基于最小能量补偿控制的微网动态电压恢复器

黄永红 徐俊俊 孙玉坤

（江苏大学电气与信息工程学院 镇江 212013）

1 引言

虽然微网技术具有诸多优点，但是微网一般处在配电网的尾端，极易遭受配电网各种电能质量扰动的影响[1-3]；另一方面，由于微网存在并网与孤岛两种运行模式，当发生这两种运行模式的切换时，会有瞬间电压暂降或暂升的过程，若不采用适当的控制策略和相关设备，微网内部的微源以及敏感负荷的电能质量会受到很大影响，造成不可估计的经济损失。所有这些负面影响都极大地限制了微网自身优势的最大发挥[4-6]。

目前最常用的改善电能质量扰动的有效装置是动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restore, DVR）。如何使 DVR工作效率更高，补偿时间更长，运行成本更低等问题成为国内外电力领域学者研究的热点，研究成果主要是针对 DVR的直流储能[7-10]、DVR的拓扑结构[11-14]和DVR的补偿策略或控制方法[15-18]等方面。但是目前大部分都是针对配电网中出现的电能质量扰动开展的研究工作，对微网中DVR的研究尚少。随着微网技术的进一步普及，最大程度发挥微网的作用，削弱微网在进行运行模式切换时出现的瞬时电能质量扰动对敏感负荷产生的影响，加快研究适合于微网环境下的DVR，减少经济损失，意义重大。

本文以微网在并网或由并网向孤岛切换过程中出现的电能质量扰动为背景，建立了适合微网的DVR模型。模型以一个混合级联H桥多电平逆变器拓扑结构（hybrid cascaded multilevel inverter）为主体框架[19]，在逆变器的补偿控制策略方面，采用一种改进的最小能量补偿控制策略，该方法物理意义明确，数学推导清晰，在确定 DVR最小注入功率角时简洁方便，并且能够进一步减少 DVR装置直流储能单元的容量，降低 DVR输出的有功功率，更为有效地延长DVR补偿时间；针对DVR的直流储能问题，采用微网中自带的风电机组-蓄电池储能，可以方便地为 DVR提供补偿所需的能量，减少附加储能设备的使用，从而能够精简 DVR的体积，降低设备维修成本；另外，当微网处在孤岛运行模式下，DVR可以实现对微网中敏感负荷的直接供电，而不需要通过外部电网供电，这样可以进一步减少大电网的投入，提高 DVR的利用率，实现节能减排。

2 微网中DVR的结构

本文提出的适合微网运行模式环境下的 DVR结构如图1所示。

图1 基于风电机组-蓄电池单元动态电压恢复器结构Fig.1 Structure of DVR based on a wind turbine-battery hybrid system

该DVR系统有风电机组、风电机组转子侧ACDC变换器、蓄电池组、DC-DC变换器、具有脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）功能的混合级联H桥多电平逆变器和采用功率因数校正电路的整流器，以及功率半导体开关S1～S4。图1中，Us为等效电源电压，即配电网电压，UL为微网中敏感负荷的电压；PCC为静态开关，作为微网与配电网的公共连接点与分隔点，通过控制此开关可实现微网的不同运行模式；S1为双向功率半导体开关，此开关用于控制 DVR装置以及微网的工作模式。其中，若S1断开，则表示DVR装置未接入到整个系统中，处于备用状态；若 S1闭合，则表示 DVR装置已接入到整个系统中，处于工作状态；S2控制风电机组的投切运行，S3、S4开关用于控制蓄电池组的工作方式，即控制蓄电池组的充放电。所有开关均由能量管理系统控制。

3 改进型最小能量补偿控制策略

逆变器是整个 DVR装置的核心部分，对逆变器采取有效的补偿控制策略不仅能够及时准确地补偿系统在发生电能质量扰动时所需的电压，而且能够减少 DVR在工作时与系统产生的有功交换，节约 DVR直流储能单元的容量，延长补偿时间。因此，本文基于 DVR在工作时向系统注入的有功功率最小，在文献[20]的基础之上，采用一种改进的最小能量补偿控制策略，利用导数推导的方法确定DVR系统最小注入功率角，该方法较传统最小能量补偿控制策略[21]而言，数学推导清晰简洁，更为方便地确定 DVR的最小注入功率角，且可以进一步减少 DVR在工作时向系统注入的有功功率。系统相量图如图2所示，为了推导方便，以及推导过程更为清晰，采用三相相量图对最小注入功率角进行推导并假设补偿前后系统电压A、B、C三相之间始终保持平衡。

