电力弹簧在电压暂降治理中的应用研究

王旭冲陈 兵尹 香罗珊珊储佳伟

（1.东南大学 电气工程学院，南京 210096；2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，南京 210000；3.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

电力弹簧在电压暂降治理中的应用研究

王旭冲1陈 兵2尹 香3罗珊珊2储佳伟1

（1.东南大学 电气工程学院，南京 210096；2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，南京 210000；3.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

电压暂降已经成为最严重的电能质量问题之一，为满足电网的分布式与精细化发展需要，本文将电力弹簧运用在电压暂降治理中。在对电力弹簧的工作原理进行阐述与理论推导的基础上，研究了电力弹簧的补偿策略，并搭建了仿真模型，模拟了电压暂降发生时，电力弹簧的补偿作用。仿真结果表明，电压暂降发生时，电力弹簧能够迅速的检测出电压暂降，对敏感负荷进行电压补偿并将暂降转移至非敏感负荷上。

电压暂降；电力弹簧；检测方法；补偿方法

随着新能源的接入和电力电子技术的不断发展，电压暂降已经成为电力系统中危害最大的电能质量问题之一[1]。一方面，电网中电压暂降事件的发生频率越来越高；另一方面，对电压暂降问题十分敏感的设备使用者越来越多，如PLC、变频器、总线、接触器、继电器、控制器等[2-3]。一旦发生电压暂降，就可能造成这些设备停止工作，对整套设备甚至流水线都会造成影响，从而导致极大的经济损失。因此，对电压暂降的预防和治理已经十分迫切，这已经成为工业界和电力企业的共识。

为减少电压暂降带来的损失，国内外已经针对其治理装置开展了大量的研究，并取得了大量研究成果，目前主流的治理设备包括不间断电源（UPS）、固态切换开关（SSTS）、动态电压恢复器（DVR）、静止无功发生器（SVG）等[4]。其中，不间断电源已经有很长的发展时间，但是其用在电压暂降治理上时间不长，并且主要是针对容量较小、电压等级较低的设备，由于UPS主要依靠自身的储能设备进行暂将补偿，其造价较高，补偿能力有限；SSTS主要用于多回路接入的配电网中，它采用半导体固态开关作为切换设备，同时在先进的监测、控制技术的基础上，在运行回路发生电压暂降时，迅速切换至备用回路，SSTS可以运用在电压等级较高的电网中，结构和建造也较为简单，但是，其只适用于有两条或者多条回路接入的系统中；DVR是发展较为成熟的一种电压暂降补偿装置，国内外对其进行了大量的研究，目前也有投运机组，但是DVR更偏向于集中补偿，运用电压等级较高容量较大，造价也较贵；相比于以上几种补偿装置，SVG具有更多的功能，其不仅可以对电压暂降进行补偿，同时也可以对电压波动和闪变进行一定程度的补偿，是一种综合性的补偿装置，但是，SVG的研究尚不够成熟，目前投运的项目数量十分有限，对其研究还有待于进一步提高。

随着分布式发电技术和微电网的发展，电力系统小型化和精细化的趋势越来越明显，并且电网中负荷类型越来越多样化。针对上述情况，香港大学许树源教授及其研究团队提出了电力弹簧（electrical spring,ES）的概念[5-7]，其核心思想是利用机械弹簧的原理，在电网电压不稳定时，将关键性负载的电压稳定在规定的范围内，同时将其不稳定转移到非关键性负载上。本文在现有研究基础上，将电力弹簧应用到电压暂降的治理上，控制电力弹簧将电压暂降敏感设备的电压维持在允许范围内，通过Matlab/Simulink仿真，验证了方法的正确性。

