含儲能裝置的電壓暫降柔性治理策略研究

曾進(jìn)輝，黃茜，王燦，蘭征，梁博文

(1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙 410007)

0 引言

近年來，隨著智能制造業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，半導(dǎo)體以及精密儀器等敏感負(fù)荷用戶的規(guī)模越來越大。電網(wǎng)電壓不平衡、諧波畸變以及電壓暫降等電能質(zhì)量問題都可能影響敏感負(fù)荷的正常工作，嚴(yán)重時甚至損壞[1－4]。其中，電壓暫降是最常見的電能質(zhì)量問題，對電壓暫降進(jìn)行有效治理，對于提升電網(wǎng)供電質(zhì)量和保障敏感負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行極其重要[5－7]。

快速、精確檢測電壓暫降特征量是確保電壓暫降治理系統(tǒng)優(yōu)越性能的前提。電力系統(tǒng)中，常采用缺損電壓法、滑動平均值法以及dq坐標(biāo)系法等電壓檢測算法[8－10]。缺損電壓法的補(bǔ)償電壓值為期望電壓值與缺損電壓值之差，電壓暫降檢測可實(shí)現(xiàn)無延時，但無法檢測電壓暫降的幅值與相位跳變角[8]?；瑒悠骄捣m然能夠準(zhǔn)確檢測電壓暫降幅值但是會伴隨至少半個周期的延時[9]。dq坐標(biāo)變換方法可在各種電壓異常情況下都能求取電壓、電流基波、高頻振蕩等特征量，當(dāng)前已成為應(yīng)用最廣泛的電壓檢測算法，但其檢測實(shí)時性有待提高[10]。文獻(xiàn)[11]提出一種基于雙dq變換的電壓暫降檢測方法，該方法首先將信號進(jìn)行雙dq變換和單相dq變換，變換之后的量需經(jīng)低通濾波器濾波后，推算出電壓暫降的特征量，增加了檢測時間，不能滿足電壓暫降治理系統(tǒng)的快速性需要。而且傳統(tǒng)電壓暫降治理系統(tǒng)，在電壓暫降和恢復(fù)時因并、離網(wǎng)模式的硬性切換會產(chǎn)生很大的沖擊電流，對其控制性能造成一定程度的影響[12－17]。文獻(xiàn)[18]指出逆變器在并、離網(wǎng)中模式切換的重要性，采用相角過渡的補(bǔ)償方式對最小能量補(bǔ)償進(jìn)行了優(yōu)化，通過多步旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償電壓解決相角跳變引起負(fù)載電壓不連續(xù)的問題，但未給出相應(yīng)量化關(guān)系。文獻(xiàn)[19]采用前饋控制得到補(bǔ)償電壓指令控制逆變器輸出，響應(yīng)速度快，整體結(jié)構(gòu)簡單，但是受采樣精度與逆變器輸出精度限制，負(fù)載電壓可能存在穩(wěn)態(tài)誤差。

傳統(tǒng)電壓暫降特征量提取難以同時兼顧快速性與準(zhǔn)確性，且并、離網(wǎng)硬性切換過渡時易產(chǎn)生較大沖擊。針對以上問題，本文提出一種基于dq坐標(biāo)求導(dǎo)變換的電壓暫降柔性治理方法，在電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降時，采用基于dq變換的求導(dǎo)檢測算法快速對電壓暫降特征量進(jìn)行檢測，并同時切除市電，由儲能裝置完全對敏感負(fù)荷進(jìn)行電壓補(bǔ)償，使其不受電網(wǎng)電壓暫降的影響，提高補(bǔ)償?shù)臅航瞪疃?，縮短暫降時長，還可避免市電發(fā)生二次暫降和旁路暫降對敏感負(fù)荷產(chǎn)生影響。同時，在電壓暫降柔性治理過程中，提出平滑切換及柔性退出控制策略，降低暫降電壓帶來的沖擊電流對敏感負(fù)荷的影響。最后，在MATLAB/Simulink平臺上搭建系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證所提方法在市電電壓暫降時對敏感負(fù)荷較小影響的正確性與有效性。

1 電網(wǎng)電壓暫降治理工作原理

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行原理分析

電網(wǎng)電壓暫降治理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由隔離開關(guān)、晶閘管、儲能變流器、儲能裝置組成，如圖1所示。電壓暫降治理系統(tǒng)在檢測到電壓暫降發(fā)生后，將市電線路從負(fù)載所在的回路中切除，并為負(fù)載提供安全穩(wěn)定的電能，保障敏感負(fù)荷的用電可靠性。

