基于最小能量補償控制的微網動態電壓恢復器

黃永紅 徐俊俊 孫玉坤

（江蘇大學電氣與信息工程學院 鎮江 212013）

1 引言

雖然微網技術具有諸多優點，但是微網一般處在配電網的尾端，極易遭受配電網各種電能質量擾動的影響[1-3]；另一方面，由于微網存在并網與孤島兩種運行模式，當發生這兩種運行模式的切換時，會有瞬間電壓暫降或暫升的過程，若不采用適當的控制策略和相關設備，微網內部的微源以及敏感負荷的電能質量會受到很大影響，造成不可估計的經濟損失。所有這些負面影響都極大地限制了微網自身優勢的最大發揮[4-6]。

目前最常用的改善電能質量擾動的有效裝置是動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restore, DVR）。如何使 DVR工作效率更高，補償時間更長，運行成本更低等問題成為國內外電力領域學者研究的熱點，研究成果主要是針對 DVR的直流儲能[7-10]、DVR的拓撲結構[11-14]和DVR的補償策略或控制方法[15-18]等方面。但是目前大部分都是針對配電網中出現的電能質量擾動開展的研究工作，對微網中DVR的研究尚少。隨著微網技術的進一步普及，最大程度發揮微網的作用，削弱微網在進行運行模式切換時出現的瞬時電能質量擾動對敏感負荷產生的影響，加快研究適合于微網環境下的DVR，減少經濟損失，意義重大。

本文以微網在并網或由并網向孤島切換過程中出現的電能質量擾動為背景，建立了適合微網的DVR模型。模型以一個混合級聯H橋多電平逆變器拓撲結構（hybrid cascaded multilevel inverter）為主體框架[19]，在逆變器的補償控制策略方面，采用一種改進的最小能量補償控制策略，該方法物理意義明確，數學推導清晰，在確定 DVR最小注入功率角時簡潔方便，并且能夠進一步減少 DVR裝置直流儲能單元的容量，降低 DVR輸出的有功功率，更為有效地延長DVR補償時間；針對DVR的直流儲能問題，采用微網中自帶的風電機組-蓄電池儲能，可以方便地為 DVR提供補償所需的能量，減少附加儲能設備的使用，從而能夠精簡 DVR的體積，降低設備維修成本；另外，當微網處在孤島運行模式下，DVR可以實現對微網中敏感負荷的直接供電，而不需要通過外部電網供電，這樣可以進一步減少大電網的投入，提高 DVR的利用率，實現節能減排。

2 微網中DVR的結構

本文提出的適合微網運行模式環境下的 DVR結構如圖1所示。

圖1 基于風電機組-蓄電池單元動態電壓恢復器結構Fig.1 Structure of DVR based on a wind turbine-battery hybrid system

該DVR系統有風電機組、風電機組轉子側ACDC變換器、蓄電池組、DC-DC變換器、具有脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）功能的混合級聯H橋多電平逆變器和采用功率因數校正電路的整流器，以及功率半導體開關S1～S4。圖1中，Us為等效電源電壓，即配電網電壓，UL為微網中敏感負荷的電壓；PCC為靜態開關，作為微網與配電網的公共連接點與分隔點，通過控制此開關可實現微網的不同運行模式；S1為雙向功率半導體開關，此開關用于控制 DVR裝置以及微網的工作模式。其中，若S1斷開，則表示DVR裝置未接入到整個系統中，處于備用狀態；若 S1閉合，則表示 DVR裝置已接入到整個系統中，處于工作狀態；S2控制風電機組的投切運行，S3、S4開關用于控制蓄電池組的工作方式，即控制蓄電池組的充放電。所有開關均由能量管理系統控制。

3 改進型最小能量補償控制策略

逆變器是整個 DVR裝置的核心部分，對逆變器采取有效的補償控制策略不僅能夠及時準確地補償系統在發生電能質量擾動時所需的電壓，而且能夠減少 DVR在工作時與系統產生的有功交換，節約 DVR直流儲能單元的容量，延長補償時間。因此，本文基于 DVR在工作時向系統注入的有功功率最小，在文獻[20]的基礎之上，采用一種改進的最小能量補償控制策略，利用導數推導的方法確定DVR系統最小注入功率角，該方法較傳統最小能量補償控制策略[21]而言，數學推導清晰簡潔，更為方便地確定 DVR的最小注入功率角，且可以進一步減少 DVR在工作時向系統注入的有功功率。系統相量圖如圖2所示，為了推導方便，以及推導過程更為清晰，采用三相相量圖對最小注入功率角進行推導并假設補償前后系統電壓A、B、C三相之間始終保持平衡。

