一种提高电力弹簧稳态运行范围的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高电力弹簧稳态运行范围的方法，包括：利用电力弹簧对应的电力系统网络拓扑与电气参数计算得到稳态网侧电压表示相量，并画出其相量轨迹曲线；根据稳态网侧电压相量轨迹，通过几何法分析得到电力弹簧稳态运行轨迹与范围；根据稳态网侧电压相量轨迹，结合几何法得到网侧电压越限情况下系统最优控制轨迹；综合网侧电压未发生越限和发生越限情况下的相量轨迹，得到扩大后的电力弹簧稳态运行范围以及对应的电力弹簧关键负载电压设定值优化计算方法。本发明专利技术有效避免网侧电压发生越限情况下电力弹簧的失灵问题，提高了电力弹簧的稳态运行范围，明显改善了电力弹簧系统安全稳定运行的性能。

Method for improving steady running range of power spring

The invention discloses a method for improving power, steady operation range includes: Spring calculated steady state line voltage phasor representation using power spring corresponding to the power system network topology and electrical parameters, and draw the curve according to the steady-state phasor; grid side voltage phasor trajectory, by geometric method analysis of power spring the steady running track and range; according to the steady state line voltage phasor trajectory, with geometric method of line voltage limit trajectory optimal control system conditions; integrated network side voltage without limit and limit quantity under the condition of phase trajectory, expanded the scope of power and steady operation of power spring spring corresponding the critical load voltage optimization calculation method of set value. The invention effectively avoids the malfunction of the power spring when the voltage of the network side exceeds the limit, improves the steady running range of the power spring, and obviously improves the performance of the power spring system in safe and stable operation.

【技术实现步骤摘要】
一种提高电力弹簧稳态运行范围的方法
本专利技术属于智能电网控制
，涉及一种提高电力弹簧稳态运行范围的方法。
技术介绍
