电气弹簧技术的现状与发展

詹 俊， 赵朝会， 卓克琼， 王辉航

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

电气弹簧技术的现状与发展

詹 俊， 赵朝会， 卓克琼， 王辉航

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

针对新能源发电并网造成需求侧电网电压波动的问题，一种基于胡克定律的新型智能电网技术——电气弹簧(ES)已被提出。系统阐述了电气弹簧的基本原理，归纳了已有的拓扑结构，分析了ES的相关控制方式，探讨了ES技术存在的缺陷，总结了该技术的发展趋势和研究方向。

功率平衡; 电压波动; 电气弹簧; 拓扑结构; 控制方式

新能源发电的不稳定会造成电网功率的不平衡，引起电压波动[1-2]等一系列问题,如：损坏设备绝缘，缩短设备使用寿命;电动机、变压器空载损耗过大;电压波形畸变;无功补偿装置补偿效果降低，增加网络线损等。目前就解决电网电压波动问题的方法主要有两类:① 利用蓄电池、超导、超级电容、飞轮等储能装置来消除电压波动;② 利用静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)[3-4]、静态无功发生器(Static Var Generator，SVG)[5]等无功补偿装置来稳定电网电压。

为了更好地解决未来分布式智能电网中功率不平衡所引起的电压波动问题，2012年，香港大学Shu Yuen (Ron) Hui课题组在机械弹簧胡克定律的基础上，首次提出了电气弹簧(Electric Spring, ES)的概念[6]。 目前,国内、外学者已对ES技术展开了相关研究。文献[6-11]中探究了运用在交流电网中，ES的拓扑结构及其基本原理；文献[12-15]中则对运用在直流电网中的串/并联ES的基本原理、拓扑结构展开了深入的研究;文献[16]中基于已有的拓扑结构，首次提出了ES的统一拓扑结构，并系统阐明了其工作原理;文献[17-48]中介绍了ES可实现的功能及其相关控制方式，其控制方式从只能实现单一功能向多个功能同时实现的方向发展;文献[49]中研究了在孤岛运行下，运用ES来提升微网暂态稳定性的能力。

本文对目前国内、外现有文献进行了分析，并在此基础上系统阐述了ES的基本原理，归纳了其拓扑结构及其控制方式，总结了ES技术的研究现状和存在的缺陷，探讨了ES的发展趋势和研究方向。

1 ES的基本原理

1.1 结构组成

ES是由功率变换器(DC/AC变换器、AC/DC/AC变换器、DC/DC变换器)和LC低通滤波器构成。图1所示为采用DC/AC变换器的ES基本拓扑结构。在实际电网中,ES与非关键负载Znc串联形成智能负载来保证关键负载Zc的稳定运行。

(a) ES结构图

图中，Zc为对电压波动敏感的负载，Znc为输入电压范围较大的负载;UES为ES输出电压;q为ES输出电容C两端的电荷量;IES为流进电容C的电流;IL为ES中逆变器的输出电流;Inc为电网中流进ES的电流;Ug为母线电压。

1.2 基本原理

当电网电压在一定的范围内波动时,ES能作为功率补偿器来稳定输入电压Us，其理想值为Us_ref,其输出功率由两端电压UES和流入电流Inc的乘积所决定，其具体物理关系式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,C、q分别为ES输出电容值和两端电荷量;|SES|、|UES|、|Inc|分别为ES的输出功率、输出电压、流进ES的电流的幅值;θES、φES、φnc为ES的输出功率、输出电压及流进ES中电网电流的相角。

根据式(1)～(3)可知，ES可视为一个受电流控制的电压源(CCVS)，通过调节电流IES改变其输出电压UES，使其输出不同类型的功率。其有9种功率补偿模式：① 当θES=0时，ES吸收有功功率(+PES)，为阻性模式;② 当0<θES<π/2时，ES吸收有功和无功功率(+PES+jQES)，为阻感性模式;③ 当θES=π/2时，ES吸收无功功率(+jQES),为感性模式；④ π/2<θES<π时，ES释放有功功率、吸收无功功率(-PES+jQES)，为负阻感性模式；⑤ 当θES=π时，ES释放有功功率(-PES)，为负阻性模式;⑥ π<θES<3π/2时，ES释放有功和无功功率(-PES-jQES)，为负阻容性模式;⑦ 当θES=3π/2时，ES释放无功功率(-jQES)，为容性模式;⑧ 当3π/2<θES<2π时，ES吸收有功功率、释放无功功率(+PES-jQES)，为阻容性模式；⑨ 在交流电网中， 当IL+Inc=0时，ES不提供功率补偿(0)，为短路模式。

