CN106257789A - 一种三相电力弹簧拓扑及其相位控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相电力弹簧拓扑及其相位控制方法，该三相电力弹簧以安装于三相四线制***中的三相全桥逆变器、三相变压器或三个单相变压器为核心，另有与之所连的关键负载、非关键负载等构成。电力弹簧主要是针对微电网中可再生能源的不稳定性而提出的，本发明所提出的三相电力弹簧及其相位控制方法通过将电压和能量的波动转移到非关键负载上维持关键负载上的电压均衡，可从源头上解决新能源的间歇性对电网电压产生的波动性影响。该拓扑主要应用于新能源发电***中以稳定关键负载电压，并且特别适合应用于楼宇供电***中以实现三相负荷均衡。实际供电***多为三相四线制***，这些***常常面临负载不平衡问题，本发明所提出的三相电力弹簧的介入可以在稳定关键负载电压的同时达到三相负载均衡的目的，非常具有实用性。

Description

一种三相电力弹簧拓扑及其相位控制方法

技术领域

本发明涉及智能电网控制技术领域，涉及一种三相电力弹簧拓扑及其相位控制方法。

背景技术

当前，将风能、太阳能等间歇性能源更充分并网消纳是解决传统的一次能源储量限制及其燃烧带来环境问题的关键。然而，新能源的间歇性和不稳定性使得发电侧的总发电容量难以得到准确的预估，用电负荷决定发电量的传统电力***控制方法又很难从根本上解决上述问题。

电力弹簧(Electric Spring，ES)概念的提出颠覆了电力***的传统思路，可以实现用电量随发电量的变化而变化，上述问题将迎刃而解。ES装置将电力***中的负载定义为两种类型：一类为关键负载，其端电压仅允许在很小的范围内波动；另一类为非关键负载，其端电压可以在相对较大的范围内波动。ES通过将电压(能量)的波动转移到非关键负载上的方式实现关键负载端电压的稳定，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。遍布于电网的ES在每一个负载节点进行调节，单个ES的故障不会影响整个***的正常运行，高度的容错能力使得电力弹簧在新能源发电并网尤其是微电网***中有着广泛的应用前景。

当前的ES拓扑为单相结构，仅能在单相***中进行电压和用电量的调节，这种拓扑适用于单相供电的家庭供电***，但在实际应用中，很多场合下为三相四线制供电，若仍然只考虑单相结构则会极大的限制ES的应用范围。例如，在采用三相供电的大型楼宇供电***中，当前的ES无法发挥作用。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种三相ES的拓扑及其相位控制方法，能够在每一相中将电网电压及功率波动转移到非关键负载上，在保证非关键负载上电压稳定的同时具有平衡三相负载、减小不平衡电流的作用，同时三相ES本身仅有无功功率的交换。

技术方案：

有益效果：本发明所提出的三相ES及其相位控制方法，能够使得不管新能源发出的有功功率如何变化，非关键负载均能将其消纳，从而维持关键负载上的电压恒定。本发明和现有的单相ES相比，具有如下优点：

1、能在三相电力输配电***中完成发电功率和负荷功率的自动匹配

现有的单相ES结构仅能在单相***中完成功率的自动平衡与分配，大多数家庭用户为单相供电，但是目前的楼宇供电***等较大容量用户多采用三相四线制供电方式，在这样的应用场合中，普通单相电力弹簧的使用了受到了极大的限制，而三相电力弹簧的提出则可以在上述使用条件下弥补单相电力弹簧的短板。

2、能抑制不平衡电流，实现三相***中的负载均衡

由于三相供电***中存在三相电压不平衡或负载不平衡等问题，电网中的三相不平衡电流是普遍存在的，不平衡电流会增加线路及变压器的铜损，增加变压器的铁损，降低变压器的出力甚至会影响变压器的安全运行。单相ES无法有效解决三相***中的问题，而三相ES装置的使用可以有效的抑制不平衡电流，减轻上述危害。

3、实用性高、应用前景广阔，易于推广

三相ES的核心硬件装置是三相电压源型逆变器，该装置技术成熟，使用广泛，成本相对较低，在具体推广的过程中，三相ES的搭建可以三相电压源型逆变器为基础进行拓展，因而三相ES具有搭建简单，易于实施的优点。

