一种基于模糊控制规则因子电力弹簧及供电电路结构的制作方法

本实用新型涉及一种电功率补偿及电路设备结构及控制防范，属输变电设备技术领域。

背景技术：

在微电网或者配电网中，电网电压波动极为频繁，特别是在微电网中，可再生能源产生电能的比例逐渐上升，可再生能源的间歇性会引起电网电压波动，虽然大型电网对于波动具有一定的自我调节能力，但是由可再生能源供电的微电网的调节能力却很弱，对于某些用电设备来说，电压的波动会对其产生不利的影响，严重情况下甚至会损坏对电压极其敏感的关键用电设备，比如在医院中，用于监控病人状态的医疗设备，对于输入电压具有非常严格的要求，超范围的电压波动将会导致设备的运行故障，甚至会给医生造成误判，危及患者的生命。随着未来可再生能源产生电能比例的逐渐上升和微电网的普及，电压波动将会变得更为常见。

因此，香港大学的许树源教授团队提出一种可以平抑关键负载电压波动的装置，其将物理弹簧的概念引申到电力电子领域，称之为电力弹簧，使负载侧消耗电能的多少能够根据电网侧发电量变化而变化，改变了传统电网电能供给模式，使可再生能源的间歇性问题迎刃而解。

但是，目前文献中所涉及相关电力弹簧的控制器设计，基本还都停留在传统控制理论领域，需要先对包含电网供给、电路负载类型、电路各部分参数和逆变器参数的电路模型进行建模分析，再进行计算进而得到控制器的具体参数，比如PID控制和准PR控制，但是，对与电力弹簧在实际生活中的应用来说，实现并不现实，因为其不可能应用时都进行实际电路的参数计算得到合适的控制器参数，况且，实际生产生活中，某些电路参数是很难测量或者无法测量的或者是时变的，这样传统控制器的弊端就显现出来。

因此针对这一现状，迫切需要开发一种全新的电力弹簧设备及其控制方法，以满足实际使用的需要。

技术实现要素：

针对现有技术上存在的不足，本实用新型提供一种全新的电力弹簧结构及基于该电力弹簧的电路系统结构，该实用新型较传统的设置有电力弹簧补偿的电路系统，一方面极大的简化并规范了电路结构及电路连接关系，便于提高电路、维护、管理作业的工作效率和降低工作成本，另一方面电力弹簧设备对电路补偿调节能力强，运行控制精度高，并可有效实现对电网进行电压、电流及功率因数等多个参数补偿，从而有效确保用电设备运行稳定的同时，也极大的提高电网系统运行的稳定性和可靠性。

为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：

基于模糊控制规则因子电力弹簧，包括主控电路、控制开关电路、调压逆变电路、滤波电路、无功功率补偿投切开关、充放电控制电路、电压互感器、电流互感器、补偿电容器组、电抗器组及蓄电池组，补偿电容器组、电抗器组及蓄电池组均至少一个，并相互并联，其中补偿电容器组和电抗器组分别通过滤波电路与无功功率补偿投切开关电气连接，蓄电池组通过充放电控制电路与调压逆变电路电气连接，调压逆变电路另通过滤波电路与控制开关电路电气连接，主控电路分别与控制开关电路、无功功率补偿投切开关、电压互感器、电流互感器电气连接，且电压互感器、电流互感器若干，每一个电压互感器和一个电流互感器构成一个检测组，且所检测组至少三个，各检测组间相互并联并分别与主控电路电气连接。

进一步的，所述的控制开关电路包括至少四组基于晶闸管为基础的开关电路，且各基于晶闸管为基础的开关电路相互并联。

进一步的，所述的主控电路为基于工业单片机、可编程控制器中任意一种为基础的电路系统，且所述控制电路另设数据通讯总线模块和时间电路模块。

基于模糊控制规则因子电力弹簧的供电电路，包括电网、母线、关键性负载、非关键性负载及基于模糊控制规则因子电力弹簧，其中关键性负载、非关键性负载均至少一个，且一个关键性负载和至少一个非关键性负载构成一个工作组，各工作组间相互并联，关键性负载与非关键性负载间相互并联，并通过母线与电网电气连接，工作组中设一个基于模糊控制规则因子电力弹簧，基于模糊控制规则因子电力弹簧与各非关键性负载串联，并与关键性负载并联，且基于模糊控制规则因子电力弹簧通过控制开关电路、无功功率补偿投切开关分别与母线电气连接，基于模糊控制规则因子电力弹簧的电压互感器、电流互感器分别与工作组外侧母线电气连接，并与控制开关电路、无功功率补偿投切开关并联。