图2 系统相量Fig.2 Phasor diagram of system

图 2中，Ua-pro、Ub-pro、Uc-pro为暂降前配电网三相电压；Ua、Ub、Uc为暂降后配电网三相电压；ULa-ref、ULb-ref、ULc-ref为暂降后负荷三相参考电压；Ua-DVR、Ub-DVR、Uc-DVR为暂降发生后 DVR向系统补偿的三相电压；Ia、Ib、Ic为负荷电流，φa、φb、φc为负荷功率因数角，本文假设暂降前后功率因数角不变；Δθa、Δθb、Δθc为暂降前后配电网三相电压之间的夹角；δopt为暂降发生后配电网电压与负荷参考电压之间的夹角，δopt随着负荷参考电压位置选取的不同而变化。暂降发生后负荷以及配电网的有功功率可分别表示为

PL=3ULIcosφ （1）

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

Uccos(φ-δopt+Δθc)] （2）则可知DVR向系统注入的有功功率为

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

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

式（3）中，等式右边只有δopt是未知量，可以发现PDVR是关于δopt的函数，通过优化选取合适的δopt，即可使DVR向系统注入的最小有功功率。为了使得 PDVR最小，则必须满足 PDVR导数在 δopt的一阶导数为零，即

考虑到X和Y是直角三角形的两条直角边，则式（7）、式（8）又可以表示为

则式（9）又可表示为

也即当暂降前的系统电压与暂降发生后系统所取的参考电压之间的相位角为 δ=φ+α时，DVR能够向系统注入最小的有功功率来补偿系统电压暂降所需电压，降低DVR在补偿过程中所需消耗的能量。

为了验证当δ=φ+α是系统的最小能量角，需将δopt=φ+α代入式（5）中，验证二阶导数是否为正值。

式（5）中，令δopt=φ+α，则恒成立，所以 δopt=φ+α为最小能量角，此时 DVR向系统注入的最小有功功率为

为了提高微网中敏感负荷的供电可靠性，系统还需要对配电网系统电压进行实时、快速准确地检测，一旦检测到系统发生电压暂降扰动时，能量管理系统立即断开S1、DVR中的逆变器迅速地采取最小能量补偿控制策略控制蓄电池组放电，补偿微网中的敏感负荷所需电压和功率，维持负荷电压在额定值，确保敏感负荷的供电不受配电网故障的影响。鉴于此，考虑到系统本身的复杂程度，本文在电压检测方面采用基于 dq变换的电压暂降扰动检测方法[22]，系统电压暂降检测及 DVR采用最小能量补偿控制策略时负荷参考电压的选取综合框图如图 3所示；另一方面，为了更准确地实现对微网中敏感负荷的电压补偿，最终采用带有负荷电压瞬时值反馈控制的动态补偿控制策略，从而使得 DVR中的逆变器输出电压值能够实时对参考电压进行跟踪和调整，对敏感负荷的电压变化进行动态补偿，DVR动态补偿控制框图如图4所示。

图3 系统电压暂降检测及DVR负荷参考电压的选取框图Fig.3 Diagram of system voltage detection and load reference voltage choice of DVR

图4 DVR动态补偿控制框图Fig.4 Diagram of dynamic compensation of DVR

4 微网运行模式

基于风电机组-蓄电池发电单元的动态电压恢复器结合了DVR和风电-蓄电池发电的优点，可以伴随微网工作在并网运行方式、由并网向孤岛切换运行方式和孤岛方式三种运行模式，该 DVR装置在很大程度上减少了原有 DVR的备用状态，提高了设备的利用率。根据测点电压的变化情况，通过能量管理系统控制图1系统中所有半导体开关的状态，从而明确 DVR的工作方式。表 1列举了半导体开关在系统处于三种运行模式下的几种典型状态。表中‘1’表示开关处于闭合状态，‘0’表示开关处于断开状态，US为配电网的电压，为并网向孤岛切换模式时微网的电压。

表1 微网在不同运行模式下的系统开关状态Tab.1 Status of system switches in different modes of micro-grid

