阻抗網絡型交流電氣彈簧的研究

湛柏明，沈佳明，黃海波，黃燦彬

（1.湖北汽車工業學院 電氣與信息工程學院，十堰 442000；2.南方電網汕尾局，汕尾 516600）

隨著經濟的快速發展，能源的重要性與日俱增。近代以來發生的石油危機使人們逐漸意識到能源緊缺的問題，所以目前各國都在尋找能源替代不可再生能源。但是，可再生能源具有一個很明顯的特點，即間歇性，這一特點限制了可再生能源的大規模并網[1]。間歇性可再生能源會使電網產生波動，波動傳輸至配電網，進而影響用電端的設備，用電設備可能因此而損壞。此外，隨著國家的推動，間歇性可再生能源裝機量逐年增加，電網的波動會不斷疊加，可能會對電網的正常運行產生威脅。因此，需要采取相應的措施以削減間歇性可再生能源產生的電網波動。2012年，電氣彈簧（electric spring，ES）這一新型的智能電網技術被提出，為解決上述問題提供了新的思路[2]。與傳統的穩定電網電壓的方式不同，電氣彈簧獨立于信息通信，其目的在于有效地控制新能源配電網的電壓波動。

1 電氣彈簧的工作原理

1.1 電氣彈簧的基本概念

機械彈簧作為一種儲能裝置，具有良好的記憶性能，還能提供機械支撐。在一定的作用力下，機械彈簧可發生彈性形變，這時候機械彈簧處于不平衡狀態，即壓縮或拉伸狀態。處于不平衡狀態的機械彈簧可以儲存一定的能量，當外作用力被撤銷時釋放彈性勢能[3]。

通過類比機械彈簧，可以由機械彈簧衍生出電氣彈簧的概念。與機械彈簧平衡、壓縮、拉伸這3 種狀態相似，圖1中電氣彈簧也具有平衡、增壓、降壓這3 種狀態，可以穩定電網電壓。其中ES 與非關鍵負載Znc組合而成的器件可以跟隨電網電壓變化，并提供功率補償以實現電壓的穩定，這一器件被稱為“智能負載”[4]。平衡狀態下，ES 不起作用，相當于被短路。當交流線電壓Us偏離其標稱參考水平Us_ref時，ES 起到調壓的作用，Unc＜Us_ref時ES 提供一個正向電壓以提升交流線電壓Us，Unc＞Us_ref時，ES 提供一個反向電壓以降低交流線電壓Us[5]。

圖1 電氣彈簧的3 種狀態Fig.1 Three states of electric spring

電氣彈簧相當于一個逆變器，如圖2所示。ES與逆變器相似，它可以與非關鍵負載串聯作為一種新型智能電網裝置，在控制策略的作用下可以根據電網內的電壓、電流等信號產生控制信號，控制信號被饋送至正弦PWM 發生器后產生PWM 脈沖波傳遞給逆變橋，逆變橋根據PWM 脈沖波實現開關器件的導通或關斷，橋臂的導通狀況決定逆變橋輸出的電壓幅值，經過LC 低通濾波器可以產生調控電壓，ES 與非關鍵負載構成智能裝置對電網電壓進行調控，使其達到標稱水平。這一過程實際上是讓非關鍵負載承擔電網的功率波動，保證了電網的穩定。由于采用電信號對電壓水平進行調控，所以這種調控方式實時性非常強，可以快速地實現供電量和用電量的平衡，其快速性更好地保障了電網的穩定。而且這一技術不需要集中控制，使用的設備也相對較少，所以經濟性較強[6]。

圖2 電氣彈簧Fig.2 Electric spring

1.2 電氣彈簧的調壓原理

如圖3所示，電氣彈簧與非關鍵負載Znc相連構成一個智能負載，在交流電壓源產生擾動電壓時，智能負載中的電氣彈簧通過控制信號調控電氣彈簧的輸出電壓，進而調節智能負載的電壓Us，使其達到標稱參考水平Us_ref，從而保證關鍵負載Zc獲得穩定的工作電壓[7]。

圖3 工作電路簡圖Fig.3 Working circuit simplified diagram

電氣彈簧吸收或釋放的功率種類由其輸出電壓和電流之間的夾角θ 決定，θ=0 時ES 吸收有功功率，θ=π 時ES 釋放有功功率，θ=±時ES 吸收無功功率，θ=-時ES 釋放無功功率，其余情況下ES 吸收或釋放混合功率[8]。本文只觀測電網的電壓水平，所以只需要將θ 控制在或-即可。

