不同电压扰动下光储直流微电网接地抗干扰技术

张劲波，颜磊，石建，黄晓予，杨迪珊，严通煜

（国网福建省电力有限公司经济技术研究院，福建 福州 350012）

光储直流微电网是目前应用范围较广、技术较为先进的微电网之一[1-2]，但其内部结构较为复杂，电力系统在运行的过程中伴随着复杂的电磁振荡过程，微电网因为电力系统电压的波动，极易受到干扰。如何在不同电压扰动下实现光储直流微电网接地抗干扰变得极为重要。为此，如何在不同电压扰动中预防与控制光储直流微电网接地干扰成为当前微电网管理工作需要解决的首要问题。

在电力系统集成发展的过程中，电力信号抗干扰技术的研究成为研发人员必须面对的困境。在以往的研究中，由于我国电力系统发展相对较慢，所得研究结果相对不足[3]。分析当前使用率较高的几种抗干扰技术可知，大部分抗干扰技术无法实现在不同电压环境中完成干扰信号的处理工作。文献[4]中提出了一种基于信干比角度的抗干扰分析方法，此方法在应用过程中取得了一定的抗干扰作用，但在不同电压扰动下使用效果差异性较大。文献[5]提出了一种电网静态安全条件下可使用的抗干扰控制方法，此方法与上述方法具有相同的应用问题。针对此情况，在本次研究中研发一种新型抗干扰技术，在不同电压扰动下控制光储直流微电网接地过程进行，保证微电网的运行效果。为保证此技术具有相应的应用效果，在技术研发完成后，对其进行仿真测试，以保证技术研发成果的有效性。

1 不同电压扰动下光储直流微电网接地抗干扰技术设计

1.1 光储直流微电网模型构建

在本次研究中，为了更好地完成抗干扰技术设计工作，首先构建光储直流微电网模型，为后续的技术提出与应用提供平台。然后确定在接地工作中使用较广的微电网设备为并网变换器[6-7]。因此，本次研究将主要构建此设备模型。并网变换器基础框架如图1所示。

图1 并网变换器基础框架Fig.1 Basic framework of grid connected converter

图 1 中，ed，eq，id，iq分别表示微电网中运行、热备用、冷备用和检修的交直轴分量；ud，us表示整流器输入电压，ud，us经过并网交换器后可转化为微电网接地控制信号。根据此基础框架，可得到dq整流器输出电压u'd，u'q为

式中：Kd，Kq为输出稳态整流器电流分量；Rd，Rq为整流器电阻序号分量；α为变压系数。

通过式（1）可知，dq整流器中存在变量相互耦合情况，在实际中对其进行控制较为困难。为此在正常运行时，需要在其中安装电流控制器，则此整流器的电压控制方程可表示为

式中：lis为电流内环的比例系数；lii为控制过程中的积分系数；s表示模糊识别参数；i'd，i'q为稳态电流。

式中：Gdq为微电网电流环传递系数。

简化上述公式，并将其整合为微电网接地典型的Ⅰ型系统，则有：

根据式（4）可得到微电网的闭环传递函数，具体公式为

整理上述公式可得到整流器的电流传递计算公式，将微电网的相关数据代入此公式中，可得到微电网接地过程中的电流传递函数。根据此函数完成微电网模型的构建工作，并为后续的研究提供环境基础。

1.2 设计电压扰动信号检测算法

在微电网接地的过程中，会产生大量的电压扰动信号影响电网的电力信号输出结果。为此，以上文构建的微电网模型为基础，选用粒子群优化算法（particle swarm optimization，PSO）[9-10]作为电压扰动信号检测算法的设计基础。将信号中全部的参数转化为飞鸟的形式，根据适应度函数以及优化函数，得到最优参数。

设定微电网中全部的信号参数粒子为ai∈D，每个参数粒子的初速度为vi，则微电网接地过程中信号粒子更新公式可表示为

式中：Zi(t)为微电网接地过程中信号粒子；vi(t)为第i个信号粒子的传播速度。

在式（6）中引入惯性权重系数β以及加速度系数ε1,ε2后，信号传播速度公式可优化为

式中：Zid为信号粒子个体极值的第d维；Zjd为全局信号均值的第d维。

根据上述公式可知，在电压扰动信号捕捉过程中，加速度系数、惯性权重系数以及信号粒子的传播速度对信号捕捉算法的影响较大[11]。若信号粒子维度取值为d时，应对微电网中的信号进行大规模取样，增加算法的可靠性。但当信号粒子采样率较高时，信号捕捉算法的计算效率会受到影响，导致计算过程耗时较长。针对此问题，在本次研究中引入学习因子优化公式，通过线性函数动态调整惯性权重系数β。优化后β计算公式可表示为

