多源配網主動孤島恢復過程電壓頻率波動的平抑方法

在當前低碳化與去碳化的能源轉型期，集中式與分布式并舉開發新能源已是必然趨勢.分布式電源(DG)高比例接入配網使得配網由傳統受端電網轉變為集電能收集、傳輸、儲存和分配于一體的新型電力交換系統，增加了系統運行方式的多樣性與靈活性，為極端條件下的大電網故障和多源配網自身故障提供了主動孤島恢復負荷供電新路徑.

在配網故障情況下，利用分布電源黑啟動保障關鍵負荷供電一直是研究熱點.現有研究主要聚焦兩類，一類是研究失電后DG的黑啟動能力與黑啟動的可行性，另一類是研究黑啟動方案的啟動序列及其優選.比如，文獻[11]提出利用微電網中的DG保障故障配網的關鍵負荷供電，將配網分為若干子系統，發生故障時各子系統逐一完成黑啟動與并網恢復，在保障微電網自身負荷的同時恢復更多的配網失電負荷.然而，對于如何抑制黑啟動過程中DG與負荷組網暫態過程可能產生的電壓、頻率波動卻鮮有研究.

在有關孤島內DG黑啟動保障關鍵負荷的研究中，自組網過程中的DG一般采用功率下垂控制或V/f控制，這些方法雖然保證了穩態條件下孤島內電力平衡和頻率的統一，但存在有差調節特性，對功率瞬時突變的反應不夠靈敏，因此無法平抑主動孤島自組網過程中母線電壓與頻率的波動，影響孤島安全穩定運行，嚴重時甚至導致組網失敗.在孤島自組網完成后與主網并網時的同步電壓控制方面，孤島電壓波動與孤島內DG出力變化息息相關，因此一般通過控制儲能或DG出力來實現同步電壓控制.以往研究通常通過設定電壓約束范圍，采用模型預測控制方法或濾波算法將電壓波動幅度限制在換流器可承受的強度內，上述方法未考慮實際情況下，組網瞬時產生的電壓偏移，無法消除電壓偏移對相關設備安全運行的影響.

為解決上述問題，本文提出在主動孤島自組網過程中采用具備黑啟動能力的儲能系統作為黑啟動電源，設計電壓電流雙環前饋擾動補償控制系統來控制儲能輸出功率，通過內部前饋補償削弱由DG和負荷并網引起的暫態功率變化對電壓波動造成的影響，充分利用儲能系統功率響應的快速性完成對孤島自組網過程電壓波動的平抑.為驗證所提方法的有效性，依據黑啟動原則和DG啟動順序的一般原則設計孤島黑啟動自組網模型和啟動序列；并在MATLAB/Simulink軟件中搭建基于儲能控制的主動孤島動態組網電壓和頻率波動平抑仿真模型.

1 多源配網主動孤島自組網及并網過程分析

1.1 主動孤島恢復的應用場景

主動孤島是含高比例DG配電網的一種非常態運行方式，是故障條件下保障關鍵負荷供電、提高系統供電可靠性，并且有別于傳統方式對非故障失電區進行負荷轉供恢復供電的新方式.當配電網的外部電網發生故障或內部故障無法完成負荷轉供導致負荷失電時，根據電網結構、DG位置、發電容量等，利用DG黑啟動自組網，可以形成一個或幾個孤立的子網，實現非故障失電區負荷的恢復供電.圖1為DG自組網保障負荷供電示意圖.其中，數字1～33表示節點序號和支路序號.

1.2 主動孤島自組網過程分析

在孤島黑啟動自組網過程中，DG的發電功率難以滿足孤島中所有負荷的需求.此時，需要以穩態功率平衡為原則，參照黑啟動原則并考慮拓撲的空間位置盡快恢復孤島內各個負荷，同時根據負荷的重要程度、DG容量以及負荷與DG的距離，確定配電網DG及負荷的自組網順序.

所提控制方法以主網電壓為參考值，以孤島母線的電壓、電流和逆變器端口電流為輸入，通過改進雙環控制方式協同控制儲能系統的功率輸出，調節孤島母線電壓及電流，使得自組網完成后孤島與主網的電壓以及頻率的差值達到并網要求.其基本原理為基于主網電壓頻率與孤島電壓頻率的差值，通過解耦后的前饋擾動補償等控制環節，實現比例積分調節器的自動跟蹤調節，縮小孤島與主網的電壓及頻率差異，從而產生同期點，達到并網條件.

