文摘

摘要一般稳态分析和提出了一种最小补偿电压(MCV)控制方案第二代电动弹簧(es 2)在电力系统大量渗透间歇性可再生能源。对于稳态分析,部分电源电压波动之间的关系,在公共耦合点的电压(PCC)和es 2提供的补偿电压,这意味着相关的相位角PCC电压可以用作自由度控制设计获得最小补偿电压在一个给定的系统。这样的一个事实是用于控制设计获得PCC的参考电压通过调整上述相角。一旦选择PCC电压的相角,可以估计基于最大补偿电压的电源电压的波动部分可以被估计先天的。这样一个事实可以用来设计合适的电动弹簧用适当的补偿能力,避免产能过剩。数值模拟验证的有效性进行稳态分析和提出了es 2控制方案。

1。介绍

近年来,由于能源危机和环境问题日益严重,可再生能源正吸引着越来越多的关注。如今,风(1- - - - - -3)和太阳能能量的两个最广泛使用的可再生能源分布式发电(4- - - - - -6]。然而,由于高度间歇性和不可预测的性质,可再生能源发电给电网带来一系列挑战。电力供应和需求之间的不平衡(最突出的问题之一7),这将导致频率和电压的波动。因此,需求管理在智能电网已成为一个重要话题间歇性可再生能源(8,9]。

电动弹簧(ES)在2012年首次推出的新一代智能电网(10,11)技术旨在自动平衡发电和负荷需求不依赖信息和通信技术(12]。一般来说,ESs可以主要分为两类。第一类称为ES-1是纯粹的无功功率补偿器调节PCC电压,同时保持的功耗在负载端与发电实时一致。相关研究工作的例子ES-1如下。ES动态建模和描述的负载率对补偿效果的影响(13]。硬件和控制实现基于理论分析说明(14]。下垂控制和分布式控制用于调节电压的共识ESs在未来智能电网的介绍(15]和[16),分别。然而,就像一个物理弹簧限制了张力和压缩,ES-1也有自己的薪酬限制,超过ES-1将失效。es 2,它可以提供六个操作模式除了电容和电感模式(17),可以弥补这些缺点。ES-1之间的拓扑结构的差异和es 2直流环节能力ES-1被能量存储系统(如电池)在es 2逆变器的直流侧,因此,电压相角的es 2并不局限于对当前90度。目前,一些研究结果的理论分析和控制方案取得了es 2。调节电压和提高电能质量(如功率因数校正和减少谐波)与此同时,介绍了es 2 (18与ES-1],这是不可能的。在[19),一种新的控制策略 控制获得的瞬时阶段提出了PCC电压来实现特定的功率因数校正和恒功率补偿。在[20.],radial-chordal分解(RCD)方法对es 2介绍了PCC电压调节,同时可以实现功率因数校正由独立控制的主动和被动的权力。

然而,这些控制策略忽略了影响es 2自己的输出值而专注于补偿功能。注意,有意义的是避免产能过剩的降低成本在实践中,对es 2,电源电压的波动之间的关系部分,PCC电压,电压由es 2确定补偿容量电动弹簧具有重要意义。因此,在本文中,一般为es 2进行稳态分析代数推导关系,描述了一个矢量图。基于矢量图,详细的影响补偿电压波动造成的电源电压的一部分和一个特定相角与PCC电压进行了分析。此外,控制策略以获得最小补偿电压(MCV)提出,证明了数值模拟的有效性。这些构成了本文的主要贡献。

本文的其余部分组织如下。节2ES的工作原理对未来智能电网。部分3和4基于矢量图分析稳态和es 2提出控制方案,分别。数值模拟提出了部分5验证分析和控制方案的有效性。部分6结论。

2。电动弹簧的操作原则

图1显示了一个简化的示意图的电力系统是由一个ES,被加载时,临界载荷,波动的交流电压源和输电线路。有一点要注意的是,被加载可以承受大范围的电压波动,而临界负荷对电压波动很敏感。红色虚线框所示的ES的人物1主要由一个能量存储系统(由电池)、单相逆变器(21- - - - - -26),和一个LC滤波器作为二阶低通滤波器来减少开关谐波。ES的输出连接到被加载 形成一个智能负载。的临界载荷 和智能负载连接到电源电压源通过线路阻抗 。对面的电压被加载和滤波电容器 被表示为 和 ,分别。 表示当前流经的非关键的负载。电源电压源用 在图1可以表示如下: 在哪里 对应的电压产生的电力发电厂,是稳定和可控的, 表示部分的电源电压波动引起的间歇性的可再生能源,不稳定和不可预测的。作为可再生能源接入电网的比例增加, 也将相应增加。由于短时间的要求, 和 将有相同的频率和相位角。


