CN108599193B - 一种具有移相调频能力的电力弹簧 - Google Patents

一种具有移相调频能力的电力弹簧 Download PDF

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Abstract

一种具有移相调频能力的电力弹簧，属于电力变换技术领域。包括主电路、检测模块、控制模块；主电路与检测模块相连，通过线路检测电路的状态；检测模块与控制模块相连，将检测出来的电路状态传输给控制模块，控制模块与主电路相连，将处理好的控制信号传输给主电路中的IGBT。其中，主电路包括一个全桥逆变电路、滤波电容Cf及滤波电感Lf。全桥逆变电路与滤波电感串联，再与滤波电容并联。优点在于，在母线电压的幅值UL控制在±5％范围内，通过改变电源电压
Figure DDA0001642605630000011
与母线电压
Figure DDA0001642605630000012
的夹角α的大小可以调节非关键负载支路有功功率P2，达到调节***频率的目的。

Description

一种具有移相调频能力的电力弹簧
技术领域
本发明属于电力变换技术领域，尤其是涉及一种具有移相调频能力的电力弹簧。
背景技术
随着可再生能源发电技术的逐渐发展，以风能、光伏为代表的可再生能源发电并网容量逐年增大。而这些可再生能源发电的接入也带来了新的问题：由于可再生能源发电的间歇性和不稳定性，传统电力***“源随荷变”的控制方式难以使用在可再生能源发电接入的***中。电力弹簧概念的提出为上述问题带来了新的解决方案。电力弹簧与关键负载并联，可以将电压(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平衡。目前电力弹簧的用途以控制关键负载的电压为主，通过将电压的波动转移到非关键负载中，达到稳定电网电压的目的。而将电力弹簧作为调频的手段鲜有人研究。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种具有移相调频能力的电力弹簧，在母线电压的幅值UL控制在一定范围内(±5％)的基础上，通过改变电源电压
Figure GDA0001696919460000011
与母线电压
Figure GDA0001696919460000012
的夹角α的大小可以调节非关键负载支路有功功率P2，从而达到调节***频率的目的。
为了达到上述目地，本发明通过以下技术方案实现：
本发明包括主电路、检测模块、控制模块；如图1所示。主电路与检测模块相连，通过线路检测电路的状态；检测模块与控制模块相连，将检测出来的电路状态传输给控制模块，控制模块与主电路相连，将处理好的控制信号传输给主电路中的IGBT。
其中，主电路包括一个全桥逆变电路、滤波电容Cf及滤波电感Lf。全桥逆变电路与滤波电感串联，再与滤波电容并联。电力弹簧主电路以电容为载体接入电路，与非关键负载R2串联，其支路与关键负载R1并联后，连接至电源Us。如图2所示。
其中，逆变电路与电源电压为Ug，母线电压为UL，线路压降为Uline,母线电流为IL，关键负载支路电流为I1，非关键负载支路电流为I2；
检测模块主要用于实时监测电路电流、电压、***频率等数据，并将其传输给控制模块用于电力弹簧的控制。
控制模块采用移相调频的控制方法，具体控制原理如下述2)所示，控制步骤如下述3)所示。
2)所述控制模块控制原理推导如下：
以电源电压
Figure GDA0001696919460000021
方向为参考方向，即
Figure GDA0001696919460000022
假定母线电压
Figure GDA0001696919460000023
其中，0<α<π(表示
Figure GDA0001696919460000024
落后
Figure GDA0001696919460000025
角度α)；
在由向量
Figure GDA0001696919460000026
组成的三角形中，根据三角形余弦定理，计算得到线路压降
Figure GDA0001696919460000027
的幅值Uline和相角
Figure GDA0001696919460000028
Figure GDA0001696919460000029
Figure GDA00016969194600000210
其中
Figure GDA00016969194600000211
因
Figure GDA00016969194600000212
超前于
Figure GDA00016969194600000213
由式(1)得
Figure GDA00016969194600000214
根据有功平衡可得，
Figure GDA00016969194600000215
即，
Figure GDA0001696919460000031
结合图中数学关系，又有
