基于功率分層的微電網母線電壓穩定自動化控制方法

遠 方，李 東，單新文，黃超智

（1.國網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

微電網也被稱為微網，指的是由分布式電源、負荷主機、能量轉換器、儲能設備、監控元件等多個應用裝置共同組成的小型發配電系統。與其他類型的電網組織相比，微電網具有電源分布靈活、形式多樣等多項應用優勢，既允許可再生能源、分布式電力裝置等多種電網元件的大規模接入，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取與利用。作為一種主流的配電調節形式，微電網系統的連接可以實現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備共用的電量傳輸通路，在微電網環境中，多臺電力主機以并聯的方式建立與母線通路的連接關系，但由于各條支路內電量信號的輸出水平并不完全相等，故而在同一時刻內，只能有一個微電網母線連接設備處于電量信號輸出狀態。在微電網環境中，隨著耗電設備接入量的增大，處于開放狀態的信號傳輸支路數值水平也會不斷增大，這不但會導致電壓傳輸信號呈現出不合理的分布狀態，也會造成微電網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母線電壓穩定自動化控制方法展開研究。

1 基于功率分層的微電網母線電壓估算

1.1 電流環解耦

在微電網環境中，電流環解耦表達式決定了母線體系對于電壓信號的感應能力，若電信號傳輸方向不發生變化，微電網主機在單一電流閉環內的解耦能力越強，母線體系對于電壓信號的感應能力就越強。規定功率信號在傳輸過程中出現3次明顯的分層行為，微電網母線電流閉環結構表示如圖1所示。

圖1 微電網母線電流閉環結構

在圖1所示微電網母線電流閉環結構中，L1、L2、L3表示三條相互獨立的微電網支路。隨著SPLL穩壓器運行功率的增大，R1、R2、R3電阻內累計的電量信號也會不斷增多，當其實時累計數值與C1、C2、C3電容的額定功率水平相匹配時，微電網環境中的母線電壓也達到相對穩定的存在狀態。設規定p為一個隨機選定的微電網電信號輸出功率系數，且p≠0的不等式條件恒成立，為微電網環境中的連接電阻均值，系數的取值滿足式(1)：

規定Up為SPWM元件所承載的傳輸電壓，δ為傳輸電壓逆變系數。聯立上述物理量，可將基于功率分層的電流環解表達式定義如式(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連接結構的母線電壓控制策略，在電流環解耦能力保持不變的情況下，既定耗電元件的電量穩定能力越強，表明微電網環境的供電穩定性越強[2]。微電源約束條件的求解常以電功率單位累積量為基礎，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，母線電壓數值也會不斷增大，即所選用控制方法對部分微電源結構的約束能力越強。

設β為電信號參量的分層傳輸系數，為電流閉環中的穩壓電量輸出均值。

電功率單位累積量計算結果如式(3)所示：

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

基于功率分層標準的部分微電源約束條件表達式如式(4)所示：

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

1.3 微電源V/f估值參數

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

1）功率估值(V)：功率估值能夠準確求得微電網母線電量信號的輸出水平，為實現對初始電壓數值的穩定性控制，要求功率指標取值應滿足波動性變化狀態，即隨著微電網母線電量信號輸出量的增大，功率指標極大值與極小值的間隔周期應完全相等[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為母線電壓穩定系數，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估值(f)：電信號分層傳輸系數估值描述了微電網母線電量信號的跨層傳輸能力。在微電網環境中，電量信號的輸出功率越大，分層傳輸系數的估值水平也就越高。電信號分層傳輸系數估值(f)求解表達式如式(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，α為波長向量的初始賦值，為系數a1與a2的平均值。

求解微電源V/f估值參數時，要求功率指標、電信號分層傳輸指標的求解表達式必須同時滿足功率分層標準的定義條件。

2 微電網母線電壓的自動化控制

2.1 微電網配電模型

對于微電網母線電壓的自動化控制，需要4個功率計數節點的共同配合（如圖2中的1、2、3、4所示）。穩壓電阻R直接與微電網端口相連，可以在調節已連接耗電設備輸出功率數值的同時，更改端口節點與電感設備R之間的連接關系[4]。當母線端電壓輸出水平較高時，對應功率計數節點（在圖2所示微電網配電模型簡圖中，1和2為一對相對應的功率計數節點，3和4也為一對相對應的功率計數節點）之間的間隔距離會在穩壓電阻R的作用下不斷拉近；而當母線端電壓輸出水平相對較低時，對應功率計數節點之間的間隔距離則會不斷趨近，這也是微電網環境中母線電壓能夠保持相對穩定數值狀態的主要原因。