附图说明

图1是本发明的三相ES拓扑总结构图；

图2是本发明的三相ES拓扑总控制框图；

图3是本发明的同步坐标系锁相环框图；

图4是当三相电网电压不平衡时，同步坐标系锁相环工作的波形，依次是三相电网电压V_G、三相电压正序分量V_P、锁相环输出相位和锁相环输出频率的仿真波形；

图5是当三相电网电压不平衡，但负载均衡的仿真波形图时，依次是三相电网电压V_G、三相关键负载电压V_C、三相ES电压V_ES、三相非关键负载电压V_NC的仿真波形；

图6是当三相电网电压平衡，但负载不均衡的仿真波形图时，依次是三相电网电压V_G、三相关键负载电压V_C、三相ES电压V_ES、三相非关键负载电压V_NC的仿真波形；

图中各标号定义如下：

1.1为三相新能源发电***的电源输出，1.2为输电线路等效线路阻抗，1.3为关键负载负载，1.4为三相四线制***中线，1.5为三相隔离变压器副边绕组，1.6为非关键负载，1.7为直流电源，1.8为三相隔离变压器原边及逆变器LC低通滤波器，1.9为三相电压源型逆变器；2.1为A相关键负载两侧的电压反馈信号，2.2为A相关键负载电压参考量，2.3为A相相位控制算法，2.4为B关键负载两侧的电压反馈信号，2.5为B相关键负载电压参考量，2.6为B相相位控制算法，2.7为C关键负载两侧的电压反馈信号，2.8为C相关键负载电压参考量，2.9为C相相位控制算法，2.10为三组准PR控制器，2.11为A相电感电流给定值，2.12为A相电感电流采样值，2.13为B相电感电流给定值，2.14为B相电感电流采样值，2.15为C相电感电流给定值，2.16为C相电感电流采样值，2.17为三相比例控制器，2.18为三相输出限幅，2.19为A相SPWM载波信号，2.20为A相开关信号，2.21为B相SPWM载波信号，2.22为B相开关信号，2.23为C相SPWM载波信号，2.24为C相开关信号；3.1为三相新能源发电***的每相电源输出的瞬时值，3.2为激波正序分量分离模块，3.3为分离出的三相电压正序基波分量，3.4为三相电压正序基波分量的d轴分量，3.5为三相电压正序基波分量的q轴分量，3.6为q轴电压低通滤波器，3.7为初始电压角速度，3.8为PI控制器，3.9为输出频率的低通滤波器，3.10为区域模块3.11为锁相环输出的相位，3.12为锁相环输出的频率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种三相电力弹簧拓扑，包括三相电压源型逆变器、LC低通滤波器、直流电源、三相隔离变压器、三相关键负载、三相非关键负载。三相电压源型逆变器的直流侧接一组由两个直流电源串联而成的直流源；三相电压源型逆变器每一相的正输出连接一个LC低通滤波器的滤波电感L一端，每个滤波电感L的另一端连接一个滤波电容C的一端及三相隔离变压器的一相原边绕组的同名端，滤波电容C的另一端与原边绕组的非同名端相连。三相隔离变压器原边绕组的非同名端连接于一点并与直流源的中点相连；三相隔离变压器的每项副边绕组在分别与一相非关键负载串联之后再与一相关键负载并联。三相新能源发电***的每相电源输出端连接有一相关键负载，三相新能源发电***的电源输出端到三相隔离变压器的副边绕组之间的输电线具有输电线路等效电阻和等效电感。

其中，直流电源为蓄电池或能量双向流动的交流/直流变换器。非关键负载为阻感性负载、感性负载、容性负载中的任意一种，或是阻感性负载、感性负载、容性负载的比例合成。

如图2所示，一种三相电力弹簧的相位控制方法，包括如下步骤：

1)，采集三相关键负载两侧的电压反馈信号v_CA、v_CB、v_CC，采集三相LC低通滤波器中电感L的电流i_LA、i_LB、i_LC。

2)，将电压反馈信号v_CA、v_CB、v_CC分别与三相关键负载电压参考量v_{CA_ref}、v_{CB_ref}、v_{CC_ref}的差值输入准PR控制器，得到三相电感电流给定值i_refA、i_refB、i_refC。