式中：和分別為電壓環內PI控制器的比例參數和積分參數；s和s分別為軸和軸上逆變器端口電流參考值；為拉普拉斯變換中的微分算子.

本文采用串行恢復作為網架的恢復策略，具體恢復流程如下.

(1) 切除全部負荷，空載啟動.空載啟動可以避免自組網初期因負荷過載發生啟動失敗的情況.

(2) 啟動具備黑啟動能力的儲能裝置.算例中，DG1、DG3采用容量40 kV·A的儲能裝置；DG2采用永磁同步風機，容量40 kV·A；DG4采用光伏發電，容量20 kV·A.首先啟動具備黑啟動能力的儲能裝置DG1，建立初始孤島的電壓和頻率.為確保黑啟動電源能夠承受孤島系統中其他非黑啟動電源啟動時產生的功率沖擊，儲能DG1的額定功率需滿足：

凡是有人發起溝通需求，必須即刻回應。團隊內部的培訓也是高效溝通的表現，受訓對象接受首次培訓后，必須有培訓師或帶教人對位，以隨時接受反饋與提問。將各人串聯成各組交叉流線，而單線、刻板的圈定，須配合專業與職能劃分。這樣一來，團隊即將具備拆分、重組、接力沖刺、互為備份的特性。

≥+++

(1)

式中：為儲能DG1的額定視在功率；為孤島母線電壓的空載損耗；、和分別為DG2、DG3和DG4啟動時的沖擊功率.

(3) 投入重要負荷.在儲能DG1額定容量能滿足負荷所需功率的前提下，逐步投入負荷以快速恢復供電.在投入過程中，應保證系統電壓和頻率在允許范圍內波動，避免整個系統由于電壓頻率波動引發振蕩.因此，需采用合適的控制方式控制儲能輸出以穩定孤島電壓及頻率，平抑并網波動.此外，在投入重要負荷時，投入負荷容量()、孤島母線電壓()及頻率()應滿足：

≥

(2)

≤≤

(3)

≤≤

(4)

式中：和分別為母線電壓幅值的上限和下限；和分別為系統頻率的上限和下限.

(4) 啟動其他DG.優先啟動具有電壓和頻率支撐能力的DG，以維持黑啟動初期系統的電壓與頻率穩定.

(5) 逐漸并入孤島其他負荷.DG逐步接入后，根據負荷位置、重要程度及系統發電容量逐步投入其他負荷，實現關鍵負荷的最大化保障供電.整個過程需要保障DG總容量始終大于負荷總容量.

日本山崎馬扎克（MAZAK）公司成立于1919年，主要生產CNC車床、復合車銑加工中心、立式加工中心、臥式加工中心、CNC激光系統、FMS柔性生產系統、CAD/CAM系統、CNC裝置和生產支持軟件等。產品素以高速度、高精度而在行業內著稱，遍及機械工業的各個行業。

孤島依據上述黑啟動原則完成孤島黑啟動自組網后，形成與主網分離且穩定運行的孤島系統.

1.3 主動孤島并網過程分析

自組網完成后的孤島需與主網并網運行，孤島與主網完成并網時整個故障恢復過程結束.孤島與主網并網需要滿足如下條件：① 二者電壓差近似為0；② 頻率基本一致；③ 電流由主網流向孤島.然而，一般情況下，孤島頻率小于主網頻率，并且孤島電壓與主網電壓也存在一定差距，難以達到同期并網條件，因此不能直接并網.

根據DG是否具備黑啟動能力和穩定輸出功率能力，依次對各DG進行分類： ① 黑啟動DG與非黑啟動DG；② 穩定輸出功率式DG與非穩定輸出功率式DG.

2 自組網過程的波動分析

傳統的孤島黑啟動自組網和并網過程未充分考慮電壓、頻率波動問題.對此，分析孤島內部電壓、頻率波動的原因.