圖2 系統相量Fig.2 Phasor diagram of system

圖 2中，Ua-pro、Ub-pro、Uc-pro為暫降前配電網三相電壓；Ua、Ub、Uc為暫降后配電網三相電壓；ULa-ref、ULb-ref、ULc-ref為暫降后負荷三相參考電壓；Ua-DVR、Ub-DVR、Uc-DVR為暫降發生后 DVR向系統補償的三相電壓；Ia、Ib、Ic為負荷電流，φa、φb、φc為負荷功率因數角，本文假設暫降前后功率因數角不變；Δθa、Δθb、Δθc為暫降前后配電網三相電壓之間的夾角；δopt為暫降發生后配電網電壓與負荷參考電壓之間的夾角，δopt隨著負荷參考電壓位置選取的不同而變化。暫降發生后負荷以及配電網的有功功率可分別表示為

PL=3ULIcosφ （1）

PS=I[Uacos(φ-δopt+Δθa)+Ubcos(φ-δopt+Δθb)+

Uccos(φ-δopt+Δθc)] （2）則可知DVR向系統注入的有功功率為

PDVR=PL-PS=3ULIcosφ-I[Uacos(φ-δopt+Δθa)+

Ubcos(φ-δopt+Δθb)+Uccos(φ-δopt+Δθc)] （3）

式（3）中，等式右邊只有δopt是未知量，可以發現PDVR是關于δopt的函數，通過優化選取合適的δopt，即可使DVR向系統注入的最小有功功率。為了使得 PDVR最小，則必須滿足 PDVR導數在 δopt的一階導數為零，即

考慮到X和Y是直角三角形的兩條直角邊，則式（7）、式（8）又可以表示為

則式（9）又可表示為

也即當暫降前的系統電壓與暫降發生后系統所取的參考電壓之間的相位角為 δ=φ+α時，DVR能夠向系統注入最小的有功功率來補償系統電壓暫降所需電壓，降低DVR在補償過程中所需消耗的能量。

為了驗證當δ=φ+α是系統的最小能量角，需將δopt=φ+α代入式（5）中，驗證二階導數是否為正值。

式（5）中，令δopt=φ+α，則恒成立，所以 δopt=φ+α為最小能量角，此時 DVR向系統注入的最小有功功率為

為了提高微網中敏感負荷的供電可靠性，系統還需要對配電網系統電壓進行實時、快速準確地檢測，一旦檢測到系統發生電壓暫降擾動時，能量管理系統立即斷開S1、DVR中的逆變器迅速地采取最小能量補償控制策略控制蓄電池組放電，補償微網中的敏感負荷所需電壓和功率，維持負荷電壓在額定值，確保敏感負荷的供電不受配電網故障的影響。鑒于此，考慮到系統本身的復雜程度，本文在電壓檢測方面采用基于 dq變換的電壓暫降擾動檢測方法[22]，系統電壓暫降檢測及 DVR采用最小能量補償控制策略時負荷參考電壓的選取綜合框圖如圖 3所示；另一方面，為了更準確地實現對微網中敏感負荷的電壓補償，最終采用帶有負荷電壓瞬時值反饋控制的動態補償控制策略，從而使得 DVR中的逆變器輸出電壓值能夠實時對參考電壓進行跟蹤和調整，對敏感負荷的電壓變化進行動態補償，DVR動態補償控制框圖如圖4所示。

圖3 系統電壓暫降檢測及DVR負荷參考電壓的選取框圖Fig.3 Diagram of system voltage detection and load reference voltage choice of DVR

