含储能装置的电压暂降柔性治理策略研究

2022-09-03曾进辉黄茜王灿兰征梁博文

湖南电力 2022年4期

曾进辉，黄茜，王灿，兰征，梁博文

(1.湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲 412007；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙 410007)

0 引言

近年来，随着智能制造业规模的不断扩大，半导体以及精密仪器等敏感负荷用户的规模越来越大。电网电压不平衡、谐波畸变以及电压暂降等电能质量问题都可能影响敏感负荷的正常工作，严重时甚至损坏[1－4]。其中，电压暂降是最常见的电能质量问题，对电压暂降进行有效治理，对于提升电网供电质量和保障敏感负荷稳定运行极其重要[5－7]。

快速、精确检测电压暂降特征量是确保电压暂降治理系统优越性能的前提。电力系统中，常采用缺损电压法、滑动平均值法以及dq坐标系法等电压检测算法[8－10]。缺损电压法的补偿电压值为期望电压值与缺损电压值之差，电压暂降检测可实现无延时，但无法检测电压暂降的幅值与相位跳变角[8]。滑动平均值法虽然能够准确检测电压暂降幅值但是会伴随至少半个周期的延时[9]。dq坐标变换方法可在各种电压异常情况下都能求取电压、电流基波、高频振荡等特征量，当前已成为应用最广泛的电压检测算法，但其检测实时性有待提高[10]。文献[11]提出一种基于双dq变换的电压暂降检测方法，该方法首先将信号进行双dq变换和单相dq变换，变换之后的量需经低通滤波器滤波后，推算出电压暂降的特征量，增加了检测时间，不能满足电压暂降治理系统的快速性需要。而且传统电压暂降治理系统，在电压暂降和恢复时因并、离网模式的硬性切换会产生很大的冲击电流，对其控制性能造成一定程度的影响[12－17]。文献[18]指出逆变器在并、离网中模式切换的重要性，采用相角过渡的补偿方式对最小能量补偿进行了优化，通过多步旋转补偿电压解决相角跳变引起负载电压不连续的问题，但未给出相应量化关系。文献[19]采用前馈控制得到补偿电压指令控制逆变器输出，响应速度快，整体结构简单，但是受采样精度与逆变器输出精度限制，负载电压可能存在稳态误差。

传统电压暂降特征量提取难以同时兼顾快速性与准确性，且并、离网硬性切换过渡时易产生较大冲击。针对以上问题，本文提出一种基于dq坐标求导变换的电压暂降柔性治理方法，在电网电压发生暂降时，采用基于dq变换的求导检测算法快速对电压暂降特征量进行检测，并同时切除市电，由储能装置完全对敏感负荷进行电压补偿，使其不受电网电压暂降的影响，提高补偿的暂降深度，缩短暂降时长，还可避免市电发生二次暂降和旁路暂降对敏感负荷产生影响。同时，在电压暂降柔性治理过程中，提出平滑切换及柔性退出控制策略，降低暂降电压带来的冲击电流对敏感负荷的影响。最后，在MATLAB/Simulink平台上搭建系统仿真模型，验证所提方法在市电电压暂降时对敏感负荷较小影响的正确性与有效性。

1 电网电压暂降治理工作原理

1.1 系统运行原理分析

电网电压暂降治理系统结构由隔离开关、晶闸管、储能变流器、储能装置组成，如图1所示。电压暂降治理系统在检测到电压暂降发生后，将市电线路从负载所在的回路中切除，并为负载提供安全稳定的电能，保障敏感负荷的用电可靠性。

图1 电压暂降治理系统

如图2所示，Igrid、Iload及Ipcc分别代表市电输出电流、负载电流及并网点电流。根据基尔霍夫电流定则，有:

图2 电压暂降治理系统的开关工作原理

市电电压正常时，晶闸管门极信号导通，由电网电压向负载供电，此时Ipcc足够小，Igrid与Iload近似相等。市电发生电压暂降时，电压暂降治理系统工作，输出与Iload相等的电流Ipcc，由基尔霍夫电流定则可知，此时Igrid近似为0 A，双向晶闸管门极信号关断。通过监测并网点电压可实现对储能变流器的控制，迫使双向晶闸管的门极信号关断，储能变流器输出电压可跟随并网点电压生成的指令变化，此时储能装置保障敏感负荷的用电可靠性。

1.2 系统柔性切换模式分析

电压暂降治理系统具有并网、离网及柔性切换三种工作状态，如图3所示。

电网电压正常时，由电网向负载供电，储能变流器处于待机状态，电压暂降治理系统为并网工作状态，晶闸管状态及电流流向如图3(a)所示。

图3 电压暂降治理系统工作状态

电网发生电压暂降时，晶闸管关断，电网电压从负载所在回路切除使负载与配、供电系统隔离。电压暂降治理系统切换为离网工作状态，储能装置独立向负载供电。晶闸管状态及电流流向如图3(b)所示。

当电网电压暂降恢复之后，电压暂降治理系统应当退出储能供电模式，重新转换为正常工作模式。在正常工作状态下，晶闸管导通，但在触发双向晶闸管之前，控制储能变流器输出的电压与电网侧电压实现匹配，再触发导通晶闸管，储能变流器控制储能系统输出电流缓慢减小至0 A，重新回到并网工作状态。系统在柔性切换过程中晶闸管工作情况以及电流流向如图3(c)所示。

2 电压暂降柔性治理控制策略

2.1 电压暂降检测算法

精确迅速地检测电压暂降的特征量，是确保电压暂降治理系统性能优异的必要前提。GB/T 30137－2013和GB/T 39270—2020中采用暂降幅值和暂降持续时间两个指标来衡量电压暂降。基于dq坐标变换的单相电压暂降特征量检测方法的具体步骤为:先利用单相电压构造出其他两相虚拟的三相电压系统，再采用dq坐标变换求取相应参数，最后将通过低通滤波器的d、q分量根据相应公式计算电压暂降幅值、相位。该方法能对任一相电压求取电压暂降特征量，但是会伴随60°的延时[20]，且因为计算时采用的数据不同步，不能正确分析扰动发生的最初1/6周期内的扰动情况。

由于电压暂降特征量对于算法的实时性具有高需求，针对单相电压暂降检测算法存在的计算繁琐及实时性欠缺等问题，利用电网电压在dq坐标变换下求导计算，提取电压直流分量。以a相为例，算法具体步骤为:首先对a相电压求导，取得a相电压的余弦信号，然后根据三相电路的特点及三角函数公式求得b、c两相虚拟电压。

b、c两相虚拟电压表达式:

再由dq坐标变换求取出ud和uq。由于实际的电压信号中常包含噪声、缺口及谐波等成分，其中谐波的影响尤为明显。以a相电压为例，假设a相电压暂降有效值为Usag、相位突变角为φ，且基波与谐波分量的初相位皆为0°，谐波次数为k(k＝1，2，3，…，n)则a相电压表达式为:

a相电压多次求导后构造的b、c两相虚拟电压表达式为:

再经dq坐标变换后:

为提升系统的快速响应性能，将相应的电压dq分量再次求导，提取其直流分量:

最后可由式(8)求得暂降幅值和相位突变角。

图4所示为基于dq坐标变换的求导检测算法的原理框图，该算法可实时获得电网电压的d、q坐标轴对应的直流分量，故能够快速精准地检测到电压暂降发生的起止时间、幅值范围及相位突变角。

图4 电压暂降检测算法原理

2.2 并、离网柔性切换分析

含储能装置的电压暂降柔性治理控制策略主要由5部分组成:PI控制器、坐标变换与功率计算模块、功率控制模块、柔性切换控制模块、电压控制模块。

1)PI控制器设计。由S值启动或禁止控制模块之间的PI控制器的积分部分，S值表示储能变流器运行的不同工况，S＝1表示储能系统的并网模式，S＝2表示离网模式，S＝3表示并、离网过程中的柔性切换模式。通过启动或禁止PI控制器的积分部分将不同模式对应的控制模块集中于一个控制策略中，以便电压暂降治理系统在不同工况下的控制模块能够平滑切换。

