一種基於功率控制的電力彈簧應用系統及其控制方法與流程
2023-07-02 07:34:46 2
本發明涉及電力電子在電力系統中的應用領域，具體地說涉及一種基於功率控制的電力彈簧應用系統及其控制方法。
背景技術：
當今世界，能源危機和環境汙染問題日益突出，新能源的發展被各國紛紛提上了議程。因此，近些年來，新能源發電技術不斷進步，尤其風電產業更是突飛猛進。微電網是相對於大電網而言的，通過各種智能設備整合各種分布式發電資源以建立的一種新的發配電系統，是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與外部電網併網運行，也可以孤立運行。但是由於新能源的發電具有一定的隨機性和間接性，其輸出功率在實時地變化，這種變化一方面會在傳輸線路上引起一個電壓降落的變化，最終會引起負荷側母線電壓的變化，另一方面電能的供需平衡會被打破，造成母線電壓的頻率波動。這些問題的產生會對電能質量要求較高的關鍵負載（如醫院，信息中心等）造成巨大的影響。
針對此類問題，學者們已經提出各種方法來減輕新能源併網的負面影響以及改善電網的電能質量。為了解決新能源的電壓波動問題，一般採用靜止同步串聯補償器（staticsynchronousseriescompensator，sssc）和動態電壓存儲器（dynamicvoltagerestore，dvr）注入一個補償電壓。但是這些裝置的成本昂貴並且需要複雜的保護策略。當下比較熱門的另一種方法是採用能量存儲系統（energystoragesystem，ess），它可以有效地調節風力發電廠的功率波動問題。但是當輸出功率的波動十分巨大時，其所需要的ess也將十分巨大。同時，其所使用的電池不僅含有有毒材料，而且可靠性低，維護成本高。本發明中的功率控制裝置能有效解決上述問題，當新能源的輸出功率在一定範圍內波動時，可以有效就地管控新能源發電輸出的不穩定功率，從而保證pcc點電壓和頻率的穩定，提高電能質量。
技術實現要素：
為了解決上述存在的問題，本發明提供一種基於功率控制的電力彈簧應用系統及其控制方法，針對新能源發電輸出功率的不穩定引起的微電網電壓和功率波動問題，提出一種基於功率控制的電力彈簧應用系統及其控制技術，能夠將新能源發電電壓及其功率的波動轉移到電力彈簧裝置以及非關鍵負載上，從而保證關鍵負載上的電壓和功率的穩定,為達此目的，本發明提供一種基於功率控制的電力彈簧應用系統，所述電力彈簧應用系統包含傳統發電輸出電壓源vg、線路電阻r1、線路電感l1、關鍵負載zc、非關鍵負載znc、一個單相電力彈簧系統以及一個模擬新能源發電併網逆變器系統，其特徵在於：所述單相電力彈簧系統包含一個單相電壓源型逆變器模塊和一個lc低通濾波器，所述單相電壓源型逆變器模塊的交流側一端連接lc低通濾波器中l的一端；所述l的另一端不僅與電容c的一端相連，還與關鍵負載zc的一端相連，所述電容c的另一端除了與非關鍵負載znc的一端相連，還與所述單相電壓源型逆變器模塊的交流側的另一輸出端相連，所述非關鍵負載znc的另一端接地，所述模擬新能源發電併網逆變器系統包括模擬新能源發電併網逆變器，所述模擬新能源發電併網逆變器包括pwm逆變模塊，所述模擬新能源發電併網逆變器的輸出端通過濾波電感lf連接在關鍵負載zc的一端，另一端接地，所述傳統發電輸出電壓源vg與線路電阻r1和線路電感l1串聯後連接到關鍵負載zc的一端，vg的另一端接地，所述單相電壓源型逆變器模塊的直流側輸入直流電，所述單相電壓源型逆變器模塊含pwm整流模塊。
本發明的進一步改進，所述電力彈簧中的單相逆變器模塊的輸入側直流電是由pwm整流模塊提供。
