电气弹簧的原理及发展
2016-04-29卓克琼赵朝会王飞宇田井呈
卓克琼， 赵朝会， 王飞宇， 田井呈
(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)
电气弹簧的原理及发展
卓克琼，赵朝会，王飞宇，田井呈
(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)
摘要对于可再生能源发电，电网电压稳定性是一个亟需解决的问题。电气弹簧(ES)是一种适用于稳定智能电网电压的新型技术。对比研究了传统机械弹簧与ES的物理模型，阐述了ES的工作原理。根据现有解决电网电压不稳技术的研究现状和存在的不足，探讨了ES在未来智能电网中的使用方向，并分析了ES的研究方向和应用前景。
关键词电气弹簧; 电压稳定； 智能负载
Principle and Development of Electric Spring
ZHUOKeqiong，ZHAOChaohui，WANGFeiyu，TIANJingcheng
(School of Electrics Engineering, Shanghai Dianji University， Shanghai 201306, China)
AbstractVoltage stability is urgently needed to solve problems especially for renewable energy power generation. As a new technique, electric spring (ES) is suitable for voltage stability of smart grid. In this paper, physical models of traditional mechanical spring and ES are compared. The operating principle of ES is explained. Taking into account the problem existing in the current techniques for solving power grid voltage instability, this paper considers the use of ES in the future smart grid, and discusses the research trend and application prospects of ES.
Keywordselectric spring (ES); voltage stability; smart load
为更加充分利用可再生能源，将风能、太阳能等间歇性可再生能源大规模并入电网，是解决传统的一次能源被逐渐耗尽以及环境污染等问题的关键。但是，间歇性可再生能源存在不连续、不稳定的特点，其发电效率随时间、季节以及气候的变化(如风速改变、云层遮盖等因素)而变化，会导致电压波动[1-2]，使用户的设备和电器不能正常运行或停止运行。若一级供电负荷或二级供电负荷中的一些关键电器出现故障，还会引起重大经济损失，严重者可导致人员伤亡(如医院的抢救、维生仪器故障)。
目前，就解决电网电压波动的问题，应用最为广泛的技术是无功补偿[3-4]。但该技术只能调节无功功率，却无法调节有功功率。针对可再生能源发电的波动性、间歇性和不可准确预测性的缺点，利用蓄电池、高温超导飞轮等储能装置来抵消电网电压波动也是有效解决该问题的方法之一[5]。蓄电池储能具有简便、快捷等优点，但电池储能[6-7]相对于其储能容量来说，消耗的成本太大，此外，电池的处理还会导致环境污染的问题。高温超导飞轮储能具有高效率、快响应、长寿命等优点，但一次性购置成本相对较高。
针对上述问题，文献[8]中研究了一种稳定智能电网电压的新型技术——电气弹簧(Electric Spring, ES)，用以解决电压波动造成的各种困境，稳定电力输出。与弹簧床垫和汽车减震器原理相似，在震荡的电网中，ES能够有效控制关键负载(要求一定工作电压才能维持正常运行的电力负载，如呼吸机等医疗维生设备)的电压在规定范围内波动，同时将电压的波动转移到非关键负载(能够承受一定电压波动的电气设备或电器，如冰箱、热水器等家用电器)中，并自动调节非关键负载的耗电量，达到稳定电网电压的目的。