4.1 并网运行

微网与配电网处于并网运行模式下，PCC与S1闭合，负荷由配电网直接供电。当检测到负荷电压正常时，S3闭合，S2、S4断开，此时 DVR不向电网输送能量，蓄电池组可通过整流器以及降压DC-DC变换器进行充电；当遇到风速强的天气，风电机组也可通过转子侧变换器向蓄电池组进行充电；当配电网或者微电网发生电压暂降或短时中断时，S1需立即断开，DVR装置迅速动作，由备用状态立即转为工作状态，对电压进行检测补偿，有效地抑制电压暂降，保护敏感负荷免受电能扰动影响。

为了最大程度地提高风电机组的利用率，无论系统处于什么运行模式，也无论风速强弱，风电机组均向蓄电池组输送电量，以确保蓄电池组的电荷随时随地都能够快速地处于饱满状态。并网运行模式下能量管理系统工作流程如图5所示。其中，流程框图中的“结束”模块表示配电网中故障已切除，微网中的敏感负荷电压保持在额定值且蓄电池组电量均达到饱和状态，此时风电机组不再出力，待S1开关完全闭合后能量管理系统停止工作。

图5 并网运行时能量管理系统工作流程Fig.5 Flow chart of EMS under gird-connected operation mode

4.2 由并网向孤岛切换运行

微网中的分布式电源（Distributed Generation,DG）在与配电网进行运行模式切换的过程中会出现瞬间的电压扰动问题，虽然扰动时间较短，但降低了微网中敏感负荷的供电可靠性。基于确保本地敏感负荷的供电安全考虑，需要尝试利用 DVR配合无缝切换以保证敏感负荷的不间断供电，减少微网由并网向孤岛切换时所引起的瞬时电压扰动问题。当检测到系统将要进行两种运行模式切换时，无论外界条件如何，能量管理系统都将闭合S4，蓄电池组处于放电状态，以确保微网中敏感负荷的电能质量不受运行模式切换所带来的瞬时电压扰动影响。由并网向孤岛运行模式切换时能量管理系统工作流程如图6所示。其中，“结束”模块表示微网中的敏感负荷电压保持额定值，微网与配电网已进行无缝切换，能量管理系统停止工作。

图6 由并网向孤岛切换时能量管理系统工作流程Fig.6 Flow chart of EMS under the switching between grid-connected operation and islanded operation mode

4.3 孤岛运行

当配电网出现电力故障或者微网中的微电源电量充足时，则微网通过PCC公共连接点与配电网断开，进入孤岛运行模式，此时基于风电机组-蓄电池发电单元的 DVR装置充当微网中的微电源形式运行，既可以与微网协调给敏感负荷供电，又可将多余的能量通过蓄电池进行蓄电，能够更好地确保本文所提出的 DVR在电压暂降、暂升以及短时中断情况下，敏感负荷正常运行，保证了微网中敏感负荷的电能质量要求。微电源运行模式下能量管理系统工作流程如图7所示。

5 算例仿真与结果分析

为了验证上述系统以及 DVR装置的可行性，本文基于Matlab/Simulink软件，建立了图1所示系统模型，进行仿真分析。系统主要参数见表2。

图7 孤岛运行时能量管理系统工作流程Fig.7 Flow chart of EMS under islanded operation mode

表2 系统主要参数Tab.2 The main parameters of system

按照上述3种运行模式进行仿真，结果分析如下。

5.1 并网运行

初始阶段系统运行正常，0.1s时配电网发生轻微故障，导致系统电压暂降为额定值的 0.9，经过0.1s后电压恢复。电压波动如图8所示。

图8 原始系统电压波形Fig.8 Original voltage waveform of system

图 9为检测到的电压幅值暂降深度，图 10为DVR装置中检测模块产生的补偿指令电压波形，图11为DVR装置向系统中输出的实际电压波形，图12为配电网发生故障时微网中敏感负荷的电压波形，由此可见 DVR能够根据检测到的电压波动，向系统注入所需的补偿电压，实现重要负荷的连续可靠运行。图13为基于传统最小能量控制策略和本文采用的最小能量控制策略下 DVR向系统注入的有功功率比较图。从图中可以看出，在系统发生电压暂降的情况下，本文所采用的 DVR最小能量补偿控制策略在补偿负荷所需电压时与系统发生的有功功率损耗要小于传统的最小能量补偿控制策略。

图9 检测点电压波形Fig.9 Voltage waveform of detection points

图10 补偿指令电压波形Fig.10 Compensation voltage waveforms

图11 DVR输出电压波形Fig.11 Output voltage waveforms of DVR

图12 补偿后微网中负荷电压波形Fig.12 Load voltage waveforms after compensation in micro-gird

图13 暂降为10%时采用两种补偿控制策略DVR向系统注入的有功功率比较Fig.13 Comparison of active power injection between two compensation control schemes of DVR when voltage sag is 10%

