阻抗网络型交流电气弹簧的研究

2022-11-23湛柏明沈佳明黄海波黄灿彬

自动化与仪表 2022年11期

湛柏明，沈佳明，黄海波，黄灿彬

（1.湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，十堰 442000；2.南方电网汕尾局，汕尾 516600）

随着经济的快速发展，能源的重要性与日俱增。近代以来发生的石油危机使人们逐渐意识到能源紧缺的问题，所以目前各国都在寻找能源替代不可再生能源。但是，可再生能源具有一个很明显的特点，即间歇性，这一特点限制了可再生能源的大规模并网[1]。间歇性可再生能源会使电网产生波动，波动传输至配电网，进而影响用电端的设备，用电设备可能因此而损坏。此外，随着国家的推动，间歇性可再生能源装机量逐年增加，电网的波动会不断叠加，可能会对电网的正常运行产生威胁。因此，需要采取相应的措施以削减间歇性可再生能源产生的电网波动。2012年，电气弹簧（electric spring，ES）这一新型的智能电网技术被提出，为解决上述问题提供了新的思路[2]。与传统的稳定电网电压的方式不同，电气弹簧独立于信息通信，其目的在于有效地控制新能源配电网的电压波动。

1 电气弹簧的工作原理

1.1 电气弹簧的基本概念

机械弹簧作为一种储能装置，具有良好的记忆性能，还能提供机械支撑。在一定的作用力下，机械弹簧可发生弹性形变，这时候机械弹簧处于不平衡状态，即压缩或拉伸状态。处于不平衡状态的机械弹簧可以储存一定的能量，当外作用力被撤销时释放弹性势能[3]。

通过类比机械弹簧，可以由机械弹簧衍生出电气弹簧的概念。与机械弹簧平衡、压缩、拉伸这3 种状态相似，图1中电气弹簧也具有平衡、增压、降压这3 种状态，可以稳定电网电压。其中ES 与非关键负载Znc组合而成的器件可以跟随电网电压变化，并提供功率补偿以实现电压的稳定，这一器件被称为“智能负载”[4]。平衡状态下，ES 不起作用，相当于被短路。当交流线电压Us偏离其标称参考水平Us_ref时，ES 起到调压的作用，Unc＜Us_ref时ES 提供一个正向电压以提升交流线电压Us，Unc＞Us_ref时，ES 提供一个反向电压以降低交流线电压Us[5]。

图1 电气弹簧的3 种状态Fig.1 Three states of electric spring

电气弹簧相当于一个逆变器，如图2所示。ES与逆变器相似，它可以与非关键负载串联作为一种新型智能电网装置，在控制策略的作用下可以根据电网内的电压、电流等信号产生控制信号，控制信号被馈送至正弦PWM 发生器后产生PWM 脉冲波传递给逆变桥，逆变桥根据PWM 脉冲波实现开关器件的导通或关断，桥臂的导通状况决定逆变桥输出的电压幅值，经过LC 低通滤波器可以产生调控电压，ES 与非关键负载构成智能装置对电网电压进行调控，使其达到标称水平。这一过程实际上是让非关键负载承担电网的功率波动，保证了电网的稳定。由于采用电信号对电压水平进行调控，所以这种调控方式实时性非常强，可以快速地实现供电量和用电量的平衡，其快速性更好地保障了电网的稳定。而且这一技术不需要集中控制，使用的设备也相对较少，所以经济性较强[6]。

图2 电气弹簧Fig.2 Electric spring

1.2 电气弹簧的调压原理

如图3所示，电气弹簧与非关键负载Znc相连构成一个智能负载，在交流电压源产生扰动电压时，智能负载中的电气弹簧通过控制信号调控电气弹簧的输出电压，进而调节智能负载的电压Us，使其达到标称参考水平Us_ref，从而保证关键负载Zc获得稳定的工作电压[7]。

图3 工作电路简图Fig.3 Working circuit simplified diagram

电气弹簧吸收或释放的功率种类由其输出电压和电流之间的夹角θ 决定，θ=0 时ES 吸收有功功率，θ=π 时ES 释放有功功率，θ=±时ES 吸收无功功率，θ=-时ES 释放无功功率，其余情况下ES 吸收或释放混合功率[8]。本文只观测电网的电压水平，所以只需要将θ 控制在或-即可。

为确保电气弹簧像理想的机械弹簧一样是无损耗的，电气弹簧电压Ues和电流Ies的矢量必须垂直，电压矢量Ues可以超前电流矢量Ies90°或延迟90°[9]。图4中，当关键负载电压Unc与交流电源标称参考水平Us_ref相等时，Ues=0，故ES 无需工作；当关键负载电压Unc小于交流电源标称参考水平Us_ref时，Ues＞0，工作于感性模式，提供一个正向电压与关键负载电压Unc相叠加而使Us达到标称参考水平Us_ref，此时电压矢量Ues超前电流矢量Ies90°；当关键负载电压Unc大于交流电源标称参考水平Us_ref时，Ues＜0，工作于容性模式，提供一个反向电压与关键负载电压Unc相削减而使Us达到标称参考水平Us_ref，此时电压矢量Ues滞后电流矢量Ies90°。

图4 调压原理Fig.4 Pressure regulation principle

2 阻抗网络型交流电气弹簧

阻抗网络型交流电气弹簧本质上相当于一个准Z 源逆变器，如图5所示，由于阻抗网络的引入，逆变桥可以工作于直通零矢量状态，再利用相关的控制策略对开关器件进行调控，即可实现对直流输入电压幅值的调整。

