一種新型電力彈簧拓?fù)浼捌淇刂品椒?br>【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，涉及一種電力彈簧的新拓?fù)浼捌淇刂品椒ā?br>【背景技術(shù)】
[0002] 目前，電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式仍然是需求量決定供電量，這就要求供電方能準(zhǔn)確地 預(yù)測用戶的需求。風(fēng)能等可再生能源有著間歇性和不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，隨著其發(fā)電并網(wǎng)容量 的逐年增大，對電力系統(tǒng)的影響越來越明顯，使得上述預(yù)測的難度逐漸加大。針對風(fēng)能的間 歇性問題，利用蓄電池、超導(dǎo)或高速飛輪等儲能裝置來抵消發(fā)電量與需求量的不匹配是有 效的解決方案之一。然而，這些儲能裝置會使成本顯著增加，而且儲能裝置的可靠性運(yùn)行變 得至關(guān)重要。
[0003] 電力彈簧（Electric Spring, ES)的概念正是基于上述現(xiàn)狀而提出的。ES顛覆 了電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)思想，實(shí)現(xiàn)了用電量隨著發(fā)電量的改變而變化。因此，風(fēng)能的間歇性問 題迎刃而解。ES理論將電力系統(tǒng)中的負(fù)載分為兩大類：一類被稱為關(guān)鍵負(fù)載，其端電壓只 允許在極小的范圍內(nèi)波動；另一類被稱為非關(guān)鍵負(fù)載，其端電壓可以在較大的范圍內(nèi)波動。 ES的核心思想是將機(jī)械彈簧對偶到電力系統(tǒng)中，與汽車的減震器原理類似，在"顛簸"的電 網(wǎng)中使得關(guān)鍵負(fù)載電壓被控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時(shí)將電壓（能量）的波動轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵 負(fù)載上，并自動調(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匹配。當(dāng)ES遍布于 微電網(wǎng)時(shí)，整個(gè)電網(wǎng)就像是被安裝在一個(gè)超級床墊上一樣，每個(gè)ES盡情地發(fā)揮著彈簧的功 能，使得微電網(wǎng)中的關(guān)鍵負(fù)載得以安全運(yùn)行，并且單個(gè)ES的故障不會影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定 運(yùn)行，在新能源發(fā)電并網(wǎng)尤其是微電網(wǎng)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0004] 目前的ES拓?fù)潆m然能將輸入電網(wǎng)電壓的波動轉(zhuǎn)移給非關(guān)鍵負(fù)載，但這種變化不 是單調(diào)的，g卩：非關(guān)鍵負(fù)載電壓隨著電網(wǎng)電壓的增大先增大再減小，其電壓最大值出現(xiàn)在 ES的阻性時(shí)刻，這就意味著非關(guān)鍵負(fù)載的功率的變化不是隨著電網(wǎng)電壓的遞增而單調(diào)增加 的，這使得當(dāng)前的ES的應(yīng)用范圍變窄。比如，在電壓的幅值隨著發(fā)電功率增加而增加的情 況下，當(dāng)前的ES無法發(fā)揮作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種電力彈簧的新拓?fù)浼捌淇刂品椒?，能夠?qū)?電網(wǎng)電壓及其功率的波動轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負(fù)載上，從而保證關(guān)鍵負(fù)載上的電壓穩(wěn)定，同時(shí)ES 本身不消耗有功功率。
