詹 俊， 趙朝會， 卓克瓊， 王輝航

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

電氣彈簧技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

詹 俊， 趙朝會， 卓克瓊， 王輝航

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

針對新能源發(fā)電并網(wǎng)造成需求側(cè)電網(wǎng)電壓波動的問題，一種基于胡克定律的新型智能電網(wǎng)技術(shù)——電氣彈簧(ES)已被提出。系統(tǒng)闡述了電氣彈簧的基本原理，歸納了已有的拓撲結(jié)構(gòu)，分析了ES的相關(guān)控制方式，探討了ES技術(shù)存在的缺陷，總結(jié)了該技術(shù)的發(fā)展趨勢和研究方向。

功率平衡; 電壓波動; 電氣彈簧; 拓撲結(jié)構(gòu); 控制方式

新能源發(fā)電的不穩(wěn)定會造成電網(wǎng)功率的不平衡，引起電壓波動[1-2]等一系列問題,如：損壞設(shè)備絕緣，縮短設(shè)備使用壽命;電動機、變壓器空載損耗過大;電壓波形畸變;無功補償裝置補償效果降低，增加網(wǎng)絡(luò)線損等。目前就解決電網(wǎng)電壓波動問題的方法主要有兩類:① 利用蓄電池、超導、超級電容、飛輪等儲能裝置來消除電壓波動;② 利用靜止無功補償器(Static Var Compensator，SVC)[3-4]、靜態(tài)無功發(fā)生器(Static Var Generator，SVG)[5]等無功補償裝置來穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。

為了更好地解決未來分布式智能電網(wǎng)中功率不平衡所引起的電壓波動問題，2012年，香港大學Shu Yuen (Ron) Hui課題組在機械彈簧胡克定律的基礎(chǔ)上，首次提出了電氣彈簧(Electric Spring, ES)的概念[6]。 目前,國內(nèi)、外學者已對ES技術(shù)展開了相關(guān)研究。文獻[6-11]中探究了運用在交流電網(wǎng)中，ES的拓撲結(jié)構(gòu)及其基本原理；文獻[12-15]中則對運用在直流電網(wǎng)中的串/并聯(lián)ES的基本原理、拓撲結(jié)構(gòu)展開了深入的研究;文獻[16]中基于已有的拓撲結(jié)構(gòu)，首次提出了ES的統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)闡明了其工作原理;文獻[17-48]中介紹了ES可實現(xiàn)的功能及其相關(guān)控制方式，其控制方式從只能實現(xiàn)單一功能向多個功能同時實現(xiàn)的方向發(fā)展;文獻[49]中研究了在孤島運行下，運用ES來提升微網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的能力。

本文對目前國內(nèi)、外現(xiàn)有文獻進行了分析，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)闡述了ES的基本原理，歸納了其拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方式，總結(jié)了ES技術(shù)的研究現(xiàn)狀和存在的缺陷，探討了ES的發(fā)展趨勢和研究方向。

1 ES的基本原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

ES是由功率變換器(DC/AC變換器、AC/DC/AC變換器、DC/DC變換器)和LC低通濾波器構(gòu)成。圖1所示為采用DC/AC變換器的ES基本拓撲結(jié)構(gòu)。在實際電網(wǎng)中,ES與非關(guān)鍵負載Znc串聯(lián)形成智能負載來保證關(guān)鍵負載Zc的穩(wěn)定運行。

(a) ES結(jié)構(gòu)圖

圖中，Zc為對電壓波動敏感的負載，Znc為輸入電壓范圍較大的負載;UES為ES輸出電壓;q為ES輸出電容C兩端的電荷量;IES為流進電容C的電流;IL為ES中逆變器的輸出電流;Inc為電網(wǎng)中流進ES的電流;Ug為母線電壓。

1.2 基本原理

當電網(wǎng)電壓在一定的范圍內(nèi)波動時,ES能作為功率補償器來穩(wěn)定輸入電壓Us，其理想值為Us_ref,其輸出功率由兩端電壓UES和流入電流Inc的乘積所決定，其具體物理關(guān)系式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,C、q分別為ES輸出電容值和兩端電荷量;|SES|、|UES|、|Inc|分別為ES的輸出功率、輸出電壓、流進ES的電流的幅值;θES、φES、φnc為ES的輸出功率、輸出電壓及流進ES中電網(wǎng)電流的相角。