3)，将三相电感电流给定信号i_refA、i_refB、i_refC分别与电流i_LA、i_LB、i_LC的差值分别输入P调节器，P调节器的三路输出经限幅处理后作为SPWM调制波v_{_compA}、v_{_compB}、v_{_compC}。

4)，将调制波v_{_compA}、v_{_compB}、v_{_compC}分别与三角载波做比较，得到三相电压源型逆变器的三相开关驱动信号。

其中，步骤2)中，三相关键负载电压参考量v_{CA_ref}、v_{CB_ref}、v_{CC_ref}的相位通过相位控制计算方法得到，具体步骤为：

21)，通过同步坐标系锁相环分离出三相新能源发电***的每相电源输出中的正序基波分量v_GA、v_GB、v_GC，并确定正序基波分量的相位θ_A、θ_B、θ_C。

22)，定义正序基波分量v_GA、v_GB、v_GC分别超前电压反馈信号v_CA、v_CB、v_CC的角度为δ_A、δ_B、δ_C，得到三相关键负载电压参考量的相位分别为(θ_A-δ_A)、(θ_B-δ_B)、(θ_C-δ_C)。

23)，对于任一相，定义一中间电压相量该电压相量位于三相新能源发电***的一相电源输出正序基波相量与关键负载两侧的电压反馈信号的向量之间；与该中间相量有关的变量定义如下：中间电压相量的有效值为V_G1，中间电压相量与一相电源输出正序基波相量之间的夹角为中间电压相量与关键负载两侧的电压反馈信号的向量之间的夹角为关键负载两侧的电压反馈信号的向量与电源输出正序基波相量之间的相位差为 为关键负载两侧的电压反馈信号的向量与一相非关键负载电流电之间的相角差。

采集得到正序基波分量v_GA、v_GB、v_GC的电压有效值分别为V_GA、V_GB、V_GC，然后根据式(1)计算出任一相的中间参数a和b的值：

式(1)中，V_G为一相电源输出正序基波相量的有效值；V_S为任一相关键负载电压参考量的有效值；R₃为非关键负载阻值；R₁为一相新能源发电***的电源输出端到隔离变压器的副边绕组之间的输电线路等效电阻值；ω为50Hz电网电压的角频率；L₁为一相新能源发电***的电源输出端到隔离变压器的副边绕组之间的输电线路等效电感值；R₂为关键负载的阻值。

24)，首先根据式(2)计算出所述ζ值，然后根据式(3)计算得到δ_A，δ_B，δ_C的值，最终得到三相关键负载参考电压的相位(θ_A-δ_A)、(θ_B-δ_B)、(θ_C-δ_C)；

其中，V_G1为所述中间电压相量的有效值。

需要说明的是，本发明中，ES输出的电压电流始终是相互垂直的，这一特性保证ES始终只吸纳或者发出无功功率；并且参与上述相位计算的始终只有三相电压的正序基波分量，因而需要提取出三相***中电源电压的正序基波分量并确定其相位。如图3所示，步骤21)中，分离得到正序基波分量并确定相位的具体步骤为：

211)，采集三相新能源发电***的每相电源输出的瞬时值v_a、v_b、v_c。

212)，根据式(4)计算出瞬时值v_a、v_b、v_c的正序基波分量v_a ^p、v_b ^p、v_c ^p的相量表达形式：

式中，a为算子

213)，将正序基波分量v_a ^p、v_b ^p、v_c ^p的相量表达形式改写为时域函数如式(5)，然后通过三相新能源发电***每相电源输出的采样值v_a(t)、v_b(t)、v_c(t)，计算得出正序基波分量v_a ^p、v_b ^p、v_c ^p的瞬时值v_a ^p(t)、v_b ^p(t)、v_c ^p(t)；

式中，v_a(t)为三相新能源发电***a相电压的采样值，v_b(t)为三相新能源发电***b相电压的采样值，v_c(t)为三相新能源发电***c相电压的采样值，t为时间函数，T_S为电网电压的周期。

214)，将正序基波分量的瞬时值v_a ^p(t)、v_b ^p(t)、v_c ^p(t)做abc到dq0的坐标变换，得到电压直轴分量v_d ^p和电压交轴分量v_q ^p。

215)，电压交轴分量v_q ^p通过低通滤波器滤除非直流分量后得到v_q’，所述v_q’通过PI控制器后的输出再与电压角速度初始值相加后得到电压角速度的估计值，再将电压角速度的估计值除以2π后得到三相新能源发电***输出电压的频率估计值