其中，所述的关键性负载104为运行电压波动要求不超过额定电压±2％的用电设备；所述非关键性负载105为具有较宽的电压运行范围的用电设备，如家用热水器、电灯、空调等设备。

进一步的，所述的工作组中，各工作组间通过混联电路相互电气连接。

进一步的，所述的工作组中，同一工作组中的各非关键性负载间通过混联电路电气连接，且仅当多个非关键性负载处于串联状态下时，串联的各非关键性负载与一个基于模糊控制规则因子电力弹簧串联。

基于模糊控制规则因子电力弹簧及基于模糊控制规则因子电力弹簧的供电电路中的模糊控制规则因子算法包括：

S1，参数设定，一方面将基于模糊控制规则因子电力弹簧的控制规则因子设定为α，另一方面设定给定量Uref与关键负载电压Ucl做差产生误差信号e；并在于模糊控制规则因子电力弹簧包括主控电路的数据运算区中预生成规则因子α模糊控制器和可调整规则因子模糊控制器；

S2，数据分析，将电压互感器、电流互感器检测得到的母线数据输送至基于模糊控制规则因子电力弹簧的主控电路中，然后将检测得到的数据分别进行输入运算、微分运算、量化运算、模糊分析运算、比例运算、PWM波生成运算六部类数据分析运算，其中模糊分析分为规则因子α分析与带可调整规则因子分析两部分，并分别在S1步骤设定的则因子α模糊控制器和可调整规则因子模糊控制器进行；其中完成数据分析后控制规则因子α在最后通过比例运算环节后的输出，并将输出结果反馈至主控电路，并作为主控电路驱动控制开关电路、无功功率补偿投切开关运行状态的控制参数参与到基于模糊控制规则因子电力弹簧在电路运行中运行状态调整作业。

进一步的，所述的S2步骤中，进行数据分析时的具体流程如下：

首先将误差信号e经过微分模块后产生其的变化率ec，e与ec一路经过量化得到量化数据值K1与K2，并将量化数据值K1与K2输入到S1步骤设定的规则因子α模糊控制器中，在规则因子α模糊控制器中进行模糊量和运算，其中模糊量和运算关系式分别为：

与在规则因子α模糊控制器中共同作用产生输出信号其表达为：

经过比例运算Ka输出α到带可调整规则因子模糊控制器中；

然后，e与ec另一路经过量化得到量化数据值Ke与Kec，并将到量化数据值Ke与Kec输入到带可调整因子的模糊控制器中，可调整规则因子模糊控制器中进行模糊量E与EC运算，其中模糊量E与EC运算关系式分别为：

E＝<Ke*e> (4)

EC＝<Kec*ec> (5)

E、EC与α在可调整规则因子模糊控制器中共同作用产生输出信号U，其表达式为：

U经过比例运算Ku输出u到PWM产生模块，最后输出PWM波到基于模糊控制规则因子电力弹簧的主控电路处，并由主控电路根据PWM波驱动控制开关电路运行状态调整；

进一步的，所述的数据分析中：

(1)、(2)、(4)与(5)式中“<>”表示模糊化操作，需要结合输入隶属函数；(3)与(6)式中表示对模糊输入进行模糊规则分析操作，需要结合模糊控制器适当的控制规则；“—<>”表示反模糊化操作，需要结合各自的输出隶属函数，(1)、(2)与(3)式在规则因子α模糊控制器中实现，(4)、(5)与(6)式在可调整规则因子模糊控制器中实现。