5.2 由并网向孤岛切换

0～0.05s，微网并网正常运行；0.05s时微网与配电网进行两种模式切换，微网由并网运行转为孤岛运行模式，持续时间为0.05s；0.1s后微网进入孤岛运行模式。图14、图15分别为有无DVR补偿装置的情况下微网中敏感负荷的电压波形，由两个电压波形图对比分析可知，DVR装置能够有效地跟踪微网中敏感负荷电压的变化，及时补偿微网由并网运行向孤岛运行切换过程中负荷所受到的短时电能质量扰动问题，避免重要负荷因运行模式切换而带来的供电影响。图16为系统在由并网向孤岛运行模式切换时蓄电池组输出的有功功率。

图15 有DVR装置情况下微网中敏感负荷电压波形Fig.15 Load voltage waveforms with DVR in micro-grid

图16 蓄电池组输出的功率Fig.16 Output active power of batteries

5.3 孤岛运行

当检测到微网中的风速强劲以及蓄电池电量充足时，微网可以工作在孤岛模式下，负荷不需要配电网进行供电，仅依靠风电-蓄电池发电单元足以满足负荷供电要求。孤岛运行模式下微网中的敏感负荷电压波形如图 17所示，图 18为孤岛模式下DVR装置输出的电压波形。图19为风力发电机组输出的有功、无功功率。由此可以看出，风电-蓄电池组可以作为微电源提供短期负荷所需电压，从而可以减少配电网的投入，实现节能减排。

图17 微网中负荷电压波形图Fig.17 Load voltage waveforms in micro-grid

图18 孤岛模式下DVR输出电压Fig.18 Output voltage of DVR under islanded operation mode

图19 孤岛模式下风电机组输出的功率Fig.19 Output power of wind turbines inder islanded operation mode

6 结论

（1）基于风电机组-蓄电池发电单元的DVR模型能有效抑制微网在并网以及由并网向孤岛运行模式切换过程中出现的短时电压扰动问题，实现微网两种运行模式的无缝切换，提高对敏感负荷的供电可靠性。

（2）在DVR装置的逆变器补偿控制策略方面，采用一种改进的最小能量补偿控制策略，该方法物理意义明确，数学推导清晰，并且能够进一步减少DVR在工作时消耗的能量，从而延长DVR的补偿时间。

（3）当微网处于孤岛运行模式下，DVR可以实现对微网中敏感负荷的直接供电，减少配电网的电能输出，提高DVR的利用率，实现节能减排。

（4）算例仿真结果验证了该DVR模型的可行性。

[1] 鲁宗相, 王彩霞, 闵勇, 等. 微电网研究综述[J].电力系统自动化, 2007, 31(19): 100-107.Lu Zongxiang, Wang Caixia, Min Yong, et al.Overview on microgrid research[J]. Automation of Electric Power System, 2007, 31(19): 100-107.

[2] Il Yop C, Wenxin L, Cartes D A, et al. Control methods of inverter-interfaced distributed generators in a microgrid system[J]. IEEE Transactions on Industrial Applications, 2010, 46(3): 1078-1088.

[3] 成瑞芬, 韩肖青, 王鹏, 等. 微电网动态电压恢复器运行模式研究[J]. 电网技术, 2013, 37(3): 610-615.Cheng Ruifen, Han Xiaoqing, Wang Peng, et al.Research on operation modes of dynamic voltage restorer in microgrid [J]. Power System Technology,2013, 37(3): 610-615.

[4] 姚勇, 朱桂萍, 刘秀成. 电池储能系统在改善微电网电能质量中的应用[J]. 电工技术学报, 2012,27(1): 85-89.Yao Yong, Zhu Guiping, Liu Xiucheng. Improvement of power quality of micro-grids by battery energy storage system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(1): 85-89.

[5] 王成山, 李鹏. 分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(2): 10-14.Wang Chengshan, Li Peng. Development and challenges of distributed generation, the micro-grid and smart distribution system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(2): 10-14.

[6] 黄杏, 金新民, 马琳. 微网离网黑启动优化控制方案[J]. 电工技术学报, 2013, 28(4): 182-190.Huang Xing, Jin Xinmin, Ma Lin. An optimized island micro-grid black-start control method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(4): 182-190.

