微电网中电压跌落的综合补偿策略

刘丽1张楠1周洁1王国鹏2张嵩1

（1.国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京100038；2.国网冀北电力有限公司，北京100052）

摘要：电压跌落在微电网中是一种常见的电能质量问题，因此需要通过相应的串并联补偿算法来拓展其补偿能力。本文提出了一种综合补偿策略，引入了并联补偿来降低补偿器的有功功率，通过分析微网中电压电流的关系，推导出了减少串补有功功率和增加并联补偿功率的算法公式。此算法不仅适用于正常工况，还可以运用在补偿工况中。基于该公式提出的控制策略在降低并联补偿就地限制的同时也减少了串联补偿中产生的有功功率。给出的功率流分析以及仿真也印证了该策略的准确性和有效性。此方法尤其适用于分布式网络中的远端电网。

关键词：微电网；电压跌落；并联补偿；串联补偿；有功功率

1引言

微网经常处于分布式网络的下游，因此电压跌落也就成了常见的电能质量问题。由于微网系统的电阻性和低电压特点，相对于无功，电压幅值更取决于有功功率平衡。用来增加补偿器有功容量的改进型电压补偿策略已经大量提出。而利用分布式发电的并联电压补偿法在微电网应用则更加广泛。由于所有并联多功能补偿器如DG,STATCOM,APF都可以用在微网里，因此并联电压跌落补偿策略的主要优势在于经济效益。但是由于容量限制，并联补偿器在电压严重跌落时无法进行完全补偿。串联补偿器虽然能补偿严重电压陷落，但补偿能力受限于有功功率的输出，如内置电池的体积。学者多数通过串并联补偿相结合的方式提出相应的电压跌落补偿策略。而轻微或严重电压陷落下的DG与串联补偿器共用直流电源以及分相使用串并联补偿器等控制策略也已提出。

2电压补偿容量计算

2.1串联补偿中有功功率数学模型

串补中的有功功率是解决电压陷落问题的关键因素，图1中的等效系统在完全补偿下所需有功功率如式（1）所示：

2.2并联补偿器中功率发生器的数学模型

图2中的等效系统阐述了功率注入和电压变化的关系。UDN表示配电网中电压源电压，Zload和Zline表示馈线和负载的阻抗，而ZDN表示配电网中短路容量的阻抗。配电网中短路容量决定了并联补偿器中功率注入，并因此引起的电压变化与输出功率间的关系可以用式（2）表示：

其中表示并联补偿器功率输出引起的电压变化,Ul表示补偿前并联补偿器接连处的电压幅值，表示配电网中短路容量。

2.3综合补偿策略

串联补偿在电压跌落时的性能受限于内置电池的体积。与DG共用直流母线可以提高有功功率容量但会减少补偿器布置的空间[5]。当足够大容量功率的并联补偿器注入电流来提高电网电压时，串补就不再有布置点的压力了。

电动车是电网中具备足够有功功率的并联补偿器的基础形式。因为它具备更大的电池体积，并且不受电网暂时的功率回流的影响[7]。对于一辆车来说，补偿电压跌落而需要的通信和控制元件过于昂贵，但是对于连接于EVCS[8]的汽车组来说还是有价值的。

其中d是节点L并联补偿的效应系数，在只使用并联补偿时，它相当于按并联补偿时的电压变化来分配节点L处的电压变化。串联补偿器在并联补偿下的有功功率表达式如下所（8）示：因此并联补偿中Psc的变化可以从上式中相减得到(9)。

Psc是并联补偿时串联补偿器所减少的功率。根据式（9），串联补偿器带来的有功功率减少程度取决于负载功率Pload，电压跌落值，并联补偿的d值以及串补的容量与电网容量之比|Snc|/|SDN|。在微电网中，减少有功功率的效果主要取决于两种容量的比例。

3系统仿真

3.1城市住宅小区的微电网研究

图4中所示的微电网系统是从中国北方远郊住宅的电力供应网络得到的。这个微网系统是由分配式网络中的电压源，连接PCC与电缆的变压器，一台EVCS以及一台DVR来作为串联补偿器，用来防止电压故障产生敏感性负荷。

右表中列出了线路的阻抗(Zline1和Zline2)，变压器阻抗(ZT)以及代表电网(201.3kVA)和传输线的短路容量。切上述阻抗都已转换成380V电压等级下的相应数值。表1中的“上游电网的总阻抗”是ZND+line和ZT的相加得到的总阻抗。EVCS正常工作于5kW功率下的充电模式，电压跌落中则处于电压补偿模式，最多可输出70kVA的功率。两种不同的运行模式是由PCC的电压幅值决定的。如果电压跌至20%以上，补偿模式开启，同时EVCS会产生功率提高PCC点电压。我们认为线路2处的负荷末端安装的EVCS和DVR是理想电压源，从而忽视了功率转换部分的动态过程。

3.2串联补偿中的有功功率消耗

电网中正常模式下的等效电压时402.8V（106%），跌落模式下为190V(50%)。DVR产生的有功功率由功率流软件计算得出，从而可以揭示EVCS产生有功功率的效果。仿真中DVR工作在相间升压模式[9]并始终保持敏感性负载的电压不变，结果如表5所示。根据下述曲线可看出，当EVCS发电功率增加到10kVA时，DVR产生的有功功率从2.6kW减少到2.37kW。

4实例分析

在MATLAB/Simulation环境下建模来验证上述算法。假设系统电压在0.15s到0.27s内跌落了50%。DVR和EVCS在跌落时开始工作。补偿模式下的EVCS的控制策略按照[10]中所示，DVR的控制策略则根据文献[9]。图7和8分别展示了敏感性负荷下的系统电压以及补偿电压，而图8,9则分别表示DVR以及EVCS产生的功率。

图6显示了6个周波内跌落到50%的系统相电压，图7表示了DVR在电压跌落时的负荷侧电压。图9表示从充电模式到补偿模式最后再转换成充电模式的功率变化。

在EVCS的帮助下，DVR产生的有功功率减少到1380W，以此来保证负荷侧电压。与之前没有EVCS中，DVR产生功率达到2210W相比，这是个显著的成效。

5结论

本文提出了微电网中电压跌落补偿的一种综合治理策略，这种策略不需要直流母线上有物理连接就能来调节串并联补偿器。根据功率和电压在电网以及串并联补偿中的关系，上述理论分析揭示了串补中有功功率减少和并联补偿的功率注入之间的关系并给出算法公式。文中微电网的功率流分析和仿真电压曲线充分证明了该策略的准确性和高效性。该策略对于远端电网的电压跌落补偿非常适用，非常简单并且极大降低了串联补偿器的有功功率，同时避免了与其他元器件共用直流母线的弊端，进一步解除了补偿器落地点的限制。

参考文献

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[3]C.Lin,Q.Chen,andG.Tian,etal.“TherequestofbatteryperformanceforPHEV,”BatteryBimonthly,vol.37,no.5,pp.354-356,2007.

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[5]A.GhoshandG.Ledwich,“CompensationofdistributionsystemvoltageusingDVR,”IEEETrans.PowerDelivery,vol.17,pp.1030–1036,Oct.2002.