微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析與控制方法研究

張一萌，張 濤，董 娜

（天津市計量監(jiān)督監(jiān)測科學(xué)研究院，天津300192）

新能源發(fā)電技術(shù)的突飛猛進，使微電網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，微電網(wǎng)不僅能夠與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，還能獨立運行，微電網(wǎng)中電能質(zhì)量的問題威脅著電網(wǎng)的運行，無功不足、諧波污染等問題，將會造成電網(wǎng)的損失。

針對上述問題，為了及時發(fā)現(xiàn)與解決，相關(guān)文獻也有研究。文獻[1]提出了一種能精確預(yù)測變換器穩(wěn)定運行邊界的時域模型，采用有源濾波器對微電網(wǎng)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(xiàn)對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析與控制，但此方法中三相變換器的穩(wěn)定性差；文獻[2]提出了一種微電網(wǎng)的諧波域數(shù)學(xué)建模方法，依據(jù)DC/AC部分影響微電網(wǎng)運行效率及電能質(zhì)量特性，構(gòu)建了微電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，通過諧波的分析，進而實現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)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(shù)的不足，本研究進行以下技術(shù)研究。

1 微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析與控制系統(tǒng)

1.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

微電網(wǎng)是充分采用可再生資源獨立出來的微型電網(wǎng)系統(tǒng)，能夠?qū)⒖稍偕Y源轉(zhuǎn)化為電能和熱能，主要包括微電源、開關(guān)、電力電子裝置、儲能設(shè)備、通信設(shè)施以及負荷等[3-4]，微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Microgrid structure diagram

微電網(wǎng)輸出低壓電能，提供380 V/220 V 的電壓，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用放射狀，并包含有多條饋線，根據(jù)負載的重要性接入不同的饋線，實現(xiàn)微電網(wǎng)的分級分成控制，為了增強負荷抑制電網(wǎng)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(wǎng)選用的是并網(wǎng)狀態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)檢測到故障、異?；螂娔苜|(zhì)量不滿足標(biāo)準時，將會轉(zhuǎn)為孤島模式運行，直到故障消除。

微電網(wǎng)可控制局部電壓與頻率的穩(wěn)定，調(diào)節(jié)電源與負荷間的功率差額，異常情況下實現(xiàn)與大電網(wǎng)的分離。依據(jù)微電網(wǎng)的運行模式與發(fā)電特性的不同，使用不同的控制方法。并網(wǎng)模式下，利用PQ 控制方法，實現(xiàn)電網(wǎng)電壓、頻率的穩(wěn)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(shù)的控制方法，實現(xiàn)頻率與電壓的穩(wěn)定；微電源利用下垂控制和V/f 控制方法，實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定。

1.2 微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計了微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，以方便微電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析與控制方法的研究。該系統(tǒng)采用多通路采樣電路的設(shè)計理念，實現(xiàn)微電網(wǎng)中多路信號同步采集與轉(zhuǎn)換，進而提高電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的實時性，本文設(shè)計的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，以DSP和FPGA 為核心，進行對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測[6]。該系統(tǒng)利用以FPGA 為核心的數(shù)據(jù)采集板，實現(xiàn)對電力信號的采集，該采集板具有8 通道16 位同步AD 轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)8 路單端16 位高速同步模擬信號的數(shù)據(jù)采集[7]。通過將數(shù)據(jù)采集板與DSP28335 的XINTF 數(shù)據(jù)總線相連接，并進行DSP 程序的編寫，進而實現(xiàn)微電網(wǎng)電力信號的連續(xù)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(tǒng)包括信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊和人機接口模塊。微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of microgrid power quality monitoring system

信號調(diào)理模塊包括電流傳感器、電壓傳感器、采樣調(diào)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(zhuǎn)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(chǎn)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(xiàn)對微電網(wǎng)電力信號的調(diào)節(jié)[9]。數(shù)據(jù)采集與處理模塊利用AD7606 型號的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，人機接口模塊采用DSP 與FPGA 雙核數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，將處理后的信號傳輸至儲存機，并通過RS232 將實時數(shù)據(jù)上傳至上位機，數(shù)據(jù)通過LCD 進行顯示。

