一種三端隔離型電力彈簧拓撲結構及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于智能電網控制技術領域，涉及一種三端隔離型電力彈簧拓撲結構及其 控制方法。
【背景技術】
[0002] 電力系統傳統的運行方式仍然是需求量決定供電量，這就要求電力公司能準確地 預測用戶的需求。由于風能、太陽能等可再生能源的間歇性和不穩定性，且隨著其發電并網 容量的逐漸增大，使得上述預測的難度逐漸加大，對電力系統的影響越來越明顯。針對可再 生能源的間隙性問題，利用儲能裝置來抵消發電量與用電量的不匹配是有效的解決方案之 一。然而，這些儲能裝置會使得成本增加。
[0003]電力彈簧（Electric Spring，ES)的概念正是針對上述現狀而提出的。ES顛覆了 電力系統的傳統思路，可以實現用電量隨著發電量的變化而變化。因此，上述問題迎刃而 解。電力系統中的負載可分為兩大類：一類稱為關鍵負載，其端電壓只允許在極小的范圍內 波動；另一類稱為非關鍵負載，其端電壓可以在較大的范圍內波動。ES的核心思想是將機 械彈簧對偶到電力系統中，與汽車的減震器原理相類似，在"顛簸"的電網中使得關鍵負載 電壓被控制在極小的范圍內，同時將電壓的波動轉移給非關鍵負載，自動調節非關鍵負載 的耗電量，實現發電量與用電量的自動匹配。當ES被廣泛分布于微電網時，每個ES發揮著 彈簧的功能，支撐著整個電網，使得微電網中的關鍵負載得以安全運行。不僅如此，單個ES 的故障不會影響整個彈簧組的運行，在新能源發電并網系統中有著廣泛的應用前景。
[0004]目前的ES拓撲中，電網與關鍵負載和非關鍵負載沒有做到有效的電氣隔離，在用 戶側存在安全隱患，不利于ES的推廣應用。
[0005] 當前，分布式發電在我國還沒有能夠廣泛應用，主要是由于風能、太陽能等新能源 的間歇性會導致其所發出來的電能不可預測，如允許其大規模、高比例地并網必將會導致 電網電壓的不穩定。因此，達到了并網標準的電能才會被允許并網。即便如此，普通用戶自 身一般不會直接用自己發出來的電能給關鍵負載供電，而是將所發出來的電能并入電網， 同時使用大電網的電能給家用負載供電。顯然，這樣的方式既不經濟也不利于分布式的新 能源發電的推廣。歸根結底，用戶對新能源所發出的電能還是沒有信心，這正好給電力彈簧 新拓撲提供了用武之地。
【發明內容】
[0006] 發明目的：針對上述現有技術，提出一種三端隔離型電力彈簧拓撲結構及其控制 方法，能夠將非關鍵負載、關鍵負載、電網三者相互隔離開來。
[0007] 技術方案：一種三端隔離型電力彈簧拓撲結構，包括單相電壓源型逆變器、LC低 通濾波器、單相三端口隔離變壓器；所述單相三端口隔離變壓器的變比為1 : 1 : 1，所述 單相電壓源型逆變器的直流側接直流電源，所述單相電壓源型逆變器的正輸出端連接LC 低通濾波器的濾波電感L 一端，濾波電感L的另一端同時連接濾波電容C的一端以及單相 三端口隔離變壓器的副邊第一繞組的同名端，濾波電容C的另一端同時連接單相電壓源型 逆變器的負輸出端以及非關鍵負載的正輸入端，非關鍵負載的負輸入端連接單相三端口隔 離變壓器的副邊第一繞組的非同名端，關鍵負載并聯在單相三端口隔離變壓器的副邊第二 繞組的兩端，隔離變壓器的原邊繞組的同名端連接新能源發電系統的電源正輸出端，隔離 變壓器的原邊繞組的非同名端連接新能源發電系統的電源負輸出端，所述新能源發電系統 的電源輸出端到隔離變壓器的原邊繞組之間的輸電線具有輸電線路等效電阻和輸電線路 等效電感。
[0008] 進一步的，所述直流電源為蓄電池或能量雙向的交流/直流變換器。
[0009] 進一步的，還包括單相不控整流橋、電容器、單相并網逆變器、低通濾波器以及單 相電網，所述單相不控整流橋的輸入端并聯在關鍵負載的兩端，電容器連接在單相不控整 流橋的輸出端，單相并網逆變器的輸入端并聯在電容器的兩端，單相并網逆變器的輸入端 輸出端經低通濾波器與單相電網連接。
[0010] 三端隔離型電力彈簧拓撲結構的控制方法，包括如下步驟：
[0011] 1)，采集關鍵負載兩端的電壓反饋信號Vsfb;
[0012] 2)，將所述vs fb與給定到PR控制器的參考正弦量V S Mf作差后送入PR控制器進行 PR調節，PR控制器的輸出經限幅后作為SPWM調制波v_,ef;其中，所述v s ,ef的幅值和頻率 根據設計要求直接給定，所述的相位是通過相位控制算法計算得到；通過相位控制算 法計算得到所述的相位具體步驟為：
[0013] a)，通過鎖相環得到新能源發電系統輸出電壓匕的相位0。；
