基于功率分层的微电网母线电压稳定自动化控制方法

远 方，李 东，单新文，黄超智

（1.国网河南省电力公司信息通信公司，郑州 450052；2.南京南瑞信息通信科技有限公司，南京 210031）

0 引言

微电网也被称为微网，指的是由分布式电源、负荷主机、能量转换器、储能设备、监控元件等多个应用装置共同组成的小型发配电系统。与其他类型的电网组织相比，微电网具有电源分布灵活、形式多样等多项应用优势，既允许可再生能源、分布式电力装置等多种电网元件的大规模接入，也可以提供多种不同的电量供给信号，以供下级耗电元件的直接调取与利用。作为一种主流的配电调节形式，微电网系统的连接可以实现由点电荷到完整电量传输信号的过渡[1]。母线是指多个电力设备共用的电量传输通路，在微电网环境中，多台电力主机以并联的方式建立与母线通路的连接关系，但由于各条支路内电量信号的输出水平并不完全相等，故而在同一时刻内，只能有一个微电网母线连接设备处于电量信号输出状态。在微电网环境中，随着耗电设备接入量的增大，处于开放状态的信号传输支路数值水平也会不断增大，这不但会导致电压传输信号呈现出不合理的分布状态，也会造成微电网母线电量的过度损耗。为解决上述问题，针对基于功率分层的微电网母线电压稳定自动化控制方法展开研究。

1 基于功率分层的微电网母线电压估算

1.1 电流环解耦

在微电网环境中，电流环解耦表达式决定了母线体系对于电压信号的感应能力，若电信号传输方向不发生变化，微电网主机在单一电流闭环内的解耦能力越强，母线体系对于电压信号的感应能力就越强。规定功率信号在传输过程中出现3次明显的分层行为，微电网母线电流闭环结构表示如图1所示。

图1 微电网母线电流闭环结构

在图1所示微电网母线电流闭环结构中，L1、L2、L3表示三条相互独立的微电网支路。随着SPLL稳压器运行功率的增大，R1、R2、R3电阻内累计的电量信号也会不断增多，当其实时累计数值与C1、C2、C3电容的额定功率水平相匹配时，微电网环境中的母线电压也达到相对稳定的存在状态。设规定p为一个随机选定的微电网电信号输出功率系数，且p≠0的不等式条件恒成立，为微电网环境中的连接电阻均值，系数的取值满足式(1)：

规定Up为SPWM元件所承载的传输电压，δ为传输电压逆变系数。联立上述物理量，可将基于功率分层的电流环解表达式定义如式(2)所示：

1.2 部分微电源约束条件

部分微电源约束条件是指影响部分微电网连接结构的母线电压控制策略，在电流环解耦能力保持不变的情况下，既定耗电元件的电量稳定能力越强，表明微电网环境的供电稳定性越强[2]。微电源约束条件的求解常以电功率单位累积量为基础，考虑功率分层作用条件可知，随着电功率单位累积量的增大，母线电压数值也会不断增大，即所选用控制方法对部分微电源结构的约束能力越强。

设β为电信号参量的分层传输系数，为电流闭环中的稳压电量输出均值。

电功率单位累积量计算结果如式(3)所示：

考虑到电功率单位累积量并不能准确描述出微电网母线输出电量功率指标的分层传输形式，所以在求解部分微电源约束条件时，还应该设置多个电量功率分层感应系数。设O1、O2、...、On为n个电量功率分层感应系数，O1＞1、O2＞1、...On＞1的不等式条件同时成立。

基于功率分层标准的部分微电源约束条件表达式如式(4)所示：

其中，i为电压信号的标度指标初始值。为使部分微电源约束条件完全满足功率分层标准对于电量信号的处理需求，在求解电功率单位累积量时，要求系数的取值必须为380V的额定电压环境。

1.3 微电源V/f估值参数

微电源V/f估值参数由功率估值(V)、电信号分层传输系数估值(f)两部分组成。

1）功率估值(V)：功率估值能够准确求得微电网母线电量信号的输出水平，为实现对初始电压数值的稳定性控制，要求功率指标取值应满足波动性变化状态，即随着微电网母线电量信号输出量的增大，功率指标极大值与极小值的间隔周期应完全相等[3]。满足部分微电源约束条件的功率估值(V)求解表达式如式(5)所示：

