文 献 综 述
- 研究背景
可再生能源有一定的自然恢复能力，如太阳能、风能、水能、潮汐能和地热能等等，具备可持续性、非放射性和无污染三大特点。它们可以从自然环境中获得，是可以高效利用的能源，能很好地替代火电和核电，也是改善环境的一种重要手段。各国的能源重心都开始偏向于这块领域，可再生能源发电技术被预为未来几个世纪的主要能源获取手段。
当前，电力系统的运行方式是发电量根据用户的需求而定。可再生能源发电并网容量正逐年增大，然而新能源的间隙性和不稳定性使得其总的发电量难以准确预测，这就可能造成用户用电需求与电网提供电能的不匹配，上述属性对电力系统的影响也越来越明显，比如谐波污染、电压的波动及频率闪变等。以目前比较流行的风力发电为例，风力发电带有不确定性和间歇性，而风力机组自身的工作特性也会导致风力机组输出功率的变化，随着风力机组装机容量的增加，这些波动逐渐被扩大，进而影响到大电网的电能质量，这其中主要的影响就是风力发电引起的电压波动和闪变。大型电网对于电压的波动有一定的自我调节能力，而小型孤立的微电网的调节能力则很弱，电压波动会对其用电设备产生不利的影响，严重情况下甚至会损坏关键的用电设备。
- 研究意义
针对电网电压的波动，无功补偿是目前应用最广泛的技术，但该方法无法调节有功功率。尽管采用双馈感应发电机的风电场对电网有稳压功能，然而其输出的无功功率会增大电流和损耗。针对新能源发电的间歇性特点，利用蓄电池、超导或高速飞轮等储能装置来抵消发电量与电网负荷之间的差异是有效解决该问题的方法之一。然而，这些方法会使成本显著增加。
电力弹簧(electric spring，ES)颠覆了电力系统中用电需求决定发电量的传统思路，旨在实现用电量可随着发电量的变化而变化，能有效缓解太阳能、风能等新能源发电的间歇性和不稳定性的问题。国际电工标准IEC61400-21对电压波动和闪变做出明确申明，规定了其波动允许值和相应的评定方法，可见电压波动和闪变是一个值得研究和解决的难题。虽然目前主流的双馈风机能够稳定输出电压，但是会增大风机的并网电流与损耗，而采用大量的储能装置又会导致电厂建造的成本增加。因而对于如何解决新能源接入电网造成的电能质量问题是一个非常有意义的课题。
- 电力弹簧的提出
针对上述现状，香港大学的Shu Yuen (Ron) Hui课题组于2012年9月首次提出了电力弹簧(electric spring，ES)的概念，其核心思想是将机械弹簧的概念对偶到电力系统中，与汽车的减震器原理相类似，在“颠簸”的电网中使得关键负载上的电压波动被控制在规定的范围内，同时将电压（能量）的波动转移到非关键负载上，并自动调节非关键负载的耗电量，实现发电量与用电量的自动平衡。设计者通过对胡克定律的深入研究，在电力领域找到了类似的表达式，最终结合单相逆变器及LC低通滤波器提出了电力弹簧的拓扑。ES虽然也是一种无功发生器，但与传统的无功补偿装置有很大的区别。静态无功补偿器(static var compensator，SVC)和静态无功发生器(static var generator，SVG)是典型的无功补偿装置，为电力系统的长期稳定运行提供了强有力的技术支撑。虽然它们都能通过无功补偿来平抑电压的波动，但都是基于现有运行模式，即先确定用电负荷需求量，再提供相应的发电量。而ES颠覆了传统的电力系统运行模式，使得电网中负载的耗能随着新能源发电量的变化而变化，可以有效克服新能源发电不可预测的缺点，是一种全新的控制思路。
- 国内外的发展现状
目前，针对ES的研究才刚刚起步，研究成果还较少。从2012年9月香港大学的Shu Yuen (Ron) Hui课题组首次提出了电力弹簧(electric spring，ES)的概念到目前为止，经过研究人员不断探索研究，已经取得非常多的成果，这其中大部分是由Shu Yuen Hui(Ron)课题组带头研究和发表。2015年，东南大学的程明教授对ES进行深入研究，并成功做出基于DSP28335平台的实验样机，通过实验进一步验证了ES的可行性和有效性。
文献[1]对电力弹簧控制方式与传统无功补偿装置控制方式的不同之处进行了重点研究，强调传统无功补偿装置是对其输出电压进行控制，而电力弹簧则是对输入电压进行控制，这是两者最大的区别，为之后控制器的设计奠定了基础。
文献[5]采用电流控制方式，设计了双反馈回路，无功功率的控制是直接通过控制滤波电容两端电压幅值来实现的。在这种情况下，电力弹簧ES理论上是不会提供有功功率的。实际上，逆变电路和LC低通滤波器会消耗少量有功功率，所以，需要尽量将ES电压和非线性负载电流之间的相角差控制在90度左右，保证ES不消耗有功功率。
文献[6]提出相位控制原理，并结合考虑对谐波的抑制作用，加入PR控制器和二阶广义积分器，能够有效地跟踪给定正弦波的相位。考虑到电力弹簧ES直流侧电压是由DC侧电容提供的，高频开关装置会损耗有功功率，因此DC侧电容电压会有所下降。为了解决这一问题，再引入一个PI控制，用于跟踪DC侧的直流参考电压，将其控制在参考值。通过双闭环的控制手段，电力弹簧ES可以有效地稳定关键性负载的电压。
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