圖4 DVR動態補償控制框圖Fig.4 Diagram of dynamic compensation of DVR

4 微網運行模式

基于風電機組-蓄電池發電單元的動態電壓恢復器結合了DVR和風電-蓄電池發電的優點，可以伴隨微網工作在并網運行方式、由并網向孤島切換運行方式和孤島方式三種運行模式，該 DVR裝置在很大程度上減少了原有 DVR的備用狀態，提高了設備的利用率。根據測點電壓的變化情況，通過能量管理系統控制圖1系統中所有半導體開關的狀態，從而明確 DVR的工作方式。表 1列舉了半導體開關在系統處于三種運行模式下的幾種典型狀態。表中‘1’表示開關處于閉合狀態，‘0’表示開關處于斷開狀態，US為配電網的電壓，為并網向孤島切換模式時微網的電壓。

表1 微網在不同運行模式下的系統開關狀態Tab.1 Status of system switches in different modes of micro-grid

4.1 并網運行

微網與配電網處于并網運行模式下，PCC與S1閉合，負荷由配電網直接供電。當檢測到負荷電壓正常時，S3閉合，S2、S4斷開，此時 DVR不向電網輸送能量，蓄電池組可通過整流器以及降壓DC-DC變換器進行充電；當遇到風速強的天氣，風電機組也可通過轉子側變換器向蓄電池組進行充電；當配電網或者微電網發生電壓暫降或短時中斷時，S1需立即斷開，DVR裝置迅速動作，由備用狀態立即轉為工作狀態，對電壓進行檢測補償，有效地抑制電壓暫降，保護敏感負荷免受電能擾動影響。

為了最大程度地提高風電機組的利用率，無論系統處于什么運行模式，也無論風速強弱，風電機組均向蓄電池組輸送電量，以確保蓄電池組的電荷隨時隨地都能夠快速地處于飽滿狀態。并網運行模式下能量管理系統工作流程如圖5所示。其中，流程框圖中的“結束”模塊表示配電網中故障已切除，微網中的敏感負荷電壓保持在額定值且蓄電池組電量均達到飽和狀態，此時風電機組不再出力，待S1開關完全閉合后能量管理系統停止工作。

圖5 并網運行時能量管理系統工作流程Fig.5 Flow chart of EMS under gird-connected operation mode

4.2 由并網向孤島切換運行

微網中的分布式電源（Distributed Generation,DG）在與配電網進行運行模式切換的過程中會出現瞬間的電壓擾動問題，雖然擾動時間較短，但降低了微網中敏感負荷的供電可靠性。基于確保本地敏感負荷的供電安全考慮，需要嘗試利用 DVR配合無縫切換以保證敏感負荷的不間斷供電，減少微網由并網向孤島切換時所引起的瞬時電壓擾動問題。當檢測到系統將要進行兩種運行模式切換時，無論外界條件如何，能量管理系統都將閉合S4，蓄電池組處于放電狀態，以確保微網中敏感負荷的電能質量不受運行模式切換所帶來的瞬時電壓擾動影響。由并網向孤島運行模式切換時能量管理系統工作流程如圖6所示。其中，“結束”模塊表示微網中的敏感負荷電壓保持額定值，微網與配電網已進行無縫切換，能量管理系統停止工作。

圖6 由并網向孤島切換時能量管理系統工作流程Fig.6 Flow chart of EMS under the switching between grid-connected operation and islanded operation mode

4.3 孤島運行

當配電網出現電力故障或者微網中的微電源電量充足時，則微網通過PCC公共連接點與配電網斷開，進入孤島運行模式，此時基于風電機組-蓄電池發電單元的 DVR裝置充當微網中的微電源形式運行，既可以與微網協調給敏感負荷供電，又可將多余的能量通過蓄電池進行蓄電，能夠更好地確保本文所提出的 DVR在電壓暫降、暫升以及短時中斷情況下，敏感負荷正常運行，保證了微網中敏感負荷的電能質量要求。微電源運行模式下能量管理系統工作流程如圖7所示。

