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摘要：针对微电网中分布式电源惯性很小及系统运行馈线分散等引起微电网电能质量问题，提出一种基于功率流的配电网静止无功补偿控制策略，通过对分布式发电机和配电网静止无功补偿器换流器的结构及控制的研究，给出了并网模式下的控制方式，仿真结果表明，该方法可以保证更加有效的减小微电网的压降。
关键词：微电网；功率流；压降；配电网无功静止补偿器
中图文分类号：TM761.12
Study the problems of the microgrid voltage regulator based on the power flow
Chen Shi-long Chen Hao
（Guang Ming Electric Power Investment Co.，LTD，Quzhou 324000，China）
Abstract： Aiming at the problems of microgrid power quality is caused by the inertia small of distributed power and the system operating feeder dispersion， put forward a control strategy of DSTATCOM based on power flow， through the study of the structure and control of distributed generators and DSTATCOM， control mode are given in the grid connected mode， the simulation results show that this method can ensure more effective to reduce the voltage drop of the microgrid.
Keywords：microgrid； power flow； voltage drop； DSTATCOM
1、引言
由采取本地发电的分布式发电机组成的微电网，可以通过电力电子器件对其进行监测和补偿，实现在并网以及孤岛模式下均能在发电的同时确保电能质量[1]。对微电网而言，其主要的电能质量问题就是压降，一般来说，微电网中存在10%的压降是可以接受的。配电网静止无功补偿器DSTATCOM可以满足电压支持和电能质量改善的需求[2]。
由于频繁的负载变化以及分布式发电机的连续电量变化，根据电压变化而迅速进行微电网的无功功率补偿是非常重要的[3]。线路中的功率流会对电压产生影响，所以，可以根据线路中的功率流来调节无功功率补偿。本文提出一种通过分布式发电机和配电网静止无功补偿器的连锁控制来改善无功功率补偿的方法，实现在电压调节限值内稳定快速的基于功率流的无功功率补偿。
2、微电网系统结构
在图1所示的系统中，分布式发电机DG和负载Ld在三个馈线部分相连[4]，DG1a表示
基金项目：浙江衢州光明电力工程有限公司研发项目（GM20140120）
作者简介：陈士龙（1965—），男，本科，工程师，研究方向为电气自动化技术。
第一个分布式发电机与A相电源相连，Ld1a表示第一个负载与A相电源相连，其它分布式式发电机和负载表示方法以此类推。以DSTAT a、DSTAT b和DSTAT c表示三个配电网静止无功补偿器，分布式发电机采用电压源换流器VSC接口。在并网模式下，分布式发电机提供最大可用功率，而公用电网提供负载需要的所有额外功率；在孤岛模式下，由分布式发电机满足总电力需求，如果在孤岛模式下的电力需求大于分布式发电机的总功率输出，将会减少部分负载以实现功率平衡。在表1中列出了系统参数。
但是，配电网静止无功补偿器的容量QSTATLIM限制了QSTAT，根据最大的有功功率流和无功功率流来选择增益mSTAT、K1和K2的值，从而确保配电网静止无功补偿器的参考电压在电压调节的限值之内。由此可知，本文提出的控制方法是基于两个控制回路的。首先根据本地测量来确定主要的控制回路（对应式（8）中的前两项），再根据电路中的电压以及功率流来确定辅助的控制回路。
4、分布式发电机和配电网静止无功补偿器的换流器控制[6][7]
4.1分布式发电机换流器的结构和控制
所有分布式发电机换流器的结构和控制都是类似的。以DG-1换流器为例介绍换流器的结构和控制。DG-1换流器的结构如图3所示。这种单相换流器由四个IGBT开关构成，换流器交流侧的输出电压e通过变压器与输出滤波电容Cf连接。变压器损耗和电感分别用Rtr和Ltr来表示。分布式发电机与公共耦合点PCC通过输出电感Lf相连。DG-1换流器的控制方式如图4所示。图4还说明了其参考电压的生成和频率控制。