[0006] 技術(shù)方案：一種電力彈簧拓?fù)?，包括單相電壓源型逆變器、LC低通濾波器以及單 相隔離變壓器；關(guān)鍵負(fù)載并聯(lián)在新能源發(fā)電單相電網(wǎng)的輸出端之間，非關(guān)鍵負(fù)載串聯(lián)單相 隔離變壓器的初級線圈后并聯(lián)在新能源發(fā)電單相電網(wǎng)的輸出端之間，LC低通濾波器的濾波 電容C與單相隔離變壓器的次級線圈后并聯(lián)在新能源發(fā)電單相電網(wǎng)的輸出端之間，LC低 通濾波器的濾波電感L 一端連接濾波電容的一端，濾波電感L另一端連接單相電壓源型逆 變器的一個(gè)整流橋橋臂，單相電壓源型逆變器的另一個(gè)整流橋橋臂連接濾波電容C的另一 端，所述單相電壓源型逆變器的直流側(cè)接直流電源，所述新能源發(fā)電單相電網(wǎng)的輸出端與 關(guān)鍵負(fù)載和非關(guān)鍵負(fù)載之間的輸電線具有輸電線路等效電阻R1和輸電線路等效電感L 1<3
[0007] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述直流電源為能量雙向的交流/直流變換器或蓄電 池。
[0008] -種電力彈簧拓?fù)涞目刂品椒?，包括如下步驟：
[0009] 1)，采集關(guān)鍵負(fù)載兩端的電壓反饋信號vs fb，采集LC低通濾波器中濾波電感L的 電流值iL_fb;
[0010] 2)，將所述電壓反饋信號Vfb與參考正弦量V s_"f的差值輸入PR控制器，輸出信號 lL_ref，
[0011] 3)，將所述信號與所述電流值U_fb的差值輸入P調(diào)節(jié)器，P調(diào)節(jié)器輸出信號 再經(jīng)限幅處理后作為SPffM調(diào)制波v_ raf;
[0012] 4)，將所述V raf與三角載波作比較，得到所述單相電壓源型逆變器的開關(guān)驅(qū)動信 號。
[0013] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述步驟2)中，參考正弦量相位通過相位控制算 法計(jì)算得到，具體為：
[0014] a)，通過鎖相環(huán)得到所述單相隔離變壓器的初級線圈電流的相位Θ。；
[0015] b)，以所述單相隔離變壓器的初級線圈電流I3為參考向量，定義所述關(guān)鍵負(fù)載兩 端電壓$超前所述13的角度為S，則得到所述參考正弦量\>的相位為Θ。+5 ;
[0016] c)，采集單相電壓源型逆變器輸出電壓有效值V1，假設(shè)單相隔離變壓器的匝比 為n，根據(jù)公另
計(jì)算出a和b的值；其中，ω = 100 π，L為所述濾波電感值，C為所述濾波電容值，R3為所述非關(guān)鍵負(fù)載阻值，V 5為所述關(guān) 鍵負(fù)載電壓給定值的有效值；
[0017] d)，根據(jù)公;E
f算得到S的值，即得到所述參考正 弦量的相位為Θ。+ δ。
[0018] 有益效果：本發(fā)明的電力彈簧的新拓?fù)浼捌淇刂品椒ǎ軌蚴沟貌还苄履茉窗l(fā)出 的有功功率如何變化，非關(guān)鍵負(fù)載均能將之消耗掉，并且非關(guān)鍵負(fù)載的耗能與輸入的有功 功率的變化趨勢是一致的。以某一大樓為例，設(shè)有屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)，本發(fā) 明能實(shí)現(xiàn)當(dāng)陽光充足的時(shí)候，分配給燒水的電能多一些；當(dāng)陽光不足的時(shí)候，分配給燒水的 電能少一些。并且這一調(diào)節(jié)是自動完成的。本發(fā)明和現(xiàn)有的ES拓?fù)湎啾龋哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：
[0019] 1、能實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率與用電功率的自動匹配：
[0020] 現(xiàn)有的ES拓?fù)淠軐?shí)現(xiàn)將輸入電壓的波動轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負(fù)載上，雖然也能轉(zhuǎn)移功 率的波動，但非關(guān)鍵負(fù)載的功率隨著輸入電壓的升高的變化規(guī)律是先上升后下降，即非關(guān) 鍵負(fù)載的有功功率不是單調(diào)變化的；本發(fā)明增加了一個(gè)隔離變壓器，如圖1，在原有拓?fù)涞?非關(guān)鍵負(fù)載Z 3所在位置放置了一個(gè)變壓器繞組。由變壓器同名端的原理可知，新拓?fù)湓黾?隔離變壓器的目的是為了先將原有拓?fù)渲衂 3所承受的電壓反相，然后將此反相后的電壓與 原有的關(guān)鍵負(fù)載電壓進(jìn)行矢量合成后給非關(guān)鍵負(fù)載供電。經(jīng)過此變化后，本發(fā)明提出的ES 拓?fù)鋭t能實(shí)現(xiàn)非關(guān)鍵負(fù)載的電壓和功率隨著輸入電壓的變化而單調(diào)變化，這是本發(fā)明與現(xiàn) 有ES拓?fù)涞谋举|(zhì)區(qū)別。
