含微网的配电系统电压暂降分析与控制

李琼旎

（广东省电力设计研究院广东天联电力设计有限公司，广东广州510663）

含微网的配电系统电压暂降分析与控制

李琼旎

（广东省电力设计研究院广东天联电力设计有限公司，广东广州510663）

研究了微网的结构、运行特性和控制策略，基于电能质量的基本要求，分析了微网电压暂降的产生机理以及控制方法。针对电压暂降问题，从传统电力系统中的研究成果出发，考虑在微网中接入动态电压恢复器（DVR）改善电能质量，并采用了基于数学形态学的电压d-q分解检测算法检测电压。在PSCAD/EMTDC中对上述方案进行建模，结合微网模型进行仿真，并对仿真结果进行分析，验证其有效性。

微网；电压暂降；动态电压恢复器；PSCAD/EMTDC

0　前言

微网与普通电网相比，采用了不同种类的微电源，由于变流器的存在，电网的控制手段均基于变流器的复杂控制方法，这些使得含微网的配电系统的电能质量区别于传统电网，有其自身的规律与特点。电压暂降在电力系统十分常见，其带来的电能质量问题非常严重。目前对于电压暂降问题，通常的补偿方法基于两种注入补偿思路：串联电压或并联电流。串联电压补偿通过和系统进行能量交换，普遍采用储能单元，其中最具代表性的是动态电压恢复器（dynamic voltage restorer，DVR）。DVR实现有效补偿的基本条件在于电压暂降检测的准确性与灵敏性，只有检测出电压跌落准确的瞬时值或有效值，通过比较才能确定暂降幅度并控制注入电压的幅值和相位。本文根据数学形态学，结合其中的开闭运算，通过运算重叠组合，可以在检测算法中实现效果更好的低通滤波，对微网并网引起的故障电压波形的实时检测并将三相电压进行dq变换，经由形态滤波器的低通滤波［1］，从而达到改善电压质量的目的。在该检测方法的基础上，将DVR引入微网中并做了建模仿真研究。

1　动态电压恢复器

1.1DVR简介

电压暂降在电网中的持续时间大多为0.5～1.5 s，在暂降时间内，供电电压出现短时下降又回升恢复的情况。

用户电力方面，应用了大量的电力电子技术和开关器件，在电路中采用大功率器件为提高配电网侧的电能质量提供了更有效的解决途径。其核心内容是电力电子设备在电力系统中的应用［3］。动态电压恢复器（dynamic voltage re⁃storer，DVR）作为重要的补偿器件之一，针对电压的暂降、暂升、波动与闪变等都具有良好的动态性能，而具有较大的容量使其在治理动态电压问题有着技术经济性上的有效优势。如图1所示。

图1　DVR原理图

DVR由储能电路、变流装置、滤波电路部分和变压器4个部分组成［2］，典型结构如图所示。它通过检测电路检测出电压暂降深度和相位差，准确计算补偿量，控制逆变器的电力电子开关开通与关断；再经过滤波电路和变压器，通过串联方式注入到负载电路中，从而恢复负载电路的电压质量，提高供电可靠性。

在实现DVR对电压的补偿过程中，电压补偿量的检测计算关键环节非常重要，它直接影响补偿的精度和实时性。本文采用了数学形态学运算滤除谐波，通过瞬时序分量分解和d-q分解变换检测方法，计算出所需的电压补偿量。

1.2形态学滤波器检测原理

数学形态学用集合来描述目标信号，通过形态变换用于图像分析和处理、形态滤波器的特性分析和系统设计，其主要变换为布尔运算和少量的加减运算，可以简化图像数据，保持基本形状特性，与传统滤波器相比，提高了图像的数据处理速度和滤波质量。

数学形态学运算以数学集合学为基础，通过腐蚀和膨胀作为分析几何形状和结构的两种基本运算法，并引出开启运算、闭合运算等其他几个常用的数学形态运算［4-5］，并可推导组合成为形态学的实用算法。

先腐蚀后膨胀被定义为开启运算，先膨胀后腐蚀被定义为闭合运算：

开启运算和闭合运算都是低通滤波器的基本运算，但单独应用运算均不能取得理想的滤波效果，因此，为了获取更快运算速度和精确度，本文采用两种滤波器的组合形式［6］。

数学形态学运算中，结构元素起着重要的作用，结构元素以探针的形式采集图像信息。因此如果选择合适的结构元素，使其宽度大于最低次谐波半个周期的宽度，探针在采集数据中不断移动，则对dq变换后的信号进行开启—闭合和闭合—开启运算后，直流分量得以保留，通过开启运算滤除比探针小的突刺，而通过闭合运算填充小于探针的缺口，故此信号中混杂的宽度小于结构元素宽度的谐波分量将被消除。

在进行形态学滤波前采用瞬时序分量分解法对采样得到的畸变电压波形进行处理，从三相不对称的波形中提取含谐波的三相正序分量，从而提高检测精度，瞬时序分量分解公式为：

其中，ua、ub、uc为通过采样得到的A处三相电压，ua1、ub1、uc1为瞬时序分解环节计算出的含有谐波分量的三相正序电压。

1.3瞬时电压d-q分解检测方法

瞬时电压d-q分解变换方法以广义瞬时无功功率理论为基础，其算法简单且响应速度快，目前广泛应用于电压暂降的检测环节中。其基本原理是将abc坐标系下的三相电量转换到虚拟dq0坐标系下，这种算法可以有效地瞬时确定电压有效值和相位跳变的大小。

