[科普中国]-微电网电能质量分层控制

背景

近年来，能源与电力系统的主要发展方向包括可再生能源与储能的大规模集成、分布式发电的广泛应用以及需求侧的主动响应调控等，而这些目标在系统层面的最终实现则需要一个整体系统的革新以达成电网与能源系统的可持续发展。基于这些目标，主动配电网络(ADN )概念被提出，目的是合理、安全和高效地利用各种形式能源，并根据系统运行状态对负载侧进行主动智能管理。微电网作为一种本质上的ADN，对配电系统的独立性提出了更高的要求，其通过有效的发电/储能侧控制管理及负载合理平衡，使得配电系统能够脱离主网而独立持续运行。这种独立运行能力使得配电系统对主网的依赖性大大减小，避免了集中式的大规模发电以及大功率、长距离的输配电，提高了全网的效率与安全性。因此，基于多微电网的未来能源系统可以有更高的可靠性与灵活性。

当然，这一设想也为未来能源系统的发展带来了很多挑战，包括控制、协同、稳定性、管理、政策等各个层面。微电网的独立运行要求也使得研究者们更多地考虑脱离电网运行时的一些新的特性与问题。电能质量是其中之一，尤其在弱电网并网或孤立运行时，不平衡负载和非线性负载会对系统电压、电流质量造成很大的影响。

近年来，分布式发电系统越来越多地集成于现有电网系统中，而电力电子变换器和并网逆变器也逐渐成为其中不可或缺的单元。并网逆变器可以分为电压源型逆变器( voltage source inverter, VSI)和电流源型逆变器( current source inverter, CSI)两种，其区别主要在于输人端电源类型。考虑到VSI具有更高的效率、可控性与灵活性，它的应用也最为广泛。除了保证高效稳定的电能变换以及可靠的分布式发电系统集成外，并网逆变器也越来越多地被考虑用来提供电网辅助功能，如电压和频率支撑、电能质量调节等。风力发电、光伏发电以及中小储能系统(蓄电池、飞轮、超级电容等)主要通过VSI并网，这些发电源有较大的可控性与灵活性，可以实现对电能质量的调节，因此是本文的主要讨论对象1。

分层控制体系为了实现一个微电网的电能质量调控，首先需要考虑以下各关键性问题12：

(1)电能质量的测量与监控。考虑关键或敏感负载区域，一套测量、通信与估测体系有其必要性；

(2)基于电力电子变换器的快速而准确的电压、电流控制。并网逆变器应能快速准确地跟踪正序、零序、负序以及谐波次电压、电流参考；

(3)多目标控制系统的合理集成。针对不同控制目标(如功率控制及电压支撑等)的各控制系统之间的协同控制关系到系统的可靠性与稳定性；

(4)分布式发电源之间的协同控制。考虑到分布式电源的功率限制与工作模式，其应能协同补偿系统中的电能质量问题；

(5)用户自定义的电能质量要求。根据用户要求而进行相应电能质量调节是合理的，且能够降低运行成本。

为了实现以上各目标，一个多层的控制系统架构是必须的，其基本组成如右图所示。

本地控制主要为一次控制，可以包括：(1)内环电压/电流控制，通常使用的控制方法有比例积分控制、比例谐振控制及重复控制等；(2)外环功率控制，下垂控制与主从控制是最常用的控制方法；(3)外环阻尼控制，虚拟阻抗和有源阻尼方法常用在这一控制中以提高系统稳定性。系统控制可以包括二次和三次控制。二次控制主要针对系统电能质量，包括电压频率、幅值、谐波、不平衡等。三次控制的核心通常是管理策略及优化算法，用以实现整体系统的高效、低成本运行，并能够响应用户需求，对电能质量进行调控3。

电流/电压给定跟踪控制环节电流/电压内环控制主要为了跟踪外环发送的电流、电压及频率给定。在电能质量调节的要求下，内环还需要能够快速准确地跟踪零序、负序以及谐波次分量。一个电压源型逆变器的内环控制基本架构如右图所示，包括电流源型控制模式(current controlled mode, CCM)与电压源型控制模式(voltage controlled mode, VCM)14。

CCM模式与VCM模式比较CCM为经典的VSI并网控制方法，主要通过采集电网电压并由锁相环计算相位，同时检测输出电感电流并以此做反馈控制，且根据电网电压相位来调节电感电流幅值与相位，以输出定量的有功与无功。