根據(jù)式(1)～(3)可知，ES可視為一個受電流控制的電壓源(CCVS)，通過調(diào)節(jié)電流IES改變其輸出電壓UES，使其輸出不同類型的功率。其有9種功率補償模式：① 當θES=0時，ES吸收有功功率(+PES)，為阻性模式;② 當0<θES<π/2時，ES吸收有功和無功功率(+PES+jQES)，為阻感性模式;③ 當θES=π/2時，ES吸收無功功率(+jQES),為感性模式；④ π/2<θES<π時，ES釋放有功功率、吸收無功功率(-PES+jQES)，為負阻感性模式；⑤ 當θES=π時，ES釋放有功功率(-PES)，為負阻性模式;⑥ π<θES<3π/2時，ES釋放有功和無功功率(-PES-jQES)，為負阻容性模式;⑦ 當θES=3π/2時，ES釋放無功功率(-jQES)，為容性模式;⑧ 當3π/2<θES<2π時，ES吸收有功功率、釋放無功功率(+PES-jQES)，為阻容性模式；⑨ 在交流電網(wǎng)中， 當IL+Inc=0時，ES不提供功率補償(0)，為短路模式。

當電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，ES會起作用，通過變化的電壓UES釋放/吸收功率以穩(wěn)定輸入電壓，故當Us=Us_ref時，Znc兩端的電壓Unc發(fā)生變化，直接導致Znc吸收的功率發(fā)生改變。

(1) ES未起作用前,

Us=Unc

(6)

(7)

(2) ES起作用后,

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，Pin為電網(wǎng)向Zc、Znc釋放的有功功率;Re為復數(shù)的實部;PES為ES輸出的有功功率;P1、P2分別為Zc、Znc吸收的有功功率。

由式(6)～(11)可知，當Pin不能同時滿足P1、P2的功率需求時，ES作為補償器除了輸出功率來穩(wěn)定Zc的電壓外，還將電網(wǎng)電壓的波動轉(zhuǎn)移至Znc上。這種使Znc電壓隨電網(wǎng)變化而變化的運行方式克服了新能源發(fā)電量不可預測的缺點，實現(xiàn)了用電量隨發(fā)電量變化而變化的新型運行模式。

因此，ES是一種讓Znc功率隨電網(wǎng)波動、保證Zc電壓、功率穩(wěn)定的器件。

2 ES的拓撲結(jié)構(gòu)

迄今為止，ES的拓撲結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了3個階段的發(fā)展,并在此基礎(chǔ)上得出了ES的統(tǒng)一拓撲圖。

2.1 第1代ES(ES-1)

圖2為第1代ES拓撲圖。由于逆變器直流側(cè)儲能元件是電容，且其內(nèi)部只有電感、電容這類吸收/釋放無功功率的儲能元件，故第1代ES(ES -1)只能進行無功功率補償。當UsUs_ref時，ES吸收無功功率來降低Us至Us_ref;當Us=Us_ref時，ES進入短路模式。雖然ES -1無法向電網(wǎng)釋放有功功率，但當Us調(diào)至Us_ref時，能夠保證Zc的功率平衡，并將電網(wǎng)中有功功率的波動轉(zhuǎn)移至Znc。

圖2 第1代ES結(jié)構(gòu)圖

因此，ES -1是一個不吸收電網(wǎng)能量，通過無功功率補償來管理輸入電壓，并將電網(wǎng)上有功功率波動轉(zhuǎn)移至Znc的無功補償器。

2.2 第2代ES(ES-2)

如圖3所示，第2代ES(ES -2)在ES -1的基礎(chǔ)上于逆變器直流側(cè)添加了電池儲能。在電池的作用下，ES -2能夠向電網(wǎng)釋放有功功率，通過改變UES與Inc的夾角,第2代交流ES可以向電網(wǎng)釋放9種類型的功率、第2代直流ES可以釋放3種類型的功率來保證電網(wǎng)功率的平衡，從而提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。在ES -2混合功率補償?shù)淖饔孟拢鋵崿F(xiàn)的功能更加豐富，如穩(wěn)定電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)校正、消除電壓畸變等，補償效果也更好。

