一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统及其控制方法。本发明专利技术的电力弹簧系统通过两个子模块将有功补偿和无功补偿从电路结构上分离开来，便于分别控制电力弹簧的有功无功补偿，而且负责有功补偿的下侧子模块与非关键性负载实际上是并联的关系，这使得电力弹簧对系统补偿有功功率不再受到非关键性负载的限制，提高了电力弹簧的功率补偿能力和功率补偿的灵活性。功率补偿的灵活性。功率补偿的灵活性。

【技术实现步骤摘要】
一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统及其控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子应用技术和智能电网的
，具体涉及一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]在国家出台“双碳”发展战略，大力号召节能减排的大背景下，可再生能源发电及其并网技术得到快速的发展，可再生能源发电系统虽然具有可再生和对环境影响小等优点，但是其发电具有间歇性的特点，随着天气条件的变化，系统的发电功率也不断改变，导致电网电压波动，从而对某些电网电压敏感的用电设备(关键性负载)的运行造成不良影响。针对这种问题，静止无功补偿器和电池储能等方法被提出，但是都具有一定的局限性，如静止无功补偿器运行时需要通信和电池储能的成本过高等。
[0003]2012年，通过将机械弹簧的定律对偶到电力系统中，香港大学的许树源教授提出了“电力弹簧”这一新概念，通过将电网的功率波动转移到对电压变化不敏感的设备(非关键性负载)上，来维持关键性负载电压的稳定。
[0004]目前的电力弹簧多与非关键性负载串联形成智能负载，在这种结构下，流过电力弹簧的电流与流过非关键性负载的电流相等，这就使得电力弹簧的补偿能力会受到非关键负载的限制。而且传统的电力弹簧将功率波动全部转移到非关键性负载上，而没有考虑非关键性负载可以承受的电压波动范围，这可能会使得作为非关键性负载的用电设备因为电压超出允许的范围而运行受到严重影响或者是损害用电设备。
[0005]现有技术中，在专利一种兼顾非关键负载的电力弹簧系统及其控制方法(2019103780031)中，有考虑非关键性负载的电压波动范围，在非关性负载电压不越限时，电力弹簧仅进行无功补偿。在非关键性负载电压越限时，除无功补偿外，还补偿有功，控制非关键性负载的电压波动范围。但是该专利在电力弹簧的拓扑结构方面，依旧采用的传统第二代电力弹簧的拓扑，该类电力弹簧由于和非关键性负载直接串联，流过电力弹簧的电流受到非关键性负载的影响，其功率补偿能力会受到非关键性负载的限制。且由于该类电力弹簧补偿的有功无功是耦合的，功率解耦控制难以实现。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统及其控制方法，用以解决上述
技术介绍
中面临的电力弹簧补偿能力受非关键负载的限制和非关键性负载电压波动过大的问题。
[0007]本专利技术的电力弹簧系统通过两个子模块将有功补偿和无功补偿从电路结构上分离开来，便于分别控制电力弹簧的有功无功补偿，而且负责有功补偿的下侧子模块与非关键性负载实际上是并联的关系，这使得电力弹簧对系统补偿有功功率不再受到非关键性负载的限制，提高了电力弹簧的功率补偿能力和功率补偿的灵活性。
[0008]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0009]一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统，包括直流侧储能电池、上侧子模块、下侧子模块，开关S和隔离变压器；
[0010]其中，上侧子模块与下侧子模块的输入端口与直流侧储能电池并联，上侧子模块的输出端口与非关键性负载Z
NCL
串联，下侧子模块的输出端口与开关S串联后再经隔离变压器与非关键性负载Z
NCL
并联，所述电力弹簧系统与非关键性负载组合后并入到包括高比例可再生能源发电系统的电网中组成智能电网系统；
[0011]所述电力弹簧系统工作时，直流侧储能电池提供一个稳定的直流母线电压，上侧子模块和下侧子模块将电力弹簧系统的有功补偿和无功补偿分离开来，上侧子模块的输出电压与输出电流的相位差锁定为正负90度，向智能电网系统补偿无功功率，转移功率波动到非关键性负载Z
NCL
上，下侧子模块的输出电压与输出电流的相位差锁定为0度或180度，向智能电网系统补偿有功功率，控制非关键性负载的电压波动范围，电力弹簧系统存在两种工作模态，开关S负责切换工作模态，隔离变压器将两个上侧子模块和下侧子模块的输出端隔离。
[0012]进一步地，所述智能电网系统是指采用电力弹簧作为需求侧管理技术，使得用电量自动跟随发电量的电力系统，智能电网系统包括传统电网、可再生能源发电系统、关键性负载、非关键性负载和电力弹簧。
[0013]进一步地，所述上侧子模块和下侧子模块结构相同，均包括功率逆变器和滤波器，功率逆变器的输入端即为上侧子模块或下侧子模块的输入端，功率逆变器输出端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端即为上侧子模块或下侧子模块的输出端。
[0014]进一步地，所述功率逆变器包括单相全桥逆变器。
[0015]进一步地，所述滤波器包括二阶LC型低通滤波器。
