計及感應電動機參數的微電網暫態電壓穩定性分析

李潤澤 徐 濤

暫態電壓穩定指電力系統短期內遭受大擾動后系統保持穩定電壓的能力，同樣微電網受到大擾動后，也會出現暫態電壓失穩現象，嚴重情況下會致使微電網系統崩潰。大擾動經常由短路故障造成，而擾動過后感應電動機負荷電壓是否穩定，決定著微電網電壓穩定性，系統中超過60%負荷是由感應電動機構成[1]，暫態電壓失穩與感應電動機負荷密切相關。

文獻[2]將臨界故障清除時間作為暫態電壓穩定的判據，并在多節點系統中驗證了其有效性。文獻[3]提出了一種計算暫態電壓穩定臨界故障清除時間的方法，通過Matlab仿真驗證了其準確性。文獻[4]利用拉格朗日因子法，通過計算推理出一種新的電壓穩定判據。文獻[5]分析了靜態負荷與動態負荷不同比例時的電壓穩定性，動態負荷比例越大時電壓穩定性越差。文獻[6]研究了不同條件下多感應電動機起動對微電網電壓穩定性影響。然而在微電網系統中，感應電動機參數變化特性對微電網系統暫態電壓穩定性影響的研究較少，本文基于風光儲微電網系統，通過改變感應電動機參數研究其在各種條件下的暫態電壓穩定性。

1 微電網結構與電壓穩定控制策略

1.1 微電網結構

微電網主構架為 10kW 雙饋風力發電系統、10kW光伏發電系統、20kVA儲能系統、10kW感應電動機負荷和 10kW靜態負荷的動態微電網仿真模型，如圖 1所示。聯網運行時公共連接點（PCC）閉合，各設備經變壓器連接到主網。當主網或微電網發生故障時，切掉 PCC，由分布式電源（DG）、儲能和負荷獨立運行。

圖1 微電網結構圖

1.2 電壓穩定控制策略

當微電網聯網運行時，儲能與 DG均采用恒功率控制（PQ）控制方式。當線路L2處發生三相短路故障時，微電網立即轉為孤網運行狀態，PCC處于斷開狀態，此時與主網為分離關系，儲能則起到穩定系統電壓的作用，及時彌補系統電壓缺額，控制方式由恒功率控制轉為V/F控制，其他DG則繼續采用PQ控制方式。儲能孤網運行時V/F控制策略如圖2所示。

圖2 儲能V/F控制策略結構圖

頻率f與參考頻率fref比較，經PI調節器輸出有功參考 Pref；電壓 U與參考電壓 Uref比較調制出無功參考 Qref，再經電流環控制生成信號 idref、iqref，通過改變有功和無功參考值使系統電壓維持穩定。

雙饋風力發電機機側變流器采用 PQ的控制策略，而網側變流器采用電流內環電壓外環的控制策略。光伏陣列逆變器控制部分采用和風力發電系統機側變流器部分一樣的 PQ控制策略。儲能以恒定功率運行，當微電源供給功率過剩時，吸收功率；當功率不能滿足負荷的供應時，輸出功率。PQ控制結構如圖3所示。

圖3 PQ控制結構圖

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。功率外環通過PI控制器調節輸出參考指令idref、iqref，經電流內環 PI控制器調節輸出電壓解耦項 vd1、vq1，再與電壓補償項比較得到指令 vd、vq，最后經矢量坐標變換后對逆變器進行控制，進而得到理想觸發脈沖。

2 感應電動機負荷模型

2.1 感應電動機數學模型

感應電動機負荷采用三階機電暫態模型，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軸的暫態電勢， Td′0=，I、I分別為定子電流的d、q軸的分量，

dqTd′0為轉子繞組時間常數，X、X′分別為穩態與暫態電抗，ω為轉子角速度，Xm為激磁電抗，Xs為定子電抗，Xr為轉子電抗，TJ為慣性時間常數。

2.2 暫態電壓穩定判據

文獻[7-8]認為感應電動機電壓失穩不一定致使系統電壓失穩，系統電壓失穩取決于感應電動機失穩后系統電壓的穩定情況。文獻[3]與文獻[9]認為感應電動機電壓失穩即為系統電壓失穩。據此可知，感應電動機電壓失穩是分析系統電壓失穩的重要判據，本文微電網暫態電壓失穩判據為感應電動機電壓失穩。

感應電動機正常運行時，輸入電磁功率與輸出機械功率保持平衡，電壓保持穩定。當微電網在線路L2處受到三相短路故障擾動時，感應電動機電磁功率與機械功率處于非平衡狀態，電壓處于暫態過程，在短路故障消失后，觀察感應電動機電壓穩定情況。經過多次仿真，確定感應電動機暫態電壓穩定的臨界故障清除（CCT）時間為 0.434s，當故障清除時間大于0.434s時，感應電動機電壓失穩。圖4所示當故障清除時間為0.435s時的感應電動機電壓。

