含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)電壓暫降分析與控制

李瓊旎

（廣東省電力設(shè)計研究院廣東天聯(lián)電力設(shè)計有限公司，廣東廣州510663）

含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)電壓暫降分析與控制

李瓊旎

（廣東省電力設(shè)計研究院廣東天聯(lián)電力設(shè)計有限公司，廣東廣州510663）

研究了微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、運行特性和控制策略，基于電能質(zhì)量的基本要求，分析了微網(wǎng)電壓暫降的產(chǎn)生機理以及控制方法。針對電壓暫降問題，從傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的研究成果出發(fā)，考慮在微網(wǎng)中接入動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）改善電能質(zhì)量，并采用了基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的電壓d-q分解檢測算法檢測電壓。在PSCAD/EMTDC中對上述方案進行建模，結(jié)合微網(wǎng)模型進行仿真，并對仿真結(jié)果進行分析，驗證其有效性。

微網(wǎng)；電壓暫降；動態(tài)電壓恢復(fù)器；PSCAD/EMTDC

0　前言

微網(wǎng)與普通電網(wǎng)相比，采用了不同種類的微電源，由于變流器的存在，電網(wǎng)的控制手段均基于變流器的復(fù)雜控制方法，這些使得含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)，有其自身的規(guī)律與特點。電壓暫降在電力系統(tǒng)十分常見，其帶來的電能質(zhì)量問題非常嚴重。目前對于電壓暫降問題，通常的補償方法基于兩種注入補償思路：串聯(lián)電壓或并聯(lián)電流。串聯(lián)電壓補償通過和系統(tǒng)進行能量交換，普遍采用儲能單元，其中最具代表性的是動態(tài)電壓恢復(fù)器（dynamic voltage restorer，DVR）。DVR實現(xiàn)有效補償?shù)幕緱l件在于電壓暫降檢測的準確性與靈敏性，只有檢測出電壓跌落準確的瞬時值或有效值，通過比較才能確定暫降幅度并控制注入電壓的幅值和相位。本文根據(jù)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，結(jié)合其中的開閉運算，通過運算重疊組合，可以在檢測算法中實現(xiàn)效果更好的低通濾波，對微網(wǎng)并網(wǎng)引起的故障電壓波形的實時檢測并將三相電壓進行dq變換，經(jīng)由形態(tài)濾波器的低通濾波［1］，從而達到改善電壓質(zhì)量的目的。在該檢測方法的基礎(chǔ)上，將DVR引入微網(wǎng)中并做了建模仿真研究。

1　動態(tài)電壓恢復(fù)器

1.1DVR簡介

電壓暫降在電網(wǎng)中的持續(xù)時間大多為0.5～1.5 s，在暫降時間內(nèi)，供電電壓出現(xiàn)短時下降又回升恢復(fù)的情況。

用戶電力方面，應(yīng)用了大量的電力電子技術(shù)和開關(guān)器件，在電路中采用大功率器件為提高配電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量提供了更有效的解決途徑。其核心內(nèi)容是電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［3］。動態(tài)電壓恢復(fù)器（dynamic voltage re?storer，DVR）作為重要的補償器件之一，針對電壓的暫降、暫升、波動與閃變等都具有良好的動態(tài)性能，而具有較大的容量使其在治理動態(tài)電壓問題有著技術(shù)經(jīng)濟性上的有效優(yōu)勢。如圖1所示。

圖1　DVR原理圖

DVR由儲能電路、變流裝置、濾波電路部分和變壓器4個部分組成［2］，典型結(jié)構(gòu)如圖所示。它通過檢測電路檢測出電壓暫降深度和相位差，準確計算補償量，控制逆變器的電力電子開關(guān)開通與關(guān)斷；再經(jīng)過濾波電路和變壓器，通過串聯(lián)方式注入到負載電路中，從而恢復(fù)負載電路的電壓質(zhì)量，提高供電可靠性。

在實現(xiàn)DVR對電壓的補償過程中，電壓補償量的檢測計算關(guān)鍵環(huán)節(jié)非常重要，它直接影響補償?shù)木群蛯崟r性。本文采用了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運算濾除諧波，通過瞬時序分量分解和d-q分解變換檢測方法，計算出所需的電壓補償量。