采样电压量进入d-q变换和PLL环节。d-q变换所需的相角ωt由PLL环节提供，d-q变换如下：

d-q变换之后的电压分量通过形态滤波器可以滤除ud和uq中的谐波分量，再经过dq反变换，直流分量可以反变换成三相基频正序电压分量。

dq反变换，算式如下：

补偿电压值通过与系统电压比较得到，作为指令电压输入，可以计算逆变器的控制信号，而这部分还需计入逆变器直流侧电容电压的影响，按照SPWM三角波调制规律，逆变器输出电压值可以补偿系统的电压暂降。

2　接入DVR的含微网配电系统建模

2.1含微网的配电系统

微网中含有多种分布式电源，通过电力电子装置，注入公共连接点并与传统配电网并网，其容量一般不超过100 kW，包括太阳能光伏、风电机组、微型燃气轮机、燃料电池和蓄电池等［7］。

由于本文研究电能质量及其改善措施，主要关注分布式电源的外特性，因此建模时将微网微源简化为直流源或经整流后的交流源［8］。

2.2接入DVR的PSCAD/EMTDC模型

本文采用含有微型燃气轮机的配电网模型为例进行建模仿真。在该发电系统中，通常电路整流部分采用二极管不可控整流措施，直流环节加升压斩波器对永磁发电机整流输出的较低且波动的电压进行稳压［9］。在本文的分布式电源并网模型中，将微源简化为经过整流后的交流源，负荷采用恒阻抗模型，并网逆变器采用PQ控制方式［10-11］。

在该配电系统中，两条配电线路上均存在一定容量的微源，其中一条线路末端带有敏感性负荷，并发生电压暂降故障，电能质量不能满足供电要求，通过建模，在故障线路中串联DVR用以改善电压质量。如图2所示。

3　仿真结果分析

在PSCAD/EMTDC中建立稳定运行的含微网配电系统模型，在系统出现电压跌落时，对数字形态滤波器的效果进行分析，采用本文提出的检测方法进行跌落补偿，对比分析仿真结果。

系统电压为7.5 V/50 Hz，在0.6 s时发生a相单相电压暂降，暂降深度为50%，持续至0.68 s时结束，三相电压如图3所示。发生电压暂降时，对DVR在含微网的配电系统下对电压暂降的补偿仿真结果进行分析，仿真证明了这种补偿方法的有效性，如图4中的A点和B点比较结果得出，补偿效果良好。

图3　电压暂降波形

在DVR向电网注入补偿电压之前，采用基于形态学滤波器的dq检测算法，检测电压暂降特征值如图5。

补偿电压的幅值和相角均为可控值，在电压暂降检测算法中结合数学形态学构造形态学滤波器，对dq变换后的信号进行滤波，保留其直流分量，检测算法的滤波结果如图6所示，从而可以保证DVR的补偿精确度和实时性。

图4　补偿前后电压波形对比（kV）

图5　电压暂降特征值检测结果（kV）

4　结论

本文针对含微网的配电系统电压暂降问题，展开对DVR应用的研究，在研究其典型结构和工作原理的基础上，分析常用电压暂降补偿方法，进而采用基于瞬时无功功率理论的dq变换检测算法，并根据数学形态学构造形态学滤波器加以改进，通过对微网的网络分析，利用微网中微源提供有功功率，在PSCAD/EMTDC仿真环境下，建立DVR的仿真及控制部分的模型，含微网的配电系统模型，通过分析模型的仿真结果，验证该补偿模型对电压暂降的有效补偿能力。

［1］R.H.Lassetter，P.Piagi.Microgrid：A Conceptual Solu⁃tion［C］.Proceedings of IEEE 35th Annual Power Elec⁃tronicsSpecialistsConference，Aachen，Germany，2004.

［2］袁泉.具备多组电池接入功能的储能双向变流器系统［J］.电源技术，2013（8）：1-2.

［3］冯小明.动态电压恢复器理论及仿真研究［D］.北京：中国农业大学，2005.

［4］陈平，李庆民.基于数学形态学的数字滤波器设计与分析［J］.中国电机工程学报，2005（11）：60-65.

［5］岳蔚，刘沛.基于数学形态学消噪的电能质量扰动检测方法［J］.电力系统自动化，2002（7）：13-17.

［6］Hui Zhou，Jing Zhou，Zhiping Qi.Fast voltage detection for a single-phase dynamic voltage restorer using morpho⁃logical low-pass filters［C］.DRPT2008 6-9 April 2008 Nanjing China，2008.

［7］郑漳华，艾芊.微电网的研究现状及在我国的应用前景［J］.电力系统自动化，2008（16）：27-31.

［8］雷之力，艾欣，崔明勇.微网电压暂降串并联协调补偿策略［J］.华北电力大学学报，2010（5）：1-5.

［9］王成山，肖朝霞，王守相.微网综合控制与分析［J］.电力系统自动化，2008（7）：98-103.

［10］王同勋，薛禹胜，S.S.CHOI.动态电压恢复器研究综述［J］.电力系统自动化，2007（9）：101-107.

［11］肖湘宁，徐永海，刘昊.动态电压恢复器研究综述［J］.电力系统自动化，2002（1）：19-22.

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文献标识码：1009-9492（2015）12-0029-04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.008

李琼旎，女，1988年生，湖南人，硕士研究生。研究领域：电力系统分析运行与控制。已发表论文2篇。

（编辑：阮毅）

2015-09-06