基于電力彈簧技術的末端光伏并網的電壓調節技術研究

高鹿斐，張翔

（國網大同供電公司，山西大同，037000）

0 研制背景及意義

目前，分布式光伏發展迅猛，越來越多的終端用戶成為了微型太陽能電站。而由于低壓電力線路的阻抗和阻感均較大，在傳輸有功功率的時候必然會造成輸電路上的損耗。在終端用戶向電網倒送電時，為保證電網電壓幅值正常，終端用戶末端電壓必然偏高，從而導致故障報警、逆變器停機保護，影響光伏收益；當光伏并網終端用戶向電網取電時，會出現終端用戶末端電壓偏低的現象，對家用電器造成損傷。

針對這一問題，本文探索提出一種基于電力彈簧技術的電壓調節裝置。電力彈簧能夠自動地發出或吸收功率來維持電壓穩定，能起到平抑光伏發電波動性的作用，是一種全新的控制思路。在以往電力彈簧技術方案的基礎之上，本文提出將電力彈簧裝置與終端用戶電力負荷串聯后再接到低壓配電網絡的饋線上。這種設計能同時解決光伏并網終端用戶電力負荷端電壓偏高和偏低兩方面的問題，并且具有調節性能好、成本較低、容錯性強等優點。

1 工作原理

■1.1 電力彈簧基本原理

許樹源2012 年提出“Electric Spring”（ES）的概念及其具體裝置[1]，即電力彈簧。電力彈簧的原理類似于機械彈簧裝置，機械彈簧主要起到緩沖壓力和拉伸的作用，電力彈簧則起到緩沖電壓的作用。

電力彈簧將機械彈簧的壓縮、平衡和拉伸狀態對偶至電力領域。在無功補償狀態時，電力彈簧會根據運行環境處于感性、阻性和容性狀態，以起到平衡電壓的作用。當電力彈簧的電流滯后電壓90°時，電力彈簧處于感性狀態；相反，當電力彈簧電流超前電壓90°時，電力彈簧處于容性狀態；感性到容性的過渡階段則為電力彈簧的阻性狀態，此時電流和電壓的相位基本一致，且電壓接近于0。其中，當電網電壓處于正常值時，電力彈簧表現為阻性狀態，高于正常值時，電力彈簧表現為感性狀態，低于正常值時，電力彈簧表現為容性狀態。

■1.2 PI 調節器原理

為減小直流電壓附加控制電路的誤差，在電路中加入PI 調節器。PI 調節器通過計算實際輸出值與給定值的偏差，并線性組合偏差的比例（P）和積分（I），從而構成控制量對被控對象進行調節。其傳遞函數為GPI(s)=KP+Ki/s 。系統一旦出現了偏差，PI 調節器的比例環節（KP）將按比例對直流電壓附加控制電路系統的偏差作出反應，積分環節（Ki）則消除直流電壓附加控制電路系統的穩態誤差。KP越大，調節越快，但KP過大會使系統的穩定性下降，造成系統的不穩定。Ki越小，積分作用就越強，但Ki過小會導致動態響應變慢[2]。

■1.3 PR 調節器原理

為實現對信號的無靜差跟蹤，需要將信號模型嵌入控制器。由于PI 積分環節的傳遞函數為1/s，所以PI 只能無靜差跟蹤階躍信號。為實現無靜差跟蹤交流正弦信號，需采用PR 控制器。為準確跟蹤輸入信號，需要在ES-VR 輸出電壓雙閉環控制電路中加入PR 調節器環節，同時實現了對參考電壓的相位控制。

PR 調節器由比例控制器和諧振控制器組成。理想PR控制器在一定ω0下，增益趨向于無窮大時，可實現對交流信號的無靜差跟蹤[3]。但由于增益增大會破壞系統的穩定性，采用準PR 調節器，其傳遞函數為：

■1.4 鎖相環原理

鎖相環路主要實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，利用外部輸入的參考信號控制環路內部振蕩信號的頻率和相位。鎖相環通常包括鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器。工作過程為，鑒相器根據輸入信號Ui與輸出信號UO鑒別出相位差，并輸出誤差電壓Ud。環路濾波器將Ud中的噪聲和干擾成分濾除，形成壓控振蕩器的控制電壓Uc。壓控振蕩器受到Uc的作用，將輸出振蕩頻率f0拉向環路輸入信號頻率fi，當兩者頻率相等時，輸出與輸入電壓保持固定的相位差值，此時輸出與輸入電壓的相位被鎖住，即環路被鎖定[4]。

2 設計方案及用途

■2.1 整體設計方案

為保證光伏并網終端用戶電力負荷的端電壓穩定，設計了一種基于電力彈簧技術的末端光伏并網終端用戶的電壓調節裝置。具體并網方式如圖1 所示，將光伏終端用戶的光伏發電單元、終端用戶電力負荷均通過低壓電力線路連接到配電網中，ES-VR 則與終端用戶電力負荷串聯。

圖1 終端用戶并網示意圖

ES-VR 主要由主電路和控制電路組成。其中，主電路的功能主要是根據終端用戶末端電網電壓的變化來控制終端用戶電力負荷的端電壓；控制電路的功能主要是通過采集終端用戶末端電網和電力負荷等相關信息來輸出主電路工作所需的功率管驅動信號。

■2.2 主電路部分

ES-VR 主電路部分由單相全橋逆變電路、直流濾波電容CDC、交流濾波電感L組成。并且，ES-VR 與終端用戶電力負荷ZS串聯連接。所述全橋逆變電路包括四個功率管S1、S2、S3、S4。具體主電路設計如圖2 所示。

