不同電壓擾動下光儲直流微電網(wǎng)接地抗干擾技術(shù)

張勁波，顏磊，石建，黃曉予，楊迪珊，嚴通煜

（國網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，福建 福州 350012）

光儲直流微電網(wǎng)是目前應(yīng)用范圍較廣、技術(shù)較為先進的微電網(wǎng)之一[1-2]，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，電力系統(tǒng)在運行的過程中伴隨著復(fù)雜的電磁振蕩過程，微電網(wǎng)因為電力系統(tǒng)電壓的波動，極易受到干擾。如何在不同電壓擾動下實現(xiàn)光儲直流微電網(wǎng)接地抗干擾變得極為重要。為此，如何在不同電壓擾動中預(yù)防與控制光儲直流微電網(wǎng)接地干擾成為當前微電網(wǎng)管理工作需要解決的首要問題。

在電力系統(tǒng)集成發(fā)展的過程中，電力信號抗干擾技術(shù)的研究成為研發(fā)人員必須面對的困境。在以往的研究中，由于我國電力系統(tǒng)發(fā)展相對較慢，所得研究結(jié)果相對不足[3]。分析當前使用率較高的幾種抗干擾技術(shù)可知，大部分抗干擾技術(shù)無法實現(xiàn)在不同電壓環(huán)境中完成干擾信號的處理工作。文獻[4]中提出了一種基于信干比角度的抗干擾分析方法，此方法在應(yīng)用過程中取得了一定的抗干擾作用，但在不同電壓擾動下使用效果差異性較大。文獻[5]提出了一種電網(wǎng)靜態(tài)安全條件下可使用的抗干擾控制方法，此方法與上述方法具有相同的應(yīng)用問題。針對此情況，在本次研究中研發(fā)一種新型抗干擾技術(shù)，在不同電壓擾動下控制光儲直流微電網(wǎng)接地過程進行，保證微電網(wǎng)的運行效果。為保證此技術(shù)具有相應(yīng)的應(yīng)用效果，在技術(shù)研發(fā)完成后，對其進行仿真測試，以保證技術(shù)研發(fā)成果的有效性。

1 不同電壓擾動下光儲直流微電網(wǎng)接地抗干擾技術(shù)設(shè)計

1.1 光儲直流微電網(wǎng)模型構(gòu)建

在本次研究中，為了更好地完成抗干擾技術(shù)設(shè)計工作，首先構(gòu)建光儲直流微電網(wǎng)模型，為后續(xù)的技術(shù)提出與應(yīng)用提供平臺。然后確定在接地工作中使用較廣的微電網(wǎng)設(shè)備為并網(wǎng)變換器[6-7]。因此，本次研究將主要構(gòu)建此設(shè)備模型。并網(wǎng)變換器基礎(chǔ)框架如圖1所示。

圖1 并網(wǎng)變換器基礎(chǔ)框架Fig.1 Basic framework of grid connected converter

圖 1 中，ed，eq，id，iq分別表示微電網(wǎng)中運行、熱備用、冷備用和檢修的交直軸分量；ud，us表示整流器輸入電壓，ud，us經(jīng)過并網(wǎng)交換器后可轉(zhuǎn)化為微電網(wǎng)接地控制信號。根據(jù)此基礎(chǔ)框架，可得到dq整流器輸出電壓u'd，u'q為

式中：Kd，Kq為輸出穩(wěn)態(tài)整流器電流分量；Rd，Rq為整流器電阻序號分量；α為變壓系數(shù)。

通過式（1）可知，dq整流器中存在變量相互耦合情況，在實際中對其進行控制較為困難。為此在正常運行時，需要在其中安裝電流控制器，則此整流器的電壓控制方程可表示為

式中：lis為電流內(nèi)環(huán)的比例系數(shù)；lii為控制過程中的積分系數(shù)；s表示模糊識別參數(shù)；i'd，i'q為穩(wěn)態(tài)電流。

式中：Gdq為微電網(wǎng)電流環(huán)傳遞系數(shù)。

簡化上述公式，并將其整合為微電網(wǎng)接地典型的Ⅰ型系統(tǒng)，則有：

根據(jù)式（4）可得到微電網(wǎng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，具體公式為

整理上述公式可得到整流器的電流傳遞計算公式，將微電網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)代入此公式中，可得到微電網(wǎng)接地過程中的電流傳遞函數(shù)。根據(jù)此函數(shù)完成微電網(wǎng)模型的構(gòu)建工作，并為后續(xù)的研究提供環(huán)境基礎(chǔ)。