随着可再生能源如风能、太阳能等的大量并网，可再生能源发电的间歇性、不稳定性、预测精度不高等特点，造成的发电量与负荷需求的不平衡问题日益突出，影响电力系统的运行安全与供电电能质量。通过需求侧管理解决可再生能源并网带来的一系列问题得到业界广泛认可，然而普通的需求侧技术一般需要终端用户参与，或者以牺牲用户体验为代价，基于储能技术则面临高成本问题。针对上述现状，香港大学提出了基于电力电子技术的“电力弹簧”构想，将机械弹簧的概念引入电力系统中。电力弹簧由一个输入电压控制与一个功率控制器构成，通过电力弹簧将电网中电压(能量)波动转移到非关键负载，稳定关键负载电压，并自动调节非关键负载耗电量，实现发电量与用电量的自动平衡。电力弹簧改变了传统电力系统发电量跟随负载变化的运行方式，实现了需求侧负载跟随发电量变化的新型运行方式，可以有效克服可再生能源发电并网造成的发电量与负荷不匹配问题。研究表明，电力弹簧运用于新型微电网中，还可以降低系统对储能容量的需求,节约成本；可以减小系统三相不平衡；可以改善电力系统的供电电能质量。与其他现有的提高微电网电能质量方法相比，电力弹簧与非关键负载串联，构成智能负载具有较强的负荷响应能力，能将分布式能源波动转移到非关键负载，也能参与频率调节。而其他微电网电压调整方法则一般直接与关键负载串联，如SSSC、DVR，或直接与关键负载并联，如STATCOM，在某些情况下，电力弹簧的调整效率比普通无功补偿装置更高。然而，和机械弹簧一样，电力弹簧也运行在一个受限的范围内，其运行范围受直流侧电压、关键负载与非关键负载工作电压范围、网络元件参数等因素的限制。当网侧电压波动过大时，电力弹簧将无法完成控制目标，发生失灵。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种提高电力弹簧稳态运行范围的方法，以改善电力弹簧的运行性能，保证在网侧电压发生较大波动情况下也能稳定工作。本专利技术的技术解决方案如下：一种提高电力弹簧稳态运行范围的方法，该方法包括以下步骤：步骤1，根据基尔霍夫定律，结合电力弹簧对应的电力系统网络拓扑与电气参数，得到网络相量方程组，公式如下：其中，和为稳态网侧电压和电流，和为关键负载电压和电流，和为非关键负载电压和电流，为电力弹簧输出端电压，Z1、Z2、Z3分别为网侧传输线路阻抗、关键负载阻抗和非关键负载阻抗；计算稳态网侧电压相量，公式如下；其中：θ为非关键负载电流与关键负载电压相位差，|Us|为关键负载电压幅值，为线路阻抗角，为非关键负载阻抗角；步骤2，根据稳态网侧电压相量画出相量轨迹曲线，并通过几何法分析得到电力弹簧稳态运行轨迹与范围：电力弹簧系统非关键负载电流与关键负载电压相位差为θ。考虑的优化原则是小θ优先。当θ取较大值时，电力弹簧的电压幅值将会很大，而此时非关键负载的电压变得很小，这样将会造成非关键负载无法安全运行，因此，为了尽量保证非关键负载的运行需求，舍去较大的θ对应的稳定点，而取θ值较小对应的稳定点作为系统稳定点。基于此可以通过几何法得到电力弹簧系统稳态工作轨迹与运行网侧电压波动范围。设线路阻抗中ωL1＞＞R1,则线路阻抗角画出一个含一个虚点的圆轨迹；以为O原点，OA为关键负载参考电压，对应相量OB对应相量M为轨迹圆的圆心，连接OM并延长，交圆轨迹与C、E两点，连接BM并延长交圆轨迹与D点，过点B、点D分别作OM的垂线交圆轨迹与b点和d点；以原点O为圆心，网侧电压幅值UG为半径作圆，则圆O与圆M的交点即为电力弹簧系统稳定工作点；根据稳定工作点的落点区域，分为三种情况：⑴当|OC|<UG<|OB|，则落点均在弧BCb上，即容性工作模式区，且对称分布在C点两侧；⑵当|OD|<UG<|OE|，则落点均在弧dED上，即感性工作模式区；⑶当|OB|<UG<|OD|，则落点分别落在弧bD和弧Bd上；步骤3，根据稳态网侧电压相量轨迹，结合几何法得到网侧电压越限情况下系统最优控制轨迹：根据步骤1中所得到的网侧电压表示相量，可以判断在关键负载电压变化时，网侧电压轨迹以相量坐标原点为参考作线性伸缩变换，从而可以得到关键负载电压变化后电力弹簧稳态工作轨迹和相应的运行网侧电压波动范围。以关键电压波动最小为优化目标，在关键电压可波动情况下，分析最优的网侧电压轨迹，建立优化数学模型如下：其中，N1％为关键负载电压波动限值，minUG、maxUG分别为含越限情况下的网侧电压上下限，VS为关键负载电压参考值；首先分析UG满足minUG<UG<|OE|的情况：1)当|OC|<UG<|OE|时，US＝VS，式(3)满足最优，UG轨迹为弧CDE。