CN113595112B - 一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器，与可再生能源和可调控负荷相结合，构成一个自主的功率转换系统，用于交流微电网的并网功率控制和电池能量管理。这样的集成配置可以同时控制电池电量，负荷功率和并网功率。本发明扩展了负荷侧调控的工作区域，并降低了接入大量可再生能源的交流微电网的所需储能容量。讨论了负载侧调控变流器的电路工作原理和控制算法。通过对负载侧调控变流器的稳态分析，证明了其扩展的工作范围。在110v交流微电网中，验证了所提出的负载侧调控变流器的并网功率控制和平均电池电流控制功能。

Description

一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器
技术领域
本发明属于电网电路技术领域，具体涉及一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器。
背景技术
现代电力系统正在从单向大容量发电向包含可再生能源发电源的双向分布式发电发展。一方面由于可再生能源发电源的集成，发电端变得越来越随机。另一方面随着转换器接口设备的增加，需求端变得更加可控。因此，有人建议应在电网的需求侧实施控制智能，以减少用于适应可再生能源发电源变化的存储投资。通常交流微电网可以看作是一组低压外围设备，用于辅助电力系统的能量管理。
可用于交流微电网能量管理的设备包括电池储能系统、可控发电和可控负载。逆变器接口的电池储能系统通常用于缓冲间歇可再生能源发电源。随着可再生能源发电源规模的扩大，所需的蓄电池容量也随之增加，这就增加了投资成本。此外，电池的功率流必须适应电网和可再生能源发电源的功率波动，这会导致电池的次优运行，增加电池的存储容量。可控发电，如PVs和变频器接口的风力涡轮机，可以通过控制来调节微电网的电压和频率。然而，当RGs远离最大功率点跟踪(MPPT)模式运行时，会导致能量收集效率低下，从而延长可再生能源发电源投资成本的回收期。一些可调控负荷，如热水器和热泵，对施加电压的要求较宽松，可以作为智能负荷进行控制，以缓冲电网的功率波动。这种负载控制方法的好处是减少了存储容量。
需求侧管理技术是一种有效补偿微电网间歇可再生能源发电的技术。通过改变可调控负荷的能量消耗可以增加需求侧消纳系统不稳定能量的能力，从而降低电网所需储能容量，以缓冲微电网的功率不平衡。现有的负荷侧调控变流器体积庞大，结构复杂，成本高昂，并不适用于现代工业应用。此外，现有的变换器拓扑结构不能同时解耦电池电源和负载功率，这阻碍了对电池SoC和电网电源的同时控制。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器。
本发明采用如下技术方案：
一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器，包括：可再生能源发电源RGs、直流电源VB、电容C、C1和C2、场效应晶体管S1-S4、电感Lu和Ld、电阻ZN和ZC及电网；
其中，可再生能源发电源RGs连接于直流电源VB的两端，电容C1和C2串联后连接于直流电源VB的两端；场效应晶体管S3的源极和场效应晶体管S4的漏极连接，场效应晶体管S3的漏极连接至电容C1，场效应晶体管S4的源极连接至电容C2；场效应晶体管S1的源极和场效应晶体管S2的漏极连接，场效应晶体管S1的漏极连接至电容C1，场效应晶体管S2的源极连接至电容C2；电感Lu一端连接于电容C的一端，另一端连接于场效应晶体管S1的源极和场效应晶体管S1的的漏极的连接点p；电感Ld一端连接于电容C的另一端，另一端连接于场效应晶体管S3的源极和场效应晶体管S4的漏极的连接点n；电阻ZN一端连接于电感Ld与电容C的连接点l，另一端连接于电容C1和C2串联的连接点g；电阻ZC一端连接于电容C与电感Lu连接的连接点s，另一端连接至电容C1和C2串联的连接点g；电网连接至电阻ZC的两端。
进一步地，节点s和l分别连接到电网的公共耦合点位置和负荷的阳极，施加调谐电压vc来调整负荷功率Pnc。
进一步地，复合型负载侧调控变流器中除可再生能源发电源RGs、电阻ZC及电网之外的部分称为负载侧调控变流器，负载侧调控变流器由两个开关支路p和n以及一个电容支路g组成，通过两个同相锯齿载波调制开关支路p和n，开关变量Sx＝[1，0]表示开关Sx的开启和关闭状态，向量S＝[S1，S2，S3，S4]用于识别开关状态，负载侧调控变流器的开关状态用于实现并网功率控制和可调控负荷功率控制的功能。
