基于变分模态分解的低电压电能扰动抑制系统设计

谭晓虹，李小伟，黄柳军，张俊成，陶毅刚

（广西电网有限责任公司电网规划研究中心，广西南宁 530022）

电力系统在运行过程中存在电能质量问题，电压的高低直接影响电能的使用效率，低电压故障的主要原因通常为线路抗阻大、网架结构薄弱，低压电故障发生后，产生了电能质量扰动问题，因此解决低电压电能扰动问题一直是电能使用效率中的重要研究方向。

为解决电能低电压所带来的影响，文献[1]提出了电能质量扰动系统设计，以电能质量扰动为机理，减小配电压电阻过大的问题，使用电力电子质量扰动系统对低压配网三项不平衡问题进行治理，但该方式只能解决三相不平衡问题，对于其他原因导致的低电压效果并不好，因此不适用于治理低电压问题。文献[2]提出了综合治理装置方法，通过建立串联调制电路来解决过载问题，但该方式非常复杂、费用较高，不适用于大面积普及。

变分模态分解是一种信号分解估计方式，为了满足居民生活对用电质量提出的高要求，该文结合变分模态分解设计了基于变分模态分解的低电压电能扰动抑制系统。

1 系统硬件设计

该装置为电能质量扰动治理装置，其中包括网侧电流互感器、状态反馈控制器、状态观测器、光伏并网逆变器四种部件。系统硬件结构如图1所示。

图1 低电压电能扰动抑制系统硬件结构

该文设计的电能质量扰动治理装置的主电路采用基于IGBT 的二极管三电平电路拓扑，该电路的阻抗性很好，发生谐振的概率极低[3-4]。使用DSP+CPLD 作为电能质量扰动治理装置的控制系统[5-6]，通过网侧传感器对电流数据进行监测，提取电能内部质量数据，实现数据抑制。

1.1 网侧电流互感器

网侧电流互感器的作用是测量低电压运行过程中的交变电流，设计系统中使用DPS8279-1238 型网侧电流互感器，该互感器使用寿命长，测量电流数据精准，并起到变流与电气隔离的作用。网侧电流互感器通过识别电流的大小产生一系列相关电流数据，并传输给DSP+CPLD 控制系统[7]，实现低电压运行状态判定。

1.2 状态反馈控制器

状态反馈控制器型号为SY182380-297 型，该状态反馈控制器的优点为耐用性高，反馈精准，价格低。状态反馈控制器主要由受控对象（电流与电压）与内部模型组成，使用线性二次型最优调节方式，利用能量最小化原理实现对电流与电压状态的实时识别[8-9]，并反馈给DSP+CPLD 控制系统。

1.3 状态观测器

状态观测器选用DSO-1923 型，该状态观测器的体积小、观测精准度高、耐用性强。状态观测器的主要作用为观测实时电路以及低电压状态下的电能扰动情况，并将观测情况转化为数据信息，传输给状态反馈控制器，并由状态反馈控制器反馈给控制系统。

1.4 光伏并网逆变器

光伏并网逆变器选择的是DHG-12938 型，其主要作用为保证直流母线电压的稳定，并额外建立电流环实现对功率的控制。光伏并网逆变器电路如图2 所示。

图2 光伏并网逆变器电路图

根据图2 可知，逆变器采用双环结构，该文重点分析了电流内环，实现有功功率与无功功率的分离操控。其工作原理为采集直流电压后，通过比较直流电压与定值得到误差信号，再经过调节器得到输出电流的指定值，将该值进行逆变[10-11]，即可得到驱动信号。

2 系统软件设计

控制系统接收到驱动信号后，便需要软件系统对低电压电能进行扰动抑制，以此解决低电压电能的问题，因此，该文设计了基于变分模态分解的低电压电能扰动抑制系统软件，分为低电压电能扰动因子提取程序和低电压电能扰动抑制程序[12]。

2.1 低电压电能扰动因子提取程序

为了准确提取低电压电能扰动因子，设计低电压电能扰动因子提取算法，通过变分模态分解将信号频域进行拆分，分离扰动因子信号。低电压电能扰动因子提取算法为：设电能首端电压为V1；末端电压为V2；线路抗阻为R。低压电路的首端电压V1的计算公式如式（1）所示：

