论文总字数：23217字

摘 要

电力弹簧（Electric Spring, ES）是近年来新提出的概念，它通过和非关键负载（Non-Critical Load，NCL）的串联来形成智能负载（Smart Load，SL），由此来提高可再生能源智能电网的稳定性，它不同于以往电力系统中用电量决定发电量的思路，而是用电量自动匹配发电量，从而能有效缓解因分布式电源的固有特性而出现的间歇性和不稳定性问题。相位控制是本文的关键概念，它是实时通过控制比例谐振控制器中预定义的参考值来实现的。现有的相位控制策略，简称δ控制，需要通过检测电网电压的有效值和瞬时相位，但实际中电网电压的有效值和相位的采集具有一定困难。为此，针对相位控制算法的上述缺点，本文提出一种改进型相位控制策略，拟通过采集电网电流的有效值和相位等方法，来避免采集电网电压的有效值和相位，从而对相位控制方法进行改进。采用相量图法进行分析，使关键负载的电压能够按照给定值变化，且跟随电网电流的变化，ES可分别工作于阻性、容性和感性三种工作状态。最终，在Matlab/Simulink搭建了仿真模型，验证了算法的有效性和正确性。

关键词：新能源，智能电网，电力弹簧，建模，相位控制

Abstract

Electric Spring (ES) is a novel control strategy which be proposed recently, which is in series with noncritical loads (NCL) so that to form the smart loads (SL) for enhancing stability of the smart grid .It is differs from the concept that power supply depends on power demand in power system, instead, making power supply changes base on power generation, which can solve the problem that intermittency and instability causing by inherent characteristics of distributed power system. Phase control is a key concept of this article, it is implemented by controlling the predefined reference values in the proportional resonant controller. The existing phase control strategy called δ control works by detecting the effective value and instantaneous phase of the grid voltage. However, in practice, it is difficult to acquire the effective value and phase of the grid voltage. So aiming at the shortcomings of this kind of phase control algorithm, in this paper, an improved phase control strategy has proposed, by collecting the effective value and phase of the grid current to avoid collecting those of grid voltage. Using vector illustration to analyze, making critical load voltage changes according to a predefined reference, as well as changes according to the grid current. ES could operate at resistive, capacitive and inductive modes. Finally, building a simulation model in Simulink and verify the correctness and effectiveness of the algorithm.

Keyword: new energy, smart grid, electric spring, modeling, phase control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.1.1 环境危机 1