进一步地，支路p和g构成半桥变换器，在线电流的正周期(is>0)中，is将给上部电容器C1充电，当直流链路电压被箝位到电池电压VB时，将产生顺时针循环电流；此时，蓄电池充电，电容器C2放电；C2由is放电，将产生逆时针循环电流，蓄电池放电，C1充电。
进一步地，通过控制开关支路p的占空比来控制并网功率，通过控制开关支路n的占空比来调节负荷的功率。
本发明涉及一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器，与可再生能源发电源和可调控负荷相结合，构成一个自主的功率转换系统，用于交流微电网的并网功率控制和储能。这样的集成配置可以同时控制电池电源，可调控负荷电源和并网电源。本发明扩展了变换器的工作区域，以提供所需的并网电源，并降低了交流微电网的存储容量。讨论了负载侧调控变流器的电路工作原理和控制算法。通过对负载侧调控变流器的稳态分析，证明了其扩展的工作范围。在110v交流微电网中，验证了所提出的负载侧调控变流器的并网功率控制和平均电池电流控制功能。通过对110v交流微电网的仿真，验证了负载侧调控变流器的减储性能。
附图说明
图1是本发明提供的一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器的结构示意图。
图2是本发明提供的一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器中运行可调控负荷功率控制时第一状态的示意图。
图3是本发明提供的一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器中运行可调控负荷功率控制时第二状态的示意图。
图4是本发明提供的一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器中运行可调控负荷功率控制时第三状态的示意图。
图5是本发明提供的一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器中运行可调控负荷功率控制时第四状态的示意图。
图6是本发明提供的一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器中运行并网功率控制时第一状态的示意图。
图7是本发明提供的一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器中运行并网功率控制时第二状态的示意图。
图8是本发明提供的一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器中负载侧调控变流器集成系统的平均等效电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都将属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器，包括：可再生能源发电源RGs、直流电源VB、电容C、C1和C2、场效应晶体管S1-S4、电感Lu和Ld、电阻ZN和ZC及电网；
其中，可再生能源发电源RGs连接于直流电源VB的两端，电容C1和C2串联后连接于直流电源VB的两端；场效应晶体管S3的源极和场效应晶体管S4的漏极连接，场效应晶体管S3的漏极连接至电容C1，场效应晶体管S4的源极连接至电容C2；场效应晶体管S1的源极和场效应晶体管S2的漏极连接，场效应晶体管S1的漏极连接至电容C1，场效应晶体管S2的源极连接至电容C2；电感Lu一端连接于电容C的一端，另一端连接于场效应晶体管S1的源极和场效应晶体管S1的的漏极的连接点p；电感Ld一端连接于电容C的另一端，另一端连接于场效应晶体管S3的源极和场效应晶体管S4的漏极的连接点n；电阻ZN一端连接于电感Ld与电容C的连接点l，另一端连接于电容C1和C2串联的连接点g；电阻ZC一端连接于电容C与电感Lu连接的连接点s，另一端连接至电容C1和C2串联的连接点g；电网的正负极连接至电阻ZC的两端。
进一步地，节点s和l分别连接到电网的公共耦合点位置和负荷的阳极，施加调谐电压vc来调整负荷功率Pnc。