[0021] 2、實(shí)用性高、應(yīng)用前景廣泛：
[0022] 基于現(xiàn)有的ES拓?fù)浼捌淇刂撇呗?，非關(guān)鍵負(fù)載的功率波動不是單調(diào)變化這一缺 點(diǎn)使得其應(yīng)用范圍變窄，比如，現(xiàn)有的ES拓?fù)渚蜔o法應(yīng)用于電壓的幅值隨著發(fā)電功率增加 而增加的情形；本發(fā)明則可廣泛應(yīng)用于此類系統(tǒng)中，特別是普通住宅的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng) 以及小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。
[0023] 3、控制策略實(shí)用、易于理解與實(shí)施：
[0024] 原有的ES控制采用雙PI解耦，對關(guān)鍵負(fù)載電壓有效值和相位分別進(jìn)行PI控制， 易于引入諧波，而本發(fā)明則用PR控制器實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵負(fù)載電壓波形來準(zhǔn)確地跟蹤給定正弦波， 由于PR控制器對于交流信號跟蹤性能很好，對波形的正弦化有了很大的改善，總諧波畸變 率更小。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的ES拓?fù)浼半娐穲D；
[0026] 圖2是本發(fā)明的ES拓?fù)涞目刂瓶驁D；
[0027] 圖3是本發(fā)明的ES拓?fù)涞南嗔繄D；
[0028] 圖4是當(dāng)電網(wǎng)電壓小于參考電壓、ES工作于容性時(shí)的仿真波形圖，依次是電網(wǎng)電 壓:?、關(guān)鍵負(fù)載電壓$ V非關(guān)鍵負(fù)載電壓、ES電壓:?,及ES電流的仿真波形；
[0029] 圖5是當(dāng)電網(wǎng)電壓等于參考電壓、ES工作于阻性時(shí)的仿真波形圖，依次是電網(wǎng)電 壓匕、關(guān)鍵負(fù)載電壓?、非關(guān)鍵負(fù)載電壓^^、ES電壓匕及ES電流i"的仿真波形；
[0030] 圖6是當(dāng)電網(wǎng)電壓大于參考電壓、ES工作于感性時(shí)的仿真波形圖，依次是電網(wǎng)電 壓匕、關(guān)鍵負(fù)載電壓$、非關(guān)鍵負(fù)載電壓ES電壓^及ES電流4的仿真波形；
[0031] 圖4中，ES電流超前ES電壓90°，這說明ES工作于容性模式；圖5中，ES電流幾 乎為0,這說明ES工作于阻性模式；圖6中，ES電流之后ES電壓90°，這說明ES工作于感 性模式。由圖4到圖6還可看出，在不同的電網(wǎng)電壓匕下，關(guān)鍵負(fù)載電壓&能精確地跟蹤給 定正弦波，不僅其波形高度正弦化，且有效值都被控制在220V。另外，當(dāng)輸入電網(wǎng)電壓& 逐漸增大時(shí)，非關(guān)鍵負(fù)載的電壓匕c也隨著1?的增大而單調(diào)增大，這說明輸入有功功率的 波動被自動轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負(fù)載上。
[0032] 圖中各標(biāo)號定義如下：
[0033] I. 1為新能源發(fā)電單相電網(wǎng)，1. 2為輸電線路等效電阻，1. 3為輸電線路等效電感， 1. 4為關(guān)鍵負(fù)載，1. 5為非關(guān)鍵負(fù)載，1. 6為ES的濾波電感，I. 7ES的濾波電容，1. 8為單相 工頻隔離變壓器，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；2. 1為關(guān)鍵負(fù) 載電壓采樣值