基于變分模態(tài)分解的低電壓電能擾動(dòng)抑制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚曉虹，李小偉，黃柳軍，張俊成，陶毅剛

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣西南寧 530022）

電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中存在電能質(zhì)量問(wèn)題，電壓的高低直接影響電能的使用效率，低電壓故障的主要原因通常為線路抗阻大、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，低壓電故障發(fā)生后，產(chǎn)生了電能質(zhì)量擾動(dòng)問(wèn)題，因此解決低電壓電能擾動(dòng)問(wèn)題一直是電能使用效率中的重要研究方向。

為解決電能低電壓所帶來(lái)的影響，文獻(xiàn)[1]提出了電能質(zhì)量擾動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以電能質(zhì)量擾動(dòng)為機(jī)理，減小配電壓電阻過(guò)大的問(wèn)題，使用電力電子質(zhì)量擾動(dòng)系統(tǒng)對(duì)低壓配網(wǎng)三項(xiàng)不平衡問(wèn)題進(jìn)行治理，但該方式只能解決三相不平衡問(wèn)題，對(duì)于其他原因?qū)е碌牡碗妷盒Ч⒉缓茫虼瞬贿m用于治理低電壓?jiǎn)栴}。文獻(xiàn)[2]提出了綜合治理裝置方法，通過(guò)建立串聯(lián)調(diào)制電路來(lái)解決過(guò)載問(wèn)題，但該方式非常復(fù)雜、費(fèi)用較高，不適用于大面積普及。

變分模態(tài)分解是一種信號(hào)分解估計(jì)方式，為了滿足居民生活對(duì)用電質(zhì)量提出的高要求，該文結(jié)合變分模態(tài)分解設(shè)計(jì)了基于變分模態(tài)分解的低電壓電能擾動(dòng)抑制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該裝置為電能質(zhì)量擾動(dòng)治理裝置，其中包括網(wǎng)側(cè)電流互感器、狀態(tài)反饋控制器、狀態(tài)觀測(cè)器、光伏并網(wǎng)逆變器四種部件。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低電壓電能擾動(dòng)抑制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該文設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量擾動(dòng)治理裝置的主電路采用基于IGBT 的二極管三電平電路拓?fù)洌撾娐返淖杩剐院芎茫l(fā)生諧振的概率極低[3-4]。使用DSP+CPLD 作為電能質(zhì)量擾動(dòng)治理裝置的控制系統(tǒng)[5-6]，通過(guò)網(wǎng)側(cè)傳感器對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提取電能內(nèi)部質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)抑制。

1.1 網(wǎng)側(cè)電流互感器

網(wǎng)側(cè)電流互感器的作用是測(cè)量低電壓運(yùn)行過(guò)程中的交變電流，設(shè)計(jì)系統(tǒng)中使用DPS8279-1238 型網(wǎng)側(cè)電流互感器，該互感器使用壽命長(zhǎng)，測(cè)量電流數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，并起到變流與電氣隔離的作用。網(wǎng)側(cè)電流互感器通過(guò)識(shí)別電流的大小產(chǎn)生一系列相關(guān)電流數(shù)據(jù)，并傳輸給DSP+CPLD 控制系統(tǒng)[7]，實(shí)現(xiàn)低電壓運(yùn)行狀態(tài)判定。

1.2 狀態(tài)反饋控制器

狀態(tài)反饋控制器型號(hào)為SY182380-297 型，該狀態(tài)反饋控制器的優(yōu)點(diǎn)為耐用性高，反饋精準(zhǔn)，價(jià)格低。狀態(tài)反饋控制器主要由受控對(duì)象（電流與電壓）與內(nèi)部模型組成，使用線性二次型最優(yōu)調(diào)節(jié)方式，利用能量最小化原理實(shí)現(xiàn)對(duì)電流與電壓狀態(tài)的實(shí)時(shí)識(shí)別[8-9]，并反饋給DSP+CPLD 控制系統(tǒng)。

