一種三相電力彈簧拓?fù)浼捌湎辔豢刂品椒ㄅc流程

本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三相電力彈簧拓?fù)浼捌湎辔豢刂品椒ā?/p>

背景技術(shù)：

當(dāng)前，將風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性能源更充分并網(wǎng)消納是解決傳統(tǒng)的一次能源儲(chǔ)量限制及其燃燒帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵。然而，新能源的間歇性和不穩(wěn)定性使得發(fā)電側(cè)的總發(fā)電容量難以得到準(zhǔn)確的預(yù)估，用電負(fù)荷決定發(fā)電量的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)控制方法又很難從根本上解決上述問(wèn)題。

電力彈簧(Electric Spring，ES)概念的提出顛覆了電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)思路，可以實(shí)現(xiàn)用電量隨發(fā)電量的變化而變化，上述問(wèn)題將迎刃而解。ES裝置將電力系統(tǒng)中的負(fù)載定義為兩種類型：一類為關(guān)鍵負(fù)載，其端電壓僅允許在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)；另一類為非關(guān)鍵負(fù)載，其端電壓可以在相對(duì)較大的范圍內(nèi)波動(dòng)。ES通過(guò)將電壓(能量)的波動(dòng)轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負(fù)載上的方式實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵負(fù)載端電壓的穩(wěn)定，并自動(dòng)調(diào)節(jié)非關(guān)鍵負(fù)載的耗電量，實(shí)現(xiàn)發(fā)電量與用電量的自動(dòng)匹配。遍布于電網(wǎng)的ES在每一個(gè)負(fù)載節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，單個(gè)ES的故障不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，高度的容錯(cuò)能力使得電力彈簧在新能源發(fā)電并網(wǎng)尤其是微電網(wǎng)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

當(dāng)前的ES拓?fù)錇閱蜗嘟Y(jié)構(gòu)，僅能在單相系統(tǒng)中進(jìn)行電壓和用電量的調(diào)節(jié)，這種拓?fù)溥m用于單相供電的家庭供電系統(tǒng)，但在實(shí)際應(yīng)用中，很多場(chǎng)合下為三相四線制供電，若仍然只考慮單相結(jié)構(gòu)則會(huì)極大的限制ES的應(yīng)用范圍。例如，在采用三相供電的大型樓宇供電系統(tǒng)中，當(dāng)前的ES無(wú)法發(fā)揮作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種三相ES的拓?fù)浼捌湎辔豢刂品椒?，能夠在每一相中將電網(wǎng)電壓及功率波動(dòng)轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負(fù)載上，在保證非關(guān)鍵負(fù)載上電壓穩(wěn)定的同時(shí)具有平衡三相負(fù)載、減小不平衡電流的作用，同時(shí)三相ES本身僅有無(wú)功功率的交換。

技術(shù)方案：

有益效果：本發(fā)明所提出的三相ES及其相位控制方法，能夠使得不管新能源發(fā)出的有功功率如何變化，非關(guān)鍵負(fù)載均能將其消納，從而維持關(guān)鍵負(fù)載上的電壓恒定。本發(fā)明和現(xiàn)有的單相ES相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、能在三相電力輸配電系統(tǒng)中完成發(fā)電功率和負(fù)荷功率的自動(dòng)匹配

現(xiàn)有的單相ES結(jié)構(gòu)僅能在單相系統(tǒng)中完成功率的自動(dòng)平衡與分配，大多數(shù)家庭用戶為單相供電，但是目前的樓宇供電系統(tǒng)等較大容量用戶多采用三相四線制供電方式，在這樣的應(yīng)用場(chǎng)合中，普通單相電力彈簧的使用了受到了極大的限制，而三相電力彈簧的提出則可以在上述使用條件下彌補(bǔ)單相電力彈簧的短板。

2、能抑制不平衡電流，實(shí)現(xiàn)三相系統(tǒng)中的負(fù)載均衡

由于三相供電系統(tǒng)中存在三相電壓不平衡或負(fù)載不平衡等問(wèn)題，電網(wǎng)中的三相不平衡電流是普遍存在的，不平衡電流會(huì)增加線路及變壓器的銅損，增加變壓器的鐵損，降低變壓器的出力甚至?xí)绊懽儔浩鞯陌踩\(yùn)行。單相ES無(wú)法有效解決三相系統(tǒng)中的問(wèn)題，而三相ES裝置的使用可以有效的抑制不平衡電流，減輕上述危害。

