微電網(wǎng)電能質(zhì)量治理策略研究綜述

王昕揚

1 概述

能源互聯(lián)網(wǎng)是以傳統(tǒng)電網(wǎng)為傳輸電能主體，以微電網(wǎng)作為其中的重要組成元素，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對分布式可再生能源的最大化利用的新型電力網(wǎng)絡(luò)。它可以充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)傳遞信息的高效性和快速性優(yōu)勢，及時監(jiān)測用戶端和電源端的能量雙向流動，從而使更多的可再生能源得以加入電網(wǎng)，減小環(huán)境污染，逐步改善能源結(jié)構(gòu)。在能源互聯(lián)網(wǎng)的影響力越來越大的當(dāng)上，電能質(zhì)量問題仍然是用戶和電網(wǎng)所關(guān)注的重點。其中，微電網(wǎng)是可再生能源利用的重要載體，因而對于能源互聯(lián)網(wǎng)的電能質(zhì)量問題，研究微電網(wǎng)及含微電網(wǎng)的配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理策略是應(yīng)有之義[1-3]。

2 微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題

微電網(wǎng)是一種基于分布式能源，且由負(fù)荷、儲能裝置、逆變器和電能質(zhì)量治理裝置等組成的集團供電系統(tǒng)。與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，由于微電網(wǎng)通過大量電力電子變換器接入不同種類的分布式能源，因而容量小、慣性小。同時多微源逆變器和各電能質(zhì)量治理裝置的相互耦合、干擾形成了微電網(wǎng)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。當(dāng)然，微電網(wǎng)有著動態(tài)跟蹤能力強，可以即插即用和靈活切換運行狀態(tài)的優(yōu)勢。

國內(nèi)尚未制定微電網(wǎng)電能質(zhì)量的具體標(biāo)準(zhǔn)，但通過電能質(zhì)量問題的成因、微電網(wǎng)本身的特性和運行經(jīng)驗可以大致了解其電能質(zhì)量問題。諧波的產(chǎn)生主要與電源、線路和非線性負(fù)荷有關(guān)。相應(yīng)地，微電網(wǎng)中的分布式電源、逆變器和大量電力電子裝置會產(chǎn)生諧波。在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)往往呈感性，電壓偏差與無功功率的多寡密切相關(guān)。與之不同的是，微電網(wǎng)往往呈阻性或阻感性，所以電壓偏差也與有功功率有關(guān)。微電網(wǎng)中的微源本身存在間歇性的特點，微源輸出的功率波動也會導(dǎo)致電壓波動。三相不平衡是指供電系統(tǒng)中三相電壓或電流不同，主要由三相負(fù)載配置不均導(dǎo)致的。由于微電網(wǎng)中存在大量單相接入的逆變器，所以也存在三相不平衡的問題。微電網(wǎng)在并離網(wǎng)狀態(tài)切換時，控制方式的變化和功率投切會造成暫態(tài)電流和電壓沖擊。由于微電網(wǎng)容量較小，暫態(tài)沖擊的影響更大。綜上，微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題可大致分為分布式能源發(fā)電裝置帶來的電能質(zhì)量問題和微電網(wǎng)運行過程中由于運行狀態(tài)切換、微源互補發(fā)電、非線性負(fù)載投切等微電網(wǎng)自身原因產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題。其中，又可按照頻率的不同，將之劃分為諧波問題和工頻電能質(zhì)量問題。工頻電能質(zhì)量問題主要是電壓波動、電壓暫降、電壓閃變和三相不平衡等問題，通常由于微電網(wǎng)和接入的配電網(wǎng)功率或能量分配不均產(chǎn)生；而諧波問題則包含電壓和電流的諧波畸變，是由分布式發(fā)電裝置中電力電子裝置產(chǎn)生和微電網(wǎng)運行過程產(chǎn)生，來源較廣，危害也很大[4]。