漢魏時期，人們吃火鍋已是很普遍了。從考古發現來看，此時已有各式各樣的火鍋，火鍋的材質也不局限于青銅一類，出現了鐵火鍋、陶火鍋等，除了吃分餐制形式 的“小火鍋”外，那時人們還吃起了可以放不同料湯、燒煮不同口味的鴛鴦火鍋。分格鼎，漢代的火鍋。又被稱為古代版的鴛鴦火鍋。在江蘇盱眙縣境內大云山西漢墓中考古出土的一件分格鼎，直接證明墓主、西漢江都王劉非就是一位火鍋“吃貨”。而且，不只證明他喜歡吃火鍋，還證明他吃的是“鴛鴦火鍋”。分格鼎，就是將鼎分成不同的燒煮空間，避免不同味道的料湯串味，其飲食原理如同現代的鴛鴦火鍋，方便有酸、辣、麻、咸等不同飲食習慣的食客。

波動分析的總原則為獨立運行孤島內部源荷功率平衡.設孤島系統內部負荷消耗的有功功率為；孤島系統內部消耗的無功功率為；自組網過程中其他負荷或DG并網會產生相應較大的暫態功率波動，因此設其相應的有功和無功功率波動量分別為 Δ和 Δ，此時主要分析由于其他負荷及DG并網所產生的暫態功率波動，認為DG等效輸出穩定的有功功率()和無功功率()，則

解此二元一次方程可得：

(5)

(6)

式中：為孤島電壓；為負荷等效電阻；為負荷品質因數；為孤島頻率；為負荷諧振頻率.由式(6)可解得：

(7)

九一八以后，帝國主義的炮火打碎了中國的和平，狂飆的時代撼著整個遠東，驚破了沉醉的夢魂，太平洋的潮流和群眾的吶喊一致地怒吼了，戲劇底責任，是負有嚴重性的宣傳，在這垂危的國難期間，它當然不能再落后了，所以復活后的戲劇，劇社像雨后春筍一般成立，完成一條堅固的陣線。

(8)

3)研究方法的使用是否恰當準確對于我們的研究結果具有很大的影響。雖然我們現在的研究也有一定的優勢，但是過于單一研究方法也可能會使得我們的研究結論真實性受到質疑。在以后的研究中，我們應該采用多種研究方法進行研究以彌補單個研究方法的不足，從而最大限度地去提高我們研究的準確性。

二肖皆一竅，兔舐雄毛而孕，感而不交也，雞合踏而無形，交而不感也。[注](明)王逵：《蠡海集》，中華書局，1985年，第20頁。

(9)

式中：

在2015年聯合國氣候峰會上聯合國可持續發展目標（SDG）的簽署為全球政策和市場治理翻開新的篇章，氣候變化、排放達峰、綠色增長等議題已經成為了全世界的共識，世界的政策驅動點已經從純粹的經濟利益到了一個需整合經濟、環境和社會利益為一體的可持續性發展時代。雖然全球政府、商界和社會都在呼吁真正的行動，但氣候變化問題日漸嚴峻，而世界依舊缺乏一個有效的全生態性的機制來應對氣候變化等環境問題。

(10)

參考式(9)和(10)可知，值隨DG有功和無功出力的變化而變化，由此產生相應頻率波動.影響DG出力的因素較多，包括光照強度、風速等不確定因素，因此在孤島自組網過程中存在頻率波動.此外，由于黑啟動過程中DG及負荷不斷并入孤島，由此產生的有功功率暫態變化將影響，導致在負荷或DG接入孤島時孤島電壓產生波動.

為解決此問題，考慮到儲能系統功率響應的快速性，可以在孤島內加入具備黑啟動能力的儲能作為黑啟動電源，并在儲能逆變器上施加合適的控制方法，依據主網電壓及孤島母線電壓控制儲能出力以穩定孤島內電壓與頻率.