当电网电压发生波动时，ES会起作用，通过变化的电压UES释放/吸收功率以稳定输入电压，故当Us=Us_ref时，Znc两端的电压Unc发生变化，直接导致Znc吸收的功率发生改变。

(1) ES未起作用前,

Us=Unc

(6)

(7)

(2) ES起作用后,

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，Pin为电网向Zc、Znc释放的有功功率;Re为复数的实部;PES为ES输出的有功功率;P1、P2分别为Zc、Znc吸收的有功功率。

由式(6)～(11)可知，当Pin不能同时满足P1、P2的功率需求时，ES作为补偿器除了输出功率来稳定Zc的电压外，还将电网电压的波动转移至Znc上。这种使Znc电压随电网变化而变化的运行方式克服了新能源发电量不可预测的缺点，实现了用电量随发电量变化而变化的新型运行模式。

因此，ES是一种让Znc功率随电网波动、保证Zc电压、功率稳定的器件。

2 ES的拓扑结构

迄今为止，ES的拓扑结构经历了3个阶段的发展,并在此基础上得出了ES的统一拓扑图。

2.1 第1代ES(ES-1)

图2为第1代ES拓扑图。由于逆变器直流侧储能元件是电容，且其内部只有电感、电容这类吸收/释放无功功率的储能元件，故第1代ES(ES -1)只能进行无功功率补偿。当UsUs_ref时，ES吸收无功功率来降低Us至Us_ref;当Us=Us_ref时，ES进入短路模式。虽然ES -1无法向电网释放有功功率，但当Us调至Us_ref时，能够保证Zc的功率平衡，并将电网中有功功率的波动转移至Znc。

图2 第1代ES结构图

因此，ES -1是一个不吸收电网能量，通过无功功率补偿来管理输入电压，并将电网上有功功率波动转移至Znc的无功补偿器。

2.2 第2代ES(ES-2)

如图3所示，第2代ES(ES -2)在ES -1的基础上于逆变器直流侧添加了电池储能。在电池的作用下，ES -2能够向电网释放有功功率，通过改变UES与Inc的夹角,第2代交流ES可以向电网释放9种类型的功率、第2代直流ES可以释放3种类型的功率来保证电网功率的平衡，从而提高电网运行的稳定性。在ES -2混合功率补偿的作用下，其实现的功能更加丰富，如稳定电网频率、功率因数校正、消除电压畸变等，补偿效果也更好。

图3 第2代ES结构图

2.2.1 交流ES 交流ES可分为单相交流ES和三相交流ES两种。

(1) 单相交流ES。除图3所示的ES外，图4所示的ES拓扑也适用于单相交流网，该结构能通过改变变压器一、二次侧匝数比n来调节Znc两端的电压。其工作原理与ES -2相似，通过向节点释放/吸收功率来稳定输入电压。

(2) 三相交流ES。基于第2代ES的拓扑理念将其运用于三相交流电网中，形成图5所示的三相ES拓扑结构。

图4 新型单相ES拓扑图

图5 三相ES结构图

三相ES的输出电压可以通过变压器匝数比来改变，其工作原理与ES -2相似，通过向电网释放/吸收混合功率来缓解因三相功率不平衡带来的问题，如平衡三相电网电流和功率、减小中性线电流等，从而保证三相电网的稳定运行。

其次，可以分别在地理信息管理服务器与ETL服务器中构建起Quartz任务管理工具和GEOKettle数据抽取融合工具，再对每天的数据进行提取、转换、更新等，GEOKettle工具的主要作用是对任务进行具体实施。

