一种用于分布式电压调控的AC-AC型主动电力弹簧的制作方法

一种用于分布式电压调控的ac
‑
ac型主动电力弹簧
技术领域
1.本发明属于配电网电压调整设备技术领域，具体涉及一种用于分布式电压调控的ac
‑
ac型主动电力弹簧。


背景技术：

2.为了解决能源问题，可再生能源在电网中的渗透率不断提高，然而由于其固有的间歇性、波动性加剧了电网电压出现低电压和过电压的问题。针对配电网电压“颠簸”问题，应用最广泛的电能质量优化装置多为无功补偿装置，如静止无功补偿器(static var compensator,svc)和静止无功发生器(static var generator,svg)，但是该方法无法调节有功功率，并且非常依赖通讯设备。利用蓄电池、超导等储能装置进行电网电压波动治理也是一种有效方法，然而这些方法会使成本显著增加，且对储能装置的可靠性要求较高。
3.香港大学许树源教授团队提出了“电力弹簧”的概念；然而目前主流的电力弹簧是通过“牺牲”非关键负载来保证关键负载的，随着用户侧对电能质量的要求越来越高，定制电力技术需求越来越大，使得在划分关键负载和非关键负载时难度变大，或者说无法划分。在只有关键负载的情况下，现有的电力弹簧体现出了“被动的特性”，其应用将会受到一定的限制。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于分布式电压调控的ac
‑
ac型主动电力弹簧，解决了现有电力弹簧在无法保护非关键负载、调压受线路参数及负载类型限制的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，一种用于分布式电压调控的ac
‑
ac型主动电力弹簧，包括连接电网输出端的ac
‑
ac功率变换模块，ac
‑
ac功率变换模块依次连接滤波模块、工频耦合变压器输入端，工频耦合变压器输出端负极连接电网输出端正极，工频耦合变压器输出端正极与地面之间连接负载。
6.本发明的特点还在于：
7.ac
‑
ac功率变换模块包括同时连接电网输出端正极的开关管s2发射极、开关管s
2p
发射极，开关管s2集电极连接开关管s1集电极，开关管s1发射极分别连接开关管s
1c
集电极，开关管s
1c
发射极连接开关管s
2c
发射极，开关管s
2c
集电极连接电网输出端负极，开关管s
2p
集电极连接开关管s
1p
集电极，开关管s
1p
发射极连接开关管s
1cp
集电极，开关管s
1cp
发射极连接开关管s
2cp
发射极，开关管s
2cp
集电极连接电网输出端负极，开关管s
1p
发射极连接工频耦合变压器输入端正极，开关管s
2c
集电极连接电网输出端负极，开关管s1发射极、开关管s
1p
发射极均通过滤波模块连接工频耦合变压器输入端，还包括连接在电网输出端正极与电网输出端之间的电容c
in
。
8.滤波模块包括连接开关管s1发射极的电感l
f
，电感l
f
分别连接电容c
f
一个极板和工频耦合变压器输入端负极，电容c
f
另一个极板分别连接开关管s
1p
发射极、工频耦合变压器输入端正极。
load,ncl)。通过调节电力弹簧的输出电压，关键负载严格工作在其额定电压，由非关键负载承担电网的“颠簸”。由于电力弹簧分布式地独立运行于各用户端，其工作无需通讯设备的协助，即使个别弹簧发生故障也不会影响其他负载的运行，相对于传统无功补偿装置，经济性和安全性都大大提高。
27.本发明一种用于分布式电压调控的ac
‑
ac型主动电力弹簧与传统电力弹簧相比有以下优点：
28.与传统电力弹簧拓扑结构相比，es
‑
1与es
‑
2这两种拓扑使用的开关管个数较少，但是这两种拓扑的调压能力受限于其直流侧电容/储能装置。es
‑
b2b省去了储能装置，与本发明提出的电力弹簧拓扑相比，两者使用的开关管个数相同，不同的是电力弹簧采用了直接式ac
‑
ac变换，减少了直流环节，降低了控制的复杂度，提高了装置的使用寿命。
29.传统电力弹簧虽然能在电网“颠簸”时保护关键负载，但是电网的“颠簸”却要由非关键负载来承担，这将给非关键负载造成不可忽略的损害。而本发明提出的新型电力弹簧，不再对关键负载与非关键负载进行区分，弹簧的输出端将与所有需要保护的用户侧负载串联。当电网出现“颠簸”时，通过调节电力弹簧的输出电压，能在较短的时间内使所有被保护的负载两端的电压稳定在各自额定电压。
30.传统电力弹簧实际上是通过改变线路阻抗的分压，从而对公共连接点(point of common coupling,pcc)的电位进行调节。所以这种调压模式受线路的参数影响较大。若线路本身的阻抗较小，则分得电压的改变幅度也较小，在实际的系统中就难以对pcc的电位产生明显的影响。
31.另一方面，当非关键负载为非线性负载时，传统电力弹簧的调压方式还有失效的风险。当非关键负载为非线性负载时，调节弹簧的输出电压将无法如rlc型负载一样理想地改变流过其负载两端的电流。
32.电力弹簧不寻求对pcc的电位进行调控，无论pcc对地电压u
s
在弹簧工作的过程中如何变动，负载电压u0，弹簧输出电压u
es
与u
s
的关系始终满足下式：
[0033][0034]
所以只要控制u
es
的大小就能保证负载电压u0始终保持为额定值，此时线路阻抗参数就不会影响电力弹簧的调压能力。而且这种调压方式只是对u
s
进行重新分配，任意类型的负载都可适用。
[0035]
实施例
[0036]
本发明电力弹簧的拓扑结构如图1所示，其核心设备为双极性ac
‑
ac变换器。输入端与电网相连，其输出端经过工频变压器与需要保护的负载串联。通过调节电力弹簧的输出电压，从而保证负载两端电压的稳定。其工作原理如图2(a)和图2(b)所示。当电网电压u
s
偏低时，为了维持负载两端电压有效值u0不变，输出与u
s
同相位的电压u
es
。当电网电压u
s
偏高时,使变压器二次侧输出与u
s
相位相反的电压u
es
。
[0037]
为了更好的验证本发明电力弹簧的优越性，搭建了一台功能样机，样机的参数如下表1所示：
[0038]
表1
[0039][0040][0041]
假定电网标准电压为110v。令可编程电源的输出电压由110v跳变至90v,模拟电网电压低于额定电网电压的情况；再令其输出电压由110v跳变至130v，模拟电网电压高于额定电网电压的情况。如图3(a)、图3(b)所示为纯阻性负载时输出正极性电压波形图，图中u
s
、u
es
、u0、i
load
分别代表电源电压、ac
‑
aes输出电压、负载电压以及负载电流。图4(a)、图4(b)、5(a)、图5(b)中相同参数代表相同意义，由图3(a)
‑
5(b)可以看出无论是纯阻性负载、阻感性负载还是非线性负载本发明都能正常工作，很好地实现了负载电压的调控。
[0042]
通过上述方式，本发明一种用于分布式电压调控的ac
‑
ac型主动电力弹簧，核心设备为双极性ac
‑
ac变换器，在用户侧与需要保护的负载相串联，实现分布式调压；双极性ac
‑
ac变换器采用了直接式ac
‑
ac变换，减少了直流环节，降低了控制的复杂度，提高了装置的使用寿命。