1.3 狀態(tài)觀測(cè)器

狀態(tài)觀測(cè)器選用DSO-1923 型，該狀態(tài)觀測(cè)器的體積小、觀測(cè)精準(zhǔn)度高、耐用性強(qiáng)。狀態(tài)觀測(cè)器的主要作用為觀測(cè)實(shí)時(shí)電路以及低電壓狀態(tài)下的電能擾動(dòng)情況，并將觀測(cè)情況轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息，傳輸給狀態(tài)反饋控制器，并由狀態(tài)反饋控制器反饋給控制系統(tǒng)。

1.4 光伏并網(wǎng)逆變器

光伏并網(wǎng)逆變器選擇的是DHG-12938 型，其主要作用為保證直流母線電壓的穩(wěn)定，并額外建立電流環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制。光伏并網(wǎng)逆變器電路如圖2 所示。

圖2 光伏并網(wǎng)逆變器電路圖

根據(jù)圖2 可知，逆變器采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，該文重點(diǎn)分析了電流內(nèi)環(huán)，實(shí)現(xiàn)有功功率與無(wú)功功率的分離操控。其工作原理為采集直流電壓后，通過(guò)比較直流電壓與定值得到誤差信號(hào)，再經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器得到輸出電流的指定值，將該值進(jìn)行逆變[10-11]，即可得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)接收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，便需要軟件系統(tǒng)對(duì)低電壓電能進(jìn)行擾動(dòng)抑制，以此解決低電壓電能的問(wèn)題，因此，該文設(shè)計(jì)了基于變分模態(tài)分解的低電壓電能擾動(dòng)抑制系統(tǒng)軟件，分為低電壓電能擾動(dòng)因子提取程序和低電壓電能擾動(dòng)抑制程序[12]。

2.1 低電壓電能擾動(dòng)因子提取程序

為了準(zhǔn)確提取低電壓電能擾動(dòng)因子，設(shè)計(jì)低電壓電能擾動(dòng)因子提取算法，通過(guò)變分模態(tài)分解將信號(hào)頻域進(jìn)行拆分，分離擾動(dòng)因子信號(hào)。低電壓電能擾動(dòng)因子提取算法為：設(shè)電能首端電壓為V1；末端電壓為V2；線路抗阻為R。低壓電路的首端電壓V1的計(jì)算公式如式（1）所示：

其中，P表示低電壓功率。得到該關(guān)系后，即可通過(guò)變分模態(tài)分解對(duì)低電壓電能的擾動(dòng)因子n進(jìn)行提取：

其中，β為變分模態(tài)分解系數(shù)，提取出擾動(dòng)因子后，對(duì)擾動(dòng)因子進(jìn)行判定，以最大功率點(diǎn)為分界對(duì)擾動(dòng)因子進(jìn)行分析，在分界點(diǎn)左側(cè)，設(shè)k-1 時(shí)刻的輸出電壓為U(k-1)、輸出功率為P(k-1)，對(duì)該時(shí)刻施加擾動(dòng)，則輸出電壓U=U(k)、輸出功率P=P(k)，若U(k)＞U(k-1)、P(k)＞P(k-1)，則擾動(dòng)因子提取正確。

判斷出擾動(dòng)因子后，對(duì)擾動(dòng)因子進(jìn)行分析，擾動(dòng)因子共有三種類型：無(wú)功、諧波、三相不平衡[13]。因此，主要針對(duì)于無(wú)功的低電壓電能擾動(dòng)進(jìn)行抑制。

2.2 低電壓電能擾動(dòng)抑制程序

提取擾動(dòng)因子后，需要進(jìn)行擾動(dòng)因子的分離，以此達(dá)到低電壓電能的擾動(dòng)抑制。因此該文設(shè)計(jì)了低電壓電能擾動(dòng)抑制程序，通過(guò)抑制程序?qū)π畔⑦M(jìn)行治理，集中處理相關(guān)信息，通過(guò)擾動(dòng)抑制程序，提高低電壓電能的抑制效果，抑制程序工作流程如圖3所示。

