湛柏明，沈佳明，黃海波，黃燦彬

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，十堰 442000；2.南方電網(wǎng)汕尾局，汕尾 516600）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的重要性與日俱增。近代以來(lái)發(fā)生的石油危機(jī)使人們逐漸意識(shí)到能源緊缺的問(wèn)題，所以目前各國(guó)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(gè)很明顯的特點(diǎn)，即間歇性，這一特點(diǎn)限制了可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)[1]。間歇性可再生能源會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生波動(dòng)，波動(dòng)傳輸至配電網(wǎng)，進(jìn)而影響用電端的設(shè)備，用電設(shè)備可能因此而損壞。此外，隨著國(guó)家的推動(dòng)，間歇性可再生能源裝機(jī)量逐年增加，電網(wǎng)的波動(dòng)會(huì)不斷疊加，可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生威脅。因此，需要采取相應(yīng)的措施以削減間歇性可再生能源產(chǎn)生的電網(wǎng)波動(dòng)。2012年，電氣彈簧（electric spring，ES）這一新型的智能電網(wǎng)技術(shù)被提出，為解決上述問(wèn)題提供了新的思路[2]。與傳統(tǒng)的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的方式不同，電氣彈簧獨(dú)立于信息通信，其目的在于有效地控制新能源配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。

1 電氣彈簧的工作原理

1.1 電氣彈簧的基本概念

機(jī)械彈簧作為一種儲(chǔ)能裝置，具有良好的記憶性能，還能提供機(jī)械支撐。在一定的作用力下，機(jī)械彈簧可發(fā)生彈性形變，這時(shí)候機(jī)械彈簧處于不平衡狀態(tài)，即壓縮或拉伸狀態(tài)。處于不平衡狀態(tài)的機(jī)械彈簧可以儲(chǔ)存一定的能量，當(dāng)外作用力被撤銷時(shí)釋放彈性勢(shì)能[3]。

通過(guò)類比機(jī)械彈簧，可以由機(jī)械彈簧衍生出電氣彈簧的概念。與機(jī)械彈簧平衡、壓縮、拉伸這3 種狀態(tài)相似，圖1中電氣彈簧也具有平衡、增壓、降壓這3 種狀態(tài)，可以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。其中ES 與非關(guān)鍵負(fù)載Znc組合而成的器件可以跟隨電網(wǎng)電壓變化，并提供功率補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定，這一器件被稱為“智能負(fù)載”[4]。平衡狀態(tài)下，ES 不起作用，相當(dāng)于被短路。當(dāng)交流線電壓Us偏離其標(biāo)稱參考水平Us_ref時(shí)，ES 起到調(diào)壓的作用，Unc＜Us_ref時(shí)ES 提供一個(gè)正向電壓以提升交流線電壓Us，Unc＞Us_ref時(shí)，ES 提供一個(gè)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(tài)Fig.1 Three states of electric spring

電氣彈簧相當(dāng)于一個(gè)逆變器，如圖2所示。ES與逆變器相似，它可以與非關(guān)鍵負(fù)載串聯(lián)作為一種新型智能電網(wǎng)裝置，在控制策略的作用下可以根據(jù)電網(wǎng)內(nèi)的電壓、電流等信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)被饋送至正弦PWM 發(fā)生器后產(chǎn)生PWM 脈沖波傳遞給逆變橋，逆變橋根據(jù)PWM 脈沖波實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷，橋臂的導(dǎo)通狀況決定逆變橋輸出的電壓幅值，經(jīng)過(guò)LC 低通濾波器可以產(chǎn)生調(diào)控電壓，ES 與非關(guān)鍵負(fù)載構(gòu)成智能裝置對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)控，使其達(dá)到標(biāo)稱水平。這一過(guò)程實(shí)際上是讓非關(guān)鍵負(fù)載承擔(dān)電網(wǎng)的功率波動(dòng)，保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定。由于采用電信號(hào)對(duì)電壓水平進(jìn)行調(diào)控，所以這種調(diào)控方式實(shí)時(shí)性非常強(qiáng)，可以快速地實(shí)現(xiàn)供電量和用電量的平衡，其快速性更好地保障了電網(wǎng)的穩(wěn)定。而且這一技術(shù)不需要集中控制，使用的設(shè)備也相對(duì)較少，所以經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)[6]。

圖2 電氣彈簧Fig.2 Electric spring

1.2 電氣彈簧的調(diào)壓原理

如圖3所示，電氣彈簧與非關(guān)鍵負(fù)載Znc相連構(gòu)成一個(gè)智能負(fù)載，在交流電壓源產(chǎn)生擾動(dòng)電壓時(shí)，智能負(fù)載中的電氣彈簧通過(guò)控制信號(hào)調(diào)控電氣彈簧的輸出電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)智能負(fù)載的電壓Us，使其達(dá)到標(biāo)稱參考水平Us_ref，從而保證關(guān)鍵負(fù)載Zc獲得穩(wěn)定的工作電壓[7]。

