1、中文 6100 字 出处： Shu Y H, Chi K L, Wu F F. Electric SpringsA New Smart Grid TechnologyJ. IEEE Transactions on Smart Grid, 2012, 3(3):1552-1561. 电力弹簧 -一种新型智能电网技术 Shu Y H, Chi K L, Wu F F 摘要： 17 世纪 60 年代，英国物理学家 Robert Hooke 描述了机械弹簧的科学原理。 自此之后，虎克定律在电力学就没有进一步的发展。在本文，电力弹簧 (ES)的发 展弥补了这项技术鸿沟。本文阐述了它 ES 的原理、运行方
2、式、限制以及物理实 现。 ES 在稳定未来有大量间断新能源渗透下的电力系统巨大的前景。这个概念 成功向由交流电源和风能资源组成的实际系统供电。电力弹簧被证实可以有效地 调节电压，即使在间断的自然风能产生的波动的情况下。嵌有电力弹簧的电子装 置中可以转变成一种新型时代的智能负荷，跟随电力系统的发电情况。可以想象， 当智能电网中出现干扰，电力弹簧可以提供一种全新的电力系统稳定性的解决方 法，该方法不涉及信息和通信技术。 关键词：分布式供能，智能负荷、稳定性。 1 引言 机械弹簧是一种有弹性的装置可以被用来： 1）提供机械的支持； 2)储存机械 能； 3）减少机械振动 1-4.当机械弹簧被拉伸或压缩
3、，它释放的能量与位移成 比例。当弹簧的长度偏离原始量，机械弹簧上储存了势能。 1678 年，虎克描述 了机械弹簧的原理。虎克定律陈述了理想机械弹簧的能量： F=-Kx （ 1） 式中， F 代表了力的矢量， K 是弹簧系数， x 是位移矢量。势能（ PE）储存 在机械弹簧的公式是： PE=1/2kx2 （ 2） 机械弹簧在日常有着广泛的应用，比如床和汽车的悬浮弹簧。机械弹簧的使 用往往以一种阵列的形式，这种结构十分可靠，因为在有弹簧坏了的情况下，仍 然有效支撑。虽然机械弹簧很重要，但在几个世纪，这个概念都没有拓展到电力 领域。 本文论述了 ES 的物理实现。在虎克定律的基础上，首次定义了 ES
4、 的物理公 式，并解释了 ES 的运行方式、限制和物理实现。最后，首次成功的将 ES 应用 于平衡系统的电压，该系统由动态变化的风能供电。因此，在新能源渗透的未来 系统中， ES 在缓解稳定性问题上具有巨大的前景。 2.电力弹簧的基本原理和实现 A 电力弹簧的基本原理 与机械弹簧类似，电力弹簧是一种电力装置，可以被用来： 1）提供电压支 持； 2）储存电能； 3）阻尼振荡。类比机械弹簧的式（ 1），电力弹簧的基本物理 表达式为 感性模式 （ 3） 容性模式 （ 4） 式中 q 是储存在电容器的电荷， Va 是电容器内的电势差， ic 为流入电容器的 电流。 公式（ 3）阐述了可以利用电容器中储
5、存的电荷控制来实现 ES 动态电压调整 功能（比如电压的增加和减少）。公式（ 4）展现了电荷（ q）控制可以由使用一 个可控的电流源实现。因此，电力弹簧可以被看作为电流控制的电压源。 机械弹簧与电力弹簧的类比有下列 3 种情况，如下图 1 所示。其中电力弹簧 与耗散电力负荷 Z1 串联。 图 1 电力弹簧与机械弹簧的类比 电力弹簧的中间位置就是在设计时需维持的参考电压水平。电力弹簧和负荷 Z1 的在交流电源的一系列布置被用来将电源电压 Vs 维持在参考电压水平 Vs_ref （ 220V），这就是电力弹簧的中间位置。与机械弹簧在力的作用下出现位置偏移 类似，电力弹簧可以提供电压提升与降低作用（
6、 Vs=Vo-Va），原理图如图 1 所示。 电力弹簧电压 Va 产生的原理是动态控制电容器 C 和电流源 ic 之间（图 2.a）的 电势差，整体采用闭环控制（图 2.c）。式（ 3）中电荷控制的方法提供了一种产 生电压的方法，可以在同一位置提升和降低系统中的电源电压。这种控制使电力 弹簧对电压的动态支持更加灵活。 图 2（ a）电动弹簧以电容器形式由可控制的电流源供电。 (b)与输入电压控制电动弹簧的示意图。 (c)一个电动弹簧与的耗散负载串联实现 储能，电压支持和阻尼。 电力弹簧的储能能力可以看作在电容器中的储存的势能，表示为： 1 2 PE 2 cva （ 5） 所以电容 C 作为电力弹簧中的储能元件 电力弹簧要实现阻尼振荡的作用，则将无损的电动弹簧与耗散负荷串联 (如热 水系统或冰箱或组合，如图 3(c)所示 )是必须的。串联的电力负载 Z1 的用途有两 层
