微網(wǎng)電源質(zhì)量補(bǔ)償控制模型建立及穩(wěn)定性分析

孫立書

(浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)系，浙江溫州325011)

微網(wǎng)電源質(zhì)量補(bǔ)償控制模型建立及穩(wěn)定性分析

孫立書

(浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)系，浙江溫州325011)

針對(duì)微電網(wǎng)中危害電能質(zhì)量的電壓跌落問題，為了確保敏感負(fù)荷正常工作，以電網(wǎng)電壓作為前饋輸入，反饋則以負(fù)載電壓作為閉環(huán)控制，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算其傳遞函數(shù)，建立了動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償模型，并通過Matlab仿真，證明該控制策略有較好的阻尼性，穩(wěn)定裕度較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性強(qiáng)。

微電網(wǎng)；動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償；Matlab仿真

微電網(wǎng)系統(tǒng)通過分布式發(fā)電單元與配電網(wǎng)之間的關(guān)系，在一個(gè)局域內(nèi)將分布式發(fā)電單元、電力網(wǎng)絡(luò)和終端用戶聯(lián)系在一起，優(yōu)化輸電網(wǎng)絡(luò)和配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與配置以及電力調(diào)度，提高能源利用率，減輕能源動(dòng)力對(duì)環(huán)境的影響，推動(dòng)分布式能源上網(wǎng)，降低大電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，改善輸電、配電系統(tǒng)的運(yùn)行，進(jìn)而帶動(dòng)社會(huì)向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型方向發(fā)展。但是目前分布式發(fā)電系統(tǒng)受外界影響較大，提供的電能可能會(huì)出現(xiàn)電壓畸變的頻率更高一點(diǎn)，對(duì)微網(wǎng)中的敏感負(fù)載造成的危害非常大[1]。電壓跌落發(fā)生頻繁，會(huì)引起設(shè)備不受控動(dòng)作，可能發(fā)生比較大的生產(chǎn)事故。當(dāng)微網(wǎng)側(cè)電壓出現(xiàn)跌落時(shí)，需要有效設(shè)備對(duì)其進(jìn)行電壓補(bǔ)償，滿足敏感負(fù)載的用電要求，微網(wǎng)補(bǔ)償控制器正是綜合解決電壓跌落最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用的電力裝置。針對(duì)微網(wǎng)存在的上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種特定的電壓等級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，研究了補(bǔ)償器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償規(guī)律和逆變控制方法，建立起數(shù)學(xué)模型并優(yōu)化，使補(bǔ)償后電壓效果最佳，補(bǔ)償后電壓穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)補(bǔ)償控制器進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型在微網(wǎng)中使用能夠穩(wěn)定運(yùn)行，提高了用電質(zhì)量，為制造應(yīng)用于不同電壓等級(jí)下的工業(yè)級(jí)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器奠定了基礎(chǔ)[2-3]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

補(bǔ)償器是串聯(lián)在電網(wǎng)中的補(bǔ)償裝置，主要用于解決電壓跌落、電壓閃變以及諧波等電能質(zhì)量問題，使敏感負(fù)荷的電能質(zhì)量得到提高。如圖1所示，系統(tǒng)由儲(chǔ)能單元、逆變器、控制單元、濾波單元以及耦合單元五個(gè)部分構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)補(bǔ)償器開始工作時(shí)，逆變器通過控制單元的控制獲得補(bǔ)償電壓，濾波單元負(fù)責(zé)濾除含有的高次諧波，最后補(bǔ)償電壓由耦合單元串聯(lián)到線路中，線路中需要補(bǔ)償?shù)挠泄β蕜t由儲(chǔ)能單元完成。

2 電壓矢量優(yōu)化補(bǔ)償模型建立

針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在補(bǔ)償器允許工作范圍內(nèi)，使跌落前后電壓差模最小，使負(fù)載電壓平穩(wěn)變化，不會(huì)發(fā)生較大的擾動(dòng)[4]。圖2是電壓矢量優(yōu)化補(bǔ)償法的向量圖。

圖2電壓矢量優(yōu)化補(bǔ)償法向量圖

由圖2得到以下關(guān)系式：

將式(1)代入式(2)可得：

整理后得：

分析式(4)可得：選擇不同的△，就能相對(duì)應(yīng)得到一個(gè)不同的值。而當(dāng)△確定的時(shí)候，△2也隨之確定，也確定下來。主要由向相反時(shí)，最小，則補(bǔ)償器注入功率：

