基于變分模態分解的低電壓電能擾動抑制系統設計

譚曉虹，李小偉，黃柳軍，張俊成，陶毅剛

（廣西電網有限責任公司電網規劃研究中心，廣西南寧 530022）

電力系統在運行過程中存在電能質量問題，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、網架結構薄弱，低壓電故障發生后，產生了電能質量擾動問題，因此解決低電壓電能擾動問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的影響，文獻[1]提出了電能質量擾動系統設計，以電能質量擾動為機理，減小配電壓電阻過大的問題，使用電力電子質量擾動系統對低壓配網三項不平衡問題進行治理，但該方式只能解決三相不平衡問題，對于其他原因導致的低電壓效果并不好，因此不適用于治理低電壓問題。文獻[2]提出了綜合治理裝置方法，通過建立串聯調制電路來解決過載問題，但該方式非常復雜、費用較高，不適用于大面積普及。

變分模態分解是一種信號分解估計方式，為了滿足居民生活對用電質量提出的高要求，該文結合變分模態分解設計了基于變分模態分解的低電壓電能擾動抑制系統。

1 系統硬件設計

該裝置為電能質量擾動治理裝置，其中包括網側電流互感器、狀態反饋控制器、狀態觀測器、光伏并網逆變器四種部件。系統硬件結構如圖1所示。

圖1 低電壓電能擾動抑制系統硬件結構

該文設計的電能質量擾動治理裝置的主電路采用基于IGBT 的二極管三電平電路拓撲，該電路的阻抗性很好，發生諧振的概率極低[3-4]。使用DSP+CPLD 作為電能質量擾動治理裝置的控制系統[5-6]，通過網側傳感器對電流數據進行監測，提取電能內部質量數據，實現數據抑制。

1.1 網側電流互感器

網側電流互感器的作用是測量低電壓運行過程中的交變電流，設計系統中使用DPS8279-1238 型網側電流互感器，該互感器使用壽命長，測量電流數據精準，并起到變流與電氣隔離的作用。網側電流互感器通過識別電流的大小產生一系列相關電流數據，并傳輸給DSP+CPLD 控制系統[7]，實現低電壓運行狀態判定。

1.2 狀態反饋控制器

狀態反饋控制器型號為SY182380-297 型，該狀態反饋控制器的優點為耐用性高，反饋精準，價格低。狀態反饋控制器主要由受控對象（電流與電壓）與內部模型組成，使用線性二次型最優調節方式，利用能量最小化原理實現對電流與電壓狀態的實時識別[8-9]，并反饋給DSP+CPLD 控制系統。

1.3 狀態觀測器

狀態觀測器選用DSO-1923 型，該狀態觀測器的體積小、觀測精準度高、耐用性強。狀態觀測器的主要作用為觀測實時電路以及低電壓狀態下的電能擾動情況，并將觀測情況轉化為數據信息，傳輸給狀態反饋控制器，并由狀態反饋控制器反饋給控制系統。

1.4 光伏并網逆變器

光伏并網逆變器選擇的是DHG-12938 型，其主要作用為保證直流母線電壓的穩定，并額外建立電流環實現對功率的控制。光伏并網逆變器電路如圖2 所示。

圖2 光伏并網逆變器電路圖

根據圖2 可知，逆變器采用雙環結構，該文重點分析了電流內環，實現有功功率與無功功率的分離操控。其工作原理為采集直流電壓后，通過比較直流電壓與定值得到誤差信號，再經過調節器得到輸出電流的指定值，將該值進行逆變[10-11]，即可得到驅動信號。

2 系統軟件設計

控制系統接收到驅動信號后，便需要軟件系統對低電壓電能進行擾動抑制，以此解決低電壓電能的問題，因此，該文設計了基于變分模態分解的低電壓電能擾動抑制系統軟件，分為低電壓電能擾動因子提取程序和低電壓電能擾動抑制程序[12]。