[0016]进一步地，所述两种工作模态包括第一工作模态和第二工作模态，根据可再生能源发电系统的发电功率波动程度来选择工作模态；
[0017]假设P
in
为智能电网系统中电网和可再生能源发电系统注入负载端的有功功率之和，P
CLref
为关键性负载的额定有功功率，P
NCLmin
和P
NCLmax
分别为非关键性负载允许的最小和最大有功功率；
[0018]当可再生能源发电系统的发电功率波动较小，即P
in
∈(P
CLref
+P
NCLmin
，P
CLref
+P
NCLmin
)时，电力弹簧位于第一工作模态，此时开关S打开，电力弹簧系统中仅直流侧储能电池和上侧子模块投入运行，向智能电网系统补偿无功功率，将功率波动转移到非关键性负载Z
NCL
上。
[0019]进一步地，当可再生能源发电系统的发电功率波动较大，即进一步地，当可再生能源发电系统的发电功率波动较大，即时，电力弹簧位于第二工作模态，此时开关S闭合，直流侧储能电池、上侧子模块和下侧子模块均投入运行，向智能电网系统补偿无功功率和有功功率，转移功率波动到非关键性负载Z
NCL
上的同时控制非关键性负载的电压波动范围。
[0020]一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统的控制方法，包括相互独立的上侧子模块和下侧子模块的控制方法；下侧子模块的控制方法具体包括以下步骤：
[0021]S1、检测非关键性负载Z
NCL
的电压v
o
，将非关键性负载Z
NCL
的电压有效值V
o
与非关键性负载Z
NCL
的允许电压范围进行比较后得到开关S的开断信号和非关键性负载电压的参考值V
oref
；
[0022]S2、将非关键性负载电压参考值V
oref
与实际值V
o
作差得到ΔV
o
，将差值ΔV
o
输入比例积分控制器后得到下侧子模块应该给系统补偿的有功功率的参考值P
esref
，P
esref
除以V
o
后得到下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统，其特征在于，包括直流侧储能电池、上侧子模块(1)、下侧子模块(2)，开关S和隔离变压器；其中，上侧子模块(1)与下侧子模块(2)的输入端口与直流侧储能电池并联，上侧子模块(1)的输出端口与非关键性负载Z
NCL
串联，下侧子模块(2)的输出端口与开关S串联后再经隔离变压器与非关键性负载Z
NCL
并联，所述电力弹簧系统与非关键性负载组合后并入到包括可再生能源发电系统的电网中组成智能电网系统；所述电力弹簧系统工作时，直流侧储能电池提供一个稳定的直流母线电压，上侧子模块(1)和下侧子模块(2)将电力弹簧系统的有功补偿和无功补偿分离开来，上侧子模块(1)的输出电压与输出电流的相位差锁定为正负90度，向智能电网系统补偿无功功率，转移功率波动到非关键性负载Z
NCL
上，下侧子模块(2)的输出电压与输出电流的相位差锁定为0度或180度，向智能电网系统补偿有功功率，控制非关键性负载的电压波动范围，电力弹簧系统存在两种工作模态，开关S负责切换工作模态，隔离变压器将两个上侧子模块(1)和下侧子模块(2)的输出端隔离。2.根据权利要求1所述的一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统，其特征在于，所述智能电网系统是指采用电力弹簧作为需求侧管理技术，使得用电量自动跟随发电量的电力系统，智能电网系统包括传统电网、可再生能源发电系统、关键性负载、非关键性负载和电力弹簧。3.根据权利要求1所述的一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统，其特征在于，所述上侧子模块(1)和下侧子模块(2)结构相同，均包括功率逆变器和滤波器，功率逆变器的输入端即为上侧子模块(1)或下侧子模块(2)的输入端，功率逆变器输出端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端即为上侧子模块(1)或下侧子模块(2)的输出端。4.根据权利要求3所述的一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统，其特征在于，所述功率逆变器包括单相全桥逆变器。5.根据权利要求3所述的一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统，其特征在于，所述滤波器包括二阶LC型低通滤波器。6.根据权利要求1所述的一种可分离有功无功补偿的电力弹簧系统，其特征在于，所述两种工作模态包括第一工作模态和第二工作模态，根据可再生能源发电系统的发电功率波动程度来选择工作模态；假设P
in
为智能电网系统中电网和可再生能源发电系统注入负载端的有功功率之和，P
CLref
为关键性负载的额定有功功率，P
NCLmin
和P
NCLmax
分别为非关键性负载允许的最小和最大有功功率；当可再生能源发电系统的发电功率波动较小，即P
in
∈(P
CLref
+P
NCLmin
，P
CLref
+P
NCLmin
)时，电力弹簧位于第一工作模态，此时开关S打开，电力弹簧系统中仅直流侧储能电池和上侧子模块(1)投入运行，向智能电网系统补偿无功功率，将功率波动转移到非关键性负载Z
NCL
...

【专利技术属性】
技术研发人员：丘东元，何文韬，资京，陈艳峰，张波，肖文勋，谢帆，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：