电子弹簧一种新型的智能电网技术Word文档格式.docx
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F=-kx
(1)
其中,F是力矢量,k为弹性系数,x是位移矢量。
机械弹簧存储的能量为:
本文介绍了电子弹簧的实际实现,第一次描述了基于胡克定律的电子弹簧的特性,接下来介绍了运行模式,限制和实际实现。
最后,第一次成功示范了应用电子弹簧稳定一个动态变化风能供电电力系统的电压。
研究发现电子弹簧在减轻大量间歇性可再生能源组成的电力系统的稳定性问题方面具有极大的潜力。
二电子弹簧的基本原理和应用
类似于机械弹簧,电子弹簧可以应用在:
1)提供电压支撑;
2)存储电能;
3)抑制电气震荡。
类似于公式
(1),电子弹簧的基本原理可以描述为:
其中q是电容量为C的电容的电荷量,va是电势差,ic是流过电容的电流。
公式(3)说明电子弹簧动态电压调整(电压升高和电压降低)功能可以通过存储电荷来控制,公式(4)表明电荷(q)的控制可以通过可控电流源来实现。
因此电子弹簧可以用一个电流控制电压源来代替[6],三种情况下的电子弹簧和机械弹簧的对比见图2。
电子弹簧与一个消耗负载Z1相连,设计电子弹簧的中性点位置是一个由弹簧保持的参考电压,电子弹簧和Z1是要保持交流电压vs到它的额定值vs_ref(比如220V),即中性点位置。
与机械弹簧在偏离中性点的方向可以产生机械力相同,电子弹簧可以提供电压升高和电压降低功能,电子弹簧的电压va可以通过在闭环控制下(图Fig.3(b))控制电流源为ic(图Fig.3(a))的电容C的电势差而产生,充电控制(3)提供一个产生双向电压来升高和降低电力系统母线电压的方法。
这个控制可以让电子弹簧的动态电压支撑功能可行。
图2机械弹簧和电子弹簧的对比
电子弹簧的能量存储容量可以由存储在电容中的电势能表示,所以电容C作为电子弹簧的储能元件。
既然电子弹簧能够提供衰减电气振荡的功能,有必要连接无损电子弹簧和一个消耗负载串联(比如热水器、电冰箱或者二者的组合),如图3(c)所示,串联的负载Z1有两个功能。
第一,它提供一个分散电能以阻尼为目的的机制;
第二,在分析中显示通过负载的电压(V0)和电子弹簧电压va可以以一种特殊的方式变化即负载上的功率消耗随可再生能源而变化。
这个电子弹簧的特别特征提供了一个在未来间歇可再生能源的电力系统中支撑母线电压的新型解决方案。
串联负载Z1使电子弹簧象一个“电压悬浮”,类似与对机械负载的机械悬浮弹簧。
(如一个交通工具)
图3(a)电子弹簧由可控电流源给一个电容供电组成(b)通过输入电压控制电子弹簧的原理图(c)一个电子弹簧与消耗电阻串联来储能,电压支撑和衰减。
图4带电子弹簧与阻感负载串联的实验装置原理图
图4中的电气系统用于说明电子弹簧的概念和运行限制,系统由交流电源供给一个风力仿真器产生不稳定的交流功率供应组成。
由于风的间歇特性,产生的功率会动态变化,母线的电压也会随之变化。
在这个系统中,电子弹簧与电子负载串联使用,电子弹簧和Z1形成一个“智能负载”,消耗负载Z1是一个“不重要负载”因为它可以运行在交流电压v0和一定程度的电压波动。
“不重要”负载包括电热水器、冰箱和照明系统。
通常来讲,电气负载Z1可以由电感L1和电阻R1串联代替,其它电气负载Z2需要恒定的母线电压,即重要负载。
电子弹簧工作公式(3)实质是控制电容的电场,它可以由一个简单的闭环控制用额定母线电压vs_ref作为参考来实现,以正弦曲线的方式变化电容中的存储能量使vs的有效值跟踪vs_ref,交替的电磁驱动力(e.m.f.)在母线频率处可控大小可以通过电容产生作为电子弹簧电压va,为确保可调交流电压源是象机械弹簧那样无损的,矢量va和i0必须是正交的,电流矢量i0可以超前va90°
(电容模式升压)或滞后va90°
(电感模式降压)。
B实际实现和电子弹簧特性
在电气工程领域,电子弹簧是一个特殊形式的无功功率控制器,在二十年前,基于功率电子器件的无功功率控制器(RPC)在功率工业中发展用来控制高压传输线的功率流动[8]-[17],简化控制原理图分别在图5(a)和5(b)中有所说明,在这些应用中,RPC的输入为vs,输出为v0整定为一个恒定的值(比如采用传统“输出回馈和输出电压控制”v0),注意电子弹簧本身与采用“输入回馈和输入电压控制”的RPC的区别在图5(c)中说明,通过调整输入电压vs和让输出电压v0动态波动(如一个新的输入电压控制),这种RPC会1)如电子弹簧提供电压支撑2)使负载功率同步跟踪可再生能源产生的功率。
