技术领域
[0001] 本
发明涉及交流
电网运行控制技术领域，特别是一种用于
可再生能源发电系统的工作范围可以调节的稳压结构及控制方法。
背景技术
[0002] 随着可再生能源(如
风能、
太阳能等)发电技术的发展，其并网容量正在逐年增长。对于大型电网而言，因为其自我调节能
力较强，而且可再生能源发电量所占比重还不大，电网
稳定性不会受到太大影响。对于容量较小的孤立微电网而言，可再生能源发电量所占比重往往大于15％，如果其不规则变化的输出功率不能与电网负荷相互平衡，会造成电网
电压有效值的明显
波动。这种交流电压有效值的波动会对电网稳定性和接入微电网的用电设备产生不利影响。
[0003] 针对可再生能源发电的间歇性特点，传统的解决办法是利用储能
电池或者静止同步补偿器等装置来补偿发电量与电网负荷之间的差异，进而达到维持电网电压稳定的效果，但是这些方法会使成本显著增加或者由于依赖于复杂的集中式补偿策略难以实现及时的补偿。
发明内容
[0004] 针对上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于可再生能源发电系统的稳压结构及控制方法，不仅能够实现发电量与用电负荷相互平衡，对关键负载模
块两端电压有效值的波动进行有效抑制，而且稳压结构能够有效抑制的波动电压的范围是可以调节的，可以提高稳压结构的可靠性。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种用于可再生能源发电系统的稳压结构，该稳压结构连接于可再生能源发电系统中，其中：所述稳压结构包括电压补偿模块、非关键负载模块Ⅰ、非关键负载模块Ⅱ、关键负载模块、工作范围调节模块、工作电压检测模块和线电压检测模块，所述关键负载模块通过传输
导线接到所述可再生能源发电系统的发电单元的输出端，所述非关键负载模块Ⅰ与所述电压补偿模块
串联后，通过传输导线接到所述可再生能源发电系统的发电单元的输出端，所述非关键负载模块Ⅱ中的单个负载与
开关器件相串联，可以通过工作范围调节模块控制开关器件与非关键负载模块Ⅰ并联或者与关键负载模块并联；所述电压补偿模块包含直流电压源、LC低通
滤波器、单相电压源型逆变器模块和线电压控
制模块，所述单相电压源型逆变器模块7的交流
输出侧与所述LC
低通滤波器相连接，所述单相电压源型逆变器模块7的直流
输入侧接所述直流电压源，所述LC低通滤波器的滤波电容与所述非关键负载模块Ⅰ串联。
[0006] 同时提供一种用于可再生能源发电系统的稳压结构的控制方法。
[0007] 本发明的效果是该稳压结构用于可再生能源发电系统，有效工作范围是可以调节的，能够强化可再生能源发电系统的稳定性与可靠性，有利于促进可再生能源发电的大规模应用。
[0008] (1)本发明的稳压结构通过电压补偿模块使非关键负载模块上的电压有效值随可再生能源发电单元
输出电压变化而变化，而关键负载模块上的电压保持稳定。与传统的集中式补偿装置如静止同步补偿器比较，所述电压补偿模块可以广泛嵌入到非关键负载(如
热水器、电
冰箱)中，提供一种简单的、分布式的电压补偿策略，使关键负载上的电压得到更有效的补偿。同时因为该稳压结构只需补偿关键负载模块上的电压使之稳定而不需要补偿非关键负载模块上的电压，所以可再生能源发电系统中用于维持输出电压稳定的储能电池的容量可以减小50％，减少可再生能源发电系统的成本。
[0009] (2)本发明的稳压结构通过工作范围调节模块控制与非关键负载模块Ⅱ中单个负载相串联的开关器件的连接通路，改变非关键负载模块阻值与关键负载模块阻值的比例，进而改变稳压结构的有效工作范围，将稳压结构的工作范围扩大35％。
附图说明