1.2形態(tài)學(xué)濾波器檢測原理

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)用集合來描述目標信號，通過形態(tài)變換用于圖像分析和處理、形態(tài)濾波器的特性分析和系統(tǒng)設(shè)計，其主要變換為布爾運算和少量的加減運算，可以簡化圖像數(shù)據(jù)，保持基本形狀特性，與傳統(tǒng)濾波器相比，提高了圖像的數(shù)據(jù)處理速度和濾波質(zhì)量。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運算以數(shù)學(xué)集合學(xué)為基礎(chǔ)，通過腐蝕和膨脹作為分析幾何形狀和結(jié)構(gòu)的兩種基本運算法，并引出開啟運算、閉合運算等其他幾個常用的數(shù)學(xué)形態(tài)運算［4-5］，并可推導(dǎo)組合成為形態(tài)學(xué)的實用算法。

先腐蝕后膨脹被定義為開啟運算，先膨脹后腐蝕被定義為閉合運算：

開啟運算和閉合運算都是低通濾波器的基本運算，但單獨應(yīng)用運算均不能取得理想的濾波效果，因此，為了獲取更快運算速度和精確度，本文采用兩種濾波器的組合形式［6］。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運算中，結(jié)構(gòu)元素起著重要的作用，結(jié)構(gòu)元素以探針的形式采集圖像信息。因此如果選擇合適的結(jié)構(gòu)元素，使其寬度大于最低次諧波半個周期的寬度，探針在采集數(shù)據(jù)中不斷移動，則對dq變換后的信號進行開啟—閉合和閉合—開啟運算后，直流分量得以保留，通過開啟運算濾除比探針小的突刺，而通過閉合運算填充小于探針的缺口，故此信號中混雜的寬度小于結(jié)構(gòu)元素寬度的諧波分量將被消除。

在進行形態(tài)學(xué)濾波前采用瞬時序分量分解法對采樣得到的畸變電壓波形進行處理，從三相不對稱的波形中提取含諧波的三相正序分量，從而提高檢測精度，瞬時序分量分解公式為：

其中，ua、ub、uc為通過采樣得到的A處三相電壓，ua1、ub1、uc1為瞬時序分解環(huán)節(jié)計算出的含有諧波分量的三相正序電壓。

1.3瞬時電壓d-q分解檢測方法

瞬時電壓d-q分解變換方法以廣義瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，其算法簡單且響應(yīng)速度快，目前廣泛應(yīng)用于電壓暫降的檢測環(huán)節(jié)中。其基本原理是將abc坐標系下的三相電量轉(zhuǎn)換到虛擬dq0坐標系下，這種算法可以有效地瞬時確定電壓有效值和相位跳變的大小。

采樣電壓量進入d-q變換和PLL環(huán)節(jié)。d-q變換所需的相角ωt由PLL環(huán)節(jié)提供，d-q變換如下：

d-q變換之后的電壓分量通過形態(tài)濾波器可以濾除ud和uq中的諧波分量，再經(jīng)過dq反變換，直流分量可以反變換成三相基頻正序電壓分量。

dq反變換，算式如下：

補償電壓值通過與系統(tǒng)電壓比較得到，作為指令電壓輸入，可以計算逆變器的控制信號，而這部分還需計入逆變器直流側(cè)電容電壓的影響，按照SPWM三角波調(diào)制規(guī)律，逆變器輸出電壓值可以補償系統(tǒng)的電壓暫降。

2　接入DVR的含微網(wǎng)配電系統(tǒng)建模

2.1含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)

微網(wǎng)中含有多種分布式電源，通過電力電子裝置，注入公共連接點并與傳統(tǒng)配電網(wǎng)并網(wǎng)，其容量一般不超過100 kW，包括太陽能光伏、風(fēng)電機組、微型燃氣輪機、燃料電池和蓄電池等［7］。

由于本文研究電能質(zhì)量及其改善措施，主要關(guān)注分布式電源的外特性，因此建模時將微網(wǎng)微源簡化為直流源或經(jīng)整流后的交流源［8］。

