基于功率分層的微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定自動化控制方法

遠(yuǎn) 方，李 東，單新文，黃超智

（1.國網(wǎng)河南省電力公司信息通信公司，鄭州 450052；2.南京南瑞信息通信科技有限公司，南京 210031）

0 引言

微電網(wǎng)也被稱為微網(wǎng)，指的是由分布式電源、負(fù)荷主機、能量轉(zhuǎn)換器、儲能設(shè)備、監(jiān)控元件等多個應(yīng)用裝置共同組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。與其他類型的電網(wǎng)組織相比，微電網(wǎng)具有電源分布靈活、形式多樣等多項應(yīng)用優(yōu)勢，既允許可再生能源、分布式電力裝置等多種電網(wǎng)元件的大規(guī)模接入，也可以提供多種不同的電量供給信號，以供下級耗電元件的直接調(diào)取與利用。作為一種主流的配電調(diào)節(jié)形式，微電網(wǎng)系統(tǒng)的連接可以實現(xiàn)由點電荷到完整電量傳輸信號的過渡[1]。母線是指多個電力設(shè)備共用的電量傳輸通路，在微電網(wǎng)環(huán)境中，多臺電力主機以并聯(lián)的方式建立與母線通路的連接關(guān)系，但由于各條支路內(nèi)電量信號的輸出水平并不完全相等，故而在同一時刻內(nèi)，只能有一個微電網(wǎng)母線連接設(shè)備處于電量信號輸出狀態(tài)。在微電網(wǎng)環(huán)境中，隨著耗電設(shè)備接入量的增大，處于開放狀態(tài)的信號傳輸支路數(shù)值水平也會不斷增大，這不但會導(dǎo)致電壓傳輸信號呈現(xiàn)出不合理的分布狀態(tài)，也會造成微電網(wǎng)母線電量的過度損耗。為解決上述問題，針對基于功率分層的微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定自動化控制方法展開研究。

1 基于功率分層的微電網(wǎng)母線電壓估算

1.1 電流環(huán)解耦

在微電網(wǎng)環(huán)境中，電流環(huán)解耦表達(dá)式?jīng)Q定了母線體系對于電壓信號的感應(yīng)能力，若電信號傳輸方向不發(fā)生變化，微電網(wǎng)主機在單一電流閉環(huán)內(nèi)的解耦能力越強，母線體系對于電壓信號的感應(yīng)能力就越強。規(guī)定功率信號在傳輸過程中出現(xiàn)3次明顯的分層行為，微電網(wǎng)母線電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)表示如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)母線電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)

在圖1所示微電網(wǎng)母線電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，L1、L2、L3表示三條相互獨立的微電網(wǎng)支路。隨著SPLL穩(wěn)壓器運行功率的增大，R1、R2、R3電阻內(nèi)累計的電量信號也會不斷增多，當(dāng)其實時累計數(shù)值與C1、C2、C3電容的額定功率水平相匹配時，微電網(wǎng)環(huán)境中的母線電壓也達(dá)到相對穩(wěn)定的存在狀態(tài)。設(shè)規(guī)定p為一個隨機選定的微電網(wǎng)電信號輸出功率系數(shù)，且p≠0的不等式條件恒成立，為微電網(wǎng)環(huán)境中的連接電阻均值，系數(shù)的取值滿足式(1)：

規(guī)定Up為SPWM元件所承載的傳輸電壓，δ為傳輸電壓逆變系數(shù)。聯(lián)立上述物理量，可將基于功率分層的電流環(huán)解表達(dá)式定義如式(2)所示：

1.2 部分微電源約束條件

部分微電源約束條件是指影響部分微電網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)的母線電壓控制策略，在電流環(huán)解耦能力保持不變的情況下，既定耗電元件的電量穩(wěn)定能力越強，表明微電網(wǎng)環(huán)境的供電穩(wěn)定性越強[2]。微電源約束條件的求解常以電功率單位累積量為基礎(chǔ)，考慮功率分層作用條件可知，隨著電功率單位累積量的增大，母線電壓數(shù)值也會不斷增大，即所選用控制方法對部分微電源結(jié)構(gòu)的約束能力越強。

