微电网并网运行时的电压稳定控制

彭勇，李倩

(中南电力设计院，武汉市 430071)

微电网并网运行时的电压稳定控制

彭勇，李倩

(中南电力设计院，武汉市 430071)

研究微电网内的扰动源以及电压波动的关联因素。分析微电网内各种功率输出设备的特性，提出微电网电压控制设备类型的选择原则。根据配电调度是否对微电网与配电网的交换功率存在约束，分别提出有交换功率约束和无交换功率约束2种条件下微电网电压的控制策略。研究微电网内可能存在的可控静止无功补偿装置在微电网电压稳定控制中的作用以及参与电压控制的策略。建立并网运行的微电网模型，通过数字仿真的方法对2种条件下大、小扰动对微电网电压的影响进行辅助分析，并且验证了控制策略的有效性。提出配电网发生稳定问题时，微电网在服从于配电网稳定控制策略下的控制措施和调节原则。

微电网；并网运行；电压稳定；控制策略；功率约束

0 引 言

微电网技术的应用，在分布式发电设备以及用电负荷与大电网之间提供了一个中间层，宏观上表现为微电网系统的可控性[1]。微电网并网运行时，通过公共连接点(point of common coupling，PCC)与电网相连，在调度统一协调管理下与配电网进行功率交换。并网运行的微电网根据其公共连接点交换功率的情况表现为“源荷”双重特征[2-3]，既可以向电网输送功率表现为一个电源点，也可以从电网吸收功率表现为一个负荷点，还可以实现并网连接零功率交换。对于电网而言，并网运行的微电网作为可控的“源荷”点应在配电网的运行中表现出3个方面的作用：正常运行情况下的负荷经济分配；尖峰负荷时的出力调峰；应急情况下对大电网的支撑[4]。电网调度对微电网的协调管理措施通常是下发给微电网的公共连接点交换功率曲线。

并网运行状态下，微电网频率的调整由大电网完成，微电网本身没有频率稳定的问题。然而对于微电网局部的可靠性和稳定性而言，恰当的电压调节是必要的，没有有效的局部电压控制，分布式发电高渗透率的微电网系统可能产生电压、无功偏移或振荡[5]。

并网运行的微电网既然作为配电网的可控“源荷”节点，其电压控制不再是内部有功功率和无功功率的平衡，而是表现在公共连接点交换功率与调度功率曲线的匹配。而一些情况下，如微电网容量很小，调度系统不完善，微电网发电和负荷预测技术精确度低难以制定调度计划等，调度可能对微电网没有功率交换限制，微电网依照自身的经济运行控制，与配电网进行无约束的功率交换，此时微电网的电压控制目标为其母线电压。因此微电网并网运行时的电压控制分成2个部分，即有功率约束条件下电压控制和无功率约束条件下电压控制。

1 电压关联因素

如图1所示的并网运行的简单微电网模型，微电网由光伏发电阵列、风力发电机组、储能设备、负荷以及变压器组成，通过10 kV架空线路连接至5 km外的变电站。微电网电压、公共连接点的交换功率和配电网的电压三者之间存在如下的相关关系：

(1)

(2)

式中：Pn、Qn为公共连接点交换有功、无功功率；U为微电网母线电压；Un为配电变电站母线电压；Xn为配电输电线路及配电变压器的电抗之和；δn为Un与U之间的夹角(即功角)。

图1 并网运行的简单微电网模型

如图2所示，随着公共连接点有功功率的增加，功角δn逐步增大，小角度下sinδn≈δn，因此δn基本呈线性状态。

图2 有功功率、功角响应

如图3所示，随着公共连接点无功功率的增加，微电网母线电压逐渐降低。

图3 无功功率、电压响应

由此可见，并网运行的微电网母线电压取决于公共连接点的无功功率交换和配电网的电压，也就是说公共连接点无功功率交换量和配电网电压的变化导致了微电网母线电压的波动，微电网电压的控制归根结底为公共连接点无功交换功率的控制。虽然有功功率交换量对微电网的电压影响甚微，但为了减少对配电系统的扰动，在调度策略有要求时仍然应对有功功率的交换进行控制。

2 扰动源及电压控制设备

功率供需平衡的情况下，公共连接点交换功率为：

PPCC=∑PL-∑PF-∑PC

(3)

QPCC=∑QL-∑QF-∑QC

(4)

