面向微电网需求侧的电力弹簧调控系统及调控方法

1.本发明涉及电力弹簧调控策略，尤其是涉及一种面向微电网需求侧的电力弹簧调控系统及调控方法。


背景技术：

2.分布式发电作为新能源融入微电网的一种形式，在提供清洁能源的同时，也引入了电压波动、发电量与用电量不平衡的问题。如何克服这些问题，成为了高效使用清洁能源的重要一环。为解决微电网中的电压波动问题，传统策略常常使用变压器有载调压或者步进电压调节器，但由于机械结构固有的迟滞性使之无法快速动作，调节效果不佳；为解决微电网中的供给不平衡问题，传统策略通常从电源侧与负荷侧(需求侧)进行调节，同过预测光伏发电与风力发电的大致功率状况调整供电情况、设计分时电价调节用电情况，其中使用需求侧管理技术实现负荷侧的调节是当前研究领域一大热点。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种面向微电网需求侧的电力弹簧调控系统及调控方法。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
5.一种面向微电网需求侧的电力弹簧调控系统，其包括：
6.α定角度计算模块，用于获取关键负载电压与智能负载sl的非关键负载电压夹角α；
7.第一电压传感器，用于获取非关键负载rnc的非关键负载电压v
nc
；
8.第二电压传感器，用于获取智能负载sl的电力弹簧es的反馈量v
es
；
9.锁相环pll，用于根据第一电压传感器检测的非关键负载电压v
nc
获取电压周期相位ωt；
10.正弦函数，用于获取经加法器求和后的电压周期相位ωt及关键负载电压与非关键负载电压夹角α的正弦函数sin(ωt+α)；
11.乘法器，用于输入的正弦函数sin(ωt+α)与关键负载电压vc相乘获得关键负载目标电压向量v
c-ref
；
12.第一减法器，用于根据非关键负载电压向量v
nc
与关键负载目标电压向量v
c-ref
做差得到电力弹簧端口电压目标向量v
es-ref
；
13.第二减法器，用于根据反馈量v
es
与电力弹簧端口电压目标向量v
es-ref
做差获取补偿误差
14.pr补偿器，根据补偿误差输出脉冲控制信号；
15.正弦脉冲宽度调节模块，其分别与pr补偿器及电力弹簧的h型逆变桥连接，用于输出控制h型逆变桥的驱动信号。
16.所述pr补偿器的传递函数为其中k
p0
、k
r0
、ωc和ω0分别是比例增益，共振系数、截止频率和共振频率。
17.一种基于上述面向微电网需求侧的电力弹簧调控系统的调控方法，其包括调节关键负载电压和调节非关键负载电压两种方式，其中调节非关键负载电压时包括以下步骤：
18.1)通过获得关键负载电压与非关键负载电压夹角α，其中h和k均为常数，和k均为常数，vg为电网电压，vc为关键负载电压，rc为关键负载，r
l
为线路电阻，r
nc
为非关键负载；
19.2)根据第一电压传感器采集非关键负载电压v
nc
，并通过锁相环得到电压周期相位ωt，并在该电压周期相位上增加关键负载电压与非关键负载电压夹角α，获得关键负载目标电压向量v
c-ref
＝vc×
sin(ωt+α)；
20.3)将非关键负载电压向量v
nc
与关键负载目标电压向量v
c-ref
做差得到电力弹簧端口电压目标向量v
es-ref
＝v
c-ref-v
nc
；
21.4)用检测到的反馈量v
es
与电力弹簧端口电压目标向量v
es-ref
做差获取补偿误差该补偿误差用于pr补偿器以产生脉冲控制信号，且该pr补偿器的传递函数为其中k
p0
、k
r0
、ωc和ω0分别是比例增益，共振系数、截止频率和共振频率。
22.调节关键负载电压时，只需给定关键负载电压与非关键负载电压夹角α。
23.本发明的有益效果：通过控制系统对电力弹簧中关键负载电压与非关键负载电压夹角α的调控，完成了在不改变关键负载控制电压的前提下实现非关键负载的功率调整。通过这种对非关键负载的功率调整，解决了在需求侧的功率调整问题，借助于电力弹簧的分布式特点，进而有助于实现微电网中的供需平衡。
附图说明
24.图1为电力弹簧在需求侧管理中的结构框架图。
25.图2为二代电力弹簧拓扑。
26.图3为电力弹簧不同工作模式，a为es未工作，b为es在感性模式，c为es在容性模式。
27.图4为关键负载的稳压矢量图。
28.图5为非关键负载的电压调控矢量图。
29.图6为本发明的电力弹簧控制框图。
30.图7为关键负载的稳压控制波形图。