2.2.2 直流ES 主要包括DC/AC和DC/DC变换器下的ES两种。

(1) DC/AC变换器下的ES。在交流电网中，ES -2通过向节点释放/吸收无功功率来稳定输入电压；但在直流网中，ES -2通过向节点释放/吸收有功功率来稳定输入电压。直流电网中的直流ES可分为与Znc串、并联两种类型，简称串联型和并联型ES，如图6所示。Znc可分为正恒定电阻(+R)、负恒定负载(-R)、正恒功率负载(+P)、负恒功率负载(-P)4类。

由图可见，

(12)

由式(12)可见，直流ES是通过改变Io来改变输入电压Us的。

(a) 串联型ES

(b) 并联型ES

在图6(a)中，当Us>Us_ref时，ES吸收有功功率来提升Znc的电压，降低Us至Us_ref；当Us

在图6(b)中，并联ES已无需串联Znc，直接通过调节IL来稳定Us，可视其为一个受电流控制的电流源(CCCS)。当Us>Us_ref时，ES吸收有功功率以降低Is，从而使Us恢复至Us_ref；当Us

上述的直流ES在管理输入电压时，其充放电情况如下：

① 升压-放电过程。ES需向电网释放有功功率来调节Us至目标值。该过程出现在母线电压Ug下降至很低时，对于串联型ES，此时UES>Us，ES向电网供电；对于并联型ES，通过向电网输送能量增加Is来提升Us，此过程中，UES=Us。

③ 降压-放电过程。ES向电网输出功率的同时降低Us。对于串联型ES，通过输出反向电压来提高智能负载功率,此时Unc>Us,Is减小，从而使Us恢复到目标值。而并联型ES不能实现此过程。

④ 降压-充电过程。ES通过吸收电网能量来抑制过高的Us。在此过程中，并联型ES处于充电状态，Is减小，使Us恢复到目标值。对于串联型ES，如果Znc为正电阻(+R)，则不能实现此过程。

(2) DC/DC变换器下的ES。为提高ES直流侧电池的使用效率，增加其功率密度，文献[15]中通过运用DC-DC变换器提出了一种新型直流ES，其拓扑结构如图7所示。

图7 DC/DC变换器下的直流ES

由图7可知，DC/DC变换器下的ES由双向移相全桥变换器、双向Buck-Boost变换器、H桥电路3个部分组成。其中，双向移相全桥变换器的作用如下：当Us>Us_ref时，输出一个与IES方向相同的电压来吸收电网功率，从而减小Ig使得Us降至参考值；反之亦然。运用DC/DC高频变换器的优点在于可以减小ES的体积，提高其功率密度。而双向Buck-Boost电路和H桥的作用在于防止电池出现过压和欠压的情况，其中，H桥的作用是改变流进Buck-Boost电路输出端电流的方向。在图8中，当Us>Us_ref时，电池处于充电状态，其充电电流为Icharge，同时,双向Buck-Boost变换器向电网释放一定的功率来防止电池过压，Inc经H桥作用后其电流方向与Buck电路输出电压方向相反。

当电池以欠压状态充电时，为使电压快速上升至安全值，此时双向Buck-Boost变换器中Boost电路开始作用，吸收电网能量，其工作原理如图9所示。经过H桥作用后的Inc方向与Uout相同。

图8 正常情况下，ES降压原理图

图9 非正常情况下，ES降压原理图

当Us

图10 正常情况下，ES升压原理图

当电池以过压状态开始放电时，为保证其电压快速降至安全值，在向电网释放功率增加Us至Us_ref的同时，Buck电路开始作用，向电网释放能量。其工作原理图如11所示。

综上所述，ES -2是一个可以吸收电网能量、通过混合功率补偿来稳定电网的功率补偿器。

图11 非正常情况下，ES升压原理图

2.3 第3代ES(ES-3)

如图12所示，第3代ES(ES -3)直流侧用一个连接电网的逆变器来代替电池储能，其工作原理与ES -2相似，通过向节点释放/吸收无功功率来稳定电压Us，可以视ES -3是一个不吸收电网能量、通过混合功率补偿来稳定电网的功率补偿器。