一般来说，在远端馈线处会使用一个单独的配电网静止无功补偿器用于无功功率补偿。然而，根据微电网中的分布式发电机的数量、功率流以及电压控制，可能需要安装多个配电网静止无功补偿器。针对多个配电网静止无功补偿器的情况，控制方式必须相应修正。一种方法是划分不同的馈线区域，每个配电网静止无功补偿器负责各自区域的无功功率补偿。该区域内的分布式发电机与配电网静止无功补偿器通信。此外，配电网静止无功补偿器亦可相互通信，改善线路的电压分布，确保在一个区域的控制不与其他区域发生冲突。
5、仿真模拟试验结果
采用SIMPOWER软件模拟基于功率流的微电网电压调整结果。仿真试验主要针对没有无功功率补偿、根据本地测量进行无功功率补偿和使用本文提出的方法进行无功功率补偿三种情况，通过并网模式运行来测试本文提出的控制方法的有效性，当系统稳定运行时，所有的分布式发电机提供额定功率，所有负载均与系统相连，连接到A相的三个分布式发电机DG-1a、DG-2a和DG-3a的输出功率不能大于2千瓦，无功功率也不能大于300Var。以各种情况下A相电压的分布为例来说明仿真结果。 5.1没有无功功率补偿
在这个测试用例中，没有考虑无功功率补偿，由分布式发电机和公用电网（并网模式）或者仅由分布式发电机（自主模式）提供所有的无功功率。对于并网模式，A相的电压分布如图7所示。可以看出，在馈线的远端和中段，电压调节问题更为突出。与公用电网连接侧的电压骤降保持在2%以内。
图7 A相电压分布
Fig.7. RMS voltages at phase A
5.2根据本地测量进行无功功率补偿
配电网静止无功补偿器以常规方式工作。根据配电网静止无功补偿器，通过本地母线电压来注入无功功率。对于并网模式，A相电压如图8所示。可以看出，与没有无功功率补偿的情况相比，电压分布得以改善。然而在某些情况下，电压仍然低于限值，只有靠近配电网静止无功补偿器的无功功率补偿获得了较好的效果。
无功功率注入的限值。对于并网模式，A相的电压如图9所示。可以看出，应用本文提出的方法，电压分布得到了改善（10%的误差范围内）。
图9 基于功率流的电压调节的A相电压分布
Fig.9.RMS voltage phase A with proposed method
在并网模式下，没有任何无功功率补偿，电压下降，低于可以接受的限值；基于本地测量的无功功率补偿改善了电压分布，但是在馈线的远端，电压调节无法取得较好的效果；本文提出的控制器能够提供适当的无功功率补偿，保持电压在可接受的范围内。
6、结论
本文提出一种新的控制技术，应用于可通信的单相配电网静止无功补偿器，主要应用于相距较远的小型社区，馈线较长，通过微电网来满足单相负载的需求。结果表明，本文提出的方法可以通过数量较多的分布式发电机的电压调节来更加有效地减小压降。下一步的研究是将此方法应用于自主模式、并网模式运行后切换为孤岛模式的运行条件来验证其性能。
参考文献
[1]Ritwik Majumder，”Reactive power compensation in single-phase operation of microgrid，”IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.60，No.4，pp.1403-1416，Apr.2013.
[2]鲁宗相，王彩霞，闵勇等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31（19）：101-102.
[3]时珊珊，鲁宗相，周双喜等.中国微电网的特点和发展方向[J].中国电力，2009，42（7）：21-25.
[4]Z.Tao and B.Francois，”Energy management and power control of a hybrid active wind generator for distributed power generation and grid integration，”IEEE Trans.Ind.Electron.，Vol.58，no.1，pp.95-104，Jan.2011.
[5]R.Majumder，”Modeling，Stability Analysis and Control of Microgrid，”Ph.D.dissertation，Queensland Univ.Technol.，Brisbane，Australia，2010.
[6]康珍，罗安，吕志鹏等.配置DSTATCOM的微网无功电压联合控制系统[J].计算机系统应用，2011，20（11）：29-32，108.