設(shè)β為電信號參量的分層傳輸系數(shù)，為電流閉環(huán)中的穩(wěn)壓電量輸出均值。

電功率單位累積量計算結(jié)果如式(3)所示：

考慮到電功率單位累積量并不能準(zhǔn)確描述出微電網(wǎng)母線輸出電量功率指標(biāo)的分層傳輸形式，所以在求解部分微電源約束條件時，還應(yīng)該設(shè)置多個電量功率分層感應(yīng)系數(shù)。設(shè)O1、O2、...、On為n個電量功率分層感應(yīng)系數(shù)，O1＞1、O2＞1、...On＞1的不等式條件同時成立。

基于功率分層標(biāo)準(zhǔn)的部分微電源約束條件表達(dá)式如式(4)所示：

其中，i為電壓信號的標(biāo)度指標(biāo)初始值。為使部分微電源約束條件完全滿足功率分層標(biāo)準(zhǔn)對于電量信號的處理需求，在求解電功率單位累積量時，要求系數(shù)的取值必須為380V的額定電壓環(huán)境。

1.3 微電源V/f估值參數(shù)

微電源V/f估值參數(shù)由功率估值(V)、電信號分層傳輸系數(shù)估值(f)兩部分組成。

1）功率估值(V)：功率估值能夠準(zhǔn)確求得微電網(wǎng)母線電量信號的輸出水平，為實現(xiàn)對初始電壓數(shù)值的穩(wěn)定性控制，要求功率指標(biāo)取值應(yīng)滿足波動性變化狀態(tài)，即隨著微電網(wǎng)母線電量信號輸出量的增大，功率指標(biāo)極大值與極小值的間隔周期應(yīng)完全相等[3]。滿足部分微電源約束條件的功率估值(V)求解表達(dá)式如式(5)所示：

式(5)中，φ為母線電量信號的初始輸出頻率，γ為母線電壓穩(wěn)定系數(shù)，t1、t2為兩個不相等的電量信號間隔周期。

2）電信號分層傳輸系數(shù)估值(f)：電信號分層傳輸系數(shù)估值描述了微電網(wǎng)母線電量信號的跨層傳輸能力。在微電網(wǎng)環(huán)境中，電量信號的輸出功率越大，分層傳輸系數(shù)的估值水平也就越高。電信號分層傳輸系數(shù)估值(f)求解表達(dá)式如式(6)所示：

其中，a1、a2為兩個功率初始值相等但傳輸波長不相等的電量信號定義系數(shù)，α為波長向量的初始賦值，為系數(shù)a1與a2的平均值。

求解微電源V/f估值參數(shù)時，要求功率指標(biāo)、電信號分層傳輸指標(biāo)的求解表達(dá)式必須同時滿足功率分層標(biāo)準(zhǔn)的定義條件。

2 微電網(wǎng)母線電壓的自動化控制

2.1 微電網(wǎng)配電模型

對于微電網(wǎng)母線電壓的自動化控制，需要4個功率計數(shù)節(jié)點的共同配合（如圖2中的1、2、3、4所示）。穩(wěn)壓電阻R直接與微電網(wǎng)端口相連，可以在調(diào)節(jié)已連接耗電設(shè)備輸出功率數(shù)值的同時，更改端口節(jié)點與電感設(shè)備R之間的連接關(guān)系[4]。當(dāng)母線端電壓輸出水平較高時，對應(yīng)功率計數(shù)節(jié)點（在圖2所示微電網(wǎng)配電模型簡圖中，1和2為一對相對應(yīng)的功率計數(shù)節(jié)點，3和4也為一對相對應(yīng)的功率計數(shù)節(jié)點）之間的間隔距離會在穩(wěn)壓電阻R的作用下不斷拉近；而當(dāng)母線端電壓輸出水平相對較低時，對應(yīng)功率計數(shù)節(jié)點之間的間隔距離則會不斷趨近，這也是微電網(wǎng)環(huán)境中母線電壓能夠保持相對穩(wěn)定數(shù)值狀態(tài)的主要原因。

圖2 微電網(wǎng)配電模型簡圖

在圖2所示微電網(wǎng)配電模型簡圖中，設(shè)電阻的已接入內(nèi)阻值為R，電容元件的電感系數(shù)為L，聯(lián)立式(5)、式(6)，可將微電網(wǎng)配電模型表達(dá)式定義為：

