CN108599191B - 一种带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法，所述电力弹簧***包含一个双向直流电源v_dc、一个单相电压源型逆变器模块、一个LC低通滤波器；旁路开关S控制电力弹簧的投切。电力弹簧通过滤波电容C与非关键负载串联再与关键负载并联后经线路阻抗Z₁与电网v_G相连构成电力弹簧的实际应用***。本发明针对因新能源发电的间歇性和不稳定性引起的微电网电压和功率波动问题，提出一种带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法，一方面能够将新能源发电功率的波动转移到电力弹簧装置以及非关键负载上，从而保证关键负载电压和功率的稳定；另一方面，电流内环的加入使得电网电流波形更趋于正弦，同时***可以获得更加良好的动态性能。

Description

一种带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子在电力***中的应用领域，具体地说涉及一种带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法。

背景技术

当前，我国已进入能源低碳转型的关键时期，风能、太阳能等新能源发展矛盾凸显，弃风、弃光等现象突出，并网消纳的瓶颈仍未得到有效解决。能源结构转型的重心向分布式能源转移已成趋势；就地上网、就地消纳将成为常态；“自发自用、余电上网”的模式将逐步得到推广。然而，随着屋顶光伏、小型风力发电等新能源发电装机容量的逐年增大，微电网的稳定运行将会受到极大的影响。

为保证含高渗透率新能源发电的微电网可靠运行，一般采用蓄电池组等储能装置作为削峰填谷的重要手段，但这属于被动式储能方式，且较多次数的充放电会影响其使用寿命，为提高可靠性而使用更大容量的蓄电池组又会导致成本显著上升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对新能源发电输出功率的不稳定引起的公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)电压和功率波动问题，提出一种带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法，一方面能够将新能源发电功率的波动转移到电力弹簧装置以及非关键负载上，从而保证关键负载电压和功率的稳定；另一方面，电流内环的加入使得电网瞬时电流波形更趋于正弦，同时***可以获得更加良好的动态性能。电力弹簧的典型应用***包含传统发电输出电压源v_G、线路电阻R₁、线路电感L₁、关键负载Z_C、非关键负载Z_NC、一个单相电力弹簧***；所述单相电力弹簧***为第二代单相电力弹簧***，包含双向直流电源v_dc、一个单相电压源型逆变器模块、一个LC低通滤波器；旁路开关S控制电力弹簧的投切，公共连接点PCC为电力弹簧和关键负载Z_C与线路阻抗Z₁的连接点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法，其特征在于增加了电流内环和解耦补偿项，一个控制周期包括如下步骤：

1)采集关键负载的电压信号v_C和公共连接点PCC处的电流值i₁，计算输入到电力弹簧的有功功率P；

2)电压外环和有功功率外环控制，其中将有功功率P以及电压信号v_C分别与给定的有功功率P_ref以及给定的电压有效值V_ref作比较，两个差值分别经过外环偏差控制器，其输出分别为d,q轴电流参考值i_dref和i_qref；

3)电流内环控制，其中将i_dref和i_qref作为电流参考值，并将之减去实际采样电流经变换得到的d,q轴电流i_d、i_q后分别送入内环偏差控制器；

4)电流内环解耦控制，其中内环偏差控制器的输出经i_d、i_q的交叉耦合补偿和电压前馈补偿后得到d轴和q轴的电压参考值v_dref和v_qref，将所述v_dref和v_qref变换为逆变器的输出电压参考值v_ref再经限幅后作为SPWM的调制波v_{_ref}；

5)将所述v_{_ref}与三角载波比较，在v_{_ref}和三角载波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断以得到所述单相电压源型逆变器模块的开关管的驱动信号。

优选地，在所述电压外环和有功功率外环控制步骤中，所述外环偏差控制器是比例积分控制器或比例积分微分控制器。

优选地，在所述电流内环控制步骤中，所述实际采样电流经Park变换得到所述d,q轴电流i_d、i_q。

优选地，在所述电流内环控制步骤中，所述内环偏差控制器是比例积分控制器或比例积分微分控制器。

优选地，在所述电流内环解耦控制步骤中，通过Park逆变换将所述v_dref和v_qref变换为逆变器的输出电压参考值v_ref。

优选地，所述单相电压源型逆变器模块的直流侧电压由蓄电池获得或由单相电网电压经过PWM整流器后接电解电容获得，该电压大于311V。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、可以保证关键负载电压和功率的稳定