式中：PPCC、QPCC为公共连接点的有功、无功功率交换值，以微电网获取功率为正；∑PL、∑QL为总的有功、无功负荷；∑PF、∑QF为分布式发电总的有功、无功输出；∑PC、∑QC为储能设备总的有功、无功输出。由此可见，引起公共连接点交换功率变化的原因为微电网功率供需平衡点的变化。

扰动源按设备划分为分布式发电出力的变化和用电负荷功率的变化，储能设备的充放电功率很平稳，一般不会造成干扰。按扰动严重程度可划分为小扰动和大扰动。小扰动的特点通常是幅度小、时间短，但很频繁，如风力发电机组由于随机风的影响出现功率波动，光伏发电阵列由于光照度的变化出现输出波动，以及负荷的小幅度变化等。大扰动则表现为幅度大且时间长，如分布式发电出力骤减或意外切机，大功率电动机负荷的启动过程等。

微电网中的功率输出设备通常包含风力发电机组、光伏发电阵列、微型燃气轮机以及储能设备等。然而并不是所有的功率输出设备都可以起到电压控制的作用。电压控制设备的选择应考虑2个方面的因素，即经济运行和响应速度。风力发电和光伏发电通常工作于MPPT控制的P/Q模式，频繁调节其工作状态不利于可再生能源的充分利用，而且它们的功率输出有很强的不确定性，本身就是扰动源；微型燃气轮机的响应速度显然不能满足消除电压波动的实时性要求；储能装置的输出相对稳定而且可控，因此比较适合作为电压控制设备。

储能装置分为能量型储能和功率型储能两大类。能量型储能自损耗小，存储能量大，但是响应速度相对较慢，而且充放电循环次数有限制，最常用的能量型储能为化学蓄电池组，其中技术成熟度、经济性较好的是铅酸蓄电池。功率型储能如超级电容器，响应速度快，输出功率大，允许充放电次数多，但存储能量较小，满功率放电时间通常为几s到十几s[6]。根据这2类储能装置的特点，微电网应优先采用功率型储能装置作为电压调节控制设备，特别是平复小扰动下电压波动时，需要担任随时在放电和充电2种工况之间频繁转换的调节任务。在微电网未配置功率型储能装置，或者功率型储能装置能量耗尽，或者长时间的大扰动等情况下，应调用能量型储能装置进行电压稳定控制。

3 PCC功率约束下电压控制

3.1 PCC功率约束下电压控制原理及流程

公共连接点交换功率可控是微电网可调度性的表现，当有调度曲线对交换功率进行约束时，微电网应按照调度曲线实时地对公共连接点的交换功率进行控制，调节的目标为实际交换功率与调度功率曲线匹配。由式(1)、(2)可知，当配电网电压相对稳定时，调度曲线规定的交换功率也间接地设定了微电网母线的电压，控制公共连接点的交换功率即控制了微电网的电压。基本措施是监测公共连接点的有功、无功功率，若流入的功率大于调度曲线的限值，说明微电网内部功率输出不足，则增大电压控制设备的输出；若流入的功率小于调度曲线的限值，说明微电网内部功率输出过大，则减小电压控制设备的输出。

如图4、图5所示，参考量为调度曲线的有功功率和无功功率，也可能是有功功率及功率因素，亦可换算出无功要求。利用并网逆变器的有功功率、无功功率解耦控制技术[7]，对公共连接点有功功率和无功功率分别进行调节。优先采用功率型储能装置进行控制，当功率型储能装置失去调控能力时，再调用能量型储能装置。当所有储能装置失去调节能力，如流入功率偏大的同时储能能量耗尽或流入功率偏小的同时储能荷电满时，根据调度原则是否允许突破限值，若不允许则抑制分布式发电出力或者切除不重要负荷。

图4 PCC有功功率控制流程

图5 PCC无功功率控制流程

对于配置有可控静止无功补偿设备(如SVC、STATCOM等)的微电网，无功的调节应优先调用这些专门的补偿装置。虽然全控型的逆变器可以很方便地定制一定容量的无功输出[8]，但根据总容量与有功功率、无功功率的关系(S2=P2+Q2)，有功功率的输出能力相应地被降低。

根据式(2)，对于配电系统电压的变化引起微电网母线电压的波动,以公共连接点的有功交换功率和无功交换为控制目标的控制策略显然无控制能力，而配电系统电压的稳定一般由配电自动电压无功控制系统来实现，因此微电网控制系统可不考虑这一因素。

