微電網電能質量治理策略研究綜述

王昕揚

1 概述

能源互聯網是以傳統電網為傳輸電能主體，以微電網作為其中的重要組成元素，通過互聯網技術實現對分布式可再生能源的最大化利用的新型電力網絡。它可以充分發揮互聯網傳遞信息的高效性和快速性優勢，及時監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，減小環境污染，逐步改善能源結構。在能源互聯網的影響力越來越大的當上，電能質量問題仍然是用戶和電網所關注的重點。其中，微電網是可再生能源利用的重要載體，因而對于能源互聯網的電能質量問題，研究微電網及含微電網的配電網電能質量治理策略是應有之義[1-3]。

2 微電網電能質量問題

微電網是一種基于分布式能源，且由負荷、儲能裝置、逆變器和電能質量治理裝置等組成的集團供電系統。與傳統電網相比，由于微電網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量治理裝置的相互耦合、干擾形成了微電網復雜的非線性系統。當然，微電網有著動態跟蹤能力強，可以即插即用和靈活切換運行狀態的優勢。

國內尚未制定微電網電能質量的具體標準，但通過電能質量問題的成因、微電網本身的特性和運行經驗可以大致了解其電能質量問題。諧波的產生主要與電源、線路和非線性負荷有關。相應地，微電網中的分布式電源、逆變器和大量電力電子裝置會產生諧波。在電力系統中，電網往往呈感性，電壓偏差與無功功率的多寡密切相關。與之不同的是，微電網往往呈阻性或阻感性，所以電壓偏差也與有功功率有關。微電網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致電壓波動。三相不平衡是指供電系統中三相電壓或電流不同，主要由三相負載配置不均導致的。由于微電網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。微電網在并離網狀態切換時，控制方式的變化和功率投切會造成暫態電流和電壓沖擊。由于微電網容量較小，暫態沖擊的影響更大。綜上，微電網的電能質量問題可大致分為分布式能源發電裝置帶來的電能質量問題和微電網運行過程中由于運行狀態切換、微源互補發電、非線性負載投切等微電網自身原因產生的電能質量問題。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量問題。工頻電能質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，通常由于微電網和接入的配電網功率或能量分配不均產生；而諧波問題則包含電壓和電流的諧波畸變，是由分布式發電裝置中電力電子裝置產生和微電網運行過程產生，來源較廣，危害也很大[4]。

3 微電網電能質量治理措施

針對微電網電能質量問題的由來，微電網電能質量治理策略可以根據微電網架構從微電網運行控制策略、微源控制策略和電能質量治理設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的電能質量問題也是熱門的研究方向。

3.1 微電網運行控制策略

微電網運行控制策略分為三個層面，第一層是從整體控制微電網和外部配電網的功率交換，實現微電網的能量管理控制；第二層是微源間的協調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，僅為電網提供能量；離網模式上，微源必須提供微電網需要的工作電壓，因而工作在電壓控制電壓源模式，即主從控制和對等控制。因而在并離網運行模式切換時，微源的工作模式也相應改變，從而會產生電流沖擊和電壓跌落等電能質量問題。國內外針對并離網模式切換問題也作出了很多研究，文獻[5]通過分析控制器參數對微電網運行模式切換的影響，提出了控制器狀態跟隨的微電網平滑切換控制方法，并基于微源容量與負荷匹配的角度提出控制策略，然而僅僅改變控制器參數無法從根本上改變控制算法的弊端；文獻[6]提出對應電壓-相角上垂控制的同步控制器以實現微電網平滑切換；文獻[7]提出電壓靈敏度分析方法以解決微電網并網時的沖擊，然而沒有考慮到微電網中大量非線性負載的影響且并未介紹微電網離網時的解決辦法。文獻[8]針對并離網切換時的功率不平衡問題，提出將儲能裝置作為主電源，基于儲能裝置的預同步控制保證切換前后微電網正常運行；文獻[9]考慮微電網負荷優先級的供電可靠性，通過分布式次梯度算法，提出模型預測控制的能量優化管理策略。文獻[10]深入研究了系統不同運行模式上網間互濟功率的傳輸原則，提出微電網多模式功率協調控制策略。文獻[11]提出基于模型預測算法建立儲能系統跟蹤調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荷功率波動的影響。文獻[12-15]都對傳統微源控制策略進行改進，分別提出并網間接恒功率控制方式和離網控制參數自調節控制和加裝新型鎖相環等方法。文獻[16]考慮線路等效電阻對微電網控制影響，提出改進上垂控制方法。而文獻[17]則采用在控制環路增加虛擬阻抗，即虛擬負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系統上，文獻[18-19]分別提出基于控制器狀態跟隨的虛擬同步機控制策略和基于電壓頻率恢復控制的微電網預同步控制算法。由于虛擬同步發電機并網運行時輸出功率控制動、穩態特性存在矛盾，文獻[20]提出在常規虛擬同步機控制加入微分補償環節，以加快動態響應速度，消解功率沖擊；在主從控制微電網系統上，文獻[21]以儲能單元作為主控單元設計平滑控制策略，采用分區域控制減弱負荷和從控單元間功率不均產生的振蕩。文獻[22]提出電壓電流協同控制策略，即電壓控制器調節負載電壓，而電流控制器在并網時控制輸出電流確保功率平衡，離網時退出；文獻[23]采用模糊控制算法，將傳統U/f控制轉變為三折線變斜率上垂控制特性。文獻[24]在改進上垂控制的基礎上基于線性逐次逼近相位修正算法增加相位前饋補償環節。

3.2 微源運行控制策略

微電網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換都會產生電能質量問題，同時多微源間由于功率分配不均也會產生電能質量問題。對微源運行控制策略進行設計就是從供電端主動改善微網電能質量，從源頭減少電能質量問題。在多微源并聯運行系統中，針對微電網慣性小的問題，文獻[25]提出基于同步發電機機電暫態模型的微源控制策略；考慮微電網線路阻抗，文獻[26]通過分析微源輸出無功和電壓關系，提出Q-△U上垂控制和△U恢復機制相結合的控制方法，解決了傳統上垂控制無法合理分配無功功率的問題。文獻[27]提出引入感性虛擬阻抗的電壓電流雙環上垂控制；考慮功率計算環節引入的低通濾波器對系統動態性能的干擾，文獻[28]提出上垂系數隨功率變化的自適應上垂控制。

3.3 電能質量治理設備控制策略

微電網的電能質量問題顯然可以通過裝設電能質量治理裝置來解決。對于電能質量治理設備，文獻[29]提出配電靜止同步補償器（DSTATCOM）和微網協同控制無功電壓的聯合運行模式。文獻[30]提出在公共連接點和微網交流母線間接入有源電能質量調節器，以減小微網接入的影響。可以看出，單一電能質量治理設備接入遵循了傳統電網中的控制策略。然而由于微電網特殊的環境影響，含逆變器的多電能質量治理設備在微電網中相互耦合相互干擾的影響相對更強，文獻[31]提出了APF和SVG聯合運行控制策略。

4 結論

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