CN112383057B - 基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电网电力参数设计领域，具体涉及一种计算更准确、可行性更强的基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法。本发明包括选择电网中任意一个节点为虚拟平衡节点，所有节点初始电压设为1，谐振网络的工作频率设为50Hz，采集每一个分布式电源的输入电压、输出功率，电网的输出电压，设定输出功率与工作频率之间的下垂系数m，输出功率与输入电压之间的下垂系数n，确定耦合机构的线圈内阻；计算载荷功率，并对电网进行潮流计算，确定互感参数上限和下限等。本发明准确性高、可行性强。针对下垂控制方式，参考了电抗器影响，使潮流计算结果精确性高，提出的设计框架具有通用性，使用者可将通用潮流计算方法纳入设计中。

Description

基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法
技术领域
本发明属于电网电力参数设计领域，具体涉及一种计算更准确、可行性更强的基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法。
背景技术
随着电网技术的普及，无线充电***对于传统的电磁感应方式对线圈的对准位置有着严格要求，错位和偏离工作距离都会极大的影响电网效率，而且进行大功率输电时容易出现散热问题。相关技术中，发明人检索到201711052546.1的发明专利《一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法》，该发明提出一种无线充电线圈自感和互感的电性能参数计算方法。该方法首先获取不同形状线圈的自感函数、自感修正系数、互感函数和互感修正系数速查表；对任意线圈，获取该线圈几何参数，根据线圈形状，利用几何参数和无量纲参数，通过速查表得到该线圈的自感函数，自感修正系数，互感函数和互感修正系数；最后利用公式，计算得到该线圈的电性能参数。但是传统电网的分布式电源，由于电抗器的作用，在探测电网潮流时，忽略了电抗器的压降，进而为电网的互感和自感检测调整带来误差。而现有技术常常只针对一种到两种电网潮流算法求解，且方法复杂，不适用于工业场景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法，包括如下步骤：
(1)选择电网中任意一个节点为虚拟平衡节点，所有节点初始电压设为1，谐振网络的工作频率设为50Hz，采集每一个分布式电源的输入电压、输出功率，电网的输出电压，设定输出功率与工作频率之间的下垂系数m，输出功率与输入电压之间的下垂系数n，确定耦合机构的线圈内阻；
(2)计算载荷功率，并对电网进行潮流计算，确定互感参数上限和下限；
(3)根据互感参数上限和下限确定互感值范围，取互感值范围的中间值为设计的互感值参数；
(4)计算虚拟平衡节点的输出功率Ps，若Ps<ε，则执行步骤(5)，否则更新工作频率f和每一个分布式电源的输出功率PG，重新执行步骤(2)；ε为输出功率阈值；
(5)计算变换器电压UB，根据电压UB与无功Ps之间的下垂关系计算分布式电源发出的输出功率PG；
(6)计算谐振网络完全补偿下导致的频率偏移确定耦合系数，以及最终的电网的输出电压、电网的传输效率和电网最佳负载；
(7)再次对电网进行潮流计算，计算***最大效率时***的输出功率POUT，若|POUT|＜ε，则根据电压增益、耦合系数、互感值确定电网自感与耦合系数的关系；否则更新虚拟平衡节点电压，更新电网工作频率，以及分布式电源额定无功功率，重新执行步骤(2)。
所述的分布式电源的输入电压V1为：
V1＝I1R1-jωMI2
I1为分布式电源的输入电流，R1为分布式电源的电阻，ω电网的固有谐振角频率，j为电网的虚部，M为互感系数，I2为补偿机构的输出电流；
jωMI2＝I2(R2+RLe)
R2为补偿机构的电阻，RLe为补偿机构的最佳负载；
V2＝I2RLe
V2为补偿机构的输出电压。
电网的输出电压V0为：
Figure BDA0002801214040000021
D为分布式电源与补偿机构的最短直线距离。
虚拟平衡节点承担的输出功率Ps为：
Ps＝Re(Vs∑Is *)-PGS+PLS