式中：βmax，βmin分别为惯性权重系数β的最大值与最小值；Tmax为最高次迭代次数；t为当前计算环节所处的迭代次数。

在光储直流微电网处理过程中，β的取值结果为1～1.5。如式（8）的取值结果在预设区间内，使用此取值结果完成电压扰动信号检测，确定电压扰动信号类型以及传输范围。

1.3 实现微电网接地抗干扰

在上文中完成了微电网模型的构建以及电压扰动信号的捕捉工作。根据两部分设计结果，在本环节中完成微电网接地干扰控制方法设计。考虑到微电网接地方面的性能要求，在微电网接地的过程中增设一根保护接地线，将其与微电网关键设备连接，在保证电流流动的情况下，将原有的接地模式转换为混合接地[12-13]的形式，具体如图2所示。

图2 微电网混合接地模式Fig.2 Microgrid hybrid grounding mode

混合接地模式是一种融合了单点接地与多点接地优点的新型接地方式。根据此接地模式，将微电网的接地线分为电源地、信号地、屏蔽地3类，全部的地线都与总地线相连接，其信号均为总地线输出，以此模式克服电压扰动信号对微电网输出信号的影响。

在确定接地模式后，还需要处理其输出信号。针对当前微电网接地抗干扰技术在使用中的不足，在本次研究中将主要处理微电网交流回路中的干扰信号[14-15]。设定Uh1为微电网接地过程中产生的干扰电压，Uh2为变压器耦合得到的干扰电压，则有：

式中：z为微电网接地过程中产生的阻抗；C为回路中的电容；U20为回路输出的电压；根据相关要求，X为微电网理想接地状态值。

若z=0，则此时的干扰电压表示为

根据式（10）可控制微电网中的电容分布情况，并以此实现微电网接地干扰的控制工作。对上文中提出内容进行整理与分析，将其与当前使用的抗干扰技术相结合，至此，不同电压扰动下光储直流微电网接地抗干扰技术理论设计部分完成。

2 仿真测试分析

2.1 测试环境搭建

为精准分析光储直流微电网接地抗干扰技术在不同电网扰动下的使用效果，在Matlab软件中搭建光储直流微电网模型，并通过Matlab软件对新型光储直流微电网接地抗干扰技术进行编写。在光储直流微电网日常工作中，采样频率设定为 3 kHz，2.5 kHz，1 kHz，即电网输出信号的60，30，15倍，目前在光储直流微电网的实际应用过程中，均采用3 kHz。在本次研究中为提高信号处理环节的精度，采用20 kHz的高采样频率构建了信号处理器，此处理器具有良好的应用性能。因此，在本次研究中可将实验中输出的电压设定为多种形式，完成实验的对比过程。本次仿真测试开始前，根据上述设定内容模拟输出了无扰动情况下的正常电力信号，其波形如图3所示。

图3 无扰动情况下电力信号波形Fig.3 Waveform of power signal without disturbance

由图3可知，在无扰动情况下，微电网电力信号输出波形符合正弦函数的要求，电力信号较为稳定，波动较小。在本次测试中，将此信号波形作为对照组，为测试结果分析过程提供参照物。选择当前使用率较高的相控阵体制抗干扰技术（记作技术1）、配电参数抗干扰技术（记作技术2）与所提技术进行对比。同时，将实验环境设定为3种不同电压输出频率，分别为：稳态条件、低频电压以及高频电压。测定在此环境中，完成对新型抗干扰技术的使用效果分析工作。

2.2 稳态条件下电网接地仿真测试

在本次测试中，首先获取稳态条件下微电网的信号输出情况，对微电网接地后的正常信号输出情况进行分析。

设定在工频稳定的情况下，电流信号幅值为1 000 A，初始相位为60°，输出理想信号为20 mV，相位为0。按照日常稳态运行采样率采样电网信号，得到稳态输出信号图，具体如图4所示。由图4可知，在稳态运行的环境下，3种技术输出的微电网信号波动较为一致，与无扰动情况下的信号输出波形较为一致，说明在稳态的情况下，3种技术均可得到较为稳定的微电网信号输出结果，起到电压扰动信号控制作用。