Ulinecosγ＝ULsinα (6)
将式(6)代入(5)，得
Figure GDA0001696919460000032
Figure GDA0001696919460000033
则可推知，
Figure GDA0001696919460000034
Figure GDA0001696919460000035
由图中三角形数学关系得，
IL 2＝I1 2+I2 2-2I1I2cos(π-θ-α)
即
Figure GDA0001696919460000036
在由
Figure GDA0001696919460000037
组成的直角三角形中，有数学关系
Figure GDA0001696919460000038
联立式(13)、(14)、(15)及
Figure GDA0001696919460000039
得
Figure GDA00016969194600000310
其中，P为非关键负载有功功率。
两边平方，变形后可得
Figure GDA0001696919460000041
根据求根公式，
Figure GDA0001696919460000042
而当非关键负载有功功率P过小时，非关键负载上电压U2也会过小，会使非关键负载不能作为一个负载正常工作，因此P应该取较大的值，即
Figure GDA0001696919460000043
其中，
Figure GDA0001696919460000044
Figure GDA0001696919460000045
Figure GDA0001696919460000046
3)所述的控制模块控制步骤具体如下：
步骤1)设定***的参数给定值，包括***频率给定值fn、母线电压给定值Un、直流侧电压给定值Udcref；
步骤2)采集母线电压有效值UL_rms、直流侧电压Udc、***频率f，通过PLL采集UL相角
Figure GDA0001696919460000051
步骤3)将所述***频率给定值fn与频率实测值f作差，差值Δf输入到功率计算模块中，得到功率的变化量ΔP；将所述ΔP输入到PI调节器中，得到电压的调节量ΔU；
步骤4)将母线电压给定值Un与所述ΔU、UL_rms之和作差，差值输入到PI调节器中，得到电力弹簧电压控制幅值Ues；
步骤5)将直流侧电压给定值Udcref与实测值Udc作差，差值输入到PI调节器中后，输出量θes加上所述
Figure GDA0001696919460000052
得到电力弹簧电压相角的控制量θ；
步骤6)将所述Ues以及θ合成得到电力弹簧电压控制量Uref；
步骤7)将所述控制量Uref输入到比较器中，与幅值为1、频率为5kHz的正弦载波信号Um进行比较，得到电力弹簧全桥电路中第一至第四开关管的驱动信号。
附图说明
图1为单相电力弹簧电路图。
图2为电力弹簧工作相量图。
图3为非关键负载有功功率P关于母线电压UL的函数设定参数图。
图4为电力弹簧控制框图。
具体实施方式
本发明包括主电路、检测模块、控制模块；如图1所示。主电路与检测模块相连，通过线路检测电路的状态；检测模块与控制模块相连，将检测出来的电路状态传输给控制模块，控制模块与主电路相连，将处理好的控制信号传输给主电路中的IGBT。
其中，主电路包括一个全桥逆变电路、滤波电容Cf及滤波电感Lf。全桥逆变电路与滤波电感串联，再与滤波电容并联。电力弹簧主电路以电容为载体接入电路，与非关键负载R2串联，其支路与关键负载R1并联后，连接至电源Us。如图2所示。
其中，逆变电路与电源电压为Ug，母线电压为UL，线路压降为Uline,母线电流为IL，关键负载支路电流为I1，非关键负载支路电流为I2；
检测模块主要用于实时监测电路电流、电压、***频率等数据，并将其传输给控制模块用于电力弹簧的控制。
本发明通过控制α来控制非关键负载支路有功功率P2，从而达到调节***频率的目的。下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，该电力弹簧主要分为以下几个部分：主电路、检测模块、控制模块。
其中，主电路如图2所示，包括一个全桥逆变电路、滤波电容CF及滤波电感LF、非关键负载R2、关键负载R1。线路为纯电感L。电源电压为Ug，母线电压为UL，线路压降为Uline,母线电流为IL，关键负载支路电流为I1，非关键负载支路电流为I2；
检测模块主要用于实时监测电路电流、电压、***频率等数据，并将其传输给控制模块用于电力弹簧的控制；
控制模块采用移相调频的控制方法，具体控制原理与步骤如以下所论述。
图2所示为电力弹簧工作相量图，
以图2为例，以电源电压
Figure GDA0001696919460000061
方向为参考方向，即
Figure GDA0001696919460000062
假定母线电压
Figure GDA0001696919460000063
其中，0<α<π(表示
