一種三端隔離型電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三端隔離型電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的運(yùn)行方式仍然是需求量決定供電量，這就要求電力公司能準(zhǔn)確地 預(yù)測(cè)用戶的需求。由于風(fēng)能、太陽能等可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性，且隨著其發(fā)電并網(wǎng) 容量的逐漸增大，使得上述預(yù)測(cè)的難度逐漸加大，對(duì)電力系統(tǒng)的影響越來越明顯。針對(duì)可再 生能源的間隙性問題，利用儲(chǔ)能裝置來抵消發(fā)電量與用電量的不匹配是有效的解決方案之 一。然而，這些儲(chǔ)能裝置會(huì)使得成本增加。
[0003]電力彈簧（Electric Spring，ES)的概念正是針對(duì)上述現(xiàn)狀而提出的。ES顛覆了 電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)思路，可以實(shí)現(xiàn)用電量隨著發(fā)電量的變化而變化。因此，上述問題迎刃而 解。電力系統(tǒng)中的負(fù)載可分為兩大類：一類稱為關(guān)鍵負(fù)載，其端電壓只允許在極小的范圍內(nèi) 波動(dòng)；另一類稱為非關(guān)鍵負(fù)載，其端電壓可以在較大的范圍內(nèi)波動(dòng)。ES的核心思想是將機(jī) 械彈簧對(duì)偶到電力系統(tǒng)中，與汽車的減震器原理相類似，在"顛簸"的電網(wǎng)中使得關(guān)鍵負(fù)載 電壓被控制在極小的范圍內(nèi)，同時(shí)將電壓的波動(dòng)轉(zhuǎn)移給非關(guān)鍵負(fù)載，自動(dòng)調(diào)節(jié)非關(guān)鍵負(fù)載 的耗電量，實(shí)現(xiàn)發(fā)電量與用電量的自動(dòng)匹配。當(dāng)ES被廣泛分布于微電網(wǎng)時(shí)，每個(gè)ES發(fā)揮著 彈簧的功能，支撐著整個(gè)電網(wǎng)，使得微電網(wǎng)中的關(guān)鍵負(fù)載得以安全運(yùn)行。不僅如此，單個(gè)ES 的故障不會(huì)影響整個(gè)彈簧組的運(yùn)行，在新能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]目前的ES拓?fù)渲?，電網(wǎng)與關(guān)鍵負(fù)載和非關(guān)鍵負(fù)載沒有做到有效的電氣隔離，在用 戶側(cè)存在安全隱患，不利于ES的推廣應(yīng)用。
[0005] 當(dāng)前，分布式發(fā)電在我國(guó)還沒有能夠廣泛應(yīng)用，主要是由于風(fēng)能、太陽能等新能源 的間歇性會(huì)導(dǎo)致其所發(fā)出來的電能不可預(yù)測(cè)，如允許其大規(guī)模、高比例地并網(wǎng)必將會(huì)導(dǎo)致 電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定。因此，達(dá)到了并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的電能才會(huì)被允許并網(wǎng)。即便如此，普通用戶自 身一般不會(huì)直接用自己發(fā)出來的電能給關(guān)鍵負(fù)載供電，而是將所發(fā)出來的電能并入電網(wǎng)， 同時(shí)使用大電網(wǎng)的電能給家用負(fù)載供電。顯然，這樣的方式既不經(jīng)濟(jì)也不利于分布式的新 能源發(fā)電的推廣。歸根結(jié)底，用戶對(duì)新能源所發(fā)出的電能還是沒有信心，這正好給電力彈簧 新拓?fù)涮峁┝擞梦渲亍?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種三端隔離型電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制 方法，能夠?qū)⒎顷P(guān)鍵負(fù)載、關(guān)鍵負(fù)載、電網(wǎng)三者相互隔離開來。
