基于電力彈簧技術(shù)的末端光伏并網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)研究

高鹿斐，張翔

（國(guó)網(wǎng)大同供電公司，山西大同，037000）

0 研制背景及意義

目前，分布式光伏發(fā)展迅猛，越來(lái)越多的終端用戶成為了微型太陽(yáng)能電站。而由于低壓電力線路的阻抗和阻感均較大，在傳輸有功功率的時(shí)候必然會(huì)造成輸電路上的損耗。在終端用戶向電網(wǎng)倒送電時(shí)，為保證電網(wǎng)電壓幅值正常，終端用戶末端電壓必然偏高，從而導(dǎo)致故障報(bào)警、逆變器停機(jī)保護(hù)，影響光伏收益；當(dāng)光伏并網(wǎng)終端用戶向電網(wǎng)取電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)終端用戶末端電壓偏低的現(xiàn)象，對(duì)家用電器造成損傷。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文探索提出一種基于電力彈簧技術(shù)的電壓調(diào)節(jié)裝置。電力彈簧能夠自動(dòng)地發(fā)出或吸收功率來(lái)維持電壓穩(wěn)定，能起到平抑光伏發(fā)電波動(dòng)性的作用，是一種全新的控制思路。在以往電力彈簧技術(shù)方案的基礎(chǔ)之上，本文提出將電力彈簧裝置與終端用戶電力負(fù)荷串聯(lián)后再接到低壓配電網(wǎng)絡(luò)的饋線上。這種設(shè)計(jì)能同時(shí)解決光伏并網(wǎng)終端用戶電力負(fù)荷端電壓偏高和偏低兩方面的問(wèn)題，并且具有調(diào)節(jié)性能好、成本較低、容錯(cuò)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 工作原理

■1.1 電力彈簧基本原理

許樹源2012 年提出“Electric Spring”（ES）的概念及其具體裝置[1]，即電力彈簧。電力彈簧的原理類似于機(jī)械彈簧裝置，機(jī)械彈簧主要起到緩沖壓力和拉伸的作用，電力彈簧則起到緩沖電壓的作用。

電力彈簧將機(jī)械彈簧的壓縮、平衡和拉伸狀態(tài)對(duì)偶至電力領(lǐng)域。在無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，電力彈簧會(huì)根據(jù)運(yùn)行環(huán)境處于感性、阻性和容性狀態(tài)，以起到平衡電壓的作用。當(dāng)電力彈簧的電流滯后電壓90°時(shí)，電力彈簧處于感性狀態(tài)；相反，當(dāng)電力彈簧電流超前電壓90°時(shí)，電力彈簧處于容性狀態(tài)；感性到容性的過(guò)渡階段則為電力彈簧的阻性狀態(tài)，此時(shí)電流和電壓的相位基本一致，且電壓接近于0。其中，當(dāng)電網(wǎng)電壓處于正常值時(shí)，電力彈簧表現(xiàn)為阻性狀態(tài)，高于正常值時(shí)，電力彈簧表現(xiàn)為感性狀態(tài)，低于正常值時(shí)，電力彈簧表現(xiàn)為容性狀態(tài)。

■1.2 PI 調(diào)節(jié)器原理

為減小直流電壓附加控制電路的誤差，在電路中加入PI 調(diào)節(jié)器。PI 調(diào)節(jié)器通過(guò)計(jì)算實(shí)際輸出值與給定值的偏差，并線性組合偏差的比例（P）和積分（I），從而構(gòu)成控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)。其傳遞函數(shù)為GPI(s)=KP+Ki/s 。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，PI 調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)（KP）將按比例對(duì)直流電壓附加控制電路系統(tǒng)的偏差作出反應(yīng)，積分環(huán)節(jié)（Ki）則消除直流電壓附加控制電路系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。KP越大，調(diào)節(jié)越快，但KP過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。Ki越小，積分作用就越強(qiáng)，但Ki過(guò)小會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢[2]。

■1.3 PR 調(diào)節(jié)器原理

為實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤，需要將信號(hào)模型嵌入控制器。由于PI 積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為1/s，所以PI 只能無(wú)靜差跟蹤階躍信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤交流正弦信號(hào)，需采用PR 控制器。為準(zhǔn)確跟蹤輸入信號(hào)，需要在ES-VR 輸出電壓雙閉環(huán)控制電路中加入PR 調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)參考電壓的相位控制。

PR 調(diào)節(jié)器由比例控制器和諧振控制器組成。理想PR控制器在一定ω0下，增益趨向于無(wú)窮大時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤[3]。但由于增益增大會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用準(zhǔn)PR 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：