3、實(shí)用性高、應(yīng)用前景廣闊，易于推廣

三相ES的核心硬件裝置是三相電壓源型逆變器，該裝置技術(shù)成熟，使用廣泛，成本相對(duì)較低，在具體推廣的過(guò)程中，三相ES的搭建可以三相電壓源型逆變器為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展，因而三相ES具有搭建簡(jiǎn)單，易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的三相ES拓?fù)淇偨Y(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的三相ES拓?fù)淇偪刂瓶驁D；

圖3是本發(fā)明的同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)框圖；

圖4是當(dāng)三相電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)工作的波形，依次是三相電網(wǎng)電壓V_G、三相電壓正序分量V_P、鎖相環(huán)輸出相位和鎖相環(huán)輸出頻率的仿真波形；

圖5是當(dāng)三相電網(wǎng)電壓不平衡，但負(fù)載均衡的仿真波形圖時(shí)，依次是三相電網(wǎng)電壓V_G、三相關(guān)鍵負(fù)載電壓V_C、三相ES電壓V_ES、三相非關(guān)鍵負(fù)載電壓V_NC的仿真波形；

圖6是當(dāng)三相電網(wǎng)電壓平衡，但負(fù)載不均衡的仿真波形圖時(shí)，依次是三相電網(wǎng)電壓V_G、三相關(guān)鍵負(fù)載電壓V_C、三相ES電壓V_ES、三相非關(guān)鍵負(fù)載電壓V_NC的仿真波形；

圖中各標(biāo)號(hào)定義如下：

1.1為三相新能源發(fā)電系統(tǒng)的電源輸出，1.2為輸電線路等效線路阻抗，1.3為關(guān)鍵負(fù)載負(fù)載，1.4為三相四線制系統(tǒng)中線，1.5為三相隔離變壓器副邊繞組，1.6為非關(guān)鍵負(fù)載，1.7為直流電源，1.8為三相隔離變壓器原邊及逆變器LC低通濾波器，1.9為三相電壓源型逆變器；2.1為A相關(guān)鍵負(fù)載兩側(cè)的電壓反饋信號(hào)，2.2為A相關(guān)鍵負(fù)載電壓參考量，2.3為A相相位控制算法，2.4為B關(guān)鍵負(fù)載兩側(cè)的電壓反饋信號(hào)，2.5為B相關(guān)鍵負(fù)載電壓參考量，2.6為B相相位控制算法，2.7為C關(guān)鍵負(fù)載兩側(cè)的電壓反饋信號(hào)，2.8為C相關(guān)鍵負(fù)載電壓參考量，2.9為C相相位控制算法，2.10為三組準(zhǔn)PR控制器，2.11為A相電感電流給定值，2.12為A相電感電流采樣值，2.13為B相電感電流給定值，2.14為B相電感電流采樣值，2.15為C相電感電流給定值，2.16為C相電感電流采樣值，2.17為三相比例控制器，2.18為三相輸出限幅，2.19為A相SPWM載波信號(hào)，2.20為A相開(kāi)關(guān)信號(hào)，2.21為B相SPWM載波信號(hào)，2.22為B相開(kāi)關(guān)信號(hào)，2.23為C相SPWM載波信號(hào)，2.24為C相開(kāi)關(guān)信號(hào)；3.1為三相新能源發(fā)電系統(tǒng)的每相電源輸出的瞬時(shí)值，3.2為激波正序分量分離模塊，3.3為分離出的三相電壓正序基波分量，3.4為三相電壓正序基波分量的d軸分量，3.5為三相電壓正序基波分量的q軸分量，3.6為q軸電壓低通濾波器，3.7為初始電壓角速度，3.8為PI控制器，3.9為輸出頻率的低通濾波器，3.10為區(qū)域模塊3.11為鎖相環(huán)輸出的相位，3.12為鎖相環(huán)輸出的頻率。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

如圖1所示，一種三相電力彈簧拓?fù)?，包括三相電壓源型逆變器、LC低通濾波器、直流電源、三相隔離變壓器、三相關(guān)鍵負(fù)載、三相非關(guān)鍵負(fù)載。三相電壓源型逆變器的直流側(cè)接一組由兩個(gè)直流電源串聯(lián)而成的直流源；三相電壓源型逆變器每一相的正輸出連接一個(gè)LC低通濾波器的濾波電感L一端，每個(gè)濾波電感L的另一端連接一個(gè)濾波電容C的一端及三相隔離變壓器的一相原邊繞組的同名端，濾波電容C的另一端與原邊繞組的非同名端相連。三相隔離變壓器原邊繞組的非同名端連接于一點(diǎn)并與直流源的中點(diǎn)相連；三相隔離變壓器的每項(xiàng)副邊繞組在分別與一相非關(guān)鍵負(fù)載串聯(lián)之后再與一相關(guān)鍵負(fù)載并聯(lián)。三相新能源發(fā)電系統(tǒng)的每相電源輸出端連接有一相關(guān)鍵負(fù)載，三相新能源發(fā)電系統(tǒng)的電源輸出端到三相隔離變壓器的副邊繞組之間的輸電線具有輸電線路等效電阻和等效電感。