[0007] 技術(shù)方案：一種三端隔離型電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括單相電壓源型逆變器、LC低 通濾波器、單相三端口隔離變壓器；所述單相三端口隔離變壓器的變比為1 : 1 : 1，所述 單相電壓源型逆變器的直流側(cè)接直流電源，所述單相電壓源型逆變器的正輸出端連接LC 低通濾波器的濾波電感L 一端，濾波電感L的另一端同時(shí)連接濾波電容C的一端以及單相 三端口隔離變壓器的副邊第一繞組的同名端，濾波電容C的另一端同時(shí)連接單相電壓源型 逆變器的負(fù)輸出端以及非關(guān)鍵負(fù)載的正輸入端，非關(guān)鍵負(fù)載的負(fù)輸入端連接單相三端口隔 離變壓器的副邊第一繞組的非同名端，關(guān)鍵負(fù)載并聯(lián)在單相三端口隔離變壓器的副邊第二 繞組的兩端，隔離變壓器的原邊繞組的同名端連接新能源發(fā)電系統(tǒng)的電源正輸出端，隔離 變壓器的原邊繞組的非同名端連接新能源發(fā)電系統(tǒng)的電源負(fù)輸出端，所述新能源發(fā)電系統(tǒng) 的電源輸出端到隔離變壓器的原邊繞組之間的輸電線具有輸電線路等效電阻和輸電線路 等效電感。
[0008] 進(jìn)一步的，所述直流電源為蓄電池或能量雙向的交流/直流變換器。
[0009] 進(jìn)一步的，還包括單相不控整流橋、電容器、單相并網(wǎng)逆變器、低通濾波器以及單 相電網(wǎng)，所述單相不控整流橋的輸入端并聯(lián)在關(guān)鍵負(fù)載的兩端，電容器連接在單相不控整 流橋的輸出端，單相并網(wǎng)逆變器的輸入端并聯(lián)在電容器的兩端，單相并網(wǎng)逆變器的輸入端 輸出端經(jīng)低通濾波器與單相電網(wǎng)連接。
[0010] 三端隔離型電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，包括如下步驟：
[0011] 1)，采集關(guān)鍵負(fù)載兩端的電壓反饋信號(hào)Vsfb;
[0012] 2)，將所述vs fb與給定到PR控制器的參考正弦量V S Mf作差后送入PR控制器進(jìn)行 PR調(diào)節(jié)，PR控制器的輸出經(jīng)限幅后作為SPWM調(diào)制波v_,ef;其中，所述v s ,ef的幅值和頻率 根據(jù)設(shè)計(jì)要求直接給定，所述的相位是通過相位控制算法計(jì)算得到；通過相位控制算 法計(jì)算得到所述的相位具體步驟為：
[0013] a)，通過鎖相環(huán)得到新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓匕的相位0。；
[0014]b)，以所述單相三端口隔離變壓器原邊繞組的電流i3為參考相量，定義所述匕超 前關(guān)鍵負(fù)載兩端電壓&的角度為8,則得到所述VsMf的相位為（0 fS);
[0015] C)，采集新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓有效值Vin，根據(jù)式（1)計(jì)算出a和b的值：
[0016] L -八3 。
[0017] 其中，
吣為所述輸電線路等效電阻 值、U所述輸電線路等效電感值、R 2為所述關(guān)鍵負(fù)載阻值、R 3為所述非關(guān)鍵負(fù)載阻值、V 5為 所述關(guān)鍵負(fù)載兩端電壓給定的有效值；
[0018] d)，首先根據(jù)式（2)計(jì)算出0值，然后根據(jù)所述0以及式（3)計(jì)算得到S值，最 終得到所述v s_ref的相位（0 cT S )的值：
[0019]
[0020]
[0021] 3)，將所述v ,ef與三角載波比較，得到所述單相電壓源型逆變器的第一至第四開 關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0022] 進(jìn)一步的，還包括所述新能源發(fā)電系統(tǒng)與單相電網(wǎng)并網(wǎng)的控制步驟，具體為：將并 網(wǎng)電流i e與參考電流i e ,ef比較后經(jīng)過PR控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述PR控制器的輸出再經(jīng)過限 幅控制得到信號(hào)，將所述信號(hào)與三角載波比較后的輸出控制所述單相并網(wǎng)逆變 器的開關(guān)管。