电力系统现有的控制方式是根据负载需求确定发电量，基于该控制方式的一些装置，如静止无功补偿器[9-10]和静态无功发生器[11]均是通过无功补偿来抑制电压的波动，保证电力系统的稳定运行。对于未来的智能电网，因伴有大量间歇性和分布式的可再生能源，现有的电力系统控制方式显然不具有可靠的供电稳定性。因此，ES的提出颠覆了电力系统中原有的控制方式，是一种根据发电量确定负载需求的新型控制方式[12]。研究表明，该控制方式能有效缓解未来智能电网电压不稳的问题。
当前对ES的研究尚处于起步阶段，主要成果是由香港大学和伦敦帝国学院的团队研究得出。文献[13]中介绍了ES能够有效减小电网储能的需求，减轻电网储能装置的负担，从而相应地延长了电池组的使用寿命，提高了供电可靠性。文献[14]中介绍了ES在有功和无功补偿时的一般稳态分析和控制原理，并分析研究了智能负载8种可能的工作型态。文献[15]中介绍了分布式ES的控制方法——下垂控制，通过该控制方法，多个ES能够协调工作，为电网提供了稳定的电压支持。文献[16]中通过简要介绍虎克定律在电力领域的应用，以及ES在电网中实现的电压调节、减少储能及功率补偿等功能，概述了ES的概念及其在未来智能电网中潜在的应用。文献[17]中介绍了ES的一种控制算法，通过使用多个谐振控制器和二阶广义积分器，智能负载能够提高电网的电能质量和稳定性。文献[18]中介绍了不同负载特性对ES的影响。文献[19]中介绍了ES的硬件设计和控制实现。此外，文献[20]中提出了一种ES相位控制算法并进行了稳态分析。文献[5]中，结合该相位控制算法，针对ES控制策略容易引入谐波的缺点，提出了一种基于谐振控制器和电网电压前馈的控制策略。文献[21]中介绍了ES稳压技术在煤矿供电中的应用，并通过ES在矿用电力系统中的稳压仿真，验证了ES具有可调节电压幅值大小的特性。
本文针对可再生能源发电不稳的问题，与传统机械弹簧的物理模型相对照，概述了ES的工作原理及其应用方向，分析了ES的研究方向和应用前景。
1ES的定义
1.1传统机械弹簧的定义
弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件，在外力作用下发生形变，除去外力后又恢复原状。其工作状态可分为常态、压缩状态和拉伸状态，如图1所示。
图1 机械弹簧工作状态Fig.1 Working condition of mechanical spring
常态下，弹簧因处于压缩状态和拉伸状态临界位置，也被称为中间位置。当机械弹簧被压缩或拉伸时，其产生的弹力与位移变化成正比，换言之，当弹簧长度偏离常态时，相应的弹性势能会储存在弹簧内部。依据虎克定律，传统机械弹簧产生的弹力F与位移x的关系式为
F=-kx
(1)
弹性势能Ep与位移x关系式为
Ep=kx2/2
(2)
式中，k为弹性系数。
1.2ES的定义
ES是一种能够提供电压支持、储存电能及抑制电力震荡的电力装置。当电网电压波动时，ES可作为无功发生器稳定关键负载电压；当电网电压稳定时，ES不工作。
图2给出了ES实现的稳压功能模型。当电网电压稳定时，与图1(a)中机械弹簧处于中间位置的状态相类似，ES不工作，此时电网电压即为标准参考电压，如图2(a)所示。当电网电压波动时，ES能够依靠调节非关键负载所消耗的功率，使其自适应于发电量的变化，维持关键负载工作于参考电压，此时ES实现电压增加和减小的功能，如图2(b)、(c)所示。图2中，ES表示为受电流控制的电压源，Ua为ES产生的电压，Us为电网电压，Us_ref为参考电压，Z1为非关键负载，Uo为非关键负载电压。
图2 对比机械弹簧，ES实现的稳压功能模型Fig.2 Voltage stabilizing function of ES in analogy to mechanical spring
ES的物理关系式可表示为
(3)
q=∫icdt
(4)
(5)
式中，电容C为ES的组成元件之一；q为储存在C中的电荷；Ua为通过C的电势差，也为ES产生的电压；ic为流入C的电流。