这种RPC控制策略微妙的变化从输出控制到输入控制为电压和功率控制提供新的特色和功能[26]。
这个新的发现提供了应用电子弹簧平衡负载瞬时功率需求和产生功率[20][21],为未来电网接入大量的可再生能源提供机会。
图5(a)传输中输出电压支撑串联无功功率补偿器的简化控制原理。
(b)中心照明系统串联无功功率补偿器的简化控制原理。
(c)电子弹簧串联无功功率补偿器的简化控制原理
三,电子弹簧的运行和限制
对于一个负载可以分为两部分,不重要负载Z1和重要负载Z2,如图4所示,将电子弹簧与不重要负载相连,当线电压供给负载波动时,可以确保电压和功率在重要负载处保持恒定,这样的负载分配可以叫做“智能负载”,电子弹簧在图4的应用中的目标是在装置安装的位置恢复vs到母线电压额定值vs_ref,让Pin为动态改变的输入功率,一般图4的系统平衡公式是:
其中v0和vs分别是不重要负载电压和交流母线电压的方均根值,Re(Z)是Z的实部表示电阻R,Z1是不重要负载的阻抗,Z2是重要负载的阻抗。
电子弹簧的矢量公式是:
公式(6)表明,如果母线电压由电子弹簧整定到额定值vs_ref,二次功率p2为重要负载保持恒定,如果产生功率pin不能满足p1和p2的全部功率,电子弹簧的输入电压控制会产生一个电压向量va保持vs整定在vs_ref,从(7)中,通过Z1的电压向量v0会减小,因此如果电子弹簧运行良好,重要负载的P2就会如期保持恒定,不重要负载的功率P1就会跟随发电的功率变化。
简单解释,如果Z1和Z2分别是纯电阻负载R1和R2,(6)变为
如果vs由电子弹簧保持恒定,在公式(8)右侧的唯一变量是电子弹簧电压va,重要负载的功率p2是恒定的,va的变动会减小P1所以p1和p2的总和会跟随pin,换句话说,电子弹簧允许消耗功率跟随产生功率,这种新型控制算例是将来大量间歇可再生能源的电力系统需要的。
图6对于一个包含阻感负载的不重要负载中电子弹簧的运行模式来保持vs达到vs_ref。
(a)中性,(b)感性(不重要负载因电压升高而功率减小),(c)容性负载(不重要负载因电压减低而功率升高)
象机械弹簧不能超过某个位移一样,电子弹簧也同样有它的运行限制,图6(a)到图6(c)表明系统的矢量图(图4)带电子弹簧在3种运行模式下对一个包含阻感负载的不重要负载,如照明负载,矢量图的圆圈表示额定值Vs_ref(比如220V),矢量假设以母线频率50Hz逆时针方向旋转,图6描绘了电子弹簧在“中性点”位置,此时va=0。
这时指的是可再生能源(如风力发电)产生的功率充足而满足负载需要和保持vs同步在额定值vs_ref,图6(b)代表功率减小的情况,Z1需要使vs达到Vs_ref.这里va为正(使v0小于vs_ref)为了在电子弹簧的电感模式下提供“功率减小”功能。
如果产生的功率比负载需要的多,vs将要超过vs_ref,会产生过压,为了使vs调整到vs_ref,图6(c)显示电子弹簧可以在电容模式下提供“功率提升”功能,这里v0升高,考虑到它在图6(b)中的值,为了使负载Z1可以消耗更多的功率来保持功率平衡。
电子弹簧的标量公式电压矢量va在电容模式下图6(b)和电感模式下图6(c),由9给出:
这里vc是功率逆变器滤波电容的电压。
图7电子弹簧与消耗负载Z1串联的电力系统的原理图
在电力系统环境下,电子弹簧的分析可以应用于其他不重要负载如电热水器(如1个阻性负载),图7表示的是一个改进的电力系统实验装备,包括电力供应和功率电缆的电源阻抗,由于网络的阻抗存在,机侧的电压为VG,电子弹簧所在处母线电压为Vs,运行模式见图8(a)-8(c),图4中表示一个智能负载,当运行在独立模式下,保持负载重要部分的功率和电压恒定,当智能负载连接到电力配电系统如图7所示,系统阻抗和智能负载的交互,以及电力供应的电压和功率特性,将会影响智能负载的性能,由于同时注入有功功率和无功功率在智能电网从分布的功率电源,电子弹簧可以动态运行在中性、容性和感性模式来稳定母线电压。