本控制方法旨在维持新能源并网时关键负载电压以及功率的稳定，提高电能质量。单相***通过构建虚拟正交量可以实现从静止坐标系到旋转坐标系下的坐标变换，可以将交流量转换为直流量；因而仅使用功率外环、电压外环和PI控制器可以实现有功功率和电压无静差跟踪。如图3所示，PCC电压给定在220V且有功功率不同给定情形下的仿真波形对比图，可以看出关键负载处的电压有效值都稳定在220V且输入功率基本都能很好地跟上给定值。

2、***具备更加良好的动态性能

电流内环增加了对电网注入电流的控制，一方面可以通过设置合适的阈值控制电网注入电流的大小，使其维持在安全的运行范围内，增加了***的安全性。另一方面内环控制器可以有效抑制谐波电流的影响，增强电网瞬时电流的正弦度，同时基于内环电流的解耦补偿策略，将并网电流分解为有功电流分量和无功电流分量，采用两个独立的PI控制器可以独立控制有功电流和无功电流，从而达到控制有功功率和无功功率的目的显著地提升了***的动态性能。

3、应用***所需储能单元更少

传统的储能装置在遇到大幅度的功率波动时，其所需要的储能单元也必须相应增大，而本***所用的电力弹簧装置所采用的功率控制能瞬时转移功率的波动，从控制的角度提出了一种解决方案，因此所需的储能电池容量相对较小。

4、实用性高、应用前景广泛

本发明重点解决新能源并网所带来的电压和功率波动问题，同时提高了***的动态性能，可促进新能源发电的推广应用，且***简单可靠，有很高的实用价值和应用前景。

附图说明

图1是本发明的电力弹簧***结构图；

图2是本发明的电力弹簧***的功率控制框图；

图3是本发明的PCC电压在220V且有功功率不同给定下的仿真波形对比图，依次是PCC电压v_C、给定功率P_ref和测量功率P、PCC电流i₁及PCC电压有效值v_crms的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提出一种带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法，一方面能够将新能源发电输出电压及其功率的波动转移到电力弹簧装置以及非关键负载上，从而保证关键负载电压和功率的稳定，另一方面，电流内环的加入使得电网瞬时电流波形更趋于正弦，同时可以获得更加良好的***动态性能。

如图1所示，电力弹簧的典型应用***包含传统发电输出电压源v_G、线路电阻R₁、线路电感L₁、关键负载Z_C、非关键负载Z_NC、一个单相电力弹簧***；所述单相电力弹簧***为第二代单相电力弹簧***包含双向直流电源v_dc、一个单相电压源型逆变器模块、一个LC低通滤波器；旁路开关S控制电力弹簧的投切。所述逆变器模块的交流侧一端连接LC低通滤波器中L的一端；所述L的另一端不仅与电容C的一端相连，还与关键负载Z_C的一端相连；所述电容C的另一端除了与非关键负载Z_NC的一端相连，还与所述逆变器模块的交流侧的另一输出端相连；所述非关键负载Z_NC的另一端接地；所述传统发电输出电压源v_G与线路电阻R₁和线路电感L₁串联后连接到关键负载的一端，v_G的另一端接地。所述单相电压源型逆变器模块的直流侧输入直流电。进一步的，逆变器模块的直流侧电压也可由蓄电池获得，该电压应大于311V。

为了分析方便，仿真时将关键负载和非关键负载等效为一个纯电阻。其中，逆变电路的直流侧电压为400V；LC滤波参数分别为2.5mH和26μF；关键负载Z_C选取纯电阻50Ω，非关键负载50Ω的纯电阻Z_NC代替，输电线及线路损耗用1Ω和2.5mH的串联组合等效，电网电压频率为50Hz，取逆变器中开关频率为20kHz。

