電氣彈簧的原理及發展

卓克瓊，　趙朝會，　王飛宇，　田井呈

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

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電氣彈簧的原理及發展

卓克瓊，趙朝會，王飛宇，田井呈

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

摘要對于可再生能源發電，電網電壓穩定性是一個亟需解決的問題。電氣彈簧(ES)是一種適用于穩定智能電網電壓的新型技術。對比研究了傳統機械彈簧與ES的物理模型，闡述了ES的工作原理。根據現有解決電網電壓不穩技術的研究現狀和存在的不足，探討了ES在未來智能電網中的使用方向，并分析了ES的研究方向和應用前景。

關鍵詞電氣彈簧; 電壓穩定； 智能負載

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

為更加充分利用可再生能源，將風能、太陽能等間歇性可再生能源大規模并入電網，是解決傳統的一次能源被逐漸耗盡以及環境污染等問題的關鍵。但是，間歇性可再生能源存在不連續、不穩定的特點，其發電效率隨時間、季節以及氣候的變化(如風速改變、云層遮蓋等因素)而變化，會導致電壓波動[1-2]，使用戶的設備和電器不能正常運行或停止運行。若一級供電負荷或二級供電負荷中的一些關鍵電器出現故障，還會引起重大經濟損失，嚴重者可導致人員傷亡(如醫院的搶救、維生儀器故障)。

目前，就解決電網電壓波動的問題，應用最為廣泛的技術是無功補償[3-4]。但該技術只能調節無功功率，卻無法調節有功功率。針對可再生能源發電的波動性、間歇性和不可準確預測性的缺點，利用蓄電池、高溫超導飛輪等儲能裝置來抵消電網電壓波動也是有效解決該問題的方法之一[5]。蓄電池儲能具有簡便、快捷等優點，但電池儲能[6-7]相對于其儲能容量來說，消耗的成本太大，此外，電池的處理還會導致環境污染的問題。高溫超導飛輪儲能具有高效率、快響應、長壽命等優點，但一次性購置成本相對較高。

針對上述問題，文獻[8]中研究了一種穩定智能電網電壓的新型技術——電氣彈簧(Electric Spring, ES)，用以解決電壓波動造成的各種困境，穩定電力輸出。與彈簧床墊和汽車減震器原理相似，在震蕩的電網中，ES能夠有效控制關鍵負載(要求一定工作電壓才能維持正常運行的電力負載，如呼吸機等醫療維生設備)的電壓在規定范圍內波動，同時將電壓的波動轉移到非關鍵負載(能夠承受一定電壓波動的電氣設備或電器，如冰箱、熱水器等家用電器)中，并自動調節非關鍵負載的耗電量，達到穩定電網電壓的目的。

電力系統現有的控制方式是根據負載需求確定發電量，基于該控制方式的一些裝置，如靜止無功補償器[9-10]和靜態無功發生器[11]均是通過無功補償來抑制電壓的波動，保證電力系統的穩定運行。對于未來的智能電網，因伴有大量間歇性和分布式的可再生能源，現有的電力系統控制方式顯然不具有可靠的供電穩定性。因此，ES的提出顛覆了電力系統中原有的控制方式，是一種根據發電量確定負載需求的新型控制方式[12]。研究表明，該控制方式能有效緩解未來智能電網電壓不穩的問題。

當前對ES的研究尚處于起步階段，主要成果是由香港大學和倫敦帝國學院的團隊研究得出。文獻[13]中介紹了ES能夠有效減小電網儲能的需求，減輕電網儲能裝置的負擔，從而相應地延長了電池組的使用壽命，提高了供電可靠性。文獻[14]中介紹了ES在有功和無功補償時的一般穩態分析和控制原理，并分析研究了智能負載8種可能的工作型態。文獻[15]中介紹了分布式ES的控制方法——下垂控制，通過該控制方法，多個ES能夠協調工作，為電網提供了穩定的電壓支持。文獻[16]中通過簡要介紹虎克定律在電力領域的應用，以及ES在電網中實現的電壓調節、減少儲能及功率補償等功能，概述了ES的概念及其在未來智能電網中潛在的應用。文獻[17]中介紹了ES的一種控制算法，通過使用多個諧振控制器和二階廣義積分器，智能負載能夠提高電網的電能質量和穩定性。文獻[18]中介紹了不同負載特性對ES的影響。文獻[19]中介紹了ES的硬件設計和控制實現。此外，文獻[20]中提出了一種ES相位控制算法并進行了穩態分析。文獻[5]中，結合該相位控制算法，針對ES控制策略容易引入諧波的缺點，提出了一種基于諧振控制器和電網電壓前饋的控制策略。文獻[21]中介紹了ES穩壓技術在煤礦供電中的應用，并通過ES在礦用電力系統中的穩壓仿真，驗證了ES具有可調節電壓幅值大小的特性。