四实际评估
为了实际评估提出的电子弹簧的性能和运行模式,3个不同的实验被建立,a)第一个实验是给带负载的电子弹簧充电,用标准的交流功率源,所以每一个运行模式的性能可以检测,电子弹簧的电压和电流是在3种模式下测量。
B)给带功率减小功能的电子弹簧编程,并用图4的结构测试。
建立一个风力发电仿真器形式的不稳定电源,功率由功率逆变器根据记录的风速曲线和一个交流源产生的功率基准曲线产生。
目的是检验电子弹簧的电压支撑能力和其与间歇可再生能源(从风力发电仿真器)和不重要、重要负载消耗之间的关系C)最后一个测验在图7所示的系统中是检测电子弹簧的性能,在这种情况下,对电压升高和电压抑制情况都进行了评估。
图9电子弹簧的实验配置(带控制框图)
A.电子弹簧作为新型智能电网设施的运行
图9显示了第一个测试的实际设备,采用输入电压控制方法,电压误差通过一个补偿控制器为正弦PWM发生器产生峰值信号,通过一个同步网络,一个相控信号通过正弦PWM发生器,为功率逆变器提供门极信号。
逆变器的PWM输出电压通过一个LC低通滤波器所以电子弹簧的电压是正弦的,相控信号确保电子弹簧电流超前或滞后电子弹簧电压90°
,测试环境是Vs=220V,f=50Hz,R1=51.4ohm
当电子弹簧(ES)运行在中性点位置附近,母线电压(Vs),不重要负载电压(V0),ES电压Va,和ES电流(与不重要负载电流相同)的测量波形记录并显示在图10中,在这种情况下,v0和vs本质相同,因为母线220V时va的有效值只有4V,图11显示的是相关波形当ES运行在电容模式,可以观察到ES的电流超前ES的电压,这里负无功功率由ES提供,v0略小于Vs,同样ES运行在电感模式相应的波形在图12中显示,可以看到ES的电流可以控制滞后ES的电压,在电感模式下,ES注入系统的正无功功率提供电压支撑。
B.电子弹簧的运行在不稳定的功率电网由间歇可再生能源提供(负载需求跟随功率产生和电压支撑的示范)
图13(a)显示的是第二个三相系统的实际装置,高相的原理图在图13(b)中说明,电子弹簧具有电压支撑功能,间歇可再生能源由功率逆变器产生,它根据预先记录的风速曲线和1.2MW的基准功率曲线产生功率,预先记录的风速曲线是30min(1800s)基准功率注入功率逆变器在母线电压处产生一个较弱的整定交流母线电压模式。
智能负载和重要负载都与功率线相连,5min间隔的规划220V电压作为分隔以后(1800s-2100s),同样30min的风力驱动电压模式从2400S重复,通过关断旁路开关S和激活第二个开关模式S使电子弹簧的智能负载在第一个电压模式下无效。
图10在中性点下测量稳态电子弹簧波形
图11容性条件测量稳态电子弹簧波形图12感性条件测量稳态电子弹簧波形
图13(a)一个带三相电气负载和电子弹簧的实验设备照片(包括电阻和照明负载)
(b)用电子弹簧示范功率平衡风力驱动电网的实际装置原理图
根据公式(7),矢量Vs与Vs和Va的垂直和相等,图14显示的是测量母线电压Vs的有效值(标量值),非重要负载电压v0和电子弹簧电压va在电子弹簧激活前后,电子弹簧在第一个测试的前半部分启用之前,母线电压在额定220V电压以下区域波动,因为旁路开关关闭电子弹簧不作用,不重要负载电压v0与不稳定母线电压vs重叠在第一个母线电压模式下,然而,可以看到,在实验后半部分电子弹簧激活在同一电压模式下,母线电压可以成功升高或支撑到220V。
图14电子弹簧启用前后测量母线电压vs,不重要负载电压v0和电子弹簧电压va(电子弹簧只设置为升压功能)
图15重要负载和不重要负载的功率(电子弹簧只设置为升压功能)
母线电压的跳动可以从图14中看出,电子弹簧象一个“电压拉伸弹簧”保持母线电压的恒定,可以看出不重要负载电压v0达到220V(比如不需要电压支撑),电子弹簧电压va下降到0,当电子弹簧产生正电压来支撑母线电压时不重要负载电压v0减小,v0的间接变动提供一个使负载的需求跟随风力发电曲线动态变化的机制,这个效果可以从图15实际智能负载单元的测量中观察到,当电子弹簧激活后,不重要负载P1的需求随风力曲线而变化而其它负载P2的需求本质上保持不变,结果说明了电子弹簧在电压支撑和使负载需求跟随风力发电曲线的有效性。