■1.4 鎖相環(huán)原理

鎖相環(huán)路主要實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。鎖相環(huán)通常包括鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器。工作過(guò)程為，鑒相器根據(jù)輸入信號(hào)Ui與輸出信號(hào)UO鑒別出相位差，并輸出誤差電壓Ud。環(huán)路濾波器將Ud中的噪聲和干擾成分濾除，形成壓控振蕩器的控制電壓Uc。壓控振蕩器受到Uc的作用，將輸出振蕩頻率f0拉向環(huán)路輸入信號(hào)頻率fi，當(dāng)兩者頻率相等時(shí)，輸出與輸入電壓保持固定的相位差值，此時(shí)輸出與輸入電壓的相位被鎖住，即環(huán)路被鎖定[4]。

2 設(shè)計(jì)方案及用途

■2.1 整體設(shè)計(jì)方案

為保證光伏并網(wǎng)終端用戶電力負(fù)荷的端電壓穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了一種基于電力彈簧技術(shù)的末端光伏并網(wǎng)終端用戶的電壓調(diào)節(jié)裝置。具體并網(wǎng)方式如圖1 所示，將光伏終端用戶的光伏發(fā)電單元、終端用戶電力負(fù)荷均通過(guò)低壓電力線路連接到配電網(wǎng)中，ES-VR 則與終端用戶電力負(fù)荷串聯(lián)。

圖1 終端用戶并網(wǎng)示意圖

ES-VR 主要由主電路和控制電路組成。其中，主電路的功能主要是根據(jù)終端用戶末端電網(wǎng)電壓的變化來(lái)控制終端用戶電力負(fù)荷的端電壓；控制電路的功能主要是通過(guò)采集終端用戶末端電網(wǎng)和電力負(fù)荷等相關(guān)信息來(lái)輸出主電路工作所需的功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

■2.2 主電路部分

ES-VR 主電路部分由單相全橋逆變電路、直流濾波電容CDC、交流濾波電感L組成。并且，ES-VR 與終端用戶電力負(fù)荷ZS串聯(lián)連接。所述全橋逆變電路包括四個(gè)功率管S1、S2、S3、S4。具體主電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 電壓調(diào)節(jié)裝置 ES-VR 的主電路設(shè)計(jì)圖

圖2 中，終端用戶電力負(fù)荷端電壓為US，終端用戶電力負(fù)荷輸入電流為iS，終端用戶末端電網(wǎng)電壓為UO，所述電壓調(diào)節(jié)裝置ES-VR 的交流濾波電感電流為iL，ES-VR 的直流電容電壓為UDC，ES-VR 的輸出電壓為UES。

主電路的設(shè)計(jì)是為了將終端用戶電力負(fù)荷端電壓為US被控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。當(dāng)光伏并網(wǎng)終端用戶向電網(wǎng)倒送電而引起UO偏高時(shí)，ES-VR 通過(guò)吸收無(wú)功功率來(lái)維持終端用戶電力負(fù)荷端電壓US的穩(wěn)定；當(dāng)光伏并網(wǎng)終端用戶向電網(wǎng)取電而引起UO偏低時(shí)，ES-VR 通過(guò)發(fā)出無(wú)功功率來(lái)維持US的穩(wěn)定。

■2.3 控制電路部分

（1）控制電路設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算

ES-VR 的控制電路部分包括：直流電壓附加控制系統(tǒng)、鎖相環(huán)電路、電壓有效值計(jì)算電路（RMS）、功率計(jì)算電路、功率因數(shù)計(jì)算電路、ES-VR 參考電壓幅值計(jì)算電路、ES-VR參考電壓相角差計(jì)算電路、ES-VR 參考電壓基波合成電路、ES-VR 輸出電壓雙閉環(huán)控制電路、脈寬調(diào)制電路（SPWM）。具體控制電路的設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 電壓調(diào)節(jié)裝置 ES-VR 的控制電路設(shè)計(jì)圖

該控制電路首先采集主電路中的終端用戶電力負(fù)荷端電壓uS、終端用戶電力負(fù)荷輸入電流iS、終端用戶末端電網(wǎng)電壓UO、ES-VR 的交流濾波電感電流iL、ES-VR 的直流電容電壓UDC；并根據(jù)所述裝置正常工作范圍要求，得到ES-VR 直流電容電壓給定值UDCref和終端用戶電力負(fù)荷額定電壓值UN。