本实用新型较传统的设置有电力弹簧补偿的电路系统，一方面极大的简化并规范了电路结构及电路连接关系，便于提高电路、维护、管理作业的工作效率和降低工作成本，另一方面电力弹簧设备对电路补偿调节能力强，运行控制精度高，并可有效实现对电网进行电压、电流及功率因数等多个参数补偿，从而有效确保用电设备运行稳定的同时，也极大的提高电网系统运行的稳定性和可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本实用新型。

图1为本实用新型电力弹簧结构示意图；

图2为本实用新型基于电力弹簧的供电电路结构示意图；

图3为输入隶属函数；

图4为规则因子α输出隶属函数；

图5为u输出隶属函数。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

如图1，所述的基于模糊控制规则因子电力弹簧，包括主控电路1、控制开关电路2、调压逆变电路3、滤波电路4、无功功率补偿投切开关5、充放电控制电路6、电压互感器7、电流互感器8、补偿电容器组9、电抗器组10及蓄电池组11，补偿电容器组9、电抗器组10及蓄电池组11均至少一个，并相互并联，其中补偿电容器组9和电抗器组10分别通过滤波电路4与无功功率补偿投切开关5电气连接，蓄电池组11通过充放电控制电路6与调压逆变电路3电气连接，调压逆变电路3另通过滤波电路4与控制开关电路2电气连接，主控电路1分别与控制开关电路3、无功功率补偿投切开关5、电压互感器7、电流互感器8电气连接，且电压互感器7、电流互感器8若干，每一个电压互感器7和一个电流互感器8构成一个检测组，且所检测组至少三个，各检测组间相互并联并分别与主控电路1电气连接。

其中，所述的控制开关电路2包括至少四组基于晶闸管为基础的开关电路，且各基于晶闸管为基础的开关电路相互并联，且所述的主控电路1为基于工业单片机、可编程控制器中任意一种为基础的电路系统，且所述控制电路另设数据通讯总线模块和时间电路模块。

如图2，所述的基于模糊控制规则因子电力弹簧的供电电路，包括电网101、母线102、关键性负载103、非关键性负载104及基于模糊控制规则因子电力弹簧105，其中关键性负载103、非关键性负载104均至少一个，且一个关键性负载103和至少一个非关键性负载104构成一个工作组，各工作组104间相互并联，关键性负载103与非关键性负104载间相互并联，并通过母线102与电网101电气连接，工作组中设一个基于模糊控制规则因子电力弹簧105，基于模糊控制规则因子电力弹簧105与各非关键性负载串联104，并与关键性负载103并联，且基于模糊控制规则因子电力弹簧105通过控制开关电路2、无功功率补偿投切开关5分别与母线102电气连接，基于模糊控制规则因子电力弹簧105的电压互感器7、电流互感器8分别与工作组外侧母线102电气连接，并与控制开关电路2、无功功率补偿投切开关5并联。

其中，所述的关键性负载104为运行电压波动要求不超过额定电压±2％的用电设备；所述非关键性负载105为具有较宽的电压运行范围的用电设备，如家用热水器、电灯、空调等设备。

同时，所述的工作组中，各工作组间通过混联电路相互电气连接，同一工作组中的各非关键性负载104间通过混联电路电气连接，且仅当多个非关键性负载104处于串联状态下时，串联的各非关键性负载104与一个基于模糊控制规则因子电力弹簧105串联。

本新型在具体实施中，基于模糊控制规则因子电力弹簧及基于该电力弹簧的电路系统运行时，其模糊控制规则因子算法包括：

S1，参数设定，一方面将基于模糊控制规则因子电力弹簧的控制规则因子设定为α，另一方面设定给定量Uref与关键负载电压Ucl做差产生误差信号e；并在于模糊控制规则因子电力弹簧包括主控电路的数据运算区中预生成规则因子α模糊控制器和可调整规则因子模糊控制器；