VCM在近年来被更多地研究和采用，因其更适用于微电网的应用场合，用以实现微电网电压、频率的支撑以及并网与孤网运行的无缝转换。VCM要求检测输出滤波器电感电流与电容电压并做反馈双环控制，同时可以通过检测电网侧电流与电压来进行有功与无功的调节。

值得说明的是，CCM更多被应用在各种能源并网系统或微电网中。并网运行时，网侧电压较为稳定，各种形式分布式能源仅需要根据其发电/储能情况与电网进行功率交换，而无需对电网电压和频率进行调节。孤网或弱电网情况下则更倾向于使用VCM，因其能够对微电网或局部电网电压和频率进行支撑和调节，减小电压波动。可再生能源因其发电特点，通常使用CCM工作模式;传统发电机和储能系统因其可控性与稳定性较高，则可以工作在VCM。

内环控制核心算法对于CCM和 VCM控制中的电流环与电压环，经典的比例积分、比例谐振、重复控制等方法以及近年来越来越多应用的非线性控制方法都可以作为其核心算法。

（1）比例积分(proportional -integral, PI)控制器

PI是经典、常用的控制方法。为了同时控制负序及谐波次分量，需要多个PI控制器并联运行。每个PI控制器运行在各自的同步旋转坐标系下，这些坐标系的旋转频率与旋转方向则根据相应正序/负序及谐波阶次来确定。

（2）比例谐振(proportional -resonant, PR)控制器

PR本质上等效于两个PI控制器并联运行在正序与负序旋转坐标系下，因此PR控制可以同时实现正/负序分量的控制。同时，在参数设计合理的前提下，PR控制器能够无静差地跟踪交流给定信号。相比较PI控制器而言，PR控制的优点主要在于:减少了控制器的数量，因正/负序可以同时控制;实现了交流信号的直接控制，简化了单相交流变换器的控制;降低了控制系统的计算量。

（3）重复控制器

虽然PI与PR控制器可以用于不平衡与谐波补偿控制中，但需要对各次谐波分别进行控制，导致了过多的控制环路并联。而基于控制理论内膜原理的重复控制器可以实现对周期信号及其各整数次谐波信号的高精度控制。当然，重复控制也有其固有缺陷，一方面较长的控制延时时间限制了控制器的响应速度，另一方面因其内部植人模型周期通常是固定的，因此传统的重复控制器在频率变化系统中的应用有一定的局限性。近年来，重复控制与其他控制方法混合式的控制器以及频率自适应的重复控制器等可用于解决上述缺陷，使得重复控制器在电能质量领域的应用成为可能。

（4）非线性控制

除了上述提到的典型线性控制算法外，非线性控制算法也被越来越多地应用在有源滤波器及并网逆变器控制领域。常用的非线性控制方法包括无差拍控制、预测控制和歇斯底里控制等。非线性控制方法的最大优点在于它没有传统线性控制方法的稳定性问题，可以在任何情况下保证系统的稳定运行，但其也受限于相应的缺陷:无差拍控制与预测控制需要详细的系统电气模型以预测电流与电压的变化趋势，因此这两种控制方法若想要获得较高的控制精度，需要较为精确的系统电气参数;预测控制是基于一个内置的优化算法计算求得最优控制解，因此它需要一个强大的计算核心来实现优化问题的快速计算以保证较高的开关频率;歇斯底里控制非常简单并且快速，但其缺陷在于开关频率的不确定性，使得滤波器设计与谐波抑制较为困难。

电能质量一次调节-本地控制微电网电能质量的本地控制是通过发电侧并网变流器的合理调节来实现本地非线性或不平衡负载电流的就地补偿，避免了污染网侧电流电压;同时VCM控制下的电压源型逆变器还能够有效提高孤网以及弱电网条件下的负载侧电压质量5。

电压谐波与不平衡补偿策略在微网与配电网中，主要考虑的电能质量问题包括电压幅值、频率以及谐波与不平衡。电压幅值与频率的二次恢复已有非常可靠、成熟的方法来解决;而电压谐波及不平衡的问题则更加棘手，尤其在中小型电气系统中，不平衡与非线性负载的存在会明显地导致电压质量的恶化。在此情况下，并网逆变器需要能够对正序及负序的各主要谐波次分量进行控制，以实现电压质量的有效提高。