Figure GDA0001696919460000064
落后
Figure GDA0001696919460000065
角度α)；
在由向量
Figure GDA0001696919460000066
组成的三角形中，根据三角形余弦定理，计算得到线路压降
Figure GDA0001696919460000067
的幅值Uline和相角
Figure GDA0001696919460000068
Figure GDA0001696919460000069
Figure GDA00016969194600000610
其中，
Figure GDA0001696919460000071
因
Figure GDA0001696919460000072
超前于
Figure GDA0001696919460000073
由式(1)得
Figure GDA0001696919460000074
根据有功平衡可得，
Figure GDA0001696919460000075
即，
Figure GDA0001696919460000076
结合图中数学关系，又有
Ulinecosγ＝ULsinα (6)
将式(6)代入(5)，得
Figure GDA0001696919460000077
Figure GDA0001696919460000078
则可推知，
Figure GDA0001696919460000079
Figure GDA00016969194600000710
由图中三角形数学关系得，
IL 2＝I1 2+I2 2-2I1I2cos(π-θ-α)
即
Figure GDA00016969194600000711
在由
Figure GDA0001696919460000081
组成的直角三角形中，有数学关系
Figure GDA0001696919460000082
联立式(13)、(14)、(15)及
Figure GDA0001696919460000083
得
Figure GDA0001696919460000084
其中，P为非关键负载有功功率
两边平方，变形后可得
Figure GDA0001696919460000085
根据求根公式，
Figure GDA0001696919460000086
而当非关键负载有功功率P过小时，非关键负载上电压U2也会过小，会使非关键负载不能作为一个负载正常工作，因此P应该取较大的值，即
Figure GDA0001696919460000087
其中，
Figure GDA0001696919460000088
Figure GDA0001696919460000091
Figure GDA0001696919460000092
在Matlab中，根据公式(16)，以UL为横坐标、P为纵坐标绘制曲线，如图3所示。
由图3及式(8)可知，通过改变角度α的大小，可以调节非关键负载支路有功功率P2，从而达到调节***频率的目的。而母线电压控制在一定范围内变化(±5％)，***的稳定性没有受到影响。
图4所示为所提电力弹簧控制框图，其步骤如下：
步骤1)设定***的参数给定值，包括***频率给定值fn、母线电压给定值Un、直流侧电压给定值Udcref；
步骤2)采集母线电压有效值UL_rms、直流侧电压Udc、***频率f，通过PLL采集UL相角
Figure GDA0001696919460000093
步骤3)将所述***频率给定值fn与频率实测值f作差，差值Δf输入到功率计算模块中，得到功率的变化量ΔP；将所述ΔP输入到PI调节器中，得到电压的调节量ΔU；
步骤4)将母线电压给定值Un与所述ΔU、UL_rms之和作差，差值输入到PI调节器中，得到电力弹簧电压控制幅值Ues；
步骤5)将直流侧电压给定值Udcref与实测值Udc作差，差值输入到PI调节器中后，输出量θes加上所述
Figure GDA0001696919460000094
得到电力弹簧电压相角的控制量θ；
步骤6)将所述Ues以及θ合成得到电力弹簧电压控制量Uref；
步骤7)将所述控制量Uref输入到比较器中，与幅值为1、频率为5kHz的正弦载波信号Um进行比较，得到电力弹簧全桥电路中第一至第四开关管的驱动信号。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种具有移相调频能力的电力弹簧，其特征在于，主电路、检测模块、控制模块；主电路与检测模块相连，通过线路检测电路的状态；检测模块与控制模块相连，将检测出来的电路状态传输给控制模块，控制模块与主电路相连，将处理好的控制信号传输给主电路中的IGBT；
其中，主电路包括一个全桥逆变电路、滤波电容Cf及滤波电感Lf；全桥逆变电路与滤波电感串联，再与滤波电容并联；电力弹簧主电路以电容为载体接入电路，与非关键负载R2串联，其支路与关键负载R1并联后，连接至电源Us；