圖2 電壓調節裝置 ES-VR 的主電路設計圖

圖2 中，終端用戶電力負荷端電壓為US，終端用戶電力負荷輸入電流為iS，終端用戶末端電網電壓為UO，所述電壓調節裝置ES-VR 的交流濾波電感電流為iL，ES-VR 的直流電容電壓為UDC，ES-VR 的輸出電壓為UES。

主電路的設計是為了將終端用戶電力負荷端電壓為US被控制在規定的范圍內。當光伏并網終端用戶向電網倒送電而引起UO偏高時，ES-VR 通過吸收無功功率來維持終端用戶電力負荷端電壓US的穩定；當光伏并網終端用戶向電網取電而引起UO偏低時，ES-VR 通過發出無功功率來維持US的穩定。

■2.3 控制電路部分

（1）控制電路設計及相關計算

ES-VR 的控制電路部分包括：直流電壓附加控制系統、鎖相環電路、電壓有效值計算電路（RMS）、功率計算電路、功率因數計算電路、ES-VR 參考電壓幅值計算電路、ES-VR參考電壓相角差計算電路、ES-VR 參考電壓基波合成電路、ES-VR 輸出電壓雙閉環控制電路、脈寬調制電路（SPWM）。具體控制電路的設計如圖3 所示。

圖3 電壓調節裝置 ES-VR 的控制電路設計圖

該控制電路首先采集主電路中的終端用戶電力負荷端電壓uS、終端用戶電力負荷輸入電流iS、終端用戶末端電網電壓UO、ES-VR 的交流濾波電感電流iL、ES-VR 的直流電容電壓UDC；并根據所述裝置正常工作范圍要求，得到ES-VR 直流電容電壓給定值UDCref和終端用戶電力負荷額定電壓值UN。

（2）控制電路原理

根據不同的電網電壓，ES 可以通過表現為容性或者感性與電網進行無功能量交換。當Ues=0時，ES處于阻性模式，將此時的Us定義為終端用戶負載電壓參考值UN；當電網電壓高于UN時，ES 處于感性模式；當電網電壓低于UN時，ES 處于容性模式。為得到統一的表達式，取σ為Ues超前于U0的角度，故容性模式下，σ實際取值為σ角的負值。

當終端用戶末端電網電壓U0的幅值偏高時，使PR 控制器的給定參考正弦波Ues的相位超前電網電壓U0一個相位，從而控制相量的相位超前相量相位90°，此時ES-VR 吸收無功功率來維持終端用戶電力負載電壓Us的穩定（感性模式）；當終端用戶末端電網電壓U0的幅值偏低時，同樣使PR 控制器的給定參考正弦波Ues的相位超前電網電壓U0一個相位σ，從而控制相量的相位滯后相量相位90°，此時ES-VR 發出無功功率來維持終端用戶負載電壓Us的穩定（容性模式）。

3 ES 仿真結果及性能分析

為驗證電力彈簧裝置的工作性能，搭建Matlab/Simulink 仿真模型，其中，主電路仿真模型如圖4所示，主要電路參數見表1。

表1 仿真電路部分參數

圖4 主電路仿真模型圖

在仿真中，通過模擬白天的工況來驗證電力彈簧的調壓能力。設定光伏并網系統向饋線注入的無功功率趨近于0，注入的有功功率在0.15s 時由510W 增加到970W，在0.3s 時又降到510W。得到在整個過程中ES 的輸出電壓的有效值的變化、ES 的有功及無功功率變化、終端用戶負載及終端用戶末端電網電壓有效值的變化如圖5 所示。

圖5 仿真模擬結果

在光伏并網系統向饋線注入的有功功率增加過程中，圖5(c)顯示，終端用戶末端電網電壓隨光伏功率的增加而增大，而終端用戶端負載電壓僅有突變脈沖，基本保持不變；圖5的波形圖也顯示，光伏并網端電壓在0.15s～0.3s 時間段振幅增大，而終端用戶負載電壓和負載電流僅在0.15s 和0.3s分別以略大和略小的幅值振動了一個周期，隨即變回原來的幅值。

由圖5(a)、圖5(b)知，光伏功率增大時，電力彈簧迅速反應，ES 輸出電壓增大，吸收無功功率，處于感性工作模式，以抑制終端用戶負載電壓隨光伏功率的變化，維持了終端用戶負載電壓的穩定。

由以上仿真結果可知，結論與理論分析一致。電力彈簧具有很好的維持終端用戶端負載電壓電流穩定的性能。

4 總結及應用前景

加入電力彈簧可以減少系統的電壓波動現象，大幅改善電力系統的供電電能質量。該裝置的特殊接線方式能同時解決終端用戶末端電網電壓偏高和偏低兩方面問題，總能夠保持終端用戶電力負荷的端電壓幅值基本不變，減少不穩定電壓對終端用戶家用電器的損傷。相比于傳統配置所采用的無功補償來減小電壓波動的方法，此電壓調節裝置具有可連續調壓、調節能力更強等優點。裝置的體積和容量小，分布式控制使其可以廣泛分布于微電網中，容錯能力強；即插即用，操作簡單，且成本較低。

同時，該電力彈簧裝置解決了光伏供電末端終端用戶負載電壓的穩定性問題。隨著各種復雜的、精密的、對電能質量敏感的用電設備不斷普及，在光伏發電愈加盛行的今天，此電力彈簧裝置具有很大的應用空間。