微電網并網運行時的電壓穩定控制

彭勇，李倩

(中南電力設計院，武漢市 430071)

微電網并網運行時的電壓穩定控制

彭勇，李倩

(中南電力設計院，武漢市 430071)

研究微電網內的擾動源以及電壓波動的關聯因素。分析微電網內各種功率輸出設備的特性，提出微電網電壓控制設備類型的選擇原則。根據配電調度是否對微電網與配電網的交換功率存在約束，分別提出有交換功率約束和無交換功率約束2種條件下微電網電壓的控制策略。研究微電網內可能存在的可控靜止無功補償裝置在微電網電壓穩定控制中的作用以及參與電壓控制的策略。建立并網運行的微電網模型，通過數字仿真的方法對2種條件下大、小擾動對微電網電壓的影響進行輔助分析，并且驗證了控制策略的有效性。提出配電網發生穩定問題時，微電網在服從于配電網穩定控制策略下的控制措施和調節原則。

微電網；并網運行；電壓穩定；控制策略；功率約束

0 引 言

微電網技術的應用，在分布式發電設備以及用電負荷與大電網之間提供了一個中間層，宏觀上表現為微電網系統的可控性[1]。微電網并網運行時，通過公共連接點(point of common coupling，PCC)與電網相連，在調度統一協調管理下與配電網進行功率交換。并網運行的微電網根據其公共連接點交換功率的情況表現為“源荷”雙重特征[2-3]，既可以向電網輸送功率表現為一個電源點，也可以從電網吸收功率表現為一個負荷點，還可以實現并網連接零功率交換。對于電網而言，并網運行的微電網作為可控的“源荷”點應在配電網的運行中表現出3個方面的作用：正常運行情況下的負荷經濟分配；尖峰負荷時的出力調峰；應急情況下對大電網的支撐[4]。電網調度對微電網的協調管理措施通常是下發給微電網的公共連接點交換功率曲線。

并網運行狀態下，微電網頻率的調整由大電網完成，微電網本身沒有頻率穩定的問題。然而對于微電網局部的可靠性和穩定性而言，恰當的電壓調節是必要的，沒有有效的局部電壓控制，分布式發電高滲透率的微電網系統可能產生電壓、無功偏移或振蕩[5]。

并網運行的微電網既然作為配電網的可控“源荷”節點，其電壓控制不再是內部有功功率和無功功率的平衡，而是表現在公共連接點交換功率與調度功率曲線的匹配。而一些情況下，如微電網容量很小，調度系統不完善，微電網發電和負荷預測技術精確度低難以制定調度計劃等，調度可能對微電網沒有功率交換限制，微電網依照自身的經濟運行控制，與配電網進行無約束的功率交換，此時微電網的電壓控制目標為其母線電壓。因此微電網并網運行時的電壓控制分成2個部分，即有功率約束條件下電壓控制和無功率約束條件下電壓控制。

1 電壓關聯因素

如圖1所示的并網運行的簡單微電網模型，微電網由光伏發電陣列、風力發電機組、儲能設備、負荷以及變壓器組成，通過10 kV架空線路連接至5 km外的變電站。微電網電壓、公共連接點的交換功率和配電網的電壓三者之間存在如下的相關關系：

(1)

(2)

式中：Pn、Qn為公共連接點交換有功、無功功率；U為微電網母線電壓；Un為配電變電站母線電壓；Xn為配電輸電線路及配電變壓器的電抗之和；δn為Un與U之間的夾角(即功角)。

圖1 并網運行的簡單微電網模型

如圖2所示，隨著公共連接點有功功率的增加，功角δn逐步增大，小角度下sinδn≈δn，因此δn基本呈線性狀態。

圖2 有功功率、功角響應

如圖3所示，隨著公共連接點無功功率的增加，微電網母線電壓逐漸降低。

圖3 無功功率、電壓響應

由此可見，并網運行的微電網母線電壓取決于公共連接點的無功功率交換和配電網的電壓，也就是說公共連接點無功功率交換量和配電網電壓的變化導致了微電網母線電壓的波動，微電網電壓的控制歸根結底為公共連接點無功交換功率的控制。雖然有功功率交換量對微電網的電壓影響甚微，但為了減少對配電系統的擾動，在調度策略有要求時仍然應對有功功率的交換進行控制。

2 擾動源及電壓控制設備

功率供需平衡的情況下，公共連接點交換功率為：

PPCC=∑PL-∑PF-∑PC

(3)

QPCC=∑QL-∑QF-∑QC

(4)