1.3 微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計

微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)采用LabVIEW 軟件開發(fā)平臺，并結(jié)合硬件設(shè)計，實現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集、電能的波形實時顯示、電能數(shù)據(jù)過限警報以及電能數(shù)據(jù)分析等功能。微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structural block diagram of microgrid power quality analysis system

該系統(tǒng)包括電流互感器、電壓互感器、濾波電路、數(shù)據(jù)采集卡、計算機以及LabVIEW 的軟件開發(fā)部分。硬件部分主要實現(xiàn)對微電網(wǎng)電能數(shù)據(jù)的采集以及將電能信號轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)字信號；軟件部分包括用戶管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。

該系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)采用信號采集卡與計算機的接口相連，本系統(tǒng)選用的是USB-6009 型號的數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)微電網(wǎng)電能數(shù)據(jù)的采集，該采集卡能夠滿足微電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析，通過將處理過的微電網(wǎng)電能數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)采集卡，將采集到的電能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的數(shù)字信號，通過USB 接口將電能數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，并由軟件部分實現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析。

微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的軟件部分利用了虛擬儀器技術(shù)，在LabVIEW 軟件開發(fā)平臺上建立虛擬電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，并開發(fā)設(shè)置了功能模塊，能夠有效地實現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析。通過用戶管理模塊實現(xiàn)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(shù)據(jù)分析模塊，將信號采集卡采集到的電能信號進行數(shù)據(jù)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(xiàn)異常，則警報燈亮起；通過頻率偏差模塊比較微電網(wǎng)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(xiàn)微電網(wǎng)電能頻率的分析；通過諧波分析模塊實現(xiàn)對微電網(wǎng)電能諧波的計算，實現(xiàn)微電網(wǎng)電能諧波的分析；將分析的結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)存儲模塊，并實時在顯示屏上顯示微電網(wǎng)電能質(zhì)量的狀態(tài)，實現(xiàn)電能質(zhì)量的分析結(jié)果的界面顯示。

1.4 基于V2G 技術(shù)的微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制

本文采用了V2G 技術(shù)來進行對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的控制，該系統(tǒng)主要包括目標(biāo)指令電流合成、電流跟蹤控制和SVPWM 調(diào)制三部分，基于V2G 系統(tǒng)的微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于V2G 系統(tǒng)的微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of microgrid power quality control system based on V2G system

該系統(tǒng)采用V2G 系統(tǒng)變流器，首先將微電網(wǎng)的功率質(zhì)量傳輸至功率外環(huán)，作為輸入功率，出現(xiàn)微電網(wǎng)指令電流1 參考數(shù)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(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的諧波和無功電流，將這個電流作為V2G系統(tǒng)變流器諧波和無功補償指令電流2 的參考值；微電網(wǎng)指令電流1 參考數(shù)值與電流2 的參考數(shù)值相加，計算得到V2G 系統(tǒng)變流器輸出目標(biāo)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(diào)節(jié)器，通過坐標(biāo)變換，取得V2G 系統(tǒng)變流器的控制信號，通過SVPWM 調(diào)制輸出PWM 控制信號，將信號放大并啟動開關(guān)管，形成三相逆變電壓，最終實現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)量的一體化控制。PFI進行對微電網(wǎng)的內(nèi)環(huán)控制，實現(xiàn)對電流的實時調(diào)整輸出指令誤差，改善微電網(wǎng)的動態(tài)性能。