將式(6)、式(7)代入式(5)可得：

對(duì)式(8)求解得：

3 控制模型建立及穩(wěn)定性分析

由于要滿足補(bǔ)償器系統(tǒng)的基本特性，單一的前饋控制和反饋控制都是很難實(shí)現(xiàn)的。復(fù)合控制策略就是針對(duì)前饋和反饋的缺點(diǎn)，做進(jìn)一步調(diào)整，以保證補(bǔ)償器的性能指標(biāo)，圖3為其工作原理[5]。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)復(fù)合控制工作原理，可得到如圖4所示的系統(tǒng)控制框圖[6]。復(fù)合控制系統(tǒng)融合前饋控制和反饋控制的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償器系統(tǒng)的快速響應(yīng)，有較好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，提高負(fù)載的抗干擾能力。

圖4 復(fù)合控制系統(tǒng)框圖

依據(jù)圖4，負(fù)載電壓在復(fù)合控制系統(tǒng)中的公式為：

由以上可知，1塏3，2塏3，為了計(jì)算簡便，對(duì)1、2的值可以忽略不計(jì)。對(duì)特征方程可以變形為：

4 系統(tǒng)仿真

應(yīng)用仿真軟件Matlab/Simulink對(duì)復(fù)合控制策略的可行性和性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。圖5是系統(tǒng)仿真模型圖。

圖5 系統(tǒng)仿真模型

電壓跌落深度為20%仿真，未加控制器仿真。圖5中的具體參數(shù)如表1所示。

表1 前饋系統(tǒng)的仿真參數(shù)

從圖6可以分析出在阻尼性和相位裕度較小的情況下，即使前饋系統(tǒng)是穩(wěn)定的，也可能會(huì)有振蕩情況的發(fā)生。由負(fù)載電壓受電流的影響程度可以判斷負(fù)載抗干擾能力。

圖6 輸出電壓波特圖

從圖7可以看出，在前饋系統(tǒng)受到負(fù)載電流波動(dòng)影響時(shí)，抵抗波動(dòng)的能力很小，說明負(fù)載抗干擾能力很差。

圖7 前饋控制負(fù)載電壓波特圖

電壓跌落深度為20%仿真，優(yōu)化補(bǔ)償控制器仿真如圖8所示。

從圖8可知，系統(tǒng)不僅穩(wěn)定，而且有很大的穩(wěn)定裕度。在低頻段，負(fù)載電壓可根據(jù)參考電壓及時(shí)變化，響應(yīng)速度快；在

圖8 優(yōu)化后的輸出電壓波特圖

從圖9可知，在任意頻率段內(nèi)，的增益和前饋控制下對(duì)比都比較小，從而驗(yàn)證了復(fù)合控制比前饋控制得到更好的負(fù)載抗干擾能力，對(duì)負(fù)載適應(yīng)能力加強(qiáng)，克服了前饋控制的缺點(diǎn)，滿足了補(bǔ)償器系統(tǒng)的要求。

圖9 負(fù)載電壓波特圖

5 結(jié)束語

在微電網(wǎng)中針對(duì)不同程度的電壓跌落，提出了電壓矢量優(yōu)化補(bǔ)償策略，建立前饋控制和反饋控制模型，并進(jìn)行綜合仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，解決了穩(wěn)定裕度和阻尼小的問題，可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)內(nèi)完成補(bǔ)償，并且補(bǔ)償效果良好，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波也可以起到一定的抑制作用，同時(shí)模型有更好的穩(wěn)定性、較強(qiáng)的抗干擾能力和負(fù)載適應(yīng)能力。

[1]王賓，潘貞存，徐丙垠.配電系統(tǒng)電壓跌落問題的分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(2)：56-59.

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[3]姚丹.分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

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[5]馮小明，楊仁剛.動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的形態(tài)學(xué)——dq變換綜合檢測算法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(11)：193-198.

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Establishment of micro-grid power quality compensation control model and stability analysis

SUN Li-shu

Among many kinds of dynamic power quality problems,the voltage drop was the one that occurred most frequently and leaded to most serious harm.In order to ensure the normal operation of sensitive loads,a composite control strategy was used as with the grid voltage feed forward input.The load voltage was the feedback.According to the mathematical model,a dynamic voltage compensation model was created.Through software Matlab simulation model,a better damping of this control strategy,a higher stability margin,and a fast dynamic response,anti-jamming capability,stability,were proved.

micro-grid;dynamic voltage compensation;Matlab simulation

TM 74

A

1002-087 X(2015)03-0565-03

2014-08-06

全國教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃青年課題(136241319)；浙江省教育廳課堂教學(xué)改革項(xiàng)目(kg2013851)；浙江省教育技術(shù)規(guī)劃課題重點(diǎn)課題(JA044)；浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)課題(DF201306)

孫立書(1977—)，女，浙江省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理、自動(dòng)控制、電氣傳動(dòng)。