本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種提高電力彈簧穩(wěn)態(tài)運行范圍的方法。
背景技術(shù):
隨著可再生能源如風能、太陽能等的大量并網(wǎng),可再生能源發(fā)電的間歇性、不穩(wěn)定性、預測精度不高等特點,造成的發(fā)電量與負荷需求的不平衡問題日益突出,影響電力系統(tǒng)的運行安全與供電電能質(zhì)量。
通過需求側(cè)管理解決可再生能源并網(wǎng)帶來的一系列問題得到業(yè)界廣泛認可,然而普通的需求側(cè)技術(shù)一般需要終端用戶參與,或者以犧牲用戶體驗為代價,基于儲能技術(shù)則面臨高成本問題。針對上述現(xiàn)狀,香港大學提出了基于電力電子技術(shù)的“電力彈簧”構(gòu)想,將機械彈簧的概念引入電力系統(tǒng)中。電力彈簧由一個輸入電壓控制與一個功率控制器構(gòu)成,通過電力彈簧將電網(wǎng)中電壓(能量)波動轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負載,穩(wěn)定關(guān)鍵負載電壓,并自動調(diào)節(jié)非關(guān)鍵負載耗電量,實現(xiàn)發(fā)電量與用電量的自動平衡。電力彈簧改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)發(fā)電量跟隨負載變化的運行方式,實現(xiàn)了需求側(cè)負載跟隨發(fā)電量變化的新型運行方式,可以有效克服可再生能源發(fā)電并網(wǎng)造成的發(fā)電量與負荷不匹配問題。研究表明,電力彈簧運用于新型微電網(wǎng)中,還可以降低系統(tǒng)對儲能容量的需求,節(jié)約成本;可以減小系統(tǒng)三相不平衡;可以改善電力系統(tǒng)的供電電能質(zhì)量。
與其他現(xiàn)有的提高微電網(wǎng)電能質(zhì)量方法相比,電力彈簧與非關(guān)鍵負載串聯(lián),構(gòu)成智能負載具有較強的負荷響應能力,能將分布式能源波動轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負載,也能參與頻率調(diào)節(jié)。而其他微電網(wǎng)電壓調(diào)整方法則一般直接與關(guān)鍵負載串聯(lián),如sssc、dvr,或直接與關(guān)鍵負載并聯(lián),如statcom,在某些情況下,電力彈簧的調(diào)整效率比普通無功補償裝置更高。
然而,和機械彈簧一樣,電力彈簧也運行在一個受限的范圍內(nèi),其運行范圍受直流側(cè)電壓、關(guān)鍵負載與非關(guān)鍵負載工作電壓范圍、網(wǎng)絡元件參數(shù)等因素的限制。當網(wǎng)側(cè)電壓波動過大時,電力彈簧將無法完成控制目標,發(fā)生失靈。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種提高電力彈簧穩(wěn)態(tài)運行范圍的方法,以改善電力彈簧的運行性能,保證在網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生較大波動情況下也能穩(wěn)定工作。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
一種提高電力彈簧穩(wěn)態(tài)運行范圍的方法,該方法包括以下步驟:
步驟1,根據(jù)基爾霍夫定律,結(jié)合電力彈簧對應的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲與電氣參數(shù),得到網(wǎng)絡相量方程組,公式如下:
其中,
計算穩(wěn)態(tài)網(wǎng)側(cè)電壓相量,公式如下;
其中:
步驟2,根據(jù)穩(wěn)態(tài)網(wǎng)側(cè)電壓相量畫出相量軌跡曲線,并通過幾何法分析得到電力彈簧穩(wěn)態(tài)運行軌跡與范圍:
電力彈簧系統(tǒng)非關(guān)鍵負載電流
設線路阻抗中ωl1>>r1,則線路阻抗角