圖3 第2代ES結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 交流ES 交流ES可分為單相交流ES和三相交流ES兩種。

(1) 單相交流ES。除圖3所示的ES外，圖4所示的ES拓撲也適用于單相交流網(wǎng)，該結(jié)構(gòu)能通過改變變壓器一、二次側(cè)匝數(shù)比n來調(diào)節(jié)Znc兩端的電壓。其工作原理與ES -2相似，通過向節(jié)點釋放/吸收功率來穩(wěn)定輸入電壓。

(2) 三相交流ES。基于第2代ES的拓撲理念將其運用于三相交流電網(wǎng)中，形成圖5所示的三相ES拓撲結(jié)構(gòu)。

圖4 新型單相ES拓撲圖

圖5 三相ES結(jié)構(gòu)圖

三相ES的輸出電壓可以通過變壓器匝數(shù)比來改變，其工作原理與ES -2相似，通過向電網(wǎng)釋放/吸收混合功率來緩解因三相功率不平衡帶來的問題，如平衡三相電網(wǎng)電流和功率、減小中性線電流等，從而保證三相電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

其次，可以分別在地理信息管理服務(wù)器與ETL服務(wù)器中構(gòu)建起Quartz任務(wù)管理工具和GEOKettle數(shù)據(jù)抽取融合工具，再對每天的數(shù)據(jù)進行提取、轉(zhuǎn)換、更新等，GEOKettle工具的主要作用是對任務(wù)進行具體實施。

2.2.2 直流ES 主要包括DC/AC和DC/DC變換器下的ES兩種。

(1) DC/AC變換器下的ES。在交流電網(wǎng)中，ES -2通過向節(jié)點釋放/吸收無功功率來穩(wěn)定輸入電壓；但在直流網(wǎng)中，ES -2通過向節(jié)點釋放/吸收有功功率來穩(wěn)定輸入電壓。直流電網(wǎng)中的直流ES可分為與Znc串、并聯(lián)兩種類型，簡稱串聯(lián)型和并聯(lián)型ES，如圖6所示。Znc可分為正恒定電阻(+R)、負恒定負載(-R)、正恒功率負載(+P)、負恒功率負載(-P)4類。

由圖可見，

(12)

由式(12)可見，直流ES是通過改變Io來改變輸入電壓Us的。

(a) 串聯(lián)型ES

(b) 并聯(lián)型ES

在圖6(a)中，當Us>Us_ref時，ES吸收有功功率來提升Znc的電壓，降低Us至Us_ref；當Us

在圖6(b)中，并聯(lián)ES已無需串聯(lián)Znc，直接通過調(diào)節(jié)IL來穩(wěn)定Us，可視其為一個受電流控制的電流源(CCCS)。當Us>Us_ref時，ES吸收有功功率以降低Is，從而使Us恢復至Us_ref；當Us

上述的直流ES在管理輸入電壓時，其充放電情況如下：

① 升壓-放電過程。ES需向電網(wǎng)釋放有功功率來調(diào)節(jié)Us至目標值。該過程出現(xiàn)在母線電壓Ug下降至很低時，對于串聯(lián)型ES，此時UES>Us，ES向電網(wǎng)供電；對于并聯(lián)型ES，通過向電網(wǎng)輸送能量增加Is來提升Us，此過程中，UES=Us。

③ 降壓-放電過程。ES向電網(wǎng)輸出功率的同時降低Us。對于串聯(lián)型ES，通過輸出反向電壓來提高智能負載功率,此時Unc>Us,Is減小，從而使Us恢復到目標值。而并聯(lián)型ES不能實現(xiàn)此過程。

④ 降壓-充電過程。ES通過吸收電網(wǎng)能量來抑制過高的Us。在此過程中，并聯(lián)型ES處于充電狀態(tài)，Is減小，使Us恢復到目標值。對于串聯(lián)型ES，如果Znc為正電阻(+R)，則不能實現(xiàn)此過程。