216)，电压角速度的估计值在积分取余后得到电压相位角估计值 作为abc到dq0的坐标变换的相位角；在dq0坐标系下，相位角估计值与a相相位一致即根据三相***中abc三相的相位关系，得到

为了分析方便，在本实施例中，仿真时将三相变压器是为理想变压器，匝比取1：1；三相电压源型逆变器的直流侧电压为500V；LC低通滤波器中滤波电感L、滤波电容C的取值分别为3mH和50μF；输电线路阻抗用2.4mH电感和0.1Ω电阻串联等效；电网电压参考值设定为220V/50Hz；三相电压源型逆变器中的开关频率设定为5kHz。

如图4所示为三相电压不平衡时基波正序分量分离及电压锁相的工作波形，第一通道为不平衡的三相电网电压；第二通道为分离出的电网电压正序分量，三相分量幅值相同；第三、第四通道为锁相环输出的相位和频率，从中可看出电网电压不平衡时，锁相环可以很有效的将相位控制所需的正序分量提取出并计算出对应相位角。

图5、图6分别为电网电压不平衡和三相负载不平衡时的三相ES工作波形，图5中在整个仿真时间内，B相和C相电压有效值为230V，而在0～0.3s内，A相电压有效值设成200V，0.3s过后则由200V跳变成260V，如第一通道所示。0.3s是三相电压的正序分量发生突变的时间节点，从通道2可以看出，在ES参与工作的情况下，尽管A相电压发生突变，但是电压的波动被转移到了非关键负载上，这一过程可以在通道4中观测到，而关健负载上电压始终维持恒定。图6中的仿真结果显示，当负载不对称时，三相CL电压仍能很好跟踪给定值，不仅每一相的CL电压有效值被控制在220V，而且三相波形很对称、正弦化程度很高。由于三相负载不对称，通过对三相ES的控制将此不对称转移给了三相NCL，以确保三相CL电压的对称。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，单反本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所做的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围。

Claims (6)

1.一种三相电力弹簧拓扑，其特征在于，包括三相电压源型逆变器、LC低通滤波器、直流电源、三相隔离变压器、三相关键负载、三相非关键负载；所述三相电压源型逆变器的直流侧接一组由两个所述直流电源串联而成的直流源；所述三相电压源型逆变器每一相的正输出连接一个LC低通滤波器的滤波电感L一端，每个滤波电感L的另一端连接一个滤波电容C的一端及三相隔离变压器的一相原边绕组的同名端，所述滤波电容C的另一端与所述原边绕组的非同名端相连；三相隔离变压器原边绕组的非同名端连接于一点并与所述直流源的中点相连；三相隔离变压器的每项副边绕组在分别与一相非关键负载串联之后再与一相关键负载并联；所述三相新能源发电***的每相电源输出端连接有一相所述关键负载，三相新能源发电***的电源输出端到所述三相隔离变压器的副边绕组之间的输电线具有输电线路等效电阻和等效电感。

2.根据权利要求1所述的一种三相电力弹簧拓扑结构，其特征在于：所述直流电源为蓄电池或能量双向流动的交流/直流变换器。

3.根据权利要求1所述的一种三相电力弹簧拓扑结构，其特征在于：所述非关键负载为阻感性负载、感性负载、容性负载中的任意一种，或是阻感性负载、感性负载、容性负载的比例合成。

4.如权利要求1所述一种三相电力弹簧的相位控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)，采集三相关键负载两侧的电压反馈信号v_CA、v_CB、v_CC，采集三相LC低通滤波器中电感L的电流i_LA、i_LB、i_LC；

2)，将所述电压反馈信号v_CA、v_CB、v_CC分别与三相关键负载电压参考量v_{CA_ref}、v_{CB_ref}、v_{CC_ref}的差值输入准PR控制器，得到三相电感电流给定值i_refA、i_refB、i_refC；

3)，将所述三相电感电流给定信号i_refA、i_refB、i_refC分别与所述电流i_LA、i_LB、i_LC的差值分别输入P调节器，P调节器的三路输出经限幅处理后作为SPWM调制波v_{_compA}、v_{_compB}、v_{_compC}；