圖3 低電壓電能擾動(dòng)抑制程序工作流程

低電壓電能擾動(dòng)抑制程序利用無(wú)功補(bǔ)償降低電壓[14-15]，設(shè)低電壓電能某位置B 的電壓為V3，補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功為Q，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償后，有以下公式：

其中，δ表示補(bǔ)償系數(shù)[16]。以此，完成低電壓電能擾動(dòng)抑制程序。通過(guò)分離擾動(dòng)因子，抑制低電壓電能的擾動(dòng)，擾動(dòng)抑制程序使得電路系統(tǒng)的無(wú)用功得以消除，以此提升電路電壓，解決由無(wú)功引起的低電壓電能擾動(dòng)的問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的基于變分模態(tài)分解的低電壓電能擾動(dòng)抑制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，選用該文研究的抑制系統(tǒng)（方法1）和基于電能質(zhì)量擾動(dòng)抑制的配電網(wǎng)低電壓治理方法（方法2）、基于低壓配電臺(tái)區(qū)運(yùn)行特性的儲(chǔ)能控制策略（方法3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

選用的實(shí)驗(yàn)試點(diǎn)為某供電公司低電壓云臺(tái)，設(shè)置的供電線路如圖4 所示。

圖4 供電線路示意圖

根據(jù)圖4 的供電線路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析在出現(xiàn)低電壓擾動(dòng)狀態(tài)下三種抑制系統(tǒng)的抑制效果，如圖5所示。

圖5 不同系統(tǒng)抑制結(jié)果

對(duì)圖5 抑制結(jié)果進(jìn)行分析，分別記錄故障發(fā)生時(shí)刻和故障清除時(shí)刻的性能指標(biāo)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：故障發(fā)生時(shí)刻為0.5 s，系統(tǒng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 故障發(fā)生時(shí)刻性能指標(biāo)

根據(jù)表1 可知，在故障發(fā)生時(shí)刻，電壓系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，三種系統(tǒng)都具備一定的抑制能力，但是方法1 的抑制效果更好，方法3 的抑制能力最弱，需要花費(fèi)0.15 s 才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。該文研究的系統(tǒng)針對(duì)于三相不平衡所引起的低電壓電能進(jìn)行分析，確定三相電壓出現(xiàn)隔值不同、相角不對(duì)稱的情況所導(dǎo)致，通過(guò)擾動(dòng)抑制來(lái)恢復(fù)三相電壓，并由光伏并網(wǎng)逆變器來(lái)穩(wěn)定三相電壓。諧波所引起的低電壓電能主要因?yàn)殡娔軘_動(dòng)太頻繁所導(dǎo)致，因此，在解決諧波所引起的低電壓電能時(shí)，需要通過(guò)低電壓電能擾動(dòng)抑制程序單獨(dú)運(yùn)行，使電路不發(fā)生擾動(dòng)。

故障清除時(shí)刻為0.9 s，性能如表2 所示。

表2 故障清除時(shí)刻性能指標(biāo)

在故障清除時(shí)刻，該文設(shè)計(jì)的抑制系統(tǒng)抑制效果要優(yōu)于對(duì)比系統(tǒng)，能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，同時(shí)該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在抑制過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生脫網(wǎng)現(xiàn)象，能夠更好地完成低電壓穿越工作。

綜上所述，該文設(shè)計(jì)的抑制系統(tǒng)具有較好的擾動(dòng)抑制能力，在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)脫網(wǎng)現(xiàn)象，能夠盡快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

電能是人類寶貴的二次能源，雖然電能可以再生，但也是由各類珍貴的一次能源而來(lái)，因此，對(duì)于高效利用電能一直是電能領(lǐng)域的重要研究方向之一，針對(duì)低電壓電能質(zhì)量擾動(dòng)問(wèn)題，該文提出了基于變分模態(tài)分解的低電壓電能擾動(dòng)抑制程序，可以有效地解決不同原因引起的低電壓電能質(zhì)量擾動(dòng)問(wèn)題，可為相關(guān)學(xué)者該方面的后續(xù)研究提供參考。