在基于分布式发电的微网系统中，低电压穿越( low voltage ride-through, LVRT)、网侧电流质量以及并网点(或关键负载点)电压质量为主要考虑的指标。而通过使用并网逆变器进行电能质量调节的方法主要源自于APF的相关技术，尤其是基于模拟电阻的谐波抑制方法。因此，此方法不仅提高了电压质量，也增加了系统阻尼，非常适用于微电网的应用场合。模拟电阻法首先通过Park变换以及高通滤波器( high pass filter, HPF)提取输出电压的交直轴谐波分量；该谐波分量再被逆变为三相交流信号，并与一个比例系数相乘。依此控制方法，整个控制系统将APF模拟为一个针对该次谐波的电阻以作抑制。

基于模拟电阻回路原理的APF原理可以直接应用于工作在CCM的并网电压源型逆变器，因为二者只需要单电流环控制，结构相似。但考虑到微电网应用背景下VCM并网电压源型逆变器的广泛应用，该方法需要进行一定改进。基于这个目标，有文献提出了改进方法，实现了在对输出电压/频率进行控制的前提下同时进行谐波补偿的功能。

类似的，这种方法也可以应用于三相电压不平衡补偿。在微网背景下，有文献提出了一种利用并网变流器的控制来将分布式发电系统模拟为负序导纳的方法，以降低微网负载端的电压不平衡。这个负序导纳的数值由各分布式发电系统容量决定，可合理地分配负序功率。

虚拟阻抗的方法也可以在两相旋转坐标系下实现。有文献提出了一种混合虚拟阻抗方法，其正序基频分量使用阻感性虚拟阻抗，负序及谐波次分量使用阻容性虚拟阻抗。

基于模拟电阻原理的APF方法可直接适用于CCM工作的VSI，而经过改进与集成后，也可以用于VCM工作的电压源型逆变器，并与其原有控制环路(如有功及无功下垂控制等)有效集成，在保证并网逆变器输出定量有功和无功的前提下，同时具有电能质量调节功能。

低电压穿越LVRTLVRT表示发电机在网侧发生故障导致电压下降的情况下保持短时间持续联网，以保证电网有足够的时间做出保护动作。这一特性能够避免电网多米诺效应而最终导致全网失电。针对这一特性，各个国家和地区都制定了相应标准。

在光伏系统中，其LVRT主要是通过控制并网逆变器的输出电流来实现的。电流的相位通过锁相环与电网电压同步，电流内环跟踪外环电流给定确保精确的功率和电流控制。正常运行模式下，光伏系统工作在最大功率点跟踪(maximum powerpoint tracking, MPPT)模式;在网侧出现电压下降状况时，MPPT模式应迅速切换为低电压穿越模式，否则将出现过流现象。一些既有的控制方法很好地实现了LVRT的基本功能，并同时优化了其他目标，如恒定有功输出、恒定有功电流输出等。再者，在三相系统中，考虑到低电压故障可能是非对称性短路故障，因此正序和负序电流需要同时控制，以保证此工况下的系统安全。正、负序电流的同时控制通常通过两个并行的控制回路来实现，它们分别工作在正序和负序同步旋转坐标系下;而正、负序电流参考主要根据控制目标来计算，如恒定无功支撑和电压幅值平衡等。除此以外，还有一些智能控制方法，例如基于Takagi-Sugeno-Kang型模糊神经网络控制；使用人工神经网络的矢量控制。因这些智能控制方法的复杂度高，故尚未得到广泛应用，而随着数字控制芯片计算能力和速度的升级，期待这些方法能够有更多的应用空间。

类似地，在风能变换系统(wind energy conversion systems, WECS )中，LVRT也是通过并网变换器的电流控制来实现的。基于双馈感应发电机(doubly fed induction generator, DFIG)的WECS是市场中使用最广泛的，其定子直接与电网相连，而其转子通过背靠背的变换器与电网相连。在网侧电压下降时，如没有可靠的保护控制机制，其风机感应发电机会出现过热、转矩波动以及感应电动势较大状况，若继续持续工作，将会影响风机系统安全以及寿命。传统的方法是通过短路转子线圈而使风机脱离电网，但此时电网在故障下将得不到风机发电系统的支持，有可能导致更大的区域失电，这种应对策略在现行的大部分电网标准中是被禁止的。另一种方法是通过合理地控制网侧变换器来实现LVRT。各种不同的控制策略可以集成于WECS中以实现一些基本的控制目标，如1：

