电力系统节能控制系统改进设计与实现

钟亮 施泉生

摘  要： 为了增加电力节能控制系统灵活性，达到将测试能量高质量反馈回电力系统的目的，对现有电力系统节能控制系统进行改进设计。通过负载电路结构、框架的完善，完成电力节能控制系统PEL并网变换器的改进;通过直流电压谐波分析、均值滤波变换器设计、前馈控制，完成馈网变换器设计。模拟线性负荷直流电压分量波形设计对比实验，结果表明，应用改进后电力系统节能控制系统，增强前馈控制对效果波形的影响及均值滤波实际效果，达到将测试能量高质量反馈回电力系统的目的。

关键词： 电力系统; 节能控制; PEL并网变换器; 谐波分析; 前馈控制; 系统设计

中图分类号： TN624?34; TP311                  文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2018）10?0136?04

Abstract： To increase the flexibility of power energy?saving control system and achieve the purpose of feeding back the testing energy to the power system with high quality， an improved design of the existing power system energy?saving control system is conducted. The improvement of PEL grid connection converter for the power energy?saving control system is accomplished by means of the structure and architecture improvement of the load circuit. The design of feedback network converter is completed by means of harmonic analysis of DC voltage， the design of mean filtering converter， and feed?forward control. The contrast experiment was designed by simulating the component waveforms of linear load DC voltage. The results show that the improved power system energy?saving control system can increase the influence of feed?forward control on effect waveforms and the actual effect of mean filtering， and achieve the purpose of feeding the testing energy back to the power system with high quality.

Keywords： power system; energy?saving control; PEL grid connection converter; harmonic analysis; feed?forward control; system design

0  引  言

现有电力节能控制系统，依据模糊PID原理，通过机理分析方法，确定电力系统中节能被控对象使用的数学模型。模糊PID原理是在混沌蚁群算法的基础上，对量化因子和比例因子进行优化，进而使系统在高效运行的同时，达到节能的效果[1]。但这种方式不能将测试能量高质量反馈回电力系统，且系统整体灵活性较差。为了改善此问题，对原有电力节能控制系统的PEL并网变换器进行改进。PEL并网变换器是控制电力电子负载的重要组成部分，且通过负载电路结构的改进、模型框架的改进，可全面掌握电力电子负载的工作情况。为了增强电力节能控制系统的灵活性，设计馈网变换器，通过直流电压谐波分析、均值滤波变换器设计、前馈控制三阶段，完善电力节能控制系统馈网变换器设计过程。为了验证改进后系统的实用性价值，模拟线性负荷直流电压分量波形，测量前馈控制对效果波形的影响、前馈控制对均值滤波实际效果。通过实验结果证明，应用改进后电力系统节能控制系统，可达到将测试能量高质量反馈回电力系统的目的。

1  电力节能控制系统PEL并网变换器的改进

1.1  PEL并网变换器负载电路结构

PEL并网变换器负载电路由输入模拟变换器、直流环节、输出并网变换器三部分组成[2]。

其中输入模拟变换器可根据电力电子负载特点，分析母线电压在直流情况下的谐波产生机理。根据所得谐波产生机理，消除谐波抑制对控制系统指令发布造成的影响[3]。完成上述处理后，电力电子流入直流环节，在此阶段，通过变换输入电压，有效控制电力电子的前馈控制对系统造成的影响[4]。流出直流环节后，到达输出并网变换器，在此阶段，持续改善电力电子的动态特性，提高馈网控制系统产生的功率因数。具体负载电路结构如图1所示。

1.2  PEL并网变换器框架结构

经过输入模拟变换器、直流环节、输出并网变换器三步转换的电力电子，具有较高的内环电流与外环电压[5]。电力电子流经锁相环后，到达指令信号发生器，再经过正负电极表，到达电感电流内环控制器。此时，流经第二个正负电极表，经过第二个正负电极表对电力电子电压的转换后，流向第三个正负电极表[6]。至此，PEL并网变换器，完成在电力节能控制系统中的全部工作[7]。PEL并网变换器框架结构如图2所示。

2  电力节能控制系统馈网变换器的设计

电力系统节能控制系统的改进与设计，依靠PEL并网变换器的改进、馈网变换器的设计两部分共同完成[8]。上述过程完成PEL并网变换器的改進，馈网变换器设计具体步骤如下。

2.1  馈网变换器直流电压谐波分析

设电力节能控制系统实际输入电压为[u]，实际输入电流为[i]，目标输入电压为[u1]，目标输入电流为[i1]，馈网变换器直流阶段功率因数为-1。则馈网变换器直流电压谐波分析可表示为：

2.2  均值滤波变换器设计

电力节能控制系统馈网变换器，在正常工作情况下，产生成分较为复杂的谐波[9]。在低通滤波器不能满足宽范围谐波抑制需要时，馈网变换器会随着截止频率的降低，而产生小阶数的馈网滤波。为了防止此现象的出现，在原有电力节能控制系统的基础上，增设均值滤波变换器[7]。ZOH1和ZOH2为两台零阶保持器，根据上述过程，均值滤波变换器结构如图3所示。

2.3  馈网变换器前馈控制

上述过程描述了馈网变换器前馈控制意义，其具体框架结构如图4所示。

3  实验结果与分析

3.1  参数设置

以一台整体电机容量为10 kV·A的电力电子发射器作为实验对象，该发射器的额定电网电压为220 V，额定直流电压为380 V，额定电网频率为79 Hz，负载开关的频率为1.28×104 Hz，负载输入、输出电感分别为1.7 mH，3.4 mH，最大直流电容为4.7×103 μF。详细参数设定如表1所示。

规定电力电子发射器参数后，打开发射器。在低频率情况下，分别检测应用电力系统节能控制系统前、后，前馈控制对效果波形的影响;再在高频率情况下，分别检测应用电力系统节能控制系统前、后，前馈控制对效果波形的影响。

3.2  均值滤波实际效果对比

均值滤波实际效果可反应测试能量反馈回电力系统的质量。若均值滤波实际效果越密集，则测试能量反馈回电力系统的质量越高，反之则越低。在低频率情况下，分别检测应用电力系统节能控制系统前、后，均值滤波实际效果;再在高频率情况下，分别检测应用电力系统节能控制系统前、后，均值滤波实际效果。具体检测结果如图5、图6所示。

分析图5可知，在低频率下，应用电力系统节能控制系统前，均值滤波实际效果分布散乱，重合部分较少;应用电力系统节能控制系统后，均值滤波实际效果分布集中，出现较多重合部分。分析图6可知，在高频率下，应用电力系统节能控制系统前，均值滤波实际效果分布散乱，重合部分较少;应用电力系统节能控制系统后，均值滤波实际效果分布集中，出现较多重合部分。均值滤波实际效果越密集，代表测试能量反馈回电力系统的质量越高。所以，证明应用电力系统节能控制系统，增强均值滤波实际效果，促使测试能量高质量反馈回电力系统。

4  结  语

本文成功完成了电力系统节能控制系统的改进与设计，通过增设均值滤波变换器的方式，保证改进后系统的顺利运行。通过设计对比实验的方法，证明应用改进后电力系统节能控制系统，确实具有促使测试能量高质量反馈回电力系统的作用。

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