為確保電氣彈簧像理想的機械彈簧一樣是無損耗的，電氣彈簧電壓Ues和電流Ies的矢量必須垂直，電壓矢量Ues可以超前電流矢量Ies90°或延遲90°[9]。圖4中，當關鍵負載電壓Unc與交流電源標稱參考水平Us_ref相等時，Ues=0，故ES 無需工作；當關鍵負載電壓Unc小于交流電源標稱參考水平Us_ref時，Ues＞0，工作于感性模式，提供一個正向電壓與關鍵負載電壓Unc相疊加而使Us達到標稱參考水平Us_ref，此時電壓矢量Ues超前電流矢量Ies90°；當關鍵負載電壓Unc大于交流電源標稱參考水平Us_ref時，Ues＜0，工作于容性模式，提供一個反向電壓與關鍵負載電壓Unc相削減而使Us達到標稱參考水平Us_ref，此時電壓矢量Ues滯后電流矢量Ies90°。

圖4 調壓原理Fig.4 Pressure regulation principle

2 阻抗網絡型交流電氣彈簧

阻抗網絡型交流電氣彈簧本質上相當于一個準Z 源逆變器，如圖5所示，由于阻抗網絡的引入，逆變橋可以工作于直通零矢量狀態，再利用相關的控制策略對開關器件進行調控，即可實現對直流輸入電壓幅值的調整。

圖5 阻抗網絡型交流電氣彈簧Fig.5 Impedance network AC electric spring

2.1 傳統交流電氣彈簧的控制策略

傳統交流電氣彈簧有多種控制策略，比如無功補償控制法、解耦控制法、δ 角控制法等，其中無功補償控制法結構相對簡單，調控操作并不復雜，所以考慮將其應用到阻抗網絡型交流電氣彈簧中去。圖6為無功補償控制法的控制框圖，采用雙PI 控制直流電源電壓Udc和電網電壓Us的大小[10]。

圖6 無功補償控制圖Fig.6 Reactive power compensation control diagram

圖7為簡化后的無功補償控制法控制框圖，為簡化分析，直流電源為恒壓電壓源，產生的誤差較少，所以忽略其PI 控制環。當電網電壓發生波動時，其輸出電壓Us取均方根RMS 后與其標稱參考電壓水平Us_ref做比較，誤差es 經過PI 控制器進行調節，比例調節P 將誤差es 放大反應，只要這個誤差存在，P將實時進行調控將其減少，積分調節I 可以消除穩定誤差，一旦處于靜態的電網電壓Us均方根與其標稱參考電壓水平Us_ref存在誤差，積分調節I 就會產生調節作用，直到這一誤差變成0。經過PI 控制器調控后的誤差作為門極信號發生器的幅值調制信號。同時，利用電氣彈簧的輸入電流Ies作為輸入，其相角θ=±可以作為門極信號發生器的相角調制信號，這一信號經過正弦函數模塊后形成正弦波，與門極信號發生器的幅值調制信號相結合輸入門極信號發生器，門極信號發生器經過調制波的調制作用產生PWM 脈沖信號，進而控制逆變橋的輸出電壓。輸出電壓Ues與非關鍵負載電壓相結合，控制著電網電壓Us使其達到標稱參考水平。

圖7 簡化后的無功補償圖Fig.7 Simplified reactive power compensation diagram

2.2 阻抗網絡型交流電氣彈簧的控制策略

將傳統交流電氣彈簧的控制策略和阻抗型逆變器的控制策略通過一個或門相結合，再將其輸出信號送至脈沖發生器，即可產生控制信號控制阻抗網絡型交流電氣彈簧，如圖8所示。其中，產生PWM″的控制環節仍是傳統電氣彈簧的無功功率控制環節，而UP和UN分別與三角波進行比較后產生PWM脈沖，兩者通過一個與門結合后再與PWM″結合形成阻抗網絡型交流電氣彈簧的PWM 脈沖[11]。

圖8 交流電氣彈簧的控制框圖Fig.8 AC electric spring control block diagram

3 仿真驗證

3.1 傳統交流電氣彈簧穩壓

電氣彈簧可以實時跟蹤電網電壓的變化，在電網電壓偏離標稱參考水平時提供功率補償以使電網電壓穩定為Us_ref。如果單純為了穩定電壓幅值，可以采用無功補償控制法進行控制。使用Matlab/Simulink 搭建傳統交流電氣彈簧的仿真模型如圖9所示，相應的無功補償控制電路如圖10所示，該仿真用以驗證無功補償控制法的有效性。