圖1 電壓暫降治理系統(tǒng)

如圖2所示，Igrid、Iload及Ipcc分別代表市電輸出電流、負(fù)載電流及并網(wǎng)點(diǎn)電流。根據(jù)基爾霍夫電流定則，有:

圖2 電壓暫降治理系統(tǒng)的開關(guān)工作原理

市電電壓正常時，晶閘管門極信號導(dǎo)通，由電網(wǎng)電壓向負(fù)載供電，此時Ipcc足夠小，Igrid與Iload近似相等。市電發(fā)生電壓暫降時，電壓暫降治理系統(tǒng)工作，輸出與Iload相等的電流Ipcc，由基爾霍夫電流定則可知，此時Igrid近似為0 A，雙向晶閘管門極信號關(guān)斷。通過監(jiān)測并網(wǎng)點(diǎn)電壓可實(shí)現(xiàn)對儲能變流器的控制，迫使雙向晶閘管的門極信號關(guān)斷，儲能變流器輸出電壓可跟隨并網(wǎng)點(diǎn)電壓生成的指令變化，此時儲能裝置保障敏感負(fù)荷的用電可靠性。

1.2 系統(tǒng)柔性切換模式分析

電壓暫降治理系統(tǒng)具有并網(wǎng)、離網(wǎng)及柔性切換三種工作狀態(tài)，如圖3所示。

電網(wǎng)電壓正常時，由電網(wǎng)向負(fù)載供電，儲能變流器處于待機(jī)狀態(tài)，電壓暫降治理系統(tǒng)為并網(wǎng)工作狀態(tài)，晶閘管狀態(tài)及電流流向如圖3(a)所示。

圖3 電壓暫降治理系統(tǒng)工作狀態(tài)

電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降時，晶閘管關(guān)斷，電網(wǎng)電壓從負(fù)載所在回路切除使負(fù)載與配、供電系統(tǒng)隔離。電壓暫降治理系統(tǒng)切換為離網(wǎng)工作狀態(tài)，儲能裝置獨(dú)立向負(fù)載供電。晶閘管狀態(tài)及電流流向如圖3(b)所示。

當(dāng)電網(wǎng)電壓暫降恢復(fù)之后，電壓暫降治理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)退出儲能供電模式，重新轉(zhuǎn)換為正常工作模式。在正常工作狀態(tài)下，晶閘管導(dǎo)通，但在觸發(fā)雙向晶閘管之前，控制儲能變流器輸出的電壓與電網(wǎng)側(cè)電壓實(shí)現(xiàn)匹配，再觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管，儲能變流器控制儲能系統(tǒng)輸出電流緩慢減小至0 A，重新回到并網(wǎng)工作狀態(tài)。系統(tǒng)在柔性切換過程中晶閘管工作情況以及電流流向如圖3(c)所示。

2 電壓暫降柔性治理控制策略

2.1 電壓暫降檢測算法

精確迅速地檢測電壓暫降的特征量，是確保電壓暫降治理系統(tǒng)性能優(yōu)異的必要前提。GB/T 30137－2013和GB/T 39270—2020中采用暫降幅值和暫降持續(xù)時間兩個指標(biāo)來衡量電壓暫降?；赿q坐標(biāo)變換的單相電壓暫降特征量檢測方法的具體步驟為:先利用單相電壓構(gòu)造出其他兩相虛擬的三相電壓系統(tǒng)，再采用dq坐標(biāo)變換求取相應(yīng)參數(shù)，最后將通過低通濾波器的d、q分量根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算電壓暫降幅值、相位。該方法能對任一相電壓求取電壓暫降特征量，但是會伴隨60°的延時[20]，且因?yàn)橛?jì)算時采用的數(shù)據(jù)不同步，不能正確分析擾動發(fā)生的最初1/6周期內(nèi)的擾動情況。

由于電壓暫降特征量對于算法的實(shí)時性具有高需求，針對單相電壓暫降檢測算法存在的計(jì)算繁瑣及實(shí)時性欠缺等問題，利用電網(wǎng)電壓在dq坐標(biāo)變換下求導(dǎo)計(jì)算，提取電壓直流分量。以a相為例，算法具體步驟為:首先對a相電壓求導(dǎo)，取得a相電壓的余弦信號，然后根據(jù)三相電路的特點(diǎn)及三角函數(shù)公式求得b、c兩相虛擬電壓。

b、c兩相虛擬電壓表達(dá)式:

再由dq坐標(biāo)變換求取出ud和uq。由于實(shí)際的電壓信號中常包含噪聲、缺口及諧波等成分，其中諧波的影響尤為明顯。以a相電壓為例，假設(shè)a相電壓暫降有效值為Usag、相位突變角為φ，且基波與諧波分量的初相位皆為0°，諧波次數(shù)為k(k＝1，2，3，…，n)則a相電壓表達(dá)式為:

a相電壓多次求導(dǎo)后構(gòu)造的b、c兩相虛擬電壓表達(dá)式為:

再經(jīng)dq坐標(biāo)變換后:

為提升系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，將相應(yīng)的電壓dq分量再次求導(dǎo)，提取其直流分量:

最后可由式(8)求得暫降幅值和相位突變角。

圖4所示為基于dq坐標(biāo)變換的求導(dǎo)檢測算法的原理框圖，該算法可實(shí)時獲得電網(wǎng)電壓的d、q坐標(biāo)軸對應(yīng)的直流分量，故能夠快速精準(zhǔn)地檢測到電壓暫降發(fā)生的起止時間、幅值范圍及相位突變角。

圖4 電壓暫降檢測算法原理

2.2 并、離網(wǎng)柔性切換分析

含儲能裝置的電壓暫降柔性治理控制策略主要由5部分組成:PI控制器、坐標(biāo)變換與功率計(jì)算模塊、功率控制模塊、柔性切換控制模塊、電壓控制模塊。

1)PI控制器設(shè)計(jì)。由S值啟動或禁止控制模塊之間的PI控制器的積分部分，S值表示儲能變流器運(yùn)行的不同工況，S＝1表示儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)模式，S＝2表示離網(wǎng)模式，S＝3表示并、離網(wǎng)過程中的柔性切換模式。通過啟動或禁止PI控制器的積分部分將不同模式對應(yīng)的控制模塊集中于一個控制策略中，以便電壓暫降治理系統(tǒng)在不同工況下的控制模塊能夠平滑切換。

2)坐標(biāo)變換與功率計(jì)算模塊。在坐標(biāo)變換與功率計(jì)算模塊中，變流器輸出端電壓upabc、輸出電流ipabc及電網(wǎng)電壓ugabc，經(jīng)abc/dq坐標(biāo)變換后取得dq坐標(biāo)系下的分量upd、upq和ugd、ugq及ipd、ipq，按照公式(9)得到瞬時有功功率P和瞬時無功功率Q的值:

用于坐標(biāo)變換的旋轉(zhuǎn)角度θ如下所示:

式中，ω0為額定角頻率值；Δω為功率計(jì)算模塊輸出值；Δωsyn為柔性切換模塊中q軸分量輸出值。

3)功率控制模塊。有功功率控制部分將儲能變流器輸出的瞬時有功功率P經(jīng)過低通濾波器的值設(shè)為PLPF，再將PLPF與有功功率設(shè)定值PREF的差值通過PI控制器，得到Δω。無功功率控制部分將儲能變流器輸出的瞬時無功功率Q經(jīng)過低通濾波器的值設(shè)為QLPF，再將QLPF與無功功率給定值QREF的差值通過PI控制器，得到ΔE。無功功率控制部分與有功功率控制部分相結(jié)合，二者共同構(gòu)成功率控制模塊。

4)柔性切換控制模塊。電壓有功分量切換控制和無功分量切換控制共同構(gòu)成柔性切換控制模塊。有功分量切換控制將電網(wǎng)電壓有功分量ugd與儲能系統(tǒng)輸出瞬時有功電壓值的差值通過PI控制器，得到ΔEsyn。無功分量同期控制環(huán)將電網(wǎng)電壓無功分量ugq與變流器輸出瞬時無功電壓值upd進(jìn)行比較，其差值經(jīng)PI控制器，輸出Δωsyn值。

5)電壓控制模塊。有功分量電壓控制和無功分量電壓控制共同構(gòu)成電壓控制模塊，式(11)表示有功分量電壓控制的指令值upd與無功分量電壓控制模塊的指令值ugd，E0為電壓前饋值，ΔE為功率控制模塊輸出值，ΔEsyn為柔性切換控制模塊輸出值。