3.2 小扰动时的电压控制及仿真

微电网中小扰动以分布式发电的输出功率波动和用电负荷的波动最为常见，其中由于自然风速的极不确定性引起的风力发电机组出力的波动最为典型[9]。图6为模拟自然风速下风力发电机组的功率输出。

当不启用控制时，公共连接点的交换功率因风力发电的输出不稳而波动，微电网电压也在一定的范围内波动。另外，微电网的分布式发电处于单位功率因素工作状态，因此无功需求全部从配电网获取，公共连接点功率因素很低，微电网电压也偏低，如图7所示。

投入电压控制后，按图4和图5的控制流程。假定要求控制公共连接点的有功交换功率为300 kW，功率因素为0.9，如图8所示，风力发电输出波动被电压控制设备平复，公共连接点的有功功率和无功功率平稳地控制在设定值，微电网母线电压平滑无波动，且维持在较高的电压值。

图6 风力发电的功率输出

图7 PCC功率及微电网电压的波动

图8 控制作用对波动的平复

3.3 大扰动时的电压控制及仿真

一个较大的扰动将使得公共连接点的有功功率或无功功率向一个方向大幅度、持续地偏移，形成对配电网的干扰，同时微电网的电压也产生较长时间的偏离。图9所示为微电网投入一台100 kW的异步电动机时，电动机启动过程中公共连接点的交换功率和微电网母线电压的响应。异步电动机启动过程中大量的无功需求使得公共连接点的无功功率流量大增，微电网母线电压跌落。

图9 大扰动时的PCC功率和微电网电压

投入电压控制后，优先调用功率型储能增大有功功率和无功功率输出(若有静补则优先调用静补来调节无功)；一段时间后(5 s处)功率型储能能量耗尽，则由能量型储能来进行输出，直到扰动消失。整个过程保证公共连接点的交换功率保持在设定值，微电网电压平稳，如图10所示。

图10 控制作用对大扰动的平复

4 无功率约束时电压控制

4.1 无功率约束时的电压控制原理及流程

当微电网公共连接点无功率约束时，从微电网本身经济运行的角度出发，可再生能源的分布式发电设备保持最大功率输出，公共连接点的交换功率根据分布式发电的出力和负荷实时地变化，因此不能采用公共连接点的交换功率为控制目标，应以母线电压为控制目标。根据式(1)、(2)可知，由于微电网母线电压受到公共连接点无功功率交换值的影响，有功功率交换对电压基本无影响，因此只需对无功交换功率进行控制即可，无功功率Q的参考值与电压偏移量关联。对式(2)两端进行求导数可得：

(5)

(6)

由此调节装置跟随微电网母线电压的偏移输出合适调节量的无功，使得母线电压保持在指定值。如果微电网中配置有响应速度快的静补(如STATCOM)，则非常适合作为此种情况的调节控制设备；如果没有静补，一般采用储能装置的逆变器来承担电压调节作用，此时逆变器的工作状态相当于一个无功发生器。

如图11所示，控制参考量为设定的微电网母线电压，控制目标为公共连接点的无功交换功率，电压偏差与无功增量的关系如式(6)，动态地调整调节设备的无功输出，对公共连接点无功交换功率进行控制，起到稳定微电网电压的作用。对于有功交换功率，根据微电网本身的经济运行控制策略，通过对储能装置充电或放电功率的调节，向配电网购进或售出电能。

图11 微电网电压控制流程

4.2 电压控制及仿真

小扰动时，未加入电压控制时母线电压响应同图7，加入ΔU→ΔQ调节后电压响应如图12所示，调节设备动态调整无功输出，微电网母线电压恒定在1.0 pu。

图12 控制作用对波动的平复

向微电网投入一台100 kW的异步电动机来模拟大扰动，如图13所示，启用ΔU→ΔQ电压控制后，在电动机启动工程中，微电网母线电压依然保持稳定。

图13 控制作用对大扰动的平复

根据式(6)可知，微电网的这种电压控制策略对配电系统电压变化引起微电网的电压波动同样有控制作用，而且对配电网的电压也具有一定程度的反扰动能力。在配电变电站加入一个扰动，配电母线电压发生变化，微电网无调节时电压变化如图14所示。有调节时，如图15所示，微电网电压由于调节作用，保持在1.0 pu，并且对配电网电压起到一定的抬升作用。