2.2接入DVR的PSCAD/EMTDC模型

本文采用含有微型燃氣輪機的配電網(wǎng)模型為例進行建模仿真。在該發(fā)電系統(tǒng)中，通常電路整流部分采用二極管不可控整流措施，直流環(huán)節(jié)加升壓斬波器對永磁發(fā)電機整流輸出的較低且波動的電壓進行穩(wěn)壓［9］。在本文的分布式電源并網(wǎng)模型中，將微源簡化為經(jīng)過整流后的交流源，負荷采用恒阻抗模型，并網(wǎng)逆變器采用PQ控制方式［10-11］。

在該配電系統(tǒng)中，兩條配電線路上均存在一定容量的微源，其中一條線路末端帶有敏感性負荷，并發(fā)生電壓暫降故障，電能質(zhì)量不能滿足供電要求，通過建模，在故障線路中串聯(lián)DVR用以改善電壓質(zhì)量。如圖2所示。

3　仿真結(jié)果分析

在PSCAD/EMTDC中建立穩(wěn)定運行的含微網(wǎng)配電系統(tǒng)模型，在系統(tǒng)出現(xiàn)電壓跌落時，對數(shù)字形態(tài)濾波器的效果進行分析，采用本文提出的檢測方法進行跌落補償，對比分析仿真結(jié)果。

系統(tǒng)電壓為7.5 V/50 Hz，在0.6 s時發(fā)生a相單相電壓暫降，暫降深度為50%，持續(xù)至0.68 s時結(jié)束，三相電壓如圖3所示。發(fā)生電壓暫降時，對DVR在含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)下對電壓暫降的補償仿真結(jié)果進行分析，仿真證明了這種補償方法的有效性，如圖4中的A點和B點比較結(jié)果得出，補償效果良好。

圖3　電壓暫降波形

在DVR向電網(wǎng)注入補償電壓之前，采用基于形態(tài)學(xué)濾波器的dq檢測算法，檢測電壓暫降特征值如圖5。

補償電壓的幅值和相角均為可控值，在電壓暫降檢測算法中結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)構(gòu)造形態(tài)學(xué)濾波器，對dq變換后的信號進行濾波，保留其直流分量，檢測算法的濾波結(jié)果如圖6所示，從而可以保證DVR的補償精確度和實時性。

圖4　補償前后電壓波形對比（kV）

圖5　電壓暫降特征值檢測結(jié)果（kV）

4　結(jié)論

本文針對含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)電壓暫降問題，展開對DVR應(yīng)用的研究，在研究其典型結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，分析常用電壓暫降補償方法，進而采用基于瞬時無功功率理論的dq變換檢測算法，并根據(jù)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)構(gòu)造形態(tài)學(xué)濾波器加以改進，通過對微網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分析，利用微網(wǎng)中微源提供有功功率，在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下，建立DVR的仿真及控制部分的模型，含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)模型，通過分析模型的仿真結(jié)果，驗證該補償模型對電壓暫降的有效補償能力。

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Analysis and Control of Voltage Tripping in Power Distribution System with Microgrids

LI Qiong-ni
（Guangdong Electric Power Design Institute，GDTL，Guangzhou510663，China）

This paper analyzes the structure，the operating characteristics and the control strategy of microgrid.Based on the requirements of power quality and research achievements of the traditional power system，it is considered to introduce the Dynamic Voltage Restorer（DVR）in power distribution system with microgrid to improve the power quality.A method to detect voltage sags is presented，which incorporates morphological low-pass filters with the d-q transformation.A simulation model of the DVR based on PSCAD/EMTDC is proposed.Combining with the microgrid model，the simulation results prove that the topology and control strategy of DVR is correct and effective.

microgrid；voltagesags；dynamic voltage restorer；PSCAD/EMTDC

TM727

A文獻標識碼：1009-9492（2015）12-0029-04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.008

李瓊旎，女，1988年生，湖南人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)分析運行與控制。已發(fā)表論文2篇。

（編輯：阮毅）

2015-09-06