华北电力大学颜湘武、贾焦心 等：基于电力弹簧的低压台区用户侧电压调节方法
颜湘武，博士，教授，博士生导师，“分布式储能与微网”河北省重点实验室副主任，河北电机工程学会理事，中国电工技术学会电动汽车充换电系统与试验专业委员会委员，中国电源学会元器件专委会委员。
2007年11月至2008年10月期间由国家派出到美国威斯康星麦迪逊大学留学研究，现为华北电力大学电气与电子工程学院教授。先后主持和承担国家863计划、国家科技支撑以及国家自然科学基金项目10余项。获得中国电力科学技术一等奖1项、三等奖1项，河北省科技进步三等奖2项，授权国家发明专利30余项。
主要从事新能源电力系统稳定与自治控制、分布式发电并网与系统特性分析、高效变换拓扑以及电动汽车安全充电等方面的理论及其关键技术研究。已培养硕士、博士研究生100余人。先后在《中国电机工程学报》、《电工技术学报》、IEEE Transaction、European Journal、电力系统自动化等国内外权威和核心期刊，以及IEEE核心国际会议等，发表学术论文200余篇，其中被SCI、EI收录120余篇。
贾焦心，华北电力大学电气工程专业博士研究生，IEEE学生会员。研究方向为虚拟同步机技术和光伏微电网的电压频率动态建模、分析及控制方法。曾参与河北省自然科学基金项目和多项国家电网公司科技项目。
针对传统电力弹簧（ES）拓扑结构不能有效解决低压台区因光伏发电倒送引起的用户端电压大范围波动问题，本文提出了一种新型ES拓扑结构以保障用户端负载运行在额定电压。介绍了新型ES的基本原理和调压流程，分析了新型ES的稳态运行范围，并通过实验验证了新型ES在有分布式光伏接入下的低压台区用户侧电压调节中的优良作用。
近年来，国家出台了一系列补贴政策，通过光伏扶贫的方式鼓励农户自建家庭式光伏电站，“自发自用、多余上网”。然而在一些偏远农村地区，低压配电网供电末端电压通常偏高，不仅会引发经常性的电压故障报警，而且较易导致逆变器停机保护，严重影响光伏发电收益。
有学者提出运用电力弹簧（Electric Spring, ES）来解决电压波动以及功率平衡问题。与传统补偿调节装置相比，ES可广泛分布于电网的任意节点，兼具有功无功调节能力，在稳定关键负荷运行电压的同时还可保证源—荷间潮流的平衡。
文献中的ES拓扑结构主要用于解决线路首端的电压波动给线路末端/用户端关键负载带来的影响，而在实际低压台区出现的场景多为：线路首端即低压母线处的电压稳定在额定值，但用户端向电网倒送电引起线路末端的电压越限。面对这种情况，传统的ES拓扑结构难以适用。
新型ES体现在两方面：一是ES接入位置不同，新型ES直接和用户端负荷/关键负荷串联后再与光伏单元并联接到低压台区馈线；二是功能不同，新型ES拓扑旨在解决低压母线处电压额定但用户端电压越限的问题。
该拓扑结构下，当光伏用户向电网倒送电而引起馈线端电压偏高时，可通过调节ES吸收无功功率来维持用户负荷的电压稳定，反之，当因光伏出力不足向电网吸收电能而引起馈线端电压降低时，ES发出无功功率来维持用户负荷的电压稳定。
新型ES拓扑允许馈线电压有较大的波动范围，旨在保证用户负载端的电压水平，其拓扑结构和控制框图见图1。
图1 电力弹簧拓扑结构和控制框图
ES稳态运行范围见图2。感性模式下ES 工作在区域ABFD，容性模式下ES工作在区域ACD。感性和容性模式均能将负载电压US保持在额定水平。若允许负载电压在其额定值±7%的区间内波动，可进一步拓宽出工作区域为ACIG的降压模式。
图2 ES稳态运行范围轨迹图
将3种模式的参数范围整理成表1，以作为装置参数设计的重要依据。ES分布式运行，每个装置参数的设计具有独立性，可根据UO波动范围及负载功率因数等设计合适的ES参数。
表1 参数范围表
1）利用相量图法给出了ES工作在恒压运行条件下感性与容性模式的判断条件，并定量分析了运行在感性与容性模式下的电压调节范围。
2）利用相量图法给出了ES工作在降压运行模式的判断条件，并定量分析了运行在降压模式下的电压调节范围，该运行模式增加了ES的电压调节范围，有效避免了用户端电压过低造成的ES失灵问题。
3）实验结果表明，在光伏出力变化或负载投切时新型ES能够保障负荷端电压的稳定。基于ES的电压调节方法为串联补偿方法，具有补偿容量小的特点，极端情况UO=280V和UN=220V时，所需最大补偿容量仅为用户负荷复功率的62%。
4）下一步将致力于开发光伏农户用电力弹簧装置样机并对其工程应用效果进行分析。
颜湘武, 贾焦心, 王德胜, 秦本双. 基于电力弹簧的低压台区用户侧电压调节方法[J]. 电工技术学报, 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.