本文針對可再生能源發電不穩的問題，與傳統機械彈簧的物理模型相對照，概述了ES的工作原理及其應用方向，分析了ES的研究方向和應用前景。

1ES的定義

1.1傳統機械彈簧的定義

彈簧是一種利用彈性來工作的機械零件，在外力作用下發生形變，除去外力后又恢復原狀。其工作狀態可分為常態、壓縮狀態和拉伸狀態，如圖1所示。

圖1　機械彈簧工作狀態Fig.1　Working condition of mechanical spring

常態下，彈簧因處于壓縮狀態和拉伸狀態臨界位置，也被稱為中間位置。當機械彈簧被壓縮或拉伸時，其產生的彈力與位移變化成正比，換言之，當彈簧長度偏離常態時，相應的彈性勢能會儲存在彈簧內部。依據虎克定律，傳統機械彈簧產生的彈力F與位移x的關系式為

F=-kx

(1)

彈性勢能Ep與位移x關系式為

Ep=kx2/2

(2)

式中，k為彈性系數。

1.2ES的定義

ES是一種能夠提供電壓支持、儲存電能及抑制電力震蕩的電力裝置。當電網電壓波動時，ES可作為無功發生器穩定關鍵負載電壓；當電網電壓穩定時，ES不工作。

圖2給出了ES實現的穩壓功能模型。當電網電壓穩定時，與圖1(a)中機械彈簧處于中間位置的狀態相類似，ES不工作，此時電網電壓即為標準參考電壓，如圖2(a)所示。當電網電壓波動時，ES能夠依靠調節非關鍵負載所消耗的功率，使其自適應于發電量的變化，維持關鍵負載工作于參考電壓，此時ES實現電壓增加和減小的功能，如圖2(b)、(c)所示。圖2中，ES表示為受電流控制的電壓源，Ua為ES產生的電壓，Us為電網電壓，Us_ref為參考電壓，Z1為非關鍵負載，Uo為非關鍵負載電壓。

圖2　對比機械彈簧，ES實現的穩壓功能模型Fig.2　　　Voltage stabilizing function of ES in　　　analogy to mechanical spring

ES的物理關系式可表示為

(3)

q=∫icdt

(4)

(5)

式中，電容C為ES的組成元件之一；q為儲存在C中的電荷；Ua為通過C的電勢差，也為ES產生的電壓；ic為流入C的電流。

1.3傳統機械彈簧與ES的對比分析

表1給出了機械彈簧與ES的功能對比。

表1　機械彈簧與ES的功能對比

對比圖1、2可見，當機械彈簧發生形變時，其本身會偏離常態位置并產生相應方向的位移變化；同理，ES也會實現電壓增大或減小的功能。為便于理解，將與ES串聯的非關鍵負載Z1看作電源，規定Uo、Ua方向為外部電壓參考方向。圖1(b)中，當機械彈簧被壓縮時，位移減小，此時，機械彈簧本身需要增加位移恢復至常態；相應地，圖2(b)中，當UoUs_ref時，Ua需要增大才能抵消Uo的增大，維持Us趨近于Us_ref，從而實現電壓減小的功能。

由于ES具有抑制電力震蕩的功能，故串聯的非關鍵負載Z具有兩方面的作用： ① 其本身能夠消耗電能來抑制電力震蕩；②Uo與Ua能夠根據可再生能源發電的變化，以一種特殊的變化方式來抑制電力震蕩。

