一种广义电力弹簧拓扑及其控制方法

本发明涉及电力电子应用，尤其是涉及一种广义电力弹簧拓扑及其控制方法。

背景技术：

1、由于传统能源的枯竭和因其产生的环境问题，使风能和太阳能等新能源的普及率逐渐增加，新能源发电的并网规模也在逐渐增加。然而，新能源发电的间歇性和不稳定性问题将会引起电网电压的波动，造成电网不同程度的损耗。为此，目前主要利用电力弹簧(electric spring，es)来有效抑制分布式发电功率变化引起的电压波动。

2、电力弹簧是一种分布式电力电子装置，能有效缓解分布式发电系统中出现的电力波动问题，当电网电压发生波动时，通过将电压波动传递到非关键负载上以稳定关键负载电压，从而为关键性负载的正常运行提供良好的环境。比如中国专利cn202211398497.8公开了一种电流型直流电力弹簧拓扑及其控制方法，该拓扑首先借由三端口电路实现了各端口的电气隔离，且避免了关键负载和非关键负载的直接连接，并且该拓扑实现了电力弹簧的功能，可以将关键负载上的波动转移至非关键负载上，在输入侧电源功率不稳定时依旧能维持关键负载的稳定，因而在光伏发电等场景中具有很好的实用性。

3、现有的电力弹簧拓扑尽管可以维持关键负载电压的稳定而提高电能质量，但是在面对关键负载集群时，其依旧是一个关键负载并联一个智能负载的方式，这就会造成系统的冗余，需要配置许多无效的智能负载而造成浪费。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种广义电力弹簧拓扑及其控制方法，在面对关键负载集群时，能够减少智能负载数量、减少系统冗余，同时确保维持关键负载的电压稳定。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种广义电力弹簧拓扑，包括分别与第一智能负载、第二智能负载相连接的关键段馈线，所述第一智能负载、第二智能负载均由电力弹簧和非关键负载组成，所述第一智能负载、第二智能负载分别通过线路阻抗与相应电网电源相连接，所述关键段馈线上可拆卸地挂载有关键负载，所述电力弹簧连接有控制器，所述控制器输出控制指令给电力弹簧，以调节电力弹簧的工作状态，从而将电网电压波动有序转移到非关键负载。

3、进一步地，所述关键段馈线包括第一馈线电阻和第二馈线电阻，所述第一馈线电阻的一端和第二馈线电阻的一端均连接至关键负载，所述第一馈线电阻的另一端连接至第一智能负载，所述第二馈线电阻的另一端连接至第二智能负载。

4、进一步地，所述电力弹簧包括直流电源，所述直流电源依次连接有桥式逆变器和lc滤波器，所述lc滤波器的输出端与非关键负载相连接，所述桥式逆变器与控制器连接。

5、进一步地，所述控制器包括电压采样单元、锁相环单元、关键负载目标电压计算单元、比较单元、pr控制器和脉宽调制单元，所述电压采样单元用于采集非关键负载电压以及电力弹簧端口电压；

6、所述锁相环单元用于从采集的非关键负载电压中提取出电压周期相位；

7、所述关键负载目标电压计算单元根据电压周期相位以及设定的关键负载电压稳压峰值，计算得到关键负载目标电压；

8、所述比较单元用于比较关键负载目标电压与非关键负载电压，以得到电力弹簧端口目标电压，并进一步比较电力弹簧端口目标电压与采集的电力弹簧端口电压，以得到电力弹簧端口电压误差；

9、所述pr控制器根据电力弹簧端口电压误差，输出得到相应控制信号，用于控制关键负载电压稳定，并将控制信号传输给脉宽调制单元，以生成相应的pwm波，进而控制桥式逆变器内各开关的导通与关断。

10、进一步地，所述关键负载具体为阻性负载、容性负载、感性负载中的任意一种或组合型负载。

11、进一步地，所述非关键负载具体为阻性负载、容性负载、感性负载中的任意一种或组合型负载。

12、进一步地，所述第一智能负载与第二智能负载的参数互为对称配置或相互独立配置。

13、一种广义电力弹簧拓扑结构的控制方法，包括以下步骤：

14、s1、将关键负载搭载至关键段馈线；

15、s2、实时采集非关键负载电压，并通过锁相环从中提取出电压周期相位；

16、s3、通过在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，得到关键负载目标电压；

17、s4、将关键负载目标电压与采集的非关键负载电压进行比较，得到电力弹簧端口目标电压；

18、s5、将电力弹簧端口目标电压与实时采集的电力弹簧端口电压进行比较，得到电力弹簧端口电压误差；

19、s6、通过pr控制器对电力弹簧端口电压误差进行控制，之后调制生成对应的pwm波输出给电力弹簧；

20、s7、根据接收的pwm波，电力弹簧相应调节自身工作状态，以将电网电压波动有序转移至非关键负载。

21、进一步地，所述关键负载目标电压具体为：

22、vs-ref＝vs-ref×sin(ωt+α)

23、其中，vs-ref为关键负载目标电压向量，vs-ref为关键负载电压的设定稳压峰值，ωt为电压周期相位，α为关键负载电压与非关键负载电压的夹角；

24、所述电力弹簧端口目标电压具体为：

25、ves-ref＝vs-ref-vnc

26、其中，vnc为非关键负载电压向量，ves-ref为电力弹簧端口目标电压向量；

27、所述电力弹簧端口电压误差具体为：

28、

29、其中，ves为实时采集的电力弹簧端口电压向量；

30、所述pr控制器的传递函数具体为：

31、

32、其中，kp0、kr0、ωc和ω0分别为比例增益，共振系数、截止频率和共振频率。

33、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

34、一、本发明设计了一种广义电力弹簧拓扑结构，共包含两组智能负载和一段关键段馈线，其中，两组智能负载均由电力弹簧和非关键负载组成，关键段馈线上则可拆卸地搭载有关键负载，电力弹簧连接有控制器，由控制器输出控制指令给电力弹簧，以调节电力弹簧的工作状态，从而将电网电压波动有序转移到非关键负载。由此利用两组智能负载负责抵御电网电压波动，保障关键段馈线的电能质量，在面对集群关键负载时，关键负载不需要单独配置智能负载，只需直接挂接至关键段馈线，即可实现电压的稳定、获取高质量电能环境，有效解决了传统电力弹簧配置多组智能负载产生的冗余问题，并确保了关键负载的电能质量提高。

35、二、本发明中，设计与电力弹簧的控制器包括电压采样单元、锁相环单元、关键负载目标电压计算单元、比较单元、pr控制器和脉宽调制单元，利用电压采样单元采集非关键负载电压以及电力弹簧端口电压；利用锁相环单元从采集的非关键负载电压中提取出电压周期相位；利用关键负载目标电压计算单元计算得到关键负载目标电压；利用比较单元得到电力弹簧端口目标电压，并进一步得到电力弹簧端口电压误差；利用pr控制器根据电力弹簧端口电压误差，输出得到相应控制信号，用于控制关键负载电压稳定，并将控制信号传输给脉宽调制单元，以生成相应的pwm波，进而控制桥式逆变器内各开关的导通与关断。由此能够保证对电力弹簧工作状态控制的可靠性与准确性，当发生电网电压波动时，能够及时、有序地将电压波动转移到与电力弹簧连接的非关键负载上，提升本发明的工作可靠性与稳定性。