振补偿网络固有频率为f₀；

自感与耦合系数的关系：

更新频率f满足：

f＝f^*-m(P_GS-P_ref)

其中P_ref为分布式电源功率额定值，f^*为额定频率。

电网变换电路出口电压E满足：

E＝V_i+jI_iX_Li

其中V_i为逆变器端电压，由潮流计算获得，X_Li为电抗器的电抗值，I_i为逆变器电流；

所述分布式电源额定无功功率Q_GS为：

针对本发明方法，发明人通过模拟计算，进行试验验证，模拟电网的线路阻抗及初始负荷参数如下。

本次模拟的电网包含分布式电源5个、支路32条、基准电压12.6kV、三相功率准值取10MVA。其中选择节点1为虚拟平衡节点，各个节点电压初始值为1，频率初始值为1，5个电源额定功率标么值都为0.8+j0.8,下垂系数m分别取0.5,1.2,0.2,1.2,0.2；取m＝n。负荷系数取0.3。由于初始系统频率为1，负荷功率不变。选择前推回代潮流算法进行计算，求得系统中各个节点电压，支路电流。下表为本发明方法的结果与PSCAD软件仿真结果的对比，可看出最大电压幅值误差为0.0001，表明算法精确度高。与现有技术方法的计算结果相比，最大电压幅值误差为0.004。

本发明的结果与PSCAD仿真结果的对比

相比于现有技术，本发明提供一种根据系统输出功率和传输效率的要求来设计耦合机构互感和自感值的方法，由于通过电网的潮流计算，以及虚拟平衡点和谐振补偿网络的配合，使互感自感参数的计算准确性更高、可行性更强强。同时针对下垂控制方式，由于本发明整体设计方案与现有技术均是有区别的，而本发明参考了电抗器影响，对于本领域将技术人员是难以获得技术启示的，因此使潮流计算结果精确性高，节点电压值的最大绝对误差为0.0001，同时，本发明提出的设计框架具有通用性，不限于任何一种潮流计算方法，使用者可将通用潮流计算方法纳入设计中。综上所述，本发明具备充足的创造性。

Claims (9)

1.一种基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)选择电网中任意一个节点为虚拟平衡节点，所有节点初始电压设为1，谐振网络的工作频率设为50Hz，采集每一个分布式电源的输入电压、输出功率，电网的输出电压，设定输出功率与工作频率之间的下垂系数m，输出功率与输入电压之间的下垂系数n，确定耦合机构的线圈内阻；

(2)计算载荷功率，并对电网进行潮流计算，确定互感参数上限和下限；

(3)根据互感参数上限和下限确定互感值范围，取互感值范围的中间值为设计的互感值参数；

(4)计算虚拟平衡节点的输出功率P_s，若P_s<ε，则执行步骤(5)，否则更新工作频率f和每一个分布式电源的输出功率P_G，重新执行步骤(2)；ε为输出功率阈值；

(5)计算变换器电压U_B，根据电压U_B与无功P_s之间的下垂关系计算分布式电源发出的输出功率P_G；

(6)计算谐振网络完全补偿下导致的频率偏移确定耦合系数，以及最终的电网的输出电压、电网的传输效率和电网最佳负载；

(7)再次对电网进行潮流计算，计算系统最大效率时系统的输出功率P_OUT，若|P_OUT|<ε，则根据电压增益、耦合系数、互感值确定电网自感与耦合系数的关系；否则更新虚拟平衡节点电压，更新电网工作频率，以及分布式电源额定无功功率，重新执行步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法，其特征在于：所述的分布式电源的输入电压V₁为：

V₁＝I₁R₁-jωMI₂

I₁为分布式电源的输入电流，R₁为分布式电源的电阻，ω电网的固有谐振角频率，j为电网的虚部，M为互感系数，I₂为补偿机构的输出电流；

jωMI₂＝I₂(R₂+R_Le)

R₂为补偿机构的电阻，R_Le为补偿机构的最佳负载；

V₂＝I₂R_Le

V₂为补偿机构的输出电压。

3.根据权利要求1所述的基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法，其特征在于：电网的输出电压V₀为：

D为分布式电源与补偿机构的最短直线距离。

4.根据权利要求1所述的基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法，其特征在于：

虚拟平衡节点承担的输出功率P_s为：

P_s＝Re(V_s∑I_s ^*)-P_GS+P_LS

其中V_s为虚拟平衡节点电压，I_s为与虚拟平衡节点连接支路的电流，P_GS接有虚拟平衡节点的分布式电源的功率，P_LS为载荷功率。

5.根据权利要求1所述的基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法，其特征在于：在谐振网络完全补偿的情况下，最终的电网的输出电压V₀为

电网的传输效率为：

η为系统效率，P_OUT为系统输出功率；

电网最佳负载为：

6.根据权利要求5所述的基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法，其特征在于：

Buck-boost的开关管的电阻与R_Le的关系为：

R_L为Buck-boost的开关管的虚拟电阻。

7.根据权利要求1所述的基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法，其特征在于：

系统最大效率时系统的输出功率为：

系统的效率与M关系为：

8.根据权利要求1所述的基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法，其特征在于：

V₂与V₁的比值作为电压增益G_V：

ω₀为谐振补偿网络的固有谐振角频率，L₁、L₂为发射线圈和接收线圈的自感；电网工作频率为f，谐振补偿网络固有频率为f₀；

自感与耦合系数的关系：

更新频率f满足：

f＝f^*-m(P_GS-P_ref)

其中P_ref为分布式电源功率额定值，f^*为额定频率。

9.根据权利要求1所述的基于电网潮流的电力耦合系统互感和自感设计方法，其特征在于：

电网变换电路出口电压E满足：

E＝V_i+jI_iX_Li

其中V_i为逆变器端电压，由潮流计算获得，X_Li为电抗器的电抗值，I_i为逆变器电流；

所述分布式电源额定无功功率Q_GS为：

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