式中：PPCC、QPCC為公共連接點的有功、無功功率交換值，以微電網獲取功率為正；∑PL、∑QL為總的有功、無功負荷；∑PF、∑QF為分布式發電總的有功、無功輸出；∑PC、∑QC為儲能設備總的有功、無功輸出。由此可見，引起公共連接點交換功率變化的原因為微電網功率供需平衡點的變化。

擾動源按設備劃分為分布式發電出力的變化和用電負荷功率的變化，儲能設備的充放電功率很平穩，一般不會造成干擾。按擾動嚴重程度可劃分為小擾動和大擾動。小擾動的特點通常是幅度小、時間短，但很頻繁，如風力發電機組由于隨機風的影響出現功率波動，光伏發電陣列由于光照度的變化出現輸出波動，以及負荷的小幅度變化等。大擾動則表現為幅度大且時間長，如分布式發電出力驟減或意外切機，大功率電動機負荷的啟動過程等。

微電網中的功率輸出設備通常包含風力發電機組、光伏發電陣列、微型燃氣輪機以及儲能設備等。然而并不是所有的功率輸出設備都可以起到電壓控制的作用。電壓控制設備的選擇應考慮2個方面的因素，即經濟運行和響應速度。風力發電和光伏發電通常工作于MPPT控制的P/Q模式，頻繁調節其工作狀態不利于可再生能源的充分利用，而且它們的功率輸出有很強的不確定性，本身就是擾動源；微型燃氣輪機的響應速度顯然不能滿足消除電壓波動的實時性要求；儲能裝置的輸出相對穩定而且可控，因此比較適合作為電壓控制設備。

儲能裝置分為能量型儲能和功率型儲能兩大類。能量型儲能自損耗小，存儲能量大，但是響應速度相對較慢，而且充放電循環次數有限制，最常用的能量型儲能為化學蓄電池組，其中技術成熟度、經濟性較好的是鉛酸蓄電池。功率型儲能如超級電容器，響應速度快，輸出功率大，允許充放電次數多，但存儲能量較小，滿功率放電時間通常為幾s到十幾s[6]。根據這2類儲能裝置的特點，微電網應優先采用功率型儲能裝置作為電壓調節控制設備，特別是平復小擾動下電壓波動時，需要擔任隨時在放電和充電2種工況之間頻繁轉換的調節任務。在微電網未配置功率型儲能裝置，或者功率型儲能裝置能量耗盡，或者長時間的大擾動等情況下，應調用能量型儲能裝置進行電壓穩定控制。

3 PCC功率約束下電壓控制

3.1 PCC功率約束下電壓控制原理及流程

公共連接點交換功率可控是微電網可調度性的表現，當有調度曲線對交換功率進行約束時，微電網應按照調度曲線實時地對公共連接點的交換功率進行控制，調節的目標為實際交換功率與調度功率曲線匹配。由式(1)、(2)可知，當配電網電壓相對穩定時，調度曲線規定的交換功率也間接地設定了微電網母線的電壓，控制公共連接點的交換功率即控制了微電網的電壓。基本措施是監測公共連接點的有功、無功功率，若流入的功率大于調度曲線的限值，說明微電網內部功率輸出不足，則增大電壓控制設備的輸出；若流入的功率小于調度曲線的限值，說明微電網內部功率輸出過大，則減小電壓控制設備的輸出。

如圖4、圖5所示，參考量為調度曲線的有功功率和無功功率，也可能是有功功率及功率因素，亦可換算出無功要求。利用并網逆變器的有功功率、無功功率解耦控制技術[7]，對公共連接點有功功率和無功功率分別進行調節。優先采用功率型儲能裝置進行控制，當功率型儲能裝置失去調控能力時，再調用能量型儲能裝置。當所有儲能裝置失去調節能力，如流入功率偏大的同時儲能能量耗盡或流入功率偏小的同時儲能荷電滿時，根據調度原則是否允許突破限值，若不允許則抑制分布式發電出力或者切除不重要負荷。

圖4 PCC有功功率控制流程

圖5 PCC無功功率控制流程

對于配置有可控靜止無功補償設備(如SVC、STATCOM等)的微電網，無功的調節應優先調用這些專門的補償裝置。雖然全控型的逆變器可以很方便地定制一定容量的無功輸出[8]，但根據總容量與有功功率、無功功率的關系(S2=P2+Q2)，有功功率的輸出能力相應地被降低。

根據式(2)，對于配電系統電壓的變化引起微電網母線電壓的波動,以公共連接點的有功交換功率和無功交換為控制目標的控制策略顯然無控制能力，而配電系統電壓的穩定一般由配電自動電壓無功控制系統來實現，因此微電網控制系統可不考慮這一因素。