圖9 傳統交流電氣彈簧仿真電路Fig.9 Simulation circuit of traditional AC electric spring

圖10 無功補償控制電路Fig.10 Reactive power compensation control circuit

參數設置如下：線路的電阻電感為RL=6.5 Ω，LL=1 mH，非關鍵負載的電阻電感為Rnc=50 Ω，Lnc=0.2 H，關鍵負載的電阻為Rc=50 Ω，交流電壓源電壓值可設置范圍為352 V～391 V（超過這一范圍電氣彈簧失效），可在這范圍內調控保證ES 有效作用，直流電壓源電壓值為500 V。濾波電路的電感和電容為L=60 mH，C=13.2 μF。

此設計均采用IGBT 作為逆變橋的開關器件，PI 控制器的比例環節設值為1，積分環節設值為300。

3.2 阻抗網絡型交流電氣彈簧穩壓

如圖11所示，基于傳統交流電氣彈簧的穩壓仿真，可以搭建阻抗網絡型交流電氣彈簧的仿真電路，控制電路如圖12所示。此仿真可以用來檢驗阻抗網絡型交流電氣彈簧的性能，其仿真結果可與傳統交流電氣彈簧的穩壓仿真結果相比較。

圖11 電氣彈簧仿真圖Fig.11 Electric spring simulation diagram

圖12 電氣彈簧控制電路Fig.12 Electric spring control circuit

電阻、電感和電容設值如下：RL=6.5 Ω，LL=1 mH，Rnc=50 Ω，Lnc=0.2 H，Rc=50 Ω，L=60 mH，C=13.2 μF，R=50 Ω，C1=C2=400 μF，L1=L2=15 mH。

電源設值如下：直流電壓源幅值為200 V，交流電壓源幅值為375 V。

3.3 仿真結果對比

當交流電壓源電壓幅值Ug設置為352 V 時，電網電壓Us的有效值如圖13所示，其波形如圖14所示。當電網電壓低于220 V 時，電氣彈簧開始工作，檢測到電網電壓的RMS 值為213，該值與220 相減后取絕對值進行PI 調節，輸出值與相位控制環節產生的單位正弦波相乘后產生調制波，調制波與等腰三角形載波相互作用進行調制產生PWM 脈沖波，在PWM 脈沖波的作用下，電氣彈簧與非關鍵負載構成的智能負載將電網電壓穩定在220 V，達到升壓效果。

圖13 電網電壓RMS（Ug=352 V）Fig.13 Grid voltage RMS（Ug=352 V）

圖14 Us 波形（Ug=352 V）Fig.14 Us waveform（Ug=352 V）

將Ug調至391 V，此時關鍵負載兩端電壓RMS曲線如圖15所示，其穩定后的波形仍為正弦波，如圖16所示。交流電壓源波動使電網電壓的RMS 值快速升高為237，ES 開始調節電網電壓，在PI 調節、相位控制環節的作用下產生調制波，進而產生PWM 脈沖波，逆變橋接收PWM 脈沖波后控制電氣彈簧將電網電壓穩定在220 V，實現降壓效果。

圖15 電網電壓RMS（Ug=391 V）Fig.15 Grid voltage RMS（Ug=391 V）

圖16 Us 波形圖（Ug=375 V）Fig.16 Us waveform diagram（Ug=375 V）

將交流電壓源電壓幅值設置為375 V 后進行仿真，圖17為電網電壓RMS 曲線，圖18為電網電壓的波形圖。

圖17 電網電壓有效值（Ug=375 V）Fig.17 Effective value of grid voltage（Ug=375 V）

圖18 Us 波形（Ug=375 V）Fig.18 Us waveform（Ug=375 V）

3.4 阻抗網絡型交流電氣彈簧穩壓仿真結果

圖19為電網電壓的有效值曲線，其波形如圖20所示。可以看出，在阻抗網絡型交流電氣彈簧的作用下，電網電壓由227 V 降低至220 V，具有穩壓效果。逆變器直流側輸入電壓波形圖及其局部放大圖，如圖21和圖22所示。可見，準Z 源逆變器的阻抗網絡確實具有升壓作用，在此系統中其直流電壓放大倍數約為

圖19 電網電壓RMS（Ug=375 V）Fig.19 Grid voltage RMS（Ug=375 V）

圖20 Us 波形（Ug=375 V）Fig.20 Us waveform（Ug=375 V）

圖21 輸入電壓波形（Ug=375 V）Fig.21 Input voltage waveform（Ug=375 V）

圖22 局部放大波形Fig.22 Partial voltage waveform

4 結語

通過傳統電氣彈簧的穩壓仿真、阻抗網絡型電氣彈簧的穩壓仿真，可以得出結論：傳統電氣彈簧確實具有穩定電網電壓的能力，但是采用阻抗網絡的電氣彈簧可以利用阻抗網絡和占空比調節環節實現直流側的升壓，其所需電壓比傳統交流電氣彈簧逆變器直流側電壓更小，有更經濟的穩壓效果。