（2）控制電路原理

根據(jù)不同的電網(wǎng)電壓，ES 可以通過(guò)表現(xiàn)為容性或者感性與電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功能量交換。當(dāng)Ues=0時(shí)，ES處于阻性模式，將此時(shí)的Us定義為終端用戶負(fù)載電壓參考值UN；當(dāng)電網(wǎng)電壓高于UN時(shí)，ES 處于感性模式；當(dāng)電網(wǎng)電壓低于UN時(shí)，ES 處于容性模式。為得到統(tǒng)一的表達(dá)式，取σ為Ues超前于U0的角度，故容性模式下，σ實(shí)際取值為σ角的負(fù)值。

當(dāng)終端用戶末端電網(wǎng)電壓U0的幅值偏高時(shí)，使PR 控制器的給定參考正弦波Ues的相位超前電網(wǎng)電壓U0一個(gè)相位，從而控制相量的相位超前相量相位90°，此時(shí)ES-VR 吸收無(wú)功功率來(lái)維持終端用戶電力負(fù)載電壓Us的穩(wěn)定（感性模式）；當(dāng)終端用戶末端電網(wǎng)電壓U0的幅值偏低時(shí)，同樣使PR 控制器的給定參考正弦波Ues的相位超前電網(wǎng)電壓U0一個(gè)相位σ，從而控制相量的相位滯后相量相位90°，此時(shí)ES-VR 發(fā)出無(wú)功功率來(lái)維持終端用戶負(fù)載電壓Us的穩(wěn)定（容性模式）。

3 ES 仿真結(jié)果及性能分析

為驗(yàn)證電力彈簧裝置的工作性能，搭建Matlab/Simulink 仿真模型，其中，主電路仿真模型如圖4所示，主要電路參數(shù)見表1。

表1 仿真電路部分參數(shù)

圖4 主電路仿真模型圖

在仿真中，通過(guò)模擬白天的工況來(lái)驗(yàn)證電力彈簧的調(diào)壓能力。設(shè)定光伏并網(wǎng)系統(tǒng)向饋線注入的無(wú)功功率趨近于0，注入的有功功率在0.15s 時(shí)由510W 增加到970W，在0.3s 時(shí)又降到510W。得到在整個(gè)過(guò)程中ES 的輸出電壓的有效值的變化、ES 的有功及無(wú)功功率變化、終端用戶負(fù)載及終端用戶末端電網(wǎng)電壓有效值的變化如圖5 所示。

圖5 仿真模擬結(jié)果

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)向饋線注入的有功功率增加過(guò)程中，圖5(c)顯示，終端用戶末端電網(wǎng)電壓隨光伏功率的增加而增大，而終端用戶端負(fù)載電壓僅有突變脈沖，基本保持不變；圖5的波形圖也顯示，光伏并網(wǎng)端電壓在0.15s～0.3s 時(shí)間段振幅增大，而終端用戶負(fù)載電壓和負(fù)載電流僅在0.15s 和0.3s分別以略大和略小的幅值振動(dòng)了一個(gè)周期，隨即變回原來(lái)的幅值。

由圖5(a)、圖5(b)知，光伏功率增大時(shí)，電力彈簧迅速反應(yīng)，ES 輸出電壓增大，吸收無(wú)功功率，處于感性工作模式，以抑制終端用戶負(fù)載電壓隨光伏功率的變化，維持了終端用戶負(fù)載電壓的穩(wěn)定。

由以上仿真結(jié)果可知，結(jié)論與理論分析一致。電力彈簧具有很好的維持終端用戶端負(fù)載電壓電流穩(wěn)定的性能。

4 總結(jié)及應(yīng)用前景

加入電力彈簧可以減少系統(tǒng)的電壓波動(dòng)現(xiàn)象，大幅改善電力系統(tǒng)的供電電能質(zhì)量。該裝置的特殊接線方式能同時(shí)解決終端用戶末端電網(wǎng)電壓偏高和偏低兩方面問(wèn)題，總能夠保持終端用戶電力負(fù)荷的端電壓幅值基本不變，減少不穩(wěn)定電壓對(duì)終端用戶家用電器的損傷。相比于傳統(tǒng)配置所采用的無(wú)功補(bǔ)償來(lái)減小電壓波動(dòng)的方法，此電壓調(diào)節(jié)裝置具有可連續(xù)調(diào)壓、調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。裝置的體積和容量小，分布式控制使其可以廣泛分布于微電網(wǎng)中，容錯(cuò)能力強(qiáng)；即插即用，操作簡(jiǎn)單，且成本較低。

同時(shí)，該電力彈簧裝置解決了光伏供電末端終端用戶負(fù)載電壓的穩(wěn)定性問(wèn)題。隨著各種復(fù)雜的、精密的、對(duì)電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷普及，在光伏發(fā)電愈加盛行的今天，此電力彈簧裝置具有很大的應(yīng)用空間。