微電網電能質量分析與控制方法研究

張一萌，張 濤，董 娜

（天津市計量監督監測科學研究院，天津300192）

新能源發電技術的突飛猛進，使微電網的應用越來越廣泛，微電網不僅能夠與外部電網并網運行，還能獨立運行，微電網中電能質量的問題威脅著電網的運行，無功不足、諧波污染等問題，將會造成電網的損失。

針對上述問題，為了及時發現與解決，相關文獻也有研究。文獻[1]提出了一種能精確預測變換器穩定運行邊界的時域模型，采用有源濾波器對微電網中的諧波進行補償，利用電容中的APF 進行補償諧波和無功，實現對微電網電能質量的分析與控制，但此方法中三相變換器的穩定性差；文獻[2]提出了一種微電網的諧波域數學建模方法，依據DC/AC部分影響微電網運行效率及電能質量特性，構建了微電網數學模型，通過諧波的分析，進而實現微電網電能質量的分析與控制，但該方法的逆變器效率低，輸出的波形較差。針對上述技術的不足，本研究進行以下技術研究。

1 微電網電能質量分析與控制系統

1.1 微電網結構分析

微電網是充分采用可再生資源獨立出來的微型電網系統，能夠將可再生資源轉化為電能和熱能，主要包括微電源、開關、電力電子裝置、儲能設備、通信設施以及負荷等[3-4]，微電網結構如圖1所示。

圖1 微電網結構圖Fig.1 Microgrid structure diagram

微電網輸出低壓電能，提供380 V/220 V 的電壓，網絡結構采用放射狀，并包含有多條饋線，根據負載的重要性接入不同的饋線，實現微電網的分級分成控制，為了增強負荷抑制電網的干擾，在饋線上安裝多種微電源，為負荷提供電能、頻率和末端電壓支撐。饋線3 中有中斷負荷，不需要安裝微電源，若功率不足可直接選擇負荷的切除[5]。微電網選用的是并網狀態，當電網檢測到故障、異常或電能質量不滿足標準時，將會轉為孤島模式運行，直到故障消除。

微電網可控制局部電壓與頻率的穩定，調節電源與負荷間的功率差額，異常情況下實現與大電網的分離。依據微電網的運行模式與發電特性的不同，使用不同的控制方法。并網模式下，利用PQ 控制方法，實現電網電壓、頻率的穩定；孤島模式下，利用單主或多主控制方法、對等控制和基于多代理技術的控制方法，實現頻率與電壓的穩定；微電源利用下垂控制和V/f 控制方法，實現電壓的穩定。

1.2 微電網電能質量監測系統設計

本文設計了微電網電能質量監測系統，以方便微電網電能質量的分析與控制方法的研究。該系統采用多通路采樣電路的設計理念，實現微電網中多路信號同步采集與轉換，進而提高電能質量監測系統的實時性，本文設計的電能質量監測系統，以DSP和FPGA 為核心，進行對微電網電能質量的監測[6]。該系統利用以FPGA 為核心的數據采集板，實現對電力信號的采集，該采集板具有8 通道16 位同步AD 轉換器，可實現8 路單端16 位高速同步模擬信號的數據采集[7]。通過將數據采集板與DSP28335 的XINTF 數據總線相連接，并進行DSP 程序的編寫，進而實現微電網電力信號的連續同步采集、I/O 控制以及計算機USB 的高速通信等功能[8]。系統包括信號調理模塊、數據采集與處理模塊和人機接口模塊。微電網電能質量監測系統的結構如圖2所示。

圖2 微電網電能質量監測系統結構圖Fig.2 Structure diagram of microgrid power quality monitoring system

信號調理模塊包括電流傳感器、電壓傳感器、采樣調理電路和直流電壓偏置電路4 個部分，為了提高采樣的可靠性，采用抗混疊濾波。通過電流傳感器和電壓傳感器將300 V 高壓轉化為3 V 低壓，方便控制芯片的電信號采集，由于混雜在采樣信號中的高頻信號會產生頻率混疊的干擾，因此，采用抗混疊濾波進行對采樣信號的抗混疊處理，實現對微電網電力信號的調節[9]。數據采集與處理模塊利用AD7606 型號的模數轉換芯片，人機接口模塊采用DSP 與FPGA 雙核數據采集與處理系統，將處理后的信號傳輸至儲存機，并通過RS232 將實時數據上傳至上位機，數據通過LCD 進行顯示。

1.3 微電網電能質量分析系統設計

微電網電能質量分析系統采用LabVIEW 軟件開發平臺，并結合硬件設計，實現微電網電能質量數據的采集、電能的波形實時顯示、電能數據過限警報以及電能數據分析等功能。微電網電能質量分析系統結構框圖如圖3所示。