4)，将所述调制波v_{_compA}、v_{_compB}、v_{_compC}分别与三角载波做比较，得到所述三相电压源型逆变器的三相开关驱动信号。

5.根据权利要求4所述的一种三相电力弹簧的相位控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述三相关键负载电压参考量v_{CA_ref}、v_{CB_ref}、v_{CC_ref}的相位通过相位控制计算方法得到，具体步骤为：

21)，通过同步坐标系锁相环分离出所述三相新能源发电***的每相电源输出中的正序基波分量v_GA、v_GB、v_GC，并确定所述正序基波分量的相位θ_A、θ_B、θ_C；

22)，定义所述正序基波分量v_GA、v_GB、v_GC分别超前所述电压反馈信号v_CA、v_CB、v_CC的角度为δ_A、δ_B、δ_C，得到所述三相关键负载电压参考量的相位分别为(θ_A-δ_A)、(θ_B-δ_B)、(θ_C-δ_C)；

23)，对于任一相，定义一中间电压相量该电压相量位于三相新能源发电***的一相电源输出正序基波相量与关键负载两侧的电压反馈信号的向量之间；与该中间相量有关的变量定义如下：中间电压相量的有效值为V_G1，中间电压相量与一相电源输出正序基波相量之间的夹角为中间电压相量与关键负载两侧的电压反馈信号的向量之间的夹角为关键负载两侧的电压反馈信号的向量与电源输出正序基波相量之间的相位差为 为关键负载两侧的电压反馈信号的向量与一相非关键负载电流电之间的相角差；

采集得到所述正序基波分量v_GA、v_GB、v_GC的电压有效值分别为V_GA、V_GB、V_GC，然后根据式(1)计算出任一相的中间参数a和b的值：

式(1)中，V_G为一相电源输出正序基波相量的有效值；V_S为任一相关键负载电压参考量的有效值；R₃为非关键负载阻值；R₁为一相新能源发电***的电源输出端到隔离变压器的副边绕组之间的输电线路等效电阻值；ω为50Hz电网电压的角频率；L₁为一相新能源发电***的电源输出端到隔离变压器的副边绕组之间的输电线路等效电感值；R₂为关键负载的阻值；

24)，首先根据式(2)计算出所述ζ值，然后根据式(3)计算得到所述δ_A，δ_B，δ_C的值，最终得到所述三相关键负载参考电压的相位(θ_A-δ_A)、(θ_B-δ_B)、(θ_C-δ_C)；

其中，V_G1为所述中间电压相量的有效值。

6.根据权利要求5所述的一种三相电力弹簧的相位控制方法，其特征在于，所述步骤21)中，分离得到正序基波分量并确定相位的具体步骤为：

211)，采集所述三相新能源发电***的每相电源输出的瞬时值v_a、v_b、v_c；

212)，根据式(4)计算出所述瞬时值v_a、v_b、v_c的正序基波分量v_a ^p、v_b ^p、v_c ^p的相量表达形式：

式中，a为算子

213)，将所述正序基波分量v_a ^p、v_b ^p、v_c ^p的相量表达形式改写为时域函数如式(5)，然后通过三相新能源发电***每相电源输出的采样值v_a(t)、v_b(t)、v_c(t)，计算得出所述正序基波分量v_a ^p、v_b ^p、v_c ^p的瞬时值v_a ^p(t)、v_b ^p(t)、v_c ^p(t)；

式中，v_a(t)为三相新能源发电***a相电压的采样值，v_b(t)为三相新能源发电***b相电压的采样值，v_c(t)为三相新能源发电***c相电压的采样值，t为时间函数，T_S为电网电压的周期；

214)，将正序基波分量的瞬时值v_a ^p(t)、v_b ^p(t)、v_c ^p(t)做abc到dq0的坐标变换，得到电压直轴分量v_d ^p和电压交轴分量v_q ^p；

215)，所述电压交轴分量v_q ^p通过低通滤波器滤除非直流分量后得到v_q’，所述v_q’通过PI控制器后的输出再与电压角速度初始值相加后得到电压角速度的估计值，再将所述电压角速度的估计值除以2π后得到三相新能源发电***输出电压的频率估计值

216)，所述电压角速度的估计值在积分取余后得到电压相位角估计值作为abc到dq0的坐标变换的相位角；在dq0坐标系下，相位角估计值与a相相位一致即根据三相***中abc三相的相位关系，得到