[0010] 图1是本发明的用于可再生能源发电系统的工作范围可以调节的稳压结构的拓扑图；
[0012] 图3是本发明可再生能源发电单元输出电压Vg有效值与关键负载两端电压Vs有效值
波形图；
[0013] 图4是本发明可再生能源发电单元输出电压Vg有效值与关键负载两端电压Vs有效值波形图；
[0014] 图5是本发明可再生能源发电单元输出电压Vg有效值与关键负载两端电压Vs有效值波形图。
[0015] 图中：
[0016] 1、发电单元 2、非关键负载模块Ⅰ 3、非关键负载模块Ⅱ
[0017] 4、关键负载模块 5、电压补偿模块 6、直流电压源
[0018] 7、单相电压源型逆变器 8、滤波电感 9、滤波电容
[0019] 10、线电压
控制模块 11、工作范围调节模块 12、开关器件
[0020] 13、输电线路等效电感 14、输电线路等效
电阻 15、工作电压检测模块[0021] 16、线电压检测模块
具体实施方式
[0022] 结合附图对本发明的用于可再生能源发电系统的稳压结构及控制方法做更近一步的解释。
[0023] 本发明的用于可再生能源发电系统的稳压结构及控制方法设计思想是基于所述可再生能源发电系统，由于可再生能源发电的间歇性特点，可再生能源发电系统的发电单元1输出的交流电压的有效值是在一定范围不规则变化的。该稳压结构是在可再生能源发电系统中用于维持关键负载模块4上交流电压稳定的、工作范围可以调节的稳压结构。
[0024] 本发明的用于可再生能源发电系统的稳压结构是，该稳压结构连接于可再生能源发电系统中，所述稳压结构包括电压补偿模块5、非关键负载模块Ⅰ2、非关键负载模块Ⅱ3、关键负载模块4、工作范围调节模块11、工作电压检测模块15、线电压检测模块16，所述关键负载模块4通过传输导线接到所述可再生能源发电系统的发电单元1的输出端，所述非关键负载模块Ⅰ2与所述电压补偿模块5串联后，通过传输导线接到所述可再生能源发电系统的发电单元1的输出端，所述非关键负载模块Ⅱ3中的单个负载与开关器件12相串联，通过工作范围调节模块11控制开关器件12与非关键负载模块I2并联或者与关键负载模块4并联；所述电压补偿模块5包含直流电压源6、LC低通滤波器、单相电压源型逆变器模块7和线电压控制模块10，所述单相电压源型逆变器模块7的交流输出侧与所述LC低通滤波器相连接，所述单相电压源型逆变器模块7的直流输入侧接所述直流电压源6，所述LC低通滤波器的滤波电容9与所述非关键负载模块Ⅰ2串联。
[0025] 所述非关键负载模块Ⅰ2、非关键负载模块Ⅱ3均包含一个或多个相并联的工作电压范围在150V-280V的非关键负载。
[0026] 所述关键负载模块4包含一个或多个相并联的工作电压范围在215V-225V的关键负载。所述线电压检测模块16通过电压
传感器检测关键负载模块4两端电压的有效值，并且将该线电压有效值传送给所述电压补偿模块5。所述直流电压源6是
蓄电池组或者整流
电路并联
电解电容模块。所述单相电压源型逆变器模块7是4个开关管组成的单相全桥逆变电路或者是2个开关管组成的单相半桥逆变电路或者多级逆变电路。所述线电压控制模块10根据所述线电压检测模块16传送的线电压有效值，产生PWM
信号控制所述单相电压源型逆变器模块7输出补偿交流电压。所述电压补偿模块5使非关键负载模块Ⅰ2两端的电压有效值随可再生能源发电单元1的输出电压变化而变化，而所述关键负载模块4上的电压保持稳定。
[0027] 所述工作范围调节模块11根据所述工作电压检测模块15传送的可再生能源发电单元11的输出电压的有效值，选择所述稳压结构的工作范围，控制与所述非关键负载模块Ⅱ3中单个负载相串联的开关器件12的连接通路，选择非关键负载模块Ⅱ3中单个负载与所述非关键负载模块Ⅰ2并联或者与所述关键负载模块4并联，调整非关键负载模块阻值与关键负载模块阻值的比例，并调整该稳压结构的有效工作范围。所述工作电压检测模块15通过电压传感器检测所述可再生能源发电系统的发电单元1的输出电压的有效值，并且将该工作电压有效值传送给所述工作范围调节模块11。