(2) DC/DC變換器下的ES。為提高ES直流側(cè)電池的使用效率，增加其功率密度，文獻[15]中通過運用DC-DC變換器提出了一種新型直流ES，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 DC/DC變換器下的直流ES

由圖7可知，DC/DC變換器下的ES由雙向移相全橋變換器、雙向Buck-Boost變換器、H橋電路3個部分組成。其中，雙向移相全橋變換器的作用如下：當Us>Us_ref時，輸出一個與IES方向相同的電壓來吸收電網(wǎng)功率，從而減小Ig使得Us降至參考值；反之亦然。運用DC/DC高頻變換器的優(yōu)點在于可以減小ES的體積，提高其功率密度。而雙向Buck-Boost電路和H橋的作用在于防止電池出現(xiàn)過壓和欠壓的情況，其中，H橋的作用是改變流進Buck-Boost電路輸出端電流的方向。在圖8中，當Us>Us_ref時，電池處于充電狀態(tài)，其充電電流為Icharge，同時,雙向Buck-Boost變換器向電網(wǎng)釋放一定的功率來防止電池過壓，Inc經(jīng)H橋作用后其電流方向與Buck電路輸出電壓方向相反。

當電池以欠壓狀態(tài)充電時，為使電壓快速上升至安全值，此時雙向Buck-Boost變換器中Boost電路開始作用，吸收電網(wǎng)能量，其工作原理如圖9所示。經(jīng)過H橋作用后的Inc方向與Uout相同。

圖8 正常情況下，ES降壓原理圖

圖9 非正常情況下，ES降壓原理圖

當Us

圖10 正常情況下，ES升壓原理圖

當電池以過壓狀態(tài)開始放電時，為保證其電壓快速降至安全值，在向電網(wǎng)釋放功率增加Us至Us_ref的同時，Buck電路開始作用，向電網(wǎng)釋放能量。其工作原理圖如11所示。

綜上所述，ES -2是一個可以吸收電網(wǎng)能量、通過混合功率補償來穩(wěn)定電網(wǎng)的功率補償器。

圖11 非正常情況下，ES升壓原理圖

2.3 第3代ES(ES-3)

如圖12所示，第3代ES(ES -3)直流側(cè)用一個連接電網(wǎng)的逆變器來代替電池儲能，其工作原理與ES -2相似，通過向節(jié)點釋放/吸收無功功率來穩(wěn)定電壓Us，可以視ES -3是一個不吸收電網(wǎng)能量、通過混合功率補償來穩(wěn)定電網(wǎng)的功率補償器。

圖12 第3代ES結(jié)構(gòu)圖

2.4 ES的統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)

圖13為ES的統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)變換器開關(guān)(Up、UN、Vp、VN、Wp、WN)開通狀態(tài)的不同可實現(xiàn)3種工作模式，分別為串聯(lián)型補償模式、串-并聯(lián)型補償模式、并-并聯(lián)型補償模式。

圖13 ES統(tǒng)一結(jié)構(gòu)圖

2.4.1 串聯(lián)型補償模式 在串聯(lián)型補償模式下，V橋臂上、下開關(guān)都處于斷開狀態(tài)，U、W橋臂形成的變換器與濾波器組成的ES串接在交流電源和Znc之間，其結(jié)構(gòu)簡圖如14所示。

圖14 串聯(lián)型補償模式下系統(tǒng)簡圖

該模式下的ES與ES -1相似，由于其內(nèi)部只有電感/電容，因此，只能向電網(wǎng)釋放/吸收無功功率來穩(wěn)定Us。當UsUs_ref時，其輸出一個超前電流90°的電壓來吸收無功功率。因此，可以視該模式下的ES是一個無功補償器。

2.4.2 串-并聯(lián)型補償模式 在串-并聯(lián)型補償模式下，ES中U、W橋臂下的變換器與Znc串聯(lián)，U、V橋臂構(gòu)成的變換器與交流電源并聯(lián),其中,U、V橋臂構(gòu)成的變換器其整流輸出作為U、W變換器的直流輸入，其結(jié)構(gòu)簡圖如15所示。