进一步地，复合型负载侧调控变流器中除可再生能源发电源RGs、电阻ZC及电网之外的部分称为负载侧调控变流器，负载侧调控变流器由两个开关支路p和n以及一个电容支路g组成，通过两个同相锯齿载波调制开关支路p和n，开关变量Sx＝[1，0]表示开关Sx的开启和关闭状态，向量S＝[S1，S2，S3，S4]用于识别开关状态，负载侧调控变流器的开关状态用于实现并网功率控制和可调控负荷功率控制的功能。
进一步地，支路p和g构成半桥变换器，在线电流的正周期(is>0)中，is将给上部电容器C1充电，当直流链路电压被箝位到电池电压VB时，将产生顺时针循环电流；此时，蓄电池充电，电容器C2放电；C2由is放电，将产生逆时针循环电流，蓄电池放电，C1充电。
进一步地，通过控制开关支路p的占空比来控制并网功率，通过控制开关支路n的占空比来调节负荷的功率。
在本发明中，除非另有说明，大写变量下标小写表示直流和交流信号的组合，而全大写和全小写变量分别表示纯直流和纯交流信号。可调控负荷ZN通常是电热负载，为便于分析，可近似为纯电阻负载RN。
图2-图5是开关支路p和n在不同开关变量情况下是对应的电路通路情况。图2：状态1，S＝(1，0，1，0)；图3：状态2，S＝(1，0，0，1)；图4：状态3，S＝(0，1，1，0)；图5：状态4，S＝(0，1，0，1)。
图2-5展示了出运行可调控负荷功率控制时负载侧调控变流器开关状态。分支p和n以及直流连接电池构成变换器，与非临界可调控负荷串联。状态1和4为自由转动状态，此时可调控负荷电流将通过上部开关(S1和S3)和下部开关(S2和S4)绕过直流链路。状态2为去除负荷状态，蓄电池充电，Pnc低于标称值。状态3是负载提升状态，蓄电池放电以提升可调控负荷。
图6和图7展示运行并网功率控制时负载侧调控变流器开关状态。支路p和g构成半桥变换器。在线电流的正周期(is>0)中，状态1和2是功率存储状态。is将给上部电容器C1充电。当直流链路电压被箝位到电池电压VB时，将产生顺时针循环电流(图6中所示的虚线箭头)。因此，蓄电池充电，电容器C2放电。状态3和4是能量传递状态。C2由is放电，将产生逆时针循环电流(图7中的虚线箭头)。蓄电池放电，C1充电。在is的负循环中，充电和放电操作相应地反转。状态1和2成为功率传送状态，而状态3和4成为功率存储状态。
通过平均图8所示的开关状态，可以导出负载侧调控变流器集成系统的简化等效电路。在一个切换周期T内，Lu和Ld的等效串联电阻ESR分别表示为ru和rd。两个桥支路的等效电压源EVS分别表示为vp和vn。
通过将上部开关的占空比表示为dp和dn，图8所示的等效电压源电压可以表示为
因此，基尔霍夫电压定律函数沿着路径s-ru-Lu-vp-C1-g可以写成
其中iLu可以表示为
将式2重新写为拉普拉斯形式，则回路s-C-l-rd-ld-vn-C1-g可表示为
可调控负荷电流inc可算得
vc可表示为拉普拉斯格式为
结合式4、5，分裂直流链存储电容器ig的电流可算得
通过将蓄电池电压近似为恒定直流电压，ig可表示为
节点g处的基尔霍夫电流定律函数可以表示为
vc由dn根据式6控制，inc变为可控以实现智能负载配置。由于滤波电容C非常小，其电流可以忽略不计，因此iLu可以表示为
在忽略开关损耗和滤波元件功率的情况下，负载侧调控变流器的功率守恒可以表示为
Ps+Prn＝Pb+Pnc
根据式11，并网电源和RGs电源在负载侧调控变流器电池和可调控负荷之间共享。Pnc可以缓冲Prn的波动部分，从而获得稳定的并网功率Ps和理想的电池功率Pb，最终可以实现电池的优化操作。式3、6从数学上描述了所提出电路的动力学。dp可用于控制Ps，为电网提供所需的有功和无功功率。可以控制dn来调节Pb，从而调节电池荷电状态SoC。
本发明提出了一种适用于交流微电网的并网功率控制和储能容量降低的负载侧调控变流器。与传统的电池储能系统类似，负载侧调控变流器系统可以为交流微电网提供可控的潮流，并将可再生能源发电源接入电网。此外，通过对可调控负荷电源的实时操作，可以灵活地控制负载侧调控变流器的电池荷电状态SoC。通过可调控负荷的升压和降压，防止可再生能源发电源的浪涌和下降引起蓄电池的过充和过放电。电池荷电状态SoC将被限制在预定的临界区域内，并网功率可以调节到期望值。结果表明所提出的负载侧调控变流器可以延长电池寿命，并降低交流微电网的存储容量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器，其组成包括：可再生能源发电源RGs、直流电源VB、电容C、C1和C2、场效应晶体管S1-S4、电感Lu和Ld、电阻ZN和ZC及电网；
