本发明涉及分数阶器件的应用及智能电网的技术领域，尤其是指一种无需非关键负载的智能电网分数阶电气弹簧。
背景技术：
智能电网是电网技术发展的必然趋势。容许各种不同的可再生能源发电系统的接入和提供满足用户需求的稳定的电能质量是智能电网的重要特征。可再生能源发电系统(如太阳能发电系统、风力发电系统)都具有清洁和无限量可再生的优点，但同时由于天气(如日照、风力)的不稳定，造成系统发电功率不稳定，使得电网电压波动，极易造成重要用电设备(即关键负载)运行不稳定甚至出现故障。为了稳定可再生能源并网系统，香港大学许树源教授在2012年提出了一种新型电力电子设备—“电气弹簧”，电气弹簧以胡克定律为基础，参考机械弹簧抑制机械振动的原理，消除电网波动对关键负载的影响。该电气弹簧与一个非关键负载(如电热水器)串联后并联到电网中，当电网功率波动，电气弹簧便会自动调整输出电压使与其串联的非关键负载功率动态变化，将可再生能源并网带来的功率波动转移到非关键负载中，进而维持电网稳定。因此上述电气弹簧必须与非关键负载串联后才能发挥抑制电网波动的作用，然而由于非关键负载数量有限，并且电气弹簧在抑制电网波动时需令非关键负载工作在非正常状态下，这些缺点极大的限制了电气弹簧在智能电网中的应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种无需非关键负载的智能电网分数阶电气弹簧，不需要非关键负载就可以实现电网波动的抑制。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：无需非关键负载的智能电网分数阶电气弹簧，包括电压采样器、控制器和阶数可调的分数阶阻抗，其中，所述控制器分别与电压采样器和分数阶阻抗相连，所述电压采样器并联于关键负载两端，所述控制器根据电压采样器采集到的电网电压信号产生相应的控制信号来控制分数阶阻抗的阶数。
所述阶数可调的分数阶阻抗的阻抗表达式为：
zα(s)＝asα
式中，s是拉普拉斯算子，a是阻抗系数，α为分数阶阻抗的阶数，且-1≤α≤1。
所述控制器为减法器、积分器、乘法器中的一种或几种组合。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明提供的无需非关键负载的智能电网分数阶电气弹簧，可直接并联于关键负载两端，无需配备非关键负载，使用灵活方便，保证了关键负载电压稳定，避免电网波动对关键负载的影响。
附图说明
图1为实施方式中的在智能电网中的分数阶电气弹簧结构图。
图2为实施方式中电网功率与分数阶阻抗阶数的关系曲线。
图3为实施方式中的可再生能源发电系统并网时的电网功率波动。
图4为实施方式中的分数阶电气弹簧休眠和工作时的电网电压波形图。
图5为实施方式中分数阶电气弹簧中分数阶阻抗阶数变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例所提供的无需非关键负载的智能电网分数阶电气弹簧，包括电压采样器1、控制器2和阶数可调的分数阶阻抗3，控制器2分别与电压采样器1和分数阶阻抗3相连，电压采样器1并联于关键负载vs两端，控制器2根据电压采样器1采集到的电网电压信号产生相应的控制信号来控制分数阶阻抗3的阶数，使分数阶电气弹簧根据机械弹簧抑制机械震动的原理抑制电网电压波动。分数阶电气弹簧并联于关键负载两端，抑制电网波动，保证关键负载稳定运行。
所述的阶数可调的分数阶阻抗，其阻抗表达满足：
zα(s)＝asα
式中，s是拉普拉斯算子，a是阻抗系数，α为分数阶阻抗的阶数，且-1≤α≤1。
将s＝jω代入上式，可得
因此，可得分数阶阻抗的等效电容和等效电阻分别为：
req＝aωαcos(πα/2)
根据胡克定律即f＝-kx，分数阶电气弹簧的基本关系可以表示为：
式中，q为分数阶阻抗的等效电容ceq上的电荷，vza为分数阶阻抗两端电压同时也等于电网电压vs。vzαsin(πα/2)为分数阶电气弹簧无功部分电压，相当于分数阶电气弹簧的形变x。ceq或-ceq相当于分数阶电气弹簧的劲度系数k。
在上述的分数阶电气弹簧中，控制器首先将电压采样器采样到的电网电压与额定电网电压比较，通过电压闭环控制算法输出分数阶阻抗所需要的阶数。当电网电压等于额定电网电压时，类似于机械弹簧处于平衡状态，控制器输出阶数满足α＝0即vzαsin(πα/2)＝0；当电网电压出现波动且小于额定电网电压时，类似于机械弹簧处于压缩状态产生一个向平衡点的推力，控制器输出阶数0＜α≤1即分数阶电气弹簧的形变vzαsin(πα/2)＞0，使电网电压重回额定值；当电网电压出现波动且大于额定电网电压时，类似于机械弹簧处于拉伸状态产生一个向平衡点的拉力，控制器输出阶数-1≤α＜0即分数阶电气弹簧的形变vzαsin(πα/2)＜0，使电网电压重回额定值。
为了分析方便，假设关键负载为阻性负载，阻值为rl，并假设分数阶阻抗的有功功率加上关键负载的有功功率即为电网上的有功功率pin，即：
分数阶电气弹簧的目标是在电网有功功率波动时，保持电网电压vs不变。则由上式可知当功率pin变化时，通过调节阶数α，可以保证电网电压vs不变。
设电网额定电压为vs_ref＝220v，电网频率ω＝2π*50hz，阻抗系数a＝100，负载电阻rl＝48.4ω，将上述参数代入式(1)中，并且令vs＝vs_ref，则可得分数阶电气弹簧的阶数与电网功率的关系曲线如图2。由图2可知，在上述参数下电网功率1000w和4000w之间波动时，分数阶阻抗的阶数与电网功率是单调递减的关系。令当α＝0时为平衡点，当电网功率变大时，电网电压将升高，此时控制器将采集到的电网电压与额定电网电压比较，并将电压误差送入电压闭环控制算法运算，控制器输出的阶数变小，此时分数阶电气弹簧的形变为vzαsin(πα/2)＜0，使电网电压重回额定点，与图2中阶数与功率的变化规律一致；而当电网功率变小时，电网电压将降低，控制器输出的阶数变大，此时分数阶电气弹簧的形变为vzαsin(πα/2)＞0，使电网电压恢复到额定点。
图3为本实施方式中模拟可再生能源发电系统并网时的电网功率波动情况。
图4为电网功率波动情况下分数阶电气弹簧休眠和工作时的电网电压波形图。从图4可见，当分数阶电气弹簧休眠时，电网功率的波动会造成电网电压vs跟着波动，而当分数阶电气弹簧激活时，同样的电网功率波动被分数阶电气弹簧抑制，电网电压保持不变。
分数阶电气弹簧休眠和工作时，其分数阶阻抗阶数变化曲线如图5，显然与图2曲线的规律是一致的。因此本实施方式中分数阶电气弹簧应用在智能电网中可以有效抑制电网波动，确保关键负载可靠运行。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。