電力彈簧在電壓暫降治理中的應用研究

王旭沖陳 兵尹 香羅珊珊儲佳偉

（1.東南大學 電氣工程學院，南京 210096；2.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 210000；3.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

電力彈簧在電壓暫降治理中的應用研究

王旭沖1陳 兵2尹 香3羅珊珊2儲佳偉1

（1.東南大學 電氣工程學院，南京 210096；2.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 210000；3.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

電壓暫降已經成為最嚴重的電能質量問題之一，為滿足電網的分布式與精細化發展需要，本文將電力彈簧運用在電壓暫降治理中。在對電力彈簧的工作原理進行闡述與理論推導的基礎上，研究了電力彈簧的補償策略，并搭建了仿真模型，模擬了電壓暫降發生時，電力彈簧的補償作用。仿真結果表明，電壓暫降發生時，電力彈簧能夠迅速的檢測出電壓暫降，對敏感負荷進行電壓補償并將暫降轉移至非敏感負荷上。

電壓暫降；電力彈簧；檢測方法；補償方法

隨著新能源的接入和電力電子技術的不斷發展，電壓暫降已經成為電力系統中危害最大的電能質量問題之一[1]。一方面，電網中電壓暫降事件的發生頻率越來越高；另一方面，對電壓暫降問題十分敏感的設備使用者越來越多，如PLC、變頻器、總線、接觸器、繼電器、控制器等[2-3]。一旦發生電壓暫降，就可能造成這些設備停止工作，對整套設備甚至流水線都會造成影響，從而導致極大的經濟損失。因此，對電壓暫降的預防和治理已經十分迫切，這已經成為工業界和電力企業的共識。

為減少電壓暫降帶來的損失，國內外已經針對其治理裝置開展了大量的研究，并取得了大量研究成果，目前主流的治理設備包括不間斷電源（UPS）、固態切換開關（SSTS）、動態電壓恢復器（DVR）、靜止無功發生器（SVG）等[4]。其中，不間斷電源已經有很長的發展時間，但是其用在電壓暫降治理上時間不長，并且主要是針對容量較小、電壓等級較低的設備，由于UPS主要依靠自身的儲能設備進行暫將補償，其造價較高，補償能力有限；SSTS主要用于多回路接入的配電網中，它采用半導體固態開關作為切換設備，同時在先進的監測、控制技術的基礎上，在運行回路發生電壓暫降時，迅速切換至備用回路，SSTS可以運用在電壓等級較高的電網中，結構和建造也較為簡單，但是，其只適用于有兩條或者多條回路接入的系統中；DVR是發展較為成熟的一種電壓暫降補償裝置，國內外對其進行了大量的研究，目前也有投運機組，但是DVR更偏向于集中補償，運用電壓等級較高容量較大，造價也較貴；相比于以上幾種補償裝置，SVG具有更多的功能，其不僅可以對電壓暫降進行補償，同時也可以對電壓波動和閃變進行一定程度的補償，是一種綜合性的補償裝置，但是，SVG的研究尚不夠成熟，目前投運的項目數量十分有限，對其研究還有待于進一步提高。

隨著分布式發電技術和微電網的發展，電力系統小型化和精細化的趨勢越來越明顯，并且電網中負荷類型越來越多樣化。針對上述情況，香港大學許樹源教授及其研究團隊提出了電力彈簧（electrical spring,ES）的概念[5-7]，其核心思想是利用機械彈簧的原理，在電網電壓不穩定時，將關鍵性負載的電壓穩定在規定的范圍內，同時將其不穩定轉移到非關鍵性負載上。本文在現有研究基礎上，將電力彈簧應用到電壓暫降的治理上，控制電力彈簧將電壓暫降敏感設備的電壓維持在允許范圍內，通過Matlab/Simulink仿真，驗證了方法的正確性。

1 電力彈簧的工作原理

圖1所示為電力彈簧連接在電網中的示意圖。

圖1 電力彈簧連接示意圖

圖1中，US表示網側等效電源電壓；R1、L1表示傳輸線路的電阻和電抗；iS表示電源所在支路上的電流；iNC、iC分別表示非關鍵負載（non-critical load）和關鍵負載（critical load）所在支路上的電流；uES表示電力彈簧兩端的電壓；uNC和uC分別表示非關鍵負載ZNC和關鍵負載ZC兩端的電壓；PCC點為關鍵負載和非關鍵負載的公共連接點。非關鍵負載主要是指對電壓暫降耐受能力比較強的設備，如照明設備、加熱設備等，而本文中關鍵負載則是指對電壓暫降較敏感的設備，如控制器、接觸器等。當發生電壓暫降時，電力彈簧接入，控制關鍵負載的電壓恢復到電壓暫降前的正常水平。而此過程中，非關鍵負載可能承受更嚴重的電壓暫降，也就是將電壓暫降由關鍵性負載轉移到非關鍵負載上。電力彈簧的拓撲結構圖如圖2所示。

圖2 電力彈簧拓撲結構圖

由圖2可知，電力彈簧主要模塊為逆變器，由電壓暫降的程度決定來控制逆變器產生滿足要求的交流電壓，從而將關鍵性負載的電壓控制在允許的范圍內。圖2中，使能開關S決定電力彈簧是否接入到系統中，其開斷由電壓暫降檢測結果來決定，當電壓檢測模塊檢測到無電壓暫降發生時，S斷開，此時電力彈簧僅有電容C接入到系統中；當電壓暫降檢測模塊檢測到有電壓暫降發生時，S閉合，電力彈簧對電壓暫降進行補償。