其中，P表示低电压功率。得到该关系后，即可通过变分模态分解对低电压电能的扰动因子n进行提取：

其中，β为变分模态分解系数，提取出扰动因子后，对扰动因子进行判定，以最大功率点为分界对扰动因子进行分析，在分界点左侧，设k-1 时刻的输出电压为U(k-1)、输出功率为P(k-1)，对该时刻施加扰动，则输出电压U=U(k)、输出功率P=P(k)，若U(k)＞U(k-1)、P(k)＞P(k-1)，则扰动因子提取正确。

判断出扰动因子后，对扰动因子进行分析，扰动因子共有三种类型：无功、谐波、三相不平衡[13]。因此，主要针对于无功的低电压电能扰动进行抑制。

2.2 低电压电能扰动抑制程序

提取扰动因子后，需要进行扰动因子的分离，以此达到低电压电能的扰动抑制。因此该文设计了低电压电能扰动抑制程序，通过抑制程序对信息进行治理，集中处理相关信息，通过扰动抑制程序，提高低电压电能的抑制效果，抑制程序工作流程如图3所示。

图3 低电压电能扰动抑制程序工作流程

低电压电能扰动抑制程序利用无功补偿降低电压[14-15]，设低电压电能某位置B 的电压为V3，补偿的无功为Q，通过无功补偿后，有以下公式：

其中，δ表示补偿系数[16]。以此，完成低电压电能扰动抑制程序。通过分离扰动因子，抑制低电压电能的扰动，扰动抑制程序使得电路系统的无用功得以消除，以此提升电路电压，解决由无功引起的低电压电能扰动的问题。

3 实验研究

为了验证该文设计的基于变分模态分解的低电压电能扰动抑制系统的实际应用效果，选用该文研究的抑制系统（方法1）和基于电能质量扰动抑制的配电网低电压治理方法（方法2）、基于低压配电台区运行特性的储能控制策略（方法3）进行实验对比。

选用的实验试点为某供电公司低电压云台，设置的供电线路如图4 所示。

图4 供电线路示意图

根据图4 的供电线路进行实验，分析在出现低电压扰动状态下三种抑制系统的抑制效果，如图5所示。

图5 不同系统抑制结果

对图5 抑制结果进行分析，分别记录故障发生时刻和故障清除时刻的性能指标，得到的实验结果如下：故障发生时刻为0.5 s，系统性能指标如表1所示。

表1 故障发生时刻性能指标

根据表1 可知，在故障发生时刻，电压系统会产生较大的波动，三种系统都具备一定的抑制能力，但是方法1 的抑制效果更好，方法3 的抑制能力最弱，需要花费0.15 s 才能达到稳定状态。该文研究的系统针对于三相不平衡所引起的低电压电能进行分析，确定三相电压出现隔值不同、相角不对称的情况所导致，通过扰动抑制来恢复三相电压，并由光伏并网逆变器来稳定三相电压。谐波所引起的低电压电能主要因为电能扰动太频繁所导致，因此，在解决谐波所引起的低电压电能时，需要通过低电压电能扰动抑制程序单独运行，使电路不发生扰动。

故障清除时刻为0.9 s，性能如表2 所示。

表2 故障清除时刻性能指标

在故障清除时刻，该文设计的抑制系统抑制效果要优于对比系统，能够在短时间内达到稳态，同时该文设计系统在抑制过程中不会产生脱网现象，能够更好地完成低电压穿越工作。

综上所述，该文设计的抑制系统具有较好的扰动抑制能力，在运行过程中不会出现脱网现象，能够尽快达到稳态值，具有极大的应用优势。

4 结束语

电能是人类宝贵的二次能源，虽然电能可以再生，但也是由各类珍贵的一次能源而来，因此，对于高效利用电能一直是电能领域的重要研究方向之一，针对低电压电能质量扰动问题，该文提出了基于变分模态分解的低电压电能扰动抑制程序，可以有效地解决不同原因引起的低电压电能质量扰动问题，可为相关学者该方面的后续研究提供参考。