图12 第3代ES结构图

2.4 ES的统一拓扑结构

图13为ES的统一拓扑结构。根据变换器开关(Up、UN、Vp、VN、Wp、WN)开通状态的不同可实现3种工作模式，分别为串联型补偿模式、串-并联型补偿模式、并-并联型补偿模式。

图13 ES统一结构图

2.4.1 串联型补偿模式 在串联型补偿模式下，V桥臂上、下开关都处于断开状态，U、W桥臂形成的变换器与滤波器组成的ES串接在交流电源和Znc之间，其结构简图如14所示。

图14 串联型补偿模式下系统简图

该模式下的ES与ES -1相似，由于其内部只有电感/电容，因此，只能向电网释放/吸收无功功率来稳定Us。当UsUs_ref时，其输出一个超前电流90°的电压来吸收无功功率。因此，可以视该模式下的ES是一个无功补偿器。

2.4.2 串-并联型补偿模式 在串-并联型补偿模式下，ES中U、W桥臂下的变换器与Znc串联，U、V桥臂构成的变换器与交流电源并联,其中,U、V桥臂构成的变换器其整流输出作为U、W变换器的直流输入，其结构简图如15所示。

图15 串-并联型补偿模式下系统简图

其工作原理与ES -2类似，U、V桥臂整流后的直流源通过U、W桥臂向电网释放/吸收功率来稳定Us；此外，在稳压的同时,串联型逆变器能将多余的能量反馈给电网。此模式下的ES是一个不提供能量、通过混合功率补偿来稳定电网的补偿器。

2.4.3 并-并联型补偿模式 在并-并联型补偿模式下，U、V桥臂组成变换器与电源Us并联，V、W桥臂组成第2个变换器与Znc并联，其结构简图如16所示。

图16 串-并联型补偿模式下系统简图

将U、V桥变换器整流交流电压Us作为V、W桥变换器的直流源，其工作原理类似ES -2中的并联ES,通过V、W桥变换器向电网释放/吸收功率来增加/减小Inc，从而实现Us的稳定。可以视该模式下的ES是一个不提供能量、通过改变Inc来稳定电网的补偿器。

由上可知,随着研究地不断深入，ES的拓扑结构从需要将波动转至Znc到无需Znc、需要电池储能到无需储能的方向发展。

3 ES的控制方式

随着拓扑结构的变化，ES的控制方式也在不断发展。迄今为止，主要有以下6种控制方式。

3.1 无功补偿稳压控制法

图17所示为ES -1控制框图，其结构相对简单，主要设计了2个闭环来实现需求侧电压的管理。其中，一个闭环管理直流环节电压UDC的大小，另一个闭环控制电网Us的大小，这两个闭环的合成作用是管理ES的电压幅值|UES|及其相角θES。该控制方法在管理输入电压时，并不能控制智能负载的功率角，而是随着需求侧电压的变化而变化。

图17 无功补偿稳压控制框图

3.2 解耦控制法

与ES -1相比，ES -2通过释放混合功率来提升其控制的灵活性。通过采用如图18所示的dqo分解方法对智能负载的电流进行解耦控制，使得其控制自由度高于无功补偿稳压控制法。d、q轴电流能够被独立、自由地控制。在该控制策略下，d、q轴的电流分量由智能负载功率角和电流的期望值决定，即φs1_ref、|Is1_ref|的大小决定d、q轴电流。控制器在开环情况下只能改善功率因数而不具备管理电网电压的能力。为了同时具备功率因数校正和管理电网的能力，需在控制电路中，增加一个PI控制环节形成闭环电路来控制输入电压(见图18中虚线框)。当智能负载的相角φs1_ref发生改变时，d、q轴的电流也会有相应调整。同样地，在管理Us的过程中，d、q轴的电流也会同时变化。

图18 解耦控制框图

3.3δ角控制法

图19所示为δ角控制框图。这种控制为了同时实现功率因数校正和电压管理的目的，采用了一个电感电流控制内环和一个需求侧电网电压控制外环的方法。δ角控制法的实现需要一些元件的电参数，如关键负载Z2和非关键负载Z3的线路阻抗、线阻抗R1和L1、发电侧和需求侧电压的有效值|Ug|与|Us|,以及发电侧电压的频率ω。对于不同类型的关键负载，感性a、容性b、阻性m的表达式也会随之变化。