畫出一個含一個虛點
以為o原點,oa為關(guān)鍵負載參考電壓,對應相量
根據(jù)穩(wěn)定工作點的落點區(qū)域,分為三種情況:
⑴當|oc|<ug<|ob|,則落點均在弧bcb上,即容性工作模式區(qū),且對稱分布在c點兩側(cè);
⑵當|od|<ug<|oe|,則落點均在弧ded上,即感性工作模式區(qū);
⑶當|ob|<ug<|od|,則落點分別落在弧bd和弧bd上;
步驟3,根據(jù)穩(wěn)態(tài)網(wǎng)側(cè)電壓相量軌跡,結(jié)合幾何法得到網(wǎng)側(cè)電壓越限情況下系統(tǒng)最優(yōu)控制軌跡:
根據(jù)步驟1中所得到的網(wǎng)側(cè)電壓表示相量,可以判斷在關(guān)鍵負載電壓變化時,網(wǎng)側(cè)電壓軌跡以相量坐標原點為參考作線性伸縮變換,從而可以得到關(guān)鍵負載電壓變化后電力彈簧穩(wěn)態(tài)工作軌跡和相應的運行網(wǎng)側(cè)電壓波動范圍。
以關(guān)鍵電壓波動最小為優(yōu)化目標,在關(guān)鍵電壓可波動情況下,分析最優(yōu)的網(wǎng)側(cè)電壓軌跡,建立優(yōu)化數(shù)學模型如下:
其中,n1%為關(guān)鍵負載電壓波動限值,minug、maxug分別為含越限情況下的網(wǎng)側(cè)電壓上下限,vs為關(guān)鍵負載電壓參考值;
首先分析ug滿足minug<ug<|oe|的情況:
1)當|oc|<ug<|oe|時,us=vs,式(3)滿足最優(yōu),ug軌跡為弧cde。
2)當minug<ug<|oc|時,us<vs,此時當ug軌跡在線段cc1上時,式(3)滿足最優(yōu);
然后分析ug滿足minug<ug<|oc|的情況:
經(jīng)過c點的圓弧軌跡對應的關(guān)鍵電壓為usx,當相量ug取點c時,式(3)滿足最優(yōu),此時min|us(ug)-vs|=|usx-vs|,ug軌跡為線段cc1;當|oe|<ug<maxug時,ug軌跡為線段ee2;
步驟4,綜合網(wǎng)側(cè)電壓未發(fā)生越限和越限情況下的相量軌跡,得到擴大后的電力彈簧穩(wěn)態(tài)工作軌跡與運行范圍,基于此得到與含越限情況的網(wǎng)側(cè)電壓一一對應的電力彈簧關(guān)鍵負載電壓設定值,公式如下:
其中,vref為優(yōu)化校正后關(guān)鍵負載參考電壓幅值,|ug|為網(wǎng)側(cè)電壓幅值,|oc|為電力彈簧穩(wěn)態(tài)網(wǎng)側(cè)電壓范圍下限值,|oe|為電力彈簧穩(wěn)態(tài)網(wǎng)側(cè)電壓范圍上限值,vs_ref為關(guān)鍵負載電壓標準參考值。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
1)能夠解決電力彈簧系統(tǒng)在網(wǎng)側(cè)電壓波動過大時發(fā)生失靈的問題,改善電力彈簧的運行性能,保證在網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生較大波動情況下也能穩(wěn)定工作。
2)采用相量圖結(jié)合幾何方法分析電力彈簧的穩(wěn)態(tài)工作軌跡范圍以及越限情況下的最優(yōu)工作軌跡,準確給出電力彈簧的運行范圍,拓展了電力彈簧運行范圍,降低了分析計算的復雜度。
附圖說明
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中電力彈簧系統(tǒng)電路及控制拓撲圖。
圖2是本發(fā)明中電力彈簧穩(wěn)態(tài)運行網(wǎng)側(cè)電壓范圍分析示意圖。圖中電力彈簧系統(tǒng)工作軌跡為弧cde,其中弧cbd為容性工作模式區(qū),弧de為感性工作模式區(qū),如圖藍色與橙色區(qū)域所示。
圖3是本發(fā)明中含越限情況電力彈簧穩(wěn)態(tài)運行網(wǎng)側(cè)電壓范圍分析示意圖。當關(guān)鍵負載電壓允許在(1±n1%)vs范圍內(nèi)波動時,網(wǎng)側(cè)電壓ug軌跡為c1c+弧cde+ee2。特別地,在關(guān)鍵負載電壓發(fā)生微小偏移時,網(wǎng)側(cè)電壓與最優(yōu)關(guān)鍵負載電壓的相角差為定值。