(1)保持有功恒定(消除有功三角函数变量部分)；

(2)保持无功恒定(消除无功三角函数变量部分)；

(3)消除负序电流分量。

一种电子保护装置(Crowbar)也被安装在该系统中，如右图所示网。其原理是通过短路转子绕组来吸收转子侧变换器的故障电流。

上述LVRT方法均只适用于CCM下工作的VSI。近年来，以VCM模式工作的VSI因其可以更好地稳定电网电压和频率也被越来越多地应用在分布式发电系统和微网系统中。有研究给出了一种基于下垂控制的光伏系统，并在其基本控制策略之中集成了电能质量调节的功能，使得该并网逆变系统能够根据电网电压的下降程度准确地注人有功和无功。其电压给定计算控制环如图所示。但因其为单相交流系统，该文献并没有考虑三相非对称性故障模式和负序分量的控制。

电能质量的系统控制微电网电能质量的系统控制可以包括二次控制与三次控制，实现包括发电系统协调、补偿出力优化、用户侧响应等控制目标。相较于一次控制来说，系统控制的研究工作才刚刚展开，工业应用尚未形成，且其方法、结构与实现方式都有待于进一步研究与改进，但系统层面的电能质量调控对微电网的可靠运行是必要的，也是未来主要的研究方向之一。针对二次控制与三次控制方法，阐述二次控制、三次控制与本地控制的集成方式，并例举一些研究案例。

二次控制-协同补偿的实现从供电角度来看，电能质量的问题主要是负载端的电压质量。在微网与配电网中，当一个微网系统中存在有多个发电机并联时，它们应能够协同对微网内的电能质量进行调节。基于电流、电压内环和一次调节控制，主要阐述从整个微网层面所进行的二次调节，其主要目的是使多台发电机能够同时对电网中的电能质量进行调控，合理分配各发电机的补偿出力。

以一个典型的微网系统为例（右图）。

多个发电机向该微网系统供电。为了提高敏感负载汇流条(SLB)或并网点(PCC)的电能质量，二次控制可以被采用。首先，测量SLB的电能质量并分析得到其负序或谐波电压含量;然后通过二次控制计算相应补偿量，并通过通信方式发送到各个发电机端，二次控制的核心算法可以为一个PI控制器，通过比较检测量和给定量来得到补偿量;最后在并网逆变器的本地控制器中，补偿量被传递给电压内环以实现补偿效果。这种控制方法主要针对工作在VCM控制下的VSI，可以实现不平衡电压的补偿和电压谐波的抑制。

虽然所提出的控制方案可以有效提高负载侧的电压质量，但各发电机的电流/功率限制以及补偿能力也需要加以考虑。基于这些问题，有研究提出了一种改进的补偿方案，建议在已有微电网系统结构中加人若干小容量的APF。虽然并网逆变器仍然提供大部分补偿处理，但在发电机侧的电能质量降低到临界允许值或发电机补偿能力有限的情况下，APF可以启动以缓解发电系统的压力6。

除了上述方法以外，容性虚拟阻抗的方法也可以进行改进并应用在二次控制中，以提高负载侧电能质量。有文献还讨论了负序容性虚拟阻抗的数值调节问题，并提出了一种自适应的虚拟阻抗调节方法。该方法实现了基频负序以及3, 5, 7次谐波电压的抑制，有效提高了系统电能质量。

在微网电能质量调节中，除了电能质量以外，各发电系统的功率均分也相当重要，关系着系统的稳定性与安全性。传统的下垂控制能够实现基频有功和无功的均分，而无法兼顾负序和谐波次功率(因负序及谐波次功率为波动功率)。基于这种考虑，研究者们提出了各种控制方法，包括集中式、分散式与分布式等类型，以更精确地调节发电机补偿出力，合理地分配各发电系统的负担。集中式与分布式方法均需要通信系统的支持，而二者的区别在于分布式的控制方法有更高的灵活性与鲁棒性，并能避免信息的大量集中处理。一致性算法叫是近年来应用较为广泛的通信算法，它通过分享关键信息，使得各个分布式发电单元间形成自动的一致性，以实现负序电流、谐波电流的合理分配。分散式控制方法不同于其他两种控制方法，它不需要通信系统，但通常基于虚拟阻抗方法。其优点是可以避免搭建通信连接，无需集中式的信息处理;缺点是控制精度相对较低，也因缺乏信息交流难以实现系统层面的有效配置。除此以外，由于虚拟阻抗对系统的动态性能影响较大，它的使用也需要更多的系统层面建模分析，以进行参数优化，保证系统的稳定性。

