一种应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统。该稳压系统主要针对微电网中新能源发电的不稳定性，为了保证关键负载的稳定运行，将输入电压的波动(如±15％以上)转移到非关键负载(如电动汽车充电站)上。换电站的思想可有效解决电动汽车充电耗时的问题，本发明创新性地将新能源发电系统与电动汽车换电站联系起来，关键纽带是稳压装置，其在能保证关键负载电压稳定的同时可以实现当发电量小时减少换电站的能量供应，而当发电量多时则将多余的能量供给换电站系统，克服了可再生能源发电不稳定性的缺陷。本发明实用价值高、易于推广，在关键负载所在地(比如使用了新能源发电系统的医院等)，可以同时建立电动汽车的换电站。
【专利说明】—种应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统及其控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于电网运行控制及电动汽车换电站【技术领域】，涉及一种应用于新能源发电的稳压系统及其方法。
【背景技术】
[0002]随着新能源发电技术的不断进步，其并网容量正逐年增大，对电力系统的影响也越来越明显，比如谐波污染、电压的波动及频率闪变等。大型电网对于电压的波动有一定的自我调节能力，而对于小型孤立的微电网来说，风能、太阳能等可再生能源发电的不稳定性，有时不能满足全部负荷的用电需求，导致电网的电压波动，这种波动会对用电设备产生不利的影响，甚至会损坏关键的用电设备。比如医院用于监控病人生命特征的医疗设备，对输入电压的要求非常严格，超范围的电压波动将会导致设备运行的不可靠，会给医生造成误判，严重时可能危及患者的生命。
[0003]针对电网的关键性负载问题，目前广泛使用的技术是UPS (UninterruptiblePower System)，即不间断电源。其主要工作原理是当电网电压正常时，将输入电经稳压后供负载使用，同时给其内部蓄电池充电；当电网供电中断时，UPS立即将机内的蓄电池的电能通过逆变器转换成220V/50HZ的交流电给负载使用；停电时，UPS还可使得PWM整流器工作在逆变状态给电网输送能量，为线上其他用电器供电。但是，UPS也有值得改进的地方，t匕如:其工作状态依赖转换开关的切换，切换过程会对电网及负载产生不利影响；UPS主要针对的是电网电压中断的情形，对于电网电压上升过多的情形没有涉及太多；UPS内部的逆变器输出电压虽然可变，但一旦确定，则只有一种电压规格，假如电网里有些负载对于输入电压的波动范围非常严格，而有些负载则可以使用宽电压范围的电压输入，使用UPS必须依照严格的电压标准而将使得成本增加；更重要的是，UPS内部的蓄电池处于充电与放电的循环状态，充放电的次数越多、电流越大将大大缩短其使用寿命。本发明中的稳压装置能有效解决上述问题，当电网电压在一定范围内波动时，可以省去储能单元。
[0004]电动汽车是当前研究的热点，其取代传统以化石燃料来获取动力的汽车也是大势所趋。因此，电动汽车的电能补充问题也随之而来。与加油站类似，电动汽车需要的是充电站。就目前的技术而言，充一次电需要耗费不少时间。就此，换电站可以有效解决充电耗时的问题。
【发明内容】
[0005]发明目的:针对上述现有技术，提出一种应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统及其控制方法，能够将电网电压及其功率的波动转移到非关键负载上，从而保证关键负载上的电压稳定；同时将多余的能量供给非关键负载。
[0006]技术方案:一种应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统，所述新能源发电系统输出单相交流电，所述稳压系统包含一个单相电压源型逆变器模块、一个LC低通滤波器以及隔离变压器；所述逆变器模块的交流侧连接LC低通滤波器，所述LC低通滤波器的电容C的一端与电感L相连，电容C的另一端与隔离变压器原边的一端相连，所述隔离变压器原边的另一端接地，所述隔离变压器的副边连接电动汽车换电站系统的输入端，所述新能源发电系统的输出端通过输电线路同时连接所述电感L和电容C的公共端以及关键负载的一端，所述关键负载的另一端接地，所述单相电压源型逆变器模块的直流侧输入直流电。
[0007]进一步的，所述单相电压源型逆变器模块的拓扑结构是由反并联二极管的第一至第四开关管构成的单相全桥电路。