[0023] 有益效果：通過本發(fā)明的一種三端隔離型電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法，用戶 就可將關(guān)鍵負(fù)載、非關(guān)鍵負(fù)載相互隔離開來，有效的電氣隔離增加了安全性。以某一棟居民 樓為例，可以將熱水器等非關(guān)鍵負(fù)載通過某一組接線板統(tǒng)一供電，而其他關(guān)鍵負(fù)載如電視 機(jī)等則可用另一組與之隔離的接線板統(tǒng)一供電。另外，新能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出端也通過隔 離變壓器與家用電器實(shí)現(xiàn)了有效隔離，增加了使用的安全性。不僅如此，三端隔離型ES拓 撲的同時(shí)還應(yīng)用于新能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶可以自由分配關(guān)鍵負(fù)載的功率，在滿足自 身用電需求的同時(shí)還可將多余的電能輸送到電網(wǎng)。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明的三端隔離型電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路圖；
[0025] 圖2是三端隔離型電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制方法的控制框圖；
[0026] 圖3是三端隔離型電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相量圖；
[0027] 圖4是仿真波形圖，依次是新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓匕、關(guān)鍵負(fù)載電壓匕、ES電壓 匕及非關(guān)鍵負(fù)載電壓
[0028] 圖5是新能源發(fā)電系統(tǒng)通過三端隔離型電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與單相電網(wǎng)并網(wǎng)的電 路圖；
[0029] 圖6是單相并網(wǎng)逆變器的控制框圖；
[0030] 圖7是仿真波形，依次是新能源發(fā)電所輸出的電壓VKEN、關(guān)鍵負(fù)載的功率P。、輸送到 電網(wǎng)的功率P# id、電網(wǎng)電壓和輸入電網(wǎng)電流、彈簧電壓和非關(guān)鍵負(fù)載電壓；
[0031] 圖中各標(biāo)號(hào)定義如下：
[0032] 1. 1為新能源發(fā)電系統(tǒng)的電源輸出，1. 2為輸電線路等效電阻，1. 3為輸電線路等 效電感，1. 4為單相工頻三端口隔離變壓器，1. 5為非關(guān)鍵負(fù)載，1. 6為關(guān)鍵負(fù)載，1. 7為濾波 電容，1. 8為濾波電感，1. 9為逆變器的直流側(cè)電源，1. 10為單相電壓源型逆變器，1. 11為單 相不控整流橋，1. 12為單相并網(wǎng)逆變器，1. 13為濾波電感，1. 14為單相電網(wǎng)，1. 15為直流環(huán) 節(jié)電容器；2. 1為關(guān)鍵負(fù)載電壓采樣值，2. 2為減法器，2. 3為PR控制器，2. 4為限幅環(huán)節(jié)， 2. 5為調(diào)制波信號(hào)，2. 6為開關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，2. 7為三角載波信號(hào)，2. 8為給定到PR控制 器的參考正弦量，2. 9為電壓外環(huán)參考正弦量的幅度給定值，2. 10為乘法器，2. 11為正弦函 數(shù)，2. 12為加法器，2. 13為相位控制算法，2. 14為鎖相環(huán)，2. 15為新能源發(fā)電輸出電壓的采 樣值。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0034] 如圖1所示，一種三端隔離型電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括單相電壓源型逆變器、LC低 通濾波器、單相三端口隔離變壓器。單相三端口隔離變壓器的變比為1 : 1 : 1。單相電壓 源型逆變器的直流側(cè)接直流電源，單相電壓源型逆變器的正輸出端連接LC低通濾波器的 濾波電感L 一端，濾波電感L的另一端同時(shí)連接濾波電容C的一端以及單相三端口隔離變 壓器的副邊第一繞組隊(duì)的同名端，濾波電容C的另一端同時(shí)連接單相電壓源型逆變器的負(fù) 輸出端以及非關(guān)鍵負(fù)載的正輸入端，非關(guān)鍵負(fù)載的負(fù)輸入端連接單相三端口隔離變壓器的 副邊第一繞組N 3的非同名端。關(guān)鍵負(fù)載并聯(lián)在單相三端口隔離變壓器的副邊第二繞組N 2 的兩端，隔離變壓器的原邊繞組K的同名端連接新能源發(fā)電系統(tǒng)的電源正輸出端，隔離變 壓器的原邊繞組&的非同名端連接新能源發(fā)電系統(tǒng)的電源負(fù)輸出端。新能源發(fā)電系統(tǒng)的 電源輸出端到隔離變壓器的原邊繞組之間的輸電線具有輸