圖2 微電網配電模型簡圖

在圖2所示微電網配電模型簡圖中，設電阻的已接入內阻值為R，電容元件的電感系數為L，聯立式(5)、式(6)，可將微電網配電模型表達式定義為：

其中，ε、δ為兩個隨機選取的穩壓功率分配系數，lε、lδ分別為基于系數ε和系數δ電信號配比參量，kε、kδ分別為基于系數ε和系數δ電功率互感系數。隨著微電網母線電壓數值的改變，4個功率計數節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

在微電網環境中，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值配比關系，圖3為基于功率分層標準所截取的部分電壓功率譜波動曲線。對于處于穩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準保持不變的情況下，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律，在所選定的頻率區間內，功率譜曲線的波動幅度越小，就表示微電網母線電壓的穩定性越強。設k為電壓功率譜曲線的初始波頻系數，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記的電壓功率極值，dmax′′為第二個被標記的電壓功率極值。

電壓功率譜波動特性表達式為：

由于微電網始終處于運行狀態，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準的影響，電壓功率譜曲線也就始終保持不斷波動的存在狀態。因此，在定義電壓功率譜波動特性表達式時，要求dmax′≠dmax′′的不等式條件必須成立。

2.3 自動化校正系數

微電網環境中始終存在不可預測的外部干擾，所以為實現對電壓參量的穩定性控制，還需要根據自動化校正系數求解結果，對電量信號的輸出功率進行調節。求解自動化校正系數既要遵照功率分層標準，對穩壓電量信號進行處理，也要根據電壓功率譜波動特性表達式，判斷待處理信號參量之間的數量級關系[5]。設穩壓電量信號在分層傳輸過程中會出現兩次明顯的偏轉行為，這兩次電量偏轉行為的定義表達式為：

其中，z1為第一次電量偏轉行為時的穩壓信號定標值，θ1、h1分別為第一次偏轉時的電信號穩壓控制系數與電量穩壓特征，z2為第二次電量偏轉行為時的穩壓信號定標值，θ2、h2分別為第二次偏轉時的電信號穩壓控制系數與電量穩壓特征。

取ρ為穩壓電量信號在微電網母線體系內的傳輸密度，ΔM1為第一次電量偏轉行為時的穩壓電量累積數值，ΔM2為第二次電量偏轉行為時的穩壓電量累積數值，?為穩壓電量管控系數。

聯合穩壓電量信號功率分層基準值σ，可將自動化校正系數表示為：

在功率分層標準的支持下，綜合上述指標參量，實現微電網母線電壓穩定自動化控制方法的設計與應用。

3 實例分析

3.1 實驗準備

以某工廠車間作為實驗環境，通過人工處理的方式，將電度表放置在區域性微電網環境之中（如圖4所示）。選擇1號節點、2號節點作為電度表接入位置，閉合總開關，使機器設備進入正常運行狀態，并分別統計1號電表、2號電表中的記錄數值。

圖4 微電網母線布置

以基于功率分層原則的電壓控制方法作為實驗組應用技術，如圖5所示，以直接控制法作為對照組應用技術。由于本次實驗只選擇兩個節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

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

3.2 數據處理與實驗結果

在微電網環境中，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，微電網母線電壓能夠保持相對穩定的數值狀態。

在圖4所示實驗環境中，電度表示數反映了微電網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值。

表1 電度表示數統計

若單純根據電度表示數對電壓傳輸信號的分布合理性進行統計，極有可能導致實驗結果出現偏差，故而為獲得真實實驗結果，還應對所得記錄數值進行均值求取。

下圖反映了實驗組、對照組電度表示數的平均值。

分析圖6 可知，當實驗組別為7 時，實驗組電度表示數平均值最大，為3.8×107kW·h，當實驗組別為3、5、8、10時，對照組電度表示數平均值最大，為5.0×107kW·h，與實驗組最大值相比，上升了1.2×107kW·h。當實驗組別為3、8時，實驗組電度表示數平均值最小，為3.2×107kW·h，當實驗組別為2、6、7時，對照組電度表示數平均值最小，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，實驗組電度表示數平均值水平也始終低于對照組。

圖6 電度表示數平均值

綜上可知，本次實驗結論為：

1）直接控制法并不能確保電度表示數始終處于較低的數值水平，即該方法在微電網環境中，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值穩定性的實用需求；

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

4 結語

微電網母線電壓穩定自動化控制方法在直接控制法的基礎上，聯合功率分層技術，對電流閉環中的電量傳輸信號進行解耦處理，又根據部分微電源約束條件表達式，實現對微電源V/f估值參數的準確求解，受到微電網配電模型的影響，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推導結果與理想參量指標之間的差值水平。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用，電度表設備的示數均值得到了有效控制，不但解決了微電網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，可以將微電網母線電壓控制在相對穩定的數值區間之內。