圖15 串-并聯(lián)型補償模式下系統(tǒng)簡圖

其工作原理與ES -2類似，U、V橋臂整流后的直流源通過U、W橋臂向電網(wǎng)釋放/吸收功率來穩(wěn)定Us；此外，在穩(wěn)壓的同時,串聯(lián)型逆變器能將多余的能量反饋給電網(wǎng)。此模式下的ES是一個不提供能量、通過混合功率補償來穩(wěn)定電網(wǎng)的補償器。

2.4.3 并-并聯(lián)型補償模式 在并-并聯(lián)型補償模式下，U、V橋臂組成變換器與電源Us并聯(lián)，V、W橋臂組成第2個變換器與Znc并聯(lián)，其結(jié)構(gòu)簡圖如16所示。

圖16 串-并聯(lián)型補償模式下系統(tǒng)簡圖

將U、V橋變換器整流交流電壓Us作為V、W橋變換器的直流源，其工作原理類似ES -2中的并聯(lián)ES,通過V、W橋變換器向電網(wǎng)釋放/吸收功率來增加/減小Inc，從而實現(xiàn)Us的穩(wěn)定?？梢砸曉撃Ｊ较碌腅S是一個不提供能量、通過改變Inc來穩(wěn)定電網(wǎng)的補償器。

由上可知,隨著研究地不斷深入，ES的拓撲結(jié)構(gòu)從需要將波動轉(zhuǎn)至Znc到無需Znc、需要電池儲能到無需儲能的方向發(fā)展。

3 ES的控制方式

隨著拓撲結(jié)構(gòu)的變化，ES的控制方式也在不斷發(fā)展。迄今為止，主要有以下6種控制方式。

3.1 無功補償穩(wěn)壓控制法

圖17所示為ES -1控制框圖，其結(jié)構(gòu)相對簡單，主要設(shè)計了2個閉環(huán)來實現(xiàn)需求側(cè)電壓的管理。其中，一個閉環(huán)管理直流環(huán)節(jié)電壓UDC的大小，另一個閉環(huán)控制電網(wǎng)Us的大小，這兩個閉環(huán)的合成作用是管理ES的電壓幅值|UES|及其相角θES。該控制方法在管理輸入電壓時，并不能控制智能負載的功率角，而是隨著需求側(cè)電壓的變化而變化。

圖17 無功補償穩(wěn)壓控制框圖

3.2 解耦控制法

與ES -1相比，ES -2通過釋放混合功率來提升其控制的靈活性。通過采用如圖18所示的dqo分解方法對智能負載的電流進行解耦控制，使得其控制自由度高于無功補償穩(wěn)壓控制法。d、q軸電流能夠被獨立、自由地控制。在該控制策略下，d、q軸的電流分量由智能負載功率角和電流的期望值決定，即φs1_ref、|Is1_ref|的大小決定d、q軸電流?？刂破髟陂_環(huán)情況下只能改善功率因數(shù)而不具備管理電網(wǎng)電壓的能力。為了同時具備功率因數(shù)校正和管理電網(wǎng)的能力，需在控制電路中，增加一個PI控制環(huán)節(jié)形成閉環(huán)電路來控制輸入電壓(見圖18中虛線框)。當智能負載的相角φs1_ref發(fā)生改變時，d、q軸的電流也會有相應(yīng)調(diào)整。同樣地，在管理Us的過程中，d、q軸的電流也會同時變化。

圖18 解耦控制框圖

3.3δ角控制法

圖19所示為δ角控制框圖。這種控制為了同時實現(xiàn)功率因數(shù)校正和電壓管理的目的，采用了一個電感電流控制內(nèi)環(huán)和一個需求側(cè)電網(wǎng)電壓控制外環(huán)的方法。δ角控制法的實現(xiàn)需要一些元件的電參數(shù)，如關(guān)鍵負載Z2和非關(guān)鍵負載Z3的線路阻抗、線阻抗R1和L1、發(fā)電側(cè)和需求側(cè)電壓的有效值|Ug|與|Us|,以及發(fā)電側(cè)電壓的頻率ω。對于不同類型的關(guān)鍵負載，感性a、容性b、阻性m的表達式也會隨之變化。