图1
电力系统的简化示意图es 2。

由于可再生能源的随机性,权力交付给网络是不稳定的。当超过了需求,PCC将超过额定电压值,反之亦然。有个变化 ,ES将提供一个相应的补偿电压 保持PCC电压稳定。通过这种方式,可以自动平衡发电和负荷需求,不同于现有的控制范式发电应该遵循负荷需求。

注意,es 2如图1装有电池的直流侧逆变器。es 2提供的电压的相角不限于90度(滞后或铅)的相位角 。因此,有功功率可以除了提供无功功率。出于这个原因,es 2响了ES-1相比更大的补偿。因此,需要新的控制策略由于上述结构变化,将详细描述部分4。

3所示。稳态分析电动弹簧为最小补偿电压

从图1基尔霍夫电压和电流法,获得一个 在哪里 和 传输线的等效电阻和电感,分别。

解决(1)- (3),一个获得 在哪里 和 是由电路的参数元素可以被视为常量值对于一个给定的系统。

方程(5)可以用矢量形式表示 在哪里 和 的大小和位移角吗 ( ),分别。 , , ,和 的均方根(RMS)值吗 , , ,和 ,分别为, , ,和 相位角度吗 , ,和 ,分别。 表示之间的区别 和 ,这是相关的 和 由于这一事实 和 在一个给定的系统常数。的矢量图 , , ,和 描绘在图2。自从PCC电压(例如, )保持名义参考水平(例如,220 V)呢 是一个常数随着圈1显示在图2。同样的, 在圆2实线所代表的OA也可以被视为一个常数。源电压的波动部分( )乘以 由虚线表示AB。为一个常数 ,如果 从A点到B点的变化,补偿电压 将从线线路OD OC,相应。


图2
一般电力系统的矢量图。

从图2,一看到 , 的两个重要因素吗 。特别是,如果 ,也就是说, 和 有相同的相位角,最大 将获得如图吗3(一个)。相比之下,最小 可以获得的 如图3 (b)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
电力系统的矢量图。(一) ;(b) 。

定量的影响 和 在 ,参数表1在韦茅斯的总部工作。在三维表示 , ,和 图中给出了4,其中一个看到的最小值 在获得 。表2显示了一些代表性的值 , 和相应的 根据参数表1。我们可以看到, 深受 。例如,当 改变从 为0,变化的百分比 是2177.64的情况下 = 0。所有的变化百分比表所示2基于获得的价值在哪里 ,正值表示增量。

表1
模拟测试系统参数。
表2
定量比较不同 和 。

图4
三维之间的关系 , ,和 。

总之, 有很大的影响吗 。换句话说, 相角是如此敏感 ,这意味着相位角的 时应该精心挑选为es 2设计适当的控制律。如果选择一个适当的相位角,那么 仅仅是由 。由于间歇性可再生来源的比例注入电网是有限的, 将在一定范围内波动。一次 可以提前估计,所需的电压 也可以估计。这为设计合适的ESs指南提供了适当的补偿功能,避免产能过剩。

4所示。控制设计es 2

控制设计的目的是最小化PCC之间的误差电压和参考 由一个最小的电压。本文展示的有效性分析的部分3基于最小补偿电压(MCV)控制策略提出了es 2和一个比例谐振(PR)控制器采用,因为公关的特点控制可以跟踪一个正弦信号零稳态误差。

图5给出了系统框图,红色虚线框底部的图显示了如何获得参考信号 。我们可以看到从稳态分析部分3的大小, 有关 和 ,所以 可视为一个自由度控制设计获得的最小值 。自 有关相角的 (见(9)- (11)),提出的控制策略的关键是选择一个适当的相位角 。电源电压信号 是通过一个传感器,单相锁环(PLL)收购其相位角 。然后 可以通过计算(9)- (11根据电路参数和) 。一个评论是反正切函数的值属于区间 ,参数对应的复数的实部为正。如果复数的实部是负的,那么一个需要添加 复数的计算参数时,计算时应该小心 和 。因此,可以获得完整的参考信号通过结合大小 和相角 。PR控制器用于本文的表达如下: 在哪里 网格的角频率和吗 和 分别是比例系数和共振系数。


图5
系统框图PR-controlled es 2。

方程(14)是一种理想的PR控制器,无限增益角频率 ,但没有相变,并获得在其他频率。因此,它可以实现跟踪正弦信号无稳态误差。出于这个原因,介绍了PR控制器调节PCC电压( )开车的参考水平参考电压之间的区别 并测量电压 为零。除了公关控制外,其他控制方法,如滑模控制(28,29日,鲁棒控制30.),模型预测控制(31日,32),和事件驱动控制(33)也可以在将来的研究中被认为是基于上述控制策略。