其中，ε、δ為兩個隨機選取的穩(wěn)壓功率分配系數(shù)，lε、lδ分別為基于系數(shù)ε和系數(shù)δ電信號配比參量，kε、kδ分別為基于系數(shù)ε和系數(shù)δ電功率互感系數(shù)。隨著微電網(wǎng)母線電壓數(shù)值的改變，4個功率計數(shù)節(jié)點對于電量信號的分配能力也會不斷變化。

2.2 電壓功率譜波動特性

在微電網(wǎng)環(huán)境中，電壓功率譜曲線反映了電量信號輸出功率與輸出頻率之間的數(shù)值配比關(guān)系，圖3為基于功率分層標(biāo)準(zhǔn)所截取的部分電壓功率譜波動曲線。對于處于穩(wěn)壓傳輸情況下的電壓信號來說，其功率曲線的最大取值具有明顯的階段性分布特性，在電信號功率分層標(biāo)準(zhǔn)保持不變的情況下，相鄰兩個電壓功率極值之間的頻率差值約等于200Hz。

圖3 電壓功率譜波動曲線

電壓功率譜波動特性是指電壓功率譜波動曲線的階段性變化規(guī)律，在所選定的頻率區(qū)間內(nèi)，功率譜曲線的波動幅度越小，就表示微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定性越強。設(shè)k為電壓功率譜曲線的初始波頻系數(shù)，ΔT為相鄰兩個電壓功率極值之間的頻率差值，dmax′為功率譜曲線中第一個被標(biāo)記的電壓功率極值，dmax′′為第二個被標(biāo)記的電壓功率極值。

電壓功率譜波動特性表達(dá)式為：

由于微電網(wǎng)始終處于運行狀態(tài)，所以母線電壓取值不可能為零，在此情況下，受到電量信號功率分層標(biāo)準(zhǔn)的影響，電壓功率譜曲線也就始終保持不斷波動的存在狀態(tài)。因此，在定義電壓功率譜波動特性表達(dá)式時，要求dmax′≠dmax′′的不等式條件必須成立。

2.3 自動化校正系數(shù)

微電網(wǎng)環(huán)境中始終存在不可預(yù)測的外部干擾，所以為實現(xiàn)對電壓參量的穩(wěn)定性控制，還需要根據(jù)自動化校正系數(shù)求解結(jié)果，對電量信號的輸出功率進行調(diào)節(jié)。求解自動化校正系數(shù)既要遵照功率分層標(biāo)準(zhǔn)，對穩(wěn)壓電量信號進行處理，也要根據(jù)電壓功率譜波動特性表達(dá)式，判斷待處理信號參量之間的數(shù)量級關(guān)系[5]。設(shè)穩(wěn)壓電量信號在分層傳輸過程中會出現(xiàn)兩次明顯的偏轉(zhuǎn)行為，這兩次電量偏轉(zhuǎn)行為的定義表達(dá)式為：

其中，z1為第一次電量偏轉(zhuǎn)行為時的穩(wěn)壓信號定標(biāo)值，θ1、h1分別為第一次偏轉(zhuǎn)時的電信號穩(wěn)壓控制系數(shù)與電量穩(wěn)壓特征，z2為第二次電量偏轉(zhuǎn)行為時的穩(wěn)壓信號定標(biāo)值，θ2、h2分別為第二次偏轉(zhuǎn)時的電信號穩(wěn)壓控制系數(shù)與電量穩(wěn)壓特征。

取ρ為穩(wěn)壓電量信號在微電網(wǎng)母線體系內(nèi)的傳輸密度，ΔM1為第一次電量偏轉(zhuǎn)行為時的穩(wěn)壓電量累積數(shù)值，ΔM2為第二次電量偏轉(zhuǎn)行為時的穩(wěn)壓電量累積數(shù)值，?為穩(wěn)壓電量管控系數(shù)。

聯(lián)合穩(wěn)壓電量信號功率分層基準(zhǔn)值σ，可將自動化校正系數(shù)表示為：

在功率分層標(biāo)準(zhǔn)的支持下，綜合上述指標(biāo)參量，實現(xiàn)微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定自動化控制方法的設(shè)計與應(yīng)用。

3 實例分析

3.1 實驗準(zhǔn)備

以某工廠車間作為實驗環(huán)境，通過人工處理的方式，將電度表放置在區(qū)域性微電網(wǎng)環(huán)境之中（如圖4所示）。選擇1號節(jié)點、2號節(jié)點作為電度表接入位置，閉合總開關(guān)，使機器設(shè)備進入正常運行狀態(tài)，并分別統(tǒng)計1號電表、2號電表中的記錄數(shù)值。

