微电网电能质量治理策略研究综述

2021-12-31王昕扬

科技创新与应用 2021年6期

王昕扬

1 概述

能源互联网是以传统电网为传输电能主体，以微电网作为其中的重要组成元素，通过互联网技术实现对分布式可再生能源的最大化利用的新型电力网络。它可以充分发挥互联网传递信息的高效性和快速性优势，及时监测用户端和电源端的能量双向流动，从而使更多的可再生能源得以加入电网，减小环境污染，逐步改善能源结构。在能源互联网的影响力越来越大的当上，电能质量问题仍然是用户和电网所关注的重点。其中，微电网是可再生能源利用的重要载体，因而对于能源互联网的电能质量问题，研究微电网及含微电网的配电网电能质量治理策略是应有之义[1-3]。

2 微电网电能质量问题

微电网是一种基于分布式能源，且由负荷、储能装置、逆变器和电能质量治理装置等组成的集团供电系统。与传统电网相比，由于微电网通过大量电力电子变换器接入不同种类的分布式能源，因而容量小、惯性小。同时多微源逆变器和各电能质量治理装置的相互耦合、干扰形成了微电网复杂的非线性系统。当然，微电网有着动态跟踪能力强，可以即插即用和灵活切换运行状态的优势。

国内尚未制定微电网电能质量的具体标准，但通过电能质量问题的成因、微电网本身的特性和运行经验可以大致了解其电能质量问题。谐波的产生主要与电源、线路和非线性负荷有关。相应地，微电网中的分布式电源、逆变器和大量电力电子装置会产生谐波。在电力系统中，电网往往呈感性，电压偏差与无功功率的多寡密切相关。与之不同的是，微电网往往呈阻性或阻感性，所以电压偏差也与有功功率有关。微电网中的微源本身存在间歇性的特点，微源输出的功率波动也会导致电压波动。三相不平衡是指供电系统中三相电压或电流不同，主要由三相负载配置不均导致的。由于微电网中存在大量单相接入的逆变器，所以也存在三相不平衡的问题。微电网在并离网状态切换时，控制方式的变化和功率投切会造成暂态电流和电压冲击。由于微电网容量较小，暂态冲击的影响更大。综上，微电网的电能质量问题可大致分为分布式能源发电装置带来的电能质量问题和微电网运行过程中由于运行状态切换、微源互补发电、非线性负载投切等微电网自身原因产生的电能质量问题。其中，又可按照频率的不同，将之划分为谐波问题和工频电能质量问题。工频电能质量问题主要是电压波动、电压暂降、电压闪变和三相不平衡等问题，通常由于微电网和接入的配电网功率或能量分配不均产生；而谐波问题则包含电压和电流的谐波畸变，是由分布式发电装置中电力电子装置产生和微电网运行过程产生，来源较广，危害也很大[4]。

3 微电网电能质量治理措施

针对微电网电能质量问题的由来，微电网电能质量治理策略可以根据微电网架构从微电网运行控制策略、微源控制策略和电能质量治理设备控制策略三个方面加以考虑。此外，通过储能装置的灵活运用来改善系统的电能质量问题也是热门的研究方向。