電力彈簧對敏感設備的電壓補償計算在文獻[8]中已進行了詳細的說明，在此不再贅述，本文針對電壓暫降進行研究，重點論述電力彈簧中所應用的電壓暫降檢測和補償算法。

2 電壓暫降檢測算法與補償原理

如前文所述，決定電力彈簧使能開關是否接入受電壓暫降檢測結果的控制，在本小節，將對電壓暫降檢測算法進行闡述。本文采用αβ 坐標變換的方法對電壓暫降進行檢測[9]。構建新的坐標系αβ 坐標系和dq坐標系對電壓交流電壓進行轉換，轉換示意圖如圖3所示。

圖3 αβ 坐標系與dq坐標系變換示意圖

在靜止坐標系αβ 坐標系中，電壓矢量U在兩個坐標軸上的投影如式（1）所示：

構造相對于αβ 坐標系以角速度ω旋轉的 dq坐標系，則U在dq坐標系中兩個坐標軸上的投影可以用式（2）表示：

dq坐標系與αβ 坐標系之間變換式如式（3）所示：

由此算法，可以將電壓矢量變換到 dq坐標軸上，再通過低通濾波器得到 dq電壓中的直流分量Ud0和Uq0，由此可以得到基波電壓的幅值和相位跳變如式（4）所示：

由此可以得到電壓暫降深度和相位跳變的特征量，若得到的特征量表明系統發生了電壓暫降，則控制使能開關使其閉合，使電力彈簧接入到系統中，對電壓暫降進行補償。

在檢測到電壓暫降后，將暫降電壓的dq變換值與參考電壓的 dq變換值作差，即可得到所需補償量，在經過 dq與αβ 反變換，即可得到所需的交流電壓補償量。依據以上原理，本文應用如圖4所示的電壓暫降檢測與補償方法。

圖4 電力彈簧電壓暫降檢測與補償原理

3 仿真結果與分析

2014年5月15日晚，南京地區某處變電站因突發線路故障，造成該區域發生大面積電壓暫降，由于該區域內有大量電壓暫降敏感負荷，導致一定數量負荷停止工作，造成了一定損失。為驗證電力彈簧對電壓暫降的補償作用，以該事故為例，在Matlab/Simulink中搭建事故發生時某部分單相區域內的電路模型，驗證電力彈簧對電壓暫降的補償效果，如圖5所示。仿真參數如下：以電源AC來模擬電壓暫降，額定電壓 230V，額定頻率 50Hz；線路阻抗RL=2+0.2j?；關鍵負載C容量5kVA，非關鍵負載NC容量3kVA，二者額定電壓均為220V。

圖5中所示模型為單相交流系統，設置電源AC在0.08～0.2s時電壓降低為正常電壓的40%，模擬系統發生故障時的電壓暫降情況。在沒有電力彈簧接入時，關鍵負載兩端的電壓波形及其有效值如圖6所示。

圖5 電力彈簧仿真模型

圖6 電力彈簧接入前關鍵負載暫降波形與有效值

現在系統中接入電力彈簧，則敏感負荷端電壓的值等于非敏感負荷端電壓值與電力彈簧輸出電壓之和。若采集非敏感負荷端電壓并進行αβ 和 dq變換，之后與參考值作差并進行反變換，即可確定補償電壓的大小。該過程可得如圖7所示的波形。

圖7（a）為電壓暫降發生后，非敏感負荷的端電壓波形及其有效值，由圖可知，接入電力彈簧后，為補償敏感負荷兩端電壓，非敏感負荷側出現了更為嚴重的電壓暫降，也就是說，暫降被從敏感負荷上轉移到了非敏感負荷上。圖 7（b）、圖 7（c）為非敏感負荷端電壓經αβ 和dq變換后得到的dq的電壓，從而進一步確定如圖7（d）所示的補償電壓。圖7（e）所示的為經電力彈簧補償后的敏感負荷電壓波形及其有效值，由圖可知，電力彈簧可以迅速檢測電壓暫降并對其進行補償，補償后的電壓可滿足敏感負荷的要求。

圖7 電力彈簧接入后電壓暫降補償過程

4 結論

本文提出應用電力彈簧對電網中的電壓暫降進行治理，在對電力彈簧進行工作原理分析的基礎上，在Matlab/Simulink搭建了仿真模型，分析仿真結果，得出以下結論：

1）電力彈簧可以對電壓暫降進行補償，有效治理電壓暫降。

2）本文中所闡述的電壓暫降檢測與補償方法可以快速檢測出電壓暫降，并產生相應的補償電壓對其進行補償。

3）電力彈簧在對敏感負荷進行電壓暫降補償的同時，會對非敏感負荷造成一定的不良影響，即電力彈簧為了滿足敏感負荷對電壓波形的要求，在一定程度上犧牲了非敏感負荷的電壓波形。

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[9]何妍,張瑚,馬麗山,等.考慮補償方法的單相DVR 檢測方法研究與仿真[J].電網與清潔能源,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

王旭沖（1993-），男，碩士研究生，研究方向為電能質量分析與控制。

國網江蘇省電力公司科技項目（5210EF14001R）