测量证明了这一科学理论和电子弹簧在支撑不稳定系统母线电压和动态平衡风力发电功率和负载功率的有效性。
C.电子弹簧的测试在间歇可再生功率注入电力系统(动态电压调整通过无功功率补偿和不重要负载自动脱落的示例)
建立了一个智能负载包括电阻负载的组合(以热水器为代表),两个功率源由一个传输网络箱分开,实验装置如图16所示,一个交流电压源(由90KVA的正弦PWM功率逆变器提供)和一个间歇的可再生能源(由一个10KVA的功率逆变器提供)一起使用来仿真间歇可再生功率成为一个大量的功率发电设备,为了仿真风力发电,用逆变器记录的风速曲线来产生风力发电功率。
图16电子弹簧与负载Z1串联的实际实现原理图
由于电子弹簧在配电网中测试,线路阻抗的选取电阻率(X/R)应该反映分布线缆的值,对于分布线来说,典型的电抗和电阻率(X/R)是从2到8[28],可以看到选用的线缆是高架线缆连接一个和另一个房子(比如在澳大利亚居住地的分布网络),比如一个150A(240V)的架空分布铜线缆,采用典型的相位500,根据[29],相位大小为500的铜线缆的线阻抗X=0.1202ohm和R=0.0247ohm每1000ft,X/R大约是4.87(在典型2到8范围内),在这个实验中,两个传输箱的X/R比率分别是是7.5和3.8,这个比率是在分布线缆的典型范围内。
[28]。
一个预先记录的12min风速曲线注入功率逆变器产生一个弱的整定母线交流电压模式,智能负载和重要负载连接在电力传输线上,同样的风力驱动电压模式在720S到1440S重复记录,智能负载的电子弹簧在第一个电压模式下通过旁路开关关断,在第二个电压模式启用。
图17显示的是在电子弹簧启用前后测量的重要负载(母线)电压Vs的有效值(标量值),不重要负载的电压v0和电子弹簧的电压Va,在电子弹簧没有加入的实验的前半部分,母线电压在额定值220V的上下范围区域内波动,因为旁路开关S关断电子弹簧没有启用,不重要负载的电压V0和不稳定的母线电压vs叠加在风力仿真的前半部分电压模式下,然而可以看到在电子弹簧启用的重复电压模式实验的后半部分,母线电压可以成功整定在220V。
图17电子弹簧启用前后测量母线电压vs,不重要负载电压v0和电子弹簧电压va(电子弹簧设置为升压和降压功能)
图18重要负载和智能负载的测量功率(电子弹簧设置为升压和降压功能)
电子弹簧的电压跳动特点可以从图17中看出,可以看出不重要负载电压V0减小当电子弹簧产生正负电压整定母线电压,v0变动的结果是提供了一个不重要负载功率脱落和产生无功功率来跟随风力发电功率曲线的动态变化。
这个结果可以从实际负载功率的动态测量中看到,如图18所示。
当电子弹簧启用,不重要负载的负载需求脱落,无功功率的产生跟随不稳定母线电压,而重要负载的需求保持本质相同,这个结果说明了电子弹簧在电压支撑和使负载需求跟随风力发电功率的有效性,测量结果证明科学理论和电子弹簧在整定不稳定系统母线电压和动态平衡风力发电功率和负载功率的有效性。
五结论
机械弹簧的胡克定律对于当今社会发展成电子弹簧的概念用于科研应用,介绍了科学定律,运行模式和限制,一个电子弹簧在电压支撑和抑制方面的实际测试和使2.5KW的负载需求跟随风力发电功率曲线在一个交流功率源和风力发电仿真器组成的10KVA的电力系统。
电子弹簧可以加入许多不重要负载如热水器和马路照明系统形成新一代智能负载,如果许多不重要负载配备电子弹簧,分布在整个电力系统中,这些电子弹簧(如图1所示的电子弹簧阵列)为未来电力系统提供分布能源存储,电压调整和阻尼功能等高可靠性和有效性的解决方法,这样的稳定性方法也可以独立于信息和通讯技术。
这个发现基于3个世纪前的胡克定律提供一个实际的解决方法根据负载需求跟随功率产生在未来电网中接入大量可再生能源,不象传统的无功功率补偿方法,电子弹簧提供无功功率补偿和不重要负载的有功功率波动,许多国家决定低碳化功率发电来降低全球变暖,截止到2020年增加可再生能源到总共功率输出的20%[22]-[25],电子弹簧作为一个新型的概念使人类社会用自然界所给能量。
胡克定律创立于17世纪为21世纪稳定的电力系统奠定了基础。
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