其中，可再生能源发电源RGs连接于直流电源VB的两端，电容C1和C2串联后连接于直流电源VB的两端；场效应晶体管S3的源极和场效应晶体管S4的漏极连接，场效应晶体管S3的漏极连接至电容C1，场效应晶体管S4的源极连接至电容C2；场效应晶体管S1的源极和场效应晶体管S2的漏极连接，场效应晶体管S1的漏极连接至电容C1，场效应晶体管S2的源极连接至电容C2；电感Lu一端连接于电容C的一端，另一端连接于场效应晶体管S1的源极和场效应晶体管S1的的漏极的连接点p；电感Ld一端连接于电容C的另一端，另一端连接于场效应晶体管S3的源极和场效应晶体管S4的漏极的连接点n；电阻ZN一端连接于电感Ld与电容C的连接点l，另一端连接于电容C1和C2串联的连接点g；电阻ZC一端连接于电容C与电感Lu连接的连接点s，另一端连接至电容C1和C2串联的连接点g；电网的正负极连接至电阻ZC的两端；
支路p和g构成半桥变换器，在线电流的正周期is>0中，is将给上部电容器C1充电，当直流链路电压被箝位到电池电压VB时，将产生顺时针循环电流；此时，蓄电池充电，电容器C2放电；C2由is放电，将产生逆时针循环电流，蓄电池放电，C1充电；
通过控制开关支路p的占空比来控制并网功率，通过控制开关支路n的占空比来调节负荷的功率；
在一个切换周期T内，Lu和Ld的等效串联电阻ESR分别表示为ru和rd；两个桥支路的等效电压源EVS分别表示为vp和vn；
通过将上部开关的占空比表示为dp和dn，等效电压源电压表示为
因此，基尔霍夫电压定律函数沿着路径s-ru-Lu-vp-C1-g写成
其中iLu表示为
将式(2)重新写为拉普拉斯形式，则回路s-C-l-rd-ld-vn-C1-g表示为
可调控负荷电流inc算得
vc表示为拉普拉斯格式为
结合式4、5，分裂直流链存储电容器ig的电流算得
通过将蓄电池电压近似为恒定直流电压，ig表示为
节点g处的基尔霍夫电流定律函数表示为
vc由dn根据式6控制，inc变为控以实现智能负载配置；由于滤波电容C非常小，其电流忽略不计，因此iLu表示为
iLu≈is＝inc+ig. (10)
在忽略开关损耗和滤波元件功率的情况下，负载侧调控变流器的功率守恒可以表示为
Ps+Prn＝Pb+Pnc
根据式11，并网电源和RGs电源在负载侧调控变流器电池和可调控负荷之间共享；Pn缓冲Prn的波动部分，从而获得稳定的并网功率Ps和理想的电池功率Pb，最终实现电池的优化操作；式3、6从数学上描述所提出电路的动力学；dp用于控制Ps，为电网提供所需的有功和无功功率；控制dn来调节Pb，从而调节电池荷电状态SoC。
2.根据权利要求1所述的减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器，其特征在于，节点s和l分别连接到电网的公共耦合点位置和负荷的线电压端，施加调谐电压vc来调整负荷功率Pnc。
3.根据权利要求1所述的减少电网储能容量要求的复合型负载侧调控变流器，其特征在于，复合型负载侧调控变流器中除可再生能源发电源RGs、电阻ZC及电网之外的部分称为负载侧调控变流器，负载侧调控变流器由两个开关支路p和n以及一个电容支路g组成，通过两个同相锯齿载波调制开关支路p和n，开关变量Sx＝[1，0]表示开关Sx的开启和关闭状态，向量S＝[S1，S2，S3，S4]用于识别开关状态，负载侧调控变流器的开关状态用于实现并网功率控制和可调控负荷功率控制的功能。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Hybrid-DC Electric Springs for DC Voltage Regulation and Harmonic Cancellation in DC Microgrids;Ming-Hao Wang等;《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》;第33卷(第02期);Ming-Hao Wang等 *

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