圖4 感應電動機電壓圖

3 微電網暫態電壓穩定性仿真

3.1 感應電動機參數對微電網暫態電壓穩定性影響

1）感應電動機參數選擇

選擇圖1中容量為10kW的單個感應電動機作為仿真主對象，選取感應電動機電壓臨界時刻感應電動機參數為初始參數。表1所示為感應電動機初始參數。

表1 感應電動機初始參數

3.2 定子電阻對微電網暫態電壓穩定性影響

在感應電動機其余參數不變的情況下，改變定子電阻數值，取5組數值且每組數值增加0.02，由表2所示定子電阻在5組數值范圍內依次增大時，CCT則相應縮短，變化幅度穩定在4.38%～22.04%之間。由此可知，感應電動機電壓穩定性逐漸變差，微電網暫態電壓穩定性隨著定子電阻的增大而減弱。

表2 感應電動機定子電阻數值與CCT關系

3.3 定子電抗對微電網暫態電壓穩定性影響

在感應電動機其余參數不變的情況下，改變定子電抗數值，取5組數值且每組數值增加0.03，由表3所示定子電抗在5組數值范圍內依次增大時，CCT則相應縮短，變化幅度穩定在13.29%～17.56%之間。由此可知，感應電動機電壓穩定性而逐漸變差，微電網暫態電壓穩定性隨著定子電抗的增大而減弱。

表3 感應電動機定子電抗數值與CCT關系

3.4 轉子電阻對微電網暫態電壓穩定性影響

在感應電動機其余參數不變的情況下，改變感應電動機轉子電阻數值，取5組數值且每組數值增加0.02，由表4所示轉子電阻在五組數值范圍內依次增大時，CCT則相應增長，變化幅度穩定在5.88%～10.36%之間。由此可知，感應電動機電壓穩定性逐漸變好，微電網暫態電壓穩定性隨著轉子電阻的增大而增強。

3.5 轉子電抗對微電網暫態電壓穩定性影響

在感應電動機其余參數不變的情況下，改變轉子電抗數值，取5組數值且每組數值增加0.02，由表5所示轉子電抗在5組數值范圍內依次增大時，CCT則相應縮短，變化幅度穩定在6.74%～14.03%之間。由此可知，感應電動機電壓穩定性逐漸變差，微電網暫態電壓穩定性隨著感應電動機轉子電抗的增大而減弱。

表4 感應電動機轉子電阻數值與CCT關系

表5 感應電動機轉子電抗數值與CCT關系

3.6 慣性時間常數對微電網暫態電壓穩定性影響

在感應電動機其余參數不變的情況下，改變慣性時間常數，取5組數值且每組數值增加0.05，由表6所示慣性時間常數在五組數值范圍內依次增大時，CCT則相應增長，變化幅度穩定在 19.89%～31.80%之間。由此可知，感應電動機電壓穩定性逐漸變好，微電網暫態電壓穩定性隨著感應電動機慣性時間常數的增大而增強。

表6 感應電動機慣性時間常數與CCT關系

3.7 負載轉矩對微電網暫態電壓穩定性影響

在感應電動機其余參數不變的情況下，改變負載轉矩，取 5組數值且每組數值增加 0.05，由表7所示，負載轉矩在五組數值范圍內依次增大時，CCT則相應縮短，變化幅度穩定在 20.66%～27.03%之間。由此可知，感應電動機電壓穩定性逐漸變差，微電網暫態電壓穩定性隨著感應電動機負載轉矩增大而減弱。

表7 感應電動機負載轉矩與CCT關系

3.8 互感對微電網暫態電壓穩定性影響

在感應電動機其他參數不變的情況下，改變感應電動機互感，取5組數值且每組數值增加0.6，由表8所示互感在5組數值范圍內依次增大時，CCT則相應縮短，變化幅度穩定在3.815%～6.83%之間。由此可知，感應電動機電壓穩定性逐漸變差，微電網暫態電壓穩定性隨著感應電動機互感增大而減弱。

表8 感應電動機互感與CCT關系

3.9 負荷比例對微電網暫態電壓穩定性影響

通過改變感應電動機負荷所占總負荷比例分析微電網暫態電壓穩定性，由表9所示隨著感應電動機動態負荷比例減小，CCT則相應增長。由此可知，感應電動機電壓穩定性逐漸變好，微電網暫態電壓穩定性隨著感應電動機負荷比例減小而增強。

表9 動態與靜態負荷比例與CCT關系

4 結論

本文通過構架風光儲微電網系統，設計了電壓穩定性控制策略，在感應電動機其他參數不變的條件下，改變感應電動機定子、轉子、互感、慣性時間常數、負載轉矩和負荷比例，利用臨界故障清除時間大小來分析微電網在受到短路故障結束后的暫態電壓穩定性。結果表明，隨著感應電動機定子電阻（0.102～0.182）、定子電抗（0.1317～0.2517）、轉子電抗（0.1516～0.2316）、負載轉矩（0.60～0.80）、互感（1.394～3.794）和負荷比例（9∶1～1∶3）在其數值范圍內逐漸增大，臨界故障清除時間相應減小，微電網暫態電壓穩定性減弱。隨著感應電動機轉子電阻（0.100～0.180）和慣性時間常數（0.20～0.40）在其數值范圍內逐漸增大，臨界故障清除時間相應增大，微電網暫態電壓穩定性增強。

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