1.2 設(shè)計電壓擾動信號檢測算法

在微電網(wǎng)接地的過程中，會產(chǎn)生大量的電壓擾動信號影響電網(wǎng)的電力信號輸出結(jié)果。為此，以上文構(gòu)建的微電網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，選用粒子群優(yōu)化算法（particle swarm optimization，PSO）[9-10]作為電壓擾動信號檢測算法的設(shè)計基礎(chǔ)。將信號中全部的參數(shù)轉(zhuǎn)化為飛鳥的形式，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)以及優(yōu)化函數(shù)，得到最優(yōu)參數(shù)。

設(shè)定微電網(wǎng)中全部的信號參數(shù)粒子為ai∈D，每個參數(shù)粒子的初速度為vi，則微電網(wǎng)接地過程中信號粒子更新公式可表示為

式中：Zi(t)為微電網(wǎng)接地過程中信號粒子；vi(t)為第i個信號粒子的傳播速度。

在式（6）中引入慣性權(quán)重系數(shù)β以及加速度系數(shù)ε1,ε2后，信號傳播速度公式可優(yōu)化為

式中：Zid為信號粒子個體極值的第d維；Zjd為全局信號均值的第d維。

根據(jù)上述公式可知，在電壓擾動信號捕捉過程中，加速度系數(shù)、慣性權(quán)重系數(shù)以及信號粒子的傳播速度對信號捕捉算法的影響較大[11]。若信號粒子維度取值為d時，應(yīng)對微電網(wǎng)中的信號進行大規(guī)模取樣，增加算法的可靠性。但當信號粒子采樣率較高時，信號捕捉算法的計算效率會受到影響，導(dǎo)致計算過程耗時較長。針對此問題，在本次研究中引入學(xué)習因子優(yōu)化公式，通過線性函數(shù)動態(tài)調(diào)整慣性權(quán)重系數(shù)β。優(yōu)化后β計算公式可表示為

式中：βmax，βmin分別為慣性權(quán)重系數(shù)β的最大值與最小值；Tmax為最高次迭代次數(shù)；t為當前計算環(huán)節(jié)所處的迭代次數(shù)。

在光儲直流微電網(wǎng)處理過程中，β的取值結(jié)果為1～1.5。如式（8）的取值結(jié)果在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，使用此取值結(jié)果完成電壓擾動信號檢測，確定電壓擾動信號類型以及傳輸范圍。

1.3 實現(xiàn)微電網(wǎng)接地抗干擾

在上文中完成了微電網(wǎng)模型的構(gòu)建以及電壓擾動信號的捕捉工作。根據(jù)兩部分設(shè)計結(jié)果，在本環(huán)節(jié)中完成微電網(wǎng)接地干擾控制方法設(shè)計。考慮到微電網(wǎng)接地方面的性能要求，在微電網(wǎng)接地的過程中增設(shè)一根保護接地線，將其與微電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備連接，在保證電流流動的情況下，將原有的接地模式轉(zhuǎn)換為混合接地[12-13]的形式，具體如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)混合接地模式Fig.2 Microgrid hybrid grounding mode

混合接地模式是一種融合了單點接地與多點接地優(yōu)點的新型接地方式。根據(jù)此接地模式，將微電網(wǎng)的接地線分為電源地、信號地、屏蔽地3類，全部的地線都與總地線相連接，其信號均為總地線輸出，以此模式克服電壓擾動信號對微電網(wǎng)輸出信號的影響。

在確定接地模式后，還需要處理其輸出信號。針對當前微電網(wǎng)接地抗干擾技術(shù)在使用中的不足，在本次研究中將主要處理微電網(wǎng)交流回路中的干擾信號[14-15]。設(shè)定Uh1為微電網(wǎng)接地過程中產(chǎn)生的干擾電壓，Uh2為變壓器耦合得到的干擾電壓，則有：

式中：z為微電網(wǎng)接地過程中產(chǎn)生的阻抗；C為回路中的電容；U20為回路輸出的電壓；根據(jù)相關(guān)要求，X為微電網(wǎng)理想接地狀態(tài)值。

若z=0，則此時的干擾電壓表示為

根據(jù)式（10）可控制微電網(wǎng)中的電容分布情況，并以此實現(xiàn)微電網(wǎng)接地干擾的控制工作。對上文中提出內(nèi)容進行整理與分析，將其與當前使用的抗干擾技術(shù)相結(jié)合，至此，不同電壓擾動下光儲直流微電網(wǎng)接地抗干擾技術(shù)理論設(shè)計部分完成。

