張勁波，顏磊，石建，黃曉予，楊迪珊，嚴通煜

（國網福建省電力有限公司經濟技術研究院，福建 福州 350012）

光儲直流微電網是目前應用范圍較廣、技術較為先進的微電網之一[1-2]，但其內部結構較為復雜，電力系統(tǒng)在運行的過程中伴隨著復雜的電磁振蕩過程，微電網因為電力系統(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)光儲直流微電網接地抗干擾變得極為重要。為此，如何在不同電壓擾動中預防與控制光儲直流微電網接地干擾成為當前微電網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，所得研究結果相對不足[3]。分析當前使用率較高的幾種抗干擾技術可知，大部分抗干擾技術無法實現(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，在不同電壓擾動下控制光儲直流微電網接地過程進行，保證微電網的運行效果。為保證此技術具有相應的應用效果，在技術研發(fā)完成后，對其進行仿真測試，以保證技術研發(fā)成果的有效性。

1 不同電壓擾動下光儲直流微電網接地抗干擾技術設計

1.1 光儲直流微電網模型構建

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

圖1 并網變換器基礎框架Fig.1 Basic framework of grid connected converter

圖 1 中，ed，eq，id，iq分別表示微電網中運行、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經過并網交換器后可轉化為微電網接地控制信號。根據(jù)此基礎框架，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為微電網電流環(huán)傳遞系數(shù)。

簡化上述公式，并將其整合為微電網接地典型的Ⅰ型系統(tǒng)，則有：

根據(jù)式（4）可得到微電網的閉環(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，將微電網的相關數(shù)據(jù)代入此公式中，可得到微電網接地過程中的電流傳遞函數(shù)。根據(jù)此函數(shù)完成微電網模型的構建工作，并為后續(xù)的研究提供環(huán)境基礎。

1.2 設計電壓擾動信號檢測算法

在微電網接地的過程中，會產生大量的電壓擾動信號影響電網的電力信號輸出結果。為此，以上文構建的微電網模型為基礎，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計基礎。將信號中全部的參數(shù)轉化為飛鳥的形式，根據(jù)適應度函數(shù)以及優(yōu)化函數(shù)，得到最優(yōu)參數(shù)。

設定微電網中全部的信號參數(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，應對微電網中的信號進行大規(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，導致計算過程耗時較長。針對此問題，在本次研究中引入學習因子優(yōu)化公式，通過線性函數(shù)動態(tài)調整慣性權重系數(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)。

在光儲直流微電網處理過程中，β的取值結果為1～1.5。如式（8）的取值結果在預設區(qū)間內，使用此取值結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)微電網接地抗干擾

在上文中完成了微電網模型的構建以及電壓擾動信號的捕捉工作。根據(jù)兩部分設計結果，在本環(huán)節(jié)中完成微電網接地干擾控制方法設計。考慮到微電網接地方面的性能要求，在微電網接地的過程中增設一根保護接地線，將其與微電網關鍵設備連接，在保證電流流動的情況下，將原有的接地模式轉換為混合接地[12-13]的形式，具體如圖2所示。

圖2 微電網混合接地模式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。針對當前微電網接地抗干擾技術在使用中的不足，在本次研究中將主要處理微電網交流回路中的干擾信號[14-15]。設定Uh1為微電網接地過程中產生的干擾電壓，Uh2為變壓器耦合得到的干擾電壓，則有：

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

若z=0，則此時的干擾電壓表示為

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

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接地抗干擾技術在不同電網擾動下的使用效果，在Matlab軟件中搭建光儲直流微電網模型，并通過Matlab軟件對新型光儲直流微電網接地抗干擾技術進行編寫。在光儲直流微電網日常工作中，采樣頻率設定為 3 kHz，2.5 kHz，1 kHz，即電網輸出信號的60，30，15倍，目前在光儲直流微電網的實際應用過程中，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的高采樣頻率構建了信號處理器，此處理器具有良好的應用性能。因此，在本次研究中可將實驗中輸出的電壓設定為多種形式，完成實驗的對比過程。本次仿真測試開始前，根據(jù)上述設定內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（記作技術1）、配電參數(shù)抗干擾技術（記作技術2）與所提技術進行對比。同時，將實驗環(huán)境設定為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的使用效果分析工作。

2.2 穩(wěn)態(tài)條件下電網接地仿真測試

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

設定在工頻穩(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種技術輸出的微電網信號波動較為一致，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種技術均可得到較為穩(wěn)定的微電網信號輸出結果，起到電壓擾動信號控制作用。

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

2.3 低頻電壓下電網接地仿真測試

在實際的光儲直流微電網工作環(huán)境中，必然會存在干擾噪聲，尤其微電網處于強電磁環(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工作狀態(tài)中的電壓，將電網電壓整體下調5%。同時，采用所提技術與技術1及技術2對此環(huán)境下的微電網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2由于電壓下調的影響嚴重失真，技術1使用后輸出的信號波形相對技術2更平穩(wěn)一些，失真程度較低。綜合上述分析結果可知，在低頻電壓條件下，所提技術的使用效果較好。

2.4 高頻電壓下電網接地仿真測試

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

由圖6可知，在高頻電壓環(huán)境中，不同的抗干擾技術使用后微電網輸出信號差異較大。所提技術使用后，微電網輸出信號與穩(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1使用后微電網輸出信號波形發(fā)生大幅度變化，存在大量的干擾信號；技術2在此測試環(huán)境中并未起到應有的抗干擾作用。由此，可以確定在此測試環(huán)境中，所提技術可起到抗干擾作用。

圖6 高頻電壓下微電網接地穩(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種抗干擾技術的使用效果。為了對上述3種技術在使用中差異性具有更加全面的分析，在本次測試中增設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生奇次諧波導致微電網輸出信號發(fā)生畸變，為驗證3種測試技術可對此部分干擾進行處理，在穩(wěn)態(tài)測試環(huán)境的基礎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的幅值計算比差，具體結果如表1所示。

表1 不同抗干擾技術幅值計算比差匯總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，所提技術可以較好地滿足此規(guī)定中的要求，其他兩種技術無法滿足此規(guī)定要求。此外，在對微電網接地過程展開抗干擾處理時，基波的準確度要求相對較高，所提技術可以有效提升基波的分析精度，降低基波誤差，保證微電網免受干擾，使用優(yōu)勢更加明顯。

2.6 實驗結果討論

在光儲直流微電網的應用過程中，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接地抗干擾技術。同時，選擇了兩種當前使用率較高的抗干擾技術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)境設定為3種不同的電壓狀態(tài)，以此驗證文中提出的技術具有一定的研究價值。經過多次測試，證實了此技術在不同的電壓擾動下可有效完成微電網接地的抗干擾處理，且在多種測試技術中，是使用效果最佳的抗干擾技術。

3 結論

光儲直流微電網中回路較多，系統(tǒng)結構較為復雜，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工作環(huán)境的要求逐漸提升，微電網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，并通過仿真測試證實此技術具有一定的科學性，可將其應用到實際工作中。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優(yōu)化與完善文中提出的抗干擾技術。