李潤澤 徐 濤

暫態(tài)電壓穩(wěn)定指電力系統(tǒng)短期內(nèi)遭受大擾動(dòng)后系統(tǒng)保持穩(wěn)定電壓的能力，同樣微電網(wǎng)受到大擾動(dòng)后，也會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)電壓失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下會(huì)致使微電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰。大擾動(dòng)經(jīng)常由短路故障造成，而擾動(dòng)過后感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷電壓是否穩(wěn)定，決定著微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，系統(tǒng)中超過60%負(fù)荷是由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)構(gòu)成[1]，暫態(tài)電壓失穩(wěn)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷密切相關(guān)。

文獻(xiàn)[2]將臨界故障清除時(shí)間作為暫態(tài)電壓穩(wěn)定的判據(jù)，并在多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中驗(yàn)證了其有效性。文獻(xiàn)[3]提出了一種計(jì)算暫態(tài)電壓穩(wěn)定臨界故障清除時(shí)間的方法，通過Matlab仿真驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[4]利用拉格朗日因子法，通過計(jì)算推理出一種新的電壓穩(wěn)定判據(jù)。文獻(xiàn)[5]分析了靜態(tài)負(fù)荷與動(dòng)態(tài)負(fù)荷不同比例時(shí)的電壓穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)負(fù)荷比例越大時(shí)電壓穩(wěn)定性越差。文獻(xiàn)[6]研究了不同條件下多感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響。然而在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化特性對微電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響的研究較少，本文基于風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過改變感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)研究其在各種條件下的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與電壓穩(wěn)定控制策略

1.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)主構(gòu)架為 10kW 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、10kW光伏發(fā)電系統(tǒng)、20kVA儲(chǔ)能系統(tǒng)、10kW感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷和 10kW靜態(tài)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)微電網(wǎng)仿真模型，如圖 1所示。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)公共連接點(diǎn)（PCC）閉合，各設(shè)備經(jīng)變壓器連接到主網(wǎng)。當(dāng)主網(wǎng)或微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，切掉 PCC，由分布式電源（DG）、儲(chǔ)能和負(fù)荷獨(dú)立運(yùn)行。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 電壓穩(wěn)定控制策略

當(dāng)微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能與 DG均采用恒功率控制（PQ）控制方式。當(dāng)線路L2處發(fā)生三相短路故障時(shí)，微電網(wǎng)立即轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，PCC處于斷開狀態(tài)，此時(shí)與主網(wǎng)為分離關(guān)系，儲(chǔ)能則起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的作用，及時(shí)彌補(bǔ)系統(tǒng)電壓缺額，控制方式由恒功率控制轉(zhuǎn)為V/F控制，其他DG則繼續(xù)采用PQ控制方式。儲(chǔ)能孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)V/F控制策略如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能V/F控制策略結(jié)構(gòu)圖

頻率f與參考頻率fref比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出有功參考 Pref；電壓 U與參考電壓 Uref比較調(diào)制出無功參考 Qref，再經(jīng)電流環(huán)控制生成信號 idref、iqref，通過改變有功和無功參考值使系統(tǒng)電壓維持穩(wěn)定。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)變流器采用 PQ的控制策略，而網(wǎng)側(cè)變流器采用電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的控制策略。光伏陣列逆變器控制部分采用和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器部分一樣的 PQ控制策略。儲(chǔ)能以恒定功率運(yùn)行，當(dāng)微電源供給功率過剩時(shí)，吸收功率；當(dāng)功率不能滿足負(fù)荷的供應(yīng)時(shí)，輸出功率。PQ控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PQ控制結(jié)構(gòu)圖

圖3 中，Pref、Qref分別為有功和無功參考量，idref、iqref分別為d軸和 q軸參考電流。功率外環(huán)通過PI控制器調(diào)節(jié)輸出參考指令idref、iqref，經(jīng)電流內(nèi)環(huán) PI控制器調(diào)節(jié)輸出電壓解耦項(xiàng) vd1、vq1，再與電壓補(bǔ)償項(xiàng)比較得到指令 vd、vq，最后經(jīng)矢量坐標(biāo)變換后對逆變器進(jìn)行控制，進(jìn)而得到理想觸發(fā)脈沖。

2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型

2.1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷采用三階機(jī)電暫態(tài)模型，即

電壓方程為

式（1）和式（2）中可描述為

式中， Ed′、 Eq′分別為 d、q軸的暫態(tài)電勢， Td′0=，I、I分別為定子電流的d、q軸的分量，

dqTd′0為轉(zhuǎn)子繞組時(shí)間常數(shù)，X、X′分別為穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)電抗，ω為轉(zhuǎn)子角速度，Xm為激磁電抗，Xs為定子電抗，Xr為轉(zhuǎn)子電抗，TJ為慣性時(shí)間常數(shù)。

2.2 暫態(tài)電壓穩(wěn)定判據(jù)

文獻(xiàn)[7-8]認(rèn)為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓失穩(wěn)不一定致使系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)取決于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)失穩(wěn)后系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定情況。文獻(xiàn)[3]與文獻(xiàn)[9]認(rèn)為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓失穩(wěn)即為系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。據(jù)此可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓失穩(wěn)是分析系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的重要判據(jù)，本文微電網(wǎng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)判據(jù)為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓失穩(wěn)。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，輸入電磁功率與輸出機(jī)械功率保持平衡，電壓保持穩(wěn)定。當(dāng)微電網(wǎng)在線路L2處受到三相短路故障擾動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁功率與機(jī)械功率處于非平衡狀態(tài)，電壓處于暫態(tài)過程，在短路故障消失后，觀察感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓穩(wěn)定情況。經(jīng)過多次仿真，確定感應(yīng)電動(dòng)機(jī)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的臨界故障清除（CCT）時(shí)間為 0.434s，當(dāng)故障清除時(shí)間大于0.434s時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓失穩(wěn)。圖4所示當(dāng)故障清除時(shí)間為0.435s時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓。