其中，直流電源為蓄電池或能量雙向流動(dòng)的交流/直流變換器。非關(guān)鍵負(fù)載為阻感性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載中的任意一種，或是阻感性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載的比例合成。

如圖2所示，一種三相電力彈簧的相位控制方法，包括如下步驟：

1)，采集三相關(guān)鍵負(fù)載兩側(cè)的電壓反饋信號(hào)v_CA、v_CB、v_CC，采集三相LC低通濾波器中電感L的電流i_LA、i_LB、i_LC。

2)，將電壓反饋信號(hào)v_CA、v_CB、v_CC分別與三相關(guān)鍵負(fù)載電壓參考量v_{CA_ref}、v_{CB_ref}、v_{CC_ref}的差值輸入準(zhǔn)PR控制器，得到三相電感電流給定值i_refA、i_refB、i_refC。

3)，將三相電感電流給定信號(hào)i_refA、i_refB、i_refC分別與電流i_LA、i_LB、i_LC的差值分別輸入P調(diào)節(jié)器，P調(diào)節(jié)器的三路輸出經(jīng)限幅處理后作為SPWM調(diào)制波v_{_compA}、v_{_compB}、v_{_compC}。

4)，將調(diào)制波v_{_compA}、v_{_compB}、v_{_compC}分別與三角載波做比較，得到三相電壓源型逆變器的三相開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

其中，步驟2)中，三相關(guān)鍵負(fù)載電壓參考量v_{CA_ref}、v_{CB_ref}、v_{CC_ref}的相位通過(guò)相位控制計(jì)算方法得到，具體步驟為：

21)，通過(guò)同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)分離出三相新能源發(fā)電系統(tǒng)的每相電源輸出中的正序基波分量v_GA、v_GB、v_GC，并確定正序基波分量的相位θ_A、θ_B、θ_C。

22)，定義正序基波分量v_GA、v_GB、v_GC分別超前電壓反饋信號(hào)v_CA、v_CB、v_CC的角度為δ_A、δ_B、δ_C，得到三相關(guān)鍵負(fù)載電壓參考量的相位分別為(θ_A-δ_A)、(θ_B-δ_B)、(θ_C-δ_C)。

23)，對(duì)于任一相，定義一中間電壓相量該電壓相量位于三相新能源發(fā)電系統(tǒng)的一相電源輸出正序基波相量與關(guān)鍵負(fù)載兩側(cè)的電壓反饋信號(hào)的向量之間；與該中間相量有關(guān)的變量定義如下：中間電壓相量的有效值為V_G1，中間電壓相量與一相電源輸出正序基波相量之間的夾角為中間電壓相量與關(guān)鍵負(fù)載兩側(cè)的電壓反饋信號(hào)的向量之間的夾角為關(guān)鍵負(fù)載兩側(cè)的電壓反饋信號(hào)的向量與電源輸出正序基波相量之間的相位差為為關(guān)鍵負(fù)載兩側(cè)的電壓反饋信號(hào)的向量與一相非關(guān)鍵負(fù)載電流電之間的相角差。

采集得到正序基波分量v_GA、v_GB、v_GC的電壓有效值分別為V_GA、V_GB、V_GC，然后根據(jù)式(1)計(jì)算出任一相的中間參數(shù)a和b的值：

式(1)中，V_G為一相電源輸出正序基波相量的有效值；V_S為任一相關(guān)鍵負(fù)載電壓參考量的有效值；R₃為非關(guān)鍵負(fù)載阻值；R₁為一相新能源發(fā)電系統(tǒng)的電源輸出端到隔離變壓器的副邊繞組之間的輸電線路等效電阻值；ω為50Hz電網(wǎng)電壓的角頻率；L₁為一相新能源發(fā)電系統(tǒng)的電源輸出端到隔離變壓器的副邊繞組之間的輸電線路等效電感值；R₂為關(guān)鍵負(fù)載的阻值。

24)，首先根據(jù)式(2)計(jì)算出所述ζ值，然后根據(jù)式(3)計(jì)算得到δ_A，δ_B，δ_C的值，最終得到三相關(guān)鍵負(fù)載參考電壓的相位(θ_A-δ_A)、(θ_B-δ_B)、(θ_C-δ_C)；