式中：為濾波電容值.同理，經變換并推導易得：

3 基于儲能控制的波動平抑模型

3.1 儲能控制器的電路結構

電網中儲能的控制一般采用三相全橋逆變器，其主要包括逆變橋、脈沖寬度調制(PWM)、LC濾波器、控制等模塊，電路結構如圖2所示.其中，R、L和C分別為電阻器、電感器和電容器，s和s分別為逆變器端口的電壓和電流；c和c分別為母線的電壓和電流.在各種PWM方法中，空間矢量脈寬調制簡單且適合數字化實現，具有輸出電流波形好、直流側電壓利用率高等優點，因此廣泛應用于逆變器控制.逆變器工作過程如下：輸入信號經控制模塊控制后，利用PWM模塊進行空間矢量脈寬調制，產生的PWM信號用來控制全控型電力電子器件的開合，將直流電轉換為三相交流電，經LC濾波器濾波后輸入電網.

3.2 控制方法的數學模型

根據圖2所示的三相全橋逆變器電路結構和基爾霍夫電壓定律，可在逆變器出口列寫電壓平衡方程以構建電壓模型：

(11)

式中：為電感值；為線路等效電阻值；為時間.

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s、s和c均為三相：

(12)

式中：s、c和s(=,,)分別為、和三相的電壓和電流式(12)經變換后推導可得：

將式(7)代入式(6)可得：

(13)

式中：s和s(=,)分別為軸和軸上逆變器端口的電壓和電流；c和c分別為軸和軸上孤島母線電壓；為角頻率.式(13)可改寫為

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(14)

在盡可能短的時間內恢復更多重要負荷并完成孤島黑啟動的首要問題是合理安排孤島DG及負荷的啟動順序，應遵循的原則如下：① 具備黑啟動能力的DG及具備穩定輸出能力的功率式DG優先啟動；② 離重要負荷近的DG優先啟動；③ 具有調頻調壓能力的DG優先啟動，以保障DG啟動后孤島具備一定調頻調壓能力，否則在帶負荷運行過程中容易引發振蕩失穩；④ DG容量應始終大于啟動負荷的功率需求.

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根據基爾霍夫電流定理可知，電容電流等于逆變器輸出電流減去孤島母線上的電流：

(15)

綜上可知：DG有功出力變化、DG并網或負荷變動，將會造成孤島母線電壓、頻率發生波動，此時儲能系統自發地調節輸出功率以補償功率變化，可以穩定孤島的運行電壓及頻率.

鄉村產業興旺，意味著鄉村經濟發展充滿活力。盡管反映某個鄉村的產業興旺可能是一個或兩三個產業，但總體上衡量鄉村產業興旺的角度和標準應是多維的，因而鄉村產業興旺的內涵特征展現得比較豐富，至少有以下方面。

(16)

(17)

式中：ref和ref分別為軸和軸上母線電壓參考值；c和c分別為軸和軸上孤島母線電流；和分別為電流環內PI控制器的比例參數和積分參數.

結合式(14)和(17)，構建電壓和電流控制環，將雙環綜合后可得到電壓電流雙環控制圖，如圖3所示.其中，c和c為負荷側參考電壓，其值等于式(17)中的ref和ref；s和s為逆變器端口電壓參考值，其值等于式(14)中的和s；和為電流內環的參考值.

傳統控制方式忽視了s對c的影響，并未對s進行測量.相比于無前饋補償的傳統V/f控制，該控制方式增加了s的測量.結合圖3并參照式(17)可知，該方法實際上是對傳統儲能系統V/f控制策略中的電壓外環引入了負荷電壓作為前饋擾動補償，并且在電流內環中引入了孤島母線電壓進行擾動補償.c和c在補償負荷電壓的擾動分量后經過解耦等控制生成和，然后以和為參考值完成電流內環的解耦、補償等控制.

綜上所述,在產后婦女盆底功能康復治療中加入護理干預措施能夠有效提高患者的臨床康復效果,具有現實意義,值得推廣。

對于無前饋補償的傳統V/f控制策略，其c和c會受到c和c以及濾波電容的影響，且兩者間存在交叉耦合，因此DG并網或負荷并網時引起的暫態功率變化極易通過影響c和c造成孤島母線電壓的振蕩而對于增加前饋補償的改進雙環控制策略而言，c和c可以完成獨立解耦控制，因此孤島母線電壓的控制不受等效負荷動態特性影響，即改進雙環控制的儲能系統通過內部前饋擾動補償削弱了由DG及負荷并網引起的暫態功率變化對電壓波動造成的影響，顯著加快了功率調控速度并增強了穩定電壓能力.

