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，為了確保敏感負荷正常工作，以電網(wǎng)電壓作為前饋輸入，反饋則以負載電壓作為閉環(huán)控制，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算其傳遞函數(shù)，建立了動態(tài)電壓補償模型，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，動態(tài)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性強。

微電網(wǎng)；動態(tài)電壓補償；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，減輕能源動力對環(huán)境的影響，推動分布式能源上網(wǎng)，降低大電網(wǎng)的負擔(dān)，改善輸電、配電系統(tǒng)的運行，進而帶動社會向資源節(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，提供的電能可能會出現(xiàn)電壓畸變的頻率更高一點，對微網(wǎng)中的敏感負載造成的危害非常大[1]。電壓跌落發(fā)生頻繁，會引起設(shè)備不受控動作，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，需要有效設(shè)備對其進行電壓補償，滿足敏感負載的用電要求，微網(wǎng)補償控制器正是綜合解決電壓跌落最經(jīng)濟、最實用的電力裝置。針對微網(wǎng)存在的上述問題，本文設(shè)計了一種特定的電壓等級進行動態(tài)補償，研究了補償器的動態(tài)補償規(guī)律和逆變控制方法，建立起數(shù)學(xué)模型并優(yōu)化，使補償后電壓效果最佳，補償后電壓穩(wěn)定，同時對補償控制器進行仿真，仿真結(jié)果證明設(shè)計的系統(tǒng)模型在微網(wǎng)中使用能夠穩(wěn)定運行，提高了用電質(zhì)量，為制造應(yīng)用于不同電壓等級下的工業(yè)級動態(tài)電壓恢復(fù)器奠定了基礎(chǔ)[2-3]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

補償器是串聯(lián)在電網(wǎng)中的補償裝置，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，使敏感負荷的電能質(zhì)量得到提高。如圖1所示，系統(tǒng)由儲能單元、逆變器、控制單元、濾波單元以及耦合單元五個部分構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

2 電壓矢量優(yōu)化補償模型建立

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

圖2電壓矢量優(yōu)化補償法向量圖

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△，就能相對應(yīng)得到一個不同的值。而當(dāng)△確定的時候，△2也隨之確定，也確定下來。主要由向相反時，最小，則補償器注入功率：

將式(6)、式(7)代入式(5)可得：

對式(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現(xiàn)的。復(fù)合控制策略就是針對前饋和反饋的缺點，做進一步調(diào)整，以保證補償器的性能指標(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，可以實現(xiàn)補償器系統(tǒng)的快速響應(yīng)，有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，提高負載的抗干擾能力。

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，為了計算簡便，對1、2的值可以忽略不計。對特征方程可以變形為：

4 系統(tǒng)仿真

應(yīng)用仿真軟件Matlab/Simulink對復(fù)合控制策略的可行性和性能指標(biāo)進行驗證。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，也可能會有振蕩情況的發(fā)生。由負載電壓受電流的影響程度可以判斷負載抗干擾能力。

圖6 輸出電壓波特圖

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

圖7 前饋控制負載電壓波特圖

電壓跌落深度為20%仿真，優(yōu)化補償控制器仿真如圖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，負載電壓可根據(jù)參考電壓及時變化，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比都比較小，從而驗證了復(fù)合控制比前饋控制得到更好的負載抗干擾能力，對負載適應(yīng)能力加強，克服了前饋控制的缺點，滿足了補償器系統(tǒng)的要求。

圖9 負載電壓波特圖

5 結(jié)束語

在微電網(wǎng)中針對不同程度的電壓跌落，提出了電壓矢量優(yōu)化補償策略，建立前饋控制和反饋控制模型，并進行綜合仿真，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快，解決了穩(wěn)定裕度和阻尼小的問題，可以實現(xiàn)毫秒級內(nèi)完成補償，并且補償效果良好，同時對系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波也可以起到一定的抑制作用，同時模型有更好的穩(wěn)定性、較強的抗干擾能力和負載適應(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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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)改革項目(kg2013851)；浙江省教育技術(shù)規(guī)劃課題重點課題(JA044)；浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點課題(DF201306)

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