[7]吕志鹏，罗安，荣飞等.电网电压小平衡条件下微网PQ控制策略研究[J].电力电子技术，2010，44（6）：71-74.
[8]袁佳歆，陈柏超，万黎等.利用配电网静止无功补偿器改善电网电能质量的方法[J].电网技术，2004，28（19）：81-84.
关键词：微电网；功率流；压降；配电网无功静止补偿器
中图文分类号：TM761.12
Study the problems of the microgrid voltage regulator based on the power flow
Chen Shi-long Chen Hao
（Guang Ming Electric Power Investment Co.，LTD，Quzhou 324000，China）
Abstract： Aiming at the problems of microgrid power quality is caused by the inertia small of distributed power and the system operating feeder dispersion， put forward a control strategy of DSTATCOM based on power flow， through the study of the structure and control of distributed generators and DSTATCOM， control mode are given in the grid connected mode， the simulation results show that this method can ensure more effective to reduce the voltage drop of the microgrid.
Keywords：microgrid； power flow； voltage drop； DSTATCOM
1、引言
由采取本地发电的分布式发电机组成的微电网，可以通过电力电子器件对其进行监测和补偿，实现在并网以及孤岛模式下均能在发电的同时确保电能质量[1]。对微电网而言，其主要的电能质量问题就是压降，一般来说，微电网中存在10%的压降是可以接受的。配电网静止无功补偿器DSTATCOM可以满足电压支持和电能质量改善的需求[2]。
由于频繁的负载变化以及分布式发电机的连续电量变化，根据电压变化而迅速进行微电网的无功功率补偿是非常重要的[3]。线路中的功率流会对电压产生影响，所以，可以根据线路中的功率流来调节无功功率补偿。本文提出一种通过分布式发电机和配电网静止无功补偿器的连锁控制来改善无功功率补偿的方法，实现在电压调节限值内稳定快速的基于功率流的无功功率补偿。
2、微电网系统结构
在图1所示的系统中，分布式发电机DG和负载Ld在三个馈线部分相连[4]，DG1a表示
基金项目：浙江衢州光明电力工程有限公司研发项目（GM20140120）
作者简介：陈士龙（1965—），男，本科，工程师，研究方向为电气自动化技术。
第一个分布式发电机与A相电源相连，Ld1a表示第一个负载与A相电源相连，其它分布式式发电机和负载表示方法以此类推。以DSTAT a、DSTAT b和DSTAT c表示三个配电网静止无功补偿器，分布式发电机采用电压源换流器VSC接口。在并网模式下，分布式发电机提供最大可用功率，而公用电网提供负载需要的所有额外功率；在孤岛模式下，由分布式发电机满足总电力需求，如果在孤岛模式下的电力需求大于分布式发电机的总功率输出，将会减少部分负载以实现功率平衡。在表1中列出了系统参数。
但是，配电网静止无功补偿器的容量QSTATLIM限制了QSTAT，根据最大的有功功率流和无功功率流来选择增益mSTAT、K1和K2的值，从而确保配电网静止无功补偿器的参考电压在电压调节的限值之内。由此可知，本文提出的控制方法是基于两个控制回路的。首先根据本地测量来确定主要的控制回路（对应式（8）中的前两项），再根据电路中的电压以及功率流来确定辅助的控制回路。
4、分布式发电机和配电网静止无功补偿器的换流器控制[6][7]
4.1分布式发电机换流器的结构和控制
所有分布式发电机换流器的结构和控制都是类似的。以DG-1换流器为例介绍换流器的结构和控制。DG-1换流器的结构如图3所示。这种单相换流器由四个IGBT开关构成，换流器交流侧的输出电压e通过变压器与输出滤波电容Cf连接。变压器损耗和电感分别用Rtr和Ltr来表示。分布式发电机与公共耦合点PCC通过输出电感Lf相连。DG-1换流器的控制方式如图4所示。图4还说明了其参考电压的生成和频率控制。