[0028] 本发明的用于可再生能源发电系统的稳压结构的控制方法步骤为：
[0029] A)：可再生能源发电系统的发电单元1输出的交流电压有效值发生不规则的变化，用工作电压检测模块15检测可再生能源发电系统的发电单元(1)输出电压Vg的有效值，并且传送给工作范围调节模块(11)；
[0030] B)：工作范围调节模块11根据可再生能源发电系统的发电单元(1)输出电压Vg的有效值判断该电压是否处于稳压结构的工作范围1内，如果Vg有效值高于或低于工作范围1,工作范围调节模块11就依次控制与非关键负载模块Ⅱ3中单个负载相串联的开关器件12的连接通路，使非关键负载模块Ⅱ3与非关键负载模块Ⅰ2并联，从而扩大该稳压结构的工作范围1至工作范围2，使Vg的有效值在工作范围2内；
[0031] C)：如果工作范围调节模块11判断Vg有效值在稳压结构的工作范围1或工作范围2内，线电压检测模块16就检测关键负载模块4两端的电压Vs有效值，并且传送给线电压控制模块10；
[0032] D)：线电压控制模块10将Vs的有效值与关键负载模块4额定工作电压Vref设定为220V相比较，如果Vs有效值等于Vref，线电压控制模块10的输出就保持不变，电压补偿模块
5的补偿电压Vc保持不变；如果Vs有效值不等于Vref，线电压控制模块10的输出就变化，控制单相电压源型逆变器7的交流输出电压变化，补偿电压Vc幅值发生变化，直至关键负载模块4两端的电压Vs有效值与Vref相等。
[0033] 本发明的用于可再生能源发电系统的稳压结构及控制方法是这样实现的：
[0034] 如图1所示，是本发明的用于可再生能源发电系统的稳压结构拓扑图。该系统主要包括可再生能源发电系统的发电单元1、非关键负载模块Ⅰ2、非关键负载模块Ⅱ3、关键负载模块4、电压补偿模块5、工作范围调节模块11、工作电压检测模块15与线电压检测模块16。
[0035] 所述非关键负载模块Ⅰ2与非关键负载模块Ⅱ3均包含一个或多个相并联的非关键负载。关键负载模块4包含一个或多个相并联的关键负载。非关键负载是指工作电压范围达到150V-280V的负载，常见非关键负载如热水器、
空调等。关键负载是指工作电压范围限制在215V-225V的负载，常见关键负载如电脑、心电监护仪等。
[0036] 所述非关键负载模块Ⅰ2与电压补偿模块5串联后，通过传输导线接到可再生能源发电系统的发电单元1的输出端。关键负载模块4也通过输电线路接到可再生能源发电系统的发电单元1输出端。非关键负载模块Ⅱ3中的单个负载与开关器件12相串联，由工作范围调节模块11控制开关器件12与非关键负载模块Ⅰ2并联或者关键负载模块4并联。
[0037] 所述电压补偿模块5包括一个单相电压源型逆变器模块7、一个直流电压源6、一个LC低通滤波器和和一个线电压控制模块10。单相电压源逆变器模块7的直流输入侧接直流电压源6，交流输出侧接LC低通滤波器。单相电压源逆变器模块7可以是4个开关管组成的单相全桥逆变电路或者是2个开关管组成的单相半桥逆变电路或者多级逆变电路。直流电压源6是蓄
电池组或者整流电路并联电解电容模块。LC低通滤波器的滤波电容9Cf与关键负载模块Ⅰ2串联后通过输电线路接到可再生能源发电系统的发电单元1输出端。线电压控制模块10输出PWM信号，驱动单相电压源型逆变器7中的开关管，控制滤波电容9Cf上交流电压Vc的有效值。