2)坐标变换与功率计算模块。在坐标变换与功率计算模块中，变流器输出端电压upabc、输出电流ipabc及电网电压ugabc，经abc/dq坐标变换后取得dq坐标系下的分量upd、upq和ugd、ugq及ipd、ipq，按照公式(9)得到瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q的值:

用于坐标变换的旋转角度θ如下所示:

式中，ω0为额定角频率值；Δω为功率计算模块输出值；Δωsyn为柔性切换模块中q轴分量输出值。

3)功率控制模块。有功功率控制部分将储能变流器输出的瞬时有功功率P经过低通滤波器的值设为PLPF，再将PLPF与有功功率设定值PREF的差值通过PI控制器，得到Δω。无功功率控制部分将储能变流器输出的瞬时无功功率Q经过低通滤波器的值设为QLPF，再将QLPF与无功功率给定值QREF的差值通过PI控制器，得到ΔE。无功功率控制部分与有功功率控制部分相结合，二者共同构成功率控制模块。

4)柔性切换控制模块。电压有功分量切换控制和无功分量切换控制共同构成柔性切换控制模块。有功分量切换控制将电网电压有功分量ugd与储能系统输出瞬时有功电压值的差值通过PI控制器，得到ΔEsyn。无功分量同期控制环将电网电压无功分量ugq与变流器输出瞬时无功电压值upd进行比较，其差值经PI控制器，输出Δωsyn值。

5)电压控制模块。有功分量电压控制和无功分量电压控制共同构成电压控制模块，式(11)表示有功分量电压控制的指令值upd与无功分量电压控制模块的指令值ugd，E0为电压前馈值，ΔE为功率控制模块输出值，ΔEsyn为柔性切换控制模块输出值。

控制系统将电压有功分量指令值Epd与反馈值upd的差值经PI控制器，得到udref；将电压无功分量指令值Epq与反馈值upq的其差值经PI控制器，得到uqref，再将udref与uqref经abc/dq坐标变换后，通过算法输出所需PWM脉冲。其控制策略如图5所示。

图5 电压暂降治理系统模式切换控制策略

系统采用S值启动或禁止各控制模块中的PI控制器，且S值表示储能装置不同的工况(并网、离网和柔性切换)。该控制模块将PI控制器和比例控制器结合在一起，可表示为:

S为1时，立即启动功率控制模块的PI控制器积分部分，储能系统处于并网模式。同时，柔性切换控制模块的输入值设置为0，禁止电压控制模块的PI控制器的积分部分。

S为2时，立即启动电压控制模块的PI控制器的积分部分，储能系统处于离网模式。同时，柔性切换控制模块的输入值设置为0，禁止用于功率控制模块路的PI控制器的积分部分。

S为3时，立即启动柔性切换控制模块PI控制器的积分部分，储能变流器处于切换模式，电压控制模块的输入值设置为0，禁止用于功率控制模块路的PI控制器的积分部分。

P、Q计算按式(9)进行。P、Q反馈(PLPF，QLPF)是通过P、Q计算输出，再经过低通滤波获得的θ(θ计算如式(10))，在功率控制模块中P、Q参考值(PREF，QREF)与P、Q反馈值(PLPF，QLPF)进行比较，其差值分别在单独的PI控制器中计算。有功和无功功率控制模块的输出分别为Δω和ΔE，分别表示有功和无功功率指令偏差对应的频率和电压偏差响应。若S＝3，柔性切换控制模块PI控制器的积分部分将分别启动Δωsyn和ΔEsyn的输出。电压控制模块的旋转角度按式(10)计算。

在电压控制模块中，upd和upq的电压参考如下:

式中，E0是电压的前馈值。参考值分别与反馈(upd和upq)进行比较，PI控制器的输出分别为udref和uqref，在dq/abc变换之后，参与PWM计算模块获得脉冲信号。