圖19 δ角控制框圖

3.4 輻射-弦分量控制法

圖20所示為輻射分量和弦分量解耦控制框圖。這種控制適合內(nèi)嵌到獨立的設(shè)備中，它的實現(xiàn)需要當?shù)匦枨髠?cè)電壓的幅值|Us|、智能負載相位φs1及Znc的功率角φ1。其優(yōu)點在于僅需一個PI控制器即可實現(xiàn)電壓管理，而功率因數(shù)校正則在其開環(huán)模式下就能實現(xiàn)。

圖20 輻射-弦分量控制框圖

3.5 諧振控制法

圖21所示為諧振(Proportional Resonant，PR)控制框圖。這是一種相位控制算法，在控制環(huán)路中考慮了電網(wǎng)電壓的擾動，諧振控制器結(jié)合電網(wǎng)電壓前饋的控制使得ES既可以作為無功發(fā)生器保證Zc電壓的穩(wěn)定，又能將電壓的波動釋放給Znc。

3.6 極點控制法

圖22所示為極點控制框圖。這種控制目前只運用于ES -3，控制ES視在功率的幅值和相角。由于它不能解耦智能負載視在功率的幅值和相角，故當前不能用在ES -1和ES -2上。

(a) 控制系統(tǒng)框圖

(b) 簡化后的閉環(huán)控制框圖

圖22 極點控制框圖

4 ES的特點

4.1 ES的優(yōu)點

(1) 與蓄電池只能提供單向電壓相比，ES能夠通過吸收或釋放無功功率來產(chǎn)生雙向電壓，類似機械彈簧在壓縮和伸展狀態(tài)下產(chǎn)生2個方向的力。

(2) 與超導、超級電容、飛輪等高額儲能器件相比，ES成本較低。

(3) 與傳統(tǒng)無功補償裝置相比，ES不僅能夠進行有功功率和混合功率補償，而且能夠提供更少的無功功率來調(diào)節(jié)輸入電壓至目標值[50]。

(4) 在運行模式上，傳統(tǒng)的無功補償設(shè)備基于現(xiàn)有的運行模式，即先確定用電負荷的需求量,再提供相應(yīng)的功率補償；而ES打破了現(xiàn)有的運行模式，直接通過跟蹤輸入電壓來進行功率補償，從而調(diào)節(jié)電壓至目標值。

(5) 在容量上，傳統(tǒng)無功補償器是集中式補償?shù)拇笕萘科骷?，而ES雖然是分布式補償?shù)男∪萘抗β恃a償器，但是當它遍布電網(wǎng)時，其整體的補償能力能夠保證需求側(cè)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定[50]。

4.2 ES研究的不足

(1) 在研究ES的工作模式和穩(wěn)態(tài)特性時，未能一并考慮輸電線路負載和關(guān)鍵負載的影響。

(2) 當智能負載并聯(lián)不同類型的關(guān)鍵負載時，未能對ES的工作特性作出相關(guān)分析。

(3) ES存在著電壓補償范圍的問題[18]。

(4) 在對ES統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)的分析中，未能對并-串聯(lián)補償模式進行分析。

(5) 文獻[9]中，研究了當變壓器二次側(cè)的電壓與非關(guān)鍵負載極性相反時，會出現(xiàn)非關(guān)鍵負載電壓超出安全工作范圍的情況，但未能給出非關(guān)鍵負載工作在安全范圍時，變壓器線圈匝數(shù)比的工作范圍。

5 ES的發(fā)展趨勢和研究方向

ES概念的提出，引起了大家對管理需求側(cè)電網(wǎng)電壓問題的重視，但這種新型智能電網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)也帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，未來還需做以下研究。

(1) ES的集中式效應(yīng)。為達到穩(wěn)定電網(wǎng)的目的，分布式電網(wǎng)中可能會安裝成千上萬個ES，而ES中逆變器采用的脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)控制將產(chǎn)生高頻開關(guān)諧波,影響電能質(zhì)量；而目前的控制算法不可能通過一個ES實現(xiàn)所有的功能，必然由不同的ES分別承擔不同的任務(wù)；且由于電網(wǎng)中不同節(jié)點處的電壓值不同，ES的補償情況也不同，因此，諧波污染和ES間協(xié)調(diào)工作的問題有待深入研究。