本發明的進一步改進，所述逆變器模塊輸入側的直流電是經由pwm整流模塊以及電解電容cdc提供，所述pwm整流模塊的輸入端與電網輸出單相交流電相連，所述pwm整流模塊的輸出端連接逆變器模塊的直流側，電解電容cdc並聯在所述pwm整流模塊的輸出端。
本發明的進一步改進，所述單相電壓源型逆變器模塊、pwm整流模塊以及pwm逆變模塊的拓撲結構均是由反並聯二極體的第一至第四開關管構成的單相全橋電路。
基於功率控制的電力彈簧應用系統的控制方法，其特徵在於，採用有功、無功的雙pid解耦控制，一個控制周期包括如下步驟：
1），採集關鍵負載的電壓信號vs和公共連接點（pcc）處的電流值i，計算輸入到電力彈簧系統的有功功率和無功功率；
2），將所採集的有功功率p以及電壓信號vs分別與給定的有功功率以及給定的電壓有效值pref和vref作比較。兩個差值分別經過一個pid控制器，其輸出分別為d軸電壓參考值vdref和無功功率參考值qref。
3），將所述qref與計算所得的無功功率q作比較，兩者差值經pid調節器後的輸出值為q軸電壓參考值vqref；
4），將d軸和q軸的電壓參考值轉換為逆變器的輸出電壓參考值vref再經限幅後作為spwm調製波v_ref；
5），將所述v_ref與三角載波比較，得到所述單相電壓源型逆變器模塊的第一至第四開關管的驅動信號，控制逆變器模塊的交流輸出端輸出電壓的基波分量與所述電力彈簧電壓相量ves相位相同的交流電壓。
本發明和現有技術相比，具有如下優點：
1、可以保證關鍵負載供電穩定
本系統旨在維持新能源併網時關鍵負載電壓以及pcc點輸入功率的穩定。如圖3a、圖3b、圖3c所示，電網電壓的有效值分別為200v、230v和250v，功率的給定為1600w到1100w，圖3d和圖3e分別為電網電壓為200v和230v有效值時，功率給定分別從1600w到1100w再重新升到1600w和給定從8000w到2000w再升為8000w，五種情況下的關鍵負載處的電壓有效值都穩定在220v且輸入功率基本都能很好地跟上給定值。從圖4a和圖4b可以看出，關鍵負載處的功率基本穩定在給定值，其電網輸入功率的波動值由電力彈簧裝置和非關鍵負載分攤。
2、應用系統所需儲能單元更少
傳統的ess裝置在遇到大幅度的功率波動時，其所需要的儲能單元也必須相應增大，而本系統所用的電力彈簧裝置所採用的功率控制能瞬時轉移功率的波動，從控制的角度提出了一種解決方案，因此其所需的儲能電池體積相對較小。
3、實用性高、應用前景廣泛
本發明重點解決新能源併網所帶來的電壓和功率波動問題，充分利用了新能源發電的電能，且系統簡單可靠，有很高的實用價值和應用前景。
4、與低電壓穿越技術聯繫緊密
若將風力發電併網變流器側視作是用戶用電設備的話，那麼本發明中的功率控制系統將能作為解決低電壓穿越的問題的方案之一。
附圖說明
圖1是本發明的電力彈簧系統結構圖；
圖2是本發明的電力彈簧系統的功率控制框圖；
圖3a、圖3b、圖3c、圖3d、圖3e本發明的電網電壓三種不同情況下給定輸入有功功率變化的仿真波形，依次是電網電壓vg、有功功率給定pref、有功功率輸入pin、關鍵負載電壓vs的仿真波形；
圖4a和圖4b是本發明的電網電壓在200v且有功功率不同給定下的仿真波形對比圖，依次是功率給定和測量功率pref&p、關鍵負載的有功功率pcl、電力彈簧的有功功率pes及非關鍵負載有功功率pncl的仿真波形。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述：
