電力系統節能控制系統改進設計與實現

鐘亮 施泉生

摘 ?要： 為了增加電力節能控制系統靈活性，達到將測試能量高質量反饋回電力系統的目的，對現有電力系統節能控制系統進行改進設計。通過負載電路結構、框架的完善，完成電力節能控制系統PEL并網變換器的改進;通過直流電壓諧波分析、均值濾波變換器設計、前饋控制，完成饋網變換器設計。模擬線性負荷直流電壓分量波形設計對比實驗，結果表明，應用改進后電力系統節能控制系統，增強前饋控制對效果波形的影響及均值濾波實際效果，達到將測試能量高質量反饋回電力系統的目的。

關鍵詞： 電力系統; 節能控制; PEL并網變換器; 諧波分析; 前饋控制; 系統設計

中圖分類號： TN624?34; TP311 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2018）10?0136?04

Abstract： To increase the flexibility of power energy?saving control system and achieve the purpose of feeding back the testing energy to the power system with high quality， an improved design of the existing power system energy?saving control system is conducted. The improvement of PEL grid connection converter for the power energy?saving control system is accomplished by means of the structure and architecture improvement of the load circuit. The design of feedback network converter is completed by means of harmonic analysis of DC voltage， the design of mean filtering converter， and feed?forward control. The contrast experiment was designed by simulating the component waveforms of linear load DC voltage. The results show that the improved power system energy?saving control system can increase the influence of feed?forward control on effect waveforms and the actual effect of mean filtering， and achieve the purpose of feeding the testing energy back to the power system with high quality.

Keywords： power system; energy?saving control; PEL grid connection converter; harmonic analysis; feed?forward control; system design

0 ?引 ?言

現有電力節能控制系統，依據模糊PID原理，通過機理分析方法，確定電力系統中節能被控對象使用的數學模型。模糊PID原理是在混沌蟻群算法的基礎上，對量化因子和比例因子進行優化，進而使系統在高效運行的同時，達到節能的效果[1]。但這種方式不能將測試能量高質量反饋回電力系統，且系統整體靈活性較差。為了改善此問題，對原有電力節能控制系統的PEL并網變換器進行改進。PEL并網變換器是控制電力電子負載的重要組成部分，且通過負載電路結構的改進、模型框架的改進，可全面掌握電力電子負載的工作情況。為了增強電力節能控制系統的靈活性，設計饋網變換器，通過直流電壓諧波分析、均值濾波變換器設計、前饋控制三階段，完善電力節能控制系統饋網變換器設計過程。為了驗證改進后系統的實用性價值，模擬線性負荷直流電壓分量波形，測量前饋控制對效果波形的影響、前饋控制對均值濾波實際效果。通過實驗結果證明，應用改進后電力系統節能控制系統，可達到將測試能量高質量反饋回電力系統的目的。

1 ?電力節能控制系統PEL并網變換器的改進

1.1 ?PEL并網變換器負載電路結構

PEL并網變換器負載電路由輸入模擬變換器、直流環節、輸出并網變換器三部分組成[2]。

其中輸入模擬變換器可根據電力電子負載特點，分析母線電壓在直流情況下的諧波產生機理。根據所得諧波產生機理，消除諧波抑制對控制系統指令發布造成的影響[3]。完成上述處理后，電力電子流入直流環節，在此階段，通過變換輸入電壓，有效控制電力電子的前饋控制對系統造成的影響[4]。流出直流環節后，到達輸出并網變換器，在此階段，持續改善電力電子的動態特性，提高饋網控制系統產生的功率因數。具體負載電路結構如圖1所示。

1.2 ?PEL并網變換器框架結構

經過輸入模擬變換器、直流環節、輸出并網變換器三步轉換的電力電子，具有較高的內環電流與外環電壓[5]。電力電子流經鎖相環后，到達指令信號發生器，再經過正負電極表，到達電感電流內環控制器。此時，流經第二個正負電極表，經過第二個正負電極表對電力電子電壓的轉換后，流向第三個正負電極表[6]。至此，PEL并網變換器，完成在電力節能控制系統中的全部工作[7]。PEL并網變換器框架結構如圖2所示。

2 ?電力節能控制系統饋網變換器的設計

電力系統節能控制系統的改進與設計，依靠PEL并網變換器的改進、饋網變換器的設計兩部分共同完成[8]。上述過程完成PEL并網變換器的改進，饋網變換器設計具體步驟如下。

2.1 ?饋網變換器直流電壓諧波分析

設電力節能控制系統實際輸入電壓為[u]，實際輸入電流為[i]，目標輸入電壓為[u1]，目標輸入電流為[i1]，饋網變換器直流階段功率因數為-1。則饋網變換器直流電壓諧波分析可表示為：

2.2 ?均值濾波變換器設計

電力節能控制系統饋網變換器，在正常工作情況下，產生成分較為復雜的諧波[9]。在低通濾波器不能滿足寬范圍諧波抑制需要時，饋網變換器會隨著截止頻率的降低，而產生小階數的饋網濾波。為了防止此現象的出現，在原有電力節能控制系統的基礎上，增設均值濾波變換器[7]。ZOH1和ZOH2為兩臺零階保持器，根據上述過程，均值濾波變換器結構如圖3所示。

2.3 ?饋網變換器前饋控制

上述過程描述了饋網變換器前饋控制意義，其具體框架結構如圖4所示。

3 ?實驗結果與分析

3.1 ?參數設置

以一臺整體電機容量為10 kV·A的電力電子發射器作為實驗對象，該發射器的額定電網電壓為220 V，額定直流電壓為380 V，額定電網頻率為79 Hz，負載開關的頻率為1.28×104 Hz，負載輸入、輸出電感分別為1.7 mH，3.4 mH，最大直流電容為4.7×103 μF。詳細參數設定如表1所示。

規定電力電子發射器參數后，打開發射器。在低頻率情況下，分別檢測應用電力系統節能控制系統前、后，前饋控制對效果波形的影響;再在高頻率情況下，分別檢測應用電力系統節能控制系統前、后，前饋控制對效果波形的影響。

3.2 ?均值濾波實際效果對比

均值濾波實際效果可反應測試能量反饋回電力系統的質量。若均值濾波實際效果越密集，則測試能量反饋回電力系統的質量越高，反之則越低。在低頻率情況下，分別檢測應用電力系統節能控制系統前、后，均值濾波實際效果;再在高頻率情況下，分別檢測應用電力系統節能控制系統前、后，均值濾波實際效果。具體檢測結果如圖5、圖6所示。

分析圖5可知，在低頻率下，應用電力系統節能控制系統前，均值濾波實際效果分布散亂，重合部分較少;應用電力系統節能控制系統后，均值濾波實際效果分布集中，出現較多重合部分。分析圖6可知，在高頻率下，應用電力系統節能控制系統前，均值濾波實際效果分布散亂，重合部分較少;應用電力系統節能控制系統后，均值濾波實際效果分布集中，出現較多重合部分。均值濾波實際效果越密集，代表測試能量反饋回電力系統的質量越高。所以，證明應用電力系統節能控制系統，增強均值濾波實際效果，促使測試能量高質量反饋回電力系統。

4 ?結 ?語

本文成功完成了電力系統節能控制系統的改進與設計，通過增設均值濾波變換器的方式，保證改進后系統的順利運行。通過設計對比實驗的方法，證明應用改進后電力系統節能控制系統，確實具有促使測試能量高質量反饋回電力系統的作用。

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