團隊介紹

顏湘武，博士，教授，博士生導(dǎo)師，“分布式儲能與微網(wǎng)”河北省重點實驗室副主任，河北電機工程學(xué)會理事，中國電工技術(shù)學(xué)會電動汽車充換電系統(tǒng)與試驗專業(yè)委員會委員，中國電源學(xué)會元器件專委會委員。

2007年11月至2008年10月期間由國家派出到美國威斯康星麥迪遜大學(xué)留學(xué)研究，現(xiàn)為華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院教授。先后主持和承擔(dān)國家863計劃、國家科技支撐以及國家自然科學(xué)基金項目10余項。獲得中國電力科學(xué)技術(shù)一等獎1項、三等獎1項，河北省科技進步三等獎2項，授權(quán)國家發(fā)明專利30余項。

主要從事新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定與自治控制、分布式發(fā)電并網(wǎng)與系統(tǒng)特性分析、高效變換拓撲以及電動汽車安全充電等方面的理論及其關(guān)鍵技術(shù)研究。已培養(yǎng)碩士、博士研究生100余人。先后在《中國電機工程學(xué)報》、《電工技術(shù)學(xué)報》、IEEE Transaction、European Journal、電力系統(tǒng)自動化等國內(nèi)外權(quán)威和核心期刊，以及IEEE核心國際會議等，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，其中被SCI、EI收錄120余篇。

賈焦心，華北電力大學(xué)電氣工程專業(yè)博士研究生，IEEE學(xué)生會員。研究方向為虛擬同步機技術(shù)和光伏微電網(wǎng)的電壓頻率動態(tài)建模、分析及控制方法。曾參與河北省自然科學(xué)基金項目和多項國家電網(wǎng)公司科技項目。

導(dǎo)語

針對傳統(tǒng)電力彈簧（ES）拓撲結(jié)構(gòu)不能有效解決低壓臺區(qū)因光伏發(fā)電倒送引起的用戶端電壓大范圍波動問題，本文提出了一種新型ES拓撲結(jié)構(gòu)以保障用戶端負載運行在額定電壓。介紹了新型ES的基本原理和調(diào)壓流程，分析了新型ES的穩(wěn)態(tài)運行范圍，并通過實驗驗證了新型ES在有分布式光伏接入下的低壓臺區(qū)用戶側(cè)電壓調(diào)節(jié)中的優(yōu)良作用。

項目研究背景

近年來，國家出臺了一系列補貼政策，通過光伏扶貧的方式鼓勵農(nóng)戶自建家庭式光伏電站，“自發(fā)自用、多余上網(wǎng)”。然而在一些偏遠農(nóng)村地區(qū)，低壓配電網(wǎng)供電末端電壓通常偏高，不僅會引發(fā)經(jīng)常性的電壓故障報警，而且較易導(dǎo)致逆變器停機保護，嚴重影響光伏發(fā)電收益。

有學(xué)者提出運用電力彈簧（Electric Spring, ES）來解決電壓波動以及功率平衡問題。與傳統(tǒng)補償調(diào)節(jié)裝置相比，ES可廣泛分布于電網(wǎng)的任意節(jié)點，兼具有功無功調(diào)節(jié)能力，在穩(wěn)定關(guān)鍵負荷運行電壓的同時還可保證源—荷間潮流的平衡。

文獻中的ES拓撲結(jié)構(gòu)主要用于解決線路首端的電壓波動給線路末端/用戶端關(guān)鍵負載帶來的影響，而在實際低壓臺區(qū)出現(xiàn)的場景多為：線路首端即低壓母線處的電壓穩(wěn)定在額定值，但用戶端向電網(wǎng)倒送電引起線路末端的電壓越限。面對這種情況，傳統(tǒng)的ES拓撲結(jié)構(gòu)難以適用。

論文方法及創(chuàng)新點

新型ES體現(xiàn)在兩方面：一是ES接入位置不同，新型ES直接和用戶端負荷/關(guān)鍵負荷串聯(lián)后再與光伏單元并聯(lián)接到低壓臺區(qū)饋線；二是功能不同，新型ES拓撲旨在解決低壓母線處電壓額定但用戶端電壓越限的問題。

該拓撲結(jié)構(gòu)下，當(dāng)光伏用戶向電網(wǎng)倒送電而引起饋線端電壓偏高時，可通過調(diào)節(jié)ES吸收無功功率來維持用戶負荷的電壓穩(wěn)定，反之，當(dāng)因光伏出力不足向電網(wǎng)吸收電能而引起饋線端電壓降低時，ES發(fā)出無功功率來維持用戶負荷的電壓穩(wěn)定。

新型ES拓撲允許饋線電壓有較大的波動范圍，旨在保證用戶負載端的電壓水平，其拓撲結(jié)構(gòu)和控制框圖見圖1。

圖1 電力彈簧拓撲結(jié)構(gòu)和控制框圖

ES穩(wěn)態(tài)運行范圍見圖2。感性模式下ES 工作在區(qū)域ABFD，容性模式下ES工作在區(qū)域ACD。感性和容性模式均能將負載電壓US保持在額定水平。若允許負載電壓在其額定值±7%的區(qū)間內(nèi)波動，可進一步拓寬出工作區(qū)域為ACIG的降壓模式。

圖2 ES穩(wěn)態(tài)運行范圍軌跡圖

將3種模式的參數(shù)范圍整理成表1，以作為裝置參數(shù)設(shè)計的重要依據(jù)。ES分布式運行，每個裝置參數(shù)的設(shè)計具有獨立性，可根據(jù)UO波動范圍及負載功率因數(shù)等設(shè)計合適的ES參數(shù)。

表1 參數(shù)范圍表

結(jié)論

• 1）利用相量圖法給出了ES工作在恒壓運行條件下感性與容性模式的判斷條件，并定量分析了運行在感性與容性模式下的電壓調(diào)節(jié)范圍。
• 2）利用相量圖法給出了ES工作在降壓運行模式的判斷條件，并定量分析了運行在降壓模式下的電壓調(diào)節(jié)范圍，該運行模式增加了ES的電壓調(diào)節(jié)范圍，有效避免了用戶端電壓過低造成的ES失靈問題。
• 3）實驗結(jié)果表明，在光伏出力變化或負載投切時新型ES能夠保障負荷端電壓的穩(wěn)定。基于ES的電壓調(diào)節(jié)方法為串聯(lián)補償方法，具有補償容量小的特點，極端情況UO=280V和UN=220V時，所需最大補償容量僅為用戶負荷復(fù)功率的62%。
• 4）下一步將致力于開發(fā)光伏農(nóng)戶用電力彈簧裝置樣機并對其工程應(yīng)用效果進行分析。

引用本文

顏湘武, 賈焦心, 王德勝, 秦本雙. 基于電力彈簧的低壓臺區(qū)用戶側(cè)電壓調(diào)節(jié)方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(12): 2623-2631. Yan Xiangwu, Jia Jiaoxin, Wang Desheng, Qin Benshuang. User-Side Voltage Regulation Method for Transformer Areas Based on Electric Spring. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(12): 2623-2631.