5 算例仿真與結果分析

為了驗證上述系統以及 DVR裝置的可行性，本文基于Matlab/Simulink軟件，建立了圖1所示系統模型，進行仿真分析。系統主要參數見表2。

圖7 孤島運行時能量管理系統工作流程Fig.7 Flow chart of EMS under islanded operation mode

表2 系統主要參數Tab.2 The main parameters of system

按照上述3種運行模式進行仿真，結果分析如下。

5.1 并網運行

初始階段系統運行正常，0.1s時配電網發生輕微故障，導致系統電壓暫降為額定值的 0.9，經過0.1s后電壓恢復。電壓波動如圖8所示。

圖8 原始系統電壓波形Fig.8 Original voltage waveform of system

圖 9為檢測到的電壓幅值暫降深度，圖 10為DVR裝置中檢測模塊產生的補償指令電壓波形，圖11為DVR裝置向系統中輸出的實際電壓波形，圖12為配電網發生故障時微網中敏感負荷的電壓波形，由此可見 DVR能夠根據檢測到的電壓波動，向系統注入所需的補償電壓，實現重要負荷的連續可靠運行。圖13為基于傳統最小能量控制策略和本文采用的最小能量控制策略下 DVR向系統注入的有功功率比較圖。從圖中可以看出，在系統發生電壓暫降的情況下，本文所采用的 DVR最小能量補償控制策略在補償負荷所需電壓時與系統發生的有功功率損耗要小于傳統的最小能量補償控制策略。

圖9 檢測點電壓波形Fig.9 Voltage waveform of detection points

圖10 補償指令電壓波形Fig.10 Compensation voltage waveforms

圖11 DVR輸出電壓波形Fig.11 Output voltage waveforms of DVR

圖12 補償后微網中負荷電壓波形Fig.12 Load voltage waveforms after compensation in micro-gird

圖13 暫降為10%時采用兩種補償控制策略DVR向系統注入的有功功率比較Fig.13 Comparison of active power injection between two compensation control schemes of DVR when voltage sag is 10%

5.2 由并網向孤島切換

0～0.05s，微網并網正常運行；0.05s時微網與配電網進行兩種模式切換，微網由并網運行轉為孤島運行模式，持續時間為0.05s；0.1s后微網進入孤島運行模式。圖14、圖15分別為有無DVR補償裝置的情況下微網中敏感負荷的電壓波形，由兩個電壓波形圖對比分析可知，DVR裝置能夠有效地跟蹤微網中敏感負荷電壓的變化，及時補償微網由并網運行向孤島運行切換過程中負荷所受到的短時電能質量擾動問題，避免重要負荷因運行模式切換而帶來的供電影響。圖16為系統在由并網向孤島運行模式切換時蓄電池組輸出的有功功率。

圖15 有DVR裝置情況下微網中敏感負荷電壓波形Fig.15 Load voltage waveforms with DVR in micro-grid

圖16 蓄電池組輸出的功率Fig.16 Output active power of batteries

5.3 孤島運行

當檢測到微網中的風速強勁以及蓄電池電量充足時，微網可以工作在孤島模式下，負荷不需要配電網進行供電，僅依靠風電-蓄電池發電單元足以滿足負荷供電要求。孤島運行模式下微網中的敏感負荷電壓波形如圖 17所示，圖 18為孤島模式下DVR裝置輸出的電壓波形。圖19為風力發電機組輸出的有功、無功功率。由此可以看出，風電-蓄電池組可以作為微電源提供短期負荷所需電壓，從而可以減少配電網的投入，實現節能減排。

圖17 微網中負荷電壓波形圖Fig.17 Load voltage waveforms in micro-grid

圖18 孤島模式下DVR輸出電壓Fig.18 Output voltage of DVR under islanded operation mode

圖19 孤島模式下風電機組輸出的功率Fig.19 Output power of wind turbines inder islanded operation mode

6 結論

（1）基于風電機組-蓄電池發電單元的DVR模型能有效抑制微網在并網以及由并網向孤島運行模式切換過程中出現的短時電壓擾動問題，實現微網兩種運行模式的無縫切換，提高對敏感負荷的供電可靠性。

（2）在DVR裝置的逆變器補償控制策略方面，采用一種改進的最小能量補償控制策略，該方法物理意義明確，數學推導清晰，并且能夠進一步減少DVR在工作時消耗的能量，從而延長DVR的補償時間。

（3）當微網處于孤島運行模式下，DVR可以實現對微網中敏感負荷的直接供電，減少配電網的電能輸出，提高DVR的利用率，實現節能減排。

（4）算例仿真結果驗證了該DVR模型的可行性。

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