圖4是當網(wǎng)側(cè)電壓在不同電壓水平波動時對應電力彈簧系統(tǒng)仿真波形圖。
圖中:
1.1為含新能源發(fā)電的單相電網(wǎng),1.2為輸電線等效電阻,1.3為輸電線等效電感,1.4為關(guān)鍵負載,1.5為電力彈簧濾波電感,1.6為電力彈簧濾波電容,1.7為非關(guān)鍵負載,1.8為單相電壓源型逆變器,1.9為逆變器直流側(cè)支撐電容,1.10和1.11為電壓測量模塊,1.12為測量有效值計算模塊,1.13為網(wǎng)側(cè)電壓測量有效值,1.14為關(guān)鍵負載電壓參考值,1.15為相位測量模塊(鎖相環(huán)),1.16為網(wǎng)絡參數(shù)輸入模塊,1.17為優(yōu)化校正后參考電壓計算模塊,1.18為電力彈簧直流側(cè)參考電壓,1.19為電力彈簧直流側(cè)電壓測量值,1.20、1.29和1.30為減法器,1.21、1.31和1.32為pi控制器,1.22為優(yōu)化校正后關(guān)鍵負載參考相位,1.23為優(yōu)化校正后關(guān)鍵負載參考電壓幅值,1.24為加法器,1.25為電壓合成模塊,1.26為關(guān)鍵負載電壓測量值,1.27和1.28為單相dq變換模塊,1.33為單相dq反變換模塊,1.34為pwm控制信號發(fā)生器。
具體實施方式
為便于理解,下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行闡述,但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中電力彈簧系統(tǒng)電路及控制拓撲圖,如圖所示,右側(cè)虛線框內(nèi)由電壓源型逆變器和lc濾波器組成的電路為電力彈簧,電力彈簧和非關(guān)鍵負載串聯(lián)共同構(gòu)成一個智能負載,然后與關(guān)鍵負載并聯(lián)接入電網(wǎng)運行;下部虛線框內(nèi)為電力彈簧控制框圖。其中ug為電網(wǎng)側(cè)電壓,r1、l1為輸電線路阻抗,z2為關(guān)鍵負載,z3為非關(guān)鍵負載。一般將電壓敏感性負載視為關(guān)鍵負載,通過電力彈簧穩(wěn)定關(guān)鍵負載電壓,保證其供電電壓質(zhì)量,而將電壓敏感性較低的負載視為非關(guān)鍵負載,如加熱或冷卻裝置,如電水壺、冰箱等,在控制過程中,將電網(wǎng)電壓(或能量)波動轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負載上。
電力彈簧控制器主要包含一個交流pi環(huán)節(jié)和一個直流pi環(huán)節(jié),交流pi環(huán)節(jié)保證關(guān)鍵負載電壓跟蹤參考電壓,從而維持其電壓穩(wěn)定實現(xiàn)控制目標,考慮到pi環(huán)節(jié)無法直接跟蹤交流量,需先進行dq變換,在旋轉(zhuǎn)坐標系下,分解為直流分量然后進行跟蹤控制;直流pi環(huán)節(jié)則維持直流支撐電容電壓穩(wěn)定,從而保證電力彈簧得以穩(wěn)定地與配電網(wǎng)絡進行能量流動。電力彈簧端電壓ues與非關(guān)鍵負載電流i3相角差為±90°,其符號由電力彈簧的工作模式確定。此外為了維持直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定,電力彈簧會吸收少量的有功功率,開關(guān)損耗也會造成部分有功功率損耗,這些因素最終也會對電力彈簧的電壓相角造成較小的偏差。
步驟1,根據(jù)基爾霍夫定律,結(jié)合電力彈簧系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲與電氣參數(shù),得到網(wǎng)絡相量方程組,然后計算穩(wěn)態(tài)網(wǎng)側(cè)電壓表示相量,并畫出其相量軌跡曲線。
由圖1中電力彈簧系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲得到網(wǎng)絡方程組:
其中,
又有將網(wǎng)側(cè)傳輸線路阻抗、關(guān)鍵負載阻抗和非關(guān)鍵負載阻抗轉(zhuǎn)換為復阻抗和相量形式得到:
其中,ω=2πf,f為電壓基波頻率,ri、li、|zi|、
由此可得網(wǎng)側(cè)電壓相量表示:
其中:
步驟2,根據(jù)穩(wěn)態(tài)網(wǎng)側(cè)電壓相量畫出其軌跡,通過幾何法分析得到電力彈簧穩(wěn)態(tài)運行軌跡與范圍。
當θ取較大值時,電力彈簧的電壓幅值將會很大,而此時非關(guān)鍵負載的電壓變得很小,這樣將會造成非關(guān)鍵負載無法安全運行,因此,為了盡量保證非關(guān)鍵負載的運行需求,舍去較大的θ對應的穩(wěn)定點,而取θ值較小對應的穩(wěn)定點作為系統(tǒng)穩(wěn)定點。
由公式(3)作圖,如圖2,原點為o,oa為關(guān)鍵負載參考電壓,對應相量
根據(jù)穩(wěn)定點的落點區(qū)域,分為三種情況:⑴|oc|<ug<|ob|,此時落點均在弧bcb上,即容性工作模式區(qū),且對稱分布在c點兩側(cè),根據(jù)θ小優(yōu)先原則,弧bc上的點均不符合;⑵|od|<ug<|oe|,此時落點均在弧ded上,即感性工作模式區(qū),根據(jù)θ小優(yōu)先原則,弧de上的點均不符合;⑶|ob|<ug<|od|,此時落點分別落在弧bd和弧bd上,根據(jù)θ小優(yōu)先原則,弧bd上的點均不符合。
綜上可知:電力彈簧系統(tǒng)工作軌跡為弧cde,其中弧cbd為容性工作模式區(qū),弧de為感性工作模式區(qū),如圖2點畫線區(qū)域所示。
在染色區(qū)域軌跡中,網(wǎng)側(cè)電壓幅值ug與θ一一對應,即對于穩(wěn)態(tài)運行范圍內(nèi)任一電壓值,與之對應的非關(guān)鍵負載電壓存在且唯一,系統(tǒng)存在唯一的穩(wěn)定點?;de所對應的網(wǎng)側(cè)電壓范圍即為電力彈簧的穩(wěn)態(tài)運行范圍,且當|oc|≦ug<|od|時,電力彈簧工作于容性模式,當|od|<ug≦|oe|時,電力彈簧工作于感性模式。
步驟3,根據(jù)穩(wěn)態(tài)網(wǎng)側(cè)電壓相量軌跡,結(jié)合幾何法得到網(wǎng)側(cè)電壓越限情況下系統(tǒng)最優(yōu)控制軌跡。
考慮關(guān)鍵負載電壓可以小幅度波動情況,不妨假設其波動限值為n1%。如步驟2中分別以關(guān)鍵負載電壓等于(1-n1%)*vs、vs、(1+n1%)*vs作圖,對應oa1、oa、oa2,得到圓心為m1、m、m2的三個圓軌跡,作原點與圓心的連線并延長得到交點c1和e1、c和e、c2和e2。同步驟2分析得到相應的穩(wěn)態(tài)運行軌跡,如圖3所示。
如圖3所示,其中圓bce為us等于標準值vs時的網(wǎng)側(cè)電壓軌跡圓,圓b1c1e1為us等于us1時的網(wǎng)側(cè)電壓軌跡圓,us1<vs。由步驟2中網(wǎng)側(cè)電壓表示相量可知,△mcb∽△m1c1b1,即當關(guān)鍵負載電壓變化時,網(wǎng)側(cè)電壓軌跡圓相應變化,但是圓心始終在射線oe上。當負載電壓下降時,邊界點c沿直線mo向o點移動,同理可以分析得到,負載電壓上升時,邊界點e沿直線om向m外側(cè)移動。
為保證關(guān)鍵負載電壓盡量靠近控制的標準值,以關(guān)鍵電壓波動最小為優(yōu)化目標,在關(guān)鍵電壓可波動情況下,分析最優(yōu)的網(wǎng)側(cè)電壓軌跡,建立優(yōu)化數(shù)學模型如下:
其中,minug、maxug分別為含越限情況下的網(wǎng)側(cè)電壓上下限,vs為關(guān)鍵負載電壓參考值。
首先分析,當ug滿足minug<ug<|oe|的情況。
1)當|oc|<ug<|oe|時,us=vs,式(3)滿足最優(yōu),此時根據(jù)前文分析可知,ug軌跡為弧cde。
2)當minug<ug<|oc|時,us<vs,此時當ug軌跡在線段cc1上時,式(3)滿足最優(yōu)。