图19 δ角控制框图

3.4 辐射-弦分量控制法

图20所示为辐射分量和弦分量解耦控制框图。这种控制适合内嵌到独立的设备中，它的实现需要当地需求侧电压的幅值|Us|、智能负载相位φs1及Znc的功率角φ1。其优点在于仅需一个PI控制器即可实现电压管理，而功率因数校正则在其开环模式下就能实现。

图20 辐射-弦分量控制框图

3.5 谐振控制法

图21所示为谐振(Proportional Resonant，PR)控制框图。这是一种相位控制算法，在控制环路中考虑了电网电压的扰动，谐振控制器结合电网电压前馈的控制使得ES既可以作为无功发生器保证Zc电压的稳定，又能将电压的波动释放给Znc。

3.6 极点控制法

图22所示为极点控制框图。这种控制目前只运用于ES -3，控制ES视在功率的幅值和相角。由于它不能解耦智能负载视在功率的幅值和相角，故当前不能用在ES -1和ES -2上。

(a) 控制系统框图

(b) 简化后的闭环控制框图

图22 极点控制框图

4 ES的特点

4.1 ES的优点

(1) 与蓄电池只能提供单向电压相比，ES能够通过吸收或释放无功功率来产生双向电压，类似机械弹簧在压缩和伸展状态下产生2个方向的力。

(2) 与超导、超级电容、飞轮等高额储能器件相比，ES成本较低。

(3) 与传统无功补偿装置相比，ES不仅能够进行有功功率和混合功率补偿，而且能够提供更少的无功功率来调节输入电压至目标值[50]。

(4) 在运行模式上，传统的无功补偿设备基于现有的运行模式，即先确定用电负荷的需求量,再提供相应的功率补偿；而ES打破了现有的运行模式，直接通过跟踪输入电压来进行功率补偿，从而调节电压至目标值。

(5) 在容量上，传统无功补偿器是集中式补偿的大容量器件，而ES虽然是分布式补偿的小容量功率补偿器，但是当它遍布电网时，其整体的补偿能力能够保证需求侧电网的电压稳定[50]。

4.2 ES研究的不足

(1) 在研究ES的工作模式和稳态特性时，未能一并考虑输电线路负载和关键负载的影响。

(2) 当智能负载并联不同类型的关键负载时，未能对ES的工作特性作出相关分析。

(3) ES存在着电压补偿范围的问题[18]。

(4) 在对ES统一拓扑结构的分析中，未能对并-串联补偿模式进行分析。

(5) 文献[9]中，研究了当变压器二次侧的电压与非关键负载极性相反时，会出现非关键负载电压超出安全工作范围的情况，但未能给出非关键负载工作在安全范围时，变压器线圈匝数比的工作范围。

5 ES的发展趋势和研究方向

ES概念的提出，引起了大家对管理需求侧电网电压问题的重视，但这种新型智能电网技术的出现也带来了新的挑战。因此，未来还需做以下研究。

(1) ES的集中式效应。为达到稳定电网的目的，分布式电网中可能会安装成千上万个ES，而ES中逆变器采用的脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制将产生高频开关谐波,影响电能质量；而目前的控制算法不可能通过一个ES实现所有的功能，必然由不同的ES分别承担不同的任务；且由于电网中不同节点处的电压值不同，ES的补偿情况也不同，因此，谐波污染和ES间协调工作的问题有待深入研究。

(2) ES的补偿范围。ES的输出电压主要由其直流侧的电压UDC决定。UDC的大小决定了ES补偿能力的范围。由于目前ES主要工作在电网的需求侧，其输入电压的等级较低，故能够满足其补偿要求；但未来如果需要改善高压线路上的电能质量问题，则需要提出新的措施来提高ES的补偿能力。

(3) 电池问题。目前ES的统一拓扑结构在补偿输入电压、使其下降到很低点的能力，不如在直流侧添加储能电池的ES。未来ES的直流侧如果需要使用电池，则电池处理是需要解决的问题。目前，实验中电池组的电压值往往大于电网输入电压，其中，在交流电网中，若关键负载理想电压为22 V，则电池组电压为36 V；若关键负载理想电压为110 V，则电池组电压为240 V；关键负载理想电压为120 V，则电池组电压为240 V；若关键负载理想电压为220 V，则电池组电压为250 V；在直流网中：母线理想电压为48 V，则实验电池组电压为108.89 V。