基于圖3所示的改進雙環控制方式，結合孤島中儲能逆變器的拓撲結構可以得到儲能逆變器的改進雙環控制控制過程示意圖，如圖4所示.其中，c為采樣的主網電壓，s和s為坐標變換后的逆變器端口電壓參考值.可知，改進雙環控制分別對c、c、c、s和s進行采樣.以c為參考值，所采樣的電壓及電流經過坐標變換后進入控制器，按照圖3所示電壓電流雙環控制示意圖完成負荷電壓前饋擾動補償和孤島母線電流擾動補償等控制環節，控制過程完成后通過空間矢量脈寬調制生成PWM信號對逆變器進行控制，以此控制儲能輸出功率以平抑孤島母線上功率的波動，從而縮小孤島與主網的電壓差距，完成孤島自組網過程的電壓波動平抑.

4 仿真分析

4.1 仿真模型搭建

依據上述黑啟動原則和DG啟動順序的一般原則設計孤島黑啟動自組網仿真模型.孤島中布置1個具備黑啟動能力的儲能裝置(DG1)、1個永磁風力發電機(DG2)、1個具備穩定輸出能力的儲能裝置(DG3)、1個光伏電源(DG4)、11個負荷，其中負荷1為重要負荷不可停電，因此負荷1一直與DG1連接保障其供電可靠性.在MATLAB/Simulink中搭建如圖5所示的孤島自組網仿真實驗平臺.分布式電源參數表如表1所示，其中DG4采用最大功率點跟蹤控制，所有DG的額定電壓均設為380 V，額定頻率均設為50 Hz.在負荷方面，負荷1為重要負荷、負荷2～8為一般負荷，額定功率均設為10 kW、5 kvar；負荷9～11為一般負荷，額定功率均設為 5 kW、2 kvar.負荷的額定電壓設為380 V，額定頻率設為50 Hz，其中負荷1為重要負荷，即使在孤島斷電離網情況下也一直由DG1保障供電.其他負荷為一般負荷，一般負荷在黑啟動過程的初始狀態全部退出運行.

仿真工況如下：仿真時長共2.0 s，初始時刻，整個系統除負荷1外均為全黑狀態，負荷和各分布式發電單元與交流母線的開關全部處于斷開狀態；=0.1 s時，閉合開關S1，使具有黑啟動能力的DG1建立孤島系統的電壓和頻率并帶動負荷1運行；=0.2 s時，閉合開關S2，投入負荷2；=0.3 s時，閉合斷路器S3；=0.4 s時，閉合開關S8，投入負荷3；=0.5 s時，閉合開關S5，投入DG2；=0.6 s時，閉合開關S6，投入負荷5；=0.7 s時，閉合開關S7，投入負荷4；=0.8 s時，閉合母聯斷路器S9；=0.9 s時，閉合開關S11，投入DG3；=1.0，1.1，1.2 s時分別閉合開關S12、S13、S14，投入負荷8、 負荷7、 負荷6；=1.3 s時，閉合斷路器S10；=1.4 s時，閉合斷路器S15；=1.5 s時，閉合開關S16，投入DG4；=1.6，1.7，1.8 s時，分別閉合開關S17、S18、S19，投入負荷11、 負荷10、 負荷9；至此，孤島自組網過程完成.=1.9 s時，閉合斷路器S20，使孤島恢復與主網的連接；=2.0 s時仿真結束.

為模擬風速與光照強度的變化對DG2和DG4出力的影響，在模型中設置=1 s時，DG2的風速由6 m/s突變為7 m/s；=1.7 s時，DG4的光照強度從 1 200 W/m突變為1 000 W/m，仿真過程中觀察母線電壓及頻率的波動情況.

4.2 仿真結果

在孤島黑啟動自組網過程中，DG和負荷的并網會引起孤島母線上的功率發生突變，進而引發電壓頻率的波動.在該過程中，對比改進雙環控制與傳統V/f控制對孤島母線電壓頻率波動的抑制能力.依據上述孤島自組網過程仿真拓撲圖進行仿真，當對DG1分別采用傳統V/f控制和改進雙環控制時，孤島母線電壓波形圖分別如圖6和7所示；電壓有效值、局部孤島母線電壓有效值和頻率對比分別如圖8～10所示.