3 微電網(wǎng)電能質(zhì)量治理措施

針對微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題的由來，微電網(wǎng)電能質(zhì)量治理策略可以根據(jù)微電網(wǎng)架構(gòu)從微電網(wǎng)運行控制策略、微源控制策略和電能質(zhì)量治理設(shè)備控制策略三個方面加以考慮。此外，通過儲能裝置的靈活運用來改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題也是熱門的研究方向。

3.1 微電網(wǎng)運行控制策略

微電網(wǎng)運行控制策略分為三個層面，第一層是從整體控制微電網(wǎng)和外部配電網(wǎng)的功率交換，實現(xiàn)微電網(wǎng)的能量管理控制；第二層是微源間的協(xié)調(diào)控制策略以及模式切換控制策略；第三層是每個微源自身的控制策略。微源的運行控制策略可大致分為主從控制模式、對等控制模式和分層控制模式。并網(wǎng)模式上微源處于電流控制電壓源模式，即PQ控制和上垂控制，僅為電網(wǎng)提供能量；離網(wǎng)模式上，微源必須提供微電網(wǎng)需要的工作電壓，因而工作在電壓控制電壓源模式，即主從控制和對等控制。因而在并離網(wǎng)運行模式切換時，微源的工作模式也相應(yīng)改變，從而會產(chǎn)生電流沖擊和電壓跌落等電能質(zhì)量問題。國內(nèi)外針對并離網(wǎng)模式切換問題也作出了很多研究，文獻(xiàn)[5]通過分析控制器參數(shù)對微電網(wǎng)運行模式切換的影響，提出了控制器狀態(tài)跟隨的微電網(wǎng)平滑切換控制方法，并基于微源容量與負(fù)荷匹配的角度提出控制策略，然而僅僅改變控制器參數(shù)無法從根本上改變控制算法的弊端；文獻(xiàn)[6]提出對應(yīng)電壓-相角上垂控制的同步控制器以實現(xiàn)微電網(wǎng)平滑切換；文獻(xiàn)[7]提出電壓靈敏度分析方法以解決微電網(wǎng)并網(wǎng)時的沖擊，然而沒有考慮到微電網(wǎng)中大量非線性負(fù)載的影響且并未介紹微電網(wǎng)離網(wǎng)時的解決辦法。文獻(xiàn)[8]針對并離網(wǎng)切換時的功率不平衡問題，提出將儲能裝置作為主電源，基于儲能裝置的預(yù)同步控制保證切換前后微電網(wǎng)正常運行；文獻(xiàn)[9]考慮微電網(wǎng)負(fù)荷優(yōu)先級的供電可靠性，通過分布式次梯度算法，提出模型預(yù)測控制的能量優(yōu)化管理策略。文獻(xiàn)[10]深入研究了系統(tǒng)不同運行模式上網(wǎng)間互濟功率的傳輸原則，提出微電網(wǎng)多模式功率協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[11]提出基于模型預(yù)測算法建立儲能系統(tǒng)跟蹤調(diào)度計劃的雙層雙時間尺度實時控制策略，以降低分布式電源和負(fù)荷功率波動的影響。文獻(xiàn)[12-15]都對傳統(tǒng)微源控制策略進(jìn)行改進(jìn)，分別提出并網(wǎng)間接恒功率控制方式和離網(wǎng)控制參數(shù)自調(diào)節(jié)控制和加裝新型鎖相環(huán)等方法。文獻(xiàn)[16]考慮線路等效電阻對微電網(wǎng)控制影響，提出改進(jìn)上垂控制方法。而文獻(xiàn)[17]則采用在控制環(huán)路增加虛擬阻抗，即虛擬負(fù)電阻的控制策略以抵消線路阻性部分。在采用對等控制策略的微電網(wǎng)系統(tǒng)上，文獻(xiàn)[18-19]分別提出基于控制器狀態(tài)跟隨的虛擬同步機控制策略和基于電壓頻率恢復(fù)控制的微電網(wǎng)預(yù)同步控制算法。由于虛擬同步發(fā)電機并網(wǎng)運行時輸出功率控制動、穩(wěn)態(tài)特性存在矛盾，文獻(xiàn)[20]提出在常規(guī)虛擬同步機控制加入微分補償環(huán)節(jié)，以加快動態(tài)響應(yīng)速度，消解功率沖擊；在主從控制微電網(wǎng)系統(tǒng)上，文獻(xiàn)[21]以儲能單元作為主控單元設(shè)計平滑控制策略，采用分區(qū)域控制減弱負(fù)荷和從控單元間功率不均產(chǎn)生的振蕩。文獻(xiàn)[22]提出電壓電流協(xié)同控制策略，即電壓控制器調(diào)節(jié)負(fù)載電壓，而電流控制器在并網(wǎng)時控制輸出電流確保功率平衡，離網(wǎng)時退出；文獻(xiàn)[23]采用模糊控制算法，將傳統(tǒng)U/f控制轉(zhuǎn)變?yōu)槿劬€變斜率上垂控制特性。文獻(xiàn)[24]在改進(jìn)上垂控制的基礎(chǔ)上基于線性逐次逼近相位修正算法增加相位前饋補償環(huán)節(jié)。