2 仿真測試分析

2.1 測試環(huán)境搭建

為精準分析光儲直流微電網(wǎng)接地抗干擾技術(shù)在不同電網(wǎng)擾動下的使用效果，在Matlab軟件中搭建光儲直流微電網(wǎng)模型，并通過Matlab軟件對新型光儲直流微電網(wǎng)接地抗干擾技術(shù)進行編寫。在光儲直流微電網(wǎng)日常工作中，采樣頻率設(shè)定為 3 kHz，2.5 kHz，1 kHz，即電網(wǎng)輸出信號的60，30，15倍，目前在光儲直流微電網(wǎng)的實際應(yīng)用過程中，均采用3 kHz。在本次研究中為提高信號處理環(huán)節(jié)的精度，采用20 kHz的高采樣頻率構(gòu)建了信號處理器，此處理器具有良好的應(yīng)用性能。因此，在本次研究中可將實驗中輸出的電壓設(shè)定為多種形式，完成實驗的對比過程。本次仿真測試開始前，根據(jù)上述設(shè)定內(nèi)容模擬輸出了無擾動情況下的正常電力信號，其波形如圖3所示。

圖3 無擾動情況下電力信號波形Fig.3 Waveform of power signal without disturbance

由圖3可知，在無擾動情況下，微電網(wǎng)電力信號輸出波形符合正弦函數(shù)的要求，電力信號較為穩(wěn)定，波動較小。在本次測試中，將此信號波形作為對照組，為測試結(jié)果分析過程提供參照物。選擇當前使用率較高的相控陣體制抗干擾技術(shù)（記作技術(shù)1）、配電參數(shù)抗干擾技術(shù)（記作技術(shù)2）與所提技術(shù)進行對比。同時，將實驗環(huán)境設(shè)定為3種不同電壓輸出頻率，分別為：穩(wěn)態(tài)條件、低頻電壓以及高頻電壓。測定在此環(huán)境中，完成對新型抗干擾技術(shù)的使用效果分析工作。

2.2 穩(wěn)態(tài)條件下電網(wǎng)接地仿真測試

在本次測試中，首先獲取穩(wěn)態(tài)條件下微電網(wǎng)的信號輸出情況，對微電網(wǎng)接地后的正常信號輸出情況進行分析。

設(shè)定在工頻穩(wěn)定的情況下，電流信號幅值為1 000 A，初始相位為60°，輸出理想信號為20 mV，相位為0。按照日常穩(wěn)態(tài)運行采樣率采樣電網(wǎng)信號，得到穩(wěn)態(tài)輸出信號圖，具體如圖4所示。由圖4可知，在穩(wěn)態(tài)運行的環(huán)境下，3種技術(shù)輸出的微電網(wǎng)信號波動較為一致，與無擾動情況下的信號輸出波形較為一致，說明在穩(wěn)態(tài)的情況下，3種技術(shù)均可得到較為穩(wěn)定的微電網(wǎng)信號輸出結(jié)果，起到電壓擾動信號控制作用。

圖4 微電網(wǎng)接地穩(wěn)態(tài)信號輸出波形Fig.4 Steady state signal output waveforms of microgrid grounding

2.3 低頻電壓下電網(wǎng)接地仿真測試

在實際的光儲直流微電網(wǎng)工作環(huán)境中，必然會存在干擾噪聲，尤其微電網(wǎng)處于強電磁環(huán)境或是工作狀態(tài)波動較大時，干擾強度更高。為更加精確地模擬微電網(wǎng)工作狀態(tài)中的電壓，將電網(wǎng)電壓整體下調(diào)5%。同時，采用所提技術(shù)與技術(shù)1及技術(shù)2對此環(huán)境下的微電網(wǎng)中的干擾信號進行處理，輸出實際波形如圖5所示。

圖5 低頻電壓下微電網(wǎng)接地穩(wěn)態(tài)信號輸出波形Fig.5 Steady state signal output waveforms of microgrid grounding under low frequency voltage

由圖5可知，隨著采樣點的不斷增加，電壓干擾對電力信號輸出的影響增大。綜合圖2、圖4可知，所提技術(shù)輸出的電信號正弦波形與無擾動和穩(wěn)態(tài)條件下的波形基本一致，技術(shù)2由于電壓下調(diào)的影響嚴重失真，技術(shù)1使用后輸出的信號波形相對技術(shù)2更平穩(wěn)一些，失真程度較低。綜合上述分析結(jié)果可知，在低頻電壓條件下，所提技術(shù)的使用效果較好。