圖3 微電網電能質量分析系統結構框圖Fig.3 Structural block diagram of microgrid power quality analysis system

該系統包括電流互感器、電壓互感器、濾波電路、數據采集卡、計算機以及LabVIEW 的軟件開發部分。硬件部分主要實現對微電網電能數據的采集以及將電能信號轉換成計算機可以識別的數字信號；軟件部分包括用戶管理模塊、數據分析模塊和數據存儲模塊。

該系統中通過使用電壓互感器PT 和電流互感器CT 將原始信號的高電壓、大電流降低幅值，進行二次轉換為電壓的形式，并且還具有電磁隔離的作用。選用的電壓互感器和電流互感器的性能如表1所示。

表1 電壓互感器和電流互感器性能表Tab.1 Performance of voltage transformer and current transformer

該系統采用信號采集卡與計算機的接口相連，本系統選用的是USB-6009 型號的數據采集卡，實現微電網電能數據的采集，該采集卡能夠滿足微電網電能質量的分析，通過將處理過的微電網電能數據采集到數據采集卡，將采集到的電能數據轉換為計算機可以識別的數字信號，通過USB 接口將電能數據傳輸到計算機，并由軟件部分實現微電網電能質量的分析。

微電網電能質量分析系統的軟件部分利用了虛擬儀器技術，在LabVIEW 軟件開發平臺上建立虛擬電能質量分析系統，并開發設置了功能模塊，能夠有效地實現微電網電能質量的分析。通過用戶管理模塊實現用戶的登錄和用戶的信息保護，方便用戶對用電信息的查詢；通過數據分析模塊，將信號采集卡采集到的電能信號進行數據分析，利用LabVIEW 中自帶的RMS 周期平方值和均方根計算電壓有效值和電流有效值，利用電壓偏差模塊測量電壓偏差值，若出現異常，則警報燈亮起；通過頻率偏差模塊比較微電網電能頻率的偏差；通過三相不平衡度模塊比較電壓的幅值與相位，實現微電網電能頻率的分析；通過諧波分析模塊實現對微電網電能諧波的計算，實現微電網電能諧波的分析；將分析的結果傳輸至數據存儲模塊，并實時在顯示屏上顯示微電網電能質量的狀態，實現電能質量的分析結果的界面顯示。

1.4 基于V2G 技術的微電網電能質量控制

本文采用了V2G 技術來進行對微電網電能質量的控制，該系統主要包括目標指令電流合成、電流跟蹤控制和SVPWM 調制三部分，基于V2G 系統的微電網電能質量控制系統結構如圖4所示。

圖4 基于V2G 系統的微電網電能質量控制系統結構圖Fig.4 Structure diagram of microgrid power quality control system based on V2G system

該系統采用V2G 系統變流器，首先將微電網的功率質量傳輸至功率外環，作為輸入功率，出現微電網指令電流1 參考數值；迅速、有效地對負載電流諧波和無功分量電流進行測量，得到同步旋轉dq坐標系下的諧波和無功電流，將這個電流作為V2G系統變流器諧波和無功補償指令電流2 的參考值；微電網指令電流1 參考數值與電流2 的參考數值相加，計算得到V2G 系統變流器輸出目標指令電流，將指令電流與實際輸出電流相減得到的電流值，輸入到電流調節器，通過坐標變換，取得V2G 系統變流器的控制信號，通過SVPWM 調制輸出PWM 控制信號，將信號放大并啟動開關管，形成三相逆變電壓，最終實現微電網電能質量的一體化控制。PFI進行對微電網的內環控制，實現對電流的實時調整輸出指令誤差，改善微電網的動態性能。

假設e（z）表示誤差值，r（z）表示給定指令，則兩者之間的關系為

“互聯網+教育”具有在線、開放、受眾廣及不受地理位置限制等優點[2]，但卻無法提供必須借助實體環境才能完成的教學，無法面對面交流，不利于培養學生的情感態度。因此，結合“互聯網+教育”與傳統課堂教學的優劣，將二者融合的“互聯網+課堂”的混合式教學模式可達到優勢互補，實現最優化的教學目的。這種模式的構建，主要是“以學生為主體，以教師為主導”，教師和學生的角色發生了變化，教師主要起到引導、交流、答疑的作用，使學生利用教師創建的環境到達良好的學習效果。