[0038] 所述非关键负载模块Ⅱ3通过开关器件12选择与非关键负载模块Ⅰ2并联或者与关键负载模块4并联。如果非关键负载模块Ⅱ3与非关键负载模块Ⅰ2相并联，就可以将非关键负载模块Ⅰ2与非关键负载模块Ⅱ3一起看作1个非关键负载模块。同理，如果非关键负载模块Ⅱ3与关键负载模块4相并联，就将非关键负载模块Ⅱ与关键负载模块一起看作一个非关键负载模块。改变非关键负载模块阻值与关键负载模块阻值的比例可以改变稳压结构的工作范围。因此工作范围调节模块11通过控制与非关键负载模块Ⅱ3中单个负载相串联的开关器件12的连接通路，可以改变非关键负载模块阻值与关键负载模块阻值的比例，进而改变稳压结构的工作范围。
[0039] 所述工作电压检测模块15检测可再生能源发电系统的发电单元1输出电压Vg有效值，线电压检测模块16检测关键负载模块4两端线电压Vs的有效值，Vg与Vs分别反馈给工作范围调节模块11与线电压控制模块10。
[0040] 由于太阳光照强度、风速不断变化，基于太阳能或
风能的可再生能源发电系统的发电单元1输出功率也不断变化，可再生能源发电系统的发电单元1输出有效值不断变化的单相交流电压Vg，造成关键负载模块4两端的线电压Vs也会不断变化。线电压Vs的这种不断波动不仅会对关键负载的可靠运行带来不利影响，有时甚至会引发更为严重的后果。比如医院用的心电监护仪，对工作电压的要求就比较严格，一旦电压波动导致仪器不能可靠工作，就可能会危及患者安全。
[0041] 本发明稳压结构的工作原理：(1)用电压补偿模块5控制滤波电容9Cf的交流电压Vc，使非关键负载模块Ⅰ2上的电压随Vg的波动而波动，非关键负载模块Ⅰ2消耗的功率随发电单元1输出功率变化而变化，保证关键负载模块4消耗的功率保持不变，从而使关键负载模块4两端的线电压Vs维持稳定；(2)通过控制与非关键负载模块Ⅱ3中单个负载相串联的开关器件12的连接通路，改变非关键负载模块阻值与关键负载模块阻值的比例，进而调节稳压结构的工作范围。
[0042] 如图2所示是该稳压结构工作的流程图，下面结合
实施例说明该稳压结构的工作流程与效果。
[0043] 建立如图1所示的用于可再生能源发电的稳压结构，其中可再生能源发电系统的发电单元1是输出可以调节的单相电压源，输电线路以及线路损耗用0.1Ω电阻14和2.2mH电感13串联等效，LC低通滤波器参数分别为3mH和50uF。单相电压源型逆变器模块,7是四个MOSFET构成的单相全桥电路，其直流输入侧接350V电池组。非关键负载模块Ⅰ2有10个100Ω的电阻相互并联，非关键负载模块Ⅱ3有5个100Ω的电阻相互并联，关键负载模块4也有5个100Ω电阻相互并联。
[0044] (a)使非关键负载模块Ⅱ的5个电阻全部与关键负载模块相并联，则此时关键负载阻值与非关键负载阻值的比例是
[0045] 如图3所示是电压补偿模块不工作时，通过旁路开关使图1中滤波电容9Cf
短路，可再生能源发电系统的发电单元1输出电压Vg有效值与关键负载模块4两端电压Vs有效值的波形图，实线为Vs有效值，虚线为Vg有效值。通过设定单相电压源输出电压Vg有效值的变化来模拟可再生能源发电系统的发电单元1输出电压的变化，其中0-1.5s Vg为220V,1.5s-3s Vg下降为217V，3s-4.5s Vg上升为233V，4.5s-6s Vg上升为234.5V，6s-7.5s Vg下降为215V。从图3实线可以看出关键负载模块4两端电压Vs有效值总是在随Vg的变化而变化的，不能稳定在其额定工作电压220V，这种工作电压有效值的波动会对关键负载，如精密设备与仪器的可靠运行带来不利影响。
