含微網的配電系統電壓暫降分析與控制

李瓊旎

（廣東省電力設計研究院廣東天聯電力設計有限公司，廣東廣州510663）

含微網的配電系統電壓暫降分析與控制

李瓊旎

（廣東省電力設計研究院廣東天聯電力設計有限公司，廣東廣州510663）

研究了微網的結構、運行特性和控制策略，基于電能質量的基本要求，分析了微網電壓暫降的產生機理以及控制方法。針對電壓暫降問題，從傳統電力系統中的研究成果出發，考慮在微網中接入動態電壓恢復器（DVR）改善電能質量，并采用了基于數學形態學的電壓d-q分解檢測算法檢測電壓。在PSCAD/EMTDC中對上述方案進行建模，結合微網模型進行仿真，并對仿真結果進行分析，驗證其有效性。

微網；電壓暫降；動態電壓恢復器；PSCAD/EMTDC

0　前言

微網與普通電網相比，采用了不同種類的微電源，由于變流器的存在，電網的控制手段均基于變流器的復雜控制方法，這些使得含微網的配電系統的電能質量區別于傳統電網，有其自身的規律與特點。電壓暫降在電力系統十分常見，其帶來的電能質量問題非常嚴重。目前對于電壓暫降問題，通常的補償方法基于兩種注入補償思路：串聯電壓或并聯電流。串聯電壓補償通過和系統進行能量交換，普遍采用儲能單元，其中最具代表性的是動態電壓恢復器（dynamic voltage restorer，DVR）。DVR實現有效補償的基本條件在于電壓暫降檢測的準確性與靈敏性，只有檢測出電壓跌落準確的瞬時值或有效值，通過比較才能確定暫降幅度并控制注入電壓的幅值和相位。本文根據數學形態學，結合其中的開閉運算，通過運算重疊組合，可以在檢測算法中實現效果更好的低通濾波，對微網并網引起的故障電壓波形的實時檢測并將三相電壓進行dq變換，經由形態濾波器的低通濾波［1］，從而達到改善電壓質量的目的。在該檢測方法的基礎上，將DVR引入微網中并做了建模仿真研究。

1　動態電壓恢復器

1.1DVR簡介

電壓暫降在電網中的持續時間大多為0.5～1.5 s，在暫降時間內，供電電壓出現短時下降又回升恢復的情況。

用戶電力方面，應用了大量的電力電子技術和開關器件，在電路中采用大功率器件為提高配電網側的電能質量提供了更有效的解決途徑。其核心內容是電力電子設備在電力系統中的應用［3］。動態電壓恢復器（dynamic voltage re?storer，DVR）作為重要的補償器件之一，針對電壓的暫降、暫升、波動與閃變等都具有良好的動態性能，而具有較大的容量使其在治理動態電壓問題有著技術經濟性上的有效優勢。如圖1所示。

圖1　DVR原理圖

DVR由儲能電路、變流裝置、濾波電路部分和變壓器4個部分組成［2］，典型結構如圖所示。它通過檢測電路檢測出電壓暫降深度和相位差，準確計算補償量，控制逆變器的電力電子開關開通與關斷；再經過濾波電路和變壓器，通過串聯方式注入到負載電路中，從而恢復負載電路的電壓質量，提高供電可靠性。

在實現DVR對電壓的補償過程中，電壓補償量的檢測計算關鍵環節非常重要，它直接影響補償的精度和實時性。本文采用了數學形態學運算濾除諧波，通過瞬時序分量分解和d-q分解變換檢測方法，計算出所需的電壓補償量。

1.2形態學濾波器檢測原理

數學形態學用集合來描述目標信號，通過形態變換用于圖像分析和處理、形態濾波器的特性分析和系統設計，其主要變換為布爾運算和少量的加減運算，可以簡化圖像數據，保持基本形狀特性，與傳統濾波器相比，提高了圖像的數據處理速度和濾波質量。

數學形態學運算以數學集合學為基礎，通過腐蝕和膨脹作為分析幾何形狀和結構的兩種基本運算法，并引出開啟運算、閉合運算等其他幾個常用的數學形態運算［4-5］，并可推導組合成為形態學的實用算法。

先腐蝕后膨脹被定義為開啟運算，先膨脹后腐蝕被定義為閉合運算：

開啟運算和閉合運算都是低通濾波器的基本運算，但單獨應用運算均不能取得理想的濾波效果，因此，為了獲取更快運算速度和精確度，本文采用兩種濾波器的組合形式［6］。

數學形態學運算中，結構元素起著重要的作用，結構元素以探針的形式采集圖像信息。因此如果選擇合適的結構元素，使其寬度大于最低次諧波半個周期的寬度，探針在采集數據中不斷移動，則對dq變換后的信號進行開啟—閉合和閉合—開啟運算后，直流分量得以保留，通過開啟運算濾除比探針小的突刺，而通過閉合運算填充小于探針的缺口，故此信號中混雜的寬度小于結構元素寬度的諧波分量將被消除。