图5 阻抗网络型交流电气弹簧Fig.5 Impedance network AC electric spring

2.1 传统交流电气弹簧的控制策略

传统交流电气弹簧有多种控制策略，比如无功补偿控制法、解耦控制法、δ 角控制法等，其中无功补偿控制法结构相对简单，调控操作并不复杂，所以考虑将其应用到阻抗网络型交流电气弹簧中去。图6为无功补偿控制法的控制框图，采用双PI 控制直流电源电压Udc和电网电压Us的大小[10]。

图6 无功补偿控制图Fig.6 Reactive power compensation control diagram

图7为简化后的无功补偿控制法控制框图，为简化分析，直流电源为恒压电压源，产生的误差较少，所以忽略其PI 控制环。当电网电压发生波动时，其输出电压Us取均方根RMS 后与其标称参考电压水平Us_ref做比较，误差es 经过PI 控制器进行调节，比例调节P 将误差es 放大反应，只要这个误差存在，P将实时进行调控将其减少，积分调节I 可以消除稳定误差，一旦处于静态的电网电压Us均方根与其标称参考电压水平Us_ref存在误差，积分调节I 就会产生调节作用，直到这一误差变成0。经过PI 控制器调控后的误差作为门极信号发生器的幅值调制信号。同时，利用电气弹簧的输入电流Ies作为输入，其相角θ=±可以作为门极信号发生器的相角调制信号，这一信号经过正弦函数模块后形成正弦波，与门极信号发生器的幅值调制信号相结合输入门极信号发生器，门极信号发生器经过调制波的调制作用产生PWM 脉冲信号，进而控制逆变桥的输出电压。输出电压Ues与非关键负载电压相结合，控制着电网电压Us使其达到标称参考水平。

图7 简化后的无功补偿图Fig.7 Simplified reactive power compensation diagram

2.2 阻抗网络型交流电气弹簧的控制策略

将传统交流电气弹簧的控制策略和阻抗型逆变器的控制策略通过一个或门相结合，再将其输出信号送至脉冲发生器，即可产生控制信号控制阻抗网络型交流电气弹簧，如图8所示。其中，产生PWM″的控制环节仍是传统电气弹簧的无功功率控制环节，而UP和UN分别与三角波进行比较后产生PWM脉冲，两者通过一个与门结合后再与PWM″结合形成阻抗网络型交流电气弹簧的PWM 脉冲[11]。

图8 交流电气弹簧的控制框图Fig.8 AC electric spring control block diagram

3 仿真验证

3.1 传统交流电气弹簧稳压

电气弹簧可以实时跟踪电网电压的变化，在电网电压偏离标称参考水平时提供功率补偿以使电网电压稳定为Us_ref。如果单纯为了稳定电压幅值，可以采用无功补偿控制法进行控制。使用Matlab/Simulink 搭建传统交流电气弹簧的仿真模型如图9所示，相应的无功补偿控制电路如图10所示，该仿真用以验证无功补偿控制法的有效性。

图9 传统交流电气弹簧仿真电路Fig.9 Simulation circuit of traditional AC electric spring

图10 无功补偿控制电路Fig.10 Reactive power compensation control circuit

参数设置如下：线路的电阻电感为RL=6.5 Ω，LL=1 mH，非关键负载的电阻电感为Rnc=50 Ω，Lnc=0.2 H，关键负载的电阻为Rc=50 Ω，交流电压源电压值可设置范围为352 V～391 V（超过这一范围电气弹簧失效），可在这范围内调控保证ES 有效作用，直流电压源电压值为500 V。滤波电路的电感和电容为L=60 mH，C=13.2 μF。

此设计均采用IGBT 作为逆变桥的开关器件，PI 控制器的比例环节设值为1，积分环节设值为300。

3.2 阻抗网络型交流电气弹簧稳压

如图11所示，基于传统交流电气弹簧的稳压仿真，可以搭建阻抗网络型交流电气弹簧的仿真电路，控制电路如图12所示。此仿真可以用来检验阻抗网络型交流电气弹簧的性能，其仿真结果可与传统交流电气弹簧的稳压仿真结果相比较。

图11 电气弹簧仿真图Fig.11 Electric spring simulation diagram

图12 电气弹簧控制电路Fig.12 Electric spring control circuit

电阻、电感和电容设值如下：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。

电源设值如下：直流电压源幅值为200 V，交流电压源幅值为375 V。

3.3 仿真结果对比

当交流电压源电压幅值Ug设置为352 V 时，电网电压Us的有效值如图13所示，其波形如图14所示。当电网电压低于220 V 时，电气弹簧开始工作，检测到电网电压的RMS 值为213，该值与220 相减后取绝对值进行PI 调节，输出值与相位控制环节产生的单位正弦波相乘后产生调制波，调制波与等腰三角形载波相互作用进行调制产生PWM 脉冲波，在PWM 脉冲波的作用下，电气弹簧与非关键负载构成的智能负载将电网电压稳定在220 V，达到升压效果。

图13 电网电压RMS（Ug=352 V）Fig.13 Grid voltage RMS（Ug=352 V）

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

将Ug调至391 V，此时关键负载两端电压RMS曲线如图15所示，其稳定后的波形仍为正弦波，如图16所示。交流电压源波动使电网电压的RMS 值快速升高为237，ES 开始调节电网电压，在PI 调节、相位控制环节的作用下产生调制波，进而产生PWM 脉冲波，逆变桥接收PWM 脉冲波后控制电气弹簧将电网电压稳定在220 V，实现降压效果。