王旭沖陳 兵尹 香羅珊珊儲(chǔ)佳偉

（1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210096；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 210000；3.國(guó)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(yīng)用研究

王旭沖1陳 兵2尹 香3羅珊珊2儲(chǔ)佳偉1

（1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210096；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 210000；3.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

電壓暫降已經(jīng)成為最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題之一，為滿足電網(wǎng)的分布式與精細(xì)化發(fā)展需要，本文將電力彈簧運(yùn)用在電壓暫降治理中。在對(duì)電力彈簧的工作原理進(jìn)行闡述與理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，研究了電力彈簧的補(bǔ)償策略，并搭建了仿真模型，模擬了電壓暫降發(fā)生時(shí)，電力彈簧的補(bǔ)償作用。仿真結(jié)果表明，電壓暫降發(fā)生時(shí)，電力彈簧能夠迅速的檢測(cè)出電壓暫降，對(duì)敏感負(fù)荷進(jìn)行電壓補(bǔ)償并將暫降轉(zhuǎn)移至非敏感負(fù)荷上。

電壓暫降；電力彈簧；檢測(cè)方法；補(bǔ)償方法

隨著新能源的接入和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電壓暫降已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中危害最大的電能質(zhì)量問(wèn)題之一[1]。一方面，電網(wǎng)中電壓暫降事件的發(fā)生頻率越來(lái)越高；另一方面，對(duì)電壓暫降問(wèn)題十分敏感的設(shè)備使用者越來(lái)越多，如PLC、變頻器、總線、接觸器、繼電器、控制器等[2-3]。一旦發(fā)生電壓暫降，就可能造成這些設(shè)備停止工作，對(duì)整套設(shè)備甚至流水線都會(huì)造成影響，從而導(dǎo)致極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)電壓暫降的預(yù)防和治理已經(jīng)十分迫切，這已經(jīng)成為工業(yè)界和電力企業(yè)的共識(shí)。

為減少電壓暫降帶來(lái)的損失，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)針對(duì)其治理裝置開(kāi)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(shè)備包括不間斷電源（UPS）、固態(tài)切換開(kāi)關(guān)（SSTS）、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）等[4]。其中，不間斷電源已經(jīng)有很長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)間，但是其用在電壓暫降治理上時(shí)間不長(zhǎng)，并且主要是針對(duì)容量較小、電壓等級(jí)較低的設(shè)備，由于UPS主要依靠自身的儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行暫將補(bǔ)償，其造價(jià)較高，補(bǔ)償能力有限；SSTS主要用于多回路接入的配電網(wǎng)中，它采用半導(dǎo)體固態(tài)開(kāi)關(guān)作為切換設(shè)備，同時(shí)在先進(jìn)的監(jiān)測(cè)、控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，在運(yùn)行回路發(fā)生電壓暫降時(shí)，迅速切換至備用回路，SSTS可以運(yùn)用在電壓等級(jí)較高的電網(wǎng)中，結(jié)構(gòu)和建造也較為簡(jiǎn)單，但是，其只適用于有兩條或者多條回路接入的系統(tǒng)中；DVR是發(fā)展較為成熟的一種電壓暫降補(bǔ)償裝置，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，目前也有投運(yùn)機(jī)組，但是DVR更偏向于集中補(bǔ)償，運(yùn)用電壓等級(jí)較高容量較大，造價(jià)也較貴；相比于以上幾種補(bǔ)償裝置，SVG具有更多的功能，其不僅可以對(duì)電壓暫降進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)也可以對(duì)電壓波動(dòng)和閃變進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償，是一種綜合性的補(bǔ)償裝置，但是，SVG的研究尚不夠成熟，目前投運(yùn)的項(xiàng)目數(shù)量十分有限，對(duì)其研究還有待于進(jìn)一步提高。