當minug<ug<|oc|時,以o為圓心,ug為半徑畫弧,交圓c1b1e1于p點,交線段c1c于c點。經(jīng)過c點的圓弧軌跡對應的關(guān)鍵電壓為usx,由|oc1|<|oc|得到,當相量ug取點c時,式(3)滿足最優(yōu),此時min|us(ug)-vs|=|usx-vs|。當minug<ug<|oc|時,可以得到ug軌跡為線段cc1。同理可以分析得到當|oe|<ug<maxug時,ug軌跡為線段ee2。
步驟4,綜合網(wǎng)側(cè)電壓未發(fā)生越限和越限情況下的相量軌跡,得到擴大后的電力彈簧穩(wěn)態(tài)工作軌跡與運行范圍,基于此得到與含越限情況的網(wǎng)側(cè)電壓一一對應的電力彈簧關(guān)鍵負載電壓設定值。
由步驟2、3分析可得,當關(guān)鍵負載電壓允許在(1±n1%)vs范圍內(nèi)波動時,網(wǎng)側(cè)電壓ug軌跡為c1c+弧cde+ee2,如圖3點畫線區(qū)域所示。特別地,在關(guān)鍵負載電壓發(fā)生偏移時,網(wǎng)側(cè)電壓與關(guān)鍵負載電壓的相角差為定值?;谝陨戏治隹梢越o出關(guān)鍵負載電壓幅值設定值優(yōu)化計算方法,如式(5)所示。
其中,vref為優(yōu)化校正后關(guān)鍵負載參考電壓幅值,|ug|為網(wǎng)側(cè)電壓幅值,|oc|為電力彈簧穩(wěn)態(tài)網(wǎng)側(cè)電壓范圍下限值,|oe|為電力彈簧穩(wěn)態(tài)網(wǎng)側(cè)電壓范圍上限值,vs_ref為關(guān)鍵負載電壓標準參考值。
為方便分析,本實施例仿真中,單相電源型逆變器直流側(cè)電壓參考值為400v;lc低通濾波器總濾波電感、濾波電容分別為0.5mh和13.2uf;關(guān)鍵負載z2選取純電阻53ω,非關(guān)鍵負載z3選取純電阻50ω,輸電線及線路損耗用0.81ω和16.6mh的串聯(lián)組合等效,電網(wǎng)電壓參考值為220v/50hz;單相電壓源型逆變器的開關(guān)頻率為20khz。
圖4是當網(wǎng)側(cè)電壓在不同電壓水平波動時對應電力彈簧系統(tǒng)仿真波形圖。仿真實驗中,設計了7個電壓等級分別為:①210v,②215.96v,③226v,④231.26v,⑤235v,⑥239.17v,⑦242v,其中②⑥為邊界驗證,③④⑤為工作模式驗證,①⑦為越上下限情況下關(guān)鍵負載電壓設定值優(yōu)化計算方法驗證。從仿真結(jié)果可以看出,在②⑥對應的邊界網(wǎng)側(cè)電壓下,系統(tǒng)均能通過電力彈簧調(diào)節(jié)使關(guān)鍵負載電壓達到標準電壓220v,①②③電壓等級下,系統(tǒng)穩(wěn)定后,非關(guān)鍵負載電流超前電力彈簧端電壓90°,電力彈簧工作在容性模式,⑤⑥⑦電壓等級下,系統(tǒng)穩(wěn)定后,非關(guān)鍵負載電流滯后電力彈簧端電壓90°,電力彈簧工作在感性模式,④電壓等級下,系統(tǒng)穩(wěn)定后,電力彈簧輸出電壓為零,電力彈簧工作在阻性模式。①⑦電壓等級下,網(wǎng)側(cè)電壓對應越下限和越上限兩種情況,系統(tǒng)運行觀測結(jié)果顯示,在網(wǎng)側(cè)電壓越限情況下,系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行,電力彈簧繼續(xù)正常工作,但是關(guān)鍵負載電壓發(fā)生了微小偏移。
本發(fā)明中提出的提高電力彈簧穩(wěn)態(tài)運行范圍的方法適用于以關(guān)鍵負載電壓參考值為跟蹤目標的電力彈簧控制方法優(yōu)化相關(guān)領(lǐng)域。
以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式,本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限,但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化,皆應納入權(quán)利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。