[0008]作为本发明的优选方案，所述逆变器模块输入侧的直流电是经由PWM整流模块以及电解电容Cd。提供，所述PWM整流模块的输入端与所述新能源发电系统输出单相交流电相连，所述PWM整流模块的输出端连接逆变器模块的直流侧，电解电容Cd。并联在所述PWM整流模块的输出端。
[0009]进一步的，所述PWM整流模块是由反并联二极管的第一至第四开关管构成的单相全桥电路。
[0010]作为本发明的改进，所述逆变器模块的输入侧直流电是经由蓄电池提供。
[0011]应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统的控制方法，采用电压、电流的双闭环控制，一个控制周期包括如下步骤:
[0012]I)，采集关键负载的电压反馈信号VsJb，采集LC低通滤波器中电感L的电流值I
fb ;
[0013]2)，将所述VsJb与电压环中关键负载的参考正弦量Vs %作差后进行PR调节，电压环的输出i^f作为电流内环的参考值；通过向量图法计算所述\—的相位:以所述隔
离变压器原边电压F50为参考相量画出相量图，所述LC低通滤波器中电容C两端电压滞后所述90度，&3与^的相量和为所述关键负载两端电压屹》定义等于所述#5乘以 (O 1.^ 1，所述&与i具、的相量和为新能源发电系统输出单相交流电的电
压^;根据所述向量图，利用几何关系算出所述关键负载两端电压一5与&的相位差s ;其中，R1为新能源发电系统输出到关键负载的输电线路等效电阻，L1为新能源发电系统输出到关键负载的输电线路等效电感，Z2为关键负载的阻抗，4为经过隔离变压器原边的电流；
[0014]3)，将所述iuef与电流采样值的差值经P调节器后的输出值再经限幅后作为SPWM调制波V—% ；
[0015]4)，将所述V ref与三角载波WCl比较，得到所述单相电压源型逆变器模块的第一至第四开关管的驱动信号，控制逆变器模块的交流输出端输出电压的基波分量与所述?—,相位相同的交流电压；
[0016]5)，当电网电压升高时，控制所述δ增大，所述电压闭环控制使得所述V μ幅度减小，所述幅度因此减小，所述匕幅度增大；当电网电压降低时的控制过程相反。
[0017]有益效果:本发明的稳压系统中，对于本发明中由单相电压源型逆变器模块和LC低通滤波器构成的稳压装置，
【发明者】提出了将非关键负载的能量充分利用并将之与电动汽车的换电站联系起来，将此能量通过变换器整形后给电动汽车的电池组充电。在关键负载所在地，比如使用了新能源发电系统的医院等，可同时建立电动汽车的换电站系统。
[0018]本发明和现有技术相比，具有如下优点:
[0019]1、可以保证关键性负载供电稳定
[0020]当电网功率足以保证所有负载的供电时,关键性负载和电动汽车换电站负载均可正常工作；当电网功率减小，不足以保证全部负载供电时，可保证关键性负载供电以及电压的稳定，将电功率以及电压的波动转移到电动汽车换电站上，自动减小电动汽车换电站的供电；由图3看出，当电网电压有效值为正常值220V时，关键负载电压有效值为220V，换电站的输入电压有效值约为201V;从图4看出，当电网电压下降18.3%时，关键负载电压有效值为220V，换电站的输入电压有效值约为130V ;从图5看出，当电网电压上升20%时，关键负载电压为220V，换电站的输入电压有效值约为220V ;从如图3、图4、图5的仿真结果可以看出，当电网电压低于参考值时，稳压装置通过减少换电站的耗能来保证关键负载的稳定运行；当电网电压高于参考值时，稳压装置在保证关键负载稳定运行的同时将多余的电能转移到换电站上。既能保证关键负载的稳定运行，又能使得换电站系统协同运行，仿真结果验证了本发明的拓扑及控制算法的准确性。
[0021]2、稳压系统可省去储能单元
[0022]当电网电压在一定范围内波动时，本发明中的稳压装置可省去储能单元，而UPS必须接上储能单元才能正常工作。从图6(a)到图6(b)代表电网电压升高的情形；反之表示电网电压下降的情形。对比图6(a)和(b)可知，当电网电压升高时，闭环控制的输出调
制波幅度减小，从而使得 稳压装置输出电压^^幅度减小、换电站的输入电压升高，这样在保证了关键负载电压為稳定的同时使得多余的能量转移到换电站系统中；当电网电压
减小时，增大、&减小，通过减少换电站的耗能以保证关键负载电压的稳定。
[0023]3、稳压系统的控制范围更广
[0024]UPS只能解决电压中断、下降或上升到很小范围的情形，而本发明中的稳压系统既适用于上述情形，同时也适用于电压大幅度上升的情形。