1 电力弹簧的工作原理

图1所示为电力弹簧连接在电网中的示意图。

图1 电力弹簧连接示意图

图1中，US表示网侧等效电源电压；R1、L1表示传输线路的电阻和电抗；iS表示电源所在支路上的电流；iNC、iC分别表示非关键负载（non-critical load）和关键负载（critical load）所在支路上的电流；uES表示电力弹簧两端的电压；uNC和uC分别表示非关键负载ZNC和关键负载ZC两端的电压；PCC点为关键负载和非关键负载的公共连接点。非关键负载主要是指对电压暂降耐受能力比较强的设备，如照明设备、加热设备等，而本文中关键负载则是指对电压暂降较敏感的设备，如控制器、接触器等。当发生电压暂降时，电力弹簧接入，控制关键负载的电压恢复到电压暂降前的正常水平。而此过程中，非关键负载可能承受更严重的电压暂降，也就是将电压暂降由关键性负载转移到非关键负载上。电力弹簧的拓扑结构图如图2所示。

图2 电力弹簧拓扑结构图

由图2可知，电力弹簧主要模块为逆变器，由电压暂降的程度决定来控制逆变器产生满足要求的交流电压，从而将关键性负载的电压控制在允许的范围内。图2中，使能开关S决定电力弹簧是否接入到系统中，其开断由电压暂降检测结果来决定，当电压检测模块检测到无电压暂降发生时，S断开，此时电力弹簧仅有电容C接入到系统中；当电压暂降检测模块检测到有电压暂降发生时，S闭合，电力弹簧对电压暂降进行补偿。

电力弹簧对敏感设备的电压补偿计算在文献[8]中已进行了详细的说明，在此不再赘述，本文针对电压暂降进行研究，重点论述电力弹簧中所应用的电压暂降检测和补偿算法。

2 电压暂降检测算法与补偿原理

如前文所述，决定电力弹簧使能开关是否接入受电压暂降检测结果的控制，在本小节，将对电压暂降检测算法进行阐述。本文采用αβ 坐标变换的方法对电压暂降进行检测[9]。构建新的坐标系αβ 坐标系和dq坐标系对电压交流电压进行转换，转换示意图如图3所示。

图3 αβ 坐标系与dq坐标系变换示意图

在静止坐标系αβ 坐标系中，电压矢量U在两个坐标轴上的投影如式（1）所示：

构造相对于αβ 坐标系以角速度ω旋转的 dq坐标系，则U在dq坐标系中两个坐标轴上的投影可以用式（2）表示：

dq坐标系与αβ 坐标系之间变换式如式（3）所示：

由此算法，可以将电压矢量变换到 dq坐标轴上，再通过低通滤波器得到 dq电压中的直流分量Ud0和Uq0，由此可以得到基波电压的幅值和相位跳变如式（4）所示：

由此可以得到电压暂降深度和相位跳变的特征量，若得到的特征量表明系统发生了电压暂降，则控制使能开关使其闭合，使电力弹簧接入到系统中，对电压暂降进行补偿。

在检测到电压暂降后，将暂降电压的dq变换值与参考电压的 dq变换值作差，即可得到所需补偿量，在经过 dq与αβ 反变换，即可得到所需的交流电压补偿量。依据以上原理，本文应用如图4所示的电压暂降检测与补偿方法。

图4 电力弹簧电压暂降检测与补偿原理

3 仿真结果与分析

2014年5月15日晚，南京地区某处变电站因突发线路故障，造成该区域发生大面积电压暂降，由于该区域内有大量电压暂降敏感负荷，导致一定数量负荷停止工作，造成了一定损失。为验证电力弹簧对电压暂降的补偿作用，以该事故为例，在Matlab/Simulink中搭建事故发生时某部分单相区域内的电路模型，验证电力弹簧对电压暂降的补偿效果，如图5所示。仿真参数如下：以电源AC来模拟电压暂降，额定电压 230V，额定频率 50Hz；线路阻抗RL=2+0.2jΩ；关键负载C容量5kVA，非关键负载NC容量3kVA，二者额定电压均为220V。

图5中所示模型为单相交流系统，设置电源AC在0.08～0.2s时电压降低为正常电压的40%，模拟系统发生故障时的电压暂降情况。在没有电力弹簧接入时，关键负载两端的电压波形及其有效值如图6所示。

