一种用于实时调节负载电压夹角的电力弹簧控制方法

本发明涉及电力电子装置在电力系统中的应用领域，具体涉及一种用于实时调节负载电压夹角的电力弹簧控制方法。

背景技术：

1、在国家大力号召节能减排的大背景下，含高比例新能源的新型电力系统已经成为了发展趋势，新能源发电具有间歇性和随机性的特点，随着天气条件的变化，新能源的发电功率也不断改变，导致电网电压波动，从而对某些对电网电压敏感的用电设备(关键性负载)的运行造成不良影响。针对这个问题，香港大学许树源教授团队在2012年提出了“电力弹簧”这一新概念，电力弹簧通过将电网的功率波动转移到对电压变化不敏感的设备(非关键性负载)上，维持关键性负载电压的稳定。电力弹簧与非关键性负载串联后形成智能负载，能够实现用电量自动匹配发电量。

2、在现有的电力弹簧控制方法中，基本上只考虑电压调节或功率因数校正等控制目标的实现，在设计过程中没有考虑电力弹簧的有功功率补偿的大小以及直流侧储能电池所需要的容量。tong chen等人提出了一种恒定负载电压角(θ角)的电力弹簧控制方法，虽然实现了稳定关键性负载的电压，但θ角恒定限制了电力弹簧的工作区间，且在恒定θ角控制下，非关键性负载上的电压波动程度很大，超出了其允许工作范围。同时，该方法需要配置较大的直流侧储能电池容量，系统的建设成本较高。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的缺点与不足，本发明提供了一种用于实时调节负载电压夹角的电力弹簧控制方法，在稳定关键性负载功率(电压)的同时，保证非关键性负载上的功率(电压)波动程度位于允许范围以内，同时最大限度的利用非关键性负载的允许功率波动范围，减少电力弹簧的直流侧储能电池需要配置的储能容量，降低系统的建设成本。

2、本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种用于实时调节负载电压夹角的电力弹簧控制方法，包括以下步骤：

4、s1、实时采集公共连接点pcc处的电压信号vs、电源流入公共连接点pcc的电流信号is、电力弹簧的输出电压信号ves以及流过电力弹簧的电流信号isl；

5、s2、将公共连接点pcc处的电压信号vs的有效值vs与给定的电压参考值vsref作差，差值经过一个比例积分控制器，其输出为电力弹簧输出电压的x轴分量vesx的参考有效值vesxref；

6、s3、将公共连接点pcc处的电压信号vs输入锁相环模块(pll)，得到电压信号vs的实时相位ωt；

7、s4、将电压信号vs和电流信号is输入一个功率计算模块，输出发电端注入负载端的实时有功功率pin；将pin输入参考有功功率选择模块，输出电力弹簧的参考有功功率pesref；将电压信号ves和电流信号isl输入一个功率计算模块，输出电力弹簧实际有功功率pes；

8、s5、将电力弹簧的有功功率pes与参考有功功率pesref作差后输入一个比例积分控制器，输出负载电压夹角θ的参考值θref；

9、s6、将上述步骤所得的vesxref、ωt、vsref以及θref输入参考电压计算模块，输出电力弹簧的参考输出电压信号vesref；

10、s7、将电压信号vesref输入pwm信号生成器，得到电力弹簧开关管的驱动信号，实现电力弹簧的控制。

11、进一步地，所述电力弹簧的应用系统包括电源vg，线路阻抗z1，关键性负载zcl，非关键性负载zncl和电力弹簧；电力弹簧与能承受电压波动的非关键性负载zncl串联后，然后与对电压变化敏感的关键性负载zcl并联在公共连接点pcc，电源vg与线路阻抗串联后接入公共连接点pcc；公共连接点pcc是电力弹簧与关键性负载zcl和线路阻抗z1的连接点。

12、进一步地，所述电力弹簧包括直流侧储能电池、电压源型逆变器和lc低通滤波器。

13、进一步地，所述负载电压夹角为关键性负载电压即公共连接点pcc处的电压信号vs与非关键性负载电压vo之间的夹角，记为θ角；

14、非关键性负载电压vo超前关键性负载电压vs时，θ角为正值，非关键性负载电压vo滞后关键性负载电压vs时，θ角为负值。

15、进一步地，步骤s2中，所述电力弹簧输出电压的x轴分量vesx，具体分解方式为，以关键性负载电压即公共连接点pcc处的电压信号vs的方向为参考x轴方向，y轴超前于x轴90度，将电力弹簧的输出电压分解为相互垂直的x轴分量vesx和y轴分量vesy。

16、进一步地，将公共连接点pcc处的电压信号vs的有效值vs与vsref作差后输入一个比例积分控制器，得到vesx的参考有效值vesxref。

17、进一步地，步骤s4中，所述参考有功功率选择模块根据发电端注入负载端有功功率pin的大小，实时生成电力弹簧的参考有功功率pesref，具体如下：

18、记pclref为关键性负载的额定有功功率，pnclmin和pnclmax分别为非关键性负载允许的最小和最大有功功率；

19、当pin＜(pclref+pnclmin)时，pesref＝(pin-pclref-pnclmin)；

20、当(pclref+pnclmin)≤pin≤(pclref+pnclmin)时，pesref＝0；

21、当pin＞(pclref+pnclmax)时，pesref＝(pin-pclref-pnclmax)。

22、进一步地，步骤s4中，电力弹簧的有功功率pes的表达式为：

23、

24、其中，isl为isl的有效值，具体有：

25、

26、此时负载功率pl可以写为：

27、

28、又根据功率守恒定律有：

29、pg＝pes+pl

30、其中，pg为电源的发电功率，联立以上表达式可以解得：

31、

32、所以pes可以写为：

33、

34、观察上式可得，当时，pes与θ正相关，∝即pes∝θ。

35、进一步地，步骤s6中，所述参考电压计算模块根据输入的vesxref、ωt、vsref以及θref值计算出电力弹簧的输出参考电压vesref；

36、在参考电压计算模块中，首先分别计算电力弹簧的参考输出电压vesref的x轴参考分量vesxref和y轴参考分量vesyref，其中x轴的方向与公共连接点pcc处的电压信号vs的方向相同，y轴超前于x轴90度；以公共连接点pcc处的电压信号vs为参考向量，vesxref和vesyref的表达式分别为：

37、

38、进一步地，在参考电压计算模块中，根据vesxref和vesyref的表达式，以及前级反馈的vesxref、ωt、vsref以及θref值，实时计算出vesxref和vesyref的大小，将vesxref和vesyref相加即可得到电力弹簧的参考输出电压vesref的大小。

39、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

40、1.本发明实现了负载电压夹角(θ角)的实时变化控制，本发明的控制方法能够根据新能源的发电功率，合理地控制电力弹簧补偿有功功率的大小，在稳定关键性负载功率(电压)为额定功率(电压)的同时，也保证非关键性负载上的功率(电压)波动位于允许的范围以内。

41、2.本发明的控制方法最大限度的利用了非关键性负载上允许的功率波动范围，使得电力弹簧需要补偿的有功功率减少，进而电力弹簧的直流侧储能电池需要配置的储能容量减小，使得系统的建设成本降低。