由上述数据可见，随着母线电压等级的增加，ES直流侧的电压也在上升。这就对电池质量提出了要求。电池电压等级的上升不仅产生安全产生隐患，而且对环境也造成影响。

(4) 理论完善。目前，ES的基本理论日趋成熟，但是，在不同的电路环境下，使用不同类型的ES时，其工作状态的分析仍未成熟，其理论分析还有待进一步完善。

(5) 控制方式。虽然目前对ES的控制有许多方式，但是，还没有一种稳定输入电压、同时保护非关键负载正常工作的控制方式出现；一旦电网电压下降至很低，为了保护输入电压稳定，非关键负载电压也会下降，出现超过其安全工作范围的可能。此外，目前的控制只能同时实现1～2种功能，想要多种功能同时实现，则需要多个ES同时工作，同时实现多个功能的控制方式需要进一步研究。

6 结 论

本文分析了ES的基本原理、拓扑结构及其控制方式，并根据当前稳压技术的研究现状和存在的不足得出以下结论：

(1) ES作为新一代的稳压器件，不仅提高了电网运行的稳定性，而且使电力系统出现了一种新型运行模式——由发电量决定用电量。ES的出现可大大减少电网中储能设备的使用，减少环境污染，在微电网和一般电网中都具有广泛的应用前景。

(2) 为了充分探索未来ES在电力系统中的应用潜力，还需继续深入研究ES的特性。尽管目前ES还处于测试阶段，但随着研究的不断深入，ES性能的不断完善，必将为未来分布式智能电网的稳定运行提供保障。

因此，对ES的深入研究，具有重要的理论意义和工程推广价值。

[1] CHENG Ming, ZHU Ying. The state of the art of wind energy conversion systems and technologies: A review [J]. Energy Conversion & Management, 2014, 88:332-347.

[2] 孙涛，王伟胜，戴慧珠，等．风力发电引起的电压波动和闪变 [J]．电网技术，2003，27(12)：62-66．

[3] 徐先勇，罗安，方璐，等．静止无功补偿器的新型最优非线性比例积分电压控制 [J]．中国电机工程学报，2009，29(1)：80-86

[4] 赵欣，高山，张宁宇．SVC 接入位置对次同步振荡的影响机理与SVC 控制策略研究 [J]．中国电机工程学报，2013，33(25)：107-114．

[5] 杨昆，陈磊，陈国柱．单相SVG 高性能补偿电流控制技术 [J]．浙江大学学报(工学版)，2013，47(2)：339-344．

[6] HUI S Y, LEE C K, WU F F. Electric springs-A new smart grid technology [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2012, 3(3):1552-1561.

[7] LEE C K, TAN S C, WU F F, et al. Use of Hooke’s law for stabilizing future smart grid - the electric spring concept [C]// Energy Conversion Congress and Exposition. Denver, CO: IEEE, 2013:5253-5257.

[8] 卓克琼，赵朝会，王飞宇，等. 电气弹簧的原理及发展 [J].上海电机学院学报,2016,19(1):12-17.

[9] WANG Qingsong, CHENG Ming, CHEN Zhe, et al. A novel topology and its control of single-phase electric springs [C]//International Conference on Renewable Energy Research and Applications.[S.l.]: IEEE, 2015:267-272.

[10] AKHTAR Z, CHAUDHURI B, HUI S Y R. Smart loads for voltage control in distribution networks [J].IEEE Transactions on Smart Grid, 2015,8(2): 937-946.

[11] RAUF A M, KHADKIKAR V, ELMOURSI M S. An integrated system configuration for electric springs to enhance the stability in future smart grid [C]//Modern Electric Power Systems . Wroclaw, Poland : IEEE, 2015:1-5.

[12] MOK K T, WANG M H, TAN S C, et al. DC electric springs - An emerging technology for DC grids [C]//2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Charlotte, North Carolina: IEEE, 2015:684-690.