[0025]4、稳压系统的负载种类更多
[0026]UPS 一旦设定输出电压，其电压值是单一的，如系统里兼具电压规格要求高的负载以及宽电压范围输入的负载，使用UPS必然使得成本增加。本发明中的稳压装置既能保证关键负载的稳定运行，同时也可以使得宽电压输入的负载与关键负载协同运行。
[0027]5、实用性高、应用前景广泛
[0028]本发明将新能源发电并网运行技术与电动汽车的换电站联系起来，并形成了一个运行系统，充分利用了新能源发电的电能，且系统简单可靠，有很高的实用价值和应用前
旦
-5^ O
[0029]6、与低电压穿越技术联系紧密
[0030]若将风力发电并网变流器侧视作是用户用电设备的话，那么本发明中的稳压系统将能作为解决低电压穿越的问题的方案之一。
【专利附图】
【附图说明】[0031]图1是本发明的稳压系统结构图；
[0032]图2是本发明的稳压系统的控制框图；
[0033]图3是本发明的电网电压小于参考电压时的仿真波形对比图，依次是电网电压Vc、关键负载电压匕及非关键负载电压的仿真波形；
[0034]图4是本发明的电网电压等于参考电压时的仿真波形对比图，依次是电网电压V0、关键负载电压^及非关键负载电压&的仿真波形;
[0035]图5是本发明的电网电压大于参考电压时的仿真波形对比图，依次是电网电压Vc、关键负载电压匕及非关键负载电压^?的仿真波形；
[0036]图6是本发明稳态运行的相量图。
[0037]图中各标号定义如下:
[0038]1.1为单相电网，1.2为电网与关键负载之间的等效线路电阻，1.3为线路等效电感，1.4为关键负载，1.5为PWM整流器，1.6为电解电容，1.7为稳压装置，包括一个单相电压源型逆变器和一个LC低通滤波器，1.8为电动汽车换电站系统，包括电池充电器及控制和保护系统、电池组等，1.9为工频隔离变压器；2.1为电压采样系数，2.2,2.5为减法器，
2.3为比例谐振控制器，2.4为电流采样系数，2.6为比例控制器，2.7为限幅电路，2.8为调制波信号，2.9为载波信号，2.10为开关驱动脉冲信号，2.11为锁相环，2.12为电压参考正弦量的幅度给定，2.13为乘法器，2.14为电压外环的参考正弦量。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0040]如图1所示，一种应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统，该新能源发电系统输出单相交流电。该稳压系统包含一个单相电压源型逆变器模块、一个LC低通滤波器、隔离变压器、PWM整流模块以及电解电容Cd。。逆变器模块的交流侧接一个LC低通滤波器，LC低通滤波器的电容C的一端与电感L相连，电容C的另一端与隔离变压器原边的一端相连。该隔离变压器原边的另一端接地，隔离变压器的副边连接电动汽车的换电站系统的输入端，换电站用于给电动汽车电池充电。新能源发电系统的输出端通过输电线路同时连接电感L和电容C的公共端以及关键负载的一端，关键负载的另一端接地。逆变器模块的直流侧电压经由PWM整流模块获得，PWM整流模块的输入端与单相交流电相连，PWM整流模块的输出端连接逆变器模块的直流侧，电解电容Cd。并联在PWM整流模块的输出端。其中，单相电压源型逆变器模块的拓扑结构是由反并联二极管的第一至第四开关管构成的单相全桥电路。PWM整流模块是由反并联二极管的第一至第四开关管构成的单相全桥电路。进
一步的，逆变器模块的直流侧电压也可由蓄电池获得，该电压应大于22(Hf Ve
[0041]为了分析方便，仿真时将隔离变压器视为理想变压器，换电站等效为一个纯电阻。其中，逆变电路 的直流侧电压为400V ；LC滤波参数分别为7mH和IOOuF ;关键负载Z2选取纯电阻220 Ω，换电站用15 Ω的纯电阻Z3代替，输电线及线路损耗用1Ω和25mH的串联组合等效，电网电压参考值为220V/50HZ。取逆变器中开关频率为10kHz，电动汽车换电站中电池充电器的输入电压范围可以很宽，本发明参照北美照明产品的输入电压范围，设计有效值为108V~305V。
[0042]如图2所示，稳压系统控制方法，采用电压、电流的双闭环控制，一个控制周期包括如下步骤:
[0043]I)，采集关键负载两端电压值Vs，将该Vs乘以电压反馈系数Kvf = 0.01后得到采集关键负载的电压反馈信号Vsjb ;采集LC低通滤波器中电感L的电流值L将该k乘以电流反馈系数Kif = 0.1后得到ft ；