1.3传统机械弹簧与ES的对比分析
表1给出了机械弹簧与ES的功能对比。
表1 机械弹簧与ES的功能对比
对比图1、2可见，当机械弹簧发生形变时，其本身会偏离常态位置并产生相应方向的位移变化；同理，ES也会实现电压增大或减小的功能。为便于理解，将与ES串联的非关键负载Z1看作电源，规定Uo、Ua方向为外部电压参考方向。图1(b)中，当机械弹簧被压缩时，位移减小，此时，机械弹簧本身需要增加位移恢复至常态；相应地，图2(b)中，当Uo
由于ES具有抑制电力震荡的功能，故串联的非关键负载Z具有两方面的作用： ① 其本身能够消耗电能来抑制电力震荡；②Uo与Ua能够根据可再生能源发电的变化，以一种特殊的变化方式来抑制电力震荡。
2ES的工作原理及主要应用领域
2.1ES的工作原理
图3为ES的工作原理简图，其中，UG为电网电压，Z2为关键负载，L1、R1为传输线阻抗。ES是一电力电子装置，其内部是由单相电压源型逆变器、LC低通滤波器及使能开关等器件组成。当电网电压稳定时，ES内部使能开关断开，仅内部电容参与工作，此时，定义ES的状态为不工作。当电网电压在一定范围内波动时，ES内部使能开关闭合，ES开始作用，此时，ES会自动调节非关键负载的电压，稳定关键负载的电压，并将电压波动转移至非关键负载中，避免关键负载受损。
图3 ES的工作原理简图Fig.3 Schematic diagram of ES
2.2ES的主要应用领域
2.2.1智能负载智能负载是指在未来伴有大量间歇性可再生能源的智能电网中，能够根据供电量的大小，智能地工作在相应的负荷下，从而适应风电和电网供电负荷波动的负载系统。与传统电力负载单一的工作模式相比，智能负载具有更独特的优势。
图4给出了智能负载的结构组成，表明ES能与一个或一组非关键负载串联形成智能负载，并能够产生交流电压Ua(t)来改变负载的外加电压Uo(t)，从而将电压波动转移至非关键负载中，维持关键负载电压稳定。
图4 智能负载的结构组成Fig.4 Structure of smart load
图4中，Is(t)代表电路中的电流。典型的负载可分为阻性、感性、容性3种类型，在此基础上，智能负载能实现8种可能的功率补偿型态，分别是感性无功补偿(+jQES)、容性无功补偿(-jQES)、正有功补偿(+PES)、负有功补偿(-PES)、感性无功补偿加正有功补偿(+jQES+PES)、感性无功补偿加负有功补偿(+jQES-PES)、容性无功补偿加正有功补偿(-jQES+PES)、容性无功补偿加负有功补偿(-jQES-PES)，其中，PES、QES分别代表ES产生的有功、无功功率。
图5为多个ES分布于电网简图，表明ES能够广泛分布于电网中的任意节点，并能与存在的非关键负载串联形成智能负载，来稳定关键负载的电压。因此，ES属于分布式运行，当ES被广泛应用于电网时，ES之间能够协同工作为电网提供强劲且稳定的电压支持，当单个ES故障时，也不会影响整个电网的稳定性。
图5 多个ES分布于电网简图Fig.5 Electric springs distributed in a grid
2.2.2功率调节由图3可见，ES被安装在电源与负载之间，不仅能够缓冲电源与负载之间有功或无功功率的差异，而且能使电网获得更好的电压调节和稳定性。由于流经3个元件的电流是相同的，因此，功率变化是通过改变ES的电压来控制的。
由文献[14]中得出的结论可知，负载有功功率的相量形式可表示为
Po≡|Uo||Is|cos(θU-θI)=
|Us||Is|cos(-θI)-
|Ua||Is|cos(φU-θI)
(6)
负载无功功率的相量形式可表示为
Qo≡|Uo||Is|sin(θU-θI)=
|Us||Is|sin(-θI)-
|Ua||Is|sin(φU-θI)
(7)
式中，θU、φU分别为输出电压和ES电压的位移角；θI为电流的位移角。
通过上述方程可知，负载的有功功率和无功功率都会受到ES电压Ua(t)和位移角φU的直接影响。因此，ES的有功和无功补偿是通过控制其Ua(t)和φU实现的。
2.2.3相位控制当电网电压波动时，ES能够自动工作于阻性、感性和容性模式。其中，阻性模式为感性与容性模式之间的过渡状态，即当Us=Us_ref时，Ua=0，此时电路工作于阻性模式。当Us发生波动并高于Us_ref时，ES工作于感性模式。相反地，当Us发生波动并低于Us_ref时，ES工作于容性模式。