隨著分布式發(fā)電技術(shù)和微電網(wǎng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)小型化和精細(xì)化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，并且電網(wǎng)中負(fù)荷類型越來(lái)越多樣化。針對(duì)上述情況，香港大學(xué)許樹(shù)源教授及其研究團(tuán)隊(duì)提出了電力彈簧（electrical spring,ES）的概念[5-7]，其核心思想是利用機(jī)械彈簧的原理，在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí)，將關(guān)鍵性負(fù)載的電壓穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時(shí)將其不穩(wěn)定轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵性負(fù)載上。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，將電力彈簧應(yīng)用到電壓暫降的治理上，控制電力彈簧將電壓暫降敏感設(shè)備的電壓維持在允許范圍內(nèi)，通過(guò)Matlab/Simulink仿真，驗(yàn)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(wǎng)中的示意圖。

圖1 電力彈簧連接示意圖

圖1中，US表示網(wǎng)側(cè)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(guān)鍵負(fù)載（non-critical load）和關(guān)鍵負(fù)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(guān)鍵負(fù)載ZNC和關(guān)鍵負(fù)載ZC兩端的電壓；PCC點(diǎn)為關(guān)鍵負(fù)載和非關(guān)鍵負(fù)載的公共連接點(diǎn)。非關(guān)鍵負(fù)載主要是指對(duì)電壓暫降耐受能力比較強(qiáng)的設(shè)備，如照明設(shè)備、加熱設(shè)備等，而本文中關(guān)鍵負(fù)載則是指對(duì)電壓暫降較敏感的設(shè)備，如控制器、接觸器等。當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，電力彈簧接入，控制關(guān)鍵負(fù)載的電壓恢復(fù)到電壓暫降前的正常水平。而此過(guò)程中，非關(guān)鍵負(fù)載可能承受更嚴(yán)重的電壓暫降，也就是將電壓暫降由關(guān)鍵性負(fù)載轉(zhuǎn)移到非關(guān)鍵負(fù)載上。電力彈簧的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(lái)控制逆變器產(chǎn)生滿足要求的交流電壓，從而將關(guān)鍵性負(fù)載的電壓控制在允許的范圍內(nèi)。圖2中，使能開(kāi)關(guān)S決定電力彈簧是否接入到系統(tǒng)中，其開(kāi)斷由電壓暫降檢測(cè)結(jié)果來(lái)決定，當(dāng)電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)到無(wú)電壓暫降發(fā)生時(shí)，S斷開(kāi)，此時(shí)電力彈簧僅有電容C接入到系統(tǒng)中；當(dāng)電壓暫降檢測(cè)模塊檢測(cè)到有電壓暫降發(fā)生時(shí)，S閉合，電力彈簧對(duì)電壓暫降進(jìn)行補(bǔ)償。

電力彈簧對(duì)敏感設(shè)備的電壓補(bǔ)償計(jì)算在文獻(xiàn)[8]中已進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，在此不再贅述，本文針對(duì)電壓暫降進(jìn)行研究，重點(diǎn)論述電力彈簧中所應(yīng)用的電壓暫降檢測(cè)和補(bǔ)償算法。

2 電壓暫降檢測(cè)算法與補(bǔ)償原理

如前文所述，決定電力彈簧使能開(kāi)關(guān)是否接入受電壓暫降檢測(cè)結(jié)果的控制，在本小節(jié)，將對(duì)電壓暫降檢測(cè)算法進(jìn)行闡述。本文采用αβ 坐標(biāo)變換的方法對(duì)電壓暫降進(jìn)行檢測(cè)[9]。構(gòu)建新的坐標(biāo)系αβ 坐標(biāo)系和dq坐標(biāo)系對(duì)電壓交流電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換示意圖如圖3所示。

圖3 αβ 坐標(biāo)系與dq坐標(biāo)系變換示意圖

在靜止坐標(biāo)系αβ 坐標(biāo)系中，電壓矢量U在兩個(gè)坐標(biāo)軸上的投影如式（1）所示：

構(gòu)造相對(duì)于αβ 坐標(biāo)系以角速度ω旋轉(zhuǎn)的 dq坐標(biāo)系，則U在dq坐標(biāo)系中兩個(gè)坐標(biāo)軸上的投影可以用式（2）表示：

dq坐標(biāo)系與αβ 坐標(biāo)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(biāo)軸上，再通過(guò)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?nèi)缡剑?）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(tǒng)發(fā)生了電壓暫降，則控制使能開(kāi)關(guān)使其閉合，使電力彈簧接入到系統(tǒng)中，對(duì)電壓暫降進(jìn)行補(bǔ)償。