如图2所示，带电流内环的电力弹簧功率解耦控制的一个控制周期包括如下步骤：

1)采集关键负载的电压信号v_C和PCC处的电流值i₁，计算输入到电力弹簧***的有功功率P；

2)将有功功率P以及电压信号v_C分别与给定的有功功率P_ref以及给定的电压有效值V_ref作比较。两个差值分别经过一个PID控制器，其输出分别为d,q轴电流参考值i_dref和i_qref；

3)将所述i_dref和i_qref与实际采样电流经Park逆变换得到的i_d和i_q作比较，两者差值经PID调节器后的输出值分别加上d,q轴电流的交叉耦合项和电压的前馈补偿项得到d轴和q轴的电压参考值v_dref和v_qref；

4)将d轴和q轴的电压参考值转换为逆变器的输出电压参考值v_ref再经限幅后作为SPWM调制波v_{_ref}；

5)将上述v_{_ref}与三角载波比较，在v_{_ref}和三角载波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断以得到单相电压源型逆变器模块的开关管S₁₁、开关管S₁₂、开关管S₁₃、开关管S₁₄的驱动信号：通过上述过程，使得逆变器模块输出的交流电压的基波分量与v_ES相位相同；其中，三角载波的频率为20kHz，峰峰值为2V，驱动信号的死区时间为2μs；逆变器的输入电压是由单相电网电压经过PWM整流器后接电解电容而获得；

6)此策略在保证了关键负载电压的稳定的同时维持了其输入功率的稳定，然后结束本次控制周期的控制流程，等待下一控制周期。

本发明的控制方法涉及到的一种带电流内环的电力弹簧功率解耦控制，通过d轴控制器控制电力弹簧装置以及非关键负载的有功功率，q轴控制器控制电网***关键负载的电压。经仿真验证，***的动态和静态性能均十分出色。

以上所述，仅是本发明的优选实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法，所述电力弹簧包含双向直流电源v_dc、一个单相电压源型逆变器模块、一个LC低通滤波器；旁路开关S控制电力弹簧的投切，电力弹簧通过滤波电容C与非关键负载Z_NC串联再与关键负载Z_C并联后经线路阻抗Z₁与电网v_G相连，公共连接点PCC为电力弹簧和关键负载Z_C与线路阻抗Z₁的连接点；

其特征在于包括以下步骤：

1)采集关键负载的电压信号v_C和公共连接点PCC处的电流值i₁，计算输入到电力弹簧的有功功率P；

2)电压外环和有功功率外环控制，其中将有功功率P以及电压信号v_C分别与给定的有功功率P_ref以及给定的电压有效值V_ref作比较，两个差值分别经过外环偏差控制器，其输出分别为d,q轴电流参考值i_dref和i_qref；

3)电流内环控制，其中将i_dref和i_qref作为电流参考值，并将之减去实际采样电流i₁经变换得到的d,q轴电流i_d、i_q后分别送入内环偏差控制器；

4)电流内环解耦控制，其中内环偏差控制器的输出经i_d、i_q的交叉耦合补偿和电压前馈补偿后得到d轴和q轴的电压参考值v_dref和v_qref，将所述v_dref和v_qref变换为逆变器的输出电压参考值v_ref再经限幅后作为SPWM的调制波v_{_ref}；

5)将所述v_{_ref}与三角载波比较，在v_{_ref}和三角载波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断以得到所述单相电压源型逆变器模块的开关管的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法，其特征在于，在所述电压外环和有功功率外环控制步骤中，所述外环偏差控制器是比例积分控制器。

3.根据权利要求1所述的带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法，其特征在于，在所述电流内环控制步骤中，所述实际采样电流经Park变换得到所述d,q轴电流i_d、i_q。

4.根据权利要求1所述的带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法，其特征在于，在所述电流内环控制步骤中，所述内环偏差控制器是比例积分控制器。

5.根据权利要求1所述的带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法，其特征在于，在所述电流内环解耦控制步骤中，通过Park逆变换将所述v_dref和v_qref变换为逆变器的输出电压参考值v_ref。

6.根据权利要求1所述的带电流内环的电力弹簧功率解耦控制方法，其特征在于，所述单相电压源型逆变器模块的直流侧电压由蓄电池获得或由单相电网电压经过PWM整流器后接电解电容获得，该电压大于311V。

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