[0014]b)，以所述單相三端口隔離變壓器原邊繞組的電流i3為參考相量，定義所述匕超 前關鍵負載兩端電壓&的角度為8,則得到所述VsMf的相位為（0 fS);
[0015] C)，采集新能源發電系統輸出電壓有效值Vin，根據式（1)計算出a和b的值：
[0016] L -八3 。
[0017] 其中，
吣為所述輸電線路等效電阻 值、U所述輸電線路等效電感值、R 2為所述關鍵負載阻值、R 3為所述非關鍵負載阻值、V 5為 所述關鍵負載兩端電壓給定的有效值；
[0018] d)，首先根據式（2)計算出0值，然后根據所述0以及式（3)計算得到S值，最 終得到所述v s_ref的相位（0 cT S )的值：
[0019]
[0020]
[0021] 3)，將所述v ,ef與三角載波比較，得到所述單相電壓源型逆變器的第一至第四開 關管的驅動信號。
[0022] 進一步的，還包括所述新能源發電系統與單相電網并網的控制步驟，具體為：將并 網電流i e與參考電流i e ,ef比較后經過PR控制器進行調節，所述PR控制器的輸出再經過限 幅控制得到信號，將所述信號與三角載波比較后的輸出控制所述單相并網逆變 器的開關管。
[0023] 有益效果：通過本發明的一種三端隔離型電力彈簧拓撲結構及其控制方法，用戶 就可將關鍵負載、非關鍵負載相互隔離開來，有效的電氣隔離增加了安全性。以某一棟居民 樓為例，可以將熱水器等非關鍵負載通過某一組接線板統一供電，而其他關鍵負載如電視 機等則可用另一組與之隔離的接線板統一供電。另外，新能源發電系統的輸出端也通過隔 離變壓器與家用電器實現了有效隔離，增加了使用的安全性。不僅如此，三端隔離型ES拓 撲的同時還應用于新能源發電并網系統中，用戶可以自由分配關鍵負載的功率，在滿足自 身用電需求的同時還可將多余的電能輸送到電網。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發明的三端隔離型電力彈簧拓撲結構電路圖；
[0025] 圖2是三端隔離型電力彈簧拓撲結構控制方法的控制框圖；
[0026] 圖3是三端隔離型電力彈簧拓撲結構的相量圖；
[0027] 圖4是仿真波形圖，依次是新能源發電系統輸出電壓匕、關鍵負載電壓匕、ES電壓 匕及非關鍵負載電壓
[0028] 圖5是新能源發電系統通過三端隔離型電力彈簧拓撲結構與單相電網并網的電 路圖；
[0029] 圖6是單相并網逆變器的控制框圖；
[0030] 圖7是仿真波形，依次是新能源發電所輸出的電壓VKEN、關鍵負載的功率P。、輸送到 電網的功率P# id、電網電壓和輸入電網電流、彈簧電壓和非關鍵負載電壓；
[0031] 圖中各標號定義如下：
[0032] 1. 1為新能源發電系統的電源輸出，1. 2為輸電線路等效電阻，1. 3為輸電線路等 效電感，1. 4為單相工頻三端口隔離變壓器，1. 5為非關鍵負載，1. 6為關鍵負載，1. 7為濾波 電容，1. 8為濾波電感，1. 9為逆變器的直流側電源，1. 10為單相電壓源型逆變器，1. 11為單 相不控整流橋，1. 12為單相并網逆變器，1. 13為濾波電感，1. 14為單相電網，1. 15為直流環 節電容器；2. 1為關鍵負載電壓采樣值，2. 2為減法器，2. 3為PR控制器，2. 4為限幅環節， 2. 5為調制波信號，2. 6為開關驅動脈沖信號，2. 7為三角載波信號，2. 8為給定到PR控制 器的參考正弦量，2. 9為電壓外環參考正弦量的幅度給定值，2. 10為乘法器，2. 11為正弦函 數，2. 12為加法器，2. 13為相位控制算法，2. 14為鎖相環，2. 15為新能源發電輸出電壓的采 樣值。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0034] 如圖1所示，一種三端隔離型電力彈簧拓撲結構，包括單相電壓源型逆變器、LC低 通濾波器、單相三端口隔離變壓器。單相三端口隔離變壓器的變比為1 : 1 : 1。單相電壓 源型逆變器的直流側接直流電源，單相電壓源型逆變器的正輸出端連接LC低通濾波器的 濾波電感L 一端，濾波電感L的另一端同時連接濾波電容C的一端以及單相三端口隔離變 壓器的副邊第一繞組隊的同名端，濾波電容C的另一端同時連接單相電壓源型逆變器的負 輸出端以及非關鍵負載的正輸入端，非關鍵負載的負輸入端連接單相三端口隔離變壓器的 副邊第一繞組N 3的非同名端。關鍵負載并聯在單相三端口隔離變壓器的副邊第二繞組N 2 的兩端，隔離變壓器的原邊繞組K的同名端連接新能源發電系統的電源正輸出端，隔離變 壓器的原邊繞組&的非同名端連接新能源發電系統的電源負輸出端。新能源發電系統的 電源輸出端到隔離變壓器的原邊繞組之間的輸電線具有輸