[0044]2)，首先将上述Vs fb与电压环中关键负载的参考正弦量Vs %作差后进行PR调节，在本实施例中，PR调节中即电压外环的比例系数K2p = 5、准谐振系数K2, = 100，电压环的输出μ作为电流内环的参考值；通过向量图法计算vs—的相位如图6所示:以初始相位
为O的隔离变压器原边电压;^为参考相量画出相量图，LC低通滤波器中电容C两端电压匕5
滞后该匕90度，的相量和为关键负载两端电压^ ,定义
【权利要求】
1.一种应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统，所述新能源发电系统输出单相交流电，其特征在于，所述稳压系统包含一个单相电压源型逆变器模块、一个LC低通滤波器以及隔离变压器；所述逆变器模块的交流侧连接LC低通滤波器，所述LC低通滤波器的电容C的一端与电感L相连，电容C的另一端与隔离变压器原边的一端相连，所述隔离变压器原边的另一端接地，所述隔离变压器的副边连接电动汽车换电站系统的输入端，所述新能源发电系统的输出端通过输电线路同时连接所述电感L和电容C的公共端以及关键负载的一端，所述关键负载的另一端接地，所述单相电压源型逆变器模块的直流侧输入直流电。
2.根据权利要求1所述一种应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统，其特征在于，所述单相电压源型逆变器模块的拓扑结构是由反并联二极管的第一至第四开关管构成的单相全桥电路。
3.根据权利要求1所述一种应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统，其特征在于，所述逆变器模块输入侧的直流电是经由PWM整流模块以及电解电容Cd。提供，所述PWM整流模块的输入端与所述新能源发电系统输出单相交流电相连，所述PWM整流模块的输出端连接逆变器模块的直流侧，电解电容Cd。并联在所述PWM整流模块的输出端。
4.根据权利要求3所述一种应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统，其特征在于，所述PWM整流模块是由反并联二极管的第一至第四开关管构成的单相全桥电路。
5.根据权利要求1所述一种应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统，其特征在于，所述逆变器模块的输入侧直流电是经由蓄电池提供。
6.基于权利要求2所述的应用于新能源发电及电动汽车换电站的稳压系统的控制方法，其特征在于，采用电压、电流的双闭环控制，一个控制周期包括如下步骤: 61)，采集关键负载的电压反馈信号Vsfb，采集LC低通滤波器中电感L的电流值k fb ； 62)，将所述Vsfb与电压环中关键负载的参考正弦量Vs ref作差后进行PR调节，电压环的输出i^f作为电流内环的参考值；通过向量图法计算所述\—的相位:以所述隔离变压器原边电压.?为参考相量画出相量图，所述LC低通滤波器中电容C两端电压滞后所述& 90度，Pis与&的相量和为所述关键负载两端电压& ,定义&等于所述&乘以A 4- Ζ? 4-一1一________________^___________"一一1I所述^与I3戽、的相量和为新能源发电系统输出单相交流电的电压&;根据所述向量图，利用几何关系算出所述关键负载两端电压匕与^的相位差S ;其中，R1为新能源发电系统输出到关键负载的输电线路等效电阻，L1为新能源发电系统输出到关键负载的输电线路等效电感，Z2为关键负载的阻抗，I3为经过隔离变压器原边的电流； 63)，将所述i^f与电流采样值kfb的差值经P调节器后的输出值再经限幅后作为SPWM调制波V—% ； 64)，将所述Vμ与三角载波WCl比较，得到所述单相电压源型逆变器模块的第一至第四开关管的驱动信号，控制逆变器模块的交流输出端输出电压的基波分量与所述匕5相位相同的交流电压； 65)，当电网电压升高时，控制所述δ增大，所述电压闭环控制使得所述V%幅度减小，所述幅度因此减小，所述幅 度增大；当电网电压降低时的控制过程相反。
【文档编号】H02J3/14GK104009478SQ201410259160
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】程明, 王青松 申请人:东南大学