3.1 微电网运行控制策略

微电网运行控制策略分为三个层面，第一层是从整体控制微电网和外部配电网的功率交换，实现微电网的能量管理控制；第二层是微源间的协调控制策略以及模式切换控制策略；第三层是每个微源自身的控制策略。微源的运行控制策略可大致分为主从控制模式、对等控制模式和分层控制模式。并网模式上微源处于电流控制电压源模式，即PQ控制和上垂控制，仅为电网提供能量；离网模式上，微源必须提供微电网需要的工作电压，因而工作在电压控制电压源模式，即主从控制和对等控制。因而在并离网运行模式切换时，微源的工作模式也相应改变，从而会产生电流冲击和电压跌落等电能质量问题。国内外针对并离网模式切换问题也作出了很多研究，文献[5]通过分析控制器参数对微电网运行模式切换的影响，提出了控制器状态跟随的微电网平滑切换控制方法，并基于微源容量与负荷匹配的角度提出控制策略，然而仅仅改变控制器参数无法从根本上改变控制算法的弊端；文献[6]提出对应电压-相角上垂控制的同步控制器以实现微电网平滑切换；文献[7]提出电压灵敏度分析方法以解决微电网并网时的冲击，然而没有考虑到微电网中大量非线性负载的影响且并未介绍微电网离网时的解决办法。文献[8]针对并离网切换时的功率不平衡问题，提出将储能装置作为主电源，基于储能装置的预同步控制保证切换前后微电网正常运行；文献[9]考虑微电网负荷优先级的供电可靠性，通过分布式次梯度算法，提出模型预测控制的能量优化管理策略。文献[10]深入研究了系统不同运行模式上网间互济功率的传输原则，提出微电网多模式功率协调控制策略。文献[11]提出基于模型预测算法建立储能系统跟踪调度计划的双层双时间尺度实时控制策略，以降低分布式电源和负荷功率波动的影响。文献[12-15]都对传统微源控制策略进行改进，分别提出并网间接恒功率控制方式和离网控制参数自调节控制和加装新型锁相环等方法。文献[16]考虑线路等效电阻对微电网控制影响，提出改进上垂控制方法。而文献[17]则采用在控制环路增加虚拟阻抗，即虚拟负电阻的控制策略以抵消线路阻性部分。在采用对等控制策略的微电网系统上，文献[18-19]分别提出基于控制器状态跟随的虚拟同步机控制策略和基于电压频率恢复控制的微电网预同步控制算法。由于虚拟同步发电机并网运行时输出功率控制动、稳态特性存在矛盾，文献[20]提出在常规虚拟同步机控制加入微分补偿环节，以加快动态响应速度，消解功率冲击；在主从控制微电网系统上，文献[21]以储能单元作为主控单元设计平滑控制策略，采用分区域控制减弱负荷和从控单元间功率不均产生的振荡。文献[22]提出电压电流协同控制策略，即电压控制器调节负载电压，而电流控制器在并网时控制输出电流确保功率平衡，离网时退出；文献[23]采用模糊控制算法，将传统U/f控制转变为三折线变斜率上垂控制特性。文献[24]在改进上垂控制的基础上基于线性逐次逼近相位修正算法增加相位前馈补偿环节。

3.2 微源运行控制策略

微电网中微源本身存在的间歇性特点和微源逆变器控制策略的转换都会产生电能质量问题，同时多微源间由于功率分配不均也会产生电能质量问题。对微源运行控制策略进行设计就是从供电端主动改善微网电能质量，从源头减少电能质量问题。在多微源并联运行系统中，针对微电网惯性小的问题，文献[25]提出基于同步发电机机电暂态模型的微源控制策略；考虑微电网线路阻抗，文献[26]通过分析微源输出无功和电压关系，提出Q-△U上垂控制和△U恢复机制相结合的控制方法，解决了传统上垂控制无法合理分配无功功率的问题。文献[27]提出引入感性虚拟阻抗的电压电流双环上垂控制；考虑功率计算环节引入的低通滤波器对系统动态性能的干扰，文献[28]提出上垂系数随功率变化的自适应上垂控制。

3.3 电能质量治理设备控制策略

微电网的电能质量问题显然可以通过装设电能质量治理装置来解决。对于电能质量治理设备，文献[29]提出配电静止同步补偿器（DSTATCOM）和微网协同控制无功电压的联合运行模式。文献[30]提出在公共连接点和微网交流母线间接入有源电能质量调节器，以减小微网接入的影响。可以看出，单一电能质量治理设备接入遵循了传统电网中的控制策略。然而由于微电网特殊的环境影响，含逆变器的多电能质量治理设备在微电网中相互耦合相互干扰的影响相对更强，文献[31]提出了APF和SVG联合运行控制策略。