[13] MOK K T, WANG M H, TAN S C, et al . DC electric springs -A technology for stabilizing DC power distribution systems [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(2):1088-1105.

[14] WANG Minghao, MOK K T, TAN S C, et al. Series and shunt DC electric springs [C]//2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Montreal, Canada :IEEE, 2015:6683-6690.

[15] WANG Qingsong, CHENG Ming, JIANG Yunlei, et al. DC electric springs with DC/DC converters [C]// IEEE 8th International Power Electronics and Motion Control Conference. [S.l.]: IEEE, 2016:3268-3273.

[16] LEE C K, LIU Heng, ZHANG Guidong, et al. A unified converter topology for electric spring [C]//IEEE 7th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems. [S.l.]: IEEE, 2016:1-6.

[17] 程明，王青松，张建忠.电力弹簧理论分析与控制器设计 [J].中国电机工程学报，2015，35(10):2436-2444.

[18] WANG Qingsong, CHENG Ming, CHEN Zhe, et al. Steady-state analysis of electric springs with a novelδcontrol [J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(12):7159-7169.

[19] LEE C K，CHAUDHURI B，HUI S Y R．Hardware and control implementation of electric springs for stabilizing futures mart grid with intermittent renewable energy sources [J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2013(1)：18-27．

[20] KANJIYA P, KHADKIKAR V. Enhancing power quality and stability of future smart grid with intermittent renewable energy sources using electric springs [C]//2013 International Conference on Renewable Energy Research and Applications. Madrid: IEEE, 2013: 918-922.

[21] 李会会，陈兆权，白洋．电力弹簧稳压技术在煤矿供电中的应用研究 [J]．煤炭工程，2015，47(10)：108-110.

[22] SONI J, KRISHNANAND K R, PANDA S K. Load-side demand management in buildings using controlled electric springs [C]// Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Dallas, TX: IEEE, 2014: 5376-5381.

[23] LUO Xiao, LEE C K, NG W M, et al. Use of adaptive thermal storage system as smart load for voltage control and demand response [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2016，PP(99):1-11.

[24] YAN Shuo, YANG Tianbo, Lee C K, et al. Simultaneous voltage and current compensation of the 3-phase electric spring with decomposed voltage control [C]//The 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Long Beach, CA:IEEE, 2016: 913-920.

[25] WANG Minghao, MOK K T, TAN S C, et al. Multifunctional DC electric springs for improving voltage quality of DC grids [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2016，PP(99): 1.

[26] LEE C K, CHAUDHURI N R, CHAUDHURI B, et al. Droop control of distributed electric springs for stabilizing future power grid [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2013, 4(3):1558-1566.

[27] 曾正,邵伟华,冉立, 等. 基于直流电气弹簧的直流配电网电压波动抑制 [J].电工技术学报，2016，31(17)：23-31.

[28] CHAKRAVORTY D, CHAUDHURI B, SHU Y R H. Rapid frequency response from smart loads in great Britain power system [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2016，PP(99):1-10.

[29] AKHTAR Z, CHAUDHURI B, SHU Y R H. Primary frequency control contribution from smart loads using reactive compensation [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2015, 6(5):2356-2365.

[30] CHEN Xia, HOU Yunhe. Distributed control of multiple Electric Springs in microgrids [J]. 2015 IEEE Power & Energy Society General Meeting. [S.l.]:IEEE, 2015:1-5.

[31] MOK K T, YANG Tianbo, TAN S C, et al. Distributed grid voltage and utility frequency stabilization via shunt-type electric springs [C]// 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Montreal, QC: IEEE, 2015:3774-3779.

[32] YANG Tianbo, MOK K T, TAN S C, et al. Control of electric springs with coordinated battery management [C]// 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Montreal, QC: IEEE, 2015: 6740-6746.

[33] CHEN Xia, HOU Yunhe, TAN S C, et al. Mitigating voltage and frequency fluctuation in microgrids using electric springs [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2015, 6(2):508-515.

[34] YANG Tianbo, MOK K T, TAN S C, et al. Electric springs with coordinated battery management for reducing voltage and frequency fluctuations in microgrids [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2016, PP(99):1-1.