在柔性切换控制模块中，电网电压(dq值)是参考值，储能变流器的输出电压(dq值)是反馈。该控制循环作用为强制upd、upq分别与ugd、ugq相等。

控制系统持续监控电网电压，有必要快速准确判断，以确定电压暂降是否真的发生。根据GB/T 39270—2020中电压暂降的定义，计算瞬时电压幅值，并与0.9 p.u.进行比较，如下:

如果满足公式(14)，则S为1，这意味着敏感负载将由市电提供，储能装置处于并网模式。

一旦发生电压骤降，将快速关断晶闸管的门极信号，则S为2。此时，敏感负载将由储能装置供能，储能变流器以离网模式运行。连续检测电网电压，如果电网电压从暂降恢复并满足以下公式，则定义S为3。

式中，Uthd和Uthq是dq轴电压的阈值。

通过保持相同的内部电压控制模块，储能变流器的控制模块可以平稳地在电压控制与功率控制之间柔性切换。市电电压发生电压暂降时，储能装置通过柔性切换控制使功率控制模块切换为电压控制模块，使储能装置输电电流替代市电电流。此时市电电流接近于0 A，双向晶闸管门极信号关断，随后切除市电供电回路，最后由储能装置为敏感负荷供能。市电电压恢复时，电压柔性切换控制模块调节储能装置输出电压的相位、幅值、频率与市电保持一致，再经过逐渐调节使当前有功控制功率指令值Pref与无功功率控制功率指令值Qref按一定的速率逐渐地降低至0，直到储能系统的输出有功功率值和无功功率值低于各自阈值Pthd和Qthq，并能维持一段时间，如下式所示:

此时，关闭PWM输出，储能装置实现平滑退出。

3 仿真验证

3.1 模型搭建

根据电压暂降治理系统拓扑图(图1)及相应的控制策略在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，仿真参数见表1。

表1 电压暂降治理系统仿真参数

为达到预期治理效果，晶闸管应配合控制策略进行控制。当未发生电压暂降时，晶闸管门极信号在承受正向阳极电压的条件下，施加触发电流，一旦检测到电压暂降，晶闸管立即停止触发电流，配合储能装置对系统进行电压暂降的治理。储能变流器在电压暂降治理系统仿真中的控制回路应根据检测到的电压进行控制策略的切换，从而控制储能装置，实现电压暂降的治理。

3.2 仿真分析

根据市电电压暂降及电压暂降治理系统补偿的电压仿真波形，对电压暂降治理效果进行分析。图6为市电电压ug发生暂降的波形。系统模拟在0.5 s时发生暂降，暂降深度为80%(249 V)，暂降持续时间为300 ms，在0.8 s时母线电压恢复正常(311 V)。复现了市电电压因外界出现雷击避雷器动作、大负荷电动机启动或各类故障引起的电压暂降场景。图7为市电电流ig发生暂降时的波形，在0.5 s时随电压暂降，晶闸管接收信号关断，电流降为0 A，直至0.8 s恢复正常。

图6 电网电压暂降波形

图7 电网电压暂降开关断开电流波形

图8、9分别为通过检测算法首先得出电压dq轴的分量，再经公式(9)计算得出电压幅值及相位突变角，最后与所设阈值相比较的结果。由图中波形可知，该检测算法能实时精准检测出幅值及突变角的变化。

图8 电网电压暂降幅值

图9 电网电压暂降突变角

图10为采用柔性切换控制策略得到的负载电压补偿仿真波形与负载电流补偿仿真波形。电压暂降治理系统在电网电压幅值跌落超过系统额定电压10%时启动，且快速将负载电压uL与负载电流iL补偿至正常值，具有良好的动态响应性能。由图中电压、电流波形可知，采用柔性切换控制后，储能装置能够平滑进入、退出电压和电流的补偿状态，不会对负载电压、电流造成明显的电压相位及幅值的跳变，保证了敏感负荷的安全稳定运行。