2)当minUG<UG<|OC|时，US<VS，此时当UG轨迹在线段CC1上时，式(3)满足最优；然后分析UG满足minUG<UG<|OC|的情况：经过c点的圆弧轨迹对应的关键电压为USX，当相量UG取点c时，式(3)满足最优，此时min|US(UG)-VS|＝|USX-VS|，UG轨迹为线段CC1；当|OE|<UG<maxUG时，UG轨迹为线段EE2；步骤4，综合网侧电压未发生越限和越限情况下的相量轨迹，得到扩大后的电力弹簧稳态工作轨迹与运行范围，基于此得到与含越限情况的网侧电压一一对应的电力弹簧关键负载电压设定值，公式如下：其中，Vref为优化校正后关键负载参考电压幅值，|UG|为网侧电压幅值，|OC|为电力弹簧稳态网侧电压范围下限值，|OE|为电力弹簧稳态网侧电压范围上限值，Vs_ref为关键负载电压标准参考值。与现有技术相比，本专利技术的技术效果如下:1)能够解决电力弹簧系统在网侧电压波动过大时发生失灵的问题，改善电力弹簧的运行性能，保证在网侧电压发生较大波动情况下也能稳定工作。2)采用相量图结合几何方法分析电力弹簧的稳态工作轨迹范围以及越限情况下的最优工作轨迹，准确给出电力弹簧的运行范围，拓展了电力弹簧运行范围，降低了分析计算的复杂度。附图说明图1是现有技术中电力弹簧系统电路及控制拓扑图。图2是本专利技术中电力弹簧稳态运行网侧电压范围分析示意图。图中电力弹簧系统工作轨迹为弧CDE，其中弧CbD为容性工作模式区，弧DE为感性工作模式区，如图蓝色与橙色区域所示。图3是本专利技术中含越限情况电力弹簧稳态运行网侧电压范围分析示意图。当关键负载电压允许在(1±N1％)VS范围内波动时，网侧电压UG轨迹为C1C+弧CDE+EE2。特别地，在关键负载电压发生微小偏移时，网侧电压与最优关键负载电压的相角差为定值。图4是当网侧电压在不同电压水平波动时对应电力弹簧系统仿真波形图。图中：1.1为含新能源发电的单相电网，1.2为输电线等效电阻，1.3为输电线等效电感,1.4为关键负载，1.5为电力弹簧滤波电感，1.6为电力弹簧滤波电容，1.7为非关键负载，1.8为单相电压源型逆变器，1.9为逆变器直流侧支撑电容，1.10和1.11为电压测量模块，1.12为测量有效值计算模块，1.13为网侧电压测量有效值，1.14为关键负载电压参考值，1.15为相位测量模块(锁相环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高电力弹簧稳态运行范围的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，根据基尔霍夫定律，结合电力弹簧对应的电力系统网络拓扑与电气参数，得到网络相量方程组，公式如下：

【技术特征摘要】
1.一种提高电力弹簧稳态运行范围的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，根据基尔霍夫定律，结合电力弹簧对应的电力系统网络拓扑与电气参数，得到网络相量方程组，公式如下：其中，和为稳态网侧电压和电流，和为关键负载电压和电流，和为非关键负载电压和电流，为电力弹簧输出端电压，Z1、Z2、Z3分别为网侧传输线路阻抗、关键负载阻抗和非关键负载阻抗；计算稳态网侧电压相量，公式如下：其中：θ为非关键负载电流与关键负载电压相位差，|Us|为关键负载电压幅值，为线路阻抗角，为非关键负载阻抗角；步骤2，根据稳态网侧电压相量画出相量轨迹曲线，并通过几何法分析得到电力弹簧稳态运行轨迹与范围：设线路阻抗中ωL1＞＞R1,则线路阻抗角画出一个含一个虚点的圆轨迹；以为O原点，OA为关键负载参考电压，对应相量OB对应相量M为轨迹圆的圆心，连接OM并延长，交圆轨迹与C、E两点，连接BM并延长交圆轨迹与D点，过点B、点D分别作OM的垂线交圆轨迹与b点和d点；以原点O为圆心，网侧电压幅值UG为半径作圆，则圆O与圆M的交点即为电力弹簧系统稳定工作点；根据稳定工作点的落点区域，分为三种情况：⑴当|OC|<UG<|OB|，则落点均在弧BCb上，即容性工作模式区，且对称分布在C点两侧；⑵当|OD|<UG<|OE|，则落点均在弧dED上，即感性工作模式区；⑶当|OB|<UG<|OD|，则落点分别落在弧bD和弧Bd上；步骤3，根据稳态网侧电压相量轨迹，结合几何法得到网侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：程益生，李国杰，汪可友，冯琳，韩蓓，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31