图5 电力弹簧仿真模型

图6 电力弹簧接入前关键负载暂降波形与有效值

现在系统中接入电力弹簧，则敏感负荷端电压的值等于非敏感负荷端电压值与电力弹簧输出电压之和。若采集非敏感负荷端电压并进行αβ 和 dq变换，之后与参考值作差并进行反变换，即可确定补偿电压的大小。该过程可得如图7所示的波形。

图7（a）为电压暂降发生后，非敏感负荷的端电压波形及其有效值，由图可知，接入电力弹簧后，为补偿敏感负荷两端电压，非敏感负荷侧出现了更为严重的电压暂降，也就是说，暂降被从敏感负荷上转移到了非敏感负荷上。图 7（b）、图 7（c）为非敏感负荷端电压经αβ 和dq变换后得到的dq的电压，从而进一步确定如图7（d）所示的补偿电压。图7（e）所示的为经电力弹簧补偿后的敏感负荷电压波形及其有效值，由图可知，电力弹簧可以迅速检测电压暂降并对其进行补偿，补偿后的电压可满足敏感负荷的要求。

图7 电力弹簧接入后电压暂降补偿过程

4 结论

本文提出应用电力弹簧对电网中的电压暂降进行治理，在对电力弹簧进行工作原理分析的基础上，在Matlab/Simulink搭建了仿真模型，分析仿真结果，得出以下结论：

1）电力弹簧可以对电压暂降进行补偿，有效治理电压暂降。

2）本文中所阐述的电压暂降检测与补偿方法可以快速检测出电压暂降，并产生相应的补偿电压对其进行补偿。

3）电力弹簧在对敏感负荷进行电压暂降补偿的同时，会对非敏感负荷造成一定的不良影响，即电力弹簧为了满足敏感负荷对电压波形的要求，在一定程度上牺牲了非敏感负荷的电压波形。

[1]杨洪耕,肖先勇,刘俊勇.电能质量问题的研究和技术进展(一)——电能质量一般概念[J].电力自动化设备,2003,23(10):1-4.

[2]Lee G J,Albu M M,Heydt G T.A power quality index based on equipment sensitivity,cost,and network vulnerability[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2004,19(3):1504-1510.

[3]Martinez J A,Martin-Arnedo J.Voltage sag studies in distribution networks-Part II:Voltage sag assessment[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(3):1679-1688.

[4]刘悦,李勇,刘金陵.电能质量电压暂降问题及应对方案[J].山东冶金,2008,30(5):51-53.

[5]Hui S Y,Lee C K,Wu F F.Electric Springs-A new smart grid technology[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2012,3(3):1552-1561.

[6]Lee C K,Hui Shuyuen (ron).Reduction of energy storage requirements in future smart grid using electric springs[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2013,4(3):1282-1288.

[7]Luo Xiao,Akhtar Z,Lee C K,et al.Distributed voltage control with electric springs:comparison with STATCOM[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2015,6(1):209-219.

[8]Chaudhuri N R,Lee C K,Chaudhuri B A.Dynamic modeling of electric springs[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2014,5(5):2450-2458.

[9]何妍,张瑚,马丽山,等.考虑补偿方法的单相DVR 检测方法研究与仿真[J].电网与清洁能源,2011,27(1):35-38.

Research on Voltage Sag Governance by Electrical Spring

Wang Xuchong1Chen Bing2Yi Xiang3Luo Shanshan2Chu Jiawei1
(1.School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096;2.State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute,Nanjing 210000;3.NARI Technlogy Co.,Ltd,Nanjing 211106)

Voltage sag has become one of the most serious power quality problems,to meet the distributed development and refinement of the power grid needs,electrical spring is applied to voltage sag governance in this paper.On the basis of elaborating and deriving working principle of electrical spring,this paper study on the compensation strategy of electrical spring,a simulation model is built to exam the effect when voltage sag happen.The result show that,electrical spring can detect voltage sag quickly when voltage sag happen,and critical load is compensated when the voltage sag is transferred to non-critical load at the same time.

voltage sag;electrical spring;detection method;compensation method

王旭冲（1993-），男，硕士研究生，研究方向为电能质量分析与控制。

国网江苏省电力公司科技项目（5210EF14001R）