(2) ES的補償范圍。ES的輸出電壓主要由其直流側(cè)的電壓UDC決定。UDC的大小決定了ES補償能力的范圍。由于目前ES主要工作在電網(wǎng)的需求側(cè)，其輸入電壓的等級較低，故能夠滿足其補償要求；但未來如果需要改善高壓線路上的電能質(zhì)量問題，則需要提出新的措施來提高ES的補償能力。

(3) 電池問題。目前ES的統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)在補償輸入電壓、使其下降到很低點的能力，不如在直流側(cè)添加儲能電池的ES。未來ES的直流側(cè)如果需要使用電池，則電池處理是需要解決的問題。目前，實驗中電池組的電壓值往往大于電網(wǎng)輸入電壓，其中，在交流電網(wǎng)中，若關(guān)鍵負載理想電壓為22 V，則電池組電壓為36 V；若關(guān)鍵負載理想電壓為110 V，則電池組電壓為240 V；關(guān)鍵負載理想電壓為120 V，則電池組電壓為240 V；若關(guān)鍵負載理想電壓為220 V，則電池組電壓為250 V；在直流網(wǎng)中：母線理想電壓為48 V，則實驗電池組電壓為108.89 V。

由上述數(shù)據(jù)可見，隨著母線電壓等級的增加，ES直流側(cè)的電壓也在上升。這就對電池質(zhì)量提出了要求。電池電壓等級的上升不僅產(chǎn)生安全產(chǎn)生隱患，而且對環(huán)境也造成影響。

(4) 理論完善。目前，ES的基本理論日趨成熟，但是，在不同的電路環(huán)境下，使用不同類型的ES時，其工作狀態(tài)的分析仍未成熟，其理論分析還有待進一步完善。

(5) 控制方式。雖然目前對ES的控制有許多方式，但是，還沒有一種穩(wěn)定輸入電壓、同時保護非關(guān)鍵負載正常工作的控制方式出現(xiàn)；一旦電網(wǎng)電壓下降至很低，為了保護輸入電壓穩(wěn)定，非關(guān)鍵負載電壓也會下降，出現(xiàn)超過其安全工作范圍的可能。此外，目前的控制只能同時實現(xiàn)1～2種功能，想要多種功能同時實現(xiàn)，則需要多個ES同時工作，同時實現(xiàn)多個功能的控制方式需要進一步研究。

6 結(jié) 論

本文分析了ES的基本原理、拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方式，并根據(jù)當前穩(wěn)壓技術(shù)的研究現(xiàn)狀和存在的不足得出以下結(jié)論：

(1) ES作為新一代的穩(wěn)壓器件，不僅提高了電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，而且使電力系統(tǒng)出現(xiàn)了一種新型運行模式——由發(fā)電量決定用電量。ES的出現(xiàn)可大大減少電網(wǎng)中儲能設(shè)備的使用，減少環(huán)境污染，在微電網(wǎng)和一般電網(wǎng)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

(2) 為了充分探索未來ES在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，還需繼續(xù)深入研究ES的特性。盡管目前ES還處于測試階段，但隨著研究的不斷深入，ES性能的不斷完善，必將為未來分布式智能電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供保障。

因此，對ES的深入研究，具有重要的理論意義和工程推廣價值。

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Current State and Development of Electrical Spring Techniques

ZHANJun,ZHAOChaohui,ZHUOKeqiong,WANGHuihang

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

To solve the problem of voltage fluctuation in the demand side of a power grid, a smart grid technique called electrical spring (ES) based on the Hooke’s law has been proposed. This paper explains the basic principle of the technique and summarizes the existing topological structures and control modes. Imperfections of the ES are pointed out, and the development trend and research topics are considered.

power balance; voltage fluctuation; electric spring (ES); topology; control mode

2017 -02 -29

上海市教育委員會科技創(chuàng)新重點項目資助(13AZ01)

詹 俊(1991-)，男，碩士生，主要研究方向為電力電子與電力傳動，E-mail:1397654759@qq.com

指導老師： 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

2095 - 0020(2017)02 -0086 - 12

TM 711

A