[0046] 如图4所示是电压补偿模块5工作时，可再生能源发电系统的发电单元1输出电压Vg有效值与关键负载模块4两端电压Vs有效值的波形图，实线为Vs有效值，虚线为Vg有效值。同样，通过设定单相电压源输出电压Vg有效值的变化来模拟可再生能源发电系统的发电单元1输出电压的变化，其中0-1.5s Vg为220V,1.5s-3s Vg下降为217V，3s-4.5s Vg上升为233V，4.5s-6s Vg上升为234.5V，6s-7.5s Vg下降为215V。从图4实线可以看出，在0-4.5s内，当Vg发生变化后，关键负载模块4两端电压Vs的有效值都能很快稳定到220V。但是，在4.5s-7.5s，当Vg超过一定范围后，Vs最终不能收敛到220V。因此当关键负载阻值与非关键负载阻值的比例固定时，稳压结构的有效工作范围是有限制的。例如，图4例中关键负载阻值与非关键负载阻值的比例是 此时稳压结构的工作范围是工作范围1
(216.3V-233V)，当可再生能源发电系统的发电单元1输出电压Vg有效值处在工作范围1内时，稳压结构能够将关键负载模块4上的电压有效值稳定在220V，当可再生能源发电系统的发电单元1输出电压Vg有效值超出稳压结构的有效工作范围1时，稳压结构的工作范围也应该作出相应调整，才能使关键负载模块4两端的电压稳定在其额定工作电压。
[0047] (b)当可再生能源发电系统的发电单元1输出电压Vg有效值超出稳压结构的有效工作范围1时，结合图2说明本发明的工作范围可以调节的稳压结构的工作步骤如下：
[0048] 工作电压检测模块15用电压传感器检测出可再生能源发电系统的发电单元1输出电压Vg有效值并且传送给工作范围调节模块11，工作范围调节模块11将Vg有效值，例如235V与稳压结构工作范围1(216.3V-233V)相比较，发现可再生能源发电系统的发电单元1输出电压Vg有效值超出了稳压结构工作范围1，此时就通过工作范围调节模块11控制开关器件12的连接通路将非关键负载模块Ⅱ3中的2个电阻保持与关键负载模块4相并联，而其余3个电阻与非关键负载模块Ⅰ2相并联，此时关键负载阻值与非关键负载阻值的比例是而稳压结构的工作范围已经扩大至工作范围2(213.2V-235V)。
[0049] 此时线电压检测模块16就检测关键负载模块4两端的电压Vs有效值，并且传送给线电压控制模块10；线电压控制模块10将Vs的有效值与关键负载模块4额定工作电压Vref设定为220V相比较，如果Vs有效值等于Vref，线电压控制模块10的输出就保持不变，电压补偿模块5的补偿电压Vc保持不变；如果Vs有效值不等于Vref，线电压控制模块10的输出就变化，控制单相电压源型逆变器7的交流输出电压变化，补偿电压Vc幅值发生变化，直至关键负载模块4两端的电压Vs有效值与Vref相等。
[0050] 如图5所示是电压补偿模块5工作时，可再生能源发电系统的发电单元1输出电压Vg有效值与关键负载模块4两端电压Vs有效值的波形图，实线为Vs有效值，虚线为Vg有效值。同样，通过设定单相电压源输出电压Vg有效值的变化来模拟可再生能源发电系统的发电单元1输出电压的变化，其中0-1.5s Vg为220V,1.5s-3s Vg下降为217V，3s-4.5s Vg上升为233V，4.5s-6s Vg上升为234.5V，6s-7.5s Vg下降为215V。从图5实线可以看出，在0-7.5s中，当Vg发生变化后，关键负载模块4两端电压Vs的有效值都能很快稳定到220V，而这在图4中是不能实现的。因此，通过改变关键负载阻值与非关键负载阻值的比例来改变稳压结构的工作范围是可行的。
[0051] 本发明提供的稳压结构根据可再生能源发电系统的发电单元1输出电压Vg有效值的波动范围
自动调节稳压结构的工作范围，从而将维持关键负载模块4两端维持在其额定工作电压，能够强化可再生能源发电系统的稳定性与可靠性，有利于促进可再生能源发电的大规模应用。