其中，电源电压为Ug，母线电压为UL，线路压降为Uline,母线电流为IL，关键负载支路电流为I1，非关键负载支路电流为I2；
检测模块主要用于实时监测电路电流、电压、***频率，并将其传输给控制模块用于电力弹簧的控制；
所述模块控制推导如下：
以电源电压
Figure RE-FDA0002558545580000011
方向为参考方向，即
Figure RE-FDA0002558545580000012
假定母线电压
Figure RE-FDA0002558545580000013
其中，0<α<π，表示
Figure RE-FDA0002558545580000014
落后
Figure RE-FDA0002558545580000015
角度α；
在由向量
Figure RE-FDA0002558545580000016
组成的三角形中，根据三角形余弦定理，计算得到线路压降
Figure RE-FDA0002558545580000017
的幅值Uline和相角
Figure RE-FDA0002558545580000018
Figure RE-FDA0002558545580000019
Figure RE-FDA00025585455800000110
其中
Figure RE-FDA00025585455800000111
因
Figure RE-FDA00025585455800000112
超前于
Figure RE-FDA00025585455800000113
90°,由式(1)得
Figure RE-FDA0002558545580000021
根据有功平衡可得，
Figure RE-FDA0002558545580000022
即，
Figure RE-FDA0002558545580000023
又有
Ulinecosγ＝UL sinα (6)
将式(6)代入(5)，得
Figure RE-FDA0002558545580000024
Figure RE-FDA0002558545580000025
则可推知，
Figure RE-FDA0002558545580000026
Figure RE-FDA0002558545580000027
由三角形数学关系得，
IL 2＝I1 2+I2 2-2I1I2cos(π-θ-α)
即
Figure RE-FDA0002558545580000028
在由
Figure RE-FDA0002558545580000029
组成的直角三角形中，有数学关系
Figure RE-FDA00025585455800000210
联立式(13)、(14)、(15)及
Figure RE-FDA0002558545580000031
得
Figure RE-FDA0002558545580000032
其中，P为非关键负载有功功率；
两边平方，变形后可得
Figure RE-FDA0002558545580000033
根据求根公式，
Figure RE-FDA0002558545580000034
而当非关键负载有功功率P过小时，非关键负载上电压U2也会过小，会使非关键负载不能作为一个负载正常工作，因此P应该取较大的值，即
Figure RE-FDA0002558545580000035
其中，
Figure RE-FDA0002558545580000036
Figure RE-FDA0002558545580000037
Figure RE-FDA0002558545580000038
2.根据权利要求1所述的电力弹簧，其特征在于，所述的控制模块控制步骤具体如下：
步骤1)设定***的参数给定值，包括***频率给定值fn、母线电压给定值Un、直流侧电压给定值Udcref；
步骤2)采集母线电压有效值UL_rms、直流侧电压Udc、***频率f，通过PLL采集UL相角
Figure RE-FDA0002558545580000041
步骤3)将所述***频率给定值fn与频率实测值f作差，差值Δf输入到功率计算模块中，得到功率的变化量ΔP；将所述ΔP输入到PI调节器中，得到电压的调节量ΔU；
步骤4)将母线电压给定值Un与所述ΔU、UL_rms之和作差，差值输入到PI调节器中，得到电力弹簧电压控制幅值Ues；
步骤5)将直流侧电压给定值Udcref与实测值Udc作差，差值输入到PI调节器中后，输出量θes加上所述
Figure RE-FDA0002558545580000042
得到电力弹簧电压相角的控制量θ；
步骤6)将所述Ues以及θ合成得到电力弹簧电压控制量Uref；
步骤7)将所述控制量Uref输入到比较器中，与幅值为1、频率为5kHz的正弦载波信号Um进行比较，得到电力弹簧全桥电路中第一至第四开关管的驱动信号。
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