5。模拟和讨论

双重验证上述分析的有效性和MCV控制策略,使用MATLAB / Simulink仿真是由和虚拟仪器/ PXI基于参数见表1。不失一般性,RMS 被假定为 V。

5.1。对MATLAB / Simulink进行了模拟
5.1.1。电压与Δ支持模式U= 0V

在这个案例研究中,不同的影响 在 对电压提高了。 设置0模拟发电输出不足,所以可以看出RMS的线电压 小于220 V与es 2释放从图吗6。为了恢复 回到220 V, es 2应该发挥的作用电压的支持。在电压支持模式下,不同的价值观 是用来验证的影响 在 。补偿电压的均方根 由es 2规范提供 在220 V是大大不同的,如图7为不同的 ,这是与表中所示的代数计算一致2。红线图所示7作为一个例子,RMS约4600 V的稳态值获得一致(13)。


图6
RMS的 当与es 2释放和激活 。

图7
RMS的 的调节 在不同额定价值 。
5.1.2中。电压抑制模式

在这个案例研究中,不同的影响 在 电压抑制的研究。图8显示了RMS的线电压 与es 2激活和停用 ,用于模拟过压条件。当 ,线电压的均方根 大约是230 V es 2停用。然而,es 2的作用下, 有效控制在220 V。同样的,对于不同的 ,补偿电压注入电力系统是大大不同的,如图9。仿真结果与分析中提到的部分3。正如前面提到的,对于ES-1,补偿能力是有限的19]。例如,通过使用参数表1,它被描述在27的变化范围 是215.8 V至236.7 V,这意味着,如果 上述范围,ES-1不能调节 在220 V。当 V,也就是说 是210 V,可以直观地看到ES-1可以调整电压214 V,如图10。同样的,当 V,这意味着电源电压高于ES-1的薪酬上限,ES-1可以调整电压223 V在最好的情况下。这样的事实表明,比ES-1 es 2有一个大的补偿范围。在某些情况下,电压波动很大,ES-1可能无法调节线电压 ,而es 2。


图8
RMS的 当与es 2释放和激活 V。

图9
RMS的 的调节 在不同额定价值 。

图10
RMS的 与ES-1激活时 V和 。
5.1.3。ES-1 vs es 2 ES-1的有效的监管范围之内

在这个案例研究中,ES电压、补偿模式,和真正的和反应性的权力比较ES-1与ES 2 ES-1的有效的监管范围之内。从图(11日),一个可以看到ES ES-1和ES 2电源电压的电压 分别V es 2的电压(140 V)基于MCV的电压控制策略小于ES-1(约162 V)来调节电压 220 V。如果仔细观察数据的相位关系11 (b)和11 (c),你将发现ES-1电压滞后于当前电容补偿约90度。因此,真正的和无功功率ES-1大约是0和-3000 Var如图11 (d)和11 (e),分别。es 2,其电压滞后电流超过90度-电阻+电容补偿。因此,es 2注入大约3600 Var无功功率,同时注入约1200 W实权同时调节线电压额定值如图11 (d)和11 (e)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
图11
比较ES-1和es 2时 诉(a) ES电压;(b) ES-1电压vs ES-1电流;(c) es 2电压vs es 2电流;(d)真正的权力;(e)无功功率。(所有的电流振幅放大比较方便,同时保持阶段。)

同样,ES-1和es 2也比较电压抑制模式ES-1有效监管范围内。ES-1和ES 2的ES电压97 V和70 V电源电压 V如图12(一个)。从数据可以看出12 (b)和12 (c),es 2电压使其电流超过90度-电阻加电感补偿,虽然ES-1电感补偿模式抑制电压。数据12 (d)和12 (e)显示相应的真实和无功功率注入电网。一个评论的ES电流数据11 (b),11 (c),12 (b),12 (c)为便于比较,同时保持了扩大阶段。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
图12
比较ES-1和es 2时 诉(a) ES电压;(b) ES-1电压vs ES-1电流;(c) es 2电压vs es 2电流;(d)真正的权力;(e)无功功率。(所有的电流振幅放大比较方便,同时保持阶段。)

仿真结果不仅验证了稳态分析的有效性和MCV控制方案,但也表明,es 2有一个显著的调节PCC电压的能力。从理论上讲,es 2有一个广泛的补偿对ES-1,在某种意义上,任何 ,总是存在一个对应的 调节 在其名义水平。此外,es 2电压小于ES-1有效监管范围内的电压ES-1牺牲一些真正的权力。

5.2。对虚拟仪器进行了模拟/ PXI

为了进一步验证稳态分析的有效性3并在部分MCV控制策略4、硬件在环(边境)模拟进行基于虚拟仪器/ pxie - 1071。为了方便起见,以下所示的ES电流仿真结果实际上是被道路对面的电压。由于电阻负载的电流和电压是在相同的阶段,它不影响相位关系的验证。

