一种新型电力弹簧拓扑及其控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于智能电网控制技术领域，涉及一种电力弹簧的新拓扑及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 目前，电力系统的运行方式仍然是需求量决定供电量，这就要求供电方能准确地 预测用户的需求。风能等可再生能源有着间歇性和不稳定性的缺点，随着其发电并网容量 的逐年增大，对电力系统的影响越来越明显，使得上述预测的难度逐渐加大。针对风能的间 歇性问题，利用蓄电池、超导或高速飞轮等储能装置来抵消发电量与需求量的不匹配是有 效的解决方案之一。然而，这些储能装置会使成本显著增加，而且储能装置的可靠性运行变 得至关重要。
[0003] 电力弹簧（Electric Spring, ES)的概念正是基于上述现状而提出的。ES颠覆 了电力系统的传统思想，实现了用电量随着发电量的改变而变化。因此，风能的间歇性问 题迎刃而解。ES理论将电力系统中的负载分为两大类：一类被称为关键负载，其端电压只 允许在极小的范围内波动；另一类被称为非关键负载，其端电压可以在较大的范围内波动。 ES的核心思想是将机械弹簧对偶到电力系统中，与汽车的减震器原理类似，在"颠簸"的电 网中使得关键负载电压被控制在规定的范围内，同时将电压（能量）的波动转移到非关键 负载上，并自动调节非关键负载的耗电量，实现发电量与用电量的自动匹配。当ES遍布于 微电网时，整个电网就像是被安装在一个超级床垫上一样，每个ES尽情地发挥着弹簧的功 能，使得微电网中的关键负载得以安全运行，并且单个ES的故障不会影响整个系统的稳定 运行，在新能源发电并网尤其是微电网系统中有着广泛的应用前景。
[0004] 目前的ES拓扑虽然能将输入电网电压的波动转移给非关键负载，但这种变化不 是单调的，g卩：非关键负载电压随着电网电压的增大先增大再减小，其电压最大值出现在 ES的阻性时刻，这就意味着非关键负载的功率的变化不是随着电网电压的递增而单调增加 的，这使得当前的ES的应用范围变窄。比如，在电压的幅值随着发电功率增加而增加的情 况下，当前的ES无法发挥作用。
【发明内容】
[0005] 发明目的：针对上述现有技术，提出一种电力弹簧的新拓扑及其控制方法，能够将 电网电压及其功率的波动转移到非关键负载上，从而保证关键负载上的电压稳定，同时ES 本身不消耗有功功率。
[0006] 技术方案：一种电力弹簧拓扑，包括单相电压源型逆变器、LC低通滤波器以及单 相隔离变压器；关键负载并联在新能源发电单相电网的输出端之间，非关键负载串联单相 隔离变压器的初级线圈后并联在新能源发电单相电网的输出端之间，LC低通滤波器的滤波 电容C与单相隔离变压器的次级线圈后并联在新能源发电单相电网的输出端之间，LC低 通滤波器的滤波电感L 一端连接滤波电容的一端，滤波电感L另一端连接单相电压源型逆 变器的一个整流桥桥臂，单相电压源型逆变器的另一个整流桥桥臂连接滤波电容C的另一 端，所述单相电压源型逆变器的直流侧接直流电源，所述新能源发电单相电网的输出端与 关键负载和非关键负载之间的输电线具有输电线路等效电阻R1和输电线路等效电感L 1<3
[0007] 作为本发明的优选方案，所述直流电源为能量双向的交流/直流变换器或蓄电 池。
[0008] -种电力弹簧拓扑的控制方法，包括如下步骤：
[0009] 1)，采集关键负载两端的电压反馈信号vs fb，采集LC低通滤波器中滤波电感L的 电流值iL_fb;
[0010] 2)，将所述电压反馈信号Vfb与参考正弦量V s_"f的差值输入PR控制器，输出信号 lL_ref，
[0011] 3)，将所述信号与所述电流值U_fb的差值输入P调节器，P调节器输出信号 再经限幅处理后作为SPffM调制波v_ raf;
[0012] 4)，将所述V raf与三角载波作比较，得到所述单相电压源型逆变器的开关驱动信 号。
[0013] 作为本发明的优选方案，所述步骤2)中，参考正弦量相位通过相位控制算 法计算得到，具体为：
[0014] a)，通过锁相环得到所述单相隔离变压器的初级线圈电流的相位Θ。；
[0015] b)，以所述单相隔离变压器的初级线圈电流I3为参考向量，定义所述关键负载两 端电压$超前所述13的角度为S，则得到所述参考正弦量\>的相位为Θ。+5 ;