由圖6～8可知，當DG1采用傳統V/f控制時，在=0.5 s，即DG2并網瞬間會引起較大暫態功率波動，從而在孤島母線上產生一個較大的電壓波動，此時電壓有效值驟降至120 V左右又迅速恢復.之后，隨各負荷并網，電壓有效值仍存在波動，并且在孤島自組網過程中會產生輕微電壓偏移，這是由于傳統V/f控制屬于有差調節，其對負荷功率的平衡以產生電壓的偏移為代價，難以穩定調節暫態大功率突變引起的電壓和頻率波動，影響系統的暫態和穩態性能.相較于傳統V/f控制，采用改進雙環控制時，孤島母線電壓在DG及負荷接入時產生的波動明顯較小，尤其在負荷接入時產生的波動更為平緩.

由圖9可知，在自組網過程中，采用改進雙環控制時電壓的波動幅度更小，且基本不產生電壓偏移，更易于實現各負荷和DG穩定并網，保障了孤島自組網的安全穩定運行.其原因為改進雙環控制的儲能系統通過內部前饋補償削弱了由DG及負荷并網引起的暫態功率變化對電壓波動的影響，提升了功率調控的速度并增強了穩定電壓能力，保障了電網的電能質量及自組網過程的安全穩定運行.

由圖10可知，傳統V/f控制在并網時的頻率波動較大，最大偏移量約為50.35 Hz；而采用改進雙環控制時孤島頻率的波動更平緩，最大偏移量約為50.2 Hz，改善了傳統V/f控制的頻率波動.

分別對圖6和7中0.1～2.0 s內孤島母線電壓波形進行快速傅里葉變換(FFT)分析，結果如圖11和12所示.其中，Mag表示各頻率對應的諧波幅值相對于基波幅值的大小，THD為總諧波畸變率，(50 Hz)=308.5表示基波頻率50 Hz，電壓基波幅值為308.5 V.由圖11和12可知，采用改進雙環控制時孤島母線電壓波形畸變率為1.10%，小于采用傳統V/f控制時的電壓波形畸變率(2.00%).進一步證明了改進雙環控制能有效平抑孤島母線電壓、頻率波動，改善電能質量.

綜上所述，相較于傳統V/f控制，采用改進雙環控制方案的優勢如下：① 有效平抑孤島自組網時功率突變引起的電壓、頻率波動，使整個孤島自組網過程中電壓、頻率波動更為平緩；② 孤島母線電壓波形畸變率更小，能明顯改善電能質量，且抗干擾能力更強，魯棒性更好，提高了系統的穩定性；③ 保證了孤島因事故脫網后自組網復電過程的安全性與可靠性，改善了電能質量，增強了電網抵御事故能力，對電網的安全運行和經濟發展具有現實意義.

5 結語

多源配網主動孤島恢復有利于保障極端條件下的關鍵負荷供電，為解決主動孤島恢復過程中負荷和DG組網瞬間產生的電壓、頻率波動問題，研究和分析故障配電網主動孤島自組網恢復過程中產生電壓、頻率波動的原因，提出改進雙環控制的儲能系統矢量控制方法，設計電壓電流雙環前饋擾動補償控制系統，建立基于儲能控制的主動孤島動態組網電壓、頻率波動平抑模型，改善了傳統V/f控制電壓偏移、電壓和頻率波動較大的問題，實現了主動孤島自組網時的電壓、頻率波動平抑.根據主動孤島自組網流程及原則，利用MATLAB/Simulink仿真工具搭建不同控制方式下的孤島自組網仿真模型，分別采用傳統V/f控制及改進雙環控制對孤島自組網過程進行仿真分析，得出如下結論：改進雙環控制添加了負荷電壓前饋擾動補償，加快了逆變器的動態調節速度，提高了系統在孤島自組網過程的動態響應性能；采用基于矢量法的改進雙環控制對孤島黑啟動過程中電壓、頻率波動抑制效果優于傳統V/f控制，有利于改善電壓及電能質量，保障孤島自組網安全穩定進行.