31.图8为不同α角度非关键负载的电压波形图。
32.图9为非关键负载的需求侧管理波形图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
35.本发明基于电力弹簧的需求侧管理框架，用于完善当前的需求侧管理技术。借助电力弹簧中关键负载与非关键负载的概念，在实现稳定关键负载电压波动的基础上调节非关键负载的能量需求，实现需求侧管理与电压稳定的双目标。
36.需求侧管理技术
37.电力需求侧管理是指对用电一方实施的管理。这种管理是国家通过政策措施引导用户根据发电功率情况使用电能，提高供电效率、优化用电方式的办法。当前需求侧的管理技术手段主要包含直接负荷控制、可中断负荷控制等。直接负荷控制、可中断负荷控制是指供电公司根据当前发电量，直接操控在网负荷，减少需求侧用电量，实现供需平衡。
38.直接负荷控制作为一种激励型需求响应，一般针对居民用户或小型商业用户中具有热储存能力的温控负荷(thermostatically controlled loads，tcl)实施。此在面向微电网需求侧时直接负荷控制通常效果更为显著。这种通过对本区内可调控用电负载的预先集群化管理，统一调控需求侧的用电量的方式，有效使得发电量与用电量平衡。
39.基于es的微电网需求侧管理结构框架
40.在2012年，s.y.hui教授提出了电力弹簧拓扑结构。该拓扑根据不同负荷对电能质量的要求不同，将电压的波动施加在对电能质量要求并不严格的非关键负载上，进而保持关键负载的电压稳定。这种对关键负载与非关键负载的区分有效契合了直接负荷控制中的负载要求。为解决传统需求侧管理在调节控制负荷侧功率中存在的不足，本文将电力弹簧引入需求侧管理中，构建新型的电力弹簧需求侧管理结构框架。
41.由于非关键负载在承担波动时，电压通常会发生改变，进而影响非关键负载的功率情况。因此电力弹簧在实现关键负载电压稳定的同时也可以同步完成非关键负载的功率控制。进而解决了微电网中的电压波动、发电量与用电量不平衡的问题。通过电力弹簧工作组构建微电网，就实现了需求侧管理与微电网电压稳定的双目标。在需求侧管理中，电力弹簧的引入实现了微电网电压稳定与需求侧管理的双目标，完善了需求侧管理的体系。其次电力弹簧在实现需求侧管理时属于直接控制，避免了分时电价中调节缓慢的弊端，而且实现需求侧管理的非关键负载本就是电力弹簧中对电能质量要求并不严格负载，在调控中又仅仅改变其功率而非直接切出，用户可接受程度大。
42.图1所示为电力弹簧在需求侧管理中的结构框架。该微电网为并网式微电网，共包含变压器、线路阻抗、分布式电源(distributed generation，dg)、储能单元、电力弹簧工作
组五部分。该微电网中负荷被分为关键负载与非关键负载，其中关键负载电能质量要求较高，其电压时刻保持稳定；非关键负载与电力弹簧组成的智能负载在调节稳定关键负载电压的同时，并适当调整非关键负载功率实现需求侧管理以满足供需平衡。
43.电力弹簧中较为常见的是如图2所示的第二代电力弹簧拓扑结构。该电力弹簧主要由直流电源v
dc
、h型逆变桥、lc无源滤波器构成。其中，电力弹簧和非关键负载r
nc
共同组成智能负载(sl)。智能负载与关键负载rc并联，当电网传来波动时，电力弹簧调节智能负载，让正常工作电压区间较大的非关键负载进行承受，以求关键负载在正常工作时处于较高的电能质量环境中。
44.图2中，v
dc
为直流电源电压、l1为滤波器电感、c1为滤波器电容、v
es
为电力弹簧端口电压、r
nc
为非关键负载、rc为关键负载、r
l
为线路电阻、x
l
为线路电抗、vg为电网电压。
45.该型电力弹簧通过控制角度，既可以无功补偿，也可以实现有关补偿。具体的补偿模式如图3所示。vc为关键负载电压，v
nc
为非关键负载电压，v
es
为电力弹簧端口电压，i
es
为电力弹簧端口电流。在需求侧由于分布式电源的引入带来了电压波动、发电量与用电量不平衡的问题。电力弹簧的补偿能力可以很好的解决这些困扰，本技术将对电力弹簧的这两个目标调节过程与原理进行分析。
46.当分布式电源供电充足，电力弹簧主要应对新能源带来的电压不稳定问题，通过输出不同功率组合以求满足关键负载的控制要求，使其达到关键负载电压的稳定目标。其中，常常还通过调节输出电压v
es
的角度使得输出功率留有较大裕度，以求满足后续电网侧潜在的电压波动。
47.第二代电力弹簧可以进行无功和有功的双重补偿，为更为细致的分析电力弹簧的稳压补偿工作模式，根据补偿功率性质共划分八种工作模式具体情况如图4所示。