2ES的工作原理及主要應用領域

2.1ES的工作原理

圖3為ES的工作原理簡圖，其中，UG為電網電壓，Z2為關鍵負載，L1、R1為傳輸線阻抗。ES是一電力電子裝置，其內部是由單相電壓源型逆變器、LC低通濾波器及使能開關等器件組成。當電網電壓穩定時，ES內部使能開關斷開，僅內部電容參與工作，此時，定義ES的狀態為不工作。當電網電壓在一定范圍內波動時，ES內部使能開關閉合，ES開始作用，此時，ES會自動調節非關鍵負載的電壓，穩定關鍵負載的電壓，并將電壓波動轉移至非關鍵負載中，避免關鍵負載受損。

圖3　ES的工作原理簡圖Fig.3　Schematic diagram of ES

2.2ES的主要應用領域

2.2.1智能負載智能負載是指在未來伴有大量間歇性可再生能源的智能電網中，能夠根據供電量的大小，智能地工作在相應的負荷下，從而適應風電和電網供電負荷波動的負載系統。與傳統電力負載單一的工作模式相比，智能負載具有更獨特的優勢。

圖4給出了智能負載的結構組成，表明ES能與一個或一組非關鍵負載串聯形成智能負載，并能夠產生交流電壓Ua(t)來改變負載的外加電壓Uo(t)，從而將電壓波動轉移至非關鍵負載中，維持關鍵負載電壓穩定。

圖4　智能負載的結構組成Fig.4　Structure of smart load

圖4中，Is(t)代表電路中的電流。典型的負載可分為阻性、感性、容性3種類型，在此基礎上，智能負載能實現8種可能的功率補償型態，分別是感性無功補償(+jQES)、容性無功補償(-jQES)、正有功補償(+PES)、負有功補償(-PES)、感性無功補償加正有功補償(+jQES+PES)、感性無功補償加負有功補償(+jQES-PES)、容性無功補償加正有功補償(-jQES+PES)、容性無功補償加負有功補償(-jQES-PES)，其中，PES、QES分別代表ES產生的有功、無功功率。

圖5為多個ES分布于電網簡圖，表明ES能夠廣泛分布于電網中的任意節點，并能與存在的非關鍵負載串聯形成智能負載，來穩定關鍵負載的電壓。因此，ES屬于分布式運行，當ES被廣泛應用于電網時，ES之間能夠協同工作為電網提供強勁且穩定的電壓支持，當單個ES故障時，也不會影響整個電網的穩定性。

圖5　多個ES分布于電網簡圖Fig.5　Electric springs distributed in a grid

2.2.2功率調節由圖3可見，ES被安裝在電源與負載之間，不僅能夠緩沖電源與負載之間有功或無功功率的差異，而且能使電網獲得更好的電壓調節和穩定性。由于流經3個元件的電流是相同的，因此，功率變化是通過改變ES的電壓來控制的。

由文獻[14]中得出的結論可知，負載有功功率的相量形式可表示為

Po≡|Uo||Is|cos(θU-θI)=

|Us||Is|cos(-θI)-

|Ua||Is|cos(φU-θI)

(6)

負載無功功率的相量形式可表示為

Qo≡|Uo||Is|sin(θU-θI)=

|Us||Is|sin(-θI)-

|Ua||Is|sin(φU-θI)

(7)

式中，θU、φU分別為輸出電壓和ES電壓的位移角；θI為電流的位移角。

通過上述方程可知，負載的有功功率和無功功率都會受到ES電壓Ua(t)和位移角φU的直接影響。因此，ES的有功和無功補償是通過控制其Ua(t)和φU實現的。

2.2.3相位控制當電網電壓波動時，ES能夠自動工作于阻性、感性和容性模式。其中，阻性模式為感性與容性模式之間的過渡狀態，即當Us=Us_ref時，Ua=0，此時電路工作于阻性模式。當Us發生波動并高于Us_ref時，ES工作于感性模式。相反地，當Us發生波動并低于Us_ref時，ES工作于容性模式。

3ES的局限性

ES現有的控制方式是對關鍵負載電壓的有效值和相位分別加以控制，但配電系統中電力電子負載的使用增多，如變頻驅動器、二極管整流器等，會導致嚴重的電能質量問題。因此，ES的控制策略有容易引起電壓畸變、引入諧波等影響電能質量的缺點。