图14 配网电压变化对微电网电压的影响

图15 控制作用对扰动的平复

5 配电网稳定的协调控制

并网运行时，微电网作为一个电源点或者负荷运行于配电网中，当配电网受到比较大的扰动出现动态稳定问题时，微电网的电压和频率也将会受到干扰。

电压和频率偏移过大对微电网的发电设备和用电设备都会产生不良的影响。一旦配电网出现较长的动态调整状态，作为微电网本身而言，最有利的措施是切断与配电网的联系，转入离网运行状态。但是就配电网来说，任何一个节点的行为都应受到配电网稳定控制策略的制约，微电网如果进行不受约束的行为可能导致配电网的扰动加剧，甚至可能导致配电网失稳。比如配电网处于过压过频状态而微电网处于负荷特性时，或者配电网处于低频低压状态而微电网处于电源特性时，微电网的擅自离网都将会使得配电网的扰动加剧，因此微电网并网运行状态下的稳定控制必须服从于配电网的稳定控制策略。同时容量较大、可调节性较好的微电网系统，能对配电网的稳定性起到良好的协调控制作用[10]。

从技术层面上讲，微电网是否参与配电网电压、频率调节与微电网的容量相关。微电网容量与配电网容量相差悬殊时，微电网对配电网的频率、电压支持作用非常微弱，因此不对其频率、电压异常的耐受能力有过多的要求，一般情况下允许微电网在电压、频率偏离正常范围经延时后与配电网解列。

对于容量较大的微电网，微电网的电压频率响应在配电网中不可忽略，宜在配电网稳定控制策略约束下参与电压、频率的调节。微电网参与配电网电压、频率的调节过程便是按照紧急有功、无功功率指令四象限实时地控制公共连接点的功率交换。微电网在调节过程中应遵循以下原则：

(1)微电网的发电、用电及储能设备应具备一定的电压、频率异常耐受能力。微电网参与调节的时间也应以设备的耐受能力为基准，保证设备不受到损害，当调节时间超过设备耐受能力时，应与配电网解列，转入离网运行状态。

(2)调节期间，允许风力发电、光伏发电偏离最大功率点状态，必要时可以切机。

(3)调节期间允许切除不重要负荷和可控负荷，但应保留重要负荷。

(4)允许能量型储能设备参与调节，但应对荷电量进行监视，保证储能设备剩余荷电量能满足微电网离网后重要负荷运行到规定的时间。

6 结 论

(1)并网运行的微电网系统，调度规则决定了微电网与配电网有功功率和无功功率的交换方式。当对微电网的交换功率有约束要求时，电压控制策略以公共连接点的交换功率为控制目标，使其维持在设定值，根据电压和无功的关系，自然地实现了微电网的电压稳定控制。当调度规则对微电网的交换功率无约束时，微电网根据电压偏差与无功增量的关系控制公共连接点的无功功率，达到电压稳定的目的。微电网的电压控制过程中，应优先使用静补装置进行无功调整，当无静补装置或静补装置输出不足时，采用储能装置的逆变器进行无功调整。

(2)配电网发生稳定问题时，微电网应服从配电网的稳定控制策略参与配电网稳定的协调统一控制。在微电网参与控制的过程中，应受限于自身设备的承受能力、储能备电容量、保证重要负荷供电等原则，必要时与配电网解列。

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(编辑：张媛媛)

VoltageStabilityControlofGrid-ConnectedMicrogrid

PENG Yong, LI Qian

(Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

The relation factor of disturbance sources and voltage fluctuation in microgrid was studied, the characteristics of power output devices were analyzed, and the selection principle of the type of voltage control equipment was proposed. According to whether the distribution scheduling has constraint on the exchange power between microgrid and distribution network, this paper proposed two voltage control strategies respectively for the microgrid with exchanging power constraint or without exchanging power constraint. Then, the effect of controlled static reactive compensation device on the voltage stability control in microgrid was studied, as well as its participation in voltage control strategy. The model of grid-connected microgrid was established. The influences of large and small disturbance on microgrid voltage under two conditions were analyzed through digital simulation method, and the effectiveness of the control strategy was verified. Finally, this paper proposed the control measure and regulation principle for the microgrid that was subject to the stability control strategy of distribution network, when the stability problem of distribution network occurred.

microgrid; grid-connected operation; voltage stability; control strategy; power constraint

TM 712

： A

： 1000-7229(2014)06-0056-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.011

2014-01-14

：2014-02-13

彭勇(1975)，男，工程师，主要从事智能电网方面的研究工作，E-mail：pengyong@csepdi.com；

李倩(1980)，女，高级工程师，主要从事换流站、变电站及智能电网方面的研究、设计工作，E-mail：liqian@csepdi.com。