圖3 工作電路簡(jiǎn)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(shí)ES 吸收有功功率，θ=π 時(shí)ES 釋放有功功率，θ=±時(shí)ES 吸收無(wú)功功率，θ=-時(shí)ES 釋放無(wú)功功率，其余情況下ES 吸收或釋放混合功率[8]。本文只觀測(cè)電網(wǎng)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(jī)械彈簧一樣是無(wú)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(dāng)關(guān)鍵負(fù)載電壓Unc與交流電源標(biāo)稱參考水平Us_ref相等時(shí)，Ues=0，故ES 無(wú)需工作；當(dāng)關(guān)鍵負(fù)載電壓Unc小于交流電源標(biāo)稱參考水平Us_ref時(shí)，Ues＞0，工作于感性模式，提供一個(gè)正向電壓與關(guān)鍵負(fù)載電壓Unc相疊加而使Us達(dá)到標(biāo)稱參考水平Us_ref，此時(shí)電壓矢量Ues超前電流矢量Ies90°；當(dāng)關(guān)鍵負(fù)載電壓Unc大于交流電源標(biāo)稱參考水平Us_ref時(shí)，Ues＜0，工作于容性模式，提供一個(gè)反向電壓與關(guān)鍵負(fù)載電壓Unc相削減而使Us達(dá)到標(biāo)稱參考水平Us_ref，此時(shí)電壓矢量Ues滯后電流矢量Ies90°。

圖4 調(diào)壓原理Fig.4 Pressure regulation principle

2 阻抗網(wǎng)絡(luò)型交流電氣彈簧

阻抗網(wǎng)絡(luò)型交流電氣彈簧本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)準(zhǔn)Z 源逆變器，如圖5所示，由于阻抗網(wǎng)絡(luò)的引入，逆變橋可以工作于直通零矢量狀態(tài)，再利用相關(guān)的控制策略對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行調(diào)控，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸入電壓幅值的調(diào)整。

圖5 阻抗網(wǎng)絡(luò)型交流電氣彈簧Fig.5 Impedance network AC electric spring

2.1 傳統(tǒng)交流電氣彈簧的控制策略

傳統(tǒng)交流電氣彈簧有多種控制策略，比如無(wú)功補(bǔ)償控制法、解耦控制法、δ 角控制法等，其中無(wú)功補(bǔ)償控制法結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，調(diào)控操作并不復(fù)雜，所以考慮將其應(yīng)用到阻抗網(wǎng)絡(luò)型交流電氣彈簧中去。圖6為無(wú)功補(bǔ)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(wǎng)電壓Us的大小[10]。

圖6 無(wú)功補(bǔ)償控制圖Fig.6 Reactive power compensation control diagram

圖7為簡(jiǎn)化后的無(wú)功補(bǔ)償控制法控制框圖，為簡(jiǎn)化分析，直流電源為恒壓電壓源，產(chǎn)生的誤差較少，所以忽略其PI 控制環(huán)。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，其輸出電壓Us取均方根RMS 后與其標(biāo)稱參考電壓水平Us_ref做比較，誤差es 經(jīng)過(guò)PI 控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，比例調(diào)節(jié)P 將誤差es 放大反應(yīng)，只要這個(gè)誤差存在，P將實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)控將其減少，積分調(diào)節(jié)I 可以消除穩(wěn)定誤差，一旦處于靜態(tài)的電網(wǎng)電壓Us均方根與其標(biāo)稱參考電壓水平Us_ref存在誤差，積分調(diào)節(jié)I 就會(huì)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，直到這一誤差變成0。經(jīng)過(guò)PI 控制器調(diào)控后的誤差作為門極信號(hào)發(fā)生器的幅值調(diào)制信號(hào)。同時(shí)，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(hào)發(fā)生器的相角調(diào)制信號(hào)，這一信號(hào)經(jīng)過(guò)正弦函數(shù)模塊后形成正弦波，與門極信號(hào)發(fā)生器的幅值調(diào)制信號(hào)相結(jié)合輸入門極信號(hào)發(fā)生器，門極信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過(guò)調(diào)制波的調(diào)制作用產(chǎn)生PWM 脈沖信號(hào)，進(jìn)而控制逆變橋的輸出電壓。輸出電壓Ues與非關(guān)鍵負(fù)載電壓相結(jié)合，控制著電網(wǎng)電壓Us使其達(dá)到標(biāo)稱參考水平。

圖7 簡(jiǎn)化后的無(wú)功補(bǔ)償圖Fig.7 Simplified reactive power compensation diagram

2.2 阻抗網(wǎng)絡(luò)型交流電氣彈簧的控制策略

將傳統(tǒng)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(guò)一個(gè)或門相結(jié)合，再將其輸出信號(hào)送至脈沖發(fā)生器，即可產(chǎn)生控制信號(hào)控制阻抗網(wǎng)絡(luò)型交流電氣彈簧，如圖8所示。其中，產(chǎn)生PWM″的控制環(huán)節(jié)仍是傳統(tǒng)電氣彈簧的無(wú)功功率控制環(huán)節(jié)，而UP和UN分別與三角波進(jìn)行比較后產(chǎn)生PWM脈沖，兩者通過(guò)一個(gè)與門結(jié)合后再與PWM″結(jié)合形成阻抗網(wǎng)絡(luò)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(yàn)證