图4 微电网接地稳态信号输出波形Fig.4 Steady state signal output waveforms of microgrid grounding

2.3 低频电压下电网接地仿真测试

在实际的光储直流微电网工作环境中，必然会存在干扰噪声，尤其微电网处于强电磁环境或是工作状态波动较大时，干扰强度更高。为更加精确地模拟微电网工作状态中的电压，将电网电压整体下调5%。同时，采用所提技术与技术1及技术2对此环境下的微电网中的干扰信号进行处理，输出实际波形如图5所示。

图5 低频电压下微电网接地稳态信号输出波形Fig.5 Steady state signal output waveforms of microgrid grounding under low frequency voltage

由图5可知，随着采样点的不断增加，电压干扰对电力信号输出的影响增大。综合图2、图4可知，所提技术输出的电信号正弦波形与无扰动和稳态条件下的波形基本一致，技术2由于电压下调的影响严重失真，技术1使用后输出的信号波形相对技术2更平稳一些，失真程度较低。综合上述分析结果可知，在低频电压条件下，所提技术的使用效果较好。

2.4 高频电压下电网接地仿真测试

在本次测试中，将电网电压整体上调15%。并使用所提技术、技术1、技术2处理微电网接地过程中产生的干扰，处理后信号波形输出结果如图6所示。

由图6可知，在高频电压环境中，不同的抗干扰技术使用后微电网输出信号差异较大。所提技术使用后，微电网输出信号与稳态环境下输出信号波形较为一致，并未受到电压变化的扰动。技术1使用后微电网输出信号波形发生大幅度变化，存在大量的干扰信号；技术2在此测试环境中并未起到应有的抗干扰作用。由此，可以确定在此测试环境中，所提技术可起到抗干扰作用。

图6 高频电压下微电网接地稳态信号输出波形Fig.6 Steady state signal output waveforms of microgrid grounding under high frequency voltage

2.5 电力信号输出校验性能测试

在上述测试中确定了不同电压扰动下3种抗干扰技术的使用效果。为了对上述3种技术在使用中差异性具有更加全面的分析，在本次测试中增设一组电力信号校验性能测试。在实际工作中，不同的电压扰动下会产生奇次谐波导致微电网输出信号发生畸变，为验证3种测试技术可对此部分干扰进行处理，在稳态测试环境的基础上加入基波幅度大小为5%的3次、5次谐波信号，基波大小为15%的7～17次谐波信号，初始相位相同。使用3种抗干扰技术完成此测试过程，使用相同采样率的FFT算法对比不同抗干扰技术的幅值计算比差，具体结果如表1所示。

表1 不同抗干扰技术幅值计算比差汇总Tab.1 Summary of amplitude calculation ratio difference of different anti-interference technologies

根据相关规定，2次谐波下的测量误差不得超过1%，多次谐波下不得超过5%。按照此规定分析表1数据可知，所提技术可以较好地满足此规定中的要求，其他两种技术无法满足此规定要求。此外，在对微电网接地过程展开抗干扰处理时，基波的准确度要求相对较高，所提技术可以有效提升基波的分析精度，降低基波误差，保证微电网免受干扰，使用优势更加明显。

2.6 实验结果讨论

在光储直流微电网的应用过程中，如何消除接地过程中的信号干扰一直都是制约微电网发展的主要难题，也是电力工程现场问题中的难点。为此，在本次研究中提出了一种新型微电网接地抗干扰技术。同时，选择了两种当前使用率较高的抗干扰技术与其进行使用性能的对比分析。

在本次测试中，将仿真测试环境设定为3种不同的电压状态，以此验证文中提出的技术具有一定的研究价值。经过多次测试，证实了此技术在不同的电压扰动下可有效完成微电网接地的抗干扰处理，且在多种测试技术中，是使用效果最佳的抗干扰技术。

3 结论

光储直流微电网中回路较多，系统结构较为复杂，其所处工作环境也较为恶劣，电力系统的各种继电器保护装置对电网工作环境的要求逐渐提升，微电网中的电压干扰是影响电力系统正常运行的主要因素。为此，在本次研究中提出了一种针对多种电压扰动的抗干扰技术，并通过仿真测试证实此技术具有一定的科学性，可将其应用到实际工作中。本次研究中提出的方法主要针对电压扰动进行处理，并未处理其他扰动信号，为此，在日后的研究中还需要使用其他核心技术优化与完善文中提出的抗干扰技术。