1.1.2 可再生能源的特点 1

1.1.3 可再生能源的并网情况 2

1.1.4 智能电网的未来发展前景 2

1.2电力弹簧与传统补偿装置的对比 2

1.2.1 电力弹簧与串联补偿装置的对比 3

1.2.2 电力弹簧与并联补偿装置的对比 3

第二章 电力弹簧的基本理论 4

2.1 电力弹簧的研究背景 4

2.2 电力弹簧的工作原理 5

2.3 电力弹簧现有控制方法 6

2.4 电力弹簧的系统建模 6

第三章 单相电力弹簧的相位控制策略 10

3.1现有相位控制原理 10

3.1.1 关键负载为纯阻性 10

3.1.2 关键负载为阻感性 13

3.1.3 关键负载为阻容性 13

3.2 改进型相位控制策略 14

3.2.1 基本原理 14

3.2.2 仿真分析 16

3.3 仿真结果与讨论 17

3.3.1 关键负载为纯阻性 17

3.3.2 关键负载为阻感性 25

3.3.3 关键负载为阻容性 29

第四章 总结与展望 33

4.1 本文总结 33

4.2 课题展望 33

致 谢 34

参考文献 35

1. 绪论

1.1课题研究背景

1.1.1 环境危机

能源作为经济发展的命脉，正不断推动着社会的进步，全世界的环境问题日益严重，许多国家已经开始对空气污染问题进行立法，并且计划提高可再生能源的利用比例。近些年来，对于能源的过度开采，已经造成煤炭等化石能源不断枯竭。据估计，煤炭将于100年左右枯竭，石油将于40年左右枯竭，而天然气也将于60年左右消耗殆尽^[1]。化石燃料的大量开采利用，不可避免地会造成二氧化碳的大量排放，从而导致全球气候变暖。而中国作为化石燃料消耗大国，关于碳排放的问题自然而然的也引起了各国的注意。二氧化碳的过量排放会造成严重的环境问题，例如现在的雾霾问题、温室效应、海平面升高等问题。因此，控制碳排放问题已经成为了一个不容忽视的焦点问题，我国也已提出了减排目标，这对于我们来说既是机遇，也是挑战，减排政策可以促使我国能源结构转型发展，大大促进可再生能源的利用。

1.1.2 可再生能源的特点

众所周知，火力发电的燃烧过程会产生大量烟气污染，加重了酸雨的危害，同时也会产生大量粉尘，降低空气质量，形成雾霾等恶劣天气，对人们的生活和动植物的生长产生不良的影响。此外，资源消耗巨大，燃料利用率低，会产生不必要的浪费，并给环境治理造成诸多麻烦，不仅如此，火力发电还会产生严重的噪音污染，这些缺点无疑与现在的绿色发展理念背道而驰。因此，清洁能源已经越来越引起了人们的重视。

可再生能源一般包括太阳能，风能，水能，地热能和生物质能等。作为一种清洁能源，太阳能取之不尽，但太阳辐射极不稳定，太阳能发电厂价格昂贵。这给太阳能的使用和发展带来了一些障碍。风能作为一种清洁能源也是用之不竭。此外，风能的成本低廉，污染极小，我国海上风能资源丰富，风力发电具有很好的发展前景，但是，风力发电也具有一定的缺点，例如受地域条件影响比较大，涡轮机噪音大等。水能与地热能虽然现阶段也有一定的发展，但它们受地域条件影响大，利用起来不稳定。生物质能源包含可转化为能源使用的有机能源，如植物，各类有机废料等，生物质能在自然界中分布广泛，但是直接燃烧会产生大量热量，加剧温室效应。由上可知，可再生能源各有利弊，发展前景广泛，但是限制条件也很多。因此，可再生能源的发展之路还是任重而道远。

1.1.3 可再生能源的并网情况

目前，电网结构是基于火力发电架构的，其发电量由用电量决定，是一种集中调度的单向电网，而当今社会，人们对风能等可再生能源的利用逐渐增加，随着越来越多的风电机组接入电网，由风力发电带来的问题也日益显著。风能由于其不确定性以及风机自身的运行特性，会使得风电机组的输出功率波动，发电总量难以预测，从而对电网输出的电能质量产生一定的影响，而不稳定的关键问题在于发电量与负荷需求的不匹配,其中最主要的负面影响是电压波动和频率闪变^[2]。对于电压的波动，大型电网能进行一定的自我调节，但是小型的孤立电网调节能力很弱，用电设备容易受到影响，情况严重时甚至可能造成用电设备的损坏。应对上述分布式发电电压波动的问题，通常使用的方法是进行无功补偿或者使用蓄电池储能，但这两种方法都有各自的缺陷。无功补偿作为现在广泛使用的一种方法，例如静态无功补偿器和静态同步补偿器,虽然具有一定的稳压作用，但是此种方法无法调节有功功率，且无功装置的安装位置要求严格，而蓄电池则会增加使用成本，且寿命短，实用价值低。因此，传统大电网的运行方式需要有所改变。

1.1.4 智能电网的未来发展前景

智能电网是支持未来可持续经济发展的重要基础。鉴于能源资源和环境资源的严酷约束，针对现有能源的更有效利用、节能减排和环境保护已成为人类面临的重大挑战。作为回应，所有国家都在努力谋求大规模使用可再生能源，并减少对化石能源的依赖。智能电网是一个信息物理系统，以电力系统为目标，有效支持能源供应链的上下游环节，使能源生产、输送和使用更经济、安全、可靠和环保。

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