式中：Gpo（z）表示比例反饋積分控制器進行對對象的控制，控制對象Gp（s）開環傳遞函數的離散形式。

進而可得到復合控制系統的特征方程為

采用比例反饋積分進行控制電流閉環傳遞函數Gpc（z）為

顯然可見，比例反饋積分控制系統的特征中的［1+Gpo（z）］表示比例反饋函數控制時，系統輸出的特征方程。

將Gpc（z）當做控制對象，使用重復控制器進行控制，因此，系統的特征方程的另一部分表示為zN-［Q（z）-C（z）Gpc（z）］。

若要滿足電流環的穩定性，即要滿足重復控制器的電流環閉環傳遞函數是穩定的，即：

式中：T表示周期，且0＜ω＜π；C（z）表示補償器。除此之外，還需滿足系統采用比例反饋積分控制電流環的閉環傳遞函數的穩定性，即Gpc（z）的極點全部位于單位圓內。

采用補償器C（z）的幅值補償和相位補償，來控制對象Gpc（z）的特性。利用有理式進行對超前相位補償的改正，使補償后的控制對象相位在-90°～90°，防止過補償。

補償器C（z）的方程式為

F（z）為相位校正環節：

式中：θGpc表示重復控制被控制對象Gpc（z）最大相位滯后；p表示相位改正后的階段極點，來對相位曲線進行修補，進而使系統達到穩定的需求。

相位補償環節是經過補償，將相角控制在-90°～90°之間，確保Q（z）=1 時控制系統的穩定性。

2 實驗結果與分析

為了驗證本文研究的微電網電能質量分析與控制方法的可行性與準確性，做了相關實驗，選取Matlab 數值型計算軟件，具有編程效率高、程序設計靈活、圖形處理功能強大等優點，進行實驗平臺的搭建，該平臺是一個低壓并網型的微電網結構，實驗平臺環境參數如表2所示。

表2 實驗平臺環境參數Tab.2 Environmental parameters of experimental platform

實驗平臺設置為微電網管理層、中間層和控制層，微電網電能質量分析與控制實驗平臺架構如圖5所示。

圖5 實驗平臺架構示意圖Fig.5 Schematic diagram of experimentalplatform architecture

本實驗采用的數據為某微電網中運行的數據，實驗數據如表3所示。

表3 實驗數據Tab.3 Experimental data

通過測試諧波曲線圖，來驗證控制的有效性，實驗結果與文獻[1]和文獻[2]的實驗結果進行對比，實驗結果對比如圖6所示。

圖6 實驗結果對比圖Fig.6 Comparison diagram of experimental results

由圖6 可知，在進行對系統控制有效性測試的實驗中，本文系統進行了2 次實驗測試，第一組是在不進行任何控制的情況下測試得到的電流波形，該波形不穩定，并且有較大的誤差；第二組是在進行控制的狀態下測試得到的電流波形，該波形比較穩定，并有一定的周期，并且幅值為30 A，相對不控制的波形較好。文獻[1]進行對控制有效性的實驗測試時，得到的波形幅值較低為14.3 A，并且周期不穩定，與本文控制系統相比存在著較大的差距；文獻[2]進行對控制有效性的實驗測試時，得到的波形幅值也較低為18.1 A，并且周期也不穩定，與本文控制系統相比存在著很大的不足。由此可見本文研究的控制系統具有很高的實用性。

基于上述對控制系統的測試，接著對系統監測的準確性進行測試，實驗結果仍與文獻[1]和文獻[2]的實驗結果進行對比，實驗結果對比如圖7所示。

圖7 實驗結果對比Fig.7 Comparison of experimental results

由圖7 可知，本文研究的系統在進行對監測的準確性測試時，準確性均在80%以上，并且最高達到了98%；文獻[1]在進行對系統監測的準確性測試時，準確性在40%～70%之間波動，并且準確性最高為69%，與本文研究的系統相比還存在著一定的差距；文獻[2]在進行對系統監測的準確性測試時，準確性在50%～80%之間波動，并且準確性最高為80%，與本文研究的系統相比還存在著不足。由此可見，本文研究的系統對微電網電能質量監測的準確性最高。

3 結語

為了解決微電網電能質量無功不足、諧波污染等問題，本文研究了微電網電能質量分析與控制的方法，設計了微電網電能質量監測系統，以DSP 和FPGA 為核心，實現了對微電網電能質量的監測；還設計了微電網電能質量分析系統，利用LabVIEW軟件開發平臺，并結合硬件設計，實現微電網電能質量數據的采集、電能的波形實時顯示。本文研究的系統還存在著一定的不足，在微電網電能質量的分析中，軟件部分由于測量數據較多，會出現卡頓現象，因此還需進一步更深入的研究。