3.2 小擾動時的電壓控制及仿真

微電網中小擾動以分布式發電的輸出功率波動和用電負荷的波動最為常見，其中由于自然風速的極不確定性引起的風力發電機組出力的波動最為典型[9]。圖6為模擬自然風速下風力發電機組的功率輸出。

當不啟用控制時，公共連接點的交換功率因風力發電的輸出不穩而波動，微電網電壓也在一定的范圍內波動。另外，微電網的分布式發電處于單位功率因素工作狀態，因此無功需求全部從配電網獲取，公共連接點功率因素很低，微電網電壓也偏低，如圖7所示。

投入電壓控制后，按圖4和圖5的控制流程。假定要求控制公共連接點的有功交換功率為300 kW，功率因素為0.9，如圖8所示，風力發電輸出波動被電壓控制設備平復，公共連接點的有功功率和無功功率平穩地控制在設定值，微電網母線電壓平滑無波動，且維持在較高的電壓值。

圖6 風力發電的功率輸出

圖7 PCC功率及微電網電壓的波動

圖8 控制作用對波動的平復

3.3 大擾動時的電壓控制及仿真

一個較大的擾動將使得公共連接點的有功功率或無功功率向一個方向大幅度、持續地偏移，形成對配電網的干擾，同時微電網的電壓也產生較長時間的偏離。圖9所示為微電網投入一臺100 kW的異步電動機時，電動機啟動過程中公共連接點的交換功率和微電網母線電壓的響應。異步電動機啟動過程中大量的無功需求使得公共連接點的無功功率流量大增，微電網母線電壓跌落。

圖9 大擾動時的PCC功率和微電網電壓

投入電壓控制后，優先調用功率型儲能增大有功功率和無功功率輸出(若有靜補則優先調用靜補來調節無功)；一段時間后(5 s處)功率型儲能能量耗盡，則由能量型儲能來進行輸出，直到擾動消失。整個過程保證公共連接點的交換功率保持在設定值，微電網電壓平穩，如圖10所示。

圖10 控制作用對大擾動的平復

4 無功率約束時電壓控制

4.1 無功率約束時的電壓控制原理及流程

當微電網公共連接點無功率約束時，從微電網本身經濟運行的角度出發，可再生能源的分布式發電設備保持最大功率輸出，公共連接點的交換功率根據分布式發電的出力和負荷實時地變化，因此不能采用公共連接點的交換功率為控制目標，應以母線電壓為控制目標。根據式(1)、(2)可知，由于微電網母線電壓受到公共連接點無功功率交換值的影響，有功功率交換對電壓基本無影響，因此只需對無功交換功率進行控制即可，無功功率Q的參考值與電壓偏移量關聯。對式(2)兩端進行求導數可得：

(5)

(6)

由此調節裝置跟隨微電網母線電壓的偏移輸出合適調節量的無功，使得母線電壓保持在指定值。如果微電網中配置有響應速度快的靜補(如STATCOM)，則非常適合作為此種情況的調節控制設備；如果沒有靜補，一般采用儲能裝置的逆變器來承擔電壓調節作用，此時逆變器的工作狀態相當于一個無功發生器。

如圖11所示，控制參考量為設定的微電網母線電壓，控制目標為公共連接點的無功交換功率，電壓偏差與無功增量的關系如式(6)，動態地調整調節設備的無功輸出，對公共連接點無功交換功率進行控制，起到穩定微電網電壓的作用。對于有功交換功率，根據微電網本身的經濟運行控制策略，通過對儲能裝置充電或放電功率的調節，向配電網購進或售出電能。

圖11 微電網電壓控制流程

4.2 電壓控制及仿真

小擾動時，未加入電壓控制時母線電壓響應同圖7，加入ΔU→ΔQ調節后電壓響應如圖12所示，調節設備動態調整無功輸出，微電網母線電壓恒定在1.0 pu。

圖12 控制作用對波動的平復

向微電網投入一臺100 kW的異步電動機來模擬大擾動，如圖13所示，啟用ΔU→ΔQ電壓控制后，在電動機啟動工程中，微電網母線電壓依然保持穩定。

圖13 控制作用對大擾動的平復

根據式(6)可知，微電網的這種電壓控制策略對配電系統電壓變化引起微電網的電壓波動同樣有控制作用，而且對配電網的電壓也具有一定程度的反擾動能力。在配電變電站加入一個擾動，配電母線電壓發生變化，微電網無調節時電壓變化如圖14所示。有調節時，如圖15所示，微電網電壓由于調節作用，保持在1.0 pu，并且對配電網電壓起到一定的抬升作用。