在進行形態學濾波前采用瞬時序分量分解法對采樣得到的畸變電壓波形進行處理，從三相不對稱的波形中提取含諧波的三相正序分量，從而提高檢測精度，瞬時序分量分解公式為：

其中，ua、ub、uc為通過采樣得到的A處三相電壓，ua1、ub1、uc1為瞬時序分解環節計算出的含有諧波分量的三相正序電壓。

1.3瞬時電壓d-q分解檢測方法

瞬時電壓d-q分解變換方法以廣義瞬時無功功率理論為基礎，其算法簡單且響應速度快，目前廣泛應用于電壓暫降的檢測環節中。其基本原理是將abc坐標系下的三相電量轉換到虛擬dq0坐標系下，這種算法可以有效地瞬時確定電壓有效值和相位跳變的大小。

采樣電壓量進入d-q變換和PLL環節。d-q變換所需的相角ωt由PLL環節提供，d-q變換如下：

d-q變換之后的電壓分量通過形態濾波器可以濾除ud和uq中的諧波分量，再經過dq反變換，直流分量可以反變換成三相基頻正序電壓分量。

dq反變換，算式如下：

補償電壓值通過與系統電壓比較得到，作為指令電壓輸入，可以計算逆變器的控制信號，而這部分還需計入逆變器直流側電容電壓的影響，按照SPWM三角波調制規律，逆變器輸出電壓值可以補償系統的電壓暫降。

2　接入DVR的含微網配電系統建模

2.1含微網的配電系統

微網中含有多種分布式電源，通過電力電子裝置，注入公共連接點并與傳統配電網并網，其容量一般不超過100 kW，包括太陽能光伏、風電機組、微型燃氣輪機、燃料電池和蓄電池等［7］。

由于本文研究電能質量及其改善措施，主要關注分布式電源的外特性，因此建模時將微網微源簡化為直流源或經整流后的交流源［8］。

2.2接入DVR的PSCAD/EMTDC模型

本文采用含有微型燃氣輪機的配電網模型為例進行建模仿真。在該發電系統中，通常電路整流部分采用二極管不可控整流措施，直流環節加升壓斬波器對永磁發電機整流輸出的較低且波動的電壓進行穩壓［9］。在本文的分布式電源并網模型中，將微源簡化為經過整流后的交流源，負荷采用恒阻抗模型，并網逆變器采用PQ控制方式［10-11］。

在該配電系統中，兩條配電線路上均存在一定容量的微源，其中一條線路末端帶有敏感性負荷，并發生電壓暫降故障，電能質量不能滿足供電要求，通過建模，在故障線路中串聯DVR用以改善電壓質量。如圖2所示。

3　仿真結果分析

在PSCAD/EMTDC中建立穩定運行的含微網配電系統模型，在系統出現電壓跌落時，對數字形態濾波器的效果進行分析，采用本文提出的檢測方法進行跌落補償，對比分析仿真結果。

系統電壓為7.5 V/50 Hz，在0.6 s時發生a相單相電壓暫降，暫降深度為50%，持續至0.68 s時結束，三相電壓如圖3所示。發生電壓暫降時，對DVR在含微網的配電系統下對電壓暫降的補償仿真結果進行分析，仿真證明了這種補償方法的有效性，如圖4中的A點和B點比較結果得出，補償效果良好。

圖3　電壓暫降波形

在DVR向電網注入補償電壓之前，采用基于形態學濾波器的dq檢測算法，檢測電壓暫降特征值如圖5。

補償電壓的幅值和相角均為可控值，在電壓暫降檢測算法中結合數學形態學構造形態學濾波器，對dq變換后的信號進行濾波，保留其直流分量，檢測算法的濾波結果如圖6所示，從而可以保證DVR的補償精確度和實時性。

圖4　補償前后電壓波形對比（kV）

圖5　電壓暫降特征值檢測結果（kV）

4　結論

本文針對含微網的配電系統電壓暫降問題，展開對DVR應用的研究，在研究其典型結構和工作原理的基礎上，分析常用電壓暫降補償方法，進而采用基于瞬時無功功率理論的dq變換檢測算法，并根據數學形態學構造形態學濾波器加以改進，通過對微網的網絡分析，利用微網中微源提供有功功率，在PSCAD/EMTDC仿真環境下，建立DVR的仿真及控制部分的模型，含微網的配電系統模型，通過分析模型的仿真結果，驗證該補償模型對電壓暫降的有效補償能力。

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Analysis and Control of Voltage Tripping in Power Distribution System with Microgrids

LI Qiong-ni
（Guangdong Electric Power Design Institute，GDTL，Guangzhou510663，China）

This paper analyzes the structure，the operating characteristics and the control strategy of microgrid.Based on the requirements of power quality and research achievements of the traditional power system，it is considered to introduce the Dynamic Voltage Restorer（DVR）in power distribution system with microgrid to improve the power quality.A method to detect voltage sags is presented，which incorporates morphological low-pass filters with the d-q transformation.A simulation model of the DVR based on PSCAD/EMTDC is proposed.Combining with the microgrid model，the simulation results prove that the topology and control strategy of DVR is correct and effective.

microgrid；voltagesags；dynamic voltage restorer；PSCAD/EMTDC

TM727

A文獻標識碼：1009-9492（2015）12-0029-04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.008

李瓊旎，女，1988年生，湖南人，碩士研究生。研究領域：電力系統分析運行與控制。已發表論文2篇。

（編輯：阮毅）

2015-09-06