圖4 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓圖

3 微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性仿真

3.1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)對微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響

1）感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇

選擇圖1中容量為10kW的單個(gè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為仿真主對象，選取感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓臨界時(shí)刻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)為初始參數(shù)。表1所示為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初始參數(shù)。

表1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初始參數(shù)

3.2 定子電阻對微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響

在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)其余參數(shù)不變的情況下，改變定子電阻數(shù)值，取5組數(shù)值且每組數(shù)值增加0.02，由表2所示定子電阻在5組數(shù)值范圍內(nèi)依次增大時(shí)，CCT則相應(yīng)縮短，變化幅度穩(wěn)定在4.38%～22.04%之間。由此可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓穩(wěn)定性逐漸變差，微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性隨著定子電阻的增大而減弱。

表2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子電阻數(shù)值與CCT關(guān)系

3.3 定子電抗對微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響

在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)其余參數(shù)不變的情況下，改變定子電抗數(shù)值，取5組數(shù)值且每組數(shù)值增加0.03，由表3所示定子電抗在5組數(shù)值范圍內(nèi)依次增大時(shí)，CCT則相應(yīng)縮短，變化幅度穩(wěn)定在13.29%～17.56%之間。由此可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓穩(wěn)定性而逐漸變差，微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性隨著定子電抗的增大而減弱。

表3 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子電抗數(shù)值與CCT關(guān)系

3.4 轉(zhuǎn)子電阻對微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響

在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)其余參數(shù)不變的情況下，改變感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻數(shù)值，取5組數(shù)值且每組數(shù)值增加0.02，由表4所示轉(zhuǎn)子電阻在五組數(shù)值范圍內(nèi)依次增大時(shí)，CCT則相應(yīng)增長，變化幅度穩(wěn)定在5.88%～10.36%之間。由此可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓穩(wěn)定性逐漸變好，微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性隨著轉(zhuǎn)子電阻的增大而增強(qiáng)。

3.5 轉(zhuǎn)子電抗對微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響

在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)其余參數(shù)不變的情況下，改變轉(zhuǎn)子電抗數(shù)值，取5組數(shù)值且每組數(shù)值增加0.02，由表5所示轉(zhuǎn)子電抗在5組數(shù)值范圍內(nèi)依次增大時(shí)，CCT則相應(yīng)縮短，變化幅度穩(wěn)定在6.74%～14.03%之間。由此可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓穩(wěn)定性逐漸變差，微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電抗的增大而減弱。

表4 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻數(shù)值與CCT關(guān)系

表5 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電抗數(shù)值與CCT關(guān)系

3.6 慣性時(shí)間常數(shù)對微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響

在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)其余參數(shù)不變的情況下，改變慣性時(shí)間常數(shù)，取5組數(shù)值且每組數(shù)值增加0.05，由表6所示慣性時(shí)間常數(shù)在五組數(shù)值范圍內(nèi)依次增大時(shí)，CCT則相應(yīng)增長，變化幅度穩(wěn)定在 19.89%～31.80%之間。由此可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓穩(wěn)定性逐漸變好，微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)的增大而增強(qiáng)。

表6 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)與CCT關(guān)系

3.7 負(fù)載轉(zhuǎn)矩對微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響

在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)其余參數(shù)不變的情況下，改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩，取 5組數(shù)值且每組數(shù)值增加 0.05，由表7所示，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在五組數(shù)值范圍內(nèi)依次增大時(shí)，CCT則相應(yīng)縮短，變化幅度穩(wěn)定在 20.66%～27.03%之間。由此可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓穩(wěn)定性逐漸變差，微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大而減弱。

表7 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與CCT關(guān)系

3.8 互感對微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響

在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)其他參數(shù)不變的情況下，改變感應(yīng)電動(dòng)機(jī)互感，取5組數(shù)值且每組數(shù)值增加0.6，由表8所示互感在5組數(shù)值范圍內(nèi)依次增大時(shí)，CCT則相應(yīng)縮短，變化幅度穩(wěn)定在3.815%～6.83%之間。由此可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓穩(wěn)定性逐漸變差，微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)互感增大而減弱。

表8 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)互感與CCT關(guān)系

3.9 負(fù)荷比例對微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性影響

通過改變感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷所占總負(fù)荷比例分析微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，由表9所示隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)荷比例減小，CCT則相應(yīng)增長。由此可知，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電壓穩(wěn)定性逐漸變好，微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷比例減小而增強(qiáng)。

表9 動(dòng)態(tài)與靜態(tài)負(fù)荷比例與CCT關(guān)系

4 結(jié)論

本文通過構(gòu)架風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了電壓穩(wěn)定性控制策略，在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)其他參數(shù)不變的條件下，改變感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、互感、慣性時(shí)間常數(shù)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)荷比例，利用臨界故障清除時(shí)間大小來分析微電網(wǎng)在受到短路故障結(jié)束后的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。結(jié)果表明，隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子電阻（0.102～0.182）、定子電抗（0.1317～0.2517）、轉(zhuǎn)子電抗（0.1516～0.2316）、負(fù)載轉(zhuǎn)矩（0.60～0.80）、互感（1.394～3.794）和負(fù)荷比例（9∶1～1∶3）在其數(shù)值范圍內(nèi)逐漸增大，臨界故障清除時(shí)間相應(yīng)減小，微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性減弱。隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻（0.100～0.180）和慣性時(shí)間常數(shù)（0.20～0.40）在其數(shù)值范圍內(nèi)逐漸增大，臨界故障清除時(shí)間相應(yīng)增大，微電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性增強(qiáng)。

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