圖14 配網電壓變化對微電網電壓的影響

圖15 控制作用對擾動的平復

5 配電網穩定的協調控制

并網運行時，微電網作為一個電源點或者負荷運行于配電網中，當配電網受到比較大的擾動出現動態穩定問題時，微電網的電壓和頻率也將會受到干擾。

電壓和頻率偏移過大對微電網的發電設備和用電設備都會產生不良的影響。一旦配電網出現較長的動態調整狀態，作為微電網本身而言，最有利的措施是切斷與配電網的聯系，轉入離網運行狀態。但是就配電網來說，任何一個節點的行為都應受到配電網穩定控制策略的制約，微電網如果進行不受約束的行為可能導致配電網的擾動加劇，甚至可能導致配電網失穩。比如配電網處于過壓過頻狀態而微電網處于負荷特性時，或者配電網處于低頻低壓狀態而微電網處于電源特性時，微電網的擅自離網都將會使得配電網的擾動加劇，因此微電網并網運行狀態下的穩定控制必須服從于配電網的穩定控制策略。同時容量較大、可調節性較好的微電網系統，能對配電網的穩定性起到良好的協調控制作用[10]。

從技術層面上講，微電網是否參與配電網電壓、頻率調節與微電網的容量相關。微電網容量與配電網容量相差懸殊時，微電網對配電網的頻率、電壓支持作用非常微弱，因此不對其頻率、電壓異常的耐受能力有過多的要求，一般情況下允許微電網在電壓、頻率偏離正常范圍經延時后與配電網解列。

對于容量較大的微電網，微電網的電壓頻率響應在配電網中不可忽略，宜在配電網穩定控制策略約束下參與電壓、頻率的調節。微電網參與配電網電壓、頻率的調節過程便是按照緊急有功、無功功率指令四象限實時地控制公共連接點的功率交換。微電網在調節過程中應遵循以下原則：

(1)微電網的發電、用電及儲能設備應具備一定的電壓、頻率異常耐受能力。微電網參與調節的時間也應以設備的耐受能力為基準，保證設備不受到損害，當調節時間超過設備耐受能力時，應與配電網解列，轉入離網運行狀態。

(2)調節期間，允許風力發電、光伏發電偏離最大功率點狀態，必要時可以切機。

(3)調節期間允許切除不重要負荷和可控負荷，但應保留重要負荷。

(4)允許能量型儲能設備參與調節，但應對荷電量進行監視，保證儲能設備剩余荷電量能滿足微電網離網后重要負荷運行到規定的時間。

6 結 論

(1)并網運行的微電網系統，調度規則決定了微電網與配電網有功功率和無功功率的交換方式。當對微電網的交換功率有約束要求時，電壓控制策略以公共連接點的交換功率為控制目標，使其維持在設定值，根據電壓和無功的關系，自然地實現了微電網的電壓穩定控制。當調度規則對微電網的交換功率無約束時，微電網根據電壓偏差與無功增量的關系控制公共連接點的無功功率，達到電壓穩定的目的。微電網的電壓控制過程中，應優先使用靜補裝置進行無功調整，當無靜補裝置或靜補裝置輸出不足時，采用儲能裝置的逆變器進行無功調整。

(2)配電網發生穩定問題時，微電網應服從配電網的穩定控制策略參與配電網穩定的協調統一控制。在微電網參與控制的過程中，應受限于自身設備的承受能力、儲能備電容量、保證重要負荷供電等原則，必要時與配電網解列。

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(編輯：張媛媛)

VoltageStabilityControlofGrid-ConnectedMicrogrid

PENG Yong, LI Qian

(Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

The relation factor of disturbance sources and voltage fluctuation in microgrid was studied, the characteristics of power output devices were analyzed, and the selection principle of the type of voltage control equipment was proposed. According to whether the distribution scheduling has constraint on the exchange power between microgrid and distribution network, this paper proposed two voltage control strategies respectively for the microgrid with exchanging power constraint or without exchanging power constraint. Then, the effect of controlled static reactive compensation device on the voltage stability control in microgrid was studied, as well as its participation in voltage control strategy. The model of grid-connected microgrid was established. The influences of large and small disturbance on microgrid voltage under two conditions were analyzed through digital simulation method, and the effectiveness of the control strategy was verified. Finally, this paper proposed the control measure and regulation principle for the microgrid that was subject to the stability control strategy of distribution network, when the stability problem of distribution network occurred.

microgrid; grid-connected operation; voltage stability; control strategy; power constraint

TM 712

： A

： 1000-7229(2014)06-0056-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.011

2014-01-14

：2014-02-13

彭勇(1975)，男，工程師，主要從事智能電網方面的研究工作，E-mail：pengyong@csepdi.com；

李倩(1980)，女，高級工程師，主要從事換流站、變電站及智能電網方面的研究、設計工作，E-mail：liqian@csepdi.com。