3.2 微源運行控制策略

微電網(wǎng)中微源本身存在的間歇性特點和微源逆變器控制策略的轉(zhuǎn)換都會產(chǎn)生電能質(zhì)量問題，同時多微源間由于功率分配不均也會產(chǎn)生電能質(zhì)量問題。對微源運行控制策略進(jìn)行設(shè)計就是從供電端主動改善微網(wǎng)電能質(zhì)量，從源頭減少電能質(zhì)量問題。在多微源并聯(lián)運行系統(tǒng)中，針對微電網(wǎng)慣性小的問題，文獻(xiàn)[25]提出基于同步發(fā)電機機電暫態(tài)模型的微源控制策略；考慮微電網(wǎng)線路阻抗，文獻(xiàn)[26]通過分析微源輸出無功和電壓關(guān)系，提出Q-△U上垂控制和△U恢復(fù)機制相結(jié)合的控制方法，解決了傳統(tǒng)上垂控制無法合理分配無功功率的問題。文獻(xiàn)[27]提出引入感性虛擬阻抗的電壓電流雙環(huán)上垂控制；考慮功率計算環(huán)節(jié)引入的低通濾波器對系統(tǒng)動態(tài)性能的干擾，文獻(xiàn)[28]提出上垂系數(shù)隨功率變化的自適應(yīng)上垂控制。

3.3 電能質(zhì)量治理設(shè)備控制策略

微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題顯然可以通過裝設(shè)電能質(zhì)量治理裝置來解決。對于電能質(zhì)量治理設(shè)備，文獻(xiàn)[29]提出配電靜止同步補償器（DSTATCOM）和微網(wǎng)協(xié)同控制無功電壓的聯(lián)合運行模式。文獻(xiàn)[30]提出在公共連接點和微網(wǎng)交流母線間接入有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，以減小微網(wǎng)接入的影響?？梢钥闯?，單一電能質(zhì)量治理設(shè)備接入遵循了傳統(tǒng)電網(wǎng)中的控制策略。然而由于微電網(wǎng)特殊的環(huán)境影響，含逆變器的多電能質(zhì)量治理設(shè)備在微電網(wǎng)中相互耦合相互干擾的影響相對更強，文獻(xiàn)[31]提出了APF和SVG聯(lián)合運行控制策略。

4 結(jié)論

隨著微電網(wǎng)中接入分布式能源和非線性負(fù)載數(shù)量的增加，微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題必將日趨復(fù)雜，而電能質(zhì)量治理裝置的接入既有經(jīng)濟性的限制，也有多電能質(zhì)量治理設(shè)備接入相互耦合的影響?，F(xiàn)有的運行控制策略仍有不足之處，對非線性負(fù)載和電能質(zhì)量治理設(shè)備接入造成的干擾研究不夠深入。