在檢測(cè)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(bǔ)償量，在經(jīng)過(guò) dq與αβ 反變換，即可得到所需的交流電壓補(bǔ)償量。依據(jù)以上原理，本文應(yīng)用如圖4所示的電壓暫降檢測(cè)與補(bǔ)償方法。

圖4 電力彈簧電壓暫降檢測(cè)與補(bǔ)償原理

3 仿真結(jié)果與分析

2014年5月15日晚，南京地區(qū)某處變電站因突發(fā)線路故障，造成該區(qū)域發(fā)生大面積電壓暫降，由于該區(qū)域內(nèi)有大量電壓暫降敏感負(fù)荷，導(dǎo)致一定數(shù)量負(fù)荷停止工作，造成了一定損失。為驗(yàn)證電力彈簧對(duì)電壓暫降的補(bǔ)償作用，以該事故為例，在Matlab/Simulink中搭建事故發(fā)生時(shí)某部分單相區(qū)域內(nèi)的電路模型，驗(yàn)證電力彈簧對(duì)電壓暫降的補(bǔ)償效果，如圖5所示。仿真參數(shù)如下：以電源AC來(lái)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(guān)鍵負(fù)載C容量5kVA，非關(guān)鍵負(fù)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(tǒng)，設(shè)置電源AC在0.08～0.2s時(shí)電壓降低為正常電壓的40%，模擬系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的電壓暫降情況。在沒(méi)有電力彈簧接入時(shí)，關(guān)鍵負(fù)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(guān)鍵負(fù)載暫降波形與有效值

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

圖7（a）為電壓暫降發(fā)生后，非敏感負(fù)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(bǔ)償敏感負(fù)荷兩端電壓，非敏感負(fù)荷側(cè)出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的電壓暫降，也就是說(shuō)，暫降被從敏感負(fù)荷上轉(zhuǎn)移到了非敏感負(fù)荷上。圖 7（b）、圖 7（c）為非敏感負(fù)荷端電壓經(jīng)αβ 和dq變換后得到的dq的電壓，從而進(jìn)一步確定如圖7（d）所示的補(bǔ)償電壓。圖7（e）所示的為經(jīng)電力彈簧補(bǔ)償后的敏感負(fù)荷電壓波形及其有效值，由圖可知，電力彈簧可以迅速檢測(cè)電壓暫降并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的電壓可滿足敏感負(fù)荷的要求。

圖7 電力彈簧接入后電壓暫降補(bǔ)償過(guò)程

4 結(jié)論

本文提出應(yīng)用電力彈簧對(duì)電網(wǎng)中的電壓暫降進(jìn)行治理，在對(duì)電力彈簧進(jìn)行工作原理分析的基礎(chǔ)上，在Matlab/Simulink搭建了仿真模型，分析仿真結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1）電力彈簧可以對(duì)電壓暫降進(jìn)行補(bǔ)償，有效治理電壓暫降。

2）本文中所闡述的電壓暫降檢測(cè)與補(bǔ)償方法可以快速檢測(cè)出電壓暫降，并產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電壓對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

3）電力彈簧在對(duì)敏感負(fù)荷進(jìn)行電壓暫降補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，會(huì)對(duì)非敏感負(fù)荷造成一定的不良影響，即電力彈簧為了滿足敏感負(fù)荷對(duì)電壓波形的要求，在一定程度上犧牲了非敏感負(fù)荷的電壓波形。

[1]楊洪耕,肖先勇,劉俊勇.電能質(zhì)量問(wèn)題的研究和技術(shù)進(jìn)展(一)——電能質(zhì)量一般概念[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,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]劉悅,李勇,劉金陵.電能質(zhì)量電壓暫降問(wèn)題及應(yīng)對(duì)方案[J].山東冶金,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,張瑚,馬麗山,等.考慮補(bǔ)償方法的單相DVR 檢測(cè)方法研究與仿真[J].電網(wǎng)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?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析與控制。

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司科技項(xiàng)目（5210EF14001R）