电力弹簧(Electric Spring,简称ES)可改变电力系统的传统运行模式,可实现用电量和发电量的自动匹配,这对于当前受制于并网消纳问题而裹足不前的新能源发电有望实现质的飞跃,可从结构层面为彻底解决大规模、高比例风电和光伏发电并网问题铺平道路。本文以ES为研究对象,内容涉及现有拓扑分析、新拓扑的提出、工作原理分析、系统建模、控制策略、应用探讨等。提出了相位控制算法,并在此基础上提出了基于准比例谐振控制器作为电压外环和比例控制器作为电流内环的控制策略、基于电网电压前馈和准比例谐振控制器的控制策略、基于波特图修正的控制策略等;提出了新的ES拓扑,包括新的单相ES拓扑、多端口隔离型ES拓扑、直流ES拓扑等,同时提出了相应的控制策略;对ES的应用进行了归纳总结。为了验证所提拓扑和控制策略的有效性,对其进行了仿真和实验验证。论文主要研究成果包括以下几个方面:1.介绍了 ES的拓扑结构、工作原理,建立了系统的数学模型,基于MATLAB/Simulink搭建了针对不同拓扑和控制策略的仿真平台,为进行ES的仿真研究奠定了基础。2.针对当前的ES拓扑提出了一种相位控制算法。通过实时计算给定正弦波的相位,可同时控制两个目标:一是关键负载电压的稳定,二是可实现ES工作于不同的补偿模式。在相位控制算法的基础上,设计了几种不同的控制策略,包括基于准比例谐振作为电压外环和比例控制器作为电流内环的控制策略、基于电网电压前馈和准比例谐振控制器的控制策略、基于波特图修正的控制策略等,并通过仿真和实验验证了这几种控制策略的有效性。结果表明,上述三种控制器在控制效果上类似,所不同的是基于波特图修正的控制器在谐波抑制性能方面较另两种更优。此外,为提高相位控制算法的实用性,提出了几种改进方案。3.提出了一种新型的单相ES拓扑结构。该拓扑若配以适当的控制,可改变ES的工作状态,从而实现非关键负载的电压与电网电压的变化趋向一致。4.提出了一种多端口隔离型单相ES拓扑结构。该拓扑实现了新能源发电端、关键负载和ES的有效电气隔离,保证了终端用户的用电安全。该拓扑还有着更重要的延伸功能,可帮助普通用户离网使用自身的发电。不仅如此,用户还可将多余的电能送入电网,且可自行决定其所占比例。5.提出了一种直接电流控制加谐波抑制的控制策略。首先,提出了基于电流源型逆变器实现了 ES拓扑结构,提取了输入电流的谐波分量后通过控制使之流向ES,可有效抑制由于输入谐波注入而引起关键负载电压的畸变问题,减小被控电压的总谐波失真。6.将单相ES的一些新拓扑进行了三相拓展,同时将单相ES的相位控制策略运用到三相ES系统中,着重研究了当电网电压不平衡和三相负载不平衡时的情形。结果表明,采用相位控制的三相ES能将电网电压的波动和三相不平衡转移给非关键负载。7.提出了基于DC/DC变换器实现的直流ES(DCES)拓扑结构。详细介绍了该拓扑的提出思路和过程,分析了 DCES存在的四种工作模态,还设置了保证DCES安全运行的电池过压和欠压时的应急管理机制。该DCES拓扑可被应用于屋顶光伏发电系统。8.以DSP和dSPACE为控制器核心,分别建立了 220V电压等级ES实验平台和实验室演示系统,一方面为了验证控制算法,另一方面则为ES的产品化及其与微电网平台的融合奠定了基础。