2.1 低電壓電能擾動因子提取程序

為了準確提取低電壓電能擾動因子，設計低電壓電能擾動因子提取算法，通過變分模態分解將信號頻域進行拆分，分離擾動因子信號。低電壓電能擾動因子提取算法為：設電能首端電壓為V1；末端電壓為V2；線路抗阻為R。低壓電路的首端電壓V1的計算公式如式（1）所示：

其中，P表示低電壓功率。得到該關系后，即可通過變分模態分解對低電壓電能的擾動因子n進行提取：

其中，β為變分模態分解系數，提取出擾動因子后，對擾動因子進行判定，以最大功率點為分界對擾動因子進行分析，在分界點左側，設k-1 時刻的輸出電壓為U(k-1)、輸出功率為P(k-1)，對該時刻施加擾動，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)，則擾動因子提取正確。

判斷出擾動因子后，對擾動因子進行分析，擾動因子共有三種類型：無功、諧波、三相不平衡[13]。因此，主要針對于無功的低電壓電能擾動進行抑制。

2.2 低電壓電能擾動抑制程序

提取擾動因子后，需要進行擾動因子的分離，以此達到低電壓電能的擾動抑制。因此該文設計了低電壓電能擾動抑制程序，通過抑制程序對信息進行治理，集中處理相關信息，通過擾動抑制程序，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 低電壓電能擾動抑制程序工作流程

低電壓電能擾動抑制程序利用無功補償降低電壓[14-15]，設低電壓電能某位置B 的電壓為V3，補償的無功為Q，通過無功補償后，有以下公式：

其中，δ表示補償系數[16]。以此，完成低電壓電能擾動抑制程序。通過分離擾動因子，抑制低電壓電能的擾動，擾動抑制程序使得電路系統的無用功得以消除，以此提升電路電壓，解決由無功引起的低電壓電能擾動的問題。

3 實驗研究

為了驗證該文設計的基于變分模態分解的低電壓電能擾動抑制系統的實際應用效果，選用該文研究的抑制系統（方法1）和基于電能質量擾動抑制的配電網低電壓治理方法（方法2）、基于低壓配電臺區運行特性的儲能控制策略（方法3）進行實驗對比。

選用的實驗試點為某供電公司低電壓云臺，設置的供電線路如圖4 所示。

圖4 供電線路示意圖

根據圖4 的供電線路進行實驗，分析在出現低電壓擾動狀態下三種抑制系統的抑制效果，如圖5所示。

圖5 不同系統抑制結果

對圖5 抑制結果進行分析，分別記錄故障發生時刻和故障清除時刻的性能指標，得到的實驗結果如下：故障發生時刻為0.5 s，系統性能指標如表1所示。

表1 故障發生時刻性能指標

根據表1 可知，在故障發生時刻，電壓系統會產生較大的波動，三種系統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0.15 s 才能達到穩定狀態。該文研究的系統針對于三相不平衡所引起的低電壓電能進行分析，確定三相電壓出現隔值不同、相角不對稱的情況所導致，通過擾動抑制來恢復三相電壓，并由光伏并網逆變器來穩定三相電壓。諧波所引起的低電壓電能主要因為電能擾動太頻繁所導致，因此，在解決諧波所引起的低電壓電能時，需要通過低電壓電能擾動抑制程序單獨運行，使電路不發生擾動。

故障清除時刻為0.9 s，性能如表2 所示。

表2 故障清除時刻性能指標

在故障清除時刻，該文設計的抑制系統抑制效果要優于對比系統，能夠在短時間內達到穩態，同時該文設計系統在抑制過程中不會產生脫網現象，能夠更好地完成低電壓穿越工作。

綜上所述，該文設計的抑制系統具有較好的擾動抑制能力，在運行過程中不會出現脫網現象，能夠盡快達到穩態值，具有極大的應用優勢。

4 結束語

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，因此，對于高效利用電能一直是電能領域的重要研究方向之一，針對低電壓電能質量擾動問題，該文提出了基于變分模態分解的低電壓電能擾動抑制程序，可以有效地解決不同原因引起的低電壓電能質量擾動問題，可為相關學者該方面的后續研究提供參考。