其中Vs为虚拟平衡节点电压，Is为与虚拟平衡节点连接支路的电流，PGS接有虚拟平衡节点的分布式电源的功率，PLS为载荷功率。
在谐振网络完全补偿的情况下，最终的电网的输出电压V0为
Figure BDA0002801214040000022
电网的传输效率为：
Figure BDA0002801214040000023
Figure BDA0002801214040000024
η为***效率，POUT为***输出功率；
电网最佳负载为：
Figure BDA0002801214040000025
Buck-boost的开关管的电阻与RLe的关系为：
Figure BDA0002801214040000031
RL为Buck-boost的开关管的虚拟电阻。
***最大效率时***的输出功率为：
Figure BDA0002801214040000032
***的效率与M关系为：
Figure BDA0002801214040000033
V2与V1的比值作为电压增益GV：
Figure BDA0002801214040000034
Figure BDA0002801214040000035
ω0为谐振补偿网络的固有谐振角频率，L1、L2为发射线圈和接收线圈的自感；电网工作频率为f，谐振补偿网络固有频率为f0；
自感与耦合系数的关系：
Figure BDA0002801214040000036
更新频率f满足：
f＝f*-m(PGS-Pref)
其中Pref为分布式电源功率额定值，f*为额定频率。
电网变换电路出口电压E满足：
E＝Vi+jIiXLi
其中Vi为逆变器端电压，由潮流计算获得，XLi为电抗器的电抗值，Ii为逆变器电流；
所述分布式电源额定无功功率QGS为：
Figure BDA0002801214040000037
本发明的有益效果在于：本发明提供一种根据***输出功率和传输效率的要求来设计耦合机构互感和自感值的方法，准确性高、可行性强。本发明针对下垂控制方式，参考了电抗器影响，使潮流计算结果精确性高，节点电压值的最大绝对误差为0.0001，提出的设计框架具有通用性，不限于任何一种潮流计算方法，使用者可将通用潮流计算方法纳入设计中。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是电网输出功率、输出电压和电网效率占空比变化的曲线图。
图3是电网负载电阻占空比变化的曲线图。
图4是电网输出功率随互感变化的曲线图。
图5是电网最大效率点随互感变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法，包括如下步骤：
(1)选择电网中任意一个节点为虚拟平衡节点，所有节点初始电压设为1，谐振网络的工作频率设为50Hz，采集每一个分布式电源的输入电压、输出功率，电网的输出电压，设定输出功率与工作频率之间的下垂系数m，输出功率与输入电压之间的下垂系数n，确定耦合机构的线圈内阻；分布式电源的输入电压V1为：
V1＝I1R1-jωMI2
I1为分布式电源的输入电流，R1为分布式电源的电阻，ω电网的固有谐振角频率，j为电网的虚部，M为互感系数，I2为补偿机构的输出电流；
jωMI2＝I2(R2+RLe)
R2为补偿机构的电阻，RLe为补偿机构的最佳负载；
V2＝I2RLe
V2为补偿机构的输出电压。
电网的输出电压V0为：
Figure BDA0002801214040000041
D为分布式电源与补偿机构的最短直线距离。
(2)计算载荷功率，并对电网进行潮流计算，确定互感参数上限和下限；
(3)根据互感参数上限和下限确定互感值范围，取互感值范围的中间值为设计的互感值参数；
(4)计算虚拟平衡节点的输出功率Ps，若Ps＜ε，则执行步骤(5)，否则更新工作频率f和每一个分布式电源的输出功率PG，重新执行步骤(2)；ε为输出功率阈值；
虚拟平衡节点承担的输出功率Ps为：
Ps＝Re(Vs∑Is *)-PGS+PLS
其中Vs为虚拟平衡节点电压，Is为与虚拟平衡节点连接支路的电流，PGS接有虚拟平衡节点的分布式电源的功率，PLS为载荷功率。
(5)计算变换器电压UB，根据电压UB与无功Ps之间的下垂关系计算分布式电源发出的输出功率PG；
(6)计算谐振网络完全补偿下导致的频率偏移确定耦合系数，以及最终的电网的输出电压、电网的传输效率和电网最佳负载；
在谐振网络完全补偿的情况下，最终的电网的输出电压V0为