一般来说，在远端馈线处会使用一个单独的配电网静止无功补偿器用于无功功率补偿。然而，根据微电网中的分布式发电机的数量、功率流以及电压控制，可能需要安装多个配电网静止无功补偿器。针对多个配电网静止无功补偿器的情况，控制方式必须相应修正。一种方法是划分不同的馈线区域，每个配电网静止无功补偿器负责各自区域的无功功率补偿。该区域内的分布式发电机与配电网静止无功补偿器通信。此外，配电网静止无功补偿器亦可相互通信，改善线路的电压分布，确保在一个区域的控制不与其他区域发生冲突。
5、仿真模拟试验结果
采用SIMPOWER软件模拟基于功率流的微电网电压调整结果。仿真试验主要针对没有无功功率补偿、根据本地测量进行无功功率补偿和使用本文提出的方法进行无功功率补偿三种情况，通过并网模式运行来测试本文提出的控制方法的有效性，当系统稳定运行时，所有的分布式发电机提供额定功率，所有负载均与系统相连，连接到A相的三个分布式发电机DG-1a、DG-2a和DG-3a的输出功率不能大于2千瓦，无功功率也不能大于300Var。以各种情况下A相电压的分布为例来说明仿真结果。 5.1没有无功功率补偿
在这个测试用例中，没有考虑无功功率补偿，由分布式发电机和公用电网（并网模式）或者仅由分布式发电机（自主模式）提供所有的无功功率。对于并网模式，A相的电压分布如图7所示。可以看出，在馈线的远端和中段，电压调节问题更为突出。与公用电网连接侧的电压骤降保持在2%以内。
图7 A相电压分布
Fig.7. RMS voltages at phase A
5.2根据本地测量进行无功功率补偿
配电网静止无功补偿器以常规方式工作。根据配电网静止无功补偿器，通过本地母线电压来注入无功功率。对于并网模式，A相电压如图8所示。可以看出，与没有无功功率补偿的情况相比，电压分布得以改善。然而在某些情况下，电压仍然低于限值，只有靠近配电网静止无功补偿器的无功功率补偿获得了较好的效果。
无功功率注入的限值。对于并网模式，A相的电压如图9所示。可以看出，应用本文提出的方法，电压分布得到了改善（10%的误差范围内）。
图9 基于功率流的电压调节的A相电压分布
Fig.9.RMS voltage phase A with proposed method
在并网模式下，没有任何无功功率补偿，电压下降，低于可以接受的限值；基于本地测量的无功功率补偿改善了电压分布，但是在馈线的远端，电压调节无法取得较好的效果；本文提出的控制器能够提供适当的无功功率补偿，保持电压在可接受的范围内。
6、结论
本文提出一种新的控制技术，应用于可通信的单相配电网静止无功补偿器，主要应用于相距较远的小型社区，馈线较长，通过微电网来满足单相负载的需求。结果表明，本文提出的方法可以通过数量较多的分布式发电机的电压调节来更加有效地减小压降。下一步的研究是将此方法应用于自主模式、并网模式运行后切换为孤岛模式的运行条件来验证其性能。
参考文献
[1]Ritwik Majumder，”Reactive power compensation in single-phase operation of microgrid，”IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.60，No.4，pp.1403-1416，Apr.2013.
[2]鲁宗相，王彩霞，闵勇等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31（19）：101-102.
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[4]Z.Tao and B.Francois，”Energy management and power control of a hybrid active wind generator for distributed power generation and grid integration，”IEEE Trans.Ind.Electron.，Vol.58，no.1，pp.95-104，Jan.2011.
[5]R.Majumder，”Modeling，Stability Analysis and Control of Microgrid，”Ph.D.dissertation，Queensland Univ.Technol.，Brisbane，Australia，2010.
[6]康珍，罗安，吕志鹏等.配置DSTATCOM的微网无功电压联合控制系统[J].计算机系统应用，2011，20（11）：29-32，108.
[7]吕志鹏，罗安，荣飞等.电网电压小平衡条件下微网PQ控制策略研究[J].电力电子技术，2010，44（6）：71-74.
[8]袁佳歆，陈柏超，万黎等.利用配电网静止无功补偿器改善电网电能质量的方法[J].电网技术，2004，28（19）：81-84.