3ES的局限性
ES现有的控制方式是对关键负载电压的有效值和相位分别加以控制，但配电系统中电力电子负载的使用增多，如变频驱动器、二极管整流器等，会导致严重的电能质量问题。因此，ES的控制策略有容易引起电压畸变、引入谐波等影响电能质量的缺点。
当ES与非关键负载串联组成的智能负载处于独立工作模式时，它能够维持关键负载电压和功率的稳定，其性能也是缓解电网电压波动的关键。但当智能负载与实际配电系统相连接时，系统中源阻抗、线路阻抗与智能负载的相互作用、电源电压和功率的特性都会影响智能负载的性能，从而使ES不能更有效地缓解电网电压的波动。
4ES的研究方向及应用前景
4.1研究方向
现有解决电网电压不稳的措施是通过需求侧管理平衡电力供求，传统需求侧管理方法包括负荷调度、储能技术、电力定价以及智能负载的直接控制或开关控制等。尽管这些方法都有独特的优势，但它们也都受到时间范围因素的固有限制，不适用于实时平衡电力供求。对于未来伴有大量间歇性可再生能源的智能电网，现有的控制方式显然不能提供可靠的供电稳定性。ES概念的提出，引出了对需求侧进行管理的新的控制方式，但这种新的控制方式也给现有技术带来了新的挑战。因此，未来需要做以下研究。
(1) 进一步开发研究ES的潜能，通过搭建不同的实验环境对ES的性能进行测试，并估算出ES的工作电压范围。
(2) 根据ES实现的功能要求对其内部关键组件进行研究，并分析其参数的计算方法，寻找参数的选择范围。
(3) 研究新型算法，优化ES的控制策略，实现更好的稳压性能。
(4) 根据电力系统中源阻抗、线路阻抗与智能负载的相互作用，研究相应的技术措施，提升智能负载的性能，以达到对电网理想的调峰效果。
(5) 确定ES的产品成本，对未来如何将其大面积分布于电网的技术进行深入研究。
4.2应用前景
ES作为一种智能电网的新型技术，较好地解决了利用可再生能源发电导致的电网电压不稳的问题，是一种很有潜力的电力电子技术。它的研发为未来智能电网平衡电力供求开辟了新的道路。因此，具有广阔的应用前景。
(1) 在未来可再生能源发电的智能电网中，ES可作为无功发生器，协调发电量和电网负荷之间的波动，确保电网的稳定运行。
(2) 在家庭用户中，ES可与宽电压范围的非关键负载，如一些常用电器，组成智能负载，并通过调节非关键负载的耗电量来稳定关键负载的电压，从而便捷地应对电网配电的变化。
(3) 在医疗机构中，ES可以稳定地给维生仪器供电，避免了给医生造成的误判以及导致的人员伤亡情况。
(4) 在工业领域中，ES可确保需要保护的用电设备的电压稳定，避免经济损失，为工业的安全生产提供可靠的保障。
5结语
本文通过对比分析传统机械弹簧与ES的物理模型，并根据现有解决电网电压不稳技术的研究现状和存在的不足得出： ES不仅能够继承传统机械弹簧的优点，而且作为无功发生器，能为电网提供稳定的电力输出，在许多工业领域和医疗领域具有广阔的应用前景。目前，已对ES进行了多种仿真、实验，其基本特性也得到了初步分析。此外，对ES的理论研究、控制及应用研究也得到了一定的进展。但总体而言，ES技术为今后大规模利用可再生能源发电提供了新的便利，尽管ES研发以及产品尚处在初级阶段，但随着对ES研究的不断深入，ES的综合性能将不断提高，也必将进一步推动ES的发展。因此，对ES开展研究，具有重要的理论意义和实际价值。
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文献标识码A
中图分类号TM 711
文章编号2095 - 0020(2016)01 -0012 - 06
作者简介：卓克琼(1988-)，男，硕士生，主要研究方向为电力电子与电力传动，E-mail: zhuoairan@163.com通信作者： 赵朝会(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向为电力电子与电力传动，E-mail： zhaoch@sdju.edu.cn
基金项目：上海市教育委员会科研创新项目资助(13ZZ142)
收稿日期：2015-12-01