Figure BDA0002801214040000051
电网的传输效率为：
Figure BDA0002801214040000052
Figure BDA0002801214040000053
η为***效率，POUT为***输出功率；
电网最佳负载为：
Figure BDA0002801214040000054
Buck-boost的开关管的电阻与RLe的关系为：
Figure BDA0002801214040000055
RL为Buck-boost的开关管的虚拟电阻。
(7)再次对电网进行潮流计算，计算***最大效率时***的输出功率POUT，若|POUT|＜ε，则根据电压增益、耦合系数、互感值确定电网自感与耦合系数的关系；否则更新虚拟平衡节点电压，更新电网工作频率，以及分布式电源额定无功功率，重新执行步骤(2)。
***最大效率时***的输出功率为：
Figure BDA0002801214040000056
***的效率与M关系为：
Figure BDA0002801214040000061
V2与V1的比值作为电压增益GV：
Figure BDA0002801214040000062
Figure BDA0002801214040000063
ω0为谐振补偿网络的固有谐振角频率，L1、L2为发射线圈和接收线圈的自感；电网工作频率为f，谐振补偿网络固有频率为f0；
自感与耦合系数的关系：
Figure BDA0002801214040000064
更新频率f满足：
f＝f*-m(PGS-Pref)
其中Pref为分布式电源功率额定值，f*为额定频率。
电网变换电路出口电压E满足：
E＝Vi+jIiXLi
其中Vi为逆变器端电压，由潮流计算获得，XLi为电抗器的电抗值，Ii为逆变器电流；
所述分布式电源额定无功功率QGS为：
Figure BDA0002801214040000065
针对本发明方法，发明人通过模拟计算，进行试验验证，模拟电网的线路阻抗及初始负荷参数如下。
Figure BDA0002801214040000066
Figure BDA0002801214040000071
本次模拟的电网包含分布式电源5个、支路32条、基准电压12.6kV、三相功率准值取10MVA。其中选择节点1为虚拟平衡节点，各个节点电压初始值为1，频率初始值为1，5个电源额定功率标么值都为0.8+j0.8,下垂系数m分别取0.5,1.2,0.2,1.2,0.2；取m＝n。负荷系数取0.3。由于初始***频率为1，负荷功率不变。选择前推回代潮流算法进行计算，求得***中各个节点电压，支路电流。下表为本发明方法的结果与PSCAD软件仿真结果的对比，可看出最大电压幅值误差为0.0001，表明算法精确度高。与现有技术方法的计算结果相比，最大电压幅值误差为0.004。
本发明的结果与PSCAD仿真结果的对比
Figure BDA0002801214040000072
相比于现有技术，本发明提供一种根据***输出功率和传输效率的要求来设计耦合机构互感和自感值的方法，由于通过电网的潮流计算，以及虚拟平衡点和谐振补偿网络的配合，使互感自感参数的计算准确性更高、可行性更强强。同时针对下垂控制方式，由于本发明整体设计方案与现有技术均是有区别的，而本发明参考了电抗器影响，对于本领域将技术人员是难以获得技术启示的，因此使潮流计算结果精确性高，节点电压值的最大绝对误差为0.0001，同时，本发明提出的设计框架具有通用性，不限于任何一种潮流计算方法，使用者可将通用潮流计算方法纳入设计中。综上所述，本发明具备充足的创造性。

Claims (9)

1.一种基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选择电网中任意一个节点为虚拟平衡节点，所有节点初始电压设为1，谐振网络的工作频率设为50Hz，采集每一个分布式电源的输入电压、输出功率，电网的输出电压，设定输出功率与工作频率之间的下垂系数m，输出功率与输入电压之间的下垂系数n，确定耦合机构的线圈内阻；
(2)计算载荷功率，并对电网进行潮流计算，确定互感参数上限和下限；
(3)根据互感参数上限和下限确定互感值范围，取互感值范围的中间值为设计的互感值参数；
(4)计算虚拟平衡节点的输出功率Ps，若Ps<ε，则执行步骤(5)，否则更新工作频率f和每一个分布式电源的输出功率PG，重新执行步骤(2)；ε为输出功率阈值；