48.如图4所示，蓝色向量为es输出电压v
es
，红色向量为关键负载电压vc，黑色向量为非关键负载电流向量i
nc
。根据图可知八种工作模式分别为v
es-1
时es输出纯有功功率，v
es-2
时es输出有功功率和超前无功功率，v
es-3
时es只输出纯超前无功功率，v
es-4
时es输出超前无功功率吸收有功功率，v
es-5
时只吸收有功功率，v
es-6
时es输出滞后无功功率吸收有功功率，v
es-7
时es只输出滞后无功功率，v
es-8
时es输出滞后无功功率和有功功率。
49.当电网侧电源输出功率不足时，电力弹簧主导功能转移到对需求侧的用电管理，以一定的输出功率裕度为代价，通过调节电力弹簧输出电压角度的方式实现对非关键负载功率的管控，达到供需平衡的目的。
50.为分析电力弹簧对非关键负载的需求侧管理，选定一种关键负载已稳定情况进行研究非关键负载电压及其功率情况。如图5所示，当前为关键负载受控稳定状态。图中vg为电网电压，v
l
为线路阻抗电压，vc为关键负载电压，v
es
为电力弹簧es输出电压，v
nc
为非关键负载电压，ic为关键负载电流，i
nc
为非关键负载电流，i
l
为线路阻抗上电流，α为关键负载电压与非关键负载电压夹角，β为关键负载电流与线路阻抗电流之间的夹角。在该模型中非关键负载、关键负载和线路阻抗均为电阻，其数量关系如公式(1)所示。
[0051][0052]
根据图5所示的矢量图可知电网电压vg，线路阻抗电压v
l
，关键负载电压vc的数量关系如公式(2)所示。
[0053][0054]
根据图5所示的矢量图可知关键负载电流ic，非关键负载电流i
nc
，线路阻抗电流i
l
的数量关系如公式(3)、(4)所示。
[0055][0056][0057]
为探究电力弹簧控制三角形(vc，v
es
，v
nc
)内角度在稳定关键负载情况下对非关键负载的影响，将(3)式带入(2)式中消除角度β，
[0058][0059]
将公式(1)带入到公式(5)中化简
[0060][0061]
将公式(3)带入到公式(6)中化简
[0062][0063][0064]
公式(7)中线路参数r
l
，负载参数rc、r
nc
为定值，在控制关键负载稳定时，关键负载电压vc与电网电压vg相对稳定。该等式变量为非关键负载电压v
nc
与夹角余弦值cosα。
[0065]
对公式(7)整理可得公式(8)，令
[0066][0067]
可看出h、k为常数。将(9)带入(8)式中可得：
[0068][0069]
对式(10)进行求解取正值可得：
[0070][0071]
对式(10)求导可知v
nc
与夹角余弦值cosα的单调性。
[0072][0073]
经过上述分析，由公式(11)可知，在控制关键负载电压稳定的前提下，改变关键负载电压与非关键负载电压夹角α可以调整非关键负载电压的幅值，进而调节非关键负载功率由公式(12)可知，非关键负载用电功率与cosα呈负相关性，与α夹角则呈正相关。
[0074]
通过上述分析，电力弹簧满足需求侧管理的具体要求。通过控制系统对电力弹簧中关键负载电压与非关键负载电压夹角α的调控，完成了在不改变关键负载控制电压的前提下实现非关键负载的功率调整。通过这种对非关键负载的功率调整，解决了在需求侧的功率调整问题，借助于电力弹簧的分布式特点，进而有助于实现微电网中的供需平衡。
[0075]
如图6所示，本发明提供了一种面向微电网需求侧的电力弹簧调控系统，其包括：
[0076]
α定角度计算模块，用于获取关键负载电压与智能负载sl的非关键负载电压夹角α；
[0077]
第一电压传感器，用于获取非关键负载rnc的非关键负载电压v
nc
；
[0078]
第二电压传感器，用于获取智能负载sl的电力弹簧es的反馈量v
es
；
[0079]
锁相环pll，用于根据第一电压传感器检测的非关键负载电压v
nc
获取电压周期相位ωt；
[0080]
正弦函数，用于获取经加法器求和后的电压周期相位ωt及关键负载电压与非关键负载电压夹角α的正弦函数sin(ωt+α)；
[0081]
乘法器，用于输入的正弦函数sin(ωt+α)与关键负载电压vc相乘获得关键负载目标电压向量v
c-ref
；
[0082]
第一减法器，用于根据非关键负载电压向量v
nc
与关键负载目标电压向量v
c-ref
做差得到电力弹簧端口电压目标向量v
