- 頭條華北電大作者特稿：基于電力彈簧的低壓臺區用戶側電壓調節方法2021-01-10 作者：顏湘武 賈焦心 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語實驗結果表明，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定。基于ES的電壓調節方法為串聯補償方法，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功率的62%。
團隊介紹
顏湘武，博士，教授，博士生導師，“分布式儲能與微網”河北省重點實驗室副主任，河北電機工程學會理事，中國電工技術學會電動汽車充換電系統與試驗專業委員會委員，中國電源學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留學研究，現為華北電力大學電氣與電子工程學院教授。先后主持和承擔國家863計劃、國家科技支撐以及國家自然科學基金項目10余項。獲得中國電力科學技術一等獎1項、三等獎1項，河北省科技進步三等獎2項，授權國家發明專利30余項。
主要從事新能源電力系統穩定與自治控制、分布式發電并網與系統特性分析、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鍵技術研究。已培養碩士、博士研究生100余人。先后在《中國電機工程學報》、《電工技術學報》、IEEE Transaction、European Journal、電力系統自動化等國內外權威和核心期刊，以及IEEE核心國際會議等，發表學術論文200余篇，其中被SCI、EI收錄120余篇。
賈焦心，華北電力大學電氣工程專業博士研究生，IEEE學生會員。研究方向為虛擬同步機技術和光伏微電網的電壓頻率動態建模、分析及控制方法。曾參與河北省自然科學基金項目和多項國家電網公司科技項目。
導語
針對傳統電力彈簧（ES）拓撲結構不能有效解決低壓臺區因光伏發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拓撲結構以保障用戶端負載運行在額定電壓。介紹了新型ES的基本原理和調壓流程，分析了新型ES的穩態運行范圍，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用戶側電壓調節中的優良作用。
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戶自建家庭式光伏電站，“自發自用、多余上網”。然而在一些偏遠農村地區，低壓配電網供電末端電壓通常偏高，不僅會引發經常性的電壓故障報警，而且較易導致逆變器停機保護，嚴重影響光伏發電收益。
有學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。與傳統補償調節裝置相比，ES可廣泛分布于電網的任意節點，兼具有功無功調節能力，在穩定關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拓撲結構主要用于解決線路首端的電壓波動給線路末端/用戶端關鍵負載帶來的影響，而在實際低壓臺區出現的場景多為：線路首端即低壓母線處的電壓穩定在額定值，但用戶端向電網倒送電引起線路末端的電壓越限。面對這種情況，傳統的ES拓撲結構難以適用。
論文方法及創新點
新型ES體現在兩方面：一是ES接入位置不同，新型ES直接和用戶端負荷/關鍵負荷串聯后再與光伏單元并聯接到低壓臺區饋線；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。
該拓撲結構下，當光伏用戶向電網倒送電而引起饋線端電壓偏高時，可通過調節ES吸收無功功率來維持用戶負荷的電壓穩定，反之，當因光伏出力不足向電網吸收電能而引起饋線端電壓降低時，ES發出無功功率來維持用戶負荷的電壓穩定。
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，其拓撲結構和控制框圖見圖1。
圖1 電力彈簧拓撲結構和控制框圖
ES穩態運行范圍見圖2。感性模式下ES 工作在區域ABFD，容性模式下ES工作在區域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%的區間內波動，可進一步拓寬出工作區域為ACIG的降壓模式。
圖2 ES穩態運行范圍軌跡圖
將3種模式的參數范圍整理成表1，以作為裝置參數設計的重要依據。ES分布式運行，每個裝置參數的設計具有獨立性，可根據UO波動范圍及負載功率因數等設計合適的ES參數。
表1 參數范圍表
結論
- 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節范圍。
- 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節范圍，該運行模式增加了ES的電壓調節范圍，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定。基于ES的電壓調節方法為串聯補償方法，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功率的62%。
- 4）下一步將致力于開發光伏農戶用電力彈簧裝置樣機并對其工程應用效果進行分析。
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用戶側電壓調節方法[J]. 電工技術學報, 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.