假設(shè)e（z）表示誤差值，r（z）表示給定指令，則兩者之間的關(guān)系為

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”具有在線、開放、受眾廣及不受地理位置限制等優(yōu)點[2]，但卻無法提供必須借助實體環(huán)境才能完成的教學(xué)，無法面對面交流，不利于培養(yǎng)學(xué)生的情感態(tài)度。因此，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+教育”與傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)劣，將二者融合的“互聯(lián)網(wǎng)+課堂”的混合式教學(xué)模式可達到優(yōu)勢互補，實現(xiàn)最優(yōu)化的教學(xué)目的。這種模式的構(gòu)建，主要是“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”，教師和學(xué)生的角色發(fā)生了變化，教師主要起到引導(dǎo)、交流、答疑的作用，使學(xué)生利用教師創(chuàng)建的環(huán)境到達良好的學(xué)習(xí)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(huán)傳遞函數(shù)的離散形式。

進而可得到復(fù)合控制系統(tǒng)的特征方程為

采用比例反饋積分進行控制電流閉環(huán)傳遞函數(shù)Gpc（z）為

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

將Gpc（z）當(dāng)做控制對象，使用重復(fù)控制器進行控制，因此，系統(tǒng)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(huán)的穩(wěn)定性，即要滿足重復(fù)控制器的電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)是穩(wěn)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(tǒng)采用比例反饋積分控制電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的穩(wěn)定性，即Gpc（z）的極點全部位于單位圓內(nèi)。

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?shù)母恼?，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(huán)節(jié)：

式中：θGpc表示重復(fù)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(tǒng)達到穩(wěn)定的需求。

相位補償環(huán)節(jié)是經(jīng)過補償，將相角控制在-90°～90°之間，確保Q（z）=1 時控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證本文研究的微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析與控制方法的可行性與準確性，做了相關(guān)實驗，選取Matlab 數(shù)值型計算軟件，具有編程效率高、程序設(shè)計靈活、圖形處理功能強大等優(yōu)點，進行實驗平臺的搭建，該平臺是一個低壓并網(wǎng)型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實驗平臺環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 實驗平臺環(huán)境參數(shù)Tab.2 Environmental parameters of experimental platform

實驗平臺設(shè)置為微電網(wǎng)管理層、中間層和控制層，微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析與控制實驗平臺架構(gòu)如圖5所示。

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

本實驗采用的數(shù)據(jù)為某微電網(wǎng)中運行的數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實驗數(shù)據(jù)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(jié)果與文獻[1]和文獻[2]的實驗結(jié)果進行對比，實驗結(jié)果對比如圖6所示。

圖6 實驗結(jié)果對比圖Fig.6 Comparison diagram of experimental results

由圖6 可知，在進行對系統(tǒng)控制有效性測試的實驗中，本文系統(tǒng)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(wěn)定，并且有較大的誤差；第二組是在進行控制的狀態(tài)下測試得到的電流波形，該波形比較穩(wěn)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(wěn)定，與本文控制系統(tǒng)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(wěn)定，與本文控制系統(tǒng)相比存在著很大的不足。由此可見本文研究的控制系統(tǒng)具有很高的實用性。

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

圖7 實驗結(jié)果對比Fig.7 Comparison of experimental results

由圖7 可知，本文研究的系統(tǒng)在進行對監(jiān)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(tǒng)監(jiān)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(tǒng)相比還存在著一定的差距；文獻[2]在進行對系統(tǒng)監(jiān)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(tǒng)相比還存在著不足。由此可見，本文研究的系統(tǒng)對微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測的準確性最高。

3 結(jié)語

為了解決微電網(wǎng)電能質(zhì)量無功不足、諧波污染等問題，本文研究了微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析與控制的方法，設(shè)計了微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，以DSP 和FPGA 為核心，實現(xiàn)了對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測；還設(shè)計了微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺，并結(jié)合硬件設(shè)計，實現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集、電能的波形實時顯示。本文研究的系統(tǒng)還存在著一定的不足，在微電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析中，軟件部分由于測量數(shù)據(jù)較多，會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，因此還需進一步更深入的研究。