[0016] c)，采集单相电压源型逆变器输出电压有效值V1，假设单相隔离变压器的匝比 为n，根据公另
计算出a和b的值；其中，ω = 100 π，L为所述滤波电感值，C为所述滤波电容值，R3为所述非关键负载阻值，V 5为所述关 键负载电压给定值的有效值；
[0017] d)，根据公;E
f算得到S的值，即得到所述参考正 弦量的相位为Θ。+ δ。
[0018] 有益效果：本发明的电力弹簧的新拓扑及其控制方法，能够使得不管新能源发出 的有功功率如何变化，非关键负载均能将之消耗掉，并且非关键负载的耗能与输入的有功 功率的变化趋势是一致的。以某一大楼为例，设有屋顶光伏发电系统和热水供应系统，本发 明能实现当阳光充足的时候，分配给烧水的电能多一些；当阳光不足的时候，分配给烧水的 电能少一些。并且这一调节是自动完成的。本发明和现有的ES拓扑相比，具有如下优点：
[0019] 1、能实现发电功率与用电功率的自动匹配：
[0020] 现有的ES拓扑能实现将输入电压的波动转移到非关键负载上，虽然也能转移功 率的波动，但非关键负载的功率随着输入电压的升高的变化规律是先上升后下降，即非关 键负载的有功功率不是单调变化的；本发明增加了一个隔离变压器，如图1，在原有拓扑的 非关键负载Z 3所在位置放置了一个变压器绕组。由变压器同名端的原理可知，新拓扑增加 隔离变压器的目的是为了先将原有拓扑中Z 3所承受的电压反相，然后将此反相后的电压与 原有的关键负载电压进行矢量合成后给非关键负载供电。经过此变化后，本发明提出的ES 拓扑则能实现非关键负载的电压和功率随着输入电压的变化而单调变化，这是本发明与现 有ES拓扑的本质区别。
[0021] 2、实用性高、应用前景广泛：
[0022] 基于现有的ES拓扑及其控制策略，非关键负载的功率波动不是单调变化这一缺 点使得其应用范围变窄，比如，现有的ES拓扑就无法应用于电压的幅值随着发电功率增加 而增加的情形；本发明则可广泛应用于此类系统中，特别是普通住宅的屋顶光伏发电系统 以及小型风力发电系统中。
[0023] 3、控制策略实用、易于理解与实施：
[0024] 原有的ES控制采用双PI解耦，对关键负载电压有效值和相位分别进行PI控制， 易于引入谐波，而本发明则用PR控制器实现关键负载电压波形来准确地跟踪给定正弦波， 由于PR控制器对于交流信号跟踪性能很好，对波形的正弦化有了很大的改善，总谐波畸变 率更小。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明的ES拓扑及电路图；
[0026] 图2是本发明的ES拓扑的控制框图；
[0027] 图3是本发明的ES拓扑的相量图；
[0028] 图4是当电网电压小于参考电压、ES工作于容性时的仿真波形图，依次是电网电 压:?、关键负载电压$ V非关键负载电压、ES电压:?,及ES电流的仿真波形；
[0029] 图5是当电网电压等于参考电压、ES工作于阻性时的仿真波形图，依次是电网电 压匕、关键负载电压?、非关键负载电压^^、ES电压匕及ES电流i"的仿真波形；
[0030] 图6是当电网电压大于参考电压、ES工作于感性时的仿真波形图，依次是电网电 压匕、关键负载电压$、非关键负载电压ES电压^及ES电流4的仿真波形；
[0031] 图4中，ES电流超前ES电压90°，这说明ES工作于容性模式；图5中，ES电流几 乎为0,这说明ES工作于阻性模式；图6中，ES电流之后ES电压90°，这说明ES工作于感 性模式。由图4到图6还可看出，在不同的电网电压匕下，关键负载电压&能精确地跟踪给 定正弦波，不仅其波形高度正弦化，且有效值都被控制在220V。另外，当输入电网电压& 逐渐增大时，非关键负载的电压匕c也随着1?的增大而单调增大，这说明输入有功功率的 波动被自动转移到非关键负载上。
[0032] 图中各标号定义如下：
[0033] I. 1为新能源发电单相电网，1. 2为输电线路等效电阻，1. 3为输电线路等效电感， 1. 4为关键负载，1. 5为非关键负载，1. 6为ES的滤波电感，I. 7ES的滤波电容，1. 8为单相 工频隔离变压器，1. 9为逆变器的直流侧电源，1. 10为单相电压源型逆变器；2. 1为关键负 载电压采样值