亢夢(mèng)婕,徐 曄,王金全,嚴(yán)豪杰,陳 凱
(解放軍理工大學(xué),江蘇 南京 210007)
非線性負(fù)載條件下衡量功率畸變率的方法研究
亢夢(mèng)婕,徐 曄,王金全,嚴(yán)豪杰,陳 凱
(解放軍理工大學(xué),江蘇 南京210007)
對(duì)于含非線性負(fù)荷的獨(dú)立微電網(wǎng),負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的沖擊導(dǎo)致功率發(fā)生嚴(yán)重畸變,如何反映沖擊的大小,確定畸變功率是微電網(wǎng)發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)含脈沖負(fù)載的獨(dú)立直流微電網(wǎng),忽略頻率畸變的影響,對(duì)非正弦條件下的有功功率及其波動(dòng)量進(jìn)行推導(dǎo),并對(duì)如何衡量功率波動(dòng)的大小進(jìn)行研究。依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)搭建含柴油機(jī)-整流器-脈沖負(fù)載的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),測(cè)得系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)三相電壓va、vb、vc及三相電流ia、ib、ic的變化曲線,基于AKAGIH的瞬時(shí)功率理論在時(shí)域中分析其有功功率,并采用Clark變換推導(dǎo)有功功率的功率波動(dòng)量,定義功率波動(dòng)率以衡量含脈沖負(fù)載獨(dú)立直流微電網(wǎng)功率波動(dòng)的大小,為提高電能質(zhì)量、儲(chǔ)能容量的配置提供新思路。
微電網(wǎng);脈沖負(fù)載;瞬時(shí)功率理論;功率畸變率
脈沖型功率負(fù)荷是一種典型的非線性負(fù)荷[1]。脈沖周期通常為幾十或幾百毫秒,當(dāng)它作用于小容量微電網(wǎng)時(shí),會(huì)引起輸電線路中的功率大幅波動(dòng),致使電能質(zhì)量降低,甚至一些敏感負(fù)荷無(wú)法正常工作[2]。平抑波動(dòng)功率是削弱脈沖負(fù)載對(duì)微電網(wǎng)沖擊性的關(guān)鍵,如何確定有功功率的波動(dòng)量是研究的重點(diǎn)。
1983年AKAGI H針對(duì)非正弦電壓且包含非線性負(fù)載的電力系統(tǒng)提出三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論,此后經(jīng)過(guò)不斷的研究逐漸完善,突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義,它包容了傳統(tǒng)的無(wú)功功率理論,具有更廣泛的適用范圍[3]。
本文依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)搭建柴油機(jī)-整流器-脈沖負(fù)載微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),測(cè)得交流側(cè)功率數(shù)據(jù),并分析脈沖負(fù)載對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行特性的影響。忽略交流頻率畸變,基于AKAGI H的瞬時(shí)功率理論在時(shí)域上推導(dǎo)了含脈沖負(fù)載的電力系統(tǒng),在非正弦條件下的三相有功功率及有功功率波動(dòng)量,并定義功率偏差率,以反映實(shí)際功率畸變的程度。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,對(duì)比分析了系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下的功率偏差率,驗(yàn)證所提指標(biāo)的合理性。
脈沖負(fù)載條件下準(zhǔn)確度量有功功率的畸變程度,對(duì)確定系統(tǒng)需要配置儲(chǔ)能補(bǔ)償?shù)娜萘坑袑?shí)際的意義,一方面可以按需供給避免浪費(fèi),另一方面可以避免因儲(chǔ)能配置不足而造成的系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定[4]。為衡量交流側(cè)單相功率的波動(dòng)情況,本文從時(shí)域分析的角度定義功率波動(dòng)率,定義如下:
(1)
式中:p(t)為交流側(cè)單相瞬時(shí)功率;pr(t)為單相瞬時(shí)功率的參考功率;td為脈沖負(fù)載條件下單相電壓的變換周期與脈沖負(fù)載周期的最小公倍數(shù);ti為以td為差的等差數(shù)列,ti=ti-1+td;N為以td為周期的畸變功率波形的周期數(shù)。
在脈沖負(fù)載周期性作用下,交流側(cè)功率的波動(dòng)也呈周期性變化,并且任意時(shí)刻功率波動(dòng)具有隨機(jī)性,故采用標(biāo)準(zhǔn)差表示[5]。為了在時(shí)域范圍內(nèi)全面地反映出交流功率的波動(dòng)情況,td的選取應(yīng)兼顧交流電壓的額定周期和脈沖負(fù)載的脈動(dòng)周期,這樣才能將交流功率在任意時(shí)刻的畸變情況考慮全面,因而本文td為脈沖負(fù)載工作周期與交流電壓額定周期的最小公倍數(shù)。