當ES與非關鍵負載串聯組成的智能負載處于獨立工作模式時，它能夠維持關鍵負載電壓和功率的穩定，其性能也是緩解電網電壓波動的關鍵。但當智能負載與實際配電系統相連接時，系統中源阻抗、線路阻抗與智能負載的相互作用、電源電壓和功率的特性都會影響智能負載的性能，從而使ES不能更有效地緩解電網電壓的波動。

4ES的研究方向及應用前景

4.1研究方向

現有解決電網電壓不穩的措施是通過需求側管理平衡電力供求，傳統需求側管理方法包括負荷調度、儲能技術、電力定價以及智能負載的直接控制或開關控制等。盡管這些方法都有獨特的優勢，但它們也都受到時間范圍因素的固有限制，不適用于實時平衡電力供求。對于未來伴有大量間歇性可再生能源的智能電網，現有的控制方式顯然不能提供可靠的供電穩定性。ES概念的提出，引出了對需求側進行管理的新的控制方式，但這種新的控制方式也給現有技術帶來了新的挑戰。因此，未來需要做以下研究。

(1) 進一步開發研究ES的潛能，通過搭建不同的實驗環境對ES的性能進行測試，并估算出ES的工作電壓范圍。

(2) 根據ES實現的功能要求對其內部關鍵組件進行研究，并分析其參數的計算方法，尋找參數的選擇范圍。

(3) 研究新型算法，優化ES的控制策略，實現更好的穩壓性能。

(4) 根據電力系統中源阻抗、線路阻抗與智能負載的相互作用，研究相應的技術措施，提升智能負載的性能，以達到對電網理想的調峰效果。

(5) 確定ES的產品成本，對未來如何將其大面積分布于電網的技術進行深入研究。

4.2應用前景

ES作為一種智能電網的新型技術，較好地解決了利用可再生能源發電導致的電網電壓不穩的問題，是一種很有潛力的電力電子技術。它的研發為未來智能電網平衡電力供求開辟了新的道路。因此，具有廣闊的應用前景。

(1) 在未來可再生能源發電的智能電網中，ES可作為無功發生器，協調發電量和電網負荷之間的波動，確保電網的穩定運行。

(2) 在家庭用戶中，ES可與寬電壓范圍的非關鍵負載，如一些常用電器，組成智能負載，并通過調節非關鍵負載的耗電量來穩定關鍵負載的電壓，從而便捷地應對電網配電的變化。

(3) 在醫療機構中，ES可以穩定地給維生儀器供電，避免了給醫生造成的誤判以及導致的人員傷亡情況。

(4) 在工業領域中，ES可確保需要保護的用電設備的電壓穩定，避免經濟損失，為工業的安全生產提供可靠的保障。

5結語

本文通過對比分析傳統機械彈簧與ES的物理模型，并根據現有解決電網電壓不穩技術的研究現狀和存在的不足得出： ES不僅能夠繼承傳統機械彈簧的優點，而且作為無功發生器，能為電網提供穩定的電力輸出，在許多工業領域和醫療領域具有廣闊的應用前景。目前，已對ES進行了多種仿真、實驗，其基本特性也得到了初步分析。此外，對ES的理論研究、控制及應用研究也得到了一定的進展。但總體而言，ES技術為今后大規模利用可再生能源發電提供了新的便利，盡管ES研發以及產品尚處在初級階段，但隨著對ES研究的不斷深入，ES的綜合性能將不斷提高，也必將進一步推動ES的發展。因此，對ES開展研究，具有重要的理論意義和實際價值。

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文獻標識碼A

中圖分類號TM 711

文章編號2095 - 0020(2016)01 -0012 - 06

作者簡介：卓克瓊(1988-)，男，碩士生，主要研究方向為電力電子與電力傳動，E-mail: zhuoairan@163.com通信作者： 趙朝會(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向為電力電子與電力傳動，E-mail： zhaoch@sdju.edu.cn

基金項目：上海市教育委員會科研創新項目資助(13ZZ142)

收稿日期：2015-12-01