S2，数据分析，将电压互感器、电流互感器检测得到的母线数据输送至基于模糊控制规则因子电力弹簧的主控电路中，然后将检测得到的数据分别进行输入运算、微分运算、量化运算、模糊分析运算、比例运算、PWM波生成运算六部类数据分析运算，其中模糊分析分为规则因子α分析与带可调整规则因子分析两部分，并分别在S1步骤设定的则因子α模糊控制器和可调整规则因子模糊控制器进行；其中完成数据分析后控制规则因子α在最后通过比例运算环节后的输出，并将输出结果反馈至主控电路，并作为主控电路驱动控制开关电路、无功功率补偿投切开关运行状态的控制参数参与到基于模糊控制规则因子电力弹簧在电路运行中运行状态调整作业。

进一步的，所述的S2步骤中，进行数据分析时的具体流程如下：

首先将误差信号e经过微分模块后产生其的变化率ec，e与ec一路经过量化得到量化数据值K1与K2，并将量化数据值K1与K2输入到S1步骤设定的规则因子α模糊控制器中，在规则因子α模糊控制器中进行模糊量和运算，其中模糊量和运算关系式分别为：

与在规则因子α模糊控制器中共同作用产生输出信号其表达为：

经过比例运算Ka输出α到带可调整规则因子模糊控制器中；

然后，e与ec另一路经过量化得到量化数据值Ke与Kec，并将到量化数据值Ke与Kec输入到带可调整因子的模糊控制器中，可调整规则因子模糊控制器中进行模糊量E与EC运算，其中模糊量E与EC运算关系式分别为：

E＝<Ke*e> (4)

EC＝<Kec*ec> (5)

E、EC与α在可调整规则因子模糊控制器中共同作用产生输出信号U，其表达式为：

U经过比例运算Ku输出u到PWM产生模块，最后输出PWM波到基于模糊控制规则因子电力弹簧的主控电路处，并由主控电路根据PWM波驱动控制开关电路运行状态调整；

进一步的，所述的数据分析中：

(1)、(2)、(4)与(5)式中“<>”表示模糊化操作，需要结合输入隶属函数；(3)与(6)式中表示对模糊输入进行模糊规则分析操作，需要结合模糊控制器适当的控制规则；“—<>”表示反模糊化操作，需要结合各自的输出隶属函数，(1)、(2)与(3)式在规则因子α模糊控制器中实现，(4)、(5)与(6)式在可调整规则因子模糊控制器中实现。

本实用新型较传统的设置有电力弹簧补偿的电路系统，一方面极大的简化并规范了电路结构及电路连接关系，便于提高电路、维护、管理作业的工作效率和降低工作成本，另一方面电力弹簧设备对电路补偿调节能力强，运行控制精度高，并可有效实现对电网进行电压、电流及功率因数等多个参数补偿，从而有效确保用电设备运行稳定的同时，也极大的提高电网系统运行的稳定性和可靠性。

此外，在(6)式中，α为规则因子α模糊控制器经过比例环节后的输出，可见α控制了可调整规则因子模糊控制器中输入E与EC各自的比例，直接影响了控制的输出，也就是控制效果。通过对规则因子α模糊控制器中模糊规则的制定，可以改变在不同输入条件下e与ec在输入中所占比例的效果。接下来说明规则因子α的具体意义和需要注意的地方。

特别指出的，当系统误差较大时，控制器的首要任务是减小误差，所以使控制因子α大一点，使E所占的比重大一点；当误差较小时，为了抑制系统的超调，应使控制因子α小一点，避免因α过大导致系统超调过大，也能使系统在开始出现偏差时及时抑制，使响应尽快向给定值靠拢。值得注意的是，若规则因子α模糊控制器的输出论域为[0,1]，为了尽量减小系统静态误差，避免误差或误差变化率占比过高，规则因子α模糊控制器输出不应该出现α＝0或者α＝1的情况，此在制定规则因子α模糊控制器的模糊规则时应该特别注意。

本实用新型较传统的设置有电力弹簧补偿的电路系统，一方面极大的简化并规范了电路结构及电路连接关系，便于提高电路、维护、管理作业的工作效率和降低工作成本，另一方面电力弹簧设备对电路补偿调节能力强，运行控制精度高，并可有效实现对电网进行电压、电流及功率因数等多个参数补偿，从而有效确保用电设备运行稳定的同时，也极大的提高电网系统运行的稳定性和可靠性。

本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制。上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理。在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进。这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。