[35] YANG Yun, TAN S C, HUI S Y. Voltage and frequency control of electric spring based smart loads [C]// IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Long Beach, California: IEEE, 2016: 3481-3487.

[36] LIANG Liang, HOU Yunhe, HILL D J, et al. Enhancing resilience of microgrids with electric springs [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2016, PP(99):1-10.

[37] MOK K T, TAN S C, HUI S Y. Decoupled power angle and voltage control of electric springs [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(2):1216-1229.

[38] MOK K T, TAN S C, HUI S Y R. Power angle and amplitude decoupling control method for electric springs and static synchronous series compensators [C]// 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Montreal, QC: IEEE, 2015: 3687-3693.

[39] SONI J, PANDA S K. Electric spring for voltage and power stability and power factor correction [C]// 2015 9th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia. Seoul, Korea: IEEE, 2015:2091-2097.

[40] SHUO Yan, TAN S C, LEE C K, et al. Electric spring for power quality improvement [C]//2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Fort Worth, TX: IEEE, 2014:2140-2147.

[41] 张骕骦，丘东元，张波.考虑电压畸变的电气弹簧功率因数校正策略研究 [J/OL]. 电源学报, [2016-07-15]. http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1420.TM.20160715.1349.026.html.

[42] KRISHNANAND K R, HASANI S M F, SONI J, et al. Neutral current mitigation using controlled electric springs connected to microgrids within built environment [C]//2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Pittsburgh, PA, USA: IEEE, 2014:2947-2951.

[43] SHUO Yan, TAN S C, LEE C K, et al. Electric spring for power quality improvement [C]// 2014 29th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Fort Worth. Texas : IEEE, 2014:2140-2147.

[44] YAN S, TAN S C, LEE C K, et al. Reducing three-phase power imbalance with electric springs [C]//2014 IEEE 5th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems. Galway, IRELAND :IEEE, 2014:1-7.

[45] LEE C K, HUI S Y R. Reduction of energy storage requirements in future smart grid using electric springs [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2013, 4(3):1282-1288.

[46] WANG Minghao, TAN S C , HUI S Y. Reduction of storage capacity in DC microgrids using PV-embedded series DC electric springs [C]// 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. Long Beach, CA:IEEE,2016:3302-3309.

[47] WANG Qingsong, CHENG Ming, JIANG Yunlei. Harmonics suppression for critical loads using electric springs with current-source inverters [J]. IEEE Journal of Emerging & Selected Topics in Power Electronics, 2016,4(4): 1362-1369.

[48] YAN Shuo, LUO Xiao, TAN S C, et al. Electric springs for improving transient stability of micro-grids in islanding operations [C]// 2015 IEEE Energy Conversion Congress & Exposition. Montreal, QC: IEEE, 2015:5843-5850.

[49] MOK K T, HO S S, TAN S C, et al. A comprehensive analysis and control strategy for nullifying negative-and zero-sequence currents in an unbalanced three-phase power system using electric springs [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016,PP(99): 1-1.

[50] CHE X, WEI T, HUO Q, et al. A general comparative analysis of static synchronous compensator and electric spring [C]//IEEE Transportation Electrification Conference and Expo Asia-Pacific. Beijing: IEEE, 2014:1-5.

Current State and Development of Electrical Spring Techniques

ZHANJun,ZHAOChaohui,ZHUOKeqiong,WANGHuihang

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

To solve the problem of voltage fluctuation in the demand side of a power grid, a smart grid technique called electrical spring (ES) based on the Hooke’s law has been proposed. This paper explains the basic principle of the technique and summarizes the existing topological structures and control modes. Imperfections of the ES are pointed out, and the development trend and research topics are considered.

power balance; voltage fluctuation; electric spring (ES); topology; control mode

2017 -02 -29

上海市教育委员会科技创新重点项目资助(13AZ01)

詹 俊(1991-)，男，硕士生，主要研究方向为电力电子与电力传动，E-mail:1397654759@qq.com

指导老师： 赵朝会(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向为电力电子与电力传动，E-mail:zhaoch@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2017)02 -0086 - 12

TM 711

A