3.1 傳統(tǒng)交流電氣彈簧穩(wěn)壓

電氣彈簧可以實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓的變化，在電網(wǎng)電壓偏離標(biāo)稱參考水平時(shí)提供功率補(bǔ)償以使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定為Us_ref。如果單純?yōu)榱朔€(wěn)定電壓幅值，可以采用無(wú)功補(bǔ)償控制法進(jìn)行控制。使用Matlab/Simulink 搭建傳統(tǒng)交流電氣彈簧的仿真模型如圖9所示，相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償控制電路如圖10所示，該仿真用以驗(yàn)證無(wú)功補(bǔ)償控制法的有效性。

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

圖10 無(wú)功補(bǔ)償控制電路Fig.10 Reactive power compensation control circuit

參數(shù)設(shè)置如下：線路的電阻電感為RL=6.5 Ω，LL=1 mH，非關(guān)鍵負(fù)載的電阻電感為Rnc=50 Ω，Lnc=0.2 H，關(guān)鍵負(fù)載的電阻為Rc=50 Ω，交流電壓源電壓值可設(shè)置范圍為352 V～391 V（超過(guò)這一范圍電氣彈簧失效），可在這范圍內(nèi)調(diào)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(zhǎng)=60 mH，C=13.2 μF。

此設(shè)計(jì)均采用IGBT 作為逆變橋的開關(guān)器件，PI 控制器的比例環(huán)節(jié)設(shè)值為1，積分環(huán)節(jié)設(shè)值為300。

3.2 阻抗網(wǎng)絡(luò)型交流電氣彈簧穩(wěn)壓

如圖11所示，基于傳統(tǒng)交流電氣彈簧的穩(wěn)壓仿真，可以搭建阻抗網(wǎng)絡(luò)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(lái)檢驗(yàn)阻抗網(wǎng)絡(luò)型交流電氣彈簧的性能，其仿真結(jié)果可與傳統(tǒng)交流電氣彈簧的穩(wěn)壓仿真結(jié)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(shè)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(shè)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(jié)果對(duì)比

當(dāng)交流電壓源電壓幅值Ug設(shè)置為352 V 時(shí)，電網(wǎng)電壓Us的有效值如圖13所示，其波形如圖14所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓低于220 V 時(shí)，電氣彈簧開始工作，檢測(cè)到電網(wǎng)電壓的RMS 值為213，該值與220 相減后取絕對(duì)值進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)，輸出值與相位控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的單位正弦波相乘后產(chǎn)生調(diào)制波，調(diào)制波與等腰三角形載波相互作用進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生PWM 脈沖波，在PWM 脈沖波的作用下，電氣彈簧與非關(guān)鍵負(fù)載構(gòu)成的智能負(fù)載將電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在220 V，達(dá)到升壓效果。

圖13 電網(wǎng)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(diào)至391 V，此時(shí)關(guān)鍵負(fù)載兩端電壓RMS曲線如圖15所示，其穩(wěn)定后的波形仍為正弦波，如圖16所示。交流電壓源波動(dòng)使電網(wǎng)電壓的RMS 值快速升高為237，ES 開始調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，在PI 調(diào)節(jié)、相位控制環(huán)節(jié)的作用下產(chǎn)生調(diào)制波，進(jìn)而產(chǎn)生PWM 脈沖波，逆變橋接收PWM 脈沖波后控制電氣彈簧將電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在220 V，實(shí)現(xiàn)降壓效果。

圖15 電網(wǎng)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(shè)置為375 V 后進(jìn)行仿真，圖17為電網(wǎng)電壓RMS 曲線，圖18為電網(wǎng)電壓的波形圖。

圖17 電網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)型交流電氣彈簧穩(wěn)壓仿真結(jié)果

圖19為電網(wǎng)電壓的有效值曲線，其波形如圖20所示?？梢钥闯?，在阻抗網(wǎng)絡(luò)型交流電氣彈簧的作用下，電網(wǎng)電壓由227 V 降低至220 V，具有穩(wěn)壓效果。逆變器直流側(cè)輸入電壓波形圖及其局部放大圖，如圖21和圖22所示?？梢?jiàn)，準(zhǔn)Z 源逆變器的阻抗網(wǎng)絡(luò)確實(shí)具有升壓作用，在此系統(tǒng)中其直流電壓放大倍數(shù)約為

圖19 電網(wǎng)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(jié)語(yǔ)

通過(guò)傳統(tǒng)電氣彈簧的穩(wěn)壓仿真、阻抗網(wǎng)絡(luò)型電氣彈簧的穩(wěn)壓仿真，可以得出結(jié)論：傳統(tǒng)電氣彈簧確實(shí)具有穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的能力，但是采用阻抗網(wǎng)絡(luò)的電氣彈簧可以利用阻抗網(wǎng)絡(luò)和占空比調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)的升壓，其所需電壓比傳統(tǒng)交流電氣彈簧逆變器直流側(cè)電壓更小，有更經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)壓效果。