5.2.1。的影响 在

在这个案例研究中,的影响 在 与 V和 V是进一步分析。从数据(13日),13 (c),13 (e)直觉上,我们可以看到电压的正弦波形 ,有效值的4.587 V, 3.29 V和207.7 mV , ,和 当 分别V。这里值得注意的是,有效值下降了1000次因为边境输出约束 诉同样,当 ,相应的RMS值是4.901 V, 3.431 V和114.0 mV如图13 (b),13 (d),13 (f),分别。仿真模拟的结果和Matlab模拟以及理论计算基本上是一致的,这意味着 非常敏感 。此外,这进一步表明MCV控制策略的必要性es 2调节线电压由于es 2直流侧电压的限制。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图13
正弦波形的电压 当 V和 诉(a) ES电压时 和 V;(b) ES电压时 和 V;(c) ES电压时 和 V;(d) ES电压时 和 V;(e) ES电压时 和 V;(f) ES电压时 和 V。
5.2.2。比较ES-1和es 2 ES-1的有效监管范围

从电力电子的角度,ES-1是一种特殊的无功功率补偿器被用来调节线电压与多个可再生能源在未来的智能电网。然而,由于其薪酬模式的限制,只有无功功率与电网交换;因此ES-1薪酬限制。换句话说,一旦电源电压变化超过一定范围,ES-1将失败。通过引入电压调节的实权,es 2可以克服这个缺点。在这个案例研究中,电源电压设置 V, ES-1的有效监管范围。数据(14日)和14 (b)显示线电压 分别与ES-1 es 2激活。RMS值,4.47 V和4.39 V,数字(14日)和14 (b)减少了50倍,表明ES-1不能调整 其额定值。相位关系图14 (c)表明ES-1电感补偿模式,而es 2负电阻加电感补偿模式如图14 (d)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图14
比较ES-1和es 2时 (一) ES-1激活;(b) es 2激活;(c) ES-1电压vs ES-1电流;(d) es 2电压vs es 2电流。(所有指定的ES电流是由电压电阻被加载的比较的轻松,因为相同的阶段的ES电流和电阻的电压被加载)。
5.2.3。ES-1和es 2电压增加ES-1有效监管范围内

ES-1和es 2相比电压提高的有效监管范围内ES-1在这个案例研究中。设置电源电压 V, ES-1有效监管范围内,用来模拟欠压条件。ES-1的相位关系和es 2图所示(15日)和15 (c),而相应的输出电压ES-1和es 2所示的数字15 (b)和15 (d),分别。仿真结果表明,基于MCV的es 2控制策略有一个相对较小的输出电压为代价ES-1注入一些实权的电网电压增加。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图15
比较ES-1和es 2时 诉(a) ES-1电压vs ES-1电流;(b) ES-1电压;(c) es 2电压vs es 2电流;(d) es 2电压。(所有指定的ES电流是由电压电阻被加载的比较的轻松,因为相同的阶段的ES电流和电阻的电压被加载)。
5.2.4。ES-1和es 2电压抑制ES-1有效监管范围内

类似于电压提高模式,ES-1和es 2相比电压抑制ES-1有效监管范围内的在这个案例研究中。设置电源电压 V, ES-1有效监管范围内,用来模拟过压条件。从图可以看出(16日)ES-1电压和ES-1当前几乎正交和ES-1电压导致ES-1电流电感补偿近90度抑制电压,而相应的ES-1电压如图16 (b)。es 2 -电阻加电感补偿工作模式基于MCV控制策略如图16 (c),而其输出电压注入到电网图所示16 (d)。同样,es 2基于MCV控制策略相对于ES-1较小的输出电压。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图16
比较ES-1和es 2时 诉(a) ES-1电压vs ES-1电流;(b) ES-1电压;(c) es 2电压vs es 2电流;(d) es 2电压。(所有指定的ES电流是由电压电阻被加载的比较的轻松,因为相同的阶段的ES电流和电阻的电压被加载)。

6。结论

ES-1薪酬限制,因为其结构的约束,虽然es 2可以有效地解决这一缺陷的注入真正的权力。摘要ES-1和es 2比较详细的有效的监管范围内。此外,es 2提供的稳态分析和PR-based MCV提出了控制策略调节PCC电压。对于稳态分析,部分电源电压波动之间的关系,PCC电压、派生和es 2提供的补偿电压,这暗示PCC电压的相角可以用来作为控制设计的自由度获得最小补偿电压在一个给定的系统。一旦选择PCC电压的相角,最大可以估计基于补偿电压的电源电压的波动部分可以估计先天的。这样一个事实可以用于设计合适的电动弹簧用适当的补偿能力。数值模拟演示进行了稳态分析和控制方案的有效性。

数据可用性

可以访问所有数据在本文的模拟研究部分。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(批准号61873129)。