【学术】面向多分布式电源的微电网分区电压质量控制

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智能电网教育部重点实验室（天津大学）的研究人员张玮亚、李永丽，在2014年第28期《中国电机工程学报》上撰文，电压不平衡和电压暂降是微电网中突出的电压质量问题。针对含单公共连接点（point of common coupling，PCC）和多PCC的微电网，提出一种基于下垂控制的面向多分布式电源（distributed generation，DG）的分区电压质量控制（zonal-voltage quality control，ZVQC）策略，将二次电压控制的思想引入DG 的本地控制，不仅改善了微电网正常运行时PCC 的电压质量，还可在微电网故障导致电压平衡跌落和不平衡跌落时能够支撑PCC 电压并改善其不对称度，实现微电网区域及全网电压质量改善。此外，给出微电网ZVQC的原则，讨论DG附加容量的规划方法，并给出ZVQC的实施方案。最后在PSCAD/EMTDC中建立IEEEP1547.4典型微电网拓扑，仿真验证了所提方案的有效性和可行性。

微电网中的分布式电源（distributedgeneration，DG）主要分为同步机型DG和逆变型DG两种。相较于同步机型DG，逆变型DG 采用全控的电力电子接口，具有巨大的性能优势：

首先，逆变型DG是一种有功、无功可控的微电源，能够实现电压、相角、输出功率等的灵活控制。其次，逆变型DG具有和有源电能质量治理装置一致的变流器拓扑，能够快速响应并实现自身调节，具备治理电能质量的潜力。更为重要的是，同步机型DG依靠原动机拖动转子形成旋转磁场切割定子绕组产生正序电压，其综合相量是一逆时针旋转的正序矢量，而逆变型DG可以通过控制系统虚拟出正序综合相量，负序综合相量以及任意高次谐波综合相量，多种综合相量可以根据控制目标灵活组合，使得逆变型DG可以成为具有并网发电、无功补偿、有源滤波等能力的一体化微电源，有选择地实现对功率因数、电压暂降、谐波等电能质量指标的定制，尤其适用于微电网[1-3]。

通常，微电网的电能质量问题主要反映为电压质量问题，其中电压不平衡和电压暂降的影响最为突出。对于一些电压敏感负荷，如感应电动机和功率转换器等，严重的电压不平衡会直接导致设备损坏。

造成微电网电压不平衡和电压暂降的原因主要有以下3个方面：1）微电网三相负载不平衡；2）使用大容量单相负载；3）可能出现的对称和不对称故障。针对低压系统中可能出现的对称和不对称故障，文献[3]提出了一种适用于微电网对称故障和不对称故障的自适应电压补偿方法，但是这种方法采用直接电流控制策略，在电压严重不平衡时可能会出现电流幅值大幅增长，造成DG的被迫退出或损毁。

针对微电网常态的电压不平衡抑制；文献[4]提到了一种将DG控制成负序导纳补偿微电网电压不平衡的方法。但是，这种方法在电压控制环节中引入扰动，影响了电压调节的准确性。针对这个问题，文献[5]提出了一种负序电压的直接补偿方法，但并未考虑负序无功在各个DG之间的分配问题，并且文献[5]中提到的方法针对DG输出端口的电压不平衡抑制，然而微电网公共连接点（point of commoncoupling，PCC）处的电压质量问题对负荷的影响更大。

国内在微电网电压质量控制方面的研究相对较少，目前针对微电网电压质量的控制存在以下问题：

1）缺少对DG 治理电压不平衡功能的研究，没有合理的多DG 电压不平衡治理方案；

2）DG的控制受制于多种不定因素，很难采用集中控制管理。并且伴随微电网的发展，出现了更多大型的多DG、多PCC微电网，在此类系统中，DG并联运行的控制策略一般采用以电流控制型为主的主从控制法[6]以及以电压控制型为主的下垂控制法[7]等方法。主从控制法需要互联线，限制了并联DG 之间的距离，没有实现真正的冗余，其应用有一定的局限性[8]。

下垂控制法是一种无联络信号线的独立控制技术，相比其它控制方式，下垂控制有以下优势：

1）可根据需要增加或减少微电源，实现“即插即用”，方便系统扩容；

2）可构成冗余系统，提高供电系统的可靠性；

3）具有较好的维护性，单台电源模块可短时退出运行，保证系统的带电维护。因此，采用电压型控制方式的DG 可独立、自治地参与电网调节，符合未来智能电网的发展趋势[9]。

目前针对多DG 微电网的研究主要关注下垂控制功率分配等问题[9-10]，随着社会经济的发展，为确保微电网稳定及负载的安全，需要对微电网中各个PCC的电压质量进行改善，提高微电网整体的电压质量，现有文献还未见此方面的研究。

本文针对微电网电压质量控制的研究现状，在“集中管理、分区控制”思想的指导下，提出微电网分区的概念及分区电压质量控制（zonal-voltagequality control，ZVQC）的原则，结合IEEEP1547.4给出的微电网典型拓扑，讨论微电网电压质量问题产生的原因和多DG 治理存在的问题。设计了一种基于下垂控制的面向多DG的ZVQC策略。最后，提出了在分区电压质量控制原则指导下DG 附加无功规划方法，给出面向多DG 的微电网分区电压质量控制的实施方案，该方案适用于复杂微电网孤岛和并网运行状态，不依赖于通信，易于工程实践的应用。最后对该方案进行了仿真验证。

结论

本文提出了一种电压控制型DG主动承担微电网区域和全局电压质量控制的分区电压质量控制方案。

首先分析了微电网PCC处电压不平衡和电压暂降产生的机理，讨论了PCC电压质量控制的策略及多DG补偿无功分配问题。提出了一种基于下垂控制的面向多DG 的ZVQC 策略，将二次电压控制思想引入DG 本地控制，实现微电网区域和全局电压质量的改善。

1）分析了造成微电网PCC电压不平衡的主导原因，提出了一种补偿负序电压的方法，指出在负序电压补偿过程中各DG至补偿点的线路阻抗的差异直接导致负序无功分配不均，并利用AVUC方法解除负序无功功率和线路阻抗间的制约关系，实现了负序无功精确分配。

2）提出一种补偿PCC电压暂降的ARVC方法，通过比例积分控制器建立DG输出正序无功和微电网PCC电压偏差的线性关系，使无功分配精确实现，微电网PCC电压的恢复也较为准确。

3）提出一种按照PCC的重要程度进行电压质量控制分级的方法，各DG按照其接入的PCC的等级设计规划附加无功容量，针对PCC电压暂降和电压不平衡两种不正常运行状态，提出分区电压质量控制的实施方案，实现了微电网电压问题就地解决。

4）仿真分析和实验结果表明，ZVQC方案充分发挥了DG快速反应快速补偿的优势，对于20%以内的电压暂降其补偿速度在5个周期以内，能够保证微电网和重要负荷的正常运行，可便捷的移植到其他电压控制型DG中，对于今后自治型DG主动参与电压质量控制的研究和应用具有一定的指导意义，可以在实践中不断优化，具有持久的生命力。