微網電源質量補償控制模型建立及穩定性分析

孫立書

(浙江東方職業技術學院工程技術系，浙江溫州325011)

微網電源質量補償控制模型建立及穩定性分析

孫立書

(浙江東方職業技術學院工程技術系，浙江溫州325011)

針對微電網中危害電能質量的電壓跌落問題，為了確保敏感負荷正常工作，以電網電壓作為前饋輸入，反饋則以負載電壓作為閉環控制，根據數學模型計算其傳遞函數，建立了動態電壓補償模型，并通過Matlab仿真，證明該控制策略有較好的阻尼性，穩定裕度較高，動態響應速度快，系統的抗干擾能力和穩定性強。

微電網；動態電壓補償；Matlab仿真

微電網系統通過分布式發電單元與配電網之間的關系，在一個局域內將分布式發電單元、電力網絡和終端用戶聯系在一起，優化輸電網絡和配電網絡的結構與配置以及電力調度，提高能源利用率，減輕能源動力對環境的影響，推動分布式能源上網，降低大電網的負擔，改善輸電、配電系統的運行，進而帶動社會向資源節約型、環境友好型方向發展。但是目前分布式發電系統受外界影響較大，提供的電能可能會出現電壓畸變的頻率更高一點，對微網中的敏感負載造成的危害非常大[1]。電壓跌落發生頻繁，會引起設備不受控動作，可能發生比較大的生產事故。當微網側電壓出現跌落時，需要有效設備對其進行電壓補償，滿足敏感負載的用電要求，微網補償控制器正是綜合解決電壓跌落最經濟、最實用的電力裝置。針對微網存在的上述問題，本文設計了一種特定的電壓等級進行動態補償，研究了補償器的動態補償規律和逆變控制方法，建立起數學模型并優化，使補償后電壓效果最佳，補償后電壓穩定，同時對補償控制器進行仿真，仿真結果證明設計的系統模型在微網中使用能夠穩定運行，提高了用電質量，為制造應用于不同電壓等級下的工業級動態電壓恢復器奠定了基礎[2-3]。

1 系統構成

補償器是串聯在電網中的補償裝置，主要用于解決電壓跌落、電壓閃變以及諧波等電能質量問題，使敏感負荷的電能質量得到提高。如圖1所示，系統由儲能單元、逆變器、控制單元、濾波單元以及耦合單元五個部分構成。

圖1 系統結構圖

當補償器開始工作時，逆變器通過控制單元的控制獲得補償電壓，濾波單元負責濾除含有的高次諧波，最后補償電壓由耦合單元串聯到線路中，線路中需要補償的有功功率則由儲能單元完成。

2 電壓矢量優化補償模型建立

針對系統結構，在補償器允許工作范圍內，使跌落前后電壓差模最小，使負載電壓平穩變化，不會發生較大的擾動[4]。圖2是電壓矢量優化補償法的向量圖。

圖2電壓矢量優化補償法向量圖

由圖2得到以下關系式：

將式(1)代入式(2)可得：

整理后得：

分析式(4)可得：選擇不同的△，就能相對應得到一個不同的值。而當△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 控制模型建立及穩定性分析

由于要滿足補償器系統的基本特性，單一的前饋控制和反饋控制都是很難實現的。復合控制策略就是針對前饋和反饋的缺點，做進一步調整，以保證補償器的性能指標，圖3為其工作原理[5]。

圖3 控制系統原理圖

根據復合控制工作原理，可得到如圖4所示的系統控制框圖[6]。復合控制系統融合前饋控制和反饋控制的優點，可以實現補償器系統的快速響應，有較好的穩定性和動態性能，提高負載的抗干擾能力。

圖4 復合控制系統框圖

依據圖4，負載電壓在復合控制系統中的公式為：

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 系統仿真

應用仿真軟件Matlab/Simulink對復合控制策略的可行性和性能指標進行驗證。圖5是系統仿真模型圖。

圖5 系統仿真模型

電壓跌落深度為20%仿真，未加控制器仿真。圖5中的具體參數如表1所示。

表1 前饋系統的仿真參數

從圖6可以分析出在阻尼性和相位裕度較小的情況下，即使前饋系統是穩定的，也可能會有振蕩情況的發生。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，優化補償控制器仿真如圖8所示。

從圖8可知，系統不僅穩定，而且有很大的穩定裕度。在低頻段，負載電壓可根據參考電壓及時變化，響應速度快；在

圖8 優化后的輸出電壓波特圖

從圖9可知，在任意頻率段內，的增益和前饋控制下對比都比較小，從而驗證了復合控制比前饋控制得到更好的負載抗干擾能力，對負載適應能力加強，克服了前饋控制的缺點，滿足了補償器系統的要求。

圖9 負載電壓波特圖

5 結束語

在微電網中針對不同程度的電壓跌落，提出了電壓矢量優化補償策略，建立前饋控制和反饋控制模型，并進行綜合仿真，實驗結果表明，該系統的動態響應快，解決了穩定裕度和阻尼小的問題，可以實現毫秒級內完成補償，并且補償效果良好，同時對系統產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定性、較強的抗干擾能力和負載適應能力。

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

[2]METWALLY I A.No-sag industrial power with dynamic voltage restorer[J].IEEE Potentials，2007，26(6):30-35.

[3]姚丹.分布式發電系統孤島效應研究[D].合肥：合肥工業大學，2006.

[4]李晶晶，趙爭鳴，葛俊杰.有源電力濾波器兩種電流檢測方式研究[J].電工電能新技術，2014，33(2)：52-56.

[5]馮小明，楊仁剛.動態電壓恢復器的形態學——dq變換綜合檢測算法[J].中國電機工程學報，2004，24(11)：193-198.

[6]袁性忠，姜新建，黃宇淇.動態電壓恢復器的復合控制策略[J].電力系統自動化，2006，30(19)：61-64.

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

全國教育信息技術研究“十二五”規劃青年課題(136241319)；浙江省教育廳課堂教學改革項目(kg2013851)；浙江省教育技術規劃課題重點課題(JA044)；浙江東方職業技術學院重點課題(DF201306)

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