pR為交流側(cè)單相參考功率,為了能夠準(zhǔn)確反映功率波動(dòng)的程度,參考功率pR的選取應(yīng)盡可能還原出交流功率的實(shí)際輸出特性[6]。本文不考慮頻率畸變的影響,采用柴油機(jī)帶與脈沖負(fù)載峰值功率相等的線性負(fù)載時(shí)交流側(cè)的單相功率作為理想?yún)⒖脊β省?/p>
因此在某種峰值功率、占空比、周期的脈沖負(fù)載條件下,可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得交流側(cè)各相電壓、電流,進(jìn)而通過(guò)上述定義式計(jì)算出功率波動(dòng)率δp、功率波動(dòng)率δp反映功率整體波動(dòng)情況,包括有功功率和無(wú)功功率兩部分。如何在已知功率波動(dòng)率δp的情況下確定儲(chǔ)能需配置的容量,即有功功率的波動(dòng)分量,是下一節(jié)主要討論的問(wèn)題。
在非正弦條件下進(jìn)行電力系統(tǒng)分析,傳統(tǒng)的功率理論已失效。本文基于AKAGI H的瞬時(shí)功率理論,采用Clark變換。在α-β坐標(biāo)系下分析其有功功率,設(shè)三相電路各相電壓、電流的瞬時(shí)值為:
(2)
(3)
式中:n表示諧波次數(shù);Vn、In分別為三相電壓、電流基波及第n次諧波的有效值,k=a,b,c;ω為角頻率;φkn、δkn分別為電壓、電流基波及第n次諧波的相角,k=a,b,c。將其變換αβ到坐標(biāo)系:
(4)
其中,xa、xb、xc可以為三相電壓或電流。將式(2)、(3)帶入式(4),可得vα、vβ及iα、iβ的表達(dá)式為:
(5)
(6)
功率可由下式計(jì)算:
(7)
p、q兩個(gè)功率都具有一個(gè)恒定分量和一個(gè)振蕩分量,由于瞬時(shí)功率可實(shí)現(xiàn)解耦控制,故本文單獨(dú)考慮有功波動(dòng)功率p的補(bǔ)償。
P可以分解成兩個(gè)分量的疊加:
(8)
(9)
(10)
在待補(bǔ)償功率采用負(fù)號(hào)的原因是為了強(qiáng)調(diào)補(bǔ)償器將輸出一個(gè)補(bǔ)償電流,而補(bǔ)償電流產(chǎn)生的功率與脈沖負(fù)載所吸收的不和需要的功率相反[7]。假設(shè)三相補(bǔ)償電流的abc坐標(biāo)系下的瞬時(shí)參考值ica、icb、icc,可通過(guò)從αβ坐標(biāo)系到abc坐標(biāo)系的反變換來(lái)計(jì)算,如下式所示:
(11)
(12)
由上述分析可知,在非線性負(fù)載條件下得到交流側(cè)的電壓、電流,可通過(guò)Clark變換計(jì)算出αβ坐標(biāo)系下有功功率的波動(dòng)量,進(jìn)一步通過(guò)Clark反變換求得三相待補(bǔ)償電流。
在工程中經(jīng)常采用柴油發(fā)電機(jī)組加整流器作為直流電源為移動(dòng)型脈沖負(fù)荷供電。以發(fā)電機(jī)組中同步機(jī)與柴油機(jī)的功率比、整流器濾波電容值表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù),以脈沖負(fù)載的峰值功率、開(kāi)關(guān)周期、占空比表示脈沖負(fù)載的工作模式[8]。本文依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)搭建了柴油機(jī)帶脈沖負(fù)載的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由標(biāo)稱功率30 kW、額定功率36 kW、頻率50 Hz的柴油機(jī)供電,通過(guò)整流器帶脈沖負(fù)載工作。整流器濾波電容為4 000 μF,平波電抗為0.125 mH[9]。負(fù)載采用IGBT控制電阻通斷模擬脈沖負(fù)載,脈沖負(fù)載周期為56 ms,峰值功率、占空比可根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖1 柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
3.1δp隨占空比變化關(guān)系
選擇脈沖負(fù)載峰值功率30 kW、周期56 ms的脈沖負(fù)載,調(diào)整占空比從0.1變化到1,得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算出功率波動(dòng)率如表1所示。
表1 改變占空比時(shí)DRV的變化
根據(jù)表1數(shù)據(jù)用SPSS軟件可以建立起功率波動(dòng)率隨占空比變化的線性回歸模型如下式所示:
δp=0.213 4+0.144 7D-0.079 4D2+0.047 6D3
(13)
根據(jù)上式擬合出δp隨D變化的曲線如圖2所示。可以看出,當(dāng)脈沖型功率負(fù)載峰值功率、周期確定,僅改變其占空比時(shí)功率波動(dòng)率δp隨著占空比的增加而呈現(xiàn)線性遞增的關(guān)系。
圖2 功率波動(dòng)率隨占空比變化曲線
3.2δp隨峰值功率變化關(guān)系
占空比為0.4時(shí)改變峰值功率,計(jì)算得δp如表2所示。
表2 δp隨峰值功率PL的變化
根據(jù)表2用SPSS軟件可建立起功率畸變率隨峰值功率變化的線性回歸模型如下式所示:
(14)
進(jìn)而擬合出功率畸變率隨峰值功率的變化曲線,如圖3所示。
圖3 功率波動(dòng)率隨峰值功率變化曲線
從圖3可以看出,隨著脈沖負(fù)載峰值功率的增大,交流側(cè)功率波動(dòng)率明顯增大,這與實(shí)際情況相吻合。