[7] Ghosh A, Jinal A K, Joshi A. Design of a capacitorsupported dynamic voltage restorer(DVR) for unbalanced and distorted loads[J]. IEEE Transaction on Power Delivery, 2004, 19(1): 405-413.

[8] 尹婷, 陈轩恕, 刘飞. 基于混合储能系统的动态电压恢复器[J]. 高电压技术, 2009, 35(1): 181-185.Yin Ting, Chen Xuanshu, Liu Fei, et al. Dynamic voltage restorer powered by hybrid energy store system[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(1): 181-185.

[9] 许建兵, 江全元, 石庆均. 基于储能型 DVR的双馈风电机组电压穿越协调控制[J]. 电力系统自动化,2012, 36(16): 14-20.Xu Jiangbin, Jiang Quanyuan, Shi Qingjun. Coordinated control of voltage ride through for DFIG wind turbine systems using energy based DVR[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(16): 14-20.

[10] Ramasamy M, Thangaval S. Experimental verification of PV based dynamic voltage restorer(PV-DVR) with significant energy conservation[J]. Electrical Power and Energy Systems, 2013, 49(1): 296-307.

[11] 雷何, 林新春, 薛明雨, 等. 基于离散状态空间的单相动态电压恢复器控制[J]. 中国电机工程学报,2013, 33(18): 147-154.Lei He, Lin Xinchun, Xue Mingyu, et al. A discrete state space controller for single-phase dynamic voltage restorers[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(18):147-154.

[12] Ezoji H, A Sheikholeslami, Rezanezhad M, et al. A new control method for dynamic voltage restorer with asymmetrical inverter legs based on fuzzy logic controller[J]. Simulation Modeling Practice and Theory,2010, 18(1): 806-819.

[13] 金楠, 唐厚君, 杨存祥, 等. 新型动态电压恢复器的拓扑与控制策略[J]. 电力自动化设备, 2011,31(7): 62-66.Jin Nan, Tang Houjun, Yang Cunxiang, et al. Topology and control strategy of dynamic voltage restorer[J].Electric Power Automation Equipment, 2011, 31(7):62-66.

[14] 王同勋, 薛禹胜, CHOI S S. 动态电压恢复器研究综述[J]. 电力系统自动化, 2007, 31(9): 101-107.Wang Tongxun, Xue Yusheng, Choi S S. Review of dynamic voltage restorer[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(9): 101-107.

[15] 孙哲, 郭春林, 肖湘宁, 等. 基于负荷电压的 DVR补偿策略分析方法及最小能量控制[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(31): 43-49.Sun Zhe, Guo Chunlin, Xiao Xiangning, et al. Analysis method of DVR compensation strategy based on load voltage and minimum energy control[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(31): 43-49.

[16] 刘牛, 姚钢, 周荔丹, 等. 基于 H∞回路成形的动态电压恢复器鲁棒控制[J]. 电工技术学报, 2012,27(9): 48-53.Liu Niu, Yao Gang, Zhou Lidan, et al. H∞loop shaping based robust controller of dynamic voltage restorer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(9): 48-53.

[17] Ajaei F B, Afsharnia S, Kahrobaeian A, et al. A fast and effective control scheme for the dynamic voltage restorer[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2011, 26(4): 2398-2406.

[18] Andres E L, Marcelo F F, Jorge A S, et al. Control strategy of a DVR to improve stability in wind farms using squirrel-cage induction generators[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2011, 26(3): 1609-1617.

[19] 饶建业, 李永东. 一种混合级联型多电平逆变器拓扑结构[J]. 电工技术学报, 2009, 24(3): 104-109.Rao Jianye, Li Yongdong. Investigation of control method for a hybrid cascaded multilevel inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2009,24(3): 104-109.

[20] Marei M I, Eltantawy A B, EI-Sattar A A. An energy optimized control scheme for a transformerless DVR[J]. Electric Power System Research, 2012, 83(1):110-118.

[21] 冯晓华. 混合级联多电平动态电压恢复器的研究[D]. 南京, 南京理工大学, 2013.

[22] 刘云潺, 黄纯, 欧立权, 等. 基于 dq变换的三相不平衡电压暂降检测方法[J]. 电力系统及其自动化学报, 2007, 19(3): 72-76.Liu Yunchan, Huang Chun, Ou Liquan, et al. Method for unbalanced voltage sag detection based on dq transform[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2007,19(3): 72-76.