團(tuán)隊(duì)介紹

顏湘武，博士，教授，博士生導(dǎo)師，“分布式儲(chǔ)能與微網(wǎng)”河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，河北電機(jī)工程學(xué)會(huì)理事，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)汽車(chē)充換電系統(tǒng)與試驗(yàn)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)電源學(xué)會(huì)元器件專(zhuān)委會(huì)委員。

2007年11月至2008年10月期間由國(guó)家派出到美國(guó)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(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家科技支撐以及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目10余項(xiàng)。獲得中國(guó)電力科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，河北省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)。

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?fù)湟约半妱?dòng)汽車(chē)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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》、《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》、IEEE Transaction、European Journal、電力系統(tǒng)自動(dòng)化等國(guó)內(nèi)外權(quán)威和核心期刊，以及IEEE核心國(guó)際會(huì)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(zhuān)業(yè)博士研究生，IEEE學(xué)生會(huì)員。研究方向?yàn)樘摂M同步機(jī)技術(shù)和光伏微電網(wǎng)的電壓頻率動(dòng)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(xiàng)目和多項(xiàng)國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目。

導(dǎo)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)電力彈簧（ES）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能有效解決低壓臺(tái)區(qū)因光伏發(fā)電倒送引起的用戶(hù)端電壓大范圍波動(dòng)問(wèn)題，本文提出了一種新型ES拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以保障用戶(hù)端負(fù)載運(yùn)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(yùn)行范圍，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型ES在有分布式光伏接入下的低壓臺(tái)區(qū)用戶(hù)側(cè)電壓調(diào)節(jié)中的優(yōu)良作用。

項(xiàng)目研究背景

近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了一系列補(bǔ)貼政策，通過(guò)光伏扶貧的方式鼓勵(lì)農(nóng)戶(hù)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(yuǎn)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(huì)引發(fā)經(jīng)常性的電壓故障報(bào)警，而且較易導(dǎo)致逆變器停機(jī)保護(hù)，嚴(yán)重影響光伏發(fā)電收益。

有學(xué)者提出運(yùn)用電力彈簧（Electric Spring, ES）來(lái)解決電壓波動(dòng)以及功率平衡問(wèn)題。與傳統(tǒng)補(bǔ)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(diǎn)，兼具有功無(wú)功調(diào)節(jié)能力，在穩(wěn)定關(guān)鍵負(fù)荷運(yùn)行電壓的同時(shí)還可保證源—荷間潮流的平衡。

文獻(xiàn)中的ES拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要用于解決線(xiàn)路首端的電壓波動(dòng)給線(xiàn)路末端/用戶(hù)端關(guān)鍵負(fù)載帶來(lái)的影響，而在實(shí)際低壓臺(tái)區(qū)出現(xiàn)的場(chǎng)景多為：線(xiàn)路首端即低壓母線(xiàn)處的電壓穩(wěn)定在額定值，但用戶(hù)端向電網(wǎng)倒送電引起線(xiàn)路末端的電壓越限。面對(duì)這種情況，傳統(tǒng)的ES拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)難以適用。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

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(hù)端負(fù)荷/關(guān)鍵負(fù)荷串聯(lián)后再與光伏單元并聯(lián)接到低壓臺(tái)區(qū)饋線(xiàn)；二是功能不同，新型ES拓?fù)渲荚诮鉀Q低壓母線(xiàn)處電壓額定但用戶(hù)端電壓越限的問(wèn)題。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，當(dāng)光伏用戶(hù)向電網(wǎng)倒送電而引起饋線(xiàn)端電壓偏高時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)ES吸收無(wú)功功率來(lái)維持用戶(hù)負(fù)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(xiàn)端電壓降低時(shí)，ES發(fā)出無(wú)功功率來(lái)維持用戶(hù)負(fù)荷的電壓穩(wěn)定。

新型ES拓?fù)湓试S饋線(xiàn)電壓有較大的波動(dòng)范圍，旨在保證用戶(hù)負(fù)載端的電壓水平，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制框圖見(jiàn)圖1。

圖1 電力彈簧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制框圖

ES穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍見(jiàn)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(fù)載電壓US保持在額定水平。若允許負(fù)載電壓在其額定值±7%的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，可進(jìn)一步拓寬出工作區(qū)域?yàn)锳CIG的降壓模式。

圖2 ES穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(jì)的重要依據(jù)。ES分布式運(yùn)行，每個(gè)裝置參數(shù)的設(shè)計(jì)具有獨(dú)立性，可根據(jù)UO波動(dòng)范圍及負(fù)載功率因數(shù)等設(shè)計(jì)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(yùn)行條件下感性與容性模式的判斷條件，并定量分析了運(yùn)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(yùn)行模式的判斷條件，并定量分析了運(yùn)行在降壓模式下的電壓調(diào)節(jié)范圍，該運(yùn)行模式增加了ES的電壓調(diào)節(jié)范圍，有效避免了用戶(hù)端電壓過(guò)低造成的ES失靈問(wèn)題。
• 3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在光伏出力變化或負(fù)載投切時(shí)新型ES能夠保障負(fù)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(bǔ)償方法，具有補(bǔ)償容量小的特點(diǎn)，極端情況UO=280V和UN=220V時(shí)，所需最大補(bǔ)償容量?jī)H為用戶(hù)負(fù)荷復(fù)功率的62%。
• 4）下一步將致力于開(kāi)發(fā)光伏農(nóng)戶(hù)用電力彈簧裝置樣機(jī)并對(duì)其工程應(yīng)用效果進(jìn)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(tái)區(qū)用戶(hù)側(cè)電壓調(diào)節(jié)方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.