式(5)中，φ为母线电量信号的初始输出频率，γ为母线电压稳定系数，t1、t2为两个不相等的电量信号间隔周期。

2）电信号分层传输系数估值(f)：电信号分层传输系数估值描述了微电网母线电量信号的跨层传输能力。在微电网环境中，电量信号的输出功率越大，分层传输系数的估值水平也就越高。电信号分层传输系数估值(f)求解表达式如式(6)所示：

其中，a1、a2为两个功率初始值相等但传输波长不相等的电量信号定义系数，α为波长向量的初始赋值，为系数a1与a2的平均值。

求解微电源V/f估值参数时，要求功率指标、电信号分层传输指标的求解表达式必须同时满足功率分层标准的定义条件。

2 微电网母线电压的自动化控制

2.1 微电网配电模型

对于微电网母线电压的自动化控制，需要4个功率计数节点的共同配合（如图2中的1、2、3、4所示）。稳压电阻R直接与微电网端口相连，可以在调节已连接耗电设备输出功率数值的同时，更改端口节点与电感设备R之间的连接关系[4]。当母线端电压输出水平较高时，对应功率计数节点（在图2所示微电网配电模型简图中，1和2为一对相对应的功率计数节点，3和4也为一对相对应的功率计数节点）之间的间隔距离会在稳压电阻R的作用下不断拉近；而当母线端电压输出水平相对较低时，对应功率计数节点之间的间隔距离则会不断趋近，这也是微电网环境中母线电压能够保持相对稳定数值状态的主要原因。

图2 微电网配电模型简图

在图2所示微电网配电模型简图中，设电阻的已接入内阻值为R，电容元件的电感系数为L，联立式(5)、式(6)，可将微电网配电模型表达式定义为：

其中，ε、δ为两个随机选取的稳压功率分配系数，lε、lδ分别为基于系数ε和系数δ电信号配比参量，kε、kδ分别为基于系数ε和系数δ电功率互感系数。随着微电网母线电压数值的改变，4个功率计数节点对于电量信号的分配能力也会不断变化。

2.2 电压功率谱波动特性

在微电网环境中，电压功率谱曲线反映了电量信号输出功率与输出频率之间的数值配比关系，图3为基于功率分层标准所截取的部分电压功率谱波动曲线。对于处于稳压传输情况下的电压信号来说，其功率曲线的最大取值具有明显的阶段性分布特性，在电信号功率分层标准保持不变的情况下，相邻两个电压功率极值之间的频率差值约等于200Hz。

图3 电压功率谱波动曲线

电压功率谱波动特性是指电压功率谱波动曲线的阶段性变化规律，在所选定的频率区间内，功率谱曲线的波动幅度越小，就表示微电网母线电压的稳定性越强。设k为电压功率谱曲线的初始波频系数，ΔT为相邻两个电压功率极值之间的频率差值，dmax′为功率谱曲线中第一个被标记的电压功率极值，dmax′′为第二个被标记的电压功率极值。

电压功率谱波动特性表达式为：

由于微电网始终处于运行状态，所以母线电压取值不可能为零，在此情况下，受到电量信号功率分层标准的影响，电压功率谱曲线也就始终保持不断波动的存在状态。因此，在定义电压功率谱波动特性表达式时，要求dmax′≠dmax′′的不等式条件必须成立。

2.3 自动化校正系数

微电网环境中始终存在不可预测的外部干扰，所以为实现对电压参量的稳定性控制，还需要根据自动化校正系数求解结果，对电量信号的输出功率进行调节。求解自动化校正系数既要遵照功率分层标准，对稳压电量信号进行处理，也要根据电压功率谱波动特性表达式，判断待处理信号参量之间的数量级关系[5]。设稳压电量信号在分层传输过程中会出现两次明显的偏转行为，这两次电量偏转行为的定义表达式为：