圖4 微電網(wǎng)母線布置

以基于功率分層原則的電壓控制方法作為實驗組應(yīng)用技術(shù)，如圖5所示，以直接控制法作為對照組應(yīng)用技術(shù)。由于本次實驗只選擇兩個節(jié)點作為電度表接入位置，所以實驗組電路只包含兩條電量傳輸支路。

圖5 功率分層原則

為保證實驗結(jié)果的公平性，S1、S2兩個電度表的量程、型號、額定電壓等參數(shù)的取值完全相等，前者對應(yīng)圖4中的1號控制位置，所得數(shù)值反映了支路1中的微電網(wǎng)母線電量的消耗情況，后者對應(yīng)圖4中的2號控制位置，所得數(shù)值反映了支路2中的微電網(wǎng)母線電量的消耗情況。

3.2 數(shù)據(jù)處理與實驗結(jié)果

在微電網(wǎng)環(huán)境中，母線電信號損耗量能夠反映出電壓傳輸信號的分布合理性。在不考慮其他干擾條件的情況下，母線電信號損耗量越小，就表示電壓傳輸信號的分布合理性越強，即在所選控制方法作用下，微電網(wǎng)母線電壓能夠保持相對穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)。

在圖4所示實驗環(huán)境中，電度表示數(shù)反映了微電網(wǎng)母線電信號的實時損耗量。下表記錄了10組不同的電度表示數(shù)值。

表1 電度表示數(shù)統(tǒng)計

若單純根據(jù)電度表示數(shù)對電壓傳輸信號的分布合理性進行統(tǒng)計，極有可能導(dǎo)致實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差，故而為獲得真實實驗結(jié)果，還應(yīng)對所得記錄數(shù)值進行均值求取。

下圖反映了實驗組、對照組電度表示數(shù)的平均值。

分析圖6 可知，當(dāng)實驗組別為7 時，實驗組電度表示數(shù)平均值最大，為3.8×107kW·h，當(dāng)實驗組別為3、5、8、10時，對照組電度表示數(shù)平均值最大，為5.0×107kW·h，與實驗組最大值相比，上升了1.2×107kW·h。當(dāng)實驗組別為3、8時，實驗組電度表示數(shù)平均值最小，為3.2×107kW·h，當(dāng)實驗組別為2、6、7時，對照組電度表示數(shù)平均值最小，為4.8×107kW·h，與實驗組最小值相比，上升了1.6×107kW·h。整個實驗過程中，實驗組電度表示數(shù)平均值水平也始終低于對照組。

圖6 電度表示數(shù)平均值

綜上可知，本次實驗結(jié)論為：

1）直接控制法并不能確保電度表示數(shù)始終處于較低的數(shù)值水平，即該方法在微電網(wǎng)環(huán)境中，不能保證電壓傳輸信號的分布合理性，不符合維持母線電壓數(shù)值穩(wěn)定性的實用需求；

2）基于功率分層的自動化控制方法能夠確保電度表示數(shù)始終處于較低的數(shù)值水平，在微電網(wǎng)環(huán)境中，該方法的應(yīng)用可以使電壓傳輸信號呈現(xiàn)出較為合理的布局狀態(tài)，符合維持母線電壓數(shù)值穩(wěn)定性的實用需求。

4 結(jié)語

微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定自動化控制方法在直接控制法的基礎(chǔ)上，聯(lián)合功率分層技術(shù)，對電流閉環(huán)中的電量傳輸信號進行解耦處理，又根據(jù)部分微電源約束條件表達(dá)式，實現(xiàn)對微電源V/f估值參數(shù)的準(zhǔn)確求解，受到微電網(wǎng)配電模型的影響，電壓功率譜的波動特性水平能夠得到較好保障，這也在一定程度上拉近了自動化校正系數(shù)推導(dǎo)結(jié)果與理想?yún)⒘恐笜?biāo)之間的差值水平。與直接控制法相比，隨著基于功率分層的自動化控制方法的應(yīng)用，電度表設(shè)備的示數(shù)均值得到了有效控制，不但解決了微電網(wǎng)母線電量的過度損耗問題，也保證了電壓傳輸信號的合理布局形式，可以將微電網(wǎng)母線電壓控制在相對穩(wěn)定的數(shù)值區(qū)間之內(nèi)。