es-ref
；
[0083]
第二减法器，用于根据反馈量v
es
与电力弹簧端口电压目标向量v
es-ref
做差获取补偿误差
[0084]
pr补偿器，根据补偿误差输出脉冲控制信号；
[0085]
正弦脉冲宽度调节模块，其分别与pr补偿器及电力弹簧的h型逆变桥连接，用于输出控制h型逆变桥的驱动信号。
[0086]
所述pr补偿器的传递函数为其中k
p0
、k
r0
、ωc和ω0分别是比例增益，共振系数、截止频率和共振频率。
[0087]
一种基于上述面向微电网需求侧的电力弹簧调控系统的调控方法，其包括调节关键负载电压和调节非关键负载电压两种方式，其中调节非关键负载电压时包括以下步骤：
[0088]
1)通过获得关键负载电压与非关键负载电压夹角α，其中h和k均为常数，和k均为常数，vg为电网电压，vc为关键负载电压，rc为关键负载，r
l
为线路电阻，r
nc
为非关键负载；
[0089]
2)根据第一电压传感器采集非关键负载电压v
nc
，并通过锁相环得到电压周期相位ωt，并在该电压周期相位上增加关键负载电压与非关键负载电压夹角α，获得关键负载目标电压向量v
c-ref
＝vc×
sin(ωt+α)；
[0090]
3)将非关键负载电压向量v
nc
与关键负载目标电压向量v
c-ref
做差得到电力弹簧端口电压目标向量v
es-ref
＝v
c-ref-v
nc
；
[0091]
4)用检测到的反馈量v
es
与电力弹簧端口电压目标向量v
es-ref
做差获取补偿误差该补偿误差用于pr补偿器以产生脉冲控制信号，且该pr补偿器的传递函数为其中k
p0
、k
r0
、ωc和ω0分别是比例增益，共振系数、截止频率和共振频率。
[0092]
调节关键负载电压时，只需给定关键负载电压与非关键负载电压夹角α。
[0093]
如图6所示的电力弹簧控制方式是在定角控制的基础上增加α角度计算模块实现的。该控制方式在满足关键负载的稳定控制下，可根据需求侧管理的要求调节非关键负载电压，切除部分用电负荷。
[0094]
为验证本文所提基于电力弹簧的需求侧管理框架对关键负载的电压稳定作用和对非关键负载的需求侧管理作用，搭建如图所示的纯阻性电力弹簧并网控制系统实验模型，系统中具体元件、控制器参数如表1所示。
[0095]
表1系统模型参数
[0096]
tab.1 system model parameters
[0097][0098]
电力弹簧对关键负载的稳压控制
[0099]
电力弹簧对关键负载的稳压控制是指电网电压波动时电力弹簧对关键负载电压的稳定作用。为模拟配电网电压波动，通过调节自耦变压器的变比，可以制造电压扰动。如图7所示，1号曲线为自耦变压器模拟电网电压波动。2号曲线为受控关键负载电压曲线。3号曲线为非关键负载电压。
[0100]
由上述实验可知，电力弹簧在电网电压波动的情况下可以实现关键负载的电压稳定。非关键负载在电力弹簧的调控下吸收波动。
[0101]
电力弹簧对非关键负载的需求侧管理
[0102]
电力弹簧对非关键负载的需求侧管理作用是指通过调节相位角α在不改变关键负载电压的情况下切出非关键负载的负荷，以求实现需求侧管理，满足供给侧与需求侧的平衡。为模拟电力弹簧对非关键负载的需求侧管理作用，设定电网电压为10.7v，关键负载的目标稳定电压为5.8v，通过调节相位角α实现非关键负载电压与功率的调整。如图8所示，实验中选取相角α为0度、30度、45度、60度和90度。1号蓝色曲线为自耦变压器模拟电网电压波动。2红色曲线为受控关键负载电压。3号绿色曲线为非关键负载电压。
[0103][0104]
实验结果表明在调节α角度的同时，可以在不影响关键负载的稳压情况下调节非关键负载的电压情况，非关键负载电压与α角度呈正相关性，进而非关键负载的功率也随着α角度增大而增大。
[0105]
通过调节α角度，实现了非关键负载电压的调整。根据非关键负载功率计算公式可知，通过对非关键负载电压的调整实现了对功率的控制，进而实现需求侧管理的技术要求。根据图9所示，在调节α角度时，关键负载的电压波动误差b控制在1.2％以内，
满足电力弹簧对关键负载的控制要求。在实现非关键负载的需求侧管理时，通过α角度调节可以最多减少非关键负载峰值负荷的51.9％。通过分布式的电力弹簧调节可以实现总需求侧功率与供给侧电源功率相匹配。
[0106]
实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。