其中，z1为第一次电量偏转行为时的稳压信号定标值，θ1、h1分别为第一次偏转时的电信号稳压控制系数与电量稳压特征，z2为第二次电量偏转行为时的稳压信号定标值，θ2、h2分别为第二次偏转时的电信号稳压控制系数与电量稳压特征。

取ρ为稳压电量信号在微电网母线体系内的传输密度，ΔM1为第一次电量偏转行为时的稳压电量累积数值，ΔM2为第二次电量偏转行为时的稳压电量累积数值，ϑ为稳压电量管控系数。

联合稳压电量信号功率分层基准值σ，可将自动化校正系数表示为：

在功率分层标准的支持下，综合上述指标参量，实现微电网母线电压稳定自动化控制方法的设计与应用。

3 实例分析

3.1 实验准备

以某工厂车间作为实验环境，通过人工处理的方式，将电度表放置在区域性微电网环境之中（如图4所示）。选择1号节点、2号节点作为电度表接入位置，闭合总开关，使机器设备进入正常运行状态，并分别统计1号电表、2号电表中的记录数值。

图4 微电网母线布置

以基于功率分层原则的电压控制方法作为实验组应用技术，如图5所示，以直接控制法作为对照组应用技术。由于本次实验只选择两个节点作为电度表接入位置，所以实验组电路只包含两条电量传输支路。

图5 功率分层原则

为保证实验结果的公平性，S1、S2两个电度表的量程、型号、额定电压等参数的取值完全相等，前者对应图4中的1号控制位置，所得数值反映了支路1中的微电网母线电量的消耗情况，后者对应图4中的2号控制位置，所得数值反映了支路2中的微电网母线电量的消耗情况。

3.2 数据处理与实验结果

在微电网环境中，母线电信号损耗量能够反映出电压传输信号的分布合理性。在不考虑其他干扰条件的情况下，母线电信号损耗量越小，就表示电压传输信号的分布合理性越强，即在所选控制方法作用下，微电网母线电压能够保持相对稳定的数值状态。

在图4所示实验环境中，电度表示数反映了微电网母线电信号的实时损耗量。下表记录了10组不同的电度表示数值。

表1 电度表示数统计

若单纯根据电度表示数对电压传输信号的分布合理性进行统计，极有可能导致实验结果出现偏差，故而为获得真实实验结果，还应对所得记录数值进行均值求取。

下图反映了实验组、对照组电度表示数的平均值。

分析图6 可知，当实验组别为7 时，实验组电度表示数平均值最大，为3.8×107kW·h，当实验组别为3、5、8、10时，对照组电度表示数平均值最大，为5.0×107kW·h，与实验组最大值相比，上升了1.2×107kW·h。当实验组别为3、8时，实验组电度表示数平均值最小，为3.2×107kW·h，当实验组别为2、6、7时，对照组电度表示数平均值最小，为4.8×107kW·h，与实验组最小值相比，上升了1.6×107kW·h。整个实验过程中，实验组电度表示数平均值水平也始终低于对照组。

图6 电度表示数平均值

综上可知，本次实验结论为：

1）直接控制法并不能确保电度表示数始终处于较低的数值水平，即该方法在微电网环境中，不能保证电压传输信号的分布合理性，不符合维持母线电压数值稳定性的实用需求；

2）基于功率分层的自动化控制方法能够确保电度表示数始终处于较低的数值水平，在微电网环境中，该方法的应用可以使电压传输信号呈现出较为合理的布局状态，符合维持母线电压数值稳定性的实用需求。

4 结语

微电网母线电压稳定自动化控制方法在直接控制法的基础上，联合功率分层技术，对电流闭环中的电量传输信号进行解耦处理，又根据部分微电源约束条件表达式，实现对微电源V/f估值参数的准确求解，受到微电网配电模型的影响，电压功率谱的波动特性水平能够得到较好保障，这也在一定程度上拉近了自动化校正系数推导结果与理想参量指标之间的差值水平。与直接控制法相比，随着基于功率分层的自动化控制方法的应用，电度表设备的示数均值得到了有效控制，不但解决了微电网母线电量的过度损耗问题，也保证了电压传输信号的合理布局形式，可以将微电网母线电压控制在相对稳定的数值区间之内。