2.4 高頻電壓下電網(wǎng)接地仿真測試

在本次測試中，將電網(wǎng)電壓整體上調(diào)15%。并使用所提技術(shù)、技術(shù)1、技術(shù)2處理微電網(wǎng)接地過程中產(chǎn)生的干擾，處理后信號波形輸出結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在高頻電壓環(huán)境中，不同的抗干擾技術(shù)使用后微電網(wǎng)輸出信號差異較大。所提技術(shù)使用后，微電網(wǎng)輸出信號與穩(wěn)態(tài)環(huán)境下輸出信號波形較為一致，并未受到電壓變化的擾動。技術(shù)1使用后微電網(wǎng)輸出信號波形發(fā)生大幅度變化，存在大量的干擾信號；技術(shù)2在此測試環(huán)境中并未起到應(yīng)有的抗干擾作用。由此，可以確定在此測試環(huán)境中，所提技術(shù)可起到抗干擾作用。

圖6 高頻電壓下微電網(wǎng)接地穩(wěn)態(tài)信號輸出波形Fig.6 Steady state signal output waveforms of microgrid grounding under high frequency voltage

2.5 電力信號輸出校驗性能測試

在上述測試中確定了不同電壓擾動下3種抗干擾技術(shù)的使用效果。為了對上述3種技術(shù)在使用中差異性具有更加全面的分析，在本次測試中增設(shè)一組電力信號校驗性能測試。在實際工作中，不同的電壓擾動下會產(chǎn)生奇次諧波導(dǎo)致微電網(wǎng)輸出信號發(fā)生畸變，為驗證3種測試技術(shù)可對此部分干擾進行處理，在穩(wěn)態(tài)測試環(huán)境的基礎(chǔ)上加入基波幅度大小為5%的3次、5次諧波信號，基波大小為15%的7～17次諧波信號，初始相位相同。使用3種抗干擾技術(shù)完成此測試過程，使用相同采樣率的FFT算法對比不同抗干擾技術(shù)的幅值計算比差，具體結(jié)果如表1所示。

表1 不同抗干擾技術(shù)幅值計算比差匯總Tab.1 Summary of amplitude calculation ratio difference of different anti-interference technologies

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，2次諧波下的測量誤差不得超過1%，多次諧波下不得超過5%。按照此規(guī)定分析表1數(shù)據(jù)可知，所提技術(shù)可以較好地滿足此規(guī)定中的要求，其他兩種技術(shù)無法滿足此規(guī)定要求。此外，在對微電網(wǎng)接地過程展開抗干擾處理時，基波的準確度要求相對較高，所提技術(shù)可以有效提升基波的分析精度，降低基波誤差，保證微電網(wǎng)免受干擾，使用優(yōu)勢更加明顯。

2.6 實驗結(jié)果討論

在光儲直流微電網(wǎng)的應(yīng)用過程中，如何消除接地過程中的信號干擾一直都是制約微電網(wǎng)發(fā)展的主要難題，也是電力工程現(xiàn)場問題中的難點。為此，在本次研究中提出了一種新型微電網(wǎng)接地抗干擾技術(shù)。同時，選擇了兩種當前使用率較高的抗干擾技術(shù)與其進行使用性能的對比分析。

在本次測試中，將仿真測試環(huán)境設(shè)定為3種不同的電壓狀態(tài)，以此驗證文中提出的技術(shù)具有一定的研究價值。經(jīng)過多次測試，證實了此技術(shù)在不同的電壓擾動下可有效完成微電網(wǎng)接地的抗干擾處理，且在多種測試技術(shù)中，是使用效果最佳的抗干擾技術(shù)。

3 結(jié)論

光儲直流微電網(wǎng)中回路較多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其所處工作環(huán)境也較為惡劣，電力系統(tǒng)的各種繼電器保護裝置對電網(wǎng)工作環(huán)境的要求逐漸提升，微電網(wǎng)中的電壓干擾是影響電力系統(tǒng)正常運行的主要因素。為此，在本次研究中提出了一種針對多種電壓擾動的抗干擾技術(shù)，并通過仿真測試證實此技術(shù)具有一定的科學(xué)性，可將其應(yīng)用到實際工作中。本次研究中提出的方法主要針對電壓擾動進行處理，并未處理其他擾動信號，為此，在日后的研究中還需要使用其他核心技術(shù)優(yōu)化與完善文中提出的抗干擾技術(shù)。