(5)计算变换器电压UB，根据电压UB与输出功率Ps之间的下垂关系计算分布式电源发出的输出功率PG；
(6)计算谐振网络完全补偿下导致的频率偏移确定耦合系数，以及最终的电网的输出电压、电网的传输效率和电网最佳负载；
(7)再次对电网进行潮流计算，计算***最大效率时***的输出功率POUT，若|POUT|<ε，则根据电压增益、耦合系数、互感值确定电网自感与耦合系数的关系；否则更新虚拟平衡节点电压，更新电网工作频率，以及分布式电源额定无功功率，重新执行步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法，其特征在于：所述的分布式电源的输入电压V1为：
V1＝I1R1-jωMI2
I1为分布式电源的输入电流，R1为分布式电源的电阻，ω电网的固有谐振角频率，j为电网的虚部，M为互感系数，I2为补偿机构的输出电流；
jωMI2＝I2(R2+RLe)
R2为补偿机构的电阻，RLe为补偿机构的最佳负载；
V2＝I2RLe
V2为补偿机构的输出电压。
3.根据权利要求2所述的基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法，其特征在于：电网的输出电压V0为：
Figure FDA0003505611610000011
D为分布式电源与补偿机构的最短直线距离。
4.根据权利要求3所述的基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法，其特征在于：
虚拟平衡节点承担的输出功率Ps为：
Ps＝Re(Vs∑Is *)-PGS+PLS
其中Vs为虚拟平衡节点电压，Is为与虚拟平衡节点连接支路的电流，PGS接有虚拟平衡节点的分布式电源的功率，PLS为载荷功率。
5.根据权利要求4所述的基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法，其特征在于：在谐振网络完全补偿的情况下，最终的电网的输出电压V0为
Figure FDA0003505611610000021
RL为Buck-boost的开关管的虚拟电阻；
电网的传输效率为：
Figure FDA0003505611610000022
Figure FDA0003505611610000023
η为***效率，POUT为***输出功率；
电网最佳负载为：
Figure FDA0003505611610000024
6.根据权利要求5所述的基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法，其特征在于：
Buck-boost的开关管的电阻与RLe的关系为：
Figure FDA0003505611610000025
7.根据权利要求6所述的基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法，其特征在于：
***最大效率时***的输出功率为：
Figure FDA0003505611610000026
***的效率与M关系为：
Figure FDA0003505611610000031
8.根据权利要求7所述的基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法，其特征在于：
V2与V1的比值作为电压增益GV：
Figure FDA0003505611610000032
Figure FDA0003505611610000033
ω0为谐振补偿网络的固有谐振角频率，L1、L2为发射线圈和接收线圈的自感；电网工作频率为f，谐振补偿网络固有频率为f0；
自感与耦合系数的关系：
Figure FDA0003505611610000034
更新频率f满足：
f＝f*-m(PGS-Pref)
其中Pref为分布式电源功率额定值，f*为额定频率。
9.根据权利要求8所述的基于电网潮流的电力耦合***互感和自感设计方法，其特征在于：
电网变换电路出口电压E满足：
E＝Vi+jIiXLi
其中Vi为逆变器端电压，由潮流计算获得，XLi为电抗器的电抗值，Ii为逆变器电流；
所述分布式电源额定无功功率QGS为：
Figure FDA0003505611610000035
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