脈沖型功率負(fù)載的運(yùn)行模式由工作周期、占空比、峰值功率三個(gè)參數(shù)決定,當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)中含有脈沖型功率負(fù)載時(shí),交流側(cè)單相有功功率將發(fā)生大幅波動(dòng),改變脈沖負(fù)載的運(yùn)行模式,將不同程度地引起有功功率波動(dòng)。
本文首先依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)搭建柴油機(jī)-整流器-脈沖負(fù)載微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),測(cè)得交流側(cè)功率數(shù)據(jù)。忽略交流頻率畸變,基于AKAGI H的瞬時(shí)功率理論在時(shí)域上推導(dǎo)了含脈沖負(fù)載的電力系統(tǒng)在非正弦條件下的三相有功功率及有功功率波動(dòng)量,并定義功率偏差率,以反映實(shí)際功率畸變的程度。通過(guò)改變脈沖負(fù)載占空比、峰值功率對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,對(duì)比分析了系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下的功率偏差率,驗(yàn)證了所提方法的合理性。
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2017-04-22)
亢夢(mèng)婕(1993-),女,碩士,主要研究方向:含脈沖負(fù)載的獨(dú)立直流微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能容量配置。
徐曄(1964-),女,碩士,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向:新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)。
王金全(1964-),男,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)。
Study on the method of measuring power distortion rate under nonlinear load
Kang Mengjie, Xu Ye, Wang Jinquan, Yan Haojie, Chen Kai
(PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)
For the independent microgrid with non-linear load, the impact of the load on the system can cause serious damage to the power. How to reflect the size of the impact and determine the distortion of power is a problem to be solved quickly in the development of micro-grid. For the independent DC microgrid with pulse load, the frequency distortion is neglected, the active power and the fluctuation amount under non-sinusoidal condition are deduced, and the size of the power fluctuation is studied. The curves of the three-phase voltageva,vb,vcand the three-phase currentia,ib,icwere measured according to the relevant standard. The microgrid test platform was designed based on the AKAGIH’s instantaneous power theory in the time domain analysis of its active power, and Clark transform was used to derive the power of power fluctuations and define the power volatility to measure the pulse load independent DC microgrid power fluctuations in size. It provides new ideas for improving the power quality and energy storage capacity.
microgrid; pulsed load; instantaneous power theory; power distortion rate
TM912
A
10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.027
亢夢(mèng)婕,徐曄,王金全,等.非線性負(fù)載條件下衡量功率畸變率的方法研究J.微型機(jī)與應(yīng)用,2017,36(22):103-105,108.
網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)管理2017年22期