其中，V_G1為所述中間電壓相量的有效值。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明中，ES輸出的電壓電流始終是相互垂直的，這一特性保證ES始終只吸納或者發(fā)出無(wú)功功率；并且參與上述相位計(jì)算的始終只有三相電壓的正序基波分量，因而需要提取出三相系統(tǒng)中電源電壓的正序基波分量并確定其相位。如圖3所示，步驟21)中，分離得到正序基波分量并確定相位的具體步驟為：

211)，采集三相新能源發(fā)電系統(tǒng)的每相電源輸出的瞬時(shí)值v_a、v_b、v_c。

212)，根據(jù)式(4)計(jì)算出瞬時(shí)值v_a、v_b、v_c的正序基波分量v_a^p、v_b^p、v_c^p的相量表達(dá)形式：

式中，a為算子

213)，將正序基波分量v_a^p、v_b^p、v_c^p的相量表達(dá)形式改寫(xiě)為時(shí)域函數(shù)如式(5)，然后通過(guò)三相新能源發(fā)電系統(tǒng)每相電源輸出的采樣值v_a(t)、v_b(t)、v_c(t)，計(jì)算得出正序基波分量v_a^p、v_b^p、v_c^p的瞬時(shí)值v_a^p(t)、v_b^p(t)、v_c^p(t)；

式中，v_a(t)為三相新能源發(fā)電系統(tǒng)a相電壓的采樣值，v_b(t)為三相新能源發(fā)電系統(tǒng)b相電壓的采樣值，v_c(t)為三相新能源發(fā)電系統(tǒng)c相電壓的采樣值，t為時(shí)間函數(shù)，T_S為電網(wǎng)電壓的周期。

214)，將正序基波分量的瞬時(shí)值v_a^p(t)、v_b^p(t)、v_c^p(t)做abc到dq0的坐標(biāo)變換，得到電壓直軸分量v_d^p和電壓交軸分量v_q^p。

215)，電壓交軸分量v_q^p通過(guò)低通濾波器濾除非直流分量后得到v_q’，所述v_q’通過(guò)PI控制器后的輸出再與電壓角速度初始值相加后得到電壓角速度的估計(jì)值，再將電壓角速度的估計(jì)值除以2π后得到三相新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓的頻率估計(jì)值

216)，電壓角速度的估計(jì)值在積分取余后得到電壓相位角估計(jì)值作為abc到dq0的坐標(biāo)變換的相位角；在dq0坐標(biāo)系下，相位角估計(jì)值與a相相位一致即根據(jù)三相系統(tǒng)中abc三相的相位關(guān)系，得到

為了分析方便，在本實(shí)施例中，仿真時(shí)將三相變壓器是為理想變壓器，匝比取1：1；三相電壓源型逆變器的直流側(cè)電壓為500V；LC低通濾波器中濾波電感L、濾波電容C的取值分別為3mH和50μF；輸電線路阻抗用2.4mH電感和0.1Ω電阻串聯(lián)等效；電網(wǎng)電壓參考值設(shè)定為220V/50Hz；三相電壓源型逆變器中的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為5kHz。

如圖4所示為三相電壓不平衡時(shí)基波正序分量分離及電壓鎖相的工作波形，第一通道為不平衡的三相電網(wǎng)電壓；第二通道為分離出的電網(wǎng)電壓正序分量，三相分量幅值相同；第三、第四通道為鎖相環(huán)輸出的相位和頻率，從中可看出電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，鎖相環(huán)可以很有效的將相位控制所需的正序分量提取出并計(jì)算出對(duì)應(yīng)相位角。

圖5、圖6分別為電網(wǎng)電壓不平衡和三相負(fù)載不平衡時(shí)的三相ES工作波形，圖5中在整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)，B相和C相電壓有效值為230V，而在0～0.3s內(nèi)，A相電壓有效值設(shè)成200V，0.3s過(guò)后則由200V跳變成260V，如第一通道所示。0.3s是三相電壓的正序分量發(fā)生突變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從通道2可以看出，在ES參與工作的情況下，盡管A相電壓發(fā)生突變，但是電壓的波動(dòng)被轉(zhuǎn)移到了非關(guān)鍵負(fù)載上，這一過(guò)程可以在通道4中觀測(cè)到，而關(guān)健負(fù)載上電壓始終維持恒定。圖6中的仿真結(jié)果顯示，當(dāng)負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，三相CL電壓仍能很好跟蹤給定值，不僅每一相的CL電壓有效值被控制在220V，而且三相波形很對(duì)稱、正弦化程度很高。由于三相負(fù)載不對(duì)稱，通過(guò)對(duì)三相ES的控制將此不對(duì)稱轉(zhuǎn)移給了三相NCL，以確保三相CL電壓的對(duì)稱。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，單反本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所做的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書(shū)中記載的保護(hù)范圍。