本發明提供一種基於功率控制的電力彈簧應用系統及其控制方法，針對新能源發電輸出功率的不穩定引起的微電網電壓和功率波動問題，提出一種基於功率控制的電力彈簧應用系統及其控制技術，能夠將新能源發電電壓及其功率的波動轉移到電力彈簧裝置以及非關鍵負載上，從而保證關鍵負載上的電壓和功率的穩定。
如圖1所示，一種基於功率控制的電力彈簧應用系統及其控制方法，所述電力彈簧應用系統包含傳統發電輸出電壓源vg、線路電阻r1、線路電感l1、關鍵負載zc、非關鍵負載znc、一個單相電力彈簧系統以及一個模擬新能源發電併網逆變器系統；所述單相電力彈簧系統包含一個單相電壓源型逆變器模塊、一個lc低通濾波器；所述逆變器模塊的交流側一端連接lc低通濾波器中l的一端；所述l的另一端不僅與電容c的一端相連，還與關鍵負載zc的一端相連；所述電容c的另一端除了與非關鍵負載znc的一端相連，還與所述逆變器模塊的交流側的另一輸出端相連；所述非關鍵負載znc的另一端接地；所述模擬新能源發電併網逆變器的輸出端通過濾波電感lf連接在關鍵負載的一端，另一端接地；所述傳統發電輸出電壓源vg與線路電阻r1和線路電感l1串聯後連接到關鍵負載的一端，vg的另一端接地。所述單相電壓源型逆變器模塊的直流側輸入直流電。進一步的，逆變器模塊的直流側電壓也可由蓄電池獲得，該電壓應大於311v。
為了分析方便，仿真時將關鍵負載和非關鍵負載等效為一個純電阻。其中，逆變電路的直流側電壓為400v；lc濾波參數分別為3mh和50μf；關鍵負載zc選取純電阻44ω，非關鍵負載12ω的純電阻znc代替，輸電線及線路損耗用1ω和2.5mh的串聯組合等效，併網逆變器的直流側電壓為400v，線路電感為5mh，電網電壓頻率為50hz，取逆變器中開關頻率為10khz。
如圖2所示，穩壓系統控制方法，採用有功、無功解耦控制，一個控制周期包括如下步驟：
該電力彈簧的應用系統的控制方法，採用有功、無功的雙pid解耦控制，一個控制周期包括如下步驟：
1），採集關鍵負載的電壓信號vs和公共連接點（pcc）處的電流值i，計算輸入到電力彈簧系統的有功功率和無功功率；
2），將所採集的有功功率p以及電壓信號vs分別與給定的有功功率以及給定的電壓有效值pref和vref作比較。兩個差值分別經過一個pid控制器，其輸出分別為d軸電壓參考值vdref和無功功率參考值qref。
3），將所述qref與計算所得的無功功率q作比較，兩者差值經pid調節器後的輸出值為q軸電壓參考值vqref。
4），將d軸和q軸的電壓參考值轉換為逆變器的輸出電壓參考值vref再經限幅後作為spwm調製波v_ref；
5），將上述v_ref與三角載波比較，得到單相電壓源型逆變器模塊的開關管s11、開關管s12、開關管s13、開關管s14的驅動信號：通過上述過程，使得逆變器模塊輸出的交流電壓的基波分量與ves相位相同；其中，三角載波的頻率為10khz，峰峰值為2v，驅動信號的死區時間為2μs；逆變器的輸入電壓是由單相電網電壓經過pwm整流器後接電解電容而獲得；
6），此策略在保證了關鍵負載電壓的穩定的同時維持了其輸入功率的穩定，然後結束本次控制周期的控制流程，等待下一控制周期。
本發明的控制方法涉及到的有功、無功功率的解耦控制，通過d軸控制器控制電力彈簧裝置以及非關鍵負載的有功功率，q軸控制器控制電力彈簧裝置注入電網的無功功率。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非是對本發明作任何其他形式的限制，而依據本發明的技術實質所作的任何修改或等同變化，仍屬於本發明所要求保護的範圍。