三次控制-优化补偿与用户侧响应综上可以看出，二次调节的主要目标是实现微电网公共负载点或并网点电能质量的调节，其实现方式主要是通过计算一个补偿量，并同时发给所有并网发电系统。虽然二次调节基本实现了指定负载点电能质量的提高，但它还存在几个方面的问题:第一，所有并网发电系统的补偿出力相同，而未考虑其容量、线路阻抗及工作情况的差异;第二，适用于小区域或负载较为集中的微电网系统，而对于用户较为分散或多负载汇流条的微电网则无法通用;第三，仅依靠二次控制无法响应用户端的需求，因不同用户对电能质量的需求可能因时而异。因此，系统层面的三次优化很有必要。其主要目标包括:第一，在电能质量二次调节基础上，优化各并网发电系统的补偿出力，以实现微电网效率与经济性等优化目标，并考虑各发电系统的容量与补偿能力;第二，通过建模分析与实时优化，实现多负载点的电能质量调节;第三，实现针对用户电能质量要求变化的响应调节。为了实现以上各控制目标，近一两年来很多研究工作初步开展，以下就已有的研究作一个简单的总结。

针对多负载节点的微电网系统，有文献提出了一种电流限制和均分的控制策略，其通过设计一个负序阻抗控制器来实现负序功率的分配。其中负序阻抗的取值主要根据各负载节点不平衡负载和负序电流情况来计算，并考虑到各个发电机的功率容量。但此方法需要一个同步测量体系，如同步相量测量装置(PMU)。

为了实现用户自定义的电能质量调节,有研究提出了一种多目标优化算法，旨在最优地利用各并网逆变器。一个基于灾难决策理论的电能质量分析架构也被设计出，用以实现总谐波失真(THD)和功率因数(PF)的同时调节。基于多目标算法和灾难决策理论的管理层与发电系统的控制层构成了一个多层次的控制系统。用户也可以与系统管理员直接交流并设定其电能质量要求。系统管理员通过智能管理层制定相应控制方法，在保证系统安全的前提下实现电能质量地灵活调节1。

当微网系统中有各种不同工作模式的发电机时，主从控制法也可以作为一个很好的备选方法，这种方法被证明可以有效地实现多微网系统的电能质量调节四。该方法假设在何个微网系统中存在一个主发电单元和多个从属发电单元，其中主发电单元工作在电压源型控制模式，对微网的电压和频率进行直接调控;而各从属发电单元工作在电流源模式。从属发电单元选择性地对本地的谐波和负序电流进行补偿;而主发电单元承担剩余的所有负载。各微网中的主发电单元通过下垂控制自动调控，实现多微网之间的有功/无功分配。该文还提出使用保守功率理论(conservative power theory)实现各谐波、负序分量的解藕控制。其仿真实验结果证明该方法能够实现电能质量调节并保证了谐波/负序功率与无功的均分7。

用户自定义的电能质量调节在微电网项目以及日本仙台的4年微网项目中被重点考虑，其概念如右图所示。

结语阐述、讨论了微电网电能质量调节的各种控制方法和管理策略以及相应控制系统整体架构，分层控制理念是本文的必要基础，包括参考跟踪控制（电压电流控制内环）、一次控制、二次调节和三次优化管理。三层各有分工但构成一个整体，从而实现微网的全面协调与管理。

未来的电网将是多微网的灵活集成体，对各微网之间的互相连接、电能交换与电能质量影响需要更多的深人研究。除此以外，电能质量的调节仍需考虑系统实际因素，包括发电系统的功率等级限制、补偿能力调整以及用户的电能质量要求等;系统的经济性、稳定性、效率等其他目标也需要与电能质量调节相互联系，以实现整个系统的全面优化控制。未来微电网中的电能质量控制应该结合使用传统无源、有源滤波器和并网逆变器，在系统的设计和安装阶段即考虑滤波器和发电机的选位及功率等级等因素，使得系统的电能质量调节更加便捷、容易。