控制系統(tǒng)將電壓有功分量指令值Epd與反饋值upd的差值經(jīng)PI控制器，得到udref；將電壓無功分量指令值Epq與反饋值upq的其差值經(jīng)PI控制器，得到uqref，再將udref與uqref經(jīng)abc/dq坐標(biāo)變換后，通過算法輸出所需PWM脈沖。其控制策略如圖5所示。

圖5 電壓暫降治理系統(tǒng)模式切換控制策略

系統(tǒng)采用S值啟動或禁止各控制模塊中的PI控制器，且S值表示儲能裝置不同的工況(并網(wǎng)、離網(wǎng)和柔性切換)。該控制模塊將PI控制器和比例控制器結(jié)合在一起，可表示為:

S為1時，立即啟動功率控制模塊的PI控制器積分部分，儲能系統(tǒng)處于并網(wǎng)模式。同時，柔性切換控制模塊的輸入值設(shè)置為0，禁止電壓控制模塊的PI控制器的積分部分。

S為2時，立即啟動電壓控制模塊的PI控制器的積分部分，儲能系統(tǒng)處于離網(wǎng)模式。同時，柔性切換控制模塊的輸入值設(shè)置為0，禁止用于功率控制模塊路的PI控制器的積分部分。

S為3時，立即啟動柔性切換控制模塊PI控制器的積分部分，儲能變流器處于切換模式，電壓控制模塊的輸入值設(shè)置為0，禁止用于功率控制模塊路的PI控制器的積分部分。

P、Q計(jì)算按式(9)進(jìn)行。P、Q反饋(PLPF，QLPF)是通過P、Q計(jì)算輸出，再經(jīng)過低通濾波獲得的θ(θ計(jì)算如式(10))，在功率控制模塊中P、Q參考值(PREF，QREF)與P、Q反饋值(PLPF，QLPF)進(jìn)行比較，其差值分別在單獨(dú)的PI控制器中計(jì)算。有功和無功功率控制模塊的輸出分別為Δω和ΔE，分別表示有功和無功功率指令偏差對應(yīng)的頻率和電壓偏差響應(yīng)。若S＝3，柔性切換控制模塊PI控制器的積分部分將分別啟動Δωsyn和ΔEsyn的輸出。電壓控制模塊的旋轉(zhuǎn)角度按式(10)計(jì)算。

在電壓控制模塊中，upd和upq的電壓參考如下:

式中，E0是電壓的前饋值。參考值分別與反饋(upd和upq)進(jìn)行比較，PI控制器的輸出分別為udref和uqref，在dq/abc變換之后，參與PWM計(jì)算模塊獲得脈沖信號。

在柔性切換控制模塊中，電網(wǎng)電壓(dq值)是參考值，儲能變流器的輸出電壓(dq值)是反饋。該控制循環(huán)作用為強(qiáng)制upd、upq分別與ugd、ugq相等。

控制系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控電網(wǎng)電壓，有必要快速準(zhǔn)確判斷，以確定電壓暫降是否真的發(fā)生。根據(jù)GB/T 39270—2020中電壓暫降的定義，計(jì)算瞬時電壓幅值，并與0.9 p.u.進(jìn)行比較，如下:

如果滿足公式(14)，則S為1，這意味著敏感負(fù)載將由市電提供，儲能裝置處于并網(wǎng)模式。

一旦發(fā)生電壓驟降，將快速關(guān)斷晶閘管的門極信號，則S為2。此時，敏感負(fù)載將由儲能裝置供能，儲能變流器以離網(wǎng)模式運(yùn)行。連續(xù)檢測電網(wǎng)電壓，如果電網(wǎng)電壓從暫降恢復(fù)并滿足以下公式，則定義S為3。

式中，Uthd和Uthq是dq軸電壓的閾值。

通過保持相同的內(nèi)部電壓控制模塊，儲能變流器的控制模塊可以平穩(wěn)地在電壓控制與功率控制之間柔性切換。市電電壓發(fā)生電壓暫降時，儲能裝置通過柔性切換控制使功率控制模塊切換為電壓控制模塊，使儲能裝置輸電電流替代市電電流。此時市電電流接近于0 A，雙向晶閘管門極信號關(guān)斷，隨后切除市電供電回路，最后由儲能裝置為敏感負(fù)荷供能。市電電壓恢復(fù)時，電壓柔性切換控制模塊調(diào)節(jié)儲能裝置輸出電壓的相位、幅值、頻率與市電保持一致，再經(jīng)過逐漸調(diào)節(jié)使當(dāng)前有功控制功率指令值Pref與無功功率控制功率指令值Qref按一定的速率逐漸地降低至0，直到儲能系統(tǒng)的輸出有功功率值和無功功率值低于各自閾值Pthd和Qthq，并能維持一段時間，如下式所示:

此時，關(guān)閉PWM輸出，儲能裝置實(shí)現(xiàn)平滑退出。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 模型搭建

根據(jù)電壓暫降治理系統(tǒng)拓?fù)鋱D(圖1)及相應(yīng)的控制策略在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，仿真參數(shù)見表1。

表1 電壓暫降治理系統(tǒng)仿真參數(shù)

為達(dá)到預(yù)期治理效果，晶閘管應(yīng)配合控制策略進(jìn)行控制。當(dāng)未發(fā)生電壓暫降時，晶閘管門極信號在承受正向陽極電壓的條件下，施加觸發(fā)電流，一旦檢測到電壓暫降，晶閘管立即停止觸發(fā)電流，配合儲能裝置對系統(tǒng)進(jìn)行電壓暫降的治理。儲能變流器在電壓暫降治理系統(tǒng)仿真中的控制回路應(yīng)根據(jù)檢測到的電壓進(jìn)行控制策略的切換，從而控制儲能裝置，實(shí)現(xiàn)電壓暫降的治理。

3.2 仿真分析

根據(jù)市電電壓暫降及電壓暫降治理系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)碾妷悍抡娌ㄐ危瑢﹄妷簳航抵卫硇ЧM(jìn)行分析。圖6為市電電壓ug發(fā)生暫降的波形。系統(tǒng)模擬在0.5 s時發(fā)生暫降，暫降深度為80%(249 V)，暫降持續(xù)時間為300 ms，在0.8 s時母線電壓恢復(fù)正常(311 V)。復(fù)現(xiàn)了市電電壓因外界出現(xiàn)雷擊避雷器動作、大負(fù)荷電動機(jī)啟動或各類故障引起的電壓暫降場景。圖7為市電電流ig發(fā)生暫降時的波形，在0.5 s時隨電壓暫降，晶閘管接收信號關(guān)斷，電流降為0 A，直至0.8 s恢復(fù)正常。

圖6 電網(wǎng)電壓暫降波形

圖7 電網(wǎng)電壓暫降開關(guān)斷開電流波形

圖8、9分別為通過檢測算法首先得出電壓dq軸的分量，再經(jīng)公式(9)計(jì)算得出電壓幅值及相位突變角，最后與所設(shè)閾值相比較的結(jié)果。由圖中波形可知，該檢測算法能實(shí)時精準(zhǔn)檢測出幅值及突變角的變化。

圖8 電網(wǎng)電壓暫降幅值

圖9 電網(wǎng)電壓暫降突變角

圖10為采用柔性切換控制策略得到的負(fù)載電壓補(bǔ)償仿真波形與負(fù)載電流補(bǔ)償仿真波形。電壓暫降治理系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓幅值跌落超過系統(tǒng)額定電壓10%時啟動，且快速將負(fù)載電壓uL與負(fù)載電流iL補(bǔ)償至正常值，具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能。由圖中電壓、電流波形可知，采用柔性切換控制后，儲能裝置能夠平滑進(jìn)入、退出電壓和電流的補(bǔ)償狀態(tài)，不會對負(fù)載電壓、電流造成明顯的電壓相位及幅值的跳變，保證了敏感負(fù)荷的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10 柔性切換控制策略下的負(fù)載電壓與電流補(bǔ)償波形

4 結(jié)語

為避免電壓暫降對配電網(wǎng)中敏感負(fù)荷造成重大影響，提出一種含儲能裝置的電壓暫降柔性治理方法，由仿真實(shí)驗(yàn)可得到如下結(jié)論:

1)電壓暫降治理過程中的平滑切換及柔性退出控制策略能降低電壓暫降帶來的脈沖電流對敏感負(fù)荷的影響，提高了所保護(hù)負(fù)荷的電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了敏感負(fù)荷的高品質(zhì)供電。

2)所提出的電壓暫降治理方法在電壓暫降發(fā)生時，直接將市電從用戶側(cè)切除，單獨(dú)由儲能裝置對負(fù)載進(jìn)行供電，治理期間的電能質(zhì)量僅與儲能裝置有關(guān)，避免了市電發(fā)生二次暫降以及旁路暫降對負(fù)載的影響。