微電網儲能系統控制對電能質量的保障

杜彬

摘要：微電網是一種將“發、配、用”有機結合的一體化系統，結合了分布式發電、儲能裝置、監控和保護裝置以及各種負荷，可以實現自我控制，具備能量管理能力，可以并網或離網運行。同時，作為能源互聯網中的重要組成部分，微電網可以使得 DG 更加靈活、高效、智能地接入。

關鍵詞：微電網儲能;系統控制;電能質量

1.微電網結構及運行特性分析

與傳統電網相比，微電網融合了風、光、儲等不同能源形式，運行方式更加靈活。微電網大量采用電力電子變換器作為接口裝置，響應速度快、功率靈活可控，但大量的電力電子接口裝置導致微電網慣性較弱，更易受功率波動的影響。同時，微電網具有較小的短路比，表現出弱電網特征。微電網中公共母線與并網逆變器存在一定的電網阻抗，這會影響并網逆變器的安全穩定運行和原有并網逆變器參數，從而導致控制性能變差，也會削弱原有的阻尼效應，導致并網電流畸變。微電網可以分別運行于并、離網狀態，并網模式下微電網通過公共耦合點接入傳統電網。當微電網中電能充足時，一部分供給本地負荷，其余通過 PCC 傳輸至電網;當微電網中能量不足時，由大電網和微電網共同為微電網負荷供電。孤島運行模式適用于大電網出現故障或獨立供電情況。相較于大電網，微電網中傳統電能質量問題， 如電壓波動等問題更為嚴重，且 PCC 處的電能質量會影響大電網以及微電網的穩定運行。另外，微電網中新能源滲透率逐步提高，電力電子設備所占比例越來越大，電力電子技術的復雜性和多樣性延伸出一些新的電能質量問題，如間諧波和超高次諧波。

2.微電網儲能系統控制對電能質量的保障措施

2.1電壓偏差治理

針對微電網并網中電壓偏差，可利用其中已經存在的電力電子變換器，通過控制策略實現電壓偏差治理。針對孤島運行模式下微電網中負載變化導致的電壓偏差，采用基于擾動觀測器的雙向 AC/DC 換流器電壓波動控制策略，對外界干擾量快速跟蹤，以提高系統動態性能與穩定性，從而有效抑制電壓偏差?；谝环N自適應可調模糊粒子群算法，以有功損耗、總電壓偏差和電壓穩定性指標為目標函數，通過無功優化的調度實現有功損耗與總電壓偏差最小。

2.2 頻率偏差治理

微電網中出現頻率偏差的主要原因是新能源發電系統慣性較低。在 VSG 的基礎上，采用深度神經網絡算法，在不同階段自適應選擇參數，從而控制雙饋感應風電機組中的虛擬慣量，減小外界干擾下的頻率偏差。此外，近些年來電動汽車充電系統接入電網數目越來越多，可利用電動汽車作為移動儲能裝置進行微電網調頻，提出一種電動汽車參與孤島運行的微電網輔助調頻充放電控制策略，利用頻率差額以及目前電動汽車荷電狀況調節充放電功率指令，利用VSG 控制電動汽車的充放電操作，使電動汽車參與微電網調頻并抑制頻率偏差。

2.3電壓暫降治理

電壓暫降治理通常采用固態快速切換開關和 STATCOM 等電力電子設備。SSTS 通過切換暫降線路，將敏感負載快速、可靠地切換至備用電源。DVR 通過串聯儲能元件補償電壓，保持電壓穩定，但其治理效果受負荷容量影響。針對微電網中DVR 單獨使用無容量受限的情況，將配備蓄電池的儲能系統通過 Buck 電路與 DVR 進行連接，通過儲能系統為 DVR 提供足夠的能量，從而抑制電壓暫降現象，確保微電網電壓的穩定。

2.4電壓波動治理

微電網中光伏、風電等能源并網場景下電壓波動主要與電源出力引起有功功率的波動有關。由于風電發電、光伏發電易受外界條件影響，導致電壓波動，采用一種改進粒子群算法對蓄電池儲能系統中的有功功率和無功功率進行控制，減小外界干擾對功率穩定性的影響，從而抑制微電網電壓波動。對于微電網孤島運行時，大型沖擊性負載的接入引起的電壓波動，提出一種能夠快速跟蹤 DG 出力和負荷功率變化等擾動量的電壓觀測器，應用于雙向AC/DC 變流器母線，提高系統的動態響應性能和魯棒性?；谙辔豢臻g法，提出電壓波動控制策略，其基本原理為通過快速跟蹤負載電壓幅值的變化，進行補償，從而抑制 PCC 電壓波動。

2.5三相不平衡治理

微電網電源故障或者三相負載不平衡均可能產生三相不平衡現象，其治理主要通過拓撲結構或控制策略的優化、安裝 SVG 等電能質量治理裝置或引入儲能設備實現。針對交直流混合微網三相不平衡問題，在直流微網內采用分段下垂的自治分布儲能系統，通過相間功率交換以及直流儲能調節實現三相負載功率平衡。采用多變流器并聯+z 型接地變壓器結構的變流器，提出一種基于正序旋轉坐標系的 PI+VPI 控制策略，對由于不平衡負荷造成的輸出電壓不平衡進行補償，進而保證設備的供電質量。由于大量不平衡負載導致微電網三相電壓不平衡，針對微電網孤島運行模式，提出一種基于虛擬阻抗的電壓不平衡補償策略，引入虛擬負序阻抗補償負序電流，通過解耦的控制算法分別獨立控制正序和負序分量。

2.6諧波治理

諧波治理可采用無源濾波器和 APF 方案，其中無源治理方案連接方式簡單、成本較低，但只能對特定次諧波進行濾除，無法對變化的諧波進行針對性濾除，靈活性不好。APF 實時動態性好、準確度高，且可以對特定次諧波進行濾除，靈活性高，但易受電網參數影響，易因過載而退出運行。針對微電網因電網阻抗過大以及相鄰微電網距離不可忽略時傳統 APF 的補償性能不佳的問題，提出一種基于諧波阻抗匹配的治理方案，通過檢測線路中點的諧波電壓，協調控制APF 諧波阻抗，并根據諧波含量自動調節線路兩端諧波阻抗相角，在電網阻抗較大時，也能對諧波進行有效補償。

結語

目前，智能電網不斷發展，微電網作為 SG 的重要組成部分，將緊隨其發展趨勢，并結合大數據、AI 和深度學習等逐步走向智能化，微電網中的電能質量治理也將從“先污染，后治理”走向“提前、主動治理”，從單一治理走向綜合性、集成化的綜合電能質量治理。

參考文獻

[1] 施榮， 王濤， 李寧， 等. 孤島微電網中的虛擬同步發電機并聯控制策略[J]. 電氣傳動， 2021， 51（6）： 44-50.

[2] 肖湘寧， 廖坤玉， 唐松浩， 等. 配電網電力電子化的發展和超高次諧波新問題[J]. 電工技術學報， 2018， 33（4）： 707-720.